(57)【要約】  本発明は、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ(CMUT)素子(22)の上部に結合された電気活性ポリマー(EAP)素子(26)を含む超音波トランスデューサデバイスを提供し、2つの素子は、同じAC周波数の駆動信号のそれぞれへの適用により、共通の周波数で同時に振動するように制御される。
2020534745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波トランスデューサデバイスであって、
容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ(CMUT)素子と、
電気活性ポリマー材料を含み、前記CMUT素子の表面に結合されて少なくとも部分的に被覆する電気活性ポリマー(EAP)素子と、
前記CMUT素子及び前記電気活性ポリマー素子の双方を、同じAC周波数の駆動信号をそれぞれに供給することで、同時に振動するように駆動することにより、超音波発振を生成するよう、当該超音波デバイスを制御するように適合されたコントローラと
を含む超音波トランスデューサデバイス。
【請求項２】
前記電気活性ポリマー素子は、中間材料層なしに前記CMUT素子に直接結合される、請求項１に記載の超音波トランスデューサデバイス。
【請求項３】
前記コントローラは、少なくとも1つの制御モードに従って、前記CMUT素子及び前記電気活性ポリマー素子により生成された電気信号を検知することにより、超音波発振を検知するよう、当該デバイスを制御するように適合される、請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサデバイス。
【請求項４】
前記CMUT素子及び前記電気活性ポリマー素子は、独立した電気信号が前記CMUT素子及び前記電気活性ポリマー素子のそれぞれで検知されるように、前記コントローラに別々に接続される、請求項３に記載の超音波トランスデューサデバイス。
【請求項５】
前記コントローラは、少なくとも1つの制御モードに従って、前記CMUT素子及び前記電気活性ポリマー素子の双方に同じ駆動信号を供給するように適合され、前記素子は、少なくとも1つの提供された相互接続構成により電気的に並列に或いは電気的に直列に接続される、請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の超音波トランスデューサデバイス。
【請求項６】
前記コントローラは、少なくとも1つの制御モードに従って、独立した駆動信号で前記CMUT素子及び前記電気活性ポリマー素子を駆動するように適合される、請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の超音波トランスデューサデバイス。
【請求項７】
当該デバイスは、駆動信号を前記素子に適用するために、前記電気活性ポリマー素子及び前記CMUT素子と電気通信する電極配置と、前記電気活性ポリマー素子の露出面に配置された電極を含む電極配置とを含む、請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の超音波トランスデューサデバイス。
【請求項８】
前記CMUT素子は、振動するように駆動可能な膜を含み、前記電気活性ポリマー素子は、前記膜に結合され、前記電極は、前記膜の50%〜75%、好ましくは、前記膜の60%〜70%、更に好ましくは前記膜の60%〜65%を被覆するように前記電気活性ポリマー素子の前記露出面に配置される、請求項７に記載の超音波トランスデューサデバイス。
【請求項９】
少なくとも1つの制御モードに従って、前記コントローラは、異なるそれぞれの振幅の駆動信号で前記CMUT素子及び前記電気活性ポリマー素子を駆動するように適合され、
任意選択で、少なくとも1つの制御モードに従って、前記コントローラは、前記CMUT素子を駆動するために使用される前記駆動信号よりも低い振幅の駆動信号で前記電気活性ポリマー素子を駆動するように適合される、請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の超音波トランスデューサデバイス。
【請求項１０】
前記電気活性ポリマー素子及び前記CMUT素子は、それぞれ層の形式であり、
任意選択で、電気活性ポリマー素子層及びCMUT素子層は、二層構造を形成する、請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の超音波トランスデューサデバイス。
【請求項１１】
前記CMUT素子は、振動するように駆動可能な膜を含み、前記電気活性ポリマー素子は、前記CMUT素子の前記膜の厚さの8〜12倍の厚さを有し、及び/又は、前記CMUT素子の膜は、1〜1.5マイクロメートルの厚さを有する、請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載の超音波トランスデューサデバイス。
【請求項１２】
前記電気活性ポリマー素子は、ポリフッ化ビニリデン電気活性ポリマー材料を含む、請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載の超音波トランスデューサデバイス。
【請求項１３】
超音波トランスデューサデバイスを制御する方法であり、前記デバイスは、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ(CMUT)素子と、電気活性ポリマー(EAP)材料を含むEAP素子とを含み、前記EAP素子は、前記CMUT素子の表面に結合されて少なくとも部分的に被覆する、方法であって、
前記CMUT素子及び前記電気活性ポリマー素子の双方を、同じAC周波数の駆動信号をそれぞれに供給することで、同時に振動するように駆動することにより、超音波発振を生成するステップを含む方法。
【請求項１４】
少なくとも1つの動作モードに従って、前記CMUT素子及び前記電気活性ポリマー素子により生成された電気信号を検知することにより超音波発振を検知するステップを更に含み、
任意選択で、独立した電気信号が前記CMUT素子及び前記電気活性ポリマー素子のそれぞれにおいて検知される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１乃至１２のうちいずれか１項に記載の超音波トランスデューサデバイスを含む超音波診断イメージングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスデューサデバイス及びそれを制御するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ(CMUT  transducer,  capacitive  micromachined  ultrasonic  transducer)は、保護のために、その音響出力面を被覆する音響ウィンドウが提供される必要がある。
【０００３】
このようなウィンドウを提供するように機能することができる既知の材料は、例えば、シリコーン、ゴム、ポリメチルペンテン(「TPX」,  polymethylpentene)を含む。一般的に、CMUT膜に接触して配置される軟質変形可能層と、最上部に配置される硬質保護材料とを組み合わせた二層構造が必要である。
【０００４】
しかし、既知のウィンドウ配置及び材料は全て、特に、超音波振動の音響減衰を通じて、また、ウィンドウ副層の間の界面及びウィンドウと入射組織との間の界面での音響インピーダンス不整合により引き起こされる反射(リバーブ)を通じて、CMUTトランスデューサの全体的な音響性能に悪影響を与える。
【０００５】
ポリフッ化ビニリデン(PVDF,  polyvinylidene  fluoride)ベースの超音波トランスデューサも知られている。これらは、ほとんどが非常に高い動作周波数(例えば、30MHz以上)で適用可能である。より低い周波数では、これらのトランスデューサを使用して達成可能な圧力出力(したがって、生成された超音波振動の達成可能なパワー)は、セラミック(CMUT等)ベースのトランスデューサにより達成可能な圧力出力と比較してかなり低い。
【０００６】
