JP5718152B2 - 超音波探触子、超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、両極性駆動パルスに対応可能なインピーダンス変換回路を有する超音波探触子等に関するものである。

超音波診断装置は、送受信部や表示部などから構成される装置本体と、内部に超音波振動子がアレイ状に配置されている超音波探触子とが、ケーブルを介して接続される構成となっている。装置本体から送信される送信電気信号（駆動パルス信号とも言われる。）は、超音波振動子において超音波信号へと変換され、外部へと放射される。放射される超音波信号は、外部媒体において反射し、超音波振動子において受信され、再び電気信号へと変換される。この受信電気信号は、ケーブルを介して装置本体へと伝達され、信号処理された後、表示部において超音波画像として表示される。

このような超音波診断装置において、外部媒体からの受信信号は非常に微弱であり、インピーダンスが比較的高い超音波振動子は、接続されたケーブルや装置本体受信部とのインピーダンスとの不整合によって信号が減衰し、Ｓ／Ｎが悪化することがある。そこで、特許文献１や特許文献２には、超音波振動子とケーブルや装置本体受信部とのインピーダンスのマッチングを取り、Ｓ／Ｎを改善するために、超音波探触子内部にインピーダンス変換回路が配置される超音波診断装置が開示されている。
特許文献１や特許文献２に開示されている超音波診断装置では、超音波探触子内部の超音波振動子とケーブル間に、高入力インピーダンス、低出力インピーダンスという回路特性を持つインピーダンス変換回路を設けることによって、インピーダンスを制御し、ケーブルや装置本体受信部のインピーダン不整合を低減し、Ｓ／Ｎを改善している。

また、近年の超音波診断装置において、パルスインバージョン造影法やハーモニック造影法などの様々な造影法が用いられるようになり、超音波振動子を駆動するためのパルス信号も、両極性の駆動パルスが必要とされている。この両極性の駆動パルス信号は、信号振幅が数十〜百数十ボルトの電圧が必要となる。そのため、インピーダンス変換回路の内部トランジスタに過電流が流れると、送信電圧と過電流によって発生する電力消費によって、発熱や内部トランジスタの破損という問題を引き起こす。そこで、特許文献３には、過電流による発熱を低減し、両極性駆動パルスに対応可能なインピーダンス変換回路を備える超音波診断装置が開示されている。
特許文献３に開示されている超音波診断装置では、インピーダンス変換回路をトランジスタのエミッタホロワによって構成し、トランジスタのコレクタに定電流源を接続することによって、負極性駆動パルスが印加されるときに発生する過電流を抑制し、両極性の駆動パルスにも対応する。

特開昭６３-８４５３１号公報 特開平１１-１６９３６６号公報 特開２００４-５７５２４号公報

しかしながら、特許文献３に開示されている超音波診断装置は、超音波探触子の回路規模が大きくなるという課題がある。なぜならば、特許文献３の超音波診断装置では、トランジスタのコレクタに、比較的体積が大きい回路素子である定電流源を接続し、過電流を抑制していて、この定電流回路は各インピーダンス変換回路に対して独立に配置する必要があり、共通化することができないからである。さらに、インピーダンス変換回路は、全ての超音波振動子に対して１対１に配置されるため、超音波振動子がアレイ状に複数配置される超音波探触子においては、各インピーダンス変換回路に含まれる１つの回路素子の大きさの違いによって、超音波探触子全体の回路規模が大きく異なることになる。
超音波探触子の回路規模が大きくなり、超音波探触子の体積が大きくなるということは、超音波探触子が重くなり、操作性が低下するなどの問題が発生する。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、回路規模を大幅に増加させることなく、両極性駆動パルスに対応可能なインピーダンス変換回路のトランジスタにおいて発生する過電流を抑制することが可能な超音波探触子等を提供することである。

前述した目的を達成するために第１の発明は、超音波振動子と、トランジスタのエミッタホロワを有するインピーダンス変換回路と、前記トランジスタのコレクタと第１電源間に接続される第１ダイオードと、前記トランジスタのベースと前記超音波振動子の間には、駆動パルスに対して、前記超音波振動子に印加された駆動パルスを増幅するための共振回路と、を備えたことを特徴とする超音波探触子である。

第２の発明は、超音波探触子と、装置本体部と、前記超音波探触子と前記装置本体部とを電気的に接続するケーブルとを具備する超音波診断装置であって、前記超音波探触子は、超音波振動子と、トランジスタのエミッタホロワを有するインピーダンス変換回路と、前記トランジスタのコレクタと第１電源間に接続される第１ダイオードと、前記トランジスタのベースと前記超音波振動子の間には、駆動パルスに対して、前記超音波振動子に印加された駆動パルスを増幅するための共振回路と、を備えたことを特徴とする超音波診断装置である。

