JP2004261572A - ハーモニックな信号及びハーモニックでない信号を用いた超音波画像収差補正 - Google Patents
ハーモニックな信号及びハーモニックでない信号を用いた超音波画像収差補正 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】ハーモニックイメージングの収差補正を行う方法を提供する。
【解決手段】ハーモニックなイメージとハーモニックでないイメージとを比較することにより収差補正が計算されて収差補正見積もりを導く、超音波診断イメージシステム及び方法が提供される。好ましい実施例では、ハーモニックなイメージは基準となるイメージを提供し、この基準イメージに対するハーモニックでないイメージの収差が比較される。好ましい取得技術は、ハーモニックなイメージを取得するため周波数fで送信し周波数nxfで受信し、ハーモニックでないイメージを取得するため周波数nxfで送信し周波数nxfで受信することである。好ましい実施例では、収差補正見積もりは、2つのイメージに対する開口補正データを見いだすためにイメージデータを逆伝播させることにより作ることである。
【選択図】図2
【解決手段】ハーモニックなイメージとハーモニックでないイメージとを比較することにより収差補正が計算されて収差補正見積もりを導く、超音波診断イメージシステム及び方法が提供される。好ましい実施例では、ハーモニックなイメージは基準となるイメージを提供し、この基準イメージに対するハーモニックでないイメージの収差が比較される。好ましい取得技術は、ハーモニックなイメージを取得するため周波数fで送信し周波数nxfで受信し、ハーモニックでないイメージを取得するため周波数nxfで送信し周波数nxfで受信することである。好ましい実施例では、収差補正見積もりは、2つのイメージに対する開口補正データを見いだすためにイメージデータを逆伝播させることにより作ることである。
【選択図】図2
Description
本発明は、超音波診断画像システムに関し、特にハーモニックな信号及びハーモニックでない信号の解析に基づいた収差補正を伴う超音波診断画像システムに関する。
超音波トランスデューサアレイビームフォーマにより使用される幾何学的遅延計算は、一般に体内を通る音の速度が既知の定数であるという仮定に基づいて予測される。しかしながら、現実として身体は、一般に異なる経路、振幅歪み及びアレイトランスデューサの開口間の波面までの到達時間変動を生じさせる不均質組織経路を提供している。結果として、送信及び受信されるビームの正確な焦点は、常に起こるとは限らないだろう。理論的には、これらの影響の多くは、送信及び受信されるビームの焦点を合わせるために使用される遅延調整により克服できる。
必要とされる遅延調整を決定し、適切に実時間で実行することは、長年の研究課題であった。1つのアプローチとしては、到達時間差を見積もるため周りのトランスデューサ素子又は素子のグループにより受信されたエコーの相互相関を含めることである。もう1つのアプローチは、イメージ領域内のスペックル又は反射の輝度を最大にするように焦点用遅延を変化させることであった。これらの努力の多くは受信する開口内での時間シフトに対する補正を提供するよう努める一方で、送信開口に対する時間シフト補正を提供するように見ていた。これらのアプローチの多くは、まったく繰り返され、イメージ領域内のアベレータ及びリフレクタの組合せを動かしながら、大いに変えて許容できる結果へ収束させるという問題に直面する。全てが高度な計算、信号処理及び補正の適当なレベルがいつ供給されるべきかを知る必要性についての課題に直面していた。
米国特許第6,023,977号、第6,131,458号及び第6,223,599号では、異なる周波数の信号解析、特に基本周波数信号及びハーモニック(高次の)周波数の信号の種々の組合せの解析の見通しからの問題を話している。これらの特許文献により提案された種々の実施例は、基本の又はハーモニックのイメージに対する収差補正見積もりを計算するために、基本周波数、ハーモニック周波数又は広帯域の周波数を使用する。幾つかの実施例においては、エコー信号の基本帯域及びハーモニック帯域両方が、別々の収差補正見積もりを引き出すために使用され、これらは、見積もりの1つがより安定していて結果を支配していくだろうという期待をもって、その後一緒に平均化される。もちろん、1つの見積もりが正しく他が間違いならば、平均化のプロセスにより補正の正確さが悪くなる。これら特許文献の収差見積もりのために使用されるアルゴリズムは、上述の相互相関技術のバリエーションであり、4個の素子のサブアレイからの信号が隣接するサブアレイからの信号と相関付けられるか、サブアレイからの信号がサブアレイ信号の和に対して相関付けられるか、又はサブアレイからの信号が前に記憶されたサブアレイ信号に対して相関付けられる。これらのアルゴリズムは全て、今までに知られた基準又は絶対的基準に基づいて調整するというよりはむしろ相対的な位相調整を引き出す。速くて正確で画像品質の絶対的な尺度へ向かっている補正を供給する収差補正技術を提供することが望まれている。
