特許 7427027 容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-25

(45)【発行日】2024-02-02

(54)【発明の名称】容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）デバイス

(51)【国際特許分類】

   A61B 8/00 20060101AFI20240126BHJP

   H04R 19/00 20060101ALI20240126BHJP

   H04R 1/40 20060101ALI20240126BHJP

【ＦＩ】

A61B8/00

H04R19/00 330

H04R1/40 330

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2021564446

(86)(22)【出願日】2020-04-28

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-06-29

(86)【国際出願番号】 EP2020061742

(87)【国際公開番号】W WO2020221733

(87)【国際公開日】2020-11-05

【審査請求日】2023-03-01

(31)【優先権主張番号】19171719.8

(32)【優先日】2019-04-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】590000248

【氏名又は名称】コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ

【氏名又は名称原語表記】Ｋｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ．

【住所又は居所原語表記】Ｈｉｇｈ Ｔｅｃｈ Ｃａｍｐｕｓ ５２， ５６５６ ＡＧ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ

(74)【代理人】

【識別番号】110001690

【氏名又は名称】弁理士法人Ｍ＆Ｓパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】ファン レンズ アントニア コルネリア

【審査官】蔵田 真彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－１５７３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５０８３１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０３００４５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ８／００－８／１５

Ｈ０４Ｒ １９／００

Ｈ０４Ｒ １／４０

(57)【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のセットであって、各超音波トランスデューサデバイスは、第１及び第２の端子を各々が有する１つ又は複数の容量性微細加工超音波トランスデューサセルを備える、超音波トランスデューサデバイスのセットと、
前記超音波トランスデューサデバイスのセットを動作させるための駆動回路であって、前記駆動回路は、前記超音波トランスデューサデバイスのセットのうちの少なくとも１つに関連付けられた駆動回路ポートにおいてＡＣ駆動信号を送達するとともに反射された信号を受信し、前記駆動回路はＡＳＩＣを備える、駆動回路と、
前記駆動回路と前記超音波トランスデューサデバイスのセットとの間にある中間回路であって、前記中間回路は、結合回路のアレイを備え、各結合回路は、前記駆動回路ポートと、前記超音波トランスデューサデバイスのセットのうちの関連付けられた前記少なくとも１つとを結合し、各結合回路は、バイアス電圧端子と前記第１の端子との間に接続されたバッファ要素と、前記第１の端子と前記駆動回路ポートとの間に直列に接続されたキャパシタとを備え、前記中間回路は受動集積技術回路を備える、中間回路と、を備え、
各駆動回路ポートは、各結合回路を介して単一の超音波トランスデューサデバイスに接続する、超音波システム。

【請求項2】

前記バッファ要素は、レジスタを備える、請求項１に記載の超音波システム。

【請求項3】

前記第２の端子は全て一緒に接続され、前記駆動回路ポートは単一の駆動回路端子を備える、請求項１に記載の超音波システム。

【請求項4】

前記駆動回路は、前記単一の駆動回路端子に接続された送信器と受信器とを備える、請求項３に記載の超音波システム。

【請求項5】

前記駆動回路ポートは、第１及び第２の駆動回路端子を備え、前記駆動回路は、前記第１及び第２の駆動回路端子に接続された差動送信器と、前記第１及び第２の駆動回路端子に接続された差動受信器とを備える、請求項１に記載の超音波システム。

【請求項6】

前記駆動回路ポートは、第１及び第２の駆動回路端子を備え、前記駆動回路は、前記第１の駆動回路端子に接続された送信器と、前記第２の駆動回路端子に接続された受信器とを備える、請求項１に記載の超音波システム。

【請求項7】

前記超音波トランスデューサデバイスのセットは、トランスデューサデバイスの１Ｄアレイである、請求項１に記載の超音波システム。

【請求項8】

前記中間回路は、前記超音波トランスデューサデバイスのセットに物理的に近接して位置する、請求項１に記載の超音波システム。

【請求項9】

前記超音波トランスデューサデバイスのセットの各々は、崩壊モードにおいて動作する容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）セルを備える、請求項１に記載の超音波システム。

【請求項10】

前記超音波トランスデューサデバイスのセットの各々は、容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）セルを備え、各ＣＭＵＴセルは、
基板と、
前記ＣＭＵＴセルの中央軸の周りに形成された前記基板に接続された第１の電極と、
前記第１の電極から少なくとも部分的に空間的に離間される、可撓性メンブレンと、
前記可撓性メンブレンに接続された第２の電極であって、前記第２の電極は前記第１の電極と同心である、第２の電極と
を備える、請求項１に記載の超音波システム。

【請求項11】

超音波トランスデューサデバイスの行及び列のアレイを備える超音波トランスデューサデバイスのセットであって、前記超音波トランスデューサデバイスのセットの各々は、第１及び第２の端子を各々が有する１つ又は複数の容量性微細加工超音波トランスデューサセルを備える、超音波トランスデューサデバイスのセットと、
前記超音波トランスデューサデバイスのセットを動作させるための第１の駆動回路であって、前記第１の駆動回路は、前記超音波トランスデューサデバイスのセットのうちの少なくとも１つに関連付けられた第１の駆動回路ポートにおいてＡＣ駆動信号を送達するとともに反射された信号を受信し、前記第１の駆動回路はＡＳＩＣを備える、第１の駆動回路と、
前記第１の駆動回路と前記超音波トランスデューサデバイスのセットとの間にある第１の中間回路であって、前記第１の中間回路は、結合回路のアレイを備え、各結合回路は、前記第１の駆動回路ポートと、前記超音波トランスデューサデバイスのセットのうちの関連付けられた前記少なくとも１つとを結合し、バイアス電圧端子と前記第１の端子との間に接続された第１のバッファ要素と、前記第１の端子と前記第１の駆動回路ポートとの間に直列に接続されたキャパシタとを備え、前記第１の中間回路は、受動集積技術回路を備え、前記第１の駆動回路の各駆動回路ポートは、前記第１の中間回路を通じて超音波トランスデューサデバイスの行の前記第１の端子に接続する、第１の中間回路と、
前記超音波トランスデューサデバイスのセットのうちの少なくとも１つに関連付けられた第２の駆動回路ポートにおいてＡＣ駆動信号を送達するとともに反射された信号を受信する第２の駆動回路であって、前記第２の駆動回路はＡＳＩＣを備える、第２の駆動回路と、
前記第２の駆動回路と前記超音波トランスデューサデバイスのセットとの間にある第２の中間回路であって、前記第２の中間回路は、結合回路のアレイを備え、各結合回路は、前記第２の駆動回路ポートと、関連付けられた前記超音波トランスデューサデバイスのセットのうちの前記少なくとも１つとの間にあり、バイアス電圧端子と前記第２の端子との間に接続された第２のバッファ要素と、前記第２の端子と前記第２の駆動回路ポートとの間に直列に接続されたキャパシタとを備える、第２の中間回路と
を備え、
前記第２の駆動回路の各駆動回路ポートは、前記第２の中間回路を通じて超音波トランスデューサデバイスの列の前記第２の端子に接続し、前記第２の中間回路は、受動集積技術回路を備える、超音波システム。

【請求項12】

前記第２の中間回路の各結合回路の前記第２のバッファ要素も、レジスタを備える、請求項１１に記載の超音波システム。

【請求項13】

前記第１及び第２のバッファ要素の各々は、レジスタを備える、請求項１１に記載の超音波システム。

【請求項14】

前記第２の端子は全て一緒に接続され、前記第１及び第２の駆動回路ポートは各々、単一の駆動回路端子を備える、請求項１１に記載の超音波システム。

【請求項15】

前記第１の駆動回路は、前記単一の駆動回路端子に接続された送信器と受信器とを備える、請求項１４に記載の超音波システム。

【請求項16】

前記第１の駆動回路は、第１及び第２の駆動回路端子を備え、前記第１の駆動回路は、前記第１及び第２の駆動回路端子に接続された差動送信器と、前記第１及び第２の駆動回路端子に接続された差動受信器とを備える、請求項１１に記載の超音波システム。

【請求項17】

前記第１の駆動回路は、第１及び第２の駆動回路端子を備え、前記第１の駆動回路は、前記第１の駆動回路端子に接続された送信器と、前記第２の駆動回路端子に接続された受信器とを備える、請求項１１に記載の超音波システム。

