JP-2026077695-A - 超音波および熱音響システムのためのシリアルアーキテクチャおよびエネルギー節約方法

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Abstract

【課題】スイッチの部品配列および使用を含む電子アーキテクチャ、およびデュアルモードUSTA計装に用いられる電力節約方法が開示される。【解決手段】一実施形態では、機器アーキテクチャは、USおよびTAアナログ部品を含み、かかるUSおよびTAアナログ部品としては、変換器、TA前置増幅器等が挙げられる。TA前置増幅器に対する迅速出力管理による動作が記載され、かかる動作により、TA測定相互間におけるUS測定の有無を問わずTA測定サイクル相互間でTA前置増幅器出力をターンオフすることができる。TA前置増幅器エネルギー節約により、かかる設計は、TA前置増幅器出力消費量を何倍も減少させることができ、それにより、変換器ハウジング又はプローブハウジング内へのTA前置増幅器組み込みおよび／または携帯型電池式装置または手持ち型装置内でのTA前置増幅器の使用が可能である。【選択図】図１Ａ

Inventors

イヴァノフヴァッシーリ
エルミロフセルゲイ

Assignees

フォトサウンドテクノロジーズインコーポレイテッド

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20260209
Priority Date: 20200716

Claims (19)

熱音響データ収集および／または画像化のための機器であって、熱音響信号を被測定物から受け取る変換器または変換器アレイを含み、熱音響前置増幅器および入力信号のアナログ‐デジタル変換を可能にするアナログフロントエンドを含む熱音響データ収集ユニットを含み、前記データ収集ユニットまたは前記データ収集ユニットの個々の部品のうちの１つ以上は、迅速ディスエーブルロー出力モードおよび迅速イネーブルフル出力モードを有し、各モードは、測定サイクル相互間でかつ当該測定サイクル中、１秒間当たり多数回にわたってアクティブ状態になることができ、前記熱音響データ収集ユニットは、前記変換器または前記変換器アレイによって受け取られた信号を増幅してデジタル化するよう構成されており、前記機器におけるデジタル処理および／またはデジタル制御を可能にする回路を有し、前記機器は、あらかじめ設定されたプロトコルに従って、前記熱音響データ収集ユニットまたは前記熱音響データ収集ユニットの部品のうちの１つ以上をロー出力モードとフル出力モードとの間で切り替えるよう構成されている、機器。
デジタル処理および／またはデジタル制御を可能にする前記回路は、フィールドプログラマブルゲートアレイである、請求項１記載の機器。
前記機器は、前記熱音響データ収集ユニットまたは前記熱音響データ収集ユニットの部品のうちの１つ以上を前記機器が熱音響信号を収集しているときに前記フル出力モードに、前記機器が熱音響信号を収集していないときには前記ロー出力モードに切り替えるよう構成されている、請求項１記載の機器。
前記熱音響データ収集ユニットの前記熱音響前置増幅器は、前記変換器または前記変換器アレイを組み込んだハウジング内に配置される、請求項１記載の測定器。
前記機器の部品のうちの１つ以上は、携帯型および／または電池式装置に組み込まれている、請求項１記載の機器。
前記機器の部品のうちの１つ以上は、手持ち型装置に組み込まれている、請求項１記載の機器。
