(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅器を有するドライバによって振動子を駆動することにより、生体に強力超音波を照射する超音波治療装置において、
前記ドライバの出力電流及び出力電圧を検出する検出手段とこの検出手段の出力に基づき、前記ドライバの瞬時出力電力を算出する算出手段と、
前記検出手段及び前記算出手段夫々からの信号の振幅に対応した電圧信号が所定レベル以上のとき前記ドライバの増幅器をエンベローブ・フィードバック制御し、所定レベル以下のとき前記ドライバの増幅器を固定ゲインとなるように制御する制御手段とを具備したことを特徴とする超音波治療装置。
【請求項２】
前記検出手段は、検出信号を二乗演算する手段と、この手段の出力から高周波成分を除去するフィルタとを具備する請求項１記載の超音波治療装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強力超音波が有する、生体組織を局所的に加熱・凝固する効果を応用して癌などを治療するホットナイフ装置の如き超音波治療装置に関し、特に、セラミック振動子に高周波電圧を印加するために使用するドライバ（ＲＦアンプ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のホットナイフ装置の如き超音波治療装置のドライバとして、図５に示すものがある。図５において、発振周波数foが数ＭＨz以下の発振器１０の発振出力は、ドライバ２０により増幅されて、マッチング回路３０を介してセラミック振動子４０に印加される。ドライバ２０は、発振器１０の出力を、スイッチング素子２１aを有する電力増幅段２１により増幅して、これを方向性結合器２２及びマッチング回路３０を介してセラミック振動子４０に印加する。
【０００３】
ここに、方向性結合器２２は、進行波電力Ｐｉと反射電力Ｐrに応じた電圧とを独立に検出するための回路であり、該回路２２の出力は、ダイオード２３、２４を介してコンパレータ２５，２６に与えられ、ここで電圧比較が行われて、比較出力が保護論理回路２７に入力される。保護論理回路２７の制御出力は、電力増幅段２１の電源ラインに設けられたスイッチ２８のオンオフを制御する。尚、符号２９は、保護論理回路２７で行われるスイッチング素子２１aの保護状態等を示す表示器である。
【０００４】
このような従来のドライバにおいては、ドライバ出力側に方向性結合器２２を設け、反射電力がリミット値を超えた時点でドライバ内部の電源をオフする等の動作をさせてドライバ２０を保護している。
【０００５】
この場合、ドライバ２０の保護に関しては、反射電力Ｐrが大きくなると、スイッチング素子２１aの印加電圧及び電流が増大し、スイッチング素子２１aの損失も増大する、と考えて、電源をオフするようにしていた。
【０００６】
しかし、このような手法は、スイッチング素子２１aの最大定格と直接比較するものでないので、保護論理回路２７の動作リミット値は曖昧なものであった。また、入力信号をスイープした場合、スイッチング素子２１aに余裕があっても、保護論理回路２７が先に動作してしまう、という問題があった。
【０００７】
一方、ホットナイフ装置のドライバの出力電圧は、直接に人体内部で熱に変わるため、安全性及び制御性の観点からも、非常に良好な入出力直線性が要求される。このため、従来から、この種のドライバでは、エンベロープ・フイードバック技術が用いられている。
【０００８】
図６は、エンベロープ・フイードバック技術が採用されたドライバを示しており、図示しない発振出力を入力端子５１にて受けると、該発振出力は分配器５２を介し、可変ゲインアンプ５３及び電力増幅段５４にて増幅される。電力増幅された出力は、方向性結合器５５を介して出力端子５６から、図示しないセラミック振動子４０に印加される。
【０００９】
