JP3803374B2

JP3803374B2 - 位相偏差補正のための２ｄアレーの作動方法及び接続装置

Info

Publication number: JP3803374B2
Application number: JP51211496A
Authority: JP
Inventors: アールクリッパージョン; エフノックレヴィン
Original assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-10-02
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2015-10-02
Also published as: US5460180A; JPH10506809A; WO1996010757A1

Description

関連する出願への相互参照
本出願は、本出願と同時に本願発明者によって出願された、そして同じ譲受け人に譲渡された、「位相ずれ（偏差）補正のための２Ｄアレー」との名称を有する出願に関する。
発明の背景
１．本発明の属する分野
本発明は超音波イメージングにおける改善に、そしてより特定化すれば、回路および処理の複雑さにおける増加を最小化しながら、位相ずれ（偏差）補正処理の性能を改善する２Ｄアレーの動作の新しい接続装置および方法に、関する。このアレーは、それらの高さ方向において異なる寸法の素子にセグメント化された第１および第２部分を含んでおり、ここにおいてアレーの第１部分は粗素子にセグメント化され、そして第２部分は微素子にセグメント化されている。接続装置は選択的に、複数の微素子を互いに接続し、その結果接続された微素子に相当する２Ｄアレーのエリアは実質的に粗素子のエリアと同じサイズとなる。
２．従来技術の説明
超音波イメージングは、パルスエコー（Ｂモード）イメージングの形態において、事実上各医療用特定用途で広く用いられてきた。Ｂモードイメージング装置は、エコー振幅に比例した明度レベルとして、超音波トランスジューサに戻ってくるエコーを表示する。明度レベルの表示は、トランスジューサに垂直な平面における対象物の断面イメージを結果としてもたらす。
現在の超音波トランスジューサアレーは標準的に、送信信号の適切なタイミングおよび受け取られたエコーの適切な表示によって達成される、送信モードフォーカシングおよび受信モードダイナミックフォーカシングを含んでいる。たとえば、リニアフェーズアレーは、送信信号および受信エコーの適切なタイミングによって焦点合わせだけでなく、送信および受信ビームを操縦（角度付け）するように動作する直線的に配置されたトランスジューサ素子の単独グループから構成される。
都合よいことに、タイミングまたはフェージング（位相合わせ）データは、普通１５４０ｍ／秒である、音波の一様な速度で人体組織媒体を通る超音波パルスの伝搬を想定（仮定）することによって決められる。
人体内の音波の一定速度の想定（仮定）はまた、フライトデータのラウンドトリップパルスエコー時間をイメージに変換するための全ての超音波走査装置の設計の基礎ともなっている。不幸なことに、この全ての人体組織に関する単純モデルは、謝ったものである。人体は実際には変化する厚さと形状の隆起およびうねを持つ、異なる組織（脂肪、筋肉および骨格）の複数の不均等な層からなっており、そしてその結果異なる音響速度を有している。それらの層は、トランスジューサと、たとえば関心のある内部組織との間に存在する。超音波の伝搬速度は、脂肪における約１４７０ｍ／秒から、筋肉におけるそして神経の多い組織における１６００ｍ／秒よりも大きなものまで、そして骨における３７００ｍ／秒のような大きさにまで変化する。もし不正な平均速度が選択されるならば、（ドップラー処理を基にしたカラーフローイメージのような、他の超音波イメージと同様）Ｂ走査イメージは、イメージ範囲および走査（スキャン）レジストレーション（位置合わせ）エラーを出現させる。
一様な組織媒体が一定の音響伝搬速度を有しているという仮定のもとでは、不均一な組織の存在はイメージアーティファクト、レンジシフト幾何学的歪み等の結果を生じさせ、これらは、理想的な回折（により）−制限される横方向分解能を劣化させ、そして（イメージにおける信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を悪化させる）サイドローブを増加させる。
不均等な、そして一様でない組織層のこれら不利な効果は、トランスジューサ開口を横断して導かれる不均一と結びついた、知られていない位相ずれ（偏差）の結果をもたらす。本明細書において、位相ずれ（偏差）補正（ＰＡＣ）（）ＰｈａｓｅＡｂｅｒａｔｉｏｎＣｏｒｅｃｔｉｏｎ）処理として一般的に参照される、種々の信号処理技術を用いて、これらずれ（偏差）を克服するために多くの試みがなされてきた。
ＰＡＣ方法は、ビーム形成のための時間遅延を生ぜしめるために、（補正素子またはグループの）アレーの１つの素子または素子のグループからの信号を、補正グループまたは素子および基準グループの（基準素子またはグループの）アレーの別の部分から受け取られた信号と比較することに依存している。この時間遅延は、相互参照（クロスリファレンス）またはスペックル明度のような、いくつかの方法のいずれか１つによって最適化される。そのような技術は、たとえば米国特許第４，８５２，５７７号（デューク大学におけるトラヘイ他によって行われた研究の説明）、および米国特許第５，１７２，３４３号（ジェネラルエレクトリックにおけるオードンネルによって行われた研究の説明）の主題であり、これら両方は超音波イメージング装置のための２つの公知ＰＡＣとして、本明細において参照されている。
