JPH06281728A - 可変利得増幅器を組み込んだ超音波変換器 - Google Patents

可変利得増幅器を組み込んだ超音波変換器

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JPH06281728A
JPH06281728A JP5304868A JP30486893A JPH06281728A JP H06281728 A JPH06281728 A JP H06281728A JP 5304868 A JP5304868 A JP 5304868A JP 30486893 A JP30486893 A JP 30486893A JP H06281728 A JPH06281728 A JP H06281728A
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JP
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converter
variable gain
signal
preamplifier
cable
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JP5304868A
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Ronald D Gatzke
ロナルド・ディ・ガッツク
Michael P Anthony
マイケル・ピー・アンソニー
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  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 最適な波形忠実度およびノイズ性能を得るこ
と 【構成】 ケーフ゛ル12,12'を介して変換器に接続された信
号送信および信号受信回路を備えた超音波画像形成システム
に使用する超音波変換装置10,10'。この変換装置は、超
音波エネルキ゛ーを電子信号に変換する変換器16と、その変換
器16に接続された入力およびケーフ゛ル12,12'に接続された
出力を有し画像形成システムからの利得制御信号により決定
される利得で前記電子信号を増幅する可変利得増幅手段
とからなる。この変換装置は典型的には手持型で、その
可変利得増幅回路18,20は好適には変換素子に非常に近
接して手持型ユニット中に取り付けられる。可変利得増幅回
路は好適には前置増幅器18および可変利得増幅器20を備
える。好適には変換器16は複数の変換素子161,162,…16
nを備える変換器アレイであり、その各変換素子は、それに
関連する前置増幅器および可変利得増幅器を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に、超音波画像形成
に関し、特に、可変利得増幅回路が組み込まれた超音波
変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】超音波とは一般に人間の可聴範囲より上
の周波数を有する音波のことをいう。代表的な超音波画
像システムでは、超音波エネルギーの短いバーストが手
持型変換器により身体中に伝えられる。戻ってくる反射
エネルギー即ちエコーが、前記と同じ変換器で受信され
る。その反射エネルギーを表す信号が処理されて、目標
領域のビデオ画像が形成される。超音波画像形成は、心
臓構造、脈管系、胎児、子宮、腹部器管、および眼等の
人体内の構造を非侵襲的に観察するために、医療的な用
途で広範に使用されている。
【０００３】超音波変換器は一般に、圧電結晶等の変換
素子アレイから構成され、その変換素子は、人体内の各
種構造を貫通するのに充分な音響エネルギーへと電気信
号を変換するものである。この変換素子はまた、比較的
弱い戻りエコーを電気信号に変換し、その信号が画像へ
と処理される。超音波変換器アレイの構成および機能
は、当業界で周知のものである。
【０００４】電子スキャン・サブシステムは、アレイ中
の変換素子による超音波信号の送受信を制御する。超音
波画像システム用のそのようなスキャナの構成および動
作理論は、Gatzke等の論文「Electronic Scanner for P
hased-Array Ultrasound Transducer」（Hewlett Packa
rd Journal, December 1983）に概説されている。な
お、本引用をもってその開示内容を本明細書に包含させ
たものとし、その詳細な説明は省略する。そのスキャナ
は、超音波ビームの方向および集束を制御する。このス
キャナは、各変換素子からの受信パス中に、時間利得補
償(TGC)増幅器を備えている。変換器アレイの近くの構
