(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を有する人間または動物の組織を走査するために出力超音波ビームを供給する超音波画像化システム用のプローブにおいて、
ａ．同じものを画像化するために前記人間または動物の組織をしっかりと支持する手段と、
ｂ．出力超音波ビームを供給するトランスデューサ手段と、
ｃ．前記トランスデューサ手段に動作的に結合され、前記出力超音波ビームが前記表面に沿った経路に方向付けられるように前記トランスデューサ手段を移動させる電気的に動作する移動手段と、
ｄ．前記支持手段から伸び、前記トランスデューサ手段と前記移動手段とを含む内部領域を有する液密ハウジング手段と、
ｅ．前記ハウジング手段の前記内部領域を満たし、水の音響インピーダンスと実質的に等しい音響インピーダンスを持ち、前記トランスデューサ手段の動きを妨げないように十分に低い粘度を持ち、電気的に非導電性である流体とを具備し、
前記移動手段が、
出力シャフトを持ち、振動出力運動を提供するモータ手段と、
前記シャフトの振動に応答して前記出力超音波ビームが前記表面に沿った弧状経路に方向付けられるように、前記出力シャフトを前記トランスデューサ手段に結合する手段と、
前記出力超音波ビームが、前記表面に沿い前記弧状経路に対して半径方向の線形経路に方向付けられるように、前記トランスデューサ手段を移動させる手段とを備えているプローブ。
【請求項２】
前記支持手段は、画像化される組織の音響インピーダンスと実質的に整合する音響インピーダンスを持つ材料のプラテン手段を備えている請求項１記載のプローブ。
【請求項３】
前記プラテン手段は、前記ハウジング手段に永久的にシールされる第１の部分と、前記表面を限定し、交換のために前記第１の部分から除去可能な第２の部分とを含む請求項２記載のプローブ。
【請求項４】
前記支持手段は、画像化される組織の音響インピーダンスと実質的に整合する音響インピーダンスを持ち、たわみや変形なく前記組織を支持するように十分な機械強度を持つ材料の本体の形態のプラテン手段を備えている請求項１記載のプローブ。
【請求項５】
音響インピーダンスの整合を維持しながら、画像化される組織に対する前記本体の機械的結合を向上させる材料の前記本体上への被覆をさらに含む請求項４記載のプローブ。
【請求項６】
前記トランスデューサ手段は、前記表面上に前記超音波ビームを方向付け、前記システムの解像度を最大にするためにその焦点における前記ビームのサイズをできる限り小さくするように、前記支持手段に近接して前記トランスデューサ手段を位置付ける手段によって、前記移動手段に動作的に結合されている請求項１記載のプローブ。
【請求項７】
表面を有する人間または動物の組織を走査するために出力超音波ビームを供給する超音波画像化システム用のプローブにおいて、
ａ．同じものを画像化するために前記人間または動物の組織をしっかりと支持する手段と、
ｂ．出力超音波ビームを供給するトランスデューサ手段と、
ｃ．出力シャフトを有し、振動出力運動を提供するモータ手段と、
ｄ．前記シャフトの振動に応答して前記出力超音波ビームが前記表面に沿った弧状経路に方向付けられるように、前記出力シャフトを前記トランスデューサ手段に結合する手段と、
ｅ．前記出力超音波ビームが、前記表面に沿い前記弧状経路に対して半径方向の線形経路に方向付けられるように、前記トランスデューサ手段を移動させる手段と、
ｆ．前記モータ手段と前記結合手段との間において前記モータ手段の前記出力シャフト上に取付けられた位置フィードバック手段とを具備するプローブ。
【請求項８】
前記出力シャフトを前記トランスデューサ手段に結合する手段がアームを備え、前記位置フィードバック手段が前記モータ手段と前記アームとの間に配置される請求項７記載のプローブ。
【請求項９】
前記位置フィードバック手段がエンコーダ手段を含む請求項７記載のプローブ。
【請求項１０】
前記エンコーダ手段が、各走査を調整して、タイミングマークとゼロ基準との間の差を自動的に一定に維持できるように、ゼロ基準と、前記ゼロ基準に対して参照することができる位置マークを含む付加的なチャンネルとを持つ請求項９記載のプローブ。
【請求項１１】
前記結合手段は、前記表面上に前記超音波ビームを方向付け、前記システムの解像度を最大にするためにその焦点における前記ビームのサイズをできる限り小さくするように、前記支持手段に近接して前記トランスデューサ手段を位置付ける請求項７記載のプローブ。
【請求項１２】
前記支持手段は、画像化される組織の音響インピーダンスと実質的に整合する音響インピーダンスを持つ材料のプラテン手段を備えている請求項７記載のプローブ。
【請求項１３】
前記支持手段は、画像化される組織の音響インピーダンスと実質的に整合する音響インピーダンスを持ち、たわみや変形なく前記組織を支持するように十分な機械強度を持つ材料の本体の形態のプラテン手段を備えている請求項７記載のプローブ。
【請求項１４】
音響インピーダンスの整合を維持しながら、画像化される組織に対する前記本体の機械的結合を向上させる材料の前記本体上への被覆をさらに含む請求項１３記載のプローブ。
【請求項１５】
表面を有する人間または動物の組織を走査するために出力超音波ビームを供給する超音波画像化システム用のプローブにおいて、
ａ．同じものを画像化するために前記人間または動物の組織をしっかりと支持する手段と、
ｂ．出力超音波ビームを供給するトランスデューサ手段と、
ｃ．縦軸を持つ出力シャフトを有し、振動出力運動を提供するモータ手段と、
ｄ．アーム手段が前記シャフトの振動中にたわんだり曲がったりしないような十分な剛性を持つように、前記シャフトの縦軸と実質的に平行な方向に間隔が隔てられた１対のアーム部を持ち、前記モータ出力シャフトの前記縦軸に対して実質的に垂直な方向に伸びるアーム手段を備え、前記シャフトの振動に応答して前記出力超音波ビームが前記表面に沿った経路に方向付けられるように、前記出力シャフトを前記トランスデューサ手段に結合する手段とを具備するプローブ。
【請求項１６】
ａ．前記支持手段から伸び、前記トランスデューサ手段と前記モータ手段と前記アーム手段とを含む内部領域を有する液密ハウジング手段と、
ｂ．前記ハウジング手段の前記内部領域を満たし、水の音響インピーダンスと実質的に等しい音響インピーダンスを持ち、前記トランスデューサ手段の動きを妨げないように十分に低い粘度を持ち、電気的に非導電性である流体とをさらに具備し、
ｃ．前記アーム部が前記モータシャフトの前記縦軸と実質的に平行な平面に配置された表面を持ち、この表面は前記アーム手段が前記流体中を動く時に抵抗を最小にするように十分に小さい領域を持つ請求項１５記載のプローブ。
【請求項１７】
前記支持手段は、画像化される組織の音響インピーダンスと実質的に整合する音響インピーダンスを持つ材料のプラテン手段を備えている請求項１５記載のプローブ。
【請求項１８】
前記支持手段は、画像化される組織の音響インピーダンスと実質的に整合する音響インピーダンスを持ち、たわみや変形なく前記組織を支持するように十分な機械強度を持つ材料の本体の形態のプラテン手段を備えている請求項１５記載のプローブ。
【請求項１９】
音響インピーダンスの整合を維持しながら、画像化される組織に対する前記本体の機械的結合を向上させる材料の前記本体上への被覆をさらに含む請求項１８記載のプローブ。
【請求項２０】
前記モータ手段と前記アーム手段との間において前記モータ手段の前記出力シャフト上に取付けられた位置フィードバック手段をさらに備えている請求項１５記載のプローブ。
【請求項２１】
前記アーム手段は、前記表面上に前記超音波ビームを方向付け、前記システムの解像度を最大にするためにその焦点における前記ビームのサイズをできる限り小さくするように、前記支持手段に近接して前記トランスデューサ手段を位置付ける請求項１５記載のプローブ。
【請求項２２】
表面を有する人間または動物の組織を走査するために出力超音波ビームを供給する超音波画像化システム用のプローブにおいて、
ａ．同じものを画像化するために前記人間または動物の組織をしっかりと支持する手段と、
ｂ．出力超音波ビームを供給するトランスデューサ手段と、
ｃ．出力シャフトを有し、振動出力運動を提供するモータ手段と、
ｄ．前記表面と実質的に平行な方向に伸びるアーム手段を備え、前記シャフトの振動に応答して前記出力超音波ビームが前記表面に沿った経路に方向付けられるように、前記出力シャフトを前記トランスデューサ手段に結合する手段と、
ｅ．前記アーム手段から間隔が隔てられ、前記アーム手段と検出可能に結合され、前記アーム手段の基準位置を示す手段とを具備するプローブ。
【請求項２３】
前記アーム手段は、細長く、長い縁部を持ち、前記アーム手段の基準位置を示す手段が、前記縁部を検出する非接触検知手段を含む請求項２２記載のプローブ。
【請求項２４】
前記超音波ビームは前記表面に沿った弧状経路に方向付けられ、前記アーム手段は、前記弧状経路に対して半径方向に伸びる縦軸を持ち、前記アーム手段の基準位置を示す手段が、前記アーム手段の初期位置から予め定められた角距離に配置されている請求項２２記載のプローブ。
【請求項２５】
表面を有する人間または動物の組織を走査するために出力超音波ビームを供給する超音波画像化システム用のプローブにおいて、
ａ．同じものを画像化するために前記人間または動物の組織をしっかりと支持する手段と、
ｂ．出力超音波ビームを供給するトランスデューサ手段と、
ｃ．前記トランスデューサ手段に動作的に結合され、前記出力超音波ビームが前記表面に沿った経路に方向付けられるように前記トランスデューサ手段を移動させる移動手段と、
ｄ．前記支持手段から伸び、前記トランスデューサ手段と前記移動手段とを含む内部領域を有する液密ハウジング手段と、
ｅ．前記ハウジング手段の前記内部領域を満たし、水の音響インピーダンスと実質的に等しい音響インピーダンスを持ち、前記トランスデューサ手段の動きを妨げないように十分に低い粘度を持つ流体と、
ｆ．前記ハウジングに動作的に関係し、前記流体の熱膨張と収縮に適応する伸縮ベロー手段とを具備するプローブ。
【請求項２６】
前記伸縮ベロー手段が、選択された温度範囲内で前記流体により受ける全熱伸縮に十分適応するサイズを持つ請求項２５記載のプローブ。
【請求項２７】
表面を有する人間または動物の組織を走査するために出力超音波ビームを供給する超音波画像化システム用のプローブにおいて、
ａ．同じものを画像化するために前記人間または動物の組織をしっかりと支持する手段と、
ｂ．出力超音波ビームを供給するトランスデューサ手段と、
ｃ．出力シャフトを有し、振動出力運動を提供するモータ手段と、
ｄ．前記シャフトの振動に応答して前記出力超音波ビームが前記表面に沿った弧状経路に方向付けられるように、前記出力シャフトを前記トランスデューサ手段に結合する手段と、
