JP2015513442A - 超音波変換器、電気パルス生成装置、およびこれらを含む超音波生成装置 - Google Patents

Abstract

超音波生成装置は、超音波変換器と電気パルス生成装置とを含む。超音波変換器は、電気パルス生成装置から電気パルスを受信して振動する圧電素子と、超音波変換器の特性情報を保存するメモリーと、を含む。そして、電気パルス生成装置は、周波数、電圧および電流のうちの一つ以上が可変可能な電気パルスを生成して出力することができるように形成される可変パルス生成器と、前記超音波変換器の特性情報を前記メモリーから受信する情報受信機と、前記情報受信機により受信される前記特性情報に基づいて、周波数、電圧および電流のうちの一つ以上が可変可能な電気パルスを前記可変パルス生成器が生成して出力するように前記可変パルス生成器を制御するコントローラーと、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、電気パルスを用いて超音波を生成する超音波変換器、電気パルスを生成する電気パルス生成装置、およびこれらを含む超音波生成装置に関する。

超音波変換器（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）は、圧電素子の両側に電極を形成させて圧電振動子を作り、単独または圧電振動子にケースなどを結合することによって構成され得る。超音波は、圧電振動子の電極に電気パルスを印加することによって圧電素子の振動が引き起こされ、それによって発生する。

超音波変換器は、通常、圧電素子の材料、形状、厚さなどにより固有の電気的特性が決定されるが、外部ケース、接着厚さ、使用環境、ひいては接着材によっても電気的特性が変わることがある。超音波変換器の電気的特性には、共振周波数、反共振周波数、位相、インピーダンスなどがあり、一般に共振周波数と同一の周波数の電気パルスを超音波変換器に印加すると、最も大きい超音波エネルギーを出力するようになる。共振周波数で圧電素子が最も大きい超音波エネルギーを出力するのは、共振周波数である時に超音波変換器のインピーダンスが最も低いためである。しかしながら、共振周波数で電気パルスを印加しても、電気パルス生成装置によっては、超音波変換器が最も高く出力されないこともある。このような原因は、電気パルス生成装置と超音波変換器のインピーダンスが互いに異なるためであるが、一般に電力供給部と負荷端のインピーダンスが同一である時、最も大きい電力が伝達されるためである。したがって、超音波変換器で最も大きい超音波出力を得るためには、共振周波数と共にインピーダンスが互いにマッチングされなければならない。そのために、超音波変換器および電気パルス生成装置にはインピーダンスマッチング回路が別途に構成されている場合もある。

しかしながら、電気パルス生成装置に比べて超音波変換器の電気的特性は前述したように多様な要素により非常に敏感に変わってインピーダンスをマッチングすることが現実的に難しい問題である。特に、同一の電気パルス生成装置を用いるが、超音波変換器が寿命性、故障など多様な原因で頻繁に交換されて使用される場合には、さらに難しい問題である。

最近は、超音波が超音波刺激器、高強度集束超音波治療器など医療機器に多様に活用されながら、超音波周波数および超音波エネルギーの強度も高まっており、超音波エネルギーの出力を高め、安定化させる技術が多様に試みられている。

一般に超音波変換器の共振周波数および出力強度を高めるためには、適切な圧電素子の材料、形状などの物理的な条件と共に、共振周波数とインピーダンスマッチングなどの電気的な結合が重要である。しかしながら、前述したように超音波変換器の共振周波数およびインピーダンスなど電気的な特徴を一定に製作するのは現実的に非常に難しい問題である。しかも、超音波変換器の共振周波数が高かったり、構造が複雑で、超音波出力強度が高い場合には、超音波変換器の特性を同一に合わせることはさらに難しい。このような製造工程上の困難により同一の特性を意図して製作された超音波変換器でも、電気的な特性が異なる場合も多い。このような差は、装置の再現性、治療効果などに悪影響を与えるようになる。幸いそれぞれの超音波変換器にインピーダンスマッチング回路などを追加して電気的特性を合わせるとしても、インピーダンスマッチング回路の構成に消耗する時間と経済的な費用が非常に高く、製造単価を上昇させる。