【請求項18】

前記超音波トランスデューサデバイスのセットは、トランスデューサデバイスの１Ｄアレイであり、各駆動回路ポートは、単一の超音波トランスデューサデバイスに接続する、請求項１１に記載の超音波システム。

【請求項19】

前記第１及び第２の中間回路は、前記超音波トランスデューサデバイスのセットに物理的に近接して位置する、請求項１１に記載の超音波システム。

【請求項20】

前記超音波トランスデューサデバイスのセットの各々は、崩壊モードにおいて動作する容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）セルを備える、請求項１１に記載の超音波システム。

【請求項21】

前記超音波トランスデューサデバイスのセットの各々は、容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）セルを備え、各ＣＭＵＴセルは、
基板と、
前記ＣＭＵＴセルの中央軸の周りに形成された前記基板に接続された第１の電極と、
前記第１の電極から少なくとも部分的に空間的に離間される、可撓性メンブレンと、
前記可撓性メンブレンに接続された第２の電極であって、前記第２の電極は前記第１の電極と同心である、第２の電極と
を備える、請求項１１に記載の超音波システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば医療診断超音波撮像のための、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】

医療用撮像のために使用される超音波トランスデューサは、高品質の診断用画像を生むことにつながる多くの特性を有する。

【0003】

従来、圧電性材料が超音波トランスデューサのために使用されてきた。例としては、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）材料があり、選択される材料としてＰＺＴがとりわけ一般的である。単結晶の圧電性材料は、高性能のトランスデューサのための高い圧電性及び電気機械的結合定数を達成するために使用される。

【0004】

近年の開発は、医療用超音波トランスデューサは半導体プロセスによってバッチ製造され得るという見通しにつながっている。望ましくは、これらのプロセスは、ＣＭＯＳプロセスなど、特に３Ｄ超音波に関して超音波プローブによって必要とされる特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の生産に使用されるものと同一のものであるべきである。これらの開発は、微細加工超音波トランスデューサすなわちＭＵＴを生み出した。ＭＵＴトランスデューサは、電極を有する微小なダイアフラム状のデバイスであり、受信された超音波信号の音響振動を変調信号に変換する。

【0005】

２つのこのようなトランスデューサのタイプとして、圧電性微細加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）と呼ばれる、メンブレンの上の圧電性材料を利用するものと、容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）と呼ばれる、導電メンブレンと別の電極との間の容量効果を利用するものとがある。

【0006】

特には、ＣＭＵＴトランスデューサは、広範な帯域幅にわたって機能可能であり、高解像度及び高感度の撮像を可能とし、超音波周波数において大きな被写界深度の音響信号が受信され得るように大きな圧力出力を生む。

【0007】

送信のために、デバイスのダイアフラムを振動／運動させ、それによって超音波を送信するために、電極に印加された容量電荷が変調される。これらのダイアフラムは半導体プロセスによって製造されるので、デバイスは、概して、１０～５００マイクロメートルの範囲の寸法を有し得、ダイアフラムの寸法は、例えば、ダイアフラムの所望の共鳴周波数（範囲）にダイアフラムの寸法が合致し、個々のダイアフラムの間に数マイクロメートル未満の空間を有するように選択される。多くのこのような個々のＣＭＵＴセルが一緒に接続され得、単一のトランスデューサ要素として調和して動作し得る。例えば、４つから１６個のＣＭＵＴセルが一緒に結合されて単一のトランスデューサ要素として調和して機能し得る。例として、典型的な２Ｄトランスデューサアレイは、２０００個から１００００個のＣＭＵＴトランスデューサ要素又はセルを有し得る。

【0008】

これらのセルは非常に小さいので、各ＭＵＴセルは小量の音響エネルギーしか生まず、又は少量の音響エネルギーに反応する。ＭＵＴデバイスの音響効率を増加させるために２つの手法が一般的に使用される。

【0009】

１つは、ＤＣバイアス電圧によってセルをバイアスすることであり、ＣＭＵＴの場合、これは、振動するメンブレンを対向する電極に極めて近接させ、デバイスの感度を増加させる。これは、動作の崩壊モードと呼ばれる。このようにして、ＣＭＵＴセルによって生み出される音響パワー（出力圧力）が最適化される。セルには、設定周波数を有する刺激信号が提供され、これは設定周波数においてダイアフラム又は可撓性メンブレンを共鳴させる。メンブレンが崩壊するＤＣ電圧は崩壊電圧Ｖ_Ｃと呼ばれる。ＤＣバイアス電圧は、典型的には、全てのセルへの共通信号である。

【0010】

別の手法は、互いに非常に接近したセルのアレイを形成して、基板上でのセルの密度を最大化し、単一のトランスデューサ要素として調和して動作する多数のセルを提供することである。セルを高密度で作成することは、それらのグレーティングローブ特性も向上させ、結果的な超音波画像におけるクラッタを減少させる。

【0011】

こうして、トランスデューサアレイ又は個々の要素でさえもが、ＤＣバイアス電圧によってバイアスされる数百個から数千個の個別のＭＵＴセルを備え得る。上述されたように、このようなアーキテクチャは数多くの性能面での利点を有するが、単一のＭＵＴセルの欠陥が膨大な数のセルを動作不能にしてしまうという問題も生じる。高ＤＣバイアス電圧による対向する電極へのメンブレンの崩壊によって、１つのセルに欠陥が起こることがある。これは、欠陥の生じたセルを短絡させるだけでなく、共通してバイアスされる数百個から数千個の他のセルも全て短絡させる。１つのセルの欠陥は、それ自体では感知できるほどの影響をトランスデューサプローブの性能に及ぼさないが、多数の他のセルの短絡は、全体的なトランスデューサプローブを動作不能にしてしまうことがある。

【0012】

この問題を防止するための１つの手法が、米国特許第７，２９３，４６２号（Ｌｅｅら）において説明されている。Ｌｅｅらの手法は、相互接続されたＭＵＴセルの行又は列の端部に、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とである。これは、トランスデューサの動作からセルの行又は列を除去し、トランスデューサにおける他のセルが機能を維持することを可能とする。

【0013】

しかしながら、この手法にはいくつかの欠点がある。１つは、相互接続されたセルの各行又は列は別個にバイアスされなければならず、プローブにおけるセルの全てにバイアス電圧を提供する複雑さを増加させてしまうことである。別の欠点は、ヒューズがＭＵＴ基板上で比較的大きな面積を占有してしまい、ＭＵＴセルが使用できる基板上の面積を減少させ、従って、トランスデューサの感度を低下させることである。更に別の欠点は、複数のセルが、つまり欠陥の生じたセルと同様にそれが接続された他のセルも、プローブにおける動作から除去されることであり、これも超音波プローブの性能を低下させる。

【0014】

ＷＯ２０１５／０８６４１３は、一体化されたＲＣフィルタ回路を有するＣＭＵＴセルを開示している。米国特許出願第２０１８／１６４４１８号は、バイアスティ回路に各々が関連付けられた超音波トランスデューサの２Ｄアレイを開示している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

欠陥の生じたセルが存在するときであっても、他の完全に機能するセルの動作を維持可能とすることによって、システムの動作を維持できることが望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明は特許請求の範囲によって定められる。

【0017】

本発明の態様に従った実施例によると、超音波システムが提供され、超音波システムは、
超音波トランスデューサデバイスのセットであって、各超音波トランスデューサデバイスは、第１及び第２の端子を各々が有する１つ又は複数の容量性微細加工超音波トランスデューサセルを備える、超音波トランスデューサデバイスのセットと；
超音波トランスデューサデバイスを動作させ、超音波トランスデューサデバイスのうちの少なくとも１つに関連付けられた駆動回路ポートにおいてＡＣ駆動信号を送達するとともに反射された信号を受信するための駆動回路であって、駆動回路はＡＳＩＣを備える、駆動回路と；
駆動回路と超音波トランスデューサデバイスのセットとの間にある中間回路であって、中間回路は、結合回路のアレイを備え、各結合回路は、駆動回路ポートと関連付けられた少なくとも１つの超音波トランスデューサデバイスとの間にあり、バイアス電圧端子と第１の端子との間に接続されたバッファ要素と、第１の端子と駆動回路ポートとの間に直列に接続されたキャパシタとを備え、中間回路は、例えば、受動集積技術回路を備える、中間回路と
を備える。

