JP5807459B2 - 超音波センサー制御装置および生体検査装置 - Google Patents
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Description
特許文献1には、超音波を出力するためのパルス信号を発生させる発振器本体と、発振器本体からのパルス信号により超音波を出力する振動子と、振動子及び発振器本体とを接続し、発振器本体から出力されるパルス信号を、振動子に応じた電気特性に調整する接続ユニットを備えた超音波振動装置が開示されている。
特許文献2には、測定部位に応じて、出力する超音波の出力値(音響パワー)を予め設定された規格値に設定する超音波診断装置が開示されている。
ここで、本発明における駆動信号とは、送信部の超音波トランスデューサーを制御する信号であり、駆動周波数及び駆動電位(電圧)を制御するための信号である。
また、本発明においてセンサー部が送信部及び受信部を備えるとは、送信部が受信部を兼ねる構成をも含むものである。したがって、本発明のセンサー部としては、超音波発信用の超音波トランスデューサーが配置された送信部と、超音波受信用の超音波トランスデューサーが配置された受信部とが設けられる構成の他、例えば、送信部の発信周波数が異なる複数の超音波トランスデューサーのうち、駆動信号印加手段により駆動信号が印加されていない超音波トランスデューサーが受信部を構成して、反射された超音波を受信する構成などとしてもよい。また、超音波を発信した超音波トランスデューサー自身で、反射超音波を受信する構成、すなわち、1つの超音波トランスデューサーを送信部としても受信部としても機能させる構成としてもよい。
また、電圧変更手段は、受信信号取得手段により取得された受信信号に基づいて、当該受信信号の受信電圧が所定の計測可能電圧以上となるように、駆動電圧を設定する。ここで、計測可能電圧としては、測定時において、適切な受信信号(受信電圧)を安定して処理することができる最適値が設定されている。このため、受信電圧が計測可能電圧以上となるように、最適な駆動電圧を設定することで、受信感度を安定させることができ、適切な測定処理を実施することが可能となる。
以上により、本発明では、測定対象に対応して、適切な周波数で、かつ適切な出力値の超音波を出力することができ、精度の高い超音波制御を実施することができる。
つまり、密着層と測定対象とが剥がれている状態では、密着層と測定対象との間に空気層が介在することとなり、送信部から発信された超音波が密着層と空気層との境界で反射されて受信部で受信されてしまう。このような場合、測定対象の測定部位で反射された超音波を受信することができないため、駆動電圧の調整や測定処理を適切に実施できない。
これに対して、本発明では、剥がれ検出手段が設けられている。上述のように、送信部から発信された超音波が密着層と空気層との境界で反射されて受信部で受信された場合、超音波が測定部位で反射された場合に比べて、超音波発信から受信までの時間が短くなる。したがって、剥がれ検出手段は、超音波発信から受信までの時間に基づいて、剥がれがあるか否かを判断することができる。
このような剥がれ検出手段を設けることで、剥がれが検出されていない状態での適切な駆動電圧の設定を実施することができる。また、剥がれが検出された場合では、例えば電圧変更手段による駆動電圧の変更や、駆動信号印加手段による超音波トランスデューサーへの駆動信号の印加を停止させることが可能となり、駆動電圧の設定や測定処理をより正確に実施することができる。
また、センサー基板の外周部において、密着層が測定対象から剥がれている場合でも、センサー基板の中心部の測定用の超音波センサーが設けられている部分では、測定対象と密着層とが密着されている場合がある。このような場合、外周部の剥がれがセンサー部の全体に波及しやすく、例えばセンサー制御装置の起動時に剥がれがなくとも、計測時や駆動電圧の設定時に剥がれが発生してしまう場合がある。これに対して本発明のように、送信部の外側の領域であるセンサー外周部に剥がれ検出用の送信部及び受信部を設けることで、このようなセンサー部の全体に波及する剥がれを未然に防ぐことができ、より迅速に駆動電圧の設定、測定処理を実施することができる。
また、距離測定手段は、超音波が発信されてから反射超音波が受信されるまでの時間に基づいて、測定対象の表面から超音波反射位置までの距離を算出する。さらに、反射波特定手段は、記憶部から、設定された測定部位に対する当該測定部位の深さ範囲を読み出し、距離測定手段により算出された距離が、測定部位の深さ範囲となる超音波を特定する。そして、電圧変更手段は、この特定した超音波を受信した際の受信電圧が計測可能受信電圧以上となるように駆動電圧を設定する。
このような構成とすることで、電圧変更手段は、測定部位に対応した適切な駆動電圧を設定することができる。つまり、センサー部から超音波を出力した場合、測定対象の測定部位で反射された超音波の他、測定部位とは異なる位置で反射された超音波が反射されることがある。この場合、電圧変更手段により、測定部位とは異なる位置で反射された超音波に基づいて駆動電圧を設定すると、測定した位置である測定部位からの反射超音波の受信電圧が計測可能電圧未満となる場合があり、この場合、精度の高い測定を実施できないおそれがある。これに対して、本発明では、測定部位から反射された反射超音波の受信による受信電圧に基づいて、駆動電圧を設定するため、測定部位に対して適切な出力値の超音波を出力可能な状態に設定することができ、測定部位の測定精度を向上させることができる。
