JP5847719B2 - 超音波３次元画像形成システム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は２００８年９月３０日に出願された米国特許出願第１２／２８６，５５５号の一部継続出願である２００９年９月１５日出願の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０９／５６９９５号の一部継続出願である２００９年９月３０日出願の米国特許出願第１２／５７０，８５６号の一部継続出願であり、そしてチャン氏他（Ｃｈｉａｎｇ ｅｔ ａｌ．）の、発明の名称“超音波３次元画像形成システム（Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ３Ｄ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）”の、２００８年９月１５日に出願された米国特許出願公開第６１／１９２，０６３号の優先権を主張する。本出願はまた、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日出願の国際出願第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。

本出願は一般的に医療用超音波画像形成システムに関し、特に心臓全体をカバーする実時間３次元画像形成システムに関する。

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ための業界標準となっている。２次元（２Ｄ）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（３Ｄ）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成形チャンネルを要する。この様なシステムを動作させるために要する能力はデジタル遅延ビーム成形器を用いたアナログ位相シフト技術の使用に帰着するが、画像品質を妥協する結果となる。

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なる改良の要求が引き続き存在する。加えて、この改良された能力は４次元（４Ｄ）機能として連続実時間ディスプレーをサポートすべきである。

米国特許出願第１２／５７０，８５６号明細書、 国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０９／５６９９５号パンフレット 米国特許出願第１２／２８６，５５５号明細書 米国特許出願第６１／１９２，０６３号明細書 米国特許出願第１１／４７４，０９８号明細書 国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０１４５２６号パンフレット 米国特許第６，２９２，４３３号明細書 米国特許第６，７２１，２３５号明細書 米国特許第６，１０６，４７２号明細書 米国特許第６，８６９，４０１号明細書

Ｃｈｉｋｏｓ ｅｔ ａｌ．、"Ｖｉｓｕａｌ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｏｔａｌ Ｈｅａｒｔ ｖｏｌｕｍｅ ａｎｄ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｃｈａｍｂｅｒ Ｓｉｚｅ ｆｒｏｍ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｈｅｓｔ Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｓ"、Ａｍ． Ｊ． Ｒｏｅｎｔｇｅｎｏｌ １２８：３７５−３８０、Ｍａｒｃｈ １９７７

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（２Ｄ）配列を使って３次元（３Ｄ）画像形成を提供する超音波医療画像形成システムに関する。本発明の実施例は高い解像度と多数の画像モダリティとを有する医療用画像形成のシステムと方法を提供する。

好ましい実施例では、プローブハウジングは、第２ビーム形成回路を有する第２ハウジングに、ビーム形成されたデータを送信する第１ビーム形成回路を有する。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、走査ヘッドから第２ビーム形成回路を有する第２ハウジングに送信され、該第２回路は近接場のビーム操向及びビーム集束を提供する。

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、該システム内では該走査ヘッドは従来のビーム形成処理機能への入力を提供する。走査ヘッドビーム形成器は少なくとも３２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できる。

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１部分だけ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ために、該アレイの４つのコーナーの素子を選択し、平均サイドローブエネルギーと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該ビームを操向するために、ピーク対サイドローブ比を維持するよう、種々のトランスデューサ素子が適切なシーケンスで駆動されなければならない。該ビームを種々の角度に向けるトランスデューサ駆動用に望ましいシーケンスを提供するようシステムプロセッサはプログラムされてもよい。代わりに、スパースアレイ駆動を制御するよう離散制御器が使われてもよい。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の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、該システム内では該走査ヘッドは該従来のビーム形成処理機能に入力を提供する。もう１つの実施例では、送信アレイ素子及び受信アレイ素子は独立に操作されてもよく、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である（ａ ｎｅａｒ ｆｕｌｌｙ ｐｏｐｕｌａｔｅｄ ａｒｒａｙ）。好ましい実施例では、マルチプレクサ及びビーム形成器の回路はインターフェースシステム内か、又は代わりにホスト処理システム内に集積化され、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もよい。

本発明はビーム形成器内の各段階の遅延素子における非破壊検出を利用する。それ故、例えば、６５段階の遅延線では、各段階の１つに伴う６４の利用可能な出力がある。時間分解能は１／８λから１／１６λの範囲内にある。

プローブ内の高電圧マルチプレクサと該非破壊検出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。

３次元（３Ｄ）ディスプレー能力に加えて、例えば、毎秒１０フレーム以上で記録された一連の画像を記録、表示するために、第４の次元又は時間分解された画像表示が使われてもよい。これは毎秒３０フレームのビデオフレーム速度で、血液又は流体の流れ；心臓壁運動他の様な急速に変化する特徴の視認を可能にする。

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使用し、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ビーム形成操作を行い第１ビーム形成データを生成し、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に第２ビーム形成操作を行う第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ビーム形成操作を行う第３ビーム形成段階へ送られる。

該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。データはまた、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操作を利用し、そして第２段階は直列ビーム形成操作を提供してもよい。

本発明の好ましい実施例は、人体心臓の様な大きな容積の実時間画像形成を、該心臓の種々の部分のゲーテッド像を順々に撮り、次いで該画像を一緒につなぎ合わせる必要無しに、行う。これは多重ビームがシンプルパルスで送信され得るビーム形成アーキテクチャーを使って行われる。これは１心周期すなわち１心拍動内での成人心臓画像の収集を提供する。これは狭帯域位相シフトビーム形成システム及び／又はタイムドメインビーム形成システムで行われてもよい。該トランスデューサプローブハウジング及び該システムメインプロセッサハウジング内に分布する並列及び直列ビーム形成部品を使うことにより、軽量携帯式及びカート設置式のシステムが実時間の全容積の心臓画像形成用に使うことが出来る。

医療用超音波画像形成では、送信波形が１つの基本周波数Ｆ_０であり、関心の受信信号が高調波、一般に、第２高調波（２Ｆ_０）又は第３高調波（３Ｆ_０）、である、高調波画像形成の要求がある。関心の高調波信号は身体内の画像目標体で生成され、そして送信波形内の高調波には関心がない。従って、明瞭な応答を得るために送信波形から高調波成分を抑制することが重要である。

送信回路は方形波か又は正弦波か何れかの励振を発生出来る。方形波パルス発生器は正弦波パルス発生器より一般に低廉であり、該方形波パルス発生器は超音波画像形成機器で広く使われる。しかしながら、典型的な方形波自身は高レベルの第３高調波を含む。本発明は著しく減じられた量の第３高調波しか作らない変型方形波形を使い、かくしてより低廉なパルス発生器を使って実質的に改良された高調波画像形成を提供する。

本発明の超音波画像形成用の２次元のタイル状アレイの使用法を図解する。 本発明の操向可能な２次元アレイを図解する。 遠方場のビーム操向及び集束用第１ビーム形成デバイスと、近接場のビーム形成用の第２時間遅延ビーム形成器と、の使用法を図解する。 データをデジタルビーム形成器へ送る第１アナログサブアレイビーム形成器を図解する。 ２次元トランスデューサプローブ用走査ヘッドを図解する。 フレキシブル回路基板とケーブル組立体とを利用する好ましい実施例を図解する。 ４つのシーケンシャルなビームを形成出来る１６チャンネルサブアレイビーム形成器を有する、集積回路ビーム形成器デバイスを備える好ましい実施例の顕微鏡写真である。 超音波トランスデューサシステム内のスイッチ動作用に使われるマルチプレクサの好ましい実施例を図解する。 本発明の好ましい実施例のスイッチタイミング図を図解する。 本発明の好ましい実施例の１６チャンネル高電圧マルチプレクサ集積回路チップの顕微鏡写真である。 本発明の好ましい実施例の８チャンネルマルチプレクサチップの回路図である。 心臓画像形成用のゲーテッド取得シーケンスを図解する。 毎秒少なくとも６つの３次元容積画像を有するシングル複写パルスを備える複数のビームを使う全心臓画像形成超音波走査を図解する。 図３Ｃで示すプローブの様なプローブを使う超音波システムを図解する。 直列ビーム出力を有するサブアレイビーム形成器を備える超音波システムを図解する。 第３段階ビーム形成器（５１０）用の出力を生成する第２段階サブアパーチャービーム形成器（５０９）を有する超音波システムを図解する。 トランスデューサプローブハウジング内に集積化された制御器を有する超音波システムを図解する。 トランスデューサプローブハウジング内に集積化された制御器及び送信回路を有する超音波システムを図解する。 並列出力データを作る並列時間遅延プロセッサ（５１９Ｐ）を有する超音波システムを図解する。 本発明の集積化サブアレイ走査ヘッドに依る３次元画像形成システムの好ましい実施例を図解する。 第２の時間遅延ビーム形成用のチャージドメインプロセッサを使う本発明の集積化サブアレイ走査ヘッドの好ましい実施例を図解する。 第２段階ビーム形成超音波プロセッサを有する本発明の集積化サブアレイ走査ヘッドプローブの使用法を図解する。 デジタルビーム形成プロセッサを有する集積化サブアレイ走査ヘッドの使用法を図解する。 本発明の超音波システムを図解する。 本発明で使われるスパースアレイを図解する。 スパースアレイ性能をグラフ線図で図解する。 チャージドメインビーム形成処理を有するホストシステムに接続される本発明の集積化スパースアレイ走査ヘッドプローブの使用法を図解する。 ｍ個の並列ビーム形成部品を有する従来のデジタル超音波システムに接続された本発明の集積化スパースアレイ走査ヘッドプローブの使用法を図解する。 本発明の好ましい実施例のポータブルコンピュータに接続された走査ヘッドを図解する。 受信素子が、送信アレイから独立した、および送信アレイと重複しない、ほぼ全部が充填された受信アレイを図解する。 受信アレイビームパターンの方位角及び仰角に対する断面図をグラフで図解する。 メインローブ及びサイドローブ構造を示す図１２の方位角に対するビームパターンの拡大部分である。 ほぼ全部充填された受信アレイビームパターンを図解する。 本発明のスパースアレイ用に選択された送信位置を示す。 図１５の実施例の送信スパースアレイビームパターンの断面図を図解する。 スパース送信アレイビームパターンを図解する。 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制限することが可能なことを図解する。 ２次元微分遅延方程式を図解する。 遅延差プロフアイルを図解する。 遅延差誤差を図解する。 ４つの並列ビーム形成システムのシステムプロセッサの実施例を図解する。 スペクトル拡散超音波送信用のコード化されない及びコード化された送信波形を図解する。 送信信号を形成する過程を図解する。 整合フィルターを有する好ましい実施例を図解する。 方形波信号及び第３高調波画像形成用の変型方形波送信信号を図解する。 ゴレーの第１及び第２コードについての整合フィルターテンプレートを図解する。 該第１及び第２ゴレーコードのフィルターテンプレートの基本波及び第３高調波の自己相関を図解する。 図２７Ｃ及び２７Ｄに示す２つの自己相関の和を示す。 第１及び第２の１０ビットのゴレーコードの第３高調波テンプレートの例を図解する。 加算出力を用いたサイドローブの打ち消しを図解する。

