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JP2020032221A - 統合中心整合層を伴う超音波レンズを有する高周波数超音波変換器 - Google Patents

統合中心整合層を伴う超音波レンズを有する高周波数超音波変換器 Download PDF

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JP2020032221A JP2019200666A JP2019200666A JP2020032221A JP 2020032221 A JP2020032221 A JP 2020032221A JP 2019200666 A JP2019200666 A JP 2019200666A JP 2019200666 A JP2019200666 A JP 2019200666A JP 2020032221 A JP2020032221 A JP 2020032221A
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Abstract

【課題】高周波数超音波画像診断システムとの使用のために構成される高周波数超音波変換器を提供する。【解決手段】超音波変換器は、超音波変換器の中心周波数の１／４波長の奇数倍に実質的に等しい、中心部分における平均厚さを有する、凹レンズを含む。変換器層の中心周波数は、１５ＭＨｚより大きく、レンズ層は、１５ＭＨｚより大きい周波数において音響透過性であり、レンズ層の中心部分の平均厚さは、変換器層の中心周波数の波長の１／４である。【選択図】図２Ｂ

Description

開示される技術は、概して、超音波変換器および医療画像診断の分野に関する。より具体的には、開示される技術は、高周波数超音波変換器およびそれとの使用のために構成される音響レンズに関する。
（参照することによって組み込まれる特許および特許出願）
以下の特許、すなわち、「ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＰＲＯＤＵＣＩＮＧ ＡＮ ＵＬＴＲＡＳＯＵＮＤ ＩＭＡＧＥ ＵＳＩＮＧ ＬＩＮＥ−ＢＡＳＥＤ ＩＭＡＧＥ ＲＥＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ」と題され、２００３年１２月１５日に出願された米国特許第７，０５２，４６０号、「ＨＩＧＨ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ，ＨＩＧＨ ＦＲＡＭＥ−ＲＡＴＥ ＵＬＴＲＡＳＯＵＮＤ ＩＭＡＧＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ」と題され、２００３年１０月１０日に出願された米国特許第７，２５５，６４８号、「ＡＲＲＡＹＥＤ ＵＬＴＲＡＳＯＵＮＤ ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ」と題され、２００５年４月２０日に出願された米国特許第７，２３０，３６８号、「ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ ＭＡＴＣＨＩＮＧ ＬＡＹＥＲ ＡＮＤ ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ」と題され、２００６年３月２日に出願された米国特許第７，８０８，１５６号、「ＨＩＧＨ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＡＲＲＡＹ ＵＬＴＲＡＳＯＵＮＤ ＳＹＳＴＥＭ」と題され、２００６年１１月２日に出願された米国特許第７，９０１，３５８号、および「ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＵＬＴＲＡＳＯＵＮＤ ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ ＡＮＤ ＯＴＨＥＲ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳ」と題され、２００９年９月１８日に出願された米国特許第８，３１６，５１８号もまた、参照することによってそれらの全体として本明細書に組み込まれる。
本発明は、本明細書に組み込まれてその一部を構成し、説明とともに、開示される技術を例証する役割を果たす、添付図面を考慮して、より完全に理解され得る。
