JP2022522241A - 無線周波数データを符号化及び復号するための方法及びシステム - Google Patents

無線周波数データを符号化及び復号するための方法及びシステム Download PDF

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Abstract

Figure 2022522241000001
マイクロビームフォーマによって無線周波数(RF)データ(例えば、電気信号)を符号化するためのシステム及び方法が、本明細書で開示される。マイクロビームフォーマは、擬似ランダムサンプリングパターンを使用して、複数のメモリセルに記憶されるRFデータのサンプルを合計することができる。メモリセルは、いくつかの例ではマイクロビームフォーマの遅延線に含まれてもよい。加算されるサンプリングは、符号化される信号から元のRFデータを再構成するデコーダに送信される符号化される信号を形成することができる。復号器は、いくつかの例では疑似ランダムサンプリングパターンの知識を使用して、元のデータを再構成することができる。

Description

本出願は、超音波信号に関連する無線周波数データの符号化及び復号化に関する。より具体的には、本出願が超音波画像システムによる復号のために、マイクロビームフォーマを用いて無線周波数データを符号化することに関する。
高解像度を提供する一方で、集束ビーム送信と動的受信ビームフォーミングによる超音波画像取得は、リアルタイムのボリュームイメージングに時間制限をもたらす。非集束ビームイメージング方法と比較して、3次元(3D)イメージング関心領域(ROI)をカバーするためには、集束ビーム伝送に約1桁長い時間がかかり、その結果、フレームレートがはるかに遅くなる。これは、3D心臓画像のような高フレームレートが重要である画像用途にとって重大な問題となり得る。より速いの画像のために、非集束超音波送信を使用することができる。フォーカスされていない送信は、フォーカスされるビーム送信と比較して、単一の送信でROIのはるかに大きな部分を照射することがある。これらの非集束送信は、平面波、あるいは球面あるいは円筒状に発散する波から成る。2次元(2D)トランスデューサアレイを有する超音波プローブは、より高速及び／又はより高解像度の3Dイメージングのために使用されてもよい。しかしながら、2Dトランスデューサアレイは、撮像システムに結合される必要がある、数百又は数千のトランスデューサ素子のアレイを有する可能性がある。超音波プローブとイメージングシステムベースとの間の多数のワイヤを回避するために、いくつかの超音波プローブは、マイクロビームフォーマを含む。マイクロビームフォーマは個々のトランスデューサ素子からの信号を受信し、いくつかの予備的なビーム形成動作を行い、トランスデューサ素子のグループ(例えば、サブアレイ、パッチ)からの信号を出力信号に結合する。予備的なビーム形成動作は個々のトランスデューサ素子からの信号に遅延を適用し、次いで、遅延される信号を加算して出力信号を生成することを含み得る。出力信号の数は、トランスデューサアレイが分割されるパッチの数に基づいてもよい。個々のトランスデューサ素子のグループの信号を出力信号に組み合わせることは、必要なチャネル数を減らすことができる。例えば、超音波プローブは、超音波システムベースに結合される128個の出力チャネルを有することができる。しかしながら、マイクロビームフォーマは典型的には集束送信ビームのために設計されており、受信ビームが送信ビーム主軸から離れてステアリングされると、画質が劣化し始めることがある。マイクロビームフォーマに結合されるトランスデューサアレイによる発散及び平面波イメージングを実施することは、画像コントラストを劣化させ、格子ローブアーチファクトを導入し得る。
発散及び平面波イメージングの潜在的な高速3Dイメージング能力を、画像劣化を低減したマイクロビームフォーマを含むトランスデューサアレイと組み合わせる技術が望まれている。
画像取得速度及び品質を増加させ得るマイクロビーム形成動作のための方法及びシステムが開示される。マイクロビーム成形及びビーム成形は、エンコーディング及びデコーディングを行う。マイクロビーム形成されるデータから直接画像を構成する代わりに、オリジナルデータは限られた数の測定値に基づいて再構成され、画像形成は再構成に基づいて実行される。ジッタサンプリングスキームはアナログRAMと互換性のある方法でデータを符号化するために、マイクロビームフォーマによって使用されてもよい。マイクロビームフォーマの符号化は、高速時間にわたって空間周波数を多重化することができる。符号化マイクロビームフォーマの出力に基づいて、本明細書に記載されるように、元の信号を計算的に安価な反転方法で再構成することができる。再構成されるデータから画像を形成することができる。
本開示の例によれば、システムは、複数のトランスデューサ素子を含むトランスデューサアレイを含むことができる。トランスデューサ素子は超音波エコーを受信し、超音波エコーを電気信号(例えば、RFデータ、RF信号変換するように構成されてもよい。システムは、複数のトランスデューサ素子に結合されるマイクロビームフォーマを含んでもよい。マイクロビームフォーマは、複数のトランスデューサ素子の第1のトランスデューサ素子に結合される第1の遅延線を含んでもよい。第1の遅延線は、第1のトランスデューサ素子から受け取った電気信号を記憶するように構成される第1の複数のメモリセルを含んでもよい。マイクロビームフォーマは、複数のトランスデューサ素子の第2のトランスデューサ素子に結合される第2の遅延線をさらに含んでもよい。第2の遅延ラインは、第2のトランスデューサ素子から受け取った電気信号を記憶するように構成される第2の複数のメモリセルを含んでもよい。マイクロビームフォーマは第1の複数のメモリセル及び第2の複数のメモリセルに記憶される電気信号をジッタリングし、ジッタ信号を生成するように構成することができる。システムはジッタ信号を受信し、電気信号を表す再構成信号を生成するように構成されるデコーダを含んでもよい。
本開示の例によれば、方法は、電気信号の複数のサンプルを取得するステップであって、電気信号が音響信号に関連付けられるステップと、複数のサンプルを複数のメモリセルに記憶するステップであって、複数のメモリセルの個々のメモリセルが複数のサンプルの個々のサンプルを記憶するステップと、複数のメモリセルのサブセットを擬似ランダムに選択するステップであって、サブセットが複数のメモリセルよりも少ない数を含むステップと、複数のメモリセルのサブセットに記憶される複数のサンプルの個々のサンプルを加算してジッタ信号を生成するステップと、ジッタ信号を復号して再構成信号を生成するステップとを含むことができる。
本開示の例による、典型的なマイクロビームフォーマ構成を有する撮像システムと、マイクロビームフォーマ構成を有する撮像システムとを示す簡略化される図を示す。 本開示のいくつかの例に従って構成される超音波画像システムのブロック図である。 本開示のいくつかの例による例示的なプロセッサを示すブロック図である。 本開示の例によるイメージングシステムの構成要素のブロック図である。 本開示の例によるプログラマブル遅延線のブロック図である。 本開示の実施例による典型的な遅延和ビーム形成及びジッタサンプリングのグラフ図である。 図7は、本開示の例によるジッタサンプルグループ化の例の図である。 本開示の例に従った、2次元アレイ内のトランスデューサ素子にわたる遅延の説明図である。 本開示の説明による、4×4パッチを有する16素子×16素子アレイにわたる擬似ランダム遅延パターンのセットの説明の図である。 本開示の説明による、3つの連続する時間サンプルが3次元で示される、説明示的なグループ900Bの図である。 本開示のいくつかの例による方法のフローチャートである。 本開示の例に従って生成されるオリジナル信号及び再構成信号の例を示す。 本開示の例に従って生成されるオリジナル信号及び再構成信号の他の例を示す。 本開示の例に従って生成されるオリジナル信号及び再構成信号の他の例を示す。
特定の例示的な実施形態の以下の説明は、本質的に例示的なものにすぎず、決して本発明又はそのアプリケーション又は使用を限定することを意図するものではない。本システム及び方法の実施形態の以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成し、説明されるシステム及び方法を実施することができる特定の実施形態を例として示す添付の図面を参照する。これらの実施形態は当業者が発明開示されるシステム及び方法を実施することを可能にするのに十分に詳細に記載されており、他の実施形態が利用されてもよく、構造的及び論理的な変更が、本システムの精神及び範囲から逸脱することなくなされてもよいことが理解されるべきである。さらに、明確にするために、特定の特徴の詳細な説明は本システムの説明を不明瞭にしないように、当業者に明らかである場合には論じない。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈されるべきではなく、本システムの範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。
