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【発明の名称】 超音波イメージング・システム、超音波イメージング・システムを動作させる方法及びマルチプレクサ・マザーボード
【発明者】 【氏名】ダグラス・グレン・ワイルズ

【氏名】グレゴリー・アレン・リレガード
【要約】 【課題】多数行型の開口における動的な選択及びビーム形成の制御を行うことのできる超音波イメージング・システム及びそのシステムを動作させる方法を提供する。

【解決手段】超音波イメージング・システムにおいて、ビームフォーマ２が有しているチャンネルよりも多い電気的に独立したトランスデューサ素子２６を有している多数行型トランスデューサ配列２４に対して、マルチプレクサがビームフォーマ２を接続している。マルチプレクサは、動作開口が配列２４の少なくとも１つの軸に沿って走査することを可能にすると共に、動作開口の形状が電子的に変更されることを可能にする。マルチプレクサは、合成開口ビーム形成に適した送信開口及び受信開口を支援するものである。マルチプレクサは物理的には、様々なスイッチ・カードをプラグ・インすることができる受動的バックプレイン４２として設計されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 トランスデューサ素子の第１及び第２の行を含んでおり、該第１及び第２の行の各々は、それぞれの多数の前記トランスデューサ素子を含んでいるトランスデューサ配列と、あるサイクル長を形成するように所定の数のビームフォーマ・チャンネルを含んでいるビームフォーマと、前記第１及び第２の行の前記トランスデューサ素子と前記ビームフォーマ・チャンネルとの間でイメージング・データを多重化するスイッチング手段と、ビームフォーマ・チャンネル対トランスデューサ素子の割り当てを確立するように、マルチプレクサ状態コマンドの受信に応答して前記スイッチング手段を選択的に構成する制御手段とを備えており、前記ビームフォーマ・チャンネル対トランスデューサ素子の割り当ての順序及びサイクル長は、前記第１及び第２の行について同一であり、前記第１の行におけるチャンネル割り当ての第１のセットが、前記第２の行におけるチャンネル割り当ての第１のセットから前記サイクル長の２分の１だけずれている超音波イメージング・システム。
【請求項２】 前記第１の行についてのビームフォーマ・チャンネル対トランスデューサ素子の割り当ての第２のセットが、前記第１の行についてのビームフォーマ・チャンネル対トランスデューサ素子の割り当ての前記第１のセットから前記サイクル長の２分の１だけずれている請求項１に記載の超音波イメージング・システム。
【請求項３】 前記スイッチング手段は、第１及び第２のスイッチを含んでおり、トランスデューサ素子の前記第１の行の第１のトランスデューサ素子が、前記第１及び第２のスイッチを介して、第１及び第２のビームフォーマ・チャンネルにそれぞれ選択的に結合されており、該第１及び第２のビームフォーマ・チャンネルは、前記サイクル長の２分の１だけ離隔している請求項１に記載の超音波イメージング・システム。
【請求項４】 前記トランスデューサ配列は、トランスデューサ素子の第３及び第４の行を更に含んでおり、該第３及び第４の行の各々は、それぞれの多数の前記トランスデューサ素子を含んでおり、前記第３及び第４の行の前記トランスデューサ素子と前記ビームフォーマ・チャンネルとの間でイメージング・データを多重化するスイッチング手段を更に含んでいる超音波イメージング・システムであって、前記ビームフォーマ・チャンネル対トランスデューサ素子の割り当ての順序及びサイクル長は、前記第１から第４にわたる行について同一であり、前記第１の行におけるチャンネルの割り当ての第１のセットが、前記第３及び第４の行におけるチャンネルの割り当てのそれぞれの第１のセットから前記サイクル長の４分の１及び４分の３だけそれぞれずれている請求項１に記載の超音波イメージング・システム。
【請求項５】 前記スイッチング手段は、第１及び第２のスイッチを含んでおり、トランスデューサ素子の前記第１の行の第１のトランスデューサ素子が、前記第１及び第２のスイッチを介して、第１及び第２のビームフォーマ・チャンネルにそれぞれ選択的に結合されており、該第１及び第２のビームフォーマ・チャンネルは、前記サイクル長の２分の１だけ離隔している請求項４に記載の超音波イメージング・システム。
【請求項６】 多数の前記ビームフォーマ・チャンネルのうちのビームフォーマ・チャンネルの第１のセットとの多数の電気的接続を有している第１のコネクタと、前記多数のビームフォーマ・チャンネルのうちのビームフォーマ・チャンネルの第２のセットとの多数の電気的接続を有している第２のコネクタとを含んでいるマルチプレクサ・バックプレインを更に含んでおり、ビームフォーマ・チャンネルの前記第１及び第２のセットは、相互に排他的であり、前記スイッチング手段は、前記第１及び第２のコネクタにそれぞれ接続されている第１及び第２のマルチプレクサ・カードを含んでおり、該第１のマルチプレクサ・カードは、トランスデューサ素子の前記第１の行をビームフォーマ・チャンネルの前記第１のセットに結合するように独立に制御可能なスイッチの第１のセットを含んでおり、前記第２のマルチプレクサ・カードは、トランスデューサ素子の前記第２の行をビームフォーマ・チャンネルの前記第２のセットに結合するように独立に制御可能なスイッチの第２のセットを含んでいる請求項１に記載の超音波イメージング・システム。
【請求項７】 多数の前記ビームフォーマ・チャンネルのうちのビームフォーマ・チャンネルの第１のセットとの多数の電気的接続を有している第１のコネクタと、前記多数のビームフォーマ・チャンネルのうちのビームフォーマ・チャンネルの第２のセットとの多数の電気的接続を有している第２のコネクタとを含んでいるマルチプレクサ・バックプレインを更に含んでおり、ビームフォーマ・チャンネルの前記第１及び第２のセットは、相互に排他的であり、前記第１及び第２のコネクタは、端部を並べた状態で配列されており、前記スイッチング手段は、前記第１のコネクタに接続されている第１の部分と、前記第２のコネクタに接続されている第２の部分とを有している２倍幅のマルチプレクサ・カードを含んでおり、該マルチプレクサ・カードは、トランスデューサ素子の前記第１の行をビームフォーマ・チャンネルの前記第１のセットに結合するように独立に制御可能なスイッチの第１のセットと、トランスデューサ素子の前記第１の行をビームフォーマ・チャンネルの前記第２のセットに結合するように独立に制御可能なスイッチの第２のセットとを含んでいる請求項２に記載の超音波イメージング・システム。
