JP2015515902A - 可変パッチ配置を持つ超音波トランスデューサアレイ - Google Patents

Abstract

二次元超音波アレイトランスデューサはボリューム領域の増加する深度からエコー信号を受信する。２Ｄアレイはマイクロビームフォーマによって処理される素子のパッチに構成され、パッチからの合計信号は超音波ビームフォーマのチャネルに結合される。最も浅い深度において、２Ｄアレイはアパーチャの中心の最小パッチからエコーを受信する。信号は増加する深度から受信されるので、中央の最小パッチの両側に段階的に大きくなるサイズのパッチを対称的に追加することによってアパーチャが拡大される。本発明の技術は１Ｄ及び２Ｄアレイプローブの両方のマルチライン性能を改良し得る。

Description

本発明は医用超音波診断システム、特にパッチにグループ化された素子を持ち、マイクロビームフォーマと作動するアレイトランスデューサを持つ診断システムに関する。

超音波アレイトランスデューサ、複数の個別に制御可能なトランスデューサ素子を持つトランスデューサが、多数の構成で開発されている。環状アレイは素子の環状リングから成り、強く集束されたビームをまっすぐ前に、つまりトランスデューサ素子の面に垂直に送信するのによく適している。１Ｄアレイの素子は単行の素子（若しくは一致して作動するように接続される複数行）から成り、これは素子の行に垂直な単一画像面、方位角面を走査することができる。１．５Ｄアレイはアレイに垂直な方位角面を走査するように仰角に対称的に作動され得る複数行の素子を有するが、ビームは方位角及び仰角の両方に電子的に集束される。２Ｄ（二次元）アレイは方位角及び仰角方向の両方に広がる素子を有し、これらはいずれの方位角若しくは仰角方向にもビームを集束及び操作するように完全に独立して作動されることができる。環状アレイを除き、これらのアレイは平坦な若しくは曲面の配向のいずれかで構成され得る。本発明は三次元ボリューム関心領域を走査するために方位角及び仰角の両方に操作及び集束することができる２Ｄアレイトランスデューサを対象にする。

二次元アレイトランスデューサ、及び多数の素子を持つ１Ｄアレイでさえも、その多数のトランスデューサ素子のために問題を引き起こす。これら素子の各々は送受信時に個別に制御されなければならないので、個別の信号線が各素子に対して設けられなければならない。１Ｄアレイは１００‐２００素子の行を有し、１００‐２００の信号線を要し、これは比較的小さく軽いプローブケーブルに収容され得るが、比較的少ないチャネルのシステムビームフォーマで作動する必要があり得る。２Ｄアレイは一次元に１００‐２００行の素子と他の次元に１００‐２００列の素子を持ち、合計で何千もの個々の素子となる。数千もの信号線のケーブルは手持ち式で超音波検査技師によって操作されなければならないプローブにとって実用的でない。本発明の実現は、パッチと呼ばれる素子のグループの部分的ビームフォーミングを実行する２Ｄアレイに取り付けられたマイクロビームフォーマ集積回路の使用によってこれらの問題を克服する。そして各パッチの素子からの合計信号は標準サイズのケーブルを介して超音波システムビームフォーマへ伝導され、そこで各パッチからの合計信号はシステムビームフォーマのチャネルへ印加され、これがビームフォーミング動作を完了する。この、プローブ内のマイクロビームフォーマとシステムビームフォーマのチャネル間でのフルビームフォーミング動作の分割は、例えば米国特許５，２２９，９３３（Ｌａｒｓｏｎ，ＩＩＩ）に例示され、プローブと超音波システム間で比較的少ない数の信号線を持つケーブルの使用を可能にする。

