JP5920088B2 - 電流検出回路及び電流検出回路を用いた超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、医療分野に用いられる超音波プローブの送信パワーを管理するための電流検出回路及び電流検出回路を用いた超音波診断装置に関する。

超音波診断装置において、超音波プローブは内蔵するアレイ振動素子(振動素子群)に０Ｖから１００Ｖ以上の広範囲、高電圧の送信用駆動信号を印加することで超音波ビームを出力し、電子走査を行う。この振動素子群における電気音響変換の際に電力損失は熱として出力される。つまり、振動素子群が発熱し、その熱は超音波プローブの各部分へ伝道され超音波プローブ表面も熱くなる。超音波プローブは生体に直接接触させるため、生体に対する安全性の観点から超音波プローブの温度管理が非常に重要であり、超音波プローブの温度管理をするために、例えば超音波プローブへ超音波パルスを送信する送信部電源に流れる電流を検出し、その電流の大きさから超音波プローブの発熱度合いを感知する方法等が知られている。

また、従来の電流を検出するための電流検出回路として、図５に示すようにコンパレータ１３をＶｃｃによって駆動し、抵抗１１に流れる電流を測定する方法が知られている。コンパレータ１３は入力される非反転入力Ｖｒｅｆと反転入力Ｖｓｎｓとを比較して、その比較結果をプリドライバ１４に出力する。プリドライバ１４はトランジスタ１５を駆動しており、抵抗１６にはトランジスタ１５、抵抗１１を介して電圧ＶＢが供給され、抵抗１６は接地されている。また、様々な電圧値ＶＢに対応して電流を検出するためにレベルシフト回路１２を備え、コンパレータ１３の入力端子電圧を定電流回路２０でレベルシフトさせ、電圧ＶＢが５Ｖ系、１２Ｖ系などの異なる場合でもＶＢ電圧依存をキャンセルし同一回路で電流を検出できる方式が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１１−１１７９４７号公報

上述のごとく超音波プローブには例えば０Ｖから１００Ｖ以上の広範囲で変化する高周波信号が供給されるようになっているが、従来の検出回路では、印加される電圧が０Ｖの場合にコンパレータ１３の非反転入力と反転入力がともに０Ｖとなり電流検出をすることができない。

このため、超音波プローブの異常な温度上昇が発生する危険性があり、より安全性を高めることが求められている。

そこで本発明は、安全性を高めることを目的とするものである。

そしてこの目的を達成するために本発明は、送信部電源が接続される送信部電源側端子と、送信部電源側端子に接続されるフローティング電源と、フローティング電源に接続される定電流源と、フローティング電源に電源端子が接続されるオペアンプと、送信部電源側端子とオペアンプの第１の入力端子の間に接続される第１の抵抗と、送信部電源側端子とオペアンプの第２の入力端子の間に接続される検出抵抗と、第１の抵抗と第１の入力端子とオペアンプの出力端子に接続される可変電流源と、可変電流源に接続される出力電流電圧変換部と、を備え、定電流源と出力電流電圧変換部は、０Ｖ以外であって送信部電源と逆の極性をもつ電源に接続されている構成とし、これにより所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、送信部電源と、送信部電源に接続されるフローティング電源と、フローティング電源に接続される定電流源と、フローティング電源に電源端子が接続されるオペアンプと、送信部電源とオペアンプの第１の入力端子の間に接続される第１の抵抗と、送信部電源とオペアンプの第２の入力端子の間に接続される検出抵抗と、第１の抵抗と第１の入力端子とオペアンプの出力端子に接続される可変電流源と、可変電流源に接続される出力電流電圧変換部とを備え、定電流源と出力電流電圧変換部は０Ｖ以外であって送信部電源と逆の極性をもつ電源に接続されている構成としたものであるので、安全性を高めることができる。すなわち、本発明においては超音波プローブに供給する高周波信号が０Ｖのときでも電流検出が可能となり、その結果として安全性を高めることができるのである。

