KR940009243B1 - 초음파 수파 정상회로 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

초음파 수파 정상회로

제1도는 본 발명의 실시예를 도시한 블럭도.

제2도는 상기 실시예의 동작을 도시한 타이밍도.

제3a도, 제3b도는 상기 실시예중 샘플링지연수단(16)의 구체적인 회로예를 도시한 도면.

제4도는 상기 실시예의 출력 스펙트럼을 도시한 특성도.

제5a도, 제5b도는 상기 실시예의 출력 CP' 및 CP를 각각 도시한 파형도.

제6a도, 제6b도, 제6c도는 각각 제1도의 수신앰프(14-1~14-n)의 구체적인 회로예를 도시한 도면.

제7도의 (a)~제7도의 (e)는 상기 실시예의 게인 제어특성을 도시한 타이밍도.

제8도는 상기 실시예의 IC 구조를 도시한 블럭도.

제9도는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 블럭도.

본 발명은 전자 주사형 초음파 단층 장치등에 있어서의 초음파 수파 정상(招音波受波整相) 회로에 관한 것이다.

본 발명의 장치는 배열한 진동자에서 초음파를 송신하고, 목적으로 하는 반사체로부터의 반사신호를 배열 진동자에서 수신하며, 각 진동자로부터의 수파신호를 각각 소정시간만큼 지연시키고 목적방향의 신호에 대해서만 같은 위상으로 되도록 수신신호 위상을 조정하여 그들을 가산하는 것에 의해, 소정방향의 신호만을 강조하여 수신하는 것에 의해서 반사체의 위치 및 반사강도를 계측하고, 반사체형상을 화상화하는 장치이다.

종래의 전자 주사형 초음파 단층상(像) 장치에서는 어레이형 탐촉자의 각 소자로부터의 전기신호의 각각의 위상을 제어하여 가산하고, 이것에 의해 대상물의 단면의 바라는 위치로부터의 초음파의 위상에 맞춘 수신을 실행하기 위한 수신 정상(整相) 회로에 LC 지연선이 사용되고 있었다.

한편, LC 지연선 대신에 샘플 홀드 회로등의 샘플링 지연수단을 사용한 수파 정상회로는, 예를 들면 일본국 특허공개 공보소화 58-141142호에 기재되어 있는 것과 같이, 각 수신신호를 신호대역의 최고 주파수의 2배 이상에서 샘플링한 후, 그 신호값을 각 지연시간에 대응하는 시간을 유지한 후 가산하는 것에 의해서 수파 정상을 하는 것이다.

그러나, 초음파 주파수를 고주파화하여 높은 분해화상을 얻고자 할 경우, 샘플링도 고속화할 필요가 있고 샘플링 소자의 동작속도의 한계에서 상기 수파 정상회로를 고주파 초음파에 사용하는 것이 곤란하였다.

또한, 트랜스듀서소자에서 얻는 수신신호는 매우 높은 다이나믹 레인지인 것에 대해, 샘플링 소자의 다이나믹 레인지는 일반적으로 좁기 때문에 특히 넓은 탐도(探度)방향의 레인지의 단층상을 높은 S/N비로 얻는 것이 곤란하였다.

본 발명의 하나의 목적은 고주파 초음파에 사용 가능한 초음파 수파 정상회로를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 단층상을 S/N비가 양호한 고성능인 상(傷)으로 할 수 있는 초음파 수파 정상회로를 제공하는데 있다.

본 발명의 하나의 특징은 배열 진동자를 구성하는 각 소자의 수파신호를 각각 수신하는 여러개의 수신기와 상기 수신기의 각각으로부터의 신호에 대해 각각 여러 회로를 마련하고, 각각이 상기의 신호를 번갈아가며 샘플링하는 샘플링 지연수단, 상기 여러회로의 지연수단의 출력을 번갈아가며 선택하는 수단, 상기 선택 수단에 의해 선택된 상기 각 지연수단의 출력을 가산하는 수단 및 상기 가산수단의 출력을 필터링하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 초음파 수파정상회로에 있다.

