JP4155615B2 - 超音波イメージング・システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、一般的には、人体組織および血液の超音波イメージングに関するものである。具体的には、本発明は、複素信号検波器を持つ超音波イメージング装置における信号処理の間にナイキスト周波数要件を満足するデータ・サンプリング速度を制御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された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多数のファイアリング（ｆｉｒｉｎｇ）が使用される。各々のファイアリングのビーム形成パラメータを変えて、最大焦点の変更を行い、或いは例えば各々のビームの焦点を前のビームの焦点に対してシフトしながら同じ走査線に沿って相次いでビームを送信することによって、各々のファイアリングに対して受信データの内容を変えるようにすることが出来る。印加電圧の時間遅延および振幅を変えることによって、被検体を走査するための平面内でビームをその焦点と共に動かすことが出来る。
【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。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線を作るように継ぎ合わされる。各々のビームの焦点に対して１つずつの多数の送信ベクトルが、補間されたデータ値と共に使用されて、完全な像フレームを形成するように表示モニタ上の画素を動作させる。
【０００４】
このような走査は、ステアリングされた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が取得される。反射された超音波を受信するとき、受信器が走査線に沿った相次ぐ距離（ｒａｎｇｅ）または深さに動的に焦点合わせされる。
【０００５】
通常の超音波イメージング装置では、Ｂモードの像を形成するために、信号の受信（トランスジューサ・アレイ、ビーム形成装置およびフィルタ）、検波、並びに対数圧縮および走査変換を含む後処理が行われる。多くの商用スキャナでは、受信した無線周波（ＲＦ）信号が先ず中間周波（ＩＦ）信号に変換され、次いで低域通過フィルタに接続された整流器を使用して検波される。ところで、本発明は複素信号アーキテクチャを備えた超音波イメージング装置に関する。詳しく述べると、帯域通過ＲＦ信号が複素（Ｉ，Ｑ）信号対で表され、そのスペクトルの中心周波数を搬送波周波数またはＩＦとするか、或いはベースバンドに置くことが出来る。この（Ｉ，Ｑ）データは、フロントエンド・ビーム形成装置内でのチャネル加算の前または後に、ＲＦデータのヒルベルト変換またはヘテロダイン復調を行うことによって得ることが出来る。
【０００６】
ディジタル・システムの場合、（Ｉ，Ｑ）信号表現に次の３つの利点が得られる。１）フロントエンドにおいてかなり低いデータ・サンプリング速度を使用することが出来る。これは、複素帯域通過信号のナイキスト速度が中心周波数のまわりのその帯域幅によって決定されるからである。２）包絡線検波（（Ｉ＋Ｑ）^1/2 ）が整流器／低域通過フィルタ検波器の場合よりも高い精度で行うことが出来る。３）自乗則検波器やＲＦ振幅および位相情報を使用する任意の組織特徴付けオペレータを含む代わりの検波方法を支持する際に融通性が大きい。複素帯域通過Ｉ／Ｑデータは等しく検波できるけれども、ベースバンド化した（Ｉ／Ｑ）は、ドップラー速度測定のために直接に処理することが出来るので好ましいデータのタイプである。
【０００７】
軟らかい組織からの後方散乱のようなガウス・ランダム信号の包絡線検波はかなりの帯域幅の拡大を生じ得ることがよく知られている。直感的に、これは非線形検波動作がより高いスペクトル成分を生じさせるということから説明することが出来る。自乗則検波（Ｉ² ＋Ｑ² ）は信号の帯域幅をほぼ２倍にし、更に平方根動作により小さな付加的な帯域幅拡大が生じ得ることを示すことが出来る。このことがファントムを使用して制御した実験で確認された。
【０００８】
包絡線検波器が信号帯域幅を２倍以上にするのに対して、その後の対数圧縮処理が更に大きい帯域幅拡大が生じることがある。これは対数演算を無限べき級数として見れば容易に理解される。しかし、表示サンプリング速度要件に応じて、対数圧縮装置の入力の帯域幅を低域通過フィルタリングによって制限して、対数圧縮により生じる帯域幅の拡大を制限することが出来る。
【０００９】
