JP2013106957A - ビームフォーミング装置及び方法、これを行う医療画像システム、並びにコンピュータで読取可能な記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】高解像度の診断画像をより少ない演算量で生成できるビームフォーミング装置及び方法、並びにこれを行う医療画像システムを提供する。
【解決手段】ビームフォーミング装置１００は、既測定のエコー信号のビームフォーミング係数から獲得された複数の基底ベクトルを保存する保存部１１０と、保存された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に適用される加重値を算出する加重値算出部１２０と、保存された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に算出された加重値を適用し、加重値が適用された信号を合成する合成部１３０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビームフォーミング方法に係り、より詳しくは、これを行う装置、医療画像システム、並びにコンピュータで読取可能な記録媒体に関する。

画像システムにおいて、固定型ビームフォーミング（Ｆｉｘｅｄ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）技法又は適応型ビームフォーミング（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）技法が利用できる。固定型ビームフォーミング技法は、入力信号と関係なく、ハミングウィンドウ（Ｈａｍｍｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ）又はハニングウィンドウ（Ｈａｎｎｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ）を利用する方法であって、データ独立型ビームフォーミング（Ｄａｔａ−Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）とも言う。適応型ビームフォーミング技法は、入力信号によるビームフォーミング係数を利用する方法であって、データ依存型ビームフォーミング（Ｄａｔａ−Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）とも言う。

本発明が解決しようとする課題は、より高解像度の診断画像を、より少ない演算量で生成できるビームフォーミング装置及び方法、並びにこれを行う医療画像システムを提供することである。また、前記方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読取可能な記録媒体を提供することである。また、本発明が解決しようとする課題は、前記のような技術的課題に限定されず、さらに他の技術的課題が、本発明の詳細な説明から明らかになるか、又は、本発明の実施形態を実行することで習得できるであろう。

前記課題を解決するためのビームフォーミング装置は、既測定のエコー信号のビームフォーミング係数から獲得された複数の基底ベクトル（Ｂａｓｉｓ ｖｅｃｔｏｒ）を保存する保存部と、前記保存された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に適用される加重値を算出する加重値算出部と、前記保存された複数の基底ベクトルを利用して、前記被写体から反射されたエコー信号に前記算出された加重値を適用し、前記加重値が適用された信号を合成する合成部と、を備える。

前記他の課題を解決するための医療画像システムは、既測定のエコー信号のビームフォーミング係数から獲得された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に適用される加重値を算出し、前記被写体から反射されたエコー信号に前記算出された加重値を適用し、前記加重値が適用された信号を合成するビームフォーミング装置と、前記ビームフォーミング装置から出力された信号を利用して診断画像を生成する診断画像生成部と、を備える。

前記さらに他の課題を解決するためのビームフォーミング方法は、既測定のエコー信号のビームフォーミング係数から獲得された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に適用される加重値を算出するステップと、前記複数の基底ベクトルを利用して、前記被写体から反射されたエコー信号に前記算出された加重値を適用し、前記加重値が適用された信号を合成するステップと、を含む。

前記さらに他の課題を解決するための前記ビームフォーミング方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読取可能な記録媒体を提供する。

本発明によればエコー信号の次元を低減できるので、リアルタイム高解像度診断画像を獲得するためのビームフォーミングにおいて、処理せねばならない演算量が顕著に減少する。

本実施形態によるビームフォーミング装置の一例を示す図面である。 （Ａ）は，本実施形態によるアイゲンベクトル（Ｅｉｇｅｎ ｖｅｃｔｏｒ）の一例を示す図面であり、（Ｂ）は、本実施形態による基底ベクトル（Ｂａｓｉｓ ｖｅｃｔｏｒ）の一例を示す図面である。 図１に示したビームフォーミング装置の他の例を示す図面である。 本発明の他の実施形態による医療画像システムを示す図面である。 本実施形態によるビームフォーミングを行う方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。
図１は、本実施形態によるビームフォーミング装置１００の一例を示した図面である。図１を参照すれば、ビームフォーミング装置１００は、保存部１１０、加重値算出部１２０及び合成部１３０で構成される。

図１に示したビームフォーミング装置１００には、本実施形態に関連する構成要素だけが示されている。従って、当業者ならば、図１に示した構成要素以外に、他の汎用的な構成要素がさらに含まれ得ることが分かるであろう。

また、図１に示したビームフォーミング装置１００の加重値算出部１２０及び合成部１３０は、一つ又は複数のプロセッサに相当する。プロセッサは、複数の論理ゲートのアレイで具現されるか、又は汎用的なマイクロプロセッサと該マイクロプロセッサで実行されるプログラムが保存されたメモリとの組合わせて具現される。また、当業者ならば、他の形態のハードウェアでも具現できることが分かるであろう。

ビームフォーミング装置１００は、被写体から反射されたエコー信号を利用して受信ビームを形成する装置である。この時、例えば、被写体は人体の腹部、心臓などであり、エコー信号は被写体から反射された超音波信号であるが、これに限定されない。

保存部１１０は、既測定のエコー信号のビームフォーミング係数から獲得された複数の基底ベクトルを保存する。この時、ビームフォーミング係数は、チャネル別又はサブアレイ（ｓｕｂ−ａｒｒａｙ）別に適用される加重値（ｗｅｉｇｈｔ）となる。本実施形態によるチャネルは例えば、エコー信号を受信するトランスデューサ（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）であり、サブアレイは例えば、複数のトランスデューサを含む副開口（ｓｕｂ−ａｐｅｒｔｕｒｅ、サブアパーチャ）であるが、これに限定されない。

