(57)【要約】  ＣＭＵＴセルのアレイは、セルの上部電極に結合され、所望の崩壊状態又は部分崩壊状態となるように電極にバイアスをかけるＤＣバイアス電圧を有する。ＣＭＵＴセルの短絡故障の場合には、セル用の保護回路が、過電流状態を検知し、故障セルを通るＤＣ電流路を開成することによって反応する。保護回路は更に、セルの送信及び受信回路を無効にする。別の実施態様では、検知回路は、ＤＣバイアス供給源の過電流状態を検知し、応答して、アレイのすべてのＣＭＵＴセルを無効にし、次に、故障セルを再有効にしようとしても当該セルは無効にされた状態のままとなることを除き、それらを順次再有効にする。
2018523414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過電流状態から保護される微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）アレイであって、
基板と、
前記基板上に形成され、それぞれ、上部電極、及び、前記基板に結合される下部電極を含む膜を有する複数のＭＵＴセルであって、前記上部電極又は前記下部電極の一方は、基準電位に結合される共通電極であり、他方の電極は、交流信号を受ける信号電極である、前記複数のＭＵＴセルと、
ＭＵＴセルの前記上部電極及び前記下部電極のうちの一方の電極の電流路に結合され、過電流状態の場合には、前記電流路を遮断する保護回路と、
を含み、
前記保護回路は、前記電流路に結合され、前記過電流状態を検知し、前記電流路の前記遮断を開始するための検知回路を有する、ＭＵＴアレイ。
【請求項２】
前記信号電極は、前記下部電極であり、前記保護回路は更に、前記ＭＵＴセルの前記下部電極に結合される、請求項１に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項３】
前記保護回路は更に、前記電流路に結合される送信回路及び受信回路を含み、前記送信回路及び前記受信回路は、前記交流信号を提供する、請求項２に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項４】
前記保護回路は更に、前記過電流状態の場合には、前記受信回路を無効にする、請求項３に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項５】
前記保護回路は更に、前記過電流状態の場合には、前記送信回路を無効にする、請求項４に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項６】
前記検知回路は更に、前記電流路の信号を基準信号と比較する比較器を含む、請求項５に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項７】
前記比較器は、過電流状態の場合に、前記保護回路の前記送信回路及び前記受信回路を無効にする出力信号を生成する、請求項６に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項８】
複数のＭＵＴセルにそれぞれ結合され、ＭＵＴセルの過電流状態の場合には、接続されている前記ＭＵＴセルの電流路の開成を開始する複数の保護回路を更に含む、請求項１に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項９】
前記電流路は更に、ＤＣバイアス供給源の電流路を含み、
前記複数の保護回路は、過電流状態の場合には、前記複数の保護回路がそれぞれ結合されている前記ＭＵＴセルを無効にし、
前記複数の保護回路は、過電流状態の事象後に、使用可能なＭＵＴセルを再有効にする、請求項８に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項１０】
前記複数の保護回路は更に、過電流状態の事象後に、使用可能なＭＵＴセルを、順次、再有効にする、請求項９に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項１１】
前記複数の保護回路は更に、過電流状態の事象後に、故障したＭＵＴセルを除き、すべてのＭＵＴセルを、順次、再有効にする、請求項１０に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項１２】
前記複数の保護回路は更に、シフトレジスタによって、使用可能なＭＵＴセルを、順次、再有効にする、請求項１０に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項１３】
保護回路によって、故障したＭＵＴセルを再有効にしようとの試みは、当該ＭＵＴセルが無効となる結果になる、請求項９に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項１４】
前記保護回路は、前記複数のＭＵＴセルと同じ基板上に配置される、請求項１に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項１５】
前記保護回路は、前記複数のＭＵＴセルの前記基板とは異なる基板上に配置される、請求項１に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項１６】
