JP2018519085A - 超音波システム及び超音波パルス送信方法 - Google Patents

Abstract

超音波システムが開示され、超音波システムは、ＣＭＵＴ（容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ）セル１００のアレイ１１０を含むプローブ１０であって、各セルは電極構成部の第１の電極１２２を担持する基板１１２を備え、基板は、前記電極構成部の第２の電極１２０を含む柔軟メンブレン１１４からギャップ１１８によって空間的に離間され、柔軟メンブレンは中央領域１７、１７’に質量要素１４０を備える、プローブ１０と、前記プローブに結合され、超音波システムの送信モードにおいて、ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかを柔軟メンブレンの中央部が基板に接触するつぶれた状態へと駆動するバイアス電圧成分であって、前記中央部は中央領域を含む、バイアス電圧成分と、前記つぶれた状態にあるＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかのそれぞれの柔軟メンブレンを共鳴させるための設定周波数を有する刺激成分とを含む電圧を、ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかのそれぞれの電極構成部に提供するように適合された電圧源４５と、を備え、少なくともいくつかのＣＭＵＴセルの各々の質量要素は、前記共鳴中に、前記セルの柔軟メンブレンの少なくとも中央領域を強制的に基板と接触したままにする。このようなシステムのためのパルス送信方法も開示される。

Description

本発明は、ＣＭＵＴ（容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ））セルのアレイを含むプローブであって、各セルは電極構成部の第１の電極を担持する基板を備え、基板は、前記電極構成部の第２の電極を含む柔軟メンブレンからギャップによって空間的に離間された、プローブと、前記電極構成部に結合された電圧源と、を備える、超音波診断イメージングシステム又は超音波治療システムなどの超音波システムに関する。

本発明は更に、そのような超音波システムのプローブを使用した超音波パルス送信の方法に関する。

医療イメージングに使用される超音波トランスデューサは、高品質の診断画像の生成につながる多くの特性を有する。これらの中には、解像度及び高感度に影響する広帯域幅があり、これらは、圧力出力と組み合わさって、超音波周波数における音響信号の被写界深度に影響する。従来、これらの特性を有する圧電材料はＰＺＴ及びＰＶＤＦ材料で作られており、特にＰＺＴが選ばれる材料として一般的である。しかしながら、ＰＺＴはいくつかの顕著な欠点がある。先ず、セラミックＰＺＴ材料は、ダイシング、整合層ボンディング、フィラー、電気めっき及び相互接続を含む製造プロセスを必要とし、これらは明確に異なり、複雑で、大量の処理を必要とし、これらの全てによって、トランスデューサスタックユニットの歩留まりが所望されるものよりも低くなってしまうことがある。この製造の複雑さは、最終的なトランスデューサプローブのコストを増加させるとともに、要素間の最小間隔及び個々の要素の大きさに関して設計に制限を課す。更には、ＰＺＴ材料は、水又は生物組織に対して整合性の低いインピーダンスを有するので、関心対象媒体と整合の取れた所望の音響インピーダンスを得るために整合層がＰＺＴ材料に追加される必要がある。

超音波システムメインフレームは、より小型になり、信号処理機能性の多くに関してフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）及びソフトウェアによって占められているので、システムメインフレームのコストは、システムのサイズとともに低下している。超音波システムは、現在、例えば、超音波診断イメージングシステム、又は高エネルギー超音波パルスを使用して特定の（組織）異常を切除する超音波治療システムとしての使用のために、安価なポータブル、デスクトップ及びハンドヘルド形態で入手可能である。その結果、トランスデューサプローブのコストがシステムの総コストのうちに占める割合は増加し続け、この増加は、超音波診断イメージングシステムの場合に、３Ｄイメージングに使用される要素の数の多いアレイの出現により加速している。

電子的な方向制御を伴う超音波３Ｄイメージングに使用されるプローブは、トランスデューサ要素の２次元（２Ｄ）アレイのためのマイクロビーム形成を実施する特殊化された半導体デバイスの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に依存する。それ故、低コストの超音波システムの必要性を促進するために、好ましくは半導体生産に適合した製造プロセスによって、向上した歩留まりで、より低コストでトランスデューサアレイを製造可能であることが望ましい。

最近の開発は、医療超音波トランスデューサが半導体プロセスによって一括製造され得るという予想につながっている。望ましくは、これらのプロセスは、例えばＣＭＯＳプロセスなど、超音波プローブによって必要とされるＡＳＩＣ回路を生産するために使用されるものと同一のものであるべきである。これらの開発によって、マイクロマシン超音波トランスデューサ又はＭＵＴが生産されてきたが、その好適な形態は、容量性ＭＵＴ（ＣＭＵＴ）である。ＣＭＵＴトランスデューサは、受信される超音波信号の音波振動を変調キャパシタンスに変換する電極を有する微小なダイヤフラム状のデバイスである。送信のために、電極に供給される容量性電荷は、デバイスのダイヤフラムを振動／移動させ、それによって超音波を送信するように変調される。これらのダイヤ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、ダイヤフラムの直径は、例えば、ダイヤフラム直径をダイヤフラムの所望の共鳴周波数（範囲）に整合させるとともに、個々のダイヤフラムの間の間隔が数マイクロメートルよりも小さくなるように選択される。多くのこのような個々のＣＭＵＴセルが、互いに接続され得、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、４〜１６個のＣＭＵＴセルが、単一のトランスデューサ要素として調和して機能するように互いに結合され得る。例としては、典型的な２Ｄトランスデューサアレイは、２０００〜１００００個のＣＭＵＴトランスデューサ要素又はセルを有し得る。

従って、ＣＭＵＴトランスデューサをベースにした超音波システムの製造は、ＰＺＴをベースにしたシステムと比較して、よりコスト効果が高い。更には、そのような半導体プロセスにおいて使用される材料によって、ＣＭＵＴトランスデューサは、水及び生物組織に対して整合する一層向上させた音響インピーダンスを呈するので、（複数の）整合層の必要性をなくし、向上させた有効帯域幅を生む。

ＣＭＵＴセルによって生成される音響パワー（出力圧力）を最適化するために、ＣＭＵＴセルは、ギャップを横断するダイヤフラム又は柔軟メンブレンの中央部を対向する基板上に駆動するバイアス電圧によってＣＭＵＴセルが駆動されるいわゆるつぶれモードにおいて動作し、設定周波数を有する刺激であって、ダイヤフラム又は柔軟メンブレンをその設定周波数で共鳴させる刺激を提供される。これは、例えば、Ｋ．Ｋ．Ｐａｒｋらによって「Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｃｏｌｌａｐｓｅ−ｍｏｄｅ ＣＭＵＴ ｉｎ １−Ｄ ａｒｒａｙ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ」、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（ＩＵＳ）、２０１１年、ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、１０００〜１００３ページにおいて実証されている。しかしながら、ＣＭＵＴセルをつぶれモードにおいて動作させることの欠点は、それがＣＭＵＴセルの寿命に悪影響を与えることである。この理由は十分に分かっていない。

