(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
過電流状態から保護されるマイクロマシン超音波トランスデューサアレイであって、
基板と、
前記基板上に形成される複数のマイクロマシン超音波トランスデューサセルであって、各々の前記セルは、前記基板に結合される上部電極及び下部電極を有する膜を有し、前記上部電極は、共通基準電位に結合されるように構成される共通電極であり、前記下部電極は、交流駆動信号に結合されるように構成される信号電極である、複数のマイクロマシン超音波トランスデューサセルと
を有し、
各々の前記マイクロマシン超音波トランスデューサセルは、前記信号電極に結合される1つのヒューズを更に有し、前記ヒューズは、前記マイクロマシン超音波トランスデューサセルの過電流状態の場合に前記マイクロマシン超音波トランスデューサセルを前記アレイの他の前記マイクロマシン超音波トランスデューサセルから分離するように開くように構成される、
マイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【請求項２】
各々の前記ヒューズは、マイクロマシン超音波トランスデューサセルの前記下部電極と直列に結合される、請求項１に記載のマイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【請求項３】
各々の前記ヒューズは、加熱又はエレクトロマイグレーションを通じて開くヒューズを更に有する、請求項1乃至２の何れか1項に記載のマイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【請求項４】
前記マイクロマシン超音波トランスデューサセルの動作を制御するために前記マイクロマシン超音波トランスデューサアレイに結合される集積回路
を更に有し、
前記ヒューズは前記集積回路上に配置される、
請求項1乃至２の何れか1項に記載のマイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【請求項５】
前記集積回路は、特定用途向け集積回路を更に有する、請求項４に記載のマイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【請求項６】
前記特定用途向け集積回路は、前記マイクロマシン超音波トランスデューサ基板から分離される基板を更に有し、前記集積回路は前記基板上に形成され、
前記集積回路は、前記マイクロマシン超音波トランスデューサセルの動作を制御するように、前記マイクロマシン超音波トランスデューサセルに電気的に結合される、請求項５に記載のマイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【請求項７】
前記特定用途向け集積回路は、前記マイクロマシン超音波トランスデューサ基板上に形成される集積回路を更に有し、前記集積回路は、前記アレイの動作を制御するように前記マイクロマシン超音波トランスデューサアレイに電気的に結合される、請求項５に記載のマイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【請求項８】
前記ヒューズは、前記集積回路を備える前記基板上に形成される、請求項７に記載のマイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【請求項９】
前記ヒューズは、半導体材料を備える前記集積回路を有する前記基板上に更に形成される、請求項８に記載のマイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【請求項１０】
前記半導体材料は、集積回路金属層又はポリシリコン層を更に有する、請求項９に記載のマイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【請求項１１】
前記ヒューズは、半導体材料の狭いトレースを更に有する、請求項１０に記載のマイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【請求項１２】
前記ヒューズは、所定の寸法のビアを更に有する、請求項９に記載のマイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【請求項１３】
