JP3643585B2 - Ultrasonic image forming apparatus using combination of linear scanning and sector scanning - Google Patents

Ultrasonic image forming apparatus using combination of linear scanning and sector scanning Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、フェーズドアレイ式ビーム操向および集束を用いた超音波画像形成システムに関し、特に、リニア走査とセクタ(扇形)走査との組み合わせを用いてリニア走査の利点を保持したまま視野の拡大を提供する超音波画像形成のための方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
フェーズドアレイ式超音波画像形成システムにおいて、その超音波変換器は、変換素子アレイを含むものである。このシステムは、多チャネル送信器と多チャネル受信器とを含むものである。チャネル数が前記アレイ中の変換素子数よりも少ない典型的な場合には、電子式スイッチ網が、選択された1グループの変換素子を送信器および受信器のチャネルに接続する。送信器の各チャネルにより、選択された変換素子アレイが画像形成対象となる物体(典型的には人体)中に超音波パルスを送信することになる。この送信された超音波エネルギーが、各変換素子から送信されるパルスに適当な遅延を与えることにより操向および集束されて、その送信されるエネルギーが所望の点に有効に加えられる。このようなパルスの一部は、人体中の様々な構造や組織により反射されて変換器アレイへと戻る。
【0003】
受信された超音波エネルギーの操向および集束は、上記の送信の場合と逆の方法で行われる。物体または構造からの反射された超音波エネルギーは、異なる時点でアレイ素子に到達する。受信された信号は、受信器の別々のチャネルでその増幅および遅延が行われ、次いで、受信側のビーム形成器(receive beamformer)中で加算される。各チャネル毎の遅延は、受信ビームが所望の点で集束するよう選択される。それらの遅延は、超音波エネルギーの受信時に、走査線に沿った漸進的に増大する深さでビームを集束させるように、動的に変化させることができる。送信されたビームが人体の或る領域にわたって走査され、上記ビーム形成器により生成された信号が処理されて前記領域の画像が生成される。
【0004】
様々な走査パターン即ち走査形式が、当業界で公知である。リニア走査パターンでは、超音波エネルギーは、変換素子アレイ上の異なる点を起点とする多数の平行線に沿って送信および受信される。それらの平行線は、前記アレイに対して垂直とすることができ、また所望の角度に操向することができるものである。このリニア走査パターンは、比較的高品質の画像を生成する。これは、画像形成対象となる構造に対して全ての走査線が同一方向から入射するからである。リニア走査パターンで得られる視野は、全ての深さにおいて同一である。
【0005】
また、セクタ走査パターンでは、超音波エネルギーは、典型的には変換素子アレイ上に位置する共通の1つの頂点を起点とするセクタ線に沿って送信および受信される。このセクタ走査パターンは、深さの増大に応じて拡大する視野を有している。セクタ走査パターンの欠点は、浅い深さではその視野が比較的狭いという点である。浅い深さにおけるセクタ走査パターンの視野を拡大するための技術は周知のものであり、この技術は、変換素子アレイの背後に位置する仮想頂点を起点とするようにセクタ走査パターンをシフトさせることを含むものである。この仮想頂点走査パターンは、高品質画像を生成するというリニア走査の利点を有さないものである。
【0006】
リニア走査とセクタ走査との組み合わせを用いる走査技術が、1987年5月12日付けでYanoに付与された米国特許第4,664,122号に開示されている。その開示の変換素子アレイでは、変換素子アレイの両端における部分アレイ中の素子の間隔を、中央部の部分アレイ中の素子の間隔よりも小さくすることにより、その走査フォーマットが実現される。リニア走査の操向については開示されていない。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、超音波画像形成のための方法および装置が提供される。本発明の第1態様によれば、超音波変換素子アレイを含むシステムにおける超音波画像形成のための方法は、超音波変換素子アレイ上の異なる点を起点とすると共にその変換素子アレイに対する法線に関して可変的な角度θに方向付けされ即ち操向された平行線に沿って、前記変換素子アレイにより超音波エネルギーを送信し、前記平行線がリニア走査パターンを規定するものであり、および、1つの頂点を起点としてセクタ走査パターンを規定するセクタ線に沿って前記アレイにより超音波エネルギーを送信する、というステップを含む。前記セクタ走査パターンおよびリニア走査パターンが隣接して複合走査パターンが形成される。この方法は更に、前記平行線および前記セクタ線に沿って前記アレイにより超音波エコーを受信して、前記平行線および前記セクタ線に沿って画像を表す信号を提供する、というステップを含む。
【0008】
セクタ走査パターンは、リニア走査パターンの一方または両方の端部で利用することが可能である。典型的には、セクタ走査パターンの頂点は、リニア走査パターンの一端で前記アレイ上に位置する。セクタ走査パターンをリニア走査パターンの両端で利用する場合には、前記複合走査パターンはほぼ台形の形状を有する。そのセクタ走査パターンは、前記アレイに対する法線に関する所望の最大角度αと前記平行線の角度θとの間に延在する。
【0009】
セクタ走査パターンのセクタ線は、前記アレイのセクタアパーチャを通って送信され、また平行線は、前記アレイのリニアアパーチャを通って送信される。本発明の別の態様によれば、リニア走査パターンおよびセクタ走査パターンを用いた複合走査パターンでのセクタアパーチャの幅は、対象領域の深さに応じて変化させられる。比較的深い部分の画像形成には、全幅のセクタアパーチャが使用され、比較的浅い部分の画像形成には、前記全幅のセクタアパーチャよりも狭い縮小幅のセクタアパーチャが使用される。浅い画像形成のためにセクタアパーチャの幅が狭められる場合には、リニア走査パターン中の平行線の数を増加させて広い視野を提供することが好ましい。
【0010】
好適な一実施例では、変換素子アレイは、互いに同一の間隔が形成された同一寸法の変換素子からなる直線アレイにより構成される。好適には、前記平行線は互いに等間隔で隔置され、前記セクタ線は互いに等角度で隔置される。
【0011】
本発明の別態様によれば、超音波変換素子アレイと、所定数の送信チャネルおよび受信チャネルと、それらの送信チャネルおよび受信チャネルと接続する変換素子を選択するための電子スイッチとを備えたシステムにおける、セクタ走査パターンを用いた超音波画像形成方法が提供される。この方法は、セクタアパーチャの大きさと変換素子アレイ上のセクタアパーチャの位置とから送信チャネルおよび受信チャネルに対する変換素子の写像を決定し、セクタ走査パターンに関するセクタ角と焦点とから集束遅延を決定し、その集束遅延を前記写像を用いて既写像集束遅延に変換し、その既写像集束遅延を用いてセクタ走査パターンのセクタ走査線に沿って超音波エネルギーの送信および受信を行い、そのセクタ走査線に沿った画像を表す信号を提供する、というステップを含む。
【0012】
【実施例】
本発明の一態様による超音波画像形成技術を図1(a),(b)に示す。超音波変換素子アレイ10は、典型的には直線的な構成で多数の変換素子を備えている。超音波変換素子アレイの製造技術は周知のものである。
【0013】
複合走査パターン12は、リニア走査パターン14とセクタ走査パターン16,18とを含んでいる。リニア走査パターン14は、アレイ10に対する法線20に関して角度θに操向可能であり、その両端は線22,24により境界付けられている。リニア走査パターン14は、変換素子アレイ10上の異なる点を起点とする多数の平行走査線26,28他により生成される。それら平行走査線の各々は、法線20に関して角度θに方向付け即ち操向することが可能なものであり、また、法線20と平行にすることも可能である。本明細書で使用する用語「平行走査線」および「セクタ走査線」は、超音波エネルギーの送信および受信を行う際に沿う線を意味している。こうした「走査線」は、焦点と変換素子アレイの活動アパーチャの中央(更に特定すれば、変換素子アレイの活動アパーチャについての多数のアポダイゼーション関数の中央(the center of mass of the apodization function))との間の線と定義することができる。
【0014】