本発明により、回路規模を大幅に増加させることなく、両極性駆動パルスに対応可能なインピーダンス変換回路のトランジスタにおいて発生する過電流を抑制することが可能な超音波探触子等を提供することができる。

超音波診断装置の構成を示すブロック図 第１実施形態の回路構成図の一例 インピーダンス変換回路の正極性駆動パルス信号の信号経路 インピーダンス変換回路の負極性駆動パルス信号の信号経路 インピーダンス変換回路の受信信号の信号経路 第１実施形態の効果を示す図 第２実施形態の回路構成図の一例 第３実施形態の回路構成図の一例 第４実施形態の回路構成図の一例 第５実施形態の回路構成図の一例

以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。
最初に、図１を参照しながら、全ての実施形態に係る超音波診断装置の構成について説明する。

図１に示すように、超音波診断装置は、装置本体部２０５と超音波探触子２０１とがケーブル２０４により接続されて構成される。超音波探触子２０１は、超音波振動子２０２とインピーダンス変換回路２０３等を備える。装置本体部２０５は、信号発生部２０７、駆動パルス発生部２０６、受信回路部２０８、信号処理部２０９、信号表示部２１０等を備える。

超音波探触子２０１内部の超音波振動子２０２は、アレイ化して配列され、各超音波振動子２０２に対して、インピーダンス変換回路２０３が接続されている。つまり、インピーダンス変換回路２０３は、全ての超音波振動子２０２に対して１対１に配置される。また、インピーダンス変換回路２０３は、高入力インピーダンス、低出力インピーダンスという回路特性を持つ。

装置本体部２０５では、信号発生部２０７が診断モードに合わせて信号を生成し、駆動パルス発生部２０６が信号を増幅し、ケーブル２０４を介して超音波探触子２０１へと駆動パルスを送信する。送信された駆動パルスは、インピーダンス変換回路２０３を通過して、超音波振動子２０２へと伝達される。このとき、インピーダンス変換回路２０３は、駆動パルスを通過させるだけであり、いわゆるインピーダンス変換機能の役割を果たさない。

超音波振動子２０２へと伝達された駆動パルス信号は、超音波信号に変換され、被検体に放射される。被検体において反射された超音波信号は、超音波振動子２０２によって再び受信され、電気信号へと変換される。変換された電気信号は、インピーダンス変換回路２０３に入力される。このとき、インピーダンス変換回路２０３は、インピーダンス変換機能の役割を果たし、電気信号を低インピーダンスとして出力する。インピーダンス変換回路２０３から出力された電気信号は、ケーブル２０４を介して、装置本体部２０５の受信回路部２０８へと伝達される。

受信回路部２０８は、受信信号をディジタル信号に変換し、信号処理部２０９に出力する。信号処理部２０９は、信号を処理し、超音波画像として画像表示部２１０に表示する。

＜第１実施形態＞
図２〜図６を参照しながら、第１実施形態について説明する。
図２には、第１実施形態のインピーダンス変換回路の内部回路を含む回路図を図示している。図２では、超音波振動子２０２を除いた超音波探触子２０１の点線内の回路素子が、インピーダンス変換回路の内部回路に相当する。

インピーダンス変換回路としては、高耐圧トランジスタ１０２（高耐圧バイポーラトランジスタ）のエミッタホロワ形式を採用する。これは、本発明がパルスインバージョン造影法やハーモニック造影法などの造影法を用いることを前提としており、バイアス電圧が大きい両極性の駆動パルスを必要とするからである。尚、駆動パルスのバイアス電圧の信号振幅は数十〜百数十ボルトであるから、高耐圧トランジスタ１０２は、少なくとも百数十ボルトの電圧に耐え得る。

高耐圧トランジスタ１０２のベースには、バイアス電圧を決めるための抵抗１０３がグランドに接続される。高耐圧トランジスタ１０２のコレクタには、高耐圧ダイオード１０６が電源ＶＣＣとの間に接続される。高耐圧トランジスタ１０２のエミッタと電源ＶＥＥの間には、動作電流を決める抵抗１０５と、出力インピーダンスを調整するための抵抗１０４とが直列に接続される。ここで、電源ＶＣＣはプラスの低圧電源であり、電源ＶＥＥはマイナスの低圧電源である。

