(57)【要約】  本発明は、ルーメン内デバイス（例えば、カテーテル、ガイドワイヤ、プローブなど）の１つ又は複数のトランスデューサアレイ要素の機能の制御するために必要とされる回路及びワイヤリングの量を低減することによって、ＩＶＵＳ又は心臓内超音波検査（ＩＣＥ）などの高周波数ルーメン内撮像を可能とするシステム及び方法に関する。特には、本発明の態様は、バイアス電圧回路からバイアス電圧を受信するアレイのトランスデューサ及び送信及び受信回路（パルサー／受信器回路とも称される）によって制御されるアレイのトランスデューサを選択的にグループ化することを提供する。本発明の選択的なグループ化は、同一の送信及び受信回路が、信号を送信するために１つ又は複数のトランスデューサ要素を刺激しつつ、信号を受信するために１つ又は複数の他のトランスデューサ要素を刺激することを可能とする。本発明によると、単一の送信／受信回路が、複数のトランスデューサ要素の送信／受信機能を駆動し得るので、トランスデューサを相互接続するために必要とされるワイヤリングがより少なくなり、撮像コアの全体的サイズが減少され得る。結果として、本発明のシステム及び方法は、例えば血管系のルーメンを通ることが可能なより小さなデバイス占有面積を維持しつつ、より高周波数の撮像を可能とする。
2021513879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次元的アレイを形成する複数のトランスデューサ要素と、
第１の複数のバイアス電圧回路であって、各前記バイアス電圧回路は、前記トランスデューサ要素のそれぞれの第１のセットと通信し、前記トランスデューサ要素のそのそれぞれの第１のセットにバイアス電圧を印加する、第１の複数のバイアス電圧回路と、
第２の複数の送信及び受信回路であって、各前記送信及び受信回路は、トランスデューサ要素のそれぞれの第２のセットと通信し、そのそれぞれの第２のセットの前記トランスデューサ要素の信号送信又は受信を刺激する、第２の複数の送信及び受信回路と
を備え、
少なくとも１つの第１のセットの前記トランスデューサ要素は、少なくとも１つの第２のセットの前記トランスデューサ要素とは異なり、それぞれの前記バイアス電圧回路による前記トランスデューサ要素の前記少なくとも１つの第１のセットへのバイアス電圧の印加の際に、前記第２のセットのトランスデューサ要素の一部分のみがそのそれぞれの送信及び受信回路によって作動される、超音波システム。
【請求項２】
前記トランスデューサ要素の各前記第１のセットは、複数のトランスデューサ要素を備え、その各々は異なる第２のセットからのものであって、前記トランスデューサ要素の各前記第２のセットは、任意の第１のセットからの最大限１つのトランスデューサ要素を備える、請求項１に記載の超音波システム。
【請求項３】
各前記第２のセットは、第２の複数のトランスデューサ要素を備え、その各々は異なる第１のセットからのものである、請求項１又は２に記載の超音波システム。
【請求項４】
各前記第１のセットは、隣接トランスデューサ要素のグループを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波システム。
【請求項５】
各前記第２のセットは、非隣接トランスデューサ要素のクラスタを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波システム。
【請求項６】
各前記第２のセットは、前記１次元的アレイに沿って均一に離間された非隣接トランスデューサ要素のセットを備える、請求項５に記載の超音波システム。
【請求項７】
各前記トランスデューサ要素は、複数のＣＭＵＴトランスデューサセルを備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波システム。
【請求項８】
前記複数のトランスデューサ要素はアレイを形成し、前記アレイは、各前記トランスデューサ要素が径方向外側に面した環形状体を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の超音波システム。
【請求項９】
各前記第１のセットにおけるＮ１個のトランスデューサ要素と、Ｍ個の第２のセットと、同時に受信するように刺激され得るトランスデューサ要素の数を表す開口Ｐとを備え、
Ｐ＝Ｍ−Ｎ１＋１
である、請求項１から８のいずれか一項に記載の超音波システム。
【請求項１０】
前記第１の複数のバイアス電圧回路のうちの少なくとも１つ及び前記第２の複数の送信及び受信回路のうちの少なくとも１つは、特定用途向け集積回路の一部を形成する、請求項１から９のいずれか一項に記載の超音波システム。
【請求項１１】
カテーテル本体と、
前記カテーテル本体の遠位部分に結合された、請求項１から１０のいずれか一項に記載の超音波システムと
を備える、血管内超音波デバイス。
【請求項１２】
１次元的アレイを形成する複数のトランスデューサ要素を使用し、第１の複数のバイアス電圧回路及び第２の複数の送信及び受信回路によって、撮像を実施する超音波撮像方法であって、各前記トランスデューサ要素は、バイアス電圧の印加及び送信及び受信回路への接続によって送信又は受信のために作動される、超音波撮像方法において、前記超音波撮像方法は、
バイアス電圧回路を動作させ、それによってトランスデューサ要素のそれぞれの第１のセットにバイアス電圧を供給するステップと、
第１の送信及び受信回路を動作させ、それによってトランスデューサ要素の第１のそれぞれの第２のセットに送信機能を提供するステップと、
第２の送信及び受信回路を動作させ、それによってトランスデューサ要素の第２のそれぞれの第２のセットに受信機能を提供するステップと
を有し、
少なくとも１つの第１のセットのトランスデューサ要素は、少なくとも１つの第２のセットのトランスデューサ要素とは異なり、それぞれの前記バイアス電圧回路による前記トランスデューサ要素の前記少なくとも１つの第１のセットへのバイアス電圧の印加の際に、前記第２のセットのトランスデューサ要素の一部分のみがそのそれぞれの送信及び受信回路によって作動される、超音波撮像方法。
【請求項１３】
前記第１のセットは、複数のトランスデューサ要素を備え、その各々は異なる第２のセットからのものであって、各前記第２のセットは、任意の第１のセットからの最大限１つのトランスデューサ要素を備える、請求項１２に記載の超音波撮像方法。
【請求項１４】
