JP2008272471A - マルチレベル送信機を備える再構成可能なアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】マルチレベル送信機セル（３２、５８）を有する画像化プローブ（１２）を提供する。
【解決手段】画像化プローブ（１２）は、画像化用の音響エネルギーの送出および受取りを行うための複数の音響サブ要素（３０）を含む。マルチレベル送信機セル（３２、５８）の各々は、スイッチングマトリクス（４２）と音響サブ要素（３０）のうちの１つとの間のそれぞれの送信機セル経路に沿って配置される。プローブ（１２）内のマルチレベル送信機セル（３２、５８）は多数の電圧レベルを有する信号を生成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に超音波システムに関し、より具体的には、マルチレベル送信機からなる再構成可能なアレイに関する。そのようなアレイの特定の用途は医用診断超音波画像化システムである。別の具体的な例は、鋳造品、鍛造品、またはパイプラインなどの材料の非破壊評価用である。

本出願は、２００７年４月１９日に出願され、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１１／７３７，４１４号明細書に関する。

超音波画像化システムは個々の超音波ライン（またはビーム）を取得することによって画像を形成する。ラインは互いに隣接し、画像化されるべき目標区域をカバーする。各ラインは、特定の空間方向に超音波パルスを送信し、その方向からの反射エコーを受信することによって形成される。送信波の空間特性および受信感度の特性は超音波画像の品質を決定する。超音波ラインは所期の方向からのみ目標情報を集め、他の方向における目標を無視することが望ましい。

従来の超音波画像化システムは、超音波ビームを送信し、次に調査している対象物からの反射ビームを受信するのに使用される超音波トランスデューサ要素のアレイを含む。そのような走査は、合焦された超音波が送信され、システムが短い時間間隔の後で受信モードに切り替わり、反射超音波が受信され、ビーム形成され、表示用に処理される一連の計測を含む。一般に、送信および受信は各測定の間同一方向に合焦されて、音響ビームまたは走査ラインに沿って一連のポイントからのデータが取得される。反射超音波が受信されるとき、受信機は走査ラインに沿った一連の範囲で動的に合焦することができる。

超音波画像化では、アレイは一般に多数のトランスデューサ要素を有し、それらは１つまたは複数の列に配置され、別個の電圧で駆動される。印加電圧の時間遅延（または位相）および振幅を選択することによって、所与の列の個々のトランスデューサ要素を制御して超音波を生成し、それを結合してネット超音波を形成し、それは好ましいベクトル方向に沿って移動し、ビームに沿って選択された区域に合焦される。

トランスデューサプローブを使用して受信モードで反射音を受信する場合、同じ原理が当てはまる。受信しているトランスデューサで生成された電圧は、ネット信号が対象物の単一の焦点区域から反射された超音波を示すように合算される。送信モードの場合と同様に、超音波のエネルギーの合焦された受信は、受信している各トランスデューサ要素からの信号に別個の時間遅延（および／または位相シフト）および利得を与えることによって達成される。この時間遅延は、受信時の動的合焦が可能になるように戻り信号の深度を増加させることによって調節される。

形成された画像の品質または解像度は、部分的に、トランスデューサアレイの送信開口および受信開口をそれぞれ構成するトランスデューサ要素の数に関係する。したがって、高い画像品質を達成するために、多くのトランスデューサ要素が２次元および３次元の画像化用途の両方にとって望ましい。超音波トランスデューサ要素は、一般に、トランスデューサ信号を処理し、超音波画像を生成するエレクトロニクスユニットに可撓性ケーブルによって接続される手持ち式トランスデューサプローブ内に配置される。トランスデューサプローブは超音波送信回路および超音波受信回路の両方を持つことができる。

従来の医用超音波画像化は、１次元リニアまたはフェイズドアレートランスデューサを使用して２次元断面画像を生成する。これらのトランスデューサは直線状に配置された約１００から２００個の要素で構築される。トランスデューサ要素は、システムの高電圧送信機またはパルサーに接続される。送信機またはパルサーはトランスデューサ要素に波形を送り、そのトランスデューサは電気波形を音響波に変換する。適切に波形を制御することによって、合焦された音波ビームが生成される。電気波形の信号レベルは、音響エネルギーの所望のレベルを生成するために数百ボルトになることがある。数百のトランスデューサ要素をシステムに接続するのは、現在の技術で技術的に実現可能である。現在の超音波システムは、基板レベルで個別のエレクトロニクスの統合化を図ることによってチャネル数の増加の問題に対処している。これらのシステムは、一般に、約１２８〜２５６チャネルしか駆動することができず、大量の電力を消費する。この電力のほとんどはケーブルを駆動するために消費される。