本発明は、向上させた寿命特性を有する、冒頭のパラグラフによる超音波システムを提供しようとするものである。

本発明は更に、そのような超音波システムのプローブを使用した超音波パルス送信の方法を提供しようとするものである。

一態様によると、超音波システムが提供され、超音波システムは、ＣＭＵＴ（容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ）セルのアレイを含むプローブであって、各セルは電極構成部の第１の電極を担持する基板を備え、基板は、前記電極構成部の第２の電極を含む柔軟メンブレンからギャップによって空間的に離間され、柔軟メンブレンは中央領域に質量要素（重み要素）を備える、プローブと、前記プローブに結合され、超音波システムの送信モードにおいて、ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかを柔軟メンブレンの中央部が基板に接触するつぶれた状態へと駆動するバイアス電圧成分であって、前記中央部は中央領域を含む、バイアス電圧成分と、前記つぶれた状態にあるＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかのそれぞれの柔軟メンブレンを共鳴させるための設定周波数を有する刺激成分とを含む電圧を、ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかのそれぞれの電極構成部に提供するように適合された電圧源と、を備え、少なくともいくつかのＣＭＵＴセルの各々の質量要素は、前記共鳴中に、前記セルの柔軟メンブレンの少なくとも中央領域を強制的に基板と接触したままにする。

本発明者は、驚くべきことに、送信中につぶれモードで動作するＣＭＵＴセルの寿命の問題が、印加される刺激成分によって、柔軟メンブレンのつぶれた中央部が対向する基板から一時的に解放されることによって引き起こされることを見出した。これは、中央部の応力を増加させ、柔軟メンブレンの中央部の亀裂又は他の損傷につながり、従って、ＣＭＵＴセルの寿命を損なう。本発明者は更に、この問題が、柔軟メンブレンの中央部分に質量要素を設置し、刺激の印加中に質量要素によって少なくとも中央部分が強制的につぶれた状態に保持されるようにすることによって解決され得ることを見出した。このことは、柔軟メンブレンの中央部に誘起される応力を減少させ、従って、その寿命を延長させる。

この点において、米国特許出願公開第２００７／０２１５９６４（Ａ１）号が、ＣＭＵＴセルの質量分布を変えるためにメンブレンの中央領域に肉厚部分を含んだ不均一なメンブレンを有するＣＭＵＴセルを開示していることに留意されたい。しかしながら、この不均一性は、ＣＭＵＴセルの性能、すなわち出力圧力を増加させるために適用されたものである。この引用においては、このような肉厚部分がＣＭＵＴセルの寿命、特には、超音波パルスの送信中につぶれモードで動作するＣＭＵＴセルの寿命に何らかの関係を持つことについての示唆はない。

一実施形態において、各電極構成部は、基板によって担持される第３の電極を更に備え、第３の電極は第１の電極と第２の電極との間に位置し、誘電体層によって第１の電極から電気的に絶縁され、電圧源は、それぞれの第１及び第２の電極間に刺激を印加し、少なくともいくつかのＣＭＵＴセルのそれぞれの第３の電極にバイアス電圧を印加するように適合される。これによって、電荷蓄積がＣＭＵＴセルの出力性能に影響しないことが確実なものになる。というのは、この電荷蓄積は、刺激が供給される電極上では行われないからである。

電圧源は更に、前記プローブの受信モード中に少なくともいくつかのＣＭＵＴセルを強制的につぶれた状態にする更なる電圧を、ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかのそれぞれの電極構成部に提供するように適合されてよい。これは、例えば、最適な感度での、すなわち、ＣＭＵＴセルを、その対応する共鳴周波数が予期されるエコー信号の周波数と整合する程度までつぶすことによるパルスエコーの検知を、容易にする。

バイアス電圧源は、有利には、前記送信モード中に前記電圧のバイアス電圧成分を生成するように適合された第１の段であって、バイアス電圧成分は、少なくともいくつかのＣＭＵＴセルを強制的につぶれた状態にするのに十分である第１の段と、前記電圧の刺激成分を生成するように適合された第２の段とを備える。このことは、電圧の大部分が、大型の平滑キャパシタを含む電圧生成器を使用して生成され得るように刺激の比較的急速な変調に従う必要がなく、それにより電圧信号全体のノイズの量を減少させるという利点を有する。

一実施形態において、柔軟メンブレンは第１の材料を有し、質量要素は第２の材料を有し、柔軟メンブレンの中央領域内又は柔軟メンブレンの中央領域上の質量を最大化するために、第２の材料は第１の材料よりも高い密度を有する。例えば、第２の材料は、金属若しくは金属合金、又は重い非金属材料である。

質量要素は柔軟メンブレン上に配置され、このことは、製造の容易さのために特に有利である。代替的に、質量要素は柔軟メンブレン内に一体化されてもよい。

質量要素は、特には、柔軟メンブレンが円形状のメンブレンである場合には円筒状又は環状の形状を有し得る。概して、質量要素の形状は、好ましくは、質量が柔軟メンブレンの中央領域に均等に分布するように、柔軟メンブレンの形状と合致する。

超音波システムは、超音波診断イメージングシステム又は超音波治療システムである。

別の態様によると、超音波パルス送信の方法が提供され、方法は、ＣＭＵＴ（容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ）セルのアレイを含むプローブを提供するステップであって、各セルは電極構成部の第１の電極を担持する基板を備え、基板は、前記電極構成部の第２の電極を含む柔軟メンブレンからギャップによって空間的に離間され、柔軟メンブレンは中央領域に質量要素を備える、プローブを提供するステップと、ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかを柔軟メンブレンの中央部が基板に接触するつぶれた状態へと駆動するバイアス電圧成分であって、前記中央部は中央領域を含む、バイアス電圧成分と、前記つぶれた状態にある少なくともいくつかのＣＭＵＴセルのそれぞれの柔軟メンブレンを共鳴させるための設定周波数を有する刺激成分と、を含む電圧を、ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかのそれぞれの電極構成部に提供するステップと、を有し、少なくともいくつかのＣＭＵＴセルの各々の質量要素は、前記共鳴中に、前記セルの柔軟メンブレンの少なくとも中央領域を強制的に基板と接触したままにする。

このように超音波パルスを送信することによって、プローブのＣＭＵＴセルの柔軟メンブレンは、つぶれモードにおけるパルス生成中のセル床からの一時的な解放によって引き起こされる損傷から保護され、それにより、ＣＭＵＴセルの寿命が延長される。

各電極構成部は、基板によって担持される第３の電極を更に備え得、第３の電極は第１の電極と第２の電極との間に位置し、誘電体層によって第１の電極から電気的に絶縁され、方法は、それぞれの第１及び第２の電極間に刺激成分を印加し、少なくともいくつかのＣＭＵＴセルのそれぞれの第３の電極にバイアス電圧成分を印加するステップを更に有する。これにより、任意の電荷蓄積がＣＭＵＴセルの出力性能に影響しないことが確実なものになる。というのは、この電荷蓄積は、刺激が供給される電極上では行われないからである。

方法は、異なる周波数の送信パルスが生成されるように、少なくともいくつかのＣＭＵＴセルの共鳴周波数を周期的に変えるために設定周波数を周期的に変えるステップを更に有し得る。

方法は、少なくともいくつかのＣＭＵＴセルの中央部のそれぞれの面積を変えるために、ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかをつぶれた状態へと駆動するバイアス電圧成分を周期的に変えるステップを更に有し得る。これは、例えば、各送信パルスが最大化された出力圧力で生成されるように異なる周波数の送信パルスが生成されるように、少なくともいくつかのＣＭＵＴセルの共鳴周波数を周期的に変えるために設定周波数を周期的に変えるステップと連動してなされる。というのは、所与の周波数において送信するＣＭＵＴセルの出力圧力は、柔軟メンブレンのつぶれた面積の関数であるからである。

一実施形態において、方法は、特定の周波数のパルスエコーに対する受信ＣＭＵＴセルの感度を最適化するために、受信モード中に、少なくともいくつかのＣＭＵＴセルを強制的につぶれた状態にする更なる電圧を、ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかのそれぞれの電極構成部に提供するステップを更に有する。