前記第１のセットは、隣接トランスデューサ要素のグループを備え、前記第２のセットは各々が、非隣接トランスデューサ要素のクラスタを備える、請求項１２又は１３に記載の超音波撮像方法。
【請求項１５】
各前記第２のセットは、第２の複数のトランスデューサ要素を備え、その各々は異なる第１のセットからのものであって、各前記第１のセットは、隣接トランスデューサ要素のグループを備え、各前記第２のセットは、非隣接トランスデューサ要素のクラスタを備える、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の超音波撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランスデューサ要素のアレイ、特には、容量型マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）要素を使用した超音波撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
トランスデューサ要素のアレイは、限定的な空間において撮像が所望されるときに使用される。
【０００３】
１つの重要な例は、血管内超音波（ＩＶＵＳ）撮像のためのものである。これは、介入性心臓病学において、人間の身体内の疾患のある動脈などの血管のための診断ツールとして、治療の必要性を判断するため、介入を誘導するため、及び／又は、その効果を評価するために、広く使用されている。ＩＶＵＳ撮像調査を実施するために、１つ又は複数の超音波トランスデューサを組み込んだＩＶＵＳカテーテルが、血管内に通され、撮像されるべきエリアへと誘導される。
【０００４】
トランスデューサは、目的の血管の画像を生むために、超音波エネルギーを射出し、受信する。超音波は、組織構造（血管壁の様々なレイヤなど）、赤血球、及び他の目的特徴から生じる不連続性によって部分的に反射される。反射された超音波からのエコーは、トランスデューサによって受信され、ＩＶＵＳ撮像システムに渡される。ＩＶＵＳ撮像システムは、患者インタフェースモジュール（ＰＩＭ）によってＩＶＵＳカテーテルに接続される。撮像システムは、受信された超音波信号を処理し、デバイスが置かれた血管の断面画像を生む。
【０００５】
今日一般的に使用されている２つのタイプのＩＶＵＳカテーテル、すなわち回転式及び固体式がある。典型的な回転式ＩＶＵＳカテーテルでは、１つ又は複数の超音波トランスデューサ要素が、目的の血管内に挿入されたプラスチックのシースの内側で回転する柔軟性駆動シャフトの先端部に位置する。トランスデューサ要素は、超音波ビームがデバイスの軸に対して全体的に垂直に伝播するように方向付けられる。流体で充満されたシースは、超音波信号がトランスデューサから組織内へと伝播し、戻ってくることを許容しつつ、回転するトランスデューサ及び駆動シャフトから血管組織を保護する。駆動シャフトが回転すると、トランスデューサは、高電圧パルスによって周期的に励起され、超音波の短いバーストを射出する。次いで、同一のトランスデューサは、様々な組織構造から反射された戻りエコーを待つ。ＩＶＵＳ撮像システムは、トランスデューサの１回の回転の間に発生するパルス／取得サイクルのシーケンスから血管断面の２次元的表示を作り出す。
【０００６】
対照的に、固体式ＩＶＵＳカテーテルは、デバイスの周囲に分散され、トランスデューサ制御回路のセットに接続された１次元的アレイなどの超音波トランスデューサのアレイを含む超音波スキャナアセンブリを担持する。アレイ及びその対応する回路は、しばしば、カテーテルの撮像コア又はスキャナと称される。しばしば、１次元的アレイは、コンポーネントの論理的構成に関して要素の１×Ｎ個のアレイを有する「線的アレイ」として説明される。「１次元的」又は「線的」という用語は、実際の物理的なトランスデューサ要素が物理的直線に沿って配置されるという意味を含むものではない。
【０００７】
従来の画像生成では、トランスデューサ制御回路は、超音波パルスを送信するため、及びエコー信号を受信するために、アレイの個々のトランスデューサを選択する。一連の送信器−受信器がペアになった工程を経ることによって、固体式ＩＶＵＳシステムは、移動部品なしに、機械的にスキャンされたトランスデューサ要素の効果を合成し得る。回転する機械的要素が存在しないので、トランスデューサアレイは、血管の外傷への最小限のリスクで血液及び血管組織に直接的に接触して置かれ得る。更に、回転する要素がないので、インタフェースが単純化される。固体式スキャナは、ケーブル及びコネクタによって撮像システムに直接的に有線接続され得、患者インタフェースモジュール又はコンピューティングシステムに接続され得る。
【０００８】
固体式アレイの限定要因は、高周波数画像を実現するためには、トランスデューサの数を増加することが必要とされることである。加えて、トランスデューサ要素への送信／受信機能を実行するために各トランスデューサ要素のための別個の回路も必要とされる。例えば、１ｍｍの容量型マイクロマシン超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）カテーテルは、カテーテルの周囲に沿って置かれた約１００個のｃＭＵＴトランスデューサ要素（その各々が並列に接続された複数のドラムを含む）を含み、これらのトランスデューサ要素の各々が、それ自体の送信／受信回路を必要とする。
【０００９】
トランスデューサ要素及びそれらの対応する送信／受信回路の数が増加するせいで、高周波数ＩＶＵＳは、その性質として、撮像コアの長さ及び直径が大きくなる。これは、カテーテルの直径が大きくなり、撮像コアを収容するカテーテルの遠位部分の柔軟性が低減することと同義である。結果として、従来のＩＶＵＳカテーテルは、それらの周波数を、血管系などの身体の蛇行性のルーメンを通過するための実際的なサイズを維持するために制限しなくてはならない。
【００１０】
ＷＯ２０１６／１３９０６５は、一連の狭帯域パルスから有効な広帯域パルスエコーが生成されるように、一連の時間的に異なるパルスが生成されるＣＭＵＴ超音波システムを開示している。
【００１１】
米国特許出願第２００８／０８９１８１号は、ＤＣバイアス電圧を減少させるため、又はＤＣバイアス電圧の必要性を排除するための特定の構成を有する超音波トランスデューサセルを開示している。
【発明の概要】
【００１２】
本発明の態様による実施例によると、
１次元的アレイを形成する複数のトランスデューサ要素と、