本開示の原理によれば、個々のトランスデューサ素子からの信号を結合するために伝統的な遅延和アプローチを使用するのではなく、マイクロビームフォーマをエンコーダとして使用して、受信エコーに関連する無線周波数(RF)データをエンコードし、エンコードされるデータを超音波プローブからイメージングシステムベースに送信し、そこでエンコードされるデータをデコードして元のRFデータ(例えば、信号)を再構成することができる。次いで、再構成されるデータに基づいて画像を生成することができる。再構成されるデータから生成される画像は典型的な遅延総和ビーム形成から生成される画像と比較して、より少ないアーチファクト(例えば、格子ローブ)を有し得る。マイクロビーム形成のアーチファクトを緩和することに加えて、元のデータの再構成は、元のチャネルデータを必要とし得る、より高度な適応ビーム形成アルゴリズムを可能にし得る。RFデータは超音波画像アプリケーションにおいて、高度に相関し、及び／又は(例えば、高速時間で)圧縮可能であり得る。RFデータを符号化することは、この冗長性を利用し、元のRFデータを圧縮することができる。しかしながら、圧縮にもかかわらず、元のRFデータは、符号化されるデータを復号することによって依然として回復可能であり得る。これは、超音波プローブとイメージングシステムベースとの間で送信されるのに必要なデータ量を低減することができる。図1は、本開示の例による、典型的なマイクロビームフォーマ構成を有するイメージングシステム100と、マイクロビームフォーマ構成を有するイメージングシステム102とを示す簡略図である。イメージングシステム100は個々のトランスデューサ素子(図示せず)を有するトランスデューサアレイを含んでもよい、超音波プローブ104を含む。トランスデューサアレイは超音波信号を送信し、送信される超音波信号に応答するエコー信号を受信することができる。トランスデューサ素子はエコー信号に応答して電気信号(例えば、RFデータ)を生成することができる。RFデータは、トランスデューサ素子からマイクロビームフォーマ106に送信されてもよい。マイクロビームフォーマは、トランスデューサ素子からの信号をパッチに分割することができる。
図1に示す例では、トランスデューサ素子は2つのパッチP1、P2にグループ化される。マイクロビームフォーマはパッチ内の各トランスデューサから受信される信号に適切な遅延を適用し、遅延される信号を合計して、各パッチP1、P2ごとに単一の出力信号OS1、OS2にすることができる。適切な遅延は少なくとも部分的に、パッチ内の他のトランスデューサ素子に対するトランスデューサ素子の相対位置で決定されてもよい。出力信号OS1及びOS2は、部分的にビーム形成される信号であってもよい。出力信号OS1及びOS2は、イメージングシステム100のシステムベース110に含まれるメインビームフォーマ108に供給されてもよい。メインビームフォーマ108は超音波画像112を生成するために使用される完全にビーム形成される信号BFSを形成するために、出力信号OS1及びOS2に追加の遅延を適用することができる。イメージングシステム102はシステム100と同様に、トランスデューサ素子をパッチP1、P2に分割するマイクロビームフォーマ116にRFデータを送信する、個々のトランスデューサ素子(図示せず)を有するトランスデューサアレイを含んでもよい超音波プローブ114を含んでもよい。システム100とは対照的に、マイクロビームフォーマはトランスデューサ素子から受信されるRFデータをサンプリングし、及び／又は擬似ランダム方式で遅延を適用し、次いで、各パッチの遅延サンプルを合計して、符号化信号ES1、ES2を生成することができる。符号化される信号ES1、ES2は、システムベース120上に配置されるデコーダ124に供給することができる。デコーダ124は、符号化される信号ES1、ES2から元のRFデータを再構成することができる。再構成されるデータはビームフォーマ118に供給され、ビーム形成動作を実行して画像122を生成することができる。
本開示の例によれば、システムは、複数のトランスデューサ素子を含むトランスデューサアレイを含むことができる。トランスデューサ素子は超音波エコーを受信し、超音波エコーを電気信号(例えば、RFデータ、RF信号変換するように構成されてもよい。システムは、複数のトランスデューサ素子に結合されるマイクロビームフォーマを含んでもよい。マイクロビームフォーマは、複数のトランスデューサ素子の第1のトランスデューサ素子に結合される第1の遅延線を含んでもよい。第1の遅延線は、第1のトランスデューサ素子から受け取った電気信号を記憶するように構成される第1の複数のメモリセルを含んでもよい。マイクロビームフォーマは、複数のトランスデューサ素子の第2のトランスデューサ素子に結合される第2の遅延線をさらに含んでもよい。第2の遅延ラインは、第2のトランスデューサ素子から受け取った電気信号を記憶するように構成される第2の複数のメモリセルを含んでもよい。いくつかの例では、遅延線がプログラム可能な遅延線であってもよい。いくつかの例では、複数のメモリセルが循環バッファとして構成される。マイクロビームフォーマは第1の複数のメモリセル及び第2の複数のメモリセルに記憶される電気信号をジッタリングし、ジッタ信号を生成するように構成することができる。システムはジッタ信号を受信し、電気信号を表す再構成信号を生成するように構成されるデコーダを含んでもよい。いくつかの例では、システムが再構成される信号に少なくとも部分的に基づいてビーム形成される信号を生成するように構成されるメインビームフォーマを含んでもよい。いくつかの例では、メインビームフォーマがデコーダを含むことができる。いくつかの例では、システムが送信コントローラを含んでもよく、ここで、送信コントローラは超音波エコーに関連するビームを集束又はステアリングするために、マイクロビームフォーマによってジッタ信号に付加されるべき遅延を提供する。いくつかの例では、マイクロビームフォーマが第1の複数のメモリセル及び第2の複数のメモリセルからサンプリングされる電気信号を擬似ランダムに加算することによって、ジッタ信号を生成するように構成される。いくつかの例ではデコーダが再構成される信号を生成するためにジッタ信号に共分散行列を適用するように構成され、共分散行列は少なくとも部分的には第1及び第2の複数のメモリセルに記憶される電気信号のジッタサンプリングに基づく。いくつかの例では、マイクロビームフォーマが時間サンプルセグメントの擬似ランダムパターンを使用して、第1及び第2の複数のメモリセルに記憶される電気信号をジッタサンプリングするように構成される。いくつかの例では、時間サンプルセグメントの擬似ランダムパターンが第1の複数のメモリセル及び第2の複数のメモリセルの個々のメモリセルがメモリサイクル当たり1回以下でサンプリングされるように構成される。いくつかの例では複数のトランスデューサ素子の第1のサブセットが第1のトランスデューサ素子を含む第1のパッチにグループ化され、複数のトランスデューサ素子の第2のサブセットは第2のトランスデューサ素子を含む第2のパッチにグループ化される。
図2は、本開示の原理に従って構成される超音波画像システム200のブロック図を示す。本開示による超音波イメージングシステム200は超音波プローブ212、例えば、外部プローブ又は血管内超音波(IVUS)カテーテルプローブなどの内部プローブに含めることができるトランスデューサアレイ214を含むことができる。他の実施形態では、トランスデューサアレイ214が撮像される対象(例えば、被験者)の表面に共形的に適用されるように構成される可撓性アレイの形態であってもよい。トランスデューサアレイ214は超音波信号(例えば、ビーム、波)を送信し、超音波信号に応答してエコーを受信するように構成される。様々なトランスデューサアレイ、例えば、線形アレイ、湾曲アレイ、又はフェーズドアレイを使用することができる。例えば、トランスデューサアレイ214は、2D及び／又は3D画像のための仰角寸法及び方位角寸法の両方でスキャンすることができるトランスデューサ素子の2次元アレイ(図示のよう)を含むことができる。一般に知られているように、軸方向はアレイの面に垂直な方向であり(湾曲したアレイの場合、軸方向はファンアウトする)、方位角方向は一般に、アレイの長手方向寸法によって規定され、仰角方向は方位角方向に対して横断的である。トランスデューサアレイ214は、超音波プローブ212内に配置されてもよく、アレイ214内のトランスデューサ素子による信号の送受信を制御してもよいマイクロビームフォーマ216に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、マイクロビームフォーマ216がアレイ214内の能動素子(例えば、一時点に能動開口を定義するアレイの素子の能動サブセット)による信号の送受信を制御することができる。