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図面 (9)

課題・解決手段

二次元超音波カメラ(図3)。超音波トランジューサ圧電素子(41、43、45、47、49)が集積回路(54)にインジウムバンプ(52、53)接合される。集積回路(54)が複数の独立した画素(41、43、45、47、49)のおのおのからの信号に対する信号処理(20、22)機能を提供する。圧電素子(41、43、45、47、49)の128×128アレイ保護シールカバー(42)を使用して製造させるが、この保護シールカバーは、外側マッチング層(44)および内側マッチング層(46)を含む。ここで、これら層(42、44、46、48)の応答は、人体組織の応答にチューニングされる。このアレイ(12)は、C−走査能力を提供する。

概要

背景

概要

二次元超音波カメラ(図3)。超音波トランジューサ圧電素子(41、43、45、47、49)が集積回路(54)にインジウムバンプ(52、53)接合される。集積回路(54)が複数の独立した画素(41、43、45、47、49)のおのおのからの信号に対する信号処理(20、22)機能を提供する。圧電素子(41、43、45、47、49)の128×128アレイ保護シールカバー(42)を使用して製造させるが、この保護シールカバーは、外側マッチング層(44)および内側マッチング層(46)を含む。ここで、これら層(42、44、46、48)の応答は、人体組織の応答にチューニングされる。このアレイ(12)は、C−走査能力を提供する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
3件

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請求項1

超音波センサ(39)であって、このセンサが:(a)網状二次元アレイ(12)に配列された超音波信号を提供するための複数の超音波トランジューサ(41、43、45、47、49)を含み、各超音波トランジューサが第一の独立した電気接続(52、53)と、第二の共通の電気接続(46)を持ち、ここで全ての共通の電気接続(46)が互いに接続され;このセンサがさらに(b)第一の独立した電気接続(52、53)の所で前記の複数の超音波トランジューサ(41、43、45、47、49)のおのおのに接続された超音波トランジューサ(41、43、45、47、49)の網状二次元アレイ(12)からの超音波信号を処理するための集積回路信号処理手段(54)を含むことを特徴とするセンサ。

請求項2

前記の複数の超音波トランジューサが圧電トランジューサ(41、43、45、47、49)から成ることを特徴とする請求の範囲1に記載の超音波センサ(39)。

請求項3

前記の第一の独立した電気接続がインジウムバンプ(52、53)から成ることを特徴とする請求の範囲1に記載の超音波センサ(39)。

請求項4

前記の複数の超音波トランジューサ(41、43、45、47、49)がポリマーPVDF、PVDFのコーポリマー、およびPTFEから成る一群から選択された材料から成ることを特徴とする請求の範囲1に記載の超音波センサ(39)。

請求項5

前記の集積回路信号処理手段(54)がさらに低ノイズ前置増幅器(92)を含むことを特徴とする請求の範囲1に記載の超音波センサ(39)。

請求項6

前記の集積回路信号処理手段(54)がさらに前記の複数の超音波トランジューサ(41、43、45、47、49)のおのおのに対して低ノイズ前置増幅器(92)を含むことを特徴とする請求の範囲1に記載の超音波センサ(39)。

請求項7

前記の集積回路信号処理手段(54)がさらに前記の複数の超音波トランジューサ(41、43、45、47、49)のおのおのに対してミキサーを含むことを特徴とする請求の範囲1に記載の超音波センサ(39)。

請求項8

各ミキサーの出力を結合するためのアナログマルチプレクサ手段(86)がさらに含まれることを特徴とする請求の範囲7の超音波センサ(39)。

請求項9

前記の複数の超音波トランジューサ(41、43、45、47、49)からの信号をデジタル信号に変換するための少なくとも一つのアナログデジタル変換機手段(14)がさらに含まれることを特徴とする請求の範囲1に記載の超音波センサ(39)。

請求項10

前記の集積回路信号処理手段(54)が超音波トランジューサ(41、43、45、47、49)の網状二次元アレイ(12)に対する中の詰まったバッキング材としてのシリコンを含み、これによって、超音波センサの厚さが低減され、個々の超音波トランジューサ(41、43、45、47、49)からの超音波信号が増加されることを特徴とする請求の範囲1に記載の超音波センサ(39)。

請求項11

前記の集積回路信号処理手段(54)が音響ダンピング層(50)上に搭載されたシリコン集積回路(54)から成ることを特徴とする請求の範囲1に記載の超音波センサ(39)。

請求項12

前記の超音波センサがパルス(78)を送信し、このパルスがパルス幅を持ち、このパルス幅がそのパルス幅によって許されるそれよりもかなり高いレンジ解像度が許されるように符号化されることを特徴とする請求の範囲1に記載の超音波センサ(39)。

請求項13

前記のパルス幅の符号化が、最大長(maximal length)疑似ランダムコードにて符号化されることを特徴とする請求の範囲12に記載の超音波センサ(39)。

請求項14

前記の超音波センサによって生成された超音波信号が、画像を向上するために処理されること、より詳細には、異なるトランジューサ(41、43、45、47、49)からの超音波信号の位相を変動する処理が行なわれることを特徴とする請求の範囲1に記載の超音波センサ(39)。

請求項15

前記の複数の超音波パルスによって生成された超音波信号が、前記の集積回路(54)信号処理手段(20、22)内で、S/N比を向上させるために平均化されることを特徴とする請求の範囲1に記載の超音波センサ(39)。

請求項16

前記の複数の超音波パルスによって生成された超音波信号が、外部信号処理エレクトロニクス(20、22)によって、S/N比を向上させるために平均化されることを特徴とする請求の範囲1に記載の超音波センサ(39)。

請求項17

物体を通じて伝播された超音波エネルギーを検出するために使用されることを特徴とする請求の範囲1に記載の超音波センサ(39)。

請求項18

超音波センサ内に時間ゲーティング(84)が使用され、これによって散乱した多重経路超音波エネルギーが拒絶されることを特徴とする請求の範囲17に記載の超音波センサ(39)。

請求項19

超音波トランジューサ(39)であって、このトランジューサが:(a)音響変換(トランジューシング)材料のシーリング/保護層(42);(b)音響変換材料の、シーリング/保護層(42)と接触する、外側マッチング層(44);(c)音響変換材料の、外側マッチング層(44)と接触する、導電性内側マッチング層(46);(d)網状アレイに配列された、導電性内側マッチング層(46)と接触する、複数の圧電素子(41、43、45、47、49);および(e)おのおのが複数の圧電素子(41、43、45、47、49)の一つと接触する複数のトランジューサ接続(52、53)を含むことを特徴とする超音波トランジューサ。

