KR101301659B1 - 의료용 초음파를 위한 나선형 어코스틱 어레이 - Google Patents

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Abstract

어코스틱 어레이(12)들은 방위각 축선(32)을 중심으로 또는 그 주위로 트위스트(twisted)되거나 나선형을 이룬다. 예를 들어, 어레이(12)의 일 단부는 0 도의 방출 면을 가지는 한편, 다른 단부는 20도의 방출 면을 가진다. 그 사이의 부재(24)들은 여러 회전(different rotations)들 사이에서 점진적으로 변환된다. 3-차원적인 이미징을 위해서 여러 발산형 평면(58, 60, 62)들을 스캔닝(44, 48)하기 위해서, 트위스형 어레이(12)의 여러 개구들을 이용할 수 있을 것이다. 각 개구와 관련된 다양한 상대적인 회전의 양은 스캔 영역들 또는 평면(58, 60, 62)들의 각도 높이 간격을 유발한다. 카테터(11)에서 사용되는 경우에, 부피를 스캐닝하기 위해서 부재(24)들의 하나의 열(row)이 전기적으로 이용될 수 있을 것이다.

Description

의료용 초음파를 위한 나선형 어코스틱 어레이{HELICAL ACOUSTIC ARRAY FOR MEDICAL ULTRASOUND}
본 발명은 의료용 초음파를 위한 어코스틱 어레이에 관한 것이다. 어코스틱 어레이들은 반도체 또는 압전 물질로부터 형성된다. 압전 물질은 중실형(solid) 압전체 또는 복합체(composites)를 포함한다. 이러한 물질은 음향 에너지와 전기 에너지 사이의 변환을 제공한다.
상기 물질은 부재(element)들로 분할되며, 예를 들어 압전 물질의 슬라브(slab)를 부재들의 선형 어레이로 다이싱(dicing; 마름모꼴로 절단)한다. 강성(rigid)의 또는 반(semi)-강성의 백킹(backing)에 장착함으로써, 부재들의 어레이가 의도된 평면형 방출 면(a desired planar emitting face)을 유지한다. 곡선형 선형 어레이의 경우에 부재들의 정렬체(arrangement)가 곡선형이 될 수 있다. 예를 들어, 압전 복합체 물질로 형성된 어레이가 와핑가공된다(warped). 단부상의 부재들은 방위각 축선(azimuth axis)으부터 멀리 떨어져 배치된다. 어레이의 방출 면은 높이면에서 볼 때 평평하나 방위각을 따라서는 곡선형이 된다.
2-차원적인 어레이가 3-차원적인 이미징을 위해서 이용된다. 변환기 물질은 2차원을 따라서 부재들로 분할된다. 그러나, 부재들의 개체수는 많아진다. 대안으로서, 사판형 변환기(wobbler transducer) 내의 1-차원적인 어레이와 같이 하나의 차원에서 기계적으로 조향(steer)하는 것이 있다. 그러나, 기계적인 조향은 공간을 필요로 하고 복잡성을 부가하게 된다.
어코스틱 어레이가 카테터(catheter) 내에 위치될 수도 있다. 카테터의 크기로 인해서, 컨덕터(conductor) 또는 기계적인 구조물에 대한 공간에 제약을 받을 것이다. 그러나, 절제 수술 같은 경우에, 카테터로부터 3-차원적으로 스캐닝할 수 있는 능력이 요구되고 있다.
이하에서 설명되는 바람직한 실시예는, 방법, 시스템, 개량 발명 및 어코스틱 어레이를 포함한다. 어레이들은 방위각 축선을 중심으로 또는 그 주위로 트위스트(twisted)되거나 나선형을 이룬다. 예를 들어, 어레이의 일 단부는 0 도의 방출 면을 가지는 한편, 다른 단부는 20도의 방출 면을 가진다. 그 사이의 부재들은 여러 회전(different rotations)들 사이에서 점진적으로 변환(transition)된다. 3-차원적인 이미징을 위해서 여러 발산형(diverging) 평면들을 스캔닝하기 위해서, 트위스형 어레이의 여러 개구들을 이용할 수 있을 것이다. 각 개구와 관련된 다양한 상대적인 회전의 양은 스캔 영역들 또는 평면들의 각도 높이 간격(angular elevation spacing)을 유발한다. 카테터에서 사용되는 경우에, 부피를 스캐닝하기 위해서 부재들의 하나의 열(row)이 전기적으로(electrically) 이용될 수 있을 것이다.
제 1 양태에서, 어코스틱 변환기 어레이를 위해서 시스템이 제공된다. 복수의 부재들이 어레이의 방출 면을 형성한다. 부재들은 방위각 축선을 따라서 이격된다. 어레이의 일부 부재들은 방위각 축선을 중심으로 서로에 대해서 상대적으로 회전된다. 회전에 따라서 방출면은 다양한 방향으로 각도를 이룬다(angles). 전기적 컨덕터들이 각 부재와 연결된다.
제 2 양태에서, 의료용 초음파 변환기는 방위각 축선을 따른 복수의 인접하는 부재들을 포함한다. 인접 부재들은 방위각 축선을 따라서 나선형으로 또는 소용돌이형으로 정렬된다.