アレイ214内のトランスデューサ素子は無線周波数(RF)データ(例えば、電気信号)を生成し、RFデータをマイクロビームフォーマ216に送信することができる。いくつかの実施形態ではマイクロビームフォーマ216が例えば、プローブケーブルによって、又は無線によって、送信／受信(T／R)スイッチ218に結合されてもよく、このスイッチは送信と受信を切り替え、デコーダ244及びメインビームフォーマ222を高エネルギー送信信号から保護する。いくつかの実施形態では例えば、携帯型超音波システムではT／Rスイッチ218及びシステム内の他の要素が画像処理電子機器を収容することができる超音波システムベース内ではなく、超音波プローブ212内に含まれることができる。超音波システムベースは、典型的には信号処理及び画像データ生成のための回路、並びにユーザインターフェースを提供するための実行可能命令を含むソフトウェア及びハードウェアコンポーネントを含む。マイクロビームフォーマ216の制御下でトランスデューサアレイ214からの超音波信号の送信は送信コントローラ220によって導かれ、送信コントローラはT／Rスイッチ218と、メインビームフォーマ222に結合されるデコーダ244とに結合されてもよい。送信コントローラ220は、ビームがステアリングされる方向を制御することができる。ビームは、トランスデューサアレイ214から直進(直交)して、又はより広い視野のために異なる角度でステアリングされてもよい。非集束ビーム(例えば、平面波、発散波)も送信され得る。送信コントローラ220はまた、ユーザインターフェース224に結合されてもよく、ユーザ制御のユーザ操作から入力を受信してもよい。ユーザインターフェース224は1つ以上の機械的制御(例えば、ボタン、エンコーダなど)、タッチ感知制御(例えば、トラックパッド、タッチスクリーンなど)、及び／又は他の公知の入力デバイスを含み得る、制御パネル252などの1つ以上の入力デバイスを含み得る。
本開示の原理によれば、マイクロビームフォーマ216は、トランスデューサアレイ214のトランスデューサ素子からRFデータを受信して、符号化信号を生成することができる。符号化の詳細は、以下により詳細に説明される。マイクロビームフォーマ216は、プローブケーブルによって、又は無線でデコーダ244に結合され得る。エンコードされる信号は、マイクロビームフォーマ216によってデコーダ244に供給される。デコーダ244はRFデータを再構成するために、マイクロビームフォーマ216によって提供される符号化される信号を復号することができる。再構成されるRFデータは、デコーダ244によってメインビームフォーマ222に提供されてもよい。いくつかの実施形態では、デコーダ244が1つ又は複数のプロセッサによって実装され得る。メインビームフォーマ222は完全にビーム形成される信号を生成するために、ビーム形成動作(例えば、遅延和又は他のビーム形成動作)を行ってもよい。ビームフォーマ222のビーム形成される信号は1つ又は複数のプロセッサ(例えば、信号プロセッサ226、Bモードプロセッサ228)を含むことができる処理回路250に結合される。信号プロセッサ226は、帯域通過フィルタリング、デシメーション、I及びQ成分分離、及び高調波信号分離のような様々な方法で受信ビーム形成RFデータを処理するように構成することができる。また、信号プロセッサ226は、スペックル低減、信号複合化、及びノイズ除去のような追加の信号強化を行うことができる。処理される信号(I及びQコンポーネント又はIQ信号とも呼ばれる)は、画像生成のために追加の下流信号処理回路に結合されてもよい。IQ信号はシステム内の複数の信号経路に結合することができ、その各信号経路は異なるタイプの画像データ(例えば、Bモード画像データ、ドップラー画像データ)を生成するのに適した信号処理コンポーネントの特定の配置に関連付けることができる。例えば、システムはBモード画像データを生成するために、信号プロセッサ226からの信号をBモードプロセッサ228に結合するBモード信号経路258を含むことができる。Bモードプロセッサは、体内の構造の撮像のために振幅検出を使用することができる。Bモードプロセッサ228によって生成される信号は、スキャンコンバータ230及び／又はマルチプレーナリフォーマッタ232に結合され得る。スキャンコンバータ230は、それらが受信される空間関係から所望の画像フォーマットにエコー信号を配置するように構成することができる。例えば、スキャンコンバータ230は、エコー信号を、2次元(2D)セクタ形状フォーマット、又はピラミッド形又は他の形状の3次元(3D)フォーマットに配置することができる。マルチプレーナリフォーマッタ232は例えば米国特許第6，443，896号(Detmer)に記載されるように、身体の体積領域内の共通平面内の点から受け取ったエコーを、その平面の超音波画像(例えば、Bモード画像)に変換することができる。
いくつかの実施形態では、スキャンコンバータ230及びマルチプレーナリフォーマッタ232が1つ又は複数のプロセッサとして実装され得る。ボリュームレンダラ234は例えば、米国特許第6，530，885号(Entrekinら)に記載されるように、所与の基準点から見た3Dデータセットの画像(投影、レンダリング、又はレンダリングとも呼ばれる)を生成することができる。ボリュームレンダラ234は、いくつかの実施形態では1つ又は複数のプロセッサとして実装され得る。ボリュームレンダラ234は、表面レンダリング及び最大強度レンダリングなどの任意の既知の又は将来の既知の技法によって、ポジティブレンダリング又はネガティブレンダリングなどのレンダリングを生成することができる。スキャンコンバータ230、マルチプレーナリフォーマッタ232、及び／又はボリュームレンダラ234からの出力(例えば、Bモード画像)は画像ディスプレイ238上に表示される前に、さらなるエンハンスメント、バッファリング、及び一時記憶のために、画像処理装置236に結合され得る。グラフィックスプロセッサ240は、画像と共に表示するためのグラフィックオーバーレイを生成することができる。これらのグラフィックオーバーレイは例えば、患者名、画像の日時、撮像パラメータ等の標準識別情報を含むことができる。これらの目的のために、グラフィックプロセッサは、タイプされる患者名又は他の注釈などの入力をユーザインターフェース224から受信するように構成されてもよい。ユーザインターフェース224はマルチプレーナリフォーマット(MPR)画像のディスプレイの選択及び制御のために、マルチプレーナリフォーマッタ232に結合することもできる。システム200は、ローカルメモリ242を含んでもよい。ローカルメモリ242は任意の適切な非一時的なコンピュータ可読媒体(例えば、フラッシュドライブ、ディスクドライブ)として実装されてもよい。ローカルメモリ242は、Bモード画像、実行可能命令、ユーザインターフェース224を介してユーザによって提供される入力、又はシステム200の動作に必要なその他の情報を含む、システム200によって生成されるデータを記憶することができる。前述したように、システム200は、ユーザインターフェース224を含む。ユーザインターフェース224は、ディスプレイ238及び制御パネル252を含むことができる。ディスプレイ238は、LCD、LED、OLED、又はプラズマディスプレイ技術などの、種々の既知のディスプレイ技術を用いて実施されるディスプレイ装置を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ディスプレイ238が複数のディスプレイを含むことができる。制御パネル252はユーザ入力(例えば、閾値、フィルタタイプ、レンダリングタイプ)を受信するように構成されてもよい。コントロールパネル252は1つ以上のハードコントロール(例えば、ボタン、ノブ、ダイヤル、エンコーダ、マウス、トラックボール等)を含んでもよい。いくつかの実施形態では、制御パネル252が付加的に又は代替的に、タッチセンシティブディスプレイ上に提供されるソフトコントロール(例えば、GUI制御要素又は単に、GUIコントロール)を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ディスプレイ238が制御パネル252の1つ又は複数のソフト制御部を含むタッチセンシティブディスプレイであってもよい。いくつかの実施形態では、図2に示す様々なコンポーネントを組み合わせることができる。例えば、画像処理装置236及びグラフィックスプロセッサ240は、単一のプロセッサとして実現することができる。別の例では、スキャンコンバータ230及びマルチプレーナリフォーマッタ232が単一のプロセッサとして実装され得る。いくつかの実施形態では、図2に示される様々なコンポーネントが別個の構成要素として実装されてもよい。いくつかの実施形態では、図2に示される様々なプロセッサの1つ又は複数が指定されるタスクを実行するように構成される汎用プロセッサ及び／又はマイクロプロセッサによって実装され得る。いくつかの実施形態では、様々なプロセッサの1つ又は複数が特定用途向け回路として実装され得る。いくつかの実施形態では、様々なプロセッサ(例えば、画像処理装置236)の1つ以上を、1つ以上のグラフィカル処理ユニット(GPU)で実装してもよい。
