JP2017517328A - 超音波トランスデューサアセンブリ - Google Patents

Abstract

超音波トランスデューサアセンブリ３０が開示される。これは、超音波を受信し、受信した超音波に対応するトランスデューサ信号Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４をそれぞれ提供するための複数の超音波トランスデューサ要素３４、３６、３８を備える。アセンブリは、トランスデューサ信号に基づいて異なる出力信号Ｙ１、Ｙ２を与えるための複数の信号コンバイナ４２、４４；６０、６２、６４と、トランスデューサ信号に異なる時間シフトτを与えるための複数のタイミング要素４８、５２；６８、７０；７２、７４と、を備える。超音波トランスデューサ要素の各々は、異なる時間シフトを含むトランスデューサ信号を信号コンバイナのうち異なるものに与えるために、複数の信号コンバイナに接続されている。

Description

本発明は、超音波トランスデューサアセンブリに関し、具体的には超音波を受信するための超音波ビームフォーマに関する。

本発明は更に、特に心臓血管又は経食道心エコー撮像のような体内超音波撮像のための超音波撮像システムに関する。

人体組織の内部等のリアルタイム画像を生成する超音波撮像システムは、一般に知られている。このような撮像システムは、多チャネル送信ビームフォーマ及び多チャネル受信ビームフォーマを含み、これらは、送信及び受信スイッチを用いて単一の超音波トランスデューサアレイに結合されているか、又は別々に送信トランスデューサアレイ及び受信トランスデューサアレイに結合されている。送信ビームフォーマは、タイミング調整した電気パルスを発生し、これらのパルスを、解析対象部分への超音波ビームを発生させる個々のトランスデューサ要素に印加する。音響エネルギの一部は、組織構造から散乱してトランスデューサアレイの方へ戻る。送信トランスデューサと同一であり得る受信トランスデューサアレイは、圧力パルスを対応する電気パルスに変換する。受信ビームフォーマは通常、補償遅延要素を備えた複数の処理チャネルを有し、各チャネルの遅延値は、選択した対象エリアから又は選択したステアリング方向から超音波を収集するように選択される。

フェーズドサブアレイ（ｐｈａｓｅｄ ｓｕｂ−ａｒｒａｙ）を備えた対応する超音波受信ビームフォーマが、例えばＵＳ５，６７６，１４７号により既知である。

超音波侵入深さ、従って対象エリアは、超音波の共振周波数に反比例するので、高い超音波周波数では、視野はトランスデューサアレイの近くにある。高品質の視野画像を提供するため、これらの高い超音波周波数では精細かつ高精度のタイミング遅延が必要である。更に、こういった周波数では、寄生システム関連時間遅延が最終的な画像品質に及ぼす影響が大きくなる。

ＵＳ４，７９０，３２０号は、超音波情報の並列処理によって、各超音波伝送で同時に多数の超音波情報ベクトルを導出するための装置を開示している。この装置は、トランスデューサアレイ内の各トランスデューサ要素において、アナログ−デジタル変換器と、各アナログ−デジタル変換器に関連付けられた遅延処理サブシステムと、を含む。全ての遅延処理サブシステムの第１の増分遅延手段の各々の出力は、第１の加算ネットワークに印加され、同時に、第２の増分遅延手段の各々の出力は、時間同期されたエコー情報の第２のベクトルを生成する第２の加算ネットワークに印加される。

本発明の目的は、わずかな技術的労力で高い画像品質が得られる改良された超音波トランスデューサアセンブリを提供することである。

更に、本発明の目的は、対応する超音波撮像システムを提供することである。

本発明の第１の態様において、超音波トランスデューサアセンブリが提案される。このアセンブリは、
超音波を受信し、それぞれ受信した超音波に対応するトランスデューサ信号を提供するための複数の超音波トランスデューサ要素と、
トランスデューサ信号に基づいて異なる出力信号を与えるための複数の信号コンバイナと、
トランスデューサ信号に異なる時間シフトを与えるための複数のタイミング要素と、
を含み、超音波トランスデューサ要素の各々が、異なる時間シフトを含むトランスデューサ信号を信号コンバイナのうち異なるものに与えるために、複数の信号コンバイナに接続されている。

本発明の別の態様において、超音波撮像システムが提案される。このシステムは、超音波を送信及び受信するための複数の超音波トランスデューサ要素を含む超音波トランスデューサアレイと、この種の超音波トランスデューサアセンブリと、を含む。

本発明の好適な実施形態は、従属クレームで規定されている。

本発明は、複数のトランスデューサ要素を有し、これらのトランスデューサ要素の異なるトランスデューサ信号が異なる時間シフトを与えられて異なる信号コンバイナに提供される超音波トランスデューサアセンブリを提供する考えに基づいている。信号コンバイナの異なる出力信号を組み合わせる場合、トランスデューサ信号の寄生遅延又はタイミングエラーを補償することができる。従って、トランスデューサ信号の時間遅延は、トランスデューサアセンブリのマイクロビーム形成出力信号の小さい振幅エラーを生じるが、ステアリング角エラーを生じないので、全体的なビームフォーマの画像品質をわずかな技術的労力で向上させることができる。

各々が複数の信号コンバイナに接続された複数の超音波トランスデューサ要素は、超音波トランスデューサアセンブリの第１のトランスデューサ要素のグループを形成する。

好適な実施形態では、超音波トランスデューサ要素の各々は、各トランスデューサ信号に異なる時間シフトを与えるための複数のタイミング要素に接続されている。これは、別個の時間シフトを達成し、異なる時間シフトを含むトランスデューサ信号を異なる信号コンバイナに与えるために実行し得ることである。