前記特定用途向け集積回路は、マイクロビームフォーマを更に有する、請求項７又は9に記載のマイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【請求項１４】
前記複数のマイクロマシン超音波トランスデューサセルの共通電極は相互結合される、請求項1乃至２の何れか1項に記載のマイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【請求項１５】
各々の前記マイクロマシン超音波トランスデューサセルの前記共通電極は、接地電位に結合されるように構成され、前記信号電極は、直流基準電位及び前記交流駆動信号の両方に結合されるように更に構成される、請求項１４に記載のマイクロマシン超音波トランスデューサアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療診断用超音波イメージングに関し、特に、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（CMUT）を使用する超音波トランスデューサプローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波トランスデューサは、PZTなどの圧電セラミック材料又はPVDFなどの圧電ポリマーで形成されている。最近、トランスデューサは半導体プロセスによって製造されることができることが示されている。このようなトランスデューサは、振動膜が超音波エネルギーを生成して受信する微小半導体セルから形成され、マイクロマシン超音波トランスデューサ（MUT）と称される。このようなトランスデューサタイプの2つは、圧電マイクロマシン超音波トランスデューサ（PMUT）と称される膜上の圧電材料を利用するタイプと、導電性膜と、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（CMUT）と称される別の電極との間の容量効果を利用するタイプとを含む。個々のトランスデューサ素子は、一斉に動作する数十又は数百のそのようなMUTセルから形成され得る。これらのセルは非常に小さいので、各MUTセルは少量の音響エネルギーを生成し、又はそれに応答するのみである。2つの方法が、 MUT装置の音響効率を高めるために一般的に使用されている。一つは、CMUTの場合、振動膜を対向電極に近接させるDCバイアス電圧でセルをバイアスして装置の感度を高めることにある。もう1つは、互いに非常に近いセルのアレイを形成し、それらの基板上のセルの密度を最大にし、単一のトランスデューサ素子として一斉に動作する多数のセルを提供することにある。セルの高密度加工はまた、グレーティングローブ特性を改善し、得られる超音波画像のクラッタを低減する。
【０００３】
したがって、トランスデューサアレイ又は個々の素子は、DCバイアス電圧によってバイアスされる数百又は数千の個々のMUTセルを有することができる。このようなアーキテクチャは、上述したように多くの性能上の利点を有するが、単一のMUTセルの故障が膨大な数のセルを動作不能にし得るという問題を生じさせる。単一のセルが、対向電極上へのその高いDCバイアス電圧による膜の崩壊によって故障する可能性がある。これは、故障したセルだけでなく、それが共通にバイアスされている数百又は数千の他のセルのすべてを短絡させる。単一セルの故障自体はトランスデューサプローブの性能に著しく影響を与えないかもしれないが、多数の他のセルが短絡すると、トランスデューサプローブ全体が動作不能になる可能性がある。この問題を防止するための1つのアプローチは、 US7,293,462（Lee他）に記載される。Leeらのアプローチは、行又は列における1つのセルが短絡したときに開く、相互接続MUTセルの行又は列の端部にヒューズを形成することにある。これにより、トランスデューサ内の動作からセルの行又は列が除外され、トランスデューサ内の他のセルが機能したままになることが可能になる。しかしながら、このアプローチにはいくつかの欠点がある。 1つは、相互接続されたセルの行又は列の各々が個別にバイアスされなければならず、プローブ内のすべてのセルにバイアス電圧を提供する複雑さが増すことにある。もう1つは、ヒューズがMUT基板上の比較的大きな領域を占め、MUTセルに利用可能な基板上の領域を減少させ、ひいてはトランスデューサの感度を低下させることにある。