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

一実施形態によるつぶれモードで動作可能な超音波システムのＣＭＵＴセルを概略的に示す図である。 ＣＭＵＴセルの動作原理を示す図である。 ＣＭＵＴセルの動作原理を示す図である。 ＣＭＵＴセルの音響性能の等高線図である。 異なる周波数において刺激されたときのつぶれモードにあるＣＭＵＴセルメンブレンの挙動の振動計画像を示す図である。 一実施形態によるＣＭＵＴセルを概略的に示す図である。 図６のＣＭＵＴセルの例示的な製造方法を概略的に示す図である。 別の実施形態によるＣＭＵＴセルを概略的に示す図である。 更に別の実施形態によるＣＭＵＴセルを概略的に示す図である。 超音波診断イメージングシステムの例示的な実施形態を概略的に示す図である。 一実施形態によるパルス送信方法のフローチャートを示す図である。

図は単に概略的なものであり、一定の縮尺で描かれていないことは理解されるべきである。図面全体を通して、同一の参照番号が同一の又は類似の部品を示すために使用されることも理解されるべきである。

図１は、本発明の実施形態による超音波システムの一態様を図示し、そこでは、システムは、ＣＭＵＴセル１００を備えるトランスデューサアレイを有する超音波プローブを含む。本発明の実施形態によるＣＭＵＴセル１００は、図６〜図９を用いてより詳細に説明される。以下に更に詳細に説明されるように、このような超音波システムは、超音波診断イメージングシステムであってよく、又は超音波治療システムであってよい。このようなＣＭＵＴセル１００は、典型的には、ギャップ又はキャビティ１１８を挟んでシリコン基板１１２の上に懸架された柔軟メンブレン又はダイヤフラム１１４を備える。上部電極１２０は、ダイヤフラム１１４上に位置し、ダイヤフラムとともに運動する。この例においては、底部電極は、基板１１２の上側面上のセルの床の上に位置する。電極１２０がメンブレン１１４に埋め込まれたり、メンブレン１１４の上に追加的な層として蒸着されたりなど、電極１２０の設計が他のやり方で現実化されることも考えられ得る。この例においては、非限定的な例として、底部電極１２２は円形状に構成され、基板層１１２に埋め込まれる。他の適切な構成部としては、例えば、底部電極１２２は、他の電極形状を有し、例えば基板層１１２上などの他の場所に位置して底部電極１２２はギャップ１１８に直接的に晒され、又は上部電極１２０と底部電極１２２との間の短絡を防ぐ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。加えて、メンブレン層１１４は、基板層１１２の上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筒状のキャビティ１１８を画定するような構成及び寸法を有する。疑義を避けるために、図１においては、非限定的な例として、底部電極１２２は接地されていることに留意されたい。他の構成部、例えば上部電極１２０が接地されたり、又は上部電極１２０及び底部電極１２２の両方が浮遊していたりすることも、もちろん同様に可能である。

セル１００及びそのキャビティ１１８は、代替的な幾何学的形状を呈してよい。例えば、キャビティ１１８は、長方形又は正方形の断面、六角形の断面、楕円形の断面、又は不規則な形状の断面を呈してよい。本明細書において、ＣＭＵＴセル１００の径についての言及は、セルの最も大きな横方向寸法として理解されたい。

底部電極１２２は、そのキャビティに対向する面において、追加的な層（図示せず）によって絶縁される。好ましい電気的絶縁層は、基板電極１２２の上方であってメンブレン電極１２０の下方に形成される酸化物−窒化物−酸化物（ＯＮＯ：ｏｘｉｄｅ−ｎｉｔｒｉｄｅ−ｏｘｉｄｅ）誘電体層であるが、任意の電気的絶縁材料がこの層として考えられることを理解されたい。ＯＮＯ誘電体層は、デバイスの不安定性及びドリフト、並びに音響出力圧力の低下につながる電極上の電荷蓄積を有利に減少させる。

ＣＭＵＴ上のＯＮＯ誘電体層の例示的な作製は、「Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ」と題された、２００８年９月１６日出願のＫｌｏｏｔｗｉｊｋらによる欧州特許出願ＥＰ２，３２６，４３２Ａ２において詳細に論じられている。ＯＮＯ誘電体層の使用は、メンブレンが懸架された状態で動作しているＣＭＵＴよりも電荷保持の影響を受けやすいつぶれる前のＣＭＵＴとともになされることが望ましい。開示されるコンポーネントは、ＣＭＯＳ適合材料、例えば、Ａｌ，Ｔｉ、窒化物（例えば、シリコン窒化物）、酸化物（様々なグレード）、テトラエチルオキシシラン（ＴＥＯＳ）、ポリシリコンなどから作製される。ＣＭＯＳ作製において、例えば、酸化物及び窒化物層は、化学蒸着法によって形成され、金属化（電極）層はスパッタリングプロセスによって配される。

適切なＣＭＯＳプロセスは、ＬＰＣＶＤ及びＰＥＣＶＤであり、後者は、４００℃未満の比較的低い動作温度を有する。開示されるキャビティ１１８を生み出す例示的な技術は、メンブレン層１１４の上面を追加する前に、メンブレン層１１４の初期部分にキャビティを画定することを伴う。他の作製の詳細は、米国特許第６，３２８，６９７号（Ｆｒａｓｅｒ）に示されている。

図１において、円筒状のキャビティ１１８の直径は、円形状に構成された電極板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板１２２と同一の外径を有してよいが、そのような一致は、必須ではない。従って、メンブレン電極１２０は、下方の電極板１２２と整列するように、メンブレン層１１４の上面に対して固定される。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間の誘電体である。ダイヤフラムが振動すると、プレート間の誘電ギャップの寸法の変化が、受信される音響エコーに対するＣＭＵＴセル１００の応答として感知されるキャパシタンスの変化を提供する。

電極間の間隔は、電圧源４５によって、電極に静電圧、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。電圧源４５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成分又は刺激成分をそれぞれ提供するために別個の段１０２、１０４を任意選択的に備える。第１の段１０２は、静（ＤＣ）電圧成分を生成するように適合され、第２の段１０４は、設定交流周波数を有する交流の可変電圧成分又は刺激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のその静的成分との間の差である。印加される駆動電圧の静的成分又はバイアス成分は、好ましくは、ＣＭＵＴセル１００を強制的につぶれた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の段１０２が、全体的な電圧の殊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、この静的成分が、典型的には、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占められるように、全体的な電圧を占める、という利点を有する。電圧源４５の他の適切な実施形態は、例えば、電圧源４５が、ＣＭＵＴ駆動電圧の静的ＤＣ成分を生成するための第１の段と、駆動電圧の可変ＤＣ成分を生成するための第２の段と、信号の周波数変調成分又は刺激成分を生成するための第３の段とを含む３つの別個の段を含む実施形態、例えばパルス回路など、明らかである。要するに、電圧源４５は、任意の適切なやり方で実現されてよい。

本質的に分かるように、ある閾値よりも大きい静電圧を印加することによって、ＣＭＵＴセル１００は強制的に、メンブレン１１４が基板１１２上につぶれるつぶれた状態となる。この閾値は、ＣＭＵＴセル１００の正確な設計に依存し、バイアス電圧の印加中にファンデルワールス力によってメンブレン１１４がセル床にくっつく（接触する）ＤＣバイアス電圧として規定される。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。図２ａ及び図３ａを用いてより詳細に説明されるように、メンブレン１１４と基板１１２との間の接触面積が増えると、メンブレン１１４の共鳴周波数は増加する。

