JP2004523156A - 環状アレー - Google Patents

Abstract

対称焦点を近焦点Ｆｎから遠焦点Ｆｆまで電子的に深度ステアリングさせる環状超音波バルク波トランスジューサアレーは、異なる固定予備焦点を有するｋの群に分割された部品からなる。中央の群はＦｎからＦｆまでで形成されるビームに関与し、次の外側の群はＦｎ１＞ＦｎからＦｆまでで形成されるビームに関与し、ｋ番目に外側の群はＦｎｋ＞Ｆｎｋ−１からＦｆまでで形成されるビームに関与する。ｋ番目の群の固定焦点はＦｎｋとＦｆとの間のＦｋで選択される。この方法により、Ｆｎに近いビーム形成は中央の群のみによってなされる。焦点をＦｎから外側にステアリングすることにより焦点直径は増大し、焦点直径がある制限を超える深度になると、次の外側の部品群がビーム形成に含まれる。このようにして開口の増大によって、焦点が更にＦｆ方向にステアリングされることによる直径の増大を抑制する。同様にして、第ｋの部品群がＦｎｋよりも深くにステアリングされた焦点においてビーム形成する。このようにして開口を増大させることにより、少ない全部品数で、環状部品を実用上小さすぎる幅にせずに、焦点直径を制限以下に維持する。これらの部品は、位相異常を修正するために、角度方向に更に分割されてもよい。
【課題】
【解決手段】