図１は、開示される技術の１つ以上の実施形態に従って構成される、超音波撮像システムの概略図である。 図２Ａは、開示される技術の１つ以上の実施形態に従って構成される、超音波変換器スタックの断面概略図である。 図２Ｂは、図２Ａの部分Ｐの拡大図である。 図３は、従来技術の変換器の概略側面図である。 図４は、開示される技術の１つ以上の実施形態に従って構成される、変換器の概略図である。
超音波変換器は、電気エネルギーを音響エネルギーに、および逆も同様に変換するための手段を提供する。電気エネルギーが高周波（ＲＦ）信号の形態であるとき、変換器は、駆動電気ＲＦ信号と同一の周波数特性を伴う超音波信号を生成することができる。従来の臨床超音波変換器は、典型的には、１メガヘルツ（ＭＨｚ）未満から約１０ＭＨｚに及ぶ中心周波数において動作させられる。１〜１０ＭＨｚの周波数スペクトル内の超音波は、概して、数ミリメートルから概して１５０ミクロンを上回って及ぶ分解能で、数ミリメートル〜１０センチメートルより大きい深度において、生物組織を撮像する手段を提供する。
対照的に、高周波数超音波（ＨＦＵＳ）変換器は、概して、１５ＭＨｚより大きく、６０ＭＨｚ以上まで及ぶ（例えば、１５ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、２５ＭＨｚ、３０ＭＨｚ、４０ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、６０ＭＨｚ）中心周波数を伴う超音波変換器である。ＨＦＵＳ変
換器は、浸透の最大深度を制限するが、より小さい周波数（例えば、１５ＭＨｚ未満）において動作する変換器より高い分解能を提供する。結果として、ＨＦＵＳ変換器は、例えば、約２０ミクロンから約２００ミクロンに及ぶ分解能で、例えば、１ミリメートル未満（例えば、０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ）から３ｃｍまたはそれを上回って（例えば、４ｃｍ）及ぶ深度において生物組織を撮像することができる。
１０ＭＨｚ未満の周波数において動作する変換器に対して、例えば、多種多様なレンズ材料が、撮像される媒体（例えば、対象内の組織）に実質的に音響的にインピーダンス整合させられた凸レンズを生産するために利用可能である。これらの変換器において受け取られる音響エネルギーは、典型的には、変換器によって受け取られるようにレンズ材料を通してほぼ完全に伝達され、エネルギーが媒体の中へ戻るように殆ど反射されず、したがって、マルチパスアーチファクトが作成されない。加えて、当業者は、整合させられたレンズ材料を有する良好に設計された変換器が、レンズ自体内で複数の反射を呈しないであろうことを理解するであろう。しかしながら、ＨＦＵＳ変換器の場合、ほとんどの材料が、有意に高い音響減衰により、音響レンズを構築するために好適ではない。当業者が理解するであろうように、ポリマー内の音響減衰は、周波数とともに指数関数的に増加する傾向がある。したがって、ポリマー内の２０ＭＨｚにおける超音波エネルギーの音響減衰は、同一のポリマー内の１０ＭＨｚ以下の超音波エネルギーの音響減衰より１桁大きく（例えば、１０倍大きく、２０倍大きく、１００倍大きく）あり得る。
約１０ＭＨｚより小さい周波数において動作する従来の臨床超音波変換器を手掛けるときには生じない、ＨＦＵＳ変換器を製作することに関連付けられる多くの課題があり得る。当業者は、超音波変換器に関連付けられる構造（例えば、変換器層、整合層、レンズ）が、概して、変換器の動作周波数と反比例する様式で拡大縮小することを理解するであろう。例えば、５０ＭＨｚ変換器は、５ＭＨｚ変換器より約１０倍小さい構造を有するであろう。多くの場合、より小さい周波数の変換器（例えば、約１０ＭＨｚ未満）とともに使用される材料または技法は、ＨＦＵＳ変換器での使用のための好適なサイズおよび／または形状に縮小されることができない。したがって、新しい技術が、ＨＦＵＳ変換器の製作において開発または適合される必要があり得る。他の場合において、ＨＦＵＳ変換器に関連付けられたより強い高周波電子および音響信号を取り扱うときに、完全に新しい要件が存在する。
