(57)【要約】  空間を表わす情報を生成するため、同一アレイまたは合成送波開口処理（７２）が１つの次元で実施され、ビーム化（６８）がもう１つの次元で実施される。例えば、送波開口は、方位角において集束するが、仰角においては集束しないかまたは発散する。多次元アレイ（１２）は反射エコーを受波する。エコーは、サブアレイによって方位角において集束するようにビーム化される。結果として生じる、部分的にビーム化された情報は、少なくとも仰角におけるビーム化（７２）を仕上げるため、プローブハウジング（１０）から映像システムに供給される。【選択図】図７
2009535097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元映像化のための超音波情報を生成する方法であって、
二次元受波開口に関して方位角にてビーム化するステップ（６８）と、
仰角にて送波開口を合成するステップ（７２）が含まれている、
方法。
【請求項２】
ビーム化ステップ（６８）及び合成ステップ（７２）に、単一送波によって方位角で仰角平面を表わすデータセットを収集するステップ（６０）が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ビーム化ステップ（６８）に、ほぼ完全にサンプリングされる容量性膜超音波変換器（１２）の二次元アレイによってビーム化するステップ（６８）が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ビーム化ステップ（６８）に、方位角に間隔をあけて配置されたサブアレイにおける部分ビーム化ステップ（６８）が含まれることと、部分ビーム化ステップ（６８）が変換器（１２）プローブ内で行われることと、合成ステップ（７２）に、前記変換器（１２）プローブから独立した映像システム内で仰角において合成するステップ（７２）が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ビーム化ステップ（６８）及び合成ステップ（７２）に、
第１の次元に沿ってほとんど集束しない音響エネルギと第２の次元に沿って集束する音響エネルギを繰返し送波するステップ（６０）と、
前記送波（６０）に応答して、ほぼ完全にサンプリングされるマイクロ電気機械素子の二次元アレイによって繰返し受波するステップ（６２）とが含まれることを特徴とする、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
さらに、
受信電気信号をシグマデルタアナログディジタル変換するステップ（６４）が含まれることと、前記ビーム化ステップ（６８）及び合成ステップ（７２）が前記変換された電気信号に対して施されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
さらに、
ハーフパイプ送波開口から送波するステップ（６０）と、
分割受波開口においてほぼ完全にサンプリングされる素子の二次元アレイによって受波するステップ（６２）が含まれることと、前記分割が前記ハーフパイプ送波開口を横切って行われることを特徴とする、
請求項１に記載の方法。
【請求項８】
さらに、
空間送波コーディング、ビーム化ステップ（６８）に先立つ時間コーディング、動き補正、または、それらの組合せによって合成（７２）のＳ／Ｎ比を高めるステップ（６６）が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ビーム化ステップ（６８）及び合成ステップ（７２）が容量性膜超音波変換器（１２）の二次元アレイに応答して行われることと、
さらに、
前記変換器（１２）のバイアスを変化させることによって空間コーディングを行うステップが含まれることを特徴とする、
請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
医学診断超音波映像化のための超音波変換器（１２）アレイであって、
プローブハウジング（１０）と、
前記プローブハウジング（１０）上または内の容量性膜超音波変換器（１２）素子による二次元グリッドと、
前記素子に接続されて、第１の次元に沿って少なくとも部分的にビーム化する働きをする、前記プローブハウジング（１０）内にある複数の受波チャネル回路と、
前記二次元グリッドの素子から独立しており、前記第１の次元とは異なる第２の次元に沿ってほとんど集束しないビームを発生する働きをする少なくとも１つの送波素子（３０）が含まれている、
変換器アレイ。
【請求項１１】
前記受波チャネル回路が前記第２の次元において並列サンプリング結果を出力する働きをすることを特徴とする、請求項１０に記載の変換器（１２）アレイ。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの送波素子（３０）に、前記変換器（１２）素子の受波開口外にある複数の素子が含まれることを特徴とする、請求項１０に記載の変換器アレイ。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの送波素子（３０）に圧電素子が含まれることを特徴とする、請求項１０に記載の変換器アレイ。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの送波素子（３０）にハーフパイプ送波器が含まれることを特徴とする、請求項１０に記載の変換器アレイ。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの送波素子（３０）に、前記第１の次元に沿って間隔をあけた送波素子（３０）の線形アレイが含まれることと、前記二次元グリッドが前記線形アレイによって分離されることを特徴とする、請求項１０に記載の変換器アレイ。
【請求項１６】
前記受波チャネル回路にシグマデルタアナログディジタルコンバータ（１４）が含まれることを特徴とする、請求項１０に記載の変換器アレイ。
【請求項１７】
前記受波チャネル回路に空間コーディングのためにバイアス極性を変化させる働きをするバイアス源が含まれることを特徴とする、請求項１０に記載の変換器アレイ。
【請求項１８】
三次元映像化のための超音波情報を生成する方法であって、
第１の次元に沿って集束し、前記第１の次元とは異なる第２の次元に沿って集束しない音響エネルギを送波するステップ（６０）と、
サブアレイをなす素子において、前記第１の次元においてある角度をなす前記第２の次元に沿って延びる二次元平面を表わしたデータを形成する部分受波ビーム化を行うステップ（６８）と、次に、
前記第２の次元に沿ってビーム化するステップ（７２）が含まれている、
方法。
【請求項１９】
前記部分受波ビーム化ステップ（６８）に、変換器（１２）プローブ内で部分受波ビーム化を行うステップ（６８）が含まれることと、前記ビーム化ステップ（７２）に、前記変換器（１２）プローブから独立した映像システムにおいてビーム化を行うステップ（７２）が含まれることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
医学診断超音波映像化のための超音波変換器（１２）アレイであって、
プローブハウジング（１０）と、
前記プローブハウジング（１０）上または内において基板上または内にある容量性膜超音波変換器（１２）素子による多次元グリッドと、
前記基板上または内にある複数のシグマデルタアナログディジタルコンバータ（１４）と、
前記コンバータ（１４）に接続されて、少なくとも第１の次元に沿って少なくとも部分的にビーム化する働きをする、前記プローブハウジング（１０）内にある複数の受波チャネル回路が含まれている、
超音波変換器アレイ。
【請求項２１】
さらに、前記基板上または内にあって、前記素子と前記コンバータ（１４）の間に電気的に接続された複数の前置増幅器が含まれることを特徴とする、請求項２０に記載の超音波変換器。
【請求項２２】
さらに、前記素子と前記コンバータ（１４）の間に電気的に接続された複数のミクサが含まれることを特徴とする、請求項２０に記載の超音波変換器。
【請求項２３】
前記受波チャネル回路が前記基板上または内にあることを特徴とする、請求項２０に記載の超音波変換器。
