JPH1156846A

JPH1156846A - 超音波診断装置

Info

Publication number: JPH1156846A
Application number: JP22607997A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kosuge; 正之小菅
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-08-22
Filing date: 1997-08-22
Publication date: 1999-03-02
Anticipated expiration: 2017-08-22
Also published as: JP3273903B2

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波診断装置において、受信信号による受
信回路の飽和を的確に検出する。【解決手段】バンドパスフィルタ２０２は、プリアン
プ１４で増幅された受信信号から、送信周波数の２倍の
周波数を持つ２次高調波成分を抽出する。この２次高調
波成分はＡ／Ｄ変換器２０４でデジタル値に変換され、
比較器２０８に入力される。比較器２０８は、この２次
高調波成分のレベル値を、メモリ２０６に保持している
許容レベル値と比較する。２次高調波成分のレベル値が
許容レベル値を超えると受信回路（この場合はプリアン
プ１４）が飽和したと判定される。プリアンプ１４が飽
和すると受信信号にひずみが生じ、高調波成分が増えて
くるので、この高調波成分を抽出してそのレベルを調べ
ることにより、回路の飽和を直接的に検出することがで
きる。

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
おける回路の信号飽和対策のための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波診断装置では、超音波探触子（以
下「探触子」と略す）から生体内に超音波を送波し、こ
れに対する生体内からの超音波エコーを探触子で受信し
て電気的な信号（受信信号と呼ぶ）に変換し、この受信
信号を信号処理することにより生体内の情報を抽出して
表示する。

【０００３】このような超音波診断装置においては、受
信信号が大きくなると、受信信号の処理を行う受信回路
（例えば初段のアンプ）が飽和してしまう場合がある。
このような場合、受信信号が歪み、本来受信信号が有し
ていた生体内部の情報が失われてしまうという問題があ
った。従来、このような問題を解決するために、（１）
飽和を起こさないように比較的悪い（すなわち飽和しや
すい）使用条件を想定して超音波の送信パワーを比較的
低い一定の値に抑えたり、あるいは（２）受信信号の強
さに応じて受信回路の信号ゲインを調節するオートゲイ
ンコントロール（ＡＧＣ）が行われたりしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
（１）の方法は、悪い条件に合わせて送信パワーが低め
に設定されるので、大抵の場合には送信パワーが必要以
上に低く抑えられていることになり、感度が低くなって
しまうという問題があった。

【０００５】また、上記（２）の方法は、確かに受信回
路の飽和防止には効果があるものの、ダイナミックレン
ジの有効利用という点では十分なものとは言えなかっ
た。そもそもＡＧＣは受信回路の飽和自体を検出するも
のではなく、受信信号のレベルが所定のしきい値を超え
たか否かを検出し、この検出結果に基づきアンプのゲイ
ンを制御するものである。ここで、ゲイン制御のための
しきい値はアンプが飽和するレベルよりも低いので、Ａ
ＧＣでは、実際には回路が飽和しないような場合にもゲ
インを下げてしまうこともある。このような場合、回路
の飽和がないのにもかかわらず受信信号のレベルが下が
り、ダイナミックレンジが十分に活用できなかった。

【０００６】この問題は、連続波ドプラ法を用いる装置
において顕著であった。連続波ドプラ法では、送信超音
波が受信側へ漏れ込むことがあり、この漏れ込みにより
受信回路が飽和しやすい。図４は、連続波ドプラ法の診
断に使用されているフェーズドアレイ型の探触子の状態
を示す図である。図４に示すように、連続波ドプラ法で
使用する探触子は、振動素子のアレイが送信用振動素子
群１０２と受信用振動素子群１０４とに分かれている。
そして、送信用振動素子群１０２から送信超音波の一部
が、音響整合層１０６と音響レンズ１０８の境界面、あ
るいは音響レンズ１０８と被検体１５０の境界面で反射
され、受信用振動素子群１０４に入射する。これが送信
波の受信側への漏れ込みである。この漏れ込みによる受
信回路の飽和を避けようとしてＡＧＣを行うと、肝心の
血流のエコーなど検出対象の信号のレベルまで下がり、
感度が低下してしまう。血流などからのエコーは、もと
もと弱いものであり、ＡＧＣの影響で信号レベルが低く
なると検出できなくなる場合もあった。もちろん、これ
は、連続波ドプラ装置だけでなく、パルスドプラ装置に
も共通する問題であった。