ここで、電子機器としては、例えば、生体内の各種情報を超音波により収集する生体検査装置や、ウエハー等の形状検査を実施するウエハー検査装置等、超音波により対象物を測定したり、測定結果に基づいて各種処理を実施したりする機器を挙げることができる。
そして、上述したように、超音波センサー制御装置は、測定対象に対応して、適切な周波数、適切な駆動電圧で超音波を出力することができるため、測定対象の正確な測定結果を取得することができ、電子機器における電子処理の精度を向上させることができる。
前記駆動信号の駆動電圧を変更する電圧変更ステップと、を備え、前記電圧変更ステップは、前記受信信号取得手段により取得された前記受信信号の受信電圧が所定の測定可能電圧以上となるように、前記駆動電圧を変更することを特徴とする。
以下、本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明する。
本実施形態では、本発明の超音波センサー制御装置を備えた生体検査装置を説明する。
[生体検査装置の構成]
図1は、本実施形態における生体検査装置の概略構成を示す斜視図であり、(A)は、生体検査装置の表面側、(B)は生体検査装置の裏面側を示す図である。
図1において、生体検査装置100は、超音波により生体内の器官の情報を取得する装置である。この生体検査装置100は、図1に示すように、装置本体101と、装置本体101に接続されるバンド102を備えている。そして、このような生体検査装置100は、裏面を生体に密着させた状態でバンド102を締めることで生体に装着され、例えば24時間生体内の器官の状態を監視、測定することが可能となる。
表示部103は、生体内の器官の測定結果や、測定を実施する際の初期設定や警告等を表示する。
操作部104は、生体検査装置100を操作する際の各種ボタンや操作ツマミ等を備えている。なお、表示部103上の画像に触れることで生体検査装置100を操作することが可能なタッチパネル等を採用してもよい。
図2は、センサー窓105から外部に露出されたセンサー部20の露出部の構成を示す平面図である。図3は、超音波トランスデューサーの概略構成を示す平面図及び断面図である。
センサー部20は、図2に示すように、センサー基板21と、センサー窓105の中心部でセンサー基板21上に配置される送信部22と、センサー基板21上で送信部22を挟んで設けられる2つの受信部23と、センサー基板21の外周部でセンサー窓105の角部に設けられる剥がれ検出部24と、センサー基板21,送信部22,受信部23,及び剥がれ検出部24を覆う密着層25と、を備えている。
これらの送信部22、受信部23、及び剥がれ検出部24は、センサー基板21上に、複数の超音波トランスデューサー30が2次元アレイ構造に配設されることで構成されている。なお、本実施形態では、1つの送信部22に対して、2つの受信部23が送信部22を挟む状態に配置される構成を示すが、例えば、送信部22及び受信部23が交互に配設され、センサー基板21上に複数の送信部22及び受信部23が配置される構成や、送信部22の外周を囲うように4つ以上の受信部23が配置される構成としてもよい。
ここで、送信部22や受信部23、剥がれ検出部24に配置される各超音波トランスデューサー30の概略構成について以下に説明する。
超音波トランスデューサー30は、開口部211を有する前述のセンサー基板21と、センサー基板21の一面側に形成された支持膜32と、支持膜32上に形成された圧電素子33とを備えている。そして、送信部22や剥がれ検出部24の剥がれ検出用送信部241に設けられる超音波トランスデューサー30は、圧電素子33に電圧を印加することで、支持膜32を振動させて超音波を出力する。一方、受信部23や剥がれ検出部24の剥がれ検出用受信部242に設けられる超音波トランスデューサー30は、超音波を支持膜32で受信することで、圧電素子33から振動に応じた電気信号を出力する。
メンブレン321は、圧電素子33が積層されることで、圧電素子33の駆動により膜厚方向に振動して超音波を出力する部分であり、超音波を受信して振動する部分である。
下部電極331は、センサー平面視において、メンブレン321の内側領域に形成され、上層に圧電層332が積層される。また、下部電極331の外周縁からは、下部電極線334が接続され、当該下部電極線334は、支持膜32の外周端縁に設けられた下部電極端子(図示略)に接続されている。
