JP4528917B2 - ３ｄイメージングのためのマイクロ加工超音波トランスデューサ・アレイ及びその操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、超音波トランスデューサの分野に関するものである。とりわけ、本発明は、バイアス制御を伴う容量形マイクロ加工超音波トランスデューサ、及び、それを操作して、３Ｄイメージングを行う方法に関するものである。

関連出願のクロスリファレンス
本出願は、２００３年１０月３日に提出された、米国特許仮出願第６０／５０８，４８１号に対する優先権を主張するものであり、その内容が、あらゆる目的のために、本明細書において、参考までにそっくりそのまま援用されている、共同所有のＰａｎｄａ他の米国特許出願第１０／８１９，０９４号（以後、「０９４出願」）、及び、その前に提出された「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ｕｓｉｎｇ Ｂｉａｓ Ｐｏｌａｒｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｆｉｒｉｎｇｓ」と題する仮出願第６０／４６０，６３８号の一部継続出願であって、それらから合衆国法典第３５条第１２０項に基づく優先権の恩典を請求するものであり、また、その内容が、あらゆる目的のために、本明細書において、参考までにそっくりそのまま援用されている、共同所有のＤａｆｔ他の「Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｂｉａｓ Ｐｏｌａｒｉｔｙ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」と題する米国特許出願第１０／３６７，１０６号（以後、「１０６出願」）の一部継続出願である。

現在、最も一般的な形式の超音波イメージング・システムは、線形フォーマットまたはセクタ・フォーマットで圧電素子のアセンブリを電子的に走査することにより、問題となる対象の断面図の２次元画像を生成する。図１Ａ及び図１Ｂには、超音波工学における命名規則が例示されている。図１Ａには、配向及び方向の規則が例示されている。図１Ａに示すように、トランスデューサ１００は、一般に、複数トランスデューサ素子１１０から構成されている。トランスデューサ素子１１０は、その長さが高さ軸に沿うように、または、その幅が方位軸に沿うように配向が施される。トランスデューサ素子１１０は、方位軸に沿って互いに隣接している。図１Ｂには、典型的な超音波システムによって生成される一次元イメージ・フォーマット２１０及びセクタ・イメージ・フォーマット２２０が例示されている。図１Ｂに示すように、一次元イメージ・フォーマット２１０による走査の場合、トランスデューサ素子間の時間遅延を利用して、像平面に超音波ビームが集束させられる。やはり、図１Ｂに示すように、セクタ・イメージ・フォーマット２２０による走査の場合、トランスデューサ素子間の時間遅延を利用して、超音波ビームの集束と操向の両方が行われる。

問題となる対象の３次元（３Ｄ）画像を生成する超音波システムも利用可能である。市販のシステムの大部分は、機械的並進または回転プローブによって撮られる複数の２次元（２Ｄ）画像スライスから３次元画像を形成する。こうしたシステムの一例に、オーストリアのＫｒｅｔｓの研究を原型とする、ゼネラル・エレクトリック社のＶｏｌｕｓｏｎ ７３０がある。１９８２年に発行された米国特許第４，３４１，１２０号明細書には、方位方向において電子的に走査させられるが、高さ方向では機械的に移動させられて、画像スライスを捕捉する複数素子プローブの記載がある。

機械的並進には、とりわけ、コスト、信頼性、及び、機械的ジッタといったいくつかの欠点がある。高さ方向における画像再構成の分解能は、トランスデューサの高さプロファイルのスライス厚、並びに、機械的並進方式の位置決め精度の関数である。

当該技術では、３Ｄイメージングに対する他のアプローチも知られている。例えば、米国特許第４，６９４，４３４号、第５，２２９，９３３号、及び、第６，１２６，６０２号明細書には、２次元トランスデューサ・アレイをベースにしたシステムの教示がある。２Ｄトランスデューサ・アレイをベースにした３Ｄイメージング・システムの欠点の１つは、個別トランスデューサ素子とその制御回路要素を接続する相互接続の設計及び製造が困難であり、コストが高くつくという点である。

機械的走査フォーマットが受け入れられ、システム・インフラストラクチャが既に利用可能であると仮定すると、機械的走査の３次元イメージング能力を与え、機械的走査の悪影響をなくすように改良するプローブを設けるのが有利である。従って、機械的並進に似たやり方で、高さ方向において電子的に走査可能なプローブが望ましい。

最近、容量形マイクロ加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）が圧電トランスデューサに対する実行可能な代替案であることが立証された。２００１年８月７日に発行された、「Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」と題する米国特許第６，２７１，６２０号明細書において、Ｌａｄａｂａｕｍは、圧電トランスデューサに対抗する音響性能を発揮することが可能な、容量形マイクロ加工トランスデューサについて述べている。

