(57)【要約】  【課題】送信用電源の出力電圧のモード間における変化を小さく抑え、電圧降下を補償するためのキャパシタにおける消費電力および発熱を小さくする。  【解決手段】超音波の送受信を行なう振動子を駆動するためのトランス１６およびスイッチ手段から構成された送信パルス発生器１５と、送信パルス発生器に電流を供給する送信用電源５と、送信用電源の出力端に接続されたキャパシタと、送信用電源の電圧を制御する制御器４とを備える。トランスの１次側巻線は、巻線数が異なる複数系統の１次側巻線１６ａ、１６ｂからなり、複数系統の１次側巻線には各々、２系統のスイッチ手段１３Ａ、１３Ｂ、１７Ａ、１７Ｂが接続され、２系統のスイッチ手段を介して、送信用電源から各々の１次側巻線に逆向きの電流が流される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波の送受信を行なう振動子を駆動するためのトランスおよびスイッチ手段から構成された送信パルス発生器と、前記送信パルス発生器に電流を供給する送信用電源と、前記送信用電源の出力端に接続されたキャパシタと、前記送信用電源の電圧を制御する制御器とを備えた超音波診断装置において、
前記トランスの１次側巻線は、巻線数が異なる複数系統の１次側巻線からなり、前記複数系統の１次側巻線には各々、２系統のスイッチ手段が接続され、前記２系統のスイッチ手段を介して、前記送信用電源から各々の前記１次側巻線に逆向きの電流が流される構成を有することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
前記送信用電源は複数系統あり、前記複数系統の１次側巻線に対して、各々異なる系統の前記送信用電源から電流が供給される請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項３】
振幅の大きな送信パルスを発生する際には、前記複数系統の１次側巻線に同時に電流を流す請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記１次側巻線は２系統設けられ、波数の少ない送信パルスを発生する際には前記２系統の１次側巻線を同時に使用し、一方の系統の１次側巻線には、他方の系統の１次側巻線に比較してパルス幅の短いパルスを印加する請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項５】
前記１次側巻線は２系統設けられ、送信パルスを発生する際に前記２系統の１次側巻線を同時に使用し、一方の系統の１次側巻線には、他方の系統の１次側巻線に比較してパルス幅の短いパルスを印加し、かつ、前記他方の系統の１次側巻線に印加されるパルス幅の長いパルス中に前記短いパルスが含まれるように制御される請求項１に記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子により超音波の送受信を行ない体内の情報を得るための超音波診断装置、特に振動子を駆動する回路の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動子を用いて体内に超音波の送受信をくり返し行うことで、体内の２次元情報を得る超音波診断装置の原理は、広く知られている。２次元走査の方式としては、単一の振動子を機械的に走査するものと、配列振動子を用い、配列振動子からの送受信方向を変える、もしくは、送受信に用いる配列振動子の選択を少しずつ変えていくことで走査を行なう方式が知られている。以下に、セクタ走査と呼ばれる、配列振動子からの送受信方向の偏向角を変えることで２次元走査を行なう方式について説明する。
【０００３】
