JP6873156B2 - 接触する超音波装置 - Google Patents

Description

本発明は、トランスデューサ機構を備える超音波装置に関する。

本発明はさらに、このような超音波装置を備える超音波システムに関する。

本発明はまたさらに、このような超音波装置を備える超音波機構に関する。

超音波は、医学においていくつかの用途を見いだしている。こうした用途の１つは超音波撮像であり、超音波撮像では、超音波トランスデューサのアレイを備える超音波装置によって、超音波が患者の身体へと放射され、超音波のエコーが超音波トランスデューサ、又は専用の超音波受信機によって回収され、処理されて、超音波画像、たとえば１Ｄ、２Ｄ又は３Ｄの超音波画像を生成する。別の用途は、超音波ビームが超音波トランスデューサ素子のタイルを備える超音波装置によって生成され、病変組織に集束される高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）治療法などの、超音波治療法である。焦点での著しいエネルギー蓄積により、約６５℃〜８５℃の範囲の局所的温度が生じ、これは凝固壊死によって病変組織を破壊する。

このような用途は、いくつかの課題に直面している。たとえば、撮像用途では、超音波トランスデューサアレイと撮像される身体の部位との間の良好な接触を実現することは、決して些末な問題ではない。これは、通常、超音波トランスデューサアレイと身体の部位との間の接触を改善する特別なゲルを使用することによって実現される。しかし、この手法の欠点は、通常、大量のゲルが使用されなければならず、このゲルが、超音波信号の送信又は受信に干渉する気泡を含む場合があることである。さらに、たとえばプローブの形をとる超音波トランスデューサアレイは、撮像手順中、通常手で持たれており、これによって手順がエラーの起こりやすいものになる。

治療用途において同様の課題が存在し、この用途では、集束されるビームは、病変組織の複数の領域を治療するために定期的な再調整を必要とする。これは、集束素子タイルを調整することによって、又は各超音波トランスデューサ素子によって生成される信号の相対位相を調整することによるビームステアリングによって、手作業でなされる。手による調整では誤りが起きやすく、位相が制御されたビームステアリングの範囲は、アレイの変位を伴うことなくすべての病変組織に到達するためには不十分である。

超音波トランスデューサアレイと身体との間の不十分な質のコンフォーマル接触に起因した、超音波装置の次善の動作が避けられるか又は正されるように、超音波トランスデューサアレイと超音波トランスデューサアレイを用いて生じる超音波を受ける身体との間の接触の質を評価することが求められている。これは、たとえば、超音波トランスデューサと画像化又は治療される身体の領域との間の良好な接触を確立することが困難なことで知られる、大面積超音波トランスデューサや経食道心臓超音波検査（ＴＥＥ）プローブに適用される。

本発明は、トランスデューサ機構とトランスデューサ機構を用いて生じる超音波を受ける身体との間の接触の質を評価することができるトランスデューサ機構を備える超音波装置を提供することに努める。

本発明は、さらに、このような超音波装置を含む超音波システムを提供することに努め、この場合、超音波システムは、トランスデューサ機構とトランスデューサ機構を用いて生じる超音波を受ける身体との間の接触の質の評価が超音波装置によって提供されるのに応答して、その動作モードを調整するように構成される。

本発明は、さらに、このような超音波装置を含む超音波機構を提供することに努め、この場合、超音波機構は、トランスデューサ機構と身体との間の接触の質の評価が超音波装置によって提供されるのに応答して、トランスデューサ機構とトランスデューサ機構を用いて生じる超音波を受ける身体との間の接触を変えるように構成される。

一態様によれば、トランスデューサ機構と、トランスデューサ機構を覆う音響透過窓とを備える超音波装置であって、音響透過窓が、エラストマー層を備え、エラストマー層は、エラストマーに分散される伝導性粒子を有し、エラストマー層が、ある感圧伝導率を有し、超音波装置が、エラストマー層に結合されて感圧伝導率を測定するように構成される電極機構をさらに備える、超音波装置が提供される。

互いに接触した状態の伝導性粒子によって形成されるエラストマー層の伝導性は、層に対する印加圧力の関数であるので、トランスデューサ機構を覆う音響透過窓の中に感圧エラストマー層を含むことにより、超音波装置と超音波装置によって生じる超音波を受ける身体との間の接触の質を決定することが可能になる。その結果、この伝導率は、電極機構を用いて測定され、超音波装置と身体との間の接触の質の指標として使用される。

エラストマー層は、好ましくは、超音波装置によって生じる超音波に露出される身体の音響インピーダンス、及び／又はトランスデューサ機構の音響インピーダンスに整合する音響インピーダンスを有する。これにより、エラストマー層と身体及び／又はトランスデューサ機構との間の効率的な音響結合が確実となり、それによって、たとえば反射による超音波の損失を最小限にする。

一実施形態では、エラストマー層の音響インピーダンスは、１．３〜３．０ＭＲａｙｌｓの範囲であり、好ましくは、音響インピーダンスは、１．３〜１．９ＭＲａｙｌｓの範囲である。たとえば、これはエラストマー層を、たとえば圧電トランスデューサ素子や静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）素子と共に使用するのに特に適したものにし、後者のトランスデューサ素子は、１．３〜１．９ＭＲａｙｌｓの範囲の音響インピーダンスを有するエラストマー層に特にうまく整合する。

トランスデューサ機構は、通常、生じる超音波に露出される身体の中に最短波長を有する超音波を生成するように構成される。好ましくは、伝導性粒子による超音波の反射又は散乱を最小限にするために、伝導性粒子は、最短波長の１０％未満である最大直径を有する。

エラストマーは、ポリオレフィン、ジエン重合体、若しくはポリシロキサンであるか、ポリオレフィン、ジエン重合体、若しくはポリシロキサンを含む共重合体又はブロック共重合体であるか、又はこれらのブレンドでもよく、好ましくは、エラストマーは、ポリブタジエン又はポリジメチルシロキサンである。このようなエラストマーは、身体が超音波に露出される通常の温度、たとえば室温や患者の身体の体温において所望のエラストマー特性を発揮し、且つ望ましい音響インピーダンスを実現するためにエラストマーの浸透閾値未満で伝導性粒子を含めることによって調節される音響インピーダンスを発揮する。

伝導性粒子は、炭素粒子、炭素複合体粒子、セラミック粒子、金属粒子、金属合金粒子、複合金属粒子、伝導性金属酸化物粒子、又はこれらの組合せなどの、任意の適したタイプの伝導性粒子でもよい。伝導性粒子又は伝導性粒子の組合せは、感圧エラストマー層の所望の音響機能性に基づいて選択されて、たとえば感圧エラストマー層の音響インピーダンスを調節する。

一実施形態では、エラストマー層は、導電性粒子と非伝導性粒子の混合物を含む。非伝導性（電気絶縁性）粒子を含むことは、エラストマー層の音響インピーダンスの上昇を容易にする。

一実施形態では、エラストマー層の中の伝導性粒子のボリュームは、エラストマー層の全体的なボリュームに対して、ボリュームで少なくとも１５％である。伝導性粒子の性質に関わらず、本発明の実施形態によるエラストマー層は、エラストマー層の中の伝導性粒子の量が、ボリュームで少なくとも１５％であるが、エラストマー層に圧力を印加することによって伝導性経路が形成されるエラストマー層についてはエラストマー層の浸透閾値を下回り、エラストマー層に圧力を印加することによって伝導性経路が壊されるエラストマー層についてはエラストマー層の浸透閾値を上回る場合、良好な圧力感受性を有することが分かっている。

実施形態のうちの少なくともいくつかでは、エラストマー層は、１０〜２００μｍの範囲の厚みを有する。この範囲の厚みを有するエラストマー層は、印加圧力に対する強い伝導性応答を発揮し、同時に、トランスデューサ機構によって音響透過窓から送信される超音波の損失を最小限にすることが分かっている。一実施形態では、エラストマー層は、インピーダンス整合層の一部を形成してもよく、λ／４層として実施されてもよく、ここでλはエラストマー層を伝わる超音波の波長である。印加される超音波の通常の波長に応じて、このようなエラストマー層は、１０〜１００μｍの範囲の厚みを有する。

いくつかの実施形態では、エラストマー層は、電極機構の間に挟まれる。特に有利な一実施形態では、電極機構は、エラストマー層の個々の部分の感圧伝導率を測定するように構成される電極マトリクスを備える。この実施形態では、超音波装置と超音波に露出される身体との間の接触の質に関する特にきめの細かい情報が得られ、それは、このような接触情報が電極マトリクスの電極セルごとに独立して得られるからである。この実施形態では、エラストマー層は、連続的な層でもパターン形成した層でもよく、パターン形成した層は、複数のエラストマー層部分を備え、前記部分のそれぞれは、電極マトリクスのセルのうちの１つの中に配置される。

音響透過窓は、中に分散される導電性粒子及び任意選択の電気絶縁性粒子を有する別のエラストマー層をさらに備え、別のエラストマー層は、ある感温電気伝導率を有し、超音波装置は、別のエラストマー層に結合されて当該感温伝導率を測定するように構成される別の電極機構をさらに備える。エラストマー層によって提供される圧力情報に加えて、このような別のエラストマー層は、温度情報を提供するように独立して最適化される。このような温度情報は、たとえば、超音波装置と患者の身体との間の接触の質を測定するため、且つ／又は超音波装置の過熱を防ぐために使用される。