前記共通電極に結合され、前記共通電極に共通基準電位を提供するＤＣバイアス電圧供給源を更に含み、前記共通基準電位は、高電圧Ｖに対応し、
前記ＭＵＴセルの前記上部電極及び前記下部電極のうちの一方の電極の前記電流路に結合される前記保護回路の少なくとも一部は、少なくともＶと等しい破壊電圧を示す、請求項１に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項１７】
前記上部電極及び前記下部電極のうちの一方の電極の前記電流路に結合される前記保護回路の前記一部は更に、前記ＭＵＴセル用の集積受信回路を含む、請求項１６に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項１８】
前記上部電極及び前記下部電極のうちの一方の電極の前記電流路に結合される前記保護回路の前記一部は更に、電流リミッタを含む、請求項１７に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項１９】
前記上部電極及び前記下部電極のうちの一方の電極の前記電流路に結合される前記保護回路の前記一部は更に、前記ＭＵＴセル用の集積送信回路を含む、請求項１６に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項２０】
前記上部電極及び前記下部電極のうちの一方の電極の前記電流路に結合される前記保護回路の前記一部は更に、電流リミッタを含む、請求項１９に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項２１】
前記共通電極に結合され、前記共通電極に共通基準電位を提供するＤＣバイアス電圧供給源を更に含み、前記ＭＵＴセルの前記上部電極及び前記下部電極のうちの一方の電極の前記電流路に結合される前記保護回路の少なくとも一部は更に、電圧Ｖのプロセスレーティングで製作される集積回路を含み、
前記ＤＣバイアス電圧供給源は、電圧Ｖを超えないバイアス電圧に対応する前記共通基準電位を提供する、請求項１に記載のＭＵＴアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医用診断超音波撮像に関し、具体的には、容量性微細加工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といった圧電セラミック材料か、又は、ＰＶＤＦといった圧電ポリマーで作られる。最近では、トランスデューサが半導体プロセスによって作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、振動膜がその中で超音波エネルギーを発生し受信する、とても小さい半導体セルで作られ、微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）と呼ばれる。２つのこのようなトランスデューサタイプには、膜上の圧電材料を利用する圧電性微細加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）と呼ばれるタイプと、導電性膜と別の電極との間の容量効果を利用する容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）と呼ばれるタイプとがある。個々のトランスデューサ要素は、一斉に動作する数十又は数百の上記ＭＵＴセルで作られる。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しか生成しない又は少量の音響エネルギーに対してしか反応しない。ＭＵＴデバイスの音響効率を増加させるために、２つのアプローチが通常使用されている。１つのアプローチは、ＣＭＵＴの場合、振動膜を対向する電極の付近に近づけるＤＣバイアス電圧でセルにバイアスをかけ、デバイスの感度を増加させる方法である。もう１つのアプローチは、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要素として一斉に動作させられる多数のセルを提供する方法である。セルの高密度製作は更に、セルのグレーティングローブ特性を向上させ、結果として得られる超音波画像内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、更には個々の要素は、ＤＣバイアス電圧によってバイアスがかけられる数百又は数千の個々のＭＵＴセルを含むことができる。このような構造は、上記されたように、多数の性能利点を有する一方で、１つのＭＵＴセルの故障によって、膨大な数のセルが動作不能になるという問題がある。１つのセルが、対向する電極へのその高ＤＣバイアス電圧によって膜が潰れて故障することはあり得る。これは、故障したセルを短絡させるだけでなく、当該セルと共に共通にバイアスがかけられる数百又は数千の他のセルのすべても短絡させる。単一のセルの故障は、それ自体では、トランスデューサプローブの性能に目に見える影響を及ぼさないが、多数の他のセルの短絡は、トランスデューサプローブ全体を動作不能にする。この問題を阻止する１つのアプローチは、米国特許第７，２９３，４６２号（Ｌｅｅ他）に説明されている。Ｌｅｅ他のアプローチは、相互接続されたＭＵＴセルの行又は列の端に、行又は列における１つのセルが短絡すると開くヒューズを形成する。