JP5649576B2 - 3D ultrasonic imaging system - Google Patents
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Description
本出願は2008年9月30日出願の米国特許出願第12/286,555号の一部継続出願であり、“3次元超音波画像形成システム”の名称の、チャン他(Chiang et al.)による2008年9月15日出願の米国特許出願第61/192,063号の優先権を主張するものである。本出願は又2006年6月23日出願の米国特許出願第11/474,098号及び2007年6月22日出願の国際出願PCT/US2007/014526号の優先権を主張する。上記出願の内容全体は引用によりここに組み入れられる。 This application is a continuation-in-part of US patent application Ser. No. 12 / 286,555, filed Sep. 30, 2008, and is named “Chang et al.” Under the name “3D ultrasound imaging system”. Claims the priority of US patent application Ser. No. 61 / 192,063, filed Sep. 15, 2008. This application also claims the priority of US patent application Ser. No. 11 / 474,098 filed Jun. 23, 2006 and international application PCT / US2007 / 014526 filed Jun. 22, 2007. The entire contents of the above application are incorporated herein by reference.
本発明は一般的に3次元超音波画像形成システムに関し、特にプローブハウジング内のトランスデューサ素子の2次元配列を使って3次元画像形成を行う医療用超音波画像形成システムに関する。 The present invention generally relates to three-dimensional ultrasound imaging systems, and more particularly to a medical ultrasound imaging system that performs three-dimensional imaging using a two-dimensional array of transducer elements within a probe housing.
医療用超音波画像形成法は多くの医療用画像形成応用の業界標準になりつつある。2次元(2デー)トランスデューサアレイを用いたプロセスと体内器官の3次元(3デー)画像を提供する技術が開発されて来た。これらのシステムは数千のビーム形成チャンネルを要する。この様なシステムを動作させるのに要する能力は、デジタル遅延ビーム形成器に依るアナログ位相シフト技術の利用に帰着するが、該技術では画像品質を妥協する結果となる。 Medical ultrasound imaging is becoming the industry standard for many medical imaging applications. Techniques have been developed to provide processes using two-dimensional (2-day) transducer arrays and 3-dimensional (3-day) images of internal organs. These systems require thousands of beamforming channels. The ability to operate such a system results in the use of an analog phase shift technique with a digital delay beamformer, which results in a compromise of image quality.
改良された実時間3次元画像形成能力を可能にする超音波画像形成技術の更に進んだ改良が引き続き必要である。加えて、この改良された能力は4次元(4デー)機能用に実時間連続表示をサポートすべきである。 There is a continuing need for further improvements in ultrasound imaging techniques that allow improved real-time three-dimensional imaging capabilities. In addition, this improved capability should support real-time continuous display for 4-dimensional (4-day) functions.
本発明は、プローブハウジング内のトランスデューサ素子の2次元(2デー)配列を使って3次元(3デー)画像形成を提供する医療用超音波画像形成システムに関する。本発明の実施例は高解像度と多数の画像モダリティを有する医療用画像形成のシステムと方法を提供する。 The present invention relates to a medical ultrasound imaging system that provides three-dimensional (3-day) imaging using a 2-dimensional (2-day) array of transducer elements within a probe housing. Embodiments of the present invention provide systems and methods for medical imaging having high resolution and multiple image modalities.
好ましい実施例では、該プローブハウジングは第1ビーム形成回路を有し、該第1ビーム形成回路は第2ビーム形成回路を有する第2ハウジングへビーム形成されたデータを送信する。該第1ビーム形成回路は遠方場サブアレイビーム形成動作を提供する。最終のビーム形成されたデータは、走査ヘッドから、該第2ビーム形成回路を有する第2ハウジングへ送信される、該第2ビーム形成回路は近接場のビーム操向とビーム集束を提供する。 In a preferred embodiment, the probe housing has a first beamforming circuit that transmits the beamformed data to a second housing having a second beamforming circuit. The first beamforming circuit provides a far field subarray beamforming operation. The final beamformed data is transmitted from the scanning head to a second housing having the second beamforming circuit, which provides near-field beam steering and beam focusing.
好ましい実施例は従来の超音波システムへ接続することができる走査ヘッドを提供し、該システムでは該走査ヘッドは該従来のビーム形成処理機能への入力を提供する。該走査ヘッドビーム形成器は少なくとも32のビーム形成チャンネルを有する低電力チャージドメインプロセッサを利用することが出来る。 The preferred embodiment provides a scan head that can be connected to a conventional ultrasound system, where the scan head provides input to the conventional beamforming processing function. The scanning head beamformer can utilize a low power charge domain processor having at least 32 beamforming channels.
本発明の好ましい実施例はトランスデューサ素子のごく一部分のみが作動される必要があるスパースアレイ(sparse array)を使う。適当な平均ローブバンド幅を提供するよう該アレイの4隅要素を選択し、平均サイドローブエネルギー及びクラッタを最小化し、周期性を除去しそしてピーク対サイドローブ比を最大化することにより、高品質画像が作られる。関心体積又は関心領域に亘りビームを操向するために、ピーク対サイドローブ比を保持するよう種々のトランスデューサ素子が適切な順序で駆動されねばならない。システムプロセッサはビームを種々の角度で向けるためにトランスデューサ駆動用の望ましい順序を提供するようプログラムされてもよい。代わりに、個別制御器が、スパースアレイ駆動を制御するよう使われてもよい。好ましい実施例は、シーケンシャルな多重ビーム形成用にスパースアレイ駆動素子をシーケンシャルに選択するために、集積化スイッチ回路付き走査ヘッドを提供する。該走査ヘッドは従来の超音波システムに接続されてもよく、該超音波システムでは該走査ヘッドが従来のビーム形成処理機能へ入力を提供する。もう1つの実施例では、送信アレイ素子と受信アレイ素子とは独立に操作され、該送信素子はスパースアレイを有し、受信素子は略全部充填されたアレイ(a near fully populated array)である。好ましい実施例では、マルチプレクサーとビーム形成器回路はインターフエースシステム内、又は代わりにホスト処理システム内、に一体化され、該プローブハウジング内に設置された2次元トランスデューサアレイを残している。 The preferred embodiment of the present invention uses a sparse array in which only a small portion of the transducer elements need to be activated. High quality by selecting the four corner elements of the array to provide a suitable average lobe bandwidth, minimizing average sidelobe energy and clutter, eliminating periodicity and maximizing peak-to-sidelobe ratio An image is created. In order to steer the beam over the volume or region of interest, the various transducer elements must be driven in the proper order to maintain the peak-to-sidelobe ratio. The system processor may be programmed to provide the desired order for driving the transducers to direct the beam at various angles. Alternatively, a separate controller may be used to control the sparse array drive. The preferred embodiment provides a scan head with an integrated switch circuit to sequentially select sparse array drive elements for sequential multiple beamforming. The scanning head may be connected to a conventional ultrasound system, where the scanning head provides input to a conventional beamforming processing function. In another embodiment, the transmit array element and the receive array element are operated independently, the transmit element having a sparse array, and the receive element is an almost fully populated array. In the preferred embodiment, the multiplexer and beamformer circuit are integrated into the interface system, or alternatively into the host processing system, leaving a two-dimensional transducer array installed within the probe housing.
本発明はビーム形成器内の各段階の遅延素子に於ける非破壊検出を利用する。それで、例えば、65段階の遅延線を用いれば、各段階に1つを有する64の使用可能出力がある。その時間分解能は8分の1λから16分の1λの範囲内にある。 The present invention utilizes nondestructive detection at each stage of the delay element in the beamformer. So, for example, with a 65 stage delay line, there are 64 usable outputs, one for each stage. Its time resolution is in the range of 1 / 8λ to 1 / 16λ.
プローブ内の高電圧マルチプレクサーと該非破壊検出法の使用は時間多重化されたシーケンシャルなビーム形成を可能にする。今や多重ビームを形成するために各遅延線のタップ選択をシーケンシャルに変えることが可能である。 The use of a high voltage multiplexer in the probe and the non-destructive detection method enables time multiplexed sequential beamforming. Now it is possible to change the tap selection of each delay line sequentially to form multiple beams.
3次元(3デー)表示能力に加えて、例えば毎秒10フレーム以上で記録される一連の画像を記録及び表示するために、第4次元又は時間分解された、画像表示が使われ得る。これは毎秒30フレームのビデオフレーム速度で、血流又は流量;心臓壁運動他の様な急激に変わる特徴を見ることを可能にする。 In addition to the three-dimensional (three-day) display capability, a fourth-dimensional or time-resolved image display can be used to record and display a series of images recorded, for example, at 10 frames per second or more. This makes it possible to see rapidly changing features such as blood flow or flow rate; heart wall motion etc. at a video frame rate of 30 frames per second.
本発明のもう1つの好ましい実施例は、3段階のビーム形成器システムを利用し、該システムでは、第1段階はトランスデューサアレイから受信したデータに基づき第1ビーム
形成動作を行い第1ビーム形成データを発生し、該第1ビーム形成データは第2段階ビーム形成データを提供するため第2ビーム形成動作を行う第2段階により引き継がれ、該第2段階ビーム形成データは次いで第3ビーム形成動作を行う第3ビーム形成段階へ送られる。
Another preferred embodiment of the present invention utilizes a three-stage beamformer system, where the first stage performs a first beamforming operation based on data received from the transducer array and provides first beamforming data. And the first beamforming data is taken over by a second stage of performing a second beamforming operation to provide second stage beamforming data, and the second stage beamforming data is then subjected to a third beamforming operation. To the third beam forming stage to be performed.
諸段階はチャージドメインプロセッサを使って行われてもよい。データは又、第1段階又は第2段階の前に、第3段階で、或いはその後でアナログからデジタル形式に変換されてもよい。1つの段階は並列ビーム形成動作を利用し、第2段階は直列ビーム形成作用を提供してもよい。 The steps may be performed using a charge domain processor. The data may also be converted from analog to digital form before the first or second stage, at the third stage, or thereafter. One stage may utilize a parallel beamforming operation and the second stage may provide a serial beamforming action.
ビーム形成システムの目的は画像点から受信した信号をトランスデューサアレイ上に集束することである。特定の方向に伝播する波頭にビーム形成器内で適当な遅延を挿入することにより、関心のある方向から到着する信号はコヒーレントに加算される一方、他の方向からの信号はコヒーレントには加算されないか又は打ち消される。実時間の3次元応用のためには、各トランスデューサ素子用に別々の電子回路が必要である。従来の実施法を使うと、素子数が増加するにつれ、最終電子機器は急激に嵩張りかつコスト高になる。従来、高解像度ビーム形成器のコスト、寸法、複雑さ及び電力要求は“ワークアラウンド”により避けられて来た。実時間の3次元高解像度超音波画像形成応用のために、“遅延和(delay−and−sum)”の計算アルゴリズムに基づく電子的に操向可能な2次元ビーム形成プロセッサが選ばれた。 The purpose of the beam forming system is to focus the signal received from the image point onto the transducer array. By inserting an appropriate delay in the beamformer at the wavefront propagating in a particular direction, signals arriving from the direction of interest are added coherently while signals from other directions are not added coherently. Or canceled. For real-time three-dimensional applications, a separate electronic circuit is required for each transducer element. Using conventional implementations, as the number of elements increases, the final electronic device becomes rapidly bulky and expensive. Traditionally, the cost, size, complexity and power requirements of high resolution beamformers have been avoided by “workaround”. For real-time three-dimensional high-resolution ultrasound imaging applications, an electronically steerable two-dimensional beamforming processor based on a “delay-and-sum” calculation algorithm was chosen.
