JP5259902B2 - 調波画像化のための超音波変換器システム及び方法 - Google Patents
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Description
（技術分野）
本発明は、医療診断超音波変換器システムと調波画像化方法とに関する。具体的には、組織、流体、又は、添加された造影剤からの調波エコーを用いる画像化のために増加した帯域幅をもたらす変換器システムが提供される。
本発明は、医療診断超音波変換器システムと調波画像化方法とに関する。具体的には、組織、流体、又は、添加された造影剤からの調波エコーを用いる画像化のために増加した帯域幅をもたらす変換器システムが提供される。
（背景技術）
音響エネルギは、基本送信周波数で患者の中に伝達される。音響エネルギは、患者内の組織、流体、又は、他の構造から反射される。この反射は、基本周波数帯域のエネルギ、及び、基本周波数帯域の調波周波数で発生されるエネルギを含む。変換器は、この音響エネルギを電気信号に変換する。
変換器帯域幅は、実際の応答を限定して、調波又は他の周波数での情報内容を減少させてもよい。目標とする周波数範囲の８０％を超える６デシベル又はそれ以上の帯域幅を有する変換器を製造することは、困難かつコスト高である。調波画像化のためには、１００又は１４０％を超える６デシベル帯域幅を設けるのが好ましい。例えば、変換器は、３から５メガヘルツの周波数範囲でエネルギを送信し、６から９メガヘルツの範囲で関連する情報を受信してもよい。
音響エネルギは、基本送信周波数で患者の中に伝達される。音響エネルギは、患者内の組織、流体、又は、他の構造から反射される。この反射は、基本周波数帯域のエネルギ、及び、基本周波数帯域の調波周波数で発生されるエネルギを含む。変換器は、この音響エネルギを電気信号に変換する。
変換器帯域幅は、実際の応答を限定して、調波又は他の周波数での情報内容を減少させてもよい。目標とする周波数範囲の８０％を超える６デシベル又はそれ以上の帯域幅を有する変換器を製造することは、困難かつコスト高である。調波画像化のためには、１００又は１４０％を超える６デシベル帯域幅を設けるのが好ましい。例えば、変換器は、３から５メガヘルツの周波数範囲でエネルギを送信し、６から９メガヘルツの範囲で関連する情報を受信してもよい。
あらゆる種類の超音波診断画像化にとって、一般に、より広い帯域幅を有する変換器が必要である。例えば、広い帯域幅を有する変換器は、同じか又は異なる画像化作業の間に、異なる基本周波数で情報を得るために使用される。広い帯域幅を有する変換器をもたらす様々な技術が提案されてきた。例えば、「１９９７年ＩＥＥＥ（米国電気電子学会）超音波シンポジウム」の１、６５９〜１、６６２頁に掲載のＴ．Ｒ．Ｇｕｒｕｒａｊａ他による「ｆ0及び２ｆ0を中心とする切換可能周波数帯域を有する医療用超音波変換器」は、２つの層を使用した電歪変換器素子を開示している。選ばれたバイアスが一方の層に加えられ、広帯域幅送信のために２つの層の間の電極に伝達波形が加えられる。別の例としては、１９９３年３月発行の「超音波、強誘電、及び、周波数制御に関するＩＥＥＥ報告」第４０巻、第２号のＪ．Ｈｏｓｓａｃｋ他による「多重圧電層を使用した変換器の特性改善」は、２層圧電単一素子変換器を開示している。送信時に各層に対して異なる波形が加えられ、受信時に層の１つからの信号に別の層に対する位相調整又は遅延が加えられる。別の例としては、変換器の周波数範囲を拡げるために、単層変換器素子において異なる材料を使用してもよい。
本明細書においてその開示内容が引用により援用されている米国特許第５，９５７，８５１号は、調波画像化に使用する多重圧電層を有する超音波変換器を開示している。送信又は受信中に１つの層を他の層から隔離するために、ダイオード又はトランジスタが使用きれている。同じ変換器は、基本周波数で送信し、調波周波数で受信するために使用される。各層が使用されている時、この受動的スイッチングシステムに対して、同じ送信及び受信処理が各層に対して実行される。
（発明の開示）
本発明は、特許請求範囲によって規定されるが、本節のどの内容もそれら請求範囲を限定するものとして解釈されてはならない。導入の意味で、以下に説明する好ましい実施形態は、調波画像化のための方法及び変換器システムを含む。少なくとも１つの変換器素子が設けられる。この変換器素子は、積み重ねられた２つの圧電層を含む。これらの層は、高さ・方位平面（すなわち、方位はＸ方向、高さはＹ方向、広がりはＺ方向）に対して垂直な高さ又は厚み方向に積み重ねられる。各層からの情報は、送信事象、受信事象、及び、送信と受信の両事象のうちの１つの間に独立に処理される。変換器素子からの情報は、フィルタに供給される。このフィルタは、画像化のために調波情報を分離する。各層に対する独立した処理を有する多層変換器素子を設けることにより、調波画像化のための広帯域幅変換器がもたらされる。基本周波数の第２高調波においてほとんどの変換器に付随するナルは、排除されるか又は低減される。
本発明の更なる態様及び利点は、好ましい実施形態に関連して以下に説明される。