したがって、音響ウィンドウの保護機能を損なうことなく、音響減衰及びインピーダンス不整合の問題が対処され得る、改善したCMUTベースの超音波デバイスの必要性がある。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の一態様による例によれば、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ(CMUT)素子と、CMUT素子の表面に結合されて少なくとも部分的に被覆する電気活性ポリマー素子と、CMUT素子及び電気活性ポリマー素子を、同じAC周波数の駆動信号をそれぞれに供給することで、同時に振動するように駆動することにより、超音波発振を生成するよう、超音波デバイスを制御するように適合されたコントローラとを含む超音波トランスデューサデバイスが提供される。
【０００８】
本発明は、CMUTトランスデューサ素子により生成される音響振動を単に受動的に搬送及び伝達する受動的な音響ウィンドウを、それ自体がCMUT素子と同じ周波数で同時に発振するように駆動される活性音響ウィンドウと置き換えることに基づく。これらの2つは単一の音響システムを形成するように効果的に結合し、それぞれの振動作用は、単一の有効ストローク作用に結合し、次いで、これがウィンドウの上面により入射面に直接適用される。
【０００９】
これは、3つの主な利点を提供する。
【００１０】
第1に、CMUTトランスデューサの音響振動は、入射組織面に到達するために、もはやウィンドウ素子の材料を通じて受動的に伝達されない。むしろ、これらは、EAP素子により同時に生成される振動との同相を効果的に重畳し、次いで、これらの2つが1つとして入射組織に適用される。したがって、音響ウィンドウ材料を通じた伝達により引き起こされる音響減衰の問題は、実質的に或いは全体的に回避される。
【００１１】
第2に、CMUTの振動はウィンドウ素子を横切って伝達されず、むしろ、EAP素子の発振と機械的に結合し、入射組織に直接適用されるので、ウィンドウ素子の境界を横切る振動により引き起こされるインピーダンス不整合の問題も回避される。CMUTの振動は、もはやウィンドウ素子とCMUTとの間或いはウィンドウと入射組織面との間の境界を横切らない。したがって、境界での反射の問題は実質的に回避され、それにより、(リバーブを低減して帯域幅を増加させることを通じて)画質を増加させる。
【００１２】
第3に、EAP素子の更なる振動作用(CMUT素子のものと同相で駆動される)は、余分な圧力出力を提供し、したがって、超音波を生成するときに向上した超音波パワーを提供する。デバイスが超音波を検知するように動作する場合、音波がCMUTトランスデューサだけでなくEAP素子も刺激するので、更なる感度が提供される。EAP素子は、典型的には、低パワー振動に対してより敏感である。
【００１３】
疑義を回避するために、「CMUTトランスデューサ」又は「トランスデューサ素子」又はCMUT素子への言及は、この開示では互換的に使用されてもよく、全てが容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ(CMUT)素子への言及と考えられてもよい。
【００１４】
CMUT素子の表面を少なくとも部分的に被覆するEAP素子を提供することにより、EAP素子はウィンドウ素子の機能を提供し、CMUT素子の音響出力面のためのアウトカップリング(out-coupling)界面を保護及び提供する。
【００１５】
本発明は、受動的なウィンドウ素子を活性EAP素子で置き換えることに基づく。簡潔にするために、以下の説明では、「EAP素子」又は「電気活性ポリマー素子」という用語は、「ウィンドウ素子」又は「活性ウィンドウ素子」と互換的に使用されてもよい。
【００１６】
EAP素子及びCMUT素子は共に、独立して振動するが、それぞれの振動は、同じ周波数になるように、好ましくは互いに同相になるように制御される。したがって、これらの2つの独立した振動は、単一の音響システムに一緒に結合する。2つの素子の独立した振動の利点は、EAP層が、CMUTの単なる材料の延長として作用するのではなく、CMUTと組織面との間の活性振動結合層として作用することである。
【００１７】
EAP素子及びCMUT素子は、同じ駆動信号により駆動されてもよく、或いは、別個の駆動信号により駆動されてもよいが、同一の周波数で、互いに同相である。
【００１８】
当業者が認識するように、電気活性ポリマー(EAP,  electroactive  polymer)は、電気的に応答性のある材料の分野における新興の種類の材料である。EAPは、より広範な種類の電気活性材料(EAM,  electroactive  material)の一例である。特に、EAPは有機EAMの一例である。
【００１９】
EAPの利点は、低電力、小型形状ファクタ、柔軟性、ノイズレス動作、精度、高分解能の可能性、高速応答時間及び周期的作動を含む。
【００２０】
EAP材料の改善した性能及び特定の利点は、新たな用途への適用可能性を生じさせる。
【００２１】
電気活性ポリマーは、電気刺激の適用に応じて変形する特性を有する。電界駆動EAP及びイオン(すなわち、電流)駆動EAPが存在する。
【００２２】
本発明では、EAP素子を交流(すなわち、正弦波)電気刺激で駆動することにより、EAP素子は、適用された刺激と一致する周波数で、周期的に収縮(又は拡張)及び弛緩するように駆動される。刺激が超音波タイプの周波数で適用される場合、EAP素子の結果としての振動変形作用は超音波振動源を提供する。
【００２３】
本出願では、適切なEAPは、超音波タイプの周波数、すなわち、周波数>〜20kHzで駆動するのに適したいずれかのものを含む。
【００２４】
このような周波数で駆動するのに適していることが知られている特に好ましいグループのEAPは、PVDFベースのリラクサポリマー(relaxor  polymer)である。PVDFリラクサポリマーは自発電気分極(電界駆動配列)を示す。これらの材料は、歪み方向の改善した性能のために予め歪ませることができる(予歪み(pre-strain)は、より良好な分子配列をもたらす)。
【００２５】
いずれかの実施形態によれば、好ましくは、EAP素子及びCMUT素子は、単一の周波数成分(すなわち、単一周波数AC信号)を有する電気信号(又は複数の信号)で駆動され、これらのそれぞれの発振が、建設的な方式で最も効率的に重畳し得ることを確保してもよい。既知のCMUTデバイスに関連する問題が克服される可能性があるのは、この建設的干渉を通じてである。多周波数信号は、単一の統一された発振システムを達成することにおいて、強力な建設的干渉をより困難なもの又はより効果的でないものとし得る。
【００２６】
「駆動信号」とは、電気信号、例えば、電圧又は電流を意味する。駆動信号は、問題の素子を横切って生成される電界、特に、交流又は振動電界、例えば、正弦波電界の形式でもよい。交流電界は、交流電流を電極に供給することにより生成できる。代替として、駆動信号は、問題の素子を横切って印加される電流、特にAC電流の形式でもよい。
【００２７】
電気活性ポリマー素子は、少なくとも電気活性ポリマー部分、例えば、EAP材料の層を含む。EAP素子は、駆動電圧を印加するために、EAP材料の上部及び/又は下部に1つ以上の電極を更に含んでもよい。
【００２８】
1つ以上の実施形態によれば、電気活性ポリマー素子及びCMUT素子は、それぞれ、駆動信号をそれぞれの素子に適用するためのそれぞれの電極配置を含んでもよく、或いはそれぞれの電極配置に関連付けられてもよく、コントローラは、それぞれの電極配置を介してそれぞれの駆動信号を2つの素子に供給するように構成される。
【００２９】
例では、電気活性ポリマー素子は、CMUT素子に直接結合されてもよい。より詳細には、電気活性ポリマー素子は、CMUT素子の膜に直接結合されてもよい。当業者が認識するように、CMUTトランスデューサは、典型的には、キャビティの上に延在するように配置された膜を含み、超音波周波数における膜の振動を刺激する電気刺激の適用によって、超音波振動を生成する。
【００３０】
直接結合とは、中間材料層がないことを意味する。しかし、電極は、いくつかの場合には、これらの例に従って2つの間に配置されてもよい。電極は、電気活性ポリマー素子の一部として提供されてもよく、この場合、電気活性ポリマー素子は、EAP素子の電極部分を介してCMUTに直接結合される。
【００３１】
CMUT素子とEAP素子との間には中間材料層がなく、そうでなければ生成された振動パワーのいくつかを蓄積、吸収又は減衰させる可能性があるので、直接結合は、デバイスのパワー出力を改善し得る。
【００３２】