更に別の点は、複数のセルが、プローブ内の動作から除外され、故障したセル及びそれが接続されている他のセルが、ここでも超音波プローブの性能を低下させることにある。故障したセルのみを動作から除外し、他の完全に機能するセルを動作させ続けることができることが望ましい。 US7,293,462は、各MUTセルの上部電極をその近傍に相互接続する複数のスポークを設けることを提案する。スポークは、そこを流れる電流が十分に大きいときに溶融するように設計される。この解決策の欠点は、各MUTセルが複数のヒューズを必要とすることにあり、これはアレイ設計を複雑にし、追加のスペースを必要とすることにある。更に、この解決策はまた、US7,293,462の少なくとも1つのスポークが、短絡されるすべての相互接続電極を溶融しない場合、すべてのヒューズは一度に活性化されることを必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、故障したMUTセルのみを動作から除外し、残りの完全に機能するセルを動作状態に維持することによって、MUTプローブの寿命を長くすることにある。さらなる目的は、MUT加工のために使用されることができる基板領域を利用しない方法でこれを行うことにより、MUTアレイのMUT密度、したがってその感度を維持することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の原理によれば、超音波トランスデューサMUTセルアレイは、アレイの各々の個々のセル用の1つのヒューズを有し、アレイ内の残りのセルから故障セルのみを分離し、完全に動作可能なままにする。各MUTセルは、基板に結合された上部電極及び下部電極を含む膜を有し、上部電極又は下部電極の一方は、共通基準電位（基準電圧）に結合されるように構成された共通電極であり、他方の電極はAC駆動信号に結合されるように構成された信号電極であり、各MUTセルは、前記MUT信号電極に結合される1つのヒューズを更に有し、前記ヒューズは、前記MUTセルの過電流状態が発生した場合に前記MUTセルを前記アレイの他のMUTセルから分離するように開くように動作する。
この解決法の利点は、ヒューズを交流信号保持電極側に接続することにより信号側にヒューズを配置することによって、MUTアレイの密度を最大に維持することにより故障セルの迅速かつ効率的な非活性化を可能にすることにある。これに加えて、共通電位を共有するアレイ内の他のセルの動作は、故障セルの影響を受けない。
他の実施形態では、共通電極は、接地電位に結合されるように構成され、信号電極は、DC基準電位及び交流駆動信号の両方に結合されるように構成される。
各々の故障セルの接地電極は接地電位に結合されているため、アレイ内のMUTセルの残りの性能への影響が最小化される。
他の実施形態では、超音波トランスデューサMUTセルアレイは、基準電位の何れか（共通電極に対する共通電位又は信号電極に対するD。C。基準電位の何れか）を提供するように構成されるDCバイアス電圧源を有することができる。
好ましい実施態様では、ヒューズは、個々のMUTを制御する特定用途向け集積回路（ASIC）上に形成される。 MUTのためのヒューズは、過電流状態により、熱がチャネルを開けるか、又はチャネルがエレクトロマイグレーションを通じて開けるように、MUTセルへ、又はMUTセルから電流を導通させる集積回路チャネルを狭めることによって形成されることができる。高密度ASIC上にヒューズを形成することにより、MUT加工に使用されることができるMUT基板の領域はヒューズのために使用されず、良好な音響性能のためにMUT基板上に高いセル密度は維持される。制御ASICは、既知の技術によってMUT基板に接続されるマイクロビームフォーミングに使用されるような別個の集積回路チップとして形成されてもよく、又はASICはMUT加工に使用される基板上に形成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】典型的な懸架膜CMUTトランスデューサセルの断面図である。
【図２】崩壊モードで動作するCMUTセルの断面図である。
【図３】共通バイアス接続部と相互接続されているセルの行と列を備える、本発明のMUTアレイの平面図である。
【図４】セルの1つが短絡したときの故障モードを示している、共通バイアスCMUTセルのアレイの断面図である。
【図５】本発明の原理に従って制御ASICと共に動作するように結合される個々のセルのヒューズ保護を示す、共通バイアスCMUTセルのアレイの断面図である。