請求項20

前記のシーリング/保護層(42)がプラスチックから成ることを特徴とする請求の範囲19に記載の超音波トランジューサ(39)。

請求項21

前記の外側マッチング層(44)がタングステンエポキシガラス(軽いホウケイ酸ガラス)、アルミニウム−エポキシ、アルミニウム−マグネシウム−エポキシ、メロパスガラスビーズおよびエポキシ、ガラスビーズとエポキシ(XP24136)、ルサイトポリメタクリル酸メチルポリスルホンポリカーボネート、エポキシ1、ポリスチレンTPX(methylplaten)、水、PTV830から成る一群から選択された材料から成ることを特徴とする請求の範囲19に記載の超音波トランジューサ(39)。

請求項22

前記の複数の圧電素子(41、43、45、47、49)のおのおのが圧電結晶から成ることを特徴とする請求の範囲19に記載の超音波トランジューサ(39)。

請求項23

前記の複数のトランジューサ接続(52、53)がインジウムコンタクトから成ることを特徴とする請求の範囲19に記載の超音波トランジューサ(39)。

請求項24

前記の外側マッチング層(44)および内側マッチング層(46)が、生体組織から反射された超音波信号に超音波的に反応(応答)することを特徴とする請求の範囲19に記載の超音波トランジューサ(39)。

請求項25

前記の網状アレイ(12)が128×128圧電素子アレイ(41、43、45、47、49)から成ることを特徴とする請求の範囲19に記載の超音波トランジューサ(39)。

請求項26

各圧電素子(41、43、45、47、49)が15マイクロメータ以下の厚さを持つことを特徴とする請求の範囲19に記載の超音波トランジューサ(39)。

請求項27

超音波トランジューサ(39)を製造する方法であって、この方法が:(a)音響変換材料のシーリング/保護層(42)を基板上に堆積するステップ;(b)音響変換材料の外側マッチング層(44)を前記のシーリング/保護層(42)の上に堆積するステップ;(c)音響変換材料の導電性内側マッチング層(46)を前記の外側マッチング層(44)の上に堆積するステップ;(d)網状アレイに配列された複数の圧電素子(41、43、45、47、49)を前記の導電性内側マッチング層(46)の上に堆積するステップ;および(e)複数のトランジューサ接続(52、53)のおのおのを前記の複数の圧電素子(41、43、45、47、49)のおのおのに接合するステップを含むことを特徴とする方法。

請求項28

前記のシーリング/保護層(42)がプラスチックから成ることを特徴とする請求の範囲27に記載の超音波トランジューサ(39)を製造する方法。

請求項29

前記の複数の圧電素子(41、43、45、47、49)のおのおのが圧電結晶から成ることを特徴とする請求の範囲27に記載の超音波トランジューサ(39)を製造するための方法。

請求項30

前記の複数のトランジューサ接続がインジウムコンタクトから成ることを特徴とする請求の範囲27に記載の超音波トランジューサ(39)を製造するための方法。

請求項31

前記の外側マッチング層(44)および導電性内側マッチング層(46)が、生体組織から反射される音響信号に超音波的に反応(応答)することを特徴とする請求の範囲27に記載の超音波トランジューサ(39)を製造するための方法。

請求項32

前記の網状アレイ(12)が前記の内側マッチング層に接続された圧電材料(48)の層から形成されることを特徴とする請求の範囲27に記載の超音波トランジューサ(39)を製造するための方法。

請求項33

前記の網状アレイ(12)が128×128圧電素子アレイ(41、43、45、47、49)から成ることを特徴とする請求の範囲27に記載の超音波トランジューサ(39)を製造するための方法。

請求項34

前記の複数の圧電素子(41、43、45、47、49)のおのおのが15マイクロメータよりも低い幅を持つことを特徴とする請求の範囲27に記載の超音波トランジューサ(39)を製造するための方法。

請求項35

前記の圧電素子(41、43、45、47、49)を集積回路(54)上に直接に製造するステップがさらに含まれることを特徴とする請求の範囲27に記載の超音波トランジューサ(39)を製造するための方法。

請求項36

前記の圧電素子(41、43、45、47、49)が集積回路(54)に任意のハイブリッド技術によって接続されることを特徴とする請求の範囲27に記載の超音波トランジューサ(39)を製造するための方法。

請求項37

前記の圧電素子(41、43、45、47、49)が無機材料から製造されることを特徴とする請求の範囲27に記載の超音波トランジューサ(39)を製造するための方法。

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0001

本発明は、超音波画像化アレイ、より詳細には、単一の信号処理集積回路と統
合された超音波トランジューサ二次元アレイとして形成される超音波画像化ア
レイに関する。

背景技術

0002

超音波センサは、長年に渡って、幅広レンジの用途に対して、特に、医療
像を得るために使用されてきた。単一要素線形アレイとして製造されたセンサ
が、通常、追加のデータを得るためにあるタイプの走査システム組合せられる
。従来の技術においては、幾つかの制限されたタイプの二次元アレイが示される
が、ただし、完全に満たされた(中が詰まった)二次元アレイのトランジューサ
を導入するものは全く見られない。

0003

医療画像技術には、B−超音波走査MR画像、核治療CT画像、制限され
たタイプのC−走査技術などが含まれるが、以下に、これらの過去の技術水準
ついて簡単に説明する。
従来のB−超音波走査

0004

線形セクタのアレイを電気的に操舵して二次元断面画像を得る方法は現在では
良く確立された技術である。ただし、このアプローチは、画像を生成するために
、多数のパルスエコー尋問を必要とする。また、トランジューサは、組織の体
積を掃引するためには、平面とは異なる方向(out of plane direction)に移動
させることを要求される。平面とは異なる方向の自動掃引が、実験的なモデル
段階では達成されているが、この方法は、機械的あるいは電気的(2次元位相
レイ)な操舵技術を使用する。ただし、この方法は、一連の二次元セクション

積に、比較的長時間かかり、時間的な解像度が失われやすい。例えば、心搏情報
は、典型的には失われる。より一般的には、ソノグラファ操作員)が、組織を
様々な方位に掃引し、器官、寸法、および構造のモデルを主観的に再生する。こ
のために、従来の技術によるB−超音波走査は、曲がりくねった血管、不規則
腫瘍および障害、他の重要な構造および境界面などを画像化するためには、これ
らが二次元スライスシーケンスとして解釈するのは困難であるために適さない
。これとは対照的に、本発明によって採用されるC−走査画像化は、深さの時間
ゲーティングを持ち、一つのパルス−エコーシーケンスにて、体積について尋問
する。結果として、劇的な速度の向上が達成され、このために、三次元構造物
、ソノグラファ(操作員)の走査方法にあまり影響されることなく、より直接に
評価することが可能である。
MR画像化

0005

磁気共鳴MR)画像化では、高品質の二次元断面画像、二次元画像のシーケ
ンス、組織および血流のための新たなタイプの三次元画像などを得ることが可能
である。ただし、MRスキャナは、コストが高く、持運びができず、だれでも入
手できるわけではなく、また、リアルタイム画像は提供できない。さらに、RM
磁石は、直接の介入およびある種の金属およびワイアの使用を制限し、さらに、
金属断片が存在するような場合は、危険性もある。これとは対照的に、本発明に
おいて採用されるコストが安く、リアルタイムのC−超音波走査による体積尋問
は、多くの指標に対して、MR画像よりも優た点を持つ。
核医療

