JP6621745B2 - 空間的にセグメント化された表面を有するバッキングを有する超音波トランスデューサ - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０１３年１１月２２日に出願された米国仮出願番号第６１／９０７，７６５号、発明の名称「ULTRASONIC TRANSDUCER WITH BACKING HAVING SPATIALLY SEGMENTED SURFACE」の優先権を主張し、この文献の全体の内容は、参照によって本願に援用される。

本開示は、超音波トランスデューサに関する。詳しくは、本開示は、超音波イメージング及び治療デバイスに関する。

超音波トランスデューサは、多様な用途及び産業で使用されており、治療及びイメージングデバイスにおいても広く採用されている。

超音波トランスデューサは、通常、バッキングに取り付けられたアクティブ圧電素子を含み、バッキングは、スプリアス音響反射がアクティブ素子に達して、その性能に干渉することを防止する材料から形成されている。超音波トランスデューサのバッキングは、通常、スプリアス音響反射を、システムの電気雑音フロアを下回るレベルに低減し、又は少なくとも、組織構造が区別され、同程度の音響のインピーダンスの組織構造間で十分なコントラストが得られるように、超音波画像において許容できるグレースケールのダイナミックレンジを実現するレベルに低減するように、十分厚く設計される。多くの場合、例えば携帯型超音波プローブの場合、トランスデューサスタックの総厚には、殆ど制約がなく、したがって、トランスデューサスタックのバッキング層は、残存音響エネルギを低減し、デバイスの短パルス応答を維持するために適切な厚さに形成することができる。

ここで、超音波トランスデューサが薄いバッキング層を含む場合、バッキングに入射する音響エネルギは、完全には吸収又は減衰されず、バッキングの底面から反射した音響エネルギが十分大きな振幅で圧電層に戻り、デバイス性能に干渉することがある。この時間的に遅延したエネルギは、トランスデューサスタック内に２次信号又は残響信号を生成する。送信モードでは、２次パルスとは、イメージング媒体に伝播する１次パルスの後のトレイリングパルスを意味する。受信モードでは、２次パルスは、アクティブ層の電極に亘って電位差を生成し、これも受信回路によって検出され、再構築画像におけるアーチファクトとなる。

例えば、このようなアーチファクトは、軸分解能が高い医療用超音波イメージングデバイスにおいて問題となることがあり、このようなデバイスでは、最小の２次パルス又はスタック残響で短時間応答を示す超音波トランスデューサを使用する必要があり、これにより、超音波イメージの音響ダイナミックレンジが狭くなる。高周波臨床超音波（通常、約５ＭＨｚ以上、特に、１０ＭＨｚ以上の周波数を有すると考えられる。）は、特に、例えば、心臓内及び血管内用途等の低侵襲イメージングでの使用において重要であることが見出されている。これらの用途では、超音波トランスデューサは、カテーテル又は体内の管腔又は空洞に挿入できる他のデバイスに組み込まれる。このため、トランスデューサ設計に含ませることができるトランスデューサスタックの寸法及びバッキング材料の体積が制約される。

２次信号及び残響を回避するためにトランスデューサスタック内の超音波減衰を増加させる一般的な手法は、バッキングに散乱体（scatterers）を導入することである。散乱体は、伝播する音響波の、空間的に変化し、局所化された部分的反射を誘導することによって、バッキング媒体内の音響エネルギの空間的コヒーレンス性を部分的に分散させる。散乱体によるコヒーレンス性の分散の程度は、伝播する波の波長に対する散乱体のサイズに依存する。例えば、幾つかのカテーテル用途では、望ましいイメージング周波数及びカテーテルのサイズ制約のために、残響を抑制するために十分な散乱が必ずしも得られない。

トランスデューサスタックを保持する筐体に対してトランスデューサが固定されている特定のカテーテル用途では、バッキング又は筐体において傾斜した又は角度付けされた表面を採用し、音響エネルギを異なる方向に反射させ、バッキングの音響エネルギの経路長を効果的に長くし、及び／又はエネルギが圧電アクティブ層に戻らないようにすることができる。一方、トランスデューサがその周囲に対して相対的に動くことができる他のカテーテル用途では、トランスデューサスタック内の２次パルス及び残響を低減するために使用できる層は、バッキング層のみである。

スプリアス反射の影響を緩和する１つの手法は、音響インピーダンスが異なる複数の材料の層を使用して、例えば、ファイバオプティックス及びテレコミュニケーションにおいて広範囲に使用されている光学格子に類似する１次元の音響格子構造を形成することである。この格子構造は、トランスデューサスタックのアクティブ領域の下方に均一な断面を有する。トランスデューサスタック自体の帯域幅より広い音響格子周波数帯域幅を達成するためには、複数の音響インピーダンスの複数の層が必要である。これにより、格子構造の製造が複雑になり、望ましい層厚を達成するために要求される精度が高くなる。更に、この手法は、前提としてスタックの空間的制約を超える厚さを要求することもある。別の表現を用いれば、カテーテルベースのイメージングトランスデューサについてのサイズ制約を満たす十分に小さい格子は、格子の機能的帯域幅がトランスデューサ自体の帯域幅より狭くなることがあるため、１次信号／パルスの帯域幅を実質的に低減してしまうことがある。

音響吸収及び散乱のみでは音響エネルギを十分に低減しないバッキングを有する超音波トランスデューサ内の残響を抑制する方法及びデバイスを提供する。バッキングの少なくとも一部の表面は、表面セグメントによって定義される複数のレベルに分割される。これらのレベルは、空間的にオフセットされ、セグメント化された表面からの音響反射は、時間的に拡散され、これによって、圧電層とインタラクトする際の内部反射波の正味の振幅を低減する。隣接する（隣り合う）レベルは、トランスデューサの動作波長の４分の１の奇数倍に略等しい縦の距離によって空間的にオフセットしてもよく、これにより、隣接するレベルから反射する音響波が相殺的に干渉する。セグメント化された表面の様々な構成例を記述し、セグメント化された表面のプロファイルを選択する手法を提供する。

したがって、一側面として提供する超音波トランスデューサは、
アクティブ層と、
アクティブ層に近い近位面及びその下にある遠位面を有し、遠位面の少なくとも一部がセグメント化された表面であるバッキングと、を備え、
セグメント化された表面は、複数の略平面のセグメントを含み、各セグメントは、近位面に略平行であり、
セグメントの少なくとも２つは、近位面に略垂直な縦方向に空間的にオフセットされ、セグメント化された表面の２つ以上のレベルが定義され、各レベルが異なるバッキング厚に関連付けられる。

他の側面として、このような複数の超音波トランスデューサを備える超音波トランスデューサアレイを提供する。

本開示の機能的及び有利な側面は、以下の詳細な説明及び図面への参照によって更に明瞭となる。

以下の図面を参照して、例示のみを目的として、本開示の実施形態を説明する。

平らな遠位端面を有するバッキングを有する例示的なトランスデューサの断面図である。 超音波トランスデューサに信号を送信し、超音波トランスデューサから信号を受信する例示的なシステムを示す図である。 トランスデューサの遠位端面からの音響反射によって生成される２次信号をプロットした図である。 表面がセグメント化されたバッキングを有する例示的なトランスデューサの断面図である。 図４Ａに示すセグメント化された表面セグメントからの音響反射を示す図である。 ３個のレベルによって定義され、隣接するレベル間の段差が、トランスデューサに関連する動作波長の奇数倍に略等しくなるように表面がセグメント化されたバッキングを有する例示的なトランスデューサの断面図である。 図４Ｃに示すトランスデューサに機能的に等しい表面がセグメント化されたバッキングを有する例示的なトランスデューサを示す図である。 ３個のレベルによって定義され、レベル間の遷移壁が傾斜している表面がセグメント化されたバッキングを有する例示的なトランスデューサの断面図である。 音響インピーダンスが異なる２つの層間に形成される内部面がセグメント化されたバッキングを有する例示的なトランスデューサの断面図である。 バッキングのセグメント化された表面が４つの段階的レベルを含むトランスデューサの例示的なバッキングの断面図である。 バッキングのセグメント化された表面が複製及びシフト処理によって定義されるトランスデューサの例示的なバッキングの断面図である、 バッキングのセグメント化された表面が複数の複製及びシフト処理によって定義されるトランスデューサの例示的なバッキングの断面図である。 バッキングのセグメント化された表面がセグメントの上位集合の複製及びシフト処理によって定義されるトランスデューサの例示的なバッキングの断面図である。 バッキングのセグメント化された表面が図５Ｄに示すバッキングに機能的に等しいトランスデューサの例示的なバッキングの断面図である。 バッキングのセグメント化された表面が、図５Ｄに示すセグメント化された表面に対して複製及びシフト処理を実行することによって定義されるトランスデューサの例示的なバッキングの断面図である。 バッキングのセグメント化された表面が図５Ｆに示すバッキングに機能的に等しいトランスデューサの例示的なバッキングの断面図である。 バッキングの遠位面がセグメント化された超音波トランスデューサのアレイを含む超音波アレイの例示的な実施形態を示す図である。 平らなバッキングを有するトランスデューサ及び様々な段階状にセグメント化されたバッキングを有するトランスデューサによって生成されるシミュレーションされた２次信号を表す図である。 平らなバッキングを有するトランスデューサ及び複製及びシフト処理によって定義される様々なセグメント化されたバッキングを有するトランスデューサによって生成されるシミュレーションされた２次信号を表す図である。 完全な１サイクルパルスからなるシミュレーションされた１次信号の場合について、様々なセグメント化されたバッキングプロファイルを有するトランスデューサによって生成されるシミュレーションされた２次信号をプロットした図である。 ＰＺＴ及び整合層を省略した、多角形開口を有する単一素子トランスデューサの（バッキングの底面からの）斜視図である。 図８に示すパターンに一致するパターンによってセグメント化されたバッキングを有するスタック（点線）に対して、平らなバッキングを有するトランスデューサスタック（実線）の一方向測定時間応答をプロットした図である。 図８に示すパターンに一致するパターンによってセグメント化されたバッキングを有するスタック（点線）に対して、平らなバッキングを有するトランスデューサスタック（実線）の双方向測定時間応答をプロットした図である。 平らなトランスデューサバッキングと比較して、セグメント化されたトランスデューサバッキングについての低減された２次送信信号を示す、図８に示すトランスデューサスタック設計から送信された信号のシミュレーションされた時間応答を示す図である。

