JP4242472B2

JP4242472B2 - 超音波トランスデューサ・アレイ及び超音波イメージング・システム

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Publication number: JP4242472B2
Application number: JP12496598A
Authority: JP
Inventors: リチャード・ヤング・チャオ; ダグラス・グレン・ワイルズ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1998-05-07
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2018-05-07
Also published as: JPH1170111A; US5882309A; IL124168A; FR2763166A1; FR2763166B1

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、多数行型（multi-row）超音波トランスデューサ・アレイ（配列）を有している医用超音波イメージング・システムに関する。具体的には、本発明は、方位角方向に方向制御することが可能であるが、仰角方向に方向制御することが可能でない多数行型超音波トランスデューサ・アレイに関する。
【０００２】
【発明の背景】
従来の超音波イメージング・システムは、超音波ビームを送信し、次いで、被検体からの反射ビームを受信するのに用いられる超音波トランスデューサのアレイを備えている。超音波イメージングの場合、１次元のアレイが、典型的には、１行に配列されていると共に別個の電圧で駆動されている多数のトランスデューサを有している。印加電圧の時間遅延（又は位相）及び振幅を選択することにより、個々のトランスデューサを制御して超音波を発生することができ、これらの超音波を合計して、好ましいベクタ方向に沿って走行しており且つビームに沿って選択された１点に集束している正味の超音波を形成する。同一の解剖学的情報を表すデータを収集するために、多数のファイアリング（firing）を用いてもよい。ファイアリングの各々についてビーム形成パラメータを変化させると、最大焦点に変化を与えたり、又は、例えば各々のビームの焦点を前のビームの焦点に対して移動させながら同じ走査線に沿って連続したビームを送信することにより、各々のファイアリングについての受信データの内容を変化させたりすることができる。印加電圧の時間遅延及び振幅を変化させることにより、ビームはその焦点に関して、物体を走査するための平面内で移動することができる。
【０００３】
トランスデューサ・アレイが、反射音を受信するために用いられているとき（受信モード）にも同じ原理が適用される。受信中のトランスデューサで発生される電圧は、正味の信号が物体内の単一の焦点から反射されている超音波を示すものになるように合計される。送信モードの場合と同様に、受信中の各々のトランスデューサからの信号に対して別個の時間遅延（及び／又は位相シフト）及びゲインを与えることにより、超音波エネルギの上述のような集束した受信を達成することができる。
【０００４】
図１を見ると、従来の超音波イメージング・システムが、別個に駆動される複数のトランスデューサ素子１２で構成されているトランスデューサ・アレイ１０を含んでいる。複数のトランスデューサ素子１２の各々は、送信器（図示されていない）によって発生されたパルス状波形によってエネルギを与えられたときに、単位バーストの超音波エネルギを発生する。被検体からトランスデューサ・アレイ１０へ反射されて戻った超音波エネルギは、受信を行う各々のトランスデューサ素子１２によって電気信号へ変換され、ビームフォーマ１４に別個に印加される。
【０００５】
超音波エネルギの各々のバーストによって発生されたエコー信号は、超音波ビームに沿って並んだ連続したレンジに位置している物体から反射したものである。エコー信号は、各々のトランスデューサ素子１２によって別個に感知され、特定の時点におけるエコー信号の振幅が、特定のレンジにおいて生じた反射の量を表している。但し、超音波を散乱させるサンプル空間と各々のトランスデューサ素子１２との間の伝播経路に差があるので、これらのエコー信号は同時には検出されず、又、これらのエコー信号の振幅は等しくならない。ビームフォーマ１４は、別個のエコー信号を増幅し、その各々に対して適正な時間遅延を与えると共にこれらを加算して、サンプル空間から反射された全体の超音波エネルギを正確に示す単一のエコー信号を形成する。各々のビームフォーマ・チャンネル１６が、それぞれのトランスデューサ素子１２からアナログのエコー信号を受け取る。
