(57)【要約】音響的に生成されたイメージは、選ばれた音響的なコンポーネントのみを含んでいる。オリジナル音響信号が、対象物と相互に作用すると、回折コンポーネントと、非回折コンポーネントを含む音響信号が得られる。本発明の音響イメージは、回折コンポーネントのみから、あるいは、非回折コンポーネントのみから生成される。別の好ましい実施態様においては、音響的に生成されたイメージは、音響信号の回折コンポーネントからの選ばれた周波数コンポーネントを含んでいてもよい。
2005506564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像化すべき対象物の音響的に生成されたイメージであって、画像化すべき前記対象物からのオリジナル音響信号の回折によって得られた音響信号コンポーネントのみを用いて、選択的に生成され、あるいは、前記対象物を透過したオリジナル音響信号によって得られた音響信号コンポーネントのみを用いて、選択的に生成されたことを特徴とする音響的に生成されたイメージ。
【請求項２】
前記オリジナル音響信号が、超音波音響信号であることを特徴とする請求項１に記載のイメージ。
【請求項３】
音響的に生成された前記イメージが、ホログラフィー・イメージであることを特徴とする請求項１に記載のイメージ。
【請求項４】
前記ホログラフィー・イメージが、光と音響的な干渉パターンとの相互作用によって生成されたことを特徴とする請求項３に記載のイメージ。
【請求項５】
前記光が、前記音響的な干渉パターンと相互に作用するレーザビームであることを特徴とする請求項４に記載のイメージ。
【請求項６】
前記音響的な干渉パターンが、空気と水との界面に生成され、前記光が、前記空気と水との界面に向けて、指向されることを特徴とする請求項４に記載のイメージ。
【請求項７】
前記イメージが、選ばれた空間周波数コンポーネントのみを含む回折によって得られた前記音響信号コンポーネントのみを用いて、選択的に生成されたことを特徴とする請求項１に記載のイメージ。
【請求項８】
画像化すべき対象物の音響的に生成されたイメージであって、オリジナル音響信号が、前記対象物に向けて、指向され、前記対象物と相互に作用して、回折コンポーネントおよび非回折コンポーネントを含む物体音響信号ｇ生成され、音響的に生成された前記イメージが、前記回折コンポーネントのみを用いて、選択的に生成され、あるいは、前記非回折コンポーネントのみを用いて、選択的に生成されたことを特徴とする音響的に生成されたイメージ。
【請求項９】
前記オリジナル音響信号が、超音波音響信号であることを特徴とする請求項８に記載のイメージ。
【請求項１０】
音響的に生成された前記イメージが、ホログラフィー・イメージであることを特徴とする請求項８に記載のイメージ。
【請求項１１】
前記イメージが、前記回折コンポーネントのみを用いて、選択的に生成され、前記回折コンポーネントの選ばれた空間周波数コンポーネントのみを含んでいることを特徴とする請求項８に記載のイメージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響的に生成されたイメージに関するものであり、さらに詳細には、選ばれた信号コンポーネントによって形成され、音響的に生成されたイメージに関するものである。
【０００２】
本発明は、軟組織マトリックス内の腫瘍組織など、繊細な構造を有するイメージを強調する方法および装置を提供するものである。より詳細には、本発明にかかる方法および装置は、画像化される対象物を透過するが、対象物によって散乱されない音波エネルギーによって、イメージが影響されることを防止するように、可変的に置かれた音波不透過性微小エレメントを有する透過型超音波ホログラフィ画像化システムを提供するものである。本発明は、また、散乱されなかった超音波エネルギー（すなわち、音）を通過させ、その一方で、対象物を透過するが、対象物によって散乱されない超音波エネルギーによって、イメージが影響されることを防止する開口部を有する音波不透過性二次元エレメントを備えた透過型超音波ホログラフィ画像化システムのための方法および装置を提供するものである。さらに、本発明は、画像化される対象物内の選ばれたボリューム部から、選ばれた前方散乱角度で散乱された超音波エネルギーを除き、対象物を透過したすべての超音波エネルギーあるいはほとんどすべての超音波エネルギーをブロックするように、可変的に置かれる音響的二次元エレメントを提供する別の方法および装置を提供するものである。散乱角の種類は、画像化される対象物の特性と関連性を有していることが理解される。したがって、本発明においては、選ばれたコンポーネントを有するイメージは、対象物内の内部構造を透過し、あるいは、対象物内の内部構造から前方散乱（回折）された超音波の選ばれた部分のみを有するイメージをいう。本発明にかかる方法および装置によれば、大きな散乱角、中くらいの前方散乱角、または、小さな前方散乱角もしくはゼロの前方散乱角で、散乱した超音波のみによって、画像化をすることが可能になる。対象物（たとえば、人間の胸の病巣）の異なった特性によって、種々の角度で、超音波エネルギーが前方拡散するから、選ばれた角度でのみ、散乱された超音波による画像化を可能にすることによって、対象物内の繊細な構造のより詳細な情報を決定することが可能になる。
【０００３】
本発明にかかる方法および装置によれば、さらに、これらの２つの異なるイメージに対する影響を用いて、別個に、あるいは、ともに分析することによって、繊細な構造の診断を向上させることができる。この本発明にかかる方法を利用する場合には、たとえば、繊細な対象物からの音波散乱のみによって画像化する手段を設けることにより、対象物と干渉する超音波のみを、ホログラフィー・ディテクターに伝達し、ディテクターによって、再現することができるので、改良された繊細な対象物の可視イメージを得ることが可能になる。より詳細には、本発明は、透過された音波の特定の部分のみを、別個に用いて、対象物の別々のイメージを生成し、かかるイメージを組み合わせて、対象物内の繊細な構造のより詳細な情報を提供する方法を提供するものである。
【発明の背景】
【０００４】
ホログラフィーは、物体波あるいは物体波エネルギーと参照波あるいは参照波エネルギーを、組み合わせ、あるいは、干渉させて、ホログラムと呼ばれる干渉パターンを生成するものである。ホログラムを形成し、ホログラフィーを実施する場合には、物体波あるいは物体波エネルギーおよび参照波あるいは参照波エネルギーの初期発生源（イニシャル・ソース）が、互いに、コヒーレントであることが、基本的に要求される。すなわち、物体波および参照波のすべての部分が、同じ周波数を有し、確定した方位（２つの発生源からの伝播方向の間の空間位置および角度が固定されていること）を有している。ホログラフィーを実施するにあたっては、関心物体内の内部構造との干渉によって、物体波が修正される。この物体波は、光路内にある対象物のすべてのポイントと干渉するため、対象物の三次元的な特徴が、物体波に、識別位相と振幅変化を与える。参照波は、かき乱されていない（純然たる）コヒーレント波であるので、物体波と干渉することによって、対象物の散乱ポイントの３−Ｄ位置および特徴（超音波吸収、回折、反射および屈折）を特定する干渉パターンが生成される。
【０００５】
次いで、コヒーレント観察ソース（通常は、レーザからの光）がホログラムを透過し、あるいは、ホログラムによって反射されたときに、第二のプロセス（ホログラムの再現）が実行される。ホログラムパターンは、このコヒーレント観察ソースあるいはコヒーレント再現ソースからの光を、超音波物体波から見られるように、忠実に、対象物の３Ｄ特性が表わされるように、回折させる。
【０００６】
繰り返すが、ホログラフィーを実施するためには、コヒーレント波ソースが必要である。現在、利用可能なこれら２つのソースは、コヒーレントエネルギーソースに限られているため、この要求によって、現実的には、光の分野（たとえば、レーザ光）や音響学の分野（実際には、超音波周波数で使用されているため、超音波と呼ばれることがある）に、ホログラフィーの実施が制限されている。したがって、ホログラフィーあるいは画像化システムは、通常、超音波周波数範囲、とくに、１ないし１０ＭＨｚの周波数範囲で、音響エネルギーを用いる透過型ホログラフィー画像化プロセスをいう。