電子的に調整可能な音響的コンフォーマルレンズの概念は、2次元トランスデューサア
レイの面を、比較的小さいサブアレイの平面“タイル”に分けることである。その内容全体が引用によりここに組み入れられる特許文献5で説明され、図1で図解される様に、タイル/サブアレイ120は充分小さくされるので、対象が画像形成システムの視野内に置かれる時、該対象から各“タイル”に向かう入射放射122は遠方場近似を使って扱われてもよい。全サブアレイがコヒーレントに加算され得るよう、追加の遅延素子が第2段階処理として組み入れられる(すなわち、全サブアレイからの出力を単純に遅延させ、次いで加算することによりグローバル近接場ビーム形成が達成される)。該遅延和ビーム形成器は各サブアレイが特定方向から放射する信号を“見る”ことを可能にする。該アレイの各素子と関連する遅延を調整することにより、該アレイの見る方向は放射源の方へ電子的に操向される。かくして、124aで見られる1方向で見る代わりに、タイル120の方向は種々の方向124bに操向され得る。サブアレイ内の各素子用の遅延線要求は100段階より少なくてよい。グローバルな加算用の長い遅延のみが最後の近接場集束用に必要になる。
The concept of an electronically tunable acoustic conformal lens is to divide the surface of the two-dimensional transducer array into relatively small sub-array planar “tiles”. The tile /
操向可能なビーム形成器システムを使って画像平面を走査するために、図2で示す様な過程が使われてもよい。2次元操向可能なトランスデューサアレイ264を使って画像平面262を走査するためラスター走査260が使われる。
To scan the image plane using a steerable beamformer system, a process such as that shown in FIG. 2 may be used. A
本発明の電子制御ビーム形成システムの詳細図が図3Aで示される。このシステムは並列時間遅延ビーム形成プロセッサのバンク3301−330Nから成る。各プロセッサ330は2つの要素、すなわち、遠方場ビーム操向/集束用2次元サブアレイビーム形成器332と、各対応するサブアレイからの出力の階層的近接場ビーム形成を可能にする付加的時間遅延プロセッサ334と、から成る。該サブアレイ332はタップセレクター342を有するm個のプログラマブル遅延線340、マルチプレクサー344そして加算された出力346を備える。図3Aで見られる様に、n個のサブアレイを有するシステムについては、個別遅延調整用にn個の並列プログラマブル第2段階近接場時間遅延が必要であり、該時間遅延は全部でn個の並列出力がコヒーレントに加算354されることが出来るようA/Dコンバータ352で変換されるが、順にこの加算された出力は338でフィルターされ、目標対象の3次元画像を提供する。プロセッサ336はサブアレイ動作を制御する。
A detailed view of the electronically controlled beamforming system of the present invention is shown in FIG. 3A. This system consists of banks 330 1 -330 N of parallel time delay beamforming processors. Each
第2段階デジタルビーム形成器を有する走査ヘッドの使用法が図3Bで示される。この実施例では、好ましい実施例の近接場ビーム形成器であってもよい複数のN個のサブアレイビーム形成器400の各々は、別々の遅延線を持つm個のトランスデューサ素子から信号を受信するが、該遅延線の出力は加算され、ビーム形成器420に提供されるので、このビーム形成器は従来のプロセッサ480を有する従来のシステムであってもよい。別々のサブアレイプロセッサ460がビーム形成器400を制御する。
The use of a scan head with a second stage digital beamformer is shown in FIG. 3B. In this embodiment, each of a plurality of N subarray beamformers 400, which may be the near-field beamformer of the preferred embodiment, receives signals from m transducer elements having separate delay lines. Since the delay line outputs are summed and provided to the
80×80素子の2次元アレイ用に、この階層的な、サブアレイ遠方場、次いで近接場のビーム形成アプローチを使わなければ、該トランスデューサアレイを従来のビーム形成システムへ接続するために、6400本のワイヤから成るケーブルが必要になる。図3Aに示す様に、各サブアレイプロセッサへの入力数は該サブアレイ内の遅延素子の合計数に等しく、各サブアレイは1つの出力しか有しない。サブアレイバンクへの入力数は、2次元アレイ素子の数に等しく、該サブアレイバンクからの出力数は、該サブアレイ素子数で割り算した合計トランスデューサアレイ素子数に等しく、すなわち、入力数基準のサブアレイバンクからの出力数はサブアレイのサイズに等しい倍数で減少する。例えば、もしこの階層的ビーム形成概念を実施するために5×5サブアレイの使用を選ぶなら、第1段階サブアレイビーム形成後、第2段階近接場ビーム形成部に接続するのに要するワイヤの総数は25分の1に減少する。特に、上記で述べた様に、この2次元サブアレイビーム形成部を使うことが無ければ、80×80素子の2次元トランスデューサアレイを従来のバッ
クエンドビーム形成システムに接続するには6400本のワイヤを要する。5×5サブアレイ処理バンクを最初に使うと、該バックエンドビーム形成システムに接続するのに要するワイヤ数は256に減じられる。本発明に基づき、256個の5×5素子サブアレイビーム形成器のバンクは走査ヘッド内の80×80素子2次元アレイと集積化され得るので、256本のワイヤから成るケーブルは、該集積化走査ヘッドをバックエンド近接場ビーム形成システムと接続するのに好適である。5×5サブアレイ遠方場ビーム形成プロセッサは1つの小型シリコン集積回路内に容易に集積化され、8つのこの様な5×5サブアレイビーム形成器は1つのチップ上に集積化され得ることを言及することは重要である。この実施例では、32以下のチップしか走査ヘッド内に集積化されず、それによりケーブルサイズを6400本のワイヤから256本のワイヤに減じられる。
Without using this hierarchical, sub-array far-field, then near-field beamforming approach for a two-dimensional array of 80 × 80 elements, 6400 lines can be used to connect the transducer array to a conventional beamforming system. A cable made of wire is required. As shown in FIG. 3A, the number of inputs to each subarray processor is equal to the total number of delay elements in the subarray, and each subarray has only one output. The number of inputs to the subarray bank is equal to the number of two-dimensional array elements, and the number of outputs from the subarray bank is equal to the total number of transducer array elements divided by the number of subarray elements, that is, from the subarray bank based on the input number The number of outputs decreases by a multiple equal to the size of the subarray. For example, if you choose to use a 5 × 5 subarray to implement this hierarchical beamforming concept, after the first stage subarray beamforming, the total number of wires required to connect to the second stage nearfield beamformer is Decrease by a factor of 25. In particular, as noted above, without using this 2D subarray beamformer, 6400 wires would be required to connect an 80x80 2D transducer array to a conventional backend beamforming system. Cost. Using the 5 × 5 subarray processing bank for the first time reduces the number of wires required to connect to the back-end beamforming system to 256. In accordance with the present invention, a bank of 256 5 × 5 element sub-array beamformers can be integrated with an 80 × 80 element two-dimensional array in a scan head so that a cable consisting of 256 wires can be integrated into the integrated scan. Suitable for connecting the head with a back-end near-field beamforming system. Note that a 5 × 5 subarray far-field beamforming processor is easily integrated in one small silicon integrated circuit, and that eight such 5 × 5 subarray beamformers can be integrated on a single chip. That is important. In this embodiment, no more than 32 chips are integrated into the scan head, thereby reducing the cable size from 6400 wires to 256 wires.
ビーム形成器処理システムは大きな2次元アレイのリターンを同時処理することが出来るタイムドメインプロセッサであり、ポータブルシステム内のアレイ全体の実時間処理が出来る低電力、高集積ビーム形成システムを提供する。192の並列受信チャンネルを有するシステムは実時間の3次元/4次元画像形成応用のためのマトリックス2次元アレイプローブをサポートし、該階層的多段ビーム形成法は低電力でコンパクトな超音波システムと共に使われてもよい。 The beamformer processing system is a time domain processor that can simultaneously process the return of a large two-dimensional array, providing a low power, highly integrated beamforming system capable of real-time processing of the entire array in a portable system. A system with 192 parallel receive channels supports matrix 2D array probes for real-time 3D / 4D imaging applications, and the hierarchical multi-stage beamforming method is used in conjunction with a low power, compact ultrasound system. It may be broken.
図3Bは隣り合う受信素子のグループのビーム形成が2段階で実施される階層的ビーム形成アーキテクチャーを示しており、すなわち、受信素子の各々用の1つの長い遅延の代わりに、1つの共通の長い遅延が該グループ内の全素子により共有されるが、各々は該長い遅延の前に該受信素子自身の短い、プログラマブルな遅延を有する。各グループ内では、該短い遅延の各々からの出力は一緒になるよう加算され、次いで該共通の長い遅延に印加される。この共通の長い遅延特性を有する隣り合う受信素子の小グループは、トランスデューサの“サブアレイ”と規定される。例えば、実時間3次元画像形成用の2次元マトリックスアレイを使う応用のためには、該サブアレイは4×4又は5×5の隣接素子を有する小アレイであってもよい。このサブアレイ内の各素子の第1段階のプログラマブルな遅延はトランスデューサプローブの内部に一体化され、次いで各サブアレイからの加算された出力はバックエンドプロセッサに接続される。それ故、64×48素子の2次元アレイ(3072以上のトランスデューサ素子)用では、もし4×4サブアレイが第1段階ビーム形成用に使われるなら、該先端プローブを該バックエンドプロセッサに接続するには192本の入力/出力ケーブル要素しか要しない。 FIG. 3B shows a hierarchical beamforming architecture in which beamforming of groups of adjacent receiving elements is performed in two stages, ie one common delay instead of one long delay for each of the receiving elements. Long delays are shared by all elements in the group, but each has its own short, programmable delay before the long delay. Within each group, the outputs from each of the short delays are summed together and then applied to the common long delay. A small group of adjacent receiving elements having this common long delay characteristic is defined as a “sub-array” of transducers. For example, for applications that use a two-dimensional matrix array for real-time three-dimensional imaging, the sub-array may be a small array with 4 × 4 or 5 × 5 adjacent elements. The first stage programmable delay of each element in this subarray is integrated within the transducer probe, and then the summed output from each subarray is connected to the backend processor. Therefore, for a two-dimensional array of 64 × 48 elements (3072 or more transducer elements), if a 4 × 4 subarray is used for first stage beamforming, connect the tip probe to the backend processor. Requires only 192 input / output cable elements.
好ましい実施例では、該階層型ビーム形成はまた、実時間2次元画像形成応用のための1次元(1デー)アレイに適用されてもよい。例えば、128素子1次元アレイ用には、8つの隣り合う素子のグループがサブアレイとして一緒にグループ化されてもよい。各サブアレイ内では、該8つの素子の各々は該素子自身の短いプログラマブルな遅延を有し、次いで該8つの遅延の出力は一緒に加算され、次いで共通の長い遅延に印加される。2つの異なる方法がこの2段階実施法に使われ得ることに言及することが重要である。第1実施法では、該短い遅延及び長い遅延の両者を有する全ビーム形成回路がバックエンドプロセッサ内に置かれ、それで128素子1次元アレイ用に、トランスデューサプローブと該バックエンドプロセッサ間の入力/出力ケーブルとして128本の接続ケーブルが使われる。代わりの実施法は全部のサブアレイプロセッサをトランスデューサプローブ内に一体化することであり、すなわち、128素子アレイ用に、各々が8つのプログラマブルな遅延を有する全部で16のサブアレイプロセッサが該トランスデューサプローブ内に一体化されるので、フロントエンド一体化プローブをバックエンドプロセッサと接続するのに16本のケーブル要素しか要しない。ビーム形成機能を完成するにはバックエンド内に16個の長い遅延ビーム形成回路しか要しない。同様に、プローブ内に8つの集積化8素子サブアレイプロセッサを有する64素子アレイ用では、バックエンドプロセッサは8つのビーム形成回路だけに簡単化され、フロントエンド一体化プローブをバックエンドプロセッサに接続するには8本のケーブル要素しか要しない。更に、低電力送信回路及びA/Dコンバータが該フロントエンドプローブ内に一体化されるので、該フロントエンドプローブと該バックエンドプロセッサを接続するために無線通信が使われてもよい。無線のユーエスビー(USB)接続又は無線のファイヤワイヤ(FireWire)接続が使われてもよい。 In a preferred embodiment, the hierarchical beamforming may also be applied to a one-dimensional (one-day) array for real-time two-dimensional imaging applications. For example, for a 128-element one-dimensional array, groups of eight adjacent elements may be grouped together as a subarray. Within each subarray, each of the eight elements has its own short programmable delay, and then the outputs of the eight delays are summed together and then applied to a common long delay. It is important to mention that two different methods can be used for this two-stage implementation. In a first implementation, an entire beamforming circuit having both the short delay and the long delay is placed in a back-end processor, so that an input / output between the transducer probe and the back-end processor for a 128-element one-dimensional array. 128 connection cables are used as cables. An alternative implementation is to integrate all subarray processors into a transducer probe, ie, for a 128 element array, a total of 16 subarray processors, each with 8 programmable delays, are in the transducer probe. Because it is integrated, only 16 cable elements are required to connect the front-end integrated probe with the back-end processor. Only 16 long delayed beamforming circuits are required in the back end to complete the beamforming function. Similarly, for a 64 element array with 8 integrated 8 element subarray processors in the probe, the backend processor is simplified to only 8 beamforming circuits to connect the frontend integrated probe to the backend processor. Requires only 8 cable elements. Furthermore, since a low power transmission circuit and an A / D converter are integrated into the front end probe, wireless communication may be used to connect the front end probe and the back end processor. A wireless USB connection or a wireless Firewire connection may be used.
