JP5363780B2

JP5363780B2 - 超音波トランスデューサ

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Publication number: JP5363780B2
Application number: JP2008264824A
Authority: JP
Inventors: ケェル・クリストファーソン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2013-12-11
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Also published as: US8128563B2; US20090096327A1; FR2922329A1; JP2009095669A

Description

本発明は一般的には、超音波撮像に関し、さらに具体的には、超音波トランスデューサに関する。

超音波システムは、一次元（１Ｄ）トランスデューサ、２Ｄトランスデューサ及び／又は３Ｄトランスデューサのような様々な形式のトランスデューサを用いるように構成され得る。１Ｄトランスデューサは、方位角（面内）次元で任意に操舵（steering）されて集束され得る１Ｄアレイを有する。仰角（面外）次元では、トランスデューサは典型的には、仰角方向に機械的に湾曲したアレイを用いる又はシリコン・レンズのような音響レンズを用いることにより形成される固定焦点を有する。１Ｄトランスデューサの短所は、超音波画像が、レンズの焦点に近接した範囲でのみ最適であるスライス厚で作成されることである。

面外次元で焦点を電子的に制御して、仰角次元を含む任意の方向で動的な操舵及び集束を可能にするために、２Ｄアレイを用いることができる。残念ながら、この構成では、トランスデューサを駆動するのに必要とされるシステムのチャネル数及びトランスデューサ・ケーブルの同軸ケーブルのようなワイヤの本数が大幅に増加する。例えば、一辺に沿ってＮ個の素子を有する正方形のトランスデューサでは、トランスデューサの内部にＮ^２本の同軸ケーブルが、また送受信のためにＮ^２本のチャネルが必要とされる。

ワイヤ又は同軸ケーブルが多数になると、トランスデューサ・ケーブルが太くなり且つ／又は剛直化する。ケーブルの重量及び剛直性は、超音波走査を実行する操作者に負担を生じ、反復運動過多損傷及び疲労を招き得る。また、チャネル及び同軸ケーブルの数が多数になるほどシステム及びトランスデューサの両方の経費が増大する。

これらの問題に対処する幾つかの異なるトランスデューサが開発されている。一形式のトランスデューサを１．７５Ｄトランスデューサとも呼ぶ。１．７５Ｄトランスデューサは、方位角方向にＮ個の素子を有し、仰角方向に２＊Ｍ＋１個（ＭはＮよりも遥かに小さい正の整数）の素子を有し得る。これにより、正方形の素子を有する２Ｄアレイと比較して素子の個数が著しく少なくなる。しかしながら、（２＊Ｍ＋１）＊Ｎ本の同軸ケーブル及びシステム・チャネルが必要とされ、１Ｄトランスデューサに必要とされる数の少なくとも３倍になる。

仰角平面における２Ｄアレイ走査の集束遅延は、仰角方向中線に沿って対称である。従って、中線に沿って対称に配置された素子を電気的に接続することにより、同軸ケーブルのさらなる縮小を達成することができる。この形式のアレイは典型的には、１．５Ｄアレイと呼ばれ、受信時の動的仰角方向集束が可能である。素子を電気的に接続した後には、（Ｍ＋１）＊Ｎ本の同軸ケーブル及びシステム・チャネルが必要とされる。この数は１．７５Ｄアレイの場合よりも少ないが、１Ｄトランスデューサに必要とされる数の依然少なくとも２倍である。

また、１．２５Ｄアレイも用いられる。１．２５Ｄアレイの仰角開口は距離と共に拡大するように選択され得るが、開口の仰角焦点は静的であり、機械的レンズによって決定される。典型的には、この形式のアレイは、２種〜４種といった数種のプログラム可能型開口／焦点選択肢を有しており、開口／焦点の選択はトランスデューサに配置された電子的多重化回路によって実行され得る。必要とされる同軸ケーブル及びシステム・チャネルの数は、１Ｄトランスデューサの場合よりも多くはない。しかしながら、異なる選択肢の間の切り換えはアーティファクトを伴うので、受信時の動的集束は典型的には実現不可能である。この構成は、フレーム・レートが極めて重要であるような走査応用では許容可能でない場合がある。

もう一つの方法では、アレイ素子の仰角幅がアレイの中心点から離隔するにつれて増大する。１Ｄアレイと同数のシステム・チャネルが必要とされるが、受信時には幾分かの程度の動的仰角方向集束が可能である。しかしながら、トランスデューサ開口の作用面積が減少するため、１．２５Ｄトランスデューサ又は１．５Ｄトランスデューサと比較して遠距離場感度が低下する。

従って、感度又はフレーム・レートを犠牲にせず、また１Ｄトランスデューサと比較して同軸ケーブル及びシステム・チャネルの本数の大幅な増加を必要としない動的仰角方向集束が可能なトランスデューサが必要とされている。

