JP6580813B2 - 超音波診断装置及び電源システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超音波診断装置及び電源システムに関する。

従来、超音波診断装置の直流電源部には、高効率化、小型化、及び低価格化が可能であることから、通常は複数のスイッチング電源が用いられる。スイッチング電源は、例えば、交流を直流に変換した後、スイッチングにより直流をパルス波にし、電圧を変換する。

また、このスイッチング電源に起因するスイッチングノイズが、被検体から収集される微小な受信信号や超音波パルスの発生回路に混入すると、画像データの観測が困難になる場合がある。このようなことから、超音波診断装置は、直流電源部にフィルタ回路を挿入することで、スイッチングノイズを低減する。

例えば、コモンモードのスイッチングノイズが問題である場合、スイッチング電源の出力部と超音波パルス発生回路及び受信信号処理回路との間に、コモンモードチョークコイルが挿入される。このコモンモードチョークコイルは、スイッチング周波数と、スイッチング周波数の高調波成分であるスイッチングノイズとを電気的に分離する。

特開２００７−２９１９８号公報

本発明が解決しようとする課題は、スイッチング電源の電源変換効率を安価に向上させることができる超音波診断装置及び電源システムを提供することである。

実施形態の超音波診断装置は、超音波プローブと、処理装置と、第１のコイルを含む直流電源部とを備える。処理装置は、超音波プローブによる超音波の送受信を制御する送受信部を含み、送受信部によって受信された受信信号から、画像データを生成して表示する。直流電源部は、処理装置に直流を供給する。また、この直流電源部は、第１のコンバータと、駆動パルス制御部と、演算処理部と、第２のコンバータと、を備える。第１のコンバータは、交流を直流に変換し処理装置に電流を供給する。駆動パルス制御部は、第１のコンバータに供給する駆動パルスのパルス幅を制御する。演算処理部は、駆動パルス制御部と同一の基準電位上に配置され、駆動パルス制御部に制御信号を供給する。第２のコンバータは、駆動パルス制御部及び演算処理部に直流電源を供給する制御用コンバータである。第２のコンバータは、交流入力側である１次側と直流出力側である２次側とを絶縁する絶縁部を有する。第１のコイルは、第２のコンバータの出力側と、駆動パルス制御部及び演算処理部との間に設けられ、第２のコンバータのノイズを分離する。第１のコンバータは、生成された直流に対してノイズ分離を行う第２のコイルを有する。駆動パルス制御部及び演算処理部は、２次側に配置される。

図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成例を示すブロック図である。 図２は、第１の実施形態に係る直流電源部の構成を示す機能ブロック図である。 図３は、第１の実施形態に係る駆動パルスの動作タイミングの一例を示す図である。

以下、図面を参照して、実施形態に係る超音波診断装置及び電源システムを説明する。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成例を示すブロック図である。図１に例示するように、第１の実施形態に係る超音波診断装置は、超音波プローブ１と、装置本体１００と、モニタ２００と、入力装置３００とを有する。

超音波プローブ１は、複数の圧電振動子を有し、これら複数の圧電振動子は、後述する装置本体１００が有する送受信部１１０から供給される駆動信号に基づき超音波を発生する。また、超音波プローブ１が有する複数の圧電振動子は、被検体Ｐからの反射波を受信して電気信号に変換する。また、超音波プローブ１は、圧電振動子に設けられる整合層と、圧電振動子から後方への超音波の伝播を防止するバッキング材等を有する。なお、超音波プローブ１は、装置本体１００と着脱自在に接続される。

超音波プローブ１から被検体Ｐに超音波が送信されると、送信された超音波は、被検体Ｐの体内組織における音響インピーダンスの不連続面で次々と反射され、反射波信号として超音波プローブ１が有する複数の圧電振動子にて受信される。受信される反射波信号の振幅は、超音波が反射される不連続面における音響インピーダンスの差に依存する。なお、送信された超音波パルスが、移動している血流や心臓壁等の表面で反射された場合の反射波信号は、ドプラ効果により、移動体の超音波送信方向に対する速度成分に依存して、周波数偏移を受ける。

入力装置３００は、マウス、キーボード、ボタン、パネルスイッチ、タッチコマンドスクリーン、フットスイッチ、トラックボール、ジョイスティック等を有する。入力装置３００は、超音波診断装置の操作者からの各種設定要求を受け付け、装置本体１００に対して受け付けた各種設定要求を転送する。

モニタ２００は、超音波診断装置の操作者が入力装置３００を用いて各種設定要求を入力するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示したり、装置本体１００において生成された超音波画像データ等を表示したりする。

装置本体１００は、超音波プローブ１が受信した反射波信号に基づいて超音波画像データを生成する。図１に示す装置本体１００は、２次元の反射波信号に基づいて２次元の超音波画像データを生成可能であり、３次元の反射波信号に基づいて３次元の超音波画像データを生成可能である。

装置本体１００は、図１に例示するように、送受信部１１０と、Ｂモード処理部１２０と、ドプラ処理部１３０と、画像データ生成部１４０と、画像メモリ１５０と、内部記憶部１６０と、制御部１７０と、直流電源部１８０とを有する。なお、装置本体１００が有する構成要素のうち、送受信部１１０と、Ｂモード処理部１２０と、ドプラ処理部１３０と、画像データ生成部１４０と、画像メモリ１５０と、内部記憶部１６０と、制御部１７０とを総称して、「処理装置」と称する場合がある。

送受信部１１０は、後述する制御部１７０の指示に基づいて、超音波送受信を制御する。送受信部１１０は、パルス発生器、送信遅延回路、超音波パルス送信回路等を有し、超音波プローブ１に駆動信号を供給する。パルス発生器は、所定のレート周波数で、送信超音波を形成するためのレートパルスを繰り返し発生する。また、送信遅延回路は、超音波プローブ１から発生される超音波をビーム状に集束し、かつ送信指向性を決定するために必要な圧電振動子ごとの遅延時間を、パルス発生器が発生する各レートパルスに対し与える。また、超音波パルス送信回路は、レートパルスに基づくタイミングで、超音波プローブ１に駆動信号（駆動パルス）を印加する。