走査線に沿ってくるエコー信号を受信するために使用される素子の数は選択され変更されることができ、それによってアレイのアクティブアパーチャを制御する。光学系とよく似て、アクティブアパーチャ内の素子の数はアパーチャのＦ値に関連する。エコーはアレイのすぐ前の近距離場から受信されるので、浅いビーム深度から初期エコー信号を受信するためには少数の素子のみが使用され得る。しかしエコーは増え続ける深度から受信されるので、アパーチャのＦ値とより深い深度からのエコーへのプローブの感度を維持するために、最初に使用された素子の両側に追加素子が均一な増分で追加され得る。このダイナミックなアパーチャ制御は１Ｄアレイについてよく理解されるが、２Ｄアレイが使用されるか若しくはマルチライン受信が必要なときはもっと複雑になる。マルチライン受信において、複数の、空間的に離散したラインに対するトランスデューサ素子から受信されるエコー信号は、異なるラインに対して異なって処理され、多重受信ラインが同時に生成される。例えば米国特許５，４３１，１６７（Ｓａｖｏｒｄ）参照。２Ｄアレイの各トランスデューサ素子に対する多重並列プロセッサを持つマイクロビームフォーマは非常に複雑で高価で、手持ち式トランスデューサプローブにおいて利用可能な空間に制約され得る。しかしマルチライン受信は、許容可能な収集フレームレートの制限時間内にボリューム領域にわたってビームを送受信する必要性のために、多くのプローブにとって、特に２Ｄアレイにとって極めて望ましく、音速は不変の物理法則である。従って高品質でアーチファクトのない性能を維持しながら高次のマルチライン受信を実行することができる技術が必要である。

本発明の原理によれば、超音波トランスデューサアレイは定義されたパッチのトランスデューサ素子からの信号を処理するようにマイクロビームフォーマで作動される。近距離場からの受信中、第１のパッチサイズ、好適にはほとんどの実施例において最小パッチサイズが使用される。エコーは増加するフィールド深度から受信されるので、より深い深度からのエコーに対するパッチ受光角が減少するにつれて異なる及び好適には段階的に大きくなるサイズのパッチをアクティブアパーチャに追加することによって、アパーチャが拡大する。本発明の実現はアーチファクトや画像輝度の不連続性のない高次のマルチラインの受信を可能にする。

本発明の２Ｄ曲面アレイトランスデューサとマイクロビームフォーマプローブをブロック図形式で図示する。 部分ビームサムマイクロビームフォーマの概念を図示するブロック図である。 均一パッチサイズを用いる２Ｄアレイトランスデューサでのマルチライン受信を図示する。 本発明の原理にかかる段階的に大きくなるパッチサイズを用いる２Ｄアレイトランスデューサでのマルチライン受信を図示する。 中間サイズのパッチのビームプロファイルをハイライトする図３ｂの描画の別の図である。 本発明の原理に従って構成される２Ｄアレイトランスデューサでの方位角走査のためのパッチエリアを図示する。 本発明の原理に従って構成される２Ｄアレイトランスデューサでの仰角走査のためのパッチエリアを図示する。 マルチライン収集を必要としない低チャネルカウントシステムビームフォーマでの使用のための２Ｄアレイトランスデューサのパッチエリアを図示する。 本発明の原理にかかるシステムビームフォーマに様々なサイズの２Ｄアレイのパッチを結合するためのクロスポイントスイッチマトリクスを図示する。

最初に図１を参照すると、本発明の原理に従って構成される超音波システムがブロック図形式で示される。プローブ１０は米国特許７，９２７，２８０（Ｄａｖｉｄｓｅｎ）に示すもののような仰角次元に湾曲した二次元アレイトランスデューサ１２を持つ。アレイの素子はプローブ内でトランスデューサアレイの後ろに位置するマイクロビームフォーマ１４に結合する。マイクロビームフォーマは時限送信パルスをアレイの素子に印加して、所望の方向及びアレイの前の三次元画像フィールド内の所望の焦点にビームを送信する。送信ビームからのエコーはアレイ素子によって受信され、マイクロビームフォーマ１４のチャネルに結合され、ここでそれらは個別に遅延する。トランスデューサ素子のパッチからの遅延信号は結合されてそのパッチに対する部分合計信号を形成する。本明細書で使用される通り"パッチ"という語は、隣接しており一緒に作動される、又はそれらの信号をマイクロビームフォーマによって結合させて超音波システムビームフォーマに対する一つの信号を形成する、トランスデューサ素子のグループをあらわす。典型的な実施例において、結合はパッチの素子からの遅延信号を共通バスに結合することによってなされ、加算回路若しくは他の複雑な回路の必要性を除去する。各パッチのバスはケーブル１６のコンダクタに結合され、これは部分合計パッチ信号をシステムメインフレームへ伝導する。システムメインフレームにおいて部分合計信号はデジタル化されシステムビームフォーマ２２のチャネルへ結合され、これは各部分合計信号を適切に遅延させる。そして遅延部分合計信号は結合されてコヒーレントな操作及び集束受信ビームを形成する。３Ｄ画像フィールドからのビーム信号は信号及び画像プロセッサ２４によって処理されて画像ディスプレイ３０上のディスプレイ用の２Ｄ若しくは３Ｄ画像を生成する。プローブ選択、ビームステアリング及びフォーカシング、並びに信号及び画像処理などの超音波システムパラメータの制御はシステムの様々なモジュールに結合されるコントローラ２６の制御下でなされる。プローブ１０の場合この制御情報の一部はシステムメインフレームからケーブル１６のデータ線を介して提供される。ユーザはこれらの操作パラメータを制御パネル２０を用いて制御する。

