JP4744930B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、体内の臓器などを診断する超音波診断装置に関し、特に超音波診断装置の超音波送受信部分であるフロントエンドに関する。

超音波診断装置は、超音波を被検体内に放射し、受信したエコーから体内の臓器などの形態情報や血液の流れを表示することができるもので、その原理はよく知られている。超音波診断装置における超音波の走査方法は近年は電子走査方式が主流であり、その方式は大きく２つに分けられ、それぞれセクタ走査、リニア走査と呼ばれる。

図５、図６にセクタ走査型の超音波診断装置のブロック図の例を示し、フロントエンドは探触子（本明細書では探触子をプローブとも言う）１０１と、送信回路１０２と受信回路１０３により構成される。送信回路１０２で発生した電気パルスを探触子１０１で超音波に変換し、図示されない体内に放射する。体内で反射したエコー信号を探触子１０１で電気信号に変換し、受信回路１０３を経て信号処理を行なう。信号処理には大きく分けて２通りあり、１つはエコーの振幅を輝度に変換するもので、ここではＢモード信号処理部１０５で処理する。もう１つは血流などの移動を検出し表示するもので、代表的なものはカラーフローであり、ここではカラーフロー信号処理部１０４で処理する。各信号処理部で処理された信号はディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）１０６において合成され、走査変換を行なったのち、表示器１０７にて表示される。

図６にセクタ走査における送信回路１０２、探触子１０１、受信回路１０３の接続の具体的な構成例を示し、探触子１０１は振動子１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄがこの順番で配置されている。セクタ走査とは、振動子１０８ａ〜１０８ｄで送信する超音波を扇状に振って２次元走査する方式であり、送信回路１０２からは送信方向に応じて遅延された各送信パルスが探触子１０１内の振動子１０８ａ〜１０８ｄに出力され、超音波信号に変換される。体内から戻ってきた超音波信号は振動子１０８ａ〜１０８ｄにおいて電気信号に変換され、受信回路１０３に取り込まれ、増幅、遅延加算などがなされる。セクタ走査においては、使用される振動子は走査状況にかかわらず常に同じ（全ての振動子１０８ａ〜１０８ｄ）であり、２次元走査はビームの偏向によりなされる。セクタ走査における２次元走査の方法は、例えば下記の非特許文献１に詳述されている。

次にリニア走査型の超音波診断装置のブロック図の例を図７、図８に示す。セクタ走査と異なる点は、探触子１０１への信号の送信及び受信が高耐圧スイッチ（ＨＶ−ＭＵＸ）１０９を介して行なわれることである。図８を用いて詳細を説明する。リニア走査においては、探触子１０１の開口位置をずらすことで２次元走査を実現する。すなわち、用いる開口に応じて振動子を変えていき、この開口位置をずらす役目を果たすのにＨＶ−ＭＵＸ１０９が用いられる。図８では、探触子１０１は振動子１０８ａ〜１０８ｈがこの順番で配置され、
開口１：振動子１０８ａ〜１０８ｄ
開口２：振動子１０８ｂ〜１０８ｅ
開口３：振動子１０８ｃ〜１０８ｆ
開口４：振動子１０８ｄ〜１０８ｇ
開口５：振動子１０８ｅ〜１０８ｈ
を選択して各開口１〜５により直線状に走査する。開口１の振動子１０８ａ〜１０８ｄを用いるときにはＨＶ−ＭＵＸ１０９内のスイッチ１０９ａ〜１０９ｄはすべてａ側に接続されている。つぎに振動子を１個ずらした開口２の振動子１０８ｂ〜１０８ｅを使用する場合は、スイッチ１０９ａはｂ側に接続され、スイッチ１０９ｂ〜１０９ｄはａ側に接続される。このように開口１〜５に応じて順次スイッチ１０９ａ〜１０９ｄを切り替えていくことで、使用する開口位置をずらして２次元走査を行うことができる。

