(57)【要約】【課題】帯域幅の制約に基づく受信信号の狭帯域特性とその信号強度の減衰を改善すること。【解決手段】広帯域な電気信号に応じて少なくとも第１及び第２の異なる周波数帯域を有する音響信号が生成されるステップが含まれており、前記音響信号は、レンジディメンションに沿って少なくとも第１及び第２のトランスデューサー層を備えたエレメントのトランスデューサー層の第１のセットによって生成され、前記第１のセットは１つ以上のトランスデューサー層からなり、第１及び第２の周波数帯域の調波周波数または干渉調波周波数の電気信号が受信されるステップが含まれており、前記受信は、トランスデューサー層の第２のセットを用いて実行され、前記第２のセットは、１つ以上のトランスデューサー層であって第１のセットとは異なるようにする。【選択図】図３
2007029745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を用いた調波受信のための方法において、
広帯域な電気信号に応じて少なくとも第１及び第２の異なる周波数帯域を有する音響信号が生成されるステップ（４２）が含まれており、
前記音響信号は、レンジディメンションに沿って少なくとも第１及び第２のトランスデューサー層（２０，２２）を備えたエレメント（１４）のトランスデューサー層（２０，２２）の第１のセットによって生成され、前記第１のセットは１つ以上のトランスデューサー層（２０，２２）からなり、
第１及び第２の周波数帯域の調波周波数または干渉調波周波数の電気信号が受信されるステップ（４４）が含まれており、
前記受信は、トランスデューサー層（２０，２２）の第２のセットを用いて実行され、  前記第２のセットは、１つ以上のトランスデューサー層（２０，２２）であって第１のセットとは異なることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記音響信号が生成されるステップ（４２）に、第１及び第２の周波数帯域の第１及び第２の応答ピークからそれぞれ少なくとも６ｄＢだけ低減するポイントによって、第２の周波数帯域から分離された第１の周波数帯域を有する音響信号の生成ステップが含まれている、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも６ｄＢの低減の代わりに少なくとも２０ｄＢの低減が行われる、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記音響信号が生成されるステップ（４２）に、第２のトランスデューサー層（２０）ではなくて第１のトランスデューサー層（２２）に、広帯域な電気信号を供給するステップが含まれており、さらに前記電気信号が受信されるステップ（４４）に、第１のトランスデューサー層（２２）ではなくて第２のトランスデューサー層（２０）を用いて受信を実施するステップが含まれている、請求項１記載の方法。
【請求項５】
第１の周波数帯域の第１の中心周波数は、１〜４ＭＨｚの範囲内にあり、第２の周波数帯域の第２の中心周波数は、２〜８ＭＨｚの範囲内にあり、前記第２の中心周波数は第１の中心周波数よりも大である、請求項１記載の方法。
【請求項６】
第１の周波数帯域の第１の中心周波数は、第２の周波数帯域の第２の中心周波数よりも低く、前記電気信号が受信されるステップ（４４）に、第１の中心周波数と第２の中心周波数の差分に相当し第１の中心周波数の２倍に相当するエコー信号が受信されるステップが含まれている、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記電気信号が受信されるステップ（４４）に、第１の中心周波数と第２の中心周波数の和に相当するか又は第２の中心周波数の２倍に相当するエコー信号が受信されるステップが含まれている、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記音響信号が生成されるステップ（４２）と前記電気信号が受信されるステップ（４４）に、第１の事象が含まれており、
さらに第２の事象において前記音響信号が生成されるステップ（４２）と前記電気信号が受信されるステップ（４４）を繰り返すステップと、第１の事象で受信された電気信号と第２の事象の電気信号を加算するステップ（４６）が含まれており、前記第２の事象の音響信号は第１の事象のものとは異なる極性を有している、請求項１記載の方法。
【請求項９】
第１のトランスデューサー層（２２）は第１の圧電ブロックを含み、第２のトランスデューサー層（２０）は第２の圧電ブロックを含み、前記第１のトランスデューサー層（２２）は送信面に近接する上部層であり、さらに、
レンジディメンションに沿った第３のトランスデューサー層（２８）が含まれ、前記第３のトランスデューサー層（２８）はＰＶＤＦコーポリマーを含み、
ここにおいて前記電気信号が受信されるステップ（４４）に、
第２のトランスデューサー層（２０）を用いて、第１の周波数帯域の２倍に相当する信号又は第１及び第２の周波数帯域の差分に相当する信号を受信するステップ、若しくは第１の周波数帯域の２倍に相当する信号と第１及び第２の周波数帯域の差分に相当する信号の両方を受信するステップと、