集積化4×4サブアレイプロセッサを有する64×48素子2次元トランスデューサプローブ485の構造が図3Cで図解される。該64×48素子2次元アレイ487は、各々が64素子を有する1次元アレイの48行のスタッキングを備える。各64素子1次元トランスデューサアレイの素子への接続はフレキシブルケーブルを通して行われるので、トランスデューサヘッド組立体は2次元トランスデューサアレイと48本のフレキシブルケーブル486とを有する。図3Cで示す様に、各サブアレイは4×4素子(又は、サブアレイ当たり少なくとも16素子から256素子までを有するのが好ましい他の長方形又は2次元形状の)を有し、該48本のフレキシブルケーブルは12グループにグループ分けされ、各隣り合う4本のフレキシブルケーブルはプリント回路基板に接続されるが、すなわち行1から行4の1次元トランスデューサアレイに対応するフレキシブルケーブルは第1プリント回路基板488に接続され、行5から行8のフレキシブルケーブルは第2プリント回路基板487に接続され、そして以下、行45から行48のフレキシブルケーブルが第12プリント回路基板に接続されるまで、順に続く。各フレキシブルケーブルの1端は該トランスデューサ素子に接続され、該フレキシブルケーブルの他端は該プリント回路基板上に設置された64素子のフレキシブルコネクターに接続される。各プリント回路基板内には、16個の4×4素子サブアレイプロセッサ489と高電圧マルチプレクサチップ491とがある。該サブアレイプロセッサは、各々がその入力部にある低雑音前置増幅器を有する16の並列プログラマブル遅延線と、アポダイザーとしての別々のプログラマブル掛け算器と、から成り、そして該16個の掛け算器の出力は1つの出力を形成するよう一緒に加算される。各基板内にはまた、4×64素子トランスデューサが送信モードか又は受信モードか何れかで動作することを可能にするために高電圧マルチプレックスチップがある。また、遅延線の各々用にプログラムされる遅延を記憶するためにメモリーチップ490が各プリント回路基板上に設置される。また、電源供給ケーブルと、インターフエース495を通して各プリント回路基板に接続されるデジタル入力部492と、がある。
The structure of a 64 × 48 element two-
1つの64素子トランスデューサアレイ491がフレキシブルケーブル497に接続され、該フレキシブルケーブルの1端が該トランスデューサ素子の各々に接続され、該ケーブルの他端が64ピンフレキシブルコネクターに接続されることを除けば、統合第1段階サブアレイプロセッサを有する64素子1次元アレイの実施例もまた、図3Cの設計を用いて実現され得る。該コネクターはプリント回路基板上に設置される。該プリント回路内には、8つの8素子サブアレイプロセッサがある。各サブアレイプロセッサは8つのプログラム可能な遅延線から成り、各遅延線はその分離された低雑音前置増幅器を有し、そして該遅延線の出力にはアポダイザー(apodizer)、すなわち、ビーム成形機能用掛け算器がある。該8つの掛け算器の出力は1つのアナログ出力を形成するために一緒に加算される。高電圧マルチプレクサー回路チップがまた、該プリント回路基板上に含まれ、該64素子トランスデューサが送信か又は受信か何れかのモードで動作することを可能にする。遅延線の各々用のプログラムされる遅延を記憶するためにメモリーチップがまた、該プリント回路基板上に設置される。また、電源供給ケーブルと各プリント回路基板に接続されるデジタル入力部とがある。
Except that one 64-
統合サブアレイプロセッサを有する64素子(またはそれ以上、例えば128又は256素子)1次元アレイ496の好ましい実施例が図3Dで示される。この実施例では、プリント回路基板を使う代わりに、該サブアレイ処理チップ499a、高電圧マルチプレク
サー回路チップ499b及びメモリーチップ499cがフレキシブルプリント回路又はケーブルに直接設置される(497,498)。ここに説明されるシステムは、心臓画像形成(4次元)用の体腔又は他の体内器官内への挿入用のカテーテル又はプローブと共に使われる。該プローブ又はカテーテル組立体はここで説明した第1の複数のビーム形成器を有する回路ハウジングを備える。
A preferred embodiment of a 64 element (or more, eg 128 or 256 element) one-
各々が改良されたSN比性能を有し、雑音及びケーブル損失を最小化する、2次元アレイビーム形成用の本発明の好ましい実施例が図4,5及び6で説明される。全部の3つの実施例で、コンパクトで低雑音の走査ヘッド500を創るために、m個の並列サブアレイビーム形成プロセッサ520及びマルチプレクサー528のバンクが2次元トランスデューサアレイ525と統合される。図4はコンパクトな走査ヘッドが専用処理モジュールに接続されるシステムを画き、該システム内には、m個の並列の前置増幅器/テージーシーエス(TGCs)522、送信/受信チップ524及び第2段階時間遅延処理ユニット526が納められる。この専用処理モジュールは、ファイヤワイヤアイイーイーイー(FireWire IEEE)1394又はユーエスビー又はピーシーアイバス542を経由してホストコンピュータ540と通信する。制御及び同期化は処理モジュール又はハウジング546内に配置されたシステム制御器544により行われる。図5は図4で述べたものと同じアーキテクチャーを画いているが、例外は該専用処理モジュール内部で、第2段階時間遅延処理ユニットが、手持ちプローブ660及びコンピュータハウジング648に接続されるハウジング620内のチャージドメインプログラマブル{シーデーピー(CDP)}時間遅延線600を使うことにより特別に実施されることである。図6Bは、コンパクトなスパースアレイ走査ヘッド700が、n個の並列ビーム形成チャンネル760を有する従来の、商業的に入手可能なタイムドメインデジタル超音波画像形成システム780に接続されるシステムを画く。図6Aで、時間遅延プロセッサ720はまた、シーデーピー時間遅延線740を使うことにより実現されてもよいことは容易に分かる。これらの実施例では、近接場ビーム形成部は他の画像処理機能と同じハウジング内に収容される720,780。これらのシステムは、両出願がそれら全体の引用によりここに組み入れられる特許文献6及び7で説明されている。
A preferred embodiment of the present invention for two-dimensional array beamforming, each having improved signal-to-noise ratio performance and minimizing noise and cable loss, is illustrated in FIGS. In all three embodiments, a bank of m parallel
2次元トランスデューサアレイの視角に沿い、ビーム形成器遅延と、シェーディングと、をシステム的に変えることにより、3次元放射源を表す視線に沿う戻りエコーは、走査角での走査画像を創るため使われ得る。該システムは毎秒20フレーム以上で、広視野中の連続的実時間大面積被走査画像を提供することが出来る。このフレーム速度では、該システムは連続的3次元画像対時間を表示するため使われ、かくして被走査対象の4次元情報を提供する。図7で示す様に、シーデーピービーム形成チップ810、すなわち時間多重化された計算構造体が多重ビームを発生するため使われ、すなわち、各送信パルス用に、2次元サブアレイビーム形成器818とその対応する第2段階近接場時間遅延線とのバンクは多重ビームをシーケンシャルに提供することが出来る。該計算回路はk個のビームを形成するため必要な遅延をシーケンシャルに発生する。該デバイスは次の様に動作する。一旦サンプルされた戻りエコーのセットが、時刻t1にサンプリング回路814を有する遅延線内に負荷されると、ビーム1を形成するのに要する遅延は各モジュール822内で計算され812、全遅延線に並列に印加される。適当な遅延を有する該サンプルされた戻りエコーはコヒーレントに加算され802、第1ビームを形成するようフィルターされる804。時刻t2には、ビーム2を形成するのに要する遅延が各モジュール内で計算され、全遅延線に並列に印加される。適当な遅延を有する該サンプルされた戻りエコーは第2ビームを形成するようコヒーレントに加算される。該手順はK番目のビームがコヒーレントに形成されるまで繰り返される。
By systematically changing the beamformer delay and shading along the viewing angle of the 2D transducer array, the return echo along the line of sight representing the 3D radiation source is used to create a scanned image at the scan angle. obtain. The system is capable of providing continuous real-time large area scanned images in a wide field of view at 20 frames or more per second. At this frame rate, the system is used to display a continuous 3D image versus time, thus providing 4D information of the scanned object. As shown in FIG. 7, a
例えば、もし16の直列のアドレス可能な出力を有する計算回路がシーデーピーサブアレイ及び第2段階時間遅延線と共に組み入れられるなら、各送信パルス用に、各々が種々
の走査角に沿う16のビーム又は走査線が創られる。15cmのダウンレンジ(down−range)深さを有する256パルス用には、該システムは毎秒20フレームのフレーム速度で64×64の画素解像度を有する4096ビームを発生出来る。該システムは完全にプログラマブルであり、ビーム形成電子機器は高解像度又はより高いフレーム速度画像用により小さい視野へズームインするよう調整され得る。例えば、同じ15cmのダウンレンジ深さを有する192の送信パルスを使って、該システムは毎秒30フレームのフレーム速度で64×48画素解像度で3072本のビームを発生する。
For example, if a computing circuit with 16 serial addressable outputs is incorporated with a CDP subarray and a second stage time delay line, for each transmit pulse, 16 beams or scans each along a different scan angle. A line is created. For 256 pulses with a 15 cm down-range depth, the system can generate 4096 beams with a 64 × 64 pixel resolution at a frame rate of 20 frames per second. The system is fully programmable and the beam forming electronics can be adjusted to zoom in to a smaller field of view for high resolution or higher frame rate images. For example, using 192 transmit pulses with the same 15 cm down-range depth, the system generates 3072 beams at 64 × 48 pixel resolution at a frame rate of 30 frames per second.
説明されたアレイは、3MHzの周波数で2次元の2cm×2cmアレイを使う超音波画像形成応用に取り組む。半波長より短いオーダーの解像度の要求は、コンパクトなパッケージ内に収容され得る出来るだけ大きなアパーチャーを指定する。90度の走査容積を調べ、グレーティングローブの影響を最小化するために、0.25mmより小さい素子ピッチ又は間隔が望ましいので、80×80素子アレイに行き着く。上記説明のサブアレイ処理技術を使い、第2段階近接場ビーム操向/ビーム集束システムが後続する統合サブアレイビーム形成回路付き走査ヘッドが実用的実施例を提供する。しかしながら、該実施例はなお走査ヘッド上に統合されるべき少なくとも32のサブアレイチップを要する。走査ヘッド内に遙かに少ない量の処理部品を有してこの解像度を達成するために、代わりの擬似ランダムアレイ設計アプローチが使われ得る。 The described array addresses ultrasound imaging applications using a two-dimensional 2 cm × 2 cm array at a frequency of 3 MHz. The requirement for resolutions on the order of less than half a wavelength specifies as large an aperture as possible that can be accommodated in a compact package. In order to examine the 90 degree scan volume and minimize the effect of grating lobes, an element pitch or spacing of less than 0.25 mm is desirable, leading to an 80 × 80 element array. Using the subarray processing technique described above, a scanning head with integrated subarray beamforming circuitry followed by a second stage near-field beam steering / beam focusing system provides a practical embodiment. However, the embodiment still requires at least 32 subarray chips to be integrated on the scan head. To achieve this resolution with a much smaller amount of processing components in the scan head, an alternative pseudo-random array design approach can be used.
