JP2807113B2 - 音響走査方法及び装置 - Google Patents

音響走査方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波エネルギーが人
体の内部組織を実時間で照射しそして軟い有機組織また
は動く散乱体から入るエコーが電気信号に変換されそし
てＴＶモニタ等の表示装置に表示される２次元断面画像
を形成するように処理される超音波診断走査に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】フェー
スドアレイとして知られる超音波医療システムは場合に
よっては用いられ、そして例えば米国特許第４１４００
２２号および４５５０６０７号明細書に示されている。
２つの基本的な走査および表示フォーマットが一般に、
各々異なる変換器エレメント（変換器要素ともいう）の
面が互いに平行な面に配置されそして一般に均一なエレ
メント間隔を有するアレイである平面直線アレイと組合
せて用いられている。
【０００３】２次元画像は変換器アレイの面に直角また
は或る角度をもった平行音響ラインに沿った超音波ビー
ムが、各々異なる変換器エレメントまたはアレイにまた
がりシフトされた変換器エレメントの選ばれたグループ
により伝播されるようになった、直線走査によって形成
される。平行なラインでの直線走査は図１の幅Ｗのよう
な変換器アレイ１の物理的開口により決定される視野を
有する。そのようなフォーマットについては視野５（Ｆ
ＯＶ）の幅はすべての走査深さＤについて変換器の幅Ｗ
に等しい。かくして、直線走査フォーマットにおける視
野はアレイの物理特性によりきまりそしてアレイの物理
的な縁部で限定される。視野を大きくするには活性変換
器エレメントの物理的開口を大きくしなければならない
が、これはアクセスと良好な皮膚との接触という点で問
題を生じさせる。
【０００４】平面直線変換器アレイに一般に用いられる
他の走査および表示フォーマットはセクタである。セク
タ−フォーマットではエレメントは互いに接近してお
り、一般に間隔は半波長程度である。これは、音響ライ
ンが格子ローブを発生することなく操作しうるようにし
そして変換器アレイのサイズを減少させそして視野を大
きくしうるようにする。例えば図２に示すように、９０
゜のセクタについて走査深さＤにおける視野２がＦＯＶ
＝２Ｄで与えられる。一般的に走査深さは６ｃｍから２
４ｃｍでありこれはユーザにより選択可能である。セク
タフェースドアレイはすべてが変換器アレイの面の中心
から生じる音響ラインを形成する。可能な走査角は動作
周波数に対する個々の変換器エレメントの間隔の関数で
ある。その結果、視野もこのアレイの物理的特性により
きまり、視野はアレイ自体の面で０になる。
【０００５】「台形」走査および表示フォーマットは米
国特許第４６６４１２２号明細書に示されており、これ
は特定の平面直線アレイの構成に固有のものである。こ
れは、エレメント間隔を充分大きくした中央のサブアレ
イおよびエレメント間隔の小さい２個の端部サブアレイ
を含む３個のサブアレイから成る。中央サブアレイのエ
レメント間隔は端部サブアレイのエレメント間隔の例え
ば２倍となるような固定した関係がある。中央サブアレ
イからそして２個の端部サブアレイの部分から出る音響
ラインは互いに平行であり、変換器面に直角であり、直
線走査フォーマットと一致する。夫々の端部サブアレイ
の面上の一点から出る音響ラインは左半分および右半分
のセクタを含む。これら端部サブアレイは、許容可能な
性能を維持しつつ音響ビームを約４５゜の角度だけ外に
向けるようにするために変換器波長の約半分という小さ
いエレメント間隔を有する。
【０００６】医療用の超音波画像システムについて設計
された殆んどの変換器は均一のエレメント間隔を有する
から、この「台形」走査技術は均一でないエレメント間
隔をもった特殊な変換器を必要とするため有利でない。
このフォーマットに対し設計された変換器は一般に「セ
クタ」走査に対し設計されたものより大型である。台形
走査フォーマットは直線走査とセクタ走査の妥協であ
り、操作上の利点を有するが変換器サイズが大きくなる
という欠点を有する。このサイズについての欠点はセク
タ画像と比較して表示される画像の視野の増加が対応す
るセクタ変換器についてのそれを越えたサイズの増加を
もたらすのであるから本来のものである。この走査フォ
ーマットも、走査フォーマットが同一の変換器の幾何構
成を用いる異る画像化応用について最適化するためにソ
フトウェア制御により変更しうる本発明とは異り、変換
器アレイの構造に特殊な形でリンクされる。
【０００７】曲面アレイの物理的特性も端の変換器エレ
メントにおいてアレイの面に直角の音響ラインにより境
界づけられる視野を限定する。この視野は曲率半径を小
さくすることにより大きくしうる。しかしながら解像度
が損われそれにより曲率半径の大きいアレイと比較して
劣化する。また、近距離で大きな視野を得るには活性変
換器エレメントの開口を大きくする必要がある。遠距離
での大きな視野は大開口そしてまたは小さい曲率半径と
分解能の低下の組合せを必要とする。
【０００８】上記のすべてのフォーマット並びに機械的
および水を通しての走査はアレイの物理特性により完全
にきまる視野を有する。これら従来のどの走査フォーマ
ットでも状況により依存するソフトウェア制御により視
野を拡大するものではない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、伝送さ
れる音響圧力波と変換器アレイに沿って走査される音響
ラインに入る受信エコーとにより形成される音響走査が
提供される。この走査は１セットの音響ラインを用い、
各ラインは変換器アレイの面との任意の交点で発生す
る。
【００１０】本発明は更に伝送される音響圧力波と受信
エコーにより形成される可変頂点音響走査を提供するも
のであり、各音響ラインの延長線が変換器アレイの面に
はない実質的に共通の頂点を通るようになっている。