すなわち、送信遅延回路は、各レートパルスに対し与える遅延時間を変化させることで、圧電振動子面から送信される超音波の送信方向を任意に調整する。また、送信遅延回路は、各レートパルスに対し与える遅延時間を変化させることで、超音波送信の深さ方向における集束点（送信フォーカス）の位置を制御する。

なお、送受信部１１０は、後述する制御部１７０の指示に基づいて、所定のスキャンシーケンスを実行するために、送信周波数、送信駆動電圧等を瞬時に変更可能な機能を有している。特に、送信駆動電圧の変更は、後述する直流電源部１８０において、瞬間的に設定値を切り替え可能なリニアアンプ型の発信回路、又は、複数の電源ユニットを電気的に切り替える機構によって実現される。

また、送受信部１１０は、アンプ回路、Ａ／Ｄ（Analog／Digital）変換器、受信遅延回路、加算器、直交検波回路等を有し、超音波プローブ１が受信した反射波信号に対して各種処理を行って反射波データを生成する。アンプ回路は、反射波信号をチャンネル毎に増幅してゲイン補正処理を行う。Ａ／Ｄ変換器は、ゲイン補正された反射波信号をＡ／Ｄ変換する。受信遅延回路は、デジタルデータに受信指向性を決定するのに必要な受信遅延時間を与える。加算器は、受信遅延回路により受信遅延時間が与えられた反射波信号の加算処理を行う。加算器の加算処理により、反射波信号の受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調される。そして、直交検波回路は、加算器の出力信号をベースバンド帯域の同相信号（Ｉ信号、Ｉ：In-phase）と直交信号（Ｑ信号、Ｑ：Quadrature-phase）とに変換する。そして、直交検波回路は、Ｉ信号及びＱ信号（以下、ＩＱ信号と記載する）を反射波データとして図示しないフレームバッファに格納する。なお、直交検波回路は、加算器の出力信号を、ＲＦ（Radio Frequency）信号に変換した上で、図示しないフレームバッファに格納してもよい。

送受信部１１０は、被検体Ｐ内の２次元領域を走査（２次元走査）する場合、超音波プローブ１から被検体Ｐ内の２次元領域に超音波を送信させる。そして、送受信部１１０は、超音波プローブ１が受信した２次元領域の反射波信号から２次元の反射波データを生成する。また、送受信部１１０は、被検体Ｐ内の３次元領域を走査（３次元走査）する場合、超音波プローブ１から被検体Ｐ内の３次元領域に超音波を送信させる。そして、送受信部１１０は、超音波プローブ１が受信した３次元領域の反射波信号から３次元の反射波データを生成する。

Ｂモード処理部１２０及びドプラ処理部１３０は、送受信部１１０が反射波信号から生成した反射波データに対して、各種の信号処理を行なう信号処理部である。Ｂモード処理部１２０は、送受信部１１０から反射波データを受信し、対数増幅、包絡線検波処理等を行なって、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータ（Ｂモードデータ）を生成する。また、ドプラ処理部１３０は、送受信部１１０から受信した反射波データを周波数解析することでドプラシフトを検出し、その検出結果に基づいて生体内における移動体の情報（ドプラデータ）を生成する。ここで、移動体とは、例えば、血流や心壁等の組織、造影剤である。ドプラ処理部１３０は、例えば、生体内における単数又は複数の計測位置に対応するドプラシフトの検出結果に基づく波形画像を表示する機能（パルスドプラモード）と、生体内における所定領域内の複数の計測位置に対応するドプラシフトの検出結果に基づくカラー画像を表示する機能（カラードプラモード）とを備える。Ｂモード処理部１２０やドプラ処理部１３０は、上述したフレームバッファを介して反射波データを取得する。

なお、図１に例示するＢモード処理部１２０及びドプラ処理部１３０は、２次元空間内の複数位置に対応する反射波データ及び３次元空間内の複数位置に対応する反射波データの両方について処理可能である。すなわち、Ｂモード処理部１２０は、２次元空間内の複数位置に対応する反射波データから２次元空間内の複数位置に対応するＢモードデータを生成し、３次元空間内の複数位置に対応する反射波データから３次元空間内の複数位置に対応するＢモードデータを生成する。また、ドプラ処理部１３０は、２次元空間内の複数位置に対応する反射波データから２次元空間内の複数位置に対応するドプラデータを生成し、３次元空間内の複数位置に対応する反射波データから３次元空間内の複数位置に対応するドプラデータを生成する。

画像データ生成部１４０は、Ｂモード処理部１２０及びドプラ処理部１３０が生成したデータから超音波画像データを生成する。画像データ生成部１４０は、Ｂモード処理部１２０が生成した２次元空間内の複数位置に対応するＢモードデータから表示用の２次元Ｂモード画像データを生成する。また、画像データ生成部１４０は、ドプラ処理部１３０が生成した２次元空間内の複数位置に対応するドプラデータから表示用の２次元ドプラ画像データを生成する。２次元ドプラ画像データは、速度画像データ、分散画像データ、パワー画像データ、又は、これらを組み合わせた画像データである。

ここで、画像データ生成部１４０は、一般的には、超音波走査の走査線信号列を、テレビ等に代表されるビデオフォーマットの走査線信号列に変換（スキャンコンバート）し、表示用の超音波画像データを生成する。例えば、画像データ生成部１４０は、超音波プローブ１による超音波の走査形態に応じて座標変換を行なうことで、表示用の超音波画像データを生成する。また、画像データ生成部１４０は、スキャンコンバート以外に、種々の画像処理として、例えば、スキャンコンバート後の複数の画像フレームを用いて、輝度の平均値画像を再生成する画像処理（平滑化処理）や、画像内で微分フィルタを用いる画像処理（エッジ強調処理）等を行なう。また、画像データ生成部１４０は、超音波画像データに、種々のパラメータの文字情報、目盛り、ボディーマーク等を合成する。