【０００７】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであり、まず、受信回路の飽和を直接に
的確に検出できる超音波診断装置を提供することを目的
とする。そして、更には、このような的確な飽和の検出
に基づき、受信回路の飽和をできるだけ抑えつつも、回
路のダイナミックレンジを有効に活用して血流成分など
の検出対象の信号の検出感度の低下をできるだけ抑える
ことができる超音波診断装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る超音波診断装置は、生体内に超音波を
送信し、生体内で反射された超音波エコーを受信して電
気的な受信信号に変換する超音波振動子と、前記受信信
号を処理して生体組織の情報を抽出する受信回路とを含
む超音波診断装置において、前記受信信号から送信超音
波周波数の高調波成分を抽出する高調波抽出手段と、高
調波抽出手段で抽出された高調波成分の信号レベルに基
づき前記受信回路の飽和を検出する回路飽和検出手段と
を有することを特徴とする。

【０００９】この構成では、受信回路が飽和した場合に
生じる受信信号のひずみに注目して飽和検出を行う。例
えば、正弦波の受信信号のレベルが高くなり回路が飽和
すると、図５に示すように受信信号の波形が正弦波波形
（図５中波線）からひずんでくる（図５中実線）。この
ように波形が歪むと、高調波成分が現れる。そこでこの
構成では、受信信号のひずみによって生じる高調波成分
を高調波抽出手段により抽出し、抽出された高調波成分
のレベルに基づき受信回路の飽和を判定する。この構成
によれば、受信回路が飽和したことを直接的に示す高調
波成分を捉えることにより、受信回路の飽和を直接的に
判定することができる。

【００１０】また、本発明の別の構成は、受信信号から
送信超音波周波数の高調波成分を抽出する高調波抽出手
段と、受信信号から送信超音波と周波数が等しい基本波
成分を抽出する基本波抽出手段と、抽出された高調波成
分と基本波成分との信号レベルの比を求め、この比に基
づき受信回路の飽和を検出する回路飽和検出手段とを有
することを特徴とする。

【００１１】この構成では、高調波成分と基本波成分の
レベル比に基づき回路の飽和を判定する。例えばパルス
ドプラ法などでは送信超音波は極めて帯域が広く、平均
周波数に対する整数倍の周波数成分（いわば高調波成
分）を有している場合もある。このような場合、送信超
音波のパワーを大きくすると回路が飽和しなくても高調
波成分が増えてくる。しかし、受信回路が飽和するまで
は基本波成分と高調波成分の比は変わらないので、この
構成では、基本波成分と高調波成分のレベル比をモニタ
することにより受信回路の飽和を検出することができ
る。

【００１２】また、本発明の好適な態様では、回路飽和
検出手段の検出結果に応じて超音波の送信パワーを制御
するパワー制御手段を設ける。この構成では、受信回路
の飽和を的確に検出し、真に飽和した場合にのみパワー
制御手段で超音波の送信パワーを下げる。この構成によ
れば、受信回路が飽和するまで送信パワーを下げること
がないので、受信回路の飽和をできるだけ抑えつつも、
飽和しない間はダイナミックレンジを有効に活用するこ
とができ、できるだけ感度が高い状態で診断を行うこと
ができる。

【００１３】また、本発明の別の態様では、回路飽和検
出手段の検出結果に応じて受信回路に入力される受信信
号のゲインを制御するゲイン制御手段を設ける。この構
成では、受信回路の飽和を的確に検出し、真に飽和した
場合にのみゲイン制御手段で受信信号のゲインを下げて
飽和を解消する。この構成によれば、受信回路が飽和す
るまでゲインを下げることがないので、受信回路の飽和
をできるだけ抑えつつも飽和しない間はダイナミックレ
ンジを有効に活用することができる。

【００１４】また、本発明の更に好適な態様では、高調
波抽出手段は送信超音波周波数の偶数次高調波成分を抽
出する。一般に、受信信号は飽和すると、図５に示すよ
うに上下非対称な波形（図５中実線）となる。このよう
な場合、基本波成分の偶数倍の周波数の偶数次高調波が
顕著に現れる。この構成では、検出しやすい偶数次高調
波成分に注目することにより、受信回路の飽和を精度よ
く検出することができる。なお、偶数次高調波の中でも
特に基本波の２倍の周波数を持つ２次高調波は飽和の際
に最も顕著に現れるので、２次高調波に基づき回路飽和
を判定するのが特に好適である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

