JP5503131B2 - 映像動き推定及び補償装置とその方法 - Google Patents

Description

本発明は映像動き推定及び補償装置及びその方法に関し、より詳細には超音波合成映像で動きがある場合に少ない計算量でサイドローブの影響を除去して解像度及び信号対雑音比の低下を補償することができる映像動き推定及び補償装置及びその方法に関する。

超音波診断システムでアレイトランスデューサ（Ａｒｒａｙ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を用いて映像を得る場合、通常は一つの送信とこれに対する受信を通じて映像を得る。しかし、超音波合成映像ではスキャンラインを構成するために既に受信された周囲のスキャンラインが関与する。即ち、超音波合成映像は一個のスキャンラインを構成するために、一個の送信ビーム及びそれに対応する多数の受信ビームを用いて超音波映像を構成する。例えば、図１でｎ番目のスキャンラインＳｎを構成するために、通常はＳｎに対する送受信を通じて映像を得るが、超音波合成映像の場合にはｎ番目のスキャンラインＳｎを構成するために周囲の「Ｓｎ−ｍ、Ｓｎ−（ｍ−１）、．．．、Ｓｎ、．．．、Ｓｎ＋（ｍ−１）、Ｓｎ＋（ｍ）、ｍ＞０」を組み合わせて超音波映像を形成している。図１で、Ｐｓは３つのスキャンライン、即ちＳｎ−１、Ｓｎ、Ｓｎ＋１それぞれの波面が重畳した部分を表示している。このような理由で画面上のＰｓに該当するピクセルを求める時、超音波合成映像の場合には重畳した部分を考慮して超音波映像を得るようになる。

特開２００１−２３８８８３号公報

超音波合成映像は、対象体が固定されている場合には解像度、信号対雑音比がよいが、対象体が動く場合には特に軸（Ａｘｉａｌ）方向に動く場合に対象体が実際に目的通りにディスプレイされない。即ち、超音波合成映像では一つのスキャンラインを形成するために、時間差を有する多数の受信ビームまたはＢｉＰＢＦ（Ｂｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｐｉｘｅｌ Ｂａｓｅｄ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ）のように一つの送信ビームに対応する多数の受信ビームを用いるので、人体内の動きが発生する場合、これに対する考慮なくビームフォーミングするようになれば非干渉性の和（Ｓｕｍ）が発生するようになる。このような結果として解像度と信号対雑音比が低下する。

超音波合成映像で発生する動き（モーション）を推定して補償するために、様々なピクセル基盤の研究と領域基盤の研究が進められてきた。動きを推定するための方法として相互相関法（Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）、自己相関法（Ａｕｔｏ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）、ＳＡＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）などが提案されており、このような方法で推定された結果を用いて動き補償が行われてきた。特に、ピクセル基盤の動き推定と補償は相当な計算量を必要とする。

本発明は前述した問題を解決するためのものであって、超音波合成映像で動きがある場合に少ない計算量でサイドローブの影響を除去し、解像度及び信号対雑音比の低下を補償できる映像動き推定及び補償装置とその方法を提供する。

特に、本発明ではＲＦピクセル単位（またはサンプル単位）基盤の動き推定と補償のために、サイドローブによって発生する不要な位相要素に対する除去とこのための送信スキャンラインの調整が必要になる。シミュレーションはＢｉＰＢＦ基盤で進められ、提案された方法は超音波映像での一般的合成方法に対しても適用可能である。

前記目的を達成するために本発明の映像動き推定及び補償装置は、非段階的方式でビームを送信するように制御して送信ビームの各送信に対応して受信される多数の受信ビームそれぞれに対してスキャンラインインデックスの増加方向のデータと減少方向のデータにグルーピング制御する送受信制御手段と、スキャンラインインデックスの増加及び減少方向によるグループ別に自己相関を実施し、増加及び減少グループに対する自己相関値それぞれに対して加重値を適用して合算する自己相関手段と、合算結果に基づいて平均位相を求め、前記平均位相を用いて平均速度を求め、前記平均速度に基づいて対象体の動きを補償制御するための制御手段を備える。

前記目的を達成するために本発明の映像動き推定及び補償方法は、(a)多数のスキャンラインを設定し、前記スキャンラインに対して順次的なインデックスを定義し、インデックスの増加及び減少が繰り返される非順次的な方式で前記スキャンラインに対して送信ビームの順序を設定する段階と、(b)前記設定された送信順序に従って前記送信ビームを送信する段階と、(c)前記送信ビームの各送信に対応する多数の受信ビームをそれぞれ得、前記インデックスが増加する方向の増加グループと前記インデックスが減少する方向の減少グループにグルーピングする段階と、(d)前記増加グループと減少グループそれぞれの受信ビームに対して自己相関を実施してグループ別に受信ビームの位相をそれぞれ求め、各グループ別位相に加重値を乗じて合算する段階と、(e)合算結果に基づいて平均位相を求め、前記平均位相を用いて平均速度を求め、前記平均速度に基づいて対象体の動きを補償する段階を備える。

前述したようになされる本発明は、合成映像でサイドローブの影響を減らすことができる長所がある。これを通じて観測しようとするメインローブの動きを推定することによって、これに基づいてＢｉＰＢＦなど合成映像方法で発生する動きアーティファクト（ｍｏｔｉｏｎ ａｒｔｉｆａｃｔ）を減らすことができる利点がある。また、少ない計算量で変位推定が可能な自己相関方法を用いることによって、合成映像での動き補償に対してリアルタイム処理が可能な利点がある。

