JP2002540881A - 超音波カテーテル用前置増幅器と保護回路 - Google Patents
超音波カテーテル用前置増幅器と保護回路Info
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Abstract
Description
回路を備えた超音波カテーテルに関する。
るようになっている。その際、臨床医は大腿動脈から大動脈を介して冠動脈へと
ガイドワイヤを挿通するのが通常である。ガイドワイヤが適所に達したら、その
遠位端に回転トランスジューサが接続されている送信線のある超音波カテーテル
をガイドワイヤに沿って冠動脈へと挿通する。図1に示したように、トランスジ
ューサ10から生じた信号は送信線15を介して信号処理器20へと送られる。
この時の信号は、振幅が小さく、5〜6フィート(約12.5〜15.0cm)もあ
る送信線15を伝播しなければならないことから、この送信線15での送信時に
ノイズが混入し、そのために重大な問題を惹起している。
も抱えている。例えば、トランスジューサは圧電共振体で構成されているのが一
般的であるから、トランスジューサのインピーダンスには著しい静電容量成分が
含まれている。例えばトランスジューサのインピーダンスの虚成分を除去する誘
導成分を加えることでそのインピーダンスを「調整(tune)」すると、トランスジュ
ーサの効率と帯域幅が大きくなる。帯域幅が大きいと超音波パルス幅が短くなり
、画像解像度が改善される。また、トランスジューサは、最大性能を引き出すた
めには送信線の特性インピーダンスとインピーダンス整合がとれていなければな
らない。
ューサの送信線に対する調整と整合とを容易に行える改良された血管内超音波シ
ステムが望まれているのである。
を設ければ、トランスジューサ信号の振幅を大きくすることができ、それにより
ノイズの影響を緩和することができる。また、そのような前置増幅器を利用すれ
ば、トランスジューサのインピーダンスを調整する必要はなくなり、整合をとる
のも容易になる。トランスジューサの近傍に設けた前置増幅器は、当該トランス
ジューサを励起するのに利用する高振幅電気パルスに曝されることがあるから、
斯かる前置増幅器としては、励起電気でその前置増幅器が破壊されるのを防ぐ回
路で保護されている必要がある。
イズに起因する問題の解消を狙ったものはない。例えば米国特許第4,674,515号
には回転式トランスジューサを利用した内視鏡超音波システムが開示されており
、ここでのトランスジューサは送信線の遠位端に配置されている。この米国特許
に開示されているシステムでは前置増幅器を利用しているけれども、この前置増
幅器はケーブルの近位端に設けられているので、信号が送信線に送られる前での
S/N比を改善することはできない。また、前置増幅器を前述のように近位端側
に設けているようでは、トランスジューサのインピーダンスの調整や整合を容易
にすることはできない。
続した超音波カテーテルからなる。前置増幅器はこの送信線の遠位側に接続され
、回転式トランスジューサとも接続されている。この前置増幅器の入力端と出力
端とは、保護回路により回転式トランスジューサを励起するのに利用する高振幅
電気パルス(トランスジューサ励起用信号)から保護されている。この保護回路は
、バック・ツー・バック(back-to-back)ダイオード回路か、ダイオードブリッジ回
路の何れかで構成されていてもよい。その他に、少なくとも一つのGaAsスイッチ
で保護回路を構成してもよい。好ましい実施の形態としては、少なくとも一つの
GaAsスイッチを利用して、このスイッチを前置増幅器の入力端と出力端とにそれ
ぞれ接続する二つのGaAsスイッチで構成するのが望ましい。この場合、各GaAsス
イッチは、前置増幅器を迂回する送信路と、前置増幅器と接続する受信路とに切
替え自在な双極単投(double pole single throw)型スイッチであってもよい。こ
のGaAsスイッチはトランスジューサ励起信号に応答して、このトランスジューサ
励起信号があるときには送信路に切り替わり、当該トランスジューサ励起信号が
ないときには受信路に切り替わるようになっている。
と整合しているのが望ましい。また、調整回路としては、トランスジューサのイ
ンピーダンスの虚成分を減らすために回転式トランスジューサと接続されている