配列振動子を用いてセクタ走査を行なう超音波診断装置は、たとえば図６のように構成される。超音波の送受信を行なう振動子１−１〜１−８に、送信パルス発生器２−１〜２−８が接続されており、制御器４による制御のもとに送信トリガ発生器３で発生されたトリガパルスに基づき、送信パルス発生器２−１〜２−８より駆動パルスが発生され、振動子１−１〜１−８が駆動される。送信パルス発生器２−１〜２−８で発生する駆動パルスの振幅は、制御器４でコントロールされた送信用電源５の出力電圧で決定される。送信用電源５の出力端には、電圧安定のためにキャパシタ１１が設置される。また、振動子１−１〜１−８には受信アンプ６−１〜６−８が接続され、適当なゲインに増幅された後に、ビーム形成器７で遅延加算が行なわれる。さらに、検波器８で検波された信号をスキャンコンバータ（ＤＳＣ）９で走査変換を行ない、表示器１０に表示する。
【０００４】
送信パルス発生器２の一例について、図７を参照して説明する。図７（ａ）に示すように、送信パルス発生器２の内部は、昇圧用のトランス１２と、スイッチ手段１３Ａ、１３Ｂから構成されている。トランス１２の１次側は中間タップを持ち、中間タップには、送信用電源５から電流が供給されている。
【０００５】
送信パルスを発生しないときには、スイッチ手段１３Ａ、１３ＢはＯＦＦになっている。送信パルスを発生する際には、まずスイッチ手段１３ＡがＯＮになる。それにより、中間タップからトランスの１次側巻線を上方向に電流が流れ、磁束が発生し、２次側に誘導起電力による電流が発生し、振動子１を駆動する。次にスイッチ手段１３ＡがＯＦＦになり、スイッチ手段１３ＢがＯＮになると、中間タップからトランスの１次側巻線を下方向に電流が流れ、磁束が発生し、２次側に誘導起電力による電流が発生するが、この電流の方向はスイッチ手段１３ＡがＯＮになったときと逆方向である。このようにして、バイポーラの送信パルスがトランス２次側に発生し、振動子を駆動する。
【０００６】
最近の超音波診断装置では、振幅情報を輝度に置き換えて表示するＢモード表示の他に、血流情報をスペクトラムで表示するドプラモード、血流情報を色で表示するカラーフローモードなどが、１つの装置で動作可能になっており、走査線ごとに異なるモード動作を行なうことが可能である。
【０００７】
分解能が重視されるＢモードに比較し、カラーフローモードもしくはドプラモードでは感度が重視される。このため送信波形において、Ｂモードでは比較的少ない波数で、カラーフローモードまたはドプラモードでは比較的多い波数で表示することが多い。
【０００８】
一方、体内に入射できる超音波の強度には規定があり、同じ振幅でも波数の多い場合には単位時間あたりのパワーが大きくなるため、振幅を小さく設定する必要がある。また波数の小さいＢモードでは、Ｓ／Ｎ比を向上させるために、規定の許す範囲で振幅を大きくする必要がある。
【０００９】
図７（ｂ）に示されるように、送信用電源５の出力電圧ＶＢは、制御器４の制御により、Ｂモードの大きな振幅が必要な際にはＶＢ１の電圧となり、振幅Ｖ１の送信パルスを発生する。また、カラーフローモードもしくはドプラモードでは、送信用電源５の出力電圧ＶＢはＶＢ２に下がり、振幅Ｖ２の送信パルスを発生する。
【００１０】
Ｂモードおよびカラーフローモードやドプラモードを高速に切り替えるためには、送信用電源の出力電圧を高速に変える必要があるが、図６に示したような１つの電源では、高速切り替えが難しいという問題があった。
【００１１】
これを解決するためには例えば、特許文献１に記載のように、複数の電源を持ち、スイッチにより供給する電源を切り替えて使用すればよい。図８に、特許文献１に記載された送信用の電圧切替方法を示す。図８（ａ）に示すように、送信用電源５Ａ、５Ｂを用い、スイッチ１４によりこれら２つの電源を切り替える。図８（ｂ）に示すように、Ｂモードで比較的大きな振幅Ｖ１の送信波形を発生するときには、スイッチ１４はａ側に接続され、送信用電源５Ａから電圧Ｂ１が供給される。カラーフローモード用に比較的小さな振幅Ｖ２で送信波形を発生するためには、スイッチ１４はｂ側に接続され、送信用電源５Ｂの出力電圧Ｂ２が供給され、ＶＢはＢ２と等しくなる。この動作を繰り返すことで、Ｂモード用の送信／受信とカラーフロー用の送信／受信を時分割で行なう。
