(57)【要約】  調整可能な流体タイプのレンズ系が提供され、これは、例えばレンズの調整中にレンズを通した超音波撮像を可能にする。該レンズは、界面において互いに接している例えば水と油などの２つの非混合性流体を包含する容器を含む。この場合この界面において入射波が屈折される。界面の形状、従って屈折特性は、レンズに印加される電圧を調整することによって調整可能である。２つの流体は、これらが併せて、臨界点又は臨界点近傍である機械的減衰を示すように選択される。制御回路は１つの値から別の値へと屈折を調整するために電圧を生成し、制御回路は、界面の振動を防ぐために電圧変化率が制限されるように電圧を変化させ、これによって、界面における入射波の屈折を連続的な方法で調整する。これは、調整中ずっと界面形状が制御された形状を持つことになるので、１つの屈折値から別の屈折値への調整中に該レンズを使用することを可能にする。電圧は、連続電圧、又は、ステップサイズ及びステップの時間的広がりに関して制御される不連続な段階的（デジタル）電圧のいずれであってもよい。レンズ系は、例えば医療分野において、例えば"オンザフライ"高速超音波撮像用として、又は、所定軌道をたどるようにレンズの調整中にアブレーションが実行され得る超音波アブレーション応用用としてなど、数多くの用途を持つ。
2011510332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的に感受性の第二の流体への界面を伴って配置される第一の流体を包含する容器であって、前記界面は入射波を屈折するように配置され、前記第一の流体と前記第二の流体は非混合性であり、前記第一の流体と前記第二の流体は、これらが併せて、臨界点又は臨界点近傍である機械的減衰を示すように選択され、前記界面の形状は電圧の印加に応じて調整可能である、容器と、
前記電圧を発生させる制御回路であって、前記制御回路は、前記界面の振動を防ぐために電圧変化率が制限されるように、第一の電圧から、前記第一の電圧とは異なる第二の電圧へと前記電圧を変化させ、これによって、連続的かつ制御された方法で前記界面における入射波の屈折を第一の屈折から第二の屈折へと調整する、制御回路とを含む、調整可能なレンズ系。
【請求項２】
前記第一の屈折から前記第二の屈折への前記屈折の調整中における入射波の屈折用に配置される、請求項１に記載のレンズ系。
【請求項３】
前記制御回路が前記第一の電圧から前記第二の電圧へと前記電圧を連続的に変化させる、請求項１に記載のレンズ系。
【請求項４】
前記制御回路が前記第一の電圧から前記第二の電圧へと前記電圧を複数のステップで変化させる、請求項１に記載のレンズ系。
【請求項５】
前記容器が実質的に軸まわりに回転対称である、請求項１に記載のレンズ系。
【請求項６】
前記第一の流体がメニスカス形状をもたらし、前記界面が調整可能な球形状を持つ、請求項５に記載のレンズ系。
【請求項７】
前記界面の非回転対称な形状用に配置される、請求項１に記載のレンズ系。
【請求項８】
入射波の焦点の調整用に配置される、請求項１に記載のレンズ系。
【請求項９】
入射波の偏向用に配置される、請求項１に記載のレンズ系。
【請求項１０】
前記第一の流体が油であり、前記第二の流体が水である、請求項１に記載のレンズ系。
【請求項１１】
前記第一の流体と前記第二の流体が、０．５≦９８Ｖ（Ｄ／Ｓｄ）０．５≦５、及び０．７５≦９８Ｖ（Ｄ／ＳＤ）０．５≦２のうちの１つに従って選択され、Ｖは前記第一の流体と前記第二の流体の平均動粘性率をｍ２／ｓであらわし、Ｄは前記第一の流体と前記第二の流体の平均密度をｋｇ／ｍ３であらわし、Ｓは前記第一の流体と前記第二の流体が受ける表面張力をＮ／ｍであらわし、ｄは前記界面と前記容器の間の接線における前記容器の直径をｍであらわす、請求項１に記載のレンズ系。
【請求項１２】
レンズを調整する方法であって、前記レンズは、電気的に感受性の第二の流体への界面を伴って配置される第一の流体を包含する容器を含み、前記界面は入射波を屈折するように配置され、前記第一の流体と前記第二の流体は非混合性であり、前記第一の流体と前記第二の流体は、これらが併せて、臨界点又は臨界点近傍である機械的減衰を示すように選択され、前記界面の形状は電圧の印加に応じて調整可能であり、前記方法は、
前記レンズに第一の電圧を印加するステップと、
前記界面の振動を防ぐために十分に低い電圧変化率において、前記電圧を前記第一の電圧から第二の電圧へと変化させるステップとを含む、方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の調整可能なレンズ系と、
前記レンズ系によって屈折される入射波の撮像を可能にするために、前記レンズ系に関連して配置されるトランスデューサとを含む、撮像装置。
