JP5866282B2

JP5866282B2 - 超音波システムにおけるビーム成形後の圧縮

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Description

本発明は、受信した超音波信号サンプルに適用される受信ビーム成形器によって超音波画像形成システムに発生されるビーム成形サンプルを圧縮することに係り、より特定すれば、各ビームのビーム成形サンプルを独立して圧縮しそして画像形成のための処理の前に解凍することに係る。

医療用超音波システムは、臨床医により対象者に置かれたトランスジューサから超音波ビームを送信することにより対象者の体内解剖学的組織をスキャンする。超音波は、異なる音響インピーダンスを有する体内組織の界面で反射されて、エコーを発生する。トランスジューサは、エコーを受信して、電気的な超音波信号へ変換する。超音波システムは、超音波信号に一連の処理ステップを適用して、画像又は一連の画像を発生し、それらは、臨床医による分析のためにコントロールコンソールに表示される。受信したエコーの強度に基づき形成される画像は、Ｂモード画像と称される。更に、システムは、超音波信号のドップラーシフトを測定して、血液のような流体の流れを指示するカラー画像を発生すると共に、診断に有用な付加的な分析を遂行する。

従来の医療用超音波トランスジューサは、電気信号で駆動されたとき超音波を送信し、返送されるエコーを受信し、そしてその受信エコーを複数のアナログ信号へ変換する圧電素子のアレイを備えている。複数のアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）がアナログ信号をサンプリングし、その各々がデジタル信号サンプルのストリームを発生する。信号サンプルの典型的なデジタル信号処理は、ビーム成形、ダウン変換、Ｂモード（輝度）処理及び／又はドップラー処理、スキャン変換、及び表示のための画像処理を含む。ビーム成形器は、信号サンプルのストリームに遅延及び加算オペレーションを適用して、視野内の特定方向に対応するビーム成形サンプルのアレイを形成する。ビーム成形器は、信号サンプルのストリームに異なる遅延パターンを適用することによって視野内の異なる方向に対応するビーム成形サンプルの多数のアレイを発生することができる。次いで、望ましい診断情報のタイプに基づいて、ビーム成形サンプルに対してＢモード処理及び／又はドップラー処理を遂行して、Ｂモード検出サンプル及び／又はドップラー検出サンプルを形成する。検出サンプルの空間的座標は、ビーム成形サンプルのビーム幾何学形状に依然対応する。スキャンコンバータが検出サンプルの座標変換を行って、表示に適したラスタフォーマットを有するデータのフレームを発生する。サンプルのフレームに付加的な画像処理を適用して、二次元（２Ｄ）又は三次元（３Ｄ）画像として表示できるようにする。

医療用超音波システムを改善するための現在の努力は、コンソール／カートシステムの診断能力を高めると共に、画質の改善された小型のポータブル装置を開発することに向けられる。ハイエンドのコンソール又はカートシステムについては、トランスジューサ素子の数を増加して、診断能力を拡張するための高い解像度及び／又は３Ｄ画像を発生することが望まれる。トランスジューサ素子の数を増加すると、トランスジューサヘッドからコンソールプロセッサへ通信されるデータの量が増加し、より広い帯域巾の通信チャンネル及びより大きなケーブル接続を要求する。トランスジューサヘッドのデータ取得能力は、操作及びフォームファクタの要件により制約を受ける。手持ち及びハンドヘルド型の超音波装置は、経済的なものであり、小規模な医院、移動処置ユニット及び家庭で使用するのに望ましいものである。これらの装置では、バッテリ寿命も制約となる。超音波システムにおいて超音波信号データをより効率的に処理し、転送し、記憶することで、電力、データ転送帯域巾及びメモリ容量を節約することができる。

超音波信号データの圧縮は、コンソール／カートシステム及びポータブルシステムの両方に利益をもたらすことができる。その利益とは、システムのデータ送信帯域巾、メモリ容量、及び電力要件を下げることを含む。ポータブル又は手持ち式超音波システムでは、この利益で、重量が減少され、バッテリ寿命が延びる。コンソールシステムの場合には、圧縮は、トランスジューサヘッドにより取得されるデータ量の増加及び超音波信号プロセッサへのデータの転送の影響を軽減する。計算効率のよい圧縮は、システムの複雑さへの影響がほとんど又は全くないという圧縮の利益をもたらす。

ここで使用する「圧縮」という語は、信号サンプルを表すビットの数が減少されそして信号サンプルがその後に表示のための処理の前に解凍されるという超音波信号サンプルのデータ圧縮を指す。超音波画像形成システムのある説明では、データ圧縮ではなく「パルス圧縮」を意味するように圧縮という語が使用される。パルス圧縮は、送信された超音波パルスのフィルタリング及び／又は変調と、受信した超音波パルスの逆フィルタリング及び／又は復調とを指す。（例えば、２００４年、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、第４２巻、第１１０１−１１０９ページに掲載されたＶ．Ｂｅｈａｒ及びＤ．Ａｄａｍ著の“Parameter optimization of pulse compression in ultrasound imaging system with coded excitation”を参照されたい。）超音波画像形成システムのある説明では、データ圧縮ではなく「対数圧縮」を意味するように圧縮という語が使用される。この点について、対数圧縮は、処理された超音波データの対数、典型的に、表示の前の大きさ検出データを計算することを指す。（例えば、２００８年１１月、ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＳＰＲＡＢ１２、第１−２６ページに掲載されたＡ．Ｍｕｒｔａｚａ氏等の“Signal Processing Overview of Ultrasound Systems for Medical Imaging”を参照されたい。）パルス圧縮及び対数圧縮は、両方とも、時間ドメイン及び周波数ドメインにおいて送信又は受信超音波信号の特性を意図的に変更する。受信超音波信号サンプルのデータ圧縮に続いて解凍を行うことは、時間及び周波数ドメインにおいて信号特性を保存するプロセスである。ここでの説明は、超音波信号サンプルのロスレス及びロッシー圧縮を参照する。ロスレス圧縮では、解凍サンプルがオリジナルサンプルと同一の値を有する。ロッシー圧縮では、解凍サンプルがオリジナルサンプルと同様であるが、同一ではない。ここでの説明は、生、又は処理済みの、即ち表示のための超音波画像を形成するよう最終的に処理された、超音波データのアレイを指すために「フレーム」という語を使用する。又、従来の超音波画像形成システムの説明は、超音波データのフレームを指すために「スクリーン」という語を使用している。ここでの説明では、「リアルタイム」とは、デジタル信号のサンプルレートと少なくとも同程度に速いレートを意味する。「リアルタイム」という語は、デジタル信号の処理、転送及び記憶のためのレートを記述するのに使用することができる。サンプルレートとは、ＡＤＣがアナログ信号の変換中にデジタル信号のサンプルを形成するレートである。従来の超音波画像形成システムのある説明は、超音波画像を表示するためのフレームレートを指すために「リアルタイム」という語を使用する。ここでの説明は、リアルタイムを、フレームレートの解釈ではなく、サンプルレートに関連付ける。

超音波システムにおけるデータ圧縮の以前の適用は、画像成形のためのスキャン変換の前後に別のデータ圧縮を含ませている。２００１年１１月１３日に発行された“Ultrasonic Diagnostic Device”と題する米国特許第６，３１５，７２２号において、ヤエガシ氏は、ＡＤＣユニットから出力される超音波信号サンプルを記憶するための時間軸延長ユニットを述べている。時間軸延長ユニットは、ＡＤＣユニットから出力されるレートでデータを書き込み、そしてそれより低いレートでデータを読み出す。時間軸延長ユニットは、１つのスクリーン又はフレームに対して信号サンプルを記憶し、そして先入れ先出し（ＦＩＦＯ）メモリを使用して具現化される。時間軸延長ユニットから読み取られた信号サンプルをデータ圧縮ユニットで圧縮する。ヤエガシ氏は、１つのデータフレーム内の空間的相関を利用するための離散的コサイン変換（ＤＣＴ）に基づく方法、又は複数のデータフレームのためのＭＰＥＧ圧縮方法のような画像圧縮技術を適用することを述べている。（ＭＰＥＧとは、ムービングピクチャーエキスパートグループにより開発されたビデオデータ圧縮規格を指す。）圧縮されたサンプルは、ハードディスクのような大量メモリ装置に記憶される。データ圧縮は、大量メモリ装置に必要とされる記憶容量を減少する。画像の発生については、データ拡張ユニットが、大量メモリ装置から検索される圧縮サンプルを解凍する。フィルタリング、対数変換、検出及びデジタルスキャン変換を含む従来のオペレーションが、画像形成及び表示のために解凍サンプルに適用される。ヤエガシ氏は、処理シーケンスにおけるビーム成形については開示していない。

“Transducer Array Imaging System”と題する米国特許公告２００８／０１１４２４６号において、ランデール氏等は、ビーム成形の前及び／又は後にマッピング、再サンプリング及び／又はデータウインドウ化を使用して超音波デジタルデータを圧縮することを述べている。マッピングは、信号サンプルを再量子化又はクリッピングすることを含む。例えば、必要なビットの数は、深さと共に単調に減少し、深さに基づきサンプル当たりより少数のビットが指定される。ある実施形態では、送信及び受信アパーチャーを越えて延びる受信チャンネルからの信号サンプルを切断することができる。当該領域（ＲＯＩ）を画像形成するために、信号取得時間は、深さ範囲に比例し、最小サンプル時間の前及び／又は最大サンプル時間の後に取得されるデータは、それが画像ピクセルの形成に貢献しない場合には切断することができる。ある実施形態では、表示解像度が全解像度画像に必要なものより低い場合にはデータをより少数のサンプルへと再サンプリングし、転送されるサンプルの数を減少することができる。

２０００年３月２８日に発行された“Medical Diagnostic Ultrasound System and Method for Transform Ultrasound Processing”と題する米国特許第６，０４２，５４５号において、ホサック氏等は、ビーム成形後の超音波データに対する変換圧縮技術を述べている。ビーム成形の別の態様は、ＡＤＣの前のアナログビーム成形、又はＡＤＣの後のデジタルビーム成形を含む。ビーム成形器は、同相及び直角位相（Ｉ及びＱ）サンプルを発生するか、或いは又高周波（ＲＦ）サンプルを発生する。二次元（２Ｄ）フレームに対応するビーム成形サンプルは、変換ドメイン表現を発生するようにフィルタリング及び変換される。変換ドメインサンプルは、圧縮のために量子化及び／又はエンコードされる。圧縮は、ロスレス又はロッシーである。ＤＣＴ又は離散的ウェーブレット変換（ＤＷＴ）、量子化関数及びエンコーディング関数のような変換は、データのフレームを圧縮するのに適用される。例えば、ＪＰＥＧ圧縮は、データのフレームをデータの２Ｄブロックへ分割し、各ブロックに２ＤＤＣＴを使用して変換し、変換ドメインサンプルを量子化し、ブロック間でＤＣ（ゼロ周波数）変換サンプルを差動エンコーディングし、そして量子化変換ドメインサンプルの２Ｄブロックをエントロピーエンコーディング（例えば、ハフマンエンコーディング）することを含む。ＪＰＥＧ圧縮アルゴリズムは、ロッシー又はロスレスとして構成することができる。（ＪＰＥＧ圧縮とは、ジョイントフォトグラフィックエキスパートグループによって開発された標準画像圧縮方法を指す。）種々の画像処理機能のための変換ドメインにおける付加的なオペレーション、例えば、フィルタリングは、空間的ドメインより変換ドメインにおいて計算効率が高い。例えば、空間的ドメインにおける２Ｄフィルタリングは、２Ｄコンボリューションオペレーションを使用する。変換ドメインにおいて、２Ｄフィルタリングは、変換ドメインフィルタ係数による効率的な乗算を使用する。圧縮された変換ドメインデータは、後で画像形成のために記憶することができる。解凍については、表示のための処理の前に逆エンコーディング及び変換機能が適用される。