以下、本開示の実施形態及び側面について、詳細を参照して説明する。以下の説明及び図面は、本開示を例示するものであり、限定するものではない。本明細書の様々な実施形態を明瞭に説明するために、多くの特定の詳細事項について記述する。但し、幾つかの例では、本開示の実施形態を明瞭にするために、周知の又は従来から知られている詳細については記述しない。

ここで使用する「備える」、「有する」、「含む」等の表現は、排他的ではなく、包括的で非限定的な表現として解釈される。具体的には、本明細書及び特許請求の範囲において用いられる「備える」、「有する」、「含む」等及びこれらの活用形は、特定の特徴、ステップ又は要素が含まれることを意味する。これらの表現は、他の特徴、ステップ又は要素の存在を除外するようには解釈されない。

ここで用いる「例示的な」という用語は、「具体例、例証又は例示に使用される」ことを意味し、他の構成に比べて好ましい又は有利であるということは意味しない。

ここで用いる「約」、「略」等の用語は、特性、パラメータ及び寸法等に関連して用いられる場合、数値の上限及び下限における僅かな差異が許容されることを意味する。１つの非限定的な例として、「約」及び「略」等の用語は、±１０％以内を意味する。

特別に定義ない限り、ここで用いる技術用語及び学術用語は、当業者に知られているものと同じ意味として解釈される。

本開示の実施形態は、バッキング内で生成される反射のトランスデューサ性能に対する影響を低減するように構成されたバッキングを有する超音波トランスデューサを提供する。包括的に言えば、超音波トランスデューサは、例示的なトランスデューサ１００として図１に示すように、多層デバイスとして形成される。トランスデューサを構成する層のスタック内のアクティブ層１１０は、例えば、圧電材料又は容量性微細加工技術（capacitive micromachined technology）に基づいていてもよい。

アクティブ層１１０に対して法線方向に伝播する縦波を生成する圧電トランスデューサの場合、アクティブ圧電層１１０の厚さは、デバイスの中心音響共振周波数の決定において主要な役割を果たす。アクティブ層の上面及び底面は、通常、１つ以上の導電電極（１１２及び１１４）によって覆われており、これにより、トランスデューサを電気的励起及び／又は検出システムに電気的に接続することができる。これに代えて、整合層及び／又はバッキング層は、導電性（例えば、導電性エポキシ）を有していてもよく、独立した導電層を不要としてもよい。

図２は、このようなシステムの例を示しており、このシステムは、超音波トランスデューサ１００を介して超音波パルスを送信するための電気的波形を生成する送信機２１０（例えば、超音波パルサ）を備えていてもよく、イメージング媒体からの音響エコーを感知する受信機２２０に接続してもよい。切換回路２１５は、送信モード及び受信モードを切り換えるために使用され、コントローラ２２５（演算デバイス、アナログ回路、デジタイザ及び／又はコンピュータハードウェア）は、切換回路２１５を制御し、オプションとして、送信機２１０によって生成される波形を準備し、受信機２２０を介して受信された波形を処理するために使用される。

図１及び図２を参照して説明すると、送信モードでは、送信機２１０の電気的出力がトランスデューサ１００の電極に印加され、アクティブ圧電層１１０内に音響エネルギが生成され、この音響エネルギが、層の上面及び底面に向かって伝播する。オプションとして、１つ以上の整合層１３０をアクティブ層の上面に音響的に接続し、最小の音響残響で、時間的に効率的に、イメージング媒体への音響エネルギのカップリングを向上させる手段を提供してもよい。１つ以上の整合層１３０は、導電性を有していてもよい。

共有設計では、受信モードにおいて、トランスデューサの電極に電気的に接続されている受信増幅器及びＡＤＣ回路（図２の受信機２２０として示す）を使用する。アクティブ圧電層１１０内の電位差は、時間の関数として、アクティブ層を通過するトランスデューサへの入射圧力波として監視される。整合層１３０は、イメージング媒体からの音響エネルギをカップリングする手段を提供し、デバイス内の残響を制限する。

超音波イメージングでは、生成される画像の軸解像度を最大化するために、短時間応答のトランスデューサが望まれる。トランスデューサ内の残響の存在は、１次送信パルス応答を実際に引き延ばし（このため、結果として生じるイメージの軸解像度が低下し）、又は生成される画像に望ましくないアーチファクトを生じさせる２次（ゴースト）パルスを発生させ、又はこれらの両方の影響を引き起こすことがある。整合層１３０は、アクティブ層１１０に関連する上部界面における反射に起因する残響を低減又は実質的に除去するために設けられる。整合層１３０は、特定の音響インピーダンス及び特定の厚さを有する１つ以上の特定の材料から形成される。各整合層の厚さは、通常、デバイスの中心周波数の波長の４分の１に概ね等しく、したがって、材料の音速に関連性を有する。これにより、整合層１３０は、デバイスの中心周波数を中心とする周波数帯域幅の範囲内で、アクティブ層から伝播媒体への（及びこの逆の）音響エネルギのカップリングを改善する。

バッキング１２０は、アクティブ層１１０との音響整合を提供するように選択され、換言すれば、アクティブ層の底面において、アクティブ層自体の音響インピーダンスに対して特定の音響インピーダンスを示す。また、バッキング１２０の材料は、この層に入るスプリアス後方伝播音響エネルギを吸収し又は減衰させるために、望ましいレベルの音響減衰を実現するように選択される。より重い音響インピーダンスバッキング材料を使用することによって、この層は、音響層の共振の品質係数（すなわち、Ｑ）を低下させる効果を有する。オプションとして、バッキング１２０は、導電性を有していてもよい。導電性を有するバッキングによって、独立した電極層１１４を不要にすることもできる。

アクティブ層１１０を介してアクティブ層の底面に向かって伝播する音響エネルギは、アクティブ層の底面及びバッキング層の上面の間の界面において、部分的に反射され、及び部分的に透過される。電極の厚さは、多くの場合、十分に薄く（例えば、典型的には、１ミクロン未満）、デバイスの音響応答に有意な影響を及ぼさない。反射の程度は、２つの層の音響インピーダンスの差の関数である。反射されたエネルギは、整合層１３０に向かって及びイメージング媒体に伝播する。透過されたエネルギは、バッキング１２０内で完全に減衰され、送信音響パルスに貢献しないことが理想的である。理論的には、このような結果は、減衰が最大の無限の厚さを有するバッキング層によって達成できる。現実的には、これは、バッキング層の底面から反射される信号を、システムの知覚されるノイズフロアを下回るレベルに実質的に低減するために十分な厚さを有し、特定の減衰を実現するバッキング材料によって概ね達成することができる。

トランスデューサを限られた空間内に収納する必要がある場合、例えば、イメージングカテーテル又は他の低侵襲イメージングプローブ内で側視が可能なトランスデューサの場合、バッキング層の底面１２５から反射される信号は、初期イメージングパルスに追従する２次パルスを生じさせることがある。パルス間の時間間隔は、音響信号が、トランスデューサのバッキングの厚さの２倍に等しい距離を進むために必要な時間に略等しい。換言すれば、バッキング材料を通過する１次信号は、バッキング材料の厚さに亘って伝播し、バッキング１２０の底面１２５で反射し、再びバッキング材料の厚さに亘って伝播した後、部分的に、トランスデューサスタックのアクティブ層１１０に再び入る。信号の強さは、バッキング１２０の上面１２２及び底面１２５の両方におけるエネルギの分割、並びにバッキング層を介する減衰損失のために初期パルスより小さいが、それでもなお、特に、感知信号のダイナミックレンジを広げるために、検出された信号がログ圧縮されるような場合、超音波イメージにおいて視覚化されて、視認される可能性がある。