一般に超音波合成映像は、大きく受信開口合成方法と送信開口合成方法に分けられる。受信開口合成方法は商用化された装備に適用された技術であって、送受信集束方法は既存の方法通りに行って送受信チャネルを時間的に分けて数回行い、加えられた信号をメモリに格納した後、最終的に格納された信号を加えて具現する。送信開口合成方法は、単に一つの送信フィールドからの信号を用いるのではなく、多数の送信フィールドからの信号を用いて相対的に超音波送信パワーを大きくする効果を奏することができる。

ＢｉＰＢＦ合成映像過程は、送信開口合成方法の一つとして、全ての点に対して送受信集束を可能にする方法である。図２ｂでのように送信集束点（Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｆｏｃａｌ Ｐｏｉｎｔ）を仮想ソースエレメント（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｓｏｕｒｃｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ）として解釈することができる。

図２ａは、Ｂモードの送信フィールドを示しているが、ビームがアレイトランスデューサから放射されて集束点で集束され、以後、制限された角度を有して球面波形態で発散することを示す。図２ｂはアレイトランスデューサの一つの仮想ソースエレメントが集束の深さ（Ｆｏｃａｌ Ｄｅｐｔｈ）に位置しているものを示して、これを基準に球面波が前後に形成される形態を示す。図２ｃは映像点（Ｉｍａｇｉｎｇ Ｐｏｉｎｔ）で２つの仮想ソースの送信フィールドが重畳することを示しているが、球面フィールド対称の中心点から一つは前で、もう一つは後で示されることが分かる。

ＢｉＰＢＦ合成映像過程は、他の合成映像過程に比べて全ての深さで側方向解像度とサイドローブによる雑音が改善され、送信フィールドを合成することで送信パワーが増加して映像の信号対雑音比が改善される。しかし、対象体が固定された映像またはゆっくり動く映像に対してのみ制約的な長所を有するだけであり、動きが多い場合にはむしろ解像度が悪くなるだけでなく、甚だしい場合、対象体が消えることまである。特に、側方向の動きより軸方向の動きが影響を多く与えるようになる。即ち、図３で固定された対象体に対してはＢｉＰＢＦ合成映像３ｃが相対的に単一送受信方法３ａより映像の質がよいが、動く対象体に対してはＢｉＰＢＦ合成映像３ｄが相対的に単一送受信方法３ｂより映像の質が悪い結果を示している。

Ｂ（Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）モード映像で軸方向の動きを知る最も簡単で信頼できる方法中の一つは、２Ｄ−ＴＤＩ（Ｔｉｓｓｕｅ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｉｍａｇｅ）である。２Ｄ−ＴＤＩは、一つのスキャンラインに向けて一定時間間隔で同一の超音波を送信し、受信される超音波の位相の変化を感知して簡単に自己相関を用いて平均ドップラー周波数を探す。

ＳＡＩ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）の場合も反復送信するという点で２Ｄ−ＴＤＩとある程度類似する。異なる点は、同一の超音波が毎回送信されず、少しずつ異なる超音波が送信されるという点である。毎回送信する超音波は、それぞれのピクセルの立場では毎回波面の角度がほぼ一定の角度ずつ回転するようになる。このような回転する送信波面のため、毎回送信から構成される低解像度映像（ＬＲＩ：Ｌｏｗ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｉｍａｇｅ）のサイドローブもそれに従って回転するようになる。例えば、図４ａ〜４ｄは、隣接した多数の送信からのＬＲＩのビームパターンを示すが、メインローブを中心に時計方向にサイドローブが回転することを見ることができる。即ち、図４ａ〜図４ｄでは合成に関与するスキャンラインの個数がＮ＝１７の場合に対して各アンサンブルインデックス（自己相関関数に入力されるデータ順序）に該当する低解像度映像を得てこれに対する位相を速度に変換した後、インデックスによる変化を観測したものである。アンサンブルインデックスが０から４ずつ増加して１３までそれぞれの位相変化を示しているが（図４ａはインデックス１、図４ｂはインデックス５、図４ｃはインデックス９、図４ｄはインデックス１３）、動きがない場合にもサイドローブがメインローブを中心に時計方向に回転することを見ることができる。この影響の結果、独立した対象体のメインローブの場合はほぼ組織ドップラー（Ｔｉｓｓｕｅ Ｄｏｐｐｌｅｒ）と同一に軸方向の動きを探すことができるが、その対象体のサイドローブの位置では動かない対象体の周辺ですら誤った動きが検出される。従って、本発明ではこのように誤って検出される現象を補償するために、送信ビームの新たな送信順序（例えば、送信ビームの非順次的送信）及び自己相関を通じた位相検出方式を提示する。

以下では、固定された対象体及び動く対象体に対する自己相関を通じて低解像度映像（ＬＲＩ）のサイドローブの問題を確認してサイドローブの影響と計算量の限界を克服するために、送信ビームの非順次的送信と自己相関を用いる過程を具体的に詳察する。これを通じて相対的に少ない計算量でピクセル単位の動きを推定及び補償することができるようにし、動きのある対象体に対して動きがない場合と同じ映像の解像度を維持することができるようにする。

図５は、本発明の実施例によって超音波診断システムの構成を概略的に示した図面であり、図６及び図７はビームフォーマ３０及び映像動き推定／補償制御部３１の構成をそれぞれ詳細に示した図面である。

