JP4975098B2 - 動き補償による超音波合成送信フォーカシング - Google Patents

Description

本発明は、医療診断超音波システムに関し、より詳細には、マルチラインの受信ビームフォーマを使用して焦点領域を延長し、低減された動き作用をもつ超音波システムに関する。

超音波画像が画像フィールドにおける各ポイントでフォーカスされる合成フォーカシングの原理は、重要な研究の主題となっている。たとえば、米国特許第4,604,697号（Luthra等）は、超音波パルスが超音波トランスデューサアレイのそれぞれのエレメントから順次に送信される合成フォーカス技術を記述している。それぞれの送信から受信されるエコー信号は、アレイの全てのエレメントにより受信され、記憶される。全ての信号が受信された後、フォーカスされたエコー信号は、画像におけるそれぞれのポイントに関するそれぞれのトランスデューサエレメントの位置、並びにそれぞれのポイントへの超音波信号のフライト時間及びそれぞれのポイントからの超音波信号のフライト時間の知識から、画像フィールドにおけるそれぞれのポイントで形成される。
適切な受信された信号は、画像に於けるそれぞれのポイントについてコヒーレントなエコー信号を形成するために結合される。それぞれのポイントを形成するために使用される記憶されたデータ値の選択は、画像におけるそれぞれのポイントについてビームフォーメーションを提供する。この方法が画像フィールドにおけるそれぞれのポイントでフォーカスされた信号を生成する一方で、幾つかの問題点を有する。

１つの問題点は、全体の画像フィールドからのｒ.ｆ.信号は、処理のために記憶される必要がある点である。これは、かなりの量の情報ストレージを必要とする。第二の問題点は、画像におけるそれぞれのポイントについてデータを選択及び重み付けし、次いで適切に重み付けされたデータを結合して画像データポイントを計算するためにかなりの量の処理が必要とされることである。第三の問題点は、このアプローチは、単一のトランスデューサエレメントにより伝送されるエネルギーが制限されるので、浅い侵入の深さ（shallow penetration depth）のみについて効果的である点である。

合成フォーカシングの基本原理を採用する特定の用途は、慣習的な遅延和の受信ビームフォーマであり、それぞれの受信エレメントからの信号に印加される遅延は、合成フォーカス技術におけるデータ選択に等価である。慣習的なビームフォーマは、特別の焦点領域でフォーカスされる送信ビームを送信し、この単一の送信ビームに沿ってのみエコーを同的にフォーカスするので、これらの原理の制限された用途である。多数の送信は、全体の画像フィールドをスキャンするために必要とされる。
結果的に得られる効率は、画像における各ポイントへの全ての送信についてデータが記憶される必要がなく、ある送信から受信されたデータは、ビーム方向に沿ってコヒーレントなエコー信号を形成するために即座に処理される。制限は、それぞれ受信されたビームが選択された焦点領域のみへの送信に関してフォーカスされることである。しかし、多数のトランスデューサエレメントがビームを送信するために作動され、妥当な浸入が得られるのを可能にするために、より大きな深さでの信号対雑音比が改善される。

米国特許第6,231,511号（Bae等による）及びその後のBae等による“A Study of Synthetic-Aperture Imaging with Virtual Source Elements in B-Mode Ultrasound Imaging Systems”IEEE Trans. UFFC, vol. 47, no.6 (2000) と題される論文は、従来の焦点領域の外の横方向の解像度を改善するために標準的なフォーカスされたビームフォーマのアスペクトと合成フォーカシングを結合することを提案し、したがって、画像フィールドにおける全てのポイントでの送信フォーカシングの効果を達成する。
このアプローチは、「仮想的なソースエレメント」から外側及び内側の両方にエネルギーを放出する標準的な送信されたビームの焦点での「仮想的なソースエレメント」を想定することを前提にしている。標準的な送信フォーカスされたビームの送信に続いて、受信アパーチャのトランスデューサエレメントによりエネルギーが受信され、蓄積される。全体の画像フィールドがスキャンされた後、それぞれのポイントにあるエコー信号は、フィールドにおけるポイントを包含するそれぞれの仮想的なソースフィールドのエレメントにより受信された信号から計算される。
仮想的なソースモデルは送信焦点に関して砂時計型のフィールドであるが、焦点から深さにおいて更に移動されるポイントは多数のスキャンラインの受信された信号から計算されるので、焦点にある画像ポイントは、唯一のビームから画像形成される。結果は、送信の焦点から外側及び内側のポイントで改善された横方向の解像度を示す画像である。しかし、上述された基本的な合成のアパーチャアプローチのように、かなりの量のデータがそれぞれの受信アパーチャにおける各エレメントからのｒ.ｆ.信号を処理するために記憶される。
さらに、結果的に得られる画像は、焦点の周りで暗く見える。これは、唯一の送信及び受信がこの画像ポイント及びその解像度に寄与し、多数の送信及び受信が送信の焦点から移動されたポイントに寄与するためである。したがって、膨大な量のｒ.ｆ.データを記憶する必要なしに、ある画像の少なくとも有意な部分を通して送信のフォーカシングを齎すことが望ましい。