0006

現在腎臓灌流および活動を評価するために腎臓の核走査が使用されている。
この手続きは、時間が掛かり、コストが高く、放射性物質にてラベル化された薬
剤の使用を必要とする。これとは対照的に、本発明は、腎臓の核走査の短所を伴
うことなく、腎臓の三次元構造をリアルタイムにてダイナミックに画像化する
臓のC−走査画像化法を提供する。
CT画像化

0007

CT画像は人体の二次元断面画像のシーケンスを生成することができる。ただ
し、画像はイオン化放射線を使用し、この使用は制限されるべきである。このた
めに、通常の追跡調査制約を受ける。さらに、CT設備は、通常は、コストが
高く、持運びができず、世界の全ての地域で利用できるわけではない。これとは
対照的に、本発明による超音波を使用してのC−走査体積画像化は、肝臓、腎臓
、および人体の小さな部分の画像化において、CTと比較してかなりの長所を提
供する。
C−走査

0008

C−走査アプローチとしては、オーストリアのKretztechnikおよびドイツのTo
mtecが知られている。彼らは、機械的な走査技術に依存する三次元システムを開
発した。ただし、機械的な走査は、本発明において開示される三次元画像を電気
電子)的に走査する方法と比較して、速度が遅く、複雑で、また、多様性に欠
ける。デューク大学は、三次元画像に対する最初のマトリックスアレイ公称
20×20および32×32)の一つを開発したとして知られている。ただし、
当初の設計は、2.3MHz以下の動作に制限され、送信/受信機能は、アレイ
当たりたった32要素が限度である。これら初期の方法とは対照的に、新規のソ
ナー設計の適用および低ノイズアナログおよびデジタルVLSI回路の適用に
よって、本出願人は、既に、完全にアクティブな64×42アレイのプロトタイ
プを実証済みである。本発明においては、真の三次元超音波医療に必要とされる
、より高い周波数および解像度の両方が実現可能である。

0009

最後に、設備コスト患者準備時間、走査時間、および使用の簡単さは、C
−走査技術の方が、核画像化、MRI、CTよりも有利であることに注意すべき
である。
外傷治療に対する用途

0010

急性外傷および慢性治療の両方に対して、重要な臨床状況において、コストが
安く、リアルタイムの、3次元体積のC−走査画像化が普及することは大きな利
益である。

0011

コストが安く持運びが可能なC−走査画像化は、急性外傷の早期診断に大きな
効果があると考えられる。C−走査画像化は、体積を走査する能力があるために
腹部領域出血広がりおよび位置を識別および測定するために理想的である
。また、肝臓および腎臓の構造や血流なども、追加のドップラー処理を併用する
ことによって、簡単に診断することができるが、本発明による方法はB−走査画
像化法と比較して、長所として、オペレータ依存度が低く、また、三次元形状の
診断にはより頑強である。C−走査体積画像は、腹部手足、目の中の異物を検
出するのに理想的である。加えて、ガイドを要する生検は、C−走査体積画像の
下でもっともうまく遂行できるが、C−走査体積画像は、腹部、手足、目の中の
異物、例えば、金属、ガラスプラスチック破片などの検出に理想的である。加
えて、ガイドを要する生検は、C−走査体積画像の下でもっともうまく遂行でき
るが、これは、位置決定および視覚化の三次元タスクは、従来のB−走査画像化
法による二次元画像を使用して行なう方法は、もっと複雑となるためである。

0012

用途の別の領域としては、心臓壁運動予備的な診断がある。例えば、急性
心筋梗塞は、心臓壁の異状な運動を示すことがあるが、これは、C−走査画像
によって簡単に検出することができる。ドップラー処理を併用した場合は、C−
走査体積画像によって、大動脈弓下降大動脈腹部大動脈、腎臓動脈大腿
脈、頸動脈肝静脈下大静脈弁、および他の重要な血管内の血液の流れを速や
かに診断することが可能となる。重要な分岐および異常は三次元構造を有するた
め、C−走査画像化の体積画像化能力は、オペレータ依存性の低い、より信頼
の高い診断を提供するはずである。

0013

コストの安い、リアルタイムのC−走査画像は、急性障害の診断の分野におい
て広い用途があるものと考えられる。この技法は、現場における生命兆候脈拍

呼吸体温など)の測定と基本的な観察と、病院に戻ってのCATによる精密な
検査のと間の、大きなギャップを埋める懸け橋となるものである。C−走査技術
が現場に導入されれば、深部組織を診断する能力が時間的に繰り上げられ、早期
の診断および治療が可能になる。
慢性治療における用途
ガイドを要する手術および生検

0014

深部組織内の異物の除去、および障害および腫瘍の生検は、リアルタイムのB
−超音波走査のガイド下で遂行される傾向がますます強くなっている。ただし、
二次元断面の性格のために、非常に薄い針あるいはトロカー(trocar)を画像化
する多くの試みにおいて混乱が生じることを否定できない。針が二次元画像平面
と巧く整合しないかぎり、狭い断面のみが得られることとなる。この状況は、目
標とする対象物と、生検針の両方を視覚化するための三次元画像を必要とする。
C−走査画像は、これに必要とされる三次元方位を提供し、障害あるいは異物に
正しく目標を定めることを保証する。
腎臓灌流

0015

さまざまな急性の外傷および慢性の状態、および移植拒絶などの他の状況のた
めに、腎臓灌流が併発し、生命が危険にさらされることがある。カラードップラ
ーを使用する従来のB−走査による腎臓灌流の診断法は、腎臓灌流が三次元構造
を持つために、診断に手間取った。つまり、複数の二次元断面の評価が要求され
た。超音波コントラスト剤を血流の方向をはっきりさせるために使用した場合、
結果としてのウッシュウウト曲線(washout curve)が短く、B−走査で診断す
ることは、異なる二次元断面が画像化されるために困難となる。これとは対照的
に、リアルタイム体積画像は、エコーコントラスト剤の腎臓への流入の進化を空
間的および時間的に完全に捉えるとこができ、超音波の診断効能における大きな
跳躍を意味する。
頸動脈の診断

0016

頸動脈は、脳への血液を提供するが、ただし、急性の出来事や慢性の状態によ
って傷つくことがある。頸動脈分岐の三次元構造を、内部ルーメン(internal l
umen)を注意深く観察することによってマッピングすることは、従来のB−走査
画像化を用いた場合、時間が掛かるとともに、大きくオペレータに依存するもの
であった。これとは対照的に、本発明によるC−走査体積尋問は、頸動脈分岐の
完全な視覚画像を速やかに提供できる。この用途においては、本来のC−走査体
積画像化技法に加えて、コントラスト剤および/あるいはドップラー機能が併用
され、これによって、超音波による診断能力に、速度、コスト、および信頼性の
点で、革命がもたらされる。
肝臓転移

