JPH11342127A - 超音波診断装置用送信回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波診断装置の振動子を駆動して超音波を
送信させる送信回路からの高調波成分を低減する。 【解決手段】 振動子の列を駆動するパルスのバースト
を発生させる送信回路において、バーストの先頭と後尾
のパルス高を低くするように構成する。送信制御回路５
６は、基準電源、低電圧の駆動電源１０８、高電圧の駆
動電源１１０それぞれと出力端子１０２とを接続するＦ
ＥＴ１００，１０４，１０６を有する。送信制御回路５
６は、これらＦＥＴの開閉を制御して、バーストの先頭
期間においては、ＦＥＴ１０４をオンして低電圧の駆動
パルスを生成し、バーストの中央部においてはＦＥＴ１
０６をオンして高電圧の駆動パルスを生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波診断装置に
用いられ、その超音波振動子に駆動パルスを供給する送
信回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波診断装置は、圧電材料を用いて構
成された振動子に電圧を印加し、それにより発生する超
音波を被検体に送信し、その反射波に基づいて被検体内
の情報を得る。例えば、電子走査を行う超音波診断装置
では、複数の振動子で構成された振動子アレイを用い、
それら振動子からの超音波の位相差を振動子の駆動タイ
ミングにより調整し、フォーカス点を制御することが行
われる。このような、振動子アレイを用いる超音波診断
装置においては、複数の各振動子は個別に、又はいくつ
かのグループに分けて励振駆動されるため、それに応じ
て振動子又はそのグループに駆動パルスを供給する送信
回路も複数設けられる。

【０００３】駆動パルスは、例えばＢモード画像の生成
においては、複数の送信パルスが弁別できないことによ
る距離分解能の劣化を回避するため、連続したパルスの
送信は行われず、１回には１個または２個といった少数
のパルスしか送信されないのが一般的である。また、ド
プラモード画像の生成においては、ドプラシフトのデー
タ数を確保して感度の向上を図るため、多くのパルスを
含んだバースト波で振動子を励振することが行われる。
なお、パルスは、例えば２．５〜１０ＭＨｚといった高
い周波数に応じた幅、周期を有するものである。

【０００４】振動子に歪みを生じさせ十分な強度の超音
波を発生させるためには、例えば、数十ボルトから１０
０ボルト程度の電圧を印加する必要がある。従来の技術
によれば、この振動子（又はそのグループ）を駆動する
送信回路として、一つにはアナログアンプを用いたもの
があった。この方式では、例えば、当初、数ボルト程度
の低電圧のパルスを生成し、これをアンプで、振動子の
励振に必要な高電圧にまで増幅する。このアンプ増幅に
よる方法では、増幅率は一般に数十倍であり、アンプが
消費する電力が大き過ぎるという問題があった。特に振
動子アレイを用いた超音波診断装置においては、アンプ
は振動子に応じて複数設ける必要があり、上述した送信
回路を駆動する電源の問題は深刻となる。

【０００５】これに対し、もう一つの方式は、アンプを
用いないので上記電源の問題が緩和される。図４は、こ
の方式の送信回路の原理を説明する回路図である。この
一つの振動子を駆動する送信回路は、ＦＥＴ（Field Ef
fect Transister）で構成されたスイッチを２つ有して
いる。一つのスイッチを構成するＦＥＴ２は、ソース端
子を接地され、もう一つのスイッチを構成するＦＥＴ４
は、ソース端子を、例えば−１００Ｖといった高圧電源
６に接続されている。ＦＥＴ２，４のゲート端子は共
に、スイッチ制御部８の出力に接続され、また、ＦＥＴ
２，４のドレイン端子は共に、振動子に接続される出力
端子１０に接続される。

【０００６】ＦＥＴ２，４は、同一のゲート信号のＨ
（High）レベル、Ｌ（Low）レベルそれぞれに対し、ど
ちらか一方がオン状態となり他方がオフ状態となるよう
に構成される。具体的には、ＦＥＴ２，４は互いに反対
極性のＦＥＴを用いて構成され、例えばＦＥＴ２はｐチ
ャネル型ＦＥＴ、またＦＥＴ４はｎチャネル型ＦＥＴで
構成される。

