JP6440359B2 - 共通電気チャネル上で処理可能な超音波トランスデューサを有する超音波プローブ - Google Patents

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関連出願に対する相互参照
本願は、２０１１年１月３１日に出願された、米国仮出願第６１／４３７，７５８号、発明の名称”共通電気チャネル上で処理可能な超音波トランスデューサを有する撮像プローブ”の優先権を主張する。同文献の全内容は、参照によって本願に組み込まれる。

本発明は、超音波撮像トランスデューサを採用した撮像システムおよびプローブに関する。本開示はまた、最小侵襲撮像過程における撮像トランスデューサからの照射を方向づけるために用いられる可動素子の角度方向における変化を検出する方法に関する。高解像度生物医学撮像技術は、多くの用途に供されている。これは、組織構造および生体構造の評価、生体の局所領域に対する侵襲の計画および／またはガイド、ある領域の構造、構成、その他の特性を変化させる侵襲の結果に対する評価、を含む。

高周波超音波は特に、心臓内および血管内の用途においてよく用いられている。これら用途において、超音波トランスデューサは、生体内の内腔または空洞に挿入されるカテーテルその他のデバイス内に組み込まれる。高周波超音波の２つの重要な実装は、血管を撮像するための血管内超音波（ＩＶＵＳ）、および心室を撮像するための心臓内の心エコー検査（ＩＣＥ）である。ＩＣＥとＩＶＵＳはともに侵襲が最小であり、１以上の超音波トランスデューサを血管内または心室内に配置し、これらの構造の高品質画像を得るものである。

Ｃｏｕｒｔｎｅｙ等（米国公開特許ＵＳ２００９０２６４７６８号）は、３Ｄ超音波および／または光学撮像を介して前方視することができる、血管内／心臓内の心エコー検査カテーテルを記載している。これは、可動部材を用いて様々な角度で撮像することによって実現されている。このデバイスは、撮像機構自身またはミラーなどの偏向部材の位置および／または方向についての知識を利用している。

撮像トランスデューサを用いて得られた画像を撮像プローブの方向と相関付けるためには、撮像システムの可動部分の相対角度方向を判定するメカニズムを提供することが重要である。この角度方向は、撮像エネルギーが伝搬する角度および／または撮像プローブから受信するときの角度を決定する。Ｃｏｕｒｔｎｅｙ等は、角度検出メカニズムおよび方法についていくつかを開示している。１つの方法は、例えばルックアップテーブルを用いて、回転速度を撮像角度と関連付けるステップを有する。一連の電子的および電気機械的技術も記載されている。これには、容量、抵抗、電磁気、誘導、および歪みゲージに基づく技術が含まれる。主撮像ソースを用いる反射器からの拡散散乱を採用した技術も記載されている。主撮像ソースから分離された検出センサを利用して撮像角度を判定する光学および音響手法とメカニズムも開示されている。

上記技術に関連して、いくつかの制約がある。例えば、回転速度を撮像速度と関連付けるルックアップテーブルを用いると、精度が大幅に低下する傾向がある。方向や状況が異なると、撮像角度と回転速度との間の関係に影響する場合がある。これは特に、異なる方向における重力、温度条件の違い、またはカテーテル上の応力によって生じる。また多くの技術は（主に撮像モダリティ以外のモダリティを使用するもの）、非常に複雑な部品とエネルギー源を必要とする場合がある。

共通電気チャネルに接続され、撮像プローブ内に収容された、複数の超音波トランスデューサを電気的に処理する方法および装置を提供する。撮像プローブは、撮像超音波トランスデューサ、出射撮像ビームの方向を制御するための可動要素、および角度検出超音波トランスデューサを備える。角度検出超音波トランスデューサは、超音波撮像ビームの方向を判定するように構成されている。角度検出トランスデューサは、角度検出超音波ビームを音響反射基板に対して方向付け、音響反射基板から反射された反射超音波ビームを検出することにより信号を提供するように構成することができる。音響反射基板は、可動要素の動きが信号を変化させるように、可動要素に対して相対的に配置される。

したがって、第１側面において、撮像プローブが提供される。同撮像プローブは、細長ボディ；前記細長ボディ内に配置される第１超音波トランスデューサ；を備え、前記第１超音波トランスデューサは前記細長ボディの近位端から離れて配置され、前記第１超音波トランスデューサは前記細長ボディの外側領域に対して超音波撮像ビームを出力し、前記領域からの反射超音波撮像エネルギーを受信するように構成される。前記撮像プローブはさらに、前記細長ボディ内に収容された第２超音波トランスデューサ；前記細長ボディを介して延伸し共通電気チャネルを規定する導電パス；を備え、前記第１超音波トランスデューサと前記第２超音波トランスデューサは、前記共通電気チャネルに接続され、前記共通電気チャネルは画像処理システムと電気的に接続可能である。

他側面において、超音波プローブが提供される。同超音波プローブは、細長ボディ；前記細長ボディ内に配置された第１超音波トランスデューサ；を備える。前記第１超音波トランスデューサは、前記細長ボディの近位端から離れて配置されている。前記第１超音波トランスデューサは、前記細長ボディの外側領域に対して超音波ビームを出力するように構成されている。前記超音波プローブはさらに、前記細長ボディ内に配置された別の超音波トランスデューサ；前記細長ボディを介して延伸し共通電気チャネルを規定する導電パス；を備える。前記第１超音波トランスデューサと前記別の超音波トランスデューサは、前記共通電気チャネルに接続されている。前記共通電気チャネルは、外部処理システムと電気的に接続可能である。

他側面において、回転可能部材の角度を判定する超音波角度検出デバイスが提供される。前記回転可能部材は、剛体支持部材と回転可能に連結されている。前記超音波角度検出デバイスは、前記回転可能部材に取り付けられた電気的に処理可能な超音波トランスデューサを備える。前記超音波トランスデューサは、前記回転可能部材の向きに依拠する方向において超音波パルスを出射するように構成されている。前記超音波角度検出デバイスはさらに、前記剛体支持部材に対して相対的に固定され、前記回転可能部材の規定角度範囲にわたって前記超音波パルスを前記超音波トランスデューサに対して実質的に逆反射するように選択された表面曲率を有する、音響反射基板を備える。これにより、前記超音波トランスデューサと前記音響反射基板との間の距離は、前記超音波パルスのビームパスに沿って規定され、前記角度範囲にわたって変化する。

本開示の機能的側面および有利な効果は、以下の詳細説明と図面を参照することによってさらに理解されるであろう。

本開示の実施形態を、以下の図面を参照して、例示として説明する。

超音波部材と光学部材を有する撮像システムの概略図である。 アダプタ、導管、撮像部材を有するフレキシブル撮像プローブの斜視図である。 点線に沿って取得した図２の撮像プローブの中央部の断面図である。 図２の撮像プローブの遠位領域の拡大図である。 図３ａ〜図３ｇは、傾斜可能部材を傾斜させる技術の実施形態を示す。図３ａは、傾斜が求心運動によって生じるカテーテルの長手断面図を示す。 図３ａに示すカテーテルの断面図を示す。 図３ａのカテーテルおよびスキャン部材を図３ａよりも高速に回転させることによって生じる傾斜を示す。 図３ｃに示すカテーテルの断面図を示す。 １以上の磁石を用いて傾斜が制御されるカテーテルの長手断面図を示す。 図３ｅのカテーテルの長手断面図を示す。 図３ｅのカテーテルおよび磁力によって生じた偏向を示す。 図３ｇのカテーテルの断面図を示す。 撮像角度情報を用いて３Ｄ画像を生成するためのポテンシャルスキャンパターンを示す。 角度検出トランスデューサを用いて、出射された撮像ビームの方向を制御するためのフィードバックを提供する、制御システムを示す。 復元機構としてねじりバネを用いるシステムの実装を示す。 図４は、タイムオブフライト法により、高周波超音波トランスデューサを用いて傾斜可能超音波トランスデューサの傾斜角度を推定する様子を示す。図４ａと図４ｂは、２つの異なる角度方向において、傾斜可能部材の傾斜を測定する様子を示す。 図４ａと図４ｂは、２つの異なる角度方向において、傾斜可能部材の傾斜を測定する様子を示す。 図４ｃと図４ｄは、それぞれ図４ａと図４ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの受信時間依存性をプロットしたものを示す。 図４ｃと図４ｄは、それぞれ図４ａと図４ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものを示す。 超音波ビームの時間遅延が傾斜角度に対して依存している様子をプロットしたものを示す。 タイムオブフライト法により、高周波超音波トランスデューサを用いて傾斜可能超音波トランスデューサの傾斜角度を推定する様子を示す。 タイムオブフライト法により、高周波超音波トランスデューサを用いて傾斜可能超音波トランスデューサの傾斜角度を推定する様子を示す。 図５ａと図５ｂは、超音波トランスデューサを接続して単一の電気接続を通じ複数の超音波トランスデューサを介して音響エネルギーを生成する方式を示す。図５ａは、撮像トランスデューサと角度検出トランスデューサが直接接合されている場合を示す。 撮像トランスデューサと角度検出トランスデューサが物理的に分離されているが、電気的に接続されている場合を示す。 ２つの撮像超音波トランスデューサが被覆内に収容され、共通電気チャネルに接続されて、逆並行に同時撮像する実施形態を示す。 ２つの撮像超音波トランスデューサが被覆内に収容され、共通電気チャネルに接続されて、直角に同時撮像する実施形態を示す。 ２つの撮像超音波トランスデューサが被覆内に収容され、共通電気チャネルに接続されて、直角に同時撮像する実施形態を示す。 ２つの撮像超音波トランスデューサが被覆内に収容され、共通電気チャネルに接続されて、並行に同時撮像する実施形態を示す。 ３周波数撮像構成を示す。 ２周波数部材が光学撮像モダリティと組み合わされた構成を示す。 集束超音波トランスデューサを有する構成を示す。 共通チャネルに接続された２つの超音波トランスデューサのアクティブ帯域幅間の分離を示す。 ２つの超音波トランスデューサそれぞれについて個別のＲＬＣ回路を用いる調整部品を使用する様子を示す。 図８ａ〜図８ｅは、高周波超音波トランスデューサを使用して傾斜可能光学および／または音響ミラーの偏向を推定する様子を示す。図８ａと図８ｂは、傾斜可能ミラーの傾斜角度を２つの異なる角度方向において測定する様子を示す。 図８ａと図８ｂは、傾斜可能ミラーの傾斜角度を２つの異なる角度方向において測定する様子を示す。 図８ｃと図８ｄは、それぞれ図８ａと図８ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものを示す。 図８ｃと図８ｄは、それぞれ図８ａと図８ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものを示す。 超音波ビームの時間遅延が偏向角度に対して依存している様子をプロットしたものを示す。 図９ａ〜図９ｅは、高周波超音波トランスデューサを使用して変形可能部材上に配置された超音波トランスデューサの角度方向を推定する様子を示す。図９ａと図９ｂは、ミラーの傾斜を２つの異なる角度方向において測定する様子を示す。 図９ａと図９ｂは、ミラーの傾斜を２つの異なる角度方向において測定する様子を示す。 図９ｃと図９ｄは、それぞれ図９ａと図９ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものを示す。 図９ｃと図９ｄは、それぞれ図９ａと図９ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものを示す。 角度検出超音波ビームの時間遅延が傾斜角度に対して依存している様子をプロットしたものを示す。 図１０ａ〜図１０ｅは、受信信号の強度を評価する手法により高周波超音波トランスデューサを使用して傾斜可能部材の偏向角度を推定する様子を示す。図１０ａと図１０ｂは、傾斜可能部材の傾斜を２つの異なる角度方向において測定する様子を示す。 図１０ａと図１０ｂは、傾斜可能部材の傾斜を２つの異なる角度方向において測定する様子を示す。 図１０ｃと図１０ｄは、それぞれ図１０ａと図１０ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものを示す。 図１０ｃと図１０ｄは、それぞれ図１０ａと図１０ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものを示す。 受信超音波ビームに関するピーク電圧が偏向角度に対して依存している様子をプロットしたものを示す。 図１１ａと図１１ｂは、（ａ）鏡面反射面を使用する様子と（ｂ）拡散反射面を使用する様子を比較するものである。 図１１ａと図１１ｂは、（ａ）鏡面反射面を使用する様子と（ｂ）拡散反射面を使用する様子を比較するものである。 図１１ｃと図１１ｄは、それぞれ図１１ａと図１１ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものである。 図１１ｃと図１１ｄは、それぞれ図１１ａと図１１ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものである。 図１２ａと図１２ｂは、２つの異なる角度方向においてタイムオブフライト法により２つの高周波超音波トランスデューサを使用して傾斜可能部材の偏向角度を推定する様子を示す。 図１２ａと図１２ｂは、２つの異なる角度方向においてタイムオブフライト法により２つの高周波超音波トランスデューサを使用して傾斜可能部材の偏向角度を推定する様子を示す。 図１２ｃと図１２ｄは、それぞれ図１２ａと図１２ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものである。 図１２ｃと図１２ｄは、それぞれ図１２ａと図１２ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものである。 図１３ａ〜図１３ｅは、屈曲形状を有し、タイムオブフライト法を用いて検出可能な角度範囲を増加させる、ディスクを示す。図１３ａと図１３ｂは、２つの異なる角度方向を示す。 図１３ａと図１３ｂは、２つの異なる角度方向を示す。 図１３ｃと図１３ｄは、それぞれ図１３ａと図１３ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものを示す。 図１３ｃと図１３ｄは、それぞれ図１３ａと図１３ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものを示す。 超音波ビームの時間遅延が偏向角度に対して依存している様子をプロットしたものを示す。 図１４ａ〜図１４ｄは、超音波エネルギーを拡散的に出射し検出して、タイムオブフライト法により検出可能な角度範囲を増加させる超音波トランスデューサを示す。図１４ａと図１４ｂは、２つの異なる角度方向を示す。 図１４ａと図１４ｂは、２つの異なる角度方向を示す。 図１４ｃと図１４ｄは、それぞれ図１４ａと図１４ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものである。 図１４ｃと図１４ｄは、それぞれ図１４ａと図１４ｂに示す角度方向についての送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものである。 図１５ａ〜図１５ｄは、傾斜可能部材に取り付けられた角度検出トランスデューサを用いて、曲面を使用して精度を向上させつつ検出可能な角度範囲をタイムオブフライト法により増加させる様子を示す。図１５ａと図１５ｂは、２つの異なる角度方向を示す。 図１５ａと図１５ｂは、２つの異なる角度方向を示す。 図１５ｃと図１５ｄは、それぞれ図１５ａと図１５ｂに示す角度方向について送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものである。 図１５ｃと図１５ｄは、それぞれ図１５ａと図１５ｂに示す角度方向について送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものである。 曲面の曲率とトランスデューサの方向との間の関係を示す。曲面は局所的には入射音響ビームに対して略法線方向であり、これにより受信信号の強度を確保する。 高周波超音波トランスデューサを使用して、音響パッシブ部材と機械的に連結された傾斜可能超音波トランスデューサの傾斜角度を推定する様子を示す。角度検出トランスデューサは、音響パッシブ部材上に取り付けられている。図１６ａと図１６ｂは、２つの異なる角度方向を示す。 図１６ａと図１６ｂは、２つの異なる角度方向を示す。 図１６ｃと図１６ｄは、それぞれ図１６ａと図１６ｂに示す角度方向について送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものである。 図１６ｃと図１６ｄは、それぞれ図１６ａと図１６ｂに示す角度方向について送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものである。 角度検出トランスデューサから２つの傾斜可能部材それぞれの上の点間の一定距離までの間の距離についての知識から傾斜角度を計算するために用いることができる幾何学的関係を示す。 図１７ａ〜図１７ｄは、高周波超音波トランスデューサを使用して、音響パッシブ部材と機械的に連結された傾斜可能超音波トランスデューサの偏向角度を推定する様子を示す。角度検出トランスデューサは、撮像トランスデューサ上に統合されている。 図１７ａ〜図１７ｄは、高周波超音波トランスデューサを使用して、音響パッシブ部材と機械的に連結された傾斜可能超音波トランスデューサの偏向角度を推定する様子を示す。角度検出トランスデューサは、撮像トランスデューサ上に統合されている。 図１７ｃと図１７ｄは、それぞれ図１７ａと図１７ｂに示す角度方向について送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものである。 図１７ｃと図１７ｄは、それぞれ図１７ａと図１７ｂに示す角度方向について送受信超音波パルスの時間依存性をプロットしたものである。 図１８ａ〜図１８ｂは、図１６と図１７に示すものと同様の機械的に連結された音響パッシブ部材とともに、図１５に示す曲面を使用する様子を示す。図１８ａは、図１７に示すものと同じ視点からの図を示す。 図１８ａのハッチング線で切断した図を示す。 図１８ｃ〜図１８ｉは、角度検出トランスデューサを用いて機械的カプラの位置を検出して偏向角度を推定する実施形態を示す。図１８ｃと図１８ｅは、２つの異なる位置における傾斜可能部材を示す。 図１８ｄと図１８ｆは、それぞれ図１８ｃと図１８ｅのハッチング線で切断した図を示す。 図１８ｃと図１８ｅは、２つの異なる位置における傾斜可能部材を示す。 図１８ｄと図１８ｆは、それぞれ図１８ｃと図１８ｅのハッチング線で切断した図を示す。 図１８ｇと図１８ｈは、それぞれ図１８ｄと図１８ｆに示すシナリオのタイミング図を示す。 図１８ｇと図１８ｈは、それぞれ図１８ｄと図１８ｆに示すシナリオのタイミング図を示す。 受信時間遅延と傾斜角度との間の関係を示す。 図１９ａ〜図１９ｇは、サンプルパルスシーケンスと、複数手法を用いる単一チャネル上の対応する撮像トランスデューサおよび偏向角度トランスデューサからの受信信号を示す。図１９ａは、２つの形状を測定する様子を示す。 インターリーブパルス方式に基づき、２つの形状からの信号と角度検出トランスデューサからの信号を抽出する方法を示す。 距離範囲についての従前の知識とスペクトル手法のいずれかまたは双方を用いる例を示す。 角度検出方式において用いられる最大距離範囲を超えているか否かに基づき、２つの形状からの信号と角度検出トランスデューサからの信号を抽出する方法を示す。 スペクトル手法を使用して角度検出情報を撮像情報から分離する例を示す。 単一角度検出パルスの間に複数撮像パルスが送信される送信パルスシーケンスを示す。 撮像パルスと後続の角度検出パルスとの間に長い時間遅延が存在し、角度検出パルスと後続の撮像パルスとの間に短い時間遅延が存在する、送信パルスシーケンスを示す。 図２０ａ〜図２０ｂは、角度検出トランスデューサによって検出される距離を判定するための、それぞれ異なる推定手法を示す。図２０ａは、高周波（ＲＦ）ピーク検出法と包絡線検出法を使用することに基づく距離検出の例を示す。 相互相関法を使用することに基づく距離検出の例を示す。 図１８ａと図１８ｂに示す実施形態を用いて実施した角度検出実験から取得した実験データを示す。