最近、数人の発明者が、バイアス電圧によってＭＵＴを制御する態様について解説している。共同所有の、Ｄａｆｔ他の係属中の米国特許出願第１０／３６７，１０６号には、バイアス極性パターンを利用した、位相プロファイルと高さ方向におけるアパーチャの両方の制御が教示されている。バイアス極性によって、送信及び受信において等しく有効なアパーチャ制御が施される。共同所有のＰｅｎｄａ他の係属中の米国特許出願第１０／８１９，０９４号には、数ある利点の中でも、とりわけ、トランスデューサによって放出される高調波の相殺と最適なビーム・プロファイルの制御を可能にする、バイアス極性パターンと複数放射を組み合わせる方法が教示されている。Ｓａｖｏｒｄ他は、米国特許第６，３８１，１９７号明細書において、高さ方向アポディゼーション、及び、受信アパーチャの時間ベース拡大による高さ方向集束について解説している。公開された米国特許出願公開第２００３／００４８６９８号明細書において、Ｂａｒｎｅｔ他は、ｃＭＵＴ部分素子のバイアス制御を行う方法及びシステムについて解説している。これらの参考資料のどれにも、３Ｄイメージングを対象とする具体的な構造または方法について教示または請求しているものはない。

本発明者の実感したところによれば、高さ寸法が比較的大きく、空間及び時間的に高さ方向アパーチャのバイアス制御が行われるトランスデューサ・アレイは、画像の断面図が機械的走査によるものではなく、電子的走査によるものである点を除くと、機械的並進と同じ利点をもたらすことになる。さらに本発明者の実感したところによれば、高さ方向バイアス制御と高さ方向における凸面状の湾曲を組み合わせると、電子的走査による探索容積が増大し、その結果、視野が改善されることになる。米国特許出願第０９／４３５，３２４号及び第１０／３６７，１０６号において、Ｌａｄａｂａｕｍ他は、曲線マイクロ加工超音波トランスデューサの各種構造及び方法について解説している。さらにまた、本発明者の実感にしたところによれば、高さに関して固定された機械的レンズは、電子走査アパーチャに適合することができないが、高さ方向セクションのフレネル集束を利用して、高さ方向集束を改善することは可能である。高さ方向アパーチャの電子的並進のもう１つの利点は、高さ方向画像スライスの位置精度を約１００ミクロンまで制御することができるので、複数画像スライスを利用して、２Ｄ画像を改善することが可能になる。

従って、本発明の目的は、高さ方向における間隔の密な複数画像スライスを捕捉して、３Ｄ画像を形成することが可能であり、十分な視野を有しているので、トランスデューサ素子の機械的移動を必要としない、容易に製造可能な相互接続方式を特徴とする、超音波トランスデューサ、システム、及び、制御方法を提供することである。本発明によれば、こうしたトランスデューサ、システム、及び、方法が得られる。

本発明によれば、高さ方向アパーチャが大きく、アレイ素子が方位接続をなすように送信及び受信回路要素に接続され、高さ方向においてアライメントがとられた各アレイ素子の構成ダイアフラムのサブセットにバイアス・ライン制御を施す、容量形マイクロ加工トランスデューサ・アレイが提供される。アパーチャの重要な部分は、送信・受信サイクルの間オフになる。アパーチャのオフ領域は、影響を受ける素子が発生し、さらされる音場を相殺するため、十分に精密な空間分解能が得られるように、高さ方向電極のバイアスを交番することによって実現される。あるいはまた、高さ方向アパーチャは、十分に高いバイアスを印加して、薄膜が支持体に接触し、問題となる周波数に応答しなくなるようにすることによってオフにすることが可能である。アパーチャのある領域を選択的にオフにするもう１つの方法は、その領域にゼロ・バイアスを印加することである。アパーチャの並進は、複数組をなす送信・受信サイクル間に異なるオフ領域バイアス・パターンを加えて、各組をなす送信・受信サイクルの中心が、ほぼ異なる高さ領域にくるようにすることによって実現される。あるいはまた、バイアスの高さ方向における振幅分布を時間的に変化させることによって、アパーチャを並進させることも可能である。能動高さ方向アパーチャの電子的集束は、受信中にバイアスの時変振幅を生じさせるか、または、送信中及び受信中の両方において、能動高さ領域全域にフレネル・ゾーン・パターンをなすバイアス極性交番を施すことによって、あるいは、これらを組み合わせることによって、実現される。単純な相互接続方式は、通常連続した共通電極をいくつかの高さ方向電極に分割することにより、マイクロ加工トランスデューサで実現可能である。各高さ方向電極は、典型的な実施形態の１つでは、ただ単に従来のイメージャの特殊伝送チャネルとすることが可能な、バイアス制御回路要素に接続することが可能である。高さ方向においてアレイを湾曲させることによって、臨床的に有効な視野が得られる。

本発明については、対応物が全体を通じて同様の参照文字によって識別される、図面に関連して行われる、下記の詳細な説明からより明らかになるであろう。

本発明については、当該技術者が本発明を実施できるようにするため、本発明の説明に役立つ例として提示される図面に関連して詳述することにする。後述する図及び例が、本発明の範囲を制限することを意図したものではないことは明白である。さらに、本発明のいくつかの要素は、既知のコンポーネントを利用して部分的にまたは全面的に実施することが可能であるが、こうしたコンポーネントの、本発明の理解に必要な部分についてのみ解説し、こうしたコンポーネントの他の部分については、本発明が曖昧にならないように、詳述しないことにする。