第１の複数のバイアス電圧回路であって、各バイアス電圧回路は、トランスデューサ要素のそれぞれの第１のセットと通信し、トランスデューサ要素のそのそれぞれの第１のセットにバイアス電圧を印加するように構成される、第１の複数のバイアス電圧回路と、
第２の複数の送信及び受信回路であって、各送信及び受信回路は、トランスデューサ要素のそれぞれの第２のセットと通信し、そのそれぞれの第２のセットのトランスデューサ要素の信号送信又は受信を刺激するように構成される、第２の複数の送信及び受信回路と
を備え、
少なくとも１つの第１のセットのトランスデューサ要素は、少なくとも１つの第２のセットのトランスデューサ要素とは異なり、それぞれのバイアス電圧回路によるトランスデューサ要素の少なくとも１つの第１のセットへのバイアス電圧の印加の際に、第２のセットのトランスデューサ要素の一部分のみがそのそれぞれの送信及び受信回路によって作動されるように配置される、超音波システムが提供される。
【００１３】
本発明は、ルーメン内デバイス（例えば、カテーテル、ガイドワイヤ、プローブなど）１つ又は複数のトランスデューサアレイ要素の機能の制御するために必要とされる回路及びワイヤリングの量を低減することによって、ＩＶＵＳ又は心臓内超音波検査（ＩＣＥ）などの高周波数ルーメン内撮像を可能とするシステム及び方法に関する。特には、本発明の態様は、バイアス電圧回路からバイアス電圧を受信するアレイのトランスデューサ及び送信及び受信回路（パルサー／受信器回路とも称される）によって制御されるアレイのトランスデューサを選択的にグループ化することを提供する。本発明の選択的なグループ化は、同一の送信及び受信回路が、信号を送信するために１つ又は複数のトランスデューサ要素を刺激しつつ、信号を受信するために１つ又は複数の他のトランスデューサ要素を刺激することを可能とする。本発明によると、単一の送信／受信回路が、複数のトランスデューサ要素の送信／受信機能を駆動し得るので、トランスデューサを相互接続するために必要とされるワイヤリングがより少なくなり、撮像コアの全体的サイズが減少され得る。結果として、本発明のシステム及び方法は、例えば血管系のルーメンを通ることが可能なより小さなデバイス占有面積を維持しつつ、より高周波数の撮像を可能とする。
【００１４】
複数のトランスデューサ要素と、
バイアス電圧回路を備える第１の複数の回路と、
送信及び受信回路を備える第２の複数の回路と
を備え、
各トランスデューサ要素は、バイアス電圧の印加及び送信及び受信回路による制御によって送信又は受信のために作動されるように適合され、
各バイアス電圧回路は、トランスデューサ要素のそれぞれの第１のセットに接続され、
各送信及び受信回路は、トランスデューサ要素のそれぞれの第２のセットに接続され、
各第１のセットは、複数のトランスデューサ要素を備え、その各々は異なる第２のセットからのものであって、
各第２のセットは、任意の第１のセットからの最大限１つのトランスデューサ要素を備える、超音波システム（撮像コア）が提供される。
【００１５】
全体的な複数のトランスデューサ要素は、グリッド式又はマトリックス式に重複するセットの２つのコレクションに分割される。第１のセットが互いに重複することはなく、第２のセットが互いに重複することはないことが留意される。２つのタイプのセットの間の重複においては、バイアス電圧が関連する第１のセットのバイアス電圧回路によって印加され得、関連する第２のセットの送信及び受信回路が送信又は受信機能を実施するように動作され得るので、トランスデューサ要素は、送信又は受信するように動作され得る。この構成は、送信又は受信機能が有効とされるためにトランスデューサ要素に印加されるべき２つの別個の駆動信号の必要性を利用する。
【００１６】
本発明は、シーケンスにおいて、１つのトランスデューサ要素が送信のために使用され、１つ又は複数の周囲の要素が受信のために使用される位相式アレイアプローチ（すなわち、合成開口アプローチ）のために特に有益である。最終的な画像は、画像取得プロセスが完了した後に、データ処理によって作り上げられる。
【００１７】
任意の第１のセットから１つの要素が選択されるので、単一のトランスデューサ要素が送信のために動作される。しかしながら、必要に応じて複数の要素が送信のために刺激されてよい。同様に、単一のトランスデューサ要素が受信のために動作される。やはり、必要に応じて複数の要素が受信のために刺激されてよい。
【００１８】
この構成は、バイアス回路及び送信及び受信回路の数、及び必要なワイヤリング（ケーブル）の量も低減させる。特定の実施形態において、第２のセットにおける１つのトランスデューサ要素が送信モードにおいて動作しているときに、この第２のセットの他のトランスデューサ要素は受信モードにおける使用のためには使えない。各第２のセットの異なるトランスデューサ要素を離間させることによって、このことが撮像能力を損なうことがなく、エコーが最も多くの情報を運ぶ場所において信号が送信及び受信され得る。
【００１９】
明確化のために、トランスデューサ要素の全ての第１のセットは一緒にアレイの全てのトランスデューサ要素を含み、全ての第２のセットは一緒にアレイの全てのトランスデューサ要素を含むことが留意される。
【００２０】
各第２のセットは、好ましくは、第２の複数のトランスデューサ要素を備え、その各々は異なる第１のセットからのものである。
【００２１】
最低限には、各第２のセットは単一のトランスデューサ要素であって、共有はバイアス電圧回路のみに生じる。しかしながら、好ましくは、バイアス電圧回路並びに送信及び受信回路の両方の共有も存在する。
【００２２】
各第１のセットは、隣接トランスデューサ要素のグループを更に備える。
【００２３】
バイアス電圧回路を使用してグループを作動させることによって、このグループにおける１つ又は複数のトランスデューサ要素が送信のために使用され、１つ又は複数が受信のために使用される。しかしながら、他のグループにおいて、他のトランスデューサ要素も受信のために使用されてよく、又は他のトランスデューサ要素が代わりに受信のために使用されてよい。
【００２４】
各第２のセットは、非隣接トランスデューサ要素のクラスタを備える。各第２のセットは、例えば、１次元的アレイに沿って均一に離間された複数の非隣接トランスデューサ要素を備える。
【００２５】
