JP5911506B2 - ビームフォーミングにおけるアポダイゼーションのためのダイナミックアパーチャー制御及び正規化 - Google Patents

Description

開示される実施例は、超音波のためのビームフォーマ及び関連するビームフォーミングアルゴリズム、及び開示されるビームフォーミングアルゴリズムを実装する集積回路（ＩＣ）、及びそこからの超音波システムに関連する。

ビームフォーミングは、指向性信号送信又は受信のためセンサアレイにおいて用いられる信号処理技術である。適合性又は固定の受信／送信ビームパターンを用いることによって空間的選択性が達成される。

ビームフォーミングを用いる１つのメディカルアプリケーションは、超音波診断である。超音波エネルギーが、送信ビームフォーマにより対象組織にフォーカスされ、及び対象組織により変調され及び戻される超音波エネルギーが受信ビームフォーマによりフォーカスされる。受信ビームフォーマは、対象組織を表すＢモードイメージ、カラードップラー又はスペクトルドップラー情報、又はそれらの組み合わせの生成のための信号を提供し得る。このようなビームフォーミングシステムは、人間の体組織又は別の対象の組織の実時間の断面（断層）２Ｄイメージを提供することができる。

従来の超音波イメージングシステムにおいて、カスタム特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）デバイスがビームフォーマ演算を実行する。ソフトウェアビームフォーミング解決策の一部として、各データチャネルにおける入力信号を整形するために、各データチャネル（各々専用トランスデューサ要素を含む）に適切な利得を適用することに関与するアポダイゼーションが必要とされる。この整形により、横圧力振幅変動及びトランスデューサ要素スペーシングから起こる、ビームフォーミングされた信号におけるグレーティングサイドローブの影響が低減される。

ダイナミックアパーチャー制御及びデータ正規化を含む信号処理データ経路では他の特徴が望ましい。ダイナミックアパーチャー制御は、アクティブトランスデューサ要素の数を動的に調節することにより超音波走査線全体にわたって所望のアパーチャーを維持するように機能する。正規化に関しては、各サンプル数ｎ（各サンプル数ｎが異なる時間インスタンスに対応する）で異なる数のトランスデューサ要素を用いることができるため、正規化は、ビームフォーミングされた信号に対し一定の信号レベルを維持するためこのスケーリング効果を構成することができる。

大抵のＡＳＩＣビームフォーマシステム設計において、アパーチャー制御は、所望のアパーチャーの関数としてデータのチャネルの特定の組み合わせの選択を可能にするアナログスイッチを介して対処される。図１は、対象組織を画像化するための従来の超音波ビームフォーマシステム１００の簡略化されたブロック図を示す概略図であり、対象から戻るエコーからの受信したエコー信号１４のスイッチベースの時間遅延ステアリング及びフォーカシングを含む。システム１００が、線形アレイとして構成されて図示する複数のトランスデューサ要素１１を含む、受信アレイ１０を含む。

ダイナミックアパーチャー制御がレシーバチャネルスイッチ１６ａ〜１６ｅの複数の対として図１で概略で示されており、これらは、アパーチャー制御回路１７によるエコー受信期間の間、シーケンスにおいて閉じている。アパーチャー制御回路１７は、任意の所与のサンプル時間（インスタンス）でアクティブトランスデューサ要素であるトランスデューサ要素１１を動的に選択する。各アクティブトランスデューサ要素１１では、受信モードにおいて、対象データをトランスデューサ要素１１からビームフォーマ内の信号処理要素へ移動するためデータチャネルが確立される。受信チャネルスイッチ１６ａ〜１６ｅは、アナログ電子的スイッチである。データチャネルはスイッチ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ及び１６ｅの各々に関連付けられる。