本発明が解決しようとする課題は、超音波変換器の製造過程で発生し得る多様な要因により引き起こされる超音波変換器の不均一性により、超音波の出力が不均一であるか、または超音波出力強度が弱くなるなどの問題を解決することができる超音波変換器、電気パルス生成装置、およびこれらを含む超音波生成装置を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る超音波を生成する超音波変換器は、電気パルス生成装置から電気パルス信号を受信して振動する圧電素子と、メモリーとを含む。前記メモリーは、前記超音波変換器の特性情報を保存する。

前記超音波変換器の特性情報は、予め測定された前記超音波変換器の共振周波数、インピーダンス、周波数別出力強度、周波数別インピーダンス、供給電源別出力強度、最大出力周波数、最大出力強度、使用時間および使用回数のうちの一つ以上を含むことができる。

前記超音波変換器の特性情報は、特定の電気パルス生成装置に結合して、予め測定された前記超音波変換器の共振周波数、インピーダンス、周波数別出力強度、周波数別インピーダンス、供給電源別出力強度、最大出力周波数および最大出力強度のうちの一つ以上を含むことができる。

前記超音波変換器の特性情報は、前記超音波変換器の使用時間および回数のうちの一つ以上をさらに含むことができる。

本発明の他の実施形態に係る超音波変換器は、前記圧電素子に連結されるインピーダンスマッチング回路をさらに含むことができる。

一方、本発明の実施形態に係る電気パルス生成装置は、可変的周波数を有する電気パルスを生成して出力することができるように形成される可変パルス生成器と、電気パルスを供給される超音波変換器の特性情報を外部から受信する情報受信機と、前記情報受信機により受信される前記超音波変換器の特性情報に基づいて、周波数、電圧および電流のうちの一つ以上が可変可能な電気パルスを前記可変パルス生成器が生成して出力するように前記可変パルス生成器を制御するコントローラーと、を含む。

前記超音波変換器の特性情報は、予め測定された前記超音波変換器の共振周波数を含むことができ、前記コントローラーは、前記可変パルス生成器が前記超音波変換器の共振周波数と同一の周波数を有する電気パルスを生成して出力するように前記可変パルス生成器を制御することができる。

前記超音波変換器の特性情報は、予め測定された前記圧電素子の超音波出力エネルギーを含むことができ、前記コントローラーは、前記超音波出力エネルギーとユーザーが選択した出力強度とに基づいて算出される出力時間の間に前記可変パルス生成器が電気パルスを生成して出力するように前記可変パルス生成器を制御することができる。

前記超音波変換器の特性情報は、前記圧電素子の固有インピーダンス、前記圧電素子の使用時間及び使用時間のうちの一つ以上を含むことができ、前記コントローラーは、前記超音波変換器の特性情報に基づいて前記可変パルス生成器を制御することができる。

本発明の実施形態に係る超音波生成装置は、超音波変換器と、電気パルスを生成して出力する電気パルス生成装置と、を含む。前記超音波変換器は、前記電気パルス生成装置から電気パルス信号を受信して振動する圧電素子と、前記超音波変換器の特性情報を保存するメモリーと、を含む。そして、前記電気パルス生成装置は、周波数、電圧および電流のうちの一つ以上が可変可能な電気パルスを生成して出力することができるように形成される可変パルス生成器と、前記超音波変換器の特性情報を前記メモリーから受信する情報受信機と、前記情報受信機により受信される前記超音波変換器の特性情報に基づいて、周波数、電圧および電流のうちの一つ以上が可変可能な電気パルスを前記可変パルス生成器が生成して出力するように前記可変パルス生成器を制御するコントローラーと、を含む。

前記超音波変換器の特性情報は、予め測定された前記超音波変換器の共振周波数を含むことができ、前記コントローラーは、前記可変パルス生成器が前記超音波変換器の共振周波数と同一の周波数を有する電気パルスを生成して出力するように前記可変パルス生成器を制御することができる。

前記超音波変換器の特性情報は、予め測定された前記圧電素子の超音波出力エネルギーを含むことができ、前記コントローラーは、前記超音波出力エネルギーとユーザーが選択した出力強度とに基づいて算出される出力時間の間に前記可変パルス生成器が電気パルスを生成して出力するように前記可変パルス生成器を制御することができる。

前記超音波変換器の特性情報は、前記圧電素子の固有インピーダンス、前記圧電素子の使用時間および使用回数のうちの一つ以上を含むことができ、前記コントローラーは、前記超音波変換器の特性情報に基づいて前記可変パルス生成器を制御することができる。

