JP6312938B2 - マイクロマシン超音波トランスデューサの互い違いの列を有するカテーテルトランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、医療用診断超音波撮像に関し、詳細には、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）を使用する超音波撮像カテーテルに関する。

身体、心臓、並びに周辺の組織及び臓器の血管構造を検査するために、血管内、たとえば心臓内の超音波撮像カテーテルが使用される。血管構造及びその構造が検査されているとき、標的の解剖学的構造は、概して、音響開口に非常に近接しており、制限された音響透過のみが必要である。これらの適用分野では、分解能を最大にしながら透過要件を軽減するために、高周波のトランスデューサが求められる。アレイトランスデューサの場合、これは、グレーティングローブ及びその結果生じる画像クラッタを低減させるために、アレイトランスデューサ要素が、小さいピッチ、すなわち隣接する要素の中心間間隔を有するべきであることを意味する。圧電セラミックトランスデューサの場合、ピッチは、ダイシングプロセスによって制限されることが多い。しかし、マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）アレイは、半導体プロセスによって作られるため、非常に小さくすることができる。したがって、概して、トランスデューサアレイに対してＣＭＵＴ及び他のＭＵＴデバイスが使用されるとき、より小さいピッチ値を得ることができる。心臓内カテーテルの場合、ＭＵＴデバイスのサイズが小さいことは、心血管系に通すようにサイズ設定されたカテーテルの先端部にアレイを製作しなければならないときに有利である。しかし、他のカテーテル適用分野では、より遠隔の臓器及び構造の撮像が求められる。これらの適用分野では、より大きい透過が必要とされ、近視野の物体の場合より、周波数が低くなる可能性がある。より大きい透過には、より大きい音圧を伝送することが必要とされ、これは高密度のアレイによって最もよく満たされる。より高密度のアレイ要素は、近視野と遠視野の両方で性能を改善する。したがって、ピッチ要件、エネルギー要件、感度、したがって撮像性能を改善するために、隣接するＭＵＴ要素を非常に密接に隔置することができることが望ましい。心臓内カテーテルは、サイズ要件が小さいこと以外に、トランスデューサアレイを概して湾曲させて、カテーテルの円筒形の先端部に巻き付けなければならないという他の難題をもたらす。そのようなトランスデューサアレイは、側視アレイと呼ばれることがある。

ＥＰ２４５５１３３Ａ１は、図７で、そのような側視配置のＣＭＵＴアレイを備えるカテーテルを開示しており、各アレイは、電気接続のストリップによって、近接するアレイから分離され、それによりこの配置をカテーテルに巻き付けることが容易になる。そのような配置は、周辺の組織を超音波で処置する高強度の集束超音波の適用分野で効果的に使用することができるが、そのような配置は、近接するアレイ間の不連続性が撮像品質及び分解能に負の影響を与える撮像の適用分野にはあまり適していない。さらに、ＣＭＵＴアレイは、典型的には、矩形の剛性シリコン島上に取り付けられる。

本発明は、カテーテルに巻き付けることができ、それにより改善された撮像を容易にする、ＣＭＵＴトランスデューサアレイを提供することを目的とする。

本発明は、さらに、そのようなＣＭＵＴトランスデューサアレイを備えるカテーテルを提供することを目的とする。

本発明は、さらに、そのようなカテーテルを備える超音波撮像システムを提供することを目的とする。

一態様によれば、少なくとも１つのシリコン島上の隔置されたＣＭＵＴセルの第１の列と、少なくとも１つの他のシリコン島上の隔置されたＣＭＵＴセルの第２の列であって、第２の列のセルが、第１の列の連続するセル間の空間内に部分的に位置し、第１の列及び第２の列が、間隙によって隔置されるように、第１の列と互い違いに位置合わせされている第２の列と、それぞれのシリコン島を保持する可撓性ホイルであって、導電性相互接続部を備える可撓性ホイルとを備える、ＣＭＵＴトランスデューサアレイが提供される。

本発明の原理によれば、心臓内又は血管内カテーテルに対するそのような超音波トランスデューサＣＭＵＴセルアレイは、ＣＭＵＴ要素の互い違いの行で形成される。列を互い違いにすることによって、１つの列のセルを隣接する列のセルの中に点在させて、進む方向でない方向のピッチを必ずしも増大させることなく、進む方向により小さいアレイピッチを提供することができる。湾曲したアレイ及びカテーテルの適用分野でアレイを屈曲させることができるように、アレイの要素は、シリコン島上に、島ごとにわずか１つ又はいくつかのセルから製作され、島は、一体の可撓性ホイルオーバーレイによって接合され、それにより、ＣＭＵＴセルの連続する側視アレイを、アレイ領域間の不連続性なしに、３次元の物体、たとえばカテーテルシースなどの円筒形の物体に、完全に巻き付けることが容易になる。したがって、これにより、画像品質が改善され、ＣＭＵＴセル間のピッチの低減によるグレーティングローブなどの画像アーチファクトが低減された、超音波画像の生成が容易になる。

特に有利な実施形態では、隔置されたＣＭＵＴセルの第１の列は、蛇行した縁端を両側に有する第１のシリコン島上に位置し、各縁端は、ＣＭＵＴセルの１つの周りで外向きに蛇行し、ＣＭＵＴセル間の空間へ内向きに蛇行しており、隔置されたＣＭＵＴセルの第２の列は、蛇行した縁端を両側に有する第２のシリコン島上に位置し、各縁端は、ＣＭＵＴセルの１つの周りで外向きに蛇行し、ＣＭＵＴセル間の空間へ内向きに蛇行しており、第１のシリコン島の外向きに蛇行している縁端部は、第２のシリコン島の内向きに蛇行している縁端部へ入り込むように、第１のシリコン島は第２のシリコン島に隣接して配置される。