造体からのエコーは、その振幅が比較的大きいが、身体
内の深部の構造体からのエコー（一層遅れて受信される
もの）は、その振幅が比較的小さい。TGC増幅器は、超
音波のエコーが受信されるにつれて時間と共に利得を変
化させることにより受信振幅の広い範囲を補償する。
【０００５】変換素子アレイにより生成される信号の範
囲は、スキャナサブシステム内の受信回路により受信可
能な信号の範囲より大きくなり得る。従って、スキャナ
内の受信増幅器のノイズ性能は、システムのノイズ性能
全体に対して重要なものとなる。また、システムのダイ
ナミックレンジは、非常に高い信号レベルを扱うため
に、スキャナ内の受信回路の能力により制限されること
になる。
【０００６】変換器アレイを備えた手持型プローブは一
般に、接続ケーブルによりシステムの受信および処理用
の電子装置に接続される。この構成は、インピーダンス
整合の問題を生じ得るものである。各変換素子のインピ
ーダンスがケーブルのインピーダンスと整合していない
場合、波形歪が発生することになる可能性がある。最新
の音響変換素子の場合には、変換素子のインピーダンス
は、ケーブルのインピーダンスよりはるかに高いのが一
般的である。
【０００７】インピーダンス整合問題に対する１つの解
決策として、各変換素子の後に固定利得前置増幅器を設
けてケーブルを駆動するという方法がある。Sorenson等
に対して1984年12月25日に発行された米国特許第4,489,
729号は、超音波画像システムのスキャナヘッドに取り
付けられた固定利得線形前置増幅器を開示している。こ
の方法の場合には、前置増幅器で利用可能な利得の量が
制限されてしまう。その利得が低い場合（一般には利得
１）、システムの受信増幅器のノイズ性能は、画像シス
テムのノイズ性能全体にとって重大なものとなる。更
に、前置増幅器により生成される信号レベルが比較的低
いことに起因して外部の電磁干渉(EMI)源によりノイズ
劣化が発生する可能性がある。また前置増幅器の利得が
高い場合には、システム受信器が高レベル信号を扱う能
力を有さないことにより、システムのダイナミックレン
ジが制限される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従って、最適な波形の
忠実度を得るため、変換素子のインピーダンスをケーブ
ルのインピーダンスに整合させると共に、変換素子のダ
イナミックレンジを受信回路のダイナミックレンジに整
合させる受信回路を備えた超音波変換装置の必要性が存
在する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、超音波
画像システムに使用する超音波変換装置が提供される。
この画像システムは、ケーブルを介して変換装置に接続
された信号送信および信号受信回路を備えるものであ
る。変換装置は、超音波エネルギーを電子信号に変換す
る変換器と、変換器に接続された入力およびケーブルに
接続された出力を有し画像システムからの利得制御信号
により決定される利得で前記電子信号を増幅する可変利
得増幅手段とから構成される。変換装置は、典型的には
手持型のものであり、その可変利得増幅手段は、変換器
に非常に近接して手持型ユニット中に取り付けることが
できる。
【００１０】可変利得増幅手段は好適には、変換器に接
続された入力を有する前置増幅器と、その前置増幅器の
出力に接続された入力およびケーブルに接続された出力
を有する可変利得増幅器とから構成される。前記前置増
幅器の入力インピーダンスは変換器のインピーダンスに
ほぼ整合し、前記可変利得増幅器の出力インピーダンス
はケーブルのインピーダンスにほぼ整合している。
【００１１】好適実施例では、変換装置は、複数の変換
素子を備える変換器アレイから構成され、その各変換素
子は、それに非常に近接して取り付けられた可変利得増
幅回路を備える。各可変利得増幅回路は１つ以上の変換
素子に接続することができる。同様に、各変換素子は１
つ以上の可変利得増幅回路に接続することができる。
【００１２】可変利得増幅手段は好適には、比較的低レ
ベルの入力信号に対して高い利得を有し、これにより、
ノイズ性能が主に変換素子によって決まり、電磁干渉に
よる影響が低減されるようになっている。また、高レベ
ル入力信号に対しては利得は低く、これにより、受信回
路に過負荷を与えることがないようになっている。利得
制御信号は、画像システムの時間利得制御機能を取り入
れることが可能なものであり、この場合には、超音波エ
コーの受信中に利得が時間の関数として変化して、振幅
の変動が補償される。
【００１３】
【実施例】図１は、超音波画像システムの受信パスの一
部を示すものである。この受信パスは、ケーブル12によ
りシステム処理装置14に接続された変換器10を備えてい