本実施形態における既測定のエコー信号は例えば、所定の被写体から反射されたエコー信号であり、この時、所定の被写体は、ビームフォーミング装置１００でビームフォーミングを行うエコー信号に対する被写体と同一であるが、これに限定されない。

例えば、保存部１１０は、既測定のエコー信号のビームフォーミング係数に主成分分析（Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＰＣＡ）を行って獲得された複数の基底ベクトルを保存する。

さらに詳細に説明すれば、既測定のエコー信号のビームフォーミング係数は、最小分散法（Ｍｉｎｉｍｕｍ ｖａｒｉａｎｃｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）によって、チャネル別又はサブアレイ別に算出される。この時、最小分散法によって算出されたビームフォーミング係数は、最適加重値（ｏｐｔｉｍａｌ ｗｅｉｇｈｔ）となる。

最小分散法によって算出されたビームフォーミング係数を利用して主成分分析を行うことによって、複数のアイゲンベクトル（Ｅｉｇｅｎ ｖｅｃｔｏｒ、固有ベクトル）が獲得され、獲得されたアイゲンベクトルのうち一部が基底ベクトルとして保存部１１０に保存される。

この時、保存部１１０に保存される基底ベクトルは、主成分分析によって獲得されたアイゲンベクトルのうち、アイゲンバリュー（Ｅｉｇｅｎ ｖａｌｕｅ、固有値）が大きい順序による所定数のベクトルとなる。ユーザは、保存部１１０に保存される基底ベクトルの数を決定し、決定された数だけの基底ベクトルが保存部１１０に保存される。本実施形態によるビームフォーミング装置１００のユーザは例えば、医者、看護婦、医療画像専門家などの医療専門家であるが、これに限定されず、ビームフォーミング装置１００の設計者も含まれる。

主成分分析によって獲得されるアイゲンベクトル及び基底ベクトルについて、以下、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照してさらに詳細に説明する。
本実施形態による保存部１１０は、通常の記録媒体であって、例えば、ハードディスクドライブ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ：ＨＤＤ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ（Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ）及びメモリカード（Ｍｅｍｏｒｙ Ｃａｒｄ）を含む記録媒体の何れかである。

加重値算出部１２０は、保存部１１０に保存された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に適用される加重値を算出する。本実施形態による加重値算出部１２０によって算出される加重値は、アポダイゼーション（ａｐｏｄｉｚａｔｉｏｎ）関数を構成する一つのパラメータとして使われる。また、被写体から反射されたエコー信号は、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）データとなる。

本実施形態による加重値算出部１２０は例えば、保存部１１０に保存された複数の基底ベクトルを全て利用して加重値を算出するが、これに限定されず、ユーザの決定による所定数の基底ベクトルを利用して加重値を算出する方法もある。

また、この時、加重値算出部１２０で加重値を算出するために利用されるエコー信号は、ビームフォーミングのための時間遅延値が適用されたエコー信号であるが、これに限定されない。本実施形態によるビームフォーミングのための時間遅延値は例えば、焦点（ｆｏｃａｌ＿ｐｏｉｎｔ）とトランスデューサとの距離による誤差を補正する時間遅延値である。

以下、被写体から反射されたエコー信号がＭ個のチャネルから受信される場合を例として説明するが、これに限定されず、被写体から反射されたエコー信号は、Ｍ個のサブアレイから受信される方法もある。

加重値算出部１２０は、保存部１１０に保存された基底ベクトルのうちＭ個未満の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に適用される加重値を算出する。

さらに詳細に説明すれば、加重値算出部１２０は、被写体から反射されたエコー信号を保存部１１０に保存された複数の基底ベクトルの各々に投影し、投影されたエコー信号を利用して加重値を算出する。これについては、以下、図３の加重値算出部１２０を参照してさらに詳細に説明する。

このように、加重値算出部１２０で、基底ベクトルに投影されたエコー信号を利用して加重値を算出することによって、エコー信号の次元（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）が低減され、加重値を算出する演算量が著しく減少する。

合成部１３０は、保存部１１０に保存された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に、加重値算出部１２０で算出された加重値を適用し、加重値が適用された信号を合成する。この時、合成部１３０は、ビームフォーミングのための時間遅延値が適用され、且つ、基底ベクトルに投影されたエコー信号に加重値を適用する。

本実施形態による合成部１３０は例えば、保存部１１０に保存された複数の基底ベクトルを全て利用して加重値を適用するが、これに限定されず、ユーザの決定による所定数の基底ベクトルを利用して加重値を適用する方法もある。

これにより、合成部１３０は、被写体から反射されたエコー信号に、複数の基底ベクトルのうち少なくとも一部の基底ベクトルに係わる加重和を適用する。このような場合、基底ベクトルに対する加重和を適用するための加重値は、加重値算出部１２０で算出された加重値に対応する。

また、合成部１３０は、加重値が適用された信号を合成する。合成部１３０は、加重値が適用された信号を合成した結果によって形成された受信ビームを出力する。

例えば、合成部１３０は、加重値が適用された信号を合算して一つの受信ビームを形成する。合成部１３０は、加重値が適用された信号を合算することによって、焦点から反射された超音波信号を推定する。