図3は、本開示の原理による例示的なプロセッサ300を示すブロック図である。プロセッサ300は本明細書に記載される1つ以上のプロセッサ、例えば、図2に示される画像処理装置236を実装するために使用されてもよい。プロセッサ300はマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、FPGAがプロセッサを形成するようにプログラムされるフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、グラフィック処理ユニット(GPU)、ASICがプロセッサを形成するように設計される特定用途向け回路(ASIC)、又はそれらの組み合わせを含むが、それらに限定されない、任意の適切なプロセッサタイプであってもよい。プロセッサ300は、1つ以上の中核302を含んでもよい。中核302は、1つ又は複数の算術論理ユニット(ALU)304を含むことができる。いくつかの実施形態では、中核302がALU 304に加えて、又はその代わりに、浮動小数点論理ユニット(FPLU)306及び／又はデジタル信号処理ユニット(DSPU)308を含むことができる。プロセッサ300は、中核302に通信可能に結合される1つ以上のレジスタ312を含んでもよい。レジスタ312は専用論理ゲート回路(例えば、フリップフロップ)及び／又は任意のメモリ技術を使用して実装され得る。いくつかの実施形態では、レジスタ312がスタティックメモリを使用して実装されてもよい。レジスタは、データ、命令、及びアドレスを中核302に提供することができる。いくつかの実施形態では、プロセッサ300が中核302に通信可能に結合される1つ又は複数のレベルのキャッシュメモリ310を含むことができる。キャッシュメモリ310は、実行のために中核302にコンピュータ可読命令を提供することができる。キャッシュメモリ310は、中核302による処理のためのデータを提供することができる。ある実施形態では、コンピュータ可読命令がローカルメモリ、例えば、外部バス316に接続されるローカルメモリによってキャッシュメモリ310に提供されていてもよい。キャッシュメモリ310は任意の適切なキャッシュメモリタイプ、例えば、スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)、及び／又は任意の他の適切なメモリ技術を用いて実装され得る。プロセッサ300はシステムに含まれる他のプロセッサ及び／又はコンポーネント(例えば、図2に示される制御パネル252及びスキャンコンバータ230)からのプロセッサ300への入力、及び／又はプロセッサ300からシステムに含まれる他のプロセッサ及び／又はコンポーネント(例えば、図2に示されるディスプレイ238及びボリュームレンダラ234)への出力を制御することができるコントローラ314を含むことができる。コントローラ314は、ALU 304、FPLU 306及び／又はDSPU 308内のデータパスを制御することができる。コントローラ314は、1つ以上の状態マシン、データパス及び／又は専用制御ロジックとして実現されてもよい。コントローラ314のゲートは、スタンドアロンゲート、FPGA、ASIC、又は任意の他の適切な技術として実装され得る。レジスタ312及びキャッシュメモリ310は、内部接続320A、320B、320C及び320Dを介してコントローラ314及び中核302と通信することができる。内部接続は、バス、マルチプレクサ、クロスバースイッチ、及び／又は任意の他の適切な接続技術として実装され得る。プロセッサ300の入力及び出力は、1つ又は複数の導電線を含むことができるバス316を介して提供することができる。バス316はプロセッサ300の1つ以上の構成要素、例えば、コントローラ314、キャッシュ310、及び／又はレジスタ312に通信可能に結合されてもよい。バス316は、前述のディスプレイ238及び制御パネル252など、システムの1つ又は複数の構成要素に結合することができる。バス316は、1つ又は複数の外部メモリに結合することができる。外部メモリは、読み出し専用メモリ332を含んでもよい。ROM 332は、マスクされるROM、EPROM(Electronically Programmable Read Only Memory)、又はその他の適切な技術とすることができる。外部メモリは、ランダムアクセスメモリ333を含んでもよい。RAM 333は、スタティックRAM、バッテリバックアップされるスタティックRAM、ダイナミックRAM(DRAM)、又は任意の他の適切な技術であり得る。外部メモリは、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)335を含むことができる。外部メモリは、フラッシュメモリ334を含んでもよい。外部メモリは、ディスク336などの磁気記憶装置を含むことができる。いくつかの実施形態では、外部メモリが図2に示される超音波画像システム200などのシステム、例えばローカルメモリ242に含まれてもよい。図1を参照して前述したように、複数のトランスデューサ素子を含むトランスデューサアレイは、マイクロビームフォーマによって、サブアレイ又は単にグループとも呼ばれるパッチに分割することができる。
図4は、本開示の例によるイメージングシステム400の構成要素のブロック図である。イメージングシステム400は、トランスデューサ素子402と、マイクロビームフォーマ404と、デコーダ406とを含むことができる。トランスデューサ素子402は、超音波プローブ(図4には示されていない)内のトランスデューサアレイに含まれてもよい。トランスデューサ素子402は、マイクロビームフォーマ404のそれぞれの遅延線408にRF信号供給することができる。図4に示されるようないくつかの例では、遅延線408がプログラム可能な遅延線であってもよい。遅延線408は、加算ノード410に結合することができる。同じ加算ノード410に結合されるすべての遅延線は、同じパッチ412に含まれてもよい。各パッチ412の加算ノード410からの出力は、デコーダ406に提供されてもよい。イメージングシステム400のコンポーネントは、図2に示すイメージングシステム200のコンポーネントの1つ又は複数を実装するために使用することができる。例えば、マイクロビームフォーマ404は、図2のマイクロビームフォーマ216を実装するために使用され得る。
図5は、本開示の例によるプログラマブル遅延線500のブロック図である。いくつかの例では、プログラマブル遅延線500を使用して、図4の遅延線408を実装することができる。遅延線500は、入力線502を介して入力を受け取ることができる。図5に示されるようないくつかの例では、入力ライン502は入力バッファ504を含むことができる。入力ライン502はトランスデューサ素子(図5には示されていない)、例えば、図4に示されるトランスデューサ素子402から電気信号(例えば、RFデータ)を受信してもよい。遅延線500は、多数の入力スイッチ506を含むことができる。入力スイッチ506は、メモリセル508を入力線502に選択的に結合することによって、入力線502から1つ又は複数のメモリセル508に電気信号を導くことができる。メモリセル508は、いくつかの例では図5に示されるようなキャパシタを用いて実装されてもよい。メモリセル508は、入力ライン502から受け取った電気信号を記憶することができる。遅延線500は、多数の出力スイッチ510を含んでもよい。出力スイッチ510は、1つ又は複数のメモリセル508を出力線512に選択的に結合することができる。出力線512に結合されると、メモリセル508に記憶される電気信号は、出力線512に送信される。出力線512は、図4に示す加算ノード410のような加算ノード(図5には図示せず)に電気信号を送信することができる。図5に示すような幾つかの例では、出力ライン512が出力バッファ514を含むことができる。入力スイッチ506の動作は、入力コントローラ論理回路516によって制御されてもよい。入力コントローラ論理回路516はクロック信号を受信し、クロック信号の立ち上がり及び／又は立ち下がりクロックエッジに応答して、どの入力スイッチ506が閉じられるかを変更することができる。いくつかの例では、入力コントローラ論理回路516がカウンタ及びマルチプレクサを含んでもよい。入力コントローラ論理回路516は、どのメモリセル508が入力ライン502を介して受け取った電気信号を各クロックサイクルを記憶するかを制御する。