JP4150866B2

JP4150866B2 - 超音波イメージング・システムの作動方法

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Publication number: JP4150866B2
Application number: JP00001698A
Authority: JP
Inventors: ミール・サイド・セイッド−ボロアフォロシュ; ラリー・ワイ・エル・モー; スタンレイ・シウーチョア・チム
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-12-30
Filing date: 1998-01-05
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2018-01-05
Also published as: US5891038A; JPH10295694A; DE19756730A1; IL122742A0; IL122742A; DE19756730B4

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、一般的には、工業用超音波画像と共に診断用超音波画像を主に超音波イメージングすることに関するものである。具体的には、本発明は、超音波イメージング・システムの軸方向分解能、コントラスト分解能、横方向分解能、被写界深度および感度を改善するための方法に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
通常の超音波イメージング・システムは、超音波ビームを送信し且つ被検体からの反射ビームを受信するために使用される超音波トランスジューサのアレイを有する。超音波イメージングのために、該アレイは典型的には一列に配列され且つ別々の電圧で駆動される多数のトランスジューサを有する。印加される電圧の時間遅延（または位相）および振幅を選択することによって、個々のトランスジューサを制御することにより、これらのトランスジューサが発生する超音波が組み合わさって、好ましいビーム方向に沿って進行し且つビームに沿った選ばれた距離に収束される正味の超音波を形成することが出来る。多数の走査線に沿った所望の解剖学的情報を表す完全な１組の２次元データを取得するために像内の様々な深さまたは異なる位置で多数回のファイアリング（ｆｉｒｉｎｇ）が使用される。各々のファイアリング（または送信ビーム）のビーム形成パラメータを変えることにより、焦点の位置、被写界深度またはシェーディング（またはアポダイゼーション）関数を変えることが出来る。同様に、受信ビームに対してもビーム形成パラメータを変えることが出来る。典型的には、受信のために動的受信ビームが使用され、この場合、異なる深さから異なるデータを受信するときに遅延焦点が連続的に変えられる。しかしながら、送信の際は、特定の焦点位置を持つ超音波エネルギのビームが送信される。典型的には、多数のビームが同じ方向に沿って、分解能の改善のために異なる焦点距離で送信される。２次元像を構成するためには一平面内で多数の送信および受信ビームが使用される。
【０００３】
同じ原理は、トランスジューサが反射された音波を受信するために用いられるとき（受信モード）にも適用される。受信用トランスジューサ素子で発生された電圧は、正味の信号が被検体内の１つの焦点から反射された超音波を表すように加算される。送信モードの場合と同様に、超音波エネルギのこの焦点合わせされた受信は、各々の受信用トランスジューサ素子からの信号に対して別々の時間遅延（および／または位相シフト）と利得を与えることによって達成される。反射された超音波は、各々が同じ走査線に沿って異なる深さに収束された２つ以上の送信ビームの焦点区域からサンプリングされる。最新の超音波イメージング・システムでは、受信信号は、異なる深さからの信号を受信するにつれて動的に焦点合わせされる。各々のステアリング（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）角度に対して、隣接した相次ぐ焦点区域からのサンプリングされたデータが取得されて、次いで１つのベクトルまたはＡラインを作るように組み合わされる。多数の送信ベクトル、すなわち各々の焦点に対してそれぞれ１つのビームが、補間されたデータ値と共に使用され、これらは、完全な画像フレームを形成するようにモニタに表示される画像情報の全てを収集するために使用される。この情報は画素毎に表示される。
【０００４】
このような走査は、ステアリングされた又はステアリングしない超音波ビームを送信し、短期間後にシステムを受信モードへ切り換えて、反射された即ち後方散乱された超音波を受信して記憶する一連の測定で構成される。典型的には、送信および受信は各々の測定の際に同じ方向にステアリングされて、走査線に沿った一連の点からデータを取得する。フレーム速度の改善のために１つの送信ビームに対して多数の受信ビームを形成することが出来る。例えば、１つの送信ビームに対して、該送信ビームの両側に２つの受信ビームを並列ビーム形成を使用して同時に形成するか、或いは高速多重ビーム形成を使用して両方のビームを同時に処理するようにすることが出来る。受信器は、反射された超音波を受信するとき、走査線に沿った相次ぐ距離（ｒａｎｇｅ）に動的に焦点合わせされる。
【０００５】