この離間は、（異なる機能を実施するために）同時に動作され得ないトランスデューサ要素がアレイに沿って離間されることを意味する。トランスデューサ要素の隣接グループに基づくセットと離間されたトランスデューサ要素に基づくセットとの組合せは、上述のグリッド式の機能が実現されることを可能とする。
【００２６】
各トランスデューサ要素は、例えば、複数のトランスデューサセルを備える。
【００２７】
これらのセルは、好ましくは、並列に接続され、共有された制御ラインによって制御される。各トランスデューサセルは、例えば、ＣＭＵＴセルを備える。これらのデバイスは、ＤＣバイアス並びに送信及び受信制御の両方が動作可能とされることを必要とする。ＤＣバイアスは、例えば、セルを崩壊モードにおいて動作させるために使用される。
【００２８】
複数のトランスデューサ要素はアレイを形成し、アレイは、各トランスデューサ要素が径方向外側に面した環形状体を備える。このことは、血管などの管内での撮像のため特に適している。
【００２９】
システムは、例えば、各第１のセットにおけるＮ１個のトランスデューサ要素と、Ｍ個の第２のセットと、開口Ｐとを備える。
【００３０】
この場合、この構成は、
Ｐ＝Ｍ−Ｎ１＋１
を満たす。
【００３１】
開口サイズであるＰは、１つの特定の場所において画像を形成するために放射及び感知される要素の範囲を反映する。画像形成は、遡及的に行われる。しかしながら、放射ごとに、組み合わされる要素のこの範囲はより小さくなり得る。ビーム形成における近年の技術革新によると、近接して離間された送信及び受信要素を使用してサブ開口を形成し、このようなサブ開口をカテーテルに沿ってシフトさせることが関心を集めていることを示す。例えば、もしも開口サイズが２０（要素番号１〜２０）であるなら、第１のサブ開口は要素［１〜５］を使用し得、第２のサブ開口は要素［２〜６］を使用し得、要素［１６〜２０］を使用する第１６の開口までとなる。次いで、遡及的なビーム形成において、全体的な開口を作り上げるために全ての結果が組み合わせされる。
【００３２】
最大サブ開口サイズ（すなわち、常に実現され得るもの）が注目され、これは値Ｐによって表される。
【００３３】
例として、トランスデューサ要素の総数は２０個から２００個の範囲である。各第１のセットにおいて３個から１０個の要素があり、各第２のセットにおいて２個から５個の要素がある。
【００３４】
本発明は、
カテーテル本体と、
カテーテル本体の遠位部分に結合された、上に定義された超音波撮像システムと
を備える、血管内超音波デバイスも提供する。
【００３５】
これは、本発明の撮像システムの１つの有益な適用を定義する。
【００３６】
本発明は、１次元的アレイを形成するトランスデューサ要素のアレイを使用し、第１の複数のバイアス電圧回路及び第２の複数の送信及び受信回路によって、撮像を実施する超音波撮像方法であって、各トランスデューサ要素は、バイアス電圧の印加及び送信及び受信回路への接続によって送信又は受信のために作動されるように適合された超音波撮像方法であって、超音波撮像方法は、
バイアス電圧回路を動作させ、それによってトランスデューサ要素のそれぞれの第１のセットにバイアス電圧を供給するステップと、
第１の送信及び受信回路を動作させ、それによってトランスデューサ要素の第１のそれぞれの第２のセットに送信機能を提供するステップと、
第２の送信及び受信回路を動作させ、それによってトランスデューサ要素の第２のそれぞれの第２のセットに受信機能を提供するステップと
を有し、
第１のセットは、複数のトランスデューサ要素を備え、その各々は異なる第２のセットからのものであって、各第２のセットは、任意の第１のセットからのトランスデューサ要素の一部分を備える、超音波撮像方法も提供する。
【００３７】
別の実施形態において、各第２のセットは、任意の第１のセットからの最大限１つのトランスデューサを備える。
【００３８】
この方法は、送信モードにある１つの（第２の）セットと、受信モードにある別の（第２の）セットを提供する。しかしながら、バイアス電圧に接続されたトランスデューサ要素のみがアクティブである。この方法は、単一のトランスデューサ要素が送信モードにあり、単一のトランスデューサ要素が受信モードにあることを可能とする。
【００３９】
第１のセットは、隣接トランスデューサ要素のグループを備え、第２のセットは各々が、非隣接トランスデューサ要素のクラスタを備える。
【００４０】
バイアス電圧回路を使用してグループを作動させることによって、このグループにおける１つ又は複数のトランスデューサ要素が送信のために使用され、１つ又は複数が受信のために使用される。しかしながら、他のグループにおいて、他のトランスデューサ要素も受信のために使用されてよく、又は他のトランスデューサ要素が代わりに受信のために使用されてよい。
【００４１】
方法は、各トランスデューサ要素について、トランスデューサセルのセットに対してバイアス電圧、送信機能及び受信機能を提供するステップを有する。
【００４２】
方法は、径方向外側に面したトランスデューサ要素の環形状体を使用して撮像を実施するステップを有する。
【００４３】
本発明のこれらの及び他の態様は、以下に説明される実施形態から明らかであり、これらを参照して明瞭にされるであろう。
【００４４】
次に、本発明の実施例が、添付の図面を参照して詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明が特に適用可能な超音波撮像システムのタイプを図示する。
【図２】どのように各バイアス電圧回路がトランスデューサ要素のそれぞれの第１のセットに接続されるかを図示する。
【図３】どのように各送信及び受信回路がトランスデューサ要素のそれぞれの第２のセットに接続されるかを図示する。
【図４】ＣＭＵＴセルを図示する。
【図５】血管内カテーテルベースの撮像システムを図示する。
【図６】超音波撮像方法を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
詳細な説明及び具体的な実施例は、装置、システム及び方法の例示的な実施形態を示すが、単に例示を目的とするものであり、本発明の範囲を限定すると意図されるものではないことが理解されるべきである。本発明の装置、システム及び方法のこれらの及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面から、より良好に理解されよう。図面は単に概略的なものであって、縮尺通りに描かれていないことが理解されるべきである。図面を通じて同一の参照番号が同一の又は類似の部分を示すために使用されていることも理解されるべきである。
