JP2010142639A - ２次元トランスジューサアレイを動作させるためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２次元トランスジューサアレイ内のトランスジューサをアドレス指定するための改良型の技法を提供すること。
【解決手段】本技法の実施形態による２次元トランスジューサアレイ（２０）内のトランスジューサ（２２）をアドレス指定するためのシステム及び方法を開示する。本技法の一態様ではそのトランスジューサ（２２）は横列と縦列の形で配列されており、また縦列は共通の送信及び受信回路（３７、３８）に結合される一方、横列は横列選択回路（２８）に結合されている。別の実施形態では、各トランスジューサ（２２）は単独で専用の送信回路（３７）に結合されており、また縦列は共通の受信回路（３８）に結合されている。
【選択図】図２

Description

本発明は全般的には２次元トランスジューサアレイに関する。本発明は具体的には、２次元トランスジューサアレイ内部で個々のトランスジューサ素子をアドレス指定するための技法に関する。

医用超音波撮像システムは、対象内に音響波を送信すると共に、反射された音響波を受信し処理することによって画像を形成する。典型的には複数の超音波トランスジューサが送信波を送り出して反射波を受け取っている。こうした走査は、超音波が送信される際、ある短い時間間隔の後にシステムが受信モードに切り替わる際、並びに反射した超音波を表示のために受信しビーム形成させかつ処理する際における一連の計測値を含む。

トランスジューサ素子は典型的には、入力電圧波形によって個々に駆動を受ける。入力波形の間に時間遅延及び振幅の差を実現することによって、好ましいベクトル方向に沿って伝播し対象の選択した部位で集束する正味の超音波が形成されるように合成させるための超音波を発生させるように個々のトランスジューサ素子を制御することが可能である。同様にトランスジューサが受信した反射波は、正味の信号が対象内の単一の集束ゾーンから反射された音波を示すように数学的に処理されることがある。送信モードの場合と同様に、超音波エネルギーのこの集束式の受信は、トランスジューサ素子から受け取った信号に対して様々な時間遅延及び利得を付与し得られた波形を足し合わせることによって達成される。

米国特許第４３７１８０５号 米国特許第５３２９４９６号 米国特許第５６２２１７７号 米国特許第５５９０６５８号 米国特許第５６９０１１４号 米国特許第２８１７０２３号 米国特許第５８３９４４２号 米国特許第５９５７８４６号 米国特許第５９６４７０９号 米国特許第６１０６４７２号 米国特許第６３８４５１６号 米国特許第６５５２９６４号 米国特許第６６４１５３４号 米国特許第６８６５１４０号 米国特許第６８７５１７７号 米国特許第７２５７０５１号 米国特許第７２８０４３５号 米国特許第７３００４０３号 米国特許第７３５３０５６号 米国特許出願第２００５００５７２８４号 米国特許出願第２００５０２３７８５８号 米国特許出願第２００７００１６０２６号 ＥＰ第１７６８１０１号

超音波撮像システムにより形成される画像の品質や分解能はその一部が、アレイ内のトランスジューサの数の関数である。したがって、高い画質を達成するには、トランスジューサ素子の数が多いことが望ましい。さらに、トランスジューサアレイ内の各トランスジューサは個々の電気接続を介して送信及び受信回路に結合させている。多数の電気接続を製作することに関する技術的問題や出費のために、典型的なトランスジューサアレイ内に含み得るトランスジューサの数が制限されることがある。したがって、大型の２次元トランスジューサアレイ内にあるトランスジューサをアドレス指定するための改良型の技法を提供できると有利である。

本技法の実施形態による２次元アレイ内でトランスジューサをアドレス指定するためのシステム及び方法を開示する。本技法の一態様では、トランスジューサが横列と縦列の形で配列されており、その縦列は共通の送信及び受信回路に結合されている一方、その横列は横列選択回路に結合されている。別の実施形態では、各トランスジューサは単独で専用の送信回路に結合されており、その縦列は共通の受信回路に結合されている。この両方の実施形態では、トランスジューサを信号発生／受け取り回路に通信可能に結合させるために使用される個々の電気相互接続の数が削減される。

本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。

本発明の態様による個々のトランスジューサをアドレス指定するための改良型技法による２次元トランスジューサアレイを含む例示的な超音波デバイスの図である。 本発明の態様による図１に示した２次元トランスジューサアレイのブロック図である。 本発明の態様による図２に示したトランスジューサアレイの横列選択タイミング及び対応する電圧出力を表している電圧対時間のグラフである。 本発明の態様によるトランスジューサの最初の３つの横列の横列選択タイミングを表した図３に示した電圧対時間の拡大グラフである。 本発明の態様による２次元トランスジューサアレイの代替的な実施形態を表した図である。 本発明の態様によるトランスジューサアレイで使用される受信回路の代替的な実施形態を表した図である。 本発明の態様によるトランスジューサアレイで使用される受信回路の代替的な実施形態を表した図である。 本発明の態様によるトランスジューサアレイで使用される受信回路の代替的な実施形態を表した図である。