例えば、バッキング１２０の厚さが低減されると、１次イメージング／受信パルスと２次残響パルスとの間の時間間隔が短くなり、１次パルスに対する２次パルスの強さが大きくなる。サイズ制約により、（所与のバッキング材料について）２次パルスを適切に減衰させるために十分に厚いバッキングを用いることができないトランスデューサでは、イメージングアーチファクトを生じさせる可能性がある２次パルスは、不可避であるようにみえる。

厚さが不十分であり及び／又はバッキングによる減衰が不十分であるトランスデューサについて、受信モードで得られる２次パルスの例を図３に示す。この図に示すように、検出される１次信号３１０に続いて、１次信号の減衰されたバージョンである２次信号が現れている。イメージング領域が、バッキングを介する往復の経路以上である軸領域に亘って広がる音響散乱を含むイメージング用途では、１次信号の部分から２次信号の存在を抽出することが困難であり、画像の信号対雑音比が低下する。

トランスデューサがバッキングを備え、バッキングがアクティブ層に近接する近位面（proximate surface）及び近位面の下にある遠位面（further surface）を有し、バッキングの遠位面の少なくとも一部が空間的にセグメント化され、そこから反射される音響波によって生成される２次信号の振幅を低減する選択された実施形態について説明する。後述するように、幾つかの実施形態においては、バッキングが空間的に様々な厚さを有するようにバッキングの厚さを空間的に変化させてもよく、これにより、バッキング内の残響の伝達の時間に空間的変化を導入することによって、バッキング内で残響の空間的コヒーレンス性を分散させる。残響の波面の空間的コヒーレンス性の分散は、散乱体単独によって生じる効果を超える。幾つかの実施形態においては、バッキングは、反射された音響波面間に干渉を引き起こし、残響によるトランスデューサへの影響を低減するように構成されたセグメント化された表面を有していてもよい。

更に後述するように、セグメント化されたバッキング表面を有するトランスデューサは、超音波イメージング要素及びデバイスとして採用してもよい。超音波イメージングは、信号の到達時間を追跡して、イメージング媒体内の元の信号又は反射の距離を識別することによって、トランスデューサスタックのアクティブ層に入射する音響波（又は波面）の振幅を測定することに基づく。ホイヘンスの原理（Huygens' principle）によれば、波面のあらゆる点は、媒体内の伝播速度で前進伝播方向に広がる２次的球面状ウェーブレットのソースとみなされる。新しい波面は、これらの２次ウェーブレットに対する接平面である。アクティブ音響層のアパーチャ全体に亘る電極（例えば、導電層）は、所与の時刻における全ての入射波形の振幅を統合する。

受信モードでは、トランスデューサに主に垂直に入射する入射波は、１次信号として記録され、バッキングに伝播する波の何れかがエネルギの一部をトランスデューサのアクティブ層に戻す経路を辿る場合、これらの信号は、２次信号として記録される。分布するホイヘンスのウェーブレットが空間的に無相関化（decorrelated）されるようにバッキング内の波の経路が異なるセグメントに分割されると、波面は分散され、エネルギの異なる部分が異なる時刻にアクティブ層に戻り、音響的アクティブ層のアパーチャ全体に亘るあらゆる時点の残響の振幅の瞬間的な振幅が小さくなる。

上述したように、無相関化は、バッキングの遠位面が複数のセグメントを含むようにバッキング材料の厚さを変化させることによって達成することができる。変化する各厚さにおけるバッキングのパーセンテージを重み付けすることによって、トランスデューサスタックのアクティブ層に戻る各セグメントの残響の振幅及び相対的な位相を制御することができる。

図４Ａは、このような超音波トランスデューサの非限定的な実現例の断面図を示している。トランスデューサ２００のバッキング２２０は、トランスデューサのアクティブ層に近い近位面２２２と、そこから反射される音響波の影響を低減するように構成された、近位面の下のセグメント化された表面２２５とを有する。セグメント化された表面は、平面表面２２２に略平行である表面セグメントＳ１〜Ｓ３を含み、表面セグメントＳ１〜Ｓ３は、アクティブ層２１０に向けて音響波を反射して戻す。この図に示すように、表面セグメントＳ１〜Ｓ３の３つは、縦方向（平面表面２２２に対して略垂直な方向）に空間的にオフセットされており、これにより、表面セグメントは、空間的にオフセットされた３つのレベルＬ１〜Ｌ３に位置する。この図４Ａは、３つのレベルの非限定的な例を表しており、この非限定的な実施形態においては、セグメント化されるバッキングの部分は、バッキングの全体に亘っている。

図４Ｂに示すように、セグメントＳ１〜Ｓ３を３レベル以上（Ｌ１〜Ｌ３）に空間的にオフセットさせることによって、トランスデューサを受信モードで使用する際に、反射音響波によってアクティブ層２１０内で生成される２次信号の振幅を縮小できる。幾つかの実施形態においては、２次信号の振幅のこの縮小は、少なくとも部分的に、反射した音響波の時間的な伸張及び／又は拡散によって生じる。時間的な伸張及び／又は拡散は、３レベル以上のセグメントからの複数の反射が２次信号を発生させる反射波の成分を遅延させるために生じる。これは、図４Ｂに明確に示されており、ここでは、入射波Ｉ１〜Ｉ３の反射によって生じる３つの反射波Ｒ１〜Ｒ３が異なる時間遅延でアクティブ層２１０に向かって反射し、これらのパワーは、より長い時間間隔に亘って分散され、これによって、アクティブ層２１０で発生する２次信号の振幅が縮小される。すなわち、各レベルは、異なるバッキング厚に関連付けられている。

幾つかの実施形態においては、レベルを空間的にオフセットし、セグメントの領域を異なるレベルにして、隣接するレベルから反射する音響波からの２次信号の生成に相殺的干渉を発生させることによって、アクティブ層を介して生成される２次信号が低減される。

トランスデューサを用いて音響信号を送信する際、異なるセグメントレベルから反射する波面は、波面が回折して相殺的に干渉する。トランスデューサを用いて音響信号を受信する際は、反射音響波間の直接的な相殺的干渉ではなく、アクティブ層において様々な反射音響波によって誘起される電気的励起に相殺的干渉が生じる。

上述したように、相殺的干渉効果は、隣接するレベルｉ及びｉ＋１の間の縦の空間オフセットΔＬ_{ｉ，ｉ＋１}がΔＬ_{ｉ，ｉ＋１}≒ｍ_{ｉ，ｉ＋１}λ／４を満たすように、隣接するレベル間の間隔を制御することによって達成してもよく、ここで、ｍ_{ｉ，ｉ＋１}は、奇数の整数であり、λは、トランスデューサの動作波長である。なお、ｍ_{ｉ，ｉ＋１}の値は、異なる隣接するレベルの対間で変化させてもよい。信号パルスの空間波形は、隣接するセグメントから反射された音響波によって相殺的干渉が生じるように、レベル間隔の２倍を上回るパルス長を有する必要がある。なお、レベル間の間隔は、トランスデューサの広帯域特性を考慮して調整してもよく、したがって、経路の差は、４分の１波長の概ね奇数倍から、トランスデューサ応答の帯域幅の選択された部分内で経路長が周波数の４分の１波長に等しくなる量だけ逸脱してもよい。以下、このような実施形態について更に詳細に説明する。

図４Ｃに示すこのような例示的な実施形態では、例示的なトランスデューサ２５０は、セグメント化された表面２７５を有するバッキング２７０を含み、ここで、３個のセグメントＳ１、Ｓ２及びＳ３は、バッキング層内で伝播する波形の４分の１波長の奇数倍によって横にオフセットされている。この図に示す特定の実施形態は、縦の空間オフセットΔＬ≒λ／４である例示的なケースを表している（なお、この図は、実際の縮尺を表していない）。この図に示すように、Ｒ１及びＲ２は、πの位相遅延によって互いに位相が異なっている。同様に、Ｒ２及びＲ３は、πの位相遅延によって互いに位相が異なっている。この位相遅延により、アクティブ層２６０を伝播する反射波によって、電気領域における２次信号の生成において、相殺的干渉が生じる。したがって、図４Ｃに示す実施形態では、反射音響波の時間的な分散及び反射波の干渉の両方のために、アクティブ層２６０を介して反射波が通過することによって生じるアーチファクトに対する反射波の影響が低減されることは明らかである。

１次パルスと、各レベルからの反射信号の２次残響の到着との間の時間間隔は、レベルに関連するバッキング厚に関連する経路長に依存する。最短の経路長を有するレベルは、最小の厚さを有するレベルであり、このレベルは、最短の時間間隔に対応する。同様に、最長の経路長を有するレベルは、最大の厚さを有するレベルであり、このレベルは、最長の時間間隔に対応する。短い１次パルスについては、２次残響パルスのパルス期間は、概ね、最短の時間間隔と最長の時間間隔との間の時間差となる。