【０００７】
超音波ホログラフィーを実施するにあたって、第一の重要なプロセスは、大面積コヒーレント超音波トランスデューサなどの超音波の生成である。第二の重要なプロセスは、物体波情報を、超音波レンズ投影システムを用いて、対象物内の特定のボリュームから、ホログラム検出面に投影することである。第三の重要なプロセスは、超音波ホログラムを、検出し、可視フォーマットあるいは実用的なフォーマットに再構成することである。
【０００８】
他の構成も利用することができるが、物体波ためのソース・トランスデューサと参照波のためのソース・トランスデューサとに共通する要求は、波面を横切る方向に、一定の振幅を有し、コヒーレント性を確立するのに十分な一定の周波数を有する大面積平面波を生成することである。このようなトランスデューサは、大面積トランスデューサのエッジに向かって、超音波出力の振幅が、ガウス分布にしたがって、減少する場合には、所望の波を生成することになる。エッジに向かっての振幅の減少は、トランスデューサからの距離の関数として、波面を横切る方向の振幅を変化させる原因になるトランスデューサのエッジの「エッジ効果」を低減させ、あるいは、取り除く。
【０００９】
透過型超音波ホログラフィーイメージプロセスにおいては、物体波トランスデューサからのパルスは、対象物中を進行し、次いで、集束レンズシステム内を進行し、適当なときに、物体波と参照波が、同時に、ディテクターに到達して、干渉パターン（すなわち、ホログラム）が生成されるように、参照波トランスデューサから、超音波のパルスが生成される。より広く適用されるようにするためには、トランスデューサは、離散周波数のスペクトルあるいはバンド幅で、動作可能であることが必要である。多重周波数は、選択された２以上の周波数でのホログラムの比較および積分を可能にし、対象物内のわずかな変化に対しても、改良されたイメージを提供する。
【００１０】
ホログラムはまた、物体波を、異なる角度で、対象物を通して、レンズシステムの中央軸に指向させることによっても、形成することができる。これは、音波の伝播路が、レンズシステムの中央軸に対して、角度をもって配置された多重トランスデューサを用いて、物体波トランスデューサを、レンズシステムの中央軸のまわりに位置決めし、あるいは、レンズシステムの中央軸のまわりで回転させることによって実現される。
【００１１】
透過型イメージシステムを用いる場合、望ましく、かつ、実現可能な「ｚ」ディメンションの解像度の量を決定することが重要である。ホログラフィープロセスは、機械的なデバイスや電気的なデバイスの制限を受けることなく、動作して、イメージを検出し、形成するが、波干渉から、イメージを再構成するものでるので、実現可能な解像度は、用いられる超音波の波長の１／２である理論的な限界に近づく。しかしながら、この状態で、ユーザーに表示される情報量は多すぎる。「ｚ」方向イメージボリュームを、１つの薄いボリュームスライスにフォーカスでき、それによって、データ量が減少されるように制限することが望ましい。したがって、ボリューム内の平面的なスライスを、検出面内に投影する手段を開発することが重要である。そのような手段の１つは、画像化システムが、対象物内の平面にフォーカスできるようにする大アパーチャー超音波レンズシステムである。さらに、このレンズシステムおよび対応する自動コンピュータ制御レンズドライブは、焦点面を調整することを可能にし、任意の焦点面において、選択された「ｚ」ディメンション位置でも拡大あるいは縮小を可能にする。
【００１２】
イメージは、ディテクターによって、検出され、再構成される。光ホログラムの記録およびレーザビームを、フィルムを通過させ、光学的な反射面上に、浮き上がらされたホログラムパターンによって反射させることによって、再構成された３Ｄイメージの記録には、標準的な写真フィルムを用いることができる。しかしながら、複合超音波の複雑な相および振幅を記録する等価な「フィルム」材料は存在しない。最も一般的なディテクターは、形成された超音波ホログラムを動的に記録する液−気表面ないし界面を用いるものである。（人間の聴覚範囲を越えた）超音波の周波数における音波エネルギーは、わずかに減衰しつつ、（水などの）液体中を進行するが、空気中に伝播することはない。このように、（たとえば、１ＭＨｚを越える）高い周波数では、音波エネルギーの波長（λ（波長）＝ｖ（速度）／ｆ（周波数）が非常に短いため、超音波は、空気中を伝播することができない。空気の密度（約０．００１１６ｇ／ｃｍ３）は、このように短い波長を捉え、伝播させるには、不十分である。その一方で、（たとえば、水などの）液体の密度は、そのような波長を捉え、伝播させるのに都合がいい媒体である。たとえば、空気中での音速は、約３４６ｍ／ｓｅｃであるが、水中での音速は約１４９７３４６ｍ／ｓｅｃである。したがって、水は、密度（１ｇ／ｃｍ３）も、波長（１ＭＨｚで、〜１．５ｍｍ）も、超音波が、わずかに減衰しつつ、伝播するのに十分に大きい。これに対して、空気は、密度（約０．００１１６ｇ／ｃｍ３）も、波長（１ＭＨｚで、０．３４６ｍｍ）も、これらの超音波周波数で、エネルギーが伝播するには、小さすぎる。
【００１３】
したがって、液体中で伝播している超音波が、液−気界面に達すると、全エネルギーが、液体中に反射される。超音波（あるいは音波）は、機械的な力として伝播するので、反射（あるいは、伝播方向の変化）によって、液−気界面に、前方力を与える結果になることは明らかである。この力はまた、液体の表面を歪める。表面が歪む量は、反射される各ポイントでの超音波の振幅および液体の表面張力に依存する。したがって、変形のパターンは、超音波の相と振幅のパターンになる。
【００１４】
このように、液−気界面は、超音波ホログラムのための（フィルムと等価な）リアルタイムレコーダに近いものとして、容易に利用することができる。液−気ディテクター上の表面変形の形状は、物体超音波と参照超音波の干渉によって形成された超音波ホログラムの相と振幅を表わしている。
【００１５】
超音波ホログラフィシステムの最大の価値は、使用可能な形で、通常は、光の形で、ホログラムを再構成し、最初の対象物の構造的性質を可視化することによって達成される。液−気界面の場合には、可視イメージの再構築は、液−気表面によって、コヒーレント光を反射させることによって実現される。これは、反射性材料（たとえば、薄いアルミニウムフィルム）の表面に浮き上がらされている光学的生成されたホログラムによって、レーザビームを反射させるプロセスと等価である。
【００１６】
反射光は、ホログラムによって、それぞれ、対象物に関するイメージ情報を含む回折次数に回折（散乱）される。これらの回折次数は、±ｎ次で表わされる。ホログラムと作用し合わなかった再構成光の一部は、ゼロ次と呼ばれ、通常、弱い回折次数が画像化されるように、ブロックさせる。回折次数が高くなるほど、反射光のゼロ次との間の分離角が大きくなる。一度、再構成されると、ビデオカメラや、後処理プロセスなどを通じて、イメージを直接見ることが可能になる。
【００１７】
一般的に実施されている超音波ホログラフィが、図１に図示されている。音の平面波１ａ（すなわち、超音波）が、大面積物体波トランスデューサ１によって生成される。かかるトランスデューサは、米国特許第５，３２９，２０２号明細書に記載されている。音波は、対象物内の構造ポイントによって、散乱（すなわち、回折）される。焦点面２内の対象物中のポイントからの散乱音波２ａは、ホログラム・ディテクター７のホログラム検出面６上にフォーカスされる。フォーカス動作は、超音波レンズシステム３によって実現され、散乱音波２ａが、ホログラム検出面６上にフォーカスされ、散乱しなかった音波は、焦点４上にフォーカスされる。米国特許第５，２３５，５５３号明細書には、図１に、レンズシステム３として示された超音波レンズに好ましく使用可能な超音波レンズが記載されている。超音波レンズシステム３はまた、画像化プロセスにおいて、イメージの拡大（すなわち、ズーム）や焦点位置の変更を可能にする。米国特許第５，２１２，５７１号明細書には、イメージを拡大し、焦点位置を変更することができ、レンズシステム３に好ましく使用可能なレンズシステムが例示されている。