スパースアレイを実用化するためには、低い照度レベルでの受け入れ可能な画像形成性能を実現するよう低挿入損失と広いバンド幅性能と組み合わせが重要である。4分の1波表整合層は、低い音響インピーダンスを有し、物理的に固体状の裏張りは、受信信号エネルギーの電気エネルギーへの変換で3−4デシベルしか失わないロバストなアレイをもたらす。75%以上のアレイバンド幅はこの設計及び製作過程で典型的である。該トランスデューサアレイはまた、ビーム形成器回路用に好適な素子位置づけと相互接続システムを使う。電子機器はフレキシブルケーブルを経由して該トランスデューサ素子に取り付けられたプリント回路基板上に設置される。実際は、アレイ素子の大半はフレキシブルケーブルを使い出力部に接続される。しかしながら、全素子数のごく一部のみが回路基板に配線される。それにも拘わらず、多数のアレイ素子接続は最終アレイの能動素子位置の独特なパターンを保証するのに充分である。 In order to put a sparse array into practical use, a combination of low insertion loss and wide bandwidth performance is important to achieve acceptable image forming performance at low illumination levels. The quarter wave front matching layer has a low acoustic impedance, and the physically solid backing provides a robust array that loses only 3-4 decibels in converting received signal energy to electrical energy. Array bandwidths greater than 75% are typical for this design and fabrication process. The transducer array also uses a suitable element positioning and interconnection system for the beamformer circuit. The electronic device is installed on a printed circuit board attached to the transducer element via a flexible cable. In practice, most array elements are connected to the output using a flexible cable. However, only a small part of the total number of elements is wired on the circuit board. Nevertheless, multiple array element connections are sufficient to ensure a unique pattern of active element locations in the final array.
スパースアレイの例として、256の能動素子を有する2×2cmアレイを仮定すると、最終充填率は4%である。該アレイの出力のSN比は能動素子の数に比例するので、この充填率は、同じ寸法の充填済みアレイに比較した時、−13デシベルの感度損失に対応する。この損失を補償するために、より広いバンド幅の被送信信号がアレイ感度を高めるよう選ばれる。ここに提示したアプローチでは、感度は約10デシベルのオーダーで高められる。スパースアレイデバイスに関する更に進んだ詳細は内容が引用によりここに組み入れられる特許文献8で見出される。 As an example of a sparse array, assuming a 2 × 2 cm array with 256 active elements, the final fill factor is 4%. Since the S / N ratio of the output of the array is proportional to the number of active elements, this fill factor corresponds to a sensitivity loss of -13 dB when compared to a packed array of the same size. To compensate for this loss, a wider bandwidth transmitted signal is chosen to increase array sensitivity. With the approach presented here, the sensitivity is increased on the order of about 10 dB. Further details regarding sparse array devices can be found in US Pat.
アレイの素子の位置づけは、主ローブに対抗するグレーティングローブをもたらす何等かの周期性を除去するよう注意が払われねばならない手法を取る。擬似ランダム又はランダムアレイが使われてもよい(図8A)。グレーティング及びサイドローブのクラッターを最小化しながら、ビーム形成器の効率を最大化する活性素子配置の形状が展開される。走査される関心領域又は関心体積に対して種々のビーム角度で最も効率的ビームパターンを提供するために複数の異なるアレイパターンの間の切り替えが行われる。かくして、第1パターンは図8Aに図解するパターンを使用するが、該パターンは次いで異なる走査角用の第2パターンに切り替えられる。これは第2角度で走査するために与えられたアレイを囲む近傍880内のトランスデューサ素子を選択する過程を含んでもよい。
The positioning of the elements of the array takes an approach where care must be taken to remove any periodicity that results in a grating lobe against the main lobe. A pseudo-random or random array may be used (FIG. 8A). Active element configuration shapes are developed that maximize beamformer efficiency while minimizing grating and sidelobe clutter. Switching between a plurality of different array patterns is performed to provide the most efficient beam pattern at various beam angles for the region or volume of interest being scanned. Thus, the first pattern uses the pattern illustrated in FIG. 8A, which is then switched to the second pattern for a different scan angle. This may include selecting a transducer element in the
最適化方法の第1の目標は平均サイドローブエネルギーを最小化することである。特に
、これは最適基準をインタラクティブに評価することにより行われる:
The primary goal of the optimization method is to minimize the average sidelobe energy. In particular, this is done by interactively evaluating optimal criteria:
ここで重み付け関数、W(ux,uy)、はサイドローブ減少を求めるアレイ応答内領域にもっと多くの重みを付ける。該最適化方法は重み付け無し{すなわち、W(ux,uy)=1}で始まり、該最適化基準を充たすもっと良い重み付け関数を次々と選ぶことにより進行する。最大の減少を求めるサイドローブはあらかじめ計算されたビームパターン、B(ux,uy)、に関係付けられるので、該重み付けはW(ux,uy)=B(ux,uy)となるよう選ばれる。これは収束するまでインタラクティブの仕方で行われる。 Here, the weighting function, W (u x , u y ), gives more weight to the region in the array response for which the sidelobe reduction is to be obtained. The optimization method begins with no weighting {ie, W (u x , u y ) = 1} and proceeds by successively selecting better weighting functions that satisfy the optimization criteria. Maximum sidelobe seeking reduced beam pattern precomputed, B (u x, u y ), the so is related, the weighting W (u x, u y) = B (u x, u y) Chosen to be This is done interactively until convergence.
基本的に、ランダムアレイは、Nを該アレイ内の能動素子の総数とした場合、Nの主ローブ対平均サイドローブ比を有する画像形成点像分布関数(imaging point
spread function)を作ることが出来る。256素子のスパースアレイ例については、最終比は−13デシベルである。広いバンド幅アプローチの使用はこの比を10デシベルだけ改善する。前記最適化基準に基づき、アレイ素子の擬似ランダム配置が発生された(図8A)。
Basically, random arrays have an imaging point spread function with N main lobe-to-average sidelobe ratio, where N is the total number of active elements in the array.
spread function). For the 256 element sparse array example, the final ratio is -13 decibels. The use of a wide bandwidth approach improves this ratio by 10 dB. Based on the optimization criteria, a pseudo-random arrangement of array elements was generated (FIG. 8A).
図8Bは3MHzにおける256素子のまばらにサンプルされたアレイについてのアレイ性能、感度対クロス範囲のプロットである。ピークから最大サイドローブレベルまでは約30デシベルである。この性能を改善するために、該システムは可能な最大の主ローブ対クラッターレベル比を達成するよう構成され、該比は独立に検証された。 FIG. 8B is a plot of array performance, sensitivity vs. cross range for a sparsely sampled array of 256 elements at 3 MHz. The peak to maximum side lobe level is about 30 dB. In order to improve this performance, the system was configured to achieve the maximum possible main lobe to clutter level ratio, which was independently verified.
図9Bはスパースアレイ走査ヘッド900がm個の平行ビーム形成チャンネルを有する従来の商業的に入手可能なタイムドメインデジタル超音波画像形成システム940に接続されたシステムを画いている。図9Aで、時間遅延プロセッサがまた、別のコンピュータ927に接続されたハウジング925内のシーデーピー時間遅延線920を使うことにより実現されることを分かることは容易である。m個のマルチプレクサー906のアレイは、ソフトウエアプログラムとシステム制御器940又はプロセッサ950を使って実行される走査パターンのシーケンス間切り替えを行うため使われる。スパースアレイパターンのシーケンスはかくして、それらの3次元超音波画像形成を提供するため画像形成される対象を種々の走査角度で走査するよう選択される。
FIG. 9B depicts a system in which a sparse
電子的に調整可能な音響的コンフォーマルレンズシステムにより発生される3次元多重ビームボリューム画像データを可視化、操作、及び解析するため商業的に入手可能なウインドウベースの3次元可視化ソフトウエアが使われる。従来、診断用の2次元超音波画像部を有する臨床医は2次元走査画像をスライス毎に見て、患者の組織を判断するためにその情報を頭の中で3次元表現に再生する。この手順は臨床医が根拠の十分な経験のみならず人体組織の高度に洗練された理解を有することを要求する。“完成した”画像から3次元構造体を創るために、臨床医は全ての利用可能なスライスを考慮せねばならない。数百のスライスを見ることは、例え1人の患者についてでも、余りに時間を費やす。3次元ボリュームデータに基づく3次元可視化は、多重走査されたビーム形成データのセットから再構成された患者の組織の3次元表現を臨床医に提供することによりこの問題の克服を助ける。 Commercially available window-based 3D visualization software is used to visualize, manipulate and analyze 3D multi-beam volume image data generated by an electronically adjustable acoustic conformal lens system. Conventionally, a clinician having a diagnostic two-dimensional ultrasound image section views a two-dimensional scanned image for each slice and reproduces the information in a three-dimensional representation in the head in order to determine a patient's tissue. This procedure requires the clinician to have a highly sophisticated understanding of human tissues as well as sufficient evidence of evidence. In order to create a three-dimensional structure from a “finished” image, the clinician must consider all available slices. Viewing hundreds of slices takes too much time, even for a single patient. Three-dimensional visualization based on three-dimensional volume data helps overcome this problem by providing clinicians with a three-dimensional representation of patient tissue reconstructed from multiple scanned beamforming data sets.
インド、チェンナイ市のケービーブイアイエステクノロジー(KB−VIS technologies,Chennai,India)のケービー−ブォル3デー(KB−V
ol3D)の様な商業的に入手可能なソフトウエアツールは
・高速ボリュームレンダリング(Fast Volume−Rendering)
・シェーデッドサーフェイスディスプレー(Shaded Surface Display)
の様な、3次元的特徴の表示又は視認を提供する。
KB-
Commercially available software tools such as (ol3D) are: • Fast Volume-Rendering
・ Shaded Surface Display
The display or viewing of a three-dimensional feature is provided.
シェーデッドサーフェイスモジュールはボリューム内の面の容易な可視化を可能にする。面は輝度ベースのしきい値設定(Intensity−based thresholding)で創られる。代わりに、シーディング(Seeding)オプションは関心のある特定結合構造体の選択を可能にする。 The shaded surface module allows easy visualization of surfaces in the volume. Surfaces are created with intensity-based thresholding. Instead, the Seeding option allows the selection of the specific binding structure of interest.
・ラディアルス(Radials)を用いたエムアイピー(最大値投影法)
・斜め及び2重斜めと3次元相関を用いたエムピーアール(多断面変換表示法)
・エムアールピースラブアンドマルチカット(MRP Slabs & Multi−Cuts)
・カーブドエムピーアール(曲面変換表示法)
・エディターを用いたカラー及び不透明性プリセット
・領域拡張及び立体測定
・スラブ立体を用いたカットアウェイビューイング(Cutaway Viewing)とインタラクティブ実時間ブイオーアイ(VOI)
・ MIP (maximum value projection method) using Radials
・ MPR using diagonal and double diagonal and three-dimensional correlation (multi-section conversion display method)
・ Mr Peace Love and Multi-Cut (MRP Slabs & Multi-Cuts)
・ Curved MPPR (Surface conversion display method)
-Color and opacity presets using editor-Area expansion and stereo measurement-Cutaway viewing and interactive real-time buoy eye (VOI) using slab solids
立体内部は“カットアウェイビューイング”ツールを使って容易に可視化される。切断面(Cut−Plane)は該立体を通るようスライスし、内部領域を示すため使われる。該切断面はマウスを使って容易に位置付けられ、配向される。 The interior of the volume is easily visualized using the “Cut Away Viewing” tool. The cut plane (Cut-Plane) is sliced through the solid and is used to indicate the internal area. The cutting plane is easily positioned and oriented using a mouse.