本開示の様々な実施形態と側面を、以下の詳細記述に基づき説明する。以下の説明と図面は、本開示を例示するものであり、本開示を限定するものであると解釈すべきではない。様々な詳細部分を説明して本開示の様々な実施形態を理解できるようにする。しかし、特定の場合においては、よく知られまたは従来技術の部分については、本開示の実施形態を簡潔に記載するため、説明しない。本明細書における方法のステップ順序は、その方法が動作可能である限りにおいて重要ではないことを理解されたい。また、特に明示しない限り、２以上のステップを同時にまたは本明細書に記載するものとは異なる順序で実施することができる。

本明細書において、「備える」という用語は、包括的かつ非制約的なものであり、排他的なものではないと解釈されたい。特に、本明細書および特許請求の範囲において、「備える」という用語およびその派生用語は、特定の形状、ステップ、構成要素が含まれていることを意味する。これら用語は、その他の形状、ステップ、構成要素を排除するものであると解釈すべきではない。

本明細書において、「例」という用語は、「例、事例、実例としての役割を果たす」という意味であり、本明細書における他の構成よりも好ましいまたは有利なものであると解釈すべきではない。

本明細書において、「約」「略」という用語は、粒子のサイズ範囲、混合物の組成、またはその他の物理特性とともに用いる場合、サイズの上下限における僅かな違いを包括し、平均的にはほぼ全体にわたってサイズを満たすが統計的にはその範囲外のものが存在し得る実施形態を排除しないことを意味する。本開示の実施形態におけるようなものを排除することを意図するものではない。例えば、本開示の実施形態において、撮像プローブの構成要素のサイズが示されているが、それらが限定的なものではないことが理解されるであろう。

本明細書において、「高解像度プローブ」という用語は一般に、光学撮像手法および高周波超音波を指している。後者は通常、３ＭＨｚ以上の周波数を含み、さらには５〜１００ＭＨｚ範囲の周波数を含む。

本明細書において、「撮像放射」「撮像エネルギー」という用語は、電磁放射、音響放射、またはその双方を指している。特に電磁放射は、紫外波長、可視波長、および／または赤外波長のスペクトルにわたる。

本明細書において、「偏向」という用語は、少なくとも関連する物体の角度方向における変化を指している。例えば偏向とは、傾斜可能部品の傾斜の変化または可動部材の角度方向の変化である。本明細書において、「傾斜」という用語は、物体の角度方向を指している。角度方向における変化は、傾斜角の変化によって定義され、物体が変形可能である場合はその物体の他部分に対して相対的なものであってもよいし、組立品内の他物体に対して相対的なものであってもよい。例えば、ピボット機構上に取り付けられた部品は、そのピボット機構の軸回りで旋回することによって傾斜し得る。これに代えて、変形可能部品上に取り付けられ、または変形可能部品の一部として統合された部品は、その変形可能部品が変形する結果として傾斜し得る。

本明細書において、「移動」という用語は、物体の角度方向における変化、物体の位置の変化、または物体の角度方向と位置の双方における変化を指している。例えば物体の移動は、物体を傾斜させ、または物体を軸回りで旋回させた結果として生じ得る。移動は、物体の変形または物体の変形可能部分の変形による結果としても生じ得る。移動は、物体の移動によっても生じ得る。物体の移動は、絶対的移動であってもよいし、物体が変形可能である場合はその物体の他部分に対する相対的移動であってもよいし、組立品内の他物体に対する相対的移動であってもよい。

本明細書において、「電気チャネル」という用語は、電気的要素に対して電気エネルギーを伝搬させ、または電気的要素から電気信号を検出するのに適した導電パスを指している。この電気的要素は、例えば超音波トランスデューサである。電気チャネルの例としては例えば、配線などのような２つの導体が含まれる。この導体は電気的要素に接触しており、電位差が導体間に印加されると、相応の電圧が電気的要素を交差して印加されるようになっている。

本開示の実施形態は、可動部材の方向または位置の変化を非接触検出する装置と方法を提供する。超音波トランスデューサを用いて、入射超音波ビームを生成し、反射超音波ビームを検出する。偏向可能部材の偏向により、以下の１以上における変化を生じさせる：ａ）強度、ｂ）時間遅延、ｃ）反射ビームのスペクトル成分。以下の開示は、実施例を通じて、様々な実施形態を最小侵襲撮像システムおよび方法に対して適用することについて説明および例示する。しかし、これら適用は非限定的例示に過ぎず、本開示の実施形態は広範な用途およびアプリケーションに対して適用可能かつ調整可能であることを理解されたい。

実施形態とこれを最小侵襲撮像システムに対して適用することについて説明する前に、図１〜図３を参照して、最小侵襲撮像システムを例示的に簡単にレビューする。図１を参照すると、撮像システム１０が示されている。撮像システム１０は、撮像プローブ４４を備える。撮像プローブ４４は、被験者インターフェースモジュール３６を介して、画像処理表示システム４９に接続される。画像処理表示システム４９は、１以上の撮像機器をサポートするハードウェアを備える。この撮像機器は例えば、超音波光干渉断層法、血管内視鏡、赤外線撮像、近赤外線撮像、ラマン分光法ベース撮像、蛍光撮像などの機器である。超音波撮像プローブおよび超音波光学複合撮像プローブの特定の実施形態は、Ｃｏｕｒｔｎｅｙ等による、２００８年１月２２日に出願された米国特許公開第２００８０１７７１８３号「Ｉｍａｇｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ ｗｉｔｈ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｅａｎｓ ｏｆ Ｉｍａｇｉｎｇ」、２００８年１月２２日に出願された米国特許公開第２００８０１７７３８号「Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｆｏｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ」、および２００９年３月２７日に出願された米国特許公開第２００９０２６４７６８号「Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｆｏｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ」に開示されている。これらは参照によってその全体が本願に組み込まれる。

制御処理部３４を用いて、システムの各機能部を協調動作させる。制御処理部３４は、図面および明細書に示す構成要素の一部または全部を含むことができる。オペレータは、ディスプレイおよび／またはユーザインターフェース３８を介してシステム５０と交信する。システム１０はさらに、電極センサ４０を備え、撮像する被験者の身体からの心電図信号を取得することができる。心臓動が画像品質に影響を与える可能性がある状況においては、心電図信号を用いて、撮像データを取得する時刻決めをすることができる。心電図は、取得シーケンスを開始するトリガとしての役割も有する。例えば、モータの回転速度を変化させて所望のスキャンパターンを生じさせることをいつ開始するかについてである。例えば、心電図をトリガとして撮像シーケンスを開始すると、収縮期や拡張期のような特定の心臓周期フェーズの間に画像を取得することができる。

光学サブシステム３０は、撮像システムの特定の実装において設けられている場合、以下の構成要素の一部またはすべてを備えることができる：干渉計部品、１以上の光学参照アーム、光学マルチプレクサ、光学デマルチプレクサ、光源、光検出器、スペクトロメータ、偏光フィルタ、偏光コントローラ、タイミング回路、ＡＤコンバータ、パラレル処理アレイ、光学撮像技術を促進するその他既知の部品。超音波サブシステム３２は、以下の構成要素の一部または全てを備えることができる：パルス生成器、電子フィルタ、ＡＤコンバータ、パラレル処理アレイ、包絡線検出器、時間ゲイン補償増幅器を含む増幅器、音響撮像技術を促進するその他既知の部品。

制御処理部３４は、撮像システムの特定の実装において設けられている場合、複数の目的に寄与する。当業者は、必要となる特定の部品が撮像システムの特定タイプの要件に依拠することを理解するであろう。例えば制御処理部は、以下の任意の組み合わせを備えることができる：モータ駆動コントローラ、データストレージ部品（例えばメモリ、ハードドライブ、リムーバブルストレージデバイス、ＣＤ、ＤＶＤ、Ｂｌｕｒａｙ（登録商標）ディスクのリーダおよびレコーダ）、位置検出回路および／またはソフトウェア、角度検出回路および／またはソフトウェア、タイミング回路および／またはソフトウェア、心臓ゲーティング機能、容積測定撮像プロセッサ、スキャンコンバータ、その他の部品。上記のように、ディスプレイおよびユーザインターフェース３８をオプションで提供して、撮像データを取得した時刻よりも後の時刻においてデータをリアルタイム表示または表示することもできる。