図２及び図３には、本発明の実施形態の１つに従って形成されたｃＭＵＴアレイが例示されている。当該技術者には明らかなように、任意の数のトランスデューサ・セルによってトランスデューサ素子を構成し、任意の数のトランスデューサ素子によって、ｃＭＵＴアレイを構成することが可能である。本発明は、この可変性を取り入れることを意図したものであり、提示の典型的な実施形態に制限されるものではない。

図２には、本発明によるｃＭＵＴアレイ２００の実施形態の１つに関する平面図が例示されている。図２に示すように、ｃＭＵＴアレイには、２つのトランスデューサ素子２１０が含まれており、トランスデューサ素子のそれぞれには、３つのトランスデューサ・セル２０１、２０２、及び、２０３が含まれている。ｃＭＵＴアレイ２００は、例えば、２００１年８月７日にＬａｄａｂａｕｍに対して発行された「ＡｃｏｕｓｔｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅＳａｍｅ」と題する米国特許第６，２７１，６２０号明細書に開示のものと同様である。トランスデューサ素子２１０Ｂには、３つのトランスデューサ・セル２０１Ｂ、２０２Ｂ、及び、２０３Ｂが含まれている。トランスデューサ・セル２０１Ｂ、２０２Ｂ、及び、２０３Ｂのそれぞれは、それぞれ、上部電極２４１Ｂ、２４２Ｂ、及び、２４３Ｂと、下部電極（図３に示す）と、それぞれ、ボイド領域２３１Ｂ、２３２Ｂ、及び、２３３Ｂを備えている。トランスデューサ・セル２０１Ｂ、２０２Ｂ、及び、２０３Ｂは、素子内相互接続２５１Ｂ及び２５２Ｂによって、上部電極２４１Ｂ、２４２Ｂ、及び、２４３Ｂに沿って高さ方向に相互接続されている。代替案として、もう１つの実施形態では、トランスデューサ・セルは、下部電極に沿って接続することも可能である。隣接トランスデューサ素子２１０Ａ−２１０Ｂの対応するトランスデューサ・セル２０１Ａ−２０１Ｂ、２０２Ａ−２０２Ｂ、及び、２０３Ａ−２０３Ｂは、素子間相互接続２２１Ｂ、２２２Ｂ、及び、２２３Ｂによって方位方向に相互接続されて、高さ方向列を形成する。図３には、図２の断面３−３が示されている。

図３には、本発明の実施形態の１つのトランスデューサ素子２１０Ｂに関する断面図が示されている。図３に示すように、トランスデューサ・セル２０１Ｂ、２０２Ｂ、及び、２０３Ｂは、例えば、２００１年７月３日に提出された、Ｌａｄａｂａｕｍの「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｍａｋｉｎｇ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ」と題する、共同所有の米国特許出願第０９／８９８，０３５号に開示された方法を利用して形成される。具体例として、トランスデューサ・セル２０１Ｂは、下記のやり方で構成することが可能である。基板３１０の上に、熱酸化物の層３２０を成長させる。次に、第１の導電層を付着させ、エッチングを施して、下部電極３３１Ｂを形成する。その後、下部絶縁層３４０を付着させる。下部絶縁層の上に、犠牲層を付着させて、エッチングを施すと、結果として、最終的にボイド領域２３１Ｂになる犠牲部分が生じる。犠牲部分の上に中間絶縁層３５０を付着させる。次に、第２の導電層を付着させ、エッチングを施して、上部電極２４１Ｂを形成する。次に、上部電極２４１Ｂの上に、上部絶縁層３６０を付着させる。この時点で、バイア・ホールを通じて、犠牲部分をエッチングで除去し、その後、バイア・ホールを絶縁材料３７０で充填する。

本発明は、上述のトランスデューサ素子及びトランスデューサ・セルの特定の典型的な幾何学構造及び製作方法に制限されることを意図したものではない。さらに、トランスデューサ・セルのサイズ及び形状は、単一の八角形設計に制限されることを意図したものではなく、それどころか、各トランスデューサ・セルは、他のトランスデューサ・セルのそれぞれとは異なるサイズ及び異なる形状にすることが可能である。

図４には、従来のｃＭＵＴアレイ１００の外部回路接続が示されている。図示のように、典型的な方位素子接続の１つ４００が、従来のｃＭＵＴアレイ１００のトランスデューサ素子１１０Ａを構成する一連のトランスデューサ・セルの上部（または下部）電極に接続されている。ｃＭＵＴアレイ１００の下部（または上部）電極の全てが、共通接続４１０を施され、従って、共通バイアスが加えられる。

図５には、本発明の実施形態の１つに用いられるｃＭＵＴアレイ２００の外部回路接続が示されている。図４の従来のアレイと同様、各トランスデューサ素子２１０Ａの上部電極は、外部で方位素子接続４００に接続されている。しかし、この外部回路の場合、隣接トランスデューサ素子の対応するトランスデューサ・セルの下部電極は、互いに接続されて、高さ方向列を形成する。各高さ方向列は、Ｎ×２のマルチプレクサ５２０の個別出力チャネルに外部で接続されている（５１０）。マルチプレクサ５２０の入力は、正バイアス電圧５３０及び負バイアス電圧５４０である。マルチプレクサ５２０制御信号が、焦点ゾーン及びアパーチャ位置／サイズ数５６０ポインタを利用して、ＥＰＲＯＭ５５０ルックアップ・テーブルから生じる。当該技術者には明らかなように、当該技術において現在利用可能なトランスデューサ制御の他のアプローチも、本発明の３Ｄ態様に適応させることが可能である。例えば、ＭＵＴ高さ方向アパーチャ・アポディゼーションに関してＳａｖｏｒｄが最初に教示したように、高さ方向における異なるバイアス振幅の印加を利用することによって、高さ方向アパーチャの特定領域をオフにすることが可能である。

