(57)【要約】【課題】ターゲットとする周波数帯において、比較的広帯域でセンサと増幅回路の総合出力特性を平坦化することができる技術を提供する。【解決手段】プローブ１２は、センサ１３とセンサ信号を増幅する増幅回路１４を有する。センサ信号の周波数特性は、極周波数を有するハイパス特性を有し、増幅回路のゲインの周波数特性は、第１の極周波数と第２の極周波数と零周波数を有する特性を有する。センサの極周波数と増幅回路の零周波数は、増幅回路の第１の極周波数より大きく且つ第２の極周波数より小さい。【選択図】図１
2017153500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサと、前記センサの信号を増幅する増幅回路と、を有し、
前記センサの信号の周波数特性は、極周波数を有するハイパス特性を有し、
前記増幅回路のゲインの周波数特性は、第１の極周波数と第２の極周波数と零周波数を有する特性を有し、
前記センサの極周波数と前記零周波数は、前記第１の極周波数より大きく且つ前記第２の極周波数より小さいことを特徴とするプローブ。
【請求項２】
前記増幅回路は、前記第１の極周波数と前記第２の極周波数と前記零周波数を調整する調整機構を有することを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
前記増幅回路は、第１の抵抗と第２の抵抗とを直列接続し且つ前記第１の抵抗または前記第２の抵抗に容量を並列接続した帰還回路を有することを特徴とする請求項１または２に記載のプローブ。
【請求項４】
数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚ付近のターゲットとする周波数帯において、前記センサおよび前記増幅回路の総合出力特性を平坦化していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のプローブ。
【請求項５】
ターゲットとする周波数帯の下限周波数と前記第１の極周波数とは略等しく設定され、前記センサの極周波数と前記零周波数とは略等しく設定されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のプローブ。
【請求項６】
前記第２の極周波数は、ターゲットとする周波数帯の上限周波数以上に設定されていることを特徴とする請求項５に記載のプローブ。
【請求項７】
センサと、前記センサの信号を増幅する増幅回路と、を有し、
前記センサの信号の出力の周波数特性は、第１のポールを有し、前記第１のポールとなる周波数よりも低周波数側で周波数が小さくなると出力が低下する第１の領域を有しており、
前記増幅回路のゲインの周波数特性は、ゼロ点と第２のポールを有し、前記セロ点となる周波数よりも低周波数側で周波数が小さくなるとゲインが大きくなる第２の領域を有し、
前記第２のポールとなる周波数は、前記ゼロ点となる周波数よりも高周波数側にあり、
前記第１の領域と前記第２の領域が重なっており、
前記ゼロ点となる周波数と前記第２のポールとなる周波数の間の領域と、前記第１のポールとなる周波数以上の高周波数側の領域とが重なっていることを特徴とするプローブ。
【請求項８】
前記センサは超音波センサであり、超音波プローブとして構成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のプローブ。
【請求項９】
前記超音波センサは静電容量型超音波センサであることを特徴とする請求項８に記載のプローブ。
【請求項１０】
前記静電容量型超音波センサは、第１電極と、前記第１電極と対向し間隙を隔てて配設された第２電極とを備えるセルを有し、
前記増幅回路は、前記第１電極と前記第２電極の間に電位差を生じさせた状態で、前記第２電極の振動による前記第１電極と前記第２電極との間の静電容量の変化に伴う電流を電圧に変換する電気回路であることを特徴とする請求項９に記載のプローブ。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか１項に記載のプローブと、
前記プローブの前記増幅回路から出力される信号を受け、信号処理を行う信号処理部と、を有することを特徴とする装置。
【請求項１２】
ポールを有するハイパス特性をもつ信号の周波数特性を有するセンサの信号を増幅する増幅回路であって、
前記増幅回路のゲインは、ポールとゼロ点を有する周波数特性を有し、
前記増幅回路のゲインの周波数特性において前記ポールとなる少なくとも１つの周波数は、前記増幅回路のゲインの周波数特性において前記ゼロ点となる周波数と前記センサの周波数特性において前記ポールとなる周波数より大きいことを特徴とする増幅回路。
【請求項１３】
前記増幅回路のゲインは、第１のポールと第２のポールとゼロ点を有する周波数特性を有し、
前記第１のポールとなる周波数は、前記ゼロ点となる周波数と前記センサの周波数特性において前記ポールとなる周波数より小さく、前記第２のポールとなる周波数は、前記ゼロ点となる周波数と前記センサの周波数特性において前記ポールとなる周波数より大きいことを特徴とする請求項１２に記載の増幅回路。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の増幅回路のキャリブレーション方法であって、
前記増幅回路のゲインの周波数特性において前記ポールとなる周波数と前記ゼロ点となる周波数を初期調整する第１のゲイン調整工程と、
