(57)【要約】  【課題】  超音波撮像装置において、超音波トランスデューサに駆動信号を供給するためのパワーアンプにおける消費電力を低減する。  【解決手段】  この超音波撮像装置は、超音波用探触子と、超音波用探触子に供給すべき複数の駆動信号の波形を表す１組の波形データを生成する波形データ生成手段と、１組の波形データを複数の駆動信号にそれぞれ変換する複数のＤ／Ａ変換器と、複数の駆動信号をそれぞれ電力増幅して超音波用探触子に供給する複数の増幅器であって、超音波送信期間において消費電力が第１の値となる第１の動作モードに設定され、超音波受信期間において消費電力が第１の値よりも小さい第２の動作モードに設定される複数の増幅器と、複数の受信信号を処理して超音波画像を表す画像データを取得する受信系回路とを具備する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の駆動信号に従って超音波ビームを形成して被検体に送信すると共に、被検体から反射される超音波エコーを受信して複数の受信信号をそれぞれ出力する複数の超音波トランスデューサを含む超音波用探触子と、
前記超音波用探触子から少なくとも１つの超音波ビームを送信するために、前記超音波用探触子に供給すべき複数の駆動信号の波形を表す１組の波形データを生成する波形データ生成手段と、
前記波形データ生成手段によって生成された１組の波形データを複数の駆動信号にそれぞれ変換する複数のＤ／Ａ（ディジタル／アナログ）変換器と、
前記複数のＤ／Ａ変換器から出力される複数の駆動信号をそれぞれ電力増幅して前記超音波用探触子に供給する複数の増幅器であって、超音波送信期間において消費電力が第１の値となる第１の動作モードに設定され、超音波受信期間において消費電力が第１の値よりも小さい第２の動作モードに設定される前記複数の増幅器と、
超音波エコーを受信した前記超音波用探触子から出力される複数の受信信号を処理して超音波画像を表す画像データを取得する受信系回路と、
を具備する超音波撮像装置。
【請求項２】
前記複数の増幅器が、第２の動作モードにおける出力トランジスタのバイアス電流が第１の動作モードにおける出力トランジスタのバイアス電流よりも小さくなるように設定される、請求項１記載の超音波撮像装置。
【請求項３】
超音波送信期間において前記複数の増幅器を第１の動作モードに設定し、超音波受信期間において前記複数の増幅器を第２の動作モードに設定する制御手段をさらに具備する、請求項１又は２記載の超音波撮像装置。
【請求項４】
前記制御手段が、超音波受信期間終了後の送信条件設定期間内において、前記複数の増幅器の動作モードを第２の動作モードから第１の動作モードに変更する、請求項３記載の超音波撮像装置。
【請求項５】
前記複数の増幅器の各々が、それぞれのＤ／Ａ変換器から供給される駆動信号のレベルに応じて出力トランジスタのバイアス電流を変化させる、請求項１又は２記載の超音波撮像装置。
【請求項６】
１フレーム分の超音波画像データを取得する期間において超音波送信期間よりも超音波受信期間の方が長い、請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波撮像装置。
【請求項７】
前記複数の増幅器の出力トランジスタが、超音波送信期間においてＡ級動作モード又はＡＢ級動作モードに設定され、超音波受信期間においてＢ級動作モード以下に設定される、請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波撮像装置。
【請求項８】
前記複数の増幅器の出力トランジスタが、超音波受信期間においてＣ級動作モード以下に設定される、請求項７記載の超音波撮像装置。
【請求項９】
超音波受信期間において前記複数の増幅器への電源供給経路を遮断する少なくとも１つのスイッチ回路をさらに具備する、請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波撮像装置。
【請求項１０】
前記複数のＤ／Ａ変換器の交流出力電圧が、超音波受信期間においてゼロに設定される、請求項１〜９のいずれか１項記載の超音波撮像装置。
【請求項１１】
前記波形データ生成手段が、前記超音波用探触子から複数の異なる方向に複数の超音波ビームを同時に送信するために、各々の超音波トランスデューサについて複数の駆動波形を合成することによって得られる合成駆動波形を表す波形データを生成する、請求項１〜１０のいずれか１項記載の超音波撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送受信して生体内臓器の診断や非破壊検査を行うための超音波撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を送受信して３次元画像を取得するためには、位置センサ付きの１次元トランスデューサアレイを用いて、送受信する超音波を電気的にステアリングさせて深度方向の断面に関する２次元画像を取得し、さらに、この１次元トランスデューサアレイを機械的に移動させて取得した複数の２次元画像を合成して３次元画像を作成していた。しかしながら、この手法によれば、１次元トランスデューサアレイの機械的な移動においてタイムラグがあるため、異なる時刻における複数の２次元画像を合成することになるので、合成された画像がぼけたものとなってしまう。従って、この手法は、生体のような、動きを伴う被写体のイメージングには適していない。