最適化の後、補正素子のための時間遅延の値が固定され、そして次に、標準的には新しい基準グループに隣接している次の補正素子またはグループを最適化するために次の基準グループの一部となる。この目的は、前に説明した組織不均一の焦点ずれ効果を補正するために、時間遅延における小さな調節（この調節は普通「位相ずれ（偏差）補正プロフィール」と呼ばれる）を提供することである。
超音波イメージ発生器で用いられている最も多いアレー型式は、イメージの平面に相当するように横方向に延びたアレーの１次元配置（１Ｄアレー）である。良好なイメージ特性を得るために、この素子は横方向に小さく、そして微細（約１波長またはそれ以下）に配置されるが、しかし高さ（平面の外へ）方向は、（たとえば１５から２０波長の）比較的大きな寸法に固定されている。これは、作られる平面イメージのスライス厚さを規定する、高さ方向における固定された焦点配置を提供する。
前に説明したように、超音波信号が人体のような不均一な媒体を通過して伝搬するとき、種々の組織の解析の指標における変化は横および高さ方向の両方において波面の歪みを発生させる。ＰＡＣ処理は、イメージ品質、特にコントラスト分解能、を改善するために、そのような歪みを補正するように試みてきた。１Ｄアレーを用いる場合には、ＰＡＣ処理は横方向において発生される歪みに関してのみ補正できることが明らかである。
高さ方向における歪みの影響は、アレー素子の高さ方向にわたる信号のフェーズ感応積分によって生じるフェーズキャンセレーション（有害干渉）を発生させる。このフェーズキャンセレーションは、イメージ中にスペックルを発生する信号の望ましくない振幅変調を生じさせ、そしてＰＡＣアルゴリズム内で時間遅延最適化のために用いられる基準グループ信号を劣化させる。この影響を補償するために用いられる１つの手法は、基準グループと補正素子またはグループとの間の、相関係数（またはＰＡＣアルゴリズムにおいて最適化されるパラメータのメリット表現の他の類似の数値）上にスレッショールドを設け、これより下では時間遅延値は、その相関係数がスレッショールド基準をパスしたその最も近い隣接するものの間の補正グループまたは素子に関して補間される。しかし、これは最も近い近傍がスレッショールドをパスしているならば良好に働くのみである。もしいくつかの、絶縁されたスレッショールド欠陥が存在するのみであれば、これは適正に働くがしかし、もし連続的に欠陥が存在するならば、正確な補間を補償するための良好な手段ではない。
高さ方向における特性を改善するための別の手法は、横方向におけると同様、高さ方向においても、アレーの素子を分ける、２Ｄアレーを構成することである。たとえば、１９９１年の超音波シンポジウムにおいて出版された「２次元異方性フェーズアレーのずれ（偏差）補正」と題する、オードンネル他による論文は、２Ｄアレーの横方向を一様に横切るよう用いられる、高さ方向におけるアレー分割パターンの１つの型式を開示している。ここで開示した２Ｄアレーは、素子の列の対称的配置を含んでおり、アレーの中心からの列の距離に従って変化する高さおよび列ごとに少ない素子を持つこの列は高さ方向において増加する。列の高さ変化および列毎の素子の数の変化によって、そのようなアレーは構成するのが難しく、そして多くの信号処理チャンネルを必要とする。さらに、１つの列からの１つの素子は、所定の特定な音響インピーダンスを持つべきである（特定の音響インピーダンスは素子の電源インピーダンスに直接的に比例する、素子のユニットエリアごとの機械的インピーダンスの関数であり、そして素子の振幅および周波数応答性を決める）。しかし、異なる高さの列からの素子は、異なる特定の音響インピーダンスを持つ。このため、どの特定の素子の特定の音響インピーダンスもその表面エリアに依存する。理想的なビーム形成およびＰＡＣのためには、全ての素子の特定の音響インピーダンスが等しくされるべきであるため、オードンネルアレーはいくらか不都合である。
理想的には、ＰＡＣのための最善の結果を得るには、高さ方向における分割が横方向と同様、微細なものとされるべきである。しかし、そのような装置は製造するのが難しく、そしてＰＡＣアルゴリズムを実行させるには多くのパルス繰り返し周期（ＰＲＰ）を必要とする。このことは、イメージフレームレートをきわめて遅くする。そのような遅いフレームレートを用いると、視野内に何らかの動きまたはトランスジューサの動きが存在するならば、（たとえばＰＡＣアルゴリズムを再び開始させることによって）動きが考慮されたとしても、ＰＡＣの結果は劣化する。このため、アレー素子の数とＰＡＣ処理の結果との間には、いくらかのトレードオフが存在する。超音波、電磁、および周波数制御に関する１９９４年９月に発行されたＩＥＥＥ会報第４１巻第５号６３１−６４３ページの、デューク大学のＮｇ他による「位相ずれ（偏差）補正のためのいくつかのアルゴリズムの比較評価」と題する論文は、全ての現在のＰＡＣ技術の基本的な問題が隣接列の素子間の低い相関であることを認識している。Ｎｇ他は、いくつかのエッジ形状がアレーのエッジにおける中心−中心高さ方向を減少させるために研究させるべきであると提案しているが、しかし何の特別な装置も開示されておらず、そしてアレーの複雑さを相当に増加させること、その製造の困難さ、およびこれを制御するのに必要なハードウェアの複雑さのために、（前述オードンネルの文献におけるような）高さ方向においてより微細に分割された素子を提供することは望ましくないと指摘している。