そのようなアレイは、各シリコン島が複数（すなわち１列）のＣＭＵＴセルを有することによって提供される構造上の完全性から利益を得ており、シリコン島の形状は、シリコン島の特定の密集した包装により、ＣＭＵＴセルの互い違いのアレイをもたらすことを容易にする。加えて、これらのシリコン島がカテーテルの長さに沿って配置されるため、その結果得られるトランスデューサアレイは、アレイの良好な構造上の完全性と優れた可撓性とを兼ね備えている。

一実施形態では、第１のシリコン島及び第２のシリコン島はそれぞれ、隔置されたＣＭＵＴセルの１対の前記列を備え、前記１対の列は互い違いである。これにより、アレイ内の個々のシリコン島の数を制限しながら、それぞれのシリコン島の幅が制限されるため、それでもなおアレイの優れた可撓性を提供する。

可撓性ホイルは、アレイ全体に延在し、それによって個々のシリコン島をともに維持しながら、アレイにその所望の可撓性を提供する。別法として、個々のシリコン島の互いに対する可撓性をさらに増大させるために、可撓性ホイルは、複数の可撓性ブリッジを備えるパターン付きのホイルとすることができ、各可撓性ブリッジは、近接するシリコン島間の間隙にわたって延在する。これにより、たとえばアレイを複数の方向に湾曲させることで、たとえば凸面又は凹面のトランスデューサアレイを形成することが容易になる。

各可撓性ブリッジは、近接するシリコン島を互いに電気的に相互接続するために、すなわちシリコン島に近接するＣＭＵＴセルを接続するために、導電性相互接続部を備える。

各導電性相互接続部は、金属層を備え、金属層は、金属層への電気絶縁を提供するために、高分子層又は高分子層スタック内に埋め込まれる。

少なくともいくつかの実施形態では、金属層は、アルミニウムを含む。これには、アルミニウムはこれらのプロセスで日常的に使用されているため、既存の半導体製造プロセス、たとえばＣＭＯＳ製造プロセスの大規模な再開発を必要とすることなく、金属層が製造されるという利点がある。

別の態様によれば、外部シースと、外部シースに巻き付けられた上記の実施形態のいずれかのＣＭＵＴトランスデューサアレイとを備え、アレイのそれぞれの行が、カテーテルの長さ方向に延在する、カテーテルが提供される。そのようなカテーテルは、その外部シースに巻き付けられたＣＭＵＴトランスデューサアレイの連続する性質のため、改善された撮像特性の利益を得る。

カテーテルは、カテーテルの撮像特性をさらに強化するために、カテーテルの遠位端、たとえばカテーテルの遠位先端部に、他のＣＭＵＴトランスデューサアレイをさらに備える。そのようなカテーテルは、たとえば、他のＣＭＵＴトランスデューサアレイによる予見画像の生成並びにＣＭＵＴトランスデューサアレイによる３６０°画像の生成が可能である。

いくつかの実施形態では、カテーテルは、心臓内又は血管内カテーテルである。

別の態様によれば、患者インターフェースモジュールと、上記の実施形態のいずれかによるカテーテルとを備える超音波撮像システムが提供される。そのような超音波撮像システムは、特に高品質の超音波画像を生成することが可能である。

超音波撮像システムは、ＣＭＵＴセルに結合され、超音波ビームを行方向に進めるように適合されたマイクロビームフォーマと、直流バイアス回路とをさらに備え、マイクロビームフォーマ及び直流バイアス回路の少なくとも１つは、患者インターフェースモジュール内に収容される。バイアス回路は、ＣＭＵＴセルを沈下モードで動作するように適合される。ＣＭＵＴセルを沈下モードで動作させることによって、超音波トランスデューサアレイにより、改善された出力圧力、したがって撮像深さを生成することができる。

典型的なつり下げ形のメンブレンＣＭＵＴトランスデューサセルの横断面図である。 沈下モードで動作されるＣＭＵＴセルの横断面図である。 ＭＵＴセルの行及び列からなる対称に配置されたＭＵＴアレイの平面図である。 セルの互い違いの行で構成され、隣接する行及び列のセルが互いの中に点在している、ＭＵＴアレイの平面図である。 隣接するセルシリコン島の可撓性の相互接続部の製作におけるステップを示す図である。 トランスデューサ要素の単一の行としてのＣＭＵＴの隣接する互い違いの行の動作を示す図である。 円筒形の構成で巻かれたときの図６のＣＭＵＴアレイを示す図である。 本発明の互い違いのＣＭＵＴセルアレイとともに使用するのに適した超音波撮像システムのブロック図である。 各セルがそれぞれのシリコン島上に位置し、可撓性ホイルオーバーレイが可撓性の金属ブリッジによって接合される、本発明のＭＵＴアレイの平面図である。 複数のセルが各シリコン島上に位置し、可撓性ホイルオーバーレイが可撓性の金属ブリッジによって接合される、本発明のＭＵＴアレイの平面図である。