好適な実施形態では、超音波トランスデューサ要素の各々のトランスデューサ信号から複数の二次トランスデューサ信号が形成され、分割されたトランスデューサ信号の各々が信号コンバイナのうち１つにそれぞれ与えられる。二次トランスデューサ信号はトランスデューサ信号と同一であり、好ましくはトランスデューサ信号を分割又はコピーすることによって形成される。トランスデューサ要素の各々のトランスデューサ信号は、異なる信号コンバイナに与えられると共に、異なる時間シフトが与えられるので、トランスデューサ信号に含まれるタイミングエラー及び／又は伝搬遅延は相互に効果的に補償し合うことができる。

好適な実施形態では、信号コンバイナの各々は加算器を含む。これは、わずかな技術的労力で複数のトランスデューサ信号を組み合わせるために実行し得ることである。

好適な実施形態では、異なる信号コンバイナに与えられる複数のトランスデューサ要素のトランスデューサ信号は、異なる重み係数によって重み付けされる。これは、異なる時間シフトが与えられたトランスデューサ信号を個別に重み付けすることができるので、信号コンバイナで組み合わされる出力信号を個別に調整するために実行し得ることである。異なる重み係数によって、タイミングエラーの高精度の補償が達成できる。

好適な実施形態では、トランスデューサ要素の各々に増幅器又は減衰デバイスを関連付けて、トランスデューサ信号に異なる利得係数を与える。利得係数を１よりも大きく又は１よりも小さくすることでトランスデューサ信号の減衰又は増幅を可能とすることは理解されよう。これは、トランスデューサ信号をそれぞれ別個の値に設定して、エラー遅延の高精度の補償と撮像の向上を達成するために実行し得ることである。

好適な実施形態では、信号コンバイナのうち１つに与えられるトランスデューサ信号の利得係数は、異なる絶対値を有する。これは、異なる信号コンバイナの出力信号を、トランスデューサ信号の最適な組み合わせにそれぞれ設定するために実行し得ることである。

好適な実施形態では、超音波トランスデューサアセンブリは更に、第２の複数のトランスデューサ要素を含んでいる。この場合、第２の複数のトランスデューサ要素の各トランスデューサ信号に固定時間遅延を与えるため、第２の複数のトランスデューサ要素の各々に遅延要素が関連付けられている。これは、全てのトランスデューサ信号に固定時間遅延が与えられるので、個々のトランスデューサ信号に対する正及び負の時間シフトを達成するために実行し得ることである。

好適な実施形態では、第２の複数のトランスデューサ要素の各々は、信号コンバイナのうち１つに接続されている。第２の複数のトランスデューサ要素は、超音波トランスデューサアセンブリのトランスデューサ要素の第２のグループを形成する。これらのトランスデューサ要素は、信号コンバイナのうち２つに接続された第１のトランスデューサ要素のための基準信号を形成することができる。

好適な実施形態では、第２の複数のトランスデューサ要素及びそれぞれ接続された遅延要素は仮想要素である。これは、固定時間遅延を含めてこれらの基準要素をシミュレーションすることができるので、技術的労力を軽減するために実行し得ることである。

好適な実施形態では、トランスデューサ信号に与えられる時間シフトは、固定時間遅延及び相対時間シフトを含む。これは、時間シフトを正又は負の値に個別に設定するために実行し得ることである。

好適な実施形態では、信号コンバイナの第１のものに与えられるトランスデューサ信号の相対時間シフトは正の時間シフトであり、信号コンバイナの第２のものに与えられるトランスデューサ信号の相対時間シフトは負の時間シフトである。信号コンバイナに与えられる相対時間シフトは同じトランスデューサ信号の正及び負の時間シフトであるので、これは、トランスデューサ信号のタイミングエラーが相互に補償し合うために実行し得ることである。

好適な実施形態では、信号コンバイナのうち１つに提供されるトランスデューサ信号の時間シフトは、異なる絶対値を有する。これにより、タイミングエラーの高精度の補償を達成することができる。

更に好適な実施形態では、信号コンバイナのうち１つに提供されるトランスデューサ信号の時間シフトは、第１の時間シフトの倍数である。

更に好適な実施形態では、信号コンバイナのうち異なるものに提供されるトランスデューサ信号の時間シフトは、異なる極性を有する。

複数の信号コンバイナは相互に接続されて、複数の出力信号をトランスデューサアセンブリの全体的な出力信号へと組み合わせる。これは、超音波トランスデューサアセンブリの信号エラーが補償された出力信号を達成するために実行し得ることである。

更に好適な実施形態では、複数の超音波トランスデューサ要素は、相互に並列に信号コンバイナに接続されている。これは、トランスデューサ信号を異なる出力信号へと組み合わせて、タイミングエラー補償を達成するために実行し得ることである。

上述のように、本発明に従った超音波トランスデューサアセンブリは、わずかな技術的労力でトランスデューサ信号のタイミングエラー及び／又は寄生遅延を補償することができる。これは、トランスデューサ信号がそれぞれ個別に時間シフトを与えられて異なる信号コンバイナに提供されて、得られる出力信号ではタイミングエラーが相互に補償し合うようになっているからである。従って、タイミングエラーはマイクロビーム形成出力信号の振幅エラーのみを生じ、ステアリング角エラーは生じないので、画像品質を向上させることができる。

本発明のこれらの態様及びその他の態様は、以下に記載する実施形態（複数の実施形態）から明らかとなり、これらを参照して説明される。

患者の身体のあるボリュームをスキャンするために使用中の超音波撮像システムの概略図を示す。 超音波システムの既知の２対１チャネル受信ビームフォーマの概略ブロック図を示す。 タイミングエラー補償のための受信ビームフォーマの一実施形態を示す。 タイミングエラー補償のための２対１チャネル受信ビームフォーマの別の実施形態を示す。 ２対１チャネル受信ビームフォーマの更に別の実施形態を示す。 異なる受信ビームフォーマ及び異なるタイミングエラーについての異なる感度図を示す。