より大きなサイズで、そしてより高い分解能のイメージのための、さらに増加する要求とともに、２Ｄアレーは広く用いられていくと考えられ、そして特に２ＤアレーはＰＡＣ処理の特性を改善するために、高さ方向において微細な素子を持つようになる。アレーの素子の数における増加のために、必要な信号処理回路の複雑さが相当に増加する。構成するのに比較的簡単な、そして同時に信号処理回路の残り部分の柔軟性を明らかに制限することのない、２Ｄアレーのための接続装置を提供することが、本発明の目的である。
発明の要約
超音波イメージング装置において用いるための、本発明の基本的手法によれば、振動エネルギーイメージング装置であって、振動エネルギーを反射物に向けて発し、そして反射を受け、そしてそれに応答したエコー信号を発現させる、振動エネルギーのパルスを発生させる複数のトランスジューサ素子を持つ２Ｄトランスジューサアレーと、なお、前記トランスジューサアレーは第一および第二タイプのトランスジューサ素子を持ち、第一タイプの素子は、第二タイプの素子の各々によって占められるアレーの面積の整数分の一にあたるアレーの面積を占めるものであり、前記反射物の形状を表すイメージ信号を発生させるために前記エコー信号を処理するための信号処理装置と、所定の数の第一タイプの素子を互いに選択的に組み合わせるため、第一タイプのそれぞれの複数の素子に個々に接続された複数の信号入力を持つ、少なくとも１つの乗算／加算回路を有する、前記素子を前記信号処理装置に接続するための接続装置とを備え、前記所定の数は前記整数分の一の逆数である。
本発明の望ましい実施例においては、全体的に前記２Ｄアレーは長方形の形状をなし、そしてその横方向に沿った列と、その高さ方向に沿った行とに配置された素子を持ち、前記２Ｄアレーの第一の横部分は複数の第一タイプの素子の少なくとも２つの行を有し、そして前記２Ｄアレーの第二の横部分は複数の第二タイプの素子の行を有し、第二の横部分は第一の横部分に隣接して位置決めされ、そして前記接続装置は、前記第一タイプの素子を持つ複数の列の数に相当する複数の乗算／加算回路を有し、この各乗算／加算回路は第一タイプの相当する行の素子の各々に個別に接続する信号入力を持ち、そして組み合わせられるべき前記所定の数の素子を選択する。
本発明のさらに別の特色によれば、信号処理装置が所定の入力インピーダンスを持ち、そして乗算／加算回路が前記所定の入力インピーダンスに整合する出力インピーダンスを持つ。
本発明のこれらの、そして他の目的と利点とは、望ましい実施例の以下の説明から、そして請求の範囲から明らかとなるであろう。本発明の充分な理解のために、本発明の望ましい実施例の以下の詳細な説明および添付図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明が有用な、超音波イメージング装置を構成する簡単なブロック図であり、
第２ａ図から第２ｏ図は、第１図に示された超音波イメージング装置において使用される、本発明の接続装置が特に利用できる２Ｄアレーを示す図であり、そしてアレーを通してＰＡＣアルゴリズム補正ウィンドウの段階の１つの例であり、
第３ａ図および第３ｂ図は、第１図に示された超音波イメージング装置において有用な、トランスジューサアレーの別の実施例を示す図であり、そして
第４ａ図は、第２図または第３図のトランスジューサを超音波スキャナの残り部分に接続するために用いられる、本発明の基本的手法によって、構成された接続装置を示す図であり、そして第４ｂ図は第４ａ図装置の別の実施例を描いた図である。
望ましい実施例の詳細な説明
第１図を参照すると、震動エネルギー（たとえば超音波）イメージング装置は、送信回路（ＴＸ）１５によって発生されたパルスにより活性されたとき、超音波エネルギーのような震動エネルギーのバーストを各々が発生する複数の別個に駆動される素子１４からなるトランスジューサアレー１２を持つプローブ１０を含んでいる。活性化パルスは送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチの組１６、トランスジューサケーブル１７内の電気信号導体、およびプローブ１０内には明示的に示されていない（しかしたとえば第４ａ図および第４ｂ図には示されている）電気接続を通して素子１４に加えられる。調査の対象となっている被験体（者）からトランスジューサアレー１２に反射戻しされた震動エネルギーは、各トランスジューサ素子１４によって電気信号に変換され、そして送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１６および個別の増幅段１９を通して別個に受信ビームフォーマ（ＲＣＶＲ）１８に加えられる。