ＣＭＵＴは、最初に、つり下げ形又は「沈下されていない」モードとして現在知られている状態で動作するように構築される。図１を参照すると、典型的な折り畳まれていないＣＭＵＴトランスデューサセル１０が断面で示されている。ＣＭＵＴトランスデューサセル１０は、シリコンなどの基板１２上に複数の類似の隣接するセルとともに製作される。窒化ケイ素から作られたダイアフラム又はメンブレン１４が、酸化ケイ素又は窒化ケイ素から作られた絶縁支持体１６によって、基板の上に支持される。メンブレンと基板との間の空胴１８は、空気若しくはガスで充填され、又は完全若しくは部分的に真空にされる。金などの導電性フィルム又は層２０が、ダイアフラム上に電極を形成し、類似のフィルム又は層２２が、基板上に電極を形成する。誘電体の空胴１８によって分離されたこれらの２つの電極は、静電容量を形成する。音響信号がメンブレン１４を振動させると、静電容量の変動を検出することができ、それによって音響波を対応する電気信号に変換することができる。逆に、電極２０、２２に印加される交流信号は、静電容量を変調させてメンブレンを動かし、それによって音響信号を伝送する。

図２は、沈下モードで動作するＣＭＵＴセルの概略断面図である。ＣＭＵＴセルは、シリコンなどの基板層１２と、基板電極２２と、メンブレン層１４と、メンブレン電極リング２８とを含む。この例で、電極２２は、基板層１２内に円形に構成されて埋め込まれている。加えて、メンブレン層１４は、基板層１２の頂面に対して固定され、メンブレン層１４と基板層１２との間に球形又は円筒形の空胴１８を画定するように構成／寸法設定される。セル及びその空胴１８は、代替の形状寸法を画定することもできる。たとえば、空胴１８は、矩形及び／若しくは正方形の断面、六角形の断面、長円形の断面、又は不規則な断面を画定することができる。

底部の電極２２は、典型的には、その空胴に面する表面上で、追加の層（図示せず）によって絶縁される。好ましい絶縁層は、基板電極の上でメンブレン電極の下に形成された酸化物−窒化物−酸化物（ＯＮＯ）誘電体層である。ＯＮＯ誘電体層は、デバイスの不安定性及びドリフト並びに音響出力圧力の低減を招く電極上の電荷の蓄積を有利に低減させる。ＣＭＵＴ上のＯＮＯ誘電体層の製作については、２００８年９月１６日出願のＫｌｏｏｔｗｉｊｋらによる「Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ」という名称の欧州特許出願第０８３０５５５３．３号に詳細に議論されている。ＯＮＯ誘電体層の使用は、折り畳まれていないデバイスより電荷の保持の影響を受けやすい沈下モードのＣＭＵＴで望ましい。別法として、誘電体層は、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムなどの高誘電率の誘電体を含む。開示する構成要素は、ＣＭＯＳ適合材料、たとえば、Ａｌ、Ｔｉ、窒化物（たとえば、窒化ケイ素）、酸化物（様々なグレード）、テトラエチルオキシシラン（ＴＥＯＳ）、ポリシリコンなどから製作される。ＣＭＯＳの製作では、たとえば、酸化物及び窒化物層が化学気相成長によって形成され、金属化（電極）層がスパッタリングプロセスによって配置される。適したＣＭＯＳプロセスには、原子層堆積（ＡＬＤ）、ＬＰＣＶＤ、及びＰＥＣＶＤがあり、後者は、４００℃未満という比較的低い動作温度を有する。

開示する空胴１８を作製する例示的な技法は、メンブレン層１４の頂面を追加する前のメンブレン層１４の最初の部分内に空胴を画定することを伴う。他の製作の詳細は、米国特許第６，３２８，６９７号（Ｆｒａｓｅｒ）に見られる。図２に示す例示的な実施形態では、円筒形の空胴１８の直径は、円形に構成された電極板２２の直径より大きい。電極リング２８は、円形に構成された電極板２２と同じ外径を有するが、そのような一致は必要でない。したがって、本発明の例示的な実施形態では、電極リング２８は、下の電極板２２と位置合わせされるようにメンブレン層１４の頂面に対して固定される。

図２で、ＣＭＵＴセルのメンブレン層は、沈下状態にバイアスされており、この状態で、メンブレン１４は、空胴１８の床面に接触する。これは、電極リング２８に印加される電圧Ｖ_Ｂ及び基板電極２２に印加される基準電位（接地）によって示すように、２つの電極に直流バイアス電圧を印加することによって実現される。電極リング２８は、中心に孔のない連続するディスクとして形成することもできるが、図２は、これが必要でない理由を示す。メンブレン１４が、この図面に示すように事前に折り畳まれた状態にバイアスされるとき、メンブレンの中心は、空胴１８の床面に接触する。したがって、メンブレン１４の中心は、ＣＭＵＴの動作中に動かない。逆に、メンブレン１４の周辺区域は動き、これは、空胴１８の残りの空隙の上でリング電極の下に位置する。メンブレン電極２８をリングとして形成することによって、デバイスの静電容量の上板の電荷は、ＣＭＵＴがトランスデューサとして動作しているときに運動及び容量変動を呈するＣＭＵＴ区域より上に位置する。したがって、ＣＭＵＴトランスデューサの結合係数が改善される。

図３は、円形のＣＭＵＴセル５０の２次元アレイの平面図である。アレイは、ＣＭＵＴセルの対称に位置合わせされた行５６及び列５８から従来どおり構成される。この例で、各列５８は、埋め込まれた金属トラックを含む一体の可撓性ホイルで覆われており、それにより、これらの列を円筒形の形状に屈曲させることが可能になる。可撓性ホイルについては、以下でより詳細に説明する。この例で、アレイは、列方向のピッチを示す矢印５２及び行方向のピッチを示す矢印５４によって示すように、行方向と列方向の両方で同じピッチを有するように寸法設定される。

