JP4087762B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波診断装置に関し、特にプローブヘッドと装置本体との間における信号伝送に関する。

近年、アレイ振動子が多素子化している。特に二次元的に超音波ビームを電子走査可能な２Ｄアレイ振動子は多数の振動素子で構成される。よって、プローブケーブル内にはそれらの振動素子に対応する多数の信号線を挿通させる必要があり、プローブケーブルが著しく太くなり、プローブの操作性を低下させる。

以下の特許文献１には、プローブヘッド内にＣＣＤを設け、それによってプローブヘッド内で整相加算を実行し、整相加算後の受信信号を装置本体へ伝送するものが示されている。しかし、この方式によると、確かに信号線の本数を削減できるものの、アナログ整相加算処理のために様々な制約があり、信号品質面でも問題があるものと思われる。特に、１回の送受信で複数の受信ビームを同時形成する方式などには対応困難であるという点を指摘できる。

また、下記の特許文献２には、プローブヘッド内において複数のアナログ受信信号を複数のデジタル受信信号に変換し、それらを時分割処理してシリアル信号に変換し、それを装置本体へ伝送するものが開示されている。しかし、時分割処理ゆえに転送レートに制約があり、特に多数の振動素子からの受信信号を処理することは実際上極めて困難である。

特開２０００−３３０８７号公報 特開２００３−１０１８７号公報

本発明の目的は、プローブヘッド内に多数の振動素子が設けられる場合において、プローブケーブルを細くできるようにすることにある。

本発明の他の目的は、プローブ内でデジタル整相加算処理を行っても信号線の本数を削減できるようにすることにある。

本発明は、プローブヘッドと、それがプローブケーブルを介して接続される装置本体と、を有する超音波診断装置において、前記プローブヘッドは、複数の振動素子からなるアレイ振動子と、前記アレイ振動子からの複数のアナログ受信信号を複数のデジタル受信信号に変換する整相加算用Ａ／Ｄ変換部と、前記複数のデジタル受信信号に対して整相加算処理を行ってデジタル整相加算信号を生成する整相加算部と、前記デジタル整相加算信号をアナログ整相加算信号に変換する伝送用Ｄ／Ａ変換部と、を含み、前記装置本体は、前記アナログ整相加算信号をデジタル整相加算信号に変換する伝送用Ａ／Ｄ変換部と、前記伝送用Ａ／Ｄ変換部から出力されたデジタル整相加算信号に基づいて超音波画像を形成する画像形成部と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、プローブヘッド内でデジタル整相加算処理を行えるので、デジタル処理ゆえの様々な利点を得ることができ、特に良好な信号品質を得ることができる。その上で、プローブヘッドから装置本体への信号伝送はアナログ信号として行われており、複数ビットでパラレル伝送する場合のように、１つの信号当たり多数の信号線は不要である。つまり、整相加算後の１つの信号につき基本的には１本の信号線を設ければよい。装置本体側では、アナログ整相加算信号からデジタル整相加算信号を再生し、そのデジタル整相加算信号が処理される。

以上のように、プローブヘッド内で複数の信号がデジタル整相加算処理され、しかもそれにより生成されたデジタル信号がアナログ伝送されるために、デジタル信号処理による高精度あるいは多様な処理の利点とアナログ伝送の簡便さという両方の利点を享受できる。なお、上記の装置本体は、ケーーブルコネクタを含んでもよく、そのケーブルコネクタ内に伝送用Ａ／Ｄ変換部などの電子回路を設けるようにしてもよい。

望ましくは、前記アレイ振動子は、複数の振動素子がｍ（但し、ｍは２以上の整数）個のサブアレイに区分される２Ｄアレイ振動子であり、前記整相加算部は、前記ｍ個のサブアレイに対応して設けられた回路であって、前記複数のデジタル受信信号に対してサブ整相加算処理を行ってｍ個のサブデジタル整相加算信号を生成するｍ個のサブ整相加算回路で構成され、前記伝送用Ｄ／Ａ変換部は、前記ｍ個のサブデジタル整相加算信号をｍ個のサブアナログ整相加算信号に変換するｍ個の伝送用Ｄ／Ａ変換器で構成され、前記伝送用Ａ／Ｄ変換部は、前記ｍ個のサブアナログ整相加算信号をｍ個のサブデジタル整相加算信号に変換するｍ個の伝送用Ａ／Ｄ変換器で構成され、前記装置本体は、更に、前記ｍ個のサブデジタル整相加算信号に対してメイン整相加算処理を行ってメイン整相加算信号を生成するメイン整相加算部を含む。