【０００３】
このような欠点を解消するためには、２次元トランスデューサアレイを用いて３次元画像を取得する方が有利である。下記の特許文献１には、２次元トランスデューサアレイを用いて、複数の領域に向けて複数の超音波ビームを同時に送信し、それらの領域から反射される超音波エコーを同時に受信するマルチビーム送受信を行うことにより、リアルタイムの３次元超音波画像を形成する超音波診断装置が開示されている。
【０００４】
また、下記の特許文献２には、異種周波数の複数の超音波ビームを同時に送信し、それらの周波数毎にフォーカスを変える送信手段と、この送信手段によりフォーカスされた各音場からの反射波を周波数毎に受信信号として受ける受信手段と、この受信手段により受けた受信信号を基に、画像メモリ上で超音波画像を合成する制御を行う画像合成手段とを具備する超音波診断装置が開示されている。
【０００５】
さらに、下記の特許文献３には、１回の送信について周波数帯域の異なる複数の送信信号を発生することにより、周波数帯域及び焦域並びに方向が異なる複数の超音波送信ビームを同時に生成可能な超音波診断装置が開示されている。
【０００６】
加えて、下記の特許文献４には、高フレームレートで画像情報を得ることができる超音波撮像方法が開示されている。この超音波撮像方法によれば、１回の超音波ビームの送受信において、２方向に送信した超音波ビームを分離して受信することにより２種類の受信信号が得られ、これら２種類の受信信号を位相整合によりそれぞれ３つに分割することによって、６倍の画像情報を同時に得ることができる。
【０００７】
しかしながら、マルチビーム送受信を行うためには、複数の送信信号を合成することによって送信信号の最大振幅が増加するので、送信信号発生回路の最大出力電圧を大きくする必要があり、消費電力も増加してしまう。また、複数の送信信号を合成した波形が非線形の伝送系を通過すると混変調歪が発生するので、送信信号発生回路の歪率を低減して、線形の伝送系を確保する必要がある。
【０００８】
一方、下記の特許文献５には、特別のドライバ等を必要とせずに、複数の送信ビームを同時に形成する超音波診断装置が開示されている。この超音波診断装置は、１回の送信で複数の送信ビームを形成するために、複数の振動素子を複数の送信グループに分け、送信グループ毎に異なる送信周波数の送信信号を供給する複数の送信回路を含んでいる。
【０００９】
同様に、下記の特許文献６には、円形の振動面が別々に複数配置できるのにもかかわらず、占有面積が大きくならない超音波送受波器を具備する超音波水中探知機が開示されている。この超音波水中探知機においては、複数の超音波振動子を、その振動面が全て水平面に沿って第１の円内に位置するように並べて送受波器を構成している。これらの超音波振動子を、第１の円に内接し第１の円より小さい同一直径の第２〜第５の円で第１〜第６の超音波振動子群にグループ化し、これら超音波振動子群を適宜選択的に駆動することにより、超音波振動子の振動面の占有面積を小さくしつつ、所望のビームを形成することができる。
【００１０】
しかしながら、特許文献５及び特許文献６に開示されているように、複数の振動子を複数のグループに分けてマルチビーム送信を行うと、各送信ビームの強度が低下してしまうという問題がある。
【００１１】
ところで、超音波トランスデューサに駆動信号を供給するための回路として、図９に示すようなパルサが用いられている。このパルサは、ＮＰＮトランジスタＱ１及びＰＮＰトランジスタＱ２と、抵抗Ｒ１〜Ｒ３と、コンデンサＣ１及びＣ２と、ダイオードＤ１及びＤ２とを含んでいる。
【００１２】
トランジスタＱ１及びＱ２は、入力端子からベースに供給される入力信号に従ってスイッチング動作を行う。抵抗Ｒ１は、電源電位＋ＨＶとトランジスタＱ１のコレクタとの間に接続され、抵抗Ｒ２は、電源電位−ＨＶとトランジスタＱ２のコレクタとの間に接続されている。トランジスタＱ１及びＱ２のコレクタに発生する電位は、コンデンサＣ１及びＣ２を介して抵抗Ｒ３に供給される。さらに、抵抗Ｒ３の一端に発生する電位は、ダイオードＤ１及びＤ２を介して出力端子に供給される。ダイオードＤ１及びＤ２は、送信動作と受信動作とを切り換える切換回路の役割を果たしている。
【００１３】
図９に示すパルサは、消費電力は小さいものの、出力電圧を変更するためには電源電位＋ＨＶ及び−ＨＶを変更しなければならないので、出力電圧を高速に変更することはできなかった。出力電圧を高速に変更するために、２種類の出力電圧をそれぞれ有する２種類のパルサを搭載することも考えられるが、その場合には回路規模が増大してしまう。