図４は、本発明の原理によって構成された２次元アレイの平面図である。図４に示すように、ＣＭＵＴセルの行５６及び列５８は、それ自体よく知られているように、互い違いに位置合わせされる。この例で、互い違いの位置合わせは、列方向のＣＭＵＴセル間の間隔５５を増大させることによって収容され、それにより隣接する列及び行を互いにさらに点在させることが可能になる。一実施形態では、間隔５５は、少なくとも、ＣＭＵＴセル５０の直径Ｄである。図示の例で、セルは、列又は行方向のセルからセルへの接線が、隣接する互い違いの行又は列のセルを実際に交差するように、密接に点在される。ＣＭＵＴセル５０の点在は、ＣＭＵＴセル５０間の垂直方向の間隔（すなわち、列方向）の増大を必要とすることなく、少なくともＣＭＵＴセル５０の最密の包装が実現される点まで、トランスデューサアレイ内でのＣＭＵＴセルの密度の増大を可能にする。この点を越えると、矢印５５が示すように、列方向の連続するＣＭＵＴ要素間のピッチを増大させて、矢印５７及び５９によって示すように、水平方向の間隔のさらなる減少を容易にすることもできるが、これにより、トランスデューサアレイの全体的なＣＭＵＴ密度が低減される。少なくともその最密の包装で、図４のＣＭＵＴアレイは、図３のＣＭＵＴアレイより大きいセル密度を有する。

図４で、ＣＭＵＴセル５０の各列５８は、個々のシリコン島、すなわち個々のシリコンダイ片上に位置する。それぞれのシリコン島は、列５８の長さ方向に、すなわち列５８に沿って、蛇行縁端構造を有することを特徴とし、縁端部５８Ａは、ＣＭＵＴセル５０の周りで外向きに蛇行しており、縁端部５８Ｂは、列５８内の近接するＣＭＵＴセル５０間の空間へ内向きに蛇行している。言い換えれば、列５８は、列方向に波状の縁端を両側に有し、波の山は、ＣＭＵＴセル５０に一致し、波の谷は、ＣＭＵＴセル５０間の間隔５５に一致する。

近接する列５８は、そのシリコン島の外向きに蛇行している縁端部が、近接するシリコン島の内向きに蛇行している縁端部と位置合わせされ、すなわちその中へ入り込むように配置され、それによって、近接する列５８間のＣＭＵＴセル５０の互い違いの位置合わせによって、ＣＭＵＴセル５０の互い違いの行を形成する。近接するシリコン島は、典型的には、たとえばＣＭＵＴトランスデューサアレイをカテーテルシースに巻き付けるとき、互いに対するシリコン島の面外屈曲を容易にするように、間隙５７によって分離される。

互いに対するシリコン島の相対位置を保持するために、ＣＭＵＴトランスデューサアレイは、可撓性ホイル６０をさらに備え、可撓性ホイル６０上にシリコン島が取り付けられる。可撓性ホイル６０は、たとえば、いわゆるフレックスリジッドホイルを構成し、金属層又は金属層スタック、たとえば金属トラックが、高分子層若しくは高分子層スタック内に埋め込まれ、又は高分子層若しくは高分子層スタックによって覆われており、高分子は、典型的には、金属層を偶発的な短絡から保護するために、電気的に絶縁性である。そのような可撓性ホイル６０に適した高分子の非限定的な例は、ポリイミドであり、それ自体よく知られているように、ポリイミドは、ＣＭＯＳ製造プロセスなどの多くの半導体製造プロセスに適合している。他の適した高分子、たとえばパリレンも、当業者にはすぐに明らかであろう。適した金属の非限定的な例は、半導体製造プロセスで一般に使用されるアルミニウム又は任意の他の金属である。既存の半導体製造プロセスに対するそのような材料の適合性により、ＣＭＵＴトランスデューサアレイのコストを増大させるはずのそのような製造プロセスの再設計又は再開発を必要とするのではなく、既存の半導体製造プロセスを使用するＣＭＵＴトランスデューサアレイの製造が容易になる。

可撓性ホイル６０を介して相互接続された複数の隣接する蛇行したシリコン島上にＣＭＵＴセル５０を設けることで、アレイの行方向のＣＭＵＴトランスデューサアレイの面外屈曲を可能にしながら、アレイの列方向の構造上の完全性を提供し、これはたとえば、アレイを血管内カテーテル又は心臓内カテーテルなどのカテーテルに巻き付けるときに特に有利である。たとえば、ＣＭＵＴトランスデューサアレイは、そのようなカテーテルの外部シースに巻き付けられ、シリコン島の列５８は、カテーテルの長さ方向に位置合わせされ、すなわちＣＭＵＴトランスデューサアレイは、その行方向に面外屈曲されて、カテーテルシースに巻き付けられる。多数の比較的狭いシリコン島が設けられるため、ＣＭＵＴトランスデューサアレイをカテーテルシースなどの円筒形の物体に巻き付けたとき、ＣＭＵＴトランスデューサアレイのほぼ円筒形の構成が実現され、そのようなＣＭＵＴトランスデューサアレイは、そのような物体の表面全体にわたって連続しており、たとえばＥＰ２４５５１３３Ａ１の場合のように、ＣＭＵＴトランスデューサアレイの一部を形成する隣接する矩形のシリコン島間に不連続性を含まないというさらなる利点が得られる。