従来のＨＦＵＳ変換器は、典型的には、変換器の仰角寸法に焦点を合わせるために凹レンズに成形および／または形成される硬質プラスチック音響レンズを含む。好適なＨＦＵＳレンズ材料は、例えば、ポリメチルペンテン（例えば、ＴＰＸ（登録商標））、架橋ポリスチレン（例えば、Ｒｅｘｏｌｉｔｅ（登録商標））、およびポリベンゾイミダゾール（例えば、Ｃｅｌａｚｏｌｅ（登録商標））を含み得、その全ては、約１５ＭＨｚより大きい周波数において比較的低い減衰を有する。しかしながら、ＨＦＵＳ使用のために適した材料から作製される音響レンズはまた、撮像される対象の音響インピーダンスと有意または実質的に異なる（例えば、１０％異なる、２５％異なる、５０％異なる）音響インピーダンスを有し得る。レンズと対象との間の結果として生じる音響インピーダンス不整合（例えば、０．１ＭＲａｙｌ、０．３ＭＲａｙｌ、０．５ＭＲａｙｌ、１ＭＲａｙｌ、２ＭＲａｙｌの差）は、超音波エネルギーが変換器から伝送される場合、および、超音波画像を形成するために変換器において受け取られる場合、マルチパス撮像アーチファクトを引き起こし得る。連結媒体または対象に対する、レンズの正面における音響インピーダンス不整合も、超音波変換器の軸方向分解能を劣化させ得るレンズ内反射および／またはレンズ残響アーチファクトをもたらし得る。
マルチパスまたはマルチバウンスアーチファクトは、鏡面反射体の真像の下方の等しい深度に出現する、明るい鏡面反射体のゴースト像を引き起こし得る。例えば、対象の皮膚
線が、画像内で４ｍｍの深度において撮像され、８ｍｍの深度においてマルチパスアーチファクトを引き起こし得る。当業者は、変換器から放出される超音波エネルギーが、超音波の経路とほぼ垂直に強力な鏡面反射体（例えば、対象の皮膚線）に衝突する場合、そのようなアーチファクトが生成され得ることを理解するであろう。放出された超音波エネルギーの一部（例えば、５％、１０％）が、鏡面反射体から戻るように変換器レンズに向かって反射され得、そうすると、レンズが透過媒体（例えば、ゲル、水）に実質的に音響的に整合させられていない場合、第２の反射が起こり得る。次いで、第２の反射は、２回目に鏡面反射体に戻るように伝搬し、そこで再度、鏡面反射が起こり、音響エネルギーがもう一度変換器によって受け取られる。そのような反射の連鎖は、一連のマルチパスアーチファクトを超音波画像内で出現させ得る。そのような部分反射は、有意なエネルギーが反射に残らなくなるまで、繰り返し起こり得る。撮像アーチファクトを軽減することへの１つのアプローチは、音響レンズの外面上に音響整合層を位置付けることを含み得る。しかしながら、それらの外面上に整合層を有するレンズは、製作することが非常に困難であり得、多くの場合、より大きい周波数（例えば、約１５ＭＨｚより大きい）において動作する超音波変換器との使用のためには非実用的である。
例えば、レンズ内多重反射によって引き起こされるレンズ残響アーチファクトは、上で説明されるマルチパスアーチファクトに類似し得る。しかしながら、レンズ内反射は、完全にレンズ材料内で起こり、レンズの外面と音響連結媒体または撮像されている対象との間の音響不整合によって引き起こされ得る。音響パルスが変換器から出て対象に進入する場合、部分エコーがレンズの前面において生成される。このエコーは、次いで、例えば、レンズの後面等の変換器音響スタック内の任意の内部音響不整合の間で反響することができる。当業者が理解するであろうように、典型的には、ある形態の音響整合層の使用を通して、レンズの後面を変換器の音響スタックに音響的に整合させるように、あらゆる努力が行われるであろう。しかしながら、ＨＦＵＳレンズ材料の低い減衰により、後面／スタック界面からのわずかな反射でさえも、レンズ残響アーチファクトを生じさせ得る。レンズ残響アーチファクトの影響は、各残響エコーが主要変換器パルスの一部となるので、変換器のパルスを実際上長くし、したがって、あらゆるエコーが変換器によって受け取られことである。
図３は、上で説明されるレンズ内反射および残響アーチファクトの一例を図示する従来技術の変換器３８０の概略図である。変換器３８０は、変換器層３８２と、整合層３８４と、下面３８８および厚さＴを有する音響レンズ３８６とを含む。変換器３８０は、対象３９０（例えば、人間の患者、動物）の皮膚線３９２を通して超音波エネルギー（例えば、１５ＭＨｚ以上の高周波数超音波）を伝送および受信する。変換器層３８２は、対象３９０の中へ一次超音波信号Ｓを伝送するように構成され、超音波画像を形成するために使用される超音波エコーＳ’を受信する。