別の態様によれば、任意の記述される実施形態による超音波装置を備える超音波システムが提供され、超音波システムは、超音波装置のトランスデューサ機構を駆動するように構成される電源をさらに備え、電源は、電極機構に応答し、エラストマー層の抵抗率の変化を示す電極機構からの信号があった際に、トランスデューサ機構を動作不能にするように構成される。このような超音波システムは、トランスデューサ機構とトランスデューサ機構によって生じる超音波を受ける身体との間の接触の質が悪化している、たとえば規定された質の閾値を下回って下がっているという、エラストマー層の抵抗率の変化から導き出される指標があると、トランスデューサ機構への給電を止める。トランスデューサ機構への電力を止めることにより、このような不十分な接触状態の下での、トランスデューサ機構による超音波の生成が避けられ、これは、超音波装置の耐用期間を延長するという点において、且つ身体の意図されていない区域がこのような超音波に露出されるのを避けるという点において有益である。

超音波装置が前述の感温性の別のエラストマー層をさらに備える場合、電源は、別の電極機構にさらに応答し、別のエラストマー層の抵抗率の変化を示す、別の電極機構からの別の信号、たとえば別のエラストマー層での温度が限界閾値を超えていることを示す別の信号があると、トランスデューサ機構に供給される電力を減らすか又はトランスデューサ機構を動作不能にするように構成される。

特に重要な一実施形態では、トランスデューサ機構は、複数の静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサを備え、各静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサは、基板を覆う膜であって、膜及び基板が空洞の範囲を定める、膜と、第１の電気絶縁性層によって空洞から隔てられる、基板上の第１の電極と、膜によって支持される、第１の電極に対向する第２の電極とを備え、電源は、各静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサの第１の電極及び第２の電極に、選択される静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサの膜を圧潰モード（ｃｏｌｌａｐｓｅｄ ｍｏｄｅ）にさせるバイアス電圧と、圧潰モードの膜を共振させる、バイアス電圧に加わる交番電圧とを供給するように構成される。この実施形態では、トランスデューサ機構とトランスデューサ機構によって生成される超音波に露出される身体との間の接触の質が不十分であるとき、又は超音波装置が過熱の危険にさらされているとき、いわゆる圧潰モードでのＣＭＵＴ素子の動作は避けられる。いわゆる圧潰モードでのＣＭＵＴ素子の動作では、トランスデューサアレイの音響性能は機能強化されるがＣＭＵＴ素子の耐用期間は短くなることは、それ自体よく知られているので、このようなＣＭＵＴ素子を用いた超音波の生成が、トランスデューサアレイと身体との間の接触の質が不十分であるために所望の結果をもたらさない場合（又はトランスデューサ素子が過熱によって損傷する恐れがある場合）、このようなＣＭＵＴ素子への給電を（一時的に）止めることができるのは、それによりＣＭＵＴ素子の耐用期間が長くなるので、この実施形態では特に有利である。

さらに別の態様によれば、記述される実施形態のうちの任意の超音波装置と、超音波装置を用いて生成される超音波に露出される身体の表面に対してある向きで超音波装置を保持するように構成される保持器であって、超音波装置の向きを調整するアクチュエータ機構、並びにアクチュエータ機構を制御するように構成されるコントローラを備える、保持器とを備え、コントローラが、電極機構によって与えられる、エラストマー層の抵抗率の変化を示す信号に応答する、超音波機構が提供される。このような超音波機構は、エラストマー層の測定された抵抗率が、トランスデューサ機構とトランスデューサ機構によって生成される超音波に露出される身体との間の接触の質に変えられ、その結果、測定された抵抗率は、アクチュエータ機構を制御するための帰還信号として使用され、その結果、超音波装置は、トランスデューサ機構が超音波に露出される身体との間で質の良い接触を実現する向きに、アクチュエータ機構によって自律的に位置決めされるということから、利益を得る。

本発明の実施形態は、添付図面を参照して、より詳細に、且つ非限定的な例として記述される。

一実施形態による超音波装置を概略的に示す図である。 別の実施形態による超音波装置を概略的に示す図である。 さらに別の実施形態による超音波装置を概略的に示す図である。 本発明の実施形態による超音波装置のトランスデューサ素子の実施形態例を概略的に示す図である。 一実施形態による超音波システムの一態様を概略的に示す図である。 図５の超音波システムの動作モード例を概略的に示す図である。 図５の超音波システムの動作モード例を概略的に示す図である。 図５の超音波システムの動作モード例を概略的に示す図である。 図５の超音波システムの動作モード例を概略的に示す図である。 一実施形態による超音波システムの回路図を概略的に示す図である。 一実施形態による超音波機構を概略的に示す図である。

各図は単なる概略図であり、一定の縮尺で描かれていないことを理解されたい。同じ部分又は同様の部分を示すために、同じ参照符号が各図の全体を通して使用されていることも理解されたい。

本出願のコンテキストでは、「伝導性」という用語は、明確にそうでないことが述べられていない限り、「導電性」を意味する。同様に、「非伝導性」という用語は、明確にそうでないことが述べられていない限り、「電気絶縁性」を意味する。エラストマー層について言及される場合、これは、エラストマー特性を有し、伝導性粒子を含み、任意選択で非伝導性粒子をさらに含む材料の層又は材料のブレンドの層を意味することを意図している。このような粒子は、通常はエラストマー層に分散される。図１は、一実施形態による超音波装置１０を概略的に示す。超音波装置１０は、キャリア１１の上に複数の超音波トランスデューサタイル１００を備える。複数の超音波トランスデューサタイル１００は、トランスデューサアレイとも称される。それぞれのタイル１００は、圧電トランスデューサ素子やＣＭＵＴ素子などの１つ又は複数の超音波トランスデューサ素子を備えてもよい。別法として、超音波装置１０は、超音波トランスデューサタイル１００の代わりに、単結晶トランスデューサ素子を備えてもよい。特に好ましい一実施形態では、超音波装置１０は、複数のＣＭＵＴタイル１００を備え、それぞれのタイル１００の個々のＣＭＵＴ素子は、以下にさらに詳細に説明される、いわゆる圧潰モードで動作するように構成される。

音響窓１５０は、超音波トランスデューサタイル１００を覆って、すなわち超音波トランスデューサタイル１００の上に直接的又は間接的に配置され、その結果、トランスデューサアレイの超音波トランスデューサ素子は、音響窓１５０から超音波を送信するように構成される。言い換えれば、音響窓１５０は、トランスデューサ機構１１０に、すなわちトランスデューサ機構１１０の超音波トランスデューサ素子の送信表面に音響的に結合される。このような音響窓１５０は、トランスデューサアレイが直接接触できないようにし、それによってトランスデューサアレイを損傷から守り、且つトランスデューサアレイによって生成される超音波に露出される身体が、トランスデューサアレイによって直接接触されないようにして、たとえば不慮の電気ショックから身体を守る。それ自体よく知られているように、このような音響窓１５０は、さらに、トランスデューサアレイと身体との間のインピーダンス整合を可能にする。

一実施形態では、音響窓１５０は、エラストマー層１５３を備え、エラストマー層１５３は、エラストマー層に分散されてエラストマー層１５３に感圧伝導性を付与する伝導性粒子を有する。エラストマーは、伝導性粒子に電気絶縁性マトリクスを提供する。伝導性粒子は、エラストマーの浸透閾値、すなわち伝導性粒子がエラストマー層１５３を通って恒久的な伝導性経路を形成する、すなわち伝導性粒子が互いに恒久的に接触した状態になる限度を下回るある濃度で、エラストマー中に存在する。こうした伝導性経路は、代わりにエラストマー層１５３に圧力を印加し、それによってエラストマー層１５３の電気抵抗値の変化、たとえば低下を引き起こすことによって、一時的に形成される。エラストマー層１５３への印加圧力の変化は、通常、エラストマー層１５３を通って伝導性粒子によって形成される伝導性経路の数、及び／又は長さの変化を引き起こし、したがって、エラストマー層１５３に印加される圧力の変化は、通常、この層の電気抵抗値の変化を生じさせる。したがって、エラストマー層１５３の電気抵抗値は、音響窓１５０に接触させられる表面、たとえば超音波トランスデューサタイル１００を含むトランスデューサアレイによって生成される超音波に露出される患者の身体の部位と超音波装置１０のトランスデューサアレイとの間の接触の指標を提供する。

別法として、伝導性粒子は、エラストマーの浸透閾値、すなわち伝導性粒子がエラストマー層１５３を通って恒久的な伝導性経路を形成する、すなわち伝導性粒子が互いに恒久的に接触した状態になる限度を上回るある濃度で、エラストマー中に存在してもよい。この実施形態では、このような伝導性経路は、エラストマー層１５３に圧力を印加し、それによってエラストマー層１５３の電気抵抗値の変化、たとえば上昇が引き起こされることによって一時的に途絶される。エラストマー層１５３での良好な圧力感受性を実現するために、エラストマー層１５３での伝導性粒子の濃度は、好ましくは、エラストマー層の全体的なボリュームに対して、ボリュームで少なくとも１５％であり、より好ましくは、伝導性粒子の濃度は、エラストマーの圧電感受性を最大化するために、たとえば浸透閾値を下回るか又は上回る、エラストマーの浸透閾値の近くである。たとえばエラストマー層１５３での伝導性粒子の濃度は、エラストマー層の全体的なボリュームに対して、ボリュームで１５〜２５％でもよい。