被験者インターフェースモジュール３６と制御処理部３４は、ハードウェアサブシステムの選択および構成の１例であり、その他の実装も可能であることが分かる。例えば被験者インターフェースモジュール３６は、制御処理部３４とともに処理表示システム４９内に収容することができる。

撮像プローブ４４の構成例は、撮像部品５０、実質的な長さ部分に沿った予備撮像導管４６、近位端４７におけるコネクタ４８を備える。撮像部品５０は、撮像プローブ４４の遠位端４１近傍に配置されている。撮像部品５０は一般に、撮像プローブ４４の部品のことを指す。この部品からは、撮像部品５０近傍の領域を撮像するための信号（音響、光学、またはその双方）が収集される。撮像部品５０は、撮像放射を送信および／または受信するトランスデューサを収容することができる。エミッタとレシーバは、圧電トランスデューサの場合のように、単一部品であってもよい。

光学撮像の場合において、撮像部品５０は通常、光ファイバの遠位端と、レンズ（例えばボールレンズまたはＧＲＩＮレンズ）などの光学部品の組み合わせとを含む。ビーム伝送および／または収集に用いるためのミラーおよび／またはプリズムを含むこともできる。オプションとして、ＣＣＤアレイなどの光検出器または１以上のＬＥＤなどの光源を、撮像部品に直接組み込むこともできる。これにより、光学撮像プローブ内に１以上の光ファイバを設ける必要がなくなる。

撮像プローブ４４は、長さ方向に沿った１以上の点においてポートを含み、これによりフラッシングを促進することができる。さらに、撮像部品５０、コネクタ４８、および／または撮像導管４６は、アルカリ塩などの液体で満たし、および／または取り囲み、フラッシュすることができる。光学撮像に関するアプリケーションにおいて、撮像プローブ４４はガスで満たすことができる。このガスは、二酸化炭素またはその他の生理的毒性が少ない容易に分解するガスを含む。これに代えて、マルチモーダル光学／音響撮像システムの場合においては、撮像部品５０を区画して、少なくとも１つのガスで満たした区画または光学撮像のための内腔および少なくとも１つの液体を満たした音響撮像のための区画または室を設けることができる。

撮像導管４６は、少なくとも１つの導電ワイヤ（オプションで２以上）を備える。この導電ワイヤは、接続部を介してエミッタおよび／またはレシーバをアダプタに接続する。これは被験者インターフェースモジュール３６である。撮像導管４６は、例えば互いに電気絶縁された２層の電気配線でラップされた光ファイバを備えることもできる。撮像導管４６はさらに、その他の構造物によって強化することもできる。この構造物は例えば、螺旋状にラップされた配線、またはスキャン機構を回転させる撮像トルクケーブルを形成するために用いられるその他の構造物である。これに代えて撮像導管４６は導体を含むことができ、回転機構を近位端から離して配置して撮像部品に回転動作を与えることができる。機構例の１つは、撮像部品の近傍にマイクロモータとスリップリングを含む。

撮像プローブ４４はオプションで、ＥＥＰＲＯＭなどの情報を格納するメモリを備えることができる。この情報は、較正情報、シリアル情報、プローブデザイン情報、所望のフィルタ情報、その他任意のプローブ固有情報を含む。このメモリは、コネクタ４８内に配置することができる。

被験者インターフェースモジュール３６は、ファイバおよび／または配線内の信号を、適当な画像処理部に対して送信させる。撮像機構の構成部品に対して回転動作を与えるモータ駆動部を含むことができる。

被験者インターフェースモジュール３６の一部として、センサを組み込むことができる。このセンサは例えば、撮像プローブ４４内の回転部品の角度または回転を検出し、および／または、撮像プローブ４４の遠位端４１における部品の偏向角度を検出する、位置検出回路である。さらに被験者インターフェースモジュール３６は、増幅器を備え、撮像プローブ４４とシステムの他部との間の電気信号またはパワーの送信を改善することができる。

多くのアプリケーションにおいて、最小侵襲プローブの形状を最適化して、合理的な範囲で可能な限り小さくし、所望目的を達成することが重要である。現在のＩＶＵＳおよびＩＣＥプローブは、直径約０．９〜４ｍｍであり、小さいサイズのプローブは、冠動脈解剖の血管樹内においてより遠くへ到達することができる。血管内径は次第に細くなり、また病変血管は狭窄しているからである。さらに、冠動脈解剖において、小さいプローブ（直径約３．４ｍｍ以下）は、心房中隔を交差して左心房に向かって容易に進行することができる。よって、サイズが小さいと一般に、冠動脈解剖または心臓解剖においてより広い部分を検査することができる。したがって、プローブとその構成部品を最小外径内に収容し、撮像できるようにすることが望ましい。例えば、Ｃｏｕｒｔｎｅｙ等（米国特許公開第２００８０１７７１３８号）が記載しているスキャン機構を用いて実施する撮像を用いる場合である。

図２は、光ファイバ６６と同軸電気ケーブル６８を含むフレキシブルカテーテルの斜視図である。近位コネクタは、光ファイバ接続ジョイント６０を含む。光ファイバ接続ジョイント６０は、被験者インターフェースモジュール３６に接続し、撮像光ファイバ６６を画像処理表示システム４９と光結合することができる。電気コネクタ６２により、１以上の電気導管を超音波回路および／または制御処理部と接続することができる。撮像導管がその長手軸回りで回転するアプリケーションにおいては、撮像光ファイバの回転部品を、相対的に固定され画像処理表示システム４９と接続された光ファイバと連結する必要がある。この連結は、撮像プローブ４８または被験者インターフェースモジュール３６の近位コネクタの一部として組み込まれた光ファイバ回転ジョイントを用いることにより実現することができる。同様に、電気システムの回転部品を、相対的に固定され画像処理表示システム４９と接続された電気部品と連結する機構を設ける必要がある。これは、１以上の電気スリップリングまたはスリップリングチャネルを用いることにより実現することができる。

図２ａは、点線垂直線に沿って取得した、図２に示すカテーテルの中央領域の断面図を示す。この断面図は、予備光ファイバ６６、予備導線５２、撮像導管内腔４７、外部被覆４３、同軸配線６８を示す。外部被覆４３は、中空のフレキシブルな細長シャフトであり、生理的互換性のある材料でできており、中空細長シャフトが生体内腔および空洞内に侵入するのに適した直径を有する。図２ｂの撮像プローブ４４端部の拡大詳細図は、撮像部品５０を示す。撮像部品５０はオプションで、傾斜可能部材５１、外部被覆４３の端部を超えて延伸する予備導線５２の遠位端、被覆４３の端部近傍のフラッシュポート５３を備える。図２において、撮像プローブ４４の近位端は導線５２を挿入する予備導線ポート５６を備え、コネクタ部品４８はフラッシュポート５８とコネクタボディに沿った電気コンタクト６２を備える。予備導線ポート５４は図２ｂに示している。

図３ａ〜図３ｄは、撮像ビームをスキャンするための傾斜可能部材を採用したカテーテルの構成例を示す。図３ａは、求心力によって傾斜可能部材５１の傾斜角の変化を生じさせる撮像プローブ４４の遠位領域の斜視断面図を示す。撮像プローブ４４は、体液と体腔から隔絶するための被覆４３を備え、さらに撮像部品５０内に収容された傾斜可能部材５１を備える。

傾斜可能部材５１は、ピン１０２に取り付けられている。傾斜可能部材５１は、ピン１０２の周囲で自由に旋回する。撮像導管４６と撮像部品５０（図示せず）が長手軸５９回りで低速回転（扇形ハッチング矢印６１によって示す）すると、長手軸５９と傾斜可能部材５１との間の角度αは相対的に小さくなる。図３ａの斜視断面図を図３ｂに示す。図３ｃは、撮像プローブ４４の遠位領域の図３ａと同様の図面を示す。ただし撮像導管４６は図３ａよりも高速に回転（扇形ハッチング矢印６３によって示す）する。求心力により傾斜可能部材５１は傾斜し、カテーテルの長手軸と傾斜可能部材５１との間の角度αは増加する。図３ｄは図３ｃの斜視断面図である。

図３ｅは、動的制御磁界を用いて傾斜可能部材５１の偏向角度を変化させる撮像プローブ４４の遠位領域の斜視断面図を示す。撮像プローブ４４は、体液および体腔からある程度隔絶するための被覆４３を備えることができ、さらに撮像部品５０の一部となる傾斜可能部材５１を備える。傾斜可能部材５１はピン１０２に取り付けられ、その回りで自由に旋回する。傾斜可能部材５１には、磁気部品１０９が取り付けられている。磁気部品１０９は、磁場によって引き寄せられ、または反発する。磁気部品１０９は例えば、強磁性部品または永久磁石部品である。部品１０９の全部または一部が強磁性または磁性基板によって構成されている場合、部品１０９は傾斜可能部材５１の一部として統合することができる。電磁部品１０７は、傾斜可能部材５１から離れた位置に配置することもできる。電磁部品を制御して、磁気部品１０９に対して吸引力または反発力を生成することができる。これを実施しているとき、カテーテルの長手軸５９と傾斜可能部材との間の角度αは、所望のように調整することができる。さらに、電磁部品１０７と磁気部品１０９の位置を交換した同様の撮像プローブ、または電磁石と磁気部品に代えて２つの電磁石を用いる同様の撮像プローブを考えることができる。図３ｅの斜視断面図を図３ｆに示す。

図３ｇは、図３ｅに示す撮像プローブ４４の遠位領域と同様の図を示す。ただし反発シーケンスが電磁石１０７に対して印加され、傾斜可能部材５１との間の角度αが増加している。図３ｈは図３ｇの斜視断面図である。

傾斜可能部材５１は例えば、Ｂスキャン超音波画像を生成するために用いられる超音波トランスデューサである。他の実施形態は、傾斜可能部材上に取り付けられた超音波トランスデューサを含む。

図３ｉは、超音波画像を生成するための電位スキャンパターンを示す。この場合において、傾斜可能部材は超音波撮像トランスデューサ１０１である。撮像導管４６と撮像部品５０は一定速度で回転し、略コーン状の面に沿って画像が生成される。回転速度が変化すると、求心力がカテーテルの長手軸と超音波撮像トランスデューサ１０１との間の角度を変化させ、異なる回転速度における一連の同心撮像コーン１１８が得られる。カテーテルの長手軸と超音波撮像トランスデューサ１０１の法線軸との間の角度は、「撮像角」と呼ぶ。この場合、トランスデューサは比較的小さい撮像角θ１から開始する。これは回転速度が速いことを示す。回転速度が減少すると、撮像角はθ２に増える。

回転がないとき撮像角を安定位置に戻すため、図３ｋに示す復元機構を用いることができる。主可動部材１０１は、機械カプラ１７６を用いて副可動部材１１４に接続され、これにより２つの部材１０１と１１４は同期して動くことができる。全ての部品はシェル１７８内に収容されている。１以上のバネ１８２が、可動部材１０１とシェル１７８との間に接続されている。このバネは例えば、ねじりバネ、線型バネ、または片持ち梁バネである。可動部材１０１と１１４は、それぞれピン１１１と１１３によって回転可能に支持されている。このバネ１８２は、バネ１８２によって提供される復元力に対抗する適当な回転力が存在しないとき、部材１０１を側面視位置へ復元する力を提供する。機械的復元力を追加することに加えて、導電材料でねじりバネを少なくとも部分的に形成することもできる。この導電材料は例えば、ステンレス鋼、ベリリウム銅、銅、銀、チタニウム、金、プラチナ、パラジウム、レニウム、タングステン、ニッケル、コバルト、これら金属その他の金属を１以上含み電気接続を提供するために用いることができる合金を含む。バネ１８２は導体３００と電気的に接続されている。導体３０１は可動部材１０１（図示せず）の反対側と同様に接続している。

これに代えて、復元力と電気的接続をともに提供するバネは、１以上の材料で作成することもできる。１つの材料は導電特性を提供し、他の材料は復元力の機械的特性を提供する。例えばねじりバネは、ニチノールのコアに金の外部層を塗布することにより形成することができる。この外部層は、スパッタリング、めっき、蒸着、電鋳法、電気めっき、電子ビーム技術、その他当分野において既知の手法で塗布される。これに代えて、１以上の材料は、例えばポリマーのような金属でない材料であってもよい。

バネの導電要素は、フォトリソグラフィーおよび関連する技術を用いることにより、ミクロンサイズ（例えば約１００ミクロン×１００ミクロン以下）の断面サイズを有する。コバルトとニッケルコバルトで硬化した金は、所望の機械的特性を有する導電バネに適した材料の例である。バネ表面の一部は、絶縁材料によってカバーすることができる。この絶縁材料は例えば、パリレン、テフロン、ポリイミド、その他の材料である。これに代えて、例えば酸化物を金属または合金の外面に形成してバネの外面を加工することにより、絶縁を設けることもできる。