【図６】本発明の原理によるCMUTセル用のヒューズの半導体加工を示す。
【図７】本発明のヒューズ保護CMUTセルアレイと共に使用されるのに適した超音波イメージングシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
CMUTは、この場合、懸架又は「非崩壊」モードとして知られているもので動作するように最初に構成される。図1を参照すると、典型的な非崩壊型CMUTトランスデューサセル10が断面図で示されている。 CMUTトランスデューサセル10は、シリコンのような基板12上の複数の同様の隣接するセルと共に製造される。シリコンナイトライドからなるダイヤフラム又は膜14は、シリコン酸化物又はシリコンナイトライドからなる絶縁支持体16によって基板の上に支持される。膜と基板との間のキャビティ18は、空気又はガスで満たされていてもよく、又は全体的又は部分的に排気されていてもよい。金などの導電性フィルム又は層20がダイヤフラム上に電極を形成し、同様のフィルム又は層22が基板上に電極を形成する。誘電体キャビティ18によって分離されるこれら2つの電極は容量を形成する。音響信号が膜14を振動させると、静電容量の変化が検出されることができ、それによって音響波が、対応する電気信号に変換される。逆に、交流電極20,22の間に印加される交流信号は、静電容量を変調し、膜を移動させ、それによって音響信号を送信する。 DCバイアス電圧源140からのDCバイアス電圧VBも電極間に印加され、膜及びその上部電極20はセルのキャビティのフロアに近接されて感度を高める。
【０００９】
図2は、崩壊モードで動作するCMUTセルの概略断面図である。 CMUTセルは、シリコンなどの基板層12、基板電極22、膜層14、及び膜電極リング28を含む。この例では、電極22は円形に構成され、基板層12に埋め込まれる。更に膜層14は、基板層12の上面に対して固定され、膜層14と基板層12との間に球状又は円筒状のキャビティ18を規定するように構成/寸法設定される。セル及びキャビティ18は、代わりのジオメトリを規定する。例えば、キャビティ18は、長方形及び/又は正方形の断面、六角形の断面、楕円形の断面、又は不規則な断面を規定することができる。
ボトム（基板）電極22は、典型的には、追加の層（図示略）でそのキャビティに面する表面上で絶縁される。好ましい絶縁層は、基板電極の上、及び膜電極の下に形成される酸化物 - 窒化物 - 酸化物（ONO）誘電体層である。 ONO誘電体層は、電極上の電荷蓄積を有利に減少させ、デバイスの不安定性及びドリフト及び音響出力圧の減少をもたらす。 CMUT上のONO誘電体層の加工は、 2008年9月16日に出願された「容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ」と題されるKlootwijkらによる欧州特許出願08305553.3において詳細に議論される。 ONO誘電体層の使用は、非崩壊デバイスよりも電荷保持の影響を受けやすい崩壊モードのCMUTで望ましい。開示される構成要素は、Al、Ti、窒化物（例えば、シリコンナイトライド）、酸化物（様々なグレード）、テトラエチルオキシシラン（TEOS）、ポリシリコンなどのCMOS適合性材料から製造されてもよい。例えば、CMOS製造では、酸化物層及び窒化物層が化学気相成長法により形成され、メタライゼーション（電極）層がスパッタリングプロセスによって堆積されることができる。適切なCMOSプロセスは、LPCVD及びPECVDであり、後者は400℃未満の比較的低い動作温度を有する。
開示されるキャビティ18を製造するための例示的な技術は、膜層14の上面を追加する前に、膜層14の初期部分にキャビティを規定することを含む。 他の加工の詳細はUS6,328,697（Fraser）に記載される。図2に示される例示的な実施形態では、円筒形キャビティ18の直径は円形に構成される電極プレート22の直径より大きい。電極リング28は円形に構成される電極プレート22と同じ外径を有することができるが、必須ではない。従って、本発明の例示的な実施形態では、電極リング28は、下の電極プレート22とアラインされるように膜層14の上面に対して固定される。
【００１０】