上記構成によれば、プローブヘッド内でサブアレイごとにサブ整相加算処理が実行され、それにより生成されたｍ個のサブデジタル整相加算信号がそれぞれアナログ信号として装置本体側へ伝送される。装置本体側では、ｍ個のサブアナログ整相加算信号をデジタル信号に変換した後にメイン整相加算処理し、これによってメインデジタル整相加算信号が得られている。このように数段階にわたる整相加算処理によって受信ビームを形成するようにしてもよい。

望ましくは、前記装置本体には、１回の超音波の送受波でｎ（但し、ｎは２以上の整数）個の受信ビームを形成するために、ｎ個のメイン整相加算部が並列的に設けられる。

望ましくは、１回の超音波の送受信ごとにｎ（但し、ｎは２以上の整数）個の受信ビームが形成され、前記整相加算部として、前記複数のデジタル受信信号に対して並列的にｎ個の整相加算処理を行ってｎ個のデジタル整相加算信号を生成するｎ個の整相加算部が設けられ、前記伝送用Ｄ／Ａ変換部として、前記ｎ個のデジタル整相加算信号をｎ個のアナログ整相加算信号に変換するｎ個の伝送用Ａ／Ｄ変換部が設けられ、前記伝送用Ａ／Ｄ変換部として、前記ｎ個のアナログ整相加算信号をｎ個のデジタル整相加算信号に変換するｎ個の伝送用Ｄ／Ａ変換部が設けられる。

上記構成によれば、複数のデジタル受信信号に基づいてｎ個のデジタル整相加算信号が生成され、それらがアナログ信号として装置本体側へ伝送される。１回の超音波の送受波でｎ個の音線情報が得られるので、フレームレートあるいはボリュームレートを向上でききる。

望ましくは、前記プローブヘッドは、前記アレイ振動子に対して複数の送信信号を供給する送信部を有する。このように送信部をプローブヘッド内に設ければ、各チャンネルの送信信号を装置本体側からプローブヘッドへ供給する必要がなくなり、プローブケーブルを細径化できる。

なお、上記の各構成において、並列配置される複数の回路に代えて時分割動作する単一の回路を設けるようにしてもよい。特に、デジタル整相加算回路などの場合には、その原理上、容易に時分割動作させることが可能である。

以上説明したように、本発明によれば、プローブヘッド内でデジタル整相加算を行えると共に、プローブケーブルを細くできるという利点がある。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る超音波診断装置の全体構成が概念図として示されている。

この超音波診断装置は、大別してプローブユニットと装置本体１２とで構成され、プローブユニットは、プローブヘッド１０、プローブケーブル１４及び図示されていないケーブルコネクタによって構成される。

プローブヘッド１０は例えば体表面上に当接して用いられる。本実施形態においては、プローブヘッドにおけるプローブケース内に図１に示されるような各種の電子回路が収容されている。プローブケースはユーザーによって把持される外形を有し、その先端面には以下に説明する２Ｄアレイ振動子１６が配置されている。２Ｄアレイ振動子１６は、複数の振動素子１６ａを二次元配列してなるものである。この２Ｄアレイ振動子１６によって超音波ビームが形成され、その超音波ビームが電子的に走査される。その電子走査方式としては電子セクタ走査などをあげることができる。２Ｄアレイ振動子１６は、本実施形態において例えば３８４個の振動素子１６ａで構成され、それらの複数の振動素子１６ａが後述するように９６個のサブアレイに区分されているが、２Ｄアレイ振動子１６の構成としては当然に他のものを採用することができる。例えば、２０００個あるいは３０００個にも及ぶ振動素子によって２Ｄアレイ振動子１６を構成するようにしてもよい。また、２Ｄアレイ振動子１６がいわゆるスパース型の２Ｄアレイ振動子であってもよい。

プローブヘッド１０内には、送受信制御部２０が設けられている。この送受信制御部２０は、装置本体１２内における後述するシステム制御部３６からの制御信号を受けて、それにしたがってプローブヘッド１０内に設けられた各電子回路の動作制御を行っている。特に、送受信制御部２０は、以下に説明する送信遅延制御及び受信遅延制御などを行っている。

送信ディレイ部２４は、複数の送信チャンネルに対応した複数の送信器によって構成される。各送信器は所望の送信波形を生成する回路として構成されてもよいし、単に送信パルスを生成する回路として構成されてもよい。パルサー部２６は、送信ディレイ部２４によって一定の遅延関係をもって生成された複数の送信信号をそれぞれドライブし、これによって複数の送信駆動信号をアレイ振動子１６に対して供給する。このような複数の送信駆動信号が２Ｄアレイ振動子１６を構成する複数の振動素子１６ａに供給されると、その２Ｄアレイ振動子１６から生体内へ超音波が放射され、これによって送信ビームが形成される。