これにより、本実施形態によるビームフォーミング装置１００は、演算量を抑制しながら、高解像度診断画像を生成するための受信ビームを形成する。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、本実施形態によるアイゲンベクトル及び基底ベクトルの一例を示した図面である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照すれば、アイゲンベクトルを示すグラフ２１及び基底ベクトルを示すグラフ２２が示されている。

以下、説明の便宜上、最小分散法によって算出された６４個のチャネルに係わるビームフォーミング係数を利用して主成分分析を行い、４０個の基底ベクトルを保存部１１０に保存する場合を例として説明するが、これに限定されない。

アイゲンベクトルを表すグラフ２１は、６４個のチャネルに係るビームフォーミング係数について主成分分析を行った結果を示す。グラフ２１を参照すれば、主成分分析を行った結果によって生成されたアイゲンベクトルが、アイゲンバリューの大きさの順に整列されている。例えば、アイゲンベクトルのインデックスが１である第１アイゲンベクトルのアイゲンバリューが最も大きく、アイゲンベクトルのインデックスが増加するほど、アイゲンバリューが減少する。

基底ベクトルを表すグラフ２２は、４０個の基底ベクトルを示す。グラフ２２を参照すれば、アイゲンベクトルのうちアイゲンベクトルのインデックスが４０以下である第１乃至第４０アイゲンベクトルが示されている。この時、グラフ２２に示した第１乃至第４０アイゲンベクトルは、保存部１１０に保存されるべき基底ベクトルに当たる。また、基底ベクトルは、所定の次元を有するように具現され、これにより、グラフ２２は、次元インデックスによる基底ベクトルを表す。

これにより、保存部１１０は、４０個の基底ベクトルを保存し、加重値算出部１２０及び合成部１３０は、ユーザの決定による４０個又は４０個未満の基底ベクトルを利用して加重値を算出及び適用する。

図３は、図１に示したビームフォーミング装置１００の他の例を示した図面である。図３を参照すれば、ビームフォーミング装置１００は、時間遅延値適用部１０５、保存部１１０、投影部１１５、加重値算出部１２０、加重値適用部１３０及び合成部１３０で構成される。

図３に示したビームフォーミング装置１００には、本実施形態に関する構成要素だけが示されている。従って、当業者ならば、図３に示した構成要素以外に、他の汎用的な構成要素がさらに含まれ得ることが分かるであろう。また、図３に示したビームフォーミング装置１００の時間遅延値適用部１０５、投影部１１５、加重値算出部１２０及び合成部１３０は、一つ又は複数のプロセッサに対応する。

図３に示したビームフォーミング装置１００は、図１に示したビームフォーミング装置１００の一実施形態に当たる。これにより、本実施形態によるビームフォーミング装置１００は、図３に示したユニットに限定されない。また、図１に関連して記載した内容は、図３に示したビームフォーミング装置１００にも適用可能であるので、重複説明は省略する。

ビームフォーミング装置１００は、被写体から反射されたエコー信号を利用して受信ビームを形成する装置である。例えば、ビームフォーミング装置１００は、数式１のような演算を行う。

数式１で、ｚ［ｎ］は、例えば深さ方向に異なる被写体の第ｎ位置でビームフォーミングされた結果を表す信号である。この時、深さ方向の第ｎ位置は、第ｎ番目の焦点に対応し、ビームフォーミングされた結果によるｚ［ｎ］は、ビームフォーミングされた結果によって形成された受信ビームに対応する。

Ｍは、ビームフォーミングに関与する受信チャネルの数又はビームフォーミングに関与する受信サブアレイの数となる。以下で、Ｍは、受信チャネルの数、ｍは、Ｍ個のチャネルのうち第ｍチャネルを表すが、これに限定されず、Ｍは、受信サブアレイの数、ｍは、Ｍ個のサブアレイのうち第ｍサブアレイを表す場合もある。

ｗ_ｍ［ｎ］は、第ｎ位置で第ｍチャネルに適用されるビームフォーミング係数である。この時、ビームフォーミング係数は、アポダイゼーションウィンドウ、又は加重値となり、第ｍチャネルは、第ｍトランスデューサとなる。以下、このｗ_ｍ［ｎ］を「加重値」という。

ｘ_ｍ［ｎ］は、第ｎ位置で反射し、第ｍチャネルに受信されたエコー信号であり、△_ｍ［ｎ］は、第ｎ位置から第ｍチャネルの位置までの距離によって、送信信号又は受信信号が伝達される時に補償される時間遅延値となる。これにより、ｘ_ｍ［ｎ−△_ｍ［ｎ］］は、第ｎ位置で反射し、第ｍチャネルを通じて受信され、時間遅延値が適用されたエコー信号である。
エコー信号の時間軸についてこのように時間遅延値△_ｍ［ｎ］を考慮することにより、第ｎ位置と第ｍチャネルの位置との間の距離による時間遅延値に起因する誤差がキャンセルされ、より高解像度の診断画像が得られる。

これにより、ビームフォーミング装置１００は、複数のチャネルデータに対するエコー信号を利用して、一つのＲＦスキャンラインを構成する。また、ビームフォーミング装置１００は、深さ方向による第ｎ位置の相違を考慮して、被写体から反射されたエコー信号に各チャネル別に時間遅延値を適用し、時間遅延値が適用されたエコー信号に加重値を適用し、加重値が適用されたエコー信号を合成し、合成結果によって所定の位置ｎで反射する超音波信号を表す受信ビームを推定する。