上述したように、１つの特定の具体例は、約λ／４の横方向のオフセットを有する複数のレベルを含む。この実施形態では、レベル間のこの最小の段差によって、隣接するレベルからの反射波が、時間的に最小の相対的シフトを確実に有し、効果的な相殺的干渉が達成されるため、短いパルスからの残響の抑制を試みる場合に有用又は有利である。換言すれば、隣接する反射音響波間の相対的な時間的遅延が大きい場合（例えば、パルスの基本周波数の期間の規模ではなくパルス幅の規模である場合）、隣接する反射音響波の振幅は、大きく異なることがあり、特に、パルスエンベロープが時間的に大きく変化するパルスの先頭及び末尾において、十分な相殺的干渉が達成されないことがある。

図４Ｃに示す構成は、１レベル毎に１つのセグメント（Ｓ１：Ｌ１、Ｓ２：Ｌ２及びＳ３：Ｌ３）を有する例示的な実施形態を示しているが、これは、構成の一例にすぎず、他の実施形態においては、所与のレベルに２つ以上のセグメントを関連付けてもよいことは明らかである。このような場合、所与のレベルに関連付けられる２つ以上のセグメントは、略同一平面上にあり、共通のバッキング厚に関連付けられる。このような他の構成例である図４Ｄに示す実施形態は、各レベルを構成するセグメントの面積を合計することによって得られる各レベルに関連する総面積が図４Ｃの実施形態と等しくなるようにセグメント化された表面３２５が設けられているため、図４Ｃの実施形態と機能的に等価である。

したがって、図４Ｃ及び図４Ｄに示す２つの実施形態が異なるセグメント化された表面構成を採用していても、これらは、トランスデューサバッキング内のスプリアス残響に関連するアーチファクトの抑制について同様の性能を示すと予想される。但し、幾つかの実施形態及び用途では、例えば、製造のコスト及び複雑さを低減するため及び／又は散乱効果によってデバイスの性能を劣化させるおそれがある中間の縦方向の側壁の数を低減するために、１つのレベルにつき１つのセグメントを設けることが有益である場合がある。

図４Ｃ及び図４Ｂを比較すると、異なるレベルを構成するセグメントの面積は、図４Ｂにおいては、概ね等しく、図４Ｃにおいて、等しくないことがわかる。図４Ｂでは、より長い期間に亘って反射音響波を拡散するために、レベルが空間的にオフセットされ、これによって、受信モードでの２次信号の振幅を縮小する。一方、図４Ｃ（及び図４Ｄ）では、トランスデューサの動作波長の４分の１の奇数倍によって、隣接するレベルが空間的にオフセットされ、これにより、隣接する表面からの反射音響波は、これらがアクティブ層を介して伝播する際、異なる位相を有する。

様々なセグメントからの反射音響波は、アクティブ層内で、共に、これらの複合的効果に基づく正味応答を生成する。各レベルからの反射信号の強度は、バッキングの全体的な面積に対するレベルの部分的な面積に比例する。１つの実施形態においては、アクティブ層を介する反射音響波の伝播の間の所与の時刻に相殺的干渉を生じさせるために、奇数番目のレベル（例えば、レベル１、３、５、…）に関連する反射音響波からの貢献は、偶数番目のレベル（例えば、レベル２、４、６、…）に関連する反射音響波からの貢献に略等しい必要がある。この条件は、例えば、奇数レベルの総面積が偶数レベルの総面積と略等しい場合に満たすことができる。

なお、トランスデューサが３つのレベルを有する図４Ａ〜図４Ｄに示す実施形態は、単に例示的なものであり、他の具体例では、レベルの数は、異なっていてもよい。例えば、幾つかの実施形態においては、空間的にオフセットされたレベルの数は、２であってもよい。このような実施形態は、例えば、超音波イメージング及び／又は治療用カテーテル（又は１つ以上のイメージング方式及び／又は治療方式のための超音波を含むマルチモダリティカテーテル）等の低侵襲カテーテル内のトランスデューサで小さなバッキングサイズが求められる用途において有用である場合がある。更に、狭帯域音響信号又は例えば、ドップラー超音波を含む用途において、このような低プロファイルにセグメント化されたバッキングを使用することが有益である場合がある。他の実施形態においては、空間的にオフセットされたレベルの数は、３以上であってもよい。上述したように、及び後述するように、幾つかの実施形態においては、トランスデューサの寸法は、低侵襲カテーテル内での使用のために十分に小さい（カテーテルの例示的な寸法については、後述する）。

幾つかの実施形態においては、反射音響波の適切な干渉を達成するために、深さに依存する減衰を補償するように各レベルの表面積を構成してもよい。このような深さに依存する減衰は、より大きい局所的バッキング厚を有するセグメントによって反射される音響波が伝播するバッキング内の伝播経路長が長くなるために生じる。例えば、２つのレベルが４分の１波長によって分離されている場合、（より大きい局所的バッキング厚を有する）より深いセグメントから反射する音響波の音響強度は、ｅ^{−αλ／２}によって低減され、ここで、αは、（より小さい局所的バッキング厚を有する）より浅いセグメントによって反射される音響ビームに対するバッキングのパワー減衰係数である。より深いセグメントから反射される音響波の強度損失を補償するために、より深いセグメントの表面積を約ｅ^αλ／２倍に増加させてもよい（又は同等に、より浅いセグメントの表面積をｅ^{−αλ／２}倍に減少させてもよい）。この補償によって、反射され、位相シフトされた２つの音響波の強度が概ね等しくなり、２つの音響波がアクティブ層において確実に効果的に干渉する。

図４Ｃに示す実施形態では、第１のレベルＬ１及び第３のレベルＬ３は、略等しい面積を有し、第２のレベルＬ２（中央又は中間レベル）は、第１又は第３のレベルの概ね倍の面積を有し、これにより、第２のレベル（唯一の偶数番目のレベル）の面積は、奇数番目のレベルの総面積（第１のレベル及び第３のレベルの面積の合計）に概ね等しくなる。図４Ｃに示すように、レベルＬ１及びレベルＬ３から反射する音響波は、２πの位相遅延によって関連付けられ、したがって、建設的に加算され、一方、レベルＬ２から反射する音響波は、レベルＬ１及びレベルＬ３から反射する音響波とは異なる位相を有する。したがって、様々に反射された音響波の正味の効果がアクティブ層２６０内において加算され、２次信号の生成へのこれらの貢献が相殺的に干渉する。

なお、反射音響波の干渉を使用するように構成されたバッキングを含む幾つかの実施形態においては、異なるレベルを構成するセグメントの面積を等しくしても、干渉を達成することができる。例えば、レベルの数が偶数である実施形態においては、これらのレベルは、ほぼ等しい面積を有していてもよく、これにより、偶数番目及び奇数番目のレベルからの反射音響波が等しく貢献し、相殺的干渉が生じ、２次信号が抑制される。

したがって、セグメントの面積の役割に関する上述の説明に基づき、幾つかの実施形態においては、所与のレベルに含まれる（又は所与のバッキング厚と関係する）異なるセグメントの数及び所与のレベルに含まれるセグメントの面積は、セグメントの面積の重みが様々なレベルから反射する反射音響波を適切に干渉させるように選択、設計又は設定されることがわかる。

上述の実施形態は、異なるレベルのセグメント化された表面が（図４Ａ内の遷移壁２２７のような）セグメントの平面に対して概ね垂直である急峻な遷移壁によって分離されている具体例を示している。このような垂直壁の影響は、セグメント化された表面からの所与の偏向毎に垂直壁で生じる拡散／偏向、並びにこの結果としてアクティブ層に戻る反射の各部分毎に生じる位相関係に依存する。但し、他の実施形態においては、遷移壁の１つ以上は、傾斜していてもよい。図４Ｅは、傾斜する遷移壁を有する具体例を示しており、ここでは、トランスデューサ３５０は、傾斜する遷移壁３８０を含むバッキング表面３７５を有する。傾斜する側壁は、例えば、図４Ｅに示す直線的な斜面、又は例えば、曲線的な斜面等、多種多様な形状を有することができる。幾つかの場合、斜面の形状は、製造プロセス及びその固有の公差によって決定付けてもよい。幾つかの実施形態においては、例えば、図４Ｅに示すように、角度が形成された傾斜する遷移壁を設け、入射音響ビームの一部を横方向に反射することによって、反射音響波の経路長を長くし及びこれに関連する減衰を大きくする無響面（anechoic surface）を提供する。幾つかの実施形態においては、バッキング３７０の側壁３８２、３８４は、更なる無響面又は特徴を含んでいてもよい。

上述の実施形態は、セグメント化された表面がバッキングの遠位端面（distal surface）である例を示しているが、セグメント化された表面は、アクティブ層に近い表面から離れているバッキングの如何なる表面に配設又は形成してもよい。例えば、幾つかの実施形態においては、セグメント化された表面は、バッキング内の内側にある遠位面に形成してもよい。このような内部面は、異なる音響インピーダンスを有する２つの異なるバッキング層を分離するものであり、この内部面が音響反射を発生させる。