増幅段（団）１９の各チャンネルは、入力整合インピーダンス、引き続く低雑音前置増幅器および最終的に当業技術において一般的であるような、共通的にＴＧＣとして知られている、ユーザー制御の時間／利得補償の一部として用いられる可変利得段を含んでいる。送信回路１５、ビームフォーマ１８、Ｔ／Ｒスイッチ１６および増幅段１９は、イメージング装置の適切な動作のための操作者によるコマンドに応答するシステム制御器２０の制御の基で動作する。完全なイメージスキャンは、スイッチ１６が最初にそれらの送信位置にセットされ、そして送信回路１５が活性され、その結果各トランスジューサ素子１４を選択的に活性する一連のパルス信号を提供して、一連のエコーを得ることによって実行される。その後、Ｔ／Ｒスイッチ１６はその受信位置にセットされ、そして反射された超音波エネルギーの、その上への衝突に応答して各トランスジューサ素子１４によって発生された結果的なエコー信号が、増幅段１９の個々のチャンネルを通して受信ビームフォーマ１８に加えられる。受信ビームフォーマ１８においては、各トランスジューサ素子１４からの分離されたエコー信号がディジタル化され、適切に他の信号に関して遅延され、そして単独のエコー（「ビーム」）信号を発生するために組み合わされ、これは次に、超音波イメージング装置において一般的であるように、エコーイメージング装置２２の残り部分に含まれる表示器上の表示されるイメージにおける各ラインを発生するために、検出され、そしてスキャン変換される。
超音波イメージング装置においてよく知られているように、送信回路１５は、発生された超音波エネルギーがビーム内に向けられるか、または操縦されるように、トランスジューサアレー１２を駆動する。こうして、Ｂスキャンは、物理的にトランスジューサアレー１２を移動させるよりも、ポイントからポイントへアングルをセットすることにより、このビームを移動させることにより実行される。これを行うことため、送信回路１５は、連続的にトランスジューサ素子Ｉ１４に加えられるそれぞれのパルス２４に時間遅延（Ｔｊ）を与える。もし時間遅延がゼロ（Ｔｊ＝０）であれば、トランスジューサ素子１４のすべてが同時に活性され、そして結果的な超音波ビームはトランスジューサ面に垂直な、そしてその中心から発する軸２５に沿って向けられる。もし時間遅延（Ｔ）が素子数Ｉの関数として増加するならば、たとえば第１図に描かれているように、超音波ビームは角度Θだけ中心軸２５から下に向けられる。時間遅延増加Ｔと、結果的なビーム操縦の間の関係は超音波イメージングにおいてはよく知られており、そして一般的であるため、ビーム操縦に関するこれ以上の説明は省略される。
さらに第１図を参照すると、反射物体（反射物）から発する超音波エネルギーの各バーストによって発生したエコー信号（反射）は、超音波ビームに沿って連続位置におかれている。これらはトランスジューサアレー１２の各素子１４によって別個に感知され、そして特定の時間のポイントにおけるエコー信号の大きさのサンプルは、特定の範囲（Ｒ）において発生した反射の量を表現している。しかしながら、焦点ポイントＰと各トランスジューサ素子１４の間の伝搬パスにおける差異によって、それらのエコー信号は同時には発生せず、そしてそれらの振幅も等しくはない。よく知られているように、受信ビームフォーマ１８の機能は、各エコー信号に適切な時間遅延を与え、そしてそれらを互いに加算して、結果的に角度Θにおいて発せられた超音波ビームに沿った範囲Ｒにおいて位置決めされる各焦点ポイントＰから反射された全体的な超音波エネルギーを正確に表現する単独のエコー信号を提供することである。イメージの形式でイメージ結果を発生させるための、エコー信号の組み合わせは、よく知られているように、反射器の形状を表現している。
各トランスジューサ素子１４からのエコーによって発生された電気信号を同時に加算するために、システム制御器２０は送信回路１５およびビームフォーマ１８を制御して、ビームフォーマ１８の各分離されたトランスジューサ素子チャンネルに時間遅延が導き入れられるようにする。リニアアレー１２の場合においては、各チャンネル内に導き入れられる遅延が２つのコンポーネント、１つのコンポーネントはビーム操縦時間遅延であり、そして他のコンポーネントはビーム焦点合わせ時間遅延である、に分割される。ビーム操縦およびビーム焦点合わせ時間遅延は、上に説明された送信遅延と正確に同じ遅延（Ｔｉ）である。しかし、各受信チャンネル内に導き入れられる頂点合わせ時間遅延コンポーネントは、エコー信号が発生される範囲Ｒにおいて受け取られたビームのダイナミックな焦点あわせを提供するために、エコーの受信の間、連続的に変化する。ダイナミック焦点あわせはまた、よく知られており、そのためこれ以上の説明は省略される。
よく知られているように、システム制御器２０の指示のもとで、ビームフォーマ１８の操縦が送信回路１５によって操縦されるビームの方向（ｅ）を追跡し、そしてこれが範囲（Ｒ）の連続におけるエコー信号をサンプルし、そしてビームに沿ったポイントＰにおいてダイナミックに焦点合わせするための適切な遅延を提供するよう、ビームフォーマ１８は走査の間に受け取られた信号に遅延を導き入れる。こうして、超音波パルスの各発散は、超音波ビームに沿って位置決めされたポイントＰの一連の相応する点から反射された音の量を表す一連のエコー信号サンプルの受信を結果的に生じさせる。受信ビームフォーマ１８は、信号サンプルを発生させる反射器上のダイナミックな焦点合わせをするため、各エコー信号サンプルに関するその遅延を迅速に変化させることができる。