したがって、遅延線500は入力線502上の電気信号を効果的にサンプリングし、そのサンプルをメモリセル508に記憶する。サンプリングレートは、クロック信号の周波数に基づいてもよい。遅延線500のサンプリングレートは電気信号のエイリアシングを回避するために、電気信号のナイキストレート以上であるべきである。いくつかの例では、遅延線500が循環バッファとして構成され得る。すなわち、各クロックサイクルにおいて、1つの入力スイッチ506が閉じられ、1つのメモリセル508が入力ライン502に結合され、そのクロックサイクル中に入力ライン502上に存在する電気信号を記憶する。入力コントローラ論理回路516は、入力スイッチ506を同じ順序で循環する。例えば、第1のメモリセル508(例えば、図5に示される上部メモリセル508)は第1の時間サンプルを保持することができ、第2のメモリセル508は、第2の時間サンプルを保持することができる、等である。すべてのメモリセル508が書き込まれた後、入力コントローラ論理回路516はサイクルを繰り返し、次のメモリサイクル中にメモリセル508に記憶されるデータを上書きすることができる。例えば、遅延ライン500が8つの入力スイッチ506及び8つのメモリセル508を含む場合、8クロックサイクル後に、第1のメモリセル508内のデータは、入力ライン502から受信される新しいデータで書き換えられる。出力スイッチ510の動作は、出力コントローラ論理回路518によって制御されてもよい。出力コントローラ論理回路518は遅延データを受け取り、どの出力スイッチ510が閉じてメモリセル508を出力線512に結合するかを変更することができる。遅延データは、図2の送信コントローラ220のような1つ以上のシフトレジスタ(図示せず)又は送信コントローラ(図5には図示せず)から受信されてもよい。他の例では、遅延データが出力コントローラ論理回路516に含まれるメモリにプログラムされてもよい。電気信号のサンプルがメモリセル508に記憶されるときと、メモリセル508が出力線512に結合されるときとの間の時間は、電気信号の遅延を決定することができる。出力ライン512に電気信号のサンプルを供給することは、破壊的な読み取りであってもよい。すなわち、一旦メモリセル508がサンプリングを出力線512に供給すると、メモリセル508もはや電気信号を記憶しない。したがって、サンプリングは、メモリセル508から1回だけ読み出すことができる。いったん読み出されると、メモリセル508が再び入力線502に結合されて電気信号の新しいサンプルを受け取るまで、メモリセル508内に有効なデータは存在しない。図5に示される遅延線500は例示の目的で提供され、本開示の原理は図5に示される遅延線に限定されない。使用され得る他の適切な遅延線及び／又は遅延線制御の例はSavordの米国特許第5，997，479号及び第6，013，032号、ならびにRobinsonの米国特許第8，161，817号に見出され得、これらは任意の目的のために本明細書中に参考として援用される。典型的なマイクロビームフォーマ動作では、各メモリセル508からの各サンプルが出力スイッチ510の制御によって適切に遅延され、パッチの他の遅延線の出力と加算するために出力線512に供給されてもよい。遅延線500が循環バッファとして配置される場合、最大遅延はメモリサイクルの長さ(例えば、前述の例では8サイクル)に制限されてもよい。さもなければ、サンプリングは、新たに取得されるサンプリングによって上書きされてもよい。パッチの遅延線の合計出力は、その後、マイクロビームフォーマによってメインビームフォーマに提供されてもよい。
本開示の原理によれば、出力スイッチ510を制御するために、ジッタサンプリングスキームを使用することができる。図6乃至9を参照してより詳細に説明されるように、ジッタサンプリングスキームは、メモリセル508に記憶される電気信号に擬似ランダム遅延を適用することができる。さらに、メモリセル508によって取得されるすべてのサンプルが出力線512に提供されるわけではない。すなわち、ジッタサンプリングスキームは、電気信号をダウンサンプリングすることができる。ジッタサンプリング方式は出力スイッチ510の動作を制御してジッタサンプリング動作を実行するために、出力コントローラ論理回路518に供給されてもよい。ジッタサンプリング方式は電気信号がデコーダによって再構成され得るように、電気信号を符号化することができる。
図6は、本開示の実施例による典型的な遅延和(DAS)連桁形成(Aflat)及びジッタサンプリング(Ajitter)の説明である。理解を容易にするために、ジッタサンプリングスキームは最初に、各パッチが5つのトランスデューサ素子を含む、3つのパッチにグループ化される15個のトランスデューサ素子を有する1次元アレイを参照して説明される。DASビーム成形において、遅延線(例えば、遅延線500)によって取得されるトランスデューサ素子からの電気信号(例えば、RFデータ)のサンプリングは同じ空間位置からの信号が時間的に整列され(例えば、遅延され)、次いで合計されるように遅延される。これは、パネル602、604、及び606に示される。横軸はトランスデューサ素子に対応し、縦軸はそのトランスデューサ素子の時間サンプルに対応する。時間サンプルは、メモリセル508のようなメモリセルに記憶されてもよい。パッチ1についての暗青色の正方形608、パッチ2についての暗青色の正方形610、及びパッチ3についての暗青色の正方形612によって示されるように、各トランスデューサ素子からの時間サンプルはパッチ1、パッチ2、及びパッチ3についての信号を得るために、整列後に一緒に合計される。例えば、第1時間サンプルは、図5に示す上部メモリセル508に記憶されてもよい。次に、各トランスデューサ素子の第2の時間サンプルを整列させ、合計することができる。例えば、第2の時間サンプルは、図5に示される上部メモリセル508の下のメモリセル508に記憶されてもよい。このプロセスは、遅延線によって取得されるサンプル毎に継続することができる。各パッチからの5つのトランスデューサ素子からの信号が組み合わされ、マイクロビームフォーマによって単一信号としてイメージングシステムベースに送られる。したがって、図5に示される例では、15個ではなく3個の信号が超音波プローブからイメージングシステムベースに送られる。
本開示の原理によれば、マイクロビームフォーマは、典型的なDASビームフォーミングを実行するのではなく、電気信号を符号化するために使用されてもよい。符号化は、トランスデューサ素子の遅延線に記憶される時間サンプルを擬似ランダムに合計するジッタサンプリングスキームを使用することができる。ジッタサンプリング方式の一例が、パネル614、616、及び618に示される。濃い青色の正方形620によって示されるように、パッチ1は、トランスデューサ素子1、3、4、及び5についての第2の時間サンプルと、トランスデューサ素子2からの第1の時間サンプルとを組み合わせる。濃い青の正方形622によって示されるように、パッチ2は、トランスデューサ素子6、8、10の第2の時間サンプルと、トランスデューサ素子7の第3の時間サンプルと、トランスデューサ素子9の第1の時間サンプルとを組み合わせる。濃い青の正方形624によって示されるように、パッチ3は、トランスデューサ素子11及び13の第2の時間サンプルと、12、14、及び15の第1の時間サンプルとを組み合わせる。ジッタサンプリングスキームは超音波プローブからイメージングシステムベースに転送されるデータの量を低減し得るが、元の完全にサンプリングされるデータを再構成することを可能にし得る。ジッタサンプリング方式は数個の以前のサンプル(例えば、図6に示す例では3個)だけにアクセスすることができるので、多数のメモリセルを有する遅延線は必要とされない。ジッタサンプリングスキームは、各メモリセルをメモリサイクルごとに一度だけ読み出す。さらに、図6に見られるように、ジッタサンプリング方式は、パッチにわたる擬似ランダムパターン及び時間を変化させることによって、パッチにわたる通信を行う。
図7は、本開示の例によるジッタサンプルグループ700の例を示す。例示的なジッタサンプルグループ700は、ジッタサンプリングスキームが時間にわたってどのように変化し得るかを示す。各パネル702、704、及び706は、パッチから3つの順次出力サンプルを生成するために使用されるジッタサンプリングスキームのための非オーバーラップ遅延グループを示す。各パネル702、704、及び706の明るい色のブロックは、メモリセルから読み出される各トランスデューサ素子の時間サンプルを示す。図7に示される例示的なジッタサンプリングスキームでは、3つの連続するサンプルパターンが一緒にグループ化され、次に、各メモリセルが1回読み出されるように、変換素子にわたってランダムに合計される。図6のトップパネルに示される従来のマイクロビームフォーミングとは異なり、遅延は単調に増加しない。図7は15個のサンプルのセグメントをサンプリングする3つのグループを示すが、他の数が使用されてもよい。例えば、データが25個の時間サンプルセグメントに分割されるような時間サンプルグループの5つの異なるセットが使用されてもよい。この例では、ジッタサンプリングスキームがオーバーラップしない15個のサンプルセグメントごとに周期的に繰り返される。非重複サンプリングの他のジッタサンプリングスキーム使用することができる。