数式１をベクトル形式で表現すれば、数式２のように表現される。

数式２で、Ｚ［ｎ］は、ビームフォーミングされた結果、Ｗ［ｎ］は、加重値、Ｘ_△［ｎ］は、時間遅延値が適用されたエコー信号を表し、上添字Ｈは、エルミート転置（Ｈｅｒｍｉｔｉａｎ Ｔｒａｎｓｐｏｓｅ）、上添字Ｔは、転置（Ｔｒａｎｓｐｏｓｅ）を表す。

このように、ビームフォーミング装置１００は、被写体から反射されたエコー信号に時間遅延値及び加重値を適用し、受信ビームを形成する。この時、本実施形態によるビームフォーミング装置１００は、加重値ベクトル空間の次元を低下することによって、解像度（この時の解像度は、最小分散法によって獲得されるレベルの解像度となる）に影響を殆ど及ぼさず、演算量を著しく減少できる。即ち、ビームフォーミング装置１００は、複数の基底ベクトルを利用して加重値を算出するので、加重値ベクトル空間の次元を低減できる。

時間遅延値適用部１０５は、被写体から反射されたエコー信号に時間遅延値を適用する。本実施形態によるビームフォーミングのための時間遅延値は、焦点とトランスデューサとの距離による誤差を補正する時間遅延値となる。
この補正により、焦点とトランスデューサとの距離による時間遅延値に起因する誤差がキャンセルされ、より高解像度の診断画像が得られる。

数式１を参照して説明すれば、時間遅延値適用部１０５は、被写体から反射されたエコー信号ｘ_ｍ［ｎ］に時間遅延値△_ｍ［ｎ］を適用して、ｘ_ｍ［ｎ−△_ｍ［ｎ］］を出力する。このように、時間遅延値適用部１０５で時間遅延値が適用されたエコー信号ｘ_ｍ［ｎ−△_ｍ［ｎ］］を、被写体の第ｎ位置ごとにベクトル形式で表現すると、数式２のＸ_△［ｎ］となる。

保存部１１０は、既測定のエコー信号のビームフォーミング係数から獲得された複数の基底ベクトルを保存する。この時、保存部１１０に保存される複数の基底ベクトルは、基底ベクトルの集合となる。

投影部１１５は、被写体から反射されたエコー信号を保存部１１０に保存された複数の基底ベクトルのうち、少なくとも一部の基底ベクトルの各々に投影する。この時、被写体から反射されたエコー信号ｘ_ｍ［ｎ］は、時間遅延値適用部１０５から出力される時間遅延値が適用されたエコー信号ｘ_ｍ［ｎ−△_ｍ［ｎ］］となる。

投影部１１５で投影の対象となる少なくとも一部の基底ベクトルの数は、ユーザによって決定される。保存部１１０に４０個の基底ベクトルが保存されている場合を例として説明すれば、投影部１１５は、時間遅延値が適用されたエコー信号を、ユーザの決定による４０個以下の基底ベクトルの各々に投影する。

投影部１１５でエコー信号を、ユーザの決定による所定数の基底ベクトルに投影することによって、エコー信号の次元が低下される。
投影部１１５で行われる投影についてさらに詳細に説明すれば、数式２によるビームフォーミング結果は、数式３のように表現される。

数式３で、Ｚは、ビームフォーミング結果、Ｘ_△は、時間遅延値が適用されたエコー信号、Ｕは、複数の基底ベクトル、αは、基底ベクトルに対する加重値となる。このように、本実施形態によるビームフォーミング装置１００における加重値は、Ｕとαとの積、即ち、基底ベクトルの加重和と定義される。

また、数式３は、数式４のように整理される。

数式４で、Ｘ_△Ｕは、時間遅延値が適用され、複数の基底ベクトルに投影されたエコー信号を表す。
さらに詳細に説明すれば、複数の基底ベクトルの集合を表す行列Ｕは、数式５のように定義される。

数式５で、Ｕは、複数の基底ベクトルの集合、Ｖは、アイゲンベクトル又は基底ベクトル、ｒは、ユーザによって決定される保存しようとする基底ベクトルの数となる。また、数式５で、基底ベクトルＶは、固定型ウィンドウ（Ｆｉｘｅｄ ｗｉｎｄｏｗ）として機能する。

数式４及び数式５を参照すれば、時間遅延値が適用され、複数の基底ベクトルに投影されたエコー信号Ｘ_△Ｕは、複数の基底ベクトルの集合Ｕに投影される。

このように、ビームフォーミング装置１００は、時間遅延値が適用され、基底ベクトルに投影されたエコー信号に加重値を積算してビームフォーミングを行う。これについて、副開口の個数が３２であるエコー信号を１０個の基底ベクトルに投影する場合を例として説明すれば、エコー信号の次数が、３２から１０に低下するにつれて、加重値を算出するために行われる演算量が著しく減少する。