제 3 양태에서, 어코스틱 어레이를 이용하여 스캐닝하기 위한 방법이 제공된다. 제 1 개구가 부재들의 어레이 상에 형성된다. 부재들의 어레이는 길이방향 축선을 중심으로 트위스팅된다. 제 1 평면이 제 1 개구로 스캐닝된다. 제 2 의, 다른 개구가 부재들의 어레이 상에 형성된다. 제 2 의, 다른 평면이 제 2 개구로 스캐닝된다. 제 2 평면의 위치는 제 2 개구의 요소 보다는 제 1 개구의 요소와 관련된 다양한 트위스트 각도에 상응한다.
본 발명은 특허청구범위에 의해서 규정되며, 본 섹션의 어느 부분도 특허청구범위를 제한하는 것으로 인정되지 않아야 할 것이다. 본 발명의 추가적인 양태 및 이점들은 바람직한 실시예와 관련하여 이하에서 설명될 것이고 또 독립적으로 또는 조합되어 특허청구범위에 규정될 것이다.
첨부 도면들 및 구성요소들은 반드시 등축적인 것이 아니며, 그 대신에 본 발명의 원리를 설명하기 위해서 강조된 부분도 있을 것이다. 또한, 도면들에서, 대응하는 부분들에 대해서는 유사한 도면부호를 부여하였다.
도 1은 나선형 변환기 어레이의 일부의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 2는 카테터 내의 도 1의 어레이를 도시한 도면이다.
도 3은 트위스팅된 어코스틱 어레이를 이용하여 스캐닝하는 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 1의 어레이를 이용한 3-차원적인 스캐닝의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 어레이에 인접한 스캔 위치를 도시한 사시도이다.
방위각 축선을 따라서 트위스팅된 나선형 어레이를 이용하여, 여러 스캔 평면을 스캐닝할 수 있을 것이다. 방위각 축선을 따라 개구를 워킹(walking)시킴으로써, 어코스틱 평면들의 각도가 변화된다. 부피가 샘플링될 수 있다.
카테터 내에서, 환자의 신체 내부로부터 스캐닝하기 위해서 나선형 어레이가 이용될 수 있다. 예를 들어, 부재의 높이 방향 단부 또는 다른 부분이 나선(예를 들어, 이중 나선)을 따라 놓이고, 이때 방위각 중심선은 직선이다. 약 28도와 같은 작은 각도에 걸쳐 트위스팅함으로써, 부피가 스캐닝될 수 있다. 카테터의 축선을 따라 개구를 워킹시킴으로써, 카테터의 측부에 인접한 부피가 스캐닝된다. 카테터 또는 다른 툴이 부피 스캔으로부터 생성된 3-차원적인 표상(representations)을 이용하여 안내된다. 이미지는 절개 시술 또는 다른 시술을 위한 안내를 보조할 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 트위스트는 셋팅되거나(set) 또는 영구적이다. 2-차원적인 이미징을 위한 인접한 트위스팅되지 않은 어레이와 같은 다른 어레이가 제공될 수 있고 또는 제공되지 않을 수 있다. 다른 실시예에서, 기계적 또는 다른 구조물들이 트위스팅된 위치와 트위스팅되지 않은 위치 사이에서 어레이를 변화시킨다. 트위스팅되지 않은 선형 어레이트는 트위스팅된 어레이 보다 높은 해상도의 2-차원적인 이미징을 제공할 것이다. 위스팅된 어레이는 3-차원적인 스캐닝을 가능하게 할 것이다.
도 1 및 도 2는 어코스틱 변환기 어레이(12)를 위한 시스템(10)을 도시한다. 시스템(10)은 어레이(12), 컨덕터(14), 비임 형성부(beamformer; 16), 이미지 프로세서(18), 및 디스플레이(20)를 포함한다. 또한, 이와 상이한, 또는 이보다 적은 부품들이 제공될 수도 있을 것이다. 예를 들어, 시스템(10)은, 비임 형성부(16), 이미지 프로세서(18) 및/또는 디스플레이(20)가 없이, 어레이(12) 및 컨덕터(14)를 포함할 수 있을 것이다. 이들 이미징 전자장치는 독립적인 초음파 이미징 시스템일 수 있다. 변환기는 이미징 시스템과 분리가능하게 연결된다.
어레이(12)가 의료용 초음파 변환기와 같은 변환기 프로브(probe)에서 이용된다. 변환기 프로브는 핸드헬드(handheld; 손으로 잡고 사용할 수 있는) 변환기 프로브와 같이 환자의 신체 외부에서 사용된다. 그 대신에, 카테터(11)(도 2 참조), 트랜스에소피길(transesophegeal), 질내(vaginal), 인터캐비티(intercavity), 수술중의(intraoperative) 기타 프로브와 같이 환자의 신체 내부에서 사용된다. 어레이(12) 및 컨덕터(14)는 변환기 프로브에 연결되거나 그 내부에 위치된다. 프로브 내부로부터 어레이의 방출 면(22)으로부터의 어코스틱 스캐닝을 위해서 어레이(12)에 걸쳐 윈도우 또는 렌즈가 위치된다.