本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フォーカスすることである。特定方向に伝播する波頭にビーム形成器内で適切な遅延を挿入することにより、関心のある方向から到来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ーレントには加算されないか、又は打ち消される。実時間３次元応用では、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。従来のインプリメンテーションを使うと、最終電子機器は、素子数が増加するにつれ、急激に嵩張り、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”システムアプローチ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では、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択される。

電子技術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なサブアレイの平面“タイル”に分割することである。こ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７で説明され、図１で図解される様に、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”に向かう入射放射１２２は遠方場近似を使って取り扱えるように該タイル／サブアレイ１２０は充分小さくされる。全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に、追加遅延素子が第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）。該遅延和の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、該アレイの視認方向は放射源に向かうよう電子技術的に操向される。かくして、１２４ａで見られる様に、１方向に視認する代わりに、タイル１２０の方向は異なる方向１２４ｂ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１００段階よりは少なくてよい。グローバルな加算用の長い遅延のみが最終近接場集束用に必要になる。

操向可能なビーム形成システムを使って画像面を走査するために、図２に示す様なプロセスが使われてもよい。２次元操向可能なトランスデューサアレイ２６４を使って画像面２６２を走査するためにラスタースキャン２６０が使われてもよい。

本発明の電子制御ビーム形成システムの詳細図は図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３３０_１−３３０_Ｎのバンクから成る。各プロセッサ３３０は２つの要素：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追加時間遅延プロセッサ３３４と、から成る。サブアレイ３３２は、タップセレクター３４２を有するｍ個のプログラム可能な遅延線３４０、マルチプレクサ３４４及び加算出力部３４６を有する。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用では、ｎ個の並列プログラム可能な第２段階近接場時間遅延が個別遅延調整用に必要であり、該時間遅延は全部のｎ個の並列出力がコヒーレントに加算される３５４ことを可能にするためにＡ−Ｄコンバータ３５２で変換され、順にこの加算された出力はフィルターにかけられ３３８、目標対象の３次元画像を提供する。プロセッサ３３６はサブアレイ操作を制御する。

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、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、別々の遅延線を有するｍ個のトランスデューサ素子から信号を受けるが、該遅延線の出力が加算され、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。

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、８０×８０素子の２次元アレイ用には、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、６，４００本のワイヤから成るケーブルが必要になる。図３Ａで示される様に、各サブアレイプロセッサへの入力数は、該サブアレイ内の合計遅延素子数に等しく、各サブアレイは１出力しか有しない。各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、すなわち入力数規準の該サブアレイバンクからの出力数は、該サブアレイのサイズに等しい倍数で減じられる。例えば、この階層的ビーム形成概念を実施するために５×５サブアレイを使うことを選択するなら、第１段階サブアレイビーム形成後に、第２段階近接場ビーム形成への接続に必要なワイヤの合計数は２５分の１に減少する。特に、上に述べた様に、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のビーム形成システムへ接続するために６４００本のワイヤが必要になる。最初に５×５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システムへ接続するのに要するワイヤ数は２５６に減じられる。本発明に基づくと、２５６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、該バックエンド近接場ビーム形成システムへ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小型のシリコン（Ｓｉ）集積回路内に容易に集積化され、この様な５×５サブアレイビーム形成器の８つは１つのチップ上に集積化され得る。この実施例で、３２個以下のチップしか該走査ヘッド内に集積化されるに過ぎず、それにより、ケーブルサイズを６，４００本のワイヤから２５６本のワイヤへ減じられる。

該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に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を実時間処理することが出来る低電力、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、該階層的多段階ビーム形成器は低電力でコンパクトな超音波システムと共に使用されてもよい。

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、各素子は該長い遅延の前に各素子自身の短い、プログラム可能な遅延を有する。各グループ内では、該短い遅延の各々からの出力が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該トランスデューサアレイの“サブアレイ”と規定される。例えば、実時間３次元画像形成用に２次元マトリックスアレイを使う応用では、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段階のプログラム可能な遅延は該トランスデューサプローブ内部に一体化され、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、フロントプローブを該バックエンドプロセッサに接続するために
は１９２本の入出力ケーブル要素しか必要としない。

好ましい実施例では、該階層的ビーム形成はまた、実時間２次元画像形成応用の１次元（１Ｄ）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つの隣接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ム可能な遅延を有し、次ぎに該８つの遅延の出力は一緒に加算され、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段階実施法用に使われてもよいことに注目することは重要である。第１の実施法では、短及び長、両遅延を有する全ビーム形成回路はバックエンドプロセッサ内に置かれるので、１２８素子１次元アレイ用には、１２８本の接続ケーブルがトランスデューサプローブとバックエンドプロセッサの間の入出力ケーブルとして使われる。代わりの実施法は全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集積化することであり、すなわち、１２８素子アレイ用には、各々が８つのプログラム可能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集積化されるので、フロントエンド集積化プローブを該バックエンドプロセッサと接続するには１６本のケーブル要素しか必要に過ぎない。該バックエンド内では、該ビーム形成機能を完成するためには１６の長い遅延のビーム形成回路のみが必要となる。同様に、プローブ内に集積化した８つの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、該バックエンドプロセッサは８つのビーム形成回路にのみ簡単化され、フロントエンド集積化プローブをバックエンドプロセッサと接続するには８本のケーブル要素が必要になるに過ぎない。更に、低電力送信回路とＡ−Ｄコンバータはフロントエンドプローブ内に集積化されるので、該フロントエンドプローブとバックエンドプロセッサを接続するために無線通信リンクが使われてもよい。無線ＵＳＢ接続又は無線ファイヤワイヤ（ＦｉｒｅＷｉｒｅ）接続が使われてもよい。

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に依るので、該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を有する。図３Ｃに示す様に、各サブアレイは４×４素子を有し（又は、好ましくはサブアレイ当たり少なくとも１６素子、そして２５６までの素子を有する他の長方形又は２次元形状）、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化され、各隣接する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、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、そして行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、その様に続けられる。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もう１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がある。該サブアレイプロセッサは、各々がその入力部に低ノイズ前置増幅器を有する１６の並列のプログラム可能な遅延線と、アポダイザー（ａｐｏｄｉｚｅｒ）としての別のプログラム可能な掛け算器と、から成り、該１６の掛け算器の出力は１つの出力を形成するため一緒に加算される。各基板内にはまた、該４×６４素子トランスデューサが送信モードか受信モードか何れかで動作すること可能にするための高電圧マルチプレックスチップがある。また、該遅延線の各々用にプログラムした遅延を記憶するために各プリント回路基板上にはメモリーチップ４９０が設置される。また、インターフェース４９５を通して各プリント回路基板に接続された電源ケーブル及びデジタル入力部４９２がある。

図３Ｃで見られる様に、該プリント回路基板上のビーム形成プロセッサは、各サブアレ
イが４×４素子から成る１６のサブアレイに分けられた合計６４×４受信素子用にサブアレイビーム形成機能を提供せねばならない。１６のサブアレイプロセッサは各々が、該プリント回路基板上に組み入れられた１６の受信部用に、ビーム形成機能、すなわち時間遅延和の機能を行うことが出来る。１６チャンネルサブアレイビーム形成器チップの顕微鏡写真が図３Ｅで示され、該チップは、各送信パルスについて、１６受信部用の４つのシーケンシャルビームを形成出来る。該チップは０．３５μｍのダブル−ポリ、４金属プロセスに基づいている。図解されたチップの寸法は１．２ｍｍ×０．６ｍｍである。かくして、８つのこの様な４×４サブアレイプロセッサはチップサイズ約１．２ｍｍ×５ｍｍを有する１つのチップ上に集積化され得るので、回路基板は各々が８つの４×４サブアレイプロセッサを有する、２つのこの様なサブアレイビーム形成チップを要するのみである。

このチップ内では、１６のタップ付き遅延線があり、各々はその対応する受信素子からリターンを受信する。送信パルスの後の受信モード時、該１６のタップ付き遅延線からの加算された出力である４つのシーケンシャルビームが各サンプリングクロック時形成される。各遅延線のタップ出力は４つのビームの時間多重化バッファーメモリーにより制御される。各新しいデジタル更新で、対応する非破壊式に検出される遅延したサンプルが該タップ付き遅延線からクロックで出力される。該バッファーメモリーにシーケンシャルに印加された該４つのデジタル更新で、該４つのビームの各々用の４つの遅延サンプルがシーケンシャルにクロックで出力される。

