JP2001187054A

JP2001187054A - 超音波ビーム経路の数値的最適化方式

Info

Publication number: JP2001187054A
Application number: JP2000310047A
Authority: JP
Inventors: Bruno Hans Haider; ブルーノ・ハンス・ハイダー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-10-12
Filing date: 2000-10-11
Publication date: 2001-07-10
Anticipated expiration: 2020-10-11
Also published as: DE10050366A1; JP4717995B2; US6282963B1

Abstract

(57)【要約】【課題】２対１の超音波ビーム形成においては、理想
的な送信ビームは２つのピーク位置を有し、各々のピー
クが受信ビームのそれぞれ一方に追従すべきである。ア
ポダイゼーションによる二重ビーム・ステアリングはこ
のような送信ビームを形成するが、得られるビームは単
一の深さについてのみ最適化されており、この深さから
離隔した位置ではかなりの線の歪みが生じ得る。【解決手段】送信ビームを数値的に最適化、すなわち
アパーチャ関数を数値的に最適化することにより、超音
波多重線取得における送信ビームの形状が改善され、こ
の結果、音場の深さ全体にわたって線の歪みが生じなく
なる。アパーチャ関数は、アパーチャ関数に依存してい
る評価関数を数値的に最適化することにより最適化され
る。次いで、この数値的に最適化されたアパーチャ関数
は、超音波イメージング・システムの多重線取得モード
において用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波イメージング
・システムに関し、より具体的には、超音波画像の音波
フレーム・レートを高める方法及び装置に関する。

【０００２】

【発明の背景】理想的な超音波イメージング・システム
は、関心区域の全体にわたって撮像分解能を最適な値に
維持する。これを達成する一つの方法はしばしば、完全
なデータ集合によるビーム形成又はＮ²再構成と呼ばれ
ている。この方法によれば、データ取得処理連鎖は次の
ように進行する。すなわち、トランスデューサ素子１に
よって送信してトランスデューサ素子１乃至Ｎによって
受信する、トランスデューサ素子２によって送信してト
ランスデューサ素子１乃至Ｎによって受信する、以下同
様である。

【０００３】このアプローチはＮ²回の送受信動作を必
要とするので、データ取得時間の要求条件のため臨床的
撮像には明らかに適さない。しかしながら、このアプロ
ーチは、画像の個々のピクセルの各々がピクセル固有の
ビーム形成パラメータの特定の集合を有するようなビー
ム形成方法を可能にする。この方法によれば、送信ビー
ム形成時及び受信ビーム形成時の動的集束（ダイナミッ
ク・フォーカシング）を行なうことができるので、Ｎ²
再構成はしばしば、臨床に適したアプローチを計る比較
対象又は比較点と考えられている。従って、フレーム・
レートへの影響を最小限に抑えながらＮ²方法に近付く
データ取得方法が望ましい。

【０００４】従来の超音波画像は、多数の画像走査線で
構成されている。単一の走査線（又は走査線の局在化し
た小群）は、関心領域内の１つの点に集束した超音波エ
ネルギを送信し、次いで、反射したエネルギを時間にわ
たって受信することにより取得される。集束した送信エ
ネルギを送信ビームと呼ぶ。送信後の時間中に、１つ又
はこれよりも多い受信ビームフォーマが、各々のチャネ
ルによって受信したエネルギを位相回転又は遅延を動的
に変化させながらコヒーレントに加算して、経過時間に
比例したレンジにおける所望の走査線に沿ったピーク感
度を形成する。得られた集束した感度パターンを受信ビ
ームと呼ぶ。走査線の分解能は、関連する送信ビームと
受信ビームとの対の指向性の結果となる。

【０００５】ビームフォーマ・チャネルの出力信号はコ
ヒーレントに加算されて、物体の関心領域又は関心空間
の各々のサンプル空間についてそれぞれのピクセル強度
を形成する。これらのピクセル強度値は対数圧縮され、
走査変換された後に、走査されている解剖学的構造の画
像として表示される。

【０００６】医用超音波イメージング・システムのフレ
ーム・レートは、フレーム当たり必要とされる送信事象
の数によって決定される。従来の超音波イメージング・
システムでは、送信事象とは、集束したビームを特定の
方向又は特定の焦点位置へ送信することである。医用超
音波撮像でのフレーム・レートは貴重なリソースであ
る。フレーム・レートを増大させることにより、より広
い領域（カラー・フロー撮像若しくは３次元撮像の場合
等）又は相対的に高速な物体（例えば、心臓）を撮像す
ることができる。加えて、ビデオ統合（雑音低減）又は
合成（スペックル低減）等の画像強調方法もフレーム・
レートを徹底的に活用し得る。

【０００７】従来の医用超音波撮像では、特定の方向に
単一のパルスが送信され、反射したエコーがコヒーレン
トに加算されて、画像フレーム内の単一の線を形成して
いる。この走査線を形成するのに必要な時間量は、超音
波パルスの往復の通過時間によって大部分決定される。
更に、解剖学的構造の関心領域を緻密にサンプリングす
るために、画像フレーム内に多数の走査線が存在してい
る。従って、従来の医用超音波撮像でのフレーム・レー
トは、音波の伝播速度及び関心領域の寸法によって決定
されている。

【０００８】高フレーム・レートのシステムは、現行の
２次元撮像には望ましいものであり、また、将来の実時
間３次元撮像には必須である。フレーム・レートは、フ
レーム当たりの送信事象の数を減少させることにより向
上させることができる。これは従来、各々の送信事象に
用いられる送信素子の数を比例して減少させることによ
り達成されてきたが、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の劣化
を齎している。