【００１８】
散乱しなかった音波の焦点４は、ホログラム検出面６の前方に位置しているため、全音波のこの部分は、再び、広がって、透明イメージコントリビューション（あたかも、透明または半透明であるかのように、対象物を透過する音波の部分）を形成する。かかる応用においては、通常、超音波反射器５が、物体音波を、異なる角度で、指向させ、ホログラム検出面６に入射させるのに用いられる。ホログラム検出面６は、通常、超音波が、液−気界面によって反射される際に変形される液体を含んでいる。典型的な実施態様においては、ホログラム・ディテクター７のベースは、ホログラム検出面６より下の液体の厚さが一定値に維持されるように、地面を平行にされる。
【００１９】
参照波８と物体波が、ホログラム・ディテクター７によって、同時に反射されると、液−気界面の変形が、（１ａに２ａが結合された）物体波と、「軸外」参照波８とによって形成された超音波ホログラムの正確なパターンとなる。
【００２０】
検出面６上に形成されたこの超音波ホログラムは、次いで、光学レンズ１０を通過し、ホログラム検出面６によって反射されるコヒーレント光源９を用いて、見るために、再構成される。米国特許出願第０９／５８９，８６３号明細書には、図１に示されたホログラム・ディテクター７として好適に使用可能なホログラム・ディテクターが記載されている。
【００２１】
この反射コヒーレント光は、２つのコンポーネントを含んでいる。第一のコンポーネントは、超音波ホログラムパターンによって回折されなかった超音波ホログラムによって反射され、位置１１にフォーカスされる光で、非回折光あるいはゼロ次光と呼ばれる。第二のコンポーネントは、超音波ホログラムによって回折されず、位置１２のゼロ次から、「軸外」角度で反射された光で、空間フィルタ１３を通過したときに、「一次」イメージと呼ばれる。この再構成方法は、それぞれが超音波対象物情報を含む多重回折次数を生成することに注意が必要である。また、回折イメージには、＋次も−次もあり、これらは、個々に、あるいは、組み合わせて、超音波的に形成されたホログラムから、空間フィルタ１３を変更することによって、光学的に再構成されたイメージを見るために用いることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
対象物と干渉することなく、画像化された対象物を通過した超音波の部分は、「半透明対象物」（すなわち、対象物を通過した音波をわずかに散乱させる対象物）を生成するために大きな役割を果たす。多くの関心対象物、たとえば、人間の軟組織標準組織や、充実性腫瘍腫瘍組織は、音波に対して、かなり透明であるので、音源の大部分は、対象物を通過し、光を回折して、明るく、強い白色光コントリビューションを形成するバックグラウンド・ホログラムを形成する。対象物内の微細な変化の特性、たとえば、組織特性を検出し、決定するときは、このバックグラウンド明イメージコントリビューションは、組織変化の小さく、微細なコントリビューションの解像度に打ち勝つことができる。したがって、本技術分野においては、対象物内の微細な差異を区別することができるようにするため、すなわち、軟胸部組織周辺内部の腫瘍組織を画像化することができるようにするため、透過型超音波画像化の解像度特性を向上させることが望まれている。
【００２３】
さらに、本技術分野においては、対象物内の内部構造によって生成された回折効果を認識し、利用することによって、画質を向上させることが望まれている。このニーズは、とくに、現在、（患者にＸ線を照射して、画像化する）侵襲性マンモグラフィが利用され、あるタイプの癌性条件、たとえば、石灰化を示さない癌や、若い女性のＸ線写真の高い濃度の胸部における癌などに対して、十分な感度をまだ有していない胸部癌検診において、強い。本発明は、以下の詳細な説明および添付図面から明らかなように、この効果および他の効果を提供するものである。
【発明の要約】
【００２４】
本発明は、画像化された対象物の音響的に生成されたイメージに関するものである。典型的な音響的に生成されたイメージは、画像化すべき対象物内の内部構造によって前方散乱された透過型超音波によって得られた１または２以上のコンポーネントを用いて、生成される。
【００２５】
トランスデューサによって生成された音響信号は、対象物を通過し、対象物と干渉して、回折されたコンポーネントと回折されていないコンポーネントとを有する音響信号が生成される。本発明の音響イメージは、画像化すべき対象物から散乱され、あるいは、画像化すべき対象物を通過した音波の選ばれた部分によって、形成される。本発明の実施にあたっては、イメージが、散乱された超音波コンポーネントのみによって、あるいは、散乱されなかった超音波コンポーネントのみによって、あるいは、これらの組み合わせによって、あるいは、対象物内の内部構造から、選ばれた空間周波数と呼ばれる選ばれた角度で、前方散乱された超音波によって、生成される。本発明の一つの実施態様においては、音波信号波、超音波信号である。一つの実施態様においては、音響的に生成されたイメージは、ホログラフィイメージである。ホログラフィイメージは、光（たとえば、レーザビーム）の超音波ホログラムとの相互作用によって、見ることができる。ホログラフィイメージは、光と、音響的干渉パターンとの相互作用と通じて、生成される。音響的干渉パターンは、光が指向される液−気界面に生成される。
【００２６】
典型的な実施態様においては、音響的に生成されたイメージ情報は、対象物内の内部構造によって、選ばれた角度で、すなわち、選ばれた空間周波数で、散乱された超音波によって、生成される。
【００２７】
本発明は、音響的に生成されたイメージを含み、イメージを生成するために用いられる対象物を通過したイメージ信号のコンポーネントは、ユーザーによって選択されている。ここに例示された装置を用いて、ユーザーは、たとえば、選ばれた角度でのみ、回折されたコンポーネントあるいは回折されなかったコンポーネントのみと有する音響イメージを生成することができる。以下において、詳細に説明を加えるように、本発明の音響イメージは、対象物を通過した音響エネルギーの選ばれた部分および対象物の構造と干渉しなかった音響エネルギーの選ばれた部分からのイメージを可視化するのに有用である。これによって、対象物内の構造によって、回折され、屈折され、あるいは、対象物内の構造と干渉した音波あるいは超音波（ここでは、総称して、散乱された超音波エネルギーという。）の選ばれた部分のみから、イメージを生成することができる。このように、この創意に富んだ音響的に生成されたイメージは、音響的ホログラフィーを用いて、画像化する従来の方法に比して、微細な構造を強調することができる。一例として、人体内の病変の種々の境界や構造が、超音波エネルギーを照射したときに、異なる前方散乱角度を示すことが知られている。本発明および選ばれた角度で、前方散乱されたエネルギーのみと用いた選択的な画像化を利用することによって、信頼できるエッジ特性あるいは構造的特性の存在あるいは詳細を強調することができる。したがって、本発明は、そのような構造を検出する付加的な能力だけでなく、病変を特定し、特性化する可能性を提供することになる。かかる能力は、良性の嚢胞に対する癌性の腫瘍の診断および治療にきわめて有用である。
【００２８】
また、イメージから、非回折信号の影響を取り除くことができるという本発明の特徴によって、従来の方法では、黒いバックグラウンド上に、黒いイメージ（大きく回折した光がないため）が生成されていたのに対し、明るいイメージを生成することができる。この方法は、ホログラフィー・ディテクターが、小さな振幅（散乱されなかった音波の１０％未満）のイメージ情報のみを受け、バックグラウンド信号に対するイメージ信号振幅の比を大幅に改善することができるという付加的な利点を有している。
【００２９】
ここで説明を加える方法および装置は、散乱されなかった透過音波がブロックされるべきポイントおよび位置を追跡する。かかる装置は、２０００年６月８日に出願された米国特許出願第０９／５９０，１４８号の明細書に詳細に記載されている。コンピュータ制御された一組の駆動源によって、散乱されなかった音波が、用いられているレンズの焦点や拡大率の設定いかんにかかわらず、連続的にブロックされ、伝播されないように、このブロッキングの位置が決められる。図１０ａおよび図１０ｂは、レンズの設定およびレンズの焦点距離の関数としての音響信号ブロック位置を示す状況が図示されている。
