JP4814428B2 - 超音波カテーテル用前置増幅器と保護回路 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は超音波システムに関する。詳述すれば、本発明は、前置増幅器と保護回路を備えた超音波カテーテルに関する。
【０００２】
（背景技術）
血管内超音波システムのお陰で、臨床医は冠動脈やその他の血管内を撮像でき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１５２〜１８３ｃｍ)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。
【０００３】
血管内超音波システムは、送信線で加わるノイズばかりではなくて、他の問題も抱えている。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。
【０００４】
（発明の開示）
（発明が解決しようとする技術的課題）
そこで、当業界では、送信線から加わるノイズの影響を減少して、トランスジ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。
【０００５】
（その解決方法）
回転式トランスジューサの近傍であって、送信線からみて遠位側に前置増幅器を設ければ、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。
【０００６】
回転式トランスジューサを利用した従来の超音波システムで、送信線によるノ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。
特開平６−２１７９８０号公報は、送信高電圧パルスを振動子に供給するためのスイッチ回路と、振動子の近傍位置に配置された前置増幅器と、前置増幅器の前後にそれぞれ配置された２つの保護回路とを開示しており、記述したこれらの構成要素のすべてがプローブに収容されている。
【０００７】
ある革新的な面では、本発明は送信線の遠位側に回転式トランスジューサを接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。
【０００８】
好ましくは、前置増幅器の出力インピーダンスは送信線の特性インピーダンス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。
【０００９】
本発明の一実施の形態にあっては、送信線上のトラスジューサ励起信号で直流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。
【００１０】
本発明の別の実施の形態では、送信線外の駆動ケーブルに直流電力信号の送信を担わせている。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。
【００１１】
（発明を実施するための最良の形態）
図２において、回転式トランスジューサ１０は、超音波カテーテル５にある送信線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。
【００１２】
図２に示しているのが第１実施の形態で、斯かる実施の形態でのトランスジュ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１５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。
【００１３】
第２実施の形態は図３に示されており、ここではトランスジューサ励起信号と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。
【００１４】
図４は第３実施の形態を示すもので、この実施の形態では、直流電力信号は外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４７、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。
【００１５】
前置増幅器２２は直流電力信号の供給を受けて、回転式トランスジューサ１０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。
【００１６】
本発明では二種の保護回路２５、即ちバイアス型(biased)と不バイアス型(unbiased)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。
【００１７】
同様に、ダイオード５６は前置増幅器２２の出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。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。
【００１８】
図２と図３に示したそれぞれの実施の形態では、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１０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。
【００１９】
前述の一対のバック・ツー・バックダイオード３０は、図４に示すようの前置増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。
【００２０】
本発明では、保護回路２５を利用しているのみならず、前置増幅器２２を高振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７０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。
【００２１】
その他のスイッチ構成も考えられる。例えば、双極単投型スイッチ７０も前置増幅器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)。
【００２２】
回転式トランスジューサ１０は一般に圧電素子で構成されている。このような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。
【００２３】
本発明では、前置増幅器２２を送信線１５の遠位側で回転式トランスジューサ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１００ｐＦ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１５０〜２５０ｐＦ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。
【００２４】
本発明は、この他に種々の改変や代替実施の形態が考えられるところ、特定の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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の血管内超音波検査システムのブロック図。
【図２】 本発明の一実施の形態による超音波カテーテルのブロック図。
【図３】 本発明の一実施の形態による、ダイオードブリッジ回路からな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。
【図４】 本発明の一実施の形態による、前置増幅器に直流電力を供給する整流回路を備えた超音波カテーテルのブロック図。
【図５】 本発明の一実施の形態による整流回路の概略図。
【図６】 本発明の一実施の形態による、GaAsスイッチを利用した超音波カテーテルのブロック図。
【符号の説明】
５…超音波カテーテル １０…回転式トランスジューサ
１５…送信線 ２０…信号処理器
２２…前置増幅器 ２５…保護回路
３０…バック・ツー・バックダイオード ４０…外部駆動ケーブル
４４…同調回路 ４５…整流回路
４６…抵抗 ４７…ダイオード
４８…コンデンサ ５５…ダイオード
７０…GaAsスイッチ

Claims (6)

1. 遠位端を有する送信線（１５）と、
   該送信線（１５）へのカップリングを有し、送信線（１５）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（１０）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（２２）であって、前記直流電力信号が前記送信線を介しブロッキング用インダクタを通って前記前置増幅器に供給される前記前置増幅器と、
   前記回転式トランスジューサ（１０）を前記前置増幅器（２２）の入力端に接続していて、前記受信信号を前置増幅器（２２）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（２２）を保護する第１保護回路（２５）と、
   前記前置増幅器（２２）の出力端を前記送信線（１５）に接続していて、前記前置増幅器（２２）が出力する増幅した受信信号を前記送信線（１５）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（２２）を保護する第２保護回路（２５）とからなる超音波カテーテル（５）。
2. 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（２５）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（３０）からなる超音波カテーテル（５）。
3. 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（２５）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（２５）からなる超音波カテーテル（５）。
4. 請求項１に記載のものであって、同調回路（４４）を更に設け、これを回転式トランスジューサ（１０）に接続したことからなる超音波カテーテル（５）。
5. 請求項４に記載のものであって、前記同調回路（４４）がインダクターからなる超音波カテーテル（５）。
6. 請求項１に記載のものであって、前記送信線（１５）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（３０）からなる超音波カテーテル（５）。

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