【０００７】図５は、この送信回路の各点での信号波形
を示すタイムチャートである。同図（ａ）は、スイッチ
制御部８からの出力パルスである。この出力パルスは、
例えばＴＴＬ（Transisiter Transister Logic）に応じ
た信号波形であり、０ＶのＬレベル、５ＶのＨレベルを
有する。ＦＥＴ２のゲート端子はコンデンサ１２によっ
てスイッチ制御部８から直流的にカットされ、さらに抵
抗１４を介しソースに対して−５Ｖバイアスされる。こ
れにより、ＦＥＴ２のゲート（正確にはゲート-ソース
間）には図５（ｂ）に示されるように、Ｌレベル期間に
おいて−５Ｖ、Ｈレベル期間において０Ｖという値をと
るパルス電圧が印加される。ＦＥＴ２はｐチャネルのエ
ンハンスメント型で構成され、Ｌレベル期間にオンし、
Ｈレベル期間にオフする。

【０００８】一方、コンデンサ１６を介してスイッチ制
御部８に接続されたＦＥＴ４のゲート端子は、抵抗１８
を介して高圧電源６に接続されており、高圧電源６に対
するバイアスを受けない。これにより、ＦＥＴ４のゲー
ト（正確にはゲート-ソース間）には図５（ｃ）に示さ
れるように、スイッチ制御部８からの制御信号（図５
（ａ））に応じて、その制御信号のＬレベル期間におい
て０Ｖ、Ｈレベル期間において５Ｖという値をとるパル
ス電圧が印加される。そしてＦＥＴ４はｎチャネルのエ
ンハンスメント型で構成され、Ｌレベル期間にオフし、
Ｈレベル期間にオンする。

【０００９】このように、ＦＥＴ２，４が交互にオンす
ることにより、出力端子１０にはスイッチ制御部８から
の制御信号のＬレベル期間において０Ｖ、またＨレベル
期間において高圧電源から供給される−１００Ｖをとる
出力波形が得られる（図５（ｄ））。出力端子１０に接
続された振動子（図示せず）は、この０〜−１００Ｖで
振動するパルスを印加され、励振される。

【００１０】上述した２つ目の従来の送信回路は、２つ
のスイッチング素子を用い、２つの電源を交互に出力端
子１０に接続することにより振動子の駆動パルスを生成
する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】さて、超音波診断装置
の中には、送信した超音波によって被検体中に非線形振
動が発生することを利用するものがある。このような装
置では、送信した超音波のスペクトラムと、非線形振動
で発生する送信周波数の高調波成分を含んだスペクトラ
ムとの相違を、被検体の測定に利用する。

【００１２】このような用途に対して、従来の送信回路
により生成されたパルスで駆動された振動子は、比較的
広い周波数帯域の超音波を発生する、つまり、送信波自
体にかなりの高調波成分が含まれるという問題があっ
た。このことは具体的には、非線形振動により生じる高
調波成分は一般に微弱であるため、送信波に含まれる高
調波成分が大きいとＳ／Ｎ比が劣化して良好な測定が行
われないという問題となる。

【００１３】本発明は上記問題点を解消するためになさ
れたもので、電源の消費電力を抑制しつつ、かつ振動子
から送波される超音波に含まれる高調波成分を抑制する
駆動回路を提供し、非線形振動を利用した超音波診断装
置の測定性能を向上させることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波診断
装置用送信回路は、超音波振動子に駆動パルスを供給す
る送信回路であって、基準電源と、互いに異なる電圧を
有する複数の駆動電源と、前記基準電源を前記超音波振
動子への出力端子に接続する基準電源接続スイッチ部
と、前記各駆動電源に対応して設けられ、それぞれ前記
駆動電源を前記出力端子に接続する複数の駆動電源接続
スイッチ部と、前記基準電源接続スイッチ部及び前記複
数の駆動電源接続スイッチ部の開閉を制御して、前記出
力端子から出力される駆動パルス列を生成するスイッチ
制御部とを有することを特徴とする。

