JP2005279274A - 超音波システム - Google Patents

Abstract

【課題】超音波探触子の感度を増加させる一方、探触子の直径を所望のレベルに維持しかつ探触子温度も所望のレベルに維持する。
【解決手段】超音波システムは、超音波信号を検知しかつ送信するように構成された超音波探触子を含んでいる。この超音波システムはさらに、光源と光学経路内の光学検出器とを結合させるように構成された光学コンジットを含んでいる。この光学コンジットは、光学コンジット上の光学信号を少なくとも１つの電気信号によって変調するように構成され、光学コンジット上に対応する光学変調されたアナログ信号を作成するように構成された電気光学変調器を含んでいる。一例として、この電気光学変調器は電気光学ポリマー変調器を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、全般的には超音波システムに関し、より具体的には光ファイバを用いた超音波探触子の設計のための方法及びシステムに関する。

従来の超音波スキャナは、検査しようとする部位に超音波信号を送信するため、並びに散乱された音波を受信するために超音波探触子を備えている。この超音波探触子は通常、後方散乱された音波を検知するように構成された幾つかのトランスジューサ素子を備えている。

トランスジューサ素子は、この後方散乱された音波を対応する電気信号に変換する。この電気信号は処理ユニットに伝送され、この処理ユニットにおいて、走査を受けた部位の対応する画像を作成するために電気信号が処理される。

典型的には、この電気信号はケーブルによって処理ユニットに転送される。超音波探触子の設計の間では、探触子ケーブルの直径を操作者が操縦しやすいサイズに維持することが望ましい。

多くの場合、超音波システムによって作成される画像に関して高分解能が得られることが望ましい。分解能を高めるための一方法は、超音波探触子内のトランスジューサ素子の個数を増加させることである。トランスジューサ素子の個数を増加させることに関する問題点の１つは、ケーブル直径の増大である。ケーブル直径が増大すると、超音波探触子の操縦性が制限されることになる。

従来の超音波システムに関する別の問題点は、そのケーブル長が短いことである。信号の完全性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）を維持するためには、そのケーブルの長さが制限される。したがって、その超音波スキャナの移動性が大幅に制約を受ける。

さらに、トランスジューサ素子は動作時にかなりの量の熱を発生させる。発生した熱は、超音波探触子を使用している操作者に対して不都合を生じさせることがある。

したがって、超音波探触子の感度を増加させる一方、探触子の直径を所望のレベルに維持しかつ探触子温度も所望のレベルに維持することが望ましい。さらに、移動性の改善を提供するために探触子ケーブルの長さを増大させることも望ましい。

要約すると、本発明の一実施形態では超音波システムを提供する。本超音波システムは、アナログ電気信号を検知しかつ送信するように構成された超音波探触子を備えている。本超音波システムはさらに、光源と光学経路内の光学検出器とを結合するように構成された光学コンジットを備えており、該光学コンジットは、該光学コンジット上の光学信号を該電気信号のうちの少なくとも１つによって変調するように構成され、該光学コンジット上に対応する光学変調されたアナログ信号を作成するように構成された電気光学変調器を備えている。

本発明の別の態様では、画像を作成するための方法を提供する。本方法は、複数の超音波信号を検知しかつ対応する電気信号を作成する工程と、光学信号を該電気信号によって変調し対応する複数の光学変調されたアナログ信号を作成する工程と、を含む。本方法はさらに、該複数の光学変調されたアナログ信号を対応する複数のディジタル信号に変換する工程と、該複数のディジタル信号を処理して画像を作成する工程と、を含む。

代替的な一実施形態では、その超音波システムは、アナログ電気信号を検知しかつ送信するように構成された超音波探触子と、光源と光学経路内の光学検出器とを該超音波探触子を介して結合するように構成された光学コンジットと、を備えている。この超音波システムはさらに、該光学コンジット上の光学信号を該アナログ電気信号のうちの少なくとも１つによって変調して、該光学コンジット上に対応する光学変調されたアナログ信号を作成するように構成された電気光学ポリマー変調器を備えている。

