(57)【要約】  本発明は、超音波コンピュータ断層撮影用の超音波トランスデューサ（１１２）のグループを作動させて読み取るための装置（１１０）に関し、当該装置（１１０）は、入力チャネル（１２４）としての第１の領域（１１８）および出力チャネル（１２６）としての第２の領域（１２０）を有し、上記第２の領域が、ｎウェルによって上記第１の領域から電気的に分離されている、共通基板（１１６）と、アナログ高電圧信号を受信するための、上記第１の領域上の少なくとも１つの高電圧信号入力（１２８）と、第１の領域（１１８）上の超音波トランスデューサ（１１２）の少なくとも１つのグループであって、超音波トランスデューサ（１１２）の少なくとも１つが送信段階中に超音波信号を生成するように構成され、超音波トランスデューサ（１１２）の少なくとも１つが超音波測定信号（１４０）を受信するように構成されている、超音波トランスデューサ（１１２）の少なくとも１つのグループと、少なくとも２つの異なる超音波トランスデューサ（１１２）からの超音波測定信号（１４０）を組み合わせて、共通の測定信号（１４８）を形成するための、少なくとも１つのマルチプレクサ（１５６）と、上記共通の測定信号（１４８）を受信するための、上記第２の領域（１２０）上のＣＭＯＳ半導体コンポーネントを有している、少なくとも１つの低雑音で低電圧の前置増幅器（１５２）と、上記共通の測定信号（１４８）が少なくとも送信段階中に上記低電圧の前置増幅器（１５２）に印加されるのを止めるための、上記第２の領域（１２０）上の少なくとも１つの出力スイッチ（１５０）と、前増幅された測定信号（１４８）を外部の制御および評価ユニット（２１２）に送信するための、少なくとも１つの低電圧信号出力（１５４）と、を備えている。
2020534940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波コンピュータ断層撮影用の超音波トランスデューサ（１１２）のグループを作動させて読み取るための装置（１１０）であって、
入力チャネル（１２４）として構成された第１の領域（１１８）および出力チャネル（１２６）として構成された第２の領域（１２０）を有し、前記第２の領域（１２０）が前記第１の領域（１１８）から電気的に分離されている共通基板（１１６）であって、前記第２の領域（１２０）からの前記第１の領域（１１８）の分離（１２２）がｎウェルによって有効にされる、共通基板（１１６）と、
前記第１の領域（１１８）に配置された、少なくとも１つの高電圧信号入力（１２８）であって、アナログ高電圧信号を受信するように構成されている、高電圧信号入力（１２８）と、
前記第１の領域（１１８）に配置された、少なくとも１つの高電圧増幅器（１３２）であって、前記高電圧信号入力（１２８）によって提供された前記アナログ高電圧信号を受信し、増幅させるように構成されており、高電圧ＣＭＯＳ半導体コンポーネントを有している、高電圧増幅器（１３２）と、
前記第１の領域（１１８）に配置された、超音波トランスデューサ（１１２）の少なくとも１つのグループであって、少なくとも１つの前記超音波トランスデューサ（１１２）は前記高電圧増幅器（１３２）がその出力で高電圧信号を提供する送信段階中に超音波信号を生成するための、超音波送信機（１３６）として構成されており、少なくとも１つの前記超音波トランスデューサ（１１２）は、超音波測定信号（１４０）を受信するように構成されている、超音波トランスデューサ（１１２）のグループと、
少なくとも２つの互いに異なる超音波トランスデューサ（１１２）から受信された超音波測定信号（１４０）を組み合わせて、共通測定信号（１４８）を形成するように構成された、少なくとも１つのマルチプレクサ（１５６）と、
前記第２の領域（１２０）に配置された、少なくとも１つの低雑音で低電圧の前置増幅器（１５２）であって、前記共通測定信号（１４８）を受信するように構成されており、ＣＭＯＳ半導体コンポーネントを有している、低電圧の前置増幅器（１５２）と、
前記第２の領域（１２０）に配置された、少なくとも１つの出力スイッチ（１５０）であって、少なくとも前記送信段階中に前記共通測定信号（１４８）が前記低電圧の前置増幅器（１５２）に印加されることを止めるように構成されている、出力スイッチ（１５０）と、
前記第２の領域（１２０）に配置された、少なくとも１つの低電圧信号出力（１５４）であって、前増幅された測定信号（１４８）を外部の制御および評価ユニット（２１２）に送信するように構成されている、低電圧信号出力（１５４）と、
を備える、装置（１１０）。
【請求項２】
前記第１の領域（１１８）が、５Ｖから１２０Ｖの電圧および電位の受信およびさらなる処理のために設計されており、前記第２の領域（１２０）が、１ｎＶから１０ｍＶの電圧および電位の受信およびさらなる処理のために設計されている、請求項１に記載の装置（１１０）。
【請求項３】
前記高電圧増幅器（１３２）が第１の帯域幅を有し、前記低電圧の前置増幅器（１５２）が第２の帯域幅を有し、前記第１の帯域幅および前記第２の帯域幅が互いに対応している、請求項１または２に記載の装置（１１０）。
【請求項４】
前記高電圧増幅器（１３２）が、少なくとも３つの別個の増幅器段（１５８、１６０、１６２）を有している少なくとも１つのアナログリニア帰還増幅器（１３４）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置（１１０）。
【請求項５】
前記増幅器段（１５８、１６０、１６２）の各々が、それぞれ少なくとも２つの高電圧ＣＭＯＳトランジスタ（Ｍ１、Ｍ２；Ｍ３、Ｍ４；Ｍ５、Ｍ６）を有している、請求項４に記載の装置（１１０）。
【請求項６】
差動増幅器（１６４）が第１の増幅器段（１５８）の入力に位置付けられ、前記第１の増幅器段（１５８）および第２の増幅器段（１６０）が、それぞれ２つの電流ミラー（Ｂ、Ｃ）間に配置され、前記高電圧ＣＭＯＳトランジスタ（Ｍ３、Ｍ４；Ｍ５、Ｍ６）が、それぞれ前記第２の増幅器段（１６０）および第３の増幅器段（１６２）において互いに接続されている、請求項５に記載の装置（１１０）。
【請求項７】
前記アナログリニア帰還増幅器（１３４）が少なくとも８０Ｖの絶縁耐力を有している、請求項４〜６のいずれか１項に記載の装置（１１０）。
【請求項８】
前記第１の領域（１１８）はさらに、外部の前記アナログ高電圧信号が前記高電圧増幅器（１３２）に印加されることを可能にする、または止めるように構成された入力スイッチ（１３０）を有している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置（１１０）。
【請求項９】
前記第１の領域（１１８）がさらに、前記超音波測定信号（１４０）からカットオフ周波数よりも低い周波数成分をフィルタ除去するように構成された調整可能なフィルタ（１４２）を有している、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置（１１０）。
【請求項１０】
前記装置（１１０）が特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の形態で存在している、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置（１１０）。
【請求項１１】
身体部分を検査するための超音波コンピュータ断層撮影機（２００）であって、
検査対象のオブジェクトおよび伝達媒質（２１０）を受けるように構成された、容器（２０２）と、
前記容器（２０２）の少なくとも１つの壁に取り付けられた超音波トランスデューサ（１１２）のグループを作動させて読み取るための請求項１〜１０のいずれか１項に記載の、少なくとも１つの装置（１１０）と、
前記装置（１１０）の少なくとも１つの高電圧信号入力（１２８）のためのアナログ高電圧信号を提供し、および、前記装置（１１０）の少なくとも１つの低電圧信号出力（１５４）によって提供された超音波測定信号を受信および評価するための、制御および評価ユニット（２１２）と、
を備える超音波コンピュータ断層撮影機（２００）。
【請求項１２】
再構成されたリアルタイム画像を表示するように構成された出力ユニット（２１６）をさらに備える、請求項１１に記載の超音波コンピュータ断層撮影機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波コンピュータ断層撮影用の超音波トランスデューサのグループを作動させて読み取るための装置、および少なくとも１つのこのタイプの装置を備える超音波コンピュータ断層撮影機に関する。超音波コンピュータ断層撮影機は、特に、乳癌の早期発見のための超音波ベースの撮像方法での使用に適している。特に非破壊での材料の試験または試験技術におけるさらなる使用目的も同様に可能である。
【背景技術】
【０００２】
特に、医療検査に使用可能な超音波コンピュータ断層撮影機は、少なくとも１つの超音波ヘッドを備え、少なくとも１つの超音波トランスデューサと、超音波トランスデューサのための制御信号を発信し、超音波トランスデューサで受信した測定信号を電気信号として受信する少なくとも１つの制御および評価ユニットとを有し、それらを増幅し、ならびに特に、測定中の画面上のリアルタイム画像の再構成のために、それらを制御および評価ユニットに転送する。
【０００３】