第１、第２、および第３の反射Ｒ１、Ｒ１’、およびＲ１”は、上で説明されるマルチパスアーチファクトの一例を図示する。皮膚線３９２は、信号Ｓの一部（例えば、５％、１０％、２０％）を反射し、それによって、第１の反射Ｒ１を形成する。第１の反射Ｒ１は、変換器層３８２に向かって戻るように伝搬し、それは、第１の反射Ｒ１の一部（例えば、５％、１０％、２０％）を対象に向かって戻るように反射し、それによって、第２の反射Ｒ１’を形成する。皮膚線３９２は、変換器層３８２に向かって戻るように第２の反射Ｒ１’の一部を反射し、それによって、第３の反射Ｒ１”を形成する。変換器層３８２は、全て超音波画像を形成するように画像プロセッサ（図示せず）によって組み合わせられる、第１の反射Ｒ１および第３の反射Ｒ１”の部分とともに、エコーＳ’を受け取る。当業者が理解するであろうように、反射Ｒ１およびＲ１”は、超音波画像内に望ましくないアーチファクトを引き起こし得る。
第１、第２、および第３の反射Ｒ２、Ｒ２’、およびＲ２”は、上で説明されるレンズ内残響アーチファクトの一実施例を図示する。レンズ３８６の下面３８８は、信号Ｓの一部（例えば、５％、１０％、２０％）を反射し、それによって、第１の反射Ｒ２を形成する。第１の反射Ｒ２は、変換器層３８２に向かって戻るように伝搬し、それは、対象に向かって戻るように第１の反射Ｒ２の一部（例えば、５％、１０％、２０％）を反射し、それによって、第２の反射Ｒ２’を形成する。レンズ３８６の下面３８８は、変換器層３８２に向かって戻るように第２の反射Ｒ２’の一部を反射し、それによって、第３の反射Ｒ２”を形成する。変換器層３８２は、超音波画像を形成するために、第１の反射Ｒ２および第３の反射Ｒ２”の部分とともに、エコーＳ’の組み合わせを受け取る。反射Ｒ２およびＲ２”は、超音波画像内に望ましくないアーチファクトを引き起こし得る。多くの場合において、Ｒ１、Ｒ１”、Ｒ２、およびＲ２”に類似する反射は、画質を有意に低減させ得るアーチファクトを同一の超音波画像内に引き起こし得る。
図４は、開示される技術の１つ以上の実施形態に従って構成される変換器４８０の概略図である。変換器４８０は、曲面４２２および中心部分４２６を有するレンズ４８６を含む。中心部分４２６は、変換器４８０の中心周波数の４分の１波長の奇数倍（例えば、１／４波長、３／４波長、５／４波長、７／４波長）にほぼ等しい平均厚さを有する。信号Ｓ２は、対象３９０の中へ伝送される。皮膚線３９２は、信号Ｓ２の一部を反射し、第１の反射Ｒ３を形成し、曲線部分４２２は、信号Ｓ２の一部を反射し、第２の反射Ｒ４を形成する。上で議論される反射Ｒ１およびＲ２と対照的に、第１の反射Ｒ３および第２の反射Ｒ４は、鏡面反射ではなく、したがって、変換器３８２に戻るように進行しない。したがって、レンズ４８６は、図３を参照して上で議論されるレンズ内およびマルチパス反射等のＨＦＵＳ画像内のアーチファクトを有意に低減させ得る。
開示される技術は、上で説明されるＨＦＵＳ変換器においてマルチパスアーチファクト（例えば、レンズ内残響アーチファクト、外部マルチバウンスアーチファクト）の低減を提供することができる。本開示の一側面では、超音波変換器は、レンズの中心部分（例えば、レンズの２つの端部分の間のレンズの凹形状の最も薄い部分）が、変換器中心周波数の波長のおおよそ分数倍の厚さを有する音響レンズを含む。いくつかの実施形態では、例えば、レンズ中心部分は、変換器中心周波数（例えば、１５ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、２５ＭＨｚ、３０ＭＨｚ）の４分の１波長の奇数倍（例えば、１／４波長、３／４波長、５／４波長、７／４波長）にほぼ等しい平均厚さを有することができる。超音波変換器上に上で説明されるレンズを組み込むことは、追加の整合層（例えば、４分の１波長整合層）を変換器の正面に効果的に追加するレンズの中心部分をもたらす。したがって、開示される技術は、垂直入射平面波に対する低減した音響反射率を有するレンズを提供し、したがって、画像内のマルチパス音響アーチファクトを軽減し、レンズ内残響アーチファクトも低減させる。いくつかの実施形態では、例えば、開示される技術は、ＨＦＵＳ変換器レンズの透過係数を８５％から約９５％まで増加させることができる。換言すると、開示される技術は、ＨＦＵＳ変換器レンズの反射係数を１５％〜５％未満、１０％またはそれを下回るまで低減させ、それによって、ＨＦＵＳ変換器の感度を有意に増加させる（例えば、１ｄＢ〜２．５ｄＢの増加）。