【００１６】実施形態１．図１は、本発明の第１の実施
形態に係る超音波診断装置の回路構成の要部を示すブロ
ック図である。この実施形態は、連続波ドプラ法に用い
る装置を示したものである。

【００１７】送信用振動子１０ａは、送信回路１２から
供給される送信信号によって駆動され、生体内に超音波
を送信する。ここで、送信用振動子１０ａからは所定の
周波数（ｆ₀）の連続波が送信される。生体内からのエ
コーは受信用振動子１０ｂで検出され、電気的な受信信
号に変換される。この受信信号は、プリアンプ１４で増
幅された後ミキサ１６で検波される。そして、このミキ
サ１６の出力が信号処理され、速度情報が取り出される
が、このための処理回路は周知のものなので説明を省略
する。

【００１８】本実施形態では、更に、飽和検出回路２０
が設けられている。飽和検出回路２０は、バンドパスフ
ィルタ２０２、Ａ／Ｄ変換器２０４、メモリ２０６、比
較器２０８及びローパスフィルタ２１０を含んでいる。
バンドパスフィルタ２０２は、プリアンプ１４で増幅さ
れた受信信号のうち、送信超音波の周波数の２倍の周波
数（２ｆ₀）近傍の周波数成分（以下「２次高調波成
分」と呼ぶ）だけを通過させる。Ａ／Ｄ変換器２０４
は、この２次高調波成分のレベルをデジタル値に変換
し、比較器２０８に入力する。一方、メモリ２０６に
は、２次高調波成分の許容レベルが記憶されている。こ
の許容レベルは、超音波診断装置の受信回路、特にプリ
アンプ１４の飽和を判定するための２次高調波成分のし
きい値である。許容レベルの値は、送信超音波の波形や
探触子の形状、診断の目的などを考慮して定める。例え
ば、送信超音波の波形が正弦波以外（例えば矩形波な
ど）の場合は、送信超音波自体に２次高調波成分が含ま
れるので、この分を考慮した上で許容レベルを決定す
る。なお、メモリ２０６に記憶した許容レベルの値は、
必要に応じて変更可能となっている。

【００１９】比較器２０８は、Ａ／Ｄ変換器２０４から
入力された受信信号の２次高調波成分のレベル値を、メ
モリ２０６の許容レベル値と比較し、その比較結果を出
力する。ここで比較器２０８の出力は、受信信号の２次
高調波成分が許容レベルより小さいときは１（ｈｉｇ
ｈ）となり、許容レベルを超えると０（ｌｏｗ）とな
る。

【００２０】本実施形態では、基本的、この比較結果に
基づき送信超音波のパワーを制御する。すなわち、比較
器２０８の出力が１から０に変わると送信パワーを低減
し、その逆の場合には送信パワーを増加させる。ただ
し、比較器２０８の比較結果は１から０へまたは０から
１へと急激に変化するので、この比較結果をそのまま送
信パワーの制御に用いたのでは送信パワーが不安定にな
ってしまう。そこで、本実施形態では、送信パワーの上
げ下げに時定数を持たせるようにしている。すなわち、
比較器２０８の出力を、ローパスフィルタ２１０を介し
て、送信信号を生成する送信回路１２に供給している。
ローパスフィルタ２１０は、例えば抵抗とコンデンサと
からなるいわゆるＣＲ回路で構成する。図２は、比較器
２０８の出力波形（ａ）と、これに対応したローパスフ
ィルタ２１０の出力波形（ｂ）を示している。このよう
に、比較器２０８から出力される比較結果は、ローパス
フィルタ２１０の時定数に従って平滑化され、送信回路
１２に供給される。送信回路１２は、ローパスフィルタ
２１０を介して供給される比較器２０８の出力に応じ、
送信用振動子１０ａに供給する送信信号のパワーを制御
し、送信超音波のパワーを制御する。

