JP4325981B2 - 高調波変換器素子構造及び特性 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
医療の分野における撮影用超音波プローブは、通常、相対帯域幅の９０％までを支援する。超音波撮影の場合、帯域幅は絶対的な意味で実現可能な距離分解能に正比例するが、超音波中心周波数は実現可能な撮影距離に反比例する。従って、適切な撮影距離で高い距離分解能を得るためには高い相対帯域幅が望ましい。例えば、成人、小児及び乳児の心臓を撮影する場合、典型的な中心周波数が２.５ＭＨｚ、５ＭＨｚ及び９ＭＨｚの３種類のプローブを有することが必要になることが多い。帯域が広いプローブでは、それらの用途に必要とされる距離を２つのプローブでカバーでき、更に、各々の撮影状況で課される必要条件に合わせて送信信号及び受信フィルタリングを最適化するためにより大きな融通性を有することができるであろう。
【０００２】
血流速度及び／又は組織の運動を測定する場合にドップラーを使用するときの限界は多くの場合に検出感度であるが、適切な組織撮影を行うために要求される空間分解能の重要性は低い。例えば、２ＭＨｚを中心周波数とするドップラーを使用することを望む場合でも、撮影は５ＭＨｚまでの範囲にわたる周波数に成る可能性があり、これは今日の規格を越えるプローブ帯域幅を有していなければ、あるいはドップラー測定に使用される通過帯域と、撮影に使用される別の通過帯域という２つの通過帯域を示すプローブでなければ実現することは不可能である。
【０００３】
今日市場に出ている超音波スキャナの多くで、組織で発生される第２高調波信号の検出が使用されている。第２高調波超音波ビームは、基本周波数ビームと比較してサイドローブが抑制されている。第２高調波信号を改善し且つ受信器の基本波を抑制することにより、画質は著しく向上する。最良の性能を得るためには、超音波変換器は基本周波数及び第２高調波周波数を共に高い帯域幅をもってカバーすることができなければならない。
【０００４】
研究者により、超音波造影剤からの反射超音波の強力な非線形発生を使用することにより、造影剤の検出を著しく改善できることが提案されている。基本超音波周波数の第３高調波及び第４高調波を検出することにより、組織からの造影剤の識別は著しく改善されるであろう。
【０００５】
上述のような超音波の適用には、極めて広帯域であるか、又は送信モードと受信モードで異なる周波数を管理できるかのいずれかである変換器技術が要求される。
【０００６】
現在のプローブ技術は約７０％から９０％の範囲の帯域幅に制限されている。例えば、高調波撮影の場合、送信パルスの中心周波数は変換器の通過帯域の低周波数側に位置している。そこで、第２高調波はプローブ通過帯域の高周波数側に位置する。その結果、送信パルスと受信高調波パルスが共に変換器でひずみを生じることになる。このひずみはパルス持続時間の延長につながり、それに伴って画像の距離分解能が低下する。更に、ひずみは撮影感度を回復不可能なほど損なわせる。プローブの中心周波数及び帯域幅の製造時のばらつきは画質のばらつきをもたらすと共に、第２高調波検出の挿入損失のばらつきをもたらす。今日、第３高調波及び第４高調波を検出する技術を有する市販のプローブは存在していない。
【０００７】
高調波による画質向上におけるもう１つの重要な問題点は、送信信号で高調波周波数を抑制しなければならないことである。画質の利点はほぼ組織内で発生される高調波からのみ得られる。送信される高調波信号は基本周波数とほぼ同じサイドローブを有し、狭いビームの画質の優越は失われる。従って、共に高調波撮影に最適である送信パルスを得られるように設計されている変換器及び送信器が必要である。
【０００８】
組織からの反射信号は基本波からの周波数と、高調波からの周波数とを含む。プローブの付近では、高調波は展開することができなかったため、エネルギーの大半は基本周波数にある。身体に深く入るにつれて（通常は１ｃｍを越える程度）、高調波信号は展開して、受信器で基本波から取り出すことができ、画質向上をもたらすような強力なエコーを発生する。更に深くなると、第２高調波は基本波より更に大きく減衰され、反射エネルギーの大半は基本周波数にある。高調波パワーと基本波パワーとの比は出力送信パワーに伴って増加するため、高調波が撮影に有効である距離も出力送信パワーに伴って増加する。従って、異なる周波数帯域におけるエネルギーの混合は基本周波数、送信パルスパワー、組織内の減衰及び撮影深さ距離に伴って変化する。そのため、戻って受信される信号は非常に大きく変化されるので、単純な素子設計では、通常、あらゆる深さにおける送信にも受信にも共に最適ではない。
【０００９】
高調波撮影の１つの方法はDe Jong他（２０００ＩＥＥＥUltrasonics Symposium１８６９〜１８７６）により説明されている。De Jong他は２重周波数アレイ変換器を作製した。変換器は２種類の変換器素子から構成されており、２種類の素子は異なる中心周波数を有する。変換器はそれぞれの種類の素子を４８個有し、素子は交互に重ね合わされ、隣接して並んだ素子は異なる中心周波数を有する。De Jong他の構成は大きな変換器フットプリントをもたらしたが、それは多くの用途で欠点となった。
【００１０】
もう１つの従来の装置は互いに上下に重ね合わされた２つの変換器のスタックから構成される。変換器はサンドイッチ構造として積層されているため、音響的に密接に結合される。各変換器は計器用送信器又は受信器のいずれか一方に接続されるが、送信器と受信器の双方には接続されない。
【特許文献１】
米国特許第６４６７１４０号
【００１１】
【発明の概要】