【０００９】従来の超音波ビームフォーマは、エコーの
受信時にダイナミック・フォーカシングを利用してい
る。この方法によれば、ビーム形成処理は各々の深さ毎
に最適化されて、可能な限り良好なビーム形状（即ち、
ビーム幅が狭く、且つサイドローブが少ない）を実現す
ることができる。しかしながら、殆どのシステムでは、
送信ビーム形成時には、単一の固定された焦点を用いて
合計後のビーム形状を良好に維持しようとしている。従
って、送信焦点から離隔した区域では、結果として得ら
れるビームのビーム幅が広がり、サイドローブが増大す
る。

【００１０】１つの公知の超音波イメージング・システ
ムでは、異なる焦点位置又は焦点ゾーンに向けられた多
数回の送信を用いることにより、焦点特性の改善が行な
われている。これらの焦点ゾーンからのエコーを用いて
小画像（subimage）を形成し、次いで、これらの小画像
を「継ぎ合わせ」して最終画像とする。この方法は、画
像の殆どの区域でビーム特性を最適化し、従って、Ｎ²
の性能に近付き始めているが、フレーム・レートについ
ては大きな不利益があり、すなわち、音速が十分に遅い
ので、フレーム・レートを５フレーム／秒までにも低速
化してしまう。典型的な例では、８箇所もの焦点位置が
用いられるので、フレーム・レートに８倍の低下が生じ
る。この不利益は、深い浸透を要求する臨床用環境で用
いられる低めの周波数のプローブについては極めて深刻
である。

【００１１】関心のある方向に典型的には４回乃至１６
回の送信が行われて臨床用途に十分なデータを取得する
ドプラ方式のカラー・フロー・マッピング手法では、デ
ータ取得時間に関連する同様の制限が更に深刻化して生
ずる。この制限を克服しようとして具現化されている一
つのアプローチは、相対的に広いビームを送信して、送
信包絡線の内部に多数の受信ビームを配置するものであ
る。結果として得られるビームは必ずしも良い品質を有
しているとは言えないが、ドプラ処理に比較的穏当な要
求条件が課せられている場合にはこの方法は十分良好に
作用する。しかしながら、このようなビームの品質は、
Ｂモード撮像には不十分である。

【００１２】相対的に速い速度及び十分な画質でデータ
を取得する一つの試みが、１９９８年１１月２３日に出
願され本出願人に譲渡されているトメニウス(Thomeniu
s) 等の米国特許出願第０９／１９７，７４４号に開示
されている。この出願は、高フレーム・レートで且つ高
分解能（すなわち低ｆナンバ）の超音波撮像においてデ
ータを取得する方法及び装置を開示している。この手法
は、物理的に離隔した多数のビームを同時に送信して、
受信時には１つよりも多い走査線についての撮像データ
を取得することを含んでいる。追加のタイミング電子回
路を利用しないでトランスデューサ・アレイ素子の単一
回のファイアリングによって送信ビーム形成に作用を及
ぼすと共に、制御され集束した空間的に離隔した２つの
ビームを形成するために、空間的アポダイゼーションが
用いられている。この方法は「アポダイゼーションによ
る二重ビーム・ステアリング（方向制御）」と呼ばれて
いる。アポダイゼーションによる二重ビーム・ステアリ
ングは、時間遅延を付与された集束した単一の信号の送
信を含んでおり、この単一の信号は、送信を行なうフェ
ーズド・アレイの素子から送信される信号に余弦アポダ
イゼーションを付与することにより、２つの別個のビー
ムに同時に分離されている。この方法は、相対的に大き
な走査角度及び二重ビームの相対的に大きな角度分離に
ついての向上した性能を提供するように拡張され得る。
また、この概念は、単一回の送信ファイアリングによる
多数の（２つよりも多い）送信ビームに拡張することが
できる。また、この概念を２次元のアレイに適用するこ
とができ、２次元の送信ビーム集合を扱うことが可能に
なっている。

【００１３】また、超音波多重線取得においては、単一
の送信パルスから多数の受信ビームが取得される。この
取得モードでのアーティファクトは、送信ビームが受信
ビームの合間に集束されている場合に生じ得る線の歪み
である。送信ビーム幅が変化するため、実効的な受信ビ
ーム位置は送信焦点の区域の中心に引き寄せられる。従
って、線の歪みの問題を解決することが可能な手法に対
する必要性が存在している。

【００１４】

【発明の概要】二重線超音波ビーム形成においては、理
想的な送信ビームは２つのピーク位置を有し、各々のピ
ークが受信ビームのそれぞれ一方に追従すべきである。
アポダイゼーションによる二重ビーム・ステアリングは
このような送信ビームを形成するが、得られるビームは
単一の深さについてのみ最適化されており、この深さか
ら離隔した位置ではかなりの線の歪みが生じ得る。本発
明は、送信ビームを数値的に最適化することにより、す
なわちアパーチャ関数を数値的に最適化することによ
り、超音波多重線取得における送信ビームの形状を改善
しており、この結果、音場の深さ全体にわたって線の歪
みが生じなくなる。アパーチャ関数は、アパーチャ関数
に依存している評価関数（cost function）を数値的に
最小化することにより最適化されている。