各遅延線の最初のタップ位置は走査がスタートする前にメモリー内に事前にロードされている。受信モード中、各サンプリングクロック時に、戻りエコーはサンプルされ、その対応する遅延線内にクロックで入力される。ビーム成形、アポディゼーション機能を提供するために各タップ付き遅延線の出力部に掛け算器が組み込まれる。例えば、トランスデューサの中心周波数が２ＭＨｚなら、前記タップ付き遅延線は８ＭＨｚの速度で戻りエコーをサンプルする。４ビームを発生するためにタップ出力は３２ＭＨｚの速度でシーケンシャルで非破壊的に検出される。すなわち、戻りエコーが遅延線内にロードされた後、３２ｎｓ後に、該第１ビーム用のこの遅延線の遅延サンプルのタップ出力がクロック出力され、該掛け算器に印加され、さらに３２ｎｓ後に、第２ビーム用の遅延タップ出力が該掛け算器にクロック出力され、該手順は、１２８ｎｓ後に第４ビーム用タップ出力がクロック出力されるまで、続く。該１６の掛け算器出力は３２ＭＨｚ速度で１つのビームを形成するよう一緒に加算される。ダイナミックフォーカス用には、各ビームは、１つはタップ更新用、１つは補間用にと、２つのデジタル更新ビットを必要とすることに注目することは重要である。このチップでは、各チャンネルはアナログ入力と、デジタル入力を有し、該２つの更新ビットは該チップにシーケンシャルにロードされる。該４ビームのシーケンシャルな出力をサポートするために、各ビームの該２つのデジタル更新ビットは６４ＭＨｚの速度で該チップに動的にロードされ、それにより８ＭＨｚアナログ入力サンプリング速度での連続サブアレイビーム形成機能を可能にする。もし範囲深さが１５ｃｍなら、４回だけオーバーサンプルされた２ＭＨｚプローブでは、合計受信ビーム形成動作は２０００ポイントを含む。この実施例では、図３Ｃで示した回路基板上のメモリーサイズは６４×４×４×２×２０００＝４Ｍビット以上である。更に、該メモリーサイズを減じるために圧縮方法が使われてもよい。

典型的超音波トランスデューサは送信及び受信用に同じ素子を使う。高電圧送信パルスが特定の素子に送信され、該同じ素子からのエコーは同じケーブルワイヤを経由して該システムへ戻るよう進む。

或る応用では、送信及び受信用に別々の素子を使うことが望ましいか、又は必要である。１つのこの様な適用法は送信及び受信用に異なるトランスデューサ材料を使うことであり、そのため送信器素子と受信器素子とは、第１周波数応答と、該第１周波数応答と異な
る第２周波数応答と、異なる周波数応答を有するよう作られる。これは高調波画像形成用に特に有用であり、その場合受信中心周波数は送信中心周波数の２倍又は３倍である。送信マルチプレクサ（ＴＲ＿ＭＵＸ）集積回路チップは高速高電圧スイッチを提供することにより１本のシングルケーブルワイヤが該送信素子と受信素子とに接続することを可能にし、該スイッチは図３Ｆ（１）に示す様に、送信期間中は該ケーブルワイヤを該送信素子に接続し、次いで受信期間中は該受信素子に接続する。既製の高電圧マルチプレクサチップはこの応用には好適でなく、何故ならば該既製のチップの意図された使用法はアパーチャー選択用での素子間多重化と云う、超音波走査線境界で起こるゆっくりしたプロセスだからである。送信期間及び受信期間の間のスイッチ作用をサポートするためには、該スイッチ時間は１波動周期から２，３波動周期より短い桁である必要があり、さもないと該トランスデューサの表面近くに、画像形成出来ない大きな休止時間が生じる。例えば、１マイクロ秒のスイッチオン／オフ時間は１ＭＨｚ送信周波数で送信から受信へ１波動周期でスイッチし、或いは該送信周波数が２ＭＨｚまで上がると２波動周期でスイッチする。図３Ｆ（２）で示す様に、受信信号を増幅することは有利である。

高速のプローブ内送信／受信スイッチを要するもう１つの応用は２次元アレイプローブであり、その場合該受信素子は最初にサブアレイ内に形成されるが、それは図３Ｆ（３）に示す様に受信用のケーブルワイヤ数を減じるためである。該サブアレイビーム形成回路は通常低電圧デバイスであるので、該高電圧送信期間中該サブアレイを該ケーブルワイヤから分離する必要がある。

なおもう１つの応用は、図３Ｆ（４）に示す様に、低電圧増幅回路が共有の送信／受信素子上で使用されることを可能にする２つのレベルのＴＲ＿ＭＵＸチップを使用する。該同じ素子が送信及び受信用に使われる。該受信信号は該共用ケーブルワイヤ経由で該システム回路に送られる前に増幅される。この場合、該低電圧受信増幅回路は、高電圧パルスが使われる各送信期間中は該ケーブル及び該素子から分離される。各受信期間中は、該素子は該低電圧増幅回路に、そして次いで該ケーブルワイヤに取り付けられる。

図３Ｇに示されるチップは、高電圧ＣＭＯＳプロセス（＞８０Ｖ）を使って作られるマルチプレクサである。意図された使用法は医療用診断超音波プローブの音響モジュールハンドル内への埋め込み用であり、該ハンドル内では送信及び受信の２セットのトランスデューサ素子か、又は該サブアレイビーム形成された出力部及び該送信素子か、何れかが該同じ共通トランスデューサケーブル（ＣＯＭ）を共有する。多重化は高電圧バイポーラー信号と２０ＭＨｚまでの周波数とを取り扱うことが出来る２セットの高電圧スイッチで達成される。これらのスイッチのオン及びオフの切り替えは２つの構成信号（ＣＯＮＦＩＧ［１：０］）と、該システムが送信又は受信を行っている時間を示す２つのタイミング信号、ＴＸ＿ＴＩＭＥ及びＲＸ＿ＴＩＭＥと、により制御される。該ＣＯＮＦＩＧ［１：０］はポートピンの機能を構成するよう、例えば送信素子及び受信素子のスワッピングに使われてもよい。

図３Ｇに示す動作では、送信素子と共通ケーブルの間のスイッチは、送信期間（ＴＸ＿ＴＩＭＥ＝１）中オンに、受信期間（ＲＸ＿ＴＩＭＥ＝１）中はオフに切り替えられる。受信素子と共通ケーブルの間のスイッチは送信中はオフに、受信中はオンに切り替えられる。該スイッチのオン／オフ切り替え時間は１００ピコ秒より短いタイムスキュー（ｔｉｍｅ ｓｋｅｗ）を伴って１マイクロ秒より短い。１６チャンネル高電圧マルチプレクサ集積回路チップの顕微鏡写真が図３Ｈで示され、該チップは１ミクロン、２つのポリ、２つの金属のプロセスを使って製造され、１４ｍｍ×８ｍｍのサイズを有する。

集積化第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は、該フレキシブルケーブルの１端がトランスデューサ素子の各々に接続され、該ケーブルのもう
１つの端が６４ピンのフレキシブルコネクターに接続される様に、１つの６４素子トランスデューサアレイ４９６がフレキシブルケーブル４９７に接続されることを除けば、図３Ｃの設計を使って実現することが出来る。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、各遅延線は該遅延線の別々の低ノイズ前置増幅器を有し、そして該遅延線の出力部には、アポダイザー、すなわちビーム成型機能用の掛け算器がある。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一緒に加算される。該６４素子の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が出来るように、高電圧マルチプレクサ回路チップがまた、該プリント回路基板上に含まれる。該遅延線の各々用にプログラムする遅延を記憶するためにメモリーチップもまた、該プリント回路基板上に設置される。また、該プリント回路基板の各々に接続された電源ケーブル及びデジタル入力部もある。

集積化サブアレイプロセッサを有する６４素子（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、サブアレイ処理チップ４９９ａ、高電圧マルチプレクサ回路チップ４９９ｂそしてメモリーチップ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）。

代わりに、合計６４の受信素子用のサブアレイビーム形成機能を提供するためにビーム形成プロセッサがプリント回路基板に設置され、該受信素子が８つのサブアレイに分けられ、各サブアレイが８つの隣接する素子から成ってもよい。８つのサブアレイプロセッサの各々は、該回路基板上に組み入れられた８つの隣接する受信素子用の、ビーム形成機能、すなわち、時間遅延和機能を実行してもよい。１６チャンネルサブアレイビーム形成器チップの顕微鏡写真が図３Ｅで示され、各送信パルス用に、該チップは１６の受信器向けに４つのシーケンシャルビームを形成することが出来る。該チップはまた、０．３５μｍ、ダブルポリ、４金属プロセスを使う。このチップのサイズは１．２ｍｍ×０．６ｍｍである。前の実施例に於ける様に、４つのこの様な１６サブアレイプロセッサは約１．２ｍｍ×２．４ｍｍのチップサイズを有する１つのチップ上に容易に集積化され得るので、該基板は１つのこの様なサブアレイビーム形成チップを要するのみである。

ダイナミックフォーカス用に前に指摘した様に、各ビームは２つのデジタル更新ビットを要し、それらの１つはタップ更新用、１つは補間用である。該４ビームのシーケンシャル出力をサポートするために、各ビームの２つのデジタル更新ビットは、８倍の入力サンプリング速度でチップ内に動的にロードされるので、アナログ入力サンプリング速度での連続のサブアレイビーム形成機能が可能になる。もし範囲深さが１５ｃｍなら、４回オーバーサンプルされる２ＭＨｚプローブ用では合計受信ビーム形成は２０００ポイントになる。該実施例では、図３Ｅで示す基板上のメモリーサイズは６４×４×２×２０００＝１Ｍビットであり、そこではメモリーサイズを減じるために圧縮方法が使われてもよい。ここで説明したシステムは、心臓又は他の体内器官の画像形成（４次元）のために、体腔内への挿入用カテーテル又はプローブと共に使用されてもよい。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てもよい。