本発明の一実施例は、超音波の送信及び受信のための変換器素子を具備する。第１の活性変換器層は第１の受信器及び第１の送信器に接続されている。第２の活性変換器層は第１の活性変換器層に積層され且つ第２の受信器及び第２の送信器に接続されている。変換器素子は受動回路を具備していても良く、第１のパルス及び第２のパルスは、１つの超音波パルスとして組み合わされる前に、受動回路により異なる振幅、異なる時間遅延及び異なる形状のうちの１つ以上の特性を有するように処理される。変換器素子が送信モードにあるとき、各々の活性変換器層は別個の電圧源に接続されても良い。変換器素子は、変換器素子を送信モードから受信モードに切り替えるスイッチを具備していても良い。送信時に変換器層に適用される同調回路は動作モードに従属し、例えば、撮影、ドップラー及びカラーフローに対して異なっていても良い。同様に、受信中に変換器層に適用される同調回路は送信時に適用される同調回路とは異なっていても良く、また、同調回路は異なる動作モードで異なっていても良い。適切な同調回路への接続を容易にするためにスイッチを使用しても良い。
【００１２】
本発明の別の実施例は、電子ビームのステアリング及び集束を実行するために１つのアレイとして構成された複数の変換器素子を具備する。様々な素子を互いに関して任意に配置することができる。しかし、最も一般的な構造では、１つの平面で扇形の中で任意の方向にビームステアリング及び集束を容易に実行するために変換器素子は一列に編成されるか、又はビームステアリング及び１つのボリュームへの集束を容易にするために行列として編成されても良い。様々な素子は異なる表面積及び／又は異なる第１及び第２の活性積層変換器層材料及び／又は異なる厚さを有していても良い。各素子の第１及び第２の活性積層変換器層は、別個の切り替え可能同調回路を伴う互いに独立してプログラム可能な送信器及び受信器に接続しても良い。完璧な撮影シナリオに沿った撮影のためにより良く最適化される１つの音響送信信号として組み合わされるのに先立って、異なる振幅、異なる時間遅延及び異なるエンベロープを有する信号を供給するために、様々な送信器をプログラムすることができる。変換器アレイは、第１及び第２の送信器からの信号を組み合わせることにより発生される超音波パルスの非基本周波数を減少させるために受動回路を具備していても良い。変換器アレイは、異なる受信ビーム整形及びフィルタリングによって１つの領域の同時表示を実行するために、各活性変換器層からの信号を別個に処理しても良い。変換器アレイは、画質を向上させるために、各活性変換器層からのフィルタリング及び増幅済み受信信号を表示前に組み合わせても良い。変換器アレイは、特定の信号特徴を表示するために、各活性変換器層からのフィルタリング及び増幅済み受信信号を表示前に組み合わせても良い。変換器アレイは、組織中の造影剤の高調波周波数発生及び撮影を表示するために、各活性変換器層からのフィルタリング及び増幅済み受信信号を表示前に組み合わせても良い。
【００１３】
本発明の更に別の面は、超音波パルスを送信する方法であって、第１の送信器に接続された第１の活性変換器層と、第１の活性変換器層に積層され且つ第２の送信器に接続された第２の活性変換器層とを有する変換器素子を設ける過程から成る方法を含む。その他の過程は、第１の活性変換器層へ第１の信号を送信することと、第２の活性変換器層へ第２の信号を送信することとを含む。
【００１４】
本発明の別の面は、超音波パルスを送信し且つ受信する方法である。方法は複数の変換器素子を具備する変換器アレイを設ける過程を含み、少なくとも２つの変換器素子は、第１の受信器に接続された第１の活性変換器層と、第１の活性変換器層に積層され且つ第２の受信器に接続された第２の活性変換器層とを具備する。その他の過程は、少なくとも２つの変換器素子の第１の活性変換器層へ第１の信号を送信することと、少なくとも２つの変換器素子の第２の活性変換器層へ第２の信号を送信することと、変換器素子の第１及び第２の活性変換器層は超音波パルスを送信することと、少なくとも２つの変換器素子の第１の受信器で第１の信号をフィルタリングし且つ増幅することと、信号をフィルタリングし且つ組み合わせて第１の集束信号を形成することと、少なくとも２つの変換器素子の第２の受信器で第２の信号をフィルタリングし且つ増幅することと、信号をフィルタリングし且つ組み合わせて第２の集束信号を形成することと、次に、信号を最終集束信号として組み合わせる前に２つの集束信号を任意に追加フィルタリングすることとを含む。
【００１５】
以上の概要、並びに以下の本発明の好ましい実施例の詳細な説明は、添付の図面と関連させて読むと更に良く理解されるであろう。本発明の好ましい実施例を例示する目的で、図面には現時点で好ましい実施例が示されている。しかし、本発明が添付の図面に示される配列及び手段に限定されないことを理解すべきである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１に示す。この実施例は第２高調波撮影又は「オクターブ」撮影、あるいはその他の用途に使用できるであろう。
【００１７】
図１は、本発明の実施例の１つによる素子２０の縦断面を概略的に示す。図１の素子２０は第１及び第２の変換器層２３、２５を含む。あるいは、素子２０においては１つの変換器層が使用されても良い。変換器層２３、２５の後に第１の金属層２７、第１のＰＺＴ−Ｂ複合層２９、第２の金属層３１及び第２のＰＺＴ−Ｂ層３が続いている。第１及び第２のＰＺＴ−Ｂ複合層２９、３３である活性層のポーリング方向は矢印により示されており、図１に示す方向とは異なっていても良いが、互いに逆でなければならない。第３の金属層３５は第２のＰＺＴ−Ｂ層３３と第１のＰＺＴ−Ａ層３７との間に配置されている。第４の金属層３９は第１のＰＺＴ−Ａ層３７と第２のＰＺＴ−Ａ層４１との間に配置されている。第１及び第２のＰＺＴ−Ａ層である活性層３７、４１のポーリング方向は矢印により示されており、図１に示す方向とは異なっていても良いが、互いに逆でなければならない。ＰＺＴ層のＡ層及びＢ層としての指定は互いに異なる２対の活性層を表すためであるが、特定の相違を意味してはいない。第５の金属層４３は第２のＰＺＴ−Ａ層４１とバッキング層４５との間に配置されている。バッキング層４５はそれに対して放出される全てのエネルギーを吸収すると想定される。
【００１８】