【００４７】
本発明は、トランスデューサ要素のアレイを備える超音波撮像システムを提供する。第１の複数のバイアス電圧回路及び第２の複数の送信及び受信回路が提供されるが、これらは共有されて使用される。これを可能とするために、各バイアス電圧回路はトランスデューサ要素のそれぞれの第１のセット（例えば、隣接グループ）に接続され、各送信及び受信回路はトランスデューサ要素のそれぞれの第２のセット（例えば、離間されたクラスタ）に接続される。各第１のセットは、複数のトランスデューサ要素を備え、その各々は異なる第２のセットからのものであって、各第２のセットは、任意の第１のセットからのトランスデューサ要素の一部分（具体的な実施形態においては、最大限１つのトランスデューサ要素）を備える。この構成は、送信又は受信機能が有効とされるためにトランスデューサ要素に印加されるべき２つの別個の駆動信号の必要性を利用する。
【００４８】
図１は、本発明が特に適用可能な超音波撮像システムのタイプを図示する。
【００４９】
図１は、カテーテル本体の端部に位置付けるためのプローブの形態の血管内超音波システム１０を図示する。システム１０は、プローブの遠位先端部にトランスデューサ要素１２の１次元的アレイを備える。ＡＳＩＣが先端部の更に後方に装着される。「１次元的」によって、トランスデューサ要素が、２Ｄのグリッドではなく単一のラインになることが意味される。この実施例において、ラインは円形状であり、したがって、「１次元的」が直線的な物理的ラインを意味するのではなく、代わりに、アレイレイアウトのタイプをより全体的に指すことは明白である。
【００５０】
各トランスデューサ要素１２は、１つ又は複数のトランスデューサセル又はドラム１４を含む。トランスデューサセル１４は、ライン状構成のトランスデューサ要素に沿って配置されるが、他の構成も可能である。特定の実施形態において、トランスデューサ要素は、容量型マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）である。ＣＭＵＴは、半導体プロセスによって、例えば超音波プローブによって必要とされるＡＳＩＣ回路を製造するために使用される、例えばＣＭＯＳプロセスなどと同一のプロセスを使用して、バッチ製造され得る超音波トランスデューサ要素である。ＣＭＵＴトランスデューサセルは、受信した超音波信号の音の振動を変調された容量に変換する電極を有する非常に小さなダイヤフラム状のデバイスである。
【００５１】
送信のために、電極に印加される容量電荷は、セルのダイヤフラムを振動／運動させて超音波を送信するように変調される。これらのダイヤフラムは、半導体プロセスによって製造されるので、デバイスは、概して、１０〜５００マイクロメートルの範囲の寸法を有し得、ダイヤフラムの直径は、例えば、ダイヤフラムの直径がダイヤフラムの所望の共振周波数（範囲）に合致するように選択され、個々のダイヤフラムの間は数マイクロメートル未満離間される。多くのこのような個々のＣＭＵＴセルは一緒に接続され得、単一のトランスデューサ要素として調和して動作され得る。例えば、４個から数１０個（例えば、５０個）のＣＭＵＴセルが、単一のトランスデューサ要素として調和して機能するように、一緒に結合され得る。
【００５２】
したがって、ＣＭＵＴトランスデューサベースの超音波システムの製造は、ＰＺＴベースのシステムと比べて、よりコスト効果が高い。更には、このような半導体プロセスにおいて使用される材料のおかげで、ＣＭＵＴトランスデューサは、水及び生物学的組織に合致する一層向上された音響インピーダンスを有し、このことは、（複数の）合致レイヤの必要性を排除し、向上された有効帯域幅を生む。
【００５３】
ＣＭＵＴセルによって生み出される音響パワー（出力圧）を最適化するために、ＣＭＵＴセルは、トランスデューサ要素のＣＭＵＴセルが、ギャップを横断して対向する基板に対してダイヤフラム又は柔軟性のメンブランの中央部を駆動するバイアス電圧によって駆動されるいわゆる崩壊モードにおいて動作され、設定周波数を有する刺激を与えられてダイヤフラム又は柔軟性のメンブランをこの設定周波数で共振させる。メンブランが崩壊する電圧は、崩壊電圧と呼ばれ、ＶＣで表される。典型的なＣＭＵＴセルの構造は、以下において更に論じられる。
【００５４】
故に、ＣＭＵＴセルの動作は、バイアス電圧及びパルス送信信号若しくはパルス受信機能の組合せを必要とする。２つの別個の信号接続のためのこの要件は、マトリックスタイプのアドレス指定スキームを提供する機会を与え、それによって、交差点のトランスデューサセルのみが作動される。
【００５５】
本発明は、バイアス電圧回路の第１のセットと、送信及び受信回路の第２のセットとを提供することに基づく。バイアス電圧回路はトランスデューサ要素よりも少なく、好ましくは、送信及び受信回路もトランスデューサ要素よりも少ない。このことは、ワイヤリングの量及び回路の量を低減させる。１つのバイアス回路に接続された複数のトランスデューサ要素は並列に動作され、１つの送信及び受信回路に接続された複数のトランスデューサ要素も並列に動作される。
【００５６】
各バイアス電圧回路は、トランスデューサ要素のそれぞれの第１のセットに接続される。
【００５７】
このことは図２において図示され、トランスデューサ要素１２の第１のセット２０は、共有されたバイアス電圧回路２２に接続する。各第１のセットについてこのようなバイアス電圧回路２２が１つ存在する。
【００５８】
各送信及び受信回路は、トランスデューサ要素のそれぞれの第２のセットに接続される。
【００５９】
このことは図３において図示され、トランスデューサ要素１２の第２のセット３０は、共有された送信及び受信回路３２に接続する。各第２のセットについてこのような送信及び受信回路３２が１つ存在する。
【００６０】
矩形２０、３０は、セットを形成するためにグループ化されたトランスデューサ要素の場所を単純に示す。
【００６１】
バイアス電圧回路２２及び送信／受信回路３２は、電気的接続を介して１つ又は複数のトランスデューサ要素に通信可能に結合される。電気的接続は、ワイヤリング及び／又はプリント接続である。特定の実施形態において、回路２２、３２は、トランスデューサ要素の近位に、トランスデューサ要素の遠位に、トランスデューサ要素と同心状（例えば、並列）に、及び／又はこれらの組合せにおいて位置付けられる。バイアス電圧回路２２及び送信／受信回路３２は、１つ又は複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）内に組み込まれ得る。