図１を参照して説明すると、本発明が用いられる超音波イメージング・システムは、複数の別々に駆動されるトランスジューサ素子１２より成るトランスジューサ・アレイ１０を含む。各々のトランスジューサ素子は、送信器２２によって発生されたパルス波形により付勢されたとき、超音波エネルギのバーストを発生する。被検体から反射されてトランスジューサ・アレイ１０へ戻る超音波エネルギは、各々の受信用のトランスジューサ素子１２によって電気信号に変換されて、１組の送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ２６を介して別々に受信器２４に印加される。送信器２２、受信器２４およびスイッチ２６は、走査員による指令に応答してディジタル制御器２８の制御の下に作動される。完全な走査は一連のエコーを取得することにより実行される。その際、スイッチ２６が送信位置に設定されて、送信器２２が一時的にオンにゲート駆動されることによって各々のトランスジューサ素子１２を付勢し、次いでスイッチ２６が受信位置に設定されて、その後に各々のトランスジューサ素子１２によって検出されたエコー信号が受信器２４に印加される。受信器２４は各々のトランスジューサ素子からの別々のエコー信号を組み合わせて、すなわちビーム形成して、単一のエコー信号を発生する。この単一のエコー信号は、表示モニタ３０上の画像中の１本の線を作成するように使用される。
【０００６】
送信器２２は、発生される超音波エネルギのビームが特定のステアリング角度に沿って方向付けられ、すなわちステアリングされるように、トランスジューサ・アレイ１０を駆動する。これを達成するために、送信器２２は、相次ぐトランスジューサ素子１２に印加されるそれぞれのパルス波形３４に時間遅延ｔ_iを与える。時間遅延ｔ_iを通常のやり方で適切に調節することによって、超音波ビームはトランスジューサ・アレイの平面に対する垂線３６から角度θだけ離れた向きに方向付けし、および／または固定の距離Ｒの所に収束させることが出来る。相次ぐ励起において時間遅延ｔ_iを漸進的に変えることにより、セクタ走査が実行される。従って、角度θが増分的に変えられて、送信ビームが相次いで異なる方向にステアリングされる。
【０００７】
各々の超音波エネルギのバーストによって作成されたエコー信号は、超音波ビームに沿って相次ぐ距離に位置する被検体から反射する。エコー信号は各々のトランスジューサ素子１２によって別々に検知され、特定の時点でのエコー信号の大きさのサンプルが特定の距離で生じた反射量を表す。しかし、反射点Ｐと各々のトランスジューサ素子１２との間の伝搬路の差により、これらのエコー信号は同時に検出されず、またそれらの振幅は等しくない。受信器２４は別々のエコー信号を増幅し、各々の信号に適切な時間遅延を与え、そしてそれらの信号を加算することにより、角度θを向いた超音波ビームに沿った距離Ｒに位置する点Ｐから反射された全超音波エネルギを正確に表す単一のエコー信号を作成する。復調は個々の受信信号を一緒に加算する前または加算した後のいずれかに行うことが出来る。
【０００８】
各々のトランスジューサ素子１２に当たった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、受信器２４の各々の別々のトランスジューサ・チャネル１１０（図２参照）に時間遅延が導入される。受信のためのビームの時間遅延は、前述の送信のための遅延と同様に適用される遅延（ｔ_i）である。しかし、各々の受信チャネルの遅延はエコーの受信の際に連続的に変えられて、エコー信号が出てくる距離Ｒの所に受信ビームを動的に収束させる。
【０００９】
ディジタル制御器２８の指令の下に、受信器２４は走査の際に遅延を与えて、受信器２４のステアリングが送信器２２によってステアリングされたビームの方向θを追従し、且つビームに沿った点Ｐに動的に収束するための適切な遅延および位相シフトを行うようにする。従って、超音波パルス波形の送信毎に、超音波ビームの焦点区域内の点における反射された音波の量を表す一連のデータ点が取得される。
【００１０】
図１を参照して説明すると、走査変換器／補間器３２が受信器２４によって作成されたデータ点の列を受け取って、該データを表示のための所望の画像に変換する。具体的に述べると、走査変換器は、極座標（Ｒ−θ）セクタ形式またはデカルト座標線形アレイからの音響画像データを、適切にスケーリングしたデカルト座標表示画素データへ、ビデオ速度で変換する。この走査変換された音響データは、表示モニタ３０で表示するために出力される。表示モニタ３０は、信号の包絡線の時間につれて変化する振幅をグレイ・スケールとして画像にする。
【００１１】
図２を参照して説明すると、通常の受信器２４は３つの部分、すなわち時間利得制御部分１００、受信ビーム形成部分３８および処理装置１０２を有する。時間利得制御（ＴＧＣ）部分１００は、各々の受信チャネル１１０に対するそれぞれ増幅器１０５、および時間利得制御回路１０６を含む。各々の増幅器１０５の入力はそれぞれの１つのトランスジューサ素子１２に接続されていて、受信したエコー信号を増幅する。増幅器１０５による増幅量は、制御線１０７を介してＴＧＣ制御器１０６によって制御される。ＴＧＣは、ＴＧＣ制御器にプログラムされている一定の利得プロフィールと操作員により設定されるポテンショメータ１０８との組合せであり、像中の組織減衰及び回折利得変動を補償する。
【００１２】