送受信部１０は、アレイトランスデューサ（ａｒｒａｙ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を備えるプローブ（図示せず）を備える。プローブは超音波信号を送受信する役割をする。送受信部１０は超音波送信部（図示せず）及びアナログ受信部（図示せず）をさらに備える。アレイトランスデューサは多数（例えば、１２８個）のエレメントで構成されており、超音波送信部からの電圧印加に応答して超音波パルスを出力する。超音波送信部はアレイトランスデューサに電圧パルスを印加してアレイトランスデューサそれぞれのエレメントで超音波パルスが出力されるようにする。アナログ受信部はアレイトランスデューサそれぞれのエレメントで出力された超音波パルスが対象体で反射されて戻る反射信号（エコー信号）を受信し、受信された反射信号を増幅、エイリアシング（Ａｌｉａｓｉｎｇ）現象及び雑音成分の除去、超音波が身体内部を通過しながら発生する減衰の補正などの処理を行う。

送受信スイッチ（Ｔｒａｎｓｍｉｔ／Ｒｅｃｅｉｖｅ Ｓｗｉｔｃｈ）２０は、超音波信号を同一のアレイトランスデューサで送信と受信をするためのスイッチの役割をする。送受信スイッチ２０は超音波送信部で放出される高圧の電力が受信部に影響を与えないようにする役割をする。即ち、トランスデューサが送信及び受信を交互に行う時、超音波送信部とアナログ受信部を適切にスイッチングする。

ビームフォーマ３０は、それぞれのアレイトランスデューサ素子（Ｅｌｅｍｅｎｔ）に受信された信号を受信集束する。具体的には、ビームフォーマ３０は利得調節部３０１を通じてアナログ受信部に受信された受信信号の利得を補償し、アナログ−デジタル変換部３０２が受信されたアナログ信号をデジタル信号に変換させる。また、遅延部３０３がアナログ−デジタル変換部３０２から受信された信号に互いに遅延量（Ａｍｏｕｎｔ ｏｆ Ｄｅｌａｙ）（受信集束（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）をしようとする位置に応じて決定される）を適用し、映像合成部３０４が遅延された信号を合成することによって受信集束を行う。合算部３０５は、チャネル別に利得調節、アナログ−デジタル変換、遅延、合成された信号全体を加える。

エコー処理部４０は、ビームフォーマ３０で集束された受信スキャンラインのＲＦ信号を基底帯域信号に変化させて直交復調器（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いて包絡線（Ｅｎｖｅｌｏｐｅ）を検出して、一つのスキャンラインに関するデータを得る。

スキャン変換部５０は、スキャンライン上の所定の点から受信集束されたデータを格納し、これを水平スキャンライン表示形式のディスプレイ部６０で用いられるデータ形式に変換させる。即ち、超音波映像をディスプレイするのに適当な形態に変換する。

ディスプレイ部６０は、映像処理された超音波映像をディスプレイする。

以上では、超音波診断システムで超音波合成映像のための各構成要素の機能について詳察した。
本発明の超音波診断システムは、超音波送信ビームを非順次的方式で送信し、これに対応して受信される受信ビームのグループ化されたデータを自己相関器３１１〜３１３に入力して動きの推定と補償に必要なデータ（例えば、ピクセルまたはサンプル単位の平均位相及び大きさデータ）を生成する。一実施例によれば、送受信制御部２１は送受信スイッチ２０を制御して送信ビームを非順次的方式で送信するように制御し（図８参照）、これに対応して受信される受信ビームに対してスキャンライン増加方向のデータと減少方向のデータをグループ化し、スキャンライン増加方向のＭ、Ｎ個のグループデータと減少方向のＬ個のグループデータが自己相関器（図７の３１１〜３１３）にそれぞれ入力されるように制御する。映像動き推定／補償制御部３１の自己相関器３１１〜３１３は、入力されたスキャンラインインデックスが増加する方向の増加グループデータとスキャンラインインデックスが減少する方向の減少グループデータに基づいて自己相関関数を用いて対象体の動きに対する位相及び大きさデータを抽出し、合算部３１４でスキャンラインインデックスが増加する方向の増加グループとスキャンラインインデックスが減少する方向の減少グループの位相及び大きさデータを合算して制御部３１５に伝達すると、制御部３１５は増加／減少グループデータに関するピクセルまたはサンプル基盤の平均位相及び大きさデータを生成して動き推定及び補償のためのデータとして提供するようになる。例えば、平均位相データに基づいて平均速度を求め、求めた平均速度に基づいて動きを補償（例えば、ピクセルごとに推定された平均速度に基づいて集束遅延時間を補償）し、動きのある対象体に対して動きがない場合と同じ映像の解像度を維持することができるようにする。
前記で送信ビームを順次的に送信せず、非順次的に送信するするというのは、超音波合成映像のための複数のスキャンライン（例えば、９つのスキャンライン）に対して順次定義されたインデックス（例えば、インデックス０、インデックス１、インデックス２、．．．、インデックス８）の増加及び減少が繰り返される非順次的な方式で（例えば、インデックス１、インデックス０、インデックス３、インデックス２、インデックス５、インデックス４、．．．）送信ビームを送信することである。非順次的方式に基づいた送信順序に従って送信ビームを送信して送信ビームの各送信に対応する複数の受信ビームをそれぞれ得、スキャンラインインデックスが増加する方向の増加グループとスキャンラインインデックスが減少する方向の減少グループにグルーピングし、スキャンラインインデックスが増加する方向の増加グループとスキャンラインインデックスが減少する方向の減少グループそれぞれの受信ビームに対して自己相関を実施し、それぞれの自己相関結果値（例えば、ピクセルまたはサンプル単位の位相及び大きさデータ）に加重値を乗じて合算する。このようにすることによって、サイドローブの影響を除去することができ、これは結局、超音波合成映像過程で動きがある対象体に対する推定と補償を通じて（映像動き推定／補償制御部３１の制御部３１５で行う）、動きのある対象体に対して動きがない場合と同じ映像の解像度を維持させることができるようにする。合算部３１４の合算結果値は固定された対象体に対して０になる。しかし、移動する対象体に対しては０にならない。この値が移動する対象体の平均位相及び大きさとなる。
図６で映像動き推定／補償制御部３１はビームフォーマ３０の外部に存在することを仮定したが、ビームフォーマ３０の内部に存在することもできる。本発明は映像動き推定／補償制御部３１の位置に限定されない。
まず、ＬＲＩ（Ｌｏｗ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｉｍａｇｅ）を通じて動きがない固定された映像と動きのある映像に対してメインローブ（ｍａｉｎ ｌｏｂｅ）とサイドローブ（ｓｉｄｅ ｌｏｂｅ）の位相（ｐｈａｓｅ）状態を確認し、以後、それぞれに対して送信ビームが非順次的に送信された状態での結果を確認する。