マトリックスアレイトランスデューサを有する現在の医療用超音波システムは、最先端の２次元画像形成と一緒に実時間３次元（ＲＴ−３Ｄ）心エコー検査技術を提供する。２次元画像と比較したＲＴ−３Ｄの取得の主な利点は、短い取得時間、オペレーター依存性の減少、そしてデータ解析用にいくらでも望ましい画像図面を抽出するオフライン画像取扱い能力を含む。更に、左心室容積及び駆出率（ｅｊｅｃｔｉｏｎ ｆｒａｃｔｉｏｎ）に関する定量的データが、該３次元技術を使ってより精密に得られる。用語“実時間（ｒ
ｅａｌ−ｔｉｍｅ）”は全ての現在利用可能な３次元心エコー検査技術に適用され、現在の走査器では、“ライブ３Ｄ”とは心電図ゲート制御無しで得られる真の実時間画像に言及することを認識することが重要である。しかしながら、この種の実時間３次元画像形成は部分容積しか有しない狭いセクターを備えたものであり、左心室の画像形成用には好適ではない。

現在の走査器では全体容積の３次元画像を得るために、画像取得をゲート制御する心電図記録法が使われている。図４Ａ−４Ｄに示す様に、４から７心周期で４つから７つの部分容積が取得され、次いで合体されて完全なデータセットを得る。健康な成人の人体の心臓は一般に２００−５００ｍｌ／ｍ^２の範囲の容積を有することに注意されたい。例えば、その内容全体が引用によりここに組み入れられる非特許文献１を参照されたい。かくして、１つのシングル送信パルスシーケンスに基づき成人の人体の心臓の３次元画像を取り込むために、２００ｍｌ／ｍ^２より大きい容積を画像形成することが望ましい。従って、トランスデューサアレイは、実質的に同時に、すなわち１より少ない心周期で、この容積範囲内の信号を送受信するのに充分なアパーチャーを有する。

示した様に、左心室を完全にカバーするために約１２８×９６のビームが必要である。従来の実施例では、心電図ゲート制御で第１心周期中に、該３次元画像の部分を取得するために３２×９６ビームが使われる（図４Ａ）。第２心周期中に、第２セットの３２×９６ビームが該心臓画像の隣接部分をカバーするため使われる、図４Ｂ。該手順は、心電図ゲート制御での第４心周期で、該心臓画像の最後の部分が取得されるまで、続く（図４Ｃ−４Ｄ）。次いで該４つの画像は完全な３次元画像を提供するために一緒に合体される。この技術は、広いセクターの角度を提供し、多重心周期のシーケンスを記録後、全容積の画像を生成する。しかしながら、不整脈及び呼吸困難を有する患者の動きに伴い、スティッチングアーティファクトが起こり、診断に不適な画像に帰着する。従って、心エコー検査法に使われる現在のＲＴ−３Ｄ技術はほぼ実時間に近いが、真に実時間ではない。

本発明の好ましい実施例は各送信パルスについて１６の走査ビームを生成し、結果として該実施例は毎秒少なくとも６つの３次元容積画像の速度で動作する１２８×９６走査ビームで真の“ライブ３Ｄ”画像を生成する。組織内の音速は約１５００ｃｍ／ｓであり、１５ｃｍ深さを貫入する音波の往復伝播時間は約２００μｓである。図４Ｅに示す様な、左及び右の両心室を含む心臓の様な３次元画像形成用には、広いセクターの視角を提供するために１２８×９６走査ビームが必要である。該１２８×９６ビーム用に要する合計往復時間は１２８×９６×２００μｓ＝２．４５ｓである。本発明は各送信パルスについて１６の受信ビームを形成するので、１２８×９６ビームを用いて１つの３次元容積画像を生成するために２．４５／１６＝０．１５ｓしか要せず、すなわち毎秒６つの３次元容積画像となる。毎秒６つの３次元容積画像の速度で、走査器は冠状動脈疾患検出用に実時間で３次元の診断品質の画像を提供する。かくして、好ましい実施例は毎秒少なくとも４つの全容積心臓画像を生成する。

各送信パルス用の少なくとも１６ビームを発生するため使われるシステムが図４Ｆ−４Ｋの実施例で示される。位相シフト手法を使うシステムもまた、全容積画像形成を達成するため使われてもよい。

図３Ｃで示す様なプローブを使う超音波システムが図４Ｆで図解され、そこには、集積化されたＭＵＸ、メモリーそしてサブアレイビーム形成器を有する２次元トランスデューサがある。走査ヘッド５０２内で、該サブアレイビーム形成器は低ノイズ入力増幅器を有し、該メモリーはメモリー５０４（１）−５０４（ｍ）を有する。

図４Ｇはプローブ５０５内の集積化されたＭＵＸ、メモリー及び直列ビーム出力５０６
を有するサブアレイビーム形成器を備える２次元トランスデューサを具備するシステムを図解する。このモードでは、バックエンド時間遅延プロセッサは、ｑ×トランスデューサ入力サンプリング速度の速度で実行せねばならず、すなわち、該トランスデューサの中心周波数が２ＭＨｚであるなら、該プローブは８ＭＨｚの速度でオーバーサンプリングされる。もし４つの直列出力が該サブアレイプロセッサにより生成されるなら、すなわちｑ＝４なら、バックエンドプロセッサは３２ＭＨｚの速度で実行せねばならない。該サブアレイビーム形成器は低ノイズ入力増幅器を有する。

図４Ｈは集積化されたＭＵＸ、メモリー及び直列ビーム出力を有するサブアレイビーム形成器を備える２次元トランスデューサを具備するシステムを図解する。このモードでは、該バックエンド時間遅延プロセッサは、ｑ×トランスデューサ入力サンプリング速度の速度で実行せねばならず、すなわち、該トランスデューサの中心周波数が２ＭＨｚなら、プローブは８ＭＨｚの速度でオーバーサンプルされる。もし４つの直列出力が該サブアレイプロセッサで生成されるなら、すなわちｑ＝４なら、バックエンドプロセッサは３２ＭＨｚの速度で実行せねばならない。この手法で、該バックエンドプロセッサはサブアパーチャービーム形成システム５０８を使い、すなわち、ｎ個の隣接受信チャンネルが一緒にグループ化され、第１段階ビーム形成デバイス５０９を形成し、次いで共通の長い遅延線５１０を共有する。それ故、該バックエンドへの入力はｍチャンネルである。しかしながら、加算回路へのバックエンド出力はｍ／ｎ出力に減じられる。例えば、該トランスデューサアレイが６４×４８素子であるなら、サブアレイビーム形成用に４×４サブアレイが使われ、該集積化プローブからの合計出力はその時６４×４８／１６＝１９２（本）のケーブルであり、すなわちｍ＝１９２である。しかしながら、本実施例では、８のサブアパーチャーサイズが使われ、すなわちｎ＝８であり、その時、長時間遅延プロセッサの合計数は１９２／８＝２４となる。該サブアレイビーム形成器は低ノイズ入力増幅器を有する。

図４Ｉは図４Ｇに示すシステムの要素を有するが、しかしながら制御器５１４が該フロントエンドプローブ５１２内に組み込まれる。該制御器は外部ハウジング５１３への無線又はケーブル接続５１５用の回路に沿って第３回路基板上に形成されてもよく、該外部ハウジングはメインシステムプロセッサへのインターフェースとなってもよく、或いはここで説明されるカートシステム又は携帯型システム内に一体化されてもよい。

図４Ｊは図４Ｉで説明したそれと同様なアーキテクチャーであるが、しかしながら、制御器５１４はフロントエンド内に集積化される。すなわち、相互接続ケーブルはｍ＝１９２チャンネルであるが、サブアパーチャービーム形成器がバックエンドプロセス内に組み込まれ、ｎ個の隣接受信チャンネルが最初にビーム形成され、次いでバックエンド時間遅延プロセスに印加され、もしｎ＝８なら、加算器への出力は唯の２４チャンネルだけである。加えて、フロントエンド集積化プローブ内へ送信チップ５１７（ｍ）を組み込むオプション手法が使用される。しかしながら、該送信チャンネルは図４Ｉに示される様にバックエンドプロセッサ内に配置されてもよい。

図４Ｋは図４Ｊで使用されたものと同様であるが、該バックエンドプロセッサ内ではｐ個の並列ビームがサブアパーチャービーム形成器５１９及び並列遅延プロセッサ５１９Ｐの各々で形成される。それ故、もしｐ＝４なら、すなわちフロントエンド集積化プローブ５１８からの各出力ビームについて４つの並列ビームが形成され、該４出力の各々は加算器５１９Ｓで一緒に加算される。これは如何に１６ビームが各送信用に形成されるかを示し、すなわち、該プローブ内ではｑ＝４で，４つの直列ビームが形成され、バックエンドではｐ＝４で、４つの並列ビームが形成される。ｑのｐ倍＝１６となる。図４Ｋで気付いて頂きたいことは、送信回路もフロントエンドの集積化プローブ内に含まれたことである。しかしながら、送信チップはバックエンドプロセッサ内に配置されてもよい。加えて、図４Ｆ−４Ｋでは、２次元トランスデューサアレイが使われたが、該アーキテクチャーはまた、サブアパーチャービーム形成を有する１次元トランスデューサアレイと共に使用されてもよい。これらのシステムは、左右心室を含む心臓のビデオ画像形成を、毎秒少なくとも４つの全容積画像、好ましくは、毎秒６つ以上の全容積画像、のビデオ速度で行うことが出来る、全容積心臓画像形成法を提供する。

