(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射パルスエコー・エネルギー撮像システムに関連するデバイス（１００）であって、
各ビンが１組のトランスデューサ素子（１０５）を含む１組のビン（１２０）と、
前記１組のビンに関連する１組のモード・スイッチ（１３０）とを備え、
前記１組のモード・スイッチが、各ビンの１組のトランスデューサ素子を、二次元スキャン・モードを生成する一次元アレイを形成するように構成させるか、または、三次元スキャン・モードを生成する二次元アレイを形成するように構成させ、
各ビンごとの前記１組のトランスデューサ素子が三次元スキャン用の疎アレイ・パターン状に配置され、且つ、モードの選択が単一のモード選択スイッチによって実現されることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記１組のトランスデューサ素子（１０５）が、関連するトランスデューサ・アセンブリ内に存在し、１組のモード・スイッチが、関連するトランスデューサ・アセンブリに組み込まれることを特徴とする請求項１に記載のデバイス（１００）。
【請求項３】
各ビン内の１組のトランスデューサ素子を、一次元トランスデューサ・アレイまたは二次元トランスデューサ・アレイを形成するように、１組のモード・スイッチ内の各モード・スイッチが構成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス（１００）。
【請求項４】
各ビン内の１組のトランスデューサ素子が、二次元スキャン用の完全接続アレイ・パターン状に配置されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス（１００）。
【請求項５】
各ビン内の１組のトランスデューサ素子が、送信時と受信時に同じ疎アレイ・パターンを使用することを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
【請求項６】
各ビン内の１組のトランスデューサ素子が、送信サイクル中に第１の疎アレイ・パターンを使用し、受信サイクル中に第２の疎アレイ・パターンを使用することを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項７】
前記疎アレイ・パターンは疎周期のアレイパターンを有していることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射パルスエコー・エネルギー技法または超音波技法を使用することによる撮像の分野に関する。詳細には、本発明は、二次元（２Ｄ）スキャン・モードまたは三次元（３Ｄ）スキャン・モードで選択的に動作することのできる多次元トランスデューサ・アレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、大部分のトランスデューサ・プローブはほぼ同じ原則に従って動作する。すなわち、エネルギーのバーストまたはパルスが、調査中の物体に導入され、リターン・エコーが返され、このエコーから画像が生成される。しかし、特定の物体／領域のいくつかの異なる次元のビューまたはパースペクティブを可能にするために、多数の異なるデバイスが開発されている。
【０００３】
現在、撮像デバイスは、放射パルスエコー・エネルギー技法または超音波技法を使用することによって物体／領域の二次元（２Ｄ）ビューまたは三次元（３Ｄ）ビューを生成することができる。しかし、典型的な超音波デバイスは、特に、当該の特定の領域の二次元（２Ｄ）画像または三次元（３Ｄ）画像を得るように構成された、様々な異なるプローブ・チップに含まれる一連の異なるトランスデューサ・アレイを使用する。
【０００４】
一般に、一次元トランスデューサ・アレイ構成は、当該の特定の物体または領域の二次元（２Ｄ）画像を得るために使用される。具体的には、一次元トランスデューサ・アレイは、Ｘ軸およびＺ軸に沿った対応するスキャン平面を通る物体または領域の断面を表す二次元（２Ｄ）ビューまたは二次元画像（横方向および軸方向）を得るために使用される。一次元トランスデューサ・アレイは、線形アレイとしても知られ、単一次元線形アレイを形成する列として配置された長方形トランスデューサ素子のアレイを備える。一般に、二次元（２Ｄ）撮像システムは、線形アレイ・タイプ、曲線形アレイ・タイプ、またはフェイズド・アレイ・タイプの電子スキャンを使用する。この電子スキャンは通常、プローブ内で６４個ないし１９２個のトランスデューサ素子を使用する。したがって、一次元線形アレイは通常、当該の特定の領域の比較的高品質の二次元（２Ｄ）プロファイルまたは二次元画像を形成する。
【０００５】
三次元（３Ｄ）ビューまたは三次元画像を得る１つの方法は、プローブ（電子／機械的プローブ）に含まれるトランスデューサ・アレイの機械的移動によって実現される。電子／機械的プローブは、一次元アレイを当該の領域の周りで移動させ（２Ｄ撮像）、それにより三次元（３Ｄ）ビューまたは三次元画像を生成する第３のスキャン次元を得ることによって３Ｄ撮像を得る。電子／機械的プローブの利点は、単にプローブの機械的移動を固定位置で停止させることによって従来型の二次元（２Ｄ）撮像にこのプローブを使用できることである。