一実施形態では、超音波トランスデューサが、横列及び縦列を形成している素子のアレイと、素子の少なくとも部分を超音波システムに接続するように構成されているトランスデューサ・ケーブルの内部のワイヤとを含んでいる。アレイは、中央横列と、中央横列の相対向する辺に沿って配置された少なくとも第一及び第二の外側横列とを含んでいる。第一の組の線が、中央横列の第一の部分の内部の素子の各々をワイヤの１本に電気的に接続する。第一の部分は、中央横列の内部の総数未満の素子を含んでいる。第二の組の線が、第一及び第二の外側横列の内部の素子のうち少なくとも同じ縦列に位置する部分を電気的に接続し、また中央横列の第二の部分の内部の素子を同じ縦列に位置する素子に電気的に接続する。第二の組の線の内部の線の各々が、ワイヤの１本に接続される。

もう一つの実施形態では、超音波トランスデューサを形成して用いる方法が、アレイの第一の次元において個数Ｋの素子を画定するステップを含んでいる。アレイの第二の次元において、少なくとも３である列数の横列が画定される。素子の第一の部分が１．５次元（１．５Ｄ）アレイ構成として接続され、素子の第二の部分が１Ｄアレイ構成として接続される。

さらにもう一つの実施形態では、超音波トランスデューサが、横列及び縦列を形成しており少なくとも中央横列と中央横列の相対向する辺に沿って配置された少なくとも第一及び第二の外側横列とを含む素子のアレイを含んでいる。トランスデューサ・ケーブルの内部のワイヤが、素子の少なくとも部分を超音波システムに接続するように構成されている。マルチプレクサがワイヤ及び素子に接続されている。マルチプレクサは、第一及び第二の外側横列の内部の素子から成る縦列の少なくとも部分を、互いに電気的に接続すると共にワイヤの１本に電気的に接続する。マルチプレクサは、中央横列の内部の素子の第一の部分を選択するように構成されている。マルチプレクサは、この第一の部分の素子の各々をワイヤの１本に電気的に接続し、また中央横列の内部の素子のうち少なくとも第一の部分の外部の部分を第一及び第二の横列の内部の素子の対応する縦列に電気的に接続する。

以上の概要及び以下の本発明の幾つかの実施形態の詳細な説明は、添付図面と併せて読むとさらに十分に理解されよう。図面が様々な実施形態の機能ブロックの線図を示す範囲までにおいて、機能ブロックは必ずしもハードウェア・サーキットリの間の区分を示す訳ではない。従って、例えば、機能ブロックの１又は複数（例えばプロセッサ又はメモリ）が単体のハードウェア（例えば汎用信号プロセッサ若しくはランダム・アクセス・メモリ、又はハードディスク等）として具現化されてよい。同様に、プログラムは独立型プログラムであってもよいし、オペレーティング・システムのサブルーチンとして組み込まれていてもよいし、インストールされているソフトウェア・パッケージの内部の機能等であってもよい。尚、様々な実施形態は図面に示されている構成及び手段に限定されないことを理解されたい。

本書で用いる場合には、単数形で記載されており単数不定冠詞を冠した要素またはステップという用語は、排除を明記していない限りかかる要素又はステップを複数備えることを排除しないものと理解されたい。さらに、本発明の「一実施形態」に対する参照は、所載の特徴を同様に組み入れている追加の実施形態の存在を排除しないものと解釈されたい。また、反対に明記されていない限り、特定の特性を有する一つの要素若しくは複数の要素を「含んでいる」又は「有している」実施形態は、この特性を有しないような追加の要素も包含し得る。

図１は、送信器１０２を含む超音波システム１００を示し、送信器１０２は、トランスデューサ１０６の内部の素子１０４（例えば圧電素子）のアレイを駆動してパルス型超音波信号を体内に放出させる。トランスデューサ・ケーブル１２０が、システム１００とトランスデューサ１０６との間で送信信号及び受信信号を伝達するワイヤ（図示されていない）を内部に有している。ワイヤは、電気ワイヤ、線、導線、導体及び同軸ケーブル等であってよい。ワイヤは、トランスデューサ・ケーブル１２０の容易な移動及び配置を可能にするように可撓性となっている。超音波信号は脂肪組織又は筋組織のような体内の構造から後方散乱されてエコーを発生し、エコーは素子１０４に帰投する。エコーは受信器１０８によって受信される。受信されたエコーはビームフォーマ１１０を通過し、ビームフォーマはビーム形成を実行してＲＦ信号を出力する。次いで、ＲＦ信号はＲＦプロセッサ１１２を通過する。代替的には、ＲＦプロセッサ１１２は、ＲＦ信号を復調してエコー信号を表わすＩＱデータ対を形成する複素復調器（図示されていない）を含み得る。次いで、ＲＦ又はＩＱ信号データはメモリ１１４に直接送られて記憶され得る。

超音波システム１００はまた、取得された超音波情報（例えばＲＦ信号データ又はＩＱデータ対）を処理し、超音波情報のフレームを準備して表示器１１８に表示させるプロセッサ・モジュール１１６を含んでいる。プロセッサ・モジュール１１６は、複数の選択可能な超音波モダリティに応じて１又は複数の処理動作を取得された超音波情報に対して実行するように構成されている。取得された超音波情報は、エコー信号が受信されるのに伴って走査セッション中に実時間で処理されて表示され得る。加えて、又は代替的には、超音波情報は、走査セッション中にメモリ１１４に一時的に記憶された後にオフライン動作で処理されて表示されてもよい。