また、投影部１１５は、ステアリングベクトル（Ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ）を、保存部１１０に保存された複数の基底ベクトルのうち少なくとも一部の基底ベクトルの各々に投影する。この時、投影部１１５で投影の対象となる少なくとも一部の基底ベクトルの数は、ユーザによって決定される。これにより、投影部１１５は、修正されたステアリングベクトルを出力する。これについて、以下の数式６及び数式８を参照して詳細に説明する。

このように、ビームフォーミング装置１００は、加重値を算出する演算量を減少させるために、時間遅延値が適用されたエコー信号を基底ベクトルに投影し、ステアリングベクトルを基底ベクトルに投影し、投影されたエコー信号及び投影されたステアリングベクトルを利用して加重値を算出する。

加重値算出部１２０は、保存部１１０に保存された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に適用される加重値を算出する。例えば、加重値算出部１２０は、投影部１１５で投影されたエコー信号を利用して加重値を算出する。

例えば、加重値算出部１２０は、数式６のような演算を行って加重値を算出する。

数式６で、αは、加重値、Ｒ_△Ｕは、Ｘ_△Ｕの標本共分散行列（Ｓａｍｐｌｅ Ｃｏｖａｒｉａｎｃｅ ｍａｔｒｉｘ）、ｅ_ｍは、修正されたステアリングベクトルとなる。

この時、加重値算出部１２０は、標本共分散行列（Ｒ_△Ｕ）の逆行列である（Ｒ_△Ｕ ^−１）を算出する際の計算の安定性（Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）を保証するために、ダイアゴナルローディング（Ｄｉａｇｏｎａｌ Ｌｏａｄｉｎｇ）技法又は軸スムージング（Ａｘｉａｌ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）技法を使用できる。

数式６で、Ｒ_△Ｕは、数式７によって定義され、ｅ_ｍは、数式８によって定義される。

数式７で、標本共分散行列Ｒ_△Ｕは、Ｘ_△Ｕと転置したＸ_△Ｕとの積に係わる期待値と定義される。この時、数式７の標本共分散行列Ｒ_△Ｕは、Ｘ_△Ｕをサブアレイ単位で処理して平均値を反映することによって、標本共分散行列Ｒ_△Ｕを獲得することもできる。

数式８で修正されたステアリングベクトルｅ_ｍは、ステアリングベクトルｅを基底ベクトルの集合Ｕに投影して獲得される。この時、ステアリングベクトルｅは、トランスデューサから被写体に送信される信号の位相を制御するためのものである。これにより、ビームフォーミングに係わる時間遅延値が予め或る方向に対して適用されたと仮定すれば、ステアリングベクトルｅは、１で構成される。

これにより、加重値算出部１２０は、投影部１１５で基底ベクトルに投影されたエコー信号及び基底ベクトルに投影されたステアリングベクトルを利用して加重値を算出するので、演算量が著しく減少する。

合成部１３０は、保存部１１０に保存された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に、加重値算出部１２０で算出された加重値を適用し、加重値が適用された信号を合成する。例えば、合成部１３０は、投影部１１５で投影されたエコー信号に、加重値算出部１２０で算出された加重値を適用する。

合成部１３０での加重値の適用は、数式３及び数式４で表現されたように、時間遅延値が適用され、複数の基底ベクトルに投影されたエコー信号Ｘ_△Ｕに、加重値は、αを積算する場合を表すが、これに限定されない。

これにより、本実施形態による投影部１１５でエコー信号を複数の基底ベクトルに投影し、合成部１３０で投影されたエコー信号に加重値を適用することによって、ビームフォーミング装置１００は、被写体から反射されたエコー信号に対してマルチウィンドウィング操作を行う。

また、合成部１３０は、加重値が適用された信号を合成する。合成部１３０の合成結果によって、数式１及び数式２で表現されたように、ビームフォーミングされた結果によって形成された受信ビームｚ［ｎ］、即ち、Ｚ［ｎ］が出力される。

これにより、本実施形態によるビームフォーミング装置１００は、演算量が著しく減少したビームフォーミングを行える。
以下では、被写体から反射されたエコー信号が、Ｍ個のチャネルから受信される場合を例として、ビームフォーミング装置１００でのビームフォーミングについてさらに詳細に説明するが、これに限定されず、被写体から反射されたエコー信号は、Ｍ個のサブアレイから受信される場合も同様である。

例えば、被写体から反射されたエコー信号Ｘは、数式９のように定義される。

数式９で、Ｘ_１は、第１チャネルから受信されるエコー信号、Ｘ_２は、第２チャネルから受信されるエコー信号、Ｘ_Ｍは、第Ｍチャネルから受信されるエコー信号となる。

時間遅延値適用部１０５は、被写体から反射されたエコー信号Ｘに時間遅延値△を適用する。例えば、時間遅延値適用部１０５で時間遅延値が適用されたエコー信号Ｘ_△は、数式１０のように定義される。

数式１０で、Ｘ_△１は、時間遅延値△１が適用された第１チャネルから受信されるエコー信号、Ｘ_△２は、時間遅延値△２が適用された第２チャネルから受信されるエコー信号、Ｘ_△Ｍは、時間遅延値△Ｍが適用された第Ｍチャネルから受信されるエコー信号となる。

保存部１１０は、既測定のエコー信号のビームフォーミング係数から獲得された複数の基底ベクトルを保存する。例えば、保存部１１０に保存される複数の基底ベクトルは、基底ベクトルの集合となり、基底ベクトルの集合Ｕは、数式１１のように定義される。