これは、当該セルの行又は列をトランスデューサ内での動作から外し、これにより、トランスデューサ内の他のセルが機能し続けることを可能にする。しかし、このアプローチには幾つかの欠点がある。１つの欠点は、相互接続されたセルの各行又は列に別々にバイアスがかけられなければならず、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を増加させる点である。別の欠点は、ヒューズが、ＭＵＴ基板上の比較的大きい面積を占め、ＭＵＴセル用に利用可能である基板の面積、したがって、トランスデューサの感度を減少させる点である。更に別の欠点は、故障したセルだけでなく当該セルが接続されている他のセルである複数のセルがプローブ内での動作から外され、これは、超音波プローブの性能を低下させる点である。故障したセルのみを動作から外すことができ、これにより、他の十分に機能するセルが動作し続けることができるようにすることが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明は、故障したＭＵＴセルのみを動作から外し、残りの十分に機能するセルは動作し続けることを可能にすることによって、ＭＵＴプローブの寿命を増加させることを目的とする。本発明は更に、上記を、そうでなければＭＵＴ製作に使用可能である基板面積を利用しない態様で行い、これにより、ＭＵＴアレイのＭＵＴ密度、したがって、その感度を維持することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、複数のＣＭＵＴセルを有し、各ＭＵＴセルは、上部電極、及び、基板に結合される下部電極を含む膜を有する。上部電極又は下部電極の一方は、共通基準電位（基準電圧）に結合される共通電極であり、他方の電極は、交流信号を受ける信号電極である。ＭＵＴアレイは更に、アレイの個々のセルの電極のうちの１つに結合される保護回路を有する。当該回路は、セルの電流路を開成（遮断）し、故障セルのみをセル内の残りの十分に使用可能であるセルから離す。例示的な保護回路は、過電流状態の場合には、セルの電流路を開成するブレーカーのように動作する。
【０００６】
実施形態のうちの１つでは、保護回路は信号電極に結合される。このソリューションの利点は、回路を交流信号担持電極に結合することによって回路を信号側に配置することが、ＭＵＴアレイの密度を最大に維持しつつ、故障セルの迅速且つ効率的な無効化を可能にする点である。この実施形態の更なる発展形では、保護回路は更に、電流路に結合される送信回路及び受信回路を含む。このようにすると、（アレイセル密度によって）同じ感度を維持しつつ、アレイの更なる小型化が実現される。
【０００７】
別の実施形態では、ＭＵＴセルの共通電極は、相互接続され、また、同じ基準電位に結合される。これは、アレイのデザインを単純化する。
【０００８】
別の実施形態では、超音波トランスデューサＭＵＴセルアレイは、バイアス電位（共通電極に対して共通電位、又は、信号電極に対してＤＣ基準電位）を提供するＤＣバイアス電圧供給源を含む。好適な実施形態では、ＤＣバイアス供給源は、複数のＭＵＴセルのそれぞれの電極に結合され、部分崩壊状態又は完全崩壊状態となるようにセル電極にバイアスをかける。一実施例では、ＤＣバイアス供給源に、１つの故障検知回路しか必要でない。保護回路は、最初に、アレイのすべてのＭＵＴセルを無効にし、次に、すべての使用可能なセルが再有効にされるまで、１つずつセルを再有効にし、故障セルのみが無効にされる。好適な実施態様では、保護回路は、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。保護回路を高密度ＡＳＩＣ上に形成することによって、ＭＵＴ製作に使用されるＭＵＴ基板の領域が、保護回路用に使用されることはなく、優れた音響性能のために、ＭＵＴ基板上の高セル密度が維持される。制御ＡＳＩＣは既知の技術によってＭＵＴ基板に接合され、マイクロビーム形成に使用されるチップといった別箇の集積回路チップとして形成されるか、又は、ＡＳＩＣはＭＵＴ製作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】
【０００９】
【図１】図１は、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】図２は、崩壊モードで動作するＣＭＵＴセルの断面図である。
【図３】図３は、セルのうちの１つが短絡した場合の故障モードを示す共通にバイアスがかけられたＣＭＵＴセルのアレイの断面図である。
【図４】図４は、本発明の原理に従って構成された第１の保護回路の概略図である。
【図５】図５は、本発明の原理に従って構成された第２の保護回路の概略図である。
【図６】図６は、本発明のブレーカー保護されたＣＭＵＴセルアレイとの使用に適している超音波撮像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】
【００１０】