各々が改良されたＳＮ比性能でノイズと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５Ａ、５Ｂ、６Ａ及び６Ｂで説明される。それらの実施例では、ｍ個の並列サブアレイビーム形成プロセッサ５２０及びマルチプレクサ５２８のバンクが２次元トランスデューサアレイ５２５と共に集積化され、コンパクトで、低ノイズの走査ヘッド５００を創る。図５Ａ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くが、該モジュールにはｍ個の並列の前置増幅器／ＴＧＣｓ５２２，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が収容される。この専用処理モジュールはファイヤワイヤＩＥＥＥ１３９４又はＵＳＢ又はＰＣＩバス５４２を経由してホストコンピュータ５４０と通信する。制御及び同期化は該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５Ｂは図５Ａで述べたと同じアーキテクチャーを画くが、例外的に異なる点は、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、チャージドメイン型でプログラム可能な（ｃｈａｒｇｅ−ｄｏｍａｉｎ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ）（ＣＤＰ）時間遅延線６００を使うことにより特に実現されることである。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型デジタル超音波画像形成システム７００に接続されるシステムを画いている。図６Ａで時間遅延プロセッサ７２０もＣＤＰ時間遅延線７４０を使うことにより実現されることを知るのは容易である。これらの実施例で、近接場ビーム形成器は、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で引用によりここに組み入れられる特許文献６、５で説明されている。

ビーム形成器遅延と、２次元トランスデューサアレイの視認角度に沿うシェーディング（ｓｈａｄｉｎｇ）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が、その走査角での走査画像を創るよう使われることが可能である。該システムは広い視野を通しての連続した実時間大面積走査画像を毎秒２０フレーム以上で提供することが出来る。このフレーム速度で、該システムは時間に対する連続３次元画像を表示するよう使われてもよく、かくして走査対象の４次元情報を提供する。図７に示す様に、ＣＤＰビーム形成チップ８１０、時間多重化された計算構造体が多重ビームを生成するため使われ、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及びその対応する第２段階近接場時間遅延線のバンクが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個のビーム形成用に必要な遅延をシーケンシャルに発生する。該デバイスは次ぎの様に動作する。一旦、１セットのサンプルされた戻りエコーがサンプリング回路８１４を有する該遅延線に時刻ｔ_１でロードされると、ビーム１を形成するために必要な遅延が各モジュール８２２内で計算され８１２、そして全遅延線に並列に印加される。該サンプルされ、適切な遅延を有する戻りエコーはコヒーレントに加算され８０２、フィルターにかけられて８０４、第１ビームを形成する。時刻ｔ_２に、ビーム２を形成するために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。該サンプルされ、適切な遅延を有する戻りエコーはコヒーレントに加算され、第２ビームを形成する。該手順は第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す。

例えば、もし１６個の直列のアドレス可能な出力を有する計算回路が、該ＣＤＰサブアレイ及び該第２段階時間遅延線に組み込まれるなら、各送信パルス用に、各々が異なる走
査角に沿う１６ビーム又は走査線が創られ得る。１５ｃｍのダウンレンジ（ｄｏｗｎ−ｒａｎｇｅ）深さを有する２５６のパルス用に、該システムは６４×６４画素解像度を有する４０９６ビームを２０フレーム／秒のフレーム速度で発生出来る。該システムは完全にプログラム可能であり；ビーム形成用電子機器は高解像度又は高フレーム速度画像用により小さい視野までズームインするよう調整されてもよい。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６４×４８画素解像度を有する３０７２ビームを３０フレーム／秒のフレーム速度で発生することが出来る。

説明されたアレイは、３ＭＨｚの周波数での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度走査容積に応答させ、およびまた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く、８０×８０素子アレイに導かれる。上記説明のサブアレイ処理技術を使って、集積化サブアレイビーム形成回路とそれに続く第２段階近接場ビーム操向／ビーム集束システムを有する走査ヘッドは実用的実施例を提供する。しかしながら、該実施例は走査ヘッド上に集積化されるべき少なくとも３２のサブアレイチップをなお必要とする。走査ヘッド内の遙かに少ない量の処理部品を用い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手法が使われる。

スパースアレイを実用化するためには、低照度レベルで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の組み合わせが重要である。低音響インピーダンスであるが物理的に充実した背当てを有する４分の１波整合層は、受信信号エネルギーから電気エネルギーへの変換の際に３−４ｄＢしか失わないロバストなアレイに帰着する。７５％以上のアレイバンド幅が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、該ビーム形成器回路用に好適な素子位置付けと相互接続システムを使う。該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るプリント回路基板上に設置される。実際は、大多数のアレイ素子は該フレキシブルケーブルを使って出力部に接続される。しかしながら、合計素子数のごく一部の部分のみが該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内の能動素子位置の独特のパターンを保証するのに充分である。

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したアレイと比較すると−１３ｄＢ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送信信号がアレイ感度を増やすよう選ばれる。ここに提示した手法では、該感度は１０ｄＢのオーダーで増加する。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。

該アレイの素子の位置付けは、メインローブと競争するグレーティングローブをもたらすどんな周期性も取り除く注意が払われねばならない手法を護る。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）。作動素子の位置の形状は、グレーティング及びサイドローブクラッタ（ｃｌｕｔｔｅｒ）を最小にしながら、ビーム形成器の効率を最大化するよう開発された。走査される関心の領域又は容積に対し種々のビーム角度での最も効率的ビームパターンを提供するよう、複数の種々のアレイパターン間の切り替えが使われた。かくして、第１のパタ−ンは図８Ａに図解するパターンを利用するが、図８Ａのパターンは次いで異なる走査角での第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素子の周りの近傍８８０内のトランスデューサ素子の選択を含んでもよい。

最適化方法の主要な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
、これは下記最適化規準をインタラクティブに評価することにより行われる。

ここで荷重関数、Ｗ（ｕ_ｘ、ｕ_ｙ）、はサイドローブ減少を求めるアレイ応答の領域により大きい荷重を適用する。該最適化方法は荷重無し｛すなわち、Ｗ（ｕ_ｘ、ｕ_ｙ）＝１｝で始まり、該最適化規準を充たすより良い荷重関数を逐次選ぶことにより進む。最大の減少を求めるサイドローブがあらかじめ計算されたビームパターン、Ｂ（ｕ_ｘ、ｕ_ｙ）に関係付けられるので、荷重印加はＷ（ｕ_ｘ、ｕ_ｙ）＝Ｂ（ｕ_ｘ、ｕ_ｙ）となるよう選ばれる。これは収斂するまで、インタラクティブの仕方で行われる。

基本的に、ランダムアレイは、Ｎが該アレイ内の能動素子の合計数とした場合、Ｎのメイン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素子スパースアレイの例では、最終比は−１３ｄＢである。広いバンド幅アプローチを使うことはこの比を１０ｄＢだけ改善する。前の最適化規準に基づいて、アレイ素子の擬似ランダム配置が発生された（図８Ａ）。

図８Ｂは３ＭＨｚでの２５６素子のスパースにサンプルされたアレイに関するアレイ性能、感度対交差範囲のプロットである。ピーク対最大サイドローブレベルは約３０ｄＢである。この性能を改善するため、該システムは可能な最大の、メインローブ対クラッタ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。

図９Ｂは該スパースアレイ走査ヘッド９００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９４０に接続されたシステムを画く。図９Ａで、時間遅延プロセッサはまた、別のコンピュータ９２７に接続されたハウジング９２５内のＣＤＰ時間遅延線９２０を使うことにより実現されることを知ることは容易である。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を切り替えるためにｍ個のマルチプレクサ９０６のアレイが使われる。その対象の３次元超音波画像形成をもたらすためにスパースアレイパターンのシーケンスはかくして、画像形成される対象の種々の走査角での走査用に選択される。

電子的調整が可能な音響的コンフォーマルレンズシステムにより生成される３次元多重ビーム容積画像データを可視化し、操作しそして解析するために、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てもよい。従来、診断用２次元超音波画像を用いる臨床医は、該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該情報を頭の中で３次元表現に再生している。この手順は臨床医に、人体構造の高度に複雑な理解のみならず、十分な経験を要求する。３次元構造体へと“完全な”画像を創るために、臨床医は全ての入手可能なスライスを考慮せねばならない。例え１人の患者に対してであっても数百のスライスを見ることは余りに時間が掛かる。３次元容積データに基づく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る患者の構造の３次元表現を臨床医に提供することに依りこの問題を克服することを助ける。

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−Ｖｏｌ３Ｄ）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。

シェーデッドサーフェイスモジュールは容積内の面の容易な可視化を可能にする。面は明暗度ベースでしきい値化（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ−ｂａｓｅｄ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ）することにより創られてもよい。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の選択を可能にする。

・ラディアルス（Ｒａｄｉａｌｓ）を用いたＭＩＰ（最大値投影法）
・斜線及び２重斜線又は３次元的相関を用いたＭＲＰ（多断面変換表示法）
・ＭＰＲスラブアンドマルチカット（ＭＰＲ Ｓｌａｂｓ ＆ Ｍｕｌｔｉ−Ｃｕｔｓ）
・カーブ化ＭＰＲ（曲面変換表示法）
・エディターを用いたカラー及び不透明度プリセット
・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リアルタイムＶＯＩ
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。カット面はその立体を通してスライスするために使われ、内部領域を現す。該カット面はマウスを使って容易に位置付けられ、配向される。

ＶＯＩ（関心体積）ツールはインタラクティブに、実時間での関心体積の表示を可能にする。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使って、関心部分体積を非常に容易に、かつ実時間で分離し、視認することが出来る。
・多数フォーマットでの画像保存
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（ＤＩＣＯＭ、ＪＰＥＧ、そしてＢＭＰ他を含む）へ取り込まれ得る。
・ＡＶＩフォーマットでの動画取り込み
可視化操作はまた、ＡＶＩ Ｍｏｖｉｅ ．ｌｅへ取り込まれ、ウインドウズメディアプレーヤー（Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｍｅｄｉａ Ｐｌａｙｅｒ）、クイックタイム（ＱｕｉｃｋＴｉｍｅ）、そしてリアルプレイヤー（Ｒｅａｌ Ｐｌａｙｅｒ）他上で再生されてもよい。