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波画像化のための焦点を対称的に電子ステアリングする超音波トランスジューサアレーの技術および設計に関し、特に、二次元、および三次元の医療用超音波画像化に関する。
【０００２】
発明の背景
超音波アレートランスジューサは、超音波ビームの電子方向指示ステアリングや焦点合わせのための超音波画像化に使用される。一般的に使用されるアレーは、ビームの２次元走査のための部品が直線状に配列される。例えば、直線状のフェーズアレーでは、アレーで絞られたビームが扇状走査をし、一方、直線状や湾曲したスイッチアレーでは、トランスジューサでより広い画像場を形成する。
【０００３】
部品の直線状配置の問題点は、ビーム焦点が、方位角方向と呼ばれる、二次元（２Ｄ）走査面内でのみ電子的にステアリングされ得る。仰角方向と呼ばれる、走査面の法線方向でのビーム焦点は、このアレーにおいては固定された深度に設定されなければならない。
【０００４】
実際問題として多くの場合、対象物の変化が２Ｄ走査面（即ち、仰角方向）の横断に限定される所では、２Ｄ超音波画像が使用される。そのような例は、心臓の短軸と長軸の画像化、胎児の主要部および頭の画像化である。このような場合、仰角焦点の電子ステアリングの必要性は限定される。一方、血管、嚢胞、胎児の心臓、等の、仰角方向に短ディメンジョンを有する対象物の画像化では、ビームを仰角方向と方位角方向との両方に電子ステアリングフォーカスし得ると、非常に改良された画像が得られる。仰角方向と方位角方向との両方の電子ステアリングは、すべての方向に最小の解像度で最適な焦点合わせをし得て、対象物の奥行き方向が見られる三次元（３Ｄ）画像化のためには重要である。
【０００５】
仰角方向における焦点合わせの電子ステアリングは、直線状アレー部品を分割して仰角方向にサブ部品化することによって得られる。仰角焦点合わせのステアリングの解決法は、米国特許第５，９２２，９６２中に示されている。しかしながら、方位方向と仰角方向との完全に対称的なステアリングを得るには、多くの部品が必要であり、このアレーのケーブル配線や駆動電子部品が複雑になる。又、このアレーの部品は小型化されているので、部品の電気的インピーダンスが増加し、ノイズや配線損失が増加し、それによって所与の深度のためのアレーで使用可能な最大周波数が限定され、結局アレーで得られる深度も限定される。
【０００６】
電子ステアリングによる対称的焦点合わせの他の周知の方法は、同軸の環状部品のアレー、いわゆる環状アレー、を使用することである。そのようなアレーは一般に、アレーを湾曲させるか或いはレンズによって、あるいはその２つの組合せによって、機械的に深度Ｆに予備焦点合わせされる。焦点Ｆは、次に、周知の理論によって、元の信号に遅延を加えることによって、近い焦点Ｆ_ｎ＜Ｆから遠い焦点Ｆ_ｆ＞Ｆまで電子ステアリングされる。次にビームは、ビーム軸の周囲で対称的に最適に焦点合わせされる。即ち、方位角方向と仰角方向とで、上記の２Ｄアレーの場合よりも少ない、大型部品で等しく焦点合わせされる。これによって、部品の電気的インピーダンスが低くなり、ノイズやケーブル配線損失を減少させ、２Ｄアレーよりも感度が向上する。ビーム方向の機械的走査のために、環状アレーはドーム内の液体に浸漬される。従って、アレー自体は直線状アレーのようには皮膚に押されないので、直線状アレーよりも軽い、発泡プラスチック等の支持体で作製され得る。これによって、支持体損失が軽減され、環状アレーは線形の２Ｄアレーよりも感度が改良される。環状アレーの感度が改良されたことによって、より高周波数が使用可能になり、その結果、線形２Ｄアレーよりも解像度が向上する。
【０００７】
環状アレーは２Ｄアレーと比較して部品数が少ないので開口度が広がり、それによって焦点直径が縮小し、横方向の解像度が改良される。しかしながら、非常に広い開口度の環状アレーは、大領域を焦点合わせするステアリングが必要なときに、外側の部品は非常に狭くなる。これによって部品の振動モードが複雑になり、部品の効率を下げる。更に、狭い部品は製造を複雑にし、アレー中の全部品数を増やし、移動するアレーへの電気接続を煩雑にする。
【０００８】
本発明は、多様な深度で環状部品を音響的に予備焦点合わせすることによる環状アレーで発生する問題点の解決法を提示する。その際、中核部品は画像領域全体を能動的に開口するために予備焦点合わせされる。より深い領域で予備焦点合わせされる外側の部品はより深い領域での能動開口に含まれ、それによって、深くなることによる焦点径の角度的広がりは開口サイズの増大によって減少する。従って、本発明は環状アレーのすべての利点を使用し得る：１）実際の画像領域内で電子的にステアリングされる対称的な焦点合わせ、２）少数の大型部品による、低インピーダンスの支持体の環状アレーなので、高感度が得られ、解像度の優れた高周波数が使用し得る、３）部品数が少ないので前面の電子部品が簡単になる。
【０００９】
４．本発明の詳細な説明
本発明の特定の実施例を図を参照して説明する。
図１ａは代表的な従来の環状アレーの例の正面図である。ｘ軸は２Ｄ走査面方向である方位角方向を示し、ｙ軸は仰角方向を示し、ｚ軸は深度を示す。この例で、部品は、二つの同軸環１０２と１０３を有する中央ディスクからなる。図１ｂに示すように、深度Ｆに中心がある球状殻としてアレーを形成することによって、アレーはこの深度に予備焦点合わせされる。負荷材料の音響速度とは異なる音響速度を有する材料のレンズが予備焦点合わせに使用される。
【００１０】
図２ａは平面の環状アレーの仰角方向の断面図であり、部品セット２０１、２０２、２０３の断面図を示す。焦点合わせされて形成された開口の中に部品が完全に関与する要件は、球面波がステアリングフォーカス中の点源から部品を通る位相エラーがある制限以下であり、その制限は代表的には約απ／２で、αは約１である。位相エラーの増大によるビームの劣化は連続的であり、従って、αの容認できる値には鋭い制限は無い。α＝１． ５は多くの場合許容範囲である。図２ａの２０４でのステアリングフォーカスにおいて、部品＃ｋを通る位相エラーΔφｋ（ｚ）は、面波によって部品を越える波の前面を近似すると（面波近似）
【数１】