ブイオーアイ(関心体積)ツールはインタラクティブに、実時間で、関心体積を表示することを可能にする。ユーザーは容易なクリックアンドドラッグのマウス操作を行って、関心部分体積を非常に容易に、そして実時間で分離して、見ることが出来る。 The buoy eye (interest volume) tool allows interactive display of the volume of interest in real time. The user can perform a simple click-and-drag mouse operation to view the partial volume of interest very easily and in real time.
・多数フォーマットでの画像保存 ・ Image saving in multiple formats
ケービー−ブォル3デー(KB−Vol3D)により表示された画像は種々の画像フォーマット{ダイコム(DICOM)、ジェイペグ(JPEG)及びビーエムピー(BMP)他を含む}に取り込まれ得る。 Images displayed by CB-Vol3D (KB-Vol3D) can be captured in various image formats {including DICOM, JPEG (JPEG) and BM (BMP), etc.}.
・エイブイアイフォーマットでのムービー取り込み ・ Capture movies in ABI format
可視化操作はまた、エイブイアイムービー エルイー(AVI movie.le)に取り込まれ、ウィンドウズメディアプレイヤー(Windows Media Player)、クイックタイム (Quick−Time)、及びリアルプレイヤー(Real
Player)他上で再生され得る。
Visualization operations are also captured in AVI movie.le, Windows Media Player, Quick-Time, and Real Player (Real).
Player) et al.
本発明は図10で示される様にポータブルコンピュータ14に接続された走査ヘッド12を使って実施され得る。超音波システム10はまた、プローブ12をプロセッサハウジング14に接続するケーブル16を有する。或る実施例は、ビーム形成器デバイスを有するインターフエースユニット13を使ってもよい。これらの特許の内容全体が引用によりここに組み入れられる特許文献9,10で詳細に説明される様に、走査ヘッド12はトランスデューサアレイ15A(2デー)と、マルチプレクサー及び/又はビーム形成部品を収容出来る回路ハウジング15Bと、を有してもよい。
The present invention may be implemented using a
送信用スパースアレイと非重なり合い完全実装アレイとを使う2次元アレイ構成が受信用に使われる。N×M素子アレイについては、最適のスパースアレイ配置を有するm個の素子のみが送信用に使われ、次いで残りのNM−m個の素子が受信アレイとして使われる。例えば、40×60素子の2次元アレイについては、256素子が送信素子として使われ、該送信素子の配置は選択基準に基づき最適化され、残りの2144素子は受信素子として使われる。この実施例は2次元アレイ用に必要なマルチプレクサー要求を簡単化し、その場合該マルチプレクサーはインターフエースハウジング内に設置されてもよい。 A two-dimensional array configuration using a sparse array for transmission and a non-overlapping fully assembled array is used for reception. For an N × M element array, only m elements with an optimal sparse array arrangement are used for transmission, and then the remaining NM-m elements are used as a receive array. For example, for a two-dimensional array of 40 × 60 elements, 256 elements are used as transmitting elements, the arrangement of the transmitting elements is optimized based on selection criteria, and the remaining 2144 elements are used as receiving elements. This embodiment simplifies the required multiplexer requirements for a two-dimensional array, in which case the multiplexer may be installed in the interface housing.
ほぼ完全実装した40対60の受信アレイ50用の素子配置の例が図11に示される。該2400素子アレイは256個のスパースアレイ送信素子により立ち退かされ、2144個の受信素子配置を生ずる。これらの受信素子は独立しており、該スパースアレイ送信素子と重なり合わない。好ましい実施例では、該送信素子は総アレイ素子数の25%より少なく、好ましくは15%より少なく構成するのがよい。
An example of an element arrangement for a 40 to 60 receive
上述の受信アレイのビームパターンの方位及び仰角の断面は図12で示される。第1サイドローブは中央ピークに対して約−13デシベルである。グレーティングローブは該ピークに対し−30デシベルより小さい。2次元アレイの高さより幅が広い場合、方位ビーム幅{青(実線)でプロットされる}は仰角ビーム幅{緑(点線)でプロットされる}より僅かに狭い。 A cross section of the azimuth and elevation angle of the beam pattern of the receiving array described above is shown in FIG. The first sidelobe is about -13 dB relative to the central peak. The grating lobe is less than −30 dB relative to the peak. If the width is wider than the height of the two-dimensional array, the azimuth beam width {plotted in blue (solid line)} is slightly narrower than the elevation beam width {plotted in green (dotted line)}.
図13では、上述の方位ビームパターンの拡大図が詳細な主ローブ及びサイドローブ構造を示す。この場合についてはビーム幅が約1.5度である。該ビームパターンは完全実装した60×40素子ビームパターンと略同一である。受信アレイビームパターンは図14で示される。上述の様に、受信スパースアレイは2144素子から成る。256(送信)素子による該アレイの中央部の立ち退かせによりサイドローブはない。 In FIG. 13, the enlarged view of the azimuth beam pattern described above shows a detailed main lobe and side lobe structure. In this case, the beam width is about 1.5 degrees. The beam pattern is substantially the same as a fully mounted 60 × 40 element beam pattern. The receive array beam pattern is shown in FIG. As mentioned above, the receive sparse array consists of 2144 elements. There is no sidelobe due to the eviction of the center of the array by 256 (transmit) elements.
該256個の送信スパースアレイ60用の最終素子配置の例が図15で示される。該256素子の配置は完全実装したアレイの中央の32×32素子に限定される。これらの素子は独立しており、受信アレイ素子と重なり合わない。送信スパースアレイビームパターンの断面図は図16で示される。第1サイドローブは中央ピークに対し約−17デシベルである。グレーティングローブは該ピークに対し−27デシベルより小さい。該スパースアレイ最適化アルゴリズムは方位は+/−45度で、仰角は+/−45度でサイドローブエネルギーを最小化する。
An example of the final element arrangement for the 256 transmit
図17は図15で示すスパース送信アレイのビームパターンを示す。該送信ビームパターンは4×4ビームデータピラミッドを均一にカバーするよう設計される。該送信スパースアレイは完全実装した2400素子アレイの256素子副集合から成る(約10%を充たす)。送信及び受信サイドローブエネルギーを+/−45度方位領域、+/−45度仰角領域内で最小化するために、送信/受信アレイ設計アルゴリズムによる配置は750回以上の繰り返しを要した。図18に示す様に750回の繰り返し後、最終のスパース送信アレイ素子配置は平均サイドローブエネルギーをビームパターンの中央ピークに対し−35デシベルより小さく限定する。 FIG. 17 shows a beam pattern of the sparse transmission array shown in FIG. The transmit beam pattern is designed to uniformly cover the 4 × 4 beam data pyramid. The transmit sparse array consists of a 256 element subset of a fully assembled 2400 element array (filling approximately 10%). In order to minimize the transmit and receive sidelobe energy in the +/− 45 degree azimuth region and the +/− 45 degree elevation region, the placement by the transmit / receive array design algorithm required over 750 iterations. As shown in FIG. 18, after 750 iterations, the final sparse transmit array element arrangement limits the average sidelobe energy to less than -35 dB relative to the central peak of the beam pattern.
毎秒20より多い3次元画像を64×64の4096走査ビームを用いて3次元の立体画像を実時間で発生するために、2次元のマトリックス配列を電子的に走査出来る低電力超音波システムが説明される。各送信パルス用に、該システムは16の被受信ビームを発生出来る。加えて、該設計は1.5次元アレイをドライブし、システムの感度を改良するために、パルス圧縮用に広いバンド幅の符号化された送信波形をサポートすることが出来る。広いバンド幅は、距離分解能損失無しに、低電力送信バーストの長さを伸ばすことが出来るチャープ化又はコード化波形(ピーエヌシーケンス)の使用を可能にする。これら
の特徴の組み合わせは携帯型手持ち式デバイス内に填る電子システム付き画像形成アレイをもたらす。
A low-power ultrasound system that can electronically scan a two-dimensional matrix array to generate more than 20 three-dimensional images in real time using a 64x64 4096 scanning beam for more than 20 three-dimensional images Is done. For each transmit pulse, the system can generate 16 received beams. In addition, the design can support a wide bandwidth encoded transmit waveform for pulse compression to drive a 1.5 dimensional array and improve system sensitivity. The wide bandwidth allows the use of chirped or coded waveforms (PN sequences) that can extend the length of low power transmission bursts without loss of distance resolution. The combination of these features results in an imaging array with an electronic system that fits within a portable handheld device.
該ビーム成形器処理システムは大きな2次元アレイの応答を同時処理するタイムドメインプロセッサであり、アレイ全体の実時間処理を提供し、かくして手で持てる、低コストユニットを提供する低電力、高集積ビーム形成器である。 The beamformer processing system is a time domain processor that simultaneously processes the response of a large two-dimensional array, providing real-time processing of the entire array, thus providing a low-cost, highly integrated beam that can be held by hand. It is a former.
2次元マトリックスアレイを使う実時間3次元超音波画像形成を求める強い要求がある。この節では、実時間3次元画像形成をサポートするために超音波システムで必要な受信ビーム形成チャンネルの最小数を解析する。48×64素子アレイの様な合理的な寸法をサポートするために最小で192の並列受信ビーム形成チャンネルが必要なことが示される。 There is a strong demand for real-time three-dimensional ultrasound imaging using a two-dimensional matrix array. In this section, we analyze the minimum number of receive beamforming channels required in an ultrasound system to support real-time 3D imaging. It is shown that a minimum of 192 parallel receive beamforming channels are required to support reasonable dimensions such as a 48 × 64 element array.