ＣＭＵＴは、最初は、現在、懸架又は「非崩壊」モードとして知られているモードで動作するように構成されていた。図１を参照するに、典型的な非崩壊ＣＭＵＴトランスデューサセル１０が断面図で示される。ＣＭＵＴトランスデューサセル１０は、ケイ素といった基板１２上に、複数の同様の隣接セルと共に製作される。窒化ケイ素で作られてよいダイアフラム又は膜１４が、基板の上方に、酸化ケイ素又は窒化ケイ素で作られてよい絶縁支持体１６によって担持される。膜と基板との間の空洞１８は、空気若しくはガスで満たされても、又は、全体的若しくは部分的に排気されてもよい。金といった導電性フィルム又は層２０が、ダイアフラム上の電極を形成し、同様のフィルム又は層２２が、基板上の電極を形成する。誘電体空洞１８によって隔てられるこれらの２つの電極は、静電容量を形成する。音響信号によって膜１４が振動させられると、静電容量の変化が検出され、これにより、音響波が対応する電気信号に変換される。反対に、電極２０、２２間に印加される交流信号が静電容量を変調することで膜を動かし、これにより、音響信号が送信される。ＤＣバイアス電圧ＶＢも電極に亘って印加され、膜とその上部電極２０とをセルの空洞の床の付近まで引き込み、感度を増加させる。
【００１１】
図２は、崩壊モードで動作しているＣＭＵＴセルの略断面である。ＣＭＵＴセルは、ケイ素といった基板層１２と、基板電極２２と、膜層１４と、膜電極リング２８とを含む。この実施例では、電極２２は、円形に構成され、基板層１２内に埋め込まれている。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柱状の空洞１８を画定するように構成される／画定するような寸法にされる。セル及びその空洞１８は別の形状を規定してもよい。例えば空洞１８は、長方形及び／又は四角形の横断面、六角形の横断面、楕円形の横断面又は不規則な横断面を規定する。
【００１２】
下部電極２２は、通常、その空洞に面している表面上の追加層（図示せず）で絶縁される。好適な絶縁層は、基板電極の上方及び膜電極の下方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、デバイスの不安定性及びドリフト並びに音響出力圧の減少につながる電極上の電荷蓄積を有利に低減する。ＣＭＵＴ上のＯＮＯ誘電体層の製作は、２００８年９月１６日にＫｌｏｏｔｗｉｊｋ他により「Capacitive micromachined ultrasound transducer」なる名称で出願された欧州特許出願第０８３０５５５３．３号に詳細に説明されている。非崩壊デバイスよりも電荷保持に対してより影響を受け易い崩壊モードＣＭＵＴとのＯＮＯ誘電体層の使用が望ましい。開示されるコンポーネントは、例えばＡｌ、Ｔｉ、窒化物（例えば窒化ケイ素）、酸化物（様々な等級）、テトラエチルオキシシラン（ＴＥＯＳ）、ポリシリコン等であるＣＭＯＳ適合材料から作製される。ＣＭＯＳ製造において、例えば酸化物層及び窒化物層は、化学蒸着によって形成され、金属化（電極）層は、スパッタリング処理によって置かれる。適切なＣＭＯＳ処理は、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。
【００１３】
開示される空洞１８を生成する例示的な技術には、膜層１４の上面を追加する前に、膜層１４の最初の部分に空洞を画定することが伴う。他の製造の詳細は、米国特許第６，３２８，６９７号（Ｆｒａｓｅｒ）に記載される。図２に示される例示的な実施形態では、円筒状空洞１８の直径は、円状に構成された電極プレート２２の直径よりも大きい。電極リング２８は、円状に構成された電極プレート２２と同じ外径を有してよいが、この一致は必須ではない。したがって、本発明の例示的な実施形態では、電極リング２８は、膜層１４の上面に対して固定され、これにより、下にある電極プレート２２と揃えられる。
【００１４】
図２では、ＣＭＵＴセルの膜層は、崩壊状態となるようにバイアスがかけられ、当該状態では、膜１４は、空洞１８の床に接触する。これは、電極リング２８に印加される電圧ＶＢと基板電極２２に印加される基準電位（接地）とによって示されるように、２つの電極にＤＣバイアス電圧（ＤＣバイアス供給源によって供給される）を印加することによって達成される。本発明のＣＭＵＴセルの好適な実施態様では、下部電極は、信号担持（signal bearing）電極の機能を有し、接地されていないが、ＤＣ基準電位に結合され、セルの交流駆動信号（及び受信信号）が印加され、下部電極において受信される。電極リング２８は、中心に穴がない連続的なディスクとしても形成できるが、図２は、なぜこれが不要であるかを示す。膜１４が、本図に示されるように、その崩壊前状態となるようにバイアスがかけられると、膜の中心が空洞１８の床に接触する。したがって、膜１４の中心は、ＣＭＵＴの動作中に動かない。むしろ、空洞１８の残りの開放空間の上方及びリング電極の下方の膜１４の周辺領域が動く。膜電極２８をリングとして形成することによって、デバイスの静電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する際に動きと静電容量変化とを示すＣＭＵＴの領域の上方に配置される。したがって、ＣＭＵＴトランスデューサの結合係数は向上される。
【００１５】