Ｂモードデータ及びドプラデータは、スキャンコンバート処理前の超音波画像データであり、画像データ生成部１４０が生成するデータは、スキャンコンバート処理後の表示用の超音波画像データである。なお、Ｂモードデータ及びドプラデータは、生データ（Raw Data）とも呼ばれる。画像データ生成部１４０は、スキャンコンバート処理前の２次元超音波画像データから、表示用の２次元超音波画像データを生成する。

更に、画像データ生成部１４０は、Ｂモード処理部１２０が生成した３次元空間内の複数位置に対応するＢモードデータに対して座標変換を行なうことで、表示用の３次元Ｂモード画像データを生成する。また、画像データ生成部１４０は、ドプラ処理部１３０が生成した３次元空間内の複数位置に対応するドプラデータに対して座標変換を行なうことで、表示用の３次元ドプラ画像データを生成する。なお、「３次元Ｂモード画像データや３次元ドプラ画像データ」を「３次元超音波画像データ（ボリュームデータ）」と呼ぶ。

更に、画像データ生成部１４０は、ボリュームデータをモニタ２００にて表示するための２次元画像データを生成するために、ボリュームデータに対して各種レンダリング処理を行なう。画像データ生成部１４０が行なうレンダリング処理としては、例えば、断面再構成法（ＭＰＲ：Multi Planar Reconstruction）を行なってボリュームデータからＭＰＲ画像データを生成する処理がある。また、画像データ生成部１４０が行なうレンダリング処理としては、例えば、３次元の情報を反映した２次元画像データを生成するボリュームレンダリング（ＶＲ：Volume Rendering）処理がある。

画像メモリ１５０は、画像データ生成部１４０が生成した表示用の画像データを記憶するメモリである。また、画像メモリ１５０は、Ｂモード処理部１２０やドプラ処理部１３０が生成したデータを記憶することも可能である。このドプラ処理部１３０が生成したデータには、血流情報が含まれる。画像メモリ１５０が記憶するＢモードデータやドプラデータは、例えば、診断の後に操作者が呼び出すことが可能となっており、画像データ生成部１４０を経由して表示用の超音波画像データとなる。

内部記憶部１６０は、超音波送受信、画像処理及び表示処理を行なうための制御プログラムや、診断情報（例えば、患者ＩＤ、医師の所見等）や、診断プロトコルや各種ボディーマーク等の各種データを記憶する。また、内部記憶部１６０は、必要に応じて、画像メモリ１５０が記憶する画像データの保管等にも使用される。また、内部記憶部１６０が記憶するデータは、図示しないインターフェースを経由して、外部装置へ転送することができる。また、内部記憶部１６０は、外部装置から図示しないインターフェースを経由して転送されたデータを記憶することも可能である。

制御部１７０は、超音波診断装置の処理全体を制御する。具体的には、制御部１７０は、入力装置３００を介して操作者から入力された各種設定要求や、内部記憶部１６０から読込んだ各種制御プログラム及び各種データに基づき、送受信部１１０、Ｂモード処理部１２０、ドプラ処理部１３０及び画像データ生成部１４０の処理を制御する。また、制御部１７０は、画像メモリ１５０や内部記憶部１６０が記憶する表示用の超音波画像データをモニタ２００にて表示するように制御する。

直流電源部１８０は、複数のスイッチング電源を備え、交流を直流に変換する。そして、直流電源部１８０は、装置本体１００の送受信部１１０と、Ｂモード処理部１２０と、ドプラ処理部１３０と、画像データ生成部１４０と、画像メモリ１５０と、内部記憶部１６０と、制御部１７０とに、直流を供給する。なお、スイッチング電源において、交流入力側のことを「１次側」と称し、直流出力側のことを「２次側」と称す。

このような構成にされる超音波診断装置では、例えば、Ｂモード、パルスドプラモード、カラードプラモード、連続波ドプラモードなどの撮像モードで超音波画像データが生成される。

ここで、連続波ドプラモードは、ノイズ感受性が高い撮像モードである。このため、連続波ドプラモードでは、ノイズを抑えるために、各スイッチング電源それぞれでスイッチングパルス（「駆動パルス」とも言う）の周波数を連続波ドプラモードの送受信周波数の整数分の１（例えば連続波ドプラモードの送受信周波数が２ＭＨｚのときに２５０ＫＨｚ）に揃えることでノイズの抑制が見込まれる。さらに各スイッチング電源のオン・オフのタイミングは一致させない。すなわち、スイッチングパルスの位相をずらすことより更なるノイズの抑制が見込まれる。

一方、連続波ドプラモード以外の撮像モードでも、各スイッチング電源のオン・オフのタイミングを分散させることによりノイズの抑制が見込まれる。例えば、スイッチング電源それぞれでスイッチングパルスの周波数やスイッチングパルスの位相をずらすことでノイズの抑制が見込まれる。このようなことから、スイッチング電源では、スイッチングパルスの周波数やスイッチング開始位相を高い精度で制御することが望まれる。

ところで、Ａ／Ｄコンバータを内蔵したＤＳＰ（Digital Signal Processor）を用いて、スイッチングパルスのパルス幅変調（ＰＷＭ：pulse width modulation）制御を行う電源が実用化されつつある。

ＤＳＰは、デジタル化されたスイッチング電源内部の出力電圧値と出力電流値とに基づいて、スイッチングパルス幅を導出し、スイッチングパルスを出力するまでのフィルタ特性を任意に設計可能である。このため、ＤＳＰは、負荷が急変した際の電源出力の応答特性を改善可能であると考えられている。更に、ＤＳＰは、同期整流のための整流素子の開閉をＤＳＰ内部クロックの精度（基準クロックの数倍）で制御できることから、この開閉タイミングを最適化することにより、電源の変換効率を改善可能であると考えられている。