前記第１のゲイン調整工程の後、校正用信号を前記センサで測定し前記増幅回路の出力を取得する校正信号取得工程と、
前記校正信号取得工程で取得した前記増幅回路の出力に基づいて、前記センサの周波数特性において前記ポールとなる周波数を取得するセンサ出力特性解析工程と、
前記センサ出力特性解析工程で取得した前記センサの周波数特性において前記ポールとなる周波数に基づいて、前記増幅回路のゲインの周波数特性においてポールとなる周波数とゼロ点となる周波数を調整する第２のゲイン調整工程と、
を有することを特徴とするキャリブレーション方法。
【請求項１５】
前記第１のゲイン調整工程で、前記増幅回路のゲインの周波数特性において前記ポールとなる少なくとも１つの周波数を、ターゲットとする周波数帯の上限周波数以上に設定することを特徴とする請求項１４に記載のキャリブレーション方法。
【請求項１６】
前記第１のゲイン調整工程で、前記増幅回路のゲインの周波数特性において第１のポールとなる周波数と第２のポールとなる周波数とゼロ点となる周波数を初期調整し、
前記第２のゲイン調整工程で、ターゲットとする周波数帯の下限周波数と前記第１のポールとなる周波数とを略等しく設定し、前記センサの周波数特性においてポールとなる周波数と前記増幅回路のゲインの周波数特性において前記ゼロ点となる周波数とを略等しく設定することを特徴とする請求項１４または１５に記載のキャリブレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブ、増幅回路、そのキャリブレーション方法、及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医用画像診断分野において、超音波エコー技術や光音響イメージング技術を利用した超音波診断装置が提案されている。光音響イメージング技術は、光源からの光が伝播して生体組織などの試料にあたることで、光音響効果により光音響波と呼ばれる超音波が発せられ、その光音響波を超音波センサで検出して試料の断層像、三次元像などを取得する技術である。これらの超音波診断装置は、超音波センサとそのセンサ信号を増幅する増幅回路を内蔵した超音波プローブ（増幅器）と、超音波プローブに接続された装置本体から構成され、プローブで検出した超音波を装置本体の信号処理により画像化している。
【０００３】
一般に、この超音波エコー技術と光音響イメージジング技術は、それぞれで利用する周波数帯が異なることが知られている。超音波エコー技術は、比較的高い周波数帯（数Ｍ〜数十ＭＨｚ付近）が用いられ、光音響イメージング技術は、比較的低い周波数帯（数百ｋ〜数ＭＨｚ付近）が用いられる。また、超音波エコー技術では、乳腺、血管などの検査部位に応じて、適切な周波数帯が異なることが知られている。そのため、これまでは使用する周波数帯ごとに異なった超音波プローブが用いられてきた。そこで、これらの異なる周波数帯をカバーする広帯域な汎用プローブ、それを実現する広帯域なセンサ及び増幅回路の開発が望まれている。こうした技術に関して、特許文献１は、ハイパス出力特性を持つセンサとトランスインピーダンスアンプからなる増幅回路に関する技術を開示している。上記特許文献１に開示された従来技術は、トランスインピーダンスアンプのカットオフ周波数をセンサ出力のカットオフ周波数よりも低く設定することで、比較的低周波帯でのセンサ及び増幅回路の総合的な出力電圧の周波数特性を平坦化する技術である。
【０００４】
一方、広帯域なセンサとして、ＭＥＭＳ技術を用いた静電容量型超音波センサ（ＣＭＵＴ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ−Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ−Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ−Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が提案されている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４-１４４３７６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ａ．Ｓ．Ｅｒｇｕｎ，Ｙ．Ｈｕａｎｇ，Ｘ．Ｚｈｕａｎｇ，Ｏ．Ｏｒａｌｋａｎ，Ｇ．Ｇ．Ｙａｒａｈｏｇｌｕ，ａｎｄ  Ｂ．Ｔ．Ｋｈｕｒｉ−Ｙａｋｕｂ，¨Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ：ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，¨Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，  Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ  ａｎｄ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ，ｖｏｌ．  ５２，ｎｏ．１２，ｐｐ．２２４２−２２５８，Ｄｅｃ．２００５．