JP7065768B2 - 超音波トランスデューサのための高電圧電力の能動的分配 - Google Patents

Description

本発明は、医用診断用超音波撮像に関し、特には、超音波トランスデューサプローブへの電力供給に関する。

３Ｄ撮像に使用されるような超音波トランスデューサプローブは、プローブ内に配置され、トランスデューサアレイ（センサ）に結合される送信回路を有することができ、当該送信回路は、超音波システムに配置される電源からのエネルギーでトランスデューサ素子を励起する。剪断波エラストグラフィ又はＰＷドプラのようないくつかの撮像モダリティ、及び、治療用途に使用されるプローブのために、フロントエンド回路は、システム電源が供給できるよりも高い電流を必要とする可能性がある。プローブによるこれらの高電流を引き出すための試みは、フロントエンド及びトランスデューサに駆動電圧を供給する高電圧供給の電圧レベルの低下を招き得、その結果今度は、送信される超音波の音圧が落ち、これは、撮像及び治療の効果を低下させる。この問題を補う１つの手法は、高電圧供給ラインに大きなキャパシタンスを結合するという受動的な手法である。国際特許公開第 ２０１３／１７９１７９号には、プローブの高電圧供給ラインに結合され、超音波システムメインフレーム、トランスデューサのシステムコネクタ、及び／又はプローブケース内に配置される大型のコンデンサバンク（１００μＦから１０００μＦ）の使用が記載されている。送信フェーズ中にプローブが過度の電流を引き出し始めたときには、コンデンサバンクに蓄えられた電荷が電源からの電荷を補い、所望の電圧レベルを維持する。

しかしながら、このアプローチには、物理的にかなりの大きさのコンデンサバンクを配置することを伴う欠点がないわけではない。プローブ自体の内部にコンデンサバンクを配置することが望ましい場合、人間工学的理由のため、あるいは、例えば、食道に収まる必要のあるＴＥＥプローブのようなプローブの用途のためにもまた、利用可能なスペースの量が制限される。トランスデューサのコネクタ内にコンデンサバンクを配置することが望ましい場合、コンデンサバンクの物理的サイズは収納されやすくなるが、トランスデューサケーブルの電気抵抗が制約の要因となる。例えば、撮像モダリティが５Ａを必要とするパルス送信の間に１Ｖの降下に耐え得る場合、ケーブル抵抗は、０．２Ω未満である必要がある。３Ｄトランスデューサプローブ用の一般的な２メートル長のケーブルが、２Ωの抵抗を有する一対の導電体を介して送信電力を分配する場合、ケーブルによって生じる電圧降下は許容可能な電圧降下の１０倍である。これは、ケーブル導電体の数を増やす、又は直径を伸ばすことによって克服することができるが、このことは、ケーブルの柔軟性を低下させ、ケーブルをより高価にし、新しいケーブルの開発を必要とさせる。このことはまた、ケーブルの端のワイヤコネクタのサイズも大きくし得る。従って、超音波システム及びプローブの他の態様を妥協することなく、高電流電圧降下問題を解決することが望ましい。

いくつかの態様では、本発明は、超音波プローブ内のアレイトランスデューサに電力を供給する能動的供給源を含む超音波撮像システムを含む。例えば、超音波撮像システムは、プローブエンクロージャ内に配置される超音波トランスデューサ、高電圧供給源に結合される入力部と超音波トランスデューサに結合される出力部とを有する能動的供給源、及び、超音波トランスデューサと能動的供給源との間に結合される電圧フィードバックラインを含み得る。能動的供給源は、電圧フィードバックラインからのフィードバック電圧に基づいて、超音波トランスデューサに供給される出力電圧を調整するように構成され得る。

特定の態様では、トランスデューサケーブル内の導電体を介してプローブにエネルギーを供給する能動的供給源は、超音波システムメインフレーム内、トランスデューサプローブ自体又はトランスデューサプローブのコネクタ内のような撮像システムの様々な場所に配置されてもよい。