プロセッサ・モジュール１１６は、プロセッサ・モジュール１１６の少なくとも幾つかの動作を制御し得るユーザ・インタフェイス１２４に接続されている。表示器１１８は、診断及び解析のために利用者に対して診断用超音波画像を含む患者情報を提示する１又は複数のモニタを含んでいる。メモリ１１４及びメモリ１２２の一方又は両方が、画像を提示するためにアクセスされ得る超音波データのデータ集合を記憶することができる。ユーザ・インタフェイス１２４によって、画像を修正することもできるし、表示器１１８の表示設定を手動調節することもできる。

図２は、ワイヤ及びチャネルの数を減少させ、このようにしてトランスデューサ・ケーブル１２０の径を最小にするように構成されている素子１０４のアレイ２００を示す。素子１０４のアレイ２００は、横列及び縦列のような第一及び第二の次元２０２及び２０４に配列されている。第一の次元２０２を方位角次元とも呼び、第二の次元２０４を仰角次元とも呼ぶ。また、一実施形態では図２の構成を１．３７５Ｄアレイとも呼ぶ。

第二の次元２０４には、素子１０４の３列の横列すなわち中央横列２０６、第一の外側横列２０８及び第二の外側横列２１０が存在する。一実施形態では、対を成して中央横列２０６の周りに対称に形成された追加の外側横列が存在していてもよい。従って、横列の総数は奇数となり得る。もう一つの実施形態では、中央横列２０６の内部の素子１０４の仰角方向幅（例えば第二の次元２０４に沿った幅）は各々、第一及び第二の外側横列２０８及び２１０の内部の素子１０４の仰角方向幅の約２倍であってよい。

第一の次元２０２に沿ってＮ個の素子１０４が存在する。数Ｎは、トランスデューサ１０６の所望の寸法に基づいて変更されることができ、任意の特定の数に限定されない。Ｎ個の素子１０４は、第一の部分２１２、第二の部分２１４及び第三の部分２１６の三つの部分に分割される。第一、第二及び第三の部分２１２〜２１６の各々が、第一の次元２０２の素子１０４の総数の三分の一すなわちＮ／３個の素子１０４を有する。もう一つの実施形態では、第一、第二及び第三の部分２１２〜２１６が相異なる数の素子１０４を有していてもよいし、さらに他の実施形態では、第一の部分２１２が第一の数の素子１０４を有し、第二及び第三の部分２１４及び２１６が異なる数の素子１０４を有していてもよい。

第一の部分２１２はアレイ２００の開口２４６の中央部分２４４に配置されている。開口２４６はアレイ２００の全体を網羅するものとして示されているが、開口２４６がより小さく、アレイ２００の内部の総数未満の素子１０４を用いていてもよい。

第一の部分２１２の内部の素子１０４は１．５Ｄアレイとして接続され、第二及び第三の部分２１４及び２１６の内部の素子１０４は１Ｄアレイとして接続される。第一の部分２１２の内部の中央横列２０６の素子１０４の各々に１本の線が電気的に接続され、Ｎ／３本の線を有する第一の組の線２１８を生ずる。従って、第一の組の線２１８に接続された素子１０４は個別制御が可能である。第一及び第二の外側横列２０８及び２１０の素子１０４の各々は、それぞれ第二及び第三の組の線２２０及び２２２の内部のＮ本の線の１本に接続される。第二及び第三の部分２１４及び２１６の一方の内部に位置する中央横列２０６の素子１０４は各々、２Ｎ／３本の線を有する第四の組の線２２３の内部の１本の線に接続される。

第一の部分２１２を１．５Ｄアレイとして構成するために、第二の次元２０４すなわち縦列に沿って互いに関して整列している第一及び第二の外側横列２０８及び２１０の内部の素子１０４が電気的に接続される。例えば、縦列２２７の素子２２４及び２２６は単一の線に電気的に接続され、縦列２３１の素子２２８及び２３０は異なる単一の線に電気的に接続される。

また、第二及び第三の部分２１４及び２１６を１Ｄアレイとして構成するために、第二の次元２０４に沿って互いに関して整列している中央横列２０６並びに第一及び第二の外側横列２０８及び２１０の内部の素子１０４が電気的に接続される。例えば、第二の部分２１４の内部の素子２３２、２３４及び２３６から成る縦列２３１は１本の線に接続され、第三の部分２１６の内部の素子２３８、２４０及び２４２から成る他の縦列２３７は異なる１本の線に接続される。

点２４８が、第二の次元２０４で互いに関して整列している素子１０４の電気的接続を示す。第二、第三及び第四の組の線２２０、２２２及び２２３は点２４８においてまとめて接続され、Ｎ本の線の単一の組２５０となる。このＮ本の線の組２５０及び第一の組の線２１８から、トランスデューサ・ケーブル１２０の内部に計４Ｎ／３本のワイヤ２５２が得られる。比較すると、３列の横列を成す素子を有する１．５Ｄトランスデューサは、トランスデューサ・ケーブル１２０の内部に２Ｎ本のワイヤを有する。