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記技術分野において、センサと増幅回路の総合的な出力電圧の周波数特性のさらなる広帯域化が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明の一側面であるプローブは、超音波センサなどのセンサと、センサの信号を増幅する増幅回路と、を有し、前記センサの信号の周波数特性は、極周波数（ポール）を有するハイパス特性を有し、前記増幅回路のゲインの周波数特性は、第１の極周波数（ポール）と第２の極周波数（ポール）と零周波数（ゼロ点）を有する特性を有し、前記センサの極周波数と前記零周波数は、前記第１の極周波数より大きく且つ前記第２の極周波数より小さい。また、本発明の他の一側面である増幅回路は、ポールを有するハイパス特性をもつ信号の周波数特性を有するセンサの信号を増幅する増幅回路であって、前記増幅回路のゲインは、ポールとゼロ点を有する周波数特性を有し、前記増幅回路のゲインの周波数特性において前記ポールとなる少なくとも１つの周波数は、前記増幅回路のゲインの周波数特性において前記ゼロ点となる周波数と前記センサの周波数特性において前記ポールとなる周波数より大きい。こうした増幅回路のキャリブレーション方法は、増幅回路のゲインの周波数特性においてポールとなる周波数とゼロ点となる周波数を初期調整する第１のゲイン調整工程と、前記第１のゲイン調整工程の後、校正用信号を前記センサで測定し前記増幅回路の出力を取得する校正信号取得工程と、前記校正信号取得工程で取得した前記増幅回路の出力に基づいて、前記センサの周波数特性においてポールとなる周波数を取得するセンサ出力特性解析工程と、前記センサ出力特性解析工程で取得した前記センサの周波数特性においてポールとなる周波数に基づいて、前記増幅回路のゲインの周波数特性においてポールとなる周波数とゼロ点となる周波数を調整する第２のゲイン調整工程と、を有する。
【０００９】
また上記課題に鑑み、本発明の更なる他の側面であるプローブは、センサと、前記センサの信号を増幅する増幅回路と、を有し、前記センサの信号の出力の周波数特性は、第１のポールを有し、前記第１のポールとなる周波数よりも低周波数側で周波数が小さくなると出力が低下する第１の領域を有しており、前記増幅回路のゲインの周波数特性は、ゼロ点と第２のポールを有し、前記ゼロ点となる周波数よりも低周波数側で周波数が小さくなるとゲインが大きくなる第２の領域を有し、前記第２のポールとなる周波数は、前記ゼロ点となる周波数よりも高周波数側にあり、前記第１の領域と前記第２の領域が重なっており、前記ゼロ点となる周波数と前記第２のポールとなる周波数の間の領域と、前記第１のポールとなる周波数以上の高周波数側の領域とが重なっている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、センサと増幅回路の総合的な出力電圧の周波数特性を広帯域化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１に係わる超音波診断装置のブロック図。
【図２】実施形態１に係わるセンサ信号増幅回路を示す図。
【図３】実施形態１に係わるセンサ信号増幅回路の帰還回路の例を示す図。
【図４】実施形態１のセンサ信号増幅回路の演算増幅器の小信号等価回路の図。
【図５】センサの周波数特性と増幅回路の周波数特性と総合周波数特性を示す図。
【図６】実施形態１に係わるセンサ信号増幅回路のキャリブレーションフロー図。
【図７】センサ信号増幅回路のキャリブレーション時の周波数特性を示す図。
【図８】実施形態２に係わるセンサ信号増幅回路のキャリブレーションフロー図。
【図９】実施形態１に係わるセンサ信号増幅回路（変形例）を示す図。
【図１０】センサの周波数特性と増幅回路（図９の構成）の周波数特性との総合周波数特性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一側面によれば、ＣＭＵＴに代表されるハイパス特性を有する超音波センサなどのセンサに適した増幅回路を実現することができる。本発明によって、センサ自身が持つハイパス出力特性のカットオフ周波数（低周波側のカットオフ周波数）を超えた周波数帯まで、センサと増幅回路の総合周波数特性を平坦化することができ、広帯域な特性を得ることが可能となる。つまり、ターゲットとする周波数帯（例えば、数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚ付近の周波数帯）でのセンサ及び増幅回路の総合的な出力電圧の周波数特性を広帯域化することができる。また、増幅回路に極周波数、零周波数の調整機構を設けることで、製造ばらつき、経年劣化などによるセンサと増幅回路の総合的な周波数特性のばらつきを補正し、安定的に広帯域な周波数特性を得ることが可能となる。増幅回路は、例えば、第１の抵抗と第２の抵抗とを直列接続し且つ第１の抵抗または第２の抵抗に容量を並列接続した帰還回路を有する。また、センサは、例えば、静電容量型超音波センサであり、これは、第１電極と、第１電極と対向し間隙を隔てて配設された第２電極と、を備えるセルを有する。この場合、増幅回路は、例えば、第１電極と第２電極の間に電位差を生じさせた状態で、第２電極の振動による第１電極と第２電極との間の静電容量の変化に伴う電流を電圧に変換する電気回路である。
【００１３】
以下、本発明の増幅器、増幅回路、超音波センサ、超音波診断装置などの実施形態を説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【００１４】