【０００６】
各々のトランスデューサ素子１２に入射するエコーによって発生される電気信号を同時に合計するために、ビームフォーマ・コントローラ２２によって、各々の別個のビームフォーマ・チャンネル１６に時間遅延が導入される。受信用のビーム時間遅延は、送信用の時間遅延と同じ遅延である。しかしながら、各々のビームフォーマ・チャンネルの時間遅延はエコーの受信中に絶えず変化して、受信されたビームを、エコー信号が発している起点のレンジの位置に動的に集束させる。ビームフォーマ・チャンネルは又、受信されたパルスをアポダイズすると共にフィルタリングするための回路機構（図示されていない）を有している。
【０００７】
加算器１８に入る信号は、他のビームフォーマ・チャンネル１６の各々からの遅延された信号と加算されたときに、加算後の信号が、方向制御されたビームに沿って位置しているサンプル空間から反射されたエコー信号の振幅及び位相を示すものになるように遅延されている。信号プロセッサ又は検出器２０が、受け取った信号を表示データへ変換する。Ｂモード（グレイ・スケール）では、表示データは、エッジ強調及び対数圧縮等の何らかの追加処理を施された信号の包絡線となる。スキャン・コンバータ６が、検出器２０から表示データを受け取って、このデータを表示用の所望の画像へ変換する。具体的には、スキャン・コンバータ６は、音響画像データを、極座標（Ｒ−θ）のセクタ・フォーマット又はデカルト座標の線形アレイから、ビデオ速度で適当にスケーリングされたデカルト座標の表示ピクセル・データへ変換する。次いで、これらのスキャン・コンバートされた音響データは、表示モニタ８に表示するために出力され、表示モニタ８は、信号の包絡線の時間変化する振幅をグレイ・スケールとして画像表示する。
【０００８】
従来の殆どのトランスデューサ・アレイでは、各素子は微小なピッチ（中心において１つの音波長の２分の１）で離隔されて、単一の列に配列されている。仰角方向（配列の軸及びイメージング平面に対して垂直）では、単一行トランスデューサ素子は大きく（波長の１０倍）、ビーム形成は固定焦点の音響レンズによって行われている。従来の１次元（１Ｄ）整相列型プローブは、優れた横方向及び軸方向の分解能を有しているが、仰角性能は、固定されたレンジに集束している固定された開口によって決定されている。レンズの焦点距離は、プローブの意図されている用途について最も重要性を持つイメージング・レンジの近傍で最大のコントラスト分解能を与えるように選択されている。仰角開口は、レンズ焦点の近傍でのコントラスト分解能及び感度（大きな開口によって改善される）と、音場の深さ、又は焦点から離れた位置でのコントラスト（より小さな開口によって改善される）との間の兼ね合いである。仰角開口は典型的には、レンズ焦点距離の１／６〜１／３（ｆ／６〜ｆ／３）であり、これにより、焦点の所で良好なスライス厚さ（即ち、イメージング平面に垂直な平面におけるビーム幅であり、「仰角ビーム幅」とも呼ばれる。）及び良好なコントラスト分解能が得られると共に、適度な音場の深さが得られる。しかしながら、このようなプローブの近距離音場及び遠距離音場での性能（仰角スライス厚さ及びコントラスト分解能）は、レンズ焦点での性能よりも遥かに低い。
【０００９】
現在の単一行（「１Ｄ」）型アレイの限定された仰角性能を向上させるために、いわゆる「１．２５Ｄ」アレイ、「１．５Ｄ」アレイ及び「２Ｄ」アレイを含めた様々な形式の多数行型トランスデューサ・アレイが開発されている。ここで用いる際には、これらの用語は以下の意味を有するものとする。（１Ｄ）仰角開口は固定されており、焦点は固定されたレンジに位置している。（１．２５Ｄ）仰角開口は可変であるが、集束は静的である。（１．５Ｄ）仰角方向の開口、シェーディング及び集束は動的に可変であるが、アレイの中心線に関して対称である。（２Ｄ）仰角方向の形状及び性能は、電子式のアポダイゼーション、集束及び方向制御をフルに行うことができ、方位角方向と同等である。１．２５Ｄプローブの仰角開口は、レンジと共に増大するが、その開口の仰角方向での集束は静的であって、１つ（又は複数）の固定された焦点を備えた機械的なレンズによって主として決定されている。１．２５Ｄプローブは、１Ｄプローブよりも実質的に優れた近距離音場及び遠距離音場のスライス厚さ性能を与えることができ、又、追加のシステム・ビームフォーマ・チャンネルを要求しない。１．５Ｄプローブは、仰角方向で動的な集束及びアポダイゼーションを行うために、追加のビームフォーマ・チャンネルを用いる。１．５Ｄプローブは、特に中距離音場及び遠距離音場において、１．２５Ｄプローブに匹敵する細部分解能を与えることができ、コントラスト分解能については１．２５Ｄプローブよりも実質的に優れている。