エンベロープ・フイードバックの構成としては、出力側において、方向性結合器５５にはアッテネータ５７が設けられ、これの出力は検波器５８により検波され、エラーアンプ５９に入力され、入力側において、分配器５２の出力は検波器６０により検波され、その信号はエラーアンプ５９に入力される。そして、入力側と出力側との信号を受けたエラーアンプ５９は、その出力により可変ゲインアンプ５３のゲインを制御するようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように構成の従来のドライバでは、入力信号が零の場合に入力雑音と出力雑音とがエラーアンプ６０に入力され、可変ゲインアンプ５３のバタツキが発生し、出力雑音が不規則に変化してしまう。このような不具合を防止するため、入出力関係には、図７に示すようなオフセットを持たせてある。
【００１１】
しかし、図７に示すようなオフセットを有する入出力関係の下では、小電力の際のリニアリティーは良くないといった問題がある。
【００１２】
そこで本発明の目的は、ドライバの出力特性として理想的なリニアリティーに近いものが実現できる、超音波治療装置を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の別の目的は、ドライバの出力を最大限まで安全に引き出すことができる超音波治療装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、増幅器を有するドライバによって振動子を駆動することにより、生体に強力超音波を照射する超音波治療装置において、
前記ドライバの出力電流及び出力電圧を検出する検出手段と
この検出手段の出力に基づき前記ドライバの瞬時出力電力を算出する算出手段と、
前記検出手段及び前記算出手段夫々からの信号の振幅に対応した電圧信号が所定レベル以上のとき前記ドライバの増幅器をエンベローブ・フィードバック制御し、所定レベル以下のとき前記ドライバの増幅器を固定ゲインとなるように制御する制御手段とを具備したことを特徴とする。
【００１５】
このような本発明によれば、入力信号の振幅があるレベル以上の場合は、従来のエンベロープ・フイードバック制御を動作させ、それ以下の場合は、可変ゲインアンプを固定ゲインで動作させる。さらに、切換時のゲイン変化が最小になるように調整しておく。これにより、小電力の場合は、元来、リニアリティーは良好なので、どんな振幅の入力信号に対してもリニアリティーを良くすることができる。また、理想のリニアリティーに近いものが実現できる。
【００１８】
さらに、電圧等の検出信号に対して二乗演算及び高周波成分のフィルタ処理を行うことにより、従来のダイオードによる整流、検波方式では小信号になると非線形効果が出て正確に対応する電圧が取り出せない、という問題点を解消することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態の超音波治療装置のドライバの回路図である。図１において、本実施形態のドライバは、その入出力ラインとして、入力電力Ｐｉｎを入力する入力端子１００と、分配器１１０と、可変ゲインアンプ１２０と、電力増幅段１３０と、電流電圧検出部１４０と、出力電力Ｐoutを出力する出力端子１５０とを有する。
【００２１】
ここで、電力増幅段１３０は、ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、ＳＩＴの如きスイッチング素子１３０aを有する。また、電力増幅段１３０は、スイッチング素子１３０aの（瞬時）出力電流Ｉdを変流器等を利用して検出する電流検出器１３０aと、スイッチング素子１３０aの（瞬時）出力電圧Ｖdｓを分圧抵抗等を利用して検出する電圧検出器１３０ｃと、スイッチング素子１３０aに設けられてスイッチング素子１３０a自体（パッケージ等）の温度t℃を電圧信号Ｖtにて検出する温度検出器１３０ｄとを有する。電力増幅段１３０における電流検出器１３０a及び電圧検出器１３０ｂの出力夫々は、増幅器２０２，２０３を介してジャンクション温度推定回路２０１及びコンパレータ２０５，２０６に入力される。また、温度検出器１３０ｄの出力は、直線化回路２００を介してジャンクション温度推定回路２０１に入力される。
【００２２】
ジャンクション温度推定回路２０１は、乗算器２０１a、熱抵抗及び熱容量の時定数シミュレート回路２０１ｂ、増幅器２０１ｃ、加算回路ｄからなり、スイッチング素子１３０aの（瞬時）出力電圧、（瞬時）出力電流及び温度により、推定ジャンクション温度を示す信号を得る。
【００２３】
