JPH11226010A - 超音波トランスデューサ駆動方法および装置並びに超音波撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単極性の駆動によって双極性の超音波を送波
する超音波トランスデューサ駆動方法および装置、並び
に、そのような超音波トランスデューサ駆動装置を備え
た超音波撮像装置を実現する。 【解決手段】 直流バイアス（５００，５０４）に重畳
した交流信号（５０２）で超音波トランスデューサを駆
動し、超音波トランスデューサに双極性の振動を行なわ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波トランスデ
ューサ駆動方法および装置並びに超音波撮像装置に関
し、特に、単極性の駆動信号により超音波トランスデュ
ーサ(transducer)を駆動する超音波トランスデューサ駆
動方法および装置、並びに、そのような超音波トランス
デューサ駆動装置を備えた超音波撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波撮像装置は、被検体に超音波を送
波しそのエコー(echo)に基づいて被検体の内部を画像化
するようになっている。超音波の送波には超音波トラン
スデューサが用いられる。超音波トランスデューサはパ
ルス電圧によって駆動されて振動し超音波を放射する。

【０００３】パルス電圧による超音波トランスデューサ
の駆動には単極性の駆動と双極性の駆動がある。単極性
の駆動はパルス電圧が正または負のいずれか一方の極性
となるものによって行なわれる。双極性の駆動はパルス
電圧の極性が交互に正および負に変化するものすなわち
交流のパルスによって行なわれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】単極性の駆動はパルス
電圧の極性が正または負のいずれか一方でよいので、駆
動装置が簡素化される長所があるが、その反面、放射さ
れる超音波の周波数スペクトラムは直流成分およびその
近傍の低周波成分を含むものとなり、これら直流および
低周波の超音波に対するエコーが画像の品質を低下させ
るという問題があった。

【０００５】これに対して、双極性の駆動によればパル
ス電圧の極性が交互に正および負に変化することによ
り、送波される超音波の周波数スペクトラムには直流成
分およびその近傍の低周波成分が含まれず、上記のよう
な問題は生じないものの、双極性のパルス電圧を発生さ
せるために駆動装置の構成が複雑化するという問題があ
った。

【０００６】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、その目的は、単極性の駆動によって双極
性の超音波を送波する超音波トランスデューサ駆動方法
および装置、並びに、そのような超音波トランスデュー
サ駆動装置を備えた超音波撮像装置を実現することであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】（１）課題を解決するた
めの第１の発明は、単極性の駆動信号により超音波トラ
ンスデューサを駆動する超音波トランスデューサ駆動方
法であって、前記単極性の駆動信号のレベルを、第１の
レベルを基準とし相対的に高レベルの第２のレベルと相
対的に低レベルの第３のレベルとの間で交代させる、こ
とを特徴とする超音波トランスデューサ駆動方法であ
る。

【０００８】（２）課題を解決するための第２の発明
は、単極性の駆動信号により超音波トランスデューサを
駆動する超音波トランスデューサ駆動装置であって、第
１のレベルを基準とし相対的に高レベルの第２のレベル
と相対的に低レベルの第３のレベルとの間でレベルが交
代する単極性の駆動信号により前記超音波トランスデュ
ーサを駆動する駆動手段、を具備することを特徴とする
超音波トランスデューサ駆動装置である。

【０００９】（３）課題を解決するための第３の発明
は、超音波トランスデューサを単極性の駆動信号で駆動
して超音波を送波し、エコー受信信号に基づいて画像を
生成する超音波撮像装置であって、第１のレベルを基準
とし相対的に高レベルの第２のレベルと相対的に低レベ
ルの第３のレベルとの間でレベルが交代する単極性の駆
動信号により前記超音波トランスデューサを駆動する駆
動手段、を具備することを特徴とする超音波撮像装置で
ある。

【００１０】第１の発明乃至第３の発明のいずれか１つ
において、前記単極性の駆動信号のレベルを０レベルか
ら第１のレベルまで相対的に遅い変化速度で変化させ、
次に、駆動信号のレベルを前記第２のレベルおよび前記
第３のレベルの間で相対的に速い変化速度で交代させ、
次に、駆動信号のレベルを前記第１のレベルから０レベ
ルまで相対的に遅い変化速度で変化させることが、駆動
信号のレベルが０の状態で超音波トランスデューサによ
りエコー受波を行なう点で好ましい。