本明細書に開示した技法によれば、各トランスジューサごとに個々の専用の処理電子回路を使用することなくトランスジューサアレイを製作することが可能となる。本明細書に開示した実施形態によれば、その各々を幾つかのトランスジューサによって共有し得るように複数の信号バスを使用するような２次元トランスジューサアレイを製作することができる。個々のトランスジューサの起動を可能にするために、トランスジューサは選択回路によって起動させるスイッチを通じて信号バスに結合させることがある。アレイ内のトランスジューサをアドレス指定するための、技術的な問題がより少なくかつより経済的な技法を提供することによって、既存の超音波テクノロジーと比較してさらに大型のトランスジューサアレイを製作することができ、これによって大型の２次元トランスジューサアレイを有する新たな超音波技法やデバイスが可能となる。

図１は、本発明の態様によるトランスジューサをアドレス指定する改良型技法による２次元トランスジューサアレイを含む例示的な超音波デバイスである。図１に示すように、改良型超音波デバイス１０は、患者１２の組織に隣接して配置させ、通信ケーブル１６を通じてモニタ１４に結合されることがある。モニタ１４によって超音波デバイス１０のオペレータは、超音波デバイス１０が受け取った信号から作成した超音波画像の再構成及び観察が可能となる。さらにモニタ１４は、通信ケーブル１６を通じて超音波デバイス１０に制御信号を提供することもある。超音波デバイス１０は、トランスジューサアレイ２０を包含する役割をすると共に該トランスジューサアレイ２０を患者１２の組織のごく近傍にもってくることを可能にさせるハウジング１８を含むことがある。ハウジング１８は、超音波デバイス１０を患者１２の組織に沿わせることを可能にするような薄手で柔軟な材料を含むことがある。幾つかの実施形態ではそのハウジングは例えば、シリコンベースのポリマーなどのエラストマー性ポリマー、ポリ塩化ビニル、あるいはポリエチレンなどのポリオレフィンを含むことがある。ハウジング１８はさらに、超音波デバイス１０を適所に保持するために粘着剤の裏当てを含むことがある。別法として超音波デバイス１０は伸縮性のバンドまたはストラップによって適所に保持させることがある。

トランスジューサアレイ２０は、ハウジング１８の内部に配置されると共に、ハウジング１８によって患者１２のごく近傍に保持される。トランスジューサアレイ２０はさらに患者１２の組織との良好な接触を提供するような柔軟性とすることがある。一実施形態ではそのトランスジューサアレイ２０は概ね高さを最大で６”かつ幅を６”とすることがあり、また１０００×１０００のマトリックス状に配列させた最大で概ね１，０００，０００個のトランスジューサを含むことがある。このようにトランスジューサの数が多いことによって、関心対象部位内部で超音波画像を幾つかの画像スライスにわたって取得するためにオペレータが超音波デバイス１０を動かすことのないような自動走査が可能となる。そうでない場合は、トランスジューサアレイ２０の横列を電子走査することによって幾つかの画像スライスが取得されることがある。トランスジューサアレイ２０内で使用する電気相互接続の数を削減するために、トランスジューサを幾つかの信号バスまたは共通の相互接続に結合させることがある（これについては以下で記載することにする）。

図２は、本発明の態様による図１に示した大型の２次元トランスジューサアレイ２０のブロック図である。トランスジューサアレイ２０は格子状に配列させたトランスジューサ２２を含む。便宜上、トランスジューサアレイ２０のうちの２つの横列と２つの縦列だけを示している。しかし、本実施形態によるトランスジューサアレイはその総数が最大で数百万個のトランスジューサ２２となるような横列数と縦列数を含むことがあることを理解されたい。トランスジューサ２２は、例えば容量性マイクロマシン加工超音波トランスジューサ（ｃＭＵＴＳ）や圧電トランスジューサなどの任意のタイプの超音波トランスジューサとすることができる。

単一の縦列内にあるトランスジューサ２２の各々は、トランスジューサ２２に対して超音波信号を送出及び受信するように構成された回路に該縦列内のトランスジューサ２２の各々を電気的に相互接続している縦列バス２４に結合させることがある。各トランスジューサ２２はスイッチ２６を通じて縦列バス２４に選択的に結合させることがある。スイッチ２６は、電界効果トランジスタやマイクロ電子機械システム（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）スイッチなどの任意のタイプの半導体式や適当なその他のスイッチとすることができ、また送信電圧を支持するために高電圧（５０〜２００Ｖ）の通過を可能とさせることがある。各スイッチ２６のゲートは、トランスジューサの各横列を横列選択回路２８に結合させる電気接続である横列バス２５に結合させることがある。横列選択回路２８は、横列バス２５を介してゲートに信号を送出することによってトランスジューサ２２の１つまたは複数の横列を選択的に起動し、これによってトランスジューサ２２の選択した横列を縦列バス２４に結合させることがある。その縦列バス及び横列バス上に配置させる信号を制御することによって、トランスジューサ２２を個々に、あるいは１つまたは複数の横列を一度にアドレス指定することができる。