図2において、CMUTセル膜層は、膜14がキャビティ18のフロアと接触している崩壊状態にバイアスされる。これは、電極リング28に印加される電圧VB及び電極プレート22に印加される基準電位（グランド）によって示されるように、2つの電極にDCバイアス電圧を印加することによって実現される。本発明のCMUTセルの好ましい実施態様では、下部電極は接地されていないが、DC基準電位に接続されており、セルのためのAC駆動信号（及び受信信号）は、下部電極に印加され、下部電極で受信される。電極リング28は、中心に穴のない連続ディスクとして形成することもできるが、図2は、なぜこれが必要でないかを示している。膜14がこの図に示されるように前崩壊状態にバイアスされると、膜の中心はキャビティ18のフロアと接触する。このように、膜14の中心はCMUTの動作中に動かない。むしろ、キャビティ18の残りの開放空隙の上であってリング電極の下にあるのは、移動する膜14の周辺領域である。膜電極28をリングとして形成することにより、装置の容量の上部プレートの電荷は、CMUTがトランスデューサとして動作しているときに、動き及び容量変化を示すCMUTの領域の上に位置される。したがって、CMUTトランスデューサの結合係数が改善される。
図3は、円形CMUTセル50の2次元アレイの上面図である。アレイは、CMUTセルの対称的に整列される行56及び列58のパターンで構成される。カラムは、セルの高密度アレイを提供するために、セルが互いに非常に近接して加工されることを可能にする互い違いのアライメントを有する。セル50の行及び列は、重ねられ、導電性相互接続層60と相互接続され、導電性相互接続層60は、セル膜上に導電層20を形成し、それらを互いに電気的に結合する。下側の列のみが図中のセルの列の間で相互接続されるように見えるが、構成される実施形態では、各行は、各セルがその6つの周囲のセルに接続されるように接続される。この相互接続マトリクスは、（印加されるバイアス電圧VB又は接地電位の何れかによって規定される）共通電位をアレイ内のすべてのセルに均一に分布させるので、それらはすべて同じ感度を示す。この例では、アレイは、良好なサイドローブ性能のために、行方向及び列方向の両方において同じピッチを有するように寸法決めされる。ブリッジ状相互接続構造60は、好ましくは可撓性であり、アレイのセルの向きを維持することを助け、アレイが、湾曲アレイトランスデューサとしての動作のための湾曲構成で曲げられ、屈曲されることを可能にする。
【００１１】
図4は、図に150で表される超音波システムに接続されるCMUTトランスデューサプローブ100 'を示す。この図には、各CMUTセルのための個々の下部電極22と共通上部電極20とを備える4つのCMUTセル10のアレイが示される。誘電体16は、印加されるDCバイアス電圧VB及び受信される超音波エネルギーに応答して膜及び上部電極が動くことを可能にする、各セルのキャビティ18の間の上部電極及び膜を支持する。この実施形態では、DCバイアス電圧H +（VB）が共通電極20に印加されて、キャビティ18のフロアとの所望の近接度の上部電極をバイアスする。レンズ68又は他のカバーは、DCバイアスの高電圧との直接接触から患者を保護する。本発明の好ましい実施形態によれば、CMUTセルは、CMUTセル用の制御集積回路72のASICの基板70上に製造される。 CMUTセルの下部電極22は、ASICの上面を通じてビア74によってASICの回路に電気的に接続される。代替的に、CMUTは、それ自体の基板12上に形成され、フリップチップ接続、導電性接着剤などの当業者に知られている多くの技術の何れかを通じて、又はシリコンビアを通じて、別個のASICに接続されてもよい。超音波プローブのASIC回路は、ケーブル80によって超音波システム150に接続される。超音波システムは、アナログ又はデジタル制御ライン82を通じてASICのトランスデューサエレクトロニクスを制御し、アナログ又はデジタル信号ライン84を通じて超音波信号を受信する。
図4は、本発明が取り組む問題を示している。すなわち、一番左のCMUTセルが故障し、その懸架上部電極20が30で示されるように底部電極22に崩壊して、CMUTセルが短絡されている。セルの上部電極は共通であるので、この故障は、他の全ての相互接続されるセルの上部電極も短絡させる。セルはこの場合、動作不能であるだけでなく、DCバイアス電圧をビア74に直接結合することにより、DCバイアス電源からASIC72に直接電流が印加され、ASICの集積回路に損傷を与える可能性がある。
【００１２】