また、高耐圧トランジスタ１０２のベースと超音波振動子２０２の間には、コイル１０７が接続される。超音波振動子２０２と抵抗１０５の間には、ダイオード１０８ａ、１０９ａが直列に接続され、ダイオード１０８ａ、１０９ａと並列に向きの異なるダイオード１０８ｂ、１０９ｂが直列に接続される。ダイオード１０８ａと１０９ａの間、及び、１０８ｂと１０９ｂの間がコンデンサ１１０を介して接続される。そして、高耐圧トランジスタ１０２のベース、及び、ダイオード１０８ａと１０９ａの間が接続されている。

図３〜図５には、超音波診断装置の動作を説明する為に、正極性駆動パルス信号及び負極性駆動パルス信号の送信時、並びに信号の受信時の信号経路について図示されている。いずれも、太線として図示されている経路が、各信号経路である。

最初に、正極性駆動パルス信号の送信時の動作について説明する。図３に示すように、装置本体部２０５から正極性駆動パルス信号が送信されると、ケーブル２０４を介して超音波振動子２０２に印加される。正極性駆動パルス信号はダイオード１０９ａを通過し、ダイオード１０８ａおよび並列に接続されたコイル１０７を通過して、超音波振動子２０２に印加される。このとき、電源ＶＣＣはプラス数ボルト程度となるため、高耐圧ダイオード１０６には逆バイアスが印加され、オフ状態になる。そのため、高耐圧トランジスタ１０２も電源から切り離され、オフ状態となる。また、高耐圧トランジスタ１０２のベースとエミッタ間には、逆バイアスが印加されるが、ダイオード１０９ａによって０．７ボルト程度に制限されるため、回路素子が破壊されるようなことはない。

次に、負極性駆動パルス信号の送信時の動作について説明する。図４に示すように、装置本体部２０５から負極性駆動パルス信号が送信されると、ケーブル２０４を介して超音波振動子２０２に印加される。このとき、超音波振動子２０２からダイオード１０８ｂ、１０９ｂを通過して電荷が放電されるため、ダイオード１０９ｂと抵抗１０４の接続点（Ａ）は、超音波振動子２０２から１．４ボルト程度低い電位となる。一方、高耐圧トランジスタ１０２のベースには、コイル１０７を介して、超音波振動子からの電荷が流れ込むことになるが、コイル１０７とコンデンサ１１０が共振回路となり、駆動パルス信号を増幅する。つまり、この共振回路によって、超音波振動子２０２の電位より高耐圧トランジスタ１０２のベース電位を低くさせることができる。

そして、負極性駆動パルス信号によって高耐圧トランジスタ１０２において発生する過電流は、高耐圧トランジスタ１０２のベースと接続点（Ａ）の間の電位差に基づいて決まる。前述した通り、接続点（Ａ）は超音波振動子２０２から１．４ボルト程度低い電位となり、かつ超音波振動子２０２の電位より高耐圧トランジスタ１０２のベース電位も低くさせることができるので、高耐圧トランジスタ１０２のベースと接続点（Ａ）の間の電位差が小さくなる。従って、第１実施形態のインピーダンス変換回路では、負極性パルス信号の送信時に、高耐圧トランジスタ１０２において発生する過電流を抑制することが可能となる。

次に、被検体からの信号の受信時の動作について説明する。図５に示すように、被検体において反射された受信信号は、超音波振動子２０２によって再び受信され、インピーダンス変換回路に入力される。受信信号は数マイクロ〜数十ミリボルトと微弱であるため、ダイオード１０８ａ、１０９ａ、１０８ｂ、１０９ｂはオフ状態である。そのため、コンデンサ１１０及びコイル１０７は、共振回路として機能しない。

そして、受信信号は、コイル１０７を介して、高入力インピーダンスを有する高耐圧トランジスタ１０２によって構成されるエミッタホロワに入力され、高耐圧トランジスタ１０２のエミッタ抵抗とインピーダンス調整用の抵抗１０４に基づいて決まるインピーダンスによって制御されて出力される。つまり、インピーダンス変換機能の役割を果たす。

このとき、高耐圧トランジスタ１０２のベースに直列に接続されたコイル１０７は、超音波振動子２０２の容量との共振により、生体内において減衰した高周波成分を復元する役割を果たす。これによって、広い帯域幅のまま、受信信号を装置本体部２０５に送信することが可能となり、超音波画像の画質が向上する。