本発明の原理によれば、ｒ.ｆ.信号データを記憶する必要なしに、フィールドの有意な深さを通して送信のフォーカシングをもたらす診断の超音波システム及び方法は記載される。多数のスキャンラインの位置の少なくとも１部に高周波の音波を当てる超音波ビームが送信され、受信ビームは、たとえば並列に又は時間多重により、多数のスキャンラインに沿って同時に処理される。係る送信の連続は、共通のスキャンラインの位置に関連する多数のスキャンラインを生成する。関連されるスキャンラインデータは結合され、フィールドのかなりの深さを通して効果的に送信がフォーカスされる。結合された多数の送信インターバルからのスキャンラインの数は、検出された動きの関数である。
以下に記載される例では、超音波システムは、マルチラインビームフォーマで同時のビームを受ける。本発明の実現は、幾つかの臨床の応用におけるマルチゾーンのフォーカシングに頼る必要を低減することで動きがある場合に超音波画像形成のフレームレートを改善することができる。

図１ａ〜図１ｃを参照して、オーバラッピングビームプロファイルは、それぞれのケースで、それぞれの送信ビームからの３つのビームの受信により後続される３ビームの送信について示される。図１ａは、トランスデューサアレイ８により送出され、該ビームを送出したトランスデューサアレイから延びるビームの中央での強度ピーク以下の一定のレベルでの送信ビームのプロファイル１０を示す。送信ビームのプロファイルレベルは、設計者により選択され、３ｄＢ、６ｄＢ、２０ｄＢ、又はビームの中央での最大強度以下の幾つかの他のレベルである場合がある。
ビームプロファイルは、慣習的な送信フォーカシングによるビームプロファイルの最も狭い幅での焦点１２に関してフォーカスされる。ビーム２０の直交するビューは、トランスデューサアレイ８の下に示されており、メインローブ２０ａの何れかのサイドでセンタローブ２０ａ及びサイドローブを含む。送信されたビームは、焦点領域１２でその最もタイトなフォーカスに到達し、その後に発散する。他の実現では、発散する送信ビームが使用される場合がある。相当な深さでのフォーカシングも効果的である。

送信ビーム１０，２０は、多数の受信ライン１４，１６及び１８を包含する幅で送信される。一般に、より小さな送信アパーチャからの送信により幅の広いビームが生成される。すなわち、アレイにわたり全体のエレメント数よりも少ない数のアレイ８のエレメントがビームを送出するために作動される。後続する送信エコーが受信され、３つの受信ラインの位置１４、１６及び１８に沿ってフォーカスされる。以下に記載されるように、受信アパーチャのトランスデューサエレメントにより受信されるエコーは、３つの異なるやり方で遅延及び加算され、１つの送信ビームに応答して異なるラインの位置１４、１６及び１８で多数のラインを形成する。
この例では、受信ライン１４は、送信ビーム１０，２０の中央の下で受信され、受信ライン１４及び１８は、中央のラインの何れかのサイドで受信されるように横方向にステアリング及びフォーカスされる。この例では、外側ライン１４及び１８の近接場及び非近接場の部分のみが送信ビームのプロファイル１０内にある。これらの領域では、外側ライン１４及び１８は、センターラインの位置の何れかの側で送信エネルギーから受信され、センターラインの位置の両方のサイドで画像フィールドにおけるターゲットをサンプリングし、画像の受信及び解像度のために近接場及び非近接場における送信ビームの横方向の広がるエネルギーを効果的に使用することができる。

図１ｂでは、第二のビームは、１つの受信ラインの間隔だけ右に送信アパーチャをシフトすることで送信される。第二の送信ビームは、第一の送信ビームと同じビームプロファイルを有し、ビームプロファイルの曲線１０’により輪郭が示される。第一のビームのケースに於けるように、３つの受信ラインが同時に受信され、受信ラインの位置１６’，１８’及び２２で第二の送信に応答してビーム成形される。結果として、受信ライン１６’は、第一の送信から受信ライン１６でアライメントされ、受信ライン１８’は、第一の送信から受信ライン１８でアライメントされ、受信ライン２２は、第二の送信の中央ライン１８’の右に位置される。第一の受信ラインのセットのように、第二の受信マルチライン１６’、１８’及び２２のセットは、後続の処理のために保存される。

図１ｃでは、第三のビームは、１つの受信ラインにより右にシフトされる中央のアパーチャの位置から送出される。この送信ビームは、ビームプロファイル１０’’により輪郭が示され、送信は、３つの受信ライン１８’’、２２’及び２４の同時の受信により後続される。これら３つの受信ラインは、前の受信ラインのように、先行するビームのラインと同じ間隔をもつ送信ビームのビームプロファイルに全体的又は部分的にある。結果として、受信ライン１８’’は、第二の送信の受信ライン１８’及び第一の送信の受信ライン１８と軸方向にアライメントされ、受信ライン２２’は、第二の送信の受信ライン２２で軸方向にアライメントされる。
受信ライン１８，１８’及び１８’’のパスにおけるターゲットは、それぞれ異なる送信ビームにより、３つの受信ラインによりサンプリングされる。これら共にアライメントされたビームは、以下に記載されるように結合され、個々のラインのケースであるよりも大きなフィールドの深さを通してフォーカスされるラインに沿って画像データのラインを生成し、拡張された送信フォーカスの効果が形成される。フォーカシングは、３つのビームからのエコーエネルギーが結合されて結果的に画像データが生成されるので、大きなフィールドの深さを通して効果的である。