【請求項１４】
前記装置が前記第一の屈折から前記第二の屈折への屈折の変化中における撮像用に配置される、請求項１３に記載の撮像装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の撮像装置と、
前記トランスデューサから信号を受信し、それに従って画像を生成するために前記信号を処理する画像プロセッサとを含む、撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレンズ系の分野に関し、より具体的には、本発明は２つの流体間の界面における屈折に基づく調整可能なレンズ系の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
医用画像又は治療の用途のための調整可能なレンズ系が公知であり、例えば超音波の屈折を調整するために配置されたレンズ系がある。ＰｈｉｌｉｐｓによるＷＯ  ２００３／０６９３８０に記載されているようないわゆる流体レンズ又は液体レンズは、こうした用途のために使用されることができる。本質的に、流体レンズ技術は、光又は他の放射線若しくは波が、固有の屈折率を持つ、流体で充填された空洞の物理的境界の変化を通して屈折されるようにする。このプロセスはエレクトロウェッティングとして知られ、これにより、導電性電極の間への電圧の印加によって空洞内の流体が動かされ、こうして流体の表面の運動を実現する。この表面トポロジーの変化は、集束又は屈折をもたらす進行路を所望の位置へ変化させるように波が屈折されることを可能にする。
【０００３】
しかしながら、流体タイプのレンズに伴う周知の問題は、レンズの高速調整が流体を振動させ、その結果、流体間の屈折界面に、振動が消え去り界面が別の安定な形状に変化してしまうまで、調整中に制御不可能な形状をとらせるということである。これは、調整中のこうしたレンズを通るリアルタイムの高品質な撮像がひどくぼやけるか、又は歪められることになることを意味し、それ故、こうしたレンズは一般的にリアルタイム画像又はビデオシーケンスの記録には適していない。許容可能な品質の画像を得るために、記録される画像フレームレートは、レンズが２つの連続する画像間の平衡又は安定状態に達することができるよりも速くてはならない。同じ問題は、例えば生体組織に向かって放射される超音波アブレーション波の正確な制御が極めて重要である、かかるレンズの治療用途についても起こる。従って、公知の流体レンズを用いる際には、超音波アブレーションパルスレートが、レンズが２つの連続するパルス間の安定状態に達することができるよりも速くないことが必要とされる。
【０００４】
ＷＯ  ２００６／０３０３２８  Ａ１は、界面の２つの所定形状間の高速スイッチングを可能にする臨界減衰をもたらすように選択される粘度を持つ、流体‐流体界面を持つ光学装置を記載している。臨界減衰が得られるように流体を選択することにより、スイッチング後に界面における振動が回避されることができ、その結果、スイッチングが実行された後にレンズが迅速に使用されることを可能にする。しかしながら、それでもＷＯ  ２００６／０３０３２８  Ａ１は光学装置を介する画像のリアルタイム記録の問題には対処しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
屈折調整中の、超音波高速撮像などの高品質リアルタイム高速撮像に適したレンズ系を提供することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第一の態様では、本発明は以下を含む調整可能なレンズ系を提供する、すなわち、
電気的に感受性の第二の流体（Ｆ２）への界面（Ｉ）を伴って配置される第一の流体（Ｆ１）を包含する容器。界面（Ｉ）は入射波を屈折するように配置され、第一及び第二の流体（Ｆ１，Ｆ２）は非混合性であり、第一及び第二の流体（Ｆ１，Ｆ２）は、これらが併せて、臨界点又は臨界点近傍である機械的減衰を示すように選択され、界面（Ｉ）の形状は電圧（ＶＣ）の印加に応じて調整可能である。
電圧（ＶＣ）を発生させる制御回路（ＣＣ）。制御回路（ＣＣ）は、界面（Ｉ）の振動を防ぐために電圧変化率が制限されるように、第一の電圧（Ｖ１）から、第一の電圧（Ｖ１）とは異なる第二の電圧（Ｖ２）へと電圧（ＶＣ）を変化させ、これによって、連続的かつ制御された方法で界面（Ｉ）における入射波の屈折を第一の屈折から第二の屈折へと調整する。
【０００７】
"流体"という用語により、物質の相の一部が理解され（流体は液体、気体、プラズマ、ゲル、及び塑性固体を含む）、一方以下で"液体"という用語は液体状態の化合物をあらわす。
【０００８】