いくつかの態様では、能動的高電圧供給源は、より高い電圧に充電されるコンデンサバンクに結合され得る。コンデンサバンクは、動作中に数十ボルトを放電することができるが、能動的供給源は、トランスデューサフロントエンドの電圧を、撮像において許容可能な、より高い範囲内で維持する。能動的供給源は、信号経路内のセンサに、より近い点からフィードバックを受信し、誤差増幅器は、フィードバック信号と、コネクタ上で生成される基準電圧又は超音波システムによって提供される基準電圧のいずれかとを比較する。誤差増幅器の出力に応じて、能動的供給源は、フロントエンドセンサによって提供される負荷内の変化を補償するために、当該能動的供給源の出力を変化させる。コンデンサバンクは、送信励起の継続期間全体を通してセンサにより必要とされる電流を供給するために十分な電荷を、能動的供給源に蓄積する。コンデンサバンクの電圧は、送信間隔を通してトランスデューサの所望の電圧を能動的供給源が維持するために十分な程に高くなり得る。能動的供給源を使用することで、受動的な場合の数千マイクロファラドのコンデンサバンクの代わりに、およそ数百マイクロファラドのコンデンサバンクの使用が可能になる。これは、電圧降下が、トランスデューサフロントエンドの電圧よりもはるかに高いボルトになり得るからである。

図１は、本発明の原理に従って構成される超音波システムの模式図である。 図２は、超音波システムメインフレーム用のケーブル及びコネクタを有するプローブを示す。 図３ａ及び図３ｂは、正及び負の電圧供給の本発明の模式的な実施形態を示す。 図４は、本発明の実施形態の様々なポイントにおけるパルス送信中の電圧及び電流レベルを示す。 図５は、本発明の原理に従って構成される能動的供給源の模式図である。 図６は、複数の能動的供給源を使用するプローブ電力の供給のブロック図である。 図７は、複数の能動的供給源を使用するプローブ電力の供給の別の実施形態のブロック図である。

まず図１を参照すると、本発明の原理に従って構成される超音波撮像システムが、ブロック図形式で示されている。接触点の下の解剖学的構造を撮像するために患者の体に当てられる遠位端６を有するハンドル部８によって保持される、超音波プローブエンクロージャ１０が設けられる。プローブエンクロージャの遠位端６の内部のアレイトランスデューサは、体の２次元又は３次元の領域にわたる、ビーム方向と呼ばれる方向に沿って、集束されたパルス又は波形を送信する。この領域は、図１で扇形の平面１２として示されている。送信は、プローブ内に配置される送信器又はケーブル２４若しくは無線によりプローブを接続することのできる超音波システムメインフレームによって、アレイトランスデューサの素子に高電圧パルス又は波形を印加することによって達成される。各送信に応じて、組織、血液、及び構造からビーム方向に沿ってエコーが返され、当該エコーは、アレイトランスデューサの素子によって受信される超音波信号からコヒーレントエコー信号を形成するために、システムビームフォーマ１４を用いてビームフォーミングによって処理される。ビームフォーミングの一部又は全部はまた、プローブ内に配置され、アレイトランスデューサに結合されるマイクロビームフォーマＡＳＩＣによって実行されてもよい。受信される信号が完全にビームフォーミングされた後、これらは、デシメーション、フィルタリング、高調波分離、及び信号合成などの機能を実行する信号プロセッサ１６に結合される。処理された信号は、振幅又はドプラ検出、及び走査変換のようなプロセスによって、当該処理された信号を画像へと形成する画像プロセッサ１８に結合される。形成された画像は、画像ディスプレイ２０に表示される。

システムは、超音波システムの様々な構成要素を通電するために使用される多数の電圧を供給する電源２２を含む。本明細書でさらに説明されるように、電源２２は、能動的供給源４０に結合されることができ、撮像又は治療のためにパルス又は波形を送信するようトランスデューサ素子を刺激するために送信回路によって使用される高電圧（例えば、～１００ｖ）を供給することができる。高電圧は、システムメインフレーム内の送信器及び／又はプローブ１０内の送信器に印加され得る。

いくつかの態様では、超音波システムメインフレームがシステムに含まれ、様々な診断用途のための多数の異なるタイプのプローブと共に動作可能である。この目的のために、システムメインフレームは、プローブを接続することができる１つ又は複数のコネクタを含み得る。図２は、ケーブル２４の近位端にコネクタ３０を有するプローブ１０を示す。歪み軽減体２６は、プローブ及びプローブコネクタに取り付けられるケーブルの端部の過度のたわみを防止する。プローブコネクタ３０は、ケーブルの導電体が接続されるマルチピンプラグを収容するケースを含む。プラグは、３６で示されている。プローブをシステムメインフレームに取り付けるために、プラグ３６が超音波システム上の組み合わせコネクタに差し込まれ、当該プローブをシステムにしっかりと取り付けるためにロックハンドル３４が回転される。