図5は、同じCMUTプローブ100 '及び超音波システム150の構成を示しているが、本発明による個々のCMUTセルのヒューズ保護を備えている。各MUTは、下部電極に結合される単一のヒューズを有し、ヒューズは、MUTセルの過電流状態の場合に開いてMUTセルをアレイの他のMUTセルから分離するように動作する。基板に結合される信号電極に結合されるヒューズを有することは有益であり得る。しばしば過電流状態は、ヒューズと電極が作られた材料の局所的な再分配を引き起こす可能性がある。電極又はそのヒューズに結合される電極が患者又は音響窓側に近づくほど、バイアス電圧に対する患者の潜在的な暴露を伴う再分配材料により、アレイにおけるさらなる不足をもたらす危険性が高くなる。この実施形態では、個々のヒューズ200がセルの下部電極22と直列に追加され、ASICのエレクトロニクスを保護し、他の損傷していないセルに対するバイアス電圧が短絡しないことを維持する。本発明のCMUTセルの好ましい実施例では、下部電極は接地されていないが、DC基準電位に接続されており、セルのための駆動信号（並びに受信信号）は、下部電極に印加され、下部電極で受信される。このようにして、各セルの下部電極は信号保持電極の機能を有し、各セルの上部電極（共通電極）は接地され得る（接地電位に結合され得る）。これにより、アレイの患者の安全性が更に向上する。この場合、30で示される最も左側のセルの故障により、ヒューズ200 'は開き、セルを通る短絡バイアス電流経路を開くことによってこの保護が提供される。本発明は、簡単でコンパクトな設計構成において、高電流集積回路（ASIC）に対する感度を、故障したCMUTセルから分離する可能性を提供する。各CMUTセルは信号電極に結合される1つのヒューズしか必要とせず、このヒューズの活性化は信号線84から、対応するCMUTセルのアイソレーションをもたらすことができる。本発明は、この技術的問題に対して信頼され得る解決策を提供する。本発明のさらなる態様によれば、ASIC基板70上にヒューズが形成される。本発明者らは、ヒューズは、CMUTセルが形成される表面の有用な領域を占有し、それによって音響生成及び受信に利用可能な領域を低減する。代わりに、本発明者らは、好ましくはプローブの音響的に活性な領域を制限することなくヒューズを形成するためにASIC内の複数の層を利用して、ASIC基板にヒューズを形成する。ヒューズ200は、金属化層、ポリシリコン層、活性層、又はASICチップの層間の相互接続（ビア）の何れかで製造されることができる。ヒューズは、熱加熱及びエレクトロマイグレーションを含むいくつかの既知の方法によって動作するように設計されることができる。図5の非限定的な例では、CMUTセルの上部（共通）電極は、相互接続されることが示され、それ故に共通電圧電位（グランドバイアス又は基準バイアスの何れか）を備える連続電極を形成する。
【００１３】
図6は、本発明の原理に従ってCMUT集積回路ヒューズを実施するためのいくつかの代替技術を平面図で示す。これらの6つの図示される技術は、示される様々なヒューズセグメントを堆積する集積回路内の複数の層をどのように使用するかを示している。実施例が示すように、様々な層は様々な半導体材料から形成されることができる。図面の左下には、上部電極20及び下部電極22を含むCMUTセル10の層がある。1つのヒューズ技術は、220に示されるように上部電極20の導電トレースを狭めることにある。他の技術は、222に示されるように下部電極22の導電トレースを狭めることにある。この例は、ポリシリコン層210と、下部電極22と直列に結合される2つの集積回路金属層230及び234とを示す。層間の電気的接続は、導電性ビア242,244,246によって提供される。212において層の狭小化によってポリシリコン層210内に形成されるヒューズセグメントが示される。232及び236において層の狭小化によって集積回路金属層230及び234内に形成されるヒューズセグメントも示される。この例は、ビア246の小さな直径によって形成されるヒューズも示している。トレースの狭小化及びより小さいビア直径のそれぞれは、過剰な電流を狭いチャネルに流させ、チャネルを開く熱又はエレクトロマイグレーションによるチャネルの開放の何れかをもたらし、それによってDCバイアス電流の電気経路を開く。これにより、短絡されるCMUTセルは、CMUT基板上及びプローブ内でまだ動作している他から個々に分離される。