さらにまた、本発明の３ＤｃＭＵＴに関連して、高さ方向に集束させるため、バイアス振幅を時間的に変化させて、高さ方向アパーチャが時間的に拡大するようにする動的アパーチャ態様を利用することも可能である。バイアス振幅の変動と同様に、バイアス極性パターンの変動を動的に利用して、アパーチャを拡大し、その結果、高さ方向の集束が生じるようにすることも可能である。より要求の厳しいバイアス・ライン制御のこうした場合には、図５のボックス５２０は、単純なＮ×２のＭＵＸではなく、バイアス制御ネットワークということになるであろう。例えば、高さ方向列のスイッチング中のアコースティック・エミッションを回避するため、本発明のｃＭＵＴに３Ｄ制御を加えるシステムでは、ディジタル・アナログ変換器、梯子型抵抗器、または、フィルタ等、あるいは、こうした素子の組合せを利用して、円滑なスイッチングを施すことが可能である。高さ方向列バイアス・ラインに供給される波形は、ＭＵＴセルの音響通過帯域外に平滑な形状及び周波数内容を備えることが可能である。

図６には、本発明の実施形態の１つを解説するために、ＭＵＴトランスデューサの単純化バージョンが例示されている。トランスデューサ２００には、方位素子２１０Ａ、２１０Ｂ、及び、２１０Ｃを形成する、高さ方向に沿った接続が含まれている。方位素子は、超音波システムの送信／受信回路要素に接続されている。簡略化のため、３つの方位素子だけしか示されていないが、いかなる数のこうした素子も、本発明の範囲内である。トランスデューサ２００には、高さ方向列バイアス・ライン２２０を形成する、方位方向の接続も含まれている。２２０Ａ、Ｃ、Ｅ及び２２０Ｂ、Ｄ、Ｆのような高さ方向列バイアス・ラインのサブセットが２つのバイアス源５３０及び５４０に接続されて、高さ方向バイアス・サブセットを形成している。分りやすくするため、２つの高さ方向列バイアス・ライン・セットだけしか示されていないが、任意の数のこうした接続及びバイアス源が可能である。本発明の３Ｄ可能ｃＭＵＴを組み込んだシステムにおけるクロストークを低減するため、バイアス電極ライン２２０Ａ、並びに、電圧源５３０のアースへのＲＦ経路（すなわち、有効なＲＦ接地）のインピーダンスは、こうしたバイアス電極ラインが制御するｃＭＵＴの部分素子の絶対電気インピーダンスより、およそ１０００倍程度以上低いのが望ましい。

本発明の実施形態の１つにおいて、比較的高さ方向寸法が大きく、空間及び時間的に高さ方向アパーチャのバイアス制御が行われるトランスデューサ・アレイは、画像の断面図が機械的走査によるものではなく、電子的走査によるものである点を除くと、機械的並進と同じ利点をもたらすことになる。本発明によれば、画像断面は、高さ方向アパーチャのある領域からの、所望の周波数範囲内における個別の送信及び／または受信によって電子的に走査されるが、高さ方向アパーチャの残りの領域からの、所望の周波数範囲内における送信及び受信によってではない。高さ方向列バイアス・ライン２２０が、適切なバイアス電圧を受電して、高さ方向アパーチャの領域を行きつ戻りつ順次オン／オフする場合、時間的及び空間的送信及び／または受信は、従来の３Ｄトランスデューサ素子を横切る機械的並進を模倣することが可能である。

しかしながら、本発明による３Ｄ ｃＭＵＴは、典型的な機械的走査の対応物におけるような、行ったり来たりする動きの模倣に制限されるものではない。当該技術者には明らかなように、３ＤｃＭＵＴは、任意の所定の時間に、ある高さ領域から個別に送信・受信する動作が可能である。例えば、本発明の実施形態の１つでは、最初に、高さ方向アパーチャの一方のエッジに近い高さ方向サブセット２２０が、それに続いて、高さ方向アパーチャのもう一方のエッジ付近の別のサブセット２２０がといったように、交互に、送信・受信可能になる。

さらに、本発明による３ＤｃＭＵＴには、典型的な機械的走査の対応物のように、ある特定アパーチャ領域から送信し、次に、その特定高さ方向領域における受信を強制的に待たされた後、送信・受信を行う異なる高さ方向アパーチャ位置まで移動するという制限はない。例えば、本発明のもう１つの実施形態では、高さ方向領域の１つから送信し、その後、第１の高さ方向領域による受信前に、第２の高さ方向アパーチャ領域から送信することが可能である。その後、第１の高さ方向領域で受信し、引き続き、第２の高さ方向領域で受信することが可能である。本発明のこの態様は、システムにおいて可能な伝搬音の捕捉時間とスイッチング速度によって促進される。本発明のさらにもう１つの態様では、異なる高さ方向アパーチャ領域の送信信号を符号化して、異なる領域からの複数送信放射が急速に生じ、受信が同時に生じるようにするも可能である。符号化の一例には、受信中、周波数フィルタを用いて、空間ゾーンを抽出できるように、異なる送信波形のために異なる周波数帯域を利用することがある。これらの代替実施形態は、本発明のさまざまな動作上の可能性の例となることを意図したものであり、制限態様となることを意図したものではない。当該技術者には容易に明らかになるように、こうした素子によるｃＭＵＴアレイの１つ以上の高さ方向領域からの送信及び／または受信オプションには多様な組み合わせが存在するが、こうした組み合わせは、全て、本発明の範囲内に含まれる。