【００１４】
関連する技術として、下記の特許文献７には、第１電圧からそれより低い第２電圧に切り換えて超音波振動子を駆動する際の待機時間を簡単な構成で短縮した超音波振動子駆動回路が開示されている。この超音波振動子駆動回路は、第１電圧とそれより低い第２電圧とを切り換えて供給する電源手段と、前記電源手段に第１端を接続された抵抗器と、前記抵抗器の第１端側と接地との間に介設されたコンデンサと、前記抵抗器の第２端と接地との間に介設されたトランジスタと、非駆動時は電流を流さず、第１電圧が供給されている駆動時は第１電流をパルス状に流し、第２電圧が供給されている駆動時は前記第１電流より小さい第２電流をパルス状に流すように前記トランジスタを制御し、前記第１電圧から前記第２電圧に切り換えられた直後の所定時間は前記第２電流より大きい放電電流を流すように前記トランジスタを制御する制御手段とを有する第１駆動回路と、前記第１駆動回路と同構成の第２駆動回路と、前記第１駆動回路の抵抗器の第２端側と前記第２駆動回路の抵抗器の第２端側との差分成分で超音波振動子をパルス駆動する差動出力手段とを具備する。
【００１５】
これに対し、Ｄ／Ａ変換器とパワーアンプとを組み合わせたパルサは、波形の自由度が高いので理想的である。パワーアンプとしては、図１０に示すような構成のものが使用される。このパワーアンプは、ＮＰＮトランジスタＱ３及びＰＮＰトランジスタＱ４と、抵抗Ｒ４及びＲ５と、等価的なバイアス電圧ＶＢ１及びＶＢ２とを含んでいる。
【００１６】
トランジスタＱ３及びＱ４は、入力端子からベースに供給される入力信号に従ってプッシュプル動作を行う。抵抗Ｒ４は、トランジスタＱ３のエミッタと出力端子との間に接続され、抵抗Ｒ５は、トランジスタＱ４のエミッタと出力端子との間に接続されている。抵抗Ｒ４及びＲ５の接続点において出力信号が合成され、合成された出力信号が出力端子に供給される。
【００１７】
図１０に示すパワーアンプは、歪率を低減するためには、Ａ級動作又はＡＢ級動作を行うようにする。ここで、Ａ級動作とは、バイアス電圧ＶＢ１及びＶＢ２を十分大きく設定することにより、飽和レベルを超えないあらゆる入力信号に対して、トランジスタＱ３及びＱ４のいずれもがカットオフしないような動作をいう。なお、Ｂ級動作とは、バイアス電圧ＶＢ１及びＶＢ２の各々をベース・エミッタ間の飽和電圧と等しく設定することにより、正電圧の入力信号に対してはトランジスタＱ３のみが動作し、負電圧の入力信号に対してはトランジスタＱ４のみが動作することをいう。従って、ＡＢ級動作とは、バイアス電圧ＶＢ１及びＶＢ２をＡ級とＢ級との中間に設定することにより、ある範囲内のレベルの入力信号に対してはＡ級動作を行い、それを超えたレベルの入力信号に対してはＢ級動作を行うことをいう。
【００１８】
具体的に、Ａ級動作とするためには、トランジスタＱ３及びＱ４の負荷線の中央が動作点となるようにバイアス電圧ＶＢ１及びＶＢ２を決定する。また、ＡＢ級動作とするためには、バイアス電圧ＶＢ１及びＶＢ２を０．６Ｖ〜１Ｖとする。Ａ級動作にしてもＡＢ級動作にしても、無信号時においてトランジスタＱ３及びＱ４にバイアス電流が流れてしまうので、消費電力が大きくなり、電源の巨大化や発熱の問題を抱えている。
【特許文献１】米国特許第６１７９７８０号明細書（コラム２、図５）
【特許文献２】特開平４−１０８４３９号公報（第１頁、図１）
【特許文献３】特開平８−３８４７３号公報（第１頁、図１）
【特許文献４】特開２００２−３３６２４６号公報（第１頁、図１）
【特許文献５】特許第３３５６９９６号公報（第２頁、図１）
【特許文献６】特許第３２５５８１５号公報（第２頁、図１）
【特許文献７】特開２００２−３３０９６２号公報（第１−２頁、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、一般な超音波撮像装置において、さらに、マルチビーム送信を行う超音波撮像装置において、超音波トランスデューサに駆動信号を供給するためのパワーアンプにおける消費電力を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するため、本発明に係る超音波撮像装置は、複数の駆動信号に従って超音波ビームを形成して被検体に送信すると共に、被検体から反射される超音波エコーを受信して複数の受信信号をそれぞれ出力する複数の超音波トランスデューサを含む超音波用探触子と、超音波用探触子から少なくとも１つの超音波ビームを送信するために、超音波用探触子に供給すべき複数の駆動信号の波形を表す１組の波形データを生成する波形データ生成手段と、波形データ生成手段によって生成された１組の波形データを複数の駆動信号にそれぞれ変換する複数のＤ／Ａ（ディジタル／アナログ）変換器と、複数のＤ／Ａ変換器から出力される複数の駆動信号をそれぞれ電力増幅して超音波用探触子に供給する複数の増幅器であって、超音波送信期間において消費電力が第１の値となる第１の動作モードに設定され、超音波受信期間において消費電力が第１の値よりも小さい第２の動作モードに設定される複数の増幅器と、超音波エコーを受信した超音波用探触子から出力される複数の受信信号を処理して超音波画像を表す画像データを取得する受信系回路とを具備する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、超音波受信期間において、増幅器を、消費電力が超音波送信期間におけるよりも小さくなる動作モードに設定することにより、超音波トランスデューサに駆動信号を供給するためのパワーアンプにおける消費電力を低減することができる。