【請求項２４】
前記素子が前記多次元グリッドにおいて完全にサンプリングされることを特徴とする、請求項２０に記載の超音波変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本特許文献は、２００５年１２月７日に提出された特許出願第１１／２９５，７９４号の一部継続出願であり、本特許文献は、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づいて米国仮特許出願第６０／７９５，４０７号の提出日の恩典を請求するものである。上記出願は全て本明細書において援用されている。
【０００２】
本発明は多次元変換器アレイに関するものである。多次元容量性膜超音波変換器（ＣＭＵＴ）アレイのためにビーム化手段を備えることが可能である。
【背景技術】
【０００３】
多くの臨床応用において高い空間捕捉率が要求されている。とりわけ放射線学に関する２次元アレイは、インピーダンス不整合のためにケーブルを駆動できないときはチャネル数及び要素サイズが途方もなく大きいものになる。完全にサンプリングされる２次元アレイのためのケーブルは実行不可能なほど大きなものとなる。
【０００４】
従来のアレイは、そのフレーム率がナイキスト空間サンプリング及び走査領域によって制限される。空間を走査する２次元アレイについて考察すると、ビーム数は１０，０００をしばしば超える可能性がある。典型的な空間の捕捉に数秒かかる可能性がある。一ラインの音響エコーを表わすデータセットが、送波器の放射によってもたらされる。二乗変換器の場合、ある平面を埋めつくすのにＭのビームが必要であれば、その空間を埋めつくすには少なくともＭ2のビームが必要になる。典型的なビームは幅が波長の２倍であり、典型的な変換器の長さは波長の２００倍になる可能性があり、Ｍ＝１００とする。典型的なビームは捕捉に０．２ｍｓを要する。とりわけ、心臓病の場合、並列受波ビーム化が役立つ可能性があるが、やはりデータ収集があまりにも遅い。
【０００５】
固定送波焦点が解像度問題の一因となる。心臓病の場合、焦点ゾーンが２つ以上になると十分な時間がないので、映像の大部分において映像がぼやける。コヒーレンスを改善するのにＺ焦点ゾーンが必要になる場合、全部でＭ2Ｚ2の放射で空間映像が形成されることになる。典型的な映像化深度の場合、この結果として、最大映像化速度が毎秒０．５／Ｚ2空間になる。
【０００６】
他の捕捉技法を用いることも可能である。機械的駆動によって、プローブハンドル内の一次元変換器を振動させることが可能である。空間は一次元アレイをフリーハンド走査することによって捕捉可能であり、プローブ位置推定は映像化システムにおいてまたは位置検知によって実施される。ビーム化はプローブハンドルで実施可能である。しかしながら、捕捉速度は、空間ビームサンプリングの必要及び組織内における音速によって制限される。チャネルデータ記憶のないリアルタイムビーム化が実施される場合、映像化システムではチャネル情報が得られない。得られる唯一のデータは、再構成アルゴリズムでチャネルデータを組み合わせることによって生成されるビームである。生チャネルデータの可用性は、位相収差補正、動き／流れ推定、及び、エラストグラフィ（elastography）といったさまざまな臨床シナリオにおいて重要である。
【０００７】
合成送波開口（ＳＴＡ）映像装置の場合、２回以上の放射によって空間データセットが生成される。これによって、映像化速度が毎秒１０００空間を超えることになる可能性がある。しかしながら、高度なチャネル信号処理技法を用いなければ、Ｓ／Ｎ比が損なわれる可能性がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前置きとして、下記の望ましい実施形態には、医学診断超音波情報に関する情報を生成するための方法、システム、変換器アレイ、及び、受波ビームフォーマが含まれている。空間を表わす情報を生成するため、同一アレイまたは合成送波開口処理が１つの次元で実施され、従来のビーム化がもう１つの次元で実施される。例えば、送波開口は、方位角において集束するが、仰角においては集束しないかまたは発散する。多次元アレイは反射エコーを受波する。エコーは、サブアレイによって方位角において集束するようにビーム化される。結果として生じる、部分的にビーム化された情報は、少なくとも仰角におけるビーム化を仕上げるため、プローブハウジングから映像システムに供給される。仰角におけるチャネルデータを映像システムに供給することによって、チャネルベースの処理に役立つデータが得られる。
【０００９】
第１の態様において、三次元映像化のための超音波情報を生成するための方法が提供される。データは二次元受波開口のために方位角においてビーム化される。送波開口については仰角において合成される。
【００１０】
第２の態様において、医学診断超音波映像化のために超音波変換器が提供される。プローブハウジング上またはプローブハウジング内に容量性膜超音波変換素子の二次元グリッドが設けられる。複数の受波チャネル回路がそれらの素子に接続し、第１の次元に沿って少なくとも部分的にビーム化する働きをする。受波チャネル回路はプローブハウジング内に収容されている。少なくとも１つの送波素子が二次元グリッドの素子から独立している。送波素子は、第１の次元とは異なる第２の次元に沿ってほとんど集束しないビームを発生する働きをする。
【００１１】
第３の態様において、三次元映像化のための超音波情報を生成する方法が提供される。第１の次元に沿って集束し、第１の次元とは異なる第２の次元に沿って集束しない音響エネルギが送波される。変換素子のサブアレイにおいて部分受波ビーム化が実施される。部分受波ビーム化によって、第１の次元においてある角度をなす第２の次元に沿って延びる二次元平面を表わしたデータが作成される。次に、第２の次元に沿ってビーム化が実施される。
【００１２】
第４の態様において、医学診断超音波映像化のために超音波変換器が提供される。プローブハウジング上またはプローブハウジング内に容量性膜超音波変換素子の二次元グリッドが設けられる。超音波変換素子は基板上または基板内に位置する。複数のシグマデルタアナログディジタルコンバータが基板上または基板内に設けられている。複数の受波チャネル回路がアナログディジタルコンバータに接続し、少なくとも第１の次元において少なくとも部分的にビーム化を行う働きをする。受波チャネル回路は基板上または基板内に設けられている。
【００１３】
本発明は、付属の請求項によって定義されており、この〔０００８〕以下のセクションにはそれら請求項に対する制限とみなされるべきものは何もない。さらに、本発明の態様及び利点については、望ましい実施形態に関連して後述されるが、後でこれらを組み合わせてまたは別個に請求することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
構成要素及び図は、必ずしも一定のスケールによるものではなく、それどころか本発明の原理を例示するに当たって誇張ないし強調が加えられている。さらに、これらの図における同様の参照番号は異なる図全体を通じて対応する部分を表わしている。
【００１５】
変換器プローブハウジングにおける合成送波開口を用いた部分ビーム化機能の統合によって、より汎用性の高い三次元映像化を可能にすることができる。集束ビームが１つの次元において送波され、非集束ビームが直交する次元において送波される。シグマデルタコンバータによるような低パワーのアナログディジタル変換及び部分ビーム化の場合、受波面が各送波事象毎に形成される。変換器プローブからコンピュータまたは他の映像システムへの通信のためのケーブル数または帯域幅の要件は、部分ビーム化によって緩和される。
【００１６】
実施形態の１つでは、合成開口映像、容量性膜変換器（ｃＭＵＴ）、及び、集積電子部品の組合せが提供される。十分にサンプリングされる受波開口による合成開口映像によって、捕捉速度を高め、全ての位置に対して焦点をよりぴったりと合わすことが可能になる。完全にビーム化しなくても、十分にサンプリングされるアレイからのデータを受波することによって、位相収差補正、ベクトル流れ、及び、適応映像化といった高度な信号処理アルゴリズムを映像システムで行えるようにすることが可能になる。