［実施形態１］
（超音波診断装置の構成、動作）
本実施形態の超音波診断装置の構成、動作について、図１を用いて説明する。本実施形態の超音波診断装置は、超音波プローブ１２と診断装置本体１５を含む。増幅器である超音波プローブ１２は、静電容量型超音波センサ１３とセンサ信号増幅回路１４を含む。超音波診断装置には、様々な機能部位が存在するが、ここでは、本実施形態に直接関係しない構成についての説明は省略する。
【００１５】
静電容量型超音波センサ１３は、数百チャンネル程度の静電容量型超音波センサ（ＣＭＵＴ）アレイで構成され、生体組織（検査対象）１１からの超音波を受信し、その受信音圧に応じて電流信号を出力する。ここでの超音波は、超音波エコーによる超音波、光音響効果による超音波のいずれであってもよい。
【００１６】
センサ信号増幅回路１４は、チャンネル毎に異なる増幅回路を持ち、各チャンネルの超音波センサ出力の電流信号に対して、後述するゲイン特性に基づいて電流電圧変換を行い、受信信号である電圧信号（アナログ信号）として出力する。ここでのセンサ信号増幅回路１４は、後述するセンサ信号増幅回路のキャリブレーションを実施した後の状態であるとする。
【００１７】
装置本体１５は、Ａ／Ｄ変換器１６、制御・信号処理部１７、画像表示部１８を含み、チャンネル毎にケーブルで超音波プローブ１２と接続されている。なお、画像表示部１８は装置と別体とする構成を取ることも可能である。Ａ／Ｄ変換器１６は、増幅後のアナログ電圧信号を受信し、チャネル毎にデジタル信号へ変換する。制御・信号処理部１７は、チャンネル毎のデジタル信号に信号処理を施し、画像データを生成する。画像表示部１８は、生成された画像データをモニタに表示する。以上により、検査対象である生体組織１１の診断画像を得ることができる。
【００１８】
（センサ信号増幅回路）
図２は、本実施形態のセンサ信号増幅回路１４であるトランスインピーダンスアンプを示した図である。図２は、１チャンネル分の増幅回路を示しており、超音波プローブ１２はこの回路をチャネル分だけ有している。
【００１９】
本実施形態のトランスインピーダンスアンプは、第１の抵抗Ｒｆと第２の抵抗Ｒｆ２と第１の容量Ｃｆを含む帰還回路１４１、及び、演算増幅器１４２を有する。帰還回路１４１は、第１の抵抗Ｒｆと第２の抵抗Ｒｆ２を直列接続し、かつ、第１の抵抗Ｒｆに第１の容量Ｃｆを並列接続した回路である。本実施形態のトランスインピーダンスアンプは、抵抗と容量を並列接続した従来型のトランスインピーダンスアンプの構成（例えば、特許文献１に開示の構成）に、さらに抵抗を直列接続した構成を持つ。この回路構成により、ゲイン特性（電流電圧変換効率特性）に零点が挿入されるようになる。これにより、静電容量型超音波センサ（ＣＭＵＴ）の様なハイパス出力電流特性を持つセンサ出力特性と、トランスインピーダンスアンプのゲイン特性（電流電圧変換効率特性）と、を合わせた総合出力特性を広帯域において平坦化できるという効果がもたらされる。なお、本明細書において、特性とは周波数特性であり、帯域とは周波数帯域である。
【００２０】
ゲイン特性に零点とポールを持たせると、総合出力特性を広帯域において平坦化できる理由を説明する。特許文献１では、センサ特性に依存して、アンプのゲイン特性のカットオフ周波数からセンサ特性の低周波側のカットオフ周波数までを平坦化することができる。一方、本実施形態を含む本発明では、センサ特性に応じてアンプ特性を調整できるので、アンプのゲイン特性のカットオフ周波数から、センサ特性の高周波側のカットオフ周波数（または、アンプのゲイン特性の高周波側のポール）までの領域を平坦化できる。したがって、従来技術と比べ、より広い周波数帯において平坦化することができる。
【００２１】
また、本実施形態のセンサ信号増幅回路１４は、後述するようにゲイン特性の極（ポール）と零（ゼロ点）の調整機構を持つ。この調整機構は、例えば図３（ａ）、（ｂ）に示すように、容量あるいは抵抗にスイッチング素子を付加し、そのスイッチング素子に調整信号を入力して、容量あるいは抵抗を可変に制御することが可能となる。この構成を、第１の抵抗と第２の抵抗と第１の容量のうちの少なくとも１つに導入する。それにより、第１の抵抗と第２の抵抗と第１の容量のうちの少なくとも１つを可変抵抗ないし可変容量にでき、調整機構が実現される。
【００２２】
（センサ信号増幅回路の伝達関数）
ゲイン特性に零点とポールを持たせることができる原理を説明する。このために、本実施形態のセンサ信号増幅回路１４の伝達関数を導出する。図４に示すように、センサ信号増幅回路１４の演算増幅器１４２を、一般的な増幅器の小信号等価回路で表わすことにする。
【００２３】
ここで、以下の様にする
増幅回路の入力電流（静電容量型超音波センサ出力電流）：Ｉｉ［Ａ］
帰還回路の第一の抵抗                  ：Ｒｆ［ｏｈｍ］
帰還回路の第二の抵抗                  ：Ｒｆ２［ｏｈｍ］
帰還回路の第一の容量                  ：Ｃｆ［Ｆ］
帰還回路の第一の抵抗のコンダクタンス  ：ｇｆ［Ｓ］＝１／Ｒｆ
帰還回路の第二の抵抗のコンダクタンス  ：ｇｆ２［Ｓ］＝１／Ｒｆ２
増幅器の相互インダクタンス            ：ｇｍ１［Ｓ］
増幅器の出力抵抗                      ：Ｒｏ１［ｏｈｍ］
帰還器の出力抵抗のコンダクタンス      ：ｇｏ１［Ｓ］＝Ｒｏ１ 