図４Ｆは、このような実施形態の更なる具体例を示しており、ここでは、セグメント化された表面は、第１のバッキング層３９２及び第２のバッキング層３９４の間に形成される内部面３９０に形成される。バッキング層３９２、３９４は、異なる音響インピーダンスを有し、この内部面３９０が音響反射を発生させる。セグメント化されていない遠位端面３９６を有する第２のバッキング層３９４の存在は、遠位端面をセグメント化した場合に生じるような気泡の蓄積を低減又は防止するために有益である場合がある。

各層の音響インピーダンスは、表面３９６からの反射を低減するために、第２の層３９４とバッキングの外側の領域との間の音響インピーダンス不整合が低減され、第２の層３９４の音響インピーダンスが第１の層３９２の音響インピーダンスより低くなるように選択してもよい。表面３９６は、アクティブ層に向かって後方に伝播する音響反射の発生を低減するために傾斜する無響面の形状を有していてもよい。第２の層３９４は、表面３９６から内部面３９０に後方に伝播する反射の振幅を実質的に低減する（例えば、反射の振幅を５０％以上、７５％以上、９０％以上又は９５％以上低減する）ために十分な厚さを有する減衰バッキング材料から形成してもよい。

幾つかの実施形態においては、厚さが最小のバッキングのセグメントが、残響パルスが１次パルスに干渉するために十分な薄さを有するようにバッキングをセグメント化してもよい。

ここに記述する様々な実施形態では、トランスデューサの「動作波長」に言及する。「動作波長」という用語は、以下のように定義してもよい。圧電ベースの超音波トランスデューサスタックを設計する場合、アクティブ層の厚さは、多くの場合、アクティブ層の幅より小さい（通常、１／１０以下の寸法）。これにより、層の厚さ方向の基本共振モードの周波数が横方向のあらゆる共振モードから分離される。あらゆる伝播材料又は媒体（例えば、導電性銀エポキシ又はヒトの組織）内で伝播する波形は、波長＝音速／周波数の関係に基づき、材料又は媒体の音速を介する基本共振モードの周波数に関係する基本波長を有する。幾つかの実施形態においては、動作波長は、この基本設計波長であってもよい。

現実のトランスデューサでは、材料は、完全な（理想的な）共振器ではなく、したがって、基本周波数は、実際には、励起された周波数の中心周波数及び帯域幅によって特徴付けることができる励起された周波数の帯域である。整合層及びバッキング層は、可能な限り短時間に、多くの共振エネルギをトランスデューサスタックの正面から伝播媒体に効果的にカップリングするように追加される。これにより、スタックの周波数応答が更に広くなり（すなわち、アクティブ周波数の帯域幅が広くなり）、トランスデューサスタックは、短い励起送信信号（例えば、単一サイクル波形）から、及びより狭帯域の励起パルス、例えば、持続期間内の幾つかのサイクルのトーンバーストから、超音波パルス応答波形をより近似的に複製することができる。製造公差によって、トランスデューサの時間及び周波数応答に逸脱が生じることもある。幾つかの実施形態においては、トランスデューサに関連する動作波長は、スタックの周波数応答内の波長、例えば、中心波長であってもよい。例えば、幾つかの実施形態においては、トランスデューサに関連する動作波長は、この複合的設計、励起パルス及び製造公差依存帯域幅内の如何なる波長を含んでもよい。

なお、セグメント化された表面からの反射によって生成される残存２次信号は、１次信号とは異なる周波数スペクトルを有するようなエンベロープを有することがある。したがって、幾つかの実施形態においては、レベルの間の段差は、正確に、動作波長の４分の１の奇数倍である必要はない。幾つかの実施形態においては、所与の動作波長は、波形の中心周波数に対して、波形帯域幅の所定のパーセンテージ（例えば、帯域幅の５０％）内の何れかの周波数に対応する。例えば、１０ＭＨｚの中心周波数及び１０ＭＨｚの帯域幅を有する短いパルス励起波形について、約７．５〜１２．５ＭＨｚの範囲内の周波数に基づいて、４分の１波長の奇数倍として、段差の値を選択することができる。他の実施形態においては、他の範囲の周波数、例えば、中心周波数に対して、帯域幅の１０％、２０％、３０％又は４０％以内の周波数に対して選択された動作波長に基づいて段差を選択してもよい。

バッキングは、以下に限定されるわけではないが、エポキシ、粉末負荷エポキシ（powder loaded epoxy）、多孔性金属、多孔性セラミクス、及び設計された２相複合構造（engineered 2-phased composite structures）を含む様々な材料から形成することができる。異なるセグメントからの反射音響波の位相を用いて相殺的干渉を生成する幾つかの実施形態においては、バッキングは、この他の場合、伝播する音響波のコヒーレンス性を実質的に保存すると考えられている材料から形成してもよい。このようなバッキング材料の例は、単相材料（エポキシ、ポリマ、金属）、粉末負荷エポキシを含み、したがって、ドーピング粒子のサイズは、動作波長における超音波の拡散に良好に調整されない。上述したように、バッキング厚は、バッキングが音響吸収及び散乱のみでは音響エネルギを十分に減衰させない厚さであってもよい。バッキングは、親水性及び／又は電気絶縁性を有する層によってコーティングしてもよい。適切なコーティングの非限定的な例は、パリレン及びＴｉＯ_２を含む。

上述した実施形態は、セグメントが１次元に沿って変化する、表面がセグメント化されたバッキングを有するトランスデューサの例を開示しているが、セグメントが２次元で変化するようにバッキングをセグメント化してもよい。換言すれば、バッキングのセグメント化された表面は、１つの次元が異なるレベルを定義し、１つ又は２つの次元がセグメントのバリエーションを定義するように、最大３つの次元で変化してもよい。

１つの具体例においては、バッキングの少なくとも一部の遠位面は、セグメントが２つの次元で変化するように、複数の正方形及び／又は長方形のセグメントにセグメント化してもよい。他の具体例においては、バッキングの少なくとも一部の遠位面は、中心の円形又は楕円形のセグメントを囲む一連の環状セグメントに分割してもよい。

なお、ここで使用する「セグメント化された表面」という句は、トランスデューサバッキングの遠位面を意味し、少なくとも一部の遠位面は、上述したように、３つ以上のレベルを定義するセグメントに分割される。幾つかの実施形態においては、遠位面の一部のみがセグメント化される。例えば、１つの具体例においては、バッキングの遠位面は、第１の部分上に取り付けられた１つ以上の機能的デバイスを有していてもよく、遠位面の残りの部分を上述したようにセグメント化してもよい。トランスデューサバッキングの表面の一部に取り付けられる機能的デバイスの１つの例は、２０１２年１月３１日に出願されている国際特許出願番号ＰＣＴ／ＣＡ／２０１２／０５００５７号、発明の名称「ULTRASONIC PROBE WITH ULTRASONIC TRANSDUCERS ADDRESSABLE ON COMMON ELECTRICAL CHANNEL」に記載されているような角度検出トランスデューサであり、この文献の全体は、参照によって本願に援用される。

幾つかの実施形態においては、セグメント化された表面は、短いパルス、例えば、概ね１サイクル、２サイクル又は３サイクルに等しい持続期間のエンベロープを有するパルスの反射によって生成される２次信号を抑制するように構成される。例えば、典型的な医療用イメージングパルスは、１〜２サイクル（１〜２波長）又はこれ以上続く時間的に短いパルスである。短時間パルス波形のエンベロープは、立ち上がり又は正の傾斜と、僅かな時間の後に続く、立ち下がり又は負の傾斜とを有するとみなすことができる。これは、幾つか波長のトーンバーストとは対照的であり、このようなパルス波形のエンベロープは、第１の立ち上がり傾斜と、ゼロ傾斜の実質的に平らなエンベロープの部分と、これに続く最後の立ち下がり傾斜とによって特徴付けられる。

一実施形態においては、反射信号の立ち上がり及び立ち下がりエッジの影響を抑制するために、セグメント化された表面は、各隣接するセグメントが信号に概ね１／２の更なる動作波長遅延を引き起こし、信号の冒頭のエッジ及び末端のエッジの強度が１／ｎに低減され、中間の全ての反射信号からの貢献が相殺的にキャンセルされるように、複数の「ｎ」個の段階的セグメントとして形成してもよい。このような実施形態については、後に実施例１として例示する。

一実施形態においては、セグメント化された表面は、以下のように定義してもよい。セグメントの第１のセットは、トランスデューサの約４分の１の動作波長で縦方向にオフセットされた２つの隣接する部分によって定義され、これによって、セグメント化された表面の２つのレベルが定義される。そして、セグメント化された表面の更なる部分は、セグメントの第１のセットを複製し、複製されたセットを、（ｍ＝１として）トランスデューサの約４分の１の動作波長によってオフセットすることによって形成される。