数式１１で、Ｖ_１は、第１基底ベクトル、Ｖ_２は、第２基底ベクトル、Ｖ_ｒは、第ｒ基底ベクトルとなる。この時、ｒは、ユーザによって決定可能であり、１以上の定数となる。

投影部１１５は、被写体から反射されたエコー信号を保存部１１０に保存された複数の基底ベクトルのうち少なくとも一部の基底ベクトルの各々に投影する。

ユーザが保存部１１０に保存されたｒ個の基底ベクトルのうち、ｋ個の基底ベクトルを利用してビームフォーミングを行う場合を例として説明する。この時、ｋは、ユーザによって決定可能であり、１以上の定数となる。また、ｋは、ｒより小さいか同じであり、Ｍより小さい。即ち、本実施形態によって使われる基底ベクトルの数は、チャネルの数より少ない。

これにより、投影部１１５から保存部１１０に保存された基底ベクトルのうち、ｋ個の基底ベクトルに投影された時間遅延値が適用されたエコー信号Ｘ_△Ｕは、数式１２のように定義される。

数式１２で、Ｘ_△Ｕ１は、第１基底ベクトルＶ_１に投影されたエコー信号、Ｘ_△Ｕ２は、第２基底ベクトルＶ_２に投影されたエコー信号、Ｘ_△Ｕｋは、第ｋ基底ベクトルＶ_ｋに投影されたエコー信号となる。

数式１０及び数式１２を参照すれば、被写体から反射されたエコー信号Ｘ_△は、Ｍ次元を有するが、投影部１１５によって投影されたエコー信号Ｘ_△Ｕは、ｋ次元を有する。数式１１及び数式１２で説明したように、ｋは、Ｍ未満であるので、投影部１１５の投影によってエコー信号の次元が低下する。

また、投影部１１５は、ステアリングベクトルを保存部１１０に保存された複数の基底ベクトルのうち少なくとも一部の基底ベクトルの各々に投影する。これにより、投影部１１５から保存部１１０に保存された基底ベクトルのうち、ｋ個の基底ベクトルに投影されたステアリングベクトルｅ_ｍは、数式１３のように定義される。

数式１３で、ｅ_ｍ１は、第１基底ベクトルＶ_１に投影されたステアリングベクトル、ｅ_ｍ２は、第２基底ベクトルＶ_２に投影されたステアリングベクトル、ｅ_ｍｋは、第ｋ基底ベクトルＶ_ｋに投影されたステアリングベクトルとなる。

加重値算出部１２０は、投影部１１５で投影されたエコー信号及び投影部１１５で投影されたエコー信号ステアリングベクトルを利用して加重値を算出する。例えば、加重値算出部１２０で算出された加重値は、数式１４のように定義される。

数式１４で、α_１は、第１基底ベクトルＶ_１に投影されたエコー信号に適用される加重値、α_２は、第２基底ベクトルＶ_２に投影されたエコー信号に適用される加重値、α_ｋは、第ｋ基底ベクトルＶ_ｋに投影されたエコー信号に適用される加重値となる。この時、α_ｋは、数式１２のＸ_△Ｕｋ及び数式１３のｅ_ｍｋを利用して算出される。

合成部１３０は、時間遅延値が適用され、投影されたエコー信号に算出された加重値α^Ｔを適用し、加重値α^Ｔが適用された信号を合成する。例えば、合成部１３０で時間遅延値が適用され、複数の基底ベクトルに投影されたエコー信号Ｘ_△Ｕに加重値α^Ｔを適用し、加重値α^Ｔが適用された信号を合算した結果は、数式１５のように定義される。

これにより、合成部１３０で合算した結果は、ビームフォーミングによって形成された受信ビームとなる。
これにより、本実施形態によるビームフォーミング装置１００は、診断画像の解像度を保証しつつも、演算量を低減したビームフォーミングを行える。

図４は、本発明の他の実施形態による医療画像システム４００を示した図面である。図４を参照すれば、医療画像システム４００は、ビームフォーミング装置１００、少なくとも一つのトランスデューサ４１０、診断画像生成部４２０、表示部４３０、保存部４４０及び出力部４５０で構成される。

図４に示したビームフォーミング装置１００は、図１及び図３に示したビームフォーミング装置１００の一実施形態に当たる。これにより、図１乃至図３について記載した内容は、図４に示した医療画像システム４００にも適用可能であるので、重複説明は省略する。

本実施形態による医療画像システム４００は、被写体に対する診断画像を提供する。例えば、被写体を表す診断画像を表示するか、又は被写体を表す診断画像を表示する外部装置に被写体に対する診断画像を表す信号を出力する。この時、診断画像は例えば、超音波画像となるが、これに限定されない。

少なくとも一つのトランスデューサ４１０は、被写体及び信号を送受信する。本実施形態による少なくとも一つのトランスデューサ４１０は例えば、１次元アレイトランスデューサ（Ａｒｒａｙ−Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）であるが、これに限定されず、２次元アレイトランスデューサ、３次元アレイトランスデューサともなる。

少なくとも一つのトランスデューサ４１０は、被写体に送信信号を送信し、被写体から反射されたエコー信号を受信する。
ビームフォーミング装置１００は、既測定のエコー信号のビームフォーミング係数から獲得された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に適用される加重値を算出し、被写体から反射されたエコー信号に前記算出された加重値を適用し、加重値が適用された信号を合成する。