0017

ガン治療においては、肝臓内の腫瘍の成長あるいは縮小を画像化および測定す
ることは非常に重要である。従来のB−超音波走査は、これを、達成するために
は、どうしてもオペレータが介入して“正しい”二次元断面を選択することが要
求され、これが、腫瘍の“直径”を定義するために使用された。このために、本
発明によるC−走査体積表現(画像化)法が、通常の肝臓柔組織や他の柔らかな
組織、例えば、甲状腺および前胸部内の三次元腫瘍の正確で、バイアスを持たな
い、オペレータ依存性の少ない測定のために要求される。
発明の要約

0018

本発明は、センサの二次元アレイとして集積回路技術を使用して構成された音
響アレイを提供する。複数の超音波トランジューサが網状の二次元アレイに配列
されるが、各センサは、第一の独立した電気接続と、第二の共通の電気接続を持
つ。全ての共通の電気接続は互いに接続される。超音波トランジューサの二次元
アレイから信号を処理するための集積回路信号処理手段が、これら複数の超音波
トランジューサのおのおのに第一の独立した電気接続の所で接続される。

0019

本発明の一面においては、これら複数の超音波トランジューサは、圧電トラン
ジューサから成る。

0020

本発明のもう一面においては、検出器アレイは、PZT検出器アレイから成る

0021

本発明の他の目的、特徴および長所が、当業者においては、好ましい実施例、
請求の範囲および図面の説明から明らかになるものであるが、ここで、図面中、
同一の番号は同一の要素を示す。

図面の簡単な説明

0022

本発明を解説するために、好ましい実施例が付録の図面を参照しながら説明さ
れる。

0023

図1は、超音波トランジューサアレイの部分と集積信号プロセッサの等角図で
ある。

0024

図2は、本発明のデータ取得/表示システムの略図である。

0025

図3は、本発明の超音波画像化カメラ絵図である。

0026

図4Aおよび4Bは、本発明の処理エレクトロニクス電子回路図である。

0027

図5は、本発明の超音波トランジューサアレイの電子走査顕微鏡写真である。

0028

図6は、本発明から生成される超音波画像を示す。

0029

図7は、本発明に従って製造された64×42アレイの絵図である。
好ましい実施例の詳細な説明

0030

図1の説明から始めるが、図1には128×128アレイの一部分として実現
される本発明による音響アレイ12が示される。各セラミック圧電素子(piez
el)”41、43、45、47、49は、超音波変換材料(ultrasonic transdu
ction material)から構成され、インジウムバンプ(indium bump)52、53
と類似するインジウムバンプを使用してCMOSVLSI集積回路54に直接に接合
れる。一つの好ましい実施例においては、この圧電素子は、150μmの厚さと
される。

0031

音響アレイ12は、PZT検出器の網状アレイを、元々は、非冷却のピロ電気
焦点面アレイ(uncooled pyroelectric focal plane arry)として設計された現
存の集積回路にバンプ接合(bump bonding)することによってアセンブルされた
。各検出器は、概ね5MHz超音波の半波長だけ離され、S/N比特性が最大と
なるように15ミルの厚さを持つように設計されている。図5は、アレイ12の
走査電子顕微鏡写真を示すが、ここには、要求される間隔を提供する要素間の
状にカットされた網状組織(saw cut reticulation)が示される。

0032

超音波映像化技術(ultrasonic imagery)は、強力な、非侵入診断ツールであ
る。ただし、実用上、その有効性は、提供できるトランジューサアレイのサイズ
が小さいことによる制約を持つ。つまり、アレイサイズが小さいために、解像度
画像取得時間との間の妥協強要される。非走査型の線形アレイはほぼリアル
タイムの画像を表示することができるが、ただし、これは、一方の次元において
解像度上の大きな犠牲を強いられ、このために、得られる画像の解釈が困難とな
ることがしばしばである。

0033

トランジューサアレイのサイズが制限されることの主要な理由は、関連する電
子要素の製造の困難さによるものである。本発明においては、現代の集積回路技
術を使用して、この回路54が、トランジューサ12の二次元アレイ内の一つの
要素によって占拠される面積内に製造され、次に、好ましくは、赤外線検出器
アレイのために開発されたハイブリッド化技術を使用して、トランジューサアレ
イが、この電子集積回路54上に接続される。

0034

一つの実施例においては、超音波走査ヘッド61は、128×128要素の二
次元アレイから構成されるが、これは、同相(in phase)および直角(quadratu
re)の検出器および前置増幅器を含む。このアーキテクチャの利点として、三次
元における解像度が高いこと、信号パルスから二次元のC−走査画像を得ること
が可能なこと、および三次元画像の取得が迅速に(つまり、一秒以下に)できる
ことが上げられる。処理エレクトロニクス素子としては:
・パルスドップラー測定用の二重のセットの同相および直角検出器
・より広いレンジのビームステアリング(操舵)のための受信用位相シフタ
送信ビームを形成するための送信用の位相シフタ;および
・三次元のパルスドップラー画像をリウルタイムにて取得するための広帯域幅
み出し素子;
が含まれる。

0035

図1には、シリコン読み出し用IC(Read Out IC、ROIC)54上にハイブリ
ット化された個々の圧電素子41、43、45、47、49が示される。鋸状
カットされた網状組織は、セラミック48を完全に貫通し、一部分、第一のマッ
チング(整合)層48まで切り込まれる。PZT層48を完全に切り抜くことに
よって、電気的および機械的な漏話が実質的に排除され、これによって、向けら
れたビームの解像度、並びに、データの受信が向上される。さらに、圧電素子4
1、43、45、47、49の間の空気を音響絶縁として使用することによって
、音響漏話も大幅に低減される。

0036

音響アレイ12は、オプションとして、保護シールカバー42を含むが、こ
れは、外側マッチング層44および導電性の内側マッチング層46を持つ。セラ
ミック検出器39の音響インピーダンスを、マッチング層44、46を使用する
ことによって体の組織の音響インピーダンスと整合することによって、トランジ
ューサの感度が著しく向上される。外側マッチング層44は、エネルギートラ
ンジューサ要素に結合するために適当な音響インピーダンスを持つ音響材料ある
いは複合材料から構成される。プラスチックあるいはタングステンをロードされ
アライト(plastic or tungsten-loaded araldite)が四分の一波長マッチ
ング層を形成するために使用される。これに関しては、Diagnostic Ultrasonics
:Principles and Use of Instruments by W.M.McDicken(1991)を参照されたい
。内側マッチング層46は、例えば、PZT層48へのコンタクトのための導体
、例えば、金の薄い膜から構成される。
タイプと混合物
タングステン−エポキシ
ガラス(軽いホウケイ酸ガラス
アルミニウム−エポキシ
アルミニウム−マグネシウム−エポキシ
メロパス(Melopas)
ガラスビーズとエポキシ
ガラスビーズとエポキシ