【００１０】
図２Ａ及び図２Ｂは、丈が長く狭いトランスデューサ素子１２の単一の行を備えた従来の１Ｄアレイ１０Ａを示している。超音波パルスは、半円筒形状の集束用レンズ２４を介して送信される。各々のトランスデューサ素子は、それぞれの電気導体２６によって別個のビーム形成チャンネル１６（図１を見よ）に接続されている。
【００１１】
図３Ａ及び図３Ｂは、フレネル（Fresnel）行ピッチでトランスデューサ素子の５つの行１２ａ〜１２ｅを備えた従来の１．５Ｄアレイ１０Ｂを示している。超音波パルスはこの場合も、単一焦点のレンズ２４を介して送信される。単一焦点レンズ２４を備えた１．５Ｄアレイの場合、フレネル行ピッチによって、開口を横断する最悪のケースの位相誤差（集束誤差）が最小化される。アレイの中心線をｙ＝０と定義し、外側のエッジをｙ＝ｙ_maxと定義すると、行のエッジは、中心線から（（１／３）^1/2，（２／３）^1/2，１）ｙ_maxの距離に位置していることになる。中央の行のトランスデューサ素子からの信号リード２６は、ビームフォーマ・チャンネルの第１のセット２ａに接続されている。中央の行以外の行のアレイ素子は、中心線に関して対称になるように、対として電気的に接続されている。トランスデューサ素子の中間の行の各々の対からの信号リード２８は、ビームフォーマ・チャンネルの第２のセット２ｂに接続されている。同様に、トランスデューサ素子の最も外側の行の各々の対からの信号リード３０は、ビームフォーマ・チャンネルの第３のセット２ｃに接続されている。ビームフォーマ・チャンネル２ａ〜２ｃは、１．５Ｄアレイ１０Ｂの各々のトランスデューサ素子又は素子の各々の対について独立の時間遅延、アポダイゼーション及びフィルタリングを行う。ビームフォーマ・チャンネルからの出力は、図１に示す１Ｄビームフォーマの加算器１８に類似した加算器４０で合計される。
【００１２】
図４Ａ及び図４Ｂは、等面積のトランスデューサ素子の５つの行１２ａ〜１２ｅを備えた従来の１．２５Ｄアレイ１０Ｃを示している。この場合には、超音波パルスは、多焦点レンズ３２を介して送信される。行のエッジは、アレイの中心線から（１／３，２／３，１）ｙ_maxの距離に位置している。仰角方向の各々の列について、外側の行の対を形成している素子は、中央の行の各々の素子の面積と同じ合計面積を有している。従って、外側の行の素子の対は、中央の行の素子と同じ電気インピーダンス及び音響感度を有することになる。多焦点レンズは、中央の行のみが作用する近距離音場に中央の行を集束させ、外側の行が作用する唯一の領域である遠距離音場に外側の行を集束させることにより、仰角ビーム・プロファイルの一様性を向上させている。
【００１３】
図４Ａに示す１．２５Ｄアレイでは、多数のマルチプレクサ３４が、対応する多数の信号リード３５にそれぞれ接続されている（１つのマルチプレクサ及び１つの信号リードのみを図４Ａに示す。）。各々の信号リード３５は、それぞれのビームフォーマ・チャンネル（図４Ａには示されていない）に接続されている。各々のマルチプレクサ３４は、３つの内部スイッチを有しており、内部スイッチは、信号リード２６、２８及び３０を多重化して信号リード３５に接続する。トランスデューサ素子の各々の列は、このような信号リードのそれぞれのセットに接続されている。即ち、中央の行の素子１２ａは、信号リード２６に接続されており、中間の行の対を形成している素子１２ｂ及び１２ｃは、信号リード２８に並列に接続されており、最も外側の行の対を形成している素子１２ｄ及び１２ｅは、信号リード３０に並列に接続されている。実用上は、素子の対の形成（即ち、１２ｂから１２ｃへの接続及び１２ｄから１２ｅへの接続）は、プローブ・ヘッド内で完成されており、他方、マルチプレクサはプローブ・ヘッド内に配置されていてもよいし、プローブ・ケーブルのコンソール側端部に配置されていてもよいし、システム・コンソール自体の内部に配置されていてもよい。
【００１４】