開示される技術の別の側面では、超音波変換器スタックは、変換器層と、レンズ層とを含む。変換器層は、中心周波数（例えば、１５ＭＨｚ以上の）において超音波エネルギーを伝送するように構成される。レンズ層は、変換器層の下にある上面を有する。レンズ層の少なくとも一部は、変換器の軸方向と垂直な方向に凹面湾曲を有する。レンズ層の中心部分は、変換器層の中心周波数の１／４波長の奇数倍（例えば、１、３、５）に実質的に等しい平均厚さを有する。いくつかの実施形態では、整合層が、レンズ層と変換器層との間に配置される。一実施形態では、例えば、整合層は、シアノアクリレートを含む別の整合層によってレンズ層に取り付けられる。いくつかの実施形態では、レンズ層は、水の音
響インピーダンスと実質的に異なる（例えば、１０％異なる、２５％異なる、５０％異なる）音響インピーダンスを有する。
開示される技術のさらに別の側面では、超音波システムは、超音波変換器プローブに連結される超音波撮像システムを含む。超音波変換器プローブは、対象に向かって超音波を伝送し、対象から超音波エネルギーを受信するように構成される。変換器プローブは、レンズ層と、中心周波数（例えば、約１５ＭＨｚ〜約６０ＭＨｚ）において動作するように構成される１つ以上の変換器要素とを含む。レンズ層の一部は、変換器の軸方向と垂直な方向に凹面湾曲を有する。凹面湾曲の中心部分は、１つ以上の変換器要素の中心周波数の１／４波長の奇数倍（例えば、１、３、５、７、９）に実質的に等しい（例えば、約１％以内、約２％以内、約５％以内）平均厚さを有する。いくつかの実施形態では、レンズ層の反射係数は、約５％より小さい。いくつかの実施形態では、反射係数は、例えば、約１％〜１５％である。
開示される技術のなおも別の側面では、超音波変換器を構築する方法は、音響レンズ層を製作すること、レンズ層を、変換器層に動作可能に連結される第１の整合層に取り付けることまたは結合することとを含む。レンズ層は、中心曲線区分および２つの平坦側面区分を有するように製作される。曲線区分を製作することは、中心部分が中間点において第１の厚さと、２つの終点の各々において第２の厚さとを有するように、中間点および２つの終点を有する中心部分を製作することを含む。第１の厚さおよび第２の厚さの平均は、超音波変換器の中心周波数（例えば、約１５ＭＨｚ〜約６０ＭＨｚ）の１／４波長の奇数倍（例えば、１／４波長、３／４波長、５／４波長）に実質的に等しい（例えば、約１％以内、約２％以内、約５％以内）。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、第２の整合層が第１の整合層と変換器層との間に位置付けられるように、第２の整合層を、第１の整合層を伴ってレンズ層に結合すること、または取り付けることを含む。いくつかの実施形態では、レンズ層は、水中の音速と有意に異なる（例えば、１００％異なる、２００％異なる）音速を有する。
開示される技術の別の側面では、超音波変換器スタックは、１５ＭＨｚ以上の（例えば、約１５ＭＨｚ〜約６０ＭＨｚ）中心周波数において動作するように構成される１つ以上の超音波変換器要素を備えている変換器層を含む。変換器スタックはさらに、変換器層に動作可能に連結されている整合層に取り付けられた後面を有する音響レンズを含む。音響レンズの前面は、２つの平坦側面区分と、変換器スタックに関する仰角方向にその間に延びている中心曲線区分とを含む。変換器スタックに関する軸方向における中心曲線区分の第１の厚さは、中心周波数の１／４波長の奇数倍より小さい。中心曲線区分の厚さは、中間点と終点との間の中心曲線区分の軸方向への平均厚さが、実質的に中心周波数の１／４波長の奇数倍であるように、中心周波数の１／４波長の奇数倍より大きい軸方向における第２の厚さを有する終点まで、仰角方向に第１の距離を外向きに増加させる。いくつかの実施形態では、中心曲線区分の長さは、第１の距離の２倍である。いくつかの実施形態では、中心曲線区分の長さは、仰角方向への変換器スタックの全長の約１０％以下である。いくつかの実施形態では、第１の厚さは、中心周波数の１／４波長の奇数倍の約９５％〜９９．５％であり、第２の厚さは、中心周波数の１／４波長の奇数倍の約１００．５％〜１０５％である。
（好適なシステム）
図１は、開示される技術の１つ以上の実施形態に従って構成される超音波システム１００の概略図である。超音波システム１００は、リンク１０６（例えば、ワイヤ、無線接続）を介して画像処理システム１０２に連結される超音波プローブ１０４を含む。プローブ１０４は、変換器１１０（例えば、ＨＦＵＳスタック）を含む。変換器１１０は、対象の中へ超音波エネルギー（例えば、ＨＦＵＳエネルギー）を伝送し、対象から反射される超
音波エネルギーの少なくとも一部を受信し得る。受信された超音波エネルギーは、対応する電気信号に変換され、受信された超音波エネルギーに基づいて１つ以上の超音波画像を形成することができる画像処理システム１０２に電気的に伝送されることができる。