図９は、ＢｉＰＢＦ合成映像過程を示したものであって、一つの合成されたスキャンラインを求めるためにＮ＝９の周囲スキャンラインが関与することを示しており、スキャンラインが移動、増加するに伴って関与したスキャンラインもこれに合せて移動することを示す。０〜８は自己相関のためのインデックス順序（Ｉｎｄｅｘ Ｏｒｄｅｒ）であり、Ｎ＝９は映像合成に関与するスキャンラインの個数であって、自己相関関数を用いて平均位相及び大きさを求めるために必要なアンサンブル個数（Ｅｎｓｅｍｂｌｅ Ｎｕｍｂｅｒ）である。任意のＰ０点では波面が継続して進み、０〜８（自己相関関数に入力されるデータ順序、即ちアンサンブルインデックス）に該当する波面が重畳して映像を合成すると仮定することができる。

ＬＲＩは、個数がＮ＝９で０から８までスキャンラインを増加するが、図１０でのようにそれぞれ０番目、１番目・・・８番目を集めて合成映像を構成したものである。前記のような場合では４番目の映像が伝統的単一送受信焦点映像と見ることができる。Ｎ＝９の場合、９枚のＬＲＩを得てこれに対する位相の変化を見ることができる。

図１１ａはＢｉＰＢＦ ＲＦ映像を示し、図１１ｂはＢｉＰＢＦ合成映像過程を通じて固定された対象体に対して単純に自己相関した結果を示す。図１１ｂで、メインローブは位相の変化がないため、自己相関結果でブラックホール（Ｂｌａｃｋ Ｈｏｌｅ）形態に見えるが、固定された対象体であるにもかかわらず、サイドローブの影響ため、位相が変化することを見ることができる。また、メインローブに近くなるほど位相の変化が小さくなることを見ることができる。これは対象体の固定または動きに関係なくサイドローブの位相変化の影響を最小化しなければならないことを意味し、単純にサイドローブの影響を考慮せずに自己相関して動きを探す場合、固定された対象体も動きのある形態の結果を見るようになる。

ＬＲＩを通じて図１２のような結果が出ることがある。図１２は全体的にＲＦデータの位相を示し、この中で「１２ａ」は図１０の０番目のＬＲＩ０の位相であり、「１２ｂ」は１番目のＬＲＩ１の位相であり、「１２ｃ」は８番目のＬＲＩ８の位相を示している。図１２では位相の相対的変化を確認するのが容易なように、スキャンラインを４つ、即ちＬ０〜Ｌ３で表示した。Ｌ０は同じ位置を表示するためのものであり、Ｌ１〜Ｌ３はサイドローブと関連して変化した位相を示すためのものである。結果から分かるように、ＬＲＩ０からＬＲＩ１へ行きながら位相が変化したことを見ることができ、上方への動き（即ち、位相）がかなり変化したことが分かる。即ち、ＬＲＩ８は「ＬＲＩ０→ＬＲＩ１→ＬＲＩ２→ＬＲＩ３．．．→ＬＲＩ８」形態で累積しているので、ＬＲＩ０に比べて位相変化がかなりなされることが分かる。サイドローブと関連して変化した結果とともにメインローブ部分は位相変化がほとんどないことを見ることができる。

以上では固定された対象体に対する自己相関とＬＲＩ実験を通じてサイドローブに関する問題と影響を確認することができた。以下では本発明の実施例によって、固定された対象体で非順次的な方式でビームを送信し、これに対応して受信されるビームに対して自己相関を実施する過程を具体的に詳察する。

送信ビームを非順次的な方式で送信する理由は、順次送信されたビームに対応して受信されるビームを用いて自己相関関数を通じてピクセル単位で位相と大きさを求めるようになれば、対象体が動かない場合には速度が０ｍ／ｓになるのが理想的であるが、サイドローブの影響で速度成分が検出されるからである。即ち、固定された対象体の場合、送信ビームが順次増加すれば対象体のメインローブの位相は変わらないが、サイドローブの位相はｘ、ｙ空間で見れば一定のパターンを有して回転するようになる。この結果を用いて補償をする場合に、より正確な補償がなされないため、これを考慮すべきである。従って、本発明ではサイドローブの影響を最小化するために送信ビームを順次送信しなくて非順次的な方式で送信し、これに対応して受信されるビームを用いて自己相関する。

