JP5872460B2 - 改良された超音波変換器 - Google Patents

Description

本発明は、実時間医療造影システムに関する。特に、本発明は、モータにより駆動されるアレイを用いる、そのようなシステムの実施形態に関する。

超音波は、身体内部器官の画像走査を生成する非侵襲性の技術である。多岐にわたる超音波変換器に対応する実時間超音波システムには、数多くの種類がある。これらのシステムは、位相配列、曲線配列及び直線配列変換器等の、ビームを形成し且つ超音波ビームを誘導する電子技術を最大限に利用する電子システムと、変換器又は変換器アレイがビームを誘導するように機械的に移動する、機械システムとに分離され得る。

機械式スキャナは、元来、最も簡易であまり高価ではない種類の実時間画像システムである。これらのシステムは、検出用超音波信号を送信し、造影される身体から戻るエコーを受信する、１つ以上の圧電性結晶を用いる。超音波信号は、効果的であるように、指向性が大きく、超音波ビームとして描写され得る。ビームが造影される領域に及ぶように、電磁気モータを用いて結晶を繰り返し動かす。モータは、必要とされる移動特性に依存する、いずれかの種類のものであり得る。周知であるのは、ステップモータ、ＤＣモータ及び直線モータを利用した装置である。

一般に、機械式超音波スキャナは、ビームを移動させて画像を生成する２つの技術のうちの１つを用いる。

第１の技術は、結晶から放射されたビームが円を掃引するように、１つ以上の結晶が３６０°にわたり回転する、回転ホイール型変換器である。その円の区域は、造影される領域となる。超音波信号は、その区域が掃引されている間にのみ、送受信される。

第２の種類の機械式超音波スキャナは、変換器により放射される超音波ビームが、関心のある領域を掃引し尽くすように、電磁気モータにより単一の結晶が前後に移動する、振動型変換器を用いる。電磁気モータは、百年以上前に発明された。これらのモータは、産業界で尚も優勢であるが、技術発達の限界にあると考えなければならない。機械的に駆動される超音波スキャナの性能の向上は、そのようなモータを徐々に改良することからは期待できない。従来の電磁モータは、携帯式の超音波探触子への利用に望ましい、極めて小さな寸法に作製しがたい。

電磁モータは、精密には極めて制御しがたく、位置解像度が低く、その上、高速及び低トルクを特徴とし、応答が遅い。

電磁モータの制約により、現在の単一結晶型機械式変換器では、数多くの課題が生じる。

そのような変換器は、モータが自在に動作するために発生する、はっきりとした疑似的反射である、位置合わせの乱れになりやすく、それ故に、連続掃引から生成される画像フレームは、正確に整列されない場合がある。これにより、画像が乱れ、画像を見るのに目が疲れることになり得る。

モータは、雑音があり、患者と接触する超音波探触子に振動を与える。これにより、患者が当惑し、不快になる場合がある。

加えて、揺らぎ誤差と位置誤差のために、ドプラ造影のいずれの形態も不可能である。

モータを用いずに位相配列、曲線、及び直線変換器を含む電子システムは、画像位置合わせ、ドプラ造影を実行する能力、振動、及び雑音を含む機械システムの多くの問題を克服する。しかしながら、電子システムには、他の欠点がある。それらの電子システムは、製造に費用がかかり、電力消費が比較的高く、十分な性能を得るために数多くの変換器及び関連する電子経路を含むので、比較的大型である。

本発明の一形態で提案されるのは、本体部分と、超音波信号を送受信する少なくとも１つの変換器とを含む種類の超音波変換器探触子ユニットである。その変換器は、本体部分に対して機械的に繰り返し運動で移動し、領域に音波を照射する。変換器の移動は、本体部分に対して選択された位置に１ミリメートル未満の誤差で戻るように制御することができる。

超音波モータは、運動が極めて正確であり、ナノメートルの精度で位置決めすることができる。超音波モータは、応答時間が優れており、故に、極めて速く移動し、停止することができる。

別の好ましい形態では、本発明は、本体部分と、超音波信号を送受信する少なくとも１つの変換器とを含む超音波変換器探触子ユニットにあると言える。その変換器は、超音波モータにより、本体部分に対して繰り返し運動で移動する。

超音波ドプラ分析は、造影される身体内の要素の移動、通常、血液についての情報を与える。変換器自体が駆動電磁モータの振動で移動している場合、有用な情報を得ることはできない。ドプラ情報は、複数の走査線から抽出される。従って、身体の正確に同じ領域から、走査線を繰り返し得ることができることを必要とする。

好ましくは、探触子ユニットは、ゲートドプラ法、パワードプラ法、パルス波ドプラ法、カラードプラ法、及び２重ドプラ法の情報のうちの少なくとも１つの表示を可能にする処理に適した走査線データを作成するのに適している。

直線アレイ変換器超音波探触子では、画像範囲を犠牲にせずに高い解像度の画像を提供するために、又は、解像度を犠牲にせずに広い画像範囲を提供するために、より多くの走査線が必要とされ、故に、より多くの変換器が必要とされる。追加の要素を設けることで、費用がかかる。大きな変換器は、それ自体に更に費用がかかるが、追加の要素（通常、チャンネルと呼ばれる）にアクセスし、それらの要素を制御するのに必要とされる追加の配線及び電子機器にも費用がかかる。

比較的遠くに離して設置された要素の少ないアレイ変換器により、あまり費用をかけずに良好な画像幅が与えられるが、画像の走査線の数が犠牲にされ、故に、横方向の解像度が犠牲にされる。

別の形態では、本発明は、隣接する変換器間の距離が、選択された解像度の超音波画像を作成するのに必要とされる隣接する走査線の最小間隔よりも大きい、変換器アレイを含む超音波造影装置にあると言える。その装置は、少なくとも選択された解像度の超音波画像を作成するのに適している。

アレイの変換器の密度が低いにもかかわらず、所望の解像度を与える性能が、変換器アレイを機械的に移動させることにより得られる。

別の好ましい形態では、本発明は、変換器アレイを有する超音波変換器ユニットを含む超音波変換探触子ユニットあると言える。その変換器ユニットは、直線軸に沿った往復運動で、選択された直線距離だけ移動するのに適しており、直線軸に沿った変換器の間の直線間隔は、その直線距離と同じ大きさであり、変換器ユニットは、各々の往復運動の間に複数の走査線を取得するように走査されるのに適している。

好ましくは、往復運動は、複数の個別のステップから成り、変換器が静止しているときのみ、走査線が取得される。

好ましくは、変換器の移動は、直線超音波モータにより駆動される。代わりに、変換器の移動は、回転式超音波モータにより駆動される。

別の形態では、本発明は、少なくとも１つの超音波変換器のアレイが設けられる、超音波走査方法にあると言える。前記変換器は、超音波モータにより、造影される身体に対して往復運動で移動し、超音波画像が、表示用に作成され、前記画像が、変換器により前記運動の経路に沿った連続点で取得される走査線を含み、各々の変換器は、複数の走査線を画像に与える。

好ましくは、方法は、利用者が画像領域をドプラ窓として選択する工程を更に含む。変換器は、移動して画像走査線を取得し、変換器により取得される走査線がドプラ窓に入るように、停止位置で停止するように制御され、ドプラ及びスペクトル処理のための複数の走査線を停止位置で取得し、再び移動して走査線を取得し、停止位置に戻ってドプラ処理及び２重処理のための別の複数の走査線を取得する。停止位置への戻りは、ドプラ造影を続けるのを可能にするのに十分な精度で行われ、走査線は、ドプラ情報を有する超音波画像を利用者に表示するように処理される。

先行技術の変換器を示す。 図１ａに示される種類の先行技術の変換器の超音波場の概略図を示す。 先行技術の直線分節アレイ変換器の概略図を示す。 図２ａに示される種類の先行技術の変換器の超音波場の概略図を示す。 本発明を組み込んでいる超音波走査装置を示す。 図３の走査ヘッドの変換器摺動子を示す。 本発明による超音波変換器アレイの概略図を示す。 図４の超音波変換器摺動子の動きの概略図を示す。 本発明の曲線変換器アレイの概略図を示す。 図６ａの超音波変換器摺動子の動きの概略図を示す。 本発明による変換器アレイ摺動子の可能な配置の概略図を示す。 本発明による変換器アレイ摺動子の可能な配置の概略図を示す。 本発明による変換器アレイ摺動子の可能な配置の概略図を示す。 直線超音波モータを利用して本発明を組み込んでいる変換器ヘッドの断面図を示す。 回転モータを組み込んでいる超音波探触子ユニット走査ヘッドの切取図を示す。 環状変換器アレイを直接駆動させる回転超音波モータを組み込んでいる実施形態の概略図を示す。 曲線形状の変換器を備え、ホスト表示装置へのＵＳＢインターフェース接続を含む、超音波探触子ユニット走査ヘッドのシステムブロック図を示す。 単一チャンネル超音波要素を備え、ホスト表示装置へのＵＳＢインターフェース接続を含む、超音波探触子ユニット走査ヘッドのシステムブロック図を示す。 曲線形状の変換器を備え、ホスト表示装置へのＵＳＢインターフェース接続を含む、超音波探触子ユニット走査ヘッドのシステムブロック図を示す。 ホスト表示装置への無線インターフェースを含む超音波探触子ユニット走査ヘッドの代わりの実施形態のシステムブロック図を示す。 集積型表示装置を備えた超音波探触子ユニット走査ヘッドのシステムブロック図を示す。 ＦＰＧＡ時間調節制御ユニットのブロック図である。 図１のシステムのＤＳＰソフトウェアのブロック図である。 本発明の装置に組み込まれ得る異なる変換器形状に対する走査変換の要求を示す。 本発明の装置に組み込まれ得る異なる変換器形状に対する走査変換の要求を示す。 本発明の装置に組み込まれ得る異なる変換器形状に対する走査変換の要求を示す。 ドプラ処理窓を示す。