セクタ走査パターン16は、変換素子アレイ10上の頂点30を起点とし、セクタ走査パターン18は、変換素子アレイ10上の頂点32を起点とする。セクタ走査パターン16は、法線20に対して角度αをなす線34から、リニア走査パターン14の境界に位置する線22へと延在する。また、セクタ走査パターン18は、法線20に対して角度−αをなす線36から、リニア走査パターン14の境界に位置する線24へと延在する。セクタ走査パターン16は、頂点30を起点として線34,22間に延在するセクタ走査線33,35他に沿って超音波エネルギーの送信および受信を行うことにより得られる。典型的には、セクタ走査線は等角度で隔置される。同様に、セクタ走査パターン18は、頂点32を起点として線36,24間に延在するセクタ走査線(図示せず)に沿って超音波エネルギーを送信および受信することにより得られる。従って、セクタ走査パターン16は、リニア走査パターン14に一端で隣接し、セクタ走査パターン18は、リニア走査パターン14に他端で隣接する。
【0015】
セクタ走査パターン16,18およびリニア走査パターン14は、複合走査パターン12を規定する。この複合走査パターン12の形状はほぼ台形である。この複合走査パターン12の形状を「ほぼ台形」と説明するのは、その下部境界38が直線でない可能性があるからである。図1(a),(b)では、下部境界38は湾曲部38a,38bと直線部38cとを含んでいる。これに代わるものとして、複合走査パターンの下部境界全体が直線となるようにセクタ走査パターン16,18のセクタ走査線を延在させることも可能である。
【0016】
超音波エネルギーは、「アパーチャ」として知られる変換素子アレイ10における変換素子からなる部分アレイを介して、セクタ走査パターン16,18のセクタ線とリニア走査パターン14の平行線とに沿って送信および受信される。超音波エネルギーの送信および受信を行う際に介在するアパーチャは、活動(active)アパーチャとして知られている。図1(a),(b)では、アレイ10の斜線部で示すセクタアパーチャ40,42を介して超音波エネルギーの送信および受信を行うことにより、セクタ走査パターン16,18がそれぞれ形成される。セクタアパーチャ40,42の各々は、所望のセクタ走査パターンの生成に十分な個数の変換素子を備えている。各セクタ走査パターンの頂点は、典型的には個々のセクタアパーチャの中央に位置する。以降で一層完全に説明する一例では、セクタアパーチャ40,42は、それぞれ128個の変換素子を備えている。
【0017】
リニア走査パターン14は、セクタアパーチャ40の中央におけるセクタ走査パターン16の頂点30から、セクタアパーチャ42の中央におけるセクタ走査パターン18の頂点32まで延在する。このリニア走査パターン14の平行線の各々は、後述するように関連するリニアアパーチャを有している。
【0018】
複合走査パターン12の典型的な走査は次のように行うことができる。最初に、頂点30を起点とするセクタ線33,35他に沿ってセクタアパーチャ40中の変換素子により超音波エネルギーの送信および受信を行ってセクタ走査パターン16を形成する。それらのセクタ線は、所望の最大角度αをなす線34から、リニア走査パターン14の角度θをなす線22まで延在する。一例では、それらセクタ線は1/2度ずつ隔置されている。従って、図1(a)の例では、セクタ走査パターン16のセクタ線は、28.5度をなす線34から線22に隣接した-9.5度をなす線まで(これは、線22がリニア走査パターン14の最初の線であるからである)延在する。この例の場合、セクタ走査パターン16は76本のセクタ線を有する。代替的には、線22をセクタ走査パターン16の最後のセクタ線とし、リニア走査パターン14の最初の線をその線22に隣接する線とすることが可能である。
【0019】
次に、アレイ10のリニアアパーチャを介した超音波エネルギーの送信および受信により、リニア走査パターン14を形成する。リニア走査パターン14の平行線は、典型的には1度に2個の変換素子ずつ、アレイ10にわたり活動リニアアパーチャを電子的にシフトさせることにより形成される。線22の形成に使用される第1リニアアパーチャは、典型的にはセクタアパーチャ40と同一のものである。次いで、そのリニアアパーチャを2個の変換素子だけシフトさせて、前記線22に平行な第2線に沿って超音波エネルギーの送信および受信が行われる。リニアアパーチャを2個の変換素子だけ移動させて、超音波エネルギーの送受信を平行線に沿って行うプロセスは、線24でリニア走査パターン14が完了するまで繰り返される。従って、リニア走査パターン14は、操向角θの線22,24と平行な多数の走査線からなる。ここで、平行な走査線間でリニアアパーチャを1個の変換素子だけまたは2個以上の変換素子だけシフトさせることが本発明の範囲内で可能であることが理解されよう。
【0020】
最後に、セクタ走査パターン18が、セクタ走査パターン16と同様の方法で形成される。即ち、超音波エネルギーがセクタアパーチャ42の変換素子により送信および受信されて、頂点32を起点とするセクタ線が形成される。そのセクタ線は、所望の最大角度をなす線36とリニア走査パターン14の境界の線24との間に延在する。セクタ走査パターンおよびリニア走査パターンの走査のためのシーケンスは任意であり、異なるシーケンスを使用できることが理解されよう。しかし、好適には、それらの走査は、左から右へ、または、右から左へと順次行われる。
【0021】
セクタ線および平行線の各々に沿った受信された超音波エコーは、活動アパーチャの変換素子により電気信号に変換される。その電気信号が以降で説明するように処理されて、複合走査パターン12内の領域の超音波画像が提供される。その画像は、典型的には表示画面上に表示され、図1(a),(b)に示し上記で説明した複合走査パターン12の形状を有する。
【0022】
図1(a),(b)に示した上記説明の複合走査パターン12は、操向された1つのリニア走査パターンと1つ以上のセクタ走査パターンとの両者を含み、従来の走査パターンにまさる幾つかの利点を有するものである。操向されたリニア走査パターン14は、対象となる構造の高品質画像を提供する。これは、リニア走査パターン14の角度θが対象となる構造上に垂直に入射するように調整可能であるからである。例えば、図1(b)に示すように、調査対象となる血管50が、変換素子アレイ10に対して角度θの方向に向いている場合には、リニア走査パターン14を角度θに操向して最良の画像を得ることができる。セクタ走査パターン16,18は、視野を大幅に拡大するものである。
変換素子アレイ10の一例は、135μmの素子ピッチ(中心間間隔)を有する288個の変換素子を備えたものである。その素子ピッチは、7.5MHzでの超音波波長の0. 66倍に相当し、また、5.0MHzでの超音波波長の0.44倍に相当するものである。この構成により、少なくとも±30度までの超音波エネルギーの操向が可能となり、セクタ走査パターンとリニア走査パターンとの間の滑らかな推移が実現する。288個の変換素子と3.89cmの長さ寸法とを有する変換素子アレイ10では、従来のリニア走査の場合の走査幅は全ての深さで3.4cmとなる。本発明によりリニア走査をセクタ走査と組み合わせた場合には、深さの増大と共に視野が拡大する。セクタ角が28.5度であり、以下で説明するような可変セクタアパーチャを使用する上記実施例の場合には、深さ4cmでの視野が6.8cm、深さ6cmでの視野が8.3cm、深さ8cmでの視野が9.8cmとなる。
本発明の範囲内には多数の変形例が含まれることが理解されよう。例えば、リニア走査パターンの両端にセクタ走査パターンを与える必要はない。その代わりに、リニア走査パターンの何れかの端部に単一のセクタ走査パターンを与えることができる。また、リニア走査パターンの両端でセクタ走査パターンを使用する場合には、それらのセクタ走査パターンが互いに異なるパラメータを有することが可能である。例えば、それらセクタ走査パターンは、互いに異なる最大角度を有することが可能であり、互いに異なるセクタアパーチャを介して送信することが可能である。更に、セクタ走査パターンの頂点は、必ずしも変換素子アレイ10上に位置する必要はない。変換素子アレイ10の背後または正面に位置する仮想頂点を起点としたセクタ走査パターンを生成するための技術を本発明の範囲内で使用することが可能である。更に、変換素子の個数および変換素子のピッチを含む変換素子アレイのパラメータを特定の用途に応じて選択することが可能である。
更なる変形例として、送信スプライス(splice)技術を使用することができる。この送信スプライス技術によれば、2つの走査線が変換素子アレイ上の同一起点から同一方向に順次送信されるが、それら走査線の焦点深度は互いに異なるものとなる。このプロセスは、所望の走査パターン中の各走査線毎に繰り返される。
本発明の別態様によれば、対象領域の深さに応じてセクタアパーチャ40,42の幅が変化させられる。典型的には、画像の深さは、対象領域の深さに基づき選択される。上述のように、セクタ走査パターンは、浅い深さでは比較的狭い視野を有し、深さが増すにつれて比較的広い視野を有する。リニア走査パターンは、全ての深さで一定の視野を有する。これらの特徴を利用して、浅い画像形成と深い画像形成との両方で広い視野が提供される。アパーチャが大きい場合には、深部の組織の詳細な分析が可能となる。浅い画像形成深さでは、セクタアパーチャの幅を縮小させることが可能であり、平行線の数を増大させることによりリニア走査パターンの幅を拡大することが可能である。リニア走査パターンの幅を拡大することにより、浅い画像形成深さでの視野が拡大される。