一方、生体内からの反射波は２Ｄアレイ振動子１６によって受波される。これにより、複数の振動子素子１６ａからアナログ信号としての受信信号がＡ／Ｄ変換部２８へ出力される。

Ａ／Ｄ変換部２８は、複数の受信チャンネルに対応した複数のＡ／Ｄ変換器によって構成されており、入力される受信信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換する。ちなみに、２Ｄアレイ振動子１６とＡ／Ｄ変換部２８との間にプリアンプ群などを設けるようにしてもよい。

整相加算部３０は、デジタルビームフォーマーとして構成され、すなわち複数のデジタル受信信号に対して整相加算処理を実行し、これによって整相加算後の信号（デジタル整相加算信号）を生成する回路である。本実施形態においては、後に図２に示すように、整相加算部３０が複数のサブ整相加算回路によって構成されており、それらは並列的に配置されている。上述したように、２Ｄアレイ振動子１６が例えば３８４個の振動素子１６ａによって構成される場合、それらが９６個のサブアレイに区分され、各サブアレイごとにサブ整相加算回路が設けられる。各サブ整相加算回路は４チャンネル分の受信信号についてのサブ整相加算処理を実行する。

Ｄ／Ａ変換部３２は、整相加算部３０から出力されるデジタル整相加算信号をアナログ整相加算信号に変換するモジュールである。整相加算部３０から複数のデジタル整相加算信号が出力される場合、それらに対応して、Ｄ／Ａ変換部３２が、複数のＤ／Ａ変換器によって構成される。例えば、Ａ／Ｄ変換部２８から出力されるデジタル受信信号が１２ｂｉｔで構成され、整相加算部３０から出力されるデジタル整相加算信号が２０ｂｉｔで構成される場合、そのままのビット数でデジタル整相加算信号を装置本体にパラレルに供給すると１つの信号あたり極めて多数の信号線が必要となってしまう。あるいは、時分割伝送を行うにしても、極めて高速の処理が必要とされ、チャンネル数が極めて増大する場合にはそのような時分割による伝送も不可能となる。

その一方において、本実施形態によれば、そのような多ビットからなる信号が１つのアナログ信号に変換されて出力されるため、プローブケーブル１４を構成する信号線の本数を著しく削減することが可能となる。

プローブケーブル１４は、図１に示されるように、１又は複数の信号伝送用の信号線３４と、制御信号、クロック信号、電力ラインなどからなる複数の制御線２２などで構成されるものである。制御線２２は例えば１０〜２０本のラインによって構成することができ、プローブケーブル１４全体として数十本程度のラインすなわち信号線のみを設ければよいので、プローブケーブル１４の直径を細くでき、その結果として三次元エコーデータの取込を行う場合におけるプローブヘッド１０の操作性を極めて良好にでき、またユーザーへの負担を軽減することが可能となる。

次に、装置本体１２について説明する。システム制御部３６は、中央制御部として機能し、装置本体１２内における各構成の動作制御を行っている。

受信処理部３８は、本実施形態においてＡ／Ｄ変換部３９を有している。このＡ／Ｄ変換部３９は、入力されるアナログ整相加算信号の個数に対応した個数のＡ／Ｄ変換器からなるものである。例えば、９６個のアナログ整相加算信号が入力される場合、それに対応して９６個のＡ／Ｄ変換器が設けられる。これによって、それぞれのアナログ整相加算信号はデジタル整相加算信号に復元される。

受信処理部３８は、Ａ／Ｄ変換部３９の他に、必要に応じてメイン整相加算部などを有する。これについては後に図３などを用いて説明する。

いずれにしても、受信処理部３８からデジタル信号に変換された整相加算信号が出力されることになり、ビーム処理部４０はそのような信号に対して必要な信号処理を実行する。例えばエコー信号の処理であればゲイン調整、対数圧縮などの処理が施される。

画像構成部４２は、例えばデジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）などによって構成され、入力される各ビームごとの情報に基づいて断層画像や三次元画像などを構築する。それにより形成された超音波画像は表示部４４に表示される。ちなみに、入力部４６はキーボードやトラックボールなどを有する操作パネルによって構成され、それによって入力されたデータあるいは条件がシステム制御部３６へ渡される。