【００１１】その場合において、前記駆動信号を波形メ
モリに記憶したディジタルデータの基づいて生成するこ
とが効果的な駆動信号を得る点で好ましい。 （作用）本発明では、直流バイアスに重畳した交流信号
で超音波トランスデューサを駆動し、超音波トランスデ
ューサに双極性の振動を行なわせる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態
に限定されるものではない。図１に超音波送受信装置の
ブロック図を示す。本装置は本発明の実施の形態の一例
である。本装置の構成によって本発明の装置に関する実
施の形態の一例が示される。本装置の動作によって本発
明の方法に関する実施の形態の一例が示される。

【００１３】図１に示すように、本装置は波形メモリ(m
emory)３００を有する。波形メモリ３００は、超音波ト
ランスデューサを駆動する駆動信号の波形を、ディジタ
ルデータ(digital data)として記憶している。駆動信号
の詳細については後にあらためて説明する。

【００１４】波形メモリ３００の読み出しがコントロー
ラ(controller)３０２によって制御され、読出データが
Ｄ／Ａ（digital-to-analog)変換器３０４でアナログ信
号に変換されて、リニアパワーアンプ(linear power am
plifier)３０６に入力されるようになっている。コント
ローラ３０２は、リニアパワーアンプ３０６のストロー
ブ(strobe)の制御も行なうようになっている。ストロー
ブの制御については後にあらためて説明する。

【００１５】リニアパワーアンプ３０６には、コモン(c
ommon)に対して単極性の直流電源電圧＋ＨＶ（例えば＋
６０Ｖ）が供給されている。直流電源電圧＋ＨＶの供給
ライン(line)とコモンの間には、キャパシタ３０８が接
続されている。

【００１６】リニアパワーアンプ３０６の出力端には、
ダイオード(diode) ３１０，３１２，３１４の直列回路
が順方向に接続されている。ダイオード３１０，３１
２，３１４の直列回路には、ダイオード３１６が逆極性
に並列接続されている。増幅出力の供給方向に沿いこれ
らダイオード回路の下流において、増幅出力ラインとコ
モンの間にキャパシタ３１８，３２０の直列回路が接続
されている。キャパシタ３１８，３２０の直列接続点か
らリニアパワーアンプ３０６の入力端に、増幅出力信号
のフィードバック経路が形成されている。

【００１７】以上の、波形メモリ３００乃至キャパシタ
３１８，３２０からなる部分が、本発明における駆動手
段の実施の形態の一例である。増幅出力ラインとコモン
に、超音波トランスデューサ３２２の一対の電極がそれ
ぞれ接続されている。増幅出力ラインに接続される電極
がアクティブ(active)電極、コモンに接続される電極が
コモン電極である。

【００１８】超音波トランスデューサ３２２のアクティ
ブ電極は、抵抗３２４を通じて負の直流電圧−ＶＥＥ
（例えば−３．３Ｖ）の供給源に接続されている。超音
波トランスデューサ３２２のアクティブ電極は、また、
ダイオード３２６を通じてトランジスタ(transistor)３
４８のエミッタ(emitter) に接続されている。トランジ
スタ３４８のベース(base)はコモンに接続されている。
ダイオード３２６の極性はエミッタに対して順方向とな
っている。

【００１９】トランジスタ３４８のコレクタ(collecto
r) は、抵抗３５０を通じて正の直流電圧＋ＶＣＣ（例
えは＋３．３Ｖ）の供給源に接続されている。コレクタ
と抵抗３５０の直列接続点にキャパシタ３５２の一端が
接続され、その他端が図示しない受信信号処理回路に接
続されている。

【００２０】本装置の動作を説明する。コントローラ３
０２による制御の下で、波形メモリ３００から駆動信号
の波形データが読み出され、Ｄ／Ａ変換器３０４でアナ
ログ信号に変換されてリニアパワーアンプ３０６に入力
される。

【００２１】駆動信号の波形の一例を図２に示す。同図
に示すように、駆動信号の波形は、信号レベルが０レベ
ルから第１のレベルまで緩やかに上昇するレベル上昇部
５００と、第１のレベルを中心とし、それぞれその上下
のレベルである第２のレベルおよび第３のレベルの間を
高速に交代するレベル交代部５０２と、第１のレベルか
ら０レベルまで緩やかに下降するレベル下降部５０４と
を有する。