ベースバンド化したＩ／Ｑデータを包絡線検波器に供給する際の起こり得る落とし穴は、Ｉ／Ｑナイキスト・サンプリング速度が、信号帯域幅を２倍以上にする検波処理のためにもはや充分でないことである。Ｉ／Ｑナイキスト・サンプリング速度が検波器全体を通じて維持される場合、軸方向空間エイリアシング（ａｌｉａｓｉｎｇ）が生じ、これはフレームごとに軸方向運動があるときは常に像中に不快な「踊り動く点」または「散髪店の看板柱」状のアーティファクトとして視覚化される。検波後の帯域幅拡大に対処することができるようにイメージング装置のフロントエンドでサンプリング速度を２倍にすると、ＲＦ信号をベースバンド化する主な目的の１つ、すなわちサンプリング速度／ハードウエア・コストを最小限にすることが損なわれるというジレンマが生じる。
【００１０】
【発明の概要】
本発明は、複素信号検波器を用いるタイプの超音波イメージング装置において実行される非線形検波から生じる軸方向空間エイリアシングを防止するための方法である。好ましい実施態様によれば、漸進的サンプリング速度技術を使用して、イメージング装置のフロントエンド内の同調可能な等化帯域通過フィルタを通るＩ／Ｑデータのナイキスト周波数にサンプリング速度を維持し、次いで軸方向補間を用いてサンプリング速度を増加して、非線形検波処理の際にエイリアシングを防止する。包絡線検波器を使用する場合、検波器出力の帯域幅がＩ／Ｑデータの帯域幅のほぼ２倍である。この場合、サンプリング速度は包絡線検波の前に軸方向補間により２倍に増加すべきである。簡単で非常に有効なサンプリング速度倍増は２点線形補間器により形成することが出来る。用途に応じて、この軸方向補間器はシステムによって自動的にターンオンまたはターンオフすることが出来る。多くの場合、検波された信号は低域通過フィルタリングされて、スペックル（ｓｐｅｃｋｌｅ）帯域幅を表示ベクトル寸法（ベクトル当たりの画素の数）と適合し得る帯域幅に制限する。特に通常のものより大きい表示ベクトル寸法が使用される場合、軸方向エイリアシングを更に低減するために、高次の補間および／または２×より大きい補間を使用することが出来る。
【００１１】
【好ましい実施態様の詳しい説明】
本発明は、４つの主要なサブシステム、すなわちビーム形成装置２、処理装置４（各々の異なるモードに対して別々の処理装置を含む）、走査変換器／表示制御器６およびカーネル８を有する超音波イメージング・システムに用いられる。システムの制御はカーネル８に集中しており、カーネルはオペレータ・インターフェース１０を介してオペレータ入力を受け入れて、種々のサブシステムを制御する。主制御器１２がシステム・レベル制御機能を実行する。これは、オペレータ・インターフェース１０を介してオペレータからの入力およびシステム状態変化（例えば、モード変更）を受け入れて、適切なシステム変更を直接的に又は走査変換器を介して行う。システム制御母線１４が主制御器からサブシステムへのインターフェイスを構成する。走査制御シーケンサ１６が、ビーム形成装置２、システム・タイミング発生器２４、処理装置４および走査変換器６に対する実時間（音響ベクトル・レート）制御入力を供給する。走査制御シーケンサ１６は、ホストによって、音響的フレーム取得のためのベクトル順序および同期化のオプションを持つようにプログラミングされる。従って、走査制御シーケンサはビーム分布およびビーム密度を制御する。走査変換器は、ホストによって定められたビーム・パラメータを、走査制御母線１８を介してサブシステムへ送り出す。
【００１２】
主データ路が、トランスジューサ２０からビーム形成装置２へのアナログＲＦ入力で始まる。ビーム形成装置２は、送信ビームのそれぞれの焦点区域からの反射超音波から導き出したデータ・サンプリングを継ぎ合わせることにより形成した２つの加算されたディジタル・ベースバンドＩ，Ｑ受信ビームを出力する。Ｉ，Ｑデータは処理装置４に入力され、そこで取得モードに従って処理されて、処理済みベクトル・データとして走査変換器／表示処理装置６へ出力される。走査変換器は処理済みベクトル・データを受け入れ、必要な場合は補間を行って、像のビデオ表示信号をカラーモニタ２２へ出力する。表示された像は、イメージング対象の被検体を通る平面内の組織および／または血流を表すセクタまたはリニア走査像である。
【００１３】