【００１５】本発明はまた、多数のピークを有するビー
ムを送信するためのアパーチャ関数を数値的に最適化し
た多重線取得手法を用いた超音波撮像を指向している。

【００１６】

【好適実施形態の詳細な説明】図１には、典型的な従来
のディジタル式実時間超音波イメージング・システムが
全体的に示されている。この超音波イメージング・シス
テムは、別個に駆動される複数のトランスデューサ素子
１２で構成されているトランスデューサ・アレイ１０を
含んでおり、トランスデューサ素子１２の各々が、送信
器１４によって発生されるパルス波形によってエネルギ
を与えられると超音波エネルギのバーストを発生する。
被検体から反射されてトランスデューサ・アレイ１０に
帰投した超音波エネルギは、受信を行なう各々のトラン
スデューサ素子１２によって電気信号へ変換されて、一
組の送受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１８を介して受信器１６
へ別個に印加される。送信器１４及び受信器１６は、操
作者による命令（コマンド）に応答するホスト・コンピ
ュータ２０の制御下で動作する。ホスト・コンピュータ
２０は、中央処理ユニットと付設されているメモリとを
含んでいる。完全な１回の走査は一連のエコーを取得す
ることにより実行され、このときには、送信器１４が瞬
間的にオンにゲート制御されて各々のトランスデューサ
素子１２にエネルギを与え、各々のトランスデューサ素
子１２によって発生された後続のエコー信号が受信器１
６へ印加される。１つのチャネルは、他のチャネルがま
だ送信している間に受信を開始してもよい。受信器１６
は、各々のトランスデューサ素子からの別個のエコー信
号を合計して単一のエコー信号を発生し、この単一のエ
コー信号を用いて表示サブシステム２２のモニタ上で画
像の１つの線を形成する。

【００１７】各々のトランスデューサ素子によって送信
される基本波形は、送信系列メモリ２６に記憶されてい
るディジタルの送信系列によって決定される。送信アパ
ーチャ内に位置する各々のトランスデューサ素子１２が
それぞれの二極パルサ２４によって発生されたパルス波
形によりパルス駆動され、パルサ２４は、送信系列メモ
リ２６から当該パルサへ供給されるそれぞれの送信系列
に応答して動作する。

【００１８】ホスト・コンピュータ２０の指令下で、送
信器１４は、超音波エネルギが指向性集束ビームとして
送信されるようにトランスデューサ・アレイ１０を駆動
する。集束を達成するために、送信集束遅延２８によっ
て二極パルサ２４に対してそれぞれの時間遅延が付与さ
れる一方で、それぞれのパルス振幅は、各々のパルサに
対して電源圧を設定する高電圧制御器等の送信レベル制
御（アポダイゼーション発生）３０によって設定され
る。ホスト・コンピュータ２０は、音波パルスが送信さ
れる際の条件を決定する。この情報によって、送信集束
遅延及び送信レベル制御は、パルサ２４によって発生さ
れるべき送信パルスの各々についてのタイミング及び振
幅をそれぞれ決定する。パルサ２４は続いて、トランス
デューサ・アレイ１０の素子１２の各々に対してＴ／Ｒ
（送受信）スイッチ１８を介して送信パルスを送る。送
信集束時間遅延を従来の態様で適当に調節することによ
り、超音波ビームを送信焦点位置に指向させ集束させる
ことができる。本発明の好適実施例によれば、ホスト・
コンピュータは、送信器１４を制御して空間アポダイゼ
ーション及び時間遅延を利用させて、制御され集束した
空間的に離隔した２つのビームをトランスデューサ・ア
レイ素子の単一回のファイアリングで形成するようにプ
ログラムされている。このことを達成するために用いら
れるアポダイゼーション関数及びタイミング関数につい
ては後に詳述する。

【００１９】超音波エネルギの各々のバーストによって
発生されるエコー信号は、各々の超音波ビームに沿って
連続したレンジに位置する物体から反射している。反射
点と各々のトランスデューサ素子１２との間の伝播経路
に差があるので、エコー信号は同時には検出されず、
又、エコー信号の振幅は等しくならない。各回の送信毎
に、トランスデューサ素子１２からのエコー信号は受信
器のそれぞれの受信チャネル３２へ供給される。ホスト
・コンピュータ２０の指令下で、受信器は、送信された
ビームの方向を追跡する。受信器は、受け取った各々の
エコー信号に対して適正な受信集束時間遅延３４を付与
する。受信集束時間遅延は、特殊化されたハードウェア
を用いて実時間で算出されるか、又はルックアップ・テ
ーブルから読み込まれる。時間遅延を付与された受信信
号は、各回の送信ファイアリング毎に受信ビーム加算器
３６において加算されて、超音波ビームに沿った特定の
レンジに位置する点から反射した全超音波エネルギを正
確に指示するエコー信号を形成する。

【００２０】アポダイゼーションによる二重ビーム・ス
テアリングを用いる場合には、ホスト・コンピュータ２
０は受信器１６を制御して、２つの送信ビームの方向を
追跡させて、各々のビームに沿った一連のレンジでのエ
コー信号をサンプリングする。受信器１６は、各々の増
幅後のエコー信号に対して適正な時間遅延を付与すると
共に増幅後のエコー信号を加算して、それぞれの超音波
ビームに沿って特定のレンジに位置する点から反射した
全超音波エネルギを正確に表わす合成エコー信号を形成
する。最も広く用いられている従来のシステムは、２つ
のビームを同時に受信する能力を有している。この能力
は通常、ビームフォーマ・チャネルの完全な２つのセッ
トを要求する訳ではなく、別個のビームは、ディジタル
・ビームフォーマにおいて、幾つかの工程から成る共通
処理を経た後に形成される。このようにして、受信器１
６は従来の態様で２つの受信ビームを発生し、各受信ビ
ームは、本発明の好適実施例に従って、異なる角度で送
信された２つの超音波ビームに対応する。従来のビーム
フォーマで二重線受信ビーム形成を行なう場合には、送
信ビームは通常、２つの受信ビームの面積を覆うように
拡大される。本発明は、追加のタイミング回路を一切必
要とせずに、飛躍的に改善されたビーム形成を（２つの
分離した送信ビームを用いることにより）得ることを可
能にする。