受信器２４の受信ビーム形成部分３８は別々の受信チャネル１１０を含む。各々の受信チャネル１１０は、増幅器１０５の１つからアナログ・エコー信号を受信する。各々の受信された信号は、加算点１１４および１１５で加算する前に遅延される。この遅延は高分解能イメージングに不可欠な動的収束を行う。加算された信号は、ステアリングされたビーム（θ）に沿って距離Ｒに位置する点Ｐから反射されたエコー信号の大きさおよび位相を表す。各々の増幅された信号は、混合用基準周波数の位相が９０゜異なっているそれぞれのチャネル内で一対の直角位相の信号として送られる。この代わりに、ヒルベルト（Ｈｉｌｂｅｒｔ）変換を用いて直角位相の信号を作成することが出来る。信号処理装置１２０が加算点１１４および１１５からビーム・サンプルを受けて、走査変換器３２（図１参照）に対する出力を発生する。信号処理装置１２０は、ＩおよびＱ信号の自乗の和を求めた後でその信号の平方根を求める。これは包絡線検波すなわち復調した画像信号を作成する。信号処理装置１２０は複素信号（ＩおよびＱ）の包絡線を検出する包絡線検出器を有し、この時点で位相情報が失われる。
【００１３】
上記のタイプの超音波イメージング・システムの軸方向分解能は主にトランスジューサの有限の帯域幅によって決定される。通常の超音波イメージング方法によれば、可能な最高の分解能はトランスジューサの有効な帯域幅全体を利用するインパルス励起によって得られる。残念なことに、インパルス励起では利用可能なエネルギが低いので、感度が低くなる。これを補償するために、一層大きな駆動パルスを使用することが出来る。しかしながら、トランスジューサに印加できるピーク・ピーク電圧の大きさを制限する多くの因子がある。これらの制限は、駆動電子回路から得ることの可能なピーク・ピーク電圧が有限であること、ピエゾセラミック材料の破壊電圧およびピエゾセラミックまたは圧電材料のデポーリング（ｄｅｐｏｌｉｎｇ）の可能性、高電圧駆動段が必要なこと、並びに患者に暴露することの出来るピーク圧力に対する調節限界ピエゾセラミック材料により生じる。更に、インパルス励起では、放出されるパルスの帯域幅がトランスジューサの帯域幅に制限される。帯域幅を増加できれば、空間分解能が改善され、コントラスト分解能が改善され、また被写界深度が改善されよう。
【００１４】
【発明の概要】
本発明は、超音波イメージング・システムの空間分解能および／または感度を改善し、且つ被写界深度を伸ばすための新規な信号処理技術である。本技術は、２つ以上の送信波動関数を最適な態様で組み合わせて、個々の波動関数よりも大きい帯域幅および／またはエネルギを持つ合成波形を得ることに基づくものである。この技術を改善するための方法として、フレーム速度を改善すること、処理の際の運動誘起誤差を低減すること、最適な応答のために送信波形の位相を調節すること、個々の又は複数の送信波形に対応するエコー信号を選択的に使用することによって異なるイメージング・モードを組み合わせること、およびそれをコントラスト剤を使用する超音波イメージングに適用することが説明される。本発明は全てのイメージング・モード（Ｂ、Ｍ、カラー、パルス・ドップラー・イメージングおよびドップラー）に適用される。この方式は、包絡線検出器に到達する前のイメージング・データに作用し、その際に位相情報は信号内にまだ維持される。これは、スペックルを低減するために包絡線検出または非コヒーレント加算後に一般に実行される通常の周波数複合とは異なる。
【００１５】
平坦な周波数応答を得るために異なる中心周波数を持つ後方散乱狭帯域ＲＦ信号のコヒーレント加算を行う概念が、ラボラトリイ・インベスティゲイション・ウルトラサウンド（ＬａｂｏｒａｔｏｒｙＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎＵｌｔｒａｓｏｕｎｄ）発行誌７７、２号、４７８−４８３頁、１９８８に所載のＫ．Ｂ．サガル（Ｓａｇａｌ）等の論文「心筋超音波後方散乱についての心拍数、前負荷、後負荷および等方性状態の影響」に記載されている。しかし、これは、非収束型ディスク・トランスジューサを使用して、非常に小さい距離でゲーティングされた心内膜下区域の中の心臓組織の後方散乱係数を測定する組織特性決定の研究に過ぎない。各々の対象に対して、コヒーレント加算が、異なる周波数の走査のための別々に記憶されている距離ゲーティングされたデータに基づいて、オフラインで実行され、その結果がその距離ゲーティングされた組織区域の後方散乱係数の単一の推定値になる。これと対照的に、本発明は、トランスジューサ・アレイを持つ汎用超音波スキャナを使用して実時間２次元イメージングを行うための合成送信波形を使用することに関する。詳しく述べると、本発明は、次のことを開示する。
【００１６】
（１）最適な合成波形設計のための送信波形設計手順の詳細、
（２）合成波形設計を使用するときに画像の有意な劣化を生じる可能性のある運動誘起誤差を低減および／または補償する手段、
（３）２つの波形を組み合わせる最適な検出装置、
（４）画像の被写界深度を増加させるための合成波形設計の適用、
（５）広帯域幅を維持しながら感度を改善するための合成波形設計の適用、
（６）カラー／ドップラーモードのイメージングのために個々の波形が使用され、また異なる周波数の２つ以上の波形が組み合わされるときにＢモードまたはＭモード画像が作成されるように、異なるイメージング・モードを組み合わせる用途、
（７）コントラスト増強剤を使用する超音波イメージングのための合成波形イメージングの適用、