本発明は、特許請求範囲によって規定されるが、本節のどの内容もそれら請求範囲を限定するものとして解釈されてはならない。導入の意味で、以下に説明する好ましい実施形態は、調波画像化のための方法及び変換器システムを含む。少なくとも１つの変換器素子が設けられる。この変換器素子は、積み重ねられた２つの圧電層を含む。これらの層は、高さ・方位平面（すなわち、方位はＸ方向、高さはＹ方向、広がりはＺ方向）に対して垂直な高さ又は厚み方向に積み重ねられる。各層からの情報は、送信事象、受信事象、及び、送信と受信の両事象のうちの１つの間に独立に処理される。変換器素子からの情報は、フィルタに供給される。このフィルタは、画像化のために調波情報を分離する。各層に対する独立した処理を有する多層変換器素子を設けることにより、調波画像化のための広帯域幅変換器がもたらされる。基本周波数の第２高調波においてほとんどの変換器に付随するナルは、排除されるか又は低減される。
本発明の更なる態様及び利点は、好ましい実施形態に関連して以下に説明される。
（発明を実施するための最良の形態）
調波画像化のための変換器システム及び方法について以下に検討する。１つ又はそれ以上の変換器素子は、圧電材料の複数の層を含む。本明細書で使用する場合、圧電材料は、圧電セラミック又は静電運動膜装置のような音響エネルギを電気信号に変えるか、又は、その逆の働きをする任意の材料又は装置を含む。送信及び受信事象のうちの一方又は両方の間に、層の各々に対して独立した処理がもたらされる。例えば、送信事象中に変換器素子の各層に対して異なる波長が供給される。別の例を挙げると、受信事象中に電気信号のうちの１つが別の電気信号よりも遅延される。独立した処理は増大した帯域幅を準備し、変換器を通過する調波の量を最大にする。
調波画像化のための変換器システム及び方法について以下に検討する。１つ又はそれ以上の変換器素子は、圧電材料の複数の層を含む。本明細書で使用する場合、圧電材料は、圧電セラミック又は静電運動膜装置のような音響エネルギを電気信号に変えるか、又は、その逆の働きをする任意の材料又は装置を含む。送信及び受信事象のうちの一方又は両方の間に、層の各々に対して独立した処理がもたらされる。例えば、送信事象中に変換器素子の各層に対して異なる波長が供給される。別の例を挙げると、受信事象中に電気信号のうちの１つが別の電気信号よりも遅延される。独立した処理は増大した帯域幅を準備し、変換器を通過する調波の量を最大にする。
図１は、調波画像化のための超音波変換器システムのブロック図を示す。この変換器システムは、送信機２０と受信機２２とに接続された変換器素子１０を含む。受信機２２に接続されたものと異なる素子を送信機２０に接続してもよい。
変換器素子１０は、支持層１６と整合層１８との間に構築された層である、圧電材料の最上層１２及び最下層１４を含む。最上層１２及び最下層１４は、ＰＺＴ／エポキシ複合材、ＰＶＤＦセラミック、モトローラ製ＨＤ３３０３、ＰＺＴ ５Ｈ、又は、他の圧電材料又は圧電セラミックなどの、同じか又は異なる圧電材料を含む。代替的実施形態においては、圧電材料は、静電微小機械加工された装置を含む。層１２及び１４の各々は、同じか又は異なる幾何学形状を有する。例えば、厚さ１／２ミリメートルといった同じ厚さが各層に使用される。他の厚さを使用してもよい。
変換器素子１０は、支持層１６と整合層１８との間に構築された層である、圧電材料の最上層１２及び最下層１４を含む。最上層１２及び最下層１４は、ＰＺＴ／エポキシ複合材、ＰＶＤＦセラミック、モトローラ製ＨＤ３３０３、ＰＺＴ ５Ｈ、又は、他の圧電材料又は圧電セラミックなどの、同じか又は異なる圧電材料を含む。代替的実施形態においては、圧電材料は、静電微小機械加工された装置を含む。層１２及び１４の各々は、同じか又は異なる幾何学形状を有する。例えば、厚さ１／２ミリメートルといった同じ厚さが各層に使用される。他の厚さを使用してもよい。
好ましくは、変換器素子１０は、整合層１８及び支持ブロック１６により十分に整合される。例えば、支持ブロック１６は、タングステン充填エポキシ又は他の支持ブロック材料を含む。例えば、他の支持材料には、金属（例えば、鉛及び銅）、金属酸化物（例えば、酸化鉛及び酸化タングステン）、及び、ネオプレン、ポリウレタン、又は、エポキシなどのポリマー中のガラスミクロバルーン又は小球体のうちの様々な１つ又は組合せが含まれる。別の例を挙げると、整合層１８は、ＰＺＴの次の高インピーダンス整合層（例えば、音響インピーダンス約９〜１０ＭＲａｙｌ）と低インピーダンス整合層（例えば、音響インピーダンス約２〜２．５ＭＲａｙｌ）とを有する二重整合層を含む。単一又は三重の整合層も可能である。整合層は省いてもよい。変換器素子１０の広域帯域幅が与えられると、整合層１８は、より高い周波数の関数として選ばれるであろう（つまり、より厚くではなく、より薄く）。例えば、整合層１８の厚さは、変換器素子１０の最大作動周波数に対する波長を４で割ったものよりも小さい。変換器構成要素間の結合層は薄いことが好ましい。