第３のトランスデューサー層（２８）を用いて、第１及び第２の周波数帯域の和に相当する信号又は第２の周波数帯域の二倍に相当する信号を受信するステップ、若しくは第１及び第２の周波数帯域の和に相当する信号と第２の周波数帯域の二倍に相当する信号の両方を受信するステップが含まれ、
あるいは前記第２及び第３のトランスデューサー層（２０，２２，２８）を用いて前記受信を行うステップが含まれる、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記電気信号が受信されるステップ（４４）に、画像形成期間全般に亘って任意付加されたコントラス因子からの自由な応答特性のエコー信号を受信するステップが含まれる、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
超音波を用いた調波受信のための方法において、
広帯域な電気信号に応じて少なくとも第１及び第２の異なる周波数帯域を有する第１の音響信号を生成するステップ（５０）と、
前記第１の音響信号に応じて第１及び第２の周波数帯域の調波周波数又は干渉調波周波数の第１の電気信号を受信するステップ（５２）と、
第２の周波数帯域の低減された周波数帯域若しくは第２の周波数帯域以外の第１の周波数帯域を有する第２の音響信号を生成するステップ（５４）と、
前記第２の音響信号に応じて第２の電気信号を受信するステップ（５６）と、
前記第１及び第２の電気信号を結合させるステップ（５８）が含まれており、
前記第２の音響信号は、第１の周波数帯域で第１の音響信号から反転された信号であることを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記第１の音響信号を生成するステップ（５０）に、レンジディメンションに沿って少なくとも第１及び第２のトランスデューサー層（２０，２２）を有しているエレメント（１４）の第１のトランスデューサー層（２２）に対して広帯域な電気信号を供給するステップが含まれ、さらに前記第１の電気信号を受信するステップ（５２）に第２のトランスデューサー層（２０）を用いて信号を受信するステップが含まれている、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の周波数帯域は、第２の周波数帯域よりも高い中心周波数を有している、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の周波数帯域は、第１の周波数帯域よりも高い中心周波数を有している、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
超音波を用いた調波受信のためのシステムにおいて、
少なくとも２つのトランスデューサー層（２０，２２）を有するトランスデューサーエレメント（１４）と、
前記トランスデューサーエレメント（１４）との第１の電気的接続手段（３２）と、
前記トランスデューサーエレメント（１４）との第２の電気的接続手段（３４）が設けられており、
前記第２の電気的接続手段（３４）は、少なくとも２つのトランスデューサー層（２０，２２）の１つとは異なる少なくとも１つの層のためのものであり、
前記トランスデューサーエレメント（１４）は、第１の電気的接続手段（３２）上の広帯域な電気信号に応じて少なくとも第１及び第２の異なる周波数帯域を有する音響信号を生成しかつ第２の電気的接続手段（３４）上の第１及び第２の周波数帯域の調波周波数又は干渉調波周波数のエコー信号を受信するために操作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項１６】
前記第１の電気的接続手段（３２）は、トランスデューサーエレメント（１４）の上部トランスデューサー層（２２）に接続されており、該上部トランスデューサー層（２２）は、第１及び第２の周波数帯域の第１及び第２の応答ピークからそれぞれ少なくとも６ｄＢ低減されたポイントによって第２の周波数帯域から分離された第１の周波数帯域を有する広帯域な電気信号に対する応答特性を有している、請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
第１の周波数帯域の第１の中心周波数は、第２の周波数帯域の第２の中心周波数よりも低く、干渉調波周波数には、第１の中心周波数と第２の中心周波数の差分が含まれている、請求項１５記載のシステム。
【請求項１８】
前記干渉調波周波数には第１の中心周波数と第２の中心周波数の和が含まれている、請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
少なくとも２つのトランスデューサー層（２０，２２）の第１及び第２のトランスデューサー層（２０，２２）が第１及び第２の圧電ブロックをそれぞれ含み、さらに少なくとも２つのトランスデューサー層（２０，２２）の第３のトランスデューサー層（２８）が圧電ポリマー複合材若しくはＰＶＤＦを含んでおり、前記第１の電気的接続手段（３２）は第１のトランスデューサー層（２２）に接続されており、さらに、
