JP2004000630A - Ｋ３１モードで動作するアレイトランスデューサを用いた高調波撮像装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トランスデューサ組立体のスペクトル応答の制御に多数のトランスデューサ層又は切換素子を用いることなく、基本周波数での超音波エネルギーの伝送を可能とし、高い感度で高調波周波数で反射超音波エネルギーの検出を可能とする超音波検査撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は超音波システムに関連する。１つの実施例では、本発明はｋ_３１モードで動作可能なトランスデューサと、第１の信号をトランスデューサ組立体へ送信する送信器と、トランスデューサ組立体によって第１の信号の周波数の高調波で受信された第２の信号を処理する受信器とを含む。他の実施例では、超音波システムを動作させる方法は、ｋ_３１モードで動作するトランスデューサから第１の周波数範囲内の第１の信号を放出する段階と、信号を体内へ放射する段階と、第２の周波数範囲に制限された第２の信号を検出する段階とを含む。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して超音波検査撮像システムに関連し、更に特定的にはかかるシステムを用いた高調波撮像のための装置及び方法に関連する。
【０００２】
超音波検査撮像システムは、超音波撮像及び測定を実行するために広く用いられている。検査画像は、トランスデューサ組立体を患者の皮膚に接するように置き、皮膚を通して患者の体内へ超音波エネルギーを送るためにトランスデューサ組立体の中に配置される１つ又はそれ以上の圧電素子を作動させることによって得られる。これに応じて、体の内部構造から超音波反射波が戻され、これらはトランスデューサ組立体の中の圧電素子によって電気信号に変換される。
【０００３】
患者の体を構成する液体及び組織は超音波エネルギーに曝されたときは顕著な非線形音響応答を有するため、高調波反射波は体の中で基本送信周波数に調和的に関連する１つ又はそれ以上の周波数で発生されることが多い。このように選択的な周波数で超音波エネルギーを放出し、選択された送信周波数の１つ又はそれ以上の高調波周波数で反射された又は送信された超音波エネルギーを受信する高調波撮像システムが開発されている。
【０００４】
現在、従来の広帯域トランスデューサ組立体は、一般的には基本送信周波数の付近を中心とする周波数範囲を含む所定の帯域幅内で動作可能であるよう構成された高調波撮像システム中で用いられる。従って、トランスデューサ組立体は、一般的には基本周波数に近い周波数では好ましい感度を示すが、指示された帯域幅の縁の近くの周波数に対しては一般的にはそれよりも低い感度を示す。関心となる高調波反射波はトランスデューサ帯域幅の縁の近くの周波数で生ずることが多いため、これらの周波数に対するトランスデューサ組立体の感度はかなり低下することが多い。高調波撮像システム用の広帯域幅トランスデューサ組立体を達成するため、従来では少なくとも２つの一般的なアプローチに従ってきた。１つのアプローチは、より広い周波数応答を達成するために多数の整合層及び／又は裏打ち層を含む、組立体中に使用される受動素子の設計を最適化することである。このアプローチに従ったトランスデューサ組立体は、一般的に、超音波システムが送信波形を変更すること及び／又は受信フィルタ応答を変更することによって所望の周波数応答を選択するために使用されて、送信及び受信のときに同じ周波数応答を有する。組み立てられうる受動素子の数は非常に限られているため、このアプローチは一般的には感度といった他の性能パラメータに対して妥協することなく限られた帯域幅改善のみを達成する。
【０００５】
第２のアプローチは、一般的には圧電材料からなるトランスデューサ組立体の能動素子の設計を最適化することである。１つの方法では、圧電層材料は選択された方向上に変化する厚さで形成されるため、種々の文献（例えば非特許文献１）及び特許文献（例えばＨａｎａｆｙ外による特許文献１）に記載されるようにトランスデューサ素子の周波数応答は広げられる。他の方法では、送信モード及び受信モードの間にトランスデューサ素子のために異なる周波数応答特徴を発生するために、トランスデューサ素子は能動トランスデューサ材料の多数の層で製造され、各層の極性を制御するために、又は、各層に印加される信号を制御するために切換回路を使用する。例えば、Ｇｕｒａｒａｊａによる特許文献２は、トランスデューサが１つの共振周波数で送信し、他の共振周波数で受信するよう、各層に電圧を印加することによって選択的にバイアスされうる２つ又はそれ以上の電歪層からなるトランスデューサ積層体を開示する。更に、Ｏｓｓｍａｎｎ外による特許文献３及びＨｏｓｓａｃｋによる特許文献４も、２つの圧電層からなるトランスデューサ積層体を開示する。送信モード及び受信モードの間に異なる周波数応答が発生されうるよう、切換回路は各トランスデューサ素子に取り付けられる。このアプローチの欠点は、異なるモードを制御するために各トランスデューサ素子に関連付けられる追加的な電子回路が必要であり、トランスデューサ組立体の複雑性が高まることである。
