JP3559774B2 - Ultrasonic receiving beam forming apparatus using multi-stage delay elements - Google Patents

Ultrasonic receiving beam forming apparatus using multi-stage delay elements Download PDF

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Description

【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ディジタルビーム焦点合わせ技法を用いる超音波撮像装置に関し、特に、多段構造の遅延素子を備え、複数の走査線またはビームを処理する受信ビーム成形装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
公知のように、トランスジューサ列を用いる超音波撮像システムは、位相、凸状または線形アレイをなす多数のトランスジューサを含む。そのようなシステムは、各々が対応するトランスジューサに接続される送信器及び受信器を有する複数のチャンネルを備える。送信器は人体などの目標物に超音波パルスを送信する。そのように送信された超音波エネルギーを目標物の特定部分上に焦点を合わせるため、パルスに対して順次的な時間遅延を加える。各パルスに対する時間遅延量は各送信パルスが目標点に同時に至るように決まる。これらのパルスは異なった材料/媒体を通過して目標物上に焦点を合わせ、それから反射されたパルスは該当材料/媒体を再び通過してトランスジューサ列に戻る。
【0003】
目標物から各アレイ素子までの距離が互いに異なるため、該目標物から反射される超音波エネルギーは相異なる時間にて各アレイ素子に至る。受信ビーム成形器は各アレイ素子から受信した信号を増幅し、増幅済みの信号を時間遅延させ、全ての遅延信号を合算する。この場合、各遅延素子に対する遅延値は受信走査線が所定の点で焦点合わせされるよう決まる。また、各遅延素子に対する遅延値は焦点合わせ点が放射方向に進むように一定に変化する。
【0004】
体内の望む領域を送信走査線でスキャンし、それから反射される信号/データを処理することによって超音波映像が成形される。この場合、高画質の映像を得るためには、フレーム率を高めることが肝要である。このフレーム率は、撮像の際用いられた走査線の本数、超音波の周波数及び映像の成形されるべき領域の深さによって決まる。フレーム率の向上のための方法としては、超音波パルスを送信して多数の走査線またはビームを同時に成形する多重ビーム焦点合わせ技法がある。
【0005】
多重ビーム成形装置においては、チャンネルごと、ビームごとに相異なる遅延量を適用するため、単一ビームの場合に比べてシステムの複雑さを増加させるという不都合がある。特に、遅延素子として用いられるメモリ素子の容量が非常に増えるようになる。従来のビーム成形装置における必要なメモリ素子の容量はチャンネルの数、最大遅延量及び一回の送信後に成形されたビームの数に比例して増加する。例えば、64チャンネル、4重ビーム、1000システムクロック周期の最大遅延を有し、各データが10ビットで表示されるシステムの場合、64×4×1000×10に対応する相当な大きさのメモリ空間が要求される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、遅延メモリの大きさを減らし得る新規な構造のビーム成形装置を提供することにある。
【0007】
本発明の他の目的は、一つの送信走査線を成形する超音波信号の反射信号から多数の受信走査線を焦点合わせする多重焦点合わせ方式の超音波撮像装置で、多数の受信走査線に対するデータを時間多重化して生成するビーム成形装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の好適実施例によれば、超音波トランスジューサ列から受信した信号を処理する超音波受信ビーム成形装置であって、N及びMがトランスジューサの個数より小さい正の整数であるときM個のトランスジューサから供給されるMのチャンネルのデータサンプルに対してN個の受信ビームを成形するための遅延を加え、Mのチャンネル遅延されたデータサンプルを合算してM個のチャンネルの中間出力を発生する、複数のビーム成形手段と、複数のビーム成形手段からのM個のチャンネルの中間出力を合算してN個の受信ビームを表すデータを出力する合算手段とを含み、ビーム成形手段は、チャンネルごとに、当該チャンネルのデータサンプルに対してシステムクロック周期の整数倍に対応する第1遅延を加える粗遅延素子と、システムクロック周期より小さい第2遅延を加える微細遅延素子とを備え、さらに、各チャンネルの粗遅延素子および微細遅延素子により遅延されたデータサンプルを少なくとも2つのチャンネルについて加算する第1加算器と、第1加算器からの出力に対して第遅延を加える複数の多チャンネル遅延素子とを備え、粗遅延素子が、各ビームの成形に用いられるデータサンプルを格納するN個のチャンネル別先入れ先出し格納手段と、N個の先入れ先出し格納手段のデータ書込みポインタを同一に制御する手段と、N個の先入れ先出し格納手段のデータ読出しポインタを独立的に制御する手段とを備え、N個の先入れ先出し格納手段に格納された各データサンプルは第1遅延の値に基づいて決定される時刻に読出され、N個の受信ビームに対するM個のチャンネルの中間出力を時間多重化方式で合算手段に供給し、合算手段はN個の受信ビームを表すデータを時間多重化方式で出力する手段であることを特徴とする超音波受信ビーム成形装置が提供される。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施例について、図面を参照しながらより詳しく説明する。
【0010】