デュアルモダリティ超音波および熱音響データ収集および／または画像化のための機器であって、機械エネルギーを被測定物に加えて、前記被測定物から信号を受け取る変換器または変換器アレイと、超音波放出モードにおける前記機器の動作を可能にする非定常性電磁エネルギーを前記変換器または前記変換器アレイに加えるパルサ／ビームフォーマと、熱音響前置増幅器と、前記変換器または前記変換器アレイによって受け取られた信号のアナログ‐デジタル変換を可能にするアナログフロントエンドと、前記機器におけるデジタル処理および／またはデジタル制御を可能にする回路とを有し、前記機器は、前記熱音響前置増幅器を超音波モードでバイパスし、前記熱音響前置増幅器を熱音響モードではイネーブルにするために用いられる複数の電子スイッチを備えている、機器。
デジタル処理および／またはデジタル制御を可能にする前記回路は、フィールドプログラマブルゲートアレイである、請求項７記載の機器。
前記機器は、同種変換器素子およびアナログフロントエンドチャネルが超音波モダリティと熱音響モダリティの両方で用いられるよう構成されている、請求項７記載の機器。
前記熱音響前置増幅器は、迅速ディスエーブルロー出力モードおよび迅速イネーブルフル出力モードを提供するよう構成され、各モードは、測定サイクル相互間でかつ当該測定サイクル中、１秒間当たり多数回にわたってアクティブ状態になることができ、前記機器は、あらかじめ設定されたプロトコルに従って、前記熱音響前期増幅器をロー出力モードとフル出力モードとの間で切り替えるよう構成されている、請求項７記載の機器。
前記機器は、前記熱音響前置増幅器を前記機器が熱音響信号を収集しているときに前記フル出力モードに、前記機器が熱音響信号を収集していないときには前記ロー出力モードに切り替えるよう構成されている、請求項１０記載の機器。
前記パルサおよび／または前記熱音響前置増幅器は、前記変換器または前記変換器アレイを組み込んだハウジング内に配置される、請求項１０記載の測定器。
前記機器の部品のうちの１つ以上は、携帯型および／または電池式装置に組み込まれている、請求項１０記載の機器。
前記機器の部品の全てまたは幾つかは、手持ち型装置に組み込まれている、請求項１０記載の機器。
前記機器は、複数のHV保護およびバイパススイッチを用いるよう構成されている、請求項７記載の機器。
前記複数のHV保護およびバイパススイッチは、パルサ／ビームフォーマ回路内に組み込まれている、請求項１５記載の機器。
前記機器は、前記機器が超音波受信モードまたは熱音響モードで動作する場合、前記パルサ／ビームフォーマは、アイドル状態にあり、それによりそのHV回路系を切断状態にした状態で受け取った信号をスルーすることができ、前記機器が超音波送信モードで動作する場合、前記パルサ／ビームフォーマは、HV回路系に接続されてアクティブ状態にあり、それにより電磁エネルギーを前記変換器または前記変換器アレイに加え、そして前記熱音響前置増幅器および前記アナログフロントエンドから切り離されるよう構成されている、請求項７記載の機器。
迅速ディスエーブルロー出力モードおよび迅速イネーブルフル出力モードを有する熱音響前置増幅器であって、各モードは、測定サイクル相互間でかつ当該測定サイクル中、１秒間当たり多数回にわたってアクティブ状態になることができる、熱音響前置増幅器。
熱音響前置増幅器および入力信号のアナログ‐デジタル変換を可能にするアナログフロントエンドを含む熱音響データ収集ユニットであって、前記データ収集ユニットまたは前記データ収集ユニットの個々の部品のうちの幾つかは、迅速ディスエーブルロー出力モードおよび迅速イネーブルフル出力モードを有し、各モードは、測定サイクル相互間でかつ当該測定サイクル中、１秒間当たり多数回にわたってアクティブ状態になることができる、熱音響データ収集ユニット。

