JP7281460B2 - 着用可能な超音波装置 - Google Patents

Description

本発明は、着用可能な装置の分野に属する。具体的には、本発明はコンピュータ処理及び通信機能を有する着用可能な装置に関する。

スマートウォッチは、着用可能な装置の類に属する腕時計であり、世界中で広く販売され使用者に着用されている。時を刻むという従来の機能に加え、スマートウォッチは今日、使用者の手首に着用される、実質的に携帯型のコンピュータ処理及び通信装置である。スマートウォッチは、非常に多種のモデルが入手可能であり、それらは更に多種の機能を提供する。様々な実施例において、スマートウォッチは、例えば使用者の生理的機能、環境条件、及びＧＰＳ追尾を監視するセンサーを備える。ほとんどのモデルが、ブルートゥース（登録商標）等のプロトコルを経由しての短距離通信、及び／又はインターネット若しくはセル方式ネットワークを介しての長距離通信を可能にする通信機能を有する。当技術分野の最新の開発は、手首に着用するコンピュータ処理システム上に、スマートフォンで利用可能な全ての機能を搭載することの周辺に集中している。

超音波機能は、距離測定及びジェスチャ認識用途のために、スマートフォンのいくつかのモデルに搭載されている。しかし、超音波を医療用の画像化目的のための使用することは、今のところ、スマートウォッチを含む着用可能な装置のいずれの種類でも、現状において利用可能な機能の１つにはなっていない。

医療用画像を生成する完全な機能を提供する超音波システムを備えた、着用可能な装置を提供することが、本発明の一目的である。

本発明のさらなる目的及び利点は、説明が進むにつれて明らかとなろう。

本発明は、超音波システムを含む着用可能な装置である。超音波システムは、超音波変換器アレイ及び付随する回路網を備えた基板を含む。着用可能な装置は、有用な超音波画像を生成するように構成される。

着用可能な装置の実施例は、コンピュータ処理及び通信機能を提供するように構成された部品を含む。

着用可能な装置の実施例では、着用可能な装置はスマートウォッチである。

着用可能な装置の実施例では、基板が着用可能な装置に恒久的に取り付けられた一体型の部品として製造される。

着用可能な装置の実施例では、基板が着用可能な装置に取り付けられ且つ取り外されるように構成された別々の部品として製造される。

着用可能な装置の実施例では、基板が取り付けられるスマート装置の表面が、任意の形状及び曲率を有してよい。

着用可能な装置の実施例では、基板の裏面が、基板が取り付けられるスマート装置の表面の形状及び曲率に合致する形状及び曲率を有する。

着用可能な装置の実施例では、超音波変換器アレイが、基板に直角な平面において、凹型及び直線の１つである断面形状を有する。

着用可能な装置の実施例では、基板が、全ての超音波システムに存在する３つの処理ブロックである、アナログ・フロントエンド（ＡＦＥ：ａｎａｌｏｇ ｆｒｏｎｔｅｎｄ）、フロンドエンド処理を伴うビームフォーマ、及びバックエンド処理ブロックの部品の少なくともいくつかを有する、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）を備える。

着用可能な装置の実施例では、着用可能な装置上で、ビーム形成及び／又は画像処理の少なくともいくつかが、専用の回路網、又は着用可能な装置上の他の機能を実行する既存の電子回路の部品を含む回路網のいずれかを使用して実行される。

着用可能な装置の実施例では、超音波システムの基板上の電子回路と着用可能な装置との間の電力伝送が、有線接続で行われる。

着用可能な装置の実施例では、画像及び／又は生データが、超音波システムの基板上の送信ＡＳＩＣと着用可能な装置との間で、直接的な有線接続及び無線接続の１つにより通信される。

着用可能な装置の実施例では、電力が、着用可能な装置内の電池から超音波システムの基板上の電子回路及び変換器アレイへ供給される。

着用可能な装置の実施例では、画像及び／又は生データが、超音波システムの基板上の送信ＡＳＩＣにより、無線で又は着用可能な装置の通信機能を介してのいずれかで遠隔地へ通信され、遠隔地で画像及び／又は生データは医師により保存、表示及び分析可能である。