어레이(12)는 복수의 부재(24), 백킹 물질(26), 전극(28), 및 매칭(matching) 층(30)을 구비한다. 추가적이고, 다른(different), 또는 보다 적은 수의 성분들이 제공될 수 있다. 예를 들어, 둘 또는 그 이상의 매칭 층(30)이 이용될 수 있다. 다른 예로서, 백킹 물질(26) 대신에 챔버가 제공될 수 있다. 어레이(12)의 후방부(back)로부터 수신되는 반사를 제한 또는 방지하기 위해서, 백킹 물질(26)이 어코스틱 에너지를 흡수한다. 매칭 층(30)은 어코스틱 임피던스들 사이의 보다 점진적인 변환(전이; transition)을 제공하여, 변환기와 환자 사이의 경계로부터의 반사를 최소화한다. 전극(28)은 어코스틱 및 전기적 에너지 사이의 변환을 위해서 부재들과 상호작용한다. 부재에 걸친 전극(28)들 사이의 거리 또는 포텐셜(potential)의 변동(variation)은 전기적 신호의 발생 또는 어코스틱 에너지를 각각 유발한다.
부재(24)는 압전 물질이다. 중실형의 또는 복합체 압전 물질이 이용될 수 있다. 각 부재는 장방형의 중실체(solid), 입방형, 또는 6면체(six sided)일 수 있고, 또 다른 표면도 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 부재(32)의 방출 면(22)이 엘리베이션 포커싱 또는 주파수 베이스 지향성(elevation focusing or frequency based directivity)을 위해서 오목하거나 볼록할 수 있다. 그 대신에, 가요성 박막(flexible membrane)과 같은 미세전자기계 장치(microelectromechanical device)가 사용될 수 있다. 현재 공지된 또는 추후에 개발되는 임의의 초음파 변환기도 사용될 수 있을 것이다. 파장에 비해서 높이가 긴 부재들이 증대된 높이 지향성(increased elevation directivity)을 제공할 수 있을 것이다.
임의 수의, 예를 들어 64개의 부재(24)들이 제공될 수 있다. 보다 많은 또는 보다 큰 개구의 경우에, 128개 또는 다른 수의 부재(24)들이 허용될 수 있을 것이다. 부재(24)들은 서로 인접하고, 예를 들어 인접 부재(24)들의 중심들 사이의 간격이 실질적으로 파장과 같거나 또는 그보다 작다. 예를 들어, 부재(24)들은 각 부재(24)를 어코스틱적으로 분리하는 커프(kerfs)와 절반 파장 간격을 가진다. 파장 간격은 어레이(12)의 중심의, 평균적인, 이미징(a center, average, imaging) 또는 다른 작동 주파수를 기초로 한다. 부재(24)들 사이의 간격이 큰 듬성듬성한(sparse) 어레이(12)가 이용될 수도 있을 것이다.
부재(24)들은 방위각 축선(32)을 따라 위치된다. 1-차원적인 어레이(12)의 경우에, 부재(24)들은 방위각 축선(32)을 따라 하나의 열로 위치된다. 32, 50 또는 그 이상, 64, 128 또는 다른 개체수의 부재(24)들이 이용될 수 있다. 어레이(12)는 선형이거나 곡선형의 선형(curved linear)일 수 있다. 곡선형의 선형 어레이(12)는 방위각 축선(32)을 향해서 또는 그로부터 먼쪽으로 연장하는 중간부 또는 단부를 구비하나, 부재(24)들은 여전히 방위각 차원(azimuth dimension)을 따라 배치된다. 곡선형으로 인해서, 어레이(12)의 일부 부재들이 서로 다른 깊이 또는 범위를 가진다.
다-차원적인 어레이(12)가 이용될 수 있다. 예를 들어, 부재(24)들의 2 또는 그 이상의 열이 높이 차원(elevation dimension)을 따라 서로 인접된다. 1.25, 1.5, 1.75 또는 2D 어레이가 제공될 수 있다. 높이 차원을 따른 부재(24)들 사이의 간격은 방위각 차원을 따른 것과 동일하거나 상이하며, 예를 들어 방위각 내에서 모든 인접 부재들 사이의 간격이 절반 파장인 2x64 어레이가 있다. 부재들은 높이 방향으로 길고, 예를 들어 3-20 파장 높이의 폭을 가질 수 있으나, 절반 파장이나 다른 간격을 가질 수도 있을 것이다.
스캐닝될 영역에 보다 근접하고, 및/또는 백킹 물질(26)의 반대쪽에 위치하며, 매칭 층(30)에 의해서 덮여진 부재(24)들의 측부(side)가 방출 면(22)이 된다. 어코스틱 에너지가 어레이(12)의 방출 면(22)으로부터 전송되고 또 방출 면(22)에서 수신된다. 방출 면(22)에 대한 어레이(12) 에너지의 각도는 에너지에 대한 부재(24)의 감도(sensitivity)에 영향을 미친다. 부재(24)들에 대한 수직 입사시에 부재(24)들은 에너지에 대해서 보다 민감하다.
도 1을 참조하면, 어레이(12)의 부재(24)들의 일부가 회전된다. 회전은 방위각 축선(32)을 중심으로 한다. 방위각 축선(32)은 백킹 물질(26), 부재(24), 방출 면(22)을 통해서, 또는 어레이(12)에 인접하여 연장한다. 회전은 부재(24)들의 나선형 또는 소용돌이형 패턴을 형성한다. 인접 부재(24)들은 방위각 축선(32)을 따라서 나선형으로 정렬된다. 하나의 부재가 다른 부재(24)와 상이한 양만큼 축선(32)을 중심으로 회전된다. 가장 큰 감도의 각도는 회전된 부재(24)의 경우에 다른 부재(24)와 상이하다. 곡선형 어레이와 관련된 것과 같이, 축선(32)으로부터 멀리 회전하는 것에 더하여, 방위각 축선(32)을 중심으로 한 회전이 있을 수 있다.