以下の実施例は、単一電気チャネル上で複数の超音波トランスデューサを組み合わせる超音波装置および方法を提供する。詳細を説明するアプリケーションは、撮像場の３Ｄ画像を正確に再構築するためには撮像角を所与の超音波画像取得イベント、ベクトル、またはピクセルに対して定めなければならない、という事実に関連するものである。上述のように、先の実施形態は最小侵襲撮像に関するアプリケーションに関連し、角度検出は撮像プローブ内の撮像部品内に取り付けられた装置を用いて実施されるものであるが、これらアプリケーションは目的を説明するために提示する非限定的な例示であり、本開示の実施形態の範囲を限定することを意図したものではないことが分かる。

図４を参照すると、ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ法を用いて傾斜可能部材の角度変化を検出する超音波角度検出装置が示されている。角度検出トランスデューサ１００は、傾斜可能部材１０１の初期位置に対して固定位置に配置されている。傾斜可能部材１０１は、音響透過媒体に対して少なくとも部分的に音響反射性の材料を含む。角度検出トランスデューサ１００は、超音波ビーム１１０を傾斜可能部材１０１に向けて送信する。ビームが傾斜可能部材１０１に到達すると、ビームの一部は角度検出トランスデューサ１００に向かって反射される。音響反射基板は、入射超音波ビームの成分を拡散的に反射または散乱させるように構成することができる。これについては以下に詳述する。

傾斜可能部材１０１は、それ自身が音響反射性であるか、または音響反射基板の例えば１以上の背面に取り付けられていてもよい。上述のように、音響反射が拡散的となって広範な傾斜角にわたって反射超音波ビームを検出することができるようにしてもよいし、反射超音波ビームは表面反射、容積反射、またはこれらの組み合わせによって生じさせてもよい。１実施例において、傾斜可能部材１０１は撮像トランスデューサを備える。この撮像トランスデューサは、角度検出トランスデューサ１００から離れる方向に音響ビーム１２０を送信する。角度検出機構が傾斜可能部材の背面のみを用いる必要はない。角度検出機構を方向づけおよび／または配置して、傾斜可能部材の任意の側部または表面を用い、特定の実施形態に最も適するようにすることができる。

図４ａと図４ｂは、傾斜可能部材１０１の２つの異なる角度位置を示す。傾斜可能部材１０１は回転軸１０２の回りで回転することができる。１実施例において回転軸は、傾斜可能部材が回転する回転軸に沿って整列された１以上のピンまたはヒンジを用いて実装されている。図４ａにおいて、傾斜可能部材１０１と角度検出トランスデューサ１００との間の間隔は、図４ｂよりも大きい。この間隔距離により、角度検出ビーム１１０は図４ｂにおいて図４ａよりも伝搬時間が短い。

傾斜角は、ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔとトランスデューサおよび傾斜部材の形状構成についての知識から計算することができる。この形状構成には、空間および動作範囲の相対位置、および音響経路における音速が含まれる。角度検出トランスデューサの音響ビームは、水やアルカリ塩などの媒体を介して伝搬し、音速は約１４５０〜１６００ｍ／ｓである。

例えば、ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔの差に基づき角度を判定する場合、初期化フェーズ期間中、既知の角度位置および既知の推定ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔにおいて、ベースライン信号をキャプチャする。このベースライン信号を、異なる位置において受信した信号に対する比較基準として用い、上述の技術を用いて傾斜角を推定することができる。

これに代えて傾斜角は、既知の角度偏向において実施した較正測定に基づき実験的に判定することができる。較正測定を用いて、例えば図４ｅのような較正曲線を生成することができる。この較正データは、上述のように撮像プローブ内に配置されたＥＥＰＲＯＭ内に格納することができる。

図４ｃと図４ｄは、図４ａと図４ｂそれぞれの角度シナリオにおいて検出した信号を表すタイミング図である。これら例において、時刻（ｔ）＝０でパルス５００がトランスデューサ１００から送信され、受信パルスは後の時刻において強度が減少して検出される。図４ａの傾斜可能部材１０１から反射した信号に対応する受信パルス５０２は、図４ｂの傾斜可能部材１０１から反射した信号に対応する反射パルス５０４よりも大きな時間遅延を有する。また、音響波は媒体を介して伝搬するので、部分的に減衰する。この減衰は周波数に依拠し、低周波数エネルギー成分よりも大きく減衰する高周波数エネルギー成分を有する。この結果、受信パルス間の遅延が変化するのみならず、受信パルス５０４のスペクトル成分も変化する。本実施形態において、スペクトル成分の変化は、傾斜角にも関連し得る。

上記方法を用いて判定する傾斜角は、図３ｊに示すように制御システムにおけるフィードバックのために用いることができる。所望角度１９４と測定角度１９２（上記方法を用いて判定する）は、コントローラ１９６に対する入力として提供され、コントローラ１９６の出力は角度制御機構１９０に提供される。当該分野において知られている様々な制御手法およびアルゴリズムを用いることができる。例えばＰＩＤやファジー論理制御が含まれるが、これらに限られるものではない。

他の実施例においては、傾斜可能部材を用いて、撮像プローブ内に収容された撮像超音波トランスデューサからの超音波放射ビームを方向づける。超音波撮像トランスデューサと角度検出トランスデューサは、励起および検出のための共通チャネルと電気的に接続されている。超音波撮像トランスデューサは、傾斜可能部材１０１を形成し、またはこれに代えて傾斜可能部材１０１に取り付け、または傾斜可能部材１０１に対して固定し、これにより撮像ビームが傾斜可能部材１０１によって反射し、散乱し、および／または回折するようにすることができる（以下の実施形態で示すように）。

両トランスデューサを共通電気チャネルに接続することにより、簡易で、信頼性があり、コスト効果が高く、省スペースなシステムを実現することができる。さらに、共通電気チャネルを使用できることにより、必要な電気接続の数を最小化することができる。例えば、傾斜可能部材１０１に取り付けられまたは傾斜可能部材１０１として組み込まれた超音波撮像トランスデューサに対する電気接続が、撮像部品５０のハウジングから傾斜可能部材への配線または導体バネである場合、この配線またはバネは傾斜可能部材がどの程度容易に傾斜することができるかについて機械的に影響を及ぼす。傾斜可能部材１０１と撮像部品５０の他部との間の配線またはバネの数を最小化することが望ましい。

撮像トランスデューサと角度検出トランスデューサ双方について共通電気チャネルを用いると、傾斜可能部材への導体の数が少なくなり、撮像プローブの設計および／または性能がより柔軟になる。同様に、共通電気チャネルを用いると、被験者インターフェースモジュール３６が対応する必要があるチャネル数を少なくすることができる（被験者インターフェースモジュールは、撮像プローブの回転部分と画像処理表示システム４９の非回転部分との間の電気信号を連結する、スリップリングなどの構成要素を含む）。同様に、共通電気チャネルを用いると、画像処理表示システム４９内のＡＤコンバータの数を少なくし、またはその他信号処理部品の複雑度の数を少なくすることができる。

また、共通電気チャネルは、撮像導管のサイズ、構成、および／または導体の数を最適化するのに役立つ。これにより、撮像導管４６の機械的特性を改善できる可能性がある。例えば、撮像導管の柔軟性を増す、非均一回転歪みの量を少なくする、撮像導管４６の必要サイズを小さくする、撮像プローブ４４内に追加要素を設ける空間を提供する、などである。

２以上の超音波トランスデューサを共通電気チャネルに接続することに関する本実施形態は、１つの撮像トランスデューサと１つの角度検出トランスデューサを用いるアプリケーションに限定することを意図するものではないことを理解されたい。以下にさらに説明するように、超音波プローブの細長ボディ内の複数の超音波トランスデューサの共通電気接続は、広範なアプリケーションにおいて実装することができ、撮像と角度検出は例示に過ぎず非限定的な実施形態である。

図５ａと図５ｂは、撮像導管４６内で撮像プローブ４４内の撮像トランスデューサ１０５および第２トランスデューサ（例えば角度検出トランスデューサ１００）双方のソースとして単一の電気チャネルを採用した２つの実施例を示す概略図を提供する。

図５ａは、同軸ケーブル３０２の遠位端を示す。第１および第２導体パス３００と３０１は、超音波撮像トランスデューサ１０５と超音波角度検出トランスデューサ１００に並列接続されている。最小侵襲撮像手順のため、電気ケーブル３０２は、直径約１０００ミクロン以下または５００ミクロン以下の、マイクロ同軸ケーブルまたはマイクロより対線である。励起パルスは、信号線３０１に沿って両超音波トランスデューサに対して送信される。第２接続は第２配線３００によって提供され、これはオプションとしてグラウンド接続である。チャネルの導体パスは、信号（＋）とグラウンド（ＧＮＤ）の符号を付与したパスであり、これらは交換することもできる。両トランスデューサは側面図で示している。

撮像トランスデューサ１０５は、角度検出トランスデューサ１００よりもサイズが大きくてもよい。撮像トランスデューサ１０５は、角度検出トランスデューサ１００よりも中心周波数が小さくてもよい。１実装例において、撮像トランスデューサ１０５の中心周波数は５〜６０ＭＨｚの範囲内にあり、角度検出トランスデューサ１００の中心周波数は２５〜１００ＭＨｚの範囲内にある。他実施例において、両トランスデューサの中心周波数は、少なくとも約２．５倍異なる。１実施形態において、この倍数は約２．５〜３の間である。非限定的な特定の１実施例において、一方のトランスデューサは中心周波数１５ＭＨｚであり、他方のトランスデューサは中心周波数４０ＭＨｚである。

撮像トランスデューサ１０５は一般に、圧電材料３１９、典型的にはＰＺＴ−５Ｈによって構成されているが、その他の圧電セラミックス、複合デザイン、単一水晶デザイン、ニオブ酸リチウム、ＰＶＤＦ、その他超音波トランスデューサを製造するために知られているさまざまな材料を含むこともできる。このトランスデューサはｃＭＵＴトランスデューサとｐＭＵＴトランスデューサを含む。圧電素子は両面３１８と３２０を導体層でコートされている。この導体層は例えば、金その他導電率が高い材料の薄層である。圧電層３１９の片面上にバッキング層３２１を設けて、不要な音響信号がトランスデューサの背面を通過することを抑制することもできる。バッキング層３２１は、導体であってもよい。以下に説明するように、これにより角度検出トランスデューサ１００との電気接続を簡易化できるからである。バッキング層３２１全体および／またはバッキング層３１０が導体ではない別実施形態において、信号線３０１、導体層３２０、導体層３１１の間の適当な電気接続を、バッキング層３２１および／またはバッキング層３１０内に形成された導体チャネルを介してまたは導体領域を接続する導線を介して提供することができる。信号導線３０１は、例えば導体バッキング層３２１を介して導体層３２０と電気的に接続されている。これに代えて、信号導線３０１と導体層３２０との間のその他の導体パスを用いることもできる。図５ａの実施例において、信号導線３０１への電気接続を共有する全領域は、”＋”符号を付与している。トランスデューサバッキング層３２１の一端において、電気絶縁バリア３３１がトランスデューサに接着されている。バッキング層３２１と反対側の圧電材料３１８の表面上において、導電音響インピーダンス整合材料３１７の薄層が接着されている。

導電薄層３１６は、絶縁バリア３３１に隣接して接着されている。グラウンド接続３００は、この層と電気的に接続されている。グラウンド接続導線３００への電気接続を共有する全領域は、”ＧＮＤ”符号を付与している。撮像トランスデューサから出射された音響ビームは、トランスデューサ表面の法線方向の軸３９２に沿って方向づけられる。

撮像トランスデューサ１０５のデザインと同様に、角度検出トランスデューサ１００は、圧電材料３１２、典型的にはＰＺＴ−５Ｈによって構成されているが、複合デザイン、単一水晶デザイン、ニオブ酸リチウム、ＰＶＤＦ、その他当該分野において知られている様々な材料を含むこともできる。圧電層３１２は、両面３１１と３１２を、通常は金の導体薄層でコートされている。圧電層３１２の片面上にはバッキング層３１０が設けられ、トランスデューサの背面を通過する不要な音響信号を抑制する。バッキング層３１０は導体であり、バッキング層３２１と電気的に接続されている。トランスデューサバッキング構造の一端において、絶縁薄層バリア３３０がトランスデューサに接着されている。バッキング層３１０とは反対側の圧電材料３１２の表面上には、導体音響インピーダンス整合材料３１４の薄層が接着されている。導体薄層３１５は、絶縁バリア３３０に隣接して接着されている。角度検出トランスデューサ１００から出射された音響ビームは、トランスデューサ表面の法線方向の軸３９４に沿って方向づけられる。これに代えて、バッキング層３１０を省略し、導体層３１１をバッキング層３２１に直接接着することもできる。この場合、２つのトランスデューサはバッキング層３２１を共有し、不要な音響信号を抑制する。

トランスデューサが単一構造を形成する実施形態においてトランスデューサが電気接続を共有するためには、各トランスデューサの導体グラウンドチャネル３１５と３１６が直接的に電気接続し、絶縁バリア３３０と３３１が連続し、両トランスデューサのバッキング層３１０と３２１が導体でありかつ互いに直接接続するように、取り付けまたは接着する必要がある。各トランスデューサの導電信号領域とグラウンド領域との間の電気抵抗を高くして、適切な接続を維持すべきである。

図５ａに示す実施形態は、２つの超音波トランスデューサが単一の電気チャネルを共有して単一構造を形成することができる実施形態の例であることを理解されたい。他実施形態において、各トランスデューサの圧電素子３１２と３１９の反対側への導体パスが提供される場合、１以上のバッキング層は導体でなくともよい。導体パスは、配線、金属、導電エポキシ、その他当該分野において知られている材料を用いて形成することができる。このパスは、レイヤリング、ボンディング、はんだ付け、スパッタリング、ワイヤボンディングなどのプロセスを用いて形成することができるが、これに限るものではない。