本発明の原理によると、収差補正は、ハーモニックイメージとハーモニックでないイメージとを比較することにより計算されて収差補正見積もりを取り出す。好ましい実施例において、ハーモニックイメージは基準イメージであり、それに対してハーモニックでないイメージの収差が比較される。好ましい取得技術は、周波数fで送信しハーモニックイメージを取得するために周波数nxfで受信し、周波数nxfで送信しハーモニックでないイメージを取得するために周波数nxfで受信することである。好ましい実施例においては、収差補正見積もりは、2つのイメージに対する開口補正データを見いだすためにイメージデータをck伝播することにより生成される。進歩的な技術は、NxMのサブアレイに分割される2次元のアレイからのデータの収差補正のために特に有用である。
最初に図1では、体を撮像する超音波トランスデューサ10が描かれている。この図では、身体内の音波散乱体76から戻ってくるエコー信号からイメージを生成することが望ましい。これらの散乱体は、心臓のような撮像されるべき組織である。ステアリングされ焦点合わせされたビームとして送信され(矢印82により示される)受信される(矢印84により示される)超音波が、トランスデューサ10により送信され受信される。身体への波面移動として不均質組織72と最初に出会う。この組織は、腹部及び胸部壁でしばしば見られるような皮膚、脂肪、筋肉及び皮膚の下にあばらを通常有する。波面は、超音波システムの幾何学的焦点式により推測される速度よりもこの不均質組織を通って僅かに異なる速度で移動する。散乱体76へ僅かに異なる経路をとるアレイトランスデューサからの異なる波面は、合焦ポイントと意図されるものと同時というよりはむしろ僅かに異なる時に散乱体に到達できる。不均質組織は、アレイトランスデューサの素子への戻りでエコー波面にまた出会う。従って、アレイ素子から時間コヒーレンスに信号を持ってくるために幾何学的合焦式により計算される遅延がアベレータ(収差を起こすもの)により生じる時間シフトを考慮に入れてないので、不均質の収差は、受信された信号の最適な合焦より劣ってしまう。
本発明の原理によると、収差補正がハーモニックなエコー信号データとハーモニックでないエコー信号データとを比較することによりなされる。好ましい実施例において、超音波が周波数fでトランスデューサ10により送信され、周波数nxfでのハーモニックなエコー信号が受信される。他の高調波又はサブ高調波が用いられても良いが、以下の例では、n=2の場合の2次の高調波が用いられるだろう。基本周波数fの波が不均質組織72を通過するので、これらの波は組織内のアベレータにより影響を受けて、遭遇したアベレータに関係して時間的にシフトされる。しかしながら、結果的な位相の歪みは、送信波の相対的に低い周波数fのため相対的に小さい。その後波は、経路上の軟組織74を通過して散乱体76へ行き、それにより軟組織の非線形媒質が波を歪ませて周波数2fのハーモニック信号成分を生じさせる。ハーモニック成分の発生は、圧力波が撮像される領域内に焦点が来るほど増大する。主要なハーモニック成分の発生が不均質媒質を通る波の通過の後で起こるので、ハーモニックな波成分は、この組織の収差効果によって相対的には影響を受けない。ハーモニックな信号は散乱体76により反射され、エコーが受信のためトランスデューサ10へ戻る。
トランスデューサはまた、基本周波数信号を送信し受信する。好ましい実施例においては、基本周波数信号が周波数nfで送信され、周波数nfで受信される。この例では、n=2であり、送信周波数は2fである。この周波数の波が不均質媒質72を通っていくので、これらの波は、高い周波数2fでの相対的に大きな位相シフトを生じさせる不均質組織のアベレータにより生じる時間シフトによって影響される。基本周波数波2fは、ハーモニックな信号が発生したような不均質組織の通過後の生成の利益が得られない。基本周波数信号は散乱体76に到達し反射されて、トランスデューサ10により受信される。