【００１５】本発明によれば、スイッチ制御部は、基準
電源接続スイッチ部といずれかの駆動電源接続スイッチ
部とを交互に開閉することにより、出力端子を交互に基
準電源といずれかの駆動電源とに接続する。これにより
超音波振動子に接続される出力端子には、超音波振動子
を駆動する駆動パルスとして、異なるパルス高のパルス
を含んで構成される任意のパルス列を生成することがで
きる。

【００１６】本発明に係る超音波診断装置用送信回路
は、前記スイッチ制御部が、前記駆動電源接続スイッチ
により前記出力端子に接続する前記駆動電源を、前記駆
動パルス列のパルス高が中央部のパルスより両端部のパ
ルスで小さくなるように選択することを特徴とする。

【００１７】本発明によれば、スイッチ制御部は、少な
くとも３つ以上の駆動パルスを含んだバーストを生成
し、そのバーストを構成するパルス列のパルス高の絶対
値が、中央部のパルスより両端部のパルスで小さくなる
ようにする。すなわち、スイッチ制御部は、バーストの
先頭において、電圧絶対値の小さい駆動電源を出力端子
に接続して、パルス高の低い駆動パルスを１つまたは複
数生成し、次にそれより電圧絶対値の大きい駆動電源を
出力端子に接続して、よりパルス高の高い駆動パルスを
１つまたは複数生成する。スイッチ制御部は、バースト
の前半において、このようにパルス高を高くする切り替
えを少なくとも１回行って、段階的にパルス高が高まる
パルス列を生成する。しかる後、スイッチ制御部は、今
度は逆に、パルス高の高いパルスに続いて、電圧絶対値
のより小さい駆動電源を出力端子に接続して、パルス高
の低い駆動パルスを１つまたは複数生成する。スイッチ
制御部は、バーストの後半において、このようにパルス
高を低くする切り替えを少なくとも１回行って、バース
トの後尾に向かって段階的にパルス高が低くなるパルス
列を生成する。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る送信回路の好
適な実施形態について図面を参照して説明する。図１
は、本発明に係る送信回路を用いた超音波診断装置の概
略のブロック構成図である。装置はプローブ５０に含ま
れる多数の振動子を駆動する送信回路５２を有してい
る。送信回路５２は、各振動子に対応して複数の送信駆
動回路５４と、それらに共通の送信制御回路５６とを備
える。各送信駆動回路５４はそれぞれ送信制御回路５６
からの指示によりそれぞれが分担する振動子から超音波
を放射させる。送信制御回路５６は、送信駆動回路５４
に含まれるＦＥＴスイッチの開閉を制御し、これにより
送信駆動回路５４は振動子を駆動するパルスを生成す
る。また送信制御回路５６は、各送信駆動回路５４間で
の駆動パルスの生成タイミングを調整することによっ
て、振動子間での超音波の送信ディレイ量を制御し、生
体内の所望の位置に超音波をフォーカスさせる働きも有
している。

【００１９】一方、受信時にはプローブ５０の各振動子
からの受信信号はそれぞれプリアンプ６０にて増幅され
た後、受信遅延回路６２に入力される。受信遅延回路６
２は、プリアンプ６０それぞれに対応した各チャネルご
とに、受信信号に対するディレイ量を可変に設定するこ
とができる。そのディレイ量は受信遅延制御回路６４に
より制御され、各チャネルの受信信号はそれぞれ遅延さ
れた後、互いに加算される。受信遅延制御回路６４は、
一つの受信方向に対して深さ方向に多段階にフォーカス
点を変えるようにディレイ量を調整し、これによりダイ
ナミックフォーカスが実現される。深さ方向にフォーカ
ス点を変えるこの走査と、受信方向を変える走査とによ
って得られる画像により、アレイ方向の生体断面の二次
元的な様子を観察することができる。

【００２０】加算された受信信号は受信処理回路６６に
入力される。受信処理回路６６は例えば、被検体での非
線形振動による高調波成分の検出等の処理を行う。受信
処理回路６６にて、受信信号から抽出された受信データ
は、ＡＤＣ（analog-to-digital converter）回路６８
によってデジタル信号へ変換され、ＤＳＣ（digital sc
an converter）７０に格納される。ＤＳＣ７０は、例え
ば、電子走査によって得られる１画面分の受信データを
蓄積し、これを表示装置７２の走査方式に応じた順序で
出力するものである。つまり、プローブ５０による生体
断面の各点の電子走査の走査順序と表示装置７２の走査
順序とは一般に異なるため、ＤＳＣ７０を用いてそれら
両走査方式間の変換が行われる。ＤＡＣ（digital-to-a
nalog converter）７４はＤＳＣ７０から表示装置７２
の走査方式に応じて順次読み出されたデジタル値をアナ
ログの画像信号に変換し、表示装置７２はそれを画像表
示する。