図８は、非順次的に送信された送信ビームの形態を示しているが、スキャンラインインデックスが増加する方向の増加グループとスキャンラインインデックスが減少する方向の減少グループに分け、増加及び減少の値は、増加が＋２、減少が−１になるのように、相互に異なることを示している。例えば、送信を隣接したスキャンラインの通りに１、２、３、４．．．のように順次に送信（段階的送信）せず、例えば２、１、４、３、６、５．．．の順序で（非順次的送信）、送信スキャンラインの増減が１回は−１、次は＋２の差が出るように送信する。この場合、最初の送信と２回目の送信のそれぞれに対応して受信された受信ビームの位相差を求めたものをａ（１、３）と表現すれば、停止した対象体のサイドローブの位置のピクセルでａ（２、４）、ａ（３、５）、ａ（８、１０）などを用いて求めた平均位相差をＢ（即ち、＋２の差が出るＢグループ）、また、ａ（２、１）、ａ（４、３）、ａ（６、５）などを用いて求めた平均位相差をＡ（即ち、−１の差が出るＡグループ）にグルーピングして表現することができる。停止した対象体の場合、それぞれの平均位相差をＡとＢで表現すれば、近似的に下記の式１のようになる。

Ｂ＝−２Ａ ・・・式１
Ａ＋（１／２）×Ｂ＝０ ・・・式２

式２からピクセルごとにＡとＢを別途に求めた後、それぞれの加重値（例えば、Ａグループに対しては加重値‘１’、Ｂグループに対しては‘１／２’）を乗じてそれらを合せれば、サイドローブの回転による誤った動き検出を相殺させることができる。また、対象体が実際に動く場合、たとえ送信スキャンラインの順序が変わっても送信時ごとに実際に対象体が近付いたり遠ざかったりするので、これによる位相の回転は下記の式３のようになり、前記の通り加重値を乗じてこれを合せれば平均位相を求めることができ、これに基づいて一般２Ｄ−ＴＤＩのように対象体の速度を正確に測定することができる。

Ｂ＝２Ａ ・・・式３

結果的に、サイドローブの回転による不要な位相変化は低減されてメインローブの動きに対する位相変化は観測されるようになる。

前記で、平均位相を求める方法は自己相関法を用いる。
自己相関過程についてより具体的に詳察すれば次の通りである。まず、下記の［式４］の通り関数ｚ（ｔ）とｚ^＊（ｔ−Ｔ）からｚ１（ｔ）を定義することができる。

ｚ_１（ｔ）＝ｚ（ｔ）×ｚ^＊（ｔ−Ｔ） ・・・式４
ｚ^＊（ｔ−Ｔ）＝ｘ（ｔ−Ｔ）−ｊｙ（ｔ−Ｔ） ・・・式５

ｚ^＊（ｔ−Ｔ）は、前記［式５］の通り関数ｚ（ｔ）から遅延時間Ｔだけ遅延された共役複素数（Ｃｏｎｊｕｇａｔｅ Ｃｏｍｐｌｅｘ）である。ある時間に対してｚ_１（ｔ）を積分することによって自己相関関数の結果を下記の式６のように得られる。

・・・式６

前記式６で、ｎは一定方向の送信パルスの連続した個数であって、一般に超音波映像ではアンサンブル個数で表現される。

下記の式７は、送信スキャンラインの配置が＋２ずつ増加する部分に対する自己相関関数を表現したものである。下記の式８及び式９はスキャンラインインデックスが増加する方向の増加グループの大きさ及び位相をそれぞれ示したものである。この過程は映像動き推定／補償制御部３１の自己相関器３１１〜３１３のうち、例えば自己相関器３１２でスキャンラインインデックスが増加する方向の増加グループデータに対して行う。

・・・式７

│Ｒ_Ｉ(Ｔ_Ｉ，ｔ)│＝√{Ｒ_ｘＩ ^２(Ｔ_Ｉ，ｔ)＋ｊＲ_ｙＩ ^２(Ｔ_Ｉ，ｔ)}・・・式８
Φ(Ｔ_Ｉ，ｔ)＝tan^−１｛Ｒ_ｙＩ(Ｔ_Ｉ，ｔ)／Ｒ_ｘＩ(Ｔ_Ｉ，ｔ)}・・・式９

前記式９から加重値を与えて位相を求めれば下記の式１０のように表現される。

Φ_Ｓ(Ｔ_Ｉ，ｔ)＝（１／２）×tan^−１｛Ｒ_ｙＩ(Ｔ_Ｉ，ｔ)／Ｒ_ｘＩ(Ｔ_Ｉ，ｔ)}
・・・式１０

送信スキャンライン増加方向に対する最終的結果式は、下記の式１１及び式１２のようである。

Ｒ_ＳｘＩ(Ｔ_Ｉ，ｔ)＝│Ｒ_Ｉ(Ｔ_Ｉ，ｔ)×cos{Φ_Ｓ(Ｔ_Ｉ，ｔ)} ・・・式１１
Ｒ_ＳｙＩ(Ｔ_Ｉ，ｔ)＝│Ｒ_Ｉ(Ｔ_Ｉ，ｔ)×sin{Φ_Ｓ(Ｔ_Ｉ，ｔ)} ・・・式１２

一方、送信スキャンラインの−１ずつ減少する方向に対する式は、下記の式１３〜式１５の通りである。式１３は、送信スキャンラインの配置が−１ずつ減少する部分に対する自己相関関数を表現したものであって、式１４及び式１５は、スキャンラインインデックスが減少する方向の減少グループの大きさ及び位相をそれぞれ示したものである。この過程は映像動き推定／補償制御部３１の自己相関器３１１〜３１３の中、例えば自己相関器３１１でスキャンラインインデックスが減少する方向の減少グループデータに対して行う。