つぶれモードのＣＭＵＴセル１００の周波数応答は、つぶれた後にＣＭＵＴ電極に印加されるＤＣバイアス電圧を調整することによって変化する。その結果、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。この現象の背後にある原理は図２ａ、図２ｂ、図３ａ及び図３ｂに示される。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の床に触れ始めるポイントとの間の距離Ｄ１及び距離Ｄ２によって、これを１次元的に示す。比較的低いバイアス電圧が印加されたときの図２ａにおける距離Ｄ１は比較的長い距離であり、その一方、より高いバイアス電圧が印加されているため、図３ａにおける距離Ｄ２はより一層短い距離であることが分かる。これらの距離は、その両端を保持され、かき鳴らされる長短の弦に喩えることができる。長く、緩い弦は、かき鳴らされたときに、より短く、よりきつい弦よりも一層低い周波数で振動する。同じように、図２ａのＣＭＵＴセルの共鳴周波数は、より高いプルダウンバイアス電圧を受ける図３ａのＣＭＵＴセルの共鳴周波数よりも低くなる。

この現象は、図２ｂ及び図３ｂの２次元図からも理解され得、それは実際のところ、ＣＭＵＴメンブレンの有効動作面積の関数である。図２ａに図示されるように、メンブレン１１４がちょうどＣＭＵＴセルの床に触れたときには、セルメンブレン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。中央部１７の小さな穴はメンブレンの中央接触領域を表す。大面積のメンブレンは、比較的低い周波数で振動する。このエリア１７は、ＣＭＵＴセルの床につぶれたメンブレン１１４のエリアである。しかし、図３ａのように、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より深くつぶれると、図３ｂに図示されるように、より大きな中央接触エリア１７’によって、自由振動エリアＡ２はより小さくなる。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。従って、ＤＣバイアス電圧が減少すると、つぶれた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、つぶれたＣＭＵＴセルの周波数応答は増加する。

図４は、送信中の、一定周波数のＡＣ変調又は周波数変調の形態の刺激を含む印加されたＤＣバイアス電圧の関数としてのつぶれモードにある典型的なＣＭＵＴセル１００の音響圧力出力の等高線図を図示する。対応するパルス長は、印加された周波数の半分である。この等高線図から分かるように、ＣＭＵＴセル１００が固定的な電圧又は静電圧、例えば静的な値のＤＣバイアス電圧で動作するとき、最適な音響性能は小さな周波数範囲でしか得られない。しかしながら、等高線図において破線で示されるように、バイアス電圧及びバイアス電圧信号上の周波数変調を相関的に変化させると、ＣＭＵＴセル１００の最適な音響性能は、より一層広い周波数範囲にわたって達成され、それによって、ＣＭＵＴセル１００を含む超音波プローブの送信モードにおいて生成される超音波パルス（又はパルス列）の有効帯域幅が増加する。

このことは、再び図２ａ及び図３ａを参照すると理解され得、これらは、つぶれた状態にあるＣＭＵＴセル１００の共鳴周波数が、印加される（ＤＣ）バイアス電圧の関数であることを説明していた。適切な設定周波数を有する刺激を印加することによって特定の設定周波数の超音波パルスを生成するときに印加されるバイアス電圧を調整することによって、各パルス周波数についてＣＭＵＴセル１００の（ほぼ）最適な音響性能を発揮する異なる周波数のパルスが生成され得る。従って、これにより、イメージングスペクトルの広い帯域幅にわたって、（ほぼ）最適なイメージング解像度が確保される。

発明者は、このようにして送信パルスとともに、すなわち、ＣＭＵＴセル１００のつぶれモードにある柔軟メンブレン１１４とともに起こる問題は、ＣＭＵＴセル１００の床に接触している柔軟メンブレン１１４の中央部１７、１７’が、周波数変調された刺激によって誘起されると、つぶれモードにある柔軟メンブレン１１４を共鳴させる間に一時的に床から解放されることにあることを見出した。このことは図５に図示され、図５は、低ＲＦ刺激（左ペイン）及び高ＲＦ刺激（右ペイン）によって刺激されたときのつぶれモードにある柔軟メンブレン１１４の振動計画像をそれぞれ示す。これらの画像の盛り上がった部分は、柔軟メンブレン１１４の共鳴しているエリアを示す。分かるように、印加された刺激が臨界周波数に達すると、図５の右側ペインの矢印によって示されるように、柔軟メンブレン１１４の中央領域が共鳴を開始する。つぶれモードからのこの一時的な解放によって、柔軟メンブレン１１４の中央部１７、１７’が受ける応力レベルが増加し、時間とともに中央部１７、１７’に損傷、例えば亀裂を生じさせ、結果として柔軟メンブレン１１４及びＣＭＵＴセル１００の障害につながる。

発明者は、ＣＭＵＴセル１００へのそのような損傷は、柔軟メンブレン１１４の中央領域内又は中央領域上に質量要素を含むことによって防止され得、又は少なくとも遅延され得ることに気付いた。そのようなＣＭＵＴセル１００の例示的な実施形態が、図６に概略的に示される。例えば、ＣＭＵＴセル１００は、図１において説明されたものと同様であるが、柔軟メンブレン１１４の中央部分に質量要素１４０を含み、この質量要素１４０が中央部分をその重みで押し下げ、上述のようなつぶれモードにあるＣＭＵＴセル１００による超音波パルスの送信中に、柔軟メンブレン１１４への刺激によって提供されるエネルギーが、特には刺激スペクトルの高エネルギー部又は高周波数部において、柔軟メンブレン１１４の中央領域をＣＭＵＴセル１００の床から一時的に解放するのに不十分になり、従って、この中央領域が一時的な解放に典型的に関連するレベルの機械的な応力に晒されることを防止する。質量要素１４０がキャビティ１１８の床に恒久的に装着されるものではないという事実によって、バイアス電圧が減少又は除去された際に柔軟メンブレン１１４はキャビティの床から解放される。更に、これにより、キャビティの床との柔軟メンブレン１１４の接触面積が、上述のようにバイアス電圧の大きさによって調節されることを可能にする。質量要素１４０の存在によって、つぶれモードにあるときに、超音波パルス送信中に柔軟メンブレン１１４が晒される応力レベルが低下し、従って、柔軟メンブレン１１４及びＣＭＵＴセル１００の寿命は向上する。

ＣＭＵＴセル１００は、基板１１０に担持される底部電極１２２を備え、これは、キャビティ１１８から底部電極１２２を離間させる絶縁層１２５によってそのキャビティ対向面上で絶縁される。底部電極１２２は、任意の適切なやり方で構成され、例えば、円形状に構成され、ＣＭＵＴセル１００のセル床に埋め込まれる。絶縁層１２５は、好ましくは、ＰＥＣＶＤプロセスなどのＴＥＯＳベースの蒸着プロセスによって蒸着された二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）誘電体層である。絶縁層１２５のための代替的な材料は、酸化物−窒化物−酸化物（ＯＮＯ）、ｈｉｇｈ−ｋ誘電体、及び酸化物（酸化アルミニウム、シランを含む様々なグレード、ＳｉＨ_４系ＰＥＣＶＤ ＳｉＯ_２など）である。

キャビティ１１８は、上部電極１２０を含む柔軟メンブレン１１４によって覆われ、上部電極１２０はキャビティ１１８に露出しているか、又は、例えば露出した上部及び下部の電極１２０、１２２の間の短絡を防止するために、電気的絶縁層、例えば柔軟メンブレンの一部によって、キャビティから離間される。柔軟メンブレン１１４上の質量要素１４０は、好ましくは、柔軟メンブレン１１４の中央領域が質量要素１４０の重みによって均衡が取れた状態で押し下げられるように、柔軟メンブレン１１４の外形と合致する外形を有する。例えば、円形状の柔軟メンブレン１１４に対しては、質量要素１４０は、好ましくは、円形状の外形を有する。このような円形状の外形は、例えば、環状、円筒状又は円形状の外形を有する任意の他の３次元的形状を有する質量要素１４０によって達成される。