【0018】

このシステムは、追加的なシステムコンポーネント、すなわち中間回路を使用し、これは、ＣＭＵＴトランスデューサ要素のセットと駆動／感知電子機器との間の接続リンクとして働く。バッファ要素は、ＣＭＵＴセルドラム短絡の場合に、ＣＭＵＴセルのバイアスノード（ここからＤＣバイアス電圧がＣＭＵＴセルに供給される）と対向電極との間の低インピーダンス短絡を防止する。このようにして、個々のセルの欠陥が全体的なＣＭＵＴアレイの故障を引き起こすことも、駆動電子機器の故障を引き起こすこともない。バイアス電圧端子は、例えば、共通のバイアス電圧供給装置に全て一緒に接続される。

【0019】

第１の端子に直列なキャパシタとは、中間回路が、ＣＭＵＴセルの間のクロストークの低減を可能とすることを意味する。このようなクロストークは、例えば、ＣＭＵＴバイアス電圧の安定化のために共通のキャパシタが使用されているときに起こる可能性がある。直列キャパシタのセットを設けることによって、単一の共通のキャパシタは、回路アレイにおける多くの、より小さなキャパシタによって置き換えられる。

【0020】

受動集積技術回路としての中間回路の実施態様、すなわち、受動集積されたデバイス技術を使用した実施態様とは、中間回路の生産が最適化され、高い性能を有する数百個のコンパクトな受動コンポーネントの実現のために受動集積技術が最適化されることを意味する。

【0021】

中間回路は、以下において更に議論されるように、ＣＭＵＴアレイを駆動及び感知する新たなやり方も可能とする。

【0022】

バッファ要素は、例えば、レジスタを備える。故に、これはバイアス電圧に実インピーダンスを提供する。

【0023】

レジスタ－キャパシタのペアは、Ｔネットワークを定め、故に、中間回路はこのようなバイアスＴネットワークのアレイを備える。

【0024】

実施例の１つのセットにおいて、第２の端子は全て一緒に接続され、駆動回路ポートは単一の駆動回路端子を備える。このことは、単純な接続スキームを提供し、ただ１つのＣＭＵＴセル端子だけが駆動回路への接続を必要とする。故に、駆動回路は単一の駆動回路端子に接続される送信器及び受信器を備える。

【0025】

実施例の別のセットにおいて、駆動回路ポートは第１及び第２の駆動回路端子を備える。このことは、第１及び第２のデバイス端子への別個の接続を可能とする。

【0026】

２つの駆動回路端子を有する１つの実施例において、駆動回路は、第１及び第２の駆動回路端子に接続された差動送信器と第１及び第２の駆動回路端子に接続された差動受信器とを備える。このことは、差動的な実施態様を提供する。中間回路によって達成されるバイアス電圧の分離は、差動的な実施態様のより単純な実現を可能とする。差動駆動は、例えば、駆動パルスが供給電圧の２倍の振幅を有し得るという利点を有する。

【0027】

２つの駆動回路端子を有する別の実施例において、駆動回路は、第１の駆動回路端子に接続された送信器と、第２の駆動回路端子に接続された受信器とを備える。このことは、別々の駆動及び受信電子機器を可能とする。バイアス電圧の分離は、送信器及び受信器が同一のグランドリファレンスを有することを可能とする。また、このことは、送信－受信スイッチの必要性を回避することも可能とする。

【0028】

上記の全ての実施例において、超音波トランスデューサデバイスのセットはトランスデューサデバイスの１Ｄアレイであり、各駆動回路ポート（単一の端子又は２つの端子であるかに関わらず）は、単一の超音波トランスデューサデバイスに接続する。

【0029】

しかしながら、実施例の別のセットは、トランスデューサデバイスの２Ｄアレイを利用する。故に、超音波トランスデューサデバイスのセットは、トランスデューサデバイスの行及び列のアレイである。

【0030】

そのため、駆動回路は第１の駆動回路であり、中間回路は第１の中間回路であり、第１の駆動回路の各駆動回路ポートは、第１の中間回路を通じて超音波トランスデューサデバイスの行の第１の端子に接続する。

【0031】

そのため、デバイスは、
超音波トランスデューサデバイスのうちの少なくとも１つに関連付けられた第２の駆動回路ポートにおいてＡＣ駆動信号を送達するとともに反射された信号を受信するための第２の駆動回路（３３０）であって、駆動回路はＡＳＩＣである、第２の駆動回路（３３０）と；
第２の駆動回路と超音波トランスデューサデバイスのセットとの間にある第２の中間回路（３３２）であって、第２の中間回路は、結合回路のアレイを備え、各結合回路は、第２の駆動回路ポートと関連付けられた少なくとも１つの超音波トランスデューサデバイスとの間にあり、バイアス電圧端子と第２の端子との間に接続されたバッファ要素と、第２の端子と第２の駆動回路ポートとの間に直列に接続されたキャパシタとを備え、第２の中間回路は受動集積技術回路を備える、中間回路（３３２）と
を更に備える。

【0032】

第２の駆動回路の各第２の駆動回路ポートは、第２の中間回路を通じて超音波トランスデューサデバイスの列の第２の端子に接続する。

【0033】

このようにして、二平面１Ｄアレイが形成される。行及び列は、同一のやり方によって制御され、同等の品質の画像が２つの平面において取得される。

【0034】

前記又は各駆動回路は、例えば、ＡＳＩＣを備える。前記又は各中間回路は、好ましくは、超音波トランスデューサデバイスのセットに物理的に近接して位置する。

【0035】

各超音波トランスデューサデバイスの前記又は各ＣＭＵＴセルは、好ましくは、崩壊モードにおいて動作するように適合される。このことは、印加されるバイアス電圧によって達成される。本発明は、崩壊モードにおいて動作するＣＭＵＴセルであって、ＤＣバイアスが崩壊を制御するＣＭＵＴセルを備えるデバイスのために特に適している。

【0036】

各超音波トランスデューサデバイスの前記又は各ＣＭＵＴセルは、例えば、
基板と；
中央軸の周りに形成された基板に接続された第１の電極と；
可撓性メンブレンであって、可撓性メンブレンは第１の電極から少なくとも部分的に空間的に離間される、可撓性メンブレンと；
可撓性メンブレンに接続された第２の電極であって、第２の電極は第１の電極と同心である、第２の電極と
を備える。

【0037】

これは、崩壊可能なＣＭＵＴセルのための電極レイアウトを定める。

【0038】

例えば、駆動電子機器は、入射した超音波刺激に対するセルの応答としてのセルの容量の変化を測定し、それによって超音波撮像を可能とするために使用される容量感知回路を備える。超音波システムは、例えば、撮像システムを備える。

【0039】

本発明の実施形態は、より詳細に、非限定的な例として、添付の図面を参照して説明される。

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1】崩壊モードにおいて動作可能な超音波システムの典型的なＣＭＵＴセルを概略的に示す。

【図2a】このようなＣＭＵＴセルの動作原理を示す。

【図2b】このようなＣＭＵＴセルの動作原理を示す。

【図3a】このようなＣＭＵＴセルの動作原理を示す。

【図3b】このようなＣＭＵＴセルの動作原理を示す。

【図4】ＣＭＵＴセルの１Ｄアレイを有する超音波システムの実施例を図示する。

【図5】欠陥（短絡）が生じたＣＭＵＴセルの場合の状況を図示する。

【図6】両方のＣＭＵＴ電極が駆動回路に接続された駆動構成部の第１の実施例を図示する。

【図7】両方のＣＭＵＴ電極が駆動回路に接続された駆動構成部の第２の実施例を図示する。

【図8】ＣＭＵＴセルの２Ｄアレイを有する超音波システムの実施例を図示する。

【図9】本発明の駆動装置構成部を利用し得る超音波診断撮像システムの例示的な実施形態を概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0041】

図面は単なる概略であり、縮尺通りに描かれていないことが理解されるべきである。図面全体を通じて、同一の又は類似の部分を示すために同一の参照番号が使用されていることも理解されるべきである。

【0042】

本発明は、ＣＭＵＴ超音波トランスデューサデバイスのセットと、超音波トランスデューサデバイスを動作させるため及びＡＣ駆動信号を送達するとともに反射された信号を受信するための駆動回路とを備える超音波システムを提供する。中間回路は、駆動回路と超音波デバイスのセットとの間に、結合回路のアレイの形態で存在し、各結合回路は、駆動回路と関連付けられた少なくとも１つの超音波トランスデューサデバイスとの間にある。各結合回路は、バイアス電圧とデバイス端子との間に接続されたバッファ要素（好ましくはレジスタ）と、直列キャパシタとを備え、例えば、受動集積された技術回路として形成される。中間回路は、ＣＭＵＴトランスデューサ要素のセットと駆動／感知電子機器との間の接続リンクとして働く。バッファ要素は、ＣＭＵＴセルドラム短絡の場合に、ＣＭＵＴセルのバイアスノードと対向電極との間の低インピーダンス短絡を防止する。このようにして、個々のセルの欠陥が全体的なＣＭＵＴアレイの故障を引き起こすことも、駆動電子機器の故障を引き起こすこともない。

