JPWO2007058056A1 - 超音波診断装置、超音波診断装置の較正方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、日本国特許法に基づく特許出願特願第2005−333797号に基づくパリ優先権主張を伴う出願であり、特願第2005−333797号の利益を享受するために参照による援用を受ける出願である。
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。)。
これにより、超音波診断装置は、電極間の絶縁部に蓄積した電荷の放電を加速させ、送受感度オフセットを急速に0に近づけることができる。すなわち、DCバイアスの印加により電極間振動膜に流入した電荷の経時的蓄積に起因する送受感度ドリフトを迅速に較正することができる。
これにより、超音波振動子にCollapse現象が生じて犠牲層のギャップ幅が0となり、インピーダンスが急激に減少するため電荷放電速度が加速する。電荷の放電は、瞬時に行われる。
2………超音波探触子
3、3a………送信回路
4、4a、80………放電手段
5………制御手段
6、6b………DCバイアス回路
7………送受分離回路
8………受信回路
9………画像処理手段
10………表示手段
20、60、70………超音波振動子
21、61、71………上部電極
22………振動膜
23………リム
24、62、72………下部電極
25、64、74………犠牲層
27………ギャップ幅
31………超音波送信パルスタイミング発生手段
32………超音波送信パルス波形生成手段
33………超音波送信パルサ
41………放電パルスタイミング発生手段
42………放電パルス波形生成手段
43………放電パルサ
51………演算部
52………主メモリ
53………記憶部
54………印加バイアス履歴情報
55………放電パルス波形情報
56………状態遷移情報
63、73………絶縁部
69、79………電荷注入
151、155………通信部
152………ネットワーク
153………外部制御装置
154………リモートメンテナンスセンタ
159………履歴情報
160………記憶部
最初に、図1〜図5を参照しながら、本発明の第1の実施の形態に係る超音波診断装置1について説明する。
図1は、超音波診断装置1の概略構成図である。
超音波診断装置1は、超音波探触子2、送信回路3、放電手段4、制御手段5、DCバイアス回路6、送受分離回路7、受信回路8、画像処理手段9、表示手段10から構成される。
第1の実施の形態の超音波診断装置1では、送信回路3及び放電手段4の各出力を結合して送受分離回路7へ出力する構成を採る。
受信回路8は、送受分離回路7からの超音波送信パルスを受信する回路である。画像処理手段9は、受信回路8から送られた受信信号に対して検波処理等を行って超音波像を再構成する演算装置である。表示手段10は、画像処理手段9から送られた超音波像を表示するモニタ等の表示装置である。
制御手段5は、超音波診断装置1の状態及び各装置を制御する装置である。
図2は、超音波探触子2が備える超音波振動子20を示す図である。
尚、図2に示す超音波振動子20はcMUT(Capacitive Micro−machined Ultrasound Transducer)を示す。
上部電極21と下部電極24との間に適切な電圧信号を印加すると、超音波振動子20は、容量型超音波トランスデューサセルとして機能する。超音波エコー信号をセンサ部(振動膜22及び犠牲層25)の運動エネルギー変化として捕捉しこれに伴う電流値変化を検知することによって受信電気信号が得られる。
図3は、送信回路3の構成図である。
送信回路3は、クロックカウンタ等を備える超音波送信パルスタイミング発生手段31と、セレクタ及びメモリ及びメモリ制御部等を備える超音波送信パルス波形生成手段32と、クロック分周器及びバッファ及びレベルシフタ及びパワードライバ等を備える超音波送信パルサ33とから構成される。
図4は、放電回路4の構成図である。
放電回路4は、クロックカウンタ等を備える放電パルスタイミング発生手段41と、セレクタ及びメモリ及びメモリ制御部等を備える放電パルス波形生成手段42と、クロック分周器及びバッファ及びレベルシフタ及びパワードライバ等を備える放電パルサ43とから構成される。
放電パルス波形生成手段42は、制御手段5により中心周波数及び波数及びエンベロープ等の条件設定に応じてセレクタを選択する。メモリ制御部は、セレクタにより選択された状態に応じてアドレス設定及び波形データの読み書きを行ってメモリを制御し、かつ、放電パルスタイミング発生手段41の放電パルス発生タイミング信号発生時に放電パルス波形を生成する。
放電パルサ43は、放電パルス波形生成手段42により生成した放電パルス波形をバッファによりバッファリングし、レベルシフタによりレベルシフトすることにより増幅し、パワードライバにより超音波探触子2の各超音波振動子20の電極間に放電パルスを印加する。
制御手段5は、CPU等の演算部51、RAM等の主メモリ52、ハードディスク等の記憶部53から構成される。
記憶部53は、印加バイアス履歴情報54及び放電パルス波形情報55、状態遷移情報56を保持する。
放電パルス波形情報55は、放電手段4が生成する放電パルス波形に関する情報であり、Configファイル等の形態を採ることができる。
状態遷移情報56は、通常の超音波送受信処理状態と蓄積した電荷を放電する放電処理状態との間の状態遷移に関する情報であり、Stateファイルやフラグ等の形態を採ることができる。