上述の構成は１．５Ｄアレイの主な利点を保持するが、ワイヤ及びチャネルの数は著しく減少する（２＊Ｎ本から４＊Ｎ／３本へ）。このアレイ２００の構成は、送受信時の両方での仰角方向の集束、及び受信時の動的集束に用いられ得る。開口２４６の第一の部分２１２すなわち中央部分２４４は、従来の遅延処理を用いて送信時又は受信時にビーム形成され得る。換言すると、中央部分２４４の中央横列２０６の各々の素子１０４が、ビームフォーマ１１０によって個別に制御され得る。作用開口２４６の実効寸法は、受信時の深さ依存型加重（アポダイゼーション）を用いて制御される。送信時には、作用開口２４６は送信焦点深さに応じて選択され得る。また、仰角方向の予備集束は、レンズ（図示されていない）を用いること、及び／又は素子１０４の少なくとも部分を凸面若しくは凹面のような曲面構成として形成すること等により達成され得る。

例示のみのために述べると、受信時にはシステム１００は、撮像深さが増加すると共に方位角方向の作用受信開口２４６が拡大する「動的開口」アプローチを用いることができる。このことは、各々の素子１０４からの信号を異なる時間依存型加重値と乗算することにより達成され得る。同様に、中央部分２４４の内部で仰角方向においては、中央横列２０６からの素子１０４は全ての深さについて全加重を与えられ、第一及び第二の外側横列２０８及び２１０の素子１０４は、撮像深さが増加するのに応答して滑らかに加重され得る。所与の深さについて、一実施形態では、所与の素子１０４の実効加重は仰角加重と方位角加重との積であってよい。但し、加重は仰角次元及び方位角次元で分離可能でなくてもよい。従って、もう一つの実施形態では、大きい深さ及び大きい方位角開口の場合には第一及び第二の外側横列２０８及び２１０の素子１０４が全加重を与えられてよい。

図３は、開口２４６のビーム形成される部分の移動を可能にしつつワイヤ及びチャネルの数を減少させるように構成されている素子１０４のアレイ２７０を示す。換言すると、部分２８６が、方位角方向の軸すなわち第一の次元２０２に沿って移動し得る。加えて、開口２４６も第一の次元２０２に沿って移動し得る。他の実施形態では、開口２４６を延長してアレイ２７０のさらに多くの素子１０４又は素子１０４の全てを含めることができる。部分２８６は、第一の次元２０２に沿った任意の位置に配置され得る。一実施形態では、部分２８６を移動させるこの能力は、ビーム頂点の切り換え移動を有する線形アレイ又は曲線形アレイに有用であり得る。

第一の次元２０２に沿ってＫ個の素子１０４が存在する。多重化を用いてＮ個の素子２９４から成る窓を選択することができる。但し、ＮはＫよりも小さい。従って、相対的に少数のチャネルを有するシステム１００が、相対的に多数の素子１０４を有するトランスデューサ１０６を駆動することができる。第二及び第三の組の線２２０及び２２２が各々、Ｋ本の線を有し、第二の次元２０４に沿って互いに関して整列している第一及び第二の外側横列２０８及び２１０の素子１０４は、前述のように点２９２において電気的に接続される。第二及び第三の組の線２２０及び２２２はＫ本の線の組２７４を形成する。中央横列２０６の素子１０４の各々が、第一の組の線２７２の内部のＫ本の線の１本に電気的に接続される。

第一の組の線２７２及びＫ本の線の組２７４は、トランスデューサ１０６及びケーブル１２０の一方の内部に配置されたプログラム可能型マルチプレクサ２７６に接続される。代替的には、第一、第二及び第三の組の線２７２、２２０及び２２２がマルチプレクサ２７６に直接接続していてもよい。

マルチプレクサ制御線２７８がケーブル１２０を通じて設けられており、送信器１０２及び／又はビームフォーマ１１０からの制御信号を伝える。単一のプログラム可能型マルチプレクサ２７６が図示されているが、１よりも多いマルチプレクサを用いてもよいことを理解されたい。マルチプレクサ制御線２７８を介して受信された信号に基づいて、マルチプレクサ２７６は開口２４６の内部の作用中央部分２８６を形成するのに用いられる中央横列２０６の素子１０４を選択する。この例では、マルチプレクサ２７６は、Ｎ／３個の素子１０４を有する第一の部分２８０を選択する。他の実施形態では、第一の部分２８０がさらに多い又はさらに少ない素子１０４を有していてよい。従って、マルチプレクサ２７６は、第一の部分２８０がＮ個よりも少ない素子を有する限り第一の部分２８０について異なる数の素子１０４を選択し得る。しかしながら、Ｎ／３個よりも多い素子１０４が選択される場合には、同等の数の追加ワイヤ２５２をケーブル１２０に設ける必要があり得る。第二及び第三の部分２８２及び２８４は互いに関して異なる数の素子１０４を有していてよく、また第二及び第三の部分２８２及び２８４の寸法は、作用開口すなわち部分２８６が第一の次元２０２に沿って移動するにつれて変化してよい。さらにもう一つの実施形態では、第一の部分２８０が第一の次元２０２に沿ってアレイ２７０の一方の端部に位置するように構成されている場合には、二つの部分のみが画定され得る。さらにもう一つの実施形態では、１よりも多い部分をマルチプレクサ２７６によって選択して１．５Ｄ構成として構成し、１Ｄ構成として構成された素子１０４によって分離してもよい。従って、１よりも多い第一の部分２８０を画定することができる。