２００５年２月１５日に発行された“Diagnostic Information Generation Apparatus and Ultrasonic Diagnostic System”と題する米国特許第６，８５５，１１３号において、アメミヤ氏等は、超音波ユニットから情報ユニットへワイヤレス送信する前に超音波データのフレームを圧縮することを述べている。超音波ユニットは、トランスジューサと、その後のビーム成形、Ｂモード画像形成及びドップラー画像形成のためのプロセッサとを備えている。汎用のデータ圧縮規格、例えば、単一フレームについてはＪＰＥＧ圧縮、又は複数のフレームについてはＭＰＥＧ圧縮が、Ｂモード画像形成データ又はドップラー画像形成データに適用される。圧縮されたデータは、標準ワイヤレス通信モードを使用して情報ユニットへ送信される。情報ユニットは、受信したデータを圧縮規格に基づいて解凍する中央処理ユニット（ＣＰＵ）を備えている。ＣＰＵは、更に、解凍されたＢモード画像形成データ及び解凍されたドップラー画像形成データを表示のために処理する。

１９９７年３月２０日に公告された“Ultrasonic Diagnostic Apparatus for Compressing and Storing Data in CINE Memory”と題するＰＣＴ出願公告、国際公告番号ＷＯ９７／０９９３０において、リー氏は、ＣＩＮＥメモリに記憶する前に超音波データを圧縮しそしてＣＩＮＥメモリから検索されたデータを解凍することを述べている。ＣＩＮＥメモリは、時間により編成される多数のバンクを含む。このシステムでは、超音波プローブがＡＤＣの前でビーム成形を行い、従って、ＡＤＣの出力データは、ビーム成形されたサンプルを表す。圧縮は、データのフレームに適用され、そしてスキャン変換の前又は後に適用することができる。Ｌｅｍｐｅｌ−Ｚｉｖ−Ｗｅｌｃｈ（ＬＺＷ）アルゴリズムが圧縮及び解凍に適用される。このＬＺＷアルゴリズムは、データにおけるビットの繰り返しパターンを検出しそしてその繰り返しパターンにコードを指定することに基づく。ＣＩＮＥメモリから検索されたフレームに対する圧縮データは、解凍され、そして表示のために更に処理される。

２００５年３月３１日に公告された“Ultrasonograph and Ultrasonic Data Compression Method”と題する日本国特許出願、公告番号２００５−０８１０８２号において、アキヒロ氏は、アナログビーム成形後に超音波データを圧縮するための３つの実施形態を述べている。第１の実施形態において、ＡＤＣは、アナログビーム成形器出力信号のＩ及びＱサンプルを発生する。圧縮器は、隣接ビームのＩ、Ｑサンプル間の差を計算し、それに続いて、その差をラン長さエンコーディングし、圧縮データを形成する。圧縮データは、メモリに記憶される。メモリから検索された圧縮データは、解凍され、そして画像表示のために処理される。第２の実施形態において、ＡＤＣは、アナログビーム成形出力サンプルのＲＦサンプルを発生する。圧縮器は、隣接ビームのＲＦサンプル間の差を計算し、その後、ラン長さエンコーディングを行う。圧縮されたサンプルは、メモリに記憶され、検索され、解凍され、そして画像表示のために処理される。第３の実施形態において、ビーム成形器の出力は、圧縮の前にＢモード画像フレーム及びドップラー画像フレームを発生するように更に処理される。圧縮器は、フレーム対フレームの差を計算して、圧縮されたデータフレームを発生する。圧縮されたデータフレームは、メモリに記憶され、検索され、解凍され、そして表示のために更に処理される。

１９８８年６月２１日に発行された“Ultrasonic Bloodstream Diagnostic Apparatus with Dual Displays of Velocity Profiles and Average Flow Velocity”と題する米国特許第４，７５１，９２９号において、ハヤカワ氏等は、ドップラー周波数検出データを圧縮することを述べている。圧縮器は、周波数スペクトルサンプルの実数部及び虚数部の２乗の大きさを計算する平方・加算回路の出力に対して動作する。圧縮器は、加算器からの各サンプル出力のビットを再エンコードして、表現におけるビット数を減少する。圧縮器は、加算器出力サンプルに対して動作して、仮数における最上位ビットの位置をエンコードし、固定数の最上位ビットを保存し、そして残りの最下位ビットを除去する。それにより各サンプルに対して得られる圧縮ワードは、固定数の最上位ビットと、オリジナルサンプルから除去される最下位ビットの数を示すコードとを含む。各サンプルから可変数の最下位ビットが除去され、従って、圧縮は、ロッシーである。

１９９８年Proc. Intl. Conf. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society、第２０巻、第３号、第１２７４−７６ページに掲載された“A Novel B-Mode Ultrasound Image Compression Method Based on Beam Forming Data”と題する論文において、リー氏等は、ビーム成形サンプルをテレ超音波システムにおいて送信するために圧縮することを述べている。１２８ｘ５１２個のビーム成形サンプルのフレームにＤＷＴが適用される。垂直方向におけるサブ画像の係数が、演算コード化を使用して量子化されエンコードされる。解凍の後、１２８ｘ５１２個の解凍されたサンプルのフレームにスキャン変換を適用して、５１２ｘ５１２個のサンプルのフレームを表示のために形成する。

画像形成のためにスキャン変換後に超音波画像を圧縮するための異なる方法が多数の論文に掲載されている。幾つかの例は、次のものを含む。２００１年Proc. 23^rd Annual IEEE Engineering in Medicine and Biology Society Intl. Conf.、第２４６１−６４ページに掲載された“Comparative Survey of Ultrasound Images Compression Methods Dedicated to a Tele-Echography Robotic System”と題する論文において、デルゴージ氏等は、超音波画像に異なる圧縮方法を適用することを述べている。これらの方法は、フーリエ変換、ＤＣＴ、クオドツリー解凍、ＤＷＴ、フラクタル、ヒストグラムスレッシュホールド、及びラン長さコード化を含む。これらの方法は、スキャン変換後に５１２ｘ５１２個の超音波画像に適用される。２００５年６月、IEEE Trans. Medical Imaging、第２４巻、第６号、第７４３−５４ページに掲載された“Despeckling of Medical Ultrasound Images Using Data and Rate Adaptive Lossy Compression”と題する論文において、グプタ氏等は、圧縮を、超音波画像から斑点を除去するアルゴリズムと組み合わせることを述べている。ＤＷＴに続いて、斑点除去アルゴリズム、量子化及びエントロピーエンコーディングが行われる。２００５年３月、IEEE Trans. Information Technology in Biomedicine、第９巻、第１号、第５０−５８ページに掲載された“A Tele-Operated Mobile Ultrasound Scanner Using a Light-Weight Robot”と題する論文において、デルゴージ氏等は、種々のロスレス及びロッシー圧縮方法を超音波画像に適用することを述べている。ロスレス方法は、ハフマン、演算コード化、Ｌｅｍｐｅｌ−Ｚｉｖ、ラン長さコード化、及びＦａｎｏコード化を含む。ロッシー方法は、ＪＰＥＧ、ＪＰＥＧ−ＬＳ及びＪＰＥＧ２０００を含む種々のＪＰＥＧバージョンを包含する。１９９７年６月、IEEE Signal Processing Letters、第４巻、第６号、第１５６−７ページに掲載された“Maximum Likelihood Motion Estimation in Ultrasound Image Sequence”と題する論文において、ストリンツイス氏等は、一連の超音波画像にＭＰＥＧ圧縮を適用することを述べている。この方法は、一連の画像内の連続フレーム間でピクセルの８ｘ８ブロックに対して運動ベクトルを検出することを含む。運動ベクトルは、フレーム対フレームのＭＰＥＧ圧縮に対してエンコードされる。

２００６年３月７日付の“Adaptive Compression and Decompression of Band limited Signals”と題する共通所有の米国特許第７，００９，５３３号（‘５３３特許）は、ある帯域制限信号の圧縮及び解凍のためのアルゴリズムを記述している。２０００年６月２日に出願された“Ultrasound Signal Compression”と題する共通所有の同時係争中の米国特許出願第１２／４７７０６２号（‘０６２出願）は、アナログ／デジタルコンバータから出力される超音波信号サンプルの圧縮と、ビーム成形オペレーションの前の解凍とを記述している。本出願は、超音波信号サンプルに適用されたビーム成形オペレーションから生じる超音波ビーム成形サンプルの圧縮に向けられる。

超音波画像形成システムのコンポーネント間で超音波ビーム成形サンプルを効率的にデータ転送する必要がある。又、システムの複雑さへの影響を最少にしてデータ転送を改善するために超音波ビーム成形サンプルを計算上効率的にデータ圧縮する必要がある。

本発明の実施形態は、以上の従来の問題を考慮して得られたものである。本発明は、超音波画像形成システムにおいて受信ビーム成形器により発生される１つ以上のビームを表すビーム成形サンプルを圧縮するための装置及び方法を提供する。受信ビーム成形器は、サンプリング窓の間に受け取られる超音波信号サンプルの複数のシーケンスに適用され、ビーム成形サンプルのアレイによって各々表される１つ以上のビームを形成する。超音波信号サンプルのシーケンスは、サンプリング窓の間にトランスジューサ要素により出力されるアナログ超音波信号のアナログ／デジタル変換により発生される。本発明の方法及び装置は、ビームを圧縮して圧縮ビームを形成するもので、これは、特定ビームを表すアレイ内のビーム成形サンプルを圧縮して、対応する圧縮ビームの圧縮ビーム成形サンプルを形成することを含む。アレイ内の特定のビーム成形サンプルの圧縮は、アレイ内の少なくとも１つの他のビーム成形サンプルの特性に一部分依存する。各ビームは、サンプリング窓に対応する別のビームとは独立して圧縮される。圧縮されたビームは、デジタルインターフェイスを横切って信号プロセッサへ転送される。信号プロセッサにおいて、圧縮されたビームは、画像形成のための処理の前に解凍される。

本発明の装置の実施形態において、圧縮器は、１つ以上の圧縮ユニットを備えている。対応する圧縮ユニットが、サンプリング窓に対応する他のビームとは独立して、受信ビーム成形器から出力される対応ビームに圧縮オペレーションを適用する。対応する圧縮ユニットは、対応するビームの少なくとも１つの他のビーム成形サンプルの特性に一部分基づいて、特定のビーム成形サンプルを圧縮するように構成される。

本発明の別の態様において、圧縮オペレーションは、特定ビームのビーム成形サンプルのグループにブロックのフローティングポイントを適用して、圧縮ビーム成形サンプルのグループを形成することを含む。グループマルチプレクサは、２つ以上の圧縮ビームに対応するグループをインターリーブさせて、デジタルインターフェイスにわたって転送するためのマルチプレクスされたシーケンスを形成する。マルチプレクスされて受け取られたシーケンスの圧縮グループは、解凍されて、解凍ビーム成形サンプルのグループを形成する。グループデマルチプレクサは、解凍グループを再アレンジして、対応する解凍ビームのためのオリジナルグループ順序を回復する。本発明の別の実施形態では、圧縮オペレーションは、対応ビームのビーム成形サンプル間の差を計算し、それに続いて、差のサンプルをブロックフローティングポイントエンコーディングして、圧縮ビームを形成することを含む。

ビーム内のビーム成形サンプル間の相関は、同じビーム内の別のビーム成形サンプルの特性に一部分基づいて特定のビーム成形サンプルを圧縮することにより利用される。ブロックフローティングポイントエンコーディングを含む実施形態では、特性は、ビーム内のビーム成形サンプルのグループに最大の大きさを有するビーム成形サンプルに対する指数値である。ブロックフローティングポイントエンコーディングは、指数値及びビーム成形サンプルそれ自体の値に基づきグループ内の各ビーム成形サンプルを表す。ビーム内のビーム成形サンプルの対間の差を計算することを含む実施形態では、特性は、その対の各ビーム成形サンプルの値である。各ビームをサンプリング窓内の他のビームとは独立して圧縮することで、圧縮ビームを発生するための効率的な計算及び短い待ち時間を許す。

超音波画像形成システムにおいてビーム成形サンプルを圧縮する効果は、圧縮されたビーム成形サンプルを、デジタルインターフェイスを経て信号プロセッサへ転送するに必要な帯域巾が減少されることを含む。受信ビーム成形器及び圧縮器がトランスジューサヘッドに収容されるシステムアーキテクチャーでは、デジタルインターフェイスは、ワイヤード又はワイヤレス通信リンクである。ワイヤード通信リンクの場合は、デジタルインターフェイスは、ＰＣＩｅ（周辺コンポーネント相互接続エクスプレス）ケーブルリンク又は光ファイバリンクのような低コストのケーブルアッセンブリによって具現化される。ワイヤレス通信リンクの場合は、要求される帯域巾の減少で、ワイヤレスリンクを具現化する送信器及び受信器のコスト及び複雑さを低減することができる。デジタルインターフェイスの帯域巾が固定であるシステムアーキテクチャーでは、ビーム成形サンプルの圧縮で、より多くのビームを圧縮形態で画像形成のために信号プロセッサへ転送することができる。信号プロセッサは、より多数のビーム成形サンプルを使用して、改善された解像度又は大きな視野を有する超音波画像を発生することができる。