0037

(XP24136)
ルサイト(Lucite)

0038

ポリメタクリル酸メチル
ポリスルホン
ポリカーボネート

0039

(Lexan)
エポキシ1
架橋された)ポリスチレン
TPX(methylplaten)

PTV830

0040

次に、図2に移るが、図2には、本発明の一つの実施例において採用されるデ
ータ取得/表示システム10において使用される超音波アレイ12が示される。
データ取得システム36は、超音波走査ヘッド61、市販のデジタルテープレコ
ーダ30、SVGAモニタ32、およびVCR34に接続される。

0041

データ取得システム36は、タイミング/デジタル化ボード14を含むが、こ
れは、インタフェースボード16にデータを提供する。インタフェースボード1
6は、データを市販のデジタル信号プロセッサ(DSP)ボード20に送るが、
DSPボード20は、Texas InstrumentsのモデルTMS320-C30デジタル信号プロ
セッサから構成される。インタフェースボード16は、また、第二の市販のDS
Pボード22から画像データを得るが、この第二のDSPボード22もまたモデ
ルTMS320-C30から構成される。デジタル信号プロセッサ20、22は、互いに、
周知の方法にて動作する。産業等級パーソナルコンピュータ18がこれら二つ
のDSPボード、および、市販のグラフィックエンジン24を制御するために使
用されるが、後者のグラフィックエンジン24は、一例としての実施例において
は、これもTexas Instrumentsによって製造されるモデルTMS34020から構成され
る。インタフェースボード16は、データを市販のグラフィックエンジン24に
送る。市販のDSP20はデータをテープレコーダ30に送る。市販のグラフ
クエンジン24は、データをSVGAモニタ32と、市販のVGA/NTSCボード28に
送るが、後者のVGA/NTSCボード28は、データをビデオカセットレコーダ34に
送る。超音波走査ヘッドは、タイミングボード14からタイミングデータを受信
し、データをデジタル化ボード14に送る。このデータは、次に、インタフェ
スボード16に送られる。

0042

一つの実施例においては、コンピュータ18は、超音波走査ヘッド61内に含
まれるトランジューサIC54を、要求される動作モードにプログラムし、16
,386個のアレイからデータを取得する。マルチフレームデータが三次元の画
データベースに結合され、後者は、次に、オペレータコントロールを使用して
表示される。

0043

図3には超音波焦点平面アレイ12が示されるが、この統合された音響マッチ
ング層42、44、46は、I/Oエレクトロニクス62、64、コネクタ70
と共に、プラスチックハウジング68内に搭載される。走査ヘッドアセンブリ
1内に埋め込まれたセンサアレイインタフェースエレクトロニクス54は、アレ
イ12をドライブするため、並びに、画像データをスレンダフットケーブル10
を通じてデータ取得システムに送り返すために必要とされるバイアス、タイミン
グ、およびバッファエレクトロニクスを含む。こうして、本発明の装置において
はスレンダなケーブルの使用が可能になるが、これは、当分野における現在の技
水準と比べて著しい進歩である。

0044

次に、図4Aの説明に移るが、図4Aには、センサアレイ12に対する入力回
路54が含まれる。圧電素子トランジューサ41は、ライン80上にゲーティ
入力パルス78を持つ理想的なコンデンサを含む。チップ基板74は、ダイオ
ード76によって隔離される。トランジューサ41は、ソースフォロア82をド
ライブするが、ソースフォロア82は、マルチプレクサ回路72に入力を提供す
る。ソースフォロア82は、圧電素子41に対して検出された信号を提供する。
各圧電素子には類似する入力回路54が提供される。

0045

次に図4Bに移るが、図4Bには、超音波トランジューサアレイ12に対する
代替の入力回路100が示される。各圧電素子112は、半導体基板50内に具
現される関連する入力回路を持つ。この代替入力回路は、デジタル的に、制御お
よびタイミングを管理され、マルチプレクサ回路86に、第一から第四のサンプ
保持回路からの入力を提供するように設計される。回路100は、前置増幅器
92を持つが、これは約5ボルトにライン90によってバイアスされる。電流源
94は、ライン96に信号を提供するが、この信号はまた前置増幅器92の出力
にも結合される。前置増幅器は圧電素子112からの信号を増幅する。バイアス
電圧110がトランジューサに提供される。ロードダイオード114が圧電素子
112の出力とバイアス電圧110との間に接続される。集積回路チップ基板
08が電流源94の片側に接続される。サンプル保持コンデンサ98、102、
104、106は、スイッチ116、118、120、122がデジタルコン
ローラ84からの制御信号応答して閉じたとき、回路のさまざまなタイミング
期間に対する信号をサンプリングおよび保持する。

0046

前置増幅器92は、4つのサンプル保持スイッチをドライブするために圧電素
子112のインピーダンスをバッファする。ロードダイオード114は、前置
幅器92の入力の所のDC電圧を制御する。制御およびタイミング回路は、好ま
しくは、これらサンプル保持スイッチを順番に動作させる。マルチプレクサ86
が128×128個の圧電素子のおのおのを多重化して、多重出力88を形成す
るために提供される。

0047

本発明の一つの好ましい実施例においては、全体としてのデータ速度を向上さ
せるために複数のサンプル保持回路が提供される。別の実施例においては、これ
らサンプル保持回路の前に、パルスの伸張(stretching)および圧縮(compress
ion)によって送信パワー要件を低減するために、自己相関回路が置かれる。

0048

自己相関回路は、二つの異なる信号を一つに多重化し、平均結果を得る。これ
ら信号の一つが、他の信号に対して時間を変動され、このプロセスが反復される
。これは非常に一般的なタイプの回路である。図4Bに示されるS/H回路はこ
の定義を満し、トランジューサ信号には、小さな時間間隔を除いて通常はゼロで
ある別の信号が掛けられる。基準信号のタイミングが、あるレンジを通じて変動
され、結果がその後の処理のために記録される。より一般的な自己相関回路が持
唯一差異は、後者が、異なるタイプの基準信号、より具体的には、デジタル
疑似ランダムシーケンスを持つことができることである。これは、ノイズの存在
下において長い複雑な信号の存在を検出するための標準技術である。この用途に
おいては、このアプローチは、相関器の出力が、基準信号と受信された信号の時
間が一致しない限り、ゼロ付近となるという長所を持つ。時間分解能(time res
olution)は、信号長さよりもかなり短く、これは、信号エネルギーが時間的に
拡散してピーク信号パワーが低下した場合でも、同一の全体としてのS/N比を
得ることを可能にする。

0049

集積回路を使用するために、各トランジューサに対して複数の相互相関回路
製造することは、サンプル保持回路より若干複雑になるのみである。一方、行な
われる計算の等価量は、何千ものこれら相互相関回路が並列に動作するために、
かなり大きくなる。