一実施形態においては、図１に示す変換器素子と関連するデータ経路とのアレーが設けられる。送信又は受信のいずれかにおいて変換器素子１０によって出力された波は、素子１０の各々に対して遅延及びアポダイズされ、送信又は受信ビームを発生する。
素子１０に接続された送信機２０は、波形の第１及び第２供給装置２４及び２６を含む。両方の供給装置２４及び２６の各々は、アナログ又はデジタル送信ビーム化装置を含む。例えば、本明細書においてその開示内容が引用により援用されている米国特許第５，６７５，５５４号、第５，６９０，６０８号、第６，００５，８２７号、又は、１９９８年６月１５日出願の米国特許出願第０９／０９７，５００号に開示されたビーム化装置が使用される。波形発生装置又は波形メモリ、デジタル／アナログ変換器、及び、増幅器のような他の波形供給装置を使用してもよい。代替的実施形態においては、波形の単一供給装置２４及び２６が設けられ、遅延装置又はフィルタは、層１２及び１４のうちの一方に対して加えられた波形を、他の層に加えられた波形に対して変更する。波形の独立した処理は、最上層１２及び最下層１４に対してもたらされる。異なる特性を有する波形が各層１２及び１４に加えられるが、いくつかの状況においては、同じ波形を加えてもよい。
素子１０に接続された送信機２０は、波形の第１及び第２供給装置２４及び２６を含む。両方の供給装置２４及び２６の各々は、アナログ又はデジタル送信ビーム化装置を含む。例えば、本明細書においてその開示内容が引用により援用されている米国特許第５，６７５，５５４号、第５，６９０，６０８号、第６，００５，８２７号、又は、１９９８年６月１５日出願の米国特許出願第０９／０９７，５００号に開示されたビーム化装置が使用される。波形発生装置又は波形メモリ、デジタル／アナログ変換器、及び、増幅器のような他の波形供給装置を使用してもよい。代替的実施形態においては、波形の単一供給装置２４及び２６が設けられ、遅延装置又はフィルタは、層１２及び１４のうちの一方に対して加えられた波形を、他の層に加えられた波形に対して変更する。波形の独立した処理は、最上層１２及び最下層１４に対してもたらされる。異なる特性を有する波形が各層１２及び１４に加えられるが、いくつかの状況においては、同じ波形を加えてもよい。
層１２及び１４に接続された受信機２２は、層の１つと加算器３０とに接続された処理回路２８、受信ビーム化装置３２、及び、第１及び第２の層１２及び１４と作動的に接続されたフィルタ３４を含む。受信機２２は、アナログ構成要素、デジタル構成要素、又は、それらの組合せを含む。受信機２２は、好ましくは、標準的なダイオードクランピング回路によって保護される。これは、受信機入力端子における電圧を安全なレベルに制限する。更に、送信事象中は導通するが受信事象中は開回路を形成して送信機電源インピーダンスを分離するダイオード分離回路が送信機回路に含まれるのが好ましい。２つの変換器層１２及び１４の応答は、別々に予め増幅されるのが好ましい。第２変換器層１２は、ダイオードトランジスタ、背中合わせのダイオード、又は、印加電圧がダイオードの「ターンオン」電圧（例えば、約０．７ボルト）を超える時に「オン」になるスイッチの他の組合せによって第１変換器層１４から分離されてもよい。他のクランピング回路、前置増幅器、及び、分離回路を使用してもよいし、全く使用しなくてもよい。
一実施形態においては、受信機２２の処理回路２８及び加算器３０が変換器のハウジング内に組み込まれて、ケーブル費用を低減し、信号品質を向上させる。他の構成要素を変換器ハウジング内に組み込んでもよい。
処理回路２８は、アナログ又はデジタル遅延装置を含む。処理回路２８は、デジタルデータを遅延させるためにレジスタ及びカウンタを含むが、プロセッサ又は他のデジタル装置を含んでもよい。処理回路２８は、一定又はプログラム可能な遅延量を有する。変換器１０が支持ブロック１６により十分に支持されている場合は、単純化のために一定の遅延が使用される。例えば、処理回路２８は、周波数に依存した位相フィルタ（例えば、有限インパルス応答フィルタ）のような周波数に依存した遅延量をもたらす。
処理回路２８は、アナログ又はデジタル遅延装置を含む。処理回路２８は、デジタルデータを遅延させるためにレジスタ及びカウンタを含むが、プロセッサ又は他のデジタル装置を含んでもよい。処理回路２８は、一定又はプログラム可能な遅延量を有する。変換器１０が支持ブロック１６により十分に支持されている場合は、単純化のために一定の遅延が使用される。例えば、処理回路２８は、周波数に依存した位相フィルタ（例えば、有限インパルス応答フィルタ）のような周波数に依存した遅延量をもたらす。
代替的には、２つの層から受信した受信信号に対して周波数に依存しない位相関数が適用される。一実施形態においては、一方の層１２又は１４の応答は反転されるが（例えば、１８０度の位相回転）、他方の層１４又は１２の応答は反転されない。反転又は非反転前置増幅器は公知である。一例を挙げると、送信事象中に共通の同位相信号が両方の層に加えられ、基本波での強い応答が得られる。受信事象中には、１つの層の応答が加算処理に先立って反転され、その結果、強い第２高調波応答が得られる。