図２Ａは、開示される技術の１つ以上の実施形態に従って構成される超音波変換器スタック２１０（例えば、図１の変換器１１０）の断面概略図である。変換器スタック２１０は、音響レンズ２２０と、第１の整合層２４０と、第２の整合層２５０と、第３の整合層２５５と、変換器層２６０（例えば、圧電変換器層、ＰＭＵＴ層、ＣＭＵＴ層）とを含む。いくつかの実施形態では、第１の整合層２４０は、１／４波長厚さを有する結合材料（例えば、シアノアクリレート、ポリマー、エポキシ）を含むことができ、第２の整合層２５０の前面をレンズ２２０の後面２２８に結合すること、または別様に取り付けるように構成されることができる。整合層２５０の後面は、第３の整合層２５５の前面に結合されるか、または別様に取り付けられる。第３の整合層２５５の後面は、変換器層２６０の前面に取り付けられる。中心線２２１は、変換器スタック２１０の軸方向に沿って（すなわち、図２Ａに示されるｙ軸に沿って）延びている。図示された実施形態では、変換器スタック２１０は、３つの整合層、すなわち、第１の整合層２４０、第２の整合層２５０、および第３の整合層２５５を含む。しかしながら、いくつかの実施形態では、変換器スタック２１０は、例えば、上で参照することによって組み込まれた米国特許第７，８０８，１５６号で開示されるように、１つ以上の追加の整合層を含み得る。変換器スタック２１０の他の実施形態は、第１の整合層２４０、第２の整合層２５０、および第３の整合層２５５のうちの１つ以上のものを含まないこともある。
レンズ２２０は、変換器スタック２１０の仰角方向に（すなわち、図２に示されるｘ軸に沿って）凹面湾曲（例えば、円筒、放物線、または双曲線湾曲）を有する、曲線区分２２２を含む。曲線区分２２２は、（個々に第１の側面区分２２４ａおよび第２の側面区分２２４ｂとして識別される）側面区分２２４によって境界を定められる。曲線区分２２２は、曲線外面２２７を有し、平坦側面部分２２４は、（個々に第１の外面２２９ａおよび第２の外面２２９ｂとして識別される）外面２２９を有する。曲線区分２２２は、中心線２２１を中心とする中心部分２２６を含む。図２Ａを参照してさらに詳細に議論されるように、中心部分２２６は、中間点において第１の厚さＴ１を有し、２つの終点において第２の厚さＴ２を有する。中心部分２２２は、変換器の仰角方向に長さＬ（例えば、０．５ｍｍ未満、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１ｍｍ、１ｍｍより大きい）を有する。いくつかの実施形態では、長さＬは、仰角方向に変換器の長さの約１％〜１０％延びている。いくつかの実施形態では、中心部分２２６の長さＬおよび曲率半径は、レンズの焦点数（例えば、Ｆ２、Ｆ５、Ｆ８、Ｆ１０）および変換器の焦点深度によって決定されることができる。当業者が理解するであろうように、レンズの焦点数は、変換器の焦点深度とレンズの曲線区分２２２の長さとの比に比例する。
レンズ２２０は、例えば、ポリメチルペンテン、架橋ポリスチレン、および／またはポリベンゾイミダゾールを含むことができる。しかしながら、他の実施形態では、レンズ２２０は、撮像されている媒体（例えば、水、対象内の組織）の音速よりも速い音速を有する任意の好適な材料（例えば、アルミニウムまたはステンレス鋼等の金属、もしくはＰＺＴまたはアルミナ等のセラミック材料）を含むことができる。いくつかの実施形態では、中心部分２２６の第１の厚さＴ１は、変換器層２６０の中心周波数（例えば、１５ＭＨｚ以上）の波長の１／４の奇数倍よりわずかに小さくあり得る（例えば、１／４波長厚さの奇数倍の約９５％〜９９．５％）。それに対応して、第２の厚さＴ２は、中心周波数の波長の１／４の奇数倍よりわずかに大きくあり得る（例えば、１／４波長厚さの奇数倍の約１００．５％〜１０５％）。したがって、曲線区分２２２の中心部分２２６は、波長の１／４のほぼ奇数倍の実質的に平均的な厚さ（１／４波長の奇数倍の＋／−５％以内）を有する。変換器層２６０の中心周波数のある分数倍の波長に実質的に等しい平均厚さを有す
るように中心部分２２６を製作することは、撮像されている対象への向上した音響整合を提供することができ、したがって、恣意的な厚さを有する音響レンズと比較して、マルチパス反射を有意に低減させることができる。