同調回路４７及び変換器素子２０に対する電気的接続４９の構造も図１に示されている。この構造における様々な層の適切な音響電気特性を図２の表に示す。抵抗Ｒｌｓａ５１及びＲｌｓｂ５３は（ａ）変換器素子２０が受信モードにある時の増幅器の入力インピーダンス又は（ｂ）変換器素子２０が送信モードにある時の出力インピーダンスである。Ｌｓａ５５及びＬｓｂ５７はプローブ中のインダクタを表す。Ｃｃｂ５９及びＣｃａ６１はプローブに接続されるケーブルのキャパシタンスを表す。図１の構成に類似する構成を有する他の変換器素子における音響電気特性は、特性の単なる一例である図２に示す特性とは著しく異なる場合がある。
【００１９】
受信モードでは、図１の各Ａ層３７、４１及び各Ｂ層２９、３３からの信号は、フィルタリングされて組み合わされる前に個別の集束電子回路で集束されるのが好ましい。Ａ、Ｂにそれぞれ１つの層を含むのではなく、Ａには２つの層（３７、４１）、Ｂにも２つの層（２９、３３）がそれぞれあり、２つのＡ層３７、４１は平行であり且つ２つのＢ層２９、３３は平行であるので、各活性変換器層の電気的インピーダンスは低下する。２つのＡ層と２つのＢ層を含むこの構成は用途によっては整合回路の実現を簡単にできるであろう。
【００２０】
信号が組み合わされる前に信号を集束することにより、集束された信号は加算される前に重み付け、遅延、移相及びフィルタリングのうちの１つ以上の処理を受けることになる。信号を組み合わせるのに先立って少なくともいくつかの処理が実行されるように処理を構成することは、組み合わせ信号の最適の振幅応答及び雑音応答を実現するのに有用である。所望の特性に合わせて出力信号を整形することに加えて、オプションであるフィルタリングも、有効信号への寄与が小さい１つの層からの信号の周波数領域から雑音寄与を除去するのに役立つであろう。
【００２１】
送信周波数の第３高調波における受信などの他の目的のために、あるいは１．５Ｄ撮影システム及び２Ｄ撮影システムで頻繁に見られる高い素子インピーダンスと大きなケーブルキャパシタンスとの不整合に対処するために、図１の実施例に類似する構造を最適化しても良い。
【００２２】
図１の実施例の周波数応答及びその他の性能特徴を図３から図８に示す。図３は、図１の変換器素子２０の励起パルスの形状のグラフである。図４は、変換器素子２０の周波数応答とフィルタ応答のグラフである。Ａ１１及びＢ１１は、公称１００Ω負荷を有する二重素子Ａ３７、４１及びＢ２９、３３の応答である。０.２５^*Ａ１１＋Ｂ１１と表示された曲線は以下の等式（１）に示すような応答ν_tr（ω）の形状を示す。「フィルタ応答」と表示された曲線は第２高調波応答の受信のシミュレーションにおいて使用される線形位相フィルタの振幅応答を示す（図８を参照）。
【００２３】
図５は、応答ν_tr（ω）及び図３に示すパルス形状が送信時に使用される場合の水／組織における音圧のグラフである。図６は、等式（２）により示される手続きを使用して図５に示す音圧形状から取り出される組織中の第２高調波信号の形状のグラフである。図７は、受信時に応答Ｂ１１を使用する場合に図５の音圧から取り出される受信第１高調波信号のグラフである。
【００２４】
図８は、２つの場合に図６に示す信号から取り出される受信第２高調波信号のグラフである。第１の場合、受信時に応答Ａ１１を使用し、受信信号は「フィルタリングなし」と表示されている。第２の場合には、受信時に図４に示され且つ「フィルタ応答」と表示されているフィルタ応答と組み合わされた応答Ａ１１を使用し、結果として得られる受信信号は「フィルタリング済み」と表示されている。
【００２５】
図３から図８は、送信パルス、システムの周波数応答、及び図８に示すように組織内で発生される第２高調波信号からのみ構成される出力信号と、図７の第２高調波発生を全く伴わないエコーとを発生するように使用されるシステム内の様々に異なるパルス形状とを示す。第２高調波出力信号における第１高調波信号成分を更に抑制するためにフィルタを追加すること（図４を参照）が受信パルス形状に及ぼす効果も示されている（図８）。この場合、送信パルスは双方の層に印加されるが、その重みは異なり且つ時間遅延に相違はない。活性層Ｂ２９、３３と比較した場合の活性層Ａ３７、４１に与えられる相対重みはＡ_tr＝０．２５であり、これは下記の等式により求められる送信時の周波数応答ν_tr（ω）を生じさせる。
ν_tr（ω）＝Ａ_trν_a（ω）＋ν_b（ω） （１）
式中、ν_a（ω）は活性層Ｂ２９、３３がＲｌｓｂに接続されているときの活性層Ａ３７、４１の応答（Ａ１１）であり、ν_b（ω）は活性層Ａ３７、４１がＲｌｓａに接続されているときの活性層Ｂ２９、３３の応答（Ｂ１１）である。尚、図４の曲線はこの応答の挿入損失のレベルを示しているのではなく、その形状のみを示す。
【００２６】
距離に応じて、最適の画質を与えるために、図７及び図８に示す受信パルスの様々に異なる組み合わせを使用できるであろう。これには、２つの応答の距離に応じた組み合わせが要求される。
【００２７】
計算時、第２高調波信号の発生は次のように実行される。ｔ＜０のときに０である圧力ｐ（ｔ）を想定し、スペクトルＰ（ω）を求めるためにフーリエ変換を実行した。ωが正であるときのスペクトルのみの逆フーリエ変換として信号のプレエンベロープＰ_pr（ｔ）を計算した。次に、プレエンベロープの二乗の実数部として圧力信号の第２高調波ｐ₂（ｔ）を求めた。（下記の等式を参照）ここで挙げるように手続きは第２高調波信号の正確な大きさを表してはいない。
【数１】

【００２８】