国際公開第２００２／０３０２８８号は、特に乳癌の早期発見のための超音波ベースの撮像方法で使用可能な超音波コンピュータ断層撮影機を開示している。超音波コンピュータ断層撮影機は、透過散乱およびパルス反射法に従って動作し、検査対象の身体部分が挿入される上向きに開いた容器と、壁領域全体にわたって容器壁に固定して配置された超音波トランスデューサであって、上記超音波トランスデューサの主な放射方向がそれぞれ壁領域から容器の内部に垂直に配向されている超音波トランスデューサと、容器に導入されると検査対象の身体部分を濡らし、超音波トランスデューサと検査対象の身体部分との間の超音波信号の伝達および伝送のために機能する伝達媒質と、またメインメモリが超音波トランスデューサと相互接続された、コンピュータ支援の制御および評価ユニットと、を備えている。この場合、相互接続は、任意数の超音波トランスデューサが電子スイッチを介して送信機と受信機の両方として選択可能であるように、送信機によって放出される超音波信号が超音波パルスであり、電気信号としてすべての受信機によって並行して受信される信号が、増幅、フィルタリング、およびデジタル化され、メインメモリにデータとして保存されるように、音伝播時間がメインメモリに保存されたデータから判定され、上記音伝播時間および幾何的関係を介して、個々の音速が判定され、計算により多数の領域に分割されている容器容量および異なるデータセットの相関関係を使用して、個々の領域における音速が計算されるように、個々の領域における音速からおよび受信した信号の振幅および位相プロファイルからも、容器内のすべての考えられ得る反射点が計算され、信号が容器内の各点に対するすべての測定値からの考えられ得る反射点のデータとして合計され、そこから合計値の大きさに対応する明度が各点に対して割り当てられ、望ましい解像度に応じて、上記明度がそれぞれ三次元再構成の少なくとも１つのピクセルに割り当てられるように、具現化される。
【０００４】
同様に本明細書で使用することができるさらなる評価および再構成の方法に関する詳細は、欧州特許出願公開第２０５６１２４号明細書、国際公開第２０１１／１２４３７９号、および国際公開第２０１２／１１０２２８号でさらに見られ得る。
【０００５】
超音波コンピュータ断層撮影機の課題の１つは、１つまたは複数の超音波トランスデューサを作動させて読み取るための適切な装置の構成にある。この装置は、特に、十分な音圧を生成するために必要な高電圧信号を処理することができるように、および弱い応答信号を増幅させることができるように構成されなければならない。この目的のために、当該装置は通常、高周波パルスユニット、高周波アイソレーションスイッチ、および低雑音で低電圧の前置増幅器を備えている。
【０００６】
国際公開第２００５／１０７９６２号は、多数のトランスデューサ素子を有しているトランスデューサアレイを備える超音波トランスデューサを開示している。その場合、各超音波トランスデューサは、それぞれ少なくとも１つの底部電極および１つの上部電極を有している少なくとも１つの圧電体と、また少なくとも１つの回路基板を含み、その上で超音波トランスデューサが底部電極に接続されている、連結層とを備え、ここで回路基板上に、底部電極と電気的に接触している、圧電体より低い一定の導体トラック高さを有している導体トラック構造が提供され、導体トラック構造に沿った回路基板と圧電体との間の残りの空洞は結合剤で完全に充填されている。
【０００７】
米国特許出願公開第２００１／００４３０９０号明細書は、超音波トランスデューサを作動させて読み取るための装置としての集積回路を開示している。その場合、単一の基板上にモノリシックに配置された回路は、低電圧回路と高電圧回路の両方を備え、ここで低電圧回路はＣＭＯＳに基づいて構築され、高電圧回路は高電圧ＦＥＴを有している。その場合、低電圧回路は、一方で信号を生成して超音波トランスデューサ素子に送信するように構成されたデジタル論理回路を有し、他方で超音波トランスデューサ素子の信号を受信してさらに処理するアナログ回路を有しているが、高電圧回路は超音波トランスデューサ素子の作動のために機能する。
【０００８】
超音波トランスデューサ素子を作動させるためにパルスが使用されている同等の装置が、米国特許出願公開第２００９／０１４６６９５号明細書および米国特許出願公開第２０１６／０２４２７３９号明細書で見られ得る。
【０００９】
米国特許出願公開第２０１５／００３２００２号明細書は、複数の超音波トランスデューサ素子および関連する回路を有している超音波トランスデューサプローブを開示している。この文献は、ＣＭＯＳコンポーネントから送信増幅器を構築することを提案している。さらに、トランジスタ構造におけるＮウェルの使用によって、基板からの分離が達成される。さらに、少なくとも送信休止中に測定信号が低電圧前置増幅器に印加されることを止めるように構成された出力スイッチが提供されている。さらに、マルチプレクサ回路が開示されている。
【００１０】
D.F. Lemmerhirt, X. Cheng, R.D. White, CA. Rieh, M. Zhang, J.B. Fowlkes und O.D. Kripfgans, A 32 × 32 Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer Array Manufactured in Standard CMOS, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 59, No. 7, 2012は、超音波トランスデューサおよび超音波トランスデューサを作動させて読み取るように構成された回路が同様に共通基板上で統合されている、トランスデューサアレイのプロトタイプについて記載している。その場合、各静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサ（Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer、略してＣＭＵＴと呼ばれる）の底板にパルスが印加され、ここでスイッチが、オン位置にあるとＣＭＯＳ電子回路の入力を保護し、オフ位置にあるとＣＭＵＴからの出力電流を電圧値に変換する。
【００１１】
G. Gurun, M.S. Qureshi, M. Balantekin, R. Guldiken, J. Zahorian, S.-Y. Peng, A. Basu, M. Karaman, P. Hasler und L. Degertekin, Front-end CMOS Electronics for Monolithic Integration with CMUT Arrays: Circuit Design and Initial Experimental Results, 2008 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings (ULTSYM) 0096; I. Cicek, A. Bozkurt und M. Karaman, Design of a Front-End Integrated Circuit for 3D Acoustic Imaging Using 2D CMUT Arrays, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, And Frequency Control, Vol. 52, No. 12, 2005; J. Song, S. Jung, Y. Kim, K. Cho, B. Kim, S. Lee, J. Nab, I. Yang, O.-K. Kwon und D. Kim, Reconfigurable 2D cMUT-ASIC Arrays for 3D Ultrasound Image, Proc. of SPIE Vol. 8320 83201A-1; S.-J. Jung, et al, Three-Side buttable integrated ultrasound chip with a 16x16 reconfigurable transceiver and capacitive micromachined ultrasonic transducer array for 3-D ultrasound imaging Systems, IEEE Trans. Electron Dev., Vol. 60, No.10, S. 3562-3569, 2013; R. Wodnicki, Modular ultrasound arrays with co-integrated electronics, Proc. of the 14th International Symposium on Nondestructive Characterization of Materials, p. 23, 2015、およびH.-K. Cha, CMOS ultrasonic analogue front-end with reconfigurable pulser/switch for medical imaging applications, Electronics Letters Vol. 51 No. 20, S. 1564-1566, 2015は、超音波トランスデューサおよび超音波トランスデューサを作動させて読み取るように構成された回路が共通基板上にモノリシックに統合されているが、低電圧回路のみがＣＭＯＳに基づいて構築されているさらなる装置を提示している。
【００１２】
それとは対照的に、Kuruveettil, D. Zhao, C.J. Hao und M. Je, Analog Front End Low Noise Amplifier in 0.18-μm CMOS for Ultrasound Imaging Applications, International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering, Vol. 7, No. 9, 2013では、超音波トランスデューサおよび信号の読み出しのために構成された前置増幅器が、異なる基板上で互いに別々に配置されている。
