(57)【要約】  音響プローブ１００、３００が、音響トランスデューサ１５、４４４と、上記音響トランスデューサに結合される複数の可変屈折音響レンズ要素１０、２１０ａ、２１０ｂ、４４２とを含む。各可変屈折音響レンズ要素は、上記電極にわたり印加される選択電圧に基づき、上記可変屈折音響レンズ要素の少なくとも１つの特性を調整するよう構成される少なくとも一対の電極１５０、１６０を持つ。ある実施形態において、各可変屈折音響レンズ要素は、キャビティ、上記キャビティに配置される第１及び第２の流体媒質１４１、１４２並びに上記一対の電極を含む。上記第１の流体媒質における音波の音速は、上記第２の流体媒質における音波の音速とは異なる。第１及び第２の流体媒質は、互いに不混和であり、上記第１の流体媒質は、上記第２の流体媒質とは実質的に異なる電気導電性を持つ。
2010526467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響プローブであって、
音響トランスデューサと、
前記音響トランスデューサに結合される複数の可変屈折音響レンズ要素であって、各可変屈折音響レンズ要素が、少なくとも一対の電極を持ち、前記電極にわたり印加される選択電圧に基づき、前記可変屈折音響レンズ要素の少なくとも１つの特性を調整するよう構成される、複数の可変屈折音響レンズ要素とを含む、音響プローブと、
前記音響トランスデューサに結合される音響プロセッサ信号と、
各可変屈折音響レンズ要素の前記一対の電極に対して、選択された電圧を印加するよう構成される可変電圧源と、
前記一対の電極に対して前記選択された電圧を印加するため前記可変電圧源を制御するよう構成されるコントローラとを有する、音響撮像装置。
【請求項２】
送信信号源と、
前記送信信号源に対して、及び前記音響信号プロセッサに対して前記音響トランスデューサを選択的に結合するよう構成される送信／受信スイッチとを更に有する、請求項１に記載の音響撮像装置。
【請求項３】
前記音響トランスデューサが、複数の音響トランスデューサ要素を有する、請求項１に記載の音響撮像装置。
【請求項４】
前記可変屈折音響レンズ要素が各々、前記音響トランスデューサ要素の対応する１つに結合される、請求項３に記載の音響撮像装置。
【請求項５】
前記可変屈折音響レンズ要素が、前記可変屈折音響レンズ要素の各１つより大きい有効サイズを持つ単一の可変屈折音響レンズとして作動するよう制御される、請求項１に記載の音響撮像装置。
【請求項６】
前記可変屈折音響レンズ要素が、スペース充填アレイを有し、前記可変屈折音響レンズ要素の各々は、六角形、三角形、長方形、正方形、ポリゴン又はスムーズに変化する輪郭の形状を持つ、請求項５に記載の音響撮像装置。
【請求項７】
各可変屈折音響レンズ要素が、
キャビティと、
前記キャビティに配置される第１及び第２の流体媒質と、
前記第１及び第２の電極とを有し、
前記第１の流体媒質における音波の音速が、前記第２の流体媒質における前記音波の対応する音速とは異なり、
前記第１及び第２の流体媒質は、互いに不混和であり、
前記第１の流体媒質が、前記第２の流体媒質とは実質的に異なる電気導電性を持つ、請求項１に記載の音響撮像装置。
【請求項８】
前記第１及び第２の流体媒質が、実質的に等しい密度を持つ、請求項７に記載の音響撮像装置。
【請求項９】
各可変屈折音響レンズ要素が、前記キャビティを規定する筐体を含み、前記一対の電極の第１の電極は、前記筐体の下端又は上端に与えられ、前記一対の電極の第２の電極が、前記筐体の側面側壁に与えられる、請求項７に記載の音響撮像装置。
【請求項１０】
前記一対の電極の第１の電極が、前記より大きな電気導電性を持つ前記第１及び第２の流体媒質の１つと接触して与えられ、前記一対の電極の第２の電極は、前記より大きな電気導電性を持つ前記第１及び第２の流体媒質から分離される、請求項７に記載の音響撮像装置。
【請求項１１】
前記電極にわたり印加される前記選択された電圧に基づき調整される前記可変屈折音響レンズ要素の前記少なくとも１つの特性が、前記可変屈折音響レンズの焦点及び傾斜を含む、請求項１に記載の音響撮像装置。
【請求項１２】
音響トランスデューサと、
前記音響トランスデューサに結合される複数の可変屈折音響レンズ要素であって、各可変屈折音響レンズ要素が、少なくとも一対の電極を持ち、前記電極にわたり印加される選択電圧に基づき、前記可変屈折音響レンズ要素の少なくとも１つの特性を調整するよう構成される、複数の可変屈折音響レンズ要素とを有する、音響プローブ。
【請求項１３】
前記音響トランスデューサが、複数の音響トランスデューサ要素を有する、請求項１２に記載の音響プローブ。
【請求項１４】
前記可変屈折音響レンズ要素が各々、前記音響トランスデューサ要素の対応する１つに結合される、請求項１３に記載の音響プローブ。
【請求項１５】
前記可変屈折音響レンズ要素が、前記可変屈折音響レンズ要素の各々より大きい有効サイズを持つ単一の可変屈折音響レンズとして作動するよう制御される、請求項１２に記載の音響プローブ。
【請求項１６】
前記可変屈折音響レンズ要素が、スペース充填アレイを有し、前記可変屈折音響レンズ要素の各々は、六角形、三角形、長方形、正方形、ポリゴン又はスムーズに変化する輪郭の形状を持つ、請求項１５に記載の音響プローブ。