図1は、本発明の好適実施例による4−チャンネルビーム成形装置の概略的なブロック図であって、4つのチャンネルの超音波トランスジューサ列から受け取ったデータサンプルを同時に処理する。
【0011】
図1に示したビーム成形装置は互いに異なる4つの段階にて粗時間遅延を各チャンネルデータサンプルに適用し、時間遅延された各チャンネルデータをフィルタリングし時間多重化し、多重化された各チャンネルデータに予め決められたアポディゼーション曲線から求めたアポディゼーション因子を乗算し、その結果データを合算して中間出力を発生する。多数のビーム成形装置からの中間出力を合算すれば、最大4つの焦点合わせビームを表す時間多重化済みの最終出力が生成され、時間多重化済みの出力データの各時間間隙は各受信ビームに対応する。64チャンネルからのデータを組み合わせて1つの受信走査線またはビームを生成する超音波撮像装置において、図1に示したような16個のビーム成形装置が要求される 。
【0012】
ビーム成形装置が最大4つの受信ビームを成形するための中間出力を同時に供給することができるが、1回に形成されるビームの数は、例えば、超音波信号の中心周波数によって変わり得る。
【0013】
ビーム成形装置によって生成された時間遅延には、粗遅延及び微細遅延がある。粗遅延はシステムクロック周期の整数倍に該当する遅延であって、図1に示したように、E_FIFO14a1〜14d4、G_FIFO20a〜20d、M_FIFO28a及び28b、及びL_FIFO32の4段に分けられる先入れ先出し(FIFO)レジスタで具現される。各レジスタまたは遅延素子は、読出しデータが出力される時間を制御することによってデータ遅延を行う。システムクロック周期より小さい微細遅延は、各チャンネルにて図1に示したような有限インパルス応答(FIR)フィルタ&マルチプレクサ(MUX)ブロック18a〜18dによって具現される。各チャンネルにおいて、データサンプルの大きさを調整するアポディゼーションは乗算器24a〜24d及びアポディゼーション生成器22a〜22dによって求められる。合算は異なる3つの段にて4つの加算器26a、26b、30及び34によって行われる。
【0014】
図1を参照すると、各トランスジューサ素子(図示せず)または各チャンネルからのデータはアナログ−ディジタル(A/D)変換器10a〜10dに入力されサンプリングされる。各A/D変換器10a〜10dからのサンプルデータは、対応する入力バッファ、即ち、I_FIFO12a〜12dに供給されて時間遅延される。即ち、第1チャンネル入力に対する粗遅延は一連のFIFO14a、20a、28a及び32によって行われ、第2チャンネル入力に対する粗遅延は一連のFIFO14b、20b、28a及び32によって行われ、第3チャンネル入力に対する粗遅延は一連のFIFO14c、20c、28b及び32によって行われ、第4チャンネル入力に対する粗遅延は一連のFIFO14d、20d、28b及び32によって行われる。また、各チャンネル入力に対する微細遅延は対応するFIRフィルタ&MUX18a〜18dによって行われる。
【0015】
各チャンネルにおいて、各I_FIFO12a〜12dは4つのE_FIFOを有するE_FIFO14a1〜14a4、14b1〜14b4、14c1〜14c4、14d1〜14d4に各々並列に接続される。例えば、第1チャンネルからのサンプルデータはE_FIFO14a1内の4つのE_FIFO0〜3の全体に同時に記録される。これらの4つのE_FIFO0〜3は各受信ビームに対応する時間遅延を各々行って、異なる時刻にて遅延された各出力を発生する。4つのE_FIFO0〜3からの遅延出力はマルチプレクサ(図3参照)によって時間多重化され、FIRフィルタによってフィルタリングされることによって、サンプルデータに対する微細遅延が行われる。以下、時間多重化及びフィルタリングについて、 図3及び図4を参照しながらより詳しく説明する。
【0016】
各チャンネルにおいて、フィルタリングされ時間多重化されたデータは第2段のG_FIFO20a〜20dに入力される。これらのG_FIFO20a〜20dは2番目の粗時間遅延を行う。その後、各G_FIFO20a〜20dからの出力データは対応する乗算器24a〜24d及びアポディゼーション発生器22a〜22dによってアポディゼーションされる。詳記すると、乗算器24a〜24dの各々は、対応するG_FIFO20a〜20dからの出力と対応するアポディゼーション発生器22a〜22dにおける予め決められたアポディゼーション曲線から求められるアポディゼーション係数とを乗算する。ここで、各アポディゼーション発生器22a〜22dはアポディゼーション曲線を格納するメモリ(図示せず)を備え得る。
【0017】
2つの隣接するチャンネル(乗算器24a及び24bと、乗算器24c及び24d)からの出力は各々加算器26a及び26bにて加算される。加算されたデータは各々M_FIFO28a及び28bに格納される。これらのM_FIFO28a及び28bは入力データに対して3番目の粗時間遅延を行う。続いて、M_FIFO28a及び28bからの時間遅延済みのデータは加算器30にて合算され、L_FIFO32に格納される。このL_FIFO32は加算器30からの入力データに対して4番目の粗時間遅延を行う。
【0018】
粗時間遅延を4つの異なる段階にて施す理由は次の通りである。多数のビームを成形するために多数のチャンネルからのデータサンプルに適用される遅延の差は、チャンネル間及び/またはビーム間の距離によって変わる。詳記すると、2つの隣接したチャンネル間及び/またはビーム間の遅延の差は隣接しないチャンネル間の差より小さい。従って、第1粗遅延を行うE_FIFO14a1〜14d4は各々対応するチャンネルにおける4つのビーム間の最大遅延差を処理する。第2粗遅延を行うG_FIFO20a〜20dは各々、第1段で処理されなかった2つの隣接するチャンネル間の最大遅延差を処理する。第3粗遅延を行うM_FIFO28a及び28bは各々、第1段及び第2段で処理されなかった4つの隣接するチャンネル間の遅延差を処理する。第4粗遅延を行うL_FIFO32は、他のビーム成形装置で処理されたチャンネル間の遅延差を処理する。