【００１１】本発明はまた変換器アレイの面に対向する
人体の部分から画像またはドップラデータを得るために
各々異なる変換器エレメントのアレイを走査する方法を
提供するものであり、この方法は音響圧力波を送りそし
て、夫々が空間的に重ならずそして他の音響ラインから
独立した音響ラインのセットに音響エコーを受ける段階
と、音響ラインの延長線が変換器アレイの面上にない、
ほぼ共通の頂点を通るようにアレイの面に対し音響ライ
ンの角度を変える段階と、を含む。
【００１２】本発明の他の観点においては変換器アレイ
の面に対向する人体の部分の画像を得るために変換器エ
レメントのアレイを走査する方法を提供するものであ
り、この方法は音響圧力波を送りそして夫々が空間的に
重ならずそして他の音響ラインには無関係に音響ライン
のセットに音響エコーを受ける段階と、変換器アレイの
面からそしてその面上に任意の点で交わり発生するよう
に音響ラインをシフトする段階と、この任意の点でアレ
イの面に直角の線に対して任意の角度で音響ラインを操
作する段階とを含む。
【００１３】本発明の更に他の観点によれば、この音響
走査方法と装置は音響圧力波を送ることおよび、ソフト
ウェア制御により形成される、夫々互いに無関係であっ
て変換器アレイの面上の任意の点でそして任意の形状を
もつアレイの面に対し任意の角度で発生する１セットの
音響ラインでそのエコーを受けることを含む。
【００１４】
【作用】好適な実施例においては各走査ラインは、変換
器アレイの面上にはなく好適には、視野を拡大するため
にその背後の選択可能な距離のところにあるほぼ共通の
可変的に配置される頂点を通る線の部分でもある。本発
明の実施例は便宜的に可変頂点走査と呼ばれるものであ
り、変換器アレイは直線または曲線アレイである。曲線
アレイの場合には共通頂点はアレイの曲面の背後の、こ
のアレイの曲率半径より短い距離だけ離れたところにあ
る。これら音響ラインは従って解像度を実質的に劣化さ
せずにすべての深度において視野を拡大するためにアレ
イ自体の両端を越えて操作しうる。
【００１５】これら実施例は変換器アレイのサイズを増
加させることなく視野を改善する。セクタ走査の場合の
ように各音響が操作され、それにより２本の走査ライン
が互いに平行にはならない。また同じくセクタ走査の場
合のように、各走査ラインは投影または拡大されるとき
に共通の頂点を有するが、セクタ走査とは異りこの共通
頂点は変換器アレイ上の各々異なる変換器エレメントを
結ぶ線の上またはその近辺にある必要はない。この共通
の頂点はどこでもよくそしてアレイに直角の中心線上に
ある必要はない。
【００１６】超音波情報がＢモード画像化そして、実質
的に同時であるドップラまたはカラー流れの画像化のた
めに集められるようになった応用面では、この可変頂点
フォーマットは従来のフォーマットと組合せて用いるこ
とが出来る。その一例はＢモード画像化のための可変頂
点フォーマットとカラー流れ画像化のための操作直線フ
ォーマットの組合せである。近フィールドを促進する可
変頂点フォーマットは近フィールド応用面での小型のフ
ットプリント変換器の使用を可能にし、操作直線フォー
マットは皮膚のラインに平行に流れることの多い血球の
カラー流れ画像化用に極めて有効である。特に、照射角
の変化により通常生じるカラーの人為的変化をなくすこ
とが出来る。
【００１７】可変の共通の頂点の位置は特定の変換器の
幾何形状についての視野を最適化する。唯一の制約は変
換器エレメントを結ぶ線に直角の線に対する操作角が同
じ変換器形状についてセクタ走査ラインに可能な最大値
より大きくならないことである。この目安は許容可能な
格子ローブ振幅によりきまる。格子ローブを有効に抑圧
する目安は操作角θ０を次のように制限する。
【００１８】
【数１】 但しλは変換器の中心周波数の波長でありｄはエレメン
ト間の間隔である。この目安は任意の格子ローブの中心
を前述の垂直線に対して少くとも−９０゜の角度に維持
する。アレイエレメントが充分な指向性を有する場合に
はより大きい操作角を用いることが出来る。アレイはこ
の垂直線から操作されるとき、中心周波数のゆっくりし
た低下すなわち波長の増加がより大きい操作角を可能と
するように格子ローブを抑圧する。
【００１９】本発明の走査方法は汎用性を有し、多くの
アレイの物理的幾何形状に適合するものである。変換器
エレメントの平面、曲面または一般的な曲面アレイの走
査は走査ラインの発生点においてアレイに垂直の線に対
し任意の角度に操作されるアレイの面上の任意の発生点
に独立した音響ラインを形成することにより可能であ
る。これら音響ラインは好適には改善されたフレーム周
波数または同時ドップラおよび画像走査のために複数の
同時的音響ビームでの動作に適合するように全視野にお
いて空間的には重ならないように選ばれる。各音響ライ
ンのシフトと操作は変換器の動作周波数の変化に対し視
野を最適化しあるいは視野内の妨害（例えばリブ）のよ
うな状況に依存する現象に対し動的に応答するためにプ
ログラム可能なソフトウェアである。
【００２０】実質的に共通な頂点は本発明の一つの特殊
な場合である。すなわち、本発明は変換器の平面、曲面
または一般的曲面アレイの走査方法であり、各走査ライ
ンは変換器アレイ上の任意であるが異った位置から発生
し、そして走査ラインの発生点においてアレイに垂直の
線に対して異った角度へと操作しうる。
【００２１】
【実施例】図１は平面直線変換器アレイ１から矩形の直
線走査フォーマットの画像面を示す。走査される視野５
は変換器アレイの面の背後の共通頂点４を通る１セット
の音響ラインを走査することにより本発明の可変頂点フ
ォーマット３に拡張出来る。
【００２２】図２は変換器アレイ１により発生されるセ
クタ走査用の画像面を示す。一般的なセクタ視野２は変
換器アレイ１の面の後の共通頂点４から引き出される音
響ラインを走査することにより図示の可変頂点フォーマ
ット３に拡張出来る。この可変頂点フォーマットは近フ
ィールド内のアレイ全体を利用しそしてそれをセクタ視