質量要素１４０は、好ましくは、超音波システムの送信モードにおいて電圧源４５によって提供される刺激によって刺激されたときに柔軟メンブレン１１４の中央領域がつぶれたままになることを確実にするような重い質量要素である。これは、質量要素１４０の寸法を調整することによって達成されるが、質量要素１４０の高さを調整することが好ましく、というのは質量要素１４０の幅又は直径を増加させるとＣＭＵＴセル１００の出力特性を損なうことがあるからである。好ましくは、質量要素１４０は、高密度、好ましくは柔軟メンブレン１１４の１つ又は複数の材料よりも高い密度を有する材料から構成され又は成り、というのは、これにより所望の臨界質量を有する質量要素１４０を設計する際に質量要素１４０の寸法の最小化が容易になるからである。この目的のために、任意の適切な高密度材料、例えば、重金属又は１つ若しくは複数の重金属を含む金属合金が使用される。特に好ましいものは、Ｗ、ＴｉＷなどのＣＭＯＳプロセス技術に適合する金属又は金属合金であり、というのは、これによりＣＭＯＳプロセスにおける質量要素１４０の直截的な製造が容易になり、最小限のＣＭＯＳプロセスの調整しか要しないからである。

そのような製造プロセスの非限定的な例が、図７を用いてより詳細に説明される。図７は、ＣＭＵＴセル１００の柔軟メンブレン１１４上に質量要素１４０を含むための鍵となるＣＭＯＳ処理ステップを概略的に示す。ステップ（ａ）において、任意選択的なバリア層を有する底部電極層が、任意の適切なやり方、例えばスパッタリング法によって、シリコンウェハ１１２上に形成され、その後、この層は、任意選択的にバリア層１１１に覆われた底部電極１２２を形成するためにエッチング、例えばドライエッチングされる。シリコンウェハ１１２は、例えば、熱酸化シリコン上部層、ＡＳＩＣ基板などを有するシリコンウェハなどの、任意の適切なシリコンウェハでよい。適切なバリア層材料には、ＴｉＮ、ＴｉＷなどの高仕事関数材料があるが、これらに限定されない。

任意選択的なステップ（ｂ）において、第１の誘電体層１２５が、底部電極１２２を覆って、例えばＰＥＣＶＤなどの蒸着プロセスによって形成される。第１の誘電体層１２５のために適した材料には、好ましくはＴＥＯＳ蒸着プロセスによって形成されたＳｉＯ_２、酸化物−窒化物−酸化物（ＯＮＯ）、ｈｉｇｈ−ｋ誘電体、及び酸化アルミニウム、シランを含む様々なグレード、ＳｉＨ_４系ＰＥＣＶＤ ＳｉＯ_２などの酸化物があるが、これらに限定されない。ＴＥＯＳのＰＥＣＶＤ蒸着プロセスによって形成されたＳｉＯ_２が特に好ましい。

次に、ステップ（ｃ）に示されるように、犠牲材料１１３が、結果的な構造の上に蒸着され、続いて、形成されるべきキャビティ１１８の外形を画定するためにパターンが刻まれ、その後、任意選択的なステップ（ｄ）において、更なる誘電体層１１５が結果的な構造を覆って、例えばＰＥＣＶＤなどの蒸着によって形成される。適切な犠牲材料１１３には、金属、金属合金、キャッピング層を有した金属層を含む層スタック、非晶質シリコンなどがあるが、これらに限定されない。Ａｌ／Ｎｄ及びＡｌ／Ｍｏなどのアルミニウム合金が特に適している。更なる誘電体層１１５のために適した材料には、好ましくはＴＥＯＳ蒸着プロセスによって形成されたＳｉＯ_２、酸化物−窒化物−酸化物（ＯＮＯ）、ｈｉｇｈ−ｋ誘電体、及び酸化アルミニウム、シランを含む様々なグレード、ＳｉＨ_４系ＰＥＣＶＤ ＳｉＯ_２などの酸化物があるが、これらに限定されない。ＴＥＯＳのＰＥＣＶＤ蒸着プロセスによって形成されたＳｉＯ_２が特に好ましい。

ステップ（ｅ）において、更なるバリア層及び更なる電極層が、任意の適切なやり方、例えばスパッタリング法によって、形成され又は蒸着され、その後、この層は、更なるバリア層１１７によって下にある構造から任意選択的に離間された上部電極１２０を形成するためにエッチング、例えばドライエッチングされる。次に、柔軟メンブレン１１４、例えば、シリコン窒化物又は任意の他の適切な材料などの１つ又は複数の高破壊材料で形成されたメンブレンが、例えば、任意の適切な蒸着技術によって、上部電極１２０及び下にある構造を覆って形成され、その後、通気穴又は排気筒（図示せず）が柔軟メンブレン１１４を貫通して形成され、そこを通って犠牲材料１１３が除去され、それによってキャビティ１１８が形成され、その後、通気穴又は排気筒は、それ自体で知られる任意の適切なやり方で封止される。例えば、封止プロセスは、ＰＥＣＶＤ蒸着又はスパッタリング法を使用して真空状態において行われ、封止材料、例えばＳｉＮ、ＴＥＯＳ、酸化物−窒化物−酸化物材料スタック、金属などが、通気穴内にそれを封止するために蒸着される。当業者には容易に理解されるように、キャビティ１１８の内部の圧力と外部の圧力との間の圧力差が、空中の柔軟メンブレン１１４の形状を決定する。

最後に、ステップ（ｇ）に図示されるように、質量要素１４０が、柔軟メンブレン１１４上で、柔軟メンブレン１１４の中央領域に形成される。質量要素１４０は、質量要素１４０を形成する材料の層、例えば、ＴｉＷ及び／又はＷ層を蒸着し、質量要素１４０を形成するためにこの層（又はこれらの層）に、例えばエッチングによって、パターンを刻むことによって、形成される。質量要素１４０は、柔軟メンブレン１１４上に柱状体、例えば、円形状の柔軟メンブレン１１４の場合は環状又は円筒状の柱状体を形成するように示されるが、これは、つぶれモードにあるセルによる送信パルスの生成中に柔軟メンブレン１１４の中央部分をＣＭＵＴセル１００の床に保持するという前述の目的のために、この中央部分を押し下げるためである。

この製造プロセスは、単一の追加的マスク、すなわち、質量要素１４０にパターンを刻むためのマスクしか必要とせず、従って、ＣＭＵＴセル１００に質量要素１４０を含むためにＣＭＯＳ製造プロセスの最小限の調整しか必要としない。しかしながら、ＣＭＵＴセル１００にそのような質量要素１４０を含むために多くの他の適切な製造手段、例えば、米国特許出願公開第２００７／０２１５９６４（Ａ１）号で開示された手段、が容易に使用できること、及び任意の適切な製造プロセスが想定され得ることは、容易に理解されるであろう。

一実施形態において、質量要素１４０は、例えば、冷却によって質量要素１４０内に熱的応力が誘起されるように質量要素を高温度で形成することによって、又は任意の他の適切なやり方によって、固有の内部応力を含んで形成され、この応力の緩和は、柔軟メンブレン１１４を強制的に所定の形状、例えば、柔軟メンブレン１１４の中央領域がＣＭＵＴセル１００の床に向かうように強制されるつぶれる前の形状にするために使用され得る。

