JP6251030B2 - 超音波プローブおよび超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超音波ビームで走査して被観測体から超音波画像を取得する超音波プローブおよび超音波診断装置に関する。

近年、電子回路を内蔵し、数千個におよぶ振動子（ＡＭ）による送受信を行い、３次元の超音波画像をリアルタイム表示可能な２Ｄアレイプローブが開発され、人間の臓器等、被観測体の診断に使用されている。上記２Ｄアレイプローブにおいて、分解能の良い超音波画像を得るためには、上記複数の振動子を正負両極の対称性の良い波形で駆動し、得られた超音波エコーから基本周波数成分を消去し、周波数の高い高調波成分を取り出して画像化するＴＨＩ（Tissue Harmonic Imaging）の方法が用いられている。

ところで、正負の対称性の良い波形を得るためには、十分な電流を送信回路に供給することのできる強力な電源が必要である。しかしながら、従来の２Ｄアレイプローブは、送信回路や電源等を収めるケースが小さいため、正負の駆動波形を生成する回路に十分な電源を供給することができない。その結果、正負の送信回路の特性の差異が顕在化して対称性の異なる送信波形が生じ、得られた超音波エコーから基本周波数成分が十分に消去されない。得られた超音波エコーから基本周波数成分が十分に消去されない状態で画像化すると、分解能が悪く診断に影響を及ぼすような画像が取得され、実用に供することが困難である。

十分な電源を供給するために、従来の２Ｄアレイプローブは、コンデンサの数を増やして電源のインピーダンスを下げることで、電流供給能力を向上させることが考えられる。しかしながら、コンデンサの数を増やして電源のインピーダンスを下げ、電流供給能力を向上させる場合、送信用高圧電源のコンデンサの個数が膨大となり、ケース内に収まらなくなる。

特開２００８−２２０７５３号公報

本実施形態の目的は、限られた電源の能力において正負の送信波形の対称性を向上させ、良好な超音波画像を得ることができる超音波プローブおよび超音波診断装置を提供することにある。

本実施形態に係る超音波プローブは、超音波パルスを送受信する複数の振動子と、前記複数の振動子を介して被観測体に超音波パルスを送信する送信手段と、前記複数の振動子を介して前記被観測体からの超音波エコーを受信する受信手段と、前記送信手段から送信される超音波パルスの正極側および負極側の送信波形の形状が対称になるよう調整する調整手段とを具備する。

実施形態に係る超音波プローブを備える超音波診断装置の構成の一例を示す回路図。 送信波形のドループの非対称性および送信波形の非対称性を示す概略図。 図１に示す超音波プローブの送信回路の一例を示すブロック図。 第１の実施形態に係る超音波プローブの送信回路を示す回路図。 送信波形の非対称成分検出回路を示す図。 第２の実施形態に係る超音波プローブの送信回路を示す回路図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る超音波プローブおよび超音波診断装置を説明する。

図１は、実施形態に係る超音波プローブを備える超音波診断装置の構成の一例を示す回路図である。

図１に示す超音波診断装置は、心臓等の被観測体１００から超音波画像を取得する装置であり、超音波プローブ１および装置本体２を備える。

超音波プローブ１は、振動子群１−２、パルサー群（送信駆動回路）１−３、プリアンプ群１−４、ＴＧＣライン１−１１、サブアレイ受信遅延回路１−５、送信遅延回路１−６およびプローブコネクタ１−８を備える。

振動子群１−２は、プローブハンドル１−１において、アレイ状に配列される複数の振動子を有する。

パルサー群１−３は、振動子群１−２に接続され、送信遅延回路１−６で生成されたタイミングに従って対応する複数の振動子に電圧パルス（駆動信号）を印加する。。

プリアンプ群１−４は、振動子群１−２から送波された超音波ビームが被観測体１００内の構造物の境界等の音響インピーダンスの異なる界面で反射を受け、被観測体１００内の構造・動き等の情報を得て振動子群１−２で受信される微弱な超音波エコー信号を良好に伝送するための低雑音増幅またはバッファリング等の処理を行う。