・・・式１３

│Ｒ_Ｄ(Ｔ_Ｄ，ｔ)│＝√{Ｒ_ｘＤ ^２(Ｔ_Ｄ，ｔ)＋ｊＲ_ｙＤ ^２(Ｔ_Ｄ，ｔ)}・・・式１４

Φ(Ｔ_Ｄ，ｔ)＝tan^−１｛Ｒ_ｙＤ(Ｔ_Ｄ，ｔ)／Ｒ_ｘＤ(Ｔ_Ｄ，ｔ)} ・・・式１５

結果的に、映像動き推定／補償制御部３１の自己相関器３１１〜３１３でスキャンラインインデックスが増加する方向の増加グループデータとスキャンラインインデックスが減少する方向の減少グループデータに対してそれぞれ行った送信スキャンラインの＋２増加方向と−１減少方向の結果は合算部３１４で加えて、合算部３１４の出力複素値は下記の式１６及び式１７の通りである。これを用いて該当ピクセルまたはサンプルに対する大きさを求めれば下記の式１８のように示すことができ、位相を求めれば下記の式１９のように示すことができる。

Ｒ_Ｔｘ(Ｔ，ｔ)＝Ｒ_ＳｘＩ(Ｔ_Ｉ，ｔ)＋Ｒ_ｘＤ(Ｔ_Ｄ，ｔ)} ・・・式１６
Ｒ_Ｔｙ(Ｔ，ｔ)＝Ｒ_ＳｙＩ(Ｔ_Ｉ，ｔ)＋Ｒ_ｙＤ(Ｔ_Ｄ，ｔ)} ・・・式１７
│Ｒ_Ｔ(Ｔ，ｔ)│＝√{Ｒ_Ｔｘ ^２(Ｔ，ｔ)＋ｊＲ_Ｔｙ ^２(Ｔ，ｔ)} ・・・式１８
Φ_Ｔ(Ｔ，ｔ)＝tan^−１｛Ｒ_Ｔｙ(Ｔ，ｔ)／Ｒ_Ｔｘ(Ｔ，ｔ)} ・・・式１９

前記式１８はピクセル基盤の平均の大きさを示し、前記式１９はピクセル基盤の平均位相を示す。これを用いれば、特定領域基盤の平均位相を求めることができる。これを詳察すれば、まず前記式１６と式１７の結果を空間上の座標で下記の式２０のように表現することができる。

Ｒ_Ｔｘ(Ｔ，ｔ)→Ｒ_Pｘ(ｓ，ｚ)，Ｒ_Ty(Ｔ，ｔ)→Ｒ_Pｙ(ｓ，ｚ) ・・・式２０

前記式２０は、さらに式２１及び式２２の通り表現して特定領域基盤の平均大きさ及び平均位相を有する形態に拡張することができる。

・・・式２１

・・・式２２

前記式で位相値とともに大きさを測定する理由は、動き推定及び補償時に大きさに基づいて補償の自由度を高めるからである。例えば、パワーしきい値を基準とする時、その大きさが非常に小さい場合は無視する。

提案された送信スキャンラインと自己相関関数を用いて推定された平均大きさ及び平均位相を用いて動き補償をしなければならない。このために推定された位相値を対象体が動いた距離に変換しなければならないが、下記の式２３は対象体が動いた速度を示す。ｃは音速、ｆ０はトランスデューサの中心周波数、そしてＰＲＦは送信が繰り返される周波数を示す。下記の式２４は変換された対象体の速度を用いて動いた距離を求めたものである。求めた速度に基づいてピクセルごとの集束時間を補償すればよい。

Ｖ_{ｔａｒｇｅｔ}＝Φ_Ｔ×{ｃ／(２×ｆ０)}×｛ＰＲＦ／(２×π)} ・・・式２３
ｚ_{ｍｔａｒｇｅｔ}＝Ｖ_{ｔａｒｇｅｔ}×(１／ＰＲＦ) ・・・式２４

前記でピクセルごとに推定された速度に基づいて集束遅延時間を補償する方法の例として、毎ピクセルの送信集束遅延時間、受信集束遅延時間に対してそれぞれ補償を適用したり、これまでの動きが考慮されていない送信集束遅延時間と受信集束遅延時間はそのままにして、追加で動き補償集束遅延時間を適用することもできる。

提案された方法によって、固定された対象体に対して非順次的な方式でビームを送信し、これに対応して受信されるビームに対して自己相関を実施すると、図１３ａ及び図１３ｂのような結果を得るようになる。図１３ａは、固定された対象体に対して非順次的な方式でビームを送信し、これに対応して受信されるビーム中のスキャンラインインデックスが減少する方向の減少グループに対して自己相関を実施した結果であり、図１３ｂは、固定された対象体に対して非順次的にビームを送信し、これに対応して受信されるビーム中のスキャンラインインデックスが増加する方向の増加グループに対して自己相関を実施した結果を示す。

図８のように非順次的な方式でビームを送信し、これに対応して受信されるビームに対して自己相関を実施すると、サイドローブの影響が明確に減るようになる（図１４ｂ及び図１４ｃ参照）。図１４ａで、ｃ０は本来メインローブの大きさを示し、周囲はサイドローブとして見ることができる。この場合、メインローブはサイドローブの影響を受けている。しかし、非順次的な方式でビームを送信し、これに対応して受信されるビームに対して自己相関を実施すると、図１４ｂのｃ１の通り、メインローブに及ぼす周囲サイドローブの影響が減るようになることが分かる。また、パワーしきい値（Ｐｏｗｅｒ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）電圧を調整すると、図１４ｃのｃ２の通り、サイドローブによる影響をより減らすことができる。結果的に、非順次的な方式でビームを送信し、これに対応して受信されるビームに対して自己相関を実施すると、対象体が固定された場合、サイドローブの影響を減らすことができる。

