(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子とインピーダンス変換回路とを内蔵する超音波プローブと、装置本体と、前記超音波プローブと前記装置本体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において、
前記インピーダンス変換回路は、
ベース側が前記振動子に接続され、エミッタ側が前記ケーブルに接続されたトランジスタ素子と、
前記トランジスタ素子に並列に、且つ前記装置本体からの高電圧の送信信号を前記振動子に送信するように設けられた第１のダイオード素子と、
前記送信信号により前記振動子に蓄積された電荷を放電するための第２のダイオード素子と、
前記トランジスタ素子への過大電流を抑制するための抵抗素子と、
前記トランジスタ素子のコレクタ側に前記送信信号が加わっているときには高インピーダンスを示し、前記トランジスタ素子側のコレクタ側に前記送信信号が加わっていないときには低インピーダンスを示す高耐圧素子とを有し、
前記トランジスタ素子と前記第１のダイオードと前記第２のダイオードと前記抵抗とは集積回路に構成され、前記高耐圧素子は前記集積回路に外付けされ、前記集積回路の基板は出力側に接続され、
前記集積回路は低電圧プロセスで形成されることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
前記高耐圧素子はダイオード素子であることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
【請求項３】
第１の電気回路と第２の電気回路との間に挿入されるインピーダンス変換回路において、
ベース側が前記第１の電気回路に接続され、エミッタ側が前記第２の電気回路に接続されたトランジスタ素子と、
前記トランジスタ素子に並列に、且つ前記第２の電気回路からの高電圧信号を前記第１の電気回路に送るように設けられた第１のダイオード素子と、
前記高電圧信号により前記第１の電気回路に蓄積された電荷を放電するための第２のダイオード素子と、
前記トランジスタ素子への過大電流を抑制するための抵抗素子と、
前記トランジスタ素子のコレクタ側に前記高電圧信号が加わっているときには高インピーダンスを示し、前記トランジスタ素子側のコレクタ側に前記高電圧信号が加わっていないときには低インピーダンスを示す高耐圧素子とを有し、
前記トランジスタ素子と前記第１のダイオードと前記第２のダイオードと前記抵抗とは集積回路に構成され、前記高耐圧素子は前記集積回路に外付けされ、前記集積回路の基板は出力側に接続され、
前記集積回路は低電圧プロセスで形成されることを特徴とするインピーダンス変換回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動子で発生した受信信号をケーブル等による損失を低減させる目的で使用される、プローブに振動子と共に内蔵されているインピーダンス整合回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置は、大きく、装置本体と、この装置本体にケーブルで接続されている超音波プローブとからなる。超音波プローブには、装置本体からの送信信号（駆動パルスあるいは励振パルスとも称される）により機械的振動を起こし、超音波を発生すると共に、体内からの反射波を受波して電気信号に変換するための複数チャネル分の振動子が内蔵されている。
【０００３】
ところで、受信状態時においては、振動子は、超音波の反射波を受波して電気信号に変換する働きをするため、装置本体側からすれば、一種の信号発生源と見ることができる。電圧伝達経路における一般的原則からすれば、信号損失の見地より信号源側の出力インピーダンスは低い程よいが、振動子の出力インピーダンスは割合に高く、このため、ケーブルを含む電圧伝達経路上の容量成分の悪影響を受け、受信信号の損失が大きくなって、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）が低下し、超音波像の画質を低下させるという問題がある。
【０００４】
この問題を解決するために、従来では、特願昭６０−２５２４３７、特開昭６２−１１２５３７号公報、特公平６−９６００５号公報にも開示されているように、超音波振動子からの受信信号を信号伝達路での損失を低減させるために、プローブにインピーダンス変換用回路を内蔵することが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来では、このインピーダンス変換用回路はプローブに内蔵させるために集積回路（ＩＣ）化されているが、目的に合った高耐圧ＩＣ化技術には現状限界があり、この限界により、感度向上させるために超音波の送信信号の振幅を十分高めることができなかった。また、ＩＣ化特有の寄生トランジスタに流れ込む寄生電流があり、これが発熱の大きな要因となっていた。さらに、インピーダンス変換用回路を高耐圧素子で回路構成することは、高耐圧素子は一般的にサイズが大きいので、小型化の障害となっていた。