0050

入力回路100は、各アレイ要素からのパルスを検出し、結果をアナログ形式
にて、これが多重化回路によって読み出されるまで蓄積するが、多重化回路は、
これを外部回路がデジタル化するのに十分に遅い速度にて読み出す。

0051

ここで説明の例においては、デジタル制御/タイミング回路48は、第一から
第四のサンプル保持回路を動作する。デジタル制御/タイミング回路84は、例
えば、各サンプル保持回路を順番に動作するために制御ビットを順番にクロック
するシフトレジスタを含む。例えば、超音波走査ヘッド61が5MHzにて動作
している場合、このアレイは、ナイキストサンプリング基準を満たすためには1
00ナノ秒の間隔にてサンプリングすることを要求される。サンプル保持コンデ
ンサ98、102、106のおのおのが、次に、マルチプレクサ回路86によっ
て、アクセスされ、これらサンプルは、コンピュータインタフェースがこれらを
受け入れる用意ができた時点で下流のエレクトロニクス89に出力される。単一
のトランジューサに対する一つの入力回路が示されたが、アレイ上の全てのトラ
ンジューサが同時的にサンプリングされ、図4Bに示される回路が、二次元アレ
イ内の全てのトランジューサに対して複製されることに注意する。また、使用さ
れるサンプル保持回路の数は、用途および他の下流の処理要素の速度に依存する
ことに注意する。

0052

標準のCMOS集積回路プロセスによって製造されるデバイスを、簡単にPZTト
ランジューサの特性に対してマッチングすることができ、これを使用して、非常
低レベルの信号を、優れたS/N比にて、検出することが可能となる。本発明
の幾つかの実施例においては、二重ミキサを使用してデータ速度が二倍にされ、
各パルスの同相および直角要素の検出が可能にされる。

0053

本発明の代替実施例においては、好ましくは、ドップラー画像化のためにカッ
ミキサーが使用され、通常のエレクトロニクスフレーム時間以外の、互いに接
近した二つのパルス間の位相シフトが測定される。

0054

受信用の位相シフタによって、受信のためのビームステアリングが達成される
。これは、音響レンズの機能をソフトウエアにて遂行することを可能にし、一層
フレキシブルで、より小さなトランジューサを可能にする。この方法では、焦点
長およびアレイの全体としての角度の両方を変動させることができる。これら位
シフタは、CMOS技術にて簡単に実現することができる。

0055

本発明の代替実施例においては、入力回路が複数の相互相関回路と、これに続
くサンプル保持回路から構成される。このオプションには、特別なケースとして
の全てのミキサーオプションが含まれる。これはまた特別な送信用のコードシー
ケンス復調し、外部処理負荷を低減するために使用することもできる。相互相
関回路は、デジタル信号に従ってトランジューサ信号の符号を反転し、出力の平
均を得るための変調器から構成される。デジタル信号が送信された信号とマッチ
する場合は、相互相関器の出力は、大きくなり、そうでない場合は、小さくなる
。これは、レーダおよびソナーシステムにおける標準技術である。本発明は、全
てが並列に動作する複数の相関器回路を、単一の集積回路上に、超音波トランジ
ューサおよび前置増幅器と共に搭載することにある。

0056

受信用の位相シフタは、受信信号内に時間遅延を導入する。完全な画像を外部
処理によって生成したい場合は、幅広い遅延での受信信号の値が要求される。従
って、受信位相シフティングの一つの好ましい方法においては、単に、サンプル
ナイキスト基準を満たす間隔にて生成され、外部プロセッサによって、必要に
応じて、これらサンプルが選択され、あるいは実際のサンプル間の相関が計算さ
れる。送信用の位相シフタは、必須ではない。送信機は、単に、焦点のステア
ング(操舵)なしに、全ての時間において、必要なだけの全量を送信する。

0057

集積回路からの超音波伝送は、通常は使用される高電圧のために困難であるが
、任意のビーム形状を形成できる能力があればそれから利益を得るような用途が
存在する。加えて、疑似ランダムシーケンス符号化や他の類似する技術の使用は
、要求される送信パワーを劇的に低減し、低電圧での動作を実現可能にする潜在
能力を持つ。このような構成においては、送信回路は、通常、各トランジューサ
に対する調節可能な位相シフティングを要求する。これは、セルベースにてスイ
ッチを入れたり切ったりすることができるフリップフロップのアレイによって得
ることができる。こうして、セル間の遅延を、個別に1クロックサイクルの増分
にて調節することが可能にされる。このタイプのプログラマブルアレイを使用す
ることによって、要求されるほぼ全てのパターンを得ることができる。これらフ

ップフロップは、真のデジタル遅延を提供するために、あるいはビームを形成す
るために、任意のタイプの送信シーケンス、例えば、疑似ランダムシーケンスを
使用することができる。

0058

図7に示されるような集積回路読み出しチップに搭載された42×64アレイ
のPZTトランジューサから成る制限されたプロトタイプデバイス(limited pr
ototype device)が製造され、試験された。このデバイスは、従来の全てのデバ
イスとは、多くの必須のエレクトロニクスがセンサ自身の中に含まれるという理
由から、劇的に異なる一族の超音波センサの最初のものである。現代の集積回路
技術は、必須の信号処理機能の全てをアレイ内の単一の要素の面積に等しい面積
内にはめ込むことを可能にする。これによって、二次元アレイの実現が初めて可
能になったのに加えて、漂遊相互接続容量が排除された結果、トランジューサと
エレクトロニクスの組合せの感度が著しく向上された。

0059

現存IRカメラのタイミングエレクトロニクスに対して、超音波画像化に要
求される時間ゲート能力と超音波信号整流を導入するために必要な修正がなされ
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
の増分にて移動させることによって、一連の並列の画像平面が、おのおのが互い
の上に約0.75mmの間隔にて重なるように生成された。実験として、このソ
ースが水タンク内に置かれ、センサアレイが薄いゴム膜を通じて水に接続(結合
)された。次に、焦点を絞られた線源ラインソース)が、5.0ボルト、5M
hz、1μsパルスにてドライブされ、この二次元超音波アレイの前で掃引(sw
ept)された。ソースが次にフィールド位置(field location)に保持され、第
三の次元でのデータの収集が、時間ゲートを32μsのレンジを通じて増分する
ことによって試験された。図6には、この画像の一例が示される。

0060

本発明の一つの実施例においては、持運び可能なデータ取得/表示システムを
使用して、走査ヘッド61が動作され、リアルタイム画像がオペレータに表示さ
れる。市販のパーソナルコンピュータ18が市販のバックプレーンボードととも
に、信号処理および画像表示機能を遂行するために使用される。このシステムの
機能には:
・後の画像分析および画像記録のために、デジタル化された走査データを保存す
るための8mmデジタルレコーダ
ディスプレイ32、走査ヘッド61、および記録インタフェースを制御するた
めの対話方式メニュ駆動型ユーザインタフェース
・同相および直角画像に関して高速フーリェ変換を遂行し、音響レンズの使用な
しに、音響画像を生成するためのデジタル信号処理ボード20;
リスライシング(reslicing)、表面レンダリング(surface rendering)、体
レンダリング(volume rendering)などの画像表示技術を遂行する能力を持つ
デジタル信号処理ボード22;および
・走査ヘッド61を動作させ、アナログの走査ヘッド出力をデジタル形式に変換
するためのタイミングおよびデジタル化ボード14;
が含まれる。