ｅ．前記出力超音波ビームが、前記表面に沿い前記弧状経路に対して半径方向の線形経路に方向付けられるように、前記トランスデューサ手段を移動させる手段と、
ｆ．前記モータの前記出力シャフト上に取付けられ、その外部上に検出可能な構成部品を持つエンコーダ手段と、
ｇ．前記検出可能な構成部品の近接に応答し、前記トランスデューサ手段が前記線形経路に沿って予め定められた距離だけ移動した時に信号を送る位置検知手段とを具備するプローブ。
【請求項２８】
ａ．同じものを画像化するために前記人間または動物の組織をしっかりと支持する手段と、出力超音波ビームを供給するトランスデューサ手段と、前記トランスデューサ手段に動作的に結合され、前記出力超音波ビームが前記表面に沿った経路に方向付けられるように前記トランスデューサ手段を移動させる電気的に動作する移動手段と、前記支持手段から伸び、前記トランスデューサ手段と前記移動手段とを含む内部領域を有する液密ハウジング手段と、前記ハウジング手段の前記内部領域を満たし、水の音響インピーダンスと実質的に等しい音響インピーダンスを持ち、前記トランスデューサ手段の動きを妨げないように十分に低い粘度を持ち、電気的に非導電性である流体とを含むプローブ手段を備え、前記移動手段が、出力シャフトを持ち、振動出力運動を提供するモータ手段と、前記シャフトの振動に応答して前記出力超音波ビームが前記表面に沿った弧状経路に方向付けられるように、前記出力シャフトを前記トランスデューサ手段に結合する手段と、前記出力超音波ビームが、前記表面に沿い前記弧状経路に対して半径方向の線形経路に方向付けられるように、前記トランスデューサ手段を移動させる手段とを備えた、表面を有する人間または動物の組織を画像化する超音波画像化システムを具備し、
ｂ．前記画像化システムが、前記プローブ手段に動作的に接続され、前記移動手段を制御して前記表面の前記走査を提供するトルク制御装置手段と、前記プローブ手段に動作的に接続され、前記表面の前記走査に応答して生成された信号を受け取り、前記信号を処理して出力を供給する信号プロセッサ手段とをさらに備え、
ｃ．以前に記憶された画像のデータベースを記憶する手段と、
ｄ．前記データベース記憶手段と前記プロセッサ手段の出力とに結合された入力を持ち、前記超音波画像化システムからの走査画像を前記データベース記憶手段中に以前に記憶させた画像と比較して整合があるか否かを決定するシステムプロセッサ手段とをさらに具備する生物測定識別システム。
【請求項２９】
ａ．表面を有する人間または動物の組織を画像化し、走査された生物測定画像を表す出力信号を供給する超音波画像化システムを具備し、
ｂ．前記超音波画像化システムが、同じものを画像化するために前記人間または動物の組織をしっかりと支持する手段と、出力超音波ビームを供給するトランスデューサ手段と、前記トランスデューサ手段に動作的に結合され、前記出力超音波ビームが前記表面に沿った経路に方向付けられるように前記トランスデューサ手段を移動させる電気的に動作する移動手段と、前記支持手段から伸び、前記トランスデューサ手段と前記移動手段とを含む内部領域を有する液密ハウジング手段と、前記ハウジング手段の前記内部領域を満たし、水の音響インピーダンスと実質的に等しい音響インピーダンスを持ち、前記トランスデューサ手段の動きを妨げないように十分に低い粘度を持ち、電気的に非導電性である流体とを含むプローブ手段を備え、前記移動手段が、出力シャフトを持ち、振動出力運動を提供するモータ手段と、前記シャフトの振動に応答して前記出力超音波ビームが前記表面に沿った弧状経路に方向付けられるように、前記出力シャフトを前記トランスデューサ手段に結合する手段と、前記出力超音波ビームが、前記表面に沿い前記弧状経路に対して半径方向の線形経路に方向付けられるように、前記トランスデューサ手段を移動させる手段とを備え、
ｃ．記録された生物測定画像を含んでいる記憶手段を有する記録部材と、
ｄ．前記超音波画像化システムからの出力信号を受け取る第１の入力と、前記記録された画像を表す信号を受け取る第２の入力とを有し、前記走査された画像と記録されている画像との間に整合があるか否かを決定するプロセッサ手段とをさらに具備する生物測定照合システム。
【請求項３０】
表面を有する人間または動物の組織を超音波画像化する方法において、
ａ．同じものを画像化するために前記人間または動物の組織をしっかりと支持するステップと、
ｂ．超音波エネルギビームを供給するステップと、
ｃ．前記超音波ビームを前記表面に沿った弧状経路に方向付けるステップと、
ｄ．前記超音波ビームを前記表面に沿い前記弧状経路に対して半径方向の線形経路に方向付けるステップと、
ｅ．前記超音波ビームを前記表面に沿った弧状経路に方向付けるステップから結果的に得られる走査画像を線形化するステップとを含み、
前記線形化は２次元の画像化において各画素の位置を変えて超音波ビームの弧状運動を補償するステップを含む方法。
【請求項３１】
表面を有する人間または動物の組織を超音波画像化する方法において、
ａ．同じものを画像化するために前記人間または動物の組織をしっかりと支持するステップと、
ｂ．超音波エネルギビームを供給するステップと、
ｃ．前記超音波ビームを前記表面に沿った弧状経路に方向付けるステップと、
ｄ．前記超音波ビームを前記表面に沿い前記弧状経路に対して半径方向の線形経路に方向付けるステップとを含み、
ｅ．前記超音波ビームを前記表面に沿った弧状経路に方向付けるステップが、走査位置の比較を実行し、走査の角度を調整して各走査に対して一致した始動位置を提供するステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は表面の走査および画像化の技術に関し、特に、表面の走査および画像化のための新規で改良された超音波方法および装置に関する。
発明の背景
本発明の原理は、皮下構造や他の生物測定構造の走査および画像化に対してさまざまに適用できるが、本発明を使用する１つの領域は、指紋の走査および画像化である。超音波画像の方が指の表面状態に対する依存度がより低いことから、超音波技術を使用して得られる画像の品質は、光技術を使用して得られるものと比較して優れている。結果として、超音波技術を使用することにより、非常に乾いた指や非常に油っぽい指、汚れた指や不規則な隆起表面を有する指を持つ人を同様に等しく画像化することができる。
指紋や皮下構造や他の生物測定構造を走査および画像化するための超音波方法および装置を提供するに際して、多くの重要な懸念事項がある。その１つはより良い品質の画像を得ることであり、このためには、結果的に得られる画像の解像度ができるだけ高いように、システムの解像度ができるだけ高いことが必要である。他の重要な懸念事項は改良されたシステム性能である。一例としては、遅延と不便さを最小にし、人に対する何らかの不快感を避けるように、できるだけ早く走査を行うことが挙げられる。先の懸念事項に関係することは、システムの向上した信頼性とその動作である。付加的で重要な懸念事項は、製造の容易さや製造費用の低減化である。
発明の目的と要約
したがって、本発明の目的は、人間や動物の組織を画像化する新規で改良された超音波方法および装置を提供することであり、これは高解像度と高品質の画像を生み出し、超高速で走査を行い、信頼性が高く、製造が比較的容易で経済的である。
本発明は、表面を持つ人間や動物の組織を画像化する超音波画像化システムおよび方法を提供する。この超音波画像化システムには、同じものを画像化するために人や動物の組織を支持する方法で表面を限定する手段と、支持手段に近接して配置され、システムの解像度を最大にするためにその焦点におけるビームサイズができだけ小さいように、表面に向かう出力超音波ビームを供給するトランスデューサ手段と、超音波ビームが表面に沿った経路に向かうようにトランスデューサ手段を移動させる電気的に動作する移動手段とを備えたプローブ手段が含まれている。液密ハウジング手段が組織支持表面を限定する手段から伸びており、トランスデューサ手段と移動手段とを含む内部領域を有し、この領域は、水のものと実質的に同じ音響インピーダンスを持ち、トランスデューサ手段の移動を妨げないように十分に低い粘度を持つ電気的に非導電性の流体により満たされている。このハウジングには、流体の熱膨張および熱収縮に適応する手段が備えられている。本発明の１つの観点では、移動手段は、出力シャフトを有し、振動出力運動を提供するモータ手段と、シャフトの振動に応答して、表面に沿った経路に出力超音波ビームを向けるように、出力シャフトをトランスデューサ手段に結合する手段とを備えている。エンコーダ手段により提供される情報の歪みを最小にするために、エンコーダ手段はモータ手段と結合手段との間のシャフトに取付けられる。結合手段は、アームが流体中を動く時に最小の抵抗を持ち、モータシャフトの振動中にたわんだり曲がったりしないように十分な剛性の構造を持つ細長いアームの形態である。
トランスデューサは、走査領域に沿った連続した弧状経路を振動し、得られたデータで２次元の線形化プロセスが実行される。
別の実施形態では、曲げバネ手段によりモータの振動出力を補助することができ、トランスデューサへの電気的接続を行うスリップリング整流子を持つ連続的に回転するモータによって、トランスデューサを移動させることができる。運動変換手段を持つ回転モータと線形アクチュエータとの組合わせによって、直交する方向に線形的にトランスデューサを移動させることができる。
生物測定の識別および照合システムにおいて本発明のスキャナを使用することができ、このシステムでは、記録されている生物測定画像を含む記録部材と比較を行うプロセッサを組合わせた画像化システムが利用される。
本発明の先の利点や付加的な利点および特徴的な構成は、添付されている図面とともに確実な詳細な説明を読むことにより、明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、表面の走査および画像化のための本発明にしたがった超音波プローブの、部分的には高さ方向の、長手方向の断面図である。
図２は、図１のプローブの一部を取り除いた上面図である。
図３は、図１のプローブの一部を取り除いた下面図である。
図４は、図１のプローブの伸縮ベローの長手方向の断面図である。
図５は、伸縮ベローの、図４の右から見た端部立面図である。
図６は、図１のプローブの結合アームの横立面図である。
図７は、図６のアームの上面図である。
図８は、アーム位置センサに関する、図１のプローブの結合アームの断片的な立面図である。
図９は、図１のプローブにおいて使用するプラテンの別の形態の概略図である。
図１０は、図１のプローブとともに使用する２線形化プロセッサのブロック図である。
図１１は、図１のプローブを含むシステムのブロック図である。