【0019】
前述したように、2つのチャンネルからの遅延サンプルデータは加算器26a及び26b各々にて加算されるので、第3段では2つのM_FIFO28a及び28bだけが必要である。同様に、4つのチャンネルからの遅延サンプルデータは加算器30にて加算されるので、第4段では1つのL_FIFO32だけが必要である。従って、図1に示したように遅延素子及び加算器を階層的構造で配置することによって、焦点合わせ遅延を得るに必要なメモリの大きさを大きく減らすことができる。
【0020】
本発明の一実施例において、E_FIFO、G_FIFO、M_FIFO及びL_FIFOによって適用された最大時間遅延量は各々64、256、256及び1024クロック周期である。即ち、L_FIFOによる時間遅延を通常他のFIFOによる時間遅延より大きいように設定することによって、メモリの大きさを出来るだけ大きく減らすことができる。
【0021】
図1に示したように、合算過程は3つの互いに異なる段にて行われる。第1段における加算器26aは上位2チャンネル(即ち、チャンネル0及びチャンネル1)から出力された遅延サンプルデータを合算し、第1段における加算器26bは下位2チャンネル(即ち、チャンネル2及びチャンネル3)から出力された遅延サンプルデータを合算する。第2段における 加算器30は加算器26a及び26bからの遅延出力を合算する。第3段における加算器34は多数のビーム成形装置(図1では、1つのみ図示)からの中間出力を合算して最大4つの受信ビームを表す最終結果を生成する。
【0022】
図2は、本発明の好適実施例によるE_FIFOの動作を説明するための図面である。図2において、Dは各チャンネルから供給されるデータであって、1つずつE_FIFO0〜E_FIFO3各々に書込まれる。図2に示したようにデータ書込みビット位置を表す書込みポインタ(Wr_Ptr)は全てのE_FIFO上で同一の所で位置され、毎データ書込みの際1ビットずつ移動する。こうして、4つのチャンネルからのサンプルデータは同一の時間にて書き込まれる。しかしながら、各E_FIFOに書き込まれたDが読み出されて後続段のFIRフィルタ&MUXのレジスタ(図3を参照して後述)に入力される時間は各ビーム(または、各E_FIFO)に対して相異なる。図2に示したように、データ読出し位置を表す読出しポインタ(Rd_Ptr)は相異なる位置を指定し得る。
【0023】
図2において、E_FIFO0の場合は、データが書き込まれてから5クロック周期後に読み出され、E_FIFO2の場合は3クロック周期後に読み出されて2つのビームに対して異なる遅延を適用する。このように、各チャンネル別、各ビーム別に適用される遅延量は書込みポインタと読出しポインタとの間の位置の差によって調整される。これらのポインタの位置は図1中のFDCU16によって調整される。詳記すると、遅延量は遅延曲線に基づいて読出しポインタを1クロック周期当たり1メモリ位置ずつ移動させるか否かによって調節される。
【0024】
図3は、図1中のFIR&MUX18を詳しく示した図面である。図3に示したように、シフトレジスタ部110は4組の 16タップレジスタを備える。各組のレジスタは対応するE_FIFOから読出された16個の連続的なデータを格納する。本発明の一実施例において、E_FIFOからの各データは10個のビットを含み、各レジスタは10ビットを格納することができる。
【0025】
これらの16個の連続的なデータはCijで表示された16タップフィルタによりフィルタリングされる。各フィルタの係数は8:1MUX120、122、124を用いて、予め定められた8つの係数組(Ci0〜Ci7)の中から選択される。本発明の一実施例において、フィルタ係数Cijは別途のフィルタ係数バンク(図示せず)で予め決められ、FIR&MUX部18に供給される。 係数選択信号は、8:1MUX120〜124が8個のフィルタ係数組のうちのいずれか1つを選択するように制御するのに用いられる。この係数選択信号はFIR&MUX部18にて適用された微細遅延量によって決定される。
【0026】
16個の連続的なデータに対するフィルタリングは、シフトレジスタ部110における4つの組のうちの一つの組の16タップレジスタを4:1MUX112、114、116を用いて選択し時間多重化方式で行われる。ビーム選択信号は4:1MUX112、114、116の各々に入力され、4つのビームのうちのいずれかが処理されるかを表す。その後、8:1MUXによって選択されたフィルタ係数は4:1MUX112、114、116によって選択された16個のデータと乗算される。フィルタリングはE_FIFO0、E_FIFO1、E_FIFO2、E_FIFO3から順次的に供給されるデータに対して行われる。即ち、フィルタリングは各ビームについて順次的に繰り返されて行われる。
【0027】
図3中のシフトイネーブル信号は、各E_FIFOからのデータが16タップレジスタに入力される際、特定クロック周期にてレジスタにおけるデータのシフトを制御する働きを果たす。図2中の読出しポインタが移動するクロック周期において、シフトイネーブル信号は各レジスタを制御して、データがレジスタでシフトされるようにする。遅延値の調整のために読出しポインタが留まる場合は、レジスタでデータがシフトされないようにシフトイネーブル信号はディスエーブルされる。このように読出しポインタの移動とシフトレジスタにおけるデータの移動を同期させることによって同一のデータがレジスタに重複して書き込まれることを防止する。同一のデータが重複してレジスタに書き込まれれば、該当データから補間データを求める時にエラーが発生する恐れがあるためである。
【0028】