【００３０】
図１の装置においては、物体波によって生成された超音波ホログラムは、回折信号コンポーネントと、非回折信号コンポーネントを含んでいる。図１の装置によって生成されるイメージは、対象物が存在しなければ、完全に白いイメージになる。一方、完全に音波不透過性の対象物が存在する場合には、イメージは黒になる。半透明の対象物の場合には、回折されなかった信号が含まれているため、白色度が強いバックグラウンドが生成され、対象物の内部構造の微細部分の詳細を見ることが困難になる。
【００３１】
図１のシステム構成を操作するにあたっては、平面波などの音波が、超音波トランスデューサ（すなわち、物体波ソース）によって生成され、画像化すべき対象物に向けられる。対象物内のどのポイント（すなわち、乳房組織内の腫瘍の塊などの対象物内のどの内部構造）でも、音波は、以下の特徴的な相互作用を有している。
（１）  対象物は、イメージ・ディテクターには達しない音波を反射する。
（２）  対象物は、イメージ・ディテクターには達しない音波を吸収する。
（３）  対象物は、音波を回折させ、回折した波は、イメージ・ディテクターに進む。
（４）  対象物は、音波を屈折させ、屈折した波は、イメージ・ディテクターに進む。
【００３２】
本発明の創意に富んだ音響イメージは、画像化すべき対象物の構造と、相互作用を起こした超音波エネルギーの寄与部分を分離することによって得られる。換言すると、本発明の音響的に生成されたイメージは、人体と相互作用を起こした超音波の回折されていない部分のみ、より詳細には、対象物内で、選ばれた角度で、散乱された部分のみを含んでいる。あるいは、音響的に生成されたイメージは、相互作用を起こした超音波の回折されていない部分のみを含に、それによって、対象物の吸収特性および反射特性に関する情報を提供してもよい。あるいは、本発明の音響イメージは、選ばれた角度で散乱された音波の部分のみを含んでいてもよい。これらの個々のイメージは、驚くべきことに、対象物内の微細な構造（たとえば、人間の胸部内の癌性組織）に関する新たで詳細な情報をもたらす。画像化すべき対象物の構造と、相互作用を起こした超音波のこれら種々の寄与部分は、複合超音波の部分（すなわち、回折波部分）をブロックするか、通過させる特別に設計され、選択的に置かれた（サイズの小さい、あるいは、平面状の）音波不透過性エレメントを用いることによって、分離させることができる。
【００３３】
先行技術においては、対象物と相互作用を起こした超音波の種々の寄与部分のすべてが、一つの白いバックグラウンドイメージ上に重畳され、対象物内のどの構造も、白色度が強いバックグラウンドイメージ内で、暗いアウトラインで示されていた。したがって、先行技術においては、白色度が強いバックグラウンドイメージが、対象物内の微細内部組織の詳細を暗くしていた。さらに、内部構造のエッジは、新規な方法に比べて、明確に画定されなかった。これは、乳房組織内の腫瘍性病変の正確な位置およびサイズなどのディメンションを正確に測定する上で、重要なことである。
【００３４】
図１の構成に加えて、図２に示されている音波不透過性エレメント４ａが、レンズシステム３の散乱されなかった音波の焦点４に付加されている。典型的な実施態様においては、平面状のエレメント４ａは、１ｃｍ未満の直径を有する円形の平面状エレメントであり、焦点に指向された超音波エネルギーの透過を防止するため、焦点４に配置されている。このような改良によって、病変ディメンションの画像化に有用で、標準的なイメージ強調技術を用いて、内部構造をより良く、特定することができる黒いバックグラウンドを含むイメージが生成され、重要で、驚異的な画質の向上がもたらされる。すでに指摘したように、従来の超音波デバイスでは、白く見える強いバックグラウンドが生成され、イメージの詳細を認識することが困難になる。
【００３５】
散乱されなかった音波の焦点４に位置した平面状のエレメント４ａによって、非回折音波をブロックすることによって、対象物の内部構造をの干渉（散乱）によって生じた回折音波のみが、ホログラム検出面を通過する。その結果、暗いバックグラウンドあるいは黒いバックグラウンド上に白いイメージが生成されて、より鮮明なイメージが得られ、散乱された音波の情報のみが、ゼロ（すなわち、黒い）バックグラウンド上に提供される。黒いバックグラウンド・イメージは、先行技術の白色度の強いバックグラウンド内では、失われていた対象物の内部構造のより多くの詳細で、高感度な情報を含んでいる。図２に示された装置によって生成された音響イメージは、測定ボリューム内にいかなる対象物も存在しない完全に黒いイメージであることに注意が必要である。したがって、微細な内部の詳細が、黒いバックグラウンドあるいは何もないバックグラウンド上に、画像化される。かかる画像化方法によって、対象物の微細な特性が示されるだけでなく、より高感度なエッジおよび詳細なイメージが得られる。
【００３６】
図３を参照すれば、音波不透過性の平面状のエレメント４ｂが、散乱されなかった音波の焦点４に配置されている。平面状のエレメント４ｂは、中央に位置し、フォーカスされた非散乱音波が通過するアパーチャーを含んでいる。平面状のエレメント４ｂの残りの部分は、この焦点に指向されなかった音波の通過をブロックし、回折あるいは散乱された音波をブロックするように、寸法取りされ、配置されている。図２の装置を用いて、音響的に生成されたイメージが、黒いバックグラウンド上に、白いイメージを与えるのに対し、図３の装置を用いて、音響的に生成されたイメージは、白いバックグラウンド上に、暗いイメージを備えている。したがって、白いバックグラウンドを有する音響的に生成されたイメージは、画像化されるべき対象物の吸収特性および反射特性に関する情報を含んでおり、従来のＸ線の陰影画像特性と比較することができる。図３の装置を用いて生成された音響イメージは、対象物が存在しない完全に白いイメージである。
【００３７】
この新規な方法および装置の目的は、画像化すべき対象物の減衰特性および反射特性のみを見る手段を提供することにある。医療診断において、一般的に使用されているＸ線プロセスは、対象物（たとえば、人体）によって吸収された放射線の量を記録することによって、イメージ・コントラストを生成するという点において、類似したプロセスであるため、これは、とくに重要なことである。したがって、音響的に生成されたイメージを形成する本発明の方法は、Ｘ線のコントラストと、超音波吸収のコントラストとの直接的で、有益な吸収イメージ対比を可能にする。このように比較できるということは、新規なプロセスによって得られたイメージを、乳癌検診のための標準的なマンモグラフィ・イメージと比較する場合のように、画像診断を行う上で、有用である。
【００３８】
図４ａに図示されたさらに他の代替的な実施態様においては、音響的に生成されたイメージは、選ばれた角度で、イメージ情報を前方散乱させることによって得られる。複数の開口部２ｂを有する音波不透過性の平面状のエレメント２ａが、選択的に、対象物内の特定のボリュームに対し、あらかじめ選ばれた角度で、散乱され超音波エネルギーが、対象物を通過して、ディテクターのホログラム検出面６に達することを許容するように、配置される。したがって、不透過性のエレメント２ａは、イメージ面２内の対象物の位置に基づいて、フィルタリングするため、「空間フィルタ」と呼ばれる。典型的な実施態様においては、内部エレメント２ａの複数の開口部２ｂは、平面状のエレメントの中央部に対して、対称的に配置され、対象物とレンズシステム３との間に、イメージ面２内の特定のボリューム内に位置している対象物から、選択的な角度で、散乱された超音波エネルギーのみを通過させるよに、選択的に配置される。これによって、対象物内のあらかじめ選ばれた領域の外側の構造からのイメージ寄与部分を最小化し、あるいは、取り除いて、画像化すべき対象物内の微細構造からのイメージ情報を強調することができる。
【００３９】
