JP5449871B2

JP5449871B2 - 超音波診断装置用送信制御装置

Info

Publication number: JP5449871B2
Application number: JP2009135677A
Authority: JP
Inventors: 幸記山口
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-06-05
Also published as: JP2010279575A

Description

本発明は、超音波診断装置用の送信制御装置に関する。

超音波診断装置において、超音波振動子に供給する送信駆動パルスの電圧を制御することが行われている。

例えば、特許文献１には、出力電圧が可変である電源制御部が電圧制御信号に応じた電圧を出力し、その電圧信号をスイッチング素子でオン・オフして駆動パルスを生成する回路が開示されている。

また、特許文献２には、超音波診断装置の感度を一時的に上昇させるために、送信パワーを一時的に増大させる制御が開示されている。

また、特許文献３には、超音波手術器の超音波振動子の急激な応力変化を回避するために、振動子に供給する信号を増幅する増幅器の増幅率を徐々に増加させる技術が開示されている（特に第４実施例）。

特開２００１−２４５８８１号公報特開２００４−０１６２４１号公報特許第２７９６５４９号明細書

超音波診断装置の超音波振動子への送信駆動パルスを生成する回路の構成によっては、電源装置の電圧を急激に増大させると、ゲートパルスが供給されない状態でも電源装置と振動子との間のスイッチング素子がオン（すなわち接続）状態となってしまうなどの誤動作を生じる可能性があった。

本発明は、電源装置の構成または送信駆動パルス回路の構成を変更しなくても、電源装置の電圧を増大させた場合にスイッチング素子の誤動作が生じる可能性を低減できる装置を提供する。

本発明は、電圧指示値に応じて出力電圧可変の電源装置と超音波振動子との接続をゲートパルスに応じて開閉することで、前記超音波振動子に駆動パルスを供給するスイッチング素子と、前記駆動パルスの電圧の指定値を受け付ける電圧指定受付手段と、前記電圧指定受付手段により受け付けた前記指定値が前記電源装置の出力電圧の現在値よりも高い場合に、クロックから供給されるクロック信号に応じた周期ごとに、前記電源装置に対して前記現在値から前記指定値まで段階的に変化する電圧指示値を供給する手段であって、前記スイッチング素子の誤スイッチング動作を招かない上限の上昇率以下の上昇率で、前記電源装置に供給する前記電圧指示値を段階的に変化させる電圧指示手段と、を備える超音波診断装置用送信制御装置であって、前記電圧指示手段は、前記周期ごとに、あらかじめ定められたステップ幅ずつ上昇させた電圧指示値を前記電源装置に供給することを特徴とする。

更なる態様では、前記ステップ幅は、前記電源装置が可変できる最小の変化幅である。
参考例では、超音波診断装置用送信制御装置は、電圧指示値に応じて出力電圧可変の電源装置と超音波振動子との接続をゲートパルスに応じて開閉することで、前記超音波振動子に駆動パルスを供給するスイッチング素子と、前記駆動パルスの電圧の指定値を受け付ける電圧指定受付手段と、前記電圧指定受付手段により受け付けた前記指定値が前記電源装置の出力電圧の現在値よりも高い場合に、クロックから供給されるクロック信号に応じた周期ごとに、前記電源装置に対して前記現在値から前記指定値まで段階的に変化する電圧指示値を供給する手段であって、前記スイッチング素子の誤スイッチング動作を招かない上限の上昇率以下の上昇率で、前記電源装置に供給する前記電圧指示値を段階的に変化させる電圧指示手段と、を備え、前記スイッチング素子の誤スイッチング動作を招かない前記上限の上昇率は、スイッチング素子のゲートと前記電源装置との間に形成される回路の時定数に応じて定められたものであることを特徴とする。

本発明によれば、電源装置の出力電圧を上昇させる場合において、その上昇によるスイッチング素子が誤スイッチング動作の可能性を低減することができる。

実施の形態の電圧制御回路が適用される、超音波診断装置の送信系の例を示す図である。実施の形態の電圧制御回路の一例を示す機能ブロック図である。実施の形態による送信電圧のスロープの変化を説明するための図である。

まず、図１を参照して、実施の形態の電圧制御回路２０を備える、超音波診断装置の送信制御系を概略的に示す図である。

図１において、送信駆動パルス回路１０は、電源ユニット１２から出力される正負の高電圧"＋ＨＶ"及び"−ＨＶ"をスイッチングすることで、超音波プローブ（図示省略）中の振動子１６に供給する正負両極性を持つ駆動パルスを生成する。電源ユニット１２は、出力電圧（"＋ＨＶ"及び"−ＨＶ"）の大きさが可変の電源装置である。制御ソフトウエア１４は、超音波診断装置を制御するソフトウエアであり、この実施の形態では、特に電源ユニット１２の目標電圧（大きさ、すなわち絶対値）を指定する。この目標電圧は、送信駆動パルス回路１０が超音波振動子１６に供給する駆動パルスの大きさに対応する。目標電圧は、ユーザが入力装置を介して制御ソフトウエア１４に入力する場合もあれば、表示モードの切替などといった制御ソフトウエア１４の制御動作に応じて制御ソフトウエア１４が指定する場合もある。