のが望ましく、そのようにすることでトランスジューサの効率と帯域幅を大きく
することができる。
電力信号を多重化している。前置増幅器はインダクターを介してこの直流電力信
号を受信するが、このインダクターはトランスジューサ励起信号をブロックする
ようになっている。同様に、トランスジューサは、直流電力信号をンブロックす
るコンデンサを介してトランスジューサ励起信号を受信するようになっている。
前置増幅器の保護回路としてダイオードブリッジ回路を利用した場合、このダイ
オードブリッジ回路には電力信号が供給されるようにして、所要のダイオードブ
リッジバイアス電圧が得られるようにする。
を担わせている。この場合、前置増幅器と、利用しているのであればダイオード
ブリッジ回路もこの駆動ケーブルに接続して、直流電力信号が供給されるように
する。 本発明のまた別の実施の形態では、前置増幅器には外部から直流電力信号が供
給されないようにしている。その代わり、前置増幅器に近接して整流回路を設け
、この整流回路でトランスジューサ励起信号を整流することにより直流電力信号
を得ている。
信線15の遠位端に接続されている。この送信線15は同軸ケーブルであっても
よいし、ツイスト・ペアやその他の手段であってもよい。前置増幅器22も送信
線15の遠位端に接続されているが、この前置増幅器22は回転式トランスジュ
ーサ10から発生する受信信号を増幅する。ところで、前置増幅器は、それが適
切に稼働するためには直流電力信号を必要とする場合もあり、他方、回転式トラ
ンスジューサはトランスジューサ励起信号を必要としている。一実施の形態では
、トランスジューサ励起信号は双極性の高振幅パルスとしている。送信線15は
信号送信の信号路の役をなしているのみである。従って、本発明の超音波カテー
テルには、二つの異種信号、即ち、直流電力信号とトランスジューサ励起信号と
を供給できるように三種の実施の形態がある。
ーサ励起信号と直流電力信号とは多重化して送信線15に供給されている。この
送信線15の近位端では、各信号が回転式変圧器33を介して供給されるように
なっている。この回転式変圧器33には交流電力信号が供給されるようになって
いる。この交流電力信号1は、回転式変圧器33の回転側で(公知の方法で)整流
され、かくて直流電力信号が生成されるようになっている。トランスジューサ励
起信号は、直流電力信号の供給をブロックするブロッキング用コンデンサ31を
介して送信線15に供給される。同様に、直流電力信号は、トランスジューサ励
起信号をブロックするブロッキング用インダクタ32を介して送信線15に供給
されるようになっている。送信線15の遠位側にあっては、このように送信線1
5に供給された信号は同様にして元通りに戻される(demultiplexed)。従って、
ブロッキング用インダクタ35は前置増幅器22に直流電力信号を送給する一方
、トランスジューサ励起信号の送信をブロックしており、また、ブロッキング用
コンデンサ40は回転式トランスジューサ10に交流トランスジューサ励起信号
を送信する一方、直流電力信号の送給をブロックしているのである。
直流電力信号とは送信線15に供給するに当り多重化されることはない。その代
わり、送信線15はトランスジューサ励起信号と受信エコー信号だけを送信する
ようにしている。直流電力信号は外部駆動ケーブル40を介して供給するように
している。図示したように、外部駆動ケーブル40は一本の導体からなるものと
してもよく、その場合送信線の外部接地導体を共用するか、または、それとは独
立したものであってもよい。前置増幅器22はこの外部駆動ケーブル40と接続
されているので、直流電力信号を得ることができる。他方、回転式トランスジュ
ーサ10は送信線15に接続してあって、該送信線15を介してトランスジュー
サ励起信号の供給を受ける。
部から駆動ケーブル40を介して送られるようなこともなく、また、多重化して
送信線15に送られるようなこともない。その代わり、超音波カテーテル5が、
整流回路45においてトランスジューサ励起信号を整流することにより直流電力
信号を発生するようにしている。整流回路45は好ましくは、前置増幅器22の
出力端においてトランスジューサ励起信号と接続されているのが望ましく、これ
により整流作用に利用できる程、強力な信号を得ることができる。適当な整流回