図３は、図中、１５０と表される超音波システムに接続されたＣＭＵＴトランスデューサプローブ１００’を示す。この図には、共通の上部電極２０と、各ＣＭＵＴセル用の個々の下部電極２２とを有する４つのＣＭＵＴセル１０のアレイが示される。誘電体１６が、上部電極と、各セルの空洞１８上の膜とを支え、膜及び上部電極が、印加されるＤＣバイアス電圧ＶＢ及び受信超音波エネルギーに反応して動くことが可能にされる。ＤＣバイアス供給源１４０によって提供されるＤＣバイアス電圧Ｈ＋（ＶＢ）が共通電極２０に印加され、上部電極は空洞１８の床に望ましく近接するようにバイアスがかけられる。図３の非限定的な実施例では、ＣＭＵＴセルの上部（共通）電極２０は、相互接続されているように示され、したがって、共通電圧電位（接地又は基準バイアス）を有する連続電極が形成される。レンズ６８又は他のカバーが、ＤＣバイアスの高電圧との直接接触から患者を保護する。本発明の好適な実施態様によれば、ＣＭＵＴセルは、ＣＭＵＴセル用の制御集積回路７２のＡＳＩＣの基板７０上に製作される。或いは、各セルの下部電極２２は、信号担持電極である一方で、各セルの上部電極２０（共通電極）は接地（接地電位に結合）されていてもよい。したがって、アレイの患者安全性が更に向上される。ＣＭＵＴセルの信号電極２２は、ＡＳＩＣの上面を通るビア７４によってＡＳＩＣの回路に電気的に接続される。或いは、ＣＭＵＴは、それ自身の基板１２上に形成され、フリップチップ接続、導電性接着剤又はケイ素ビアを介するといったように、当業者に知られている任意の数の技術を介して、別箇のＡＳＩＣに接続されてよい。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線８２を介してＡＳＩＣのトランスデューサの電子部品を制御し、アナログ又はデジタル信号線８４を介して超音波信号を受信する。
【００１６】
図３は、本発明によって取り上げられる問題を示す。つまり、最も左のＣＭＵＴセルが故障し、その懸架上部電極２０が、３０に図示されるように、その下部電極２２の方向に崩れ落ちて、ＣＭＵＴセルを短絡させている（過電流状態を引き起こす）。セルの上部電極は、共通（共通電位を共有）であるので、この故障は、すべての他の相互接続されているセルの上部電極も短絡させる。ここで、セルは動作不能であるだけでなく、ビア７４へのＤＣバイアス電圧の直接結合が、ＤＣバイアス供給源からの電流をＡＳＩＣ７２に直接印加し、ＡＳＩＣの集積回路を損傷する可能性がある。
【００１７】
図４は、本発明の原理に従って構成されるＣＭＵＴセル故障のための第１の保護回路１６０を示す。本明細書に説明される保護回路は、プローブの任意の基板上に製作できるが、好適にはＡＳＩＣ７２の一部として、その基板上に製作される。ＣＭＵＴセル又はセルのグループ（１つの保護回路を用いてセルのグループを保護することが所望される場合）は、トランジスタＱ１、Ｑ２及びＱ３のドレイン電極につながれている。一般に、ＣＭＵＴ電極の１つ（本実施形態では、信号電極２２）が、電極を通る過電流状態を検知し、電流路の遮断を開始するための検知回路に結合される。これらのトランジスタの破壊電圧は、ＣＭＵＴ電極の短絡が生じる場合に現れるバイアス電圧に対処するように選択される。好適な実施態様では、トランジスタは、ＤＣバイアス供給源の高バイアス電圧と少なくとも等しい半導体プロセスレーティングを使用して、ＡＳＩＣ回路と同じ基板上の集積回路要素として製作される。或いは、ＤＣバイアス電圧は、可能であれば、集積回路トランジスタの動作電圧範囲内であるように選択される。トランジスタＱ１及びＱ２は、ＣＭＵＴセルの送信回路であり、ＣＭＵＴに音響波又はパルスを送信させるように動作し、トランジスタＱ３は、エコー信号の受信中に動作する回路を受信する。これらのトランジスタは、短絡が生じると、ＣＭＵＴアレイの他の動作セルだけでなくそれらの制御回路への過剰損傷を回避する電流リミッタとして作用する。Ｑ１及びＱ２は、音響送信イベントを生成する高電圧パルサーを形成する。これらのトランジスタは、「ｔｒａｎｓｍｉｔ  ａｎｄ  ｒｅｃｅｉｖｅ  ｅｎａｂｌｅ」（Ｔ／Ｒｅｎ）信号がハイである場合に、「ｔｒａｎｓｍｉｔ＿ｐｕｌｓｅ＿ｉｎ」信号によって制御され、受信モード中にＴ／Ｒｅｎ信号をローにセットする又は以下に説明されるように、ロー「ｃｅｌｌ  ｅｎａｂｌｅ」信号を生成するようにＳＲフリップフロップ４６をセットすることによって無効にされる。ＣＭＵＴが送信パルス又は送信波を生成する場合、ハイＴ／Ｒｅｎ信号及びハイセルイネーブル信号が共に、ゲート６０に、ゲート５４及び５６を有効にさせる。ゲート５４からのロー出力信号は、トランジスタＱ１のゲートに結合され、当該ゲートに、ＣＭＵＴ電極２２に送信パルスを印加させる。Ｑ１は、送信用の高電圧トランジスタであるので、レベルシフタ５０によって低電圧ＮＡＮＤゲート５４から分離される。レベルシフタは、本出願人のうちの１人の同時出願され、「CAPACITIVE MICROMACHINED ULTRASONIC TRANSDUCERS WITH INCREASED PATIENT SAFETY」なる名称の特許出願［２０１５ＰＦ００７２５］において示されるように構成される。当該出願において示されるように、レベルシフタは、コンデンサ、トランジスタ、トランス又はフォトダイオードといった交流結合要素によって離される、その入力回路の電圧までバイアスされる入力バッファとその出力回路の電圧までバイアスされる出力バッファとを含む。送信パルスの終わりにおいて、Ｑ１は信号内の送信パルスの終わりに反応してオフに切り替えられ、Ｑ２はオンにされて送信区間が終了する。トランジスタＱ３は、受信モードにおいて、保護されたＣＭＵＴの下部電極２２を前置増幅器４０に結合する送信／受信スイッチ��機能を果たす。これは、Ｔ／Ｒｅｎ信号がローになると生じ、ハイセルイネーブル信号と併せて、ゲート６４の出力をハイにさせる。これにより、受信した超音波信号は増幅され、更なる処理のために、マイクロビームフォーマ又は他の超音波信号プロセッサに結合される。