本発明によれば、圧電素子を含む超音波変換器のメモリーに当該特性情報が保存されており、これが電気パルスを生成する基礎資料として用いられるため、超音波変換器の製造過程で生じる特性を克服し、所望する出力の超音波を生成することができる。

ひいては、超音波変換器の特性情報が周波数または超音波出力強度を含むため、ユーザーが選択した出力強度を正確に実現可能であり、必要な場合には、ユーザーの所望する特定の超音波エネルギーの照射のために特定の出力時間の間に電気パルスの印加が可能になる。このような発明の効果は、同一のシステムに消耗性で持続的に使用される超音波変換器が構成される場合、極大化することができる。

本発明の実施形態に係る超音波生成装置の概略的なブロック図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態に係る超音波変換器、電気パルス生成装置、および超音波生成装置について説明する。

超音波変換器は、電気パルスを受信して超音波を生成する装置であり、電気パルス生成装置は、超音波変換器の圧電素子を駆動する電気パルスを生成する装置であり、超音波生成装置は、超音波変換器と電気パルス生成装置の組み合わせに該当する装置である。超音波生成装置が超音波変換器および電気パルス生成装置を含むため、以下で本発明の実施形態に係る超音波変換器および電気パルス生成装置について別途説明せず、本発明の実施形態に係る超音波生成装置に含めて説明する。

図１を参照すれば、超音波変換器１０と電気パルス生成装置３０は、互いに電気的および情報信号のやり取りが可能に連結されるように形成される。通常、超音波変換器１０が電気パルス生成装置３０に比べて寿命が短いため、超音波変換器１０と電気パルス生成装置３０が互いに独立的な単位で形成され、必要に応じて連結可能に形成され得る。これによって、超音波変換器１０の寿命が終われば他の超音波変換器に交換して再使用できるようになる。

超音波変換器１０は、電気パルス生成装置３０から電気パルスを受信して振動する圧電素子１１を含む。圧電素子１１は、ケース形態のハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ）に設置され得る。例えば、圧電素子１１は、圧電セラミック層の両面に電極をそれぞれ形成して作られ、圧電セラミック層の両端の電極に電気信号が印加されることによって圧電素子１１が振動するようになる。

一方、超音波変換器１０は、電気パルス生成装置３０から電気パルスを受信可能にマッチングされる広帯域マッチングネットワーク（ｍａｔｃｈｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ）１２を含むことができる。例えば、マッチングネットワーク１２は、電気パルス生成装置３０から電気パルスを受信して圧電素子１１に伝送できる電気回路、電気パルス生成装置３０と超音波変換器１０のインピーダンス整合のためのインピーダンスマッチング回路などで構成され得る。

そして、超音波変換器１０は、圧電素子１１と、超音波変換器１０全体の特性情報を保存するメモリー１３とを含むことができる。ここで、超音波変換器１０の特性情報は、当該超音波変換器１０を用いる電気パルス生成装置に結合して、実施し、計測機器などによって実測して得ることもでき、当該超音波変換器１０の使用履歴情報を通じて得ることもでき、超音波変換器１０の各種の特性パラメータを含むことができる。例えば、特性情報は、当該超音波変換器１０の共振周波数、インピーダンス、位相、周波数別超音波出力強度、周波数別インピーダンス、供給電圧別出力強度、最大出力周波数、最大出力強度、使用時間および使用回数などを含むことができる。例えば、最大出力周波数と最大出力強度は、特定の周波数の電気パルスが印加された時に、出力される超音波の出力強度が最大である時の周波数と出力強度を測定して得られる。この時、特性情報は、超音波変換器１０で製造された状態で単独で計測機器を用いて測定することもでき、特定のパルス生成装置に連結されて駆動される状態で測定を通じて得ることもできる。例えば、最大出力周波数、最大出力強度、周波数別出力強度などは、特定のパルス生成装置により連結された状態で測定される値でありうる。この時の特定のパルス生成装置は、製造された超音波変換器１０が使用される装置でありうる。

そして、後述する電気パルス生成装置３０との連結のための連結部１４が備えられる。メモリー１３に保存された情報が連結部１４を通じて電気パルス生成装置３０に伝送される。例えば、連結部１４は、後述する電気パルス生成装置３０の情報受信機３５に連結される端子の形態で具現され得る。一方、メモリー１３に保存された情報は、ブルートゥースのような無線通信を通じて電気パルス生成装置３０に伝送されることもできる。