図１は、一実施形態に従った超音波システム１０、具体的には３次元（３Ｄ）超音波撮像システムの概略図を示す。超音波撮像システム１０を用いて、特に患者１２の解剖学的部位のような解剖学的部位のあるボリュームを検査する。超音波システムは、超音波を送信及び／又は受信するための多数のトランスデューサ要素を有する少なくとも１つのトランスデューサアレイを有する超音波プローブ１４を備えている。一例において、トランスデューサ要素の各々は、特定のパルス持続時間の少なくとも１つの送信インパルスの形態である超音波、具体的には複数の連続した送信パルスを送信することができる。トランスデューサ要素は、特に多面又は３次元の画像を提供するため、１次元アレイ又は２次元アレイに配列することができる。

超音波スキャンは通常、ターゲットボリュームとして指定され得る身体内の特定のボリュームを照射する超音波を放出することを含む。これは、超音波を多くの異なる角度で放出することによって達成することができる。次いで、反射波を受信して処理することにより、ボリュームデータセットを取得する。個々の超音波信号にそれぞれの遅延を与える受信ビームフォーマによって、超音波トランスデューサのステアリングが達成される。

超音波プローブ１４は、（図１に示すように）非侵襲的に、又は、２次元経食道心エコー検査（ＴＥＥ：ｔｒａｎｓｅｓｏｐｈａｇｅａｌ ｅｃｈｏｃａｒｄｉｏｇｒａｐｈｙ）において通常行われるように侵襲的に使用され得ることは理解されよう。超音波プローブ１４は、例えば医療スタッフ又は医師のようなシステムのユーザが手で持つことができる。超音波プローブ１４は、特に患者１２の解剖学的目的物のような解剖学的部位の画像を提供するように、患者１２の身体に与えられる。

更に、超音波システム１０は、超音波システム１０を介した超音波画像の提供を制御する制御ユニット１６を備えることができる。制御ユニット１６は、超音波プローブ１４のトランスデューサアレイを介したデータ取得を制御すると共に、超音波プローブ１４のトランスデューサアレイにより受信された超音波ビームのエコーから超音波画像を形成する信号及び画像の処理を制御する。

超音波システム１０は更に、ユーザに３Ｄ画像を表示するためのディスプレイ１８を備えることができる。また、ディスプレイ１８に接続して、又は制御ユニット１６に直接接続して、入力デバイス２０を設けることができる。

超音波システム１０は一般にビームフォーマを備えている。ビームフォーマは、トランスデューサ要素を検査対象の解剖学的部位内の焦点に対してステアリングするために設けられている。個々のトランスデューサ要素の焦点に対するステアリングは、焦点から異なるトランスデューサ要素への超音波の伝送時間を補償できるように、トランスデューサ信号に個別の時間遅延を与えることで行われる。ビームフォーマが与えるこれらの個別の時間遅延によって、ステアリングされた超音波トランスデューサを提供することができる。

ビームフォーマは、超音波プローブ１４内でトランスデューサアレイの近くに位置するマイクロビームフォーマを備えている。ビームフォーマは更に、制御ユニット１６に一体化され、粗いビーム形成のためにマイクロビームフォーマに接続されたシステムビームフォーマを備えることも可能である。超音波システム１０は更に、好ましくはマイクロビームフォーマとシステムビームフォーマとの間に接続されたアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）も備えている。

図２は、全体的に２０で示す従来技術から既知の超音波トランスデューサを示す。超音波トランスデューサ２０は、異なる時間シフトの信号を組み合わせることによってタイミングエラーの効果を低減させるように適合された２対１チャネル受信マイクロビームフォーマを備えている。超音波トランスデューサ２０は、超音波を受信すると共にそれらの超音波を電気トランスデューサ信号Ｘ１〜Ｘ４に変換するように適合された複数のトランスデューサ要素２２を備えている。トランスデューサ要素２２の各々は、電気トランスデューサ信号Ｘ１〜Ｘ４を増幅するための増幅器２４に接続され、増幅器２４は、好ましくは演算増幅器として形成されている。トランスデューサ要素２２の各々は更に、トランスデューサ要素２２から受信した電気信号Ｘ１〜Ｘ４に規定の時間シフトを与えるように適合されたタイミング要素２６に接続されている。トランスデューサ要素２２のうち２つは、電気信号を組み合わせて１つの出力信号Ｙ１、Ｙ２とするために、信号加算器２８の１つに接続されている。出力信号Ｙ１、Ｙ２は、粗い（ｃｏａｒｓｅ）ビームフォーマによって組み合わされて、超音波トランスデューサの全体的な出力信号（図示せず）となる。

信号加算器２８の１つに接続されたタイミング要素２６は、信号加算器２８においてタイミングエラーを補償できるように、電気トランスデューサ信号Ｘ１〜Ｘ４に正の時間シフト及び負の時間シフトをそれぞれ与えるように適合されている。実際には、全てのタイミング要素２６は、電気トランスデューサ信号Ｘ１〜Ｘ４に固定の正の時間遅延を与え、更に追加の相対時間シフトを与えることで、正及び負の時間シフトの実施を可能とする。

こういった標準的な２対１チャネル受信ビームフォーマの欠点は、時間遅延を極めて精密に設定しなければならないことと、中程度のタイミングエラーではグレーティングローブがすでに発生しているので、得られる画像品質が影響を受けることである。

