JP2007111257A - 超音波診断装置および超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】効率の良い送信により発熱を抑える。
【解決手段】正電源９および定電流源部１２と負電源１０および定電流源部１３とにより、正極性および負極性の定電流を出力する。トランジスタ７，８により、正極性の定電流および負極性の定電流の超音波振動子１１への印加を開閉可能とする。送信波形発生器２、イネーブル信号発生器３およびレベルシフタ５は、トランジスタ７を、第１の期間Ｐ１にて連続的または間欠的に閉じるとともに、第１の期間Ｐ１よりも後の第２の期間Ｐ２にて連続的に開く。送信波形発生器２、イネーブル信号発生器４およびレベルシフタ６は、トランジスタ８を、第１の期間Ｐ１にて連続的に開くとともに、第２の期間Ｐ２にて連続的または間欠的に閉じる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動子から送信される超音波を利用して被検体の診断を行う超音波診断装置およびこの超音波診断装置で利用可能な超音波プローブに関する。

近年、超音波プローブ内の振動子から超音波を送信する手段として、電流吐き出し用の正方向スイッチと吸い込み用の負方向スイッチを備え、それらを交互に切り替えることにより矩形パルス発生させる回路構成を備えた超音波診断装置が一般的に用いられている。

図５はこの種の超音波診断装置の従来の構成例を示す図である。図６は図５中の各部の信号の波形とタイミング関係とを示す図である。

なお図５では、超音波の送信に関連する部分のみの構成について表している。また近年の超音波診断装置は、２次元アレイまたは３次元アレイの多チャネル振動子を備えて、リアルタイムに断層像を表示する構成が一般的である。このため、送信部もそれに対応したチャネル数を備えているが、図５ではそのうちの１チャネル分のみについて表している。

以下に、図５および図６を参照して従来の超音波診断装置について説明する。この説明の中で、ＦＥＴの状態としてＯＮおよびＯＦＦという表現を便宜上使うが、ＯＮ状態とはソース−ドレイン間インピーダンスが低い状態を示し、ＯＦＦ状態とは逆にインピーダンスが高い状態を示す。

図５に示す超音波診断装置は、装置本体１０１および超音波プローブ１０４を含む。装置本体１０１はさらに、基準信号発生器１を含む。超音波プローブ１０４はさらに、レベルシフタ５，６、トランジスタ７，８、正電源９、負電源１０、超音波振動子１１および送信波形発生器３１を含む。なお、トランジスタ７としては、Ｐ型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が適用される。トランジスタ８としては、Ｎ型の電界効果トランジスタが適用される。

基準信号発生器１は、基準信号ａ１を出力する。基準信号ａ１は図６に示すように、高レベルと低レベルとを一定の繰り返し周期で繰り返す信号である。レベルシフタ５は、基準信号ａ１を、トランジスタ７のソース−ドレイン間をＯＮ／ＯＦＦできる波形レベルに変換して得た信号ａ２を出力する。また同様にレベルシフタ６は、基準信号ａ１を、トランジスタ８のソース−ドレイン間をＯＮ／ＯＦＦできる波形レベルに変換して得た信号ａ３を出力する。トランジスタ７のソース側に正電源９が接続されており、トランジスタ８のソース側に負電源１０が接続されている。

信号ａ２が低レベルの時にトランジスタ７がＯＮ状態に、高レベルの時にトランジスタ７がＯＦＦ状態になる。一方、信号ａ３が低レベルの時にトランジスタ８がＯＦＦ状態に、高レベルの時にトランジスタ８がＯＮ状態になる。よって、信号ａ２と信号ａ３との波形により、図６に示すような波形を持つ信号ａ４がトランジスタ７，８のドレイン端子に生じ、この信号ａ４により超音波振動子１１を励振する。

なお、信号ａ４の波形においては、厳密には立ち上がりおよび立ち下がり時間を有し、波形の傾きを持っているが、超音波の送信信号幅に対して十分に短いためここでは無視している。
特開２００１−２５８８８９

このように従来は、超音波振動子に印加される信号の立ち上がりおよび立ち下がりの波形が急峻なため、高次の高調波成分が含まれる。

通常、この種の高調波成分は、超音波の受信信号周波数帯域幅外になるため使われない。よって、高調波成分により送信電力が無駄に増加し、送信回路や超音波振動子の発熱要因の一部となっている。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、効率の良い送信により発熱を抑えることができる超音波診断装置および超音波プローブを提供することにある。