【００１８】
ＳＲフリップフロップ４６がセットされると、トランジスタＱ１、Ｑ２及びＱ３はすべて無効（非導通状態）にされ、セルイネーブル信号をローにし、ゲート６０及び６４にロー出力信号を生成させる。この状態では、故障ＣＭＵＴセルを通る損傷を与える電流の流れが阻止され、回路を後続の損傷から保護する。故障ＣＭＵＴセルの過電流状態の場合、過度の電流が、前置増幅器４０によって検知比較器４４の入力部に瞬間的に結合される。比較器４４は、１つの入力部における結果として得られる電圧を、もう１つの入力部における過負荷閾値電圧ＴＨｏｖｅｒｌｏａｄと比較することによって過電流状態を検知する。印加された電圧が過負荷閾値を超える場合、比較器４４は、その出力を切り替え、ＲＳフリップフロップ４６をセットする。フリップフロップ４６のセットは、そのＱ−ｎｏｔ出力において生成されたセルイネーブル信号をローにさせ、トランジスタＱ１、Ｑ２及びＱ３を無効にし、ＣＭＵＴセル及びその回路を保護する。
【００１９】
ＲＣフィルタ４２が、前置増幅器４０と比較器４４の入力部との間に結合され、正常な過渡高電圧超音波信号が、比較器に影響を及ぼし、比較器が不必要に切り替わることを阻止する。ＣＭＵＴプローブが最初に電源オンにされるとき、「アレイイネーブル」信号が、ＣＭＵＴアレイの各保護回路のＲＳフリップフロップ４６のリセット入力部に印加され、これにより、意図する正常動作のために、アレイのすべてのセルイネーブル信号がハイに最初にセットされる。電源オン時に、セル故障が存在すると、前置増幅器４０の出力部における結果として得られる静止（quiescent）オフセットが、比較器４４によって検出され、フリップフロップ４６を無効状態にセットして、ＣＭＵＴセル及びその回路が保護される。図４の保護回路は、アレイの各ＣＭＵＴセルとの使用のためにデザインされる。
【００２０】
図５は、本発明の原理に従って構成されるＣＭＵＴセル故障のための第２の保護回路１６１を示す。この第２の保護回路は、ＤＣバイアス回路ＶＢの電流を検知するために、単一の過電流検知回路だけが結合されていればよい。ＤＣバイアス回路に接続されたＣＭＵＴセルのうちの１つが短絡すると、すべてのＣＭＵＴセルが即時に無効にされ、次に、障害を有するセル以外、順次、再有効にされる。過電流検知回路は、過電流状態の従来の検知回路と同様に構成されてよい。例えば比較器４４といった比較器が、過電流基準電圧に結合される１つの入力部を有し、当該電圧に対して、ＤＣバイアス回路の動作が比較される。もう１つの入力部は、例えばＤＣバイアス供給源に結合される検知抵抗器を使用することによって、ＤＣバイアス供給源によって生成される電流の変化と共に直接変化する電圧を受信するように結合される。ＤＣバイアス供給源の検知電流が基準電圧を超える（又は下回る）と、過電流状態が検知され、比較器は過電流指示信号を生成する。
【００２１】
図５の上部におけるコンポーネントは、図４における同じ参照符号を有するコンポーネントと同じであり、説明は繰り返さない。図５の実施態様では、セルイネーブル信号は、ゲート９０によって生成され、ゲート９０は、ＲＳフリップフロップ４６及びＤ型フリップフロップ４８からの入力を受信する。フリップフロップ４８は、他のセル用の他の保護回路の他のＤ型フリップフロップ４８とチェーン状に結合され、事実上、シフトレジスタが形成される。１つの保護回路のフリップフロップが１つのクロックサイクル中にセットされると、そのハイＱ出力が、次の保護回路のＤ入力部に印加され、これは、次の保護回路のフリップフロップが次のクロックサイクル中にセットされることを有効にする。これにより、アレイにおけるすべてのセルの回路が、１つずつ過電流状態についてテストされる。
【００２２】
ＣＭＵＴプローブが電源オンにされると、すべての保護回路のＲＳフリップフロップ４６が、従来通りに、アレイイネーブル信号によってリセットされ、すべてのＣＭＵＴセルが有効にされる。これは、ハイ信号をゲート９０の１つの入力部に印加する。Ｄ型フリップフロップのシフトレジスタは、すべてのフリップフロップをハイＱ出力に順次セットするようにクロックされ、このハイ信号は、ゲート９０のもう１つの入力部に印加され、一致によって、ゲート９０は、アレイの各ＣＭＵＴセルの正常動作を可能にするハイ「セルイネーブル」信号を生成する。ＤＣバイアス供給源において過電流状態（セルが短絡すると生じる）が検知される場合、シフトレジスタのすべてのＲＳフリップフロップ及びすべてのフリップフロップ４８がリセットされ、フリップフロップ４８のローＱ出力は、アレイの各ＣＭＵＴセルの各保護回路のゲート９０の出力部において、無効にするセルイネーブル信号を生成する。このように各ＣＭＵＴセルの電流路が無効にされると、故障セルの過電流状態が即時に終了する。今度は、ＣＭＵＴセルは、一度に１つずつ再有効にされる。Ｄ型フリップフロップのシフトレジスタはクロックされ、シーケンスにおける最初のフリップフロップ４８をセットする。フリップフロップ４８は、ハイＱ出力を生成し、これは、ＲＳフリップフロップ４６からのハイ信号と共に、ゲート９０に、セルイネーブル信号を生成させ、ＣＭＵＴセルのうちの１つを再有効にする。当該セルが正常に動作している場合、その保護回路はこの状態に留まり、そのフリップフロップ４８のＱ出力部におけるハイ出力信号は、次のクロックサイクルにおいてチェーン内の次のＤ型フリップフロップをセットするために使用される。これは、次のＣＭＵＴセルを作動させ、ここでも当該セルが正常に動作している場合、このセルテストシーケンスは続く。