【００１３】
さらに、K. Chen, H.-S. Lee, A.P. Chandrakasan und CG. Sodini, Ultrasonic Imaging Transceiver Design for CMUT: A Three-Level 30-Vpp Pulse-Shaping Pulser With Improved Efficiency and a Noise-Optimized Receiver, IEEE Journal Solid-State Circuits, Vol. 48, No. 11, 2013は、マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）のためのインターフェースとして機能する超音波コンピュータ断層撮影用の４チャネル受信機、および３レベルのパルス成形ユニットを有している高電圧送信機について記載している。さらに、受信機は、弱い入力信号を増幅させるように構成された低雑音増幅器を備え、ここでスイッチがオフに設定され、それによって高過渡電圧が低電圧トランジスタを備えた低雑音増幅器を破壊することが防がれる。
【００１４】
上述の装置の結果としての改善にもかかわらず、超音波コンピュータ断層撮影機において超音波トランスデューサのグループを作動させて読み取るための装置の構成の領域における多くの課題は未解決のままである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
（発明の目的）
先行技術の提示に基づいて、本発明は、先行技術の提示された欠点および制限を少なくとも部分的に克服する、超音波トランスデューサのグループを作動させて読み取るための装置、および超音波コンピュータ断層撮影機を提供することを目的とする。
【００１６】
特に、当該装置は、再現性のあるセンサ特性を可能にし、小さなアクティブセンサ領域にもかかわらず、低い合計価格で高い信号対雑音比および高い信号ダイナミックレンジを可能にすることを意図している。この場合、一方で超音波受信機は、μＶの信号強度のために構成されるように意図されているが、他方で全方向放射特性、広い帯域幅、および非集束超音波のための超音波送信機の信号強度は、８０Ｖから１２０Ｖの励起電圧を達成することができるように意図されている。さらに、超音波トランスデューサは、小さな反射信号と大きな送信信号を登録すること、およびこの目的に必要とされる高い信号ダイナミックレンジを提供することを同時に可能にするように意図されている。さらに、超音波送信機および超音波受信機は、信号を認識するための、特に送信信号および反射信号を検出および分離するための、可能な限り良好なノイズマッチングおよび高い信号忠実度を実現するために、可能な限り同一の帯域幅と高い線形性を有するように意図されている。
【００１７】
さらに、超音波コンピュータ断層撮影機は、超音波トランスデューサの複数のグループの１つを有することができ、それ故、超音波トランスデューサの機械的移動を必要とせずに三次元で空間を走査することを可能にするように意図されている。特に、少なくとも１００の装置が、三次元の測定ジオメトリにわたって分散して配置されることが可能になるように意図されており、ここで各装置は、送信機および／または受信機として機能することができ、それ故、迅速なデータ収集が可能になる、少なくとも３つの超音波トランスデューサを有することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
（本発明の開示）
この目的は、独立請求項の特徴による、超音波コンピュータ断層撮影用の超音波トランスデューサのグループを作動させて読み取るための装置、および超音波コンピュータ断層撮影機によって達成される。個別にまたは任意の望ましい組み合わせで実現可能な利点のある開発が、従属請求項に提示されている。
【００１９】
以下、「有する」、「備える」、「包含する」または「含む」という用語、またはそれらからの文法上の変形は、非排他的な方法で使用される。したがって、これらの用語は、これらの用語によって導入された特徴以外に、さらなる特徴が存在しない状況、または１つまたは複数のさらなる特徴が存在する状況のいずれかを指すことができる。例として、「ＡはＢを有している」、「ＡはＢを備えている」、「ＡはＢを包含している」、または「ＡはＢを含んでいる」という表現は、Ｂ以外にＡにさらなる要素が存在しない状況（すなわち、Ａが排他的にＢのみで構成される状況）、またはＢに加えて、Ａに１つまたは複数のさらなる要素、たとえば要素Ｃ、要素ＣおよびＤ、もしくはさらなる要素も存在する状況のいずれかを指すことができる。
【００２０】
さらに、用語「少なくとも１つ」および「１つまたは複数」およびこれらの用語の文法上の変更は、それらが１つまたは複数の要素または特徴に関連して使用され、要素または特徴が単独または複数で提供され得るという事実を表現するように意図される場合、たとえば、特徴または要素が初めて導入されたときに、概して１回のみ使用される。特徴または要素が続いて再び言及されるとき、対応する用語「少なくとも１つ」または「１つまたは複数」は概してそれ以上使用されず、これによって特徴または要素が単独または複数で提供される可能性が制限されることはない。
【００２１】
さらに、以下、用語「好ましくは」、「特に」、「たとえば」、または同様の用語は、随意の特徴に関連して使用され、それによって代替の実施形態が制限されることはない。この点で、これらの用語によって導入される特徴は随意の特徴であり、請求項、特に独立請求項の保護範囲がこれらの特徴によって制限されることは意図されていない。これに関して、本発明は、当業者によって認識されるように、他の構成を使用して実行することもできる。同様に、「本発明の一実施形態では」または「本発明の一例示的実施形態では」によって導入される特徴は、代替の構成または独立請求項の保護範囲がそれにより制限されることを意図することなく、随意の特徴として理解される。さらに、これらの導入表現は、随意の特徴または随意でない特徴であろうと、それにより導入された特徴と他の特徴とを組み合わせるすべての可能性に影響を与えないように意図されている。
【００２２】
第１の態様では、本発明は、超音波コンピュータ断層撮影用の超音波トランスデューサのグループを作動させて読み取るための装置に関する。この場合、当該装置は、
入力チャネルとして構成された第１の領域および出力チャネルとして構成された第２の領域を有し、上記第２の領域が上記第１の領域から電気的に分離されている共通基板であって、上記第２の領域からの上記第１の領域の分離がｎウェルによって有効にされる、共通基板と、
上記第１の領域に配置された、少なくとも１つの高電圧信号入力であって、アナログ高電圧信号を受信するように構成されている、高電圧信号入力と、
上記第１の領域に配置された、少なくとも１つの高電圧増幅器であって、上記高電圧信号入力によって提供された上記アナログ高電圧信号を受信し、増幅させるように構成されており、高電圧ＣＭＯＳ半導体コンポーネントを有している、高電圧増幅器と、
上記第１の領域に配置された超音波トランスデューサの少なくとも１つのグループであって、少なくとも１つの上記超音波トランスデューサは上記高電圧増幅器がその出力で高電圧信号を提供する送信段階中に超音波信号を生成するために、超音波送信機として構成されており、少なくとも１つの上記超音波トランスデューサは超音波測定信号を受信するように構成されている、超音波トランスデューサグループと、
少なくとも２つの互いに異なる超音波トランスデューサから受信された超音波測定信号を組み合わせて、共通測定信号を形成するように構成された、少なくとも１つのマルチプレクサと、
上記第２の領域に配置された、少なくとも１つの低雑音で低電圧の前置増幅器であって、上記共通測定信号を受信するように構成されており、ＣＭＯＳ半導体コンポーネントを有している、低電圧の前置増幅器と、
上記第２の領域に配置された、少なくとも１つの出力スイッチであって、少なくとも上記送信段階中に上記共通測定信号が上記低電圧の前置増幅器に印加されることを止めるように構成されている、出力スイッチと、
上記第２の領域に配置された、少なくとも１つの低電圧信号出力であって、前増幅された測定信号を外部の制御および評価ユニットに送信するように構成されている、低電圧信号出力と、を備えている。
【００２３】
本発明の装置は、好ましくは、集積回路の形態で、特に少なくとも１つの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として具現化される。代替的に、当該装置は、汎用回路、特にＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）またはＦＰＡＡ（フィールドプログラマブルアナログアレイ）としても具現化され得る。しかし、本発明の装置のさらなるタイプの実施形態が可能である。
【００２４】
本発明の装置は、集積回路を提供する目的で共通基板に印加される。この場合、共通基板は、好ましくは、電子コンポーネント用のキャリアとして構成されたプリント回路基板（ＰＣＢ）に印加され得る。この場合、プリント回路基板は、最初に、印加される電子コンポーネントの機械的安定性のために機能し、次に電子コンポーネント間の電気接続を提供するために機能することができる。
【００２５】