コントローラは、少なくとも1つの制御モードに従って、CMUT素子及び電気活性ポリマー素子により生成された電気信号を検知することにより、超音波発振を検知するよう、デバイスを制御するように適合されてもよい。この場合、コントローラは、EAP及びCMUT素子が超音波を生成するように制御される活性、作動又は出力モードと、EAP及びCMUT素子がデバイスで受け取られる発振を検知するために使用される検知又は受動モードとの2つの制御モードを有する。CMUT素子又はEAP素子のいずれかで受け取られる発振は、受け取られる振動の振幅又はパワーに見合った振幅又は大きさを有する電気出力のそれぞれの素子による生成を引き起こす。
【００３３】
二層構造は、受動的なウィンドウ層を含む例と比較して、デバイスの感度を増加させる。EAP素子自体は、更なる検知能力を提供する。さらに、EAP素子及びCMUT素子の検知信号は、受信信号に関する更なる情報を提供するために、個々に分離されて分析されてもよい。
【００３４】
特に、CMUT素子及び電気活性ポリマー素子は、独立した電気信号がCMUT素子及び電気活性ポリマー素子のそれぞれで検知され得るように、コントローラに別々に接続されてもよい。
【００３５】
EAP素子は、典型的には、構造の機械的共振周波数から遠く離れた信号に対してより敏感であるか、或いはより応答性があってもよい。別々の接続は、EAP検知信号(又はトランスデューサ信号)が独立して監視されることを可能にし、それにより、共振から遠く離れた周波数を有する信号が、より高い信頼性で検知され得る。共振周波数により近い位置の信号については、CMUTトランスデューサ素子は、EAP素子と組み合わせて監視するのに有用な信号のままである。
【００３６】
1つ以上の実施形態では、コントローラは、少なくとも1つの制御モードに従って、CMUT素子及び電気活性ポリマー素子の双方に同じ駆動信号を供給するように適合されてもよく、これらの素子は、少なくとも1つの提供された相互接続構成により電気的に並列に或いは電気的に直列に接続される。
【００３７】
この場合、双方の素子は、同じ駆動信号により(独立して振動するように)駆動される。これは、動作を簡単にし得る。
【００３８】
素子が互いに電気的に絶縁され、それにより、異なる制御モードに従って、素子が(同時且つ同じ周波数であるが)独立した駆動信号により駆動されることを可能にする更なる相互接続構成が提供されてもよい。この方法で柔軟性が提供され得る。
【００３９】
1つ以上の実施形態によれば、コントローラは、少なくとも1つの制御モードに従って、独立した駆動信号でCMUT素子及び電気活性ポリマー素子を駆動するように適合されてもよい。この目的のために、各素子とコントローラとの間に独立した電気接続が提供されてもよく、それにより、素子は(上記のように)互いに分離して制御される。供給される駆動信号は、これらの信号特性(例えば、振幅)の1つ以上の観点から互いに異なってもよく、或いは、この点に関して同じでもよいが、独立して制御可能であり供給されてもよい。
【００４０】
デバイスは、駆動信号を素子に適用するために、電気活性ポリマー素子及びCMUT素子と電気通信する電極配置と、電気活性ポリマー素子の露出面に配置された電極を含む電極配置とを含んでもよい。電極配置は、EAP素子及びCMUT素子のそれぞれを独立して取り囲むように配置された電極を含んでもよく、それにより、それぞれが独立した駆動信号により駆動され得る。代替として、単一の対の電極が双方の素子の組み合わされた積層体を取り囲むように提供されてもよく、それにより、単一の信号が双方を刺激するために適用されてもよい。しかし、後者は、2つの素子が互いに電気的に結合されることを必要とし得る。
【００４１】
上記のように、典型的には、CMUT素子は、キャビティの上に延在し、それにより超音波振動を生成するよう振動するように駆動可能に配置された膜を含む。電気活性ポリマー素子は、膜に結合されてもよい。特定の例によれば、EAP素子の露出面に配置されたこの電極は、膜の50%〜75%、好ましくは、膜の60%〜70%、更に好ましくは膜の60%〜65%を被覆するように配置されてもよい。
【００４２】
「被覆する」とは、一般的に単に「上に延在する」を意味する。「被覆する」又は「上に延在する」とは、一般的に、膜(例えば、膜の上面)への電極の突出(projection)が、膜表面を横切って(所与の量だけ)延在することを意味する。例えば、電極が膜のx%以上を被覆するか或いはその上に延在する場合、電極の膜上への突出は、膜の表面のx%を被覆するか或いはx%に及ぶ。
【００４３】
本発明者らによる実験では、上記の規定範囲内の電極によるCMUT膜上の被覆が、CMUT素子の出力パワー又は圧力の最大の向上を提供することが見出されている。最適な被覆率は約65%であり、このレベルではCMUT膜出力圧力の達成される増加は10%以上である。
【００４４】
1つ以上の実施形態によれば、少なくとも1つの制御モードに従って、コントローラは、異なるそれぞれの振幅の駆動信号でCMUT素子及び電気活性ポリマー素子を駆動するように適合されてもよい。これは、達成される振動パワー又は振幅が駆動振幅に関連するので、EAP素子及びCMUT素子が異なる振動振幅又はパワーで駆動されることを可能にする。駆動信号振幅は、例えば、電圧振幅でもよい。しかし、駆動信号は、同じ周波数のままである。
【００４５】
特定の例では、少なくとも1つの制御モードに従って、コントローラは、CMUT素子を駆動するために使用される駆動信号よりも低い振幅の駆動信号で電気活性ポリマー素子を駆動するように適合されてもよい。
【００４６】
1つ以上の実施形態によれば、電気活性ポリマー素子及びCMUT素子は、それぞれ層の形式でもよい。
【００４７】
任意選択で、電気活性ポリマー素子層及びCMUT素子層は、二層構造を形成するように結合されてもよい。二層構造は、例えば、他の層のインスタンスと分離して、本発明の特定の利点を向上させ得る。特に、2つの層の間の発振結合は、他の層が存在しない場合には向上する可能性があり、それにより、より大きい出力性能をもたらし、また、減衰及び反射の既知の問題のより大きい軽減をもたらす。更なる層が存在しない二層構造もまた、このような他の層の減衰効果が除去されるので、出力パワーを増大させ得る。この構成はまた、剛性の調整を可能にし、したがって、全体構造の機械的共振をより直接的に可能にする。
【００４８】
上記のように、典型的には、CMUTトランスデューサは、キャビティの上に延在し、それにより超音波振動を生成するよう振動するように駆動可能に配置された膜を含む。例によれば、電気活性ポリマー素子は、CMUT素子の膜の厚さの8〜12倍の厚さを有するように提供されてもよく、及び/又は、CMUT素子の膜は、1〜1.5マイクロメートルの厚さを有してもよい。
【００４９】
本発明の利点は、活性EAP素子により追加される出力パワーの結果として、CMUT素子(膜)の厚さが低減され得ることにある。特に、典型的には、3分の2だけ厚さが低減され、例えば、約3マイクロメートルから約1マイクロメートルに低減され得る。この場合のEAP層は、約10マイクロメートルの厚さにされてもよい。厚さを低減するこの能力は、全体構造の剛性を、ウィンドウ素子が全く存在しない場合と同じレベルに維持することを可能にする。
【００５０】
本発明は、電気活性ポリマー材料を利用する。
【００５１】
特定の例では、電気活性ポリマー素子は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)電気活性ポリマー材料を含んでもよい。より特定の例において、これは、例えば、PVDF単独、PVDFコポリマーP(VDF-TrFE)又はPVDF/(PZT)複合材料でもよい。
【００５２】
本発明の更なる態様による例は、超音波トランスデューサデバイスを制御する方法を提供し、デバイスは、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ(CMUT)素子と、電気活性ポリマー(EAP)材料を含む電気活性ポリマー素子とを含み、EAP素子は、CMUT素子の表面に結合されて少なくとも部分的に被覆し、当該方法は、
CMUT素子及び電気活性ポリマー素子の双方を、同じAC周波数の駆動信号をそれぞれに供給することで、同時に振動するように駆動することにより、超音波発振を生成するステップを含む。
【００５３】
1つ以上の実施形態によれば、当該方法は、少なくとも1つの動作モードに従って、CMUT素子及び電気活性ポリマー素子により生成された電気信号を検知することにより超音波発振を検知するステップを更に含んでもよく、任意選択で、独立した電気信号がCMUT素子及び電気活性ポリマー素子のそれぞれにおいて検知される。
【００５４】