本発明の別の効果は、圧縮されたビーム成形サンプルが効率的に記憶されることを含む。ビーム成形サンプルがメモリ又は他の記憶媒体に記憶されるシステムアーキテクチャーでは、圧縮されたビーム成形サンプルを記憶するのに必要な記憶容量が、非圧縮のビーム成形サンプルに比して減少される。

本発明の別の効果は、計算効率のよい圧縮及び解凍を含む。圧縮及び解凍の具現化は、あまり複雑でなく、システムリソースへの負担を減少し、コストを下げる。本発明の他の観点及び効果は、添付図面、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲から明らかとなろう。

従来技術による典型的な医療用超音波システムの一例を示すブロック図である。従来技術による超音波信号プロセッサ１３０のブロック図である。従来技術によるビーム成形前の超音波信号サンプルのプロットである。従来技術による１つのビーム成形出力チャンネルに対応するビーム成形超音波信号の同相サンプルのプロットである。受信ビーム成形器から出力されたビーム成形サンプルの圧縮を含む超音波画像形成システムのブロック図である。少数のデータポートを横切って転送するために圧縮されたビーム成形サンプルをマルチプレクスすることを含む超音波画像形成システムのブロック図である。Ｎ＿ＧＲＯＵＰ＝４であるブロックフローティングポイントエンコーダのブロック図である。エンコーディングのためのサンプルのｎ＿ｂｉｔを選択する一例を示す。減少された仮数を表すためのビットを選択する一例を示す。ｎ＿ｅｘｐ、ｎ＿ＬＳＢ及びｍ＿ｅｘｐの規範的な値を示すテーブルである。減少された仮数を使用するブロックフローティングポイントエンコーディングのブロック図である。１組の圧縮されたビームの圧縮されたグループをマルチプレクスする一例を示す。図１２のマルチプレクス例に対応するデマルチプレクス例を示す。差の演算を含む圧縮ユニットのブロック図である。図１４を参照して述べた圧縮オペレーションに対応する解凍オペレーションのブロック図である。デコードされた差のサンプルのグループをデマルチプレクスするブロック図である。異なる中心周波数をもつビーム成形サンプルを圧縮するための原理に基づく別々の例を示す。ビーム成形サンプルの中心周波数に基づく圧縮アルゴリズムのブロック図である。中心周波数に基づき変更サンプル８３２を発生するオペレーションを示す。図１７の例に対するサンプルｘ（ｉ）及びｘ（ｉ−ｊ）の和又は差を示す。図１８を参照して述べた圧縮方法に対して解凍器２４０により遂行されるオペレーションのブロック図である。デコードされ変更されたサンプルのグループをデマルチプレクスするブロック図である。解凍器のＧＰＵにおける具現化、及び超音波画像を発生するための他のオペレーションを示すブロック図である。解凍器のＣＰＵ／ＧＰＵ装置における具現化、及び超音波画像を発生するための他のオペレーションを示すブロック図である。

図１は、従来技術による典型的な医療用超音波システムの一例を示すブロック図である。送信ビーム成形器１０４は、デジタル又はアナログビーム成形器のような既知の構造のものである。送信ビーム成形器１０４は、システムコントローラ１０２に応答して１つ以上の励起信号を発生する。励起信号は、典型的に、１ないし２０ＭＨｚ範囲の関連中心周波数を有する。送信ビーム成形器１０４からの励起信号は、送信／受信スイッチ１１２を経て超音波トランスジューサ１１０に与えられる。超音波トランスジューサ１１０は、トランスジューサ素子１１０ｉのアレイを含む。超音波トランスジューサ１１０は、検査を受ける対象者に超音波を結合できるようにする既知の構造のものである。トランスジューサ素子１１０ｉは、超音波の発射及び受信の両方を行う。送信／受信スイッチ１１２は、送信及び受信モードのためのスイッチング回路を含む。送信モードでは、送信／受信スイッチ１１２は、送信ビーム成形器１０４からの励起信号をトランスジューサ１１０へ結合する。受信モードでは、送信／受信スイッチ１１２は、トランスジューサ１１０から受信した超音波信号をアナログフロントエンド（ＡＦＥ）１１４へ結合する。送信の場合に、トランスジューサ素子１１０ｉは、励起信号を変換して、超音波音響波形を発生する。特に、トランスジューサ１１０は、送信ビーム成形器１０４に応答して、励起信号を、対象者内をある方向に進行する超音波波形へ変換する。異なる音響インピーダンスを伴う界面を有する散乱場所で超音波波形を反射させて、トランスジューサ１１０へエコーを返送させる。複数のトランスジューサ素子１１０ｉがエコーを受信して、複数のアナログ超音波信号へと変換する。送信／受信スイッチ１１２は、トランスジューサ１１０からの複数のアナログ超音波信号をサンプリング窓間にＡＦＥ１１４へ結合する。サンプリング窓は、受信したエコーが対象者の望ましい深さ範囲内の散乱場所からの反射を表すところの時間インターバルに対応する。コントローラ１０２は、ユーザ入力又はスキャンプロトコルに従ってサンプリング窓をセットし、そして送信／受信スイッチ１１２にタイミングコントロール情報を与える。送信／受信スイッチ１１２は、サンプリング窓間に複数のアナログ超音波信号を並列に出力する。ＡＦＥ１１４は、アナログ／デジタル変換のための準備として複数のアナログ超音波信号を増幅しそしてフィルタリングする。ＡＦＥ１１４は、各アナログ信号チャンネル１１３ｉに対して、低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）、可変利得増幅器（ＶＧＡ）及びローパスフィルタを含むことができる。ＶＧＡは、受信信号強度が時間と共に減少するので、時間の関数として利得を増加する利得プロフィールを適用する。時間に伴う信号強度の低下は、超音波がより多くの組織を通してより長い距離進行するにつれて減衰することから生じる。ＡＤＣバンク１２０は、サンプリング窓の間に受信した複数のアナログ超音波信号を、並列の超音波信号サンプルの複数のシーケンスへ変換するための複数のＡＤＣを備えている。各ＡＤＣ入力チャンネル１１５ｉにおけるアナログ超音波信号は、それに対応するＡＤＣ出力チャンネル１２１ｉにおける超音波信号サンプルのストリームへと変換される。超音波信号サンプルは、トランスジューサの圧電材料の固有の共振周波数に関連した受信超音波信号の高周波（ＲＦ）に典型的に対応する非ゼロの中心周波数を有する。

超音波信号プロセッサ１３０は、ビーム成形、ダウン変換、Ｂモード処理、及び／又はドップラー処理を含めて、超音波信号サンプルから診断情報を抽出するオペレーションを遂行し、これについては図２を参照して更に説明する。超音波信号プロセッサ１３０は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、マイクロプロセッサ、又はコンピュータのＣＰＵのような１つ以上のプロセッサで具現化することができる。スキャンコンバータ１４０は、処理されたサンプルのフレームの座標変換を遂行して、ラスタ（直線）フォーマットを有する超音波画像サンプルのフレームを発生する。画像プロセッサ１５０は、付加的な画像向上オペレーションを超音波画像サンプルに適用することができる。ディスプレイ１６０は、ユーザにより分析するための２次元又は３次元画像を与える。

図２は、従来技術による超音波信号プロセッサ１３０のブロック図である。医療用超音波システムは、ＡＤＣバンク１２０から出力されたＲＦ超音波信号サンプルに対してデジタルビーム成形オペレーションを遂行することができる。受信ビーム成形器１６０は、遅延、アポダイゼーション（減衰）及び加算オペレーションを超音波信号サンプルに適用して、視野内の特定の方向又は角度に対応するビーム成形サンプル又はビームの１Ｄアレイを形成する。受信ビーム成形器１６０は、計算されているビームの方向に依存する遅延のパターンを超音波信号サンプルに適用する。受信ビーム成形器１６０は、視野内の多数の方向に対応するビーム成形サンプルの多数の１Ｄアレイを発生する。受信ビーム成形器１６０は、表示のための超音波信号サンプル及びビーム成形（ＢＦ）計算器１６４の加算オペレーションを記憶するためにビーム成形器（ＢＦ）メモリ１６２を備えている。ＢＦ計算器１６４は、同じ受信パルスに対してＢＦメモリ１６２から検索された超音波信号サンプルを使用して複数のビームを成形することができる。又、ＢＦ計算器１６４は、補間オペレーションを超音波信号サンプルに適用して、計算されるビームの位相解像度を改善することができる。又、受信ビーム成形器１６０は、加算オペレーションの前に信号サンプルに重み付け関数を適用して、空間的窓機能又はアポダイゼーションを具現化することができる。各角度に対して計算されたビーム成形サンプルは、それに対応するビーム成形器出力チャンネル１６１ｉに与えられる。受信ビーム成形器１６０は、典型的に、ＡＤＣ出力チャンネル１２１ｉより成る入力チャンネルより少ない出力チャンネル１６１ｉを有する。この構成では、ビーム成形サンプルは、ＲＦ中心周波数を有する。デジタルダウンコンバータ（ＤＤＣ）１７０は、ビーム成形サンプルを基本帯域へと復調し、各ビームに対する複雑な基本帯域Ｉ及びＱサンプルを発生する。ＤＤＣ１７０とは別に又はそれに加えて、希望の周波数を中心とする周波数帯域でビーム成形サンプルにバンドパスフィルタを適用することもできるし、又はＤＤＣ１７０がビーム成形サンプルを基本帯域ではなくて中間周波（ＩＦ）へ復調することもできる。この技術の別のアーキテクチャーは、アナログ／デジタル変換の前にアナログビーム成形を行い、そしてビーム成形の前に超音波信号サンプルのデジタルダウン変換を行うことを含む。

診断情報プロセッサ１８０は、希望のタイプの超音波画像のためにＩ、Ｑサンプルに対して適当なオペレーションを遂行する。Ｂモード処理は、エコー信号の強度を表す情報を発生する。Ｉ、Ｑサンプルの大きさは、Ｂモード画像のための検出サンプルを形成するように計算することができる。ドップラー処理は、Ｉ、Ｑサンプルから速度、速度の偏差、及びエネルギーを推定して、ドップラー検出サンプルを形成する。Ｂモード検出サンプル及びドップラー検出サンプルの空間的座標は、ビーム成形サンプルの幾何学形状に対応する。スキャンコンバータ１４０は、検出サンプルの座標変換を遂行して、表示に適したラスタフォーマットを有するデータのフレームを発生する。画像プロセッサ１５０は、サンプルのフレームの付加的な画像処理を、表示の前に、２次元又は３次元画像として遂行する。

図３は、ビーム成形の前の超音波信号サンプルのプロットである。このプロットは、ＡＤＣアレイの１つのＡＤＣによってサンプリングされた４つのパルスエコーに対する同相サンプルを表示するものである。この例では、ビーム成形の前に、ＡＤＣから出力された超音波信号サンプルにデジタルダウン変換が適用されて、Ｉ、Ｑサンプルを形成している。図４は、１つのビーム成形出力チャンネルに対応するビーム成形超音波信号の同相サンプルのプロットである。この例では、ビーム成形器は、遅延及び重み付け関数をＩ、Ｑサンプルに適用することにより複数のＡＤＣから出力されたＩ、Ｑサンプルの複数のシーケンスを合成する。