ＴＧＣライン１−１１は、プリアンプ群１−４のゲインを共通で設定する。

サブアレイ受信遅延回路１−５は、プリアンプ群１−４からの出力信号を数チャネルのグループで遅延時間を与えて加算し、超音波プローブ１からの出力信号線数を減少させる。

送信遅延回路１−６は、振動子群１−２を駆動して所定の指向性を持つ超音波ビームを発生させるタイミングを生成する。

プローブコネクタ１−８は、電子回路群１−９および制御回路１−１０を備える。

電子回路群１−９は、必要に応じて増幅、バッファリングおよび帯域調整等の超音波エコー信号の追加処理を行う。

制御回路１−１０は、後述する装置本体２より伝送される制御信号を基にして、プローブヘッド内のサブアレイ受信遅延回路群１−５および送信遅延回路１−６に伝送する制御信号を生成する。

また、上記プローブハンドル１−１およびプローブコネクタ１−８は、プローブケーブル１−７で接続される。

装置本体２は、本体プリアンプ群２−４、本体受信遅延加算回路２−５、信号処理部２−６、画像処理部２−７および表示部２−８を備える。

本体プリアンプ群２−４は、超音波プローブ１で数チャネルのグループで最初の受信遅延加算処理が施された超音波エコー信号を増幅する。受信遅延加算回路２−５は、本体プリアンプ群２−４で増幅された複数の超音波エコー信号のタイミングを合わせる。信号処理部２−６は、複数の超音波エコー信号を検波して、複数の超音波エコー信号のエンベロープを取り出す。画像処理部２−７は、被観測体１００の断面に合わせて座標変換し、また画像表示に適した階調処理等を施す。表示部２−８は、座標変換および階調処理等が施された超音波画像を表示する。これにより、超音波診断装置は、リアルタイムで被観測体１００内の形態情報（図示しない）を表示することが可能となる。

また、画像処理部２−７は、被観測体１００内の血流に対して超音波の送受信が行われて得られる、血球の動きによる超音波ビームの周波数のドプラ偏移を検出・処理し、表示部２−８で表示する。これにより、超音波診断装置は、ドプラ画像（図示しない）として血流速度情報を表示することが可能となる。

また、装置本体２は、各処理部の動作を制御すると共に、プローブコネクタ１−８の制御回路１−１０に制御情報を伝送するための、本体制御回路２−９および操作パネル２−１０を備える。

また、装置本体２は、電子回路を内蔵しない超音波プローブを接続する場合、すなわち超音波プローブ内の振動子を装置本体２で駆動させる場合に動作させる、本体送信遅延回路２−２および本体パルサー群２−３を備える。

ここで、上記超音波診断装置の送信に関係する部分について、詳しく説明する。

図２は、図１に示す超音波診断装置の送信回路の一例を示すブロック図である。

図２に示す送信回路は、送信遅延回路３−１（図１の送信遅延回路１−６または本体送信遅延回路２−２に対応）、パルサ３−２１〜３−２ｎ（図１のパルサー群１−３または本体パルサー群２−３に対応）および電源部３−３を備える。

パルサ３−２１〜３−２ｎは、それぞれ送信遅延回路３−１から出力されるレートパルスに基づくタイミングで、対応する複数の振動子に電圧パルス（駆動信号）を印加する。電源部３−３は、上記複数の振動子に印加される高電圧の電圧パルスを発生する。

さらに、上記送信回路の回路構成について、詳しく説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態は、上記電源部３−３に含まれるバイパスコンデンサの電気容量を調整することにより、送信波形のパルス列の継続により波高値が徐々に低下するドループ（図３（ａ）参照）という現象について、正極側の送信波形と負極側の送信波形とで対称性を改善するものである。

図４は、第１の実施形態に係る超音波プローブの送信回路を示す回路図である。

図４に示すように、送信回路の電源部３−３のバイパスコンデンサに、当該バイパスコンデンサよりも値の小さいコンデンサを複数個並列に接続して電気容量の調整を行う。ここで、正負両側の電源に対して行うのは調整が煩雑になるため、正負どちらかの電源に対して行う。第１の実施形態では、負極側の電源に対して調整を行うが、正極側も同様に調整を行うことが可能である。