【００１７】
図１には、医学診断超音波映像システムに関する超音波変換器アレイ１２が示されている。このシステムは、三次元映像のためのものであるが、二次元またはその他の超音波映像に利用することも可能である。このシステムには、プローブハウジング１０と映像化システムまたはバックエンドシステムの構成部品が含まれている。バックエンドは医学診断イメージャ、このシステム全体専用の映像システム、コンピュータ、または、ワークステーションである。実施形態の１つでは、プローブハウジング１０が超音波映像システムの接離可能な変換器コネクタに接続する。映像システムにおけるプローブハウジング１０内の電子部品、アダプタ、及び／または、ソフトウェアは、映像生成のための部分的なビーム化サンプルを利用する。他の実施形態では、バックエンドに、バス、データ入力、受波器、または、特にプローブハウジング１０からのデータ出力に基づいて動作するための他の装置が含まれている。
【００１８】
このシステムには、プローブハウジング１０、変換器アレイ１２、アナログディジタルコンバータ１４、ビームフォーマ１６、インターフェイス１８、第１のメモリ２０、ビームフォーマ２２、第２のメモリ２４、ディスプレイプロセッサ２６、及び、ディスプレイ２８が含まれている。さらなる構成部品、異なる構成部品、または、より少ない構成部品を設けることも可能である。例えば、メモリ２０及び２４は一体にすることが可能である。メモリ２０とビームフォーマ２４をプローブハウジングに収容するといった、プローブハウジング１０とバックエンドの間における他の分別を利用することも可能である。
【００１９】
プローブハウジング１０は、プラスチック、ガラス繊維、エポキシ、または、現在知られているかまたは今後開発される材料製である。プローブハウジング１０には、患者との接触を促進し、変換器アレイ１２の送波面に隣接して配置された電気的分離領域、薄い領域、異なる材料領域、または、他の部分を形成するための音響ウィンドウが含まれている。ハウジングは、ユーザによって保持されるサイズ及び形状のグリップ領域を設けるといったように、手持ち操作に適した形状になっている。例えばアレイ１２を保持するために、１つ以上のより大きい領域を設けることも可能である。他の実施形態では、プローブハウジング１０は、経食道的で（食道を通ることができる）、術中に用いられ、腔内に入るテーテルのような体内への挿入に適した形状、または、他のプローブ形状をしている。
【００２０】
プローブハウジング１０によって、変換器アレイ１２や、アナログディジタルコンバータ１４、ビームフォーマ１６、及び、インターフェイス１８といった他の電子部品が密閉される。実施形態の１つでは、電子部品は変換器アレイ１２にすぐ隣接している。例えば、電子部品の少なくともいくつかが、アレイ１２と同じ半導体またはチップ上に形成されている。もう１つの例として、アレイ１２とアナログディジタルコンバータ１４の間にフリップチップボンディングまたは他の接続が施される。カテーテルのような他の実施形態では、カテーテルハンドル内にある電子部品のように、電子部品の一部がアレイから数インチまたはフィートの間隔をあけて配置される場合もある。アレイ１２または他の電子部品は、プローブハウジング１０内に、プローブハウジング１０上に、または、プローブハウジング１０に押しつけて配置することが可能である。
【００２１】
変換器アレイ１２は、多次元変換素子アレイである。変換素子は、Ｎ×Ｍのような矩形グリッドをなすように分布している。ここで、Ｎ及びＭは２以上であり、等しいかまたは等しくない。三角形、六角形、または、他の分布グリッドを利用することも可能である。変換素子は圧電または容量性膜超音波変換器である。圧電変換素子は、単結晶、セラミックブロック、多層、薄膜変換素子、または、他の現在知られているかまたは今後開発されることになる変換素子とすることが可能である。容量性膜超音波変換器は、完全な膜、ビーム、または、移動のためのギャップに隣接した他の可動構造から形成することが可能である。機械的構造の移動につれて容量が変化し、電気信号を発生する。電位の変化によって、機械的構造の移動を生じさせることが可能である。他の現在知られているかまたは今後開発されることになるマイクロ電気機械装置を容量性膜超音波変換器に用いることも可能である。容量性膜変換器ｃＭＵＴは任意の半導体プロセスまたは別のプロセスを利用して形成される。
【００２２】
変換器アレイ１２には、送波素子３０と受波素子３２が含まれている。送波素子３０は、受波素子３２と同じ構造または異なる構造である。例えば、送波素子３０が環状素子５４で、受波素子３２は一定の間隔をあけた多次元グリッドという場合がある。別の例では、送波素子３０が圧電素子で、受波素子３２はｃＭＵＴ素子である。もう１つの例では、送波素子３０及び受波素子３２は同じ多次元グリッドの一部として形成されたｃＭＵＴ素子である。
【００２３】
送波素子３０は、発散ビームを発生する。送波素子３０の集束ずれまたはその数の制限によって、ある特定の事象のために、より大きい空間に超音波を当てることが可能になる。多次元受波開口で受波することによって、ある空間をより迅速に走査することが可能になる。実施形態の１つでは、送波素子３０によって、１つの次元（例えば方位角）に沿って集束させられ、もう１つの次元（例えば仰角）に沿って発散波形が生じるか、または、集束が不十分になる。図６の実施形態の場合、送波器によって方位角において電子的に集束させられる。仰角については、受波器の平面におけるアレイの湾曲によってきちんと集束することになる。その後、ビームは仰角において発散し、「扇形ビーム」照射パターンを生じる。それらの次元は、互いに直交するか、鋭角をなすか、または、他の関係をなす可能性がある。他の実施形態では、送波素子３０によって、方位角及び仰角において発散走査または空間走査が行われる。発散ビームを集束させて、ある特定のマルチスキャンライン空間に関して空間走査または平面波走査を行うことが可能になる。方位角と仰角の両方において集束ビームを利用することも可能である。
【００２４】
送波素子３０及び受波素子３２は、送波に用いられ、受波にも用いられる素子のような同じ素子とすることが可能である。他の実施形態では、送波素子３０は受波素子３２とはある特定の送波及び応答受波シーケンスのために別個になっている。送波開口及び受波開口は異なっている。さらにもう１つの実施形態では、送波素子３０は受波素子３２とは異なるデバイスである。例えば、図２及び３には、独立した送波素子３０及び受波素子３２を備える変換器アレイ１２の異なる実施形態が示されている。送波素子３０は、例えば２次元グリッドにおいて受波素子３２のアレイから分離しているといったように、受波素子３２の多次元アレイから分離している。同じ素子を利用した送受波動作を可能にするための妥協をせずに素子を分離することによって、高出力送波器及び高感度受波器が得られるようになる。さらに、シリコン受波器の下に圧電送波素子を設けることが可能である。送波器の性能に対するシリコン層の影響を最小限に抑えるため、バックグラインディングによってシリコンを薄くすることが可能である。
【００２５】
分離された送波素子３０及び受波素子３２及び／または送波素子によって行われる発散走査によって、同一アレイまたは合成送波開口操作が可能になる。同一アレイは送波開口及び受波開口のコンボルーションに相当する。合成送波開口のための送波素子は、アレイ１２のエッジまたは受波開口の外側に配置することが可能である。例えば、図３には、受波素子３２の多次元アレイのコーナに位置する送波器３０が示されている。４つの全方向性送波素子３０が、完全にサンプリングされる受波素子３２からなる受波アレイのコーナに配置されている。送波素子３０は半球形波を放射する。送波素子３０は、波長と比べると小さいか、または、時間遅延が放射ビームを集束ずれさせるように構成された環状フェイズドアレイ（不図示）である。仮想点音源が合成される。
【００２６】