高さ方向列の一部が所望の周波数で送信及び受信を行わないというやり方が、本発明のもう１つの実施形態である。この実施形態の態様の１つでは、ｃＭＵＴアレイの非送信／受信高さ方向領域には、基本周波数の放射（より一般的には、全ての奇数調波周波数の放射）を抑圧または相殺するように設計された、「交番」バイアス・プロファイルが含まれており、この場合、バイアス電圧は、セル設計及びギャップに応じて、一般に、約±１５０ボルト程度である。こうしたバイアス・プロファイルは、バイアス・ブロックによってできる限り細密な間隔をあけた、逆バイアス極性の隣接領域を特徴とする。一般に、空間周期性は、動作周波数と、相殺しようとする範囲によって決まるが、１／２波長の周期性で十分である。すなわち、本発明のこの態様では、隣接バイアス・ブロック間のピッチが、その基本周波数の一波長未満の場合、バイアス・ブロック毎に、０とπの間において十分な空間周期性で交番する送信／受信位相プロファイルによって、対応する周波数成分を音場内に放射するのが、あるいは、音場から受信するのが阻止される。

この実施形態のもう１つの態様では、各トランスデューサ・セルの振動ドラムを「動かないようにする」ため、ｃＭＵＴアレイの非送信／受信高さ方向列に、比較的大きいバイアス電圧が印加される。この状態は、「コラプス・ターン・オフ」とも呼ばれる。代替案として、非受信高さ方向列の受信部分において、ただ単に、それらの素子にゼロ・バイアスを印加するだけで、オフにすることも可能である。こうしたやり方で受信部分をオフにするのは、動的受信集束と組み合わせられると、すなわち、時間プロファイルと問題となる媒質中における音速をリンクさせて、問題となるアパーチャ領域の中心から問題となる全アパーチャ領域まで、円滑にバイアスをオンにして、増大させることによって、とりわけ、有効になる。同様に、ゼロ・バイアスの印加を利用すると、多少の送信は生じるが、その周波数内容は、ほとんど送信信号の周波数の２倍にシフトされ、従って、受信時に濾波されることになるので、非受信高さ方向列の送信部分を有効にオフにすることが可能になる。

図５に示す回路接続の働きに言及すると、本発明のさらにもう１つの態様では、高さ方向列バイアス・ライン２２０のいくつかに関する送信信号位相を反転させるため、問題となる送信／受信領域の高さ方向列バイアス・ライン２２０のいくつかに対するバイアスの符号が変更される。これには、フレネル・ゾーン・プレートを生じる効果がある。この集束は、送信時にも、受信時にも実施することが可能である。しかしながら、単純化のため、以下の説明は、送信に関して行われるが、受信も同様に機能する。下記の説明に関して、集束は、任意の所定の時間に、能動的または機能的に送信／受信する高さ方向領域において実施されるだけであり、これに対し、高さ方向アパーチャの残りの部分では、実施されないという点を理解しておくべきである。

マルチプレクサは、ＥＰＲＯＭ５５０のルックアップ・テーブルに基づいて、Ｎの高さ方向列バイアス・ライン接続に正電圧または負電圧を送る。各高さ方向列バイアス・ラインは、ＲＦアースである。ＥＰＲＯＭ５５０のアドレスは、例えば、どの焦点ゾーンが利用されているかをプローブに知らせる、励起電圧タイミングに基づいてシステムによって与えられる数字であり、オプションにより、励起パルスの中心周波数及び帯域幅に関する情報である。ＥＥＰＲＯＭ５５０のデータによって、これが、ある特定の焦点ゾーンに関するバイアス符号配列に変換され、ゾーン・プレートの焦点距離が、これらのバイアス符号によって決まる。

本発明のこの実施形態において上述のゾーン・プレートは、古典的なフレネル・レンズと同様の働きをするが、ｃＭＵＴの高さ方向集束に適している。例えば、高さ方向電極の中心が、ｙ_iに位置する場合、古典的フレネル・レンズにおける集束に必要な位相φ_iは、φ_i=（２πｆ／ｃ）・√（ｒ²＋ｙ² _i）−ｒであるが、ここで、ｆは周波数、ｒは所望の集束距離、及び、ｃは問題となる媒質の音速である。しかしながら、本発明では、古典的フレネル・レンズのように、連続位相シフトは生じない。それどころか、本発明によれば、１８０度の離散的位相シフトが生じることになり、本発明は、本質的にｃＭＵＴゾーン・プレートである。従って、理想的な連続位相変化を離散的符号情報に変換して、ｃＭＵＴバイアス電圧が得られるようにしなければならない：ｓ_i＝ｓｉｇｎ（ｍｏｄ（φ_i，２π）−π）。