ここで、λは超音波の波長、ａｋは部品中心の半径、ｂｋは部品の幅である。従って、部品中心の半径ａｋが増大すると、位相エラーを許容限度以下に保持するためには、部品幅ｂｋは縮小されなければならない。２πａｋｂｋのリングの領域では、位相エラーは同等の領域の部品では同じである。ステアリングフォーカスＦｚが短縮されると、位相エラーは増大し、所与のｂｋを有する小領域で使用される最大ａｋは制限される。
【００１１】
位相エラーを制限以内にして部品の幅を増大させ得るために、図２ｂのＦが中心２０５での球状殻としてアレーを湾曲させるか、或いは、図３ｂに示されるようなレンズを使用するか、或いはその両方を組合せることによって、アレーは深度Ｆに予備フォーカスされ得る。実際の状況によって、これらの方法の何れかが望まれる。
【００１２】
各部品を通過する際の位相エラーは、固定フォーカスＦから発生する波ではゼロであり、図２ｂの２０６でステアリングフォーカスＦｚがＦから内側や外側に移動すると増大する。図２ｂを参照して、平面波近似でのこの場合の位相エラーは下記の数式で得られる。
【００１３】
【数２】

一定の湾曲を有するこのアレーにおいても、同一面積の部品は各部品を通過する際に同一の位相エラーを示す。所与のｂｋにおいて、ＦｚがＦより大きくなっても小さくなっても、Δφｋ（ｚ）を許容制限以内に維持するためには開口（即ち最大ａｋ）を減少させなければならない。
【００１４】
ビーム焦点の直径は下記の数式で示される、
【数３】

上記の数式で、Ｄｋ＝２ａｋ＋ｂｋ＝ｄｋ＋ｂｋは、深度Ｆｚで電子的に焦点合わせされるｋ部品の能動開口の直径である。電場の振幅が軸値から滑らかに下がるので、数式３は焦点直径の近似的な評価にすぎない。それは、軸値からの電場の振幅の約１２ｄＢの降下への均一励起を有する円形開口に相当する。ｄＦ（ｚ）≒Ｆｚは、固定能動開口の直径Ｄｋにおいては、ビームは深度に応じて固定された角度拡張を有することを示す。焦点直径が無制限に拡がることを回避するために、例えば、深度によって関与する部品の数を増加させることによって、深度によって能動開口を増大させることができる。すべての関与部品が同一の固定焦点を有していると、数式２中のΔφｋ（ｚ）の制限を満足させるために、１／ａに比例するｋの増大につれてｂｋが小さくなる必要があり、それによって、外側の部品が狭くなり部品の数が増加する。
【００１５】
本発明は、環状部品を隣接部品群に分割することによってこの問題を解決した。各群は部品の機械的、レンズ，或いはその両方の組合せによって得られる、異なる予備焦点を有する。群の予備焦点の深度は、群のアレー中心からの距離と共に増大する。本発明の実施例を図３ａに示す。この特定の実施例において、Ｄ０の全開口直径を有する部品３０１の中心群は、能動的開口中で、３０２でのステアリング近接焦点Ｆｎから３０３でのステアリング遠隔焦点Ｆｆまでのアレーの全ステアリングフォーカス領域に関与する。この部品群は３０４で通常の予備焦点Ｆ０を有し、遠隔焦点Ｆｆと近接焦点Ｆｎとで位相エラーが同一になるように選択されるのが望ましい。予備焦点は平面波近似を用いて次式で示される。
【００１６】
【数４】