각 부재(24)는 서로 상이한 양만큼 회전된다. 예를 들어, 어레이(12)의 양 단부에서 부재(24)들은 서로에 대해서 적어도 10, 적어도 15, 또는 이와 다른 보다 큰 값 또는 보다 작은 값의 각도 만큼 방위각 축선을 중심으로 회전된다. 방위각 중심선은 직선형일 수 있고 또는 회전되거나 트위스트될 수 있다. 보다 많은 또는 그보다 적은 전체 회전이 이용될 수 있다. 사이의 각 부재(24)가 서로 상이한 양으로 회전되어 단부들 사이의 회전을 계단화(step)한다. 예를 들어, 각 부재(24)가 인접한 부재(24)에 대해서 0.47 도(degree) 회전된다(예를 들어, 전체 회전이 30도인 경우에 64개의 부재는 각 부재(24) 마다 0.47 도를 제공한다). 그 대신에, 부재(24)들의 그룹이 다른 부재(24)에 대해서 또는 부재(24)의 그룹에 대해서 동일한 양으로 회전된다. 예를 들어, 어레이(12)의 절반이 하나의 값의 양으로 회전되고 나머지 절반이 다른 값의 양으로 회전된다. 어떠한 수의 계단(step)도 이용될 수 있을 것이며, 부재(24)의 대칭적 또는 비대칭적 그룹화도 가능할 것이다. 예를 들어, 부재(24)들의 중심 그룹, 부재(24)들의 주기적인 그룹 또는 부재(24)들의 다른 구성이 동일한 방향을 향하는 한편, 다른 부재들이 회전될 수 있다. 하나의 실시예에서, 부재(24)의 중심 절반(예를 들어, 중심의 64개의 부재(24))이 직선형이거나 또는 방위각 축선을 중심으로 동일한 회전 배향(orientation)을 가지는 한편, 각 단부상의 부재(24)들의 4분의 1(예를 들어, 일 단부에 32개의 부재(24) 그리고 타단부에 32개의 부재(24))은 나선형으로 회전될 수 있다. 회전은 단일 단계 또는 복수의 단계로 이루어질 수 있다.
일반적으로, 높이 방향으로 보다 큰 개구는 증대된 높이 지향성 및 좁은 높이 비임폭(beamwidth)을 제공한다. 높이 방향으로 어레이를 트위스팅시킴으로써, 부재들의 서브-개구(sub-aperture)가 함께 이용되어 이미지 평면을 형성한다. 어레이에 의해서 형성될 수 있는 독립적인 비임들의 전체 개체수는 개구의 부재들의 개체수와 유사(on the order of)하다. 부재 각도 비임폭에 대한 전체 트위스트를 변화시킴으로써, 방위각의 해성도와 형성된 부피의 높이 각도 폭(elevation angular width) 사이에 상충관계(tradeoff)가 존재한다.
물질은 부재(24)를 회전된 위치에 유지한다. 예를 들어, 백킹 물질(26)이 경화되어 부재(24)를 정위치시킨다. 다른 예에서, 프레임이 부재(24)들을 정위치에 유지한다. 또 다른 예에서, 에폭시 또는 다른 결합제가 전체 어레이(12)에 대해서 또는 그 일부에 대해서 경화되어 그 어레이(12)를 정위치에 유지한다. 다른 물질 및 관련 구조물이 이용될 수 있을 것이다. 카테터 실시예의 경우에, 간섭을 피하고 회전된 부재(24)들을 정위치에서 유지하거나 또는 유지하는 것을 돕기 위해서, 카테터(11)의 본체가 트위스트되거나 회전될 수 있을 것이다.
백킹 물질(26), 전극(28), 접지(ground) 평면, 및/또는 매칭 층(30)이 변형될 수 있으며, 그에 따라 부재(24)와 함께 트위스팅될 수 있다. 예를 들어, 선형 어레이로서 일반적으로 이용되는 어레이가 제조 프로세스의 추가적인 변화 없이도 트위스팅될 수 있을 것이다. 그 대신에, 변형을 피하기 위해서, 이들 층들 중 하나 이상이 트위스팅 후에 형성될 수도 있을 것이다.
부재(24)의 회전으로 인해서, 방출 면(22)이 상이한 방향으로 각도를 이루게 된다. 회전 축선으로부터의 오프셋이 있는 상태에서의 또는 없는 상태에서의 나선형과 관련된 것과 같이, 방출 면(22)이 트위스팅된다. 방출 면(22)은 부재(24)의 회전과 상응하여 회전되며, 예를 들어 10도 이상 만큼 방위각 축선을 중심으로 회전된다. 방출 면(22)은 하나의 영역에서 다른 영역 보다 더 트위스팅될 수 있다. 이러한 트위스트에 의해서, 어레이(12)를 따른 여러 개구가 최적 감도의 다양한 각도를 가질 수 있게 되며, 그에 따라 방위각 축선을 중심으로 회전 방향을 따라 다양한 스캐닝 평면(예를 들어, 다양한 높이의 스캐닝 평면들)을 형성할 수 있게 된다.