本発明の実施の形態における電流検出回路を備えた超音波診断装置の構成図 本発明の実施の形態１における電流検出回路の回路図 本発明の実施の形態２における電流検出回路の回路図 本発明の実施の形態３における電流検出回路の回路図 従来の電流検出回路の回路図

以下に、本発明の電流検出回路の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における電流検出回路を備えた超音波診断装置の構成図を示す。

図１に示す超音波診断装置本体１８０内には、送受信部１２０、電源部１３０、信号処理部１４０、電流検出回路１５０、制御部１６０、測定データ保存用メモリ１７０が備えられている。そして送受信部１２０には超音波プローブ１１０が接続され、信号処理部１４０には表示部１９０が接続されている。

送受信部１２０は、超音波の送信信号を超音波プローブ１１０に出力する送信部１２２、被検体から返ってくるエコー信号を受信する受信部１２１を備えている。また、送信部１２２は送信部電源１３１と接続されている。送信部電源１３１は送信部電源電圧制御部１３５に接続され、送信部電源電圧制御部１３５によって送信部電源１３１の電圧値を制御し、超音波プローブ１１０に送信するパルスの振幅を任意の振幅に設定する。送信部電源電圧制御部１３５はユーザー操作部１８５によって操作される。

電源部１３０は、前述のとおり、送信部１２２に電圧を供給する送信部電源１３１を備えているほか、超音波診断装置本体１８０内部品、超音波プローブ１１０、表示部１９０が機能するための電源である。

信号処理部１４０は受信部１２１から得られる信号から、診断用画像を生成し、表示部１９０に出力して診断用画像を表示する。

制御部１６０は、システム全体の制御をおこなう。

電流検出回路１５０は、超音波プローブ１１０への送信パルス生成を行う送信部１２２の電源である送信部電源１３１に接続され、送信部電源１３１に流れる電流を測定する。

以下に、この電流検出回路１５０の詳細について図面とともに説明する。

図２は、本発明の実施の形態１における電流検出回路１５０の回路図を示す。

送信部電源１３１からの電圧供給端子である送信部電源側端子２０１には送信部電源１３１によって得られるＤＣ電圧が供給されており、送信部１２２への電圧供給端子である送信部側端子２０２は、検出抵抗２３２を介して送信部電源１３１に接続されており、電流検出回路１５０は、この検出抵抗２３２に流れる電流Ｉを測定するための回路である。

つまり超音波プローブ１１０への送信パルスを生成する送信部１２２の過電流、すなわち超音波プローブ１１０の温度上昇の要因を検出することによって安全性を高めようとしているのである。

本実施の形態では、送信パルス電圧の振幅をユーザーが任意に広範囲で設定可能とするために、送信部電源側端子２０１の電圧Ｖは０Ｖから１００Ｖ以上の広い範囲で変動する。

このような送信部電源側端子２０１には検出電流電圧変換部２３０とフローティング電源２１０が接続されている。

このうち、検出電流電圧変換部２３０は抵抗２３１、検出抵抗２３２、抵抗（抵抗値Ｒ２）２３３、オペアンプ２３４を備えている。

送信部電源側端子２０１は検出抵抗２３２に接続され、検出抵抗２３２と接続される送信部側端子２０２の電圧が、送信部１２２の電源電圧として送信部１２２の送信パルス振幅を決定し、送信部で生成された０Ｖから１００Ｖ以上の送信用駆動信号が超音波プローブ１１０に送信される。検出抵抗２３２の一端は抵抗２３１を介してオペアンプ２３４の反転入力Ｖｒｅｆに接続され、もう一端は抵抗２３３を介してオペアンプ２３４の非反転入力Ｖｉｎに接続される。

抵抗２３１は可変電流源２４０にも接続されており、反転入力Ｖｒｅｆは抵抗２３１と可変電流源２４０の間に接続されている。また、オペアンプ２３４の出力Ｖｄは可変電流源２４０に接続されている。