熱抵抗及び熱容量の時定数シミュレート回路２０１ｂは、図２に示すように、抵抗及び容量によりスイッチング素子１３０aの熱抵抗及び熱容量をシミュレートする。ジャンクション温度推定回路２０１からの推定ジャンクション温度を示す信号は、コンパレータ２０４にてスイッチング素子１３０aの定格温度として例えば１５０℃を示す所定レベルを超えたときに、警報信号を出力して論理ゲート回路２１１に与える。
【００２４】
電力増幅段１３０における電流検出器１３０a及び電圧検出器１３０ｂの出力夫々は、増幅器２０２，２０３を介してコンパレータ２０５，２０６に与えられ、電圧検出器１３０ｂからの（瞬時）電圧信号がスイッチング素子１３０aの定格電圧に相当する所定レベルを超えたとき、警告信号を論理ゲート回路２１１に与え、また電流検出器１３０ｃからの（瞬時）電流信号がスイッチング素子１３０aの定格電流に相当する所定レベルを超えたとき、警告信号を論理ゲート回路２１１に与える。
【００２５】
また、電流電圧検出部１４０は、変流器等によって電力増幅段１３０の（瞬時）出力電流Ｉoを検出する電流検出器１４０aと、分圧抵抗等によって電力増幅段１３０の（瞬時）出力電圧Ｖoを検出する電圧検出器１４０ｂとを有する。そして、電流電圧検出部１４０における電流検出器１４０a及び電圧検出器１４０ｃの出力夫々は、乗算器２０７と、コンパレータ２０９，２１０と、乗算器２１６，２１７とに入力される。
【００２６】
ここで、乗算器２０７からは、（瞬時）出力電流×（瞬時）出力電圧＝（瞬時）出力電力を算出し、コンパレータ２０８にて該電力計算値が所定レベルを超えたとき、その信号を論理ゲート回路２１１に与える。また、コンパレータ２０９，２１０からは、（瞬時）電圧信号がドライバの定格電圧に相当する所定レベルを超えたとき、警告信号を論理ゲート回路２１１に与え、また（瞬時）電流信号がドライバの定格電流に相当する所定レベルを超えたとき、警告信号を論理ゲート回路２１１に与える。
【００２７】
論理ゲート回路２１１は、コンパレータ２０４、２０８、２０９、２１０からのいずれかの出力、つまり、スイッチング素子１３０aの推定ジャンクション温度の警報出力、スイッチング素子１３０aの出力電圧の警報出力、スイッチング素子１３０aの出力電流の警報出力、ドライバの瞬時値である出力電力の警報出力、ドライバの出力電圧の警報出力、ドライバの出力電流の警報出力のいずれかが入力したときに、スイッチ２１４、２１５と、表示回路２１３との双方又はいずれかに動作信号を与える。
【００２８】
一方、乗算器２０７により算出された瞬時電力信号は、切換スイッチ２１８の切換側端子Ｔ１に与えられ、また、乗算器２１６により算出される電圧値の二乗値は、切換スイッチ２１８の切換側端子Ｔ２に与えられ、さらに乗算器２１７により算出される電流値の二乗値は、切換スイッチ２１８の切換側端子Ｔ３に与えられる。
【００２９】
切換スイッチ２１８は、切換側端子Ｔ１〜Ｔ３のいずれかを手動又は図示しない制御器にて切り換えて選択することができ、その選択出力は、切換スイッチ２１８の固定側端子及びフィルタ２１９を介して差動増幅器２２２に与えられる。
【００３０】
また、電力分配器１１０からの入力電圧信号は、乗算器２２０により二乗計算され、該入力電圧信号の二乗値は、フィルタ２２１を介して差動増幅器２２２に与えられる。差動増幅器２２２の出力は、アナログスイッチ２２３の一の切換側端子Ｓ１に与えられる。また、アナログスイッチ２２３の他の切換側端子Ｓ２には、所定電位が与えられる。アナログスイッチ２２３の切換信号は、コンパレータ２２４の出力として与えられるが、該コンパレータ２２４は、所定電位と電力分配器１１０を介して得られるフィルタ処理後の入力電圧値の二乗値との比較を行い、該入力電圧値の二乗値が所定電位を超えているとき、アナログスイッチ２２３に対し切換信号を与える。
【００３１】
アナログスイッチ２２３の固定側端子は、スイッチ２１５の可変ゲイン側である一の切換側端子Ｕ１に接続され、他の切換側端子Ｕ２は固定ゲイン（例えば、最小ゲイン）を設定するための所定電位に接続され、固定側端子は可変ゲインアンプ１２０に接続され、該アンプ１２０をゲイン制御するものとなっている。
【００３２】