増幅器の負荷容量                      ：Ｃ２［Ｆ］
増幅回路の入力電位                    ：Ｖ１［Ｖ］
増幅回路の出力電位                    ：Ｖ２［Ｖ］
増幅回路の中間電位                    ：Ｖ３［Ｖ］
ラプラス演算子                        : ｓ 
【００２４】
増幅回路の伝達関数Ｇ（ｓ）（電流電圧変換ゲイン、電流電圧変換効率）は、次の式（１）で表わされる。虚数ｊ、周波数ｆ［Ｈｚ］、角周波数ω［ｒａｄ／ｓ］（＝２πｆ［Ｈｚ］）とすると、ラプラス演算子ｓは、ｓ＝ｊωで表わされる。
【００２５】
【数１】
2017153500.tif 000003
【００２６】
式（１）より、本実施形態のセンサ信号増幅回路１４の伝達関数Ｇ（ｓ）が持つ極周波数及び零周波数は、次の式で表わされる。
【００２７】
【数２−４】
2017153500.tif 000004
【００２８】
ゲイン特性にゼロ点とポールを持たせる為には、様々な回路構成（フィードバック回路）が考えられるが、シンプルで比較的容易に実現可能なパラメーターで構成できる回路として、上記のような抵抗２個と容量１個の構成がある。こうした回路構成にキルヒホッフの法則を適用すると、式（１）の伝達関数が導出される。
【００２９】
（センサ信号増幅回路の周波数特性）
上記伝達関数により導出される本増幅回路の周波数特性、センサの電流出力特性、センサと増幅回路の特性を合わせた総合特性について説明する。
【００３０】
図５（ａ）に、静電容量型超音波センサ１３の周波数特性（単位入力音圧あたりの出力電流）を示す。図５（ｂ）に、伝達関数により導出したセンサ信号増幅回路１４の電流電圧変換ゲイン特性を示す。図５（ｃ）に、センサと増幅回路を合わせた総合特性（単位入力音圧あたりの電圧出力）を示す。図５（ｂ）の縦軸は、伝達関数Ｇ（ｓ）の位相情報を除いたゲイン情報をｄＢ表示で表わしたものである。具体的には、図５（ｂ）の縦軸は、２０×Ｌｏｇ（Ｇ（ｓ））で表わされる。図５（ａ）に示すように、静電容量型超音波センサ１３の単位音圧あたりの電流出力特性は、ＤＣからカットオフ周波数ｆ２まで＋２０ｄＢ／ｄｅｃで増加する。また、上記電流出力特性は、カットオフ周波数ｆ２（後述の図７のｆｃ）からカットオフ周波数ｆ３までは平坦である。ＤＣからカットオフ周波数ｆ３までの局所領域でみた場合、静電容量型超音波センサ１３は、入力音圧に対する電流出力特性がハイパス特性を有する。また図５（ｂ）に示すように、センサ信号増幅回路１４の電流電圧変換ゲイン特性は、１ｓｔポール（ｆ１）と２ｎｄポール（ｆ４）とゼロ点（ｆ２）を有するフィルター特性を有する。このように、本実施形態のセンサ信号増幅回路のゲイン特性（電流電圧変換効率特性）は、１ｓｔポールと２ｎｄポールの間にゼロ点を持つ特性である。後述の図１０と同様に、ここでも、センサの周波数特性は、第１のポールとなる周波数よりも低周波数側で周波数が小さくなると出力が低下する第１の領域を有する。また、増幅回路のゲインの周波数特性は、ゼロ点となる周波数よりも低周波数側で周波数が小さくなるとゲインが大きくなる第２の領域を有する。そして、前記ゼロ点となる周波数よりも高周波数側に第２のポールとなる周波数を有している。さらに、前記第１の領域と前記第２の領域が重なり、前記ゼロ点となる周波数と前記第２のポールとなる周波数の間の領域と、前記第１のポールとなる周波数以上の高周波数側の領域とが重なっている。
【００３１】
尚、本発明における「平坦」とは、全く平坦な場合だけでなく、周波数特性に対する変化量が装置設計上無視できる程度に小さいものも含む。例えば、所望の周波数帯において最大値を基準として、その最大値から、−３ｄＢ（１／２倍）以内になる範囲を「平坦」な領域と定義する。
【００３２】
図５に示すように、周波数レンジ（ＤＣ〜周波数ｆ１[Ｈｚ]）の領域においては、センサ出力特性が＋２０ｄＢ／ｄｅｃで増加して増幅回路のゲイン特性が平坦である為、センサと増幅回路の総合特性は、＋２０ｄＢ／ｄｅｃとなる。周波数レンジ（周波数ｆ１[Ｈｚ]〜周波数ｆ２[Ｈｚ]）の領域においては、センサ出力特性が＋２０ｄＢ／ｄｅｃであり増幅回路のゲイン特性が−２０ｄＢ／ｄｅｃである為、センサと増幅回路の総合特性は平坦となる。周波数レンジ（周波数ｆ２[Ｈｚ]〜センサの高周波側のカットオフである周波数ｆ３[Ｈｚ]）の領域においては、センサ出力特性が平坦であり増幅回路のゲイン特性が平坦である為、センサと増幅回路の総合特性も平坦となる。周波数レンジ（周波数ｆ３[Ｈｚ]〜周波数ｆ４[Ｈｚ]）の領域においては、センサ出力特性が−２０ｄＢ／ｄｅｃであり増幅回路のゲイン特性が平坦である為、センサと増幅回路の総合特性は−２０ｄＢ／ｄｅｃとなる。周波数レンジ（周波数ｆ４[Ｈｚ]以上）の領域においては、センサ出力特性が−２０ｄＢ／ｄｅｃであり増幅回路の電流電圧変換特性が−２０ｄＢ／ｄｅｃである為、センサと増幅回路の総合特性は−４０ｄＢ／ｄｅｃとなる。
【００３３】
以上より、周波数レンジｆ１[Ｈｚ]〜ｆ３[Ｈｚ]の領域において、センサと増幅回路の総合特性を平坦化することができる。
【００３４】