本発明の実施例においては、活性変換器層はそれぞれ異なる特性を有していても良い。例えば、活性Ａ層３７は活性Ａ層４１とは異なる特性を有していても良い。活性Ｂ層２９は活性Ｂ層３３とは異なる特性を有していても良い。活性Ａ層３７、４１の一方又は双方は活性Ｂ層２９、３３の一方又は双方とは異なる特性を有していて良い。異なる特性は音響特性、厚さ、ＰＺＴ材料のうちの１つ以上を含むが、それらには限定されない。あるいは、Ａ活性層及びＢ活性層２９、３３、３７、４１は全く同じ特性を有していても良い。Ｂ活性層２９、３３は送信器及び受信器に接続され、Ａ活性層３７、４１は送信器及び受信器に接続される。活性Ａ層３７、４１の送信器及び受信器のフィルタは活性Ｂ層２９、３３の送信器及び受信器のフィルタとは異なっていても良い。変換器スタックの様々な活性層に異なる送信信号を印加することにより、多くの用途に対してより最適である組み合わせ出力超音波信号を合成できるであろう。
【００２９】
本発明のいくつかの実施例は、高調波撮影では希望されるような大きな帯域幅を実現する。本発明のいくつかの実施例は、別個の同調回路を有する別個の送信器又は別個の同調回路を有する受信器に接続されるいくつかの層に分割される変換器素子を具備する。２つの例を有する例を以下に挙げる。これは、約１.６７ＭＨｚの第１高調波で送信し且つ第２高調波で受信して、高調波撮影を指向している。
【００３０】
電気同調回路Ｄ_i（ｆ）を介して変換器層「ｉ」に印加される電気信号Ｅ_i（ｆ）からの音響出力Ｏ_i（ｆ）は、
Ｏ_i（ｆ）＝Ｄ_i（ｆ）×Ｔ_i（ｆ）×Ｅ_i（ｆ） （３）
式中、Ｔ_i（ｆ）は変換器送信伝達関数であり、総合応答は次のようになる。
Ｏ（ｆ）＝｛Ｄ_i（ｆ）×Ｔ_i（ｆ）×Ｅ_i（ｆ）｝の全てのｉについての和 （４）
【００３１】
実施例によっては、送信時に異なる特性を有する出力信号を得るために異なる同調回路の間で切り替えることが可能である。同様に、所望の出力信号を得るために受信器出力がコヒーレントに組み合わされる前に、スタック中の様々な層が異なるフィルタ関数及び利得を有する別個の受信器に接続されても良い。受信変換器に対する入力音響信号をＵ（ｆ）とすると、変換器層「ｉ」の伝達関数はＲ_i（ｆ）であり、層信号に適用されるフィルタ及び利得関数はＧ_i（ｆ）であり、組み合わせ受信器出力Ｍ（ｆ）は次のようになる。
Ｍ（ｆ）＝｛Ｇ_i（ｆ）×Ｒ_i（ｆ）×Ｕ（ｆ）｝の全てのｉについての和 （５）
【００３２】
実施例によっては、異なる特性を有する出力信号を得るために異なるＧ_iを有する並列出力チャネルを使用しても良い。
【００３３】
本発明のいくつかの実施例においては、２つの変換器層が別個の送信器及び受信器に接続される。２つの送信器と２つの受信器は、結果としてあらゆる組み合わせ超音波送信パルス及び組み合わせ電気受信パルスが高調波周波数撮影のために最適化されるように同期されても良い。
【００３４】
２つの変換器層の各々がＴ₁（ｆ）及びＴ₂（ｆ）の送信インパルス応答を有し、同様に受信インパルス応答Ｒ₁（ｆ）及びＲ₂（ｆ）を有すると仮定する。総合性能を最適化するためには、出力超音波パルスは次のようになるであろう。

式中、Ｄ₁（ｆ）及びＤ₂（ｆ）は電気同調応答であり、Ｅ₁（ｆ）及びＥ₂（ｆ）はＯ（ｆ）を最適化するために選択されたそれぞれ別個の送信器からの入力信号である。一般に、Ｅ₁（ｆ）及びＥ₂（ｆ）は、異なる振幅及び位相を有する複素信号である。
【００３５】
２つの送信器からの受信信号の複素和である受信信号Ｍ（ｆ）は次のように形成されるであろう。
Ｍ（ｆ）＝［Ｇ₁（ｆ）×Ｒ₁（ｆ）＋Ｇ₂（ｆ）×Ｒ₂（ｆ）］×Ｕ（ｆ） （７）
式中、Ｇ₁（ｆ）及びＧ₂（ｆ）は信号が加算される前に各変換器層からの信号に与えられる複素重み付け関数である。
【００３６】
現実の撮影状況においては、高調波周波数成分を含まない優れた距離分解能を得るための短い超音波パルスであるＯ（ｆ）を発生するようにＥ₁（ｆ）及びＥ₂（ｆ）を選択しても良い。Ｇ₁（ｆ）及びＧ₂（ｆ）は高調波信号を最適化するように選択される。しかし、近接音場又は遠距離音場におけるようないくつかの状況の下では、基本周波数の反射信号の成分を含めることが望ましいであろう。その場合、最終画像を得るためにその後に組み合わされる基本波成分と第２高調波成分をそれぞれ表す２つの別個の受信関数Ｍ₁及びＭ₂が形成される。
【００３７】
この原理を３つ以上の変換器層に拡張しても良い。Ｎ個の層がある場合、その合計は次のようになるであろう。
Ｏ（ｆ）＝ｎ個の［Ｔ_n（ｆ）×Ｄ_n（ｆ）×Ｅ_n（ｆ）］の和 （８）
及び
Ｍ（ｆ）＝ｎ個の｛Ｇ_n（ｆ）×Ｒ_n（ｆ）｝の和×Ｕ（ｆ） （９）
【００３８】
図９は、本発明の別の実施例を示す。図９の変換器素子６５は第１のλ／４変換器層６７と、第２のλ／４変換器層６９と、第１の金属層７１と、ＰＺＴ−Ｂ層７３と、第２の金属層７５と、ＰＺＴ−Ａ層７７と、第３の金属層７９と、バッキング８１とを含む。第１及び第２の変換器層６７、６９の代わりに１つの変換器層を使用しても良い。活性層である２つのＰＺＴ層７３、７７のポーリング方向はいずれか一方の方向であれば良い。第１の金属層７１はインダクタ、コンデンサ及び／又は抵抗器などの受動回路γ₂８３に接続されている。γ₂８３は整合回路を具備する。第３の金属層７９は、γ₂８３とは異なっていても良く、あるいは同じであっても良い受動回路γ₁８５に接続されている。送信モードでは、図９に示すようにγ₁８５及びγ₂８３はそれぞれ対応する整合回路Ｍ₁８７及びＭ₂８９に接続されている。電源Ｅ₁９１及び、Ｅ₂９３はそれぞれ対応する整合回路（Ｍ₁８７及びγ₁８５）又は（Ｍ₂８９及びγ₂８３）に交番信号複素パルス形態を供給し、その結果、Ｏ（ｆ）上向き矢印により指示するように、変換器素子６５を介して超音波パルスが送信される。
【００３９】
金属層７１、７５、７９は主に活性層７３、７７と整合回路との間の電気接点である。また、金属層７１、７５、７９は変換器素子６５の周波数応答に対し何らかの効果を有していても良い。図１の実施例の場合の図２の表に挙げた材料パラメータは概して図９の実施例にも適切である。しかし、１つの相違点は活性層７３、７７の厚さであろう。図１の実施例の場合、各々の活性ＰＺＴ−Ａ層３７、４１は約１４０μｍの厚さ（ｌ）を有していたが、図９の実施例における活性ＰＺＴ−Ａ層７７の厚さ（ｌ）は約２倍の厚さ、すなわち、約２８０μｍになるであろう。図２の表に示すパラメータ以外のパラメータも図９の実施例には適切であろう。