受波素子３２は、それぞれ個別にサンプリングされ、ビーム化に利用される。代替態様では、多重化読み取りによって、１つの相互接続を利用してある特定の仰角列における方位角チャネルデータの伝達が行われる。各列の受波素子３２は、時分割多重化または周波数分割多重化によって個別に受波する。ケーブル当たりの数が少ないチャネルの多重化のため、より多数のケーブルを設けることが可能である。情報のサブアレイビーム化、サブアレイ混合、または、他の現在知られているかまたは今後開発される組合せを利用して、ケーブル数を制限することが可能である。
【００２７】
図３の変換器アレイ１２は、同じサイズの従来の映像化開口の解像度に相当する解像度を備えることが可能である。その開口と全く同じ点広がり関数を得るため、合成送波開口アレイのアポダイジング関数が、従来のアレイの送波アポダイジング関数と受波アポダイジング関数の積に等しくなるように設定される。
【００２８】
図２には、分離された送波開口と受波開口のもう１つの例が示されている。方位角次元のような１つの次元に沿って送波素子３０の線形アレイが間隔をあけて配置されている。実施形態の１つでは、送波素子３０のアレイは、その軸に沿って半分に切断されたパイプ形状の送波器を形成する。方位角及び仰角においてビームを発散させるのではなく、送波素子３０の一次元送波アレイを用いて、１つの次元（例えば仰角）においてビームの集束ずれを生じさせ、もう１つの次元（例えば方位角）においてビームを集束させることが可能である。１つの次元では集束走査を行うが、もう１つの次元では、図２において想定された集束ずれビームまたは合成送波開口を利用することが可能である。大型の湾曲した送波素子３０によってパワー密度を増すことが可能である。
【００２９】
受波開口は送波素子３０によって分割または分離される。送波素子３０の各側に受波素子３２の分離した多次元アレイが設けられる。全体が楕円形として示されているが、他の開口形状（例えば正方形または矩形）にすることも可能である。
【００３０】
送波素子３０の一次元アレイによって、１つの次元に沿って集束させられる。多次元パターンをなす受波素子３２は、独立した動作を行うことが可能である。ケーブル数を減少させるため、方位角において集束させられるが、仰角においてビーム化されない受波ビームが用いられる。送波開口は、一般に方位角において集束化が行われ及び／または向きが操作（操向）されているが、仰角において集束化されていない音響エネルギ面を形成する。受波開口の各仰角位置毎に、方位角において集束化及び／または操向を施されたビームが形成される。ある特定の送波及び受波事象に関して、超音波を当てられた平面を表わすサンプルが出力されるが、仰角におけるビーム化は行われない。
【００３１】
図４には、もう１つの変換器アレイ１２が示されている。方位角において整相を施された３つの線形送波器によって、方位角におけるある特定点にきちんと集束させられるが、同時に仰角における大きい角伝搬が維持される。この構成は仮想線音源とみなすことが可能である。エッジの送波素子３０は、２つの多次元送波アレイを形成する。ｃＭＵＴの場合、その開示が本明細書において援用されている米国特許第７，０８７，０２３号に開示のように、バイアスを利用して、発散する仰角方向における集束化及び操向を実施することが可能である。代わりに、遅延及び整相を利用することも可能である。仰角において多少集束するかまたは全く集束しない仮想線音源が生じるように、電子制御によって送波ビームが形成される。２つまたは４つ以上の送波アレイを設けることが可能である。
【００３２】
受波素子３２には、送波素子３０として利用することも可能な素子が含まれている。代替実施形態では、送波アレイが受波アレイの上方または下方に位置している。例えば、受波アレイの下方の送波アレイによって、受波アレイのエッジの線に沿って音響エネルギが集束させられる。受波アレイを越えると、送波エネルギは発散する。仰角において、これら送波開口の集束ずれが生じ、その発生源が受波開口のいずれかの端部に位置する仮想線音源が生じることになる。
【００３３】
図４の３つの送波器のうちの１つを時間遅延させて、従来の超音波スキャナにおけるビームと同様のビームを生じさせることによって、方位角ビームが生じる。十分なコヒーレンス及び被写界深度で関心のある深度範囲をカバーするように、１つ以上の方位角焦点ゾーンが選択される。仰角において、送波開口は集束ビームを形成しない。代わりに、発散する円筒波を生じる。仰角開口が、３つの放射、すなわち、上方線音源からの放射、中央線音源からの放射、及び、下方線音源からの放射から合成される。
【００３４】
送波素子３０のオプションによる中央アレイは、より優れた近接音場走査を行えるようにする可能性がある。単一アレイまたは非仮想線音源は、仮想線音源で実施されるような方位角における集束化が可能である。仰角の場合、エネルギは送波素子面から発散する。仮想線音源による走査とは別に、送波素子３０の中央アレイによって近接音場走査が行われる。複数の送波事象を利用することが可能である。あるいはまた、３つのアレイ全てを用いて、仰角開口が合成されるか、または、全ての送波アレイが合成せずに用いられる。
【００３５】
天然組織高調波映像化（ＮＴＨＩ）の場合、基本周波数の照射に応答した高調波伝搬及び／または反射が検出される。しかしながら、高調波応答は基本周波数応答よりも弱い。送波パワーを最大にするため、仮想線音源のバイアス線集束ずれを変化させて、方位角だけではなく仰角においてもビームを収束させることが可能である。こうした構成の場合、レンズ化一次元フェイズドアレイの焦点における送波強度と同様の送波強度が生じることになる。
【００３６】
送波素子３０と受波素子３２を分離することによって、走査のための電子部品の複雑性を軽減することが可能である。しかし場合によっては、解剖学的なウィンドウが小さすぎて、アレイ１２の全受波範囲を使わない変換器を用いない場合もある。図５には、より小さい領域を利用することが可能な変換器アレイ１２のもう１つの実施形態が示されている。上部及び下部線音源から受波開口と組み合わせられて放射する同一アレイを生成する代わりに（図４参照）、送波素子３０の仮想線音源が、中央位置の受波開口の内部に設けられる。この結果、仰角線音源の間隔を短縮すると、仰角解像度に多少の損失を生じる可能性がある。
【００３７】
もう１つの実施形態では、アレイ１２の全素子が送受波に用いられる。送波素子３０及び受波素子３２は同じ素子である。送波開口の複雑性を低く抑えるため、方位角においてこれらの素子にビーム化集束を実施しながら、仰角開口においてバイアス線極性集束ずれを利用することが可能である。仰角における集束ずれによって、仰角における合成送波開口の利用が可能になる。形成される仮想線音源は、仰角開口の中心に配置されるが、開口内のどこにでも配置することが可能である。代替実施形態では、統合送波器によって、各素子毎に個別に集束化及び集束ずれ遅延を生じさせることが可能である。
【００３８】
図６には、経食道プローブに用いられる図２の変換器アレイ１２の実施形態の１つが示されている。この変換器は、予備増幅及び方位角ビーム化を統合した経食道（ＴＥＥ）設計である。中心周波数は４５ＭＨｚである。送波は、方位角において従来の集束を生じる６４素子の湾曲したＰＺＴアレイ５４で実施される。ＰＺＴアレイ５４はハーフパイプ送波器である。仰角において、ＰＺＴアレイ５４は、受波ｃＭＵＴアレイ５２の表面またはその近くにきちんと集束するように湾曲している。音が受波アレイ５２の表面を越えて伝搬すると、送波ビームは仰角において集束ずれを生じる。
【００３９】
図２〜６には、受波素子３２の多次元グリッドが提示されている。受波素子３２はＮ×Ｍの矩形グリッドをなすように提示されている。ここで、Ｎ及びＭは両方とも２以上である。受波素子３２は完全にサンプリングされる受波開口を形成するが、疎サンプリングに利用することも可能である。受波開口は、２つ以上の異なる基板上に位置する受波開口のように、１つ以上の送波アレイによって分離することが可能である。
【００４０】