図３は、全体的に３０で示す本発明の一実施形態に従った超音波トランスデューサアセンブリを示す。超音波トランスデューサアセンブリ３０は、超音波を受信するため、及び全体的にＸ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４、Ｘ５で示す電気トランスデューサ信号を与えるための、複数のトランスデューサ要素３２、３４、３６、３８、４０を備えている。超音波トランスデューサアセンブリ３０は一般に、超音波トランスデューサ要素３２〜４０に接続された超音波ビームフォーマも備えている。図３に示す超音波ビームフォーマは、４対１チャネルマイクロビームフォーマとして形成されている。超音波ビームフォーマは、以下で説明するように、電気トランスデューサ信号Ｘ１〜Ｘ５に対して時間シフトを与えることによって、超音波トランスデューサ要素３２〜４０のステアリング及び焦点（ｐｏｉｎｔ）への集束を行う。超音波トランスデューサ要素３２〜４０は、２次元又は３次元の超音波画像を提供するため、１次元又は２次元のトランスデューサ要素アレイに配列することができる。

超音波トランスデューサアセンブリ３０、特に超音波マイクロビームフォーマは、第１の出力信号Ｙ１及び第２の出力信号Ｙ２を与える第１の信号コンバイナ４２及び第２の信号コンバイナ４４を備えている。信号コンバイナ４２、４４は、超音波トランスデューサ信号Ｘ１〜Ｘ４及びＸ２〜Ｘ５に基づいて電気信号を組み合わせて出力信号Ｙ１、Ｙ２を形成する信号加算器として形成されている。信号コンバイナ４２、４４の各々は、トランスデューサ要素３４、３６、３８が相互に並列接続されるようにトランスデューサ要素３４、３６、３８に接続されている。

トランスデューサ要素の第１のグループを形成するトランスデューサ要素３４、３６、３８の各々は、第１の利得要素４６及び第１のタイミング要素４８を介して第１の加算器４２に接続されている。トランスデューサ要素３４、３６、３８は更に、第２の利得要素５０及び第２のタイミング要素５２を介して第２の信号コンバイナ４４に接続されている。好ましくは、超音波トランスデューサ信号Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４を分割又はコピーすることによって、超音波トランスデューサ信号Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４から複数の、この場合は２つの二次超音波信号が形成され、これらの二次信号は利得要素４６、５０によって利得係数ｇが与えられて、タイミング要素に提供される。二次超音波信号は、各超音波トランスデューサ信号Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４と同一である。二次トランスデューサ信号は更に、タイミング要素４８、５２によって時間シフトτが与えられる。利得要素４６、５０及びタイミング要素４８、５２は、各トランスデューサ要素３４〜３６の位置に応じて、また、利得及び時間シフトが与えられた信号がそれぞれ信号コンバイナ４２、４４のどちらに提供されるかに応じて、超音波トランスデューサ信号Ｘ２〜Ｘ４に異なる利得係数及び異なる時間シフトτを与える。

トランスデューサ要素３２、４０の各々は、利得要素５４及びタイミング要素５６を介して、信号コンバイナ４２、４４の一方だけに接続されている。それぞれ信号コンバイナ４２、４４の一方に接続されたトランスデューサ要素３２、４０は、トランスデューサ要素の第２のグループに属する。利得要素５４は、各超音波トランスデューサ信号Ｘ１、Ｘ５に基準利得を与え、タイミング要素５６は、超音波トランスデューサ信号Ｘ１、Ｘ５に固定時間遅延τ１を与える。第１及び第２のタイミング要素４８、５２の各々は、各超音波トランスデューサ信号Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４に固定遅延τ１を与え、更に、第１のタイミング要素４８の場合は正であり第２のタイミング要素５２の場合は負である追加の時間シフトを与える。従って、第１の信号コンバイナ４２に与えられる信号は、固定時間遅延τ１に対して負の時間シフトを有し、第２の信号コンバイナ４４に与えられる信号は、固定遅延τ１に対して正の時間シフトを有する。出力信号Ｙ１、Ｙ２は最終的に、例えばシステムビームフォーマによって組み合わされて、トランスデューサアセンブリ３０の全体的な出力信号（図示せず）となる。

各トランスデューサ信号Ｘ１〜Ｘ５が出力信号Ｙ１、Ｙ２の波形に対して別個の影響を及ぼすように、信号コンバイナ４２、４４に与えられる信号にそれぞれ重み付するため、各信号に重み係数を与えることも可能である。

異なる時間シフト及び異なる重み付けの超音波トランスデューサ信号Ｘ１〜Ｘ５が、異なる信号コンバイナ４２、４４によって組み合わされるので、この結果として得られる全体的な出力信号は、従来技術から既知の超音波ビームフォーマに比べ、プログラムされた遅延プロファイル上のタイミングエラーに対する感度が低くなる。

利得要素４６、５０、５４及びタイミング要素４８、５２、５６の利得係数ｇ及び時間シフトτは、異なる値を有する。時間シフト及び利得係数は概ね以下の通りである。
τ１＝固定遅延、全ての遅延を効果的に正にするため充分に大きい
τ２ａ＝τ１−Δτ
τ２ｂ＝τ１＋（Ｎ−１）Δτ
τ３ａ＝τ１−２Δτ
τ３ｂ＝τ１＋（Ｎ−２）Δτ
τ４ａ＝τ１−３Δτ
τ４ｂ＝τ１＋（Ｎ−３）Δτ
ｇ１＝基準利得
ｇ２ａ＝（Ｎ−１）／Ｎ＊ｇ１
ｇ２ｂ＝１／Ｎ＊ｇ１
ｇ３ａ＝（Ｎ−２）／Ｎ＊ｇ１
ｇ３ｂ＝２／Ｎ＊ｇ１
・・・・
ｇＮａ＝１／Ｎ＊ｇ１
ｇＮｂ＝（Ｎ−１）／Ｎ＊ｇ１
ここで、Δτは算出された信号伝搬遅延差の増分補正であり、Ｎはサブチャネル内のトランスデューサ要素３２〜３８の数であり、この例ではＮ＝４である。この構造を用いて、Ｎ対１チャネル受信ビームフォーマを提供することができる。ここで、Ｎは１より大きい任意の自然数である。