まず、送信回路は、超音波パルスの正極側の送信波形を形成する正側送信用高圧電源バイパスコンデンサ４−１（以降、バイパスコンデンサ４−１と表記）、超音波パルスの負極側の送信波形を形成する負側送信用高圧電源バイパスコンデンサ４−２（以降、バイパスコンデンサ４−２と表記）および正側および負側送信用高圧電源バイパスコンデンサからの正側および負側の電源をドライブ段からの駆動信号に基づいて切り替え、高圧送信波形を生成する２つのメイントランジスタとを備える。ここで、負極側の電源ＶＥＥに接続するメインのバイパスコンデンサ４−２の電気容量を正極側の電源ＶＤＤに接続するバイパスコンデンサ４−１よりも小さいものにする。このメインのバイパスコンデンサ４−２に小容量コンデンサ群４−３を並列接続できるように配置する。例えば、正極側のバイパスコンデンサ４−１の容量比を１０とすると、負極側のメインのバイパスコンデンサ４−２の容量比は５とする。また、小容量コンデンサ群４−３は、０.５，１，２，４等の容量比のコンデンサをラダー状に接続しておく。当該小容量コンデンサ群４−３のコンデンサの接続数を切り換えることにより、負極側のバイパスコンデンサ全体の容量比を１２.５から５まで設定することが可能である。小容量コンデンサ群４−３は、フレキ基板４−４上にラダー状に搭載され、片方の電極側は外側に湾曲するパターンで接続されるように構成する。この場合の電気容量の調整は、送信波形をモニタしながらラダー状に接続されている小容量コンデンサ群４−３をフレキ基板４−４上で外側に湾曲するパターンで形成される調整用切断ループ４−５で順に切り離し、正極側の送信波形と負極側の送信波形との対称性が最適となるようにする。このフレキ基板４−４は、フレキコネクタ４−６で負極側のメインのバイパスコンデンサ４−２に接続することも可能であり、その構成にするとフレキ基板４−４の取り換えにより調整を繰り返すことができ、より最適な小容量コンデンサ群４−３の付加を設定することが可能である。

図５は、送信波形の非対称成分検出回路を示す図である。

容量の調整は、図５に示す送信波形の非対称成分検出回路からモニタリング情報を取得して、表示部２−８でモニタリングする。図５に示すように、一般的に２００Ｖもの高圧の送信波形をアッテネータ５−１により処理が容易な電圧、たとえば数Ｖに降圧する。降圧後、制御回路１−１０からの信号に基づいて、送信波形周期の整数倍で積分するゲート付き積分器５−２により正極側の波形の面積と負極側の波形の面積の差を演算して波形の非対象成分を電圧として出力する。この電圧の出力値をプローブケーブル１−７を介して装置本体２の表示部２−８等で表示して、その電圧の出力値が最小になるように調整を行う。これにより、コンデンサの容量の調整を容易とすることが可能である。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、駆動回路の出力段の能力を調整し、送信波形の立ち上がり／立ち下り時間を変化させることにより、正極側の送信波形と負極側の送信波形とで対称性を改善するものである（図２（ｂ）参照）。

図６は、第２の実施形態に係る超音波プローブの送信回路を示す回路図である。

図６に示すように、送信回路の出力段において、サイズの小さいトランジスタをメイントランジスタに複数個並列に接続して駆動能力を調整する場合においても、正負どちらかのメイントランジスタに対して行う。第２の実施形態では、負極側の出力トランジスタ６−２に対して行うが、正極側も同様に行うことが可能である。