２次元トランスデューサアレイは電子的に操作された３次元画像化で必要とされる。これらのタイプのトランスデューサアレイは一般に数千の要素を使用する。適切なビーム形成のために、これらの要素の各々のものはビーム形成用チャネルに接続されなければならない。数千の要素のために十分な数の導体を含む同軸または他のワイヤのケーブルバンドルは太くかつ重すぎて人間工学的に実行できないので、システムにおいて数千の要素をそれぞれのパルサーに接続するのは技術的に実現できない。さらに、システムパルサーをトランスデューサ要素に接続するケーブルは、２次元アレイ要素のインピーダンスと比べて非常に大きいキャパシタンス負荷を生じさせるであろう。したがって、パルサー電流の大部分はケーブルキャパシタンスに取り込まれ、一方、電流のごく一部分だけがトランスデューサ要素に取り込まれることになる。その結果、パルサーによって供給されたエネルギーのごく一部分だけが音響波に変換されることになる。したがって、小さい要素からなる大きいアレイでは、リニアアレイで必要とされるよりもさらに多くの電力がパルサー回路によって供給されなければならないことになる。この追加の電力要求はフルサイズの臨床超音波スキャナーでは許容される場合がある。しかし、それは、パルサーに十分な冷却を与えることができない携帯用システムでは許容されないであろう。さらに、携帯用システムは、バッテリ寿命が急激に低下することになるであろう。

２００３年１０月３０日に出願された米国特許出願第１０／６９７，５１８号明細書は、プローブハンドル内にパルサーまたは送信機を直接統合する概念を開示している。これは、ケーブルによる電力消費の問題を解決しているが、実際のパルサー制御構成によって消費される電力の量に関するより実際的な問題に対処していない。さらに、この特許出願はパルサー制御回路の実際の構成に対処しておらず、送信／受信回路を扱っていない。

さらに、正確な画像化を行うために、バイポーラ送信機がシステムにおいて超音波パルスを生成するのにしばしば使用される。ユニポーラ送信機とは対照的に、これらの送信機は一般に交互の負電圧と正電圧とからなる一連の矩形波パルスよって規定された波形を生成する。有利には、バイポーラ送信機は製作するのが安価で、制御するのが簡単であり、それによって、それらはユニポーラ送信機と比較して都合のよい選択である。しかし、バイポーラ送信機は電圧スペクトルに大きな制限を与える。多くのシステムでは、正弦波波形などの信号波形に近いパルス列を生成するために多数の電圧レベルが望ましいことがある。多数の電圧レベルの生成は、一般に、実施するのが高価で困難である。さらに、多数の電圧レベルを出力することができる送信機はしばしば非能率的で、大量の電力を消費する。
米国特許第６，８３６，１５９号公報 米国特許第６，８６５，１４０号公報 米国特許出願公開第２００７／００１６０２６号公報 米国特許出願公開第２００４／０２５４４５９号公報 米国特許出願公開第２００５／００９６５４５号公報 米国特許出願公開第２００５／０１６９１０７号公報

したがって、送信機が多数の電圧レベルを生成することができ、電力消費が最小で占有面積の小さい２次元アレイ構成において多数の小さい超音波トランスデューサを駆動する問題を解決する必要がある。

本発明の実施形態は前述の問題の１つまたは複数に関する。

本技法の一態様によれば、プローブが提供される。プローブは複数の音響サブ要素および複数のマルチレベル送信機セルを含み、マルチレベル送信機セルの各々はそれぞれの音響サブ要素に結合される。複数のマルチレベル送信機セルの各々は、入力波形をデコードするように構成された波形デコーダを含む。複数のマルチレベル送信機セルの各々は、波形デコーダからのデコードされた出力を受け取るように構成された送信機コントローラをさらに含む。複数のマルチレベル送信機セルの各々は送信機コントローラからの出力を受け取るように構成され、さらに複数の音響サブ要素のそれぞれのものに波形を送信するように構成された出力段をさらに含む。

本技法の別の態様によれば、画像化システムが提供される。画像化システムは画像エレクトロニクス、および複数の導電性チャネルによって画像エレクトロニクスに結合されたプローブを含む。プローブは複数の導電性チャネルの各々の波形情報を受信し、その波形情報を複数の送信セル経路に沿って送信するように構成されたスイッチングマトリクスを含む。プローブは複数の送信セル経路の各々に沿って配置され、波形デコーダ、送信機コントローラ、および出力段の各々を備えるそれぞれのマルチレベル送信機セルをさらに含み、マルチレベル送信機セルは少なくとも２つの電圧レベルを有する信号を生成するように構成される。

本技法の別の態様によれば、画像化プローブを操作する方法が提供される。この方法は１つまたは複数の信号を画像化プローブに送信することを含む。この方法は、複数の送信機セル経路の各々に沿って配置されたそれぞれの送信機セルの１つまたは複数の信号の各々をデコードすることをさらに含む。この方法は、それぞれの送信機セルの各々からマルチレベル電圧信号を生成することをさらに含む。この方法は、それぞれのマルチレベル電圧信号を利用してそれぞれのトランスデューサを操作することをさらに含む。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、同様の符号が図面全体を通して同様の部分を表す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明が読まれる場合一層よく理解されるようになるであろう。

図１は、本発明の実施形態に従って形成された画像化システム１１のブロック図を示す。画像化システム１１は例えば超音波システムを含むことができる。後で分かるように、画像化システムは一般に画像エレクトロニクス１０およびプローブ１２を含む。画像エレクトロニクス１０およびプローブ１２は図５に関して以下でさらに説明される。本発明の実施形態によれば、プローブ１２はマルチレベル送信機セルのアレイを含み、そのアレイの各々はそれぞれのトランスデューサ要素に送信するための多数の電圧レベルを生成することができる。画像エレクトロニクス１０およびプローブ１２は一般に１つまたは複数のケーブル１４を介して相互に結合される。各ケーブルは多くの電気導体１６を含み、電気導体１６の各々は一意的なチャネルに対応する。代替として、完全に携帯型の手持ち式システムの場合のようにケーブルをなくすことができる。