本発明の装置に使用される共通基板は、互いに電気的に分離された２つの領域を有し、ここで２つの領域の互いからの分離は、ｎウェルを使用して有効にされる。この場合、「ｎウェル」という用語は、電荷キャリアを収集し、基板に沿った横方向の電流から電荷キャリアを抽出するように構成されている、基板上の区切られたエリア領域を示している。このように、ｎウェルを使用して、基板上で互いに電気的に分離された領域を提供することができる。ｎウェルによる２つの領域の分離についての利点は、第２の領域の低電圧コンポーネントを第１の領域で発生している高電圧から保護することができること、および第１の領域から第２の領域への考えられ得る障害の拡散を大幅に抑制することができることである。
【００２６】
本発明の場合、このようにして、入力チャネルとして構成された第１の領域、および第１の領域から分離している、出力チャネルとして構成された第２の領域を作成することができる。第１の領域は、高電圧を受け、さらに処理するように設計された第１の電子コンポーネントを受けるように構成することができる一方で、第２の領域は、低電圧を受け、さらに処理するように設計された第２の電子コンポーネントを受けるように構成することができる。本発明に関連して、用語「高電圧」は５Ｖから１２０Ｖの電圧および電位を示し、用語「低電圧」は０Ｖから５Ｖの電圧および電位を示している。
【００２７】
この場合、共通基板上で高電圧を受け、さらに処理するように構成された第１の領域は、少なくとも１つの高電圧信号入力、少なくとも１つの高電圧増幅器、および超音波トランスデューサの少なくとも１つのグループを備える。この場合、高電圧信号入力は、特に外部の高電圧送信機によって提供することができるアナログ高電圧信号を受信し、それらを高電圧増幅器を介して超音波トランスデューサに渡すように構成されている。この場合に使用される高電圧信号は、特に一定振幅のＡＣ電圧として予め定義することができ、その周波数は、予め定義された範囲で周期的かつ連続的に変化することができ、それ故、「掃引」とも呼ばれる。しかし、他のタイプの高電圧信号、特に、たとえばチャープ、ゴーレイ、またはバーカーのコードを使用する符号化された励起を有している、および高帯域幅の信号対雑音比を増加させるための下流の相関フィルタを有している信号処理チェーンも同様に可能である。
【００２８】
高電圧増幅器は、高電圧信号入力によって提供されたアナログ高電圧信号を受信して増幅させるように構成されている。この目的のために、高電圧増幅器は、少なくとも３つの別個の増幅器段を備えることができる少なくとも１つのアナログリニア帰還増幅器を有することができる。高電圧増幅器の構築のために、電子コンポーネント、特にこの場合に使用されるトランジスタは、高電圧ＣＭＯＳ半導体コンポーネントとして構成される。この目的のために、好ましくは、いわゆる０．３５μｍの高電圧ＣＭＯＳ技術または他の０．１８μｍの高電圧ＣＭＯＳ技術に基づく電子コンポーネントが使用され得る。「ＣＭＯＳ」（相補型金属酸化膜半導体）という用語は、ｐチャネルとｎチャネルの金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の両方が共通基板上で使用されている、およびさらなる必要品なしで、通常、低電圧で動作するようにも構成されている、半導体コンポーネントを指すが、高電圧ＣＭＯＳ半導体コンポーネントは、特に１２０Ｖまでの絶縁耐力を有しているため、高電圧での使用に適した特別なコンポーネントである。
【００２９】
１つの特に好ましい構成では、提案された装置およびそれによって包含される超音波トランスデューサは、リニア撮像方法を使用して、空間周波数画像空間を完全にカバーすることにより、最も高い可能なコントラストを達成し、それ故、たとえば患者の乳房などの複雑なオブジェクトの撮像の最も高い可能な明瞭性を達成することができるように、最も高い可能な帯域幅を有している。さらに、特に波ベースの反転法に基づき得る、より複雑な撮像方法は、より低い周波数成分の恩恵も受け得る。さらに、３Ｄ超音波コンピュータ断層撮像に使用される超音波トランスデューサが、その全方向放射特性にもかかわらず、小さな領域および低放射圧を有している点源とおよそ見なすことができるため、高電圧増幅器の大きなダイナミックレンジには利点がある。したがって、この特に好ましい構成では、高電圧増幅器は、高利得を有しているリニア帰還増幅器を備えている。結果として、少なくとも５０％、好ましくは少なくとも１００％、特に好ましくは少なくとも１５０％の大きな相対帯域幅を達成することができる。例として、相対帯域幅は、２．５ＭＨｚの中心周波数周りで１６０％であり得、これは２．５ＭＨｚでおよそ４ＭＨｚの帯域幅に相当する。
【００３０】
望ましい高利得を達成することができるように、アナログリニア帰還増幅器は、少なくとも３つの別個の増幅器段を備え、ここで増幅器段は各々、それぞれ少なくとも２つの高電圧ＣＭＯＳトランジスタを有している。１つの好ましい構成では、差動増幅器が第１の増幅器段の入力に位置付けられ、上記差動増幅器は、出力電流の絶対値間の差が、異なる増幅器の２つの入力に存在する入力電圧間の差に比例するように構成されている。さらに、第１の増幅器段および第２の増幅器段は、それぞれ２つの電流ミラー間に配置されている。これによって、特に、電流が１つの入力から流れ出て、別の出力から流れ出る電流にほぼ対応することが可能になり、それにより、同じ電流が、それぞれ第１の増幅器段および第２の増幅器段に互いに独立して印加され得る。また、第２の増幅器段および第３の増幅器段では、高電圧利得が大幅に低減されることなく、特に低抵抗および／または高静電容量を高電圧増幅器の出力に接続することを可能にするために、高電圧ＣＭＯＳトランジスタは、それぞれそれらのソースを介して互いに接続される。アナログリニア帰還増幅器の記載された構造は、少なくとも８０Ｖ、好ましくは少なくとも１２０Ｖの絶縁耐力とともに使用される高電圧に対する一定の線形利得を可能にする。
【００３１】
既に述べたように、さらに、超音波トランスデューサの少なくとも１つのグループが同様に、入力チャネルとして構成された第１の領域に配置される。この場合、超音波トランスデューサのグループは、複数の超音波トランスデューサ、特に２、３、４、５、６、８、９、１０、１２、１３、１５、１６、１８、２０、２４、２５またはそれ以上の超音波トランスデューサを有することができる。しかし、異なる数の超音波トランスデューサも可能である。この場合、「超音波トランスデューサ」という用語は、電気変数、特に電流、もしくは好ましくは電圧を超音波信号に変換するか、または逆に超音波信号を電気変数、特に電流、もしくは好ましくは電圧に変換するように構成された電子コンポーネントを示している。この場合、超音波トランスデューサは、特に、圧電コンポーネントに基づいて動作する超音波トランスデューサであり得る。代替的または追加的に、微細加工技術を使用してシリコン基板に導入されたマイクロキャビティの静電容量の変化に基づいて動作する、静電容量型微細構造超音波トランスデューサ（静電容量型マイクロマシン超音波トランスデューサ、ＣＭＵＴとも呼ばれる）も可能である。
【００３２】
超音波トランスデューサのグループから、この場合超音波トランスデューサの少なくとも１つ、好ましくは複数の超音波トランスデューサが超音波送信機として構成される。この場合、「超音波送信機」という用語は、送信段階中に超音波信号を生成するために装備されている超音波トランスデューサを示し、ここで高電圧増幅器はその出力で高電圧信号を提供し、超音波信号は、特に検査対象のオブジェクトに印加するために使用され得る。この場合、超音波送信機は高帯域幅および全方向放射特性を有することができ、ここで超音波信号の集束は省かれ得る。この場合、「オブジェクト」は、特に男性または女性の患者の身体部分、好ましくは患者の乳房であり得、そこに、そのように生成された超音波信号が、直接または好ましくは間接的に、超音波送信機とオブジェクトとの間に位置付けられ、検査対象のオブジェクトを濡らす伝達媒質を介して印加される。
【００３３】
さらに、超音波トランスデューサのグループから、超音波トランスデューサの少なくとも１つ、好ましくは複数の超音波トランスデューサは、オブジェクトまたはその一部を介した伝送によって、および／またはオブジェクトまたはその一部での反射によって生成され得る超音波測定信号を受信するための超音波受信機として構成される。超音波送信機によって放射された超音波信号が、１０Ｖから１２０Ｖ、好ましくは８０Ｖから１２０Ｖの高信号強度を達成することができる一方で、検出された超音波測定信号は、１ｎＶから１０ｍＶのみ、好ましくは１μＶから１００μＶの低信号強度を達成することができ、それにもかかわらず、本発明の装置は、それにより、生成された超音波信号から、検出された超音波測定信号を分離することが可能となるように構成されている。
【００３４】
この場合、一方では、超音波トランスデューサの各々を、超音波送信機および超音波受信機として同時に使用することができる。しかし、他方では、超音波送信機としてのみ、または超音波受信機としてのみ機能することができるような超音波トランスデューサを使用することも可能である。さらに、超音波送信機と比較してより多くの超音波受信機を提供することができ、それによって、超音波信号のより高い分解能、好ましくはより高い空間分解能を達成することができる。可能な限り多くのスペースを節約する方法で本発明の装置を具現化することを可能にし、三次元での検査対象のオブジェクトの可能な限り最も近い走査を可能にするために、後者の場合において、超音波トランスデューサの一部は、超音波送信機と超音波受信機の両方として同時に使用することができるが、追加の超音波トランスデューサは超音波受信機としてのみ機能することができる。しかし、さらなる構成も可能である。さらに、本発明の装置の使用のために、使用される超音波受信機が、それほど複雑ではない非集束センサユニットとして単に構成されていれば十分であり得る。