本発明の他の態様によれば、図４のアレイを動作させることによって、こうして間隔５７及び５９が減少し、その結果、動作可能なトランスデューサ要素の行が、水平方向の要素の行５６ではなく、２つ（又はそれ以上）の隣接する互い違いの行の点在した組合せになるという利点が得られる。これは、動作可能な要素の行が完全に線形の要素の行であるダイシングされた圧電セラミックトランスデューサ要素の従来の知識とは反対である。図４の例では、動作可能な要素の行は、互い違いの要素の行によって形成される。たとえば、図４の１つの動作可能な行は、２つの隣接する互い違いの行のセル６２_１、６２_２、６２_３、６２_４、．．．６２_Ｎを含み、すなわち、第Ｍの動作可能な行は、ＣＭＵＴセル５０の各列５８の第ＭのＣＭＵＴセル５０を含み、Ｍは正の整数であり、各行は、典型的には、カテーテルに巻き付けられたとき、蛇行する環状の行を形成する。標準的な対称の位置合わせが６４個のセルしか収容できない場合に、互い違いの行の間隔をより密接にすることで、９６個のセルからなる動作可能な行を設けることが可能になり、たとえば、動作可能な行の互い違いの構成は、それでもなお、アンテナパターンのグレーティングローブが低減されるため、より低いクラッタで、高解像度の画像に対する音響信号を提供することが可能である。そのような互い違いの行は、たとえば、近接する列５８の適当なＣＭＵＴセル５０を順次活動化し、たとえばＮ個の列５８のセル６２_１、６２_２、６２_３、６２_４、．．．６２_Ｎを順次活動化することによって対処される。

図４の実施形態では、それぞれのシリコン島は、連続する可撓性ホイル６０によって保持される。代替実施形態では、可撓性ホイル６３にパターン付けされ、それにより、可撓性ホイル６０は、間隙５７と位置合わせされた複数の凹部を含み、それぞれのブリッジ部分又はブリッジが、間隙５７を横切って延在し、可撓性ホイル６０の異なる領域、たとえば異なるシリコン島を保持する異なる領域を相互接続する。これにより、ＣＭＵＴトランスデューサの可撓性がさらに増大するが、頑丈さが低下する。

図５は、ＣＭＵＴセルが位置する２つのシリコン島を接合する可撓性ホイルブリッジの形成におけるいくつかのプロセスステップを示す。図５ａ）は、熱二酸化ケイ素層７２を頂面及び底面に成長させたシリコンウェーハ７０を示す。頂面には、標準的なリソグラフィを使用して、パターン付きのアルミニウム区域８１がスパッタリングされる。頂面上のアルミニウム区域の１つに、パターン付きのポリイミド区域７４が重ねられ、このパターンは、可撓性ホイル内にブリッジを画定する。連続する可撓性ホイルの場合、ポリイミド７４は、連続するシートである。ポリイミド７４の上にアルミニウム層８０が堆積され、アルミニウム上に第２のポリイミド層７６が重ねられる。図５ｂ）にすべて示すように、エッチング中にマスクとして使用するために、アルミニウム層８０の上に別のアルミニウム層８２のパターンが付けられる。最後に、図５ｃに示すように、シリコンウェーハ７０は、ＣＭＵＴ位置８８及び可撓性ブリッジ７４、８０、７６の下で、厚いレジストでマスクされた区域８４以外の区域内において、裏面からエッチングにより除去される。頂面上の可撓性ブリッジ９０の両側のポリイミド層７６が、エッチマスク層８２の両側でパターンにより除去され、次いでエッチマスク層８２自体が、エッチングにより除去される。その結果、２つの個々のシリコン島９２及び９４が、可撓性ブリッジ９０によって接合される。可撓性ブリッジ９０などにより、そのようなＣＭＵＴが装着された島のアレイを円筒形の形状に巻くことが可能になり、これは心臓内カテーテルトランスデューサのニーズに適合する。

前述のように、音響トランスデューサ要素の動作可能な行２００は、従来のようにトランスデューサ要素の直線ではなく、ＣＭＵＴセルの２つ以上の隣接する互い違いの行２０２及び２０４によって形成される。図６は、超音波トランスデューサアレイの代替実施形態を概略的に示し、各シリコン島列５８は、互い違いの配置で配置された１対のＣＭＵＴセル５０列を含み、すなわち、第１の列内のＣＭＵＴセル５０の区域が、近接する列内の近接するＣＭＵＴセル５０間の空間内へ延在し、好ましくはそれにより、これらの近接するＣＭＵＴセル５０間の接線は、ＣＭＵＴセル５０のうちこれらの近接するＣＭＵＴセル５０間の空間内へ延在する区域を交差する。

前述のように、シリコン島列５８は、列５８の長さ方向に、すなわち列５８に沿って、蛇行縁端構造を有し、ＣＭＵＴセル５０の周りで外向きに蛇行する縁端部と、列５８内の近接するＣＭＵＴセル５０間の空間内へ内向きに蛇行する縁端部とを有する。近接する列５８は、そのシリコン島の外向きに蛇行している縁端部が、近接するシリコン島の内向きに蛇行している縁端部と位置合わせされ、すなわちその中へ入り込むように配置され、それによって、近接する列５８間のＣＭＵＴセル５０の互い違いの位置合わせによって、ＣＭＵＴセル５０の互い違いの行を形成する。近接するシリコン島は、典型的には、たとえば前述のようにＣＭＵＴトランスデューサアレイをカテーテルシースに巻き付けるとき、互いに対するシリコン島の面外屈曲を容易にするように、間隙５７によって分離される。