図１は、初期の超音波スキャナに利用されたような、簡単な単一結晶超音波変換器の概略図を示す。これは、円型超音波結晶１０１を支える探触子ユニット本体１００を有する。この結晶は、比較的大きい。図１ｂは、図１のユニットの断面を示し、変換器により作り出される超音波場を表示する。この配置には、幾つかの望ましい特徴がある。結晶により作り出される超音波ビームは、遠視野１０３に発散する前では、近視界１０２が比較的長く均一である。発散しない視野では、横方向の解像度が最も良いので、その長い近視野は、有利である。その上、遠視野は、比較的緩やかに発散するので、より速く発散する遠視野を有する変換器と比べて、この領域内での横方向の解像度が向上する。

しかしながら、そのような配置が作り出すのは、１つの走査線のみである。領域を走査するのに必要であるのは、異なる位置で走査線を得るように、走査されるべき領域全体にわたり変換器を移動させ、走査線を正確な空間関係で表示して超音波像を形成することができるように、その移動を極めて正確に追跡し続けることである。これは、大型の連結アームを利用して位置を正確に制御することで得られた。

これらは、有効ではあるが、超音波が広がり得る方法及び場所が、著しく限定されていた。

そのようなアームを必要とするのを回避するために、結晶アレイを利用して、変換器を形成することが可能になり得る。これにより、結晶間の、故に走査線間の位置関係が固定されることになるので、面倒な連結アームを用いずに、又は、位置探触子を追跡し続けることを必要とせず、領域を走査することが可能になる。しかしながら、大型の結晶は、走査領域から比較的僅かの走査線しか寄せ集められなくなり、その造影の有用性が著しく低減することを意味する。

実際に、問題は、図２に示されるように、分節直線アレイを利用することにより解決された。分節直線アレイは、圧電性材料の単一の長方形部品２０１から作られる変換器から構成される。この圧電性材料は、数多くの個別の変換器要素２０２に分割される。各々の要素は、超音波駆動電子機器に個別に電気的に接続され、走査線２０３を作り出すように個別に励起され得る。

各々の個別の要素は、図１の結晶の幅と比べて比較的幅が狭く、所与の領域からより多くの走査線を寄せ集めることができる。

しかしながら、より小さな変換器要素は、望まれるビーム形状が小さい。図２ｂにしめされるように、ビーム２０３は、近視野２０５がより短く、遠視野２０４が更に発散する。これにより、横方向の解像度が低減され、望ましくない。

先行技術として、ビーム形状を改善するために要素を群で発動させることと、走査される領域にわたりビームを形成し、そのビームを電子的に操縦するように、要素を極めて特異なパターンで発動させることとを含む解決策が挙げられる。先行技術では、各々の変換器要素の信号は、数多くの、通常、３２個の隣接する要素と結合されて、１つの走査線を作り出す。

これらの解決策の全ては、当初の装置の円型結晶変換器により与えられる近視野形状に悪影響をもたらす。これらの問題に対処するのに、複雑な制御及び信号処理技術を利用するが、これらの技術により、更に費用が嵩み、複雑になる。これらの解決策は、その上、変換器の物理的設計の複雑性と費用を極めて高くし、数多くの変換器要素を設けることを必要とし、各々の要素が、電気的に正確に整合するように接続されることを必要とする。

ここで図３に関して、本発明の実施形態を組み込んでいる超音波造影装置３００の図が示される。これは、表示ユニット３０１と探触子ユニット３０２とを含む。これらのユニットは、通信ケーブル３０３により接続される。表示ユニットは、表示装置３０４を有する。表示スクリーンは、利用者が表示ユニット及び探触子ユニットの機能性を制御するのを可能にする接触式スクリーンであってもよい。図示される実施形態では、制御部材３０６が、押しボタン及びスクロールボタンの形態で表示ユニットの上に設けられ、制御部材３０５が、探触子ユニットの上に設けられる。これらの２つの制御部材のうちの１つは、なくてもよい。

探触子ユニット３０２は、探触子ユニット走査ヘッド３０８を含む、又は、その走査ヘッドに接続される。走査ヘッド３０８は、複数の変換器要素を有するアレイ変換器、単一要素の変換器、又は、分離した個別の変換器のアレイであり得るが、それに限定されない、変換器を含む。

走査ヘッド３０８は、走査中に患者と接触する正面パネル３０７を含む。正面パネルは、音響的に透明である。変換器要素と造影される身体との間を音響的に可能な限り最良に結合することが望ましい。

使用中、探触子ユニットは、造影されるべき身体内部に隣接するように患者の身体に対して保たれ、正面パネル３０７は、患者の皮膚に接触している。探触子中の電子機器は、変換器から超音波エネルギーが放射するように誘導する。このビームは、反射され、造影される特徴部分によるエコーとして変換器に戻る。変換器は、これらのエコーを受信し、それらのエコーは、増幅され、デジタル走査線データに変換される。

装置３００は、携帯で利用するためのものである。探触子ユニット及び表示ユニットは、利用者の手で快適に保たれ得る寸法及び重量である。探触子ユニットは、重量が、５００グラム未満であり、好ましくは、２００グラム未満である。好ましい実施形態では、装置は、全重量で５００グラム未満である。探触子ユニットと表示ユニットは、様々に形取られ得るが、手に取って利用し易くするために、両方のユニットの直線寸法は、１５センチメートルを超えない。好ましくは、直線寸法は、１２センチメートルを超えない。別の好ましい実施形態では、直線寸法は、１０センチメートルを超えない。

図４は、図３の超音波走査装置探触子ユニットの走査ヘッドを示す。走査ヘッド４０１は、変換器結晶４０４を有する変換器摺動子４０２を含む。変換器結晶は、できる限り少数であり得る。その最大数は、費用、寸法及び複雑性を実用面で考慮することによってのみ限定される。摺動子は、誘導され、誘導レール４０３により往復運動で移動するように制限される。

使用中、摺動子は、変換器からのビームが造影される領域に及ぶように、往復運動で駆動される。摺動子は、いずれかの便利な手段により前記往復運動で駆動され得る。

好ましい実施形態では、モータは、超音波ビーム（単数）又は超音波ビーム（複数）が造影される領域を掃引し尽くすように、変換器を移動させる。モータを制御するための電子機器が、探触子ユニット内に設けられる。モータは、直線式モータであってもよく、回転式モータであってもよい。

好ましい実施形態では、直線モータは、直線超音波モータである。

別の実施形態では、回転モータは、超音波モータである。

好ましい実施形態では、直線モータは、直線超音波モータである。直線超音波モータは、超音波モータの当業者に知られているように、定常波型又は伝搬型のいずれかのものであり得る。

超音波モータは、振動部分に振動を誘発するように働く。これは、固定子又は摺動子のいずれかであり得るが、固定子が、最も一般的である。摺動子波又はピストンは、回転モータ内の回転子と同等のものである。電気機械モータでは、摺動子と固定子との間の接触は、望ましくないが、超音波モータでは、動力を与えるために、そのような接触が必要である。固定子と摺動子は、一般に、ばね負荷により相互に保たれる。

定常波型と伝搬波型の、２つの主要な種類の超音波モータがある。

定常波型では、定常波が、固定子内に誘導される。固定子の表面上の点は、同じ所望の振動方向と振幅を有する。これらの点に、接触端又は押出器が押し付けられる、又は、形成される。摺動子との摩擦接触は、これらの点でのみ起こり、その結果、一連の角度のある微小パルスが摺動子に与えられ、摺動子が、所望の方向に押されることになる。

それと比較して、伝搬波型は、２つの定常波を、９０度の時間及び空間の位相差で組み合わせる。移動波が、固定子内に誘導される。この場合、長手方向波と横手方向波が結合するために、固定子のいずれかの表面質点が楕円軌跡を通る。固定子と摺動子との間の接触は、連続的に駆動される摺動子の長さに沿っている。

用語「超音波モータ」は、本明細書の全体にわたって利用される。動作原理が同じであるが寸法、構成及び／又は用途が異なる装置に、他の用語を利用してもよい。これらの用語として、圧力モータ、圧電アクチュエータ、圧力アクチュエータ、及び超音波アクチュエータが挙げられるが、これらに限定されない。本明細書で利用される用語「超音波モータ」は、これら用語の全てと、本発明を実行するのに利用されてもよい超音波駆動の移動装置を記述するのに利用され得る、いずれかの他の可能な用語とを包含する。

一実施形態では、モータは、電磁気モータである。

変換器要素４０４とパネル４０９との間の間隙を埋める走査ヘッドの正面パネル４０９の内側に、音響整合性潤滑剤を設けてもよい。

別の実施形態では、摩擦係数が低く、音響整合特性のある、細長い片の固体材料が、走査ヘッドの正面パネル４０９の内側に、変換器要素４０４と正面パネル４０９との間の間隙を埋めるように設けられる。