エラストマー層１５３は、好ましくは、トランスデューサアレイの音響インピーダンスと音響的に整合する、すなわちトランスデューサアレイの音響インピーダンスとおおよそ整合する音響インピーダンスを有する。たとえば、圧電トランスデューサを備えるトランスデューサアレイの場合、エラストマー層１５３は１．３〜３．０ＭＲａｙｌｓの範囲の音響インピーダンスを有するが、一方ＣＭＵＴ素子を備えるトランスデューサアレイの場合、エラストマー層１５３は１．３〜１．９ＭＲａｙｌｓの範囲の音響インピーダンスを有し、これには、音響インピーダンスが、通常約１．６ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンスを有する身体組織の音響インピーダンスに厳密に整合するという、さらなる利点がある。実施形態の一例では、エラストマー層１５３は、１．４〜１．７ＭＲａｙｌｓの範囲の音響インピーダンスを有する。

エラストマー層１５３の音響インピーダンスは、エラストマーの選択によって、すなわち適した固有音響インピーダンスを有するエラストマーを選ぶことによって調節され、この固有音響インピーダンスは、別の固有音響インピーダンスを有する伝導性粒子を含むことによって調整され、したがって、エラストマー層１５３の全体の音響インピーダンスは、エラストマーの固有音響インピーダンスと伝導性粒子の別の固有音響インピーダンスとの組合せによって定められる。この目的のために、互いに異なる固有音響インピーダンスを有する伝導性粒子の混合物が使用されてもよい。

たとえば、ｖが音速、ｄが粒子密度であり、粒子の音響インピーダンスＺがＺ＝ｖ＊ｄと表されるとき、エラストマー層１５３の音響インピーダンスは、特定の密度及び／又はサイズを有する伝導性粒子を選択することによって調節される。したがって、比較的重い（密度の高い）粒子を使用して、エラストマー層１５３のエラストマーの固有音響インピーダンスを上昇させることができる。

任意の適したエラストマーが、エラストマー層１５３のエラストマーとして使用される。実施形態はそれらに限定されないが、たとえばエラストマーは、ポリオレフィン、ジエン重合体、若しくはポリシロキサンであるか、ポリオレフィン、ジエン重合体、若しくはポリシロキサンを含む共重合体又はブロック共重合体であるか、又はこれらのブレンドでもよい。カテーテルに一般的に使用されるポリブタジエン、ポリジメチルシロキサン及び比較的柔らかいポリエーテルブロックアミド（ＰＥＢＡ）が、適したエラストマーとして具体的に言及される。

任意の適した伝導性粒子が、エラストマー層１５３に使用される。実施形態はそれらに限定されないが、たとえば伝導性粒子は、たとえばグラファイト粒子やグラフェン粒子である炭素粒子、炭素複合体粒子、セラミック粒子、金属粒子、金属合金粒子、複合金属粒子、及び伝導性金属酸化物粒子のうちの少なくとも１つを含んでもよい。

少なくともいくつかの実施形態では、エラストマー層１５３は、伝導性粒子と非伝導性粒子の混合物を含む。非伝導性粒子を含むことは、エラストマー層１５３の音響インピーダンスを調節するために有用である。たとえば、非伝導性粒子は、比較的高い密度を有する粒子である場合があり、その結果、エラストマー層１５３の中の粒子部分全体（すなわち非伝導性粒子＋伝導性粒子）に対して少量の非伝導性粒子部分が、エラストマー層１５３の圧電感受性を著しく下げることなしに、その音響インピーダンスを著しく上昇させる。任意の適した非伝導性粒子、又は非伝導性粒子の混合物が、この目的のために使用される。非限定的な例として、非伝導性粒子は、セラミック粒子、たとえば遷移金属の酸化物、窒化物、炭化物粒子、高密度金属の酸化物、窒化物、炭化物粒子などでもよい。

一実施形態では、エラストマー層１５３は、１０〜２００μｍの範囲、たとえば１５０μｍの厚みを有する。エラストマー層１５３の厚みが２００μｍを超える場合は、エラストマー層１５３の可撓性が低下する可能性がある。エラストマー層１５３の厚みが１０μｍ未満である場合は、エラストマー層１５３において所望の圧力感受性を実現することが困難である可能性がある。

特定の一実施形態では、感圧エラストマー層１５３は、λ／４である厚みを有する整合層であり、この整合層は、エラストマー層１５３を通過する、波長λを有する超音波の反射を防止する。たとえば、ＰＤＭＳを通る超音波の伝搬スピードｖは、１０００ｍ／秒である。１０ＭＨｚである周波数ｆを有する超音波においては、λ＝ｖ／ｆ＝１００マイクロメートルである。厚みｄ＝２５マイクロメートルを有するようにＰＤＭＳ層を選ぶことにより、エラストマー層１５３による１０ＭＨｚの超音波の規模の大きい反射が効果的に避けられる。エラストマー層１５３の厚みｄは、エラストマー層１５３を通る超音波の伝搬スピードｖに基づいて、且つ超音波装置１０によって生成される超音波の主な周波数又は中心周波数ｆに基づいて調節されることは、当業者には前述の内容から即座に明らかになろう。超音波装置１０は、患者の体内で特定の波長範囲の超音波を生成するように構成される。たとえば、７〜１２ＭＨｚの範囲の超音波は、体内では約０．１〜０．２ｍｍの波長に対応する。エラストマー層１５３の中の伝導性粒子の最大粒子サイズは、トランスデューサアレイから出る超音波の（又は超音波装置１０へと戻る超音波エコーの）反射を最小限にするために、好ましくは超音波装置１０が生み出し得る超音波の波長範囲に従って選ばれる。この理由で、伝導性粒子、及びもしあれば非伝導性粒子は、好ましくは、超音波装置１０によって生じ得る最短超音波波長の１０％未満である最大直径を有する。

本出願のコンテキストでは、「最大直径」という用語は、（非）伝導性粒子の最大断面寸法を指し、（非）伝導性粒子の形状を球形粒子に限定することを意図するものではない。（非）伝導性粒子は、任意の適した形状を有してもよく、たとえば球形でも、板状体でも、薄片でも、コアシェル型ナノ粒子、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブなどを含むナノ粒子でもよい。

超音波装置１０は、エラストマー層１５３に伝導的に結合される電極機構１６０をさらに備える。図１では、電極機構１６０は、エラストマー層１５３の周辺部に沿って、すなわちエラストマー層１５３の少なくとも１つの縁部に沿って配置される。電極機構１６０は、エラストマー層１５３の圧電抵抗率を検知するように構成される検知回路１７０に伝導的に結合される。たとえば、検知回路１７０は、電極機構１６０を用いてエラストマー層１５３の両端に電圧ポテンシャルを印加し、その結果得られる、エラストマー層１５３を流れる電流を測定するように構成される。別法として、検知回路１７０は、電極機構１６０を用いてエラストマー層１５３の両端に電流を印加し、その結果得られる、エラストマー層１５３の両端の電圧降下を測定して、その抵抗率を決定するように構成されてもよい。エラストマー層１５３の圧電抵抗率を測定する他の適したやり方は、当業者には即座に明らかになろう。

音響窓１５０は、追加的な音響的に透過性の層を備えてもよい。一実施形態では、音響窓１５０は、外部層１５５をさらに備え、これは、エラストマー層１５３が外部層１５５と超音波トランスデューサタイル１００との間に配置されるように構成される。別の実施形態では、音響窓１５０は、内部層１５１をさらに備え、これは、内部層１５１がエラストマー層１５３と超音波トランスデューサタイル１００との間に配置されるように構成される。さらに別の実施形態では、図１に示すように、音響窓１５０は、内部層１５１と外部層１５５とをさらに備え、これらは、エラストマー層１５３が内部層１５１と外部層１５５との間に配置されるように構成される。

外部層１５５は、超音波装置１０で検査又は治療される患者又は身体に面することが意図されている。たとえば、外部層１５５は、電気絶縁性重合体、たとえばエラストマーなどの任意の適した電気絶縁性材料を含んで、エラストマー層１５３の導電中、エラストマー層１５３を損傷から守り、患者を不慮の電気ショックから守る。外部層１５５は、たとえばポリオレフィン系から選択される熱可塑性重合体（熱可塑性ポリオレフィン、すなわちＴＰＯ）とポリオレフィン系から選択されるエラストマー（ポリオレフィンエラストマー、すなわちＰＯＥ）とのブレンドを含んでもよい。エラストマーは、一般に、「結び目」が付けられた分子鎖の、大きい編み目状の架橋結合によって特徴付けられる。このタイプの架橋結合は、材料が、高いレベルの寸法安定性を有するが、なお弾性的に伸ばすことができることを意味する。荷重（たとえば引張荷重）を印加することによって鎖は伸ばされるが、荷重を取り除いた後、鎖は再び緩む。硬化されていないエラストマーの通常の硬さは、デュロメータ（Ａスケール）で測定して、５０ショアＡ未満である。オレフィン系（アルケンとも呼ばれる）は、少なくとも１つの炭素−炭素二重結合を有する不飽和炭化水素の系である。ポリオレフィンは、オレフィン系から選択される単量体を含む重合体である。市販のＰＯＥの大半は、エチレン−ブテン又はエチレン−オクテンの共重合体である。