本発明の目的は、低コストで且つ小型に構築できる高耐圧のインピーダンス変換回路を有する超音波診断装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、振動子とインピーダンス変換回路とを内蔵する超音波プローブと、装置本体と、前記超音波プローブと前記装置本体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において、前記インピーダンス変換回路は、ベース側が前記振動子に接続され、エミッタ側が前記ケーブルに接続されたトランジスタ素子と、前記トランジスタ素子に並列に、且つ前記装置本体からの高電圧の送信信号を前記振動子に送信するように設けられた第１のダイオード素子と、前記送信信号により前記振動子に蓄積された電荷を放電するための第２のダイオード素子と、前記トランジスタ素子への過大電流を抑制するための抵抗素子と、前記トランジスタ素子のコレクタ側に前記送信信号が加わっているときには高インピーダンスを示し、前記トランジスタ素子側のコレクタ側に前記送信信号が加わっていないときには低インピーダンスを示す高耐圧素子とを有し、前記トランジスタ素子と前記第１のダイオードと前記第２のダイオードと前記抵抗とは集積回路に構成され、前記高耐圧素子は前記集積回路に外付けされ、前記集積回路の基板は出力側に接続され、前記集積回路は低電圧プロセスで形成されることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態により具体的に説明する。図１は本実施形態である超音波診断装置の主要部の１チャネル分の構成を示している。この超音波診断装置は、超音波プローブ１と、装置本体３と、超音波プローブ１と装置本体３とを電気的に接続するためのケーブル２とから構成される。超音波プローブ１には、振動子４と、インピーダンス変換回路５とが内蔵されている。多チャネル型のプローブであれば、インピーダンス変換回路５は、チャネル数分だけ設けられる。
【０００９】
インピーダンス変換回路５は、振動子４を励振するために装置本体３からケーブル２を介して供給される高電圧高周波の送信信号（駆動パルス）を低損失で振動子４に伝えると共に、振動子４からの受信信号を高インピーダンスで取り込み、取り込んだ受信信号を低インピーダンスでケーブル２側に出力するインピーダンス変換機能を有している。
【００１０】
このような機能を現実させるためには種々の回路構成が考えられるが、本実施形態においては、コレクタ接地されたトランジスタ（バイポーラトランジスタ）Ｔｒを中心に構成した回路を採用している。すなわち振動子４からの受信信号（受信エコー）は、トランジスタＴｒのベース“Ｂ”に伝達されるようになっており、トランジスタＴｒのエミッタ“Ｅ”の出力は抵抗Ｒ３を経て、ケーブル３を介して装置本体３に伝達されるようになっている。抵抗Ｒ１，Ｒ２は点（Ｂ）における電位を決定するために調整され設けられている。点（Ａ）と点（Ｂ）との間にはダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３が設けられており、送信信号はダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３を介して振動子４に印加される。ツェナーダイオードＤ４は、ツェナー電圧をトランジスタＴｒの耐電圧以下にすることでトランジスタＴｒが破壊することを防ぐ役割を担うために設けられている。
【００１１】
ダイオードＤ５は、送信パルスの波高値以上の耐電圧を有する高電圧素子（高耐圧性素子）であり、送信パルスが電源電圧Ｖ１に流れ込むのを防ぐ役割を担っている。このダイオードＤ５により、外部の電源Ｖ１と電気的に分離されるので、他の素子（Ｔｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４）は、低圧プロセスで集積回路６に構築することができる。これとは独立してダイオードＤ５は集積回路６に外付けされる。
【００１２】
また、装置本体３はトランジスタＴｒのエミッタ電流を流すための電流回路、送信信号を発生する送信回路、受信信号を取り込むための受信回路、取り込んだ受信信号の処理を行う信号処理回路、その処理信号を表示する表示装置等を有して構成されているが、この装置本体３の構成については従来と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
【００１３】
次に、以上のような構成による作用について説明する。
（送信）
図２には、送信時の信号経路を太線で示している。装置本体３における送信回路、具体的にはパルサより出力された駆動パルスが、ケーブル３を介してインピーダンス変換回路５に伝達される。伝達された駆動パルスは送信信号通過用のダイオードＤ３を通過し、振動子４に印加される。振動子４に蓄えられた電荷はダイオードＤ１，Ｄ２を介して放電される。これにより振動子４から超音波が送波される。
【００１４】
