(57)【要約】【課題】被検体に対する超音波の過大出力を防止し、被検体の安全性を向上させることを可能とする超音波探触子及び超音波診断装置を提供する。【解決手段】保護回路１３は、スイッチ素子３１及び抵抗３２及び抵抗３３及び電圧検出回路３４及びカップリング回路３５等から構成される。超音波診断装置１が正常状態であり、ＤＣバイアス電圧が閾値電圧未満である場合、スイッチ素子２は閉鎖状態（ＯＮ）である。一方、超音波診断装置１に異常が発生し、ＤＣバイアス電圧が閾値電圧に達すると、電圧検出回路３４は、カップリング回路３５を介してＯＦＦ信号を出力し、スイッチ素子３１を開放状態（ＯＦＦ）にさせる。スイッチ素子３１が開放されるとバイアス回路６と超音波探触子２との電気的接続が遮断される。これにより、異常発生時等において、被検体に対する超音波の過大出力を防止して被検体の安全性を向上させることができる。【選択図】図２
2008136725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極を備えて、バイアス電源によって前記電極間に印加されるバイアス電圧に応じて超音波送受信感度が変化する振動要素を複数有する振動子を備える超音波探触子において、
前記電極と前記バイアス電源との間に設けられるスイッチ素子と、
前記電極間に設けられ、前記電極間に印加されるバイアス電圧を検出し、前記検出されたバイアス電圧の大きさに応じて前記スイッチ素子に駆動信号を出力する電圧検出回路と、
を具備することを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記電圧検出回路は、所定の閾値電圧を検出すると前記スイッチ素子にＯＦＦ信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記電圧検出回路と前記スイッチ素子との間に設けられ、高圧回路側と低圧回路側とを分離するカップリング回路を具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記電圧検出回路とは独立して前記スイッチ素子に駆動信号を出力する外部制御装置と、
前記外部制御装置からの駆動信号と前記電圧検出回路からの駆動信号とを加算処理して前記スイッチ素子に出力する加算器と、
を具備することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の超音波探触子。
【請求項５】
被検体に超音波を送受信する超音波探触子と、前記超音波探触子から出力される超音波受信信号に基づいて超音波画像を構成する画像処理部と、前記超音波画像を表示する表示部と、を備える超音波診断装置において、
前記超音波探触子は請求項１から請求項４までのいずれかに記載の超音波探触子であることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項６】
前記スイッチ素子が開放状態になった場合、前記表示部に警告表示を行うことを特徴とする請求項５に記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、診断画像を撮像する超音波探触子及び超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体成膜技術を用いて、容量型超微細加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が製造されている。ｃＭＵＴは、微小なダイヤフラム様の装置であり、超音波信号の音響振動を変調型キャパシタンスへ変換する電極を備える。ｃＭＵＴは、電極間に犠牲層を有し、この電極間にＤＣバイアス及びＡＣパルスを印加し、容量電荷を変調して電界を生じさせ、振動膜を振動させることにより超音波を発生させる。
【０００３】
また、ｃＭＵＴの容量をキャパシタンスレギュレータにより監視して、バイアス電荷を調節する容量性マイクロマシン超音波振動子が提案されている。キャパシタンスレギュレータは、振動板電極における荷電あるいは放電に起因する微小交流電圧を測定してｃＭＵＴの容量を計測する。これにより、バイアス電荷の生成及び維持が行われる（例えば、［特許文献１］参照。）。
【０００４】