野２内のどこでも分解能を大きく損うことなく実質的に
拡大する。
【００２３】図３は曲面変換器アレイ６および、このア
レイの面に垂直な方向に伝ぱんする複数の音響ラインに
より得られる視野７を示す。これら垂直の音響ラインの
延長部は共通の曲率中心８を通る。この曲面変換器アレ
イについての視野はその延長部のすべてが共通の頂点４
を通るそのアレイの面に対し変化する角度で伝ぱんする
一セットの音響ラインにより可変頂点フォーマット３に
拡張出来るのであり、共通の頂点は好適には曲率中心８
とアレイの面の間にある。
【００２４】曲面アレイについて、各音響ライン１１は
アレイの面上の異った任意の点１３から出る。これらの
発生点は角度φと、曲率中心８と変換器アレイの中心線
１４により表わすことが出来る。あるいは、可変頂点フ
ォーマットにおいて超音波ラインの各発生点１３は角度
θと、共通可変頂点４と、アレイの曲率中心８に可変頂
点４を接続する中心線１４とで表わすことが出来る。図
３に示すように、可変頂点フォーマットについての各音
響ラインは曲面アレイの面に対する垂線に対し角度αで
操作される。図３において、曲率中心８は変換器アレイ
の中心線１４上にあり、角度αは角度θと角度φの差に
等しい。曲面変換器アレイでの焦点つきの走査について
の遅延式はこれら角度関係と曲率半径８に対する共通の
頂点４の位置を平面直線アレイ式の後述する変換式
（６）と同様に用いることにより引き出すことが出来
る。
【００２５】周知のように、代表的なセクタ走査フォー
マットは直線フォーマットと比較したとき２つの主たる
利点を有する。すなわちセクタは直線フォーマットと比
較すると１０ｃｍあるいはそれ以上の深い走査深度にお
いて実質的に増大した視野を有しそしてセクタ走査に用
いられる変換器は直線走査フォーマットに用いられるも
のよりも例えば３分の１またはそれより小さい、物理的
に小さなものである。同じく周知のようにセクタ走査フ
ォーマットの主たる利点は１ｃｍ以下の浅い走査深度で
の視野が極めて限られるということである。本発明の好
適な実施例から得られる一つの大きな改善は、可変頂点
走査フォーマットが浅い深度を含みすべての走査深度で
の視野の、セクタ走査と比較してセクタ視野２内での分
解能の大きな損失を伴わずに図４に示すようにセクタ走
査に比較して物理的アレイの幅までの増大を可能にする
ことである。
【００２６】可変頂点走査と対応する表示フォーマット
は一般に直線または曲面アレイに適合しそして、頂点が
可変頂点４ａ−４ｇのいくつかの異った位置について図
５に示すように可変の点で生じうることを除きセクタ走
査の一般化したものである。可変頂点が無限の４ｆまた
は４ｇに近づくと、このフォーマットは直線走査フォー
マットに近づく。可変頂点が変換器の面上の４ｂに近づ
くと、このフォーマットはセクタフォーマットに近づ
く。可変頂点は４ａのように変換器アレイの前でもそし
てアレイの中心４ｂを通る垂線１４上でない位置でもよ
い。
【００２７】同様に、曲面変換器アレイ６については可
変頂点４は図６に示すように曲率半径８より大きい、ア
レイの後となる半径に置くことも出来る。従って同様に
可変頂点は図７に示す４ａ−４ｄのようにアレイの後の
任意のところに置くことが出来る。
【００２８】本発明のこの実施例の主たる目的は、すべ
ての音響ラインの共通頂点４が走査面内の任意の点に選
択的に位置ぎめしうる画像システムについての走査およ
び表示フォーマットを限定することである。図８の平面
アレイについて示すように、可変頂点４はアレイの物理
的な開口または面１２のすべての変換器エレメントを結
ぶラインに垂直のライン上であってアレイの面から後方
に距離Ｙのところにある。しかしながら、この可変頂点
はこのライン上である必要はなく、物理的な開口の前ま
たは後に置くことが出来る。図８の位置により生じる画
像フォーマットはすべての深度でのそして特に物理的開
口近辺での増大した視野から利点を得ている。
【００２９】このフォーマットはスペクトル的なドップ
ラおよびカラー流れドップラ走査およびＢモード画像化
に等しく適用される。特に、或る混合モードは可変頂点
走査および表示フォーマットの利用を促進する。例とし
ては、遠隔の頂点４′から図１７に示すほぼ平行なカラ
ー流れ走査ラインと組合せた２次元の可変頂点走査フォ
ーマット、２次元画像と組合せた互いに離れた可変頂点
による複数のパルス化ドップラ走査ライン、または、可
変頂点４が図１６に示すように変換器の面の後に配置さ
れた、２次元走査フォーマットと組合せた変換器の中心
にある可変頂点４″から出るライン６５を伴う連続波ド
ップラ走査がある。
【００３０】マルチプレクサシステムに適用された本発
明の走査方法を図２３に概略的に示す。そこでｎ個の変
換器エレメントのアレイ１から例えばそれより少数の９
７のようなｍ個のエレメントの多重化されたサブセット
が活性化される。活性エレメントのサブセット９７はマ
ルチプレクサ９５によりより大きいグループｎから選ば
れそして９６におけるようなｍ個の独立したチャンネル
を有するシステムはビーム伝ぱんを制御しそして受信情
報を処理する。マルチプレクサ９５はｍ個の隣接する変
換器エレメントのサブセットまたは、例えばｎ個のエレ
メントを１個おきとした他のグルーピングを選ばぶこと
が出来る。
【００３１】この実施例は音響ライン１１が共通の頂点
４から出るように図８に示すような原点１３（以下、
「原点」は請求項の「任意の位置」に対応）および特定
の超音波ビームについての焦点１５を選ぶ方法および手
段を含んでいる。図８の平面アレイについての超音波ビ
ームの実際の原点はそのアポダイゼーション関数の質量
中心にほぼ対応する点で個々の変換器エレメントを接続
するライン上に生じる。式（１）は、アポダイゼーショ
ン関数の質量中心が音響ライン１１の意図する原点１３
に等価またはほぼ等価なものとなるようにその関数を管
理するために用いられる。それ故ビームの原点１３はこ
の質量中心を滑らかにシフトすることにより制御しう
る。ビーム原点１３を、アレイの面１２上の変換器エレ