この実施形態では、変換器アレイは、８つの圧電要素のアレイである。他の実施形態では、他の数及び他の種類の変換器要素が用いられてもよい。特定の実施形態では、容量性微細加工超音波変換器（ＣＭＵＴＳ）が利用されてもよい。

従来の直線アレイ変換器超音波探触子では、各々の変換器要素が、数多くの、通常３２個の隣接する要素の一群で発動され、１つの走査線を作り出す。走査線の間の横方向の距離は、アレイ内の連続する変換器要素の間の直線距離に比例する。

画像範囲を犠牲にせずに高解像度画像を提供するために、又は、解像度を犠牲にせずに広い画像範囲を提供するために、より多くの走査線が必要とされ、故に、より多くの変換器が必要とされる。追加の要素を与えることで、費用がかかる。大型の変換器は、それ自体が、更に費用がかかるが、追加の要素（通常、チャンネルと呼ばれる）にアクセスし、それらの要素を制御するのに必要とされる追加の配線及び電子機器にも費用がかかる。

比較的遠くに離して設置された要素の少ないアレイ変換器により、あまり費用をかけずに良好な画像幅が与えられるが、画像の走査線の数が犠牲にされ、故に、横方向の解像度が犠牲にされる。

従来の直線アレイシステムでは、変換器が、各々が長方形状に切り出された数多くの結晶を備えている。これにより、変換器アレイ要素の間隔を可能な限り最近接にし、アレイを移動させずに、走査線の間隔を近くすることができる。しかしながら、これは、非対称パターンの音響ビーム形状を生成する。

望ましいのは、ビーム形状が円状で対称である円型結晶を利用することである。最良の被写界深度を与えるために、結晶は、比較的大きいのが望ましい。従来の超音波システムでは、これらの要求が両立していない。

比較的遠くに離して設置された要素の少ないアレイ変換器を利用し、その変換器を移動させることにより、変換器要素の間の比較的広い間隙を走査線で「充たす」ことができ、それにより、費用と複雑性を大幅に削減して、チャンネルがより多いシステムに類似する性能及び画像寸法を与えることができる。走査線密度は、変換器要素の物理的寸法、若しくは、要素の間隔及び数により制限されない。望ましい幾何学形状を有する大型の結晶を利用してもよい。

本発明の変換器は、変換器アレイとして定義される低密度のアレイを形成し、隣接する変換器又は変換器要素の間の距離は、所望の解像度の超音波画像を作成するのに必要とされる隣接する走査線の最小間隔よりも大きい。

個別の変換器の低密度アレイを利用して、円型変換器が直線アレイ用途に利用される。

図５は、本発明の超音波変換器アレイの概略図及び利用方法を示す。図５ａに関して、変換器摺動子５０１は、超音波変換器５０２〜５０５を支える、又は、その変換器と一体的に形成される。各々の変換器は、超音波エネルギーを送信し、その結果得られる、造影される身体からのエコーを受信し、１つの走査線５０６〜５０９を集めることができる。変換器結晶は、できる限り少数であり得る。その最大数は、費用、寸法及び複雑性を実用面で考慮することによってのみ限定される。変換器は、低密度のアレイを形成する。

変換器は、間隔ｌ５５２で配列される。変換器摺動子は、直線アレイの適用範囲の幅がＳ５５４と表記される距離であるように、移動し得る。これは、全範囲にわたり移動するアレイにより覆われ得る全幅である。

摺動子は、連続的に又は段階的に、距離ｌだけ移動する。変換器要素は、移動中に又は各工程で超音波エネルギーを送受信し、造影される身体内を走行する線に沿って、様々な深さの特徴部分から戻る一連のエコー強度値である走査線を受信する。摺動子は、変換器からのビームが、造影される領域に及ぶように往復運動で駆動される。摺動子は、いずれかの便利な手段により前記往復運動で駆動され得る。

図５ｂは、変換器摺動子を移動させた影響を示す。変換器摺動子５０１の一連の点線図は、距離ｌを通過する超音波摺動子の移動を表す。変換器の各々は、一連の走査線ａ、ｂ、ｃ、．．．、ｎを送受信するように駆動される。変換器の全てに対してこれらのｎ走査線を組み合わせることにより、距離Ｓを包含する走査集合が作り出される。距離Ｓは、探触子ユニットにより作り出され得るＢモード超音波画像の幅である。

変換器が距離ｌだけ一度横断する間に捕獲される全走査線は、走査集合を形成する。各々の走査集合中の走査線は、処理され、表示スクリーン３０４上に超音波画像として表示される。

超音波走査画像として表示される画像は、本質的に、変換器により走査線が取得された時と同じ空間関係での一連の走査線の表示である。各々の走査線は、走査画像の一部分として表示されるように、その走査線データを受信した変換器要素の受信時点での相対位置を示すデータを含まなければならない、又は、そのデータと関連付けられなければならない。これは、当該分野で周知のいずれかの手段により行われ得る。モータの回転位置又は直線位置の認識に基づいた方法を利用してもよく、直線エンコーダ等の装置により摺動子の位置を直接監視してもよい。

各々の走査集合は、単一フレームの超音波画像に対応する。同じ変換器を相次いで発動させる間に、例えば、走査線ａとｂとを取得する間に、及び、走査線ｂとｃとを取得する間に変換器摺動子が移動する距離は、所望の画像解像度を与えるほど十分に小さい。

様々な方法において、画像の質を上げるために後処理を用いてもよい。

摺動子は、往復で移動する。それぞれ通過する際に、新たな走査集合が、造影される領域にわたり得られる。走査集合は、受信される際に逐次的に表示されて、実時間表示を形成する。

図２に示される先行技術の直線アレイ変換器超音波探触子では、走査線間の横方向の距離は、アレイ内の連続する変換器要素の間の直線距離に比例する。

画像範囲を犠牲にせずに高解像度画像を提供するために、又は、解像度を犠牲にせずに広い画像範囲を提供するために、より多くの走査線が必要とされ、故に、より多くの変換器が必要とされる。追加の要素を与えることで、費用がかかる。大型の変換器は、それ自体に更に費用がかかるが、追加の要素（通常、チャンネルと呼ばれる）にアクセスし、それらの要素を制御するのに必要とされる追加の配線及び電子機器にも費用がかかる。

比較的遠くに離して設置された要素の少ないアレイは、費用をあまりかけずに、優れた画像幅を与えるが、画像内の走査線の数を犠牲にする。上記のように変換器を移動させることにより、変換器要素の間の比較的広い間隙を走査線で充たすことができ、それにより、費用と複雑性を大幅に削減して、チャンネルが更に多いシステムに類似の性能及び画像寸法を与えることができる。走査線密度は、変換器要素の物理的寸法、若しくは、要素の間隔及び数により制限されない。

各々の走査線は、走査線が受信された空間関係で走査画像の一部分として表示されるように、その走査線データを受信した変換器要素の受信時点での相対位置を示すデータを含まなければならない、又は、そのデータと関連付けられなければならない。これは、当該分野で周知のいずれかの手段により行われ得る。モータの回転位置又は直線位置の認識に基づく方法を利用してもよく、直線エンコーダ等の装置により摺動子の位置を直接監視してもよい。このデータは、走査データの一部として、個別のデータ流れとして、表示ユニットに送信されてもよく、表示ユニット内のプロセッサにより情報を推定し、計算してもよい。

図５の直線低密度アレイにより捕獲される画像は、最大幅Ｓ５５４を有し、その最大幅は、変換器摺動子の幅と摺動子が移動する距離とを足し合わせたものである。この最大幅は、摺動子５０１の幅を増すことにより増すことができるが、それにより、費用が増す。更に、大型の摺動子は、大型の探触子ユニットを必要とし、それは、利用し易さの点から見れば望ましくない形態である。

図６は、曲線走査ヘッドの形状因子に適用される本発明の概略図を示す。

変換器摺動子６００に、１つ以上の変換器が取り付けられている。図示される実施形態は、４つの変換器６０５〜６０８を有する。変換器摺動子は、円弧状に形作られる。各々の変換器は、単一の超音波走査線６０１〜６０４を生成するように、超音波エネルギーを送受信することができる。変換器摺動子は、図３に図示されるように超音波探触子ユニットの一部に組み込まれるか、又は、それを形成する。

使用中、変換器摺動子は、変換器が弧を形成するその円の中心を通る軸を中心に回転する。これは、旋回軸が前記中心にある旋回アームを利用することにより行われ得る。代わりに、変換器摺動子は、弧状の誘導子により誘導されてもよい。摺動子が円弧の経路に沿って移動するのを制限する他の手段を用いてもよい。摺動子を回転させる動力は、モータにより与えられ、そのモータは、好ましい実施形態では、超音波モータである。

図６ｂは、回転式変換器摺動子６１０を示し、走査線６１１〜６１４を生成する変換器６１５〜６１８が、摺動子６００の原位置の上に重ね置かれている。

円の外側に変換器を配置することは、超音波ビームにより覆われる領域全体が、円の扇形区域であることを意味する。これにより、適用範囲は、変換器探触子ユニットの幅よりも広くなり得る。摺動子の曲率が大きくなるにつれて、走査領域の幅が探触子ユニットの幅を超え得る量が、大きくなる。