次に、図6及び図7を参照しながら、電極間の絶縁部への電荷注入について説明する。
超音波振動子60は、半導体プロセスによる微細加工により形成される。超音波振動子60は、上部電極61、下部電極62、絶縁部63、犠牲層64、基板65から構成される。絶縁部63は、膜体66、枠体67、膜体68から構成される。絶縁部63は、シリコン化合物等の絶縁材料からなる。犠牲層64は、真空状態あるいは所定のガスが充填される。
超音波振動子70は、上部電極71、下部電極72、絶縁部73、犠牲層74から構成される。絶縁部73は、膜体76、枠体77、膜体78から構成される。図7の上部電極71及び絶縁部73及び犠牲層74は、図6の上部電極61及び絶縁部63及び犠牲層64と同様のものである。図7の下部電極72は、図6の基板65を下部電極として用いたものである。
次に、図8を参照しながら、送受感度ドリフトについて説明する。
図8は、超音波送信パルス電圧及び送受感度等の関係図である。
図8(b)は、超音波送信パルス電圧と時間との関係を示すグラフである。横軸は超音波送信パルス電圧vs(ts)を示し、縦軸は超音波送信時間tsを示す。
図8(c)は、超音波送信時間と送受感度との関係を示すグラフである。横軸は超音波送信時間tsを示し、縦軸は送受感度p(ts)を示す。
次に、図9〜図11を参照しながら、超音波診断装置1の放電処理について説明する。
本発明の超音波診断装置1は、Collapse現象及びSnapback現象を用いて、超音波振動子20の電極間に蓄積した電荷を短時間に放電することを特徴とする。
(4−1.Collapse現象及びSnapback現象)
超音波振動子20の電極間に印加するDCバイアスの大きさが所定の範囲内であれば、振動膜22の弾性力とDCバイアス印加によるクーロン力とのつり合いにより犠牲層25のギャップ幅27が所定幅となり平衡状態となる。
一方、超音波振動子20の電極間に印加するDCバイアスが大きくなるに伴いクーロン力が大きくなり、犠牲層25のギャップ幅27がより小さくなった状態で平衡となる。
さらに、超音波振動子20の電極間に印加するDCバイアスが所定範囲を超えて大きくなると、振動膜22の弾性力がDCバイアス印加によるクーロン力を支えきれなくなり不平衡が発生し、犠牲層25のギャップ幅27が急激に減少して0となる。この現象及び状態は、それぞれ、「Collapse現象」及び「Collapse状態」と呼ばれる。Collapse状態が発生する印加電圧の閾値は、「Collapse電圧」と呼ばれる。
一方、Collapse状態では、振動膜22のみのインピーダンスとDCバイアス印加電圧との比に応じて、電荷の注入が発生する。Collapse状態では、インピーダンスが急激に減少するため電荷注入速度が加速する。
すなわち、Collapse現象が生じると、振動膜22の弾性力とクーロン力との間で不平衡が生じるが、振動膜22の弾性特性が失われることはない。従って、Snapback現象が生じると、振動膜22の弾性力とクーロン力との間で平衡状態が復活する。
Snapback現象後は、振動膜22及びリム23のインピーダンスに対するDCバイアス印加電圧の比に応じて、電荷の注入が発生する。
図9は、放電処理を示すフローチャートである。
図10は、放電パルス電圧及び送受感度及び送受感度ドリフト等の関係図である。
図10(b)は、放電パルス電圧と時間との関係を示すグラフである。横軸は放電パルス電圧vh(th)を示し、縦軸は放電時間thを示す。
図10(c)は、放電時間と送受感度ドリフトとの関係を示すグラフである。横軸は放電時間thを示し、縦軸は送受感度ドリフトpd(th)を示す。
制御手段5は、DCバイアスの印加電圧及び印加時間に関する情報を計測し、印加バイアス履歴情報54に記録する(ステップ102)。制御手段5は、DCバイアスの印加電圧及び印加時間の積和が所定の基準値に到達したか否かを判定する。所定の基準値に到達した場合(ステップ103のYes)、ステップ104以降の放電処理に移行する。
放電パルス(H1)の波高値(vh(th))は、Collapse電圧以上であり、Collapse現象が発生する。犠牲層25のギャップ幅27が0となり、電荷の放電が加速される(ステップ105)。
放電パルス(H2)の波高値(vh(th))は、Collapse電圧以上であり、Collapse現象が発生する。犠牲層25のギャップ幅27が0となり、電荷の放電が加速される(ステップ107)。
超音波振動子20の電極間の印加電圧がCollapse電圧以下となると、Snapback現象が生じ、犠牲層25のギャップ幅27が所定幅に回復する(ステップ110)。送受感度ドリフト(pd(th))は、略「0」に収束する。
また、図9のステップ104〜ステップ109及び図10に示す放電処理は、1秒以下の短時間で終了する。従って、放電処理を行うタイミングは、電源ON/電源OFF時又は超音波の送受信を停止している時(Freeze時)とすることが望ましい。
図11は、印加バイアス履歴情報54及び状態遷移情報56の一態様であるテーブル110を示す図である。
テーブル110には、日付111、時刻112、印加時間113、印加電圧114、積和115、状態116の各項目が記録される。日付111、時刻112、印加時間113、印加電圧114、積和115は、図5の印加バイアス履歴情報54に相当する。状態116は、図5の状態遷移情報56に相当する。