【０００６】
【従来の技術】
【特許文献１】
米国特許第５，４１５，１７５号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，４１０，２１５号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，８２５，１１７号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，９５７，８５１号明細書
【非特許文献１】
エム・エス・エス・ボロフォロシュ（Ｍ．Ｓ．Ｓ．　Ｂｏｌｏｆｏｒｏｓｈ）著「医療用デュアル周波数圧電トランスデューサ（Ｄｕａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｆｏｒ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」　ＳＰＩＥ　第１７３３号、１９９２年、第１３１頁以降
【発明が解決しようとする課題】
従って、基本周波数での超音波エネルギーの伝送を可能とすると共に、従来の広帯域トランスデューサ組立体を用いたシステムから現在得ることができるものよりも高い感度で高調波周波数で反射超音波エネルギーの検出を可能とする超音波検査撮像装置を提供することが望ましい。更に、トランスデューサ組立体のスペクトル応答を制御するために多数のトランスデューサ層又は切換素子を用いることなく上述の利点を与えるシステムを提供することが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、概して超音波検査撮像装置に関するものであり、特にかかるシステムを用いた高調波撮像のための装置及び方法に関連する。１つの面では、本発明は、第１の放出方向及び第１の放出方向に対して垂直な第２の方向に延在する圧電材料から形成される少なくとも１つのトランスデューサ素子を含み、層の互いに対向する側面に配置される電極を有し、圧電材料は第２の方向に分極される、トランスデューサ組立体と、電極に動作上結合され、超音波を発生するためにトランスデューサ組立体に第１の信号を送信し、超音波の反射された部分に対応し第１の信号に調和的に関連する第２の信号をトランスデューサ組立体から受信する超音波プロセッサとを含む。他の面では、本発明は、ｋ_３１モードでの動作用に構成されるトランスデューサ組立体と、第１の周波数を含む第１の信号をトランスデューサ組立体へ送信する送信器と、第１の周波数に調和的に関連する第２の周波数を含みトランスデューサ組立体によって受信される第２の信号を処理する受信器とを含む。更なる他の面によれば、本発明は、ｋ_３１モードであるモードで動作するトランスデューサ組立体から第１の周波数範囲に制限された第１の超音波信号を放出する段階と、第１の超音波信号を体の中に投射する段階と、第１の超音波信号の反射された部分に対応し第１の周波数範囲とは異なる第２の周波数範囲に制限された第２の超音波信号を検出する段階とを含む、超音波撮像システムを動作させる方法を含む。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、概して超音波検査撮像システムに関連し、更に特定的にはかかるシステムを用いた高調波撮像のための装置及び方法に関連する。本発明の幾つかの実施例の特定的な細部の多くを、かかる実施例が完全に理解されるよう以下の説明及び図１乃至図４に示す。しかしながら、当業者は、本発明が以下の説明に示される細部のうちのいくつかがなくても本発明が実施されうることを理解するであろう。更に、以下の説明では、様々な実施例に関連する図面は特定の又は相対的な物理的な寸法を示すものと解釈されるべきではないこと、また、特定の又は相対的な寸法について記載されているのであればこれらは請求項に明示的に示さないかぎり制限的なものと考えられてはならないことが理解されよう。
【０００９】