受信ビームフォーマ１８によって発生された、焦点合わせされた、そして操縦されたエコー信号サンプルのストリームは、「受信されたビーム」として参照される。
しかし、送信モードおよび受信モードの両方の間の望ましい操縦および焦点合わせを提供するために発生される時間遅延は、音波が一様な速度で肉体を通過するという仮定の上になりたっていることは明らかである。しかし、前に説明したように、医療用途においては、これは普通あり得ないことである。代わりに、超音波エネルギーは標準的に、異なる音響伝搬特性を持つ１つまたはそれ以上の組織の層を通過する。そのような層関の境界は標準的に、イレギュラな形状を有している。結果としてたとえばビームサンプルが操縦角度ΘにおいてポイントＰから得られたとき、ポイントＰおよび２つの分離されたアレー素子の間を移動する音は、境界のイレギュラのために全く異なって伝搬される。このことは、ポイントＰと２つのアレー素子との間の超音波パス長における差異を結果として生み出すが、これは単にポイントとアレー素子との間の幾何学的関係によってだけ決まるものでもない。介在する組織の異なる伝搬特性を基にしたパス長におけるこの差異は、ＰＡＣ処理技術が指向しているフェーズエラーを生じさせる。
音が伝搬する組織におけるずれ（偏差）によって生じるフェーズエラーに関する補正は、各トランスジューサ素子１４に関して、そして走査の間に得られる各操縦角度Θに関して、異なっている。標準的には、イメージのＰＡＣ「適合モード」の間に、受信されたビームフォーマ１８からのビーム信号がイメージを形成するためには用いられず、そして上に説明された音の伝搬エラーをオフセットするために、各トランスジューサ素子１４を結びついている信号に提供することが必要なフェーズ補正（ＰＡＣプロフィール）を計算するよう、この明細書の背景部分において指摘した米国特許において注目したような、公知のいくつかのＰＡＣアルゴリズムのうちの１つを実行するような代わりの手段がＰＡＣプロセッサ２６に適用される。次に、イメージャの「イメージングモード」の間には、普通はＰＡＣが考慮されていない、送信回路１５および受信ビームフォーマ１８のためにシステム制御器２０によって計算される時間遅延を増大するよう、これら計算された補正が、よく知られているとおり適用される。その結果は、組み合わせられた、増大させられた、時間遅延が、位相ずれ（偏差）によって生ずるイメージ歪みを削減する。
超音波機械が標準的には、受信ビームフォーマ１８に接続されたミッドプロセッサ部を含み、そしてエコープロセッサおよびフロープロセッサを含んでいることが注目される。エコープロセッサは、公知のそして一般的なＢモードおよびＭモードイメージを表示するために加えられる、信号を発生するために受信されたビームの振幅を処理する。フロープロセッサは原理的に、公知のそして一般的なカラーフローイメージを表示するために加えられる信号を発生するために受信されたビームを処理するために用いられる。望ましい実施例においては、フロープロセッサは、都合よく（すなわちイメージャのＰＡＣ適合／イメージングモードの間で）時間多重されることのできる（通常の当業技術を有する者にはよく知られている）信号処理の自動補正タイプを実行し、そのようにして受信されたエコー信号のＰＡＣ処理の相互相関を実行する。こうして、簡単な変更によって、一般的なフロープロセッサはＰＡＣプロセッサ２６を含むことができる。
前に指摘したとおり、イメージ内にスペックルを発生し、そしてＰＡＣアルゴリズム内の基準グループとして用いられる信号を悪化させる、イメージ信号の望ましくない振幅変調のために、横方向におけると同様、高さ方向においてもＰＡＣ補正値を計算することが望ましい。高さ方向における特性を改善するための１つの公知手段は、横方向と同様、高さ方向においてもアレーの素子を分割した２Ｄアレーを構成することである。たとえば、「２次元異方性フェーズアレー上のずれ（偏差）補正」と題するオードンネル他による前に指摘した文献を参照することができる。理想的には、ＰＡＣに関する最善の結果を得るために、高さ方向における分割は横方向におけると同じだけ微細にすべきである。しかし、各素子がそれ自身の電子回路のチャンネルを必要とするため、そのような装置は製造するのが難しく、そしてどのようにＰＡＣが実行されるかに依存して、ＰＡＣアルゴリズムを実行するための多くのパルス繰り返し周期（ＰＲＰ）を必要とする。このことはイメージフレームレートを極めて遅くさせる。そのような遅いフレームレートを用いると、視野内に何らかの動き、またはトランスジューサの移動が存在する場合には、この動きがたとえばＰＡＣプロフィールを再計算することによって考慮したとしても、ＰＡＣは劣化する結果となる。このため、アレー素子の数と、ＰＡＣ処理の結果との間には何らかのトレードオフが存在する。