送信及び受信は、完全な画像フィールドがスキャンされるまで、このようにして画像フィールドにわたり継続する。所与のラインの位置について受信ラインの最大数、この例では３が取得されるたび、受信ラインは、その位置で画像データのラインを生成するために互いに処理される。したがって、受信されたｒ.ｆ.信号が受信されたときにマルチプルラインにビーム成形されるために、任意の送信からの前もって合計されたｒ.ｆ.データを記憶する必要がなく、その位置での全ての受信ラインが取得されるまで、あるラインの位置での前のラインを記憶する制限された必要のみが存在し、受信ラインが取得される時間で、全ての受信ラインは処理され、ラインのストレージは、後続するラインのストレージのために解放される。

図２ａ〜図２ｄは、送信ビームプロファイル３０が図２ａにおいて参照符号３１〜３６で識別される６つの受信ラインの位置での受信ラインの全部又は一部を含む本発明の別の例を示す。この例では、第一の例とは異なり、送信ビームの中央で受信ラインが存在しない。代わりに、中央の受信ライン３３及び３４は、送信ビームの中央の何れかの側で１．５倍の受信ラインの間隔で配置される。外側の受信ライン３２及び３５は、近接場及び非近接場におけるビームプロファイル３０内にある。最も外側の受信ライン３１及び３６の近接場の部分のみが送信ビームプロファイル内にある。以下に説明されるように、画像データの形成においてこれら近接場のライン部分３１及び３６を使用しないことが決定される。

次の送信ビームは、図２ｂにおける第二の送信ビームのプロファイル３０’により示されるように１つの受信ラインの間隔だけ第一の送信ビームの右に送信される。６つの受信ラインは、受信ラインの位置３２’、３３’、３４’、３５’、３６’及び３７で同時に受信及びビーム成形される。これら受信ラインの最初の５つは、第一の送信ビームの受信ライン３２，３３，３４，３５及び３６とアライメントされ、これによりこれらのライン位置のそれぞれでの処理のために第二の受信ラインを供給する。図２ｃは、第三の送信のビームの結果的に得られる後続する送信、及びそのビームプロファイル３０’’内の６つの受信ラインの受信を示す。ライン位置３３’’、３４’’、３５’’及び３６’’で受信される３つの受信ラインの全部又は一部、位置３７’での２つの受信ライン、及び位置３８での１つの受信ラインの一部が存在する。
図２ｄにおけるビームプロファイル３０’’’により示される第四の送信に続いて、ライン位置３４’’’、３５’’’及び３６’’’で受信される４つの受信ラインの全部又は一部、位置３７’’で受信される３つの受信ライン、及び位置３８’で受信される２つの受信ライン、及びライン位置３９で受信される１つの受信ラインの一部が存在する。このようにスキャニングが継続するとき、この例で示されるように少ないラインが受信される極値を除いて、アパーチャの大部分にわたりライン位置で受信された６つの受信ラインの全部又は一部が存在する。それぞれの受信ラインの位置のサンプリング数が多くなると、受信ラインデータが画像データを形成するために結合されるとき、良好な効果的な送信フォーカシングとなる。

８、１２又は１６といった、離れて配置されて同時に受信されるラインのように、同時に受信されたラインの多くの数が使用される場合があり、送信に関して低いＦの数は、受信ラインの位置の更に大きな広がりに高周波の音波を当てるために使用される。

図３及び図４は、各送信ビームからの４つの受信ラインを使用した本発明の別の例を示す。これらの図面では、連続するビーム及び受信ラインのグループはオーバラップしていないが、説明の明確さのために垂直方向にアライメントされる。それぞれの送信ビーム４０−１、４０−２、４０−３等は、下方向を示す破線の矢印により示されており、それぞれの送信ビームからの受信ラインは、それぞれの送信ビームの何れかの側で実線の矢印として示される。
図３ａ〜図３ｄは、第一の４つの送信−受信シーケンスを例示しており、送信ビーム４０−ｎは、それぞれ連続する送信間隔について１つの受信ラインの間隔だけ右にシフトされる。この送信−受信シーケンスの終わりで、４つの受信ラインが受信されており、受信ライン４４、第二のビームからの受信ライン４４−１、第三のビームからの受信ライン４４−２、及び第四のビームからの受信ライン４４−３とアライメントされる。これら４つの受信ラインは、画像フィールドにおけるこれらの受信ラインの位置で画像データのラインを生成するために結合される。