る。ケーブル12は、手持型変換器をシステム処理装置に
接続するために従来の超音波画像システムで用いられる
ような従来のケーブルとすることができる。システム処
理装置14は、受信器22および利得制御生成器24を備えて
おり、それらの構成および機能は、Jundanian等の論文
「Control Hardware for an Ultrasound Imaging Syste
m」（Hewlett Packard Journal、December 1983）に記
載されている。なお、本引用をもってその開示内容を本
明細書に包含させたものとし、その詳細な説明は省略す
る。利得制御生成器24は、以下で説明するように、利得
制御信号を変換器10の可変利得増幅器20に供給する。
【００１４】変換器10は、変換素子（一般には圧電結
晶）16と、送受信スイッチ（図示せず）と、前置増幅器
18と、可変利得増幅器20とから構成される。変換素子16
は、送受信スイッチを通して前置増幅器18の入力に接続
される。受信器の保護のために送受信スイッチを使用す
ることは当業界では周知である。その素子は、理解を容
易にする為に図面から省いてある。前置増幅器18の出力
は、可変利得増幅器20の入力に接続される。可変利得増
幅器20の出力はケーブル12に接続される。
【００１５】前置増幅器18および可変利得増幅器20は、
変換素子16に非常に近接して配置され、好適には手持型
変換器アセンブリ中に組み込まれる。前置増幅器18およ
び可変利得増幅器20は好適には、実際上可能な限り変換
素子16に近接させて変換器ハウジング30内に取り付けら
れる。変換素子16および前置増幅器18を相互接続する導
体は、可能な限り短く保たれ、好適には約76mm（約3inc
h）未満にされる。変換素子16および前置増幅器18を相
互接続する導体が短い場合には、EMIを拾うことが最少
限になる。
【００１６】前置増幅器18および可変利得増幅器20の実
施に適する回路を図２に示す。なお、本発明の範囲内で
別の回路が利用可能であることが理解されよう。変換素
子16（図１）からの受信信号は入力端子25（図２）に加
えられる。トランジスタQ1および抵抗R1,R2は、共通エ
ミッタ前置増幅器を構成する。入力信号は、トランジス
タQ1のベースに加えられる。抵抗R1は、トランジスタQ1
にベースバイアス電流を供給し、変換素子16に所望の負
荷抵抗を与える。前置増幅器の相互コンダクタンスは主
に抵抗R2により設定され、トランジスタQ1のgmからの影
響を幾分有する。共通エミッタ前置増幅器の出力は、ト
ランジスタQ1のコレクタ電流である。
【００１７】トランジスタQ2,Q3は、そのベース間に加
えられる利得制御信号VTGCにより設定される電流分割比
を有する差動対を形成する。トランジスタQ2,Q3のエミ
ッタはトランジスタQ1のコレクタに接続される。トラン
ジスタQ1のコレクタ電流に電流分割比を乗算したもの
が、抵抗R3、ダイオードD1,D2、およびトランジスタＱ
３のコレクタを流れる。入力端子２５から抵抗R3までの
電圧利得は、ほぼ、R3/R2にトランジスタQ2,Q3の電流分
割比（0〜1の範囲）を乗算したものである。
【００１８】ダイオードD1,D2およびトランジスタQ4,Q5
は、相補的エミッタフォロワ出力段を形成し、この出力
段は、低出力インピーダンスを有し、出力端子27に接続
されたケーブル12（図１）を駆動可能なものである。抵
抗R4は、ケーブルのインピーダンスを出力段の低インピ
ーダンスに整合させる。出力段は、ほぼ１の電圧利得を
有する。ダイオードD1,D2はトランジスタQ4,Q5用の動作
バイアスを供給する。
【００１９】図示の実施例では、前置増幅器18および可
変利得増幅器20は、変換素子16とケーブル12との間のイ
ンピーダンス整合を提供する。前置増幅器18の要素値
は、入力端子25における前置増幅器18のインピーダンス
を変換素子16のインピーダンスと適当に整合させて最適
な波形忠実度およびノイズ性能を達成するよう選定され
る。同様に、可変利得増幅器20の要素値、特に抵抗R4の
値は、出力端子27における可変利得増幅器20のインピー
ダンスがケーブル12のインピーダンスと整合して最適な
波形忠実度を達成するように選定される。
【００２０】好適実施例では、前置増幅器18は一定の利
得を有し、典型的には1〜10までの範囲にある。前置増
幅器18および可変利得増幅器20により与えられる利得に
より、信号がケーブル12を通過する前の信号レベルが高
くなって、ケーブルやそのコネクタまたはシステム処理
装置14中の受信用電子装置からのノイズによる影響が効
果的に削減される。これは、信号レベルが変換器という
先頭部分で高くされて、後続のノイズの影響に対する増
幅信号の比が大きくなるからである。同じ理由のため、