この実施形態には、より大きい、すなわち幅広いシリコン島を提供し、それによりそのような島の構造上の剛性を改善しながら、それでもなお超音波トランスデューサアレイに行方向に優れた可撓性を提供するという利点がある。この実施形態は、トランスデューサアレイを巻き付けるべき物体、たとえばカテーテルシースの周囲が、単一のシリコン島の幅の何倍にもなり、それにより多くのシリコン島を物体に巻き付けなければならず、実質上連続するトランスデューサ行が物体の周りに設けられる場合、特に有利である。

前述のように、動作可能な行２００の方向は、面内でビームが進む方向であり、すなわちビームは、典型的には、列５８に対して垂直に進む。可撓性ホイル６０、たとえば図面に示す連続するホイル又は近接するシリコン島間の間隙をまたいでブリッジ部分９０を含むパターン付きのホイルが、個々のシリコン島に重ねられて、シリコン島のそれぞれの向きを保持し、図７に示すように２次元アレイを心臓内又は血管内カテーテルの遠位先端部２１０の周りで円筒形の形状に屈曲させることを可能にする。アレイは、非限定的な例としてのみ、遠位先端部２１０に巻き付けられており、たとえば、アレイをカテーテルの任意の他の部分に巻き付けることも等しく実行可能であるが、アレイは、遠位先端部の近位に位置することが好ましいことを理解されたい。いくつかの実施形態では、カテーテルは、本発明の実施形態による巻き付けられた超音波トランスデューサアレイに加えて、他の超音波トランスデューサアレイ、たとえば円形の周囲を有する平面の超音波トランスデューサアレイを、遠位先端部２１０上に備え、それによりカテーテルは、カテーテルの前方並びにカテーテルの周りの身体部位の画像を生成することができ、これはたとえば、心臓内撮像に特に有利である。したがって、いくつかの実施形態では、カテーテルは、心臓内又は血管内カテーテルである。

図８は、本発明の一実施形態によるカテーテル上に互い違いの行のＣＭＵＴアレイを含む超音波診断撮像システムをブロック図で示す。ＣＭＵＴアレイ１００は、マイクロビームフォーマ１１２とともに、カテーテル又は超音波プローブ１００’の先端部（又はその近傍）上に位置し、たとえば巻き付けられる。ＣＭＵＴアレイ１００は、２Ｄ平面を走査することが可能なＭＵＴトランスデューサ要素の１次元若しくは２次元アレイとすることができ、又は３Ｄ撮像の場合は３次元である。マイクロビームフォーマ１１２は、ＣＭＵＴアレイセルによる信号の伝送及び受信を制御する。マイクロビームフォーマは、米国特許第５，９９７，４７９号（Ｓａｖｏｒｄら）、第６，０１３，０３２号（Ｓａｖｏｒｄ）、及び第６，６２３，４３２号（Ｐｏｗｅｒｓら）に記載されているように、トランスデューサ要素のグループ又は「パッチ」によって受信された信号の少なくとも部分的なビーム形成が可能である。マイクロビームフォーマは、カテーテル又はプローブケーブルによって、伝送／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１１６に結合されており、Ｔ／Ｒスイッチ１１６は、マイクロビームフォーマが使用されず、トランスデューサアレイが主システムビームフォーマによって直接動作されるときは、伝送及び受信を切り換えて、主システムビームフォーマ１２０を高エネルギーの伝送信号から保護する。マイクロビームフォーマ１１２の制御下におけるＣＭＵＴトランスデューサアレイ１００からの超音波ビームの伝送は、Ｔ／Ｒスイッチ及び主システムビームフォーマ１２０に結合されたトランスデューサコントローラ１１８によって指示され、トランスデューサコントローラ１１８は、ユーザインターフェース又は制御パネル３８のユーザの動作からの入力を受信する。トランスデューサコントローラによって制御される機能の１つは、ビームを進める方向である。ビームは、トランスデューサアレイから（それに直交して）前方へまっすぐ進められ、又はより広い視野のために異なる角度で進められる。トランスデューサコントローラ１１８はまた、ＣＭＵＴセルに印加される直流バイアスを制御し、直流バイアスは、沈下モードでのＣＭＵＴの動作のためにセルメンブレン１４を沈下状態にバイアスする。

受信の際にマイクロビームフォーマ１１２によってもたらされる部分的にビーム形成された信号は、主ビームフォーマ１２０に結合され、トランスデューサ要素の個々のパッチからの部分的にビーム形成された信号を組み合わせて、完全にビーム形成された信号を得る。たとえば、主ビームフォーマ１２０は、１２８個のチャネルを有し、各チャネルは、数十又は数百個のＣＭＵＴトランスデューサセルからなるパッチから、部分的にビーム形成された信号を受信する。このようにして、ＣＭＵＴトランスデューサアレイの数千個のトランスデューサ要素によって受信された信号が、単一のビーム形成された信号に効率的に寄与することができる。基本的な実施形態では、ＣＭＵＴセルの２つの互い違いの行から受信した音響信号を処理して、セルの行の前の画像平面からのビームにし、走査された２Ｄ画像を形成する。

ビーム形成された信号は、信号プロセッサ１２２に結合される。信号プロセッサ１２２は、帯域フィルタリング、デシメーション、Ｉ及びＱ成分分離、並びに高調波信号分離などの様々な手法で、受信したエコー信号を処理することができる。高調波信号分離は、線形及び非線形の信号を分離して、組織及び微小気泡から戻された非線形のエコー信号の識別を可能にするように作用する。信号プロセッサはまた、スペックルの低減、信号の複合、及びノイズの除去などの追加の信号強化を実行する。信号プロセッサ内の帯域フィルタは、トラッキングフィルタとすることができ、その通過帯域は、次第に増大する深さからエコー信号が受信されるにつれて、より高い周波帯域からより低い周波帯域まで摺動し、それによって解剖学的情報がないより大きい深さからのより高い周波数のノイズを拒否する。