熱可塑性重合体は、エラストマーとは異なり、分子鎖が架橋されていない重合体である。その結果、熱可塑性重合体は、塑性弾性挙動を示し、熱成形可能である（加熱されると軟化又は溶融し、冷却されると再び硬化する特性をもつ）。この成形性は可逆的であり、言い換えれば、材料が過熱によって熱的に損傷していない限り、必要に応じて繰り返され得る。熱可塑性物質は架橋結合をほとんど、又はまったく有しないので、それらの個々の重合鎖は、加熱に際して、互いにすり抜ける。ここでは、熱可塑性重合体は酸素を含む官能基をさらに含まないと仮定すると、熱可塑性ポリオレフィンにおいては、ポリオレフィン系は、飽和炭化水素と比較して、熱可塑性重合体に比較的低い分子量を与える。熱可塑性ポリオレフィンは、線状イソタクチック重合体を含んでもよい。一般に、熱可塑性重合体は、６０ショアＡを上回る硬さを有する。

外部層１５５に使用されるポリオレフィン熱可塑性重合体のブレンドにポリオレフィンエラストマーを添加することにより、せん断波減衰が大きくなり、これは、超音波トランスデューサタイル１００の超音波トランスデューサ素子同士の間のクロストークを有益に低減する。したがって、超音波装置１０の音響窓１５０は、熱可塑性ポリオレフィンとポリオレフィンエラストマーとのブレンドから形成される外部層１５５を含んで、超音波撮像中、画像のアーチファクトの軽減を実現する。

これらの重合体材料のブレンディング（コンパウンディング）は、たとえば、２軸押出機を用いて実施される。熱可塑性重合体とエラストマーとのブレンドは、いわゆる非相溶性重合体ブレンド（異種重合体ブレンド）に相当し、これらの２つの重合体で作られたブレンドは、ブレンドを形成する材料に対応する、ガラス転移温度や融点などの、２組の別個の物理的特性を示す。ポリオレフィンエラストマーの追加的な利点は、大半のオレフィン性材料と相溶性であることであり、オレフィン性は、少なくとも１つの二重結合を有する不飽和鎖式炭化水素のうちの任意のクラスである。

熱可塑性ポリオレフィンとのブレンドにポリオレフィンエラストマーを添加することにより、純粋な熱可塑性物質と比較してブレンドの密度が変化し、その結果、外部層１５５の音響インピーダンスが、エラストマー層１５３の音響インピーダンス及び／又は（約１．６ＭＲａｙｌｓである）軟部組織の音響インピーダンスと整合するように有益に調整される。音響波速度、音響エネルギー減衰、せん断波減衰などの、外部層の他の音響特性も、熱可塑性重合体にブレンドされるエラストマー含有量の異なる比を選択することによって調節される。外部層１５５には熱可塑性ポリオレフィンを使用することが望ましく、これは、超音波画像の質を損なうことなしに、機械的頑健性を提供する。

外部層１５５に使用される熱可塑性重合体の材料の一例は、ポリメチルペンテン（ポリ４−メチルペンテン−１）である。ポリメチルペンテン（Ｍｉｔｓｕｉから商品名ＴＰＸで入手可能）の材料は、縦方向の小さい音響減衰を示す。このコンテキストでは、縦方向の減衰は、トランスデューサアレイに面するように配置される音響窓１５０の内部表面から音響窓１５０の外部表面へと伝搬する間の、波の振幅の減少に対応する。０から１０ＭＨｚまでの周波数範囲では、ポリメチルペンテンは、最大１０ＭＨｚの超音波周波数に関して３ｄＢ／ｍｍを下回る減衰値を示す。

別の例では、ポリメチルペンテンは、ポリオレフィンエラストマーを形成する共重合体にブレンドされてもよい。共重合体は、異なる弾性特性を有する材料から構成される重合体（２つの異なる単量体）の物理的混合物である。ポリオレフィンエラストマーの共重合体は、エチレンとオクタンやブタンなどのアルファオレフィンとの共重合体である。アルファ−オレフィン（又はα−オレフィン）は、１次的位置又はアルファ（α）位に二重結合を有することによって特徴付けられる、化学式Ｃ_ｎＨ_２ｎを有するアルケンである、有機化合物の系である。別の実施形態では、外部層は、ポリメチルペンテンとエチレン−オクテン共重合体とのブレンドを含んでもよい。この共重合体は、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌから商品名Ｅｎｇａｇｅで入手可能である。

エチレン−オクテン共重合体は、そのオレフィン性質により、ポリメチルペンテンとブレンドするのに適している。この共重合体は、平均して、ＴＰＸより低い音響インピーダンスを示し、ほぼ１桁大きいせん断波減衰を示す。その結果得られるＴＰＸとエチレン−オクテン共重合体とのブレンドは、ＴＰＸからは、比較的速い音響波速度を伴う、より小さい密度を引き継ぎ、共重合体からは、より低い音響インピーダンス、及びより大きいせん断波減衰を引き継ぐ。したがって、特に適した外部層１５５は、ＴＰＸとエチレン−オクテン共重合体とのブレンドを含む。このブレンドは、音響窓１５０から生じる、画像のアーチファクトの軽減に起因した改善型の撮像品質に次いで、超音波装置１０の音響窓１５０に、耐久性及び低音響減衰特性を提供する。

内部層１５１は、電気絶縁性重合体、たとえばエラストマーなどの任意の適した電気絶縁性材料を含んで、エラストマー層１５３からトランスデューサアレイを電気的に絶縁する。内部層１５１を形成する材料は、超音波トランスデューサの音響インピーダンスや電気音響変換のメカニズムなどの、超音波トランスデューサの音響要件に基づいて選択される。内部層１５１は、超音波トランスデューサアレイの放射表面の、音響窓１５０への音響結合を実現する。

超音波トランスデューサタイル１００、具体的にはＣＭＵＴタイル１００と内部層１５１との特に効果的な音響結合を実現するために、内部層１５１は、熱硬化性ゴムから選択される１つ又は複数の材料を含んでもよい。熱硬化性ゴムは、水素原子及び炭素原子のみを含み、（１ｇ／ｃｍ３を下回る）比較的小さい密度を有する重合体材料である。

たとえば、内部層１５１は、ポリブタジエンゴム又はブチルゴムを含んでもよい。ブチルゴムは、イソブチレン−イソプレン共重合体であり、わずか４０ショアＡである硬さを示す。ポリブタジエンは、水素及び炭素以外の原子タイプを含まない熱硬化性ゴムに属する。この材料は、伝搬する音響エネルギーに対する、最低の減衰効果のうちの１つを示す。内部層１５１用の材料として使用されるポリブタジエン層は、特にトランスデューサ素子がＣＭＵＴ素子であるとき、音響窓１５０全体に関して、改善された音波送信（より小さい減衰）を示す。このことは、ＰＺＴと比べた、ＣＭＵＴの異なる電気音響変換メカニズムに帰する。ＰＺＴをベースとするトランスデューサは、通常は平行六面体の形状を有し、その面のうちの少なくとも１つは、音波の送信中、ピストンのような動きで振動するように構成される。振動する（アクティブな）面の変位量は、面の表面の全体にわたって均一である。

対照的に、ＣＭＵＴの振動膜は、膜の面積（表面）の全体にわたって異なる変位量を有する。従来の動作モードでは、膜の変位量は、ＣＭＵＴセルの中心部で最も大きく、膜の周辺部で最も小さい。以下により詳細に説明されるように、圧潰動作モードでは、ＣＭＵＴの膜は、セル床部と部分的に接触しており、その結果、従来の動作モードと比較して、膜の変位量（Ｄ）が最大になる。

膜の振動部分の変位量の変動は、動作しているＣＭＵＴ素子の改善された音響結合を実現するために、音響窓１５０の内部層１５１の特性に関して異なる要件を課す。音響窓１５０、具体的には内部層１５１は、その内部表面を膜の変位量に適合させる必要がある。ポリブタジエンの比較的小さい分子量が、（６０ショアＡを下回る、好ましくは５０ショアＡを下回る）その比較的低い硬さとあいまって、振動するように構成されるＣＭＵＴの膜と音響窓１５０との間の改善された音響接触を提供する。さらに、内部層を形成する材料の音波減衰が小さいことにより、音響窓１５０の全体にわたって、改善された波の遷移が提供され得る。