【００２２】第２のレベルは例えば第１のレベルの２倍
に選ばれ、第３のレベルは例えば０レベルに選ばれる。
また、これら信号レベルの交代の周波数は、超音波トラ
ンスデューサ３２２の振動の中心周波数（例えば５ＭＨ
ｚ）に合わせる。レベル上昇部５００およびレベル下降
部５０４におけるレベル変化は、例えば、レベル交代部
５０２の持続時間の１０倍程度の時間をかけて行なう。
第１乃至第３のレベルはいずれも０レベルに関して一方
の側（この場合＋）にある。すなわち、駆動信号は単極
性の信号である。

【００２３】駆動信号の極性は、リニアパワーアンプ３
０６が採用する電源電圧の極性に対応し、負極性の電源
電圧を用いたときは駆動信号の極性も負とする。また、
レベル交代部５０２における信号波形をここでは矩形波
の例で示すが、それに限るものではなく、正弦波や三角
波、その他適宜の波形であって良い。

【００２４】コントローラ３０２は、駆動信号のレベル
上昇部５００がリニアパワーアンプ３０６に入力されて
いる期間は、リニアパワーアンプ３０６をスリューレー
ト(slew rate) が低いストローブ１の状態で動作するよ
うに制御する。また、駆動信号のレベル下降部５０４が
リニアパワーアンプ３０６に入力されている期間も、ス
リューレートが低いストローブ１の状態で動作するよう
に制御する。

【００２５】これに対して、レベル交代部５０２が入力
される期間は、リニアパワーアンプ３０６がスリューレ
ートの高いストローブ２の状態で動作するように制御す
る。これによって、入力信号が波形に忠実にパワー増幅
され、超音波トランスデューサ３２２に駆動信号として
印加される。なお、ストローブ機能を持たないもしくは
不要なリニアパワーアンプに対しては、ストローブの制
御は行なわない。

【００２６】超音波トランスデューサ３２２は、駆動信
号のレベル上昇部５００の印加期間中に、そのレベル変
化に対応して寸法が変化してゆくが、信号レベルの変化
速度が遅いので寸法の変化速度もゆっくりであり、その
周囲にほとんど音圧変動を発生しない。すなわち、この
期間は超音波が発生しない。

【００２７】駆動信号のレベル交代部５０２では、駆動
信号の高速なレベルの交代に応じて、駆動信号の第１の
レベルに対応する寸法から第２のレベルに対応する寸法
に高速に変化し、また、第１のレベルに対応する寸法か
ら第３のレベルに対応する寸法に高速に変化する。第１
のレベルに対応する寸法からの、第２のレベルに対応す
る寸法変化と第３のレベルに対応する寸法変化は方向が
互いに逆であって、一方で寸法が拡大するとき他方で縮
小する関係になる。

【００２８】超音波トランスデューサ３２２の寸法拡大
は正の音圧変化を生じ、寸法縮小は負の音圧変化を生じ
る。したがって、音圧が正負に変化する超音波すなわち
双極性の超音波が発生しそれが音場に送波される。

【００２９】適宜の波数の振動を行なわせた後に、駆動
信号のレベル下降部５０４により超音波トランスデュー
サ３２２の寸法をゆっくり元に戻す。レベル下降部５０
４の信号変化が遅いことにより、超音波トランスデュー
サ３２２の寸法変化による音圧変動は生じない。

【００３０】超音波トランスデューサ３２２の寸法を元
に戻した後に、エコーの受信を行なう。このとき、超音
波トランスデューサ３２２は受波エコーの強度に応じた
電気信号を発生する。電気信号は双極性のエコーに対応
して双極性の信号となる。トランジスタ３４８は、双極
性の電源電圧すなわち＋ＶＣＣおよび−ＶＥＥが与えら
れていることにより双極性の入力信号に応答でき、入力
の電気信号に応じてコレクタ電圧を変化させる。この電
圧変化がキャパシタ３４２を通じて受信処理回路に入力
される。

【００３１】以上は、超音波トランスデューサが１個の
場合、すなわちシングルチャンネル(single channel)の
超音波送受信装置の例であるが、複数の超音波トランス
デューサによりマルチチャンネル(multi-channel) のア
レイ(array) を構成したときは、各超音波トランスデュ
ーサごとに上記と同様な駆動手段および受信手段を設け
るようにすれば良い。その際、波形メモリは必ずしもチ
ャンネルごとに設ける必要はなく、全チャンネルまたは
適宜の複数のチャンネルに対して共通化するのが構成を
簡素化する点で好ましい。

【００３２】図３に、上記のような超音波送受信装置を
用いる超音波撮像装置のブロック図を示す。本装置は本
発明の実施の形態の一例である。本装置の構成によって
本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。