본 구성에 의하면 수신신호의 샘플링 레이트를 신호 1 채널당의 지연수단의 수만큼 지연시켜 초음파 주파수의 고주파화에 의한 높은 분해능 화상을 얻는 것이 가능하게 된다고 하는 현저한 효과를 얻을 수 있는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 신호 1채널당의 지연수단의 수와 동일한 수의 가산수단을 마련하고, 각각의 가산수단에는 각 채널의 지연수단의 출력중 1개씩이 접속되고 상기 여러개의 가산수단의 출력을 번갈아서 선택하는 선택수단을 갖는다. 이 구성에 의해서도 상기와 마찬가지의 효과가 얻어진다.

본 발명의 또 다른 특징은 상기 수신수단으로서 증폭율이 시간이 경과함에 따라 스텝형상으로 변화하는 수신앰프를 사용한 점에 있다.

제1도는 본 발명의 1실시예의 블럭도이다.

배열된 트랜스듀서소자 E₁~E_x를 가진 어레이형 초음파 트레스듀서(10)의 각 소자의 신호는 스위치 매트릭스(12)를 거쳐서 n개의 수신앰프(14-1, …, 14-n)에 각각 접속된다. 각 트랜스듀서소자 E₁, E₂, …, E_x에 있어서의 인접하는 n개의 소자의 신호를 스위치 매트릭스(12)에 의해 선택되고, 수신앰프(14-1, 14-2, …, 14-n)의 입력단에 접속한다. 수신앰프의 출력신호는 신호의 각 채널당 2중으로 마련된 샘플링 지연수단(16)에 접속된다. 즉, 쌍을 이루는 지연수단 D1-o과 D1-e에는 수신앰프(14-1)의 출력신호가 접속되고, 다음의 D2-o, D2-e, …, Dn-o, Dn-e에 대해서도 마찬가지이다. 이들 지연수단의 출력은 각각 번갈아가며 “ON”되는 선택스위치 S1-o와 S1-e, S2-o와 S2-e, …, Sn-o와 Sn-e를 거쳐서 가산기(18)에 접속된다. 가산기(18)의 출력은 로우 패스필터(20)의 출력은 로우 패스필터(20)을 거쳐서 타임 게인 콘트롤 앰프(22)에 접속된다.

샘플링 지연수단 D1-o, D1-e, …Dn-o, Dn-e는 예를 들면 제3a도에 도시한 것과 같이 샘플홀드회로를 직렬로 접속한 것을 사용할 수가 있다.

도면중, W₁, W₂, …, W_m은 샘플링 스위치, E₁, E₂, …, E_m은 홀드용량, P₁, P₂, …, P_m은 버퍼앰프를 표시한다. IN은 입력단자, OUT는 출력단자이다. 샘플링 스위치 W₁에 의해서 샘플된 신호는 스위치가 개방됨과 동시에 그 시각의 전위가 용량 E₁에 홀드된다.

버퍼앰프 P₁~P_m을 거쳐서 제2단째 이후의 스위치 W₂~W_m, 용량 E₂~E_m도 마찬가지 동작을 한다.

제2도는 제1도의 구성에서 임의의 채널의 쌍을 이루는 샘플링 지연수단 Di-o 및 Di-e에 대한 샘플링 제어신호 ø_n-o, ø_n-e와 선택스위치 Si-o, Si-e의 동작을 나타내는 타이밍도이다. 이 도면에 도시되는 것과 같이, 수신신호는 지연수단 Di-o와 Di-e로 번갈아가며 샘플링되는 선택스위치 Si-o와 Si-e로 양쪽의 출력은 번갈아가며 선택되기 때문에 각각의 샘플링 지연수단의 샘플링이 주파수가 f_s/2일때, 신호는 f_s의 주파수로 샘플링된다.

또한, 도면중에 화살표로 표시한 샘플링의 타이밍은 제3a도에 도시한 여러단의 샘플링 홀드회로중의 처음단의 샘플링 타이밍을 나타낸다. 여기에 이어지는 다음단의 샘플링 홀드회로의 샘플링 타이밍에는 바라는 지연시간에 따라서 시간의 지연을 부여한다. 즉, 각 단의 홀드시간의 합계가 입력에 대한 출력신호의 지연수단으로 된다. 각 단의 홀드시간은 최대로 T=2/f_s를 취할수가 있다.