【請求項１７】
各可変屈折音響レンズ要素が、
キャビティと、
前記キャビティに配置される第１及び第２の流体媒質と、
前記一対の電極とを有し、
前記第１の流体媒質における音波の音速が、前記第２の流体媒質における前記音波の対応する音速とは異なり、
前記第１及び第２の流体媒質は、互いに不混和であり、
前記第１の流体媒質が、前記第２の流体媒質とは実質的に異なる電気導電性を持つ、請求項１２に記載の音響プローブ。
【請求項１８】
前記第１及び第２の流体媒質が、実質的に等しい密度を持つ、請求項１７に記載の音響プローブ。
【請求項１９】
各可変屈折音響レンズ要素が、前記キャビティを規定する筐体を含み、前記一対の電極の第１の電極は、前記筐体の下端又は上端に与えられ、前記一対の電極の第２の電極が、前記筐体の側面側壁に与えられる、請求項１７に記載の音響プローブ。
【請求項２０】
前記一対の電極の第１の電極が、前記より大きな電気導電性を持つ前記第１及び第２の流体媒質の１つと接触して与えられ、前記一対の電極の第２の電極は、前記より大きな電気導電性を持つ前記第１及び第２の流体媒質から分離される、請求項１７に記載の音響プローブ。
【請求項２１】
前記電極にわたり印加される前記選択された電圧に基づき調整される前記可変屈折音響レンズ要素の前記少なくとも１つの特性が、前記可変屈折音響レンズの焦点及び上昇を含む、請求項１２に記載の音響プローブ。
【請求項２２】
音波を用いて測定を行う方法において、
（１）音響プローブを患者に適用するステップと、
（２）所望の焦点において焦束するよう前記音響プローブの複数の可変屈折音響レンズ要素を制御するステップと、
（３）前記所望の焦点に対応する目標領域から戻る音波を音響トランスデューサで前記可変屈折音響レンズ要素から受信するステップと、
（４）前記受信音波に対応する電気信号を前記音響トランスデューサから出力するステップとを有する、方法。
【請求項２３】
（５）前記トランスデューサにより出力される前記電気信号から受信音響データを生成するステップを更に有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
（６）前記受信音響データをメモリに格納するステップと、
（７）別の焦点で焦束させるべきか否かを決定するステップと、
（８）別の焦点が選択されるとき、前記新規な焦点に関して、ステップ（１）から（７）を繰り返すステップと、
（９）これ以上焦点が選択されないとき、前記格納された音響データを処理し、前記処理された音響データから画像を出力するステップとを更に有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
ステップ（３）の前に、前記所望の焦点に焦束される音波を生成するため、前記可変屈折音響レンズ要素に結合される前記音響トランスデューサに対して１つ又は複数の電気信号を印加するステップを更に有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
目標領域において焦束させるため前記複数の可変屈折音響レンズ要素を制御するステップが、前記可変屈折音響レンズ要素の筐体に配置される２つの流体を互いに対して変位させるため、前記可変屈折音響レンズ要素の各々の電極に対して電圧を印加するステップを含み、前記２つの流体が、互いに異なる音波伝播速度を持つ、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
所望の上昇焦点において焦束させるため前記音響プローブの前記複数の可変屈折音響レンズ要素を制御するステップが、前記可変屈折音響レンズ要素の各１つより大きい有効サイズを持つ単一の可変屈折音響レンズとして作動するよう前記可変屈折音響レンズ要素を制御するステップを有する、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響撮像方法、音響撮像装置に関し、より詳細には調整可能な流体レンズを用いて音波に対する上昇焦点制御(elevation focus control)のための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
（特に超音波を含む）音波は、例えば医療診断、機械部品の非破壊制御及び水中撮像等といった多くの科学的又は技術的分野において有益である。音波は光学観察に対して相補的である診断及び制御を可能にする。なぜなら、音波は、電磁波に対して透過的でない媒体の中を進むことができるからである。
【０００３】
音響撮像装置は、従来の１次元（「１Ｄ」）音響トランスデューサアレイを使用する装置及びマイクロビーム形成技術を用いてフルサンプリングされた２次元（「２Ｄ」）音響トランスデューサアレイを使用する装置の両方を含む。
【０００４】