【００３５】
１つの好ましい構成では、入力チャネルとして構成された第１の領域はさらに、少なくとも値オンまたはオフの１つに設定することができる入力スイッチを有することができる。このように、入力スイッチが「オン」に設定される場合は、外部のアナログ高電圧信号の高電圧増幅器への印加を可能にすることができ、または代替的に「オフ」に設定される場合は、その印加を止めることができる。
【００３６】
さらに好ましい構成では、入力チャネルとして構成された第１の領域はさらに、超音波受信機によって受信された超音波測定信号から低周波成分をフィルタ除去するように構成することができる調整可能なフィルタを有することができる。１つの特定の構成では、この場合における調整可能なフィルタは、並列接続で配置された調整可能な電気抵抗器とコンデンサを有することができる。しかし、他のタイプのフィルタ、たとえば、いわゆるスイッチドキャパシタフィルタ、ＧｍＣフィルタ、ＡＤＣフィルタ、またはデジタルフィルタも同様に可能である。
【００３７】
入力チャネルとしての第１の領域は、共通基板上の出力チャネルとして構成された第２の領域に少なくとも１つの測定信号を転送するために備え付けられている。この場合、測定信号は、超音波受信機によって提供されたフィルタリングされていない超音波測定信号、または代替的に、対応するようにフィルタリングされた信号、特に説明される調整可能なフィルタの出力信号であり得る。入力チャネルから出力チャネルへの測定信号の転送は、原則として、入力チャネルと出力チャネルとの間の単純な導電接続を使用して達成することができる。しかし、本発明によれば、少なくとも１つのマルチプレクサ、好ましくは複数のマルチプレクサを有することができるマルチプレクサユニットがこの目的のために使用される。この場合、「マルチプレクサ」は、少なくとも２つの相互に異なる超音波トランスデューサによって受信された超音波測定信号を、直接または随意にフィルタリングを達成した後に組み合わせて、出力チャネルに転送することができる共通の測定信号を形成するように構成された回路である。１つの特に好ましい構成では、少なくとも１つのマルチプレクサを、３つの別個の測定信号を組み合わせて共通の測定信号を形成することができる、３：１のマルチプレクサとして構成することができる。他のタイプのマルチプレクサ、特に２つの測定信号を組み合わせて共通の測定信号を形成することができる２：１のマルチプレクサ、または４つの測定信号を組み合わせて共通の測定信号を形成することができる４：１のマルチプレクサも同様に可能である。特に、マルチプレクサを使用することで、信号評価に必要な信号チャネルの数を減らすことができる。
【００３８】
出力チャネルとして構成された第２の領域は、少なくとも１つの低雑音で低電圧の前置増幅器、少なくとも１つの出力スイッチ、および少なくとも１つの低電圧信号出力を備えている。この場合、少なくとも１つの低雑音で低電圧の前置増幅器は、関連するマルチプレクサによって提供された測定信号を受信するために備え付けられている。この場合、低雑音で低電圧の前置増幅器は、ＣＭＯＳ半導体コンポーネント、特に高電圧増幅器における高電圧ＣＭＯＳ半導体コンポーネントとは対照的に、低電圧を受け、さらに処理および出力するように構成されているＣＭＯＳトランジスタを備えている。特に、標準的な増幅器回路がこれに適しており、この回路は、フォールデッドカスコードおよび入力トランジスタを備えることができる。利得を増加させるために、このタイプの２つの増幅器を直列に接続することができる。増幅器は好ましくはｎウェルに位置付けられる。
【００３９】
本発明の装置で使用される増幅器の帯域幅および関連する利得の線形性に関する限り、入力チャネルに位置付けられた高電圧増幅器は、第１の帯域幅および第１の線形性を有することができ、出力チャネルに配置された低電圧前置増幅器は、第２の帯域幅および第２の線形性を有することができ、ここで１つの特に好ましい構成では、通常の許容範囲内で、第１の帯域幅と第２の帯域幅および／または第１の線形性と第２の線形性は互いに対応することができる。したがって、この特に好ましい構成は、特に送信信号からの反射信号の検出および分離に関して、超音波測定信号の認識のための良好なノイズマッチングおよび高い信号忠実度を実現することができる。
【００４０】
第２の領域における出力スイッチは、少なくとも値オンまたはオフの１つに設定され得る。このようにして、少なくとも１つの超音波送信機の少なくとも送信段階中に、出力スイッチが「オン」に設定される場合は、低電圧前置増幅器への測定信号の印加を有効にすることができ、または代替的に出力スイッチが「オフ」に設定される場合は、その印加を止めることができる。出力スイッチのこの機能についての利点は、この方法で、少なくとも１つの超音波送信機の送信段階中に、超音波送信機の動作に使用される高電圧信号が、低電圧前置増幅器に印加されることを止めることができ、したがって低電圧前置増幅器を損傷または破壊し得ることを防ぐことができることである。
【００４１】
同様に出力チャネルに配置された低電圧信号出力は、低電圧前置増幅器によって前置増幅された測定信号を、本発明の装置を備えた超音波コンピュータ断層撮影機の一部であり得る外部の制御および評価ユニットに送信するように構成されている。外部の制御および評価ユニットはさらに、アナログ高電圧信号を入力チャネルに位置付けられた少なくとも１つの高電圧信号入力に提供するためにも使用することができる。
【００４２】
さらなる態様では、本発明は、超音波コンピュータ断層撮影機に関する。この場合、超音波コンピュータ断層撮影機は、
検査対象のオブジェクトおよび伝達媒質を受けるように構成された容器と、
上記容器の少なくとも１つの壁に取り付けられた超音波トランスデューサのグループを作動させて読み取るための少なくとも１つの装置と、
上記装置の少なくとも１つの高電圧信号入力のためのアナログ高電圧信号を提供し、および上記装置の少なくとも１つの低電圧信号出力によって提供された超音波測定信号を受信および評価するための、制御および評価ユニットと、を備えている。
【００４３】
前述のように、超音波コンピュータ断層撮影機は、好ましくは患者の寝台に導入される容器を備え、当該容器は、少なくとも１つの壁に超音波トランスデューサのグループを有し、検査対象のオブジェクトおよびオブジェクトを濡らす伝達媒質を受けるように構成されている。この方法で達成することができるのは、超音波トランスデューサと検査対象のオブジェクトとの間の超音波信号の伝達および伝送が、可能な限り損失のない方法で構成されることである。
【００４４】
特に医療目的および非破壊検査のために、超音波コンピュータ断層撮影機は、多数の、好ましくは少なくとも１００の超音波トランスデューサヘッド（「超音波トランスデューサアレイ」）を有することができ、ここで超音波トランスデューサヘッドの各々は、複数の放射体、好ましくは４から１８の放射体、および複数の受信機、好ましくは９から１８の受信機を備えることができ、これらは、多数のデータチャネル、好ましくは３２０のデータチャネルを介して読み取ることができる。好ましくは、この場合、放射体の数と受信機の数は同じである。
【００４５】
超音波コンピュータ断層撮影機に関するさらなる詳細については、以下の例示的な実施形態および本発明による装置の説明を参照されたい。
【００４６】
本発明の装置およびそれを備えた超音波コンピュータ断層撮影機は、特に、乳癌の早期発見のための超音波ベースの撮像方法での使用に適している。特に非破壊材料試験または試験技術におけるさらなる使用目的も同様に可能である。
【発明の効果】
【００４７】
（本発明の利点）
超音波コンピュータ断層撮影用の超音波トランスデューサのグループを作動させて読み取るための提案された装置は、先行技術から知られている装置と比較して大きな利点を有している。
【００４８】
本発明の装置は、再現可能なセンサ特性を有し、またアクティブセンサ面積が小さいにもかかわらず、低い合計価格とともに高い信号対雑音比および高い信号ダイナミックレンジを有している。この場合、超音波受信機は、１ｎＶから１０ｍＶの信号強度のために構成されるが、全方向放射特性、広い帯域幅、および非集束超音波のための超音波送信機の信号強度は、８０Ｖから１２０Ｖに達することができる。このように高い信号ダイナミックレンジが提供されることで、超音波トランスデューサは、小さな反射信号と大きな送信信号を同時に記録することができる。さらに、超音波送信機および超音波受信機はほぼ同一の帯域幅および良好な線形性を有しており、それによって、信号の認識のための、特に送信信号および反射信号の検出および分離のための良好なノイズマッチングおよび高い信号忠実度が可能になる。提案される超音波コンピュータ断層撮影機における再構成でまったく同じように実行することができる、本発明の装置への空間信号走査のための集束技術の統合を省いた結果として、本発明の装置の構造は大幅に単純化され、その結果、データ取得も著しく高速で実行することができる。
【００４９】