0061

データ処理/記録エレクトロニクスは、デジタル信号プロセッサ(DSP)チ
ップを含む処理カードに対するホストとして動作する産業等級のPCコンパティ
ブルコピュータ18から構成される。

0062

タイミング/デジタル化ボード14は、走査ヘッド61をアナログ/デジタル
変換器と同期させるために必要とされるシステムタイミング信号を生成する。デ
タル化の後に、これらセンサ信号は、インタフェースボード16に送られる。
インタフェースボード16は、データの緩衝およびフォーマット化を行い、その
後、このデータは、第一のDSPボード20によって読み出される。インタフェ
ースボード16はまた第二のDSPボード22からの処理された画像データを受
け取り、この画像データをグラフィックプロセッサ24のためにフォーマット化
する。上に説明の全体としてのシステムは、現在のIR画像システムに基づく。
このようなシステムにおいては、インタフェースボードが、センサICに対する
信号およびパワー供給を適当に調節するために要求される。インタフェースボー
ドは、典型的には、パワーをフィルタリングおよび調節(一定に保つ)するため
の機能、ICからの高速のアナログ出力をエレクトロニクスの残りの部分へのケ
ーブルに送信するためのアナログバッファ機能、および、センサICによって要
求されるマスタタイミング信号を生成するために必要とされるクロックタイミン
グおよび制御論理機能を含む。

0063

タイミング/デジタル化ボードは、センサおよびDSPインタフェースを含む
全システムに対するタイミング論理信号を生成する。これはまたセンサ出力をデ
ジタル化するためのアナログ/デジタル変換器を含む。本発明の代替実施例にお
いては、これら機能のより大きな部分が、全体としてのシステムコストの低減、
および性能の向上を図るためにセンサ内に組み込まれる。より具体的には、超音
波センサは、センサIC上のデジタル化機能を含む。

0064

第一のDSPボード20の主要な機能は、デジタル化された超音波データに関
してリアルタイム高速フーリェ変換(FFT)を変換することにある。第二のD
SPボード22は、メモリ26内にFFTデータの三次元アレイ構築し、この
データを処理して、表示のための画像を形成することにある。画像のこの処理に
よって、三次元シーン内の任意の箇所の二次元スライスをリアルタイムにて見る
ことが可能になる。追加の処理によって、アレイ内の物体エッジ境界の三次元
マップが構築され、これによって興味の対象の、領域や物体の、三次元画像が得
られる。

0065

グラフィックプロセッサ24は、画像データを、二次元あるいは三次元形式
て受信し、スケーリング、回転、カラーあるいはグレースケール割当てなどを
遂行した上で、画像データをグラフィック形式にフォーマット化し、高解像度
ラーモニタ32上に表示するために使用される。さらに、グラフィックプロセッ
サを使用して、コンピュータテキスト情報、例えば、オペレータに対するメニュ
併合するなど、画像に手を加えることも可能である。ユーザは、画像を見るに
当たって、スケーリング、ズーミングパニング画像回転などの全ての機能を
使用することができる。好ましくは、VGA/NTSC変換回路カード28を使
用して、標準のビデオテープに記録するための、テレビフォーマットのグラフィ
ク画像が提供される。次に、8mmデジタルテープレコーダ30を使用して、
デジタルデータが、分析のためにコンピュータで読み出し可能な形式にて記録さ
れる。
信号および画像処理

0066

本発明の画像処理は、位相収差およびスペックルノイズの問題を解決するため
に2次元アレイ12のユニークな特徴を利用する。両者の現象は、現在のB−走
査システムからの画像の品質にかなりの悪影響を持つが、ただし、3次元超音波
において実現可能な解決には好意的である。干渉を与える不均質な組織が画像品
質に与える影響については、様々な研究者によって調べられている。X線を使用
した場合、放射によってイオン化が引き起こされるために、音響画像化(sonogr
aphy)は、音響画像が十分な解像度を提供できれば、多くの日常的な検査におい
て使用するための画像化のための一つの選択となり得る。ただし、この解像度は
、臨床スキャナでは、干渉を与える組織内の屈折率空間的変動に起因する位相
収差のために、十分には達成できないように思われる。

0067

組織を通過する際の位相収差に起因する解像度の損失に加えて、スペックル
起因する画像品質の損失がある。超音波の場合、画像は虚位相成分(imaginary
phase component)を持つが、この成分は、実用上のかなりの重要性を持つ。虚
位相成分は、複数の重複する点源(point source)間の干渉の、変換空間(tran
sform space)における、現象の物理的なカウンターパーツである。幾つかのケ
ース、例えば、ホログラフィックシステムにおいては、この虚成分は、画像シス
テムによって変換され、有益な情報を提供する。ただし、従来のエコーグラフッ
クシステム(echographic system)においては、この位相情報は、信号の検出
、あるいは、整流プロセスにおいて失われ;むしろ、位相要素は、主として、画
像上に、空間的に疑似ランダムで、本質的に意味のない振幅変調:換言すれば、
ある形式のノイズを与えるものとして扱われる。通常コヒーレント放射スペック
と呼ばれるこの現象が画像性能に与える影響には厳しいものがある。
位相収差の修正

0068

フェーズドアレイシステム(phased arry system)においては、フォカシン
グおよびステアリング(操舵)に使用されるエレクトロニクスの位相遅延が、ト
ランジューサと興味のある領域(region of interest、ROI)との間の位相収
差を起こす組織を補償するためにも使用できる。この修正によって、焦点レンジ
内の器官のより正確な画像が得られる。これまでの研究の成果として、位相遅延
を修正することにより、位相収差の有害な影響を修正するための技術が開発され
ている。本発明においては、コヒーレント光線大気乱流修正(atomospheric t
urbulence correction)のために開発されたCOAT(Coherent Adaptive Opti
cal Techniques)と呼ばれる方法が使用される。この方法においては、検出器が
目標の焦点平面内に置かれ、変調強度が検出される。目標は通常は人体の内側に
あるために、検出器は、送信機付近に置かれる。目標からのエネルギーは検出器
に向って反射されるが、これは、目標上のそれと同一強度変調を持つ。結果と
して得られる信号内の情報を使用して、強度最大に向ってのチャネル内の平均位
相が計算される。信号の位相の制御は、超音波システムにおいて一般的な技法で
あるが、最も良い例として、位相をアレイにそって変動することによるビームス
テアリングを挙げることができる。
スペックルの低減