特定の実施形態では、ＡＤＣをマイクロビームフォーマに一体化し、トランスデューサ要素と利得要素５４、４６、５０との間に接続することができる。特定の実施形態では、ＡＤＣの前段に、全てのチャネルについて固定利得を有する低雑音増幅器がある。

更に別の実施形態では、信号コンバイナ４２、４４の一方にのみ接続された要素の第２のグループのトランスデューサ要素３２、４０は、仮想トランスデューサ要素として実施することができる。この場合、第１のグループのトランスデューサ要素の固定時間遅延は、仮想トランスデューサ要素の固定時間遅延に合致させる。

この場合、時間シフト及び利得係数は概ね以下の通りである。
τ１＝固定遅延、全ての遅延を効果的に正にするため充分に大きい
τ２ａ＝τ１−０．５＊Δτ
τ２ｂ＝τ１＋（Ｎ−０．５）Δτ
τ３ａ＝τ１−１．５Δτ
τ３ｂ＝τ１＋（Ｎ−１．５）Δτ
τ４ａ＝τ１−２．５Δτ
τ４ｂ＝τ１＋（Ｎ−２．５）Δτ
ｇ１＝基準利得
ｇ２ａ＝（Ｎ）／（Ｎ＋１）＊ｇ１
ｇ２ｂ＝１／（Ｎ＋１）＊ｇ１
ｇ３ａ＝（Ｎ−１）／（Ｎ＋１）＊ｇ１
ｇ３ｂ＝２／（Ｎ＋１）＊ｇ１
・・・・
ｇＮａ＝（１）／（Ｎ＋１）＊ｇ１
ｇＮｂ＝（Ｎ）／（Ｎ−１）／＊ｇ１
ここで、Δτは算出された信号伝搬遅延差の増分補正であり、Ｎはサブチャネル内の非仮想（実）トランスデューサ要素３４、３６、３８の数である（この例ではＮ＝３）。

図４は、２対１チャネルマイクロビームフォーマを含む超音波トランスデューサアセンブリ３０の一実施形態を示す。この実施形態では、超音波トランスデューサアセンブリ３０は３つ以上の信号コンバイナ６０、６２、６４を備え、これらは、２つ又は３つのトランスデューサ要素３２〜４０の超音波トランスデューサ信号Ｘ１〜Ｘ５に基づいて信号を組み合わせる。信号コンバイナ６０、６２、６４は、好ましくは信号加算器として形成され、マイクロビームフォーマの出力信号Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３を提供する。これらの出力信号は、（粗い）システムビームフォーマ（図示せず）によって組み合わされて全体的な出力信号となる。この実施形態では、トランスデューサ要素の第２のグループに属するトランスデューサ要素３２、３６、４０は、利得要素５４及びタイミング要素５６を介して、それぞれ信号コンバイナ６０、６２、６４に直接接続されている。トランスデューサ要素の第１のグループに属するトランスデューサ要素３４、３８は、各超音波トランスデューサ信号Ｘ２、Ｘ４に利得係数ｇを与えるための利得要素６６に接続されている。ここで、利得係数ｇを含む超音波トランスデューサ信号Ｘ２、Ｘ４から、２つの別個の二次トランスデューサ信号が形成される。二次トランスデューサ信号は、トランスデューサ信号Ｘ２、Ｘ４を分割又はコピーすることによって形成される。これらの二次トランスデューサ信号は、利得係数を除いて二次トランスデューサ信号と同一である。２つの二次トランスデューサ信号は、第１のタイミング要素６８及び第２のタイミング要素７０によってそれぞれ時間シフトされ、これら２つの二次トランスデューサ信号は信号コンバイナ６０、６２、６４のうち異なるものに与えられる。従って、トランスデューサ要素の第２のグループに属し、奇数の列のトランスデューサ要素であるトランスデューサ要素３２、３６、４０は、信号コンバイナ６０、６２、６４のうち１つに直接接続され、偶数の列のトランスデューサ要素であるトランスデューサ要素３４、３８は、信号コンバイナ６０、６２、６４のうち２つに接続されている。

上述のように、タイミング要素５６は各超音波トランスデューサ信号Ｘ１、Ｘ３、Ｘ５に固定遅延τ１を与え、タイミング要素６８、７０は超音波トランスデューサ信号Ｘ２、Ｘ４に固定遅延τ１を与え、更に相対時間シフト−Δτ、＋Δτを与える。タイミング要素６８は負の時間シフト−Δτを、タイミング要素７０は正の時間シフト＋Δτを、各超音波トランスデューサ信号Ｘ２、Ｘ４に与える。

超音波トランスデューサ信号Ｘ２、Ｘ４には、異なる時間シフトが与えられると共に利得係数ｇによる利得が与えられるので、全体的な出力信号は、従来技術から既知のビームフォーマに比べ、プログラムされた遅延プロファイルのタイミングエラーに対する感度が低くなることで、トランスデューサアセンブリのいっそう精密なステアリング及びいっそう高精度の撮像を達成することが可能となる。