【０００６】
物体の三次元（３Ｄ）ビューまたは三次元画像を得る他の方法では、電子ボリューム・スキャンが使用される。電子ボリューム・スキャンは、当該の特定の領域の三次元（３Ｄ）ビューまたは三次元画像を得るために使用される二次元トランスデューサ・アレイを必要とする。二次元トランスデューサ・アレイは、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に沿った対応するスキャン平面を通る物体の断面を表す三次元（３Ｄ）ビューまたは三次元画像（横方向、軸方向、および高さ方向）を得る。二次元トランスデューサ・アレイは通常、二次元（２Ｄ）スキャンで使用される一次元トランスデューサ・アレイ列構成とは異なり、行および列の二次元構成状に配置された複数のトランスデューサ素子を備える。二次元トランスデューサ・アレイの列は、物体の二次元プロファイルを形成するために使用されるスキャン平面を備え、アレイの行は、物体の第３の次元を得るために使用される高さ方向平面を備える。しかし、電子ボリューム・スキャンのために使用されるプローブが比較的高品質の完全な電子ボリューム・スキャンを得るには通常、２０００個以上の素子が必要である。それにもかかわらず、この種のプローブは多くの場合、電子／機械的プローブよりも好ましい。というのは、ボリューム・スキャン・プローブは、１つには機械的移動を行わないため、比較的高いボリューム・スキャン率を与える可能性があるからである。
【０００７】
ケーブルの数、必要な電子サポート回路の複雑さ、関連するビームフォーマの問題点などの問題点に基づく経済上の理由で、典型的な三次元（３Ｄ）スキャンは通常、様々な形態の疎アレイ構成を使用することによって実現される。一般に、疎アレイ構成は、二次元アレイの完全な二次元素子配置のうちの、限られた１組のトランスデューサ素子を使用する。典型的な疎アレイ構成は、三次元（３Ｄ）スキャンに使用される２５６個ないし５１２個のトランスデューサ素子を含むことができる。疎アレイでのトランスデューサ素子の配置は、様々なフォーマットの配置でよく、たとえば、無作為に選択されたフォーマットでも、ビン状パターン、送信機素子および受信機素子用にそれぞれの異なる周期性を有する周期パターン、コンピュータの最適化によるアルゴリズムによって最適化されたパターン、または周期パターンとアルゴリズムによって最適化されたパターンとの組合せの制約内で無作為に選択されたフォーマットでもよい。それにもかかわらず、疎なアレイまたは１組の素子は一般に、三次元（３Ｄ）撮像に十分な低減された画質を与える。しかし、このようなアレイ・フォーマットを使用する二次元（２Ｄ）スキャンが好ましい場合、画質は一般に、公知の技術の二次元（２Ｄ）スキャナの画質よりも劣る画質になる。
【０００８】
二次元（２Ｄ）画像を得るには、二次元アレイのすべての２０００個以上の素子を使用しなければならない。しかし、二次元アレイのすべての２０００個以上の素子を使用するには、多数のケーブルおよびチャネルが必要であると共に、電子サポート回路を増加する必要があり、そのため、二次元（２Ｄ）スキャンに二次元アレイを使用するこのようなプローブの寸法、複雑さ、経費が大幅に増加する。したがって、実際には、様々な次元で高品質の撮像を行うために通常、２つの別々なトランスデューサ・プローブ、たとえば、二次元（２Ｄ）画像用の一次元アレイと三次元（３Ｄ）画像用の二次元トランスデューサ・アレイが使用される。
【０００９】
したがって、従来型の超音波撮像用トランスデューサは、単体トランスデューサ・プローブの制約内で高品質の二次元（２Ｄ）画像と三次元（３Ｄ）画像の両方を生成する機能を有する単体プローブを提供するうえで基本的な欠点を有する。したがって、単体プローブに含まれる単体トランスデューサ・アレイ内で物体の比較的高品質な二次元（２Ｄ）画像と三次元（３Ｄ）画像を生成することのできる撮像デバイスを有することが望ましい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一目的は、物体の高品質二次元（２Ｄ）および三次元（３Ｄ）画像を生成するように構成された単体トランスデューサ・プローブを提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、高品質二次元（２Ｄ）または三次元（３Ｄ）画像を生成するように構成することのできる二次元アレイを有する単体トランスデューサ・プローブを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、それほど多くのケーブル、チャネル、スイッチを必要とせずに高品質二次元（２Ｄ）または三次元（３Ｄ）画像を生成するように構成された二次元アレイを有する単体トランスデューサ・プローブを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のこれらおよびその他の目的は、各ビンが１組のトランスデューサ素子を含む１組のビンを備える超音波撮像デバイスによって達成される。また、この１組のビンに１組のモード・スイッチまたはマルチプレクサが関連付けされ、１組のモード・スイッチまたはマルチプレクサは、二次元スキャン・モードを実施する一次元アレイまたは三次元スキャン・モードを実施する二次元アレイを形成するように各ビン内の１組のトランスデューサ素子を構成する。