（８）ベクトルをオーバーラップさせ且つ２つの焦点区域を僅かに異なる位置にすることによってフレーム速度を増加する手段。
【００１７】
合成送信波設計法を使用することによって、組合せ波形の放出圧力はトランスジューサのインパルス応答よりも広い帯域幅および／または高い感度を持つ。また、被写界深度が大きくなり、且つコントラスト分解能も改善される。
本発明の好ましい実施態様による合成送信波形設計方式は、２つ以上の比較的長い送信波形を相次いでファイアリングすることを有し、これらの送信波形は同じ焦点位置に収束され、またこれらの送信パルスの各々に対する周波数スペクトルは中心が僅かに異なる周波数に定められる。これらの全ての送信波形からの受信信号がそれらの位相情報を維持しながら加算されたとき、その結果の合成波形の全体の帯域幅はインパルス励起の場合よりも更に大きくなり得る。この方式ではまた、送信パルスの長さを長くしたことに伴ってエネルギが増加したことにより、感度が改善される。（２度印加した）インパルス励起に比べて、２波形合成方法は一層大きい感度および／または一層広い帯域幅を持つ応答を生じることが出来る。
【００１８】
【好ましい実施態様の詳しい説明】
本発明の動作理論を理解するために、図３Ｂに示されている有限ガウス・インパルス応答を持つ超音波トランスジューサを考察する。このトランスジューサは２つの異なる条件下で調べられた。最初、図３Ａに示されているような単一サイクルの励起波形をトランスジューサに印加した。この励起波形はトランスジューサの共振周波数の波形であった。次に、同じトランスジューサに、図３Ｃおよび図３Ｄに示されているように、各々が２サイクルの波形であって、一方がトランスジューサの共振周波数より高い周波数を持ち、且つ他方がトランスジューサの共振周波数より低い周波数を持つ２つの波形を印加した。これらの２つの狭帯域幅の励起波形の各々の全パルス長は、前に使用した単一サイクルの励起波形よりも長かった。従って、図３Ｃおよび図３Ｄの２サイクルの波形の積分したエネルギは、図３Ａの単一サイクルの波形にエネルギよりも大きい。
【００１９】
２つの狭帯域幅のパルスからの２つの波形に対するトランスジューサの応答が、（複素領域において、すなわち包絡線検出の前に）位相情報を維持しながら加算された。この応答を、図４および５に示すように、単一サイクルの励起に対する応答を２倍したものと比較した。合成波形に対する応答は、リングダウン（ｒｉｎｇｄｏｗｎ）時間が短くなり、それに対応して帯域幅が改善され、感度が少し増加する。これは、合成送信波形設計の利点を例示している。
【００２０】
この代わりに、検出されるパルスのピーク・ピーク圧力を増加することに重点をおくことが出来る。単一サイクルの励起に対する応答を２倍したものと比較して、合成送信波形法を使用した応答について再び同じ解析を行った。合成送信設計法から得られる感度の改善が図６および７に示されている。この場合、２つの狭帯域の２サイクルの励起の周波数は、図３に示し且つ図４および５の応答を生じるために使用された２つの狭帯域の２サイクルの励起の周波数よりもトランスジューサの共振周波数に近い周波数であった。合成波形が３つ以上の送信波形から構成される場合には、更に大きい改善が期待される。しかしながら、送信波形の数は、高フレーム速度を保つために２に近い値にするのが望ましい。
【００２１】
合成送信波形を使用して帯域幅を増加させたことにより、被写界深度もまた改善される。ビーム形状はパルス形状に強く影響される。近距離音場の干渉および遠距離音場でのサイドローブは、パルスの長さが短くなると低減する。焦点の位置、被写界深度および横方向ビーム・プロフィールは波長の関数である。広帯域インパルス応答は多数の周波数成分を有する。従って、帯域幅の増加はまた、被写界深度を増加させ、且つサイドローブのレベルを低減させる。ビーム・プロフィールに対するインパルス応答の影響が、Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍｅｒｉｃａ、５６巻、１０４３−１０４８頁、１９７４に所載のＷ．Ｌ．ビーバー（Ｂｅａｖｅｒ）による論文「パルス式ピストン・ラジエータの近距離音場」、ＩＥＥＥウルトラソニックス・シンポジウム（ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍ）、１９９６年１１月に所載のＪ．Ａ．ホサック（Ｈｏｓｓａｋ）による論文「焦点深さを延長した医用超音波イメージング」、並びにＰ．フィッシュ（Ｆｉｓｈ）の著書「ＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＤｉａｇｎｏｓｔｉｃＭｅｄｉｃａｌＵｌｔｒａｓｏｕｎｄ」、ジョン・ワイリイ・アンド・サンズ（ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ）、１９９０、３７−３９頁に記載されている。
【００２２】
本発明によれば、送信器２２（図１参照）は、第１の期間の間に選択されたトランスジューサ素子１２を励起することによって、第１の周波数を中心とする第１の周波数スペクトルを持つ第１の送信超音波波形を送信する手段、および第１の期間の直後の第２の期間の間に選択されたトランスジューサ素子を励起することによって、第２の周波数を中心とする第２の周波数スペクトルを持つ第２の送信超音波波形を送信する手段を有する。第１の送信超音波波形は第１の焦点に収束され、また第２の送信超音波波形は第１の焦点の近く又はそれと同じ第２の焦点に収束される。更に、第２の周波数は第１の周波数とは異なる。