ここで、センサに対する増幅回路の設計のより広い考え方を述べる。ターゲットとする周波数帯を（下限周波数ｆｔｌ［Ｈｚ］〜上限周波数ｆｔｈ［Ｈｚ］）とした場合、増幅回路の１ｓｔポール（ｆ１）はｆ１＜ｆｔｌの関係を満たせば良い。この条件式は、製造ばらつき、温度ばらつき、電圧ばらつきなどの全ばらつき条件にて満たされる必要がある。そこで、センサ信号増幅回路１４は、図９に示すような容量と抵抗の直列接続で構成される帰還回路を有する構成であってもよいので、次のようなことになる。すなわち、図９に示す増幅回路の構成の場合、式（１）、式（２）でｇｆ＝０、ｆｐｏｌｅ＿１ｓｔ＝０となり、図１０に示すようなセンサの特性、増幅回路の特性、総合周波数特性となる。つまり、増幅回路の特性が第１の極周波数（ポール）を持たないこともあり得る。但し、ターゲットとする帯域外の不要なゲインはノイズを拾いやすい為、好ましくは、センサ信号増幅回路１４は、図２のような構成が好ましい。また、周波数帯域ｆ１〜ｆ２において、センサからの電流出力の周波数特性の傾きの符号と増幅回路の電流電圧変換ゲインの傾きの符号を逆にする。しかも、それぞれの周波数特性の傾きそれぞれの絶対値をほぼ同じにすることが好ましい。
【００３５】
上限値ｆｔｈがｆ３以下である場合には、２ｎｄポール（ｆ４）は、ｆｔｈより大きければよく、上限値ｆｔｈがｆ３より大きい場合には、２ｎｄポール（ｆ４）は、ｆ３より大きくする。
【００３６】
（センサ信号増幅回路のキャリブレーション方法）
本実施形態の増幅回路のキャリブレーション方法について説明する。本キャリブレーションでは、超音波プローブ１２で校正用音源を測定し、その出力特性に基づいてセンサ信号増幅回路１４の帰還回路１４１のポール、ゼロ点の調整を行う。これにより、センサや増幅回路の製造ばらつきがあってもセンサと増幅回路の総合特性をターゲットとする周波数帯で平坦化することができる。本キャリブレーションでのターゲットとする周波数帯は、下限周波数ｆｔｌから上限周波数ｆｔｈの範囲であるとする。
【００３７】
本キャリブレーションは、第一のゲイン調整工程、校正信号取得工程、センサ出力特性解析工程、第二のゲイン調整工程の４つの工程を含む。それぞれの処理内容について、図６（キャリブレーションフロー）、図７（キャリブレーション時の周波数特性）を用いて詳細に説明する。図７の右側の（ａ）部は、（ｄ）部と（ｅ）部に対して周波数の基準を示すために左側の（ａ）部と同じものを挿入したものである。
【００３８】
１．第１のゲイン調整工程
ステップＳ１０１（図６）では、校正用信号をセンサで測定するための準備段階として、診断装置本体１５の制御・信号処理部１７から極周波数・零周波数調整信号を送信し、センサ信号増幅回路１４のゲイン特性のポール、ゼロ点を設定する。具体的には、センサ信号増幅回路１４の帯域を、ターゲットとする周波数帯以上（ｆｔｈで示す上限周波数以上）にするようにセンサ信号増幅回路１４の抵抗値（Ｒｆ、Ｒｆ２）を初期調整する。これにより、ゲイン特性（電流電圧変換特性）を、図７（ｂ）に示すようにＤＣから周波数ｆｔｈまで平坦となるようにする。
【００３９】
例えば、トランスインピーダンスアンプの帯域（２ｎｄポール）をターゲット周波数ｆｔｈ以上にする為に、第１と第２の抵抗値を以下の式で表わされるように設定する。
Ｒｆ＜１／（２π×ｆｔｈ×Ｃｆ）                （５）
Ｒｆ２＝０                                    （６）
式（５）、（６）は、ＲｆとＣｆが並列接続された帰還回路を有する従来型のトランスインピーダンスアンプのカットオフ周波数が１／（２×π×Ｒｆ×Ｃｆ）で表わされることから導出した。また、本実施形態ではＣｆは固定値とするが、Ｃｆを調整する構成であっても構わない。すなわち、式（５）を満たす様にＣｆを調整する構成にしてもよい（Ｒｆは固定でも調整可能でもよい）。
【００４０】
２．校正信号取得工程
ステップＳ１０２（図６）では、まず予め用意しておいた校正用音源から超音波を発生させ、その超音波を超音波プローブ１２で測定する。静電容量型超音波センサ１３で検出した信号をセンサ信号増幅回路１４で増幅後、受信信号を装置本体１５でデジタルデータに変換することで、校正用信号を取得する。ここで、増幅回路の帯域は、ターゲット周波数帯域ｆｔｈより広く設定している為、増幅回路の帯域ｆｔｈ内においては一定ゲインであり、信号の周波数特性が変化することなく出力される。すなわち、このステップＳ１０３によってセンサの素の特性を取得することができるようになる。
【００４１】
本キャリブレーション時は、図１の生体組織１１に置き換わって本校正用音源が配置される。校正用音源から超音波を発生させる方法としては、発生させる超音波の周波数をスイープさせて、異なる周波数成分の超音波を時系列で発生させる方法や、予め様々な周波数成分が含まれる超音波を一度に発生させる方法などがある。
【００４２】
３．センサ出力特性解析工程
ステップＳ１０３（図６）では、装置本体１５の制御・信号処理部１７は、ステップＳ１０２で取得した校正用信号に対して周波数成分を解析し、センサ出力特性が持つカットオフ周波数ｆｃを算出する。この周波数成分の解析は、例えば、校正用信号の周波数をスイープさせて、異なる周波数成分の超音波を時系列で発生させた場合には、各周波数の信号レベル（振幅情報）を取得し、その周波数に応じた振幅情報の増減量からカットオフ周波数を算出する。あるいは、様々な周波数成分が含まれる超音波を一度に発生させた場合には、取得データをＦＦＴ（高速フーリエ変換）などの信号処理手法によって解析することで、カットオフ周波数を算出する。
【００４３】
４．第二のゲイン調整工程