収差効果がないと、両方とも2fの周波数の受信されたハーモニック信号及びハーモニックでない信号は、実質的に同一であるべきである。以下に議論されるように、このことは実質的に送信事象間で介在する動きがない場合であり、信号の周回スペクトル反応は、基本エコー及びハーモニックエコーに適用される相対的送信パワー又はゲイン補正(B/A)のような考慮によって等しくされる。しかし、収差があると、ハーモニックでない信号が上記理由によりハーモニック信号に対してより大きく劣るはずである。したがって、ハーモニック信号は、ベースライン又はハーモニックでない信号の収差効果が比較され収差補正が作られる基準として用いられる。
本発明の他の態様によると、ハーモニック信号及びハーモニックでない信号は、逆伝播のプロセスにより比較される。両方のタイプの信号のエコーデータは、これらの2つの信号タイプに対して開口データを決定するために逆伝播され、開口データの複素比は推定される収差補正を作るために形成される。収差補正値は、収差補正されたビームフォーマ遅延を作るために幾何学的な焦点合わせ遅延値(又は以前の収差補正により変形された幾何学的焦点合わせ遅延値)と組み合わされる。
この収差補正の数学的算出は、以下の通りである。この分析は、数学を簡単にするために狭帯域遠隔フィールド(a narrow band far field)(又は焦点)近似とする。全超音波ラインは、フェイズドアレイトランスデューサの中心にセンターを持つ単位ベクトル及び音響ラインの方向に沿ったポインティングによりk−空間で記述される。トランスデューサの全開口が、音波を身体へ送信するために用いられる。データが、対象の面又は容積をカバーする送信アングルのシーケンスで集められる。アレイの面での送信圧は数学的に、
により記述でき、ここでk0はステアリングベクトルであり、ベクトルxは送信素子の位置を記述し、関数Aは開口を規定すると共にアポダイゼーションを記述する。位相項はステアリング位相を記述し、Fは送信周波数であり、Cは音の速度である。
送信ビーム形成は、胸部壁に続く組織内で起こる。送信波面は体内を通過し、以下の式により与えられるビームプロファイルを形成する。
ここで、Fは周波数、Pは局地的圧力、及びCは音速である。非線形媒質74は、入射圧力の二乗に比例する圧力の2次のハーモニックを生成する。散乱体は前記圧力を反射し、
により重みを加える。単一のトランスデューサ受信素子は、戻ってきた波を問い合わせするために用いられる。単一の素子は何の方向性も持っていないので、全てのk空間にわたり圧力を積分し、下記の式で表される。
この受信データは、各送信ステアリング角k0に対して記憶され、その後下記の式でフーリエ変換を用いて等化の開口データを見いだすために“逆伝播される”。
ここで、Rはk0により与えられる送信ステアリング角に対する受信データであり、ベクトルyは開口内の位置である。関数G(y)は、ハーモニックでない場合及びハーモニックな場合に対して、収差見積もりを供給する逆伝播されたハーモニックなデータとハーモニックでないデータとの比と比較される。この分析の詳細は、表Iに示される。詳細な分析において留意する重要なことは、散乱項S(x)が最終結果に現れないことである。このことは、収差見積もりが撮像される散乱体ターゲットから独立していることを意味する。実際的なシステムとしては、G(y)を計算するために用いられた積分は、離散加算により置き換えられる。
上述の分析は、フルの送信開口及び単一の受信素子に対してである。以下に議論される他の実施例は、サブアレイの受信素子を利用している。
本発明の原理に従って構成された超音波診断画像システムが図2に示される。プローブ12は、素子10eから成るアレイトランスデューサ10を含む。アレイトランスデューサは、イメージフィールド14にわたって走査線を送受信する。この実施例では、プローブ12は、本発明ではリニアアレイ及び他のトランスデューサタイプにも等しく適用できるが、イメージフィールドにわたって異なる角度で走査線をステアリングすることにより、イメージフィールドを走査するフェイズドアレイプローブである。プローブ12は高エネルギー送信パルスから受信ビームフォーマを保護する送受信スイッチ16により送信ビームフォーマ20及び受信ビームフォーマ24と接続される。送信ビームフォーマにより送信されるビームのステアリング及び焦点合わせは、ビームフォーマ遅延生成器26により供給される送信遅延値により達成され、これはまた受信ビームをステアリングし動的に合焦させるために受信遅延値を受信ビームフォーマに与える。ビームフォーマ遅延生成器は、所望のビーム角及び焦点のためにビームフォーマに供給される幾何学的合焦遅延テーブルのライブラリにアクセスするか、遅延生成器は個別の送受信シーケンスの前にビームに対する遅延値を計算してもよい。送信ビームフォーマは、送信波の周波数、すなわち基本周波数f又は高周波数nfの何れかでの送信を制御する周波数制御22に応答する。