【請求項８】 前記制御手段は、前記マルチプレクサ・バックプレインに取り付けられているマルチプレクサ制御ボードと、スイッチの前記第１及び第２のセットの状態を制御するために、前記マルチプレクサ制御ボードを前記第１及び第２のマルチプレクサ・カードに結合する制御線とを含んでいる請求項６に記載の超音波イメージング・システム。
【請求項９】 前記制御手段は、前記マルチプレクサ・バックプレインに取り付けられているマルチプレクサ制御ボードと、スイッチの前記第１及び第２のセットの状態を制御するために、前記マルチプレクサ制御ボードを前記マルチプレクサ・カードに結合する制御線とを含んでいる請求項７に記載の超音波イメージング・システム。
【請求項１０】 前記マルチプレクサ・バックプレインは、前記多数のビームフォーマ・チャンネルのうちのビームフォーマ・チャンネルの第３のセットとの多数の電気的接続を有している第３のコネクタと、前記多数のビームフォーマ・チャンネルのうちのビームフォーマ・チャンネルの第４のセットとの多数の電気的接続を有している第４のコネクタとを更に含んでおり、ビームフォーマ・チャンネルの前記第１、第２、第３及び第４のセットは、相互に排他的であり、前記スイッチング手段は、前記第３及び第４のコネクタにそれぞれ接続されている第３及び第４のマルチプレクサ・カードを更に含んでおり、該第３のマルチプレクサ・カードは、トランスデューサ素子の第３の行をビームフォーマ・チャンネルの前記第３のセットに結合するように独立に制御可能なスイッチの第３のセットを含んでおり、前記第４のマルチプレクサ・カードは、トランスデューサ素子の第４の行をビームフォーマ・チャンネルの前記第４のセットに結合するように独立に制御可能なスイッチの第４のセットを含んでいる請求項６に記載の超音波イメージング・システム。
【請求項１１】 ４つの四半部を有しているマルチプレクサ・バックプレインを更に含んでおり、前記四半部の各々は、第１の多数の電気的接続を有している第１のコネクタと、第２の多数の電気的接続を有している第２のコネクタとを含んでおり、各々の四半部の前記第１及び第２の多数の電気的接続は、それぞれの相互に排他的なビームフォーマ・チャンネルのセットに並列に結合されている請求項１に記載の超音波イメージング・システム。
【請求項１２】 所定の数のビームフォーマ・チャンネルと、トランスデューサ素子の２行の配列とを有している超音波イメージング・システムを動作させる方法であって、前記２行の各々のトランスデューサ素子を前記ビームフォーマ・チャンネルのうちのそれぞれの１つのビームフォーマ・チャンネルに割り当てる工程であって、各々のビームフォーマ・チャンネル対トランスデューサ素子の割り当ては、開く又は閉じるように選択的に制御可能なスイッチを含んでいるそれぞれの接続により提供されており、前記ビームフォーマ・チャンネル対トランスデューサ素子の割り当ての順序及びサイクル長は、前記２行の各々について同一であり、前記行のうちの第１の行についてのビームフォーマ・チャンネル対トランスデューサ素子の割り当ての第１のセットは、前記行のうちの第２の行についてのビームフォーマ・チャンネル対トランスデューサ素子の割り当ての第１のセットから前記サイクル長の２分の１だけずれている、割り当てる工程と、ビームフォーマ・チャンネルの数に等しい数のスイッチを選択的に閉じる工程であって、該スイッチは、各々のビームフォーマ・チャンネルが該ビームフォーマ・チャンネルに電気的に結合されているそれぞれのトランスデューサ素子を有するようにして選択される、選択的に閉じる工程とを備えた超音波イメージング・システムを動作させる方法。
【請求項１３】 前記２行のうちの少なくともいくつかのトランスデューサ素子を前記ビームフォーマ・チャンネルの第２のそれぞれのビームフォーマ・チャンネルに割り当てる追加の工程を含んでおり、前記第１の行についてのトランスデューサ素子に対するビームフォーマ・チャンネルの第２の割り当ての各々は、前記第１の行についての前記トランスデューサ素子に対するビームフォーマ・チャンネルの前記第１の割り当てから前記サイクル長の２分の１だけずれている請求項１２に記載の超音波イメージング・システムを動作させる方法。
【請求項１４】 前記第１の行の第１のトランスデューサ素子を前記ビームフォーミング・チャンネルのうちの第１及び第２のビームフォーミング・チャンネルに割り当てる追加の工程を含んでおり、前記ビームフォーミング・チャンネルのうちの前記第１及び第２のビームフォーミング・チャンネルは、前記サイクル長の２分の１だけ離隔している請求項１２に記載の超音波イメージング・システムを動作させる方法。
【請求項１５】 前記トランスデューサ配列は、トランスデューサ素子の第３及び第４の行を更に含んでおり、前記方法は、該第３及び第４の行のトランスデューサ素子の各々を前記ビームフォーマ・チャンネルのうちのそれぞれのビームフォーマ・チャンネルに割り当てる工程を更に含んでおり、ビームフォーマ・チャンネル対第３及び第４の行のトランスデューサ素子の割り当ての各々は、開く又は閉じるように選択的に制御可能なスイッチを含んでいるそれぞれの接続により提供されており、前記ビームフォーマ・チャンネル対第３及び第４のトランスデューサ素子の割り当ての順序及びサイクル長は、前記第１、第２、第３及び第４の行の各々について同一であり、前記第１の行におけるビームフォーマ・チャンネル対トランスデューサ素子の割り当ての第１のセットが、前記第３及び第４の行についてのビームフォーマ・チャンネルの割り当てのそれぞれの第１のセットから前記サイクル長の４分の１及び前記サイクル長の４分の３だけそれぞれずれている請求項１２に記載の超音波イメージング・システムを動作させる方法。