一方、動く対象体に対して非順次的な方式でビームを送信して、これに対応して受信されるビームに対して自己相関を実施すると、図１５ａ〜図１５ｃのような結果を得るようになる。図１５ａは動く対象体に対して非順次的な方式でビームを送信し、これに対応して受信されるビーム中のスキャンラインインデックスが減少する方向の減少グループに対して自己相関を実施した結果であり、図１５ｂは動く対象体に対して非順次的な方式でビームを送信し、これに対応して受信されるビーム中のスキャンラインインデックスが増加する方向の増加グループに対して自己相関を実施した結果を示す。図１５ｃでＲ０はメインローブの移動によって位相が変化したことを示す。

最後に、本発明と従来方式の差によるシミュレーション結果を詳察する。
図１６ａ及び図１６ｂは、対象体が動かない場合、従来の方法と本発明によってＢｉＰＢＦ（Ｎ＝１７）を用いて求めた空間上の速度分布を示したものである。図１６ａは、従来の送信ビーム順序（順次的送信）を有するＢｉＰＢＦ合成映像方法でＮ＝１７の場合に対して自己相関関数を用いて平均位相を求め、これを用いて速度で示した結果である。サイドローブ部分で不要な速度成分が検出されることが分かる。低い信号に対する平均速度を無視するために、パワーしきい値は０〜１間にノーマライゼーション（Ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ）された結果基準で適切に（例えば、０．０００２）に調節した。図１６ｂは、本発明の実施例によって送信ビームを非順次的に送信し、スキャンラインインデックスが増加及び減少する方向によって加重値をおいて平均速度を求めた結果である。

図１６ａ及び図１６ｂを比較すると、本発明は従来の方法に比較してサイドローブによる位相または速度変化の範囲が小さく、空間上でも面積が小さいことを示し、従来の方法よりサイドローブによる影響を相当減らすことができる（サイドローブの回転による速度検出誤差が大幅に減少する）。併せて、パワーしきい値を適切に調節するとサイドローブによる速度影響をさらに減らすことができる。

図１７ａ及び図１７ｂは対象体が動く場合、従来の方法と本発明によってＢｉＰＢＦ（Ｎ＝１７）を用いて求めた空間上の速度分布を示したものである。対象体はトランスデューサ中心で深さ６０ｍｍ地点から６０ｍｍ／ｓ速度で軸方向に深さ０ｍｍ地点に向かって動き、ＰＲＦは４ｋＨＺとして定義した。ただし、ＲＦデータの場合はサンプリングクロックとして６１．６ＭＨｚを用いた。

図１７ａは従来の方法であって、図１７ｂは本発明によって求めた平均位相を用いて速度成分を求めたものである。図１７ｂの本発明が図１７ａの従来の方法より速度分布が６０ｍｍ／ｓを中心に分布していることが分かる。パワーしきい値は０〜１間にノーマライゼーション（Ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ）された結果基準で適切に（例えば、０．０００２）調節した。

理想的に６０ｍｍ／ｓ速度１つだけ存在するが、従来の方法の場合、速度が＋１２０ｍｍ／ｓ以上まで検出されることが分かる。本発明は６０ｍｍ／ｓに近くついて行くことが分かり、併せて、ピクセル単位でメインローブの動きについて行くことが分かる。同様に６０ｍｍ／ｓ速度１つだけ存在しなければならないが、一部残っているサイドローブ速度成分によりある程度異なる速度があることが分かり、標準偏差が従来の方法に比べて相対的に小さくなる。

本発明が望ましい実施例を通じて説明され例示されたが、当業者であれば添付した特許請求の範囲の事項及び範疇を逸脱せず、様々な変形及び変更がなされることが分かる。

一般的な合成映像生成過程を示す説明図である。 超音波放射例（その１）を示す説明図である。 超音波放射例（その２）を示す説明図である。 超音波放射例（その３）を示す説明図である。 固定された対象体と動く対象体に対する合成映像を比較した例示図である。 Ｎ＝１７の場合におけるＬＲＩ送信ビームパターンを示す説明図（その１）である。 Ｎ＝１７の場合におけるＬＲＩ送信ビームパターンを示す説明図（その２）である。 Ｎ＝１７の場合におけるＬＲＩ送信ビームパターンを示す説明図（その３）である。 Ｎ＝１７の場合におけるＬＲＩ送信ビームパターンを示す説明図（その４）である。 本発明の実施例によって超音波診断システムの構成を概略的に示した図面である。 図５のビームフォーマの構成を詳細に示した図面である。 図５の映像動き推定／補償制御部の構成を詳細に示した図面である。 本発明の実施例によって送受信ビームの特性化された配列を示す説明図である。 ＢｉＰＢＦ合成映像過程を示す説明図である。 ＬＲＩとスキャンラインの関係を示す説明図である。 ＢｉＰＢＦ ＲＦ映像を示す説明図である。 ＢｉＰＢＦ合成映像過程を通じて固定された対象体に対して自己相関を実施した結果を示す説明図である。 ＲＦデータの位相変化を示す説明図である。 本発明の実施例によって固定された対象体に対して自己相関を実施した結果（その１）を示す説明図である。 本発明の実施例によって固定された対象体に対して自己相関を実施した結果（その２）を示す説明図である。 固定された対象体に対して自己相関を実施した結果を示す説明図である。 本発明の実施例によって固定された対象体に対して自己相関を実施した結果（その１）を示す説明図である。 本発明の実施例によって固定された対象体に対して自己相関を実施した結果（その２）を示す説明図である。 本発明の実施例によって動く対象体に対して自己相関を実施した結果（その１）を示す説明図である。 本発明の実施例によって動く対象体に対して自己相関を実施した結果（その２）を示す説明図である。 本発明の実施例によって動く対象体に対して自己相関を実施した結果（その３）を示す説明図である。 従来の方法によって固定された対象体に対してＢｉＰＢＦ（Ｎ＝１７）を用いて求めた空間上の速度分布を示す説明図である。 本発明の実施例によって固定された対象体に対してＢｉＰＢＦ（Ｎ＝１７）を用いて求めた空間上の速度分布を示す説明図である。 従来の方法によって動く対象体に対してＢｉＰＢＦ（Ｎ＝１７）を用いて求めた空間上の速度分布を示す説明図である。 本発明の実施例によって動く対象体に対してＢｉＰＢＦ（Ｎ＝１７）を用いて求めた空間上の速度分布を示す説明図である。