ポリブタジエンは、約１．４５ＭＲａｙｌである音響インピーダンスを有する。トランスデューサアレイとトランスデューサアレイを用いて生成される超音波に露出される身体組織との間のインピーダンス不整合を最小限にするために、ポリブタジエンを含む音響窓材料、たとえば内部層１５１の音響インピーダンス値を、たとえば約１．６ＭＲａｙｌまで上昇させて、軟部身体組織の音響インピーダンスに整合させることが望ましい。これは、内部層１５１に電気絶縁性粒子などのフィラーを加えることによって実現される。内部層１５１に電気絶縁性粒子を添加することにより、この層の全体的な密度が大きくなる。組み込まれる絶縁性粒子によって生じる追加的な音響損失は十分に小さいことが分かっており、音響窓１５０を通る音波伝搬の質に大幅に影響を及ぼすことはない。層の音響インピーダンスは、その重量の２５％を絶縁性粒子（たとえばＺｒＯ_２粒子）の形で有する内部層１５１においても、最大１０ＭＨｚの超音波周波数に関し、層の減衰は依然として１．５ｄＢ／ｍｍ未満のままにしながら、より高い値に向けて、たとえば組織の音響インピーダンスに近づくように調節されてもよい。組み込まれる絶縁性粒子を有する重合体材料を含む内部層１５１が０．９４ｇ／ｃｍ^３以上の密度を有し、１．５ＭＲａｙｌ以上の音響インピーダンスを有するとき、ＣＭＵＴ素子の膜への音響窓１５０の直接的な音響結合が実現される。したがって、音響窓１５０とＣＭＵＴアレイとの間の追加的な結合媒体は必要とされない。

超音波で一般的に使用されるシリコンをベースとしたゴム（充填シリコーン（ｆｉｌｌｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎｅ））と比較して、分子量が小さい熱硬化性ゴムの利点は、これらの熱硬化性ゴム、具体的にはポリブタジエンが、より高い音響インピーダンスを有することである。したがって、身体組織のインピーダンスにポリオレフィンをベースとする重合体層の音響インピーダンスを調節するために、この重合体材料に必要とされるフィラーの量は、たとえば充填シリコーンと比べて比較的少ない。

一実施形態では、内部層１５１の電気絶縁性粒子として、セラミック粒子が使用される。金属酸化物（ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＢａＳＯ_４など）などのセラミック粒子は、高絶縁特性を示し、これは超音波装置１０の電子装置、たとえばキャリア１１に組み込まれる電子装置に追加的な絶縁を提供するのに有利である。内部層１５１及び外部層１５５の音響特性は、これらの層に組み込まれる絶縁性粒子の重量比を変化させることによって調節される。

しかし、上記の内容は内部層１５１及び外部層１５５向けに特に適した材料を示すが、本発明の実施形態はこれらの特に適した材料には限定されず、任意の適した材料が内部層１５１及び外部層１５５にそれぞれ使用されてもよいことを理解されたい。さらに、内部層１５１及び外部層１５５の実施形態として等しく記述される種々のエラストマー材料及び材料のブレンドは、エラストマー層１５３のエラストマーとして使用されてもよい。

図２は、超音波装置１０の別の実施形態を概略的に示す。この実施形態では、エラストマー層１５３は、電極機構１６０の間に挟まれる。このような挟まれた構成では、電極機構１６０の各電極とエラストマー層１５３との間の接触面積がより大きいので、検知回路１７０の感受性が向上する。電極機構１６０は、たとえばエラストマー層１５３と上部層１５５との間に配置される、エラストマー層１５３に接する上部電極と、たとえば音響窓１５０のエラストマー層１５３と下部層１５１との間に配置され、上部電極と対向する、エラストマー層１５３に接する下部電極とを備えてもよい。電極機構１６０の電極は、電極を通過する超音波との干渉を最小限にするために、可能な限り薄く、たとえば１マイクロメートル未満に保たれる。このような厚みで、たとえばＡｕ、Ｎｉ、Ｎｉ／Ｃｒ、Ｃｕ、又はＣｕ／Ｔｉ電極などの金属や金属合金の電極、たとえばＩＴＯ電極である伝導性金属酸化物電極、伝導性重合体又は伝導性重合体複合電極など、任意の適した伝導性材料が電極に使用されてもよい。多くの他の電極材料が、当業者には即座に明らかになろう。

図３は、超音波装置１０のさらに別の実施形態を概略的に示す。図２に概略的に示す実施形態と比較して、電極機構１６０は、個別に取扱い可能な電極セルの電極マトリクスを形成するようにパターン形成され、その結果、各電極セルは、セルの電極部分の間の、エラストマー層１５３の一部の圧電抵抗率を決定する。すなわち各エラストマー層部分は、電極機構１６０によって個別に取り扱われる。たとえば、電極機構１６０は、パッシブマトリクス構成として実施されて、エラストマー層１５３の各部分の個々の取扱いを容易にする。この実施形態では、各エラストマー層部分の患者の身体との接触の質が、電極機構１６０を用いてその特定のエラストマー層部分に質問することによって得られるので、トランスデューサアレイに関して、特にきめの細かい接触圧力マップが作り出される。

電極マトリクスは、互いに対向するパターン形成した電極、並びにコモン電極に対向するパターン形成した電極（たとえばエラストマー層１５３と超音波トランスデューサタイル１００との間のパターン形成した電極及び対向するコモン電極、又はエラストマー層１５３と超音波トランスデューサタイル１００との間のコモン電極及び対向するパターン形成した電極）を備えてもよい。エラストマー層１５３は、連続的な層として提供されてもよく、別法として、複数の部分にパターン形成され、各部分が、電極マトリクスの電極セルの対向する電極部分同士の間に配置されてもよい。少なくともいくつかの実施形態では、電極機構の、患者の身体に面する電極は、接地されて電気ショックのリスクを低減する。

図１〜図３には具体的に示されていないが、音響窓１５０は、追加的な層を備えてもよく、これは特定の機能を果たすように調節される。たとえば、音響窓は、別の導電性粒子を含み任意選択で別の非伝導性粒子をさらに含む別のエラストマー層をさらに備え、別のエラストマー層の特性、たとえば別の導電性粒子及び任意選択の別の非伝導性粒子のサイズ、形状、及び／又は密度は、たとえば別のエラストマー層に温度依存抵抗性を付与することにより、別のエラストマー層の温度感受性を最適化するように調節される。別の電極機構が、別のエラストマー層と伝導的に接触した状態で提供されてもよい。たとえば、別のエラストマー層は、連続的な別の電極機構や上に説明したような別の電極マトリクス構成などの、別の電極機構の間に挟まれてもよく、別の電極機構は、別の検知回路に伝導的に結合されて、別の電極機構を用いて測定された抵抗率の関数として、別のエラストマー層の温度を決定してもよい。このような温度情報は、たとえば、決定された温度が限界閾値を超えるのに際し、トランスデューサアレイに供給される電力を止めるか又は減らすことによって、たとえば超音波トランスデューサタイル１００が過熱するのを防ぐために使用される。別法として、又は追加的に、別のエラストマー層の温度は、通常はこの接触の質が向上するにつれて高くなるので、このような温度情報は、超音波装置１０と患者の身体との間の接触についての接触の質の情報を取り出すために使用されてもよい。

本発明の実施形態では、超音波装置１０は、超音波撮像システム、又は超音波治療システムにおいて使用するための超音波プローブなどでもよい。たとえば、このような超音波プローブは、侵襲的な撮像又は治療のためのカテーテルの一部を形成してもよく、非侵襲的な撮像又は治療のための手持ち式装置の一部を形成してもよく、たとえば患者の身体の特定の区域の長時間の治療のための、ウェアラブル装置の一部を形成してもよい。このようなプローブの非限定的な例には、経食道心臓超音波検査（ＴＥＥ）プローブ、心腔内エコーカテーテルなどの血管内プローブが含まれる。

本発明の好ましい実施形態では、それぞれの超音波トランスデューサタイル１００は、１つ又は複数のＣＭＵＴ素子を備える。図４は、ＣＭＵＴ素子の実施形態例を概略的に示す。このようなＣＭＵＴ素子は、通常は、シリコン基板１１２の上に懸架される膜又は振動板１１４を備え、間隙又は空洞１１８がそれらの間に存在する。上方電極１２０は、振動板１１４に位置付けられ、振動板と共に動く。下方電極は、この例では、基板１１２の上部表面の、セルの床部に位置付けられる。電極１２０が膜１１４に組み込まれる、又は追加的な層として膜１１４に堆積されるなど、電極１２０の設計の他の実現法が考えられる。非限定的な例として、この例では、下方電極１２２は、円形に構成され、基板１１２に組み込まれる。他の適した構成、たとえば、下方電極１２２が間隙１１８に直接露出される、又は上方電極１２０と下方電極１２２との間の短絡を防止するために電気絶縁性層若しくは電気絶縁性フィルムによって間隙１１８から隔てられるような、たとえば基板層１１２の上での下方電極１２２の他の位置や他の電極形状が企図される。

さらに、膜層１１４は、基板層１１２の上面に対して固定され、膜層１１４と基板層１１２との間に球形又は円筒形の空洞１１８を画定するように、構成及び寸法決定される。非限定的な例として、下方電極１２２は接地される。たとえば上方電極１２０が接地される、又は上方電極１２０と下方電極１２２がどちらもフローティングするなどの他の構成が、当然等しく実施可能である。

セル１００及びその空洞１１８は、代替のジオメトリを示してもよい。たとえば、空洞１１８は、長方形若しくは正方形の断面、六角形の断面、楕円形の断面、又は不規則な断面を示してもよい。本明細書において、ＣＭＵＴセル１００の直径についての言及は、セルの最大横寸法であると理解される。