本発明は図１０に示す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を使って実施されてもよい。該超音波システム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を有してもよい。或る実施例はビーム形成器デバイスを有することが出来るインターフェースユニット１３を使ってもよい。走査ヘッド１２はトランスデューサアレイ１５Ａ（２Ｄ）と回路ハウジング１５Ｂとを有し、該ハウジングは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９及び１０で詳細に説明されるマルチプレクサ及び／又はビーム形成部品を収容してもよい。

送信用スパースアレイを使い、受信用に非重なり合い完全実装アレイを使う、２次元アレイ構成が使われる。Ｎ×Ｍ素子アレイについては、最適化スパースアレイ配置を有するｍ個素子のみが送信用に使われ、残りの（ＮＭ−ｍ）個素子が受信用アレイとして使われる。例えば、４０×６０素子２次元アレイでは、２５６素子が送信素子として使われ、該送信素子の位置は選択基準に基づいて最適化され、残りの２１４４素子が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要求を簡単化し、その場合該マルチプレクサは該インターフェースハウジング内に設置されてもよい。

ほぼ完全に実装した４０×６０受信用アレイ５０用の素子位置の例が図１１に示される。該２４００素子アレイは２５６スパースアレイ送信素子により立ち退かされ、２１４４受信素子位置を生じている。これらの受信素子は独立しており、スパースアレイ送信素子と重複しない。好ましい実施例では、該送信素子はアレイ素子の合計数の２５％より少く、好ましくは１５％より少なく構成するのがよい。

上記で述べた受信アレイのビームパターンの方位角及び仰角の断面図が図１２で示される。第１サイドローブは中央ピークに対し約−１３ｄＢである。グレーティングローブは該ピークに対し−３０ｄＢより小さい。該２次元アレイが高さより幅が広い場合、方位角のビーム幅｛青（実線）でプロットされる｝は仰角のビーム幅｛緑（点線）でプロットされる｝より僅か狭い。

図１３では、上述の方位ビームパターンの拡大図は詳細なメインローブ及びサイドローブの構造を示す。この場合、該ビーム幅は約１．５度である。このビームパターンは完全実装された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素子（送信）による該アレイ中央部の減少（ｄｅｐｏｐｕｌａｔｅｄ）のためサイドローブは無い。

該２５６送信スパースアレイ６０用の最終素子位置の例が図１５で示される。該２５６素子位置は完全実装されたアレイの中央の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複しない。該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−１７ｄＢである。グレーティングローブは該ピークに対し−２７ｄＢより小さい。スパースアレイ最適化アルゴリズムは該サイドローブエネルギーを±４５度の方位角及び±４５度の仰角で最小化する。

図１７は図１５に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された２４００素子アレイの２５６素子部分集合から成る（約１０％の充填）。該送信／受信アレイの設計アルゴリズムの配置は該送信及び受信サイドローブエネルギーを±４５度の方位角、±４５度の仰角の領域内に最小化するために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、最後のスパース送信アレイ素子位置は平均サイドローブエネルギーを該ビームパターンの中央ピークに対し−３５ｄＢより少なく限定する。

６４×６４の４０９６要素を有する３次元、３Ｄ、立体画像を実時間で生成するため２次元、２Ｄ、マトリックスアレイを電子的に走査出来て、毎秒２０より多い３次元画像でビームを走査出来る、低電力超音波システムが説明される。各送信パルスについて、該システムは１６の受信ビームを生成出来る。加えて、該設計は１．５次元のアレイを駆動し、そしてまた該システム感度を改善するためにパルス圧縮用に広バンド幅の符号化された送信波形をサポート出来る。広いバンド幅はチャープされた又はコード化された波形（ＰＮシーケンス）の使用を可能にするが、該波形使用は軸方向分解能の損失無しに低電力送信バーストの長さを延長出来る。これらの特徴の組み合わせはポータブル手搬送デバイス内へ填められる電子システム付き画像形成アレイに帰着する。

該ビーム形成器処理システムはタイムドメインプロセッサであり、該プロセッサは、大型２次元アレイの戻りと、アレイ全体の実時間処理を提供する該低電力、高集積化ビーム形成器と、を同時処理し、かくして手搬送可能な低コストユニットを提供する。

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超音波システム内で求められる最小数の受信ビーム形成チャンネルが解析される。４８×６４素子アレイの様な合理的なサイズをサポートするために最小１９２の並列受信ビーム形成チャンネルが必要とされることが示される。

２次元トランスデューサアレイの面を比較的小さなサブアレイの平面“タイル”に分けるための、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、その内容が引用によりここに組み入れられる特許文献７で形成されるが、該アレイ全体のビーム形成は２つの段階に分離され、第１は小アパーチャーサブアレイビーム形成であり、続く第２段階は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である。画かれている様に、該タイル／サブアレイは充分小さく作られるので、対象が該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”に向けた入射放射は遠方場近似を使って取り扱われてもよい。しかしながら、より広い応用を可能にするため、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る。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る。該遅延和の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“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、該アレイの視認方向は放射源の方に電子的に操向される。該アレイ内の各素子用の遅延線要求は１００段階より少なくてもよい。グローバル加算用の長い遅延のみが該最後の近接場集束用に必要である。本発明の電子制御されたビーム形成システムの詳細な線図は特許文献７の図１４Ａ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から成る。各プロセッサは２つの構成要素：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の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で、上記で参照した図１４Ａに見られる様に、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の調整用に、ｍ個の並列のプログラム可能な第２段階近接場時間遅延が必要となり、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。

この階層化サブアレイ小アパーチャー、次いで大アパーチャービーム形成手法を使わなければ、８０×８０素子２次元アレイ用には、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、６４００本のワイヤから成るケーブルが必要になることは容易に理解される。上記で引用した特許文献７の図１４Ａで示す様に、各サブアレイプロセッサへの入力数はサブアレイの遅延素子の合計数に等しく、各サブアレイが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に関連する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、この階層化ビーム形成システムを実現するために５×５サブアレイを使うよう選択するなら、第１段階サブアレイビーム形成後に、第２段階近接場ビーム形成に接続するために必要なワイヤの合計数は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本のワイヤが必要になる。５×５サブアレイ処理バンクを初めに使うと、バックエンドビーム形成システムへ接続するに要するワイヤ数は２５６に減じられる。本発明のこの例に基づき、２５６個の５×５素子サブアレイビーム形成器のバンクが走査ヘッド内の８０×８０素子２次元アレイと集積化されると、２５６本のワイヤから成るケーブルが集積化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。

５×５サブアレイの小アパーチャービーム形成プロセッサは小さいサイズのシリコン集積回路内に集積化され得て、８個のこの様な５×５サブアレイビーム形成部は１つの集積
回路上に集積され得ることを気付くことは重要である。サブアレイは３×３サブアレイから８×８サブアレイまでに対応する９及び６４の間のトランスデューサ素子を一般に有することが注目される。好ましい範囲は正方形アレイ形状については４×４と６×６アレイであるか、又はそれらの間である。また、好ましくは３×４、４×５、又は４×６の何れかの長方形サブアレイが使われてもよい。１／４λの誤差最小規準が使われることが注目される。走査ヘッド内に３２の集積回路デバイスしか組み入れられる必要がなく、それがケーブルサイズを６，４００本のワイヤから２５６本のワイヤに減ずることを可能にする。同様に、６４×４８素子２次元アレイでは、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が１９２に減じられる。

本発明では、各々が改良されたＳＮ比性能でノイズとケーブル損失を最小化する２次元アレイビーム形成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２次元トランスデューサアレイと集積化され、コンパクトで、低ノイズの走査ヘッドを創る。図４は該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いているが、該モジュール内には、ｍ個の並列の前置増幅器／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、ＵＳＢ又はＰＣＩ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は下記例外を除くと図４で述べたと同じアーキテクチャーを画いており、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、チャージドメイン型のプログラム可能な時間遅延線を使うことにより特に実現されていることである。図６Ａ及び６Ｂは該コンパクトな走査ヘッドが、ｍ個の並列の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型（ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ）デジタル超音波画像形成システムに接続されるシステムを画いている。図６Ａ及び６Ｂで該時間遅延プロセッサもまた、ＣＤＰ時間遅延線を使うことにより実現されることが容易に分かる。

該システムの好ましい実施例では、図１９−２４Ｂに連携して示す様に、大アパーチャーのビーム形成システムが超音波画像形成システムのメインプロセッサハウジング内に組み込まれる。

組織内の音速は約１５００ｃｍ／ｓなので、１５ｃｍ深さを貫入する音波の往復伝播時間は約２０μｓである。実時間３次元画像形成では、毎秒２０より多い３次元立体画像のフレーム速度の少なくとも６４×６４走査ビームが診断品質画像を提供するために必要である。各送信ビームについては、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サポートするために、各送信パルス用の少なくとも１６ビームを形成出来ねばならない。この節では、直列の時間多重化ビーム形成と並列の同時のタイムドメインビーム形成の両者の実施例に取り組む。

１６ビーム走査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、すなわち、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つの並列ビーム形成で後続させるか、或いはシステムは、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様にして、以下同様に続ける。

ビーム形成器の遅延と、２次元トランスデューサアレイの視認角度に沿うシェーディングと、を系統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が走査角度に於いて走査された画像を創るよう使われる。該システムは２０フレーム／秒以上で広
い視野を通して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、ＣＤＰビーム形成チップでは、時間多重化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、各送信パルスにおいて、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、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に必要な遅延をシーケンシャルに生成する。該デバイスは下記シーケンスを使用して動作するが、該シーケンスでは：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ロードされると、時刻ｔ_１にビーム１を形成するため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。適切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第１ビームを形成する。時刻ｔ_２にはビーム２を形成するために必要な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。適切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、第２ビームを形成する。その手順は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。