そして、図面には示されていないが、超音波変換器１０は、圧電素子１１に連結されるインピーダンスマッチング回路をさらに含むことができる。超音波変換器１０の製造過程で特定の範囲内に超音波変換器１０の特性が得られない場合、超音波変換器１０のインピーダンスを調節できるインピーダンスマッチング回路を予め備えることによって、後ほど所望の超音波出力を作るための過程が簡素化され得る。

一方、電気パルス生成装置３０は、可変パルス生成器３１を含む。可変パルス生成器３１は、可変的周波数を有する電気パルスを生成して出力することができるように形成される。つまり、可変パルス生成器３１は、必要に応じて互いに異なる周波数を有する電気パルスを生成して出力することができる。可変周波数を有する電気パルス生成装置３０自体は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に自明な事項であるため、これについての詳細な説明は省略する。

電気パルス生成装置３０により生成された電気パルスは超音波変換器１０に供給されるが、そのために、電気パルス生成装置３０は電気パルスが伝送されるケーブルを含むことができる。

コントローラー（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）３３は、可変パルス生成器３１を制御する。例えば、コントローラー３３は、可変パルス生成器３１が所定の周波数を有する電気パルスを生成するように制御することができ、また、所定時間の間に電気パルスを生成して出力するように制御することができる。コントローラー３３は、マイクロプロセッサー、メモリー、およびその他関連ハードウェアとソフトウェアを含むことができ、以下で説明する制御方法を行うように作動するコンピュータプログラムにより駆動される。

情報受信機３５は、電気パルスを供給される超音波変換器１０の特性情報をメモリー１３から受信することができる。例えば、情報受信機３５は、超音波変換器１０のメモリー１３に保存された情報を受信できる任意の装置で具現され、前述した連結部１４から情報を受信できる任意の装置で具現され得る。

情報受信機３５により受信された超音波変換器１０の特性情報は、コントローラー３３に伝送され、コントローラー３３は、受信された特性情報に基づいて可変パルス生成器３１の作動を制御する。つまり、コントローラー３３は、超音波変換器１０の特性情報に基づいて、周波数と電圧のうちの一つ以上が可変可能な電気パルスを可変パルス生成器３１が生成して出力するように可変パルス生成器３１を制御する。

次に、コントローラー３３が可変パルス生成器３１を制御する具体的な方法について説明する。

一例として、超音波変換器１０の特性情報が、予め測定された当該超音波変換器１０の最大出力周波数を含む場合、コントローラー３３は、超音波変換器１０の最大出力周波数と同一の周波数を有する電気パルスを生成して出力する。これによって、超音波変換器１０は、予め測定された自己の最大出力周波数と同一の周波数を有する電気パルスにより駆動され、これによって、超音波変換器１０が最大超音波エネルギーを出力することができる。

一方、超音波変換器１０の特性情報が、予め測定された当該超音波変換器１０の出力エネルギーを含む場合、コントローラー３３は、当該超音波変換器１０の超音波出力強度とユーザーが選択した出力エネルギーとに基づいて算出される出力時間の間に可変パルス生成器３１が電気パルスを生成して出力するように可変パルス生成器３１を制御する。ユーザーが選択可能な出力エネルギーを求める式は次のとおりである。

［式］
Ｊ＝Ｗ×Ｓ
ここで、Ｊは超音波エネルギーであり、Ｗは超音波出力強度であり、Ｓは時間である。

例えば、超音波変換器１０の出力強度値とユーザーが選択した出力エネルギーとを知ると、出力強度値に出力時間をかければ出力エネルギーが算出されるという関係を用いて出力時間を算出することができる。この時、出力強度値は、当該超音波変換器１０のメモリー１３に保存された周波数別出力強度値のうち、電気パルス生成装置３０から供給される周波数に相応する出力強度値を用いて設定され得る。このような方法は、同一の電気パルス生成装置に異なる超音波変換器を連結しても超音波変換器の特性情報を用いて常時同一の超音波出力が生成され得る。

ひいては、超音波変換器１０の特性情報は、当該超音波変換器１０の使用時間および使用回数のうちのいずれか一つ以上を含むことができる。超音波変換器１０の特性情報に使用時間および使用回数に対する情報が含まれている場合、コントローラー３３は、当該超音波変換器１０の使用時間および使用回数を確認し、持続的にアップデートして保存させることによって当該超音波変換器１０の履歴を容易に管理することができる。