マルチプレクサ２７６は、第一の部分２８０の内部の素子１０４の各々を第一の組の線２８８の内部の別個の線に接続する。この例では、第一の組の線２８８は、第一の部分２８０の寸法に基づいてＮ／３本の線を有する。マルチプレクサ２７６はまた、第二及び第三の部分２８２及び２８４の内部の中央横列２０６の内部の素子１０４を、第二の次元２０４に沿って互いに関して縦列を成して整列している第一及び第二の外側横列２０８及び２１０の素子１０４（Ｋ本の線の組２７４）に接続する。代替的には、マルチプレクサ２７６は、第二及び第三の組の線２２０及び２２２の両方と接続して、適当な素子１０４を電気的に接続することもできる。Ｋ本の線の組２７４、並びに第二及び第三の部分２８２及び２８４への電気的接続は、部分２８６の内部の素子１０４の数に基づいてＮ本の線を有する第二の組の線２９０によって表わされている。第一及び第二の組の線２８８及び２９０は、ケーブル１２０の内部のワイヤ２５２に接続する。

一実施形態では、第一の部分２８０がＮ／３個の素子１０４を有する場合に、必要とされるワイヤ２５２の総数は４Ｎ／３本である。第一の部分２８０がＮ／３個よりも少ない又は多い素子１０４を有するように構成されている場合には、それぞれさらに少ない又はさらに多い総数のワイヤ２５２がケーブル１２０に必要とされる。例示のみのために述べると、２８８個の素子１０４を有する１．５Ｄトランスデューサを考える。素子１０４は、９６個の素子１０４を各々有する３列の横列のアレイを形成する。従来は、システム１００の内部に１９２本のチャネルが、またケーブル１２０の内部に１９２本のワイヤが必要とされていた。図２の構成では、１２８本のチャネル及びケーブル１２０の内部の１２８本のワイヤを設けることにより同様の画質を得ることができる。図３の構成では、トランスデューサ１０６は２８８個よりも多い素子１０４を有し得るが、開口２４６が総数未満の数の素子１０４を用いているため、呼応してワイヤ２５２の本数が少なくなる。このようにして、ケーブル１２０を軽量化し、可撓性を高め、また製造原価を抑えることができる。

図４は、関連するトランスデューサ１０６を駆動するのに必要とされるワイヤ及びチャネルの数を減少させるように構成されている素子１０４のもう一つのアレイ３００を示す。アレイ３００は、素子１０４の５列の横列すなわち中央横列３０２、第一の外側横列３０４、第二の外側横列３０６、第三の外側横列３０８及び第四の外側横列３１０を有する。６列又は７列のように５列よりも多い横列を用いてもよい。第一の次元２０２に沿って、素子１０４を第一、第二、第三、第四及び第五の部分３１２、３１４、３１６、３１８及び３２０に分割することができる。第二の次元２０４で互いに関して縦列を成して整列している素子１０４は、区域３２２及び３２４、並びに部分３２８によって示されるように、電気的に接続され得る。図示されていないが、図３のマルチプレクサ２７６のようなマルチプレクサを用いて第一の次元２０２での部分３２８の移動を可能にすることができる。もう一つの実施形態では、マルチプレクサ２７６を用いて、アレイ３００全体の内部で第一の次元２０２に沿って開口３３０を移動させることができる。

部分３２８では、前述のように各々の素子１０４が１本の線に電気的に接続される。区域３２２では、第二の次元２０４に沿って互いに関して縦列を成して整列している素子１０４が電気的に接続され得る。例えば、第四及び第五の部分３１８及び３２０では、中央横列３０２及び第一〜第四の外側横列３０４〜３１０の各々からの縦列を成して整列している素子１０４が単一の線に電気的に接続される。第一、第二及び第三の部分３１２、３１４及び３１６では、第三及び第四の横列３０８及び３１０の各々からの素子１０４が１本の線に電気的に接続される。

区域３２４では、第二の次元２０４に沿って互いに関して縦列を成して整列している素子１０４が電気的に接続され得る。第二及び第三の部分３１４及び３１６では、中央横列３０２並びに第一及び第二の外側横列３０４及び３０６の各々からの１個の素子１０４が単一の線に電気的に接続される。第一の部分３１２では、第一及び第二の外側横列３０４及び３０６の各々からの１個の素子１０４が単一の線に電気的に接続される。