ちなみに、以上のように多数のチャンネルが例えば９６チャンネルにリダクションされるような場合、従来の超音波診断装置の構成をそのまま利用してメイン整相加算処理を行うことも可能である。ただし、その場合においてもシステム制御部３６におけるプログラム変更及び制御信号の出力を付加する必要がある。

図２には、図１に示したプローブヘッド１０内における特に受信系の具体的な構成が例示されている。

上述したように、２Ｄアレイ振動子は複数の振動素子１６ａによって構成され、それらは複数のサブアレイ１６ｂに区分される。このサブアレイ１６ｂは例えば４つの振動素子１６ａからなるものであり、その４つの振動素子は例えば正方形を構成する。

プリアンプ群５０は各振動素子１６ａごとに設けられたプリアンプ５０ａによって構成され、これと同様に、Ａ／Ｄ変換部２８は各振動素子１６ａごとに設けられたＡ／Ｄ変換器２８ａによって構成される。

整相加算部３０は、各サブアレイ１６ａごとに設けられた複数のサブ整相加算回路５１によって構成される。すなわち、サブアレイ１６ａ内における４つの受信信号に対して第１段階目の整相加算を実行するものである。サブ整相加算回路５１は図２に示されるように複数のディレイ回路５２とその出力を加算する加算回路５４とで構成されている。ディレイ回路５２は後に図４を用いて例示するように入力される信号に対して遅延時間を付与する回路である。Ｄ／Ａ変換部３２は、各サブアレイ１６ａごとに設けられたＤ／Ａ変換器３２ａによって構成される。

一方、図２に示されるような回路構成が採用される場合、装置本体１２における受信処理部３８は図３に示すような構成となる。すなわち、Ａ／Ｄ変換部３９は各サブアレイごとに設けられた複数のＡ／Ｄ変換器３９ａによって構成され、それらの後段には１つのメイン整相加算回路５６が設けられる。このメイン整相加算回路５６は、各サブアレイごとに出力されるデジタル整相加算信号に対して遅延処理を行う複数のディレイ回路５８とそれらのディレイ回路の出力を加算する加算回路６０とによって構成される。その加算回路６０から、メイン整相加算信号がデジタル信号として出力されることになる。

図４には、図２に示したディレイ回路５２及び図３に示したディレイ回路５８の構成例が示されている。入力される信号はローパスフィルタ（ＬＰＦ）６２を介してラインメモリ６４へ入力される。ラインメモリ６４におけるデータの書き込み及び読み出しはディレイ制御器６６によって制御されている。このディレイ制御器６６は特にデータの読み出し時においてディレイメモリ６８にセットされた遅延時間にしたがってラインメモリ６４から所定のタイミングで信号を読み出す。その読み出された信号は補間回路７０に出力される。補間回路７０は入力される信号に対して微少量（小数部）の遅延時間の調整を行うために補間処理を実行し、これによってディレイメモリ６８にセットされたディレイデータに相当する分の遅延時間だけ遅れた信号が出力されることになる。

ちなみに、図４に示す回路構成を時分割動作させることによって１つの回路で複数の信号に対して遅延処理を行うことも可能である。これはデジタルビームフォーマーの利点でもある。

図５及び図６には、上記構成に関する変形例が示されている。

図５に示す例においては、プローブヘッド内におけるＡ／Ｄ変換部２８の後段に、複数の整相加算部３０が並列的に設けられている。それぞれの整相加算部３０は、１送受信あたり複数の受信ビームを同時に形成するために、複数の整相加算処理を並列的に実行するものである。それらの整相加算部３０の後段には複数のＤ／Ａ変換器３２ａが設けられる。よって、図５に示す構成によれば、プローブヘッド１０内において複数の受信ビームを電子的に形成する処理を行うことができ、その結果として得られる複数の整相加算信号をアナログ信号として装置本体１２へ伝送することが可能となる。

図６に示す例においては、図２に示した構成が採用されることを前提として、装置本体内に複数のメイン整相加算回路５６が並列的に設けられている。すなわち、Ａ／Ｄ変換部３８の後段には、互いに並列に複数のメイン整相加算回路５６が設けられており、各メイン整相加算回路５６は複数のサブアレイに対応して得られた複数のサブ整相加算信号に対して２段目の整相加算処理を実行してそれによりメイン整相加算信号を生成する。これによって、１回の送受信あたり複数の受信ビームを電子的に形成することが可能となる。この場合において、プローブヘッド内における複数のサブ整相加算回路は各受信ビームで共用されることになる。