検出器40に結合される受信ビームフォーマ24は、コヒーレントな走査線データを形成する。前記検出器は、Bモードイメージングのための振幅検出又はドップラーイメージングのためのスペクトラル検出を実施する。検出されたエコー信号は、走査線信号を所望のイメージフォーマットへ処理するイメージプロセッサ42へ供給される。結果としてイメージは、ディスプレイ44に表示される。
受信ビームフォーマ24は、ハーモニックなエコーデータメモリ32及びハーモニックでないエコーデータメモリ34にも結合される。
受信ビームフォーマが基本周波数fの送信に応じてハーモニックなエコーデータ2fを受信しているとき、ハーモニックなイメージ走査線はメモリ32に記憶される。受信ビームフォーマが基本周波数2f送信から基本周波数データ2fを受信しているとき、基本イメージ走査線はメモリ34に記憶される。収差補正がイメージフィールド内の離散範囲rでのみ実施されるべきならば、メモリサイズは単一メモリ装置の異なる記憶領域でもよいメモリ32及び34に範囲rでエコーデータをゲートするだけで最小化される。収差補正は、特にイメージ範囲rに対してなされてもよく、ここで撮像されるべき散乱体は送信焦点範囲のような、又は複数の異なる範囲に対して位置される。ハーモニックなイメージデータ及びハーモニックでないイメージデータは、既知の総合的な差に対してハーモニックなデータとハーモニックでないデータとを等化させ収差補正値を見積もるためにハーモニックでないデータをハーモニックなデータと比較する収差補正プロセッサ30に供給される。この比較は、以下に充分述べられるように、逆伝播及びハーモニックなデータセットとハーモニックでないデータセットとの比較によりなされる。収差補正値は、収差が低減された超音波イメージの生成のため幾何学的な遅延値と当該収差補正値が組み合わせられるビームフォーマ遅延生成器26と結合される。
図3は、図2の超音波システムの収差補正サブシステムをより詳細に示す。広帯域のアレイトランスデューサがイメージングのために使用されるとき、フィルタリングがないと受信ビームフォーマは広帯域走査線データを生成するだろう。この例では使用されるハーモニックは2次のハーモニックであり、広帯域信号からハーモニックを抽出することが必要である。このことは、ハーモニック周波数2fを通過するために設定されたフィルタ46により達成される。フィルタ46は米国特許第5、951、478号に記載されているようにパルス反転処理により基本信号からハーモニックな信号を分離してもよい。2次のハーモニックなイメージf2Hの走査線は、メモリ32に記憶される。
基本周波数2fでの走査線が受信されるとき、これらは2fフィルタ46により通過されてもよいし、又はフィルタはバイパスされてもよい。ハーモニックでないイメージ走査線は、その後2fメモリ34に記憶される。フィルタ46からの高周波信号は、データ量を低減するためにベースバンド周波数帯域へ、よって収差補正サブシステムのために要求される帯域幅へこれらをミキシングすることにより復調される。
ハーモニックなデータセット及びハーモニックでないデータセットは、f2H:2f等化プロセッサ62により総合的な違いに対して等化される。2つのデータセットが1つの例として同じ等化の開口及び帯域幅を持つことが望ましい。これら2つのデータセットの周回スペクトル応答は、他の例として同一であるように調整されることもできる。後者の場合、もっと多くの送信パルスがハーモニックでないデータのより高い送信周波数2fで使用されることもできるし、又は受信フィルタ調整を補正することができる。前者の場合、同一の開口幅がこれら2つのデータセットに対して使用できる。ハーモニックなイメージ三角形の開口のような基本イメージが見えるようにするために、重み付けが1Dアレイでの基本イメージングの間用いられ、又は2Dアレイの正方形若しくは長方形開口に対してはピラミッド的な重み付けが用いられる。送信アポダイゼーションが利用されないならば、アポダイゼーション重み付けが逆伝播受信データに適用される。