音響整合層３１４と３１７は、音響電気カップリングの効率を改善することができるが、１以上のトランスデューサにとって必ずしも必要ではない。別実施形態においては、１以上のトランスデューサにおいて複数の整合層を用いることができる。また、絶縁バリア３３０と３３１は、信号とグラウンド経路を互いに絶縁する実施例を提供するが、図５ａよりも複雑な構成を取ることができ、固体材料に代えて絶縁ガスまたは液体によって形成された空洞またはギャップを備えることができる。また、２つのトランスデューサの各側部の信号とグラウンドの指定は任意であり、置換構成と接続することができる。

図５ｂは、角度検出トランスデューサ１００と撮像トランスデューサ１０５との間で単一の電気接続を共有し、２つのトランスデューサが単一構造を形成しない実施形態を示す。例えば、トランスデューサは図５ａで説明したものと同様の手法で製造することができるが、互いに接着されていない。代わりに、同軸ケーブル３０２からの信号接続３０１とグラウンド接続３００は、角度検出トランスデューサ１００と撮像トランスデューサ１０５の圧電素子３１３と３１９の反対側と電気的に接続されている。図５ｂに示す例において、信号導線３０１への電気接続を共有する全領域は、”＋”符号を付与している。同様にグラウンド接続３００は、角度検出トランスデューサ１００上の導体パス３１５および撮像トランスデューサ１０５上の導体パス３１６の双方と電気的に接続されている。グラウンド導線３００への電気接続を共有する全領域は、図５ｂにおいて”ＧＮＤ”符号を付与している。１実施例において、各超音波トランスデューサは実質的に異なる中心周波数で動作する。

実施形態によっては、複数トランスデューサ撮像プローブが提供される。撮像プローブは、共通電気チャネルに接続された２以上の超音波撮像トランスデューサを収容する。各トランスデューサは、スペクトル的に固有であり他のトランスデューサと重なっていない固有スペクトル応答を示すように選択することができる。上述のように、電気フィルタを用いて超音波トランスデューサ間でスペクトル分離を提供することができる。

撮像トランスデューサは、各超音波撮像ビームを固有方向へ方向づけるように配置し、これにより複数角度を同時に撮像することができる。複数の超音波トランスデューサが固有かつ個別の電気チャネルによって位相関係の下で駆動されるフェーズドアレイ撮像とは異なり、本実施形態は、各トランスデューサを励起する信号が多重化される単一電気チャネルを用いて、複数トランスデューサ、複数角度、および／または複数周波数撮像を可能にする。

１実施例において、２以上の撮像トランスデューサは、超音波撮像ビームを実質的に共通の方向に向けるように配向することができる。これは例えば、複数音響スペクトルウインドウ内で同時撮像するのに有用である。他実施形態において、以下に示すように、３以上のトランスデューサを用いて、図５ｃと図５ｄに示すものと同様の単一構造を形成することができる。この複数トランスデューサは、互いに対して任意の角度に向けることができる。

図５ｃと図５ｄは、撮像プローブがそれぞれ相対角度１８０°と９０°を向いた２つの撮像トランスデューサを収容する２つの実施例を示す。トランスデューサ３９９と３９７は、共通同軸導体３０２（共通グラウンド配線３００と共通信号線３０１を備える）を介して電気的に接続され、被覆４３内に収容されている。トランスデューサ３９７と３９９の適当な導体層への接続は、例えば図５ａに示すように形成することができる。単一構造内の導体パスは、導体パス３００と３０１が単一構造の共通側に接続されるように構成し、あるいは単一構造内の電気接続がトランスデューサ３９７と３９９への適当な導体パスを提供するように様々構成できることを付言しておく。他実装例において、トランスデューサの導体層への接続は、上述のように、ワイヤ、金属、導体エポキシ、その他当該分野において知られている材料を用いて形成することができ、パスは例えばレイヤリング、ボンディング、はんだ付け、スパッタリング、ワイヤボンディングなどのプロセスを用いて形成することができるが、これに限られるものではない。

図５ｃは、側面視撮像のために構成された被覆４３内に収容されているカテーテルを示す。超音波トランスデューサ３９７と３９９を結合することにより形成された単一構造を有する。トランスデューサ３９７と３９９は、それぞれ同一直線状にないビーム３９３と３９５を、カテーテルの長手軸に対する側面視方向に送信する。遠位撮像部品が完全に回転すると、両トランスデューサは同じ組織領域を撮像する。この構成は、組織の同じ領域を２つの異なる周波数で撮像することが望まれる状況において有用である。例えばより深い位置のための低周波数と高解像度を得るための高周波数である。この実施形態はビーム３９３と３９５が同一直線状にないものを示しているが、他の有用な実施形態においては反平行ビームが含まれ、同一直線状にないことは必ずしも必要でない。

同様に図５ｄは、超音波撮像トランスデューサ３９７と３９９がともに側面視方向を向いている実装例を示す。トランスデューサ開口の中心はプローブ長手軸に沿った略同一位置に配置され、実質的に直交するビームが送信される。遠位撮像部品が完全に回転すると、両トランスデューサは組織の同一領域を撮像する。

図５ｃと図５ｄは、２つのトランスデューサを収容する撮像プローブの２つの非限定的実施形態を提供する。このトランスデューサは、共通電気チャネルを介して電気的に処理することができる。関連する多くの実施形態およびデザイン変形が可能である。例えば、出射撮像ビームを方向づける傾斜可能、回転可能、可動素子に関する本開示の任意の実施形態を調整して、本実施形態に基づき第２撮像トランスデューサを備えるようにすることができる。この第２撮像トランスデューサは、第１撮像トランスデューサと物理的に接触する必要はない。

実施形態によっては、第２撮像トランスデューサは、第１撮像トランスデューサから離れた視野を有するように配置または配向することができる。これに代えて第１および第２撮像トランスデューサは、重なる視野を有し、複合視野を生成してもよい。この場合、一方のトランスデューサからの信号を用いて複合視野の一部分についての超音波データを提供し、第２トランスデューサからの信号を用いて複合視野の別部分についての超音波データを提供することができる。１以上のトランスデューサそれぞれからの超音波データは、複数の目的に用いることができる。これには、撮像、組織特徴付け、撮像プローブ外の機材検出、撮像プローブ内の部品移動の検出が含まれる。

例えば、図５ｃと図５ｄに示す実施形態において、第１中心周波数を有するトランスデューサを用いて複合視野内のより遠い領域を撮像し、第１トランスデューサよりも小さい中心周波数を有する第２トランスデューサを用いて撮像カテーテルにより近い領域における高解像度撮像データを提供することができる。また、この実施形態はオプションで、第１および／または第２撮像トランスデューサから出射された超音波撮像ビームの方向を検出する１以上の角度検出超音波トランスデューサを備えることができる。この角度検出トランスデューサは、共通電気チャネルに接続されている。

図５ｅは、撮像トランスデューサ３８７が、撮像プローブの長手軸に対して傾斜した角度で第２トランスデューサ３９７を取り付けることができる形状を含むように整形されたシナリオを示す。遠位撮像部品が回転すると、トランスデューサ３８７は組織の概ね側面視領域を撮像し、トランスデューサ３９７は組織の部分的な前方視円錐領域を撮像する。

図５ｆは、複数共線撮像ビームが望まれる状況に適した単一チャネル上で駆動される複数超音波トランスデューサの単一構造の構成を示す。図示する実施形態において、トランスデューサ３９７からの高周波数ビーム３９２と並行に、低周波数ビーム３８９がトランスデューサ３９１から送信される。トランスデューサ３９７は、対応するエコーを受信する。

図５ｆに示す実施形態は、２次超音波音場（ＳＵＲＦ）のために採用することができる。ＳＵＲＦ撮像は、同時に送信される２つの固有周波数バンドにおいて音響エネルギーを用いる。１つの周波数バンドのエネルギーは一般に低周波数（中心周波数０．５〜１０ＭＨｚ）であり、変調または操作パルスに用いられる。高周波バンドのエネルギーは一般に、低周波バンドの中心周波数よりも約７〜１０倍高いところに中心がある。高周波エネルギーバンドは、変調または操作パルスとして、異なる変調圧力下の組織を撮像するために用いられる。したがって、図５ｆを参照して、超音波トランスデューサ３９７を用いて高周波撮像ビームを提供し、より大きい超音波トランスデューサ３９１を用いて撮像ビームに平行かつ実質的に同一線上にあるＳＵＲＦ超音波ビームを生成することができる。この技術は２つの別の電気チャネルを有する２つの別の超音波トランスデューサを用いて実施しているが、本実施形態を実施して単一電気チャネルを用いるＳＵＲＦ撮像を実現することができる。

同じ単一構造上に、単一電気チャネルによって接続された２以上の撮像トランスデューサを設けることが望ましい。図５ｇは、異なる中心周波数によって特徴づけられる３つの超音波トランスデューサを備える構成を示す。この実施形態のアプリケーション例は、ＳＵＲＦ撮像である。低周波数操作ビーム３８９がトランスデューサ３９１から送信され、撮像する組織を変調するために用いられる。高周波数撮像ビーム３９２は、トランスデューサ３９７から変調ビーム３８９と同一線上の方向に出射される。トランスデューサ３７９は、反平行であり実施形態によっては同一線上にないビーム３８１を生成する位置に配置されている。ビーム３８１の周波数を、撮像ビーム３９２よりも高いものから選択し、高解像度撮像を提供することができる。周波数セットの適当な例は、変調ビーム３８９は３ＭＨｚ、ＳＵＲＦ撮像ビーム３９２は２５ＭＨｚ、高周波撮像ビーム３８１は６０ＭＨｚである。

複数周波数トランスデューサを他の撮像機器と組み合わせることが望ましい。機器の候補としては、ファイバ互換光撮像機器が挙げられる。これは、断層映像法、蛍光撮像、光音響撮像、血管内視鏡、ラマン分光計、その他当該分野において知られている光機器を含む。図５ｈは、以下の３要素を有する単一構造の１構成例を示す：（１）第１中心周波数を有する超音波トランスデューサ３９９、（２）第１中心周波数とは異なる第２中心周波数を有する第２超音波トランスデューサ、両超音波トランスデューサは共通電気チャネルに接続される、（３）光撮像ビーム３８５を生成するように構成された光撮像システム３８３。図示する実施例において、第２超音波トランスデューサ３９７は、穴と光ビームダイレクタを含み、光撮像ビーム３８５が実質的に第２超音波撮像ビーム３９５と同一線上となるようにする。

図５に示す撮像トランスデューサは平坦トランスデューサとして示しているが、１以上のトランスデューサはビーム集束できるように曲がっていてもよい。多くのアプリケーションにおいて、所望深さにおける方位分解能を改善するため、集束超音波ビームを提供することは有用である。撮像部品に近い関心領域において高周波超音波ビームを集束すること、および撮像部品から遠い関心領域において低周波超音波ビームを集束することが特に望ましい。これにより、複数の深さにおいて方位分解能の高解像度画像を可能にし、被写界深度を効果的に改善することができる。この場合、最高の方位分解能は、撮像プローブの近くで実現される。これは、断面ＣＴＯ、不安定プラーク検出（ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅ ｐｌａｑｕｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）、中隔横断穿刺（ｔｒａｎｓｓｅｐｔａｌ ｐｕｎｃｔｕｒｅ）などのような撮像手順または画像ガイド手順において望まれるものである。集束トランスデューサを示す実施形態を図５ｉに示す。第１低周波トランスデューサ３７３は曲がっており、深さ３７５において音響ビーム３７４を集束する。第２高周波トランスデューサ３７６は、音響ビーム３７７を深さ３７８において集束する。これは深さ３７５よりも撮像トランスデューサに近い。超音波トランスデューサ上の集束を実現する複数の方法がある。これは、音響レンズを用いる方法、機械押圧、曲面整合、ＰＶＤＦや曲面に整形することができる複合材料などのフレキシブル圧電素子を用いる方法、を含む。

上述のように、実施例によっては、励起パルスと検出信号は、共通電気チャネル上の両トランスデューサとの間で個別に送受信され、各トランスデューサからの検出信号は分離または逆多重化されて画像処理および／または角度判定に供される。本実施形態の範囲から外れることなくこれを実現することができる多くの技術が存在する。撮像信号情報と角度検出信号情報の周波数スペクトルを分離する技術を選択することができる。

両検出信号を逆多重化する１実施形態を図６に示す。両トランスデューサの中心周波数は、各トランスデューサスペクトル帯域幅３９６と３９８との間の重なりが実質的にごく僅かまたは全くないように選択されている。周波数スペクトルの観点においてトランスデューサが適切に離隔されている場合、一方のトランスデューサからの信号は他方からの信号に干渉しない。すなわち、撮像トランスデューサ１０５と角度検出トランスデューサ１００に関する実施形態の観点において、撮像トランスデューサ１０５に送信される撮像パルスは、角度検出トランスデューサ１００からの過大な音響応答を生じさせない。