図２は部分加算マイクロビームフォーマの概念を図示する。図２の描画は破線３２と３４によって三つのエリアに区分される。プローブ１０の構成要素は線３２の左に示され、システムメインフレームの構成要素は線３４の右に示され、ケーブル１６は二本の線の間に示される。プローブの二次元アレイ１２は隣接トランスデューサ素子のパッチに分割される。アレイ１２のパッチのうち５個が描画に示され、各々は９個の隣接素子を含む。パッチ１２ａ、１２ｃ及び１２ｅに対するマイクロビームフォーマチャネルが描画に示される。パッチ１２ａの９素子はＤＬ１で示されるマイクロビームフォーマの９本の遅延線に結合される。同様にパッチ１２ｃ及び１２ｅの９素子はＤＬ２及びＤＬ３で示される遅延線に結合される。これらの遅延線によって与えられる遅延はアレイのサイズ、素子ピッチ、パッチの間隔及び寸法、ビームステアリングの範囲などといった様々な変数の関数である。遅延線グループＤＬ１、ＤＬ２及びＤＬ３は各々それらの各パッチの素子からの信号をパッチに対する共通時間基準に遅延させる。そして各遅延線グループからの９個の遅延信号は各加算器Σによって結合されて素子のパッチからのアレイの部分合計信号を形成する。各部分合計信号は個別バス１５ａ、１５ｂ及び１５ｃに置かれ、これらの各々はケーブル１６のコンダクタに結合し、これは部分合計信号をシステムメインフレームへ伝導する。システムメインフレームにおいて各部分合計信号はシステムビームフォーマ２２の遅延線２２ａ、２２ｂ、２２ｃに印加される。これらの遅延線は部分合計信号をシステムビームフォーマ加算器２２ｓの出力において共通ビームへ集束させる。そして完全に形成されたビームはさらなる処理及びディスプレイのために信号及び画像プロセッサへ転送される。図２の実施例は９素子パッチで示されるが、当然のことながら構成されるマイクロビームフォーマシステムは一般に１２、２０、４８若しくは７０素子若しくはそれ以上といった多数の素子を持つパッチを持つ。一つのパッチの素子は互いに隣接するか、間隙を介するか、又は"奇数"素子が１パッチに結合され、"偶数"素子が別のパッチに結合される格子縞模様に混ざり合ってもよい。パッチは正方形、長方形、ひし形、六角形、若しくはいかなる他の所望の形状であってもよい。

図３ａは本発明の実施例で対処され得るマルチライン収集に関する問題を図示する。図３ａは受信ビームプロファイル６０、フィールド内で深度Ｘに至るまでエコーが受信される画像フィールドの面積若しくは体積のアウトラインを図示する。４本のマルチラインＲ_１Ａ、Ｒ_２Ａ、Ｒ_１Ｂ、及びＲ_２Ｂは、同じサイズの５個のパッチ４０、４２、４４、４６及び４８に操作上分割されるアレイトランスデューサ１２によって画像フィールドの中心における線の片側で受信されるものとする。図３ａによって図示される通り、均一サイズのパッチのセット４０‐４８のビームプロファイル６０は画像フィールドの中心において比較的狭い領域である。フィールド中心に最も近い二本のマルチラインＲ_１Ａ及びＲ_１Ｂの最深深度のみが受信ビームプロファイル内にある。Ｒ_１Ａ及びＲ_１Ｂマルチラインの範囲の残りと外側のマルチラインＲ_２Ａ及びＲ_２Ｂの全範囲は受信ビームプロファイルを越えている。その結果これらのビームに対する受信信号は低強度で、弱く受信されたエコー信号をもたらし、これはこれらのマルチラインを用いて画像に薄暗く示されるのみになる。結果として生じるアーチファクトは得られる超音波画像においてチラチラ光る明暗の筋の束としてあらわれる。