着用可能な装置の実施例では、処理された画像がスマート装置の画面上に表示される。

着用可能な装置の実施例は、以下の医学的状態に関係する超音波画像及びデータを提供するように構成される。
ａ）血液の体積流量及び速度を測定するための血管及び動脈の連続的な自己監視
ｂ）頸動脈内の血流の測定
ｃ）前立腺の測定
ｄ）突発する可能性のある内出血に関係する情報を得るための、負傷した又は外傷を負った患者の胸部又は腹部の監視
ｅ）うっ血性心不全（ＣＨＦ：Ｃｏｎｇｅｓｔｉｖｅ Ｈｅａｒｔ Ｆａｉｌｕｒｅ）患者の肺の中の液位の監視、及び
ｆ）急性腎傷害（ＡＫＩ：Ａｃｕｔｅ Ｋｉｄｎｅｙ Ｉｎｊｕｒｙ）を起こすリスクのある患者の膀胱内の液位の監視

着用可能な装置の実施例では、変換素子の数は２より多く、例えば６４、１２８、２５６、及びそれ以上である。

着用可能な装置の実施例は、バッキング層、音響整合層、及びレンズの少なくとも１つを備える。

上述の全ての及びその他の本発明の特徴並びに利点は、次に続く添付図面を参照しての、例示的且つ限定はしない本発明の実施例の説明を通して、更に理解されよう。

本発明による超音波画像化機能を備えたスマートウォッチの第１の実施例の図である。 本発明による超音波画像化機能を備えたスマートウォッチの第２の実施例の図である。

本発明は着用可能な装置であり、装置は超音波変換器アレイ及び付随する回路網を備えた超音波システムを含み、それによって装置が、医学的状態の監視に用いる有用な超音波画像を生成する機能を備える。

超音波変換器アレイ及び付随する回路網は、シリコン基板上にそれらを作製するためのシリコン処理技術を使用して、エポキシ内にそれらを封入して、及びガラス・エポキシ、セラミック、又は絶縁された金属基板上に印刷回路板を製造するために開発された技術を使用して等の多くの方法で機械的に支持が可能である。本明細書では、「基板」の用語は一般的な意味で使用され、電子回路及びその構成部品を機械的に支持するための、当技術分野で知られているこれらのいずれも又は他の任意の方法を指す。

超音波変換器は、バッキング層、整合層、及び少なくとも２つの変換素子によって構成されるアレイを有する。本発明の実施例では、素子の数は２より多く、例えば６４、１２８、２５６、及びそれ以上である。素子は横列及び縦列に配置され、付随する回路網がフェイズド・アレイを作り出すように構成される。

本明細書では、着用可能な装置の具体的な例として、スマートウォッチに関して本発明を詳細に説明する。しかし、本発明は、使用者の腰、もも、又は足首の周りに締められるベルト又はストラップに装着する脱着式の機器等の、他の着用可能な装置に関して実施可能である。

いくつかの実施例では、スマートウォッチ（又は他の着用可能な装置）の表示及び通信機能、並びに処理回路の部品が活用される。しかしそれらは、装置の他の機能と同様に、本発明には関係しないので、本明細書では説明しない。本発明の目的に対しては、スマートウォッチそれ自体は従来技術である。本発明の本質は、超音波システムと任意のスマートウォッチを組み合わせることである。

第１の実施例（図１に示す）では、超音波システムは、スマートウォッチのケース裏蓋の一体部品として製造される。第２の実施例（図２に示す）では、超音波システムは別々の部品として製造され、超音波システムの基板を裏蓋へ非恒久的に取付け可能とする、当技術分野で知られている任意の機械的な機構によって、例えば裏蓋上の留め金具、又は裏蓋の穴２４の中に可逆的に固定される基板上のピンによって、スマートウォッチの裏蓋に取付け可能である。

図１は、超音波システム１０が、スマートウォッチ１８の裏蓋１６に取り付けられた基板１２上に変換器アレイ１４を備える、本発明の第１の実施例を概略的に示す。図２は、超音波システム１０と同じ超音波システム２０が、スマートウォッチ１８の裏蓋１６とは別々だが、裏蓋１６に取付け可能である、本発明の第２の実施例を概略的に示す。

本発明の実施例では、変換器アレイ１４からの後方放出超音波を吸収するために、変換器アレイ１４と基板１２の間にバッキング層が付加される。バッキング層は、例えばエポキシと金属粉末の混合物から形成可能である。金属粉末、例えばタングステンをエポキシ、例えばＥｐｏ－Ｔｅｋ ３０１に添加すると、吸収を良くするために必要な減衰及び音響インピーダンスが増加する。金属増量材を含んだいくつかの種類のエポキシ、例えばＥｐｏ－ｔｅｋ ＥＪ２１８９も、この目的を達成するのに適している。変換器アレイ１４は、ビームの焦点合わせ及び音響整合に加えて、保護を施すために、音響整合層及びレンズによって覆うことも可能である。これに限定しないが、Ｓｙｌｇａｒｄ １７０等の、低減衰、低音速で音響的に整合したシリコン材料で形成されたレンズは、焦点合わせ機能及び音響整合機能の両方の役割を果たすことができる。バッキング層、音響整合層、及びレンズは、超音波システムの共通の機能であり、当技術分野で知られている多くの様々な方法で実施可能である。