縦列バス２４は、送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ３４を通じてトランスジューサ２２の各縦列を送信回路３７及び受信回路３８に結合させており、このＴ／Ｒスイッチ３４はその縦列バス２４を送信回路３７と受信回路３８のどちらに結合させるのかを決定している。送信回路３７は、縦列バス２４を介してトランスジューサ２２に送られる出力電圧波形の発生を制御するように構成された制御ロジック３０を含むことがある。出力電圧波形を発生させるために、制御ロジック３０は１つまたは複数の制御信号をパルス発生器３６に送出することがあり、このパルス発生器３６の出力は縦列バス２４に結合されると共に事前定義の複数の離散的電圧レベルを出力するように構成されている。制御ロジック３０からの信号によって、パルス発生器３６の出力電圧を事前定義の電圧レベルに沿ってステップ変化させて所望の出力電圧波形を生成している。幾つかの実施形態ではそのパルス発生器３６は、０、＋Ｖ及び−Ｖという３つの電圧レベルを備えた方形波を発生させることがある。別の実施形態ではそのパルス発生器３６は、幾つかの電圧レベルを含むと共に正弦波形に似せた波形を出力することがある。さらに別の実施形態ではそのパルス発生器３６は、アナログ出力波形を発生させることがある。さらに、制御ロジック３０及び／またはパルス発生器３６は、各縦列バス２４ごとに異なる波形を生成するように構成されることがある。例えば幾つかの実施形態ではその制御ロジック３０は、ある特定の関心対象部位に超音波全体が集束されるように各縦列バス２４の出力波形の間に位相遅延を生成することがある。

受信回路３８は、患者１２から反射された超音波を表しているデータをトランスジューサ２２から受け取るデータ収集回路３２を含むことがある。次いでデータ収集回路３２は、このデータから超音波画像を作成することがある。データ収集回路３２はさらに、患者内のある特定の関心対象部位に超音波画像を集束させるために、受け取ったデータに対して位相遅延及び信号利得偏差を導入することがある。受信回路３８はさらに、トランスジューサから受け取った電圧波形をデータ収集回路３２に適したディジタル形式に変換するための回路を含むこともある。幾つかの実施形態ではその受信回路３８は、増幅器４０及びアナログ対ディジタル変換器（ＡＤＣ）４２を含むことがある。増幅器４０は、トランスジューサ２２から電圧信号を受け取ることがあり、またこの信号をＡＤＣ４２に適したレベルまで増幅することがある。次いでＡＤＣ４２は、トランスジューサ２２から受け取った信号をディジタル信号に変換しており、このディジタル信号は処理のためにデータ収集回路３２に送られることがある。

Ｔ／Ｒスイッチ３４は、縦列バス２４を送信回路３７と受信回路３８のどちらに結合させるかを制御することによって縦列バスに対する信号のルート設定を制御する。送信段階の間は、Ｔ／Ｒスイッチ３４が出力信号をパルス発生器３６から縦列バス２４に結合させており、これによって出力信号は横列選択回路２８が選択したトランスジューサ２２の横列に送信される。受信段階の間は、Ｔ／Ｒスイッチ３４が縦列バス２４を増幅器４０に結合させる。増幅器４０がトランスジューサ２２から受け取った信号は次いで、データ収集回路３２に中継される前にＡＤＣ４０によりディジタル化される。

上に記載したアドレス指定技法を用いることによって、各トランスジューサ２２ごとの個々の相互接続を用いることなく個々のトランスジューサ２２を選択的に起動することが可能となる。例えば１００×１００のトランスジューサアレイでは、相互接続の数を１０，０００から２００まで減少させることができる。これによって、典型的な超音波デバイスと比較して製作コストを大幅に節約することができ、またさらに大型のトランスジューサアレイの製作が可能となる。幾つかの実施形態ではその超音波デバイスは、トランスジューサアレイ２０全体、あるいは個々の横列や縦列などトランスジューサアレイ２０の所望の部分組を同時にアドレス指定するように構成されることがある。

超音波データを収集する処理は、出力段階と受信段階という２つの段階を含むことがある。出力段階の間は、Ｔ／Ｒスイッチ３４が縦列バス２４のうちの１つまたは幾つかをパルス発生器３６の出力に結合させていると共に、制御ロジック３０が次に縦列バス２４に送るための出力波形を発生させている。次いで横列選択回路２８は、スイッチ２６のうちの１つまたは幾つかの横列を起動させ、これによって選択したトランスジューサ２２が縦列バス２４に結合される。選択されたトランスジューサ２２は次いで、パルス発生器３６から出力電圧波形を受け取り、得られた超音波波形を患者１２に送信する。図３に関連して以下でさらに説明することにするが、幾つかの実施形態ではその横列選択回路２８は、出力波形を発生させている間のある短い時間にわたってトランスジューサ２２の各横列を順次起動させることによってアレイ２０全体を走査することがある。

受信段階の間は、Ｔ／Ｒスイッチ３４が縦列バス２４のうちの１つまたは幾つかを受信回路３８の入力に結合させる。次いで横列選択回路は、スイッチ２６のうちの１つまたは幾つかの横列を起動させ、これによって選択したトランスジューサ２２が縦列バス２４に結合される。次いで選択されたトランスジューサ２２は、患者１２から反射された超音波波形を受信し、得られた電気信号を受信回路３８に送り、ここで信号をディジタル化し処理して超音波画像が作成される。送信段階の場合と同様に、横列選択回路２８は、反射された超音波波形を受信している間のある短い時間にわたってトランスジューサ２２の各横列を順次起動させることによってアレイ２０全体を走査するように構成されることがある。横列選択タイミングについてはトランスジューサをアドレス指定する例示的な方法を例示した図３及び４を参照するとより理解が深まろう。