【0043】

図１は、超音波システムにおいて使用されるためのＣＭＵＴセル１００の知られた設計と、知られた駆動構成部１０１とを図示する。ＣＭＵＴセル１００は、シリコン基板１１２の上に、ギャップ又は空洞１１８を間に有した状態で吊るされた可撓性メンブレン又はダイアフラム１１４を備える。本実施例において、第１の電極１２２は基板１１２の上側面上でセルの床に位置する。第２の電極１２０は、ダイアフラム１１４上に位置し、ダイアフラムとともに運動する。図示された実施例において、２つの電極は円形状である。

【0044】

誘電体（図示されず）が、基板１１２上と、上部（第２の）電極１２０の下方とに設けられる。これら２つの誘電体は組成及び厚さが等しいが、非対称（異なる材料及び厚さ）であってもよい。

【0045】

メンブレン層１１４は、基板層１１２の上部面に対して固定され、メンブレン層１１４と基板層１１２との間に球状又は円柱状の空洞１１８を画定するような構成及び寸法を有する。

【0046】

電極１２０がメンブレン１１４に埋め込まれるもの、又はメンブレン１１４の上に追加的な層として蒸着されるものなど、電極１２０の設計の他の実現例も想定され得る。本実施例においては、非限定的な例として、第１の電極１２２は円形状に構成され、基板層１１２に埋め込まれる。他の電極形状、第１の電極１２２の他の場所など、他の適切な構成も可能である。第１の電極は、ギャップ１１８に直接的に露出するか、又は第２の電極１２０と第１の電極１２２との間の短絡を防止するために電気的絶縁層又はフィルムによってギャップ１１８から離間される。

【0047】

図１において、非限定的な例として、第１の電極１２２は接地している。もちろん、他の構成、例えば、第２の電極１２０が接地しているもの、第２の電極１２０及び第１の電極１２２の両方が浮遊しているものなども同様に可能である。

【0048】

セル１００及びそのギャップ１１８は、代替的な幾何学的形状を呈してよい。例えば、空洞１１８は、長方形状若しくは正方形状の断面、六角形状の断面、楕円形状の断面、又は不規則な断面を呈してもよい。本明細書において、ＣＭＵＴセル１００の直径への言及は、セルの最も大きな横方向寸法であるものとして理解されるべきである。図１において、円柱状の空洞１１８の直径は、円形状に構成された電極プレート１２２の直径よりも大きい。電極１２０は、円形状に構成された電極プレート１２２と同一の外側直径を有してよいが、このような一致は必須ではなく、図１は、より大きな電極プレート１２２を図示している。

【0049】

ＣＭＵＴセル１００の電極は、デバイスの容量性プレートを提供し、ギャップ１１８は、キャパシタのプレートの間の誘電体である。ダイアフラムが振動するとき、プレートの間で変化する誘電性ギャップの寸法が、受信された音響エコーに対するＣＭＵＴセル１００の応答として感知される容量の変化を提供する。

【0050】

電極の間の空間は、電圧供給装置１０１によって、電極に静的電圧、例えば、ＤＣバイアス電圧を印加することによって制御される。電圧供給装置１０１は、例えば送信モードにおいて、ＣＭＵＴセル１００の駆動電圧のＤＣ成分、及びＡＣ又は刺激成分をそれぞれ提供するために別個のステージ１０２、１０４を任意選択的に備える。第１のステージ１０２は、静的（ＤＣ）電圧成分を生成するように適合され、第２のステージ１０４は、設定交流周波数を有する交流の可変駆動又は刺激電圧成分を生成するように適合され、その信号は、典型的には、全体的な駆動電圧と前述されたその静的成分との間の差である。

【0051】

印加される駆動電圧の静的又はバイアス成分は、好ましくは、ＣＭＵＴセル１００を崩壊状態にする閾値電圧に一致するか又はそれを超える。このことは、第１のステージ１０２が、全体的な電圧の特に低ノイズの静的成分を生成するために比較的大きなキャパシタ、例えば平滑キャパシタを含み、全体的な電圧信号のノイズ特性がこの静的成分のノイズ特性によって支配されるように、この静的成分が典型的には全体的な電圧を支配する、という利点を有する。

【0052】

電圧源供給装置１０１の他の適切な実施形態は、例えば、電圧源供給装置１０１が、ＣＭＵＴ駆動電圧の静的ＤＣ成分を生成するための第１のステージと、駆動電圧の可変的であるが直流のＤＣ成分を生成するための第２のステージと、信号の周波数変調又は刺激成分を生成するための第３のステージとを含む３つの個別のステージを含む実施形態、例えばパルス回路など、明らかである。要約すると、電圧源供給装置１０１は、任意の適切なやり方で実現されてよい。

【0053】

特定の閾値を超える静的電圧を印加することによって、ＣＭＵＴセル１００は、メンブレン１１４が基板１１２上に崩壊する崩壊状態となることが知られている。この閾値は、ＣＭＵＴセル１００の正確な設計に依存し、電極の間の電場に起因する力によってメンブレン１１４がセルの床に固着する（接触する）崩壊電圧として知られるＤＣバイアス電圧として定められる。メンブレン１１４と基板１１２との間の接触の量（面積）は、印加されるバイアス電圧に依存する。

【0054】

図２ａ及び図３ａに補助されてより詳細に説明されるように、メンブレン１１４と基板１１２との間の接触面積を増加させると、メンブレン１１４の共鳴周波数が増加する。

【0055】

崩壊モードのＣＭＵＴセル１００の周波数応答は、崩壊後にＣＭＵＴ電極に印加されるＤＣバイアス電圧を調節することによって変化する。結果として、より高いＤＣバイアス電圧が電極に印加されるにつれて、ＣＭＵＴセルの共鳴周波数は増加する。

【0056】

この現象の背後の原理が、図２ａ、図２ｂ、図３ａ及び図３ｂにおいて示される。図２ａ及び図３ａの断面図は、各図において、メンブレン１１４の外側支持体とメンブレンがキャビティ１１８の床への接触を開始するポイントとの間の距離Ｄ１及びＤ２によって、これを１次元的に示す。図２ａにおける比較的低いバイアス電圧が印加されたときの距離Ｄ１は比較的長い距離であり、一方、図３ａにおける距離Ｄ２は、より高いバイアス電圧が印加されていることに起因してより一層短い距離であることが分かる。これらの距離は、端部を保持され、つま弾かれる長短の弦に喩えられ得る。長く、弛緩した弦は、より短く、よりピンと張られた弦よりも、つま弾かれたときに一層低い周波数で振動するであろう。これと同じように、図２ａにおけるＣＭＵＴセルの共鳴周波数は、より高いバイアス電圧を受ける図３ａにおけるＣＭＵＴセルの共鳴周波数よりも低い。

【0057】

この現象は、図２ｂ及び図３ｂの２次元的な図からも理解され得、これらは、ＣＭＵＴメンブレンの有効動作面積に応じて変化する。図２ａに図示されるようにメンブレン１１４がＣＭＵＴセルの床に接触したばかりのときには、セルのメンブレン１１４の非接触（自由振動）部分の有効振動エリアＡ１は、図２ｂに図示されるように大きい。中央における小さなエリア１１５は、メンブレンの中央接触領域を表す。大きな面積のメンブレンは、比較的低い周波数において振動する。このエリア１１５は、ＣＭＵＴセルの床に対して崩壊したメンブレン１１４のエリアである。しかし、図３ａにおけるように、より高いバイアス電圧によってメンブレンが引っ張られてより深く崩壊すると、図３ｂに図示されるように、中央接触エリア１１５’がより大きくなり、結果として、自由振動エリアＡ２がより小さくなる。このより小さなエリアＡ２は、より大きなＡ１エリアよりも高い周波数で振動する。故に、ＤＣバイアス電圧が減少するにつれて、崩壊したＣＭＵＴセルの周波数応答は減少し、ＤＣバイアス電圧が増加すると、崩壊したＣＭＵＴセルの周波数応答は増加する。