第３のトランスデューサー層（２８）に接続された第３の電気的接続手段が設けられており、前記第３のトランスデューサー層（２８）は、第１及び第２の周波数帯域の和に相当する信号を受信すべく操作可能であり、前記第２のトランスデューサー層（２０）は第１及び第２の周波数帯域の差分に相当する信号を受信すべく操作可能である、請求項１５記載のシステム。
【請求項２０】
前記第１及び第２の周波数帯域の調波周波数または干渉調波周波数の電気信号が受信されるステップ（４４）に、干渉調波周波数の信号を受信するステップが含まれている、請求項１記載の方法。
【請求項２１】
前記第１及び第２の周波数帯域の調波周波数又は干渉調波周波数の第１の電気信号を受信するステップ（５２）に、干渉調波周波数の信号を受信するステップが含まれている、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、調波受信のための診断用超音波トランスデューサーシステムに関している。
【背景技術】
【０００２】
例えば超音波を用いた調波画像の医療診断においては、音響エネルギーが基本周波数で送信される。そしてこの送信周波数の調波の伝播及び／又は反射によって生成された音響波（エコー）が受信される。例えばトランスデューサーは２ＭＨｚを中心とした周波数帯域の音響エネルギーを生成する。同じトランスデューサーは、４ＭＨｚの第２高調波を中心とする周波数の調波帯域のエコー信号を受信するのにも用いられる。しかしながらこれらのトランスデューサーの帯域幅には制限があり、そのため調波信号は帯域幅の上端に位置付けされる。帯域幅が制約を受けるならば、受信信号は基本的には狭帯域となりその信号強度も弱くなってしまう。
【０００３】
本願の参考となり得るトランスデューサー及び複数のエレメントの構造及び／又は接続形態は、例えば米国特許第6,409,667号明細書、米国特許第6,673,016号明細書、米国特許第5,724,976号明細書、米国特許第5,446,333号明細書、米国特許第6,416,478号明細書に記載されている。
【特許文献１】米国特許第6,409,667号明細書
【特許文献２】米国特許第6,673,016号明細書
【特許文献３】米国特許第5,724,976号明細書
【特許文献４】米国特許第5,446,333号明細書
【特許文献５】米国特許第6,416,478号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、前述した従来技術における欠点に鑑みこれを解消すべく改善を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題は本発明により、広帯域な電気信号に応じて少なくとも第１及び第２の異なる周波数帯域を有する音響信号が生成されるステップが含まれており、
前記音響信号は、レンジディメンションに沿って少なくとも第１及び第２のトランスデューサー層を備えたエレメントのトランスデューサー層の第１のセットによって生成され、前記第１のセットは１つ以上のトランスデューサー層からなり、
第１及び第２の周波数帯域の調波周波数または干渉調波周波数の電気信号が受信されるステップが含まれており、
前記受信は、トランスデューサー層の第２のセットを用いて実行され、
前記第２のセットは、１つ以上のトランスデューサー層であって第１のセットとは異なるようにして解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
冒頭で述べた形式の以下でも詳しく説明する本発明の有利な実施例には、超音波を用いた調波受信のための方法及びシステムが含まれている。異なる周波数帯域を用いた送信は、受信に対し広帯域の調波情報を提供する。多重のトランスデューサー層を有するトランスデューサーを用いれば、種々の電気的なアクセスが送受信の様々な帯域幅毎に提供される。これによって画像形成のための広帯域な組織調波情報が異なる周波数帯域の送信に応じて受信される。
【０００７】
多重の送信事象は他の実施例においても使用される。例えば１つの送信事象では、２以上の周波数帯域の音響エネルギーを提供する広帯域パルスが使用され、別の送信事象に対しては１以上の周波数帯域の音響エネルギーが他の送信事象に相対的に反転された単一若しくは複数のパルスで送信される。
【０００８】
第１の観点によれば、超音波を用いた調波受信のための方法が提供される。ここでは少なくとも第１及び第２の異なる周波数帯域を有する音響信号が広帯域な電気信号に応じて生成される。この音響信号は、レンジディメンションに沿って少なくとも第１及び第２のトランスデューサー層を備えたエレメントのトランスデューサー層の第１のセットによって生成される。この第１のセットは１つ以上のトランスデューサー層を含んでいる。エコー信号は、第１及び第２の周波数帯域の調波周波数ないし干渉調波周波数（interaction harmonic frequency）で受信される。この受信はトランスデューサー層の第２のセットを用いて行われる。この第２のセットは第１のセットとは異なるトランスデューサー層か複数層の組合わせである。
【０００９】