図５は、好ましい実施形態により、受信ビーム成形器１６０によって発生されたビーム成形サンプルを圧縮することを含む超音波画像形成システムのブロック図である。圧縮器２１０は、複数の圧縮ユニット２１０ｉを備え、その各々は、それに対応するビーム成形器出力チャンネル１６１ｉに圧縮オペレーションを適用する。圧縮ユニット２１０ｉは、特定のビームを表すビーム成形サンプルの１Ｄアレイに圧縮オペレーションを適用して、圧縮されたビーム成形サンプルの対応シーケンスを圧縮器の出力２１１ｉに発生する。特定のビームのビーム成形サンプルは、他のビームを表すビーム成形サンプルとは独立して圧縮される。或いは又、圧縮ユニット２１０ｉは、複数のビーム成形器出力チャンネル１６１ｉから受け取られた複数のビームを表すビーム成形サンプルを圧縮してもよい。この別の態様では、圧縮ユニット２１０ｉは、異なるビームを表すビーム成形サンプルに圧縮オペレーションを独立して適用する。圧縮されたビーム成形サンプルは、デジタルインターフェイス２２０を横切って診断情報プロセッサ１８０へ転送される。解凍器２４０は、受け取った圧縮データを解凍して、診断情報プロセッサ１８０による更なる信号処理オペレーションのためにビーム成形サンプルの１Ｄアレイを再構成する。圧縮されたビーム成形サンプルを転送するに必要なデジタルインターフェイス２２０のデータ転送帯域巾は、非圧縮のビーム成形サンプルを転送するに必要な帯域巾に比して減少される。

処理シーケンスのある時点で、処理された超音波信号がＩＦ又は基本帯域へダウン変換される。ダウン変換は、ＡＤＣバンク１２０によるアナログ／デジタル変換の前又は後、ビーム成形の後であって且つ圧縮の前、或いは解凍の後に、適用されてもよい。ダウン変換が圧縮の前に適用されるときには、圧縮器２１０に入力されるビーム成形サンプルは、中心周波数を中間周波（ＩＦ）又はゼロ周波数（基本帯域）に有する。ダウン変換が解凍の後に適用されるときには、圧縮器２１０に入力されるビーム成形サンプルは、ＲＦ中心周波数を有する。ここでの説明は、ビーム成形サンプルが実数値のサンプルであることを仮定している。或いは又、ＡＤＣ１２０ｉが直角位相サンプリングを遂行するか又は直角位相ダウン変換が圧縮の前に適用される場合には、ビーム成形サンプルがＩ及びＱ成分を有する。この状態では、圧縮器２１０は、ビーム成形サンプルのＩ及びＱ成分を独立して処理する。

圧縮されたビーム成形サンプルは、サンプル当たり少数のビットしかもたないので、デジタルインターフェイス２２０に接続するためのデータポートが、過剰な帯域巾を有することがある。圧縮されたビーム成形サンプルは、デジタルインターフェイス２２０を経て転送するための少数のデータチャンネルを形成するようにマルチプレクスされてもよい。図６は、少数のデータポートを横切って転送するために圧縮されたビーム成形サンプルをマルチプレクスすることを含む超音波システムのブロック図である。受信ビーム成形器１６０は、各ＡＤＣ出力１２１ｉから超音波信号サンプルのＮ本のストリームＸ₁ないしＸ_Nを受け取り、そしてビーム成形器出力チャンネル１６１ｉにＪ本のビームＢ₁ないしＢ_Jを発生する。圧縮ユニット２１０ｉは、圧縮されたビーム成形サンプルのＪ本の対応ストリームＣ₁ないしＣ_Jを発生する。減少ビットレートの圧縮されたビーム成形サンプルがデータポート２７０ｉに与えられる。好ましくは、データポート２７０ｉは、低電圧差動シグナリング（ＬＶＤＳ）データ送信を与える。或いは又、データポート２７０ｉは、データ送信のためのシリアライザ／デシリアライザ（ｓｅｒＤｅｓ）インターフェイスを使用することができる。ナショナルセミコンダクタ社により２００８年１月に出版された“LVDS Owner’s Manual Including High-Speed CML and Signal Conditioning”と題する文書、第４版には、ＬＶＤＳ装置及びアーキテクチャーが記述されている。ＬＶＤＳデータ送信は、３．１２５Ｇｂｐｓの最大データ転送レート、低ノイズ及び低電力消費を含む望ましい特性を有する。差動シグナリングは、正の差動出力について１つ及び負の差動出力について１つの、２つのＩ／Ｏピンをチャンネル出力当たりに要求し、これは、ＬＶＤＳ対と称される。データポート２７０ｉは、圧縮器出力Ｃ_iにおける圧縮ビームのビットレートがポートの最大データ転送レートより低いときには、過剰な帯域巾を有する。この過剰な帯域巾は、所与のデータポート２７０ｉを経て転送するために複数の圧縮ビームを合成することにより利用することができる。マルチプレクサ２５０は、圧縮されたビーム成形サンプルのＪ個のシーケンスを合成して、Ｍ個のデータポート２７０ｉを経て転送するためのＭ個のマルチプレクスされたシーケンスＤ_jを形成する。合成することのできる圧縮ビームの数は、データ転送ポート２７０ｉの帯域巾により制限される。シリアライザ２６０は、マルチプレクスされたビットシーケンスを、それに対応するデータポート２７０ｉに与える。

圧縮されたビーム成形サンプルをマルチプレクスして、Ｍ個のデータポートを使用する効果は、より少数の物理的データポートを使用することを含み、これは、次いで、データポートの接続及び電力消費を減少する。圧縮されたビーム成形サンプルのビットレートが固定である用途では、マルチプレクサ２５０は、固定数の物理的データポート２７０ｉに対して固定数のマルチプレクサ出力２５１ｉを有する。或いは又、融通性のあるアーキテクチャーは、圧縮されたビーム成形サンプルのビットレートに基づいて固定数の物理的データポート２７０ｉの中で可変数のアクティブなデータポートをサポートすることができる。融通性のあるアーキテクチャーでは、圧縮器２１０は、ユーザ選択可能な圧縮比パラメータに基づく種々のビットレートで圧縮されたビーム成形サンプルを与える。圧縮コントローラ（図５には示されていない）は、オペレーションが希望の圧縮比に対応するビットレートで圧縮されたビーム成形サンプルを発生するように、圧縮コントロールパラメータを圧縮ユニット２１０ｉに与える。圧縮コントローラは、発生すべきマルチプレクスされたシーケンスの数Ｍを指示するためにマルチプレクスコントロールパラメータをマルチプレクサ２５０に与える。又、圧縮コントローラは、ユーザ入力に応答して、インアクティブなデータポートを電源オフし、電力を更に保存することができる。

１つのデータポートに対して合成できる圧縮ビームの数は、データポート２７０ｉの帯域巾によって制限される。例えば、Ｊ＝８本のビームＢ_iに対して、各ビームが１６ビット／ビーム成形サンプル、及び５０メガサンプル／秒（Ｍｓｐｓ）のサンプルレートを有する場合に、各ビーム成形器出力チャンネル１６１ｉのビットレートは、８００Ｍｂｐｓである。データポート２７０ｉが８００Ｍｂｐｓまでのデータ転送レートを有し、そして圧縮器２１０が２：１の圧縮比を生じると仮定する。圧縮器出力２１１ｉにおける圧縮ビームＣ_iは、４００Ｍｂｐｓのビットレートを有する。この場合に、１つのデータポート２７０ｉは、８００Ｍｂｐｓのデータ転送レートで２つの圧縮ビームＣ_iを転送するに充分な帯域巾を有する。マルチプレクサ２５０は、１組の２つの圧縮ビームＣ_i及びＣ_i+1からの圧縮されたビーム成形サンプルを合成し、マルチプレクスされた圧縮サンプルＤ_jの対応シーケンスを１つのマルチプレクサ出力２５１ｉに形成する。この例では、対応するアクティブなデータポートに与えられるマルチプレクスされたシーケンスの数は、Ｍ＝Ｊ／２＝４である。シリアライザ２６０は、ビットのシーケンスを対応データポート２７０ｉに与える。デジタルインターフェイス２２０を経て転送された後に、デマルチプレクサは、Ｍ個のマルチプレクスされたシーケンスを受け取り、そしてそれらをデマルチプレクスして、解凍器２４０に与えられるＪ個の圧縮ビームを回復させる。或いは又、マルチプレクサ２５０は、グループ当たり固定数のサンプルを有する圧縮されたビーム成形サンプルのグループをインターリーブしてもよい。この別の形態では、解凍器２４０は、図１２及び図１３を参照して以下に述べるように、デマルチプレクシングの前に、圧縮されたビーム成形サンプルのグループを解凍することができる。

圧縮ユニット２１０ｉにより適用される圧縮方法は、各ビーム成形器出力チャンネル１６１ｉのビーム成形サンプルに、他のビームとは独立して、作用する。ビーム成形サンプルに適用される圧縮方法は、ビーム内の他のサンプルの値に依存する。圧縮方法は、ブロックフローティングポイントエンコーディングを行い、そしてビーム成形サンプルの第１又はそれより高次の導関数を計算し、それに続いて、ブロックフローティングポイントエンコーディングを行うことを含む。ブロックフローティングポイントエンコーディングに代わって、ハフマン又は他の形式のエンコーディングを行うこともできる。

圧縮ユニット２１０ｉの好ましい実施形態は、ビーム成形器出力チャンネル１６１ｉからの連続的ビーム成形サンプルのグループにブロックフローティングポイントエンコーディングを適用し、各グループは、Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルを有する。Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルの最大指数がエンコードされ、そしてＮ＿ＧＲＯＵＰサンプルが次の段階に基づいてエンコードされる。
Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルの第１グループの場合：
１）最大の大きさをもつサンプルの指数（底２）を、例えば、Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルの各グループにおいて最大の大きさのｌｏｇ₂を計算することにより決定する。これは、エンコードされたサンプル当たりのビット数、又はｎ＿ｅｘｐ（０）を指示する。
２）Ｓ個のビットを使用して第１グループの指数ｎ＿ｅｘｐ（０）を絶対エンコードする。ここで、Ｓは、サンプル当たりの元のビット数である。
３）サンプル当たりｎ＿ｅｘｐ（０）ビットを使用してＮ＿ＧＲＯＵＰサンプルをエンコードする。
Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルのｉ番目のグループの場合（ｉ＞０）：
４）最大の大きさをもつサンプルのｉ番目の指数（底２）を決定する。これは、ｉ番目のグループにおけるエンコードされたサンプル当たりのビット数、又はｎ＿ｅｘｐ（ｉ）を指示する。
５）ｎ＿ｅｘｐ（ｉ−１）からｎ＿ｅｘｐ（ｉ）を減算することによりｉ番目の指数を差動エンコードし、ｉ番目の差の値を決定する。対応するトークンを使用してｉ番目の差の値をエンコードする。但し、短いトークンは、共通性の多い差の値を表し、そして長いトークンは、共通性の少ない差の値を表す。
６）サンプル当たりｎ＿ｅｘｐ（ｉ）を使用してＮ＿ＧＲＯＵＰサンプルのｉ番目のグループをエンコードする。

第１のサンプルグループの場合に、指数ｎ＿ｅｘｐ（０）が直接エンコードされる。例えば、指数ｎ＿ｅｘｐ（０）は、次のようにエンコードすることができる。但し、Ｓは、サンプル当たりの元のビット数である。
ａ．０：ｎ＿ｅｘｐ（０）＝０（４つのサンプル値は全てゼロ）
ｂ．１：ｎ＿ｅｘｐ（０）＝２（サンプル当たり２ビット）
ｃ．２：ｎ＿ｅｘｐ（０）＝３（サンプル当たり３ビット）
ｄ．等、Ｓ−１まで：ｎ＿ｅｘｐ（０）＝Ｓ（サンプル当たりＳビット）

ｉ番目のグループの場合に、指数ｎ＿ｅｘｐ（ｉ）は、プレフィックスコードを使用して差動エンコードされ、但し、別のコードワードのプレフィックスとなるコードワードはない。好ましい差動エンコーディングは、次の通りである。
１．差を計算する：ｅ＿ｄｉｆｆ＝ｎ＿ｅｘｐ（ｉ）−ｎ＿ｅｘｐ（ｉ−１）
２．ｅ＿ｄｉｆｆを次のようにエンコードする：
ａ．０：ｅ＿ｄｉｆｆ＝ｅ（ｉ）−ｅ（ｉ−１）
ｂ．１０１：ｅ＿ｄｉｆｆ＝＋１
ｃ．１１０：ｅ＿ｄｉｆｆ＝−１
ｄ．１００１：ｅ＿ｄｉｆｆ＝＋２
ｅ．１１１０：ｅ＿ｄｉｆｆ＝−２
ｆ．等
或いは又、指数ｎ＿ｅｘｐ（ｉ）は、差動エンコードされるのではなく、ハフマンエンコードされてもよい。