図１は、本発明の１つの実施例による超音波撮像システム１０を示す機能ブロック図である。システム１０は、ケーブル４０によってトランスデューサ組立体３０に結合される超音波プロセッサ２０を含む。トランスデューサ組立体３０については、以下詳述する。超音波プロセッサ２０は、トランスデューサ組立体３０による放出のための超音波周波数の信号を発生する送信器と、トランスデューサ組立体３０によって受信される信号を検出する受信器２２とを更に含む。送信器２１をトランスデューサ組立体３０から離すため、送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ２３は、受信器２２が信号を検出している間は送信器２１をトランスデューサ組立体３０から切り離す。Ｔ／Ｒスイッチ２３は、同様に、送信器２１が信号を動作上放出している間は受信器２２をトランスデューサ組立体３０から切り離す。システム制御器２４は、送信器２１、受信器２２、及びＴ／Ｒスイッチ２３と相互作用を行い、これら構成要素の動作を調整する。制御器２４は、受信器２２によって受信される信号を受信し処理する信号処理部２５と、視覚ディスプレイ２７上にインソニファイド（ｉｎｓｏｎｉｆｉｅｄ）領域の視覚画像を生成するよう信号プロセッサ２５から受信される信号を更に処理する画像処理部２６と相互作用を行う。
【００１０】
やはり図１を参照するに、送信器２１によって発生される信号は、信号がトランスデューサ組立体３０へ転送される前にフィルタ回路網２８を通されてもよい。回路網２８は、選択された送信周波数帯域内の超音波エネルギーがトランスデューサ組立体３０へ伝達され、一方で、帯域の外側の他の周波数の超音波信号をかなり減衰させることを可能とする。トランスデューサ組立体３０から受信される信号は、同様に、信号が受信器２２によって検出される前にフィルタ回路網２９によってフィルタリングされうる。回路網２９は、選択された周波数受信帯域内の超音波エネルギーが受信器２２へ伝達されることを可能とする。受信帯域及び送信帯域は、かなり離間しており、従って周波数の重なり合いは２つの帯域の間では一般的には生じない。特定の実施例では、フィルタ２８はトランスデューサ組立体３０の略基本共振周波数に対応する周波数を通すよう構成され、一方でフィルタ２９は基本共振周波数に調和的に関連する１つ又はそれ以上の周波数を通すよう構成される。回路網２８及び２９は、例えば、ガウシアン（Ｇａｕｓｓｉａｎ）、ベッセル（Ｂｅｓｓｅｌ）、又はチェビシェフ（Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ）設計の受動フィルタ回路網といった選択的なスペクトルフィルタリングを与えることが可能な装置であってもよいが、他の設計も使用されうる。
【００１１】
やはり図１を参照して、以下、トランスデューサ組立体３０について詳述する。組立体３０は、送信器２１によって発生される信号によって励起されたときには超音波３３を放出し、超音波３４を受信し、超音波３４を受信器２２によって検出されうる電気信号へ変換することが可能な圧電素子３１を含む。組立体３０は、互いに対向する側面上の素子３１に結合される電極３２を更に含む。圧電素子１３は、横方向３に延びる寸法の少なくとも２倍である縦方向１に延びる寸法を有する。１つの特定的な実施例では、方向１に延びる寸法は、方向３に延びる寸法の約３倍である。素子３１は、縦方向１に延在する素子３１中の１つ又はそれ以上の厚さ振動モードの刺激を可能とするよう横方向３に更に分極される。トランスデューサ３１は方向３に分極され駆動され、方向１に超音波エネルギーを放出するため、トランスデューサ３１のための動作モードはｋ_３１モードとして示される。これに対して、従来技術のトランスデューサは方向３に分極され駆動され、方向３に超音波エネルギーを放出するため、動作モードを一般的にｋ_３３動作モードと称する。ｋ_３１の分極されたトランスデューサ組立体は、ここに参照として組み入れられるＧｉｌｍｏｒｅ外による米国特許第６，２８８，４７７号明細書に更に記載される。図１中、単一のトランスデューサ組立体３０が示されているが、線形配列として配置されるか様々な２次元配列に配置されうる１以上の組立体が存在しうることが理解される。更に、組立体は超音波撮像システムの指向性を改善するために湾曲した又は成形された配列を形成するために結合され適当な向きとされる。
【００１２】
ｋ_３１動作モードの重要な利点は、トランスデューサ組立体３０のための様々な厚さ振動モードが基本送信周波数の高次の高調波による刺激に対して特に敏感であることである。例えば、第三高調波周波数に対応する厚さ振動モードは、一般的には、トランスデューサがｋ_３１モードで動作しているとき、略基本波に対応するモードの大きさに略等しい大きさの振幅を示す。これに対して、ｋ_３３モードで動作するトランスデューサについての比較対象となる厚さモード振幅は一般的には基本波と比較してかなり低い振幅である。
【００１３】