符号の説明

１０：送受信部
２０：送受信スイッチ
２１：送受信制御部
３０：ビームフォーマ
３１：映像動き推定／補償制御部
４０：エコー処理部
５０：スキャン変換部
６０：ディスプレイ部

Claims (14)

1. 映像動き推定及び補償装置であって、
   非段階的方式でビームを送信するように制御して送信ビームの各送信に対応して受信される多数の受信ビームそれぞれに対してスキャンラインインデックスの増加方向のデータと減少方向のデータにグルーピング制御する送受信制御手段と、
   スキャンラインインデックスの増加及び減少方向によるグループ別に自己相関を実施し、増加及び減少グループに対する自己相関値それぞれに対して加重値を適用して合算する自己相関手段と、
   合算結果に基づいて平均位相を求め、前記平均位相を用いて平均速度を求め、前記平均速度に基づいて対象体の動きを補償制御するための制御手段を備えることを特徴とする映像動き推定及び補償装置。
2. 前記非段階的方式は、多数のスキャンラインを設定し、前記スキャンラインに対して順次的なインデックスを定義し、インデックスの増加及び減少が繰り返される非順次的な方式で前記スキャンラインに対して送信ビームの順序を設定し、設定された送信順序に従って前記送信ビームを送信する方式であることを特徴とする請求項１に記載の映像動き推定及び補償装置。
3. 前記送受信制御手段は、前記送信順序に従って送信された送信ビームの各送信に対応する多数の受信ビームをそれぞれ得、前記インデックスが増加する方向の増加グループと前記インデックスが減少する方向の減少グループにグループピングし、
   前記自己相関手段は、前記増加グループと減少グループそれぞれの受信ビームに対して自己相関を実施してグループ別に受信ビームの位相をそれぞれ求め、各グループ別位相に加重値を適用した後に合算することを特徴とする請求項２に記載の映像動き推定及び補償装置。
4. 前記自己相関は、ピクセル単位または所定領域基盤からなることを特徴とする請求項３に記載の映像動き推定及び補償装置。
5. 前記受信ビームは、前記送信ビームの送信に対応して受信されたエコー信号をサンプリングして得ることを特徴とする請求項３に記載の映像動き推定及び補償装置。
6. 前記自己相関は、サンプル単位からなることを特徴とする請求項５に記載の映像動き推定及び補償装置。
7. 前記スキャンラインインデックスの増加は+2、減少は-1であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の映像動き推定及び補償装置。
8. 映像動き推定及び補償方法であって、
   (a)多数のスキャンラインを設定し、前記スキャンラインに対して順次的なインデックスを定義し、インデックスの増加及び減少が繰り返される非順次的な方式で前記スキャンラインに対して送信ビームの順序を設定する段階と、
   (b)前記設定された送信順序に従って前記送信ビームを送信する段階と、
   (c)前記送信ビームの各送信に対応する多数の受信ビームをそれぞれ得、前記インデックスが増加する方向の増加グループと前記インデックスが減少する方向の減少グループにグルーピングする段階と、
   (d)前記増加グループと減少グループそれぞれの受信ビームに対して自己相関を実施してグループ別に受信ビームの位相をそれぞれ求め、各グループ別位相に加重値を乗じて合算する段階と、
   (e)合算結果に基づいて平均位相を求め、前記平均位相を用いて平均速度を求め、前記平均速度に基づいて対象体の動きを補償する段階を備えることを特徴とする映像動き推定及び補償方法。
9. 前記非順次的な方式は、多数のスキャンラインを設定し、前記スキャンラインに対して順次的なインデックスを定義し、インデックスの増加及び減少が繰り返される非順次的な方式で前記スキャンラインに対して送信ビームの順序を設定し、設定された送信順序に従って前記送信ビームを送信する方式であることを特徴とする請求項８に記載の映像動き推定及び補償方法。
   
10. 前記(c)段階は、前記送信順序に従って送信された送信ビームの各送信に対応する多数の受信ビームをそれぞれ得、前記インデックスが増加する方向の増加グループと前記インデックスが減少する方向の減少グループにグルーピングし、
    前記(d)段階は、前記増加グループと減少グループそれぞれの受信ビームに対して自己相関を実施してグループ別に受信ビームの位相をそれぞれ求め、各グループ別位相に加重値を適用した後に合算することを特徴とする請求項９に記載の映像動き推定及び補償方法。
11. 前記自己相関は、ピクセル単位または所定領域基盤からなることを特徴とする請求項１０に記載の映像動き推定及び補償方法。
12. 前記受信ビームは、前記送信ビームの送信に対応して受信されたエコー信号をサンプリングして得ることを特徴とする請求項１０に記載の映像動き推定及び補償方法。
13. 前記自己相関は、サンプル単位からなることを特徴とする請求項１２に記載の映像動き推定及び補償方法。
14. 前記スキャンラインインデックスの増加は+2、減少は-1であることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載の映像動き推定及び補償方法。

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