전기적 컨덕터(14)는 케이블, 동축 케이블, 트레이스(traces), 와이어, 플렉스 회로, 와이어 점퍼, 이들의 조합, 또는 다른 공지된 또는 추후에 개발될 컨덕터를 포함한다. 컨덕터(14)는 어레이(12)의 전극(28)을 변환기 프로브 또는 비임 형성부(16)의 커넥터와 전기적으로 연결한다(도 2 참조). 각 부재(24)에 대해서 하나의 컨덕터(14)가 제공된다. 그 대신에, 부재(24) 보다 적은 컨덕터(14)가 이용될 수 있으며, 예를 들어, 스위칭되는 개구, 부분적인 비임 형성부, 또는 멀티플렉싱의 경우에 그러할 것이다. 컨덕터(14)는 하나의 어레이(12)로서 독립적으로 어드레스될 수 있다(addressable). 각 부재들은 주어진 개구 및 관련 전자 스티어링에 대해서 선택적으로 이용될 수 있을 것이다. 그 대신에, 일부 부재(24)들은 가능한 개구의 서브세트(subset)와 함께만 이용될 수 있을 것이다.
도 2에 도시된 하나의 실시예에서, 어레이(12)가 카테터(11) 내에 위치된다. 카테터 변환기가 이미징에 이용된다. 이미지는 진단, 카테터 또는 툴의 안내, 및/또는 치료적인 배치(therapy placement)를 보조한다. 부재(24)들이 회전된 위치에 있는 상태에서 어레이(12)를 카테터(11) 내에 포함시킴으로써, 3-차원적인 스캐닝 및 이미지 재현이 이용될 수 있을 것이다. 그 대신에, 어레이(12)의 회전된 부재(24)들이 다른 변환기에서 이용된다.
비임 형성부(16)는 전송 파형을 생성하기 위해서 및/또는 신호를 수신하기 위해서 복수의 채널을 포함한다. 상대적인 지연 및/또는 아포다이제이션(apodization)은 비임 형성을 위해서 수신된 신호 또는 전송 파형을 포커싱한다. 비임 형성부(16)가 컨덕터(14)와 연결된다. 비임 형성부(16)는 어레이(12)의 부재들의 하나, 일부 또는 모두를 포함하여 개구를 선택한다. 다양한 개구들을 다양한 시간에 이용할 수 있을 것이다. 다른 부재들을 이용하지 않는 동안에 작업을 전송 및/또는 수신하기 위해서 부재(24)를 이용함으로써 개구가 형성된다. 비임 형성부(16)가 작동되어 부재(24)의 인접 그룹들에 의해서 형성된 복수의 개구로부터 스캐닝할 수 있다. 개구들은 어레이(12)의 여러 부분들에 대해서 일정한 증분을 통해서 워크(walk)할 수 있고 또는 스킵(skip)할 수 있다.
스캐닝의 경우에, 비임 형성부(16)는 방위각 방향을 따라 전기적으로 포커싱한다. 개구를 이용하는 복수의 스캔 라인이 스캐닝된다. 수신 작업 동안에, 포커스는 깊이의 함수로서 변화될 수 있다. 렌즈 및/또는 부재 감도에 의해서 높이 포커스가 제공되고, 또는 어레이(12)가 높이 방향으로 포커싱되지 않는다. 대안적인 실시예에서, 적어도 부분적인 전기적 포커싱을 위해서 및/또는 높이 차원으로의 스티어링을 위해서, 비임 형성부(16)가 높이방향으로 이격된 부재들과 연결된다.
어레이(12)의 여러 개구들로부터 스캐닝함으로써, 여러 평면들이 스캐닝된다. 부재(24)들의 회전은 방위각 축선을 중심으로 한 다양한 회전량에서 여러 개구부에 대해 스캔 평면을 정위치시킨다. 어레이(12)의 짧은 섹션(sections)은, 평균적으로, 한쪽으로 어레이(12)의 섹션들로부터 오프셋된 다양한 방향으로 포인팅(point)한다. 예를 들어, 64 단계에 의해서 회전된 64개의 부재(24)들에 걸쳐 전체 회전이 32도인 경우에 어레이(12)에 형성된 개구의 첫번째의 8개의 부재(24)가 -14도의 각도를 가진다. 각각 8개 부재의 8개의 연속적인 개구의 시퀀스(sequence)의 비-동일평면적(non-coplanar) 스캔 평면이 -10, -6, -2, +2, +6, +10 및 +14의 각도가 된다. 이들 8개의 개구는 높이 방향으로 이격된 8개의 발산(diverging) 평면을 형성한다. 발산 평면들은 서로 인접하여 적층되어 부피를 스캐닝한다. 일부 또는 전체 부재(24)가 공통되지 않는(not in common) 다양한 개구들을 이용함으로써, 다양한 평면 또는 영역이 스캐닝될 수 있을 것이다.