これにより、放電処理の開始タイミングを適切に決定することができる。
図12は、表示手段10が表示する画面120の一態様を示す図である。
表示手段10は、印加バイアス履歴情報54及び状態遷移情報56に基づいて、電荷蓄積状況をグラフ表示する。
画面120は、縦軸がDCバイアスの印加電圧と印加時間との積和を示し、横軸が日時を示す。時点121では、DCバイアスの印加電圧と印加時間との積和が所定の基準値122に到達したので、放電処理が行われる。また、現時点123における所定の基準値122に対する積和の到達率124を表示するようにしてもよい。さらに、放電処理の要否を表示するようにしてもよい。
これにより、電荷蓄積量や放電処理の要否及び時期を把握することができる。 尚、制御手段5が放電処理開始のタイミングを判断して自動的に放電処理を実行するものとして説明したが、放電スイッチ等を装置本体に設けて手動操作により放電処理を実行するようにしてもよい。この場合、表示手段10が表示する上記到達率や放電処理の要否に基づいて、手動操作による放電処理を実行することが望ましい。
次に、図13を参照しながら、第2の実施の形態に係る超音波診断装置1aについて説明する。
図13は、超音波診断装置1aの概略構成図である。
次に、図14を参照しながら、第3の実施の形態に係る超音波診断装置1bについて説明する。
図14は、超音波診断装置1bの概略構成図である。
放電手段80を包含するDCバイアス回路6bにより、超音波振動子20の電極間に印加するDCバイアス値を変動させることにより、超音波振動子20の振動膜22に蓄積した電荷の放電を加速させる。
超音波診断装置1bでは、第1の実施の形態及び第2の実施の形態のようなCollapse電圧以上の放電パルスに代えて、記憶部53の印加バイアス履歴情報54に基づいて、Collapse電圧以下の逆極性のDCバイアスを印加することにより、超音波振動子20の振動膜22に注入した電荷を放電することができる。
尚、Collapse電圧以下のDCバイアスを印加する場合、放電処理時間は、数時間に渡って継続する。従って、キーボードやモニタ等の操作機器に放電処理を起動するスイッチを設けると共に、放電処理の実行中であることを示す表示や警報等の報知手段を設けることが望ましい。
尚、Collapse電圧以上のDCバイアスを印加することにより蓄積電荷の放電処理を行うことも理論的には可能であるが、逆極性のCollapse電圧以上のDCバイアスを印加すると、逆に電荷注入が進行して送受感度ドリフトが増大する可能性があるので、逆極性のCollapse電圧以下のDCバイアス電圧をゆっくりと印加して放電させる方が簡単確実で安全上も好ましい。
次に、図15を参照しながら、第4の実施の形態に係る超音波診断装置1cについて説明する。
図15は、超音波診断装置1c及び外部制御装置153の概略構成図である。
また、外部制御装置153は、パラメータ更新手段157により、放電パルス波形の波高値、所定時間、回数等を生成するためのパラメータや、状態遷移の条件判断のパラメータ等の情報を確認すると共に、必要に応じて、これらのパラメータの更新値を超音波診断装置1cに送信して更新させる。
さらに、外部制御装置153は、放電処理指示手段158により、放電処理を超音波診断装置1cに指令して実行させる。
上述の実施の形態では、Collapse現象及びSnapback現象を用いて、DCバイアスの長時間印加により超音波振動子の振動膜に注入された電荷を迅速に放電することについて説明したが、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いたメカリレー等によるシャントスイッチを超音波振動子に内装することにより、振動膜の電荷を放電することができる。この場合、シャントスイッチの開閉を制御することにより、電荷の放電を行うことができる。
Claims (20)
- 一組の電極と前記電極間に設けられる絶縁部及び犠牲層とを有する超音波振動子を備える超音波探触子と、前記電極間にDCバイアスを印加するDCバイアス印加手段と、前記DCバイアス及び超音波送信パルスを印加することにより前記絶縁部の一部を振動させて超音波を被検体に送信する送信手段と、前記被検体から超音波エコーを受信する受信手段と、当該受信手段から出力される信号に基づき超音波像を構成する画像処理手段と、を備える超音波診断装置において、
前記電極間の絶縁部に蓄積した電荷を放電する放電手段を具備することを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項1記載の超音波診断装置において、
前記放電手段は、前記電極間に放電電圧を少なくとも1回繰り返して印加することを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項2記載の超音波診断装置において、
前記放電手段は、前記放電電圧の極性を交互に反転させて前記電極間に印加することを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項3記載の超音波診断装置において、
前記放電手段は、絶対値が同じ放電電圧を前記電極間に印加することを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項2記載の超音波診断装置において、