各セクタアパーチャの幅およびリニア走査パターンの幅の変化を図2(a)〜(c)に示す。図2(a)では、変換素子アレイ10のセクタアパーチャ40,42は全幅であり、そのリニア走査パターンは頂点30,32の間に延在する。本発明の一実施例では、変換素子アレイ10は288個の変換素子を有し、セクタアパーチャ40,42は128個の変換素子を各々有している。リニアアパーチャもまた128個の変換素子を有しており、このリニアアパーチャは、典型的には、頂点30から頂点32へと一度に2個の変換素子ずつシフトされて81本の平行線が形成される。図2(a)に示す構成は、約8cm以上の画像形成深さに適したものである。
図2(b)に示す構成は、約6cmといった中間の画像形成深さに適したものである。セクタアパーチャ40a,42aの幅は、図2(a)に示すセクタアパーチャ40,42の幅に比べて狭くなっている。超音波エネルギーは、頂点30a,32aを起点とするセクタ線に沿って送信および受信され、それら頂点30a,32aは、図2(a)に示す頂点30,32と比べて変換素子アレイ10の両端に向かって外方に変位されている。リニア走査パターンは頂点30a,32a間に延在する。288個の変換素子を有する上述の変換素子アレイの一例では、セクタアパーチャ40a,42aの各々が96個の変換素子を有し、リニア走査パターンは97本の平行線を含むことになる。
約4cmの深さでの浅い画像形成のための構成を図2(c)に示す。セクタアパーチャ40b,42bの幅は最小幅に狭められて、リニア走査パターンの幅が最大幅に拡大される。セクタ走査パターンは、頂点30a,30bを起点とするものであり、それら頂点30a,30bは、変換素子アレイ10の両端の一層近くに変位されている。288個の変換素子を有する変換素子アレイの一例では、セクタアパーチャ40b,42bの各々は64個の変換素子を有し、リニア走査パターンは113本の平行線を有する。
図2(a)の実施例では、セクタアパーチャ40,42は、その各々に128個の変換素子を有し、リニア走査パターンの平行線を送信するためのリニアアパーチャは、各平行線毎の128個の変換素子を有する。図2(b),(c)に示すように、セクタアパーチャの幅が狭められる際には、好適には、リニアアパーチャの幅がリニア走査パターンの両端近くで狭められる。図2(b)において、リニアアパーチャは、頂点30aを起点とする線に沿って超音波エネルギーの送信および受信を行うためにセクタアパーチャの幅に狭められる。次いで、そのリニアアパーチャが、1度に2個の変換素子だけ変換素子アレイに沿って変位されて、連続する各走査線毎に4個の変換素子だけその幅が拡大され、これは、そのリニアアパーチャが変換素子アレイ10の中央部分において所望の最大幅に達するまで行われる。次いで、そのリニアアパーチャは、頂点32aに近づく際に、連続する各走査線毎に4個の素子ずつその幅が狭められて、頂点32aを起点とする線に沿って超音波エネルギーの送信および受信を行うためのセクタアパーチャ42bの幅を有することとなる。活動リニアアパーチャがリニア走査パターンの端部に近づく際には、連続する各走査線毎にそのアパーチャの先縁および後縁の両方から2個の変換素子を除去してそのアパーチャを対称的に縮小させるのが望ましい。同様に、活動リニアアパーチャがリニア走査パターンの端部から遠ざかる際には、そのアパーチャがその最大幅に達するまで、連続する各走査線毎にそのアパーチャの先縁および後縁の両方に2個の変換素子を加える。これにより、送信ビームが受信ビームと平行に保たれる。
【0023】
代替的には、リニア走査パターンの端部付近で非対称なリニアアパーチャを使用することが可能であるが、送信焦点から離れた画像の品質が幾分か劣化することになる。この場合には、活動リニアアパーチャが変換素子アレイの端部に達する際に、その先端のチャネルは、その端部を減衰させるので、使用されない。
【0024】
セクタアパーチャ40a,42aがそれぞれ96個の変換素子を有する図2(b)の実施例では、リニアアパーチャの大きさは、リニア走査パターンの両端における96個の変換素子分から、リニア走査パターンの中央部分における128個の変換素子分まで変化する。同様に、図2(c)の実施例の場合には、リニアアパーチャの大きさは、リニア走査パターンの両端における64個の変換素子分から、リニア走査パターンの中央部分における128個の変換素子分まで変化する。
【0025】
図2(a),(c)に示した上述の変換素子アレイ中の変換素子の数と、幅が狭められたセクタアパーチャ中の変換素子の数と、リニアアパーチャ中の変換素子の数とは、単なる例示にすぎず、他の変換素子アレイおよびアパーチャの大きさが本発明の範囲内に含まれる、ということが理解されよう。更に、リニアアパーチャとセクタアパーチャとの相対的な大きさは設計上の選択事項に過ぎない。リニアアパーチャとセクタアパーチャとの相対的な幅によっては、上述のようにリニア走査パターンの両端付近でリニアアパーチャの幅を狭める必要がない場合もある。
【0026】
上述の走査技術の実施に適した超音波画像形成システムの一例の簡素化ブロック図を図3に示す。変換素子アレイ10の各変換素子は、電子スイッチ網60に接続される。この電子スイッチ網60は、超音波エネルギーの送信および受信を行うための1グループの変換素子を選択することにより、活動セクタアパーチャまたは活動リニアアパーチャを規定するものである。図3の実施例では、変換素子アレイ10は288個の変換素子を有し、アパーチャの最大の大きさは128個の変換素子分である。電子スイッチ網60は、選択された変換素子を、選択されたアパーチャ中の各変換素子毎に送信チャネルを1つずつ有する送信器62へ接続する。それら送信チャネルは、送信される超音波エネルギーの操向および集束を行うためのプログラム可能な遅延を有している。送信器62は、適当に遅延された超音波パルスを、電子スイッチ網60を介して、セクタアパーチャまたはリニアアパーチャの選択された変換素子に供給する。
アパーチャの選択された変換素子はまた、電子スイッチ網60により、その選択されたアパーチャ中の各変換素子毎に受信チャネルを1つずつ有する受信器64にも接続される。受信器64は、選択されたアパーチャの各変換素子からの受信信号を遅延させて操向および集束を行い、その遅延信号を組み合わせて、複合走査パターン12(図1(a),(b)参照)のセクタ線および平行線に沿った画像を表わす信号を生成する。それらの信号が、信号処理装置66を介して表示装置68(典型的にはCRT)に供給されて超音波画像の表示が行われる。その信号処理装置66により使用される好適な走査変換技術は、1990年1月23日付けでHunt等に付与された米国特許第4,896,283号に開示されている。なお、本引用をもってその開示内容を本明細書に包含させたものとし、その詳細な説明は省略する。表示装置68は、図1(a),(b)に概略的に示すように、画像空間の表示を提供する。制御ユニット70は、制御信号を、変換素子の選択のために電子スイッチ網60に供給し、遅延の選択のために送信器62および受信器64に供給し、画像表示の制御のために信号処理装置66に供給する。
【0027】
スイッチ網60は、変換素子と処理用電子回路との間のマルチプレクサとみなすことができる。好適なマルチプレクサは、「トラクタトレディング(tractor treading)」マルチプレクサである。トラクタトレディング技術については、1988年5月9日付けで出願された米国特許出願第07/191,999号に開示されている。なお、本引用をもってその開示内容を本明細書に包含させたものとし、その詳細な説明は省略する。フェーズドアレイ式のシステムの場合、変換器の各受信信号は、典型的には処理電子回路内での所定の位相補正および遅延タップ選択を用いて、精確な態様で処理されなければならない。それらの位相変数およびタップ変数は、選択されたアパーチャ中の変換素子の相対位置に関連するものである。ヘテロダイン手段(ミキサ)およびタップ遅延線を使用して遅延を実施するための好適な技術が、1979年2月20日付けでMaslakに付与された米国特許第4,140,022号に開示されている。また、動的集束を行う際に使用すべき遅延係数を決定するための遅延係数生成器が、1990年8月14日付けでHunt他に付与された米国特許第4,949,259号に開示されている。なお、上記引用をもってそれら開示内容を本明細書に包含させたものとし、それらの詳細な説明は省略する。送信アポダイゼーションおよび動的受信アポダイゼーションに関する公知技術を、図3のシステムで使用することが可能である。本発明の走査パターンの実施に適したシステムは、ヒューレット・パッカード・カンパニーにより製造および販売されるSonos 1000システムである。
本発明は、図3に示し上述した類の超音波画像形成システムでの実施に限られたものではない、ということが理解されよう。例えば、送信器および受信器におけるチャネル数が変換素子アレイの変換素子数と等しい場合には、電子スイッチ網60は必要ない。この場合には、選択された送信チャネルおよび受信チャネルが活動状態にされて所望のアパーチャが発生する。また、本発明の走査技術は、受信信号をディジタル化した後にディジタル的に遅延させるディジタル受信ビーム形成器で実施することも可能である。