【００４０】
そこで、図９の実施例の場合の送信時の周波数伝達関数は次のように書き表せるであろう。
Ｍ₁γ₁＝Ｄ₁（ｆ）×Ｔ₁（ｆ）及びＭ₂γ₂＝Ｄ₂（ｆ）×Ｔ₂（ｆ） （１０）
式中、ｆは周波数であり、Ｄ₁及びＤ₂は電子同調回路応答であり、Ｔ₁及びＴ₂は活性変換器層１及び２の送信伝達関数である。
【００４１】
整合回路素子Ｍ₁８７、γ₁８５、ｇ₁９５、Ｍ₂８９、γ₂８３及びｇ₂９７は周波数に依存している。第１の活性変換器層７３の整合回路は第２の活性変換器層７７の整合回路とは別であるので、信号が加算される前に、別個の集束、重み付け、遅延、移相及びフィルタリングのうちの１つ以上が実行されても良い。
【００４２】
プローブ（図示せず）内又はケーブルの計器側にスイッチ８２又は８４があっても良い。スイッチ８２が計器側にある場合、γ₂８３及びγ₁８５はケーブルを含み、プローブ内のケーブルの両側に電子回路を含む。スイッチ８２又は８４がプローブの前にある場合には、ケーブルはｇ₂９７及びＭ₂８９の一部（並びにｇ₁９５及びＭ₁８７）にある。
【００４３】
図１１は、送信モードではなく受信モードにある図９に示す変換器素子と同じ変換器素子６５を示す。超音波パルスが送信された後、スイッチ８２及び８４はエコーが受信されるように切り替えられる。理解を容易にするため、図１１の整合回路は図９の整合回路と同じ一般整合回路素子（すなわち、Ｍ₁、Ｍ₂、ｇ₁、ｇ₂、γ₁、γ₂）を有するものとして示されている。しかし、素子γ₁及びγ₂により表される応答は一般に送信時（図９）と、受信時（図１１）では異なる。その相違は１つには送信と受信の負荷インピーダンスＭ₂対ｇ₂の変化に起因するが、送信／受信スイッチを切り替えるときにγ₂の構成要素を切り替えるために他の理由によることが望ましいであろう。受信モードでは、整合回路は
Ｇ_i＝γ_iｇ_i、ｇ_i又はγ_iはプローブケーブルを含む （１１）
により定義される。Ｇは総合受信伝達関数である。
【００４４】
受信モードでは、超音波エコーＵ（ｆ）は変換器素子６５により受信される。変換器接点７９及び７１で発生される電気信号Ｒ₁１０８及びＲ₂１１０は変換器の伝達関数、並びに回路γ₁８５、ｇ₁１０４及びγ₂８３、ｇ₂１０６によりそれぞれ表される電気的インピーダンスによって決まる。ｇ₁１０４及びｇ₂１０６はフィルタリング及び増幅を含んでいても良く、更にＡ／Ｄ変換を含んでいても良いが、その場合、合計はデジタル合計となり、出力Ｍ（ｆ）はデジタル信号である。
【００４５】
図１０は、変換器素子の別の構成を示す。図１０の変換器素子１２０は送信モードにあり、第１のλ／４変換器層１２３と、第２のλ／４変換器層１２５と、第１の金属層１２７と、ＰＺＴ−Ｂ層１２９と、第２の金属層１３１と、ＰＺＴ−Ａ層１３３と、第３の金属層１３５と、バッキング層１３７とを具備する。２つの変換器層の代わりに１つの変換器層を使用しても良い。活性層である２つのＰＺＴ層１２９、１３３のポーリング方向はいずれか一方の方向であれば良い。第１の金属層１２７及び第３の金属層１３５はそれぞれ対応する第１のケーブル１４０と、第２のケーブル１４２に接続されている。送信モードにあるとき、第１のケーブル１４０及び第２のケーブル１４２はそれぞれ対応する電圧源Ｅ₂１４４及びＥ₁１４６に接続されるように切り替えられる。電圧源Ｅ₁１４６及びＥ₂１４４は交番信号又はパルスを供給する。電圧源Ｅ₁１４６及びＥ₂１４４はそれぞれ対応する第３の金属層１３５と、第１の金属層１２７に電力を供給し、その結果、Ｏ（ｆ）上向き矢印により指示するように、変換器素子１２０を介して超音波パルスが送信される。超音波パルスは独立した電圧源Ｅ₁１４６及びＥ₂１４４により発生されるパルスの合計である。図１の実施例に関して図２の表に挙げた材料パラメータは図１０の実施例にも概して適切である。しかし、１つの変更点は活性層１２９、１３３の厚さ（１）であろう。図１の実施例の場合、各々の活性ＰＺＴ−Ａ層３７、４１は約１４０μｍの厚さ（ｌ）を有していたが、図１０の実施例における活性ＰＡＴ−Ａ層１３３の厚さは約２倍の厚さ、すなわち、約２８０μｍになるであろう。図２の表に示されるこのパラメータ以外のパラメータは図１０の実施例にも適切であろう。
【００４６】
図１２は、図１０に示す実施例と同じであるが、図１２は受信モードを示す。超音波パルスが送信された直後に、スイッチ１５０及び１５４はエコーが受信されるように切り替えられる。受信モードでは、第１及び第２のケーブル１４０、１４２は第１の増幅器１６４と、第２の増幅器１６６とに接続される。増幅器は演算増幅器であっても良い。受信モードにおいては、変換器素子１２０は第１の金属層１２７及び第３の金属層１３５を通過し、第１のケーブル１４０及び第２のケーブル１４２を通過し、第１の増幅器１６４及び第２の増幅器１６６を通過して送信される超音波パルスＵ（ｆ）を受信する。第１の増幅器１６４及び第２の増幅器１６６を励起する信号が合計されて、出力を発生する。集束に続いて、また、デジタル符号化を有する実施例ではデジタル符号化に続いて、信号は合計されて出力Ｍ（ｆ）を発生する。合計の過程は、信号の種類に応じて電圧加算又はデジタル加算であれば良い。
【００４７】
理解を容易にするため、図１１の整合回路は図９の整合回路と同じ一般整合回路素子（すなわち、Ｍ₁、Ｍ₂、ｇ₁、ｇ₂、γ₁、γ₂）を有するものとして示されている。しかし、素子γ₁及びγ₂により表される応答は一般に送信時（図９）と、受信時（図１１）では異なる。その相違は１つには送信と受信の負荷インピーダンスＭ₂対ｇ₂の変化に起因するが、送信／受信スイッチを切り替えるときにγ₂の構成要素を切り替えるために他の理由によることが望ましいであろう。受信モードでは、整合回路は
Ｇ_i＝γ_iｇ_i、ｇ_i又はγ_iはプローブケーブルを含む （１２）
により定義される。Ｇは総合受信伝達関数である。
【００４８】