【００１４】
本発明の一態様では、一連のトランスデューサ素子は、関連するトランスデューサ・アセンブリ内に存在し、一連のモード選択スイッチがこの関連するトランスデューサ・アセンブリに組み込まれる。
【００１５】
本発明の他の態様では、各モード・スイッチは、各ビン内の一連のトランスデューサ素子を一次元トランスデューサ・アレイまたは二次元トランスデューサ・アレイを形成するように構成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、単体トランスデューサ・プローブを使用して比較的高品質な二次元および三次元画像を生成する装置を提供する。以下の説明では、本発明を完全に理解していただくために多数の詳細を記載する。しかし、当業者には、本発明を実施するうえでこれらの特定の詳細が必要とされないことが明らかになろう。他の例では、本発明が不必要にわかりにくくならないように、周知の電気構造および電気回路については詳しく説明しない。
【００１７】
二次元アレイに関する予備事項として、本発明の理解を助けるために以下に、ビン構成について簡単に説明する。
【００１８】
ビン寸法に関する二次元アレイの構成は、特定のアレイ内に含まれる素子の数に基づく構成である。二次元トランスデューサ・アレイは、ｘ方向の素子（Ｎｘ）とｙ方向の素子（Ｎｙ）に分解される。この場合、アレイに含まれる素子の総数（Ｎｔ）は、ｘ方向の素子とｙ方向の素子との積に等しい（Ｎｔ＝Ｎｘ＊Ｎｙ）。このアレイのビン寸法は、疎スキャン関数など所望のスキャン関数を作成するために使用される素子の数（Ｅｓ）に基づく。したがって、ビン寸法（Ｂｓ）は、アレイ（Ｎｔ）内に含まれる素子の総数を素子の数（Ｅｓ）で除した値に等しく、すなわち、（Ｎｔ／Ｅｓ＝Ｂｓ）である。ビン寸法（Ｂｓ）は、ｘ方向のビン寸法（Ｎｘｂ）とｙ方向のビン寸法（Ｎｙｂ）によって決定される。したがって、総ビン寸法（Ｂｓ）は、ｘ方向のビン寸法（Ｎｘｂ）とｙ方向のビン寸法（Ｎｙｂ）の積に等しく、すなわち（Ｂｓ＝Ｎｘｂ＊Ｎｙｂ）である。さらに、ｘ方向のビンの数（ＢＸ）は、ｘ方向の素子の数（Ｎｘ）をｘ方向のビン寸法（Ｎｘｂ）で除した値に等しく、すなわち（Ｎｘ／Ｎｘｂ＝ＢＸ）である。同様に、ｙ方向のビンの数（ＢＹ）は、ｙ方向の素子の数（Ｎｙ）をｘ方向のビン寸法（Ｎｙｂ）で除した値に等しく、すなわち（Ｎｙ／Ｎｙｂ＝ＢＹ）である。ビンの総数（ＢＴ）は、本発明の一次元素子の数に等しく、ｘ方向の素子とｙ方向の素子との積（Ｎｔ）を総ビン寸法（Ｎｔｂ）で除した値にも等しく、すなわち（ＢＴ＝Ｎｔ／Ｂｓ）である。
【００１９】
前述のビン寸法計算は、例および実施形態によって理解することができる。たとえば、２５００個の素子を有する５０×５０アレイを使用するものと仮定する。さらに、このアレイのうちの２５０個の素子を使用してスキャン用の望ましいパターンを作成するものと仮定する。したがって、ビン寸法は２５００／２５０＝１０に等しくなる。所望のビン・アレイ構成１×１０＝１０を仮定した場合、ｘ方向のビン寸法は１に等しくなり、ｙ方向のビン寸法は１０に等しくなる。ビンの好ましい構成は１ｘＮであり、この場合、ｘ方向のビン寸法は１に等しく、ｙ方向のビン寸法はＮに等しい。所望のビン構成は、必要に応じて２×５＝１０構成として表すこともできる。それにもかかわらず、１×１０構成を使用した場合、ｘ方向の最終的なビンの数は５０になり（５０／１＝５０）、ｙ方向の最終的なビンの数は５になる（５０／１０＝５）。３Ｄモードでは、アレイは、各ビンの単一の素子、すなわち合計で２５０個の素子が接続された疎アレイとして動作する。
【００２０】
本発明は、一実施形態では、２Ｄモードで、上記の例を使用した結果として、５０×５個の一次元素子を有し、スキャン方向に沿って動作することのできるアレイが得られるように素子を接続する方法を提供する。スキャン方向には５０個の「スーパー素子」があり、これについては以下で詳しく説明する。高さ方向に沿った残りの５個のスーパー素子は、従来使用されている２Ｄトランスデューサ・プローブのレベルを超えた改良された集束のために使用することができる。
【００２１】
ビンが二次元アレイに対してどのように構成されるかについて全般的に説明したが、次に本発明実施形態について説明する。一実施形態では、単体多次元トランスデューサ・アレイを使用して高品質な二次元または三次元画像を生成することのできる多次元放射パルスエコー・エネルギー撮像デバイスが提供される。多次元アレイは通常、ビンと呼ばれる数組のトランスデューサ素子として配置される。この場合、ビン内に含まれるトランスデューサ素子を２Ｄスキャン・モードまたは３Ｄスキャン・モードに従って動作することができる。
【００２２】