図７は、Ｎ＿ＧＲＯＵＰ＝４であるブロックフローティングポイントエンコーダのブロック図である。指数計算器４０２は、ステップ１及びステップ４のように、Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルに対し、最大指数ｎ＿ｅｘｐをビットで決定する。指数トークンジェネレータ４０４は、ステップ２及びステップ５のように、ｎ＿ｅｘｐ値をエンコードする。仮数パッカー４０６は、ステップ３及びステップ６のように、Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルに対する仮数をエンコードする。図８は、エンコーディングのためのサンプルのｎ＿ｂｉｔを選択する一例を示す。入力サンプル４２０は、Ｋビットで表される。サンプル４２０のｎ＿ｅｘｐ下位ビットは、エンコーディングに対して選択される。選択されたビットにサンプルの符号ビットが添付され、それにより得られるビットシーケンスが仮数を表す。図７に戻ると、マルチプレクサ４０８は、エンコードされた指数トークン４１１及びそれに続くＮ＿ＧＲＯＵＰ仮数をパックし、Ｎ＿ＧＲＯＵＰ圧縮サンプルを表す圧縮グループ４１０を形成する。この例では、圧縮グループ４１０は、指数トークン４１１及びそれに続く４つのパックされた仮数のシーケンス４１２−０、４１２−１、４１２−２及び４１２−３を含む。圧縮ユニット２１０ｉは、連続する圧縮グループを連結して、圧縮器出力２１１ｉに圧縮パケットのデータ部分を形成する。Ｎ＿ＧＲＯＵＰの好ましいサイズは、グループ当たり３又は４個のサンプルである。しかしながら、可変グループサイズも使用できる。

仮数及び指数を別々にエンコードすることで、付加的な圧縮を与え、そして圧縮エラーを軽減することができる。連続する指数の差の値が計算され、エンコードされる。指数はゆっくり変化し、従って、比較的僅かな非ゼロ値が、ゼロ値のストリングにより分離される。指数の差の値は、非ゼロの差の値及びそれに対応する位置だけを表すことにより効率的にエンコードすることができる。位置は、それに対応するインデックス値により、又は最後の非ゼロの差の値の位置に対して、表すことができる。指数の差の値のエンコーディングは、ロスレスであり、比較的大きなエラーを防止する。指数のデコーディングについては、指数値は、指数の差の値を積分しそしてそれに対応する位置場所をデコードすることにより再構成される。仮数のデコーディングについては、再構成された各仮数値は、デコードされたサンプルの対応する指数の値を変化させないように制限される。ｎ＿ｅｘｐのデコードされた指数については、再構成された仮数は、２^n_exp−１の最大値をもつことができる。これは、仮数の圧縮エラーが指数の値を変化させるのを防止する。

別のブロックフローティングポイントエンコーディング方法は、仮数を表すビットの数を減少しそして上述したように指数を差動エンコーディングすることを含む。Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルの仮数を表すビットの数は、グループに対するｎ＿ｅｘｐの値に基づいて、各仮数から最下位ビット（ＬＳＢ）の数を選択的に除去することにより減少される。

図９は、減少された仮数を表すためのビットを選択する一例を示す。ｎ＿ｅｘｐは、上述したステップ１及びステップ４のように決定される。仮数のｎ＿ｅｘｐ下位ビットを全てエンコーディングするのではなく、最下位ビットでスタートしてビット数ｎ＿ＬＳＢが除去される。残りのｍ＿ｅｘｐビット（ｍ＿ｅｘｐ＝ｎ＿ｅｘｐ−ｎ＿ＬＳＢ）がエンコーディングのために選択される。ｎ＿ＬＳＢの値は、式又はテーブルに基づきｎ＿ｅｘｐの値に依存する。図１０は、ｎ＿ｅｘｐ、ｎ＿ＬＳＢ及びｍ＿ｅｘｐの規範的な値を示すテーブルである。ｎ＿ｅｘｐのより大きな値について、ｍ＿ｅｘｐビットを有する減少された仮数を形成するように切断又は丸めることにより、より多くのＬＳＢが除去される。例えば、ｎ＿ｅｘｐが１２である場合には、３つのＬＳＢが除去され、Ｎ＿ＧＲＯＵＰの減少された仮数をパッキングするために９つの仮数ビットが保持される。圧縮器２１０は、ｎ＿ｅｘｐ、ｎ＿ＬＳＢ及びｍ＿ｅｘｐの値のルックアップテーブルを記憶することができる。或いは又、圧縮器２１０は、ｎ＿ＬＳＢ及びｍ＿ｅｘｐをｎ＿ｅｘｐの関数として表し、そして必要に応じてそれらの値を計算することができる。図１１は、減少された仮数を使用するブロックフローティングポイントエンコーディングのブロック図である。Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルの各グループに対して、指数計算器４０２は、上述したように、最大指数ｎ＿ｅｘｐを決定する。仮数ビット計算器４１４は、ルックアップテーブル又は式を使用して減少された仮数におけるビットの数ｍ＿ｅｘｐを決定する。減少された仮数のパッカー４１６は、Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルの各々に対してｍ＿ｅｘｐビットを選択する。次いで、マルチプレクサ４０８は、指数トークン４１１及びそれに続く減少された仮数４１９−０、４１９−１、４１９−２及び４１９−３をパックして、圧縮グループ４１８を形成する。ある条件については、Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルのグループから除去されるＬＳＢはない。例えば、Ｎ＿ＧＲＯＵＰサンプルにおける１つ以上のサンプルの大きさが許容最小値より小さいときには、元のＬＳＢを含むＮ＿ＧＲＯＵＰ仮数がパックされる。圧縮ビームは、減少された仮数を伴ったり伴わなかったりする圧縮グループを含むことができる。

圧縮コントローラは、ブロックフローティングポイントエンコーディングに対して圧縮ユニット２１０ｉに圧縮コントロールパラメータを与える。ｎ＿ＬＳＢ、ｍ＿ｅｘｐ及びｎ＿ｅｘｐのための複数の別のルックアップテーブル又は式がある。圧縮コントロールパラメータは、ｎ＿ＬＳＢ、ｍ＿ｅｘｐ及びｎ＿ｅｘｐのための別のルックアップテーブル又は式に対してＮ＿ＧＲＯＵＰ及び選択パラメータを含む。圧縮コントロールパラメータは、全ての圧縮ユニット２１０ｉに対して均一である。或いは又、圧縮コントロールパラメータは、異なる圧縮ユニット２１０ｉに対して異なる値をもつことができる。圧縮コントローラは、ユーザ入力に応答して、圧縮コントロールパラメータを選択することができる。

圧縮されたビーム成形サンプルは、デジタルインターフェイス２２０を経て転送するために圧縮パケットのデータ部分へ挿入することができる。サンプル窓に対応する圧縮ビームの圧縮されたビーム成形サンプルは、１つ以上の圧縮パケットに配列することができる。或いは又、図６を参照して述べたように、複数の圧縮ビームに対応する圧縮されたビーム成形サンプルのシーケンスを合成して、所与のデータポート２７０ｉを経て転送するための圧縮パケットを形成することもできる。圧縮パケットのヘッダ部分は、パケットのための識別情報を含む。又、ヘッダは、パケットにおける圧縮されたビーム成形サンプルの圧縮コントロールパラメータを表すコントロールデータも含むことができる。圧縮コントロールパラメータに関する情報は、解凍オペレーションを構成するように解凍器２４０により使用することができる。

図６のマルチプレクサ２５０の好ましい実施形態では、Ｎ＿ＧＲＯＵＰ圧縮ビーム成形サンプルのグループがマルチプレクスされる。マルチプレクサ２５０は、Ｊ個の圧縮ビームの圧縮グループをインターリーブすることによりＭ個のマルチプレクスされたシーケンスを発生する。Ｊ個の圧縮ビームは、Ｍ組の圧縮ビームに分割される。各組に対して、マルチプレクサ２５０は、その組の圧縮ビームの圧縮グループをインターリーブして、それに対応するマルチプレクスされたシーケンスＤ_mを形成する。マルチプレクスされたシーケンスＤ_mは、マルチプレクサ２５０によりグループ順序で配列された対応する組からの圧縮グループのシーケンスである。マルチプレクサ２５０は、対応する組の圧縮ビームを各々受け取るＭ個の並列マルチプレクサとして具現化することができる。

図１２は、１組の圧縮ビームＣ₁及びＣ₂の圧縮グループをマルチプレクスする一例を示す。グループマルチプレクサ２５２は、圧縮ビームＣ₁からの圧縮グループＧ_1j及び圧縮ビームＣ₂からの圧縮グループＧ_2jをインターリーブして、マルチプレクスされたシーケンスＤ₁を形成する。この例では、マルチプレクスされたシーケンスＤ₁のグループ順序は、圧縮ビーム間で交番して、シーケンスＧ_1j、Ｇ_2j、Ｇ_1(j+1)、Ｇ_2(j+1)、等を形成する。圧縮グループＧ_ijは、図７のブロックフローティングポイント圧縮グループ４１０、図１１の圧縮グループ４１８、又はハフマンエンコーディングのような別のエンコーディング方法から生じる圧縮グループに対応するパックされたビットを表す。圧縮グループは、グループ当たり同じ数の圧縮されたビーム成形サンプル、即ちＮ＿ＧＲＯＵＰサンプルを有する。しかしながら、圧縮サンプル当たりのビットの数が変化するので、圧縮グループ当たりのビットの数も変化する。上述したブロックフローティングポイントエンコーディング方法については、圧縮グループ当たりのビットの数は、ｎ＿ｅｘｐの値に依存する。

解凍については、解凍器２４０は、各圧縮ビームに対応する圧縮グループの圧縮されたビーム成形サンプルをデコードし、アンパックする。Ｎ＿ＧＲＯＵＰ圧縮ビーム成形サンプルの各グループについては、解凍器２４０は、指数トークンをデコードして、ｎ＿ｅｘｐの値を決定する。差動エンコードされた指数は、積分されて、ｎ＿ｅｘｐの値を形成する。次いで、圧縮グループ４１０又は４１８からの各仮数に対するビットをアンパックしそして各解凍されたビーム成形サンプルへビットをマップして、解凍グループを形成することにより、Ｎ＿ＧＲＯＵＰ仮数が再構成される。解凍されたビーム成形サンプルは、ビーム成形サンプル当たりの元のビット数により、又は下流の処理要件に基づきビーム成形サンプル当たりの異なるビット数により、表すことができる。減少仮数を使用するブロックフローティングポイントエンコーディングについては、解凍器２４０は、ｎ＿ｅｘｐのデコード値に基づいてｎ＿ＬＳＢの値を決定するためのルックアップテーブル又は式も含む。減少仮数に対するアンパックされたビットには、元のビーム成形サンプル値を近似するためにゼロ又はディザ値であるｎ＿ＬＳＢビットが添付される。特定の圧縮ビームから計算された解凍グループのシーケンスは、それに対応する解凍ビームを形成する。

圧縮グループのマルチプレクスされたシーケンスの解凍については、解凍器２４０が、デマルチプレクシングの前に、マルチプレクスされたシーケンスに適用される。図１３を参照すれば、マルチプレクスされたシーケンスＤ₁の各圧縮グループＧ_ijは、そのグループのＮ＿ＧＲＯＵＰ圧縮ビーム成形サンプルを解凍するための必要な情報を与える指数トークンを含む。差動エンコードされる指数トークンについては、解凍器は、マルチプレクスされたシーケンスＤ₁のグループ順序を使用して、積分のために同じ圧縮ビームに対応する指数トークンを選択し、ｎ＿ｅｘｐの対応値を決定する。グループ順序は、マルチプレクシング及びデマルチプレクシングのための固定パラメータであり、この場合に、それは、解凍器２４０及びグループデマルチプレクサ２５４には知られている。或いは又、グループ順序は、調整可能なパラメータでもよく、この場合に、それは、他の圧縮パラメータと共に、圧縮パケットのヘッダ部分に含ませることができる。上述したように、圧縮グループは、異なるビット数を有してもよい。しかしながら、グループが解凍されると、各グループに対するＮ＿ＧＲＯＵＰ解凍ビーム成形サンプルは、サンプル当たり同じビット数を有する。解凍グループのグループ順序は、圧縮グループと同じである。グループデマルチプレクサ２５４は、解凍グループをそれらの元の順序へ再順序付けし、解凍されたビーム成形サンプルを元の連続順序で各々有する１組の解凍ビームを形成する。