本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。

本発明の一実施形態では、図１に示すように画像を作成するための超音波システム１０を提供する。この超音波システムは、超音波信号を検知し、この検知した超音波信号を表す電気信号を作成するように構成された超音波探触子１８を備えている。この超音波探触子は、トランスジューサ・アレイ１２と、送信器２２と、受信器２４と、を備えている。この電気信号は光学コンジット５４を介して光学検出器３０に伝送される。この光学コンジット５４（図２参照）は、光源と光学経路内にある光学検出器３０とを結合するように構成されている。この光学コンジットは、光学コンジット上の光学信号を超音波信号のうちの少なくとも１つによって変調し、該光学コンジット上に対応する光学変調されたアナログ信号を作成するように構成された電気光学変調器を備えている。光学コンジットについては、図２を参照しながら詳細に記載することにする。超音波探触子については図４を参照しながら詳細に記載することにする。

本発明のより具体的な一態様では、超音波探触子によって送信される超音波信号はアナログ電気信号を含む。アナログ電気信号と組み合わせたりアナログ電気信号と独立して使用される態様とすることがある本発明のより具体的な別の態様では、その電気光学変調器は電気光学ポリマー変調器を含む。この態様は、電気光学ポリマー・デバイスが小型かつ柔軟であるために有利であると共に、探触子のヘッドに適合するように高密度で集積させることができる。さらに、電気光学ポリマー・デバイスは消費するパワーがより小さい。

図１は、本発明の一態様に従って実現させた超音波システム１０のより具体的な実施形態を表したブロック図である。この超音波システムは、超音波探触子１２、送信器２２及び受信器２４を備えている。この超音波システムはさらに、制御プロセッサ２８、光学検出器３０、撮像モード・プロセッサ３２、走査変換装置３４及び表示プロセッサ３６を備えた処理サブシステム１４を備えている。この表示プロセッサはさらに、画像を表示するためのモニタに結合されている。ユーザ・インタフェース４０は制御プロセッサ及び表示モニタと対話している。この制御プロセッサはさらに、ウェッブ・サーバ４４及びリモート接続インタフェース４６を備えたリモート接続サブシステム４２と結合されることがある。処理サブシステムはさらに、超音波画像データを受け取るためにデータ・リポジトリ４８と結合されることがある。このデータ・リポジトリは画像ワークステーション５０と対話している。

これらのアーキテクチャ及びモジュールは、ディジタル信号プロセッサを有する回路基板などの専用のハードウェア構成要素とすることや、あるいは既製の市販ＰＣなど汎用のコンピュータやプロセッサ上で動作するソフトウェアとすることがある。こうした様々なアーキテクチャ及びモジュールは、本発明の様々な実施形態に従って組み合わせ式とすることや単独式とすることができる。

図１に図示したように、この超音波探触子１２は被検体１６に接触している。この超音波探触子は、送信器２２の出力及び受信器２４の入力と結合させている。処理サブシステム１４では、光学検出器３０の出力を撮像モード・プロセッサ３２の入力に結合させている。制御プロセッサは、撮像モード・プロセッサ３２、走査変換装置３４及び表示プロセッサ３６にインタフェース接続している。撮像モード・プロセッサ３２の出力は、走査変換装置３４の入力と結合させている。走査変換装置３４の出力は表示プロセッサ３６の入力と結合させている。表示プロセッサ３６の出力はモニタ３８と結合させている。

超音波システム１０は、被検体１６内に超音波エネルギーを送信すると共に、被検体から後方散乱された超音波信号を受信し処理してディスプレイ画像を作成し表示させている。送信する超音波エネルギーのビームを作成するために、制御プロセッサ２８は、送信パラメータを作成するためのコマンド・データを送信器２２に送り、超音波探触子１２の表面のある点から所望のステアリング角で放出される所望の形状をしたビームを生成させている。

送信器２２は、この送信パラメータを使用し、超音波探触子１２に送るために各送信信号を適正にエンコードしている。これらの送信信号は、互いを基準にしてあるレベル及び位相に設定されており、またこれらは超音波探触子１２の個々のトランスジューサ素子に提供される。これらの送信信号は、同じ位相及びレベルの関係で超音波が送出されるように各トランスジューサ素子を励起している。この結果、例えば超音波ジェルを用いて走査線に沿った走査面内に位置する被検体と超音波探触子１２を音響結合させたときに該被検体内に送信超音波エネルギー・ビームが形成される。この過程は、電子走査（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｃａｎｎｉｎｇ）として知られている。

超音波探触子１２は双方向（ｔｗｏ−ｗａｙ）トランスジューサである。超音波が被検体内に送信されると、この超音波は構造体内の組織や血液試料で後方散乱を受ける。超音波を戻している組織までの距離、並びに超音波探触子１２の表面に対して超音波が戻される角度に応じて、超音波探触子１２は異なる時点で後方散乱された音波を受信している。一実施形態では、そのトランスジューサ素子は、後方散乱された音波を検知し、この超音波信号を対応するアナログ電気信号に変換するように構成されている。