Description

本願は、著作権保護の対象となる記載内容を含む。著作権保有者は、本特許出願による開示が米国特許商標庁のファイルまたは記録に現れている場合に本開示内容の何人によるファクシミリ複製に対しても異議を申し立てることはないが、その他の点においては著作権がどのようなものであれかかる著作権を全て保持する。本発明は、一般に、生物医学的（生物学的、臨床前、および医学的）画像化、検出、および監視の分野に関する。特に、本発明は、固有のまたは誘発された熱音響（TA）および超音波（US）コントラストに基づいて、生体の内部構造、分子組成、および機能プロセスに関する画像および情報を提供する装置および方法に関する。生物学および医学におけるサーモアコースティックス（thermoacoustics：熱音響現象）サーモアコースティックスは、物体によって吸収された電磁エネルギーのブロードバンドのUS波（TA波）への変換により生じる物理的現象である。TA波を、専用の低ノイズ高感度エレクトロニクスを備えた変換器によって単一の箇所または多数の空間ロケーションで測定し、次に、物体内に吸収された電磁エネルギーの空間および時間分布に関して情報をもたらすパラメータ、信号または画像に変換することができる。最適には、これら測定は、数十kHzと数十MHzとの間にあるどれかの周波数を持つTA波を検出することができるブロードバンド装置によって実施されるべきである。生物学および医学において用いられる幾つかの特定形式のサーモアコースティックスは、フォトアコースティックスまたはオプトアコースティックス（可視光および赤外光が励起のために用いられる）、マイクロ波アコースティックス（電磁エネルギーのミリメートル領域の波長）、Ｘ線アコースティックスを含む。個々のパルス持続時間が１～１０００ｎｓのオーダーであるパルス電磁励起が、生物学的組織中の測定可能なTA効果の生成および励起源の利用可能性について高い潜在的可能性を持っているので、生物医学的サーモアコースティックスで用いられる場合が多い。生物医学的サーモアコースティックスは、急速に技術開発が進んでいる分野であり、プロトタイプおよび商用TA技術は、広範な用途において有用性および優越性を実証し続けており、かかる用途としては、診断のための画像化および検出、治療や外科的インターベンションの監視、薬剤開発、基礎生物学および医学が挙げられる。生物学および医学における超音波超音波は、解剖学的および機能的画像化、検出、ならびに組織や器官の監視、治療手技や手術を必要とする用途における臨床学的分野および生物医学科学で広く用いられている。超音波機器は、原則として、超音波による組織の照射と、超音波が組織によって散乱されまたは違ったやり方で改変された後における超音波の検出の両方に役立つ。US用途における周波数帯域は、典型的には、TA用途における周波数帯域よりも極めて狭く、他方、生じさせるとともに測定される超音波信号は、極めて強い。生物学および医学における超音波および熱音響画像化（USTA）組み合わせ型デュアルモダリティ超音波・熱音響画像化（USTA）は、ほぼ同じ検出原理および計装の利点を発揮する一方で、個々のモダリティを他のモダリティの利点を備えた状態に改良する大いに期待できる生物医学的技術として提案された。例えば、超音波によって得られる優れた画像化深さおよび機械的組織コントラストを、多重波長フォトアコースティックスによって得られる機能および分子画像化で改良することができる。これまで効率的であり臨床的に受け入れることができかつコンパクトなUSTAシステムの開発を妨げていた主要な問題は、信号感度、ダイナミックレンジ、および周波数帯域に関していて、典型的には、外部制御エレクトロニクスにより互いに通信する２つのスタンドアロン型データ収集ユニットを構築することによって取り組まれている各々個別のモダリティによって課せられる技術的要件について相当な食い違いがあるように思われる。 USTA電子アーキテクチャデュアルモダリティUSTAシステムアーキテクチャは、同一または互いに異なる変換器素子を共有するパラレルのUS電子チャネルとTA電子チャネルに基づくのが良い。この方式は、フォトサウンド（PhotoSound）分子USシステム、ならびに他のUSTA研究・臨床システムで用いられる。 USTAシステムに関するエネルギーおよび電気インピーダンス要件 TA画像化用途では、Rxオンリーモードで用いられる多数の素子を備えた変換器アレイが必要である。電気的に変換器素子は、１ｐＦ未満から数ｎＦまでの広い範囲にある素子キャパシタンスを備えた容量型センサによって表される。この範囲のローエンドモデルは、フォトアコースティックスおよび低周波（≦１MHz）Ｘ線アコースティック用途で用いられる変換器によって例示可能である。この範囲のハイエンドモデルは、狭帯域高周波超音波変換器アレイであるが、かかる変換器アレイは、TAモードにおいては性能不足を呈する。TAモードでは、各容量型変換器チャンネルは、低レベルおよび広帯域電気信号を生じさせる。変換器素子と前置増幅器入力との間の伝送線の寄生キャパシタンスは、寄生キャパシタンスに関する電荷再分布を生じさせるとともに電圧信号ロスを生じさせる。変換器キャパシタンスが低レベルであるには、変換器と第１の増幅段との間の短距離かつ低キャパシタンス伝送線が必要である。キャパシタンスＣを備えた容量型センサと第１の増幅段の入力抵抗Ｒの組み合わせにより、コーナー周波数が１／（２πＲＣ）の入力信号について高域ＲＣフィルタが形成される。広帯域アナログ信号は、このコーナー周波数の値が低いことが必要であり、したがって、第１の前置増幅器段の入力インピーダンスＲの値が高いことを必要とする。前置増幅器入力インピーダンスＲの値が高い場合、伝送線の終端部にはインピーダンス不整合が生じる。