第２の観点によれば、超音波を用いた調波受信のための方法が提供される。ここでも少なくとも第１及び第２の異なる周波数帯域を有する第１の音響信号が広帯域な電気信号に応じて生成される。第１のエコー信号は、第１の音響信号に応じて第１及び第２の周波数帯域の調波周波数ないし干渉調波周波数で受信される。第２の周波数帯域とは異なるか若しくはそれよりも低減された第１の周波数帯域を有する第２の音響信号が生成され、この第２の音響信号は、第１の周波数帯域の第１の音響信号から反転される。第２のエコー信号は、第２の音響信号に応じて受信され、第１及び第２のエコー信号は組み合わされる。
【００１０】
第３の観点においては、超音波を用いた調波受信のためのシステムが提供される。ここではトランスデューサーエレメントが少なくとも２つのトランスデューサー層を有している。このトランスデューサー層を用いて第１及び第２の電気的な接続が形成される。第２の電気的な接続は、少なくとも２つのトランスデューサー層の１つとは異なる少なくとも一方のために形成される。トランスデューサーは第１の電気的な接続の際の広帯域な電気信号に応じて少なくとも第１及び第２の異なる周波数帯域を有する音響信号の生成のため、及び第２の電気的な接続の際の第１及び第２の周波数帯域の調波周波数若しくは干渉調波周波数の音響信号受信のために操作可能である。
【００１１】
本発明は以下の請求の範囲によって権利範囲が確定されるものであるが、以下の詳細な説明部分はこれらのクレーム上での限定を意図したものではない。本発明のさらなる方向性や利点も以下の明細書で実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
本発明の原理を表すための種々の構成要素や図面は必ずしも縮尺通りに示されているわけではないが、図面中では参照番号等によって異なる図面間で対応する構成部分が示されている。
【実施例】
【００１３】
ここでは広帯域の超音波エネルギーが、医療診断用の超音波画像形成手段に用いられる。複数の中心周波数ないし周波数帯域での多重送信が同時に行われると、複数の周波数の相互作用ないし干渉によって生成された調波ないし高調波が広帯域な画像形成のために受信される。
【００１４】
本発明の第１実施例によれば、広帯域な画像を形成するために多層トランスデューサーが用いられている。ここでは１つの層若しくは複数の層の組合わせが、広帯域なパルスに応じて多重の周波数を生成する。そして別の異なる層若しくは複数の層の組合わせが所期の高調波周波数のエコーを受信する。異なる層若しくは層組合わせへの電気的なアクセスに依存することなく、それらは個々の送信に応じた広帯域受信のために設けられている。基本波の信号は、順次連続する伝送事象と受信事象を介したパルス反転によって低減される。このケースでは、第１の受信事象からの情報と第２の受信事象からの情報が組み合わされて、所期の広帯域情報が供給される。他の実施例では第２の送信事象は、送信された周波数帯域のサブセットに対する反転パルスしか含まない。２つの受信事象は、サブセット帯域での情報分離のためにフィルタリングされるか又は他のやり方で処理される。第１の受信事象と第２の受信事象から得られた情報は、所期のサブセット帯域情報の供給のために組み合わされる。さらに異なったサブセット帯域情報が組み合わされて所期の広帯域情報が供給される。
【００１５】
図１には、超音波を用いた調波受信のためのシステム１０が示されている。このシステム１０は、複数のエレメント１４を備えたトランスデューサー１２と、送信ビーム形成器１６と、受信ビーム形成器１８を含んでいる。さらに付加的に例えばイメージプロセッサや検知器、スキャンコンバータ及び／又はディスプレイなどのいくつかの異なる構成要素が設けられていてもよい。このシステム１０は、医療診断用の画像形成システムか、及び／又は画像形成システムに接続されるプローブの一部である。
【００１６】
送信ビーム形成器１６と受信ビーム形成器１８は、複数のチャネルを有しているデジタルまたはアナログのビーム形成器である。それらのチャネルは直接接続されるか、若しくはトランスデューサーの複数のエレメント１４のそれぞれ１つか若しくはグループに関して切換えられる。２つ若しくはそれ以上のシステムチャネルが各要素に接続される。送信ビーム形成器１６と受信ビーム形成器１８の各エレメント１４に対する別個の接続が形成される。また代替的にパッシブスイッチング又はアクティブスイッチングが送信ビーム形成器１６と受信ビーム形成器１８の各エレメント１４に対するアクセスに依存することなく形成される。
【００１７】
送信ビーム形成器１６は、例えばパルサー、スイッチ、メモリ、アナログデジタル変換器などの複数の波形生成器を含むか、その他の目下周知の若しくは目下開発中の波形生成器を含んでいてもよい。各チャネル毎に生成された電気信号は、正弦波、矩形波、単極性又は双極性あるいはその他の形状であり得る。複数のチャネルに亘って遅延のための位相シフト及び／又は振幅調整が用いられるならば、送信ビーム形成器１６は１つ以上の回線に沿った電気信号の供給に応じて生成された音響エネルギーを平面波に又は拡散する広帯域波面に集束する。
【００１８】