セグメント化された表面を定義するこの手法の具体例について、トランスデューサのバッキング部分を示す図５Ａ及び図５Ｂを参照して説明する。図５Ａでは、バッキング４００のセグメント化された表面４０５は、レベルＬ１〜Ｌ４を定義する４つの部分から形成され、各レベルは、共通の表面積を有し、各レベルは、トランスデューサの動作波長の４分の１によって、段階的に互いにシフトされている。一方、図５Ｂは、部分４６０の第１のセットの複製及びシフトに基づいて定義されたセグメント化された表面４５５を有するバッキング４５０を表している。詳しくは、セグメントの第２セット４７０は、セグメントの第１のセット４６０のコピーであり、トランスデューサの４分の１の動作波長によって上方にシフトされている。

複製及びオフセットによってセグメント化された表面を定義するこの方法は、二回以上繰り返してもよい。図５Ｃは、３回の複製及びシフト処理によって形成されたセグメント化された表面の具体例を示している。バッキング５００のセグメント化された表面５０５は、第１のセグメントセット４６０から、複数回の複製及びシフト処理によって、第２、第３、第４のセグメント４７０、４７２、４７４を定義することによって形成されている。

他の実施形態においては、以下に説明する二重複製及びシフト法によってセグメント化された表面を定義できる。１つ以上の複製及びシフト処理は、セグメントの上位集合（superset）とも呼ばれる第１のセグメント化された表面部分を定義することによって実行してもよい。そして、セグメントの上位集合を用いて、セグメントの第１の上位集合を複製及びシフトした少なくとも１つの更なるセグメントの上位集合を含むセグメント化された表面を定義する１つ以上の複製及びシフト処理を実行する。

図５Ｄは、この実施形態の具体例を示しており、ここでは、表面の上位集合が複製及びシフトされ、バッキング５５０のセグメント化された表面５５５が形成されている。このセグメント化された表面は、第１の上位集合５６０を複製及びシフトして、表面の第２の上位集合５７０を得ることによって形成される。この図に示すように、上位集合５７０は、第１の上位集合５６０に対して、動作波長の４分の１だけシフトされている。表面の第１の上位集合５６０自体は、図５Ｂに示す複製及びシフト処理によって得られる。

上述したように、所与のレベル（又は局所的バッキング厚）に関連付けられたセグメントの空間分布は、変化させることができ、２次パルスの振幅が電極の全面積に亘る合計であるため、１つのセグメントは、総面積が等しい複数のセグメントに分割できる。例えば、図５Ｅに示すように、セグメント化された表面５８０を有するバッキング５７５では、各レベルのセグメントの面積は、図５Ｄに示す各レベルのセグメントの面積に等しく、したがって、セグメント化された表面５８０は、図５Ｄのセグメント化された表面５５５に機能的に等価である。

したがって、１次元及び／又は２次元のセグメントの空間的順列は、バッキング層の底面からの様々な反射による位相干渉によって、バッキングに伝達される初期波の完全なエネルギコンテンツがキャンセルされる程度によって分類でき、何らかの２次信号の強度の低減及びその１次パルスの強度に対する関係に基づいて表現することができる。

なお、上位集合を複製及びシフトする上述した手順を更に１回以上繰り返して、更なるレベル及び複雑さによって表面を定義してもよい。例えば、図５Ｆのバッキング６００は、複製及びシフト処理に基づいて定義されたセグメント化された表面６０５を示しており、ここで、第１の上位集合６１０は、図５Ｄに示されるセグメント化された表面であるとみなされる。上位集合６１０を複製及びシフトすることによって、更なる表面セグメント６２０が得られる。この結果として生じる複雑にセグメント化された表面は、図５Ｇに示すバッキング６５０のセグメント化された表面６５５と機能的に等価である。

段階的表面に対する複製及びセグメント化された表面のシミュレーションされた性能を図７Ａ及び図７Ｂに示す。図７Ａは、持続期間が約３サイクルの短いパルスエンベロープを有する現実的な波形に基づき、平らな（制御）表面から得られる２次信号に比較して、段階的にセグメント化された表面、例えば、図５Ａに示す段階的表面の様々な２次信号波形を示している。この図からわかるように、５レベルの段階的にセグメント化された表面について得られる最高の性能によって、全てのセグメント化された表面について、２次信号の振幅は、低減されているが、認識可能な程度に残留している。相殺的干渉に基づく２次波形の不完全なキャンセルは、パルスの冒頭及び末尾の端部におけるパルス波形の振幅の急速な変化のために生じると理解できる。２次信号に対するこれらの端部の影響は、各レベルの共通の表面積に起因して、全てのレベルの反射成分が等しい重みを有しているためにキャンセルされない。

一方、図７Ｂは、ここに説明する複製及びシフト法によって定義されるセグメント化された表面で生じる改善されたキャンセルを表している。この図は、図５Ｂの１つの複製及びシフト表面、並びに図５Ｄに示す上位集合ベースの複製及びシフト処理に基づいてセグメント化された表面から得られる２次信号の幅広いキャンセルを表している。

すなわち、図７Ｂは、短いパルスの場合、上述の複製及びシフト法を用いてセグメント化された表面を定義することによって、２次信号の無効化（nulling）を改善できることを表している。なお、より汎用性のある手法を用いて、同様の結果を得ることもできる。このより汎用性のある手法は、図５Ｄ及び図５Ｆに示すセグメント化された表面と機能的に等価である図５Ｅ及び図５Ｇに示すセグメント化された表面の各レベルの総表面積の数列（progression）を調べることによって理解することができる。図５Ｅに示すセグメント化された表面は、第１のレベルの表面積を単位として、１（Ｌ１）、３（Ｌ２）、３（Ｌ３）、１（Ｌ４）と変化する異なるレベル毎の表面積によって特徴付けられる。同様に、図５Ｇに示すセグメント化された表面は、第１のレベルの表面積を単位として、１（Ｌ１）、４（Ｌ２）、６（Ｌ３）、４（Ｌ４）、１（Ｌ５）と変化するレベル毎の表面積によって特徴付けられる。

これらのセグメント化された表面は、１つ以上の中間のレベルまで単調に増加し、続いて、単調に減少するレベル毎の表面積によって特徴付けられる。また、第１のレベル及び１つ以上の中間レベルの間の各レベルについて、１つ以上の中間のレベル及び最後のレベルの間に表面積が略等しい関連レベルが存在していることも明らかである。

したがって、セグメント化された表面を定義するための１つの手法は、１つ以上の中間レベルまで単調に増加し、続いて単調に減少するレベル毎の表面積によって特徴付けられるセグメント化された表面を提供することを含む。セグメント化された表面は、更に、第１のレベル及び１つ以上の中間レベルの間の各レベルについて、１つ以上の中間レベル及び最後のレベルの間に表面積が略等しい関連レベルが存在するように特徴付けてもよい。図に示す例示的な実施形態は、レベル毎の表面積が整数の乗数によって関連を有するセグメント化された表面を例示しているが、これは、一般的な必要条件ではなく、他の実施形態においては、レベル毎の表面積の２つ以上は、整数以外の乗数による関係を有していてもよい。上述したように、様々なレベルの表面積は、反射音響波の適切な干渉を達成するために、深さに依存する減衰を補償するように定義してもよい。

上述の実施形態において開示した超音波トランスデューサ及び超音波トランスデューサのためのバッキングは、様々なプロセスによって製造することができる。セグメント化されたバッキング表面を形成するための１つの例示的な方法では、標準的なトランスデューサ処理設備を使用して、バッキングを複数の段にセグメント化する。これらの段は、上述したように、遷移壁によって分離してもよく、ダイシングソー等の設備を用いて機械加工してもよい。段の幅は、ブレードの幅及びダイシングソーマシンのインデックスステップによって制御できる。

例えば、ＣＮＣ機械加工又はレーザ機械加工等の他の具体的な除去プロセスも想到される。３軸、４軸又は５軸のＣＮＣマシンを使用して、生来的により傾斜した遷移壁を設けてもよい。同様に、レーザ機械加工を用いて、壁のプロファイルを制御してもよく、レーザスポットは、通常、レーザパルス毎に僅かな量の材料のみを除去するため、バッキングの表面の幾何学的なプロファイルに亘って、高精度な制御が実現される。

ここでは、単一素子のトランスデューサを示しているが、この技術は、環状、線形及び１Ｄ、１．２５Ｄ、１．５Ｄ、１．７５Ｄ、及び２Ｄに配列されたデバイスのフェーズドアレイ、並びに疎に配置されたアレイにも適用できる。図６は、トランスデューサのアレイ７０５を含む超音波アレイ７００の例を表しており、アレイ７０５の各トランスデューサは、それぞれ、少なくともその一部がセグメント化された遠位面７１０を有するバッキングを有する（この図では、遠位面（further surface）は、バッキングの遠位端面（distal surface）である）。

なお、トランスデューサスタック設計は、複数のアクティブ層を含んでいてもよい。アクティブ層は、同じ方向に分極化してもよく、逆の方向に分極化してもよい。バッキング層を使用する如何なるタイプのトランスデューサも、本開示が提供する実施形態によって変更でき、これによって、バッキング層自体内の残響の影響を低減又は修正することができる。