まず、送信回路は、第１の実施形態と同様に、バイパスコンデンサ４−１、バイパスコンデンサ４−２（図６では、バイパスコンデンサ４−１およびバイパスコンデンサ４−２の図示を省略する。）および正側および負側送信用高圧電源バイパスコンデンサからの正側および負側の電源をドライブ段からの駆動信号に基づいて切り替え、高圧送信波形を生成する２つのメイントランジスタを備える。ここで、送信回路の負極側のメイントランジスタ６−２の能力を正極側のメイントランジスタ６−１よりも小さいものにしておく。この負極側のメイントランジスタ６−２に複数個の小トランジスタ群６−３を並列接続し、ドライブ段からの駆動信号を、送信波形をモニタしながら補正用ゲート６−４により小トランジスタ群６−３に順に供給してＯＮして行き、正極側の送信波形と負極側の送信波形との対称性が最適となるようにする。この場合の調整においても第１の実施携帯中に記載の送信波形を周期の整数倍で積分して電圧として出力する。この電圧の出力値をプローブケーブル１−７を介して装置本体２の表示部２−８等で表示して、その電圧の出力値が最小になるように調整を行う。

また、調整の自動化および、出荷後でも、小トランジスタ群６−３の並列数を調整して対応可能である。加えて超音波画像のモード（Bモード、カラードプラ等）、送信出力、超音波の周波数等により送信波形が変化するので、それらの各条件においてＯＮする小トランジスタ群６−３の数を制御回路１−１０中のメモリ（図示しない）に格納し、読み出して適用することにより各条件において送信波形の正側と負側の対称性を最適化することが可能となる。

ここで、第２の実施形態に係る超音波診断装置では、超音波プローブ１内に検査器等を内蔵して、当該検査器により送信波形をモニタリングしながら補正用ゲート６−４により小トランジスタ群６−３に順に供給してＯＮして行き、正極側の送信波形と負極側の送信波形との対称性が最適となるようにしてもよい。

上記構成によれば、第１および第２の実施形態に係る超音波プローブは、正負の極性の送信波形を、送信用高圧電源のコンデンサ数を増やさずに、対称性のよい状態にすることが可能である。

したがって、超音波プローブは、形状の小さく限られた電源能力を持つプローブにおいても正負の送信波形の対称性を向上させ、良好な超音波画像を得ることができる。また、上記対称性を向上させる機能を有する超音波診断装置を提供することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００…被観測体（心臓）、１…超音波プローブ、１−１…プローブハンドル、振動子群１−２…、１−３…パルサー群（送信駆動回路）、１−４…プリアンプ群、１−５…サブアレイ受信遅延回路、１−６…送信遅延回路、１−７…プローブケーブル、１−８…プローブコネクタ、１−９…電子回路群、１−１０…制御回路、１−１１…ＴＧＣライン、２…装置本体、２−１…本体側プローブコネクタ、２−２…本体送信遅延回路、２−３…本体パルサー群、２−４…本体プリアンプ群、２−５…本体受信遅延加算回路、２−６…信号処理部、２−７…画像処理部、２−８…表示部、２−９…本体制御回路、２−１０…操作パネル、４−１…正側送信用高圧電源バイパスコンデンサ、４−２…負側送信用高圧電源バイパスコンデンサ、４−３…補正用コンデンサ群、４−４…フレキシート、４−５…調整用切断ループ、４−６…フレキコネクタ、５−１…アッテネータ、５−２…ゲート付き積分器、６−１…正側メイン出力トランジスタ、６−２…負側メイン出力トランジスタ、６−３…補正用小トランジスタ群、６−４…補正用ゲート（スイッチ）。

Claims (5)