本発明の一実施形態を図１に示す。図１は二次元スキャン・トランスデューサ・アレイ１００を示す。二次元スキャン・トランスデューサ・アレイ１００が通常、超音波プローブの関連するトランスデューサ・アセンブリ内に存在することが理解されよう。二次元スキャン・トランスデューサ・アレイ（トランスデューサ・アレイ）１００は、複数の行１１０および列１１５として配置された一連のトランスデューサ素子１０５で構成される。トランスデューサ・アレイ１００の行１１０および列１１５は一連のビン１２０（１×１０ビン）に構成される。この場合、トランスデューサ・アレイ１００が２Ｄモードまたは３Ｄモードで動作できるように、各ビン１２０内に含まれる個々のトランスデューサ素子１０５を選択的に動作させることができる。図をわかりやすくするために、この図には、（１０個のビンを備える１０×１０素子アレイとして示された）トランスデューサ・アレイ１００に含まれるトランスデューサ素子およびビンとして、限られた数のトランスデューサ素子１０５およびビン１２０しか示されていないが、必要および／または希望に応じた追加の素子１０５およびビン１２０を使用することができる。さらに、トランスデューサ・アレイ１００のトランスデューサ素子１０５の形状は、トランスデューサ・アレイ１００が必要な動作または所望の動作を行えるように任意の所望の形状に構成することができる。
【００２３】
図１に示すように、トランスデューサ・アレイ１００は、複数の行１１０および列１１５として配置された一連のトランスデューサ素子１０５で構成される。これらの行１１０と列１１５はそれぞれ、さらに、ビン１２０に構成される。これは、本発明の様々な実施形態で任意の所望の寸法および構成とすることができる。
【００２４】
図１で、第１の列Ｃ１は、ビン寸法が１×１０のビンＢ１に構成される。ビンＢ１は、ｘ方向の幅が素子１個分であり、ｙ方向の高さが素子１０個分である。理解を容易にするために、アレイ１００内の残りの列も同様に１×１０のビンに構成される。しかし、アレイ１００は任意の所望の寸法および構成の任意の所望のビン寸法に構成することができる。アレイ１００内の各ビン１２０はシステム・チャネル１２５と電子モード・スイッチ１３０を有し、このチャネルおよびスイッチは、ビン１２０に含まれる複数のトランスデューサ素子１０５に関連する、プローブのトランスデューサ・アセンブリに組み込まれる。個々のモード・スイッチ１３０は、それぞれの異なるスキャン・モード（２Ｄおよび３Ｄ）動作用の選択トランスデューサ素子１０５を結合し付勢するマルチプレクサとして動作する。
【００２５】
一例として、ビンＢ１についていくらか詳しく論じる。しかし、ビンＢ１に関して論じる原則は、トランスデューサ・アレイ１００内に位置する他のビン１２０のうちの１つまたはそれらの組合せに適用することもできる。図のように、線１３５は、ビンＢ１の一連のトランスデューサ素子１０５（すなわち、１０個の素子のうちの９個）を並列接続アレイ・パターン構成または完全接続アレイ・パターン構成として結合する線として示されている。また、線１４０は、「Ｘ」で示された、ビンＢ１内の単体トランスデューサ素子に結合される線として示されている。線１３５と線１４０は共に、モード・スイッチ１３０に結合される線として示されており、モード・スイッチ１３０は、ビンＢ１、したがって複数のビン１２０を備えるトランスデューサ・アレイ１００を、二次元（２Ｄ）モードまたは三次元（３Ｄ）モードで動作させることができる。
【００２６】
二次元（２Ｄ）画像の生成に関するトランスデューサ・アレイ１００の動作についてさらに、図２を参照して説明する。図２のトランスデューサ・アレイ１００は、ビン寸法１×１０に構成された個々のトランスデューサ素子１０５の１０×１０アレイとして示されている。二次元（２Ｄ）スキャン・モードでは、トランスデューサ・アレイ１００は一連の比較的大きな一次元スキャン素子１４５にに変換される。この大きな一次元スキャン素子１４５は、物体の高品質二次元（２Ｄ）画像を生成することを可能にする。一例として、ビンＢ１のみについて詳しく論じる。しかし、ビンＢ１に関して論じる原則は、トランスデューサ・アレイ１００内に位置する他のビン１２０のうちの１つまたはそれらの組合せに適用することもできる。
【００２７】
したがって、トランスデューサ・アレイ１００が二次元（２Ｄ）スキャン・モードで動作しているとき、選択モード・スイッチ１３０は閉じており、システムは、二次元（２Ｄ）画像を生成できるパルスを生成し受け取ることができる。選択モード・スイッチ１３０が閉じると、ビンＢ１内に含まれるすべての素子（すなわち、素子１〜１０）が結合される。上記で指摘したように、図１に関しては、トランスデューサ・アレイ１００のビンＢ１内に含まれる選択されたトランスデューサ素子１０５が線１３５に沿って並列に結合され、線１４０がビンＢ１内の単一の素子に結合される。しかし、選択モード・スイッチ１３０が閉じると、各線、すなわち線１３５および１４０に結合されたすべてのトランスデューサ素子１０５が並列に結合され、完全接続アレイ・パターンが形成される。
【００２８】
選択モード・スイッチ１３０が閉じると、ビンＢ１内に含まれるすべての個々のトランスデューサ素子１０５が同時に活動化され、それによって、ビンＢ１に含まれる個々の並列結合トランスデューサ１０５が大きな一次元素子または「スーパー素子」１４５に変換される。同様に、アレイ１００に含まれる各ビン１２０用の、３Ｄ／２Ｄポートとして表された他の対応するチャネルおよびスイッチも同様に活動化され、それによって、一連の個々のビン１２０で構成されたアレイ１００が一連の大きな一次元素子またはスーパー素子１４５に変換される。たとえば、ビンＢ１に隣接するビンＢ２に関連するそれぞれのモード・スイッチが閉じると、ビンＢ２も同様に個々のトランスデューサ素子１０５からスーパー素子１４５に変換される。このプロセスは、アレイ１００内に含まれる各ビン１２０ごとに同様に実行され、アレイ１００が一連の大きな一次元素子またはスーパー素子１４５に変換され、したがって、アレイ１００全体が、二次元（２Ｄ）画像を生成するために使用される大きな一次元素子またはスーパー素子１４５で構成された一次元アレイに変換される。