図２は、ｋ_３１動作モードで動作するトランスデューサ組立体３０の応答をｋ_３３動作モードで動作するトランスデューサと比較したグラフを示し、これを用いて更に高次の高調波に対するｋ_３１動作モードの向上された応答について説明する。各時点において、トランスデューサは、基本周波数（約２．６ＭＨｚ）の第三高調波（本例では、約６．８ＭＨｚ）に略対応する周波数で超音波源によって放出される超音波エネルギーに曝される。図示するように、各トランスデューサは、ｋ_３３動作モード又はｋ_３１動作モードのいずれかで動作するとき、約２．６ＭＨｚで基本共振を示す。図１に示す組立体３０がｋ_３３動作モードで動作するトランスデューサによって置き換えられると、約６．８ＭＨｚでは殆ど又は全く共振が観察されず、トランスデューサは第三高調波周波数での刺激に対して比較的低い感度を示すことを示している。これに対して、組立体３０がｋ_３１動作モードで動作するとき、第三高調波周波数（約６．８ＭＨｚ）で比較的強い共振が生じ、共振モードの振幅は略基本共振（約２．６ＭＨｚ）の振幅のオーダである。このようにｋ_３１動作モードでのトランスデューサ組立体３０の動作は、図２の複峰性の応答特徴に示されるように、トランスデューサがｋ_３３動作モードで動作される場合よりも高い感度で基本共振モードの高調波周波数が検出されることを有利に可能とする。
【００１４】
図３は、本発明の他の実施例による図１の超音波撮像システム１０の動作の方法を示すグラフである。上述のように、ｋ_３１動作モードにおける図１のトランスデューサ組立体３０の動作はトランスデューサ３０中の複峰性の共振を生じさせ、従って、第１の周波数帯域５０内に制限された周波数はトランスデューサ組立体３０中で基本共振モードを励起する。更に、トランスデューサ組立体３０は、第２の周波数帯域５１内に制限された周波数の反射波によって励起されたときに第三高調波の共振を示す。従って、第１の周波数帯域５０は、下方帯域周波数５２及び譲歩帯域周波数５３を含む。同様に、第２の周波数帯域５１は、下方帯域周波数５４及び上方帯域周波数５５を含む。第１の周波数帯域５０の帯域幅及び第２の周波数帯域５１の帯域幅は、夫々、フィルタ回路網２８及び２９の形態によって決定される。
【００１５】
本実施例では、送信器２１は略基本中心周波数ｆ_１，ｃである超音波信号をトランスデューサ組立体３０へ送信するよう構成され、一方、受信器は略第三高調波基本周波数３ｆ_１，ｃである超音波信号を受信するよう構成される。従って、システム１０は、向上された感度で略第三高調波周波数で高調波撮像を行うことが可能である。
【００１６】
トランスデューサ組立体３０は、従来技術のシステムで得ることができる感度よりも高い感度で略第三高調波周波数の反射信号を検出することが可能であり、上述の実施例は有利に、検査撮像が体の内部の部分からの第三高調波反射波を用いて実行されることを有利に可能とする。これに対して、従来のシステムは、一般的には非常に幅の広い帯域幅を有するトランスデューサ組立体を用いねばならず、本実施例と比較したときは第三高調波反射波に対して比較的低い感度を与える。
【００１７】
図４は、本発明の更なる他の実施例による図１のシステム１０の動作の他の方法を示すグラフである。再び、ｋ_３１モードの図１のトランスデューサ組立体３０の動作は、トランスデューサ３０中に複峰性の共振を生じさせ、従って第１の周波数帯域５０内に制限される周波数はトランスデューサ組立体３０中に基本共振モードを励起し、第２の周波数帯域５１に制限された周波数で反射波によって励起される第三高調波で共振を示す。本実施例では、送信器２１は第１の周波数帯域５０の上方帯域周波数５３に近い略周波数ｆ_１で超音波信号を送信するよう構成され、一方、受信器２２はトランスデューサ組立体３０の第二高調波共振周波数に略対応する第２の周波数帯域５１の下方帯域周波数５４に近い略周波数２ｆ_１の信号を受信するよう構成される。従って、システム１０は、高調波撮像で使用されるために略第二高調波周波数で信号を検出することが可能である。
【００１８】
【発明の効果】
上述の実施例は、第二高調波信号が優勢な反射信号である超音波高調波撮像が実行されることを有利に可能とする。広い帯域幅を有するトランスデューサ組立体を用いた上述のシステムに対して、本実施例は第二高調波周波数で反射信号に対してより高い感度を示すことが予想される。多数の圧電層と層間に挟み込まれた多数の電極層とを有するトランスデューサ組立体（例えばＨｏｓｓａｃｋの米国特許第５，９５７，８５１号明細書）に対して、本発明は追加的な層及び／又は電極を使用することなく第二高調波周波数で反射波に対する好ましい感度を示すことが予想され、従って概して撮像システムの複雑性及び費用を減少させる。
【００１９】
本発明の図示された実施例の上述の説明は、網羅的なもの、又は、本発明を開示された形式そのものに制限するものであることを意図していない。本発明の特定の実施例及び例について説明のために上述したが、当業者が認識しうるように、本発明の範囲内で様々な同等の変更が可能である。更に、更なる実施例を与えるために、上述の様々な実施例が組み合わされうる。従って、本発明は開示されたものに制限されるのではなく、本発明の範囲は請求の範囲によって全体に決められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施例による超音波撮像システムを示す機能ブロック図である。