本出願に関しては、位相と遅延は交換可能に使用される。遅延は、周波数の関数として直線的に変化する位相に対応する。使用される位相関数は、周波数に依存してもよいし、しなくてもよい。
本出願に関しては、位相と遅延は交換可能に使用される。遅延は、周波数の関数として直線的に変化する位相に対応する。使用される位相関数は、周波数に依存してもよいし、しなくてもよい。
図示のように、処理回路２８は最上層１２に接続しており、最下層１４には遅延装置は何も接続されない。最上層１２及び最下層１４からの情報は、独立に処理される。これら２つの層の応答は、相対的な遅延又は位相調整（独立）処理の後で加算され、その後１つの応答として取り扱われる。代替的実施形態においては、オプションの処理回路２９によって示すように、最上層１２及び最下層１４の両方に遅延がもたらされる。最上層１２及び最下層１４からの別々のデータ経路の一方又は両方において、独立した処理をもたらすために、フィルタ、プロセッサ、又は、アナログ回路のような他の構成要素を使用してもよい。独立した処理は、いくつかの状況においては同じ処理又は遅延をもたらすことがあるが、以下に説明するように、一般的には異なる処理を準備する。
加算器３０は、遅延された情報を受信し、アナログ又はデジタル加算器を含む。例えば、アナログ情報に対して演算増幅器が使用され、あるいは、デジタル加算に対してデジタル加算回路が使用される。加算処理は、実施方法によっては、アナログ領域又はデジタル領域で発生し得る。アナログ領域であれば、加算器３０は、両方の層からの電流を結合するワイヤ連結を含むであろう。独立して処理された層１２及び１４の各々からの情報を結合する他の装置を使用してもよい。
受信ビーム化装置３２は、加算された情報を受信し、アナログ及び／又はデジタル構成要素を含む。例えば、本明細書においてその開示内容が引用により援用されている米国特許第５，６８５，３０８号に開示された受信ビーム化装置が使用される。この開示された受信ビーム化装置は、フィルタ３４を含む。代替的実施形態においては、フィルタリング機能と受信ビーム化機能とは、別々の構成要素を用いて実行される。加算器３０及び／又は処理回路２８のような他の受信構成要素を受信ビーム化装置３２に組み込んでもよい。
フィルタ３４は、ビーム化されたデータを受信し、デジタル信号プロセッサ、アプリケーション特異集積回路（ＡＳＩＣ）、有限インパルス応答フィルタ、無限インパルス応答フィルタ、又は、他のアナログ及び／又はデジタル構成要素を含む。一実施形態においては、フィルタ３４は、受信ビーム化装置３２の一部として含まれる。フィルタ３４は、高域通過、帯域通過、又は、低域通過スペクトル応答をもたらす。フィルタ３４は、基本送信周波数帯域又は基本周波数帯域の調波のような目標とする周波数帯域に付随する情報を通過させる。本明細書で使用される場合、調波は、高調波（例えば、第２、第３、．．．）、分数調波（３／２、５／３、．．．）、又は、低調波（１／２、１／３、．．．）を含む。フィルタ３４は、異なる目標とする周波数帯域に対して異なるフィルタを含むか、又は、プログラム可能フィルタを含むであろう。例えば、フィルタ３４は、信号をベースバンドに復調する。復調周波数は、基本中心周波数、又は、第２高調波中心周波数のような他の周波数に応じてプログラム可能に選択される。中間周波数などの他の中心周波数を使用してもよい。ベースバンド付近以外の周波数に付随する信号は、低域フィルタ処理により除去される。
復調の代替として、又は、復調に加えて、フィルタ３４は、帯域通過フィルタ処理を提供する。復調及び／又は濾波された信号は、複合同位相及び直交信号として超音波信号プロセッサへ通されるが、無線周波数信号のような他の種類の信号を通してもよい。
復調の代替として、又は、復調に加えて、フィルタ３４は、帯域通過フィルタ処理を提供する。復調及び／又は濾波された信号は、複合同位相及び直交信号として超音波信号プロセッサへ通されるが、無線周波数信号のような他の種類の信号を通してもよい。
上述の変換器システムは、送信事象、受信事象、又は、その組合せのうちの１つの間で使用される。一実施形態においては、プログラムされた励起波形は、独立に処理されて送信事象中に最上層１２及び最下層１４の各々に加えられ、受信事象中の独立した処理のために、異なる遅延が最上層１２及び最下層１４の各々から受信した情報に加えられる。代替的に、単一層からの情報が受信事象中に得られるか、又は、送信事象中に単一層が使用される。他の代替的実施形態においては、最上層１２の上部電極と最下層１４の下部電極とに同じ送信波形を加えて中央電極を接地するなどの同じ処理を使用して送信又は受信事象中に２つの層の使用を可能にするために、スイッチング機構が設けられる。
送信事象に関しては、関連する帯域幅は基本周波数に限られているから、２つの層１２及び１４は、並行して又は独立した処理なしに作動させてもよい。本明細書で使用する場合、独立した処理には、１つの層に設けられ、別の層に設けられている構成要素又は作用と独立した、少なくとも１つの構成要素又は作用が含まれる。独立した処理は、別の層からの情報に応答してもよい。