【００２１】システムコントロール回路７６は送信制御
回路５６、受信遅延制御回路６４、ＤＳＣ７０を制御す
る回路である。

【００２２】さて、本装置の特徴は送信回路５２にあ
る。図２は、送信回路５２の概略の構成を示す回路図で
ある。この図は、簡単のため送信制御回路５６と一つの
送信駆動回路５４の構成を示している。各送信駆動回路
５４は、ＦＥＴで構成されたスイッチを３つ有してい
る。第一のスイッチを構成するＦＥＴ１００は、ソース
端子を基準電源であるアースに接続され、ドレイン端子
を出力端子１０２に接続され、両者の断続を制御する基
準電源接続スイッチ部を構成する。第二、第三のスイッ
チを構成するＦＥＴ１０４，１０６はそれぞれ、ソース
端子を駆動電源１０８，１１０に接続され、ドレイン端
子を共に出力端子１０２に接続され、各駆動電源と出力
端子との断続を制御する２つの駆動電源接続スイッチ部
を構成する。ここでは、駆動電源１０８の電圧の絶対値
は駆動電源１１０のそれより低くなるように構成され、
例えば駆動電源１０８は−３０Ｖ、駆動電源１１０は−
１００Ｖを供給するように構成される。ＦＥＴ１００，
１０４，１０６はそれぞれのゲート端子に、スイッチ制
御部としての機能を有する送信制御回路５６から駆動パ
ルスを受け、ソース−ドレイン間の導通がオン／オフさ
れる。

【００２３】ＦＥＴ１００と、ＦＥＴ１０４，１０６と
は互いに反対極性のＦＥＴを用いて構成され、例えばＦ
ＥＴ１００はｐチャネル型ＦＥＴ、またＦＥＴ１０４，
１０６はｎチャネル型ＦＥＴで構成される。

【００２４】図３は、この送信回路５２の各点での信号
波形を示すタイムチャートである。図示する例では、送
信回路５２に接続される振動子は、３個の連続する駆動
パルスによりバースト駆動される。同図（ａ）〜（ｃ）
はそれぞれ、送信制御回路５６から出力されるＦＥＴ１
００，１０４，１０６のゲートへの駆動パルス信号１２
０，１２２，１２４である。この駆動パルスは、例えば
ＴＴＬに応じた信号波形であり、０ＶのＬレベル、５Ｖ
のＨレベルを有する。送信制御回路５６は、ＦＥＴ１０
０のゲートへ供給される信号１２０として、振動子の１
回の駆動に対して連続する３個のパルス１２５-1〜１２
５-3を生成する（図３（ａ））。一方、送信制御回路５
６は、ＦＥＴ１０４のゲートへ供給される信号１２２と
して、振動子の１回の駆動に対して２個のパルス１２６
-1，１２６-2を生成する（図３（ｂ））。パルス１２６
-1、１２６-2は、それぞれパルス１２５-1，１２５-3と
同一期間に立ち上げられる。つまり、信号１２２は、信
号１２０のパルス１２５-2が立ち上がっている期間には
パルスを有さない。また、送信制御回路５６は、ＦＥＴ
１０６のゲートへ供給される信号１２４として、振動子
の１回の駆動に対して１個のパルス１２７を生成する
（図３（ｃ））。パルス１２７は、パルス１２５-2と同
一期間に立ち上げられる。つまり、信号１２４は、信号
１２０のパルス１２５-1，１２５-3が立ち上がっている
期間にはパルスを有さない。