각 개구의 크기는 트위스트의 양에 의해서 제한된다. 개구 내의 부재(24)들의 이용가능한 지향성은 중첩되어야 하며, 예를 들어 각 개구의 단부들에서의 부재(24)의 높이 지향성이 중첩된다. 두 개의 부재들의 열과 같이 높이 방향으로 이격된 부재들은 높이 방향으로 전자적으로 관련된 스티어링을 가지는 적은 트위스트를 허용할 수 있을 것이며, 그에 따라 비임 스프레딩을 줄일 수 있고 보다 긴 개구를 허용할 수 있을 것이다.
이미지 프로세서(18)는 탐지기, 필터, 프로세서, 어플리케이션 주문형 집적 회로, 필드 프로그래머블 게이트 어레이, 디지털 신호 프로세서, 제어 프로세서, 스캔 컨버터, 3-차원적인 이미지 프로세서, 그래픽 프로세싱 유닛, 아날로그 회로, 디지털 회로, 또는 이들의 조합이 될 수 있다. 이미지 프로세서(18)는 비임 형성된 데이터를 수신하고 디스플레이(20) 상의 이미지를 생성한다. 이미지들은 2-차원적인 스캔과 관련된다.
대안적으로 또는 부가적으로, 이미지들은 3-차원적인 표상이다. 부피를 나타내는 데이터가 스캐닝에 의해서 획득된다. 프로세서(18)는 비임 형성부에 의한 스캐닝의 함수로서 3-차원적인 데이터 세트를 생성한다. 3-차원적인 데이터 세트의 데이터는 데카르트 그리드(Cartesian grid)에 내삽되거나(interpolated) 또는 스캔 포맷으로 유지된다. 스캐닝에 사용된 평면들의 상대적인 위치는 대응 부재(24)들의 회전 및 개구 위치를 기초로 알려지거나 추정될 수 있을 것이다. 프로젝션, 부피, 및/또는 표면 렌더링과 같은 임의의 렌더링(rendering)이 이용될 수 있을 것이다. 프로세서(18)는 부피를 나타내는 데이터로부터 3-차원적인 표상을 생성한다.
어레이(12)의 방출 면(22)의 트위스트를 이용함으로써, 부피 내의 여러 평면들이 스캐닝될 수 있을 것이다. 평면들은 높이 차원을 따라 이격되며, 예를 들어 어레이(12)로부터 다양한 회전량으로 연장된다. 방위각에서의 전기적 스티어링에 의해서, 스캔이 방위각-범위 차원을 따라 유사한 범위를 가지거나 유사한 영역을 커버할 수 있을 것이다.
도 3은 어코스틱 어레이를 이용한 스캐닝 방법을 도시한다. 그 방법은 도 1 또는 도 2의 어레이(12) 및/또는 시스템(10), 또는 그와 다른 어레이 및/또는 시스템을 이용한다. 추가적이고, 상이한, 또는 보다 적은 액트(acts; 실행)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 액트(50)에서의 3-차원적인 재현이 없이, 부피를 나타내는 데이터가 이용될 수 있을 것이다. 액트들이 도시된 순서로 실행되나, 다른 순서로 실행될 수도 있을 것이다.
액트(40)에서, 어레이의 부재들이 어레이(12)의 길이방향 축선(즉, 방위각 축선)을 중심으로 트위스팅된다. 어레이는 길이방향 축선 둘레로 나선형 또는 소용돌이형으로 트위스팅된다. 이러한 트위스팅은 어레이의 단부들의 회전, 트위스팅된 위치에서의 어레이의 형성, 및/또는 어레이의 부재들의 그룹들에 대한 부재들의 회전에 의해서 이루어진다. 예를 들어, 어레이는 복합 부재 및 커프를 가지는 선형 어레이로서 형성된다. 백킹 물질은 가요성을 가지거나 변형될 수 있다. 선형 어레이는 임의의 양만큼 트위스팅될 수 있다. 트위스팅에 의한 박리(delaminating)를 피하기 위해서, 매칭 층 및/또는 전극(예를 들어, 플렉스 회로 물질)이 충분한 기브(give)를 가지거나 가요성을 가질 수 있을 것이다.
트위스팅된 어레이가 프레임, 하우징, 경화된 에폭시, 가이드 와이어, 다른 구조물, 또는 이들의 조합에 의해서 정위치에서 유지된다. 예를 들어, 어레이는 코르크스크류(corkscrew) 또는 나선형 툴로 강제된다. 어레이의 백(back)과 같이 에폭시가 어레이에 도포된다. 에폭시의 경화 후에, 에폭시는 어레이를 나선형으로 유지한다. 다른 예로서, 어레이가 메모리 금속에 연결된다. 어레이가 가열되었을 때, 메모리 금속이 어레이를 트위스팅시키고 냉각 후에도 그렇게 트위스팅된 위치를 유지한다. 다른 예에서, 카테터 또는 다른 프로브 본체가 맨드릴을 강제로 통과하여 트위스트를 형성하거나 또는 트위스팅된 프레임을 포함한다. 어레이를 본체 내에 배치하면 어레이가 트위스팅되고 유지된다. 일 실시예에서, 평평한 어레이가 부피 스캐닝을 위해서 사용되는 동안에 트위스팅되고 그리고 고해상도 스캐닝을 위해서는 평탄화(flattened)된다. 예를 들어, 카테터 본체에 대해서 와이어를 상대적으로 트위스팅함으로써, 메모리 합금을 이용함으로써, 또는 트위스팅된 비임을 백킹 물질 내의 가이드를 강제로 통과시킴으로써, 사용 중의 트위스팅이 제공된다.
