JP3999507B2

JP3999507B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP3999507B2
Application number: JP2001376638A
Authority: JP
Inventors: 光博押木; 佐藤　　裕; 純窪田
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2021-12-11
Also published as: JP2003175032A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置に関し、特に、短冊状に配置された超音波振動子（以下、単に振動子と呼ぶ）と、前記各振動子に接続された振動子（素子）選択スイッチと、前記選択された振動子を駆動して被検体に向けて超音波を送波する超音波送波回路（以下、単に送波回路と呼ぶ）と、被検体からの超音波エコーを前記振動子で受波して受信処理する超音波受波回路（以下、単に受波回路と呼ぶ）とを有し、前記被検体の断層像を得る超音波診断装置に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波診断装置においては、その高画質化のためには、測定対象をいかに細かく分解して画像化できるか（空間分解能）が重要となる。空間分解能には大きく分けて、超音波ビーム（以下、単にビームと呼ぶ）を走査する方向の分解能である方位分解能と、超音波が伝搬する方向の伝搬方向分解能である距離とが挙げられる。
【０００３】
前記方位分解能の向上には、数１の式で与えられるビーム幅ｄを細くすればよいことが知られている。
【０００４】
【数１】
ｄ＝１．２λＦ／Ｄ（但し−１２ｄＢの点）
数１の式において、Ｄは超音波波長送受波の口径（振動子群の口径）、Ｆはビームの焦点距離、λは超音波波長である。
【０００５】
前記方位分解能の向上に必要であるビーム径を細くするためには、前記数１の式からわかるように、口径が大きければよいことになる。
【０００６】
例えば、１００チャネル（ｃｈ）を用いてビームを作ることができる超音波装置は、５０ｃｈでビームを作る超音波装置に比べ、ビーム幅を半分にできるため、より高画質な診断画像を求めることができる。
【０００７】
従来の超音波診断装置では、任意の送受波口径に対応して振動子（素子）群を高圧切替スイッチ（以下、高圧切替ＳＷと呼ぶ）により選び、順次それを走査しながらビームを振り、送受波を行っている。したがって、全振動子（素子）に対して独立な送受波回路が必要となる。
【０００８】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、全振動子（素子）に送受波して信号処理を行う送受波回路を用意すると、電気部品、ケーブル等大変な数になるため、一般に各送受波回路は送受波口径に対応した数だけ用意する。それらの送受波回路と探触子の各振動子（素子）間に高圧切替ＳＷを介することで回路規模の縮小を図っているが、高画質化のために口径を増やして大きくすることは、増やした分だけの送受波回路が別途必要となるため、必然的に送受波回路数の増加につながり、装置が大型となるという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、超音波診断装置の小型化を図ることが可能な技術を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、超音波診断装置の精度を向上することが可能な技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明の概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
本願発明は、短冊状に配置された超音波振動子と、前記各超音波振動子に接続された振動子選択スイッチと、前記選択された超音波振動子を駆動して被検体に向けて超音波を送波する送波回路と、被検体からの超音波エコーを前記超音波振動子で受波して受信処理する受波回路とを有し、前記被検体の断層像を得る超音波診断装置において、