なお、上記実施形態において、プローブヘッド１０内にクロック発生器を設ければ、装置本体側からクロック信号を供給する必要がなくなる。また、一般に、装置本体側から供給する同期信号及び制御信号はステート信号となるため、受信信号に対してのノイズといった問題は解消あるいは低減される。上記実施形態においては様々な数値が登場したが、それらは一例であって、各種の数値を採用することが可能である。

プローブヘッド１０から装置本体１２へアナログ信号を伝送する場合において、そのアナログ信号は電圧信号としてもよいし、電流信号とするようにしてもよい。

本発明に係る超音波診断装置の全体構成を示す概念図である。 図１に示すプローブヘッド内における受信系の具体例を示す回路図である。 図１に示す装置本体における受信処理部の構成例を示すブロック図である。 図２及び図３に示すディレイ回路の構成例を示すブロック図である。 複数の受信ビームを同時形成するための回路構成例を示す図である。 複数の受信ビームを同時形成するための他の回路構成例を示す図である。

符号の説明

１０ プローブヘッド、１２ 装置本体、１４ プローブケーブル、１６ ２Ｄアレイ振動子、２８ Ａ／Ｄ変換部、３０ 整相加算部、３２ Ｄ／Ａ変換部、３８ 受信処理部、３９ Ａ／Ｄ変換部。

Claims (5)

1. プローブヘッドと、それがプローブケーブルを介して接続される装置本体と、を有する超音波診断装置において、
   前記プローブヘッドは、
   複数の振動素子からなるアレイ振動子と、
   前記アレイ振動子からの複数のアナログ受信信号を複数のデジタル受信信号に変換する整相加算用Ａ／Ｄ変換部と、
   前記複数のデジタル受信信号に対して整相加算処理を行ってデジタル整相加算信号を生成する整相加算部と、
   前記デジタル整相加算信号をアナログ整相加算信号に変換する伝送用Ｄ／Ａ変換部と、
   を含み、
   前記装置本体は、
   前記アナログ整相加算信号をデジタル整相加算信号に変換する伝送用Ａ／Ｄ変換部と、
   前記伝送用Ａ／Ｄ変換部から出力されたデジタル整相加算信号に基づいて超音波画像を形成する画像形成部と、
   を含むことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１記載の装置において、
   前記アレイ振動子は、前記複数の振動素子がｍ（但し、ｍは２以上の整数）個のサブアレイに区分される２Ｄアレイ振動子であり、
   前記整相加算部は、前記ｍ個のサブアレイに対応して設けられた回路であって、前記複数のデジタル受信信号に対してサブ整相加算処理を行ってｍ個のサブデジタル整相加算信号を生成するｍ個のサブ整相加算回路で構成され、
   前記伝送用Ｄ／Ａ変換部は、前記ｍ個のサブデジタル整相加算信号をｍ個のサブアナログ整相加算信号に変換するｍ個の伝送用Ｄ／Ａ変換器で構成され、
   前記伝送用Ａ／Ｄ変換部は、前記ｍ個のサブアナログ整相加算信号をｍ個のサブデジタル整相加算信号に変換するｍ個の伝送用Ａ／Ｄ変換器で構成され、
   前記装置本体は、更に、前記ｍ個のサブデジタル整相加算信号に対してメイン整相加算処理を行ってメイン整相加算信号を生成する少なくとも１つのメイン整相加算部を含むことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項２記載の装置において、
   前記装置本体には、１回の超音波の送受波でｎ（但し、ｎは２以上の整数）個の受信ビームを形成するために、ｎ個のメイン整相加算部が並列的に設けられたことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項１記載の装置において、
   １回の超音波の送受信ごとにｎ（但し、ｎは２以上の整数）個の受信ビームが形成され、
   前記整相加算部として、前記複数のデジタル受信信号に対して並列的にｎ個の整相加算処理を行ってｎ個のデジタル整相加算信号を生成するｎ個の整相加算部が設けられ、
   前記伝送用Ｄ／Ａ変換部として、前記ｎ個のデジタル整相加算信号をｎ個のアナログ整相加算信号に変換するｎ個の伝送用Ａ／Ｄ変換部が設けられ、
   前記伝送用Ａ／Ｄ変換部として、前記ｎ個のアナログ整相加算信号をｎ個のデジタル整相加算信号に変換するｎ個の伝送用Ｄ／Ａ変換部が設けられた、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項１記載の装置において、
   前記プローブヘッドは、前記アレイ振動子に対して複数の送信信号を供給する送信部を有することを特徴とする超音波診断装置。

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