図８は、ＣＭＵＴセル１００の代替的な実施形態を概略的に示し、ここでは質量要素１４０は柔軟メンブレン１１４内に一体化されている。このことは、ＣＭＵＴセル１００の全体的な高さが減じられるという利点を有する。質量要素１４０は、任意の適切なやり方によって柔軟メンブレン１１４内に一体化され、例えば、図７のステップ（ｆ）において柔軟メンブレン１１４の一部を第１の厚さまで蒸着し、続いて、図７のステップ（ｇ）に従って、部分的に形成された柔軟メンブレン１１４上に質量要素１４０を形成し、続いて、柔軟メンブレン１１４の残りを結果的な構造を覆って形成、例えば蒸着することによって柔軟メンブレン１１４の形成を完了し、任意選択的に、平坦化ステップを、質量要素１４０の上側面を平坦化ステップのストッパとして使用して行うことによって、柔軟メンブレン１１４内に一体化される。

図９は、上述のように柔軟メンブレン１１４上に質量要素１４０を含むＣＭＵＴセル１００の別の実施形態を概略的に示す。この実施形態において、ＣＭＵＴセル１００は３電極式のＣＭＵＴセル１００である。このＣＭＵＴセル１００は、基板１１２の上側面を構成するセル１００の床に埋め込まれた第３の電極１２４を含む。底部電極１２２は、任意の適切なやり方で構成され、例えば、円形状に構成され、セル床１３０に埋め込まれる。

第３の電極１２４は、典型的には、上側絶縁層１２５によってそのキャビティ対向面上で絶縁され、底部絶縁層１２３によってその底部電極対向面上で絶縁される。絶縁層１２３及び１２５は、好ましくは、ＰＥＣＶＤプロセスなどのＴＥＯＳベースの蒸着プロセスによって蒸着された二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）誘電体層である。絶縁層１２３、１２５のための代替的な材料は、酸化物−窒化物−酸化物（ＯＮＯ）、ｈｉｇｈ−ｋ誘電体、及び酸化物（酸化アルミニウム、シランを含む様々なグレード、ＳｉＨ_４系ＰＥＣＶＤ ＳｉＯ_２など）である。

この実施形態において、ＣＭＵＴセル１００の第１の電極１２０及び第３の電極１２４は、ＣＭＵＴデバイスの容量性プレートを提供し、その一方で、底部誘電体層１２３を介した第３の電極１２４と第２の電極１２２との間の容量性結合が、例えばＲＣフィルタのためのキャパシタを規定し、これはＣＭＵＴセル１００内に一体化される。第１の電極１２０は、設定周波数を有するＡＣ刺激を第２の電極１２２及び第１の電極１２０に印加するように適合された電圧源４５によって振動状態にされ、その結果、音響ビーム、例えば特定の周波数帯域幅の音響パルスが生成され、その一方で、第３の電極１２４には、駆動電圧のＤＣ成分が供給される。このことは、ＤＣ成分に関連する蓄積電荷が、ユーザ又は患者から隔離されるという利点を有する。既に述べたように、この実施形態において質量要素１３０は柔軟メンブレン１１４上に図示されているが、質量要素１３０が柔軟メンブレン内に一体化されることも同様に可能であることは理解されよう。

図１０において、本発明の例示的な実施形態によるアレイトランスデューサプローブを備える超音波診断イメージングシステムがブロック図の形態で示されている。図１０においては、超音波を送信し、エコー情報を受信するために、ＣＭＵＴトランスデューサアレイ１１０は、超音波プローブ１０内に備えられる。トランスデューサアレイ１１０は、２Ｄ面で又は３Ｄイメージングでは３次元でスキャンすることが可能なトランスデューサ要素の１次元アレイ又は２次元アレイである。

トランスデューサアレイ１１０は、ＣＭＵＴアレイセルによる信号の送信及び受信を制御するプローブ１０内のマイクロビーム形成器１２に結合される。マイクロビーム形成器は、例えば、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）において説明されるように、トランスデューサ要素のグループ又は「パッチ」によって受信される信号の少なくとも部分的ビーム形成が可能である。

マイクロビーム形成器１２は、プローブケーブル、例えば同軸ワイヤによって、送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１６に結合され、送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１６は、送信モードと受信モードとを切り換え、マイクロビーム形成器が存在しない又は使用されず、トランスデューサアレイ１１０を主要システムビーム形成器２０によって直接的に動作させるときに、主要ビーム形成器２０を高エネルギー送信信号から保護する。マイクロビーム形成器１２の制御の下でのトランスデューサアレイ１１０からの超音波ビームの送信は、Ｔ／Ｒスイッチ１６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制御器１８、及びユーザインターフェース又は制御パネル３８におけるユーザ操作から入力を受信する主要システムビーム形成器２０によって指示される。トランスデューサ制御器１８によって制御される機能のうちの１つは、ビームが方向制御され、集束される方向である。ビームは、トランスデューサアレイ１１０からまっすぐ前方に（トランスデューサアレイ１１０に直交して）方向制御され、又は広い視野のために異なる角度で方向制御される。トランスデューサ制御器１８は、ＣＭＵＴアレイのための前述の電圧源４５を制御するために結合されてもよい。例えば、電圧源４５は、例えば、上述の送信モードにおいてチャープパルスを生成するために、ＣＭＵＴアレイ１１０のＣＭＵＴセル１００に印加されるＤＣバイアス電圧及びＡＣバイアス電圧を設定する。

マイクロビーム形成器１２によって形成された、部分的にビーム形成された信号は、主要ビーム形成器２０に転送され、そこで、トランスデューサ要素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へと組み合わせられる。例えば、主要ビーム形成器２０は、１２８個のチャンネルを有し、その各々が数ダース又は数百個のＣＭＵＴトランスデューサセル１００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１１０の数千個のトランスデューサ要素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。

ビーム形成された信号は、信号プロセッサ２２に結合される。信号プロセッサ２２は、受信されたエコー信号を、帯域フィルタリング、デシメーション、Ｉ成分及びＱ成分の分離、組織及び微小気泡から戻った非線形（基本周波数の高調波）エコー信号の同定を可能にするように線形信号及び非線形信号を分離するように作用する高調波信号分離など、様々な手法で処理し得る。

信号プロセッサ２２は、任意選択的に、スペックル低減、信号合成及びノイズ除去などの追加的な信号増強を実施する。信号プロセッサ２２の帯域フィルタは、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い深度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にスライドし、それによって、解剖学的情報を欠いている、より深い深度からのより高い周波数のノイズを除去する。

処理された信号は、Ｂモードプロセッサ２６、及び任意選択的に、ドップラープロセッサ２８に結合される。Ｂモードプロセッサ２６は、身体内の臓器及び血管の組織などの身体内の構造のイメージングのために受信された超音波信号の振幅の検知を用いる。身体の構造のＢモード画像は、例えば米国特許第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、高調波画像モード、基本画像モード又はこの両者の組み合わせにおいて形成される。

ドップラープロセッサ２８は、存在するなら、画像フィールド内の血球の流れなどの物質の動きの検知のために、組織の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は、典型的には、身体内の選択された種類の物質から戻ってきたエコーを通過させる及び／又は除去するように設定されるパラメータを有するウォールフィルタを含む。例えば、ウォールフィルタは、より速度の高い物質からの比較的低い振幅の信号を通過させる一方、より低い又はゼロ速度の物質からの比較的強い信号を除去する通過帯域特性を有するように設定され得る。