【請求項１６】 前記第１の行の第１のトランスデューサ素子を前記ビームフォーマ・チャンネルのうちの第１及び第２のビームフォーマ・チャンネルに割り当てる追加の工程を含んでおり、前記ビームフォーマ・チャンネルのうちの前記第１及び第２のビームフォーマ・チャンネルは、前記サイクル長の２分の１だけ離隔している請求項１５に記載の超音波イメージング・システムを動作させる方法。
【請求項１７】 第１、第２、第３及び第４の四半部を備えたマルチプレクサ・マザーボードであって、該四半部の各々は、第１の多数の電気的接続を有している第１のソケットと、第２の多数の電気的接続を有している第２のソケットとを含んでおり、各々の四半部についての前記第１及び第２の多数の電気的接続は、チャンネルの４つのセットのうちのそれぞれのセットに対して並列に形成されており、前記第１の四半部の前記第１及び第２のソケットは、前記第３の四半部の前記第１及び第２のソケットにそれぞれ整列しており、前記第２の四半部の前記第１及び第２のソケットは、前記第４の四半部の前記第１及び第２のソケットにそれぞれ整列しているマルチプレクサ・マザーボード。
【請求項１８】 前記第１の四半部の前記第１及び第２のソケットにそれぞれプラグ・インされている第１及び第２のマルチプレクサ・カードを更に含んでいる請求項１７に記載のマルチプレクサ・マザーボード。
【請求項１９】 前記第１の四半部の前記第１のソケットにプラグ・インされている第１の部分と、前記第３の四半部の前記第１のソケットにプラグ・インされている第２の部分とを有している２倍幅のマルチプレクサ・カードを更に含んでいる請求項１７に記載のマルチプレクサ・マザーボード。
【請求項２０】 前記第１の四半部の前記第１のソケットにプラグ・インされており、多数の選択的に制御可能なスイッチを当該マルチプレクサ・カード上に有しているマルチプレクサ・カードと、マルチプレクサ制御ボードと、前記マルチプレクサ・カード上で前記スイッチの状態を制御するために、前記第１の四半部の前記第１のソケットを介して、前記マルチプレクサ・カードに前記マルチプレクサ制御ボードを結合する回路機構とを更に含んでいる請求項１７に記載のマルチプレクサ・マザーボード。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、多数行型（multi-row）超音波トランスデューサ配列を有している医用超音波イメージング・システムに関し、具体的には、トランスデューサの数がビームフォーマ・チャンネルの数よりも多いこのような多数行型超音波トランスデューサ配列に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の超音波イメージング・システムは、超音波ビームを送信すると共に検査対象物体からの反射ビームを受信する超音波トランスデューサの配列を備えている。超音波イメージングの場合、１次元の配列が典型的には、１行に配列されていると共に個別の電圧で駆動されている多数のトランスデューサを有している。印加電圧の時間遅延（又は位相）及び振幅を選択することにより、個々のトランスデューサを制御して超音波を発生することができ、これらの超音波は、結合されて正味の超音波を形成し、正味の超音波は、好ましいベクタ方向に沿って伝播すると共に、ビームに沿って選択された１点に集束される。同一の解剖学的情報を表すデータを収集するために、多数のファイアリング（firing）を用いてもよい。ファイアリングの各々に関するビーム形成パラメータを変化させると、最大焦点に変化を与えたり、又は、例えば各々のビームの焦点を前のビームの焦点に対して移動させながら同じ走査線に沿って連続したビームを送信することにより、各々のファイアリングについての受信データの内容を変化させたりすることができる。印加電圧の時間遅延及び振幅を変化させることにより、ビームはその焦点に関して、物体を走査するための平面内で移動することができる。
【０００３】トランスデューサ配列が、反射した音エネルギを受信するために用いられているとき（受信モード）にも同じ原理が適用される。受信中のトランスデューサにおいて発生される電圧は、正味の信号が物体内の単一の焦点から反射されている超音波を示すものになるように合計される。送信モードの場合と同様に、受信中の各々のトランスデューサからの信号に対して個別の時間遅延（及び／又は位相シフト）並びにゲインを与えることにより、超音波エネルギの上述のような集束式受信を行うことができる。
【０００４】フェイズドアレイ（整相列型）超音波トランスデューサは、小さな圧電トランスデューサ素子の配列で構成されており、各々の素子との独立した電気的接続を有している。従来の殆どのトランスデューサでは、各素子は微小なピッチ（中心において１つの音波長に対して２分の１）で離隔されて、単一の列に配列されている。ここで用いる際には、「１Ｄ」（「Ｄ」は次元を意味する。）トランスデューサ配列という用語は、固定されている仰角（elevation）開口と、固定されたレンジにある仰角焦点とを有している単一行型のトランスデューサ配列を指すものとする。各素子に結合されている電子回路機構は、送信信号及び受信信号を制御したり、イメージング平面の全体にわたるように方向付けされ集束されている超音波ビームを形成したりするために、時間遅延を用いており、又、位相回転を用いることもある。超音波システム及びプローブによっては、プローブ内のトランスデューサ素子の数が、システムのビームフォーマ電子回路のチャンネルの数を上回っていることがある。このような場合には、電子式マルチプレクサを用いて、画像形成工程内の様々な部分に応じて異なる（典型的には、連続している）トランスデューサ素子のサブセットに、使用可能なチャンネルを動的に結合する。