一般に、および図５〜９に関して以下でさらに説明および図示されるように、画像化システム１１は、物体にパルス超音波信号を放出するためにプローブ１２内のトランスデューサを駆動するマルチレベル送信機を含む。様々な幾何学的配置を使用することができる。超音波信号は血球または筋組織のような物体中の構造から後方散乱され、トランスデューサに戻るエコーを生成する。このエコーは受信機によって受信され、ビーム形成部を通過するが、このビーム形成部はビーム形成を行い、ＲＦ信号を出力する。次に、このＲＦ信号は処理および復調されて、エコー信号を表すＩＱデータ対を形成することができる。

超音波システムでは、取得した超音波情報（すなわち、ＲＦ信号データまたはＩＱデータ対）を処理し、表示装置用の超音波情報のフレームを準備するために画像化システム１１は１つまたは複数の信号プロセッサを含むこともできる。信号プロセッサは、取得した超音波情報に対する複数の選択可能な超音波形式に従って１つまたは複数の処理作業を行うように構成される。エコー信号が受信されるとき、取得した超音波情報は走査セッション中に実時間で処理することができる。さらに、またはあるいは、超音波情報は走査セッション中に記憶され、実時間とはいえないときに処理することができる。

ユニレベル信号およびバイレベル信号を超音波システムの検出で使用することができるが、マルチレベル信号が多くの場合望ましい。例えば、図２〜４は、超音波システムにおいて望ましく、本明細書で説明されるマルチレベル送信機を使用して形成することができる様々な出力波形を示す。より具体的には、図２は、様々な時間Ｔ_１〜Ｔ_１２で、例えば様々な離散的な電圧レベルＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、０Ｖ、−Ｖ_１、−Ｖ_２、および−Ｖ_３を有する波形１８を示す。電圧レベルを生成するマルチレベル送信機の能力に応じて、任意の数の電圧レベルを生成することができる。図示のように、マルチレベル送信機が十分な数の電圧レベルを生成することができる場合、波形１８は理想的な正弦波波形２０に非常によく近づくことができる。他の有用な波形は、例えば、継続時間が１．５周期以上のガウス形パルスおよび／または物体中への信号浸透を改善するためのコード化パルスの形態をとることができる。

いくつかの例では、同じチャネルで多数の連続パルスを送信できることが望ましいことがあり、各パルスは図３の波形２２により示されるように異なるピークツーピーク電圧を有する。これらの波形は、本明細書で説明される方法を使用して、多数のタイミングサイクルで異なる送信電圧をコード化することによって生成することができる。例えば、図９に関して説明および図示されるように、各セルには電圧選別器回路があり、それは一括して分配される５つの制御電圧の中から選択するために使用され、制御電圧の各々により回路は必要とされる電圧０Ｖ、±Ｖ_１、または±Ｖ_２のうちの１つを出力することになる。図９の説明によって理解されるように、この回路への要求は、マルチレベル送信機セル毎に局所的ＤＡＣとその後に続く高電圧増幅器を有するものへの要求よりも著しく少なく、伝達すべき情報量も非常に低減される。これは、本明細書で説明される実施形態によれば有利であり、以下でさらに説明されるように、マルチレベル送信機は空間閉じ込めプローブ１２内に配置される。

他の用途では、異なるチャネルに同類の波形を送信できることが有利な場合があり、各チャネルは図４に示されるように一意的なピークツーピーク出力電圧を有する。図示のように、チャネル１（ＣＨ１）の波形２４は２×Ｖ_１のピークツーピーク電圧を有する。チャネル２（ＣＨ２）の波形２６は２×Ｖ_２のピークツーピーク電圧を有する。チャネル３（ＣＨ３）の波形２８は２×Ｖ_３のピークツーピーク電圧を有し、ここで、Ｖ_１、Ｖ_２、およびＶ_３は異なる波形である。図２および３に示されたマルチレベル波形と同様に、これらの波形はさらに本明細書で説明される方法のどれでも使用して生成することができる。さらに、後で分かるように、様々な他のマルチレベル波形が望ましいことがあり、本明細書に説明される技法および実施形態を使用して生成することもできる。本発明の実施形態によるマルチレベル送信機のいくつかの可能な用途を示すために、図２〜４の波形は単に例として与えられている。