マルチプレクサ・スイッチの状態を変化させるとノイズが生じるので、このプローブの使用の際には典型的には、ビーム当たり３つの送信−受信サイクルが要求される。中央の行の素子１２ａ用のマルチプレクサ・スイッチ３４ａを閉じて、スイッチ３４ｂ及び３４ｃを開くと、送信遅延が、方位角方向の集束を近距離音場で行うように設定され、ビーム・データの近距離の部分が収集される。次いで、スイッチ３４ａ及び３４ｂを閉じて、送信遅延及び受信遅延が再構成されると、行１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを用いて中距離音場のデータが収集される。最後に、すべてのマルチプレクサ・スイッチを閉じて、送信遅延及び受信遅延が再構成されると、行１２ａ〜１２ｅを用いて遠距離音場のデータが収集される。これらの３つの区域からのデータは、移行部分での感度の変化を補償することに留意しながら、イメージング・システム内で互いにスプライス（添え継ぎ）される。
【００１５】
現在公知のすべての多数行型１．２５Ｄアレイ及び１．５Ｄアレイ（並びに環状アレイ）は、遠距離音場での開口を横断する位相誤差を低減させるように、大きな中央の行と小さな外側の行とを有しているか、又はすべてのビームフォーマ・チャンネルが同じ電気インピーダンス及び音響インピーダンスに遭遇すると共にすべてのトランスデューサ素子が同じ送受信効率を有するように等面積の素子を有しているかのいずれかである。これらのトランスデューサの中央の行の仰角方向の高さは、近距離音場でのスライス厚さに対して下限を設けるので、これらのプローブが、至近距離音場で最適なコントラスト分解能を達成するのを妨げている。
【００１６】
従って、イメージングされる音場の全体にわたって優れた仰角性能（最小のスライス厚さ）を与えるトランスデューサが求められている。好ましくは、このようなトランスデューサは、１２８又はそれ以下のビームフォーマ・チャンネルを有している既存の超音波イメージング・システムと互換性があるものでなければならない。
【００１７】
【発明の要約】
本発明は、従来のトランスデューサよりも向上した仰角性能（より薄く且つより一様な画像スライス、及びより大きなコントラスト分解能）を、特に至近距離音場において提供するように、外側の行よりも小さい中央の行を備えた多数行型超音波トランスデューサである。最も広い観点では、本発明は、中央の行の各々の素子の面積が、外側のどの行の素子の各々の対の合計面積よりも小さいようなすべての多数行型トランスデューサ・アレイを含んでいる。好ましい実施例によれば、アレイは５つの行と多焦点レンズとを有しており、最も外側の行の素子の各々の対の合計面積は、中央の行の各々の素子の面積よりも大きく、且つ中間の行の各々の素子の各々の対の合計面積よりも大きい。もう１つの好ましい実施例によれば、アレイは３つのみの行と二焦点レンズとを有しており、外側の行の素子の各々の対の合計面積は、中央の行の各々の素子の面積よりも大きい。このアレイは又、５つ以上の行を有していてもよい。
【００１８】
本発明は、１．２５Ｄアレイ及び１．５Ｄアレイの両方において適用される。比較的少ない行を備えた１．２５Ｄアレイ及び１．５Ｄアレイについては、より小さい中央の行が、一般的に、近距離分解能を向上させる。多数行型トランスデューサが１．２５Ｄアレイとして用いられているならば、小さな中央の行が近距離音場性能を向上させるばかりでなく、大きな外側の行が、多焦点レンズとの組み合わせによって、遠距離音場における向上した仰角性能を提供する。
【００１９】
【好ましい実施例の詳細な説明】
本発明によれば、最適な仰角性能（最小の画像スライス厚さ及び最大のコントラスト分解能）は、（仰角方向に）比較的短い中央の行と比較的長い最も外側の行とを有している多数行型トランスデューサ・アレイによって達成される。最も外側の行は又、どの中間の行よりも仰角方向に長い。
【００２０】
至近距離音場では、アレイの中央の行のみが作用するので、仰角性能は、中央の行の高さによって決定される。比較的少ない行を備えた１．２５Ｄアレイ及び１．５Ｄアレイの場合は、より小さな中央の行が、一般的に、近距離音場での分解能を向上させる。中央の行の素子の寸法についての下限に到ると、小さな高インピーダンス素子を長いケーブルを介してビームフォーマ電子回路に結合することに関連した損失を増大させるか、又は素子の寸法が音波長に近付くにつれて回折に起因して近距離音場の距離（ｚ〜ｄ／４λ）を減少させると共にビームの拡散（２分の１角度θ〜ｓｉｎ^-1（λ／ｄ））を増大させるかのいずれかが生じる。これらの影響の間の兼ね合いを図６に示す。同図は、無集束の開口（５ＭＨｚ）についての仰角ビーム曲線を示している。２ｍｍの開口（点線）は、至近距離では最良の分解能を有しているが、近距離音場の距離は極く短く（約３ｍｍ）、ビームは、以後急速に拡散している。６ｍｍの開口（破線）は、レンジ全体にわたって比較的一様であるがあまり良好でない分解能を有している。４ｍｍの開口（実線）は、プローブのイメージング・レンジのかなりの部分（約０ｍｍ〜３０ｍｍ）にわたって良好な分解能を与えている。