前記放電手段は、前記電極間に繰り返し印加する放電電圧の少なくとも1つをCollapse電圧以上とすることを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項3記載の超音波診断装置において、
前記放電手段は、前記電極間に繰り返し印加する放電電圧の印加時間を徐々に短くすることを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項2記載の超音波診断装置において、
前記絶縁部に蓄積する電荷量を監視する監視手段を備え、
前記放電手段は、前記絶縁部に蓄積した電荷量に基づいて前記放電電圧を前記電極間に印加することを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項7記載の超音波診断装置において、
前記監視手段は、前記電極間の印加されるDCバイアスの印加電圧と印加時間の履歴を含む印加電圧履歴情報を保持する記憶手段を有し、
前記放電手段は、前記印加電圧履歴情報に基づいて前記放電電圧を前記電極間に印加することを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項8記載の超音波診断装置において、
前記記憶手段は、前記電極間に印加されるDCバイアスの印加電圧と印加時間との積和を保持し、
前記放電手段は、前記積和が所定の閾値に到達した場合に、前記放電電圧を前記電極間に印加することを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項9記載の超音波診断装置において、
前記積和の履歴と、前記所定の閾値に対する前記積和の到達状況と、前記到達状況に基づいて前記放電手段による放電処理の要否及び時期と、のうち少なくとも1つを表示する表示手段を有することを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項1記載の超音波診断装置において、
前記放電手段による前記電荷の放電を、超音波診断装置の電源ON又は電源OFF時と、前記被検体への超音波の送受信を停止している時のうち少なくとも一方で行うことを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項1記載の超音波診断装置において、
前記放電手段と前記送信手段とは、パルス波形を生成するパルス波形生成手段または前記パルス波形を発生するタイミングを生成するパルスタイミング発生手段または高圧の前記パルスを出力するパルス増幅手段の少なくともいずれかを共用あるいは一部共用することを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項1記載の超音波診断装置において、
前記放電手段は、Collapse電圧値以下の電圧を前記電極間に印加することを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項1記載の超音波診断装置において、
前記放電手段は、前記DCバイアス印加手段とは逆極性のDCバイアス印加手段であることを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項14記載の超音波診断装置において、
前記放電手段による前記電荷の放電中であることを報知する報知手段を備えることを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項1記載の超音波診断装置において、
前記放電手段は、前記絶縁部の一部である振動膜に蓄積する電荷を放電させることを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項1記載の超音波診断装置において、
超音波診断装置とは別の場所に設けられた外部制御装置との間で通信を行う通信手段を備え、
前記放電手段は、前記外部制御装置からの情報に基づいて、前記電極間の絶縁部に蓄積される電荷の放電を行うことを特徴とする超音波診断装置。 - 一組の電極と前記電極間に設けられる絶縁部及び犠牲層とを有する超音波振動子と、前記電極間にDCバイアスを印加するDCバイアス印加手段と、を備える超音波探触子を備える超音波診断装置の較正方法であって、
前記電極間の絶縁部に蓄積する電荷量を監視する監視ステップと、
前記電荷量に基づいて前記電極間の絶縁部に蓄積した電荷を放電する放電ステップと、
前記監視ステップと前記放電ステップとを繰り返すステップと、
を有することを特徴とする超音波診断装置の較正方法。 - 請求項18記載の超音波診断装置の較正方法において、前記監視ステップは、
前記電極間に印加されるDCバイアスの印加電圧と印加時間とを取得して保持する記憶ステップと、
前記印加電圧と前記印加時間との積和を演算して保持する演算ステップと、
前記積和と所定の閾値とを比較する比較ステップと、
前記積和が前記所定の閾値に到達した場合に、前記放電ステップを起動する起動ステップと、
を有することを特徴とする超音波診断装置の較正方法。 - 請求項18記載の超音波診断装置の較正方法において、
前記監視ステップと前記放電ステップとの間に、超音波診断装置とは別の場所に設けられた外部制御装置との間で、前記電荷量の情報を送受信する通信ステップを有し、
前記放電ステップは、前記外部制御装置からの情報に基づいて実行されることを特徴とする超音波診断装置の較正方法。
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