前置増幅器18および可変利得増幅器20によりケーブルよ
り前で得られる利得により、有効EMIアンテナ受信面積
が小さくなる。このようにして、外部EMI場に非常に影
響されやすいものは、変換素子16、及びその変換素子16
を前置増幅器18に接続する導体のみとなる。ケーブル信
号は、比較的高レベル且つ低インピーダンスで駆動され
ており、そのような外部EMI場に対する感度は下げられ
ている。
【００２１】変換器10中の前置増幅器18および可変利得
増幅器20は、変換素子16により生成された広範囲の信号
を、システム処理装置14の受信器22が受容し得る一層小
さい範囲へと動的に写像することができる。この変換器
10中の前置増幅器18および可変利得増幅器20を使用する
ことにより、変換素子16からの低レベル信号をはるかに
高いレベルへと増幅して、上述のようにシステム処理装
置14の連続する各段のノイズ感度を小さくすることが可
能となる。更に、前置増幅器18および可変利得増幅器20
を使用することにより、変換素子16からの高レベル信号
を一層低い利得で増幅することができ、即ち減衰させる
ことができ、これにより、システム処理装置14中の連続
する各段に過負荷を与える危険性を小さくすることがで
きる。
【００２２】図３は、可変利得増幅器20が、変換素子信
号の大きな範囲を、受信器22により受信される小さな範
囲へと写像する態様を概念的に示す説明図である。同図
の左側部分から分かるように、変換素子信号の範囲、即
ち前置増幅器18の入力は、変換素子のノイズレベルから
最大素子信号レベルにまで広がっている。受信器22の受
容可能な入力範囲、即ち、可変利得増幅器20の許容可能
な出力信号範囲は、受信器22のノイズレベルから受信器
22の最大許容信号にまで広がっている。
【００２３】極めて反射性のまたは近接した目標の画像
形成を行う際に遭遇するような、変換素子16からの大き
い入力信号に対しては、増幅器20の利得を比較的低く設
定して、その変換素子信号を減衰させることができる。
その際、可変利得増幅器20は、受信器22を過駆動するこ
となく許容可能なレベルで駆動する。従って、システム
処理装置14中の連続する各段での信号歪が発生する可能
性は小さくなる。この写像は、図３において破線で示さ
れている。
【００２４】変換素子16からの低レベル信号、即ち、変
換素子のノイズレベルまたはその近傍レベルの信号につ
いては、増幅器20の利得が比較的高く設定される。可変
利得増幅器20は、図３に一点鎖線で示すように、その出
力が受信器22のノイズレベルより高くなるように信号レ
ベルを増幅する。この際、画像システムのノイズ性能
は、受信器22のノイズレベル特性ではなく変換素子16の
ノイズレベル特性により決定される。その結果として、
画像システムの全精度が向上する。
【００２５】システム処理装置14から可変利得増幅器20
に供給される利得制御信号ＶTGCは、典型的には画像シ
ステムの時間利得制御(TGC)機能から得られる。これ
は、システム性能を最大限にするようにシステムのオペ
レータがリアルタイムで修正可能なものである。TGC信
号から利得制御信号を得ることは当業者の範囲内にあ
る。TGC信号に応じて増幅器20の利得を変えることによ
り、増幅器20は、変換素子信号が目標領域から戻る際
に、その信号レベルを追跡することができる。
【００２６】図１は、１つの変換素子16と、１つの前置
増幅器18と、１つの可変利得増幅器20とを備えた変換器
10を示すものであり、このような形態が、アレイ構成を
成す複数の変換素子を備えた変換器にとって有用である
ことは、当業者には明らかであろう。図４に示す実施例
では、アレイの各変換素子161,162,…16nはそれと関連
して前置増幅器181,182,…18nおよび可変利得増幅器2
01,202,…20nを備える。前置増幅器181,182,…18nおよ
び可変利得増幅器201,202,…20nは、変換素子161,162,
…16nに非常に近接してそれぞれ配置され、好適には、
手持型変換器アセンブリ10'のハウジング30'中に組み込
まれる。可変利得増幅器201,202,…20nおよび前置増幅
器181,182,…18nによる設計（例えば図２に図示し、及
び上述したようなもの）は、大規模集積に適しており、
これにより、多数の増幅器チャネルを１つの手持型変換
装置中に組み込むことが可能になる。可変利得増幅器20
1,202,…20nの出力は、ケーブル12'を介して受信器221,
222,…22nの入力にそれぞれ接続され、システム処理装
置14'で使用するための個々のチャネル出力信号を供給
する。
【００２７】利得制御生成器24は、可変利得増幅器201,
202,…20nに利得制御信号VTGCを供給する。図４に示す