受信される走査線は、表示のために、十分に周知の円の扇形区域の超音波画像と類似する形状因子を有する超音波画像として処理される。変換器摺動子は、造影される領域の実時間適用範囲を得るように、モータにより往復運動する。実質的に、一往復の間に捕獲される走査線の全ては、画像フレームを形成するように表示される。走査線が受信されるときにフレームを相次いで表示することにより、実時間表示が与えられる。実時間フレーム速度は、毎秒２０フレームの程度である。フレーム速度をより高くすることができる。

図７は、変換器摺動子が超音波モータの摺動子である、本発明の実施形態の変換器アレイ摺動子の３つの可能な代わりの実施形態を示す。変換器アレイ摺動子７００があり、個別の変換器７０１が、その摺動子に機械的に取り付けられる、又は、その摺動子と一体的に形成される。

図７ａに示されるように、摺動子は、摺動子７００の本体と一体的に形成される、又は、その本体に機械的に取り付けられる摩擦片７０３を含み得る。この摩擦片は、接触端又は押出器７０２と接触する。この接触端は、圧電駆動装置７０５により駆動される。圧電駆動装置は、適切な信号により励起され、摩擦片に対する駆動装置の振動により、摺動子が往復運動で駆動される。圧電駆動装置は、圧電材料に取り付けられる２つの電極７０６、７０７を含む。その上、第３の共通電極が、圧電材料の底の上にある（図示されず）。電極の１つに駆動信号を加え、他の電極が浮遊したままであることにより、定常波が、駆動装置内に設けられ、その定常波は、摺動子が反対方向に駆動されるように、接触端を振動させる。他の電極を同様に励起することにより、摺動子が、反対方向に駆動される。ばね又は他の手段（図示されず）が、摩擦片を接触端に押し付ける。摺動子は、フレーム又は誘導子（図示されず）により、反対方向に移動するのを制限される。

図７ｂに示されるような代わりに実施形態では、摺動子７００は、誘導レール７０９、７１０により制約、誘導され得る。それらの誘導レールは、摺動子７００の縁を圧し、超音波モータの一部を成す。圧電アクチュエータ７１５〜７１８は、誘導レールに堅く取り付けられる。圧電アクチュエータは、電極と圧電材料とを有する。超音波周波数での電気信号の印加により、圧電材料は、振動し、取り付けられた誘導レール内に振動を誘発する。

摺動子端及び対を成すレール７０９、７１０は、直線超音波モータの接触面を形成する。電極７１５〜７１８に印加される電気信号により、レール内に振動が誘発される。移動波が誘導レール内に誘発され、この波に乗って摺動子が移動する。誘発される波の位相は、移動波の方向を、故に、摺動子の移動方向を定める。

全ての実施形態では、レールは、摺動子を物理的に支え、その摺動子を直線に誘導する。接触面を接触したままに保つために、ばね又は類似の手段（図示されず）も設けられる。

図７には、別の実施形態が示される。超音波モータ摺動子７３０は、振動性材料で、本実施形態では、圧電材料で構成される。他の超音波振動構造が用いられてもよい。摺動子は、誘導レール７２０により支えられ、誘導される。摺動子に、励起電極７２１、７２２が取り付けられる。共通ドレイン電極（図示されず）も設けられる。超音波周波数の電圧信号が、電極７２１に印加され、摺動子内に超音波を誘発し、摺動子７００とレール７２０との間の一方向の相対運動が生じる。電極７２２に印加される電圧信号を利用して、摺動子を反対方向に駆動する。

図示されるように、摺動子は、超音波モータの摺動子であるが、変換器が、超音波モータの摺動子に機械的に取り付けられる背面要素により支えられると理解されるべきである。この場合、モータ摺動子の寸法と背面要素の寸法には、本質的な関連性がない。

図８ａは、超音波モータの摺動子が変換器アレイから分離している、本発明の実施形態を示す。走査ヘッド８１０は、励起電極８１４と振動駆動装置８１５とフレーム及び誘導レールにより保持される摺動子８１８とで構成される、超音波モータ８２０を含む。摺動子は、振動駆動装置８１５と摺動子８１８との間の駆動摩擦を容易にする摩擦層８１９を含む。モータ８２０は、回路基板（ＰＣＢ）８１１に取り付けられ、その回路基板は、誘導部８１２の場所を選定することにより、走査ヘッド８１０内に配置され、支えられる。ＰＣＢは、超音波モータ制御回路８１６を含む、又は、その回路に取り付けられる。この制御回路は、励起電極８１４に信号を与え、モータ８２０を駆動する。

摺動子に、変換器アレイ８１７が取り付けられる。アレイを構成する変換器は、適切な種類のものであり得る。変換器は、モータの摺動子８１８に機械的に取り付けられる背面要素に取り付けられる。この配置により、主要ＰＣＢがモータ及び超音波変換器に機械的に接続されるときの、システムの組立と製造が簡略化され、モータは、筐体とは無関係に動作することができる。

変換器は、ＰＣＢ８１１上の回路に電気的に接続される。その回路は、変換器を励起して、超音波出力を生成し、変換器から戻る電気信号を受信し、処理する。

図示される実施形態では、変換器アレイが、使用中、患者に接触している音響窓８１３の上を容易に滑ることができるように、非液体性の摩擦削減手段が設けられる。これは、固体潤滑剤であり得るが、これに限定されない。または、音響窓の材料は、本質的に、低摩擦であり得る。

走査ヘッドの前面パネルの内側に、変換器と正面パネルとの間の間隙を埋めるように、音響的に整合する潤滑剤を設けてもよい。

別の実施形態では、走査ヘッドの正面パネルの内側に、変換器と正面パネルとの間の間隙を埋めるように、摩擦係数が低く、音響整合特性のある、細長い固体材料が設けられる。

他の実施形態では、柔軟で耐液体性の薄膜が、変換器アレイ８１７とモータ８２０との間に設けられ、音響窓と共に、閉じた区画を形成し得る。この閉じた区画は、変換器アレイを包含する。モータが液体からそのように保護されるので、変換器アレイの変換器と音響窓との間に音響的な結合を与える液体中に変換器アレイを浸してもよい。この場合、変換器アレイは、使用中にの音響窓に接触する必要がない。変換器と音響窓との間にいずれかの間隙があっても、その間隙が音響整合性液体で充たされているので、受信される超音波信号は、大きく反響しない。

図示される実施形態では、変換器アレイは、８つの圧電変換器のアレイである。他の実施形態では、他の数の及び他の種類の変換器要素が用いられてもよい。特定の実施形態では、容量性微細加工超音波変換器（ＣＭＵＴＳ）又は他のＭＥＭＳ基盤型変換器が用いられてもよい。

図８ｂに関して、摺動子は、回転式モータにより駆動されてもよく、そのモータは、好ましい実施形態では、超音波モータである。

摺動子８０５の直線運動である往復運動の範囲は、駆動ディスク８０３の直径であるｄにほぼ等しい。変換器要素８０８の数は、Ｎである。連続する変換器要素の間の直線距離は、ｌである。

走査される領域を同じ走査線密度で全て包含するために必要なことは、ｌが、ｄ以下でなければならないことである。好ましくは、ｌは、ｄにほぼ等しくなければならない。

好ましくは：ｄ〜ｌ＝Ｓ／Ｎ

利用される変換器要素の数は、適用領域、モータ速度、ディスク寸法及びモータ応答時間を含む因子の数に応じて変化し得る。図示された実施形態では、８つの３ｍｍ円型結晶８０８が、６ｍｍ幅のディスク８０３と組み合わされた摺動子８０５の上に搭載された、７．５ＭＨｚの走査ヘッドの適用範囲は、４８ｍｍ（８×６ｍｍ）である。

超音波モータ８００の回転運動は、往復運動で並進する。駆動ディスク８０３は、軸外しピン８０４が、一面から突き出している。そのディスクは、回転式モータにより駆動されるシャフト８０２に取り付けられる。変換器要素アレイが搭載される摺動子８０５は、裂溝８０７を含む。ディスクの軸外しピン８０４は、その裂溝内に配置される。ディスクの回転により、そのピンが、摺動子に往復運動を与える。摺動子は、各側のレール８０６により、２次元往復運動以外の動きが制限される。

変換器アレイを含む走査ヘッドの一部分は、液体媒体で充たされ、走査ヘッドの移動変換器要素８０９と保護全面パネル８０９との間のいずれの空気界面も排除する。変換器アレイ区画は、モータ回転子８０２の周りの封止材８０１により、モータ８００から分離されている。これにより、液体媒体がモータに入り、そのモータに潜在的に損害を与えるのを防ぐ。

別の実施形態では、変換器は、アレイが曲線パターンで移動するように実装され得る。これは、図６に概略的に示される。

そのような実施形態では、摺動子を円扇形に形作るのに対し、誘導レールが利用される場合は誘導レールを、及び正面パネルを円弧に形作る。回転又は直線モータのいずれかを利用して、摺動子を駆動してもよい。直線モータでは、摺動子及び誘導子が、直線モータを誘導してもよく、分離した直線モータを設けてもよい。回転モータが利用される場合、摺動子は、回転モータを利用した図示される実施形態に関する限り、相殺ピンの駆動を受容する裂溝を有し得る。裂溝は、断面が台形であり、駆動ピンの固定方向を調節することになる。摺動子部分の曲率半径が十分に小さい場合は、回転モータが、回転アームを直接駆動させることにより、摺動子を移動させてもよい。

回転モータの軸を利用して、完全に環状の摺動子を駆動してもよい。この摺動子は、その外面に変換器を有することになる。これらの変換器を束ねて、円弧形状の曲線アレイを形成してもよく、これらの変換器を、環状摺動子の円周の周りに均一に分配してもよい。