超音波におけるスペクトル帯域の共通定義は、超音波トランスデューサによって生成されまたは検出された音響または電気信号の周波数ドメイン表記のピーク振幅を囲む周波数範囲に基づいている。１実施形態において、スペクトル帯域は少なくとも６ｄＢ帯域である。例えば、６ｄＢスペクトル帯域は通常、ピーク振幅の周波数を囲む周波数範囲を指している。その周波数範囲を交差する信号の振幅は、ピーク振幅６ｄＢの範囲内である。２０ｄＢと４０ｄＢのスペクトル帯域幅もよく用いられる。

撮像トランスデューサ１０５の周波数スペクトル３９６の例と角度検出トランスデューサ１００の周波数スペクトル３９８の例を、図６においてプロットしている。両トランスデューサの６ｄＢポイントはｘ軸を交差している。同様に、角度検出トランスデューサ１００に送信される角度検出パルスは、撮像トランスデューサ１０５からの過大な音響応答を生じさせない。

２つのトランスデューサの周波数は、トランスデューサ中心周波数の高調波を回避するように選択することができる。一般に、トランスデューサの中心周波数を互いに整数倍にすることを回避して非線形エコーからの高調波によって生じる混信を回避することは、利点がある。これは特に、マイクロバブル撮像技術を用いる場合において当てはまる。これら技術は、組織と造影剤を分離するに際して高調波に依拠しているからである。高周波トランスデューサは、より大きい絶対帯域幅を有し、これにより増加する高周波数における距離分解能の利点を得るように構成することができる。

状況によっては、撮像励起パルスは撮像トランスデューサの帯域幅と比較して過大に広い帯域幅を有する場合がある。これにより送信パルスがスペクトル的に両トランスデューサの帯域と重なる可能性がある。これは、アナログまたはデジタルフィルタリング技術を用いて各トランスデューサが受信する励起パルスの有効帯域を分離することにより、緩和することができる。

１実施形態において、このようなフィルタリング方式は、図７に示す受動素子を用いて実装することができる。フィルタ３８０は、抵抗部品、誘導部品、および／または容量部品などの電気部品の組み合わせにより生成することができ、これを用いて撮像パルスが角度検出トランスデューサ１００を励起することをスペクトル的に抑制する。フィルタ３９０は、電気部品の組み合わせにより生成することができ、角度検出パルスが撮像トランスデューサ１０５を励起することをスペクトル的に抑制する。これに代えて、より狭帯域の励起パルスを、撮像、角度検出、またはその双方に用いることもできる。

図６に示すように両トランスデューサがスペクトル的に分離されている他実施例において、両トランスデューサのスペクトル帯域幅と重なる広帯域励起パルスまたは波形を提供することができる。あるいは励起波形は、一方のトランスデューサの帯域幅内の第１スペクトル成分と、他方のトランスデューサの帯域幅内の第２スペクトル成分とを含むことができる。

検出信号は、スペクトルフィルタリング技術を用いて周波数ドメインにおいて逆多重化され、各トランスデューサから検出した信号を個々に分離する。検出信号のスペクトルフィルタリングは、アナログフィルタリング、デジタルフィルタリング、またはその双方を用いて実装することができる。例えば、単一電気チャネルからの信号は、アナログフィルタを用いて２つの個別の受信チャネルへ分離することができる。これは、画像処理表示システム４９内の２つの個別のＡＤコンバータに接続することができる。これに代えて、単一のＡＤコンバータを用いて、デジタルスペクトルフィルタリングを、受信信号のデジタルサンプリングしたものに対して実施することもできる。この場合、デジタル処理ハードウェアまたはソフトウェアを用いて、撮像データと角度検出データを分離する。

図８は、傾斜可能部材１５０が撮像トランスデューサ１０５から入射する放射を反射するように構成されている実施形態を示す。傾斜可能部材１５０の角度偏向は、ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ法を用いて検出される。この場合撮像トランスデューサ１０５は、固定位置に取り付けられ、傾斜可能部材１５０に向かっている。

図示するように、別の撮像トランスデューサまたは撮像放射源１０３を、撮像トランスデューサ１０５に空けた穴に隣接し、これに取り付け、またはこれを通過するように、取り付けることができる。これについては、米国特許公開第２００８０１７７１８３号に記載されている。例えば、撮像光源／レシーバ１０３を超音波撮像トランスデューサ１０５に取り付け、撮像プローブ内で第２撮像機器を提供することができる。反射傾斜可能部材１５０の前面が反射器１５３の背面と同一であることは、必ずしも必要ではないことを理解されたい。前面１５１は、光学的および／または音響的に高反射性であるという制約があり、背面１５３は拡散音響反射器および／または散乱器であることが望ましい。

図８ａと図８ｂは、傾斜可能部材１５０を２つの異なる角度で示す共通実施形態を示す。傾斜可能部材１５０は、回転軸１５２へ回転可能に取り付けられている。角度検出トランスデューサ１００は、回転軸１５２に対して固定位置に配置されている。撮像トランスデューサ１０５は音響ビーム１２０を送信し、撮像光源１０３は光ビーム１３０を送信する。音響ビーム１２０と光ビーム１３０ともに、前面１５１に向かう方向に送信される。角度検出トランスデューサ１００は、音響ビーム１１０を傾斜可能部材１５０の背面１５３に向けて送信し、ビームの一部は角度検出トランスデューサ１００に向かって反射される。これは入射超音波角度検出ビームの拡散反射によって実現される。

図８ａにおいて、傾斜可能部材１５０は図８ｂと比較して、ビーム１１０の経路に沿って角度検出トランスデューサ１００から相対的に離れている。これにより角度検出ビーム１１０は、図８ｂにおいて図８ａよりも短いｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔを有する。傾斜角は、図４を参照して説明したものと同様に計算することができる。タイミング図をそれぞれの角度シナリオについて示す。ｔ＝０において高振幅でパルスが送信され、後の時刻において通常は振幅が減少して受信される。図８ｅは、時間遅延またはｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ ｖｓ．撮像角のサンプルプロットを示す。図８ｃと図８ｄは、図８ａと図８ｂの角度シナリオそれぞれのタイミング図である。図８ａの信号に対応する受信パルス５０２は、図８ｂの信号に対応する受信パルス５０４よりもはるかに大きい時間遅延を有する。

図９ａ〜図９ｅは、超音波撮像トランスデューサ１０５などの傾斜可能部材の角度変化がｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ法を用いて検出される実施形態を示す。この実施形態は、図７と類似しているが、超音波撮像トランスデューサ１０５が回転軸上に取り付けられておらず、代わりに変形可能部材１１２上に取り付けられている点が異なる。変形可能部材１１２の変形は、傾斜可能部材の傾斜に対応する。

図１０ａ〜図１０ｅは、傾斜可能部材１０１（撮像トランスデューサとして示している）の角度変化が信号強度法を用いて検出される実施形態を示す。この方法は、拡散的に散乱した超音波放射の強度と傾斜角との間の関係に基づいている。図１０ａに示すように角度検出ビーム１１０が傾斜可能部材１０１に対して完全に法線方向であるとき、反射信号は最も強い。図１０ｃと図１０ｄに示すように、傾斜角が法線方向から変化すると、受信信号強度は弱くなる（符号５０４ｖｓ．符号５０２）。図１０ｅの較正曲線例に示すように、受信信号強度または電圧の減少を用いて、傾斜角を推定することができる。

図１０ｃと図１０ｄは、図１０ａと図１０ｂの角度シナリオそれぞれについてのタイミング図である。撮像トランスデューサ１０１が角度検出ビーム１１０の法線方向から移動すると、若干異なる深さからの反射に起因して、信号が時間的に広がることを付言しておく。この効果は、図１０ｄに示している。したがって、選択した実施形態において、この相対的時間拡大を用いて、偏向角に関するフィードバックを提供することができる。この実施形態を用いて、強度測定を介して得られる偏向精度を確認および／または改善することができる。

実施形態によっては、図１０に示すような強度減少により、大きな偏向角において、角度検出の感度が阻害される。完全反射器からの受信信号の強度は、角度検出ビーム１１０の法線から僅かな角度ずれただけでも、非常に高速に低下する。これにより信号を検出することが非常に難しくなり、拡散反射器の性能が向上する。これを克服するアプローチはいくつかある。

鏡面反射器と拡散反射器の違いを図１１ａ〜図１１ｄに示す。図１１ａは、角度検出トランスデューサ１００から角度検出ビーム１１０を受信する鏡面反射傾斜可能部材１７０を示す。ビームは鏡面反射器１７０で反射され、反射ビーム１１３は角度検出トランスデューサと合致しない経路の方向に向けられる。その結果、以下の図１１ｃのタイミング図に示すように、パルスは受信されない。

図１１ｂは、入射ビーム１１０が拡散反射器によって反射する実施形態を示す。ビーム１１７の一部は図１１ａと同様の態様で方向づけることができるが、ビーム１１５の大部分は散乱し、広範な角度にわたって拡散的に反射する。このビームの一部は入射ビーム１１０と同一線上にあり、よってｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ法を実施することができる（図１１ｄにおいて反射パルスが存在していることが示すように）。

実質的な鏡面反射器からの信号減少を補助することができるその他の構成は、複数の角度検出トランスデューサを用いることである。この実施形態を図１２ａ〜図１２ｄに示す。２つの角度検出トランスデューサ１００、１２６は、回転軸１０２に取り付けられた傾斜可能部材１０１に向いている。角度検出トランスデューサ１００、１２６はそれぞれ、音響ビーム１１０、１２７を生成する。

先の実施形態の３つのトランスデューサは全て、単一電気チャネル（例えば、図１の被験者インターフェースモジュール３６に接続されている）によって駆動することができる。同じ周波数範囲内にある場合、角度検出トランスデューサ１００、１２６からの受信信号は重なる。これは、トランスデューサ位置についての事前知識によるか、または傾斜可能部材が傾斜することができる角度範囲を限定することにより、分離することができる。

２つの受信パルス間のｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ差により計算される距離は、この場合における傾斜角情報を提供する。例えば、２つの角度検出トランスデューサ１００、１２６が互いに９０°に配置され、１つのビームが長手軸に平行であり、回転軸１０２および回転軸１０２の反対側から等距離にあり、平坦面を有する傾斜可能部材１０１の同じ側にある場合、両トランスデューサからの反射パルスの時間差は、長手軸からの傾斜角が４５°のとき最小になる（図１２ｃと図１２ｄに示すように）。傾斜角が４５°から離れると、２つのトランスデューサ間の受信信号間の時間は、図１２ｄにおいてそれぞれ角度検出トランスデューサ１００、１２６からの受信パルス５１０、５１２で示すように増加する。

角度検出トランスデューサ１００と１２６は、実質的に重ならないスペクトル帯域幅を有し、これにより個々の検出信号を周波数ドメイン成分に基づき分離できるものを選択することができる。これに代えて、角度検出トランスデューサの１つは、傾斜可能部材１０１から他の部品よりもさらに遠くに配置し、これにより各角度検出トランスデューサからの時間遅延が他の角度検出トランスデューサによって検出される時間遅延とは異なるようにすることができる。

これに代えて、傾斜可能部材の傾斜の予定している方向および／または角度を用いて、単一電気チャネルに沿った検出信号のどの部分が２以上の角度検出トランスデューサのいずれに対応するかを、アルゴリズム的に判定することができる。例えば、撮像プローブ内に収容された回転導管の回転速度に依拠する角度方向を有する可動部材を備えた撮像プローブの実装例において、撮像プローブ４４の長手軸に沿った撮像部品５０の回転速度が増加すると、より前方視方向へ傾斜可能部材が傾斜することが予想される。したがって、傾斜方向の期待値についての知識を用いて、受信信号内のいずれのピークが角度検出トランスデューサのいずれに対応するかを識別することができる。同様に、撮像部品の瞬間回転速度についての知識は特定範囲の傾斜角とよく対応し、その関係を用いて、受信信号のいずれのピークが角度検出トランスデューサのいずれに対応する可能性が最も高いかを識別することができる。

図１３ａ〜図１３ｅは、角度検出トランスデューサ１００が検出する角度範囲を増やしつつ精密角度検出を可能にする実施形態を示す。この実施形態において、傾斜可能部材１８３の背面（図１３に示すように、これも撮像トランスデューサを含むことができる）は、一連の曲面刻み目が整形されている。送信ビーム１１０が傾斜可能部材１８３の背面に衝突すると、反射インターフェースのごく一部が入射ビーム１１０に対して法線方向となり、ビーム１８１の一部は角度検出トランスデューサ１００に向かって反射する。したがって、図４と同様にｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ法を用いて、角度を分離することができる。図１３に示す特定の円柱面パターンは非限定的実施形態に過ぎず、広範な面プロファイルを採用して本実施形態に基づく同様の結果を実現できることが分かる。例えば、軽鎖可能部材１８３の背面において、ディボットの放物線状断面またはパターンを用いることができる。

先の実施形態は拡散的な反射面について説明したが、拡散反射は面および／または容積材料特性によって生じることを理解されたい。例えば、金属粒子、セラミックス、二酸化シリコン、グラファイト、ガラス玉、その他当該分野において知られている化合物を材料または面に追加して、拡散反射性をより高めることができる。

複合材料またはフレキシブルポリマーを用いると、超音波撮像トランスデューサを物理的に整形することができる。このトランスデューサを用いて、音響エネルギーを集束することができる。これに代えて、音響レンズを用いて音響エネルギーを集束することもできる。しかし、この方式を本実施形態に適用して、音響ビームを拡大し、検出可能な角度範囲を増やすことができる。これを図１４ａ〜図１４ｄに示す。角度検出トランスデューサ２００は、発散ビーム２１０を生成するように曲げられている。図示するように、ビームの一部は撮像トランスデューサ１０１に対して広い角度範囲にわたって法線方向となっている。傾斜可能部材が鏡面反射器であっても、ビーム２２０の法線方向部分はトランスデューサに対して反射され、これを測定して図４のようにｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ法により傾斜角を推定することができる。