2次元トランスデューサアレイの面を比較的小さいサブアレイの平面“タイル”に分けるために電子的に調整可能な音響的コンフォーマルレンズを有するシステムの例が、内容が引用によりここに組み入れられる特許文献5で形成されるが、アレイ全体のビーム形成は2つの段階に分けられ、第1は小アパーチャーのサブアレイビーム形成であり、それに続く第2段階の該サブアレイの各々からの出力の大アパーチャーコヒーレント加算がある。画かれている様に、タイル/サブアレイは、対象が画像形成システムの視野内に置かれた時、該対象から各“タイル”への入射放射が遠方場近似を使って取り扱われるよう、充分に小さくされ得る。しかしながら、より広い応用を可能にするよう、近接場ビーム形成能力は該サブアレイビーム形成システムの現実の実施例に組み入れられた。全てのサブアレイがコヒーレントに加算されることを可能にするため追加の遅延素子が第2段階処理として組み入れられた。該遅延和(delay−and−sum)ビーム形成器は各サブアレイが特定の方向から放射する信号を“探す”ことを可能にする。該アレイの各素子と関連する遅延を調整することにより、該アレイの見る方向は放射源に向かうよう電子的に操向され得る。該サブアレイ内の各素子用の遅延線要求は百段階より少なくてもよい。最終の近接場集束用にはグローバル加算用の長い遅延だけが必要となる。本発明の電子制御ビーム形成システムの詳細線図は特許文献5の図14Aで示される。このシステムは並列の時間遅延ビーム形成プロセッサのバンクから成る。各プロセッサは2つの部品、すなわち小アパーチャービーム操向/集束用の2次元サブアレイビーム形成器と、各対応するサブアレイからの出力の階層的近接場ビーム形成を可能にする追加的時間遅延プロセッサと、から成る。m個のサブアレイを有するシステム用に上記で参照した図14Aで見られる様に、m個の並列のプログラマブルな第2段階近接場時間遅延は全てのm個の並列出力がコヒーレントに加算されることを可能にするために個別遅延調整用に必要である、一方この加算された出力は目標対象の3次元画像を提供する。 An example of a system having an acoustically conformable lens that is electronically adjustable to divide the plane of a two-dimensional transducer array into relatively small sub-array planar “tiles” is described in US Pat. Although formed, the beamforming of the entire array is divided into two stages, the first being a sub-array beamforming of small apertures, followed by a large aperture coherent addition of outputs from each of the sub-arrays of the second stage . As depicted, the tile / subarray is sufficiently large so that when the object is placed in the field of view of the imaging system, incident radiation from the object to each “tile” is handled using a far field approximation. Can be made smaller. However, near-field beamforming capabilities have been incorporated into the actual embodiment of the subarray beamforming system to allow for wider applications. An additional delay element was incorporated as a second stage process to allow all subarrays to be added coherently. The delay-and-sum beamformer allows each subarray to “look” for a signal that radiates from a particular direction. By adjusting the delay associated with each element of the array, the viewing direction of the array can be electronically steered toward the radiation source. The delay line requirements for each element in the subarray may be less than a hundred steps. Only a long delay for global addition is required for final near-field focusing. A detailed diagram of the electronically controlled beam forming system of the present invention is shown in FIG. This system consists of a bank of parallel time-delay beamforming processors. Each processor has two components: a two-dimensional subarray beamformer for small aperture beam steering / focusing, and an additional time delay processor that enables hierarchical near-field beamforming of the output from each corresponding subarray; Consists of. As seen in FIG. 14A referenced above for a system with m subarrays, m parallel programmable second stage near-field time delays allow all m parallel outputs to be coherently added. This summed output provides a three-dimensional image of the target object, while necessary for individual delay adjustment to enable
80×80素子2次元アレイ用で、この階層的なサブアレイ小アパーチャー、次いで大アパーチャーのビーム形成アプローチを使わなければ、6400本のワイヤから成るケーブルが、該トランスデューサアレイを従来のビーム形成システムに接続するために、必要であることを理解することは容易である。上記で参照した特許文献5の図14Aで示す様に、各サブアレイプロセッサへの入力の数は該サブアレイ内の遅延素子の合計数と等しく、各サブアレイは1つの出力しか有しない。すなわち、サブアレイへの入力の数はそのサブアレイと関連したトランスデューサ素子の数に等しい。サブアレイ出力の数は、サブアレイの数で割り算した合計トランスデューサアレイ素子数に等しい。例えば、もしこの階層的ビーム形成システムを実現するために5×5サブアレイの使用を選択するならば、第1段階サブアレイビーム形成後、該第2段階近接場ビーム形成部に接続するのに要するワイヤの合計数は25分の1に減少する。特に、上述の様に、この2次元サブアレイビーム形成を使わなければ、80×80の2次元トランスデューサアレイを従来のバックエンドビーム形成部に接続するために6400本のワイヤが必要である。最初に5×5サブアレイ処理バンクを使うと、該バックエンドビーム形成システムへ接続するために必要なワイヤの数は256に減じられる。本発明のこの例に基づいて、256の5×5素子サブアレイビーム形成器のバンクが走査ヘッドの80×80素子2次元アレイと一体化されると、256本のワイヤから成るケーブルが集積化された走査ヘッドとバックエンド近接場ビーム形成システムを適切に接続する。
For an 80x80 two-dimensional array, if this hierarchical subarray small aperture then large aperture beamforming approach is not used, a 6400 wire cable connects the transducer array to a conventional beamforming system. It is easy to understand what is necessary to do. As shown in FIG. 14A of
5×5サブアレイ小アパーチャービーム形成プロセッサは小サイズのシリコン集積回路内に容易に集積化され、8つのこの様な5×5サブアレイビーム形成部は1つの集積回路上に集積化され得ることを言及することは重要である。サブアレイは一般に、3×3サブアレイから8×8サブアレイまでに対応する9と64の間のトランスデューサ素子を有することを注意されたい。好ましい範囲は正方形アレイ形状については4×4及び6×6アレイであるか、それらの間である。長方形サブアレイはまた、好ましくは3×4、4×5,又は4×6が使われるのがよい。4分の1λ誤差最小基準が使われることを注意されたい。僅か32の集積回路デバイスが走査ヘッド内に組み入れられる必要があるだけで、ケーブルサイズを6400本のワイヤから256本のワイヤに減じ得る。同様に、64×48素子の2次元アレイについては、最初にトランスデューサハウジング内の4×4サブアレイ処理バンクを使うと、バックエンドビーム形成チャンネルの数は192に減じられる。 Note that a 5x5 subarray small aperture beamforming processor is easily integrated into a small size silicon integrated circuit, and that eight such 5x5 subarray beamformers can be integrated on a single integrated circuit. It is important to do. Note that subarrays generally have between 9 and 64 transducer elements corresponding to 3x3 to 8x8 subarrays. Preferred ranges are or between 4x4 and 6x6 arrays for square array shapes. Rectangular subarrays are also preferably used in 3x4, 4x5, or 4x6. Note that the quarter λ error minimum criterion is used. With only 32 integrated circuit devices needing to be incorporated into the scan head, the cable size can be reduced from 6400 wires to 256 wires. Similarly, for a two-dimensional array of 64 × 48 elements, using the 4 × 4 subarray processing bank in the transducer housing first, the number of back-end beamforming channels is reduced to 192.
本発明では、各々が、改良されたSN比性能を有する雑音及びケーブル損失を最小化する2次元アレイビーム形成用の好ましい実施例が、図4−6Bで説明される。これらの実施例では、m個の並列サブアレイビーム形成プロセッサのバンクが、コンパクトな、低雑音走査ヘッドを創るために2次元トランスデューサアレイと一体化される。図4はコンパクトな走査ヘッドが専用処理モジュールに接続され、m個の並列前置増幅器/テージーシーエス(TGCs)、送信/受信チップ及び第2段階時間遅延処理ユニットが収容される。この専用処理モジュールはファイヤワイヤ、ユーエスビー又はピーシーアイバスを経由してホストコンピュータ540と通信する。制御及び同期化は該処理モジュール内に配置されたシステム制御器により行われる。図5は図4で述べられたと同じアーキテクチャーを画くが、例外事項は該専用処理モジュール内部で、該第2段階時間遅延処理ユニットは特にチャージドメインプログラマブル時間遅延線を使うことにより実施されることである。図6A及び6Bは、該コンパクトな走査ヘッドが、m個の並列ビーム形成チャンネルを有する従来の、商業的に入手可能なタイムドメインデジタル超音波画像形成システムと接続されるシステムを画いている。図6Aと6Bで、該時間遅延プロセッサが又シーデーピー時間遅延線を用いて実現され得ることは容易に分かる。
In the present invention, a preferred embodiment for two-dimensional array beamforming, each minimizing noise and cable loss with improved signal-to-noise ratio performance, is illustrated in FIGS. 4-6B. In these embodiments, a bank of m parallel subarray beamforming processors is integrated with a two-dimensional transducer array to create a compact, low noise scanning head. In FIG. 4, a compact scan head is connected to a dedicated processing module and accommodates m parallel preamplifiers / tagged circuits (TGCs), transmit / receive chips and a second stage time delay processing unit. This dedicated processing module communicates with the
該システムの好ましい実施例では、図19−24Bと連携して示される様に、大アパーチャービーム形成システムが超音波画像形成システムの主プロセッサハウジング内に組み入れられる。 In the preferred embodiment of the system, a large aperture beamforming system is incorporated into the main processor housing of the ultrasound imaging system, as shown in conjunction with FIGS. 19-24B.
組織内の音の速度は約1500cm/秒なので、15cmの深さを貫入する音波の往復伝播時間は約20マイクロ秒である。診断品質画像を提供するには、実時間3次元画像形成用として、毎秒20個より多いフレーム速度の3次元立体画像向けの少なくとも64×64の走査ビームを必要とする。各送信ビーム用に、該実時間3次元画像形成システムは、好ましい3次元フレーム速度要求を充たすために、各送信パルスのための少なくとも16ビームを形成出来ねばならない。この節では直列時間多重送信ビーム形成と、並列同時タイムドメインビーム形成実施と、の両者を取り扱う。 Since the speed of sound in the tissue is about 1500 cm / sec, the round-trip propagation time of a sound wave that penetrates a depth of 15 cm is about 20 microseconds. Providing diagnostic quality images requires at least 64 × 64 scanning beams for 3D stereoscopic images with more than 20 frame rates per second for real-time 3D image formation. For each transmit beam, the real-time 3D imaging system must be able to form at least 16 beams for each transmit pulse to meet the preferred 3D frame rate requirements. This section deals with both serial time multiplexed transmit beamforming and parallel simultaneous time domain beamforming implementations.
16ビーム走査の要求を達成するために、直列及び並列アーキテクチャーの組み合わせが使われてもよく、すなわち、該システムは2つのビームを形成するためにフロントエンドの時間多重化された直列ビーム形成要素技術を使い、次いで、バックエンドプロセッサ
での8個の並列ビーム形成法が続くか、又は該システムは各直列出力ビーム用に、4つの直列ビームを形成し、次いで該バックエンドプロセッサが4つの並列ビームを形成する等である。
To achieve the 16 beam scanning requirement, a combination of serial and parallel architectures may be used, i.e., the system is a front-end time-multiplexed serial beamforming element to form two beams. Using technology, followed by 8 parallel beamforming methods on the back-end processor, or the system forms 4 serial beams for each serial output beam, and then the back-end processor Such as forming a beam.
2次元トランスデューサアレイの視認角度に沿い、ビーム形成器遅延とシェーディングをシステマチックに変化させることにより、該3次元放射源を表す視線に沿う戻りエコーが、その走査角度での走査画像を創るため使われてもよい。該システムは毎秒20フレーム以上で広視野内の連続実時間大面積走査画像を提供出来る。図7で示す様に、シーデーピービーム形成チップ内では、多重ビームを発生するために時間多重化された計算構造が使われ、すなわち、各送信パルス用に、2次元サブアレイとその対応する第2段階近接場時間遅延線とのバンクはシーケンシャルに多重ビームを提供することが出来る。該計算回路はK個のビームを形成するために要する遅延をシーケンシャルに発生する。該デバイスは下記シーケンスを使って動作するが、すなわち:一旦サンプルされた戻りエコーのセットが該遅延線内に負荷されると、時刻t1でビーム1を形成するのに要する遅延が各モジュール内で計算され、全遅延線に並列に印加される。サンプルされた適当な遅延付き戻りエコーは第1ビームを形成するためにコヒーレントに加算される。時刻t2でビーム2を形成するため必要な遅延が各モジュール内で計算され、並列に全遅延線に印加される。サンプルされた適当な遅延付き戻りエコーは第2ビームを形成するためコヒーレントに加算される。該手順はK番目のビームがコヒーレントに形成されるまで繰り返される。
By systematically changing the beamformer delay and shading along the viewing angle of the two-dimensional transducer array, the return echo along the line of sight representing the three-dimensional radiation source is used to create a scanned image at that scanning angle. It may be broken. The system can provide continuous real-time large area scanned images within a wide field of view at 20 frames per second or more. As shown in FIG. 7, in the CDP beamforming chip, a time-multiplexed calculation structure is used to generate multiple beams, ie, for each transmitted pulse, a two-dimensional subarray and its corresponding second Banks with staged near-field time delay lines can provide multiple beams sequentially. The calculation circuit sequentially generates the delay required to form K beams. The device operates using the following sequence: Once a set of sampled return echoes is loaded into the delay line, the delay required to form
例えば、もし16の直列のアドレス可能な出力を有する計算回路が、プロセッササブアレイ及び第2段階時間遅延線と組み合わされるなら、各送信パルス用に、各々が異なる走査角度に沿う16のビーム又は走査線が創られ得る。15cmの深さのダウンレンジを有する256のパルス用に、該システムは毎秒20フレームのフレーム速度で64×64画素解像度を有する4096ビームを発生出来る。該システムは完全にプログラマブルで、該ビーム形成電子機器は高解像度の又はより高いフレーム速度の画像用に、より小さい視野へズームインするよう調整されることが出来る。例えば、15cmの同じダウンレンジ深さを有する192の送信パルスを使って、該システムは毎秒30フレームのフレーム速度で64×48画素解像度を有する3072ビームを発生出来る。 For example, if a computing circuit with 16 serial addressable outputs is combined with a processor subarray and a second stage time delay line, 16 beams or scan lines, each along a different scan angle, for each transmit pulse Can be created. For 256 pulses with a down range of 15 cm depth, the system can generate 4096 beams with a 64 × 64 pixel resolution at a frame rate of 20 frames per second. The system is fully programmable and the beam forming electronics can be adjusted to zoom in to a smaller field of view for high resolution or higher frame rate images. For example, using 192 transmit pulses with the same down-range depth of 15 cm, the system can generate 3072 beams with a 64 × 48 pixel resolution at a frame rate of 30 frames per second.