【0058】

図４は、本発明の実施例に従って修正された駆動構成部を有する超音波システム２００の第１の実施例を図示する。

【0059】

システムは、超音波トランスデューサデバイス２１２のセット２１０を備え、各デバイスは、第１の端子２１４及び第２の端子２１６を各々が有する１つ又は複数の容量性微細加工超音波トランスデューサセル２１３を備える。

【0060】

駆動回路２２０、特にはＡＳＩＣは、超音波トランスデューサデバイスを動作させるためのものである。これは、ＡＣ駆動信号を送達するための送信器回路２２２のセットと、反射された信号を受信するための受信器回路２２４のセットとを備え、この反射された信号は、（組織エコー信号によって）反射された、メンブレン１１４の振動に影響を及ぼす信号を表す。信号の送信及び受信は、超音波トランスデューサデバイスのうちの少なくとも１つに関連付けられた駆動回路ポート２２６において行われる。

【0061】

中間回路２３０は、駆動回路２２０と超音波デバイスのセット２１０との間にある。中間回路は、結合回路２３２のアレイを備え、各結合回路は、駆動回路ポート２２６と関連付けられた少なくとも１つの超音波トランスデューサデバイス２１２との間にある。結合回路は、バイアス電圧ＶＢ（これは全体的バイアス信号ＶＢＩＡＳ＿ＣＭＵＴに接続する）とデバイス２１２の第１の端子２１４との間に接続されたバッファ要素２３４を備える。

【0062】

このシステムは、ＣＭＵＴトランスデューサ要素のセット２１０と駆動／感知電子機器との間の接続リンクとして中間回路を使用する。バッファ要素２３４は、ＣＭＵＴセルドラム短絡の場合に、ＣＭＵＴセルのバイアスノード（バイアス電圧端子ＶＢ）と対向電極との間の低インピーダンス短絡を防止する。このようにして、個々のセルの欠陥が全体的なＣＭＵＴアレイの故障を引き起こすことも、駆動電子機器の故障を引き起こすこともない。

【0063】

バッファ要素２３４は、例えば、レジスタを備える。各結合回路２３２は、ポート２２６と第１の端子２１４との間で第１の端子２１４に直列に接続されたキャパシタ２３６も備える。バッファ要素は、高いインピーダンスを有する必要があり、好ましくは、低周波数及び高周波数において線形である。バッファ要素は、高電圧（正及び負）に適合する必要もある。

【0064】

理論的には、パワー効率を向上させるためにＣＭＵＴの容量性の挙動を補償するために誘導体を集積することは任意選択的であってよい。しかしながら、集積のためには、必要とされるインダクタンスはむしろ高い。駆動装置／受信器回路の供給を安定化させるために分離キャパシタを含むことも任意選択的であってよい。

【0065】

キャパシタとは、中間回路がＣＭＵＴセルの間のクロストークの低減を提供することを意味する。このようなクロストークは、例えば、ＣＭＵＴバイアス電圧の安定化のために共通のキャパシタが使用されているときに起こる可能性がある。直列キャパシタ２３６のセットを設けることによって、単一の共通のキャパシタは、回路アレイにおける多くの、より小さなキャパシタによって置き換えられる。

【0066】

図４の実施態様は、バイアスＴユニットのアレイを提供し、これは、受動集積技術を使用して実現される。コンポーネントは、集積された受動デバイス（ＩＰＤ）又は集積された受動コンポーネント（ＩＰＣ）として知られている。

【0067】

キャパシタ及びレジスタなどの多くのコンポーネント、並びに、実のところインピーダンス整合回路、高調波フィルタ、カプラ、並びに電力結合及び分配器などの機能ブロックが、受動集積技術によって実現され得る。デバイスは、一般的に、薄膜及びフォトリソグラフィ処理などの標準的なウェハー作成技術を使用して作成される。コンポーネントは、フリップチップ搭載可能又はワイヤボンディング可能なコンポーネントとして設計され得、基板は、通常、シリコン、アルミナ又はガラスなどの薄膜基板である。

【0068】

この技術は、例えば、ウェハーを１００μｍ未満の厚さに研削する能力、多様なパッケージングオプション（マイクロバンプ、ワイヤボンディング、銅パッド）及び配送形態オプション（ウェハ配送、テープ＆リール）のおかげで、システムインパッケージ（ＳｉＰ）集積のために理想的なトレードオフを提供する。中間コンポーネントの１つの設計が、ＣＭＵＴアレイの複数の異なる設計ともに使用される。

【0069】

故に、集積された受動デバイスは、個別の表面実装デバイス（ＳＭＤ）のアレイを単一のユニットによって置き換えることを可能とする。受動集積技術の追加的な利点は、中間回路の製造をＣＭＵＴ製造ワークフローと組み合わせるときの複雑さが低減されることであり、このことは、歩留まりの向上を可能とし、及び全体的な製造コストを低減するはずである。

【0070】

シリコンにおける３Ｄ受動集積は、集積された受動デバイスを製造するために使用される１つの好ましい技術であり、高密度のトレンチキャパシタ、ＭＩＭキャパシタ、レジスタ、高Ｑインダクタ、ＰＩＮダイオード又はツェナーダイオードのシリコンにおける実装を可能とする。受動デバイスは、同一のパッケージにおいて能動デバイスとも組み合わされ得るが、この場合の中間回路は全体的に受動的である。

【0071】

このように、受動集積技術は、数十個から数百個の受動コンポーネントをシリコンダイにおいて集積する極めて効率的なやり方である。この技術から結果的にもたらされる性能は、従来の表面実装デバイスから得られる性能を上回る。例えば、アプリケーションボードのサイズは、１０倍を超える規模で低減され得る。加えて、より高い信頼性及び著しいコスト低下が、外部ＳＭＤコンポーネントをカスタマイズされた受動集積技術ダイによって置き換えることによって達成され得る。集積された受動デバイスによるソリューションは、そのレイアウトがＣＭＵＴアレイのレイアウトに合致し得るということでも好ましい。このようにして、バイアスＴネットワークをＣＭＵＴ要素に接続するノードの（接地への）寄生容量が最小化され得るが、このことは、（送信及び受信モードにおいて）信号減衰を制限するために重要である。

【0072】

適切な技術の１つの例が、Ｍｕｒａｔａ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｓ．Ａ．（登録商標）社によって提供されている。

【0073】

接続リンクは、寄生容量を最小化するためにＣＭＵＴアレイに物理的に接近して置かれる。この接続リンクは、１Ｄ ＣＭＵＴアレイの多くの設計のために使用可能であるように設計され得る。

【0074】

図４の実施例において、全てのＣＭＵＴ要素は、結合キャパシタ及び高値レジスタから成る固有のバイアスＴユニットに接続され、これは共通の（共有される）バイアス電圧ノード「ＶＢＩＡＳ＿ＣＭＵＴ」に接続される。

【0075】

図５は、バツ印２５０によって表される欠陥（短絡）が生じたＣＭＵＴセルの場合における状況を図示する。欠陥の生じたＣＭＵＴセルに印加されたバイアス電圧は崩壊する。しかしながら、ＣＭＵＴセルに直列な高値レジスタ２３４の存在のおかげで、ＶＢＩＡＳ＿ＣＭＵＴノードは隔離されたままであり、これは、残りのＣＭＵＴセルが動作可能なままであること意味する。

【0076】

ＶＢＩＡＳ＿ＣＭＵＴノードから流れる電流を測定することによって、このような欠陥の生じたセルの存在を検知することができる。全てのＣＭＵＴセルをスクリーニングし、音響応答を測定することによって、欠陥の生じた要素を検知し、関連する送信及び受信回路を電源オフ又は他のやり方によって機能停止することができる。これは、エネルギーの節約のために使用され得る。

【0077】

バイアスＴユニットのアレイは、好ましくは、「集積された受動デバイス」（ＩＰＤ）技術において実現される。例えば、垂直キャパシタ表面積を効果的に増加させるためにディープトレンチエッチング及び補給を使用して高密度シリコンキャパシタが実現される。