受信ビーム形成器１８は、受信した反響波（エコー）を表す電気信号の遅延、位相シフト及び／又は振幅調整を行う。情報は、走査した領域ないし容積を表す１つ以上のビームを形成するために結合される。受信ビーム形成器１８のフィルタ、増幅器、アナログ／デジタル変換器、プロセッサ、乗算器若しくはその他の構成要素は、所期の周波数帯域に亘ってデータを処理する。
【００１９】
トランスデューサー１２のエレメント１４の超音波アレイは、一次元タイプ、多次元タイプ、線形タイプ、曲線タイプ、位相タイプ又はその他の目下の周知タイプあるいは今後の開発タイプであり得る。有利な実施例によれば、トランスデューサー１２の各エレメント１４がトランスデューサー材料の単層からなっている。図２に示されている別の実施例によれば、トランスデューサー１２のエレメント１４が、２つ以上のトランスデューサー層２０，２２，２８と、バッキングブロック２６と、１つ以上のマッチング層２４，２８と、レンズないし音響ウインドウ３０と、電気的なアクセス手段３２，３４，３６を含んでいる。さらに付加的にいくつかの異なる構成要素、例えば付加的な電気的アクセス手段若しくはトランスデューサー層としてもマッチング層としても機能する層２８の電極などが設けられていてもよい。有利な実施例によれば、トランスデューサー１２及び複数のエレメント１４が例えば先の米国特許第6,409,667号明細書、米国特許第6,673,016号明細書、米国特許第5,724,976号明細書、米国特許第5,446,333号明細書、米国特許第6,416,478号明細書に記載されているような構造及び／又はコネクションを有しており、その内容が本願においても参照され得る。
【００２０】
エレメント１４のサイズと形態は任意である。例えば四角形、三角形、矩形、六角形、多角形、若しくはそれ以外の形態であり得る。有利な実施例によれば、エレメント１４は、１７０μｍの幅（アジマス）で１３.５ｍｍの長さ（高さ）である。もちろんその他のサイズも適用され得る。バッキングブロック２６も任意の形態と任意材料、任意のサイズである（例えばラバーパウダーの混合された２０ｍｍ厚（レンジ）のエポキシ材など）。マッチング層２４（及び／又は２８）も任意の形態と任意材料、任意のサイズである（例えばマッチング層２４は銅片の充填された２２０μｍ厚の高インピーダンスエポキシ層からなり、層２８は１５０μｍ厚の低インピーダンスエポキシ層からなる）。さらにレンズ材料２０も集束特性の有無にかかわらず任意の形態、任意の材料、任意のサイズである（例えば１ｍｍ厚のＲＴＶなど）。
【００２１】
トランスデューサー層２０，２２（あるいは２８）には、圧電セラミックブロック（ＰＺＴ）や圧電ポリマー（ＰＶＤＦ）、圧電ポリマー複合材、マイクロエレクトロメカニカル材（例えばｃＭＵＴ）、若しくはその他の周知の材料あるいは今後開発される電気エネルギー／音響エネルギー間の伝送に用いられる材料ないし技術が適用可能である。これらの各層２０，２２，２８のサイズ、形態、極性、材料は同じであってもよいし異なっていてもよい。別の有利な実施例によれば、２つの底部層２０，２２がＰＺＴで、上部層２８は圧電ビームの複合材、エポキシ、あるいはその他のポリマーである。例えば２つの底部層２０，２２は３００μｍ厚（レンジ）のＰＺＴブロックか固体ＰＺＴであり、上部層２８は１４０μｍ厚のＰＶＤＦコーポリマーである。この上部層２８は、底部の２つのトランスデューサー層２０，２２（例えば３０ＭＲａｙｌｓ）に対して低インピーダンスのマッチング層（例えば２-４ＭＲａｙｌｓ）として働く。図示のように上部層２８は、他のトランスデューサー層２０，２２から１つ以上のマッチング層２４によって分離されている。上部層２８は、他のエレメント１４と共にカットされていてもよいし、エレメントを規定するためにパターン化された電極を有する未カットの材料シートであってもよい。厚みは、所期の周波数応答を提供するために選択され、例えば受信に対しては６.２５〜８ＭＨｚの周波数範囲であってもよい。また別の実施例により２つのトランスデューサー層２０，２２のみが設けられていてもよい。さらに別の実施例によりトランスデューサー材料の上部層２８が、当該上部層２８とレンズ３０の間の１つ以上のマッチング層２４なしで他のトランスデューサー層２２に隣接していてもよい。層２８と２２の間の共通の電気的な接続はグランドされていてもよいし、電気的な接続手段３２と接続されていてもよい。
【００２２】
トランスデューサー１２は、電気的な接続手段３２，３４，３６上で供給される広帯域な電気信号に応じて少なくとも第１と第２の異なる周波数帯域を有する音響信号を生成するために操作可能である。例えば１ＭＨｚの下から６ＭＨｚの上までをカバーする帯域幅の半周期又は１周期の矩形波ないし正弦波のような広帯域な電気信号が電気的接続手段３２上で上方のトランスデューサー層２２に供給され、それに対して電気的接続手段３６はグランドされている。ここでは広めの帯域幅又は狭めの帯域幅、及び／又は高めの周波数レンジ又は低めの周波数レンジを有する信号が使用され得る。トランスデューサー層２２は、厚み、形態、サイズ、材料、並びに領域方向に沿ったトランスデューサー内部の他の層との相対位置に基づいて、結果的に２つ以上の周波数帯域を生じさせる広帯域な電気信号に対する応答特性を有する。図４は単一のトランスデューサー層２２で生じ得る応答特性の１つを示したものである。代替的に２つ以上の周波数帯域を有する音響エネルギーを生成するために、同じか若しくは異なる電気的接続手段３２を備えた２つ以上の層が使用されてもよい。