スマートウォッチのケースは、任意の形状及び曲率、例えば円形、正方形、長方形、又は八角形、を有する可能性がある。それに応じて、超音波システムがその上に構成されてスマートウォッチのケースに取り付けられる基板の表面が成形され、超音波変換器アレイは、スキャン操作に必要な曲率の半径を有する、すなわち、基板に直角な平面におけるアレイの断面形状が、凹型又は直線のいずれにもなり得る。

一実施例では、超音波システム１０又は２０は、超音波変換器アレイ１４及び特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）がその上に作製された基板１２を備え、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）は、超音波システム１０が動作するために必要な電子的構成要素の少なくともいくつかを有する。他の実施例では、基板１２上の回路網によって、ビーム形成及び／又は最終画像を生成するために必要な処理の一部のみが実行され、処理の残りはスマートウォッチ内の回路網を使用して実行される。少なくとも処理のいくつかは、遠隔地で行うことができる。例えば、超音波変換器アレイ１４からの生データの全て又は一部は、完全に専用の回路網、又はスマートウォッチ上の、他の機能を実行する既存の回路の部品を利用した回路網のいずれかを使用して更に処理するために、基板１２上の送信ＡＳＩＣによってスマートウォッチ１８上の受信器へ送信可能である。

以下に説明する一実施例では、基板１２上のＡＳＩＣが、全ての超音波システムに存在する３つの別個の処理ブロックである、アナログ・フロントエンド（ＡＦＥ）、フロンドエンド処理を伴うビームフォーマ、及びバックエンドの全てを備える。しかし、上述のように、ビーム形成及び処理のどれだけ多くを、基板１２、スマートウォッチ１８、又は遠隔地で実施するかによって、このＡＳＩＣの他の実施例が可能である。

ＡＦＥは、大きなダイナミック・レンジ、典型的には８００ｋＨｚから２０ＭＨｚまでの周波数範囲の変換器アレイ受信信号を処理する部品を備えた、超音波用途に高度に特化されたシステムである。

ビームフォーマは２つの部品から構成され、これらの部品は時刻同期され、相互にタイミング、位置、及び制御データを連続的に渡し合う。
（１）送信ビームフォーマ（又はＴｘビームフォーマ）は、スキャン・ラインを開始させ、組織内に所望の焦点を合わせるように、変換器アレイ素子への時間調整された（ｔｉｍｅｄ）パルス列を生成することを受け持つ。Ｔｘビームフォーマは、変換器アレイ用の高電圧パルスに外部的に変換される、時間調整されたデジタル・パルス列を操り（ｓｔｅｅｒ）、発生させる。焦点合わせをされた超音波ビームの、必要とされる瞬間的位置に基づいて、所与のスキャン・ラインに対して遅延がリアルタイムに計算される。
（２）受信ビームフォーマ（又はＲｘビームフォーマ）は、アナログ・フロントエンドからのエコー波形データを受け、フィルタリング、ウィンドーイング、加算、及び復調を介して、データを対応するスキャン・ラインと突き合わせることを受け持つ。Ｒｘビームフォーマは、生の変換器アレイＲｘデータを解析し、超音波スキャン・ラインを抽出して組み合わせる。

バックエンド処理ブロックは典型的に、Ｂモード、Ｍモード、ドップラ、及びカラー・フロー処理機能の少なくとも１つを含む。これらの機能は同時に作動し、画像を生成するための様々な働きを行う。バックエンドは次に、超音波検査士の要求、及び使用される表示装置に適合するように画像のノイズ取り及び調整を行い、静止及び映像出力を保存、表示及び送信する。

スマート装置の実施例では、処理された画像はスマートウォッチの画面上に表示可能、且つ／又はスマートウォッチの通信機能を介して遠隔地に送信可能であり、遠隔地で画像は医師によって保存、表示、及び分析可能である。