実施形態の１つでは、受波素子３２はｃＭＵＴ素子である。膜及び関連するギャップの形成に用いられる半導体基板には、予備増幅、Ａ／Ｄ変換、及び、ビーム化回路を含む受波チャネル回路のような電子回路を集積化することが可能である。例えばできるだけ少ないビーム化を施すことによって、２Ｄアレイから最大情報量が求められる。二次元アレイの場合、２Ｄ開口サイズ及びナイキスト空間サンプリングを所与のものとして、データ率または受波チャネル密度を低下させるため、何らかのビーム化または信号組合せを利用することが可能である。さらにまたは代わりに、必要な帯域幅及び配線密度に対処するため、集積回路テクノロジを利用することが可能である。シリコン変換器は、モノリシック構造をなす電子回路の上部に直接製作することによって集積回路密度でチップに接続することが可能である。アレイと同じ基板内の電子部品によって、少なくとも多少のデータ圧縮またはビーム化を施してから、他の電子部品へ出力することが可能になる。
【００４１】
実施形態の１つでは、例えば各素子のすぐ下といったように、同じ基板内の各素子毎に前置増幅器及びシグマデルタアナログディジタルコンバータが設けられる。信号は出力時にはディジタルである。同じチップまたは基板において、用途及び／またはシステム機能の要求するところに応じてより多くのまたはより少ないビーム化を行う任意の種類のディジタル処理を施すことが可能である。さらに、ディジタルへの変換前にアナログで復調することによって、帯域幅及びダイナミックレンジを最適化することが可能である。
【００４２】
もう１つの実施形態では、多次元グリッド内にてｃＭＵＴの完全にサンプリングされる受波空間が備えられる。このアレイは、同じ基板内にある電子部品に損傷を与えない低温プロセスを利用して製作される。ｃＭＵＴの下の電子部品には、前置増幅器、ベースバンドに対するＩ／Ｑミクサ、時間によって変わる利得を有するシグマデルタＡ／Ｄが含まれている。これらの電子部品は、ディジタル信号だけが長い距離を移動して、相互接続またはディジタル処理が行われる開口または基板側に達するように対応する素子の下に集積化される。
【００４３】
相互接続密度を保つために同じチップ上にあるディジタル処理電子部品は、光学または電子手段によるシステムへの接続を行えるように帯域幅を縮小することが可能である。このモノリシック装置（ＩＣ＋変換器）をプローブにおける唯一の能動素子とすることもできるし、あるいは、プローブハウジング内に他のチップまたは回路が設けられる場合もある。代替実施態様では、半導体基板は、例えばフリップチップボンディングによって他の半導体と接続することが可能になる。他の実施形態では、ＰＺＴタイプ素子が用いられる。回路は、やはりプローブハウジング１０上または内に接続することが可能である。
【００４４】
受波チャネル回路は受波素子３２と接続する。受波チャネル回路は、アポディゼーション、遅延、及び／または、アナログディジタル変換を適用する。実施形態の１つでは、その開示が本明細書で援用されている、米国特許第＿（未定）＿号または第＿（未定）＿号（代理人整理番号２００７Ｐ０２３６０または２００７Ｐ０２３５８）に示すプローブ内の回路が用いられる。受波チャネル回路は、各素子毎に、同じであるかまたは、異なる。例えば、受波チャネル回路には、各受波素子毎にアナログディジタルコンバータ１４、遅延素子、及び、増幅器が含まれている。もう１つの例として、受波素子３２からの信号は、アナログディジタルコンバータ１４の入力指定及び相互接続及びオンチップ線路出力増幅器の特性によって決まる利得及び帯域幅整形を適用する整合増幅器によって調整される。
【００４５】
受波チャネル回路は、例えば同じ半導体内に、同じ基板内に、または、アレイ１２とは別個にといった形でプローブハウジング１０内に収容されている。例えば、アナログディジタルコンバータ１４及び／またはビームフォーマ１６は、アレイ１２の受波素子３２に用いられる基板に隣接するか、または、その基板内にある１つ以上の半導体チップ内に形成される。
【００４６】
アナログディジタルコンバータ１４は、ナイキストレート以上でサンプリングするマルチビットコンバータである。実施形態の１つでは、シグマデルタコンバータのようなオーバサンプリングコンバータが用いられる。例えば、その開示が本明細書で援用されている、米国特許第＿（未定）＿号または第＿（未定）＿号（代理人整理番号２００７Ｐ０２３６０または２００７Ｐ０２３５８）に開示のコンバータ１４の任意の１つが用いられる。例えば多層ＰＺＴ受波素子との接続のため、各チャネル毎に単一コンバータ１４が設けられる。他の実施形態では、外部サンプルホールド回路と共に、各チャネル毎に複数のコンバータ１４を設けることが可能である。
【００４７】
受波チャネルには、シリコン変換器のためのバイアス源を含むことも可能である。バイアス源は、直流電圧源、分圧器、変圧器、または、他の現在知られているかまたは今後開発される固定バイアス源またはプログラマブルバイアス源である。バイアス源にはマルチプレクサを含むことも可能である。受波器開口の各素子毎に同じバイアスまたは異なるバイアスがかけられる。例えば、米国特許第７，０８７，０２３号に開示のように、異なるバイアスをかけて、集束させるかまたは集束ずれを生じさせることが可能である。バイアスは、合成送波開口における空間コーディングにも利用することが可能である。
【００４８】
ビームフォーマ１６には、ダウンコンバータ（例えば、同相及び直角位相復調器）、増幅器、遅延素子、位相回転子、加算器、オーバサンプリング再構成フィルタ（例えば低域フィルタ）、スパイキングフィルタ、または、それらの組合せを含むことが可能である。例えば、米国特許第＿（未定）＿号または第＿（未定）＿号（代理人整理番号２００７Ｐ０２３６０または２００７Ｐ０２３５８）に開示のビームフォーマの１つが設けられる。アナログディジタル変換の前または後にダウンコンバージョンが施される。相対的遅延に関連した単一ビットデータのウィンドウを選択することによって、オーバサンプリングされたデータが遅延させられる。遅延データは、部分的に再構成され、１０分の１除去（decimated）が施される。次に、異なるチャネルから部分的に再構成されたデータはビーム化のために合計される。ビーム化サンプルは、さらに再構成され、例えばナイキストレートになるまでの１０分の１除去が施される。
【００４９】
シグマデルタベースの変換を行うかまたは行わない他のビームフォーマを利用することも可能である。例えば、ナイキスト標本値は、アポダイズされ、相対的に遅延させられ、全てのチャネルにわたって合計される。
【００５０】
ビームフォーマ１６は、方位角におけるビーム化といったように、第１の次元に沿って少なくとも部分的にビーム化を行う働きをする。仰角のような他の次元において、ビームフォーマ１６は並列サンプリング結果を出力する。代替実施形態では、部分ビーム化（例えばサブアレイビーム化）が複数次元に沿って行われるかまたは実施されない。
【００５１】
インターフェイス１８は、映像システムへの伝送に備えてビームフォーマ１６によって出力されるデータをフォーマットする。多くの素子からのデータが多重化されて、イメージャに直列光接続される。周波数分割多重化、時分割多重化を利用することもできるし、あるいは、多重化を利用しないことも可能である。無線または有線送波を利用することが可能である。
【００５２】
プローブハウジング１０内には、パルサ、波形発生器、スイッチ、遅延素子、位相回転子、増幅器、及び／または、他の装置のような送波回路が収容されている。映像システムからの制御信号によって送波回路の動作が制御される。代替実施形態では、送波波形がプローブハウジング外で発生する。
【００５３】
データは、無線でまたは１つ以上の電線（例えば同軸ケーブルまたはバス）によってプローブハウジング１０から出力される。データはメモリ２０に記憶される。メモリ２０は、デュアルポートＲＡＭまたは他のメモリである。データは、方位角チャネル、仰角チャネル、及び、サンプル数の三次元に対応する。
【００５４】