なお、本願において、「超音波トランスデューサ」とは、トランスデューサアレイを構成する１エレメント分のトランスデューサのことをいうものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、この超音波撮像装置は、被検体に当接させて用いられる超音波用探触子（プローブ）１と、超音波用探触子１に接続された超音波撮像装置本体２とによって構成される。
【００２３】
超音波用探触子１は、２次元マトリックス状に配列されたＮ２個の超音波トランスデューサ１１を含むトランスデューサアレイ（「アレイトランスデューサ」ともいう）を内蔵している。これらの超音波トランスデューサ１１は、信号線を介して、超音波撮像装置本体２に接続される。
【００２４】
各々の超音波トランスデューサ１１は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinylidene difluoride）に代表される高分子圧電素子等の圧電性を有する材料（圧電体）の両端に電極を形成した振動子によって構成される。また、近年において、超音波トランスデューサの感度及び帯域向上に寄与するとして期待が寄せられているＰＺＮＴ（鉛、亜鉛、ニオブ、チタンを含む酸化物）単結晶を含む圧電材料を用いても良い。
【００２５】
このような振動子の電極に、パルス状又は連続波の電気信号を送って電圧を印加すると、圧電体が伸縮する。この伸縮により、それぞれの振動子からパルス状又は連続波の超音波が発生し、これらの超音波の合成によって超音波ビームが形成される。また、それぞれの振動子は、伝搬する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。これらの電気信号は、超音波の受信信号として出力される。
【００２６】
超音波撮像装置本体２は、複数の切換回路２０と、複数の送信回路２１と、複数の受信回路２２と、コンピュータ３０と、格納部４０と、表示部５０とを含んでいる。
複数の切換回路２０は、超音波送信期間において、超音波用探触子１に内蔵されている複数の超音波トランスデューサ１１を複数の送信回路２１にそれぞれ接続し、超音波受信期間において、超音波用探触子１に内蔵されている複数の超音波トランスデューサ１１を複数の受信回路２２にそれぞれ接続する。
【００２７】
複数の送信回路２１の各々は、Ｄ／Ａ（ディジタル／アナログ）変換器と、パワーアンプとを含んでいる。Ｄ／Ａ変換器は、コンピュータ３０から供給される波形データに基づいて、１つ又は複数の超音波ビームを送信するための駆動信号を生成する。パワーアンプは、この駆動信号を電力増幅して、超音波用探触子１に供給する。本実施形態においては、パワーアンプが、超音波送信期間において消費電力が第１の値となる第１の動作モードに設定され、超音波受信期間において消費電力が第１の値よりも小さい第２の動作モードに設定される。
【００２８】
具体的には、パワーアンプのバイアス電流が可変となっており、パワーアンプは、第２の動作モードにおける出力トランジスタのバイアス電流が第１の動作モードにおける出力トランジスタのバイアス電流よりも小さくなるように設定される。これによって、消費電力を低減することができる。なお、「バイアス電流が小さい」とは、バイアス電流がゼロの場合を含むものとする。
【００２９】
複数の受信回路２２の各々は、プリアンプと、ＴＧＣ（time gain compensation：タイム・ゲイン・コンペンセーション）増幅器と、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器とを含んでいる。各々の超音波トランスデューサ１１から出力される受信信号は、プリアンプによって増幅され、ＴＧＣ増幅器によって、被検体内において超音波が到達した距離による減衰の補正が施される。
【００３０】
ＴＧＣ増幅器から出力される受信信号は、Ａ／Ｄ変換器によってディジタル信号に変換される。なお、Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数としては、少なくとも超音波の周波数の１０倍程度の周波数が必要であり、超音波の周波数の１６倍以上の周波数が望ましい。また、Ａ／Ｄ変換器の分解能としては、１０ビット以上が望ましい。
【００３１】