【００１２】
図６に示したものと同様に、送信用電源５Ａ、５Ｂの出力側にはそれぞれ、キャパシタＣ１、Ｃ２が取り付けられている。またスイッチ１４の出力側には、キャパシタＣ３が取りつけられている。これは、送信パルス発生時に送信パルス発生器において急激な電力消費が発生し、スイッチ１４の内部抵抗がゼロでないため電圧降下が発生し、出力電圧が下がるため、一時的な電源として用いるものである。
【特許文献１】特開平１１−２９０３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記従来例においては、Ｂモードおよびカラーフローモードやドプラモードを高速に切り替えるためには、送信用電源の出力電圧を高速に変える必要があるが、キャパシタ、例えば図８（ａ）におけるキャパシタＣ３における電荷のチャージおよびディスチャージによる電力消費が大きく、また、発熱量が増えるという問題があった。
【００１４】
また、消費電力の問題のほかに、矩形波による駆動のために高調波が発生するので、生体内で発生した高調波歪みを用いて画像を生成する、いわゆるハーモニックイメージングにおいても、送信波形に含まれる高調波が混在することにより画像が劣化するという問題も生じていた。
【００１５】
本発明はこれらの問題を解決し、電圧降下を補償するためのキャパシタにおけるチャージ、ディスチャージの電荷量を減らし、電力消費および発熱を少なくすることを目的とする。
【００１６】
また、送信波形を矩形波より正弦波に近づけることで、高調波の発生を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の超音波診断装置は、超音波の送受信を行なう振動子を駆動するためのトランスおよびスイッチ手段から構成された送信パルス発生器と、前記送信パルス発生器に電流を供給する送信用電源と、前記送信用電源の出力端に接続されたキャパシタと、前記送信用電源の電圧を制御する制御器とを備える。上記課題を解決するために、前記トランスの１次側巻線は、巻線数が異なる複数系統の１次側巻線からなり、前記複数系統の１次側巻線には各々、２系統のスイッチ手段が接続され、前記２系統のスイッチ手段を介して、前記送信用電源から各々の前記１次側巻線に逆向きの電流が流される構成を有することを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、送信パルス発生器のトランスの１次側巻線を複数系統とすることで、駆動のモードに応じて１次側巻線の使用形態を切換え、送信用電源の電圧の変化を少なくして、消費電力および発熱を低減することができる。
【００１９】
上記構成の超音波診断装置において、前記送信用電源は複数系統あり、前記複数系統の１次側巻線に対して、各々異なる系統の前記送信用電源から電流が供給される構成とすることができる。
【００２０】
また、振幅の大きな送信パルスを発生する際には、前記複数系統の１次側巻線に同時に電流を流す構成とすることができる。
【００２１】
また、前記１次側巻線は２系統設けられ、波数の少ない送信パルスを発生する際には前記２系統の１次側巻線を同時に使用し、一方の系統の１次側巻線には、他方の系統の１次側巻線に比較してパルス幅の短いパルスを印加する構成とすることができる。
【００２２】
また、前記１次側巻線は２系統設けられ、送信パルスを発生する際に前記２系統の１次側巻線を同時に使用し、一方の系統の１次側巻線には、他方の系統の１次側巻線に比較してパルス幅の短いパルスを印加し、かつ、前記他方の系統の１次側巻線に印加されるパルス幅の長いパルス中に前記短いパルスが含まれるように制御される構成とすることができる。それにより、送信波形の高調波ひずみを少なくすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