次に、図５に移って、本発明の実施形態による例示的な画像化システム１１が示される。簡単にするために、データを処理して画像を生成するための画像化システム１１内の従来の構成要素および回路は省略されている。図５に示された本発明の一実施形態によれば、超音波プローブ１２はいくつかの音響サブ要素３０および対応する数の高電圧マルチレベル送信機セル３２を含む。音響サブ要素３０は、例えば、容量性マイクロマシン型超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）センサ、テルル化亜鉛カドミウム（ＣＺＴ）センサ、圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）、または圧電マイクロマシン型超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）を含むことができる。マルチレベル送信機セル３２の様々な例示的な実施形態が図６〜９に関してさらに説明される。一実施形態では、各音響サブ要素３０に１つのマルチレベル送信機セル３２がある。本発明の実施形態によれば、図示のように、音響サブ要素３０はプローブヘッド３４内に配置され、マルチレベル送信機セル３２はプローブハンドル３６内に配置される。前述のように、プローブ１２は、多数の電気導体１６を含む１つまたは複数のケーブル１４によって超音波画像エレクトロニクス１０に電気的に結合される。各ケーブル１４は、それぞれのケーブルコネクタ３８および４０によって画像エレクトロニクス１０およびプローブ１２に結合される。マルチレベル送信機セル３２は、プローブハンドル３６にさらに組み入れられる低電圧スイッチングマトリクス４２を介してパルスタイミング信号を受信する。

マルチレベル送信機セル３２をプローブハンドル３６内に配置すると、有利には、パルスタイミング回路４４（パルスタイミング制御回路４６によって制御される）を図５に示すように画像エレクトロニクス１０内に、またはプローブハンドル内に（図示せず）に配置することができる。送信フェーズ中、各音響サブ要素３０はそれぞれのマルチレベル送信機セル３２からのパルス列を受信する。各チャネルのそれぞれのパルス列のパラメータが変更されて、合焦超音波ビーム送信が達成される。例えば、プローブハンドル３６内のマルチレベル送信機セル３２は、図２〜４に示された例示的なマルチレベル波形の１つまたは複数を生成するように構成することができる。パルスタイミング回路４６は多数の低電圧送信制御（すなわちタイミング）信号を生成し、それらは画像エレクトロニクス１０からプローブ１２まで同軸ケーブル１４によって搬送される。タイミング信号がプローブハンドル３６に達すると、それらは低電圧スイッチングマトリクス４２を介して個々のマルチレベル送信機セル３２に送られ、各送信動作の前に再プログラムされる。信号の経路指定は、所与の送信要素の一部である音響サブ要素３０が全て同じ低電圧送信制御信号を受信するように相互に接続されるようになっている。同様に、所与の受信要素の一部である音響サブ要素３０は全て受信信号がその要素用のネット受信信号に寄与するように相互に接続される。

本明細書で開示される実施形態によれば、高電圧マルチレベル送信機セル３２は音響サブ要素３０と１対１対応がある。低電圧送信制御信号は低電圧スイッチングマトリクス４２を通って送られる。低電圧送信制御信号が個々のセル３２に達した後、図６に関してさらに以下で説明されるように、それらはデコードされ使用されて、マルチレベル送信機セル３２の局所的マルチレベル送信機または出力段が制御され、個々の音響サブ要素３０が駆動される。

次に、図６に移って、本発明の実施形態によるマルチレベル再構成可能アレイのための構成が示される。一般に、マルチレベル再構成可能アレイ構成は、プローブ１２内のスイッチングマトリクス４２からマルチレベル送信機セル３２に伝達されるコード化波形内容を生成する構成要素を含む。より具体的には、画像エレクトロニクス１０内の波形送信コントローラ４８は、タイミング情報５０および波形情報５２を含む制御情報を生成する。タイミング情報５０は、波形送信機またはパルサーがパルス生成すべきときを示す。波形情報５２は、パルスが送信すべき電圧レベルまたは電流レベルを示すことによって生成されるべき波形の形状を示す。次に、各電子導体またはチャネル１６の制御情報は各チャネルのそれぞれの波形エンコーダ５４によってコード化され、それはスイッチングマトリクス４２にさらに効率的に伝達することができる。２つのチャネル１６だけが示されているが、前述のように、任意の数のチャネル１６（すなわち、１−ｋチャネル）を備えることができる。

各チャネル１６の情報はそれぞれの波形エンコーダ５４によってコード化された後、それはプローブ１２内の低電圧スイッチングマトリクス４２を通って送られる。スイッチングマトリクス４２を使用して、参照番号３２によって一括して示され、参照番号５８によって個々に示されたマルチレベル送信セルの群が選択される。それぞれのマルチレベル送信セル５８は各々一意的な送信セル経路５６を有し、それはスイッチングマトリクス４２とトランスデューサなどのそれぞれの音響サブ要素３０との間に結合される。後で分かるように、そこに任意の望ましい数の送信セル５８を使用することができる（すなわち、１−Ｎ送信セル）。送信セル５８の各グループは同じ波形形状５２およびタイミング５０の情報を同時に受信する。

それがスイッチングマトリクス４２を出た後、制御信号が個々のマルチレベル送信機セル５８に送信される。本発明の実施形態によれば、各マルチレベル送信機セル５８は波形デコーダ６０、送信機コントローラ６２、およびマルチレベル送信機または出力段６４を含む。波形デコーダ６０はタイミングおよび波形形状に関するパッケージ化された情報を開け、それを使用して送信機コントローラ６２に供給する。送信機コントローラ６２は、送信機または出力段６４を作動させるために制御電圧を生成する。次に、送信機６４は、音響要素３０、ここではトランスデューサを所要のマルチレベル波形で駆動する。