【００２１】
イメージングの深さが近距離音場から遠距離音場に増大するにつれて、より多くの行のトランスデューサ素子が関係するようになる。最大レンジにわたって一様な仰角性能を得るためには、作用開口が増加するにつれてアレイの実効焦点距離が増加するようにすると好ましい。１．２５アレイの場合には、仰角方向の集束はすべて、音響レンズによって行われている。開口が増加するにつれて焦点距離を増加させるために、多焦点レンズを用いる。アレイの中央の行をカバーするレンズの部分は、中央の行のみが作用しているときに最良の近距離音場性能を得るために、短い焦点距離を有するようにする。又、遠距離音場の画像ではアレイの外側の行のみが作用することから、レンズの外側の部分は、最良の遠距離音場性能を得るためにより長い焦点距離を有するようにする。
【００２２】
アレイの内側の行に対して最も外側の行の寸法が増加すると、レンズの外側の部分に対して、画像の遠距離音場の重みがより大きく加わる。これにより更に、多焦点レンズの有効性が向上し、且つ仰角方向の音場の深さ及びトランスデューサの仰角性能が向上する。
１．５Ｄアレイ及びビームフォーマの場合には、仰角方向の集束の一部は、ビームフォーマの電子式の時間遅延を調節することにより動的に達成されている。ビームフォーマは又、仰角方向の動的な振幅シェーディングを行うことが可能であり、これにより、ビームのサイドローブを抑制し易くなっている。これらの効果は、大きな外側の行及び多焦点レンズによって妨げられ、又、大きな外側の行及び多焦点レンズの有する利点よりも重要である可能性がある。遠距離音場での最適な電子式集束及びシェーディングを行うためのアレイを設計する結果として、大きな中央の行及び小さな外側の行が設けられている。１．５Ｄアレイの設計に対する本発明の妥当性は、プローブが意図されている特定の臨床分野について、プローブの近距離音場での仰角性能が、遠距離音場での性能に対してどれだけ重要かによる。
【００２３】
多くの従来の多数行型トランスデューサ・アレイは、等面積素子を用いて設計されているので、すべてのビームフォーマ・チャンネルは、同じ電気インピーダンス及び音響インピーダンスに遭遇し、すべてのトランスデューサ素子は、同じ送受信効率を有する。しかしながら、最新の超音波イメージング・システムは、そのビームフォーマにおいて送信及び受信のアポダイゼーション制御（送信振幅の制御及び受信ゲインの制御）を行っている。この能力を応用し又は改善して、非等面積アレイの行と行との間の感度、損失及び送受信効率の変動を補償することができる。従って、小さな中央の行及び大きな外側の行を有している未補償のアレイに起因すると考えられる非一様な感度及び反転したアポダイゼーション・プロファイルは、このアレイが適切に設計されたイメージング・システムに接続されているときには問題にならないはずである。
【００２４】
上述のアレイ設計原理の適用の一例として、図５Ａ及び図５Ｂは、小さな中央の行１２ａ並びに大きな最も外側の行１２ｄ及び１２ｅを備えた５行型１．２５Ｄアレイ１０Ｄを示している。行のエッジは、アレイの中心線から（１／４，１／２，１）ｙ_maxの距離に位置している。従って、中間の行１２ｂ及び１２ｃの対を形成している素子は、中央の行１２ａの各々の素子の面積と等しい面積を有しており、最も外側の行１２ｄ及び１２ｅの対を形成している素子は、中央の行１２ａの各々の素子の面積の２倍に等しい面積を有している。超音波パルスは、３５ｍｍ、６５ｍｍ及び９０ｍｍのレンズ焦点を有している多焦点レンズ３６を介して送信される。レンズ３６の中心の部分は、３５ｍｍの焦点距離を有しており、中央の行１２ａによって送信される超音波ビームを集束させる。隣接するレンズ部分（６５ｍｍの焦点距離）は、行１２ｂ及び１２ｃによってそれぞれ送信されるビームを集束させる。そして、最も外側のレンズ部分（９０ｍｍの焦点距離）は、最も外側の行１２ｄ及び１２ｅによってそれぞれ送信されるビームを集束させる。マルチプレクサ３４の接続及び動作は、図４Ａについて上で開示したものと同じである。
