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課題・解決手段

超音波カメラデータ取得及び表示装置(10)は2次元音波視野スキャンする超音波スキャニングヘッド(61)を含む。超音波スキャンヘッド(61)からの超音波信号デジタル化するタイミング及びデジタル化装置(14)はデジタル化された出力を有する。インターフェース(16)は、タイミング及びデジタル化装置(14)と、図形エンジン(24)及び第1及び第2のデジタルシグナルプロセッサ(20、22)との間に接続される。図形プロセッサ(24)は図形データ線に接続される。また、本装置(10)は、図形及びデジタルシグナルプロセッサ(20、22、24)を制御する画像プロセッサ(28)及びコンピュータコントローラ(18)も含む。

概要

背景

概要

超音波カメラデータ取得及び表示装置(10)は2次元音波視野スキャンする超音波スキャニングヘッド(61)を含む。超音波スキャンヘッド(61)からの超音波信号デジタル化するタイミング及びデジタル化装置(14)はデジタル化された出力を有する。インターフェース(16)は、タイミング及びデジタル化装置(14)と、図形エンジン(24)及び第1及び第2のデジタルシグナルプロセッサ(20、22)との間に接続される。図形プロセッサ(24)は図形データ線に接続される。また、本装置(10)は、図形及びデジタルシグナルプロセッサ(20、22、24)を制御する画像プロセッサ(28)及びコンピュータコントローラ(18)も含む。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

超音波カメラデータ取得及び表示装置(10)であって、(a) 2次元音波視野スキャンし、超音波信号を伝える超音波信号出力を有する超音波スキャニングヘッド手段(61)と、(b) 前記超音波スキャニングヘッド(61)からの超音波信号をデジタル化し、デジタル化された出力を有するタイミング及びデジタル化装置(14)であって、前記超音波信号出力に接続されるタイミング及びデジタル化装置(14)と、(c) 前記デジタル化信号の入力に接続された場合に、図形処理装置(24)への前記デジタル化データインターフェースするインターフェース手段(16)であって、データ線と、画像データ線と、図形データ線とからなるインターフェース手段(16)と、(d) データを処理する第1のデジタル信号処理手段(20)であって、前記データ線に接続されている第1のデジタル信号処理手段(20)と、(e) データを処理する第2のデジタル信号処理手段(22)であって、画像データを前記インターフェース手段(16)に供給する画像データ線に接続され、前記第1のデジタル信号処理手段(20)と通信すると共に画像メモリデータ線を共有する第2のデジタル信号処理手段(20)と、(f) 画像データを図形処理する図形処理手段(24)であって、図形データ線に接続され、図形出力を有する図形処理手段(24)と、(g) 画像データを蓄積する画像メモリ手段(26)であって、画像メモリデータ線に接続されている画像メモリ手段(26)と、(h 前記図形処理手段(24)、前記第1のデジタル信号処理手段(20)及び第2のデジタル信号処理手段(22)を制御するコンピュータコントローラ(18)であって、前記図形処理手段と第1のパスを共有し、前記第1のデジタル信号処理手段(20)及び第2のデジタル信号処理手段822)と第2のパスを共有するコンピュータ コントローラ(18)とからなることを特徴とするデータ取得及び表示装置。

請求項2

請求項1記載のデータ取得及び表示装置(10)において、第1のデジタル信号処理手段(20)はデジタルテープ出力を含み、前記データ取得及び表示装置(10)はさらに、前記デジタルテープ出力に接続されたデータを蓄積するデジタル蓄積手段(30)を含むデータ取得及び表示装置。

請求項3

請求項2記載のデータ取得及び表示装置(10)において、デジタル記憶手段(30)はデジタルテープレコーダからなるデータ取得及び表示装置。

請求項4

請求項1記載のデータ取得及び表示装置(10)において、さらに、図形データを観測するためのモニター手段(32)であって、図形出力に接続されているモニター手段(32)を含むデータ取得及び表示装置。

請求項5

請求項1記載のデータ取得及び表示装置(10)において、さらに、データをビデオフォーマットに変換する手段(28)であって、前記図形出力に接続されているビデオフォーマット手段(28)を含むデータ取得及び表示装置。

請求項6

請求項1記載のデータ取得及び表示装置(10)において、超音波スキャニングヘッド(61)はさらに、(a) 複数の超音波入力回路(54、100)を含み、各々の超音波入力回路(54、100)は、(i)バイアス電圧の両端に接続されたダイオード(114)を備えた変換器(112)であって、前記バイアス電圧は変換器(112)の第1の端子に接続され、前記ダイオード(114)は変換器(112)の第2の端子に接続される変換器(112)と、(ii)前記バイアス電圧とプリアンプ(92)のエミッタ間に接続された電流源(94)であって、前記プリアンプ(92)のゲートは変換器(112)の第2の端子に接続される電流源(92)と、(iii)前記プリアンプ(94)のドレインに接続された基準電源(90)であって、プリアンプ(94)はデジタルコントローラ(84)の制御の下に切り換えられ、前記デジタル コントローラ(84)は、前記プリアンプソース(92)の出力の少なくとも1つの時間期間を少なくとも1つの積分コンデンサ(98、102、104、106)へサンプリングすることができる基準電源(90)とを含むデータ取得及び表示装置。

請求項7

請求項6記載のデータ取得及び表示装置(10)において、第1のデジタル信号処理手段(20)はデジタルテープ出力を含み、前記データ取得及び表示装置はさらに、前記デジタルデータ出力に接続されたデータを蓄積するデジタル蓄積手段(30)を含むデータ取得及び表示装置。

請求項8

請求項7記載のデータ取得及び表示装置(10)において、デジタル記憶手段(30)はデジタルテープレコーダからなるデータ取得及び表示装置。

請求項9

請求項8記載のデータ取得及び表示装置(10)において、さらに、図形データを観測するためのモニター手段(32)であって、図形出力に接続されているモニター手段(32)を含むデータ取得及び表示装置。

請求項10

請求項9記載のデータ取得及び表示装置(10)において、さらに、データをビデオフォーマットに変換する手段(28)であって、前記図形出力に接続されているビデオフォーマット手段(28)を含むデータ取得及び表示装置。