可変電流源２４０は出力電流電圧変換部２５０に接続され、この出力電流電圧変換部２５０は送信部電源側端子２０１に供給されている電圧と逆の極性をもつ電源２６０に接続される。本実施の形態では、電源２６０は負の電圧−Ｖｍを供給する構成となっている。

なお、出力電流電圧変換部２５０はＡＤコンバーター（不図示）に接続され、この出力電流電圧変換部２５０の電圧を観測することによって回路に流れる電流Ｉが異常値になっているか否かを判別する。

オペアンプ２３４の電源端子Ｖ＋、Ｖ−はフローティング電源２１０に接続され、このフローティング電源２１０によって駆動される。

フローティング電源２１０は送信部電源側端子２０１と定電流源２２０に接続され、定
電流源２２０は送信部電源側端子２０１と逆の極性をもつ電源２６０に接続される。
フローティング電源２１０は、定電流源２２０で駆動され送信部電源側端子２０１の電圧Ｖを基準として検出電流電圧変換部２３０内のオペアンプ２３４に電源電圧Ｖｆを供給する。

ここで、送信部電源側端子２０１に電圧Ｖがかかっているとき、電流Ｉに応じて抵抗値Ｒｓの検出抵抗２３２の両端に検出電圧Ｉ・Ｒｓが発生する。オペアンプ２３４の仮想接地により下記の式が成り立つ。

このことからオペアンプ２３４の出力電圧Ｖｄは可変電流源２４０に下記の式で決定される出力電流Ｉｏが流れるようにＶｄを出力する。
なお、抵抗２３１の抵抗値をＲ１とする。

可変電流源２４０はＶｄにより駆動され、上記数３の式で決まるＩｏを流すよう制御されると同時に出力電流電圧変換部２５０の電圧を送信部電源側端子２０１の電圧Ｖとは分離する。

すなわち、可変電流源２４０により、出力電流電圧変換部２５０は、送信部電源側端子２０１の電圧Ｖが広い範囲で変化する場合でも、その変化の影響をうけることなく出力電流Ｉｏに応じて負の電圧−Ｖｍを基準に出力電圧を発生させるので送信部電源側端子２０１の電圧Ｖの電圧値の影響を受けずに検出電流Ｉが０Ａから最大値までリニアに電流検出を行うことができる。

また、フローティング電源２１０は定電流源２２０を介して負の電圧−Ｖｍをもつ電源２６０に接続されているため、送信部電源側端子２０１の電圧が０Ｖの場合であっても、正の電圧がかかっている場合であってもフローティング電源２１０が生成する電圧Ｖｆが０Ｖとなることなく保持され、常にオペアンプ２３４を駆動することができる。

以上のように実施の形態１においては、定電流源２２０と出力電流電圧変換部２５０を出力基準電圧接続部である負の電源２６０に接続することにより、送信部電源側端子２０１の電圧Ｖが０Ｖの場合でも電流Ｉの検出を行うことができる。

また、実施の形態１ではフローティング電源２１０と可変電流源２４０を使用したことにより送信部電源側端子２０１の電圧Ｖが１００Ｖ以上という高電圧の場合であっても検出電流電圧変換部２３０は電圧Ｖを基準にフローティング電圧Ｖｆを生成するため、低耐圧の高精度なオペアンプ２３４を使用したまま回路構成を変更することなく高精度に電流計測を行うことができ、同一回路構成で０Ｖから１００Ｖ以上の広い送信部電源電圧範囲に対して高精度に電流計測できる。

このため、超音波プローブ１１０に流れる電流を、送信部電源１３１の電圧が０Ｖから１００Ｖ以上という広範囲であっても常に監視することができ、その結果として安全性を高めることができるのである。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における電流検出回路１５０の回路図を示す。
実施の形態２では、図１を用いて説明した本発明の実施の形態における電流検出回路１５０を備えた超音波診断装置の構成は実施の形態１と同様である。実施の形態２では、図３が図１の電流検出回路１５０の詳細を示しているが、送信部電源側端子３０１の電圧Ｖが負の値であり、出力基準電圧接続部３６０が正の電源である点で実施の形態１と異なる。