図４ａ〜図４ｄは、それぞれの送信ビームについて４つの同時に受信されるラインの４つの更なる送信−受信インターバルによる前の送信−受信シーケンスの連続を示す。次の４つの送信ビームは、これらの図面では４０−５，４０−６，４０−７及び４０−８として識別される。これらの図面が例示するように、ラインの位置４４、４５、４６、４７及び４８で受信された４つの受信ラインが存在する。これらの位置のそれぞれでの４つの受信ラインが受信された後、４つのラインは、画像データの１つのラインを形成するために結合され、後続のラインが同じ記憶の位置に記憶することができるように記憶された受信ラインが削除される。
４つのアライメントされたラインのグループのうちの別の４つのラインが受信されるたびに、グループの４つのラインは、その位置での画像データのライン及び後続するラインについて使用される記憶を形成するために結合される。このシーケンスはこのように継続し、画像フィールドにわたりそれぞれ送出されたビームについて４つの受信ラインを受信し、４つの受信ラインは、全体にわたりそれぞれのラインの位置で結合されるが、画像フィールドの横方向の極部で結合されない。

図５は、本発明の原理に従って構築された超音波画像形成システムを例示するブロック図である。超音波プローブ１０２は、トランスデューサ素子のトランスデューサアレイ１０４を含む。選択されたトランスデューサ素子のグループは、送信ビームフォーマ１０６によりそれぞれ遅延された時間で作動され、アレイに沿って所望の方向且つ所望の源から、選択された焦点領域でフォーカスされるビームを送信する。送信ビームフォーマは、送信／受信スイッチによりトランスデューサ素子に結合され、このスイッチは、印加される高電圧送信パルスからのレシーバ入力を保護する。
それぞれの送信ビームに応答したアレイ１０４のそれぞれのトランスデューサ素子により受信されるエコーは、マルチラインプロセッサ１１０ａ〜１１０ｎの入力に印加される。それぞれのマルチラインプロセッサは、それ自身の遅延のセットを印加し、必要に応じて、同じ送信ビームから異なってステアリングされる受信ビームを形成するためにアレイエレメントからの受信エコーを重み付けするアポディゼーションウェイトを印加する受信ビームフォーマを有する。
マルチラインプロセッサ１１０ａ〜１１０ｎの適切なマルチラインビームフォーマは、たとえば米国特許第6,695,783号（Henderson等）及び第5,318,033号（Savord）で発見される。マルチラインプロセッサ１１０ａ〜１１０ｎの出力は、表示データのラインを形成するために必要とされるマルチラインの全てが少なくとも取得されるまで受信されたマルチラインを記憶するラインストア１１２に結合される。表示データの特定のラインを形成するために使用されるマルチラインのグループは、対応するラインロケーションの表示データを生成するために乗算器１１６ａ〜１１６ｎのそれぞれに印加される。それぞれのラインからのエコーデータは、必要に応じて、アポディゼーションウェイト１１４ａ〜１１４ｎにより重み付けされる場合がある。
一般に、これらの重みは、その往復のインパルス応答の関数としてそれぞれのラインを重み付けする。適切な重み付けアルゴリズムは、項amplitude(x,z)を送信の波面による画像フィールドにおける位置（ｘ,ｚ）でのポイントの高周波の音波を当てる（insonification）振幅とすることで導出され、アジマス位置ｘ＝０は、送信ビームの中心軸に対応する。Ｘを送信ビームの軸に関する受信されたマルチラインのアジマスであるとする。深さＺでの画像のポイントを形成するため、この受信されたマルチラインに印加される重みは、Weight(X,Z) = amplitude(X,Z)である。

適切な遅延特性の決定のため、propagation_time(x,z)を位置（ｘ,ｚ）でのポイントに到達するために送信の波面により必要とされる伝播時間であるとする。アジマスｘ＝０は、送信ビームの中心軸に対応する。Ｘを送信ビームの軸に関する受信ラインのアジマスであるとする。深さＺでの画像のポイントを形成するため、この受信されたマルチラインに印加される遅延は、Delay(X,Z) = propagation_time(X,Z) − propagation_time(0,Z)である。ここでpropagation_time(0,Z)は、同じ深さであるが、軸上のポイントに到達する時間である。

関数amplitude(X,Z)及びpropagation_time(X,Z)は、たとえば、送信フィールドのシミュレーションから取得される。伝播時間を計算する適切なやり方は、幾つかの周波数での単純なシミュレーションからフィールドの位相遅延を使用する。振幅は、幾つかの周波数でのフィールドの振幅を平均することで計算される場合がある。さらに、深さに依存する正規化は、重みに適用される。これは、所与の深さでの全ての重みを共通のファクタで乗算する。たとえば、正規化は、斑点の領域が深さによる一様な明るさを有するように選択される。深さの関数として重みを変えることで、深さにより動的にアパーチャのサイズ及び形状（apodization）を変えることができる。

振幅及び伝播時間は、システムで使用される正確な送信特性のシミュレーションから導出される必要がない。設計者は、たとえば、異なるアパーチャサイズ又は異なるアポディゼーションを使用することを選択する場合がある。