図7は、本発明のMUTアレイプローブと共に使用するのに適した超音波診断イメージングシステム150をブロック図の形態で示す。 CMUTアレイ100は、マイクロビームフォーマASIC112と共に、超音波プローブ100 'の遠位端又はカテーテルの先端に配置される。CMUTアレイ100は、2D平面内又は3Dイメージングのための3次元内でスキャンすることができるMUTトランスデューサ素子の1次元又は2次元アレイであり得る。（制御回路72も含む）マイクロビームフォーマASIC112は、CMUTアレイセルによる信号の送信及び受信を制御し、上述のようにCMUTセル用のヒューズ200も収容する。マイクロビームフォーマは、US 5,997,479 (Savord 他), US 6,013,032 (Savord), 及びUS 6,623,432 (Powers 他)に記載されるように、トランスデューサ素子のグループ又は「パッチ」によって受信される信号の少なくとも部分的なビーム形成をし得る。マイクロビームフォーマは、マイクロビームフォーマが使用されず、トランスデューサアレイがメインシステムビームフォーマによって直接操作されるとき、送信と受信との間で切り換えて、メインシステムビームフォーマ120を高エネルギーの送信信号から保護する送信/受信（T / R）スイッチ116に結合される。マイクロビームフォーマASIC112の制御下でのCMUTトランスデューサアレイ100からの超音波ビームの送信は、T / Rスイッチに結合されるトランスデューサコントローラ118及び制御パネル３８又はユーザインターフェースのユーザ操作から入力を受信するメインシステムビームフォーマ120によって方向付けられる。トランスデューサコントローラによって制御される機能の1つは、ビームがステアリングされる方向である。ビームは、トランスデューサアレイから直進（直交）するか、又はより広い視界のために異なる角度でステアリングされることができる。トランスデューサコントローラ118は、所望の動作モードのCMUTの動作のためにセル膜14を部分的又は完全な崩壊状態にバイアスする、CMUTセルにDCバイアス電源140から印加されるDCバイアスのための回路104も制御する。
受信時にマイクロビームフォーマ112によって生成される部分的にビーム形成される信号は、メインビームフォーマ120に結合され、トランスデューサ要素の個々のパッチからの部分的にビーム形成される信号は、完全にビーム形成される信号に結合される。例えば、メインビームフォーマ120は、128個のチャネルを有し、その各々は、数十又は数百のCMUTトランスデューサセルのパッチから部分的にビーム形成される信号を受信する。このようにして、CMUTトランスデューサアレイの数千のトランスデューサ素子によって受信される信号は、単一のビーム形成信号に効率的に寄与することができる。基本的な実施形態では、CMUTセルの行から受信される音響信号は、セルの行の前の画像平面からのビームに処理されて、スキャン2D画像を形成する。
【００１４】
ビーム形成される信号は、信号プロセッサ122に結合される。信号プロセッサ122は、組織及びマイクロバブルから返される非線形エコー信号の識別を可能にするように、バンドパスフィルタリング、デシメーション、I成分及びQ成分分離、及び線形及び非線形信号を分離するように作用する高調波信号分離などの様々な方法で受信エコー信号を処理することができる。信号プロセッサは、スペックル低減、信号合成、及びノイズ除去などの追加の信号強調を実行することもできる。信号プロセッサ内のバンドパスフィルタは、トラッキングフィルタとされることができ、その通過帯域は、エコー信号が増加する深さから受信されるとき、より高い周波数帯域からより低い周波数帯域にスライドし、それにより、これらの周波数が解剖学的情報をもたないより深い深度からより高い周波数でノイズが拒絶される。