図３ｂでは、マルチラインに対する受信エコーのフルカバレッジを提供するために異なるサイズのパッチがアパーチャに段階的に追加される。中心パッチ５０は最小であり、これは受信エコーに対する最大受光角と図３ｂに図示の通り深さは比較的浅いが横方向に広い受信ビームプロファイル６２を与える。この最小中心パッチに対する受信ビームプロファイル６２は全４本のマルチラインの近距離場をカバーするとみられる。エコーがより深い深度から受信されるので、中心パッチ５０の両側に隣接パッチ５２及び５４が追加され、図３ｃに図示の通り全４本のマルチラインの中深度エコーの受信をカバーする。二つのより大きなパッチ５２及び５４の追加によって得られるビームプロファイル６４Ａ及び６４Ｂは全４本のマルチラインに及ぶとみられる。より大きなパッチの各々からのビームプロファイルは走査領域の完全なカバレッジをもたらすために画像フィールドの中心の方へわずかに操作されるともみられる。最後に、最も外側の、さらに大きいパッチ５６と５８がアクティブアパーチャに追加される。これらのパッチで得られる受信ビームプロファイル６６_Ａ及び６６_Ｂは図３ｂに示される。これらのビームプロファイルは画像フィールドの最大深度に及び、ビームプロファイルのいずれの最小受光角度も持つとみられ、また走査される領域のフルカバレッジを提供するために画像フィールドの中心の方へわずかに操作されるともみられる。異なるサイズのパッチ全部の組み合わせは、画像フィールドのフルカバレッジを提供し、ビームプロファイルの外側からのエコーの受信と、結果として生じるチラチラ光る画像アーチファクトを防ぐ。

図３ｂ及び３ｃは本発明にかかるアレイトランスデューサの一次元のパッチのみを図示するが、図４‐６は方位角（水平）及び仰角（垂直）次元の両方における本発明の例示的な２Ｄアレイのパッチの次元を図示する２Ｄアレイ１２の地形図を示す。これらの実施例に示す２Ｄアレイ１２は各々方位角に１６０素子及び仰角に１２０素子、各２Ｄアレイにおいて合計１９，２００素子を有する。４個のマイクロビームフォーマＡＳＩＣが各アレイに対し初期部分ビームフォーミングを実行するために使用される。一つのＡＳＩＣはＡＳＩＣ境界を描く薄い線１‐１及び２‐２によって示される通りアレイの各四分円の後ろにある。図４及び５においてパッチはより暗い線によってアウトラインされる。図４の実施例では７行のパッチと１６列のパッチがある。このフルアパーチャエリア３６は、米国特許８，１６１，８１７（Ｓａｖｏｒｄ）に記載の通りアパーチャが他の空間的に異なる走査線に対して２Ｄアレイにわたって段階的に平行移動され得るよう、２Ｄアレイ１２の全領域未満を占めるとみなされる。図４におけるパッチのアパーチャ３６は２Ｄアレイの左側にあるとみられ、その後次第に右側へ平行移動される。