メントのすべてを接続するラインと可変頂点４を焦点に
接続する音響ライン１１との交点１３またはその近辺に
置くに必要なシフトは可変頂点の空間的位置と操作角θ
とによりきまる。
【００３２】例えば図１１では図８の平面アレイからの
超音波ビームはほぼその関数の質量中心Ｘｃｍから発生
する。アポダイゼーション関数Ａ（Ｘｋ）は位置Ｘｋに
おけるエレメントから送信または受信される信号に与え
られる重みづけで表わすことが出来る。アポダイゼーシ
ョン関数の質量中心は
【００３３】
【数２】 である。但しδ（ｘ）はディラックのデルタ関数であり
【００３４】
【数３】 の特性を有する。超音波ビームの原点の制御は、質量中
心Ｘｃｍが音響ライン原点１３に対応するように物理的
変換器アレイの各エレメントにアポダイゼーション値を
割振ることにより達成される。Ｘｃｍをエレメントの位
置に対応させる必要はない。原理的に質量中心は各音響
ライン１１について計算されそして固有のアポダイゼー
ションプロファイルが各走査ラインについて発生され
る。実際にはアポダイゼーションプロファイルのシフト
不変性の特性を考慮することにより限られたプロファイ
ルが必要とされる。これは、例えば各アポダイゼーショ
ン値の割振りをｋ番目のエレメントから（ｋ＋１）番目
のエレメントに移すことにより質量中心を正確に１エレ
メント間隔だけシフトさせることを意味する。この操作
は連続する音響ライン間の零入力期間中マイクロプロセ
サと組合せた制御論理により容易に行える。他のアポダ
イゼーションプロファイルの固有のセットには質量中心
を数分の１エレメント間隔だけシフトが必要である。一
般に質量中心の位置（そしてそれ故超音ビームの原点）
は変換器アレイに近い焦点について約１／４波長内に制
御される。エレメント間隔を１／２波長とした代表的な
セクタ型変換器についてはこの要件はアポダイゼーショ
ンプロファイルの２つの固有なファミリに対応する。夫
々の固有の音響ラインについての必要なすべての他の組
合せはそれらセットの一つに加えられる単純なシフト操
作により得られる。
【００３５】図９に示すセクタ走査フォーマットについ
て、変換器アレイの中心から基準ライン１４に対し角度
θの音響ライン１１に沿った距離Ｒの例えば１５の焦点
を得るためにｎ番目のエレメントに加えなければならな
い時間遅延は下式で与えられる。
【００３６】
【数４】 但し、 Ｔｎ＝距離Ｒおよび操作角θに焦点を得るためにエレメ
ント位置Ｘｎで必要な遅延。
【００３７】 Ｒ＝セクタ頂点または原点１３から焦点までの距離。
【００３８】 Ｘｎ＝セクタ頂点または原点１３に対するｎ番目のエレ
メントの位置。
【００３９】 θ ＝図９に示す基準ラインに対する操作角。
【００４０】 Ｔｏｆｆ＝各エレメントに割振られる遅延が正となるよ
うに各遅延に加えられる可変オフセット。（負の遅延は
生じえない） Ｃ０＝人体内での伝ぱん速度（一般に１．５４ｍｍ／マ
イクロ秒） この式はセクタ画像化について周知であり、例えば米国
特許第４１４００２２号明細書に示されている。
【００４１】焦点を可変頂点４から距離Ｒ′０であり可
変頂点走査フォーマットについて図１０に示す基準ライ
ン１４に対し角度θのところにするためにｎ番目のエレ
メントに加えなければならない遅延時間は下式で与えら
れる。
【００４２】
【数５】 但しＲ′θ＝可変頂点と焦点との間の基準ライン（図１
０参照）に対し角度θの線に沿った距離。
【００４３】ｙ＝可変頂点に対する物理的アレイの垂線
に沿ったオフセット。
【００４４】θ＝図１０の基準ラインに対する操作角。
【００４５】Ｔ′ｏｆｆ＝各エレメントに加えられる遅
延が正となるようにするために各遅延に加えられる任意
の可変オフセット。
【００４６】
【数６】 Ｘθ＝ｙｔａｎθ （５） を代入すると式（３）は次のようになる。
【００４７】
【数７】 式（６）は式（２）と同じ形を有する。式（６）は可変
頂点４から距離Ｒ′θで基準ライン１４に対して角度θ
のところに、音響ライン１１に沿って焦点１５を置く、
エレメントＸ′ｎについて適当な遅延Ｔ′ｎをいかにし
て計算するかを示す。可変頂点走査フォーマットで用い
られる個々の超音波ラインの集合は式（６）に夫々のラ
インに固有のＲ，Ｘθ，θの値を入れて計算される。値
Ｒ，Ｘθとθは各音響ラインについて任意に限定され
る。
【００４８】式（６）は基準ラインに対する角度θをも
つ線に沿って一つの固定焦点をもつ平面アレイについて
の遅延の計算のし方を示す。一つのそのような遅延セッ
ト（エレメント位置について一つの値）が各音響走査ラ
インについて必要である。本発明の更に一般的な場合に
は各走査ラインは共通頂点のないアレイの面上の任意点
でその面に対し任意の角度で発生する。個々の走査ライ
ン１１，１１′はアレイ１の面に図２１に１３，１３′
で示すような任意の交点に発生しそしてアレイに対しそ
の原点１３，１３′での垂線に対し任意の角度θ，θ′
で操作される。図２１に示すように、一対の対称な走査
ラインの夫々の延長線はアレイに垂直のラインに沿って
ライン１１，１１′についての共通な頂点４，４′を通
る。かくして、対称なライン対の可変頂点４，４′の軌
跡は例えば図８に示すように１つの共通頂点ではなくこ
の垂線に沿うものとすることがある。これら走査ライン
も全く共通頂点をもたないことがありうる。
【００４９】同様に、変換器アレイは図２２に９０に示
すような一般化された形である。ここにおいても各走査
ライン１１，１１′はアレイの面上の任意の点１３，１
３′においてそのアレイの面に対する垂線に対して角度
θ，θ′に発生する。図２２に示すように、１３，１
３′は超音波ラインの原点のベクトル位置であり９１，
９１′は変換器の面から同一または異る距離のところの
各ラインに沿った焦点のベクトル位置である。各ライン
についてのアポダイゼーション関数はアレイの面の任意
の原点１３，１３′のまわりに中心をもつ。時間遅延は
ｎ番目のエレメントのベクトル位置Ｘｎ、超音波ライン
の原点１３のベクトル位置Ｏｋ、およびｋ番目の超音波
