JP3867068B2 - デジタル受信集束装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波撮像システムに用いるためのデジタル受信集束装置に関し、特に、簡単な構造で多数のチャネル信号を処理し得るようにしたデジタル受信集束装置に関する。

超音波撮像システムは、診断しようとする人体の一部分に多数のトランスデューサを通じて超音波を送信し、その後人体から返ってくる反射波を各トランスデューサにおいて検出し、これを超音波受信集束装置で集束した後に適切な信号処理を行って、その人体の部分に係わる超音波映像をモニター上に見せるシステムである。一般に、超音波撮像システムの性能を決定する最も重要な構成要素は、多数のトランスデューサに受信された超音波を時間遅延した後、それを合成してビームを形成する受信集束装置であると考えられている。この受信集束装置は、集束しようとする位置に応じて受信集束ビームを形成するために、各トランスデューサ毎に遅延素子、メモリ素子、アポディゼーション素子などの回路素子を必要とし、システムにおいて最も大きい部分を占める。このような超音波受信集束装置は、アナログ受信集束装置とデジタル受信集束装置とに大別される。最近は、デジタル回路の発展に伴い、非常に小さな時間間隔に時間遅延を調整することができ、はるかに細かいビーム集束が可能なデジタル受信集束装置が多用されている。

一般的なデジタル受信集束装置は、要求する解像度を満たすために、相当に多くのチャネル数の超音波信号、例えば３２〜５１２個のチャネルの超音波信号を処理する（例えば、特許文献１）。さらに、超音波撮像システムで要求するより高い解像度を満たすためには、より多数のチャネル信号が要求される。

D.Lipschutz and L.Mass,"Delay interpolator for digital phased array ultrasound beamformers",US特許5345426号,1994

しかし、チャネル信号の数が増加するに伴い、各チャネル信号を処理するためのＡＤＣ、遅延素子、メモリ素子、アポディゼーション素子などのデジタル回路素子を組み込むチャネルモジュールの数も増加し、これによって、デジタル受信集束装置の複雑さが非常に高まるという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、アナログマルチプレクサを用いてハードウェア構成を効率的に設計することによって、単純な構造で多数のチャネル信号を処理することができるデジタル受信集束装置を提供することにある。

上記した目的を達成するための本発明は、デジタル受信集束装置であって、多数のチャネルモジュールと、該多数のチャネルモジュールからの出力信号を処理して受信集束ビームを形成する手段とを含み、該多数のチャネルモジュールの各々は、少なくとも二つ以上のチャネルからの超音波信号を受信して多重化する多重化手段と、該多重化した超音波信号をデジタル信号に変換し、該デジタル信号を処理して補償する信号処理／補償手段とを備えることを特徴とする。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明によれば、アナログマルチプレクサを採用して、ＡＤＣ、遅延素子、メモリ素子、及びアポディゼーション素子などの回路素子の個数を最小化することによって、解像度の向上のためのチャネル数の増加に伴うハードウェア複雑さの問題を解決することができる。また、前述のように、アナログマルチプレクサを備えるデジタル受信集束装置をＡＳＩＣで集積する場合、ＡＳＩＣ全体の面積中から約５０％の面積を占めるＡＤＣの数を削減することができ、ＡＳＩＣの設計及び製作に必要とするコストをより一層軽減することができる。

以下、図１を参照して、本発明の実施の形態によるアナログマルチプレクサを採用したデジタル受信集束装置について説明する。

図１は、本発明の実施の形態によるデジタル受信集束装置２０を示し、多数（例えば、８個）のチャネルの超音波信号（以下、「アナログ信号」と称す）を処理して受信集束ビームを形成するために、４個のチャネルモジュール２１ａ〜２１ｄを備える。ここでは、説明の便宜上、各アナログマルチプレクサ２２ａ〜２２dが２個のチャネルのアナログ信号を多重化することが示されているが、信号の遅延量やシステム性能などを鑑みて、２個以上のチャネルのアナログ信号を多重化するように構成してもよい。本発明によれば、各チャネルモジュールがアナログマルチプレクサを備えることによって、多数のチャネル信号を処理するためのデジタル受信集束装置を簡単に具現することができる。同図の如く、本発明のチャネルモジュール２１ａ〜２１dはそれぞれ同一の構成要素を有するので、説明の便宜上、以下では第１のチャネルモジュール２１ａのみ説明する。