本発明を実施するための超音波画像形成システムの好適実施例のブロック図を図4に示す。基本的なアーキテクチャは、前記の特許第4,140,022号に基づくものであり、操向および集束のためにいわゆる「混合(mix)および遅延(粗遅延に付加された微細遅延)機構」を採用したものである。選択回路100(図3に示す既述の電子スイッチ網60に相当するもの)が、超音波画像形成システムの送信チャネルおよび受信チャネルを変換素子アレイ10の変換素子に接続する。上記実施例では、そのシステムは128のチャネルを含み、変換素子アレイ10は288個の変換素子を備えている。選択回路100はトラクタトレディングを行う。更に、図4に示す超音波画像形成システムは、上述のようにセクタ走査パターンおよびリニア走査パターンを生成するためにセクタ集束回路およびリニア集束回路の両方を備えている。
ディジタル制御装置102は、各走査線毎に、動作モード(セクタモードまたはリニアモード)とアレイ10上の活動アパーチャの位置とを決定する。セクタモードの場合には、ディジタル制御装置102はセクタ線の角度αも決定する。セクタ係数生成器104は、送信時にセクタモードでイネーブルになると3次多項式の係数を生成する。その3次多項式は、前記の特許第4,949,259号で開示されているように、選択された焦点およびセクタ角についての変換素子からの距離の式の逐次(series)近似である。次いで、選択回路100により決定されるように、それらの係数がローテート(rotate)されて活動アパーチャと位置合わせされ、プリセットとしてMAC回路106に送られる。このMAC回路106は、前記の特許第4,949,259号で開示されているように、各チャネル毎に遅延値を生成する。リニア係数生成器110は、送信時にリニアモードでイネーブルになると、選択された焦点およびリニア角について各チャネル毎に遅延を生成する。次いで、選択回路100により決定されるように、その遅延がローテートされて活動アパーチャと位置合わせされる。送信アポダイゼーション生成器112は、選択された送信焦点についての送信アポダイゼーション特性を生成する。次いで、選択回路100により決定されるように、その特性がローテートされて活動アパーチャと位置合わせされる。送信制御回路(TRIX)114は、各チャネル毎の遅延をカウントダウンカウンタにロードする。そのカウンタが最終カウントに達した後、TRIX114が、送信アポダイゼーション生成器112によりイネーブルにされた場合に送信パルスを生成する。電源116は、送信ドライバ118に高電圧を供給する。
【0028】
受信された信号は、選択回路100により前置増幅器119に供給される。当業界で公知のように、TGC生成器120は、各受信チャネルの可変利得増幅器122に時間利得制御信号を供給する。セクタ係数生成器104は、受信時にセクタモードでイネーブルになった際に、各焦点区域毎の受信係数プリセットを生成するために使用される。それらの係数プリセットがMAC回路106で使用されて受信遅延が生成される。リニア係数生成器110は、受信時にリニアモードでイネーブルになった際に、各焦点区域毎の受信遅延を生成するために使用される。TRIX114は、受信時に、各受信チャネルのミキサ124のためのミキサ制御信号を生成する。受信アポダイゼーション生成器130は、動的受信アポダイゼーション特性を可変利得増幅器131に供給する。その特性は、受信チャネルに供給される前に、選択回路100により決定されるように、ローテートされて活動アパーチャと位置合わせされる。セクタタップ生成器132は、セクタモードでイネーブルになった際に、選択された焦点およびセクタ角についてのタップ制御信号を生成する。このタップ制御信号は、選択回路100により決定されるように、ローテートされて活動アパーチャと位置合わせされる。リニアタップ生成器134は、リニアモードでイネーブルになった際に、選択された焦点およびリニア角についてのタップ制御信号を生成する。次いでそのタップ制御信号が、選択回路100により決定されるように、ローテートされて活動アパーチャと位置合わせされる。タップセレクタ140は、加算遅延ライン142上の1つのタップを選択する。代替的には、タップセレクタ140は、走査線に適当な遅延を与えるように、使用される特定の実施形態に応じて遅延ラインを構成することができる。画像検出器/走査変換器144は、前記特許第4,896,283号に開示の走査変換技術を使用して検出信号を走査変換して、ビデオ表示画面上に超音波画像を表示させる。
【0029】
変換素子アレイ10の一端の付近のセクタアパーチャを起点とするセクタ走査パターンのセクタ線に沿った超音波の送信および受信に含まれる諸ステップを図5に示す。図4では、前記諸ステップは、マイクロプロセッサとすることが可能なディジタル制御装置102により行われ、その結果が、セクタ係数生成器104とアポダイゼーション生成器112,130とセクタタップ生成器132とにロードされる。それらは、ランダムアクセスメモリを備えることが可能なものである。ステップ150では、セクタアパーチャの位置、即ち変換素子アレイ10のどちらか一端が、セクタ角およびリニア角から決定される。セクタ線の角度がリニア線の角度よりも大きい場合には、セクタアパーチャはアレイ10の左側にある。また、それ以外の場合には、セクタアパーチャはアレイ10の右側にある。ステップ152では、送信チャネルおよび受信チャネルへの変換素子の写像は、セクタアパーチャの大きさとその位置とから決定される。トラクタトレディングプロセスにより、変換素子とシステムのチャネルとを一致させる際にローテートが生じるので、前記写像が必要となる。ステップ154では、係数プリセットが、送信焦点および受信焦点と必要なセクタ角とについて、前記特許第4,949,259号に従って生成される。ステップ156では、その係数プリセットが、以前に決定された写像に従って写像されて、既写像係数プリセットが与えられ、その既写像係数プリセットがセクタ係数生成器104(図4参照)に格納される。ステップ158では、タップ制御信号が、指示された焦点と必要なセクタ角とについて決定される。そのタップ制御信号がステップ160で写像されて既写像タップ制御信号が与えられ、その既写像タップ制御信号がセクタタップ生成器132に格納される。ステップ162では、送信アポダイゼーション特性および受信アポダイゼーション特性が、アポダイゼーション制御信号に基づいて生成される。未写像のアポダイゼーション特性が、ステップ164で写像されて送信アポダイゼーション生成器112と受信アポダイゼーション生成器130とにそれぞれ格納される。
【0030】
図4と図5に示した上述の超音波画像形成システムの実施例は、本発明の実施に適したシステムの単なる一例であり、上述のように他の実施態様が利用可能であることが理解されよう。
【0031】
本発明の好適実施例であると現時点で考えられるものについて図示および説明してきたが、特許請求の範囲で規定する本発明の範囲から逸脱することなくそれら実施例に対して様々な変更および修正を行うことが可能であることは、当業者には明らかであろう。
【0032】
【発明の効果】
本発明は上述のように、リニア走査とセクタ走査との組み合わせを用いることによりリニア走査の利点を保持したまま視野の拡大を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a),(b)は、本発明による走査パターンを異なるリニア走査角度について示す説明図である。
【図2】 (a)〜(c)は、異なる画像形成深さに関する走査パターンの変化を示す変換素子アレイの概略図である。
【図3】本発明の実施のための超音波画像形成システムを示す概略ブロック図である。
【図4】本発明の実施のための超音波画像形成システムの好適実施例を示すブロック図である。
【図5】図4のシステムにおけるリニア走査パターンの一端または両端でのセクタ走査パターンの生成に関連する諸ステップを示すフローチャートである。
【符号の説明】
10 超音波変換素子アレイ
12 複合走査パターン
14 リニア走査パターン
16,18 セクタ走査パターン
20 法線
26,28 平行走査線
30,32 頂点
33,35 セクタ走査線
40,42 セクタアパーチャ
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an ultrasonic imaging system using phased array beam steering and focusing, and in particular, uses a combination of linear scanning and sector scanning to expand the field of view while maintaining the advantages of linear scanning. The present invention relates to a method and apparatus for ultrasound imaging.