以上の目的を達成するために本発明は、超音波振動子から送信される超音波を利用して被検体の診断を行う超音波診断装置において、それぞれ正極性および負極性の定電流を出力する第１および第２の電源手段と、前記超音波振動子と前記第１の電源手段との接続を開閉する第１のスイッチ手段と、前記超音波振動子と前記第２の電源手段との接続を開閉する第２のスイッチ手段と、前記第１のスイッチ手段を、第１の期間にて連続的または間欠的に閉じるとともに、前記第１の期間よりも後の第２の期間にて連続的に開く第１の制御手段と、前記第２のスイッチ手段を、前記第１の期間にて連続的に開くとともに、前記第２の期間にて連続的または間欠的に閉じる第２の制御手段とを備えた。

また前記の目的を達成するために本発明は、超音波振動子と、それぞれ正極性および逆極性の定電流を出力する第１および第２の電源手段と、前記超音波振動子と前記第１の電源手段との接続を開閉する第１のスイッチ手段と、前記超音波振動子と前記第２の電源手段との接続を開閉する第２のスイッチ手段と、前記第１のスイッチ手段を、第１の期間にて連続的または間欠的に閉じるとともに、前記第１の期間よりも後の第２の期間にて連続的に開く第１の制御手段と、前記第２のスイッチ手段を、前記第１の期間にて連続的に開くとともに、前記第２の期間にて連続的または間欠的に閉じる第２の制御手段とを備えて超音波プローブを構成した。

本発明によれば、効率の良い送信により発熱を抑えることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。図２は図１中の各部の信号の波形とタイミング関係とを示す図である。なお、図１において図５と同一の要素については同一の符号を付して示す。

なお図１では、超音波の送信に関連する部分のみの構成について表している。また近年の超音波診断装置は、２次元アレイまたは３次元アレイの多チャネル振動子を備えて、リアルタイムに断層像を表示する構成が一般的である。このため、送信部もそれに対応したチャネル数を備えているが、図１ではそのうちの１チャネル分のみについて表している。

第１の実施形態の超音波診断装置は図１に示すように、装置本体１０１および超音波プローブ１０２を含む。装置本体１０１はさらに、基準信号発生器１を含む。超音波プローブ１０２はさらに、送信波形発生器２、イネーブル信号発生器３，４、レベルシフタ５，６、トランジスタ７，８、正電源９、負電源１０、超音波振動子１１および定電流源部１２，１３を含む。

基準信号発生器１は、基準信号を発生する。この基準信号は、装置本体１０１と超音波プローブ１０２とを接続するケーブル内の信号線を介して超音波プローブ１０２へと伝送される。そして基準信号は、送信波形発生器２に入力される。

送信波形発生器２は、基準信号に基づいて送信波形を持つ信号ｂ１を発生する。信号ｂ１は第１の期間にて連続的または間欠的に低レベルとなるとともに、第１の期間よりも後の第２の期間にて連続的または間欠的に高レベルとなる信号である。

イネーブル信号発生器３，４は、基準信号に基づいてイネーブル信号ｂ２，ｂ３を発生する。

レベルシフタ５は、信号ｂ１をトランジスタ７のソース−ドレイン間をＯＮ／ＯＦＦできる波形レベルに変換して得た信号を、イネーブル信号ｂ２が高レベルであるときに信号ｂ４として出力する。レベルシフタ５は、イネーブル信号ｂ２が低レベルであるときには、信号ｂ４を低レベルとする。レベルシフタ６は、信号ｂ１をトランジスタ８のソース−ドレイン間をＯＮ／ＯＦＦできる波形レベルに変換して得た信号を、イネーブル信号ｂ３が高レベルであるときに信号ｂ５として出力する。レベルシフタ６は、イネーブル信号ｂ３が低レベルであるときには、信号ｂ５を高レベルとする。

トランジスタ７，８は、互いに同種で、導電型が異なる。本実施形態においては、トランジスタ７，８としては、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を適用している。そしてトランジスタ７がＰ型であり、トランジスタ８がＮ型である。トランジスタ７，８のそれぞれのドレイン端子は、いずれも超音波振動子１１の一端に接続されている。なお超音波振動子１１の他端は、接地されている。トランジスタ７，８のソース端子は、定電流源部１２，１３を介して正電源９または負電源１０に接続されている。トランジスタ７，８のゲート端子は、レベルシフタ５，６の出力端子に接続されている。