当該技術者には明らかなように、正及び負のバイアス電圧を本発明の高さ方向列に接続し、組み合わせることが可能な方法及び回路が数多く存在する。これらのさらなるバイアス電圧接続方法及び回路は、本発明の範囲内に含まれことになる。

すなわち、もう１つの実施形態の場合、本発明のマルチプレクサ・ＥＰＲＯＭの組み合わせは、一般に知られているスイッチング及び選択回路要素の組み合わせに置き換えることが可能である。例えば、個別リレー、個別トランジスタ、半導体トランジスタ、及び、他の半導体スイッチのようなコンポーネントを利用することが可能である。同様に、複数のリアルタイムに選択可能な極性パターンを記憶するＥＰＲＯＭの代わりに、手動パターン選択回路を利用することも可能である。さらに、本発明の正及び負のバイアス電圧は、高さ方向列に直接配線で接続するか、または、スイッチング・コンポーネントに直接配線で接続することが可能である。この実施形態の場合、ある特定用途のための極性パターンが、あらかじめ選択され、あらかじめ選択された極性パターンに従って、適合するバイアス電圧が、適合する高さ方向列、または、高さ方向列スイッチに直接接続される。最後に、この実施形態の場合、本発明のＭＵＴ装置は、配線で接続されるバイアス電圧とスイッチされるバイアス電圧を組み合わせることが可能である。

もう１つの実施形態では、正と負のバイアス電圧は、本発明のＭＵＴ装置から離散的に発生させることもできるし、本発明のＭＵＴ装置に局所的に発生させることもできるし、あるいは、離散的発生と局所的発生を組み合わせることも可能である。この実施形態の第１の態様である、離散的発生の場合、例えば、バイアス電圧は、応用プローブ・ハンドルに保有することもできるし、あるいは、応用システムの他の部分で発生させることも可能である。この態様では、バイアス電圧は、例えば、ワイヤ、ケーブル、ハーネス、コネクター等を利用して、ＭＵＴ装置に接続することが可能である。この実施形態の第２の態様である、局所的発生の場合、バイアス電圧発生回路要素は、同じダイまたは隣接ダイ上において、ＭＵＴ装置のそばに、あるいは、ＭＵＴ装置基板内において、ＭＵＴ装置の下に収容することが可能である。

さらにもう１つの実施形態の場合、正及び負のバイアス電圧は、図５に示す２つより多い。すなわち、動作中、各ＭＵＴ高さ方向列は、例えば、振幅と極性のある特定の組み合わせである、それ自体の特定バイアス電圧を受けることが可能である。さらに、各特定バイアス電圧は、時間ベースの波形をなすことが可能であり、これによって、アパーチャを時間的に円滑に開くことが可能になる。アパーチャの時間的に円滑な開放は、中心から外へ、梯子型抵抗器を用いることによって実現することも可能である。さらに、この実施形態の場合、バイアス電圧量は、高さ方向列の量を上回ることが可能であり、バイアス電圧の一部は、特定の用途に用いられ、他は、異なる用途に用いられる。

最良の画質を得るには、近接音場における高さ方向アパーチャを縮小できることが必要になる。高さ方向電極がほぼ半波長程度の範囲にわたる場合、本発明の実施形態の１つにおけるように、バイアスを交番させるのは、音響出力を相殺するのに有効な方法であり、アパーチャ制御及びアポディゼーションに利用することが可能である。図６には、こうしたアプローチの一例が示されている。

図６には、ｃＭＵＴアレイ２００の３つの方位素子２１０Ａ〜２１０Ｃが送信チャネルに接続された、本発明の典型的な実施形態の１つの具体的な設計が例示されている。図６には、３つの方位素子２１０Ａ〜２１０Ｃのそばにあるであろう追加方位素子は示されていない。図６には、素子２１０Ａ〜２１０Ｃの追加高さ方向範囲も示されていない。アレイ全体は、１２８の方位素子と１２８の高さ方向電極から構成され、中心周波数は４ＭＨｚであり、方位方向において４．８ｃｍ、高さ方向において２．４ｃｍの測定が可能である。しかし、当該技術者には明らかなように、任意の所望の中心周波数に合わせて設計された、任意の数の方位素子及び高さ方向電極を利用することが可能である。アレイ２００には、図解のように、それぞれ、前述の高さ方向列バイアス・ライン２２０を含む、２組の高さ方向電極２２０Ａ、Ｃ、Ｅ、及び、２２０Ｂ、Ｄ、Ｆを備える高さ方向セクションが含まれている。図６には、図に描かれているアレイ２００の高さ方向セクションを有効にオフにすることが可能な、高さ方向列バイアス・ラインの交番極性が例示されている。これらの電極は、幅が約１５０ミクロンであり、隣接素子２１０Ａ、２１０Ｂ、及び、２１０ＣのｃＭＵＴセルをバイアス電圧Ｖ−ｂｉａｓＬ５４０またはＶ−ｂｉａｓＲ５３０に交番式に（すなわち、交互に）接続する。素子２１０Ａ〜Ｃは、それぞれ、例えば、幅が約３００ミクロンであり、バイアス電圧Ｖ−ｂｉａｓＬ５４０及びＶ−ｂｉａｓＲ５３０の大きさが等しく、符号が逆であれば、例示の素子２１０Ａ〜Ｃの高さ方向セクションは、ほぼオフになるであろう。