第２ａ図から第２ｏ図は、第１図に示された超音波イメージング装置において用いるための、本発明の基本的手法によって構成された２Ｄアレーの１つの例および、そのアレーを通すＰＡＣアルゴリズム補正ウィンドウの段階を描いている。本発明の１つの特色によれば、トランスジューサアレー１２の中央部分は、高さ方向において粗く分割されており、そして横の末端セグメントは微細に分割されている。描かれている実施例においては、アレー１２は３列（Ｒ１、Ｒ２およびＲ３）および１２８行（Ｃ１からＣ１２８）を有しており、ここにおいて中央部分（Ｃ３−Ｃ１２６）における量は、列ごとに１つの粗い素子を含んでいる。末端セグメント（Ｃ１、Ｃ２およびＣ１２７、Ｃ１２８）における行は、各列における高さ方向において各々４つの素子（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を有している。５列を持つ、そして中央部分に粗素子を持ち、そしてその列が各々いくつかの付加的素子に分割されるように、各横末端において少なくとも１つの列を持つような、他の類似の構成も同様に働くことが指摘される。
新しい２Ｄアレーの基本的な特色は、微細素子の１つまたはそれ以上の量の分割である。微細素子が列内に配置されているので、アレーの構成は比較的簡単な作業である。すなわち、微細素子および粗素子を持つ量セクションは別個に構成され、そして次に第２ａ図、第３ａ図、または第３ｂ図に示されるような、望ましい構造に互いに接着される。新しい２Ｄアレーの付加的な利点は、アレー素子をビームフォーマに電子的に接続する上で、微細素子が高さ方向においてビームフォーミングのために用いられることである。
粗および微細素子の両方を用いることにより、それら素子の特定音響インピーダンスおよび電気的インピーダンスの両方の整合に考慮を払うことができる。本発明によれば、微細素子のいくつか（たとえば、４）からの信号が、選択的に組み合わせられ、その結果、高品質イメージングと同様、正確なＰＡＣ計算のために必要な信号の一様性を維持することができるよう、組み合わせられた微細素子が、粗素子の各々によって表されているのと同様の、超音波イメージング装置の残り部分に対する電気的ソースインピーダンスを実質的に表すようにされる。第４ａ図に関して後に詳細に説明されるように、微細素子からの信号はプローブ１０内に設けられた乗算／加算（ＭＵＸ／ｓｕｍ）によって組み合わせられる。
一般的には、ＰＡＣおよび／または高さ方向操縦は微細に設けられた素子を持つ多数の行が存在するときに、よりよく実行される。一方では、より少ない数でのそれらの行は、トランスジューサおよび関連する電子回路の複雑さおよびコストを節減させる。こうして、各特定の装置は、性能およびコストの間の妥協を図っている。
現在開示されている２Ｄアレーについては、ＰＡＣ動作はアレーの素子の初期的基準グループからの信号を形成し、そしてその信号を素子の隣接する素子またはグループを補正するための基礎として用いることによって実行される。補正された素子またはグループは、次に基準グループ内に含まれ、そして最も遠い基準グループの素子が除かれる。この段階は外面的にスペーシャル（空間的）ボックスカーまたはスライディングウィンドウアベレージャ（ｓｌｉｄｉｎｇｗｉｎｄｏｗａｖｅｒａｇｅｒ）に類似している。
第２ａ図から第２ｏ図に描かれている以下の実施例においては、初期基準グループが１つの列（Ｒ３）において３素子とされ、そして補正素子は右の隣接素子である。第２ａ図は、アレー１２の右側末端に向かうＰＡＣアルゴリズム補正ウィンドウ段階としてのボトム列（Ｒ３）上のＩ番目の繰り返しを描いている。（単純化のためにアレー１２の右側末端のみを示している）第２ｂ図から第２ｏ図によって描かれている引き続くＰＲＰでは、補正ウィンドウが列Ｒ３から列Ｒ２に移動することにより、アレーの末端に段階をすすめ、そして次に列Ｒ２からＲ１に曲がりくねった状態でアレー１２に沿って進むよう補正ウィンドウが移行し、ここにおいて補正ウィンドウは最終的にアレーの反対側末端に到達する。用いられるＰＡＣ補正アルゴリズムの特定のタイプは、本発明の理解に関しては重要ではなく、そしていくつかのよく知られているアルゴリズムのうちのどのような１つでも用いることができる。さらにより多くのまたはより少ない素子が基準グループ内で用いられることができる。
第２ｂ図において示されるように、より明確にすると、素子の基準グループが右への１素子（行Ｃ１２２−Ｃ１２４からＣ１２３−Ｃ１２５へ）のステップを持ち、そして補正素子は行Ｃ１２６内に存在する。第２ｃ図は、基準グループが右にさらに１行だけ（行Ｃ１２５−Ｃ１２６）ステップし、その結果、これが４つの微細素子（行Ｃ１２７の素子Ｒ３ａ−Ｒ３ｄ）のグループを含む補正素子に隣接する。
これら４つの素子からの信号は、第４ａ図に示されるＭｕｘ／ｓｕｍチップ４００内で加算される。Ｍｕｘ／ｓｕｍチップ４００からの出力は、スキャナの単独Ｔｘ／Ｒｘチャンネルに取り付けられ、その結果４つの微細素子はスキャナへの１つの粗い（レギュラサイズの）素子として現れる。Ｍｕｘ／ｓｕｍチップの出力インピーダンスは、トランスジューサケーブル１７のインピーダンスに整合するように設計される。これはＰＡＣ処理の間にビームフォーマ１８に現れるインピーダンスにおける一様性を維持し、このことは前に指摘されているとおり、本発明によって達成される重要な特色となっている。