ラインについての焦点のベクトル位置Ｆｋ、から計算さ
れる。次のベクトル表記の式は完全任意アレイおよび走
査フォーマットについての式（６）に比肩する。
【００５０】
【数８】 好適な実施例では、動的焦点づけを行う手段は式（６）
を固定焦点距離Ｒではなく〔ｒ０，ｒ１，…，ｒｋ，〕
のような焦点距離のファミリを含むように一般化するこ
とにより得ることが出来る。これは著しく大きいデータ
セットを構成する。すなわち、固定焦点をうるに必要な
遅延データの量は次で与えられる。
【００５１】 〔遅延値の数〕＝〔Ｎ個の活性変換エレメント〕・〔Ｍ個の走査ライン〕 ＝Ｎ・Ｍ遅延値 基準ラインについての走査ラインがミラー対称の場合に
はＭはＭ／２走査ラインで置きかえられる。
【００５２】Ｋ個の焦点距離をもつ動的に結像する画像
化システムについてはこれは（Ｋ・Ｎ・Ｍ）遅延値とな
る。１２８個の活性変換器エレメントをもつ高性能超音
波画像システムではこれは約３×１０３個の遅延値とな
る。その結果、高速ＲＡＭの量を減少させる手段が得ら
れる。
【００５３】データの減少は遅延式（６）を基準（固
定）焦点と可変焦点の項に分解することにより達成出来
る。この実施例について選ばれた近似式は次の通りであ
る。
【００５４】 ＴＡｎ（ｒ，θ，Ｘｎ，ρ，θｒ）＝Ｔｎ（ρ，Ｘｎ−Ｘθ，θ） ＋〔Ｔｎ（ｒ，Ｘｎ−Ｘθｒ，θｒ） −Ｔｎ（ρ・Ｘｎ−Ｘθｒ，θｒ）〕 …（７） 但し、Ｔｎ（ρ，Ｘｎ−Ｘθ，θ）＝基準焦点項 〔Ｔｎ（ｒ，Ｘｎ−Ｘθｒ，θｒ）−Ｔｎ（ρ，Ｘｎ−Ｘθｒ，θｒ）〕 ＝可変焦点項
【００５５】
【数９】 ｒ＝所望（可変）焦点距離すなわちセット〔ｒ０，
ｒ１，…ｒｋ〕のメンバーの内の一つを表わす。
【００５６】 ρ＝基準（固定）焦点距離。
【００５７】 θ＝操作角。
【００５８】 θｒ＝基準角。
【００５９】ＴＡｎ（ｒ，θ，Ｘｎ，ρ，θｒ）は、ρ
をｒの最大および最小値間のほぼ中間（すなわちｒ０と
ｒｋの間）に選んだときＴｎ（ｒ，Ｘｎ−Ｘθ，θ）を
高い精度で近似しており、θｒは約２５゜の範囲にわた
り有効である。すなわち、一定のθｒの値はこの特定の
基準値θｒから±１２．５゜までである操作角について
高い精度で有効である。これによりＭ・Ｋ／（Ｍ＋Ｋ）
の程度の、少くとも一桁であるデータの減少が生じる。
【００６０】下記に示す可変焦点項は操作についての影
響は非常に小さい。
【００６１】 Ｔｖｎ（ｒ，Ｘｎ，ρ，θｒ）＝Ｔｎ（ｒ，Ｘｎ−Ｘθ，θ，） −Ｔｎ（ρ，Ｘｎ−Ｘθｒ，θｒ） …（９） この可変焦点項の原点を次式により固定焦点項のそれに
整合させることが出来る。
【００６２】 （Ｘｎ−Ｘθ）−（Ｘｎ−Ｘθｒ）＝ｍ・ｄ＋ε …（１０） 但し、ｄ＝エレメント間距離 ｍ＝或る整数 ε＝ｄより小さい小数残部 ε≠０とすると、１走査ラインから他のラインへと、式
（９）を発生するに必要な遅延（基準角θｒが有効なθ
の範囲内で）はｋ番目のエレメントに関連した遅延値を
（ｋ＋ｍ）番目のエレメントに再割振ることにより発生
される。一般にε＝０であるから、式（９）により特徴
づけられる可変焦点に対応する遅延値の付加的なセット
を有していなければならない。ε〜ｐ・ａでありそして
ａ／２が許容しうる最大位置誤差となるように、シフト
ケースの数ｐを定めるとすれば、式（９）を次の可変変
化で書きなおすことが出来る。
【００６３】
【数１０】 但し、ｍとｐは遅延値データテーブルへのインデクスと
して用いられる制御変数であり、ｍは適用前にデータを
シフトしなければならない、１個のエレメントの遅延値
データ位置の数である。これを図１２に概略的に示す。
【００６４】以上は遅延計算をいかにして発生し平面変
換器アレイについての可変頂点画像化に適合させるため
に用いるかを説明するものである。米国特許第４１４０
０２２号および４５５０６０７号明細書に示されるよう
な動的焦点づけを行うために粗らく量子化された遅延線
と組合せてヘテロダイン手段を用いるシステムに適合さ
せるために遅延計算を行う手段を次に説明する。活性開
口４０について図１３は可変焦点時間遅延３２のシフト
とそれに続くシフトされない送信基準焦点時間遅延３１
との加算により遅延発生器３０への送信遅延情報の発生
と適用を示す。この総合遅延は例えば米国特許第４５５
０６０７号明細書に示されるように送信ドライバ３３に
与えられる。関数の質量中心はアポダイゼーション発生
器３４でシフトされる。
【００６５】注意深いアポダイゼーション管理ではアポ
ダイゼーション関数により特定される活性送信開口は、
選択可能な送信焦点が変換アレイの面から更に離れると
質量中心のまわりで増する必要がある。これは米国特許
第４５５０６０７号に示されるように焦点の局質と焦点
の深さの間の適正なバランスを維持するためである。開
口が大きくなると物理的開口の端に非対称的に達する。
これらの条件下では、物理的開口のない関数の部分を切
り取るかあるいはアポダイゼーション形を維持するため
に質量中心を物理的開口の中心に向けてシフトするか、
することになる。
【００６６】図１５の送信アポダイザー１９′が端整合
しそしてその質量中心が所望のビーム原点１３′からシ
フトされるとき、真のビーム軸１１′は意図する超音波
走査ライン１１とは整合しなくなる。本発明の走査方法
の重要な特徴はアレイの物理的な端部を通り音響ライン
１１を出す能力である。浅い深度の送信焦点が選ばれた
ときにはその活性開口は小さく、ビーム原点をその意図
する位置からシフトする機会はほとんどない。深い深度
の送信焦点１７が選ばれたときにはその活性開口は大き
く、ビーム原点は意図する位置１３から例えば１３′の
ようなところに大きくシフトしうる。しかしながら、こ
の大きな送信開口の場合には、送信超音波ビームは偏移
エラーの最大となる物理的開口に近づくと比較的に焦点
づれが生じる。このような劣った焦点は、特に正確に位
置ぎめされた受信焦点がそこにあるときに偏移エラーの
効果を最少にする。云い換えると、その焦点１７近辺で
は超音波ビーム軸と音響ラインが交わりはじめ、そして
偏移エラーが消滅し、焦点のところで完全に消える。送