【００２１】従来のシステムでは、ビーム加算された受
信信号は帯域通過フィルタ処理されて、信号プロセッサ
又は検波器３８へ供給される。帯域通過フィルタ（図示
されていない）は、所望の信号成分を通過させる。検波
器３８は、帯域通過フィルタ処理後の受信信号を表示デ
ータへ変換する。Ｂモード（グレイ・スケール）では、
信号の包絡線は、エッジ強調及び対数圧縮のような何ら
かの追加処理を施した表示データで構成されている。ス
キャン・コンバータ４０が、検波器３８から表示データ
を受け取り、このデータを表示に望ましい画像へ変換す
る。具体的には、スキャン・コンバータ４０は、音波画
像データを極座標（Ｒ−θ）のセクタ型フォーマット又
はデカルト座標のリニア型フォーマットから、適当にス
ケーリングされたビデオ・レートのデカルト座標の表示
ピクセル・データへ変換する。次いで、これらの走査変
換（スキャン・コンバート）された音波データは、表示
サブシステム２２に組み込まれているビデオ・プロセッ
サによって処理されて、表示システムのモニタ上での表
示用に形成され、これにより、信号の包絡線の時間変化
する振幅をグレイ・スケールとして画像化する。単一回
の送信ファイアリング中に送信された空間的に分離した
各々のビーム毎にそれぞれの走査線が表示される。

【００２２】アポダイゼーションによる二重ビーム・ス
テアリング（２つよりも多いビームに拡張することもで
きる）は、数学的に説明することができる。狭帯域ビー
ムフォーマの応答は、その焦点の付近では次の表現によ
って与えられる。

【００２３】

【数５】

【００２４】ここで、ｆ（ｕ）はｕ＝ｓｉｎ（θ）の関
数としての送信応答であり、θはアレイの法線に対する
角度であり、ｋ₀＝２π／λは波数である。周知のよう
に、この表現は、アパーチャ関数ａ（ｘ）とｕの関数と
しての音場応答との間にフーリエ変換関係を生ずる。典
型的な超音波応用では、関数ａ（ｘ）はアポダイゼーシ
ョンの目的のために用いられ、すなわちギプスの現象の
帰結として生ずるサイドローブを抑制するために用いら
れる。

【００２５】二重ビーム・ステアリングの実施例による
手法は、式（１）のａ（ｘ）成分を用いて、単一回の送
信から２つ又はこれよりも多い送信ビームの形成を可能
にするような態様でビーム・パターンを修正する。２つ
の点源を用いると正弦音場分布が生じることは干渉計測
定から周知である。このことは、狭帯域遠距離音場（す
なわち集束式）ビーム形成のフーリエ変換特性の直接的
な帰結である。本発明は、正弦加重（アポダイゼーショ
ン）がアレイ素子に適用されると、音場パターンは空間
的に離隔した２つのδ関数のパターンになるという相互
関係を利用している。すなわち、次の加重ａ（ｘ）＝ｃｏｓ（２πｘ／ｄ）（２）が適用され、ｄが正弦曲線の空間周波数であるとする
と、得られる音場パターンは、

【００２６】

【数６】

【００２７】となる。

【００２８】このように、余弦加重関数を導入するだけ
で、多数素子のフェイズド・アレイの単一回のファイア
リング時に２つのビームが送信される。このことは、タ
イミング信号の発生、又はこのような目的のために通常
用いられるその他の手段を用いずとも達成される。式
（１）〜式（３）は無限のアパーチャを仮定している。
アパーチャが有限で長さＬを有すると仮定する場合に
は、音場応答は次のようになる。

【００２９】

【数７】

【００３０】ここで、略号ｓｉは、ｓｉｎｃ（すなわち
ｓｉｎ（ｘ）／ｘ）の代わりに用いられている。

【００３１】式（４）を導くために用いられるａ（ｘ）
関数は、ｒｅｃｔ｛Ｌ｝関数によってウィンドウ設定さ
れ、従って応答におけるｓｉｎｃ項によってウィンドウ
設定される。ｒｅｃｔ関数は次のように定義され得る。

【００３２】ｘ≦Ｌ／２のときに、ｒｅｃｔ｛ｘ｝＝１ｘ＞Ｌ／２のときに、ｒｅｃｔ｛ｘ｝＝０（５）。

【００３３】ｓｉｎｃ関数に関連したサイドローブを抑
制するためには、更に適切な加重関数を用いることがで
きる。図２は、サイドローブ抑制のためのガウス型アポ
ダイゼーションを重ね合わせた正弦加重関数の実例であ
る。ガウス関数は、アパーチャ応答のエッジを平滑化す
るが、本発明の具現化に必須である訳ではない。図３
は、結果として得られるシミュレーションによるビーム
形状を示しており、同図では、アポダイゼーションによ
って２つのビームが１９°及び２５°で右方へステアリ
ングされている。同じｆナンバを用いて送信を行ないな
がらアポダイゼーションを除去すると、図３の一点鎖線
で示すような単一のビームが形成される。

【００３４】余弦アポダイゼーションを用いると、広帯
域信号については横方向分解能及びコントラスト分解能
の若干の損失が生じ得る。このため、実際には、シミュ
レーションにおいてアパーチャ・サイズが制限されてい
る。実用上は、この損失は、二重ビーム性能が望ましい
状況では相対的に低いｆナンバを用いることにより補償
することができる。可能なアポダイゼーション曲線のか
なり広い選択肢が与えられているので、設計者は所与の
状況に合わせて性能を最適化することができる。

【００３５】正弦関数又は余弦関数には、これらの関数
を本発明において実効的にするような自然の性質が備わ
っている。余弦加重は次のように表現することができ
る。

【００３６】

【数８】

【００３７】式（６）の右辺を解釈する１つの方法は、
これらの項が、所望の２つの方向にビームをステアリン
グするのに必要とされるステアリング遅延に対応する位
相遅延（通常、複素指数として表現される）であるとす
るものである。