本発明のさらにもう１つの実施形態では、上述の電子的に走査される画像断面とトランスデューサの湾曲を組み合わせて、イメージャの３Ｄ視野が拡大される。図７には、この実施形態の湾曲が示されている。図７に示すように、トランスデューサ・アレイ７００は、放射距離方向に凸面７１０をなすように湾曲させられる。しかしながら、当該技術者には明らかなように、他の方向における他の湾曲、並びに、複数方向における湾曲のくみあわせも、全て、可能であり、本発明の範囲内に含まれるものとする。

本発明のさらにもう１つの態様では、高さ方向アパーチャの並進が、高さ方向アパーチャのごくわずかな範囲に限って実施されるが、並進分解能は約１／２波長である。このわずかな並進は、許容可能な視野で３Ｄイメージングを行うのには実用的ではないが、２次元画像の質を向上させるのには極めて有効である。例えば、無相関信号の影響を除去するため、アパーチャの十分に接近しているが、別個の高さ方向領域（ほとんどの例において、サブミリメートルを意味する、解剖学的に重要ではない寸法となるように十分に近接して）形成されたイメージを相関させるか、あるいは、別様に処理し、それによって、画像の鮮明さを向上させることが可能である。

当該技術者には明らかなように、ここまで提示された実施形態の場合、高さ方向アパーチャのオフ領域は、アパーチャのターン・オン・セクションに対する寄生容量となる。この追加寄生容量は、根本原理的な観点からすると問題にはならないが、本発明のもう１つの態様は、方位チャネルの受信Ｓ／Ｎ比におけるこうした寄生容量の影響を軽減することである。本発明のもう１つの実施形態では、各方位素子の受信経路に、電荷センス増幅器が設けられている。寄生容量は、音波を受波すると、ＭＵＴが移動させる電荷の総量に影響することはないので、こうした構成が、Ｓ／Ｎ比の劣化を被ることはない。

本発明については、とりわけ、その望ましい実施形態に関連して解説されたが、通常の当該技術者であれば容易に明らかになるように、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、その形態及び細部に変更及び修正を加えることが可能である。例えば、当該技術者には明らかなように、現在一般に利用可能なイメージング装置及びソフトウェアは、方位方向にアライメントのとれたトランスデューサ素子を好んで選択しているが、環状トランスデューサのような他のトランスデューサ幾何学構造が重要になる可能性がある。従って、方位方向に送信・受信チャネルを備え、高さ方向にバイアス制御が施される矩形アパーチャに関する例について解説されているが、異なるバイアス制御構成が望ましい場合もあり、本発明の範囲及び精神に含まれる。さらに、視野を拡大するため、高さ方向湾曲は、凸面として解説されたが、当該技術者には明らかなように、他の表面も可能である。例えば、視野を犠牲にすることにはなるが、凹面状の湾曲によって、画像スライス厚分解能を高めることも可能である。付属の請求項に、こうした変更及び修正が含まれるように意図されている。

典型的な医療用超音波トランスデューサを例示し、方位、高さ、及び、距離方向を規定した図である。 典型的な超音波システムによって発生するセクタ・イメージ及び一次元イメージを例示した図である。 本発明の実施形態の１つにおいて用いられるトランスデューサの平面図である。 本発明の実施形態の１つにおいて用いられるトランスデューサの断面図である。 本発明の実施形態の１つに用いることが可能な従来のトランスデューサ・システムに関する電気回路図である。 本発明の実施形態の１つに用いられるトランスデューサ・システムに関するもう１つの電気回路図である。 本発明の実施形態の１つによるトランスデューサ設計を例示した図である。 本発明の実施形態の１つによる３Ｄシステムに用いられる湾曲マイクロ加工超音波トランスデューサの断面図である。

符号の説明

２００ ｃＭＵＴアレイ
２０１、２０２、２０３ トランスデューサ・セル
２１０ トランスデューサ素子
２２０ 高さ方向列バイアス・ライン
２２１Ｂ、２２２Ｂ、２２３Ｂ 素子間相互接続
２３１Ｂ、２３２Ｂ、２３３Ｂ ボイド領域
２４１Ｂ、２４２Ｂ、２４３Ｂ 上部電極
２５１Ｂ、２５２Ｂ 素子内相互接続
３１０ 基板
３２０ 熱酸化物層
３３１Ｂ 下部電極
３４０ 下部絶縁層
３６０ 上部絶縁層
３７０ 絶縁材料
４００ 方位素子接続
５２０ マルチプレクサ
５３０、５４０ バイアス源
５５０ ＥＰＲＯＭ
７００ トランスデューサ・アレイ
７１０ 凸面

Claims (15)