この予備焦点は全焦点領域に亘って、関与部品の位相エラーを最小にする。部品の幅をｂｋ〜１／ａｋ、環状部品の領域Ａｋ＝２πａｋｂｋはａｋに独立である。従って、等しい領域の環状部品では、群中のすべての部品の位相エラーは同一である。領域が一定のときは、群中のすべての部品の電気的インピーダンスは同一になる。
【００１７】
焦点Ｆｚは、周知の方法により群中の個々の部品の信号に遅延を加えることによって、Ｆｎから外側に電気的にステアリングされる。焦点直径はＤｋ＝Ｄ０で数式３によるＦｚで増大する。それは図３ａのライン３０７によって示される。焦点直径がライン３０８で示される選択された制限ｄＦ１を超えると、部品３０５の新群が、３０６で深度Ｆｎ１で能動開口に加えられる。部品の新しい群は、能動開口中でＦｎ１からＦｆまで関与し、この領域で３０９で予備焦点Ｆ１を与えられ， 好ましくは、各部品を通過する際の位相エラーは、Ｆｎ１からＦｆまでの領域でＦｚに最小化される。平面波近似で固定焦点は次式で与えられる。
【００１８】
【数５】

能動開口の直径のＤ１への増大によって、数式３に示すライン３０７に示されるように、焦点直径はｄＦ１の限界以下に縮小される。
【００１９】
焦点Ｆｚは、更に、開口中に関与するすべての部品の信号に遅延を加えることによってＦｎ１から外側に電気的にステアリングされ、焦点直径は、新しい能動開口の直径Ｄｋ＝Ｄ１で数式３によるＦｚで増加する。３１０で深度Ｅｎ２で、焦点直径は再び選択された制限ｄＦ１を超す。この工程は繰り返され、新しい部品群３１１が能動開口に加えられ、Ｆｚ＞Ｆｎ２でＤ２になる。新しい群３１１は３１２で深度Ｆ２に予備焦点合わせされ、能動開口中でＦｎ１からＦｆまで関与し、この領域で３０９で予備焦点Ｆ１を与えられ， 好ましくは、部品群３１１が能動開口直径中に関与するＦｎ２からＦｆまでのステアリングフォーカスの全領域で各部品を通過する際の位相エラーを最小化する。
【００２０】
従って、すべての工程が集約されて、所与の能動開口Ｄｍ−１においては、焦点直径は、Ｄｋ＝Ｄｍ−１で数式３に従って焦点深度と共に増大し、焦点直径選択された制限ｄＦ１を超す深度Ｆｎｍで、開口は、ＦｎｍからＦｆまでの能動開口中で関与する新しい成分群で増大し、この領域で予備焦点合わせされる。好ましくは、新しい群が能動開口中に関与する、ＦｎｍからＦｆまでの全領域でステアリングフォーカスされるために、新しい部品を通過する際の位相エラーは最小化される。予備焦点は、位相エラーの平面波近似で、次式に示される。
【００２１】
【数６】