送信事象に関しては、関連する帯域幅は基本周波数に限られているから、２つの層１２及び１４は、並行して又は独立した処理なしに作動させてもよい。本明細書で使用する場合、独立した処理には、１つの層に設けられ、別の層に設けられている構成要素又は作用と独立した、少なくとも１つの構成要素又は作用が含まれる。独立した処理は、別の層からの情報に応答してもよい。
一実施形態において、独立した処理は、最上層１２及び最下層１４への又はそれらからの情報の位相に変更を加える。一方の層に対する情報の位相は、他方の層の位相に対して変更される。位相関数は周波数に依存するが、周波数に依存しなくてもよい。送信において、各層に加えられる波形は、同位相であるか又は僅かに位相が異なる（例えば、９０°）。一般に、受信した調波信号は位相が大きく異なっており（例えば、約１８０°）、従って、意味のある応答を得るために異なる位相調整が用いられる。
基本周波数での送信中に、位相及び波形調整された波形が供給装置２４及び２６によって発生され、変換器素子１０によって目標とする低周波音響波出力が生成される。代替的には、低調波を使用するために高周波波形が出力される。
変換器素子１０は、各層１２及び１４に対して１つの２つの電圧供給装置を有する等価回路として表されるであろう。変換器素子１０の出力は、この２つの供給装置の和から得られる。これは、電流重ね合わせ理論の応用である。
変換器素子１０は、各層１２及び１４に対して１つの２つの電圧供給装置を有する等価回路として表されるであろう。変換器素子１０の出力は、この２つの供給装置の和から得られる。これは、電流重ね合わせ理論の応用である。
好ましくは、２つの供給装置２４及び２６の相対的位相は、関連する全ての周波数の点に対して測定され、その後、送信中に補償される。送信中に、各層１２及び１４からの異なる伝播経路に起因する位相のオフセットは、加えられた位相を取り消し、全ての周波数において最大出力が得られる。数学的表現を用いて、最上層の出力が単位長さを有し位相値θ1を有する移相器であり、第２層の出力が同じく単位長さを有し位相値θ2を有する移相器であると仮定する。θ1とθ2の差を第１層の入力に加えた場合、２単位長さの同位相出力がもたらされる。
１９９３年３月発行の「超音波、強誘電、及び、周波数制御に関するＩＥＥＥ報告」第４０巻、第２号のＨｏｓｓａｃｋ他による「多重圧電層を使用した変換器の特性改善」（Ｈｏｓｓａｃｋ論文）によって説明されているように、特定の出力応答を得るために層１２及び１４の各々に加えるべき波形に対するユニークな解は存在しない。一実施形態においては、最小の入力振幅を要求する波形が使用される。
出力の力Ｆは、粒子の変位ＡFから得られる。Ｆ＝ｓＺFＡFであり、ここで、ｓはラプラス演算子、ＺFは機械インピーダンスである。多層システムに対するラプラス領域においては、
であり、ここで、Ｎは層の数、β1は印加電圧と出力との間の伝達関数、Ｖは印加電圧である。β1は、Ｖ1を１、Ｖ2を０に設定した時の力Ｆを測定することにより得られるであろう。β2も同様に値が求められるであろう。２層変換器に対して各層に印加される電圧はマグニチュードに関して等しいと仮定すると、
又は、
となる。上述の通り、θ2＝θ1の場合は、Ｆ∠θの絶対値である力の出力は最大になる。Ｖ2の位相角は、β1及びβ2の位相差を補償するように調節される。目標とする結果は、Ｖ2＝Ｖ1∠（θ1−θ2）とすることによって得られる。時間領域励起関数Ｖ1（ｔ）及びＶ2（ｔ）は、逆フーリエ変換を用いて得られる。Ｈｏｓｓａｃｋ論文で説明されているように、一度目標とする音響出力波形が形成され（例えば、コンパクトガウス形状パルス）、２層変換器の伝達関数（出力圧力に対する入力電圧）が確立されると、目標とするパルス形状を得るために必要な電圧励起関数が決まる。ラプラス（又は、フーリエ）領域においては、必要な出力関数は、伝達関数によって割り算される。従って、Ｖ1に必要な値が決まる。Ｖ2は、位相角（θ1−θ2）が適用される点を除けば、Ｖ1と同一である。参考文献の１３４〜１３５頁を参照されたい。一実施形態においては、位相角の補正は、周波数の関数として実行される。位相角補正は、単純な時間遅延に対応して、周波数の関数として直線的であろう。代替的には、実際の又は近似的な非線型関数が使用される。
独立して発生又は処理された波形は、変換器素子１０の層１２及び１４のそれぞれの層に供給される。これに応答して、変換器素子１０は、音響波形を発生する。この音響波形は、人体の中に伝播し、組織及び流体と相互作用して調波情報を発生する。この調波信号を含むエコー信号は、伝播して変換器素子１０へと戻る。
受信事象において、最上層１２及び最下層１４は、音響エコーに応答して電気信号を発生する。２つの層１２及び１４の各々からの情報は、位相補正されて加えられる。更に、それぞれの層１２及び１４の各々に対して、濾波及び増幅が信号の各々に対して別々に行われてもよい。層１２及び１４の相対的な位相特性は既知であるから、最上層１２又は最下層１４からの信号の一方又は両方に対して、信号間の周波数依存位相差が位相補正として加えられる。遅延又は位相が調節された後、２つの層からの情報は、加算器３０により加算される。加算された情報は、次にビーム化される。一実施形態においては、処理回路２８は、一定の遅延をもたらす。代替的には、動的な遅延が用いられる。更に、位相関数は動的な場合もあり、又は、一定な場合もある。受信事象中の位相関数は、信号を反転するなどの点で、適用された送信関数とは異なっている。