好ましい実施形態では、モータにより、変換器アレイ摺動子が、走査される領域の幅にわたり往復運動で移動する。各々の変換器要素は、順に発動される。各々の発動により、単一走査線のデータが収集されることになる。各々の変換器要素を発動させる間の遅れは、画像を得ることが望まれている造影される身体内の深さから、エコーが戻ることができるのに少なくとも十分である。発動のプロセスは、繰り返される。一般に、各々の変換器要素は、摺動子が一往復するのに要する時間内で、多数回発動されることになる。好ましくは、発動は、相次ぐ各往復運動の際に、探触子ユニット本体に対して実質的に同じ場所で各々の変換器要素が発動されるように、時間調節される。

好ましくは、変換器要素を相次いで発動させる間の遅れは、変換器要素からのビームの幅に関連しており、走査される領域の全長は、集束ビームにより覆われる。

代わりの実施形態では、各々の変換器要素を個別に発動させることにより、システムが動作し、静止しているその変換器摺動子が、一組の走査線を取得する。次に、モータは、摺動子を１ステップだけ移動させ、変換器要素が、再び発動して第２組の走査線を取得する前に、摺動子は停止する。これは、距離ｌを走り尽くすまで続く。このプロセスは、繰り返される。

そのステップの大きさは、造影される領域にわたり要求される走査線密度を与えるように確定される。その大きさは、フレーム速度又はモータ速度等の走査システムの特性を最適化するように、使用中に変わってもよい。

次に、摺動子が一度完全に横断する間に取得された全走査線は、実時間超音波表示の１フレームを形成するように組み合わされる。各々の走査線は、走査画像の一部として表示されるように、その走査線データを受信した変換器要素の受信時点での相対位置を示すデータを含まなければならない、又は、そのデータと関連付けられなければならない。これは、当該分野で周知のいずれかの手段により行われ得る。例えば、摺動子の位置は、直線エンコーダ等の装置により直接監視され得る。

利用されるステップの数は、要求される走査線密度及び変換器要素の間隔Ｉの大きさにより確定される。

利用される変換器要素の数は、適用領域、モータ速度、所望の走査線密度及びモータ応答時間を含む因子の数に応じて変わり得る。

変換器が一度完全に横断移動することで取得される全走査線は、表示用の単一フレームとなる。これは、変換器の発動率が、全体として、要素数とフレーム速度と要素の間の距離を所望の密度で走り尽くすのに要する走査線の数との積として定められることを意味する。

他の要素発動方策も可能である。これを走査線間で過度に干渉させずに行うことができる場合、１を超える数の要素を同時に発動させてもよい。これを達成する手段は、例えば、バーカー符号、ゴレイ符号、ゴールド符号で符号化されたパルスを伝送するための手段であるが、これに限定されない。

別の実施形態では、摺動子の長さは、変換器要素の間隔ｌよりも大きい量だけ、画像幅Ｓに満たない。その長さは、更に小さくてもよい。走査ヘッド及びレールは、全画像幅に及ぶ。摺動子は、要求される画像幅を覆い尽くすように、増分ステップで駆動される。この実施形態では、変換器アレイの要素は、要素の隣接により所望の走査線密度が与えられるような間隔で配置され得る。この場合、摺動子は、アレイを完全に発動させる各時点の間に、その全長に等しい量だけ移動し得る。

最も一般的な事例では、変換器が単一の要素で構成され得る。この事例は、超音波モータの制約のうちの１つとして直線及び回転速度が低いことであるので、現時点で好ましい実施形態ではない。これは、超音波結晶が関心のある領域を走査し得る速度に制限を課し、故に、システムのフレーム速度を限定する。従って、結晶の往復移動距離を減らし、モータ速度に対する要求を低減する１を超える数の結晶を組み込んでいるアレイを利用することが、現時点で好ましいが、モータ設計を更に改善することが、代案を現実的にし得る。

パルス波ドプラ画像は、超音波パルスを生成するように変換器要素を電子的に誘導し、次に、別のパルスが生成される前にエコーを聞き取ることにより得られる。これは、単一の位置で迅速に行われ、戻ってきたエコーの可変周波数シフトを利用して、造影される特徴部分の動き、例えば、血液流を検出する。これらのモードは、先行技術のモータ駆動式変換器システムでは、静止状態に保たれず、迅速に且つ正確に再配置され得ないので、可能ではない。

これは、本発明の装置により達成することができ、なぜなら、超音波モータは、応答時間が優れ、ナノメートル範囲の誤差で極めて正確に配置することができるからである。これにより、変換器は、超音波パルスを送受信するときに、周知の位置で完全に静止していることができる。

カラードプラ法は、実時間画像をドプラ画像と組み合わせる。実時間画像は、ドプラ情報が１以上の走査線で表示されるのと同じ時間に、全画像領域にわたり表示される。これは、移動式変換器を備えた先行技術のシステムで可能ではなく、なぜなら、ドプラ法は、送信要素が周知の位置で静止していることを必要とし、実時間走査は、変換器が移動することを必要とするからである。

カラードプラ法の機能性を与える実施形態では、変換器アレイの移動を制御して、利用者のために、表示装置上に実時間移動画像を作成する。利用者は、カラードプラ情報を取得するために、表示される画像の領域を選択することができる。選択された変換器の要素（単数）又は要素（複数）は、選択された領域上に位置を定め、必要な数のパルスを発射し、必要なエコーを受信し、カラードプラ周波数シフトデータである移動情報を取得する。ドプラ情報が取得されている間、変換器アレイは静止している。次に、変換器が超音波モータにより移動する実時間走査の動作が続く。実時間画像走査は、変換器アレイが移動している間に取得される。変換器は、選択された距離を移動したときに停止し、選択された要素は、ドプラ情報を得るために複数のパルスを再び発射する。これは、そのフレームの副集合についてのドプラ情報と共に、全実時間画像フレームが取得されるまで続く。次に、このプロセスは、実時間画像表示を取得するように繰り返される。

カラードプラ及び実時間情報は、当該技術分野で周知のように、単一の表示装置の中に組み合わされる。

超音波モータの高速応答及び優れた位置決め精度により、変換器は、完全に停止し、必要な数の超音波パルスを発射し、エコーを聞き取り、次に、実時間造影を同時に実行しつつ、次の線に移動することができる。一般に、実時間フレーム速度は、カラードプラ法を使用している間は低減されることになる。

超音波モータを利用した実施形態では、曲線アレイを利用してもよく、その場合、直線摺動子は、Ｎ個の変換器要素が備え付けられた又は摺動子の一部として加工された、曲線摺動子に置き換えられる。レール及び正面パネルも、曲線構成で作製され得る。超音波モータは、異なる形状及び寸法で容易に作製される。摺動子自体がモータの一部である実施形態では、摺動子を外部モータにより駆動することができるように、摺動子を特別に配置し、形作る必要はない。

代わりの実施形態では、曲線摺動子から分離した直線超音波モータを利用して、曲線摺動子を円弧に沿って移動させてもよい。

摺動子は、完全な円を通るように連続回転で駆動され得る。この場合、変換器は、走査される身体上にあるときのみ作動状態になる。これは、特に、肋骨間の造影が可能であるように曲率半径が比較的小さな微細曲線形状ヘッドに重要である。２つ以上の変換器が設けられてもよく、各々は、作動周波数が異なり、異なる周波数での同時の又は個別の走査が可能である。ドプラ造影は、他の実施形態で記載されるように可能になる。

一実施形態では、レールが、円の中に形成され、摺動子が連続回転で駆動され得る。この場合、変換器は、走査される身体の上にあるときのみ作動状態になる。これは、特に、肋骨間の造影が可能であるように曲率半径が比較的小さい微細曲線形状ヘッドにとって重要である。２つ以上の変換器が設けられてもよく、各々は、作動周波数が異なり、異なる周波数での同時の又は個別の走査が可能である。ドプラ造影は、他の実施形態で記載されるように可能になる。

図８ｃに示された別の実施形態では、超音波回転モータが設けられ、そのモータの回転子は、環状の変換器アレイを直接支えている。図８ｃに示されるように、超音波変換器８５１を支える回転子８５２で構成される超音波モータがある。回転子は、圧電式環状共鳴器８５２を取り囲む。圧電式共鳴器は、鋼鉄製の押出機８５４と接続される。定常超音波は、共鳴器８５２内で誘発され、その環が広がり、半径方向に接触する。押出機は、押出機の楕円運動が生じるように振動する。押出機は、回転子８５３に対して保たれ、回転子と押出機との間の摩擦嵌合により回転子を回転させる。

この回転モータは、光学窓８５５の先で、変換器８５１を円状に駆動する。各々の超音波変換器は、超音波窓と整列するときのみ、従って、造影される標的部分に音波を照射する場所にあるときのみ作動される。

超音波モータは、効率が寸法に鋭敏ではないので、小型モータの分野で優勢である。これにより、小型で軽量の装置を構成することができる。

超音波モータは、電磁モータの動作に固有の電磁気干渉を生成しない。これは、受信される電気信号が本質的に強度の低いものであって干渉を受けやすい、超音波システムに有利である。これは、携帯式超音波システムに更に有利であり、電子部品とモータとの間に遮蔽を設ける必要性を低減し、それにより、寸法、重量及び費用が削減される。