以上で、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

本発明は、超音波変換器、電気パルス生成装置、および超音波生成装置に関するものであって、医療用機器などに適用可能であるため、産業上の利用可能性がある。

１０…超音波変換器
１１…圧電素子
１２…マッチングネットワーク
１３…メモリー
１４…連結部
３０…電気パルス生成装置
３１…可変パルス生成器
３３…コントローラー
３５…情報受信機

Claims (10)

1. 超音波を生成する超音波変換器であって、
   電気パルス生成装置から電気パルス信号を受信して振動する圧電素子と、
   前記超音波変換器の特性情報を保存するメモリーと、を含む超音波変換器。
2. 前記超音波変換器の特性情報は、予め測定された前記超音波変換器の共振周波数、インピーダンス、周波数別出力強度、周波数別インピーダンス、供給電源別出力強度、最大出力周波数、最大出力強度、使用時間および使用回数のうちの一つ以上を含む、請求項１に記載の超音波変換器。
3. 前記圧電素子に連結されるインピーダンスマッチング回路をさらに含む、請求項１に記載の超音波変換器。
4. 可変的周波数を有する電気パルスを生成して出力することができるように形成される可変パルス生成器と、
   電気パルスを供給される超音波変換器の特性情報を外部から受信する情報受信機と、
   前記情報受信機により受信される前記超音波変換器の特性情報に基づいて、周波数、電圧および電流のうちの一つ以上が可変可能な電気パルスを前記可変パルス生成器が生成して出力するように前記可変パルス生成器を制御するコントローラーと、を含む電気パルス生成装置。
5. 前記超音波変換器の特性情報は、予め測定された前記超音波変換器の共振周波数を含み、
   前記コントローラーは、前記可変パルス生成器が前記超音波変換器の共振周波数と同一の周波数を有する電気パルスを生成して出力するように前記可変パルス生成器を制御する、請求項４に記載の電気パルス生成装置。
6. 前記超音波変換器の特性情報は、予め測定された前記圧電素子の超音波出力エネルギーを含み、
   前記コントローラーは、前記超音波出力エネルギーとユーザーが選択した出力強度とに基づいて算出される出力時間の間に前記可変パルス生成器が電気パルスを生成して出力するように前記可変パルス生成器を制御する、請求項４に記載の電気パルス生成装置。
7. 超音波変換器と、
   電気パルスを生成して出力する電気パルス生成装置と、を含み、
   前記超音波変換器は、前記電気パルス生成装置から電気パルス信号を受信して振動する圧電素子と、前記超音波変換器の特性情報を保存するメモリーと、を含み、
   前記電気パルス生成装置は、周波数、電圧および電流のうちの一つ以上が可変可能な電気パルスを生成して出力することができるように形成される可変パルス生成器と、前記超音波変換器の特性情報を前記メモリーから受信する情報受信機と、前記情報受信機により受信される前記超音波変換器の特性情報に基づいて、周波数、電圧および電流のうちの一つ以上が可変可能な電気パルスを前記可変パルス生成器が生成して出力するように前記可変パルス生成器を制御するコントローラーと、を含む超音波生成装置。
8. 前記超音波変換器の特性情報は、予め測定された前記超音波変換器の共振周波数を含み、
   前記コントローラーは、前記可変パルス生成器が前記超音波変換器の共振周波数と同一の周波数を有する電気パルスを生成して出力するように前記可変パルス生成器を制御する、請求項７に記載の超音波生成装置。
9. 前記超音波変換器の特性情報は、予め測定された前記圧電素子の超音波出力エネルギーを含み、
   前記コントローラーは、前記超音波出力エネルギーとユーザーが選択した出力強度とに基づいて算出される出力時間の間に前記可変パルス生成器が電気パルスを生成して出力するように前記可変パルス生成器を制御する、請求項７に記載の超音波生成装置。
10. 前記超音波変換器の特性情報は、前記圧電素子の固有インピーダンス、前記圧電素子の使用時間および使用回数のうちの一つ以上を含み、
    前記コントローラーは、前記超音波変換器の特性情報に基づいて前記可変パルス生成器を制御する、請求項７に記載の超音波生成装置。

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