【００６２】
本発明は、超音波システムの回路の複雑さを低減することを可能とするだけでなく、このようなシステムを動作せるために必要とされる相互接続（ケーブリング）の量も低減する。更に、本発明は、回路と超音波要素との間の導電結合の量を低減することを可能とし、それによって更に、例えば血管系のルーメンを通ることが可能なより小さなデバイス占有面積を維持することを可能とする。
【００６３】
好ましくは、第１のセット２０及び第２のセット３０は、何らかの方法で、同一のトランスデューサをカバーする。例えば、第１のセット２０は一緒にアレイの全てのトランスデューサ要素を含み、第２のセット３０の全ては一緒にアレイの全てのトランスデューサ要素を含む。しかしながら、アレイは、第１のセット２０又は第２のセット３０に含まれないアレイの１つ又は複数のトランスデューサ要素を含む場合がある。更には、各第１のセット２０は、複数のトランスデューサ要素を備え、その各々は異なる第２のセットからのものであって、各第２のセット３０は、任意の第１のセットからの要素を備える。具体的な実施形態において、各第１のセット２０は、複数のトランスデューサ要素を備え、その各々は異なる第２のセットからのものであって、各第２のセット３０は、任意の第１のセットからの最大限１つのトランスデューサ要素を備える。
【００６４】
特定の態様において、トランスデューサ要素の全体的なセットは、グリッド式に重複するセットの２つのコレクションに分割される。セットの間の重複において、トランスデューサ要素は、（トランスデューサ要素がメンバーである）関連する第１のセット２０のバイアス電圧回路２０、及び（トランスデューサ要素がメンバーである）関連する第２のセット３０の送信及び受信回路３２を使用してバイアス電圧を印加することによって送信又は受信するように動作され得る。
【００６５】
特定の実施例において、第１のセット２０は各々、隣接要素のグループ（Ｇ）を備え、第２のセットは各々、３６０／ｘの角度で位置する「ｘ個の」トランスデューサ要素のクラスタ（Ｃ）を備える。故に、各第２のセット（クラスタ）のトランスデューサ要素は、アレイの周りに均等に分散される。
【００６６】
バイアス電圧を制御し、送信及び受信回路（すなわち、パルサー回路）を選択的に刺激することによって、送信及び受信ハードウェアを共有しつつ、任意の個々のトランスデューサ要素を送信（ＴＸ）のために、及び選択された数の（１つ又は複数の）トランスデューサ要素を受信（ＲＸ）のために刺激することができる。
【００６７】
このアプローチは、ＩＶＵＳなどにおけるような横向きの円形状トランスデューサアレイに特に適しており、というのは、未選択の要素によって生成される不所望の超音波エネルギーが撮像エリアから完全になくなるからである。このことは、所望のバイアス電圧が印加されていないときであっても送信モードにおいてＣＭＵＴセルを完全に電源オフにすることは難しいので、重要である。これは、強い送信パルスと組み合わさったＣＭＵＴセルの非線的なふるまいのせいである。
【００６８】
システムの動作は、以下の例示的な表からより良好に理解されよう。
【００６９】
【表１】
2021513879.tif 000003
【００７０】
この表は、３０個のトランスデューサ要素（表における番号１から３０）の構成を示し、並びにそれらがどのグループ（Ｇ１からＧ５）及びどのクラスタ（Ｃ１からＣ１５）に属するかを示す。連続するトランスデューサ要素番号は、隣接要素を表す。
【００７１】
例として、トランスデューサ要素６を使用して送信するために、グループ２のバイアス回路が作動され、クラスタ６の送信パルサー回路が作動される。受信に使用することができない唯一のトランスデューサ要素は要素２１である。要素７から１０は受信に使用され得る。
【００７２】
受信と送信との間の切り替えは、要素が送信のために選択され、次いで同一の放射の間に受信のためにもう一度選択され得るのに十分なくらい高速である。
【００７３】
各クラスタは、例えば要素１から１５について上の表の左半分のみを有することによって、ただ１つのトランスデューサ要素を有することが可能であることに留意されたい。しかしながら、好ましくは、各クラスタ（すなわち、第２のセット）は、複数のトランスデューサ要素も含む。更には、もしも各要素について受信及び送信回路が存在するならば、トランスデューサ要素は、代わりに、受信及び送信回路を介して使用不能とされ得る。
【００７４】
受信のために使用される１つ又は複数の要素が存在する。例えば、要素１１及び１２が、要素６に対する送信からもたらされるエコー信号を受信するように動作される。
【００７５】
概して、システムは、例えば、各第１のセットにおけるＮ１個のトランスデューサ要素（すなわち、グループにいくつの要素があるかであり、この場合、Ｎ１＝５）と、Ｍ個の第２のセット（すなわち、いくつのクラスタが存在するかであり、この場合Ｍ＝１５）と、送信要素と受信要素との間の（要素の数における）最大距離である開口Ｐとを備える。
【００７６】
これは、以下のように表される。
Ｐ＝Ｎｃｌｕｓｔｅｒｓ−（Ｎｅｌｅｍｅｎｔｓ／Ｎｇｒｏｕｐｓ）＋１＝Ｎｃｌｕｓｔｅｒｓ−ＳｉｚｅＧｒｏｕｐ＋１
【００７７】
ここで、Ｎｃｌｕｓｔｅｒｓはクラスタの数であり、Ｎｅｌｅｍｅｎｔｓは要素の数であり、Ｎｇｒｏｕｐｓはグループの数であり、ＳｉｚｅＧｒｏｕｐはグループごとの要素の数である。
【００７８】
上の表から、これは、列における要素の数から１グループの要素を減じ、１を加えた数であることが容易にわかる。
【００７９】
例えば、上の表から要素１０が刺激されたと仮定すると、受信のための最も離れた要素は要素２０である。したがって、最大距離（＝Ｐ）は１１（包含的に１０から２０）であり、Ｎｇｒｏｕｐ＝６、Ｎｃｌｕｓｔｅｒｓ＝１５である。
【００８０】
故に、この実施例において、上の等式は、
１１＝１５−３０／６＋１＝１５−５＋１
として満足される。
【００８１】
故に、この関係は、所望の開口を実現するクラスタの数及びグループのサイズを決定するために使用される。
【００８２】
例として、トランスデューサ要素の総数は２０個から２００個の範囲である。
【００８３】