【００３８】式（２）のような余弦アポダイゼーション
は、比較的単純な表現であって、医用超音波等の応用で
は限定された範囲の有効性しか有さない。より一般的に
適用可能な表現は、前述の米国特許出願第０９／１９
７，７４４号において与えられており、この表現は、ガ
ウス型送信波形及び目標からの単一の散乱という仮定に
基づいている。送信信号及び受信信号を加算することに
より、点拡がり関数（ＰＳＦ）についての表現が形成さ
れる。送信動作時に用いられるアポダイゼーション関数
を変化させることにより、多数のピークを有するビーム
を形成することができる。

【００３９】超音波多重線取得モードでのアーティファ
クトは、送信ビームが受信ビームの間に集束されている
ときに生じ得る線の歪みである。図４は、中心に位置す
る送信ビーム４２が２つの受信ビームに挟まれている実
例を示している。所望の受信ビーム位置４４は点線で示
されている。しかしながら、送信ビーム幅が変化するの
で、実効的な受信ビーム位置４６は送信焦点の区域の中
心に引き寄せられてしまう。

【００４０】二重ビーム・ステアリング手法は、所望の
受信ビームの位置に横方向のピークを有する送信ビーム
を形成することにより線の歪みを軽減する。このこと
は、アパーチャ加重関数及び遅延関数を適切に選択する
ことにより達成される。この方法は図４に示す線の歪み
を解消するが、異なる形式の歪みを生ずる可能性もあ
る。ビームの分割は、単一の深さでのみ制御されてい
る。この深さの前方及び後方では、ビームは何らかの自
然の経路を辿るが、この経路が所望の受信ビーム経路と
異なっている可能性もある。図５は、リニア型アレイ１
０についてのこの状況を示している。所望の受信ビーム
経路４４（破線）はトランスデューサ・アレイに垂直で
あるが、実効的な送信ビーム経路４８（点線）はアレイ
１０に対して斜めになっている。実効的な送信ビーム経
路４８は、アレイ１０の中心の近くでアレイ１０に交差
しているので、これらのようなビーム経路はセクタ画像
に適している。しかしながら、直線型又は台形型の画像
形式では若干の線の歪みが生ずる。

【００４１】本発明の好適実施例によれば、この線の歪
みについての問題は、実効的な送信ビーム経路を制御す
ることにより克服される。アパーチャ加重関数及び遅延
関数は、実効的な送信ビーム経路が図６の破線５０によ
って示すように所望の受信ビーム経路に一致するように
最適化され、すなわち、何らかの所望の経路を辿る送信
ビームを形成するような送信遅延関数及び加重関数が見
出される。このことは、数値的最適化方法を用いること
により達成される。実際のビーム形状が所望のビーム形
状から逸脱するときに増大するような評価関数が定義さ
れる。この評価関数を最小化すると、最適な遅延関数及
び加重関数が得られる。このアプローチを実例によって
最も分かり易く説明する。図７は、リニア型アレイ１０
を用いた数値的最適化のための幾何形状を示している。
所望の送信ビームは２つの横方向強度ピーク５２（破
線）を有しており、これらのピーク５２はアレイの中心
５４の両側にξ₀ずつオフセットしている。強度ピーク
は平行に走行していなければならない。実際的な理由か
ら、任意の深さ範囲にわたってこのようなビームを形成
することは可能ではない。従って、最適化は［ｙ_min，
ｙ_max］の範囲に限定される。（最終的には、この範囲
は最適化の精度、横方向の分離等と共に代償関係を有す
るパラメータの１つとなる。）所望の送信ビームは次の特性を有している。

【００４２】（ａ）ビームはアレイの中心の周りに対称
である；（ｂ）メインローブの領域では、ξ₀において、ビーム
は所定のパルス・エネルギを有していなければならな
い；（ｃ）サイドローブの領域では、パルス・エネルギは可
能な限り低くなければならない；（ｄ）横方向ビーム・プロファイルはξ₀にピークを有
していなければならない。

【００４３】これらのビーム特性は、アパーチャ最適化
のための評価関数へ変換される。幾つかの変形で類似の
結果を得ることができるので評価関数は一意ではない。
ここに示すものは、良好に作用する１つの具現化形態で
ある。評価関数を確定するためには、ビーム・プロファ
イルがまず必要とされる。ビーム・プロファイルは最適
化の際に多数回にわたって評価されるので、狭帯域近似
（フェイザ（phasor））方法が適用される。図７の幾何
形状から、振幅自乗したビーム・プロファイルが次のよ
うにして導出される。

【００４４】

【数９】

【００４５】ここで、ａ（ｘ）は複素アパーチャ関数で
あり、ｋは波数である。

【００４６】上で述べた（ａ）〜（ｄ）の特性は、ビー
ム・プロファイルｂ（ξ，ｙ）について解釈される。

【００４７】（ａ）対称性：アパーチャ遅延関数及び加
重関数はｘについて対称であり、すなわちａ（ｘ）＝ａ
（−ｘ）である。

【００４８】（ｂ）メインローブ領域では、ビームは所
定のパルス・パワーＷ₀を有していなければならず、す
なわち、

【００４９】

【数１０】

【００５０】である。

【００５１】式（８）は、送信パワーに対する制限と関
連している場合にのみ意味を成す。従って、送信パワー
は、

【００５２】

【数１１】

【００５３】によって制限される。

【００５４】（ｃ）サイドローブ領域では、パルス・エ
ネルギは可能な限り低くなければならず、すなわち、

【００５５】

【数１２】

【００５６】でなければならない。

【００５７】（ｄ）横方向ビーム・プロファイルは、ξ
₀にピークを有していなければならず、すなわち、プロ
ファイルの導関数が次のようにゼロでなければならない
ことを意味している。すなわち、