ｃＭＵＴの電極間に印加するＤＣバイアスの大きさが所定の範囲を超えると、振動膜の弾性力がＤＣバイアスによるクーロン力を支えきれなくなり不平衡が発止し、電極間に挟み込まれた太鼓状の犠牲層が潰れた状態となる。この状態をＣｏｌｌａｐｓｅ状態といい、このときのＤＣバイアスの印加電圧値をＣｏｌｌａｐｓｅ電圧（Ｖｃｏｌ）という。ｃＭＵＴの電極間には絶縁膜が設けられ、Ｃｏｌｌａｐｓｅ状態になってもｃＭＵＴ自体は破損しない。
【０００５】
【特許文献１】特表２００４−５０３３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ｃｏｌｌａｐｓｅ状態では超音波送波出力が上昇し、被検体に対する超音波出力の規格範囲を超える危険性がある。Ｃｏｌｌａｐｓｅ状態では、定格超音波送波出力に対して超音波送波出力が約１０ｄＢ程度上昇する。また、Ｃｏｌｌａｐｓｅ状態が継続すると、漏れ電流の影響により経時的にＣｏｌｌａｐｓｅ電圧が低下し、Ｃｏｌｌａｐｓｅ状態に陥りやすくなる。
上記［特許文献１］では、ＤＣバイアスの制御回路が存在するが、保護回路が存在せず、Ｃｏｌｌａｐｓｅ状態時に被検体に危険が及ぶ可能性があるという問題点がある。
【０００７】
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、被検体に対する超音波の過大出力を防止し、被検体の安全性を向上させることを可能とする超音波探触子及び超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述した目的を達成するために第１の発明は、一対の電極を備えて、バイアス電源によって前記電極間に印加されるバイアス電圧に応じて超音波送受信感度が変化する振動要素を複数有する振動子を備える超音波探触子において、前記電極と前記バイアス電源との間に設けられるスイッチ素子と、前記電極間に設けられ、前記電極間に印加されるバイアス電圧を検出し、前記検出されたバイアス電圧の大きさに応じて前記スイッチ素子に駆動信号を出力する電圧検出回路と、を具備することを特徴とする超音波探触子である。
【０００９】
第１の発明の超音波探触子は、スイッチ素子及び電圧検出回路を備える。スイッチ素子は、振動要素が備える電極とバイアス電源との間に設けられる。電圧検出回路は、振動要素が備える一対の電極間に設けられる。電圧検出回路は、電極間に印加されるバイアス電圧を検出し、検出されたバイアス電圧の大きさに応じてスイッチ素子に駆動信号を出力する。
電圧検出回路は、所定の閾値電圧を検出すると前記スイッチ素子にＯＦＦ信号を出力し、スイッチ素子を開放状態（ＯＦＦ）にさせる。
【００１０】
これにより、振動要素の電極間に印加されるＤＣバイアスの異常を検出すると、スイッチ素子を開放状態（ＯＦＦ）にすることによりバイアス回路と超音波探触子との電気的接続を遮断することができる。異常発生時等において、被検体に対する超音波の過大出力を防止して被検体の安全性を向上させることができる。
【００１１】
また、電圧検出回路とスイッチ素子との間にカップリング回路を設けてもよい。これにより、高圧回路側と低圧回路側とを分離して低圧回路側を保護することができる。
【００１２】
また、電圧検出回路とは独立してスイッチ素子に駆動信号を出力する外部制御装置と、外部制御装置からの駆動信号と電圧検出回路からの駆動信号とを加算処理してスイッチ素子に出力する加算器と、を設けてもよい。
これにより、任意のタイミングで、スイッチ素子を開放状態（ＯＦＦ）にすることができ、電力消費量を軽減させることができる。
【００１３】
第２の発明は、被検体に超音波を送受信する超音波探触子と、前記超音波探触子から出力される超音波受信信号に基づいて超音波画像を構成する画像処理部と、前記超音波画像を表示する表示部と、を備える超音波診断装置において、前記超音波探触子は第１の発明の超音波探触子であることを特徴とする超音波診断装置である。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明の超音波探触子を備える超音波診断装置に関する発明である。