正電源９は、正極性の電力を出力する。負電源１０は、負極性の電力を出力する。

定電流源部１２，１３は、正電源９または負電源１０から出力される電流値を一定に維持する。定電流源部１２，１３は、例えば抵抗素子を用いて構成される。

次に以上のように構成された超音波診断装置の動作について説明する。

送信波形発生器２は、基準信号に基づいて送信波形を持つ信号ｂ１を発生する。信号ｂ１は第１の期間にて連続的または間欠的に低レベルとなるとともに、第１の期間よりも後の第２の期間にて連続的または間欠的に高レベルとなる信号である。この第１の実施形態では図２に示すように、信号ｂ１は、第１の期間Ｐ１のうちの期間Ｐ１１において間欠的に高レベルとなるとともに、第２の期間Ｐ２のうちの期間Ｐ２１において間欠的に高レベルとなる。さらに信号ｂ１は、第１の期間Ｐ１のうちの期間Ｐ１１以外の期間には低レベルとなるとともに、第２の期間Ｐ２のうちの期間Ｐ２１以外の期間には高レベルとなる。

イネーブル信号発生器３は、イネーブル信号ｂ２を期間Ｐ１１にのみ高レベルとする。このためレベルシフタ５が出力する信号ｂ４は図２に示すように、期間Ｐ１１にて間欠的に低レベルとなる。なおここでは、信号ｂ４は期間Ｐ１１において、１度の高レベル期間を挟んで２度にわたって低レベルとなる。

さて、信号ｂ４が低レベルであるとき、トランジスタ７がＯＮ状態になる。従って期間Ｐ１１においてトランジスタ７は、１度のＯＦＦ状態を挟んで２度にわたってＯＮ状態となる。トランジスタ７がＯＮ状態であるとき、正電源９から超音波振動子１１へと電力が供給される。このとき、トランジスタ７のソース側には定電流源部１２が接続されているので、超音波振動子１１に供給される電流は一定値に調整される。なお、ソース端子の電位はゲート電圧で決まるため、定電流源部１２として抵抗素子を用いているならば、定電流源部１２から出力される電流値は正電源９とトランジスタ７との電位差および定電流源部１２の抵抗値で決まる。そしてこのような状態では、トランジスタ７のドレイン端子の電位は、徐々に上昇して行く。これは、超音波振動子１１が容量性負荷であることによる。

一方、イネーブル信号発生器４は、イネーブル信号ｂ３を期間Ｐ２１にのみ高レベルとする。このためレベルシフタ６が出力する信号ｂ５は図２に示すように、期間Ｐ１１にて間欠的に低レベルとなる。なおここでは、信号ｂ４は期間Ｐ１１において、１度の高レベル期間を挟んで２度にわたって低レベルとなる。

さて、信号ｂ４が低レベルであるとき、トランジスタ８がＯＮ状態になる。従って期間Ｐ２１においてトランジスタ８は、１度のＯＦＦ状態を挟んで２度にわたってＯＮ状態となる。トランジスタ８がＯＮ状態であるとき、負電源１０から超音波振動子１１へと電力が供給される。負電源１０の供給電力は負極性であるので、超音波振動子１１から負電源１０へと電流が吸い込まれることになる。このとき、トランジスタ８のソース側には定電流源部１３が接続されているので、超音波振動子１１から吸い込まれる電流は一定値に調整される。なお、ソース端子の電位はゲート電圧で決まるため、定電流源部１３として抵抗素子を用いているならば、定電流源部１３から出力される電流値は負電源１０とトランジスタ８との電位差および定電流源部１３の抵抗値で決まる。そしてこのような状態では、トランジスタ８のドレイン端子の電位は、徐々に低下して行く。

なお、トランジスタ７，８がいずれもＯＦＦ状態であるとき、トランジスタ７，８のドレイン端子の電位は維持される。

以上の結果として、図２に示すように傾きをもった波形の信号ｂ６が超音波振動子１１に印加されることになる。信号ｂ６の立ち上がりおよび立ち下がりの傾きは、定電流源部１２，１３から出力される電流値と超音波振動子１１の容量成分とにより決まる。

かくして本実施形態によれば、送信波形の含まれる高調波成分を低減することが可能となり、送信電力効率を改善することが可能となる。

（第２の実施形態）
図３は第２の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。図４は図３中の各部の信号の波形とタイミング関係とを示す図である。なお、図３において図１と同一の要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