図６には、実施例１と公知例の比較を示している。図６は、両極性駆動パルスの電圧振幅［Ｖ（ボルト）］を横軸とし、過電流によって消費される電力量（消費電力）［ｍＷ（ミリワット）］を縦軸としたグラフである。公知例は、特許文献１（特開昭６３-８４５３１号公報）に開示されたインピーダンス変換回路を回路シミュレータによって解析した結果である。実施例１は、第１実施形態のインピーダンス変換回路を回路シミュレータによって解析した結果である。

使用部品およびインピーダンス変換器の性能は同一の条件として、送信時間と受信時間の比は１／２５の場合の過渡解析を行った。

図６を見れば、実施例１（第１実施形態のインピーダンス変換回路）の消費電力は、公知例１（特許文献１のインピーダンス変換回路）の消費電力と比較して、大幅に低減されていることが分かる。

以上、第１実施形態の超音波探触子２０１は、両極性駆動パルスに対応可能なインピーダンス変換回路２０３の高耐圧トランジスタ１０２において発生する過電流を抑制することが可能である。また、第１実施形態のインピーダンス変換回路２０３は、比較的体積が小さい回路素子であるコイル１０７とコンデンサ１１０から構成される共振回路によって過電流を抑制しているので、超音波探触子２０１全体の回路規模を大幅に増加させることもない。

＜第２実施形態＞
図７を参照しながら、第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明を省略する。

図７に示すように、第２実施形態では、第１実施形態における動作電流を設定するための抵抗１０５と電源ＶＥＥの間に、高耐圧ダイオード１１１が接続されている。

負極性駆動パルス信号が送信されると、電源ＶＥＥは、マイナス数ボルト程度となるために、高耐圧ダイオード１１１には逆バイアスが印加され、オフ状態となり、抵抗１０５には電流が流れなくなる。そのため、抵抗１０５での発熱を低減することができる。

以上、第２実施形態の超音波探触子２０１は、第１実施形態の超音波探触子２０１と同様の効果がある。更に、抵抗１０５と電源ＶＥＥの間に高耐圧ダイオード１１１が接続されているので、更に発熱を抑えることが可能となる。

＜第３実施形態＞
図８を参照しながら、第３実施形態について説明する。以下、第２実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明を省略する。

図８に示すように、第３実施形態では、第２実施形態における出力インピーダンスを調整するための抵抗１０４（図７参照）が、可変型抵抗器１１２となっている。

超音波探触子２０１は、コネクタによってケーブル２０４と接続することも可能であり、ケーブル２０４と装置本体部２０５を変えずに、超音波探触子２０１のみ交換可能に構成することができる。また、ケーブル２０４のインピーダンスは、超音波探触子２０１ごとに異なることが多い。そこで、出力インピーダンスを制御する抵抗１０４を可変型抵抗器１１２にすることによって、超音波探触子２０１を交換し、ケーブル２０４のインピーダンスが変化しても、容易に出力インピーダンスの調整が可能となり、インピーダンス整合を保つことができる。

以上、第３実施形態の超音波探触子２０１は、第２実施形態の超音波探触子２０１と同様の効果がある。更に、ケーブル２０４のインピーダンスが変化しても、容易に出力インピーダンスの調整が可能となり、インピーダンス整合を保つことができる。

＜第４実施形態＞
図９を参照しながら、第４実施形態について説明する。以下、第３実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明を省略する。

図９に示すように、第４実施形態では、第３実施形態における動作電流を決定する抵抗１０５（図８参照）と発熱を低減する高耐圧ダイオード１１１（図８参照）が、ケーブル２０４を介して装置本体２０５側に配置されている。

抵抗１０５と高耐圧ダイオード１１１を、装置本体２０５側に配置することによって、超音波探触子２０１側において発生する発熱を低減できるとともに、超音波探触子２０１の回路規模が小さくなり、更なる小型化が可能となる。また、ケーブル２０４を介して、装置本体２０５側から超音波探触子２０１に供給していた電源ＶＥＥが必要なくなるため、ケーブル２０４内の配線本数を削減することができ、ケーブルの軽量化も可能となる。

以上、第４実施形態の超音波診断装置は、第３実施形態の超音波診断装置と同様の効果がある。更に、超音波探触子２０１側の発熱を低減できるとともに、超音波探触子２０１の更なる小型化及びケーブルの軽量化も可能となる。

＜第５実施形態＞
図１０を参照しながら、第５実施形態のインピーダンス変換回路について説明する。以下、第４実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明を省略する。

図１０に示すように、第５実施形態では、第４実施形態におけるケーブル２０４と装置本体２０５内に配置された動作電流を決定する抵抗１０５の間に、制御スイッチ２１１が接続されている。