更に、このようなＤＳＰを用いたスイッチング電源を複数用いた場合、各スイッチング電源のスイッチング開始位相を高い精度で制御することが可能である。このことから、ＤＳＰは、スイッチングパルスのタイミングを正確にずらし、同一のタイミングでのスイッチングを避けることにより、直流電源部１８０で生み出すスイッチングパルスの周波数及びスイッチングパルスの高調波帯域のスイッチングノイズを低減することが可能であると期待される。また、これにより、ＤＳＰは、超音波画像の虚像を防止するのみならず、超音波診断装置から空中への不要な輻射などの低減を高い精度で実現可能であると期待される。

そこで、第１の実施形態に係る直流電源部１８０は、交流を直流に変換するコンバータに供給する駆動パルスのパルス幅を制御する駆動パルス制御部としてのＤＳＰを備える。そして、第１の実施形態に係る直流電源部１８０では、ＤＳＰに制御信号を供給する演算処理部としてのマイコンと、ＤＳＰとが同一の基準電位上に配置される。そして、第１の実施形態に係る直流電源部１８０は、ＤＳＰと、当該ＤＳＰが制御対象とするコンバータとの間に設けられ、駆動パルスの周波数と、当該駆動パルスの高調波帯域とを電気的に分離する分離部を備える。

次に、図２を用いて直流電源部１８０について説明する。図２は、第１の実施形態に係る直流電源部１８０の構成を示す機能ブロック図である。図２に示すように、直流電源部１８０は、力率改善回路４０１と、絶縁コンバータ４０２〜４０４と、ＤＳＰ４０５〜４０８と、マイコン４０９と、非絶縁コンバータ４１０と、リニアレギュレータ４１１と、分離部４１２〜４１４と、絶縁部４１５とを備える。この直流電源部１８０は、装置本体１００が有する各部（処理装置５００）に直流を供給する。なお、図２にでは、処理装置５００が有する各部のうち送受信部１１０のみ図示している。また、図２では、送受信部１１０が有する構成部のうち超音波パルス送信回路のみ図示している。また、図２では、直流電源部１８０が有する機能のうち、送受信部１１０に直流を供給する構成のみを図示している。なお、直流電源部１８０が有する絶縁コンバータ及びＤＳＰの数は、図２に示す数に限定されるものではない。また、処理装置５００のうち、送受信部１１０以外の各部には、一般的に、各部ごとに配置された絶縁コンバータ１つ及びＤＳＰ１つが直流を各部に供給する。

力率改善回路４０１は、電源の力率を１に近づける回路であり、入力された交流電源の力率を改善して、絶縁コンバータ４０２〜４０４に交流を供給する。

絶縁コンバータ４０２は、スイッチング電源であり、駆動回路４０２ａと、絶縁部４０２ｂ〜４０２ｃと、平滑回路４０２ｄと、制御回路４０２ｅと、１次側制御電源生成回路４０２ｆとを有する。絶縁コンバータ４０２において、絶縁部４０２ｂは、１次側と２次側とを絶縁する。この絶縁部４０２ｂは、例えばトランスである。なお、絶縁コンバータ４０２のことを「制御用コンバータ」とも言う。

この絶縁コンバータ４０２は、力率改善回路４０１から供給された交流を直流に変換して、マイコン４０９と、ＤＳＰ４０６〜４０８とに直流を２次側制御用電源として供給する。例えば、絶縁コンバータ４０２において、スイッチング素子を有する駆動回路４０２ａは、制御回路４０２ｅが出力する駆動パルスに応じてスイッチング素子のオンとオフとを切り替える。続いて、絶縁部４０２ｂは、絶縁された状態で交流を平滑回路４０２ｄに伝達する。そして、平滑回路４０２ｄは、伝達された交流を平滑化して２次側制御用電源を生成する。平滑回路４０２ｄにより生成された２次側制御用電源は、分離部４１２でノイズ分離されて、マイコン４０９と、ＤＳＰ４０６〜４０８とに供給される。なお、分離部４１２は、例えばコイルである。また、分離部４１２のことを「ノイズ分離部」とも言う。

また、絶縁コンバータ４０２は、ＤＳＰ４０５に１次側制御用電源を供給する。例えば、１次側制御電源生成回路４０２ｆは、絶縁部４０２ｂの１次側の補助巻線出力を入力とし、１次側制御電源を生成する。１次側制御電源生成回路４０２ｆは、制御回路４０２ｅ及びＤＳＰ４０５に、生成した１次側制御電源を供給する。

平滑回路４０２ｄの出力電圧信号は、絶縁部４０２ｃを介して制御回路４０２ｅに帰還する。絶縁部４０２ｃは、例えばフォトカプラである。制御回路４０２ｅは、帰還された平滑回路４０２ｄの出力電圧信号により、平滑回路４０２ｄの出力電圧を一定に保つように駆動パルスのＰＷＭを制御する。なお、絶縁コンバータ４０２の入力は、力率改善回路４０１の非動作時には比較的低い入力電圧となる。

ＤＳＰ４０５は、１次側に配置したＤＳＰであり、絶縁コンバータ４０２から供給される１次側制御用電源により作動する。ＤＳＰ４０５は、力率改善回路４０１に供給する駆動パルスのＰＷＭを制御する。例えば、ＤＳＰ４０５は、図示しないＡ／Ｄコンバータを内蔵し、交流入力の波形を取り込むための入力電圧検出信号と出力電圧検出信号とを入力とする。そして、ＤＳＰ４０５は、出力電圧を一定、かつ、入力電流波形が交流入力の波形と相似となるように駆動パルスのＰＷＭを制御する。

また、ＤＳＰ４０５は、駆動回路などの保護を行う。例えば、ＤＳＰ４０５は、力率改善回路４０１、後述する絶縁コンバータ４０３の１次側の駆動回路４０３ａ、及び後述する絶縁コンバータ４０４の１次側の駆動回路４０４ａの電流検出信号を監視する。なお、ＤＳＰ４０５による駆動回路などの保護については後述する。また、ＤＳＰ４０５のことを「監視制御部」とも言う。