図１２−図１６は、図１に示されているタイプのプローブで走査する間にトランスデューサを移動させる他の構成の概略図である。
図１７は、識別システムにおいて本発明のスキャナの使用を図示したブロック図である。
図１８は、図１７のシステムの無線版のブロック図である。
図１９はおよび図２０は、照合システムにおいて本発明のスキャナの使用を図示したブロック図である。
図２１は、図２０のシステムの無線版のブロック図である。
詳細な説明
基本的な超音波走査および画像化システムでは、プローブ組立て部品は、指紋の画像化に対して典型的に０．７５″×０．７５″の大きさを有する２次元走査ウインドウを得るためにトランスデューサを動かすことができるシステムの部品である。プローブ組立て部品の動きは、走査制御装置の電子回路により制御され、この走査制御装置は、プローブ組立て部品のモータを駆動するのに要求される不可欠なモータ駆動論理回路を備えている。プローブ組立て部品のトランスデューサからのデータは信号プロセッサにより受け取られ、そこで、増幅、距離ゲート処理、ピーク検出、Ａ／Ｄ変換が行われる。このデータは高速データバッファランダムアクセスメモリに記憶され、このメモリは、生の指紋データを受け取って処理するのに適切である何らかの装置とインターフェイスしている。汎用コンピュータやカスタム指紋画像プロセッサのような装置をこの目的のために使用することができる。システムの部品や組立て部品のすべては、システムの動作に必要な電圧を供給する電源により電力が供給される。
先に説明したシステムの技術に対する適用の１つは、皮膚紋や指の摩擦皮膚表面すなわち指紋の画像を得ることである。超音波技術を使用して得られる画像の品質は、指の表面状態に対する依存度がより少ないことから、光技術のものより優れている。これは、１９９３年６月２３日に発行された、高解像度Ｃ走査超音波映像を使用する表面特徴のマッピングと題する米国特許第５，２２４，１７４号において詳細に論じられている。その開示は参考のためにここに組み込まれている。結果として、非常に乾いた指や非常に油っぽい指、汚れた指や不規則な隆起表面を有する指を持つ人を同様に等しく画像化することができる。さらに、手のひらや足の指などのような、人間や動物の他の組織表面を走査することができる。
指紋画像化のために超音波を使用する第２の基本的な利点は、摩擦皮膚画像を再現するために、指の内側で見られる皮下の特徴を使用することである。これは、指の外部表面上の隆起の細部が、小さな切り傷の場合のように一時的に修正されたり、全く潰されたり、過度の着用物により識別できない時に有用である。皮膚のすぐ内側は、表面摩擦皮膚が持っている細部のすべてを持っている。したがって、表皮のすぐ内側を画像化することによって、指の外側表面上に存在するかもしれない何らかの欠陥を持たない指紋画像を得ることができる。第２層すなわち真皮層も、摩擦皮膚の皮膚紋に対応するアーチファクトを含んでいる。皮膚のこの層は、真皮乳頭として知られる構造から構成されており、この構造は２列に構成され、各列は表皮層の隆起に広がっている。表皮のすぐ下の皮下画像を得るために必要とされる、前に説明したシステムにおける唯一の変更は、表面ではなくこの深さから戻ってくる超音波信号を処理することである。これは、距離ゲートを調整することによりなされる。距離ゲートは、戻り信号の特定の部分が信号処理電子回路伝わるように使用するウインドウである。したがって、時間的に距離ゲートを遅延させることは、指のより深部を画像化することに対応する。
この皮下画像化技術は、解析に十分な細部を欠いている摩擦皮膚を持つ人に対して特に有用であることが分かる。これには、指表面の小さな切傷のような非常に軽症なものから、火傷の被害者のようなより重傷なものまで、指や手に何らかの形態の外傷を負った人が含まれる。この技術は、指の表面から隆起構造を磨り減らす傾向がある職業の人のものを画像化する際にも利点があることが分かる。これらのグループの人を合わせると人口のかなりパーセンテージを表し、指の表面より下を画像化することができない光指紋読取装置のような他の装置は、明らかに性能的に不都合である。
前に説明したシステムの技術の第３の可能性ある適用はまったく新しい生物測定の開発である。個人識別の手段として身体中の血管パターンを使用することは良く知られたことである。一般的に、これらの画像を得るために使用しなければならない技術はじゃまなものであるとユーザは考えるので、このような技術は一般的に、商業的に大規模な市場環境では成功していない。ここで説明するものは、指の表面の真下のものを良く見通し、血管や他の皮下構造を画像化する能力を持っている。これらの構造は非常に多数のものから構成され、個人を明確に識別するのに十分な情報を含んでいる。全く新しい生物測定を開発することができ、この生物測定では、指紋を使用して個人を識別するのに必要な後処理がかなり簡単になるとの予測される。この簡単化により、処理量がより高くなり、より精度が高くなり、システムの複雑さが少なくなり、これによりシステムの費用が低減する。
先に説明したように、超音波走査および画像化システムにおいて、プローブは、組織画像化用の２次元走査ウインドウを得るためにトランスデューサを動かすことができるシステムの部品である。基本的なプローブの構成では、同じものを画像化するために人間または動物の組織を支持するように表面を限定するプラテンと、プラテンに近接して配置され、出力超音波ビームを供給するトランスデューサと、超音波ビームを表面に沿って第１の方向に向けるようにトランスデューサを移動させる第１の移動手段と、超音波ビームを表面に沿って第２の方向に向けるようにトランスデューサを移動させる第２の移動手段とが備えられている。画像化される組織に向けて伝搬するにしたがって超音波エネルギが減衰するのを最小にするために、トランスデューサは、液体充填領域にすなわち水充填空洞に配置される。前に説明した構成では、これには、プローブ上の２つの場所に水を密閉シールすることが必要である。１つのシールは、第１の移動手段とトランスデューサとの間の柔軟シールまたは振動シールである。第２のシールは、液体空洞全体を形成する大きなベローである。前に説明した基本的なプローブの構成は、１９９３年１１月４日に出願され、本発明の譲受人に譲受された、“高解像度超音波画像化装置および方法”と題する留保中の米国特許出願第０８／１４７，０２７号に示され、説明されている。その開示は参考のためにここに組み込まれている。
したがって、前に説明した構成の基本的な考えは、柔軟なゴムベローと振動シールを使用することにより、流体密閉空洞を生成することであった。この空洞は水で充填され、水はシールで閉じ込められ、電気的に動作する移動手段と水が接触するのを防ぎ、移動手段が短絡するのを防いでいる。本発明の目的は、２つのシール、すなわち柔軟なベローと振動シールをなくし、プローブの信頼性を増加させて、その構造と製造を簡単にすることである。これは、両移動手段をすなわちモータを流体中に入れることによって本発明により達成され、この流体は、低い粘度と水の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスを持つ電気的に非導電性の流体でなければならない。
図１−図３を参照すると、本発明にしたがった一般的に１０で示されているプローブが、同じものを画像化するために人間または動物の組織をしっかりと支持するように表面１４を限定するプラテンの形態の手段と、出力超音波ビームを供給し、焦点におけるビームの大きさをできるだけ小さくして、システムの解像度を最大にするように表面１４上に超音波ビームを向けるすなわち集束させるために、支持手段１２に近接して配置されるトランスデューサ手段１６とを備えている。一般的に２０で示されている電気的に動作する移動手段が設けられており、これはトランスデューサ手段１６と動作可能に結合され、表面１４に沿った経路に出力超音波ビームが向けられるようにトランスデューサ手段１６を移動させる。移動手段２０は後で詳細に説明する。
本発明にしたがうと、一般的に２６で示されている液密ハウジング手段が提供され、これはプラテン１２から伸びており、トランスデューサ手段１６と移動手段２０とを含む内部領域２８を持っている。また本発明にしたがうと、ハウジング手段２６の内部領域２８は流体３０によって充填さえる。したがって理解できるように、各組立て部品１６と２０はシールされた空洞２８の内部に存在する。これにより振動シールとベローの必要がなくなる。これらの装置の両方ともをなくすと、潜在的な故障点が取り除かれ、システムの信頼性が向上する。さらにこれらの２つの構成部品をなくすと、機構的なフレームの全体的な複雑さが簡単に、そして組立て時間が短くなり、これによりプローブ１０の製造費用が低減する。
組立て部品１６および２０を液体に入れて動作させるために、流体は電気的に非導電性であるものを選択しなければならない。その非導電性に加えて、流体は高い周波数の超音波を減衰させないように水の音響インピーダンスとほぼ整合する音響インピーダンスを持っている必要がある。流体は、トランスデューサ１６の焦点距離を変えないように、水の音響位相速度に近い音響位相速度を持っていなければならない。対象とする流体が持っていなければならない他の特性は、トランスデューサの運動を妨げないような低い粘度である。空気に対する溶解度が低いことも流体には重要である。これらの要求を満たす流体はいくつかあり、超音波画像化の分野の当業者には良く知られている。例として例示的なプローブでは、流体３０は、クリアロール（Klearol）の名称の下、ビッコ・ケミカル・コーポレーションから市販されている白石油ベースの鉱油である。
ハウジング手段２６は、プラテン１２を含むカバー組立て部品３６と、それぞれカバー３６から伸び、底部壁４０により結合されている、第１および第２の側壁３８および４０、第１および第２の端部壁４２および４４とを備えている。側壁および端部壁は、留め具４８のような適当な手段によりカバー組立て部品３６に結合されており、連続シールすなわちガスケット５０が壁とカバーとの間の結合部の周縁凹所に取付けられ、液密接続を提供している。同様に、底部壁４０は留め具５４のような適当な手段により側壁および端部壁に結合され、連続シールすなわちガスケット５６が、底部壁４０と側壁と端部壁との間の結合部の周縁凹所に取付けられ、液密接続を提供している。示されているプローブ組立て部品では、端部壁の１つは特に端部壁４４は、上部壁および底部壁６０および６２それぞれと、１対の側壁６４および６６と、端部カバー組立て部品６８とにより形状が規定される一般的に中空方形の拡張部を支えている。拡張部は、移動手段２０の構成部品と、後に説明する他のプローブ構成部品を収納する。拡張部の内部は、端部壁４４中の開口部すなわち通路を通して空洞２８との間で流体が通じている。