部品が短面積で能動開口に関与する固定予備焦点環状アレーと比較して、部品群の多重予備焦点の利点は、予備焦点を増加させることにより大面積の部品を使用し得ることである。これによって、部品数を減少させ、部品幅ｂｋが非実用的に狭くなることを防ぐ。従って全結果は、焦点深度が増大してもステアリングフォーカスの小さい直径が維持されるように、深い領域で広い能動開口を維持するための実用的な方法である。
【００２２】
この説明において、焦点直径の固定制限ｄＦ１を使用してきたが、その場合は能動開口は新しい部品で拡張される。本発明の一般的な精神では、全部品数を減らすために弱く拡がる最大フォーカスのように、他の設計要求を満足させるためにはｄＦ１＝ｄＦｍでは、この制限は変化してもよい。
【００２３】
上記の手順は、焦点直径が選択された制限ｄＦｍ以上に増大したときに、１つ以上の新しい環状部品で開口を拡張するためにも利用される。新しい部品の予備焦点は数式６で選択され、部品の幅は、外側の制限、即ち、ＦｎｍとＦｆでのステアリングフォーカスのために、部品を通過する際の位相エラーが制限（例えばαπ／２でαは≒１）以下に維持されるべく選択されることが望ましい。ここで、群中の部品の領域が等しいときは各部品の位相エラーは同じであり、部品の電気的インピーダンスも等しいことを想起する。各新しい群には、第一群中の部品の領域の全面積と同一の部品面積を使用すると便利である。これにより、多くの等しい送信機と受信機との増幅器を各部品に並列に接続させることによって、送信機と受信機との増幅器を、部品領域の部分によって中央部品の領域に与えられた各群中の異なる部品インピーダンスに整合させることが容易になる。
【００２４】
図３ａや図３ｂの多重焦点レンズシステムのように、部品の予備焦点は個々のアレー部品によって得られる。この図３ｂは平面の環状アレーを示す。その場合、部品３２０，３２１はＦｎからＦｆまでの能動開口に関与し、レンズ３２２で３２３の深度Ｆ０に予備焦点合わせされる。一方、部品３２４はＦｎ１からＦｆまでの能動開口に関与し、レンズ３２５で３２６の深度Ｆ１に予備焦点合わせされる。部品３２７はＦｎ２からＦｆまでの能動開口に関与し、レンズ３２８で３２９の深度Ｆ２に予備焦点合わせされる。
【００２５】
レンズ中の吸収やパルス反射により、レンズを可能な限り薄くすることは有利である。これは図３ｃのレンズシステム３３０、３３１、３３２によって得られ、図３ｂのレンズシステム３２２、３２５、３２８と同様に部品を通過する際の位相エラーを減少させる。レンズや部品の重要な機能は、部品が能動開口中に関与するステアリングフォーカスの領域で各部品を通過する際の位相エラーを最小化することである。次に、レンズ厚みの減少を補償するために部品信号の個々時間遅延を調整する、或いは図３ｄに示すように部品の位置を補正し得る。図３ａの部品の位置決めは、部品の幾つかの位置決め補正によってＦｎからＦｆまでの全領域において焦点合わせするための部品信号の最大遅延が小さくなるが、アレーの製造は最も簡単である。
【００２６】
実際の画像化において、波伝播速度等の細胞組織の音響特性の空間変化は、上記の設計で理論的に可能な範囲以下にアレーの焦点合わせ能力を減退させる。
この現象はしばしば、位相の前面異常と称され、アレー全体をより小型の部品に分割し、信号が更に遅延して標準のビーム形成法によって処理される前に、各部品からの信号をフィルタすることによって修正され得る。部品信号の近似的フィルタリングは、信号の遅延と振幅の補正によって得られる。
【００２７】
このような位相異常の修正を許容するアレーの一例は図４に示したｒ‐θアレーである。部品を大型化して部品の全数を減少させ得るためには、中心から同一距離にあるすべての部品は同一の予備焦点合わせをする、部品の多重予備焦点合わせを使用することは有用である。
【００２８】
本発明の基本的な新規の特徴を好ましい実施例に応用して説明したが、示した装置の形式や動作の詳細には、本発明の精神から逸脱しない範囲での多様な省略、代替、改変が可能である。
【００２９】
同様の結果を達成するために、ほとんど同様な方法でほとんど同様の機能をする、これらの部品や方法のすべての組合せは本発明の範囲内である。更に、本発明のすべての開示された形式や実施例と関連して説明した構造、部品および方法は、設計の一般的な選択事項として、他の公開、記載あるいは示唆された形式と組合せ得る。従って制限は、付記した請求項の範囲によってのみ示される。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】環状アレーの例を説明するために放射面と座標系とを示したアレーの正面図
【図１ｂ】環状アレーの例の曲面の焦点を示す側面図。
【図２ａ】平面アレーのステアリングフォーカスの点源から部品を通過する際の位相エラーの計算図。
【図２ｂ】フォーカスアレーのステアリングフォーカスの点源から部品を通過する際の位相エラーの計算図。
【図３ａ】最大幅の部品を使用して、ステアリング焦点深度の角度広がりを制限する、拡張された開口を得るために部品の予備焦点を選択するための方法で、部品によって得られる予備焦点合わせの基礎理論の説明図。
【図３ｂ】最大幅の部品を使用して、ステアリング焦点深度の角度広がりを制限する、拡張された開口を得るために部品の予備焦点を選択するための方法で、レンズによって得られる予備焦点合わせの基礎理論の説明図。
【図３ｃ】最大幅の部品を使用して、ステアリング焦点深度の角度広がりを制限する、拡張された開口を得るために部品の予備焦点を選択するための方法で、薄いレンズよって得られる予備焦点合わせの基礎理論の説明図。
【図３ｄ】最大幅の部品を使用して、ステアリング焦点深度の角度広がりを制限する、拡張された開口を得るために部品の予備焦点を選択するための方法で、位置補正を有する部品によって得られる予備焦点合わせの基礎理論の説明図。
【図４】多重予備焦点の同一理論の部品の角度分割を有する拡張開口環状アレーへの応用図。