ここで、本発明による動作の理論について、図２に示されているような、複素信号検波器を持つタイプの超音波イメージング・システムを参照して説明する。図２の超音波イメージング装置では、ビーム形成装置は、選択されたトランスジューサ・アレイの素子を励起することによって、所定の周波数を中心とする周波数スペクトルを持つ送信超音波波形を送信する送信器（図示していない）を有する。送信超音波波形は焦点に収束され、通常はある角度にステアリングされる。ビーム形成装置は更に、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た送信超音波波形の部分から導き出した受信超音波波形の第１および第２の帯域幅制限された複素信号対（ＩおよびＱ信号）を形成する通常の手段を有する。
【００１４】
図２に示されている超音波イメージング・システムでは、等化フィルタ２４が、ビーム形成装置２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２４の出力は軸方向補間器２６へ送られ、軸方向補間器２６はＩサンプルの流れに補間データ値を付加し且つＱサンプルの流れに補間データ値を付加する。本発明によれば、軸方向補間器２６はサンプルの数を２倍にする。補間器からのＩ_int およびＱ_int 出力は、等化フィルタ２４から補間器２６に入力されるＩおよびＱ出力のサンプリング速度の２倍であるサンプリング速度を持つ。複素信号Ｉ_int およびＱ_int は包絡線検波器２８に入力され、包絡線検波器２８は（Ｉ_int ²＋Ｑ_int ²）^1/2 を計算する。この包絡線検波は信号帯域幅をほぼ２倍にする。その後、包絡線は低域通過フィルタ３０に通され、次いでそのフィルタリングされた包絡線は対数データ圧縮を受ける（ブロック３２）。対数圧縮された信号は走査変換器６に出力され、次いでモニタ２２上にベクトルとして表示される。対数圧縮プロセスは更に帯域幅拡大を生じることができ、低域通過フィルタを越えたある点で、データの流れは表示ベクトル寸法に適合するようにダウンサンプリングすることが必要とされ得る。従って、低域通過フィルタ３０はデータ・サンプリングの前にエイリアシング防止フィルタとして作用し、或いは低域通過フィルタ３０は単にスペックルを低減するために使用することができ、これはまた対数演算の際に更なる帯域幅拡大を制限する。
【００１５】
本発明の好ましい実施態様による２点線形Ｉ／Ｑ補間器に対する２つの重み付け方式が図３および４に示されている。図３は、補間値が２つの値の平均である、例えばＩ_int ＝０．５Ｉ₁ ＋０．５Ｉ₂ およびＱ_int ＝０．５Ｑ₁ ＋０．５Ｑ₂ である重み付け方式を示す。図３の方式は、１周期当たり１つの付加的なサンプルを補間しながら入力データ使用する。図４は、０．２５および０．７５の重み係数を使用して補間したサンプルのみ、例えばＩ_int1＝０．７５Ｉ₁ ＋０．２５Ｉ₂ 、Ｉ_int2＝０．２５Ｉ₁ ＋０．７５Ｉ₂ 、Ｑ_int1＝０．７５Ｑ₁ ＋０．２５Ｑ₂ およびＱ_int2＝０．２５Ｑ₁ ＋０．７５Ｑ₂ を生じる方式である。これらの２つの重み付け方式は、補間処理が完全であれば等価である。しかし、実際には、２点平均化フィルタは何らかの補間エラーを導入する。従って、０．７５／０．２５重み付け方式は、出力サンプルにわたって補間エラーを均等に分配する向があるので好ましい重み付け方式である。これと対照的に、０．５／０．５重み付け方式は、各々の走査線に沿った実サンプルが補間エラーを何ら含んでいず、それらの隣接のサンプルが補間により得られたものであるので、像中に鮮明な線と不鮮明な線とを交互に生じさせることがある。
【００１６】
２×線形補間器の重要な利点は、その具現が容易なことである。図５は、３つの加算器３４、３６および３８、複数の遅延タップ４０ａ−４０ｇ並びにスイッチ４２を使用した、０．７５／０．２５重み付け方式の具現例を示す。各々の加算器の出力は、ディジタル加算器出力の最下位ビットを落とすことによって実効的に１／２が乗算される。軸方向補間器２６がターンオンされたとき、その出力は入力データを０．７５／０．２５および０．２５／０．７５補間したものになる。例えば、相次ぐ入力データ・サンプルがＩ₁ 、Ｉ₂ およびＩ₃ である場合、補間器は第１の補間複素信号対としてＳ２＝０．７５Ｉ₁ ＋０．２５Ｉ₂ およびＳ３＝０．２５Ｉ₁ ＋０．７５Ｉ₂ を順次出力する。次いで、第２の補間複素信号対がＳ２＝０．７５Ｉ₂ ＋０．２５Ｉ₃ およびＳ３＝０．２５Ｉ₂ ＋０．７５Ｉ₃ になる。Ｓ１信号路はバイパスのためであり、すなわち何ら補間が行われない。
【００１７】