コンピュータ３０は、格納部４０に記録されているソフトウェア（制御プログラム）に基づいて超音波の送受信を制御する。格納部４０としては、ハードディスク、フレキシブルディスク、ＭＯ、ＭＴ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、又はＤＶＤ−ＲＯＭ等の記録媒体を用いることができる。コンピュータ３０とソフトウェア（制御プログラム）とによって、走査制御部３１と、波形データ生成部３２と、位相整合演算部３５と、表示画像演算部３６とが、機能ブロックとして実現される。また、コンピュータ３０は、送信メモリ３３と、受信メモリ３４とを有している。
【００３２】
走査制御部３１は、超音波ビームの送信方向と、超音波エコーの受信方向及び焦点位置とを順次設定する。また、走査制御部３１は、各々の送信回路２１に含まれているパワーアンプを、超音波送信期間においては、消費電力が第１の値となる第１の動作モードに設定し、超音波受信期間においては、消費電力が第１の値よりも小さい第２の動作モードに設定する。
【００３３】
波形データ生成部３２は、走査制御部３１の制御の下で、超音波用探触子１から少なくとも１つの超音波ビームを送信するために、超音波用探触子１に供給すべき複数の駆動信号の波形を表す１組の波形データを生成する。シングルビーム送信を行う場合には、波形データ生成部３２が、送信メモリ３３に格納されている１組の波形データを順次読み出して、それを複数の送信回路２１に出力する。マルチビーム送信を行う場合には、波形データ生成部３２が、送信メモリ３３に格納されている複数組の波形データを順次読み出して、各々の超音波トランスデューサについて複数の駆動波形を合成することによって得られる合成駆動波形を表す波形データを生成し、生成された１組の波形データを複数の送信回路２１に出力する。
【００３４】
複数の送信回路２１は、１組の波形データに基づいて複数の駆動信号を生成し、超音波用探触子１に含まれている複数の超音波トランスデューサ１１にそれぞれ供給する。これにより、送信フォーカス処理が行われて、超音波用探触子１から所望の方向に向けて超音波ビームが送信される。マルチビーム送信を行う場合には、超音波用探触子１から複数の異なる方向に向けて複数の超音波ビームが同時に送信される。
【００３５】
受信メモリ３４は、複数の受信回路２２のＡ／Ｄ変換器から出力されるディジタルの受信信号を、超音波トランスデューサごとに時系列に記憶する。位相整合演算部３５は、走査制御部３１において設定された受信方向に基づいて、格納部４０に記録されている複数の受信遅延パターンの中から所定のパターンを選択し、そのパターンに基づいて複数の受信信号に遅延を与えて加算することにより、受信フォーカス処理を行う。この受信フォーカス処理により、超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線データが形成される。なお、受信フォーカス処理は、Ａ／Ｄ変換の前、又は、ＴＧＣ増幅器による補正の前に行うようにしても良い。
【００３６】
表示画像演算部３６は、位相整合演算部３５によって形成された音線データに基づいて、画像データを生成する。表示部５０は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等のディスプレイ装置を含んでおり、表示画像演算部３６によって生成された画像データに基づいて、超音波画像を表示する。
【００３７】
次に、送信及び受信のタイミングについて説明する。
図２は、第１の実施形態に係る超音波撮像装置における超音波の送受信タイミングの例を示すタイミングチャートである。図２に示す例においては、１フレームの超音波画像を取得するための約１／３０秒の期間において、主トリガとして１２８個のパルスが生成され、これに同期して、超音波トランスデューサのそれぞれのチャンネルに多数の駆動パルスが供給される。主トリガの第２番目のパルスから第３番目のパルスまでの期間（破線で囲った部分）について、時間軸を拡大して図３に示す。
【００３８】
図３に示すように、主トリガのパルスを生成する間隔は、約２５０μｓである。その中で、送信条件設定期間が約３５μｓであり、送信期間が約１５μｓであり、受信期間が約２００μｓである。送信条件設定期間においては、セクタスキャンのために駆動信号の遅延時間等が設定されたり、リニアスキャンのためにマルチプレクサの切換えが行われたりする。このように、１フレームの超音波画像を取得する期間において、送信期間よりも受信期間の方が長いので、受信期間においてパワーアンプの消費電力を削減することができれば、全体としての消費電力削減も大きくなる。
【００３９】
図３に示す例において、パワーアンプが正常に動作しなければならない送信期間は、約２５０μｓの内の約１５μｓであり、全体の約６％の期間に過ぎない。これに対し、少なくとも受信期間の約２００μｓにおいては、パワーアンプの動作を停止することができる。これにより、約２５０μｓの内の約２００μｓ、即ち、全体の約８０％の期間において、消費電力を削減することが可能となる。