【００２３】
図１４を参照して説明すると、本発明は通常の手段すなわちトランスジューサ１０およびビーム形成装置３８を含み、これにより、第１の焦点を含む焦点区域内の散乱体によって選択された受信用トランスジューサ素子へ反射されて戻った第１の送信超音波波形の部分から導き出した第１の受信超音波波形の第１のベースバンド複素信号対（Ｉ₁およびＱ₁信号）を形成し、その後、第２の焦点を含む焦点区域内の散乱体によって選択された受信用トランスジューサ素子へ反射されて戻った第２の送信超音波波形の部分から導き出した第２の受信超音波波形の第２のベースバンド複素信号対（Ｉ₂およびＱ₂信号）を形成する。受信器の伝達関数は両方の波形に対して同じに保たれる。しかし、振幅は、組織の減衰量が２つの周波数に対して異なるのでこれを補償するために、異なる振幅にする。
【００２４】
本発明による動作理論を、図１４に示されているような複素信号検出器を持つタイプの超音波イメージング装置に関して以下に説明する。このシステムでは、等化フィルタ４０がビーム形成装置３８からの複素ＩおよびＱ出力を受け取って、入力信号の帯域幅の関数である帯域幅を通す。本発明によれば、等化フィルタ４０の出力はマルチプレクサ５０に送られ、マルチプレクサ５０は第１および第２の複素信号対を下記のように選択的に伝送する。すなわち、Ｉ₁およびＱ₁信号を１サイクルの間に遅延回路すなわちバッファ５２Ａおよび５２Ｂへそれぞれ伝送し、次のサイクルの間にＩ₂およびＱ₂信号を加算器５４Ａおよび５４Ｂへそれぞれ直接に（遅延なしに）伝送する。遅延回路５２Ａおよび５２Ｂは１サイクルの遅延を与え、これにより第２のサイクルの間に加算器５４ＡがＩ₁およびＩ₂信号を受け取り、加算器５４ＢがＱ₁およびＱ₂信号を受け取る。加算器５４Ａは和Ｉ_sum＝Ｉ₁＋Ｉ₂を形成し、加算器５４Ｂは和Ｑ_sum＝Ｑ₁＋Ｑ₂を形成する。次いで、複素信号Ｉ_sumおよびＱ_sumが包絡線検出器４２に入力され、包絡線検出器４２は関数（Ｉ_sum ²＋Ｑ_sum ²）^1/2を計算する。
【００２５】
その後、包絡線が低域通過フィルタ４４に通され、そしてこのフィルタリングされた包絡線が対数データ圧縮を受ける（ブロック４６）。この対数圧縮された信号は走査変換器３２に出力され、次いでモニタ３０上にベクトルとして表示される。
実際には、異なる送信周波数波形に対する受信信号は、組織の減衰が周波数依存性であることに起因して非常に異なる振幅を持つことがある。この組織の減衰効果を補償するため、異なる送信波形または異なる受信信号に対してそれらのコヒーレントな加算または組合せの前に重み係数を適用すべきである。好ましい方法では、目標が全ての深さにおいて対称なスペクトルを持つ合成信号を作成することであるので、係数は時間につれて動的に変えるべきである。係数は組織の吸収特性および周波数依存性散乱特性に関して特定すべきである。
【００２６】
重み係数は、時間利得部分において実現される。図１５を参照して説明すると、時間利得制御部分１００′は、１組のスイッチ１２０によって時間利得制御回路１０６に交互に接続される２組のポテンショメータ１０８Ａおよび１０８Ｂを有する。ポテンショメータ１０８Ａの設定は、第１の受信期間の間の増幅器１０５による増幅量を調節するために使用される第１組の重み係数を供給するように選択される。また、ポテンショメータ１０８Ｂの設定は、第２の受信期間の間の増幅器１０５による増幅量を調節するために使用される第２組の重み係数を供給するように選択される。好ましい実施態様によれば、第１組の重み係数は全て第１の値を持ち、また同様に第２組の重み係数は全て第１の値とは異なる第２の値を持つ。第１の受信期間は第１の送信波形に応答して発生された受信信号の受信の間生じ、また第２の受信期間は第２の送信波形に応答して発生された受信信号の受信の間生じる。
【００２７】
減衰効果は、高い方の周波数の送信波形におけるサイクルの数を増加し、これにより合成送信波形の高い方の周波数の帯域の縁におけるエネルギを効果的に増加させることによって、更に補償することが出来る。代わりに、組織の減衰効果を補償するために異なる受信信号の各々に動的等化フィルタを適用し、その後でこれらの信号を加算して合成広帯域信号を作成することが出来る。このような等化フィルタは、ビーム形成されるデータがＲＦ／ＩＦまたはベースバンド・タイプであるかどうかに応じて、帯域通過フィルタまたは複素低域通過フィルタにすることが出来る。等化フィルタを使用する利点は、付加的な帯域幅および／または感度利得を実現できる可能性があることである。詳しく述べると、狭帯域励起のため、狭帯域等化フィルタを適用して、異なる受信信号を加算する前に帯域外雑音を除去することが出来る。等化フィルタはまた、非対称になるような受信スペクトルを白色化（平坦化）し、および／または不所望なスペクトルのサイドローブを除去するように設計することが出来る。
【００２８】