【００３３】図３に示すように、本装置は、超音波プロ
ーブ２(probe) を有する。超音波プローブ２は、図１に
示した超音波トランスデューサ３２２を複数個用いて構
成したマルチチャンネルのアレイを有する。アレイをな
す複数の超音波トランスデューサ３２２は、例えば前方
に張り出した円弧に沿って１次元的に配列される。すな
わち、超音波プローブ２はコンベックスプローブ(conve
x probe)となる。超音波プローブ２は、操作者により被
検体４に当接されて使用される。

【００３４】超音波プローブ２は送受信部６に接続され
ている。送受信部６は、超音波プローブ２に駆動信号を
与えて被検体４内に超音波を送波させるようになってい
る。送受信部６は、また、超音波プローブ２が受波した
被検体４からのエコー信号を受信するようになってい
る。超音波プローブ２と送受信部６からなる部分は、図
１に示した構成を例えばチャンネルごとに有する。

【００３５】超音波プローブ２および送受信部６によっ
て、例えば図４に示すような走査が行なわれる。同図に
示すように、放射点２００から発する音線２０２が円弧
２０４上を移動することにより、扇面状の２次元領域２
０６が走査され、いわゆるコンベックススキャンが行な
われる。音線２０２を超音波の送波方向（ｚ方向）とは
反対方向に延長したとき、全ての音線が一点２０８で交
わるようになっている。点２０８は全ての音線の発散点
となる。

【００３６】送受信部６はＢモード(mode)処理部１０お
よびドップラ(Doppler) 処理部１２に接続されている。
送受信部６から出力される音線毎のエコー受信信号は、
Ｂモード処理部１０およびドップラ処理部１２に入力さ
れる。

【００３７】Ｂモード処理部１０はＢモード画像データ
を形成するものである。Ｂモード処理部１０は、図５に
示すように対数増幅回路１０２と包絡線検波回路１０４
を備えている。Ｂモード処理部１０は、対数増幅回路１
０２でエコー受信信号を対数増幅し、包絡線検波回路１
０４で包絡線検波して音線上の個々の反射点でのエコー
の強度を表す信号、すなわちＡスコープ(scope) 信号を
得て、このＡスコープ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝
度値として、Ｂモード画像データを形成するようになっ
ている。

【００３８】ドップラ処理部１２はドップラ画像データ
を形成するものである。ドップラ処理部１２は、図６に
示すように直交検波回路１２０、ＭＴＩフィルタ(movin
g target indication filter) １２２、自己相関回路１
２４、平均流速演算回路１２６、分散演算回路１２８お
よびパワー演算回路１３０を備えている。

【００３９】ドップラ処理部１２は、直交検波回路１２
０でエコー受信信号を直交検波し、ＭＴＩフィルタ１２
２でＭＴＩ処理し、自己相関回路１２４で自己相関演算
を行い、平均流速演算回路１２６で自己相関演算結果か
ら平均流速を求め、分散演算回路１２８で自己相関演算
結果から流速の分散を求め、パワー演算回路１３０で自
己相関演算結果からドプラ信号のパワーを求めるように
なっている。

【００４０】これによって、被検体４内の血流等の平均
流速とその分散およびドプラ信号のパワーを表すそれぞ
れのデータ、すなわち、ドップラ画像データが音線毎に
得られる。なお、流速は音線方向の成分として得られ
る。流れの方向は、近づく方向と遠ざかる方向とが区別
される。

【００４１】Ｂモード処理部１０およびドップラ処理部
１２は画像処理部１４に接続されている。画像処理部１
４は、Ｂモード処理部１０およびドップラ処理部１２か
らそれぞれ入力されるデータに基づいて、それぞれＢモ
ード画像およびドップラ画像を生成するものである。

【００４２】画像処理部１４は、図７に示すように、バ
ス(bus) １４０によって接続された音線データメモリ(d
ata memory) １４２、ディジタル・スキャンコンバータ
(digital scan converter)１４４、画像メモリ１４６お
よび画像処理プロセッサ(prosessor) １４８を備えてい
る。

【００４３】Ｂモード処理部１０およびドップラ処理部
１２から音線毎に入力されたＢモード画像データおよび
ドップラ画像データは、音線データメモリ１４２にそれ
ぞれ記憶される。音線データメモリ１４２内には音線デ
ータ空間が形成される。