図３は、本発明の態様による図２に示したトランスジューサアレイの横列選択タイミング及び対応する電圧出力を表している電圧対時間のグラフである。本例示を目的として、１００×１００マトリックスの超音波トランスジューサを仮定している。グラフ４６内には、図２に示したパルス発生器３６のうちの１つが発生させる縦列バス出力４８のプロットを含めている。図３に示すように、縦列バス出力４８は時刻ゼロにおけるゼロボルトから、出力周期５６（Ｔ_ｏｕｔ）の４分の１経過後にある正の電圧Ｖ_ｐｏｓまで上昇する。幾つかの実施形態では、Ｖ_ｐｏｓは概ね１００ボルトに等しいことがある。したがって、幾つかの実施形態では、図２に示したスイッチ２６を高電圧スイッチとすることになることを理解されたい。縦列バス出力４８は正弦波波形を近似している階段状出力である。代替的な実施形態ではその縦列バス出力４８をアナログ信号とすることや方形波信号とすることがある。さらに、グラフ４６は便宜上、縦列バス出力４８のうちの４分の１だけを示していることに留意すべきである。図示したこの例示的実施形態では、縦列バス信号の出力周波数は概ね５メガヘルツとすることがある。したがって図示した実施形態では、縦列バス信号の出力周期を概ね２００ナノ秒とし、また４分の１周期５６（すなわち縦列バス出力４８をゼロからＶ_ｐｏｓまで上昇させる時間）は概ね５０ナノ秒とすることがある。

上で検討したように、トランスジューサアレイ２０の横列は、縦列バス信号４８を出力している間に走査を受ける、すなわち順次起動されることがある。ある横列を起動させるごとに、該横列をある時間期間（本明細書では、「横列起動間隔」と呼ぶ）にわたって有効状態に維持しており、この間に起動を受けた横列内にあるトランスジューサは縦列バス電圧に従って電気的に充電または放電する。サイクルタイム５８（Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}）は、トランスジューサアレイ２０全体を走査するのにかかる時間量を意味している。幾つかの実施形態ではそのトランスジューサアレイ２０全体が各１０ナノ秒ごとに走査を受けることがあり、この場合に１００横列のトランスジューサアレイ２２では横列起動間隔が０．１ナノ秒になる。図３に示すように幾つかの実施形態では、そのトランスジューサアレイ２０は縦列バス信号４８を出力させている間に数回走査を受けることがある。このため、パルス発生器３６からの出力電圧波形に応答して縦列バス電圧が変化するに連れて、トランスジューサ２２が数回起動されることがある。トランスジューサ２２が起動されるごとに、起動間隔中に存在する縦列バス電圧に従って充電または放電する。トランスジューサは容量性であるため、横列選択回路２８の切り替えにより導入される高周波成分がトランスジューサ２２によってろ過除去され、これによりトランスジューサ２２の出力超音波波形が滑らかな波形に近づくことになる。

グラフ４６は、１００個の横列を順次起動させる際に横列１及び横列５０のトランスジューサ２２に加えられる電圧を示している。トレース５０は横列１に加えられる電圧を表しており、またトレース５２は横列５０に加えられる電圧を表している。グラフ４６に示したように、横列１は時刻ゼロのすぐ後でオンに切り替えられており、この時刻までに縦列バス信号４８が初期電圧レベルまでステップアップされている。横列１が起動状態を維持している間に、横列１のトランスジューサ２２は縦列バス２４の電圧レベルに達するまで充電される。サイクルタイム５８の間に１００個すべての横列が起動されるため、各横列はサイクルタイムを横列数で割った時間（この場合では、Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}／１００）に等しいまたはこれ未満の時間期間だけ起動されている。しかし、トランスジューサ２２がオフに切り替えられた後は、トランスジューサ２２の出力は起動期間中に到達した最終の電圧レベルに維持される。サイクルタイム５８（Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}）が一巡した後、再び横列１がオンに切り替えられて、横列１は当該時刻において縦列バス上に存在する電圧レベルに至る。この処理は、トランスジューサ２２の各横列ごとに出力波形の送信が終了するまで継続される。各トランスジューサ横列は走査サイクルの間の若干異なる時刻で起動されるのであるが、異なる横列同士の出力波形の位相差は非常に小さいことを指摘しておくことは重要であろう。このことは、トレース５２で示した横列５０を参照するとより理解を深めることができよう。

グラフ４６により示したように、横列５０は時刻Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}／２において起動され、また相次いで時間間隔Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}がそれぞれ経過した後に再度起動されている。このグラフから分かるように、横列１及び横列５０は異なる時刻にオンに切り替えられているが、この２つの波形は両者共が出力電圧波形をサンプリングしているためこの両波形間に存在する位相遅延は非常に小さい。しかし、トランスジューサ横列間にはその切り替え間隔５４に応じて縦列バス信号４８によってわずかな量の位相遅延が導入されることがあることを理解されたい。一般にトランスジューサ出力波形間の位相遅延は、縦列バス（Ｔ_ｂｕｓ）の切り替え間隔５４に等しいかこれ未満となる。