請求項11

請求項10記載のデータ取得及び表示装置(10)において、超音波スキャニングヘッド(61)はさらに網目超音波アレイ(12)を含むデータ取得及び表示装置。

請求項12

請求項6記載のデータ取得及び表示装置(10)において、変換器(112)は圧電変換器(112)からなるデータ取得及び表示装置。

請求項13

請求項1記載のデータ取得及び表示装置(10)において、超音波スキャニングヘッド(61)はさらに網目状超音波アレイ(12)を含むデータ取得及び表示装置。

請求項14

(a) 箱(68)に搭載され、印刷回路ボード取付台により処理エレクトロニクス(62、64)に接続された網目状超音波アレイ(12)であって、前記箱(68)に内蔵される網目状超音波アレイ(12)と、(b) 前記箱(68)の中を通して図形処理装置(28)に取り付けられ、遠隔コンピュータプロセッサ(18)に接続された薄いケーブルとからなることを特徴とする超音波カメラ。

請求項15

請求項14記載の装置において、網目状超音波アレイ(12)は、(a)圧電変換器(41)のアレイであって、圧電変換器(41)のアレイにおける各変換器(41)は、各変換器(41)の出力と集積回路基板(50)間に接続された第1のダイオード(76)を含むソースホロワ回路(82)に接続される圧電変換器(41)のアレイと、(b) 前記ソースホロワ回路(82)は、各変換器(41)の出力にゲートが接続されたソースホロワトランジスタ(82)を含み、前記ソースホロワ トランジスタ(82)は、そのエミッタがマルチプレクサ(72)に接続されると共に、そのソースが前記集積回路基板(50)に接続される、とからなる装置。

請求項16

超音波入力回路(100)であって、(a)バイアス電圧の両端に接続されたダイオード(114)を備えた変換器(112)であって、前記バイアス電圧は変換器(112)の第1の端子に接続され、前記ダイオード(114)は変換器(112)の第2の端子に接続される変換器(112)と、(b) 前記バイアス電圧とプリアンプ(92)のエミッタ間に接続された電流源(94)であって、前記プリアンプ(92)のゲートは変換器(112)の第2の端子に接続される電流源(92)と、(c) 前記プリアンプ(92)のドレインに接続された基準電源(90)であって、プリアンプ(92)はデジタルコントローラ(84)の制御の下に切り換えられ、前記デジタル コントローラ(84)は、前記プリアンプソース(92)の出力の少なくとも1つの時間期間を少なくとも1つの積分コンデンサ(98、102、104、106)へサンプリングすることができる基準電源(90)とからなることを特徴とする超音波入力回路。

請求項17

請求項16記載の超音波入力回路(100)において、変換器(112)は圧電変換器からなる超音波入力回路。

請求項18

請求項16記載の超音波入力回路(100)において、さらに、積分コンデンサ(98、102、104、106)で蓄積された信号を読出すように接続されたマルチプレクサ(86)を含む超音波入力回路。

請求項19

請求項16記載の超音波入力回路(100)において、デジタルコントローラ(84)はシフトレジスタからなる超音波入力回路。

請求項20

請求項16記載の超音波入力回路(100)において、デジタルコントローラ(84)は、周期的間隔でプリアンプソース(92)の出力を個別的にサンプリングするために複数の蓄積素子(98、102、104、106)に接続される超音波入力回路。

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0001

本発明は、超音波画像化アレイ用信号処理集積回路に関し、特に、超音波変換
器の2次元アレイから形成された超音波画像化アレイ用信号処理集積回路に関す
る。

背景技術

0002

超音波センサは、広範囲の用途、特に医療用画像化において、多年にわたり使
用されてきた。単一素子及びリニアアレイとして製造されたセンサは、追加デー
タを得るためにある種のスキャニングシステムと組み合わせられることがある。
従来技術はいくつかの制限された2次元アレイを示しているが、変換器の完全封
入式2次元アレイを組み込んだものはない。

0003

医療用画像化技術には、Bスキャン超音波、MR画像化、核医学CT画像
及び制限されたCスキャン技術が含まれる。最新技術は以下に簡単に説明される

通常Bスキャン超音波

0004

次元横断面画像化用電子操作リニア及びセクターアレイの使用は今や基礎
のしっかりしたものになっている。このような方法は画像を作るために多くのパ
ルス−エコー調査を必要とする。変換器は、多量の組織掃引するために平面か
らはずれた方向に移動しなければならない。実験用モデルでは、平面からはずれ
た方向は機械的または電子的(2−D位相アレイ)技術を用いて自動的に掃引さ
れるにすぎない。これは、連続する2次元(2−D)区域の比較的遅い増大を必
要とし、時間的解像度損失を伴う。心臓鼓動情報は典型的に失われる。より一
般的には、音波記録器は、異なる方位に組織を掃引し、器官模型、寸法及び構
造を再構築する。したがって、従来のBスキャン超音波は、一連の2−D薄片
して解釈するのが難しい、曲がりくねったvasculature、でこぼ
この腫瘍障害、及び他の重要な構造の画像化には余り適さない。対照的に、C
スキャン画像化は、本発明で使用されるように、深さ時間ゲートを有し、1パル
ス−エコーシーケンス体積を調査する。その結果は著しい速度改善になり、
スキャニング音波記録器に余り依存せずに3次元(3−D)構造の評価をより直
接的にする。
MR画像化

0005

磁気共鳴MR)画像化は、組織や血流の、高品質2−D横断面画像化、2−
D画像のシーケンス及び新しいタイプの3−D画像化ができる。しかしながら、
MRスキャナーは、コストが高く、携帯できず、広範囲に利用できず、実時間画
像を提供しない。さらに、MR磁石直接干渉、いくつかの金属やワイヤの使用
を制限し、また、金属破片発見されるかもしれない場所では危険を招く。対照
的に、安価な実時間Cスキャン超音波体積調査は、本発明で使用されるように、
多くの指示のためにMR画像化に勝る利点を提供することができる。
核医学

0006

腎臓核スキャンは、現在、腎臓のかん流や活動を評価するために使用されてい
る。その手順は遅くて費用がかかり、放射性試剤を必要とする。存外、本発明
は、腎臓核スキャンの欠点のない、3−D腎臓構造の実時間動的画像化を発生で
きる腎臓のCスキャン画像化を使用する。
CT画像化