上述したように、いくつかの用途においてトランスデューサ素子を駆動する際の高電圧供給に対する要求は、高電流送信要求の間に電圧を降下させる可能性がある。供給電圧の降下は、プローブセンサにおける所望の電圧レベルよりも低い電圧レベルを供給し、これは、今度は所望の音圧よりも低い音圧の送信信号を生成する。これらの送信間隔の間に高電圧供給を補うためのコンデンサバンクの使用は、上述した制限に直面する。図３ａ及び図３ｂに示されるように、本発明の原理によって、センサに高電圧を供給するために能動的供給源４０が使用される。送信エネルギーを供給するための能動的なアプローチは、より少ないキャパシタンス（例えば、約９０％少ないキャパシタンス）で受動的なコンデンサバンクのアプローチと同じ供給電圧性能を達成することができ、結果として、プローブ又はシステム内で必要となるスペースがより小さくなる。従って、能動的供給源及びそのキャパシタンスは、プローブ、システムメインフレーム、及び従来型のほとんどのプローブコネクタを含む超音波システムの様々な部分に容易にフィットし得る。さらには、能動的なアプローチは、既存のトランスデューサケーブルのデザインを使用することができる。図３ａは、トランスデューサプローブ１０内の送信器のための能動的供給源の簡略化されたブロック図を示す。この実施形態では、能動的供給源４０は、トランスデューサコネクタ３０内に配置され、トランスデューサケーブル２４内の導電体を介してエネルギーを供給する。能動的高電圧供給源４０は、電源２２からの高電圧（＋ＨＶ ＩＮ）によって電力が供給され、当該高電圧は、能動的供給源の入力でコンデンサＣ１に印加される。電源は、コンデンサＣ１に高供給電圧を充電する。コンデンサＣ１は、動作中に数十ボルト放電することができるが、能動的供給源は、プローブのフロントエンドセンサ５０の電圧を、撮像及び治療に許容可能である、より狭い範囲内で維持する。能動的供給源は、電圧フィードバックラインに沿ったセンサからのフィードバックを受け取り、回路内のフィードバック電圧とコネクタ３０内で生成される基準電圧又は超音波システムメインフレームによって提供される基準電圧のいずれかとを比較する。能動的供給源がフィードバック電圧をどのように比較するかの一例が、下記の図５内の回路に関連して説明される。能動的供給源は、センサによって提供される負荷内の変化を補償するために当該能動的供給源の出力をフィードバック信号の変化に応じて変化させる。コンデンサＣ１は、能動的供給源が、送信励起段階の継続期間中にセンサ５０及びそのバイパスキャパシタンス５２によって必要とされる電流を提供するために十分な電荷を蓄積する。コンデンサＣ１の電圧は、能動的供給源が送信間隔を通じてセンサの電圧を維持するのに十分なだけ高くさえあればよい。コンデンサＣ１は、受動的な場合のような数千マイクロファラドの代わりに、およそ数百マイクロファラドであってもよい。これは、センサのフロントエンドで能動的に制御される電圧よりもはるかに高い電圧が降下できるからである。

能動的供給源は、正又は負の高電圧を供給することができ、センサ負荷は、電流を得る又はシンクすることができることに留意されたい。センサ（例えば、電圧検出デバイス）は、高電圧の一方又は両方の極性を利用することができる。図３ｂは、図３ａと同じ装置を模式的に示すが、負（－ＨＶ）の駆動電圧を必要とするセンサ用のものである。能動的供給源４０への入力でコンデンサＣ１に負の高電圧が印加され、電流の流れは、センサ５０を指す記号の矢印の方向によって示されるように、反対の向きである。