走査用の超音波エネルギーを生成するために、超音波変換器要素は、高電圧電源により誘発される。この高電圧電源は、一般に、数十又は数百ボルトの大きさの電圧値で電力を供給することになる。超音波モータを用いるそれらの実施形態において、超音波モータを形成する超音波要素は、類似の出力特性を有し得る高電圧電源によっても駆動される。別の実施形態では、超音波変換器要素及び超音波モータは、共通の電源（単数）又は電源（複数）から駆動される。これにより、費用が削減されることになる。

図９では、本発明の実施形態の構成が示される。ブロック図は、走査ヘッド９０１と探触子ユニット本体９０３とを含む探触子ユニットを示す。ＵＳＢインターフェース９２０を利用してそのシステムと接続され、表示と利用者インターフェースの一部とを与えるホストユニット（図示されず）があってもよい。

寸法が小さく、重量が軽いことは、探触子ユニットに望ましく、携帯での使用を簡易にする。一実施形態では、探触子ユニットの寸法は、約１５ｃｍ×８ｃｍ×３ｃｍである。別の実施形態では、探触子ユニットの重量は、５００ｇ未満である。好ましい実施形態では、探触子ユニットの寸法は、約１１ｃｍ×６ｃｍ×２ｃｍであり、重量は、約２００ｇである。

走査ヘッド９０１は、摺動子要素９０５の上に変換器アレイとして配置される変換器９０６を含む。摺動子要素は、超音波モータ９０８により駆動される。摺動子９０５の位置は、位置エンコーダ９０７により監視される。

変換器９０６は、多重器９０９に接続される。超音波出力を生成するように変換器を励起する電気信号と、受信されるエコーに応答しての変換器からの電気信号は、多重器９０９を通過する。探触子本体９０３内に多重器を設けてもよく、走査ヘッド９０１と探触子ユニット本体９０３との間の更なる接続を設けるのを犠牲にして、省かれてもよい。

利用者による超音波走査システムの制御は、利用者インターフェースを介するものであり、そのインターフェースは、ホストユニット上の全範囲に、又は、探触子ユニット上の全範囲に設けられてもよく、探触子ユニットとホストユニットに分割又は二重化されてもよい。図示される実施形態では、利用者制御パネル９０２が、探触子ユニット内に組み込まれ、前記パネルは、走査を開始及び停止するための一時停止ボタン、増分、減分及び選択機能性を与える一組のボタン、及び「戻り」ボタンを含む。これらのボタンは、開始及び停止走査、深さ調節、利得調節、作動モード選択、及び再設定選択並びに他の基本的な設定のうちの幾つか又は全てを含むが、これらに限定されない、システムの基本的制御に利用される。利用者制御パネル９０２は、ボタンの状態を識別するデータを、この実施形態では、テキサスインスツルメンツからのＯＭＡＰ３５２５アプリケーションプロセッサ等の結合型マイクロコントローラ／ＤＳＰ装置の一部である、マイクロコントローラ９３０に送信する。マイクロコントローラは、制御パネルの状態を監視し、適切な電子回路を制御するのに適当な命令を設定し、利用者が超音波システムを制御するのを可能にする。この超音波システムは、グラフィック利用者インターフェースを必要とする場合、ホストユニット上に表示される。

マイクロコントローラ９３０は、走査中の装置の動作を制御する一組のパラメータを含む。初期の電源投入では、パラメータの規定値設定が作り出され、次に、それらの値は、利用者により走査前に又は走査中に変更され得る。パラメータとして、作動周波数、作動状態での走査モード、利得曲線、走査深さ、必要であればドプラゲート深さ及び角度、必要であればカラードプラ範囲、必要であればパワードプラ範囲、及びＭモードパルス繰り返し率が挙げられるが、これらに限定されない。利用可能な走査モードとして、Ｂモード、Ｍモード、及び、カラードプラ法とパワードプラ法とスペクトルドプラ法とを含むパルス波ドプラ法及び２重ドプラ法を利用して利用可能なモードのうちのいずれか又は全てが含まれ得るが、これらに限定されない。

マイクロコントローラは、走査が開始され、パラメータが変化するときに、関連するパラメータをデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）９３１及びフィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）９３２に移す。

利用者が、制御パネル上のボタンを押す又はホスト上で制御を開始することのいずれかにより走査を始めるときに、マイクロコントローラは、いずれかの更新された環境設定パラメータと共に、命令をＤＳＰ及びフィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）に送信し、走査を開始する。ＤＳＰは、パラメータに従って超音波データを受信し、処理するように設定され、それらのパラメータは、ドプラ処理に関連するパラメータを含み得る。

マイクロコントローラとＦＰＧＡは合わせて、走査ヘッド超音波モータを制御する機能性を提供する。超音波モータ位置エンコーダ９０８は、任意の時点での超音波モータの位置に比例する値を作成する。この位置は、日時存在証明と共に、ＦＰＧＡ中のレジスタ内に保存され、マイクロコントローラは、この情報を読み出し、速度を計算する。その速度は、所望の速度と比較される。モータ制御ユニット９１０は、所望の速度を得るために、超音波モータ９０８に印加される駆動信号の電圧及び周波数を変えるように指示される。

図１４は、ＦＰＧＡの機能性を示す。ＦＰＧＡは、超音波モータ位置エンコーダ９０７の出力を受信、復号し、マイクロコントローラに情報を与え、そのマイクロコントローラは、超音波モータ駆動信号を再び計算する。ＦＰＧＡは、復号された位置情報を利用して、変換器から出力される超音波パルス配列を生成するのに適切な時間を確定する時間調節状態装置１４５を含み、そのパルス配列は、送信パルスコントローラ１４４を駆動することにより得られる。

送信パルス制御器１４４は、生成されるのに必要とされる走査線の型に対応する制御信号を生成する。Ｂモード走査線では、単一パルスは、高電圧電源（ＨＶ源）９３４により与えられる電圧に、造影周波数で生成される。これらの電圧は、通常、±１００Ｖまでである。ドプラ法では、一連の数パルス、通常、８パルスが、ドプラ造影周波数で生成される。これらのドプラパルスは、通常、Ｂモードパルスよりも長いものである。多重器は、Ｔｘパルス発生器９３３が、送信パルスを適切な円形変換器結晶に進め始める前に、事前に設定される。変換器結晶９０６は、造影される身体中に送信される電気パルスに応じて、超音波を生成する。

超音波は、音響インピーダンスの変化により反射されて、エコーを生成し、そのエコーは、低圧で変換器結晶９０６に戻り受信される。結晶は、この低圧波を電気信号に変換し、その電気信号は、多重器を通じて入力保護回路９３５に導かれる。入力保護回路は、低電圧受信信号を通過させつつ、感受性のある低雑音増幅器（ＬＮＡ）９３６を高電圧送信パルスから保護する。幾つかの入力保護回路は、先行技術で知られている。

低雑音増幅器（ＬＮＡ）は、出力信号に雑音をあまり加えずに、小さな受信信号を増幅する。ＬＮＡは、通常、単一信号線でデータ転送し、時間利得増幅器（ＴＧＡ）９３７内に供給するための差動出力電圧を生成する。ＴＧＡは、時間に依存する別の増幅を設定する。超音波信号は、組織中を伝搬するにつれて減衰し、ＴＧＡは、受信信号の開始からのエコー反射の深さに比例する時間に応じて利得を増幅させることにより、この減衰を補償する。

時間増幅器の出力は、可能な限り雑音を取り除き、折り返し雑音を妨げるように選別される。通常、帯域通過フィルタ９３８が利用される。フィルタの出力は、アナログ・デジタル変換器９３９に入力される。造影周波数の少なくとも４倍の信号抽出周波数が、好ましい。アナログ・デジタル出力は、ＦＰＧＡ９３２中の格納順読出メモリ（ＦＩＦＯ）１４７内に入力される。ＦＰＧＡは、走査線の型（例えば、Ｂモード又はドプラ）と、必要であればモータ位置エンコーダ入力と、時間計数とを含む各々の完備な走査線に、あるヘッダー情報を加える。この情報は、環境設定パラメータに応じて後処理工程で利用され得る。

ＤＳＰは、ＦＰＧＡＦＩＦＯから走査線を読み出し、環境設定パラメータに応じてデータを適切に処理する。

図１０は、実時間超音波能はないが、低費用の単一チャンネルシステムを利用するシステム構成であり、超音波ビームは、そのシステムに対して静止している。探触子ユニット本体に固定された関係にある、単一の変換器１００１が設けられている。ジャイロスコープ１００２も設けられている。画像を作成するために、変換器がパルス発信する間は実質的に不変である患者と走査ヘッド１００３が接触する点で、弧状に探触子ユニットを移動させる。これにより、一連の走査線が生成され、それらの走査線は合わせて、扇形画像を構成することになる。ジャイロスコープは、各々の走査線の相対位置についての情報を与え、走査線を画像に組み立てることを可能にする。

図１１は、本発明の別の実施形態を示し、走査ヘッド１１０１は、モータ９０８とジャイロスコープ１１０３とを含む。ジャイロスコープは、変換器アレイ１１０２から生成されるＢモード画像の像片面に垂直な角度を計測するように向けられる。ジャイロスコープを与えることにより、システムは、一連の２次元画像走査から３次元画像構成し、体積を確定することができる。使用中は、図９のシステムに関して、一連のＢモード画像が作成される。探触子ユニットは、Ｂモード画像の像平面に垂直に、弧状に移動する。それ以外は、操作は、図９に記載されるようなシステムと同じである。