【００２３】
図４に示されているように、周波数帯域は、第１及び第２の周波数帯域の応答ピークから少なくとも６ｄＢ低減したポイントによって互いに分離されている。図４では低い方の周波数帯域が約２ＭＨｚに、そして高い方の周波数帯域は約４.２５ＭＨｚに焦点ないしピークを有しているようすが示されている。ここでは２つの周波数帯域間で応答特性に約２０ｄＢ以上の低減が生じている。またここでは広帯域な電気信号に応じて供給される２つまたは３つあるいはそれ以上の周波数帯域を有する他の応答特性も生じ得る。さらに別の実施例においては、電気的な波形整形が多帯域の周波数を有する音響信号生成のために行われている。送信に対して異なる周波数の２つの信号はエレメント１４によって実質的に同時に生成される。
【００２４】
送信された音響エネルギーは組織を通って伝播し、そしてこの組織の構造部から反射される。反射されたエコーはトランスデューサー１２に戻る。組織内部の伝播及び／又は反射が調波情報を生成する。有利な実施例によれば、画像形成ステップ（例えば超音波を用いて患者に実施する１５分から１時間の検査）期間中に任意付加的なコントラスト因子なしの組織調波が受信と画像形成のために用いられる。別の実施例によれば、微少な泡などの付加的コントラスト因子が被検組織内に注入され、調和応答が生成される。
【００２５】
同じエレメント１４は、送信に対応したエコーを受信する。このエコーの受信のために、トランスデューサー層２０，２２，２８の異なる組合わせ及び／又は電気的接続手段３２、３４，３６が用いられる（３つ以上のトランスデューサー層に対してはさらに別の接続手段も可能）。送信に使用される１つ以上の層２０，２２，２８を含有するか若しくは含有しないトランスデューサー層２０，２２，２８の組合わせは、エコーの受信に使用してもよい。送信若しくは受信に使用される異なるトランスデューサー層２０，２２，２８は、同じ又は異なる電気的接続手段３２，３４，３６と共に作用する。
【００２６】
反響波（エコー）には送信された基本周波数の調波が含まれる。この調波には低調波（例えば１/２）、分数調波（例えば１・1/2）、整数倍の調波（例えば第２高調波）などが含まれている。つまり調波には、例えば２つ以上の送信周波数の差及び／又は和などの干渉周波数（interaction frequency）が含まれる。例えば２ＭＨｚと４.２５ＭＨｚの中心周波数を有する送信、２.２５ＭＨｚと６.２５ＭＨｚを含む干渉周波数など。調波周波数は４ＭＨｚと８.５ＭＨｚを含む。底部のトランスデューサー層２０は、干渉周波数の少なくとも１つを受信するためのサイズ、形状、厚み、材料を含んでいる。例えば底部のトランスデューサー層２０は、２ＭＨｚの送信信号の第２高調波と、異なる干渉調波（interaction harmonic）を含めて２.１８ＭＨｚ〜５ＭＨｚからの受信のためのスペクトル応答特性を有している。３つのトランスデューサー層２０，２２，２８を伴う実施例によれば、上部のトランスデューサー層２８は、干渉調波の和や高位の送信周波数帯域の第２高調波などの他の周波数を受信するためのサイズ、形態、厚み、材料を有している。
【００２７】
図５には、底部トランスデューサー層２０の周波数応答特性が表されており、これは特に図４に表されている音響エネルギーの送信に基づくエコーの受信のために用いられる。基本的には底部トランスデューサー層２０の平滑的でかつ広帯域な周波数応答特性が、共に広帯域な複合的受信応答特性を形成するのに十分に近接した送信周波数帯域に基づいて多岐の調波周波数帯域の受信を可能にする。例えば３，６，１０若しくはこれ以外の値のｄＢ値よりも少ない低減値は、２つ以上の調波の中心周波数間で供給される（例えば２.２５ＭＨｚの異なる干渉調波及び４ＭＨｚの第２高調波）。調波間ではより大きな隔たりがもたらされる。ここでは２つ以上の周波数帯域が送信されるため、２つ以上の調波周波数を伴う広帯域な信号が受信される。
【００２８】
異なる電気的接続手段３２，３４，３６はグランドされ、それらはケーブル、トレース、ワイヤーかその他の導体路であり得る。これらは並列接続又は直列接続において離散的又は集積された電子回路（例えばマルチプレクサ、調整インダクタ、キャパシタ、トランス、プリアンプなど）の１つまたはグループを含んでいてもよい。各トランスデューサー層２０，２２は、異なる電極の組合わせと電気的接続手段３２，３４，３６に対応付けられる。例えば上部のトランスデューサー層２２は、その上側と下側で電気的接続手段３２及び３６にそれぞれ接続された電極を有していてもよい。また下部のトランスデューサー層２０は、その上側と下側で電気的接続手段３６と３４にそれぞれ接続された電極を有していてもよい。これらの異なる電気的接続手段３２，３４，３６は、各トランスデューサー層２０，２２毎に設けられていてもよいし、あるいはトランスデューサー層２０，２２の少なくとも２つの異なる組合わせのそれぞれに対して設けられていてもよい。
【００２９】