【００５８】

【数１３】

【００５９】である。

【００６０】この基準は音場の深さ全体にわたって有効
でなければならないので、自乗積分しなければならな
い。すなわち、

【００６１】

【数１４】

【００６２】である。

【００６３】式（７）〜式（１２）は、ビーム・プロフ
ァイルｂ（ξ，ｙ）が複素アパーチャ関数ａ（ｘ）に依
存しているので、ａ（ｘ）に暗黙のうちに依存してい
る。

【００６４】ここにおいて、評価関数を次のように定義
することができる。

【００６５】

【数１５】

【００６６】係数Ａ、Ｂ及びＣは、評価関数に対する式
（１３）の各成分の相対的な寄与を制御する。最適化の
結果は、これらの係数の選択にある程度まで依存してい
る。但し、経験的な係数選択でも十分である。

【００６７】最適なアパーチャ関数は、ａ（ｘ）＝ａ
（−ｘ）及び∫｜ａ（ｘ）｜²ｄｘ≦Ｗ_TXの条件を与え
てＣｏｓｔ［ａ（ｘ）］を最小化することにより求める
ことができる。最後の制約条件は、送信パワーを恣意的
に増大させることなくビームのピーク・エネルギを維持
することを保証するのに必要とされる。

【００６８】数値的最適化は多くのアルゴリズムによっ
て行なうことができる。以下に述べる実例では最小自乗
法を用いている。最小自乗法アルゴリズムは極小値を見
出すのみであるので、適当な開始点を選択しておかなけ
ればならない。この開始点として余弦アポダイゼーショ
ンを用いる。

【００６９】先ず、最適化問題は、全ての積分が加算と
なるように離散化され、すなわち、ａ（ｘ）→ａ_nとす
る。ここで、ｎは素子数である。

【００７０】次に、この制約条件付き最適化問題は、無
制約の最適化問題へ変換される。対称性の制約条件（ａ
_n＝ａ_-n）は、アパーチャ（ｎ＞０）の２分の１のみを
最適化して、残りの２分の１を鏡映することにより遂行
される。送信エネルギの制約条件は、アパーチャをアパ
ーチャ自体の自乗平均（ｒｍｓ）値によってスケーリン
グすることにより具現化される。従って、

【００７１】

【数１６】

【００７２】となる。

【００７３】この正規化は、最適化によって新たなアパ
ーチャ関数を算出するときには常に適用しなければなら
ない。これにより、最適化は無制約問題に簡略化され、
すなわち、Ｃｏｓｔ（ａ_n）をｎ＝［０，Ｎ／２］及び
式（１４）からの上述のパワー正規化によって最小化す
る。

【００７４】最小自乗法での最適化によって実行される
工程を図８に示す。この好適実施例によれば、初期アパ
ーチャ関数ａ（ｘ）として余弦アポダイゼーションが選
択される（図８のステップ６０）。次のステップ６２に
おいて、現在のアパーチャ関数について評価関数の勾配
を決定する。すなわちｇ＝ｇｒａｄ［Ｃｏｓｔ（ａ）］
とする。次いで、ステップ６４において、評価関数を勾
配に沿って最小化するスカラλを求める。すなわちｍｉ
ｎ［Ｃｏｓｔ（ａ＋λｇ）］とし、この最適値をλ_opt
と表わす。ステップ６６において、アパーチャ関数が更
新され、すなわち古いアパーチャ関数をａ_oldとして記
憶すると共に、新たなアパーチャ関数をａ：＝ａ＋λ
_optｇとして算出する。次いで、新たな評価関数が算出
される。判定ステップ６８において、新たな評価関数と
古い評価関数との間の差の絶対値が第１の所定の限度よ
りも小さいか否かについての判定を行なう。｜ΔＣｏｓ
ｔ｜が第１の所定の限度よりも小さくなるまでステップ
６２、６４、６６及び６８が繰り返され、小さくなった
ら、ステップ７０において、ｎｏｒｍ（λ_optｇ）が第
２の所定の限度よりも小さいか否かについての判定を行
なう。小さくなければ、ステップ６２、６４、６６、６
８及び７０が繰り返される。ｎｏｒｍ（λ_optｇ）が第
２の所定の限度よりも小さくなったら、現在のアパーチ
ャ関数を最適化されたアパーチャとして採用する。図１
を参照しながら述べると、次いで、ホスト・コンピュー
タ２０は、各回の送信ファイアリングについてこの最適
化されたアパーチャ関数に従って送信レベル及び送信集
束遅延を制御する。

【００７５】多くの類似の最適化方法が実質的に同じ結
果を与える。例えば、The Mathworks, Inc.社、１９９
６年１２月刊行の「最適化ツールボックス：ユーザーズ
・ガイド（Optimization Toolbox; User's Guide）」及
びJohn Wiley & Sons社、１９７５年刊行のG. R. Walsh
著「最適化の諸方法（Methods of Optimization）」に
開示されている数値的最適化方法を参照されたい。更
に、これらの方法のいずれのものも多くの変形を与え
る。本発明は、如何なる特定の最適化方法の利用にも限
定されていない。

【００７６】本発明の基本的な概念によれば、所望のビ
ーム特性は評価関数へ変換され、この評価関数が数値的
に最適化、例えば最小化される。評価関数は、アパーチ
ャ関数（振幅及び時間遅延）からビーム・パターンを算
出し、ビーム・パターンから幾つかのパラメータを抽出
して、これらのパラメータを評価関数に組み入れること
により確定される。

【００７７】以下の数値的な実例は、開示された方法の
能力を実証している。このシミュレーションの目標は、
アパーチャの中心から±２ｍｍだけオフセットした２つ
の平行なビームを形成することにあった。所望の音場の
深さは２０ｍｍ〜３０ｍｍであり、焦点は２５ｍｍに位
置していた。図９は、水平軸をアジマスとし、垂直軸を
深さとした送信ビーム・パターンを示している。このプ
ロファイルは、数値的最適化を行なわない余弦アポダイ
ゼーションによって形成された。所望の±２ｍｍのビー
ム分割は焦点の深さ（２５ｍｍ）の所で生じた。しかし
ながら、この分割は深さにわたって一定ではなかったの
で、図９に示すビームは平行にならない。図１０は、余
弦アポダイゼーションを数値的最適化と組み合わせた場
合の結果を示している。図１０のビームが実質的に平行
であることは明らかである。また、最適化によって音場
の深さが所望の２０ｍｍ〜３０ｍｍまで増大した。