図２Ｂは、中心部分２２６をより詳細に示す、図２Ａの部分Ｐの拡大図である。中心部分２２２は、中間点２３２を有し、仰角方向に第１の終点２３４ａと第２の終点２３４ｂとの間に延びている。中間点２３２は、第１および第２の中間点２３４ａおよび２３４ｂの各々から仰角方向に距離Ｄ（すなわち、長さＬの２分の１）の間隔を置かれている。軸方向への中心部分２２２の厚さは、中間点２３２におけるＴ１から、第１および第２の中間点２３４ａおよび２３４ｂの各々における厚さＴ２まで外向きに増加する。中心部分２２２の平均厚さは、変換器層２６０（図２Ａ）の中心周波数の１／４波長の奇数倍（例えば、１、３、５、７）に実質的に等しい。さらに、中間点２３６ａおよび２３６ｂにおいて、中心部分２２２は、中間点２３２と、第１および第２の中間点２３４ａ、２３４ｂの各々との間の中心部分２２２の平均厚さに概ね対応する厚さＴ３を有する。
しかしながら、いくつかの実施形態では、中心部分２２６は、所望の医療電気安全規格を満たすために十分な絶縁耐力を提供する平均３／４波長厚さを有するように、構成されることができる。他の実施形態では、中心部分２２６は、３／４波長未満の平均厚さを有し得る。いくつかの実施形態では、例えば、中心部分２２６は、変換器層２６０の動作中心周波数（例えば、２０ＭＨｚ、２５ＭＨｚ、３０ＭＨｚ）の波長の１／４の平均厚さを有するように製作されることができる。いくつかの実施形態では、中心部分２２６の平均厚さは、変換器層２６０（図２Ａ）の動作中心周波数の波長の１／４の任意の奇数倍（例えば、１、３、５、７、９）であり得る。しかしながら、他の実施形態では、平均厚さは、変換器層２６０（図２Ａ）の動作中心周波数の波長の任意の好適な分数倍であり得る。当業者は、例えば、広帯域超音波変換器に対して、１／４波長レンズ厚さが、概して、３／４波長レンズ厚さより良好に機能し、１／４波長の増加する奇数倍の性能が、概して、次第に悪化するであろうことを理解するであろう。対照的に、狭帯域変換器（例えば、ＣＷドップラ変換器）は、性能の有意な低減を伴わずに、１／４波長の増加する奇数倍を伴う音響レンズを有することができる。
概して、波長の分数倍（例えば、１／４、３／４）に対応する平均厚さを有するように、中心部分２２６を製作することは、マルチパスアーチファクトを最小化することに加えて、変換器層２６０（図２Ａ）の仰角寸法の（すなわち、図２Ａのｘ軸に沿った）中心部分を音響的に増進し、それによって、望ましい増強を仰角ビームの垂直成分に提供することができる。これは、ビームの中心に対して縁を減衰させることとは対照的に、縁に対してビームの中心部分を増進することによって、仰角ビームの軽度のアポディゼーションと同等のものを達成すると見なされることができる。仰角ビームのアポディゼーションは、仰角ビームにおけるサイドローブの低減につながり得る。
前述から、本発明の具体的実施形態が、例証の目的で本明細書に説明されているが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の修正が行われ得ることが理解されるであろう。したがって、本発明は、添付の請求項による場合を除いて限定されない。

Claims (20)

  1. 超音波変換器スタックであって、
    中心周波数において超音波エネルギーを伝送するように構成されている変換器層と、
    前記変換器層の下にある上面を有するレンズ層と
    を備え、
    前記レンズ層の少なくとも一部は、前記変換器の軸方向と垂直な方向に凹面湾曲を有し、前記レンズ層の中心部分は、前記変換器層の前記中心周波数の１／４波長の奇数倍に実質的に等しい平均厚さを有する、超音波変換器スタック。
  2. 前記変換器層の前記中心周波数は、１５ＭＨｚより大きく、前記レンズ層は、１５ＭＨｚより大きい周波数において音響透過性である、請求項１に記載の超音波変換器。
  3. 前記レンズ層の前記中心部分の平均厚さは、前記変換器層の前記中心周波数の波長の１／４である、請求項１に記載の超音波変換器。
  4. 前記レンズ層の前記中心部分の平均厚さは、前記変換器層の前記中心周波数の波長の３／４である、請求項１に記載の超音波変換器。
  5. 前記変換器層と前記レンズ層との間に配置されている整合層をさらに備えている、請求項１に記載の超音波変換器。
  6. 前記整合層は、第１の整合層であり、前記超音波変換器は、前記レンズ層と前記第１の整合層との間に第２の整合層をさらに備え、前記第２の整合層は、シアノアクリレートを備え、前記第１の整合層および前記第２の整合層の各々は、前記変換器層の前記中心周波数の約１／４波長の厚さを有する、請求項５に記載の超音波変換器。