1. 複数のトランスデューサ素子と、複数の高さ方向アパーチャに対応する、各トランスデューサ素子内の複数のトランスデューサ部分素子を備え、前記複数のトランスデューサ素子内の隣接部分素子が、同じ高さ方向アパーチャに対応し、各トランスデューサ部分素子に少なくとも１つのトランスデューサ・セルが含まれる、容量形マイクロ加工トランスデューサ・アレイを用いて、３Ｄ画像を描画するためのイメージング・データを得る方法であって、
   前記複数の高さ方向アパーチャの少なくとも１つを選択するステップと、
   前記選択された高さ方向アパーチャの１つから画像データを検出するステップ、及び、
   前記検出画像データを出力するステップを含む、
   前記選択された高さ方向アパーチャの１つにおいて前記トランスデューサ・アレイの走査を行うステップと、
   前記３Ｄ画像の描画に必要なイメージング・データが得られるようにするため、複数の異なる高さ方向アパーチャについて前記選択及び走査ステップを反復するステップと
   が含まれており、
   前記選択ステップによって、前記複数の高さ方向アパーチャのうちから１つだけしか選択されず、前記走査ステップに、前記選択された高さ方向アパーチャの１つ以外の全ての高さ方向アパーチャをほぼオフにするため、トランスデューサ部分素子にバイアスをかけるステップが含まれ、
   各高さ方向アパーチャにバイアスをかけるステップによって、前記選択された高さ方向アパーチャに関連した高さ方向列バイアス・ラインに交番バイアスが加えられる
   ことを特徴とする３Ｄ画像を描画するためのイメージング・データを得る方法。
2. 各高さ方向アパーチャにバイアスをかけるステップによって、前記選択された高さ方向アパーチャに関連しない、各トランスデューサ・セルに関連した振動ドラムを動かないようにするため、ゼロ・バイアスが加えられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 各高さ方向アパーチャにバイアスをかけるステップによって、前記選択された高さ方向アパーチャに関連しない、各トランスデューサ・セルに関連した振動ドラムを動かないようにするため、大きいバイアスが加えられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記選択された少なくとも１つの高さ方向アパーチャのサイズが、前記検出ステップが行われる時間期間にわたって大きくなることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 隣接する高さ方向アパーチャを利用して、前記選択された高さ方向アパーチャの１つのサイズを拡大することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記出力ステップにおいて、同じ出力回路要素を用いて、異なる高さ方向アパーチャのそれぞれに関連した画像データが出力されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記選択された高さ方向アパーチャの１つの走査ステップに、さらに、高さ方向の集束を改善するためのフレネル集束が含まれることと、前記フレネル集束によって、前記選択された高さ方向アパーチャの１つに関連したいくつかの高さ方向列バイアス・ラインのバイアス振幅が１８０度反転されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 前記選択ステップによって、複数の異なる高さ方向アパーチャが選択されることと、前記走査ステップに、前記選択された高さ方向アパーチャ以外の全ての高さ方向アパーチャをほぼオフにするため、トランスデューサ部分素子にバイアスをかけるステップが含まれることと、前記選択された高さ方向アパーチャのそれぞれが、受信データを異なるように符号化することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 前記走査ステップに、さらに、異なる高さ方向アパーチャのそれぞれについて、異なる周波数帯域の送信放射を行うステップが含まれることと、異なる各高さ方向アパーチャが、周波数帯域に従って受信データを符号化することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. さらに、前記トランスデューサ・アレイを湾曲させて、走査及び検出ステップ中、同じ湾曲が保たれるようにするステップが含まれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
11. 複数のトランスデューサ素子と、複数の高さ方向アパーチャに対応する、各トランスデューサ素子内の複数のトランスデューサ部分素子を備え、前記複数のトランスデューサ素子内の隣接部分素子が、同じ高さ方向アパーチャに対応し、各トランスデューサ部分素子に、少なくとも１つのトランスデューサ・セルが含まれており、前記複数のトランスデューサ部分素子のそれぞれが、問題となる所定の周波数帯域に関する画像スライス・データの取得を可能にするアパーチャ・サイズを備えている、容量形マイクロ加工トランスデューサ・アレイと、
    ３Ｄ画像の描画に必要な画像スライス・データを取得するために、異なる高さ方向アパーチャにおける前記アレイの走査を実施する手段が含まれており、
    該走査を実施する手段に、現在走査中の前記高さ方向アパーチャ内におけるいくつかのトランスデューサ部分素子にバイアスをかけ、現在走査中の選択された高さ方向アパーチャに関連した高さ方向列バイアス・ラインに交番バイアスを加えることにより前記現在走査中の高さ方向アパーチャ以外の全ての高さ方向アパーチャをほぼオフにするバイアス回路が含まれていることを特徴とする、
    ３Ｄ画像を描画するための画像データを取得することが可能な装置。
12. さらに、検出画像データを出力する出力回路要素が含まれることと、同じ出力回路要素が、異なる各高さ方向アパーチャに関連した画像データの出力に用いられることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 前記トランスデューサが湾曲していることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
14. さらに、各部分素子に関連した複数の高さ方向列バイアス・ラインが含まれ、いくつかの高さ方向列バイアス・ラインのバイアス振幅が１８０度反転されることによりフレネル集束がなされることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
15. 前記走査手段に、高さ方向アパーチャの１つに関連した画像データの検出が行われる時間期間にわたって、アパーチャ・サイズを大きくするための手段が含まれることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。

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