一実施形態では、下方電極１２２は、追加的な層（図示せず）を用いて、その空洞に面する表面で絶縁される。この層に関して任意の電気絶縁性材料が企図されることが理解されるべきではあるが、好ましい電気絶縁性層は、基板電極１２２の上、且つ膜電極１２０の下に形成される酸化物−窒化物−酸化物（ＯＮＯ）誘電層である。ＯＮＯ−誘電層は、有利には、装置の不安定性並びに音響出力圧力のドリフト及び低下を引き起こす、電極での電荷蓄積を軽減する。

ＣＭＵＴ素子へのＯＮＯ−誘電層の組付け例は、Ｋｌｏｏｔｗｉｊｋらによる、２００８年９月１６日出願の「Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ」と題する欧州特許出願第ＥＰ２，３２６，４３２Ａ２号において詳細に述べられている。ＯＮＯ−誘電層の使用は、懸架された膜を用いて動作するＣＭＵＴより電荷保持の影響を受けやすい、事前圧潰ＣＭＵＴにおいて望ましい。開示される構成要素は、ＣＭＯＳ適合材料、たとえば、Ａｌ、Ｔｉ、窒化物（たとえばシリコン窒化物）、酸化物（種々のグレード）、テトラエチルオキシシラン（ＴＥＯＳ）、ポリシリコンなどから製造される。ＣＭＯＳの製造においては、たとえば酸化物層及び窒化物層は化学蒸気堆積によって形成され、メタライゼーション（電極）層は、スパッタリングプロセスによって付着させられる。

適したＣＭＯＳプロセスは、ＬＰＣＶＤ及びＰＥＣＶＤであり、後者は、４００℃未満である、比較的低い動作温度を有する。開示される空洞１１８を生成する例示的な技法は、膜層１１４の上面を加える前に、膜層１１４の初期部分に空洞を画定するものである。他の組付けの詳細は、米国特許第６，３２８，６９７号（Ｆｒａｓｅｒ）に認められる。図４に示す例示的な実施形態では、円筒形の空洞１１８の直径は、円形に構成される電極プレート１２２の直径より大きい。こうした一致は必要とされないが、電極１２０は、円形に構成される電極プレート１２２と同じ外径を有してもよい。このように、本発明の例示的な一実装形態では、膜電極１２０は、下の電極プレート１２２に位置合わせするように、膜層１１４の上面に対して固定される。

ＣＭＵＴの電極は、装置の静電容量型プレートを形成し、間隙１１８は、コンデンサのプレート間の誘電体である。振動板が振動するとき、プレート間の誘電性間隙の寸法が変化することによって容量値の変化がもたらされ、これは受信された音響エコーに対するＣＭＵＴの応答であるとして検知される。電極間の間隔は、図５に概略的に示されるように、電源４５を用いて電極に静電圧、たとえばＤＣバイアス電圧を印加することによって制御される。電源４５は、通常は、各超音波トランスデューサタイル１００、たとえばこれらのタイルの個々のトランスデューサ素子に刺激を与えるように構成されるか、又は各タイル１００が（同期されるＣＭＵＴ素子から構成される）単一のトランスデューサ素子として動作するように、これらのタイルのトランスデューサ素子を同時に取り扱うように構成される。

電源４５は、ＣＭＵＴ素子の場合はトランスデューサ素子の膜が自由に共振することになるように、超音波装置１０のトランスデューサ素子を動作させるように構成される。代替の一実施形態では、電源４５は、取り扱われるＣＭＵＴ素子の各膜が基板１１２の上に圧潰される、すなわち圧潰モードになるように、このようなＣＭＵＴ素子を動作させるように構成される。この目的のために、電源４５は、選択される静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサの膜を圧潰モードにさせるバイアス電圧を生み出すように構成される第１の段１０２と、圧潰モードの膜を共振させる、バイアス電圧に加わる交番電圧を生み出すように構成される第２の段１０４とを備える。別法として、このバイアス電圧及びバイアス電圧に加わる交番電圧は、電源４５の単一の段によって生じてもよい。

それ自体知られているように、ある閾値を上回る静電圧を印加することにより、ＣＭＵＴは圧潰状態にされ、圧潰状態では、膜１１４は、基板１１２の上へと圧潰する。この閾値は、ＣＭＵＴの精密な設計に依存し、バイアス電圧の印加中、膜１１４がファンデルワールス力によってセル床部にくっつく（接触する）ＤＣバイアス電圧として定義される。膜１１４と基板１１２との間の接触の量（面積）は、印加されるバイアス電圧に依存する。膜１１４と基板１１２との間の接触面積が大きくなることにより、膜１１４の共振周波数が高くなる。これは、図６ａ、図６ｂ、及び図７ａ、図７ｂを用いて、より詳細に説明される。

圧潰モードのＣＭＵＴの周波数応答は、電源４５を用いて圧壊した後、ＣＭＵＴ電極に印加されるＤＣバイアス電圧を調整することによって変えられる。その結果、ＣＭＵＴセルの共振周波数は、電極に印加されるＤＣバイアス電圧が高くなるにつれて増加する。図６ａ及び図７ａの断面図は、このことを、各実例において膜が空洞１１８の床部（すなわち基板１１２）に接触し始めるポイントと膜１１４の外部支持体との間の距離Ｄ１及び距離Ｄ２によって、１次元的に示す。比較的低いバイアス電圧が印加されるとき、図６ａでの距離Ｄ１は比較的長い距離であるが、一方図７ａでの距離Ｄ２は、印加されるバイアス電圧がより高いので、ずっと短い距離であることが理解される。これらの距離は、端部で保持され、次いで弾かれる、長い紐と短い紐に例えられる。長い緩んだ紐は、弾かれると、より短くよりぴんと張った紐よりずっと低い周波数で振動する。類似して、図６ａでのＣＭＵＴセルの共振周波数は、より高いプルダウンバイアス電圧を受ける図７ａでのＣＭＵＴセルの共振周波数より低い。

この現象は、実際にはＣＭＵＴ膜１１４の有効動作面積の関数であるので、この現象は図６ｂ及び図７ｂの２次元の図からも理解される。図６ａに示されるように、膜１１４がＣＭＵＴの床部にちょうど接触するとき、図６ｂに示されるように、セル膜１１４の非接触（自由振動）部分の有効振動面積Ａ１は大きい。中心１７の小さい穴部は、膜１１４の中心接触領域を表す。面積の大きい膜は、比較的低い周波数で振動する。この面積１７は、ＣＭＵＴの床部に圧潰される、膜１１４の面積である。しかし、図７ａのように、より高いバイアス電圧により、膜が引き寄せられてより深く圧潰するとき、中心接触面積１７’は大きくなり、その結果、図７ｂに示されるように、自由振動面積Ａ２は小さくなる。この小さい方の面積Ａ２は、大きい方のＡ１面積より高い周波数で振動する。したがって、ＤＣバイアス電圧が低くなるとき、圧潰されるＣＭＵＴの周波数応答は小さくなり、ＤＣバイアス電圧が高くなるとき、圧潰されるＣＭＵＴの周波数応答は大きくなる。

図５に示されるように、電源４５は、検知回路１７０に（且つもしあれば、音響窓１５０の中の感温性の別のエラストマー層に伝導的に結合される別の検知回路に）応答する。この実施形態では、検知回路１７０は、エラストマー層１５３の測定された圧電抵抗値（及び／又は測定された別のエラストマー層の熱電抵抗値）が超音波装置と患者の身体との間の接触が低水準であることを示す場合、電源４５に対する警告信号を生成するように構成される。

このような警告信号に応答して、電源４５は、超音波トランスデューサタイル１００に各制御信号、たとえば各ＣＭＵＴ素子を圧潰モードにさせるバイアス電圧を提供することを一時的に停止するように構成されてもよく、その結果、トランスデューサアレイの各ＣＭＵＴ素子は、超音波装置１０と患者の身体との間の十分な質のコンフォーマル接触が確立されるときのみ、圧潰モードにされる。このやり方では、超音波装置１０と患者の身体との間の接触の質が効果的な治療又は撮像の助けになっているときのみＣＭＵＴ素子を動作させることによって、ＣＭＵＴ素子の耐用期間が延長される。別法として、検知回路１７０は電源４５に生のセンサデータを提供し、プロセッサなどを備える電源４５が、生のセンサデータを処理し、処理された生のセンサデータから超音波装置１０と患者の身体との間の接触の質の指標を導き出すように構成されてもよい。電源４５は、超音波装置１０と患者の身体との間の接触が超音波装置１０の動作を再開するのに十分な質であるという指標を受信次第、超音波トランスデューサタイル１００に各制御信号を提供することを再開する。同様に、電源４５は、感温性の別のエラストマー層に関連付けられる別の電極機構が別のエラストマー層での温度が閾値を超えている、すなわち超音波装置１０が過熱の危険にさらされているという指標を提供するのに応答して、超音波トランスデューサタイル１００に各制御信号、たとえば各ＣＭＵＴ素子を圧潰モードにさせるバイアス電圧を提供することを一時的に停止するように構成されてもよい。