それぞれのラインからのエコーは、乗算器１１６ａ〜１１６ｎにより重み付けされ、遅延線１１８ａ〜１１８ｎにより遅延される。一般に、これらの遅延は、先に示された受信ラインの位置に対する送信ビームの中央の位置に関連される。遅延は、信号のキャンセレーションが結合された信号の位相差により生じないように、異なる送信−受信ビームの位置の組み合わせで、マルチラインについてラインからラインに存在する位相シフトの分散をイコライズするために使用される。

デジタルシステムでは、遅延ラインは、メモリにおける重み付けされたマルチラインのエコーデータを記憶し、後の時間でのデータ出力をレンダリングし、これにより、必要な遅延がもたらされる。異なる長さ及びクロック信号のシフトレジスタは、デジタルディレイをもたらすために使用されるか、又は、米国特許第6,695,783号で記載されるような補間ビームフォーマが使用される場合がある。遅延された信号は、加算器１２０により結合され、結果的に得られる信号は、イメージプロセッサ１２２に結合される。イメージプロセッサは、表示画像を改善するため、スキャンコンバージョン又は他の処理を実行する。結果的に得られる画像は、イメージディスプレイ１２４で表示される。

図５のシステムでは、遅延ライン１１８及び加算器１２０は、所与の方向で共にアライメントされる幾つかの受信マルチラインから受信される信号のリフォーカスを行なう。リフォーカスは、それぞれのマルチラインについて異なる送信ビームの位置の使用から得られる位相差を調節し、結合された信号における望まれない位相のキャンセレーションを防止する。重み１１４は、マルチラインに位置に対する送信ビームの近さに関するマルチラインの寄与を重み付けし、高い信号対雑音比をもつ受信ビームに高い重みを与える。これにより、それぞれの受信ラインの方向におけるマルチプルサンプリングの組み合わせにより、それぞれの受信ラインに沿ったフィールドの拡張された深さ及びエンハンスされた浸透（改善された信号対雑音比）が得られる。

図４ａ〜図４ｄの例では、それぞれ受信されたマルチラインは、他の共にアライメントされたマルチラインとの組み合わせで一度だけ使用される。これは、本発明の実現が重み１１４と乗算器１１６及び遅延１１８の第二のセットを必要としないことを意味する。これは、これらの重み及び遅延の作用がマルチラインプロセッサ１１０の重み及び遅延で実現することができるためであり、このマルチラインプロセッサは、全て１つの処理ステップで、結合されることとなるマルチラインに関して、位相及び送信ビームのバリエーションについて適切な受信方向及び量でマルチラインをフォーカスすることができる。所与のラインの位置について全てのマルチラインが受信された後、表示ラインのデータを提供するために単に合計される。
代替的に、所与のラインの位置のそれぞれ受信されたマルチラインは、そのラインについてラインアキュムレータに記憶される。そのラインの位置でそれぞれ後続して受信されるマルチラインが、その位置でのマルチラインの全装備がアキュムレータで結合されるまで、アキュムレータのコンテンツに追加される。アキュムレータのコンテンツは、イメージプロセッサに送出され、別のラインの位置の使用向けにアキュムレータをフリーにする。

図６ａ及び図６ｂは、所与の遅延ラインの位置について受信されたマルチラインを結合することにおいて使用される重み付け及び遅延特性の例を示す。図６ａは、図２ｂ’の受信されたマルチライン３３’のような送信ビームの中央から比較的離れた受信されたマルチラインの例示的な重み付け及び遅延特性を示す。ｚ＝０でのトランスデューサアレイのフェースから図面の右側での最大のスキャン深さまでのｚ方向に延びる受信されたマルチライン３３’が示される。マルチラインの中央は点線として示され、ここで、マルチライン３３’のその部分は選択されたビームプロファイル３０’の外側にあり、その応答は、設計者が許容可能であると考える応答よりも下である。
重み付け特性８２は、このマルチラインを、ビームプロファイルを超え、マルチラインがリフォーカスのために使用されるノンゼロレベルでの最小である重みで重み付けする。他の実現では、重み付け特性８２は、近接場においてゼロに降下する。これは、必要な遅延が加えられた後にエコーがアレイに余りに近いか又はアレイの背後にあり、正確な受信の影響を受けにくいからである。したがって、横方向に離れたマルチラインからのマルチラインは、近接場におけるマルチラインの組み合わせで使用されない。位相特性８４は、送信ビームの焦点でゼロ位相調節に交差し、近接場においてほぼ一定のままであって、非近接場において除々に減少する。

図６ｂは、その送信ビームの中央に近い受信されたマルチライン３３の例示的な重み及び遅延特性を示す。この近い近接性のため、マルチラインには、重み付け特性８６により示されるような組み合わせでより大きな全体的な重みが与えられる。重みは、焦点領域の付近で増加し、この領域における３３’のような更なるリモートのマルチラインの重みの減衰をバランスする。位相の調節特性８８は直線として描かれており、これは、更なる横方向のリモートのマルチラインの遅延特性８４が更なる中央のマルチライン３３の位相から計算されるためである。この例では、マルチライン３３は、フル画像の深さを通してリフォーカスするために使用されるが、所与の実現では、設計者は、近接場におけるラインの位置の近くにおいて送信ビームからの単一のラインのエコーを使用することを選択する。