【００２９】
したがって、トランスデューサ・アレイ１００の構成は、トランスデューサ・プローブが、二次元（２Ｄ）画像を得るための一次元トランスデューサ・アレイ構成（２Ｄモード）、または三次元（３Ｄ）画像を得るための二次元トランスデューサ・アレイ構成（３Ｄモード）で動作することができる。三次元（３Ｄ）画像の場合、トランスデューサ・アレイ１００は、三次元（３Ｄ）画像を生成するために完全電子ボリューム・スキャンを得るように構成される。一実施形態では、ビンの寸法は、プローブの所望の２Ｄスキャン軸に沿った幅が素子１個分である。したがって、各ビン１２０に関連するそれぞれのモード・スイッチ１３０を介して、トランスデューサ・アレイ１００を二次元（２Ｄ）スキャン・モードと三次元（３Ｄ）スキャン・モードとの間で切り換えるための配置を行うことができる。
【００３０】
本発明の一実施形態では、トランスデューサ・アレイ１００は、三次元（３Ｄ）画像を生成する際、疎アレイ・パターンで動作し、三次元（３Ｄ）ボリューム型スキャンを行う。三次元（３Ｄ）画像の生成に関しては、疎ビン状パターンおよび疎周期パターンが特に重要である。
【００３１】
疎ビン状パターンは、やはり図２に示されており、トランスデューサ・アレイ１００が等しい寸法（たとえば、１×１０）のビンに規則的に分割されることを特徴とする。たとえば、２５０個の素子が疎パターンを形成するように結合される５０×５０素子トランスデューサ・アレイでは、素子の総数（５０×５０＝２５００）と、接続または結合される素子の数（２５０）との比に等しく、結果としてビン当たり素子１０個分に等しい［２５００／２５０＝１０］ビン寸法が使用される。寸法１０のビンは２つの方法、すなわち、ビン当たり２×５個の素子、または図２に示すようにビン当たり１×１０個の素子を備えるビンとして実現することができる。
【００３２】
したがって、トランスデューサ・アレイ１００全体が、各ビン１２０内の（３Ｄ撮像に使用される）個々のアクティブ・トランスデューサ素子１０５が「Ｘ」で示された寸法１×１０の各ビンに分割され、それぞれのビン１２０のこのような各トランスデューサ素子（Ｘ）は、三次元（３Ｄ）撮像のためにそれぞれのシステム・チャネル１２５を介して撮像システムに接続される。３Ｄ撮像のために各ビン１２０において接続される個々のトランスデューサ素子１０５は、確率密度に従って無作為に選択するか、あるいはたとえば、最適化基準に従って選択されるアルゴリズムによって選択することができる。
【００３３】
トランスデューサ・アレイ１００が３Ｄモードで動作しているとき、選択モード・スイッチ１３０は開放位置に維持され、システムは、三次元（３Ｄ）画像を生成できるパルスを生成し受け取ることができる。選択モード・スイッチ１３０が開くと、ビンＢ１内に含まれる「Ｘ」で示された１つの素子がシステムに結合される。したがって、選択モード・スイッチ１３０が開くと、ビンＢ１内の１つのトランスデューサ素子のみが、疎ビン状パターンに従って３Ｄ撮像のために作動する。同様に、３Ｄ／２Ｄポートとして表された、各ビン１２０ごとの他の対応するモード・スイッチおよび対応する線を同様に活動化し、それによって、（「Ｘ」で示された）アクティブ・トランスデューサ素子を含むビン１２０を３Ｄ撮像用の疎ビン状パターン・アレイに変換することができる。たとえば、ビンＢ１に隣接するビンＢ２は、疎ビン状パターンに従って３Ｄ撮像のために作動する（「Ｘ」で示された）アクティブ・トランスデューサ素子を有するであろう。一実施形態では、このプロセスが、アレイ１００内に含まれる各ビン１２０ごとに同様に実行され、アレイ１００が、三次元（３Ｄ）画像を生成するための疎ビン状パターン・アレイに変換される。
【００３４】
図３は、２Ｄモードまたは３Ｄモードで選択的に動作するように構成されたトランスデューサ・アレイ１００の結合された２Ｄ・３Ｄモード動作を示す。また、図３は、送信機と受信機の両方で同じ疎ビン状パターンを使用する３Ｄモード動作を示す。トランスデューサ・アレイ１００は、ビン寸法が１×１０の１０×１０アレイとして示されている。しかし、トランスデューサ・アレイ１００およびビン寸法は、代替実施形態では他の所望の寸法でよい。
【００３５】