実施例では、ケーブル12の配線を最少限にするために、
利得制御信号VTGCは全ての可変利得増幅器に並列に供給
される。また代替策として、２つ以上の利得制御信号を
使用することができ、また、各変換素子がそれ自体の利
得制御信号を有することも可能である。
【００２８】以上、本発明の変換装置を、１つの変換素
子が１つの前置増幅器の入力に接続される構成に関して
説明してきたが、本発明の範囲内の別の構成では、２つ
以上の変換素子が１つの前置増幅器の入力に接続され、
１つの前置増幅器に接続された各変換素子からの信号が
効果的に加算される。本発明の範囲内の他の構成では、
２つ以上の前置増幅器が１つの変換素子に接続される。
【００２９】上述のように、変換素子161,162,…16n、
前置増幅器181,182,…18n、および可変利得増幅器201,2
02,…20nは、好適には手持型変換器アセンブリ10'のハ
ウジング30'中に組み込まれる。その代替策として、変
換素子および回路（前置増幅器および可変利得増幅器を
含む）をケーブル12'の端で別々のユニットにし、短い
ケーブルで相互接続することも可能である。
【００３０】本発明の変換装置中の回路を個別の前置増
幅器および可変利得増幅器として説明してきた。しか
し、前置増幅器および可変利得増幅器を組み合わせて、
低ノイズ入力を有する１つの可変利得増幅回路にするこ
とも可能である。
【００３１】現在のところ本発明の好適実施例と考えら
れるものを図示および説明してきたが、特許請求の範囲
で規定した本発明の範囲から逸脱することなくそれら実
施例に対して種々の変更および修正を行うことが可能で
あることは、当業者には自明であろう。
【００３２】
【発明の効果】本発明は上述のように構成したので、変
換素子のインピーダンスをケーブルのインピーダンスに
整合させると共に、変換素子のダイナミックレンジを受
信回路のダイナミックレンジに整合させることが可能と
なり、これにより、最適な波形忠実度およびノイズ性能
を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波変換器を備えた超音波画像
システムの受信回路を示すブロック図である。
【図２】図１の変換器の前置増幅器および可変利得増幅
器の一例を示す概略図である。
【図３】本発明による変換器信号のダイナミックレンジ
写像概念を示す説明図である。
【図４】複数の変換素子および複数の前置増幅器および
可変利得増幅器を備えた本発明による変換器用の受信回
路を示すブロック図である。
【符号の説明】
10 変換器 12 ケーブル 14 システム処理装置 16 変換素子 18 前置増幅器 20 可変利得増幅器 22 受信器 24 利得制御生成器

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】超音波画像形成装置に使用する変換装置で
    あって、前記画像形成装置がケーブルを介して前記変換
    装置に接続された信号送信および信号受信回路を備え、 超音波エネルギーを電子信号に変換する変換器と、 前記変換器に接続された入力と前記ケーブルに接続され
    た出力とを有し、前記画像形成装置からの利得制御信号
    により決定される利得で前記電子信号の増幅を行う可変
    利得増幅手段とを備えることを特徴とする、変換装置。
JP5304868A 1992-12-04 1993-12-06 可変利得増幅器を組み込んだ超音波変換器 Pending JPH06281728A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/985,722 US5307815A (en) 1992-12-04 1992-12-04 Ultrasonic transducer with integrated variable gain amplifier
US985722 1992-12-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH06281728A true JPH06281728A (ja) 1994-10-07

Family

ID=25531750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5304868A Pending JPH06281728A (ja) 1992-12-04 1993-12-06 可変利得増幅器を組み込んだ超音波変換器

Country Status (2)

Country Link
US (1) US5307815A (ja)
JP (1) JPH06281728A (ja)

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