中央横列３０２の素子１０４は、第一〜第四の外側横列３０４〜３１０の素子１０４よりも大きくてよい。例えば、中央横列３０２の素子１０４は、第一〜第四の外側横列３０４〜３１０の任意の列の素子１０４の約２倍の仰角方向幅を有し得る。図４の開口３２６及び図３の開口２４６のような開口を横断して様々な寸法を有する素子１０４同士を接続することにより、様々な電気インピーダンスが生成される。これにより、ケーブル装荷及び受信入力インピーダンス等に起因し得る様々なチャネル・ゲインを招く場合がある。このゲイン変動を補償することが望ましく、この補償はゲイン、遅延及び振幅のような１又は複数のビームフォーマ・パラメータを調節することにより達成され得る。加えて、回路要素（図示されていない）のアレイをトランスデューサ１０６及び／又はケーブル１２０の内部に追加して、構成の変化を補償することもできる。チャネル依存型ゲイン補償は、例えばビームフォーマ１１０によって受信時に提供され得る。ビームフォーマ１１０はまた、送信振幅を変化させることにより、印加される送信電圧に補償を与えることができる。ビームフォーマ補償は、アレイの１Ｄ区画及び１．５Ｄ区画の内部の異なる素子の寸法に基づいていてよく、区画の寸法及び／又はアレイに沿った位置が変化するにつれて変化してよい。

図５は、図２、図３及び／又は図４のアレイに基づいて構成され得るトランスデューサ１３２を有する小型超音波システム１３０を示す。ユーザ・インタフェイス１３４（一体型表示器１３６を含み得る）が設けられて、操作者からの指令を受け取る。本書で用いられる「小型（miniaturized）」との用語は、超音波システム１３０がハンド・ヘルド型若しくはハンド・キャリー型装置であるか、又はシステムが人の手、ポケット、書類鞄大のケース若しくは背嚢で運搬されるように構成されていることを意味する。例えば、超音波システム１３０は、典型的なラップトップ型コンピュータの寸法、例えば厚み約２．５インチ、幅約１４インチ及び高さ約１２インチの寸法を有するハンド・キャリー型装置であってよい。超音波システム１３０は約１０ポンドの重量であってよく、従って操作者によって容易に携行され得る。一体型表示器１３６（例えば内部表示器）も設けられており、医用画像を表示するように構成される。

超音波データは、有線網若しくは無線網１５０（又は例えばシリアル・ケーブル、パラレル・ケーブル若しくはＵＳＢポートを介した直接接続）を介して外部装置１３８に送信され得る。幾つかの実施形態では、外部装置１３８は、表示器を有するコンピュータ又はワークステーションであってよい。代替的には、外部装置１３８は、ハンド・キャリー型超音波システム１３０から画像データを受け取って、一体型表示器１３６よりも高い分解能を有し得る画像を表示し又は印刷することが可能な別個の外部表示器又はプリンタであってよい。

もう一つの例として、超音波システム１３０は、３Ｄ性能のポケット・サイズ型超音波システムであってよい。例として述べると、ポケット・サイズ型超音波システムは、幅約２インチ、長さ約４インチ及び厚み約０．５インチで、重量が３オンス未満であってよい。ポケット・サイズ型超音波システムは、表示器、ユーザ・インタフェイス（すなわちキーボード）及びトランスデューサへの接続のための入出力（Ｉ／Ｏ）ポートを含み得る（いずれも図示されていない）。尚、異なる寸法、重量及び電力消費量を有する小型超音波システムに関連して様々な実施形態を具現化し得ることを特記しておく。

図６は、ハンド・キャリー型又はポケット・サイズ型の超音波イメージング・システム１７６を示しており、このシステムでは、表示器１４２及びユーザ・インタフェイス１４０が単一のユニットを形成している。例として述べると、ポケット・サイズ型超音波イメージング・システム１７６は、幅約２インチ、長さ約４インチ及び厚み約０．５インチで、重量が３オンス未満のポケット・サイズ又は手のひらサイズの超音波システムであり得る。図１のトランスデューサ１０６を用いることができる。表示器１４２は、例えば３２０×３２０ピクセルのカラーＬＣＤ表示器（医用画像１９０を表示し得るもの）であってよい。ボタン１８２から成るタイプライタ様のキーボード１８０をユーザ・インタフェイス１４０に選択随意で含めてもよい。

多機能制御１８４に各々、システムの動作モードに応じた機能を割り当てることができる。従って、多機能制御１８４の各々が、複数の異なる動作を提供するように構成され得る。多機能制御１８４に関連するラベル表示領域１８６が、必要に応じて表示器１４２に含まれていてよい。システム１７６はまた、特殊目的の機能のための付加的なキー及び／又は制御１８８を有することができ、これらのキー及び／又は制御１８８としては、限定しないが「一時停止」、「深さ制御」、「ゲイン制御」、「カラー・モード」、「印刷」及び「記憶」等がある。