0069

スペックルは、対象内の散乱とは一対一の対応を持たないために、しばしば、
アーティファクト偽性ノイズ)として研究者を悩ましてきた。ただし、上に述
べたように、スペックルが目標の検出性を低減するのは、通常、有効な空間解像
度を低減することによるものである。スペックルノイズの振幅は、生来的に、ち
ょうど、物理的に達成可能な空間解像度に対応する空間周波数において高くなる
傾向を持つ。この矛盾の解決は、音響認識における中心的な問題の一つである。
スペックルは、本質的には、画像化手続きのコヒーレント性に起因するものであ
り、あらゆる技法において、S/N比を増加するためには、コヒーレンスの程度
を低減することを要求される。最も単純で率直な方法は、スペックル効果視覚
的に低減あるいは相殺する方法である。我々の画像化法は、ある平面を横断して
のリアルタイム画像を提供するために、上に説明された方法は、スペックルの低
減に対しても適用できる。上に説明の方法によって収差を修正した後に、複数の
反射の位相がフレーム時間(典型的には、1/30秒)よりも速い速度にて変動
され、これによって平均してみたとき、コヒーレンスがフレーム期間単位では破
壊される。
動作

0070

この二次元アレイ12は、単一の超音波パルスから完全な二次元画像を形成す
ることができるいわゆる“C−走査”モードにて動作することができる。複数の
これら画像から三次元データベースが生成されるが、これらデータベースは、デ
ータを様々な有益な形式にて表示するために、コンピュータソフトウェアによっ
て簡単に操作することができる。

0071

本発明は、標準のCMOS集積回路技術とコンパティブルな回路を利用する。
ただし、現在線形アレイと共に使用されている位相シフティングおよびビーム形
戦略の殆どは、本当の意味では使用することができない。コンパティブルな一
つの技術は、ミキサーあるいは位相感応検出器(phase sensitive detectors)
を使用する方法である。この技術はよく知られたものであるが、ただし、集積回
路実現に対するこの長所は、これまで認識されていなかった。ミキサーは、IC
上のほんの少数の要素によって実現することができ、出力は、後の読み出し時間
まで小さなコンデンサ内に蓄積される。受信ビーム形成機能は、ミキサー出力の
計算によって達成されるが、これについては、様々な文献において詳細に記述
れている。

0072

原理上は、ミキサーにて、送信および受信の両方のフェーズドアレイ(phased
array)を形成することが可能であるが、一つの可能な代替においては、非常に
長い、専用に符号化されたパルスが、集積回路上のマッチング用の相関フィルタ
と共に使用される。また、より従来的な解決方法として、単に、別個の送信機を
使用する方法もある。送信機のビームは、高い精度にて制御される必要はなく、
このため、これには、非常に限定された位相シフティング、場合によっては、機
械的な走査を使用することもできる。

0073

もう一つの実施例においては、集積回路の電圧制約を克服するために、送信用
に別個のトランジューサが使用される。このトランジューサは、超音波エネルギ
ーを画像化されるべき体積全体を通じて一様に散乱させるように設計される。こ
の構成の場合、安全要件エネルギー密度(W/cm2)にあり、総合パワーにはな
いために、システム感度は、低減するとしても最小限にとどめられる。

0074

送信電圧の制約を、高い電圧の送信パルスを、通常はアースされたトランジュ
ーサ電極に加え、受信信号がその上に検出される他方の電極を、集積回路によっ
て、送信パルスの最中、アースあるいは他の一定の電圧に保つことによって克服
することも可能である。これを遂行するための回路は、高い電圧定格は必要とせ
ず、受信感度に与える影響が最小になるように設計される。全てのトランジュー
サが同時にパルスされた場合は、超音波エネルギーは有益な空間分布を持たない
ため、異なる送信パルスが、あるグループのトランジューサに加えられ、これに
よってエレクトロニクスの量を過剰に増加することなしに、限定されたビーム形
成機能(limited beam forming capability)が達成される。

0075

好ましくは、圧電トランジューサが、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene
fluoride、PVDF)およびPVDFを組み込むコーポリマーの特性と結合され
る。これら物質は、現在に至るまでは、誘電定数が低く、このため、漂遊相互接
キャパシタンスに起因する信号損失に弱いために、超音波トランジューサとし
ての用途は限定されてきた。加えて、これら材料は、中の詰まった材料をバッキ
ングに使用することによって、最良の性能を引き出すことができる。中の詰まっ
バッキングは、これが共振周波数を約2の係数だけ低下させ、このために、よ
り薄いトランジューサを可能にする。

0076

集積回路の下側にダンピング層を加えると、センサの望ましくない振動モード
が低減される。このタイプのセンサは、ポリマートランジューサアレイと一体と
なって、望ましくない応答を低レベルに押さえることを可能にする。

0077

本発明のセンサによって形成された画像は、画像の性能を向上させるための処
理を施される。より具体的には、超音波ビームの位相フロントを変動することに
よって、収差あるいはスペックルが低減あるいは排除される。

0078

本発明のセンサは、従来のB−走査画像化によって達成できるよりも秒当たり
多数の要素を表示することが可能である。これは短期間に複数のフレームを積分
することによって行なわれ、この結果、S/N比が向上される。可能な代替とし
て、通常よりも高い周波数にて動作することによって、信号強度の関連する損失
を補償することが考えられるが、これも、複数のパルス化されたフレームを積分
することによって達成される。より高い周波数で動作することは、結果として、
より高い解像度を与えることとなる。

0079

本発明は、従来のX−線画像のそれと類似する用途に利用することができる。
超音波が人体内にパスされ、様々な経路内で経験された減衰を表す画像が生成さ
れる。この画像は、X−線画像化法によって得られた情報と相関するものとして
、あるいはこれを補完するものとして使用することができる。多経路散乱放射
multipath and scattrered radiation)の代替として、受信される信号のゲーテ
ィングを使用することが可能である。

0080

この2−次元超音波アレイの場合、超音波が、従来のX−線画像のそれと類似
した用途に使用される。超音波が人体を通過し、様々な経路内で経験された減衰
を表す画像が生成される。このアプローチは、X−線によって得られる情報と相
関するものとして、あるいは、これを補完するものとして使用することができる
柔組織の境界面の所の画像は、X−線によっては得られない情報を提供する。
つまり、本発明による超音波反射画像法と比較しして、(X−線法による場合)
ある角度にて境界に当たる放射線は、反射されずに、誤って透過するものとして
判断されることがある。

0081

本発明が、特許法令を満たすために、並びに、当業者に新規の原理を適用する
ため、あるいは開示される要素を製造あるいは使用するために必要とされる情報
を提供するためにやや詳細に説明された。ただし、本発明は、細部が異なる装置
およびデバイスを使用して実現することも可能であり、これら装置の細部および
動作手続きの両者に関してのこれら様々な修正は、本発明自身の範囲から逸脱す
ることなく達成できるものであることを理解されるべきである。

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