前記振動子選択スイッチと前記送波回路の間に接続され、ビーム送波とビーム受波とを分離する送受分離回路と、
前記送波回路と前記送受分離回路の間に接続され、遅延量が対称となる超音波振動子を共通接続するとともに口径移動をするための送波ビーム共通接続スイッチ回路と、前記送波回路から分離され前記各振動子より超音波を発生させるために必要な高圧パルスを発生する出力段とを備えたことを特徴とする。
本願発明によれば、前記送波回路と前記送受分離回路の間に、遅延量が対称となる超音波振動子を共通接続するとともに口径移動をするための送波ビーム共通接続スイッチ回路と、高圧パルスを発生する出力段とを備えたことにより、ビームの対称性を利用して、送受波回路数を増やすこと無しに、口径が倍の受波ビームの形成が可能となる。
【００１４】
以下、本発明について、発明の実施の形態（実施例）とともに図面を参照して詳細に説明する。
なお、発明の実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態の超音波診断装置においては、例えば、５０ｃｈの送受波回路構成にて１００ｃｈの口径を有するシステムを考える。
【００１６】
図１及び図２は本発明の参考例の超音波診断装置の高圧切替ＳＷを説明するための回路図、図３は本発明の参考例の超音波診断装置の高圧切替ＳＷを説明するためのコンベックス探触子送波電子フォーカスを示す図、図４は本発明の参考例の超音波診断装置のビーム束ねＳＷの概略構成を示す回路図である。図１乃至図４において、１００は超音波探触子（以下、単に探触子と呼ぶ）、２００は超音波診断装置本体、３００はケーブル、１は超音波診断装置の高圧切替ＳＷ、２は振動子群、２-１〜２-１５０、２ｉはそれぞれ振動子（素子）、３は送受波回路群、３-１〜３-５０はそれぞれ送受波回路、４はコンベックス探触子の送波電子フォーカス点、１ｃｈ〜５０ｃｈはそれぞれのチャネル番号、Ｄ_ｆは振動子表面とフォーカス点までの直線距離、２ｉはｉ番目の振動子、Ｒは探触子群２の曲率半径、θ_ｉは口径中心とｉ番目の振動子とのなす角である。
【００１７】
前記探触子１００と送受波回路群３の接続には、図１に示すように、高圧切替ＳＷ１を介して行っている。十分に広い診断画像視野確保のため、探触子１００内には百数十の振動子（２-１〜２-ｎ）が並ベられている。高圧切替ＳＷ１は、例えば、５０ｃｈの送受波回路３-１〜３-５０を全ての振動子２-１〜２-１５０に電気的に接続し、ビームを走査するために必要なＳＷである。例えば、１５０ｃｈの振動子２-１〜２-１５０を有する探触子１００を５０ｃｈの送受波回路３-１〜３-５０を用いて、ビームの形成を行うことを考える。図１に示すように、従来は１５０ｃｈの振動子群２を５０ｃｈの送受波回路群３で受け持つため、１ｃｈの送受波回路で３ｃｈの振動子を受け持っている。どの振動子を用いて超音波ビ−ムを送受波するかは、高圧切替ＳＷ１により決定される。
【００１８】
したがって、振動子２-１〜２-５０の５０ｃｈでビームを送受波する際には、図１に示すように、送受波回路群３の送受波回路３-１（１cｈ）と振動子群２の振動子２-１（１cｈ）、送受波回路３-２（２ｃｈ）と振動子群２の振動子２-２（２cｈ）とが電気的に接続されるよう高圧切替ＳＷ１が動作し、送受波回路３-３〜３-５０（３ｃｈ〜５０ｃｈ）のそれぞれに対応する振動子２-３〜２-５０（３ｃｈ〜５０ｃｈ）が電気的に順次接続されるよう高圧切替ＳＷ１が動作する。
【００１９】
次に、１素子ずらして振動子２-２〜２-５１を用いて超音波ビ−ムを送受波する際には、図２に示すように、送受波回路３-１（１cｈ）と振動子群２の振動子２-５１（５１ｃｈ）、送受波回路３-２（２ｃｈ）と振動子群２の振動子２-５１（５１ｃｈ）とがそれぞれ電気的に接続されるよう高圧切替ＳＷ１が動作する。
【００２０】
同様にして送受波回路３-３〜３-５０（３ｃｈ〜５０ｃｈ）のそれぞれに対応する振動子２-５１〜２-１００（５１ｃｈ〜１００ｃｈ）が電気的に順次接続されるよう高圧切替ＳＷ１が動作する。
【００２１】
同様にして送受波回路３-３〜３-５０（３ｃｈ〜５０ｃｈ）のそれぞれに対応する振動子２-１０１〜２-１５０（１０１ｃｈ〜１５０ｃｈ）が電気的に順次接続されるよう高圧切替ＳＷ１が動作する。