各データチャネル内のそれぞれのアクティブトランスデューサ要素１１からのデータは、受信した信号エコーを動的にフォーカスするように動作するエコー受信期間の間、図１に示すステアリング遅延及びをフォーカス遅延を含むそれぞれの処理チャネル時間遅延により遅延される。チャネル時間遅延の適用に続いて、図１には図示していないが、それぞれの遅延されたチャネル信号は、各受信したチャネル信号が、上述のように後に形成されるビームフォーミングされた信号におけるグレーティングサイドローブの影響を低減するためにアポダイズ関数を用いて所望の値でスケーリングされるように、アポダイズされ得る。アポダイズされた信号はその後、増幅器１５で加算することにより加算され、図１において「フォーカスされたエコー信号」として示す、ビームフォーミングされた信号を生成する。走査線を形成するため複数のフォーカスされたエコー信号を用いることができ、適切なディスプレイデバイス上に対象組織のイメージを形成するために複数の走査線が組み合わされ得る。

図示していないが、加算増幅器１５により、フォーカスされたエコー信号出力はその後、任意で各サンプル時間ｎに正規化され得る。正規化は、サンプルインスタンスｎにわたる全走査線にわたって平均信号レベルを実質的に同一の（一定）に保つために用いることができる。

従来の超音波ビームフォーマシステム１００により実装されるダイナミックアパーチャー制御のタイプは、特に、その実装アナログである場合、アクティブチャネルの数及びサンプル時間に関して同期化することが難しくなり得る。その結果、この同期化が困難性であるため、サンプル時間の関数として全走査線に沿って平均信号レベルを同じ（一定）に保つために必要とされるデータ正規化を決定することは、概してより一層困難となる。

開示される方法は、超音波ビームフォーミングのためのアポダイゼーションの方法、そこからの超音波イメージングシステム、フィルタブロック、アポダイゼーションブロック、ダイナミックアパーチャー制御ブロック、コントローラ、及び加算器を含む超音波イメージングブロック及び機能を実装するためデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などのハードウェアを含む。複数（ｋ）のデータチャネル及び複数のデータチャネルから選択される所定の数（＜ｋ）のアクティブチャネル（Ｎ_ａｃｔ）における対象組織からのエコーデータを表すデジタルチャネルデータが提供される。

ソフトウェアベースの統合されたアポダイゼーションアルゴリズムが、選択されたアポダイズ関数ｈ［ｎ，ｋ］を用いてデジタルチャネルデータを動的にアポダイズする。統合されたアポダイゼーションアルゴリズムは、パラメータｎｕｍＡｐｅｒｔｕｒｅＣｈａｎｎｅｌｓ（Ｎ_ａｐ［ｎ］）を生成することであって、ここで、Ｎ_ａｐ［ｎ］が≦Ｎ_ａｃｔであることにより、及び超音波ビームフォーミングのためダイナミックビームフォーカシング位置に基づいて、データチャネルのうちＮ_ａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルを選択することにより、有効口径をつくるようにダイナミックアパーチャー制御を適用する。適用されるダイナミックデータスケーリングは、正規化されたアポダイズ関数ｈ_ｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］を生成するためｈ［ｎ，ｋ］とスケールファクタとの間のベクトル内積を用いてデータ正規化を提供する。

正規化されたアポダイズ関数は、アポダイズされ且つ正規化されたデジタルチャネルデータを生成するため、Ｎ_ａｐ［ｎ］特定のデータチャネル内のデジタルチャネルデータのみに適用され得る。ダイナミックアポダイゼーションの前又は後に、Ｎ_ａｐ［ｎ］特定のデータチャネル内のチャネルデータにフィルタリングも適用される。アポダイゼーション及びフィルタリングは、各サンプル数ｎ（時間インスタンス）でアパーチャーを形成するために用いられるＮ_ａｐ［ｎ］特定のデータチャネル内のデータにのみ適用され得るため、システム内の全てのデータチャネルからのデータをアポダイズ及びフィルタする配置とは対照的にデータ処理効率が著しく向上する（例えば、サイクルがより少ない）。