処理される信号は、Bモードプロセッサ126及びドップラープロセッサ128に結合される。Bモードプロセッサ126は、体内の器官及び血管の組織などの体内の構造のイメージングのために振幅検出を用いる。体の構造のBモード画像は、US Pat. 6,283,919 (Roundhill 他.) 及びUS Pat. 6,458,083 (Jago 他)に記載のように、  高調波モード若しくは基本モードの何れか、又は両方の組み合わせで形成されてもよい。ドップラープロセッサ128は、画像フィールド内の血球の流れなどの物質の動きを検出するために、組織の動き及び血流から時間的に異なる信号を処理する。ドップラープロセッサは、典型的には、体内の選択されるタイプの物質から返されるエコーを通過及び/又は拒絶するように設定され得るパラメータを有するウォールフィルタを含む。例えば、ウォールフィルタは、比較的高速の材料から比較的低い振幅の信号を通過させるが、より低い又はゼロ速度の物質からの比較的強い信号を拒絶する、通過帯域特性を有するように設定されることができる。この通過帯域特性は、流れる血液からの信号を通過させる一方で、ほぼ静止した物体又は心臓の壁などの遅く動いている物体からの信号を拒絶する。逆特性は、心臓の動く組織からの信号を通過させるが、組織ドップラーイメージングと称されるものに対する血流信号を拒絶し、組織の動きを検出及び描写する。ドップラプロセッサは、画像フィールド内の異なる点からの時間的に離散したエコー信号のシーケンスを受信して処理し、特定のポイントからのエコーのシーケンスはアンサンブルと称される。比較的短い間隔に渡る急速に連続して受信されるエコーのアンサンブルは、血流のドップラーシフト周波数を推定するために使用され、速度に対するドップラー周波数の対応は、血流速度を示す。より長い期間にわたって受信されるエコーのアンサンブルは、より遅く流れる血液又はゆっくりと動く組織の速度を推定するために使用される。
【００１５】
Bモード及びドップラープロセッサによって生成される構造及び動き信号は、スキャンコンバータ132及びマルチプレーナリフォーマッタ144に結合される。スキャンコンバータは、受信した空間的関係におけるエコー信号を所望の画像フォーマットに構成する。例えば、スキャンコンバータは、エコー信号を2次元（2D）セクタ形状のフォーマット又はピラミッド3次元（3D）画像に構成することができる。スキャンコンバータは、Bモード構造画像を、それらのドップラー推定速度に対応する画像フィールド内の点における動きに対応する色でオーバレイして、画像フィールド内の組織及び血流の動きを示すカラードップラー画像を生成することができる。マルチプレーナリフォーマッタは、米国特許第6,443,896号（Detmer）に記載されるように、体のボリュメトリック領域内の共通平面内の点から受信されるエコーをその平面の超音波画像に変換する。ボリュームレンダラ142は、米国特許第US 6,530,885号(Entrekin他)に記載されるように、3Dデータセットのエコー信号を所与の基準点から見られる投影3D画像に変換する。 2D又は3D画像は、スキャンコンバータ32、マルチプレーナリフォーマッタ44、及びボリュームレンダラ142から、画像ディスプレイ40上に表示するためのさらなる強調、バッファリング及び一時的記憶のために、画像プロセッサ130に結合される。イメージングに使用されることに加えて、ドップラープロセッサ128によって生成される血流速度値は、フロー定量化プロセッサ134に結合される。フロー定量化プロセッサは、血流のボリュームレートなどの異なるフロー条件の測定値を生成する。フロー定量化プロセッサは、測定が行われるべき画像の解剖学的構造内の点など、ユーザ制御パネル38からの入力を受信することができる。フロー定量化プロセッサからの出力データは、ディスプレイ40上の画像による測定値の再生のためにグラフィックスプロセッサ136に結合される。グラフィックスプロセッサ136は、超音波画像と共に表示するためのグラフィックオーバレイを生成することもできる。これらのグラフィックオーバーレイは、患者の名前、画像の日時、イメージングパラメータなどの標準的な識別情報を含むことができる。これらの目的のために、グラフィックスプロセッサは、タイプされる患者の名前のような、ユーザインターフェース38からの入力を受信する。ユーザインタフェースは、トランスデューサアレイ100からの超音波信号の生成、したがってトランスデューサアレイ及び超音波システムによって生成される画像の生成を制御するためにトランスデューサコントローラ118に結合される。ユーザインタフェースは、マルチプレーナ再フォーマット（MPR）画像の画像フィールドにおいて定量化される測定を実行するために使用され得る複数のMPR画像の表示の選択及び制御のためにマルチプレーナリフォーマッタ144にも結合される。
【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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