特定の実施形態では、ＡＤＣをマイクロビームフォーマに一体化し、トランスデューサ要素と利得要素５４、５６との間に接続することができる（実際には、ＡＤＣの前段に、この場合は全てのチャネルについて固定利得を有する低雑音増幅器がある）。

図５は、超音波トランスデューサアセンブリ３０の更に別の実施形態を示す。この実施形態では、トランスデューサアセンブリ３０は３つ以上の信号コンバイナ６０、６２、６４を備え、これらの各々は、異なる超音波トランスデューサ要素３２〜４０により与えられた異なる超音波トランスデューサ信号Ｘ１〜Ｘ５に基づく各信号を受信する。

図４の実施形態と同じように、超音波トランスデューサ要素３４、３８の超音波トランスデューサ信号Ｘ２、Ｘ４は、利得係数ｇが与えられ、２つの分割信号に分割され、これらの信号は、タイミング要素６８、７０によって異なる時間シフト（正及び負）が与えられ、それぞれ近傍の信号コンバイナ６０、６２、６４に提供される。

超音波トランスデューサ要素３２、３６、４０の超音波トランスデューサ信号Ｘ１、Ｘ３、Ｘ５は、利得要素５４によって利得係数ｇが与えられ、２つ又は３つの分割信号に分割され、これらのうち１つの分割信号は、タイミング要素５６によって固定時間遅延が与えられ、このように遅延された信号は信号コンバイナ６０、６２、６４の１つに与えられる。他の分割信号は、第１のタイミング要素７２及び第２のタイミング要素７４によって時間シフトされ、このように異なる時間シフトが与えられた信号は、信号コンバイナ６０、６２、６４のうち異なるものに与えられる。第１のタイミング要素７２は、各分割信号に固定時間遅延τ及び負の時間シフトを与え、第２のタイミング要素７４は、分割信号に固定遅延τ及び正の時間シフトを与える。この特定の実施形態では、３つの二次トランスデューサ信号が、分割又はコピーによって超音波トランスデューサ信号Ｘ３、Ｘ５から形成され、異なる時間シフトで信号コンバイナの３つに与えられる。超音波トランスデューサ信号Ｘ２、Ｘ４は、２つの分割信号に分割され、異なる時間シフトで信号コンバイナ６０、６２、６４のうち２つに与えられる。

更に、超音波トランスデューサ信号Ｘ１〜Ｘ５に基づいて出力信号Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３を別個に形成するため、分割信号は信号コンバイナ６０、６２、６４において重み係数（Ｇ、１〜２Ｇ）により重み付けされる。３つ以上のトランスデューサ要素３２〜４０の信号が信号コンバイナ６０、６２、６４で組み合わされるので、超音波トランスデューサアセンブリのこの実施形態が提供するマイクロビームフォーマ出力信号は、単純な２対１チャネルマイクロビームフォーマに比べ、プログラムされた遅延プロファイルのタイミングエラーに対する感度が更に低くなる。

特定の実施形態では、ＡＤＣをマイクロビームフォーマに一体化し、トランスデューサ要素と利得要素５４、６６との間に接続することができる。実際には、ＡＤＣの前段に、この場合は全てのチャネルについて固定利得を有する低雑音増幅器がある。

以下で、プログラムされたタイミングエラーに対する感度を明らかにするため、図２の超音波トランスデューサアセンブリ２０並びに図４及び図５の超音波トランスデューサアセンブリ３０の全体的な出力信号のグレーティングローブの振幅を計算する。

実際には、発生したマイクロビームフォーマ遅延は所望の遅延と完全に等しいわけではない。これら２つの遅延の差はΔτ＿ｅｒｒｏｒである。
＋Δτ＿ｇｅｎ＝＋Δτ＋Δτ＿ｅｒｒｏｒ
−Δτ＿ｇｅｎ＝−Δτ−Δτ＿ｅｒｒｏｒ

正の遅延のエラーは、負の遅延のエラーと大きさは等しいが符号は負であると想定されることに留意すべきである。同じタイプの回路を用いた同一のＡＳＩＣ上で遅延を発生させるので、この想定は現実的である。

以下に従って、２つのトランスデューサ要素の超音波反射を、共振周波数ω_ＲＥＳの周囲の狭帯域信号によりモデル化できると想定する。
Ｘ１（ｔ）＝Ａ（ｔ−Δτ_ｒｅａｌ／２）＊ｓｉｎ（ω_ＲＥＳ（ｔ−Δτ_ｒｅａｌ／２））
Ｘ２（ｔ）＝Ａ（ｔ＋Δτ_ｒｅａｌ／２）＊ｓｉｎ（ω_ＲＥＳ（ｔ＋Δτ_ｒｅａｌ／２））

＋Δτ＿ｒｅａｌは、実際の反射がステアリング及び合焦の方向から到達する場合の、実際の反射及び＋Δτについての超音波信号Ｘ１及びＸ２の信号伝搬遅延差である。
Ａ（ｔ）＝時間の関数としてのエンベロープの振幅

図２に示す超音波トランスデューサアセンブリ（従来技術）の出力信号Ｙ１＿１は、以下のように記述することができる。
Ｙ１＿１（ｔ）＝Ｘ１（ｔ＋Δτ＿ｇｅｎ／２）＋Ｘ２（ｔ＿Δτ_ｇｅｎ／２）
＝Ａ（ｔ−Δτ＿ｒｅａｌ／２＋Δτ＿ｇｅｎ／２）＊ｓｉｎ（ω_ＲＥＳ（ｔ−Δτ＿ｒｅａｌ／２＋Δτ＿ｇｅｎ／２））＋
Ａ（ｔ＋Δτ＿ｒｅａｌ／２−Δτ＿ｇｅｎ／２）＊ｓｉｎ（ω_ＲＥＳ（ｔ＋Δτ＿ｒｅａｌ／２- Δτ＿ｇｅｎ／２））