駆動パルスの電位は通常数＋〜百数＋ボルト程度であり、電源電圧Ｖ１は数ボルト程度である。このため、送信時に駆動パルスによってトランジスタＴｒのエミッタとコレクタとの間が逆バイアスされ、トランジスタＴｒはオフ状態となり、駆動パルスの立ち下がり時はダイオードＤ１，Ｄ２を通過する。そのため、トランジスタＴｒのベースとエミッタとの間にはダイオードＤ１，Ｄ２の順方向電圧（約１．４Ｖ）以上印加されることはなく、トランジスタＴｒの破損防止が図られる。
【００１５】
またトランジスタＴｒのコレクタ“Ｃ”の端子側に存在する寄生容量Ｃ１に電荷が蓄積されるため駆動パルスの立ち下がり時にトランジスタＴｒのコレクタ／エミッタ間に逆電圧がかかるが、ツエナーダイオードＤ４のツエナー電圧をトランジスタＴｒの耐電圧以下にすることでトランジスタＴｒの破損防止が図られる。
【００１６】
以上の送信動作において駆動パルスはダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３を通過して振動子４に印加されるため、駆動パルス（送信信号）の損失は極めて少ない。また外付けに高耐圧のダイオードＤ５を用いることで、素子（Ｔｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４）を低圧プロセスで集積化すること、高電圧の駆動パルスを印加して感度の向上を図ることができる。
（受信）
図３には、受信時の信号経路を太線で示している。振動子４より送信された超音波の反射は再び振動子４により受信され、この超音波の受信による受信信号（受信エコー）がインピーダンス変換回路５に取り込まれる。駆動パルスが振動子４に印加されない期間においては、電源電圧Ｖ１及び抵抗Ｒ１，Ｒ２によりバイアス電位が決まり、トランジスタＴｒはＡ級動作状態となる。つまりトランジスタＴｒはエミッタフォロワとして動作するので、取り込まれた受信信号に応じてエミッタ電流が変化する。
【００１７】
エミッタフォロワの特徴は入力インピーダンスが高く（数十ＫΩ以上）、出力インピーダンスが低い（数〜数十Ω）ことである。また電圧利得は、ほぼ１であるが電流利得が大きく、ベース・エッミタ間は同相である。エミッタ電流の変化は抵抗Ｒ４によって電圧の変化に変換され、ケーブル３を介して装置本体３に伝達される。低インピーダンスで伝達された受信信号は装置本体３における受信回路に取り込まれ、信号処理回路における信号処理に供されることになる。信号処理は被検体の超音波像を形成する場合もあるが、被検体の組織識別のための演算処理を行う場合もある。
【００１８】
以上の受信動作において、受信信号を低インピーダンスで伝達するため、ケーブル３等の容量成分による影響を受け難く、信号損失が極めて少ない。このため、高インピーダンスで受信信号を伝達する従来装置に比べＳ／Ｎ比が向上する。
【００１９】
振動子４とインピーダンス変換回路５の入力端とを結ぶ導電路は、振動子４の出力インピーダンスが高い関係上できる限り短い方がよい。例えばインピーダンス変換回路５を超音波プローブ内に設けるのが好ましい。この場合、超音波プローブは医師または技師が常に被検体上で走査することから小型化する必要があり、インピーダンス変換回路５をＩＣ（集積回路）化するとよい。ＩＣ化の際には送信電圧を上げるために高耐圧のプロセスを必要とするが本実施形態では外付けとして高耐圧のダイオードを用いることで送受信信号伝達手段部は低耐圧のプロセスでのＩＣ化が可能となり、更なる小型化が可能となる。
【００２０】
また、抵抗Ｒ４などは装置本体２側に設けるなどしてインピーダンス変換回路５の小型化及び超音波プローブ１内の発熱量の減少を図るのが好ましい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能であるのはいうまでもない。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、トランジスタ素子のコレクタ側に高電圧の送信信号が加わっているときには、トランジスタ素子と第１のダイオード素子と第２のダイオード素子と抵抗が高耐圧デバイスにより外部と電気的に遮断され、高耐圧デバイスを除くトランジスタ素子らには高電圧が加わらないので、これらトランジスタ素子らを低圧プロセスでＩＣ化して、高耐圧のインピーダンス変換回路を低コストで且つ小型に構築できる。また、耐圧性能が高耐圧デバイスのみで決まるため、送信信号の振幅を容易に上げることができる。
さらに、集積回路の基板は出力側に接続されているので、基板電圧が出力電圧と同じになって、寄生トランジスタの寄生電流による発熱を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波診断装置の主要部の構成を示す図。
【図２】送信時の信号経路を示す図。
【図３】受信時の信号経路を示す図。
【符号の説明】
１…超音波プローブ、
２…装置本体、
３…ケーブル、
４…振動子、
５…インピーダンス変換回路、
６…集積回路（ＩＣ）。
【図１】
0004024914.tif 000002
【図２】
0004024914.tif 000003
【図３】
0004024914.tif 000004