액트(42) 중에, 개구가 부재의 어레이에 형성된다. 개구는 부재들의 전체 또는 부재들의 서브세트(subset)이다. 임의 크기의 개구가 이용될 수 있다. 개구는 인접 부재를 포함하거나 또는 듬성듬성(sparse)하다. 개구는 비임 형성부로의 컨덕터 및 관련 부재의 연결에 의해서 형성된다. 주어진 전송 및 수신 이벤트(event) 동안에 전송 및/또는 수신을 위해서 이용되는 부재들이 개구를 형성한다. 수신시와 상이한 개구가 전송에 이용될 수 있을 것이다.
액트(44)에서, 평면이 개구로 스캐닝된다. 전자적 포커스를 이용하여, 개구의 부재들을 이용하여 전송 및 수신 비임이 형성된다. 포커스를 변경함으로써, 평면형 영역이 개구를 이용하여 연속적으로 스캐닝될 수 있을 것이다. 하나의 또는 복수의 비임이 각 이벤트에 대한 전송 및/또는 수신 작업을 위해서 형성될 수 있을 것이다. 평면 파동(plane wave), 발산 파면(wavefront), 또는 포커싱되지 않은 전송이 이용될 수 있다. 전송 및 수신 작업을 위해서 다양한 개구가 이용될 수 있을 것이다. 스캐닝된 평면이 개구 내의 부재들의 트위스트로 인해서 나선형 위치에 있는 트위스트 또는 뒤틀림(distortion)을 포함할 수 있다. 개구를 이용한 전송 및 수신에 응답하여, 스캐닝된 영역을 나타내는 데이터가 얻어진다. 부재들의 회전은 특정 높이 회전에서 영역을 나타내는 데이터 획득을 초래한다.
하나의 실시예에서, 카테터로부터 스캐닝이 이루어질 수 있다. 다른 변환기 프로브로부터 스캐닝이 이루어질 수 있다.
도 4 및 도 5는 대응하는 개구(52, 54, 56)를 가지는 나선형 패턴의 어레이(12)를 도시한다. 각 개구(52, 54, 56)에 대해서, 대응하는 대체적으로 평면형인 스캔 영역(58, 60, 62) 각각이 스캐닝된다. 스캔 영역(58, 60, 62)은 높이 차원을 따라서 서로로부터 오프셋되고 방위각 축선(32)을 중심으로 한 서로 다른 회전량과 연관된다. 평면들은 평면들에 실질적으로 직교하는 차원(예를 들어, 높이 차원)을 따라 서로 인접한다. 각 스캔 영역의 길이방향(방위각) 및 깊이(구역; range) 범위는 유사하거나, 중첩되거나, 또는 서로 상이하다. 공통 축선으로부터의 발산이 또한 어레이의 회전 축선이 되는 것과 같이, 각 평면의 높이 각도는 서로 상이하다. 평면들의 상호교차는 스캐닝된 부피에 존재하지 않고, 그 대신에 또는 어레이의 면 상에서 또는 그 뒤쪽에서 존재한다. 액트(42 및 44)는 개구의 선택 및 개구와 연관된 영역의 스캐닝에 상응한다.
액트(46 및 48) 에서, 다른 개구가 형성되고 그리고 연관된 영역이 스캐닝된다. 다른 개구를 선택함으로써, 다른 평면이 스캐닝된다. 평면의 위치는 다른 개구 보다는 부재와 연관된 트위스트의 다른 각도에 상응한다. 다른 개구들이 다른 영역 또는 평면을 스캐닝하기 위해서 형성될 수 있을 것이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 평면들이 이격되어 있으나, 방위각 및 구역 방향으로 중첩될 수도 있다.
액트(50)에서, 3-차원적인 표상이 생성된다. 스캔으로부터 얻어진 데이터가 렌더링을 위해서 포맷팅된다. 예를 들어, 데이터가 3-차원적인 균일한 간격의 그리드로 내삽된다. 다른 예에서, 각 평면 또는 스캔에 대한 데이터가 2-차원적인 데이터 세트로 스캔 변환된다. 각 평면과 연관된 2-차원적인 데이터 세트가 렌더링을 위해서 제공된다. 다른 예에서, 데이터는 극좌표(polar coordinate) 포맷과 같은 획득 포맷(acquisition format)으로 유지된다. 알고 있는 평면 위치, 샘플 깊이, 및 스캔 라인 위치는 각 데이터에 대한 상대적인 공간적 위치결정 정보를 제공한다.
각 개구의 트위스팅으로 인한 평면형 기울어짐(skew)을 설명하기 위해서 데이터 또는 관련 공간 위치가 와핑(warped) 또는 조정될 수 있을 것이다. 데이터 획득에 이용된 스캔 영역 또는 평면이 감도 변화 또는 트위스트로 인해서 스캔 라인 위치를 함수로 하여 벤딩될 수 있기 때문에, 데이터는 크기(amplitude)가 증대되거나 감소될 수 있다. 공간적인 오프셋을 설명하기 위해서 평면들 사이에 내삽법(interpolation)이 이용될 수 있을 것이다. 다른 와핑 또는 조정이 이용될 수 있을 것이다.