  7. 前記レンズ層は、水の音響インピーダンスと実質的に異なる音響インピーダンスを有する、請求項１に記載の超音波変換器。
  8. 超音波システムであって、
    超音波撮像システムと、
    前記撮像システムに連結されている超音波変換器プローブと
    を備え、
    前記超音波変換器プローブは、対象に向かって超音波を伝送し、前記対象から超音波エネルギーを受信するように構成され、前記超音波変換器プローブは、
    中心動作周波数において動作するように構成されている１つ以上の変換器要素と、
    レンズ層と
    を含み、前記レンズ層の少なくとも一部は、前記変換器の軸方向と垂直な方向に凹面湾曲を有し、前記凹面湾曲の中心部分は、前記１つ以上の変換器要素の前記中心動作周波数の１／４波長の奇数倍に実質的に等しい平均厚さを有する、超音波システム。
  9. 前記１つ以上の変換器要素の前記中心動作周波数は、１５ＭＨｚより大きく、前記レンズ層は、１５ＭＨｚより大きい周波数において音響透過性である、請求項８に記載の超音波変換器。
  10. 前記レンズ層の反射係数は、１０％より小さい、請求項９に記載の超音波変換器。
  11. 前記レンズ層の前記中心部分の平均厚さは、前記中心周波数の波長の１／４である、請求項８に記載の超音波変換器。
  12. 前記レンズ層の前記中心部分の平均厚さは、前記中心周波数の波長の３／４である、請求項８に記載の超音波変換器。
  13. 超音波変換器を構築する方法であって、
    中心曲線区分および２つの平坦側面区分を有する音響レンズ層を製作することであって、前記曲線区分を製作することは、中間点および２つの終点を有する中心部分を製作することを含み、前記中心部分は、前記中間点における第１の厚さと、前記２つの終点の各々における第２の厚さとを有し、前記第１の厚さおよび前記第２の厚さの平均は、前記超音波変換器の前記中心周波数の１／４波長の奇数倍に実質的に等しい、ことと、
    変換器層に動作可能に連結されている整合層に前記レンズ層を結合することと
    を含む、方法。
  14. 前記整合層は、エポキシを含む第１の整合層であり、前記レンズ層を結合することは、第２の整合層が前記第１の整合層と前記変換器層との間に位置付けられるように、エポキシを含む前記第１の整合層を使用して、前記第２の整合層を前記レンズ層に結合することを含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記レンズ層を結合することは、前記レンズ層を、１５ＭＨｚ以上の中心周波数において動作するように構成されている変換器層に動作可能に連結されている整合層に結合することを含む、請求項１３に記載の方法。
  16. 前記レンズ層の音速は、水中の音速と有意に異なる、請求項１３に記載の方法。
  17. 超音波変換器スタックであって、
    １５ＭＨｚ以上の中心周波数において動作するように構成されている１つ以上の超音波変換器要素を備えている変換器層と、
    前記変換器スタックに関する軸方向に前記変換器層から間隔を置かれている整合層と、
    前面および後面を有する音響レンズと
    を備え、
    前記レンズの前記後面は、前記整合層に取り付けられており、前記前面は、２つの平坦側面区分と、それらの間に前記変換器スタックに関する仰角方向に延びている中心曲線区分とを含み、前記変換器スタックに関する軸方向における前記中心曲線区分の第１の厚さは、前記中心周波数の１／４波長の奇数倍より小さく、前記中心曲線区分の厚さは、前記仰角方向における第１の距離を外向きに終点まで増大し、前記終点は、前記中心周波数の１／４波長の奇数倍より大きい前記軸方向における第２の厚さを有し、前記中間点と前記終点との間の前記中心曲線区分の前記軸方向における平均厚さは、実質的に前記中心周波数の１／４波長の奇数倍である、超音波変換器スタック。
  18. 前記中心曲線区分は、前記第１の距離より約２倍大きい長さを有する、請求項１７に記載の超音波変換器スタック。
  19. 前記長さは、前記仰角方向における前記変換器スタックの全長の約１０％以下である、請求項１８に記載の超音波変換器スタック。
  20. 前記第１の厚さは、前記中心周波数の１／４波長の奇数倍の約９５％〜９９．５％であり、前記第２の厚さは、前記中心周波数の１／４波長の奇数倍の約１００．５％〜１０５％である、請求項１７に記載の超音波変換器スタック。
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