後で分かるように、本発明の実施形態によれば、波形デコーダ６０、送信機コントローラ６２、および出力段６４の様々な実施形態を使用することができる。波形デコーダ６０、送信機コントローラ６２、および出力段６４、ならびにそれらの動作の様々な実施形態の詳細が以下でさらに説明される。しかし、様々なコード化／デコード化方式（波形デコーダ６０）、送信機コントローラ６２、および出力段６４の詳細な説明の前に、マルチレベル送信機セル５８の例示的な実施形態が図７〜９を参照しながら示され、全般的に説明される。

最初に図７を参照すると、マルチレベル送信機セル５８の第１の実施形態は、コンパレータ６６および電圧トランスレータ６８を備える波形デコーダ６０を含む。この実施形態では、コンパレータ６６がデコーダの役割をする。さらに、出力段６４は、電圧源と接地との間に直列に結合された、それぞれＰＭＯＳ７０およびＮＭＯＳトランジスタ７２の各々を含む。後で分かるように、接地が基準として使用されているが、回路の機能を変更することなく、この基準を正電源と等しいかまたはそれと異なる値の負電源によって取り替えることができることが理解されよう。当業者なら理解されるように、送信機コントローラ６２は設定値コントローラのように働き、その結果、出力電圧が入力制御電圧と比較され、誤差を使用して制御電圧に適合するように出力が駆動される。所望の電圧に達した後、出力駆動デバイスは遮断され、したがって静的にバイアスされず、それにより従来のマルチレベルパルサー回路と比較したときかなりの量の電力を節約することになることがさらに理解されよう。

図８はマルチレベル送信機セル５８の第２の実施形態を示す。出力段６４から波形デコーダ６０へのフィードバックループを設けるのではなく、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）７４を送信機コントローラ６２として使用して出力段６４と音響サブ要素３０への送信とを制御する。

図９はマルチレベル送信機セル５８の第３の実施形態を示す。図９に示された実施形態では、送信機コントローラ６２は、入力制御波形に応じて、高電圧源電圧ＨＶＰを基準として４つのゲート電圧Ｖ_ｇｓ１〜Ｖ_ｇｓ４の間を切替えることができるスイッチ７６を含む。例えば、一実施形態では、Ｖ_ｇｓ１＝ＨＶＰ−０Ｖ、Ｖ_ｇｓ２＝ＨＶＰ−１．０Ｖ、Ｖ_ｇｓ３＝ＨＶＰ−２．５Ｖ、およびＶ_ｇｓ４＝ＨＶＰ−５Ｖである。ゲート電圧は、トランジスタ７８および抵抗８０を含む抵抗負荷型出力段６４に印加される。トランジスタ７８のゲートはゲート電圧Ｖ_ｇｓ１によって制御される。ここで、トランジスタ７８は高電圧電界効果トランジスタであり、それを使用して抵抗８０に供給される電流を変調する。トランスデューサ３０の両端の出力電圧は、駆動電流により抵抗８０の両端に現れたものである。有利には、この例示的な実施形態による出力段６４は非常にコンパクトな面積に実装することができ、送信フェーズ中無視できない電流を引き込むことになるが、受信フェーズ中スイッチオフにすることができる。

図６〜９に示された実施形態は、波形デコーダ６０、送信機コントローラ６２、および出力段６４に関して使用することができる様々な技法および実施形態のさらなる説明によって一層よく理解されよう。最初に波形データのコード化／デコード化（すなわち、エンコーダ５４およびデコーダ６０）を参照すると、様々な技法を使用することができる。例えば、パルス幅変調（ＰＷＭ）を使用してコード化／デコード化することができる。この実施形態では、制御パルスの幅が所与の時間段階で出力段６４によって供給されるべき電流の量を表すことができる。

あるいは、アナログ電圧または電流波形を使用して、コード化／デコード化を容易にすることができる。例えば、コード化された信号の電圧レベルを、送信出力デバイスのゲートに直接に、またはレベルシフティングと利得ネットワークを介して入力し、その電圧レベルを使用してこれらのデバイスのゲート−ソース電圧を変更することによって直接に出力電流を変調する。アナログ電圧は出力波形の線形内容とすることができ、または、それをプリワープして出力デバイスの非線形のＩｄｓ／Ｖｇｓ特性を明らかにすることができる。

別の例示的な実施形態では、デジタルデータを波形コード化／デコード化に使用することができる。例えば、多数のデジタルデータビットを各チャネル１６用に同時に送信することができる。これらのビットがそれぞれのマルチレベル送信機セル５８に到達すると、それらは波形デコーダ６０でデコードされ、出力段６４を制御するために一群の電圧レベルの中から選択するために使用される。デジタルデータは、限定はしないが、連続フォーマット、並列フォーマット、または多数のバイポーラ波形を含む任意の適切なフォーマットで送信することができ、各波形は出力信号を制御するビットのうちの１つをコード化し、正パルスは正出力に対してコード化し、一方、負パルスは負出力に対してコード化する。