"界面"により、第一及び第二の流体間の境界が理解され、第一及び第二の流体は直接接してもよく、又は界面は第一及び第二の流体を分離する適切な膜を含んでもよい。
【０００９】
第一の態様に従うレンズ系は有利である、なぜならこれは、例えば焦点又は偏向の調整など、屈折の調整中に高速画像の記録を可能にするためであり、好ましくは界面の時間的変化に対して、及び空間的変化に対しての両方について、屈折が連続的に変化するように電圧が制限されるためである。すなわち、界面は好ましくはその形状を、第一の屈折から第二の屈折へと制御された方法で変化させる。従って、調整中ずっと、界面は中間形状をとり、これは第一の屈折から第二の屈折への全屈折調整中の高品質撮像を可能にする。
【００１０】
従って、調整手順中にレンズが制御された形状を持ち、その結果調整中に低下した性能に悩むことがないというという効果を利用して、かかるレンズ系を用いて、リアルタイム超音波撮像及びリアルタイム超音波アブレーションが実行されることができる。従って、焦点調整などの最中にレンズの使用を停止する必要が無い。これは、医学的応用などの多くの用途にとって時間を節約することができ、より速い超音波画像診断検査を実行すること、又は、レンズ系が超音波アブレーションビームを集束するために使用される場合にはより速い治療を実行することが可能になる。
【００１１】
第一の態様に従うレンズ系は、臨界点又は少なくとも臨界点近傍である流体の機械的減衰をもたらすように選択される流体粘度と、レンズの屈折を調整するための電圧変化率の選択の組み合わせが、高速撮像のために許容可能な速度で調整可能であるレンズ系をもたらす、という見識に基づく。減衰が臨界点又は臨界点近傍であるような流体の選択は当該技術分野で公知であり、例えばＷＯ  ２００６／０３０３２８  Ａ１に記載され、さらに後述される。
【００１２】
実際の材料、寸法、及び他の設計パラメータに応じて、当業者は、例えば異なる電圧変化率の間に界面の挙動を観察するための試験を実行することによって、界面の振動を防ぐために制限された電圧変化率を選択する方法がわかる。これは、異なる電圧変化率における屈折調整中に、高速画像を記録すること、及びレンズ系の焦点性能を観察することによってなされ得る。これらの結果に基づいて、変化中の安定な焦点性能をもたらすような最高電圧変化率が選ばれることができる。さらに以下のことが可能である、すなわち、１）レンズのキャパシタンス変化を測定すること、２）メニスカスを見るために干渉計を用いること、３）調整中、すなわち界面が動いている際に、レンズを通して撮像すること、及び画像がぼやけるときを見ること。
【００１３】
制御電圧は連続的に調整されることができるが、デジタル制御される制御電圧、すなわち段階的な電圧の調整を使用することも可能である、ただしそれでも、ステップサイズが十分に小さいこと、ステップが十分に速く起こること、及び界面の振動を防ぐために変化率が制限されることを条件とする。
【００１４】
好ましくは、レンズ系は第一の屈折から第二の屈折への屈折の調整中における入射波の屈折用に配置される。
【００１５】
制御回路は、アナログ回路を含むなど、第一の電圧から第二の電圧へと電圧を連続的に変化させ得る。あるいは、制御回路は、デジタル回路を含むなど、第一の電圧から第二の電圧へと電圧を複数のステップで変化させ得る。
【００１６】
レンズ系は、光波及び超音波など、異なる種類の入射波に適している。好ましくは容器が入射波を、界面において屈折されることができるようにするために、第一及び第二の流体のうちの少なくとも一方を通過させることができるように、第一及び第二の流体が容器内に配置される。
【００１７】
一実施形態では、容器は実質的に軸まわりに回転対称であり、例えば容器は円筒形状をとり得る。かかる実施形態では、第一の流体は、界面が調整可能な球形状を持つメニスカス形状を提供し得る、又は少なくとも界面が球状に形成された部分を持つ。"メニスカス形状"によって、１つの凸面と１つの凹面を持ち、両面の曲率が等しい物体が理解される。メニスカス形状は例として意味されるに過ぎないことを理解されたい。代替的な形状は、２つの主要外面が実質的に平面であり、かつ実質的に楕円体表面などである物体であってよい。特に、形状はピン止めメニスカス形状、すなわち少なくとも凹面の一部が実質的に平面又は線形の表面によって置換されるメニスカス形状であってよい。
【００１８】
他の実施形態では、レンズ系は界面の非回転対称な形状用に配置される。
【００１９】
レンズ系は、焦点の調整又は入射波の偏向、又は焦点の調整と入射波の偏向の組み合わせのために配置され得る。
【００２０】
好ましい実施形態では、第一の流体は例えばシリコーンオイルなどの油であり、導電性の第二の流体は水であり、例えば導電特性を改良するための添加物を有する。