図１４に関して、ジャイロスコープが設けられる実施形態では、ＦＰＧＡ時間調節状態装置１４５が、ジャイロスコープにインターフェース接続される。ジャイロスコープ角度計測は、格納順読出（ＦＩＦＯ）メモリ１４７中の超音波走査線情報と組み合わされ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）により読み出される。信号変換器を利用する場合は、ジャイロスコープ情報を利用し、走査線を組み合わせて、扇形画像を形成する。変換器アレイを利用する場合は、ジャイロスコープ情報を利用し、Ｂモード区画画像を組み合わせて体積表示にし、その体積表示は、３次元体積計算を必要とするいずれかの用途に利用されてもよい。

図１２は、ホスト表示装置及び制御システムへのインターフェースが無線インターフェースを介したものである、本発明の代わりの実施形態を示す。マイクロコントローラ９３０により制御される無線インターフェースモジュール１２０２が設けられる。信号伝送のために、アンテナ１２０１が設けられる。このインターフェースは、ホストユニットへの及びホストユニットからの通信を提供する。第３者のハードウェアにアクセスするためのものが設けられてもよいが、ホストユニットとの通信のためのＵＳＢインターフェースは必要とされない。現時点での好ましい実施形態では、利用される無線プロトコルは、ＷｉＦｉダイレクトである。

図１３は、ホストユニットのない本発明の代わりの実施形態を示す。探触子ユニットと一体化する表示装置１３０１が設けられている。その上、増強型利用者制御モジュール１３０２が設けられている。これは、以前に記載された実施形態の制御パネルの機能性を含むが、ホストユニットを用いずにシステムの完全制御を可能にする機能性を更に含む。制御モジュールは、表示装置１３０１上に表示されるグラフィック利用者インターフェースを含み得る。表示装置は、入力を利用者インターフェースに与えることができる接触スクリーンであってもよい。

ＤＳＰの操作は、異なる実施形態で変化することになる。ホスト制御器と表示システムが接続される場合は、幾つかの処理及び制御機能並びに表示機能が、ホストユニットにより実行され得る。ホストユニットを利用しない場合は、全ての機能が、探触子ユニットにより実行され、ＤＳＰ上の負荷が増す。ホストと探触子ユニットとの間で機能を分割することについての制限は、ホストの処理能力、及び、ホストと探触子ユニットとの間の送信に利用可能な帯域幅が原因である。一般に、アルゴリスムの実装及び細分化は、ホスト処理要求と伝送に必要な帯域とを最小限にするように設計される。

図１５は、超音波探触子ユニットとホスト表示システムとの間で作業を分割した、組み合わせ型Ｂモード／ドプラを処理するアルゴリスムを示す。

Ｂモード処理路内での第１工程として、ＦＩＲ帯域通過フィルタを利用して、デジタル化された入力ｒｆ走査線データを選別する。フィルタは、システム及び造影周波数に接続される変換器に応じて調節される。例えば、３ＭＨｚ造影周波数では、１〜５ＭＨｚの帯域通過フィルタが利用され得る。８ＭＨｚ造影周波数では、４．５〜１１．５ＭＨｚの帯域通過フィルタが利用され得る。選別に続いて、ｒｆ走査線データの包絡線が生成される。好ましい方法として、ヒルバート変換を利用して、ｒｆ走査線の同位相（Ｉ）成分及び直交（Ｑ）成分を生成する。最終包絡線は、Ｉ成分及びＱ成分の平方を合計し、その結果の平方根をとることにより生成される。

ヒルバート変換を生成するための数多くのアルゴリスムがある。好ましい実施形態は、ＦＩＲ近似を利用することである。

包絡線生成の一部として、走査線を低解像度処理することができる、又は、大幅に低減することができる。利用される走査変換アルゴリスムに応じて、２〜４の割合での低解像度処理が可能である。好ましい実施形態では、走査線は、双線形補間を利用した走査変換で、４の割合で低解像度処理される。代案として、２の割合で低解像度処理し、画素領域の抽出点の平均から画素密度を計算して隣接する画素間の他の画素を補間するアルゴリスムのような、あまり計算が密ではない補間アルゴリスムを利用する。

低解像度処理に続いて、走査線は、アナログ・デジタルワード寸法から８ビットワード寸法に圧縮され、表示のために、信号を所望の階調レベルに対応づける。

次に、低画像処理走査線は、走査変換により長方形画像表示に変換される。走査変換は、２段階で実行される。第１段階として、画像を、高解像度の、好ましくは、超音波パルスの軸方向解像度の半分未満の画素解像度の圧縮された長方形配列に変換する。共通の走査変換アルゴリスムは、２×２の双線形補間であり、走査線点を、極座標系から直交座標系に写す。図１６ａに関して、位相アレイ又は小径の環状変換器からの理想的な走査が示される。走査領域１６０２は、原点１６０１の円の扇形区域と見なすことができる。実際に、変換器は、点源ではないが、走査深さと比較して小さい。各々の走査線１６０３の位置は、極座標で、長さｒと角度θにより表記することができる。図１６ｂに関して、曲率半径がＲで、幅がＷである曲線アレイに対する扇形走査１６０４が示される。その走査は、円の切り取られた扇形区域である。各々の走査線１６０５は、長さＲ＋ｒと角度θの極座標により表記することができる。

図１６ｃは、走査線１６０８を用いた、直線アレイ用の理想的な走査１６０７を示す。表記座標は、線形のものであるが、一般に、表示用に望まれる線形座標系に対応していない。

図１６に示される各々の事例では、取得された走査線データを、利用者に画像を表示するための画素データに変換するための走査変換が必要とされる。

扇形画像では、圧縮アルゴリスムは、本質の画像データを含んでいない画像領域を無視することにより画像寸法を低減する。これを実行するために、幾つかの方法が可能であり、その１つは、各々の画素行が、開始画素と画素数とを備えたヘッダーを有効データと共に含む、簡易な形式である。この技術は、２に近い圧縮比を作り出す。合理的な結果をもたらすことになる別の損失のない圧縮技術は、連長圧縮である。ＬＺＷ符号化、又は、ｐｎｇ等のホフマン基盤符号化が利用され得る。

高解像度により圧縮された長方形配列は、システム構成に応じて様々に処理される。その配列は、局所メモリ内に格納され、通常、１００圧縮化フレームまでが、局所的に格納される。同時に、現時点のフレームが、超音波探触子からホスト表示システムへ送信される。ホスト表示システムがその処理を完了するために、画像を高解像度バッファに復元し、その高解像度バッファから内部表示画像バッファへ補間し、いずれかの階調調節を適用し、必要であれば、いずれかのドプラ画像情報と組み合わせ、表示バッファに最終的に書き込む。

図１５は、その上、Ｂモード上に重ねられるドプラ情報を処理し、表示するのに必要とされる工程を示す。ドプラ情報を作り出す際に、システムは、位相変化の一連のドプラパルスを生成し、受信された組の走査線を処理する。未処理の入力ｒｆ走査線は、直交符号化され、変換器励起周波数の余弦及び正弦をエコー信号に掛け合わせることにより、同位相（Ｉ）成分と直交（Ｑ）成分を抽出する。直交符号化からのＩ及びＱ出力は、低域通過するように選別され、大幅に低減される、又は、低解像度処理される。４の低解像度処理比は、十分な結果をもたらすが、他の因子が用いられてもよい。低解像度処理器の出力は、完備な組の走査線が受信されるまで、バッファ内に保存される。一組の大きさを調節することができるが、通常、一組は、８つの走査線である。データの組は、組織壁フィルタを利用して選別される。組織壁フィルタの機能は、腹腔壁等の大きくて緩やかに動く特徴部分からの寄与を低減することである。

図示される実施形態の組織壁フィルタは、ＦＩＲ型高域通過フィルタである。代案として、ＩＩＲフィルタの過渡応答長を低減する状態空間定式化ＩＩＲフィルタを利用する。その状態空間の初期化は、工程の初期化方式を利用することで、十分な減衰を与える。

好ましい実施形態では、その選別された組の走査線が、自己相関技術を利用して処理され、速度、強度及び乱流情報を生成する。

その組の走査線のドプラ強度は、次式のように計算される：

隣接する走査線点の間の相関は、次式のように計算される：

速度推定は、次式のように計算される：

乱流推定は、次式のように計算される：

式中、
ｓは、走査線の複素表記である（ｓ＝Ｉ＋ｊＱ）。
ｄは、走査線中の深度指標である。
ｋは、一組の走査線中の走査線の数である。

システムがパワードプラ法に設定される場合は、強度推定のみが必要とされる。隣接する走査線の間の相関、速度、及び乱流は、必要とされない。システムは、カラードプラ法に設定される場合、速度と任意選択で強度及び乱流とを計算する。流れ及び乱流推定の出力は、長方形配列に走査変換され、この実施形態での各々の流れ推定に対する寸法は、２００×２００×８である。他の寸法も可能である。長方形配列は、簡易で損失のない圧縮アルゴリスムを利用して圧縮される。図１７は、完全Ｂモード画像１７０１の寸法に対してドプラ処理領域が限定される、典型的なドプラ窓１７０２の図を与える。これにより、２００×２００×８配列は、その配列の大部分が空であるように、圧縮が向上する。圧縮されたアレイは、ホストに送信され、必要とされるドプラ画像窓に対する別の補間工程及び色分布図変換が行われる。正の速度は、赤い影で符号化されるのに対し、負の速度は、青の影で符号化される。乱流は、緑で符号化される。パワードプラ法が選択される場合は、赤い影のみを利用して、ドプラ信号の全強度を表示する。