また、スイッチ素子が開放状態（ＯＦＦ）になった場合、表示部に警告表示を行うようにしてもよい。これにより、検者は、表示部の画面表示によって異常発生を確認して復旧作業を行うことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、被検体に対する超音波の過大出力を防止し、被検体の安全性を向上させることを可能とする超音波探触子及び超音波診断装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下添付図面を参照しながら、本発明に係る超音波探触子及び超音波診断装置の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、以下の説明及び添付図面において、略同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略することにする。
【００１７】
（１．超音波診断装置の構成）
最初に、図１を参照しながら、超音波診断装置１の構成について説明する。
図１は、超音波診断装置１の構成図である。
超音波診断装置１は、超音波探触子２と本体４とがケーブル１４を介して接続されて構成される。本体４は、送信回路５、バイアス回路６、受信回路７、画像処理部８、表示部９、送受分離回路１０、制御部１１、操作部１２、保護回路１３から構成される。
【００１８】
超音波探触子２は、被検体に接触させて被検体との間で超音波を送受波する装置である。超音波探触子２から超音波が被検体に射出され、被検体から発生した反射エコー信号が超音波探触子２により受波される。超音波探触子２は、複数の振動要素３からなる振動子を備える。振動要素３は、例えば、ｃＭＵＴセルである。
【００１９】
送信回路５及びバイアス回路６は、超音波探触子２に駆動信号及びＤＣバイアスを供給する回路である。
受信回路７は、超音波探触子２から出力される反射エコー信号を受信する回路である。受信回路７は、さらに、受信した反射エコー信号に対してアナログデジタル変換等の処理を行う。
画像処理部８は、整相加算された反射エコー信号に基づいて診断画像（例えば、断層像や血流像）を構成する装置である。
表示部９は、画像処理された診断画像を表示する表示装置である。
【００２０】
送受分離回路１０は、超音波送信信号と超音波受信信号とを分離する回路である。
制御部１１は、上述した各構成要素を制御する装置である。
操作部１２は、制御部１１に指示を与える装置である。操作部１２は、例えば、トラックボールやキーボードやマウス等の入力機器である。
【００２１】
保護回路１３は、超音波探触子２に過大なＤＣバイアスが印加されないようにして、被検体を保護するための回路である。尚、図１では、保護回路１３を本体４側に設けるものとして図示したが、保護回路１３の一部を超音波探触子２側に設けてもよい。尚、保護回路１３の詳細については、後述する。
【００２２】
（２．第１の実施形態）
次に、図２及び図３を参照しながら、第１の実施形態について説明する。
【００２３】
（２−１．保護回路１３の構成）
図２は、第１の実施形態に係る超音波診断装置１の保護回路１３の構成図である。
保護回路１３は、送受分離回路１０と超音波探触子２の振動要素３との間に設けられる。振動要素３の等価回路は、コンデンサ２７（Ｃｃｅｌｌ）と、抵抗２８（Ｒｃｅｌｌ）を並列に接続したモデルで表される。保護回路１３は、スイッチ素子３１及び抵抗３２及び抵抗３３及び電圧検出回路３４及びカップリング回路３５等から構成される。
【００２４】
図２では、スイッチ素子３１は、本体４側に設けられ、抵抗３２及び抵抗３３及び電圧検出回路３４及びカップリング回路３５は、超音波探触子２側に設けられる。尚、送信回路５は、コンデンサ２２及びＡＣパルス信号源２３を備える。受信回路７は、受信増幅器２４（プリアンプ）を備える。バイアス回路６は、バイアス電源であるＤＣ電源２１を備える。
【００２５】
スイッチ素子３１は、バイアス回路６のＤＣ電源２１と振動要素３の電極２５または電極２６との間に直列に配置される。通常、スイッチ素子３１は、閉鎖状態（ＯＮ）である。スイッチ素子３１は、例えば、漏れ電流の少ないＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等からなる半導体スイッチ、制御が容易である静電リレーや電磁リレー等のマイクロリレーやメカリレーである。
【００２６】