ここで、送信回路１０２の内部について説明する。図９（ａ）に送信回路１０２の例として、正、０、負の３値の駆動パルスを生成するものを示す。送信回路１０２は１つの振動子に対して２つのスイッチ１１０ａ、１１０ｂから構成されており、スイッチ１１０ａは正極の高電圧＋ＨＶに接続することができ、スイッチ１１０ｂは負極の高電圧−ＨＶに接続することができる。動作を図９（ｂ）を用いて説明する。初期状態ではスイッチ１１０ａ、１１０ｂは共にオフとなっている。タイミングｔ１においてスイッチ１１０ａがオンになる。次にタイミングｔ２においてスイッチ１１０ａがオフになるとともにスイッチ１１０ｂがオンになる。以後、スイッチ１１０ａ、１１０ｂが交互にオンになり、タイミングｔ５において両方のスイッチがオフになる。この結果、振動子を駆動する駆動パルスは図９（ｂ）の下に示すように、正、０、負の３値波形となる。ここで、例えばフェーズインバージョンと呼ばれる下記の特許文献１に記載されているような高調波イメージング方式が実現されており、正負両極性を持つパルスを出力できることは片極性のパルス出力に比較して優位である。
超音波医学辞典 辻本文雄 秀潤社 ２０００年 ｐｐ２７４−２７６ 米国特許第５，７０６，８１９号（要約書）

しかしながら、リニア走査においては上記に説明したように、振動子を選択するためのスイッチが必要であるが、高耐圧のスイッチは高価である。上記に述べた方法以外に振動子の数だけ送信回路を設けることも考えられるが、この場合には送信回路が余分に必要となるため、やはり高価となる。

本発明はこの問題を解決し、高価な高耐圧スイッチを用いることなく安価にリニア走査における開口を選択す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。
本発明はまた、高価な高耐圧スイッチを用いることなく安価にリニア走査における開口を選択することができる構成において、セクタ走査型プローブを装着しても正常にセクタ走査す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。

本発明は上記目的を達成するために、プローブ内に配列された複数の振動子のうち、送信開口を構成する複数の振動子を選択的に駆動して超音波ビームを送信するとともに前記送信開口を前記振動子の配列方向にずらして２次元走査する超音波診断装置において、
前記送信開口を構成する複数の振動子に対して正、０、負の３値の駆動パルスを生成する送信回路と、
前記プローブ内に配列された複数の振動子のうち相互に隣接した振動子と前記送信回路の間で順方向に接続されて前記送信回路により生成された正の駆動パルスを選択して前記送信開口を構成する複数の振動子に伝達する第１の複数のダイオードと、
前記プローブ内に配列された複数の振動子のうち相互に隣接した振動子と前記送信回路の間で逆方向に接続されて前記送信回路により生成された負の駆動パルスを選択して前記送信開口を構成する複数の振動子に伝達する第２の複数のダイオードと、
前記プローブ内に配列された複数の振動子により受信された反射信号の振幅をそれぞれ制限する複数のリミッタと、
前記複数のリミッタの各出力のうち、前記送信開口を構成する複数の振動子の信号を選択するスイッチとを有する構成とした。
この構成により、送信する振動子をダイオードにより選択し、受信する振動子をリミッタを経由してスイッチにより選択するので、スイッチとして低耐圧スイッチを用いることができ、リミッタと低耐圧スイッチは高耐圧スイッチより安価なことから、高価な高耐圧スイッチを用いることなく安価にリニア走査における開口を選択することができる。

また、前記送信回路は、負の駆動パルスの位相を正の駆動パルスの位相に対して１８０°シフトして生成することを特徴とする。
この構成により、振動子を正、０、負の３値の駆動パルスで駆動しても正しい送信ビームを形成することができる。

また、プローブ内に配列された複数の振動子の駆動パルスの駆動タイミングを制御することにより前記複数の振動子が送信する超音波ビームをセクタ状に２次元走査するプローブが接続された場合、
前記送信回路は、前記複数の振動子に対して正、０、負の３値の駆動パルスを生成し、
前記第１の複数のダイオードは、前記複数の振動子と前記送信回路の間で順方向に接続されて前記送信回路により生成された正の駆動パルスを選択して前記複数の振動子に伝達するとともに、前記第２の複数のダイオードは、前記複数の振動子と前記送信回路の間で逆方向に接続されて前記送信回路により生成された負の駆動パルスを選択して前記複数の振動子に伝達し、
前記複数のリミッタは、前記複数の振動子により受信された反射信号の振幅をそれぞれ制限し、
前記スイッチは、前記複数のリミッタの各出力のうち、前記駆動パルスが伝達された振動子の信号を選択することを特徴とする。
この構成により、高価な高耐圧スイッチを用いることなく安価にリニア走査における開口を選択することができる構成において、セクタ走査型プローブを装着しても正常にセクタ走査することができる。