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該プロセッササブアレイ及び第２段階時間遅延線に組み入れられるなら、各送信パルス用に、各々が異なる走査角に沿う１６ビーム又は走査線が創られる。１５ｃｍのダウンレンジ深さを有する２５６パルス用に、該システムは６４×６４画素解像度を有する４０９６ビームを毎秒２０フレームのフレーム速度で生成出来る。該システムは完全にプログラム可能で、ビーム形成電子機器は高解像度又は高フレーム速度画像用に小さな視野にズームインするよう調整されることが可能である。例えば、同じ１５ｃｍのダウンレンジ深さを有する１９２送信パルスを使って、該システムは６４×４８画素解像度を有する３０７２ビームを毎秒３０フレームのフレーム速度で生成出来る。

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へ集束することである。特定の方向へ伝播する波頭を整合させるようビーム形成器内で適切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、他の方向から到着する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。放射源から焦点までの飛翔時間（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）が、平行な多数の到着方向からの全てのチャンネル用に、計算され、メモリー内に記憶されてもよい。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、ビーム数が増加するにつれて急速に嵩張り、コスト高にもなる。例えば、線形の１９２素子アレイ用のビーム形成は、各々が１２８λより長いプログラム可能な遅延長さを有する１９２の並列遅延線を要する。例えば４つの並列ビームを形成するために、合計７６８のプログラム可能な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、階層化２段階ビーム形成システムを説明する。

階層化ビーム形成の概念は飛翔時間の計算を２つの部分に分けることであり：第１部分は粗分解能で、小アパーチャーのビーム形成用の短い遅延であり、該遅延に精細な分解能で、大アパーチャーのビーム形成用の長い遅延が追随する。図１９では、２次元アレイ用の３次元微分遅延方程式が示される。この方程式はアレイ素子（ｘ_ｍ、ｙ_ｍ）での遅延差を（該２次元配列の中心に対する）距離と角度、シータ及びファイと、の関数として表す。該方程式は全てのｙ_ｍ（素子位置のｙ座標）を０にセットすることにより、１次元配列に還元される。該遅延差は角度ファイ＝０にセットすることにより単一面（立体の代わりに）に限定される。

２段階遅延の操作を例示するために、遅延差プロフアイルが１次元又は２次元アレイ内の全素子について生成されねばならない。これを行うために、該微分遅延方程式が計算され、与えられた範囲での全ての遅延差が角度シータ及びファイの関数として表にされる。例えば、図２０に示す様に、遅延差プロフアイルが２次元アレイの中心近くの素子につい
てプロットされる。

２段階遅延システムでは、前の過程からの作表されたデータが粗遅延と精細遅延とに分けられる。該粗遅延と精細遅延とに分ける方法を決定するために、最大遅延差誤差が制約される（典型的には、最大遅延差誤差が１サンプル以下となるようセットする）。該作表された遅延（前の過程からの）はまた、何時受信素子がイネーブルにされるかを決定するためにも使われる。例えば、図２１は該遅延差誤差を幾つかの素子の範囲の関数として画く。最悪の場合の遅延差（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試みる２次元アレイのコーナー（シータ＝＋４５度、ファイ＝＋４５度）の素子についてである。この場合、最大遅延差は該制約より大きく（＞１サンプル誤差）；従って、該素子は範囲が約１００サンプルより大きくなるまで、受信をイネーブルにされない。

階層化２段階並列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）より少ない重さの、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は、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と組み合わされる。該ビーム形成システムは加算回路９６８でコヒーレントに加算される複数の短遅延線を有し、該加算回路では出力は長遅延線９７０に供給され、これもまた、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で、小さな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、各短遅延の遅延長さは約８λに過ぎない。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、粗ビームが形成される。それらの２４ビームの各々は次いで、大アパーチャー、精細解像度ビーム形成用の該２４ビームの対応する長いプログラム可能な長遅延線に印加される。４つの並列ビームを形成するために、４つのこの様なビーム形成構造体が必要である。図２２Ａで見られる様に、２４の粗ビームを形成するこの階層化実施例では、１９２の短遅延が要求されるに過ぎず、次いで２４の長遅延が追随するのであり、各長遅延は１２８λより短いプログラム可能な遅延長さを有する。４つの並列ビーム用に、唯の１９２の短い遅延プラス９６の長い遅延が必要になるに過ぎず、それは電子部品及び電力の意味でとても大きい節約を提供する。

更に、各小アパーチャー、短い遅延線内で、タップ付き遅延線出力を非破壊的に検出するチャージドメイン型処理回路から、タップ位置出力を選択するため飛翔時間制御回路が使われる。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に掛け算器を有する。各プロセッサ内では、全掛け算器が共通の出力を共有する。改善したＳＮ比を有する画像形成パルスを作るために戻りエコーを復号し、圧縮するために、該加算された電荷は整合フィルターに印加される。階層化加算がデジタル的に行われるよう、Ａ−Ｄコンバータ、又はオンチップのチャージドメインＡ−Ｄコンバータが使われてもよい。

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されるアナログ戻りエコーは信号処理時にＡ−Ｄコンバータ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コンバータ９７６が各短遅延線の入力部で使われ、該時間遅延がデジタル式に行われてもよい。或いは代わりに、図２２Ｃの実施例９８０で示す様に、該Ａ−Ｄコンバータ９８２は各粗ビームの出力部で使われ、該長遅延がデジタル式に行われてもよい。該Ａ−Ｄ変換は利用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に於いて、チャージドメインＡ−Ｄコンバータが、デジタル式に行われる階層化加算を伴うチャージドメインビーム形成器と同じ集積回路上で形成されてもよい。

コード化した又はスペクトラム拡散式の信号操作の使用は通信社会で極めて多い愛顧を得ている。該信号操作は今や衛星通信、セルラー電話そして有線デジタル通信システムで慣例的に使われる。図２３Ａには、スペクトラム拡散コード化を使わぬ５周期の３ＭＨｚ正弦波の例が示されている。コード化又はスペクトラム拡散式システムは有限の時間−バンド幅積を有する広帯域で、一時的に引き延ばされた励振信号を送信する。受信信号は復号され、改善されたＳＮ比を有する画像形成パルスを作る。超音波画像形成システムでコード化信号を使う利点は、ピークの音響パワーを著しく下げながら、高解像度画像形成の利用を提供することである。これらの信号はシステム全体の受信感度を改善する信号処理利得を提供する。直接シーケンス変調とは搬送波のコードシーケンスによる変調である。実際は、この信号はＡＭ（パルス）、ＦＭ、振幅、位相又は角度変調であってもよい。該信号はまた、指定時間後に繰り返す２進値のシーケンスを含む擬似乱数又はＰＮシーケンスであってもよい。

超音波では、スペクトラム拡散／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、変調する過程を含む。ＮバーストのコードパルスシーケンスはＮチップコードと呼ばれることが多い。５チップバーカー（ＢＡＲＫＥＲ）コード化［１１１−１１］を有するゲート制御された３ＭＨｚ正弦波の例が図２３Ｂで示される。各“チップ”はゲート制御された送信波形の１周期と対応する。かくして、図２３Ｂは、第４周期が反転されていることを除けば、図２３Ａの波形と略同一に見える。図２３Ａと２３Ｂの両者で、連続線は連続的にサンプルされた正弦波波形を表すが、クロスハッチポイントはサンプルされた信号であり、周期当たり１０のサンプルが取り上げられている。長さＮ×Ｐを有するコード化パルスシーケンスは、パワースペクトルを長い持続時間に亘り拡散させることにより送信媒体内のピークパワーを効果的に減少させる。スペクトル拡散／コード化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該受信信号を復号するようパルス圧縮整合フィルターが使われる。Ｎ×Ｐコード化パルスシーケンスのＳＮＲ改善は１０ｌｏｇ（ＮＰ）である。それ故、長さ７のバーカーコード及び２サイクルバースト送信波形については、１１．４ｄＢのＳＮＲの改良が達成される。しかしながら、本システムでは、該送信及び受信の波形は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−サンプル比が使われて来た。次いで、受信器端で、タップ長さＮ×Ｐ×Ｓを有する整合フィルターが、１０ｌｏｇ（ＮＰＳ）のＳＮＲ改良を有する画像形成パルスを作るために該戻りエコーを復号し、圧縮するよう使われてもよい。上記例で、Ｎ＝７、Ｐ＝２、Ｓ＝４で、１７．５ｄＢのＳＮＲが達成される。

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で見られる様に、単一のパルスである。５チップバーカーコード［１１１−１１］を使い、図２４Ｂは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を表す。最後に、該システムは図２４Ｃに示す連続波形のオーバーサンプルされた版を送信するが、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。

各送信される拡散され、コード化され、励振された波形用の、４つの並列の、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内に示される。この実施例では、２段階の階層化ビーム形成アーキテクチャーが使われるが、最初に、小アパーチャー短遅延ビーム形成器９８６が、８つの隣接トランスデューサからのコヒーレントに加算された戻りエコーである信号を出力し、次いで該受信信号を復号するためにパルス圧縮整合フィルター９８７が追随するが、この圧縮された信号９８８は次いで長遅延線に印加され、ビーム形成要求を完成する。図２５Ｂのシステム９９０では、Ａ−Ｄコンバータ９９２が該整合フィルター出力の各々に組み入れられる。次いで、第２段階デジタル遅延線実施法を使ってデジタル的に長遅延がもたらされる。

整合フィルターの実施法が図２５Ｃで示される。該フィルター９９４はサンプリング回路９９５からの信号を受信するＫ段階タップ付き遅延線と、Ｋ個のプログラム可能な掛け算器と、から成る。拡散された、粗にビーム形成された信号ｆ_ｎが該遅延線の入力部に連続的に印加される。遅延の各段階では、該信号は非破壊的に検出され、タップ重みＷ_ｋを掛け算されるが９９６、ここでｋ＝１，２，３，．．、Ｋ−２，Ｋ−１，Ｋである。該重み付けされた信号は圧縮済み出力ｇ_ｎを創る９９８ために加算回路９９７で一緒に加算される。時刻ｔ＝ｎで下記、
ｇ_ｎ＝ｆ_ｎ−１Ｗ_１＋ｆ_ｎ−２Ｗ_２＋ｆ_ｎ−３Ｗ_３＋．．．、＋ｆ_{ｎ−Ｋ−２}Ｗ_Ｋ−２＋ｆ_{ｎ−Ｋ−１}Ｗ_Ｋ−１＋ｆ_ｎ−ＫＷ_Ｋ
が分かる。