【００２５】
多焦点レンズ３６（図５Ａを見よ）は、仰角開口にわたって連続であるが各々の行について異なる曲率（焦点距離）を有している遅延関数を与える。レンズに不連続性を導入する（これにより、回折アーティファクトが生ずる可能性がある）か、又は素子の各々の行とマルチプレクサとの間の信号経路に静的な遅延素子を挿入するかのいずれかによって、不連続な遅延関数を与えることも可能である。多焦点レンズの利点は、音場の深さを実質的に増大させ、プローブのイメージング・レンジの本質的に全体にわたって一様な分解能（−６ｄＢ曲線）とコントラスト（−２０ｄＢ曲線）とを提供することである。欠点は、サイドローブが、単一焦点レンズのようにその焦点の近傍で急速に低減するわけではないことである。
【００２６】
図７は、図５Ａに示す小さな中央の行の１．２５Ｄアレイからの仰角ビーム・プロファイルと、図４Ａに示す等面積の１．２５Ｄアレイからの仰角ビーム・プロファイルとを比較する図である。等面積のアレイは、４０ｍｍ、７０ｍｍ及び１００ｍｍのレンズ焦点を有している。小さな中央の行の設計は、１．２５Ｄアレイの近距離音場性能を大幅に向上させている。大きな外側の行及び多焦点レンズと組み合わせると、小さな中央の行の設計は又、１．２５Ｄアレイについて遠距離音場における適度な向上を提供する。
【００２７】
図８は、小さな中央の行の１．５Ｄアレイからの仰角ビーム・プロファイルと、等面積の１．５Ｄアレイ（図示されていない）からの仰角ビーム・プロファイルとを比較する図である。両方のアレイとも、単一焦点レンズを有している。小さな中央の行の設計は、１．５Ｄアレイの近距離音場性能を大幅に向上させている。しかしながら、１．５Ｄアレイについては、小さな中央の行の設計は、遠距離音場ではより大きなサイドローブを生じるので、小さな中央の行の１．５Ｄアレイと等面積の１．５Ｄアレイとの間の選択は、近距離音場での仰角性能と遠距離音場での仰角性能との間の選択となる。
【００２８】
ビーム・プロファイルの測定及び画像から、本発明による多数行型アレイが、アレイのイメージング・レンジの全体にわたって殊の外一様な仰角方向のスライス厚さを有しており、且つ類似する１Ｄプローブよりも実質的に良好なイメージング性能を有していることが確認される。
図４Ａ及び図５Ａに示す好ましい実施例の変形によれば、中央の行１２ａの各々のトランスデューサ素子は、所定の面積を有しており、外側の行１２ｄ及び１２ｅのトランスデューサ素子の各々の対は、上述の所定の面積よりも大きい第１の合計面積を有しており、中間の行１２ｂ及び１２ｃのトランスデューサ素子の各々の対は、上述の所定の面積よりも大きいが、上述の第１の合計面積よりも小さい第２の合計面積を有している。
【００２９】
好ましくは、本発明によるアレイは、ｎ個の行を有しており、ここで、ｎは３又はそれ以上の奇数である。中央の行の相対向する側に設けられている行の各々の対の素子を、隣接する行からの信号が１つのセットのビームフォーマ・チャンネルに印加されるようにスイッチングしてもよい。代替的には、行の各々の対を、別個のセットのビームフォーマに結合することができる。ビームフォーマは典型的には、小さな開口（例えば、中央の行のみ）を用いて、近距離音場においてビームを発生し、次いで、より大きな開口（３、５、７、…行）を用いて中距離音場及び遠距離音場においてビームを発生する。これらのビームは、ビームフォーマと画像形成及び表示システムとの間に配置されているプロセッサにおいて互いにスプライスされる。
【００３０】
本発明による１．２５Ｄ設計は、従来の１Ｄプローブよりも実質的に良好な近距離音場性能及び遠距離音場性能（スライス厚さコントラスト分解能）を与え、更なるシステム・ビームフォーマ・チャンネルを一切要求しない。システムへの影響は最小であるが、イメージング性能の向上は、トランスデューサ・パレット、ケーブル・アセンブリ及びマルチプレクサの複雑さの大幅な増大という代償によって得られるものである。仰角開口及びレンズの焦点距離を増大させると、遠距離音場におけるプローブの音響感度に対して数ｄＢの寄与があり得るが、これらのゲインは、マルチプレクサ及びケーブル・アセンブリでの損失の増大によって相殺される可能性がある。
【００３１】