対象物内の構造の微細な詳細情報に加えて、図示の方法は、イメージプロセスの「ｚ」ディメンションあるいは深さの解像度を際立たせる。多重物体波トランスデューサを、それぞれに適用することによって、対象物内の与えられたボリュームに対する感度を向上させることができるということに注意すべきである。この方法は、好ましくは、図２および図４にそれぞれ示された不透過性平面状エレメント４ａおよび４ｂなどの音波不透過性エレメントによって、散乱されなかった超音波エネルギーをブロックするときに、実行され、利用される。音波不透過性空間フィルタ２ａは、対象物イメージ面２内の対象物と、レンズシステム３との間に配置してもよく、また、選ばれた前方散乱エネルギーのパスとマッチするように、不透過性平面状エレメントの複数の開口部２ｂを再配置することによって、レンズシステムと、ホログラム・ディテクターとの間に配置するようにしてもよい。
【００４０】
図４ｂに示されたさらに他の代替的な実施態様においては、デバイスは、選ばれた角度で、対象物内の選ばれた位置から、前方散乱された音波からのみ、音響イメージを生成するために用いられる。この構成を付加することによって、対象物によって散乱（回折）された音波に、角度制限が加えられる。その結果、この構成によって、対象物内の特定の関心ボリューム（たとえば、胸部内の癌性条件）のみから、画像化がなされる。この構成によって、対象物内の特定のボリュームの特定の散乱角度における詳細な検査が可能になる。換言すれば、選ばれた関心ボリュームを、特定の回折角度で、画像化することが可能になる。このことは、対象物の特性を示唆する対象物内の散乱（回折）角度で実行されるため、関心ボリュームの特定の特性を検査することを可能にする。したがって、選ばれた角度（音波が、空間フィルタを通過できるように調整された角度）で、対象物内の特定のボリュームから、散乱された超音波を許容することによって、対象物内の関心ボリューム内の構造の微細な特性を決定するための情報を得ることができる。当業者であれば、理解できるように、伝播している波は、空間フィルタエレメント２ａの開口部２ｂなどの鋭いエッジのまわりで、回折される。焦点面からの回折イメージ寄与部部分を強調するために、音波不透過性空間フィルタエレメントが用いられた場合に、音波不透過性エレメント自体によって、新たに付加的な回折が生じた場合には、意図された目的が失われる。したがって、音波不透過性エレメントを、そのエレメント自体による回折が最小化され、あるいは、回折が生じないように、改良することが重要である。図５は、伝播している音波が、図４の音波不透過性空間フィルタエレメント２ａのエッジのまわりで、回折されることを防止する手段を示している。図５に示されるように、音波不透過性エレメント２ａのエッジは、開口部２ｂのゼロで、あるいは、ゼロの近くで、減衰が開始され、トランスデューサ１によって生成された超音波エネルギーの少なくとも１０波長分にわたって、増大するように、音響的にテーパーがつけられている。このように、超音波エネルギーの減衰は、開口部２ｂからの距離が増大するにしたがって、徐々に増大するから、開口部２ｂに起因する回折を最小化し、あるいは、効果的になくすことができる。このデザインは、図２および図４にそれぞれ示された平面状のエレメント４ａおよび４ｂなどのいかなる音場内の音波不透過性エレメントのエッジにも適用することができる。
【００４１】
回折コンポーネントのみから生成された音響イメージは、図２に示された装置を用いて、生成することができる。気付くように、物体超音波は、単一の超音波トランスデューサによって、生成される。しかしながら、本技術分野においては、それぞれが、レンズシステム３の光軸から、オフセットされた複数の物体超音波トランスデューサを用いることが知られている。かかるシステムは、米国特許第５，３２９，８１７号明細書において、議論されている。図６は、回折コンポーネントのみを含む音響的に生成されたイメージを与えるように設計された装置を示すもので、物体超音波信号が、複数のオフセットトランスデューサによって、生成されるように構成されている。散乱されなかった超音波エネルギーは、ソーストランスデューサ１が、レンズシステム３の中央軸に対して、角度（θ）の方向に伝播する音波に整列されていない場合には、レンズシステム３の中央軸には存在しない。散乱されなかった超音波信号１ａ１の伝播方向が、角度θ１であるときは、音波不透過性エレメントは、レンズシステム３のセンターラインの軸外にあり、角軸外トランスデューサの焦点に対応する位置４ａ１に配置される。本発明にかかる装置の実施態様においては、ソーストランスデューサ１は、レンズシステム３の軸のまわりに回転されている。この実施態様においては、音波不透過性エレメントは、好ましくは、レンズシステム３のセンターラインのまわりで、位置４ａ１および４ａ２を取り囲む薄いストリップの形状をなしている。
【００４２】
図７は、対象物内の構造コンポーネントによって、前方散乱された超音波内に存在する空間周波数コンポーネントを図示するものである。すなわち、音波が、対象物内の構造ポイントと相互干渉するときは、前方散乱を、種々の「空間周波数」を有しているということができる。かかる呼び名は、空間周波数が高いほど、回折角度が大きくなるという回折における呼び名と整合するものである。逆に、散乱の空間周波数が低いほど、散乱の角度は小さくなる。したがって、吸収あるいは反射されるだけの音波は、ゼロ空間周波数と呼ぶことができる。
【００４３】
図８は、図７に示された選ばれたコンポーネントを用いて、画像化するために用いられる装置を図示するものである。ここに、中央に開口部を備えた超音波不透過性フィルタは、ゼロ空間周波数超音波のみを、選択的に、通過させ、画像化する（図７ｂ）。中央と周辺部が不透過性であるが、その間が開口している超音波不透過性フィルタを用いることによって、前方散乱波の低周波数コンポーネントのみを通過させ、イメージを生成することができる（図７ｃ）。小さな角度で、中央軸に伝播するすべての音波をブロックし、中央軸から、大きな角度で、伝播するすべての音波を通過させることによって、高周波数コンポーネントのみを、画像化プロセスに用いることができる（図７ｄ）。前方散乱波の選ばれたコンポーネントを用いて、選択的に、イメージを生成することができるということは、対象物内の種々の構造が、散乱周波数に対して、異なる特性を有しているため、重要なことである。したがって、本発明によれば、与えられたボリュームからの低空間周波数コンポーネントあるいは高空間周波数コンポーネントの相対的な量を決定することが可能になる。このことは、たとえば、人間の胸部内の癌性構造の区別など、ボリューム内の構造の特性付けを可能にする。
【００４４】
図９Ａないし図９Ｄは、全超音波エネルギーを用いて、生成した比較イメージ（白いバックグラウンドのイメージ）およびイメージ内に、超音波信号の散乱されたコンポーネントのみが含まれる本発明にかかる音響的に生成されたイメージを示すものである。上述のように、ディテクターあるいはイメージ面に到達しないように、通過がブロックされた散乱されていない超音波エネルギーを用いて、生成されたイメージは、暗いバックグラウンドのイメージである。とくに、図９Ａは、回折された音波と回折されなかった音波がともに、ホログラム検出面６（図１参照）に指向される従来の音響ホログラムである。図９Ｂは、回折された（すなわち、対象物面２内の対象物から散乱された）超音波信号のみを含む本発明の音響イメージである。
【００４５】
図９Ａおよび図９Ｂは、音響イメージの解像度を説明するために設計された合成ターゲットのイメージを示している。これに対して、図９Ｃおよび図９Ｄの音響イメージは、鶏の解剖組織上のコンポーネントの音響イメージである。とくに、図９Ｃは、たとえば、図１に示されるような従来技術によって生成された表面上の鶏の脂肪組織のイメージである。これに対して、図９Ｄに示される本発明の超音響イメージは、たとえば、図２あるいは図６の装置によって生成され、超音波信号の回折性コンポーネントのみを含んでいる。鶏の肉片上の小さな穴あるいは脂肪分の微細な詳細は、図９Ａおよび図９Ｃに示されるように、この技術分野で公知の（白いバックグラウンドを有する）全超音波エネルギーイメージには示されないが、図９Ｂおよび図９Ｄに示されるように、本発明の黒いバックグラウンドを有する回折音波のみのイメージでは見ることができるということに注意すべきである。これは、本発明にかかる音響イメージを用いれば、感度を改善し、より詳細な情報を得ることができるということを示している。