さらに、超音波コンピュータ断層撮影機の超音波トランスデューサの１つまたは複数のグループによって、超音波トランスデューサの機械的な移動を必要とせずに三次元で空間を走査することが可能になり、依然として可能なままである。特に、この場合、少なくとも１００の装置を、「開口」の形態で三次元の測定ジオメトリに分散されるように配置することができ、ここで各装置は、送信機および／または受信機として動作することができ、高速データ収集が可能である、少なくとも３つ、好ましくは少なくとも１８の超音波トランスデューサを有することができる。それにもかかわらず、検査対象のオブジェクト、特に身体部分で生じる様々な減衰に対する各々の個々の超音波トランスデューサの適応、特に関連するオブジェクトのサイズ、組成、および／または構造に対する適応が依然として可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
本発明のさらなる詳細および特徴は、特に従属請求項と併せて、好ましい例示的な実施形態の以下の説明から明らかになる。この場合、それぞれの特徴は、それら自体で、または互いの複数の組み合わせとして実現することができる。しかし、本発明は例示的な実施形態に限定されない。例示的な実施形態は、以下の図に概略的に例示されている。この場合、図中の同一の参照符号は、同一または機能的に同一の要素、またはそれらの機能に関して互いに対応する要素を示す。具体的には次のとおりである。
【００５１】
【図１】単一の超音波トランスデューサを作動させて読み取るための装置の１つの好ましい例示的な実施形態のブロック図を示す。
【図２】超音波トランスデューサのグループを作動させて読み取るためのマルチプレクサユニットの１つの好ましい例示的な実施形態のブロック図である。
【図３ａ】増幅器段にわたる入力信号の概略図を示す。
【図３ｂ】増幅器段にわたる入力信号の概略図を示す。
【図３ｃ】増幅器段にわたる入力信号の概略図を示す。
【図３ｄ】関連する信号応答の概略図を示す。
【図４】高電圧増幅器の１つの好ましい例示的な実施形態の回路図を示す。
【図５】図４の高電圧増幅器を備える帰還回路の１つの好ましい例示的な実施形態の回路図を示す。
【図６】本発明による超音波コンピュータ断層撮影機の１つの好ましい例示的な実施形態の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図１は、超音波トランスデューサのグループを作動させて読み取るための本発明による装置１１０のブロック図を示し、図１は、図中で説明を簡潔にするために単一の超音波トランスデューサ１１２のみを示している。複数の超音波トランスデューサ１１２を作動させて読み取る１つの好ましい例示的な実施形態が図２に例示されており、これは、この目的のために構成されたマルチプレクサユニット１１４のブロック図を示している。
【００５３】
図１に例示される超音波トランスデューサ１１２のグループを作動させて読み取るための装置１１０は、電子コンポーネントを受けるように構成された共通基板１１６を有している。共通基板１１６は、第１の領域１１８と、そこから電気的に分離された第２の領域１２０とを有し、ここで第２の領域１２０からの第１の領域１１８の分離１２２が、ｎウェル（図示せず）によって有効にされる。ｎウェルによる２つの領域１１８、１２０の分離１２２によって、特に、第１の領域１１８で生じる高電圧から第２の領域１２０の低電圧コンポーネントを保護し、第１の領域１１８から第２の領域１２０への生じ得る障害の伝搬を可能な限り最大に抑制することが可能になる。第１の領域１１８が、外部のアナログ高電圧信号によって作動可能な高電圧素子を受けるための入力チャネル１２４として設計されている一方で、第２の領域１２０は、超音波測定信号を前増幅し、外部の制御および評価ユニットに転送するように設計された低電圧素子を受けるための出力チャネル１２６として構成されている。
【００５４】
高電圧素子を受けるように設計された入力チャネル１２４は、外部の高電圧送信機（図示せず）によって提供されたアナログ高電圧信号を受信し、それらを入力スイッチ１３０および高電圧増幅器１３２を介して超音波トランスデューサ１１２に渡すように構成された高電圧信号入力１２８を備えている。この場合、入力スイッチ１３０は、高電圧増幅器１３２への外部の高電圧アナログ信号の印加を有効にする（入力スイッチ１３０をオンにする）または止める（入力スイッチ１３０をオフにする）ために、オンまたはオフに設定することができる。図１に概略的に例示された高電圧増幅器１３２は、高電圧ＣＭＯＳ半導体コンポーネントの形態で構成された電子コンポーネントを有している。この場合、高電圧増幅器１３２は、図４で特に詳細に例示されている、少なくとも１つのアナログリニア帰還増幅器１３４を備えることができる。高電圧増幅器１３２は、簡潔な方法で、検査対象のオブジェクト、特に身体部分に生じる様々な減衰に対する各々の個々の超音波トランスデューサ１１２の作動の適応、好ましくはオブジェクトのサイズ、組成、および／または構造に対する適応を可能にする。高電圧増幅器１３２の１つの特に好ましい実施形態は、図４で見られ得る。
【００５５】
装置１１０の入力チャネル１２４はさらに、超音波トランスデューサ１１２の上述のグループを備え、その単一の超音波トランスデューサ１１２のみが図１に概略的に例示されている。この場合、超音波トランスデューサ１１２はまず、超音波送信機１３６として機能し、この特性では、送信段階中に超音波信号を生成するように構成されており、そこで入力スイッチ１３０はオンに設定され、また高電圧増幅器１３２は、その出力で強度＝ゼロとは異なる高電圧信号を提供する。超音波トランスデューサ１１２は、特に圧電コンポーネントとして具現化することができる。この場合、圧電コンポーネントは、通常は「ＰＺＴ」と略される、鉛、ジルコン酸塩、およびチタン酸塩の複合体を含むことができ、上記複合体は、好ましくは薄い薄板の形態で存在し、ここで薄い薄板は、共通基板の第１の領域１１８上に印加、特に接着結合され得、ワイヤボンディングによって接触が有効にされ得る。しかし、超音波送信機１３６の他のタイプの実施形態も可能である。超音波送信機１３６によって生成された超音波信号は、特に、検査対象のオブジェクト、特に身体部分、または好ましくは、超音波送信機１１２と検査対象のオブジェクトとの間で超音波信号を伝達し、伝送するための、検査対象のオブジェクトを濡らす伝達媒質に適用するために使用される。さらなる詳細については図６を参照されたい。
【００５６】
本発明の例示的な実施形態では、図１に概略的に例示された超音波トランスデューサ１１２は同時に、超音波信号を受信するための超音波受信機１３８としても機能する。しかし、概して、超音波送信機としてのみまたは超音波受信機としてのみ使用され得る超音波トランスデューサを使用することもできる。この場合、特に、超音波信号のより高い分解能、好ましくはより高い空間分解能を達成することを可能にするために、より多くの数の超音波受信機が提供され得る。その場合、可能な限り多くのスペースを節約する方法で装置１１０を具現化するために、超音波トランスデューサの一部は、超音波送信機と超音波受信機の両方として同時に機能することができるが、さらなる超音波トランスデューサは超音波受信機としてのみ使用することができる。しかし、さらなる実施形態も可能である。
【００５７】
この場合、超音波受信機１３８によって受信された超音波測定信号１４０から、まず、並列接続した調整可能な抵抗器１４４およびコンデンサ１４６を備えることができる調整可能なフィルタ１４２を使用することによって、低周波成分は、超音波測定信号１４０からフィルタ除去され得、測定信号１４８として装置１１０の入力チャネル１２４から出力チャネル１２６に転送される。この場合、特に、カットオフ周波数よりも低い周波数成分は、超音波測定信号１４０からフィルタ除去され得る。ここで「カットオフ周波数」は関連する超音波測定信号１４０の除去可能な調整可能な周波数を特定し、その周波数は、フィルタ１４２が、関連する超音波測定信号１４０の少なくとも１つの所定の値、たとえば半分（５０％）または１／ｅ（≒３６．８％）をフィルタ除去することができる周波数未満である。測定信号１４８は、図１に概略的に例示されるように、単純な導電性接続を使用することによって転送することができる。しかし、概して、図２に概略的に例示されるマルチプレクサユニット１１４は、本発明によるこの目的のために使用される。
【００５８】
低電圧素子を受けるように設計された出力チャネル１２６は、出力スイッチ１５０、少なくとも１つの低電圧前置増幅器１５２、および低電圧信号出力１５４を備えている。この場合、出力スイッチ１５０は、低電圧前置増幅器１５２への測定信号１４８の印加を有効にする（出力スイッチ１５０をオンにする）または止める（出力スイッチ１５０をオフにする）ために、オンまたはオフに設定することができる。したがって、出力スイッチ１５０は、少なくとも超音波送信機１３６の送信段階の間には、入力チャネル１２４によって提供された測定信号１４８のさらなる処理のための低電圧前置増幅器１５２への印加を止めるように構成されている。
【００５９】
この場合、低電圧前置増幅器１５２は、超音波信号の信号受信のために構成された少なくとも１つの低雑音前置増幅器を備え、ここで、そこで増幅された低電圧信号は、外部の制御および評価ユニットとの通信のために構成される低電圧信号出力１５４に供給される。この場合、好ましくは、増幅された低電圧信号は、たとえば、オブジェクト、特に身体部分の測定中に、画面上でリアルタイム画像の再構成を実施することを可能にするために、外部の制御および評価ユニットに転送することができる。
【００６０】
低電圧前置増幅器１５２は、従来のＣＭＯＳトランジスタとして低電圧で使用するように構成されているＣＭＯＳ半導体コンポーネント、特にトランジスタを有している。この目的のために、本発明の例示的な実施形態で使用される低電圧前置増幅器１５２は、フォールデッドカスコードおよび入力トランジスタを備える標準的な増幅器回路を有しており、ここで低電圧前置増幅器は好ましくはｎウェルに位置付けられる。利得を増加させるために、このタイプの２つの増幅器は直列に接続され得る（図示せず）。