幾つかの実施形態においては、ここに記述するデバイスは、例えば、イメージング及び／又は治療用カテーテル等の低侵襲超音波用途における超音波トランスデューサとして使用してもよい。セグメント化されたバッキングを含むように変更できる超音波トランスデューサを有するこのような低侵襲超音波カテーテルの非限定的な例は、参照によって全体が本願に援用される、２００９年３月２７日に出願された米国特許第８，４６０，１９５号、発明の名称「SCANNING MECHANISMS FOR IMAGING PROBE」及び上述した国際特許出願番号ＰＣＴ／ＣＡ／２０１２／０５００５７号に記述されているカテーテルを含む。カテーテルのために有用な超音波周波数は、通常、５〜１００ＭＨｚの範囲内にある。カテーテルが用いられる脈管の寸法によって、カテーテルは、約２〜１５Ｆｒの寸法に形成される。導電性エポキシ（音速１９５０ｍ／ｓ）等の典型的バッキングが使用され及び妥当なセグメントレベルの数が４〜６レベルの範囲にあると仮定すると、１０ＭＨｚのＰＺＴトランスデューサのスタックの厚さは、約６００ミクロン以下の総厚を維持することができる。音速が比較的遅い材料、例えば、音速が１０００〜１５００ｍ／ｓ程度であるゴム材を使用すると、最小の厚さは、約４００ミクロンになる。カテーテルのシース内でトランスデューサを保持する筐体の端部の仕様に応じて、約２Ｆｒ以下のカテーテル内に、合理的な軸方向イメージング能力を有する６０ＭＨｚのトランスデューサを組み込み、実現することができる。

なお、バッキング厚の縮小を可能にする本開示の実施形態は、トランスデューサに使用できる空間が限られている様々な超音波用途に採用できる。このような実施形態は、例えば、超音波トランスデューサを組織に近接させて配置する能力のために、より周波数が高い超音波を用いて関心領域をイメージングでき、イメージング解像度が向上するような用途において有用である場合がある。したがって、本開示は、心臓内イメージング、血管内イメージング、ニードルベース及び内視鏡用途、例えば、膀胱及び他の尿道イメージング用途、又は耳道イメージング用途のそれぞれにおいて有益である。なお、ここでは、多くの医療用超音波トランスデューサ及び超音波トランスデューサに関わる医療用途、例えば、超音波イメージングトランスデューサ及び超音波治療デバイスの例を示しているが、本開示の様々な実施形態は、他の用途及び分野で使用してもよい。例えば、上述した実施形態に基づくセグメント化されたバッキングを有する超音波トランスデューサは、例えば、非接触検知、運動センサ、フロー検知、非破壊試験、距離測定、位置検知及び通信等の用途のために使用してもよい。また、これらは、例えば、高密度焦点式超音波（High Intensity Focused Ultrasound：ＨＩＦＵ）等の治療用超音波による治療間に送達されるエネルギのパルス期間を短縮するために使用することもできる。

以下の実施例により、当業者は、本開示の実施形態を理解し、実施することができる。これらは、本開示の範囲を限定するものではなく、単に本開示を例示し、代表するものである。

実施例
実施例１：単一サイクルパルスの反射によって生成される２次信号のモデリング
単一サイクルパルスからなる１次信号に対するセグメント化された異なるプロファイルの影響を示すために数学モデルを使用した。幾つかのセグメント化された異なるプロファイルをモデル化し、結果として生じる２次信号を図８に示す。このモデルは、反射パルスの様々な部分が、反射波に起因する相殺的干渉によってどのように除去されるか、及び除去されなかった反射パルスの幾つかの残留部分の振幅が、反射パルスの時間的拡張によってどのように低減されるかを示している。

図８は、バッキングの遠位端面の異なるプロファイルに対応する４つの異なる２次信号を示している（１次信号は示していない）。太線は、均一な厚さ「Ｔ」のバッキングによって生成される２次信号を示している。この曲線は、単なる１次パルスの再生である。この２次信号を、以下「コントロール」２次信号と呼ぶ。

グレーの破線は、面積が等しい２つのセグメントからなる２レベルにセグメント化されたバッキングから得られる２次信号を示しており、ここで、第１のセグメントの厚さは、「Ｔ」であり、第２のセグメントの厚さは、「Ｔ＋λ／４」であり、λは、バッキング層内を伝播する音響波の中心周波数の波長である。結果として生じる２次信号は、パルスの信号強度が、平らな表面から得られるコントロール２次信号の信号強度の１／２である二重パルス形状を有する。この実施例の２次信号は、更に１／２期間拡張される。２次信号を構成する２つの反射音響波は、位相が１８０度シフトされ、一方の信号が最大の正の強度を有するとき、他方の信号が最大の負の強度を有し、これらを加算すると、信号の重なり合う部分が相殺される。より短いセグメントからの反射信号の冒頭の半波部分及びより長いセグメントからの反射信号の末尾の半波部分は、残留している。これらは、相殺されず、それぞれ、１／２波長分離間したコントロール２次信号の冒頭部分及び末尾部分の１／２の強度を有する。

黒い破線は、面積が等しい５つのセグメントを有する様々な厚さのバッキングからの反射信号を示しており、第１のセグメントは、厚さ「Ｔ」を有し、更なる４つのセグメントは、それぞれ、「Ｔ＋Ｎ（λ／４）」に等しい更なる厚さを有し、最も薄いセグメントに対してＮ＝１…４である。この曲線は、セグメントの数を増やすことによって、残留ピーク間の分離間隔が長くなり、残留ピークの減衰が大きくなることを示している。セグメントの数を更に増やすと、ピークの強度が更に低減され、２次パルスのパルス期間も延長されるが、製造の複雑性も高まる。

グレーの点線は、遠位端面が２１のセグメントにセグメント化されたバッキングを有するトランスデューサについて得られる２次信号を示しており、各セグメントは、「Ｔ＋Ｎ（λ／８０）」に等しい更なる厚さを有し、（４分の１波長の総厚の変化について）最も薄いセグメントに対してＮ＝１…２０である。この実施例のセグメント化された表面は、バッキングの厚さが線形に増加するくさび形のバッキング（wedge shaped backing）の近似例を表している。この手法は、増加された期間に亘って２次信号を拡張することにより２次信号の振幅を低減する利点を提供するが２次信号の振幅は、認識可能な程度に残留している。

黒い点線は、遠位端面が８１のセグメントにセグメント化されたバッキング有するトランスデューサについて得られる２次信号を示しており、各セグメントは、「Ｔ＋Ｎ（λ／８０）」に等しい更なる厚さを有し、（１波長の総厚の変化について）最も薄いセグメントに対してＮ＝１…８０である。完全には相殺されていない冒頭及び末尾の傾斜の部分は、部分的に拡張されている。残留する立ち上がり及び立ち下がり傾斜のピークは、セグメント化された手法からのピークに比べて、実際に僅かに低下している。

実施例２：遠位端面がセグメント化されたバッキングを有するトランスデューサにおける２次信号の抑制の数学モデル及び実験的検証
この実施例の設計では、セグメント化されたバッキングを有するトランスデューサを製造し、音響応答を実験的に測定し、数学的にモデル化した。図９は、トランスデューサ設計のセグメント化されたバッキングの実例を示している。この図に示すように、例示的なトランスデューサは、面積が等しいセグメントの７個のレベル（Ｌ１〜Ｌ７）にセグメント化されたバッキング層８００を有する多角形の開口を有する単一素子トランスデューサである。アクティブ層及び整合層は、図示していない。暗いバンドの右のセクション８２０は、アクティブではない。バッキング層の遠位端面は、７個のレベルＬ１〜Ｌ７を構成するセグメントによって定義されるセグメント化された表面及びバッキングの上端及び下端に設けられたバッキングの更に２つのベース領域８０５、８１０を含む。バッキングの厚さは、デバイスの上部及び下部でより厚く中央が最も薄く形成されている。

中心周波数が１０ＭＨｚとなるように設計されたトランスデューサスタックを、アクティブ層としての５ＨタイプのＰＺＴ、バッキングとしての４００μｍの銀エポキシ層、それぞれの整合層としての銀エポキシ及び非導電性エポキシの層によって形成した。そして、従来のダイシングソーを用いて、図９に示すように、トランスデューサのバッキングを複数のセグメントにダイシングした。トランスデューサを固定具に取り付け、デバイスを水槽内に配置し、単一サイクルの送信パルスによって励起した。水中聴音器によって、トランスデューサの主軸に沿った一方向の波形を測定できた。平らなプラスチック表面から双方向測定値も取得した。