0007

CT画像化は、身体の一連の2−D横断面画像を発生することができる。しか
しながら、CT画像化は、制限しなければならないイオン化放射線を使用する。
したがって、規則的なフォローアップ調査は制限される。CT機器は、一般に、
高価で携帯できず、世界の多くの地域でアクセスできない。対照的に、本発明の
超音波を用いたCスキャン体積画像化の使用は、肝臓、腎臓、腹部及び身体の小
部分の画像化においてCTにかなり勝る利点を提供することができる。
Cスキャン

0008

スキャン方法は、オーストリアクレテクニック(Kretztechnik)
やドイツのトムテック(Tomtec)を含む。これらは、機械的スキャン技術に頼る3
−Dシステム発展させた。機械的スキャンは、本発明で教示されるように、3
−D画像を電子的にスキャンする方法より遅くかつ複雑で、はるかに用途が少な
い。デューク大学は、3次元画像化用の最初のマトリクスアレイ(通常20×
20や32×32)の1つを開発したと思われる。しかしながら、初期の設計は
2.3MHz以下の動作に制限され、送受信機能はアレイの32素子のみに限ら
れていた。これらの先立つ成果と対照的に、新規なセンサ設計の適用と低雑音
ナログ及びデジタルVLSI回路網の適用により、出願人は既に完全能動64×
42アレイプロトタイプを明示したが、3−D医療用超音波に必要なより高い
周波数解像度が実現可能になっている。

0009

最後に、機器コスト、忍耐強い準備時間、スキャン時間及び使用の容易さが核
画像化、MRI及びCTよりもCスキャン技術にとってより良い状態または大き
さに成りそうであることに注目すべきである。
外傷ケアへの適用

0010

急性外傷及び長期にわたるケアの両方にとって重要な臨床状態は、3−D体積
の安価な実時間Cスキャン画像化の広範囲に及ぶ使用から利益を得ることができ
る。

0011

安価で携帯用のCスキャン画像化は、急性障害の早い評価に大きな威力を発揮
することができる。Cスキャン画像化の体積スキャニング能力は、腹部位の出血
の程度と場所の確認及び測定に理想的である。また、肝臓及び腎臓構造と、ドッ
プラ処理の追加を伴う血流は、Bスキャン画像化と比較した場合、好適に、3次
元構造の評価のために余り操作者に依存せずかつより夫な方法で容易に評価す
ることができる。Cスキャン体積画像化は、腹部や手足や目の中の異物片の検出
に理想的に適している。さらに、誘導されたバイオプシーは、腹部や手足や目の
中の金属、ガラス及びプラスチック片のような異物の検出に理想的に適している
Cスキャン体積画像化の下に最も良く実行される。さらに、誘導されたバイオ
シーは、位置測定及び透視の3次元的な仕事が従来のBスキャン
画像化による2次元画像化を使用して請け負うのがより困難なので、Cスキャン
体積画像化の下に最も良く実行される。

0012

さらなる応用範囲は心臓内壁運動予備評価である。例えば、急性心筋梗塞
異常な内壁運動を生じることがあり、これはCスキャン画像化で容易に検出可能
である。ドップラ処理により、Cスキャン体積画像化は、大動脈アーチ、下向き
大動脈、腹部の大動脈、腎臓の動脈大腿部の動脈、頚動脈、肝臓の静脈、下
方の大情脈、及びその他の生命に重要な導管の血流を迅速に評価することができ
る。重要な分岐点及び変態は3次元構造になっているので、Cスキャン画像化の
体積画像化能力は、余り操作者に依存せずにより大きな診断上の信頼を提供する
だろう。安価な実時間Cスキャン画像化は、急性障害の評価の分野に広範に使用
することができる。この技術は、現場生命徴候や基礎観察を調べることと、病
院に戻ってCATスキャンを調べることの間の大きなギャップに橋渡しをするこ
とができる。現場にもたらされたCスキャン技術により、深部構造の評価能力は
時間的に繰り上げられ、評価及び干渉をより早くすることができる。
慢性ケアにおける応用

0013

誘導された手術法及びバイオプシー−深部構造内の異物の除去や、障害及
び腫瘍のバイオプシーは、ますます実時間Bスキャン超音波で誘導されている。
しかしながら、2−D横断面の性質は、非常に細い針または套管針を画像化する
ための多くの試みを困惑させている。針が2−D画像化平面と密接に整列してい
なければ、限られた横断面のみが現われるだろう。この状態は、目標物とバイオ
プシー針の両方を目に見えるようにするために3−D画像化を必要とする。Cス
キャン画像化はこの必要とされる3−D定位を提供し、障害や異物が正しく目標
にされるのを保証することができる。

0014

腎臓かん流 − 種々の急性外傷及び慢性病状態や、移植拒絶のような他の情
況は、腎臓かん流をあやうくして生命を脅かす結果を伴うことがある。色ドップ
ラによる腎臓かん流の従来のBスキャン評価は、多数
の2−同断面評価を必要とする腎臓かん流の3−D構造で妨げられる。血流検出
を強調するために超音波対比薬品が使用された場合は、その結果生じる短い流出
曲線は、異なる2−D横断面が画像化されるにしたがってBスキャンで評価する
のが難しくなる。しかしながら、実時間Cスキャン体積画像化は、腎臓への音響
生成対比薬品の完全な空間的及び時間的展開捕捉することができ、超音波の診
断上の効力に大きな飛躍を提供する。

0015

頚動脈評価 − 頚動脈は脳に血液を供給しているが、急性の出来事や慢性状
態で危険にさらされることがある。内部管腔の念入りな評価を伴う頚動脈二機能
の3−D構造のマッピングは、従来のBスキャン画像化では時間がかかると共に
操作者に非常に依存する。しかしながら、Cスキャン体積調査は、頚動脈二機能
の早くて完全な透視を発生するだろう。この場合には、対比薬品の追加及び/ま
たは正確なCスキャン体積画像化によるドップラ能力は、超音波の診断上の影響
に速度、コスト及び信頼に関して大変を起こすことができる。