送信部電源１３１からの電圧供給端子である送信部電源側端子３０１には送信部電源１３１によって得られるＤＣ電圧が供給されており、送信部１２２への電圧供給端子である送信部側端子３０２は、検出抵抗３３２を介して送信部電源１３１に接続されており、電流検出回路１５０は、この検出抵抗３３２に流れる電流Ｉを測定する。
つまり超音波プローブ１１０への送信パルスを生成する送信部１２２の過電流、すなわち超音波プローブ１１０の温度上昇の要因を検出することによって安全性を高めようとしているのである。

本実施の形態では、送信パルス電圧の振幅をユーザーが任意に広範囲で設定可能とするために、送信部電源側端子３０１の電圧Ｖは０Ｖから−１００Ｖ以下の広い範囲で変動する。

このような送信部電源側端子３０１には検出電流電圧変換部３３０とフローティング電源３１０が接続されている。
このうち、検出電流電圧変換部３３０は抵抗３３１、検出抵抗３３２、抵抗３３３、オペアンプ３３４を備えている。

送信部電源側端子３０１は検出抵抗３３２に接続され、抵抗３３２と接続される送信部側端子３０２の電圧が、送信部１２２の電源電圧として送信部１２２の送信パルス振幅を決定し、送信部で生成された０Ｖから−１００Ｖ以下の送信用駆動信号が超音波プローブ１１０に送信される。検出抵抗３３２の一端は抵抗３３１を介してオペアンプ３３４の非反転入力Ｖｉｎに接続され、もう一端は抵抗（抵抗値Ｒ２）３３３を介してオペアンプ３３４の反転入力Ｖｒｅｆに接続される。

抵抗３３１は可変電流源３４０に接続されており、非反転入力Ｖｉｎは抵抗３３１と可変電流源３４０の間に接続されている。また、オペアンプ３３４の出力Ｖｄは可変電流源３４０に接続されている。

可変電流源３４０は出力電流電圧変換部３５０に接続され、この出力電流電圧変換部３５０は送信部電源側端子３０１に供給されている電圧と逆の極性をもつ電源３６０に接続される。本実施の形態では、電源３６０は正の電圧Ｖｐを供給する構成となっている。
なお、出力電流電圧変換部３５０はＡＤコンバーター（不図示）に接続され、この出力電流電圧変換部３５０の電圧を観測することによって回路に流れる電流Ｉが異常値になっているか否かを判別する。

オペアンプ３３４の電源端子Ｖ＋、Ｖ−はフローティング電源３１０に接続され、このフローティング電源３１０によって駆動される。

フローティング電源３１０は送信部電源側端子３０１と定電流源３２０に接続され、定
電流源３２０は送信部電源側端子３０１と逆の極性をもつ電源３６０に接続される。

フローティング電源３１０は、定電流源３２０で駆動され送信部電源側端子３０１の電圧Ｖを基準として検出電流電圧変換部３３０内のオペアンプ３３４に電源電圧Ｖｆを供給する。

ここで、送信部電源側端子３０１に電圧Ｖがかかっているとき、電流Ｉに応じて抵抗値Ｒｓの検出抵抗３３２の両端に検出電圧Ｉ・Ｒｓが発生する。オペアンプ３３４の仮想接地により前述の数１の式となることからオペアンプ３３４の出力電圧Ｖｄは可変電流源３４０に前述の数２の式及び数３の式で決定される出力電流Ｉｏが流れるようにＶｄを出力する。なお、抵抗３３１の抵抗値をＲ１とする。

可変電流源３４０はＶｄにより駆動され、前述の数３の式で決まるＩｏを流すよう制御されると同時に出力電流電圧変換部３５０の電圧を送信部電源側端子３０１の電圧Ｖとは分離する。