図７は、可動台１４７に設けられたコンソール型超音波イメージング・システム１４５を示しており、カート型システムと呼ぶこともできる。表示器１４２及びユーザ・インタフェイス１４０が設けられており、表示器１４２がユーザ・インタフェイス１４０から分離しているか又は分離可能であり得ることを理解されたい。ユーザ・インタフェイス１４０は選択随意で、操作者が表示された図形及びアイコン等に触れることにより選択肢を選ぶことを可能にするタッチスクリーンであってよい。

ユーザ・インタフェイス１４０はまた、所望若しくは必要に応じて及び／又は典型的に設けられているような可搬型超音波イメージング・システム１４５を制御するのに用いることのできる制御ボタン１５２を含んでいる。ユーザ・インタフェイス１４０は、利用者が超音波データ及び表示され得る他のデータと相互作用（対話）し、情報を入力し、走査パラメータを設定し、変更するために物理的に操作し得る多数のインタフェイス・オプションを提供する。これらのインタフェイス・オプションは、特定の入力、プログラム可能型入力、及び前後関係依存型（コンテキスト型）入力等のために用いられ得る。例えば、キーボード１５４及びトラック・ボール１５６を設けることができる。システム１４５は、図１のトランスデューサ１０６のようなトランスデューサを受け入れる少なくとも１個のトランスデューサ・ポート１６０を有する。

少なくとも一つの実施形態の技術的効果は、画質を損なわずにトランスデューサ・ケーブルの内部のワイヤの数を減少させ、また必要とされるシステム・チャネルの数を減少させることである。素子のアレイを、一つの部分が１．５Ｄアレイとして構成され、少なくとも一つの他の部分が１Ｄアレイとして構成されたような複数の部分に分割してよい。１．５Ｄアレイとして構成される部分は、方位角次元に沿って移動自在であってよい。仰角方向集束を送受信の両方において達成することができ、また受信時の動的集束を達成することができる。１．５Ｄアレイとして構成されている開口の部分は、従来の遅延処理を用いて送信時又は受信時にビーム形成され得る。開口の実効寸法は、受信時に深さ依存型加重（アポダイゼーション）を用いて制御することができ、送信時には作用開口を送信焦点深さに応じて選択することができる。

以上の記載は例示説明のためのものであって制限するものではないことを理解されたい。例えば、上述の実施形態（及び／又は各実施形態の各観点）を互いに組み合わせて用いることができる。加えて、本発明の範囲から逸脱せずに特定の状況又は材料を本発明の教示に合わせて適応構成する多くの改変を施してよい。本書に記載されている材料の寸法及び形式は、本発明の各パラメータを定義するためのものであるが、限定的な実施形態ではなく、例示的な実施形態である。以上の記載を吟味すれば、当業者には他の多くの実施形態は明らかとなろう。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲に関連して、かかる特許請求の範囲が網羅する等価物の全範囲と共に決定されるものとする。特許請求の範囲では、「including包含する」等の用語は「comprising含む」の標準英語の同義語として、また「in whichこのとき」等の用語は「whereinここで」の標準英語の同義語として用いられている。さらに、特許請求の範囲では、「第一」「第二」及び「第三」等の用語は単にラベルとして用いられており、これらの用語の目的語に対して数値的要件を課すものではない。さらに、特許請求の範囲の制限は、「手段プラス機能（means-plus-function）」式で記載されている訳ではなく、かかる特許請求の範囲の制限が、「〜のための手段」に続けて他の構造を含まない機能の言明を従えた文言を明示的に用いていない限り、合衆国法典第３５巻第１１２条第６パラグラフに基づいて解釈されるべきでない。

この書面の記載は、最適な態様を含めて本書において本発明を開示し、また任意の装置又はシステムを製造して利用すること及び任意の組み込まれた方法を実行することを含めて当業者が本発明を実施することを可能にするように実例を用いている。本発明の特許付与可能な範囲は特許請求の範囲によって画定され、当業者に想到される他の実例を含み得る。かかる他の実例は、特許請求の範囲の書字言語に相違しない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の書字言語と非実質的な相違を有する等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明の一実施形態に従って形成される超音波システムの図である。本発明の一実施形態に従ってトランスデューサを駆動するのに必要とされるワイヤ及びシステム・チャネルの数を減少させるように構成されているトランスデューサ素子のアレイの図である。本発明の一実施形態に従ってビーム形成される開口の移動を可能にしつつワイヤ及びシステム・チャネルの数を減少させるように構成されているトランスデューサ素子のもう一つのアレイの図である。本発明の一実施形態に従ってワイヤ及びシステム・チャネルの数を減少させるように構成されているトランスデューサ素子のさらにもう一つのアレイの図である。本発明の一実施形態に従って形成される小型超音波システムの図である。本発明の一実施形態に従って形成されるハンド・キャリー型又はポケット・サイズ型の超音波イメージング・システムの図である。本発明の一実施形態に従って形成されるコンソール型超音波イメージング・システムの図である。