ここで、送信駆動パルス回路１０の構成を更に詳しく説明する。

電源ユニット１２の正負の各端子は、それぞれ、スイッチング素子Ｑ１及びＱ３を介して、送信駆動パルス回路１０の出力端１８に接続されている。スイッチング素子Ｑ１は、例えばｎチャネルＭＯＳＦＥＴで構成され、そのゲートは、Ｑ１用の制御信号を増幅するアンプＩＣ１に対し、キャパシタＣ１を介して接続されている。また、スイッチング素子Ｑ１のゲートは、抵抗Ｒ１を介して、電圧ユニット１２の負側の出力に接続される。Ｑ１は、そのゲート電圧が電圧ユニット１２の負の出力電圧"−ＨＶ"であるときにオフ状態であるように構成される。

スイッチング素子Ｑ３は、例えばｐチャネルＭＯＳＦＥＴで構成され、そのゲートは、Ｑ３用の制御信号を増幅するアンプＩＣ３に対し、キャパシタＣ２を介して接続されている。また、スイッチング素子Ｑ３のゲートは、抵抗Ｒ２を介して、電圧ユニット１２の正側の出力に接続される。Ｑ２は、そのゲート電圧が電圧ユニット１２の正の出力電圧"＋ＨＶ"であるときにオフ状態であるように構成される。

また、出力端１８は、スイッチング素子Ｑ２を介して基準電位であるグラウンドに接続されている。Ｑ２と出力端１８との間には、Ｑ２に負電圧パルスが印加されないようにするためのダイオードＤ１が配置される。Ｑ２は、例えばｎチャネルＭＯＳＦＥＴで構成され、そのゲートはＱ２用の制御信号を増幅するアンプＩＣ２の出力に直接接続されている。

なお、出力端１８には、互いに逆向きに並列接続された一対のダイオードＤ２，Ｄ３が設けられる。これは、Ｑ２を介して基準電位と短絡している出力端１８から受信信号を保護するための構成である。受信信号は小信号であるため、ダイオードの接合電位差によってＱ１から隔絶することができる。

この回路１０では、正極の駆動パルスを発信する場合、ＩＣ３経由のＱ３用の制御信号（ゲートパルス）によりスイッチング素子Ｑ３がオン（閉成）し、これにより出力端１８の電位が０（Ｖ）から＋ＨＶ（Ｖ）へと変化する。このとき、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２は、それぞれ対応する制御信号によりオフ（開成）されている。

この正極パルスの期間の後、スイッチング素子Ｑ３はオフされ、スイッチング素子Ｑ２がオンされる。これにより、出力端１８は基準電位（グラウンド・レベル）に接続されるので、出力端１８の電位は０（Ｖ）へと急速に戻される。

また、負極の駆動パルスを発信する場合は、ＩＣ１経由のＱ１用の制御信号によりスイッチング素子Ｑ１がオン（閉成）し、これにより出力端１８の電位が０（Ｖ）から−ＨＶ（Ｖ）へと変化する。このとき、スイッチング素子Ｑ１は制御信号によりオフされている。なお、ダイオードＤ１によりスイッチング素子Ｑ２には負の信号は印加されないので、Ｑ１がオンしている期間、Ｑ２がオンしていてもよい。

さて、このような回路において、制御ソフトウエア１４からの指示に従って電源ユニット１２の出力電圧の大きさをＨＶからＨＶ＋ΔＶへと増大させた場合を考える。この場合、スイッチング素子Ｑ３のソース電位は即座にＨＶ＋ΔＶとなるが、ゲート電位がＨＶ＋ΔＶになるまでには、Ｃ２とＲ２からなるＣＲ回路の時定数に応じた時間を要する。したがって、電源ユニット１２の出力電圧が急激に増大すると、ゲートとソースの電位差が、Ｑ３がオンするのに十分なほど大きくなる期間ができる場合がある。この場合、誤った波形パターンのパルスが発せられることになる。また、このとき、スイッチング素子Ｑ２がオンしていると、電源ユニット１２と基準電位が短絡してしまうことになる。

このように、制御ソフトウエア１４から電源ユニット１２の出力電圧の変更が指示された場合、その指示に係る変更後の電圧値を即座に電源ユニット１２に指示したのでは、出力電圧の急激な変化により、上述のようなスイッチング素子Ｑ３の誤動作を招く可能性があった。