抵抗３２及び抵抗３３は、電極２５及び電極２６と並列に配置される。抵抗３２は高抵抗であることが望ましい。抵抗３２の抵抗値は、例えば、数ＭΩである。これにより、異常発生時における大電流の流入を防止することができる。また、受信回路７の受信増幅器２４の高入力インピーダンス性を確保することができる。
電圧検出回路３４は、検出した電圧に応じて所定の信号を出力する回路である。電圧検出回路３４は、ＩＣ（集積回路）やトランジスタやダイオードや抵抗等から構成される。電圧検出回路３４は、コンパレータ等の比較器を用いることにより電圧検出を行うことができる。電圧検出回路３４の入力側は、抵抗３２と抵抗３３との接続点に接続される。
カップリング回路３５は、電圧検出回路３４の出力側に接続される。カップリング回路３５は、例えば、フォトカプラである。カップリング回路３５は、高圧回路側と低圧回路側とを分離して低圧回路側を保護する。
【００２７】
（２−２．保護回路１３の動作）
図３は、ＤＣバイアス電圧と超音波出力との関係を示す特性図である。
グラフ４２は、ＤＣバイアス電圧（Ｖｄｃ）が閾値電圧４１（Ｖｔｈ）未満の場合の超音波出力（Ｐ）を示す。グラフ４２の範囲内では、ＤＣバイアス電圧（Ｖｄｃ）を制御することにより超音波出力を制御することが可能である。
グラフ４３は、ＤＣバイアス電圧（Ｖｄｃ）が閾値電圧４１（Ｖｔｈ）以上の場合の超音波出力（Ｐ）を示す。グラフ４２の範囲外では、超音波出力が急激に変化するので、ＤＣバイアス電圧（Ｖｄｃ）を制御することにより超音波出力を制御することが困難である。
【００２８】
超音波診断装置１が正常状態であり、ＤＣバイアス電圧（Ｖｄｃ）が閾値電圧４１（Ｖｔｈ）未満である場合、スイッチ素子２は閉鎖状態（ＯＮ）である。
一方、超音波診断装置１に異常が発生し、ＤＣバイアス電圧（Ｖｄｃ）が閾値電圧４１（Ｖｔｈ）に達すると、この閾値電圧到達が電圧検出回路３４によって検出される。電圧検出回路３４は、カップリング回路３５を介してＯＦＦ信号をスイッチ素子３１に出力し、スイッチ素子３１を開放状態（ＯＦＦ）にさせる。
【００２９】
（２−３．）
以上説明したように、第１の実施形態では、超音波診断装置は、振動要素３の電極間に印加されるＤＣバイアスの異常を検出すると、スイッチ素子を開放状態（ＯＦＦ）にすることによりバイアス回路と超音波探触子２との電気的接続を遮断する。従って、異常発生時等において、被検体に対する超音波の過大出力を防止して被検体の安全性を向上させることができる。また、保護回路は、少なくともスイッチ素子及び電圧検出回路を備えればよく、回路規模や費用負担を抑制することができる。
【００３０】
尚、閾値電圧４１（Ｖｔｈ）は、安全余裕を考慮してＣｏｌｌａｐｓｅ電圧より十分小さい電圧とすることが望ましい。例えば、Ｃｏｌｌａｐｓｅ電圧が１００Ｖである場合には、閾値電圧４１（Ｖｔｈ）を８０〜９０Ｖ程度とする。
【００３１】
（３．第２の実施形態）
次に、図４を参照しながら、第２の実施形態について説明する。
図４は、第２の実施形態に係る超音波診断装置１ａの保護回路１３ａの構成図である。
【００３２】
第１の実施形態では、保護回路１３は、１つの振動要素３のＤＣバイアスを制御するものとして説明したが、第２の実施形態では、保護回路１３ａは、複数の振動要素３のＤＣバイアスをまとめて制御する。
【００３３】
超音波探触子２を構成する複数の振動要素３−１、３−２、…の電極２５−１、２５−２、…及び電極２６−１、２６−２、…は、それぞれ、並列に接続された上で抵抗３２及び抵抗３３に接続される。
【００３４】
このように、第２の実施形態では、１つの保護回路により複数の振動要素のＤＣバイアスを制御することができる。従って、振動要素毎に保護回路を設ける場合と比較して回路規模を小さくすることができる。
例えば、１６個の保護回路を設け、各保護回路がそれぞれ８個の振動要素のＤＣバイアスを制御することにより、全体として１２８個の振動要素のＤＣバイアスを制御することができる。
【００３５】
（４．第３の実施形態）
次に、図５を参照しながら、第３の実施形態について説明する。
図５は、第３の実施形態に係る超音波診断装置１ｂの保護回路１３ｂの構成図である。
【００３６】
第１の実施形態では、スイッチ素子３１は、電圧検出回路３４から出力される信号に基づいて駆動されるものとして説明したが、第３の実施形態では、外部制御装置３７からスイッチ素子３１を駆動させることもできる。
【００３７】