上記構成の超音波診断装置によれば、トランス昇圧型送信パルス発生器において１次側巻線を複数系統設けることで、送信用電源の出力電圧のモード間における変化を小さく抑えることができ、消費電力および発熱を小さく抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における超音波診断装置を構成する、トランスを用いた送信パルス発生器１５および周辺回路を示すブロック図である。送信パルス発生器１５は、トランス１６およびスイッチ手段１３Ａ、１３Ｂ、１７Ａ、１７Ｂより構成されている。トランス１６の一次側巻線は２系統あり、上側の巻線１６ａにはスイッチ１３Ａ、１３Ｂが、下側の巻線１６ｂにはスイッチ１７Ａ、１７Ｂがそれぞれ接続されている。上側の巻線数に対し、下側の巻線数が少く構成されている。上側の巻線１６ａ及び下側の巻線１６ｂの中間タップには各々、送信用電源５から電流が供給される。
【００２５】
以下、図１（ｂ）を参照して動作を説明する。Ｂモード用の比較的振幅の大きな送信パルスを出力する際は、スイッチ手段１３Ａ、１３Ｂが図７に示した従来例のようなタイミングでＯＮ−ＯＦＦする。これによりトランス１６の２次側には振幅Ｖ１のパルスが出力され、振動子１を駆動する。このときの送信用電源５の出力電圧ＶＢはＶＢ１である。
【００２６】
カラーモードもしくはドプラモードにおいては、スイッチ手段１７Ａ、１７ＢがＯＮ−ＯＦＦされ、トランス１６の２次側には振幅Ｖ２のパルスが出力され、振動子１を駆動する。カラーモードおよびドプラモードでは、送信用電源５の出力電圧ＶＢはＶＢ２となるが、トランス１次側の巻線数が上の巻線数に対し、下の巻線数が少ないために、ＶＢ１とＶＢ２の差が少なくなる。
【００２７】
これにより制御器４により制御される電圧の変化が少なくなり、送信用電源５の出力側に配置された電圧安定のためのキャパシタ（図示せず）へのチャージディスチャージの電荷を少なくすることができる。その結果、電力消費および発熱を低減することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
図２は、実施の形態２における超音波診断装置を構成する、トランスを用いた送信パルス発生器１５および周辺回路を示すブロック図である。実施の形態１と同様、送信パルス発生器１５は、トランス１６およびスイッチ手段１３Ａ、１３Ｂ、１７Ａ、１７Ｂより構成されている。トランス１６の一次側巻線は２系統あり、上側の巻線１６ａにはスイッチ手段１３Ａ、１３Ｂが、下側の巻線１６ｂにはスイッチ手段１７Ａ、１７Ｂがそれぞれ接続されている。上側の巻線数に対し、下側の巻線数が少く構成されている。
【００２９】
本実施の形態においては、上部の巻線１６ａの中間タップと、下部の巻線１６ｂの中間タップに電力を供給する送信用電源１８Ａ、１８Ｂが別個に設けられている。このため、Ｂモードではスイッチ手段１３Ａ、１３Ｂおよび送信用電源１８Ａを、カラーモードおよびドプラモードにおいては、スイッチ手段１７Ａ、１７Ｂおよび送信用電源１８Ｂを用いることで、送信用電源の出力端に付加されているキャパシタ（図示なし）へのチャージ、ディスチャージをなくし、電力消費および発熱を低減することができる。
【００３０】
これに対して、トランスの１次側巻線を１系統にし、中間タップに接続する電源をスイッチにより切り替える手法も考えられる。しかしながら、高速で切り替え可能なスイッチは数Ω程度のインピーダンスを持つので、スイッチより中間タップ側にキャパシタが必要となるため、電力消費の低減を図ることはできない。
（実施の形態３）
図３は、実施の形態３における超音波診断装置を構成する、トランスを用いた送信パルス発生器１５および周辺回路を示すブロック図である。実施の形態１と同様、送信パルス発生器１５は、トランス１６およびスイッチ手段１３Ａ、１３Ｂ、１７Ａ、１７Ｂより構成されている。トランス１６の一次側巻線は２系統あり、上側の巻線１６ａにはスイッチ手段１３Ａ、１３Ｂが、下側の巻線１６ｂにはスイッチ手段１７Ａ、１７Ｂがそれぞれ接続されている。上側の巻線数に対し、下側の巻線数が少く構成されている。上側の巻線１６ａ及び下側の巻線１６ｂの中間タップには各々、送信用電源５から電流が供給される。