本発明の実現は、様々な受信機能と使用される。たとえば、ある実現はフォーカスされたサブアパーチャからの信号に関して動作する。別のバリエーションでは、受信ビームを形成する代わりに、フーリエコンポーネントのような制限された数の直交関数が使用される。次いで、フーリエ空間で異なる送信を結合することが可能である。結合されている信号は、受信された信号ラインに正確に対応しない。その後、受信ビームは、フーリエコンポーネント又はサブアパーチャを形成することで形成される。アポディゼーションの変化によりビームから導出される幾つかのビーム及び機能の様々な組み合わせは、本発明の範囲にある。他の実現では、少数の受信されたマルチラインは、更なる中間のマルチラインを補間することで増加され、増加された数のマルチラインで本発明の処理を実行する。

図７は、動きの作用が対処される図５の超音波システムのバリエーションを示す。図５に示される例は、異なる送信−受信インターバルの多数の共にアライメントされたマルチラインから受信されたｒ.ｆ.信号を結合する。これはｒ.ｆ.信号であって、結合されている検出された信号のエンベロープではないので、結合されることとなるマルチラインが受信される期間にわたり画像において動きがないことが重要である。画像フィールドにおけるマテリアル又は画像フィールドに関するプローブの何れかの重要な動きは、異なるマルチラインからの信号が結合されたとき、所望の信号の補強よりはむしろキャンセレーションとなるｒ.ｆ.信号の差を生じる。

この問題は、多数のマルチラインが結合のために取得される長い取得のインターバルで更に深刻である。図７の例は、相対的な画像の動きを検出して、動きの存在に応答してマルチラインの順序を調節することで、この問題に対処する。動き検出器１３０は、イメージプロセッサ１２２からの連続する画像フレームを受信し、動きを示す差について画像のコンテンツを比較する。これを行なう適切な技術は、同じエリア又は連続する画像の複数のエリアにおける画像の画素値を相互に関連付けする相関技術である。これは、２つの画像のデータ間のゼロの遅延の正規化された相互相関を計算することで行なわれる。相関ファクタが高い（すなわち画像がほぼ同一である）場合、多数の送信−受信インターバルを必要とする多数のマルチラインは、フィールドの深さを改善するために使用される。

相関ファクタが低い（画像が異なる）場合、これは画像フィールド内の動きによるか又はプローブによるものであり、少数のマルチラインが結合される。適切な相関技術は、引用により本明細書に盛り込まれる米国特許第6,126,598号（Entrekin等）に記載される絶対差（ＭＡＤ）技術の最小の総和である。この特許に記載されるように、動き検出のためにＭＳＡＤ処理を受けるデータは、画像フレームの間に送信される画像又はリファレンスラインの領域である。ドップラ技術は、米国特許第5,127,409号（Daigle）で記載されるように動きを検出するために使用される。

動き検出の結果は、動きの関数としてマルチラインの送信及び受信を調節するマルチラインコントローラ１３２に結合され、動きが存在するときに低いオーダのマルチラインが使用される。この例で行なわれる調節は、結合されるマルチラインが送信時間の短い期間に及ぶように、動きが存在するときに少ないマルチラインを横方向に包含する多数Ｆのビームを送信するため、送信ビームフォーマの制御下にある。小さい送信のアパーチャは、大きな深さのレンジを通して更に一様である広い焦点領域で使用され、少ない送信ビームが視野をカバーするのを必要とする。
受信に応じて、マルチラインコントローラ１３２は、利用されるマルチラインプロセッサの数を制御し、動きの存在における少ないマルチラインの受信について少ないマルチラインプロセッサが必要とされる。マルチラインコントローラ１３２は、動きが存在するとき、重み１１４、遅延ライン１１８及び加算器１２０により少数のマルチラインのリフォーカスを命令するため、ラインストア１１２に結合される。これらの調節の結果は、結合されるべきマルチラインを取得するために短い時間が必要とされることであり、短い時間期間は、長い取得インターバルよりも動きに影響されない。これに応じて、動きの作用が低いときに動き検出器が静止画像のフィールドを検出したとき、マルチラインのオーダは、マルチラインのコントローラにより増加される。
例示的な調節ラインは、画像のフィールドが静止画像であるとき、（送信ビーム応答して１６のマルチラインを受信し、１６の送信ビームからマルチラインを結合する）１６×マルチラインを使用し、動きの量が増加したときマルチラインのオーダを８×、４×、２×及び１×（シングルラインの送信及び受信）に減少することである。たとえば、プローブが所定の生体構造又は良好な視野のサーチについて対象の人体を通して移動するとき、標準的なシングルラインの画像形成が使用される。マルチラインのオーダは、超音波システムの画像形成モードの機能として自動的に変化される。たとえば、システムがＢモード画像形成からドップラ画像形成に変化されたとき、マルチラインの取得は、マルチラインコントローラにより中断される。マルチラインの程度は、マルチラインコントローラにより画像形成の間に自動的に設定され、及び／又はユーザは、マルチラインの程度を設定するために手動による制御が提供される。