信焦点１７を越えると超音波ビーム軸と音響ライン軸は
再び発散するが、この場合も送信焦点ずれが、受信焦点
が音響ライン１１に正しく位置していれば偏移エラーの
効果を最少にする。不整合の超音波ビーム軸１１′では
なく音響ライン軸１１に沿ってのデータのトラッキング
は動的受信アポダイザー１８と焦点１６の組合せにより
達成される。
【００６７】動的受信ビーム形成中に図１４に示すよう
に活性受信開口６０は受信焦点が走査ライン１１に沿っ
て、米国特許第４５５０６０７号明細書に示されるよう
に活性開口幅に対する焦点深度の比を出来るだけ大きな
範囲で一定にするように物理的変換器から更に動的には
なれるときに６０′まで動的に増大する。受信開口６０
が６０′まで拡大すると、端整合が得られ、その質量中
心も所望のビーム原点からシフトしそして真のビーム軸
１１′は意図する音響ライン軸１１とは整合しなくな
る。しかしながら、受信焦点１６は常に音響ライン軸１
１上にある。動的受信ビーム形成器が焦点１６から次の
点１６′に連続的に切換わるから所望の音響ライン１１
に沿った情報を正確に追跡する。
【００６８】理想的な時間遅延データの固有のセットが
送信操作時間遅延について行われたと同様にしてすべて
のエレメントおよびすべての走査ラインについて受信基
準焦点において計算される。これらの理想的な遅延は米
国特許第４５５０６０７号または第４１４００２２号明
細書に示されるように加算装置５０に加えられるべき粗
および密時間遅延に分解しうる。
【００６９】密遅延は例えば米国特許第４５５０６０７
号または４１４００２２号明細書に示されるように位相
に変換される。これら遅延は基準焦点相と可変焦点相に
分解されそして図１４の受信器位相発生器５２に加えら
れる。この発生器５２は基準成分相５３と可変焦点成分
相５４を加算して合成受信器位相値を発生する。この受
信器位相値はミキサ信号の位相の選択に用いられる。活
性受信開口はアポダイゼーション発生器５５により制御
される。
【００７０】フェースドアレイ画像化方式を用いれば送
信および受信において図１８と１９に示すように同一の
開口１からほぼ同時に２以上のビームを活性化すること
が出来る。同時とは、２以上のパルスが走査中に任意の
時点で異る空間位置に指向して動きうることを意味す
る。これは例えば米国特許第４５５０６０７号明細書に
示すようなシステムに対し単純な変更をなすことで行う
ことが出来る。しかしながら、そのようなシステムにお
ける一つの重要な問題は走査ライン１１ａ，１１ｂに沿
った複数のパルスまたはビームが７０で重なって図１８
に示すような平面線形フォーマットにおける、そして特
に通常のセクタ走査については図１９に示すように変換
器に近い近フィールドにおける送信焦点から大きくはず
れて干渉する傾向があることである。
【００７１】可変頂点走査フォーマットの一つの重要な
利点は、超音波走査ライン１１ａ，１１ｂが図２０に示
すように視野３全体を通じて充分分離されるから、複数
のビームが同時に伝ぱんしてもそれらを有効に分離する
ことが出来るということである。図１８と１９を図２０
と比較すれば、干渉領域７０は、図２０において近フィ
ールドで原点１３ａ，１３ｂが分離していることおよび
走査ライン１１ａ，１１ｂが遠フィールドで発散するこ
とにより縮少または消滅する。２本のビームについての
活性開口は夫々のビームの有効開口が減少しても通常の
セクタ走査におけるように完全には重ならず、重なりは
わずかである。動的アポダイゼーションおよび動的焦点
づけとの組合せにおける可変頂点フォーマットのビーム
（近フィールドを含む）の真の空間は分離が多ビーム動
作におけるパフォーマンスを効果的に最適化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】可変頂点フォーマットを重畳させた、平面直線
変換アレイの面に垂直の走査ラインをもつ直線走査フォ
ーマットについての画像面を示す図である。
【図２】可変頂点フォーマットを重畳させた、セクタ走
査フォーマットの画像面である。
【図３】可変頂点フォーマットを重畳させた、曲面変換
器アレイにより形成される画像面を示す図である。
【図４】可変頂点フォーマットの画像面であってその深
度と共に拡大する視野を示す図である。
【図５】共通頂点の種々の位置を示す可変頂点フォーマ
ットを示す図である。
【図６】共通頂点が曲率半径より大きい半径上にある曲
面変換器アレイの可変頂点フォーマットを示す図であ
る。
【図７】共通頂点を５つ有する曲面変換器アレイについ
ての可変頂点フォーマットを示す図である。
【図８】可変頂点フォーマットの画像面であって、変換
器アレイの面より後の共通頂点からの、拡大された視野
内にある音響ラインを示す図である。
【図９】通常のセクタ走査フォーマットについての遅延
式を発生するための図である。
【図１０】可変頂点フォーマットにおける任意の変換器
エレメントについての遅延変換式を発生するための図で
ある。
【図１１】音響走査ラインについての典型的なアポダイ
ゼーション関数を示す図である。
【図１２】音響ラインを伝ぱんするために用いられる遅
延データの選択とシフトを示す図である。
【図１３】可変頂点走査および送信に必要なデータを示
す図である。
【図１４】可変頂点走査および動的アポダイゼーション
および焦点づけに必要なデータを示す図である。
【図１５】可変頂点フォーマットについて端整合ビーム
形成を示す図である。
【図１６】セクタ連続波ドップラ走査ラインと組合せた
可変頂点２次元走査を示す図である。
【図１７】ほぼ平行なカラードップララインと組合せた
可変頂点２次元走査を示す図である。
【図１８】２本の超音波ビームの同時送信とエコーの受
信についての直線走査フォーマットの走査面を示す図で
ある。
【図１９】２本の超音波ビームを同時に送りエコーを受
信するための平面セクタ走査フォーマットの走査面を示
す図である。
【図２０】２本の超音波ビームを同時に送りエコーを受
信する可変頂点走査フォーマットの走査面を示す図であ