【００３１】
本実施の形態においては、回路の構成は実施の形態１と同一であるが、スイッチ手段１３Ａ、１３Ｂ、１７Ａ、１７Ｂのシーケンスが異なっている。これについて、図３（ｂ）を参照して説明する。
【００３２】
Ｂモードにおいては、比較的大きな振幅が必要となる。Ｂモードのための送信パルスを発生する際には、スイッチ手段１３Ａと１７Ａを同時に、またスイッチ手段１３Ｂと１７Ｂを同時にＯＮする。これによりトランス１６に発生する磁束の量は増大し、トランス２次側に発生する電圧も高くなる。
【００３３】
カラーモードもしくはドプラモードにおいては、スイッチ手段１３Ａのみ、スイッチ手段１３ＢのみをＯＮする。これにより、Ｂモード時の駆動パルスの振幅Ｖ１より低い振幅Ｖ２を発生させることができる。Ｂモードおよびカラーモード、ドプラモードで必要なパルス振幅により、上部巻線と下部巻線の巻線比は決められる。また、図３（ｂ）においては、カラーモードおよびドプラモードにおいてスイッチ手段１３Ａ、１３Ｂを用いるように説明したが、必要な送信パルス振幅に応じて、スイッチ手段１７Ａ、１７Ｂを用いてもよい。
（実施の形態４）
図４は、実施の形態４における超音波診断装置を構成する、トランスを用いた送信パルス発生器１５および周辺回路を示すブロック図である。実施の形態２と同様、送信パルス発生器１５は、トランス１６およびスイッチ手段１３Ａ、１３Ｂ、１７Ａ、１７Ｂより構成されている。トランス１６の一次側巻線は２系統あり、上側の巻線１６ａにはスイッチ手段１３Ａ、１３Ｂが、下側の巻線１６ｂにはスイッチ手段１７Ａ、１７Ｂがそれぞれ接続されている。上側の巻線数に対し、下側の巻線数が少く構成されている。また、上部の巻線１６ａの中間タップと、下部の巻線１６ｂの中間タップに電力を供給する送信用電源１８Ａ、１８Ｂが別個に設けられている。
【００３４】
本実施の形態においては、回路の構成は実施の形態２と同一であるが、スイッチ手段１３Ａ、１３Ｂ、１７Ａ、１７Ｂのシーケンスが異なっている。これについて図４（ｂ）を参照して説明する。
【００３５】
Ｂモードにおいては、比較的大きな振幅が必要となる。このため波形の立ち上がり時間が短い（スルーレートが速い）ことが必要である。本実施の形態においてＢモードのための送信パルスを発生する際には、スイッチ手段１３Ａと１７Ａを同時に、またスイッチ手段１３Ｂと１７Ｂを同時にＯＮし、スイッチ手段１７Ａ、１７Ｂは立ち上がりの瞬間の短い時間のみＯＮさせる。これによりＢモード時の波形の立ち上がり時間を短くすることができ、優れた送信パルス波形を出力することが可能になる。
（実施の形態５）
図５は、実施の形態５における超音波診断装置を構成する、トランスを用いた送信パルス発生器１５および周辺回路を示すブロック図である。実施の形態２と同様、送信パルス発生器１５は、トランス１６およびスイッチ手段１３Ａ、１３Ｂ、１７Ａ、１７Ｂより構成されている。トランス１６の一次側巻線は２系統あり、上側の巻線１６ａにはスイッチ手段１３Ａ、１３Ｂが、下側の巻線１６ｂにはスイッチ手段１７Ａ、１７Ｂがそれぞれ接続されている。上側の巻線数に対し、下側の巻線数が少く構成されている。また、上部の巻線１６ａの中間タップと、下部の巻線１６ｂの中間タップに電力を供給する送信用電源１８Ａ、１８Ｂが別個に設けられている。
【００３６】
本実施の形態においては、回路の構成は実施の形態２と同一であるが、スイッチ手段１３Ａ、１３Ｂ、１７Ａ、１７Ｂのシーケンスが異なっている。これについて図５（ｂ）を参照して説明する。
【００３７】