別の例示的な実施形態では、デカップルデータ送信を波形コード化／デコード化に使用することができる。ここで、タイミングおよびレベルの情報は以前に図６を参照しながら説明されたように別個に送信される。情報は、同時に、異なる時間に、またはパラメータ的に送ることができる。例えば、タイミングおよび波形の情報が同時に送られる場合、タイミング信号は波形形状情報と異なる信号ラインで送信される。（例えば図６参照）。情報が異なる時間に送られる場合、波形形状情報は、各送信機セル５８で前もってプログラムされ、次に、後続のタイミング信号によって起動される。情報がパラメータ的に送られる場合、制御パラメータは全体の波形制御情報とは別に伝搬され、それを使用して画像化中に実時間で波形が形成される。さらに、後で分かるように、これらのコード化／デコード化技法のいずれかの組合せを本発明の実施形態に従って使用することができる。

次に、送信機コントローラ６２の様々な実施形態を参照すると、送信機コントローラ６２は設定値コントローラを含むことができ、図７に示されるように、出力電圧は入力制御電圧と比較され、誤差を使用して制御電圧に適合するように出力が駆動される。別の実施形態では、図８に示されるように、局所的に組み込まれたＤＡＣを各送信機セル５８で使用して、出力段を駆動するのに使用できるアナログ制御電圧にデジタル制御信号を変換することができる。あるいは、図９に示されるように、送信機コントローラ６２は制御電圧を局所的に選択するためのスイッチを含むことができる。前述のように、各マルチレベル送信機セル５８内で入力制御電圧をデコードしていくつかの電圧レベルの中から局所的に選択し、出力段６４を制御する。これらの電圧は、信号対雑音比および均一性を改善するために送信機マトリクス全体に対して一括して最適に生成される。制御電圧がスイッチングマトリクス４２を通って伝搬するとき、その波形形状は、スイッチ自体の伝達関数のために損なわれる。この不完全な波形をデコードし、それを使用していくつかの理想的な電圧源の中から選択するとき、高品質出力波形を実現することができる。別の実施形態では、レベルシフタを使用することができる。この実施形態では、制御信号を使用して出力段６４の送信機出力デバイスの制御端子が直接駆動される。この場合、高電位側および低電位側の高電圧デバイスを駆動できるように、制御信号の変換が必要となることがある。

次に、出力段６４を参照すると、出力段はアナログバッファ／増幅器を含むことができる。この実施形態によれば、制御信号は、トランスデューサ３０を駆動できるように出力段６４によって増幅またはバッファすることができる。これは最も汎用性のある出力段６４であるが、それは、スイッチ伝達関数ならびに静的にバイアスされた出力駆動部の使用に起因する高い電力消費のために制御信号変形の問題がある場合がある。電力を節約するために、受信フェーズ中、駆動部をスイッチオフにすることが望ましいことがある。

別の例示的な実施形態では、ＤＡＣを使用することができる。局所的高電圧ＤＡＣを使用して、デジタルでコード化された制御信号を高電圧出力に変換することができる。低電圧ＤＡＣとその後に続く高電圧増幅器を使用することも可能である。この技法は面積集約的であり、電力集約的でもあるが、出力波形を最も正確に提示するであろう。

あるいは、図９に示されるように、抵抗負荷型出力段６４を使用することができる。前述のように、単一の高電圧出力ＦＥＴ７８を使用して抵抗器８０に供給される電流が変調される。トランスデューサ３０の両端の出力電圧は、駆動電流により抵抗８０の両端に生成された電圧と同じである。この回路は非常にコンパクトな面積に実装することができる。それは送信フェーズ中無視できない電流を引き込むが、受信時スイッチオフにすることができる。

あるいは、時間レシオ（ｔｉｍｅ−ｒａｔｉｏｅｄ）出力段６４を使用することができる。この実施形態によれば、出力段６４への制御入力信号は、出力が短期間（例えば、５〜１０ナノ秒）の間だけ駆動電流を生成するように比率で表される。この短い期間に、出力段６４は、トランスデューサ３０によって生成された負荷キャパシタンスを充電する。負荷はほとんど容量性（例えば９０％以上）であるので、一定電流が存在する限り、出力電圧は時間とともにほぼ直線的に上昇する。一定電流がスイッチオフされた場合、出力は最終値にとどまる。電流が一定に保たれているので、最終出力電圧は、駆動部がオンである時間の量を適切に設定することによって設定することができる。この期間は短いが、それはインバータチェーンを使用して局所的に生成することができ、個々のインバータの伝搬遅延は所望の遅延を設定するために使用することができる。

例えば、図１０は制御信号生成回路８２を備える例示的な送信機コントローラ６２を示し、制御信号生成回路８２は個々のインバータ８６からなるチェーン８４を含み、チェーン８４を使用して多数の出力レベルを生成し、出力段６４に送り出すことができる。現在示されている実施形態では、回路８２は３つのチェーン８４を含む。各チェーン８４はそれぞれの遅延出力（ＤＥＬＡＹ１、ＤＥＬＡＹ２、およびＤＥＬＡＹ３）を生成する。スイッチ８８は、必要とされる送信レベルに応じて、遅延出力（ＤＥＬＡＹ１、ＤＥＬＡＹ２、またはＤＥＬＡＹ３）の中から選択するために使用される。論理ＡＮＤゲート９０を使用して、波形デコーダ６０によって生成された信号を、インバータ９２を使用して生成することができる選択された遅延出力（ＤＥＬＡＹ１、ＤＥＬＡＹ２、およびＤＥＬＡＹ３）の逆のものと組み合わせて、出力段６４を制御するために使用される出力信号（ＯＵＴＰＵＴ）を生成することができる。入力および選択された遅延出力の両方が同時に高位である場合に限り、このタイプの送信機コントローラ６２の出力は高位になる。これにより、出力電流は非常に短い所定の期間オンにとどまり、この期間は、伝搬遅延がよく知られた設計パラメータであるので正確に制御することができる。図１０に示されるように、出力電流が駆動される時間の長さは、より多くのインバータを加えることによって縮小された増加分で増加することができる。