【００２１】なお、本実施形態においてアレイ型の探触
子を用いた場合には、飽和検出回路２０には、受信用振
動子１０ｂの全振動素子の受信信号の和を入力する。ま
た、受信用振動子１０ｂのなかでも、漏れ込みの影響を
受けやすい送信用振動子１０ａ寄りのいくつかの振動素
子の受信信号のみを飽和検出回路２０に入力する構成と
すれば、漏れ込みによる飽和を的確に検出可能としつつ
も、回路規模を縮小することができる。

【００２２】このように、本実施形態では、プリアンプ
１４が飽和すると受信信号の波形がひずみ、高調波が生
じることに注目し、この高調波成分のレベルに基づきプ
リアンプ１４の飽和を判定する。受信信号の波形は飽和
すると上下非対称な形になる場合が一般的であり、この
ような場合、送信周波数の偶数場合の偶数次高調波が顕
著に現れる。そこで、本実施形態では、偶数次高調波の
うちレベルが最も高い（すなわち検出しやすい）２次高
調波を抽出し、この２次高調波成分に基づき飽和の判定
を行う。

【００２３】以上、本実施形態の超音波診断装置の構成
及び動作について説明した。これまでの説明から分かる
ように、本実施形態によれば、プリアンプ１４が飽和し
たときに現れる２次高調波を検出し、そのレベルに基づ
きプリアンプ１４の飽和を判定するので、プリアンプ１
４の飽和を直接的に的確に判定することができる。そし
て、このような的確な飽和判定に基づき超音波の送信パ
ワーを制御するので、プリアンプ１４が飽和するまでは
送信パワーを下げることがない。

【００２４】実施形態２．図３は、本発明の第２の実施
形態に係る超音波診断装置の回路構成の要部を示すブロ
ック図である。図３において、図１の構成要素と同様の
構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を省略す
る。

【００２５】前記実施形態１では、受信信号中の２次高
調波成分のレベルに基づいてプリアンプ１４の飽和を判
定したのに対し、本実施形態では、受信信号中の２次高
調波成分と基本波成分（すなわち送信周波数と同じ周波
数の成分）とのレベルの比に基づいて、プリアンプ１４
の飽和を判定する。すなわち、プリアンプ１４が飽和す
ると受信信号の波形がひずみ、基本波成分と高調波成分
とのレベルの比が変化することに注目し、飽和判定を行
う。

【００２６】このため、本実施形態では、飽和検出回路
２０に２次高調波成分を取り出すバンドパスフィルタ２
０２に加え、基本波成分を取り出すバンドパスフィルタ
２１２を設けている。バンドパスフィルタ２１２は、プ
リアンプ１４で増幅された受信信号から送信周波数近傍
の周波数帯の成分のみを抽出する。このようにして抽出
された基本波成分は、Ａ／Ｄ変換器２１４でデジタル値
に変換され、割算器２１６に入力される。割算器２１６
には、バンドパスフィルタ２０２で抽出された２次高調
波成分のデジタル値も入力される。割算器２１６は、こ
れら入力に基づき、２次高調波成分と基本波成分とのレ
ベルの比を算出し、この比の値を比較器２０８に入力す
る。一方、メモリ２０６には、実施形態１の許容レベル
の代わりに、２次高調波成分と基本波成分のレベル比の
許容値が記憶されている。比較器２０８は、割算器２１
６から入力された比の値とメモリ２０６に記憶された許
容値とを比較し、比の値が許容値を超えない間は１、比
の値が許容値を超えると０となる信号を出力する。すな
わち、比較器２０８の出力が０となると、プリアンプ１
４が飽和したことになる。

【００２７】この比較器２０８の出力は、実施形態１と
同様ローパスフィルタ２１０で平滑化された上で送信回
路１２に供給され、送信パワーの制御に用いられる。な
お、送信パワーの制御の仕方は実施形態１と同様なので
説明を省略する。

【００２８】この実施形態は、送信超音波自体に送信周
波数の高調波成分が含まれる場合に有効である。すなわ
ち、このような場合、受信信号のレベルが大きくなると
高調波成分のレベルもそれに比例して大きくなるが、受
信信号のレベルが高くなったとしてもプリアンプ１４が
飽和しない間は基本波成分と２次高調波成分のレベル比
はほとんど変わらないので、レベル比の変化により飽和
を的確に検出することができる。