図４のアパーチャ３６におけるパッチはアパーチャの中心で最小であり、アパーチャの方位角エッジにおいて最大である。この実施例におけるパッチの各行は仰角次元に２２素子の高さであり、従って各パッチは仰角に２２素子である。方位角次元において中心の４パッチはパッチの中央４列にわたる角括弧７０によって示される幅に３素子である。パッチの次の最外列７２及び７２'は４素子幅であり、次の列７４及び７４'は５素子幅である。パッチ列７６及び７６'は仰角に７素子でありパッチ列７８及び７８'は仰角に１０素子である。次の外側列８０及び８０'は仰角に１２素子でありアパーチャ３６の仰角限界における最外列８２及び８２'は１４素子幅である。図４の２Ｄアレイでの受信は最初に最も浅い深度の２若しくは４の小さい中央パッチを用いることによって開始し、それからエコーがパッチのフルアパーチャがアクティブになるまでより深い深度から受信され、最大所望受信深度まで使用されるにつれて、両側の次の隣接パッチに段階的にスイッチする。このパッチ配置の選択は各々撮像ボリュームにわたって方位角方向に広がる一連の平行な若しくはわずかに傾斜した面を走査するのによく適している。

面が直交方向に走査される場合、各々仰角方向に広がる面のセット、図５に示すようなパッチ配置が使用され得る。図５の２Ｄアレイ１２のアクティブアパーチャ３６は方位角（図面において水平）方向に均一なサイズの仰角次元に広がる７列のパッチを持つ。仰角次元においてパッチサイジングはアパーチャの中心における最小の、各々仰角方向に６素子の高さである角括弧８０で囲まれた３行のパッチから変化する。行８２及び８２'に示される次に外側のパッチは各々１２素子の高さであり、次のパッチ８４及び８４'は各々１９素子の高さである。各仰角極端における最も外側の２行、行８６，８８，８６'及び８８'は各々２０素子の高さである。走査は中央の最小パッチ８０、最初の一つ若しくは三つ全てでの受信を開始し、その後フィールドの最大深度におけるフルアパーチャ３６にまでアクティブアパーチャを拡大するために中心から出て対称なペアで隣接パッチを段階的に追加することによって実行される。図４の２Ｄアレイと同様に、図５におけるアクティブアパーチャ３６はアレイの前のボリューム領域における付加的な走査線を走査するために方位角方向にアレイにわたって平行移動され得る。

図６は７個のビームフォーマチャネルのみを持つ超音波システムでのイメージングのためのこの１９，２００素子の２Ｄアレイ１２の使用の一実施例を図示する。図６が示す通り、アクティブアパーチャ３６には７パッチ９１‐９７しかなく、各々の部分的にビーム形成された合計信号は超音波システムの７チャネルビームフォーマのチャネルに結合される。前述の通り、７パッチのアクティブアパーチャはアレイ上の様々な他の位置へ平行移動され得る。この実施例における各パッチは１２８０素子、仰角方向に１６素子及び方位角方向に８０素子を有する。この構成のアパーチャは一般に方位角におけるマルチライン走査のために使用されないが、仰角における低次マルチライン収集のために使用され得る。

図７はプローブマイクロビームフォーマ１４からのマイクロビーム形成された信号をシステムビームフォーマ２２のチャネルへ選択的に結合するのに適したクロスポイントスイッチングマトリクスを図示する。２Ｄアレイトランスデューサの各素子、素子０、素子１、…素子３０００などは、受信信号に適切な遅延を与えるマイクロビームフォーマ１４の回路１４'に結合される。各遅延素子信号は１２２、１２４、…１２６及び１３２、１３４、…１３６などの電子スイッチのアームへ線１１２、１１４、…１２０によって伝導される。線上の電子スイッチの一つはシステムチャネル０、システムチャネル１、…システムチャネル２などの選択されたシステムビームフォーマチャネルへその素子からの信号を結合するために閉じられる。クロスポイントスイッチングマトリクスにおける所望のスイッチを選択的に閉じることによって、任意の遅延素子信号がバス上の他の信号と合計するためにバス１０２、１０４、…１１０に置かれ、ビームフォーミング動作の完了のためにシステムビームフォーマ２２のチャネルへ印加され得る。

本発明の使用はプローブが２Ｄアレイトランスデューサを使用するときに特に望ましいが、プローブ内のマイクロビームフォーマと作動する１Ｄアレイを用いるプローブにとっても有利である。かかる配置は２０１１年６月３０日出願の米国特許出願番号６１／５０３，３２９（Ｐｏｌａｎｄら）に記載のようなたった８、１０、若しくは１２チャネルのシステムビームフォーマなど、非常に低いチャネルカウントの超音波システムビームフォーマで作動され得る。本発明の実現はこれらのような削減されたチャネルカウントを持つシステムにおける１Ｄアレイ／マイクロビームフォーマプローブのマルチライン性能を改良し得る。