１Ｄ音響トランスデューサアレイを使用する装置において、音響トランスデューサ要素はしばしば、単一の平面内の焦束を最適化する態様で配置される。これは、軸方向次元（即ち伝播方向）及び横方向次元（即ち１Ｄアレイの方向）の両方において、送信及び受信される音響圧力波の焦束を可能にする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この問題に対する複数の技術的ソリューションが、増加された要素カウント（１．５Ｄアレイ、２Ｄアレイ）又は調整可能なレンズ物質（流体力学的遅延構造体）を含んで提案されてきたが、それぞれは、一般的に受け入れられるものではなかった。要素カウントを増加させることは、各要素が個別的にアドレス指定可能である場合にだけうまくいくことができる。即ち、関連付けられる電子機器のコストを非常に増加させる。流体力学的物質といった調整可能な遅延は、最適なソリューションではない。なぜなら、各要素の上で別々に遅延を調整する必要性が追加的に生じ、複雑さも増加されるからである。
【０００６】
一方、フルサンプリングされた２Ｄ音響トランスデューサアレイの製造を可能にする重要な側面の１つは、マイクロビーム形成技術である。このソリューションは、音響トランスデューサアレイ上に直ちに取り付けられる特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）の形で、電子遅延及び合計回路を使用することを含む。これらのＡＳＩＣは、「パッチ化された」又はグループ化された要素の時間遅延及び合計を調整するため多くの要素に結合される。これは、多くの要素が、単一の調整可能な焦点要素にまで論理的に簡略化される(reduced)ことを効果的に可能にする。これにより、グレーティングローブを最小化するためλ／２基準を満たす必要のある高い要素カウントを維持しつつ、音響トランスデューサから駆動及び受信電子機器まで戻るのに必要なケーブルの数が減らされる。この技術は、市販の音響トランスデューサにおいてうまく展開されたが、追加的な電子機器及び相互接続に関する複雑さ及び費用を増加させる。
【０００７】
従って、２Ｄマイクロビーム形成器アレイの機能を与える、しかしより少ない電子機器、より少ない要素ですみ、可能性として配備するのにかなり安くできる音響撮像デバイスを提供することが望ましい。大きなアクティブトランスデューサ開口を備える斯かる音響撮像デバイスを提供することが、特に望ましい。この場合、フルサンプリングされる（要素＜波長の半分）トランスデューサは、コストが非常にかかる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの側面によれば、音響撮像装置が、音響プローブであって、音響トランスデューサと、上記音響トランスデューサに結合される複数の可変屈折音響レンズ要素であって、各可変屈折音響レンズ要素が、少なくとも一対の電極を持ち、上記電極にわたり印加される選択電圧に基づき、上記可変屈折音響レンズ要素の少なくとも１つの特性を調整するよう構成される、複数の可変屈折音響レンズ要素とを含む、音響プローブと、上記音響トランスデューサに結合される音響プロセッサ信号と、各可変屈折音響レンズ要素の上記一対の電極に対して、選択された電圧を印加するよう構成される可変電圧源と、上記一対の電極に対して上記選択された電圧を印加するため上記可変電圧源を制御するよう構成されるコントローラとを有する。
【０００９】
本発明の更に別の側面において、音響プローブは、音響トランスデューサと、上記音響トランスデューサに結合される複数の可変屈折音響レンズ要素とを有し、各可変屈折音響レンズ要素が、少なくとも一対の電極を持ち、上記電極にわたり印加される選択電圧に基づき、上記可変屈折音響レンズ要素の少なくとも１つの特性を調整するよう構成される。
【００１０】
本発明の更に別の側面において、音波を用いて測定を行う方法が、（１）音響プローブを患者に適用するステップと、（２）所望の上昇焦点において焦束するよう上記音響プローブの複数の可変屈折音響レンズ要素を制御するステップと、（３）上記所望の上昇焦点に対応する目標地域から戻る音波を音響トランスデューサで上記可変屈折音響レンズ要素から受信するステップと、（４）上記受信音波に対応する電気信号を上記音響トランスデューサから出力するステップとを有する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】対応する音響トランスデューサにそれぞれ結合される複数の可変屈折音響レンズを含む音響プローブのある実施形態を示す図である。
【図１Ｂ】対応する音響トランスデューサにそれぞれ結合される複数の可変屈折音響レンズを含む音響プローブのある実施形態を示す図である。
【図２Ａ】可変屈折音響レンズアレイのいくつかの可能な構成を示す図である。
【図２Ｂ】可変屈折音響レンズアレイのいくつかの可能な構成を示す図である。
【図２Ｃ】可変屈折音響レンズアレイのいくつかの可能な構成を示す図である。
【図３】単一のトランスデューサ要素を持つ音響トランスデューサに結合される、又はレンズ数のより少ない複数のトランスデューサ要素を持つ音響トランスデューサに結合されるスペース充填可変屈折音響レンズアレイを含む音響プローブのある実施形態を示す図である。
【図４】音響撮像装置の実施形態のブロック図を示す図である。
【図５】音響撮像装置を制御する方法のある実施形態のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明が以下、添付の図面を参照してより完全に記載されるだろう。添付図面において、本発明の好ましい実施形態が示される。しかしながら、本発明は、異なる形式において実現されることができ、本願明細書に記載される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきでない。むしろ、これらの実施形態は、本発明の例示的な教示として与えられる。