[0002]
[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]
In the phased array type ultrasonic imaging system, the ultrasonic transducer includes a conversion element array. The system includes a multi-channel transmitter and a multi-channel receiver. In the typical case where the number of channels is less than the number of transducer elements in the array, an electronic switch network connects a selected group of transducer elements to the transmitter and receiver channels. Each channel of the transmitter causes the selected transducer array to transmit an ultrasonic pulse into an object (typically a human body) to be imaged. This transmitted ultrasonic energy is steered and focused by providing an appropriate delay to the pulses transmitted from each transducer element, effectively adding the transmitted energy to the desired point. Some of these pulses are reflected back to the transducer array by various structures and tissues in the human body.
[0003]
The steering and focusing of the received ultrasonic energy is performed in the opposite manner to the transmission described above. The reflected ultrasonic energy from the object or structure reaches the array element at different times. The received signals are amplified and delayed on separate channels of the receiver and then summed in a receive beamformer. The delay for each channel is selected so that the received beam is focused at the desired point. These delays can be changed dynamically to focus the beam at progressively increasing depths along the scan line upon receipt of ultrasonic energy. The transmitted beam is scanned over a region of the human body and the signal generated by the beamformer is processed to generate an image of the region.
[0004]
Various scan patterns or scan formats are known in the art. In a linear scan pattern, ultrasonic energy is transmitted and received along a number of parallel lines starting at different points on the transducer array. These parallel lines can be perpendicular to the array and can be steered to a desired angle. This linear scan pattern produces a relatively high quality image. This is because all the scanning lines are incident on the structure to be image formed from the same direction. The field of view obtained with the linear scan pattern is the same at all depths.
[0005]
In the sector scanning pattern, ultrasonic energy is typically transmitted and received along a sector line starting from a common vertex located on the transducer array. This sector scan pattern has a field of view that expands with increasing depth. A disadvantage of the sector scan pattern is that its field of view is relatively narrow at shallow depths. A technique for expanding the field of view of the sector scan pattern at a shallow depth is well known, and this technique shifts the sector scan pattern from the virtual vertex located behind the transducer array. Is included. This virtual vertex scanning pattern does not have the advantage of linear scanning that produces a high quality image.
[0006]
A scanning technique using a combination of linear and sector scanning is disclosed in US Pat. No. 4,664,122 issued May 12, 1987 to Yano. In the disclosed conversion element array, the scanning format is realized by making the distance between the elements in the partial array at both ends of the conversion element array smaller than the distance between the elements in the central partial array. There is no disclosure of steering for linear scanning.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In accordance with the present invention, a method and apparatus for ultrasound imaging is provided. According to a first aspect of the present invention, a method for ultrasonic imaging in a system including an ultrasonic transducer array starts from different points on the ultrasonic transducer array and is normal to the transducer array. Transmitting ultrasonic energy by the transducer array along parallel lines oriented or steered at a variable angle θ with respect to the parallel lines defining a linear scan pattern, and 1 Transmitting ultrasonic energy by the array along sector lines defining a sector scan pattern starting from one vertex. A composite scan pattern is formed by adjoining the sector scan pattern and the linear scan pattern. The method further includes receiving ultrasonic echoes by the array along the parallel lines and the sector lines to provide a signal representative of an image along the parallel lines and the sector lines.
[0008]
The sector scan pattern can be used at one or both ends of the linear scan pattern. Typically, the apex of the sector scan pattern is located on the array at one end of the linear scan pattern. When the sector scan pattern is used at both ends of the linear scan pattern, the composite scan pattern has a substantially trapezoidal shape. The sector scan pattern extends between the desired maximum angle α with respect to the normal to the array and the angle θ of the parallel lines.
[0009]
Sector lines of the sector scan pattern are transmitted through the array's sector apertures, and parallel lines are transmitted through the array's linear apertures. According to another aspect of the present invention, the width of the sector aperture in the composite scan pattern using the linear scan pattern and the sector scan pattern is changed according to the depth of the target region. A full-width sector aperture is used for image formation of a relatively deep portion, and a narrow-width sector aperture is used for image formation of a relatively shallow portion, which is narrower than the full-width sector aperture. When the width of the sector aperture is narrowed for shallow image formation, it is preferable to provide a wide field of view by increasing the number of parallel lines in the linear scan pattern.
[0010]
In a preferred embodiment, the conversion element array is constituted by a linear array of conversion elements of the same size and spaced apart from one another. Preferably, the parallel lines are spaced from each other at equal intervals, and the sector lines are spaced from each other at equal angles.
[0011]
According to another aspect of the present invention, a system comprising an ultrasonic transducer array, a predetermined number of transmission channels and reception channels, and an electronic switch for selecting transducer elements connected to those transmission channels and reception channels. An ultrasonic image forming method using a sector scanning pattern is provided. This method determines the mapping of the transducer elements for the transmit and receive channels from the size of the sector aperture and the position of the sector aperture on the transducer array, and determines the focusing delay from the sector angle and focus for the sector scan pattern, The focus delay is converted into a mapped focus delay using the mapping, and ultrasonic energy is transmitted and received along the sector scan line of the sector scan pattern using the mapped focus delay. Providing a signal representative of the image along.
[0012]
【Example】
An ultrasonic image forming technique according to an embodiment of the present invention is shown in FIGS. The ultrasonic transducer array 10 typically includes a number of transducer elements in a linear configuration. The manufacturing technology of the ultrasonic transducer array is well known.
[0013]
The composite scanning pattern 12 includes a linear scanning pattern 14 and sector scanning patterns 16 and 18. The linear scanning pattern 14 can be steered at an angle θ with respect to the normal 20 to the array 10, and its ends are bounded by lines 22 and 24. The linear scanning pattern 14 is generated by a large number of parallel scanning lines 26, 28 and others starting from different points on the conversion element array 10. Each of these parallel scan lines can be directed or steered at an angle θ with respect to the normal 20 and can also be parallel to the normal 20. As used herein, the terms “parallel scan line” and “sector scan line” mean lines along which ultrasound energy is transmitted and received. These “scanlines” are the focal point and the center of the active aperture of the transducer array (more specifically, the center of mass of the apodization function for the active aperture of the transducer array). Can be defined as a line between.
[0014]
The sector scanning pattern 16 starts from a vertex 30 on the conversion element array 10, and the sector scanning pattern 18 starts from a vertex 32 on the conversion element array 10. The sector scanning pattern 16 extends from a line 34 that forms an angle α with the normal 20 to a line 22 that is located at the boundary of the linear scanning pattern 14. The sector scanning pattern 18 extends from a line 36 that forms an angle −α with respect to the normal line 20 to a line 24 that is located at the boundary of the linear scanning pattern 14. The sector scanning pattern 16 is obtained by transmitting and receiving ultrasonic energy along the sector scanning lines 33 and 35 extending from the vertex 30 to the lines 34 and 22 and others. Typically, sector scan lines are spaced equiangularly. Similarly, the sector scan pattern 18 is obtained by transmitting and receiving ultrasonic energy along a sector scan line (not shown) that extends between the lines 36 and 24 starting from the apex 32. Accordingly, the sector scanning pattern 16 is adjacent to the linear scanning pattern 14 at one end, and the sector scanning pattern 18 is adjacent to the linear scanning pattern 14 at the other end.