0016

肝臓転移癌治療では、肝臓内の腫瘍の成長または縮小を画像化して測定
することが命にかかわるほど重要である。従来のBスキャン超音波は、これを操
作者介在だけで遂行し、腫瘍の“直径”を限定するのに用いられる“正確な”2
−D横断面を選択することができる。Cスキャン体積レンダリングは、正常な肝
腺細胞組織内や、甲状腺及びのような他の柔らかい組織内の3−D腫瘍の正
確で先入主のない、余り操作者に依存しない測定を作り出すのに必要とされる。
発明の概要

0017

超音波カメラデータ取得及び表示装置は、2次元の超音波視野をスキャンす
るための超音波スキャニングヘッドを含む。超音波スキャンヘッドからの超音波
信号をデジタル化するタイミング及びデジタル化装置はデジタル化された出力を
有する。タイミング及びデジタル化装置と図形エンジン及び第1及び第2のデジ
タルシグナルプロセッサの間にインターフェースが接続される。図形プロセッサ
は図形データ線に接続され
る。また、このシステムは、画像プロセッサと、図形プロセッサ及びデジタルシ
ナルプロセッサを制御するコンピュータコントローラを含む。

0018

本発明の一態様では、超音波入力回路は、バイアス電圧に接続されたダイオ
ドを有する変換器からなるものが用いられる。バイアス電圧は変換器の第1の端
子に接続され、ダイオードは変換器の第2の端子に接続される。バイアス電圧と
プリアンプエミッタ間には電流源が接続される。プリアンプのゲートは変換器
の第2の端子に接続される。プリアンプのドレインには基準電圧源が接続され、
プリアンプはデジタルコントローラの制御の下にスイッチングされる。デジタル
コントローラは、少なくとも1つの集積コンデンサへのプリアンプソースの出力
の少なくとも1期間をサンプリングすることができる。

0019

本発明の他の態様では、超音波入力回路は、プリアンプ出力周期的間隔で個
々にサンプリングするための複数の記憶素子を制御するシフトレジスタを含む。

図面の簡単な説明

0020

本発明を説明するために、好適な実施例が添付図面を参照して以下に説明され
る。

0021

図1は、超音波変換器及び集積シグナルプロセッサの一部の等角図を示す。

0022

図2は、本発明のデータ取得及び表示装置のブロック図を示す。

0023

図3は、本発明の超音波画像化カメラ絵画図を示す。

0024

図4A及び4Bは、本発明の処理エレクトロニクス電子回路図を示す。

0025

図5は、本発明の超音波変換器アレイ走査電子顕微鏡図を示す。

0026

図6は、本発明から発生する超音波画像を示す。

0027

図7は、本発明にしたがって作られた64×42アレイの絵画図を示す。
好適な実施例の詳細な説明

0028

まず図1を参照されたい。図1は、128×128アレイの一部として具身体
化された本発明の音響アレイ12を示す。各セラミック“ピーゼル(piezel)”4
1、43、45、47及び49は、超音波変換材料からなり、インジウム隆起
2及び53と同様のインジウム隆起を用いてCMOSVLSI集積回路54に
接合されている。好適な一実施例では、ピーゼルは幅が150μmになっている

0029

音響アレイ12は、PZT検出器の網状アレイのバンプ接合によって、非冷却
熱電気焦平面アレイ用に本来設計された既存の集積回路に組み合わされている
。各検出器は、約5MHz超音波の半波長で分離され、信号対雑音特性を最大に
するために15ミルの厚さに設計されている。図5は、アレイ12の走査顕微鏡
図を示し、必要な分離を提供する素子間のソーカット網目を示している。

0030

超音波作像は、有力かつ非侵略的で診察に役立つツールである。実際問題とし
て、その有効性利用可能な変換器アレイの小寸法のために制限されていた。小
さいアレイ寸法は、解像度と画像取得時間間の得失の比較を余儀なくさせる。非
スキャン式リニアアレイはほぼ実時間作像を表示できるが、1次元の解像度に大
きな不利を伴い、解釈するのが難しい作像を発生する。

0031

変換器アレイの限られた寸法の主要な理由は、関連エレクトロニクス製作
ることの難しさにある。最新の集積回路技術は、変換器12の2次元アレイの1
素子で占められる領域内でこの回路54を製作するのを可能にさせる。そこで、
赤外線検出器のアレイ用に開発された既知ハイブリッド化技術を、エレクトロ
クス集積回路54に変換器アレイを接続するために好適に使用することができ
る。

0032

一実施例では、超音波スキャンヘッド61は、同相及びクォドラチャ検出器及
びプリアンプを備えた128×128素子2次元アレイからなる。この構成の利
点は、3次元の高解像度、1パルスからの2次元Cスキャン作像、及び3次元作
像の迅速な(すなわち1秒以下)取得を含む。
処理エレクトロニクスは以下のものを含む。
パルス化されたドップラ測定量の同相及びクォドラチャ検出器の2セット
・広範囲のビーム操作受信移相器
送信ビーム形成用送信移相器
・3次元及びパルス化ドップラ画像の実時間取得高帯域幅読出し装置

0033

図1は、シリコン読出しIC(ROIC)54上にハイブリッドされた個別ピ
ーゼル41、43、45、47及び49を示す。ソーカット網目は、セラミック
48によって完全に作られ、一部の個所が第1の整合層46の中へ入っている。
PZT層48中をずっとカットすることによって、電気的及び機械的クロストー
クを実質的に消去し、受信データばかりでなく方向を持ったビームの解像度を改
善することができる。また、ピーゼル41、43、45、47及び49間に音響
絶縁物として空気を使用することによって、音響クロストークをさらに相当減少
させることができる。

0034

音響アレイ12は、任意的に、外部整合層44及び伝導性内部整合層46を有
する保護シール及びカバー42を含む。整合層44及び46の使用によりセラ
ック検出器39の音響インピーダンス身体組織の音響インピーダンスと整合
せることによって、変換器感度は非常に増大する。外部整合層44は、変換器へ
エネルギーの接続に適する音響インピーダンスを有する音響材料または複合材
料から構成することができる。1/4波整合層を作るために、プラスチックまた
タングステンが詰められたアラルダイトが使用されている。ダブリュ・エム
マックデッケン(W.M.McDicken)による診断に役立つ超音波:計器原理及び使用
(1991)を参照されたい。内部整合層46は、例えばPZT層48との接触
のために、金等の伝導身体からなるより薄い層を含むことができる。
タイプ及び混合物
タングステン−エポキシ樹脂
ガラス(軽ホウケイ酸塩
アルミ−エポキシ樹脂
アルミ−マグネシウム−エポキシ樹脂
メロパス
ガラス玉及びエポキシ樹脂
ガラス玉及びエポキシ樹脂