【００７８】以上の実例は説明の目的のためにのみ提示
されている。２つよりも多い横方向強度ピークを有する
送信ビームを最適化することも可能である。更に、適正
な評価関数を指定することにより、平行ではなくセクタ
形式、台形形式又はその他の形式に従うような送信経路
も可能である。

【００７９】本発明は医用超音波撮像に適用することが
できる。しかしながら、その性質から、本発明はまた、
他のコヒーレントな撮像方法（例えば、レーダ、側方監
視レーダ又はマイクロ波等）にも適用することができ
る。

【００８０】本発明によれば、従来の多重線取得方法の
線の歪みのアーティファクトが減少する。従来、多重線
取得は、歪みのアーティファクトが比較的目立たないカ
ラー・フロー撮像に限定されていた。本発明は、Ｂモー
ド撮像に多重線取得を適用する可能性を開くものであ
る。

【００８１】本発明の幾つかの好ましい特徴についての
み図解すると共に記述したが、当業者には多くの改変及
び変形を想到されよう。従って、特許請求の範囲は、本
発明の主旨に含まれるような全ての改変及び変形を網羅
することを意図しているものと理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適実施例による超音波イメージング
・システムのブロック図である。

【図２】本発明の１つの好適実施例による１２８素子の
フェーズド・アレイからの１対のステアリングされた超
音波ビームの送信のための送信アポダイゼーション・プ
ロファイルのグラフである。

【図３】図２に示す送信アポダイゼーション加重関数の
適用により得られる二重ビームのプロファイル（実線）
及び同じｆナンバを有するがアポダイゼーションを行な
わない送信についての単一ビームのプロファイルのグラ
フである。

【図４】二重線ビーム取得及び関連する線の歪みを示す
概略図であって、太線が実効的な受信ビーム位置を示し
ており、実線が送信ビーム及びビーム幅を示しており、
点線が所望の受信ビーム位置を示している図である。

【図５】所望の受信ビーム経路と、数値的最適化を行な
わないアポダイゼーションによる二重ビーム・ステアリ
ングを用いて達成される実効的な送信ビーム経路との間
の不整合を示す概略図であって、実線が送信の中心を示
しており、破線が所望の受信ビーム経路を示しており、
点線が実効的な送信ビーム経路を示している図である。

【図６】本発明の好適実施例による数値的最適化を行な
ったアポダイゼーションによる二重ビーム・ステアリン
グを用いて達成される最適化された送信ビーム経路を示
す概略図であって、実線が送信の中心を示しており、破
線が所望の受信ビーム経路及び実効的な送信ビーム経路
を示している図である。

【図７】数値的ビーム最適化のための例示的な幾何形状
が示されている点を除けば図６と同一の概略図である。

【図８】本発明の好適実施例による数値的最適化手法の
流れ図である。

【図９】余弦アポダイゼーションを用いて数値的最適化
を行なわずに形成されたシミュレーションによる二重線
送信ビームを示すコンピュータ形成画像である。

【図１０】余弦アポダイゼーションを用いて本発明の好
適実施例による数値的最適化を行なって形成されたシミ
ュレーションによる二重線送信ビームを示すコンピュー
タ形成画像である。

【符号の説明】

１０トランスデューサ・アレイ１２トランスデューサ素子４２送信ビーム４４受信ビーム位置４６実効的な受信ビーム位置４８実効的な送信ビーム経路５０送受信ビーム経路の一致５２横方向強度ピーク５４アレイの中心