【００６１】
既に述べたように、図２は、例として図示される実施形態として、３：１のマルチプレクサ１５６によって基板１１６の第１の領域１１８にそれぞれ配置された、少なくとも３つの入力チャネル１２４からのそれぞれ３つの測定信号１４８を組み合わせて、共通の測定信号を形成するように構成されたマルチプレクサユニット１１４のブロック図を示す。他のタイプのマルチプレクサ１５６、たとえば、２つの測定信号１４８を組み合わせて共通の測定信号を形成することができる２：１のマルチプレクサ、または４つの測定信号１４８を組み合わせて共通の測定信号を形成することができる４：１のマルチプレクサも同様に可能である。マルチプレクサ１５６の内部構造は、たとえばＤ．Ｆ．  Ｌｅｍｍｅｒｈｉｒｔから当業者に知られている（上記参照）。
【００６２】
本発明による装置を製造するために、好ましくは、ＡＭＳ社からの特別な高電圧ＣＭＯＳ技術を使用することが可能であり、これによって、標準化された低電圧ＣＭＯＳトランジスタ（３５μｍまたは１８μｍ）および高電圧ＣＭＯＳトランジスタを、単一の基板（チップ）上に同時に提供することができ、ここで少なくとも１００Ｖまで、好ましくは１２０Ｖまでの絶縁耐力を達成することができる。これとは対照的に、純粋な高電圧技術の使用は、少なくとも６０ｄＢの信号対雑音比および少なくとも１ＭＨｚの帯域幅を有している低雑音前置増幅器を達成することができないため、不利になるだろう。本明細書で提案される共通基板上の高電圧技術と低電圧技術との組み合わせによって、むしろ与えられる特定の要件下で三次元測定値を取得するための超音波コンピュータ断層撮影機を構築することが可能になる。
【００６３】
図３ａ〜３ｃは、時間領域ｔ［ｓ］における、高電圧増幅器１３２の３つの連続する増幅器段１５８、１６０、１６２にわたって例示される、広帯域入力信号の正規化された信号振幅Ｉ／Ｉ0を示している。図３ｄは、周波数領域ｆ［Ｈｚ］における信号振幅Ｉの形態での３つの増幅器段１５８、１６０、１６２にわたる高電圧増幅器１３２のそれぞれの信号応答を示している。これらの図から、広帯域信号がその帯域幅全体にわたって維持され、より高い周波数での振幅のわずかな減衰を除けば、周波数間の著しい急激な位相変化や位相シフトが発生せず、この特性が有利なことに、特に、いわゆるマッチトフィルタ法を使用して、とりわけ後の信号処理を可能にすることは明らかである。
【００６４】
図４は、超音波トランスデューサ１１２の作動に使用されるアナログリニア帰還増幅器１３４の１つの好ましい例示的な実施形態の概略回路図を示している。この場合、アナログリニア帰還増幅器１３４は、少なくとも３つのブロックＡ、Ｂ、Ｃを備えており、これらは以下で具体的に詳しく説明するとおりに構成されている。
【００６５】
ブロックＡは、２つの入力ＩｎＰおよびＩｎＮおよび２つの出力ＯｕｔＰおよびＯｕｔＮを有している差動増幅器１６４を備えている。この場合、２つの出力ＯｕｔＰおよびＯｕｔＮは、それぞれ出力電流ＩＯｕｔＰおよびＩＯｕｔＮを生成し、ここで以下の方程式（１）による出力電流の絶対値の差｜ＩＯｕｔＰ−ＩＯｕｔＮ｜は、２つの入力ＩｎＰとＩｎＮでの入力電圧ＵＩｎＰとＵＩｎＮとの差にそれぞれ比例している：
｜ＩＯｕｔＰ−ＩＯｕｔＮ｜〜｜ＵＩｎＰ−ＵＩｎＮ｜  （１）
【００６６】
出力電流ＩＯｕｔＰおよびＩＯｕｔＮそれぞれの方向に関して、出力ＯｕｔＰでの出力電流ＩＯｕｔＰがブロックＡに流れ込む一方で、出力ＯｕｔＮでの出力電流ＩＯｕｔＮがブロックＡから流れ出ることが留意されるべきである。
【００６７】
ブロックＡにおける差動増幅器１６４の出力ＯｕｔＰは第１のトランジスタＭ１に接続される一方で、ブロックＡにおける差動増幅器の出力ＯｕｔＮは第２のトランジスタＭ２に接続される。図４に例示するように、第１のトランジスタＭ１はｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳ）として具現化される一方で、第２のトランジスタＭ２はｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳ）として具現化される。この場合、トランジスタＭ１およびＭ２の各々は、出力ソースＳ、ドレインＤ、およびゲートＧを有している。この場合、第１のトランジスタＭ１のゲートＧは低電圧ＶＤＤに接続される一方で、第２のトランジスタのゲートＧは低電圧グランドＧＲＤに接続され、ここで低電圧ＶＤＤおよび低電圧グランドＧＲＤは同時に、ブロックＡにおける差動増幅器の電圧供給にも機能する。低電圧ＶＤＤの典型的な電圧は３．３Ｖであり得る一方で、低電圧グランドは０Ｖにされる。１Ｖから５Ｖの低電圧ＶＤＤの他の値も同様に可能である。
【００６８】
図４に例示される実施形態は、特に、ＮＭＯＳとして存在する第１のトランジスタＭ１が、ドレインＤと他の出力との間に正の符号を有する高電圧を維持するように構成されるという結果をもたらし、ここで高電圧は６０Ｖまでの値を想定し得る。同様に、ＰＭＯＳとして存在する第２のトランジスタＭ２は、ドレインＤと他の出力との間に負の符号を有する高電圧を維持するように構成され、ここで高電圧は−６０Ｖまでの値を想定し得る。このタイプのドレインＤはまた、２つの場合の各々において「高電圧ドレイン」として示され得る。
【００６９】
第１のトランジスタＭ１のドレインＤはさらなるブロックＢに接続される。この場合、ブロックＢは、入力Ｉｎ、出力Ｏｕｔ、および電圧供給のための接続Ｓｕｐを有している。この場合、入力Ｉｎから流れ出る電流ＩＩｎＢは、出力Ｏｕｔから流れ出る電流ＩＯｕｔＢにほぼ対応している。この特性によって、ブロックＢは「電流ミラー」とも呼ばれ得る。この場合、電圧供給のための接続ＳｕｐはバスバーＶＨｉｇｈに接続される。この場合の典型的な電位は６０Ｖであり得る。ブロックＢは、電圧供給のための接続Ｓｕｐと出力Ｏｕｔとの間の高電圧を維持するように構成されている。したがって、ブロックＢでは、ブロックＢが損傷を受けることなく１２０Ｖまでの電圧が存在し得る。既に述べたように、この場合、入力Ｉｎから流れ出る電流ＩＩｎＢは、出力Ｏｕｔから流れ出る電流ＩＯｕｔＢにほぼ対応し得るが、これは、電圧供給のための接続Ｓｕｐと出力Ｏｕｔとの間に存在する電位がおよそ５００ｍＶの値を超えることを前提としており、一方で、この値より低い電位については、出力Ｏｕｔから流れ出る電流ＩＯｕｔＢが、入力Ｉｎから流れ出る電流ＩＩｎＢよりも少ない。それ故、後者の場合、これはブロックＢの「飽和」と呼ばれる。
【００７０】
第２のトランジスタＭ２のドレインＤはブロックＣに接続されている。さらなるブロックＣも電流ミラーとして構成されている。この特性によって、入力Ｉｎに流れ込む電流ＩＩｎＣは、出力Ｏｕｔに流れ込む電流ＩＯｕｔＣにほぼ対応している。この場合、電圧供給のための接続ＳｕｐはバスバーＶＬｏｗに接続される。この場合、典型的な電位は−６０Ｖであり得る。ブロックＣは、電圧供給のための接続Ｓｕｐと出力Ｏｕｔとの間の高電圧を維持するように構成されている。したがって、ブロックＣにも、ブロックＣが損傷を受けることなく１２０Ｖまでの電圧が存在し得る。ここでも、入力Ｉｎに流れ込む電流ＩＩｎＣは出力Ｏｕｔに流れ込む電流ＩＯｕｔＣにほぼ対応し得るが、これは、電圧供給のための接続Ｓｕｐと出力Ｏｕｔとの間に存在する電位がおよそ５００ｍＶの値を超えることを前提としており、一方で、この値より低い電位については、ブロックＣが飽和しており、それにより出力Ｏｕｔに流れ込む電流ＩＯｕｔＣが入力Ｉｎに流れ込む電流ＩＩｎＣよりも少なくなる。
【００７１】
ブロックＢの出力Ｏｕｔ１は第３のトランジスタＭ３に接続され、ブロックＣの出力Ｏｕｔ２は第４のトランジスタＭ４に接続される。この場合、第３のトランジスタＭ３はｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳ）として具現化され、第４のトランジスタＭ４はｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳ）として具現化される。この場合も、トランジスタＭ３およびＭ４の各々は、図４に従って相互接続されている、出力ソースＳ、ドレインＤ、ゲートＧを備えている。トランジスタＭ３およびＭ４は、それぞれソース出力Ｓで直列に接続されている。
【００７２】
図４で説明および例示されているように、ブロックＢとＣおよびトランジスタＭ３とＭ４の相互接続によって、結果として平衡ＤＣ電流ＩＯｕｔＢおよびＩＯｕｔＣの大きさが等しくなる。一方、電流ＩＩｎＢおよびＩＩｎＣは、ブロックＡの出力ＯｕｔＮおよびＯｕｔＰに存在する出力電流ＩＰＯｕｔＮおよびＩＯｕｔＰに対応しており、ここで出力電流ＩＰＯｕｔＮとＩＯｕｔＰの差は、ブロックＡの入力ＩｎＮとＩｎＰでの電圧差｜ＵＩｎＰ−ＵＩｎＮ｜に比例している。結果として、ブロックＡに存在する電圧差｜ＵＩｎＰ−ＵＩｎＮ｜が小さい場合、ブロックＢまたはブロックＣのいずれかが飽和される一方で、ブロックＡに存在するこれに関連する電圧差｜ＵＩｎＰ−ＵＩｎＮ｜がより高い場合、ブロックＢの出力Ｏｕｔ１およびブロックＣのＯｕｔ２の各々に高電圧利得が存在する。
【００７３】
さらに、ブロックＢの出力Ｏｕｔ１はトランジスタＭ５のゲートＧに接続される一方で、ブロックＣの出力Ｏｕｔ２はトランジスタＭ６のゲートＧに接続される。この場合、トランジスタＭ５はトランジスタＭ３と同じタイプである。トランジスタＭ５の幅は、トランジスタＭ３の幅に対応するか、またはトランジスタＭ３の幅より係数ｍ１だけ大きいが、トランジスタＭ３およびＭ５の長さは同一である。同様に、トランジスタＭ６はトランジスタＭ４と同じタイプであり、ここでトランジスタＭ６の幅はトランジスタＭ４の幅に対応するか、または係数ｍ２だけ大きいが、２つのトランジスタＭ４およびＭ６の長さは同様に同じである。さらに、２つの係数ｍ１＝ｍ２＝ｍで同一である。