なお図３では、超音波の送信に関連する部分のみの構成について表している。また近年の超音波診断装置は、２次元アレイまたは３次元アレイの多チャネル振動子を備えて、リアルタイムに断層像を表示する構成が一般的である。このため、送信部もそれに対応したチャネル数を備えているが、図３ではそのうちの１チャネル分のみについて表している。

第２の実施形態の超音波診断装置は図３に示すように、装置本体１０１および超音波プローブ１０３を含む。超音波プローブ１０３はさらに、レベルシフタ５，６、トランジスタ７，８、正電源９、負電源１０、超音波振動子１１、定電流源部１２，１３および送信波形発生器２１，２２を含む。

送信波形発生器２１，２２は、信号ｂ４，ｂ５と同じ波形の信号ｃ１，ｃ２を発生する。送信波形発生器２１，２２が発生する信号ｃ１，ｃ２は、信号ｂ１に代えてレベルシフタ５，６に入力される。

レベルシフタ５，６は、信号ｃ１，ｃ２の波形レベルを変換して信号ｂ４，ｂ５を得る。なお第２の実施携帯においてレベルシフタ５，６は、常にイネーブル状態とされる。

このように第２の実施形態の超音波診断装置は、第１の実施形態における送信波形発生器２およびイネーブル信号発生器３，４に代えて送信波形発生器２１，２２を備えたものであって、超音波振動子１１へは図４に示すように第１の実施形態と同様な信号ｂ６を印加する。

かくして第２の実施形態の超音波診断装置においても、送信波形の含まれる高調波成分を低減することが可能となり、送信電力効率を改善することが可能となる。

この実施形態は、次のような種々の変形実施が可能である。

期間Ｐ１１，Ｐ２１における信号ｂ４，ｂ５のパルスの個数およびパルスの時間幅は適宜に変更が可能である。これらを変更することによって、信号ｂ６の波形の傾きの滑らかさを調整することが可能である。

期間Ｐ１１，Ｐ１２は、期間Ｐ１，Ｐ２の中で任意に設定が可能である。

送信波形発生器２，２１，２２、イネーブル信号発生器３，４およびレベルシフタ５，６の機能のうちの少なくとも一部を、装置本体１０１側に備えるようにしても良い。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図。 図１中の各部の信号の波形とタイミング関係とを示す図。 本発明の第２の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図。 図３中の各部の信号の波形とタイミング関係とを示す図。 超音波診断装置の従来の構成例を示す図。 図５中の各部の信号の波形とタイミング関係とを示す図。

符号の説明

１…基準信号発生器、２，２１，２２…送信波形発生器、３，４…イネーブル信号発生器、５，６…レベルシフタ、７，８…トランジスタ、９…正電源、１０…負電源、１１…超音波振動子、１２，１３…定電流源部、１０１…装置本体、１０２，１０３…超音波プローブ。

Claims (2)

1. 超音波振動子から送信される超音波を利用して被検体の診断を行う超音波診断装置において、
   それぞれ正極性および負極性の定電流を出力する第１および第２の電源手段と、
   前記超音波振動子と前記第１の電源手段との接続を開閉する第１のスイッチ手段と、
   前記超音波振動子と前記第２の電源手段との接続を開閉する第２のスイッチ手段と、
   前記第１のスイッチ手段を、第１の期間にて連続的または間欠的に閉じるとともに、前記第１の期間よりも後の第２の期間にて連続的に開く第１の制御手段と、
   前記第２のスイッチ手段を、前記第１の期間にて連続的に開くとともに、前記第２の期間にて連続的または間欠的に閉じる第２の制御手段とを具備したことを特徴とする超音波診断装置。
2. 超音波振動子と、
   それぞれ正極性および逆極性の定電流を出力する第１および第２の電源手段と、
   前記超音波振動子と前記第１の電源手段との接続を開閉する第１のスイッチ手段と、
   前記超音波振動子と前記第２の電源手段との接続を開閉する第２のスイッチ手段と、
   前記第１のスイッチ手段を、第１の期間にて連続的または間欠的に閉じるとともに、前記第１の期間よりも後の第２の期間にて連続的に開く第１の制御手段と、
   前記第２のスイッチ手段を、前記第１の期間にて連続的に開くとともに、前記第２の期間にて連続的または間欠的に閉じる第２の制御手段とを具備したことを特徴とする超音波プローブ。

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