移動、収納および使用中にプローブ１０がさらされる環境に応じてさまざまな周囲温度の条件に出くわす。非常に大きな温度変化により流体３０の膨張と収縮が生じる。いいかえると、一旦空洞２８が充填されてすべての空気が取り除かれると空洞はシールされる。油３０が周辺環境のために熱変動を受けると、油３０は熱膨張および収縮する。本発明にしたがうと、ハウジング２６には、流体３０の熱膨張および収縮に適応する手段が設けられる。示されているプローブ装置では、一般的に７６で示されている柔軟な伸縮ベローが、端部壁４４からの拡張部に設けられている。図４および図５に示されているように、ベロー７６は、円筒形壁部７８を有する小さなゴムダイヤフラムエレメントを備え、この円筒壁部７８は、壁８０によって一端が閉じられて他端が開放されており、この他端で周縁フランジ８２が終端している。図２に示されているようにベロー７６は、中央開口部８６を有する取付けプレート８４により拡張上部壁６０の開口に取付けられ、留め具８８により固定されている。ダイヤフラムすなわちベロー７６は、必要に応じてまったく出入り自由に動く。ダイヤフラム７６の大きさは、プローブ１０の指定された温度範囲で受ける全熱膨張に適応するのに十分な柔軟性を持つように選択される。ダイヤフラム７６は、炭化水素ベース油３０による劣化を受けないネオプレンゴムから構成されている。
移動手段２０には、トランスデューサ１６を移動させて超音波ビームを表面１４に沿った第１の方向に向ける第１の手段９０と、トランスデューサ１６を移動させて超音波ビームを表面１４に沿った第２の方向に向ける第２の手段９２とが含まれている。第１の方向は、図１で見るとして紙面に出入りする方向である。第２の方向は、図１で見るとして紙面の左から右の方向である。示されているプローブ組立て部品では、第１の手段９０は、トランスデューサ１６を振動させて超音波ビームを表面１４に沿った弧状経路で動かすモータ手段を備え、第２の手段９２は、トランスデューサ１６を移動させて超音波ビームを表面１４に沿った線形経路で動かすモータ手段を備えている。したがってプローブ１０は、表面１４上で支持されている人間または動物の組織の外形の２次元走査を行う。
トランスデューサ１６は、接着剤のような適当な手段によりプローブアーム１００に取付けられている。このアーム１００は、その予め定められた回転角を通る度に弧を描くモータ９０のシャフトに取付けられている。トランスデューサはプラテン１２のすぐ下に配置されており、このプラテン１２には画像化される指が置かれる。アーム１００は後で詳細に説明する。
一旦１本の線を走査すると、線形アクチュエータモータの形態の第２のモータ９２を使用して、運動の第２の軸に沿って組立て部品全体を移動させる。そこで第２の線を走査する。例えば０．７５″×０．７５″の領域である等価な走査領域を画像化するまでこのプロセスを繰り返す。操作が終了すると、位置センサにより示されるその始動位置に線形アクチュエータ９２を戻す。これは後でさらに詳細に説明する。
本発明のプローブ１０には、一般的に１１０で示されている位置フィードバック手段が含まれており、この位置フィードバック手段は、モータ９０の回転位置に関するフィードバック情報をシステム制御回路に提供するために、モータ手段９０と動作的に関係している。示されているプローブでは、位置フィードバック手段はエンコーダ手段から構成されている。本発明にしたがうと、このエンコーダは、モータ９０とアーム１００の間のモータ９０の出力シャフト１１２上に設けられている。したがって、光エンコーダはプローブアームのすぐ下に取付けられており、液体３０中に完全に浸される。この接続では、エンコーダ１１０の性能を妨げないように流体３０は光学的に透き通っていなければならない。光エンコーダの配置は、全体的な画像品質に対して重要である。以前の構成では、光エンコーダは振動モータの一方の側のシャフト上に取付けられ、プローブアームは、シャフトの反対側端部において振動モータの他方の側に取付けられていた。したがって、スパンにわたる何らかのシャフトのねじれが、光エンコーダによって直接的に見られた。このねじれは、プローブアームを１つの方向に配置させる一方、光エンコーダはこれとは異なる方向を読み取った。本発明のプローブ１０では、プローブアーム１００のすぐ下にエンコーダ１１０が取付けられている。これにより、プローブアームとエンコーダとの間に見られる全シャフト長を減少させることができる。このような構成であるので、２つの構成部品間のシャフトの曲げの総量は最小になる。これにより画像の重ね合わせ歪みは最小になる。
光エンコーダに対する第２の改良点は、取付け技術に見出だすことできる。以前では、モータシャフト上にしっかりと固定された単一セットのネジを使用してエンコーダが取付けられていた。このセットのネジは、光エンコーダをモータシャフトにしっかりと取付けるには十分な強さを持っておらず、結果的にプローブアームに関して光エンコーダが動いていた。プローブ１０で使用されている新しい取付け技術は、エンコーダ１１０をモータ９０のシャフト１１２にしっかりと取付けるために圧入ジョイントを使用している。エンコーダを取付ける前にシャフトにきざみを付け、このきざみに対してエンコーダを圧入する。結果として得られるものは、セットネジの方法よりも何倍も強力な高い完成度のジョイントである。
光エンコーダに対する第３の改良点は向上した分解能である。以前では、エンコーダは１回転当り５１２本であった。しかしながら後に説明するように、指を走査するのに必要な分解能を維持するためにプローブアーム長が増加したことから、光エンコーダの分解能は、１回転当り１０２４本に増加させなければならない。プローブアームの長さとともに、角度画素分解能により、走査サンプルは０．００２″ごとになる。
光エンコーダにおける第４の改良点は、絶対位置指標のための第３チャンネルの付加である。各走査前に光エンコーダの電子回路をリセットする必要がある。これは、プローブアーム１００と光エンコーダ組立て部品の現在の位置に対するゼロ基準指標となる。システムのソフトウェアは、この位置からゼロ基準の回りに角度対称にプローブアームを走査させる。したがって、各走査後にモータ９０が同じ位置に戻らない場合、描かれる弧は走査毎に変化する。これは、これから説明する２線形化ソフトウェアにより引き起こされる画像歪みを伴って、指の異なる領域を走査することになる。光エンコーダに第３チャンネルを付加すると、絶対的な位置の指標が与えられる。この絶対的な位置のタイミングマークは、光エンコーダのゼロ基準として参照することができる。ソフトウェア中において各走査を自動的に調整して、これらの２つの数の間の差を一定に保つことができる。これは、２線形化ソフトウェアからの何らかの歪みもなく、非常に再現性に富む画像となる。
第５の改良点はエンコーダセンサに関係している。以前の構成では、光コードホイールとエンコーダセンサ電子回路は、単一の集積装置として購入されていた。この構成には欠点があった。特に、コードホイールに対するセンサの取付けは、プラスチックを使用して実現されていた。プラスチックは、モータの振動運動によりかかる応力に対して取付けるには十分な堅さを提供しない。このようなことから、電子回路はコードホイールに対して物理的に動き、余分な出力パルスを生じさせる。これらの出力パルスは主バングとして解釈されるので、捕捉される余分なデータ点を生じさせる。これは、画像の線間の誤った重ね合わせの一因となる正味の影響を持つ。結果として、エンコーダセンサと光エンコードホイールを、もはや統合組立て部品として使用せず、代わりに個々に取付ける。これにより、エンコードホイールに対する何らかの動きを防ぐのに十分な堅さを持つような方法で、確実にエンコーダセンサの取付けをすることができるようになる。これは、アルミニウムモータベースプレート１２０上にセンサ１１８を取付けることになされ、このベースプレート１２０にモータ９０が取付けられる。ベースプレート１２０は、以前のプラスチック取付け台よりもかなり堅く、センサ１１８の動きを防ぐ。エンコーダホイールは、図１および図２では１１９で示されている。
例として例示的なプローブでは、エンコーダ１１０は、コードホイール用の名称ＨＥＤＳ−６１４０およびエンコーダセンサ１１８用の名称ＨＥＤＳ−９０４０の下、ヒューレッド・パッカードから市販されている。油３０に入れて動作するその特定のセンサの能力は、ＬＥＤとレンズを包み込み、油がレンズと接触するのを防ぐ保護体に、透き通った透明のカバーを配置することにより向上させることができる。
その簡便さ、使用の容易さ、低い費用の点から光エンコーダが選択されていたが、他の位置フィードバック装置も使用することができる。有望なものと思われる２つのものは、容量エンコードホイールと回転ポテンショメータである。容量コードホイールは、わずかな距離だけ間隔が隔てられた単なる２枚のプレート（電極）である。この電極は、各電極が他の電極と重なる領域量がその回転位置の関数として変化するように形成される。このようなことから、全体的な容量は、回転位置に対して変化する。光エンコードの場合と同様に、電極の蒸着パターンに応じて、絶対エンコーダおよび相対エンコーダの両方を利用することができる。光エンコーダの場合と同様に、容量エンコーダも油の中で動作する。回転ポテンショメータは、モータシャフトに取付けられ、角度位置の関数として抵抗出力を供給する小型で低い慣性の装置である。回転ポテンショメータは、光エンコーダと容量エンコードホイールの多くの特性を持っている。
前に説明したように、トランスデューサ１６はプローブアーム１００の一端に取付けられ、その他端はモータ９０のシャフト１１２に取付けられる。超音波トランスデューサ１６を保持する細長いプローブアーム１００は、超音波ビームを動かすことになる曲がりたわみを生じさせないように十分に堅いことが必要である。さらにプローブアーム１００は、流体３０中を動く際に抵抗を増加させることになるプローブアームの断面領域を大きく追加することなく、この堅さを得なければならない。抵抗が増加すると、振動モータ９０に見られるように負荷が増加し、その走査速度が遅くなる。本発明にしたがうと、プローブアーム１００には、アーム１００が流体３０中を動く時に最小の抵抗を持ちながら、モータ９０のシャフト１１２の振動中に曲がったりたわんだりしないように十分に堅い構造が与えられる。特にプローブアーム１００は、モータシャフト１１２の縦軸に実質的に垂直な方向に伸び、すなわち図１に示されているように実質的に水平方向に伸びている。プローブアーム１００は、モータシャフト１１２の縦軸と実質的に平行な方向に間隔が空けられている、すなわち図１に見られるように垂直に間隔が空けられている１対のアーム部を備えているので、プローブアーム１００はモータシャフト１１２の振動中に曲がったりたわんだりしないように十分な堅さを持っている。さらにアーム部は、モータシャフト１１２の縦軸に実質的に平行な平面、すなわち図１に見られるように実質的に垂直な平面に配置される表面を持っており、この表面は流体中をプローブアーム１００が移動する時に抵抗が最小となるように十分小さい領域を持っている。したがって、アーム部のこれらの表面は、２平面プローブアーム構造を規定する。