一方向信号（又は応答）は、トランスデューサのアクティブ圧電層を介する１回の変換の結果の信号である。例えば、送信された音響信号が、例えば、水中聴音器等の音響センサを用いてトランスデューサから検出される場合、検出される水中聴音器信号は、一方向信号である。双方向合図（又は応答）は、トランスデューサのアクティブ圧電層を介する２回の変換の結果の信号である。例えば、電気的駆動信号を音響的に送信するために、及び続いて、媒体からの反射送信音響信号を感知するために同じトランスデューサが使用される場合、トランスデューサによって検出される電気信号は、双方向信号である。

セグメント化された層を形成する前と後のトランスデューサについて、一方向測定値及び双方向測定値を取得した。図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれセグメント化された表面を有する及び有さない２次信号の強度を比較して示している（ｘ軸は、サンプリング時間を示している（サンプリング期間５ナノ秒、サンプリングレート２００ＭＨｚ））。一方向信号の振幅は、約１６．５ｄＢ低減され、双方向信号の振幅は、約２０ｄＢ低減されている。

また、線形伝播モデルシミュレーションツール（http://www.k-wave.org/index.phpに示されているK-wave）を使用して、トランスデューサの音響応答をモデル化した。単一素子トランスデューサは、１２．５ＭＨｚの中心周波数でモデル化され、銀エポキシバッキング層の厚さは、約４５０ミクロンとした。トランスデューサを駆動するために用いられるシミュレーションされた１次信号を、シミュレーションされた、セグメント化されたパターン付きのバッキングからの反射信号と比較し（バッキングは、３Ｄ ＣＡＤで生成した。）、シミュレーションされた一方向の結果を得た。数学モデルによって予測される２次パルスは、図３（平面バッキング）及び図１１（セグメント化されたバッキング）に示している。セグメント化されたバッキングを使用した場合、２次信号の伝達される電気的圧力は、約１９ｄＢ低減されることが見出された。

上述の特定の実施形態は、例示的なものであり、これらの実施形態を様々に修正及び変形できることは明らかである。更に、特許請求の範囲は、ここに開示した特定の形式に限定されず、ここに開示した思想及び範囲に含まれる全ての修正、均等物及び変形を包含することは明らかである。

Claims (22)

1. アクティブ層と、
   前記アクティブ層に近い近位面及びその下にある遠位面を有し、前記遠位面の少なくとも一部がセグメント化された表面であるバッキングと、を備え、
   前記セグメント化された表面は、複数の略平面のセグメントを含み、各セグメントは、前記近位面に略平行であり、
   前記セグメントの少なくとも２つは、前記近位面に略垂直な縦方向に空間的にオフセットされ、前記セグメント化された表面の２つ以上のレベルが定義され、各レベルが異なるバッキング厚に関連付けられる超音波トランスデューサであって、
   各レベルは、前記レベルを構成するセグメントの表面積の合計によって定義される表面積に関連付けられ、隣接するレベルは、前記超音波トランスデューサに関連する動作波長の４分の１の奇数倍に略等しい距離によって離間され、前記隣接するレベルから反射される音響波は、前記アクティブ層を介する後続する送信の際に位相が異なることによって、前記アクティブ層における励起の振幅を低減し、
   前記各レベルに関連する表面積は、深さに依存する減衰を補償するように変化する超音波トランスデューサ。
2. 前記超音波トランスデューサは、低侵襲カテーテル内で使用するために十分に小さい寸法を有する請求項１記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記超音波トランスデューサは、高周波超音波トランスデューサである請求項１記載の超音波トランスデューサ。
4. 少なくとも３個の前記セグメントが縦方向に空間的にオフセットされ、前記セグメント化された表面の３個以上のレベルが定義される請求項１記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記レベルは、前記セグメント化された表面に入射する内部的に伝播する音響パルス入射が、時間的に拡張されたパルスプロファイルによって、前記アクティブ層に向けて反射するように空間的にオフセットされ、前記アクティブ層を介する後続する送信時に前記アクティブ層の励起の振幅が低減される請求項１記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記レベルの表面積は、全ての奇数番目のレベルからの反射音響パワーが全ての偶数番目のレベルからの反射音響パワーに略等しくなるように選択される請求項１記載の超音波トランスデューサ。
7. 前記レベルの表面積は、全ての奇数番目のレベルの総表面積が全ての偶数番目のレベルの総表面積に略等しくなるように選択される請求項１記載の超音波トランスデューサ。
8. 少なくとも一対の隣接するレベルは、前記超音波トランスデューサに関連する動作波長の４分の１の奇数倍に略等しい距離によって離間されている請求項１乃至７何れか１項記載の超音波トランスデューサ。
9. 前記セグメントは、前記バッキングの厚さが１つの横方向の次元で変化するように構成されている請求項１乃至８何れか１項記載の超音波トランスデューサ。
10. 前記セグメントは、前記バッキングの厚さが２つの横方向の次元で変化するように構成されている請求項１乃至８何れか１項記載の超音波トランスデューサ。
11. 前記セグメントは、前記厚さが、１つの横方向の次元に沿って単調に変化するように構成されている請求項９又は１０記載の超音波トランスデューサ。
12. 少なくとも１つのレベルは、互いに横にオフセットされ、共通のバッキング厚が関連付けられている２つ以上のセグメントを有する請求項１乃至１１何れか１項記載の超音波トランスデューサ。
13. 前記レベルの表面積は、約１サイクル乃至３サイクルまでの期間を有する短い１次パルスに起因する前記アクティブ層の励起の振幅を低減するように構成されている請求項１乃至１２何れか１項記載の超音波トランスデューサ。
14. 前記レベルの表面積は、第１のレベルから共通の表面積を有する１つ以上の中間レベルまで単調に増加した後、最後のレベルまで単調に減少する請求項１乃至１２何れか１項記載の超音波トランスデューサ。
15. 前記セグメント化された表面の前記第１のレベルと前記１つ以上中間レベルの間の各レベルについて、前記１つ以上の中間レベルと、前記最後のレベルとの間に、表面積が略等しい関連レベルが存在する請求項１４記載の超音波トランスデューサ。
16. 前記各レベルの表面積は、整数に略等しい乗数によって前記第１のレベルの表面積に関連を有する請求項１５記載の超音波トランスデューサ。
17. 前記動作波長は、基本共振波長に略等しい請求項１乃至１４何れか１項記載の超音波トランスデューサ。
18. 前記バッキングの最小限の厚さは、前記アクティブ層内で一次音響波が反射音響波に重ならないように十分に厚い請求項１乃至１７何れか１項記載の超音波トランスデューサ。
19. 前記遠位面は、前記バッキングの第１の層と前記バッキングの第２の層との間に形成された内部面であり、前記バッキングの前記第１の層は、前記バッキングの前記第２の層の音響インピーダンスとは異なる音響インピーダンスを有する請求項１乃至１８何れか１項記載の超音波トランスデューサ。
20. 請求項１乃至１９何れか１項記載の複数の超音波トランスデューサを備える超音波トランスデューサアレイ。
21. アクティブ層と、
    前記アクティブ層に近い近位面及びその下にある遠位面を有し、前記遠位面の少なくとも一部がセグメント化された表面であるバッキングと、を備え、
    前記セグメント化された表面は、複数の略平面のセグメントを含み、各セグメントは、前記近位面に略平行であり、
    前記セグメントの少なくとも２つは、前記近位面に略垂直な縦方向に空間的にオフセットされ、前記セグメント化された表面の２つ以上のレベルが定義され、各レベルが異なるバッキング厚に関連付けられる超音波トランスデューサであって、
    各レベルは、前記レベルを構成するセグメントの表面積の合計によって定義される表面積に関連付けられ、隣接するレベルは、前記超音波トランスデューサに関連する動作波長の４分の１の奇数倍に略等しい距離によって離間され、前記隣接するレベルから反射される音響波は、前記アクティブ層を介する後続する送信の際に位相が異なることによって、前記アクティブ層における励起の振幅を低減し、
    前記セグメントは、前記バッキングの厚さが、１つの横方向の次元に沿って単調に変化するように構成されている超音波トランスデューサ。
22. アクティブ層と、
    前記アクティブ層に近い近位面及びその下にある遠位面を有し、前記遠位面の少なくとも一部がセグメント化された表面であるバッキングと、を備え、
    前記セグメント化された表面は、複数の略平面のセグメントを含み、各セグメントは、前記近位面に略平行であり、
    前記セグメントの少なくとも２つは、前記近位面に略垂直な縦方向に空間的にオフセットされ、前記セグメント化された表面の２つ以上のレベルが定義され、各レベルが異なるバッキング厚に関連付けられる超音波トランスデューサであって、
    各レベルは、前記レベルを構成するセグメントの表面積の合計によって定義される表面積に関連付けられ、隣接するレベルは、前記超音波トランスデューサに関連する動作波長の４分の１の奇数倍に略等しい距離によって離間され、前記隣接するレベルから反射される音響波は、前記アクティブ層を介する後続する送信の際に位相が異なることによって、前記アクティブ層における励起の振幅を低減し、
    前記レベルの表面積は、第１のレベルから共通の表面積を有する１つ以上の中間レベルまで単調に増加した後、最後のレベルまで単調に減少する超音波トランスデューサ。

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