すなわち、可変電流源３４０により、出力電流電圧変換部３５０は送信部電源側端子３０１の電圧Ｖが広い範囲で変化する場合でも、その変化の影響をうけることなく出力電流Ｉｏに応じて正の電圧Ｖｐを基準に出力電圧を発生させるので送信部電源側端子３０１の電圧Ｖの電圧値の影響を受けずに検出電流Ｉが０Ａから最大値までリニアに電流検出を行うことができる。

また、フローティング電源３１０は定電流源３２０を介して正の電圧Ｖｐをもつ電源に接続されているため、送信部電源側端子３０１の電圧が０Ｖの場合であっても、負の電圧がかかっている場合であってもフローティング電源３１０が生成する電圧Ｖｆが０Ｖとなることなく保持され、常にオペアンプ３３４を駆動することができる。

以上のように実施の形態２においては定電流源３２０と出力電流電圧変換部３５０を出力基準電圧接続部である正の電源３６０に接続することにより、送信部電源側端子３０１の電圧Ｖが０Ｖの場合でも電流Ｉの検出を行うことができる。また、実施の形態２ではフローティング電源３１０と可変電流源３４０を使用したことにより送信部電源側端子３０１の電圧Ｖが−１００Ｖ以下という負の高電圧の場合であっても検出電流電圧変換部３３０は電圧Ｖを基準にフローティング電圧Ｖｆを生成するため、低耐圧の高精度なオペアンプ３３４を使用したまま回路構成を変更することなく−１００Ｖを超えるような負の高電圧電源に対しても高精度に電流計測を行うことができ、同一回路構成で０Ｖから−１００Ｖ以下の広い電源電圧範囲に対して高精度に電流計測できる。

なお、実施の形態２の構成を実施の形態１の構成と併せて使用することで、０Ｖを含む負から正の電圧範囲、例えば−１００Ｖ以下から＋１００Ｖ以上までの広範囲の電源電圧に対して、その電圧値によらず高精度に電流検出を行うことができる。すなわち、図２における送信部側端子２０２から出力される電圧と図３における送信部側端子３０２から出力される電圧をそれぞれ送信部１２２に接続し、負から正の範囲で振幅が変動する高周波信号を形成してもよい。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における電流検出回路の回路図を示す。
実施の形態３では、図１を用いて説明した本発明の実施の形態における電流検出回路１５０を備えた超音波診断装置の構成は実施の形態１と同様である。また、図４に示すとおり、フローティング電源２１０と抵抗２３１及び検出抵抗２３２の間に電圧制御部４７０が接続されている点で実施の形態１と異なる。

電圧制御部４７０以外は図２の実施の形態１に係る構成要素と同様であり、同一の構成要素については、実施の形態１に係る電流検出回路と同一の符号を付して説明を省略する。

電圧制御部４７０は、例えばダイオードであり、電流Ｉが０Ａのときのオペアンプ２３４の反転入力電圧Ｖｒｅｆおよび非反転入力電圧Ｖｉｎが正側オペアンプ電源電圧Ｖｆの中間に来るよう電圧制御を行う。これにより電流Ｉが回路に流れ始めた際の微小な入力電圧をオペアンプゲインが十分大きい入力電圧範囲で増幅でき、電流Ｉが０Ａ付近での電流検出感度を向上させることができる。

なお、実施の形態２の電流検出回路において、フローティング電源３１０と抵抗３３１及び抵抗３３２の間に電圧制御部４７０を追加した場合も同様に送信部電源側端子３０１の電圧が０Ｖ付近での電流検出感度を向上させることができる。

本発明にかかる電流検出回路は、同一回路で０Ｖを含む広い電源電圧範囲に対し高精度に電流検出を行うことができる。また、本電流検出回路を利用すれば例えば−１００Ｖ以下から１００Ｖ以上の広範囲で変化するような超音波診断装置の送信電圧の管理を行うことができるので、安全かつ信頼性の高い超音波診断装置を提供することができる。