【００４０】
そこで、本実施形態においては、各パワーアンプにおける出力トランジスタのバイアス電流を、図３の最下段に示すように制御している。まず、受信期間において、図１に示す走査制御部３１は、パワーアンプをＢ級動作モード以下（例えば、Ｃ級動作モード）に設定して、出力トランジスタのドレインにおけるバイアス電流をゼロとする。
【００４１】
次に、送信条件設定期間において、走査制御部３１は、出力トランジスタのゲート・ソース間に印加されるバイアス電圧を増加させることにより、パワーアンプをＣ級動作モードからＡ級又はＡＢ級動作モードに切り換えて、出力トランジスタのドレインにおけるバイアス電流を増加させる。
【００４２】
次に、送信期間において、走査制御部３１は、出力トランジスタのゲート・ソース間に印加されるバイアス電圧を固定することにより、このバイアス電流を維持する。その後、再び受信期間になると、走査制御部３１は、出力トランジスタのゲート・ソース間に印加されるバイアス電圧を減少させることにより、パワーアンプをＡ級又はＡＢ級動作モードからＣ級動作モードに切り換えて、出力トランジスタのドレインにおけるバイアス電流をゼロとする。
【００４３】
図４は、第１の実施形態に係る超音波撮像装置において用いられるパワーアンプの第１の構成例を示す図である。このパワーアンプは、ＮＰＮバイポーラトランジスタＱ１１及びＱ１２、Ｎチャネル電界効果トランジスタＱ２１、Ｐチャネル電界効果トランジスタＱ２２と、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１６と、電界コンデンサＣ１１及びＣ１２とを含んでいる。トランジスタＱ１１及びＱ１２は、図１に示す走査制御部３１からそれぞれ抵抗Ｒ１５及びＲ１６を介してベースに印加される制御信号に従って、オン状態又はオフ状態となる。トランジスタＱ２１及びＱ２２としては、エンハンスメント型のＭＯＳＦＥＴが使用される。なお、コンデンサＣ１１及びＣ１２は、デカップリング用のコンデンサである。
【００４４】
送信期間においては、制御信号がローレベルとなり、トランジスタＱ１１及びＱ１２はオフ状態となっている。入力端子に供給された駆動信号は、コンデンサＣ１１を介して抵抗Ｒ１１及びＲ１２によって分圧され、トランジスタＱ２１のゲートに印加される。また、駆動信号は、コンデンサＣ１１を介して抵抗Ｒ１３及びＲ１４によって分圧され、トランジスタＱ２２のゲートに印加される。
【００４５】
トランジスタＱ２１のドレインには、電源電位＋ＨＶが供給され、トランジスタＱ２２のドレインには、電源電位−ＨＶが供給されており、トランジスタＱ２１及びＱ２２は、駆動信号に従ってプッシュプル動作を行う。トランジスタＱ２１及びＱ２２のソースの接続点において出力信号が合成され、合成された出力信号がコンデンサＣ２を介して出力端子に供給される。
【００４６】
トランジスタＱ２１及びＱ２２のバイアス電圧としては、電源電位＋ＨＶと電源電位−ＨＶとの間の電圧が抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４によって分圧され、抵抗Ｒ１２及びＲ１３に発生した電圧が、トランジスタＱ２１及びＱ２２のゲート間に印加される。本実施形態においては、抵抗Ｒ１２の両端電圧ＶＲ１２を、トランジスタＱ２１のゲート・ソース間の飽和電圧ＶＧＳ２１以上に設定すると共に、抵抗Ｒ１３の両端電圧ＶＲ１３を、トランジスタＱ２２のゲート・ソース間の飽和電圧（絶対値）ＶＧＳ２２以上に設定することにより、トランジスタＱ２１及びＱ２２は、ドレインにバイアス電流が流れるＡ級動作モード又はＡＢ級モードに設定される。
【００４７】
一方、受信期間においては、制御信号がハイレベルとなり、トランジスタＱ１１及びＱ１２はオン状態となる。これにより、抵抗Ｒ１２の両端電圧ＶＲ１２と抵抗Ｒ１３の両端電圧ＶＲ１３は、ほぼゼロとなり、トランジスタＱ２１及びＱ２２は、ドレインにバイアス電流が流れないＣ級動作モードに設定される。ここで、Ｃ級動作とは、増幅素子にバイアスを与えず、入力信号の電圧が十分高いときにのみ出力電圧が得られる動作をいう。従って、Ｃ級動作によれば、一定レベルよりも小さいレベルの信号は出力されない。
【００４８】
受信期間において、図１に示す走査制御部３１が、駆動信号の振幅をゼロにするように波形データ生成部３２又は送信回路２１を制御するので、送信回路２１のＤ／Ａ変換器の交流出力電圧がゼロになり、パワーアンプの交流出力電圧もゼロになる。以上のようにすれば、受信期間において、トランジスタＱ２１及びＱ２２にバイアス電流も信号電流も流れないので、消費電力を低減することができる。また、トランジスタＱ２１及びＱ２２は、完全にカットオフするので、送信動作と受信動作とを切り換える切換回路２０の役割を兼ねることができる。
【００４９】