【００２５】ＦＥＴ１００のゲート端子はコンデンサ１
３０によって送信制御回路５６から直流的にカットさ
れ、さらに抵抗１３２を介し接地電位に対して−５Ｖバ
イアスされる。これにより、ＦＥＴ１００のゲート-ソ
ース間には図３（ｄ）に示されるように、信号１２０の
Ｌレベル期間において−５Ｖ、Ｈレベル期間において０
Ｖという値をとるパルス信号１３４が印加される。ＦＥ
Ｔ１００はｐチャネルのエンハンスメント型で構成さ
れ、信号１３４によりＬレベル期間（パルス１２５のオ
フ期間）にオンし、Ｈレベル期間（パルス１２５のオン
期間）にオフする。

【００２６】一方、コンデンサ１４０を介して送信制御
回路５６に接続されたＦＥＴ１０４のゲート端子は、抵
抗１４２を介してソース端子と共に駆動電源１０８に接
続されている。これにより、ＦＥＴ１０４のゲート-ソ
ース間には、図３（ｂ）に示される送信制御回路５６の
出力パルスがバイアスされることなく印加される。つま
り、ＦＥＴ１０４のゲート-ソース間には、送信制御回
路５６からの駆動パルス信号１２２（図３（ｂ））に応
じて、その信号のＬレベル期間において０Ｖ、Ｈレベル
期間において５Ｖという値をとるパルス信号１４６（図
３（ｅ））が印加される。そしてＦＥＴ１０４はｎチャ
ネルのエンハンスメント型で構成され、Ｌレベル期間
（パルス１２６のオフ期間）にオフし、Ｈレベル期間
（パルス１２６のオン期間）にオンする。

【００２７】また、コンデンサ１５０を介して送信制御
回路５６に接続されたＦＥＴ１０６のゲート端子は、抵
抗１５２を介してソース端子と共に駆動電源１１０に接
続されている。これにより、ＦＥＴ１０６のゲート-ソ
ース間には、図３（ｃ）に示される送信制御回路５６の
出力パルスがバイアスされることなく印加される。つま
り、ＦＥＴ１０６のゲート-ソース間には、送信制御回
路５６からの駆動パルス信号１２４（図３（ｃ））に応
じて、その信号のＬレベル期間において０Ｖ、Ｈレベル
期間において５Ｖという値をとるパルス信号１５６（図
３（ｆ））が印加される。そしてＦＥＴ１０６はｎチャ
ネルのエンハンスメント型で構成され、Ｌレベル期間
（パルス１２７のオフ期間）にオフし、Ｈレベル期間
（パルス１２７のオン期間）にオンする。

【００２８】駆動パルス信号１２０の流れに基づいて説
明すれば、上述した動作により、パルス１２５-1の立ち
上がっている期間においては、パルス１２６-1がＦＥＴ
１０４をオンして、出力端子１０２は駆動電源１０８の
電圧である−３０Ｖに設定され、次のパルス１２５-2が
立ち上がっている期間においては、パルス１２７がＦＥ
Ｔ１０６をオンして、出力端子１０２は駆動電源１１０
の電圧である−１００Ｖに設定され、最後のパルス１２
５-3が立ち上がっている期間においては、パルス１２６
-2がＦＥＴ１０４をオンして、出力端子１０２は再び駆
動電源１０８の電圧である−３０Ｖに設定される。ま
た、これらパルス１２５-1〜１２５-3以外の期間におい
てはＦＥＴ１００がオンされ、出力端子１０２は基準電
源である接地の電圧である０Ｖに設定される。この出力
端子１０２に得られる出力信号波形が図３（ｇ）に示さ
れている。出力端子１０２に接続された振動子は、この
ように先頭と後尾でパルス高が低くなるように構成され
たパルスのバーストを印加され励振される。

【００２９】振動子を、図３（ｇ）に示されるような、
バーストの先頭から段階的にパルス高が大きくなり、ま
た終端に向けて段階的にパルス高が低くなるパルス列で
駆動すると、振動子が発生する超音波に含まれる周波数
成分のうち、高調波成分が抑制される。つまり、振動子
の基本周波数をｆとすると、矩形波による励振により周
波数２ｆ、３ｆ、…といった高調波成分も同時に発生す
る。それら高調波成分は高次になるにつれ強度が弱くな
る全体的な傾向があるが、本送信回路によれば、高調波
は高次になるにつれ、同一パルス高のパルスで構成され
たバーストで励振する場合よりも、速やかに逓減してい
く。これは、フーリエ変換において、矩形波より滑らか
な波形の方が高周波成分が少ないという事実とのアナロ
ジーによっても理解されるであろう。