ディジタル信号プロセッサのアレイ、ビームフォーマ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または、汎用プロセッサのようなプロセッサ２２によってビーム化機能が全て実行される。例えば、仰角次元における合成送波開口処理を利用するビーム化が実施される。方位角次元におけるもう１つのビーム化を行うことも可能である。ビーム化は専用ビーム化ハードウェア及び／またはソフトウェアによって行われる。ソフトウェア制御下のビーム化では、カスタムビーム化ＡＳＩＣを必要としない場合もあり、コストが高く、時間のかかるＡＳＩＣ再設計を行わずに、新しいアルゴリズムをより容易に導入することが可能である。こうしたアルゴリズムは、ビーム空間またはチャネル空間のいずれかで機能し、単純なビーム化及び流れ映像化に対してあらゆる範囲にわたって高付加価値をもたらすことが可能である。収差補正、動き補正、歪み映像、及び、ベクトル流れに関する相関機能、超解像のためのビーム毎のフィルタリング、または、適応型アーティファクト除去を施すことが可能である。
【００５５】
プロセッサ２２から出力されるデータは、キャッシュ、システムメモリ、ハードドライブ、光媒体、グラフィックスメモリ、または、他のメモリといったメモリ２４に記憶される。データは、方位角ビーム、仰角ビーム、及び、サンプル数の軸を備えたデータアレイのようなビームに相当する。代替案として、出力されるビーム化データはデカルト座標フォーマットとすることも可能である。
【００５６】
ディスプレイプロセッサ２６は、グラフィック処理装置、汎用プロセッサ、ディジタル信号プロセッサ、または、他のレンダリングプロセッサである。プロセッサ２６は、データをデカルト座標系に変換することもできるし、あるいは、極座標フォーマットデータからレンダリングすることも可能である。三次元レンダリングは、例えば表面レンダリングまたは投影（例えば最大強度投影）によって実施される。二次元映像化または任意の角度の断面映像化といった他のタイプの映像化を実施することも可能である。セグメント化、スペックル低減、または、他のフィルタリングといった他のプロセスを実施することも可能である。
【００５７】
もう一度図６を参照すると、仰角における合成送波開口及び方位角に関するプローブハウジング１０におけるビーム化に用いられる変換器アレイ１２の実施形態の１つが示されている。送波アレイ５２及び受波アレイ５４は４．５ＭＨｚの中心周波数で動作可能である。受波アレイ５４の開口直径は約９．６ｍｍである。素子幅は０．６波長である。最大映像化深度は１６０ｍｍである。
【００５８】
プローブハウジングと映像システムとの間におけるケーブル数は、受波多重化によって決まる。６４のケーブルによってシステムが湾曲ハーフパイプに接続される。送波器は、戻り音波の空間サンプリングにおけるギャップを避けるため受波に利用することも可能である。送波アレイは、方位角において間隔をあけた６４の素子からなるハーフパイプである。これらの素子は、アレイの先端または面に線音源を生成するため図示のように形成されている（例えば四半円）。４８×４８の受波アレイの場合、２，３０４の受波素子が設けられる。コーナのようなエッジにおける素子は、例えば１，６６６まで受波素子を減少させるといった受波素子数の減少のために、放棄するかまたは利用しないことが可能である。
【００５９】
本明細書に記載のビーム化を利用して、６４の送波事象を生じさせ、各送波事象毎に単一方位角ビームを受波する空間の走査が行われる（すなわち、その送波によって、その平面内でビームを受波するある方位角の前記平面がカバーされる）。すなわち、変換器によって、従来のプローブがビームの捕捉に要するタイムスライスが得られる。例えば２つ以上（例えば４）の方位角平面または角度について受波するといったように、各送波事象に応答して２つ以上の方位角ビームを受波することが可能である。例えば、受波チャネルは、各送波毎に方位角に間隔をあけた４つのビームを形成して、走査時間を短縮することが可能である。１，６６６の受波素子が、各部分開口内における方位角ビーム化のために部分開口にグループ分けされる。各部分開口には、例えば図２の水平方向に配向が施された一列をなす素子ような、全開口の一部が含まれる。他の部分開口方式も可能である。部分開口ビーム化はプローブハウジング内で行われる。各部分開口の部分ビーム化の結果として、チャネルデータが仰角に出力される。方位角のビーム化は、帯域幅を縮小するためアレイ１２で行われる。仰角ビーム化は映像システムで行われる。解像度は仰角における深度とは無関係である。
【００６０】
Ｂモード映像化の場合、毎秒２９２の空間を走査することが可能である。送波開口の１／２にわたる８回の放射（推定毎のパルス繰返し）でカラーまたは流れ映像化する場合、その空間を毎秒７３回走査することが可能である。こうした走査速度によって、ほぼリアルタイムで心臓病に関する三次元映像化を行えるようにすることが可能なる。
【００６１】
部分的ビーム化データではなくチャネルデータを出力することが可能である。例えば、方位角ビーム化に先立つ方位角チャネルデータも出力される。二次元収差補正には方位角チャネルデータを利用することが可能である。プローブハウジング内で仰角ビーム化を行うことができないので、収差補正のために仰角チャネルデータを利用できる可能性もある。
【００６２】
図６の実施形態には、オプションの冷却パイプ５０、５６も示されている。ガス、液体、または、他の物質によって電子部品及び変換器アレイ１２が冷却される。受波器アレイ５４のウェッジ形状の基板は、線音源として送波エネルギを集束させるのに役立ち、コンバータ１４及びビームフォーマ１６を含んでおり、受波アレイ５４を備えている。これらの構造は、規定要件を満たす動作を行えるように冷却することが可能である。
【００６３】
上述の図６には、特定の実施形態が提示されている。他の実施形態は同じ特性を備えることも、あるいは、異なる特性を備えることも可能である。
【００６４】
実施形態の１つでは、映像化にほぼ完全にサンプリングされる容量性膜超音波変換器の二次元アレイが用いられる。二次元受波開口に関してビーム化は方位角で実施される。仰角において送波開口が合成される。送波開口の合成は、ある領域において受波される送波のための点音源または線音源のような疎送波開口の利用に対応する。Ｒ．Ｔ．Ｈｏｃｔｏｒ及びＳ．Ａ．Ｋａｓｓａｍ、「Ｔｈｅ  ｕｎｉｆｙｉｎｇ  ｒｏｌｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｃｏａｒｒａｙ  ｉｎ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｆｏｒ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ａｎｄ  ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｉｍａｇｉｎｇ」、ＩＥＥＥ  Ｐｒｏｃ．、１９９０年、第７８巻、第４号、ｐ．７３５−７５２、Ｆ．Ａｈｍａｄ及びＳ．Ａ．Ｋａｓｓａｍ、「Ｃｏａｒｒａｙ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｗｉｄｅｂａｎｄ  ｐｕｌｓｅ−ｅｃｈｏ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ」、１９９６  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｓｐｅｅｃｈ，ａｎｄ，Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、第６巻、ｐ．３１８５−３１８８、Ｇ．Ｒ．Ｌｏｃｋｗｏｏｄ及びＦ．Ｓ．Ｆｏｓｔｅｒ、「Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ  ｓｐａｒｓｅ  ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  ａｒｒａｙｓ  ｕｓｉｎｇ  ａｎ  ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ａｐｒｏａｃｈ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ．Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、１９９４年、ｐ．１４９７−１５０１、Ｓ．Ｎｉｋｏｌｏｖ及びＪ．Ａ．Ｊｅｎｓｅｎ、「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ    ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ  ｓｐａｔｉａｌ  ｓａｍｐｌｉｎｇ  ｐａｔｔｅｒｎｓ  ｆｏｒ  ｓｐａｒｓｅ−ａｒｒａｙ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  ｄｅｓｉｇｎ」、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ、２０００年、第３７巻、第１０号、ｐ．６６７−６７１、ＥＰ１３００６９０／ＷＯ００６８９３１、または、ＥＰ１１９４９２０／ＷＯ００６８９３１によって開示されたような任意の送波開口合成を利用することが可能である。仰角または他の次元に他の送波開口合成を利用することも可能である。