図４は、本発明の態様によるトランスジューサの最初の３つの横列の横列選択タイミングを表した図３に示したグラフの拡大図である。図４は、時刻ゼロのすぐ後において横列１、横列２及び横列３が選択されている間のトランスジューサ２２にまたがる電圧を表している。図４に示すように、縦列バス信号４８は、時刻ゼロのすぐ後において第１の電圧増分Ｖ_１まで上昇する。引き続いて、トレース５０で表した横列１、トレース６２で表した横列２、及びトレース６４で表した横列３が連続してオンに切り替えられる。上で述べたように、ここに記載した実施形態は横列が１００個でサイクルタイム５８（Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}）が１０ナノ秒のトランスジューサアレイ２０を仮定している。したがってここに記載した実施形態の横列起動間隔５９は概ね０．１ナノ秒である。換言すると、横列選択回路２８は、連続するトランスジューサ横列を増分単位０．１ナノ秒で順次起動させている。したがってグラフ６０に示したように、Ｔ＝０．１ナノ秒において横列１がオンに切り替えられる。Ｔ＝０．２ナノ秒には、横列１がオフに切り替えられかつ横列２がオンに切り替えられる。Ｔ＝０．３ナノ秒には、横列２がオフに切り替えられかつ横列３がオンに切り替えられる、等々となる。幾つかの実施形態では、縦列バス信号４８の立ち上がり時間６６（Ｔ_ｒｉｓｅ）は横列起動間隔５９より短いことがあり、これによって縦列バス信号４８はトランスジューサ横列がオンに切り替えられる前に各増分電圧レベル（例えば、電圧Ｖ_１）を安定化することが可能となる。

個々の横列を順次選択する同じ処理を受信段階の間に実現することがあり、この際に反射された超音波波形がトランスジューサ２２により受信されると共にトランスジューサ２２は縦列バス２４を介して受信回路３８に引き渡される対応する電圧信号を発生させる。エイリアシングを回避するためには、トランスジューサ２２のサンプリング速度は、受信した超音波波形の周波数の２倍を超えることがある。したがって５メガヘルツの超音波波形では、トランスジューサ２２のサンプリング速度は概ね１０メガサンプル毎秒（ＭＳＰＳ）を超えることがある。したがって１００横列のトランスジューサアレイ２０では、横列選択回路の切り替え周波数は概ね１ギガサンプル毎秒（ＧＳＰＳ）となる。さらに、トランスジューサの各縦列が同じＡＤＣ４２を共有しているため、ＡＤＣ４２のサンプル速度も概ね１ＧＳＰＳであることになる。

図５は、本発明の態様による大型２次元トランスジューサアレイの代替的な実施形態を表した図である。図５に示した実施形態では、アレイ２０内の各トランスジューサ２２は専用の送信パルス発生器３６と関連付けされている。縦列バス２４から送信信号を収集するのではなく、各専用のパルス発生器３６が関連する制御ロジック３０からの駆動信号に応答して関連するトランスジューサ２２に出力電圧波形を提供する。制御ロジック３０は、広域制御線２３を通じて制御ロジック３０と通信可能に結合させ得る送信同期回路２７からの同期信号に応答してフル出力波形を発生させるようにプログラムされることがある。この実施形態では、送信同期回路２７からの同期信号が制御ロジック３０を同時にトリガし、トランスジューサ２２に対して出力波形を同時に送信させることがある。さらに、制御ロジック３０及び／またはパルス発生器３６を各駆動ユニット向けにカスタマイズすることによって、各トランスジューサ２２の波形をより個別化させることがある。

代替的な実施形態ではその送信同期回路２７を排除することがある。この実施形態では、出力超音波波形の開始は、横列選択回路２８により横列バス２５を通じて制御ロジック３０に同期信号を送出することによって統制されることになる。図示した実施形態の場合と同様に、同期信号はすべての横列に対して、順次式に、あるいは実質的に同時刻に送られることがある。次いで制御ロジック３０は、出力波形を発生させるようにパルス発生器３６を駆動させるルーチンを開始することがある。

各トランスジューサ２２の出力は、縦列バス２４に結合され、出力信号をトランスジューサ２２から受信回路３８までルート設定することがある。さらに、各トランスジューサ２２はトランスジューサ２２に出入りする信号のルート設定を制御するＴ／Ｒスイッチ３４を通じて、かつ／またはトランスジューサ横列の選択を制御するスイッチ２６を通じて縦列バス２４に結合させることがある。制御ロジック３０は、パルス発生器３６の駆動以外にＴ／Ｒスイッチ３４も制御することがある。例えば送信段階の間に、制御ロジック３０はＴ／Ｒスイッチに対してトランスジューサ２２をパルス発生器３６の出力に結合させる信号を送出することがある。送信リソースは共通でないため、送信段階の間にさらにトランスジューサ３４の全部がそれぞれのパルス発生器３６に同時に結合されることがある。受信段階の間に、制御ロジック３０はＴ／Ｒスイッチ３４に対してトランスジューサ２２を縦列バス２４に結合させる信号を送出することがある。Ｔ／Ｒスイッチ３４の起動速度に応じて、代わりに低電圧ＭＯＳＦＥＴ横列選択スイッチが使用されることがある。受信段階の間に、一度にトランスジューサ２２の横列の１つだけを縦列バス２４に結合させることがある。したがって横列選択回路２８は、反射された超音波波形を受信している間に一度に１つの横列の割でトランスジューサ２２を縦列バス２４に順次結合させることがある。図３に関連して上述したように、トランスジューサ２２の出力は増幅器４０及びＡＤＣ４２を含むことがある受信回路３８に送られることがある。