図１３は、図１２のマルチプレクス例に対応するデマルチプレクス例を示す。解凍器２４０は、マルチプレクスされたシーケンスＤ₁にブロックフローティングポイントデコーディングを適用して、解凍グループ２４１のシーケンスを形成する。各グループＲ_ijにおける解凍されたビーム成形サンプルは、サンプル当たり同じビット数を有する。グループデマルチプレクサ２５４は、解凍されたビーム成形サンプルのグループに対して元の順序を回復し、解凍ビーム２５３及び２５５の組を形成する。グループデマルチプレクサ２５４は、グループ順序、即ちＲ_1j、Ｒ_2j、Ｒ_1(j+1)、Ｒ_2(j+2)、等を使用して、解凍されたビーム成形サンプルのグループをそれらの各々の解凍ビーム２５３及び２５５へ分離する。グループ当たりのサンプル数は、Ｎ＿ＧＲＯＵＰであるから、グループデマルチプレクサ２５４は、各グループＲ_ijのＮ＿ＧＲＯＵＰ解凍ビーム成形サンプルをそれに対応する解凍ビームに添付する。

ビーム成形サンプルを圧縮及び解凍するための別の方法は、振幅が低く、それ故、表現するのに僅かなビットしか必要としない変更サンプルを発生する前に各ビーム内のビーム成形サンプルに対して計算を遂行することを含む。‘５３３特許は、ある帯域制限信号を圧縮及び解凍するためのアルゴリズムについて述べている。以下に述べる別の圧縮方法の幾つかは、ビーム成形サンプルに関する‘５３３特許のアルゴリズムの変更である。

ビーム成形サンプルを圧縮するための別の方法は、各ビームにおけるビーム成形サンプル間の差を他のビームとは独立して計算し、それに続いて、エンコーディングを行うことを含む。ビーム成形サンプルの第１又はそれより高次の差を計算することで、元のビーム成形サンプルより大きさが小さい差のサンプルを得ることができる。差のサンプルをエンコードすることにより、ビーム成形サンプルそれ自体をエンコードする場合より大きな圧縮を得ることができる。

図１４は、差の演算を含む圧縮ユニット２１０ｉのブロック図である。圧縮ユニット２１０ｉは、ビーム成形器出力チャンネル１６１ｉからビーム成形サンプルを受け取る。圧縮コントローラ３４０は、各圧縮ユニット２１０ｉの差の演算器３３０ｉ及びエンコーダ３３２ｉに対する圧縮コントロールパラメータを与える。差の演算器３３０ｉの圧縮コントロールパラメータは、第１、第２又はそれより高次の差を選択することができる。差の演算器３３０ｉは、選択された差の順序を適用して、差のサンプルを発生する。又、圧縮コントロールパラメータは、エンコーダ３３２ｉが差のサンプルではなくビーム成形サンプルをエンコードするように、差の演算をバイパスするよう選択することもできる。エンコーダ３３２ｉは、上述したように、差のサンプルのブロックフローティングポイントエンコーディングを適用することができる。この場合に、図７又は図１１のブロックフローティングポイントエンコーダの入力４０１に差のサンプルが与えられる。或いは又、エンコーダ３３２ｉは、ハフマンエンコーディング又は他のエンコーディングを異なるサンプルに適用してもよい。エンコーダ３３２ｉの圧縮コントロールパラメータは、上述したように、ブロックフローティングポイントエンコーダのパラメータを指示するか、又はハフマンエンコーダ又は別のエンコーダのパラメータを指示することができる。圧縮コントロールパラメータは、異なる圧縮ユニット２１０ｉに対して同じものでも、異なるものでもよい。

異なる圧縮ビームに対応する圧縮器出力２１１ｉは、図６及び図１２を参照して上述したように、デジタルインターフェイス２２０を経て転送する前に、少数の出力チャンネルへとマルチプレクスされる。エンコーダ３３２ｉは、ブロックフローティングポイントエンコーディングを異なるサンプルに適用して、圧縮ビームＣ₁及びＣ₂より成るＮ＿ＧＲＯＵＰエンコード化の差のサンプルのグループを表す図１２の圧縮グループＧ_ijを発生することができる。或いは又、エンコーダ３３２ｉは、ハフマンエンコーディングを差のサンプルに適用して、圧縮グループ当たりＮ＿ＧＲＯＵＰ圧縮ビーム成形サンプルを有するハフマンエンコード化の差のサンプルのグループをＧ_ijが表すようにすることもできる。グループマルチプレクサ２５２は、圧縮ビームＣ₁及びＣ₂の圧縮グループを合成して、マルチプレクスされたシーケンスＤ₁を形成する。

図１５は、図１４を参照して述べた圧縮オペレーションに対応する解凍オペレーションのブロック図である。解凍器２４０は、デジタルインターフェイス２２０から圧縮ビームを受け取る。デコーダ３５２は、エンコーダ３３２ｉのオペレーションを逆に行い、デコードされた差のサンプルを形成する。例えば、デコーダ３５２は、ブロックフローティングポイントデコーディング、ハフマンデコーディング、又は他のデコーディングを遂行する。積分演算器３５４は、デコードされた差のサンプルを加算して、圧縮のために遂行される第１又はそれより高次の差の演算を逆に行い、診断情報プロセッサ１８０に与えられる解凍ビームを形成する。圧縮に対して差の演算が行われない場合には、積分演算器３５４がバイパスされる。解凍コントローラ３５０は、デコーダ３５２及び積分演算器３５４にコントロールパラメータを与える。解凍コントローラ３５０は、圧縮データパケットのヘッダからコントロールデータを抽出して、解凍オペレーションのためのコントロールパラメータを決定する。

図１５の解凍器２４０は、図１３を参照して述べたように、デマルチプレクシングの前に、差のサンプルの圧縮グループのマルチプレクスされたシーケンスに適用される。この場合には、デコーダ３５２は、マルチプレクスされたシーケンスで圧縮グループＧ_ijをデコードし、デコードされた差のサンプルのグループをグループ順序で形成する。ブロックフローティングポイントデコーディングについては、指数トークンが差動エンコードされる場合に、デコーダ３５２は、グループ順序を使用して、同じビームに対応する指数トークンを積分し、対応するグループのｎ＿ｅｘｐ値を決定する。積分演算器３５４は、グループ順序及びｎ＿ｅｘｐを使用して、同じビームに対応するデコードされた差のサンプルのグループを決定する。積分演算器３５４は、各グループのデコードされた差のサンプルを積分して、２４１のシーケンスの解凍グループＲ_ijを形成する。次いで、グループデマルチプレクサ２５４は、解凍グループＲ_ijを各解凍ビーム２５３及び２５５へ分離する。

或いは又、デコードされた差のサンプルのグループは、図１６に示すように、積分の前に、デマルチプレクスされてもよい。デコーダ３５２は、図１２にＤ₁で表されたようなマルチプレクスされたシーケンスを受け取る。デコーダ３５２は、エンコーダ３３２ｉのオペレーションを逆に行い、圧縮グループをアンパック及びデコードして、デコードされた差のサンプルのグループをグループ順序で形成する。指数トークンが差動エンコードされるブロックフローティングポイントデコーディングについては、デコーダ３５２は、グループ順序を使用して、同じビームに対応する指数トークンを積分する。デコードされた差のサンプルのグループは、サンプル当たり同じビット数を有し、そして圧縮グループのマルチプレクスされたシーケンスに対応するグループ順序にある。グループデマルチプレクサ２５４は、デコードされた差のサンプルのグループを分離して、各ビームに対応するデコードされた差のサンプルのアレイを形成する。各アレイにおけるデコードされた差のサンプルの順序は、差の演算器３３０ｉから出力される差のサンプルの順序に対応する。積分演算器３５４ｉ及び３５４ｊは、デコードされた差のサンプルの各アレイの第１又はそれより高次の積分を遂行して、ｉ番目及びｊ番目の解凍ビームを形成する。

圧縮のための別の態様では、振幅の低いサンプルを発生するために中心周波数及びサンプルレートに基づいてビーム成形サンプルに算術演算を適用する。図１７は、異なる中心周波数をもつビーム成形サンプルを圧縮するための原理に基づく別々の例を示す。図１７において「帯域１」と示された行に対応する基本帯域信号の例から始めると、中心周波数は、ほぼＤＣ（０Ｈｚ）であり、連続サンプル間の位相増加は、１０°未満である。第１のフェーザ図７１０は、連続サンプル間の位相変化が小さいので、連続サンプルの差の大きさがサンプルそれ自体の大きさに比較して比較的小さいことを示している。第１の規範的シーケンス７１２は、帯域１の基本帯域信号のサンプルに対応する。連続サンプル間の差がサンプルの大きさに対して小さいので、第１又はより高次の差を計算するか又は差動エンコーディングすると、元のサンプルより小さいデータ巾をもつ差のサンプルが生成される。図１４を参照して述べた差動エンコーディングを使用する圧縮は、基本帯域（帯域１）の例について効果的である。超音波信号サンプル又はビーム成形サンプルが基本帯域へダウン変換される超音波システムでは、圧縮ユニット２１０ｉは、差動エンコーディングを適用する。

又、図１７は、中心周波数がＤＣよりは高いが、ナイキスト周波数ｆ_s／２よりは低いサンプル信号の例も示している。帯域２の場合に、中心周波数は、ほぼｆ_s／６であり、連続サンプル間の位相増加は、約６０°である。第２のフェーザ図７２０は、１８０°又は３つのサンプルインターバルだけ分離されたサンプルの対が、同様の大きさを有するが、逆の極性であることを示しており、これは、サンプル対（７２０−０、７２０−３）、（７２０−１、７２０−４）及び（７２０−２、７２０−５）により示されている。対におけるサンプルの１つを反転すると（又は（−１）を乗算すると）、その対における他のサンプルの厳密な推定が与えられる。第２の規範的シーケンス７２２も、３つのサンプルインターバルだけ分離されたサンプルが同様の大きさ及び逆の符号を有することを示している。例えば、サンプル７２２−０の値は、３２７６７であり、そしてサンプル７２２−３の値は、−３２７５６である。帯域２の場合に、３つのサンプルインターバルだけ分離されたサンプルの対に対するオペレーションは、小さなデータ巾の変更サンプルを発生する。対においてサンプルを追加するオペレーションは、より効率的にエンコードできる小さなデータ巾の変更サンプルを発生する。

図１７における帯域３の例では、中心周波数がほぼｆ_s／４であり、連続サンプル間の位相増加が約９０°である。第３のフェーザ図７３０は、１８０°又は２つのサンプルインターバルだけ分離されたサンプルが、同様の大きさ及び逆の極性を有することを示している。又、第３の規範的シーケンス７３２は、１つおきのサンプルが同様の大きさ及び逆の極性を有することを示している。帯域３の場合に、１つおきのサンプルを一緒に加算すると、元のサンプルより効率的にエンコードできる小さなデータ巾の変更サンプルが生じる。

図１７における帯域４の例では、中心周波数がほぼｆ_s／３であり、連続サンプル間の位相増加が約１２０°である。第４のフェーザ図７４０は、３６０°又は３つのサンプルインターバルだけ分離されたサンプルが同様の大きさを有することを示している。第４の規範的シーケンス７４２は、２つおきのサンプルが同様の大きさを有することを示している。この場合に、３つのサンプルインターバルだけ分離されたサンプル間の差を形成することで、元のサンプルより効率的にエンコードできる小さなデータ巾の変更サンプルが得られる。

図１７における帯域５の例では、中心周波数がほぼｆ_s／２であり、連続サンプル間の位相増加が約１８０°である。第５のフェーザ図７５０は、１８０°又は１つのサンプルインターバルだけ分離されたサンプルが同様の大きさを有するが極性が逆であることを示している。第５の規範的シーケンス７５２は、連続サンプルが同様の大きさ及び逆の極性を有することを示している。この場合に、２つの連続サンプルを加算することで、元のサンプルより効率的にエンコードできる小さなデータ巾の変更サンプルが形成される。