【００２９】以上、本発明の好適な実施形態について説
明したが、これらはあくまで本発明の実施形態の一例に
すぎず、この他にも様々な変形が可能である。

【００３０】例えば、上記各実施形態では、プリアンプ
の飽和を防止するために飽和検出回路２０の出力により
超音波の送信パワーを制御したが、プリアンプよりも後
段のアンプの方が飽和しやすいような場合には、プリア
ンプ１４をゲイン可変とし、飽和検出回路２０の出力に
よりプリアンプ１４のゲインを制御する構成とすること
も可能である。この場合、飽和検出回路２０には、飽和
しやすいアンプの出力を入力する。

【００３１】また、上記各実施形態では２次高調波成分
を抽出して飽和を判定したが、その他の高調波成分に基
づき飽和判定を行うこともできる。ただし、回路が飽和
すると偶数次高調波の方が顕著に現れるので、偶数次高
調波成分を用いる方が好ましいのはいうまでもない。

【００３２】また、上記各実施形態の構成において、バ
ンドパスフィルタ２０２や２１２の通過周波数帯域を可
変とすれば、送信周波数の変更に対応することができ
る。

【００３３】また、上記実施形態では、バンドパスフィ
ルタにより抽出した２次高調波成分をＡ／Ｄ変換した
が、アナログ信号のまま比較等の処理を行うことももち
ろん可能である。

【００３４】なお、本発明は、連続波ドプラ法以外の超
音波診断装置にももちろん適用可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
受信信号の高調波成分に基づき飽和を判定することによ
り、受信回路の飽和を直接的に的確に判定することがで
きる。また、本発明によれば、受信回路の飽和を防ぎつ
つ、飽和しない間はダイナミックレンジを有効に利用
し、できるだけ感度が高い状態で診断を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波診断装置の実施形態の要
部を示すブロック図である。

【図２】比較器及びローパスフィルタの出力波形を示
す図である。

【図３】本発明に係る超音波診断装置の他の実施形態
の要部を示すブロック図である。

【図４】連続波ドプラ法の探触子における送信超音波
の受信側への漏れ込みを説明するための図である。

【図５】受信回路の飽和による受信信号のひずみを説
明するための図である。

【符号の説明】

１０ａ送信用振動子、１０ｂ受信用振動子、１２
送信回路、１４プリアンプ、１６ミキサ、２０飽
和検出回路、２０２，２１２バンドパスフィルタ、２
０４，２１４Ａ／Ｄ変換器、２０６メモリ、２０８
比較器、２１０ローパスフィルタ、２１６割算
器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】生体内に超音波を送信し、生体内で反射
された超音波エコーを受信して電気的な受信信号に変換
する超音波振動子と、前記受信信号を処理して生体組織
の情報を抽出する受信回路とを含む超音波診断装置にお
いて、前記受信信号から送信超音波周波数の高調波成分を抽出
する高調波抽出手段と、高調波抽出手段で抽出された高調波成分の信号レベルに
基づき前記受信回路の飽和を検出する回路飽和検出手段
と、を有することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】生体内に超音波を送信し、生体内で反射
された超音波エコーを受信して電気的な受信信号に変換
する超音波振動子と、前記受信信号を処理して生体組織
の情報を抽出する受信回路とを含む超音波診断装置にお
いて、前記受信信号から送信超音波周波数の高調波成分を抽出
する高調波抽出手段と、前記受信信号から送信超音波と周波数が等しい基本波成
分を抽出する基本波抽出手段と、抽出された高調波成分と基本波成分との信号レベルの比
を求め、この比に基づき前記受信回路の飽和を検出する
回路飽和検出手段と、を有することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の超音波診
断装置において、前記回路飽和検出手段の検出結果に応じて超音波の送信
パワーを制御するパワー制御手段を有することを特徴と
する超音波診断装置。
【請求項４】請求項１又は請求項２に記載の超音波診
断装置において、前記回路飽和検出手段の検出結果に応じて前記受信回路
に入力される前記受信信号のゲインを制御するゲイン制
御手段を有することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項５】請求項１から請求項４までのいずれか記
載の超音波診断装置において、前記高調波抽出手段は、送信超音波周波数の偶数次高調
波成分を抽出することを特徴とする超音波診断装置。