異なる電気的接続手段３２，３４，３６は、送信動作と受信動作で独立したアクセスが可能となるようにするために、送信ビーム形成器１６及び／又は受信ビーム形成器１８からの電気的なアクセスに依存することなくトランスデューサー層２０，２２の各組合わせ毎に設けられている。また各エレメント１４は、相応の圧電層２０，２２，２８から調波受信システム１０へ信号を直接送受信させるために、マルチシステムチャネルに有線接続されるか、スイッチングデバイスが各エレメント１４に位置付けされる。３つ以上のトランスデューサー層２０，２２，２８を備えた実施例においては、その他の独立した電気的接続が形成され、信号はさらに広帯域な操作のために後で結合される。代替的に２つ以上の層が共通の電気的な接続と共に電気的に接続される。例えば底部と上部のトランスデューサー層２０，２８が同じ電気的な接続線路上での広帯域な信号の受信のために接続される。
【００３０】
図２では１つの電気的接続手段３６がグランドされている。ここでは永続的なグランドがスイッチングによるグランドが実施される。代替的な実施例によれば、電気的接続手段３６が送信モードと受信モードの間で切り替えられる。送信モードに対しては異なる電極がグランドされ、電気的接続手段３６は電気信号の送信に用いられる。受信に対しては、異なる電極がグランドされ、電気的接続手段３６が受信信号のために用いられる。但しまだ送信操作に左右されることはない。電気的接続手段３２，３４，３６は、送信モードと受信モードに対して異なる層の間で若しくは複数の層の組み合わせの間で切り替えられ得る。
【００３１】
図３には、超音波を用いた調波受信のための方法の一実施例が示されている。この方法は、図１のシステム１０、図２のエレメント１４若しくはそれとは異なるシステムないしエレメントに適用され得る。さらに図３に示されているのとは異なるいくつかのステップの付加的な実施も可能である。例えばこの方法が様々な結合ステップ４６を備えたものであってもよい。
【００３２】
ステップ４０では、電気信号がトランスデューサーのエレメントに供給される。この電気信号は広帯域な信号であり、例えばこれはスイッチングネットワーク若しくはパルサーによって生成されたパルス方形波であり得る。代替的にこれらの電気信号は、多周波帯域の情報を含有すべく波形整形されてもよい。
【００３３】
ステップ４２では、広帯域な電気信号若しくはその他も入力信号に応じて音響信号が生成される。トランスデューサーは、多層エレメントのトランスデューサー層のように供給された電気信号を音響エネルギーに変換する。トランスデューサー層セットは、電気信号を音響信号に変換する。このセットとは１つ以上のトランスデューサー層である。例えば図２に示されているエレメント１４においては、上部層若しくは中間層２２のように１つの層のみが電気信号を音響エネルギーに変換し、底部層２０や上部層２８のような他の層は、送信動作には用いられていない。
【００３４】
有利な実施例によれば、電気エネルギーから音響エネルギーへの変換において、入力波形のフィルタリング処理が施される。例えば広帯域な波形がフィルタリング処理によって２つ以上の異なる周波数帯域の音響エネルギーにもたらされる。１つの周波数帯域は、他の周波数帯域から分離され、たとえばそれらの周波数帯域の相応の応答ピークから少なくとも６ｄＢ、１０ｄＢ、あるいは２０ｄＢダウンしたポイントで行われる。この周波数における分離は、例えば最低周波数帯域の中心周波数の約１０％〜２０％の小さな値か若しくは例えば最低周波数帯域の中心周波数の少なくとも約１００％の大きな値であってもよいし、それ以外の値であってもよい。図４に示されているように、低めの中心周波数と高めの中心周波数を有する２つの周波数帯域が供給される。例えば低めの周波数帯域の１つの中心周波数は１〜４ＭＨｚ内にあり、高めの周波数帯域のもう一方の中心周波数は２〜８ＭＨｚ内にある。
【００３５】
ステップ４４では、エコー信号が受信される。この受信は、ステップ４２の送信に対して使用されたものとは異なるトランスデューサー層のセットによって行われる。例えば図２のエレメント１４を用いるならば、この異なるセットは底部層２０か若しくは底部層２０と上部層２８の両方である。１つ以上のトランスデューサー層がエコー信号を受信するが、しかしながら送信に使用した少なくとも１つのトランスデューサー層は受信には用いられない。すなわち他の層はグランドされるか若しくは電気的エネルギーの受信に対して接続されない。
【００３６】
受信されたエコー信号と対応する受信電気信号には、送信された周波数帯域の多重の調波のように広帯域な情報が含まれている。この調波信号は、送信された周波数帯域の１つ以上の干渉調波周波数（interaction harmonic frequency）を含んでいる。この広帯域の範囲には、例えばそれらの差分や和、第２高調波あるいはそれらの合成成分などが含まれる。例えば受信された電気信号には、１つのトランスデューサー層からの最も低い送信周波数帯域の第２高調波及び／又は異なる干渉周波数（interaction frequency）などが含まれ得る。また別の例として、受信された電気信号には、異なるトランスデューサー層若しくは同じトランスデューサー層の最も高い送信された周波数帯域の第２高調波及び／又は干渉周波数の和成分が含まれ得る。さらにまた別の例として、受信された電気信号には、１つ以上のトランスデューサー層からの第２高調波と、干渉周波数の和及び差の両方が含まれ得る。