【０００５】典型的な１Ｄのリニア型又はコンベクス型のトランスデューサ配列及びマルチプレクサは、１２８のビームフォーマ・チャンネルと共に動作することができるが、トランスデューサ配列自体は、遥かに多い素子を有していることがある。１つのマルチプレクサによって、１セットの連続したトランスデューサ素子が同軸ケーブルを介してビームフォーマ・チャンネルに同時に結合することが可能になる。ある１セット内のそれぞれのトランスデューサ素子に結合されているスイッチを閉じることにより、ビームフォーマをトランスデューサ配列の一方の端部に結合することができ、超音波の集束ビームが送信及び受信されて、画像の対応するエッジについてのデータを収集することができる。連続した超音波ビームの原点がトランスデューサ配列に沿って反対側の端部に向かって段階的に移動するのに伴って、超音波ビームの原点が動作開口（active aperture）内に中心を置くように、動作開口を移動させると有利になる。開口を配列の最も左側の端部から反対側の端部に向かって、例えば１素子ずつ移動させるためには、第１の素子に結合されているマルチプレクサ・スイッチを開いて、次のセット内にある最後の素子に結合されているスイッチを閉じる。これにより、第１のビームフォーマ・チャンネルは、動作開口の一方の端部から反対側の端部へ移動し、その間、他のすべてのチャンネル及び素子は前と同様に接続されたままになっている。時間遅延及び他のビーム形成パラメータは、この新たなマルチプレクサの状態に対応するようにソフトウェアによって変更され、１つ又はそれ以上の更なる画像ベクタが収集される。次いで、第２の素子に結合されているスイッチを開いて、次のセット内にある次の素子に結合されているスイッチを閉じることにより、開口を更に右方へ段階的に移動させる。この方式で、動作開口を、トランスデューサ配列の一方の端部から他方の端部へ順次、段階的に移動させることができる。
【０００６】１Ｄ配列の限定された仰角性能に改善するために、いわゆる「１．２５Ｄ」配列、「１．５Ｄ」配列、「１．７５Ｄ」配列及び「２Ｄ」配列を含めた様々な形式の多数行型トランスデューサ配列が開発されている。ここで用いる際には、これらの用語は以下の意味を有するものとする。１．２５Ｄ）仰角方向の開口は可変であるが、集束は静的である；１．５Ｄ）仰角方向の開口、シェーディング及び集束は動的に可変であるが、配列の中心線に関して対称である；１．７５Ｄ）仰角方向の形状及び制御方式は１．５Ｄのものと同様であるが、対称性の制限がない；２Ｄ）仰角方向の形状及び性能は、電子式のアポダイゼーション、集束及び方向付けを完全に行うことができ、方位角方向と同等である。１．２５Ｄプローブの仰角開口は、レンジと共に増大するが、その開口の仰角集束は静的であって、１つ（又は複数）の固定された焦点を備えた機械的なレンズによって主として決定されている。１．２５Ｄプローブは、近距離音場及び遠距離音場のスライス厚さ性能について、１Ｄプローブよりも実質的に優れているのに加え、追加のシステム・ビームフォーマ・チャンネルを要求しない。１．５Ｄプローブは、仰角方向で動的な集束及びアポダイゼーションを行うために、追加のビームフォーマ・チャンネルを用いる。１．５Ｄプローブは、特に中距離音場及び遠距離音場において、１．２５Ｄプローブに匹敵する細かい分解能を提供することができ、コントラスト分解能については１．２５Ｄプローブよりも実質的に優れている。１．７５Ｄプローブは、開口内のすべての素子について独立にビーム形成用の時間遅延の制御を行うので、ビームフォーマは、体内の不均一な伝播速度（又はイメージング・システム若しくはトランスデューサの非一様性）を適応的（adaptive）に補償することができる。このような適応的なビーム形成又は位相収差制御に加えて、１．７５Ｄプローブは、仰角方向の限定されたビームの方向付けを支援することもできる。
【０００７】少なくともアポダイゼーションを行い（１．２５Ｄ）、且つおそらくは動的ビーム形成（１．５Ｄ）、位相収差制御（１．７５Ｄ）又は完全な２Ｄビーム方向付けを行うことにより、多数行型トランスデューサ配列は１Ｄプローブの限定された仰角性能を大幅に改善している。しかしながら、トランスデューサ内の素子の数は増大しているのにビームフォーマ内のチャンネルの数が足並みを揃えていないので、マルチプレクサの機能がますます重要になっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】その開示をここに参照すべきものであるSnyderへの米国特許第５，５２０，１８７号は、多数行型トランスデューサ配列については議論していないが、様々な数のビームフォーマ・チャンネルを備えたシステムのための様々なマルチプレクサ状態を支持する柔軟性のあるマルチプレクサについて記載している。マルチプレクサ状態は、例えばシリアル・インタフェイスを介して、超音波イメージング・システムによって繰り返しプログラムされることができる。このような特徴を以降で開示されるような多数行型配列用のマルチプレクサに用いると有利である。
【０００９】その開示をここに参照すべきものであるThomas及びHarshへの米国特許第５，３２９，９３０号は、合成開口イメージングの方法を開示しており、これにより、有限数のシステム・ビームフォーマ・チャンネルが、マルチプレクサを介して、多数のトランスデューサ素子の連続したサブセットに結合される。各々の所望の画像ベクタについて、又、各々のトランスデューサ素子のサブセットについて、他のサブセットのトランスデューサ素子からの音響データとコヒーレントな状態で、音響ビームが送信され、受信されて加算される。このようにして、Ｎチャンネルのビームフォーマは、結果として得られる画像ベクタ当たりＭサイクルの送受信（このことから、１対Ｍイメージング又は１：Ｍイメージングと名付けられている。）という代償はあるが、（Ｍ×Ｎ）素子のトランスデューサから得ることのできる分解能及び信号対雑音性能の大部分を達成することができる。Thomas及びHarshは、このマルチプレクサに対する規準については議論しているが、それに合った特定の設計は何ら開示していない。以降で開示されるマルチプレクサは、米国特許第５，３２９，９３０号の規準を満たし、且つ１．５Ｄ及び１．７５Ｄのトランスデューサ配列の１：Ｍビームフォーマを支援するように設計されている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】多数行型の開口において動的な選択及びビーム形成の制御を行うことを目的として、ビームフォーマが、マルチプレクサを介して、ビームフォーマが有しているチャンネルよりも多い電気的に独立した素子を有している多数行配列型トランスデューサに結合されている。このマルチプレクサは、動作開口が配列の少なくとも１つの軸に沿って走査することを可能にすると共に、動作開口の形状が電子的に変更されることを可能にしている。又、このマルチプレクサは、合成開口のビーム形成に適した送信開口及び受信開口を支援する。加えて、このマルチプレクサは、比較的少ないスイッチを収納しているので、経費及び寸法についての経済性が得られる。信号の減衰を最小化するために、このマルチプレクサは、ビームフォーマ・チャンネルとトランスデューサ素子との間のいかなる信号経路に沿っても２つ又はそれ以上のスイッチを並列に置くことが一切ないように設計されている。好ましい実施例では、このマルチプレクサは、モジュラ式構成を有している。この特徴によって、標準的な部品セットから、素子の行の数と列の数とが様々なトランスデューサ配列に適したマルチプレクサを容易に組み立てることができる。