図４は、高い負の送信電圧の供給中の図３ｂの回路の複数のポイントにおける例示的な波形を示す。この例では、能動的供給源４０への入力は－７７Ｖであり、５アンペア（Ａ）がセンサによって引き出される１ミリ秒未満の送信間隔中、センサ５０の電圧は、－６０Ｖの１Ｖ以内に維持される。コンデンサＣ１の値は３００μＦであり、能動的供給源への入力の電圧は、曲線６０で示されるように－７７Ｖから－６７Ｖまで１０Ｖ落ちる。ケーブル２４の検知導電体からの負のフィードバックは、センサがケーブル内に５Ａをシンクしたときのケーブルにわたる電圧降下を補償するために、能動的供給源４０に、ケーブル２４の供給導電体のコネクタ端部の電圧を低下させる。これは、ケーブルの電圧降下を説明するために、公称電圧－６０Ｖが－６２．５Ｖに変化する曲線６２によって示されている。曲線６４は、曲線６６で示されている、センサが５Ａを引き出しているときに生じる、－６０Ｖから－５９Ｖまでの１ボルトの許容可能な降下であるセンサにおける電圧変化を示す。送信間隔中に－６０Ｖで５Ａをシンクする能力は、この性能では一般的な超音波システム電源には実現できないものである。

図４に示される性能を有する本発明の能動的供給源の例示的な模式図が図５に示される。この例における能動的供給源は、高電圧リニアレギュレータとして実施されている。また、スイッチング電源も使用され得ることが理解されるであろう。示されているリニアレギュレータは、端子ＦＢにおいてセンサ５０から負のフィードバックを受け取ることで、負荷及びその入力電圧が変化した場合に、当該リニアレギュレータがフィードバックポイントにおいてほぼ一定の電圧を維持することを可能にする。リニアレギュレータの入力端子ＩＮに結合される高電圧供給源－ＨＶは、５Ａをシンクすることができないため、コンデンサＣ１上の負の電圧は、負荷（送信）間隔中に０Ｖに向かって上昇する。

レギュレータは、ＮＭＯＳパストランジスタＭ１のドレインからソースへの抵抗を変化させることにより負荷内の変化及びその入力電圧の変動を補償する。抵抗器Ｒ１及び抵抗器Ｒ２からなるフィードバックネットワークは、出力端子ＯＵＴにおいて供給導電体のために生成される電圧を、超音波システムによって供給され、－１倍される基準電圧Ｒｅｆにほぼ等しくなるように設定する。トランジスタＱ１及びＱ２は、オペレーショナル・トランスコンダクタンス・アンプを形成する。Ｑ１の電流出力は、パストランジスタＭ１のゲートを抵抗器Ｒ４によって設定される電圧に駆動し、これによりレギュレータへの入力電圧と供給導電体との間の抵抗を制御する。負荷が供給源内にシンクする電流量が増加すると、レギュレータ出力の電圧が上昇し、これは、トランジスタＱ２のベース―エミッタ間の電圧を低下させる。これにより、トランジスタＱ２のコレクタ―エミッタ間の電流が減少し、トランジスタＱ１のコレクタ―エミッタ間の電流が増加し、これは、パストランジスタＭ１のゲート―ソース間の電圧を上昇させる。上昇したゲート―ソース間の電圧は、レギュレータへの入力供給源とその出力と直列であるパストランジスタＭ１のドレイン―ソース間の抵抗を減少させ、結果として出力電圧が低下する。

同様に、センサ負荷が低減する場合、レギュレータ出力の電圧が低下し、これは、Ｑ２のバイアスを増加させ、結果として、Ｑ２の導電率が上昇し、Ｑ１の導電率が低下する。これにより、パストランジスタのゲート駆動が低下し、これは、当該パストランジスタのドレイン―ソース間の抵抗を引き上げ、レギュレータの出力電圧を上昇させる。同じメカニズムは、パストランジスタＭ１のドレイン―ソース間の抵抗を、レギュレータへの入力電圧が低下するにつれて減少させ、高電圧システムがコンデンサＣ１を再充電するときに入力電圧が上昇するにつれて増加させる。従って、リニアレギュレータは、負荷及びその入力電圧が変動するときに、電圧を設定電圧に保持する。

超音波システムとリニアレギュレータとに直列である放電回路がある。放電回路は、負の高電圧供給が０Ｖに向かって引き上げられる際に超音波システムがコンデンサＣ１によってバックドライブされることを防止する。放電回路はまた、コンデンサＣ１がプローブコネクタ３６に直接接続される場合に発生する可能性のある感電事故を防止する。ダイオードＤ１及びＤ２は、システムによって－ＨＶが上昇させられるか、又は切断されると、逆方向バイアスになる。次いで、トランジスタＱ３は、そのベース上に正のバイアスを発生させ、トランジスタＱ４のベースを駆動し、これは、Ｑ４に、Ｒ７とトランジスタＱ４を介してコンデンサＣ１を放電させる。