図１、６、７を参照すると、プローブアーム１００には、アーム１００をモータ９０の出力シャフト１１２上に取付けるための貫通孔すなわち開口１３２を一端に備えた本体部１３０がある。プローブアーム１００にはさらに、図１および図６に見られるように、本体１３０の上端から外側に、孔１３２の縦軸にほぼ垂直な方向に向けて伸びている第１のアーム部１３４と、アーム部１３４に対して鋭角を定める孔１３２の軸に対する角度において、本体１３０の低い側の端部から外側に伸びている第２のアーム部１３６がある。結果として、１点に集まるアーム部１３４、１３６は、それらの間の開放領域すなわち空間１４０を規定し、プローブアーム１００の反対側の端部において固い本体部１４２を規定するようにぶつかる。貫通孔すなわち開口１４４が本体部１４２に設けられ、トランスデューサ１６を受け入れ固定する。第１のスロット１４６は、孔１４４から内側に伸び、図７に見られるようにアーム１００の上面１５０に形成される第２のスロット１４８と結合し、トランスデューサ１６からアーム１００の上面１５０に沿って、アーム部１３４の開口１５６を通って外部回路に伸びている、図２に示されていた電気導線１５４用の通路を提供する。
２つのプローブアーム部１３４と１３６は、流体３０中を移動する間に加わる抵抗を最小にしながらプローブアーム１００を強化する手段を提供する。アーム部１３４、１３６の厚みの合計と等しい厚みを持つ単一部分を有するプローブアームと比較すると、本発明の２平面プローブアーム１００は、総抵抗と慣性を同じに維持しながら全体的な堅さをかなり増加させる。
図１および図２に示されているプローブ１０では、トランスデューサ１６のモータがほぼ±２０°の振動角で振動する。従来のブラシレスＤＣモータを制御してこの動きを提供することができるが、実際に必要とされるものよりもかなり複雑であり、このようなことからさらに高価になる。この複雑さは制御電子回路にも伝わる。したがって、トランスデューサ１６を前後に移動させるために、モータ９０に対して振動モータ（制限された角度で回転するモータ）が選択された。これらの装置は、回転ソレノイドまたはブラシレストルクアクチュエータと呼ばれることが多く、非常に簡単で、費用が安く、トランスデューサ１６をより速く動かすことができる非常に高いトルクを発生させることができる。さらに、従来のブラシレスＤＣモータには必要であった複雑なホール効果センサインターフェイス論理回路を必要としないことから、制御電子回路が簡単になる。例として表示されているプローブ１０では、モータ９０は、オハイオ州ヴァンデーリアのルーカス・コントロール・システム・プロダクツから市販されているブラシレストルクアクチュエータである。
一旦、第１のモータ手段すなわち振動モータ９０が、表面１４に沿った超音波ビームの経路を表す単一線にわたってトランスデューサ１６を掃引すると、第２のモータ手段９２が動作して、走査の第２の軸である線形経路に沿って、トランスデューサ１６、アーム１００およびモータ９０の組立て部品を進める。モータ手段９２は、回転運動を直線運動に変換するように取付けられる一体型親ネジ１７０を持つ小型ＤＣステッピングモータを備えた線形アクチュエータである。トランスデューサ１６が線走査を終了したことをシステムの制御回路が一旦検知すると、線形アクチュエータ９２は、単一線分だけ移動の第２の軸に沿って移動するように命令される。トランスデューサ１６の移動は反転し、表面１４にわたって反対方向に戻るように超音波走査を掃引する。このプロセスは、所要の領域が走査されるまで繰り返される。そして線形アクチュエータ９２は、新しい走査の準備のためにその始動位置に戻される。後に説明するセンサは、線形アクチュエータ９２が始動位置に戻ったことを示す位置フィードバックを供給し、戻しプロセスを停止するようにシステム制御回路に信号を供給する。例として図示しているプローブでは、線形アクチュエータ９２は、モデル番号３５８６２の下ハイデン・スイッチ・インスツルメントから市販されている。
図１および図２に示されているプローブ１０において、先に説明したような好ましい走査モードの間、線形アクチュエータ９２は、図１および図２に見られるようにネジ１７０を進めて、トランスデューサ１６、アーム１００、モータ９０の組立て部品を左に動かす。指または他の組織の走査が終了した時、組立て部品は最も左の方向の位置にあり、そこで線形アクチュエータ９２は反転すなわち巻き戻す方向にネジ１７０を回転させる。組立て部品の完全復帰位置にいつ到達したかを決定するために、一般的に１８０で示されている位置検知手段が設けられ、この位置検知手段は組立て部品の検出可能な構成部品の近接に応答して、トランスデューサ１６が線形経路に沿っていつ所定の距離を移動したかを、すなわち組立て部品の完全復帰位置にいつ到達したかを信号で知らせる。検知手段１８０は光電子または光センサを備え、これは、ブラケット１８４により端部壁４４に固定されているハウジング１８２と、線形に移動可能な組立て部品に面している凹所すなわち開口領域１８６と、その中に光ビームすなわち経路を持っている。センサ１８０は、完全復帰位置に到達した時に、エンコーダ１１０のコードホイールの周辺が凹所１８６に入って光経路を遮断し、これにより指標信号を生じさせるように配置される。したがって、センサ１８０はリミットスイッチのように機能する。
トランスデューサ１６、モータ９０および９２、エンコーダ１１０、センサ１１８、リミットスイッチ１８０を含む、プローブ１２の多数の電気的に動作する構成部品は、油３０中に完全に入れられて動作する。このようなことから、これらの構成部品の電気接続も油中に入れられる。したがってそれぞれの電気接続は、油から引き出してその対応するインターフェイス回路に導かなければならない。これを行うために２つの密閉シールを使用する。これらのシールは、図１では１９０および１９２として示され、これらのシールには、電力、グランド、信号配線のすべてを、油内に収納されているさまざまな電気構成部品との間で結ぶために必要な数の配線が含まれている。この方法で伝えられない唯一の信号は、超音波トランスデューサ１６と関連する電力、グランドおよび信号である。これらの信号は、小型同軸ケーブルであり、配線の残りのものとは別にシールされている導線１５４により伝えられる。例として図示されているプローブでは、密閉シール１９０および１９２は、ＰＡＶＥ−シールの名称の下、ＰＡＶＥテクノロジーカンパニーインクから市販されているネジ付きプラグの種類のものである。
先に説明したように、エンコーダ１１０の光エンコードホイール上に第３チャンネルを付加すると、再現可能な高品質な画像に必要な絶対位置の指標が提供される。しかしながら、コードホイールの直径が負荷の慣性を増加させるのに十分であり、これにより振動モータ９０の走査速度を減少させるのであれば、代わりの方法を使用することもできる。この方法は従来の２チャンネル光エンコードホイールを使用し、外部センサによって第３チャンネルの位置指標を達成する。このセンサは、図８では２００で示されており、赤外線ＬＥＤと光センサ反射率計である。このセンサは、センタ位置から約１０°でプローブアーム１００のすぐ下に配置されている。プローブアームがセンサ２００を越えない場合、赤外線ビーム２０２の反射は起こらず、光センサはそのように示す。プローブアーム１００の前縁がセンサを覆った時、光の反射が起こり、制御電子回路への信号を駆動する。この信号は、読まれるべき光エンコーダビットの状態をラッチするために使用され、比較のために前に記憶されているカウントと比較される。結果として、全体としての効果は、負荷の慣性を増加させることなく光エンコードホイール上に統合された第３チャンネルにより提供されるものと同じである。したがって、センサ２００は、アーム１００から間隔が空けられ、アームの基準位置を示すためにアーム１００に検出可能に結合されている手段を備えている。
支持手段すなわちプラテン１２は、指と超音波トランスデューサ１６の流体経路との間のインターフェイスを生成する。走査プロセス中に指をしっかりとサポートするのに十分な機械的強度でなければ、プラテン１２のたわみや変形が画像の歪みとなり、後処理のソフトウェアがさらに複雑なものになる。理想的には、プラテン１２の音響インピーダンスは、指の皮膚とできる限り近いように整合しなければならない。さらに、何らかのタイプの音響結合を使用することなく、指をプラテン１２上に置くことがかなり望ましいことから、プラテンのインターフェイスは、指の表面と完全に接触して、それらの間のエアーギャップを最小にできなければならない。指の高品質の画像を得るために、相当な減衰や周波数ダウンシフトなく高い周波数の超音波を通すプラテン１２の能力と結合された、これらすべての要求を満たさなければならない。
プラテン１２は、シリコンＲＴＶの薄層で被覆された架橋ポリスチレン樹脂やパースペクス材料を使用して構成される。ポリスチレン樹脂やパースペクス材料の本体は、人間の組織のものと非常に近い音響インピーダンスを持ち、必要な機械的な剛性を提供し、できるだけ短い超音波経路を提供するのに適した厚み、例えば１／１６から１／８インチの範囲の厚みを持つ。３０ＭＨｚの超音波周波数は、かなりの変形なく材料中を伝搬することができる。指に対する最大の結合をもたらすために、望まれるのであれば、画像化される組織と接触するプラテン１２の外部表面上にシリコンＲＴＶの薄層を被覆することができる。他のタイプのシリコンラテックスゴムを使用することもできる。ＲＴＶは、適切な音響インピーダンスを維持しながら指の機械的な結合を向上させる。ＲＴＶは、ポリスチレン樹脂／ＲＴＶ反射エコーを距離ゲートで除き、ＲＴＶ／指境界に関係するエコーのみを処理できるような十分な厚さでなければならない。ＲＴＶの必要な厚みは、トランスデューサ１６の全体的な“Ｑ”に依存する。例として図示されているシステムでは、プラテン本体は約１／１６インチから１／８インチの厚みを持ち、被覆は公称で約０．０１０−０．０３０インチの厚みを持つ。
プラテン１２がカバー３６中にシールされ、プローブ構造の液密の完全さを保持する。プラテン１２の外部表面は時間の経過により摩耗するので、プラテン１２を現場で交換できることが必要である。これらの２つの要求は、図９に示されているような２片のプラテン１２′により満たされ、これは、カバー３６に対して永久的にシールされ、プローブ構造の液密の完全さを維持する第１層すなわち内部層２２０を構成する。第２のすなわち外部プラテン層２２２は、音響ゲル２２４などにより第１層と結合され、交換のために容易に取り除くことができる。層２２２の外部表面は、画像化される組織と接触し、これには、前に説明したシリコンＲＴＶ被覆のような被覆２２６を与えることができる。
