医療用超音波高電圧アナログスイッチ
Jimes Lei、超音波、車載および産業用製品向けテクニカルダイレクター、MPS
医用超音波画像診断の基本原理
医用超音波画像診断は、高周波音波を使用して人体の内臓や構造を観察する非侵襲的な方法です。人体に音波を送り、音響エコーを聞くことにより、超音波画像を作成することができます。人体の音響特性を考えると、一般的な医療用超音波イメージングの最適な周波数範囲は1.0MHz～12.0MHzです。
音波を生成するために、圧電トランスデューサ (PZT) が使用されます。PZTは、電圧が印加されると物理的に膨張および収縮し、それによって電気エネルギーを音響エネルギーに変換します。高電圧パルスが、PZTを励起するために使用されます。最大±90Vの振幅と±2.0Aの電流能力を備えたパルス発生器が使用されます。送信機と呼ばれることもあります。同じPZTを使用して、音響エコーを電気信号に変換し直します。電気信号は、受信信号と呼ばれます。受信信号は、送信経路の超音波画像を構築するために処理および分析されます。
動作原理をよりよく理解するために、シングルチャネルPZTを考えてください (図1を参照)。送信サイクル中に、±90Vの単一の5MHzサイクルが送信機から生成され、PZT全体に適用されます。PZTは、体内に伝わる5MHzの音波を生成し、受信機はエコーの聞き取りを開始します。音波は人体の中で平均1.54mm / μsで伝わります。PZTから10mm離れた物体の画像を作成するには、音響送信波が物体に到達するまでに10mm / (1.54mm / μs) = 6.49μsの時間が必要です。音響エコーが物体からPZTに到達するには、さらに6.49μsの時間が必要です。12.98μsで受信した信号は、PZTから10mm離れた物体に対応します。したがって、PZTからさらに離れたオブジェクトをイメージングする場合、受信サイクルの期間は長くなります。すべてのエコーを受信すると、1行の画像を作成できます。
図1: シングルチャネルPZTの例
受信機は高性能、低ノイズ、低電圧のデバイスであり、送信機からの高電圧パルスが入力に印加されると簡単に損傷する可能性があります。図1は、T/R SWブロックを示しています。これは、高電圧の送信パルスをブロックするために使用される送信 / 受信スイッチを示しますが、低電圧の受信信号は受信機の入力に渡されます。受信電圧は通常±500mV未満です。
2次元画像を作成するには、PZTの配列が必要です。超音波プローブは、PZTの配列を収容するために使用されます。腹部、心臓、小児のプローブなど、さまざまな種類の超音波プローブがあり、すべてさまざまなアプリケーション向けに特別に設計されています。PZTの数はプローブタイプによって異なり、128PZTから512PZの範囲になります。この記事の例として、192個のPZTの配列を使用します。
高電圧アナログスイッチの使用
図2は、192個のPZTを備えた超音波プローブを駆動する基本的な医療用超音波システムを示しています。高電圧アナログスイッチは、送信機、受信機、および異なるPZTに設定されたT/Rスイッチを多重化するために使用されます。
図２：医療用超音波システム図
図2の例では、64セットの送信機、受信機、およびT/Rスイッチがあります。各セットは3つのPZT要素を駆動します。64個のPZTエレメントのグループが駆動されるように配置された192個の高電圧アナログスイッチ があります。アナログスイッチは、64セットの送信機、受信機、およびT/Rスイッチをルーティングして、PZT1から64を駆動します。64個の送信機は高電圧パルスをPZT1～64に送信します。システムは、PZT1から64までのすべてのエコーが受信されるまで待機します。次のサイクルでは、アナログスイッチが64セットの送信機、受信機、およびT/Rスイッチを再ルーティングして、PZT2から65に駆動します。64個の送信機が高電圧パルスをPZT2～65に送信し、システムはPZT2～65からのすべてのエコーの受信を待ち受けます。送信、受信、および再ルーティングのこのルーチンは、アナログスイッチが送信機、受信機、およびT/Rスイッチを一度に1PZTずつずらして再ルーティングすることで繰り返されます。192サイクルすべてが完了すると、約50msで1フレームの画像を作成できます。
高電圧アナログスイッチを使用しない場合、192個のPZTを駆動するには、192個の送信機、受信機、およびT/Rスイッチが必要です。高電圧アナログスイッチを使用することで、送信機、受信機、T/Rスイッチの数が3分の1に削減され、コスト、電力、サイズが節約されます。
MPS高電圧アナログスイッチの利点と利益
図3は、従来のアナログスイッチとMPSのアナログスイッチの基本的な違いを示しています。従来の高電圧アナログスイッチICは、正常に動作するために+100Vと-100Vの2つの高電圧電源を必要とします。アナログスイッチを通過する高電圧パルスは、高電圧電源の10V以内にある必要があります。±100V電源の場合、最大送信電圧は±90Vです。これら2つの高電圧電源を生成するには、システムの他の場所では必要ないため、追加の回路が必要です。従来の高電圧アナログスイッチIC専用の電源です。安全上の懸念が、これら2つの高電圧電源に付随しています。保護回路は、絶縁の損傷など、さまざまな障害状態での感電のリスクを排除するために必要です。安全な操作のために、パワーアップおよびパワーダウンシーケンサも検討する必要があります。電圧レベルが低すぎる場合は、送信機を抑止するために、高電圧電源の電圧レベルを監視する必要があります。
図３：従来のアナログスイッチとMPSアナログスイッチ
MPSのMP4816Aは、2つの高電圧電源の代わりに10V電源を使用する16チャネルの高電圧アナログスイッチです。これにより、2つの高電圧電源が不要になり、電源設計の複雑さが大幅に軽減され、消費電力が削減されます。パワーアップおよびパワーダウンシーケンサや電圧モニタなど、2つの高電圧電源に関連するサポート回路も排除されます。これにより、低コスト、小型化、信頼性の向上したシステムが実現します。
プローブヘッドの高電圧アナログスイッチ
192個のPZTの超音波プローブヘッド内で1対3マルチプレクサとして構成されたアナログスイッチを使用すると、同軸ケーブルの数が3分の1に削減されます。PZTには192本の同軸ケーブルの代わりに64本の同軸ケーブルが必要であり、ロジック電源とI/Oインタフェースには10本以下の追加の同軸ケーブルが必要です。同軸ケーブルは非常に高価であるため、同軸ケーブルの数を減らすと、超音波プローブヘッドのコストが大幅に削減されます。材料費は別として、同軸ケーブルを接続するための労力もかなり費用がかかります。超音波検査者がユーザーとして得る追加の利点は、プローブヘッドがより操作しやすくなり、疲労が少なくなることです。
プローブヘッドは一般に、空間的および熱的に厳しく制限されています。ハウジングは、使用後の滅菌のためにアルコールに浸されることに耐えることができなければならず、プローブヘッド内で発生する熱を取り除くことが困難であるため、防水性があります。高圧電源を排除することにより、消費電力が削減され、同軸ケーブル上の高圧DC送電線の安全上の懸念が排除されます。
結論
高電圧アナログスイッチは、医療用超音波システムにおいて、システムおよび超音波プローブヘッドの双方で使用されています。MPSの高電圧アナログスイッチは、高電圧電源の必要性を排除することで電源設計を簡素化し、システム全体のコスト削減へとつなげ、サイズを縮小して信頼性を高めます。
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