Claims (8)

1. 周知の理論によって元の信号に遅延を付加することによって、対称焦点Ｆ_ｚを近焦点Ｆ _ｎから遠焦点Ｆ_ｆまで電子ステアリングするための超音波環状アレートランスジューサであって、
   該環状アレーの部品は１つ以上の近接部品群に分割され、各群はそれぞれ異なる固定の機械的予備焦点を有し、各群内の部品は実質的に等しい領域を有し、
   中央の部品群は、Ｆ_ｎとＦ_ｆとの間の選択された予備焦点Ｆ_０を有する、Ｆ_ｎからＦ_ｆまでの全焦点領域のための能動開口に関与し、
   該中央の部品群の焦点直径が選択された制限を超えて拡がる地点である深度Ｆ _ｎ１を超えると、次の外側の部品群がＦ_ｎ１からＦ_ｆまでの能動開口に含まれ、該新部品群の固定予備焦点Ｆ_１がＦ_ｎ１とＦ_ｆの間で選択され、
   焦点直径が選択された制限を超えて拡がる地点である深度Ｆ _ｎｍを超えると、次の外側の部品群がＦ_ｎｍからＦ_ｆまでの能動開口に含まれ、該新部品群の固定予備焦点Ｆ_ｍがＦ_ｎｍとＦ_ｆの間で選択され、
   それによって、環状アレーの焦点が電子的にステアリングされるＦ_ｎからＦ_ｆまでの全領域内で、焦点直径が選択された制限以下に維持される、超音波環状アレートランスジューサ。
2. 各部品群が、群内の各部品を通過する際の最大位相エラーが、該群が前記能動開口に関与する領域内で最小になるべく選択される請求項１に記載の超音波トランスジューサアレー。
3. 部品の予備焦点が該部品の湾曲によって得られる請求項１に記載の超音波トランスジューサアレー。
4. 部品の予備焦点が音響レンズアセンブリによって得られる請求項１に記載の超音波トランスジューサアレー。
5. 部品の予備焦点が該部品の湾曲と音響レンズアセンブリとの組合せによって得られる請求項１に記載の超音波トランスジューサアレー。
6. 各群の部品の領域が、部品全数と中央群中の部品の領域との積として選択され、異なる群の部品間の多様なインピーダンスを整合させるために、多数の送信機増幅器と受信機増幅器が、中央部品の領域に対する部品領域の比が等しい各部品に並列に接続される請求項１に記載の超音波トランスジューサアレー。
7. 位相異常を修正するために各部品からの信号を個別に処理すべく、環状部品が角度方向にも分割される請求項１に記載の超音波トランスジューサアレー。
8. 部品の半径幅と角度幅が、殆ど等しく、かつ、可能な限り大きく、しかし細胞組織から受信した波前面の異常の相関長よりも小さく選択される請求項１に記載の超音波トランスジューサアレー。