バイアス電圧の変更は低速のプロセスであり、音響エネルギーを生成する。故に、送信（ＴＸ）モードと受信（ＲＸ）モードとの間でのバイアス電圧の切り替えは不可能である。その結果として、送信のために選択された任意のトランスデューサ要素について、トランスデューサ要素の１つのセット（バイアス電圧が印加されたもの）のみが超音波エネルギーの受信のための感受性を有する。
【００８４】
セットの形成にはいくつかの制御制限がある。例えば、上の表について、上の例において使用されているように、送信モードにある要素１０は受信モードにある要素２０と組み合わされ得るが、受信モードにある要素２１とは組み合わされ得ない。というのは、これは、バイアス電圧がグループＧ２及びＧ５に印加されることを必要とするからである。これは、ＴＸモードとＲＸモードにおいて要素６及び要素２１の両方が非意図的にアクティブになるので、不具合を生じさせる。
【００８５】
この制限は、上述の横向きの環状システムについては許容され得、というのは、アクティブな開口が周囲の小さな部分に常に限定されるからであり、これは、画像を形成するために、トランスデューサ要素信号は限定的な数だけ収集される必要があることを意味する。
【００８６】
上の実施例は、完全なグリッドを形成するために、トランスデューサ要素の数がグループ及びクラスタの数で割り切れること（及びクラスタの数がグループごとの要素の数で割り切れること）を可能としている。これは必須ではない。
【００８７】
以下の表は、どのようにして１０４個の要素のアレイが、２８個のクラスタ及び１３個のグループを使用して形成されるかを示す。この実施例において、クラスタ（第２のセット）は、３個又は４個の要素を含む（というのは、要素の総数がクラスタの数によって正確に割り切れないからである）。
【００８８】
この実施例において、上の等式は、２１＝２８−１０４／１３＋１となる。例えば、これは要素２４から４４（包含的）である。
【００８９】
【表２】
2021513879.tif 000004
2021513879.tif 000005
【００９０】
この実施例は、表において、最後の要素と最初の要素との間に開口サイズを減少させるギャップがあることに留意されたい。このことは、要素がセグメントへと正確に割り切れる必要がないことを示す。しかしながら、例えば、この設計を１１２個の要素（１４個のグループ）若しくはそれよりもわずかに少ない要素、又は８４個の要素（１１個のグループ）又はそれよりもわずかに少ない要素で動作させることが好ましい。
【００９１】
所与の数の要素について、グループ及びクラスタを構成するために多くのやり方があり、これは所望の開口を実現するために実施されることは、直ちに明らかであろう。
【００９２】
ＩＶＵＳシステムにおける信号処理は、典型的には、一度に１つの要素が刺激され、一度に１つ（又は複数）の周囲の要素が受信のために使用される合成開口アプローチを伴う。ビーム形成は、送信及び受信要素の全ての組合せの信号を組み合わせることによって遡及的に実行される。
【００９３】
上に説明されたように、本発明は、バイアス電圧がセルを作動又は作動停止させるために使用されなければならないＣＭＵＴセルのために特に有益である。
【００９４】
完璧を期するために、図４は、シリコン基板１１２の上方に、間にギャップ又は空洞１１８を有して吊るされた柔軟性メンブラン又はダイヤフラム１１４を有するＣＭＵＴセル１００を図示する。この実施例において、第１の電極１２２は、基板１１２の上側面のセルの床に位置する。第２の電極１２０は、ダイヤフラム１１４上に位置し、ダイヤフラムとともに運動する。図示された実施例において、２つの電極は円形状である。
【００９５】
誘電体（不図示）が、基板１１２の上、及び上部（第２の）電極１２０の下に提供される。これら２つの誘電体は、組成及び厚さが等しくてよいが、非対称（異なる材料及び厚さ）であってもよい。
【００９６】
電極１２０の設計の他の実現方法、例えば、電極１２０がメンブラン１１４内に埋め込まれること、又はメンブラン１１４の上に追加的レイヤとして積層されること、などが考えられる。この実施例において、非限定的な例として、第１の電極１２２は円形状に構成され、基板レイヤ１１２に埋め込まれる。他の適切な構成、例えば、第１の電極１２２の他の電極形状及び他の場所、例えば、第１の電極１２２がギャップ１１８に直接的に露出されるか、又はギャップ１１８から電気的絶縁レイヤ若しくはフィルムによって離間されて第２の電極１２０と第１の電極１２２との間の短絡を防止するような、基板レイヤ１１２上がある。加えて、メンブランレイヤ１１４は、基板レイヤ１１２の上面に対して固定され、メンブランレイヤ１１４と基板レイヤ１１２との間に球形状又は筒形状の空洞１１８を画定するような構成及び寸法に形成される。疑義を避けるために、図４において、非限定的な例として、第１の電極１２２は接地されることが留意される。もちろん、他の構成、例えば、第２の電極１２０が接地される構成、又は第２の電極１２０及び第１の電極１２２の両方が浮遊している構成も同様に可能である。
【００９７】
セル１００及びそのギャップ１１８は、代替的な幾何学的形状を有し得る。例えば、空洞１１８は、矩形状又は正方形状の断面、五角形状の断面、楕円形状の断面、又は不規則な形状の断面を有し得る。本明細書において、ＣＭＵＴセル１００の直径への言及は、セルの最大横方向寸法であるものとして理解されるべきである。
【００９８】
ＣＭＵＴセル１００の電極は、デバイスの容量性プレートを提供し、ギャップ１１８は、キャパシタのプレート間の誘電体である。ダイヤフラムが振動するとき、プレート間の誘電ギャップの寸法の変化が、受信された音響的エコーへのＣＭＵＴセル１００の反応として感知される容量の変化をもたらす。しばしば、ｃＭＵＴは崩壊モードにおいて使用され、この場合、誘電ギャップは可変的な幅を有するドーナッツ形状に見える。バイアス電圧がないと、ｃＭＵＴは崩壊モードにならない。
【００９９】
電極間の離間は、電圧供給装置１０１によって電極に静電圧、例えばＤＣバイアス電圧を印加することによって制御される。電圧供給装置１０１は、例えば送信モードにおいて、ＣＭＵＴセル１００の駆動電圧それぞれのＤＣ及びＡＣ又は刺激コンポーネントを提供するために別個のステージ１０２、１０４を備える。実のところ、本発明は、異なるステージがトランスデューサ要素の異なるセットに割り当てられることを可能とするためにこの分離を利用する。
【０１００】