路45として図5にそれを示すが、この整流回路45は抵抗46、ダイオード4
7、コンデンサ48からなる直列回路で構成されている。整流した直流電力信号
Vccはコンデンサ48に蓄えられる。このコンデンサ48と並列接続したツエナ
ーダイオード49は直流電力信号を規制する。当業者には、図5に示した整流回
路と同様に動作する回路がこの他に想到し得るのは明らかであろう。
が発生する受信信号を増幅する。トランスジューサ励起信号は、±50ボルトま
での電圧パルスから成り立っていてもよい。このような電圧スパイクでは、前置
増幅器22に損傷をもたらすことが考えられる。従って、本発明では、前置増幅
器22の入力端と出力端との両方に保護回路25を設けて、トランスジューサ励
起信号が前置増幅器2に入るのを防いでいる。別の実施の形態としては前置増幅
器22を保護するのにGaAsスイッチを利用しており、これを図6を参照しながら
説明する。
iased)とを想定している。保護回路がバイアス型であれば、図2において点線で
示したように直流電力信号に至るリード線が必要になる。図3を参照して、一種
のバイアス型保護回路25はダイオードブリッジ回路25で構成されている。適
当な保護回路25でのバイアス形態を図3に示す。ダイオード55は前置増幅器
22の入力端をトランスジューサ励起信号から守るようになっている。図示のよ
うに、ダイオード55は外部駆動ケーブル40から得られる直流電力信号でバイ
アスされている。しかしながら、別の方法として、前述のように多重化を利用し
た実施の形態や整流作用を利用した実施の形態においては直流電力信号が供給さ
れるようになっていてもよい。ダイオード55はトランスジューサ励起信号をブ
ロックする一方で、回転トランスジューサ10が発生する小さな振幅の受信信号
を供給するようになっている。何故なら、ダイオード55はバイアスされると全
てオン状態となり、それに伴って抵抗が比較的小さくなるからである。
号から守るようになっている。ダイオード56も、外部駆動ケーブル40から得
られる直流電力信号でバイアスされている。このダイオード56は、前置増幅器
22から発生し、増幅された受信信号を通す。何故なら、受信信号は増幅されて
いるものの、それでもダイオード56の遮断電圧(一般に、±0.7ボルト)より
も依然と低いからである。ブロッキング用コンデンサ60は、ダイオードブリッ
ジ回路25の入力端と出力端とを隔離している。
ック・ツー・バックダイオード30を用いている。好ましくは双極性であるトラン
スジューサ励起信号は、二相トランスジューサ励起信号が正電荷か、負電荷かに
応じてこれらのバック・ツー・バックダイオード30の何れかを交互に通過する。
しかし、このバック・ツー・バックダイオード30は、回転式トランスジューサ1
0の発生する振幅の小さい受信信号を通すようなことはないので、前置増幅器の
入力端と出力端とを効果的に隔離できるのである。
幅器の入力端と出力端とを保護するのに不バイアス型保護回路25として利用す
ることもできる。トランスジューサ励起信号の極性に拘らず、その振幅が大きけ
れば何れかのバック・ツー・バックダイオード30が導通して、パルスを接地へシ
ャントする一方、前置増幅器22への送信をブロックする。抵抗65は、バック
・ツー・バックダイオード30がトランスジューサ励起信号を回転式トランスジュ
ーサ10からシャントするのを防いでいる。前述のバック・ツー・バックダイオー
ド30に代わるものとして幾つかのその他の不バイアス型回路を利用することも
可能である。
幅のトランスジューサ励起信号から保護するために、図6に示すようにGaAsない
しそれと同等の高速稼働スイッチを利用することも想定している。GaAsスイッチ
70は、3〜4ナノ秒を超える速度で稼働するものである。従って、スイッチ7
0の開閉速度は、入力するトランスジューサ励起信号パルスを検出して、前置増
幅器の入力端と出力端とを切り離すことで前置増幅器の損傷を防ぐことができる
ほど高速である。同様に、GaAsスイッチもトランスジューサ励起信号のない時を
検出して、受信信号が送信線15を介して信号処理器20に供給されるように前
置増幅器22の入力端と出力端とをもとへ戻すようになっている。
増幅器22の入力端と出力端に設けることも考えられる。但し、図6に示した実
施の形態では、前述したように例えば外部駆動ケーブル40を介して直流電力信