る。
【図２１】共通頂点を有さない超音波ラインについての
走査面を示す図である。
【図２２】任意の形の変換器アレイに対する本発明の適
用を示す図である。
【図２３】多重化平面直線変換アレイへの本発明の適用
を示す図である。
【符号の説明】
１ 平面直線変換器アレイ ２ セクタ視野 ３ 可変頂点フォーマット ４ 共通頂点 ５ 走査視野 ６ 曲面変換器アレイ ８ 共通曲率中心 １１ 音響ライン １３ 超音波ライン原点 ３０ 遅延発生器 ３１ 基準焦点遅延装置 ３２ 可変焦点遅延装置 ３３ 送信ドライバ ３４ アポダイゼーション発生器 ４０ 活性開口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヒュー、ジー、ラーセン アメリカ合衆国カリフォルニア州、パ ロ、アルト、ホリー、オーク、ドライ ブ、707 (72)発明者 ジョエル、エス、チャフィン アメリカ合衆国カリフォルニア州、サラ トガ、メリブルック、ドライブ、19871 (72)発明者 ポール、イー、チャンドラー アメリカ合衆国カリフォルニア州、サン タ、クルス、ケーリー、レーン、209 (72)発明者 イアン、エー、ガールトン アメリカ合衆国カリフォルニア州、パサ デナ、サウス、ベネド、261 (72)発明者 メヘバブ、エス、カルマリ アメリカ合衆国カリフォルニア州、フレ モント、スー、コート、1601 (56)参考文献 特開 昭56−18850（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−72857（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−121356（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−85332（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−48732（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−18770（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) A61B 8/00 - 8/14

Claims (26)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】変換器アレイ（１）を構成する要素のいく
    つかのみ、または全てを選択的に含む活性開口であっ
    て、各々が独立した変換器要素（Ｘ）からなる前記活性
    開口（４０）から創生される複数の音響ライン（１１）
    の集合に沿って物体内に音響圧力波を繰返して送信する
    ステップと、 音響ライン（１１）の走査された集合に沿った前記変換
    器要素の前記活性開口（４０）を有するアレイ（１）に
    よって受信される音響エコーを電気信号に変換するステ
    ップと、 この変換された電気信号を、画像、速度または変動情報
    として表示するために総計するステップとを備えてい
    る、物体の一部分から音響画像またはドップラーデータ
    を得るための方法であって、 各々の音響ラインが、対応する前記活性開口（４０）に
    沿った任意の位置（１３，１３′，Ｘｃｍ）から生じる
    ように実質的に全ての音響ライン（１１，１１′）をシ
    フトするステップと、 実質的に全ての音響ライン（１１，１１′）各々を、対
    応する前記活性開口内の前記アレイの垂線に対して前記
    各音響ライン毎に任意の角度（θ，θ′）で電気的に操
    作するステップと、 を備えていることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】中心が空間的に重ならない音響ラインの集
    合上で音響エコーを受信し、各ラインに対して、アレイ
    のいくつかの要素または全ての要素を選択的に含む各々
    が異なった変換器要素の可変活性開口を用いて、前記ア
    レイでの前記位置を超えた音響ラインの延長線が前記ア
    レイ上には位置しない共通の頂点を通るようにすること
    を特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】前記共通の頂点は、前記物体の選択可能な
    広範な視野を与えるように変換器アレイの後ろの選択可
    能な距離に位置していることを特徴とする請求項２記載
    の方法。
  4. 【請求項４】受信中に各音響ラインに沿って動的焦点づ
    けするステップを更に含んでいることを特徴とする請求
    項２記載の方法。
  5. 【請求項５】前記アレイの活性変換器要素の開口を大き
    さ又は中心を、受信中に動的に調整するステップを更に
    備えていることを特徴とする請求項２記載の方法。
  6. 【請求項６】アポダイゼーションの形状は各走査ライン
    に沿って受信中に動的に変化することを特徴とする請求
    項５記載の方法。
  7. 【請求項７】前記圧力波は伝播し、２本以上の前記音響
    ライン上で同時にエコーが受信されることを特徴とする
    請求項２記載の方法。
  8. 【請求項８】各々異なる変換器要素の活性送信開口部は
    アレイのいくつかのまたは全ての要素を含むように選択
    的に可変であることを特徴とする請求項２記載の方法。
  9. 【請求項９】前記圧力波を伝播するために活性送信開口
    内の変換器要素の数は、視野内の各深度で音響エコーを
    受信する活性開口内の要素の数とは異なっていることを
    特徴とする請求項２記載の方法。
  10. 【請求項１０】前記音響ラインの集合は、変換器アレイ
    のｎ個のアドレス可能な変換器要素の大多数から多重化
    によってアドレスされる利用可能な信号処理チャネルに
    対応するｍ個の変換器要素の活動中の要素によって発生