この通過帯域特性は、流動する血液からの信号を通過させる一方、心壁などのような近傍の静止した又は低速で運動している物体からの信号を除去する。組織ドップラーイメージングと呼ばれるものについては、逆の特性により、心臓の運動している組織からの信号を通過させる一方、血流の信号を除去して、組織の運動を検知し、示す。ドップラープロセッサは、画像フィールド内の異なるポイントからの一連の時間的に孤立したエコー信号を受信し、処理する。特定のポイントからのこの一連のエコーは、アンサンブルと呼ばれる。比較的短期間に続けざまに受信されたエコーのアンサンブルは、流動する血液のドップラーシフト周波数を推定するために使用され得、ドップラー周波数は、血流の速度を示す速度に対応する。より長い期間にわたって受信されたエコーのアンサンブルは、より低速で流動する血液又は低速で運動する組織の速度を推定するために使用される。

Ｂモード（及びドップラー）プロセッサによって生成された構造信号及び運動信号は、スキャンコンバータ３２及び多平面リフォーマッタ４４に結合される。スキャンコンバータ３２は、エコー信号を、エコー信号がそこから受信された空間的関係で、所望の画像フォーマットにおいて構成部する。例えば、スキャンコンバータは、エコー信号を、２次元（２Ｄ）の扇形状のフォーマット、又はピラミッド形状の３次元（３Ｄ）画像へと構成部する。

スキャンコンバータは、Ｂモード構造画像に、画像フィールド内のポイントにおける運動にそれらのドップラー推定された速度に基づいて対応する色をオーバーレイして、画像フィールド内の組織及び血流の運動を示すカラードップラー画像を生成し得る。例えば米国特許第６，４４３，８９６号（Ｄｅｔｍｅｒ）において説明されるように、多平面リフォーマッタ４４は、身体のボリューム領域内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に変換する。米国特許第６，５３０，８８５号（Ｅｎｔｒｅｋｉｎら）において説明されるように、ボリュームレンダラ４２は、３Ｄデータセットのエコー信号を、所与の参照ポイントから見た投影３Ｄ画像に変換する。

２Ｄ画像又は３Ｄ画像は、画像ディスプレイ４０上での表示のための更なる強調、バッファリング、及び一時的記憶のために、スキャンコンバータ３２、多平面リフォーマッタ４４、及びボリュームレンダラ４２から、画像プロセッサ３０に結合される。イメージングのために使用されることに加えて、ドップラープロセッサ２８によって生成された血流値及びＢモードプロセッサ２６によって生成された組織構造情報は、定量化プロセッサ３４に結合される。定量化プロセッサは、血流の容積流量などの異なる流動条件の測定値、並びに臓器の大きさ及び在胎期間などの構造的測定値を生成する。定量化プロセッサは、ユーザ制御パネル３８から、測定が行われるべき画像の解剖学的構造内のポイントなどの入力を受信する。

定量化プロセッサからの出力データは、測定によるグラフィック及び値をディスプレイ４０上の画像で再現するためにグラフィックプロセッサ３６に結合される。グラフィックプロセッサ３６は、超音波画像での表示のためのグラフィックオーバーレイも生成し得る。これらのグラフィックオーバーレイは、患者の名前、画像の日時、イメージング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、ユーザインターフェース３８から、患者の名前などの入力を受信する。

ユーザインターフェースは、トランスデューサアレイ１１０からの超音波信号の生成を制御し、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成される画像を制御するために、送信制御器１８にも結合される。ユーザインターフェースは、多平面リフォーマットされた（ＭＰＲ：ｍｕｌｔｉｐｌａｎａｒ ｒｅｆｏｒｍａｔｔｅｄ）画像の画像フィールド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４４にも結合される。

当業者には理解されるように、超音波診断イメージングシステムの上記の実施形態は、このような超音波診断イメージングシステムの非限定的な例を与えるものと意図される。当業者は、本発明の教示から逸脱することなく、超音波診断イメージングシステムの構造におけるいくつかの変形が可能であることを、即座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るように、マイクロビーム形成器１２及び／又はドップラープロセッサ２８は省略されてよく、超音波プローブ１０は、３Ｄイメージング機能などを有しなくてよい。他の変形は、当業者には明らかであろう。

更には、本発明は、超音波診断イメージングシステムに限定されるものではないことが理解されよう。パルスエコーを受信する必要がないため、プローブ１０のＣＭＵＴセル１００が送信モードのみで動作可能である超音波治療システムにも、本発明の教示は同様に適用可能である。当業者には即座に明らかとなるように、このような治療システムにおいては、図１０を用いて説明された、パルスエコーを受信、処理、及び表示するために必要とされるシステムコンポーネントは、本出願の教示から逸脱することなく省略され得る。

図１１は、例えば上述の超音波診断イメージングシステム又は超音波治療システムの実施形態を使用した超音波パルス送信の方法２００のフローチャートを概略的に示す。方法２００は、ステップ２０１において、本発明の一実施形態によるプローブ１０、すなわち、ＣＭＵＴセル１００のアレイ１１０を含むプローブ１０であって、各セルは電極構成部の第１の電極１２２を担持する基板１１２を備え、基板は、前記電極構成部の第２の電極１２０を含む柔軟メンブレン１１４からギャップ１１８によって空間的に離間され、柔軟メンブレン１１４はその中央領域１７、１７’に質量要素１４０を備える、プローブ１０を提供することによって開始する。

送信モードにおいて、方法２００はステップ２０３へと進み、そこでは、送信のために選択されたＣＭＵＴセル１００の電極は、選択されたＣＭＵＴセルのそれぞれの電極構成部により、選択されたＣＭＵＴセル１００を柔軟メンブレン１１４の中央部１７、１７’が基板１１２に接触するつぶれた状態へと駆動するバイアス電圧成分と、つぶれた状態にある選択されたＣＭＵＴセル１００のそれぞれの柔軟メンブレン１１４を共鳴させるための設定周波数を有する刺激成分とを含む電圧を供給される。選択されたＣＭＵＴセル１００の各々の質量要素１４０は、前記共鳴中に、選択されたＣＭＵＴセル１００の柔軟メンブレン１１４の中央領域１７、１７’を強制的に基板と接触したままにする。一実施形態において、バイアス電圧成分は、図４を用いて説明された原理によって設定され、そこでは、選択されたＣＭＵＴセル１００のつぶれた面積は、選択されたＣＭＵＴセル１００への刺激の印加によって生成されるパルスのための選択されたＣＭＵＴセル１００の出力圧力が最大化されるように、適切なバイアス電圧を印加することによって制御される。１つの送信サイクルにおいて、任意の適切な数のＣＭＵＴセル１００が選択されてよく、例えば、アレイ１１０の全てのＣＭＵＴセル１００、アレイ１１０の全てのＣＭＵＴセル１００の部分集合、例えばアレイ１１０のＣＭＵＴセル１００のクラスタを形成する複数のＣＭＵＴセル１００、又は単一のＣＭＵＴセル１００が、選択されてよい。

送信サイクルが完了すると、ステップ２０５において、アレイ１１０が受信モードに切り換えられるべきかが決定される。ステップ２１１で決定されるように更なる送信サイクルが実施されるべき場合、及び／又は上述の超音波治療システムの文脈においてパルスが送信される場合には、切り換えられるべきではない。受信モードが起動されるべきでない場合は、ステップ２１１において、別の送信サイクルが起動されるべきかがチェックされる。起動されるべき場合は、方法２００はステップ２０３に戻り、アレイ１１０の選択されたＣＭＵＴセル１００にバイアス電圧及び刺激を印加する。この選択は同一のＣＭＵＴセル１００の選択でも、又は異なるＣＭＵＴセル１００の選択でもよい。