제3b도는 샘플링에 의한 지연수단 Di-o, Di-e로서 스위치 드 캐패시터 메모리를 사용한 예를 도시한 것으로, IN은 입력단자, OUT는 출력단자이다. X₁~X_m, Y₁~Y_m은 각각 메모리 용량 M₁~M_m이 기억 스위치와 호출스위치이다. 또, X₀은 리세트 스위치, OP는 오피앰프이다. 이 회로를 사용하는 경우에는 메모리 용량 M₁~M_m에 동기 T=2/f_s로서 차례차례 수신앰프로부터의 신호를 기억하는 것에 의해, 샘플링이 이루어진다. 지연수단 Di-o에 대해서는 제2도의 ø_n-o에 도시한 타이밍으로, 또 Di-e에 대해서는 ø_n-e에 도시한 타이밍으로 기억 스위치 X₁~X_m이 차례차례 동작한다. 이 기억 스위치의 동작과 번갈아가며 호출스위치 Y₁~Y_m의 동작이 실행된다. 지연의 양은 메모리용량 M₁~M_m의 각각의 메모리 용량의 홀드시간의 길이에 의해 제어되고, 샘플링 주기 T=2/f_s에 대해서 최대 mT까지의 지연시간이 얻어진다. 샘플링 주기 T 이하의 지연정밀도는 각 채널 사이의 샘플링 클럭의 위상을 어긋나게 하는 것에 의해서 실현할 수 있다.

상기의 어떠한 지연수단을 사용하는 경우에 있어서도 제1도의 실시예에서는 각 채널당 2개의 지연수단으로 번갈아가며 샘플링을 실행하기 때문에 종래의 2배의 샘플링 주파수에 대응할 수 있게 된다.

제1도에 도시한 실시예에 있어서, 각 채널의 2개의 회로의 지연수단에는 기생용량차나 앰프의 오프세트차가 있기 때문에 정상(整相) 가산후의 단자 CP'에 있어서의 신호는 제5a도에 도시한 것과 같은 주기 2/f₂의 오프세트차에 의한 잡음을 함유하는 것으로 된다.

단자 CP'에 있어서의 파워스펙트럼을 제4도에 도시한다. 상기 오프세트차에 의한 잡음의 스펙트럼은 주파수 f_s/2에 존재하며, 또한 양쪽의 제어신호에서 혼입하는 잡음의 스펙트럼은 주파수 f_s에 존재한다. 또, 지연된 수신신호 그 자체를 나타내는 파워스펙트럼은 U₁과 같이 되어 주파수 f_L에서 f_H의 사이에 나타난다.

제1도의 로우 패스필터(20)은 이와 같은 제어신호에 기인하는 잡음 및 오프세트차에 의한 잡음을 제거한다. 이를 위해서, 필터(20)은 제4도에 U₂'로 도시한 것과 같은 지역여파 특성, 또는 U₂"로 도시한 것과 같은 대역통과 특성을 갖추고 있으면 좋다. 즉, 필터(20)의 고역차단 주파수 f_C는

f_H＜f_C＜f_S/2

이며, 저역차단주파수 f_C

0≤f_CL＜f_L

로 되도록 하면 좋다. 상기 필터(20)을 통과한 CP점의 신호는 제5b도에 도시한 것과 같은 신호로 된다.

그런데, 초음파의 송수파(送受波)에서는 대상물 내부에서의 음파의 감쇠가 있으므로 송파로부터의 시간경과에 따라서, 반사파의 강도가 약해진다. 즉, 대상물의 심부(深部)로부터의 반사파는 얕은 부분으로부터의 반사파에 비해서 진폭이 작다. 따라서, 초음파 촬상에서는 이와 같은 진폭의 변화를 보정할 필요가 있다. 제1도의 (22)는 이와 같은 진폭의 보정을 실행하는 타임 게인 콘트롤 앰프이다.