図4は、図3中のFIRフィルタの機能を説明するための図面である。微細遅延は補間フィルタを用いて具現される。FIRフィルタ係数を適切に選択 することによって、システムクロック周期より小さな値の微細遅延を遅延サンプルデータに適用することができる。このようにシステムクロック周期より小さな微細遅延をデータサンプルに適用する ことによって遅延誤差を除去することができる。
【0029】
図4に示した入力波形はE_FIFOからレジスタ組に入力されるデータを表す。図3中のFIRフィルタは入力波形でサンプルデータ間の中間値を求める補間フィルタである。図4には、便宜上、4タップ補間フィルタに対する機能に対して例示されている。
【0030】
上記において、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明の請求範囲を逸脱することなく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。
【0031】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、多段構造の遅延素子を用い、その中の一部段の遅延素子を複数のチャンネルに対して共有することによって遅延素子の具現に必要なメモリの大きさを減らすことができる。さらに、複数のビームを時間多重化方式に処理することによって全般的なハードウェアの複雑さをより一層低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適実施例による4−チャンネルビーム成形装置の概略的なブロック図である。
【図2】本発明の好適実施例によるE_FIFOの動作を説明するための図面である。
【図3】図1中のFIR&MUXを詳しく示した図面である。
【図4】図3中のFIRフィルタの機能を説明するための図面である。
【符号の説明】
14a1〜14d4 第1段の遅延素子
20a〜20d 第2段の遅延素子
28a、28b 第3段の遅延素子
32 第4段の遅延素子
18a、18b、18c、18d FIR&MUX
26a、26b、30、34 加算器
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic imaging apparatus using a digital beam focusing technique, and more particularly to a reception beam forming apparatus including a multi-stage delay element and processing a plurality of scan lines or beams.
[0002]
[Prior art]
As is known, ultrasound imaging systems using transducer arrays include a large number of transducers in a phased, convex or linear array. Such a system comprises a plurality of channels each having a transmitter and a receiver connected to a corresponding transducer. The transmitter transmits an ultrasonic pulse to a target such as a human body. In order to focus the ultrasound energy so transmitted on a specific portion of the target, a sequential time delay is applied to the pulses. The amount of time delay for each pulse is determined so that each transmission pulse reaches the target point at the same time. These pulses pass through different materials / media and are focused on the target, and the reflected pulses then pass through the material / media again to return to the transducer train.
[0003]
Since the distances from the target to the respective array elements are different from each other, the ultrasonic energy reflected from the target reaches the respective array elements at different times. The receive beamformer amplifies the signal received from each array element, time-delays the amplified signal, and sums all the delayed signals. In this case, the delay value for each delay element is determined such that the receive scan line is focused at a predetermined point. Also, the delay value for each delay element changes constantly so that the focus point advances in the radial direction.