図２及び５に示すように、受信回路３８は幾つかの実施形態では、各縦列バス２４において共通とすることになり、また受信回路３８は縦列バス２４に結合されたトランスジューサ２２によって共有されることになる。したがって上述したように、受信回路３８のサンプリング速度は、トランスジューサ２２のサンプリング速度にトランスジューサアレイ２０内の横列数を乗算した値となることがある。トランスジューサのサンプリング速度が１０ＭＳＰＳでありかつトランスジューサ２２の横列が１００であると仮定すると、ＡＤＣ４２のサンプリング速度は概ね１ＧＳＰＳとなることがある。さらに、データ収集回路３２が受け取ったデータは幾つかの横列にわたってインターレース（ｉｎｔｅｒｌａｃｅｄ）させることがある。しかし別の実施形態では、処理速度を低下させたＡＤＣ４２の利用を可能にさせかつ受け取ったサンプルデータに対してある種の前処理を提供するように受信回路３８を配列させることがある。例えば、図６及び７に示した受信回路３８は、トランスジューサアレイ２０から受信するに従ってサンプルデータを一時的にアナログメモリデバイス内に保存できるような受信回路３８の代替的な実施形態を表している。この方法では、ＡＤＣ（複数のこともある）の処理速度を低減させることができ、かつ／またはそのデータをデータ収集回路３２に送る前に前処理することができる（これについては、以下でさらに説明することにする）。

図６は、本発明の態様による受信回路３８の代替的な実施形態を表している。図６に示すように、受信回路３８は、サンプルアンドホールド（Ｓ／Ｈ）増幅器７６やＡＤＣ４２などのアナログ記憶デバイスからなるアレイ７４を含むことがある。幾つかの実施形態ではそのアナログ記憶デバイスは、アナログランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含むことがある。アレイ７４は、トランスジューサアレイ２０内の各トランスジューサ２２ごとに１つのＳ／Ｈ増幅器７６と１つのＡＤＣ４２からなる対形成を含むことがある。このためにＳ／Ｈアレイ７４は、トランスジューサアレイ２０のそれぞれの横列及び縦列に符合して横列と縦列の形で配列されることがある。各Ｓ／Ｈ増幅器７６は、縦列バス２４を介してトランスジューサアレイ２０のトランスジューサ２２のうちの１つから反射された波形データを受け取ることがある。例えば、アレイ７４の縦列１にあるＳ／Ｈ増幅器７６はトランスジューサアレイ２０の縦列１内のトランスジューサ２２からデータを受け取っており、アレイ７４の縦列２内のＳ／Ｈ増幅器７６はトランスジューサアレイ２０の縦列２内のトランスジューサ２２からデータを受け取っており、以下同様となっている。Ｓ／Ｈ増幅器７６は、適当な任意の手段によってこれらのそれぞれの縦列バス２４に結合されることがある。例えば縦列バス２４は、ある特定の縦列のＳ／Ｈ増幅器７６内に多重化されることがある。別の例ではその縦列バス２４は、電荷結合素子（ＣＣＤ）などのパイプラインに供給されることがある。さらに別の例では、ある特定の縦列のＳ／Ｈ増幅器７６が直列に配列されると共にシフトレジスタを介して結合されることがあり、また縦列バス２４はシフトレジスタ縦列の入力に結合されることがある。

受信段階の間に、トランスジューサアレイ２０の縦列バス２４はトランスジューサアレイ２０内のトランスジューサ２２のある特定の横列に結合されており、また受け取ったデータサンプルはＳ／Ｈ増幅器７６の対応する横列内に保存される。Ｓ／Ｈ増幅器７６の横列が新たにデータサンプルを収集した後、アナログデータをディジタル信号に変換するために各Ｓ／Ｈ増幅器７６はそのデータサンプルを関連するＡＤＣ４２に送出する。ディジタル化したサンプルは次いで、データ線４４を介してデータ収集回路３２に送られる。上述の処理は、横列単位で順次実施される。トランスジューサアレイ２０内の各トランスジューサ２２ごとにＳ／Ｈアレイ７４からデータ収集回路３２まで１つのデータ線４４を存在させることがあることを理解されたい。さらに、各Ｓ／Ｈ増幅器７６が単独の１つのＡＤＣ４２と対になっているため、ＡＤＣ４２の処理速度はトランスジューサ２２のサンプル速度に等しいことがある。例えば、トランスジューサのサンプリング速度が１０ＭＳＰＳであると仮定すると、トランスジューサ２２の横列数と無関係にＡＤＣ４２の処理速度も概ね１０ＭＳＰＳとなることがある。

図７は、本発明の態様による受信回路３８の別の実施形態を表している。図６に示した実施形態と同様に、図７に示した実施形態もトランスジューサアレイ２０のそれぞれの横列及び縦列に符合して横列と縦列の形で配列されたサンプルアンドホールド（Ｓ／Ｈ）増幅器７６からなるアレイ７４を含むことがあり、また各Ｓ／Ｈ増幅器７６は縦列バス２４を介してトランスジューサアレイ２０のトランスジューサ２２のうちの１つから反射された波形データを受け取ることがある。しかし図７に示した実施形態では、Ｓ／Ｈ増幅器７６の各横列は１つのＡＤＣ４２と対になっている。

この実施形態では、トランスジューサ７６の横列がデータサンプルを受信した後、Ｓ／Ｈ増幅器７６の横列がＡＤＣ４２に順次読み出される。Ｓ／Ｈ増幅器７６の各横列は適当な任意の手段によってそれぞれのＡＤＣ４２に結合されることがある。例えばＳ／Ｈ増幅器７６の横列はＡＤＣ４２内に多重化されることがある。別の例ではＳ／Ｈ増幅器７６の横列によってＣＣＤパイプラインなどのパイプラインが形成されることがある。さらに別の例ではＳ／Ｈ増幅器７６の横列が直列に配列されると共にシフトレジスタを介して一体に結合されることがある。この方法では、Ｓ／Ｈ増幅器アレイ７４からデータ収集回路３２へのデータ線４４の数を低減させることができる。さらに、この方法で収集されるサンプルデータがデータ収集回路に送られる前にインターレースの縦列からインターレースの横列に配列し直されることがあることも理解されたい。