別法として、電源４５は、超音波装置１０と患者の身体との間の低水準なコンフォーマル接触の指標、及び／又は超音波装置１０が過熱の危険にさらされているという指標に応答して、超音波トランスデューサタイル１００に供給される電力を一時的に減らすように構成されてもよい。

超音波装置１０及び電源４５は、超音波診断撮像システムや超音波治療システムなどの超音波システムの一部を形成してもよい。超音波診断撮像システム１の実施形態例は、図８にブロック図の形態で概略的に示される。超音波トランスデューサタイル１００を備えるトランスデューサアレイ１１０が超音波装置１０に提供されて、超音波を送信し、エコー情報を受信する。トランスデューサアレイ１１０は、２Ｄ平面、又は３Ｄ撮像向けに３次元を走査して読み込むことができる、トランスデューサ素子、たとえばタイル１００の、１次元又は２次元のアレイである。

トランスデューサアレイ１１０は、アレイセル、たとえばＣＭＵＴセルによる信号の送信及び受信を制御する、プローブ１０のマイクロビームフォーマ１２に結合される。たとえば米国特許第ＵＳ５，９９７，４７９号（Ｓａｖｏｒｄら）、第ＵＳ６，０１３，０３２号（Ｓａｖｏｒｄ）、及び第ＵＳ６，６２３，４３２（Ｐｏｗｅｒｓら）に記述されるように、マイクロビームフォーマは、トランスデューサ素子のグループ、又は「パッチ」によって受信される信号を少なくとも部分的にビームフォーミングすることができる。

マイクロビームフォーマ１２は、プローブケーブル、たとえば同軸線によって送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１６に結合され、このスイッチは、送信モードと受信モードを切り換え、マイクロビームフォーマが存在していないか又は使用されておらず、トランスデューサアレイ１１０がメインシステムビームフォーマ２０によって直接操作されるとき、高エネルギーの送信信号からメインビームフォーマ２０を保護する。マイクロビームフォーマ１２の制御下でのトランスデューサアレイ１１０からの超音波ビームの送信は、Ｔ／Ｒスイッチ１６によってマイクロビームフォーマ及びメインシステムビームフォーマ２０に結合されるトランスデューサコントローラ１８によって指図され、トランスデューサコントローラ１８は、ユーザインターフェース又はコントロールパネル３８のユーザの動作から入力を受ける。トランスデューサコントローラ１８によって制御される機能のうちの１つは、ビームが向けられ、集束される方向である。ビームは、トランスデューサアレイ１１０から（アレイに直交して）まっすぐ前方へ向けられてもよく、より広い視野を求めて様々な角度に向けられてもよい。トランスデューサコントローラ１８は、トランスデューサアレイ１１０向けの前述の電圧源４５を制御するように結合される。たとえば、電圧源４５は、ＣＭＵＴアレイ１１０のＣＭＵＴセル１００に印加されるＤＣバイアス電圧及びＡＣバイアス電圧を設定して、たとえば上に説明したように、ＣＭＵＴセルを圧潰モードへと駆動する。

マイクロビームフォーマ１２によって生じる、部分的にビームフォーミングされた信号は、メインビームフォーマ２０に送られ、メインビームフォーマ２０では、トランスデューサ素子の個々のパッチからの部分的にビームフォーミングされた信号が組み合わせられて、完全にビームフォーミングされた信号になる。たとえば、メインビームフォーマ２０は１２８のチャネルを有し、これらのチャネルのそれぞれが、数十又は数百のトランスデューサセルのパッチから、たとえばタイル１００から、部分的にビームフォーミングされた信号を受ける。このようにトランスデューサアレイ１１０の数千のトランスデューサ素子によって受信される信号は、効率的に、ビームフォーミングされた単一の信号に寄与する。

ビームフォーミングされた信号は、信号プロセッサ２２に結合される。信号プロセッサ２２は、バンドパスフィルタリング、デシメーション、Ｉ成分及びＱ成分分離、並びに組織及びマイクロバブルから戻ってくる非線形（基本周波数の、より高い高調波）のエコー信号を識別することができるように、線形信号と非線形信号を分離するように機能する高調波信号分離などの種々の方式で、受信したエコー信号を処理する。

信号プロセッサ２２は、任意選択で、スペックル低減、信号の合成、雑音除去などの追加的な信号強調を実施する。信号プロセッサ２２のバンドパスフィルタは、トラッキングフィルタでもよく、エコー信号がますます奥の方の深部から受信されるとき、そのフィルタの通過帯域が、高い方の周波数帯から低い方の周波数帯へスライドし、これにより、高い方の周波数が解剖学的な情報を有しない、より深い深部からの、これらの高い方の周波数での雑音が除去される。

処理された信号は、Ｂモードプロセッサ２６に結合され、任意選択でドップラープロセッサ２８に結合される。Ｂモードプロセッサ２６は、体内の器官及び血管の組織などの体内の構造の撮像のために、受信される超音波信号の振幅の検出を利用する。たとえば米国特許第ＵＳ６，２８３，９１９号（Ｒｏｕｎｄｈｉｌｌら）及び第ＵＳ６，４５８，０８３号（Ｊａｇｏら）に記述されるように、身体の構造のＢモード画像は、高調波画像モード、基本画像モード、又はその両方の組合せのいずれかで形成される。

もしあれば、ドップラープロセッサ２８は、画像フィールド内の血球の流れなどの物体の動きを検出するために、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。ドップラープロセッサは、通常は、選択されたタイプの体内の物質から戻ってくるエコーを通過させる、且つ／又は除去するように設定される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、速度が速い方の物質からの比較的小さい振幅の信号は通過させ、速度が遅い方の、又は速度がゼロの物質からの比較的強い信号は除去する通過帯域特性を有するように設定される。

この通過帯域特性は、流れている血液からの信号は通過させ、心臓の壁などの、近くの静止した物、又は動きの遅い物からの信号は除去する。逆の特性は、いわゆる組織ドップラー撮像向けに、心臓の動いている組織からの信号は通過させ、血流信号は除去して、組織の動きを検出及び描画する。ドップラープロセッサは、画像フィールド内の様々な地点からの、時間的に不連続なエコー信号のシーケンスを受信及び処理し、特定の地点からのエコーのシーケンスは、アンサンブルと呼ばれる。比較的短い時間で立て続けに受信される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ーシフト周波数が推定され、ドップラー周波数と速度の対応関係が、血液の流速を示す。より長い時間にわたって受信されるエコーのアンサンブルは、より流れの遅い血液、又は動きの遅い組織の速度を推定するために使用される。

Ｂモード（及びドップラー）プロセッサによって生じる構造的信号及び運動信号は、スキャンコンバータ３２及び多断面再構成装置４４に結合される。スキャンコンバータ３２は、所望の画像形式で、エコー信号を、エコー信号がそこから受信された空間的関係に構成する。たとえば、スキャンコンバータは、エコー信号を、２次元の（２Ｄ）扇形の形式、又はピラミッド型の３次元の（３Ｄ）画像に構成する。

スキャンコンバータは、画像フィールド内の地点での動きに対応する色を、それらのドップラー推定速度を用いてＢモード構造的画像に重ね合わせて、画像フィールド内の組織の動き及び血流を描写するカラードップラー画像を生み出す。たとえば米国特許第ＵＳ６，４４３，８９６号（Ｄｅｔｍｅｒ）に記述されているように、多断面再構成装置４４は、身体のボリュメトリック領域（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｒｅｇｉｏｎ）の共通平面内の地点から受信されるエコーを、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）に記述されているように、ボリュームレンダラー４２は、３Ｄデータセットのエコー信号を所与の基準地点から見た投影３Ｄ画像に変換する。

２Ｄ画像又は３Ｄ画像は、画像ディスプレイ４０上に表示するためのさらなる強調、バッファリング及び一時記憶のために、スキャンコンバータ３２、多断面再構成装置４４、及びボリュームレンダラー４２から画像プロセッサ３０へと結合される。ドップラープロセッサ２８によって生じる血流値、及びＢモードプロセッサ２６によって生じる組織構造情報は、撮像用に使用されることに加えて、定量化プロセッサ３４に結合される。定量化プロセッサは、血流のボリュームレート（ｖｏｌｕｍｅ ｒａｔｅ）などの様々な流動状態の尺度、及び器官のサイズや妊娠期間などの構造的測定値を生み出す。定量化プロセッサは、ユーザコントロールパネル３８から、測定が実施されることになる、画像の、解剖学的構造内の地点などの入力を受ける。

定量化プロセッサからの出力データは、グラフィックスプロセッサ３６に結合されて、画像と共にディスプレイ４０に測定グラフィックス及び測定値を再生する。グラフィックスプロセッサ３６は、グラフィックオーバーレイも生成して、超音波画像と共に表示する。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。これらの目的のために、グラフィックスプロセッサは、ユーザインターフェース３８から患者名などの入力を受ける。

ユーザインターフェースは、送信コントローラ１８にも結合されて、トランスデューサアレイ１１０からの超音波信号の生成、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生じる画像を制御する。ユーザインターフェースは、多断面再構成装置４４にも結合されて、ＭＰＲ画像の画像フィールドにおいて定量化される尺度（ｑｕａｎｔｉｆｉｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｓ）を実施するために使用される複数の多断面再構成（ＭＰＲ）画像の平面を選択及び制御する。