もう１つの不整合は、伝送線の反対側の端のところに位置する容量型変換器についてである。伝送線の両端部のところのかかるインピーダンス不整合により、長さ２メートルの伝送線（変換器ケーブル）について２５MHzという低い一次高調波周波数を有する１／４波長共振が生じる。TA用途における１／４波長共振を抑制するには、多くの場合、ケーブルの長さが短いことが必要である。理想的には、第１前置増幅器段は、変換器素子の近くで変換器アレイハウジング内に配置されるべきである。TA前置増幅器は、低い、典型的には５０Ωの出力インピーダンスを有し、このTA前置増幅器は、アナログ信号をデジタル信号に変換する装置のところに位置するインピーダンス整合抵抗器で終端した整合インピーダンス付きの伝送線を駆動することができる。かかる装置は、増幅段のようなアナログ段、アナログ帯域幅フィルタ、ADCドライバ回路を含んでも良く、含まなくても良い。かかる装置は、データ収集システム（DAQ）、アナログ‐デジタル変換器（ADC）、または超音波アナログフロントエンド（AFE）と呼ばれる場合がある。以下の説明では、かかる装置をテキサス・インスツルメンツ社の超音波AFE類、例えばAFE5832、AFE5816などにちなんでAFEと呼ぶ。TA前置増幅器出力とAFE入力との間におけるインピーダンス整合伝送線は、必要に応じた長さのものであって良く、例えば、２メートルである。 TA画像化用途では、結果的に比較的高い電力使用量が生じるTA前置増幅器を備えた多数のチャネルが必要である。例えば、個別部品を備えたフォトサウンド（PhotoSound）のLegionシリーズのマルチチャンネル型前置増幅器設計例の電力消費量は、チャネル１つ当たり３０ｍＷである。電力供給源損失を除いた２５６本のチャネルを備えた前置増幅器の電力消費量は、８Ｗであり、１０２４本のチャネルを備えた前置増幅器の電力消費量は、約３２Ｗである。このレベルの電力消費量では、変換器アレイハウジング内へのTA前置増幅器の一体化を行うことができず、と言うのは、前置増幅器で生じた熱を小さな密閉容積部内で効率的に放散させることができないからである。電力消費量はまた、電池式の携帯型および手持ち型の装置にとって制限要因である。既存の商用TA前置増幅器およびプロトタイプの電力消費量を大幅に減少させるには、入力ノイズレベルおよびＳＮ（信号対騒音）比の劣化が避けられない。一実施形態では、開示するシリアルアーキテクチャおよび方法により、デュアルUSおよびTA画像化モダリティを備えた機器に任意の特定の時点で動作する単一のモダリティだけを提供することができ、かかる単一のモダリティは、（１）両方のモダリティに必要な部品を組み込むとともに共有し、（２）動作の各特定の時点においてアクティブな単一モダリティの動作のために必要とされる部品だけの効率的な稼働を可能にし、（３）動作の各特定の時点において、アクティブな単一モダリティの動作にとって必須ではない部品の効率的な排除（バイパス）を可能にする。また、開示する方法により、１つのモードに特有の部品が使用状態にない場合に、迅速なエネルギー節約モード（待機モード）の実現を可能にし、それにより、機器の空間的に限定された領域における熱放散量を減少させることができ、しかも各特定のモダリティの迅速なアクティベーション／ディアクティベーションサイクルの実現を可能にする。本発明の上記目的、特徴、および利点、ならびに他の目的、特徴、および利点は、添付の図面に記載された好ましい実施形態についての以下の特定の説明から明らかになり、添付の図面において、参照符号は、種々の図全体を通じて同一の部分を示している。図面は、必ずしも縮尺通りにはなっておらず、その代わり、本発明の原理を説明することに強調が置かれている。開示する実施形態は、添付の図面の各図に例示的にかつ非限定的に示されており、図中、同一の符号は、ほぼ同じ要素を示している。シリアルUSTAシステムアーキテクチャのアナログ信号チェーンを示す図であり、アナログ信号チェーン内のTA前置増幅器およびその位置の互いに異なる実施形態を示す図である。シリアルUSTAシステムアーキテクチャのアナログ信号チェーンを示す図であり、アナログ信号チェーン内のTA前置増幅器およびその位置の互いに異なる実施形態を示す図である。シリアルUSTAシステムアーキテクチャのアナログ信号チェーンを示す図であり、アナログ信号チェーン内のTA前置増幅器およびその位置の互いに異なる実施形態を示す図である。シリアルUSTAシステムアーキテクチャのアナログ信号チェーンを示す図であり、アナログ信号チェーン内のTA前置増幅器およびその位置の互いに異なる実施形態を示す図である。シリアルUSTAシステムアーキテクチャのアナログ信号チェーンを示す図であり、アナログ信号チェーン内のTA前置増幅器およびその位置の互いに異なる実施形態を示す図である。シリアルUSTAシステムアーキテクチャのアナログ信号チェーンを示す図であり、アナログ信号チェーン内のTA前置増幅器およびその位置の互いに異なる実施形態を示す図である。４０HzのUS成分および１０HzのTA成分を含むUSTAシステムのためのタイミング図およびエネルギー節約プロトコルの一実施例を示す図である。US画像フレームとTA画像フレームをインターリー部下USTA画像化動作シーケンスの一実施形態をしめす図である。図１は、シリアルUSTAシステムアーキテクチャのアナログ信号チェーンを示している。図１Ａ～図１Ｅは、アナログ信号チェーン内のTA前置増幅器およびその位置の互いに異なる実施形態を示している。アナログ信号チェーン部品は、符号１０１～１１０で表示された幾何学的な図として示されている。 TAおよびUS Rxモードにあるパルサ（１０２）動作が図１Ａ（１１１）に示されている。US Txモードにあるパル