第２ｄ図は、右にさらに１行だけ基準グループがステップし、その結果、補正グループが今度は行１２８の素子Ｒ３ａ−Ｒ３ｄを含むことを描いている。第２ｅ図は、行Ｃ１２６、Ｃ１２７およびＣ１２８に関する列Ｒ３における素子を含むような基準グループを描いており、一方素子の補正グループは行Ｃ１２８装置の素子Ｒ２ｄからＲ３ｃを含んでいる。
第２ｆ図−第２ｏ図に示されるように、グループへの微細素子の組み合わせがもはや必要ではなくなるまで、すなわち第２ｏ図の後まで、基準および補正グループが列Ｒ３からＲ２へステップ状態で移動する。
出願された新しい設計およびその接続装置は、漸進的に行われる列から列への移行を可能とし、それによりこの処理の間にエコー信号間の相関の程度を高く維持することができる。これがなければ、列間の中心から中心までの距離が大きくなり、その結果、１つの列内の基準グループからの信号と次の列内の補正グループとの間の相関係数が小さくなり、位相ずれ（偏差）補正の正確さが失われ、そしてすべての動作が意味のないものとなる。貧弱な相関を持つ値が補間される１Ｄアレーの場合とは異なり、２Ｄアレーに関する高さ方向においてそのような補間を信頼して行うことができる可能性は、比較的低い。
第２図は、本発明の１つの望ましい実施例を表していることに注目すべきである。種々のシーケンスに接続できる、または並列に充分なハードウェアを持つ、基準グループおよび補正グループの多くの他の可能な組み合わせが存在する。さらに、本発明は、選択された基準グループおよび補正グループの特定のシーケンスに関わりなく、列から列への移行が行われるときに、有益である。
第３ａ図は、本発明の基本的手法によって構成される接続装置とともに用いることができる、２Ｄトランスジューサの別の構成を描いており、これは基本的には、第２図に示されたそれと動作および機能において等価であり、そしてアレーの中心に位置決めされた微細素子の１つの（または２つであれば好都合の）行を持ち、そして両側に位置決めされた粗素子の行を持つアレーである。この手法は、より製造に難しいとはいえ、これはＰＡＣ処理がアレーの中心において開始され、そしてそのエッジの両方に向かって外向きに移動することにより、ＰＡＣアルゴリズムが実行される距離がより短くなるため（列が中心において「互いに結ばれる」ため）累積されたフェーズジッタを最小化できるという利点を有している。さらに、中心における微細素子の多数（たとえば１６または３２）の列を用いると、このアレー構成はまた、高さ方向において超音波ビームの操縦を可能とし、そしてそのためたとえば、生検プローブをイメージングするときには、特に有用である。しかし、この「微細素子」高さ方向操縦を実行するために、ＭＵＸ／ｓｕｍチップ４００を用い、そして微細チャンネルの加算がビームフォーマ内で行われるような、描かれている第４図の実施例において行われるような、微細素子のグルーピングよりも微細素子からビームフォーマへの信号接続が個別の受信チャンネルで構成されるべきであることに注目すべきである。
第３ｂ図は、２つの上に説明された構成の組み合わせであり、そしてアレーの両横側におけるのと同様、中心においても微細素子の行を持つ、さらに別の構成を描いている。これは素子の列間の微細補正の繰り返しを可能とし、そしてまた「ループ」構成においてＰＡＣ処理が実行されることを可能とする。ループ構成は、正確なＰＡＣ処理の確認として用いられるべき「位相（ループ的）閉成（クロージャ）」の所有を可能とする。この実施例の付加的利点は、位相（ループ的）閉成（クロージャ）を実行するための複数の機会がより多くのエリア特定「ＰＡＣ」処理において行われるという結果をもたらし、これはイメージされる全体的なエリアに影響を与えることのない、患者および／またはプローブ移動の場合においても特定の利点を有している。
第４ａ図は、本発明によるＰＡＣ処理のために必要とされるトランスジューサ素子アクセスの程度とコンパチブルな、そして単に回路の複雑さにおける増加を最小とした、第２図（または第３図）のトランスジューサを、簡単な方法で超音波スキャナの残り部分に接続するための本発明の基本的手法によって構成された新しい回路装置を描いている。描かれている実施例は、所定の数（４）の微細素子（行Ｃ１２７およびＣ１２８におけるＢ）によって出現される特定の音響インピーダンスを最適化するための２つの乗算／加算段（ＭＵＸ／Ｓｕｍ）４００を用いており、これら微細素子は組み合わせられて、各粗素子によって出現される特定の音響インピーダンスに整合する。組み合わせられた微細素子の特定の音響インピーダンスは、粗素子Ａのために用いられているピエゾ電気結晶の全体エリアは微細素子Ｂの４つのために用いられているそれと同じエリアであるため、各粗素子によって出現されるそれと整合する。こうして、微細素子のエリアが粗素子のエリアの分数となる。ＭＡＸ／Ｓｕｍ段４００はＡＳＩＣとして構成されることができ、そしてトランスジューサハンドル内に設けられることができ、または超音波スキャナそれ自体内の回路として設けられることも可能である。ＭＡＸ／Ｓｕｍ出力接続は、粗素子（Ａ）への直接接続によって提供されるそれと、超音波スキャナの残り部分の電気的ソースインピーダンスに等しいように出現する。ＭＡＸ／Ｓｕｍブロックの内部では、いくつかの（この実施例では４素子）微細素子Ｂからの信号が出力を形成するために互いに加えられる。
説明されている実施例が高さ方向におけるビーム操縦に関していくらか制限される、すなわち単に粗素子操縦のみ、とはいえ、本発明の著しい利点は、これが備えられている信号接続の複雑さを減少させることである。