超音波システム１０又は２０は電源を備えることができる。一実施例では、システムは変換器アレイ及びＡＳＩＣ回路にパワーを供給するために、スマートウォッチの電池を使用する。電圧及び電流（場合によって）の変換は、当技術分野で良く知られている。例えば、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のＴＬ４９７ＡＣＮ部品は、スマートウォッチからの入力電圧を、超音波変換器アレイに必要な励起電圧へ変換可能である。

システム１０又は２０へのパワー供給は、例えば、とりわけ、静脈、動脈、心臓、肺、腎臓、及び更には頭蓋内圧等の内蔵のスキャンを提供するための、不連続な測定を可能とするに十分である。半連続的な監視は、例えば血流、心拍、又は肺の中の液位の測定を行うために数分毎にスキャンを行うことにより、実行可能である。

超音波システム１０の基板１２上の電子回路とスマートウォッチ１８との間の送電は、有線接続により行われ、データは、基板１２とスマートウォッチ１８の間で、直接的な有線接続、又は良く知られたプロトコル、例えばブルートゥース（登録商標）、による無線のいずれかによって通信される。超音波システム１０とスマートウォッチ１８の間の電気的なインターフェースは、構成部品の１つ、すなわち、必ずではないが一般的に、裏蓋１６に設置されたソケット２２（図２参照）、及びそれと対を成す、他の構成部品に設置されたプラグを備える。

超音波変換器アレイ１４は変換素子を備え、変換素子は、例えば、ピエゾ、圧電性ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ：Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎｅａｔｅ）、又は薄膜、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ：Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｆｌｕｏｒｉｄ）、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛（ＰＭＮ－ＰＴ：Ｌｅａｄ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ－Ｌｅａｄ Ｔｉｔａｎａｔｅ）、ＰＭＮ－ＸＸ、ＰＩＮ－ＰＭＴ－ＸＸ（ここで、ＸＸは材料のいくつかの派生物のことである）及び金属等の様々な材料から製造可能である。超音波変換器アレイ１４は、知られた技術、例えばケイ素をベースとした基板、容量性微細加工超音波変換器アレイ（ＣＭＵＴ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ａｒｒａｙｓ）、圧電性微細加工超音波変換器アレイ（ＰＭＵＴ：Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｒｒａｙｓ）、マイクロ電気機械式システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）、及びナノ電気機械式システム（ＮＥＭＳ：Ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いて製造される。変換素子は、直線アレイ、焦点合わせをされたアレイ、多次元アレイ、すなわち１．５Ｄ、２Ｄ及び３Ｄアレイを形成するように配置可能である。素子は、いくつかの直線状又は湾曲した横列及び縦列に実施可能であり、平面、凹面、又は凸面上に組立て可能な様々な形状のアレイを形成する。

上に示した、システム１０又は２０を用いて実行可能なスキャンのいくつかの種類の例に加えて、本発明に特に良く適したいくつかの応用例の極めて限定的な一覧を次に示す。
１．血管及び動脈の連続的な自己監視。これは、血液希釈療法を受けている患者にとって、内出血のリスクが高いことから特に重要である。本発明の超音波装置は、連続的に、例えば一時間毎に一回、超音波スキャンを行い、血流及び速度を測定することを可能にし、それによって、患者にとって完全なモデルが確立でき、従って、いつ患者が治療を受ける、又は治療を制限する（血腫及びもしかすると死を引き起こす可能性のある内出血を予防するため）必要があるかをわかるようにする。現状では、これらの患者は、診療所に行きプロトロンビン時間（ＰＴ：Ｐｒｏｔｈｒｏｍｂｉｎ Ｔｉｍｅ）血液検査を受けることを余儀なくされている。
２．頸動脈内の血流の測定
３．場合によっては、手術に良いタイミングに関する情報を提供、又は手術後に結果を監視するための、毎日又は毎週ベースの前立腺の測定。他の全ての応用例と同様に、時計は使用者の手首から外され、変換器アレイが身体の適切な箇所（この場合では、腹部又は肛門）の上の皮膚に面するようにして置かれ、システムが起動されて超音波画像及び関連するパラメータ、例えば寸法又は速度、の計算を提供する。肛門を通しての測定を行うためには、装置２０の第２の実施例の一種が、変換器アレイがその上に形成された基板の延長されたバージョンを備える。
４．交通事故、戦地で外傷を負った兵士、及び類似の状況の場合では、負傷した人自身、通りがかりの人、又は医者若しくは救急医療士の手首に着けられた超音波装置１０又は２０を備えるスマートウォッチを、突発する可能性のある内出血に関係する情報を提供できる超音波画像を用いて、胸部又は腹部を監視するために使用可能である。
５．看護士が、うっ血性心不全（ＣＨＦ：Ｃｏｎｇｅｓｔｉｖｅ Ｈｅａｒｔ Ｆａｉｌｕｒｅ）患者の肺の中、又は急性腎傷害（ＡＫＩ：Ａｃｕｔｅ Ｋｉｄｎｅｙ Ｉｎｊｕｒｙ）を起こすリスクのある患者の膀胱の中の液位を測定するために、超音波装置１０又は２０を備える時計を使用可能である。