受信事象において、最上層１２及び最下層１４は、音響エコーに応答して電気信号を発生する。２つの層１２及び１４の各々からの情報は、位相補正されて加えられる。更に、それぞれの層１２及び１４の各々に対して、濾波及び増幅が信号の各々に対して別々に行われてもよい。層１２及び１４の相対的な位相特性は既知であるから、最上層１２又は最下層１４からの信号の一方又は両方に対して、信号間の周波数依存位相差が位相補正として加えられる。遅延又は位相が調節された後、２つの層からの情報は、加算器３０により加算される。加算された情報は、次にビーム化される。一実施形態においては、処理回路２８は、一定の遅延をもたらす。代替的には、動的な遅延が用いられる。更に、位相関数は動的な場合もあり、又は、一定な場合もある。受信事象中の位相関数は、信号を反転するなどの点で、適用された送信関数とは異なっている。
第２高調波情報が関連する場合には、遅延が最上層１２からの情報に適用されるのが好ましい。代替的実施形態においては、遅延は、最下層１４、又は、層１２及び１４の組合せからの情報に適用される。遅延量は、好ましくは、最上層１２の中心から最下層１４の中心までの音の伝播速度に相当する（例えば、両方の層１２及び１４の厚さが等しい場合は、一般的に１つの層全体を通しての伝播の遅延と同等）。変換器素子の寸法が波長に対して有限であることにより伝播速度が周波数に依存することがあるので、処理回路２８は、周波数の関数として遅延を供給することがある。
上記で参照したＨｏｓｓａｃｋ他による論文で説明されているように、受信事象に対する２つの層１２及び１４からの情報間の位相関係は、送信事象に対する２つの層１２及び１４からの情報間の位相関係に等しいか、又は、近似している。この近似は、応答が層を通過する伝達時間に相当する時間遅延関数と非常に似ていることから、効果的な遅延を適用するのに使用されてもよい。代替的に、より低廉なコストと幾分低い性能に対して、固定の位相反転が層の１つに適用される。独立した処理遅延の適用と２つの層からの情報の加算とは、より高いピーク感度と第２高調波でのナルのない帯域幅とをもたらす。
変換器層１２及び１４の各々からの情報は、加算器３０により加算される。得られた和は、広帯域幅の情報に対して準備される。図２Ａは、独立して処理され結合された情報のスペクトル応答を表す。応答は、３と１／３メガヘルツ及び７メガヘルツ付近で約９５デシベルのピークを見せており、デシベルの大きさは、フーリエ変換段階の結果オフセットされている。これら２つの周波数の間の窪みは、層厚、材料、及び、幾何学形状を含む変換器設計の関数として低減されるであろう。例えば、より低いインピーダンスの圧電材料が代わりに使用され、純粋圧電セラミック材料のためのそのような圧電セラミック／エポキシ複合材とより重い支持材料とが使用されるであろう。図２Ｂ及び図２Ｃは、それぞれ最下層１４及び最上層１２のスペクトル応答を表す。図に示すように、より小さいマグニチュードが形成されている。
結合された情報は、受信ビーム化装置３２によって受信される。受信ビーム化装置３２は、複数の変換器素子１０から情報を得て、集束遅延及びアポディゼーション関数を適用し、走査される人体内の１つ又はそれ以上の位置を表す同位相及び直角位相情報又は無線周波数情報を発生する。
同位相及び直角位相情報又は無線周波数情報は、フィルタ３４により濾波される。フィルタ３４は、基本送信周波数の調波において情報を分離するか又は通過させる。この帯域以外の情報は、濾波されるか又は低減される。例えば、基本送信周波数での情報は濾波され、第２高調波帯域での情報は、フィルタ３４により通過させられるか又は分離される。濾波された情報は、超音波システム上で画像を作り出すために、他の情報と組合せるか又は単独で使用されるであろう。分離された基本データと調波データとを独立に処理し、信号検出後にこの情報を結合して縮小スペックル画像を得ることもまた可能である。この合成は、画像領域全体又は一部に亘って生じる。
同位相及び直角位相情報又は無線周波数情報は、フィルタ３４により濾波される。フィルタ３４は、基本送信周波数の調波において情報を分離するか又は通過させる。この帯域以外の情報は、濾波されるか又は低減される。例えば、基本送信周波数での情報は濾波され、第２高調波帯域での情報は、フィルタ３４により通過させられるか又は分離される。濾波された情報は、超音波システム上で画像を作り出すために、他の情報と組合せるか又は単独で使用されるであろう。分離された基本データと調波データとを独立に処理し、信号検出後にこの情報を結合して縮小スペックル画像を得ることもまた可能である。この合成は、画像領域全体又は一部に亘って生じる。