本発明の提案した動作理論は標準のファントムについての一連の５ＭＨｚイメージング実験によって実証された。最適な通常の送信波形設計のためのＩ／Ｑビーム形成データ組を、データ取得装置を介して記録した。また、同様なデータ組を、本発明の合成送信波形設計法を使用して求めた。オフラインで、Ｉ／Ｑデータの極値を取り、次いでサン（Ｓｕｎ）ワークステーションで対数圧縮した画像を表示することによって、Ｂモード画像を作成した。合成波形を作成するために、２つの狭帯域送信波形を使用した（２つの受信波形の内の１つは実際に等化フィルタで処理して、不所望なスペクトルのサイドローブを除去した）。図８は、比較のために正規化して５ＭＨｚの復調周波数へシフトさせた２つの対応する受信スペクトルを示す。これらのスペクトルは１０個の相次ぐ中央走査線の全体の平均を表し、その各々のサンプル・スペクトルは、３．５ｃｍの深さに中心を置いた１ｃｍの軸方向の窓にわたって複素高速フーリエ変換を行うことにより計算される。前に述べたような合成信号を作成するため、２つの信号を平均振幅で正規化し、検出の前に（ベースバンドで）加算した。その結果が図９に示されている。２つの送信波形の各々に対する複合応答において帯域幅に有意の増加がある。図１０は、合成スペクトル（図９）と、最適な通常の送信波形からの受信スペクトルとの比較を示す。スペクトルのピークから−６、−１０および−２０ｄＢの所に於ける帯域幅の改善は、それぞれ３０％、４０％および１４％である。図１１はファントムの対応する画像部分を示し、これらは明らかに、合成波形法により、ピン分解能が増加し、スペックル生地がずっと精細になり、焦点深度が増加することを表している。
【００２９】
同様な実験を体内で行った。ファントムの実験の場合と全く同じ送信波形の組を使用して、一連の腎臓の走査を実施した。合成送信法（図８および１０に対応する）の場合の受信信号が図１２および１３に示されている。ファントムの場合と同様に、個々の低い周波数の成分および高い周波数の成分を加算して合成信号を作成した。この信号の帯域幅は通常の広帯域パルスの場合よりも大きくなりさえもする。オフラインで作成したＢモード画像はまた、合成波形法により、スペックル生地がより精細になり且つ焦点深度が増加することを示した。
【００３０】
通常の合成開口法の場合と同様に、本発明の合成送信波形設計のための１つの要件は、位相関係が２つの相次ぐファイアリングの間で維持されることである。もし２つの相次ぐファイアリングの間の期間中に被検体またはトランスジューサに何らかの運動があった場合は、位相情報が歪む。この結果、従来の方法に比べて画像の質が悪くなる。この誤りを防止するために、相次ぐファイアリングの間の最大組織変位は波長の１０分の１以下にしなければならない。これは控えめな見積もりであるが、相次ぐ送信波形を非常に短い期間にファイアリングして、相次ぐベクトルがオーバーラップする期間を持つようにすることを必要とする。例えば、３ＭＨｚで動作しているとき、オーバーラップは適切な経時的サンプリングのために４ｃｍ以下になり得る。このようなオーバーラップする期間を持つことにより、異なる送信波形を持つことは、受信器をこれらの信号の各々の最適な検出のために一義的に設定することが出来れば、役に立つ。さらに、高い周波数の信号の方が減衰速度が高いので、低い周波数の波形をファイアリングする前に高い周波数の信号をファイアリングすることが有利である。これは、前のファイアリングから残っている音響雑音の量を低減する。これは特に、オーバーラップする期間を持つベクトルがファイアリングされるとき重要である。これらはベクトルの組であり、第１のベクトルに対応するデータが未だ収集されている間に第２のベクトルがファイアリングされる。
【００３１】
また、相次ぐファイアリングの間の組織の運動を補償するために、相関法のような、運動推定および運動補償アルゴリズムを採用することが可能である。これは、２つの相次ぐファイアリングの間のファイアリング間隔についての制約を低減する。
本発明の基本的概念は多くの方面に拡張することが出来る。例えば、合成送信波形は、軸方向分解能が近距離音場において改善され（例えば、図４および５に示された応答を生じるために使用されるタイプの狭帯域波形を使用する）、また感度が遠距離音場において改善される（例えば、図６および７に示された応答を生じるために使用されるタイプの狭帯域波形を使用する）ように設計することが出来る。この方法は、全ての深さにおいて合成送信波形設計の利点を完全に利用する。これは臨床検査用途に応じて定めることが可能である。代わりに、２つの合成送信波形を近距離音場で使用し、３つ以上の波形をより大きい深さで使用することが出来る。
【００３２】
２つの送信波形は異なるサイクル数を持っていてよい。例えば、高い方の周波数の励起では３サイクルにし、低い方の周波数の励起では２サイクルにすることが出来る。これは、周波数が高いことにより減衰速度が高いと思われるスペクトルの領域のエネルギを潜在的に増大させることが出来る。従って、２つの送信波形は異なる帯域幅を持つことが出来る。
【００３３】
典型的な送信波形は、１サイクル以上の持続時間を持つトーンバーストである。これは、ｓｉｎｃ（［ｓｉｎ（ｘ）／ｘ］）関数である周波数スペクトルを持つ。好ましい動作モードでは、１つの波形の周波数領域のサイドローブが続行する波形のナル（またはゼロ）とオーバーラップするように２つ以上の波形が設計される。合成波形設計を使用して２つの波形を組み合わせたとき、周波数領域の応答はサイドローブが低減され、それに対応して時間領域のリングダウン時間が短くなる。
【００３４】
Ｆナンバーまたは能動素子間隔を変えることにより、２つのファイアリングのために一定のビーム幅を維持することが出来る。従って、低い方の周波数で動作させるとき、より大きい開口を使用して、一定の横方向点広がり関数を維持することが出来る。これは、異なる小開口からの同じ波形の２つのファイアリングを組み合わせてより大きな有効開口を達成する通常の合成開口法と同じではないことに注意されたい。