走査のタイプに応じて、トランスデューサ１６に２つの形態を使用することができる。指紋の画像化に、約０．１８０″と開口と約０．２５″の焦点距離を持つ約３０ＭＨｚの高い周波数のトランスデューサを使用することができる。このトランスデューサは、最高の解像度すなわち最小のスポットサイズを提供したが、指へ貫通の深さが制限されているため大きな減衰はなかった。同様な物理特性であるが周波数が約１５ＭＨｚに減少された第２のトランスデューサは、指紋構造以外のアーチファクトにおいて目標とされる皮下走査に使用することができる。この画像化のためには、３０ＭＨｚの超音波はかなり減衰されるので、信号処理電子回路の費用はかなり高いものになる。したがって、周波数を１／２だけ落とすことにより、かなり強い信号が受信される。
トランスデューサ１６の第１の要求は、発生させる全体的なスポットサイズを最小にすることである。スポットサイズは、トランスデューサ、開口、全体的な焦点距離の関数であり、次式により与えられる。
ｄ＝２．４４（ｆL／Ｄ）λ
ここでｄはゼロ交差点において測定したスポットサイズであり、ｆLはトランスデューサ焦点距離であり、Ｄはトランスデューサ開口であり、λは音波の波長である。トランスデューサの設計において、比ｆL／Ｄをできるだけ小さく保つことが望ましい。これは、外部集束レンズや湾曲したトランスデューサエレメントやこの組合わせのようなさまざまな良く知られた技術を使用して達成することができる。例として図示されているシステムでは、トランスデューサ１６は、ＡＳＴＭＥ１０６５ごとに６ｄＢの点において測定して０．００２インチのスポットサイズを生成し、ピークから２０ｄＢにおいて測定して１サイクルのリングタイムを持っている。ケーブル１５４は、約０．０３７インチの直径を持つコーナー（Cooner）同軸またはこれと均等なものである。トランスデューサ１６の図示された市販形態は、モデル番号３８９−００５−８６０の下、クラウトクレーマ・ブラウゼンから入手することができる。
前に説明したように、表面１４の典型的な走査領域は、０．７５インチ×０．７５インチの大きさを持っている。Ｆ．Ｂ．Ｉ．により開始されたＮＣＩＣ２０００法執行のようないくつかの適用があり、これには最大０．８８″×１．２２″までのより大きな走査領域を必要とする。本発明のプローブ１２の走査の幾何学的形状は、増加した領域の要求を満たす。これを行うためにいくつかの構成部品を変更する必要がある。走査長（ｙ軸）を０．７５″から１．２２″にまで増加させるために、線形アクチュエータ９２は付加的な２３５ステップ（０．００２″／ステップ）をステップしなければならない。線形アクチュエータ９２は十分な動程を持つので、制御電子回路に対してソフトウェアの変更をするだけでよい。走査幅を０．７５″から０．８８″（ｘ軸）に増加するためには、いくつかの構成部品を変更する必要がある。より大きな角度で振動モータ９０を駆動するよりもプローブアーム１００の長さを増加させるべきであることが決定された。したがって同じ角度の掃引に対して、より大きなセグメントを走査することができる。実際、１．３″の最適プローブアーム長を使用する。これは、±２１．３°の走査角度を必要とする。走査角度が減少すると走査周波数が増加する付加的な利点が得られ、これにより全体的な走査時間が減少する。減少した走査角度の結果として、より速くより効率的な形態の振動モータを振動運動のために使用することができる。１．３″にプローブアーム長を増加させると、要求された空間周波数でサンプリングするために、光エンコーダ１１０の分解能を変更する必要がある。光エンコーダ１１０を、１回転当り５１２ラインから１回転当り１０２４ラインに増加させた。デコーダ１１８の回路と結合されたコードホイール１１９におけるこの分解能により、角度分解能は０．０８７°となる。これは、０．００２″当り１サンプルの線形走査分解能に対応する。
超音波トランスデューサ１６の弧状走査運動のために、データはこの軸すなわちｘ軸に沿って非線形的方法で集められる。特に、データはラインごとに集められるのではなく、弧ごとに集められる。さらに、走査中心近くの画素間で掃引される距離量は走査縁部と異なる。結果として、この斜めの動きまたは歪みを補正しなければならない。この補正は、１つの幾何学的空間の画素を他の幾何学的空間の画素に対応付けることである。当然、この対応付けは１対１対応ではない。補正された幾何学的空間中に配置される画素は、元の幾何学的空間の画素間の点からのものであることが多い。このようなことから、データ値すなわちグレースケールを決定しなければならない。したがって、要するに２本の軸の線形化が起こり、よって２線形化と呼ばれる。第１の補正は、入力幾何学的空間から出力幾何学的空間への画素の配置である。第２の補正は、どのグレースケール値を使用すべきかの決定である。
入力幾何学的空間から出力幾何学的空間への対応付けに関して、これは簡単なテーブルルックアップ方法でしかない。テーブル中の値は以下の方法にしたがって決定される。第１のステップは、走査弧に沿った各走査画素の実際の座標を見つけることである。例えば弧に沿った０°の走査角度において、画素番号２５６が配置されると仮定する。
０256＝０°
Ｘ256＝０．７５０（インチ）ｓｉｎ０°
Ｙ256＝０．７５０（インチ）ｃｏｓ０°
ここで０．０７５インチは前に説明した走査弧の長さであり、いずれかの側の画素が画素２５６に関してオフセットされる。したがって、
０255＝（２５５−２５６）（９０°／５１２）
Ｘ255＝０．７５０（インチ）ｓｉｎ（−０．１７５８°）
Ｙ255＝０．７５０（インチ）ｃｏｓ（−０．１７５８°）
０257＝（２５７−２５６）（９０°／５１２）
Ｘ257＝０．７５０（インチ）ｓｉｎ（−０．１７５８°）
Ｙ257＝０．７５０（インチ）ｃｏｓ（−０．１７５８°）
ここで、５１２は１回転当り５１２ラインのエンコーダ分解能である。
次のステップは、走査サンプルが０．００２インチごとに取られることから、０．００２インチで割ることにより、前の実際の座標を画素座標に変更することである。
Ｘ255＝Ｘ255／０．００２＝−１．１５
Ｙ255＝Ｙ255／０．００２＝３７５
Ｘ256＝Ｘ256／０．００２＝０
Ｙ256＝Ｙ256／０．００２＝３７５
中央の画素＃２５６は、すべてのＸ座標を＋２５６だけシフトすることにより位置２５６の中央に置かれる。
Ｘ255＝−１．１５＋２５６＝２５４．８５
Ｘ256＝        ０＋２５６＝２５６．００
次のステップは、Ｙ座標を−２６５．１５だけシフトすることである。
（４５°の走査角度でＹ＝０にする）
０．７５０（インチ）ｃｏｓ４５°／０．００２インチ−２６５．１５
Ｙ255＝３７５−２５６．１５＝１０９．８５
Ｙ256＝３７５−２５６．１５＝１０９．８５
最後に、それぞれの新しい走査ラインに対して、ラインごとに０．００２インチの線形移動することから、Ｙ位置を最後のラインから＋１オフセットさせる。
ライン１：Ｙ250＝１０９．８５
ライン２：Ｙ250＝１１０．８５
ライン３：Ｙ250＝１１１．８５など
したがって、入力幾何学的空間から出力幾何学的空間への対応付けに対するテーブルルックアップ値は、先に説明した方法にしたがって得ることができる。
適切なグレースケール値の選択に関して、これは、周囲４つのデータ点から重み付けられた平均を取ることにより達成することができる。このプロセスは次式により与えられる。
φ（ｉ，ｊ）＝
（１−ｉ′）｛ｊ′φ（ｉ，ｊ＋１）＋（１−ｊ′）φ（ｉ，ｊ）｝
＋｛ｊ′φ（ｉ＋１，ｊ＋１）＋（１−ｊ′）φ（ｉ＋１，ｊ）｝
ここでｉ，ｊ＝入力画像データ点、ｉ′，ｊ′＝出力画像データ点である。
実時間でこの対応付けを行うために、高速ＤＳＰチップを使用する。このプロセッサはラインごとにデータを集めて、そのグレースケールの大きさを補正しながらそのデータを適切な出力に対応付ける。これは実時間で実行され、スキャナ自体の走査時間とオーバーラップされ、これにより処置遅延を最小にする。２線形化プロセッサのブロック図を図１０に示す。
このプロセッサはＤＳＰチップ２４０の中央に配置され、例えばモトローラ５６１６６プロセッサでもよい。ライン２４２上でスキャナから入ってくるデータは、データバッファ２４４によりインターフェイスされ、双方向データバス２４６および２４８を通してプロセッサ２４０に送られる。永久メモリすなわちフラッシュＰＲＯＭ２５０は、プロセッサ２４０により使用されるプログラムを記憶する。ダイナミックＲＡＭすなわち外部メモリ２５２は、プロセッサ２４０により使用されるデータを記憶する。双方向データバス２４８は、メモリ２５０と２５２の両方に接続される。ＤＲＡＭ２５２には制御装置２５６が設けられ、そしてデコーダ２５８はプロセッサ２４０の制御に関係している。チップ２４０からの処理データは、双方向データバス２４８、２４６を通して、システムコンピュータのパラレルポート２６４とインターフェイスするバッファ／ラッチ２６２に送られる。プロセッサ２４０は、レベル変換器２６８を通してシステムコンピュータのシリアルポート２７０に接続されている。ウオッチドックタイマ２７４とデバッキングポート２７６も、示されている方法でプロセッサ２４０と関係している。
皮下指紋画像化の場合のような、指の表面または指の表面近くからの画像の走査、獲得するさまざまなモードに戻ると、超音波信号の減衰量は最小である。したがって、最大の空間解像度を得るために、トランスデューサ１６の周波数は非常に高い。この適用に対して、トランスデューサの周波数は約３０ＭＨｚである。指の表面のすぐ下の構造から画像を獲得するために、電子距離ゲートを使用して、対象とする深さから戻ってくるエコーだけが処理されるようにする。したがって、表面指紋画像対皮下指紋画像を処理するためにシステムを唯一変更することは、距離ゲートの適用における変更である。この距離ゲートのタイミングはソフトウェアによって制御することができ、画像化される人にとってトランスペアレンな変更とすることができる。
両方の場合において、超音波エネルギは指の表面に対して９０°の角度で指に入る。この方法でトランスデューサ１６を方向付けると、最大の信号強度が可能になる。しかしながら、プラテン１２のそれぞれ前側および後側からの正反射もトランスデューサ１６に戻る。これらは距離ゲート処理で除くことができることから、これは表面の画像化にとって問題ではない。しかしながら深い皮下画像化に対しては、特定の深さで画像化しようとする場合、マルチパス正反射が重大な問題を表す。したがって、これらのエコーをなくすような方法でトランスデューサ１６を方向付けなければならない。