[0004]
An ultrasound image is shaped by scanning a desired area in the body with a transmission scan line and processing the signals / data reflected therefrom. In this case, it is important to increase the frame rate in order to obtain a high-quality image. The frame rate is determined by the number of scanning lines used for imaging, the frequency of ultrasonic waves, and the depth of a region where an image is to be formed. A method for improving the frame rate is a multi-beam focusing technique in which ultrasonic pulses are transmitted to form a large number of scan lines or beams simultaneously.
[0005]
In the multiple beam forming apparatus, since different delay amounts are applied to each channel and each beam, there is a disadvantage that the complexity of the system is increased as compared with the case of a single beam. In particular, the capacity of a memory element used as a delay element is greatly increased. The required memory element capacity of a conventional beamforming apparatus increases in proportion to the number of channels, the maximum delay, and the number of beams shaped after one transmission. For example, for a system with 64 channels, quad beams, a maximum delay of 1000 system clock periods, and each data is represented by 10 bits, a considerable memory space corresponding to 64 × 4 × 1000 × 10 Is required.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a beam forming apparatus having a novel structure capable of reducing the size of a delay memory.
[0007]
Another object of the present invention is to provide a multi-focus ultrasonic imaging apparatus that focuses a large number of receiving scan lines from a reflected signal of an ultrasonic signal that forms one transmission scan line, and has data for a large number of receiving scan lines. Is to provide a beam forming apparatus that time-multiplexes and generates the same.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, according to a preferred embodiment of the present invention, there is provided an ultrasonic receiving beam forming apparatus for processing signals received from an ultrasonic transducer train, wherein N and M are smaller than the number of transducers. when an integer, added delay for forming the N reception beam for the data samples of the M channels to be supplied from the M transducers, summing the delayed data samples of M channels and generating an intermediate output of the M channels, a plurality of beam shaping means, summing and outputting data representing the N received beams by summing the intermediate output of the M channels from the plurality of beam shaping means Means for each channel corresponding to an integer multiple of the system clock period for data samples of the channel for each channel . A coarse delay element for adding a first delay, and a fine delay element for adding a second delay smaller than the system clock period, and further comprising at least two data samples delayed by the coarse delay element and the fine delay element of each channel . comprises a first adder for adding about the channel, and a plurality of multi-channel delay element to add a third delay relative to the output from the first adder, data samples coarse delay elements are used in the molding of each beam Means for controlling the data write pointers of the N first-in, first-out storage means, and means for independently controlling the data read pointers of the N first-in, first-out storage means. And wherein each data sample stored in the N first-in first-out storage means is determined based on the value of the first delay. And the intermediate outputs of the M channels for the N received beams are supplied to the summing means in a time multiplexed manner, and the summing means is means for outputting data representing the N received beams in a time multiplexed manner. An ultrasonic receiving beam forming device is provided.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
[0010]
FIG. 1 is a schematic block diagram of a four-channel beamforming apparatus according to a preferred embodiment of the present invention, which simultaneously processes data samples received from a four-channel ultrasonic transducer array.
[0011]
The beam forming apparatus shown in FIG. 1 applies a coarse time delay to each channel data sample in four different stages, filters and time-multiplexes each time-delayed channel data, and adds the time-multiplexed channel data to each channel data sample. The intermediate data is multiplied by an apodization factor obtained from a predetermined apodization curve, and the resultant data is summed to generate an intermediate output. Summing the intermediate outputs from multiple beamformers produces a time-multiplexed final output representing up to four focused beams, with each time gap in the time-multiplexed output data corresponding to each received beam. I do. In an ultrasonic imaging apparatus that generates one reception scanning line or beam by combining data from 64 channels, 16 beam forming apparatuses as shown in FIG. 1 are required.
[0012]
Although a beamforming device can simultaneously provide intermediate outputs for shaping up to four received beams, the number of beams formed at one time can vary, for example, depending on the center frequency of the ultrasound signal.
[0013]
The time delay generated by the beamforming device includes a coarse delay and a fine delay. The coarse delay is a delay corresponding to an integral multiple of the system clock period, and as shown in FIG. Embodied in Each register or delay element delays data by controlling the time at which read data is output. Fine delays smaller than the system clock period are implemented in each channel by finite impulse response (FIR) filter and multiplexer (MUX) blocks 18a-18d as shown in FIG. In each channel, the apodization for adjusting the size of the data sample is determined by multipliers 24a to 24d and apodization generators 22a to 22d. The summation is performed by four adders 26a, 26b, 30 and 34 in three different stages.
[0014]
Referring to FIG. 1, data from each transducer element (not shown) or each channel is input to analog-to-digital (A / D) converters 10a to 10d and sampled. The sample data from each of the A / D converters 10a to 10d is supplied to a corresponding input buffer, that is, I_FIFOs 12a to 12d, and time-delayed. That is, the coarse delay for the first channel input is provided by a series of FIFOs 14a, 20a, 28a and 32, the coarse delay for the second channel input is provided by a series of FIFOs 14b, 20b, 28a and 32, and the coarse delay for the third channel input. The delay is provided by a series of FIFOs 14c, 20c, 28b and 32, and the coarse delay for the fourth channel input is provided by a series of FIFOs 14d, 20d, 28b and 32. The fine delay for each channel input is performed by the corresponding FIR filters & MUXs 18a to 18d.