受信した電気信号は、受信器２４を通じて処理サブシステム１４に導かれる。光学検出器３０は、受信器２４から受け取った光学変調されたアナログ信号を電気信号に変換している。この電気信号は、撮像モード・プロセッサ３２に転送される。撮像モード・プロセッサ３２は、パラメータ評価技法を使用し、走査シーケンスの形式した復調データから撮像パラメータ値を作成している。この撮像パラメータは、例えばＢモード、カラー・ベロシティ・モード、スペクトル・ドプラ・モード、及び組織ベロシティ撮像モードなど、可能な様々な撮像モードに対応するパラメータを含むことがある。これらの撮像パラメータ値は走査変換装置３４に送られる。走査変換装置３４は、走査シーケンス形式から表示形式への変換を実行することによってこのパラメータ・データを処理している。この変換には、パラメータ・データに対して補間演算を実行し表示形式の表示画素データを生成することが含まれる。

走査変換済みの画素データは表示プロセッサ３６に送られ、この走査変換済み画素データに対して最終的な空間的または時間的なフィルタ処理が実行され、この走査変換済み画素データにグレイスケールまたは色相が適用され、かつモニタ３８上に表示するためにディジタル画素データがアナログ・データに変換される。ユーザ・インタフェース４０は、このモニタ３８上のデータ表示に基づいて制御プロセッサ２８と対話している。

上述のように、この受け取った電気信号は受信器２４を介して処理サブシステム１４に導かれる。図２は、本発明の一態様に従って実現させた受信器２４の一実施形態のブロック図である。受信器２４は、増幅器５２、光源５６及び光学検出器３０を備えている。この光源は、光学コンジット５４を介して光学検出器と結合させている。受信器の各構成要素については以下でさらに詳細に記載することにする。

増幅器５２は、超音波探触子１２から受け取ったアナログ電気信号を増幅するように構成されている。一実施形態では、その受け取る電気信号はマイクロボルト単位からミリボルト単位までの範囲にあって、数ボルトまで増幅されている。一実施形態では、その増幅器は、トランジスタなどのアナログ・デバイスを用いて実現されている。光学コンジット５４は、増幅器５２からの増幅済みのアナログ電気信号をライン５３上で受け取っている。この光学コンジットはさらに、光源５６が発生させた連続波の光をライン５５上で受け取っている。この光学コンジットは、アナログ電気信号を光学変調されたアナログ信号に変換し、これをライン５７によって光学検出器３０に送るように構成されている。光学変調されたアナログ信号を送出すると、探触子内にアナログ対ディジタル変換器が不用になるので有利である。典型的な探触子システム内にはアナログ対ディジタル変換器があるため、その電力要件がより高くなる。さらに、アナログ対ディジタル変換器の追加によって探触子の大きさも増大する。

光学検出器３０は、光学変調されたアナログ信号を対応する電気信号に変換するように構成されている。次いで、この電気信号は、後続の信号処理のために処理サブシステムに送られる。一実施形態では、その光学コンジットは光ファイバ・ケーブルを備えている。別の実施形態では、その光ファイバ・ケーブルは、光学導波路と複数の光ファイバとを備えている。上述のように、この光学コンジットは、電気信号を光学信号に変換するように構成されている。この変換は、図３に示すような電気光学変調器を用いて達成される。

図３は、本発明の一態様に従って実現させた電気光学変調器を用いた光学導波路を表したブロック図である。光学導波路６０は超音波探触子１２からは電気信号を、さらに光源５６からは連続波光を入力として受け取る。電気光学変調器６２は、超音波探触子から受け取った電気信号によってこの連続波光を変調し、参照番号５７で示す光学変調されたアナログ信号を発生させるように構成されている。次いで、この光学変調されたアナログ信号は、後続の処理のために光学検出器及び処理サブシステムに送られる。電気光学変調器は、ポリマー材料を用いて実現されている。ポリマー材料は、その密集性（ｃｏｍｐａｃｔｎｅｓｓ）及び入力電力要件が低下することのために電気光学変調器に最もよく適している。さらに、ポリマー変調器は、無損失デバイスであり、したがって超音波システム内に大量の熱が発生することはない。図４に図示した本発明の別の実施形態では、受信器２４内でマルチプレクサ６６が使用されている。図１に関連して記載したように、超音波探触子１２は、その各々が後方散乱された音波を表す電気信号を発生させるように構成された複数のトランスジューサ素子７１〜８２を備えている。この電気信号は一括して、参照番号５３によって表している。