１１０ 超音波プローブ
１２０ 送受信部
１２１ 受信部
１２２ 送信部
１３０ 電源部
１３１ 送信部電源
１３５ 送信部電源電圧制御部
１４０ 信号処理部
１５０ 電流検出回路
１６０ 制御部
１７０ 測定データ保存用メモリ
１８０ 超音波診断装置本体
１８５ ユーザー操作部
１９０ 表示部
２０１ 送信部電源側端子
２０２ 送信部側端子
２１０ フローティング電源
２２０ 定電流源
２３０ 検出電流電圧変換部
２３１ 第１の抵抗
２３２ 検出抵抗
２３３ 第２の抵抗
２３４ オペアンプ
２４０ 可変電流源
２５０ 出力電流電圧変換部
２６０ 出力基準電圧接続部
３０１ 送信部電源側端子
３０２ 送信部側端子
３１０ フローティング電源
３２０ 定電流源
３３０ 検出電流電圧変換部
３３１ 第１の抵抗
３３２ 検出抵抗
３３３ 第２の抵抗
３３４ オペアンプ
３４０ 可変電流源
３５０ 出力電流電圧変換部
３６０ 出力基準電圧接続部
４７０ 電圧制御部

Claims (6)

1. 送信部電源が接続される送信部電源側端子と、
   前記送信部電源側端子に接続されるフローティング電源と、
   前記フローティング電源に接続される定電流源と、
   前記フローティング電源に電源端子が接続されるオペアンプと、
   前記送信部電源側端子と前記オペアンプの第１の入力端子の間に接続される第１の抵抗と、
   前記送信部電源側端子と前記オペアンプの第２の入力端子の間に接続される検出抵抗と、
   前記第１の抵抗と前記第１の入力端子と前記オペアンプの出力端子に接続される可変電流源と、
   前記可変電流源に接続される出力電流電圧変換部と、
   を備え、
   前記定電流源と前記出力電流電圧変換部は、０Ｖ以外であって前記送信部電源と逆の極性をもつ電源に接続されていることを特徴とする電流検出回路。
2. 前記送信部電源側端子と前記検出抵抗の間であって、且つ、前記送信部電源側端子と前記第１の抵抗の間に接続される電圧抑制部を有することを特徴とする請求項１に記載の電流検出回路。
3. 前記電圧抑制部は、ダイオードであることを特徴とする請求項２に記載の電流検出回路。
4. 超音波の送信信号を送信する送信部と、前記送信部に電源を供給する送信部電源と、
   請求項１から３のいずれか一つに記載の電流検出回路を有する超音波診断装置であって、
   前記電流検出回路の送信部電源側端子に接続される前記送信部電源から、正の電圧が供給され、
   前記電流検出回路が、前記送信部に供給される電源の電流値を検出する超音波診断装置。
5. 超音波の送信信号を送信する送信部と、前記送信部に電源を供給する送信部電源と、
   請求項１から３のいずれか一つに記載の電流検出回路を有する超音波診断装置であって、
   前記電流検出回路の送信部電源側端子に接続される前記送信部電源から、負の電圧が供給され、
   前記電流検出回路が、前記送信部に供給される電源の電流値を検出する超音波診断装置。
6. 超音波の送信信号を送信する送信部と、
   前記送信部に正の電源を供給する第１の送信部電源と、
   前記送信部に負の電源を供給する第２の送信部電源と、
   請求項１から３のいずれか一つに記載の電流検出回路を２つ有する超音波診断装置であって、
   前記電流検出回路の一方を第１の電流検出回路とし、他方の電流検出回路を第２の電流検出回路とし、
   前記第１の電流検出回路の送信部電源側端子に接続される前記第１の送信部電源から、正の電圧が供給され、
   前記第２の電流検出回路の送信部電源側端子に接続される前記第２の送信部電源から、負の電圧が供給され、
   前記第１の電流検出回路が、前記送信部に供給される正の電源の電流値を検出し、
   前記第２の電流検出回路が、前記送信部に供給される負の電源の電流値を検出し、
   前記正の電圧と、前記負の電圧とを組み合わせて、前記送信部が超音波パルスを生成する超音波診断装置。

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