異なる電圧のトランスデューサ励起で撮像するために、本発明の実施形態は、励起電圧が変化した際に、能動的に制御されるトランスデューサへの高電圧を変化させるためのスイッチ４４ａ、４４ｂ、及び４４ｃと、複数の能動的供給源とを使用することができる。これは図６に示されている。示されているスイッチング装置は、供給導電体及び検知ライン接続部の両方をスイッチする。複数の能動的供給源４０は、単一のコンデンサＣ１と共に示されている。図７は、同様の複数の電圧励起の実施形態を示しているが、異なる能動的供給源４０に対する異なる電荷蓄積コンデンサＣ１を有している。スイッチ４２ａ、４２ｂ、及び４２ｃは、システム高電圧ＨＶをコンデンサＣ１に選択的に結合する。

Claims (15)

1. プローブエンクロージャ内に配置される超音波トランスデューサ、
   リニアレギュレータと、高電圧供給源に結合される入力部と、前記超音波トランスデューサに結合される出力部とを有する能動的供給源、及び
   前記超音波トランスデューサと前記能動的供給源との間に結合される電圧フィードバックラインを含む、超音波撮像システムであって、
   前記リニアレギュレータは、前記電圧フィードバックラインからのフィードバック電圧に基づいて、前記超音波トランスデューサに供給される出力電圧を撮像に許容可能な範囲で維持する、超音波撮像システム。
2. 前記能動的供給源の前記入力部に結合されるコンデンサを含む、請求項１に記載の超音波撮像システム。
3. 前記能動的供給源に結合される基準電圧源を含む、請求項２に記載の超音波撮像システム。
4. 前記プローブエンクロージャに結合されるプローブケーブルの端部に結合されるプローブコネクタを含み、
   前記能動的供給源は、前記プローブコネクタ内に配置される、請求項２に記載の超音波撮像システム。
5. 前記コンデンサは、前記プローブコネクタ内に配置される、請求項４に記載の超音波撮像システム。
6. 前記プローブケーブルは、前記能動的供給源と前記超音波トランスデューサとの間に結合される高電圧供給導電体を含み、前記電圧フィードバックラインは、前記プローブケーブル内に配置され、前記高電圧供給源は、超音波システムメインフレーム内に配置される、請求項５に記載の超音波撮像システム。
7. 前記能動的供給源は、前記電圧フィードバックラインからの前記フィードバック電圧に基づいて、前記超音波トランスデューサに供給される出力電圧を調整するオペレーショナル・トランスコンダクタンス・アンプを含む、請求項１に記載の超音波撮像システム。
8. 前記コンデンサと前記能動的供給源の出力部との間の伝導を制御するパストランジスタを含む、請求項２に記載の超音波撮像システム。
9. 前記超音波トランスデューサに結合される送信器を含み、
   前記能動的供給源は、前記送信器に高電圧を供給するために結合される、請求項１に記載の超音波撮像システム。
10. 前記能動的供給源は、前記プローブエンクロージャ内に配置される、請求項２に記載の超音波撮像システム。
11. 前記能動的供給源は、超音波システムメインフレーム内に配置される、請求項２に記載の超音波撮像システム。
12. 前記能動的供給源は、プローブが超音波システムメインフレームから切断されたときに前記コンデンサを放電するために当該コンデンサに結合される放電回路をさらに含む、請求項１１に記載の超音波撮像システム。
13. 前記能動的供給源は、前記超音波トランスデューサに第１の高電圧を出力し、前記超音波撮像システムは、
    第２の能動的供給源が前記超音波トランスデューサに第２の高電圧を供給するように、前記高電圧供給源に結合される入力部と前記超音波トランスデューサに結合される出力部とを有する当該第２の能動的供給源をさらに含む、請求項１に記載の超音波撮像システム。
14. 前記高電圧供給源と前記能動的供給源の各々の入力部との間に結合されるスイッチをさらに含む、請求項１３に記載の超音波撮像システム。
15. 前記能動的供給源の各々の出力部と前記超音波トランスデューサとの間に配置されるスイッチ、及び前記能動的供給源の各々のフィードバック入力部と前記超音波トランスデューサとの間に配置されるスイッチをさらに含む、請求項１３に記載の超音波撮像システム。

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