本発明によれば、安価にリニア走査における開口を選択することができる。
また本発明によれば、セクタ走査型プローブを装着しても正、０、負の３値の駆動パルスを用いて安価にセクタ走査することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施の形態におけるリニア走査型の超音波診断装置のフロントエンドを示すブロック図である。図１において、探触子１Ａは振動子２ａ〜２ｈがこの順番で配置され、詳細を前述したように開口１〜５の１つを順次選択して２次元走査する。リミッタ及び低耐圧スイッチ（ＬＶ−ＭＵＸ）４は４つのスイッチ４ａ〜４ｄと、スイッチ４ａ〜４ｄの各切り替え端子ａ、ｂの入力側に設けられた８つのリミッタ（不図示）とにより構成されている。

送信回路５の出力ラインＬ１は、順方向接続のダイオード３ａを介して１番目の振動子２ａと１番目のスイッチ４ａの切り替え端子ａに接続されるとともに、逆方向接続のダイオード３ｂを介して５番目の振動子２ｅと１番目のスイッチ４ａの切り替え端子ｂに接続されている。送信回路５の出力ラインＬ２は、順方向接続のダイオード３ｃを介して２番目の振動子２ｂと２番目のスイッチ４ｂの切り替え端子ａに接続されるとともに、逆方向接続のダイオード３ｄを介して６番目の振動子２ｆと２番目のスイッチ４ｂの切り替え端子ｂに接続されている。送信回路５の出力ラインＬ３は、順方向接続のダイオード３ｅを介して３番目の振動子２ｃと３番目のスイッチ４ｃの切り替え端子ａに接続されるとともに、逆方向接続のダイオード３ｆを介して７番目の振動子２ｇと３番目のスイッチ４ｃの切り替え端子ｂに接続されている。送信回路５の出力ラインＬ４は、順方向接続のダイオード３ｇを介して４番目の振動子２ｄと４番目のスイッチ４ｄの切り替え端子ａに接続されるとともに、逆方向接続のダイオード３ｈを介して８番目の振動子２ｈと４番目のスイッチ４ｄの切り替え端子ｂに接続されている。

上記構成において、開口１を構成する振動子２ａ〜２ｄにそれぞれ順方向に接続されているダイオード３ａ、３ｃ、３ｅ、３ｇは、正極性のパルスを振動子２ａ〜２ｄに伝達し、開口５を構成する振動子２ｅ〜２ｈにそれぞれ逆方向に接続されているダイオード３ｂ、３ｄ、３ｆ、３ｈは負極性のパルスを振動子２ｅ〜２ｈに伝達する。つまり出力ラインＬ１〜Ｌ４の各送信パルスが全て正極性の２値パルスならば振動子２ａ〜２ｄが駆動され、全て負極性の２値パルスならば振動子２ｅ〜２ｈまでが駆動される。同じ送信チャンネルから出たパルスでも極性に応じて２つの振動子のうちのどちらかが選択的に駆動されることになる。

受信に関しては、リミッタ及び低耐圧スイッチ４の図示されないリミッタを介して振幅制限を行った後、スイッチ４ａ〜４ｄにより受信振動子を選択する。リミッタ及び低耐圧スイッチ４は、高耐圧スイッチ（ＨＶ−ＭＵＸ）１０９に比べて安価であるので、高価な高耐圧スイッチ１０９を用いることなく、送信のための振動子を選択することができ、開口１〜５の移動を行うことができるとともに、受信する振動子を選択することができる。

本実施の形態において、振動子２ａ〜２ｄは正極性のパルスで、振動子２ｅ〜２ｈは負極性のパルスでドライブすることになる。このため、開口１を構成する振動子２ａ〜２ｄは全て正極性のパルスで駆動されるが、開口２を構成する振動子２ｂ〜２ｅは振動子２ｅのみが負極性のパルスで駆動される。振動子２ｅを極性の逆のパルスでドライブした場合、出力される超音波パルスの位相が１８０゜ずれることになる。