【００４４】ディジタル・スキャンコンバータ１４４
は、走査変換により音線データ空間のデータを物理空間
のデータに変換するものである。ディジタル・スキャン
コンバータ１４４によって変換された画像データは、画
像メモリ１４６に記憶される。すなわち、画像メモリ１
４６は物理空間の画像データを記憶する。画像処理プロ
セッサ１４８は、音線データメモリ１４２および画像メ
モリ１４６のデータについてそれぞれ適宜のデータ処理
を施す。

【００４５】画像処理部１４には表示部１６が接続され
ている。表示部１６は、画像処理部１４から画像信号が
与えられ、それに基づいて画像を表示するようになって
いる。なお、表示部１６は、カラー（color)画像が表示
可能なものとなっている。

【００４６】以上の送受信部６、Ｂモード処理部１０、
ドップラ処理部１２、画像処理部１４および表示部１６
は制御部１８に接続されている。制御部１８は、それら
各部に制御信号を与えてその動作を制御するようになっ
ている。また、被制御の各部から各種の報知信号が入力
されるようになっている。

【００４７】制御部１８の制御の下で、Ｂモード動作お
よびドップラモード動作が実行される。制御部１８には
操作部２０が接続されている。操作部２０は操作者によ
って操作され、制御部１８に所望の指令や情報を入力す
るようになっている。操作部２０は、例えばキーボード
(keyboard)やその他の操作具を備えた操作パネル(pane
l) で構成される。

【００４８】このように構成された本装置において、送
受信部６により前述のように単極性の駆動信号により双
極性の超音波が送波される。したがって、そのエコーに
基づいて画像を生成することにより、超音波の周波数ス
ペクトラムの直流成分およびその近傍の低周波成分に影
響されない画質の良好な画像を得ることができる。

【００４９】なお、超音波ビームの送波と受波は、それ
ぞれ専用の超音波トランスデューサアレイで行なうよう
にしても良い。その場合、送波用の超音波トランスデュ
ーサの駆動は、上げ下することなしに一定に保ったレベ
ルを中心とし、その上下に高周波でレベルが交代する駆
動信号により行なうようにしても良い。これは、駆動制
御部を簡素化する点で好ましい。

【００５０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、単極性の駆動によって双極性の超音波を送波する
超音波トランスデューサ駆動方法および装置、並びに、
そのような超音波トランスデューサ駆動装置を備えた超
音波撮像装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図
である。

【図２】本発明の実施の形態の一例の装置における駆動
信号の一例の波形図である。

【図３】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図
である。

【図４】本発明の実施の形態の一例の装置による音線走
査の概念図である。

【図５】本発明の実施の形態の一例の装置におけるＢモ
ード処理部のブロック図である。

【図６】本発明の実施の形態の一例の装置におけるドッ
プラ処理部のブロック図である。

【図７】本発明の実施の形態の一例の装置における画像
処理部のブロック図である。

【符号の説明】

３００ 波形メモリ ３０２ コントローラ ３０４ Ｄ／Ａ変換器 ３０６ リニアパワーアンプ ３２２ 超音波トランスデューサ ５００ レベル上昇部 ５０２ レベル交代部 ５０４ レベル下降部 ２ 超音波プローブ ４被検体 ６ 送受信部 １０ Ｂモード処理部 １２ ドップラ処理部 １４ 画像処理部 １６ 表示部 １８ 制御部 ２０ 操作部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単極性の駆動信号により超音波トランス
   デューサを駆動する超音波トランスデューサ駆動方法で
   あって、 前記単極性の駆動信号のレベルを、第１のレベルを基準
   とし相対的に高レベルの第２のレベルと相対的に低レベ
   ルの第３のレベルとの間で交代させる、ことを特徴とす
   る超音波トランスデューサ駆動方法。
2. 【請求項２】 単極性の駆動信号により超音波トランス
   デューサを駆動する超音波トランスデューサ駆動装置で
   あって、 第１のレベルを基準とし相対的に高レベルの第２のレベ
   ルと相対的に低レベルの第３のレベルとの間でレベルが
   交代する単極性の駆動信号により前記超音波トランスデ
   ューサを駆動する駆動手段、を具備することを特徴とす
   る超音波トランスデューサ駆動装置。
3. 【請求項３】 超音波トランスデューサを単極性の駆動
   信号で駆動して超音波を送波し、エコー受信信号に基づ
   いて画像を生成する超音波撮像装置であって、 第１のレベルを基準とし相対的に高レベルの第２のレベ
   ルと相対的に低レベルの第３のレベルとの間でレベルが
   交代する単極性の駆動信号により前記超音波トランスデ
   ューサを駆動する駆動手段、を具備することを特徴とす
   る超音波撮像装置。