[0015]
In each channel, each I_FIFO 12a to 12d is connected in parallel to E_FIFOs 14a1 to 14a4, 14b1 to 14b4, 14c1 to 14c4, 14d1 to 14d4 having four E_FIFOs. For example, the sample data from the first channel is simultaneously recorded in all four E_FIFOs 0 to 3 in the E_FIFO 14a1. These four E_FIFOs 0 to 3 each perform a time delay corresponding to each receive beam to generate each output delayed at a different time. The delay outputs from the four E_FIFOs 0 to 3 are time-multiplexed by a multiplexer (see FIG. 3) and filtered by an FIR filter to perform a fine delay on the sample data. Hereinafter, the time multiplexing and the filtering will be described in more detail with reference to FIGS.
[0016]
In each channel, the filtered and time-multiplexed data is input to the second stage G_FIFOs 20a to 20d. These G_FIFOs 20a-20d perform a second coarse time delay. Thereafter, the output data from each G_FIFO 20a-20d is apodized by corresponding multipliers 24a-24d and apodization generators 22a-22d. More specifically, each of the multipliers 24a to 24d calculates an output from the corresponding G_FIFO 20a to 20d and an apodization coefficient obtained from a predetermined apodization curve in the corresponding apodization generator 22a to 22d. Multiply. Here, each apodization generator 22a-22d may include a memory (not shown) for storing the apodization curve.
[0017]
Outputs from two adjacent channels (multipliers 24a and 24b and multipliers 24c and 24d) are added in adders 26a and 26b, respectively. The added data is stored in the M_FIFOs 28a and 28b, respectively. These M_FIFOs 28a and 28b perform a third coarse time delay on the input data. Subsequently, the time-delayed data from the M_FIFOs 28 a and 28 b are added together in the adder 30 and stored in the L_FIFO 32. The L_FIFO 32 performs a fourth coarse time delay on the input data from the adder 30.
[0018]
The reasons for applying the coarse time delay in four different stages are as follows. The difference in delay applied to data samples from multiple channels to shape multiple beams will vary with the distance between channels and / or between beams. Specifically, the difference in delay between two adjacent channels and / or between beams is smaller than the difference between non-adjacent channels. Therefore, the E_FIFOs 14a1 to 14d4 that perform the first coarse delay process the maximum delay difference between the four beams in the respective channels. Each of the G_FIFOs 20a to 20d performing the second coarse delay processes the maximum delay difference between two adjacent channels not processed in the first stage. The M_FIFOs 28a and 28b, which perform the third coarse delay, process the delay differences between four adjacent channels that were not processed in the first and second stages, respectively. The L_FIFO 32 that performs the fourth coarse delay processes a delay difference between channels processed by another beamforming apparatus.
[0019]
As described above, since the delayed sample data from the two channels is added in the adders 26a and 26b, only two M_FIFOs 28a and 28b are required in the third stage. Similarly, since the delay sample data from the four channels is added by the adder 30, only one L_FIFO 32 is required in the fourth stage. Therefore, by arranging the delay elements and the adders in a hierarchical structure as shown in FIG. 1, the size of the memory required for obtaining the focusing delay can be greatly reduced.
[0020]
In one embodiment of the present invention, the maximum time delays applied by E_FIFO, G_FIFO, M_FIFO and L_FIFO are 64, 256, 256 and 1024 clock periods, respectively. That is, by setting the time delay caused by the L_FIFO to be longer than the time delay caused by the other FIFOs, the size of the memory can be reduced as much as possible.
[0021]
As shown in FIG. 1, the summation process is performed in three different stages. The adder 26a in the first stage sums the delayed sample data output from the upper two channels (ie, channel 0 and channel 1), and the adder 26b in the first stage adds the lower two channels (ie, channel 2 and channel 3). ) Are added together. The adder 30 in the second stage sums the delayed outputs from the adders 26a and 26b. An adder 34 in the third stage sums the intermediate outputs from the multiple beamformers (only one shown in FIG. 1) to produce a final result representing up to four received beams.
[0022]
FIG. 2 is a diagram illustrating an operation of the E_FIFO according to a preferred embodiment of the present invention. In FIG. 2, D i is a data supplied from each channel is written into each one by 1 E_FIFO0~E_FIFO3. As shown in FIG. 2, the write pointer (Wr_Ptr) indicating the data write bit position is located at the same place on all E_FIFOs and moves one bit at a time for each data write. Thus, the sample data from the four channels is written at the same time. However, the time to be input to the FIR filter & MUX registers subsequent stages D i written in each E_FIFO is read (described later with reference to FIG. 3) each beam (or each E_FIFO) phase against different. As shown in FIG. 2, the read pointer (Rd_Ptr) indicating the data read position can specify a different position.