等化されたデータセットは、フーリエ変換プロセッサ64により各データセットのフーリエ変換により逆伝播される。逆伝播の目的は、開口ドメインでの信号の比較を作ることである。補正が適用できる(例えば活性化している開口内の各素子のゲイン及び/又は位相調整)ドメインであるので、開口ドメインでの収差効果を見積もることが所望される。受信する開口へ収差時間シフトされた波面の伝搬により作られた波形振幅及び形状についての変化は、適用される補正により除去されるだろう。逆伝播は、イメージアングル間、すなわち各データセットの異なってステアリングされた走査線に適用されるフーリエ変換を使用することによりなされる。フーリエ変換の結果は、開口比計算機66によりハーモニックでない結果及びハーモニックな結果の分割によるものとして2つの結果の振幅比較又は位相比較により比較される。上記比較は、ベースバンド信号の比を採用し、位相検出器を使用し、振幅復調された信号の比を採用し又は2つの信号の相互相関を採用することによりなされる。逆伝播されたデータセットの複素比は、ゲイン及び位相補正両方に対する測定された収束補正値を与える。
この明細書の始めで付与された数学的解析が単一のトランスデューサ素子による受信のためであった間は、単一素子は領域について選択可能ではなかった。サブアレイとして受信素子のグループの使用は、改善されたSN比と同様に組織の異なる領域に対して、異なる収差値の見積もり、ステアリングされ焦点合わせされるビームの使用を可能にする。このことは、収差データが得られるべきイメージ領域へ受信サブアレイをステアリングすることによりなされる。
送信は、受信ビームプロファイル内の領域を充分にカバーするため送信ステアリング角の範囲にわたってなされる。受信ステアリング角は、固定されて保持される。ハーモニックなイメージデータ及びハーモニックでないイメージデータが、このようにして得られ、前記領域に対する収差補正値を生成する処理のため記憶される。サブアレイの素子の使用は、米国特許第5、229、933号及び第5、997、479号に示されるように、2Dアレイでの三次元イメージングのためにしばしば用いられるサブアレイビーム形成とも良く適合する。分離した収差補正値は、各グループの素子に対して見積もられ、同じ値を使用するグループのサイズがアベレータサイズに対応するように選択される。同じ補正値が使用されるステアリング角の範囲が、同じ補正値を使用する素子の範囲と同様に選択される。ステアリング角の大きな範囲が小さな数のトランスデューサ素子と対応するので、これら2つは関係がある。
三次元イメージング中に収差補正を供給する2Dアレイの実施例において、48素子x60素子の2Dアレイは、12グループx12グループのNxMアレイに分割される。これは、各グループが4x5の20素子のグループとなる。図3のサブシステムが収差補正のために使用されるとき、12x12、即ち144個の2Dフーリエ変換が各データセットに対して計算される。フーリエ変換は、上下に4、アジマスに5の20ステアリング角にわたりできる。
イメージフレーム毎の始まりでハーモニックなデータセット及びハーモニックでないデータセットの両方の送受信をなすことが可能な一方で、どのデータセットもイメージフレームに対して用いられないならば、フレームレートは補正なしのフレームレートの3分の1に減少するだろう。このフレームレート減少を回避するため、イメージされたデータセットは収差補正データセットの1つに対して用いることができる。データセットの取得は、一度に10個のイメージフレーム毎のような周期ベースでできる。取得及び補正は時間的インターリーブベースでなされ、1つ又は幾つかの範囲に対して1つ又は幾つかのサブアレイだけの取得及び補正がイメージフレーム間で実施できる。多数のイメージフレームのコースにわたって、全アレイ及びイメージフィールドが補正され、更新されるだろう。
Claims (21)
- 超音波トランスデューサアレイビームフォーマに対して収差補正値を供給する方法であって、収差を含む超音波画像フィールドからハーモニックエコーデータを取得し、前記超音波画像フィールドからハーモニックではないエコーデータを取得し、収差補正値を推定するために前記ハーモニックではないエコーデータを前記ハーモニックエコーデータと比較し、前記収差補正値を前記ビームフォーマへ与える、方法。