先の例のバリエーションは、当業者により容易に行なわれ、本発明の範囲にある。たとえば、連続するラインの位置に沿って送信する代わりに、送信は、マルチラインの送信の間にラインをスキップ（マルチプレックス）する。送信は、１つおきのラインの位置、４つ毎のラインの位置、又は他のマルチラインの間隔のインターバルに沿って行なわれ、したがって画像を形成するために必要とされる送信イベントの数が低減され、取得レートが増加される。また、これは、動きのアーチファクトを低減する方法でもある。少数の送信ビームにより更に広く配置されるラインの間隔でマルチラインを受信することは、動きの問題に対処する別のやり方である。
このアプローチは、結合されるライン数を増加するために上述された補間されたラインで拡張される。また、これにより、所与のマルチラインの数についてフィールドの改善の深さを増加される。使用されるサンプリングは、一般に、送信アパーチャのＦの数の関数であり、ナイキストのサンプリング要件を決定する。スキャニングは、画像にわたり順次に行なわれる必要がなく、他の送信シーケンスを使用することができ、これは、動きが存在する場合に異なる応答を有する。先の例がアポディゼーションで示される一方で、送信、受信又はマルチラインの組み合わせでアポダイズする必要がない。結合されるべきマルチラインが全て軸方向に正確にアライメントされる必要がない。結合されるべきマルチラインは、互いに横方向にオフセットすることができ、マルチラインが結合されたときに補間を行なうことができる。
また、本発明の原理は、エレベーション及びアジマスのディメンジョンの両者における処理を実行することで３次元の画像形成にも適用可能であり、フェーズドアレイ（セクタスキャン）画像形成に適用可能であり、リニアアレイ（直交スキャン）画像形成に適用可能であり、カーブドアレイ画像形成に適用可能である。

本発明の３ビームの例のビームプロファイルを例示する図である。 本発明の３ビームの例のビームプロファイルを例示する図である。 本発明の３ビームの例のビームプロファイルを例示する図である。 本発明の６ビームの例のビームプロファイルを例示する図である。 本発明の６ビームの例のビームプロファイルを例示する図である。 本発明の６ビームの例のビームプロファイルを例示する図である。 本発明の６ビームの例のビームプロファイルを例示する図である。 第一の４ビームパターンが説明の明確さのためにオフセットにされる、本発明の４ビームの例を説明する図である。 第一の４ビームパターンが説明の明確さのためにオフセットにされる、本発明の４ビームの例を説明する図である。 第一の４ビームパターンが説明の明確さのためにオフセットにされる、本発明の４ビームの例を説明する図である。 第一の４ビームパターンが説明の明確さのためにオフセットにされる、本発明の４ビームの例を説明する図である。 受信ビームのアライメントを示す図３の４ビームの例の続きを例示する図である。 受信ビームのアライメントを示す図３の４ビームの例の続きを例示する図である。 受信ビームのアライメントを示す図３の４ビームの例の続きを例示する図である。 受信ビームのアライメントを示す図３の４ビームの例の続きを例示する図である。 本発明の原理に従って構築される超音波システムを例示するブロック図である。 本発明の４ビームの例の２つの異なるビームの遅延及び重み付け特性を例示する図である。 本発明の４ビームの例の２つの異なるビームの遅延及び重み付け特性を例示する図である。 本発明の実現で結合されるマルチラインの数を調節するために動きに適応的に応答する超音波システムを例示するブロック図である。

Claims (20)