図１７について述べた前記例は、サンプルレートと中心周波数との比に基づいて、１つ、２つ又は３つのサンプルインターバルだけ分離されたビーム成形サンプルに対して加算（又は反転の後に減算）又は減算（又は反転の後に加算）のようなオペレーションを遂行することにより大きさ減少を達成できることを示している。それにより得られる変更サンプルは、次いで、圧縮サンプルを形成するようにエンコードされる。中心周波数とサンプルレートとの比に基づいて、４つ以上のサンプルインターバルだけ分離されたサンプルに同様のオペレーションを適用して、元のサンプルより小さなデータ巾の変更サンプルを発生することができる。

図１８は、ビーム成形サンプルの中心周波数に基づく圧縮アルゴリズムのブロック図である。特定のビームに対応するビーム成形器出力チャンネル１６１ｉは、再順序付けデマルチプレクサ８１０へ入力される。再順序付けデマルチプレクサ８１０は、選択されたサンプルが圧縮コントロールパラメータ８５２に基づいて適当な数のサンプルインターバルだけ分離されてデマルチプレクサ出力８１２を形成するようにビーム成形サンプルを選択する。算術演算器８３０は、圧縮コントロールパラメータ８５６に基づいてデマルチプレクサ出力サンプル８１２の対に対して加算又は減算演算を行って、変更サンプル８３２を形成する。又、算術演算器８３０は、デマルチプレクサ出力サンプル８１２に対してより高次の差を得るように構成することもできる。エンコーダ８４０は、変更サンプル８３２をエンコードして、圧縮されたビーム成形サンプルを形成する。エンコーダ８４０は、ブロックフローティングポイントエンコーディング、ハフマンエンコーディング、又は他のエンコーディングを適用して、圧縮サンプルを形成する。図７及び１１を参照して説明したブロックフローティングポイントエンコーディングについては、ブロックフローティングポイントエンコーダの入力４０１に変更サンプル８３２が与えられる。

圧縮コントローラ８６０は、ビーム成形サンプルのサンプルレートと中心周波数との比に基づいて圧縮器要素にコントロールパラメータを与える。再順序付けデマルチプレクサ８１０及び算術演算器８３０は、各々、圧縮コントロールパラメータ８５２及び８５６に応答して、適当なオペレーションを遂行する。図１９は、中心周波数に基づき変更サンプル８３２を発生するオペレーションを示す。第１の列８７１は、この例について考えられる中心周波数を示す。第２の列８７２は、各中心周波数に対する対応周波数帯域指示子を示す。指示子は、圧縮コントロール８５２及び８５６のためのパラメータとして使用することができる。第３の列８７３は、圧縮コントロールパラメータ８５２に基づいて発生されるサンプルｘ（ｉ）及びｘ（ｉ−ｊ）の異なる分離を再順序付けデマルチプレクサ出力８１２に与える。第４の列８７４は、圧縮コントロールパラメータ８５６に基づき加算又は減算の算術演算を選択する結果を示す。インバータが遅延サンプルを「オン」にするときに、ｘ（ｉ−ｊ）が減算される。第５の列８７５は、変更サンプル８３２を発生する算術演算器８３０の数学的結果、又はｙ（ｉ）を示す。又、圧縮コントローラ８６０は、エンコーダ８４０のコントロールも与える。圧縮コントロールパラメータ８５８は、ブロックフローティングポイントエンコーディング、ハフマンエンコーディング、又は他のエンコーディング技術のためのパラメータを示すことができる。

図２０は、異なる中心周波数について図１８及び図１９を参照して述べたように計算される図１７の例に対するサンプルｘ（ｉ）及びｘ（ｉ−ｊ）の和又は差を示す。サンプルの規範的なシーケンスは、図１７と同じである。規範的シーケンス９１２及び９４２におけるＤＩＦＦ（差）の行、並びに規範的シーケンス９２２、９３２及び９５２におけるＳＵＭ（和）の行のサンプルは、それに対応するサンプルより実質的に低い大きさ、又はｘ（ｉ）を有する。ＤＩＦＦサンプル及びＳＵＭサンプルは、図１８のエンコーダ８４０へ入力される変更サンプル９３２の例である。

図１８のエンコーダ８４０により圧縮器出力２１１ｉに発生される圧縮ビームは、図６及び図１２を参照して上述したように、デジタルインターフェイス２２０を経て転送する前に、他の圧縮ビームとマルチプレクスされて、少数の出力チャンネルを形成する。エンコーダ８４０は、ブロックフローティングポイントエンコーディングを変更サンプルに適用して、図１２の圧縮グループＧ_ijが、圧縮ビームＣ₁及びＣ₂を形成するためにＮ＿ＧＲＯＵＰエンコード化変更サンプルを表すようにする。或いは又、エンコーダ８４０は、ハフマンエンコーディングを変更サンプルに適用して、Ｇ_ijが、グループ当たりＮ＿ＧＲＯＵＰハフマンエンコード化変更サンプルを有する圧縮グループを表すようにしてもよい。グループマルチプレクサ２５２は、圧縮ビームＣ₁及びＣ₂の圧縮グループを合成して、マルチプレクスされたシーケンスＤ₁を形成する。

図２１は、図１８を参照して述べた圧縮方法に対して解凍器２４０により遂行されるオペレーションのブロック図である。デコーダ９１０は、アンパックすると共に、圧縮データに対して、例えば、ブロックフローティングポイントデコーディングのようなデコーディングオペレーションを遂行し、デコードされた変更サンプルを形成する。逆算術演算器９２０は、算術演算器８３０とは逆の演算を遂行して、デコードされた変更サンプルからビーム成形サンプルを再構成する。マルチプレクサ９３０は、解凍されたビーム成形サンプルに対して元のサンプル順序を回復して、それに対応する解凍ビームを形成する。解凍コントローラ９４０は、デコーダ９１０、逆演算器９２０及び順序回復マルチプレクサ９３０にコントロールパラメータを与える。解凍コントローラ９４０は、圧縮データパケットのヘッダからコントロールデータを抽出し、解凍オペレーションのためのコントロールパラメータを決定することができる。

図２１の解凍器２４０は、グループをデマルチプレクスする前に変更サンプルの圧縮グループのマルチプレクスされたシーケンスに適用することができる。デコーダ９１０は、エンコーダ８４０のオペレーションを逆に行い、デコードされた変更サンプルのグループを形成する圧縮グループをグループ順序でデコードする。指数トークンが差動エンコードされるブロックフローティングポイントデコーディングでは、デコーダ９１０は、グループ順序を使用して、指数トークンを積分し、同じビームに対応する圧縮グループのｎ＿ｅｘｐ値を決定する。又、逆演算器９２０及び順序回復マルチプレクサ９３０は、グループ順序及びｎ＿ｅｘｐを使用して、それらの各オペレーションを、同じビームに対応するデコードされた変更サンプルのグループに適用させる。順序回復マルチプレクサ９３０は、各グループ内の解凍されたビーム成形サンプルを元のサンプル順序へ再順序付けして解凍グループを形成するが、解凍グループは、依然、グループ順序にある。図１３を参照すると、順序回復マルチプレクサの出力は、解凍シーケンス２４１の解凍グループＲ_ijに対応する。グループデマルチプレクサ２５４は、解凍グループＲ_ijを、それに対応する解凍ビーム２５３及び２５５へと分離する。

或いは又、デコードされた変更サンプルのグループは、図２２に示すように、逆演算器９２０の前にデマルチプレクスされてもよい。デコーダ９１０は、エンコーダ８４０のオペレーションを逆に行って、圧縮グループをアンパック及びデコードし、デコードされた差のサンプルの対応グループをグループ順序で形成する。指数トークンが差動エンコードされるブロックフローティングポイントデコーディングでは、デコーダ９１０がグループ順序を使用して指数トークンを積分し、同じビームに対応する圧縮グループのｎ＿ｅｘｐ値を決定する。デコードされた変更サンプルのグループは、変更サンプル当たり同じビット数を有する。グループデマルチプレクサ２５４は、デコードされた変更サンプルのグループを分離して、各ビームに対応するデコードされた変更サンプルのアレイを形成する。逆演算器９２０ｉ及び９２０ｊは、デコードされた変更サンプルの各アレイに適用され、そして順序回復マルチプレクサ９３０ｉ及び９３０ｊは、各々、元のサンプル順序を回復して、ｉ番目及びｊ番目の解凍ビームを形成する。

圧縮器２１０の実施形態は、ビーム成形サンプルに単純なオペレーションを適用する。差の演算器３３０ｉ（図１４）は、１つ以上の減算器を含む。ブロックフローティングポイントエンコーディング（図７及び図１１）は、比較器、減算器及びルックアップテーブルを使用する。或いは又、ハフマンエンコーディングは、ルックアップテーブルを使用して、値にコードを指定する。図１８を参照して述べる圧縮オペレーションは、デマルチプレクシング、加算及び減算を含む。解凍器２４０の実施形態は、圧縮サンプルを解凍するために単純なオペレーションを適用する。解凍器２４０は、ブロックフローティングポイントデコーディングのためのルックアップテーブル及び加算器を含む。積分演算器３５４（図１５）は、デコードされたサンプルを積分するための１つ以上の加算器を含む。図２１の解凍器２４０のオペレーションは、加算、減算及びマルチプレクシングを含む。

超音波システムにおける本発明の好ましい具現化では、圧縮器２１０及び受信ビーム成形器１６０を単一の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）装置に一体化し、ＡＤＣ出力チャンネル１２１ｉから超音波信号サンプルを受信するように入力データチャンネルを結合する。圧縮器２１０の好ましい具現化では、複数の圧縮コアを並列に含み、各圧縮コアは、ビーム成形器出力チャンネル１６１ｉの１つに結合され、対応するビームに対する１つの圧縮ユニット２１０ｉの圧縮オペレーションを具現化する。或いは又、１つの圧縮コアが複数のビームを圧縮するように複数の圧縮ユニット２１０ｉを具現化することもできる。この別の態様では、圧縮コアは、異なるビームに対応するビーム成形サンプルを、それらが処理されるまで記憶するためのバッファを含む。又、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）においてビーム成形及び圧縮オペレーションを具現化することもできる。圧縮されたビーム成形サンプルは、ＬＶＤＳポート２７０ｉを経てデジタルインターフェイス２２０へ出力することができる。ＬＶＤＳインターフェイスのＩＰコアは、ＡＳＩＣ及びＦＰＧＡ具現化に商業的に利用できるものである。別のアーキテクチャーは、圧縮器２１０を、受信ビーム成形器１６０とは個別の装置において具現化することを含む。圧縮器２１０は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又はプログラマブルプロセッサ、例えば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、マルチコアＣＰＵ（ＩＢＭセルのような）、又はグラフィック処理ユニット（ＧＰＵ；例えば、ＮｖｉｄｉａＧｅＦｏｒｃｅ）において具現化することができる。

超音波システムのアーキテクチャーに基づいて、解凍器２４０は、診断情報プロセッサ１８０と同じ装置又はそれとは異なる装置に合体されてもよい。解凍オペレーションは、ＡＳＩＣ又はＦＰＧＡにおいて具現化することができる。或いは又、解凍オペレーションは、ＤＳＰ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、ＣＰＵ又はＧＰＵのようなプログラマブルプロセッサにより実行可能なソフトウェア又はファームウェアプログラムで具現化することもできる。解凍器２４０の好ましい具現化は、ＧＰＵにより実行可能な解凍オペレーションのインストラクションを有するソフトウェアプログラムである。又、ＧＰＵは、診断情報プロセッサ１８０及びスキャンコンバータ１４０のオペレーションの少なくとも一部分を具現化するようにプログラムされてもよい。或いは又、解凍されたビーム成形サンプルは、付加的な信号処理オペレーションのためにＣＰＵのような別のプログラマブルプロセッサへ転送されてもよい。