図１１及び図１２の実施例に関して、第１及び第２の受信器はフィルタリング装置と関連していても良い。信号がこのフィルタリング装置を通過する前、又は通過した後、あるいは通過する前後にアナログ／デジタル変換が実行されても良い。第１の受信器１６４及び第２の受信器１６６は、画像符号化に先立って組み合わせ受信パルスを最適化するために電気フィルタリング装置をそれぞれ具備していても良い。
【００４９】
図９の実施例に関して、第１の活性変換器層７３からのパルスと、第２の活性変換器層７７からのパルスとを１つの超音波パルスに組み合わせても良い。図１０の実施例に関して、第１の活性変換器層１２９からのパルスと、第２の活性変換器層１３３からのパルスとを１つの超音波パルスに組み合わせても良い。変換器素子６５、１２０は受動回路を具備していても良く、その場合、第１のパルス及び第２のパルスは、１つのパルスとして組み合わされる前に、異なる振幅、異なる時間遅延及び異なる形状のうちの少なくとも１つがパルスに与えられるように受動回路により処理される。第１の送信器１４４及び第２の送信器１４６は、送信パルスの中の基本周波数帯域を越える周波数成分を減少させることにより、高調波周波数撮影のために組み合わせ超音波送信パルスを最適化しても良く、あるいは第１の送信器１４４及び第２の送信器１４６は他の用途のために組み合わせ出力パルスを最適化しても良い。
【００５０】
図９から図１２の実施例は活性層を２つしか有していなかったが、変換器素子に３つ以上の活性層が含まれていても良い。図９から図１２の実施例の基本的な特徴がわかりにくくなるのを避けるために、活性層を２つしか示さなかった。３つ以上の活性層を具備する変換器素子の場合、２つ以上の活性層にそれぞれ整合回路が接続されているため、図９から図１２の実施例に関連して先に説明した利点を実現することができる。
【００５１】
図１３は、Ｎ個の変換器素子２０５を具備する本発明の一実施例のアレイ構成２００を示す。Ｎ個の変換器素子２０５は、図１及び図９から図１２の変換器素子に装着されるとして示された整合回路のような回路にそれぞれ接続されていても良い。図１３に示す変換器素子は図９及び図１１の回路に最も類似する回路に接続されるが、他の整合回路も望ましいであろう。図１３の変換器素子２０５は詳細には示されていないが、変換器素子２０５は第１の活性層２１０と、第２の活性層２２０とを具備し、２つの活性層は別個の同調回路に接続されている。
【００５２】
変換器アレイ２００は、第２の変換器素子２０５の第１の活性層２１０とは異なる材料から成る第１の活性層２１０を有する第１の変換器素子２０５を具備する。変換器アレイ２００は、第２の変換器素子２０５の第２の活性層２２０とは異なる材料から成る第２の活性層２２０を有する第１の変換器素子２０５を具備する。変換器アレイ２００は、第１の変換器素子２０５の第２の活性層２２０とは異なる材料から成る第１の活性層２１０を有する第１の変換器素子２０５を具備する。
【００５３】
第１の受信器と第２の受信器はアレイ２００中で互いに異なる電気的特性を有していても良い。変換器アレイ２００は、異なる電気的特性を有する回路に接続された第１の活性変換器層２１０と、第２の活性変換器層２２０とを具備する。変換器アレイ２００は、第２の変換器素子２０５の第１の活性変換器層２１０に接続された回路とは異なる特性を有する回路に接続された第１の変換器素子２０５の第１の活性変換器層２１０を有していても良い。変換器アレイ２００の変換器素子２０５のうちの少なくとも２つは、層ごとに独立した集束を実行するために、別個の集束電子回路に接続される。１つの活性変換器層の中の素子は、活性層ごとに独立した集束を実行するために、次の活性層とは別の集束電子回路に接続される。（各活性変換器層における独立した集束は図示されていない。）各活性変換器層で独立した集束を実行することにより、同じ活性層の素子からの信号に共通している、遅延、フィルタリング、スケーリング及び／又は移相などの効率の良い処理が可能になる。
【００５４】
第１及び第２の受信器は、画像符号化に先立って組み合わせ受信パルスを最適化するために、それぞれ電気的フィルタリング能力を有していても良い。第１及び第２の送信器と、受動回路は、高調波周波数撮影に使用される組み合わせ超音波送信パルスにおける非基本周波数を減少させるために第１の信号と第２の信号をそれぞれ修正するように設計されても良い。
【００５５】
変換器素子２０５の第１の活性変換器層２１０及び第２の活性変換器層２２０は、アレイ２００の対称位置に配置された変換器素子２０５の対応する活性変換器層２１０、２２０と同じ周波数応答を有していても良い。そのような構成は、送信中にアレイ２００に沿って周波数可変アポダイゼーションを得ることができるであろう。例えば、線形変換器アレイが位置１〜Ｎにそれぞれ配置されたＮ個の変換器素子２０５を具備しているとする。位置１にある変換器素子２０５の活性変換器層が位置Ｎにある変換器素子の対応する活性変換器層と同じ周波数応答を有すると仮定する。更に、位置２にある変換器素子２０５の活性層の周波数応答と、位置Ｎ−１にある変換器層の活性層の周波数応答とが同じであると仮定する。１からＮまでの位置に配置された全ての変換器素子２０５について等しい周波数応答のそのパターンが当てはまるとすれば、送信中、アレイ２００に沿って周波数可変対称アポダイゼーションが得られる。
【００５６】
変換器アレイ２００の変換器素子２０５は、変換器アレイ２００が様々に異なる活性変換器層からの信号に対して受信増幅、受信フィルタリング、受信集束のうちの少なくとも１つを実行するような回路を具備していても良い。集束のための遅延はデジタルに実行されても良いが、他の方法によっても良い。変換器アレイ２００は、同じ領域を異なる受信ビーム整形及びフィルタリングによって同時に表示するために、各層からの信号を別個に表示しても良い。
【００５７】
変換器アレイ２００は、画質を向上させるために、増幅及びフィルタリング済み受信信号を表示前に組み合わせても良い。変換器アレイ２００は、他の特定の信号特徴を改善するために、増幅及びフィルタリング済み受信信号を表示前に組み合わせても良い。従って、変換器アレイは、例えば、組織内の造影剤の高調波周波数発生及び撮影を表示するために、増幅及びフィルタリング済み受信信号を表示前に組み合わせても良い。