まず、各トランスデューサ（図示せず）から受信される２個、例えばチャネル１、２のアナログ信号は、第１のチャネルモジュール２１ａ内のアナログマルチプレクサ２２ａに印加され、順次に切換えられた後ＡＤＣ２３ａに供給されてデジタルデータに変換され、次段の各回路素子により信号処理されて受信集束される。詳記すると、アナログマルチプレクサ２２ａに同時に入力される２個のチャネルのアナログ信号は、超音波撮像システムで用いられるシステムクロック（図示せず）の制御の下で、順次に切換えられてＡＤＣ２３ａに供給される。このＡＤＣ２３ａは、本発明によるアナログマルチプレクサ２２ａでの順次切換えによって入力されるチャネル１及びチャネル２のアナログ信号をデジタルデータに変換する。ＡＤＣ２３ａで変換されたデジタルデータは、バッファーとしてのＦＩＦＯ２５ａを介して第１のＦＩＦＯ２７ａ及び第２のＦＩＦＯ２７ａ'に供給され、時間遅延される。

第１のＦＩＦＯ２７ａ及び第２のＦＩＦＯ２７ａ'は、人体内対象物体の反射波から二重ビームを受信集束するために設けられたものである。これらの第１のＦＩＦＯ２７ａ及び第２のＦＩＦＯ２７ａ'には、書込みポインタ（図示せず）の制御の下に二重ビームに対するデジタルデータがＦＩＦＯ２５ａから同じ時間で入力され、 これらのＦＩＦＯ２７ａ、２７ａ'に入力された各デジタルデータは読取りポインタ（図示せず）の制御の下に異なる時間で読取られて、ＦＩＲフィルター＆マルチプレクサ（ＭＵＸ）２９ａに出力される。読取りポインタは、集束遅延計算部（以下、ＦＤＣＵと称す）２８ａから与えられる異なる遅延量に基づいて、第１のＦＩＦＯ２７ａ及び第２のＦＩＦＯ２７ａ'に入力されているデジタルデータを読取るように、これらのＦＩＦＯ２７ａ、２７ａ'の両方を制御する。

ＦＩＲフィルター＆ＭＵＸ２９ａはＦＤＣＵ２８ａからの遅延量に基づいて、第１のＦＩＦＯ２７ａ及び第２のＦＩＦＯ２７ａ’にて遅れた二重ビームに対するデジタルデータに対してフィルターリング及び細密遅延（ｆｉｎｅ ｄｅｌａｙ）を行う。ＦＤＣＵ２８ａに格納されている遅延量は、アナログマルチプレクサ２２ａでチャネル１及びチャネル２のアナログ信号を順次切換える時間間隔に基づいて予め決められる。詳しくは、第１のＦＩＦＯ２７ａ及び第２のＦＩＦＯ２７ａ’の両方から読取られたデジタルデータは、ＦＩＲフィルター＆ＭＵＸ２９ａにて係数バンク（図示せず）に予め格納されている予め決められたフィルター係数のうち、予め選択されたフィルター係数を用いてフィルターリングされる。即ち、第１のＦＩＦＯ２７ａ及び第２のＦＩＦＯ２７ａ’に格納された各デジタルデータが予め選択されたフィルター係数と乗算され、該乗算値はＦＩＲフィルター＆ＭＵＸ２９ａに組み込まれた加算器（図示せず）によって加算された後、ＦＩＦＯ３０ａに伝えられる。また、ＦＩＲフィルター＆ＭＵＸ２９ａは、デジタル受信集束装置２０において要求するサンプリング速度を満たすために、第１のＦＩＦＯ２７ａ及び第２のＦＩＦＯ２７ａ’からのデジタルデータを補間する働きを果たす。即ち、ＦＩＲフィルター＆ＭＵＸ２９ａはＦＤＣＵ２８ａから与えられる遅延量に基づいて、アナログマルチプレクサ２２ａで処理された信号を補償する機能も行う。詳記すると、ＦＩＲフィルター＆ＭＵＸ２９ａは、アナログマルチプレクサ２２ａでチャネル２のアナログ信号より所定の時間分早く切換えられた、チャネル１に対するデジタルデータに対しては、所定の時間分遅く信号処理するために所定の遅延量を付加し、チャネル２に対するデジタルデータに対しては、所定の時間分早く信号処理するために所定の遅延量を付加することによって、ＡＤＣ２３ａにおいてチャネル１及びチャネル２のアナログ信号を同じ時間でサンプリングした様に、チャネル１及びチャネル２に対するデジタルデータを補償する。本発明の好適実施例においては、２個のＦＩＦＯ２７ａ及びＦＩＦＯ２７ａ’を例示しているが、要求する多重ビームモードに応じて適切な数に変更して具現されることができる。

ＦＩＦＯ３０ａはＦＩＲフィルター＆ＭＵＸ２９ａからのデジタルデータを粗さ遅延（ｃｏａｒｓｅ ｄｅｌａｙ）するもので、上記した第１のＦＩＦＯ２７ａ及び第２のＦＩＦＯ２７ａ’の機能と同じである。ＦＩＦＯ３０ａによって遅延されたデジタルデータは乗算器３２ａに供給される。この乗算器３２ａは、チャネル１及びチャネル２を通じて受信されたアナログ信号のサイドローブ成分を抑制するために、ＦＩＦＯ３０ａからのデジタルデータをアポディゼーション（Ａｐｏ．）生成器３４ａから与えられるアポディゼーション係数と各々乗算し、該乗算したデジタルデータを第１の加算器３６ａに供給する。