【００３５】
提案したアルゴリズムはパワードップラーイメージング（ＰＤＩ）に適用することが出来る。軸方向分解能または感度は異なる深さで、または異なる用途のために改善することが出来る。この場合、ＰＤＩ処理における悉くのデータ・パケットに対して、２つ以上のファイアリングを非常に素早く行わなければならない。同様な方式をカラー流れイメージングに適用することが出来る。
【００３６】
また、カラーおよび／またはドップラーモードをＢモード（またはグレイ・スケール）イメージングと組み合わせることも可能である。流れ検出のために感度が高くなる低い方の周波数の波形だけを使用することができ、またコントラストおよび細部分解能がより重要であるＢモードのために高い周波数および低い周波数の合成を使用することが出来る。
【００３７】
高いフレーム速度を維持するために、関心のある限られた領域に上記のアルゴリズムリズムを適用することが出来る。従って、送信焦点区域の数を、関心のある領域に対してファイアリングされるビームの数と共に減らすことが出来る。
フレーム速度に対する影響を低減するために、僅かに異なる位置に焦点を持つ２つの相次ぐ送信ビームを使用して、２つのファイアリングにより２つの送信焦点区域をカバーすることが出来る。これは、フレーム速度の低下を軽減する。しかしながら、経時的サンプリング要件（すなわち、２つの送信波形の素早いファイアリング）はまだそのままである。一例として、関心のある領域をカバーするために各々が３ｃｍの深さを持つ４つの焦点区域を用いるイメージング・システムを考察する。２つのファイアリングが４つの焦点区域中のそれぞれの焦点に収束される場合、全部で８つのファイアリングが必要となる。この代わりに、この同じ１２ｃｍを、各々４ｃｍの深さの３つの焦点区域に分割することが出来る。３つの焦点区域の各々に対して、２つのファイアリングが１ｃｍだけ離れた２つの異なる焦点に収束される場合、１２ｃｍの深さ全体を８つではなく６つのファイアリングでカバーすることができ、これによって本発明の使用により生じるフレーム速度の低下を軽減することが出来る。
【００３８】
帯域幅または感度のいずれかを改善するかの決定は、ファイアリングされるベクトルのタイプに依存する。例えば、ステアリングされたビーム（トランスジューサまたは開口平面に対して垂直でないビーム）をファイアリングするとき、感度を改善することが出来る。他の全ての場合には、帯域幅を改善することが出来る。
組織の減衰が他の手段によって既に補償されている場合でも、狭帯域合成送信波形は、狭帯域等化フィルタを用いることにより、通常の技術と比べて信号対雑音比をかなり改善することが出来る。
【００３９】
重み付き加算を行う前に何らかの運動に対する補償を行うために相関法、論理的演算、勾配法または光学的流れ技術を使用して、運動誘起誤差を補償することが可能である。これにより、運動によって誘起される可能性のある位相誤差を低減または除去することが出来る。
様々な超音波コントラスト剤を使用するとき、合成波形設計はまた、通常のコントラスト・イメージングや第２調波イメージングのために使用することが出来る。合成帯域幅イメージングにおいて送信パルスが長くなることにより、より低い最大音響圧力または強度を使用できるはずである。送信信号レベルのこの余分な制御は、コントラスト・イメージングで所望の効果を達成するために非常に重要であると思われる。更に、第２調波コントラスト・イメージングの場合、スペクトルの漏れおよび／または非線形伝搬作用に起因した送信信号中の第２調波周波数帯域は、より長いおよび／またはより純粋なトーン信号を使用することによって抑制することが出来る。これは、組織からの第２調波周波数帯域の直接後方散乱から、コントラスト剤によって作成された第２調波信号を弁別するために重要であることを示している。
【００４０】
最後に、本発明の合成波形法では、２つ以上の狭帯域励起が、脂肪／筋肉表面層によって引き起こされる位相収差効果を低減するのに役立つ。
上記の好ましい実施態様は例示の目的で開示された。ベースバンド超音波イメージング・システムの分野の当業者には種々の変更および変形を容易になし得よう。このような全ての変更および変形は特許請求の範囲に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実時間超音波イメージング・システム内の主要な機能のサブシステムを示すブロック図である。
【図２】図１のシステムの一部を形成する受信器のブロック図である。
【図３】シミュレーションのために使用した信号を示す振幅対時間のグラフであり、図の上から下へ順次、１サイクルのインパルス励起、トランスジューサのインパルス応答、２サイクルの高周波励起、および２サイクルの低周波励起を示す。
【図４】共振周波数の１サイクルのインパルス励起に対する応答を２倍したもの（破線）と、図３に示した２つの狭帯域の２サイクルの励起に対する全体の応答（実線）とを示す振幅対時間のグラフである。
【図５】図４に示した応答のパルス包絡線を示す振幅対時間のグラフである。
【図６】共振周波数の１サイクルのインパルス励起に対する応答を２倍したもの（破線）と、図３に示した２つの狭帯域の２サイクルの励起の周波数よりもトランスジューサの共振周波数に近い周波数を持つ２つの狭帯域の２サイクルの励起に対する全体の応答（実線）とを示す振幅対時間のグラフである。