【００５８】
変換器アレイ２００は、送信時と受信時の双方で、第１のパルス及び第２のパルスが１つのパルスとして組み合わされる前に異なる振幅、異なる時間遅延及び異なる形状のうちの少なくとも１つを有するように２つのパルスを処理するために受動回路を具備していても良い。
【００５９】
変換器アレイ２００は線形アレイであっても良い。あるいは、変換器アレイ２００は２次元アレイであっても良い。
【００６０】
本発明を好ましい一実施例を参照しながら説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに様々な変更を実施でき且つ等価の構成を代用しても差し支えないことは当業者には理解されるであろう。更に、本発明の範囲から逸脱することなく特定の状況又は材料を本発明の教示に適応させるために多くの変形を実施できるであろう。従って、本発明は以上開示された特定の実施例に限定されず、本発明は特許請求の範囲の範囲内に入るあらゆる実施例を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 同調回路を概略的に示す、本発明の一実施例に従って形成された変換器素子の断面図。
【図２】 図１の変換器素子を構成する部品の特性の表。
【図３】 図１の変換器素子の励起パルスの形状のグラフ。
【図４】 図１の変換器素子の周波数応答及びフィルタ応答のグラフ。
【図５】 応答ν_tr及び図３に示すパルス形状が送信時に使用されたときの水／組織における音圧のグラフ。
【図６】 等式（２）により求められる手続きを使用して図５に示す音圧から取り出
される、組織内の第２高調波信号の形状のグラフ。
【図７】 応答Ｂ１１を受信時に使用するときの、図５の音圧からの受信第１高調波信号のグラフ。
【図８】 ２つの場合における図６に示す信号からの受信第２高調波信号のグラフ。
【図９】 送信モードにある同調回路を概略的に示す、本発明の別の実施例に従って形成された変換器素子の断面図。
【図１０】 送信モードにある同調回路を概略的に示す、本発明の別の実施例に従って形成された変換器素子の断面図。
【図１１】 受信モードで示される図９の変換器素子及び同調回路の断面図。
【図１２】 受信モードで示される図１０の変換器素子及び同調回路の断面図。
【図１３】 本発明の一実施例に従って形成された変換器アレイの概略図。
【符号の説明】
６５…変換器素子、６７…第１のλ／４変換器層、６９…第２のλ／４変換器層、７１…第１の金属層、７３…ＰＺＴ−Ｂ層、７５…第２の金属層、７７…ＰＺＴ−Ａ層、７９…第３の金属層、８１…バッキング層、８２、８４…スイッチ、８３、８５…受動回路、２００…変換器アレイ、２０５…変換器素子、２１０…第１の活性変換器層、２２０…第２の活性変換器層

Claims (34)

1. 超音波の送信及び受信のための変換器素子（６５）において、第１の受信器及び第１の送信器に接続された第１の活性変換器層と、前記第１の活性変換器層に積層され且つ第２の受信器及び第２の送信器に接続された第２の活性変換器層とを具備し、
   前記第１の活性変換器層が複合層の第１の対を有しており、前記第２の活性変換器層が複合層の第２の対を有している、変換器素子（６５）。
2. 第１のパルス及び第２のパルスをそれぞれ処理する受動回路を具備する請求項１記載の変換器素子（６５）。
3. 前記受動回路は、１つのパルスとして組み合わされる前に第１のパルスに第２のパルスの振幅とは異なる振幅を与える請求項２記載の変換器素子（６５）。
4. 前記受動回路は、１つのパルスとして組み合わされる前に第１及び第２のパルスに異なる時間遅延を与える請求項２記載の変換器素子（６５）。
5. 前記受動回路は、１つのパルスとして組み合わされる前に第１のパルスに第２のパルスの形状とは異なる形状を与える請求項２記載の変換器素子（６５）。
6. 前記変換器素子が送信モードにあるとき、各々の活性層は別個の電圧源に接続される請求項１記載の変換器素子（６５）。
7. 送信モードにあるとき、前記受動回路は等式Ｍ_１γ_１＝Ｄ_１（ｆ）Ｔ_１（ｆ）に従って実行する請求項２記載の変換器素子（６５）。
8. 受信モードにあるとき、前記受動回路は等式Ｇ_１＝γ_１ｇ_１に従って実行する請求項２記載の変換器素子（６５）。
9. 前記変換器素子（６５）を送信モードから受信モードに切り替えるスイッチ（８２、８４）を具備する請求項１記載の変換器素子（６５）。
10. 前記第１及び第２の受信器はそれぞれ少なくとも１つのフィルタリング装置と関連している請求項１記載の変換器素子（６５）。
11. 信号が前記少なくとも１つのフィルタリング装置を通過する前及び後の少なくとも一方でアナログ／デジタル変換が実行される請求項１０記載の変換器素子（６５）。
12. フィルタリングは前記受信器の一方により信号の増幅に先立って実行される請求項１０記載の変換器素子（６５）。
13. フィルタリングは前記受信器の一方により信号の増幅の後に実行される請求項１０記載の変換器素子（６５）。
14. フィルタリングは前記受信器の一方により信号の増幅の前後に実行される請求項１３記載の変換器素子（６５）。
15. 前記第１の受信器は第１の電気フィルタリング装置を具備し且つ前記第２の受信器は第２の電気フィルタリング装置を具備し、前記第１及び第２の電気フィルタリング装置は画像符号化に先立って組み合わせ受信パルスを最適化する請求項１記載の変換器素子（６５）。
16. 請求項１乃至１５のいずれかに記載の変換器素子（２０５）を複数具備し、少なくとも２つの変換器素子（２０５）は、それぞれ、第１の受信器に接続された第１の活性変換器層（２１０）と、前記第１の活性変換器層に積層され且つ第２の送信器に接続された第２の活性変換器層（２２０）とを具備する変換器アレイ（２００）。