そして、送信部22や剥がれ検出用送信部241に設けられた超音波トランスデューサー30では、圧電層332は、下部電極331と、上部電極333とに電圧が印加されることで、面内方向に伸縮する。このとき、圧電層332の一方の面は、下部電極331を介して支持膜32のメンブレン321に接合されるが、他方の面には、上部電極333が形成されるものの、この上部電極333上には他の層が積層形成されないため、圧電層332の支持膜32側が伸縮しにくく、上部電極333側が伸縮し易くなる。このため、圧電層332に電圧を印加すると、開口部211側に凸となる撓みが生じ、メンブレン321を撓ませる。したがって、圧電層332に交流電圧を印加することで、メンブレン321が膜厚方向に対して振動し、このメンブレン321の振動により超音波が出力される。
一方、受信部23や剥がれ検出用受信部242に設けられた超音波トランスデューサー30では、超音波の受信によりメンブレン321が振動すると、圧電層332もメンブレン321とともに振動し、圧電層332の下部電極331に接触する下面側と、上部電極333が接触する上面側において、電位差が発生し、制御部40に受信信号(受信電圧)として出力される。
また、受信部23を構成する各超音波トランスデューサー30は、それぞれ電気的に直列に接続されていることが好ましい。つまり、受信部23を構成する超音波トランスデューサー30のうち、一端部に配置された1つの超音波トランスデューサー30の下部電極線334が受信用下部電極端子に接続され、当該超音波トランスデューサー30の上部電極線335が隣り合う超音波トランスデューサー30の下部電極線334に接続される。また、受信部23を構成する超音波トランスデューサー30のうち、他端部に配置された1つの超音波トランスデューサー30の上部電極線335が受信用上部電極端子に接続され、当該超音波トランスデューサー30の下部電極線334に隣り合う超音波トランスデューサー30の上部電極線335が接続される。そして、これらの両端部の超音波トランスデューサー30の間に配置される超音波トランスデューサー30は、上部電極線335が隣り合う超音波トランスデューサー30の下部電極線334に接続される。このように超音波トランスデューサー30が直列接続された構成では、各超音波トランスデューサー30で超音波を受信した際に、出力される受信信号が加算され、加算された信号値(電圧値)が出力されることとなる。したがって、受信部23から出力される受信信号のレベルを上げることができ、受信精度を向上させることが可能となる。
本実施形態では、センサー基板21に設けられる開口部211(メンブレン321)は、送信部22、受信部23、及び剥がれ検出部24において、それぞれ異なる径寸法に形成されており、更に、送信部22内において、異なる径寸法の複数の開口部211(メンブレン321)が設けられている。
図4(A)は、送信部22における超音波トランスデューサー30の配置例を示す図であり、図4(B)は、送信部22における超音波トランスデューサー30の配置例の他の例である。
送信部22から発信される超音波は、開口部211を閉塞するメンブレン321の共振周波数により決定されるため、メンブレン321の面積をそれぞれ異ならせることで、それぞれ異なる発信周波数帯域の超音波を出力することが可能となっている。
ここで、送信部22に配置される超音波トランスデューサー30としては、例えば、肝臓等の内臓のエコー画像の取得等、皮膚表面から深い位置を検査するための低周波数(例えば3.5MHz)の超音波を出力する超音波トランスデューサー30A、皮膚表面から浅い位置の検査や血管径(血管壁)が大きい血管を検出するための周波数(例えば7.5MHz)の超音波を出力する超音波トランスデューサー30B、及び指先の静脈パターンや、末端血管等、高解像度な検出のための周波数(例えば20MHz)の超音波を出力する超音波トランスデューサー30C等が挙げられる。一般に、開口部の径寸法が小さく、メンブレン321の面積が小さくなるほど、発信周波数帯域が大きくなる。
これらの超音波トランスデューサー30(30A,30B,30C)は、図4(A)に示すように、受信部23を、超音波トランスデューサー30Aのみが配設される低周波数出力領域、超音波トランスデューサー30Bのみが配設される中周波数出力領域、及び超音波トランスデューサー30Cのみが配設される高周波数出力領域に分割して配置される構成としてもよく、図4(B)に示すように、低周波数用の超音波トランスデューサー30A、中周波数用の超音波トランスデューサー30B、及び高周波数用の超音波トランスデューサー30Cが、受信部23内で、等間隔で配置される構成としてもよい。
また、本実施形態では、3種の超音波トランスデューサー30(30A,30B,30C)が配置される構成を例示するが、これに限定されず、4種以上の超音波トランスデューサー30が設けられる構成などとしてもよい。
また、詳細は後述するが、剥がれ検出部24は、剥がれ検出用送信部241と、剥がれ検出用受信部242とを備えており、剥がれ検出用送信部241から発信された超音波を剥がれ検出用受信部242で受信する構成が採られている。ここで、これらの剥がれ検出用送信部241及び剥がれ検出用受信部242も、送信部22や受信部23と同様に、複数の超音波トランスデューサー30がアレイ状に配設されることで構成されている。ここで、これらの剥がれ検出用送信部241及び剥がれ検出用受信部242に配置される超音波トランスデューサー30は、それぞれ、センサー部20の密着層25と生体との密着状態を検出するために必要な周波数の発信及び受信ができればよい。すなわち、剥がれ検出部24では、超音波受信時に受信したことが検出されればよいので、超音波の周波数は特に限定されない。