印加されるバイアス電圧は、以前の送信サイクルにおいて印加されたものと同一のバイアス電圧でよく、又は異なるバイアス電圧でもよく、すなわち、バイアス電圧は周期的に変えられてよく、各周期は１つの送信サイクルに対応する。同様に、刺激は、以前の送信サイクルにおいて印加されたものと同一の刺激でよく、又は異なる刺激、すなわち異なる設定周波数の刺激でもよく、すなわち、刺激は周期的に変えられてよく、各周期は１つの送信サイクルに対応する。例えば、超音波システムが、患者の組織内に周波数の異なる一連のパルスを送信するなら、異なる設定周波数の刺激が印加される。一実施形態において、バイアス電圧成分は、図４を用いて説明された原理によって設定され、そこでは、選択されたＣＭＵＴセル１００のつぶれた面積は、選択されたＣＭＵＴセル１００への刺激の印加によって生成されるパルスのための選択されたＣＭＵＴセル１００の出力圧力が最大化されるように、適切なバイアス電圧を印加することによって制御される。

一方、ステップ２０５において、超音波システムが受信モードに切り換えられるべきであると決定された場合は、方法はステップ２０７に進み、そこでは、アレイ１１０の選択されたＣＭＵＴセル１００は、バイアス電圧、好ましくは選択されたＣＭＵＴセル１００をつぶれた状態へと駆動するバイアス電圧を供給される。好ましくは、選択されたＣＭＵＴセル１００の柔軟メンブレン１１４のつぶれた面積は、選択されたＣＭＵＴセル１００が、予期されるパルスエコーの周波数に対して最適な感度を有するようにバイアス電圧の強さを選択することによって調節される。その後、ステップ２０９においてパルスエコーが受信され、任意の適切なやり方で更に処理される。送信サイクル及び任意選択的な受信サイクルが完了すると、ステップ２１３において、方法２００は終了する。

上述の実施形態は、本発明を限定するものではなく、例示するものであり、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になることに留意されたい。特許請求の範囲において、括弧の間に置かれる任意の参照符号は、特許請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という語は、特許請求の範囲に列挙されたもの以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。要素に先行する「ａ」又は「ａｎ」という語は、複数のそのような要素の存在を排除するものではない。本発明は、いくかの異なる要素を備えるハードウェアによって実施され得る。いくつかの手段を列挙するデバイス請求項において、これら手段のいくつかは、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得る。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。

Claims (15)

1. ＣＭＵＴセルのアレイを含むプローブであって、各ＣＭＵＴセルは電極構成部の第１の電極を担持する基板を備え、前記基板は、前記電極構成部の第２の電極を含む柔軟メンブレンからギャップによって空間的に離間され、前記柔軟メンブレンは中央領域に質量要素を備える、前記プローブと、
   前記プローブに結合され、超音波システムの送信モードにおいて、
   前記ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかを前記柔軟メンブレンの中央部が前記基板に接触するつぶれた状態へと駆動するバイアス電圧成分であって、前記中央部は前記中央領域を含む、前記バイアス電圧成分と、
   前記つぶれた状態にある前記ＣＭＵＴセルのうちの前記少なくともいくつかのそれぞれの前記柔軟メンブレンを共鳴させるための設定周波数を有する刺激成分とを含む電圧を、
   前記ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかの前記それぞれの電極構成部に提供する電圧源と、を備え、
   前記少なくともいくつかのＣＭＵＴセルの各々の前記質量要素は、前記共鳴中に、前記ＣＭＵＴセルの前記柔軟メンブレンの少なくとも前記中央領域を強制的に前記基板と接触したままにする、
   超音波システム。
2. 各電極構成部は、前記基板によって担持される第３の電極を更に備え、前記第３の電極は前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置し、誘電体層によって前記第１の電極から電気的に絶縁され、前記電圧源は、それぞれの前記第１及び前記第２の電極間に刺激を印加し、前記少なくともいくつかのＣＭＵＴセルの前記それぞれの第３の電極に前記バイアス電圧を印加する、請求項１に記載の超音波システム。
3. 前記電圧源は更に、前記プローブの受信モード中に前記少なくともいくつかのＣＭＵＴセルを強制的に前記つぶれた状態にする更なる電圧を、前記ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかの前記それぞれの電極構成部に提供する、請求項１又は２に記載の超音波システム。
4. 前記バイアス電圧源は、
   前記送信モード中に前記電圧の前記バイアス電圧成分を生成する第１の段であって、前記バイアス電圧成分は、前記少なくともいくつかのＣＭＵＴセルを強制的に前記つぶれた状態にするのに十分である第１の段と、
   前記電圧の前記刺激成分を生成する第２の段とを備える、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波システム。
5. 前記柔軟メンブレンは第１の材料を有し、前記質量要素は第２の材料を有し、前記第２の材料は前記第１の材料よりも高い密度を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超音波システム。
6. 前記第２の材料は、金属若しくは金属合金、又は重い非金属材料である、請求項５に記載の超音波システム。
7. 前記質量要素は前記柔軟メンブレン上に配置される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の超音波システム。
8. 前記質量要素は前記柔軟メンブレン内に一体化される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の超音波システム。
9. 前記質量要素は、円筒状又は環状の形状を有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の超音波システム。
10. 前記超音波システムは、超音波診断イメージングシステム又は超音波治療システムである、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の超音波システム。
11. ＣＭＵＴセルのアレイを含むプローブを提供するステップであって、各ＣＭＵＴセルは電極構成部の第１の電極を担持する基板を備え、前記基板は、前記電極構成部の第２の電極を含む柔軟メンブレンからギャップによって空間的に離間され、前記柔軟メンブレンは中央領域に質量要素を備える、前記プローブを提供するステップと、
    前記ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかを前記柔軟メンブレンの中央部が前記基板に接触するつぶれた状態へと駆動するバイアス電圧成分であって、前記中央部は前記中央領域を含む、前記バイアス電圧成分と、
    前記つぶれた状態にある前記少なくともいくつかのＣＭＵＴセルの前記それぞれの柔軟メンブレンを共鳴させるための設定周波数を有する刺激成分と、を含む電圧を、
    前記ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかの前記それぞれの電極構成部に提供するステップと、を有し、
    前記少なくともいくつかのＣＭＵＴセルの各々の前記質量要素は、前記共鳴中に、前記ＣＭＵＴセルの前記柔軟メンブレンの少なくとも前記中央領域を強制的に前記基板と接触したままにする、超音波パルス送信の方法。
12. 各電極構成部は、前記基板によって担持される第３の電極を更に備え、前記第３の電極は前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置し、誘電体層によって前記第１の電極から電気的に絶縁され、前記方法は、それぞれの前記第１及び前記第２の電極間に前記刺激成分を印加し、前記少なくともいくつかのＣＭＵＴセルのそれぞれの前記第３の電極に前記バイアス電圧成分を印加するステップを更に有する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記少なくともいくつかのＣＭＵＴセルの共鳴周波数を周期的に変えるために前記設定周波数を周期的に変えるステップを更に有する、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記少なくともいくつかのＣＭＵＴセルの前記中央部のそれぞれの面積を変えるために、前記ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかを前記つぶれた状態へと駆動する前記バイアス電圧成分を周期的に変えるステップを更に有する、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 受信モード中に、前記少なくともいくつかのＣＭＵＴセルを強制的に前記つぶれた状態にする更なる電圧を、前記ＣＭＵＴセルのうちの少なくともいくつかの前記それぞれの電極構成部に提供するステップを更に有する、請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
    

Images