0035

(XP24136)
ルーサイト

0036

ポリメチルメタクラアイアト(polymethylmethacryiate)
ポリサルフォン
ポリカーボネート

0037

(レクサン
エポキシ樹脂1
ポリスチレン
(橋掛け型)
TPX(メチルプラテン

PTV830

0038

次に図2を参照すると、本発明の一実施例において具身体化されたものとして
データ取得及び表示システム10に用いられる超音波アレイが示されている。デ
ータ取得システム36は、超音波スキャンヘッド61に接続されると共に、商用
デジタルテープレコーダ30、SVGAモニター32及びVCR34に接続され
ている。

0039

データ取得システム36は、インターフェースボード16にデータを供給する
タイミング及びデジタル化ボード14を含む。インターフェースボード16はデ
ジタルシグナルプロセッサ(DSP)ボード20にデ
ータを送る。DSPボード20はテキサスインストルメンツモデルTMS
20−C30デジタルシグナルプロセッサからなる。また、インターフェースボ
ード16は、同様にモデルTMS320−30からなる第2の商用DSPボード
22から画像データを取得する。デジタルシグナルプロセッサ20及び22は周
知の方法で互いにやり取りする。産業用パーソナルコンピュータ18は、2つの
DSPボードと、一実施例では同様にテキサス インストルメンツ製のモデルT
MS34020とすることができる商用図形エンジン24とを制御するために使
用される。インターフェースボード16は商用図形エンジン24にデータを送る
。商用図形エンジン24は、SVGAモニター32と、ビデオカセットレコーダ
34にデータを送る商用VGANTSCボード28にデータを送る。超音波ス
キャンヘッドはタイミングボード14からタイミングデータ受け取り、デジタ
ル化ボード14へデータを送る。このデータは次にインターフェースボード16
に送られる。

0040

一実施例では、コンピュータ18は、超音波スキャンヘッド61に内蔵されて
いる変換器IC54を望ましい動作モードにプログラムし、16,384アレイ
素子からデータを取得する。オペレータ制御装置を使用して表示することができ
る3次元画像データベースを形成するために、多数のデータフレームを連結する
ことができる。

0041

次に図3を参照すると、その集積音響整合層42、44及び46を備えた超音
波焦平面アレイ12が、I/Oエレクトロニクス62、64及びコネクタ70と
共にプラスチックハウジング68内に搭載されている。スキャンヘッドアセン
リ61内に埋め込まれたセンサアレイインターフェースエレクトロニクス5
4は、細長い10フィートケーブルを介してデータ取得システム36にデータを
返送するばかりでなくアレイ12を駆動するのに必要なバイアス、タイミング及
バッファエレクトロニクスを含む。したがって、本発明の装置は、最新技術
に勝る相当な利点となる細長いケーブルの使用を許す

0042

次に図4Aを参照すると、センサアレイ12用入力回路54が示され
ている。ピーゼル変換器41は、線80によるゲート用入力パルス78を有す
る理想コンデンサからなる。チップ基板74はダイオード76で絶縁されている
。変換器41は、マルチプレクサ回路72への入力を供給するソースフォロワ
2を駆動する。ソースフォロワ82はピーゼル41の検出信号を供給する。各ピ
ーゼルには同じ入力回路54が備えられている。

0043

次に図4Bを参照すると、超音波変換器アレイ12用の他の入力回路100が
示されている。各ピーゼル112は半導体基板50内に含まれた関連入力回路を
有する。この他の入力回路はデジタル的に制御され、タイミングが定められ、マ
ルチプレクサ回路86に第1乃至第4のサンプルホールド回路からの入力を供給
するように設計されている。回路100は、線90より約5ボルトでバイアスさ
れるプリアンプ92を備えている。電流源94は、プリアンプ92の出力に同様
に接続されている線96に信号を供給する。プリアンプはピーゼル112からの
信号を増幅する。変換器にはバイアス電圧110が供給されている。ピーゼル1
12の出力とバイアス電圧110間には負荷ダイオード114が接続されている
集積回路チップ基板108は電流源94の片側に接続されている。サンプルホ
ルドコンデンサ98、102、104及び106は、スイッチ116、118
、120及び122がデジタルコントローラ84から受け取った制御信号応答
して閉じられた時に回路の種々のタイミング期間の間信号をサンプルホールド
る。

0044

プリアンプ92は、4つのサンプルホールドスイッチを駆動するためにピーゼ
ル112インピーダンスをバッファする。負荷ダイオード114はプリアンプ9
2入力のDC電圧を制御する。制御及びタイミング回路は好適に連続してサンプ
ホールドを動作させる。マルチプレクサ86は、128×128ピーゼルの各
々の出力を多重化出力88に多重化するために備えられている。

0045

本発明の好適な一実施例では、より高い総合データレートを考慮するために多
数のサンプルホールド回路が備えられている。他の実施例では、
送信電力必要条件を減少させるためにパルス圧縮伸長交差相関回路をサンプル
ホールド回路の前に設けても良い。

0046

交差相関回路は2つの異なる信号を互いに乗算してその結果を平均する。信号
の1つは他の信号に対して時間的に変化し、処理が繰り返される。これは非常に
一般的なタイプの回路である。変換器信号は、通常小時間の間を除いてゼロにな
っている他の信号で乗算されるので、図4Bに示されるS/H回路はこの定義を
満足している。基準信号のタイミングはある程度の範囲にわたって変化し、その
結果は後続処理のために記録される。より一般的な交差相関器に伴う唯一相違
点は、異なる種類の基準信号、特にデジタル疑似ランダムシーケンス、を持つ能
力である。これは、雑音が存在する場合に長く複雑な信号の存在を検出するため
標準的な技術である。この用途では、この方法は、基準信号と受信信号が時間
的に一致する時を除いて相関器の出力がほぼゼロになる螢光があるという利点を
有する。時間解像度は信号の長さより非常に小さくすることができる。これは、
信号エネルギーが同じ総合信号雑音比に対してより低いピーク信号電力のため
に時間的に広がるのを考慮している。