回路８２では、送信機コントローラ６２からの出力信号（ＯＵＴＰＵＴ）の遅延量はスイッチ８８を制御することによって選択され、短い遅延が所望されるか（ＤＥＬＡＹ１）、長い遅延が所望されるか（ＤＥＬＡＹ２）、またはさらに長い遅延が所望されるか（ＤＥＬＡＹ３）に応じて、遅延出力（ＤＥＬＡＹ１、ＤＥＬＡＹ２および、ＤＥＬＡＹ３）を選択することができる。出力信号（ＯＵＴＰＵＴ）を使用してパルサーをオンにする場合、これらの３つの信号を使用して、低い、中間の、および高い出力レベルのパルス出力の中から選択することができる。デジタル制御下で出力信号の非常に細かい量子化を行うために必要とされるのと同じくらいの制御遅延の増加分にこの同じ原理を拡大することができる。パルス制御は送信機毎に局所的に生成することができるが、送信機マトリクスの外部で、送信機アレイと同じチップ上で一括信号を生成することが可能なこともある。次に、この信号は低電圧スイッチマトリクスを通して導かれ、この信号を必要とする送信機に送り出すことができる。しかし、後で分かるように、非常に短いパルスの高周波端は、オフチップデバイスによって生成されるよりもむしろオンチップで生成および送信する方がより簡単なことがある。

別の例示的な実施形態では、電流レシオ出力段を使用することができる。この出力段６４は時間レシオ出力段と同様であるが、ここでは、期間は一定に保たれ、一方、出力電流が入力波形によって制御される。時間レシオ手法で説明された回路と同じであるが、単一のハードワイヤード遅延群だけをもつ回路を使用して、この期間を決定することができる。したがって、出力電圧は、送信機出力デバイスによって供給される電流（Ｉ）の量に応じてトランスデューサキャパシタンス（Ｃ）の両端にｄＶ＝Ｉ×ｄＴ／Ｃだけ現れる。時間レシオ送信機と同様に、図７の出力段におけるように、出力電圧波形は段階毎に一連の制御された遷移を使用して増加する。有利には、出力電圧を段階毎に変更するのに電流を供給するだけなので、時間レシオおよび電流レシオ出力段６４は非常に小さくなり、電力消費を最小とすることができる。時間レシオおよび電流レシオ出力段を単一の送信機出力段に組み合わせることも可能であり、その単一の送信機出力段は出力電流を制御することによって、または各出力電流段階で許される時間の量を制御することによって制御することができる。この点に関する完全な適応性を、図８に示された回路は与えることができる。

本発明のいくつかの特徴だけが本明細書で図示され説明されたが、多くの変形および変更を当業者は思いつくであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲内にあるそのような全ての変形および変更を含むものである。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、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。

本発明の実施形態による画像化システムのブロック図である。 本発明の実施形態に従って生成することができる例示的な信号を示すタイミング図である。 本発明の実施形態に従って生成することができる例示的な信号を示すタイミング図である。 本発明の実施形態に従って生成することができる例示的な信号を示すタイミング図である。 本発明の実施形態による、図１の画像化システムのより詳細な図を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるマルチレベル送信機セルを示す、図５の画像化システムのより詳細な図である。 本発明の例示的な実施形態によるマルチレベル送信機セルの様々な実施形態の部分概略図である。 本発明の例示的な実施形態によるマルチレベル送信機セルの様々な実施形態の部分概略図である。 本発明の例示的な実施形態によるマルチレベル送信機セルの様々な実施形態の部分概略図である。 本発明の実施形態によるマルチレベル送信機セルで使用することができる例示的な送信機コントローラを示す図である。

符号の説明

１０ 画像エレクトロニクス
１１ 画像化システム
１２ プローブ
１４ ケーブル
１６ 電気導体またはチャネル
１８ 波形
２０ 正弦波波形
２２ 波形
２４ 波形
２６ 波形
２８ 波形
３０ 音響サブ要素
３２ マルチレベル送信機セル
３４ プローブヘッド
３６ プローブハンドル
３８ ケーブルコネクタ
４０ ケーブルコネクタ
４２ スイッチングマトリクス
４４ パルスタイミング回路
４６ パルスタイミング制御回路
４８ 波形送信コントローラ
５０ タイミング情報
５２ 波形情報
５４ 波形エンコーダ
５６ 送信セル経路
５８ マルチレベル送信機セル
６０ 波形デコーダ
６２ 送信機コントローラ
６４ マルチレベル送信機または出力段
６６ コンパレータ
６８ 電圧トランスレータ
７０ ＰＭＯＳトランジスタ
７２ ＮＭＯＳトランジスタ
７４ デジタル−アナログ変換器
７６ スイッチ
７８ トランジスタ
８０ 抵抗
８２ 制御信号生成回路
８４ チェーン
８６ インバータ
８８ スイッチ
９０ 論理ＡＮＤゲート
９２ インバータ