そこで、図２に示すような方法で、負極性で駆動するパルスの位相を１８０°ずらす。図２（ａ）において開口１は振動子２ａ〜２ｄで構成され、図２（ｂ）に示すように全て正極性のパルスで駆動する。ここで、図２（ａ）では、開口中心側の振動子２ｂ、２ｃの駆動パルスが開口外側の振動子２ａ、２ｄの駆動パルスより遅れているが、これにより、振動子２ａ〜２ｄが送信する超音波は開口１の中心方向に集束して１本の超音波ビームを構成する。また、開口２は振動子２ｂ〜２ｅにより構成され、振動子２ｂ、２ｃ、２ｄが正極性の送信パルス、振動子２ｅが負極性の送信パルスである。そこで、図２（ｃ）のように振動子２ｅの駆動タイミングを本来の時刻よりＴ／２だけずらす。これにより、振動子２ｂ〜２ｅが送信する超音波は開口２の中心に向かう。ここで、Ｔは送信パルスの駆動周波数の逆数である。この図２（ｃ）においては、振動子２ｅの波形のタイミングが正極性の場合に比較して遅れているが、Ｔ／２だけ進めてもよい。

ここで、図１では、探触子１０１の振動子の数が８個、送信開口を構成する振動子の数（送信開口幅）が４個、受信開口を構成する振動子の数（受信開口幅）が４個の場合を示したので、ダイオード、リミッタの数が８個、スイッチ４の数が４個であったが、ダイオード、リミッタ及びスイッチの数は、探触子１０１の振動子の数と、送信開口幅と受信開口幅に応じて適宜組み合わせることにより異なる。

図３は図１の構成においてセクタ走査型の探触子１Ｂを装着した構成を示している。図３は図１に比較して、探触子１Ｂがセクタ走査用探触子で振動子が２ａ〜２ｄの４素子から構成されている点が異なる。

図３において、送信回路５の出力ラインＬ１は、順方向接続のダイオード３ａを介して１番目の振動子２ａと１番目のスイッチ４ａの切り替え端子ａに接続されるとともに、逆方向接続のダイオード３ｂを介して１番目の振動子２ａと１番目のスイッチ４ａの切り替え端子ｂに接続されている。また、出力ラインＬ２は、順方向接続のダイオード３ｃを介して２番目の振動子２ｂと２番目のスイッチ４ｂの切り替え端子ａに接続されるとともに、逆方向接続のダイオード３ｄを介して２番目の振動子２ｂと２番目のスイッチ４ｂの切り替え端子ｂに接続されている。また、出力ラインＬ３は、順方向接続のダイオード３ｅを介して３番目の振動子２ｃと３番目のスイッチ４ｃの切り替え端子ａに接続されるとともに、逆方向接続のダイオード３ｆを介して３番目の振動子２ｃと３番目のスイッチ４ｃの切り替え端子ｂに接続されている。また、出力ラインＬ４は、順方向接続のダイオード３ｇを介して４番目の振動子２ｄと４番目のスイッチ４ｄの切り替え端子ａに接続されるとともに、逆方向接続のダイオード３ｈを介して４番目の振動子２ｄと４番目のスイッチ４ｄの切り替え端子ｂに接続されている。

上記構成では、出力ラインＬ１〜Ｌ４に図４に示すような３値の駆動パルスを出力して振動子２ａ〜２ｄの全てを用いる。ここでは詳細は省略するが例えばフェーズインバージョンと呼ばれる特許文献１のような高調波イメージング方式が実現されており、正負両極性を持つパルスを出力できることは片極性のパルス出力に比較して優位である。本実施の形態はこの点を鑑みたものであり、例えば振動子２ａには、ダイオード３ａを介する送信パルス（正極性）とダイオード３ｂを介する送信パルス（負極性）が流れ込むようになっており、両極性のパルスで駆動することができる。なお、セクタ走査型では、振動子２ａ〜２ｄの各駆動タイミングを制御することにより超音波ビームを扇状に２次元走査する方式である。図４に示す例の振動子２ａ〜２ｄの各駆動タイミングは、図２（ｂ）と同様に中心側の振動子２ａ、２ｄの駆動パルスが開口外側の振動子２ｂ、２ｃの駆動パルスより遅れているので、振動子２ａ〜２ｄが送信する超音波は開口の中心に集束して１本の超音波ビームを構成する。