【００１３】
可変焦点流体レンズ技術は、元は、特定の屈折率を持つ流体で満たされるキャビティの物理境界における変性を介して光が焦束されることを可能にするという明確な目的のために発明されたソリューションである（特許協力条約（ＰＣＴ）国際公開第２００３／０６９３８０号参照。この全体は、完全に本書に記載されるものとして参照により本願明細書に組み込まれる。）。導電性電極にわたる電圧の印加によりキャビティ内の流体が移動される、エレクトロウェッティングとして知られる処理が、流体の表面の運動を実現する。表面トポロジにおけるこの変化は、移動経路を変更するような態様で光が屈折されることを可能にする。これにより、光が焦束される。
【００１４】
一方、超音波は、流体媒質において伝播する。実際、人体はしばしば、圧縮波以外の高周波数音波をサポートすることができない流体として参照される。この意味において、波は、大きな組織での伝播の音響速度における差による歪みに敏感であり、界面での音速における突然の変化による歪みにも敏感である。以下開示されるように、この特性は音響プローブ及び音響撮像装置の実施形態において利用される。以下の議論では、可変屈折音響レンズを含む音響撮像装置及び音響プローブが説明される。本願において用いられる「可変屈折音響レンズ」という用語の文脈において、「レンズ」という語は、（可能であれば光に加えて）光以外の放射線、特に例えば超音波放射線といった音響放射線を方向付ける又は焦束させるデバイスを意味するよう広く規定される。可変屈折音響レンズは音波を焦束させることができるが、斯かる焦束は、この文脈における「レンズ」という語を用いることにより意味されるものではない。一般に、本書で用いられる可変屈折音響レンズは、音波を屈折させるよう構成される。これは、音波を偏向及び／又は焦束させることができる。
【００１５】
図１Ａ〜Ｂは、音響トランスデューサ１５の複数の音響トランスデューサ要素２０の対応する１つにそれぞれ結合される可変屈折音響レンズ要素１０のアレイを有する音響プローブ１００のある実施形態を示す。可変屈折音響レンズ要素１０は、印加される少なくとも１つの選択された電圧に基づき、その少なくとも１つの音響信号処理特性を調整するようそれぞれ構成される。例えば、各可変屈折音響レンズ要素１０は有益には、後で詳しく述べるように、伝播の軸（「焦点」）に沿って及び／又はこの軸に垂直な向き（「偏向」）に沿って音波の焦点を変化させる能力を含む。各可変屈折音響レンズ要素１０は、筐体１１０と、結合要素１２０と、第１及び第２の流体媒質１４１及び１４２と、第１の電極１５０及び少なくとも１つの第２の電極１６０ａとを含む。例えば、筐体１１０は、円筒状形状とすることができる。有利には、筐体１１０の上端部及び下端部は実質的に音響的に透過的である。一方、音波は、筐体１１０の側壁を貫通することはない。対応する音響トランスデューサ要素２０は、有益には１つ又は複数の音響適合層１３０により、筐体１１０の下端に結合される。音響適合層に対する必要性は、音響トランスデューサ物質の選択により主に決定され(driven)、圧電マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴｓ）又は容量マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴｓ）の場合と同様、いくつかの実現では必要ではない場合がある。
【００１６】
音響トランスデューサ要素２０は、１Ｄアレイ又は２Ｄアレイさえ有することができる。
【００１７】
有利には、以下より詳細に述べられるが、音響トランスデューサ要素２０に結合される可変屈折音響レンズ要素１０の組合せは、マイクロビーム形成２Ｄ音響トランスデューサレイをエミュレートすることができる。その場合、各音響トランスデューサ要素２０は、従来のマイクロビーム形成２Ｄ音響トランスデューサレイにおける多くの（例えば１６の）音響トランスデューサ要素を置換する。例えば、６４ｘ６４＝４０９６要素の従来のマイクロビーム形成２Ｄアレイを持つ音響プローブの動作は、２５６の音響トランスデューサ要素２０及び２５６の可変屈折音響レンズ要素１０だけを持つ音響プローブ１００により置換されることができる。フルサンプリングされるアレイより要素サイズが大きいので、グレーティングローブの外見は通常、技術的課題である。しかしながら、大きな要素それぞれの前にレンズを導入することで、より小さな要素アレイの同じ操縦機能が実現されることができる。有利には、音響プローブ１００は、より少ない電子機器、より少しの要素を必要とし、可能性として、従来のマイクロビーム形成２Ｄ音響トランスデューサレイを用いる音響プローブより少ない費用で配備することができる。
【００１８】
ある実施形態において、音響プローブ１００は、送信モード及び受信モードの両方で作動するよう構成される。その場合、送信モードにおいて、各音響トランスデューサ要素２０は、このトランスデューサ要素に入力される電気信号をトランスデューサ要素が出力する音波へと変換する。受信モードにおいて、各音響トランスデューサ要素２０は、受信する音波をこのトランスデューサ要素が出力する電気信号へと変換する。音響トランスデューサ要素２０は、音波の分野でよく知られるタイプである。