【００２１】
第二の態様では、本発明はレンズを調整する方法を提供し、該レンズは、電気的に感受性の第二の流体への界面を伴って配置される第一の流体を包含する容器を含み、該界面は入射波を屈折するように配置され、第一及び第二の流体は非混合性であり、第一及び第二の流体は、これらが併せて、臨界点近傍又は臨界点である機械的減衰を示すように選択され、界面の形状は電圧の印加に応じて調整可能である。該方法は、
レンズに第一の電圧を印加するステップと、
界面の振動を防ぐために十分に低い電圧変化率において、電圧を第一の電圧から第二の電圧へと変化させるステップとを含む。
【００２２】
第三の態様では、本発明は、
第一の態様に従う調整可能なレンズ系と、
レンズ系によって屈折される入射波の撮像を可能にするために、レンズ系に関連して配置されるトランスデューサとを含む撮像装置を提供する。
【００２３】
第三の態様に従う装置は、好ましくは第一の屈折から第二の屈折への屈折の変化中における撮像用に配置される。
【００２４】
好ましい実施形態では、レンズ系とトランスデューサはレンズ系によって屈折される超音波の撮像用に配置される。
【００２５】
第一及び第二の流体、ならびにトランスデューサ（Ｔ）を包含する容器は、好ましくは、医療目的で配置されるカテーテルなどのカテーテルに関連して配置される。
【００２６】
撮像装置は、診断検査での使用のためなど、生体組織の医用画像のために配置されてもよい。
【００２７】
第四の態様では、本発明は、
第三の態様に従う撮像装置と、
トランスデューサから信号を受信し、それに従って画像を生成するために信号を処理する画像プロセッサとを含む撮像システムを提供する。
【００２８】
第五の態様では、本発明は、
第一の態様に従うレンズ系と、
生体組織の治療に適したエネルギーを持つ波を生成する例えば超音波トランスデューサなどのトランスデューサであって、生成された波がレンズ系によって屈折されることを可能にするためにレンズ系に関連して配置される、トランスデューサとを含む医療機器を提供する。
【００２９】
従って、こうした医療機器は、第一の態様のレンズ系の有利な効果、すなわち、例えば焦点の調整中に例えば高速の超音波パルスを使用する可能性を利用し、これによって、所定軌道に沿ったアブレーションを可能にする。
【００３０】
第一の態様について言及される実施形態及び利点は、第二、第三、第四、及び第五の態様についても当てはまることが理解される。さらに、これらの態様及びその実施形態はいかなる方法で組み合わされてもよいことが理解される。
【００３１】
本発明の実施形態は、ほんの一例として、図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１はレンズ系の実施形態を図示する。
【図２】図２は焦点の調整のための制御電圧変化の一実施例を図示する。
【図３ａ】図３ａ及び図３ｂは振動有りと無しの場合の同じレンズの界面形状の写真を図示する。
【図３ｂ】図３ａ及び図３ｂは振動有りと無しの場合の同じレンズの界面形状の写真を図示する。
【図４】図４は軸外撮像の一実施例を図示する。
【図５】図５は撮像装置の実施形態を図示する。
【図６】図６は撮像システムの実施形態を図示する。
【図７】図７は医療機器の実施形態を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は、第一の流体Ｆ１と第二の流体Ｆ２が界面Ｉにおいて直接接して配置されるレンズ系、言い換えれば流体レンズの実施形態のスケッチを図示する。一方の流体は導電性でなければならず、他方の流体は絶縁性でなければならない。図示された実施形態では、流体Ｆ１，Ｆ２は、界面Ｉが軸まわりに回転対称である形状をとるように、すなわち、流体Ｆ１，Ｆ２がメニスカス形状に配置され、界面Ｉが球形状をとるように、容器内に配置される。両端矢印は、入射波（ある光線が破線矢印によって図示されている）の屈折の調整を可能にする界面Ｉの可能な運動を示す。制御回路ＣＣは電極（明示されていない）を介して電圧ＶＣをレンズに印加する。第一の電極は導電性の流体に接し、一方第二の電極はレンズの内壁を覆う絶縁層の後ろにある。従って、レンズはいわゆるエレクトロウェッティング効果を利用して、界面Ｉの形状、又はより具体的には曲率を、印加電圧ＶＣの関数として調整する。流体レンズに関するさらなる一般的な情報については、［ＫｕｉｐｅｒとＨｅｎｄｒｉｋｓによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．１１２８−１１３０，２００４］が参照される。
【００３４】