検出可能な角度範囲を増やす他実施形態は、角度検出トランスデューサを傾斜可能部材に取り付けることによって実現される。図１５ａ〜図１５ｅは、その１実施例を示す。この実施形態において、角度検出トランスデューサ１００は、傾斜可能部材１０１の後ろに取り付けられている。角度検出ビーム１１０は、固定反射器１７４に向かって方向づけられる。固定反射器１７４の一部を曲面（任意の形状）にして、適当な角度依存音響反射プロファイルを提供することができる。非限定的な曲率プロファイルとして、円形、楕円形、または放物線形状が含まれる。

１実施形態において、固定反射器１７４は、撮像トランスデューサ１０１の広範な傾斜角にわたって角度検出ビーム１１０からの反射が主に角度検出トランスデューサ１１０に向かって逆反射するように整形することができる。図１５ｃと図１５ｄに示すように、ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ方式と強度方式の一方または双方を用いて、傾斜可能部材１０１の方向の変化を推測することができる。

図１５ｅは、固定逆反射音響反射器を設計する１方法を示す。角度検出トランスデューサ１００は、傾斜軸６００によって示すように、前方視位置に模擬されている。角度検出トランスデューサ１００と反射面との間の所望距離６０８が選択され、トランスデューサ１００の法線上でトランスデューサ１００から距離６０８離れてデータポイントが生成される。角度検出トランスデューサは、回転軸１０２回りで角度６１６だけ傾斜し、角度検出トランスデューサと反射面との間の所望距離６１０は、距離６０８から選択した量だけ異なるように選択される。この量は例えば、所望角度分解能を得ることができる量である。データポイントは、上記のように生成される。角度検出トランスデューサが側面視となるように傾斜するまで、このプロセスを繰り返す。連続面６０１は、既知の曲線フィッティング技術を用いて、上記のように生成したデータポイントを補間することによって規定される。フィッティング可能な適当な曲線の例は、当該分野における既知のフィッティング技術を用いる、楕円、放物線、双曲線、指数曲線、ルーレット、または多項式である。フィッティングの例としては、最小二乗法または全最小二乗法が含まれるが、これに限られるものではない。

曲面を定義して製造すると、様々な不確実性のなかでも特に、機械加工公差と部品不整合に関して不完全な部分が生じる場合がある。これを緩和するため、角度検出部品の較正を用いてこの不完全部分を克服することができる。

他実施形態において、面６０１は、角度検出超音波トランスデューサ１００が出射した角度検出ビームが所与の回転角範囲にわたって実質的に逆反射し、面６０１と角度検出トランスデューサ１００との間の距離が同回転角範囲にわたって単調変化し、回転角に対する相対距離の変化の率（少なくとも部分的に装置の分解能を定める）が同回転角範囲にわたって最小値を超えるように、規定される。１実施形態において、面６０１は、回転角に対する相対距離の変化の率が同回転角範囲にわたって実質的に一定となるように構成され、これにより装置の感度が同回転角範囲にわたって実質的に回転角に依拠しないようになっている。

上述のように、実施形態によっては、検出ビームの角度は傾斜可能部材の反射面に対して略法線方向となるように制約され、これにより逆反射が生じる。これにより、角度検出ビームが傾斜可能部材に対して法線方向ではない角度において、反射を補償する必要がなくなり、一般に検出ビームの強度は強くなる。このアプローチを利用した実施形態を図１６と図１７に示す。図１６ａ〜ｄは、連結機構１７６を介して第１傾斜可能部材１０１と機械的にリンクまたは連結している第２傾斜可能部材１１４上に角度検出トランスデューサ１００が取り付けられている実施形態を示す。第２傾斜可能部材１１４は、必ずしも音響アクティブ（および音響パッシブ）である必要はなく、軸１０４回りで回転できる必要はない。

両部材は、自身の回転軸回りで回転することができ、機械的に連結されているので、連動して傾斜する。両傾斜可能部材は、動作中に実質的に等しい角度で傾斜するように、機械的に連結されている。いくつかの技術を用いて、傾斜可能部材の動きを連結することができる。この技術には、ロッド、梁、磁石、電磁デバイスが含まれるが、これに限られるものではない。図１６と図１７に示す実施形態は、システムに別の傾斜可能部材を追加する利点を有することにより、第１傾斜可能部材の慣性その他のデザイン制約を受けない。この制約とは例えば、音響性能を最適化した超音波トランスデューサとしてのものである。

上記方式は、第１傾斜可能部材が超音波トランスデューサを備えるが外部回転駆動力に対して適当な特性を有していない場合において、有用である。外部回転を通じた駆動力に対して設計された特性を有する第２傾斜可能部材１１４を組み込み、両傾斜可能部材をリンクすることにより、第２傾斜可能部材１１４の動作に基づき第１傾斜可能部材１０１を駆動することができる。例えば図４ｆと図４ｇに示すように、超音波トランスデューサは高さ方向と比較して、範囲方向において同様のまたはより大きなサイズを有する。これは主に、超音波トランスデューサが所望撮像方向以外の方向において信号を減衰させる必要があることによる。この形状構成のボディは、図４ｆと図４ｇに示すように外部回転を通じて駆動するのには理想的なものではない。

図４ｆは、高さ方向と比較して範囲方向において同様のサイズを有するボディ１３４を示す。このボディは、方向６３の回転において点１３７回りで回転する。ボディを２つの部品に分解し、一方は長手軸１３１の上、他方は下、部品の質量中心はそれぞれ長手軸１３１の上１３６と下１３３に示している。求心力ベクトルは、それぞれ１３５と１３２で示している。

範囲方向におけるサイズが高さ方向におけるサイズよりも遥かに小さい、図４ｇに示すボディを参照すると、同様にボディは点１２１回りで方向６３に回転する。ボディを２つの部品に分解し、一方は長手軸１２２上、他方は下、部品の質量中心は長手軸１２２の上１２４と下１２８にそれぞれ示している。求心力ベクトルは、それぞれ１２９と１２３で示している。結果、図４ｇにおける回転可能に取り付けられたボディ１２５は、ボディ１３４が点１３７回りで生じさせる求心力よりも遥かに強い、点１２１の回りで傾斜を生じさせる求心力の相対成分を有する。

この機械的結合により、角度検出ビーム１１０は撮像トランスデューサ１０１に対する法線方向を維持することができる。偏向可能部材が偏向を補助するために採用することができるその他技術には、水中翼形状または人口筋肉駆動を用いることが含まれる。

ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ技術を用いて、図４に示すものと同様に撮像角を推定することができる。これに代えてまたは追加して、図１０ｃと図１０ｄに示すように、強度測定法を用いることができる。

図１６ｅは、測定距離４００に基づき傾斜角θを計算するために用いることができるパラメータを示す。音響パッシブディスク１１４と撮像トランスデューサ１０１との間の距離４０１が一定かつ既知であり、角度検出トランスデューサ１００と撮像トランスデューサ１０１との間の距離が信号ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔと媒体内音速についての知識によって定まる場合、角度θは三角法数式θ＝ａｒｃＣｏｓ（測定距離４００／既知距離４０１）で求めることができる。

図１７ａ〜図１７ｄに示す同様の実施形態において、角度検出トランスデューサ１００を傾斜可能部材１０１上に取り付け、音響パッシブ傾斜可能部材１１４に対して法線方向を維持することができる。図５ａに示すものと同様の単一構造は、図１７ａの傾斜可能部材１０１として用いるのに適している。

図１８ａは、図１５と図１７に示す形状を組み合わせた実施形態を示す。固定曲面反射器１７４を採用して、角度検出トランスデューサ１００を用いて検出可能な角度範囲を増やすことができる。これは、撮像トランスデューサ１０１と音響透過傾斜可能部材１１４を充分に空間分離し、傾斜角（動作中に許容された範囲内）によらず互いに接触しないようにしつつ、音響透過第２傾斜可能部材１１４を用いて超音波トランスデューサ１０１の所望動作を機械的カプラ１７６により補助できるようにすることによって実現される。

図１８ｂは、図１８ａのハッチング線で切断した実施例の断面図を示す。固定曲面反射器１７４内のノッチ１７７は、機械的カプラ１７６が固定反射器１７４を阻害することなく通過できるように生成されている。例えば機械的カプラ１７６は、ヒンジその他の機構により傾斜可能部材１１４と１０１に接続されたバーまたはロッドを備えることができる。この機構は例えば、機械的カプラ１７６と各傾斜可能部材との間の回転ポイントまたは変形ジョイントを生じさせる機構である。

図１８ｃ〜ｉは、傾斜角を検出するその他の装置を示す。角度検出トランスデューサ１００は、傾斜可能部材１０１に取り付けることに代えて、支持構造１７５のノッチ１７７内部に取り付けられている。図１８ｃと図１８ｅは、２つの異なる傾斜角におけるセットアップ状態を示す。図１８ｃと図１８ｅのハッチング線における断面図を、図１８ｄと図１８ｆにそれぞれ示す。図１８ｇと図１８ｈは、図１８ｄと図１８ｆそれぞれのタイミング図を示す。図１８ｄにおいて、機械的カップリングバー１７６は、ノッチ１７７の上面近傍にあり、これにより図１８ｇにおける受信信号は長い遅延を生じ、図１８ｆにおいてはノッチ内の遥かに下方にあり、角度検出トランスデューサにより近くなって受信信号の時間遅延は短くなる。図１８ｉは、偏向角ｖｓ時間遅延を推定するプロットを示す。これに代えて角度検出トランスデューサ１００は、機械的カップリングバー１７６上に取り付け、ノッチ１７７の底を向くことができる。

図１８ｃ〜ｉは、第２トランスデューサ１００を用いて撮像プローブ内の部品の位置を検出する方法を示す。位置情報を用いて傾斜可能部材の傾斜角を推測することができるが、他の超音波トランスデューサと共通単一チャネルを共有する第２トランスデューサを用いて、撮像プローブ内の可動部材の位置についてより一般的に情報を収集することができることは、明らかである。

図１８は、別の超音波トランスデューサを用いて可動部材の位置変化を検出する１実施例を提供しているが、この実施形態を多数のアプリケーションにおいて採用して超音波プローブ内の部品の動きを検出できることを理解されたい。部品の動きを検出できる他の例は、プルバック動作中の被覆内の形状、格納式被覆、バブルの存在、カテーテル内の液体密度の変化、またはブロッケンブラッフ針などの治療機器を含む。

したがって、本明細書における実施形態の範囲は、１以上の別の超音波トランスデューサを用いて可動部材の角度方向または角度方向の変化が判定される実施形態に限定されるものではなく、１以上の別の超音波トランスデューサを用いて可動部品の位置または位置変化が検出される実施形態を包含し、位置または位置変化が角度方向または角度方向の変化に関連するか否かとは関係ないことを理解されたい。

図１９は、図１７に示す実施形態を用いた単一パルスエコー超音波撮像シーケンスについての時間ドメイン撮像および角度検出シーケンスの例を示す。図１９ａにおいて、図１９ｂに示すタイミング図に示すように、撮像トランスデューサ１０１は低周波パルスで励起される。パルスは音響ビーム１２０を生成し、これは経路上の物体１０６に到達するまで伝搬する。ビームの一部は反射し、タイミング図の”受信”部分に示す結果のように、撮像トランスデューサによって検出される。次に、残ビームは他の物体１０８と衝突し、再びビームの一部は反射し、撮像トランスデューサによって検出され同様に受信信号としてタイミング図の”受信”部分に沿って表れる。

撮像データが受信された後、高周波角度検出パルスが同じチャネルで送信され、角度検出トランスデューサ１００から音響ビーム１１０を生成する。このビームは音響パッシブ部材１１４で反射され、トランスデューサに戻される。高周波パルス生成に続いて、傾斜角はビーム１１０のｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔを用いて判定される。

上述のように、この実施形態はオプションで、１以上のフィルタを用いて所望周波数成分を選択することにより補助することができる。例えばローパスフィルタを用いて、撮像パルス５５０の送信に続く低周波撮像トランスデューサ１０１からの低周波数信号を強調し、ハイパスフィルタを用いて、角度検出パルス５００の送信に続く高周波角度検出トランスデューサ１００からの高周波信号を強調することができる。これらフィルタは、撮像プローブ内に配置するか、またはオプションで撮像プローブ外に配置することができる。例えば制御処理部３４内または被験者インターフェースモジュール３６内である。

図１９ｃ〜ｅは、両トランスデューサが、撮像トランスデューサ１０１と角度検出トランスデューサ１００双方の帯域幅をカバーする広帯域パルスで励起される実施形態を示す。両トランスデューサからの受信信号を逆多重化して、撮像信号データと角度検出データを個別に処理する。この逆多重化は、多くの実施形態の１つに基づき実現される。

図１９ｄに示すような１実施形態において、ａ）角度検出トランスデューサ１００と第２偏向可能部材１１４との間の距離、およびｂ）撮像トランスデューサ１０１と音響撮像ターゲット１０６よび１０８との間の距離は大きく異なるという事実を利用して、時間ドメイン法を採用する。角度検出トランスデューサ１００と第２偏向可能部材１１４との間の距離は、撮像トランスデューサ１０１と音響撮像ターゲット１０６および１０８との間の距離よりも非常に小さい。この構成において、送信パルス５６０が送信されたすぐ後の受信信号５５８は、角度検出トランスデューサ１００の結果とみなすことができ、時間遅延後の受信信号５５４、５５６は撮像トランスデューサ１０１の結果とみなすことができる。したがって、この実施形態において、垂直ハッチング線５６２の前に受信した全パルスは角度検出パルスであるとみなされ、その後に受信したパルスは撮像パルスであるとみなされる。