【００１１】具体的には、多数行型トランスデューサ配列用のこのマルチプレクサは、システム・チャンネルとトランスデューサ素子との間の接続方式が以下の設計規則に準じるように設計されている。
規則Ｉ． チャンネル対素子の割り当ての順序及びサイクル長は、すべての列について同一である。
【００１２】規則II． 開口の行は、対としてグループ化されている。各々の対の１つの行におけるチャンネルの割り当ては、他の行における割り当てからサイクル長の２分の１だけずれている。
規則III ． 行の対を、４つ１組としてグループ化してもよい。各々の四半組の１つの対におけるチャンネルの割り当ては、他の対における割り当てからサイクル長の４分の１だけずれている。
【００１３】規則IV． いずれかの素子がスイッチを介して２つのチャンネルに接続されている場合には、その素子に接続されている２つのチャンネルはサイクル長の２分の１だけ離隔している。このマルチプレクサの物理的な設計は、様々なスイッチ・カードをプラグ・インすることのできるような受動的バックプレインの設計と同じである。カード・コネクタは、２つの平行な列に配列されている。システム・チャンネルからのトレース（trace）は、バックプレイン上で分配されており、又、トランスデューサ素子からの同軸リードが、スイッチ・カードに接続されている。システム・チャンネル・トレースのバックプレイン上での構成は、バックプレインの両半部にプラグ・インしている２倍幅のスイッチ・カードによって、規則IVが満たされるような構成となっている。
【００１４】
【実施例】図１は、主なサブシステムとして、ビームフォーマ２と、プロセッサ４（各々の異なるモードについて別個のプロセッサを含んでいる）と、スキャン・コンバータ／表示制御装置６と、カーネル８とを有している超音波イメージング・システムを示している。システム制御はカーネルを中心として行われ、カーネルは、オペレータが入力したコマンドをオペレータ・インタフェイス１０を介して受け取って、様々なサブシステムを制御する。マスタ制御装置１２は、オペレータからオペレータ・インタフェイス１０を介して入力されたコマンド及びシステム状態の変更（例えば、モードの変更）を受け取ることにより、システム・レベルの制御作用を果たし、直接に又はスキャン制御シーケンサ１６を介して、適当なシステムの変更を行う。システム制御バス１４は、マスタ制御装置１２から各サブシステムへのインタフェイスを提供している。スキャン制御シーケンサ１６は、ビームフォーマ２（システム・タイミング発生装置２３を含む）、プロセッサ４及びスキャン・コンバータ６に対して実時間（音響ベクタ速度）の制御信号を供給する。スキャン制御シーケンサ１６は、ベクタ・シーケンスに関して、及び音響フレーム収集についての同期オプションに関して、そのホスト（カーネル８）によってプログラムされ、ホストによって設定されたベクタ・パラメータをスキャン制御バス１８を介して各サブシステムへ配布する。
【００１５】主なデータ経路は、超音波トランスデューサ２０からビームフォーマ２へのアナログＲＦ（無線周波数）入力信号によって開始する。ビームフォーマ２は、データをプロセッサ４のうちの１つに供給し、ここで、このデータは収集モードに従って処理される。処理されたデータは、処理済のベクタ（ビーム）・データとしてスキャン・コンバータ／表示制御装置６へ供給され、スキャン・コンバータ／表示制御装置６は、処理済のベクタ・データを画像用のビデオ表示信号へ変換し、次いで、ビデオ表示信号はカラー・モニタ２２へ供給される。
【００１６】図２は、個別に駆動される複数のトランスデューサ素子２６で構成されているトランスデューサ配列２４を含んでいる従来の超音波イメージング・システムを示している。複数のトランスデューサ素子２６の各々は、送信器（図示されていない）によって発生されたパルス状の超音波波形によってエネルギを与えられたときに、検査対象物体に向けられた単位バーストの超音波エネルギを発生する。検査対象物体からトランスデューサ配列２４へ反射されて戻ってきた超音波エネルギは、受信を行う各々のトランスデューサ素子２６によって電気信号に変換されて、ビームフォーマ２に別個に印加される。
【００１７】超音波エネルギの各々のバーストによって発生されたエコー信号は、超音波ビームに沿って並んだ連続したレンジに位置している物体から反射したものである。エコー信号は、各々のトランスデューサ素子２６によって別個に感知され、任意の特定の瞬間におけるエコー信号の振幅が、ある特定のレンジにおいて生じた反射の量を表している。但し、超音波を散乱させるサンプル空間と各々のトランスデューサ素子２６との間の伝播経路に差があるので、これらのエコー信号は同時には検出されず、又、これらのエコー信号の振幅は等しくならない。ビームフォーマ２は、個別のエコー信号を増幅し、その各々に対して適正な時間遅延を与えると共にこれらを加算して、サンプル空間から反射された全体の超音波エネルギを正確に示す単一のエコー信号を形成する。各々のビームフォーマ・チャンネル２８が、それぞれのトランスデューサ素子２６からアナログのエコー信号を受信する。
【００１８】各々のトランスデューサ素子２６に入射するエコーによって発生される電気信号を同時に合計するために、ビームフォーマ制御装置３０によって、各々の別個のビームフォーマ・チャンネル２８に時間遅延が導入される。受信用のビーム時間遅延は、送信用の時間遅延と同じである。しかしながら、各々のビームフォーマ・チャンネルの時間遅延はエコーの受信中に絶えず変化して、受信されたビームを、エコー信号が発している起点のレンジの位置に動的に集束させる。ビームフォーマ・チャンネルは又、受信されたパルスをアポダイズすると共にフィルタ処理するための回路機構（図示されていない）を有している。