【００２２】
このように、高圧切替ＳＷ１を順次切り替えることより、ビームを束ねながら送受波位置を変化させていくため、従来の方法では口径と等しい送受波回路３-１〜３-５０が必要となる。
【００２３】
ここで、画像生成における電子フォーカス技術を用いた、各振動子に与えられる送受波信号の関係について、コンベックス探触子を例に考える。
【００２４】
図３に電子フォーカスと各振動子に与えられる送波信号の関係を示す。送波フォーカスは、送波開口内における振動子の駆動遅延時間をフォーカス点４に波面が一致するように設定して実現されることが知られている。ここで、ｉ番目の振動子２ｉに与えられる遅延時間τ_ｉは数２の式で与えられることが知られている。
【００２５】
【数２】
τ_ｉ＝Ｉ{（Ｄ_ｆ ^２＋Ｒ^２ｓｉｎ^２θ_ｉ）^１／２−Ｄ_ｆ}／ｃ
前記数２の式において、Ｄ_ｆは振動子表面とフォーカス点までの直線距離、Ｒは探触子の曲率半径、θ_ｉは口径中心とｉ番目の振動子とのなす角をそれぞれ表す。
【００２６】
本発明では、前記数２の式及び図３からわかるように、ビーム形成に使用している各振動子には、ビームの端からビーム中心に向けて遅延時間τ_ｉがだんだんと少なくなるように、さらに、ビームの中心に対して左右対称な送波信号が与えられていることが分かる。
【００２７】
また、受波信号におけるフオーカシングについても同様のことが言え、ビーム中心に対して、左右対称になるように各振動子には遅延時間τ_ｉをもって、超音波ビ−ムの受波が行われる。
【００２８】
これより、超音波送受波ビームの形成には、各振動子２-１〜２-ｎに対して独立な送受波回路を設ける必要はなく、図４に示すように、送受波回路群３の送受波回路１個（１ｃｈ）で超音波ビ−ムを形成する時に左右対称の位置関係にある振動子を同時に駆動すればよいことになる。例えば、図４において、送受波回路３-１を振動子２-１と振動子２-５０へ、送受波回路３-２を振動子２-２と振動子２-４９へ、送受波回路３-２５を振動子２-２５と振動子２-２６へ、というように電気的に接続する。すなわち、本発明によれば、５０ｃｈの開口幅を有するビーム形成には２５ｃｈの送受波回路のみで十分であり、言い方を換えれば、従来と同数の送受波回路５０ｃｈでその倍の１００ｃｈの口径を有するビームの送受波が可能となる。
【００２９】
（参考例１）
図５は本発明の参考例１の超音波診断装置の概略構成を説明するための模式ブロック図、図６は本発明の参考例１の高圧切替ＳＷを用いた場合の超音波診断装置の概略構成を示す回路図である。
【００３０】
本発明の参考例１の超音波診断装置は、図５に示すように、送受波回路群３と振動子群２との間に口径移動のための高圧切替ＳＷ１があり、該高圧切替ＳＷ１と振動子群２との間にビーム束ねＳＷ５を設けたものである。このビーム束ねＳＷ５は、図６に示すように、口径移動する高圧切替ＳＷ１により、口径の半分ｎ毎に共通接続され、さらに、例えば、シャパー線５ＡによるクロスポイントＳＷ等により遅延量が対称となる振動子（素子）同志が接続される構成になっている。
【００３１】
ここで、送受波回路群３のｃｈ数は、１本のビームを形成するために使用する口径を形成する振動子（素子）数ｍの半分ｎ（ｎ＝ｍ／２）となる。送受波回路群３の１ｃｈは、口径移動する高圧切替ＳＷ１により、口径の半分ｎ毎に共通接続されており、さらに、ビーム束ねＳＷ５により遅延量が対称となる振動子（素子）と接続されるものである。
【００３２】
前記本発明の参考例１の超音波診断装置は、図６に示すように、ビーム送波時には、振動子群２を駆動するための送波回路６と、送波回路６とビームを励振する振動子群２とを繋ぐ高圧切替ＳＷ１と、ビームを束ねるためのビーム束ねＳＷ５とからなる。ここでは、送波回路６のｃｈ数が送波ビーム口径の半分に当る場合について考える。
【００３３】
図６に示すように、送波回路６-１〜６-５０（１ｃｈ〜５０ｃｈ）に遅延時間τ_ｉ（図６の向って左側に符号７で示すような関係がある）である信号が入力されたとする。この場合、高圧切替ｓｗ１-１（１ｃｈ）〜１-５０（５０ｃｈ）とビーム束ねＳＷ５-１（１ｃｈ）〜５-５０（５０ｃｈ）まではＯＮの状態にあり、送波回路６-１（１ｃｈ）〜６-５０（５０ｃｈ）までに励振された送波信号がそのままの関係で、振動子２-１（１ｃｈ）〜２-５０（５０ｃｈ）に印加される。