1. 画像フィールドを画像形成する超音波診断画像形成システムであって、
   トランスデューサ素子のアレイを含むプローブと、
   前記トランスデューサ素子のアレイに結合され、複数の横方向に配置されるライン位置を包含するビームを送信する送信ビームフォーマと、
   前記トランスデューサ素子のアレイに結合され、１つの送信ビームに応答して前記ライン位置で前記画像フィールドの複数の受信ラインを生成するマルチライン受信ビームフォーマと、
   複数の送信ビームに応答して前記マルチライン受信ビームフォーマにより生成される共通のライン位置に関連する複数の受信ラインに応答し、前記複数の受信ラインを結合して画像データを生成するマルチライン結合回路と、
   前記画像フィールドにおける動きの存在を検出する動き検出器と、
   前記画像データを利用して画像を生成するディスプレイとを有し、
   前記マルチライン結合回路により結合される受信ラインの数は前記動きの存在の関数である、
   ことを特徴とする超音波診断画像形成システム。
2. 前記マルチライン結合回路は、選択された数の異なるマルチラインからのデータを結合する加算手段を含む、
   請求項１記載の超音波診断画像形成システム。
3. 前記マルチライン結合回路は、異なるマルチラインのデータに応答し、マルチライン間の位相の変動を調節する複数の遅延をさらに有する、
   請求項２記載の超音波診断画像形成システム。
4. 前記マルチライン結合回路は、マルチラインデータを重み付けする複数の重み付け回路を更に含む、
   請求項３記載の超音波診断画像形成システム。
5. 前記動き検出器は、異なる画像からの画像データに応答する相関器を更に有する、
   請求項１記載の超音波診断画像形成システム。
6. 前記相関器は、絶対差の計算の合計を使用して相関ファクタを生成する、
   請求項５記載の超音波診断画像形成システム。
7. 前記送信ビームフォーマは、前記画像フィールドにおける検出された動きの関数であるビーム幅を示すビームを送信する、
   請求項１記載の超音波診断画像形成システム。
8. 前記マルチライン受信ビームフォーマは、前記画像フィールドにおいて検出された動きの関数である多数の受信ラインを生成する、
   請求項１記載の超音波診断画像形成システム。
9. 画像フィールドで動きが存在する場合に拡大された焦点範囲で超音波画像を生成する方法であって、
   アレイトランスデューサからの複数の送信ビームを送信するステップと、それぞれの送信ビームは、前記アレイに沿った異なる位置でセンタリングされ、それぞれの送信ビームは、別のビームの横方向に配置されるライン位置に空間的に関連される複数の横方向に配置されるライン位置を包含し、
   前記アレイトランスデューサでエコー信号を受信するステップと、
   前記ビームの横方向に配置されるライン位置でエコー信号の複数の受信ラインを生成するために１つの送信ビームに応答して受信されるエコー信号を同時に処理するステップと、
   更なる送信ビームの同時の処理を繰り返すステップと、
   前記画像フィールドにおける動きの存在を検出するステップと、
   画像データを生成するために空間的に関連される異なる送信ビームから受信ラインのエコー信号を結合するステップと、結合される送信ビームの数は、前記画像フィールドにおける動きの存在に関連し、
   前記画像データを使用して画像を生成するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
10. 前記動きの存在は、超音波システムのオペレータによる画像の観察により検出され、
    結合される送信ビームの数は、超音波システム制御の調節により設定される、
    請求項９記載の方法。
11. 前記動きの存在を検出するステップは、異なる画像の画像データを比較することで動きの存在を検出するステップを更に含む、
    請求項９記載の方法。
12. 前記比較は、絶対差の合計を計算することで異なる画像の画像データを関連付けするステップを更に含む、
    請求項１１記載の方法。
13. 前記動きの存在を検出するステップは、ドップラ技術により動きの存在を検出するステップを更に含む、
    請求項９記載の方法。
14. 前記送信するステップは、画像フィールドにおける検出された動きの関数であるビーム幅を示す複数の送信ビームを送信するステップを更に含む、
    請求項９記載の方法。
15. 同時に処理するステップは、前記画像フィールドにおいて検出された動きの関数である１つの送信ビームに応答して多数の受信ラインを生成するステップを含む、
    請求項９記載の方法。
16. 前記画像フィールドにおいて検出された動きの関数である異なる送信ビームに応答して生成される多数の受信ラインを記憶するステップを更に含む、
    請求項９記載の方法。
17. 画像フィールドを画像形成する超音波診断画像形成システムであって、
    トランスデューサ素子のアレイを含むプローブと、
    前記トランスデューサ素子のアレイに結合され、複数の横方向に配置されるライン位置を包含するビームを送信する送信ビームフォーマと、
    前記トランスデューサ素子のアレイに結合され、１つの送信ビームに応答して前記ライン位置で前記画像フィールドの複数の受信ラインを生成するマルチライン受信ビームフォーマと、
    複数の送信ビームに応答して前記マルチラインビームフォーマにより生成される共通のライン位置に関連する複数の受信ラインに応じて、画像データを生成するために複数の受信ラインを結合するマルチライン結合回路と、
    前記画像フィールドにおける動きの存在を検出する動き検出器と、
    前記画像データを利用して画像を生成するディスプレイとを有し、
    前記送信ビームフォーマにより送信されるビームは、前記動きの存在の関数である、
    ことを特徴とする超音波診断画像形成システム。
18. 前記送信ビームの横方向のディメンジョンは、前記動きの存在の関数である、
    請求項１７記載の超音波診断画像形成システム。
19. 前記送信ビームの横方向の間隔は、前記動きの存在の関数である、
    請求項１７記載の超音波診断画像形成システム。
20. 画像フィールドを画像形成する超音波診断画像形成システムであって、
    トランスデューサ素子のアレイを含むプローブと、
    前記トランスデューサ素子のアレイに結合され、複数の横方向に配置されるライン位置を包含するビームを送信する送信ビームフォーマと、
    前記トランスデューサ素子のアレイに結合され、１つの送信ビームに応答して前記ライン位置での画像フィールドの複数の受信ラインを生成するマルチライン受信ビームフォーマと、
    複数の送信ビームに応答して前記マルチライン受信ビームフォーマにより生成される共通のライン位置に関連する複数の受信ラインに応じて、画像データを生成するために前記複数の受信ラインを結合するマルチライン結合回路と、
    前記画像フィールドにおける動きの存在を検出する動き検出器と、
    前記画像データを利用して画像を生成するディスプレイとを有し、
    前記マルチライン受信ビームフォーマにより使用されるライン位置の間隔は、前記動きの存在の関数である、
    ことを特徴とする超音波診断画像形成システム。

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