ヒューリスティックに、マイクロビームフォーマによってRF信号（例えば電気信号)を符号化するためのジッタサンプリング取得方式は以下のように理解することができるマイクロビームフォーマの2つの連続する高速時間サンプルが非常に類似しており、同じ空間周波数(例えば、第1のメモリセルに記憶される第1の時間サンプルと、遅延線の第2のメモリセルに記憶される連続する第2の時間サンプル)をサンプリングするが、2つの連続するジッタサンプルは異なる空間周波数をサンプリングする。ある意味で、ジッタサンプリングのアクイジションは、高速時間にわたって異なる空間周波数を多重化している。これは、マイクロビームフォーマクロック(例えば、図5の入力スイッチ506の動作を制御する入力制御論理回路516を制御するクロック信号)がRF信号サンプリング要件よりも著しく高速である場合に可能である。しかしながら、ジッタサンプリングは、単にデータをそのナイキスト限界までダウンサンプリングすることと比較して、より良好な圧縮を実行することができる。
図6に示すように、Aflat及びAjitterは両方とも、225個のデータ点(15個の時間サンプル×3個のパッチ×パッチ当たり5個のトランスデューサ素子)からなる元のデータ(x)を、低減される数の測定値(y)(15個の時間サンプル×3個のパッチ出力信号)までダウンサンプリングするように動作する線形演算子として書くことができる。
Aflat=y又はAjitter=y
マイクロビームフォーミングの図6及び図7の一次元例では、データ圧縮率がAflat及びAjitterの両方について20％である。ジッタサンプリングスキームは二次元(2D)トランスデューサアレイに拡張できる。2Dでは、マイクロビームフォーマがトランスデューサ素子を矩形パッチ(例えば、3×3、4×4、5×5)にグループ化する。超音波プローブに含まれるマイクロビームフォーマのタイプに応じて、マイクロビームフォーマは、各パッチのトランスデューサ素子に適用することができる遅延に追加の制約を課すことがある。各パッチは行方向及び列方向の一定の遅延(例えば、左遅延及び下降遅延)によって制御されてもよい。行方向の遅延802及び列方向の遅延804が図8に示される。
図8に示す例では、トランスデューサ素子は4×4パッチとしてグループ化される。各個々のトランスデューサ素子の電気信号に適用される遅延は、これらの行方向遅延802と列方向遅延804との和とすることができる。左及び下の遅延のための制御ライン値は、パッチ806の擬似ランダム遅延パターンを生成するために使用されてもよい。図8に示すように、異なる色は、遅延線に供給される異なる遅延値と、その結果としてのパッチ806内のトランスデューサ素子の遅延とを示す。図8のペイン808は、ジッタサンプリングスキームを実装するために使用され得るマイクロビームフォーマ制御制約を満たす幾つかの擬似ランダム遅延パターンの例を示す。図6乃至7に示す1Dの場合と同様に、3つの連続した時間サンプルを一緒にグループ化し、次いでランダムに合計することができる。この場合も、メモリセルは1回だけ読み出されるので、この方法は、以前の読み取りで破壊されるサンプリングに依存しない。いくつかの例では、データが15個の時間サンプルセグメントに分割されるように、時間サンプルグループの5つの異なるセットを使用することができる。256個の素子(16×16)からなるシミュレートされる2Dアレイについて、これらの15個の時間サンプルセグメントに対応する16個の4素子×4素子パッチにわたる擬似ランダム遅延パターン900Aのセットの例を図9Aに示す。3つの逐次時間サンプルによる900Bのグルーピングの例が、3次元で示される(図9B)。
図9A及び9Bは、サンプリングが図6乃至7に示される1次元アレイ取得計画に類似する3つの非重複セットにグループ化され得ることを示す。ジッターサンプリングは、マイクロビームフォーマーによって収集され、ジッターシグナルを生成するために結合される。ジッタ信号は、トランスデューサ素子からサンプリングされる符号化RFデータであってもよい。いくつかの例では、超音波ビームの集束又はステアリングのために、ジッタサンプル及び／又はジッタ信号に遅延を加えることができる。次いで、ジッタ信号はRFデータ(例えば、元のRFデータ)を再構成するためにデコーダに供給され得る。符号化される信号(例えば、ジッタ信号)からのRFデータの再構成は、逆問題であり得る。元の(例えば、真の)データ(x)の推定値を再構成する際に、RFデータの圧縮性及び非ランダム性を活用して、再構成を改善することができる。RFデータを再構成するために、RFデータは、何らかの共分散行列を有するガウス分布から引き出され、xの推定値(xmap)が観測されるデータ(y)及びx、p(x)の分布に関する事前の仮定が与えられた場合に見出され得ると仮定することができる。
x(xmap)のこの推定値は、事後分布を最大化するので、最大事後(MAP)推定器として知られている。
Figure 2022522241000002
ここで、p(y｜x)は、真のデータxが与えられたときの測定値yの確率である。Ajitterのような線形演算子Aの場合、MAP推定器は閉じた形式解を有する
Figure 2022522241000003
ここで、Σは推定共分散行列であり、yはマイクロビーム形成子(例えば、ジッタ信号)の出力である。デコーダは、ジッタ信号を生成するためにマイクロビームフォーマによって使用される擬似ランダムパターン(Ajitter)を有することができる。したがって、式(2)を使用して、元のデータを再構成し、ビームフォーミングを実行することができる。共分散行列Σはいくつかの例ではデータの単一のフレームから、及び／又は合成的に生成されるデータから推定され得る。式(2)の行列は反転が単一の行列乗算を必要とするだけであり、極端に高速である可能性があるように、事前に計算することができる。信号再構成とビーム成形動作の両方が線形であるので、それらはジッタデータから最終画像を再構成する単一動作で結合することができた。すなわち、デコーダは、いくつかの例ではメインビームフォーマに含まれ得る(又はその逆)。
図10は、本開示の例による方法1000のフローチャートである。フローチャートは、本明細書に記載されるマイクロビームフォーミング符号化方法を要約する。ブロック1002では、「電気信号の複数のサンプルを取得する」ステップを実行することができる。いくつかの例では、電気信号の複数のサンプルを取得することはクロック信号によって制御される。クロック信号の周波数は、電気信号のナイキスト速度よりも高くてもよい。電気信号は、音響信号と関連付けられてもよい。例えば、電気信号は、受信したエコーに応答するトランスデューサ素子によって生成することができる。エコーは、トランスデューサ素子及び／又は他のトランスデューサ素子によって送信される超音波信号に応答することができる。電気信号は無線周波数データ(例えば、高周波信号)であってもよい。例えば、ブロック1002の前に、「超音波信号を送信する」ステップが実行されてもよい。送信はいくつかの例では複数のトランスデューサ素子を含むトランスデューサアレイによって実行されてもよい。超音波信号がいくつかの例では平面波又は発散波であってもよい。超音波信号を送信した後、「超音波信号に応答する音響信号を受信する」ステップが実行されてもよい。音響信号(例えば、エコー)は、トランスデューサアレイとともに受信されてもよい。音響信号を受信した後、「音響信号に応答する電気信号を生成する」ステップが実行されてもよい。電気信号は、いくつかの例では複数のトランスデューサ素子と共に生成されてもよい。いくつかの例では、複数のメモリセルの少なくとも1つは複数のトランスデューサ素子の個々のトランスデューサ素子に結合される。いくつかの例では複数のトランスデューサ素子が複数のパッチにグループ化され、複数のサンプルの個々のサンプルを合計することは複数のパッチの少なくとも2つに関連する個々のサンプルを合計することを含む。
ブロック1004では、「複数のメモリセルに複数のサンプルを記憶する」ステップを実行することができる。複数のメモリセルの個々のメモリセルは、複数のサンプルの個々のサンプルを記憶することができる。