調波情報は、組織画像化又は造影剤画像化のうちの一方のために使用される。組織画像化においては、画像化作業中、追加の造影剤は目標物に添加されない。超音波画像を作り出すために、血液又は他の流体を含む組織の特性のみに依存する。医療用超音波画像化は、所定の時間に所定の対象に対して、個別の画像化作業時間に行われるのが普通である。例えば、画像化作業時間は、１５分から１時間に亘る問題の特定組織の超音波患者検査に限定することができるが、他の所要時間も可能である。この場合、画像化作業時間中のどの時点においても、組織内に造影剤は導入されない。組織の調波画像は、調波周波数において組織が発生するエコーの関数として、特に高い空間的解像度を提供することができる。特に、多くの場合、近距離音場に散乱が少ないであろう。更に、送信ビームが基本周波数を使用して発生されるから、送信ビームの輪郭は、おそらく第２高調波で直接送信される信号を用いて形成された送信ビームよりも、特定レベルの組織関連の位相収差により歪みがより少ないであろう。
造影剤の導入によって画像化を補助してもよい。造影剤調波画像化においては、ミクロスフェアのような公知のいくつかの超音波造影剤のうちのいずれか１つが、組織又は流体の非線型応答を強めるために目標物又は患者に加えられる。造影剤は、基本周波数でのホログラム作成用高周波音波照射(insonifying)エネルギを有する調波で超音波エネルギを放射する。
造影剤の導入によって画像化を補助してもよい。造影剤調波画像化においては、ミクロスフェアのような公知のいくつかの超音波造影剤のうちのいずれか１つが、組織又は流体の非線型応答を強めるために目標物又は患者に加えられる。造影剤は、基本周波数でのホログラム作成用高周波音波照射(insonifying)エネルギを有する調波で超音波エネルギを放射する。
図１に示す変換器システム又は本明細書で説明した他の変換器システムを使用して、調波画像化のために光学的情報が発生される。このシステムは、異なる送信又は受信処理を利用する技術など、他の調波画像化技術と組み合せて使用してもよい。例えば、変換器素子１０の各々によって出力された送信波形は、第２高調波又は任意の調波におけるエネルギを最小にするために、加えられた電気的送信波形の関数として形状が調整される。各素子１０からの出力送信波形は、あらゆる伝播又はシステム非線型性に対処するために、予め歪ませてもよい。別の例としては、一方の素子１０から別の素子１０への遅延及びアポディゼーションが変更され、線状焦点ビーム又は一層広がったビームを形成する。送信された各ビームに付随する相対的な位相調整は、走査線の関数として交互になってもよく、次いで異なるビームからのデータが結合される。また、他の調波画像化技術を使用してもよい。
形成された広い帯域幅は、新しい送信又は受信技術又は過去に実施が困難であった送信又は受信技術と共にこの変換器システムを使用することを可能にするであろう。例えば、コード化された励起に対する音響コードの記号レートは、十分な帯域幅をもたらす変換器の能力によって制限される。本明細書で説明された変換器システムは、本明細書においてその開示内容が引用により援用されている米国特許第５，９８４，８６９号に開示されたようなコード化された励起に対して使用されるであろう。
本発明は、上記の通り様々な実施形態を参照して説明されたが、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの変更及び修正を為し得ることが理解されるであろう。例えば、各変換器素子に対して、第３又は第４の層を使用してもよい。各層の送信又は受信事象のいずれかに付随する情報に対して、異なる独立した処理を準備してもよい。層の各々に対する圧電材料は異なってもよく、層の寸法（特に厚さ）が異なってもよい。本明細書においてその開示内容が引用により援用されている米国特許第５，４１５，１７５号及び第５，４３８，９９８号で説明された平凹層のように、１つ又はそれ以上の圧電層は厚みが変わる場合がある。更に、この概念を１．５及び２次元アレーに拡張してもよい。更に、アレーの全ての素子が多重圧電層を包含する必要はない。例えば、１．５次元アレーにおいては、中央の素子のみが多重圧電層を有する。
従って、以上の詳細な説明は、それが本発明の現時点の好ましい実施形態の例証であり、本発明を規定するものではないと理解されるように意図されている。本発明の範囲を形成するように意図されたものは、あらゆる均等物を含む特許請求の範囲のみである。
従って、以上の詳細な説明は、それが本発明の現時点の好ましい実施形態の例証であり、本発明を規定するものではないと理解されるように意図されている。本発明の範囲を形成するように意図されたものは、あらゆる均等物を含む特許請求の範囲のみである。
Claims (6)
- 積み重ねられた第１及び第２の層を含む少なくとも１つの変換器素子と、
前記第１の層に接続された第１の経路と、
前記第２の層に接続された第２の経路と、
前記少なくとも１つの変換器素子からの情報から、基本周波数の調波または第２高調波における情報を濾波するように作動可能な帯域通過フィルタと、