ステップＳ１０４（図６）では、ステップＳ１０３で算出したセンサ出力特性のカットオフ周波数ｆｃから、センサ信号増幅回路１４の零周波数ｆｚｅｒｏを決定する。さらに、ターゲットとする周波数帯（下限周波数ｆｔｌ）からセンサ信号増幅回路１４の極周波数ｆｐ１（１ｓｔポール）を決定する。ここでは、以下の式のように、カットオフ周波数ｆｃと増幅回路の零周波数ｆｚｅｒｏとを略等しくし、さらに、ターゲット周波数ｆｔｌと極周波数ｆｐ１（１ｓｔポール）とを略等しく設定する。等しくしなければ、平坦性誤差を生じるが、その誤差がシステム上許容されれば、等しくしない設定も可能である。例えば、ｆｃ＝１０ＭＨｚで、ｆｚｅｒｏ＝９ＭＨｚまたはｆｚｅｒｏ＝１１ＭＨｚにしても、生じる平坦性の誤差がシステム上許容されれば、こうした設定も可能である。ｆｐｌについても同様である。
ｆｚｅｒｏ＝ｆｃ                                （７）
ｆｐ１＝ｆｔｌ                                  （８）
【００４４】
ステップＳ１０５（図６）では、決定した極周波数ｆｐ１と零周波数ｆｚｅｒｏから、Ｒｆ、Ｒｆ２の抵抗値を決める。そして、装置本体１５の制御・信号処理部１７から極周波数・零周波数調整信号を送信し、センサ信号増幅回路１４のゲイン特性のポール、ゼロ点を設定する。ここでは、式（２）の関係式を用いてＲｆを、式（４）の関係式を用いてＲｆ２を以下の様に設定する。
【００４５】
【数９−１０】
2017153500.tif 000005
【００４６】
第１のゲイン調整工程でＲｆを一度決めているが、これは図７（ｂ）のようなゲイン特性にするための設定である。この設定は図７（ａ）のセンサ特性を得る為の設定である。最終的には、図７（ｄ）のようなゲイン特性にしたいので、第１のゲイン調整工程で得たセンサ特性を使って、Ｒｆを再設定する。
【００４７】
以上の設定を極周波数・零周波数調整信号を通じて、センサ信号増幅回路１４へ送信することで、図７（ｄ）に示すような増幅回路の特性を得ることが可能となる。尚、本実施形態の極周波数ｆｐ２（２ｎｄポール）は、予めターゲット上限周波数ｆｔｈよりも高い帯域に設定されており、固定値とした。ここでは図７（ａ）のｆ３（すなわちセンサの高周波側カットオフ）にしている。但し、ｆｐ２とｆ３を一致する必要はなく、ｆｐ２＞ｆｔｈ、ｆ３＞ｆｔｈを満たせば構わない。図７は一例を示している。
【００４８】
以上のキャリブレーション作業により、センサ特性（図７（ａ））と増幅回路の特性（図７（ｄ））を合わせた総合特性を、ターゲット下限周波数ｆｔｌからターゲット上限周波数ｆｔｈの区間において平坦化することが可能となる（図７（ｅ））。したがって、超音波センサ自身が持つハイパス出力特性のカットオフ周波数（ｆ２＝ｆｃ）を超えた周波数帯（ｆ３）まで、センサと増幅回路の総合特性を平坦化することができ、超音波プローブ全体として広帯域な特性を得ることが可能となる。
【００４９】
上記の如く本実施形態のセンサは、静電容量型超音波センサ（ＣＭＵＴ）であるが、ハイパス出力特性を有するセンサであれば、静電容量型以外のセンサでも構わない。たとえば、圧電型超音波センサ（ピエゾ）、加速度センサ、ジャイロセンサなどであって適用可能である。また、本実施形態の増幅回路は、トランスインピーダンスアンプ（電流増幅）を対象としたが、それ以外の構成であってもよい。例えば、電流電圧変換アンプや、電圧増幅型アンプであってもよい。この場合、パラメーターの調整自体は、基本的には電流アンプのときと同じ流れで行われる。但し、式（１）の伝達関数が電圧ゲイン特性（入出力の電圧比）に変更になること、センサ出力特性が単位音圧あたりの電圧出力特性に変更になることが異なる。
【００５０】
また、本実施形態の演算増幅器は、差動増幅アンプ、シングル増幅アンプのいずれであってもよい。この場合も、パラメーターの調整自体は、同じ流れで行われる。アンプ回路の中身が違うだけで、アンプの伝達関数も変わらない。但し、シングル構成と差動構成では、電源ノイズに対する耐性、及び消費電力が異なる。差動構成の方が、電源ノイズに強いが、消費電力が大きい。
【００５１】
また、本実施形態の帰還回路は、２つのポールとゼロ点を持つゲイン特性を持つ構成であれば、本実施形態で説明した抵抗と容量の接続構成と異なる構成であってもよい。例えば、次のようなフィードバック回路構成が考えられる。第１の抵抗Ｒｆと第１の容量Ｃｆを並列接続した部分と第２の抵抗Ｒｆ２の部分との配置を逆転した構成、第１の抵抗Ｒｆと第１の容量Ｃｆを並列接続した部分を複数直列的に配置した構成が考えられる。また、第１の抵抗Ｒｆと第１の容量Ｃｆを並列接続した部分において容量に抵抗を直列的に接続した構成など、抵抗と容量の組み合わせで、ゼロ点を加えることができる様々な構成が考えられる。
【００５２】
更に、本実施形態の増幅回路のキャリブレーションは、工場出荷時、製品運用時のいずれで実施してもよい。また、本実施形態の増幅回路のキャリブレーションは、チャンネル毎に増幅回路のキャリブレーションを行う構成であってもよいし、複数チャンネルをまとめて一つのパラメーターでキャリブレーションを行う構成であってもよい。また、上述した様に、本実施形態の増幅回路の零周波数は、装置設計上無視できる範囲内であれば、センサ特性のカットオフ周波数と厳密に一致する必要はない。また、本実施形態の校正用音源自身が周波数特性を持つ場合には、その特性に応じて、装置本体で校正用音源の特性分を補正すればよい。