【００３４】
さらに、これと同時にビーム束ねＳＷ５-１（１ｃｈ）と５-１００（１００ｃｈ）、ビーム束ねＳＷ５-２（２ｃｈ）と５-９９（９９ｃｈ）、ビーム束ねＳＷ５-３（３ｃｈ）と５-９（９８ｃｈ）、・・・ビーム束ねＳＷ５-５０（５０ｃｈ）と５-５１（５１ｃｈ）とをそれぞれ電気的に接続する（例えば、クロスポイントＳＷなどの高圧ＳＷを用いて実現できる）ことにより、ビーム束ねＳＷ５-５１〜５-１００までをＯＮし、振動子２-５１〜２-１００には、ちょうど振動子２-５０と２-５１の間を中心として、図６に示す超音波送波ビーム８と対称になる信号が印加されることになる。
【００３５】
したがって、全体としては振動子２-１〜２-１００を口径とする一つの超音波送波ビームが生成されたことになり、図６に示す超音波波面８’のような収束音波が放射され、送波信号回路５０ｃｈで１００ｃｈの送波ビームを形成したことと等価な現象が実現できる。
【００３６】
次に、超音波ビームの口径移動を考える。図７には前記図６に比ベ超音波ビ−ムを１アドレスずらした時の動作状況を示す。図７において、送信回路６に入力される信号は、図６の送信回路６に入力された遅延時間τ_ｉが符号７で示される関係のまま１ｃｈずれたものとなる。図６において、１ｃｈ、２ｃｈ、・・・、４９ｃｈに入力された信号は、２ｃｈ、３ｃｈ、・・・、５０ｃｈへと１ｃｈずれ、５０ｃｈに入力された遅延時間τ_ｉに相当する信号は、図７においては１ｃｈへと入力される。送信回路６-１は高圧切替ＳＷ１-１（１ｃｈ）、ＳＷ１-５１（５１ｃｈ）、ＳＷ１-１０１とそれぞれ電気的に選択、接続が可能であり、図７においては、高圧切替ＳＷ１-２（２ｃｈ）〜ＳＷ１-５１（５１ｃｈ）までがＯＮされ、送信回路６-１に入力された信号は高圧切替ＳＷ１-５１へと入力される。さらに、高圧切替ＳＷ１と電気的に接続されたｃｈの超音波ビ−ム束ねＳＷ５-２〜ＳＷ５-５１までがＯＮされ、遅延時間τ_ｉが符号７で示される関係で送信回路６に入力された信号によって、振動子２-２〜２-５１へ超音波送波ビーム８に示す信号が印加されることになる。
【００３７】
さらに、これと同時に超音波ビ−ム束ねＳＷ５-２とＳＷ５-１０１、ＳＷ５-３とＳＷ５-１００、・・・、ＳＷ５-５１とＳＷ５-５２とをそれぞれ電気的に接続することにより、超音波ビーム束ねＳＷ５-５２〜ＳＷ５-１０１までをＯＮし、振動子２-５２〜２-１０１に、振動子２-２〜２-５１に印加された超音波信号８と左右対称になる信号が印加される。したがって、全体としては振動子２-２〜２-１０１を口径とする一つの超音波送波信号が生成されることとなり、前記超音波ビーム束ねＳＷの操作により本システムにおいて口径移動が可能となる。
【００３８】
（参考例２）
図８は本発明の参考例２の超音波診断装置の概略構成を示す回路図である。
本発明の参考例２の超音波診断装置は、図８に示すように、送波回路６、高圧切替ＳＷ１、ビーム束ねＳＷ５、振動子群２、送受分離回路９、及び受波回路１０より構成される。
【００３９】
本発明の参考例２の超音波診断装置では、ビーム送波は送波ｃｈ数と等しい口径のビームしか形成できないが、送波回路６と振動子群２との間にビーム送波とビーム受波とを分離する送受分離回路９を設け、ビーム受波側にビーム束ねＳＷ５を用いることにより、前記送波回路６での効果と同様の効果が受波回路１０で実現されることになる。すなわち、ビームの左右対称関係にある振動子２ｉの２ｃｈの信号がビーム束ねＳＷにより足し合わされ、１ｃｈの受波回路１０へ流れ込み、結果的に口径の半分の受波回路数のみで受波ビームの形成が実現できる。
【００４０】
本発明の参考例２によるスイッチング方法を用いることにより、受波回路数の倍の口径を有するビームが形成されることになる。
【００４１】
（実施例）
図９は本発明の実施例の超音波診断装置の概略構成を示す回路図である。