この時、既測定のエコー信号のビームフォーミング係数から獲得された複数の基底ベクトルは、ビームフォーミング装置１００に保存されるか、又は保存部４４０に保存される。これにより、ビームフォーミング装置１００は、保存された複数の基底ベクトルのうち少なくとも一部を利用してビームフォーミングする。この時、少なくとも一部の基底ベクトルの数は、ユーザによって決定可能である。

このように、ビームフォーミング装置１００は、複数の基底ベクトルを利用して加重値を算出し、算出された加重値を適用するので、減少した演算量でビームフォーミングを行える。

また、本実施形態による少なくとも一つのトランスデューサ４１０及びビームフォーミング装置１００は、プローブ（Ｐｒｏｂｅ）に含まれるが、これに限定されず、ビームフォーミング装置１００は、医療画像システム４００の本体に含まれ、少なくとも一つのトランスデューサ４１０だけがプローブに含まれもする。

診断画像生成部４２０は、ビームフォーミング装置１００から出力された信号を利用して診断画像を生成する。診断画像生成部４２０は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）（図示せず）及びＤＳＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｃａｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）（図示せず）を含む。本実施形態によるＤＳＰは、ビームフォーミング装置１００から出力された信号に対して所定の信号処理操作を行い、ＤＳＣは、所定の信号処理操作が行われた信号を利用して形成された画像データをスキャン変換して、診断画像を生成する。

表示部４３０は、診断画像生成部４２０で生成された診断画像を表示する。例えば、表示部４３０は、医療画像システム４００に設けられたディスプレイパネル、マウス、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）画面、モニターなどの出力装置の何れかを含む。

但し、本実施形態による医療画像システム４００は、表示部４３０を備えず、診断画像生成部４２０で生成された診断画像を外部の表示装置（図示せず）に出力するための出力部４５０を備える場合もあることが当業者であれば理解できるであろう。

保存部４４０は、診断画像生成部４２０で生成された診断画像及び医療画像システム４００の動作中に発生するデータを保存する。本実施形態による保存部４４０は、通常の記録媒体からなり、保存部４４０は、ハードディスクドライブ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ：ＨＤＤ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ（Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ）及びメモリカード（Ｍｅｍｏｒｙ Ｃａｒｄ）を何れかを含むことが当業者であれば理解できるであろう。

出力部４５０は、有無線ネットワーク又は有線直列通信を通じて外部装置とデータを送受信する。この時、ネットワークは、インターネット（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、無線ＬＡＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ）、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を含むが、これに限定されず、情報を送受信する他の種類のネットワークであってもよい。また、外部装置は例えば、遠隔地に位置した他の医療画像システム、汎用コンピュータシステム、ファクシミリの何れかである。

また、当業者ならば、本実施形態による保存部４４０及び出力部４５０は、画像判読及び検索機能をさらに含み、ＰＡＣＳ（Ｐｉｃｔｕｒｅ Ａｒｃｈｉｖｉｎｇ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）のような形態に一体化できることが分かるであろう。

これにより、本実施形態によるビームフォーミング装置１００で、ビームフォーミングの実行に処理される演算量が多くないので、医療画像システム４００は、リアルタイム高解像度診断画像が生成できる。

図５は、本実施形態によるビームフォーミング方法を示したフローチャートである。図５を参照すれば、ビームフォーミング方法は、図１、図３及び図４に示したビームフォーミング装置１００又は医療画像システム４００で時系列的に処理されるステップで構成される。従って、図１、図３及び図４に示したビームフォーミング装置１００又は医療画像システム４００について説明した内容は以下では省略するけれども、図５のビームフォーミング方法にも適用できることが分かるであろう。

５０１ステップで、加重値算出部１２０は、既測定のエコー信号のビームフォーミング係数から獲得された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に適用される加重値を算出する。

５０２ステップで、合成部１３０は、既測定のエコー信号のビームフォーミング係数から獲得された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に前記５０１ステップで算出された加重値を適用し、加重値が適用された信号を合成する。

これにより、本実施形態によれば、リアルタイム高解像度診断画像を獲得するためのビームフォーミングを行える。

一方、前述した方法は、コンピュータで実行されるプログラムに作成可能であり、コンピュータで読取可能な記録媒体を利用して、前記プログラムを動作させる汎用デジタルコンピュータで具現される。また、前述した方法で使われたデータの構造は、コンピュータで読取可能な記録媒体に複数の手段を通じて記録される。前記コンピュータで読取可能な記録媒体は例えば、マグネチック記録媒体（例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光学的な判読媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）など）の何れかである。

当業者ならば、上述の各種実施形態が前記記載の本質的な特性から離脱しない範囲で変形された形態でも具現できることが分かるであろう。開示した方法は、限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されねばならない。本発明の範囲は、前述した説明にではなく、特許請求の範囲に表現されており、それと同等な範囲内にあるすべての差異は、本発明に含まれていると解釈されねばならない。

本発明は、医療関連の技術分野に好適に適用可能である。

２１ アイゲンベクトルを示すグラフ
２２ 基底ベクトルを示すグラフ
１００ ビームフォーミング装置
１０５ 時間遅延値適用部
１１０，４４０ 保存部
１１５ 投影部
１２０ 加重値算出部
１３０ 合成部
４００ 医療画像システム
４１０ 少なくとも一つのトランスデューサ
４２０ 診断画像生成部
４３０ 表示部
４５０ 出力部