指のより深い所からの画像が対象とされる場合、高周波数超音波信号の減衰量は非常に大きくなり、信号がまったく失われるか、あるいはシステム信号プロセッサ中の増幅段の利得帯域幅積が非常に大きくなり、システムの費用は非常に高くなる。したがって、これらの構造を画像化するためには、例えば１５ＭＨｚのようなより低い周波数のトランスデューサ１６を使用する。これにより、空間解像度のわずかな減少を犠牲にして大きな減衰の問題を解決する。しかしながら、対象とする皮下構造は指の表面で見られる隆起構造より大きいことから、解像度の損失は重大ではない。
指の深い内部を画像化する時に生じる可能性がある第２の問題は、エコーが集められるべき深さに応じて、音波の経路に入る正反射からのマルチパスエコーが、対象とするアーチファクトを遮るかもしれないことである。したがって、正反射により生じたマルチパスエコーは、対象とする実際の信号の画像化を可能にするように取り除く必要がある。これは、正反射エコーが外れるのに十分な小さな角度だけトランスデューサ１６を回転させて軸外しを行うことにより達成することができる。これは、反射エコーが滑らかな表面による何らかのエコーを決してトランスデューサ１６に戻さないようにする角度で、滑らかな表面による何らかのエコーを反射させる。すべての方向に音波を散乱させるこれらのエコーだけを、トランスデューサ１６によって見ることができる。身体内部の対象とする構造の大半は音波を散乱させる傾向があり、これにより、この走査適用にとってこの技術が非常に有用なものになる。
超音波を集束させるためのレンズを製造する工業的な標準規格は、レンズの曲率を生成するために固定半径を使用する。レンズの材料は通常ポリスチレンからできており、所要の大きさおよび曲率に小さく加工される。この幾何学的形状は、トランスデューサの焦点距離とスポットサイズを規定することができる。しかしながらレンズ方程式の解析により、固定半径のレンズは回折限界のスポットサイズを提供しないことが容易に示される。固定半径のレンズは、集束ビームの大きさをぼけさせたり拡大したりする効果を持つ球面収差を発生させる。したがって、理論的最小値にスポットサイズを減少させるためには、非球面形状レンズや、湾曲トランスデューサエレメントや、湾曲トランスデューサエレメントと非球面形状レンズの組合わせ使用しなければならない。
図１１は超音波画像化システムのブロック図であり、プローブ１０はその部品である。プローブすなわち機械的なスキャナ１０の動きはトルク制御装置３００により制御され、このトルク制御装置３００には、マイクロ制御装置３０２、光エンコーダインターフェイス３０４、角度補正スイッチ３０６が含まれており、これらは後に説明する。信号プロセッサ３１０はトランスデューサ１６に電圧を加え、トランスデューサ１６からのデータは信号プロセッサ３１０により受け取られ、ここで、増幅、距離ゲート処理、ピーク検出、Ａ／Ｄ変換が行われる。システムを動作させるための電圧は、電源３１２と調整装置３１４から得られる。図１０の２線形化プロセッサは、バス３１８を通して信号プロセッサ３１０に接続される。これはデータを記憶し、弧状走査運動により生じた任意の幾何学的歪みを補正する。
トルク制御装置３００は、振動モータ９０の走査が走査ごとのその絶対位置と確実に一貫するように機能する。スキャナ１０は組み立ての際に較正される。この較正は、第３チャンネル（ＩＤＥＮＴ）マーカが点くまで、プローブアーム１００をその中央位置から移動させることである。ＩＤＥＮＴマーカは、光エンコーダ１１０の第３チャンネルとして、または外部の弧リミットスイッチ２００により実現することができる。一旦これが点くと、光エンコーダ１１０の出力が読み取られる。この出力はゼロ位置から絶対ＩＤＥＮＴマーカがあるところまでの総角度または総距離を表している。この値は、トルク制御装置３００に配置されている角度訂正すなわちＤＩＰスイッチ３０６に入れられる。
通常の動作中では、モータ９０は各走査の終りにわずかに異なるスポットで停止する。モータ９０はゼロ位置に一貫して戻らない。結果として、モータ９０の最終的な停止スポットが、次の走査にとってのゼロ位置となる。このようなことから、各走査の位置は走査ごとに変化する。トルク制御装置３００により提供される改良された実施では、各走査の始まりにおいて、画像化される指なしでモータ９０をすぐに振動させる。この時間の間、ＩＤＥＮＴ信号が点く時に、光エンコーダ１１０の出力はトルク制御装置３００によって読み取られる。ここで見られる値は、較正の際に前もって設定されているＤＩＰスイッチ３０６に記憶されている値と整合しなければならない。したがってトルク制御装置３００はＤＩＰスイッチ３０６を読み取り、比較を行う。値が整合しない場合には、トルク制御装置ソフトウェアは、スイッチ設定値と実際の読み取り値との間の差に等しい量だけ走査角度を調整する。このようにすると、毎回走査が確実かつ完全に中央に置かれ、非常に一貫性がある画像となる。
図１２−図１６は、走査装置の最も滑らかで最も静かな動作を提供しながら、最高の走査速度を提供する問題を取り扱う別のアーキテクチャーを図示している。図１−図８のプローブ１０では、ブラシレストルクアクチュエータ９０により振動方法でトランスデューサ１６を動かしていた。トランスデューサ１６の質量、回転の場所からのその距離、油３０中の流体力学的抵抗は、すべてシステムの慣性負荷に加わる。この負荷は、アクチュエータ９０に強力なトルク要求を加えるのに十分である。このトルク要求は、ブラシレストルクアクチュエータがプローブアーム組立て部品を駆動できる速度に制限を課す位に十分高い。したがって本発明にしたがうと、モータ９０の振動運動を補助するために、外部バネを追加することができる。バネの１つのタイプは、曲げ軸受けとして知られており、この適用に特に適している。これは両方向に曲がるように設計されているバネであり、適切に設計された場合、無限の寿命を持つ。
図１２は、モータの振動運動を補助するためにモータ９０′と動作的に関係しているバネ手段の１つの形態を示している。バネ手段すなわち曲げ軸受け手段は、モータ９０′の外部に取付けられ、モータ９０′に対する再加工を必要としない最も簡単な構成である。図１２に示されているように、曲げ軸受け手段は、回転スリーブ３３４、３３６を支持する平坦で交差したバネ３３０、３３２を備えている。一方の曲げ軸受けスリーブ３３４は、部材３４０によりモータ出力シャフト１１２′に取付けられる。他方の曲げ軸受けスリーブ３３６は、モータ９０′のハウジングに固定された外板３４２に取付けられる。ディスク３４４の形態の出力継ぎ手は、部材３４６により移動可能な軸受けスリーブ３３４に接続される。ディスク３４４は、他端でトランスデューサを支持するプローブアームの端部に固定される。図１２の構成は、モータ単体により得られるものよりかなり高い走査周波数を提供する。
図１３は、モータの振動運動を補助するためにモータ９０′と動作的に関係しているバネ手段の他の形態を示している。バネ手段すなわち曲げ軸受け手段は、回転子組立て部品を、曲げ軸受けに直接的に取付けられている磁石に置き換えている。この構成は、全体的な組立て部品に対して何ら付加的な高さを加えることなく、同じアクチュエータ格納容器に格納することができる。図１２の実施形態のように、曲げ軸受け手段は、回転スリーブ３３４′、３３６′を支持する平坦で交差したバネ３３０、３３２を備えている。しかしながらこの実施形態では、１つの曲げ軸受けスリーブ３３４′は、スリーブ３３４′の外部表面に取付けられてモータ固定子コイル３５２と面しているモータ回転子マグネット３５０を備えている。他方の曲げ軸受け手段３３６′は、モータ外板すなわちハウジング３５４に取付けられる。ディスク３４４′の形態の出力継ぎ手は、部材３４６′により移動可能な曲げ軸受け３３４′に接続される。ディスク３４４′は、他端でトランスデューサを支持するプローブアームの端部に固定される。図１３の構成は、モータ単体により得られるものよりもかなり高い走査周波数を提供する。
例として、図１２および図１３に示されている実施形態では、回転スリーブを支持する平坦で交差したバネを備えた曲げ軸受けは、ルーカス・エアロスペース・パワー・トランスミッション・コーポレーションから自由たわみピボット摩擦レス軸受けの名称の下、市販されている。
モータ９０と線形アクチュエータの両者が振動モードで動作する図１−図８のプローブでは、多量のエネルギが消費される。このエネルギの多くは、モータ９０、９２自体を単に始動および停止させる際に使用され、エネルギのわずかな部分だけがトランスデューサの実際の駆動に使用される。モータの多量のトルク要求を最小にし、これによりエネルギ消費を最小にするために、連続的に回転するモータを使用することを提案する。
連続的に回転するモータの方法にはいくつかの利点がある。高いトルクの振動運動モータに対する必要性をなくし、これを非常に低いトルクの連続的に回転するモータに置き換えると、システム全体の費用が減少する。モータのＲＰＭは、非常に高速で駆動することができ、これにより、振動方法により得ることができるものよりもかなり高い走査周波数となる。アクチュエータの回転子を始動および停止する際に出される大きなエネルギは実質的になくなり、したがって装置の全体的な電力消費が減少する。玉軸受け上の振動運動は摩耗量を非常に高率にする。これは結局軸受けのあそびとなり、画像品質を低下させる。連続的に回転させる方法を使用すると、軸受けが過度に早期に擦り切れるのを防ぎ、これによりシステム全体の信頼性が向上する。
連続的に回転するスキャナすなわち連続的に回転するトランスデューサを実現する１つのタイプのアーキテクチャーを図１４に示す。図１のアーム１００と同様にトランスデューサ３６０をフライホイール３６２に直接的に取付けて、連続的に回転させる。フライホイール３６２は、モータ３６６の出力シャフト３６４の他端に接続する。トランスデューサ３６０が対象とする領域の下を通過する時にデータが集められる。この方法では、非常に低出力低価格のモータ３６６を使用して、フライホイールトランスデューサ組立て部品を駆動することができる。唯一の問題は、連続的に回転している超音波トランスデューサ３６０のケーブル３７０をどのように信号プロセッサ回路カードに結合するかである。この問題にはいくつかの解決策があり、その１つは、市販されているスリップリングを使用することである。スリップリングの静止部３７２は、スキャナのベース３７４に取付けることができ、ここで、静止導線３７６が信号プロセッサ回路カードに取付けられ、接続される。スリップリングの接触部３８０は、モータシャフト３６４とそれに取付けられた導線３７０とに取付けられ、この導線３７０はトランスデューサ３６０に通じている。このようにして、モータ３６６が回転している間に、スリップリングを通して信号プロセッサへの接触を維持することができる。