【図７】図６に示した応答のパルス包絡線を示す振幅対時間のグラフである。
【図８】ファントムの実験における２つの異なる周波数の狭帯域送信波形からの受信信号の、全体が平均化されたスペクトルを示す振幅対周波数のグラフである。
【図９】図８に示された２つの狭帯域受信信号のコヒーレントな和を形成することによって得られた合成送信波形のスペクトルを示す振幅対周波数のグラフである。
【図１０】ベースバンドに置いた図９の合成信号スペクトルと最適な通常の送信波形からの受信信号スペクトルとを比較する振幅対周波数のグラフである。
【図１１】図１０に示された最適な通常の送信波形と合成送信波形とに対する対応するファントム画像部分を示す。
【図１２】人体の腎臓の走査における合成波形を構成するために使用された高い周波数および低い周波数の２つの狭帯域送信波形からの受信信号のスペクトルをそれぞれ示す振幅対周波数のグラフである。
【図１３】図１２に示された２つの受信信号のコヒーレントな和を形成することによって得られた合成送信波形のスペクトルと通常の送信波形（高帯域パルス）とを比較する振幅対周波数のグラフである。
【図１４】本発明による複素信号検出器を持つ超音波イメージング装置の主信号処理ブロックを示すブロック図である。
【図１５】本発明の好ましい実施態様による受信器のブロック図である。

Claims

トランスジューサ素子のアレイを持つ超音波イメージング・システムが作動する方法において、第１の期間の間に選択されたトランスジューサ素子を励起することによって、第１の周波数を中心とする第１の周波数スペクトルを持つ第１の送信超音波波形を送信し、該第１の送信超音波波形を所与の焦点に収束させるステップ、前記第１の期間の直後の第２の期間の間に選択されたトランスジューサ素子を励起することによって、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を中心とする第２の周波数スペクトルを持つ第２の送信超音波波形を送信し、該第２の送信超音波波形を前記焦点に収束させるステップ、前記焦点を含む焦点区域内の散乱体によって選択された受信用トランスジューサ素子へ反射されて戻った前記第１の送信超音波波形の部分から導き出した第１の受信超音波波形の第１の複素信号対を形成するステップ、前記焦点区域内の散乱体によって選択された受信用トランスジューサ素子へ反射されて戻った前記第２の送信超音波波形の部分から導き出した第２の受信超音波波形の第２の複素信号対を形成するステップ、前記の両方の波形に対して同じフィルタ伝達関数を使用して、前記第１および第２の複素信号対をフィルタリングするステップ、前記第１および第２の複素信号対を加算して、前記第１および第２の複素信号対のそれぞれの成分の和である成分を持つ第３の複素信号対を形成するステップ、前記第３の複素信号対の包絡線を形成するステップ、並びに前記第３の複素信号対の前記包絡線の関数である画像ベクトルを表示するステップ、を有していることを特徴とする超音波イメージング・システムの作動方法。
前記第１の周波数が前記トランスジューサ・アレイの共振周波数よりも高く、また前記第２の周波数が前記共振周波数より低いことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記第１の波形の周波数領域のサイドローブのピークが、前記第２の波形のゼロと同じ周波数の所に位置していることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記第１の送信超音波波形が少なくとも２つのサイクルを持ち、また前記第２の送信超音波波形が少なくとも２つのサイクルを持っていることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記第１の送信超音波波形が第１の数のサイクルを持ち、また前記第２の送信超音波波形が前記第１の数のサイクルより少ない第２の数のサイクルを持っていることを特徴とする請求項１記載の方法。
高い方の周波数を持つ波形が最初に送信されることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記第１および第２の送信超音波波形の位相が点広がり関数を最小にするように調節されることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記第１の送信超音波波形が、前記トランスジューサ・アレイの第１の開口内の選択された素子を励起することによって送信され、また前記第２の送信超音波波形が、前記トランスジューサ・アレイの第２の開口内の選択された素子を励起することによって送信され、前記第１の開口が前記第２の開口よりも広いことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記第１および第２の開口がほぼ一定の横方向点広がり関数を維持するように選択されていることを特徴とする請求項８記載の方法。
更に、第１の重み係数を使用して前記第１の受信超音波波形を重み付けするステップ、及び前記第１の重み係数とは異なる第２の重み係数を使用して前記第２の受信超音波波形を重み付けするステップを有し、前記第１および第２の重み係数が前記第１および第２の波形に対して全ての深さにおいて異なっており、また前記第１および第２の重み係数が前記焦点区域内の組織の周波数依存性減衰を補償するように選択されていることを特徴とする請求項１記載の方法。