第１の加算器３６ａによって加算されたチャネル１及びチャネル２に対するデジタルデータは、第２加算器３７ａにおいて、第２のチャネルモジュール２１ｂ内の第１の加算器３６ｂによって加算されたチャネル３及びチャネル４に対するデジタルデータと加算される。第２の加算器３７ａによって加算されたデジタルデータはＦＩＦＯ３８ａにおいて遅延される。上記と同様な方法で、チャネル５〜チャネル８のアナログ信号に対して信号処理されたデジタルデータは、第２の加算器３７ｂによって加算される。第２の加算器３７ｂによって加算されたデジタルデータはＦＩＦＯ３８ｂにおいて遅延される。これらのＦＩＦＯ３８ａ、３８ｂの両方において遅延されたデジタルデータは、第３の加算器３９によって加算され、一つの受信集束ビームが形成されてＦＩＦＯ４０に供給される。受信集束されたビームは更にＦＩＦＯ４０で遅延され、該遅延された受信集束ビームは、第４の加算器４１において、図１では示しない他のチャネルからの受信集束されたビームと加算され、最終的な受信集束ビームが形成される。

本発明のデジタル受信集束装置は、各チャネルモジュールにアナログマルチプレクサを採用し、超音波撮像システムに用いられるシステムクロックに応じて多数のチャネル信号をスイッチングしつつ、多数のビームを受信集束する多重チャネル多重ビームモードにも動作するように具現することによって、超音波撮像システムで要求されるシステム性能を向上することができる。

以上の説明から分かるように、本発明によるデジタル受信集束装置は、アナログマルチプレクサを用いて、多数のチャネルに対するアナログ信号を一つのチャネルモジュールで処理できるように設計することによって、簡単な構造で具現することができる。

また、本発明のデジタル受信集束装置をエーシック（ＡＳＩＣ：特定用途向け集積回路）で集積する場合、アナログマルチプレクサを用いてＡＳＩＣ全体の面積中から約５０％の面積を占めるＡＤＣの数を削減することができ、ＡＳＩＣの設計及び製作に必要とするコストを軽減することができる。

前述のように、図１を参照して説明した本発明の実施の形態は、各チャネルモジュールに組み込まれるＡＤＣの前段にアナログマルチプレクサを設ける場合のみに対して示したが、高速動作するＴＧＣ（Ｔｉｍｅ Ｇａｉｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）増幅器をＡＳＩＣ内に集積する場合、ＴＧＣ増幅器の前段にアナログマルチプレクサを設け、単一のＴＧＣ増幅器及びＡＤＣが多数のチャネルを担当するようにすることができる。

上記において、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で様々な変形をすることができる。

本発明の実施の形態によるデジタル受信集束装置の構成図である。

符号の説明

２１ａ〜２１ｄ チャネルモジュール
２２ａ〜２２ｄ アナログマルチプレクサ
２３ａ〜２３ｄ ＡＤＣ

Claims (5)

1. 超音波撮像システムに用いるためのデジタル受信集束装置において、
   多数のチャネルモジュールと、
   前記多数のチャネルモジュールからの出力信号を処理して受信集束ビームを形成する受信集束ビーム形成手段とを含み、
   前記多数のチャネルモジュールの各々は、少なくとも二つ以上のチャネルからの超音波信号を受信して多重化する多重化手段と、該多重化した超音波信号をデジタル信号に変換し、該デジタル信号を処理・補償する信号処理／補償手段とを備えるデジタル受信集束装置。
2. 前記多重化手段が、アナログマルチプレクサである請求項１記載のデジタル受信集束装置。
3. 前記信号処理・補償手段が、前記少なくとも二つ以上のチャネルに対するデジタル信号をフィルターリングし、前記デジタル信号に対して異なる遅延量を与えることによって、前記多重化手段から供給されるデジタル信号を補償する請求項１記載のデジタル受信集束装置。
4. 前記多重化手段、前記多数のチャネルモジュール及び前記受信集束ビーム形成手段が、エーシック（ＡＳＩＣ）で具現される請求項１記載のデジタル受信集束装置。
5. 前記信号処理／補償手段が、前記少なくとも二つ以上のチャネルに対するアナログ信号を処理して多重チャネル多重ビームモードで動作するために、並列構造で形成された少なくとも二つ以上の遅延素子を備える請求項２記載のデジタル受信集束装置。

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