このように、ＤＳＰ４０５が力率改善回路４０１の制御、絶縁コンバータ４０３の駆動回路４０３ａ、及び絶縁コンバータ４０４の駆動回路４０４ａの監視と保護とを兼ねることにより、直流電源部１８０は、使用するＤＳＰの総量を減らすことができる。

なお、ＤＳＰ４０５は、超音波診断装置の超音波パルスの送受信回路との間に絶縁コンバータ４０３及び絶縁コンバータ４０４を介して配置される。これによりＤＳＰ４０５のノイズは、超音波画像の虚像の原因にはなり難い。このため、ＤＳＰ４０５は、自身で生成するクロックで動作する構成とされる。

絶縁コンバータ４０３は、スイッチング電源であり、駆動回路４０３ａと、絶縁部４０３ｂ〜４０３ｃと、平滑回路４０３ｄと、分離部４０３ｅ〜４０３ｇと、ＡＮＤ回路４０３ｈとを有する。絶縁コンバータ４０３において、絶縁部４０３ｂは、１次側と２次側とを絶縁する。この絶縁部４０３ｂは、例えばトランスである。

この絶縁コンバータ４０３は、力率改善回路４０１から供給された交流を直流に変換して、送受信部１１０に直流を供給する。例えば、絶縁コンバータ４０３において、スイッチング素子を有する駆動回路４０３ａは、ＤＳＰ４０６が出力する駆動パルスに応じてスイッチング素子のオンとオフとを切り替える。続いて、絶縁部４０３ｂは、絶縁された状態で交流を平滑回路４０３ｄに伝達する。そして、平滑回路４０３ｄは、伝達された交流を平滑化する。平滑回路４０３ｄにより生成された直流は、分離部４０３ｇでノイズ分離されて、送受信部１１０に供給される。なお、分離部４０３ｇは、例えばコイルである。

また、平滑回路４０３ｄの出力電圧信号は、分離部４０３ｆを介して、スイッチングノイズを電気的に分離した状態で、ＤＳＰ４０６に帰還する。この分離部４０３ｆは、例えば差動バッファである。

また、駆動回路４０３ａのスイッチング素子を流れる電流は、電流検出信号として、ＤＳＰ４０５に入力される。これにより、ＤＳＰ４０５は、内蔵コンパレータ（もしくはＡ／Ｄ変換出力）の値に基づき、電流検出信号が予め設定された異常値を超えるか否かを判定する。ＤＳＰ４０５は、電流検出信号が異常値を超えると判定した場合には、駆動パルスを停止するとともに、通信手段Ｃを介してマイコン４０９へ動作が異常状態であることを伝達する。なお、マイコン４０９は、異常状態であることが伝達された場合には、全電源システムの停止など、定められた異常状態の処理をおこなう。また、通信手段Ｃは、ＵＡＲＴ(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)である。

ＤＳＰ４０６（「駆動パルス制御部」とも言う）は、絶縁コンバータ４０３を制御するＤＳＰである。ＤＳＰ４０６と、絶縁コンバータ４０３との間では、分離部４０３ｅ及び分離部４０３ｆによりスイッチングノイズが電気的に分離される。

例えば、ＤＳＰ４０６は、絶縁コンバータ４０３から帰還した出力電圧信号に基づいて、絶縁コンバータ４０３に供給する駆動パルスのＰＷＭを制御することで、絶縁コンバータ４０３の出力電圧が予め設定された値になるように制御する。ここで、ＤＳＰ４０６は、帰還した出力電圧信号をＡ／Ｄ変換し、位相補償を施して、平滑回路４０３ｄの出力電圧が予め設定された値になるようにＰＷＭを制御して駆動パルスを生成する。そして、ＤＳＰ４０６は、絶縁部４０３ｃを介して駆動回路４０３ａに生成した駆動パルスを伝達する。この絶縁部４０３ｃは、例えばフォトカプラである。

絶縁コンバータ４０４は、スイッチング電源であり、駆動回路４０４ａと、絶縁部４０４ｂ〜４０４ｃと、平滑回路４０４ｄと、分離部４０４ｅ〜４０４ｇと、ＡＮＤ回路４０４ｈとを有する。絶縁コンバータ４０４において、絶縁部４０４ｂは、１次側と２次側とを絶縁する。この絶縁部４０４ｂは、例えばトランスである。

この絶縁コンバータ４０４は、力率改善回路４０１から供給された交流を直流に変換して、非絶縁コンバータ４１０と送受信部１１０とに直流を供給する。例えば、絶縁コンバータ４０４において、スイッチング素子を有する駆動回路４０４ａは、ＤＳＰ４０７が出力する駆動パルスに応じてスイッチング素子のオンとオフとを切り替える。続いて、絶縁部４０４ｂは、絶縁された状態で交流を平滑回路４０４ｄに伝達する。そして、平滑回路４０４ｄは、伝達された交流を平滑化する。平滑回路４０４ｄにより生成された直流は、分離部４０４ｇでノイズ分離されて、送受信部１１０に供給される。なお、分離部４０４ｇは、例えばコイルである。また、平滑回路４０４ｄは、非絶縁コンバータ４１０に直流を供給する。

また、平滑回路４０４ｄの出力電圧信号は、分離部４０４ｆを介して、スイッチングノイズを電気的に分離した状態で、ＤＳＰ４０７に帰還する。この分離部４０４ｆは、例えば差動バッファである。

また、駆動回路４０４ａのスイッチング素子を流れる電流は、電流検出信号として、ＤＳＰ４０５に入力される。これにより、ＤＳＰ４０５は、内蔵コンパレータ（もしくはＡ／Ｄ変換出力）の値に基づき、電流検出信号が予め設定された異常値を超えるか否かを判定する。ＤＳＰ４０５は、電流検出信号が異常値を超えると判定した場合には、駆動パルスを停止するとともに、通信手段Ｃを介してマイコン４０９へ動作が異常状態であることを伝達する。なお、マイコン４０９は、異常状態であることが伝達された場合には、全電源システムの停止など、定められた異常状態の処理をおこなう。