【００１９】
別の実施形態において、音響プローブ１００は、代わりに、受信専用モードで作動するよう構成されることができる。その場合、送信トランスデューサは、別々に与えられる。
【００２０】
更に別の実施形態において、代わりに、音響プローブ１００が送信専用モードで利用されることができる。斯かるモードは、治療法を供給するため、超音波が組織又は超音波照射される対象物と相互作用することを目的とする治療的な用途に関して有益である。
【００２１】
有利には、結合要素１２０は、筐体１１０の１つの端部に与えられる。例えば人体といった体に対して押されるとき、結合要素１２０は、接触面を生み出すよう設計される。有利には、結合要素１２０は、例えばマイラー膜といった結合固形物質で満たされる柔軟な密封ポケット（即ち、音響ウィンドウ）、又は体と実質的に等しい音響インピーダンスを持つプラスチック膜を有する。
【００２２】
筐体１１０は、第１及び第２の流体媒質１４１及び１４２が与えられるボリュームＶを持つ密封キャビティを囲む。ある実施形態において、例えば、筐体１１０内のキャビティのボリュームＶは、直径約０．８ｃｍ及び高さ約１ｃｍである。即ち、筐体１１０の軸に沿って存在する。
【００２３】
有利なことに、第１及び第２の流体媒質１４１及び１４２における音速は、互いに異なる（即ち、音波は、流体媒質１４２で伝播するのとは異なる速度で流体媒質１４１内を伝播する）。また、第１及び第２の流体媒質１４１及び１４２は、互いに混和しない。従って、それらは、キャビティにおいて別々の液相として常に残る。第１及び第２の流体媒質１４１及び１４２の間の分離は、任意の固形部のない、第１及び第２の流体媒質１４１及び１４２の間の境界を規定する接触面又はメニスカスである。また、有利には、２つの流体媒質１４１、１４２の１つは電気導電性があり、他の流体媒質は実質的に、非電気導電性又は電気絶縁性がある。
【００２４】
ある実施形態において、第１の流体媒質１４１は、主に水から成る。例えば、第１の流体媒質は、電気的極性挙動を持つよう、又は電気導電性を持つよう、十分高いイオン成分を持つ食塩水とすることができる。その場合、第１の流体媒質１４１は、例えば濃度が共に１ｍｏｌ／ｌであるカリウム及び塩化物イオンを含むことができる。代替的に、第１の流体媒質は、（例えば０．１ｍｏｌ／ｌの濃度を持つ）例えばナトリウム又はカリウムといったイオンの存在が原因で実質的な導電率を持つ水及びエチルアルコールの混合物とすることができる。第２の流体媒質１４２は、例えば、電界に対して感度の低いシリコン油を有することができる。有利には、第１の流体媒質１４１における音速は１４８０ｍ／ｓとすることができる。一方、第２の流体媒質１４２における音速は１０５０ｍ／ｓとすることができる。
【００２５】
有利には、第１の電極１５０は、電気導電的である２つの流体媒質１４１、１４２の１つと接触するよう筐体１１０において与えられる。図１Ａ〜Ｂの例において、流体媒質１４１が電気導電流体媒質であり、流体媒質１４２は実質的に非電気導電流体媒質であると想定される。しかしながら、流体媒質１４１が実質的に非電気導電流体媒質であり、流体媒質１４２が電気導電流体媒質とすることができる点を理解されたい。その場合、第１の電極１５０は、流体媒質１４２と接触するよう配置される。また、その場合、図１Ａ〜Ｂに示される接点メニスカスの凹部は、逆転されることになる。
【００２６】
一方、第２の電極１６０ａは、筐体１１０の側面（側）壁に沿って与えられる。オプションで、２つ又はこれ以上の第２の電極１６０ａ、１６０ｂ等が、筐体１１０の側面（側）壁（又は複数の壁）に沿って与えられる。電極１５０及び１６０ａは、可変電圧源（図１Ａ〜Ｂにおいて図示省略）の２つの出力に接続される。
【００２７】
操作上、可変屈折音響レンズ要素１０は、音響トランスデューサ要素２０と連動して以下のように動作する。図１Ａの例示的な実施形態において、可変電圧源により電極１５０及び１６０の間に印加される電圧がゼロであるとき、第１及び第２の流体媒質１４１及び１４２の間の接触面はメニスカスＭ１である。既知の態様において、メニスカスの形状は、筐体１１０の側壁の内側の表面特性により決定される。特に第１及び第２の流体媒質１４１及び１４２の密度が実質的に等しい場合、その形状は、ほぼ球体の一部になる。音波Ｗが第１及び第２の流体媒質１４１及び１４２において異なる伝播速度を持つので、第１及び第２の流体媒質１４１及び１４２で満たされるボリュームＶは、音波Ｗ上で収束レンズとして機能する。従って、プローブ１００に入る音波Ｗの発散は、第１及び第２の流体媒質１４１及び１４２の間の接触面と交差するとき減らされる。可変屈折音響レンズ要素１０の焦点距離は、対応する音響トランスデューサ要素２０から音波の源点(source point)までの距離である。その結果、音響トランスデューサ要素２０と衝突する前に、可変屈折音響レンズ要素１０により音波が平面にされる。
【００２８】