処理された信号は、Ｂモードプロセッサ１２６及びドップラプロセッサ１２８に結合される。Ｂモードプロセッサ１２６は、体内の臓器及び血管の組織などの体内の構造の撮像に振幅検出を用いる。身体の構造のＢモード画像は、米国特許第６，２８３，９１９号（Ｒｏｕｎｄｈｉｌｌら）及び米国特許第６，４５８，０８３号（Ｊａｇｏら）に記載されているように、高調波モード若しくは基本モード又は両方の組合せで形成される。ドップラプロセッサ１２８は、画像フィールド内の血球の流れなどの物質の運動の検出のために、組織の運動及び血液の流れからの時間的に異なる信号を処理する。ドップラプロセッサは、典型的には、体内の選択されたタイプの物質からのエコーを通過／又は拒否するように設定されたパラメータを有するウォールフィルタを含む。たとえば、ウォールフィルタは、より高速の物質からの比較的低い振幅の信号を通過させるが、より低速又はゼロの速度の物質からの比較的強い信号を拒否する通過帯域特徴を有するように設定することができる。この通過帯域特徴は、流れている血液からの信号を通過させるが、心臓の壁などのほぼ静止している又は減速して動いている物体からの信号を拒否する。逆の特徴は、組織の運動を検出及び描写する組織ドップラ撮像と呼ばれるもののために、心臓の動いている組織からの信号を通過させるが、血流の信号を拒否するはずである。ドップラプロセッサは、画像フィールド内の異なる点から、一続きの時間的に個別のエコー信号を受信して処理する。特定の点からの一続きのエコーは、アンサンブルと呼ばれる。比較的短い間隔で急速に順次受信したエコーのアンサンブルを使用して、流れている血液のドップラシフト周波数を推定することができ、ドップラ周波数と速度の対応関係が、血流の速度を示す。より長い期間にわたって受信したエコーのアンサンブルは、より遅く流れている血液又はゆっくりと動いている組織の速度を推定するために使用される。

Ｂモード及びドップラプロセッサによってもたらされる構造及び運動信号は、走査変換器１３２及び多平面リフォーマッタ１４４に結合される。走査変換器は、受信した空間関係のエコー信号を、所望の画像フォーマットにする。たとえば、走査変換器は、エコー信号を２次元（２Ｄ）の扇形のフォーマット又はピラミッド形の３次元（３Ｄ）画像にする。走査変換器は、Ｂモードの構造画像に、ドップラ推定速度に対応する画像フィールド内の点の運動に対応する色を重ねて、画像フィールド内の組織の運動及び血流を描写するカラードップラ画像をもたらすことができる。多平面リフォーマッタは、米国特許第６，４４３，８９６号（Ｄｅｔｍｅｒ）に記載されているように、身体のボリューム領域における共通平面内の点から受信したエコーを、その平面の超音波画像に変換する。米国特許第６，５３０，８８５号（Ｅｎｔｒｅｋｉｎら）に記載されているように、ボリュームレンダラ１４２が、３Ｄデータセットのエコー信号を、所与の基準点から見られる投影３Ｄ画像に変換する。２Ｄ又は３Ｄ画像は、画像ディスプレイ４０上に表示するための他の強化、バッファリング、及び一時記憶のために、走査変換器３２、多平面リフォーマッタ４４、及びボリュームレンダラ１４２から画像プロセッサ１３０に結合される。撮像に使用されることに加えて、ドップラプロセッサ１２８によってもたらされる血流速度値は、流量定量化プロセッサ１３４に結合される。流量定量化プロセッサは、血流の流量などの異なる流れ条件の尺度をもたらす。流量定量化プロセッサは、画像の解剖学的構造内で測定を行うべき点などの入力を、ユーザ制御パネル３８から受信する。流量定量化プロセッサからの出力データは、ディスプレイ４０上に画像とともに測定値を再生するために、グラフィックスプロセッサ１３６に結合される。グラフィックスプロセッサ１３６はまた、超音波画像とともに表示するために、グラフィックオーバーレイを生成することができる。これらのグラフィックオーバーレイは、患者名、画像の日時、撮像パラメータなどの標準的な識別情報を含むことができる。これらの目的で、グラフィックスプロセッサは、タイプされた患者名などの入力を、ユーザインターフェース３８から受信する。ユーザインターフェースはまた、トランスデューサアレイ１００からの超音波信号、したがってトランスデューサアレイ及び超音波システムによってもたらされる画像の生成を制御するために、伝送コントローラ１８に結合される。ユーザインターフェースはまた、複数の多平面リフォーマット化（ＭＰＲ）画像の表示の選択及び制御のために、多平面リフォーマッタ１４４に結合され、この表示は、ＭＰＲ画像の画像フィールド内で定量化された測定を実行するために使用される。超音波診断撮像システムは、カテーテル又はプローブ１００’に結合された患者インターフェースモジュールを備え、患者インターフェースモジュールは、超音波診断撮像システムの構成要素の少なくともいくつかを備える。これはそれ自体よく知られているため、簡潔にするためだけの目的で、これについてさらに詳細には説明しない。