【００２３】
ＣＭＵＴセルのうちの１つが短絡する場合、最終的には、当該故障したセルの保護回路のフリップフロップ４８がセットされ、これは、セルを有効にし、その受信回路のトランジスタＱ２又はＱ３を導通状態にする。これにより、故障セルを介して大電流が引き込まれ、ＤＣバイアス供給源は再び過電流状態を経験する。供給源の過電流検知回路（例えばその比較器）は、次に、ゲート９２の１つの入力部に印加されるハイ過電流指示信号を生成し、当該信号は、フリップフロップ４８からのハイ出力信号と共に、ゲート９２に、保護回路のＲＳフリップフロップ４６をセットさせ、これにより、当該ＣＭＵＴの保護回路のトランジスタＱ１、Ｑ２及びＱ３が無効にされる。シフトレジスタの動作は続き、短絡したＣＭＵＴセルを除き、すべてのＣＭＵＴセルが正常動作のために再有効にされるまで、アレイの他の動作可能なＣＭＵＴセルが再有効にされる。
【００２４】
図６は、本発明のＭＵＴアレイプローブとの使用に適している超音波診断撮像システム１５０をブロック図形式で示す。ＣＭＵＴアレイ１００は、カテーテルの先端又は超音波プローブ１００’の遠位端上に、マイクロビームフォーマＡＳＩＣ１１２と共に配置される。ＣＭＵＴアレイ１００は、２Ｄ平面又は３Ｄ撮像用に３次元でスキャン可能なＭＵＴトランスデューサ要素の１又は２次元アレイであってよい。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受信を制御し、また、上記したようなＣＭＵＴセル用の保護回路を収容する。マイクロビームフォーマは、米国特許第５，９９７，４７９号（Ｓａｖｏｒｄ他）、第６，０１３，０３２号（Ｓａｖｏｒｄ）及び第６，６２３，４３２号（Ｐｏｗｅｒｓ他）に説明されるように、トランスデューサ要素のグループ、即ち、「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が可能である。マイクロビームフォーマは、送受信間で切り替わり、また、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１２０によって直接動作させられる場合に、メインシステムビームフォーマ１２０を高エネルギー送信信号から保護する送受信（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スイッチ及びメインシステムビームフォーマ１２０に結合されたトランスデューサコントローラ１１８によって命令される。トランスデューサコントローラ１１８は、ユーザがユーザインターフェース又は制御パネル３８を操作することによる入力を受信する。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真っすぐ前に（トランスデューサアレイに対して直交するように）ステアリングされるか、又は、より広い視野のために様々な角度にステアリングされる。トランスデューサコントローラ１１８は更に、所望の動作モードにおけるＣＭＵＴの動作のために、ＣＭＵＴセルに印加され、セル膜１４を部分的又は完全に崩壊した状態にバイアスするＤＣバイアス用の回路１０４も制御する。
【００２５】
マイクロビームフォーマ１１２によって生成される部分ビーム形成信号はメインビームフォーマ１２０に結合される。メインビームフォーマ１２０において、トランスデューサ要素の個々のパッチからの部分ビーム形成信号は、フルビーム形成信号に組み合わされる。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、それぞれ、数十又は数百のＣＭＵＴトランスデューサセルのパッチからの部分ビーム形成信号を受信する。このようにすると、ＣＭＵＴトランスデューサアレイの数千のトランスデューサ要素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。基本的な実施態様では、ＣＭＵＴセルの行から受信される音響信号は、セルの行の前の像平面からのビームに処理され、スキャンされた２Ｄ画像に形成される。
【００２６】
ビーム形成信号は、信号プロセッサ１２２に結合される。信号プロセッサ１２２は、受信エコー信号を、バンドパスフィルタリング、デシメーション、Ｉ及びＱ成分分離及び高調波信号分離（組織及び微小気泡から戻ってきた非線形エコー信号の特定を可能とするように線形信号と非線形信号とを分離する）といった様々な方法で処理することができる。信号プロセッサは更に、スペックル低減、信号合成及びノイズ除去といった追加の信号エンハンスメントも行う。信号プロセッサ内のバンドパスフィルタは、追跡フィルタであってよく、エコー信号が増加する深度から受信されるにつれて、その通過帯域が高周波帯域から低周波帯域にスライドし、これにより、より大きい深度からのより高い周波数におけるノイズが除去される。これは、これらのより大きい深度からのより高い周波数は、解剖学的情報がないからである。