可変電圧源により電極１５０及び１６０の間に適用される電圧がポジティブ又はネガティブ値にセットされるとき、電極１５０及び１６０の間の電場が原因で、メニスカスの形状は変更される。特に、第１及び第２の流体媒質１４１及び１４２の間の接触面に隣接する第１の流体媒質１４１の一部に、力が印加される。第１の流体媒質１４１の極性挙動のため、使用される実際の流体だけでなく、印加電圧の符号に基づき、この媒体は電極１６０に近づく又は遠ざかる傾向がある。従って、第１及び第２の流体媒質１４１及び１４２の間の接触面は、図１Ｂの例示的な実施形態に示されるように変化する。図１Ｂにおいて、Ｍ２は、電圧が非ゼロの値にセットされるときの接触面の形状を表す。接触面の形の斯かる電気制御による変化は、エレクトロウェッティングと呼ばれている。第１の流体媒質１４１が電気導電的である場合、電圧が適用されるときの、第１及び第２の流体媒質１４１及び１４２の間の接触面の形状における変化は、前述したのと同じである。接触面の形が変化するため、電圧が非ゼロのとき、可変屈折音響レンズ要素１０の焦点距離は変化する。
【００２９】
図１Ｂからわかるように、可変屈折音響レンズ要素１０の各々は、その電極１５０、１６０ａ及び１６０ｂに対して選択された電圧を印加することにより、個別に制御可能である。従って、図１Ｂの例において、左側に示される第１の２つの可変屈折音響レンズ要素１０は、接触面を形状Ｍ２へと変化させるため、それらの電極１５０、１６０ａ及び１６０ｂに印加される電圧を持つ。一方、図１Ｂにおいてかなり右側に示される最後の可変屈折音響レンズ要素１０は、それに印加されるゼロボルトを持ち、その接触面は形状Ｍ１を持つ。もちろん、可変屈折音響レンズ要素１０に対する接触面形状の（Ｍ１及びＭ２以外の形状を含む）ほぼ無限の組合せを生成するため、種々の種類の電圧の組合せが、可変屈折音響レンズ要素１０のアレイの電極１５０、１６０ａ及び１６０ｂに印加されることができる。これは、音響プローブ１００に対する音響光線を焦束させることに関して相当な柔軟性を与える。
【００３０】
有利には、図１Ａ〜Ｂの例において、流体媒質１４１が主に水から成る場合、少なくとも筐体１１０の下端壁は、親水性被覆１７０でコーティングされる。もちろん、流体媒質１４２が主に水から成る異なる例において、代わりに筐体１１０の上部壁が親水性被覆１７０でコーティングされることもできる。
【００３１】
一方、参照によりその全体が本書に記載されるものとして含まれる、ＰＣＴ国際公開第２００４０５１３２３号は、可変屈折流体レンズのメニスカスを傾ける詳細な説明を与える。
【００３２】
可変屈折音響レンズ要素１０の調整は、外部の電子機器（例えば、可変電圧源）により制御されることができる。この外部電子機器は、例えば、可変屈折音響レンズ要素１０が３ｍｍの直径を持つとき、２０ｍｓ以内に、又は可変屈折音響レンズ１０が１００ミクロンの直径を持つときは、できるだけ迅速に１００マイクロ秒以内に、表面トポロジを調整することができる。音響プローブ１００が送信モード及び受信モードの両方で作動するとき、可変屈折音響レンズ要素１０は、有効な送信及び受信焦束を変更するよう調整されるだろう。送信モードにおいて、トランスデューサ要素２０を有するトランスデューサ１５は、Ｍモードで動作される短時間（広帯域）信号を送信することができ、可能であればパルス波ドップラーを可能にするショートトーンバースト、又は他の撮像技術のための他の関連信号を送信することができる。典型的な応用例は、臨床的な関心領域に対して調整される固定焦点を用いて平面を撮像することである。別の使用は、軸方向の焦点領域に供給されるエネルギーを最大化するよう焦点を調整して、複数の焦点を用いて平面を撮像することである。超音波信号は、例えばノーマルエコー、Ｍモード若しくはＰＷドップラーといった時間領域分解信号、又は例えばＣＷドップラーといった非時間領域分解信号とすることさえできる。
【００３３】
有利には、以下により詳細に述べるように、音響トランスデューサ２０に結合される可変屈折音響レンズ要素１０の組合せは、従来の１Ｄトランスデューサアレイを置換することができる。この場合、所望の上昇焦束を伴い変化する深度での最大エネルギーの供給を可能にする上昇焦点のリアルタイム調整の利益が追加される。
【００３４】
しばしば音響プローブは、例えばより小さな焦点スポットを与えるため媒体スケール（例えば、４〜１０ｃｍ２の）開口を持ち、同時に、グレーティングローブを回避するため開口にわたり圧力場のスムーズに変化する時間遅延又は位相を示す可変屈折音響レンズを必要とする。その場合、臨界減衰時間（数ｍｍのオーダのレンズに対して数ｍｓのオーダ）と可変屈折音響レンズのサイズとの間にトレードオフが存在する。一旦可変屈折音響レンズがあまりに大きくなると、例えば重力、レンズ運動が原因による慣性関連メニスカス変形及び他の逆特性といった他の効果が支配し始める。現在の技術は、安定性を実現するのに約１０ｍｍより小さい直径を必要とする。
【００３５】
この問題を解く１つの手法は、より大きな有効開口を構築するような方法で、より小さな可変屈折音響レンズ要素の集まりを一緒にグループ化することである。これがもっとも効率的に機能するよう、より大きな開口は、スムーズに変化する単一の可変屈折音響レンズとして作動するように見えなければならない。この要件は、複数のより小さな可変屈折音響レンズ要素を有する可変屈折音響レンズアレイが、「スペース充填」又は１００％パッキングに近い状態を持たなければならないことを意味する。