当業者には理解されるように、超音波診断撮像システムの上記の実施形態は、このような超音波診断撮像システムの非限定的な例を提供することを意図している。本発明の教示から逸脱することなく、超音波診断撮像システムの構造においていくつかの変形形態が実施可能であることは、当業者には即座に理解されよう。たとえば、上記の実施形態にも示されているように、マイクロビームフォーマ１２及び／又はドップラープロセッサ２８は無くされてもよく、超音波プローブ１０は３Ｄ撮像機能を有していなくてもよい、などである。当業者には、他の変形形態が明らかになろう。

さらに、超音波治療システムの場合、システムはパルスエコーを受信及び処理できる必要がないことは明らかであり、したがって、超音波診断撮像システムの上記の実施形態は、このようなパルスエコーの処理を受けるために必要とされるシステム構成要素を省くことによって超音波治療システムを形成するように構成されてもよいことは、当業者には即座に明らかになろう。

図９は、本発明の超音波機構の実施形態の一例を概略的に示す。超音波機構は、超音波装置１０を保持する保持器２００を備え、この保持器は、コントローラ２１０によって制御されて保持器２００の中の超音波装置１０の向きを調整する、１つ又は複数のアクチュエータを備える。たとえば、保持器２００は、治療台２に、たとえば患者１を支持する治療台２の上部表面のグリップ３に取付け可能なアームでもよい。アームは、治療台２にアームを取り付けるために、たとえばクランプなどの取付け部材２０１を備える。アームは、コントローラ２１０の制御下にある１つ又は複数の作動ヒンジ２０３、２０５、２０７を備え、これらのヒンジは、コントローラ２１０によって与えられる制御信号に応答して、超音波装置１０の向きを変えるように作動する。コントローラ２１０は、検知回路１７０に応答し、検知回路１７０が、超音波装置１０と患者の身体との間の接触が良質であるという指標を示すまで、患者の身体での超音波装置１０の向きを系統的に調整するように構成される。言い換えれば、検知回路１７０は、コントローラ２１０に帰還信号を提供し、これはコントローラ２１０によって使用されて、超音波装置１０と患者１との間に質の高い所望の接触を確立する。さらに、検知回路１７０が、先に説明したようにエラストマー層１５３の圧電抵抗率の測定される変化から得られる、超音波装置１０と患者の身体との間の接触の質の変化（低下）の指標を示すのに応答して、コントローラ２１０は、超音波装置と患者１との間の所望の接触の質を取り戻すために、患者の身体に対する超音波装置１０の向きを定期的に変えるように構成される。たとえば、検知回路１７０が食道壁に与えられる圧力量の指標を提供する食道超音波検査に使用される超音波機構においては、同様の構成を使用して、最小の圧力で十分な音響接触が実現される。

超音波装置１０がパターン形成された電極機構１６０を備える一実施形態では、コントローラ２１０は、エラストマー層１５３の個々の部分での各圧力に対応する圧力マップが電極機構１６０を用いて検知されるのに応答して、作動ヒンジ２０３、２０５、２０７を制御するように構成される。たとえば、コントローラ２１０は、作動ヒンジ２０３、２０５、２０７を制御して、圧力マップでの圧力勾配を最小にする、すなわちエラストマー層１５３全体にわたって圧力を均等にするように構成される。作動ヒンジ２０３、２０５、２０７に印加される制御信号は、このような圧力勾配から導き出されてもよい。

検知回路１７０からのこのような帰還を使用して超音波装置１０の向きを調整する他の実施形態が企図されてもよい。たとえば、超音波装置１０は、検知回路１７０によって与えられる帰還情報に応答して個々のトランスデューサタイル１００の向きを変えるように構成される、一体型アクチュエータを備えてもよい。この実施形態は、たとえば図３に概略的に示されるパターン形成したエラストマー層１５３との組合せにおいて特に有利であり、この場合、それぞれのエラストマー層部分は、個々のトランスデューサタイル１００に位置合わせされ、個々のトランスデューサタイル１００に対応するように寸法決定されており、その結果、個々のトランスデューサタイル１００ごとの接触の質は、一体型アクチュエータを用い、検知回路１７０によって与えられる、その特定の個々のトランスデューサタイルに特有の帰還情報に応答して個々のトランスデューサタイル１００の向きを変えることによって制御される。

上に述べた実施形態は、本発明を限定するものではなく、本発明を説明するものであり、当業者は、添付の特許請求の範囲に記載の範囲から逸脱することなく、多くの代替の実施形態を設計することができることに留意されたい。特許請求の範囲では、括弧の間に記載される任意の参照符号は、その請求項を限定するものであるとは解釈されない。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という語は、請求項に列挙されるもの以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。ある要素の前に付く「ａ」又は「ａｎ」という語は、複数のこのような要素の存在を排除するものではない。本発明は、いくつかの別個の要素を備えるハードウェアによって実施されてもよい。いくつかの手段を列挙する装置クレームでは、これらの手段のうちのいくつかは、同一のハードウェアアイテムによって具体化されてもよい。いくつかの方策が単に互いに異なる従属請求項に列挙されていることは、これらの方策の組合せが有利に使用され得ないことを示すものではない。

Claims (14)

1. トランスデューサ機構と、前記トランスデューサ機構に結合される音響透過窓とを備える超音波装置であって、前記音響透過窓が、エラストマー層を備え、前記エラストマー層は、エラストマーに分散される伝導性粒子を有し、前記エラストマー層が、ある感圧伝導率を有し、前記超音波装置が、前記エラストマー層に結合されて前記感圧伝導率を測定する電極機構をさらに備え、前記トランスデューサ機構が、超音波を生成し、前記伝導性粒子は、前記超音波に露出される患者の身体の中の前記超音波の最短波長の１０％未満である最大直径を有する、超音波装置。
2. 前記エラストマー層が、前記超音波装置によって生じる超音波に露出される前記身体の音響インピーダンス、及び／又は前記トランスデューサ機構の音響インピーダンスに整合する音響インピーダンスを有する、請求項１に記載の超音波装置。
3. 前記エラストマー層の音響インピーダンスが、１．３〜３．０ＭＲａｙｌｓの範囲であり、好ましくは、１．３〜１．９ＭＲａｙｌｓの範囲である、請求項１又は２に記載の超音波装置。
4. 前記エラストマーが、ポリオレフィン、ジエン重合体、若しくはポリシロキサンであるか、ポリオレフィン、ジエン重合体、若しくはポリシロキサンを含む共重合体又はブロック共重合体であるか、又はこれらのブレンドである、請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波装置。
5. 前記伝導性粒子が、炭素粒子、炭素複合体粒子、セラミック粒子、金属粒子、金属合金粒子、複合金属粒子、及び伝導性金属酸化物粒子のうちの少なくとも１つを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波装置。
6. 前記エラストマー層の中の前記伝導性粒子のボリュームが、前記エラストマー層の全体的なボリュームに対して少なくとも１５％である、請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波装置。
7. 前記エラストマー層が、１０〜２００μｍの範囲の厚みを有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波装置。
8. 前記エラストマー層が、前記エラストマー層に分散される伝導性粒子と非伝導性粒子との混合物を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の超音波装置。
9. 前記エラストマー層が、前記電極機構の間に挟まれる、請求項１から８のいずれか一項に記載の超音波装置。
10. 前記電極機構が、前記エラストマー層の個々の部分の感圧伝導率を測定する電極マトリクスを備える、請求項９に記載の超音波装置。
11. 前記音響透過窓が、中に分散される伝導性粒子を有する別のエラストマー層を備え、前記別のエラストマー層が、ある感温伝導率を有し、前記超音波装置が、前記別のエラストマー層に結合されて当該感温伝導率を測定する別の電極機構をさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の超音波装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の前記超音波装置を備える超音波システムであって、前記超音波システムが、前記超音波装置の前記トランスデューサ機構を駆動する電源をさらに備え、前記電源が、前記電極機構に応答し、前記エラストマー層の抵抗率の変化を示す前記電極機構からの信号があった際に、前記トランスデューサ機構を動作不能にする、超音波システム。
13. 前記トランスデューサ機構が、複数の静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサを備え、それぞれの前記静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサが、
    基板を覆う膜であって、前記膜及び前記基板が、空洞の範囲を定める、膜と、
    第１の電気絶縁性層によって前記空洞から隔てられる、前記基板上の第１の電極と、
    前記膜によって支持される、前記第１の電極に対向する第２の電極とを備え
    前記電源が、前記各静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサの前記第１の電極及び前記第２の電極に、
    選択される前記静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサの前記膜を圧潰モードにさせるバイアス電圧と、
    前記圧潰モードの前記膜を共振させる、前記バイアス電圧に加わる交番電圧とを供給する、請求項１２に記載の超音波システム。
14. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の超音波装置と、前記超音波装置を用いて生成される超音波に露出される身体の表面に対してある向きで前記超音波装置を保持する保持器とを備える超音波機構であって、前記保持器は、前記超音波装置の前記向きを調節するアクチュエータ機構と、前記アクチュエータ機構を制御するコントローラとを備え、前記コントローラが、前記電極機構によって与えられる、前記エラストマー層の抵抗率の変化を示す信号に応答する、超音波機構。

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