保護回路１３ｂは、スイッチ素子３１、抵抗３２、抵抗３３、電圧検出回路３４、カップリング回路３５に加え、加算器３６及び外部制御装置３７が設けられる。
加算器３６は、カップリング回路３５と外部制御装置３７との接続点に設けられる。加算器３６には、電圧検出回路３４からの出力信号と外部制御装置３７からの出力信号とが入力される。加算器３６は、電圧検出回路３４からの出力信号と外部制御装置３７からの出力信号との加算処理を行い、スイッチ素子３１に対して駆動信号を出力する。尚、加算器３６は、電圧検出回路３４または外部制御装置３７の少なくともいずれかからの出力信号が開放状態（ＯＦＦ）を示す駆動信号である場合、スイッチ素子３１にＯＦＦ信号を出力して開放状態（ＯＦＦ）にさせる。
【００３８】
このように、第３の実施形態では、第１の実施形態と同様に、異常発生時には電圧検出回路３４からの出力信号に基づいてスイッチ素子３１を開放状態（ＯＦＦ）にすることにより、被検体に対する超音波の過大出力を防止して被検体の安全性を向上させることができる。
また、外部制御装置３７を用いることにより任意のタイミングで、スイッチ素子３１を開放状態（ＯＦＦ）にすることができる。例えば、無操作状態で所定時間経過した場合、外部制御装置３７からＯＦＦ信号を出力して、スイッチ素子３１を開放状態（ＯＦＦ）にさせることができる。これにより、電力消費量を軽減させることができる。
尚、外部制御装置３７は、スイッチ素子３１に対する駆動信号を出力可能な装置であればよい。外部制御装置３７としては、例えば、各機能を実現するプログラムが書き込まれたワンチップマイクロコンピュータ等を用いることができる。
【００３９】
（５．画面表示）
次に、図６を参照しながら、超音波診断装置１における画面表示について説明する。
図６は、超音波診断装置１の表示部９における画面表示を示す図である。図６（ａ）は正常時の画面５１を示し、図６（ｂ）は異常発生時の画面５５を示す。
【００４０】
ＤＣバイアス電圧が閾値電圧未満であり正常状態である場合には、超音波診断装置１は、画面５１に超音波画像５２を表示する。一方、ＤＣバイアス電圧が閾値電圧に到達し、保護回路１３が作動してスイッチ素子３１が開放状態（ＯＦＦ）となった場合には、画面５５にメッセージ５６を表示する。メッセージ５６は、例えば、異常発生を警告するメッセージや電源断を通知するメッセージや電源再投入を指示するメッセージである。
【００４１】
これにより、検者は、表示部９の画面表示によって、異常発生を確認して復旧作業を行うことができる。
【００４２】
以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る超音波探触子及び超音波診断装置の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】超音波診断装置１の構成図
【図２】第１の実施形態に係る保護回路１３の構成図
【図３】ＤＣバイアス電圧と超音波出力との関係を示す特性図
【図４】第２の実施形態に係る保護回路１３ａの構成図
【図５】第３の実施形態に係る保護回路１３ｂの構成図
【図６】超音波診断装置１の表示部９における画面表示を示す図
【符号の説明】
【００４４】
１、１ａ、１ｂ………超音波診断装置
２………超音波探触子
３………振動要素
４………本体
５………送信回路
６………バイアス回路
７………受信回路
８………画像処理部
９………表示部
１０………送受分離回路
１１………制御部
１２………操作部
１３、１３ａ、１３ｂ………保護回路
１４………ケーブル
２１………ＤＣ電源
２２………コンデンサ
２３………ＡＣパルス信号源
２４………受信増幅器（プリアンプ）
２５、２６………電極
３１………スイッチ素子
３２、３２………抵抗
３４………電圧検出回路
３５………カップリング回路
３６………加算器
３７………外部制御装置
４１………閾値電圧
５１、５５………画面
５２………超音波画像
５６………メッセージ
【図１】
2008136725.tif 000003
【図２】
2008136725.tif 000004
【図３】
2008136725.tif 000005
【図４】
2008136725.tif 000006
【図５】
2008136725.tif 000007
【図６】
2008136725.tif 000008