【００７４】
トランジスタＭ５およびＭ６は同様に高電圧ドレインを有し、それによって、ドレインＤと他の出力との間の高電圧を各々維持することができる。この場合、トランジスタＭ５のドレインＤに存在する電位は、他のトランジスタ出力の電位に対して＋１２０Ｖまでの値を取ることができる一方で、トランジスタＭ６のドレインＤに存在する電位は、他のトランジスタ出力の電位に対して−１２０Ｖまでの値を取ることができ、いずれの場合も関連するトランジスタが損傷されることはない。
【００７５】
トランジスタＭ３、Ｍ４、Ｍ５、およびＭ６を備える、図４に例示された回路のサブ回路は、係数ｍを乗算して、トランジスタＭ５およびＭ６を流れている電流がトランジスタＭ３およびＭ４を流れる電流に対応するように使用することができる。出力Ｏｕｔに負荷が存在しない場合、以下の方程式（２）に従って、出力Ｏｕｔでの電位ＵＯｕｔは、トランジスタＭ３とＭ４との間の接続における出力ＯｕｔＭｉｄでの電位ＵＯｕｔＭｉｄにほぼ対応する。したがって、出力Ｏｕｔに存在する電位については、以下の方程式（２）が当てはまる：
ＵＯｕｔ＝ＵＯｕｔＭｉｄ＋1/2（ＵＯｕｔ１＋ＵＯｕｔ２）  （２）
【００７６】
その結果、ブロックＡに存在する電圧差｜ＵＩｎＰ−ＵＩｎＮ｜に関して出力Ｏｕｔの間に高電圧利得がある。この場合、トランジスタＭ５およびＭ６は、図４に従って回路における高電圧利得を大幅に低減させることなく、低抵抗または高静電容量を出力Ｏｕｔに接続することができることを確かなものとする。この特性はトランジスタＭ５およびＭ６のソースＳの接続に基づいている。出力Ｏｕｔに存在する電位ＵＯｕｔが出力Ｏｕｔ１に存在する電位ＵＯｕｔ１の上昇に追従する必要がある場合、トランジスタＭ５のゲートＧとソースＳとの間の電圧は、トランジスタＭ５がより高い電流を生成するように増加する。この増加した電流は、通常、出力Ｏｕｔで電位ＵＯｕｔの変化をもたらし、それ故、元の上昇を妨げる。
【００７７】
図４に概略的に例示された回路は、好ましくは、高電圧増幅器１３２としての使用に、特に圧電超音波トランスデューサ１１２を作動させるのに適している。図５に示すように、この目的のために、電圧増幅器は負帰還回路１６６を備えることができる。この場合、高電圧増幅器１３２の出力Ｏｕｔでの信号振幅は、電圧増幅器の入力ＩｎＮでの信号振幅に対応し、それぞれ抵抗ＲｆｂおよびＲｆＩｎの比率Ｒｆｂ／ＲｆＩｎで乗算される。この場合、静電容量Ｃｆｂは、負帰還回路１６６の安定性を高めるように機能することができる。この目的のために、図５に例示するように、静電容量Ｃｆｂを電圧増幅器の出力Ｏｕｔ１に接続することに特に利点があり得る。
【００７８】
図６は、国際公開第２００２／０３０２８８号から知られている超音波コンピュータ断層撮影機２００を概略的に示し、超音波コンピュータ断層撮影機２００は、特に乳癌の早期発見のための超音波に基づく撮像方法に使用可能である。超音波コンピュータ断層撮影機２００は上向きに開いた容器２０２を備え、そこに検査対象の身体部分、ここでは患者の寝台２０８上に位置付けられた患者２０６の乳房２０４が挿入される。国際公開第２００２／０３０２８８号の図とは対照的に、ここでの上向きに開いた容器２０２は、好ましくは、検査対象の身体部分としての乳房２０４へのより好適な空間的適合を可能にするために部分球体の形態で構成される。
【００７９】
図６に概略的に例示される超音波コンピュータ断層撮影機２００はさらに、超音波トランスデューサ１１２のグループを備え、超音波トランスデューサ１１２は、上向きに開いた容器２０２の壁の全領域にわたって可能な限り均一に分布されるように、それぞれ上向きに開いた容器２０２の壁に固定されて配置されており、各々が、壁の領域から上向きに開いた容器２０２の内部にほぼ垂直に配向された主放射方向を有している。上向きに開いた容器２０２に伝達媒質２１０を導入することができ、この伝達媒質２１０は検査対象の身体部分を濡らし、特に超音波トランスデューサ１１２と検査対象の身体部分との間の超音波信号のより好適な伝達および伝送のために機能することができる。この場合、超音波トランスデューサ１１２のグループは、特に図１および２に従って装置１１０を使用することによって作動されて読み取られ、ここで高電圧増幅器１３２は、好ましくは図４および５に従って構成され得る。
【００８０】
本明細書で例示される超音波コンピュータ断層撮影機２００はさらに、好ましくは、メインメモリを有することができ、好ましくは同軸線２１４によって装置１１０と相互接続することができる、コンピュータ支援の制御および評価ユニット２１２を備える。代替的にもしくは追加的に、他のタイプの線、または、装置１１０へのおよび／または装置１１０からのデータの無線送信も同様に可能である。この場合、相互接続は、任意数の超音波トランスデューサ１１２を超音波送信機１３６および／または超音波受信機１３８として選択することができ、超音波送信機１３６によって放出された超音波信号が伝達媒質２１０を介して検査対象の身体部分に印加される一方で、電気信号として超音波受信機１３８によって並行して受信された超音波測定信号が、増幅、フィルタリング、およびデジタル化され、データとして制御および評価ユニット２１２のメインメモリに保存されるように具現化される。特に国際公開第２００２／０３０２８８号、欧州特許出願公開第２０５６１２４号明細書、国際公開第２０１１／１２４３７９号、および国際公開第２０１２／１１０２２８号で説明されるように、これらのデータを評価し、検査対象の身体部位の再構成に使用することができる。しかし、他の評価および再構成の方法も同様に使用することができる。このようにして再構成されたリアルタイム画像は、特に医療目的のための測定中に、特に画面上の出力ユニット２１６において表示することができる。しかし、他の種類の表示も可能である。
【００８１】
特に好ましい超音波コンピュータ断層撮影機は、トランスデューサアレイシステム（ＴＡＳ）と呼ぶこともできる、本発明による１５７の装置を備えることができ、ここで装置の各々は４つの超音波送信機および９つの超音波受信機を有することができる。したがって、超音波コンピュータ断層撮影機は、合計６２８の超音波送信機および１４１３の超音波受信機を有することができ、これらは部分球体にできるだけ均一に分散させることができる。この場合、装置の各々は、特に３：１のマルチプレクサを有しているマルチプレクサユニットを有することができ、その結果、合計４７１の測定信号が装置の低電圧信号出力に存在し、これらは、そのために構成された４８０の平行チャネルによって処理することができる。さらに、開口の４６の様々な移動を使用して、２８８８８の仮想超音波送信機および６４９９８の仮想超音波受信機を提供することができる。
【００８２】
本明細書では、それぞれ０．９ｍｍ×０．９ｍｍの面積を有しているアレイの形態で２×２の超音波トランスデューサを使用することが可能であり、ここで各超音波トランスデューサは０．４ｍｍ×０．４ｍｍの個々の面積を有することができる。この場合、高電圧増幅器によって提供された最大励起電圧は８０Ｖであり得る。この装置は、およそ２．７ＭＨｚの共振周波数および約１．５ＭＨｚの帯域幅の場合、およそ３８°の超音波放射のための開口角を可能にし、その結果、超音波トランスデューサから１２ｃｍの距離でおよそ６ｋＰａの音圧を達成することが可能である。しかし、本発明の超音波コンピュータ断層撮影機の他のタイプの構成も可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１１０  装置
１１２  超音波トランスデューサ
１１４  マルチプレクサユニット
１１６  基板
１１８  第１の領域
１２０  第２の領域
１２２  分離
１２４  入力チャネル
１２６  出力チャネル
１２８  高電圧信号入力
１３０  入力スイッチ
１３２  高電圧増幅器
１３４  アナログリニア帰還増幅器
１３６  超音波送信機
１３８  超音波受信機
１４０  超音波測定信号
１４２  調整可能なフィルタ
１４４  調整可能な抵抗器
１４６  コンデンサ
１４８  測定信号
１５０  出力スイッチ
１５２  低電圧前置増幅器
１５４  低電圧信号出力
１５６  マルチプレクサ
１５８  第１の増幅器段
１６０  第２の増幅器段
１６２  第３の増幅器段
１６４  差動増幅器
１６６  負帰還回路
２００  超音波コンピュータ断層撮影機
２０２  容器
２０４  乳房
２０６  患者
２０８  患者の寝台
２１０  伝達媒質
２１２  制御および評価ユニット
２１４  同軸線
２１６  出力ユニット
【図１】
2020534940.tif 000003
【図２】
2020534940.tif 000004
【図３ａ】
2020534940.tif 000005
【図３ｂ】
2020534940.tif 000006
【図３ｃ】
2020534940.tif 000007
【図３ｄ】
2020534940.tif 000008
【図４】
2020534940.tif 000009
【図５】
2020534940.tif 000010
【図６】
2020534940.tif 000011
【国際調査報告】
2020534940.tif 000012
2020534940.tif 000013
2020534940.tif 000014
2020534940.tif 000015
2020534940.tif 000016