【００６５】
実施形態の１つでは、送波放射によって単一方位角で２Ｄデータセット（仰角面）が収集される。ＭＺビームによって焦点ゾーンＺを備えた空間が生成され、映像化速度は毎秒約５０／Ｚ空間になる。高速空間捕捉は心臓病診断または他の医用映像化用途に役立つ可能性がある。１つの次元に沿って合成送波開口映像化を利用すると、捕捉される空間全体に焦点を合わせ、変換器の開口及び帯域幅を所与のものとしてその組織から抽出可能な全ての情報を作成することが可能になり、さまざまな高度信号処理方法を可能にすることができる。
【００６６】
図７には、三次元映像化のために超音波情報を生成するための方法が示されている。この方法は、図１のシステムまたは異なるシステムを利用して実施される。この方法では、図２〜６の変換器アレイ１２または異なる変換器アレイが利用される。異なる、より少ない、または、追加のステップを行うことが可能である。変換器プローブハウジングで実施される１つ以上のステップ（例えば６０〜７０）をバックエンドシステムで実施することが可能である。それらのステップは図示の順序でまたは異なる順序で実施される。
【００６７】
ステップ６０では、音響エネルギが送波される。音響エネルギは、合成送波開口処理のため少なくとも１つの次元においてほとんど集束しない。「ほとんど集束しない」は、映像化される最も浅い深度からの発散ビーム、平面波、または、多くの（例えば１０以上の）走査線をカバーするビーム形状ということである。音響エネルギは、１つ以上の（例えば４つまでの）方位角において間隔をあけた走査線または面に沿って方位角において集束させるといったように、他の次元において集束させることも可能である。焦点は映像化される領域内にある。実施形態の１つでは、異なる次元は直交する（例えば方位角と仰角）か、互いに鋭角をなすといったように交差して直行しない。
【００６８】
送波は、少なくとも１つの素子に加えられる電気波形に応答して発生する。異なる波形または同じ波形を複数の素子に加えることが可能である。所望の集束または不十分な集束を実現するため、波形に相対的時間調整及びアポディゼーションを施すことが可能である。代わりにまたはさらに、レンズを備えるかまたは備えない送波開口の素子のサイズまたは数によって、所望の集束または不十分な集束が実現される。
【００６９】
実施形態の１つでは、ハーフパイプ送波開口によって１つの次元に沿った発散ビーム形状が生じる。もう１つの次元に沿った素子アレイによって集束が可能になる。他の実施形態では、一般に個々の送波素子または小アレイをなす送波素子によって映像化すべき空間が照射される。照射波は、鮮鋭なビームをなすように集束させるか、集束ずれビームをなすように集束させるか、任意の方向の平面内に集束させるか、あるいは、集束させないことが可能である。
【００７０】
送波は全空間に対して１回で実施される。他の実施形態では、送波は全空間に対して複数回にわたって実施される。送波は、方位角次元に沿ってスタックされた複数の面のそれぞれについて１回以上送波するといったように、空間内の複数の部分領域のそれぞれについて１回以上反復することが可能である。
【００７１】
ステップ６２において、送波に応答して音響エコーが受波される。エコーは送波ビームを受けた領域から戻る。送波ビームは少なくとも１つの次元において集束しないので、その領域は少なくとも平面領域であるが、空間である可能性がある。受波は各送波毎に実施されるので、同じかまたは異なる空間または部分領域について反復される可能性がある。
【００７２】
受波は多次元変換器アレイで実施される。実施形態の１つでは、このアレイは、ｃＭＵＴアレイまたは電気的相互作用のある他の小構造またはナノスケール構造といったマイクロ電気機械素子からなる。このアレイは、例えば受波開口が送波線形アレイによってそれぞれが完全にサンプリングされる２つの半開口に分割されるといった形で、ほぼ完全にサンプリングされる。アレイをなす素子は、受波音響エネルギから電気信号への変換を行う。
【００７３】
ステップ６４において、受波素子からの電気信号がディジタル信号に変換される。実施形態の１つでは、シグマデルタ変換が実施されるが、他の変換を行うことも可能である。シグマデルタ変換によって単一ビットサンプルが出力されるが、マルチビットサンプルを送り出すことも可能である。実施形態の１つでは、各素子毎に１つの変換だけしか実施されないが、各受波素子毎に複数または並列変換を実施して、ダイナミックレンジを拡大することも可能である。
【００７４】
変換は増幅前または後に行われる。増幅によってノイズレベルを超える可能性がより高い受波信号が生じることになる。増幅及び／または変換には、深度利得補償のための時間によって変わるレベルを含むことが可能である。実施形態の１つでは、シグマデルタコンバータ内におけるフィードバックレベルが、深度利得補償の少なくとも一部を実施するための時間の関数として変化する。ディジタルまたはアナログ増幅を利用することが可能である。
【００７５】
変換及び任意のフィルタリング後に出力されるディジタル信号はビーム化され、合成される。ビーム化は部分的にすなわち全開口に満たない範囲で実施される。例えばステップ６８において、ビーム化は方位角といった１つの次元に沿って行われる。もう１つの次元については、合成開口送波が利用される。この次元に関して行われるビーム化は、第１の次元に沿ったビーム化とは別個にまたはその後で実施される。
【００７６】
ステップ６６において、合成のＳ／Ｎ比は空間送波コーディング、ビーム化に先立つ時間コーディング、動き補正、または、それらの組合せによって高めることが可能である。送波開口は受波開口より小さくてかつ受波開口から分離されているか、または、そのいずれかであるため、ノイズレベルがよりしっかりと集束する送波ビームの場合よりも高くなる可能性がある。より少ない回数の照射で（例えば、図３に示す４つの送波器のそれぞれによるたった１回だけの照射または図２及び６に示す送波器の場合の各方位角面毎に１回以上の照射で）あるデータ量を収集することが可能であるが、Ｓ／Ｎ比は送波エネルギの広がりのために低くなる可能性がある。イメージャが面積ＡTの開口を備えており、各集束ずれ送波器の面積がＡDの場合、放射パワーはＡT／ＡDだけ低下する。さらに、送波開口の集束利得に損失が生じる。これらの影響が組み合わさると、３０ｄＢの信号損失を生じる可能性がある。
【００７７】
実施形態の１つでは、Ｓ／Ｎ比が空間コード化によって高くなる。送波エネルギは、図３の４つの送波アレイからの送波のように、同時に異なる送波開口から送波することによって増大する。その開示が本明細書において援用されている米国特許第５，８５１，１８７号及び米国特許第６，０４８，３１５号に開示のように、任意の空間コード化を利用することが可能である。コーディングしなくても、図３の個別放射で４つの送波素子３０のそれぞれからのデータを合計することによって映像を形成することが可能である。空間コーディングによれば、４つの送波素子３０全てによる一斉送波を行って、おそらくＳ／Ｎ比を６ｄＢ回復することが可能になる。やはり４つの放射が利用されるが、各素子からの音響エネルギは、位相、極性、または、他のコーディング行列が異なる。受波信号の信号処理によって、異なる送波素子３０に関連した反射が分別される。デコーディングは、データと逆コーディング行列との乗算である。行列の１つは、アダマール行列である。
【００７８】