この実施例においては、粗素子Ａの全ては等しい寸法である。しかし、理想的な高さ方向焦点合わせに関しては、不等寸法の列が望ましい。この可能性は第４ｂ図に描かれており、ここでは中央列（Ｒ２）がより大きい。ここで描かれているＭＡＸ／Ｓｕｍは柔軟であり、そして本発明の基本的手法によって、そしてたとえば第２ａ図−第２ｏ図を参照しながら説明されたように、適切な数の微細素子を加算することにより、粗素子ＡまたはＢと整合させることができる。
こうして、全ての目的を満足させ、そしてそのため利点が考えられる、アダプティブ（適応的）位相ずれ（偏差）補正のための動作のための新しい２Ｄトランスジューサアレーおよび方法が示され、そして説明された。しかし、多くの変化、変更、変形および被験体（者）となる発明の他の使用および用途が、本発明の望ましい実施例を開示したこの明細およびその添付図面を考慮したのちには、当業技術者には明らかとなるであろう。たとえば、微細素子を持つ２つ以上の隣接行が、アレーの横末端および／または中心にあるような、所定の場所において用いられることができる。実際、位相ずれ（偏差）は局部的現象であるため、微細素子の行はアレーの横方向を横切って一様に設けることができる。この実施例においては、第３図の構造が変更され、たとえば粗素子の各Ｎ行の後に、微細素子の２行を持つことができる。この実施例の付加的利点は、これが位相（ループ的）開成（クロージャ）を実行する機会を著しく増加させることであり、これによってより多くの「エリア特定」ＰＡＣ処理が可能となる。さらに、他の接続装置がトランスジューサアレーとビームフォーマとの間に設けられることができ、それらは各微細素子に関するプローブ内に前置増幅器回路を設け、そして微細素子加算がビームフォーマより前に実行されるようにすることもできる。本発明の精神および範囲から離れることのない、そのような変化、変更、変形および他の使用および用途の全ては、以下の請求の範囲によってのみ制限される、本発明によってカバーされていると考えられる。

Claims

振動エネルギーイメージング装置であって、
振動エネルギーを反射物に向けて発し、そして反射を受け、そしてそれに応答したエコー信号を発現させる、振動エネルギーのパルスを発生させる複数のトランスジューサ素子を持つ２Ｄトランスジューサアレーと、
なお、前記トランスジューサアレーは第一および第二タイプのトランスジューサ素子を持ち、第一タイプの素子は、第二タイプの素子の各々によって占められるアレーの面積の整数分の一にあたるアレーの面積を占めるものであり、
前記反射物の形状を表すイメージ信号を発生させるために前記エコー信号を処理するための信号処理装置と、
所定の数の第一タイプの素子を互いに選択的に組み合わせるため、第一タイプのそれぞれの複数の素子に個々に接続された複数の信号入力を持つ、少なくとも１つの乗算／加算回路を有する、前記素子を前記信号処理装置に接続するための接続装置とを備え、
前記所定の数は前記整数分の一の逆数である、
ことを特徴とする、振動エネルギーイメージング装置。
全体的に前記２Ｄアレーは長方形の形状をなし、そしてその横方向に沿った列と、その高さ方向に沿った行とに配置された素子を持ち、前記２Ｄアレーの第一の横部分は複数の第一タイプの素子の少なくとも２つの行を有し、そして前記２Ｄアレーの第二の横部分は複数の第二タイプの素子の行を有し、第二の横部分は第一の横部分に隣接して位置決めされ、
そして前記接続装置は、前記第一タイプの素子を持つ複数の列の数に相当する複数の乗算／加算回路を有し、この各乗算／加算回路は第一タイプの相当する行の素子の各々に個別に接続する信号入力を持ち、そして組み合わせられるべき前記所定の数の素子を選択する、請求項１に記載の振動エネルギーイメージング装置。
信号処理装置が所定の入力インピーダンスを持ち、そして乗算／加算回路が前記所定の入力インピーダンスに整合する出力インピーダンスを持つような、請求項２に記載の振動エネルギーイメージング装置。
振動エネルギーイメージング装置であって、
第一および第二タイプのトランスジューサ素子、ここで第一タイプの素子は第二タイプの各素子によって占められるアレーのエリアの整数分の一のアレーのエリアを占めている、の複数のトランスジューサ素子を持つ２Ｄトランスジューサアレーを活性化し、そしてそれへの応答として反射物に向かうよう方向付けられた振動エネルギーのパルスを発生する手段と、
それへの応答として、前記２Ｄトランスジューサアレーにおいて前記振動エネルギーの反射を受け取り、前記素子が電気的エコー信号を現出させる手段と、
前記反射物の形状を表すイメージ信号を現出させるため、前記素子の各々によって現出された電気的エコー信号を信号処理装置に接続する手段と、を備え、
前記接続する手段は前記第二のタイプの前記素子の各々を直接的に前記信号処理装置に個別に接続し、そして所定の数の第一のタイプの素子を互いに選択的に組み合わせるために、第一のタイプの複数のそれぞれの素子に個別に接続された複数の信号入力を持つ乗算／加算回路を通して前記第一のタイプの素子の各々を前記信号処理装置に接続する手段であり、前記所定の数は前記整数分の一の逆数である、
ことを特徴とする、振動エネルギーイメージング装置。