【００３７】
有利な実施例によれば、これらのエコー信号は画像形成全般に亘って任意付加されたコントラスト因子からの応答特性もフリーである。また別の実施例によれば、エコー信号はコントラスト作用からの調波応答特性を含み得る。
【００３８】
前記ステップ４０，４２及び４４は繰り返される。例えばこれらのステップは、異なる走査線に沿ったスキャンのために繰り返されてもよい。また別の例として、これらのステップが同じ若しくは類似の走査線に沿って繰り返されてもよい（但し送信された音響信号とは異なる極性を用いて）。種々異なる送受信事象が実施される。異なる事象毎に異なる極性、位相、振幅、あるいはそれらの組合わせを使用すれば、基本周波数若しくは調波周波数の選択的な消去がステップ４６の組合わせ情報によって可能となる。送信事象間の極性の反転によれば、基本情報も含めて受信信号の総和が奇数調波成分を消去ないし低減し、さらには調波や調波干渉の強調もなし得る。
【００３９】
図６には本発明による超音波を用いた調波受信のための方法のさらに別の実施例が示されている。この方法は図１のシステム１０と図２のエレメント１４、又はそれと異なるシステムないしエレメントを使用している。
【００４０】
ステップ５０では、少なくとも第１及び第２の異なる周波数帯域を有する音響信号が広帯域な電気信号、例えばステップ４２で説明したような信号に応じて生成される。この広帯域な信号若しくはその他の電気信号は１つのトランスデューサー層又は複数のトランスデューサー層の組合わせに供給される。ここでは代替的に単一の層からなるエレメントが用いられてもよい。
【００４１】
ステップ５２ではエコー信号が、送信された音響信号に応じて、送信周波数帯域の調波周波数及び／又は干渉調波周波数で受信される。エコー信号から電気信号への変換には、同じ層又は異なる層、複数の層の組合わせ、あるいは単一の層のみが使用される。
【００４２】
ステップ５４では、ステップ５０の音響信号に比して低減された周波数帯域又はそれ以外の別の周波数帯域を伴う１つの周波数帯域を有する別の音響信号ないし後続の音響信号が生成される。この後続の音響信号の極性若しくは位相は、ステップ５０の音響信号に比べて反転されるか若しくはシフトされる。代替的な実施例においては、このステップ５４がステップ５０に対して優先的に実行される。ステップ５４に対して使用される周波数帯域は、より高めの中心周波数又はより低めの中心周波数を伴う周波数帯域である。ここにおいて３つ以上の周波数帯域が使用されるならば、それらの周波数帯域のサブセットがステップ５４において供給される。
【００４３】
ステップ５６では、ステップ５４の音響信号に応じてエコー信号が受信される。この受信されたエコー信号と対応する電気信号は、干渉調波を伴って若しくは干渉調波を伴わずに、基本情報といくつかの調波情報を含んでいる。ここでのエコー信号から電気信号への変換には、ステップ５４からの同じ層又は異なる層、複数の層の組合わせあるいは単一の層のみが使用される。
【００４４】
ステップ５８では、ステップ５２とステップ５６において受信された電気信号が結合される。ここでは総和、差分、重み付けを伴う組合わせあるいはその他の組合わせの作用ないし機能（関数）が使用される。これらの組合わせは、ステップ５０及び５４の両方で用いられた周波数帯域の基本周波数若しくはその他の選択された調波周波数を消去し、その結果として干渉調波やその他の調波を含んだ広帯域な情報が得られる。
【００４５】
以上において本発明を様々な実施形態の参照のもとに説明してきたが、しかしながら本発明の範囲を逸脱することなく多くの変更及び変形が為されうることもまた理解されなければならない。それゆえ、上記の詳細な説明は限定としてではなく解説として見なされるべきであり、本発明の趣旨及び権利範囲を確定するのは、すべての等価物を含めた以下の請求項であることが理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】超音波を用いた調波受信のためのシステムの第１実施例を表したブロック回路図
【図２】図１のシステムで使用するトランスデューサー要素の一実施例の断面図
【図３】超音波を用いた調波受信のための方法の一実施例のフローチャート
【図４】一実施例における送信時の広帯域パルスに応じた１トランスデューサー層の音響信号スペクトル特性をグラフィカルに表した図
【図５】受信時の他のトランスデューサー層の音響信号スペクトル特性をグラフィカルに表した図
【図６】超音波を用いた調波受信のための方法の別の実施例のフローチャート
【符号の説明】
【００４７】
１０      調波受信システム
１２      トランスデューサー
１４      エレメント
１６      送信ビーム形成器
１８      受信ビーム形成器
【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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