本発明に従って、流体Ｆ１，Ｆ２は、レンズが臨界的に減衰されるか、又は少なくとも臨界点近傍で減衰されるように選択される。これは、臨界減衰の場合は（１）に、臨界近傍減衰の場合は（２）に従うように、流体Ｆ１，Ｆ２およびレンズの寸法を選択することによって達成され得る。
０．５≦９８Ｖ（Ｄ／Ｓｄ）０．５≦５        （１）
０．７５≦９８Ｖ（Ｄ／Ｓｄ）０．５≦２      （２）
（１）及び（２）において、
Ｖは流体Ｆ１，Ｆ２の平均動粘性率（ｍ２／ｓ）であり、
Ｄは流体Ｆ１，Ｆ２の平均密度（ｋｇ／ｍ３）であり、
Ｓは流体Ｆ１，Ｆ２が受ける表面張力（Ｎ／ｍ）であり、
ｄは界面Ｉと容器の間の接線における容器の直径（ｍ）である。
【００３５】
好ましい実施形態では、第一の流体Ｆ１は水であり、一方第二の流体Ｆ２はシリコーンオイルであり、好ましくは入射超音波（例えば周波数帯域１００ｋＨｚ‐１００ＭＨｚ内の超音波、例えば周波数帯域１‐４０ＭＨｚ内など）の屈折の調整を可能にするように寸法が選択される。
【００３６】
一実施例として、直径４ｍｍのメニスカス形状レンズは、０．１ＭのＫＣｌ水溶液を導電性液体として使用し、一方異なる粘度のシリコーンオイルが絶縁性液体として使用される。シリコーンオイルについて約１０ｃＳｔの粘度で、臨界減衰されるメニスカスを得ることが可能である。わずかに不足減衰されたレンズは、実際には臨界減衰されたものよりも速くスイッチすることに留意されたい。しかしながら、不足減衰された場合の振動の発生のために、それでもやはり、レンズが臨界減衰され、それによってレンズの調整中の測定又は処理を可能にすることが好ましい。
【００３７】
制御回路ＣＣは、レンズの屈折を調整するために電圧ＶＣを変化させ、制御回路ＣＣは、屈折調整中の界面Ｉの振動を防ぐために制限された電圧変化率で電圧ＶＣを変化させる。従って、これにより、界面Ｉのある形状から別の形状への連続転移をもたらすことが可能であり、それにより、ある値から別の値への屈折の調整中ずっと、高品質撮像のためにレンズが使用されることを可能にする。制御回路ＣＣの出力ドライバは、好ましくは少なくとも０‐２００Ｖの範囲で電圧ＶＣを与えることができる。出力ドライバはデジタル又はアナログのいずれであってもよい。アナログドライバの場合、連続出力電圧ＶＣが容易に得られ、屈折の連続調整を確実にする電圧変化率の制限を検査することは些細な仕事である。例えば、典型的な実施形態の場合、少なくとも１秒当たり１０回まで、５０Ｖから２００Ｖまで電圧ＶＣを掃引することが可能である。
【００３８】
ある分解能で段階的に不連続な出力電圧を与えるデジタル出力段の場合、かかる出力段は、レンズの屈折の連続変化を確実にするために十分に小さい電圧ステップを与えることができなければならない。時間ｔにおける出力電圧ＶＣがＶＣ（ｔ）であらわされる場合、出力ドライバの次の"ステップ"はｔ＋ｄｔで起こり、すると出力電圧ＶＣに対する要件は（３）のように定義され得る。
｜ＶＣ（ｔ）−ＶＣ（ｔ＋ｄｔ）｜＜ｂ      （３）
【００３９】
ここでｂは出力電圧ＶＣの平滑度を反映するパラメータである。ｄｔがナノ秒のオーダーである場合、ｂは好ましくは１マイクロボルト未満である。しかしながらパラメータｂの実際の選択はレンズ系の実際の設計、すなわち流体、寸法、形状などに依存することが理解される。従って、屈折調整中の界面Ｉの歪められた形状を防ぐために電圧変化率の制限を決定するためには、光学的品質を確実にする実地試験が必要とされ得る。
【００４０】
図２はレンズの屈折の調整の異なるフェーズｓ１‐ｓ５の一実施例と、これらのフェーズ中の対応する電圧ＶＣの変化を時間Ｔの関数として図示する。初期電圧Ｖ１から開始して、電圧ＶＣは第一のフェーズｓ１において増加させられる。見てわかるように、フェーズｓ１における電圧変化率は、Ｖ１とＶ２の間のこのフェーズ中の時間Ｔに対する線形の電圧ＶＣの変化によって見られる、ある最大値に制限される。電圧ＶＣのこの線形増加の勾配は、電圧ＶＣの迅速な増加を確実にすると同時に、調整中にレンズ界面が振動しないことを依然として確実にする、選ばれた最大の電圧変化率を反映する。レンズの所望の屈折又は焦点位置が得られると（ｓ２）、電圧変化は停止される。
【００４１】
焦点を固定されたままにするために、より低い速度で変化を継続させる（ｓ３）ことができるフィードバックアルゴリズムが存在してもよい。レンズが所望の焦点を越えてしまった場合は、電圧変化の方向が反転されなければならない。好ましくはこれもまた滑らかな方法で、すなわち急激な変化なくなされるが、電圧変化の方向の急激な反転はおそらく深刻な振動を引き起こさない。従って急激な変化は許容され得る。おおまかに言えば、電圧は、最初に時間に関する二次導関数がゼロではなく、二番目に二次導関数がゼロでありかつ一次導関数がゼロではなく、最後にゼロではない二次導関数が、最終形状に達する際に任意のオーバーシュート又は振動を無効にしようとする方法で、変化させられるべきであることが望ましい。撮像又は検出技術におけるアーチファクトを防ぐために、最後の超音波パルスが発射された位置を十分に過ぎた終点を選ぶことがしばしば望ましい。従って、わずかな急激な変化は許容可能であるが、強い加速成分又は減速成分が存在しないことが、厳密に必要ではないものの、望ましい。図２の実施例に戻って、ｓ４では焦点が取り戻されており、一方ｓ５では対象が焦点から外れる。