[0015]
The sector scanning patterns 16 and 18 and the linear scanning pattern 14 define the composite scanning pattern 12. The composite scanning pattern 12 has a substantially trapezoidal shape. The reason why the shape of the composite scanning pattern 12 is described as “substantially trapezoidal” is that the lower boundary 38 may not be a straight line. 1A and 1B, the lower boundary 38 includes curved portions 38a and 38b and a straight portion 38c. As an alternative, it is also possible to extend the sector scan lines of the sector scan patterns 16, 18 so that the entire lower boundary of the composite scan pattern is a straight line.
[0016]
Ultrasonic energy is transmitted and received along sector lines of sector scan patterns 16, 18 and parallel lines of linear scan pattern 14 through a partial array of transducer elements in transducer array 10 known as an "aperture". Is done. Apertures that are involved in transmitting and receiving ultrasound energy are known as active apertures. In FIGS. 1A and 1B, the sector scanning patterns 16 and 18 are formed by transmitting and receiving ultrasonic energy via the sector apertures 40 and 42 indicated by the hatched portions of the array 10, respectively. Each of the sector apertures 40 and 42 includes a sufficient number of conversion elements for generating a desired sector scan pattern. The vertex of each sector scan pattern is typically located at the center of the individual sector aperture. In the example described more fully below, the sector apertures 40, 42 each comprise 128 conversion elements.
[0017]
The linear scanning pattern 14 extends from the vertex 30 of the sector scanning pattern 16 at the center of the sector aperture 40 to the vertex 32 of the sector scanning pattern 18 at the center of the sector aperture 42. Each parallel line of the linear scanning pattern 14 has an associated linear aperture as described later.
[0018]
A typical scan of the composite scan pattern 12 can be performed as follows. First, the sector scanning pattern 16 is formed by transmitting and receiving ultrasonic energy by the conversion element in the sector aperture 40 along the sector lines 33, 35 and others starting from the vertex 30. These sector lines extend from a line 34 forming a desired maximum angle α to a line 22 forming an angle θ of the linear scanning pattern 14. In one example, the sector lines are separated by 1/2 degree. Accordingly, in the example of FIG. 1A, the sector lines of the sector scanning pattern 16 are from the line 34 forming 28.5 degrees to the line forming −9.5 degrees adjacent to the line 22 (this is because the line 22 is linear scanning pattern 14). Because it is the first line of). In this example, the sector scan pattern 16 has 76 sector lines. Alternatively, line 22 can be the last sector line of sector scan pattern 16 and the first line of linear scan pattern 14 can be a line adjacent to that line 22.
[0019]
Next, the linear scanning pattern 14 is formed by transmitting and receiving ultrasonic energy via the linear apertures of the array 10. The parallel lines of the linear scan pattern 14 are formed by electronically shifting the active linear aperture across the array 10, typically two transducer elements at a time. The first linear aperture used to form the line 22 is typically the same as the sector aperture 40. The linear aperture is then shifted by two transducer elements, and ultrasonic energy is transmitted and received along a second line parallel to the line 22. The process of moving the linear aperture by two transducer elements and transmitting and receiving ultrasonic energy along parallel lines is repeated until the linear scanning pattern 14 is completed at line 24. Therefore, the linear scanning pattern 14 is composed of a large number of scanning lines parallel to the lines 22 and 24 of the steering angle θ. Here, it will be understood that it is possible within the scope of the present invention to shift the linear aperture between parallel scan lines by only one transducer element or by two or more transducer elements.
[0020]
Finally, the sector scan pattern 18 is formed in the same manner as the sector scan pattern 16. That is, ultrasonic energy is transmitted and received by the conversion element of the sector aperture 42, and a sector line starting from the vertex 32 is formed. The sector line extends between a line 36 that forms the desired maximum angle and a line 24 at the boundary of the linear scan pattern 14. It will be appreciated that the sequence for scanning the sector scan pattern and the linear scan pattern is arbitrary and different sequences can be used. Preferably, however, the scans are performed sequentially from left to right or from right to left.
[0021]
The received ultrasonic echoes along each of the sector lines and parallel lines are converted into electrical signals by the conversion element of the active aperture. The electrical signal is processed as described below to provide an ultrasound image of an area within the composite scan pattern 12. The image is typically displayed on a display screen and has the shape of the composite scanning pattern 12 shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b) and described above.
[0022]
The composite scanning pattern 12 described above shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b) includes both a steered linear scanning pattern and one or more sector scanning patterns, and is superior to the conventional scanning pattern. It has several advantages. The steered linear scanning pattern 14 provides a high quality image of the structure of interest. This is because the angle θ of the linear scanning pattern 14 can be adjusted so as to be perpendicularly incident on the target structure. For example, as shown in FIG. 1B, when the blood vessel 50 to be investigated is oriented in the direction of the angle θ with respect to the conversion element array 10, the linear scanning pattern 14 is steered to the angle θ. The best image. Sector scanning patterns 16 and 18 greatly expand the field of view.
An example of the conversion element array 10 includes 288 conversion elements having an element pitch (inter-center distance) of 135 μm. The element pitch corresponds to 0.66 times the ultrasonic wavelength at 7.5 MHz and 0.44 times the ultrasonic wavelength at 5.0 MHz. With this configuration, it is possible to steer ultrasonic energy up to at least ± 30 degrees, and a smooth transition between the sector scan pattern and the linear scan pattern is realized. In the conversion element array 10 having 288 conversion elements and a length of 3.89 cm, the scanning width in the conventional linear scanning is 3.4 cm at all depths. When linear scanning is combined with sector scanning according to the present invention, the field of view expands with increasing depth. In the case of the above embodiment having a sector angle of 28.5 degrees and using a variable sector aperture as described below, the field of view at a depth of 4 cm is 6.8 cm, the field of view at a depth of 6 cm is 8.3 cm, and the depth The field of view at 8cm is 9.8cm.
It will be understood that many variations are included within the scope of the present invention. For example, it is not necessary to give sector scan patterns to both ends of the linear scan pattern. Alternatively, a single sector scan pattern can be provided at either end of the linear scan pattern. Further, when sector scan patterns are used at both ends of the linear scan pattern, the sector scan patterns can have different parameters. For example, the sector scan patterns can have different maximum angles and can be transmitted via different sector apertures. Further, the vertex of the sector scanning pattern does not necessarily have to be located on the conversion element array 10. Techniques for generating a sector scan pattern starting from a virtual vertex located behind or in front of the transducer array 10 can be used within the scope of the present invention. Furthermore, the parameters of the conversion element array, including the number of conversion elements and the pitch of the conversion elements, can be selected depending on the particular application.
As a further variation, a transmission splice technique can be used. According to this transmission splice technique, two scanning lines are sequentially transmitted in the same direction from the same starting point on the conversion element array, but the focal depths of these scanning lines are different from each other. This process is repeated for each scan line in the desired scan pattern.
According to another aspect of the present invention, the width of the sector apertures 40 and 42 is changed according to the depth of the target region. Typically, the depth of the image is selected based on the depth of the target area. As described above, the sector scan pattern has a relatively narrow field of view at shallow depths and a relatively wide field of view as the depth increases. The linear scan pattern has a constant field of view at all depths. Utilizing these features, a wide field of view is provided for both shallow and deep imaging. When the aperture is large, a detailed analysis of the deep tissue is possible. With a shallow image formation depth, the width of the sector aperture can be reduced, and the width of the linear scanning pattern can be increased by increasing the number of parallel lines. By expanding the width of the linear scanning pattern, the field of view at a shallow image formation depth is expanded.
Changes in the width of each sector aperture and the width of the linear scanning pattern are shown in FIGS. In FIG. 2 (a), the sector apertures 40 and 42 of the conversion element array 10 have a full width, and the linear scanning pattern extends between the vertices 30 and 32. In one embodiment of the present invention, the conversion element array 10 has 288 conversion elements, and the sector apertures 40, 42 each have 128 conversion elements. The linear aperture also has 128 transducer elements, and this linear aperture is typically shifted from vertex 30 to vertex 32, two transducer elements at a time, forming 81 parallel lines. Is done. The configuration shown in FIG. 2A is suitable for an image forming depth of about 8 cm or more.