17. 第１の変換器素子（２０５）の第１の活性変換器層（２１０）は第２の変換器素子（２０５）の第１の活性変換器層（２１０）とは異なる材料から形成されており、
    第１の変換器素子（２０５）の第２の活性変換器層（２２０）は第２の変換器素子（２０５）の第２の活性変換器層（２２０）とは異なる材料から形成されている請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
18. 前記第１の受信器の電気的特性は前記第２の受信器の電気的特性とは異なり、
    前記第１の活性変換器層（２１０）は前記第２の活性変換器層（２２０）の電気的特性とは異なる電気的特性を有する回路に接続されている請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
19. 第１の変換器素子（２０５）の第１の活性変換器層（２１０）は第２の変換器素子（２０５）の第１の活性変換器層（２１０）に接続された回路とは異なる特性を有する回路に接続されており、
    前記第１の変換器素子（２０５）の第２の活性変換器層（２２０）は前記第１の変換器素子（２０５）の前記第１の活性変換器層（２１０）に接続された回路とは異なる特性を有する回路に接続されている請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
20. 変換器素子（２０５）のうちの少なくとも２つの第１の活性変換器層（２１０）は、独立した集束を実行するために、同じ少なくとも２つの変換器素子の第２の活性変換器層（２２０）に接続された集束電子回路とは別個であり且つそれとは異なる集束電子回路に接続されている請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
21. １つの変換器素子（２０５）内の全ての活性層は独立した集束を実行するために別個の集束電子回路に接続されている請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
22. 各変換器素子（２０５）の前記第１及び第２の受信器は、それぞれ、画像符号化に先立って組み合わせ受信パルスを最適化するための電気的フィルタリング能力を有する請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
23. 第１及び第２の送信器を具備する請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
24. 受動回路を具備し、第１のパルス及び第２のパルスは、１つの超音波パルスとして組み合わされる前に前記受動回路により異なる振幅、異なる時間遅延及び異なる形状のうちの少なくとも１つを有するように処理される請求項２３記載の変換器アレイ（２００）。
25. 前記第１及び第２の送信器からの信号を組み合わせることにより発生される超音波パルスの非基本周波数を減少させるための受動回路を具備する請求項２３記載の変換器アレイ（２００）。
26. 前記変換器アレイは、異なる受信ビームの整形及びフィルタリングによって１つの領域の同時表示を実行するために各々の活性変換器層（２１０、２２０）からの信号を別個に処理する請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
27. 前記変換器アレイ（２００）は、画質を向上させるために、各々の活性変換器層（２１０、２２０）からのフィルタリング及び増幅済み受信信号を表示前に組み合わせる請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
28. 前記変換器アレイ（２００）は、特定の信号特徴を表示するために、各々の活性変換器層（２１０、２２０）からのフィルタリング及び増幅済み受信信号を表示前に組み合わせる請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
29. 前記変換器アレイ（２００）は、組織内部の造影剤の高調波周波数発生及び撮影を表示するために、各々の活性変換器層（２１０、２２０）からのフィルタリング及び増幅済み受信信号を表示前に組み合わせる請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
30. 第１のパルス及び第２のパルスが前記第１及び第２の受信器により受信された後に異なる振幅、異なる時間遅延及び異なる形状のうちの少なくとも１つを有するように第１のパルス及び第２のパルスを処理する回路を具備する請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
31. 第１のパルス及び第２のパルスが前記第１及び第２の受信器で増幅される前に異なる振幅、異なる時間遅延及び異なる形状のうちの少なくとも１つを有するように第１のパルス及び第２のパルスを処理する回路を具備する請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
32. 第１のパルス及び第２のパルスが前記第１及び第２の受信器で増幅される前後に異なる振幅、異なる時間遅延及び異なる形状のうちの少なくとも１つを有するように第１のパルス及び第２のパルスを処理する回路を具備する請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
33. 第１のパルス及び第２のパルスが前記第１及び第２の受信器で増幅された後に異なる振幅、異なる時間遅延及び異なる形状のうちの少なくとも１つを有するように第１のパルス及び第２のパルスを処理する回路を具備する請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。
34. 前記変換器アレイは直線アレイ又は２次元アレイである請求項１６記載の変換器アレイ（２００）。

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