【0078】

バイアスＴユニットのアレイは、事実上全ての１Ｄ ＣＭＵＴアレイの設計のために使用可能であるように設計される。

【0079】

例えば、結合キャパシタ２３６は、１ｎＦの値（０．１ｎＦと１０ｎＦとの間など）を有し、レジスタは、１００ｋＯｈｍ（１０ｋＯｈｍから１ＭＯｈｍなど）の値を有する。

【0080】

１ｎＦキャパシタのサイズは、１５０Ｖの降伏電圧に対してキャパシタごとに０．１ｍｍ^２程度である。レジスタのサイズはより一層小さい。

【0081】

図４において図示された実施例において、ＣＭＵＴセルの基準（第２の）端子２１６は、全体的なＣＭＵＴアレイに共通である。故に、第２の端子２１６は全て一緒に接続される。従って、駆動回路ポート２２６は単一の駆動回路端子を備える。図４において図示されるように、駆動回路は単一の駆動回路端子２２６に接続される送信器及び受信器を備える。送信器の出力はこのポートに接続し、受信器の入力はこのポートに接続する。

【0082】

代替例として、両方のＣＭＵＴ電極の駆動回路２２０への接続がある。

【0083】

図６は第１の実施例を図示し、１つのトランスデューサ要素のための駆動回路電子機器を図示する。この場合、駆動回路ポート２２６は、第１及び第２の駆動回路端子２２６ａ、２２６ｂを備える。これは第１及び第２のデバイス端子２１４、２１６への接続を可能とする。ＣＭＵＴセルのバイアス電圧は接続リンクによって駆動回路２２０から隠されており、そのため、両方の電極の制御は容易である。

【0084】

図６において、駆動回路２２０は、第１及び第２の駆動回路端子に接続された差動送信器２４０と、第１及び第２の駆動回路端子２２６ａ、２２６ｂに接続された差動受信器２４２とを備える。このことは、差動的な実施態様を提供する。中間回路によって達成されるバイアス電圧の分離は、差動的な実施態様のより単純な実現を可能とする。

【0085】

差動的なやり方でＣＭＵＴを駆動することは、駆動パルスの実効振幅が供給電圧の２倍になり得るという重要な利点を有する。実際上、これは、供給電圧がより低く（例えば、６０Ｖの代わり３０Ｖ）なり得ることを意味し、ＡＳＩＣ技術の電圧要件及びクリーページなどのトランスデューサシステムの電圧制限に関する要件を減少させる。

【0086】

差動駆動及び受信回路を使用することの他の利点としては、電子機器によってもたらされる２次高調波歪みの低減、共通モード干渉物へのより良好な抑圧に起因するより良好な電源除去比（ＰＳＲＲ）、及び良好に定められた電流ループ（バイアス端子を介して電流が流れない）などがある。

【0087】

図７は、２つの駆動回路端子２２６ａ、２２６ｂを利用する別の実施例を図示する。送信器２５０は第１の駆動回路端子２２６ａに接続され、受信器２５２は第２の駆動回路端子２２６ｂに接続される。このことは、別個の駆動及び受信電子機器を可能とする。

【0088】

この場合、駆動装置はＣＭＵＴセルの第１の端子を刺激する一方、受信器は第２のＣＭＵＴ端子に接続される。バイアス電圧の分離によって、送信器及び受信器のグランドリファレンスが同一になり得、これは、電子機器を単純化し、電源除去比を向上させる。更には、低電圧コンポーネントを使用して受信器の電子機器を実現することも可能であり、このことによってのみ受信器の性能は向上される。駆動装置によってもたらされる寄生容量は、受信器の性能にほとんど影響を与えない。最後に、よく知られた送信－受信スイッチは必要とされないか、又は単純なやり方で実現され得る。

【0089】

上記の全ての実施例において、超音波トランスデューサデバイスのセットはトランスデューサデバイスの１Ｄアレイとして図示され、各駆動回路ポート（単一の端子又は２つの端子であるかに関わらず）は、単一の超音波トランスデューサデバイスに接続する。

【0090】

しかしながら、実施例の別のセットは、トランスデューサデバイスの２Ｄアレイを利用する。故に、超音波トランスデューサデバイスのセットは、トランスデューサデバイスの行及び列のアレイである。

【0091】

図８は、行及び列の２Ｄアレイに配置された超音波トランスデューサデバイスのセット３１０を備える超音波システム３００を図示する。

【0092】

従って、図４を参照して上述された駆動回路は第１の駆動回路３２０であり、関連する第１の中間回路３２２を有する。これらは、デバイスの行に接続する。

【0093】

デバイスは、超音波トランスデューサデバイスのうちの少なくとも１つに関連付けられた駆動回路ポートにおいてＡＣ駆動信号を送達するとともに反射された信号を受信するための第２の駆動回路３３０を更に備える。第２の中間回路３３２が、第２の駆動回路３３０と超音波デバイスのセット３１０との間にある。第２の中間回路は、結合回路のアレイを備え、各結合回路は、第２の駆動回路ポートと関連付けられた少なくとも１つの超音波トランスデューサデバイスとの間にあり、バイアス電圧と第２の端子との間に接続されたバッファ要素を備える。

【0094】

第２の駆動回路３３０及び関連付けられた第２の中間回路３３２は、デバイスの列に接続する。

【0095】

このようにして、二平面１Ｄアレイが形成される。行及び列は、同様のやり方によって制御され、同等の品質の画像が２つの平面において取得される。

【0096】

故に、図８は、２つ接続リンクを使用して二平面１Ｄアレイを駆動及び感知する方法を図示する。第１の接続リンクは、行電子機器をＣＭＵＴアレイから分離するために使用され、第２のリンクは、列電子機器をＣＭＵＴアレイから分離するために使用される。例えば、行リンクは第１のＣＭＵＴ電極（例えば、上部電極）に接続し、列リンクは第２のＣＭＵＴ電極（例えば、底部電極）に接続する。

【0097】

本発明は、崩壊モードにおいて動作するＣＭＵＴセルであって、ＤＣバイアスが崩壊を制御するＣＭＵＴセルを備えるデバイスのために特に適している。これは、全てのＣＭＵＴ撮像システムにおいて使用され、例えば大きなＣＭＵＴセルが存在するときなど、製品寿命が重要であり、周波数が低い場合に特に有益である。

【0098】

例えば、駆動電子機器は、入射した超音波刺激に対するセルの応答としてのセルの容量の変化を測定し、それによって超音波撮像を可能とするために使用される容量感知回路を備える。超音波システムは、例えば、撮像システムを備える。

【0099】

駆動電子機器を含むＣＭＵＴシステムの全体的な動作は標準的であってよく、詳細には説明されない。しかしながら、完璧を期すために、図９は、実施例によるアレイトランスデューサプローブ４００を有する超音波診断撮像システムをブロック図の形態において図示する。

【0100】

図９において、超音波を送信し、エコー情報を受信するために、上述されたＣＭＵＴセルを使用する超音波システムが図示されている。

【0101】

システムは、超音波を送信し、エコー情報を受信するためのトランスデューサアレイ４１０を有するアレイトランスデューサプローブ４００を備える。トランスデューサアレイ４１０は、上述されたＣＭＵＴトランスデューサを備える。この実施例において、トランスデューサアレイ４１０は、関心領域の２Ｄ平面又は３次元的ボリュームをスキャン可能なトランスデューサの２次元的アレイとして図示されている。別の実施例において、トランスデューサアレイは、上に述べられたような１Ｄアレイである。

【0102】

トランスデューサアレイ４１０は、トランスデューサ要素による信号の受信を制御するマイクロビーム形成器４１２に結合される。米国特許第５，９９７，４７９号（Ｓａｖｏｒｄら）、米国特許第６，０１３，０３２号（Ｓａｖｏｒｄ）及び米国特許第６，６２３，４３２号（Ｐｏｗｅｒｓら）において説明されているように、マイクロビーム形成器は、トランスデューサの、一般に「グループ」又は「パッチ」と称されるサブアレイによって受信された信号の少なくとも部分的なビーム形成を行うことができる。

【0103】

マイクロビーム形成器は全体的に任意選択的であることが留意されるべきである。更に、システムは、マイクロビーム形成器４１２が結合され得る送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ４１６を含み（しかし、上に論じられたように、これはいくつかの設計においては省略される）、これは、送信モードと受信モードとの間でアレイを切り換え、マイクロビーム形成器が使用されずに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って直接的に動作される場合に、高エネルギー送信信号から主ビーム形成器４２０を保護する。トランスデューサアレイ４１０からの超音波ビームの送信は、Ｔ／Ｒスイッチ４１６によって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４１８及び主送信ビーム形成器（図示されず）によって指示され、これらは、ユーザインタフェース又は制御パネル４３８のユーザ操作からの入力を受信し得る。コントローラ４１８は、送信モード中にアレイ４１０のトランスデューサ要素を（直接的に又はマイクロビーム形成器を介して）駆動するように構成された送信回路を含み得る。