0047

集積回路により、各変換器用の多数の交差相関器の製作はサンプルホールド回
路よりほんのわずか面倒になるだけである。行なわれる計算の同等量は、並列
作するこれらの交差相関器が何千にもなることがあるので、かなり大きくするこ
とができる。

0048

入力回路100は、各アレイ素子からのパルスを検出し、外部回路にとってデ
ジタル化するのに十分低いレートでマルチプレクサ回路で読み出すことができる
まで、その結果をアナログ形式蓄積する。

0049

この実施例では、デジタル制御及びタイミング回路84は第1乃至第4のサン
プルホールド回路を動作させる。デジタル制御及びタイミング回路84は、例え
ば、各サンプルホールド回路を順番に動作させるために順次的に始めから終わり
までコントロールビットを記録するシフトレジスタからなる。例えば、超音波ス
キャンヘッド61が5MHzレートで動作している場合は、ナイキストサンプ
リング基準を満足するため
に、アレイは100ナノ秒間隔でサンプリングしなければならない。そこで、各
サンプルホールド回路98、102、104及び106は、コンピュータインタ
フェース受け入れる用意がある時はいつでも、下流エレクトロニクス89へ
の出力のためにマルチプレクサ回路86でアクセスされる。1つの変換器用の入
力回路が示されているが、アレイの全変換器は同時にサンプリングされ、図4
に示される回路は2次元アレイの各変換器のために二重にされていることがわか
るだろう。また、使用されるサンプルホールド回路の数は、用途や他の下流処理
構成要素の速度に依存して変えることができることもわかるだろう。

0050

標準的なCMOS集積回路処理で利用可能な素子は、優れた信号対雑音比を伴
う非常に低いレベルの信号を考慮して、PZT変換器の特性に良好に整合される
。本発明のいくつかの実施例では、二重ミキサーは、各パルスの同相及びクォド
ラチャ成分の検出を許すことによってデータレートを二重にするためのものであ
る。

0051

本発明の他の実施例では、クワッドミキサーは、通常のエレクトロニクス
フレーム時間より互いの間隔が近い2パルス間の位相シフトを測定することによ
ってドップラ画像化を好適に酌することができることがもくろまれる。

0052

受信移相器は受信のためのビーム操作を許す。これは、画像化をもっとフレキ
シブルにしかつ変換器をより小さくするために、音響レンズの機能がソフトウ
アで実行されるのを許す。焦点距離とアレイの全体角度は両方とも変更すること
ができる。移相器はCMOSで容易に実行することができる。

0053

本発明の他の実施例では、入力回路は、サンプルホールド回路が後に続く多数
の交差相関器を含むことができる。このオプションは特別なケースとして全ての
ミキサーオプションを含む。また、これは、特殊送信コード復調したり外部
処理負荷を減らしたりするのに使用することができる。交差相関器は、デジタル
信号に従って変換器出力の符号を反対にし、次いでその出力を平均する調整器
ら構成される。デジタル信
号が送信された信号と整合していれば、交差相関器出力は大きくなり、さもなけ
れば小さくなる。これはレーダー及びソナーシステムでは標準的な技術である。
本発明は、超音波変換器及びプリアンプを備えた単一集積回路上で全てが並列に
動作する多数の相関器回路を含むことにある。

0054

受信移相器は受信信号に時間遅延を挿入する。完全な画像が外部処理で発生す
ることになる場合は、広範囲の遅延受信信号値が必要とされる。したがって、
好適な受信移相方法は、ナイキスト基準を満足する間隔でサンプルを簡単に発生
することにある。そこで、外部プロセッサは、所定の計算に必要な通りに、これ
らのサンプルを選択するかまたは実際のサンプル間に挿入する。

0055

送信移相器は余り必要なものではない。送信機は、焦点合わせの操作なしに、
いつでも問題の全体積に簡単に送信することができる。集積回路からの超音波送
信は通常使用される高電圧のため難しいだろうが、任意のビーム形状を形成する
能力から利益を得ることができる。さらに、疑似ランダムシーケンス符号化また
は他の類似技術の使用は、必要な送信電力を劇的に減少させてより低い電圧動作
を可能にする可能性を有している。このような構成では、送信回路は一般的に各
変換器のための調整可能な移相を必要とする。これは、セル1つずつを基礎とし
オンオフ切り換えできるフリップフロップのアレイで得ることができる。した
がって、セルからセルへの遅延は1クロックサイクルインクリメントで個別的
に調整することができる。この種のプログラム可能なアレイを使用することによ
って、ほぼどんな望ましいパターンも得ることができる。フリップフロップは、
正確なデジタル遅延を表わすので、疑似ランダムシーケンス等のどんなタイプの
送信シーケンスもビームを形成するために利用することができる。

0056

集積回路読出しチップに搭載されたPZT変換器の42×64アレイからなる
制限されたプロトタイプ装置は、図7に示されるように製作されて実演された。
この装置は、必須のエレクトロニクスのほとんどがセンサ自身に内蔵されている
ので、全ての前の装置と劇的に異なる超音波
センサ群のなかで最も重要なものである。最新集積回路技術は、必須の信号処理
技術の全てをアレイの1つの素子の領域に等しい領域内にはめ込むのを許す。初
めて2次元アレイを可能にすることに加えて、漂遊相互接続容量の消去は、変換
器−エレクトロニクス組合せの感度を著しく増加させる。

0057

既存のIRカメラのタイミングエレクトロニクスを修正して、超音波画像に必
要とされるように時間ゲート能力と超音波信号整流組み入れられた。時間ゲー
トの解像度は1μsに選択された。この時間ゲートを0.5μsインクリメント
で進めると、一連の相似画像平面が、各々が他の上部に〜0.75mmだけ離
れて発生した。実演は、水槽発生源を配置し、センサアレイをゴム薄膜を介し
て水に結合した。焦点が合わされた線発生源は5.0ボルト、5MHz、1μs
パルスで駆動され、2−D超音波アレイの前面で掃引された。次いで、この発生
源は現場位置に保持され、時間ゲートは、第3の次元のデータ収集を説明するた
めに32μsにわたってインクリメントされた。図6は画像の一例を示す。