ＤＳＰ４０７（「駆動パルス制御部」とも言う）は、絶縁コンバータ４０４を制御するＤＳＰである。ＤＳＰ４０７と、絶縁コンバータ４０４との間では、分離部４０４ｅ及び分離部４０４ｆによりスイッチングノイズが電気的に分離される。

例えば、ＤＳＰ４０７は、絶縁コンバータ４０４から帰還した出力電圧信号に基づいて、絶縁コンバータ４０４に供給する駆動パルスのＰＷＭを制御することで、絶縁コンバータ４０４の出力電圧が予め設定された値になるように制御する。ここで、ＤＳＰ４０７は、帰還した出力電圧信号をＡ／Ｄ変換し、位相補償を施して、平滑回路４０４ｄの出力電圧が予め設定された値になるようにＰＷＭを制御して駆動パルスを生成する。そして、ＤＳＰ４０７は、絶縁部４０４ｃを介して駆動回路４０４ａに生成した駆動パルスを伝達する。この絶縁部４０４ｃは、例えばフォトカプラである。

非絶縁コンバータ４１０及びリニアレギュレータ４１１は、リニアアンプ型の発信回路であり、送受信部１１０の超音波パルス送信回路に直流を供給する。ここで、超音波パルス送信回路では電圧を変えて走査することから、非絶縁コンバータ４１０及びリニアレギュレータ４１１は、超音波パルス送信回路に供給する電圧を可変制御する。なお、非絶縁コンバータ４１０及びリニアレギュレータ４１１の出力電圧設定値は、通信手段Ａ及び通信手段Ｂを介して、送受信部１１０から設定される。なお、通信手段Ａ及び通信手段Ｂは、ＵＡＲＴである。なお、非絶縁コンバータ４１０及びリニアレギュレータ４１１のことを、「可変電圧コンバータ」とも言う。

非絶縁コンバータ４１０は、駆動回路４１０ａと、平滑回路４１０ｂと、分離部４１０ｃ〜４１０ｆとを有する。この非絶縁コンバータ４１０は、絶縁コンバータ４０４から供給された直流を入力とし、リニアレギュレータ４１１に出力する。

例えば、非絶縁コンバータ４１０において、スイッチング素子を有する駆動回路４１０ａは、駆動パルスに応じて、絶縁コンバータ４０４から供給されたスイッチング素子のオンとオフとを切り替える。続いて、平滑回路４１０ｂは、直流を平滑化する。平滑回路４１０ｂにより平滑化された直流は、分離部４１０ｆでノイズ分離されて、リニアレギュレータ４１１に出力される。なお、分離部４１０ｆは、例えばコイルである。

また、平滑回路４１０ｂの出力電圧信号は、分離部４１０ｃを介して、スイッチングノイズを電気的に分離した状態で、ＤＳＰ４０８に帰還する。この分離部４１０ｃは、例えば差動バッファである。

また、駆動回路４１０ａのスイッチング素子を流れる電流は、電流検出信号として、分離部４１０ｄを介してＤＳＰ４０８に入力される。なお、分離部４１０ｄは、例えば差動バッファである。これにより、ＤＳＰ４０８は、内蔵コンパレータ（もしくはＡ／Ｄ変換出力）の値に基づき、電流検出信号が予め設定された異常値を超えるか否かを判定する。ＤＳＰ４０８は、電流検出信号が異常値を超えると判定した場合には、駆動パルスを停止するとともに、通信手段Ｂを介してマイコン４０９へ動作が異常状態であることを伝達する。なお、マイコン４０９は、異常状態であることが伝達された場合には、全電源システムの停止など、定められた異常状態の処理をおこなう。

リニアレギュレータ４１１は、変換回路４１１ａと、Ｄ／Ａコンバータ４１１ｂと、分離部４１１ｃ〜４１１ｅとを有する。このリニアレギュレータ４１１は、非絶縁コンバータ４１０から入力された電圧を、予め設定された電圧に変換して超音波パルス送信回路に供給する。

例えば、変換回路４１１ａは、ＤＳＰ４０８から出力される指示電圧信号に相関する直流出力をおこなう。ここで、ＤＳＰ４０８からデジタル信号として出力される指示電圧信号は、分離部４１１ｅを介してノイズが分離され、Ｄ／Ａコンバータ４１１ｂでデジタル信号からアナログ信号に変換されて変換回路４１１ａに入力される。変換回路４１１ａは、分離部を介することなく超音波パルス送信回路に直流を供給する。なお、分離部４１１ｅは、例えばフォトカプラである。また、分離部４１１ｅを差動バッファとした場合は、Ｄ／Ａコンバータを介さなくてもよい。

リニアレギュレータ４１１の電流検出信号は、分離部４１１ｃを介してＤＳＰ４０８に入力され、出力電圧信号は、分離部４１１ｄを介してＤＳＰ４０８に入力される。これにより、ＤＳＰ４０８は、内蔵するＡ／Ｄコンバータの値に基づき、電流検出信号が予め設定された異常値を超える場合には、駆動パルスを停止するとともに、通信手段Ｂを介してマイコン４０９へ動作が異常状態であることを伝達する。これにより、マイコン４０９は、全電源システムの停止など、定められた異常状態の処理をおこなう。なお、分離部４１１ｃ及び分離部４１１ｄは、例えば差動バッファである。

ＤＳＰ４０８は、非絶縁コンバータ４１０から帰還した出力電圧信号に基づいて、非絶縁コンバータ４１０に供給する駆動パルスのＰＷＭを制御することで、非絶縁コンバータ４１０の出力電圧が予め設定された値になるように制御する。ここで、ＤＳＰ４０８は、帰還した出力電圧信号をＡ／Ｄ変換し、位相補償を施して、平滑回路４１０ｂの出力電圧が予め設定された値になるようにＰＷＭを制御して駆動パルスを生成する。そして、ＤＳＰ４０８は、分離部４１０ｅを介して駆動回路４１０ａに生成した駆動パルスを伝達する。この分離部４１０ｅは、例えばフォトカプラである。