【００３０】なお、上述の例では、駆動電源は２つのみ
としたが、より多くの駆動電源を用いると共に、それら
と出力端子１０２との断続を行う駆動電源接続スイッチ
部を設け、より多段階にパルス高を変える構成も可能で
ある。例えば、それぞれＶ1、Ｖ2、Ｖ3（Ｖ1＜Ｖ2＜Ｖ
3）という電圧を供給する３つの駆動電源を用い、バー
ストの先頭のα1個のパルスを電圧Ｖ1のパルスとし、続
くα2個のパルスを電圧Ｖ2のパルスとし、次に中央部と
なるα3個のパルスを電圧Ｖ3のパルスとして、バースト
の先頭から段階的にパルス高を高めていく。そして、バ
ーストの後尾に向けては、電圧Ｖ2のα4個のパルスを発
生した後、電圧Ｖ1のα5個のパルスを発生させるという
ように段階的にパルス高を低減していきバーストを終了
させる。ここで、αi（ｉ＝１，２，…）は１であって
もよいし２以上であってもよい。またα1＝α5、α2＝
α4としてバーストを前後対称に構成してもよいし、非
対称に構成してもよい。

【００３１】また、駆動電源は、上述の例では負電圧と
したが、もちろん正電圧であっても構わず、また基準電
源も接地電圧でなくても構わない。

【００３２】

【発明の効果】本発明の超音波診断装置用送信回路によ
れば、異なるパルス高のパルスを含んだパルス列が生成
され、それにより駆動される超音波振動子の送信周波数
成分を調整することができる。特に、パルス列の前部、
後部のパルス高を抑制することにより、振動子から被検
体への送信超音波の高調波成分を抑圧することができ
る。その結果、被検体内での非線形振動により生じる高
調波成分と、送信時にすでに含まれていた高調波成分と
の比が向上し、非線形振動による高調波成分をより精度
よく観測することができる。よって、非線形振動を利用
して被検体の測定、診断を行う超音波診断装置のＳ／Ｎ
比による画質の向上等の性能改善が図られるという効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る送信回路を用いた超音波診断装
置の概略のブロック構成図である。

【図２】 本発明に係る送信回路の概略の構成を示す回
路図である。

【図３】 送信回路の各部での信号波形を示すタイムチ
ャートである。

【図４】 従来の第２の方式による送信回路の原理を説
明する回路図である。

【図５】 従来の送信回路の各部での信号波形を示すタ
イムチャートである。

【符号の説明】

５０ プローブ、５２ 送信回路、５４ 送信駆動回
路、５６ 送信制御回路、６２ 受信遅延回路、６４
受信遅延制御回路、６６ 受信処理回路、１００，１０
４，１０６ ＦＥＴ、１０２ 出力端子、１０８，１１
０ 駆動電源、１２０，１２２，１２４ 駆動パルス信
号。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波振動子に駆動パルスを供給する送
   信回路であって、 基準電源と、 互いに異なる電圧を有する複数の駆動電源と、 前記基準電源を前記超音波振動子への出力端子に接続す
   る基準電源接続スイッチ部と、 前記各駆動電源に対応して設けられ、それぞれ前記駆動
   電源を前記出力端子に接続する複数の駆動電源接続スイ
   ッチ部と、 前記基準電源接続スイッチ部及び前記複数の駆動電源接
   続スイッチ部の開閉を制御して、前記出力端子から出力
   される駆動パルス列を生成するスイッチ制御部と、 を有することを特徴とする超音波診断装置用送信回路。
2. 【請求項２】 請求項１記載の超音波診断装置用送信回
   路において、 前記スイッチ制御部は、前記駆動電源接続スイッチによ
   り前記出力端子に接続する前記駆動電源を、前記駆動パ
   ルス列のパルス高が中央部のパルスより両端部のパルス
   で小さくなるように選択すること、 を特徴とする超音波診断装置用送信回路。