特に、マルチビーム送信においては、超音波用探触子１から複数の異なる方向に超音波ビームを個別に送信させるために用いられる複数の駆動波形が重ね合わせられることにより、振幅の大きい合成駆動波形が生成されるので、パワーアンプの最大出力を大きくしなければならない。Ａ級動作においては、パワーアンプの入力信号がゼロのときにパワーアンプにおいて消費されるエネルギー（即ち、発熱量）が最大となるので、受信期間において出力トランジスタのバイアス電流をゼロにすることは、発熱量を低減するために効果的である。
【００５０】
この例においては、送信期間においてパワーアンプをＡ級又はＡＢ級動作モードに設定し、受信期間においてパワーアンプをＣ級動作モードに設定するようにしたが、本発明はこれに限定されず、受信期間における消費電力が、送信期間における消費電力よりも小さくなれば良い。例えば、送信期間においてパワーアンプをＡ級動作モードに設定し、受信期間においてパワーアンプをＡＢ級動作モードに設定しても良い。あるいは、送信期間においてパワーアンプをＡＢ級動作モードに設定し、受信期間においてパワーアンプをＢ級動作モード以下、例えば、Ｂ級動作モードとＣ級動作モードとの中間に設定したり、Ｃ級動作モード以下、例えば、出力トランジスタに負のバイアス電圧を与えるように設定しても良い。
【００５１】
図５は、第１の実施形態に係る超音波撮像装置において用いられるパワーアンプの第２の構成例を示す図である。このパワーアンプは、Ｎチャネル電界効果トランジスタＱ３１及びＰチャネル電界効果トランジスタＱ３２と、抵抗Ｒ２１〜Ｒ２４と、電界コンデンサＣ１１及びＣ１２とによって構成される増幅器の他に、スイッチ回路ＳＷ１及びＳＷ２を含んでいる。スイッチ回路ＳＷ１及びＳＷ２の各々は、複数のトランジスタ及び抵抗、又は、メカニカルリレー等によって構成され、走査制御部３１から出力される制御信号に従って開閉する。なお、スイッチ回路ＳＷ１及びＳＷ２の内の一方を省略するようにしても良い。
【００５２】
送信期間においては、制御信号によってスイッチ回路ＳＷ１及びＳＷ２が閉じて、増幅器に電源電位＋ＨＶ及び−ＨＶが供給され、トランジスタＱ３１及びＱ３２は、駆動信号に従ってプッシュプル動作を行う。ここで、トランジスタＱ３１及びＱ３２のゲート・ソース間に印加されるバイアス電圧は、抵抗Ｒ２１〜Ｒ２４によって決定される。この構成例においても、トランジスタＱ３１及びＱ３２をＡ級動作又はＡＢ級動作させることが望ましい。
【００５３】
一方、受信期間においては、制御信号によってスイッチ回路ＳＷ１及びＳＷ２が開いて、増幅器への電源供給経路が遮断される。その結果、トランジスタＱ３１及びＱ３２にバイアス電流が流れないので、消費電力を低減することができる。
【００５４】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。図６に示すように、第２の実施形態においては、走査制御部３１から送信回路２１のパワーアンプに制御信号が出力されず、その替わりに、パワーアンプが、それぞれのＤ／Ａ変換器から供給される駆動信号のレベルに応じて、出力トランジスタのバイアス電流を変化させている。
【００５５】
図７は、第２の実施形態に係る超音波撮像装置において用いられるパワーアンプの第１の構成例を示す図である。このパワーアンプは、Ｎチャネル電界効果トランジスタＱ２１及びＰチャネル電界効果トランジスタＱ２２と、電界コンデンサＣ１１及びＣ１２と、可変バイアス回路６１及び６２とによって構成される増幅器の他に、駆動信号検出回路６３と、バイアス制御回路６４とを含んでいる。
【００５６】
送信期間において、それぞれのＤ／Ａ変換器からパワーアンプの入力端子に駆動信号が供給される。駆動信号検出回路６３は、包絡線検波等を行うことにより駆動信号の振幅を検出して、駆動信号の振幅に対応する検出電圧を発生する。バイアス制御回路６４は、この検出電圧に基づいて、可変バイアス回路６１及び６２を制御する。これにより、トランジスタＱ２１及びＱ２２のゲート・ソース間に印加されるバイアス電圧が、駆動信号の振幅に応じて連続的又は段階的に変化して、パワーアンプがＡ級又はＡＢ級動作モードに設定され、トランジスタＱ２１及びＱ２２のドレインにバイアス電流が流れると共に、駆動信号が電力増幅される。
【００５７】
一方、受信期間においては、走査制御部３１が、駆動信号の振幅がゼロになるように波形データ生成部３２を制御するので、送信回路２１のＤ／Ａ変換器の交流出力電圧がゼロになる。駆動信号検出回路６３は、駆動信号のゼロ振幅に対応する検出電圧を発生する。バイアス制御回路６４は、この検出電圧に基づいて、トランジスタＱ２１のゲートとトランジスタＱ２２のゲートとの間に印加される電圧をゼロとするように可変バイアス回路６１及び６２を制御する。これにより、トランジスタＱ２１及びＱ２２のゲート・ソース間に印加されるバイアス電圧がゼロとなり、パワーアンプがＣ級動作モードに設定されて、トランジスタＱ２１及びＱ２２のドレインにおけるバイアス電流がゼロとなる。
【００５８】