本発明の更なる態様による例は、上記のいずれかの実施形態若しくは例又は後述のいずれかの実施形態若しくは例に記載されるか、或いは本出願のいずれかの請求項に定義される、超音波トランスデューサデバイスを含む超音波診断イメージングシステムを提供する。
【００５５】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載する実施形態から明らかになり、以下に記載する実施形態を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
添付の図面を参照して、本発明の例について詳細に説明する。
【図１】EAPデバイスの可能な動作モードを示す。
【図２】EAPデバイスの可能な動作モードを示す。
【図３】本発明の1つ以上の実施形態による例示的な超音波トランスデューサデバイスを示す。
【図４】CMUT素子膜に関して上部電極の面積被覆率の関数としての達成される出力圧力の向上を示す。
【図５】例示的な超音波診断イメージングシステムのブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
本発明は、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ(CMUT)素子の上に結合された電気活性ポリマー(EAP)素子を含む超音波トランスデューサデバイスを提供し、2つの素子は、同じAC周波数の駆動信号のそれぞれへの適用により、共通の周波数で同時に振動するように制御される。
【００５８】
EAP素子の発振は、CMUT素子の発振と建設的に結合し、増幅された全体の振動出力を提供する。EAP素子の活性振動作用はまた、減衰及び境界反射の問題を軽減するように作用する。この理由は、CMUTの振動は、もはや静的なウィンドウ層を横切って受動的に伝達されるのではなく、むしろ、全体の層構造の単一ストローク作用の一部として1つとして適用されるウィンドウ層の等価な振動と建設的に重畳するからである。
【００５９】
本発明は、電気活性ポリマー(EAP)を利用する。
【００６０】
EAPの利点は、低電力、小型形状ファクタ、柔軟性、ノイズレス動作、精度、高分解能の可能性、高速応答時間及び周期的作動を含む。
【００６１】
EAP材料の改善した性能及び特定の利点は、新たな用途への適用可能性を生じさせる。
【００６２】
電気活性ポリマーは、電気刺激の適用に応じて変形する特性を有する。電界駆動EAP及びイオン(すなわち、電流)駆動EAPが存在する。
【００６３】
本発明では、EAP素子を交流(すなわち、正弦波)電気刺激で駆動することにより、EAP素子は、適用された刺激と一致する周波数で、周期的に収縮(又は拡張)及び弛緩するように駆動される。刺激が超音波タイプの周波数で適用される場合、EAP素子の結果としての振動変形作用は超音波振動源を提供する。
【００６４】
本出願では、適切なEAPは、超音波タイプの周波数、すなわち、周波数>〜20kHzで駆動するのに適したいずれかのものを含む。特に、EAP素子の最小の「切り替え時間」、すなわち、EAP素子が1つの作動状態(例えば、非作動状態)から他の作動状態(例えば、作動状態)に移動するのに要する時間は、典型的には、超音波周波数での周期的切り替えを可能にするほど十分に短く、すなわち、〜50マイクロ秒未満の切り替え時間である。これは、EAP素子が超音波振動を生成するほど十分に迅速に超音波周波数信号に応答することを可能にする。
【００６５】
このような周波数で駆動するのに適していることが知られている特に好ましいグループのEAPは、PVDFベースのリラクサポリマーである。PVDFリラクサポリマーは自発電気分極(電界駆動配列)を示す。これらの材料は、歪み方向の改善した性能のために予め歪ませることができる(予歪み(pre-strain)は、より良好な分子配列をもたらす)。
【００６６】
PVDF及びPVDFコポリマー(co-polymer)では、(例えば、他のいくつかのEAP材料と比較して)電気的に刺激されたときに、特にこれらの材料により示される本質的に小さな歪み応答のために、必要な短い応答時間が生じる。小さい歪み応答は、より大きいものよりも、各サイクルにおいて完了するのに短い時間を単に要し、作動状態の間を移動するための最小時間(切り替え周波数)が、材料が超音波周波数で発振するのに十分に小さいことを意味する。これは、この材料において、特に材料が電気刺激の影響で安定しており、位相を変化させないことを意味するという事実のために生じる。そうでなければ、より大きい変形応答をもたらし、各サイクルにおいて完了するのにより長い時間を要する。しかし、一方の作動状態から他方の作動状態に切り替えるのに要する時間が十分に速い場合には、より大きい歪み応答を有する材料が依然として適し得る。
【００６７】
本発明の適用可能性は、特定のEAP材料に限定されない。超音波周波数で発振することを可能にするような方式で電気刺激に応答可能ないずれかのEAP材料は、EAP材料の現在の技術で知られているもの又は当該分野における開発によって知られることになり得るものを含めて、本発明に従って使用されてもよい。例えば、このような材料は、単一の超音波周波数サイクルの周期、すなわち、約50マイクロ秒以下の作動状態の間の固有の最小切り替え時間時間を示してもよい。超音波周波数発振で超音波周波数刺激に応答する材料の能力は、単に適切な周波数の刺激を適用して発振応答を監視することを通じて、容易且つ直接的に試験可能な特性である。
【００６８】
本発明は、セラミック(CMUT)トランスデューサを被覆するための活性音響ウィンドウ素子を提供し、トランスデューサに対する保護を提供するために、電気活性ポリマー材料を利用する。EAPウィンドウ素子は、CMUTトランスデューサと並列に発振するように駆動され、2つは同時に同じ周波数で駆動される。その結果、2つは単一の音響システムを形成するように結合し、それにより、超音波発振は、静的なウィンドウ素子を横切って受動的に伝達されるのではなく、ウィンドウ素子の最上部の移動により、入射面に直接適用される。その結果、減衰及び界面反射を含む、このような伝達により以前に引き起こされていた有害な音響効果が回避される。
【００６９】
セラミック膜の厚さは、デバイスの全体の剛性が、活性ウィンドウ素子のない設計のように実質的に維持されるように、低減されてもよい。材料は、CMUT素子とEAPウィンドウ素子との間に提供されてもよく、その剛性は、デバイスの圧力出力を最適化するように選択されてもよい。例では、このような材料の剛性は、デバイスの圧力ゲインを増大させるように増大されてもよい。
【００７０】
図３は、本発明の1つ以上の実施形態による例示的な超音波トランスデューサデバイス20を示す。
【００７１】
超音波トランスデューサデバイス20は、電気活性ポリマー(EAP)素子26に結合された容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ(CMUT)素子22を含み、EAP素子26は、CMUT素子の(上側)主要面の少なくとも一部を被覆するように配置される。この場合、EAP素子がCMUT素子を完全に被覆しているが、更なる例では、完全に被覆しないことも可能である。
【００７２】
疑義を回避するために、「CMUT素子」、「トランスデューサ素子」及び「CMUTトランスデューサ素子」という用語は、本開示では互換的に使用されてもよく、全てが容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ素子への言及と考えられる。
【００７３】
CMUT素子は、標準的なCMUT構造を有する。素子は、キャビティ30が形成されるシリコン基板32を含み、キャビティの上に薄膜24が懸架されている。膜に隣接して結合された電極34は、キャビティの下に配置された底部電極36と組み合わせて、CMUT素子を電気的に駆動する役目をする。
【００７４】
圧電原理で動作するより典型的な超音波トランスデューサとは異なり、CMUTトランスデューサ素子は、容量性変換原理で動作する。キャビティ30の上に懸架された薄膜24は、2つの電極34及び36の間へのAC信号の適用を通じて振動するように駆動される。それにより、交互の静電気力が電極の間に誘起され、一緒に且つ別個に電極を正弦波式に刺激し、それにより、機械的に結合された膜層24の振動を駆動する。
【００７５】