超音波探触子２０１には超音波振動子２０２がアレイ状に配置されているが、一般的に、同時に全ての超音波振動子２０２を動作させることは少ない。そのため、制御スイッチ２１１を設けて、動作していない超音波振動子２０２に接続されるインピーダンス変換回路２０３の制御スイッチ２１１をオフとすることによって、動作していない超音波振動子２０２に接続されるインピーダンス変換回路２０３には電流が流れなくなり、超音波探触子２０１の発熱を抑制することが可能となる。

以上、第５実施形態の超音波診断装置は、第４実施形態の超音波診断装置と同様の効果がある。更に、動作していない超音波振動子２０２に接続されるインピーダンス変換回路２０３に電流が流れないようにして、超音波探触子２０１の発熱を抑制することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る超音波探触子等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。たとえば、本例では二電源の例で示したが、電位の関係が同様であれば、単一電源でも実現可能である。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０２………高耐圧トランジスタ
１０３、１０４、１０５………抵抗
１０６、１１１………高耐圧ダイオード
１０７………コイル
１０８ａ、１０８ｂ、１０９ａ、１０９ｂ………ダイオード
１１０………コンデンサ
１１２………可変抵抗
２０１………超音波探触子
２０２………超音波振動子
２０３………インピーダンス変換回路
２０４………ケーブル
２０５………装置本体
２０６………駆動パルス発生部
２０７………信号生成部
２０８………受信回路
２０９………信号処理部
２１０………画像表示部
２１１………制御スイッチ

Claims (9)

1. 超音波振動子と、
   トランジスタのエミッタホロワを有するインピーダンス変換回路と、
   前記トランジスタのコレクタと第１電源間に接続される第１ダイオードと、
   前記トランジスタのベースと前記超音波振動子の間には、駆動パルスに対して、前記超音波振動子に印加された駆動パルスを増幅するための共振回路と、
   を備えたことを特徴とする超音波探触子。
2. 前記トランジスタのエミッタには、出力インピーダンスを調整するための第１素子と、動作電流を決める第２素子が接続される
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記超音波振動子と前記第２素子との間には、正極性駆動パルスを通過させるための第２ダイオード及び第３ダイオードと、負極性駆動パルスを通過させるための第４ダイオード及び第５ダイオードが接続され、
   前記高耐圧トランジスタのベースと前記超音波振動子の間にはコイルが接続され、
   前記第２ダイオード及び前記第３ダイオードの間と前記第４ダイオード及び前記第５ダイオードの間にはコンデンサが接続され、
   前記第２ダイオード及び前記第３ダイオードの間には、前記トランジスタのベースが接続され、
   前記コイル及び前記コンデンサが前記共振回路となる
   ことを特徴とする請求項２に記載の超音波探触子。
4. 前記第２素子と第２電源間には、第６ダイオードが接続される
   ことを特徴とする請求項３に記載の超音波探触子。
5. 前記第１素子が可変抵抗器である
   ことを特徴とする請求項３に記載の超音波探触子。
6. 超音波探触子と、装置本体部と、前記超音波探触子と前記装置本体部とを電気的に接続するケーブルとを具備する超音波診断装置であって、
   前記超音波探触子は、
   超音波振動子と、
   トランジスタのエミッタホロワを有するインピーダンス変換回路と、
   前記トランジスタのコレクタと第１電源間に接続される第１ダイオードと、
   前記トランジスタのベースと前記超音波振動子の間には、駆動パルスに対して、前記超音波振動子に印加された駆動パルスを増幅するための共振回路と、
   を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
7. 前記トランジスタのエミッタには、出力インピーダンスを調整するための第１素子が接続され、
   前記装置本体部には、動作電流を決める第２素子が配置される
   ことを特徴とする請求項６に記載の超音波診断装置。
8. 前記超音波振動子と前記第２素子との間には、正極性駆動パルスを通過させるための第２ダイオード及び第３ダイオードと、負極性駆動パルスを通過させるための第４ダイオード及び第５ダイオードが接続され、
   前記高耐圧トランジスタのベースと前記超音波振動子の間にはコイルが接続され、
   前記第２ダイオード及び前記第３ダイオードの間と前記第４ダイオード及び前記第５ダイオードの間にはコンデンサが接続され、
   前記第２ダイオード及び前記第３ダイオードの間には、前記トランジスタのベースが接続され、
   前記コイル及び前記コンデンサが前記共振回路となる
   ことを特徴とする請求項７に記載の超音波診断装置。
9. 前記ケーブルと前記第２素子の間には、制御スイッチが接続される
   ことを特徴とする請求項８に記載の超音波診断装置。

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