号(図示せず)を供給する必要がでてくる。この場合、直流電力信号はGaAsスイッ
チ70と前置増幅器22とに稼働電力を供給するものとする。前置増幅器22の
出力端に配置したGaAsスイッチ70は送信線15と直結して、入力するトランス
ジューサ励起信号を検出するようにする。他方、前置増幅器22の入力端に配置
したGaAsスイッチ70は送信線15とは直結しない。従って、抵抗75を有する
制御信号路が、このGaAsスイッチ70に至る入力するトランスジューサ励起信号
の送給路を構成している。何れかのスイッチ70が入力するトランスジューサ励
起信号を検出した場合、両スイッチ70は送信側極(Txで示す)に切り替わる。こ
のようにして、トランスジューサ励起信号は両スイッチ70を介して回転トラン
スジューサ10へと流れる。スイッチ70が共にトランスジューサ励起信号がな
いと検出すると、両スイッチ70は受信側極(Recで示す)に切り替わる。この場
合、回転式トランスジューサからの受信信号は前置増幅器22を流れ、その後送
信線15を介して信号処理器20へと供給される(但し、図6では両スイッチは
送信側極に切り替わっている状態しか示していない)。
トランスジューサは共振体として稼働するが、圧電素子のインピーダンス内の有
意的な容量成分が、最終的に得られる効率と帯域幅とを下げてしまう。そこで図
2に示したように同調回路44を介してこの容量インピーダンス(以後、虚イン
ピーダンスないし虚成分と称する)を相殺すれば、システムの効率と帯域幅とを
向上させることができる。このような同調回路を用いれば、狭幅の超音波パスル
を生成することができるので、超音波撮像システムの解像度を向上することがで
きる。この同調回路44は、トランスジューサのインピーダンスの容量成分を相
殺する適当なインダクターからなる。図2に示した実施の形態では同調回路44
はトランスジューサ10と並設しているが、他に考えられる実施の形態としては
トランスジューサ10と直列接続してもよいし、並列接続してもよい。
10に接続することにより、幾つかの利点が得られる。図1に示した従来の超音
波カテーテル5を検討してみるに、回転式トランスジューサ10は一般に100
pF以下の容量を有しているのが通常である。他方、長さが少なくとも5〜6フ
ィート(約152〜185cm)もある送信線15の場合での全容量は150〜25
0pFもある。この容量では、信号処理器20でのS/N比がどうしても下がっ
てしまう。しかしながら、送信線15を回転式トランスジューサに直接接続する
のではなくて、本発明のように前置増幅器22に接続すれば、送信線15は前置
増幅器22の出力インピーダンスだけを「見る」と言うことになる。従来では、送
信線15の抵抗は50オームであり、インピーダンスは市販されている前置増幅
器により整合されている。従って、本発明は従来の回転式トランスジューサ10
と送信線15との間でのインピーダンスのミスマッチを除去している。しかも、
本発明では、同調回路44の必要性を減少している。今、同調回路44を利用し
ていない図3、図4、図6に示したそれぞれの実施の形態について言えば、この
実施の形態では前置増幅器22と回転式トランスジューサ10との間にインピー
ダンスのミスマッチがあるかもしれないが、 (使用超音波の周波数と波長から見
て送信線において) 前置増幅器が回転式トランスジューサ10に近接して配置し
ていることから、前記ミスマッチによる反射波作用を最小限に抑制できるのであ
る。
例について図示すると共に、説明した。しかしながら、本発明はそのような特定
の例に限られるものではなく、請求の範囲に含まれる全ての改変や代替実施に形
態も含まれるものとすべきである。
外部直流電力供給・保護回路を備えた超音波カテーテルのブロック図。
整流回路を備えた超音波カテーテルのブロック図。
テーテルのブロック図。
Claims (14)
- 【請求項1】 遠位端を有する送信線と、 該送信線へのカップリングを有し、送信線の前記遠位端への前記カップリング
に搬送されるトランスジューサ励起信号に応答するようになっていると共に、受
信信号を出力する回転式トランスジューサと、 入力端と出力端とを有し、直流電力信号で稼働させられる前置増幅器と、 前記回転式トランスジューサを前記前置増幅器の入力端に接続していて、前記
受信信号を前置増幅器の前記入力端に供給する、トランスジューサ励起信号から