ブロック1006では、「複数のメモリセルのサブセットを擬似ランダムに選択する」ステップを実行することができる。サブセットが複数のメモリセルよりも少ない数を含むことができる。いくつかの例では複数のメモリセルのサブセットを擬似ランダムに選択することは電気信号をダウンサンプリングすることができる。いくつかの例ではブロック1006の後に、「複数のメモリセルのサブセットを擬似ランダムに選択することに遅延を加える」ステップを実行することができる。遅延は、音響信号に関連するビームをフォーカス又はステアリングすることができる。
ブロック1008で、「複数のサンプルの個々のサンプルを合計する」ステップを実行することができる。個々のサンプルは、複数のメモリセルのサブセットに記憶されてもよい。個々のサンプルの合計は、ジッタ信号を生成することができる。
ブロック1010では、「ジッタ信号をデコードする」ステップが実行されてもよい。ジッタ信号をデコードすると、再構成される信号が生成されることがある。デコードは、式(2)に記載される行列をジッタ信号に適用することを含み得る。いくつかの例では、共分散行列は少なくとも部分的に擬似ランダム選択に基づくことがある。
図11乃至13は、本開示の例に従って生成される元の信号及び再構成される信号の例を示す。
図11には、S5―1フェーズドアレイからのシミュレートされるチャネル毎のデータが示される。ペイン1102は元の「真理値画像」を示し、ペイン1104はジッタサンプルスキームで真理値画像を符号化し、ジッタサンプルスキームによって生成されるジッタ信号を復号した後に生成される再構成を示し、ペイン1106は、真理値と再構成との間の差を示す。全てのペインは、同じダイナミックレンジで示される。このデータセットは、―45°から45°まで均一に範囲がある21の角度からなる、物理的開口の背後の50mm仮想開口からの発散波透過を伴う、種々のグレーレベルと点標的を有する合成ファントムをシミュレートすることによって得られた。再構成を計算するために使用される共分散行列は、0°送信で得られたデータを使用して計算される。ジッタサンプリング及び再構成は、8°送信で得られたデータに対して実行される。真理データと再構成データは互いに良好に一致し、差分データは、高振幅及び高周波エコーのみに対応する何らかの内容を有する。
図12は、4096素子(64×64)を有する仮想2Dトランスデューサアレイからのシミュレートされるチャネルデータを示す。しかし、簡単にするために、すべてのチャネルの生のデータを表示する代わりに、2Dアレイの1つのスライスが示される。x要素インデックスはチャネル23に固定され、全てのy要素からの信号が示される。フルアパーチャは16素子ごとの16素子サブアレイに分割され、ここで説明するジッタサンプリング技術は各サブアレイ上に適用される。図11と同様に、真のデータがペイン1202に示され、ジッタサンプリング方式による圧縮に続く再構成がペイン1204に示され、差がペイン1206に示される。このデータセットは、平面波送信で、中間に超エコー目標を有する合成スペックルファントムをシミュレートすることによって得られた。図12の真理データ画像と再構成データ画像は類似しているように見えるが、差分画像は比較的大きな振幅を有する非常に多くのコンテンツを有する。再構成されるデータは図11に示される再構成のようにクリーンなようには現れないが、ダウンサンプリングレートは2Dの場合、著しく高い(図11の1Dアレイでは20％であるのに対し、図13の2Dアレイでは6．25％)。有意なダウンサンプリングにもかかわらず、再構成スキームは図12に示すように、オリジナルデータの大部分を回復することができる。
図13は、本開示の例に従った、発散超音波ビームによって取得される画像を示す。左の列(パネル1302、1304、及び1306)は、ビーム成形によって取得され、未加工のチャネル信号から直接Bモード画像を表示することによって画像を示す。すなわち、各トランスデューサ素子からの信号は、マイクロビーム形成のないメインビームフォーマによって個々に処理される。第2の列(ペイン1308、1310、及び1312)は、パッチサイズが5である典型的なマイクロビーム形成動作によって取得される画像を示す。第3列(パネル1314、1316、及び1318)は、ジッタサンプリングスキームで圧縮され、本開示の原理に従って再構成される元の信号によって生成される画像を示す。上段(パネル1302、1308、及び1314)は、1つの発散する送信波から形成される模擬ファントムビームからの画像を示す。中段(パネル1304、1310、及び1316)は、11の発散波から形成される模擬ファントムビームが送信する(中段)画像を示す。一番上の列及び中央の列の両方の画像は、50mmの焦点を用いて取得される。下の行(ペイン1306、1312、及び1318)は、16の発散波透過及び50mm焦点から生成される生体内心臓データセットからの画像を示す。
RFデータを符号化及び復号化するためのジッタサンプリング計画は図13に例示されるように、従来のマイクロビームフォーミングと比較して最終画像を著しく改善する。コントラストの改善と、ジッタサンプリング再構成ビーム成形で得られる格子ローブアーチファクトの低減の両方を行った。例えば、ペイン1308内の円1320内のグレーティングローブアーチファクトは、ペイン1314の再構成画像には現れない。11の送信の場合、これらのグレーティングローブアーチファクトは、他の送信との角度複合化によってわずかに減少するので、単一送信ほど顕著ではない。しかしながら、本開示の原理によって実証される改善の別の例では、ペイン1310の低エコー嚢胞1322の内側のグレーレベルが増大され、ペイン1316と比較して全体的なコントラストが低減される。マイクロビーム形成画像の格子ローブ及び縮小造影アーチファクトは回避され、チャネルごとのデータから形成される画像ビームにより近い画像が、本明細書に記載されるジッタサンプリング及び再構成スキームを使用して得られる。図13に示されるジッタ再構成画像の全てについて、共分散行列は、生体内心臓データを含む合成データから推定される。最後に、最下行の心臓の例では、ペイン1306内のチャネル毎のビーム形成される画像でさえ、チャンバに対応する領域内にいくらかのクラッタを有する。しかしながら、ペイン1312内のマイクロビーム形成される画像では、全体的な画像コントラストはより低く、マイクロビーム形成処理のために多くのクラッタが導入される。クラッタリング及び低減されるコントラストは、ペイン1318におけるジッタサンプリング及び再構成スキームによって生成される画像には存在しない。本明細書で説明されるように、ジッタサンプリングスキームは、トランスデューサ素子から受信されるRFデータを符号化するためにマイクロビームフォーマと共に使用され得る。符号化される信号は、元RFデータの再構成のためにデコーダに送信されてもよい。符号化は、超音波プローブとイメージングシステムベースとの間で送信されるデータをより少なくすることを可能にすることができる。符号化及び再構成は典型的なマイクロビーム形成動作から生成される画像と比較して、改善される画像生成(例えば、バイアビーム形成又は他の方法)を可能にしてもよい。
本明細書に記載されるシステム、方法、及び装置はマイクロビームフォーマを含む超音波プローブと共に、非集束ビーム画像(例えば、平面波、発散波)の使用を可能にすることができる。コンポーネント、システム、及び／又は方法がコンピュータベースのシステム又はプログラマブルロジックなどのプログラマブルデバイスを使用して実装される様々な実施形態では、上述のシステム及び方法が「C」、「C＋＋」、「FORTRAN」、「パスカル」、「VHDL」などの様々な既知の又は後に開発されるプログラミング言語のいずれかを使用して実装できることを理解される。したがって、上述のシステム及び／又は方法を実施するようにコンピュータなどのデバイスに指示することができる情報を含むことができる、磁気コンピュータディスク、光ディスク、電子メモリなどの様々な記憶媒体を準備することができる。適切な装置が記憶媒体に含まれる情報及びプログラムにアクセスできると、記憶媒体は情報及びプログラムを装置に提供することができ、したがって、装置は、本明細書に記載するシステム及び／又は方法の機能を実行することができる。例えば、ソースファイル、オブジェクトファイル、実行可能ファイルなどの適切な材料を含むコンピュータディスクがコンピュータに提供される場合、コンピュータは情報を受け取り、それ自体を適切に構成し、様々な機能を実行するために、上記の図及びフローチャートに概説される様々なシステム及び方法の機能を実行することができる。すなわち、コンピュータは上述のシステム及び／又は方法の異なる要素に関連する情報の様々な部分をディスクから受信し、個々のシステム及び／又は方法を実装し、上述の個々のシステム及び／又は方法の機能を調整することができる。本開示を考慮して、本明細書で説明される様々な方法及びデバイスは、ハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェアで実装され得ることに留意される。さらに、様々な方法及びパラメータは、例としてのみ含まれ、いかなる限定的な意味においても含まれない。この開示を考慮して、当業者は本発明の範囲内に留まりながら、それら自体の技術及びこれらの技術に影響を及ぼすために必要とされる機器を決定する際に、本教示を実施することができる。本明細書で説明されるプロセッサの1つ又は複数の関数はより少ない数又は単一の処理ユニット(例えば、CPU)に組み込まれてもよく、本明細書で説明される関数を実行するために実行可能命令に応答してプログラムされる特定用途向け集積回路(ASIC)又は汎用処理回路を使用して実装されてもよい。本システムは超音波イメージングシステムを特に参照して説明されてきたが、本システムは1つ又は複数の画像が系統的な方法で得られる他の医療用イメージングシステムに拡張することができることも想定される。したがって、本システムは腎臓、精巣、乳房、卵巣、子宮、甲状腺、肝臓、肺、筋骨格、脾臓、心臓、動脈血及び血管系、ならびに超音波誘導介入に関連する他の画像応用に限定されるものではないが、画像情報を取得及び／又は記録するために使用され得る。さらに、本システムは本システムの特徴及び利点を提供することができるように、従来の撮像システムと共に使用することができる1つ又は複数のプログラムを含むこともできる。