なお、上述したような超音波トランスデューサー30のメンブレン321の具体的なサイズは、支持膜32の厚み寸法や剛性等により、共振周波数が変化するものであり、測定部位によっても変化するものであるため、測定部位の設定や、支持膜32の種類により適宜設定される。
剥がれ検出部24は、図2に示すように、センサー基板21の外周部に沿って設けられており、本実施形態では、特に密着層25と生体との剥がれが起こり易いセンサー基板21の角部に設けられている。すなわち、剥がれ検出部24は、センサー基板21を基板厚み方向から見た平面視において、送信部22の外側に設けられている。
この剥がれ検出部24は、剥がれ検出用の超音波を出力する剥がれ検出用送信部241と、剥がれ検出用受信部242とを備えている。これらの剥がれ検出用送信部241及び剥がれ検出用受信部242は、送信部22や受信部23と同様に、複数の超音波トランスデューサー30がアレイ状に配設されることで構成されている。このような剥がれ検出部24では、剥がれ検出用送信部241から発信された超音波を剥がれ検出用受信部242で受信し、超音波の発信タイミングから受信タイミングまでの時間を計測することで密着層25と測定対象である生体1との密着性を判断することが可能となる。
図5に示すように、密着層25が生体1の皮膚2に密着している状態では、密着層25及び皮膚2の間に空気が介在されておらず、密着層25が生体とほぼ同等の音響インピーダンスを有しているため、密着層25及び皮膚2の境界において超音波が反射されずに、生体1内に透過し、例えば血管や内臓などの器官3に到達する。
一方、密着層25が皮膚2から剥がれている状態では、密着層25及び皮膚2の間に空気層が介在し、空気の音響インピーダンスは、密着層25や生体1とは異なるため、密着層25と空気層との境界において超音波が反射される。したがって、密着層25及び皮膚2との間に剥がれが存在する場合では、密着層25及び皮膚2が密着している場合に比べて、剥がれ検出用送信部241から発信された超音波が剥がれ検出用受信部242にて受信されるまでの時間が短くなる。
このため、剥がれ検出部24において、剥がれ検出用送信部241から発信された超音波が密着層25の表面で反射されて剥がれ検出用受信部242に到達するまでの時間を計測し、この時間が予め計測しておいた密着層表面反射時間よりも小さい場合に、剥がれがあるとして検出することが可能となる。
図7は、本実施形態の生体検査装置100の概略構成を示すブロック図である。
図7に示すように、制御部40は、駆動素子切替回路41と、送受信切替回路42と、超音波モード切替制御部43と、超音波信号発信回路44(駆動信号印加手段)と、信号遅延回路45と、受信計測部46(受信信号取得手段)と、遅延時間計算部47と、記憶部48と、中央演算回路49と、を含んで構成されている。
駆動素子切替回路41は、送信部22を駆動する際に、中央演算回路49から入力された周波数選択信号に応じて、駆動させる超音波トランスデューサー30を切り替えるスイッチング回路である。例えば、ユーザーによる操作部104の操作により、深度が深い部位の測定を実施する旨の入力がなされた場合、中央演算回路49から駆動素子切替回路41に低周波数の超音波を送信するための超音波トランスデューサー30Aを駆動させる周波数選択信号が入力される。この場合、駆動素子切替回路41は、超音波トランスデューサー30B及び超音波トランスデューサー30Cを停止させ(駆動させない)、超音波トランスデューサー30Aに対して駆動信号(駆動電圧)を出力可能な状態にスイッチされる。
また、駆動素子切替回路41は、センサー部20に設けられる送信部22、受信部23、及び剥がれ検出部24の駆動を切り替える制御を実施する。本実施形態の生体検査装置100では、送信部22から超音波の送信が実施されている間、受信部23の受信信号の受信は実施しない。これにより、受信部23において、送信部22から生体1に入らず、直接受信部23に到達する超音波の受信や、剥がれ検出部24の剥がれ検出用送信部241から発信された超音波が受信部23に入力されてしまう不都合を回避することができる。
なお、剥がれ検出部24を用いた剥がれ検出処理時は、測定開始前に加えて、測定中においても定期的に実施されてもよく、この場合、駆動素子切替回路41は、送信部22又は受信部23に加えて、剥がれ検出部24に対しても信号の入出力が可能な状態にスイッチすればよい。
送受信切替回路42は、超音波モード切替制御部43から入力されるモード切替信号に基づいて、接続状態を切り替えるスイッチング回路である。
具体的には、超音波モード切替制御部43から超音波発信モードに切り替える旨の制御信号が入力された場合、送受信切替回路42は、信号遅延回路45から入力された駆動信号を、駆動素子切替回路41に出力可能な接続状態に切り替わる。一方、送受信切替回路42は、超音波モード切替制御部43から超音波受信モードに切り替える旨の制御信号が入力された場合、駆動素子切替回路41から入力される受信信号を受信計測部46に出力可能な接続状態に切り替わる。