このような事態を防ぐため、この実施の形態の送信系には、電圧制御回路２０が設けられている。電圧制御回路２０は、制御ソフトウエア１４からの指示に応じて電源ユニット１２の出力電圧を制御する。ここで、電圧制御回路２０は、制御ソフトウエア１４から出力電圧（大きさ）の変更が指示された場合に、電源ユニット１２の出力電圧を指示された変更後の電圧値へと即座に変更するのではなく、時間を掛けて段階的に変更後の電圧値へと変更していく。この段階的な電圧変更（上昇）では、電圧上昇率が、スイッチング素子Ｑ３のゲート・ソース間にＱ３をオンするのに十分な電位差を生じさせない上限の上昇率以下となるように制限される。このような上限の上昇率は、例えば、Ｃ２とＲ２からなるＣＲ回路の時定数から定めることができる。

電圧制御回路２０の一例を、図２を参照して説明する。スイッチング素子Ｑ３の誤動作が問題となるのは電源ユニット１２の出力電圧の大きさを増大させるときであるが、以下では出力電圧を減少させるときにも、同様の変化率の制限を行う場合の例を説明する。

この回路は、機能的に見ると、差分設定部２２、ステップ数カウント部２４、クロック部２６及び電圧指定部２８を備える。

差分設定部２２には、制御ソフトウエア１４から電源ユニット１２の出力電圧の目標値（変更後の電圧値）が入力される。差分設定部２２は、電圧指示部２８が現在電源ユニット１２へと指示している出力電圧（大きさ）の値（現在値）とその目標電圧値との差分を求める。そして、その差分を電圧指示部２８の電圧変更ステップ幅で除することで、電源ユニット１２の出力電圧を現在値から目標値へと段階的に変更していく際の、変更のステップ数を求める。求めたステップ数は、ステップ数カウント部２４に設定される。また、差分設定部２２は、電圧指示部２８に対し、電源ユニット１２への電圧指示値の変更の方向、すなわち電圧指示値を上昇（増大）させるのか下降（減少）させるのか、を指示する。すなわち、目標電圧値が現在値より大きければ上昇、小さければ下降を指示する。また、差分設定部２２は、制御ソフトウエア１４から変更後の目標電圧値を受け取ると、クロック部２６に対して、クロック信号の出力開始を指示するスタートトリガを発する。

このスタートトリガを受けたクロック部２６は、ステップ数カウント部２４から停止信号を受け取るまでの間、あらかじめ定められた周期を持つクロック信号を発する。このクロック信号は、ステップ数カウント部２４と電圧指示部２８に入力される。

ステップ数カウント部２４は、差分設定部２２から設定されたステップ数を初期値として、クロック部２６からクロック信号を受けるごとに、カウント値を１ずつデクリメントしていく。そして、カウント値が０になると、クロック部２６に停止信号を発する。停止信号を受けたクロック部２６は、クロック信号の出力を停止する。

電圧指示部２８は、電源ユニット１２に対して電圧指示値を出力するための手段である。電源ユニット１２は、電圧指示値を受け取ると、電源ユニット１２自身の出力電圧値を、現在の値からその電圧指示値へと変化させる。なお、電圧指示値は出力電圧の大きさを指示するものであり、電源ユニット１２は、正負両極性の高電圧（"＋ＨＶ"及び"−ＨＶ"）の大きさを、それぞれその指示値に合わせるようにする。

この実施の形態の電源ユニット１２は、差分設定部２２から、電圧指示値の変更方向、すなわち上昇か下降か、が設定される。そして、クロック部２６からクロック信号を受け取るごとに、現在電源ユニット１２に供給している電圧指示値から、設定された変更方向に、あらかじめ定められた変更ステップ幅だけ電圧指示値を変化させる。例えば、変更方向が上昇方向と設定されていれば、現在の電圧指示値に対し、変更ステップ幅を加算することで、新たな電圧指示値を求める。そして、求めた電圧指示値を電源ユニット１２に供給する。このような動作が、クロック部２６からクロック信号が到来するごとに繰り返される。この繰り返しは、差分設定部２２がステップ数カウント部２４に設定したステップ数だけ実行される。この繰り返しにより、電源ユニット１２への電圧指示値が、制御ソフトウエア１４から目標電圧の変更が指示された時点の値から目標電圧値へと、クロック信号の周期ごとに変更ステップ幅ずつ段階的に上昇する。