本実施例の超音波診断装置は、図９に示すように、送波回路６’を振動子群２より超音波を発生させるのに必要な高圧パルスを発生する出力段を分離し、低圧部のみで形成する。高圧出力段１１と送受分離回路９は振動子毎に設ける。前記送波回路６’と高圧出力段１１の間に遅延量が対称となる振動子を束ねながら口径移動を可能とする送波低耐圧ビーム束ねＳＷ（例えばクロスポイントＳＷを用いる）１２を設ける。各送波低耐圧ビーム束ねＳＷ１２は、高圧出力段１１の前に存在するため、低耐圧、例えば１０Ｖ程度で済む。また、受波エコーは送受分離回路９を通って受波回路１０に導かれるが、前記送受分離回路９と受波回路１０との間にも受波低耐圧ビーム束ねＳＷ（例えばクロスポイントＳＷを用いる）１３を設け、ビームを束ねるとともに口径移動を行う。これにより、送波回路６’及び受波回路１０は使用する口径の半分のチャネル数で済む。
【００４２】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記発明の実施の形態（実施例）に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記発明の実施の形態（実施例）に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００４３】
【発明の効果】
本願において開示される発明によって得られる効果は下記の通りである。
本発明によれば、ビームの対称性を利用して、超音波送受波回路数を増やすこと無しに、口径が倍の超音波送受波ビームを形成することができるので、超音波診断装置の小型化を図ることができる。また、超音波診断装置の精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例の超音波診断装置の高圧切替ＳＷを説明するための図である。
【図２】本発明の参考例の超音波診断装置の高圧切替ＳＷを説明するための図である。
【図３】本発明の参考例の超音波診断装置の高圧切替ＳＷを説明するためのコンベックス探触子送波電子フォーカスを示す図である。
【図４】本発明の参考例の超音波診断装置のビーム束ねＳＷの概略構成を示す回路図である。
【図５】図５は本発明の参考例１の超音波診断装置の概略構成を説明するための模式ブロック図である。
【図６】本発明の参考例１の高圧切替ＳＷを用いた場合の超音波診断装置の概略構成を示す回路図である。
【図７】本発明の参考例１の超音波診断装置において口径移動が可能な超音波診断装置の概略構成を示す回路図である。
【図８】本発明の参考例２の超音波診断装置の概略構成を示す回路図である。
【図９】本発明の実施例の超音波診断装置の概略構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１００…超音波探触子２００…超音波診断装置本体
３００…ケーブル１…超音波診断装置の高圧切替ＳＷ
２…振動子群２-１〜２-１５０…振動子（素子）
３…送受波回路３-１〜３-５０…送受波回路
４…送波電子フォーカス点
１ｃｈ〜５０ｃｈ…送受波回路のチャネル
Ｄ_ｆ…振動子表面とフォーカス点までの直線距離
Ｒ…探触子群２の曲率半径
θ_ｉ…口径中心とｉ番目の振動子とのなす角
５…ビーム束ねＳＷ６、６’…送波回路
７…遅延時間τ_ｉ８…超音波送波ビーム
８’…超音波波面９…送受分離回路
１０…受波回路

Claims

短冊状に配置された超音波振動子と、前記各超音波振動子に接続された振動子選択スイッチと、前記選択された超音波振動子を駆動して被検体に向けて超音波を送波する送波回路と、被検体からの超音波エコーを前記超音波振動子で受波して受信処理する受波回路とを有し、前記被検体の断層像を得る超音波診断装置において、
前記振動子選択スイッチと前記送波回路の間に接続され、ビーム送波とビーム受波とを分離する送受分離回路と、
前記送波回路と前記送受分離回路の間に接続され、遅延量が対称となる超音波振動子を共通接続するとともに口径移動をするための送波ビーム共通接続スイッチ回路と、前記送波回路から分離され前記各振動子より超音波を発生させるために必要な高圧パルスを発生する出力段とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。