図３を参照するとわかるように、トランスデューサ・アレイ１００が二次元（２Ｄ）スキャン・モードで動作しているとき、モード選択スイッチ１３０は閉鎖位置に維持され、したがって、ビンＢ１内の各トランスデューサ素子１０５は線１３５および１４０を介してアクティブになる。したがって、ビンＢ１内の各トランスデューサ素子１０５は完全接続アレイ・パターンとして接続され、それによって、ビンＢ１は大きな一次元素子または「スーパー素子」１４５に変換される。同様に、アレイ１００に含まれる各ビン１２０用の、３Ｄ／２Ｄポートとして表された他の対応するチャネルおよびスイッチを同様に活動化し、それによって、個々の素子１０５で構成された一連の個々のビン１２０を一連の大きな一次元素子またはスーパー素子１４５に変換することができる。たとえば、ビンＢ１に隣接するビンＢ２に関連するそれぞれのモード・スイッチが閉じると、ビンＢ２を個々のトランスデューサ素子１０５のビン１２０からスーパー素子１４５に変換することができる。このプロセスは、アレイ１００内に含まれる各ビン１２０ごとに同様に実行され、アレイ１００が一連の大きな一次元素子またはスーパー素子１４５に変換され、したがって、アレイ１００全体が、二次元（２Ｄ）画像を生成するための一次元アレイに変換される。
【００３６】
別法として、トランスデューサ・アレイ１００が、送信機と受信機の両方で同じ疎ビン状パターンを使用する三次元（３Ｄ）スキャン・モードで動作しているとき、モード選択スイッチ１３０は開放位置に維持され、したがって線１４０が活動化され、線１３５が停止される。したがって、トランスデューサ素子＃４（「Ｘ」で示されたトランスデューサ素子＃４）のみが線１４０を介して活動化され、それによって、トランスデューサ素子＃４は、三次元（３Ｄ）画像を生成する際に使用されるパルスを生成し受け取ることができる。上記で図２に関して指摘したように、各ビン１２０内の１つのトランスデューサ素子１０５が「Ｘ」で示されており、したがって、線１４０が活動化されると、（「Ｘ」で示された）トランスデューサ素子＃４が活動化される。同様に、「Ｘ」で示された、各ビン１２０内の他の対応するトランスデューサ素子１０５も、３Ｄ／２Ｄポートとして表された対応するモード・スイッチおよびチャネルを有することができ、これらのスイッチおよびチャネルを活動化してアレイ１００を三次元（３Ｄ）撮像用の疎ビン状パターン・アレイに変換することができる。一実施形態では、このプロセスが、アレイ１００内に含まれる各ビンごとに同様に実行され、トランスデューサ・アレイ１００が、三次元（３Ｄ）画像を生成するための疎ビン状パターン・アレイに変換される。
【００３７】
したがって、図３に示すトランスデューサ・アレイ１００は２Ｄスキャン・モードまたは３Ｄスキャン・モードで動作することができる。アレイ１００内に含まれる各ビン１２０ごとに、二次元（２Ｄ）スキャン・モードと三次元（３Ｄ）スキャン・モードとの切換えを行うモード選択スイッチ１３０が設けられる。したがって、モード・スイッチ１３０が２Ｄモード（すなわち、閉鎖位置）に位置決めされると、ビン１２０内のすべての並列結合トランスデューサ素子１０５が２Ｄ撮像のために活動化される。また、モード選択スイッチ１３０が３Ｄモード（すなわち、開放位置）に位置決めされると、各ビン１２０内の（「Ｘ」で示された）選択されたアクティブ・トランスデューサ素子１０５が３Ｄ撮像のために活動化される。アレイ１００に含まれる各ビン１２０は、ビン１２０が２Ｄモードまたは３Ｄモードで動作させる同様なスイッチ構成を有する。したがって、各ビン１２０は、ビン１２０、したがってトランスデューサ・アレイ１００が２Ｄスキャン・モードまたは３Ｄスキャン・モードで動作させるためにビン１２０に関連付けされた関連する切換え回路を有する。
【００３８】
図３に示すように、単一の１×１０ビンＢ１を詳しく例示する。しかし、ビンＢ１に関して説明したのと同じ原則を、様々な構成を有しアレイ１００に含まれる１つまたは複数のビン１２０にも適用することができる。二次元（２Ｄ）モードでは、ビン１２０内のすべての素子１０５が、２Ｄスキャン用の大きな一次元素子１４５を形成するように結合される。三次元（３Ｄ）モードでは、ビン１２０のうちの（「Ｘ」で示された）１つの素子のみが三次元（３Ｄ）スキャン用に選択される。図のように、ビンＢ１のビン寸法は寸法１×１０であり、この場合、下から４番目として示された（「Ｘ」で示された）素子番号４が３Ｄ撮像用に選択される。ビン内の残りの９個の素子は、三次元（３Ｄ）モードでは使用されない。ビン１２０当たり一つのモード・スイッチ１３０を実現するためにマルチプレクサまたはその他の切換えデバイス（図示せず）を設けることができる。モード・スイッチ１３０が３Ｄ位置にある場合、各ビン１２０内の１０個の素子のうちの１個のみ（３Ｄモード）が撮像システムに結合される。スイッチが２Ｄ位置にあるとき、各ビン１２０内に位置するすべての１０個の素子（２Ｄモード）が撮像システムに結合される。アレイ１００内のすべてのビン１２０について同じ構成が繰り返され、したがって、モード・スイッチ１３０の数はアレイ１００内のビン１２０の数に等しい。別法として、各動作モードに対応する各ビン１００ごとのいくつかの異なるチャネル１２５をそれぞれのモード・マルチプレクサ（図示せず）に接続することができる。したがって、一実施形態では、それぞれの異なる動作モード（２Ｄまたは３Ｄ）に関する選択信号をそれぞれのモード・マルチプレクサへ伝送し、それによって各ビン１２０のそれぞれの素子１０５を活動化し、対応する選択された動作モードで実行することができる。
【００３９】