ビーム形成システムの目的は画素点から受信した信号をトランスデューサアレイ上に集束することである。特定の方向に伝播する波頭を整合させるようビーム形成器内に適当な遅延を挿入することにより、関心のある方向から到着する信号はコヒーレントに加算される一方、他の方向からの信号はコヒーレントに加算されないか、又は打ち消される。放射源から焦点までの飛行時間(time−of−flight)は計算され、並列の多数の到来方向からの全てのチャンネル用のメモリー内に記憶される。従来の実施例では、各ビーム用に別々の電子回路が必要であり、多重ビームシステム用では、最終電子機器はビーム数が増えると急激に嵩張り、コスト高になる。例えば、線形の192素子アレイ用のビーム形成部は各々が128λより大きいプログラマブル遅延長さを有する192の並列遅延線を要する。4つの平行ビームを形成するために、例えば、合計768のプログラマブルの長い遅延線が必要である。多重ビーム用に必要な電子機器を簡単化するために、階層的2段階ビーム形成システムを説明する。 The purpose of the beamforming system is to focus the signal received from the pixel points onto the transducer array. By inserting an appropriate delay in the beamformer to match the wavefronts propagating in a particular direction, signals arriving from the direction of interest are added coherently while signals from other directions are coherently added. Not added or canceled. The time-of-flight from the source to the focus is calculated and stored in memory for all channels from multiple directions of arrival in parallel. Conventional embodiments require a separate electronic circuit for each beam, and for a multiple beam system, the final electronic equipment becomes rapidly bulky and expensive as the number of beams increases. For example, a beamformer for a linear 192 element array requires 192 parallel delay lines each having a programmable delay length greater than 128λ. In order to form four parallel beams, for example, a total of 768 programmable long delay lines are required. In order to simplify the electronics required for multiple beams, a hierarchical two-stage beamforming system is described.
階層的ビーム形成の概念は飛行時間計算を2部分に分けることであり、第1部分は、粗い解像度で、小アパーチャーのビーム形成用の短い遅延であり、これに精細な解像度で、大アパーチャーのビーム形成用の長い遅延が続く。図19には2次元アレイ用の3次元微分遅延方程式が示されている。この方程式はアレイ素子(xm、ym)の遅延差を(該2次元アレイの中心に対する)距離と角度、シータ及びファイ、との関数として示す。該方程式は全てのym(素子位置のy座標)を0に設定することにより1次元配列に変えられる。該遅延差は、角度ファイ=0に設定することにより(立体の代わりに)単一平面に限
定され得る。
The concept of hierarchical beamforming is to divide the time-of-flight calculation into two parts, the first part is a coarse resolution, a short delay for the beam formation of a small aperture, with a fine resolution and a large aperture A long delay for beam formation follows. FIG. 19 shows a three-dimensional differential delay equation for a two-dimensional array. This equation shows the delay difference of the array elements (x m , y m ) as a function of distance (relative to the center of the two-dimensional array) and angle, theta and phi. The equation can be changed to a one-dimensional array by setting all y m (y coordinates of element positions) to zero. The delay difference can be limited to a single plane (instead of a solid) by setting the angle phi = 0.
2段階遅延の操作を例示するためには、遅延差プロフアイルが該1次元又は2次元アレイ内の全素子用に発生されねばならない。これを行うために、該微分遅延方程式が計算され、全ての遅延差が与えられた距離での角度シータ及びファイの関数として作表された。例えば、図20に示す様に、2次元アレイの中心の近くの素子について遅延差プロフアイルがプロットされた。 In order to illustrate the operation of a two-stage delay, a delay difference profile must be generated for all elements in the one-dimensional or two-dimensional array. To do this, the differential delay equation was calculated and all delay differences were tabulated as a function of angle theta and phi at a given distance. For example, as shown in FIG. 20, the delay difference profile was plotted for elements near the center of the two-dimensional array.
2段階遅延システムでは、前記過程からの作表されたデータが粗い遅延と細密な遅延とに分けられる。該粗い遅延と細密な遅延とを分ける方法を決定するため、最大遅延差誤差が制限される(典型的には、1サンプル以下の最大遅延差誤差を有するよう設定する)。(前記過程からの)該作表された遅延はまた、受信要素が有効にされる時期を決定するためにも使われる。例えば、図21は少数の素子について遅延差誤差を距離の関数として画く。最悪ケースの遅延差(青でプロットされたデータ)は、シータ=−45度、ファイ=−45度の方向から画像データを受信しようと企てる2次元アレイの隅部(シータ=+45度、ファイ=+45度)の素子用である。この場合については、最大遅延差は制限より大きく(>1サンプル誤差)、従って該素子は、約100サンプルより大きい範囲まで受信することを有効にされない。 In a two stage delay system, the tabulated data from the process is divided into a coarse delay and a fine delay. To determine how to separate the coarse and fine delays, the maximum delay difference error is limited (typically set to have a maximum delay difference error of 1 sample or less). The tabulated delay (from the process) is also used to determine when the receiving element is enabled. For example, FIG. 21 depicts the delay difference error as a function of distance for a small number of elements. The worst case delay difference (data plotted in blue) is the corner of a two-dimensional array (theta = + 45 degrees, phi == theta = −45 degrees, phi = −45 degrees) attempting to receive image data. +45 degrees). For this case, the maximum delay difference is greater than the limit (> 1 sample error), so the element is not enabled to receive to a range greater than about 100 samples.
階層的2段階平行ビーム形成システム958のブロック線図が図22Aで示される。約6.81kg(15ポンド)より軽い重さの、図10の12の様な手持ちプローブの2次元トランスデューサアレイ960がビーム形成システム964の入力に接続される前に増幅器962に接続される。該ビーム形成システムは複数の短い遅延線を有しており、該遅延線の出力は加算回路968でコヒーレントに加算されるが、該加算回路の加算出力は長い遅延線970に供給され、該長い遅延線の出力はまた、加算回路972で加算される。第1段階の粗いビーム形成は、例えば、この特定の実施例の8つの隣り合う受信器に於ける小アパーチャーからの戻りエコーをコヒーレントに加算する過程を有する。該アパーチャーの小さい寸法のために、各短い遅延の遅延長さは約8λにしか過ぎない。それで、192素子入力、24のこの様な小アパーチャーについて、粗いビームが形成される。それら24のビームの各々は次いで、大アパーチャーの、精細解像度のビーム形成用に、その対応するプログラマブルな長い遅延線に印加される。4本の平行ビームを形成するには、4つのこの様なビーム形成構造体が必要である。図22A見られる様に、この階層的実施例は、24本の粗いビームを形成するために、192の短い遅延しか必要とせず、次いでこれに、各1つが128λより短いプログラマブルな遅延長さを有する24の長い遅延線が続く。4本の平行ビーム用に、192の短い遅延にプラスして96の長い遅延しか必要でなく、このことは電子部品及び電力の意味で大きな節約を提供する。
A block diagram of a hierarchical two-stage
更に、各小アパーチャーの、短い遅延線内では、チャージドメイン処理回路からのタップ位置出力を選択するため飛行時間制御回路が使われるが、該制御回路はタップ付けされた遅延線出力を非破壊的に検出する。各受信器はビームシェーディング/アポディゼーション用の掛け算器を有する。各プロセッサ内では、全ての掛け算器は共通の出力を共有する。加算された電荷は、減じられたSN比を有する画像形成パルスを作るよう戻りエコーをデコードし、圧縮するために整合フィルターに印加される。階層的加算がデジタル式に行われるようA−D変換器又はオンチップチャージドメインA−D変換器が使われてもよい。 In addition, within each short aperture, within the short delay line, a time-of-flight control circuit is used to select the tap position output from the charge domain processing circuit, which non-destructively outputs the tapped delay line output. To detect. Each receiver has a beam shading / apodization multiplier. Within each processor, all multipliers share a common output. The summed charge is applied to a matched filter to decode and compress the return echo to produce an imaging pulse having a reduced signal-to-noise ratio. An A-D converter or an on-chip charge domain A-D converter may be used so that the hierarchical addition is performed digitally.
好ましい実施例では、ビーム形成器出力とバックエンドプロセッサの間で高速デジタル通信接続を使うことが重要である。前に説明した様に、各トランスデューサ素子で受信したアナログ戻りエコーは信号処理時A−D変換器(A/D)によりデジタル信号に変換される。図22Bのビーム形成器974で示す様に、A−D変換器976は各短い遅延線の
入力で使用され、時間遅延はデジタル式に行われる。或いは代わりに、図22Cの実施例980で示す様に、該A−D変換器982は各粗いビームの出力で使われてもよく、該長い遅延はデジタル式に行われてもよい。該A−D変換は入手可能な個別部品を使って行われてもよく、或いは好ましい実施例では、チャージドメインA−D変換器が、デジタル式に行われる階層的加算を伴う該チャージドメインビーム形成器と同じ集積回路上に形成されてもよい。
In the preferred embodiment, it is important to use a high speed digital communication connection between the beamformer output and the backend processor. As described above, the analog return echo received by each transducer element is converted into a digital signal by an A / D converter (A / D) during signal processing. As shown by
コード化された又はスペクトラム拡散式の信号の使用法は通信社会で大きな愛顧を得て来た。該使用法は今や衛星、セルラー、そして有線デジタル通信システムで日常的に使われている。スペクトラム拡散コード化無しの3MHz正弦曲線の5サイクルの例が図23Aで示される。コード化された又はスペクトル拡散式のシステムは有限の時間−バンド幅積を有する、ブロードバンドの、1時的に延ばされた励振信号を送信する。その受信信号は改良したSN比を有する画像形成パルスを作るようデコードされる。超音波画像形成システムでコード化信号を使う利点は、ピーク音響出力を著しく下げながら、高解像度画像形成の使用法を提供することである。これらの信号はまた、システム全体の受信感度を改良する信号処理利得を提供する。直接シーケンス変調はコードシーケンスによる搬送波の変調である。実際は、この信号はAM(パルス)、FM、振幅、位相又は角度変調とすることが出来る。該信号はまた、指定時間の後に繰り返す2進値のシーケンスを含む擬似ランダムな又はピーエヌ(PN)のシーケンスであってもよい。 The use of coded or spread spectrum signals has gained great patronage in the communications community. The usage is now routinely used in satellite, cellular, and wired digital communication systems. An example of 5 cycles of a 3 MHz sinusoid without spread spectrum coding is shown in FIG. 23A. Coded or spread spectrum systems transmit broadband, temporarily extended excitation signals with finite time-bandwidth products. The received signal is decoded to produce an imaging pulse having an improved signal to noise ratio. An advantage of using coded signals in an ultrasound imaging system is that it provides high resolution imaging usage while significantly reducing peak acoustic power. These signals also provide signal processing gain that improves the overall receiver sensitivity. Direct sequence modulation is the modulation of a carrier by a code sequence. In practice, this signal can be AM (pulse), FM, amplitude, phase or angle modulation. The signal may also be a pseudo-random or PN sequence that includes a sequence of binary values that repeats after a specified time.