動的な仰角方向の集束を支持するために、１．５Ｄアレイは、１．２５Ｄアレイよりも更に多数のビームフォーマ・チャンネル及び接続を要求する。１．２５Ｄアレイ用の仰角方向のビーム制御は、レンズ及びマルチプレクサによってのみ達成されている。１．２５Ｄアレイの仰角方向の各々の列内に含まれるすべての素子は、同じビーム形成チャンネルに接続されており、同じ電子式時間遅延及びシェーディングを共有している。これに対し、１．５Ｄアレイは、動的な集束及びシェーディングを用いて、仰角方向のビームを制御している。仰角方向の対称性があるので（方向制御なし）、上述のことから、仰角方向の素子の各々の対について独立のビーム形成チャンネルが要求される。
【００３２】
このように、１．５Ｄの場合には、単体レンズと複合レンズとの間の区別は、１．２５Ｄの場合ほど重要ではない。１．２５Ｄアレイでは、レンズが唯一の集束機構であるので、複合レンズを有していることは、拡張されたレンジの全体にわたって良好な細部分解能及び良好なコントラスト分解能を維持するために極めて重要なことである。１．５Ｄアレイでは、電子式集束及びアポダイゼーションが十分に有効であるので、複合レンズは、単体レンズを上回る利点をさほど有していない。尚、レンズ焦点は、関心領域の中心の近傍に位置していなければならない。
シミュレーションを用いて、図６〜図８に示すデータが発生された。これらのシミュレーションは、アレイの各々の行について１２８のチャンネルが設けられているものと仮定している。実用上は、行に対するチャンネルの割り当ては、限られた数のビームフォーマ・チャンネルしか利用可能でないならば、重要な設計上の選択肢となる。方位角性能を維持するためには、１．５Ｄプローブの作用する方位角方向の開口及び素子のピッチが、競合する１Ｄプローブに匹敵するものであることが重要である。従って、３行型又は５行型の１．５Ｄプローブの開口をフルに用いるためには、類似の１Ｄプローブによって用いられる２倍又は３倍の数のビームフォーマ・チャンネルが要求される可能性がある。
【００３３】
この制限は、楕円形状の作用開口を用いて、最も外側の行によって用いられるチャンネルの数を減少させると共に矩形開口のビーム・プロファイルよりも優れたビーム・プロファイルを形成することにより、克服され得る。加えて、合成開口法及び多重の送受信サイクルを用いて、１２８チャンネルのイメージャから２５６チャンネル又は５１２チャンネルの性能を得ることもできる。
【００３４】
以上の好ましい実施例は、説明の目的で開示された。多数行型超音波トランスデューサ・アレイの設計における当業者には、いくつかの変形又は改変が容易に明らかとなろう。このような変形又は改変はすべて、特許請求の範囲に包含されているものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の超音波イメージング・システムの典型的な１２８チャンネル・ビームフォーマのブロック図である。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、従来の１Ｄトランスデューサ・アレイの仰角方向のそれぞれ断面図及び前面図である。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、フレネル行幅と、単一焦点レンズと、１．５Ｄビーム形成のための電気的接続とを備えた従来の多数行型トランスデューサ・アレイの仰角方向のそれぞれ断面図及び前面図である。
【図４】図４Ａ及び図４Ｂは、等面積素子と、多焦点レンズと、１．２５Ｄビーム形成のための電気的接続とを備えた従来の多数行型トランスデューサ・アレイの仰角方向のそれぞれ断面図及び前面図である。
【図５】図５Ａ及び図５Ｂは、（仰角方向に）比較的短い中央の行と、比較的長い最も外側の行とを備えた本発明による多数行型トランスデューサ・アレイの仰角方向のそれぞれ断面図及び前面図である。
【図６】無集束の開口（５ＭＨｚ）である２ｍｍ開口（点線）、４ｍｍ開口（実線）及び６ｍｍ開口（破線）についての仰角ビーム曲線を示すグラフであり、−６ｄＢの曲線が細部分解能を示しており、−２０ｄＢの曲線がコントラスト分解能を示しているグラフである。
【図７】多焦点レンズと、等面積の行に分割された１２ｍｍの開口とを備えた５行型１．２５Ｄ（５ＭＨｚ）アレイ（破線）対小さな中央の行及び大きな外側の行を備えたアレイ（実線）についての仰角ビーム曲線を示すグラフであり、小さな中央の行のアレイが３５ｍｍ、６５ｍｍ及び９０ｍｍのレンズ焦点を有しており、等面積のアレイが４０ｍｍ、７０ｍｍ及び１００ｍｍのレンズ焦点を有している場合のグラフである。