【図２】ｋ_３１動作モード及びｋ_３３動作モードで動作するときの撮像システムのトランスデューサ組立体の応答を比較したグラフである。
【図３】本発明の他の実施例による超音波撮像システムの動作の方法を示すグラフである。
【図４】本発明の更なる他の実施例による超音波撮像システムの動作の方法を示すグラフである。
【符号の説明】
１０　　超音波撮像システム
２０　　超音波プロセッサ
２１　　送信器
２２　　受信器
２３　　送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ
２４　　制御器
２５　　信号処理部
２６　　画像処理部
２７　　視覚ディスプレイ
２８　　フィルタ
２９　　フィルタ
３０　　トランスデューサ組立体
３１　　圧電素子
３２　　電極
３３　　超音波
３４　　超音波
４０　　ケーブル

Claims (11)

1. 第１の放出方向及び前記第１の放出方向に対して垂直な第２の方向に延在する圧電材料から形成される少なくとも１つのトランスデューサ素子を含み、前記第２の方向と交差するトランスデューサ素子の互いに対向する側面に配置される電極を有し、前記圧電材料は前記第２の方向に分極される、トランスデューサ組立体と、
   前記電極に動作上結合され、超音波を発生するためにトランスデューサ組立体に第１の信号を送信し、超音波の反射された部分に対応し前記第１の信号に調和的に関連する第２の信号を前記トランスデューサ組立体から受信する超音波プロセッサとを含む、超音波撮像システム。
2. 前記第１の信号は前記トランスデューサ組立体の基本共振周波数を更に含み、前記第２の信号は前記トランスデューサ組立体の基本共振周波数の第二高調波である周波数を含む、請求項１記載の撮像システム。
3. 前記第１の信号は前記トランスデューサ組立体の基本共振周波数を更に含み、前記第２の信号は前記トランスデューサ組立体の基本共振周波数の第三高調波である周波数を含む、請求項１記載の撮像システム。
4. 前記第１の信号は上方帯域周波数を有する第１の周波数帯域に制限され、前記第２の信号は下方帯域周波数を有する第２の周波数帯域に制限され、前記プロセッサは、前記上方帯域周波数に近い信号を送信し上記下方帯域周波数に近い信号を受信するよう構成され、受信された信号は前記トランスデューサ組立体の第二高調波周波数に対応する周波数を含む、請求項１記載の撮像システム。
5. 前記第１の信号は第１の周波数帯域に制限され、前記第２の信号は第２の周波数帯域に制限され、前記第１の周波数帯域は第１の中心周波数を有し、前記第２の周波数帯域は第２の中心周波数を有し、前記第１の中心周波数は前記トランスデューサ組立体の基本共振周波数であり、前記プロセッサは、略前記基本周波数である信号を送信するよう構成され、前記第２の中心周波数は前記トランスデューサ組立体の第三高調波共振周波数であり、前記プロセッサは、略前記第三高調波共振周波数である信号を受信するよう構成される、請求項１記載の撮像システム。
6. 前記第１の方向に延びる第１の寸法と、前記第２の方向に延び前記第１の寸法との間の比率で示される第２の寸法とを有する圧電層を更に含み、第１の寸法の第２の寸法に対する比率は少なくとも２である、請求項１記載の撮像システム。
7. 前記第１の方向に延びる第１の寸法と、前記第２の方向に延び前記第１の寸法との間の比率で示される第２の寸法とを有する圧電層を更に含み、第１の寸法の第２の寸法に対する比率は約３である、請求項１記載の撮像システム。
8. 前記トランスデューサ組立体は、ｋ_３１モードでの動作用に構成される、請求項１記載の撮像システム。
9. ｋ_３１モードであるモードで動作するトランスデューサ組立体から第１の周波数範囲に制限された第１の超音波信号を放出する段階と、
   前記第１の超音波信号を体の中に投射する段階と、
   前記第１の超音波信号の反射された部分に対応し前記第１の周波数範囲とは異なる第２の周波数範囲に制限された第２の超音波信号を検出する段階とを含む、超音波撮像システムを動作させる方法。
10. 前記第２の超音波信号を検出する段階は、前記トランスデューサ組立体の基本共振周波数の第二高調波に対応する信号を検出する段階を更に含む、請求項９記載の方法。
11. 前記第１の超音波信号を放出する段階は、前記第１の周波数範囲の上方帯域周波数に近い信号を放出する段階を更に含み、前記第２の超音波信号を検出する段階は、前記第２の周波数範囲の下方帯域周波数に近い信号を検出する段階を更に含む、請求項９記載の方法。

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