The configuration shown in FIG. 2B is suitable for an intermediate image formation depth of about 6 cm. The width of the sector apertures 40a and 42a is narrower than the width of the sector apertures 40 and 42 shown in FIG. Ultrasonic energy is transmitted and received along sector lines starting from the vertices 30a and 32a. The vertices 30a and 32a are at both ends of the transducer array 10 as compared to the vertices 30 and 32 shown in FIG. It is displaced outward toward. The linear scanning pattern extends between the vertices 30a and 32a. In an example of the above-described conversion element array having 288 conversion elements, each of the sector apertures 40a and 42a has 96 conversion elements, and the linear scanning pattern includes 97 parallel lines.
A configuration for forming a shallow image at a depth of about 4 cm is shown in FIG. The widths of the sector apertures 40b and 42b are reduced to the minimum width, and the width of the linear scanning pattern is expanded to the maximum width. The sector scanning pattern starts from the vertices 30a and 30b, and these vertices 30a and 30b are displaced closer to both ends of the conversion element array 10. In an example of a conversion element array having 288 conversion elements, each of the sector apertures 40b and 42b has 64 conversion elements, and the linear scanning pattern has 113 parallel lines.
In the embodiment of FIG. 2 (a), the sector apertures 40 and 42 each have 128 conversion elements, and the linear aperture for transmitting parallel lines of the linear scanning pattern is 128 for each parallel line. It has the number of conversion elements. As shown in FIGS. 2B and 2C, when the width of the sector aperture is narrowed, the width of the linear aperture is preferably narrowed near both ends of the linear scanning pattern. In FIG. 2 (b), the linear aperture is narrowed to the width of the sector aperture in order to transmit and receive ultrasonic energy along a line starting from the vertex 30a. The linear aperture is then displaced along the transducer array by two transducer elements at a time, increasing its width by four transducer elements for each successive scan line, which is This is done until the aperture reaches the desired maximum width in the central portion of the transducer array 10. Next, when the linear aperture approaches the apex 32a, the width of the four elements is reduced for each successive scanning line, and ultrasonic energy is transmitted and received along the line starting from the apex 32a. The width of the sector aperture 42b for performing As the active linear aperture approaches the end of the linear scan pattern, the two apertures are removed from both the leading and trailing edges of the aperture for each successive scan line to symmetrically reduce the aperture. It is desirable to let them. Similarly, when the active linear aperture moves away from the end of the linear scan pattern, two on each leading and trailing edge of the aperture for each successive scan line until the aperture reaches its maximum width. Add a conversion element. This keeps the transmit beam parallel to the receive beam.
[0023]
Alternatively, an asymmetric linear aperture near the end of the linear scan pattern can be used, but the quality of the image away from the transmission focus will be somewhat degraded. In this case, when the active linear aperture reaches the end of the transducer array, its tip channel is not used because it attenuates that end.
[0024]
In the embodiment of FIG. 2 (b) in which the sector apertures 40a and 42a each have 96 conversion elements, the size of the linear aperture is determined from the 96 conversion elements at both ends of the linear scan pattern, and the central portion of the linear scan pattern. Changes up to 128 conversion elements. Similarly, in the case of the embodiment of FIG. 2 (c), the size of the linear aperture ranges from 64 conversion elements at both ends of the linear scanning pattern to 128 conversion elements at the central portion of the linear scanning pattern. Change.
[0025]
The number of conversion elements in the above-described conversion element array shown in FIGS. 2 (a) and 2 (c), the number of conversion elements in the sector aperture with a reduced width, and the number of conversion elements in the linear aperture It will be understood that this is merely exemplary and that other transducer element arrays and aperture sizes are within the scope of the present invention. Furthermore, the relative sizes of the linear and sector apertures are only a design choice. Depending on the relative width of the linear aperture and the sector aperture, it may not be necessary to reduce the width of the linear aperture near both ends of the linear scanning pattern as described above.
[0026]
A simplified block diagram of an example of an ultrasound imaging system suitable for implementation of the scanning technique described above is shown in FIG. Each conversion element of the conversion element array 10 is connected to the electronic switch network 60. The electronic switch network 60 defines an active sector aperture or an active linear aperture by selecting a group of transducer elements for transmitting and receiving ultrasonic energy. In the embodiment of FIG. 3, the conversion element array 10 has 288 conversion elements, and the maximum size of the aperture is 128 conversion elements. The electronic switch network 60 connects the selected conversion element to a transmitter 62 having one transmission channel for each conversion element in the selected aperture. The transmission channels have a programmable delay to steer and focus the transmitted ultrasonic energy. The transmitter 62 supplies appropriately delayed ultrasound pulses via the electronic switch network 60 to the selected transducer element of the sector aperture or linear aperture.
The selected transducer element of the aperture is also connected by an electronic switch network 60 to a receiver 64 having one receive channel for each transducer element in the selected aperture. The receiver 64 steers and focuses the received signal from each conversion element of the selected aperture, and combines the delayed signals to combine the delayed signals (see FIGS. 1A and 1B). ) To represent the images along the sector lines and parallel lines. Those signals are supplied to a display device 68 (typically a CRT) through a signal processing device 66, and an ultrasonic image is displayed. A suitable scan conversion technique used by the signal processor 66 is disclosed in U.S. Pat. No. 4,896,283 issued Jan. 23, 1990 to Hunt et al. It should be noted that the content of the disclosure is included in the present specification with this citation, and detailed description thereof is omitted. The display device 68 provides a display of the image space, as schematically shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). The control unit 70 supplies the control signal to the electronic switch network 60 for the selection of the conversion element, the control signal 70 to the transmitter 62 and the receiver 64 for the selection of the delay, and signal processing for the control of the image display Supply to device 66.
[0027]
The switch network 60 can be regarded as a multiplexer between the conversion element and the processing electronics. A preferred multiplexer is a “tractor treading” multiplexer. The tractor trading technology is disclosed in US patent application Ser. No. 07 / 191,999 filed May 9, 1988. It should be noted that the content of the disclosure is included in the present specification with this citation, and detailed description thereof is omitted. For phased array systems, each received signal of the transducer must be processed in an accurate manner, typically using a predetermined phase correction and delay tap selection within the processing electronics. These phase and tap variables are related to the relative position of the transducer elements in the selected aperture. A suitable technique for implementing a delay using a heterodyne means (mixer) and a tap delay line is disclosed in US Pat. No. 4,140,022, issued Feb. 20, 1979 to Maslak. Also, a delay factor generator for determining the delay factor to be used in performing dynamic focusing is disclosed in US Pat. No. 4,949,259, issued August 14, 1990 to Hunt et al. In addition, those disclosure contents are included in the present specification with the above citations, and detailed descriptions thereof are omitted. Known techniques for transmit apodization and dynamic receive apodization can be used in the system of FIG. A suitable system for implementing the scan pattern of the present invention is the Sonos 1000 system manufactured and sold by the Hewlett-Packard Company.
It will be appreciated that the present invention is not limited to implementation in an ultrasound imaging system of the kind shown in FIG. 3 and described above. For example, if the number of channels in the transmitter and receiver is equal to the number of conversion elements in the conversion element array, the electronic switch network 60 is not necessary. In this case, the selected transmit and receive channels are activated to generate the desired aperture. The scanning technique of the present invention can also be implemented with a digital receive beamformer that digitizes the received signal and then digitally delays it.
A block diagram of a preferred embodiment of an ultrasound imaging system for practicing the present invention is shown in FIG. The basic architecture is based on the aforementioned Patent No. 4,140,022, which employs a so-called “mix and delay (fine delay added to coarse delay) mechanism” for steering and focusing. is there. A selection circuit 100 (corresponding to the above-described electronic switch network 60 shown in FIG. 3) connects the transmission channel and the reception channel of the ultrasonic imaging system to the conversion elements of the conversion element array 10. In the above embodiment, the system includes 128 channels and the transducer array 10 comprises 288 transducer elements. The selection circuit 100 performs tractor trading. Further, the ultrasonic imaging system shown in FIG. 4 includes both a sector focusing circuit and a linear focusing circuit to generate a sector scanning pattern and a linear scanning pattern as described above.