3-차원적인 표상은 스캐닝으로부터의 데이터를 함수로 하여 렌더링된다. 데이터를 포맷하기 위해서 및/또는 렌더링을 위해서, 스캔 평면들의 상대적인 위치를 이용할 수 있을 것이다. 현재 공지된 또는 추후에 개발될 어떠한 렌더링도 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 뷰 베이스 발산 라인(view based diverging lines) 또는 뷰 방향을 따른 평행 라인들(parallel lines along a viewing direction)을 이용하여, 프로젝션 렌더링이 제공될 수 있을 것이다. 최소, 최대, 문턱값 보다 큰 제 1 값, 평균, 알파 벤딩 또는 다른 프로젝션 기술이 이용될 수 있을 것이다. 표면 렌더링이 이용될 수 있다. 불투명(opacity), 쉐이딩(shading) 또는 다른 렌더링 개량기술(refinements)이 이용될 수 있을 것이다.
렌더링의 결과는 주어진 뷰잉 방향(viewing direction)으로부터의 3-차원적인 표상이 될 것이다. 렌더링은 데이터의 동일한 세트와 다른 뷰잉 각도로부터 실행될 수 있다. 실시간 이미징의 경우에, 뷰잉 방향은 후속하여 획득되는 데이터 세트에 대해서 변화될 수 있을 것이다. 실시간 3-차원적인 이미징이 제공될 수 있다. 3-차원적인 표상은 초음파 이미지이다. 데이터는 B-모드, 강도, 도플러 모드, 속도, 에너지, 하모닉 모드(harmonic mode), 콘트라스트 에이전트(contrast agent), 이들의 조합, 또는 다른 타입의 초음파 데이터이다.
3-차원적인 표상을 이용하여, 어레이에 인접한 조직 구조를 관찰할 수 있을 것이다. 카테터 실시예에서, 하나의 챔버의 조직 구조가 동일한 챔버 또는 다른 챔버로부터의 관찰될 수 있을 것이다. 개구 간격이 주어지면, 인접한 뷰(views)는 렌더링을 위한 적은 부피 정보를 제공할 것이다. 어레이는 보다 높은 해상도로 스캐닝될 영역으로부터 약간 떨어져 위치될 것이다. 어레이는 뷰(view)의 부피 필드(volume field)를 보다 더 증대시키기 위해서 회전될 수 있다.
3-차원적인 이미징에 대한 대안으로서 또는 그에 부가하여, 2-차원적인 이미지가 단일 평면 또는 영역을 스캐닝함으로써 생성된다. 어레이가 연속적으로 트위스팅되는 경우에, 개구가 단일 평면을 스캐닝하도록 제한될 것이다. 그 대신에, 여러 개구들이 트위스팅 평면 또는 영역 내에서 여러 스캔 라인에 대해 이용될 수 있다. 다른 실시예에서, 어레이의 대부분(large portion)이 트위스트되지 않으며, 그러한 부분이 2-차원적인 이미징을 위해서 이용된다. 또 다른 실시예에서, 어레이가 트위스팅된 그리고 비-트위스팅된 위치들 사이에서 전이(transition)될 수 있다. 2-차원적인 이미징의 경우에, 어레이는 비-트위스팅 위치에 배치된다.
여러 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 범위 내에서도 많은 변화 및 개량이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 그에 따라, 이상의 내용은 제한적인 것이 아니라 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위 및 사상을 규정하는 것은 특허청구범위 및 그 균등물이라는 것을 이해하여야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 방위각 축선을 따른 복수의 인접한 부재들을 포함하는 의료용 초음파 변환기에 있어서:
    상기 방위각 축선을 따라서 나선형으로 이격된 부재들의 상이한 그룹으로 인하여, 상기 방위각 축선을 따라 이격된 부재들의 상이한 그룹이 유사한 방위각 범위를 가지고 높이 방향으로 적층된 상이한 평면 영역들을 스캔하게 작동될 수 있도록, 상기 인접한 부재들이 방위각 축선을 중심으로 나선형으로 회전되는 상태로 상기 방위각 축선의 직선 라인에 의해서 구획되도록(intersected) 상기 인접한 부재들을 정렬시키는 것을 포함하는,
    의료용 초음파 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인접한 부재들이 상기 변환기의 방출 면을 형성하고, 상기 방출 면이 나선을 기초로 하여 여러 방향으로 각도를 이루는,
    의료용 초음파 변환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환기의 양 단부에서 상기 부재들이 상기 방위각 축선을 중심으로 서로에 대해서 15도 이상만큼 회전되는,
    의료용 초음파 변환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 부재들이 상기 방위각 축선을 따른 50개 이상의 부재들을 포함하며, 상기 각각의 부재의 방출 면이 하나 이상의 인접한 부재의 방출 면에 대해서 상대적으로 회전되는,
    의료용 초음파 변환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환기가 1-차원적인 어레이를 포함하는,
    의료용 초음파 변환기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 부재가 방위각 방향으로 실질적으로 파장 또는 그보다 짧은 간격을 가지며; 그리고
    상기 부재들을 나선형으로 유지할 수 있는 물질 또는 장치를 더 포함하는,
    의료용 초음파 변환기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환기가 카테터(catheter) 변환기를 포함하는,
    의료용 초음파 변환기.
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