【００４６】
図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、音波不透過性エレメントを位置決めするためのコンピュータ制御の式が、ソースエネルギー波の最初の対象物の種々の形状の構成に対して、図示されている。図２ないし図４および図６は、平面物体波トランスデューサ１を用いた場合を示している。しかしながら、物体波は、たとえば、球状物体波トランスデューサ、円筒状物体波トランスデューサなどの他の形のトランスデューサから、生成することもできる。当業者には理解できるように、トランスデューサのプロファイルと、それによって生成された音波信号は、音波信号の部分を選択的にブロックするために用いられる音波不透過性エレメントの位置およびタイプに影響を与える。より詳細には、図１０Ａは、超音波エネルギーの平面波を生成する平面状トランスデューサとしての物体波トランスデューサ１を示している。図１０Ｂは、球状物体波トランスデューサ１を用いた場合を示し、超音波エネルギーの球状波が得られる。上述のように、また、図２に示されるように、音波不透過性エレメントを適切に位置決めするために、ポジションモータを用いることができる。本技術分野で公知のように、レンズシステム３のレンズの一方あるいは双方を動かして、イメージ面２の位置を変更し、および／または、すでに選択されたイメージ面の拡大率を変更（すなわち、ズーム）することができる。レンズシステム３のレンズの位置が変更されると、焦点４の位置もまた動く。図２に示されたポジションモータは、音波不透過性エレメント（たとえば、エレメント４ｂ）を、音波不透過性エレメントが所望の位置（たてば、焦点４）に留まるように、自動的に再配置するために用いられる。
【００４７】
図１０Ａに図示された実施態様においては、散乱されなかった超音波エネルギーの平面波は、レンズ（Ｌ１）には、無限の距離から、来たように見える。したがって、このレンズは、散乱されなかった超音波エネルギーの平面波を、レンズから、レンズｆＬ１の焦点距離に等しい距離のポイントにフォーカスさせる。適切に位置決めされたこの同じレンズ手段は、対象物内の構造からの散乱された超音波エネルギーを、たとえば、図２ないし図４、図６および図７に図示されるホログラム・ディテクター７などのディテクターの面内にフォーカスさせる。上述の図面（たとえば、図１ないし図４）には、光軸から異なる角度のホログラム・ディテクター面６が図示されている。しかしながら、レンズシステム３の種々の焦点距離を有するレンズを図示する上での便宜上、図１０Ａおよび図１０Ｂには、レンズの光軸に整列されたホログラム・ディテクター面６が図示されている。散乱されなかった超音波エネルギーが、焦点４でブロックされなかった場合（図２および図６）には、散乱されなかった超音波エネルギーは、ホログラム・ディテクターに進み、ディテクター内に、支配的であるが、感度が低い対象物の構造の白いイメージを形成する。この従来の画像化プロセスは、散乱されなかった超音波エネルギーによって生成された白色度が強いバックグラウンドから、だんだん暗くなるように見える。上で詳述したように、散乱されなかった超音波エネルギーをブロックすることによって、対象物内の微細な詳細および構造のより高感度なイメージを、黒いバックグラウンド上に生成することができる。
【００４８】
図１０Ｂは、球状の物体波トランスデューサあるいは円筒状の物体波トランスデューサを用いた場合を図示するもので、（側面図で）球状の物体音波（超音波エネルギー）が前方に生成される。この場合、散乱されなかった物体超音波エネルギーは、トランスデューサの背後のポイント（Ｐ）から来たように見え、無限遠から来たようには見えない。したがって、この散乱されなかった超音波エネルギーは、レンズ手段から、焦点距離よりも遠いが、ホログラム・ディテクター面６よりも前の位置（４ｓ）にフォーカスされる。側面図では、円筒状のトランスデューサは、球状のトランスデューと同様に応答するが、平面図では、円筒状のトランスデューサの長さは、音波不透過性エレメントの長さに等しいことに注意が必要である。したがって、本実施態様においては、音波不透過性エレメントは、円筒状のソーストランスデューサの等しい長さのロッド状をなしている。
【００４９】
イメージシステムの拡大率を変化させると、非回折波がフォーカスされるポイントもまた、変化する。拡大率（レンズ位置）の関数として、この位置を表わす式は、下記のとおりである。
平面物体波の場合：
Ａ．単一の音響レンズシステムの場合：
ブロック位置＝Ｌ−ｆＬ
Ｂ．ダブル音響レンズシステムの場合：
ブロック位置＝Ｌ２−（ｆＬ２／（１−（ｆＬ２／（Ｌ１−ｆｌ１）））
ここに、すべての測定は、ホログラム・ディテクター面でなされ、
Ｌは、単一の音響レンズの距離、
ｆＬは、単一レンズの焦点距離、
Ｌ１およびＬ２は、それぞれ、レンズ１までの距離およびレンズ２までの距離、
ｆＬ１およびｆＬ２は、それぞれ、レンズ１の焦点距離およびレンズ２の焦点距離である。
【００５０】
ブロック位置および他のすべての測定値は、ディテクター面から測定されている。
Ａ．球状の物体波あるいは円筒状の物体波の場合で、単一の音響レンズシステムの場合：
ブロック位置＝Ｌ−ｆＬ（Ｒ＋Ｏ）／（Ｒ＋Ｏ−ｆＬ）Ｂ
２つのレンズの場合：
ブロック位置＝Ｌ２−（（ｆＬ２＊Ｏ２）／（Ｏ２−ｆＬ２））
ここに、Ｏ２＝Ｌ１−Ｌ２−（（ｆＬ１（Ｄ＋Ｒ）／（Ｄ＋Ｒ−ＦＬ１））で、
Ｒは、円筒状のソーストランスデューサあるいは球状のソーストランスデューサの半径、
Ｄは、レンズのセンターラインに沿ったＬ１から、ソーストランスデューサの表面までの距離で、
すべての測定は、ディテクター面でなされ、
Ｌは、単一の音響レンズの距離、
ｆＬは、単一レンズの焦点距離、
Ｌ１およびＬ２は、それぞれ、レンズ１までの距離およびレンズ２までの距離、
ｆＬ１およびｆＬ２は、それぞれ、レンズ１の焦点距離およびレンズ２の焦点距離である。
【００５１】
ブロック位置および他のすべての測定値は、ディテクター面から測定されている。
【００５２】
装置
本発明にかかる装置は、イメージ検索および処理のために、ホログラフィーを用いる超音波画像化システムを改良するものである。装置のキーになるエレメントは、画像化すべき対象物に向けて、指向された音波を生成する超音波トランスデューサである。ある超音波トランスデューサは、米国特許第５，３２９，２０２（’２０２特許）明細書に記載されており、この特許明細書の記載は、この引用によって、本明細書に組み込まれている。手短かに言えば、’２０２特許の図４ないし図１０には、前後面の間に、平行に、大面積を有する薄い圧電多結晶のボディあるいはウエハーを有する超音波トランスデューサの実施態様が示されている。圧電ウエハーは、たとえば、ジルコン酸チタン酸鉛などの圧電特性を有する多結晶のセラミック酸化物材料によって作られ、これは、公知の圧電材料で、しばしば、ＰＺＴとして特定されている。超音波トランスデューサは、１ＭＨｚないし１０ＭＨｚの周波数あるいはこの間の周波数で、超音波放射を生成するように設計されている。圧電ウエハーは、使用される圧電材料の混合物およびタイプにしたがって、１ＭＨｚの周波数に対して、約２ｍｍの厚さを有し、３ＭＨｚの周波数に対して、約０．７ｍｍ、１０ＭＨｚの周波数に対して、約０．２ｍｍの厚さを有している。好ましくは、厚さは、１．０ｍｍと０．５ｍｍの間であり、とくに好ましくは、０．８ｍｍである。このトランスデューサは、ＰＺＴに対し、約２．５ＭＨｚの共鳴周波数を与える。
【００５３】
動作モードにおいて、超音波トランスデューサには、大きな婦人の胸部の胸壁までと同じくらいの大きさの対象物を、（平面状ニ次元ベースで）画像化するのに必要な大面積平面波を生成することが要求される。したがって、セラミック圧電トランスデューサは、典型的には、矩形状をなしており、７７ｃｍ２（７．６ｃｍ×１０．１６ｃｍ）ないし３０９ｃｍ２（１０．１６ｃｍ×２０．３２ｃｍ）の範囲のサイズの大きな表面を有している。
【００５４】