層の発振変形を刺激するために、電気活性ポリマー素子26の周囲に配置された第1の電極38及び第2の電極42も提供される。特に、AC信号が電極の間に適用され、それにより、EAP素子を横切って交流電界を提供してもよい。交流電界は、素子の交互の圧縮変形を誘起するように作用し、その結果、素子の上面の交互の正味の変位を生じる。これにより、振動作動作用が生成される。
【００７６】
EAP素子26の第1の電極38及び第2の電極42並びにCMUT素子22の上部の電極34及び下部の電極36は、超音波トランスデューサデバイス20の電極配置を形成する。
【００７７】
EAP素子26及びCMUT素子22を駆動するために、電気的に配置され且つ電極配置に動作可能に結合されたコントローラ46が提供される。図３の特定の例では、EAP素子の第1の電極38及びCMUT素子の上部の電極34に電気的に結合されたコントローラが提供される。CMUT素子の下部の電極36及びEAP素子の第2の電極42は、それぞれグラウンドに接続される。
【００７８】
使用の際に、超音波を生成するために、コントローラは、2つの素子22及び26を同時に、同じAC周波数で、好ましくは互いに同相で駆動するように適合される。その結果、双方は同じ振動作動作用を示す。2つが同相で駆動される場合、それぞれの発振は建設的に重畳し、2つはEAP素子の最上面50により入射面又は物体に直接適用され得る単一のストロークを有する単一発振システムを効果的に形成する。
【００７９】
好ましくは、コントローラ46は、複数の異なるモードで動作可能であるように適合され、各モードにおいて、コントローラは、異なる挙動で超音波素子を駆動するように適合される。少なくとも第1のモードでは、コントローラは、超音波を生成するために、上記のように素子を駆動するように適合される。更なる任意選択のモードでは、コントローラは、超音波を検知するための検知モードで動作するよう、デバイス20を制御するように適合されてもよい。検知モードでは、コントローラは、デバイスで受け取られている超音波刺激の指標を導出するために、EAP及び超音波素子の電極34及び38により生成された電気信号を検知するように適合される。検知モードの動作については、以下の段落でより詳細に説明する。
【００８０】
電気活性ポリマー(EAP)素子26はCMUT素子22の表面を、少なくとも部分的に被覆し、好ましくは、CMUT素子の表面の全体を被覆する。したがって、EAP素子は、活性音響ウィンドウとして機能し、異物の侵入及び腐食に対するCMUT素子の保護を提供する。ウィンドウの活性機能は、セラミック素子22からの振動が受動的なウィンドウを横切って伝播するときの振動減衰及び反射についての静的なウィンドウに関連する問題を軽減するだけでなく、超音波デバイス20のトランスダクティブ性能も増大させる。
【００８１】
特に、説明したように、作動中に、CMUT素子22の上部の電極34は、従来の(静的な)ウィンドウを有するCMUTの場合と同じ力で、底部の電極36に引き付けられる。しかし、活性ウィンドウ(EAP素子)が並列信号で駆動されるので、EAP素子は、CMUT素子との同相で、正弦波式に厚さが収縮して幅が拡大する。この2つの効果の組み合わせは、余分な圧力出力を提供する。「受信」モードで動作する場合、デバイス20の感度は、音波がデバイスの双方の素子を変形させるにつれて増加し、その結果、CMUT22からの容量性信号及びEAP素子26における電荷の蓄積をもたらし、これも検知することができる。
【００８２】
静的な音響ウィンドウを有する従来技術のCMUT超音波デバイスと比較して、CMUT素子膜24の厚さは、二素子構造(CMUT膜＋EAP素子)の全体の剛性が、特定の機械的共振周波数を達成するための構造についての所望の剛性と一致するように、低減され得る。共振周波数の調整は、生成された振動の共振増幅を通じてデバイスの振動出力が最大化されることを可能にするので、重要である。構造の共振周波数が好ましいAC駆動電圧に実質的に一致するように剛性を選択することにより、最大の圧力出力が取得される。
【００８３】
例として、本デバイスについて、標準的な(静的なウィンドウ)デバイスで使用される約3マイクロメートルの厚さのCMUT素子膜24は、約1マイクロメートルのCMUT素子膜24及び10マイクロメートルの厚さのEAP活性ウィンドウに置き換えられてもよい。
【００８４】
好ましい例では、CMUT素子22及びEAP素子26は、2つの素子が薄い二層の層構造を形成するように、層の形式で提供される。EAP素子26は、CMUT素子の膜24に直接結合されてもよい。
【００８５】
下部に配置されたCMUT膜24に対する上部の電極42の被覆はまた、構造体の向上した曲げ作用のために最適化されてもよい。これは、以下の段落で更に詳細に説明する。図３に示す特定の例では、上部(又は「最上部」)の電極42は、下部のCMUT膜の面積の70%を被覆するように提供される。完全な被覆も選択肢である。
【００８６】
特定の例では、電気活性ポリマー素子は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)又はPVDFコポリマーを含むか、或いはこれで構成される。特定の例では、EAP素子は、PVDF、又はPVDF-TrFEのようなPVDFコポリマー、又はPVDF/(PZT)複合材料、又はPVDF/圧電セラミック複合材料の塊を含んでもよい。
【００８７】
活性ウィンドウ素子のための電気活性ポリマーの使用は、多くの利点を提供する。EAPの利点は、低電力消費、小型形状ファクタ、柔軟性、ノイズレス動作、精度、高分解能の可能性、高速応答時間及び(超音波の適用にとって重要な)周期的作動を含む。
【００８８】
上記のように、PVDFベースの電気活性ポリマーは、超音波周波数発振の生成に適した高周波数での動作を可能にするので、本発明で使用するのに特に有効なEAP材料である。しかし、当業者により認識されるように、一種の材料としてのEAPの特定の利点、例えば、小さい体積又は薄い形状ファクタにおける達成可能な大きい変形及び力は、この種類におけるいずれか1つの特定の材料に限定されない。超音波周波数(すなわち、>〜20kHz)付近での駆動に適したいずれかのEAPは、EAP材料の現在の技術で知られているものであれ、当該分野の開発によって知られるようになり得るものであれ、使用されてもよい。
【００８９】
PVDF(fluor  polymer)材料は、特に効果的な透過障壁を提供し、それにより、(電気的相互接続を含む)下部に配置されたCMUT素子22は、例えば、腐食に対して非常に良好に保護される。CMUT素子22が作動手順の前又はその間に破壊又は分裂するような故障に発展する場合、素子の上部の電極34は、依然として、頑丈なPVDF膜で被覆される。その結果、超音波デバイスが適用されているユーザ(例えば、患者)は、電極を通過する動作電圧から保護される。
【００９０】
例では、CMUT素子22及びEAP素子26(又はそれらの駆動電極34及び38)は、並列又は直列のいずれかで一緒に接続され、同じ単一の駆動信号により駆動されてもよい。このように同じ信号により駆動するために、2つの素子が(好ましくは並列に)接続される相互接続構成が提供されてもよい。同じ単一の信号で双方を駆動する利点は、同じ周波数での2つの素子の同相駆動が、より複雑な信号処理を必要とせずに、直接的に達成され得ることである。
【００９１】
代替の例では、CMUT素子22及びEAP素子26(又はそれらの駆動電極34及び38)は、独立した駆動信号により駆動されることを可能にするように、コントローラ46への別個の接続を提供されてもよい。波生成モードで動作するとき、2つのAC駆動信号は、コントローラ46により生成され、CMUT素子22及びEAP素子26のそれぞれの駆動電極34及び38に同時に且つ同相で適用される。
【００９２】
例では、EAP素子26に提供される駆動信号は、CMUT素子22に供給される信号の一部でもよく、或いはCMUT素子22に適用される信号に関して(DC)オフセットが設けられてもよい。
【００９３】
上記のように、使用の際に、EAP素子26のEAP材料がCMUT素子22の膜24と一緒に振動し、それにより、音響波がEAP素子26の最上面50による衝撃力の印加により媒質に生成される。これは、従来技術のデバイスとは対照的に、音響波が、媒質に受け入れられるために、EAP素子26の境界及び入射媒質面(例えば、組織面)を横切って移動する必要がないことを意味する。この波は、EAP素子の最上部による媒質への力の印加により直接生成される。したがって、音響ウィンドウ材料と受容媒質(例えば、血液、組織又はゲル)との間のインピーダンス不整合は、反射を引き起こさない。
【００９４】