【００４２】
図２の実施例では、調整手順中ずっと、すなわち全フェーズｓ１‐ｓ５の最中にレンズを利用することが可能であるように電圧変化率を制限することが重要である。特に、レンズの大きな調整が実行されるフェーズｓ１では、このフェーズｓ１中にもレンズが高品質を維持することを確実にするために、電圧変化率の制限が満たされなければならない。これは例えば調整中のレンズを介する"オンザフライ"超音波記録を可能にする。
【００４３】
前述したように、図２に示されるような連続電圧変化は、例えば出力ドライバを持つ制御回路ＣＣの場合、多くの小さな電圧ステップに分割されることができる。これは、ステップの数が少なくとも１／減衰時間と同じ大きさであるときには深刻な振動を引き起こさない。減衰時間は使用される液体の特性に依存し、１０ｍｓのオーダーであり得る。これはステップの数が少なくとも１００／ｓ、好ましくは少なくともこの数の２倍、例えば２００Ｈｚであるべきであることを示唆する。結果として、３０Ｈｚの撮像フレームレートの場合、１秒当たりのステップの数は３０＊１００＝３０００である必要がある。こうしたレンズに対する駆動電圧ＶＣのｋＨｚ範囲の変調は、今日広く利用可能な標準的関数発生器を用いて容易に達成可能である。
【００４４】
電圧時間勾配は、２つの撮像フレーム間の電圧差をフレーム間の時間間隔で除したものによって決定される最大値に制限されるべきである。この要求は、間隔が２よりも多くの電圧ステップに分けられる場合（例えば多くの小さなステップを生じるデジタル駆動の場合）は適用されるべきではない。
【００４５】
図３ａと図３ｂは異なる状況における同じレンズの界面Ｉの写真を図示する。図３ａにおいてレンズの界面Ｉは、従来技術におけるように制御電圧の急激な変化への反応として不規則な形状を取るように見られ、界面Ｉが振動するので、その瞬間にレンズを通して画像が記録される場合、図３ａに図示された瞬間的な界面Ｉの形状は大幅に歪められた像をもたらすことが明らかである。図３ｂでは、本発明に従う動作中の同じ界面Ｉが図示され、ここで界面Ｉは滑らかな球形状を取るように見られ、これは調整中のレンズの制御された光学特性を確実にする。
【００４６】
図４は軸外撮像に適したメニスカス形状レンズの実施形態の運動を図示し、以下では、メニスカスの変化の速度が、レンズの調整中にパルスエコー撮像を可能にするために十分に低いことを確実にするためなどの条件が説明される。図４においてメニスカス界面の運動は平坦であり続けながら破線から実線へと移る。小さな矢印によって示されるのはメニスカスの運動の方向であり、太い矢印によって示されるのはメニスカス界面上の超音波の屈折である。
【００４７】
典型的なパルスエコー信号は、組織の中へ伝播し組織から戻るためにおよそ１００μｓかかる。これは次の発射までの時間が（少なくとも）１００μｓであることを意味する。流体タイプレンズの固有速度限界（２つの形状間でメニスカスをスイッチするために〜１０ｍｓとすると、〜１００ｋＨｚ）は、妥当な速度での撮像が熟慮を要することを意味する。これを実現するために、メニスカスが調整中ずっと平坦なままである界面を持つように、メニスカス形状が選ばれる。こうしたメニスカスが超音波トランスデューサアレイの前に置かれると、メニスカスの偏向特性は軸外測定又は撮像を可能にする。これは、１Ｄアレイが使用され、一連の異なる方向に軸外傾斜するとき、３Ｄ超音波画像が作製され得ることを示唆する。
【００４８】
一回のパルスエコー測定は１００μｓかかり、連続する測定間に不感時間はない。さらに、メニスカスを一方の極限位置（"左いっぱいに傾かせる"）から他方（"右いっぱいに傾かせる"）へと動かすには１０ｍｓかかる。これは、メニスカスが極限間を移動するのにかかる時間内に１００のパルスエコー測定が行われ得ることを意味する。メニスカス界面は平坦なままであるため、臨界減衰される要件を通して、メニスカス界面の運動によって導入される動きぼけが推測されるはずである。妥当な実施形態の場合、メニスカスの方向は有効な１０ｍｓ中に＋１５°から−１５°へ動くように設定されることができる。最悪の場合、メニスカスは最大で＋１５°傾けられ、超音波はメニスカス界面の外縁を通過するとみなされる。
【００４９】