超音波モード切替制御部43は、剥がれ検出部24により密着層25と生体1の皮膚2との密着状態(剥がれ)を検出する剥がれ検出モードと、送信部22から発信させる超音波の出力値を調整する補正モードと、測定を実施する測定モードとを切り替える。更に、超音波モード切替制御部43は、剥がれ検出モード、補正モード、及び測定モードにおいて、送信部22又は剥がれ検出用送信部241から超音波を発信させる超音波発信モードと、受信部23又は剥がれ検出用受信部242にて超音波を受信させる超音波受信モードと、を切り替える。
具体的には、超音波モード切替制御部43は、中央演算回路から剥がれ検出を実施する旨の制御信号に基づいて、剥がれ検出モードに切り替え、更に超音波発信モードに切り替える処理を実施する。この処理では、超音波モード切替制御部43は、送受信切替回路42に発信モードに切り替える旨の制御信号を出力し、超音波信号発信回路44から駆動信号を出力させる旨の制御信号を出力する。また、超音波モード切替制御部43は、超音波信号発信回路44から剥がれ検出用の駆動信号を出力させる旨の制御信号を出力する。また、超音波モード切替制御部43は、図示しない計時部(内部タイマー)により計測される時間を監視し、超音波発信モードから所定の発信時間経過後に、超音波受信モードに切り替える処理を実施する。ここで発信時間は、剥がれ検出用送信部241から例えば1〜2周波数のバースト波が発信される時間程度に設定されていればよい。受信モードでは、超音波モード切替制御部43は、送受信切替回路42に受信モードに切り替える旨の制御信号を出力して、送受信切替回路42を、剥がれ検出用受信部242から入力される受信信号を受信計測部46に入力可能な接続状態にスイッチングさせる。
なお、超音波モード切替制御部43は、測定モードや、補正モードを設定している場合でも、定期的に剥がれ検出モードを追加設定してもよい。
超音波信号発信回路44は、発信モードにおいて、超音波モード切替制御部43から駆動信号を出力させる旨の制御信号が入力されると、送信部22の超音波トランスデューサー30や、剥がれ検出用送信部241の超音波トランスデューサー30を駆動させるための駆動信号を信号遅延回路45に出力する。また、超音波信号発信回路44は、中央演算回路49から入力された制御信号に基づいて、駆動信号の信号値(電圧値)を変化させる。ここで、駆動信号の信号値(電圧値)を変化させる構成としては、例えばDAコンバーターや、デジタル・ポテンション・メーター(DPM)等の電圧変更装置を用いることができる。また、駆動信号の信号値の上下幅としては、電圧変更装置において、電圧可変制御が可能な最小単位を設定することができるが、これに限定されず、例えば当該最小単位の倍数で電圧を変更する構成としてもよい。
信号遅延回路45は、超音波信号発信回路44から、送信部22の超音波トランスデューサー30に対する駆動信号が入力されると、その駆動信号を遅延させて送受信切替回路42に出力する。
ここで、信号遅延回路45は、遅延時間計算部47から入力される遅延設定信号に基づいて、各超音波トランスデューサー30を駆動させるための駆動信号を遅延させて送受信切替回路42に出力する。
ここで、信号遅延回路45は、超音波モード切替制御部43により剥がれ検出モードが設定されている場合は、信号遅延処理を実施せず、超音波信号発信回路44から入力された駆動信号をそのまま送受信切替回路42に出力する。なお、信号遅延回路45は、補正モードにおいても、信号遅延処理を実施しない構成としてもよい。
受信計測部46は、計時部にて計測される時間を監視し、超音波が発信されてから反射超音波が受信されるまでの時間を計測する。
具体的には、受信計測部46は、超音波モード切替制御部43により発信モードに切り替えられ、送信部22や剥がれ検出用送信部241の超音波トランスデューサー30から超音波が発信されて、計時部でカウントされる時間がリセットされたタイミングからの時間を監視する。
そして、受信計測部46は、超音波モード切替制御部43により受信モードに切り替えられ、受信部23や剥がれ検出用受信部242の超音波トランスデューサー30から出力された受信信号が、送受信切替回路42を介して、受信計測部46に入力されると、その入力されたタイミングでの計時部の時間(TOFデータ:Time Of Flightデータ)を取得する。また、取得したTOFデータや受信信号の信号値(電圧値)は、中央演算回路49に入力される。
遅延時間計算部47は、補正モードや測定モードにおける超音波の発信モード時に、中央演算回路49から入力される発信角度データ、超音波トランスデューサー30の素子ピッチ、音速に基づいて、送信部22の各超音波トランスデューサー30の駆動遅延時間を算出する。なお、これらの発信角度データ、素子ピッチ、音速は、記憶部48に予め記憶されたデータを用いることができる。
記憶部48は、中央演算回路49や遅延時間計算部47での各種処理を実施するための各種プログラムや各種データなどを記憶する。