図２３は、解凍器２４０のＧＰＵにおける具現化、及び超音波画像を発生するための他のオペレーションを示すブロック図である。現在のＧＰＵアーキテクチャーは、並列計算に対して最適化された複数の処理コアを含む。例えば、ＮｖｉｄｉａＧｅＦｏｒｃｅＧＴＳ１５０ＧＰＵは、１２８個の処理コアを備えている。Ｎｖｉｄｉａの“ＣＵＤＡ”（コンピュート・ユニファイド・デバイス・アーキテクチャー）は、ＧＰＵの処理コアにおいて並列アルゴリズムを具現化するためにＣ言語への拡張を含むアプリケーションプログラミングインターフェイス（ＡＰＩ）であり、２００８年、Ｎｖｉｄｉａ社のＲｕｅｔｓｃｈ及びＯｓｔｅｒ著の“Getting Started with CUDA”と題する文書に説明されている。以下に述べるＯｐｅｎＣＬ及びＬａｒｒａｂｅｅのような別のＧＰＵ及びプログラミング方法は、具現化プラットホームを与える。図２３に示す具現化では、ＧＰＵ装置１０００は、解凍器２４０、診断情報プロセッサ１８０（Ｂモード処理及びドップラー処理）、スキャンコンバータ１４０、及び画像プロセッサ１５０のオペレーションを実行するようにプログラムされる。ＧＰＵ装置１０００は、並列処理ユニットによりアクセスできるダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）１００２を含む。このＤＲＡＭ１００２は、ＧＰＵの他の処理オペレーションから生じる圧縮及び／又は解凍されたビーム成形サンプル及びデータを記憶する。システムコントローラ１０１０は、受け取ったデータから超音波画像を発生するためのタスクの整合を与え、そしてユーザのコマンドに応答する。ＣＰＵ１０１２は、解凍をサポートするオペレーションを具現化し、例えば、圧縮されたパケットのヘッダから圧縮コントロールパラメータをデコードし、そしてそれらをＧＰＵ装置１０００へ供給して解凍オペレーションを構成する。ＤＲＡＭ１０１６は、デジタルインターフェイス２２０から受け取った圧縮されたビーム成形サンプル及びＣＰＵオペレーションに必要な他のデータを記憶する。通信コントローラ１０１４は、デジタルインターフェイス２２０から受け取った圧縮パケットをＤＲＡＭ１００２又はＤＲＡＭ１０１６へ向けると共に、システムコントローラ１０１０とＧＰＵ装置１０００との間のデータ交換を管理する。

好ましいシステムアーキテクチャーにおいて、システムコントローラ１０１０は、ディスプレイ１６０のためのスクリーンを有するコンピュータのマザーボードにおいて具現化される。ＧＰＵ装置１０００は、ＰＣＩｅ（ペリフェラル・コンポーネント・インターコネクト・エクスプレス）バックプレーンリンクによってシステムコントローラ１０１０と通信するＤＲＡＭ１００２を含むグラフィックカードにおいて実施される。或いは又、ＧＰＵ装置１０００は、マザーボードにマウントされたＩＣにおいて実施されてもよい。ＡＤＣバンク１２０、受信ビーム成形器１６０及び圧縮器２１０がデータ取得カードにマウントされるシステムアーキテクチャーでは、デジタルインターフェイス２２０がＰＣＩｅバックプレーンリンクにより実施される。

ムーアの法則によれば、集積レベルが高いほど、よりコンパクトな装置となり、システムコントローラ１０１０及びＧＰＵ装置１０００を単一のＩＣで具現化できるようになることが明らかである。例えば、インテル社は、ベクトル処理装置で増強されたｘ８６ＣＰＵコアの複数のインスタンス化を含む多コアＩＣアーキテクチャーを開発している。ララビー(Larrabee)と称されるこのアーキテクチャーは、２００８年８月、ACM Transactions on Graphics、第２７巻、第３号、第１８条に掲載されたシーラー氏等の“Larrabee: A Many-Core x86 Architecture for Visual Computing”と題する文書に述べられている。ララビーアーキテクチャーは、グラフィック処理を含めて並列処理を要求するアプリケーションをサポートする。「ララビーネーティブ」プログラミングモデルは、並列プログラミング及びベクトル化のためのＣ／Ｃ＋＋及びＡＰＩを含む。

図２４は、解凍器２４０のＣＰＵ／ＧＰＵ装置における具現化、及び超音波画像を発生するための他のオペレーションを示すブロック図である。ＣＰＵ／ＧＰＵ装置１０２０は、解凍器２４０、診断情報プロセッサ１３０、スキャンコンバータ１４０、及び画像プロセッサ１５０のオペレーションを具現化することができる。ＣＰＵ／ＧＰＵコントローラ１０２２は、デジタルインターフェイス２２０から受け取られた圧縮されたビーム成形サンプルに対する処理オペレーションを整合し、そしてユーザ入力に応答する。ＣＰＵ／ＧＰＵ装置１０２０は、ララビープラットホームによるか、或いはＣＰＵ及びＧＰＵ一体化機能を伴う他のプログラマブル装置によって具現化される。

ＡＤＣバンク１２０、受信ビーム成形器１６０及び圧縮器２１０がトランスジューサヘッドに収容されるシステムアーキテクチャーでは、デジタルインターフェイス２２０は、ワイヤード又はワイヤレス通信リンクである。ワイヤード通信リンクの場合に、デジタルインターフェイスは、ＰＣＩｅケーブルリンク又は光ファイバリンクによって具現化される。ワイヤレス通信リンクでは、デジタルインターフェイスは、高周波チャンネルを経て圧縮パケットのデジタル変調及び送信を与えると共に、受け取った圧縮パケットのデジタル復調を与える。ワイヤレスリンクは、ＷｉＦｉ（ＩＥＥＥ８０２．１１）又はＵＷＢ（ウルトラワイドバンド）フォーマットのようなワイヤレス通信プロトコルに適合する。

以上、本発明の好ましい実施形態を図示して説明したが、本発明は、それらの実施形態のみに限定されないことが明らかである。当業者であれば、特許請求の範囲に規定される本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、多数の修正、交換、変更、置き換え及び等効物が明らかとなろう。

１２０：ＡＤＣバンク
１２１ｉ：圧縮器出力
１４０：スキャンコンバータ
１６０：受信ビーム成形器
１６１ｉ：ビーム成形器出力チャンネル
１８０：診断情報プロセッサ
２１０：圧縮器
２１０ｉ：圧縮ユニット
２２０：デジタルインターフェイス
２４０：解凍器
２５０：マルチプレクサ
２６０：シリアライザ
２７０ｉ：データポート

Claims

１つ以上のビームを形成するためにサンプリング窓間に受信される超音波信号サンプルの複数のシーケンスに適用される受信ビーム成形器を備えた超音波画像形成システムであって、各ビームは、ビーム成形サンプルのアレイにより表され、サンプリング窓間に複数の超音波トランスジューサ素子により出力される複数のアナログ超音波信号のアナログ／デジタル変換で超音波信号サンプルの複数のシーケンスが発生されるシステムにおいて、サンプリング窓間に受信される超音波信号サンプルに受信ビーム成形器を適用することにより発生されるビームを圧縮して、圧縮ビームを形成する段階であって、特定ビームを表すアレイにおいてビーム成形サンプルを圧縮して、対応する圧縮ビームのための圧縮されたビーム成形サンプルを形成することを含み、前記アレイにおける特定ビーム成形サンプルの圧縮は、前記アレイにおける少なくとも１つの他のビーム成形サンプルの特性に一部分依存するものであり、各ビームは、サンプリング窓に対応する別のビームとは独立して圧縮されるような圧縮する段階と、
前記圧縮ビームを、デジタルインターフェイスを横切って信号プロセッサへと転送する段階と、
を備え、
前記圧縮する段階が、さらに、
前記特定ビームに対応する前記ビーム成形サンプルのアレイにおける連続的なビーム成形サンプルをグループにグループ化する段階であって、該各グループが所定数のビーム成形サンプルを含んでいる段階と、
前記グループにおける最大の大きさを有する前記ビーム成形サンプルに対する指数値を決定する段階と、
前記グループに対する指数値をエンコードして指数トークンを形成する段階と、
減少した数のビットを有する仮数を形成して前記グループにおける各ビーム成形サンプルを表示する段階であって、前記減少した数のビットが前記指数値に基づいている段階と、
前記指数トークンと所定の数の仮数を用いて前記グループの圧縮ビーム成形サンプルを表示して対応する圧縮グループを形成する段階であって、複数の圧縮グループが前記対応する圧縮ビームを形成する段階と、
を備えた方法。
前記デジタルインターフェイスから受け取られた対応する圧縮ビームの前記圧縮されたビーム成形サンプルの少なくとも一部分を解凍して、それに対応する解凍ビームのための解凍されたビーム成形サンプルを形成する段階であって、前記対応する圧縮ビームに別の圧縮ビームとは独立して解凍を適用し、前記信号プロセッサが前記解凍されたビーム成形サンプルを更に処理するような段階を更に備えた、請求項１に記載の方法。
前記圧縮する段階は、前記特定ビームを表すビーム成形サンプルのアレイにブロックフローティングポイントエンコーディングを適用して、それに対応する圧縮ビームを形成する、請求項１に記載の方法。
前記圧縮する段階は、更に、
前記特定ビームに対応するビーム成形サンプルのアレイにおいて連続ビーム成形サンプルのグループを定義し、各グループは、所定数のビーム成形サンプルを有し、
前記グループ内で最大の大きさを有するビーム成形サンプルの指数値を決定し、
前記グループに対する指数値をエンコードして、指数トークンを形成し、
前記グループにおける各ビーム成形サンプルを表すために減少数のビットを有する仮数を形成し、その減少数のビットは、前記指数値に基づくものであり、
前記指数トークン及び所定数の仮数を使用して前記グループの圧縮されたビーム成形サンプルを表して、それに対応する圧縮グループを形成し、複数の圧縮グループで前記対応する圧縮ビームを形成する、
ことを含む請求項１に記載の方法。
解凍のために対応する圧縮グループを選択することにより前記デジタルインターフェイスから受け取られた圧縮されたビーム成形サンプルの少なくとも一部分を解凍して、更なる信号処理のために与えられる解凍されたビーム成形サンプルの対応グループを形成する段階を更に備えた、請求項４に記載の方法。
１つ以上のビームを形成するためにサンプリング窓間に受信される超音波信号サンプルの複数のシーケンスに適用される受信ビーム成形器を備えた超音波画像形成システムであって、各ビームは、ビーム成形サンプルのアレイにより表され、サンプリング窓間に複数の超音波トランスジューサ素子により出力される複数のアナログ超音波信号を複数のアナログ／デジタルコンバータでサンプリングして、受信ビーム成形器に与えられる超音波信号サンプルの複数のシーケンスを発生するシステムにおいて、
サンプリング窓間に受け取られる超音波信号サンプルに受信ビーム成形器を適用することにより形成されるビーム成形サンプルの１つ以上のアレイを受け取るように受信ビーム成形器に結合された圧縮器を備え、この圧縮器は、１つ以上の圧縮ユニットを備え、対応する圧縮ユニットは、対応するビームのビーム成形サンプルを、サンプリング窓に対応する別のビームとは独立して圧縮して、対応する圧縮ビームの圧縮されたビーム成形サンプルを形成し、対応する圧縮ユニットは、特定のビーム成形サンプルを、それに対応するビームの少なくとも１つの他のビーム成形サンプルの特性に一部分基づいて圧縮するように構成され、更に、圧縮器は、圧縮ビームを、信号プロセッサへ転送するためにデジタルインターフェイスに与え、
前記対応する圧縮ユニットが、
各グループが所定数のビーム成形サンプルを含むように、前記特定ビームに対応する前記ビーム成形サンプルのアレイにおける連続的なビーム成形サンプルをグループにグループ化し、
前記グループにおける最大の大きさを有する前記ビーム成形サンプルに対する指数値を決定し、
前記グループに対する指数値をエンコードして指数トークンを形成し、
減少した数のビットが前記指数値に基づくように、減少した数のビットを有する仮数を形成して前記グループにおける各ビーム成形サンプルを表示し、
複数の圧縮グループが前記対応する圧縮ビームを形成するように、前記指数トークンと所定の数の仮数を用いて前記グループの圧縮ビーム成形サンプルを表示して対応する圧縮グループを形成するようになっている、装置。
前記デジタルインターフェイスから圧縮ビームを受け取りそして前記信号プロセッサへ解凍ビームを与えるように結合された解凍器を更に備え、この解凍器は、特定の圧縮ビームの圧縮されたビーム成形サンプルを、前記サンプリング窓に対応する別の圧縮ビームとは独立して解凍して、対応する解凍ビームの解凍されたビーム成形サンプルを形成する、請求項６に記載の装置。
前記圧縮器は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）で具現化される、請求項６に記載の装置。
前記解凍器は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）で具現化される、請求項７に記載の装置。
前記解凍器は、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）で少なくとも一部分具現化される、請求項７に記載の装置。
前記信号プロセッサは、ＧＰＵで少なくとも一部分具現化される、請求項１０に記載の装置。