本開示の特定の追加の利点及び特徴は、本開示を検討することにより当業者に明らかであり得るか、又は本開示の新規なシステム及び方法を採用する当業者によって経験され得る。本システム及び方法の別の利点は、従来の医療画像システムを容易にアップグレードして、本システム、装置、及び方法の特徴及び利点を組み込むことができることであり得る。当然のことながら、本明細書で説明される例、実施形態、又はプロセスの任意の1つは、1つ又は複数の他の例、実施形態、及び／又はプロセスと組み合わせることができ、又は本システム、デバイス、及び方法による別個の装置又はデバイス部分の間で分離及び／又は実行することができることを理解される。
最後に、上記の議論は本システム及び方法を単に例示することを意図しており、添付の特許請求の範囲を任意の特定の実施形態又は実施形態のグループに限定するものとして解釈されるべきではない。したがって、本システムは例示的な実施形態を参照して特に詳細に発明されてきたが、当業者であれば、以下の特許請求の範囲に記載される本システム及び方法のより広く意図される精神及び範囲から逸脱することなく、多数の修正及び代替実施形態を考案することができることも理解される。したがって、本明細書及び図面は例示的な方法で見なされるべきであり、添付の特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。

Claims (20)

  1. 複数のトランスデューサ素子を含むトランスデューサアレイであって、前記トランスデューサ素子は超音波エコーを受信し、前記超音波エコーを電気信号に変換するように構成される、トランスデューサアレイと、
    前記複数のトランスデューサ素子に結合されるマイクロビームフォーマであって、前記マイクロビームフォーマは、
    前記複数のトランスデューサ素子の第1のトランスデューサ素子に結合される第1の遅延線であって、前記第1の遅延線は前記第1のトランスデューサ素子から受信される前記電気信号を記憶するように構成される第1の複数のメモリセルを含む、第1の遅延線と、
    前記複数のトランスデューサ素子の第2のトランスデューサ素子に結合される第2の遅延線であって、前記第2の遅延線は、前記第2のトランスデューサ素子から受信される前記電気信号を記憶するように構成される第2の複数のメモリセルを含む、第2の遅延線と
    を有し、
    前記マイクロビームフォーマは、前記第1の複数のメモリセル及び前記第2の複数のメモリセルに記憶される前記電気信号をジッタリングして、ジッタ信号を生成するように構成される、
    マイクロビームフォーマと、
    前記ジッタ信号を受信し、前記電気信号を表す再構成信号を生成するように構成されるデコーダと
    を有する、システム。
  2. 前記再構成信号に少なくとも部分的に基づいてビーム形成される信号を生成するように構成されるメインビームフォーマをさらに有する、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記マイクロビームフォーマは、前記第1の複数のメモリセル及び前記第2の複数のメモリセルからサンプリングされる前記電気信号を擬似ランダムに加算することによって前記ジッタ信号を生成するように構成される、請求項1に記載のシステム。
  4. 前記デコーダは、共分散行列を前記ジッタ信号に適用して前記再構成信号を生成するように構成され、前記共分散行列は少なくとも部分的に、前記第1及び第2の複数のメモリセルに記憶される前記電気信号の前記ジッタサンプルに基づく、請求項1に記載のシステム。
  5. 前記マイクロビームフォーマは、時間サンプルセグメントの擬似ランダムパターンを使用して、前記第1及び第2の複数のメモリセルに記憶される前記電気信号をジッタサンプリングするように構成される、請求項1に記載のシステム。
  6. 前記時間サンプルセグメントの疑似ランダムパターンは、前記第1の複数のメモリセル及び前記第2の複数のメモリセルの個々のメモリセルが、メモリサイクルごとに1回以下サンプリングされるように構成される、請求項5に記載のシステム。
  7. 前記第1の遅延線はプログラマブル遅延線である、請求項1に記載のシステム。
  8. 前記複数のトランスデューサ素子の第1のサブセットは前記第1のトランスデューサ素子を含む第1のパッチにグループ化され、前記複数のトランスデューサ素子の第2のサブセットは前記第2のトランスデューサ素子を含む第2のパッチにグループ化される、請求項1に記載のシステム。
  9. 前記第1の複数のメモリセルは、循環バッファとして構成される、請求項1に記載のシステム。
  10. 前記デコーダを含むメインビームフォーマをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
  11. 送信コントローラを更に有し、前記送信コントローラは、前記マイクロビームフォーマによって前記ジッタ信号に加算される遅延を提供して、前記超音波エコーに関連するビームを集束又はステアリングする、請求項1に記載のシステム。
  12. 電気信号の複数のサンプルを取得するステップであって、前記電気信号は音響信号に関連付けられる、ステップと、
    前記複数のサンプルを複数のメモリセルに記憶するステップであって、前記複数のメモリセルの個々のメモリセルは、前記複数のサンプルの個々のサンプルを記憶する、ステップと、
    前記複数のメモリセルのサブセットを擬似ランダムに選択するステップであって、前記サブセットは、前記複数のメモリセルより少ないメモリセルを含む、ステップと、
    前記複数のメモリセルのサブセットに記憶される前記複数のサンプルの個々のサンプルを加算してジッタ信号を生成するステップと、
    前記ジッタ信号をデコードして再構成信号を生成するステップと
    を有する、方法。
  13. 前記複数のメモリセルのサブセットを擬似ランダムに選択するステップは、前記電気信号をダウンサンプリングする、請求項12に記載の方法。
  14. 前記デコードするステップは、共分散行列を前記ジッタ信号に適用するステップを含み、前記共分散行列は少なくとも部分的に、前記複数のメモリセルの前記サブセットを擬似ランダムに選択するステップに基づく、請求項12に記載の方法。
  15. 複数のトランスデューサ素子を有するトランスデューサアレイで超音波信号を送信するステップと、
    前記トランスデューサアレイで、前記超音波信号に応答する前記音響信号を受信するステップと、
    前記複数のトランスデューサ素子で、前記音響信号に応答する前記電気信号を生成するステップであって、前記複数のメモリセルの少なくとも1つは、前記複数のトランスデューサ素子の個々のものに結合される、ステップと
    をさらに有する、請求項12記載の方法。
  16. 前記複数のトランスデューサ素子は複数のパッチにグループ化され、前記複数のサンプルの個々のサンプルを加算するステップは、前記複数のパッチの少なくとも2つに関連する個々のサンプルを加算するステップを有する、請求項15に記載の方法。
  17. 前記超音波信号は平面波又は発散波である、請求項15に記載の方法。
  18. 前記電気信号の前記複数のサンプルを取得するステップは、クロック信号によって制御される、請求項12に記載の方法。
  19. 前記クロック信号の周波数は前記電気信号のナイキストレートよりも高い、請求項18に記載の方法。
  20. 前記複数のメモリセルのサブセットに遅延を加えるステップであって、前記遅延は、前記音響信号に関連するビームを集束又はステアリングする、ステップを更に有する、請求項12に記載の方法。
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