【００１９】加算器３２に入る信号は、他のビームフォーマ・チャンネル２８の各々からの遅延された信号と加算されたときに、加算後の信号が、方向付けされたビームに沿って位置しているサンプル空間から反射されたエコー信号の振幅及び位相を示すものになるように遅延されている。信号プロセッサ又は検出器３４が、データを表示するために、受け取った信号を変換する。Ｂモード（グレイ・スケール）では、表示データは、エッジ強調及び対数圧縮等の何らかの追加処理を施された信号の包絡線となる。スキャン・コンバータ６（図１）は、検出器３４から表示データを受け取って、データを表示用の所望の画像に変換する。具体的には、スキャン・コンバータ６は、音響画像データを、極座標（Ｒ−θ）のセクタ・フォーマット又はデカルト座標の線形配列フォーマットから、ビデオ速度で適当にスケーリングされたデカルト座標の表示ピクセル・データへ変換する。次いで、これらのスキャン・コンバートされたデータは表示モニタ２２へ供給され、表示モニタ２２は、信号の包絡線の時間変化する振幅をグレイ・スケールとして表示する。
【００２０】典型的な１Ｄのリニア型又はコンベクス型のトランスデューサ配列及びマルチプレクサを図３に概略的に示す。ビームフォーマ２は、１２８のビームフォーマ・チャンネルを有しているものとして示されているが、トランスデューサ配列２４はそれよりも大幅に多い素子（典型的には、１９２から２５６）を有している。マルチプレクサ３６は、１２８までの連続したトランスデューサ素子２６の任意のセットが同軸ケーブル３８を介してビームフォーマ・チャンネル２８に同時に結合することを可能にしている。０から１２７までの番号の付いたトランスデューサ素子２６に結合されているスイッチを閉じることにより、ビームフォーマ２がトランスデューサ配列の左の端部に結合されると、超音波の集束されたビームが送信及び受信されて、画像の対応するエッジについてのデータを収集することができる。連続した超音波ビームの原点がトランスデューサ配列２４に沿って右方へ段階的に移動するのに伴って、超音波ビームの原点が動作開口内に中心を置くように、動作開口を移動させると有利になる。開口を、配列内の最も左の端部から右に向かって１素子ずつ移動させるためには、素子０に結合されているマルチプレクサ・スイッチを開いて、素子１２８に結合されているスイッチを閉じる。これにより、ビームフォーマ・チャンネル０は、左の端部から開口の右辺へ移動し、その間、他のすべてのチャンネル及び素子は前と同様に接続されたままである。時間遅延及び他のビーム形成パラメータは、この新たなマルチプレクサの状態に対応するようにソフトウェアによって変更され、１つ又はそれ以上の更なる画像ベクタが収集される。次いで、素子１に結合されているスイッチを開いて、素子１２９に結合されているスイッチを閉じることにより、開口を更に右へ段階的に移動させると、マルチプレクサ３６が図３に示す状態に置かれる。この方式で、動作開口をトランスデューサ配列２４の一方の端部から他方の端部へ順次、段階的に移動させることができる。代替的には、同じマルチプレクサ・ハードウェアを用いて、１段階当たりにいくつかのトランスデューサ素子をスイッチすることにより、配列を横断してより高速に動作開口を走査させてもよい。イメージング・モードによっては、連続した開口を非順次的に選択して、トランスデューサ配列の左の端部と右の端部との間を前後にジャンプさせてもよい。
【００２１】８行×２４列のトランスデューサ配列及び１６チャンネルのシステム・ビームフォーマによって１．２５Ｄ及び１．５Ｄのビーム形成を行うためのマルチプレクサを図４〜図７に示す。図３に示す１Ｄの開口及び配列と同じ方式で、配列を横断してすべての開口を走査させることができる。図４、図６及び図７の周辺の文字（Ａ〜Ｈ）及び数字（０〜２３）は、配列の行及び列を示している。図４では、マトリクス内の数字は、マルチプレクサ・スイッチを介して各々のトランスデューサ素子に結合されるビームフォーマ・チャンネル（０〜１５）を示している。
【００２２】図５は、ビームフォーマ・チャンネル０及び８と、マルチプレクサ３６と、図４に示す配列の第０列のトランスデューサ素子との間の電気的接続を示している。１．２５Ｄ及び１．５Ｄのイメージングの場合には、トランスデューサ素子の８つの行が対として結合され、各々の対は、図４に示す配列の水平中心線に関して対称になっている。
【００２３】図６は、１．２５Ｄイメージングのために図５に示す配列と共に用いられるマルチプレクサ構成を示している。配列の各々の列内では、すべてのトランスデューサ素子が同じシステム・ビームフォーマ・チャンネルに結合されている。動作開口（影付きで示されている）の幅は、ビームフォーマ・チャンネルの数（例えば、１６）によって制限されているか、又は、１：Ｍの合成開口イメージングを用いているならばＭ倍に増加していてもよい。動作開口の高さは、中央の２行といった小さなものでもよいし、配列の全高といった大きなものでもよい。開口の形状は、点描領域の左辺によって示すような矩形でもよいし、任意のもの（点描領域の右辺によって示すように、典型的には、楕円に近い凸形）でもよい。
【００２４】図７に示す１．５Ｄの開口は、この結線及びマルチプレクサ構成によって達成することのできる大きなセットの開口形状の実例である。具体的には、図７は、１．５Ｄのビーム形成及び１：４の合成開口イメージングのためのマルチプレクサ構成を示している。近距離音場では、内側の開口（濃い点描）のみが用いられる。中距離音場及び遠距離音場では、周囲の開口（＼＼＼の陰影、薄い点描、／／／の陰影）と、１：２から１：４の合成開口イメージングとを用いて、低いｆナンバー、鋭い焦点及び高い分解能を維持することができる。