実験的なＩ／Ｑデータに基づくシミュレーションにより、０．７５／０．２５重み付け方式に伴う補間エラーは像品質の観点で全く許容可能なものであることが判った。しかし、補間エラーは、より高次の補間フィルタを使用し且つ０．７５／０．２５重み付け方式を拡張して、出力サンプルにわたって補間エラーを均等に広げることによって、更に低減できることが明白であろう。Ｉ／Ｑデータをそれらのナイキスト速度付近でサンプリングしたことに基づいて、理想的な（ｓｉｎｃ関数）補間器が簡単な線形補間器に対して小さな付加的な改善しか行うことが出来ないことが判った。
【００１８】
上記の好ましい実施態様は例示の目的で開示された。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】本発明に従って複素信号検波器の前に軸方向補間器を設けた超音波イメージング装置の主な信号処理ブロックを示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の好ましい実施態様による軸方向補間器によって使用することの出来る重み付け方式を示す概略図である。
【図４】本発明の第２の好ましい実施態様による軸方向補間器によって使用することの出来る重み付け方式を示す概略図である。
【図５】図４に示された第２の好ましい実施態様による軸方向補間器の具体例を示すブロック図である。

Claims (7)

1. トランスジューサ・アレイ（２０）、前記トランスジューサ・アレイから、焦点を持つ送信ビームを一群の超音波散乱体と交差する平面内に送信させる手段（２）、前記散乱体によって反射されて前記トランスジューサ・アレイへ戻って前記トランスジューサ・アレイによって検出された前記送信ビームの部分から第１および第２の帯域幅制限された複素信号を取得する手段（２）であって、前記第１および第２の帯域幅制限された複素信号の各々が第１のサンプリング速度で処理された取得サンプルで構成されている手段、前記第１の複素信号のサンプリング速度を補間によって第２のサンプリング速度に増大させる第１のサンプリング速度増大手段（２６）、前記第２の帯域幅制限された複素信号のサンプリング速度を補間によって前記第２のサンプリング速度に増大させる第２のサンプリング速度増大手段（２６）、前記第１および第２の帯域幅制限された複素信号が第１のサンプリング速度を持っているときに前記前記第１および第２の複素信号を検波する包絡線検波器（２８）、入力が前記包絡線検波器の出力に接続された低域通過フィルタリング手段（３０）、並びに前記の検波された第１および第２の帯域幅制限された複素信号の関数である像線を表示する手段（６，２２）の組合せを有することを特徴とする超音波イメージング・システム。
2. 前記第２のサンプリング速度が前記第１のサンプリング速度の２倍にほぼ等しいことを特徴とする請求項１記載の超音波イメージング・システム。
3. 前記第１および第２のサンプリング速度増大手段の各々が、前記第１および第２の帯域幅制限された複素信号の相次ぐ取得サンプルを平均化することによって補間を行い、前記取得サンプルの間に前記補間されたサンプルを挿入することを特徴とする請求項１記載の超音波イメージング・システム。
4. 前記第１および第２のサンプリング速度増大手段の各々が、前記第１および第２の帯域幅制限された複素信号の相次ぐ取得サンプルの第１および第２の重み付け平均を形成することによって補間を行い、前記第１および第２の重み付け平均が重み係数０．２５および０．７５を使用して形成されることを特徴とする請求項１記載の超音波イメージング・システム。
5. 更に、前記低域通過フィルタリング手段の出力を対数圧縮する手段（３２）を有することを特徴とする請求項１記載の超音波イメージング・システム。
6. 前記第１サンプリング速度増大手段が、入力、前記入力に接続された第１の１サイクル遅延回路（４０ａ）、前記第１の１サイクル遅延回路の出力に接続された第２の１サイクル遅延回路（４０ｂ）、前記第１および第２の１サイクル遅延回路の出力を加算するように接続された第１の加算器（３４）、前記第１の加算器の出力の２分の１を計算する第１の半減手段、前記第１の加算器の前記２分の１の出力を受け取るように接続された第３の１サイクル遅延回路（４０ｆ）、前記第２および第３の１サイクル遅延回路の出力を加算するように接続された第２の加算器（３８）、前記第２の加算器の出力の２分の１を計算する第２の半減手段、並びに前記第２の加算器の前記２分の１の出力を受け取るように接続された出力、を有することを特徴とする請求項１記載の超音波イメージング・システム。
7. 前記包絡線検波器が、前記第１サンプリング速度増大手段の出力に接続されていることを特徴とする請求項６記載の超音波イメージング・システム。

Images