また、疎周期パターン・アレイを３Ｄ撮像に使用することもできる。たとえば図４に示す疎周期パターン・アレイは規則的な周期パターンを特徴とする。ビン寸法１×９に分割された１０×９アレイ内に含まれるアレイとして示された図４の疎周期パターン・アレイ４００では、「Ｘ」で示されたアクティブ・トランスデューサ素子４０５が３Ｄ撮像のために各周期パターンから選択される。各アクティブ・トランスデューサ素子４０５の配置は周期性値によって定義される。たとえば、図４に示すトランスデューサ・アレイ４００は、Ｘ次元とＹ次元の両方で周期性値３を有するように構成される。通常、周期性はどちらの次元でも同じである。しかし、このような周期性値は、本発明の他の実施形態では必要とされない。周期性３を有する周期パターンを使用して、三次元撮像で使用すべき疎周期パターンを含む９個の素子のうちで、「Ｘ」で示されたアクティブ・トランスデューサ素子４０５が指定される。同様に、９個の素子からなる他の各周期性パターンに含まれる、「Ｘ」で示された対応するアクティブ・トランスデューサ素子４０５が三次元撮像に使用される。したがって、周期性パターンが周期性、この例では３の積に等しく、したがって、ビン寸法は９（３×３＝９）であるので、疎周期パターン・アレイ４００は疎ビン状アレイの特殊な場合である。疎周期パターンでは、ビン境界に対する同じアクティブ素子４０５がすべてのビンにおいて接続されるので、アクティブ素子４０５の配置（すなわち、「Ｘ」素子）は周期性の制約によって示される。
【００４０】
３Ｄモードで動作しているとき、選択モード・スイッチ４１０は開放位置に維持され、システムは、三次元（３Ｄ）画像を生成できるパルスを生成し受け取ることができる。選択モード・スイッチ４１０が開くと、ビンＢ１内に含まれる「Ｘ」で示された３つのトランスデューサ素子４０５が撮像システムに結合される。したがって、選択モード・スイッチ４１０が開くと、ビンＢ１内の３つの素子が、疎周期パターンに従って３Ｄ撮像のために活動化される。同様に、特定の周期性パターンに対応するビンＢ４など他のビンは、３Ｄ／２Ｄポートとして表されビンＢ４に関連付けされた対応するチャネルおよびスイッチを有することができる。ビンＢ４に対応するチャネルおよびスイッチを同様に活動化し、それによって、個々のアクティブ素子（すなわち、「Ｘ」素子）のビンを３Ｄ撮像用の疎周期パターンに従って変換することができる。このプロセスは、アレイ４００内に含まれる各ビン４１５について同様に実行され、アレイ４００は、三次元（３Ｄ）画像を生成する際に使用される疎周期パターン・アレイに変換される。
【００４１】
図４から明らかなように、トランスデューサ・アレイ４００を含むビン４１５のうちのいくつかは、３Ｄ撮像用に指定されたトランスデューサ素子を有さない。というのは、これらの特定のトランスデューサ素子は疎周期パターンには含まれないからである。たとえば、ビンＢ１に隣接するビンＢ２は、３Ｄ撮像用に指定されたトランスデューサ素子を含まない。ビンＢ２やビンＢ３などいくつかのビン４１５は、三次元撮像に使用される（「Ｘ」で示された）アクティブ素子を含まないので、三次元撮像用の（「Ｘ」で示された）アクティブ素子を結合するために使用される対応するモード・スイッチおよび３Ｄ撮像線をこれらのビンについては省略することができる。
【００４２】
図５は、伝送中に疎周期パターンを使用する三次元（３Ｄ）スキャン・モードで動作するトランスデューサ・アレイ１００を示す。円「Ｏ」で示された個々の素子１０５は、周期性値が３の疎周期レイアウト状に配置される。円「Ｏ」で示された個々の素子１０５（送信機素子）は３Ｄモードでのパルスの伝送に使用される。「Ｘ」で示された個々の素子１０５（受信機素子）は寸法１×９のビン１２０内に配置され、３Ｄモードでの受信用に使用される。送信機素子１０５との重なり合いを防止するように受信用の素子１０５が選択される。このような構成は、図５にビン「Ａ」およびビン「Ｂ」として示された２種類のビン１２０からなる。この例の「Ａ」ビンは、（「Ｘ」で示された）受信機素子のみを含み、したがって、図３に示すビンに類似しており、したがって、図３の切換え配置を修正なしにビン「Ａ」に適用することができる。しかし、「Ｂ」ビンは、送信機（「Ｏ」）として構成されたいくつかのトランスデューサ素子と、受信機として構成された１個の素子（「Ｘ」）とを備える。「Ｂ」型ビンは、図６に示すように、比較的複雑な切換え配置を使用することができる。
【００４３】
図６を参照するとわかるように、ビン「Ｂ」内の「Ｘ」で示されたトランスデューサ素子は、それを３Ｄスキャン・モード中に受信機として動作させる単投スイッチ（スイッチＢ）構成を使用する。受信サイクル中、トランスデューサ・アレイが３Ｄスキャン・モードで動作している間、単投スイッチ（スイッチＢ）が開放位置に維持され、それによって、ビンに含まれるトランスデューサ素子は受信機として動作することができる。さらに、トランスデューサ・アレイが２Ｄスキャン・モードで動作している間、その単投スイッチ（スイッチＢ）は同様に、「Ｘ」で示されたトランスデューサ素子を大きな一次元素子またはスーパー素子１４５の一部として動作することができる。したがって、２Ｄスキャン・モード中に、スイッチ「Ｂ」は閉鎖位置に維持され、「Ｘ」で示されたトランスデューサ素子は、２Ｄ線１５０を介して大きな一次元トランスデューサ素子またはスーパー素子１４５の一部として動作することができる。
【００４４】