また、ＤＳＰ４０８は、リニアレギュレータ４１１の出力電圧が予め設定された値になるように指示電圧信号を出力する。なお、ＤＳＰ４０８のことを、「可変電圧コンバータ制御用駆動パルス制御部」とも言う。

マイコン４０９（「演算処理部」とも言う）は、２次側制御電源が供給されると、ＤＳＰ４０６〜４０８に動作のための共通の基準クロックを与える。ここで、マイコン４０９とＤＳＰ４０６〜４０８とが同一の基準電位(グランド)上に配置されているので、基準クロックの遅延は最小限に留められる。なお、図２中において、マイコン４０９とＤＳＰ４０６〜４０８とを囲む領域は、同一の基準電位(グランド)上に配置されていることを示す。

またマイコン４０９は、ＤＳＰ４０６とＤＳＰ４０７とＤＳＰ４０８それぞれに位相トリガパルスを与え、通信手段Ｂを介して位相トリガパルスに対するスイッチング駆動パルスの遅延量を、ＤＳＰ４０６とＤＳＰ４０７とＤＳＰ４０８のスイッチング駆動パルスの動作タイミングが同時にならないように設定する。これにより、同時にスイッチングノイズが発生しないので、超音波画像の虚像の発生を抑制できる。更に、マイコン４０９とＤＳＰ４０６〜４０８とが同一の基準電位(グランド)上に配置されているので、位相トリガパルスの遅延は最小限に留められる。この結果、ＤＳＰ４０６とＤＳＰ４０７とＤＳＰ４０８とのスイッチング駆動パルスの動作タイミングを正確にずらすことが可能になる。

図３は、第１の実施形態に係る駆動パルスの動作タイミングの一例を示す図である。図３では、ＤＳＰ４０６、ＤＳＰ４０７及びＤＳＰ４０８により生成される駆動パルスについて説明する。図３に示すように、例えば、マイコン４０９は、時間ｔ_ｄ１でＤＳＰ４０６に駆動パルスを出力させた後、２クロック分遅延した時間ｔ_ｄ２でＤＳＰ４０７に駆動パルスを出力させる。なお、時間ｔ_ｄ２から１クロック分遅延した時間ｔ_ｆ１で、ＤＳＰ４０６は、駆動パルスを一時停止させる。

また、例えば、マイコン４０９は、時間ｔ_ｄ２でＤＳＰ４０７に駆動パルスを出力させた後、２クロック分遅延した時間ｔ_ｄ３でＤＳＰ４０８に駆動パルスを出力させる。なお、時間ｔ_ｄ３から１クロック分遅延した時間ｔ_ｆ２で、ＤＳＰ４０７は、駆動パルスを一時停止させる。このように、マイコン４０９は、ＤＳＰ４０６とＤＳＰ４０７とＤＳＰ４０８とのスイッチング駆動パルスの動作タイミングを正確にずらすことが可能になる。

絶縁コンバータ４０３と絶縁コンバータ４０４と非絶縁コンバータ４１０との起動により送受信部１１０が動作を開始した場合、マイコン４０９には、分離部４１４を介してシステムクロックが供給される。マイコン４０９は、システムクロックの入力を検知すると、基準クロックをシステムクロックに同期させる。なお、分離部４１４は、例えば差動バッファである。

また、マイコン４０９と送受信部１１０とは、分離部４１３を介した通信手段Ａにより相互に通信する。マイコン４０９は、送受信部１１０から、高調波が超音波パルスの送受信周波数に同期するスイッチング駆動パルス周波数の情報など高速の通信信号を受け取り、通信手段Ｂで接続されるＤＳＰ４０６とＤＳＰ４０７とＤＳＰ４０８に受け取った高速の通信信号を伝達する。これにより、絶縁コンバータ４０３と絶縁コンバータ４０４と非絶縁コンバータ４１０は、高調波が超音波パルスの送受信周波数に同期するスイッチング駆動パルス周波数で動作することができ、連続波ドプラモードでの超音波画像の虚像を避けることができる。なお、マイコン４０９とＤＳＰ４０６〜４０８とが同一の基準電位(グランド)上に配置されているので、高速の通信信号の遅延は最小限に留められる。また、分離部４１３は、例えばフォトカプラである。

また、マイコン４０９は、通信手段Ｂで接続されるＤＳＰ４０６、ＤＳＰ４０７、及びＤＳＰ４０８と、絶縁部４１５の絶縁を介して通信手段Ｃで接続されるＤＳＰ４０５と相互に通信する。そして、マイコン４０９は、超音波診断装置の起動・停止スイッチを監視して、通信手段Ｂ及び通信手段Ｃを介して、絶縁コンバータ４０３と絶縁コンバータ４０４と非絶縁コンバータ４１０と、力率改善回路４０１と、絶縁コンバータ４０３の１次側の駆動回路４０３ａ及び絶縁コンバータ４０４の１次側の駆動回路４０４ａの監視の起動・停止を制御する。なお、絶縁部４１５は、例えばフォトカプラである。

上述したように、第１の実施形態によれば、以下に説明するように、スイッチング電源の電源変換効率を安価に向上させることができる。例えば、直流電源部１８０では、マイコン４０９とＤＳＰ４０６〜４０８とが同一の基準電位(グランド)上に配置されている。これにより、ＤＳＰ４０６〜４０８それぞれを同一のスイッチング周波数で動作させるための共通クロックや位相基準クロックなどの信号を直接相互に接続して少ない遅延時間とばらつきで伝達することができる。すなわち、直流電源部１８０では、マイコン４０９からの高速な信号をやりとり可能である。なお、１次側にＤＳＰ４０６〜４０８を配置した場合には、１次側と２次側との間に絶縁が必要であり、高速な信号をやり取り可能にするためには絶縁部に高価な部品を使用することになる。第１の実施形態によれば、２次側にＤＳＰ４０６〜４０８を配置することで、安価にマイコン４０９からの高速な信号をやりとり可能である。