【図８】単一焦点レンズと、等面積の行に分割された１２ｍｍの開口とを備えた５行型１．５Ｄ（５ＭＨｚ）アレイ（破線）対小さな中央の行及び大きな外側の行を備えたアレイ（実線）についての仰角ビーム曲線を示すグラフであり、小さな中央の行のアレイが７０ｍｍのレンズ焦点を有しており、等面積のアレイが６５ｍｍのレンズ焦点を有している場合のグラフである。

Claims

中央の行（１２ａ）に配列されている第１の複数のトランスデューサ素子と、第１の外側の行（１２ｄ）に配列されている第２の複数のトランスデューサ素子と、第２の外側の行（１２ｅ）に配列されている第３の複数のトランスデューサ素子とを備えており、前記中央の行（１２ａ）は、前記第１の外側の行（１２ｄ）と前記第２の外側の行（１２ｅ）との間に配列されており、前記第１の複数のトランスデューサ素子にそれぞれ接続されている第１の複数の信号リードと、前記第２及び第３の複数のトランスデューサ素子にそれぞれ接続されている第２の複数の信号リードとを備えており、前記第２の複数の信号リードのそれぞれの信号リードに接続されている前記第２及び第３の複数のトランスデューサ素子の対は、前記第１の複数のトランスデューサ素子の面積よりも大きい第１の合計面積を有している超音波トランスデューサ・アレイであって、
第１の中間の行（１２ｂ）に配列されている第４の複数のトランスデューサ素子と、
第２の中間の行（１２ｃ）に配列されている第５の複数のトランスデューサ素子と、
前記第４及び第５の複数のトランスデューサ素子にそれぞれ接続されている第３の複数の信号リードとを更に含んでおり、
前記第１の中間の行（１２ｂ）は、前記中央の行（１２ａ）と前記第１の外側の行（１２ｄ）との間に設けられており、前記第２の中間の行（１２ｃ）は、前記中央の行（１２ａ）と前記第２の外側の行（１２ｅ）との間に設けられており、
前記第３の複数の信号リードのそれぞれの信号リードに接続されている前記第４及び第５の複数のトランスデューサ素子の各々の対は、前記第１の合計面積よりも小さい第２の合計面積を有している、超音波トランスデューサ・アレイ。
前記中央の行、前記第１及び第２の中間の行、並びに前記第１及び第２の外側の行のトランスデューサ素子に音響的に接続されている集束用レンズを更に含んでいる請求項１に記載の超音波トランスデューサ・アレイ。
前記集束用レンズは、第１の焦点距離を有している第１のレンズ部分と、前記第１の焦点距離よりも大きい第２の焦点距離を有している第２のレンズ部分と、前記第２の焦点距離よりも大きい第３の焦点距離を有している第３のレンズ部分とを含んでおり、前記第１のレンズ部分は、前記中央の行のトランスデューサ素子に音響的に結合されており、前記第２のレンズ部分は、前記第１及び第２の中間の行のトランスデューサ素子に音響的に結合されており、前記第３のレンズ部分は、前記第１及び第２の外側の行のトランスデューサ素子に音響的に結合されている請求項２に記載の超音波トランスデューサ・アレイ。
請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ・アレイと、
送信ビーム及び受信ビームを形成する複数のチャンネルを含んでいるビームフォーマと、
第１のスイッチング状態において前記第１の複数の信号リードを前記複数のビームフォーマ・チャンネルにそれぞれ接続する第１の複数のスイッチと、
第２のスイッチング状態において前記第２の複数の信号リードを前記複数のビームフォーマ・チャンネルにそれぞれ接続する第２の複数のスイッチと、
第３のスイッチング状態において前記第３の複数の信号リードを前記複数のビームフォーマ・チャンネルにそれぞれ接続する第３の複数のスイッチと、
前記ビームフォーマからの受信ビームを処理して画像を形成する手段と、
前記画像を表示する手段とを備えた超音波イメージング・システム。
請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波トランスデューサ・アレイと、
前記第１の複数の信号リードにより伝送される電気的パルスから受信ビームを形成する第１の複数のビームフォーマ・チャンネルと、
前記第２の複数の信号リードにより伝送される電気的パルスから受信ビームを形成する第２の複数のビームフォーマ・チャンネルと、
前記第３の複数の信号リードにより伝送される電気的パルスから受信ビームを形成する第３の複数のビームフォーマ・チャンネルと、
少なくとも前記第１乃至第３の複数のビームフォーマ・チャンネルからの受信ビームを処理して画像を形成する手段と、
前記画像を表示する手段とを備えた超音波イメージング・システム。