【００５３】
（実施形態２）
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。上述した第１の実施形態では、センサ信号増幅回路のゲイン特性のキャリブレーション方法に関する例を示した。第１の実施形態では、極周波数ｆｐ１と零周波数ｆｚｅｒｏから、Ｒｆ、Ｒｆ２の抵抗値を決め、制御・信号処理部１７から極周波数・零周波数調整信号を送信することで、センサ信号増幅回路１４のゲイン特性のポールとゼロ点を調整した。しかしながら、実際の増幅回路では、プロセス、温度、電圧のばらつきなどによって、Ｒｆ、Ｒｆ２の値がばらついてしまうことがある。そこで、第２の実施形態では、こうしたばらつき要因などによってゲイン特性の調整誤差が生じる場合でも、繰り返し処理によって、よりロバストなゲイン特性のキャリブレーションを行う例を示す。
【００５４】
第２実施形態における超音波診断装置の構成は上述した第１実施形態と同様であるため、図１を参照することとし、その詳しい説明は省略する。
【００５５】
図８に、本実施形態におけるセンサ信号増幅回路のキャリブレーションフローを示す。ステップＳ２０１からＳ２０５までは、図６のステップＳ１０１からＳ１０５までと同様のステップとする。ステップＳ２０６（図８）では、ステップＳ２０５までに行われたキャリブレーションの後に、再度、校正用音源を測定する。本ステップの具体的な作業は、ステップＳ１０２と同様の作業とする。
【００５６】
本ステップＳ２０６は、キャリブレーション（ステップＳ２０５までの作業）実施後であるため、取得データは、図７（ｅ）のように、ターゲット周波数範囲（周波数ｆｔｌから周波数ｆｔｈの範囲）において平坦な特性が予想される。しかしながら、実際の増幅回路では、プロセス、温度、電圧のばらつきなどによって、第１と第２の抵抗値或いは第１の容量がばらつくことがあるため、ステップ２０５までに行った調整に誤差が生じ、ポール、ゼロ点に誤差が生じてしまうことがあり得る。そのため、ターゲット周波数範囲（周波数ｆｔｌから周波数ｆｔｈの範囲で平坦な特性が得られない場合があり得る。ここで、校正用音源から発生される超音波の周波数特性はターゲット周波数範囲で一定であるとする。
【００５７】
ステップＳ２０７（図８）では、ステップＳ２０６で得られた校正信号データの平坦性を評価する。本ステップでの処理は、ステップＳ１０３と同様に、装置本体１５の制御・信号処理部１７で行われ、取得した校正信号データの周波数解析を行い、その後、取得データの周波数に対する平坦性の評価を行う。平坦性の定義は、例えば目標帯域内においてピーク値から＋−３ｄＢ以内の範囲である、などの定義が挙げられる。ここで得られた平坦性が、決められた誤差範囲内である場合は、キャリブレーション作業を完了させる。
【００５８】
一方、極周波数／零周波数の調整誤差等によって、期待する平坦性が得られず、決められた誤差範囲の外である場合は、ステップＳ２０４に戻り、極周波数、零周波数を再決定して、再調整を行う。この場合、例えば、ゼロ点が、期待する周波数から低周波側にずれてしまった場合、センサとアンプの総合特性は高周波側が持ち上がった特性が得られる。このような特性が得られた場合には、ゼロ点が低周波側にずれたと推測できる為、ゼロ点の設定値を少し高く設定するようにする。すなわち、こうなるように帰還回路の抵抗値などの再調整を行う。設定値は、総合特性のゼロ点のずれ量から推測できる。
【００５９】
ゼロ点が、期待する周波数から高周波側にずれてしまった場合、センサとアンプの総合特性は低周波側が持ち上がった特性が得られる。このような特性が得られた場合には、ゼロ点が高周波側にずれたと推測できる為、ゼロ点の設定値を少し低く設定するようにする。この場合も、設定値は、総合特性のゼロ点のずれ量から推測できる。
【００６０】
１ｓｔポールがずれた場合は、低域側の平坦性が不足した総合特性が得られるので、１ｓｔポールが高周波側にずれたと推測できる為、１ｓｔポールの設定値を少し低く設定するようにする。設定値は、総合特性のターゲット周波数範囲のずれ量から推測できる。また、別の方法としては、ゼロ点、ポールをスイープさせて、平坦性がもっとも良好である最適点を探索する手法も考えられる。その他のずれの場合も、同様に対処すればよい。
【００６１】
以上のステップ作業（ステップＳ２０４からステップＳ２０７）を、目標とする誤差以下となるまで繰り返し行う。
【００６２】
以上の調整により、増幅回路のキャリブレーション後にセンサと増幅回路の総合特性の平坦性を検査し、調整誤差などの誤差が含まれる状況下であっても、ターゲット周波数範囲に入るようにセンサ信号増幅回路のゲイン特性が最適化される。
【符号の説明】
【００６３】
１２・・プローブ、１３・・センサ、１４・・増幅回路、１５・・装置本体
【図１】
2017153500.tif 000006
【図２】
2017153500.tif 000007
【図３】
2017153500.tif 000008
【図４】
2017153500.tif 000009
【図５】
2017153500.tif 000010
【図６】
2017153500.tif 000011
【図７】
2017153500.tif 000012
【図８】
2017153500.tif 000013
【図９】
2017153500.tif 000014
【図１０】
2017153500.tif 000015