The digital controller 102 determines the operating mode (sector mode or linear mode) and the position of the active aperture on the array 10 for each scan line. In the sector mode, the digital controller 102 also determines the sector line angle α. The sector coefficient generator 104 generates a coefficient of a cubic polynomial when enabled in the sector mode at the time of transmission. The third order polynomial is a series approximation of the formula for the distance from the transform element for the selected focus and sector angle, as disclosed in the aforementioned patent 4,949,259. These coefficients are then rotated and aligned with the active aperture, as determined by the selection circuit 100, and sent to the MAC circuit 106 as a preset. The MAC circuit 106 generates a delay value for each channel, as disclosed in the aforementioned Patent No. 4,949,259. When enabled in linear mode during transmission, the linear coefficient generator 110 generates a delay for each channel for the selected focus and linear angle. The delay is then rotated and aligned with the active aperture as determined by the selection circuit 100. The transmission apodization generator 112 generates a transmission apodization characteristic for the selected transmission focus. The characteristic is then rotated and aligned with the active aperture as determined by the selection circuit 100. The transmission control circuit (TRIX) 114 loads the delay for each channel into the countdown counter. After that counter reaches the final count, TRIX 114 generates a transmit pulse when enabled by transmit apodization generator 112. The power supply 116 supplies a high voltage to the transmission driver 118.
[0028]
The received signal is supplied to the preamplifier 119 by the selection circuit 100. As is known in the art, TGC generator 120 provides a time gain control signal to variable gain amplifier 122 for each receive channel. The sector coefficient generator 104 is used to generate a reception coefficient preset for each focal area when enabled in sector mode upon reception. These coefficient presets are used in the MAC circuit 106 to generate a reception delay. The linear coefficient generator 110 is used to generate a reception delay for each focal area when enabled in linear mode upon reception. The TRIX 114 generates a mixer control signal for the mixer 124 of each reception channel at the time of reception. Receive apodization generator 130 provides dynamic receive apodization characteristics to variable gain amplifier 131. That characteristic is rotated and aligned with the active aperture as determined by the selection circuit 100 before being applied to the receive channel. The sector tap generator 132 generates a tap control signal for the selected focus and sector angle when enabled in the sector mode. This tap control signal is rotated and aligned with the active aperture as determined by the selection circuit 100. The linear tap generator 134 generates a tap control signal for the selected focus and linear angle when enabled in the linear mode. The tap control signal is then rotated and aligned with the active aperture as determined by the selection circuit 100. The tap selector 140 selects one tap on the addition delay line 142. Alternatively, the tap selector 140 can configure the delay line depending on the particular embodiment used to provide an appropriate delay to the scan line. The image detector / scan converter 144 scan-converts the detection signal using the scan conversion technique disclosed in the above-mentioned Patent No. 4,896,283, and displays an ultrasonic image on the video display screen.
[0029]
FIG. 5 shows steps included in the transmission and reception of ultrasonic waves along the sector lines of the sector scanning pattern starting from the sector aperture near one end of the conversion element array 10. In FIG. 4, the steps are performed by a digital controller 102, which can be a microprocessor, and the results are loaded into the sector coefficient generator 104, the apodization generators 112, 130 and the sector tap generator 132. . They can be equipped with random access memory. In step 150, the position of the sector aperture, i.e. one end of the transducer array 10, is determined from the sector angle and the linear angle. The sector aperture is on the left side of the array 10 when the sector line angle is greater than the linear line angle. Otherwise, the sector aperture is on the right side of the array 10. In step 152, the mapping of the transform elements to the transmission channel and the reception channel is determined from the size of the sector aperture and its position. The mapping is necessary because the tractor trading process causes rotation when matching the transducer elements with the system channels. In step 154, coefficient presets are generated according to the above-mentioned patent No. 4,949,259 for the transmit and receive focus and the required sector angle. In step 156, the coefficient preset is mapped according to the previously determined mapping to provide a mapped coefficient preset, which is stored in the sector coefficient generator 104 (see FIG. 4). In step 158, a tap control signal is determined for the indicated focus and the required sector angle. The tap control signal is mapped in step 160 to provide a mapped tap control signal, and the mapped tap control signal is stored in the sector tap generator 132. In step 162, a transmit apodization characteristic and a receive apodization characteristic are generated based on the apodization control signal. The unmapped apodization characteristics are mapped at step 164 and stored in the transmit apodization generator 112 and the receive apodization generator 130, respectively.
[0030]
The examples of the above-described ultrasound imaging system shown in FIGS. 4 and 5 are merely examples of systems suitable for the practice of the present invention, and it is understood that other embodiments can be used as described above. Let's be done.
[0031]
While the presently preferred embodiments of the invention have been illustrated and described, various changes and modifications can be made to the embodiments without departing from the scope of the invention as defined in the claims. It will be apparent to those skilled in the art that this can be done.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, the present invention can provide a wide field of view while maintaining the advantages of linear scanning by using a combination of linear scanning and sector scanning.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are explanatory diagrams showing scanning patterns according to the present invention at different linear scanning angles.
FIGS. 2A to 2C are schematic views of a conversion element array showing changes in scanning patterns with respect to different image formation depths. FIGS.
FIG. 3 is a schematic block diagram showing an ultrasonic imaging system for implementing the present invention.
FIG. 4 is a block diagram illustrating a preferred embodiment of an ultrasound imaging system for implementing the present invention.
FIG. 5 is a flowchart illustrating steps associated with generating a sector scan pattern at one or both ends of a linear scan pattern in the system of FIG.
[Explanation of symbols]
10 Ultrasonic transducer array
12 Compound scan pattern
14 Linear scan pattern
16,18 sector scan pattern
20 Normal
26,28 parallel scan lines
30,32 vertex
33,35 sector scan lines
40,42 sector aperture

Claims (2)

超音波変換素子アレイ(10)を備えたシステムにおける超音波画像形成装置であって、この装置が、
前記超音波変換素子アレイ(10)上の異なる点を起点とし、前記変換素子アレイに対する法線(20)に関して非ゼロ角θに方向付けられ、及びリニア走査パターン(14)を規定する平行線(26,28)に沿って、前記変換素子アレイ(10)により超音波エネルギーを送信する手段と、
頂点(30,32)を起点とし、及びセクタ走査パターン(16,18)を規定するセクタ線(33,35)に沿って前記変換素子アレイ(10)のセクタアパーチャ(40,42)を介して超音波エネルギーを送信し、該セクタ走査パターン(16,18)と前記リニア走査パターン(14)とが隣接して複合走査パターン(12)を形成する手段と、
前記平行線(26,28)と上記セクタ線(33,35)とに沿って前記変換素子アレイ(10)により超音波エコーを受信して、前記平行線(26,28)と前記セクタ線(33,35)とに沿った画像を表す信号を提供する手段と、
対象領域の深さに応じて前記セクタアパーチャ(40,42)の幅と前記リニア走査パターンの幅とを変化させる手段と、
を含むことを特徴とする、超音波画像形成装置。
An ultrasonic imaging apparatus in a system including an ultrasonic transducer array (10), the apparatus comprising:
Parallel lines starting from different points on the ultrasonic transducer array (10), oriented at a non-zero angle θ with respect to the normal (20) to the transducer array, and defining a linear scanning pattern (14) ( 26, 28), means for transmitting ultrasonic energy by the transducer array (10),
Via the sector aperture (40, 42) of the conversion element array (10) along the sector line (33, 35) starting from the vertex (30, 32) and defining the sector scanning pattern (16, 18) Means for transmitting ultrasonic energy, the sector scanning pattern (16, 18) and the linear scanning pattern (14) adjacent to form a composite scanning pattern (12);
An ultrasonic echo is received by the transducer array (10) along the parallel lines (26, 28) and the sector lines (33, 35), and the parallel lines (26, 28) and the sector lines ( 33, 35) and means for providing a signal representative of the image
Means for changing the width of the sector aperture (40, 42) and the width of the linear scanning pattern according to the depth of the target area;
An ultrasonic image forming apparatus comprising:
前記セクタアパーチャの幅と前記リニア走査パターンの幅とを変化させる前記手段が、
比較的深い部分の画像形成には幅広のセクタアパーチャと幅狭のリニア走査パターンとを提供し、比較的浅い部分の画像形成には幅狭のセクタアパーチャと幅広のリニア走査パターンとを提供する手段、
を含む、請求項1に記載の超音波画像形成装置。
The means for changing the width of the sector aperture and the width of the linear scanning pattern;
Means to provide wide sector aperture and narrow linear scan pattern for relatively deep image formation, and narrow sector aperture and wide linear scan pattern for relatively shallow image formation ,
The ultrasonic image forming apparatus according to claim 1, comprising:
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