もう１つの実施形態では、時間コーディングを利用してＳ／Ｎ比が高められる。パルス圧縮（すなわち、長い時間と帯域幅との積が得られる送波コードの利用）によって、異なる送波素子３０からの信号を分別することが可能になる。チャープ、ゴレイコード、及び、バーカーコードといった各種コーディング方式を利用することが可能である。ビーム化前にチャネルデータに対して「スパイキングフィルタ」または逆のコード操作を実施することによって、より長い時間と帯域幅との積を実現して、同時にＳ／Ｎ比を高めることが可能になる。より低コストの解決法のためのビーム化または部分ビーム化の後で、この逆操作を加えることも可能である。不変性の欠如によって、得られる時間と帯域幅の積が制限される可能性がある。
【００７９】
もう１つの実施形態では、空間コーディングに関するｃＭＵＴ変換器のバイアスを変化させることによってＳ／Ｎ比が高められる。複数放射多重化変換器（図５参照）または他のｃＭＵＴ変換器アレイを利用する場合、空間送波コーディングに類似したｃＭＵＴ固有の受波専用実施方法を利用して、Ｓ／Ｎ比を得ることが可能である。オンチップＭＵＸによって選択された特定の素子から受波する代わりに、素子群が選択される。例証のため、２×２の素子マトリックスについて考察することにする。４回の放射にわたってバイアス極性のパターンが切り換えられるので、受波データの一次結合によって各素子からの信号が再現される。例えばアダマールコーディングを利用することが可能である。ＭＵＸ専用事例の場合、データ収集に４回の放射が用いられるので、捕捉率は増大しない。４回の各放射毎に受波領域が活性になるので、Ｓ／Ｎ比の利得は６ｄＢになる。より大きい部分開口を選択することによって、より大きい処理利得を得ることが可能である。
【００８０】
もう１つの実施形態では、Ｓ／Ｎ比は動き補正によって高められる。送波器の順次放射によるデータには一貫性のある組み合わせが施され、Ｆを加えられる放射数とすると、１０  ｌｏｇ10Ｆ  ｄＢの改善が生じる。Ｆ＞４（およそ）の場合、組織の動きを予測して、一貫性が保たれる。複数放射の場合、各放射がビームバイビームスキャナにおけるように単一ビームだけに寄与するのではなく、完全空間に寄与するので、データ間の一貫性は空間全域にわたって維持されるべきである。
【００８１】
組織の動きは、絶対差の最小和を利用して最良の整合を求めるといった相関によって判定される。データセット間の相互相関といった他の動き予測技法を利用することも可能である。データは、送波事象間の動きを相殺するためにシフトしてから、組み合わせられる。横の動きはゼロラグ自己相関によって予測することが可能である。
【００８２】
組み合わせた技法を利用することが可能である。他の実施形態では、Ｓ／Ｎ比を高めるための追加プロセスが行われない。
【００８３】
ステップ６８では、受波ビーム化が行われる。実施形態の１つでは、受波ビーム化は開口全体について達成される。他の実施形態では、受波ビーム化は複数の部分開口のそれぞれの内におけるビーム化のように部分的である。部分ビーム化のもう１つの例は、多次元アレイにおいて受波するための１つの次元に沿ったビーム化である。相対的遅延及びアポディゼーションが、方位角のような１つの次元に沿って施されるか、あるいは、矩形または六角形といった他のある形状の部分開口が構成される。相対的遅延及びアポディゼーションを施された受波信号が合計される。その次元に沿ったビーム化によって、その次元に沿った受波ビームの集束及び／または操向が行われる。他の次元では、ビーム化が行われないかまたは異なるビーム化が行われる。一例を挙げると、仰角において間隔をあけた各ビーム化出力は、その操向角で第２の次元（例えば方位角）に沿って延びる二次元平面に関するサンプルに対応する。
【００８４】
実施形態の１つでは、部分受波ビーム化が間隔をあけた素子のサブアレイによって方位角で実施される。各サブアレイは、集束方向（例えば方位角）に延びる一列をなす素子に対応する。１つ以上のサブアレイに、２列以上の素子を含むことが可能である。サブアレイは、それぞれ受波開口の全方位角範囲に沿って延びている。代替実施形態では、複数のサブアレイが方位角に間隔をあけて配置される。
【００８５】
部分受波ビーム化は、変換器プローブ内の回路によって実施される。ビーム化はアナログまたはディジタルである。ディジタルビーム化のため、電気信号が、シグマデルタ、オーバサンプリング、または、マルチビットコンバータによって変換される。
【００８６】
ステップ７０において、ビーム化信号は、プローブハウジングから映像システム、コンピュータ、または、他の装置に転送される。転送は、例えば各サブアレイビームの合計の１つとして、独立したケーブルによって行われる。他の実施形態では、直列送信のため多重化されたバスで行われるか、または、無線で送信される。部分ビーム化のため、多次元受波開口から送られるデータ量は減少する。代替実施形態では、さらなるデータ減少のためにプローブハウジングにおいて他の次元におけるビーム化といったさらなる処理が実施される。
【００８７】
ステップ７２では、完全なビーム合計が求められる。サブアレイから出力されるデータに相対的遅延及びアポディゼーションが施される。結果生じるサンプルが合計される。仰角におけるサブアレイを利用し、方位角における前回の部分ビーム化を踏まえて、仰角次元に沿ったビーム化が実施される。
【００８８】
変換器プローブから独立したコンピュータのような映像システムによってビーム化が実施される。１つの次元に沿った部分ビーム化の形態をなすチャネルデータが供給されるので、ビーム化に先立ってチャネルに関連したプロセスを実施することが可能である。仰角開口は合成される。
【００８９】
多段ビーム化はディジタルである。ある空間の三次元映像化のためにディジタル再構成がリアルタイムで行われる。ビーム化データがレンダリングされる。例えば、均等な空間のグリッドに補間または変換される。データは投影または表面レンダリングによってレンダリングされる。代わりに、二次元映像化を行うことも可能である。
【００９０】
本発明の説明はさまざまな実施形態を参照して行われたが、云うまでもなく、本発明の範囲から逸脱することなく多様な変更及び修正を加えることが可能である。本明細書で用いられる限りにおいて、「に接続された」には直接または関節接続が含まれる。１つ以上のハードウェアまたはソフトウェアコンポーネントが２つの接続されたコンポーネント間に存在する可能性がある。
【００９１】
従って、以上の詳細な説明は制限ではなく例証とみなされることを意図したものであり、もちろん、本発明の精神及び範囲を定義することを目的とするのは全ての同等物を含む付属の請求項である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】三次元映像化のための医学診断超音波システムの実施形態の１つに関するブロック図である。
【図２】三次元映像化のための情報を生成する送波及び受波開口と対応する変換器アレイをグラフィック描写した図である。
【図３】三次元映像化のための情報を生成する送波及び受波開口と対応する変換器アレイをグラフィック描写した図である。
【図４】三次元映像化のための情報を生成する送波及び受波開口と対応する変換器アレイをグラフィック描写した図である。
【図５】三次元映像化のための情報を生成する送波及び受波開口と対応する変換器アレイをグラフィック描写した図である。
【図６】実施形態の１つによる経食道的プローブをグラフィック描写した図である。
【図７】三次元映像化のための超音波情報を生成する方法の実施形態の１つに関するフローチャート図である。
【符号の説明】
【００９３】
１０  プローブハウジング
１２  超音波変換器
１４  シグマデルタアナログディジタルコンバータ
１６  ビームフォーマ
１８  インターフェイス
２０  第１のメモリ
２２  ビームフォーマ
２４  第２のメモリ
２６  ディスプレイプロセッサ
２８  ディスプレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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