符号の説明

１００超音波システム
１０２送信器
１０４素子
１０６トランスデューサ
１０８受信器
１１０ビームフォーマ
１１２ＲＦプロセッサ
１１４メモリ
１１６プロセッサ・モジュール
１１８表示器
１２０トランスデューサ・ケーブル
１２２メモリ
１２４、１３４、１４０ユーザ・インタフェイス
１３０ハンド・キャリー型超音波システム
１３２トランスデューサ
１３６一体型表示器
１３８外部装置
１４２表示器
１４５コンソール型超音波イメージング・システム
１４７可動台
１５０網
１５２制御ボタン
１５４キーボード
１５６トラック・ボール
１６０トランスデューサ・ポート
１７６ポケット・サイズ型超音波イメージング・システム
１８０キーボード
１８２ボタン
１８４多機能制御
１８６ラベル表示領域
１８８制御
１９０医用画像
２００アレイ
２０２第一の次元
２０４第二の次元
２０６中央横列
２０８第一の外側横列
２１０第二の外側横列
２１２第一の部分
２１４第二の部分
２１６第三の部分
２１８第一の組の線
２２０第二の組の線
２２２第三の組の線
２２３第四の組の線
２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、２３４、２３６、２３８、２４０、２４２素子
２２７、２３１、２３７縦列
２４４中央部分
２４６開口
２４８点
２５０Ｎ本の線の組
２５２ワイヤ
２７０アレイ
２７２第一の組の線
２７４Ｋ本の線の組
２７６プログラム可能型マルチプレクサ
２７８マルチプレクサ制御線
２８０第一の部分
２８２第二の部分
２８４第三の部分
２８６部分
２８８第一の組の線
２９０第二の組の線
２９２点
２９４Ｎ個の素子の窓
３００アレイ
３０２中央横列
３０４第一の外側横列
３０６第二の外側横列
３０８第三の外側横列
３１０第四の外側横列
３１２第一の部分
３１４第二の部分
３１６第三の部分
３１８第四の部分
３２０第五の部分
３２２及び３２４区域
３２６及び３３０開口
３２８部分

Claims

横列及び縦列を形成しており、中央横列と、該中央横列の相対向する辺に沿って配置された少なくとも第一及び第二の外側横列と、前記第一及び第二の外側横列の外側エッジに沿ってそれぞれ配置されている第三及び第四の外側横列とを含んでいる素子のアレイと、
前記素子の少なくとも部分を超音波システムに接続するように構成されているトランスデューサ・ケーブルの内部のワイヤと、
前記中央横列の第一の部分の内部の前記素子の各々を前記ワイヤの１本に電気的に接続する第一の組の線であって、前記第一の部分は、前記中央横列の内部の総数未満の前記素子を含んでいる、第一の組の線と、
前記第一の部分を囲む第二の領域に位置する前記素子であって、前記第一及び第二の外側横列の内部の前記素子のうち同じ縦列に位置する各素子を電気的に接続し、さらに前記中央横列の前記第一の部分の横方向外側の第二の部分の内部の前記素子を、前記中央横列の第二の部分の内部の前記素子と同じ縦列の前記第一及び第二の外側横列に位置する前記素子に電気的に接続する第二の組の線であって、当該第二の組の線の内部の線の各々が前記ワイヤの１本に接続される、第二の組の線と、
前記第二の領域を囲む第三の領域に位置する前記素子であって、前記第三及び第四の外側横列の内部の前記素子のうち同じ縦列に位置する各素子を電気的に接続し、さらに前記中央横列の前記第二の部分の横方向外側の第三の部分の内部の前記素子と、前記中央横列の第三の部分の内部の前記素子と同じ縦列の前記第一及び第二の外側横列に位置する前記素子とを、前記中央横列の第三の部分の内部の前記素子と同じ縦列の前記第三及び第四の外側横列に位置する前記素子に電気的に接続する第三の組の線であって、当該第三の組の線の内部の線の各々が前記ワイヤの１本に接続されている、第三の組の線と、
を備えた超音波トランスデューサ。
前記第一及び第二の組の線に接続されているマルチプレクサと、
前記トランスデューサ・ケーブルの内部で前記マルチプレクサと前記超音波システムとを接続するように構成されているマルチプレクサ制御線であって、前記マルチプレクサは、当該マルチプレクサ制御線から受信された信号に基づいて前記中央横列に沿って前記第一の部分の位置を選択するように構成されている、マルチプレクサ制御線と
をさらに含んでいる請求項１に記載のトランスデューサ。
前記第一及び第二の組の線に接続されているマルチプレクサと、
前記トランスデューサ・ケーブルの内部で前記マルチプレクサと前記超音波システムとを接続するように構成されているマルチプレクサ制御線であって、前記マルチプレクサは、当該マルチプレクサ制御線から受信された信号に基づいて前記第一の部分の内部の一定個数の素子を選択するように構成されている、マルチプレクサ制御線と
をさらに含んでいる請求項１に記載のトランスデューサ。
予め決定された仰角で前記素子のアレイを予備集束させるように構成されているレンズをさらに含んでいる請求項１に記載のトランスデューサ。
前記中央横列の内部の前記素子は、前記第一及び第二の外側横列の内部の素子よりも大きい、請求項１に記載のトランスデューサ。