近年普及してきたハーモニックイメージングは、体内に照射した超音波信号の伝搬において非線形な歪みが発生し、高調波成分として捉えられることを用いたものである。生体内で発生した高調波信号を受信する際に、送信波形そのものに高調波が含まれていると、生体内で発生した高調波と混在してしまうので、画質が劣化する。しかしながら、従来の駆動波形は矩形波であり、高調波を多く含んでいた。
【００３８】
本実施の形態では、スイッチ手段１３ＡがＯＮして、少し遅れて（具体的にはスイッチ手段１３ＡのＯＮ時間の２５％程度）スイッチ手段１７ＡがＯＮする。スイッチ手段１７ＡのＯＮ時間はスイッチ手段１３ＡのＯＮ時間の半分程度であり、スイッチ手段１７ＡがＯＦＦしてから遅れてスイッチ手段１３ＡがＯＦＦする。
【００３９】
スイッチ手段１３Ｂと１７Ｂも上記と同じＯＮ−ＯＦＦのシーケンスを行なう。
【００４０】
このとき発生したパルスは、図５（ｂ）の送信パルス出力の波形に示すようになり、従来の矩形波より正弦波に近く、高調波成分が少ない。これにより、ハーモニックイメージングにおいて、より生体内の高調波を抽出することが可能となる。
【００４１】
なお、以上の実施の形態の説明では、送信パルス発生器を構成するトランスの一次側巻線を２系統としたが、必要に応じて、３系統以上の複数系統とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の超音波診断装置は、トランス昇圧型送信パルス発生器の１次側巻線を複数系統もうけることで、送信用電源の出力電圧のモード間における変化を小さく抑え、電圧降下を補償するためのキャパシタにおける消費電力および発熱を小さくすることができ、実用上有利である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施の形態１における超音波診断装置を構成する送信パルス発生器及び周辺の要素回路を示し、（ａ）は回路図、（ｂ）はその動作を示す波形図
【図２】実施の形態２における超音波診断装置を構成する送信パルス発生器及び周辺の要素回路を示し、（ａ）は回路図、（ｂ）はその動作を示す波形図
【図３】実施の形態３における超音波診断装置を構成する送信パルス発生器及び周辺の要素回路を示し、（ａ）は回路図、（ｂ）はその動作を示す波形図
【図４】実施の形態４における超音波診断装置を構成する送信パルス発生器及び周辺の要素回路を示し、（ａ）は回路図、（ｂ）はその動作を示す波形図
【図５】実施の形態５における超音波診断装置を構成する送信パルス発生器及び周辺の要素回路を示し、（ａ）は回路図、（ｂ）はその動作を示す波形図
【図６】従来のセクタ走査を行なう超音波診断装置のブロック図
【図７】従来の超音波診断装置の他の例における要部を示し、（ａ）はブロック図、（ｂ）はその動作を示す波形図
【図８】従来例におけるセクタ走査を行なう超音波診断装置のブロック図
【符号の説明】
【００４４】
１、１−１〜１−８  振動子
２、２−１〜２−８、１５  送信パルス発生器
３  送信トリガ発生器
４  制御器
５、５Ａ、５Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ  送信用電源
６−１〜６−８  受信アンプ
７  ビーム形成器
８  検波器
９  走査変換器（ＤＳＣ）
１０  表示器
１１、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３  キャパシタ
１２、１６  トランス
１３Ａ、１３Ｂ、１７Ａ、１７Ｂ、１４  スイッチ手段
１６ａ、１６ｂ  一次巻線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006015071.tif 000007
【図６】
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【図７】
2006015071.tif 000009
【図８】
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