ステアリング方向から来る音響エネルギ（Ｙ１＿１ｓ）について、この式を以下のように書き直すことができる。

第１のグレーティングローブを生じる方向から来る音響エネルギ（Ｙ１＿１ｇ）について、この式を以下のように書き直すことができる。

図４に示す超音波トランスデューサ３０の場合、ビームフォーマは、全ての奇数（偶数）のトランスデューサ信号に対して透過的である。偶数（奇数）の信号は２つの信号コンバイナに伝送される。例えばトランスデューサ要素Ｘ２の信号は、以下に従って、出力Ｙ１及びＹ２において可視的である。

典型的に、利得係数（利得）は０．５．．０．６である。システムビームフォーマ（図示せず）では、信号は以下に従って組み合わされる。
ここで、Δτ＿ｓｙｓは、撮像システムにおいて外部に配置されたシステムビームフォーマで生成される遅延である。このシステムは、正確なステアリング又は合焦遅延を発生すると想定される（システムビームフォーマは典型的にマイクロビームフォーマに比べて著しく計算パワーが大きい）ので、以下のようになる。
＋Δτ＿ｓｙｓ＝＋ Δτ ＝＋Δτ＿ｇｅｎ−Δτ＿ｅｒｒｏｒ
−Δτ＿ｓｙｓ＝− Δτ ＝−Δτ＿ｇｅｎ＋Δτ＿ｅｒｒｏｒ
式３及び式４を書き直すと、以下が与えられる。

ここで、トランスデューサ要素の第１及び第２のグループによって出力に与えられる奇数及び偶数のトランスデューサ信号の有効な寄与の計算が可能となる。
Ｙ１２＿２（ｔ）＝Ｘ１（ｔ−Δτ＿ｒｅａｌ／２＋Δτ＿ｓｙｓ／２）＋Ｙｔｏｔａｌ＿２（ｔ＋Δτ＿ｒｅａｌ／２−Δτ＿ｓｙｓ／２）

ステアリング方向から来る音響エネルギ（Ｙ１２＿２ｓ）について、この式を以下のように変形することができる。

第１のグレーティングローブを生じる方向から来る音響エネルギ（Ｙ１２＿２ｇ）について、式を以下のように書き直すことができる。

式７は、中程度のタイミングエラーのビームフォーマを含む、本明細書で提案される超音波トランスデューサのグレーティングローブの振幅が、標準的なビームフォーマ（式２）のグレーティングローブの振幅よりも低いことを示す。標準的なマイクロビームフォーマの場合は、タイミングエラーによって奇数及び偶数の超音波信号間に位相エラーが生じるのに対し、提案されるマイクロビームフォーマでは、タイミングエラーによって振幅エラーが生じる。全てのタイミングエラーの結果、分割又はコピーされた二次トランスデューサ信号（式５）の振幅が小さくなるので、＞０．５の利得係数、例えばｇ＝［０．５．．．０．６］を選択することは、撮像性能のために魅力的である。

図５に示す提案される超音波トランスデューサ３０の第２の実施形態の場合、タイミングエラーの影響は更に軽減される。偶数のトランスデューサ信号の処理は同じままであり、典型的な利得の値はｇ＝０．５である。奇数信号の大部分について、ビームフォーマは透過的なままである。

奇数信号の一部は近傍の出力ノードに伝送される。例えばトランスデューサ要素Ｘ３の信号は、以下に従って、出力Ｙ１、Ｙ２、及びＹ３において可視的である。

典型的に、利得係数ｇ＝０．５及びＧ＝０．１６６７である。撮像システム（図示せず）のシステムビームフォーマにおいて、以下に従って信号は再び組み合わされる。
ここで、Δτ＿ｓｙｓは、撮像システムにおいて外部に配置されたシステムビームフォーマで生成される増分遅延である。このシステムは正確なステアリング又は合焦遅延を発生すると想定される。
＋Δτ＿ｓｙｓ＝＋Δτ ＝＋Δτ＿ｇｅｎ−Δτ＿ｅｒｒｏｒ
−Δτ＿ｓｙｓ＝−Δτ ＝−Δτ＿ｇｅｎ＋Δτ＿ｅｒｒｏｒ
式８及び式９を書き直すと、以下が与えられる。

ここで、出力に対する奇数及び偶数の信号の有効な寄与を計算することが可能となる。
Ｙ１２＿３（ｔ）＝Ｙｔｏｔａｌ＿３（ｔ−Δτ＿ｒｅａｌ／２＋Δτ＿ｓｙｓ／２）＋Ｙｔｏｔａｌ＿２（ｔ＋Δτ＿ｒｅａｌ／２−Δτ＿ｓｙｓ／２）

ステアリング方向から来る音響エネルギ（Ｙ１２＿３ｓ）について、この式を以下のように変形することができる。

第１のグレーティングローブを生じる方向から来る音響エネルギ（Ｙ１２＿３ｇ）について、この式を以下のように書き直すことができる。

式１２から、グレーティングローブはタイミングエラーに対する依存性が低いこと、従って超音波トランスデューサアセンブリ３０は一般にタイミングエラーに対して感度が低いことは明らかである。

図６ａ〜図６ｃに、図２、図４、及び図５の超音波トランスデューサアセンブリ２０、３０の角度感度を、様々なタイミングエラー値について示す。感度は−３６度のステアリング角について計算し、グレーティングローブは＋２５度の角度で発生している。