図８は、本発明の態様による受信回路３８のさらに別の実施形態を表している。本明細書に示した実施形態では、トランスジューサアレイ２０の各縦列バス２４は、トランスジューサアレイ２０内の各トランスジューサ２２ごとに１つのアナログＲＡＭ８２を含むアナログＲＡＭバンク８０に結合されている。各ＲＡＭ８２は、トランスジューサアレイ２０内の対応するトランスジューサ２２により受け取った反射波形データを保存するように構成させた一連の連続メモリアドレスを含む。受信段階の間にトランスジューサアレイ２０の横列が横列選択回路２８によって順次起動されるに連れて、トランスジューサ２２からのデータが対応するＲＡＭ８２にセーブされることがある。したがって各ＲＡＭバンク８０は、トランスジューサアレイ２０内の各横列をＲＡＭバンク８０内の対応するＲＡＭ８２に結合させるための回路を含むことがある。例えば幾つかの実施形態ではそのＲＡＭバンク８０は、縦列バス２４を適当なＲＡＭ８２に順次結合させる多重化回路を含むと共に、横列選択回路２８によるトランスジューサアレイ２０の横列の起動と協調させることがある。幾つかの実施形態ではＲＡＭバンク８２の多重化回路は、その一部が横列選択回路２８によって制御されることがある。反射波形の受信が完了した後、各トランスジューサ２２ごとの反射波形は個々のＲＡＭ８２内にセーブされることになる。次いでこの波形はＲＡＭ８２から読み出され、データ収集回路３２に送られる（これについては以下で記載することにする）。

幾つかの実施形態ではその受信回路３８は、アナログＲＡＭバンク８０から読み出されるに従って一度に１つの横列の割合で反射波形を足し合わせる加算器８６を含むことがある。例えばＲＡＭバンク８０は、ＲＡＭバンク８０の単一の横列内にある各ＲＡＭ８２の第１のメモリアドレスを読み出し、次いでＲＡＭバンク８０の同じ横列内の各ＲＡＭ８２の第２のメモリアドレスを読み出し、以下ＲＡＭ８２の当該横列内のデータの全体組が読み出されて足し合わされ終わるまで同様とすることがある。データが足し合わされるに従って、加算器８６の出力はＡＤＣ４２に送られ、このＡＤＣ４２によってデータがディジタル化されてそのデータがデータ収集回路３２に送出される。データ収集回路３２に送られるデータはしたがって、トランスジューサ２２の１つの横列全体を表す合成波形になる。各横列は、各アナログＲＡＭバンク８０からデータをすべて読み出し終わるまで連続して足し合わされる。図８を参照しながら記載する技法によれば、出力データの処理がフル反射波形の受信後に実施されることがあり、したがってトランスジューサ２２のサンプル速度に依存しないため、ＡＤＣ４２のサンプル速度を低減させることが可能である。さらに各縦列の出力を総和信号とするように合成することによれば、使用するＡＤＣ４２が１つだけになる共に、データ収集回路３２は反射データを受け取るための入力を１つ含むだけである。これによって受信回路３８及びデータ収集回路３２のコスト及び複雑性を軽減させることができる。

図８に示した受信回路３８の別の利点は、超音波ビームをある特定の方向に目標設定できるようにする処理、すなわちある特定の方向で超音波デバイス１０の感度を増大させることができる処理であるビーム形成を実現するためにもこれを使用できることである。こうしたビーム形成を達成するためには、２つ以上の反射波形を同位相となるようにシフト（すなわち、時間シフト）させて互いに加算して、ある特定の方向から反射された波を表す合成波形を生成することができる。図８の受信回路３８では、各ＲＡＭ８２内に保存されたデータを１つまたは複数のメモリアドレス全体にわたってシフトさせることによってデータに対して時間遅延を導入することがある。この方法では、データをＲＡＭ８２から順々に読み出すときに、このデータのシフトが、他の波形と比較してある時間遅延をもたせてデータを加算器に送らせることになる。したがって、データシフトにより導入される時間遅延はトランスジューサ２２のサンプル速度並びにデータをシフトさせるメモリアドレスの番号に依存することになる。

一実施形態ではそのデータシフトは、ポインタ８４によって示したように開始メモリアドレスを設定することによって達成される。ポインタ８４は、アナログＲＡＭ８２内において反射波形の第１のデータサンプルが保存されている箇所を決定している。したがってアナログＲＡＭ８２は、フル反射波形と最大時間遅延を足したものを保持するだけの十分なメモリを含むことがある。トランスジューサ２２からの出力データをすべてアナログＲＡＭ８２に保存し終えた後には、所望の遅延が実現されていることになる。反射波形データを引き続いて各ＲＡＭ８２から読み出す際には、各ＲＡＭ８２の第１のメモリアドレスで読み出しを開始させることになる。

本発明の技術的効果は、超音波の発生及び／または反射した超音波の受信を行うようにトランスジューサアレイ内の１つまたは複数のトランスジューサがアドレス指定されることを含んでおり、この際にそのトランスジューサは共通の電気相互接続に結合されることである。別の技術的効果は、アナログ対ディジタル変換器及びデータ収集回路に関する処理速度の低減を可能とさせるような受け取った超音波データに対する前処理を含む。