1. 超音波パルスを送受信する複数の振動子と、
   前記複数の振動子を介して被観測体に超音波パルスを送信する送信手段と、
   前記複数の振動子を介して前記被観測体からの超音波エコーを受信する受信手段と、
   前記送信手段から送信される超音波パルスの正極側および負極側の送信波形の形状が対称になるよう調整する調整手段と、を具備し、
   前記送信手段は、
   前記超音波パルスの正極側の電源を供給する正極側電源手段と、
   前記超音波パルスの負極側の電源を供給する負極側電源手段と、
   前記正極側および負極側電源手段から出力される電源をドライブ段からの駆動信号に基づいて切り換える２つのメイントランジスタとを備え、
   前記調整手段は、前記正極側および負極側電源手段の少なくとも一方において、バイパスコンデンサとしての第１のコンデンサよりも容量が小さく、前記第１のコンデンサに並列接続される第２のコンデンサの数によって、前記正極側および負極側電源手段の少なくとも一方のインピーダンスを調整する超音波プローブ。
2. 超音波パルスを送受信する複数の振動子と、
   前記複数の振動子を介して被観測体に超音波パルスを送信する送信手段と、
   前記複数の振動子を介して前記被観測体からの超音波エコーを受信する受信手段と、
   前記送信手段から送信される超音波パルスの正極側および負極側の送信波形の形状が対称になるよう調整する調整手段と、
   前記超音波パルスの送信波形を検出する検出手段と、を具備し、
   前記送信手段は、
   前記超音波パルスの正極側の電源を供給する正極側電源手段と、
   前記超音波パルスの負極側の電源を供給する負極側電源手段と、
   前記正極側および負極側電源手段から出力される電源をドライブ段からの駆動信号に基づいて切り換える２つのメイントランジスタとを備え、
   前記調整手段は、正極側および負極側に設けられる２つのメイントランジスタの少なくとも一方において、前記メイントランジスタとしての第１のトランジスタよりもサイズが小さく、前記第１のトランジスタに並列接続される第２のトランジスタの数によって、前記検出手段で検出される超音波パルスの正極側および負極側の送信波形の形状が対称となるよう、前記正極側および負極側のメイントランジスタの少なくとも一方の駆動能力を調整する超音波プローブ。
3. 超音波パルスを送受信する複数の振動子と、
   前記複数の振動子を介して被観測体に超音波パルスを送信する送信手段と、
   前記複数の振動子を介して前記被観測体からの超音波エコーを受信する受信手段と、
   前記送信手段による超音波パルスの送信動作および前記受信手段による超音波エコーの受信動作を制御する制御手段と、
   前記送信手段から送信される超音波パルスの正極側および負極側の送信波形の形状が対称になるよう調整する調整手段と、を具備し、
   前記送信手段は、
   前記超音波パルスの正極側の電源を供給する正極側電源手段と、
   前記超音波パルスの負極側の電源を供給する負極側電源手段と、
   前記正極側および負極側電源手段から出力される電源をドライブ段からの駆動信号に基づいて切り換える２つのメイントランジスタとを備え、
   前記調整手段は、前記正極側および負極側電源手段の少なくとも一方において、バイパスコンデンサとしての第１のコンデンサよりも容量が小さく、前記第１のコンデンサに並列接続される第２のコンデンサの数によって、前記正極側および負極側電源手段の少なくとも一方のインピーダンスを調整する超音波診断装置。
4. 前記超音波パルスの送信波形を検出する検出手段をさらに備える請求項３記載の超音波診断装置。
5. 超音波パルスを送受信する複数の振動子と、
   前記複数の振動子を介して被観測体に超音波パルスを送信する送信手段と、
   前記複数の振動子を介して前記被観測体からの超音波エコーを受信する受信手段と、
   前記送信手段による超音波パルスの送信動作および前記受信手段による超音波エコーの受信動作を制御する制御手段と、
   前記送信手段から送信される超音波パルスの正極側および負極側の送信波形の形状が対称になるよう調整する調整手段と、
   前記超音波パルスの送信波形を検出する検出手段と、を具備し、
   前記送信手段は、
   前記超音波パルスの正極側の電源を供給する正極側電源手段と、
   前記超音波パルスの負極側の電源を供給する負極側電源手段と、
   前記正極側および負極側電源手段から出力される電源をドライブ段からの駆動信号に基づいて切り換える２つのメイントランジスタとを備え、
   前記調整手段は、正極側および負極側に設けられる２つのメイントランジスタの少なくとも一方において、前記メイントランジスタとしての第１のトランジスタよりもサイズが小さく、前記第１のトランジスタに並列接続される第２のトランジスタの数によって、前記検出手段で検出される超音波パルスの正極側および負極側の送信波形の形状が対称となるよう、前記正極側および負極側のメイントランジスタの少なくとも一方の駆動能力を調整する超音波診断装置。

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