図３には、この実施の形態の制御を行わない場合（図中、破線グラフ）と、行う場合（図中、実線グラフ）とでの、電源ユニット１２の出力電圧の変化の違いが例示される。この例では、制御ソフトウエア１４が指定する目標電圧が最初０Ｖから「ａ」Ｖへと上げられ、次に「ｂ」Ｖへと下げられ、更に「ｃ」Ｖへと上げられ、最後に０Ｖへと下げられた場合の、電源ユニット１２の出力電圧の大きさの時間的な変化をグラフで示している。例示するように、実施の形態の制御を行わない場合（すなわち制御ソフトウエア１４から指定された目標電圧が直接電源ユニット１２に設定される場合）には、送信駆動パルス回路１０の送信電圧は、破線グラフで示すように、電源ユニット１２の（電圧変更指示に対する）応答速度で急速に変化する。これに対し、実施の形態の制御を適用した場合、実線グラフが示すように、電源ユニット１２の応答速度よりも緩やかな時間変化率で電圧が変化する。実施の形態の制御による出力電圧の時間変化率を適切に設定することで、スイッチング素子Ｑ３の誤動作を招かないようにすることができる。

すなわち、この構成では、変更ステップ幅をクロック信号の周期で除した結果の値が、電源ユニット１２の出力電圧の上昇率（或いは下降率）となる。例えばクロック信号の周期が固定であれば、変更ステップ幅の大きさを、Ｃ２及びＲ２からなるＣＲ回路の時定数に合わせて適切に定めることで、電源ユニット１２の出力電圧の上昇率が、スイッチング素子Ｑ３の誤ったスイッチング動作（すなわち誤ってオンすること）を招かない程度の上昇率に制限されるようにすることができる。適切な変更ステップ幅は、実験やコンピュータシミュレーションなどで求めてもよい。このように定めた変更ステップ幅を、電圧指示部２８に設定しておけばよい。

また、電圧指示部２８の変更ステップ幅が固定の場合は、例えばクロック部２６のクロック周期を、スイッチング素子Ｑ３のゲート側のＣＲ回路の時定数に応じて適切に定めることで、同様にスイッチング素子Ｑ３の誤ったスイッチング動作を招かないようにすることができる。例えば、電圧指示部２８の変更ステップ幅を、電源ユニット１２が対応可能な最小の変更刻み幅に一致させておき、出力電圧の変化率はクロック周期で調整するようにしてもよい。電源ユニット１２の最小の変更刻み幅を用いることで、電源ユニット１２の出力電圧の変化を滑らかにすることができる。

なお、様々な送信駆動パルス回路１０に対して電圧制御回路２０を適用する場合、送信駆動パルス回路１０中のスイッチング素子のゲート側（ゲートと電源ユニット１２との間）に形成される回路の時定数に応じて、変更ステップ幅又はクロック周期（又はその両方）を定めることで、電源電圧上昇時のそのスイッチング素子の誤スイッチング動作を回避することができる。

以上の実施の形態において、電圧制御回路２０は、例えばＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などといったハードウエア回路として構成してもよいし、プログラムにより実装してもよい。

以上の例では、電源ユニット１２の出力電圧を増大させる場合、減少させる場合の両方に、その変化（増大又は減少）のレート（変化率）を制限するための制御を適用した。しかし、これは一例に過ぎない。スイッチング素子の誤動作が問題となる、出力電圧の上昇局面にのみ、上述の制御を適用するようにしてももちろんよい。この場合、例えば図２の構成の差分設定部２２が電圧指示値の現在値と目標値とを比較し、目標値の方が小さければ、ステップ数カウント部２４及びクロック部２６による漸増制御をスキップして、その目標値を電圧指示部２８にそのまま指示するようにすればよい。

１０送信駆動パルス回路、１２電源ユニット、１４制御ソフトウエア、１６振動子、１８出力端。

Claims

電圧指示値に応じて出力電圧可変の電源装置と超音波振動子との接続をゲートパルスに応じて開閉することで、前記超音波振動子に駆動パルスを供給するスイッチング素子と、
前記駆動パルスの電圧の指定値を受け付ける電圧指定受付手段と、
前記電圧指定受付手段により受け付けた前記指定値が前記電源装置の出力電圧の現在値よりも高い場合に、クロックから供給されるクロック信号に応じた周期ごとに、前記電源装置に対して前記現在値から前記指定値まで段階的に変化する電圧指示値を供給する手段であって、前記スイッチング素子の誤スイッチング動作を招かない上限の上昇率以下の上昇率で、前記電源装置に供給する前記電圧指示値を段階的に変化させる電圧指示手段と、
を備え、
前記電圧指示手段は、前記周期ごとに、あらかじめ定められたステップ幅ずつ上昇させた電圧指示値を前記電源装置に供給する、ことを特徴とする超音波診断装置用送信制御装置。
請求項１に記載の超音波診断装置用送信制御装置であって、前記ステップ幅は、前記電源装置が可変できる最小の変化幅であることを特徴とする、超音波診断装置用送信制御装置。