従来技術のCMUT超音波デバイスでは、音響ウィンドウとの境界におけるインピーダンス不整合が重要な問題であり、その結果、低減した画質を生じる(増加した境界反射又はリバーブ及び低減した帯域幅のため)。対照的に、本発明の構成は、ウィンドウとの境界を横切る音響波の伝達を回避し、この問題を克服する。したがって、本発明の活性ウィンドウ配置を有するCMUTは、リバーブを低減し、帯域幅を増加させる。
【００９５】
この改善は、例えば、しばしば音響ウィンドウ素子が血液と直接接触することができる体内使い捨てカテーテルの場合(例えば、血管内超音波(IVUS,  intravascular  ultrasound)又は心腔内エコー(ICE,    intracardiac  echocardiographyの場合)に特に重要である。特定の例では、本発明のデバイスが長期間の保護のために組織とインピーダンス整合する被覆層に組み込まれ得るプローブを提供することが好ましくなり得る。しかし、このようなプローブでは、更なる圧力出力及び受信感度もまた、非常に価値がある。例として、フッ素ポリマー(例えば、PVDF)材料は非常に安定しており、生体適合性があり、したがって、このような用途のための効果的な材料にする。
【００９６】
CMUT素子は、このような素子のための標準的な技術に従って製造されてもよく、これらは当業者に周知である。
【００９７】
非限定的な例として、PVDF箔(EAP素子26として使用される)は、スピンコーティング(spin-coating)プロセスを通じて製造でき、CMUT素子は、PVDF溶液で(ウェハーレベルにおいて)スピンコーティングされる。これは既知の製造技術であり、例えば、V  F  Cardoso  et  al,  “Micro  and  nanofilms  of  poly(vinylidene  fluoride)  with  controlled  thickness,  morphology  and  electroactive  crystalline  phase  for  sensor  and  actuator  applications”,  2011  Smart  Mater.  Struct.  20  087002に記載されている。
【００９８】
代替として、以下の段落でより詳細に説明するように、他のEAP材料がEAP素子のために使用されてもよい。
【００９９】
EAP素子26の露出最上面50上に配置された最上部の電極42は、非限定的な例として、EAP素子26のこの露出面上に適用されたマスク上の局所スパッタリング(local  sputtering)又は蒸着により形成されてもよい。
【０１００】
本発明者らにより行われた実験では、CMUT素子膜24に対する最上部の電極42の被覆率(すなわち、最上部の電極42が被覆するか或いはその上に延在する膜の表面の割合)を最適化することにより、EAPの曲げの結果としてCMUT素子の曲げたたわみが向上でき、その結果、増大したデバイスの圧力出力を生じることが見出された。
【０１０１】
最上部の電極42の活性化は、EAP素子26の変形を刺激する。しかし、電極の表面積を最適化することにより、刺激されるEAP素子の特定の部分及び割合が調整できる。特に、EAP素子の下に配置されたCMUT膜の特定の割合だけを被覆するか或いはその上に延在するように配置された表面積を有する最上部の電極42を提供することにより、EAP素子の結果として生じる変形パターンは、CMUT膜の振動作用を増大するようなものであることが見出された。
【０１０２】
実験上の計算では、直径120マイクロメートルの膜24を有するCMUT素子が選択された(「直径」は、EAP素子26が結合されるCMUT素子膜24の上面に平行な寸法を示す)。EAP素子により生成される曲げたたわみに対する増大を決定するために、EAP素子のみの曲げが計算されて考慮された。このたわみは、CMUT素子により生成されるいずれかのたわみに加えられるので、EAP素子の向上効果が決定できる。
【０１０３】
PVDFを含むEAP素子26が使用され、EAP素子がCMUT素子の固有振動数と実質的に一致する固有振動数(2つの構造の共振の一致のため)、すなわち、検討されたシナリオについて約8〜10MHzを有するような厚さを有するように選択された。
【０１０４】
CMUT膜24の上の最上部の電極42の異なる被覆について、EAP素子のみに印加されたDC電圧の結果としての、全体の二素子構造の静的な変位振幅が決定された。これに基づいて、CMUT膜24の電極の異なる被覆について、どのようにEAP素子がCMUT素子の曲げを増幅し、それにより、デバイス20の出力圧力及び受信感度を向上させるかが、決定され得る。
【０１０５】
CMUT膜24の完全な100%の電極被覆率は、更なる曲げモーメントを生じず、PVDFフィルムを面内に広げるだけである(したがって、CMUT膜の曲げに影響しない)。したがって、最上部の電極の部分的な被覆(及び曲げ増幅へのその影響)が考慮された。
【０１０６】
調査結果が図４に示されており、図４は、EAP素子22により生成された圧力出力(y軸、単位:  %)を、CMUT素子膜24の電極被覆率(x軸、単位:  %)の関数として示す。
【０１０７】
図４のグラフから、達成される圧力出力の向上は、膜24の電極被覆率が増加すると共に増加し、約65%の被覆率でピークに達し、これについて10%をわずかに超える圧力出力の向上が達成されることが認識できる。65%以上の被覆率では、増加した被覆率が大きい面内変形を生じ始めるので、出力の向上が低下し始め、デバイスの曲げの向上を生じる面外変形効果が低減する。
【０１０８】
したがって、最適な電極被覆率は、約65%であり、60〜65%の被覆率が好ましい範囲であり、60〜70%が有利な範囲であることが見出された。
【０１０９】
行われた実験は非常に簡単であり、結果は、多くの実用的なシステム、例えば、CMUTトランスデューサがいわゆる崩壊(collapse)モードで動作し、出力性能を増大させる際に達成されると期待される結果と比較して控えめであった。崩壊モードでは、CMUTは、対抗の電力に向かってキャビティ30を横切って柔軟な膜24の中央部分を駆動するバイアス電圧により駆動され、隔膜(diaphragm)又は柔軟な膜を設定された周波数で共振させる設定された周波数を有する刺激が提供される。
【０１１０】
崩壊が考慮されるとき、最適な電極被覆率でEAP素子により達成可能な出力向上は、超音波生成モード及び超音波検知モードのそれぞれで約25%になり得ると予測される。
【０１１１】
したがって、向上した出力パワーに加えて、EAP素子はまた、超音波を検出する際の向上した感度も提供する。例えば文献において、特に、Electrical  Engineering  and  Computer  Sciences,  University  of  California  at  Berkeley,  Technical  Report  No.  UCB/EECS-2015-154,  May  26,  2015において、PVDF  EAP素子26の出力信号は、特に、CMUT素子22の出力信号よりも2〜3倍の大きさになり得ることが示唆されている。
【０１１２】
全体では、CMUT素子のみが超音波を検出するために使用される構成と比較して、本発明の活性EAPウィンドウ構成を使用して、10dBの大きい感度が達成され得ることが見出された。
【０１１３】
上記のように、コントローラ46は、1つの制御モードに従って、CMUT素子22及び電気活性ポリマー(EAP)素子26により生成された電気信号を検知することにより超音波発振を検知するよう、デバイス20を制御するように適合されてもよい。
【０１１４】
伝達(又は超音波生成モード)で動作するとき、CMUT素子22及びEAP素子26は、同じ周波数の同相AC信号で同時に駆動される。対照的に、検知モードで動作するとき、EAP素子及びCMUT素子のそれぞれから完全に独立して受信信号を検知することが好ましくなり得る。したがって、受信中にCMUT素子とEAP素子を切り離すことは有益になり得る。
【０１１５】
このため、CMUT素子22及び電気活性ポリマー素子26は、独立した電気信号がCMUT素子及び電気活性ポリマー素子のそれぞれにおいて検知されるように、コントローラ46に別々に接続されてもよい。
【０１１６】
CMUT素子とEAP素子とのこの切り離しは、主に2つの利点を有する。
【０１１７】