本発明は、高価な高耐圧スイッチを用いることなく安価にリニア走査における開口を選択することができ、また、セクタ走査型探触子を装着しても正常にセクタ走査することができるため、超音波診断装置などに利用することができる。

本発明の一実施の形態におけるリニア走査型の超音波診断装置のフロントエンドを示すブロック図 図１の構成における駆動パルスを示す説明図であり、（ａ）開口位置に応じた振動子の選択状態を示す図、（ｂ）振動子を駆動するパルス例の波形図、（ｃ）振動子を駆動する他パルス例の波形図 図１の構成においてセクタ走査型探触子を装着した場合を示すブロック図 図３の構成における駆動パルスを示す説明図であり、（ａ）探触子の構成例、（ｂ）振動子を駆動するパルスの波形図 セクタ走査探触子を装着した従来例の超音波診断装置の構成を示すブロック図 図５の超音波診断装置のフロントエンドの構成を詳しく示すブロック図 リニア走査探触子を装着した従来例の超音波診断装置の構成を示すブロック図 図７の超音波診断装置のフロントエンドの構成を示すブロック図 超音波診断装置の送信回路を示す説明図であり、（ａ）駆動パルスを生成するスイッチ接続図、（ｂ）スイッチのオン、オフ状態によって出力される駆動パルスの波形図

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１０１ 探触子（プローブ）
２ａ〜２ｈ、１０８ａ〜１０８ｈ 振動子
３ａ〜３ｈ ダイオード
４ リミッタ及び低耐圧スイッチ（ＬＶ−ＭＵＸ）
４ａ〜４ｄ、１０９ａ〜１０９ｄ、１１０ａ、１１０ｂ スイッチ
５、１０２ 送信回路
６、１０３ 受信回路
１０４ カラーフロー信号処理部
１０５ Ｂモード信号処理部
１０６ ディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）
１０７ 表示器
１０９ 高耐圧スイッチ（ＨＶ−ＭＵＸ）

Claims (5)

1. プローブ内に配列された複数の振動子のうち、送信開口を構成する複数の振動子を選択的に駆動して超音波ビームを送信するとともに前記送信開口を前記振動子の配列方向にずらして２次元走査する超音波診断装置において、
   前記送信開口を構成する複数の振動子に対して正、０、負の３値の駆動パルスを生成する送信回路と、
   前記プローブ内に配列された複数の振動子のうち相互に隣接した振動子と前記送信回路の間で順方向に接続されて前記送信回路により生成された正の駆動パルスを選択して前記送信開口を構成する複数の振動子に伝達する第１の複数のダイオードと、
   前記プローブ内に配列された複数の振動子のうち相互に隣接した振動子と前記送信回路の間で逆方向に接続されて前記送信回路により生成された負の駆動パルスを選択して前記送信開口を構成する複数の振動子に伝達する第２の複数のダイオードと、
   前記プローブ内に配列された複数の振動子により受信された反射信号の振幅をそれぞれ制限する複数のリミッタと、
   前記複数のリミッタの各出力のうち、前記送信開口を構成する複数の振動子の信号を選択するスイッチとを、
   有することを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記スイッチは、低耐圧スイッチであることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記送信回路は、その発生させたパルスの極性により、前記送信開口の位置を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波診断装置。
4. 前記送信回路は、負の駆動パルスの位相を正の駆動パルスの位相に対して１８０°シフトして生成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波診断装置。
5. プローブ内に配列された複数の振動子の駆動パルスの駆動タイミングを制御することにより前記複数の振動子が送信する超音波ビームをセクタ状に２次元走査するプローブが接続された場合、
   前記送信回路は、前記複数の振動子に対して正、０、負の３値の駆動パルスを生成し、
   前記第１の複数のダイオードは、前記複数の振動子と前記送信回路の間で順方向に接続されて前記送信回路により生成された正の駆動パルスを選択して前記複数の振動子に伝達するとともに、前記第２の複数のダイオードは、前記複数の振動子と前記送信回路の間で逆方向に接続されて前記送信回路により生成された負の駆動パルスを選択して前記複数の振動子に伝達し、
   前記複数のリミッタは、前記複数の振動子により受信された反射信号の振幅をそれぞれ制限し、
   前記スイッチは、前記複数のリミッタの各出力のうち、前記駆動パルスが伝達された振動子の信号を選択することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の超音波診断装置。