【００２５】前に議論した設計規則を参考にすると、図４に示すチャンネル対素子の割り当ては、すべての行において左から右へ増加する。サイクル長は、システム・ビームフォーマ・チャンネルの数と等しく１６である。図７の１．５Ｄ構成では、行Ａ及び行Ｃにおけるチャンネルの割り当ては、行Ｂ及び行Ｄにおけるチャンネルの割り当てからサイクル長の２分の１、即ち、８チャンネルだけずれている。これにより、動作開口の寸法及び形状を決定するときに、様々な行を対にすることができ、例えば、中央（濃い点描）の１６チャンネルの開口は、行Ｃ及び行Ｄを対にしている。この開口の形状は、行Ｃの０個の素子及び行Ｄの１６個の素子のものから、各々の行において８個ずつの素子のものに到るまで、任意のものであり得る（行Ｄの素子よりも多い行Ｃの素子を用いることも可能だが、音響ビームの質に悪影響を及ぼすおそれがある。）。＼＼＼陰影の１：２開口の場合は、行Ａ及び行Ｄが対となり、行Ｂ及び行Ｃが第２の対を形成している。薄い点描の１：３開口の場合は、行Ａ及び行Ｂが対となり、行Ｃ及び行Ｄは各々１６素子ずつに固定されている。最後に、／／／陰影の１：４開口の場合は、行Ａが行Ｃと対になり、行Ｂが行Ｄと対になる。これらの対の組み合わせ、及び結果として得られる可能な１．５Ｄ開口の形状を表１にまとめる。表１では、システム・ビームフォーマ・チャンネルの数はＮで表されている。記号ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌ及びｍは、任意の整数を表しており、その各々は０とＮ／２との間の任意の値を取り得る。各々の記号に関連した数値が、図７に示す１．５Ｄの開口について表１の第６列に列挙されている。図４〜図７は８行×２４列のトランスデューサ配列及び１６チャンネルのビームフォーマを示しているが、同じ設計原理が６４チャンネル又は１２８チャンネルのビームフォーマ、並びに６、８又はそれ以上の行及び１２８、１９２又はそれ以上の列の素子を有している配列にも適用されることが理解されよう。
表 １ 列当たりの素子 図７ 全 合 成 素子数 開 口図７ Ａ＋Ｈ Ｂ＋Ｇ Ｃ＋Ｆ Ｄ＋Ｅ （Ｎ＝１６）
濃い点描 ０ ０ ｍ Ｎ−ｍ ｍ＝６ Ｎ＼＼＼ ｋ ｌ Ｎ−ｌ Ｎ−ｋ ｋ＝２，ｌ＝４ ２Ｎ １：２薄い点描 ｊ Ｎ−ｊ Ｎ Ｎ ｊ＝６ ３Ｎ １：３／／／ Ｎ−ｈ Ｎ−ｉ Ｎ＋ｈ Ｎ＋ｉ ｈ＝ｉ＝２ ４Ｎ １：４１：Ｍの合成開口イメージングにおいて最適な性能を得るために、送信時には１．２５Ｄ開口（図６）を用い、受信時には１．５Ｄ開口（図７）を用いることが望ましいであろう。１．２５Ｄ開口は、最適よりも劣る仰角ビーム制御を有している可能性があるが、Ｎ個の素子から成る小さな１．５Ｄ開口よりも遥かに大きな入射のための音響パワー及び信号対雑音を提供することができる。受信時には、１：Ｍ合成開口処理によって、Ｍ×Ｎ個の素子から成る１．５Ｄ開口の感度及び分解能を完全に達成することができる。この動作モードの場合には、１．２５Ｄでの動作及び１．５Ｄでの動作の両方を支援し且つ２つの構成の間を速やかにスイッチすることができるマルチプレクサが必須である。
【００２６】６行×２４列のトランスデューサ配列及び３２チャンネルのシステム・ビームフォーマによる１．２５Ｄ及び１．７５Ｄのビーム形成用のマルチプレクサを図８〜図１１に示す。図面には示していないが、図８に示すマルチプレクサによって可能なのは、配列の全幅の単一行の開口及び１行当たりＮ／２＝１６素子までの素子を有している３行の１．５Ｄ開口である。図示の配列は、仰角方向においては結線による対称性を有していないので、マルチプレクサは、方位角（水平）方向及び仰角（垂直）方向の両方で配列を横断してすべての開口が走査されるように設計されている。図８の周辺の文字（Ａ〜Ｈ）及び数字（０〜２３）は、配列の行及び列を示している。マトリクス内の数字は、マルチプレクサ・スイッチを介して各々のトランスデューサ素子に結合されるビームフォーマ・チャンネル（０〜３１）を示している。各々のトランスデューサ素子は、１つ又は２つのマルチプレクサ・スイッチに独立に結合されている。動作開口又はビーム形成が配列の水平中心線に関して対称であることといった制限はない。
【００２７】図９は、１．２５Ｄイメージング用のマルチプレクサ構成を示している。配列の各々の列において、すべての素子は、同一のビーム形成パラメータを用いてプログラムされた１対のシステム・チャンネルの一方又は他方に接続されている。このように対形成しているので、動作開口（点描）の任意の行における素子の最大数は、システム・チャンネルの数の２分の１となる（ここでは、Ｎ／２＝１６）。この動作幅は、１：Ｍの合成開口イメージングを用いているならば、Ｍ倍に増加していてもよい。動作開口の高さは、１行といった小さなものでもよいし、配列の全高といった大きなものでもよい。開口の形状は、点描領域の右辺によって示すような矩形でもよいし、任意のもの（点描領域の左辺によって示すように、典型的には、楕円に近い凸形）でもよい。
【００２８】図１０は、３２チャンネルの１．７５Ｄイメージング用の開口の例を示している。可能な開口は、１行当たりｍ個、Ｎ／２−ｍ個、Ｎ／２−ｌ個及びｌ個の素子を有している。図１０では、濃い点描の開口についてはＮ＝３２、ｍ＝ｌ＝８であり、薄い点描の開口についてはｍ＝ｌ＝５である。ここには、仰角方向における結線による対称性がないので、方位角（水平）方向及び仰角（垂直）方向の両方ですべての開口を走査させることができる。各々の開口内では、閉じているマルチプレクサ・スイッチのみが示されている。すべての素子についてのすべての可能なチャンネル接続方式の一覧を図８に示す。
【００２９】図１１は、１．７５Ｄのビーム形成用及び１：３の合成開口イメージング用のマルチプレクサ構成を示している。近距離音場では、内側の開口（濃い点描）のみが用いられる。中距離音場及び遠距離音場では、周囲の開口（／／／の陰影、薄い点描）と、１：２又は１：３の合成開口イメージングとを用いて、低いｆナンバー、鋭い焦点及び高い分解能を維持することができる。
【００３０】設計規則を参考にすると、図８に示すチャンネル対素子の割り当ては、すべての行において左から右へ増加する（規則Ｉ）。第１のサイクル長は、システム・ビームフォーマ・チャンネルの数と等しく、３２である。各々の行における素子のいくつかに対する第２のチャンネル接続は、第１のチャンネル接続からサイクル長の２分の１だけずれており（規則IV）、行Ａ、行Ｃ及び行Ｅのうちの任意のものが対になることが可能になっており（規則II）、又、行Ｂ、行Ｄ及び行Ｆのうちの任意のものが対になることが可能になっている。行Ａ、行Ｃ及び行Ｅにおけるチャンネルの割り当ては、行Ｂ、行Ｄ及び行Ｆにおけるチャンネルの割り当てからサイクル長の４分の１だけずれており（規則III ）、方位角方向及び仰角方向の両方に走査することの可能な連続した４行、３２素子、１．７５Ｄの開口の形成が可能になっている（図１０を見よ。）。