【００３６】
図２Ａ〜Ｃは、可変屈折音響レンズアレイのいくつかの可能な構成を示す。
【００３７】
隣接する可変屈折音響レンズ要素の間の大量のスペースにより見られるように、図２Ｃは、非スペース充填構成を持つ可変屈折音響レンズアレイを示す。
【００３８】
対照的に、図２Ａ〜Ｂは、空間充填型の可変屈折音響レンズアレイの２つの例示的な実施形態を示す。
【００３９】
図２Ａは、それぞれが六角形状を持つ可変屈折音響レンズ要素２１０ａのスペース充填アレイを有する可変屈折音響レンズ２００ａを示す。電子機器及び製造工程を単純化すると共に、これは、可変屈折音響レンズ要素２１０ａの完全な、又は本質的に完全な空間パッキングを可能にする。なぜなら、各可変屈折音響レンズ要素は、その隣のものと同一だからである。
【００４０】
図２Ｂは、それぞれが三角形状を持つ可変屈折音響レンズ要素２１０ｂのアレイを有する代替的な可変屈折音響レンズ２００ｂを示す。三角形を使用するこの図示の場合における利点は、それらがすべて一意に成形及び位置決めされることを犠牲にして、レンズ要素２１０ｂの数が減らされることにある。しかしながら、図２Ｂにおける同じジオメトリが、レンズ要素がより多いことを代償にして、代わりに同一成形された三角形で覆われることもできる。
【００４１】
図２Ａ〜Ｂの両方において、フル空間被覆は、制御電極により占められる必要な空間を除いて実現される。この空間は、薄い導体を用いて最小化されることができる。可能性として超音波干渉は、（図２Ｂに示されるように）これらの妨害する部分の配置における対称性がないことにより最小化されることができる。これらの導体の全体の効果は、最小限であると予想される。他の代替的なスペース充填パターンは、同心状リング、正方形、及び例えばペンローズタイルといった他のより新奇なパターン形状を持つレンズ要素を用いて構築されることができる。
【００４２】
図３は、音響トランスデューサ４０に結合されるスペース充填可変屈折音響レンズ３０を含む音響プローブ３００のある実施形態を示す。可変屈折音響レンズ３０は、可変屈折音響レンズ要素１０のアレイを有し、例えば図２Ａ又は図２Ｂに示されるように構成されることができる。各可変屈折音響レンズ要素１０は、図１に関して上述されるのと本質的に同じように構築されることができる。従って、その詳細な説明は、ここでは繰り返されない。音響トランスデューサ４０は、図３に示されるように単一要素のトランスデューサとすることができ、又は、代替的に１Ｄトランスデューサアレイ又は２Ｄトランスデューサアレイとすることができる。
【００４３】
図３は、実効的により大きな、スムーズに変化する可変屈折音響レンズ３０を構築するため、電極に対する異なる信号を各可変屈折音響レンズ要素１０に印加する能力を示す。しかしながら、実効的により大きなメニスカスが連続的である必要はない。例えば、コンパートメントからコンパートメントへの垂直変位が存在することができる。これは、フレネルレンズに関して使用されるのと同じ原理である。理想的には、結合流体１４２は、患者と接触する層に対して同様なインピーダンスを持つ。表面が正しいトポロジに達するとき、音響トランスデューサ４０は励起されることになる。この励起は、例えば、従来の超音波撮像における時間分解エコー情報に関する短時間撮像パルス、又はラインオブサイト(line of site)に沿った運動の検出を可能にする時間分解トーンバーストのいずれかを用いて行われる。
【００４４】
図４は、リアルタイム上昇焦点制御を与えるため音響トランスデューサに結合される可変屈折音響レンズを含む音響プローブを用いる、音響撮像装置４００の実施形態のブロック図である。音響撮像装置４００は、プロセッサ／コントローラ４１０、送信信号源４２０、送信／受信スイッチ４３０、音響プローブ４４０、フィルタ４５０、利得／減衰段４６０、音響信号処理段４７０、上昇焦点コントローラ４８０及び可変電圧源４９０を含む。一方、音響プローブ４４０は、１つ又は複数のトランスデューサ要素を有する音響トランスデューサ４４４に結合される複数の可変屈折音響レンズ要素４４２を含む。
【００４５】
音響プローブ４４０は例えば、図１に関して上述される音響プローブ１００、又は図３に示される音響プローブ３００として実現されることができる。その場合、有益には、各可変屈折音響レンズ要素４４２の２つの流体１４１、１４２は、適合インピーダンスを持つが、音速は異なる。これは音波の前方伝播を最大化することを可能にしつつ、ビーム方向における制御を可能にする。有利には、流体１４１、１４２は、音波の焦束及び屈折における柔軟性を最大化するよう選択される音速を持つ。
【００４６】
可変電圧源４９０は、各可変屈折音響レンズ要素４４２の電極に対して制御電圧を供給する。
【００４７】
有利には、音響トランスデューサ４４４は、音響トランスデューサ要素の１Ｄアレイを有する。
【００４８】
動作上、音響撮像装置４００は、以下のように動作する。
【００４９】