この方法の変形は、フライホイールの周囲に複数のトランスデューサを追加することによりなし得る。複数のトランスデューサは、トランスデューサが正しい位置の回りで回転している間のアイドル時間の量を減らす。したがって、第２のトランスデューサを追加すると、走査時間を５０％減少させる。第３のトランスデューサは元の走査時間を６６％減少させるなどである。複数のトランスデューサ方法を実現するのには、システムの電子回路にいくつかの簡単な変更が必要である。１つの変更は、追加されたすべてのトランスデューサに対して信号プロセッサ回路ボードを追加することである。これはもちろん費用がかかる方法であるが、実現するのはかなり簡単である。他の方法は、パルサ／受信機の電子回路のフロントエンド部を多重化して、選択的にパルスを出し、各トランスデューサからエコーを受信することである。これは費用に対して最も効率のより解法である。前に説明したことは図１４ａに示されている。
図１５と図１６はプローブの別の形態を図示しており、この形態では、走査がＸとＹの両方向で線形に実行される。連続的に回転しているモータ３９０は、フライホイール３９４に接続された出力シャフト３９２を持っており、このフライホイール３９４はピボットアーム３９６を駆動する。ピボットアーム３９６は、線形軸受け支持体４００上で前後に動く他端でトランスデューサ３９８を支える。モータ３９０が回転している時、ピボットアーム３９６は、線形軸受け４００の通路に沿って線形に前後に動くようにトランスデューサ３９８を駆動する。これは、モータ３９０自体の動きを反転させることなく達成される。速度が上がるまでモータ３９０を一旦駆動すると、フライホイール３９４は、トランスデューサ３９８の運動の慣性に打ち勝つ。トランスデューサ３９８を信号プロセッサに接続している（示されていない）ケーブルは、トランスデューサの運動の線形の動きと同じ量だけ出たり入ったりするように曲がるだけでよい。トランスデューサの位置フィードバックは、以前になされたようにモータシャフトに光エンコーダを取付けるか、線形スライド軸受け４００に取付けられた線形フィードバック装置を使用することにより達成することができる。この装置は、線形光エンコーダ、ＬＶＤＴ、線形ポテンショメータなどのようなセンサであってもよい。運動の第２の軸は、第１のプローブにおいてなされたのと同じ方法で、すなわちモータ４１２とネジ４１４を備え、線形軸受け４１８、４２０で支持されている構造４１６全体を動かす線形アクチュエータ４１０により達成される。したがって図１５と図１６の構成は、相互に直交する方向すなわちＸとＹ方向でトランスデューサ３９８の線形走査運動を提供する。
低い周辺温度条件で動作する図１−図１１のプローブ１０を必要とする適用もある。サーミスタ４３０のような少なくとも１つの温度センサを空洞２８の内に配置して流体３０にさらし、同じものの温度を監視するすることができる。望まれるのであれば、周辺温度を監視するために他の温度センサを設けることもできる。流体３０の温度が所要レベルより低いことをサーミスタ４３０が示した時、制御回路４３６は、モータを振動させるのではなくモータ９０に対してエネルギをパルス化して送るようにマイクロ制御装置３０２に信号を送る。モータ９０のこのパルス信号送信は、すなわち極性を反転させるのではなく単に同じ極性の信号をモータに供給することは、流体３０を暖める効果がある。流体３０の温度が所要のレベルに上昇したことをサーミスタ４３０が示すまでこれは続けられる。
図１７は、走査した指から得られた画像をとり、それを以前に走査した画像の大きなデータベースと比較して、整合があるか否かを決定する識別システムに構成された本発明のスキャナを図示している。これらの識別システムは、典型的にかなり大きく、法の執行の代理人や入国管理サービスなどにより使用され、一般的にＡＦＩＳすなわち自動指紋識別システムと呼ばれている。図１７を参照すると、超音波生物測定読取装置４５０は本発明にしたがったスキャナを備え、このスキャナには、プローブ組立て部品１０、信号プロセッサ３１０、トルク制御装置３００、電源／調整装置３１２／３１４が含まれている。以前に記憶された画像、すなわち記憶指紋画像のデータベースを記憶する大容量記憶装置４５２の形態の手段が備えられている。データベース記憶手段４５２と超音波生物測定読取装置４５０中のプロセッサの出力に結合された入力を有し、読取装置４５０からの走査画像を以前に装置４５２に記憶された画像とを比較して、整合があるか否かを決定するシステムプロセッサ手段４５４も備えられている。図１７は、超音波生物測定読取装置４５０′と、大容量記憶装置４５２′と、プロセッサ４５４および４５４′を相互に接続するローカルエリアネットワーク手段４５６を持つプロセッサ４５４′との第２の組合わせも図示している。
図１８は、超音波生物測定読取装置４５０とプロセッサ４５４との間のハード配線通信リンクが、生物測定読取装置４５０の出力に接続されたＲＦ送信機／受信機４６０、プロセッサ４５４の入力に接続されたＲＦ送信機／受信機４６２、それらの間の伝送媒体４６４のような、無線通信リンクに置換されている別の構成を図示している。結果として、パトカーや他の遠隔データエントリサイトのような遠隔領域または移動領域に、超音波生物測定読取装置４５０を配置することができる。指は読取装置の上に置かれて走査され、データは処理のために無線方法でＡＦＩＳプロセッサに送られる。通信リンクは双方向であり、読取装置に何らかの適切な情報を送り返す。光、超音波などのような他の無線通信リンクを使用することもできる。
図１９および図２０は、指を走査して単一の基準指紋と比較し、その個人が自称している人であるか否かを照合する照合システムに構成された本発明のスキャナを図示している。このタイプのシステムは、高速プロセッサや大規模データベースなどを必要とするより大きなＡＦＩＳシステムが実行しなければならない広範囲な検索を必要としないことから、識別システムと比較して本質的に複雑さがかなり少ない。このようなシステムを実現する１つの方法は、スマートカードや、磁気ストライプカード、光記憶カード、半導体記憶カードなどのような他のタイプの携帯型データ記憶装置を使用することである。スマートカードは、人により持ち運ぶために標準的なクレジットカードとサイズが類似するプラスチックカードである。カードの裏に見られる従来の磁気ストライプは、オンボードマイクロプロセッサにより置換されるか、オンボードマイクロプロセッサがこれに追加される。マイクロプロセッサは、全体的なシステム構成に対して２つの選択を可能にするビルトインメモリを持っている。第１の選択は、単に生物測定データをエンコードしてスマートカードのメモリに入れることである。自分の照会済み身分証明書を持ちたい人が指を超音波読取装置の上に置くと、指が走査される。その後、その個人により提示されたスマートカードからデータが読み出され、コンピュータを使用して２つの画像を比較する。これは図１９に図示されており、ここでは、超音波生物測定読取装置４７０が本発明にしたがったシステムを備え、このシステムには、プローブ組立て部品１０、信号プロセッサ３１０、トルク制御装置３００、電源調整装置３１２、３１４が含まれている。先に言及したスマートカードの形態の記録部材４７２は、記録されている生物測定画像を含む、すなわち記憶指紋画像を記憶する記憶手段を持っている。プロセッサ手段４７４は、超音波生物測定読取装置からの出力信号を受け取る第１の入力と、走査画像と記録画像との間に整合があるか否かを決定するために記録画像を表す信号を受け取る第２の入力とを持っている。したがって図１９の構成では、記録部材４７２とプロセッサ４７４は物理的に離れている。
第２の選択は第１の選択と同様であるが、主な相違は２つの画像を比較するのに使用されるコンピュータがスマートカードのプロセッサにより置換されることである。したがって、スマートカードは指の生物測定データを含むだけでなく、そのデータを指の走査データと比較することもできる。これは図２０に示されており、ここでは、スマートカードすなわち記録部材４８０が、記録生物測定画像を含む記憶手段とプロセッサ手段４８２とを持ち、プロセッサ手段４８２は、超音波生物測定読取装置４７０′からの出力信号を受け取る１つの入力と、走査画像と記録画像との間に整合があるか否かを決定するために記憶画像を表す信号を受け取る第２の入力とを持っている。したがって図２０の構成では、記録部材４８０とプロセッサ４８２とは物理的に一体化されている。
図２１は、図１９の構成におけるプロセッサ４７４と超音波生物測定読取装置４７０と記録部材４７２との間のハード配線通信リンクが、無線通信リンクに置換されている別の構成を図示している。無線通信リンクは、生物測定読取装置４７０と記録部材４７２の出力に接続されたＲＦ送信機／受信機４９０、プロセッサ４７４に接続されたＲＦ送信機／受信機４９２、それらの間の伝送媒体を備えている。ＲＦ通信リンクは双方向であり、整合結果を読取装置サブシステムに送り返すことを可能にする。光、超音波などのような他の無線通信リンクを使用することもできる。
したがって、本発明がその意図する目的を達成することは明らかである。本発明の実地形態を詳細に説明したが、これは図示のためのものであり、制限ではない。
【図１】
0003675830.tif 000002
【図２】
0003675830.tif 000003
【図３】
0003675830.tif 000004
【図４】
0003675830.tif 000005
【図５】
0003675830.tif 000006
【図６】
0003675830.tif 000007
【図７】
0003675830.tif 000008
【図８】
0003675830.tif 000009
【図９】
0003675830.tif 000010
【図１０】
0003675830.tif 000011
【図１１Ａ】
0003675830.tif 000012
0003675830.tif 000013
0003675830.tif 000014
【図１１Ｂ】
0003675830.tif 000015
【図１２】
0003675830.tif 000016
【図１３】
0003675830.tif 000017
【図１４Ａ】
0003675830.tif 000018
【図１４Ｂ】
0003675830.tif 000019
【図１５】
0003675830.tif 000020
【図１６】
0003675830.tif 000021
【図１７】
0003675830.tif 000022
【図１８】
0003675830.tif 000023
【図１９】
0003675830.tif 000024
【図２０】
0003675830.tif 000025
【図２１】
0003675830.tif 000026