0058

本発明の一実施例では、スキャンヘッド61を操作して操作者に実時間画像
提供するために、携帯用データ取得及び表示システムが使用されている。即納背
面ボードを有する商用パーソナルコンピュータ18は信号処理及び画像表示機能
を実行する。このシステムの特徴は以下を含む。
後続画像解析及び画像取得のためにデジタル化スキャンデータを保存する8
mmデジタルレコーダ30
・記録インターフェースばかりでなく表示装置32及びスキャンヘッド61の制
御のための対話メニュ駆動式ユーザーインターフェース
・同相及びクォドラチャ画像フレームの迅速なフーリエ変換を実行して音響レン
ズを使用せずに音響画像を発生するデジタル信号処理ボード20
・再スライス表面レンダリング体積レンダリング等の画像表示技術を実行す
ることができるデジタル信号処理ボード22
・スキャンヘッド61を操作し、アナログスキャンヘッド出力をデジタル形式
変換するタイミング及びデジタル化ボード14

0059

データ処理及び記録エレクトロニクスは、デジタルシングナルプロセッサ(D
SP)チップを内蔵する処理手段のホストとして動作する産業用PC互換性コン
ピュータからなる。

0060

タイミング及びデジタル化ボード14は、スキャンヘッド61をアナログ/デ
ジタルコンバータと同期させるのに必要なシステムタイミング信号を発生する。
デジタル化の後、センサ信号はインターフェースボード16に転送される。この
インターフェースボード16はバッファとなると共に、DSPボードのうちの第
1のボード20で読出すデータをフォーマット化する。また、インターフェース
ボード16は、第2のDSPボード22から処理済画像データを得て図形プロセ
ッサ24用のフォーマットにする。

0061

説明した全体システムは現行IR画像化システムに基づいている。このよう
なシステムでは、信号とセンサIC用電源を適切に調整するためのインターフェ
ースボードが必要である。このインターフェースボードは、典型的に、電源ろ波
及び調整と、ICからの高速アナログ出力をエレクトロニクスの他の部分へケー
ブルに沿って送るためのアナログバッファと、センサICで必要な主タイミング
信号を発生させるのに必要な前記クロックタイミング及び制御ロジックとを含む

0062

タイミング及びデジタル化ボードは、センサ及びDSPインターフェースを含
む全体システム用のタイミングロジック信号を発生する。また、これは、センサ
出力をデジタル化するアナログ/デジタルコンバータも含む。本発明の他の実施
例では、これらの機能の大部分はセンサに組み込まれ、全体システムコストを減
らしかつ性能を改善することができる。特に、超音波センサはセンサICのデジ
タル化機能を含むことができる。

0063

第1のDSPボード20の主要機能は、デジタル化された超音波データの実時
高速フーリエ変換FFT)を実行することにある。第2のDSPボード22
は、FFTデータからメモリ26内に3次元アレイを
構築し、このデータを処理して表示用画像を形成する。画像の処理は、3次元場
面内のどこでも2次元スライスの実時間観察を勘酌する。追加処理は、問題の領
域または対象物の3次元観察を許すためにアレイ内の対象物のエッジ境界線の3
次元マップを構築する。

0064

図形プロセッサ24は、2次元または3次元形式のどちらかの画像データを受
け入れて、縮尺を定めたり、回転させたり、色もしくはグレースケール割り
てたり、高解像度カラーモニター32への表示用図形フォーマットに画像データ
をフォーマット化したりすることができる。また、図形プロセッサは、画像を処
理するために操作者のためのメニューのようなコンピュータ文書情報を結合する
ためにも用いられる。スケーリングズーミングパンニング及び画像回転は、
ユーザーが画像を見るために使用できる全ての特徴である。VGA対NTSC回
路手段28は、標準的なビデオテープへの記録のための図形画像テレビジョン
フォーマットを好適に提供する。8mmデジタルテープレコーダ30は、解析
ためのコンピュータ読出し可能な形式でデジタルデータを記録するために使用す
ることができる。
信号及び画像処理

0065

本発明の画像処理は、2−Dアレイ12の独特の特徴を利用して位相異常やス
ペックルノイズの問題に取り組んでいる。両現象は、現行のBスキャンシステム
からの画像の品質に相当な影響を与えるが、3−D超音波に適した解像度には好
意的なものである。

0066

画像品質への介在する均質でない組織の影響は多くの研究者によって研究され
ている。X線に含まれる放射線イオン化するため、音響描画法は、音響描画画
像が十分な解像度を提供した場合、多くのルーチン調査に用いられるべきえり抜
きの画像化方法である。しかしながら、この解像度は、介在する組織の屈折率
空間的変化から生じる位相異常のため臨床スキャナーから入手できるとは思われ
ない。

0067

組織を通過する際の位相異常から生じる解像度の損失に加えて、スペックル
よる画像品質の損失がある。超音波に対して、画像は、その影
響が実際上相当重要になる画像位相成分を含む。それは、多数のオーバーラップ
する点源間の干渉の現象の変換空間における物理的複製である。いくつかの環境
、例えばホログラフィシステムでは、この画像成分は、画像システムを介する情
報の有効な転送を表わすことができる。しかしながら、従来の音響描画システム
では、この位相情報は信号の検出すなわち整流の工程において失われる。位相成
分の主要な影響は、画像上に、空間的に疑似ランダムかつ本質的に無意味振幅
変調、換言すれば一種のノイズ、を付加することである。画像化性能におけるコ
ヒーレント放射線スペックルと呼ばれるこの現象の影響はひどくなることがある

0068

位相異常補正−段階アレイシステムでは、焦点合わせや操作のために使用され
る電子的位相遅延も、変換器と問題の領域(ROI)間の位相異常組織を補正す
るために使用することができる。このような補正は、焦点範囲内にある器官のよ
り正確な画像を提供する。以前の研究者は、位相異常の有害な影響をある程度補
正するために位相遅延を変更することができる技術を研究した。本発明は、コヒ
ーレント光ビーム大気乱流補正のために開発されたコヒーレント適応型光技術
(COAT)と呼ばれる方法を使用する。検出器が目標の焦平面に配置され、変
調強度が検出される。目標は通常身体の内側にあるので、検出器は送信機の近く
に配置することができる。目標からのエネルギーは検出器内に反射され、目標と
同じ変調強度を持つだろう。その結果生じる信号は、強度最大の方へチャンネル
平均位相を駆動するために用いられる情報を含んでいる。信号の位相制御は超
音波システムにおける通常技術であり、最も良い例は、アレイに沿って位相を変
化させることによるビーム操作である。