全ての事例は、各超音波ビームフォーマを含むトランスデューサアレイの遠視野感度に関するものである。ビームが−３６度の角度にステアリングされるように、コース遅延（ｃｏｕｒｓｅ ｄｅｌａｙ）がプログラムされている。シミュレーション感度は、０．１＊Ｔ_ｒｅｓ／２０、２＊Ｔ_ｒｅｓ／２０、及び３＊Ｔ_ｒｅｓ／２０のビームフォーマタイミングエラーについて示されている。ここで、Ｔ_ｒｅｓはトランスデューサ共振周波数の時間期間である。

図６ａに示されるように、標準的な２対１ビームフォーマを含む、図２に示したトランスデューサアレイ２０の感度は、ゼロのタイミングエラーではグレーティングローブが存在しないが、タイミングエラーが増大すると、第１のグレーティングローブ（＋２５度で発生する）の振幅が増大する。

図６ｂは、図４に示した超音波トランスデューサアセンブリのシミュレーションを示す。２５度のグレーティングローブは、３＊Ｔ_ｒｅｓ／２０のタイミングエラーで見えるだけである。もっと小さいタイミングエラーでは、グレーティングローブの振幅は急速に低減する。

図６ｃは、図５のマイクロビームフォーマを用いた超音波トランスデューサの感度のシミュレーションを示す。このシミュレーション図は、タイミングエラーは−３６度のステアリング角において感度を低下させるが、グレーティングローブは見られないことを示している。

従って、本発明に従った超音波トランスデューサアセンブリ３０は、従来技術から既知のトランスデューサアセンブリに比べ、タイミングエラーに対する感度が低下している。

本発明について図面及び前述の説明において詳しく図示し記述したが、そのような図示及び記述は限定でなく、説明又は例示と見なされる。本発明は、開示される実施形態に限定されない。図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲を精査することにより、当業者は、特許請求される本発明を実施する際に、開示される実施形態の他の変形を理解し実行することができる。

特許請求の範囲において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という言葉は他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数を除外しない。単一の要素又は他のユニットが、特許請求の範囲に列挙されるいくつかのアイテムの機能を遂行し得る。相互に異なる従属クレームにいくつかの測度（ｍｅａｓｕｒｅｓ）が記載されているという単なる事実は、これらの測度の組み合わせを有利に使用できないことを示すものではない。

特許請求の範囲における参照符号は範囲を限定するものと解釈されない。

Claims (15)

1. 超音波を受信し、それぞれ受信した当該超音波に対応するトランスデューサ信号を提供するための複数の超音波トランスデューサ要素と、
   前記トランスデューサ信号に基づいて異なる出力信号を与えるための複数の信号コンバイナと、
   前記トランスデューサ信号に異なる時間シフトを与えるための複数のタイミング要素と、を含む超音波トランスデューサアセンブリであって、
   超音波トランスデューサ要素の各々が、前記異なる時間シフトを含む前記トランスデューサ信号を異なる信号コンバイナに与えるために、前記複数の信号コンバイナに接続されていて、
   前記複数の信号コンバイナは相互に接続されて、複数の出力信号を前記トランスデューサアセンブリの全体的な出力信号へと組み合わせる、
   超音波トランスデューサアセンブリ。
2. 前記超音波トランスデューサ要素の各々は、各トランスデューサ信号に前記異なる時間シフトを与えるための複数の前記タイミング要素に接続されている、請求項１に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
3. 前記超音波トランスデューサ要素の各々のトランスデューサ信号から複数の二次トランスデューサ信号が形成され、前記二次トランスデューサ信号の各々が前記信号コンバイナのうち１つにそれぞれ与えられる、請求項１に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
4. 前記信号コンバイナの各々は信号加算器を含む、請求項１に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
5. 異なる信号コンバイナに与えられる前記複数のトランスデューサ要素の前記トランスデューサ信号は、異なる重み係数によって重み付けされる、請求項１に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
6. 前記トランスデューサ信号に異なる利得係数を与えるために、増幅器又は減衰デバイスが前記トランスデューサ要素の各々に関連付けられる、請求項１に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
7. 前記信号コンバイナのうち１つに与えられる前記トランスデューサ信号の前記利得係数は、異なる絶対値を有する、請求項６に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
8. 第２の複数のトランスデューサ要素の各トランスデューサ信号に固定時間遅延を与えるため、当該第２の複数のトランスデューサ要素の各々に遅延要素が関連付けられている当該第２の複数のトランスデューサ要素を更に含む、請求項１に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
9. 前記第２の複数のトランスデューサ要素の各々は、前記信号コンバイナのうち１つに接続されている、請求項８に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
10. 前記第２の複数のトランスデューサ要素及びそれぞれ接続された前記遅延要素は仮想要素である、請求項８に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
11. 前記トランスデューサ信号に与えられる前記時間シフトは、固定時間遅延及び相対時間シフトを含む、請求項１に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
12. 信号コンバイナの第１のものに与えられる前記トランスデューサ信号の相対時間シフトは正の時間シフトであり、前記信号コンバイナの第２のものに与えられる前記トランスデューサ信号の前記相対時間シフトは負の時間シフトである、請求項１１に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
13. 前記信号コンバイナのうち１つに与えられる前記トランスデューサ信号の前記時間シフトの各々は、異なる絶対値を有する、請求項１１又は１２に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
14. 前記複数の超音波トランスデューサ要素は、相互に並列に前記信号コンバイナに接続されている、請求項１に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
15. 超音波を送信及び受信する複数の超音波トランスデューサ要素を含む超音波トランスデューサアレイと、請求項１に記載の超音波トランスデューサアセンブリとを含む、超音波撮像システム。