또한, 제1도의 실시예에서는 지연수단으로서 샘플링 지연수단을 사용하고 있으며 이 부분의 다이나믹 레인지가 좁기 때문에 특별한 연구를 하고 있다. 즉, 제1도의 수신앰프(14-1, 14-2, …, 14-n)은 각각 그 증폭율을 k 단계로 스텝형상으로 변화할 수 있는 기능을 갖고 있다. ø₁', ø₂', …, ø_n'는 증폭율을 전환하기 위한 제어신호를 나타낸다. 제6a, b, c도는 각각 수신앰프(14-1, …, 14-n)의 실시예를 도시한 것이다. 모두가 수신신호를 증폭하는 연산증폭기 P, 그 증폭율을 결정하는 저항기 또는 캐패시터 Z₀~Z_k, 그 증폭율을 전환하는 스위치 S₁'~S_k'로 회로가 구성된다.

제6a도의 회로의 경우에는 입력 저항기(또는 캐패시터)를 Z₁에서 Z_k까지 k개 구비하고 있으며, 스위치 S₁'~S_k'가 차례로 “ON”으로 되어서, 증폭율이 스텝형상으로 전환된다. 제6b도의 회로인 경우는 귀환 저항기(또는 캐패시터)를 Z₁에서 Z_k까지 k개 구비하고 있으며, 스위치 S₁'~S_k'가 차례로 “ON”으로 되어서 증폭율이 스텝형상으로 전환된다. 제6c도의 회로는 입력저항, 귀환저항의 양쪽을 전환하도록 한 것이다.

제7도 (b)는 제6a, b도의 회로를 사용한 경우의 스위치 S₁'~S_m'의 동작을 도시한 것이다. t=0은 송파의 시각을 나타내며 여기에서 시간이 경과하는데 따라서 차례로 보다 먼거리의 반사점으로부터의 반사파가 각 소자에 의해 계측된다.

제7도 (a)의 W₁, W₂는 각각 반사점 F₁, F₂로부터의 반사파의 파면이 각 소자에 의해 계측되는 시각을 나타낸다. 보다 먼 반사점으로부터의 반사파일수록 감쇠되어 있다. 제7도 (b)와 같은 스위치 S₁'~S_k"의 동작에 의해, 수신앰프의 게인은 제7도 (c)와 같이, 시각 t_R, t_R+1, t_R+2, …로 이르면 ΔG만큼 증가된다. 단, 스위치 S₁'~S_k'를 전환하기 위한 제어신호(제1도의 ø₁', …, ø_n')는 각각의 수신앰프에 접속되는 샘플링 지연수단의 지연량에 따라서 t_R, t_R+1, t_R+2, …의 시점보다도 각각 앞에서 발생된다. 이와 같이 각 수신앰프(14-1, …, 14-n)의 게인 변화는 각각 지연수단을 통하여 보면, 제7도 (c)와 같이 된다.

한편, 제1도의 타임 게인 콘트롤 앰프(22)는 게인제어신호 V_G에 의해 제어되며, 증폭율이 제7도 (d)와 같이 톱날 형상으로 변화한다. 따라서, 제1도의 정상회로 전체의 게인은 제7도 (e)와 같이 송파로부터의 시간경과에 따라서 연속적으로 변화한다.

제8도는 제1도의 정상회로를 IC화 하는 경우의 구성을 도시한 것이다. (32)는 제7도 (a)에 도시한 것과 같은 순차변화하는 반사파의 반면(反面)에 따라서 제1도의 제1번째의 수신앰프(14-1)의 출력을 지연하기 위한 지연데이타가 기억되는 메모리를 나타낸다. (4)는 이 메모리에 데이타를 입력하기 위한 단자이다. 이 메모리의 데이타는 제어회로(34)에 호출되고, (34)에서는 이 데이타에 따라서 수신앰프의 게인제어를 위한 제어신호 ø₁', 샘플링 지연수단의 제어를 위한 제어신호 ø_1-o, ø_1-c및 전환스위치 S1-o, Si-e를 제어하기 위한 제어신호를 발생한다. (3)은 송파의 타이밍을 나타내는 신호를 도시한다. 또, (36)은 제1도의 샘플링 제어수단 D1-o, D1-e 및 S1-o, S1-e의 부분을 나타낸다. 이들의 신호 1채널당의 제어용 메모리, 제어회로, 수신앰프 및 지연수단은 1개의 IC칩(30)내에 집적된다. 다른 채널도 마찬가지로 각각 1개의 IC칩중에 집적되어서, 제1도의 정상회로가 얻어진다. 이와 같이, 신호의 채널마다 따로따로 IC화하는 구성에 의하면, 채널마다 다른 타이밍제어신호가 인접하는 채널의 수신신호에 혼입하는 것을 방지하고 이것에 의해 정상회로의 SN비를 향상할 수가 있다.