超音波で、スペクトル拡散/コード化励振送信波形を使う概念は、長さPの送信パルスの基本シーケンスを、コード長さNを有するコードシーケンスで、変調する過程を有する。NバーストのコードパルスシーケンスはNチャープコードと呼ばれることが多い。5つのチャープバーカー(Chirp Barker)コーディング[111−11]を有するゲートされた3MHz正弦曲線の例が図23Bで示される。各“チャープ”はゲートされた送信波形の1サイクルに対応する。かくして、図23Bは第4サイクルが反転されていることを除けば、図23Aのそれと略一致して見える。図23A及び図23Bの両者では、連続線は連続的にサンプルされた正弦曲線波形を表すが、クロスハッチされた点はサンプルされた信号であり、そこではサイクル当たり10サンプルが取られている。長さN×Pを有するコード化パルスシーケンスは、出力スペクトルをより長い持続時間に亘り拡散することにより、送信メディア内のピーク出力を有効に減ずることが出来る。スペクトル拡散の/コード化された戻りエコーを受信すると、改良されたSN比(SNR)を有する画像形成パルスを作るために、受信信号をデコードするようパルス圧縮整合フィルターが使われてもよい。N×Pコード化パルスシーケンスのSN比改善は10log(NP)である。それで、長さ7のバーカーコードと2サイクルバースト送信波形については、11.4デシベルのSN比改善が達成される。しかしながら、本システムでは、送信及び受信波形はSのオーバーサンプル比でオーバーサンプルされる。典型的に、S=4のオーバーサンプル比が使われた。そこで次いで、10log(NPS)のSN比改良を有する画像形成パルスを作るために、戻りエコーをデコードし、圧縮するよう受信端で、N×P×Sのタップ長さを有する整合フィルターが使われてもよい。上記例では、N=7、P=2、S=4で、17.5デシベルのSN比が達成される。 The concept of using a spread spectrum / coded excitation transmit waveform with ultrasound has the process of modulating a basic sequence of transmit pulses of length P with a code sequence having a code length N. An N burst code pulse sequence is often called an N chirp code. An example of a gated 3 MHz sinusoid with 5 Chirp Barker coding [111-11] is shown in FIG. 23B. Each “chirp” corresponds to one cycle of the gated transmit waveform. Thus, FIG. 23B looks almost identical to that of FIG. 23A, except that the fourth cycle is inverted. In both FIGS. 23A and 23B, the continuous line represents a continuously sampled sinusoidal waveform, but the cross-hatched point is the sampled signal, where 10 samples are taken per cycle. A coded pulse sequence having a length N × P can effectively reduce the peak power in the transmission media by spreading the output spectrum for a longer duration. Upon receiving the spread spectrum / coded return echo, a pulse compression matched filter may be used to decode the received signal to produce an imaging pulse having an improved signal-to-noise ratio (SNR). The SN ratio improvement of the N × P coded pulse sequence is 10 log (NP). Thus, for a length 7 Barker code and a 2-cycle burst transmit waveform, an SNR improvement of 11.4 dB is achieved. However, in this system, the transmit and receive waveforms are oversampled with an S oversample ratio. Typically, an oversample ratio of S = 4 was used. Therefore, a matched filter with a tap length of N × P × S is used at the receiving end to decode and compress the return echo to produce an imaging pulse with an SN ratio improvement of 10 log (NPS) May be. In the above example, a signal-to-noise ratio of 17.5 dB is achieved with N = 7, P = 2, and S = 4.
送信信号を形成する好ましい方法が図24A−24Cで示される。基本シーケンスは図24Aで見られる様な単一パルスである。5チャープバーカーコード[111−11]を使って、該バーカーコードを用いた該基本シーケンスのたたみ込み(convolution)が図24Bで表わされる。最後に、該システムは図24Cで示す様に該連続波形のオーバーサンプルされた版を送信し、6回オーバーサンプルされた波形が送信波形として使われる。 A preferred method of forming the transmit signal is shown in FIGS. 24A-24C. The basic sequence is a single pulse as seen in FIG. 24A. The convolution of the basic sequence using the Barker code using the 5 chirp Barker code [111-11] is represented in FIG. 24B. Finally, the system transmits an oversampled version of the continuous waveform as shown in FIG. 24C, and the waveform oversampled 6 times is used as the transmit waveform.
各、送信され、拡散、コード化され、励振される波形用に、4つの平行な、圧縮された
ビームを形成出来る192チャンネル受信ビーム形成システムが図25Aのビーム形成器システム985で示される。この実施例では、2段階の階層的ビーム形成アーキテクチャーが使われ、最初に、小アパーチャー短遅延ビーム形成器986が信号を出力するが、該信号は8つの隣り合うトランスデューサからの戻りエコーのコヒーレント式に加算されたものであり、次いでパルス圧縮整合フィルター987が該受信信号をデコードするよう追随し、この圧縮された信号988は長遅延線に印加され、ビーム形成要求を完了する。図25Bのシステム990では、A−D変換器992が該整合フィルター出力の各々で組み入れられる。次いで、長い遅延が第2段階デジタル遅延線実施例を使ってデジタル式に行われる過程が続く。
A 192 channel receive beamforming system capable of forming four parallel, compressed beams for each transmitted, spread, coded and excited waveform is shown in
整合フィルターの実施例は図25Cで示される。該フィルター994はサンプリング回路995から信号を受信するK段階のタップ付き遅延線と、K個のプログラマブル掛け算器と、から成る。拡散され、粗くビーム形成された信号である、fnは該遅延線の入力に連続的に印加される。該遅延の各段階で該信号は非破壊式に検出され、タップ重み996である、Wkを掛け算され、ここでk=1,2,3,..,K−2,K−1,Kである。該重み付けられた信号は圧縮された出力gn998を創るために、加算回路997で一緒に加算される。時刻t=nで
gn=fn−1W1+fn−2W2+fn−3W3+...+fn−K−2WK−2+fn−K−1WK−1+fn−KWK
An example of a matched filter is shown in FIG. 25C. The
図24A−24Cに示す例を使うと、もし該システムが6回オーバーサンプルされた、5つのチャープのバーカーコードを送信し、該整合フィルターの重みが該送信された5つのチャープのバーカーコード励振波形の時間的反転として選択されるなら、該整合フィルターは、10log(5×6)=15デシベルのフィルター利得を有する、圧縮され、デコードされ、パルス化された信号(図25D参照)である相互相関出力999を作る。
Using the example shown in FIGS. 24A-24C, if the system transmits 5 chirped Barker codes oversampled 6 times and the matched filter weights the transmitted 5 chirped Barker code excitation waveforms The matched filter is a cross-correlation that is a compressed, decoded and pulsed signal (see FIG. 25D) with a filter gain of 10 log (5 × 6) = 15 decibels.
請求項は、その結果に向け述べられてない限り、詳述された順序又は要素に限定されるとして読まれるべきでない。次の請求項とそれの等価物の範囲と精神の中に入る全ての実施例は本発明として請求される。 The claims should not be read as limited to the described order or elements unless stated to that effect. All embodiments that fall within the scope and spirit of the following claims and their equivalents are claimed as the invention.
Claims (24)
第2ハウジング内の第2の複数のビーム形成器であって、該第2の複数のビーム形成器は該プローブハウジングと通信し、該第2の複数のビーム形成器は第2段階ビーム形成動作を行うために画像データを該第1の複数のサブアレイビーム形成器から受信し、第2段階ビーム形成動作を行い及びビーム形成された画像データを生成するために該第2の複数のビーム形成器が第1段階ビーム形成動作から画像データを受信するように該複数の第1のサブアレイビーム形成器が並列動作により第1段階ビーム形成動作を行う、該第2の複数のビーム形成器と、そして
3次元超音波画像データを提供するためにビーム形成された画像データを処理するデータ処理システムと、を具備する
医療用超音波画像形成システム。 A two-dimensional transducer array and the and the first plurality of sub-arrays beamformer within the probe housing in the probe housing, stores beamformer control data for controlling the first stage beamforming operation in the probe housing The first plurality of subarray beamformers connected to a memory device in the probe housing;
A second plurality of beamformers in the second housing , wherein the second plurality of beamformers communicates with the probe housing, and the second plurality of beamformers is in a second stage beamforming operation. the image data received from the first plurality of sub-arrays beamformer for performing the second stage beam forming operation is performed and beamformed more beamformer second to produce image data The second plurality of beamformers, wherein the plurality of first sub-array beamformers perform a first stage beamforming operation in parallel operation such that the first subarray beamformer receives image data from the first stage beamforming operation; and
A medical ultrasound imaging system comprising: a data processing system for processing the beamformed image data to provide three-dimensional ultrasound image data .
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FR3086063B1 (en) * | 2018-09-13 | 2022-11-11 | Moduleus | ULTRASOUND IMAGING DEVICE |
JP7504194B2 (en) | 2019-08-13 | 2024-06-21 | ゼッド メディカル,インコーポレイティド | Multi-sensor catheter assembly |
CN113768539B (en) * | 2021-09-15 | 2023-07-14 | 南京超维景生物科技有限公司 | Ultrasonic three-dimensional imaging method and device, computer equipment and storage medium |
EP4220220A1 (en) * | 2022-01-27 | 2023-08-02 | Pulsify Medical | Electronic system |
Family Cites Families (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2632846B2 (en) * | 1987-04-30 | 1997-07-23 | ジーイー横河メディカルシステム株式会社 | Phased Array Sonar |
JP2961903B2 (en) * | 1991-02-07 | 1999-10-12 | 株式会社日立製作所 | Ultrasonic three-dimensional imaging device |
US5685308A (en) * | 1994-08-05 | 1997-11-11 | Acuson Corporation | Method and apparatus for receive beamformer system |
JPH09313487A (en) * | 1996-05-29 | 1997-12-09 | Ge Yokogawa Medical Syst Ltd | Method and device for ultrasonic three-dimensional photographing |
US6111816A (en) * | 1997-02-03 | 2000-08-29 | Teratech Corporation | Multi-dimensional beamforming device |
US6530887B1 (en) * | 1996-12-24 | 2003-03-11 | Teratech Corporation | Ultrasound probe with integrated electronics |
US5938611A (en) * | 1998-03-26 | 1999-08-17 | General Electric Company | Method and apparatus for color flow imaging using coded excitation with single codes |
US6113545A (en) * | 1998-04-20 | 2000-09-05 | General Electric Company | Ultrasonic beamforming with improved signal-to-noise ratio using orthogonal complementary sets |
JP4903928B2 (en) * | 1999-04-23 | 2012-03-28 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | Three-dimensional flow imaging method and apparatus using coded excitation |
KR100350026B1 (en) * | 2000-06-17 | 2002-08-24 | 주식회사 메디슨 | Ultrasound imaging method and apparatus based on pulse compression technique using a spread spectrum signal |
US6491634B1 (en) * | 2000-10-13 | 2002-12-10 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Sub-beamforming apparatus and method for a portable ultrasound imaging system |
US6487433B2 (en) * | 2001-01-08 | 2002-11-26 | General Electric Company | Method and apparatus using golay-coded excitation for echocardiology |
US7141020B2 (en) * | 2002-02-20 | 2006-11-28 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Portable 3D ultrasound system |
EP1491913B1 (en) * | 2003-06-25 | 2006-09-27 | Aloka Co. Ltd. | Ultrasound diagnosis apparatus comprising a 2D transducer with variable subarrays |
JP3977827B2 (en) * | 2003-06-25 | 2007-09-19 | アロカ株式会社 | Ultrasonic diagnostic equipment |
JP4087762B2 (en) * | 2003-07-24 | 2008-05-21 | アロカ株式会社 | Ultrasonic diagnostic equipment |
JP4557575B2 (en) * | 2004-03-25 | 2010-10-06 | 株式会社東芝 | Ultrasonic diagnostic equipment |
US7635334B2 (en) * | 2004-04-28 | 2009-12-22 | Siemens Medical Solutions Usa, Inc. | Dynamic sub-array mapping systems and methods for ultrasound imaging |
US7914454B2 (en) * | 2004-06-25 | 2011-03-29 | Wilk Ultrasound Of Canada, Inc. | Real-time 3D ultrasonic imaging apparatus and method |
US7874991B2 (en) * | 2006-06-23 | 2011-01-25 | Teratech Corporation | Ultrasound 3D imaging system |
US7687976B2 (en) * | 2007-01-31 | 2010-03-30 | General Electric Company | Ultrasound imaging system |
-
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