[0023]
In FIG. 2, in the case of E_FIFO0, data is read out 5 clock cycles after writing, and in the case of E_FIFO2, it is read out 3 clock cycles and different delays are applied to the two beams. As described above, the amount of delay applied to each channel and each beam is adjusted by the difference in position between the write pointer and the read pointer. The positions of these pointers are adjusted by the FDCU 16 in FIG. Specifically, the amount of delay is adjusted by moving the read pointer one memory location per clock cycle based on the delay curve.
[0024]
FIG. 3 is a diagram illustrating the FIR & MUX 18 in FIG. 1 in detail. As shown in FIG. 3, the shift register unit 110 includes four sets of 16-tap registers. Each set of registers stores 16 consecutive data read from the corresponding E_FIFO. In one embodiment of the present invention, each data from the E_FIFO includes 10 bits, and each register can store 10 bits.
[0025]
These 16 consecutive data are filtered by a 16 tap filter indicated by Cij. The coefficients of each filter are selected from eight predetermined coefficient sets (Ci0 to Ci7) using 8: 1 MUXs 120, 122, and 124. In one embodiment of the present invention, the filter coefficients Cij are predetermined in a separate filter coefficient bank (not shown) and supplied to the FIR & MUX unit 18. The coefficient selection signal is used to control the 8: 1 MUXs 120 to 124 to select any one of the eight filter coefficient sets. This coefficient selection signal is determined by the fine delay amount applied in the FIR & MUX unit 18.
[0026]
The filtering of the 16 continuous data is performed in a time multiplexing manner by selecting one set of 16 tap registers of the four sets in the shift register unit 110 using the 4: 1 MUXs 112, 114, and 116. The beam select signal is input to each of the 4: 1 MUXs 112, 114, and 116 and indicates which of the four beams is to be processed. Thereafter, the filter coefficients selected by the 8: 1 MUX are multiplied by the 16 data selected by the 4: 1 MUXs 112, 114, 116. Filtering is performed on data sequentially supplied from E_FIFO0, E_FIFO1, E_FIFO2, and E_FIFO3. That is, the filtering is sequentially repeated for each beam.
[0027]
The shift enable signal in FIG. 3 functions to control the shift of data in the register at a specific clock cycle when data from each E_FIFO is input to the 16-tap register. In the clock cycle in which the read pointer moves in FIG. 2, the shift enable signal controls each register so that data is shifted in the register. If the read pointer remains to adjust the delay value, the shift enable signal is disabled so that data is not shifted in the register. By synchronizing the movement of the read pointer with the movement of the data in the shift register in this way, the same data is prevented from being redundantly written to the register. This is because if the same data is repeatedly written into the register, an error may occur when obtaining the interpolation data from the corresponding data.
[0028]
FIG. 4 is a diagram for explaining the function of the FIR filter in FIG. The fine delay is implemented using an interpolation filter. By properly selecting the FIR filter coefficients, a fine delay with a value less than the system clock period can be applied to the delayed sample data. By applying a fine delay smaller than the system clock period to data samples in this manner, a delay error can be eliminated.
[0029]
The input waveform shown in FIG. 4 represents data input from the E_FIFO to the register set. The FIR filter in FIG. 3 is an interpolation filter for finding an intermediate value between sample data in an input waveform. FIG. 4 illustrates the function for a 4-tap interpolation filter for convenience.
[0030]
While the preferred embodiments of the present invention have been described above, those skilled in the art will be able to make various modifications without departing from the scope of the present invention.
[0031]
【The invention's effect】
Therefore, according to the present invention, it is possible to reduce the size of a memory required for implementing a delay element by using a delay element having a multi-stage structure and sharing some of the delay elements in the plurality of channels. Can be. In addition, processing multiple beams in a time multiplexed manner can further reduce overall hardware complexity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic block diagram of a 4-channel beam forming apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an operation of an E_FIFO according to a preferred embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a diagram showing FIR & MUX in FIG. 1 in detail.