１Ｄ超音波アレイの場合は、レンズが通常は高さ５ｍｍで横方向に１２から２９ｍｍであるような形状である。しかしながら、メニスカスの傾斜角は短軸の方向にしか変化しないので、運動するメニスカスの速度は短軸によって排他的に決定されることになる。従って典型的なサイズは１Ｄ  ＩＣＥカテーテルアレイと同様に選ばれることができる。つまり直径５ｍｍである。
【００５０】
メニスカスの＋１５°の角度（最大偏角）において、対応する高さは５＊ｔａｎ［１５°］＝１．３４ｍｍとなる。この高さはメニスカスの中心から測定されることに留意されたい（すなわち、上昇すると同じだけ下降する）。次のパルスエコー測定はメニスカスが３０°／１００＝０．３°動かされた後に起こる。メニスカスの＋１４．６°の角度において、これは５＊ｔａｎ［１４．６°］＝１．３０ｍｍの高さとなる。従って、容器の外縁（メニスカスの運動が最大である場所）においてメニスカスは約４０μｍ垂直に動く。これは重要な数である。すなわち、連続するパルスエコー測定間の運動が＜４０μｍである。
【００５１】
典型的な超音波周波数において、これは外縁においてメニスカスが依然として波長λの１／１０のオーダーでしか動かないことを意味する。回折限界はλ／（２＊ＮＡ２）で与えられ、ＮＡはレンズの開口数をあらわし、従って運動はλ／１０のオーダーである。ＮＡ＜＜√５、大概はＮＡ＜０．１でさえあるので、これはメニスカスの運動中に系が回折限界のままであることを示唆する。結果として、メニスカスが動いている間、回折限界の超音波撮像を行うことが可能である。単により小さな直径を持つレンズを選ぶことによって、さらに一層メニスカスの運動を減らすことは比較的容易であることに留意されたい。
【００５２】
本発明は、特に超音波信号用に配置された実施形態について、低侵襲性及び体外の処置分野の両方において、数多くの医学応用の可能性を持つ。以下は本発明のレンズ系の効果が利用される、そうした応用のいくつかの実施例のハイライトであり、すなわち短期間の間における莫大な数のレンズ運動の可能性（例えばリアルタイム撮像データを得る要件に起因する）である。
【００５３】
１）撮像応用‐少ないトランスデューサの数（すなわち少ないエレメント又は１Ｄのアレイ）を用いるときでさえ、本発明は２Ｄ又は３Ｄの超音波画像の作製を可能にする。これは、空間が強力な制限となる低侵襲性分野において有用である。また、トランスデューサの数を減らすことは価格を削減することになる。これは、現在こうした２Ｄトランスデューサアレイとその関連するケーブル敷設、相互接続及び駆動回路が、使い捨ての市場にとっては高価過ぎる可能性があるため、低コストの３Ｄ超音波撮像を実現させることになる。
【００５４】
２）治療応用‐単一エレメント高出力超音波トランスデューサと、本発明にかかるレンズ系を用いて、焦点、すなわちアブレーションスポットを電子的に導くことが可能となる。これは、現在必要とされる連続的で非常に煩雑なカテーテル再配置を行うことなく、施術者が所定軌道を"描き出す"ことを可能にする。また体外的にも、これはより高速でより制御された治療手順を可能にする。
【００５５】
３）フローモニタリング及び検出応用‐本発明にかかるレンズ系を用いて、明確な測定位置においてフロー（例えばドプラ運動検出を通しての血流量又は血液体積流量）を測定することが可能である。この測定位置はレンズを動かすと変化するため、これは信号対雑音を最適化するために異なる位置における運動特性の比較を可能にする。さらに、低侵襲性の分野において、正常な静脈内と比較して動脈瘤の内部の血流を測定することが可能になる。こうした比較から、専門家は動脈瘤の種類を診断し、適切な治療を決定することができる。従来のドプラの場合、装置は、フローに対するトランスデューサの角度位置をよりよく補うために２つ以上の所定角度におけるフローの測定を可能にする。
【００５６】
４）運動モニタリング及び検出応用‐測定位置は変化し得るので、臓器の境界が同定され得、その境界の周囲に焦点が調整される。例えば、これはリアルタイム呼吸追跡のために体内の横隔膜又は肝臓の境界の位置を追跡するために使用されることができる。運動追跡情報は、ａ）スキャン内の運動を補正する（すなわちＭＲスキャンの一時取得を妨げる時間費用のかかるＭＲナビゲータを置きかえる）ために、ＣＴ又はＭＲ画像取得中に、又はｂ）インターベンション中に使用されることができ、術前ＭＲ又はＣＴスキャンが超音波運動情報と共に収集され、この場合、手術室内で患者のリアルタイム呼吸パターンに術前スキャンが再同期化されることができ、臨床医により有用な情報を提供する。本発明にかかるレンズ系は、運動する焦点が有用な臓器境界を同定する上で助けとなることを可能にし、この場合最適運動に対して焦点を適応的に変化させる。
【００５７】