この例においては、送信期間においてパワーアンプをＡ級又はＡＢ級動作モードに設定し、受信期間においてパワーアンプをＣ級動作モードに設定するようにしたが、本発明はこれに限定されず、受信期間における消費電力が、送信期間における消費電力よりも小さくなれば良い。例えば、送信期間においてパワーアンプをＡ級動作モードに設定し、受信期間においてパワーアンプをＡＢ級動作モードに設定しても良い。あるいは、送信期間においてパワーアンプをＡＢ級動作モードに設定し、受信期間においてパワーアンプをＢ級動作モード以下、例えば、Ｂ級動作モードとＣ級動作モードとの中間に設定したり、Ｃ級動作モード以下、例えば、出力トランジスタに負のバイアス電圧を与えるように設定しても良い。
【００５９】
図８は、第２の実施形態に係る超音波撮像装置において用いられるパワーアンプの第２の構成例を示す図である。このパワーアンプは、Ｎチャネル電界効果トランジスタＱ３１及びＰチャネル電界効果トランジスタＱ３２と、抵抗Ｒ２１〜Ｒ２４と、電界コンデンサＣ１１及びＣ１２とによって構成される増幅器の他に、スイッチ回路ＳＷ１及びＳＷ２と、駆動信号検出回路７１と、電源供給制御回路７２とを含んでいる。なお、スイッチ回路ＳＷ１及びＳＷ２の内の一方を省略するようにしても良い。
【００６０】
駆動信号検出回路７１は、包絡線検波等を行うことにより駆動信号の振幅を検出して、駆動信号の振幅に対応する検出電圧を生成する。さらに、駆動信号検出回路７１は、検出電圧を参照電圧と比較することにより駆動信号が供給されているか否かを判定し、判定結果を表す判定信号を発生する。送信期間において、それぞれのＤ／Ａ変換器からパワーアンプの入力端子に駆動信号が供給される。従って、駆動信号検出回路７１は、駆動信号が供給されている旨を表す判定信号を発生する。電源供給制御回路７２は、この判定信号に基づいて、増幅器に電源電位＋ＨＶ及び−ＨＶを供給するようにスイッチ回路ＳＷ１及びＳＷ２を制御する。
【００６１】
その結果、電源電位＋ＨＶと電源電位−ＨＶとがトランジスタＱ２１及びＱ２２のドレインにそれぞれ供給されると共に、電源電位＋ＨＶと電源電位−ＨＶとの間の電圧が抵抗Ｒ２１〜Ｒ２４によって分圧されて生じたバイアス電圧が、トランジスタＱ２１及びＱ２２のゲート間に印加される。これにより、増幅器がＡ級又はＡＢ級動作モードに設定され、トランジスタＱ２１及びＱ２２のドレインにバイアス電流が流れると共に、駆動信号が電力増幅される。
【００６２】
一方、受信期間においては、駆動信号検出回路７１が、駆動信号が供給されていない旨を表す判定信号を発生する。電源供給制御回路７２は、この判定信号に基づいて、増幅器への電源供給を遮断するようにスイッチ回路ＳＷ１及びＳＷ２を制御する。これにより、トランジスタＱ３１及びＱ３２のドレインにバイアス電流が流れないので、消費電力を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、超音波を送受信して生体内臓器の診断や非破壊検査を行うための超音波撮像装置において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る超音波撮像装置における超音波の送受信タイミングの例を示すタイミングチャートである。
【図３】図２の一部について時間軸を拡大して示すタイミングチャートである。
【図４】第１の実施形態に係る超音波撮像装置において用いられるパワーアンプの第１の構成例を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る超音波撮像装置において用いられるパワーアンプの第２の構成例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図７】第２の実施形態に係る超音波撮像装置において用いられるパワーアンプの第１の構成例を示す図である。
【図８】第２の実施形態に係る超音波撮像装置において用いられるパワーアンプの第２の構成例を示す図である。
【図９】従来の超音波撮像装置において用いられるパルサの構成例を示す図である。
【図１０】従来の超音波撮像装置において用いられるパワーアンプの構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  超音波用探触子
２  超音波撮像装置本体
１１  超音波トランスデューサ
２０  切換回路
２１  送信回路
２２  受信回路
３０  コンピュータ
３１  走査制御部
３２  波形データ生成部
３３  送信メモリ
３４  受信メモリ
３５  位相整合演算部
３６  表示画像演算部
４０  格納部
５０  表示部
６１、６２  可変バイアス回路
６３  駆動信号検出回路
６４  バイアス制御回路
７１  駆動信号検出回路
７２  電源供給制御回路
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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