超音波トランスデューサは、振動電圧が、圧電ウエハーに加わり、所望のように、大きい平面超音波が生成されるように、圧電ウエハーの前後面に形成された前側電極被覆と後側電極被覆とを備えている。好ましくは、電極被覆は、完全に、圧電ウエハーの前後表面上を覆っており、約０．００７５ないし０．００１２８ｍｍの均一な厚さを有している。前側表面に、電圧を印加する前側電極被覆に貼られた前側電極コネクター・タブが設けられていてもよいが、かかるタブは、前側表面からの平面波の生成を干渉することを防止するため、より広い領域に貼りつけられていてもよい。
【００５５】
結晶のエッジに近づくにしたがって、圧電結晶の表面あるいは前側表面に印加される実効電圧を低減させるために、圧電結晶の後側表面と、後側電極被覆との間に、電圧緩和層あるいは電圧低減層が介在していてもよい。これによって、圧電結晶のエッジからの干渉エッジ効果超音波の生成を最小化することが可能になる。電圧低減層は、電極被覆材料（たとえば、合成エポキシ樹脂）よりも、実質的に導電性が低い材料によって形成され、圧電結晶の後側の中央領域に印加される励磁電圧を、その側部で、５０％未満（好ましくは、２５％未満）に低減させるために、後側電極と、後側エッジに隣接した後側表面との間に、電気インピーダンスを与える。電圧低減層は、好ましくは、３と１００の間の電気誘電定数と、０．１オーム・ｃｍと２．５×１０１５オーム・ｃｍの間の、電気体積抵抗率値を有している。最も好ましくは、電圧低減層は、１０と２０との間の誘電定数と、１×１０１５と５×１０１５オーム・ｃｍの電気体積抵抗率を有している。
【００５６】
超音波トランスデューサは、対象物の方向に伝播する平面状、球状あるいは円筒状の音波（すなわち、波の形の超音波エネルギー）を与える。音波は、かかる音波を伝播させる伝導性媒質内と透過して、対象物に達するということが重要である。したがって、トランスデューサから、対象物への音のパス、対象物から、音響レンズへの音のパスが生成される。かかる音のパスは、たとえば、水溶液（たとえば、エチレングリコールやグリセリンなどの水性あるいは一様なグリコールなど）、オイル溶液、対象物との音響的なコンタクトを形成するラバーピロー（rubber pillow）などの音の減衰特性が低い媒質によって形成される。好ましくは、胸部イメージの生成には、水槽が用いられる。（望ましいものではないが、）水槽中に浮かぶ傾向がある対象物の場合には、水槽内の音のパス中のより好ましい位置に位置させるために、対象物をわずかに圧縮しなければならない場合もある。
【００５７】
対象物を通過した後、超音波は、音響レンズシステム３によって、焦点にフォーカスされる。かかる音響レンズシステム３は、米国特許第５，２３５，５５３号明細書に記載されている。この特許明細書の記載は、この引用によって、本明細書に組み込まれている。手短かに言えば、レンズシステム３の個々のレンズは、それぞれ、大口径を有する立体レンズで、周囲に垂直な光軸を有し、好ましくは、ｚ軸に沿って（音波の伝播方向に）、横移動可能な支持構造上に取り付けられている。好ましくは、立体レンズは、０．５ＭＨｚないし１０ＭＨｚの超音波に対して、水の約１．２５倍ないし２．５倍の透過速度を有する均質な硬質プラスチック材料によって形成されている。硬質プラスチック材料の密度は、好ましくは、水の１ないし１．５倍である。好ましいプラスチック材料は、架橋ポリスチレンやポリメチルペンテンである。ポリスチレンは、水（１に等しい）の約１．８倍以下の超音波インピーダンスを有している。
【００５８】
レンズは、好ましくは、１と４の間の焦点距離−直径比（ｆ数）を有している。好ましくは、レンズの焦点距離「Ｌ」は、２０ｃｍと６０ｃｍの間であり、レンズの直径「Ｄ」は、１５ｃｍ超、好ましくは、２０ｃｍ超である。レンズは、４超の直径−厚さ比、好ましくは、４と１２の間の直径−厚さ比を有していることが好ましい。一方あるいは双方の表面は、
入射超音波が、焦点面にフォーカスされ、レンズの全表面にわたって、超音波が集束されるように、曲率半径の倍数によって形成される。レンズは、レンズ表面の小さな部分あるいはインクリメント（increment）が、それぞれ、球面収差が最小化されるような曲率半径を有するように形成される。
【００５９】
代替的な立体超音波レンズは、対称立体硬質（rigid）レンズエレメントであり、それぞれ、凹凸エレメントレンズとして分類される。２つのレンズエレメントは、液体レンズ材料を含む液体レンズを画定する液体キャビティを提供する。立体硬質レンズは、それぞれ、凸状の外表面と、凹状の内表面を有している。凸状の外表面と、凹状の内表面は、異なる曲率半径を有し、その結果として、各レンズエレメントの厚さは、その中心から周囲に向かうにしたがって、次第に、大きくなる。
【００６０】
音波不透過性エレメント（たとえば、図２のエレメント４ａ）は、優先的に、音を完全に吸収することができる。それが、散乱されなかった超音波エネルギーの焦点に置かれる目的であり、ほぼ、レンズ手段のｆ数の１０λ倍のサイズを有している。ここに、λは、媒質（好ましくは、水）内で用いられる超音波エネルギーの波長である。典型的な実施態様においては、音波不透過性エレメントは、トラップされたボイドあるいはエアを有する音波絶縁性材料によって作られている。たとえば、音波絶縁性材料は、コーク、多孔質ポリマー、開いたセル発泡体（cell foam）あるいは閉じたセル発泡体およびこれらの組み合わせよりなる群から選ぶことができる。
【００６１】
音波は、次いで、画像化システムに指向されるか、あるいは、たとえば、反射器５（図２参照）を用いて、画像化システムに向けて、反射される。好ましくは、画像化システムは、ホログラフィーを用いて、光学的な再生のために、画像化システムに到達した音波から、可視イメージを再構成する。レンズシステム３は、好ましくは、コントローラを用いて、対象物内の構造によって散乱された超音波エネルギーが、画像化システムにフォーカスされるように、位置決めされている。好ましくは、画像化システムは、ホログラム検出面、好ましくは、超音波ホログラムを形成する液体表面と連動するように構成された光学的ホログラム再構成システムである。レーザなどのコヒーレント光源は、集光レンズを介して、ホログラム検出面に照射されるように指向されたコヒーレント光ビームを生成する。ホログラムに照射されるコヒーレント光は、ホログラム検出面によって反射され、多数の回折次数のビームに回折されて、回折されなかった（ゼロ次の）光を、フィルタリングする空間フィルタに指向される。すべての回折次数は、イメージ情報を含み、可視化するために利用することができるが、好ましくは、一次回折ビームのみが、ビデオカメラを通過し、可視化される。ビデオ・フィード（feed）は、カメラ用の画素信号にデジタル化することができる。イメージを形成する画素のコンパイル（compilation）は、時間平均されて、イメージ中に現われる焦点外の構造を最小化ないしニュートラライズする。
【００６２】
プロセス
本発明は、対象物の内部構造の画像化を改良するプロセスを提供するもので、
（ａ）平面状、球状あるいは円筒状の音波（波の形の超音波エネルギー）を、対象物を透過させて、屈折、回折、吸収、反射によるイメージ情報を有する透過音波で、前記対象物によって散乱されなかった（未散乱）音波（波の形の超音波エネルギー）を形成し、
（ｂ）透過し、散乱されなかった前記音波を、センターラインを有する音響レンズ手段を用いて、焦点にフォーカスし、
（ｃ）音波不透過性エレメントを、選択的に、前記焦点に位置させて、前記焦点に向かう超音波エネルギーの透過を防止し、あるいは、音波不透過性エレメントを、前記対象物内の構造によって散乱された音波のみを通過させるように、選択的に位置させ、あるいは、音波不透過性エレメントを、画像化すべき前記対象物内の選ばれたボリュームから散乱された超音波エネルギーのみを通過させるように、選択的に位置させ、
（ｄ）前記音響レンズ手段の前記センターラインに直交するように整列された表面を有するホログラフィー・ディテクターを用いて、前記対象物内の前記内部構造を画像するステップを備えている。
【００６３】