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チップバーカーコードを送信し、そして該整合フィルターの重みが該送信された５チップバーカーコード励振波形の時間反転として選択されるなら、該整合フィルターは、１０ｌｏｇ（５×６）＝１５ｄＢのフィルター利得を有する、圧縮され、復号されたパルス信号（図２５Ｄ参照）である相互相関出力を作る９９９。

例が図２６Ａで示される３周期の方形波を有する超音波のパルス発生器（ｐｕｌｓｅｒ）を考えよう。この様な波形の周波数スペクトルは基本波周波数の下に約４ｄＢの第３高調波成分を有する。正弦波信号と組み合わされた変型方形波が図２６Ｂで示される。

かくして、本発明の好ましい実施例は、パルスの高い時間とパルスの低い時間とを規則的方形波の３分の２に減じることにより変型された変型方形波を使う。この波形は該規則的方形波より遙かに低い第３高調波成分しか有しない。規則的方形波の２／３に減じたパルス幅を有する変型した３周期方形波が図２６Ｃで示される。変型方形波パルス発生器を使うと、少ない高調波の送信波形が規則的方形波と比較して、正弦波波形を近似する。これは超音波画像形成システムが高調波画像形成用に、より低廉なパルス発生器の設計を使うことを可能にする。

最近の超音波システムでは、組織を画像形成するために、第２高調波画像形成モードが広く受け入れられ、アーティファクトを減じる画像品質面で可成りの改良を示している。結果として、医師が、幾つかの応用面で基本的励振モードに比較してもっと良い診断を行うことを可能にしている。該改良は組織内の非線形伝播による波の歪みの影響に帰せられる。最近のシステムは第２高調波画像形成を使う。第２高調波周波数バンド内のエネルギーは基本周波数バンド内のエネルギーより遙かに低いので、第２高調波感度を高めるためには、基本波と第２高調波との間のスペクトルの重なり合いは最小化されねばならないが、しかしながら、それを行うことで、結果として第２高調波画像形成解像度が減じられる。高次高調波、特に第３高調波は、組織画像形成及び特徴付け用の追加の重要情報を表すのみならず、基本周波数からの寄与をフィルターにかけて取り除くことが容易である利点も有する。残念ながら、現在のシステム（ＭＩ，周波数）の最近の設定を用いると、組織から返される第３高調波エネルギーの量は基本周波数で反射されるエネルギーより遙かに少ない。第３高調波画像を表示するには該超音波システムが優れた感度とダイナミックレンジを有する必要がある。本発明の好ましい実施例はコード化された励振を有する第３高調波画像形成を使用するが、そこでは弱い第３高調波の戻りに伴う問題を克服するために整合フィルタ処理からの追加利得が使われる。

良好な第３高調波コード化励振画像形成についての２つの関連する要求は、第１には送信コード化波形内の最小第３高調波成分により、第２には、該第３高調波の整合フィルターにかけた後で最小サイドローブエネルギーを有する第３高調波受信テンプレートをもた
らすコード選択により、充たされる。送信コード化波形は最小の第３高調波成分を有する。この節で、最小サイドローブを有するゴレー（Ｇｏｌａｙ）コード用の２つの第３高調波テンプレートが提示される。

ゴレー相補型ペア（ＧＣＰ）コード化２進シーケンスがこの方法で使用される。整合フィルター出力の相補型ペアが、最小サイドローブを有するインパルス戻りを発生するよう下記の様に加算され、
ａ（ｚ）ａ（ｚ−１）＋ｂ（ｚ）ｂ（ｚ−１）＝２Ｎ
ここでａ（ｚ）とｂ（ｚ）は相補型ペアである。結果として、整合フィルターサイドローブによる画像アーティファクトは無い。下記では、コード化励振送信波形の第３高調波テンプレートが誘導される。

送信波形のフーリエ変換を下記

とする。この送信波形で励振される第３高調波のフーリエ変換は下記となるべきであり、

、該第３高調波が組織の非線形性のテイラー級数の３乗項により引き起こされると仮定する。その時、第３高調波波形は逆フーリエ変換である。もしこれが整合フィルターテンプレートとして使用されるなら、何等著しいサイドローブは存在せず、何故ならば、パワースペクトルは変更されたからである。この理由で、整合フィルターテンプレートを生成するために下記フーリエ変換

が使われる。

上記誘導に基づき、１０ビットゴレーコードペアの基本波及び第３高調波テンプレートが図２７Ａ及び２７Ｂで示され、そこではＧＣＰ１＝［−１１１−１１−１１１１−１］、ＧＣＰ２＝［−１１１１１１１−１−１１］である。基本波及び第３高調波整合フィルター出力、すなわち選択されたゴレーペアの基本波及び第３高調波テンプレートの自己相関がそれぞれ図２７Ｃ及び２７Ｄで示される。最後に、該２つの相補型コードの同じ基本波及び第３高調波出力が図２８で示される。第１の１０ビットのゴレーコードの第３高調波テンプレートが図２９Ａで示される。該コードの導出では基本波についての１２回のオーバーサンプリングと第３高調波についての４回のオーバーサンプリングが使われた。第２の１０ビットゴレーコードの第３高調波テンプレートが図２９Ｂで示される。再び、基本波についての１２回のオーバーサンプリングと第３高調波についての４回のオーバーサンプリングがこのコード導出で使われた。

第３高調波テンプレートの選択のもう１つの技術は基本波テンプレートの各コード語の後に２つのゼロを挿入することに依る。第３高調波整合フィルター出力、すなわち、この
代わりの第３高調波テンプレートの自己相関は図３０Ａ及び３０Ｂで示される。この整合フィルター出力のサイドローブは無いことが図３０Ｃで示される。

請求項は、その結果に向けて述べられてない場合、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。下記請求項及びそれに対する等価物の範囲及び精神内に入る全ての実施例は本発明として請求される。

Claims (20)

1. 医療用超音波画像形成システムであって、
   プローブハウジング内の１次元（１Ｄ）トランスデューサアレイであって、該１Ｄトランスデューサアレイが該プローブハウジング内の超音波データを処理するための第１段階のビーム形成器デバイスに接続され、該１Ｄトランスデューサアレイが該１Ｄトランスデューサアレイからの超音波パルスの送信を作動させる送信回路と通信し、該第１段階のビーム形成器デバイスがプローブハウジング内のメモリーデバイスと複数のサブアレイビーム形成器を含む、該１Ｄトランスデューサアレイと、
   ケーブルによってプローブハウジングからデータを受信するプロセッサハウジングであって、該プロセッサハウジングがシステムプロセッサと第１段階のビーム形成器デバイスからデータを受信する第２段階のビーム形成器を含み、該第２段階のビーム形成器がディスプレー用の超音波画像を形成するために該システムプロセッサにより処理された超音波画像データを生成する、該プロセッサハウジングと、
   を具備する該医療用超音波画像形成システム。
2. トランスデューサ素子のアレイがスパースアレイとして動作する請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
3. 前記複数のサブアレイビーム形成器が前記プローブハウジング内の第１の複数のサブアレイビーム形成器を有し、そして、前記第２段階のビーム形成器が前記プロセッサハウジング内の第２の複数のビーム形成器を有し、該第２の複数のビーム形成器が該プローブハウジングと通信しており、該第２の複数のビーム形成器が第１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、かつ該第１画像データを受信する複数の遅延線を有しており、該複数のサブアレイビーム形成器が画像データを提供するよう並列で動作している、請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
4. 前記第２段階のビーム形成器がデジタルビーム形成器を備える請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
5. プローブハウジング内の制御回路が第１段階のビーム形成器デバイスに接続され、抑制された第３高調波を有する変型方形波の送信を行うよう作動する請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
6. 前記送信回路が前記プローブハウジング内に位置する請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
7. 前記１Ｄトランスデューサアレイが６４以上の複数のトランスデューサ素子を備え、該複数のトランスデューサ素子が複数のサブアレイとしてグループ分けされ、各サブアレイが一緒に加算される複数の隣接トランスデューサ素子を備える、請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
8. 前記１Ｄトランスデューサアレイがフレキシブル回路に接続された複数のトランスデューサ素子を備え、第１段階のビーム形成器デバイスが該フレキシブル回路上に設置されている請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
9. 前記プロセッサハウジングと前記プロセッサハウジング内のディスプレー及び制御パネルが約６．８１ｋｇ（１５ポンド）より少ない重さを有する請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
10. 前記プローブハウジングが複数のフレキシブルケーブルをさらに備え、各ケーブルがトランスデューササブアレイを回路基板に接続する請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
11. 前記プローブハウジングが複数の回路基板を囲んでおり、各回路基板が第１の複数のサブアレイビーム形成器と、ビーム形成器制御データを記憶するメモリーと、そしてマルチプレクサ回路の、少なくとも１つを有する、請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
12. フレキシブル回路をさらに備える請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
13. 前記フレキシブル回路がフレキシブルケーブルを備える請求項１２に記載の医療用超音波画像形成システム。
14. 前記フレキシブル回路がフレキシブルプリント回路を備える請求項１２に記載の医療用超音波画像形成システム。
15. 整合フィルターが遅延線の段階に関連する複数の重みを有する請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
16. 複数のサブアレイビーム形成器内の各ビームが圧縮される請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
17. 前記第２段階のビーム形成器が複数のデジタルビーム形成器を備える請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
18. 第１の複数のビーム形成器がチャージドメインプロセッサを備える請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
19. 前記システムプロセッサが走査変換を実行する請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。
20. 前記システムプロセッサがドップラー処理を実行する請求項１に記載の医療用超音波画像形成システム。