マルチプレクサ６６は、電気光学変調器６２とトランスジューサの対応する１組とを結合させ、かつトランスジューサの該１組からの電気信号を電気光学変調器に伝達するように構成されている。例えば一実施形態では、マルチプレクサ６６は、トランスジューサ７１〜７６を電気光学変調器６２に結合させている。別の実施形態では、マルチプレクサ６６は複数のマルチプレクサを備えており、かつ光学コンジット５４は複数の電気光学変調器を備えている。こうした仕組みでは、そのマルチプレクサは、トランスジューサからなる組と、電気光学変調器からなる対応する組とを結合させるように構成されている。さらに、多数の電気信号を単一の光ファイバ上で送信できるような波長を用いることにより、光学信号を多重化することができ、これによって、典型的には、ケーブル要件の増大を必要とせずにより良好な画像分解能を得ることができる。

デマルチプレクサ６８は、電気光学変調器から受け取った光学変調されたアナログ信号を多重分離するように構成されている。多重分離済みの光学変調アナログ信号は光学検出器３０に送られる。光学検出器３０は複数の感光性デバイスを備えている。デマルチプレクサが発生させた多重分離済みの各光学変調アナログ信号は、光学検出器内のそれぞれの感光性デバイスに結合させている。一方これらの感光性デバイスは、光学変調されたアナログ信号を電気信号に変換するように構成されている。別の実施形態では、デマルチプレクサ６８は複数のデマルチプレクサを備えており、かつ光学コンジット５４は複数の電気光学変調器を備えている。

図５に示した別の実施形態では、超音波システムの超音波探触子１２はさらに探触子温度を維持するように構成された冷却ライン７０を備えている。代替的な一実施形態では、その超音波探触子は探触子温度を維持するように構成された複数の冷却ラインを備えている。

図５に示した超音波探触子はトランスジューサ素子７１〜８２を備えている。この超音波探触子は追加として、図４に示すような電子及び光学的な構成要素２４を備えている。冷却ライン７０は、トランスジューサ素子及び電子的構成要素が発生させた熱を吸収するように構成されている。一実施形態では、その冷却ラインは冷却剤を備えている。使用される冷却剤の例には、水、水／アルコール混合物、過フルオロ性液体、並びにこれらを組み合わせたものが含まれる。冷却用流体は、熱交換器を介して探触子からの熱を吸収する。加熱された流体は、第２の熱交換器によってこの流体からの熱をその内部において除去している系に戻される。これに続いて冷却された流体は探触子に戻るようにポンピングされ、探触子内においてこの処理サイクルが反復される。

上述の発明について、その工程を流れ図の形で表している。図６は、本発明の様々な工程を表した流れ図である。各工程について以下でさらに詳細に記載することにする。

工程８４では、複数の信号が検知されると共に、対応する電気信号が生成される。一実施形態では、その複数の信号は超音波信号を含む。この超音波信号は超音波探触子を用いて検知される。一実施形態では、その超音波探触子は圧電トランスジューサを含む。

工程８６では、この電気信号が複数の光学信号によって変調され、対応する複数の光学変調されたアナログ信号が作成される。一実施形態では、その電気信号は電気光学変調器を用いて変調されている。より具体的な実施形態では、その電気光学変調器はポリマー電気光学変調器を含む。具体的な別の実施形態では、その電気光学変調器はマッハ・ツェンダー（Ｍａｃｈ Ｚｅｈｎｄｅｒ）電気光学変調器を含む。

工程８８では、光学変調されたこの複数のアナログ信号が対応する複数のディジタル信号に変換される。工程９０では、この複数のディジタル信号が処理されて画像が作成される。

本発明に関する上で記載した実施形態は、光ファイバを用いることによって光超音波探触子を提供しより容易な操縦性を提供できることを含め、多くの利点を有している。さらに、冷却ラインを設計に組み込むことによって超音波探触子の温度も維持される。

本発明のある種の特徴についてのみ図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正や変更がなされるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲に属するこうした修正及び変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。また、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明の一態様に従って実現させた例示的な超音波システムの１つを表しているブロック図である。 本発明の一態様に従って実現させた収集サブシステムの一実施形態のブロック図である。 本発明の一態様に従って実現させた変調器の一実施形態のブロック図である。 本発明の一態様に従って実現させた受信器の一実施形態のブロック図である。 本発明の一態様に従って実現させた超音波探触子のブロック図である。 本発明を実現させる一方法を表した流れ図である。