FIG. 4 is a diagram for explaining a function of an FIR filter in FIG. 3;
[Explanation of symbols]
14a1-14d4 First-stage delay elements 20a-20d Second-stage delay elements 28a, 28b Third-stage delay element 32 Fourth-stage delay elements 18a, 18b, 18c, 18d FIR & MUX
26a, 26b, 30, 34 adder

Claims (3)

超音波トランスジューサ列から受信した信号を処理する超音波受信ビーム成形装置であって、
N及びMがトランスジューサの個数より小さい正の整数であるとき、M個のトランスジューサから供給されるM個のチャンネルのデータサンプルに対してN個の受信ビームを成形するための遅延を加え、前記M個のチャンネルの遅延されたデータサンプルを合算して前記M個のチャンネルの中間出力を発生する、複数のビーム成形手段と、
前記複数のビーム成形手段からの前記M個のチャンネルの中間出力を合算して前記N個の受信ビームを表すデータを出力する合算手段とを含み、
前記各ビーム成形手段は、
前記チャンネルごとに、当該チャンネルのデータサンプルに対してシステムクロック周期の整数倍に対応する第1遅延を加える粗遅延素子と、前記システムクロック周期より小さい第2遅延を加える微細遅延素子とを備え、さらに、
前記各チャンネルの粗遅延素子および微細遅延素子により遅延されたデータサンプルを少なくとも2つのチャンネルについて加算する第1加算器と、
前記第1加算器からの出力に対して第3遅延を加える複数の多チャンネル遅延素子とを備え、
前記粗遅延素子が、
各ビームの成形に用いられるデータサンプルを格納するN個のチャンネル別先入れ先出し格納手段と、
前記N個の先入れ先出し格納手段のデータ書込みポインタを同一に制御する手段と、
前記N個の先入れ先出し格納手段のデータ読出しポインタを独立的に制御する手段とを備え、
前記N個の先入れ先出し格納手段に格納された各データサンプルは前記第1遅延の値に基づいて決定される時刻に読出され、
前記N個の受信ビームに対する前記M個のチャンネルの中間出力を時間多重化方式で前記合算手段に供給し、前記合算手段は前記N個の受信ビームを表すデータを時間多重化方式で出力する手段であることを特徴とする超音波受信ビーム成形装置。
An ultrasonic receiving beam forming apparatus for processing a signal received from an ultrasonic transducer array,
When N and M are positive integers less than the number of transducers, a delay for shaping N receive beams is added to the data samples of M channels supplied from the M transducers, and the M A plurality of beamforming means for summing the delayed data samples of the plurality of channels to generate an intermediate output of the M channels;
Summing means for summing the intermediate outputs of the M channels from the plurality of beamforming means and outputting data representing the N received beams,
Each of the beam forming means,
A coarse delay element for adding a first delay corresponding to an integral multiple of a system clock period to a data sample of the channel, and a fine delay element for adding a second delay smaller than the system clock period for each channel; further,
A first adder for adding data samples delayed by the coarse delay element and the fine delay element of each channel for at least two channels;
A plurality of multi-channel delay elements for adding a third delay to the output from the first adder;
The coarse delay element,
N-channel first-in first-out storage means for storing data samples used for shaping each beam;
Means for controlling the data write pointers of the N first-in first-out storage means identically;
Means for independently controlling data read pointers of said N first-in first-out storage means,
Each data sample stored in the N first-in first-out storage means is read at a time determined based on the value of the first delay,
An intermediate output of the M channels for the N receive beams is supplied to the summing means in a time multiplexed manner, and the summing means outputs data representing the N received beams in a time multiplexed manner. An ultrasonic receiving beam forming apparatus, characterized in that:
前記微細遅延素子が複数の補間フィルタを備え、前記補間フィルタの各々がチャンネルからのデータサンプル組を用いて該当データサンプル間の補間データを決定することを特徴とする請求項1記載の超音波受信ビーム成形装置。2. The ultrasonic receiver according to claim 1, wherein the fine delay element includes a plurality of interpolation filters, each of the interpolation filters using a data sample set from a channel to determine interpolation data between the data samples. Beam forming equipment. 前記微細遅延素子が、
各組が各チャンネルからのL個の連続的なデータサンプルを格納するL個のシフトレジスタを有するN個のシフトレジスタ組と、
前記N個のシフトレジスタ組のうちのいずれか1つを選択し、選択されたシフトレジスタ組に格納された前記L個の連続的なデータサンプルを供給する多重化手段と、
前記第2遅延の値に基づいて、各組がL個のフィルタ係数を有する複数の予め定められたフィルタ係数組のうちのいずれか1つを選択する選択手段と、
前記多重化手段から供給される前記L個の連続的なデータサンプルに前記選択手段から供給される前記L個のフィルタ係数を乗算して、L個の乗算結果を合算する手段とを備えることを特徴とする請求項1記載の超音波受信ビーム成形装置。
The fine delay element,
N shift register sets each having L shift registers, each set storing L consecutive data samples from each channel;
Multiplexing means for selecting any one of the N shift register sets and supplying the L consecutive data samples stored in the selected shift register set;
Selecting means for selecting any one of a plurality of predetermined filter coefficient sets, each set having L filter coefficients, based on the value of the second delay;
Means for multiplying the L consecutive data samples supplied from the multiplexing means with the L filter coefficients supplied from the selecting means, and summing the L multiplied results. The ultrasonic receiving beam forming apparatus according to claim 1, wherein:
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