また、直流電源部１８０では、絶縁コンバータ４０３と、ＤＳＰ４０６との間に分離部４０３ｅ及び分離部４０３ｆを配置する。これにより、絶縁コンバータ４０３とＤＳＰ４０６との間で、駆動パルスの周波数と駆動パルスの高調波帯域とを電気的に分離することが可能となる。また、同様に、直流電源部１８０では、絶縁コンバータ４０４と、ＤＳＰ４０７との間に分離部４０４ｅ及び分離部４０４ｆを配置する。これにより、絶縁コンバータ４０４とＤＳＰ４０７との間で、駆動パルスの周波数と駆動パルスの高調波帯域とを電気的に分離することが可能となる。また、同様に、直流電源部１８０では、非絶縁コンバータ４１０及びリニアレギュレータ４１１と、ＤＳＰ４０８との間に分離部４１０ｃ、分離部４１０ｅ、分離部４１１ｃ、分離部４１１ｄ及び分離部４１１ｅを配置する。これにより、絶縁コンバータ４１０及びリニアレギュレータ４１１とＤＳＰ４０８との間で、駆動パルスの周波数と駆動パルスの高調波帯域とを電気的に分離することが可能となる。

このように、第１の実施形態によれば、コモンチョーク等の分離部を設けることで超音波画面へのノイズを防止するとともに、各コンバータの駆動タイミングを分散させるための高速な位相制御を両立することができる。

また、直流電源部１８０では、１次側にＤＳＰ４０５を配置する。このＤＳＰ４０５は、力率改善回路４０１を制御するとともに、ＤＳＰ４０３の駆動回路４０３ａからの電流検出信号と、ＤＳＰ４０４の駆動回路４０４ａからの電流検出信号とを監視する。これにより、直流電源部１８０では、１次側に配置するＤＳＰの数量を少なくすることができる。

（その他の実施形態）
なお、上述した実施形態では、超音波プローブ１は、２次元上に配列された複数の圧電振動子を有するプローブ（２Ｄアレイプローブ）であってもよく、或いは、被検体Ｐを３次元で走査するメカニカル４Ｄプローブや２Ｄアレイプローブであってもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、スイッチング電源の電源変換効率を安価に向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００ 装置本体
１１０ 送受信部
１８０ 直流電源部
４０２〜４０４ 絶縁コンバータ
４０５〜４０８ ＤＳＰ
４０９ マイコン

Claims (8)

1. 超音波プローブと、
   前記超音波プローブによる超音波の送受信を制御する送受信部を含み、前記送受信部によって受信された受信信号から、画像データを生成して表示する処理装置と、
   前記処理装置に直流を供給する直流電源部と、
   を備える超音波診断装置であって、
   前記直流電源部は、
   交流を直流に変換し前記処理装置に直流を供給する第１のコンバータと、
   前記第１のコンバータに供給する駆動パルスのパルス幅を制御する駆動パルス制御部と、
   前記駆動パルス制御部と同一の基準電位上に配置され、前記駆動パルス制御部に制御信号を供給する演算処理部と、
   前記駆動パルス制御部及び前記演算処理部に直流電源を供給する制御用コンバータであって交流入力側である１次側と直流出力側である２次側とを絶縁する絶縁部を有する第２のコンバータと、
   前記第２のコンバータの出力側と、前記駆動パルス制御部及び前記演算処理部との間に設けられ、前記第２のコンバータのノイズを分離する第１のコイルとを更に備え、
   前記第１のコンバータは、生成された直流に対してノイズ分離を行う第２のコイルを有し、
   前記駆動パルス制御部及び前記演算処理部は、前記２次側に配置されることを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記駆動パルス制御部と、当該駆動パルス制御部が制御対象とする前記第１のコンバータとの間に設けられ、前記駆動パルスの周波数と、当該駆動パルスの高調波帯域とを通過させ、かつ通過した信号から前記周波数と前記高調波帯域とを電気的に分離する分離部を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記直流電源部は、
   電圧を可変可能な直流を前記送受信部が有する送信回路に供給する可変電圧コンバータと、
   前記可変電圧コンバータに供給する駆動パルスのパルス幅を制御する可変電圧コンバータ制御用駆動パルス制御部と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
4. 前記第２のコンバータは、前記第２のコンバータの駆動パルスのパルス幅を制御する制御回路を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波診断装置。
5. 前記直流電源部は、前記１次側に配置され、前記第１のコンバータが有する駆動回路を監視する監視制御部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
6. 前記直流電源部は、前記第１のコンバータ及び前記第２のコンバータに供給する交流の力率を改善する力率改善回路を更に備え、
   前記監視制御部は、前記力率改善回路に供給する駆動パルスのパルス幅を制御する
   ことを特徴とする請求項５に記載の超音波診断装置。
7. 超音波プローブによる超音波の送受信を制御する送受信部を含み、前記送受信部によって受信された受信信号から、画像データを生成して表示する処理装置に、交流を直流に変換して供給する第１のコンバータと、
   前記第１のコンバータに供給する駆動パルスのパルス幅を制御する駆動パルス制御部と、
   前記駆動パルス制御部と同一の基準電位上に配置され、前記駆動パルス制御部に制御信号を供給する演算処理部と、
   前記駆動パルス制御部及び前記演算処理部に直流電源を供給する制御用コンバータであって交流入力側である１次側と直流出力側である２次側とを絶縁する絶縁部を有する第２のコンバータと、
   前記第２のコンバータの出力側と、前記駆動パルス制御部及び前記演算処理部との間に設けられ、前記第２のコンバータのノイズを分離する第１のコイルとを更に備え、
   前記第１のコンバータは、生成された直流に対してノイズ分離を行う第２のコイルを有し、
   前記駆動パルス制御部及び前記演算処理部は、前記２次側に配置されることを特徴とする電源システム。
8. 前記駆動パルス制御部と、当該駆動パルス制御部が制御対象とする前記第１のコンバータとの間に設けられ、前記駆動パルスの周波数と、当該駆動パルスの高調波帯域とを通過させ、かつ通過した信号から前記周波数と前記高調波帯域とを分離する分離部を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の電源システム。

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