本発明の実施例を図示により説明してきたが、本発明は、特許請求の範囲を超越せずに、多数の変形、修正及び改作によって実行可能であることを理解されたい。

Claims (14)

1. 超音波システムを有する着用可能な装置であって、前記超音波システムが超音波変換器アレイ及び付随する回路網を備えた基板を含み、前記着用可能な装置が少なくとも１つの医学的状態に関係する有用な超音波画像及びデータを生成するように構成され、
   前記着用可能な装置は、前記基板上の前記付随する回路網が、アナログ・フロントエンド（ＡＦＥ）の構成要素の少なくともいくつか、フロンドエンド処理を伴うビームフォーマの構成要素の少なくともいくつか、及びバックエンド処理ブロックの構成要素の少なくともいくつかを有する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を備える、ことを特徴とする着用可能な装置。
2. 前記着用可能な装置が、コンピュータ処理及び通信機能を提供するように構成された部品を有する、請求項１に記載の着用可能な装置。
3. 前記着用可能な装置がスマートウォッチである、請求項２に記載の着用可能な装置。
4. 前記基板が、前記着用可能な装置に恒久的に取り付けられた一体型の部品として製造される、請求項１又は３のいずれか一項に記載の着用可能な装置。
5. 前記基板が、前記着用可能な装置に取り付けられ且つ取り外せるように構成された別々の部品として製造される、請求項１又は３のいずれか一項に記載の着用可能な装置。
6. ビーム形成及び／又は画像処理の少なくともいくつかが、前記着用可能な装置上で、専用の回路網、又は前記着用可能な装置上の、他の機能を実行する既存の回路の部品を含む回路網のいずれかを使用して実行される、請求項１に記載の着用可能な装置。
7. 前記超音波システムの前記基板上の電子回路と前記着用可能な装置との間の電力伝送が、有線接続によって行われる、請求項１又は３に記載の着用可能な装置。
8. 画像又は生データの少なくとも１つが、前記超音波システムの前記基板上の送信ＡＳＩＣと前記着用可能な装置との間で、直接的な有線接続及び無線接続の１つによって通信される、請求項１又は３に記載の着用可能な装置。
9. 電力が、前記着用可能な装置内の電池から前記超音波システムの前記基板上の前記電子回路及び変換器アレイに供給される、請求項７に記載の着用可能な装置。
10. 画像又は生データの少なくとも１つが、前記超音波システムの前記基板上の前記送信ＡＳＩＣにより、無線で又は前記着用可能な装置の通信機能を介してのいずれかで遠隔地へ通信され、前記遠隔地で画像及び／又は生データが医師により保存、表示及び分析可能である、請求項８に記載の着用可能な装置。
11. 処理された画像が、前記着用可能な装置の画面上に表示される、請求項１又は３に記載の着用可能な装置。
12. 次の医学的状態、すなわち
    ａ）血液の体積流量及び速度を測定するための、血管及び動脈の連続的な自己監視
    ｂ）頸動脈内の血流の測定
    ｃ）前立腺の測定
    ｄ）突発する可能性のある内出血に関係する情報を得るための、負傷した又は外傷を負った患者の胸部又は腹部の監視
    ｅ）うっ血性心不全（ＣＨＦ）患者の肺の中の液位の監視、及び
    ｆ）急性腎傷害（ＡＫＩ）を起こすリスクのある患者の膀胱内の液位の監視
    に関係する超音波画像及びデータを提供するように構成される、請求項１又は３に記載の着用可能な装置。
13. 前記超音波変換器アレイが、少なくとも２つの変換素子を備え、且つ前記付随する回路網がフェイズド・アレイを作り出すように構成される、請求項１又は３に記載の着用可能な装置。
14. 前記装置が、バッキング層、音響整合層、及びレンズの少なくとも１つを備える、請求項１又は３に記載の着用可能な装置。

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