具体的には、各種データとして、遅延時間を算出するための発信角度データや、超音波トランスデューサー30の素子ピッチ、音速などが記憶される。また、記憶部48には、中央演算回路49での処理を実施するための各種データとして、測定部位に対する深さ範囲や周波数が記憶された測定対応データ等が記憶される。この測定対応データは、例えば、測定部位となる生体内の器官(例えば肝臓、心臓、血管等)を示す器官データと、当該器官が皮膚表面からどの程度の深さ寸法の範囲に存在するかを示す深さ範囲データと、当該器官の情報を得るために最適な超音波の周波数を示す周波数データと、当該器官に対して超音波を発信するに当たり、当該器官や生体に対して安全とされる安全規格信号値(電圧値)を示す安全規格データと、を関連付けたLUT(Look Up Table)データである。ここで、この測定対応データは、生体検査の測定対象者の個人差を考慮して、複数記憶されている。例えば、乳児、幼児、小児、成人、男性、女性、体脂肪率等によって、それぞれ異なる測定対応データが記憶され、ユーザーの操作により、それぞれ最適な測定対応データを用いることが可能となる。
中央演算回路49は、記憶部48に記憶されるプログラムを展開することで、各種処理を実施する。ここで、中央演算回路49は、記憶部48に記憶されるプログラムを読み込み、処理を実施することで、剥がれ検出手段491、測定部位設定手段492、周波数設定手段493、距離測定手段494、反射波特定手段495、電圧変更手段496、及び測定処理手段497として機能する。
周波数設定手段493は、駆動素子切替回路41とともに本発明の周波数変更手段を構成する。この周波数設定手段493は、記憶部48から測定対応データを読み込み、測定部位設定手段492において設定された器官に対応する器官データと、当該器官データに関連付けられた周波数データを読み出す。そして、周波数設定手段493は、補正モード及び測定モードにおいて、送信部22に配置された超音波トランスデューサー30のうち、周波数データに示される周波数の超音波を出力可能な超音波トランスデューサー30を駆動させるように、駆動素子切替回路41に周波数選択信号を出力する。これにより、補正モード及び測定モードにおいて、駆動素子切替回路41は、周波数設定手段493により指定された周波数の超音波を出力可能な超音波トランスデューサー30に対して駆動信号を出力可能な状態に、スイッチされる。
距離測定手段494は、補正モード及び測定モードにおいて、中央演算回路49に入力されたTOFデータに基づいて、超音波が反射された位置の皮膚2からの距離を測定(算出)する。
また、反射波特定手段495は、測定モードにおいても、測定部位である器官に対応した受信信号、及びTOFデータを特定してもよい。
また、上述したように、補正モード中や測定モード中において、定期的に剥がれ検出モードが設定されてもよい。また、この場合、電圧変更手段496は、剥がれ検出手段491により剥がれが検出された場合に、送信部22から発信させる超音波を一時的に停止させるなどの処理をしてもよい。
次に、上記のような生体検査装置100により生体検査を実施する際の動作について、具体的には、測定対象の器官に対して、最適な超音波を出力させる超音波センサー制御方法について、図面に基づいて説明する。
図8は、本実施形態の生体検査装置の動作(超音波センサー制御方法)のフローチャートである。
そして、ユーザーにより操作部104が操作されることで、電源が投入されると、制御部40の剥がれ検出手段491は、図8に示すように、剥がれ検出処理を実施する(ステップS1)。
この剥がれ検出処理では、剥がれ検出手段491は、超音波モード切替制御部43に制御信号を出力する。これにより、超音波モード切替制御部43は、生体検査装置100の動作モードを剥がれ検出モードに設定する。これにより、超音波モード切替制御部43は、駆動素子切替回路41、送受信切替回路42及び超音波モード切替制御部43に発信モードに切り替える旨の制御信号を出力する。また、電圧変更手段496は、送受信切替回路42に剥がれ検出用の駆動信号を生成する旨の補正信号を出力する。これにより、超音波信号発信回路44から剥がれ検出用駆動信号が出力され、当該駆動信号は、信号遅延回路45、送受信切替回路42、駆動素子切替回路41を介して、剥がれ検出部24の剥がれ検出用送信部241に出力され、剥がれ検出用送信部241の各超音波トランスデューサー30が駆動して超音波が出力される(ステップS11)。また、この時、超音波モード切替制御部43は、計時部をリセットし、計時部のカウントを開始させる。
このステップS13において、TOFデータの値が、密着層表面反射時間T1以下である場合(図10におけるパターンIの場合)、剥がれ検出手段491は、密着層25が生体1から剥がれており、密着層25と皮膚2との間に空気層が介在している状態である「剥がれ有」と判定する(ステップS14)。この場合、ステップS11に戻り、剥がれ検出処理を続行する。また、剥がれが検出された場合、制御部40は、例えば表示部103に剥がれが検出された旨の警告を表示させる処理を実施してもよい。
このステップS15において、TOFデータが待機間隔時間T2以上経っても取得されていない場合(図10におけるパターンIIの場合)、生体1内で超音波が減衰したと判断し、剥がれ検出用の駆動信号を1段階上げる処理をして(ステップS16)、ステップS11に戻る。ここで、駆動信号の上下幅である1段階とは、超音波信号発信回路44に含まれるDAコンバーターや、DPM等の電圧変更装置における電圧可変制御が可能な最小単位を設定することができる。