Claims (17)

1. 既測定のエコー信号のビームフォーミング係数から獲得された複数の基底ベクトルを保存する保存部と、
   前記保存された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に適用される加重値を算出する加重値算出部と、
   前記保存された複数の基底ベクトルを利用して、前記被写体から反射されたエコー信号に前記算出された加重値を適用し、前記加重値が適用された信号を合成する合成部と、を備えることを特徴とするビームフォーミング装置。
2. 被写体から反射されたエコー信号を前記保存された複数の基底ベクトルのうち少なくとも一部の基底ベクトルの各々に投影する投影部をさらに備え、
   前記加重値算出部は、前記投影されたエコー信号を利用して加重値を算出し、
   前記合成部は、前記投影されたエコー信号に前記算出された加重値を適用し、前記加重値が適用された信号を合成することを特徴とする請求項１に記載のビームフォーミング装置。
3. 前記投影部は、ステアリングベクトルを前記保存された複数の基底ベクトルのうち少なくとも一部の基底ベクトルの各々に投影し、
   前記加重値算出部は、前記投影されたエコー信号及び前記投影されたステアリングベクトルを利用して加重値を算出し、
   前記合成部は、前記投影されたエコー信号に前記算出された加重値を適用し、前記加重値が適用された信号を合成することを特徴とする請求項２に記載のビームフォーミング装置。
4. 前記少なくとも一部の基底ベクトルの数は、ユーザによって決定可能であることを特徴とする請求項２又は３に記載のビームフォーミング装置。
5. 前記保存部は、前記既測定のエコー信号のビームフォーミング係数に主成分分析（Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ＿Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＿Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＰＣＡ）を行って獲得された複数の基底ベクトルを保存することを特徴とする請求項１に記載のビームフォーミング装置。
6. 前記合成部は、前記被写体から反射されたエコー信号に、複数の基底ベクトルのうち少なくとも一部の基底ベクトルに対する加重和を適用し、前記加重和が適用された信号を合成することを特徴とする請求項１に記載のビームフォーミング装置。
7. 既測定のエコー信号のビームフォーミング係数から獲得された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に適用される加重値を算出し、前記被写体から反射されたエコー信号に前記算出された加重値を適用し、前記加重値が適用された信号を合成するビームフォーミング装置と、
   前記ビームフォーミング装置から出力された信号を利用して診断画像を生成する診断画像生成部と、を備えることを特徴とする医療画像システム。
8. 前記医療画像システムは、前記複数の基底ベクトルを保存する保存部をさらに備え、
   前記ビームフォーミング装置は、前記保存された複数の基底ベクトルのうち少なくとも一部を利用してビームフォーミングすることを特徴とする請求項７に記載の医療画像システム。
9. 前記少なくとも一部の基底ベクトルの数は、ユーザによって決定可能であることを特徴とする請求項８に記載の医療画像システム。
10. 前記ビームフォーミング装置は、被写体から反射されたエコー信号を、前記複数の基底ベクトルのうち少なくとも一部の基底ベクトルの各々に投影し、前記投影されたエコー信号を利用して加重値を算出し、前記投影されたエコー信号に、前記算出された加重値を適用することを特徴とする請求項７に記載の医療画像システム。
11. 既測定のエコー信号のビームフォーミング係数から獲得された複数の基底ベクトルを利用して、被写体から反射されたエコー信号に適用される加重値を算出するステップと、
    前記複数の基底ベクトルを利用して、前記被写体から反射されたエコー信号に前記算出された加重値を適用し、前記加重値が適用された信号を合成するステップと、を含むことを特徴とするビームフォーミング方法。
12. 被写体から反射されたエコー信号を、前記複数の基底ベクトルのうち少なくとも一部の基底ベクトルの各々に投影するステップをさらに含み、
    前記加重値を算出するステップは、前記投影されたエコー信号を利用して加重値を算出し、
    前記合成するステップは、前記投影されたエコー信号に前記算出された加重値を適用し、前記加重値が適用された信号を合成することを特徴とする請求項１１に記載のビームフォーミング方法。
13. ステアリングベクトルを前記複数の基底ベクトルのうち少なくとも一部の基底ベクトルの各々に投影するステップをさらに含み、
    前記加重値を算出するステップは、前記投影されたエコー信号及び前記投影されたステアリングベクトルを利用して加重値を算出することを特徴とする請求項１２に記載のビームフォーミング方法。
14. 前記少なくとも一部の基底ベクトルの数は、ユーザによって決定可能であることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のビームフォーミング方法。
15. 前記複数の基底ベクトルは、前記既測定のエコー信号のビームフォーミング係数に主成分分析（ＰＣＡ）を行って獲得されたことを特徴とする請求項１１に記載のビームフォーミング方法。
16. 前記合成するステップは、前記被写体から反射されたエコー信号に複数の基底ベクトルのうち少なくとも一部の基底ベクトルに対する加重和を適用し、前記加重和が適用された信号を合成することを特徴とする請求項１１に記載のビームフォーミング方法。
17. 請求項１１乃至請求項１６のうち、何れか１項に記載の方法をコンピュータで実行させるためのコンピュータプログラムを保存することを特徴とするコンピュータで読取可能な記録媒体。
    

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