【００２７】
処理された信号は、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、体内の臓器及び血管の組織といった体内の構造の撮像のために振幅検出を使用する。身体の構造のＢモード画像は、米国特許第６，２８３，９１９号（Ｒｏｕｎｄｈｉｌｌ他）及び米国特許第６，４５８，０８３号（Ｊａｇｏ他）に説明されているように、高調波モード、基本モード又は両者の組み合わせで形成されてよい。ドップラープロセッサ１２８は、画像フィールド内の血液細胞の流れといった物質の動きの検出のために、組織の動き及び血流から時間的に特徴のある信号を処理する。ドップラープロセッサは、通常、体内の物質の選択されたタイプから戻ったエコーを通す及び／又は拒絶するようにセットされ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、より高速の物質からの比較的低い振幅の信号を通す一方で、より低速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セットされる。この通過帯域特性は、流れる血液からの信号は通すが、心臓壁といった近くの静止した又は低速で動く物体からの信号は拒絶する。逆の特性は、心臓の動く組織からの信号を通すが、血流信号は拒絶し、これは、いわゆる組織ドップラー撮像であり、組織の動きを検出し、記述する。ドップラープロセッサは、画像フィールド内の様々な点からの時間的に離散的なエコー信号のシーケンスを受信及び処理する。特定の点からのエコーのシーケンスは、アンサンブルと呼ばれる。比較的短い間隔の間に高速連続で受信されるエコーのアンサンブルは、流れる血液のドップラーシフト周波数を推定するために使用される。ドップラー周波数の速度に対する対応は血流速度を示す。より長い期間に亘って受信されるエコーのアンサンブルは、より低速に流れる血液又は低速に動く組織の速度を推定するために使用される。
【００２８】
Ｂモードプロセッサ及びドップラープロセッサによって生成された構造信号及び動き信号は、スキャンコンバータ１３２及びマルチプラナリフォーマッタ１４４に結合される。スキャンコンバータは、ある空間関係にあるエコー信号（エコー信号は当該空間関係から受信される）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）セクタ形状フォーマット又はピラミッド状の３次元（３Ｄ）画像に構成する。スキャンコンバータは、Ｂモード構造画像上に、それらのドップラー推定された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を重ねて、画像フィールド内の組織の動き及び血流を記述するカラードップラー画像を生成できる。マルチプラナリフォーマッタは、米国特許第６，４４３，８９６号（Ｄｅｔｍｅｒ）に説明されているように、身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、当該平面の超音波画像に変換する。ボリュームレンダラ１４２が、例えば米国特許第６，５３０，８８５号（Ｅｎｔｒｅｋｉｎ他）に説明されているように、３Ｄデータセットのエコー信号を、所与の基準点から見た投影３Ｄ画像に変換する。２Ｄ画像又は３Ｄ画像は、スキャンコンバータ３２、マルチプラナリフォーマッタ１４４及びボリュームレンダラ１４２から画像プロセッサ１３０へ、画像ディスプレイ４０上での表示のための更なるエンハンスメント、バッファリング及び一時的保管のために結合される。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、撮像のために使用されることに加えて、流量定量化プロセッサ１３４に結合される。流量定量化プロセッサは、血液の容積流量といった様々な流動状態の尺度を生成する。流量定量化プロセッサは、測定が行われるべき画像の生体構造内の点といった入力をユーザ制御パネル３８から受信する。流量定量化プロセッサからの出力データは、ディスプレイ４０上で画像と共に測定値を再生するためにグラフィクスプロセッサ１３６に結合される。グラフィクスプロセッサ１３６は更に、超音波画像と共に表示するためのグラフィックオーバーレイを生成できる。これらのグラフィックオーバーレイは、患者名、画像の日時、撮像パラメータ等といった標準的な識別情報を含んでよい。このために、グラフィクスプロセッサは、タイプ入力された患者名といった入力をユーザインターフェース３８から受信する。ユーザインターフェースは更に、トランスデューサアレイ１００からの超音波信号、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。ユーザインターフェースは更に、マルチプラナリフォーマットされた（ＭＰＲ）画像の画像フィールド内で数量的測定を行うために使用される複数のＭＰＲ画像の表示の選択及び制御のために、マルチプラナリフォーマッタ１４４に結合される。
【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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【国際調査報告】
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