제9도는 제1도의 구성을 변형한 다른 실시예를 도시한 것이다. 이 구성에서는 각 신호채널마다 2개씩 마련된 샘플링 지연수단(16)중 D1-o, D2-o, …, D1-o의 출력은 가산수단(18-1)에 접속되고, D1-e, D2-e, …, Dn-e의 출력은 다른 하나의 가산수단(18-2)에 접속된다. 이들 가산수단의 출력은 전환스위치 S-o 및 S-e를 각각 거쳐서 로우패스 필터(20) 및 타임 게인 톤트롤 앰프에 접속된다. 전환스위치 S-o 및 S-e는 각각 모든 채널의 수신신호의 홀드가 완료한 시점에서 번갈아가며 “ON”된다. 이로 인해, 제1도의 예와 마찬가지의 다중화된 샘플링 지연수단을 번갈아가면서 사용한 샘플링이 이루어진다.

그리고, 상기 실시예에 있어서는 각 수신신호에 대해서 지연수단을 각각 2회로씩 마련하여 번갈아서 샘플링하는 경우를 설명하였으나, 지연수단을 각각 3회로 이상 마련하여 차례로 전환하여 샘플링 지연하는 경우도 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 명확하다.

Claims (4)

1. 배열진동차의 각 소자의 수파신호의 진폭 또는 위상을 제어하는 것에 의해, 초음파 비임을 편향 또는 접속시켜서 단층상을 얻는 초음파 단층장치의 초음파 수파정성회로에 있어서, 상기 배열진동자(10)을 구성하는 소자로부터의 수파신호를 각각 받는 여러개의 수신앰프(14-1, 14-2, …, 14-n), 상기 수신앰프의 각각의 출력에 각각 대응하는 양의 신호지연을 부여하기 위해서, 상기 수신앰프에 접속하는 서로 병렬로 접속된 여러개의 샘플링 지연회로로 이루어지는 세트(16, D1-o, D1-e ; D2-o, D2-e ; … ; Dn-o, Dn-e), 각 송파신호후에 계속되는 신호수신기간중에 상기 각 세트가 접속되는 상기 수신앰프로부터의 신호를 상기의 서로 병렬로 접속된 여러개의 샘플링 지연회로의 각각이 번갈아가며 순차 샘플링하도록, 각각의 샘플링 지연회로에 타이밍신호를 부여하는 여러개의 타이밍신호 부여수단(ø₁₊₀, ø_1+c; ø₂₊₀, ø_2+c; … ; ø_n+0, ø_n+c), 상기 여러개의 타이밍신호 부여수단의 각각에 대응하여 마련되고, 상기 각 세트의 여러개의 샘플링 지연회로의 출력을 번갈아가며 선택하는 선택수단(S1-o, S1-e ; S2-o, S2-e ; …Sn-o, Sn-e), 상기 선택수단에서 선택된 상기 여러개의 세트의 각각의 샘플링 지연수단의 출력을 가산하는 가산수단(18), 상기 가산수단에 접속되어 상기 가산수단의 출력을 필터링하는 필터링수단(20) 및 상기 필터링수단에 접속되어 상기 필터링수단의 출력을 증폭하는 증폭수단(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 수파정상회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 여러개의 수신앰프는 각각 각 송파신호후의 시간지연과 함께 스텝형상으로 증가하는 증폭율을 갖는 초음파 수파정상회로.
3. 제2항에 있어서, 상기 여러개의 수신앰프의 각각의 증폭율은 각각의 수신앰프에 접속되는 샘플링 지연회로의 지연시간에 대응한 타이밍에서 변화하는 초음파 수파정상회로.
4. 제3항에 있어서, 상기 증폭수단의 증폭율을, 상기 여러개의 수신앰프의 각각의 증폭율의 변화마다 연속적으로 변화시켜 상기 증폭수단과 상기 여러개의 수신앰프의 각각에 의해 얻어지는 증폭율이 각각 각 송파신호후의 시간과 함께 연속적으로 증대하는 것을 특징으로 하는 초음파 수파정상회로.

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