- 比較することが低い収差基準として前記ハーモニックエコーデータを使用することを含む、請求項1に記載の方法。
- ハーモニックエコーデータを取得することが、所与の周波数を持つハーモニックエコーデータを取得することを含み、ハーモニックでないエコーデータを取得することが、前記所与の周波数を持つハーモニックでないエコーデータを取得することを含む、請求項2に記載の方法。
- ハーモニックエコーデータを取得することが、基本送信周波数の2次高調波を取得することを含む、請求項3に記載の方法。
- 比較することが更にハーモニックエコーデータとハーモニックでないエコーデータとの相互相関を実行することを含む、請求項1に記載の方法。
- 比較することが更にハーモニックエコーデータとハーモニックでないエコーデータとを逆伝播することを含む、請求項1に記載の方法。
- 比較することが更に逆伝播されたハーモニックエコーデータとハーモニックでないエコーデータとの複素比を形成することを含む、請求項6に記載の方法。
- 比較することが更に総合的差に対してハーモニックエコーデータとハーモニックでないエコーデータとを等化することを含む、請求項1に記載の方法。
- 等化することが前記ハーモニックでないエコーデータを取得中に三角アポダイゼーションとピラミッドアポダイゼーションとのうちの少なくとも1つを適用することを含む、請求項1に記載の方法。
- 比較する前に前記ハーモニックエコーデータと前記ハーモニックでないエコーデータとを復調することを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 音収差の速度に対して補正される超音波診断画像システムであって、超音波を送信及び受信するアレイトランスデューサと、前記アレイトランスデューサに結合され、前記アレイトランスデューサが複数の選択可能な周波数で超音波を送信可能にする送信ビームフォーマと、前記アレイトランスデューサに結合された受信ビームフォーマと、幾何学的に導き出された遅延をビームフォーマへ供給するように働く前記受信ビームフォーマ及び前記送信ビームフォーマのうちの少なくとも一方に結合されたビームフォーマ遅延発生器と、ハーモニックデータセット及びハーモニックでないデータセットを記憶するように働く、前記受信ビームフォーマに結合されたデータ記憶装置と、前記ビームフォーマ遅延発生器に結合された出力部を持ち、前記ハーモニックデータセット及び前記ハーモニックでないデータセットに応答して、前記ビームフォーマ遅延発生器にハーモニックデータとハーモニックでないデータとの比較により形成される収差補正値を供給するように働く収差補正プロセッサとを有する、超音波診断画像システム。
- 前記収差補正プロセッサが相対的に低い収差効果を示す基準として前記ハーモニックでないデータを利用する、請求項11に記載の超音波診断画像システム。
- 前記送信ビームフォーマが、周波数fで超音波の送信と周波数nfでハーモニック超音波の受信とのための動作の第1モードと、周波数nfで超音波の送信と周波数nfでハーモニックでない超音波の受信とのための動作の第2モードとを示す、請求項12に記載の超音波診断画像システム。
- 周波数nfの前記ハーモニック超音波が基本周波数fの2次の周波数高調波である、請求項13に記載の超音波診断画像システム。
- 前記収差補正プロセッサが相互相関プロセッサを有する、請求項11に記載の超音波診断画像システム。
- 前記収差補正プロセッサが逆伝播プロセッサを有する、請求項11に記載の超音波診断画像システム。
- 前記逆伝播プロセッサが、フーリエ変換プロセッサを有する、請求項16に記載の超音波診断画像システム。
- 前記フーリエ変換プロセッサが、前記ハーモニックデータセット及び前記ハーモニックでないデータセットを当該データセットの焦点範囲に略等しい範囲まで逆伝播するように動作可能である、請求項17に記載の超音波診断画像システム。
- 前記収差補正プロセッサがハーモニックデータ/ハーモニックでないデータ等化プロセッサを有する、請求項11に記載の超音波診断画像システム。
- 周波数nfで超音波エコーデータを通過させる、前記受信ビームフォーマの出力部に結合されたフィルタを有する、請求項13に記載の超音波診断画像システム。
- 前記収差補正プロセッサの出力部と前記受信ビームフォーマとの間に結合された復調器を有する、請求項11に記載の超音波診断画像システム。
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