第1に、EAP素子26により出力される受信信号は、EAP素子26とCMUT素子22との組み合わせの信号よりも低い信号対雑音比を有する場合がしばしばあり得る。各素子への別々の接続を提供することにより、信号が分離でき、EAP素子のより低いSNRが保持できる。
【０１１８】
第2に、CMUT22及びEAP素子26のそれぞれの(潜在的に異なる周波数)応答は、別々に且つ独立して測定され、その後の計算で比較され得る。これは、例えば、比較がこの識別を可能にする場合、信号の一方又は他方におけるアーチファクト(artifact)を見つけ、そうでなければ精度を増加させるのに有用になり得る。
【０１１９】
これは、特に、CMUT/PVDFシステムの(機械的)共振周波数から遠く離れた受信超音波信号の場合に当てはまる。このような場合、CMUT素子22の応答はほとんど無視できるが、EAP素子の信号は、典型的には、共振から離れるとより顕著になる厚さモード寄与(EAP素子26の厚さにおける誘起発振)のために、周波数不均衡の影響を受けにくく、かなり強力である。
【０１２０】
1つ以上の例に従って、コントローラ46は、例えば、高感度が必要とされることが知られているときに、超音波信号を検知する際に使用するCMUT22及びEAP素子26のうち最も感度の高いもののみを選択するように適合されてもよい。これは、素子の他方の低減した出力による全体の検知信号振幅の低減を回避する。例えば、非常に低い音響圧力の入力信号については、EAP素子の感度は、全体の二層構造(CMUT及びEAP素子)の面外変形がかなり低減され、CMUT  22の検知信号が減少したとしても、EAP素子の厚さの変形により測定可能なままである。
【０１２１】
したがって、本発明の実施形態は、以下に要約するように、従来技術のデバイスと比較して多くの利点を提供する。
【０１２２】
EAP素子により提供される活性音響ウィンドウは、活性伝達モードで動作するときに、(静的なウィンドウ素子を有する標準的なデバイスと比較して)デバイスに余分なパワー出力を提供する。これは画質を改善する。
【０１２３】
超音波信号を受信する際の更なる感度も(静的なウィンドウを有するデバイスと比較して)達成され、これはCMUTの画質を改善する。
【０１２４】
全体として、出力パワー及び入力感度は、標準的な受動的なウィンドウ構成に比べて3倍までの倍数で増大される可能性があり、これは、信号電力の約10dBの増加(生成される信号電力における2dB及び受信感度における8dB)に相当する。
【０１２５】
さらに、積極的にパワー出力及び受信感度を増大させると共に、本デバイスは、出力パワー及び入力感度の低下の既知の原因を軽減又は回避する。特に、活性ウィンドウの同時の並列振動のため、ウィンドウ素子(本発明におけるEAP素子)と組織との間の境界では反射が生成されず、これは、通常では、CMUTからの静的なウィンドウを通じてインピーダンス不整合の境界を横切る波の伝達により引き起こされる。これを軽減するための従来のデバイスは、反射を防止するために完全な音響インピーダンス整合を必要とし、これは、異なる素子が異なる受容表面材料と相互作用するために提供されなければならないことを意味する。
【０１２６】
上記の改善を提供する一方で、本発明の活性ウィンドウ配置は、効果的な機械的且つ電気的保護及び水浸透保護を提供する。
【０１２７】
カテーテルを使用する体内超音波、血管内超音波(IVUS)又は心腔内エコー(ICE)のような使い捨て用途のために、単一のウィンドウ層(EAP素子24の形式)がCMUTトランスデューサにおいて使用されてもよい。これは、典型的には第1の軟質ウィンドウ層が保護のために第2の硬質層と組み合わせて提供される従来技術の非活性ウィンドウ構造とは対照的である。後者は、製造するのがより複雑であり、硬質層と軟質層との間の境界における音響反射をもたらす可能性がある。
【０１２８】
本発明の実施形態は、超音波トランスデューサが使用されるいずれかの用途での使用に適している。血管内超音波(IVUS)のような体内超音波適用に使用される際に、特定の利点が達成され得る。
【０１２９】
本超音波デバイスの実施形態は、超音波診断イメージングシステム内で利用され得ることが想定される。
【０１３０】
図５を参照して、例示的な超音波診断イメージングシステムの一般的な動作について説明する。
【０１３１】
例示的なシステムは、超音波を伝達し、エコー情報を受信するためのCMUTトランスデューサアレイ100を有するアレイトランスデューサプローブ60を含む。アレイのCMUTトランスデューサのそれぞれは、本発明の実施形態に従って活性EAPウィンドウ素子を設けられてもよい。トランスデューサアレイ100は、PZT又はPVDFのような材料で形成されたいくつかの圧電トランスデューサを含んでもよい。トランスデューサアレイ100は、3Dイメージングのために2D平面又は3次元で走査可能なトランスデューサ110の2次元アレイである。他の例では、トランスデューサアレイは、1Dアレイでもよい。
【０１３２】
トランスデューサアレイ100は、CMUTアレイセル又は圧電素子による信号の受信を制御するプローブ内のマイクロビーム形成器62に結合される。マイクロビーム形成器は、米国特許第5,997,479号(Savordら)、第6,013,032号(Savord)及び同第6,623,432号(Powersら)に記載のように、トランスデューサのサブアレイ(又は「グループ」若しくは「パッチ」)により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。
【０１３３】
マイクロビーム形成器は完全に任意選択であることに留意する。以下の例は、アナログビーム形成を想定していない。
【０１３４】
マイクロビーム形成器62は、プローブケーブルにより送信/受信(T/R)スイッチ66に結合され、T/Rスイッチ66は、送信と受信との間を切り替え、マイクロビーム形成器が使用されずトランスデューサアレイが主システムビーム形成器により直接操作されるときに高エネルギー送信信号から主ビーム形成器70を保護する。トランスデューサアレイ60からの超音波ビームの伝達は、T/Rスイッチ66及び主送信ビーム形成器(図示せず)によりマイクロビーム形成器に結合されたトランスデューサコントローラ68により指示され、主送信ビーム形成器は、ユーザインタフェース又は制御パネル88のユーザ操作から入力を受け取る。
【０１３５】
トランスデューサコントローラ68により制御される機能の1つは、ビームがステアリングされて焦点が合わされる方向である。ビームは、トランスデューサアレイから(直角に)まっすぐ前方に、或いは、より広い視野のために異なる角度で、ステアリングされてもよい。トランスデューサコントローラ68は、CMUTアレイのためのDCバイアス制御95を制御するように結合できる。DCバイアス制御95は、CMUTセルに印加されるDCバイアス電圧を設定する。
【０１３６】
受信チャネルにおいて、部分的にビーム形成された信号はマイクロビーム形成器62により生成され、主受信ビーム形成器70に結合され、ここで、トランスデューサの個々のパッチからの部分的にビーム形成された信号は、完全にビーム形成された信号に結合される。例えば、主ビーム形成器70は、128個のチャネルを有してもよく、これらのそれぞれは、数十個又は数百個のCMUTトランスデューサセル又は圧電素子のパッチから部分的にビーム形成された信号を受信する。このように、トランスデューサアレイの数千ものトランスデューサにより受信される信号は、単一のビーム形成された信号に効率的に寄与できる。
【０１３７】
ビーム形成された受信信号は、シグナルプロセッサ72に結合される。シグナルプロセッサ72は、、組織及びマイクロバブル(micro-bubble)から戻された非線形(基本周波数のより高い高調波)エコー信号の識別を可能にするように、線形信号と非線形信号とを分離するように作用する帯域通過フィルタリング、デシメーション(decimation)、I及びQ成分分離及び高調波信号分離のような様々な方法で、受信したエコー信号を処理できる。シグナルプロセッサはまた、スペックル(speckle)減少、信号合成及びノイズ除去のような更なる信号向上を実行してもよい。シグナルプロセッサ内の帯域通過フィルタはトラッキングフィルタとすることができ、その通過帯域は、エコー信号が更なる深度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欠く場合、より大きい深度からより高い周波数におけるノイズを拒否する。
【０１３８】