上記の如く構成された本実施形態のドライバにおいては、次のように動作する。先ず、定常時においては、スイッチ２１５，２２３は可変ゲイン側となっているので、可変ゲインアンプ１２０は、差動アンプ２２２からの差動出力に従ったゲイン値に制御される。この場合、本実施形態では、ドライバの出力電力、出力電圧、出力電流を常時監視しつつ該出力と入力とを比較して、これらの振幅情報に従って、可変ゲインアンプ１２０のゲインを適正値に制御する、つまり図３，図４に示すように、無信号時の入力雑音による不安定動作又はこれを回避するために生じた入出力リニアリティーのオフセットの発生を無くするようにしたエンベロープ・フィードバック制御を実現している。
【００３３】
このように本実施形態のエンベロープ・フィードバック制御では、入力信号の振幅があるレベル以上の場合は、従来のエンベロープ・フイードバック回路を動作させ、それ以下の場合は、可変ゲインアンプ１２０を固定ゲインで動作させる。さらに、切換時のゲイン変化が最小になるように調整しておく。これにより、小電力の場合は、元来、リニアリティーは良好なので、どんな振幅の入力信号に対してもリニアリティーを良くすることができる。また、理想のリニアリティーに近いものが実現できるようになる。
【００３４】
この場合、電圧等の検出信号に対して二乗演算及び高周波成分のフィルタ処理を行っているので、従来のダイオードによる整流、検波方式では小信号になると非線形効果が出て正確に対応する電圧が取り出せない、という問題点を解消することができる。
【００３５】
また、本実施形態によれば、電力増幅段１３０のスイッチング素子１３０aのジャンクション温度、出力電力、出力電圧、出力電流、またドライバの出力電力、出力電圧、出力電流を常時監視し、該監視の下で少なくとも一つが、それらの定格値又は定格値近傍（例えば、定格からマージン分を除いた値）を超えたときには、保護回路２１２が動作して、電力増幅段１３０に接続された電源を開閉するスイッチ２１４を開き、電力増幅段１３０の定格以上の動作を未然に防止することができる。つまり、本実施形態によれば、たとえミスマッチング状態に至ったときでも、電力増幅段１３０の正確な動作を常時監視することになるので、電力増幅段１３０のスイッチング素子１３０aを破壊せずに且つ安全に限界まで出力電力を取り出すことが可能となる。これは、従来のように、ミスマッチ時に、スイッチング素子に余裕があるにも拘わらず、保護回路が先に働いてしまい、使えないといった問題が無くなることを意味する。
【００３６】
なお、この場合、保護回路２１２により、可変ゲインアンプ１２０に接続されたスイッチ２１５を固定レベル側に切り換えることができる。これにより可変ゲインアンプ１２０のゲインは、固定レベルに設定される。また、表示回路２１３により警告表示等を行うことができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ドライバの出力を最大限まで安全に引き出すことができ、またドライバの出力特性として理想的なリニアリティーに近いものが実現できる、超音波治療装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の超音波治療装置のドライバの回路図。
【図２】熱抵抗と熱容量の時定数シミュレート回路の動作原理を示す回路図。
【図３】図１のドライバにおける可変ゲインアンプのゲイン特性を示す図。
【図４】図１のドライバにおけるリニアリティー特性を示す図。
【図５】従来の超音波治療装置のドライバの一例の回路図。
【図６】従来のエンベロープ・フイードバック技術が採用されたドライバの回路図。
【図７】可変ゲインアンプにおける入出力関係を示す特性図。
【符号の説明】
１００…入力端子
１１０…分配器
１２０…可変ゲインアンプ
１３０…電力増幅段
１３０a…スイッチング素子
１３０ｂ…電圧検出器
１３０ｃ…電流検出器
１３０d…温度検出器
１４０…電圧電流検出器
１５０…出力端子
２０７，２１６，２１７，２２０…乗算器
２０４，２０５，２０６，２０８，２０９，２１０，２２４…コンパレータ
２０１…時定数シミュレート回路
２１５，２２３…アナログスイッチ
２１４，２１８…スイッチ
２１９，２２１…フィルタ
２１２…保護回路
２１３…表示回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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