符号の説明

１０ 超音波システム
１２ 超音波探触子
１４ 処理サブシステム
１６ 被検体
１８ 超音波探触子
２２ 送信器
２４ 受信器
２８ 制御プロセッサ
３０ 光学検出器
３２ 撮像モード・プロセッサ
３４ 走査変換装置
３６ 表示プロセッサ
３８ モニタ
４０ ユーザ・インタフェース
４２ リモート接続サブシステム
４４ ウェッブ・サーバ
４６ リモート接続インタフェース
４８ データ・リポジトリ
５０ 画像ワークステーション
５２ 増幅器
５３ ライン
５４ 光学コンジット
５５ ライン
５６ 光源
５７ ライン
６０ 光学導波路
６２ 電気光学変調器
６６ マルチプレクサ
６８ デマルチプレクサ
７０ 冷却ライン
７１〜８２ トランスジューサ素子

Claims (16)

1. アナログ電気信号を検知しかつ送信するように構成された超音波探触子と、
   光源と光学経路内の光学検出器とを結合するように構成された光学コンジットであって、該光学コンジット上の光学信号を前記アナログ電気信号のうちの少なくとも１つによって変調するように構成され、該光学コンジット上に対応する光学変調されたアナログ信号を作成するように構成された電気光学変調器を備えている光学コンジットと、
   を備える超音波システム。
2. 前記電気光学変調器はポリマー材料を含む請求項１に記載の超音波システム。
3. 前記電気光学変調器はシリコンを含む請求項２に記載の超音波システム。
4. 前記超音波探触子はさらに前記アナログ電気信号を増幅するように構成された増幅器を備えている請求項２に記載の超音波システム。
5. 前記光学コンジットはさらに、
   前記電気光学変調器のうちの対応する１つとトランスジューサ素子の対応する１組とを結合させ、かつトランスジューサ素子の選択した１組の電気信号を電気光学変調器のうちの前記対応する１つに伝達するようにその各々が構成されている複数のマルチプレクサ、
   を備えている請求項２に記載の超音波システム。
6. さらに、前記電気光学変調器から受け取った光学変調されたアナログ信号を多重分離するように構成された複数のデマルチプレクサを備える請求項１に記載の超音波システム。
7. 前記超音波探触子はさらに、探触子温度を維持するように構成された複数の冷却ラインを備えている請求項１に記載の超音波システム。
8. 前記光源はレーザ源を含む請求項１に記載の超音波システム。
9. 前記光学検出器は前記光学変調されたアナログ信号を対応するディジタル信号に変換するように構成されている請求項８に記載の超音波システム。
10. 複数の信号を検知しかつ対応する電気信号を作成する工程と、
    光学信号を前記電気信号によって変調し、対応する複数の光学変調されたアナログ信号を作成する工程と、
    前記複数の光学変調されたアナログ信号を対応する複数のディジタル信号に変換する工程と、
    前記複数のディジタル信号を処理して画像を作成する工程と、
    を含む画像作成方法。
11. 前記複数の信号は超音波信号を含む請求項１０に記載の方法。
12. 前記検知の工程はさらに前記電気信号を増幅する工程を含んでいる請求項１１に記載の方法。
13. 電気信号を検知しかつ送信するように構成された超音波探触子と、
    光源と光学経路内の光学検出器とを結合するように構成された光学コンジットであって、該光学コンジット上の光学信号を前記電気信号のうちの少なくとも１つによって変調するように構成され、該光学コンジット上に対応する光学変調されたアナログ信号を作成するように構成された電気光学ポリマー変調器を備えている光学コンジットと、
    を備える超音波システム。
14. 前記超音波探触子はさらに前記電気信号を増幅するように構成された増幅器を備えている請求項１３に記載の超音波システム。
15. 前記光学コンジットはさらに、
    その各々が前記電気光学変調器のうちの対応する１つとトランスジューサ素子の対応する１組とを結合させ、かつトランスジューサ素子の選択した１組の電気信号を電気光学変調器のうちの前記対応する１つに伝達するように構成されている複数のマルチプレクサ
    を備えている請求項１４に記載の超音波システム。
16. さらに、電気光学変調器から受け取った前記光学変調されたアナログ信号を多重分離するように構成された複数のデマルチプレクサを備える請求項１３に記載の超音波システム。

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