送信用及び受信用のビーム形成器は、異なるハードウェアで実装され、異なる機能を有することができる。当然に、受信ビーム形成器は、送信ビーム形成器の特性を考慮するように設計される。図５では、簡潔にするために、受信ビーム形成器62及び70のみが示されている。完全なシステムでは、送信マイクロビーム形成器と主送信ビーム形成器とを有する送信チェーンも存在する。
【０１３９】
マイクロビーム形成器62の機能は、アナログ信号経路の数を減少させるために、信号の初期の組み合わせを提供することである。これは、典型的には、アナログドメインで実行される。
【０１４０】
最終的なビーム形成は、主ビーム形成器70で行われ、典型的にはデジタル化の後に行われる。
【０１４１】
送信及び受信チャネルは、固定の周波数帯域を有する同じトランスデューサアレイ60'を使用する。しかし、送信パルスが占める帯域幅は、使用されている送信ビーム形成に依存して変化し得る。受信チャネルは、全体のトランスデューサ帯域幅を捕捉することができ(これは古典的な手法である)、或いは、帯域通過処理を使用することにより、有用な情報(例えば、主高調波の高調波)を含む帯域幅のみを抽出することができる。
【０１４２】
処理された信号は、Bモード(すなわち、輝度モード、又は2Dイメージングモード)プロセッサ76及びドップラープロセッサ78に結合される。Bモードプロセッサ76は、身体内の器官及び血管の組織のような身体内の構造を撮像するために、受信した超音波信号の振幅の検出を使用する。身体の構造のBモード画像は、米国特許6,283,919  号(Roundhillら)及び米国特許6,458,083号(Jagoら)に記載のように、高調波画像モード若しくは基本画像モードのいずれか又は双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78は、画像フィールド内の血液細胞の流れのような物質の運動を検出するために、組織運動及び血流からの時間的に異なる信号を処理する。ドップラープロセッサ78は、典型的には、身体内の選択されたタイプの材料から戻されるエコーを通過及び/又は拒否するように設定されてもよいパラメータを有するウォールフィルタを含む。
【０１４３】
Bモードプロセッサ及びドップラープロセッサにより生成された構造及び運動信号は、スキャンコンバータ82及びマルチプラナー再フォーマット器94に結合される。スキャンコンバータ82は、エコー信号を所望の画像フォーマットで受信した空間的関係に配置する。例えば、スキャンコンバータは、エコー信号を二次元(2D)セクター形状のフォーマット、又はピラミッドの三次元(3D)画像に配置してもよい。スキャンコンバータは、画像フィールド内の点の動きに対応する色を有するBモード構造画像を、これらのドップラー推定速度で重ねて、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できる。マルチプラナー再フォーマット器は、米国特許6,443,896(Detmer)に記載のように、身体の体積領域における共通平面内の点から受信された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92は、米国特許6,530,885  (Entrekinら)に記載のように、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。
【０１４４】
2D又は3D画像は、画像ディスプレイ90上に表示するための更なる向上、バッファリング及び一時記憶のために、スキャンコンバータ82、マルチプラナー再フォーマット器94及びボリュームレンダラ92から画像プロセッサ80に結合される。画像化に使用されることに加えて、ドップラープロセッサ78により生成された血流値及びBモードプロセッサ76により生成された組織構造情報は、定量化プロセッサ84に結合される。定量化プロセッサは、血流の容積流量のような異なる流量条件の測定値と、器官のサイズ及び在胎期間のような構造的測定値とを生成する。定量化プロセッサは、測定が行われるべき画像の解剖学におけるポイントのような入力をユーザ制御パネル88から受け取ってもよい。定量化プロセッサからの出力データは、ディスプレイ90上の画像との測定グラフィック及び値の再現のために、また、ディスプレイデバイス90からのオーディオ出力のために、グラフィックスプロセッサ86に結合される。グラフィックスプロセッサ86はまた、超音波画像との表示の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、画像の日付及び時刻、撮像パラメータ等のような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、グラフィックスプロセッサは、患者名のようなユーザインタフェース88からの入力を受信する。ユーザインタフェースはまた、トランスデューサアレイ60'からの超音波信号の生成を制御するために、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り生成される画像を制御するために、送信コントローラ68に結合される。コントローラ68の送信制御機能は、実行される機能の1つに過ぎない。コントローラ68はまた、動作モード(ユーザにより与えられる)と、受信機アナログデジタル変換器における対応する必要な送信機構成及び帯域通過構成とを考慮に入れる。コントローラ68は、固定状態を有する状態マシンとすることができる。
【０１４５】
ユーザインタフェースはまた、マルチプラナー再フォーマット(MPR,  multi-planar  reformatted)画像の画像フィールド内で定量化された測定を実行するために使用され得る複数のMPR画像の平面の選択及び制御のために、マルチプラナー再フォーマット器94に結合される。
【０１４６】
上記のように、本発明の実施形態は、コントローラを利用する。コントローラは、必要とされる様々な機能を実行するために、ソフトウェア及び/又はハードウェアを用いて様々な方法で実装されることができる。プロセッサは、所要の機能を実行するためにソフトウェア(例えば、マイクロコード)を使用してプログラムされ得る1つ以上のマイクロプロセッサを使用するコントローラの一例である。しかし、コントローラは、プロセッサを使用して或いは使用せずに実装されてもよく、また、いくつかの機能を実行するための専用ハードウェアと、他の機能を実行するためのプロセッサ(例えば、1つ以上のプログラムされたマイクロプロセッサ及び関連する回路)との組み合わせとして実装されてもよい。
【０１４７】
本開示の様々な実施形態において使用され得るコントローラコンポーネントの例は、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路(ASIC)及びフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を含むが、これらに限定されない。
【０１４８】
様々な実装において、プロセッサ又はコントローラは、RAM、PROM、EPROM及びEEPROMのような揮発性及び不揮発性コンピュータメモリのような1つ以上の記憶媒体に関連付けられてもよい。記憶媒体は、1つ以上のプロセッサ及び/又はコントローラ上で実行されたとき、必要な機能を実行する1つ以上のプログラムで符号化されてもよい。様々な記憶媒体は、プロセッサ又はコントローラ内に固定されてもよく、或いは、記憶された1つ以上のプログラムがプロセッサ又はコントローラにロードできるように移動可能でもよい。
【０１４９】
開示の実施形態に対する他の変形例は、図面、開示及び添付の請求の範囲の研究から、特許請求の範囲に記載の発明を実施する際に当業者により理解されて実施されることができる。特許請求の範囲において、「含む」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「a」又は「an」は、複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に利用できないことを示すものではない。請求項における如何なる参照符号も、その範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【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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【国際調査報告】
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