0069

スペックル減少−これは目標において散乱するものと1対1に対応しないので
、スペックルは時々いらだたせる人工物であると考えられる。しかしながら、上
述のように、スペックルは、有効な空間解像度を減らして目標検出能力を減少さ
せる。スペックルノイズの振幅は、ちょうど、物理的に入手可能な空間解像度に
対応する空間周波数において、本質的に高くなっている。この対立の解決は、音
響描画認識の主要な問題の1
つである。スペックルは、根本的に、画像化手順コヒーレント性質から生じ、
したがって、信号対雑音比を増加させるためのどんな技術もコヒーレンスの程度
を減少させなければならない。最も直接的な方法は、スペックルの影響を視覚
に軽減または消去することである。我々の画像化方法は平面を横切る実時間画像
を提供するので、今説明した方法もスペックル減少に適用することができるだろ
う。上記に説明したようにいったん異常補正が行なわれると、多数の反射の位相
はフレーム時間(典型的には1/30秒)より高いレートで変化し、その結果、
フレーム期間にわたって、コヒーレンスは平均して破壊される。
動作

0070

2次元アレイ12は、完全な2次元画像を1個の超音波パルスから形成するこ
とができるいわゆる“Cスキャン”モードで動作することができる。多数のこの
ような画像は、種々の有効なフォーマットでデータを表示するためにコンピュ
ソフトウェアで容易に処理できる3次元データベースを作り出す。

0071

本発明は、標準的なCMOS集積回路技術と互換性のある回路を使用している
。現在リニアアレイと共に使用されている移相及びビーム形成戦略のほとんどは
、実は移すことができない。互換性のある1つの技術は、ミキサーまたは位相感
度検出器の使用である。この技術は周知であるが、集積回路実行のためのその利
点は以前には認められていなかった。ミキサーはIC上にほんのわずかの構成要
素で実行でき、その出力を読出し時間まで小コンデンサに蓄積することができる
受信ビーム形成機能は、ミキサーの出力に基づく計算を使用して行なうことが
でき、それは文献で良く立証されている。

0072

原理的には、ミキサーで送信及び受信位相調整式アレイの両方を構成すること
が可能である。代わりになる得るものは、集積回路上の整合用相関フィルタと共
に、非常に長い、特別に符号化されたパルスを使用することである。もっと良い
従来の解決法は、単独の送信機を単に使用することである。送信機ビームは非常
に精密に制御される必要がないので、
非常に制限された移相または機械的スキャニングを使用することができる。

0073

集積回路電圧制限を克服する他の実施例は、送信用の単独の変換器を含む。こ
の変換器は、画像にされるべき体積のいたる所に一様に超音波エネルギーを散乱
させるように設計することができる。安全必要条件は全電力によるよりむしろエ
ネルギー密度(w/cm2)によるので、このような構成に起因するシステム感度
おいてせいぜい最小限度の不利になるだろう。

0074

また、通常接地される変換器電極に高電圧送信パルス印加することによって
送信電圧制限を克服することも可能である。そして、集積回路は、送信パルス
の間、受信信号が検出される他の電極を接地または他の一定電圧に維持する。こ
れを行なうための回路は、高電圧定格を必要とせず、受信感度に与える影響が最
限度になるように設計することができる。変換器の全てが同時に脈動された場
合は、超音波エネルギーは必ずしも有効な空間分布を持たなくても良い。変換器
群に異なる送信パルスを印加することによって、エレクトロニクスの量をあまり
増加させずに、制限されたビーム形成能力を得ることができる。

0075

圧電変換器は、PVDF(ポリビニリデンフッ化物)とPVDFを混合した
重合身体の特性と好適に結合することができる。これまで、これらの材料は、
漂遊相互接続容量における信号損失により影響され易くさせる低い誘電率に起因
して、超音波変換器として限られた用途を見出していた。さらに、これらの材料
は、固い材料で裏打ちされた場合に最も良い性能を示す。固い裏打ちは、共振
波数をほぼ2の因数だけ低くするので、より少ない厚さの変換器を勘酌している

0076

集積回路の下への減衰層の追加は、センサの不要な振動モードを最小にするの
に役立つ。ポリマー変換器アレイと共に、このようなセンサは、前記の不要な応
答を非常に低レベルにする。

0077

画像が本発明のセンサで形成されれば、超音波ビームの前の位相を変更するこ
とにより画像に改良を加えて異常やスペックルを軽減または消
去することが実際的になる。

0078

本発明のセンサは、信号対雑音を改善するために短時間に多数のフレームにわ
たって積分することにより従来のBスキャン作像で得ることができるより多くの
素子/秒を表示することができる。利用可能な代りのものは、通常より高い周波
数で働くことであり、また、再び多数のパルス化フレームにわたって積分するこ
とによって信号強度の関連損失を補正することである。より高い周波数で働くと
、より高い解像度が得られる。

0079

本発明は、従来のX線画像化のやり方と類似のやり方で使用することができる
。それは、身体を通過して、異なる通路を経験した減衰を示す画像を生じる。そ
れは、X線で得られる情報と相関しており、該情報を補うことができる。マルチ
パスや散乱する放射線は、受信信号をゲートすることによって除去することがで
きる。

0080

2−D超音波アレイでは、従来のX線画像化のと類似のやり方で超音波を使用
することができる。それは、身体を通過して、異なる通路を経験した減衰を示す
画像を生じる。このような方法は、X線で得られる情報と相関しており、該情報
を補うことができる。ソフト組織インターフェースはX線からは入手できない情
報を提供することができる。また、超音波反射画像化と比較した場合、ある角度
でインターフェースに当たる放射線は、反射して戻ることはないが、送信時に見
ることができる。

0081

本発明は、ここでは、特許法にしたがうように、また、当業者に新規な原理を
適用するのに必要な情報を提供するために、さらに、要求される通りに前記の特
殊化された構成要素を構築して使用するために、かなり詳細に説明された。しか
しながら、本発明は本質的に異なる聞き及び装置でも実行でき、機器細部及び動
作手順の両方に関して、本発明自体の範囲から逸脱することなく種々の変更をな
すことができることを理解すべきである。

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