前記前置増幅器を保護する第1保護回路と、 前記前置増幅器の出力端を前記送信線に接続していて、前記前置増幅器が出力
する増幅した受信信号を前記送信線に供給する、トランスジューサ励起信号から
前記前置増幅器を保護する第2保護回路とからなる超音波カテーテル。 - 【請求項2】 請求項1に記載のものであって、前記直流電力信号が前記送
信線を介して供給されることよりなる超音波カテーテル。 - 【請求項3】 請求項1に記載のものであって、駆動ケーブルを更に設け、
前記直流電力信号をこの駆動ケーブルを介して供給することよりなる超音波カテ
ーテル。 - 【請求項4】 請求項1に記載のものであって、前記第1および第2保護回
路は、それぞれが並列接続した一対のバック・ツー・バックダイオードからなる超
音波カテーテル。 - 【請求項5】 請求項1に記載のものであって、前記第1および第2保護回
路は、それぞれが、直流電力信号に接続することによりバイアスされるダイオー
ドブリッジからなる超音波カテーテル。 - 【請求項6】 請求項1に記載のものであって、同調回路を更に設け、これ
を回転式トランスジューサに接続したことからなる超音波カテーテル。 - 【請求項7】 請求項6に記載のものであって、前記同調回路がインダクタ
ーからなる超音波カテーテル。 - 【請求項8】 請求項1に記載のものであって、前記送信線と接続して整流
回路を設け、この整流回路でトランスジューサ励起信号を整流して前記直流電力
信号を生成することよりなる超音波カテーテル。 - 【請求項9】 請求項8に記載のものであって、前記整流回路が、互いに直
列接続したダイオードとコンデンサとからなり、前記直流電力信号がこのコンデ
ンサから精製されることよりなる超音波カテーテル。 - 【請求項10】 請求項9に記載のものであって、前記整流回路が、前記コ
ンデンサと並列接続したツエナーダイオードを更に備えてなる超音波カテーテル
。 - 【請求項11】 請求項1に記載のものであって、前記送信線の遠位端への
前記カップリングが、互いに並列接続した一対のバック・ツー・バックダイオード
からなる超音波カテーテル。 - 【請求項12】 遠位端を有する送信線と、 送信線で搬送されるトランスジューサ励起信号に応答するようになっていると
共に、受信信号を出力する回転式トランスジューサと、 入力端と出力端とを有する前置増幅器と、 前記送信線の前記遠位端に接続されて、トランスジューサ励起信号の有無に応
答すると共に、トランスジューサ励起信号があれば、前記トランスジューサ励起
信号を前記回転式トランスジューサに供給させるて前記前置増幅器の入力端と出
力端とを前記トランスジューサ励起信号から保護するが、トランスジューサ励起
信号がなければ、前置増幅器の前記入力端を前記回転式トランスジューサに接続
すると共に、前置増幅器の前記出力端を送信線の前記遠位端に接続する少なくと
も一つのスイッチとからなる超音波カテーテル。 - 【請求項13】 請求項12に記載のものであって、前記少なくとも一つの
スイッチがGaAsスイッチからなる超音波カテーテル。 - 【請求項14】 請求項13に記載のものであって、前記少なくとも一つの
スイッチが、双極単投型スイッチからなる第1スイッチと、双極単投型スイッチ
からなる第2スイッチとからなり、 前記第1スイッチは、送信線の前記遠位端に接続されており、而して、この第
1スイッチの一方の極は前置増幅器の前記出力端に、また、他方の極は前置増幅
器のバイパス回路にそれぞれ接続されており、前記トランスジューサ励起信号が
あるときにはそれに応答して第1スイッチの前記他方の極に切り替わり、また、
トランスジューサ励起信号がないときにはそれに応答して第1スイッチの前記一
方の極に切り替わるようになっており、 前記第2スイッチは、前記回転式トランスジューサに接続されており、而して
、この第2スイッチの一方の極は前置増幅器の前記入力端に、また、他方の極は
前記バイパス回路にそれぞれ接続されており、前記トランスジューサ励起信号が
あるときにはそれに応答して第2スイッチの前記一方の極に切り替わり、また、
トランスジューサ励起信号がないときにはそれに応答して第2スイッチの前記他
方の極に切り替わるようになっていることよりなる超音波カテーテル。
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