【００３１】表２に、図１１に示す１：３合成開口の１．７５Ｄ開口の形状をまとめる。表２では、システム・ビームフォーマ・チャンネルの数はＮで表されている。記号Ｍは任意の整数を表しており、その値は０とＮ／２との間にある。図１１に示す１．７５Ｄの開口についてＮ及びｍに関連した数値が、表２の第５列に列挙されている。Ｍ≦４の場合の１：Ｍイメージング用のＭ×Ｎ個の素子及びＭ＝５の場合の全開口を含めた他の開口も又、可能である。図８〜図１１は６行×２４列のトランスデューサ配列及び３２チャンネルのビームフォーマを示しているが、同じ設計原理が６４チャンネル又は１２８チャンネルのビームフォーマ、並びに６、８又はそれ以上の行及び１２８、１９２又はそれ以上の列の素子を有している配列にも適用されることが理解されよう。
表 ２ 列当たりの素子 図１１ 全 合 成 素子数 開 口図１１ Ａ，Ｆ Ｂ，Ｅ Ｃ，Ｄ （Ｎ＝３２）
濃い点描 ０ ｍ Ｎ／２−ｍ ｍ＝６ Ｎ／／／ ｍ Ｎ／２−ｍ Ｎ／２ ２Ｎ １：２薄い点描 Ｎ／２−ｍ Ｎ／２ Ｎ／２ ３Ｎ−２ｍ １：３図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）、並びに図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）及び図１３（Ｃ）に、上述のマルチプレクサ構成のすべてを可能にするモジュラ式ハードウェア設計を示す。図示の構成は、１２８チャンネルのビームフォーマ用である。図１２（Ａ）に示すように、システム・コンソール・コネクタ４０は４つの四半部（quadrants）に分割されており、ビームフォーマ２の１２８のチャンネルのための接続が、図示のように各四半部に分配されている。マルチプレクサは、ＭＵＸステート（MUX State）と呼ばれるパラメータによって制御されており、このパラメータは、マスタ制御装置１２によって送信されて、システム・コンソール・コネクタ４０上の線を制御する。ＭＵＸステート・パラメータは、マスタ制御装置に記憶されているトランスデューサ・マルチプレクサ制御プログラムに従って発生されている。
【００３２】図１２（Ｂ）に示すマルチプレクサ・バックプレイン又はマザーボード４２は、システム・コンソール・コネクタ４０（図１２（Ａ））上に搭載されている。コンソール・コネクタ４０にこのように装着されているバックプレインの各々の四半部は、マルチプレクサ・カード４６（図１２（Ａ））をまとめてコンソール・コネクタ４０の対応する四半部と並列に接続するソケット４４等の２つ又はそれ以上（ここでは、４つ）の同一のコネクタを収納している。コンソール・コネクタ及びマルチプレクサ・バックプレインの各四半部に対するシステム・ビームフォーマの割り当て、並びにバックプレイン上でのマルチプレクサ・カード・ソケットの位置は、端部を並べた状態で（end-to-end）整列しているソケット同士が、マルチプレクサのサイクル長の２分の１だけ（ここでは、１２８／２＝６４だけ）異なっているビームフォーマ・チャンネルに結合されるように配列されている。マルチプレクサ制御ボード４８がコンソール・コネクタ上の制御線に結合されており、又、各々のマルチプレクサ・カード・ソケットへの別個の（並列でない）制御線に結合されている。制御ボード４８は、マスタ制御装置からＭＵＸステート・コマンドを受け取り、図１２（Ａ）に示すオン・ボード・メモリ５０（ＲＯＭ又はＥＥＰＲＯＭ）に記憶されているデータを用いて、各々のマルチプレクサ・カード４６上の各々のスイッチを、コマンドに指定されているマルチプレクサ状態に要求される開放位置又は閉鎖位置に設定する。
【００３３】図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）及び図１３（Ｃ）は、図１２（Ｂ）に示すマルチプレクサ・マザーボード上のソケットにプラグ・インされるマルチプレクサ・カードについてのいくつかの好ましい実施例を示している。各々のカードは、個別に制御することの可能なスイッチ５２のセットを収納しており、スイッチ５２は、トランスデューサ素子から、マルチプレクサ・バックプレイン上のソケットにプラグ・インされるコネクタ５６を介して、特定のシステム・ビームフォーマ・チャンネルへ同軸リード５４を接続することができる。図１３（Ａ）は、３２の同軸リードを３２のシステム・チャンネルに接続する低密度マルチプレクサ・カード４６ａを示す。図１３（Ｂ）は、６４の同軸リードを３２のビームフォーマ・チャンネルに接続する高密度マルチプレクサ・カード４６ｂを示す。このカードは、マルチプレクサ・バックプレインの同じ四半部内の隣接したソケットにプラグ・インされる２つの低密度３２：３２マルチプレクサ・ボードと同等であるが、よりコンパクトである。図１３（Ｃ）は、６４の同軸リードを６４のシステム・チャンネルに接続する高密度マルチプレクサ・カード４６ｃを示す。カード４６ｃは、２つのコネクタ５６を採用しており、一方のコネクタ５６は、マザーボードの１つの四半部内のソケットにプラグ・インされ、他方のコネクタ５６は、横方向に隣接した四半部のソケットにプラグ・インされる。マルチプレクサ・バックプレインにプラグ・インされると、カード４６ｃによって、このカードに接続されている各々の同軸リード（即ち、それぞれのトランスデューサ素子用の同軸リード）がサイクル長の２分の１だけ異なっている２つのビームフォーマ・チャンネルのうちの任意のものに対して結合することが可能になる（このようにして、規則IVが満たされる。）。
【００３４】以上の好ましい実施例は、例示の目的で開示された。当業者には、いくつかの変形又は改変が容易に明らかとなろう。そのような変形又は改変はすべて、特許請求の範囲に包含されているものとする。
【出願人】 【識別番号】３９００４１５４２
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【出願日】 平成１０年（１９９８）５月７日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】生沼 徳二
【公開番号】 特開平１１−４２２２５
【公開日】 平成１１年（１９９９）２月１６日
【出願番号】 特願平１０−１２４７３９