図９及び図１０は、本発明の他の実施形態による２つのＣＭＵＴアレイの平面図である。図９で、各ＣＭＵＴセル５０は、それぞれのシリコン島９２上に製作される（図５参照）。ＣＭＵＴセルの各列５８には、可撓性ホイルのストリップ６０が重ねられ、隣接する列のホイルストリップは、図５に示すように形成された可撓性ブリッジ９０によって相互接続される。可撓性ホイルストリップ６０は、アルミニウムなどの導電性材料を含むことができ、それにより、列内の超音波要素にともに対処すること、又はそれらの要素を接地などの同じ電位で維持することが可能になる。アレイ内の要素の個々の対処は、集積回路を介して実現される。したがって、可撓性ブリッジは、アレイのセルの向きを維持するのを助けながら、アレイを曲げかつ屈曲させて湾曲構成にすることを可能にする。特に、この実施形態では、各列５８が可撓性ホイルストリップ６０内のブリッジ構造９０によって相互接続された複数のシリコン島によって形成されるため、ＣＭＵＴトランスデューサアレイは、行方向並びに列方向に屈曲される。

図１０は、類似のＣＭＵＴアレイを示すが、２つのＣＭＵＴセルが各シリコン島９２上に位置する。たとえば、要素の隣接する列のＣＭＵＴセル５０及び５０’はどちらも、同じシリコン島上に位置する。２つの隣接する列に、可撓性ホイルストリップ６０が重ねられ、隣接するホイルストリップは、可撓性ブリッジ９０によって相互接続され、それによりアレイを湾曲又は円筒形の形状に屈曲させることが可能になる。

前述のように、可撓性ホイルストリップ６０がブリッジ構造９０によって相互接続される個別部分を有するのではなく、連続する可撓性ホイルを使用して、それぞれのシリコン島を保持することもできることを理解されたい。そのような代替実施形態は、より頑丈であるが、可撓性がより制限される。しかしこれは、ＣＭＵＴトランスデューサアレイを装着する物体の湾曲が比較的制限される場合、問題でない。

Claims (13)

1. 少なくとも１つのシリコン島上の隔置されたＣＭＵＴセルの第１の列と、
   少なくとも１つの他のシリコン島上の隔置されたＣＭＵＴセルの第２の列であって、前記第２の列のＣＭＵＴセルが前記第１の列の連続するＣＭＵＴセル間の空間内に部分的に位置し、前記第１の列及び前記第２の列が間隙によって隔置されるように、前記第１の列と互い違いに位置合わせされている第２の列と、
   それぞれの前記シリコン島を保持する可撓性ホイルであって、導電性相互接続部を備える、可撓性ホイルと
   を備える、ＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
2. 隔置されたＣＭＵＴセルの前記第１の列は、蛇行した縁端を両側に有する第１のシリコン島上に位置し、各縁端は、前記ＣＭＵＴセルの１つのＣＭＵＴセルの周りで外向きに蛇行し、前記ＣＭＵＴセル間の空間へ内向きに蛇行しており、
   隔置されたＣＭＵＴセルの前記第２の列は、蛇行した縁端を両側に有する第２のシリコン島上に位置し、各縁端は、前記ＣＭＵＴセルの１つのＣＭＵＴセルの周りで外向きに蛇行し、前記ＣＭＵＴセル間の空間へ内向きに蛇行しており、
   前記第１のシリコン島の外向きに蛇行している縁端部は、前記第２のシリコン島の内向きに蛇行している縁端部へ入り込むように、前記第１のシリコン島は前記第２のシリコン島に隣接して配置されている、
   請求項１に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
3. 前記第１のシリコン島及び前記第２のシリコン島はそれぞれ、隔置されたＣＭＵＴセルの１対の前記列を備え、前記１対の列は互い違いである、請求項２に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
4. 前記可撓性ホイルは、複数の可撓性ブリッジを備えるパターン付きのホイルであり、各可撓性ブリッジは、近接するシリコン島間の間隙にわたって延在する、請求項１又は２に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
5. 各可撓性ブリッジは、導電性相互接続部を備える、請求項３に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
6. 各導電性相互接続部は、高分子層又は高分子層スタック内に埋め込まれた金属層を備える、請求項１乃至５の何れか一項に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
7. 前記金属層は、アルミニウムを含む、請求項６に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
8. 外部シースと、前記ＣＭＵＴトランスデューサアレイのそれぞれの前記列がカテーテルの長さ方向に延在するように、前記外部シースに巻き付けられた請求項１乃至７の何れか一項に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイとを備える、カテーテル。
9. 前記カテーテルの遠位端に他のＣＭＵＴトランスデューサアレイをさらに備える、請求項８に記載のカテーテル。
10. 前記カテーテルは、心臓内又は血管内カテーテルである、請求項８又は９に記載のカテーテル。
11. 患者インターフェースモジュールと、請求項８乃至１０の何れか一項に記載のカテーテルとを備える、超音波撮像システム。
12. 前記ＣＭＵＴセルに結合され、超音波ビームを行方向に進めるマイクロビームフォーマと、
    前記ＣＭＵＴセルに結合され、沈下モードでの動作のために前記ＣＭＵＴセルをバイアスする直流バイアス回路とをさらに備え、前記マイクロビームフォーマ及び前記直流バイアス回路の少なくとも１つは、前記患者インターフェースモジュール内に収容される、
    請求項１１に記載の超音波撮像システム。
13. 前記直流バイアス回路は、沈下モードで前記ＣＭＵＴセルを動作する、請求項１１又は１２に記載の超音波撮像システム。

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