開示される実施例は、超音波ビームフォーマシステムのためのスケーリングされたビームフォーミングされたデータを生成するダイナミックアパーチャー制御及び正規化の両方を実行するソフトウェアベースのアプローチを提供することにより統合されたアポダイゼーション手法に対する満たされていないニーズを解決する。開示される実施例は、正規化／スケーリングがベクトル内部製品を用いて対処され、そのため、データチャネル間で切り替える必要性を回避するため、データチャネルのスイッチングなしのアポダイゼーションを可能にする。

アパーチャーチャネルとデータ正規化の関係は、各サンプル数（ｎ）で既知であるため、一層タイミングが正確な統合されたアポダイゼーションアルゴリズムが部分的に提供される。ソフトウェアベースであるため、開示される統合されたアポダイゼーションアルゴリズムは、任意の所望のアポダイゼーション関数に対して用いることができる。開示される統合されたアポダイゼーション方法は更に、それが、同等の数値的結果を生成するために関与するサイクルが（著しく乗算器インテンシブである従来のアルゴリズムに比べて）より少ないため、ハードウェアで実装するのに効率的である。開示される統合されたアポダイゼーションアルゴリズムは、所定の（単一の）走査線に対し、又は超音波イメージ全体の全ての走査線に対し、データ正規化を実行するために用いることができる。

図１は、対象組織を画像化するための従来の超音波ビームフォーマシステムの簡略化したブロック図を概略的に示し、このシステムは、トランスデューサ要素の受信アレイからの受信したエコー信号のスイッチベースの時間遅延ステアリング及びフォーカシングを含む。

図２は、例示の一実施例に従った、対象組織を画像化するための超音波ビームフォーマシステムの簡略化したブロック図を概略的に示し、このシステムは、開示されるダイナミックアパーチャー制御及び正規化を含む。

図３は、図２に示す破線内の全てのシステム要素を実装することができる、本発明の一実施例に従ったＤＳＰ ＩＣの簡略化したブロック図を示す。

図４は、例示の一実施例に従った、開示されるダイナミックアパーチャー制御及び正規化を実装することができる例示の超音波システムのブロック図である。

図５は、例示の一実施例に従った、ダイナミックアパーチャー制御及び正規化を含む超音波信号をアポダイズする方法のためのフローチャートである。

図６は、例示の一実施例に従った、テキサス・インスツルメンツ・インコーポレーテッドのＤＳＰのアーキテクチャのＣ６４＋で動作するハニング窓に基づいた、統合されたアポダイゼーションアルゴリズムのためのソフトウェアパイプライン情報を提供する。

上述のように、図１に示す従来の超音波ビームフォーマシステム１００などの従来の超音波システムは、アナログチャネルスイッチを用いるダイナミックアパーチャー制御、チャネルデータのアポダイゼーション（実装される場合）、及びビームフォーマシステム内の個別の位置（例えば、個別のデータ処理ブロックとして）の全走査線の平均信号レベルを同じ（一定）にするためスケーリングするための加算されたチャネルデータの正規化（実装される場合）を実行する。信号処理の一部がアナログで実行され得（例えば、アパーチャー制御１７）、一部がデジタルで実行され得る（実装される場合アポダイゼーション）。それに対し、開示される統合されたアポダイゼーション方法は、ソフトウェアベースのアプローチを提供し、このアプローチは、ダイナミックアパーチャー制御及び正規化を実行し、そのため、別々のデータ処理オペレーションを予め組み合わせて単一のオペレーションにして、データのスケーリング精度を保証し、さらに、スイッチの必要性もなくす。

開示されるソフトウェアベースの統合されたアポダイゼーションアルゴリズムは、ＡＳＩＣ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、及びＤＳＰなどのＩＣで実装可能である。以下に説明するようにスケーリングはベクトル内部製品で対処されるため、スイッチの必要性がなくなる。また、ダイナミックアパーチャー正規化に用いられるそれぞれのデータチャネル間の関係は各サンプル数ｎ（時間インスタンス）で既知であるため、データは各サンプル数ｎで正確にスケーリングされ得る。