本発明の代わりの実施形態として、流れ方向の正又は負に応じて異なる色を利用する方式で、パワードプラを描写するシステムを提供する。パワードプラは、上述のように計算され、走査変換され、ホストに送信される。平行して、効率的な方法を利用して流れの方向を定める。隣接する走査線点の間の完全相関を利用することができ、各点に対して、実数及び虚数出力の符号を用いて方向を定める。代わりに、感度が重要ではない場所の造影では、方向を解読する相関を短縮して、より小さな組の走査線を利用することができる。強度は、帰還機能を有するシステムを設けることにより最適化され、そのシステムでは、より小さな組の走査線が利用され、その方向の結果が不安定である（急速に変化する）場合は、走査線数を最大限に増す。次に、その結果が安定している場合、そのシステムは、より小さな組の走査線についての試験相関を平行して実行し、その実行結果が安定している場合、より小さな組を利用するように移行する。従って、システムは、身体中に送信される強度を最適化し、電力消費を最小限にする。

システムは、動画再生又はビデオ録画を補助する。動画再生では、超音波探触子は、圧縮された５００×５００×８のＢモードフレームを局所ＤＳＰメモリ内に格納する。１００フレームは、約５秒の自動動画を記録する。利用者が、録画フレームに戻るように、ホスト利用者インターフェースに指示する場合、ＤＳＰは、圧縮フレームをホストまで送信し、通常動作毎に、走査変換を完了する。ビデオ録画では、利用者が、区画をビデオに録画するようにホストに指示する場合、ＤＳＰは、いずれの走査変換及びドプラ結合も完了させる操作を有効にし、ビデオエンコーダを作動させ、そのエンコーダは、実時間画像をビデオ形式に録画し、好ましくは、６４０×４８０画素解像度でメモリに直接保存する。次に、ビデオファイルは、ビデオ復号器により再生可能であり、そのビデオ復号器は、データをフレームバッファに流し、そのフレームバッファは、表示のためにホストに送信される。

システムは、Ｂモード画像及びＭモード画像が同じスクリーン上に示される、Ｍモード又は２重モードで動作するように設定され得る。

Ｍモード又は２重モードでは、ＤＳＰは、Ｍモード走査線を読み出し、各々の走査線を補間し、５００×１×８バッファにする。そのＭモードバッファは、ホストに送られ、そのホストは、階調を調節し、走査線を表示装置に送る。

２重モードでは、２種類のＭモードが可能である。完全２重化では、Ｍモード走査線が、実時間Ｂモード画像上に配置され、Ｍモードのパルス繰り返し率は、Ｂモードの画像更新率と同じ比率であり、通常、毎秒２０フレームである。

準２重モードでは、例えば、移動する心臓弁を素早く見るために、Ｍモードの高いフレームレートが必要とされる。このモードでは、Ｍモード線がＢモード画像の上に置かれ、選択ボタンが押される場合、Ｂモードが停止し、Ｍモードグラフが、スクリーンに送られる。

準２重ゲートドプラモードも設定される。利用者により、ドプラ線がＢモード画像の上に置かれ、その線に沿ってゲート領域を移動させて、ドプラ分析のための領域を選択する。ゲート角度も調節可能である。選択ボタンを作動する場合は、Ｂモード画像が停止し、時間と周波数とドプラシフトの大きさとを表示するスペクトルドプラ図が描写される。ドプラ信号は、（画像を横切るように移動するのではなく）選択された線に沿ってのみ繰り返し走査線をパルス発信することを除いて、カラードプラ法と同じ方法で処理される。加えて、利用者は、関心のある特定の深さを選択し、前記関心のある深さからのドプラ情報のみが分析されるように、受信されたエコーを「距離ゲートで選別する」。これにより、関心のある領域から多数の走査線が与えられる。大きな群のこれらの走査線（例えば、２５６）についての周波数分析を個別に実行し、好ましい方法では、一群の走査線の複素表記に高速フーリエ変換（ＦＥＴ）を用いる。各々のＦＴＴを実行することにより、ドプラ信号シフトの周波数スペクトルが与えられ、これらのスペクトルを一緒に表示して、関心のある深さでの流れ特性の時間周波数プロットを生成することができる。それは、「スペクトルドプラ」と呼ばれることが多い。スペクトルドプラにより、選択された関心のある領域の血流の速度及び強さが、時間とともにどれ位変化するのかを可視化することができる。

本発明は、最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものとして本明細書に示され、記載されているが、本発明の範囲内で変更することができると認識され、本発明は、本明細書に記載される詳細事項に限定されるものではなく、いずれかの及び全ての均等な装置及び器具を包含するように、付属の請求項の全範囲が与えられるべきである。

Claims (8)

1. 本体部分と、
   超音波信号を送受信するために、直線軸に沿って直線方向に分離されるようにアレイ内に配置される複数の変換器と、
   前記直線軸に沿って選ばれた直線距離を前記本体部分に対して往復運動するように前記変換器のアレイを動かす超音波モータと、
   前記超音波モータと前記変換器のアレイを制御することでそれぞれの往復運動についてBモード情報とドップラー情報を取得して、それぞれの往復運動について、各々がそれぞれの往復運動について取得される前記Bモード情報と前記ドップラー情報を同時に表示する、実時間単一の画像フレームを生成するように処理し、かつ、前記少なくとも1つの変換器のアレイの連続する往復運動から複数の前記単一の画像フレームを逐次表示する実時間移動画像を生成する、プロセッサ
   を含む超音波変換器探触子ユニットであって、
   前記モータが、前記変換器のアレイの移動を少なくとも１つの停止位置で周期的に停止させるのに適しており、
   少なくとも１つの変換器が、前記変換器が前記停止位置で停止している間に、前記ドップラー情報を与えるのに適した超音波信号を送受信し、
   前記アレイのうちの少なくとも１つの変換器は、前記アレイが動いているときには、前記Bモード情報を提供するのに適した超音波信号を送受信する、
   超音波変換器探触子ユニット。
2. 前記ユニットが、ゲートドップラー法、パワードップラー法、パルス波ドップラー法、カラードップラー法、及び２重ドップラー法の情報のうちの少なくとも１つの表示を可能にする処理のためにドップラー情報を供するのに適した走査線データを作成するのに適している、請求項１に記載の探触子ユニット。
3. 前記アレイの移動が、連続する往復運動において前記本体部分に対して選択された停止位置に１ミリメートル未満の誤差で戻るように制御され得る、請求項１に記載の超音波変換器探触子ユニット。
4. 低密度の超音波変換器アレイを利用して超音波画像を作成する方法であって、前記低密度の超音波変換器アレイは、直線軸に沿って直線方向に分離するように配置される複数の変換器を含み、
   当該方法は、
   前記変換器の少なくとも１つを発動させて、造影される身体から戻る超音波エコーを受信することにより、超音波走査線を取得する工程と、
   前記直線軸に沿って選択された直線距離を往復運動するように前記変換器を動かす工程であって、前記直線距離は前記アレイの変換器間の直線方向での分離距離と同一の大きさで、前記往復運動は、
   前記アレイを増分距離だけ移動させて、前記変換器から別の超音波走査線を取得する工程と、
   少なくとも1つの停止位置で前記変換器の運動を停止させる工程と、
   前記アレイが、前記増分距離よりも実質的に大きい前記の選択された直線距離だけ移動するまで、走査線を取得する工程と前記アレイを移動させる工程とを繰り返す工程と、
   を含む、工程と、
   前記取得された走査線を、前記取得された走査線が捕獲された空間関係に比例する空間関係で表示する工程と、
   実時間移動超音波画像を表示する工程と
   を含み、
   前記実時間移動超音波画像は、前記少なくとも１つの変換器のアレイの連続する往復運動からの複数の実時間単一画像フレームを逐次表示し、
   前記複数の単一画像フレームの各々は、前記変換器が各停止位置で停止している間に取得される走査線からのドップラー情報、及び、前記アレイが移動しているときに取得される走査線からのBモード情報を同時に表示する、
   方法。
5. 前記アレイが、一連の離散的ステップで移動する、請求項４に記載の方法。
6. 前記アレイの前記移動及び前記走査線の前記取得が、利用者からの開始命令と停止命令との間で実質的に連続している、請求項４に記載の方法。
7. 利用者が前記画像の領域をドップラー窓として選択する工程を更に含む請求項４に記載の方法であって、
   前記変換器は、移動して画像走査線を取得し、前記変換器により取得される走査線がドップラー窓に入るように、停止位置で停止するように制御され、ドップラー処理のための複数の走査線を停止位置で取得し、再び移動して走査線を取得し、前記停止位置に戻ってドップラー処理のための別の複数の走査線を取得し、
   前記停止位置への前記戻りが、ドップラー造影を続けるのを可能にするのに十分な精度であり、
   前記走査線は、ドップラー情報を有する超音波画像を利用者に表示するように処理される、
   方法。
8. 前記ドップラー情報が、ゲートドップラー法、パワードップラー法、パルス波ドップラー法、カラードップラー法、及び２重ドップラー法のうちの少なくとも１つとを含む、請求項４に記載の方法。

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