Claims (15)

1. 超音波プローブのアレイトランスデューサのアパーチャを制御するための方法であって、前記アレイの素子は受信エコー信号の少なくとも部分的なビームフォーミングを実行する前記プローブ内のマイクロビームフォーマに結合し、
   前記アレイの前記アパーチャを異なるサイズのパッチに構成し、各パッチは前記マイクロビームフォーマに結合するトランスデューサ素子のグループを有する、ステップと、
   第１のサイズの一つ以上のパッチのアパーチャで浅いフィールド深度からエコーを受信するステップと、
   前記第１のサイズと異なるサイズのパッチを追加するように前記アパーチャを拡大することによってより深いフィールド深度からエコーを受信するステップとを有する、
   方法。
2. 前記アレイトランスデューサがトランスデューサ素子の二次元アレイをさらに有し、
   浅いフィールド深度からエコーを受信するステップが比較的小さいサイズの一つ以上のパッチでエコーを受信するステップをさらに有し、
   より深いフィールド深度からエコーを受信するステップが前記比較的小さいサイズよりも大きいサイズのパッチを追加するように前記アパーチャを拡大するステップをさらに有する、
   請求項１に記載の方法。
3. より深いフィールド深度からエコーを受信するステップが、第１の比較的小さいサイズの一つ以上のパッチの両側に第２のより大きいサイズのパッチを追加するように前記アパーチャを拡大するステップをさらに有する、請求項１に記載の方法。
4. より深いフィールド深度からエコーを受信するステップが、前記比較的小さいサイズの一つ以上のパッチに対して対称に前記アパーチャを拡大するステップをさらに有する、請求項３に記載の方法。
5. より深いフィールド深度からエコーを受信するステップが、前記より大きいサイズのパッチの両側に最大サイズのパッチを追加するように前記アパーチャを拡大するステップをさらに有する、請求項３に記載の方法。
6. 前記二次元アレイのトランスデューサ素子の異なるグループへ前記アパーチャを平行移動させるステップをさらに有する、請求項２に記載の方法。
7. 構成するステップが、仰角次元に均一なサイズ、方位角次元に異なるサイズのパッチを構成するステップをさらに有する、請求項２に記載の方法。
8. 構成するステップが、方位角次元に前記アパーチャの中心に最小パッチを構成し、段階的に増加するサイズのパッチが前記最小パッチの両側の前記アパーチャの方位角限界へ前記最小パッチの両側に広がるステップをさらに有する、請求項７に記載の方法。
9. 構成するステップが、方位角次元に均一なサイズ、仰角次元に異なるサイズのパッチを構成するステップをさらに有する、請求項２に記載の方法。
10. 構成するステップが、仰角次元に前記アパーチャの中心に最小パッチを構成し、段階的に増加するサイズのパッチが前記最小パッチの両側の前記アパーチャの仰角限界へ前記最小パッチの両側に広がるステップをさらに有する、請求項９に記載の方法。
11. 前記マイクロビームフォーマで前記パッチの素子からの信号を部分的にビームフォーミングするステップと、
    前記部分的にビームフォーミングされた信号のビームフォーミングを超音波システムビームフォーマで完了するステップをさらに有する、請求項１に記載の方法。
12. 前記パッチの素子からの信号をマイクロビームフォーマで処理してパッチ合計信号を形成するステップと、
    前記パッチ合計信号を超音波システムビームフォーマのチャネルへ結合するステップをさらに有する、請求項１に記載の方法。
13. 前記パッチの素子からの信号をクロスポイントスイッチで超音波システムビームフォーマのチャネルへ結合するステップをさらに有する、請求項１２に記載の方法。
14. パッチ合計信号を形成するステップが前記パッチの素子からの信号を共通バスに結合するステップをさらに有する、請求項１２に記載の方法。
15. 前記パッチの素子からの信号を処理するステップが前記素子からの信号を遅延させるステップをさらに有する、請求項１２に記載の方法。

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