Claims (16)

1. 複数の音響サブ要素（３０）と、
   複数のマルチレベル送信機セル（３２、５８）と
   を含むプローブ（１２）であって、
   前記マルチレベル送信機セル（３２、５８）の各々がそれぞれの音響サブ要素（３０）に結合され、
   前記複数のマルチレベル送信機セル（３２、５８）の各々が、
   入力波形をデコードするように構成された波形デコーダ（６０）と、
   前記波形デコーダ（６０）からのデコードされた出力を受け取るように構成された送信機コントローラ（６２）と、
   前記送信機コントローラ（６２）からの出力を受け取るように構成され、さらに前記複数の音響サブ要素（３０）のそれぞれのものに波形を送信するように構成された出力段（６４）とを含む、プローブ（１２）。
2. 前記複数の音響サブ要素（３０）の各々が、容量性マイクロマシン型超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）センサ、テルル化亜鉛カドミウム（ＣＺＴ）センサ、圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）、または圧電マイクロマシン型超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）のうちの１つを含む、請求項１記載のプローブ（１２）。
3. 前記複数のマルチレベル送信機セル（３２、５８）の各々が、送信経路に沿って前記それぞれの波形デコーダ（６０）、送信機コントローラ（６２）、および出力段（６４）を電気的に結合するように構成された前記送信経路を含む、請求項１記載のプローブ（１２）。
4. 前記波形デコーダ（６０）が、出力段（６４）から入力信号を受信するように構成された電圧トランスレータ（６８）を含み、前記電圧トランスレータ（６８）からの出力信号および前記入力波形を受信するように構成されたコンパレータ（６６）をさらに含む、請求項１記載のプローブ（１２）。
5. 前記送信機コントローラ（６２）が複数のデジタル−アナログ変換器（７４）を含む、請求項１記載のプローブ（１２）。
6. 前記送信機コントローラ（６２）が、前記出力段（６４）を複数の電圧源のうちの任意のものに結合するように構成されたスイッチ（７６）を含む、請求項１記載のプローブ（１２）。
7. 前記送信機コントローラ（６２）が設定値コントローラまたはレベルシフタを含む、請求項１記載のプローブ（１２）。
8. 前記送信機コントローラ（６２）が、前記波形デコーダ（６０）の前記デコードされた前記出力に比例して可変電流を前記出力段（６４）に流すようにする所定および不変の短期間の間、前記出力段（６４）をオンにする回路を含む、請求項１記載のプローブ（１２）。
9. 前記送信機コントローラ（６２）が、前記出力段（６４）をオンにし、所定および固定の電流を前記出力段（６４）に短くかつ可変の期間流すようにする回路を含み、前記期間の継続時間が前記波形デコーダ（６０）の前記デコードされた出力に比例する、請求項１記載のプローブ（１２）。
10. 前記送信機コントローラ（６２）が、前記出力段（６４）をオンにし、前記波形デコーダ（６０）の前記デコードされた出力の第１の態様に比例した可変電流を短くかつ可変の期間流すようにする回路を含み、前記期間の継続時間が前記波形デコーダ（６０）の前記デコードされた出力の第２の態様に比例する、請求項１記載のプローブ（１２）。
11. 前記出力段（６４）が第２のトランジスタ（７２）と直列に結合された第１のトランジスタ（７０）を含み、第１のトランジスタ（７０）と第２のトランジスタ（７２）との間の前記直列接続が前記複数の音響サブ要素（３０）のそれぞれのものに結合される、請求項１記載のプローブ（１２）。
12. 前記出力段（６４）が抵抗（８０）と直列に結合されたトランジスタ（７８）を含み、前記トランジスタ（７８）と前記抵抗（８０）との間の前記直列接続が前記複数の音響サブ要素（３０）のそれぞれのものに結合される、請求項１記載のプローブ（１２）。
13. タイミングおよび波形の情報を受信するように構成され、さらにこの情報を前記複数の波形デコーダ（６０）の各々に送信するように構成された低電圧スイッチングマトリクス（４２）をさらに含む、請求項１記載のプローブ（１２）。
14. 前記複数の音響サブ要素（３０）の各々が前記複数のマルチレベル送信機セル（３２、５８）の専用のものに応答する、請求項１記載のプローブ（１２）。
15. プローブヘッド（３４）およびプローブハンドル（３６）を含み、前記複数の音響サブ要素（３０）の各々が前記プローブヘッド（３４）内に配置され、前記複数のマルチレベル送信機セル（３２、５８）の各々が前記プローブハンドル（３６）内に配置される、請求項１記載のプローブ（１２）。
16. プローブヘッド（３４）およびプローブハンドル（３６）を含み、前記複数の音響サブ要素（３０）の各々が前記プローブヘッド（３４）内に配置され、前記複数のマルチレベル送信機セル（３２、５８）の各々も前記音響サブ要素（３０）に直接隣接してプローブヘッド（３４）内に配置される、請求項１記載のプローブ（１２）。

Images