信号を逆多重化する第２実施形態は、スペクトルフィルタリングするかまたはネット信号内に含まれるスペクトル成分を分離することにより、図１９ｃに示す実施形態を用いて、実現することができる。上述のように図１９ｄにそのタイミング図を示す。トランスデューサの帯域幅は十分に分離されており既知であるので、角度検出トランスデューサ１００の帯域幅内で立ち下がる信号は、角度検出トランスデューサ１００からのものとみなすことができ、撮像トランスデューサの帯域幅内で立ち下がる信号は、撮像トランスデューサからのものとみなすことができる。

このスペクトル分離は、図１９ｅのスペクトルプロットに示している。垂直ハッチング線５６４は、撮像データと角度検出データとの間の分離点を示すために用いられている。この線は、２つのトランスデューサの中心周波数の中点である。ハッチング線によって表す周波数よりも低い全スペクトル成分は、撮像信号５６８の成分であるとみなされ、ハッチング線によって表される周波数よりも高い全スペクトル成分は、角度検出信号の成分であるとみなされる。また、単一線以外のものにより分離を規定することもできる。例えば、−６ｄＢ、−２０ｄＢ、−４０ｄＢ帯域幅は、角度検出と撮像との間のデータを分離する点として用いることができる。さらに、図１９ｃ〜ｅで説明したｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ逆多重化技術とスペクトル逆多重化技術を組み合わせることができる。

２つの信号の十分なスペクトル分離を得ることができる多くの方法があることを理解されたい。上述のように、フィルタリング技術を用いて、各トランスデューサから受信したスペクトル信号を分離することができる。他実施形態において、各トランスデューサに対応するスペクトルウインドウは、分離条件に基づき判定することができる。例えば、低周波数トランスデューサについてのスペクトルウインドウの上端は、高周波トランスデューサのスペクトル応答が所望値（例えば２０ｄＢ）以下に下がる点に対応するものとして選択することができる。

実施形態によっては、超音波トランスデューサを異なる時点において異なる繰り返し周波数で励起することが望ましい。この１例は、トランスデューサの１つが角度検出のために構成されている場合である。このシナリオにおいて、角度変化は非常に小さい場合があり、これにより撮像のために必要なパルス繰り返しレートにおいて角度検出を実施する必要がなくなる。例えば、複数撮像ベクトルを取得するのに必要な時間にわたって角度が相対的に一定を維持すると予期される場合である。パルスシーケンスは、図１９ｆに示すように、撮像パルス５５０が角度検出パルス５００よりもはるかに多く送信され取得されるように規定することができる。

同様に状況によっては、エコーがある超音波トランスデューサから戻る時間が他の超音波トランスデューサから戻る時間よりも長いことを許容することが望ましい。この１例は、１つのトランスデューサが角度検出のために構成されている場合である。このシナリオにおいて、角度検出のために構成されたトランスデューサは、撮像のために構成されたトランスデューサよりも周波数が高い場合がある。さらに角度検出は、角度検出トランスデューサに対して空間的に非常に近い位置からのエコーを用いて実施される。これは、角度検出に関連するエコーを確実にキャプチャするため、相対的に小さい取得時間を必要とする。

このシナリオを図１９ｇに示す。撮像パルス５５０が送信され、相対的に長い時間４２０が、撮像パルス５５０に関連するエコーを待機するために求められる。反対に、相対的に短い時間４２２が、角度検出パルス５００に関連するエコーを待機するために求められる。

実施形態によっては、撮像パルス間の時間間隔は、可変に構成することができる。例えば、モータエンコーダが撮像パルスのためのトリガとして用いられる状況において、撮像パルス繰り返し周波数は、モータが低速回転しているときよりも速く回転していれば、より高くなる。したがって、角度検出についてのパルス繰り返し周波数は、可変かつ撮像のパルス繰り返し周波数によって判定できるように選択することができる。

図４、図８〜図１９は撮像部品５０内に収容される実施形態を表しているが、撮像部品の他部品は簡易のため示していないことを理解されたい。

図２０は、検出高周波（ＲＦ）信号に基づき超音波角度検出ビームが伝搬する相対距離を計算する３つの異なる技術を示す。図２０ａに示す最初の方法は、各パルスについてＲＦ信号のピーク値を計算するステップを含む。図示するように、受信電子パルスはパルス包絡線とキャリア波の発振を含む。第１パルス４０２は、第２パルス４０４と比較して早く到着することを示している。これは、角度検出トランスデューサ１００が第２パルス４０４（例えば図４ａに示すもの）よりも第１パルス４０２（例えば図４ｂに示すもの）をともなう傾斜可能部材１０１に近いことを示している。第１信号からのピークＲＦ値４０６と第２信号からのピークＲＦ値４０８との間の差４１４を用いて、２点間の距離を推定することができる。これを用いて傾斜角を推測することができる。

しかし、キャリア波内のＲＦ信号は、サブ分解能散乱のわずかな変化によって大きく変動し得る。そのためＲＦピーク検出法は、位置のわずかな変化を測定するとき、不正確性をもたらす可能性がある。例えば、新たなピークが現れると、角度検出トランスデューサと撮像トランスデューサとの間の距離について大きな測定エラーが生じる。

その他のアプローチは、最初に信号の包絡線（ＲＦ信号４０２の包絡線４０７とＲＦ信号４０４の包絡線４０９）を計算し、包絡線ピーク間（包絡線４０７と４０９それぞれのピーク４１０と４１１）の差４１６を用いて距離を推定することである。ＲＦピーク法を用いることについて上述した変動の問題は、この技術で除去される。

他の例においては、２つの信号間の相互相関を用いて、後続の受信ＲＦパルス間の距離を推定する。１つの実施例を図２０ｂに示す。第１ＲＦパルス４０２と第２ＲＦパルス４０４との間の相互相関を４１３に示す。相互相関のピークは４１２で検出されている。時刻０とピーク値との間の時間４１８を用いて、２つの傾斜間の伝搬距離を計算し、角度シフトを計算することができる。

一般に相互相関は、所与のパルスとその他の記録したパルスとの間で実施することができる。例えば異なる傾斜角において取得した先行記録パルスである。これに代えて相互相関は、所与のパルスと撮像プローブの較正時において記録し撮像プローブ４４に関連するＥＥＰＲＯＭその他のメモリ機構から取得したパルスとの間で実施することができる。これに代えて相互相関は、所与のパルスと撮像プローブ４４の特定デザインにおける標準パルスとの間で実施することができる。この場合、角度検出トランスデューサによって生成されたパルスは、同一のデザインで製造された撮像プローブ間で適切に再生成できるものと仮定する。

以上の角度検出実施形態において、異常値を検出しこれを除去して、角度検出性能を改善することができる。適用可能な異常値除去技術は、統計技術と投票法である。図２１は、図１８ａに示す実施形態に対応する角度検出方式を用いた実験測定結果を示す。２つの傾斜可能ディスク形状部材間の距離を、図２０ｂの相互相関法を用いて計算した。傾斜可能部材は、マイクロステージを用いて傾斜させた。連続的に前進するロッドを１つの傾斜可能部材の表面に取り付け、２つの傾斜可能部材を連動して傾斜させた。ロッドの位置（ミクロン単位）をｘ軸に示す。１つの傾斜可能部材上の角度検出トランスデューサによって測定した２つの傾斜可能部材間の規格化距離を、図１７のようにｙ軸（ミクロン単位）に示す。任意軸をともなう傾斜可能部材間の傾斜角は、２つの部材間の測定距離に基づき各時点において計算することができる。立体モデルに基づきこの角度を期待角度と比較した。

上述の特定の実施形態を例示として示した。これら実施形態は、様々な変形と代替形態が可能であることを理解されたい。さらに、特許請求の範囲は開示した特定形態に限定することを意図するものではなく、むしろ本開示の要旨および範囲内の全ての変形、等価物、代替物をカバーすることを理解されたい。

Claims (19)

1. 撮像プローブであって、
   細長ボディ、
   前記細長ボディ内に配置された第１超音波トランスデューサ、
   を備え、
   前記第１超音波トランスデューサは前記細長ボディの遠位端に配置され、
   前記第１超音波トランスデューサは、超音波撮像ビームを前記細長ボディの外部の領域に出力し、前記領域から反射超音波撮像エネルギーを受信するように構成されており、
   前記撮像プローブはさらに、
   前記細長ボディ内に収容された第２超音波トランスデューサ、
   前記細長ボディを通過して延伸し共通電気チャネルを画定する導電パス、
   を備え、
   前記第１超音波トランスデューサと前記第２超音波トランスデューサは、前記共通電気チャネルに接続され、
   前記共通電気チャネルは、画像処理システムと電気的に接続可能であり、
   前記第１超音波トランスデューサは、前記細長ボディの長手軸に対して垂直な回転軸周りで回転するように構成され、これにより前記超音波撮像ビームの撮像角をスキャンし、 前記第２超音波トランスデューサは、前記第１超音波トランスデューサに取り付けられており、
   前記第１超音波トランスデューサは、１以上のバネによって前記共通電気チャネルと電気的に接続されており、
   前記１以上のバネはねじりバネであり、
   前記ねじりバネの軸は、実質的に前記回転軸と同一直線上にある
   ことを特徴とする撮像プローブ。
2. 前記第１超音波トランスデューサ上の導体領域は、前記第２超音波トランスデューサ上の導体領域と直接接触している
   ことを特徴とする請求項１記載の撮像プローブ。
3. 前記共通電気チャネルは、前記第１超音波トランスデューサと前記第２超音波トランスデューサに接続された唯一の電気チャネルである
   ことを特徴とする請求項１または２記載の撮像プローブ。
4. 前記撮像プローブは、前記細長ボディ内に収容され、前記共通電気チャネルに接続された、少なくとも１つの別の超音波トランスデューサを備える
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の撮像プローブ。
5. 前記第１超音波トランスデューサと前記第２超音波トランスデューサは、並列接続されている
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の撮像プローブ。
6. 前記第１超音波トランスデューサと前記第２超音波トランスデューサの少なくとも一方は、約２０ＭＨｚ以上の中心周波数を有する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の撮像プローブ。
7. 前記第１超音波トランスデューサと前記第２超音波トランスデューサの少なくとも一方は、電気フィルタを介して前記共通電気チャネルと接続されている
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の撮像プローブ。
8. 前記第１超音波トランスデューサと前記第２超音波トランスデューサは、それぞれ実質的に重ならないスペクトル帯域幅を有する
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の撮像プローブ。
9. 前記帯域幅は少なくとも６ｄＢ帯域幅である
   ことを特徴とする請求項８記載の撮像プローブ。
10. 前記第１超音波トランスデューサと前記第２超音波トランスデューサの中心周波数は、前記第１超音波トランスデューサと前記第２超音波トランスデューサの中心周波数の高調波を回避するように選択されている
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の撮像プローブ。
11. 前記第１超音波トランスデューサは第１中心周波数を有し、
    前記第２超音波トランスデューサは第２中心周波数を有し、
    前記第１中心周波数と前記第２中心周波数は、少なくとも約２．５倍異なる
    ことを特徴とする請求項８記載の撮像プローブ。
12. 前記第１超音波トランスデューサの中心周波数と前記第２超音波トランスデューサの中心周波数との比率は約７〜１０の範囲内にあり、
    前記第１超音波トランスデューサからの前記超音波撮像ビームと前記第２超音波トランスデューサが出射した超音波ビームは、実質的に同一方向にある
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項記載の撮像プローブ。
13. 前記超音波撮像ビームは第１超音波ビームであり、
    前記第２超音波トランスデューサは、別の超音波撮像ビームを生成するように構成された撮像トランスデューサである
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項記載の撮像プローブ。
14. 前記第２超音波トランスデューサは、前記別の超音波撮像ビームを前記第１超音波ビームとは異なる方向へ出力するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１３記載の撮像プローブ。
15. 前記第２超音波トランスデューサは、前記別の超音波撮像ビームを前記第１超音波ビームと実質的に平行な方向へ出力するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１３記載の撮像プローブ。
16. 前記第２超音波トランスデューサは、前記別の超音波撮像ビームを実質的に前記第１超音波ビームと同一直線上にない方向へ出力するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１３記載の撮像プローブ。
17. 前記第１超音波トランスデューサと前記第２超音波トランスデューサの少なくとも１つは、出射超音波エネルギーを集束するように構成された出射面を有する
    ことを特徴とする請求項１３から１６のいずれか１項記載の撮像プローブ。
18. 前記第１超音波トランスデューサは前記第２超音波トランスデューサよりも高い中心周波数を有し、
    前記第１超音波トランスデューサと前記第２超音波トランスデューサは、出射超音波エネルギーを集束し、これにより前記第１超音波トランスデューサが出射した超音波エネルギーは前記第２超音波トランスデューサが出射した超音波エネルギーよりも近くに集束するように構成された、出射面を有する
    ことを特徴とする請求項１７記載の撮像プローブ。
19. 前記撮像プローブは、前記細長ボディ内に収容された撮像部品を備え、
    前記第１超音波トランスデューサは、前記撮像部品内に配置されている
    ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項記載の撮像プローブ。

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