本発明は、十分な撮像／処置速度を得るために超音波を操作する運動中に、例えばメニスカス形状のレンズを用いることを望むような、エレクトロウェッティングタイプのレンズを超音波と併用するための任意のアプリケーションまたはアルゴリズムで使用されることができる。低侵襲性の分野で、及び体外の両方において、これは、従来の超音波アレイと比較してかなり少ないトランスデューサの数を用いて高フレームレート２Ｄ／３Ｄ超音波画像が得られることができる唯一の実行可能な方法であることに特に留意されたい。
【００５８】
図５は、医用超音波画像装置の実施形態を描く。上記の流体レンズＬＳは、レンズＬＳを通して屈折される超音波信号を感知するトランスデューサＴ、又はトランスデューサアレイに関連して取り付けられる。レンズＬＳ及びトランスデューサＴはカテーテルＣの末端に配置される。レンズＬＳは、カテーテルＣを通るケーブルを介してレンズＬＳの調整のために電圧ＶＣを生成する制御ユニットＣＵに接続される。
【００５９】
図６は医用超音波画像システムを描く。図５に図示された装置は、そのトランスデューサＴ、又はトランスデューサアレイを、画像プロセッサにトランスデューサ信号ＴＳを与えるためにカテーテルＣを通してケーブルを介して画像プロセッサＩＭＰに接続させる。画像プロセッサＩＭＰはトランスデューサ信号ＴＳを処理し、それに応じて画像又は画像シーケンスを提供する。
【００６０】
図７は、超音波トランスデューサＴ又はトランスデューサのアレイに電気超音波ドライバ信号ＴＳを与えるため、並びに、レンズＬＳの焦点の調整を可能にするようレンズＬＳに制御電圧ＶＣを与えるために、カテーテルＣを通してケーブルを介して接続される制御ユニットＣＵを含む、超音波アブレーション装置の形での医療機器の一実施例を描く。レンズＬＳとトランスデューサは、集束された超音波パターンが生体組織の所望のスポットに適用され、それによってアブレーションを可能にすることができるよう、トランスデューサＴによって生成される超音波がレンズＬＳによって屈折されるように、カテーテルＣの末端に配置される。上記のように配置されたレンズ系ＬＳを用いて、レンズＬＳの調整中に連続アブレーションを実行することが可能であり、従って、アブレーションプロセスがレンズＬＳの調整中に停止されなければならない場合よりも非常に速く軌道をたどってアブレーションが実行されることができ、その結果治療時間を著しく削減する。
【００６１】
要約すると、本発明は、例えばレンズの調整中にレンズを通した超音波撮像を可能にする、調整可能な流体タイプのレンズ系を提供する。該レンズは、界面において互いに接している例えば水と油などの２つの非混合性流体を包含する容器を含む。この場合この界面において入射波が屈折される。界面の形状、従って屈折特性は、レンズに印加される電圧を調整することによって調整可能である。２つの流体は、これらが併せて、臨界点又は臨界点近傍である機械的減衰を示すように選択される。制御回路は１つの値から別の値へと屈折を調整するために電圧を生成し、該制御回路は、界面の振動を防ぐために電圧変化率が制限されるように電圧を変化させ、これによって、界面における入射波の屈折を連続的な方法で調整する。これは、調整中ずっと界面形状が制御された形状を持つことになるので、１つの屈折値から別の屈折値への調整中にレンズを使用することを可能にする。電圧は、連続電圧、又は、ステップサイズ及びステップの時間的広がりに関して制御される不連続な段階的（デジタル）電圧のいずれであってもよい。レンズ系は、例えば医療分野において、例えば"オンザフライ"高速超音波撮像用として、又は、所定軌道をたどるようにレンズの調整中にアブレーションが実行され得る超音波アブレーション応用用としてなど、数多くの用途を持つ。
【００６２】
開示された実施形態の特定の具体的詳細は、本発明の明確で完全な理解をもたらすために、限定ではなく例証を目的として記載される。しかしながら本発明は、本開示の精神と範囲から著しく逸脱することなく、本明細書に記載の詳細に正確に準拠しない他の実施形態で実行されてもよいことが、当業者によって理解されるべきである。さらに、この文脈においては、簡潔さと明確さを目的として、不必要な詳細と起こり得る混乱を避けるために、周知の装置、回路、及び方法の詳細な説明は省略されている。
【００６３】
参照符号が請求項の中に含まれるが、参照符号の包含は明確さのために過ぎず、請求項の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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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