この場合、剥がれ検出手段491により「剥がれ有」と判定された場合、図10に示すように、送信部22に出力する駆動信号を停止させる処理を実施することで、無駄な電力消費を抑えることが可能となる。
この初期設定では、ユーザーの操作部104の操作により、測定対象者の諸条件、例えば乳児、幼児、小児、成人等の年齢に関する条件、性別に関する条件、体脂肪率等の身体状態に関する条件が入力されると、制御部40は、記憶部48から、入力された諸条件に対応した測定対応データを読み込む。また、制御部40の測定部位設定手段492は、ユーザーの操作部104の操作により、測定部位である器官が指定されると、読み込んだ測定対応データから、指定された測定部位の器官の器官データに関連付けられた周波数データを取得する。そして、測定部位設定手段492は、この周波数データに基づいて、駆動素子切替回路41を制御して、当該駆動素子切替回路41のスイッチング状態を切り替える。これにより、超音波信号発信回路44で生成された駆動信号が、測定部位の器官に対応した周波数の超音波を出力する超音波トランスデューサー30に入力される状態となる。
図11は、本実施形態の生体検査装置100における補正処理の動作を示すフローチャートである。
図12は、補正処理における各信号のタイミングチャートである。
この補正処理では、図11に示すように、制御部40の電圧変更手段496は、まず超音波信号発信回路44から発信させる初期駆動電圧を設定する(ステップS31)。この初期駆動信号の信号値(電圧値)Voutとしては、例えば、予め臨床実験等によって最適化された信号値や、実験的に送受信動作が可能な最小信号値を設定することができる。また、前回測定時の最適駆動信号の信号値を記憶部48に記憶しておいて初期駆動信号の信号値として設定してもよい。
このステップS32において、図12のパターンIVに示すように、信号値Voutが安全規格信号値VSAFEより大きい場合、電圧変更手段496は、超音波信号発信回路44に補正信号を出力して、信号値Voutを生体1段階下げる処理をする(ステップS33)。ここでの1段階とは、上記剥がれ検出用駆動電圧の上下幅と同様、超音波信号発信回路44に含まれるDAコンバーターや、DPM等の電圧変更装置における電圧可変制御が可能な最小単位を設定することができる。そして、ステップS32及びステップS33の処理を、信号値Voutが安全規格信号値VSAFE以下となるまで繰り返す。
この後、距離測定手段494は、取得したTOFデータ、及び音速等に基づいて、超音波が反射された位置を検出、すなわち、皮膚2から反射位置までの距離を算出する(ステップS36)。次に、反射波特定手段495は、ステップS36により算出された距離が、ステップS2により取得した器官データに関連付けられた深さ範囲データに示される深さ寸法となるものを抽出し、そのTOFデータ、及び当該TOFデータに対応した受信信号の信号値(電圧値)Vinを特定する(ステップS37)。つまり、反射波特定手段495は、送信部22から発信された超音波のうち、測定部位である器官にて反射されて受信部23に入力された反射超音波を特定する。
以上により、補正処理が終了する。
そして、このステップS4の計測処理では、上記のような最適な受信感度で取得された受信信号に基づいて、TOFデータを取得し、測定処理手段497は、当該TOFデータに基づいて、器官位置、器官の状態等の各種測定処理を実施する。
上述したように、本実施形態の生体検査装置100では、センサー部20の送信部22には、発信周波数帯域が異なる複数の超音波トランスデューサー30を備え、制御部40の周波数設定手段493及び駆動素子切替回路41は、ユーザーの指定した測定部位に応じて、駆動させる送信部22の超音波トランスデューサー30を変更する。このため、測定部位に対応した最適な周波数の超音波を出力することができる。
また、制御部40の電圧変更手段496は、受信部23から出力された受信信号の信号値Vinと、計測可能受信信号値Vmとを比較して、信号値Vinが計測可能受信信号値Vm以上となるように、超音波信号発信回路44から出力される駆動電圧を変更する処理を実施する。
このため、本実施形態の生体検査装置100では、測定部位に応じた最適な出力値で、最適周波数の超音波を出力することができる。これにより、計測に適した受信信号を受信することができ、正確なTOFデータを取得することができる。したがって、このような正確なTOFデータにより、正確な生体検査を実施することができる。
また、剥がれ検出部24は、密着層25と皮膚2とが剥がれやすいセンサー部20の外周部の角部に設けられている。このため、剥がれ検出部24により僅かな剥がれをも確実に検出することができ、より確実に密着層25と皮膚2とが密着した状態での補正処理及び測定処理を実施することができる。