別法として、（「Ｏ」で示された）各送信機素子は、少なくとも２つの位置、すなわち２Ｄモード位置および３Ｄモード位置を有するスイッチを使用することができる。すべての残りの素子１、３、６、７、９（上から下へ）が２Ｄ線１５０に結合され、２Ｄ線１５０はさらに、スイッチＢを介しｒｘ線を経て撮像システムに結合される。したがって、ビン「Ｂ」の単投スイッチの総数は各受信機線ｒｘごとに１個であり、各送信機線ｔＸ１、ｔＸ２、ｔＸ３ごとに１個の双投スイッチ二重スロー・スイッチがある。この特定のスイッチ配置は、送信機素子が疎周期パターン・レイアウトに従って配置されることには依存せず、受信機素子と送信機素子が重なり合わない様々な疎パターンに適用することができる。
【００４５】
したがって、二次元スキャン・モードで動作しているときは、２Ｄ動作中の超音波パルスの送信時と受信時のどちらにも、スイッチＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが２Ｄモード・スイッチ位置に位置決めされる。パルスは２Ｄ線１５０を介して受信され送信され、この場合、２Ｄ線１５０はｒｘ線を介して撮像システムに結合される。
【００４６】
三次元（３Ｄ）スキャン・モードで動作しているときは、３Ｄ動作中の超音波パルスの送信時に、スイッチＡ、Ｃ、Ｄが３Ｄモード・スイッチ位置に位置決めされる。パルスは、関連する撮像システムから、送信機線ｔＸ１、ｔＸ２、ｔＸ３を介して、（「Ｏ」で示された）個々の送信トランスデューサ素子に供給される。したがって、３Ｄスキャン・モードで動作しているとき、（「Ｏ」で示された）個々の送信トランスデューサ素子は送信サイクル中、アクティブになる。同様に、アレイ１００に含まれる他のビン１２０内の（「Ｏ」で示された）他の個別の送信トランスデューサ素子は、同様な切換え配置を介した送信中に同様にアクティブになる。
【００４７】
しかし、受信サイクル中には、スイッチＢが開放スイッチ位置に維持され、それによって、トランスデューサ・アレイ１００が３Ｄスキャン・モードで動作している間、超音波パルスを受信することができる。したがって、トランスデューサ・アレイが３Ｄスキャン・モードで動作しているとき、「Ｘ」で示されたトランスデューサ素子から受信されたパルスは、線ｒｘを介して撮像システムに供給される。同様に、アレイ１００に含まれる他のビン１２０内の（「Ｘ」で示された）個別の送信トランスデューサ素子は、同様な切換え配置を介した受信中に同様にアクティブになる。
【００４８】
撮像システムが、関連するトランスデューサ・アレイからの超音波パルスを処理することができ、したがって、本発明を様々な超音波撮像システムと共に使用できることが理解されよう。図示していないが、本発明の一実施形態にチャネル・マルチプレクサを組み込み、各スーパー素子からの２Ｄモード信号をシステム送信機とシステム受信機の両方に接続することができる。ビン内の１組のトランスデューサ素子が、送信サイクル中に第１の疎アレイ・パターンを使用し、受信サイクル中に第２の疎アレイ・パターンを使用するようにすることもできる。
【００４９】
本発明を少なくとも実施形態に関して説明した。上記の説明に照らして当業者には多数の代替形態、修正形態、変形形態、用途が明らかであり、上記の説明が本発明を制限するものではなく、本発明の範囲が特許請求の範囲によって定義されることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の教示によって動作する二次元スキャン・トランスデューサ・アレイの実施形態を示す図である。
【図２】本発明の動作を示す二次元スキャン・トランスデューサ・アレイの実施形態を示す図である。
【図３】二次元スキャン・トランスデューサ・アレイの結合２Ｄ・３Ｄモード動作を示す図である。
【図４】疎な周期パターン・アレイを示す二次元スキャン・トランスデューサ・アレイの実施形態を示す図である。
【図５】三次元（３Ｄ）スキャン・モードで動作する二次元スキャン・トランスデューサ・アレイを示す図である。
【図６】三次元（３Ｄ）スキャン・モードで動作する二次元スキャン・トランスデューサ・アレイに含まれるビン用の切換え配置の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１００  二次元スキャン・トランスデューサ・アレイ
１０５  トランスデューサ素子
１１０  行
１１５  列
１２０  ビン
１２５  システム・チャネル
１３０  電子モード・スイッチ
１３５、１４０  線
１４５  大きな一次元スキャン素子
４００  疎周期パターン・アレイ
４０５  アクティブ・トランスデューサ素子
４１０  選択モード・スイッチ
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ  スイッチ
ＢＴ  ビンの総数
ＢＸ  ｘ方向のビンの数
ＢＹ  ｙ方向のビンの数
Ｂｓ  ビン寸法
Ｅｓ  素子の数
Ｎｔ  アレイに含まれる素子の総数
Ｎｘ  ｘ方向の素子
Ｎｘｂ  ｘ方向のビン寸法
Ｎｙ  ｙ方向の素子
Ｎｙｂ  ｙ方向のビン寸法
ｒｘ  受信機線
ｔＸ１、ｔＸ２、ｔＸ３  送信機線
【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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