    されかつ受信される音響ラインの部分集合を含むことを
    特徴とする請求項２記載の方法。
  11. 【請求項１１】音響ラインの各部分集合は他の部分集合
    の共通頂点とは異なる共通の頂点を有することを特徴と
    する請求項２記載の方法。
  12. 【請求項１２】ドップラ情報を取り出すために最適化さ
    れた圧力波と、Ｂモード画像情報を取り出すために最適
    化された圧力波は同じ変換器アレイから実質的に同時に
    伝播され、エコーは同じ変換器アレイによって２以上の
    音響ライン上で受信されることを特徴とする請求項２記
    載の方法。
  13. 【請求項１３】前記ドップラ波は前記Ｂモード画像波の
    周波数とは異なる周波数で伝播されることを特徴とする
    請求項２記載の方法。
  14. 【請求項１４】前記ドップラ波は前記Ｂモード画像波と
    は異なった方向に直線走査フォーマットで伝播すること
    を特徴とする請求項２記載の方法。
  15. 【請求項１５】変換器要素の活性送信または受信開口は
    前記アレイのいくつかのみまたは全ての要素を含むよう
    に選択的に可変であることを特徴とする請求項１記載の
    方法。
  16. 【請求項１６】画像情報を取り出すために第１の周波数
    で第１の音響圧力波を伝播させて中心が空間的に重なら
    ない音響画像ラインの第１の集合上で音響エコーを受信
    するステップと、 音響画像ラインの延長線が実質的に共通の頂点を通るよ
    うに前記アレイに対して各音響画像ラインの角度を操作
    するステップと、 前記第１の周波数とは異なる周波数で第２の音響圧力波
    を伝播させ、各々が前記音響画像ラインとは独立な音響
    ラインの別の第２の集合上で前記第２の圧力波から受信
    されたドップラーシフトされたエコーからドップラーデ
    ータを取り出すステップと、 を更に備えていることを特徴とする請求項１記載の方
    法。
  17. 【請求項１７】前記第２の音響圧力波は画像波とは異な
    る方向に伝播することを特徴とする請求項１６記載の方
    法。
  18. 【請求項１８】音響圧力波を伝播させ、各々が空間的に
    重ならず他の音響ラインとは独立している音響画像ライ
    ンの集合上で音響エコーを受信するステップと、 前記変換器アレイの面上には位置していない実質的に共
    通な頂点を、前記音響ラインの延長線が通るように前記
    アレイに対して活性音響ラインの角度を操作するステッ
    プと、 前記変換器アレイの物理的端部近くで、音響ビームを焦
    点づけ、前記音響ラインと変換器アレイの交点には隣接
    するが、前記交点のまわりに中心がない交換器要素を用
    いて各走査ラインに沿ってエコーを受信するステップ
    と、 を更に備えていることを特徴とする請求項１記載の方
    法。
  19. 【請求項１９】前記変換器アレイの物理的端部近くで、
    前記音響ラインと変換器アレイの面との交点には隣接す
    るが、前記交点のまわりに中心がないアレイの活性変換
    器要素の開口を調整するステップを更に備えたことを特
    徴とする請求項６記載の方法。
  20. 【請求項２０】変換器アレイ（１）を構成する要素のい
    くつかのみ、または全てを選択的に含む活性開口であっ
    て、各々が独立した変換器要素（Ｘ）からなる前記活性
    開口（４０）から創生される複数の音響走査ライン（１
    １）の集合に沿って物体内に音響圧力波を繰り返して送
    信する手段と、 音響ライン（１１）の走査された集合に沿った前記変換
    器要素（Ｘ）の前記活性開口（４０）を有するアレイ
    （１）によって受信された音響エコーを電気信号に変換
    する手段（５２〜５５）と、 画像、またはドップラ情報として表示するために前記変
    換された電気信号を総計する手段５０と、 各々の音響ラインが、対応する前記活性開口（４０）に
    沿った任意の位置（１３，１３′，Ｘｃｍ）から生じる
    ように実質的に全ての音響ライン（１１，１１′）をシ
    フトする手段と、実質的に全ての音響ライン（１１，１１′）各々を対応
    する前記活性開口内の前記アレイの垂線に対して前記各
    音響ライン毎に任意の角度（θ，θ′） で電気的に操作
    する手段と、 を備えていることを特徴とする物体の一部分から音響画
    像またはドップラーデータを得るための装置。
  21. 【請求項２１】個々の変換器要素の活性送信または受信
    開口を形成するための手段はアレイのいくつかの要素の
    みまたは全ての要素を含むように選択的に可変であるこ
    とを特徴とする請求項２０記載の装置。
  22. 【請求項２２】前記圧力波を伝播させるための活性送信
    開口内の変換器要素の個数は視野の各深度で音響エコー
    を受ける活性開口内の要素の個数と異なっていることを
    特徴とする請求項２０記載の装置。
  23. 【請求項２３】変換器要素からなるアレイは一般化され
    た任意の形状を有していることを特徴とする請求項２０
    記載の装置。
  24. 【請求項２４】前記変換器アレイは、このアレイの曲面
    によって決定される曲面アレイであり、実質的に全ての
    音響ラインはアレイの曲面に対して垂直でない角度で操
    作されることを特徴とする請求項２０記載の装置。
  25. 【請求項２５】前記音響ラインの延長線は変換器アレイ
    の曲率中心とこのアレイの面の間の共通頂点を通ること
    を特徴とする請求項２０記載の装置。
  26. 【請求項２６】前記音響ラインの延長線は、前記アレイ
    の曲率半径よりも大きな半径で共通頂点を通ることを特
    徴とする請求項２０記載の装置。
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