前記第１及び第２の経路に作動的に接続された加算器と、
を含み、
前記第１及び第２の経路は、送信事象中および受信事象中に情報を独立に処理するように作動可能であり、
受信のための前記第１の経路は、遅延装置または位相調整器を含み、前記第１の経路からの情報と前記第２の経路からの情報との間には相対的な時間遅延または位相差が存在し、
前記第１及び第２の経路は、それぞれ第１及び第２の波形供給装置を含み、
前記独立に処理することが、前記積み重ねられた第１及び第２の層の相対的位相を、関連する全ての周波数に対して測定し、そして、送信中に前記相対的位相の補償が、各層からの異なる伝播経路に起因するオフセットが、加えられた位相を取り消し、全ての周波数において最大出力が得られるようにして行われることを含む
調波画像化のための医療診断超音波変換器システムにおいて、
送信事象において、前記第１および第２の層に加えられる波形は同位相であり、
受信事象において、前記第１および第２の層からの２つの情報のうち、一方の情報を位相反転させてから他方の情報を加え、加算後の情報から前記帯域通過フィルタによって第２高調波を取り出す、
ことを特徴とする医療診断超音波変換器システム。
- 第１の経路が、受信事象中ではなく送信事象中に第２の層に対して異なる位相変化を実現する請求項１記載のシステム。
- （ａ）送信事象中および／または受信事象中に、情報を独立に処理し、変換器素子の積み重ねられた第１及び第２の層からの情報のうち、前記第１の層からの情報を前記第２の層からの情報に対して遅延させる段階と、
（ｂ）基本周波数の調波または第２高調波における情報を前記第１及び第２の層からの前記情報から分離する段階と、
（ｃ）前記第１及び第２の層からの情報を加算する段階と、
を含み、
前記（ａ）は、
（ａ１）第１の波形を前記第１の層に供給する段階と、
（ａ２）第２の波形を前記第２の層に供給する段階と、
をさらに含み、
前記（ｃ）は、情報に帯域通過フィルタリングを施す段階と、画像化作業中の全体に亘って造影剤を添加されない目標物の中に前記変換器素子から音響エネルギを伝達する段階と、を更に含み、
前記独立に処理する段階が、前記積み重ねられた第１及び第２の層の相対的位相を、関連する全ての周波数に対して測定し、そして、送信中に前記相対的位相の補償が、各層からの異なる伝播経路に起因するオフセットが、加えられた位相を取り消し、全ての周波数において最大出力が得られるようにして行われることを含む
調波画像化のための医療診断超音波方法において、
前記第１の経路からの情報と前記第２の経路からの情報との間には相対的な時間遅延または位相差を設け、
送信事象において、前記第１および第２の層に加えられる波形は同位相であり、
受信事象において、前記第１および第２の層からの２つの情報のうち、一方の情報を位相反転させてから他方の情報を加え、加算後の情報から前記帯域通過フィルタによって第２高調波を取り出す、
ことを特徴とする医療診断超音波方法。
- （ｃ）目標とする音響出力波形を形成する段階と、
（ｄ）目標とする音響出力波形と前記第１及び第２の層の伝達関数との関数として励起波形を決める段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
- 造影剤が添加された目標物の中に前記変換器素子から音響エネルギを伝達する段階、
を更に含む請求項３記載の方法。
- 積み重ねられた第１及び第２の層を含む複数の変換器素子からなるアレーと、
前記アレーを構成する前記変換器素子の内の対応する一つの素子の第１の層と各々結合した複数の第１の経路と、
前記アレーを構成する前記変換器素子の内の対応する一つの素子の第２の層と各々結合した複数の第２の経路と、
前記第１及び第２の経路の各々の一つに作動的に接続された複数の加算器と、
前記少なくとも１つの変換器素子からの情報から、基本周波数の調波または第２高調波における情報を濾波するように作動可能なフィルタと、
を含み、
前記第１及び第２の経路は、送信事象および受信事象の間に情報を独立に処理するように作動可能であり、
前記第１の経路の各々は、遅延装置を含み、
前記第１及び第２の経路は、それぞれ第１及び第２の波形供給装置を含み、
前記独立に処理することが、前記積み重ねられた第１及び第２の層の相対的位相を、関連する全ての周波数に対して測定し、そして、送信中に前記相対的位相の補償が、各層からの異なる伝播経路に起因するオフセットが、加えられた位相を取り消し、全ての周波数において最大出力が得られるようにして行われることを含む
調波画像化のための医療診断超音波変換器システムにおいて、
前記第１の経路および前記第２の経路を通る情報の間には相対的な時間遅延が存在し、
送信事象において、前記第１および第２の層に加えられる波形は同位相であり、
受信事象において、前記変換素子からの２つの情報のうち、一方を位相反転させてから他方を加算し、加算後の情報から前記帯域通過フィルタによって第２高調波を取り出す、
ことを特徴とする医療診断超音波変換器システム。
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