さらに、剥がれ検出手段491は、生体検査装置100の起動時のみではなく、補正処理時や測定処理時においても定期的に剥がれ検出処理を実施してもよく、補正処理中や、測定処理中での密着層25及び皮膚2の剥がれをも検出することができる。この場合、剥がれ検出手段491は、剥がれを検出すると、送信部22の各超音波トランスデューサー30への駆動信号の出力を停止させる。このため、密着層25が皮膚2から剥がれている状態での超音波の受発信が実施されることがなく、不適切なTOFデータに基づいた補正処理や測定処理を避けることができる。
これにより、例えば測定部位と異なる位置で反射された超音波の受信信号が強く、測定部位で反射された超音波の受信信号が弱い場合でも、測定部位で反射された超音波の受信信号を計測可能受信信号値以上に設定することができる。これにより、生体検査装置100により測定したい測定部位に対応した適切な駆動信号により、当該測定部位の測定を精度よく実施することができる。
このため、例えば乳幼児や眼球など、超音波の出力値により損傷を受ける可能性がある箇所に対しても、安全な超音波を送出することができる。したがって、生体検査時の健康を損なうことなく、安全な生体検査を実施することができる。
また、測定対応データとして、乳幼児や小児、大人といった年齢だけでなく、性別や体脂肪率等によって異なるデータが記憶されている。したがって、測定部位である器官が位置する深さ範囲等、個人差によって差が生じたとしても、測定対象者に対応して適切な駆動信号の設定を実施することができ、信頼性が高い生体検査を実施することができる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
更に、剥がれ検出手段491は、剥がれ検出部24による剥がれ検出に加えて、送信部22及び受信部23により剥がれ検出を実施する処理をしてもよい。
また、電子機器として、生体検査装置に限られず、ウエハー等の物体の形状等を検査する装置などにも適用できる。この場合、測定部位の破損しやすさ等を考慮して、最適周波数や最適駆動電圧を設定する構成とすることで、測定対象を好適に検査することができる。
Claims (3)
- 発信周波数帯域が異なる複数の超音波トランスデューサーを備えた送信部、及び前記送信部から送信された超音波を受信して受信信号を出力する受信部を備えたセンサー部と、
複数の前記超音波トランスデューサーの駆動を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記送信部の前記超音波トランスデューサーに印加する駆動信号の周波数を変更する周波数変更手段と、
前記発信周波数帯域が前記周波数変更手段により変更された周波数に対応した前記超音波トランスデューサーに対して、前記駆動信号を印加する駆動信号印加手段と、
前記受信部から出力された前記受信信号を検出する受信信号取得手段と、
前記駆動信号の駆動電圧を変更する電圧変更手段と、
を備え、
前記電圧変更手段は、前記受信信号取得手段により取得された前記受信信号の受信電圧が所定の測定可能電圧以上となるように、前記駆動電圧を変更し、
前記センサー部は、前記送信部及び前記受信部が配置されるセンサー基板と、前記センサー基板を覆い、測定対象に密着可能な密着層と、を備え、
前記制御部は、前記駆動信号により前記送信部から超音波が発信された時点から、前記受信部で超音波が受信された時点までの時間に基づいて、前記測定対象と前記密着層との剥がれを検出する剥がれ検出手段を備え、
前記センサー部は、剥がれ検出用の超音波を発信する剥がれ検出用送信部、及び前記剥がれ検出用の超音波を受信する剥がれ検出用受信部を備え、
前記剥がれ検出用送信部及び剥がれ検出用受信部は、前記センサー基板を厚み方向から見た平面視において、前記送信部より外側の位置に設けられ、
前記剥がれ検出手段は、前記剥がれ検出用送信部から剥がれ検出用の超音波が発信された時点から、前記受信部で剥がれ検出用の超音波が受信された時点までの時間に基づいて、前記測定対象と前記密着層との剥がれを検出する
ことを特徴とする超音波センサー制御装置。 - 請求項1に記載の超音波センサー制御装置において、
前記制御部は、
測定対象における測定部位を設定する測定部位設定手段と、
前記測定部位の前記測定対象の表面からの深さ範囲が記憶される記憶部と、
前記駆動信号印加手段により前記送信部から超音波が発信された時点から、前記受信部で超音波が受信された時点までの時間に基づいて、前記送信部から発信された超音波が反射された反射部位の前記測定対象の表面からの距離を測定する距離測定手段と、
前記距離測定手段により測定された距離が、前記測定部位の前記測定対象の表面からの深さ範囲となる超音波を特定する反射波特定手段と、を備え、
前記周波数変更手段は、前記測定部位設定手段により設定された前記測定部位に対する前記深さ範囲に応じて、前記センサー部から出力する超音波の周波数を設定し、
前記電圧変更手段は、前記反射波特定手段により特定された超音波に対応した受信信号の受信電圧が前記測定可能電圧以上となるように、前記駆動電圧を変更する
ことを特徴とする超音波センサー制御装置。 - 請求項1または2に記載の超音波センサー制御装置を備えた
ことを特徴とする生体検査装置。
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