【0104】

典型的なラインごとの撮像シーケンスにおいて、プローブ内のビーム形成システムは、以下のように動作する。送信中に、ビーム形成器（これは、実施態様に応じてマイクロビーム形成器であっても主システムビーム形成器であってもよい）は、トランスデューサアレイ又はトランスデューサアレイのサブ開口を作動させる。サブ開口は、より大きなアレイ内のトランスデューサの１次元的ライン又はトランスデューサの２次元的パッチである。送信モードにおいて、アレイ又はアレイのサブ開口によって生成された超音波ビームのフォーカシング及びステアリングは、以下に説明されるように制御される。

【0105】

対象者から後方散乱されたエコー信号を受信すると、受信された信号は、受信された信号を整列させるために、（以下に説明されるように）受信ビーム形成され、次いで、サブ開口が使用されている場合には、サブ開口が、例えば１つのトランスデューサ要素分だけシフトされる。次いで、シフトされたサブ開口が作動され、トランスデューサアレイのトランスデューサ要素の全てが作動されるまでプロセスが繰り返される。

【0106】

各ライン（又はサブ開口）に関して、最終的な超音波画像の関連付けられたラインを形成するために使用される総合的な受信された信号は、受信期間中に所与のサブ開口のトランスデューサ要素によって測定された電圧信号の和である。以下のビーム形成プロセスに従って結果的にもたらされるライン信号は、典型的には無線周波数（ＲＦ）データと称される。次いで、様々なサブ開口によって生成された各ライン信号（ＲＦデータセット）は、最終的な超音波画像のラインを生成するために追加的に処理される。時間の経過に伴うライン信号の振幅における変化は、深度に伴う超音波画像の輝度における変化の一因となり、高振幅ピークは、最終的な画像における明るいピクセル（又はピクセルの集合）に対応する。ライン信号の開始付近に現れるピークは浅い構造からのエコーを表し、ライン信号において後になって漸次現れるピークは対象者内のより深くにある構造からのエコーを表す。

【0107】

トランスデューサコントローラ４１８によって制御される機能のうちの１つは、ビームがステアリング及びフォーカシ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直ぐ前方に（トランスデューサアレイに直交するように）ステアリングされ、又は、より広い視野のために異なる角度にステアリングされる。送信ビームのステアリング及びフォーカシングは、トランスデューサ要素作動時間の関数として制御される。

【0108】

一般的な超音波データ取得においては、２つの方法が区別され得、これらは、平面波又は発散撮像、及びフォーカシング撮像である。これらの異なる方法は、送信モード（「ビームステアリング」撮像）及び／又は受信モード（平面波撮像及び「ビームステアリング」撮像）におけるビーム形成の存在によって区別され得る。

【0109】

最初にフォーカシング機能について見てみると、トランスデューサアレイは、対象者内を進行するにつれて発散する平面波を生成するように制御される。この場合、超音波のビームは、フォーカシングされないままである。位置に依存する時間遅延をトランスデューサの作動に導入することによって、焦点ゾーンと称される所望のポイントにビームの波頭を収斂させることができる。焦点ゾーンは、横方向ビーム幅が送信ビーム幅の半分未満となるポイントとして定義される。このようにして、最終的な超音波画像の横方向解像度が向上される。

【0110】

例えば、もしも時間遅延が、トランスデューサアレイの最も外側の要素から始まって中央の要素で終了するようにトランスデューサ要素を連続的に作動させるならば、焦点ゾーンは、中央の要素に沿ってプローブから離間した所与の距離において形成されよう。プローブからの焦点ゾーンの距離は、トランスデューサ要素の作動の各後続ラウンドの間の時間遅延に応じて変化する。ビームは、焦点ゾーンを通過した後、発散を開始し、遠距離場撮像領域を形成する。トランスデューサアレイに接近して位置する焦点ゾーンでは、超音波ビームは遠距離場において迅速に発散し、最終的な画像においてビーム幅アーチファクトをもたらすことが留意されるべきである。典型的には、トランスデューサアレイと焦点ゾーンとの間に位置する近距離場は、超音波ビームにおける重なりが大きいために詳細をほとんど表さない。故に、焦点ゾーンの場所を変化させることで、最終的な画像の品質において著しい変化をもたらし得る。

【0111】

送信モードにおいて、超音波画像が複数の焦点ゾーン（各々が異なる送信焦点を有する）に分割されない限り、ただ１つの焦点が定められることが留意されるべきである。

【0112】

加えて、対象者の内部からのエコー信号の受信の際には、受信フォーカシングを実施するために、上述されたプロセスの逆のプロセスを実施することができる。換言すれば、到来する信号は、トランスデューサ要素によって受信され、信号処理のためにシステム内に渡される前に電子的に時間遅延される。このことの最も単純な例は、遅延和ビーム形成と称される。トランスデューサアレイの受信フォーカシングは、時間の関数として動的に調節することができる。

【0113】

次にビームステアリングの機能を見てみると、トランスデューサ要素への時間遅延の正確な適用を通じて、超音波ビームがトランスデューサアレイを離れるにつれて超音波ビームに所望の角度を与えることができる。例えば、トランスデューサアレイの第１の側のトランスデューサを作動させ、これに続いてアレイの反対側においてシーケンスの終了時に残りのトランスデューサを作動させることによって、ビームの波頭には第２の側に向かう角度が付けられる。トランスデューサアレイの法線に対するステアリング角度の大きさは、後続のトランスデューサ要素の作動の合間の時間遅延の大きさに依存する。

【0114】

更に、ステアリングされたビームをフォーカシングさせることができ、各トランスデューサ要素に適用される総時間遅延は、フォーカシング時間遅延及びステアリング時間遅延の両方の和である。この場合、トランスデューサアレイは位相式アレイと称される。

【0115】

作動のためにＤＣバイアス電圧を必要とするＣＭＵＴトランスデューサの場合、トランスデューサコントローラ４１８が、トランスデューサアレイのためのＤＣバイアス制御器４４５を制御するために結合され得る。ＤＣバイアス制御器４４５は、ＣＭＵＴトランスデューサ要素に印加されるＤＣバイアス電圧を設定する。

【0116】

トランスデューサアレイの各トランスデューサ要素に関して、典型的にはチャンネルデータと称されるアナログ超音波信号が、受信チャンネルを経由してシステムに入力される。受信チャンネルにおいて、部分的にビーム形成された信号が、チャンネルデータからマイクロビーム形成器４１２によって生み出され、次いで、主受信ビーム形成器４２０に渡され、そこで、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、無線周波数（ＲＦ）データと称される完全にビーム形成された信号へと合成される。各ステージにおいて実施されるビーム形成は、上述されたように実施され、又は、追加的な機能を含む。例えば、ビーム形成器４２０は１２８個のチャンネルを有し、その各々がトランスデューサ要素の数ダース又は数百個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。このようにして、トランスデューサアレイの数千個のトランスデューサによって受信された信号は、単一のビーム形成された信号に効率的に寄与し得る。

【0117】

ビーム形成された受信信号は、信号プロセッサ４２２に結合される。信号プロセッサ４２２は、受信されたエコー信号を、帯域通過フィルタリング、デシメーション、Ｉ及びＱ成分分離、組織及び微小気泡から戻ってきた非線的（基本周波数のより高い高調波）エコー信号の識別を可能とするように線的及び非線的信号を分離するように働く高調波信号分離など、様々なやり方において処理し得る。信号プロセッサは、スペックル低減、信号合成、及びノイズ除去等の追加的な信号増強も実施し得る。信号プロセッサにおける帯域通過フィルタは追跡フィルタであってよく、その通過帯域は、エコー信号がより深くから受信されるにつれて、より高い周波数帯域からより低い周波数帯域へとスライドし、それによって、典型的には解剖学的情報を欠いたより深い深度からのより高い周波数におけるノイズを拒絶する。

【0118】

送信及び受信のためのビーム形成器は、種々のハードウェアにおいて実現され、種々の機能を有し得る。もちろん、受信器ビーム形成器は送信ビーム形成器の特性を考慮して設計される。図１においては、簡略化のために受信器ビーム形成器４１２、４２０だけが図示されている。完全なシステムにおいては、送信マイクロビーム形成器及び主送信ビーム形成器を有する送信チェーンも存在するであろう。