好ましくは、散乱されなかった超音波エネルギーの焦点に選択的に位置決めされた音波不透過性エレメントを有する本発明のプロセスの比較優位性を明らかにするために、前記プロセスは、さらに、（ｅ）散乱されなかった前記音波のみを通過させる開口部を備えた音波不透過性エレメントを位置決めする画像化プロセスを繰り返すステップを備え、前記プロセスは、さらに、（ｆ）前記レンズ手段の焦点面内の選ばれた位置から散乱された超音波エネルギーのみを通過させる円形ストリップ開口部を備えた音波不透過性エレメントを位置決めする画像化プロセスを繰り返すステップと（ｇ）散乱された波の画像化によって見られる対象物の特性を、散乱されなかった波の画像化によって見られる対象物の特性と比較し、最後に、透過音波をブロックすることなく、生成したイメージを比較して、画像化すべき対象物の微細構造についてのきわめて詳細な情報を決定するステップを備えている。好ましくは、透過音波、散乱された音波および散乱されなかった音波は、対象物の内部構造の三次元的な特性に対応する平面状、球状あるいは円筒状ベースの空間フェイズ（spatial phase）の振幅情報を担持している。好ましくは、トランスデューサによって生成された波は、伝達方向に直交する面において、平面状、円筒状あるいは球状の音波である。より好ましくは、音響レンズシステム（たとえば、レンズシステム３）は、音波を、焦点にフォーカスさせ、対象物内で生成されたすべての回折波を、ホログラム検出面にフォーカスさせる。好ましくは、透過音波は、電気機械手段を用いて、音響レンズ手段を、ｚ軸に沿って、調整することによって、焦点にフォーカスされる。最も好ましくは、レンズ手段を調整する電気機械手段は、焦点が形成されるように、音響レンズ手段を調整し、音波不透過性エレメントを、焦点に位置決めするコンピュータによって制御される。
【００６４】
本発明のプロセスは、構造（腫瘍性組織）と干渉する超音波エネルギーのみを用いて、たとえば、胸部軟組織内の腫瘍性組織などの対象物内の内部構造の画像化の改良を可能にする。対象物を通過する音波は、対象物の内部構造の三次元的な特性についての空間フェイズ（spatial phase）の振幅情報を担持している。さらに、このプロセスは、レンズの焦点に位置決めされた不透過性エレメントを備えた本発明の装置とともに用いたときに、黒いバックグラウンドあるいは何もないバックグラウンド上に、白色強度情報を提供する。生成された黒いバックグラウンド・イメージは、同じ対象物を用いて形成された同様の非反転（すなわち、白色の）イメージに比して、対象物の識別およびサイズ測定を改良することができる。したがって、微細な対象物あるいは対象物内のエレメントを可視化することが可能になる。
【００６５】
上述したところから、例示のために、本発明の特定の実施態様につき、説明を加えたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の修正が可能であることが理解されるであろう。たとえば、本発明の音響イメージは、種々の装置によって、生成することができる。本発明の音響イメージを生成するために用いられる装置の種々の例につき、説明を加えたが、本技術分野においては、他の装置も知られている。さらに他の手法を導き出し、本発明の音響的に生成されたイメージに適用することもできる。したがって、本発明は、添付の請求の範囲以外には、なんら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１は、超音波ホログラフィイメージを生成する従来の装置を図示するものである。
【図２】図２は、本発明の音響イメージを生成するために用いられるデバイスの典型的な実施態様を図示するものである（ただし、この構成は、たとえば、レンズ３のアパーチャー３ａを通るように、指向され、散乱されたすべての超音波を受け入れるものであり、散乱されることなく、対象物を透過し、４ａによってブロックされた超音波の画像化を可能にするものではない。）。
【図３】図３は、本発明の音響イメージを生成するために用いられるデバイスの他の実施態様を図示するものである（ただし、この構成は、散乱されたすべての超音波は、４ｂによってブロックされ、散乱されなかったすべての超音波は、４ｂを通過するので、対象物を透過したが、対象物によって散乱されなかった超音波のみを受け入れ、利用するものである。）。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の選ばれた角度で、前方散乱された音波からのみの音響イメージを生成するために用いられるデバイスの別の代替的な実施態様を図示するものである。ただし、この構成は、選ばれた角度で、散乱された超音波のみが、超音波不透過性エレメント２ｃの開口部２ａおよび２ｂを通過するから、対象物２内の散乱ポイントからの選ばれた角度の超音波のみを通過させ、画像化するものである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、選ばれた角度で、かつ、対象物内の選ばれた位置から、前方散乱された音波からのみの音響イメージを生成するために用いられるデバイスの別の代替的な実施態様を図示するものである。ただし、この構成は、散乱された音波が、対象物内の与えられたポイントにみから来るように選ばれた角度での超音波を通過させ、画像化するものである。
【図５】図５は、図４Ａおよび図４Ｂの装置において、典型的に用いられる音波不透過性平面状エレメントの詳細を示すものである（すべての超音波不透過性エレメントのエッジが、エッジに近づくにつれて、異なった透過性を有していることに注意されたい。）。
【図６】図６は、本発明の音響イメージを生成するために用いられるデバイスの他の実施態様を図示するものである（ただし、この構成は、２つの超音波不透過性対象物を位置決めし、多重ソーストランスデューサ１（４ａ１によってブロックされる）および１ａ（４ａ２によってブロックされる）からの散乱されなかった超音波信号をブロックするものである。）。
【図７Ａ−７Ｃ】図７Ａないし７Ｃは、それぞれ、対象物内の構造からの前方散乱情報のゼロ空間周波数、低空間周波数、高空間周波数を図示するものである。
【図８Ａ−８Ｃ】図８Ａないし８Ｃは、対象物内の構造からの前方散乱された超音波の選ばれたコンポーネントを用いて、画像化するために用いられる音波不透過性平面状エレメントの詳細を示すものである。
【図９Ａ−９Ｄ】図９Ａないし９Ｄは、一連の従来のイメージの比較イメージおよび前方散乱された超音波の選ばれたコンポーネントを用いて生成された音響イメージを示すものである。
【図１０Ａ−１０Ｂ】図１０Ａおよび１０Ｂは、音波不透過性エレメントを位置決めし、異なるソース・トランスデューサを用いて、所望の音響イメージを生成する例を示すものである。
【符号の説明】
【００６７】
１  トランスデューサ
１ａ  平面波
２  焦点面
２ａ  散乱音波
２ｂ  開口部
３  レンズシステム
４  焦点
４ａ  音波不透過性エレメント
５  反射器
６  ホログラム検出面
７  ホログラム・ディテクター
８  参照波
１０  レンズ
１３  空間フィルタ
【図１】
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【図２】
2005506564.tif 000004
【図３】
2005506564.tif 000005
【図４Ａ】
2005506564.tif 000006
【図４Ｂ】
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【図５】
2005506564.tif 000008
【図６】
2005506564.tif 000009
【図７Ａ−７Ｃ】
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【図８Ａ−８Ｃ】
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【図９Ａ−９Ｄ】
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【図１０Ａ−１０Ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2005506564.tif 000057
【国際調査報告】
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