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｂ０６Ｂ 1/02 Ｂ０６Ｂ 1/02 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波散乱体を撮像するシステムであっ
て、多数のトランスデューサ素子（１２）を含んでいて、超
音波を送信すると共に超音波散乱体により反射された超
音波エコーを検出する超音波トランスデューサ・アレイ
（１０）と、前記多数のトランスデューサ素子にそれぞれ結合されて
いて、それぞれの多数の送信波形により送信アパーチャ
を形成する選択されたトランスデューサ素子をパルス駆
動する多数のパルサ（２４）と、前記パルサに結合されていて、前記送信アパーチャの前
記選択されたトランスデューサ素子に送信ファイアリン
グ時に第１及び第２の送信ビーム経路に沿って第１及び
第２の送信ビームを送信させるように設計されているア
パーチャ関数に従って決定されたそれぞれの時間遅延及
びそれぞれのアポダイゼーション加重を有する前記多数
の送信波形を発生するパルサ起動回路（２６、２８、３
０）と、前記トランスデューサ・アレイに結合されていて、前記
送信ファイアリングに続いて、受信アパーチャを形成す
る選択されたトランスデューサ素子から１組の受信信号
を受け取って、第１及び第２の受信ビーム経路に対応す
る前記１組の受信信号から第１及び第２のビーム加算さ
れた受信信号を形成する受信器（１６）と、前記第１のビーム加算された受信信号の関数である第１
の走査線と、前記第２のビーム加算された受信信号の関
数である第２の走査線とを有する画像を表示する表示サ
ブシステム（２２）とを備え、前記第１及び第２の送信ビーム経路が前記第１及び第２
の受信ビーム経路にそれぞれ実質的に一致しているこ
と、を特徴とする撮像システム。
【請求項２】前記アパーチャ関数は余弦関数から導出
される請求項１に記載のシステム。
【請求項３】前記アパーチャ関数は、ビーム・プロフ
ァイル関数の関数である評価関数の数値的最適化により
前記余弦関数から導出される請求項２に記載のシステ
ム。
【請求項４】前記評価関数は、次の式【数１】である請求項３に記載のシステム。
【請求項５】前記数値的最適化は最小自乗法アルゴリ
ズムに基づいている請求項３に記載のシステム。
【請求項６】超音波散乱体を撮像する方法であって、送信アパーチャを成す選択されたトランスデューサ素子
に送信ファイアリング時に第１及び第２の送信ビーム経
路に沿って第１及び第２の送信ビームを送信させるよう
に設計されているアパーチャ関数に従って決定されたそ
れぞれの時間遅延及びそれぞれのアポダイゼーション加
重を有する多数の送信波形を発生する工程と、送信ファイアリング時に送信アパーチャを形成するよう
に前記多数の送信波形に従ってトランスデューサ・アレ
イの前記選択されたトランスデューサ素子をパルス駆動
する工程と、前記送信ファイアリングに続いて受信アパーチャを形成
する選択されたトランスデューサ素子から１組の受信信
号を受け取る工程と、第１及び第２の受信ビーム経路に対応する前記１組の受
信信号から第１及び第２のビーム加算された受信信号を
ビーム形成する工程と、前記第１のビーム加算された受信信号の関数である第１
の走査線と、前記第２のビーム加算された受信信号の関
数である第２の走査線とを有する画像を表示する工程と
を含み、前記第１及び第２の送信ビーム経路が前記第１及び第２
の受信ビーム経路にそれぞれ実質的に一致しているこ
と、を特徴とする方法。
【請求項７】前記アパーチャ関数は余弦関数から導出
される請求項６に記載の方法。
【請求項８】前記アパーチャ関数は、ビーム・プロフ
ァイル関数の関数である評価関数の数値的最適化により
前記余弦関数から導出される請求項７に記載の方法。
【請求項９】前記評価関数は、次の式【数２】である請求項８に記載の方法。
【請求項１０】前記数値的最適化は最小自乗法アルゴ
リズムに基づいている請求項８に記載の方法。
【請求項１１】多数の超音波トランスデューサ素子を
含んでいる超音波トランスデューサ・アレイを起動する
超音波送信器をプログラムする方法であって、（ａ）前記多数の超音波トランスデューサ素子につい
ての送信時間遅延及びアポダイゼーション加重を定義す
るアパーチャ関数の関数として評価関数を定式化する工
程と、（ｂ）ｉ番目のアパーチャ関数について前記評価関数
のｉ番目の値を算出する工程と、（ｃ）前記ｉ番目のアパーチャ関数と異なる（ｉ＋
１）番目のアパーチャ関数を決定する工程と、（ｄ）前記（ｉ＋１）番目のアパーチャ関数について
前記評価関数の（ｉ＋１）番目の値を算出する工程と、（ｅ）前記評価関数の前記ｉ番目の値と前記（ｉ＋
１）番目の値との間の差を算出する工程と、（ｆ）ｉ＝１から開始して工程（ｂ）乃至工程（ｅ）
を繰り返し式で反復する工程と、（ｇ）前記工程（ｅ）における前記差が第１の所定の
限度よりも小さいような１つ又はこれよりも多いアパー
チャ関数から、最適化されたアパーチャ関数を決定する
工程と、（ｈ）該最適化されたアパーチャ関数に従って送信時
間遅延及びアポダイゼーション加重により前記送信器を
プログラムする工程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】ｉ＝１についての前記アパーチャ関数
は余弦関数である請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】（ｉ＋１）番目のアパーチャ関数を決
定する前記工程は、前記ｉ番目のアパーチャ関数について前記評価関数の勾
配を決定する工程と、該勾配に沿って前記評価関数を最小化するスカラ値を求
める工程と、前記ｉ番目のアパーチャ関数及び前記勾配と前記スカラ
値との積の関数として前記（ｉ＋１）番目のアパーチャ
関数を決定する工程と、を含んでいる請求項１１に記載
の方法。
【請求項１４】前記評価関数は、次の式【数３】である請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】最適化されたアパーチャ関数を決定す
る前記工程は、前記勾配と前記スカラ値との前記積のノ
ルムが第２の所定の限度よりも小さいか否かを決定する
工程を含んでいる請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】電気的な起動に応答して波動エネルギ
を送信すると共に、帰投した波動エネルギを電気信号へ
変換する多数のトランスデューサ素子（１２）を含んで
いるトランスデューサ・アレイ（１０）と、表示画像デ
ータを表示する表示サブシステム（２２）と、コンピュ
ータ（２０）とを備えるイメージング・システムであっ
て、前記コンピュータが、送信ファイアリング時に第１及び第２の送信ビーム経路
に沿って第１及び第２の送信ビームを送信するように前
記アレイのトランスデューサ素子を起動する工程と、前記送信ファイアリングに続いて、第１及び第２の受信
ビーム経路に対応する第１及び第２のビーム加算された
受信信号をビーム形成する工程であって、前記第１及び
第２の送信ビーム経路は前記第１及び第２の受信ビーム
経路にそれぞれ実質的に一致している、ビーム形成する
工程と、前記第１のビーム加算された受信信号の関数である第１
の走査線と、前記第２のビーム加算された受信信号の関
数である第２の走査線とを有する画像を表示するように
前記表示サブシステムを制御する工程とを開始するよう
にプログラムされていること、を特徴とするイメージン
グ・システム。
【請求項１７】アパーチャ関数が余弦関数から導出さ
れる請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】前記アパーチャ関数は、ビーム・プロ
ファイル関数の関数である評価関数の数値的最適化によ
り前記余弦関数から導出される請求項１７に記載のシス
テム。
【請求項１９】前記評価関数は、次の式【数４】である請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】前記数値的最適化は最小自乗法アルゴ
リズムに基づいている請求項１８に記載のシステム。