この記載では、本発明（最適の形態を含む）を開示するため、並びに当業者による任意のデバイスやシステムの製作と使用及び組み込んだ任意の方法の実行を含む本発明の実施を可能にするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や、本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない等価的な構造要素を有する場合があるが、本特許請求の範囲の域内にあるように意図したものである。

１０ 超音波デバイス
１２ 患者
１４ モニタ
１６ ケーブル
１８ ハウジング
２０ トランスジューサアレイ
２２ トランスジューサ
２３ 制御線
２４ 縦列バス
２５ 横列バス
２６ スイッチ
２７ 送信同期回路
２８ 横列選択回路
３０ 制御ロジック
３２ データ収集回路
３４ 送信／受信スイッチ
３６ パルス発生器
３７ 送信回路
３８ 受信回路
４０ 増幅器
４２ ＡＤＣ
４４ データ線
４６ グラフ
４８ 縦列バス出力
５０ トレース
５２ トレース
５４ 切り替え間隔
５６ 出力周期
５８ サイクルタイム
５９ 横列起動間隔
６０ グラフ
６２ トレース
６４ トレース
６６ 立ち上がり時間
７４ アナログ記憶デバイスのアレイ
７６ サンプルアンドホールド増幅器
８０ ＲＡＭバンク
８２ ＲＡＭ
８４ ポインタ
８６ 加算器

Claims (10)

1. 横列と縦列の形で配列させた複数のトランスジューサ（２２）を含む２次元トランスジューサアレイ（２０）と、
   前記トランスジューサ（２２）と電気的に結合させた、その各々が単一縦列のトランスジューサ（２２）をそれぞれの送信回路（３７）及びそれぞれの受信回路（３８）に伝送可能に結合させている複数の縦列バス（２４）であって、該送信回路（３７）は出力超音波を生成するようにトランスジューサ（２２）を駆動するための出力電圧信号を発生させるように構成されており、該受信回路（３８）は反射超音波に応答してトランスジューサ（２２）が発生させた入力電圧信号を受信するように構成されている複数の縦列バス（２４）と、
   その各々がトランスジューサ（２２）のうちの１つとそれぞれの縦列バス（２４）との間に直列に結合されている複数のスイッチ（２６）と、
   前記スイッチ（２６）と電気的に結合させた複数の横列バス（２５）であって、その各々は、トランスジューサ（２２）の横列のうちの１つまたは幾つかそのそれぞれの縦列バス（２４）に選択的に結合させるように構成された横列選択回路（２８）に対して単一の横列内のスイッチ（２６）を電気に結合させている複数の横列バス（２５）と、
   を備える超音波撮像デバイス（１０）。
2. 前記送信回路（３７）は、事前定義の複数の電圧レベルを出力するように構成されたパルス発生器（３６）を備える、請求項１に記載の超音波撮像デバイス（１０）。
3. 前記スイッチ（２６）はマイクロ電子機械システムスイッチである、請求項１に記載の超音波撮像デバイス（１０）。
4. 前記受信回路（３８）は各縦列バス（２４）ごとに１つのアナログ対ディジタル変換器（４２）を備える、請求項１に記載の超音波撮像デバイス（１０）。
5. 前記受信回路（３８）は、その各々が対応するトランスジューサ（２２）に結合可能であると共に該対応するトランスジューサ（２２）が発生させた入力電圧信号のデータサンプルを保存するように構成されている複数のアナログ記憶デバイスを備える、請求項１に記載の超音波撮像デバイス（１０）。
6. 前記受信回路（３８）は、その各々が対応するトランスジューサ（２２）に結合可能であると共に該対応するトランスジューサ（２２）が発生させた入力電圧信号に符合した複数のデータサンプルを保存するように構成された複数のメモリ素子（８２）を含んでいる複数のアナログ記憶デバイスを備える、請求項１に記載の超音波撮像デバイス（１０）。
7. 前記受信回路（３８）は、
   アナログ記憶デバイスに結合されておりかつ１つまたは複数の合成波形を発生させるためにアナログ記憶デバイスからのデータサンプルを足し合わせるように構成されている加算器（８６）と、
   前記加算器（８６）の出力に結合されておりかつ該足し合わせたデータをディジタル信号に変換するように構成されているアナログ対ディジタル変換器（４２）と、
   を備える、請求項６に記載の超音波撮像デバイス（１０）。
8. 超音波撮像デバイス（１０）を動作させる方法であって、
   信号バスに選択的に結合可能な複数の超音波トランスジューサ（２２）によって反射超音波波形を受信すると共に該反射超音波波形に符合して受信電圧波形を発生させる工程と、
   受信電圧波形を発生させる間に複数の超音波トランスジューサ（２２）の各々を信号バスに順次結合させる工程と、
   を含む方法。
9. 複数の出力電圧波形を発生させると共に該複数の出力電圧波形のうちの各１つを複数の超音波トランスジューサ（２２）のうちの１つに送出する工程をさらに含む請求項８に記載の方法。
10. １つの出力電圧波形を発生させると共に該出力電圧波形を複数の超音波トランスジューサ（２２）に選択的に結合可能な信号バスに送出する工程と、
    出力電圧波形を発生させる間に複数の超音波トランスジューサ（２２）の各々を信号バスに順次結合させる工程と、
    を含む請求項８に記載の方法。

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