第１のステージ１０２は、静（ＤＣ）電圧コンポーネントを生成するように適合され、第２のステージ１０４は、設定交流周波数を有する交流可変電圧コンポーネント又は刺激を生成するように適合され、この信号は、典型的には、全体的駆動電圧と前述のその静的コンポーネントとの間の差である。印加される駆動電圧の静的又はバイアスコンポーネントは、好ましくは、ＣＭＵＴセル１００を崩壊状態にする閾値電圧に合致するか、又はこれを超える。このことは、第１のステージ１０２が、全体的電圧の特に低ノイズの静的コンポーネントを生成するために、比較的大きなキャパシタ、例えば平滑キャパシタを含むという利点を有し、この静的コンポーネントは、典型的には、全体的電圧に支配的であり、全体的電圧信号のノイズ特性は、この静的コンポーネントのノイズ特性に支配される。
【０１０１】
電圧源供給装置１０１の他の適切な実施形態は、例えば、電圧源供給装置１０１が、ＣＭＵＴ駆動電圧の静的ＤＣコンポーネントを生成するための第１のステージ、駆動電圧の可変ＤＣコンポーネントを生成するための第２のステージ、及び信号の周波数変調又は刺激コンポーネントを生成するための、例えばパルス回路などの第３のステージを含む３つの個別のステージを含む実施形態など、明らかであるべきである。要約すると、電圧源供給装置１０１は任意の適切なやり方で実現されるものである。
【０１０２】
特定の閾値よりも上の静電圧を印加することによって、ＣＭＵＴセル１００は、メンブラン１１４が基板１１２上に崩壊した崩壊状態にされることが知られている。この閾値は、ＣＭＵＴセル１００の正確な設計に依存し、電極間の電場による力を通じてメンブラン１１４がセル床にくっつく（接触する）崩壊電圧として知られるＤＣバイアス電圧として定義される。メンブラン１１４と基板１１２との間の接触の量（面積）は印加されるバイアス電圧に依存する。メンブラン１１４と基板１１２との間の接触面積を増加させると、メンブラン１１４の共振周波数が増大する。故に、崩壊モードのＣＭＵＴセル１００の周波数応答は、崩壊後にＣＭＵＴ電極に印加されるＤＣバイアス電圧を調節することによって変更される。結果として、より高いＤＣバイアス電圧が電極に印加されると、ＣＭＵＴセルの共振周波数は増大する。
【０１０３】
本発明は、上に説明されたように、ＡＣ及びＤＣ駆動部分の分割を利用する。加えて、ｃＭＵＴバイアス電圧は１つのノード（例えば、底部電極）に印加され、刺激電圧は他のノード（例えば、上部電極）に印加される。
【０１０４】
図５は、上述の超音波撮像システム１０をカテーテルルーメン２１０の遠位端部に備え、血管２１２内に挿入される血管内カテーテルベースの撮像システム２００を図示する。カテーテルは、患者インタフェースモジュール２１４、コンピューティングシステム２１６及びモニタ２１８に結合される。
【０１０５】
コンピューティングシステム２１６は、患者インタフェースモジュールによって撮像システムからエコーデータを受信し、このデータを処理して、撮像システムの周囲の媒体における組織構造の画像を再構築する。エコーデータは、Ｂスキャン及び流動情報の両方を含む混合モードＩＶＵＳ画像を生成するために使用され得る。Ｂスキャン画像は、ＩＶＵＳデバイスの長手軸に垂直な平面における組織の２次元的解剖学的構造を表し、画像の任意のポイントの輝度は、組織内の対応する場所から受信されたエコー信号の強さを表す。流動データは、血流などの、スキャナの周囲の媒体における要素の運動の視覚的表現に関連する。Ｂモードデータ（例えば、複数周波数の超音波射出を使用する）及び流動データ（例えば、時間的に分離された超音波射出を使用する）は、収集され得、処理され得、及び／又は組み合わされ得る。また、コンピューティングシステム２１６は、モニタ上に混合モード画像を出力し得る。コンピューティングシステム２１６は、血管造影／蛍光透視撮像システム２２０とも通信し得る。
【０１０６】
図６は、上述の超音波システムを使用して撮像を実施するための超音波撮像方法を図示する。方法は、
ステップ３００において、バイアス電圧回路を動作させ、それによってトランスデューサ要素のそれぞれの第１のセットにバイアス電圧を供給するステップと、
ステップ３０２において、第１の送信及び受信回路を動作させ、それによってトランスデューサ要素の第１のそれぞれの第２のセットに送信機能を提供するステップと、
ステップ３０４において、第２の送信及び受信回路を動作させ、それによってトランスデューサ要素の第２のそれぞれの第２のセットに受信機能を提供するステップと
を有し、
少なくとも１つの第１のセットのトランスデューサ要素は、少なくとも１つの第２のセットのトランスデューサ要素とは異なり、それぞれのバイアス電圧回路によるトランスデューサ要素の少なくとも１つの第１のセットへのバイアス電圧の印加の際に、第２のセットのトランスデューサ要素の一部分のみがそのそれぞれの送信及び受信回路によって作動されるように配置される。
【０１０７】
方法の更なる実施形態において、超音波トランスデューサの第１のセットは、複数のトランスデューサ要素を備え、その各々は異なる第２のセットからのものであり、各第２のセットは、任意の第１のセットからの最大限１つのトランスデューサ要素を備える。
【０１０８】
開示された実施形態への他の変形例は、特許請求された発明を実践するに当たり、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲を検討することによって、当業者によって理解及び実行され得る。特許請求の範囲において、「備える、有する」という語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、単数形は、複数形を排除するものではない。特定の手段が互いに異なる従属請求項において記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に使用され得ないことを示すものではない。特許請求の範囲における任意の参照記号は、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【図１】
2021513879.tif 000006
【図２】
2021513879.tif 000007
【図３】
2021513879.tif 000008
【図４】
2021513879.tif 000009
【図５】
2021513879.tif 000010
【図６】
2021513879.tif 000011
【国際調査報告】
2021513879.tif 000012
2021513879.tif 000013