上昇焦点コントローラ４８０は、可変電圧源４９０により可変屈折音響レンズ要素４４２の電極に印加される電圧を制御する。前述したように、これは、各可変屈折音響レンズ要素４４２の屈折を所望するように順に制御する。ある実施形態では、複数の可変屈折音響レンズ要素４４２が、各可変屈折音響レンズ要素４４２の１つより大きい有効サイズを持つ単一の可変屈折音響レンズとして一緒に動作するよう、電圧が可変屈折音響レンズ要素４４２に対して供給される（例えば、上述の図３参照）。
【００５０】
可変屈折音響レンズ要素４４２における２つの流体により規定されるメニスカスの表面が正しいトポロジに達するとき、プロセッサ／コントローラ４１０は、所望の音波を生成するため音響トランスデューサ４４４に印加される１つ又は複数の所望の電気信号を生成するよう、送信信号源４２０を制御する。ある場合には、送信信号源４２０は、Ｍモードで動作する短時間（広帯域）信号を生成するよう制御されることができ、可能であればパルス波ドップラーを可能にするショートトーンバースト、又は他の撮像技術のための他の関連信号を生成するよう制御されることができる。典型的な使用は、臨床的な関心領域に対して調整される固定された上昇焦点を用いて平面を撮像することである。別の使用は、軸方向の焦点領域に対して供給されるエネルギーを最大化するよう上昇焦点を調整して、複数の焦点を用いて平面を撮像することである。音響信号は、例えばノーマルエコー、Ｍモード若しくはＰＷドップラーといった時間領域分解信号、又は例えばＣＷドップラーといった非時間領域分解信号とすることさえできる。
【００５１】
図２の実施形態において、音響プローブ４４０は、送信モード及び受信モードの両方において作動するよう構成される。前述したように、別の実施形態では、代わりに、音響プローブ４４０が受信専用モードで作動するよう構成されることができる。その場合、送信トランスデューサは別々に与えられ、送信／受信スイッチ４３０は省略されることができる。
【００５２】
図５は、図４の音響撮像装置４００の上昇焦点を制御する方法５００のある実施形態のフローチャートを示す。
【００５３】
第１のステップ５０５において、音響プローブ４４０が患者に結合される。
【００５４】
次に、ステップ５１０において、上昇焦点コントローラ４８０は、目標上昇位置で焦束するよう、可変電圧源４９０により可変屈折音響レンズ要素４４２の電極に印加される電圧を制御する。前述したように、これは、各可変屈折音響レンズ要素４４２の屈折を所望するように順に制御する。ある実施形態では、複数の可変屈折音響レンズ要素４４２が、可変屈折音響レンズ要素４４２の各１つより大きい有効サイズを持つ単一の可変屈折音響レンズとして一緒に動作するよう、電圧が可変屈折音響レンズ要素４４２に供給される（例えば、上述の図３参照）。
【００５５】
次に、ステップ５１５において、音響トランスデューサ４４４に対して１つ又は複数の所望の電気信号を印加するよう、プロセッサ／コントローラ４１０は、送信信号源４２０及び送信／受信スイッチ４３０を制御する。可変屈折音響レンズ要素４４２は、音波を生成し、目標上昇位置を含む患者の目標領域において音波を焦束させるため、音響トランスデューサ４４４と連動して動作する。
【００５６】
続いて、ステップ５２０において、可変屈折音響レンズ要素４４２は、患者の目標領域から戻る音波を受信するため、音響トランスデューサ４４４と連動して動作する。この時点で、プロセッサ／コントローラ４１０は、音響トランスデューサ４４４からフィルタ４５０へ電気信号を出力するために音響トランスデューサ４４４をフィルタ４５０に接続するため、送信／受信スイッチ４３０を制御する。
【００５７】
次に、ステップ５３０において、フィルタ４５０、利得／減衰段４６０及び音響信号処理段４７０は、音響トランスデューサ４４４からの電気信号を調節し、そこから受信音響データを生成するため一緒に動作する。
【００５８】
次に、ステップ５４０において、受信音響データは、音響撮像装置４００の音響信号処理段４７０のメモリ（図示省略）に格納される。
【００５９】
次に、ステップ５４５において、プロセッサ／コントローラ４１０は、別の上昇平面において焦束させるかどうかを決定する。焦束させる場合、次に、ステップ５５０において、新規な上昇平面が選択され、ステップ５１０での処理が繰り返される。焦束させない場合、ステップ５５５において、画像を生成及び出力するため、音響信号処理段４７０が（おそらくプロセッサ／コントローラ４１０と連動して）受信音響データを処理する。
【００６０】
最終的に、ステップ５６０において、音響撮像装置４００は、画像を出力する。
【００６１】
一般に、音波が、例えばノーマルエコー、Ｍモード若しくはＰＷドップラーといった時間領域分解信号、又は例えばＣＷドップラーといった非時間領域分解信号とすることさえできるような場合に、この方法５００は、測定を実行するよう適合される。
【００６２】
好ましい実施形態が本願明細書に開示されるが、本発明の概念及び範囲に含まれる多くの変形例が可能である。斯かる変形例は、本願明細書、図面及び請求項を読めば、当業者には明らかであろう。従って、添付の請求項の精神及び範囲を除けば、本発明は何ら限定されることはない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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