【0119】

マイクロビーム形成器４１２の機能は、アナログ信号パスの数を低減するために信号の初期的な合成を提供することである。これは、典型的には、アナログドメインにおいて実施される。

【0120】

最終的なビーム形成は、主ビーム形成器４２０において、典型的には二値化の後になされる。

【0121】

送信及び受信チャンネルは、固定的な周波数帯域を有する同一のトランスデューサアレイ４１０を使用する。しかしながら、送信パルスが占める帯域幅は、使用される送信ビーム形成に応じて変化し得る。受信チャンネルは、全体的なトランスデューサ帯域幅を捕捉し得（これは古典的な手法である）、又は、帯域通過処理を使用することによって、所望の情報（例えば、主高調波の高調波）を含む帯域幅だけを抽出し得る。

【0122】

次いで、ＲＦ信号は、Ｂモード（すなわち、輝度モード又は２Ｄ撮像モード）プロセッサ４２６及びドップラプロセッサ４２８に結合される。Ｂモードプロセッサ４２６は、器官の組織及び血管などの身体における構造の撮像ために、受信された超音波信号に対して振幅検知を実施する。ラインごとの撮像の場合、各ライン（ビーム）は、関連するＲＦ信号によって表され、その振幅はＢモード画像におけるピクセルに割り当てられる輝度値を生成するために使用される。画像内のピクセルの正確な場所は、ＲＦ信号に沿った関連する振幅測定の場所及びＲＦ信号のライン（ビーム）番号によって判定される。米国特許第６，２８３，９１９号（Ｒｏｕｎｄｈｉｌｌら）及び米国特許第６，４５８，０８３号（Ｊａｇｏら）において説明されるように、このような構造のＢモード画像は、高調波又は基本波画像モードにおいて、又はこれら両方の組み合わせにおいて形成される。ドップラプロセッサ４２８は、画像野における血球の流動などの運動する物質の検知のために、組織運動及び血流から生じる時間的に異なる信号を処理する。ドップラプロセッサ４２８は、典型的には、身体における選択されたタイプの材質から戻ったエコーを通過又は拒絶するように設定されたパラメータを有する壁フィルタを含む。

【0123】

Ｂモード及びドップラプロセッサによって生み出された構造及び運動信号は、スキャンコンバータ４３２及び多平面リフォーマッタ４４４に結合される。スキャンコンバータ４３２は、エコー信号をそれらが受信された空間的関係に、所望の画像フォーマットにおいて配置する。換言すれば、スキャンコンバータは、円柱座標系から画像ディスプレイ４４０上での超音波画像の表示に適したデカルト座標系へとＲＦデータを変換するように働く。Ｂモード撮像の場合、所与の座標におけるピクセルの輝度は、その場所から受信されたＲＦ信号の振幅に比例する。例えば、スキャンコンバータは、エコー信号を、２次元的な（２Ｄ）扇形状フォーマット又はピラミッド状の３次元的な（３Ｄ）画像に配置する。スキャンコンバータは、Ｂモード構造画像に画像野のポイントにおける運動に対応する色を重畳し得、ドップラ推定速度が所与の色を生む。合成されたＢモード構造画像及びカラードップラ画像は、構造画像野内の組織の運動及び血流を表す。米国特許第６，４４３，８９６号（Ｄｅｔｍｅｒ）において説明されているように、多平面リフォーマッタは、身体のボリュメトリック領域の共通の平面におけるポイントから受信されたエコーを、その平面の超音波画像へと変換する。米国特許第６，５３０，８８５号（Ｅｎｔｒｅｋｉｎら）において説明されているように、ボリュームレンダラ４４２は、３Ｄデータセットのエコー信号を所与の基準ポイントから見た投影３Ｄ画像に変換する。

【0124】

２Ｄ又は３Ｄ画像は、画像ディスプレイ４４０上での表示のための更なる増強、バッファリング、及び一時的保存のために、スキャンコンバータ４３２、多平面リフォーマッタ４４４、及びボリュームレンダラ４４２から、画像プロセッサ４３０に結合される。撮像プロセッサは、例えば強い減衰器又は屈折に起因する音響陰影；例えば弱い減衰器に起因する後方増強；反射率の高い組織界面が極めて近接して位置する残響アーチファクトなどの特定の撮像アーチファクトを最終的な超音波画像から除去するように適合される。加えて、画像プロセッサは、最終的な超音波画像のコントラストを向上させるために、特定のスペックル低減機能を取り扱うように適合される。

【0125】

撮像のために使用されることに加えて、ドップラプロセッサ４２８によって生み出された血流値及びＢモードプロセッサ４２６によって生み出された組織構造情報は、定量化プロセッサ４３４に結合される。定量化プロセッサは、器官のサイズ及び在胎齢などの構造測定値に加えて、血流のボリュームレートなどの種々の流動状況の測定を生む。定量化プロセッサは、ユーザ制御パネル４３８から、測定がなされるべき画像の解剖学的組織におけるポイントなどの入力を受信する。

【0126】

定量化プロセッサからの出力データは、ディスプレイ４４０上での画像による測定グラフィック及び値の再現のために、及びディスプレイデバイス４４０からの音響出力のために、グラフィックプロセッサ４３６に結合される。グラフィックプロセッサ４３６は、超音波画像とともに表示するためのグラフィック重畳も生成し得る。これらのグラフィック重畳は、患者名、画像の日付及び時間、撮像パラメータなどの標準的な識別情報を含み得る。これらの目的のために、グラフィックプロセッサは、患者名などの入力をユーザインタフェース４３８から受信する。ユーザインタフェースは、トランスデューサアレイ６からの超音波信号の生成を制御するために、従って、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み出される画像を制御するために送信コントローラ４１８にも結合される。コントローラ４１８の送信制御機能は、実施される機能のうちの１つに過ぎない。コントローラ４１８は、動作のモード（ユーザによって与えられる）、対応して必要とされる送信器構成、及び受信器のアナログ－デジタルコンバータにおける帯域通過構成も考慮する。コントローラ４１８は、固定的な状態のステートマシンであってよい。

【0127】

ユーザインタフェースは、多平面リフォーマット（ＭＰＲ）画像の画像野において定量化された測定を実施するために使用される複数のＭＰＲ画像の平面の選択及び制御のために多平面リフォーマッタ４４４にも結合される。

【0128】

当業者には理解されるであろうように、超音波診断撮像システムの上記の実施形態は、このような超音波診断撮像システムの非限定的な実施例を与えることを意図される。当業者は、本発明の教示から逸脱することなく超音波診断撮像システムのアーキテクチャにおけるいくつかの変形が可能であることを直ちに認識するであろう。例えば、上記の実施形態においても示されているように、マイクロビーム形成器４１２及び／又はドップラプロセッサ４２８は省略されてもよく、超音波プローブ４１０は、３Ｄ撮像機能を有さなくてもよい、などである。当業者には他の変形が明らかであろう。

【0129】

上記の説明は崩壊モードにおける動作に関するが、本発明は、セルが非崩壊モードにおいて動作するときにも同様に適用され得る。

【0130】

中間回路は、単一の受動集積された技術回路、例えば単一のフリップチップ又はワイヤボンディング回路として形成される。しかしながら、結合回路のより大きなアレイに関して、複数の受動集積された技術回路、例えば２つから５つのこのような回路があってよく、このような各回路は、１０個から２００個の個別の結合回路を有する。第１及び第２の中間回路が存在する場合、これらは、好ましくは、別個の受動集積された技術回路であるが、原理的にはこれらは単一のユニットとして統合されてもよい。

【0131】

上に述べられた実施形態は、本発明を限定するものではなく、むしろ例示するものであること、当業者は添付の特許請求の範囲から逸脱することなく多くの代替的な実施形態を設計可能であることが留意されるべきである。特許請求の範囲において、括弧の間に置かれた任意の参照記号は、請求項を限定するものと解釈されるべきではない。「備える、含む、有する」という語は、請求項において列記されたもの以外の要素又はステップの存在を排除しない。単数形表現の語は、複数のこのような要素の存在を排除しない。本発明は、いくつかの別個の要素を備えるハードウェアによって実現され得る。いくつかの手段を列挙するデバイスの請求項において、これらの手段のうちのいくつかが、ハードウェアの１つの同一のアイテムによって具現化されてよい。特定の手段が互いに異なる従属請求項において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使用され得ないことを示すものではない。

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3a】

【図3b】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】