ダイナミックアパーチャー制御及びデータ正規化の両方をより正確に及び決定的に実装するため、例示のソフトウェアベースの統合されたアポダイゼーション方法が下記に開示される。一般に、アポダイゼーションプロセスの離散時間実装は、数学的に下記のように表すことができる。
ｙ［ｎ，ｋ］＝ｈ［ｎ，ｋ］×ｘ［ｎ，ｋ］ （１）
ここで、ｈ［ｎ，ｋ］は、サンプル数ｎに対するｋ番目のデータチャネルのためのアポダイゼーション関数であり、ｘ［ｎ，ｋ］はサンプル数ｎでｋ番目のデータチャネルから受信した信号であり、ｙ［ｎ，ｋ］はサンプル数ｎでｋ番目のデータチャネルからフィルタされた受信信号である。単純なユニティゲインアポダイゼーション関数ｈ［ｎ，ｋ］では、アポダイゼーション関数ｈ［ｎ，ｋ］は下記のように定義することができる。
ここで、Ｋ_ａｐ［ｎ］は、サンプル数ｎの関数としたアパーチャーチャネルインデックスのセットを定義し、ここで、各ｎが、特定の時間インスタンスに対応する。より複雑なアポダイゼーション関数ｈ［ｎ，ｋ］では、このような特定のガウス窓関数は業界ではハニング窓と呼び、アポダイゼーション関数は下記表現となる。
ここで、ｃｏｓ（）はコサイン関数であり、Ｎ_ａｐ［ｎ］はサンプル数ｎの関数としてアパーチャーチャネル（アクティブデータチャネル）の数（Ｎ）を定義する。

本明細書においてＮ_ａｃｔと称する、所定のサンプル数ｎ（時間インスタンス）でアクティブのアパーチャーチャネルの数を決定するため、アパーチャーに対するｆ♯（即ち、ｆ値）は、トランスデューサパラメータの観点で定義される。Ｎ_ａｃｔは概してユーザーにより特定され、ビームフォーミングに用いられるべきデータチャネル（各々トランスデューサに関連付けられ）の最大数の選択に関与し、ここで、Ｎ_ａｃｔは、ビームフォーミングシステムにおけるデータチャネル／トランスデューサ要素の数より少ない。光学において、ｆ♯は、レンズの焦点距離（Ｒ_ｆｐ）とレンズの直径（Ｄ）の比と定義され、下記のように数学的に書くことができる。
ｆ♯＝Ｒ_ｆｐ／Ｄ （４）

大抵のアプリケーションにおいて、ｆ♯が１に等しいとき良好なフォーカシングが達成される。しかし、開示される実施例は、１に等しくないｆ♯を含む。

ｆ♯は、下記のように超音波トランスデューサパラメータの観点で表現され得る。
ｆ♯＝Ｒ_ｆｐ／（Ｎ_ａｐ［ｎ］×ｅｌｅｍＰｉｔｃｈ） （５）
ここで、Ｒ_ｆｐはレンズ焦点までのラジアル距離であり、ｅｌｅｍＰｉｔｃｈはそれぞれのトランスデューサ要素間のスペーシングである。式（５）は、増加される複雑性とともに一定でない要素ピッチを構成するように書くことができる。ビームフォーマの目的は、離散時間システムの各サンプル数ｎで焦点を動的に調節することであるため、レンズまでの焦点距離Ｒ_ｆｐは、下記のように書くことができ、
ここで、ｃは対象の組織内の音の速度であり、ｆ_ｓは離散時間信号処理システムのサンプリングレートである。式（６）を式（５）に代入することで、データチャネルＮ_ａｐ［ｎ］の数を記載する下記関係が得られ、これは、良好なフォーカスを達成するため、所定のサンプル数ｎで所望のアパーチャーをつくるために必要とされるアクティブチャネルＮ_ａｃｔから選択されるアパーチャーチャネルの数を定義する。

Ｎ_ａｐ［ｎ］のための式（７）により、ハニング又はハミングアポダイゼーション窓などのガウス窓関数など、選択されたアポダイゼーション関数がデータチャネルのうちＮ_ａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルのみに適用され得、そのため、データ処理リソースを節約するように、各サンプル数ｎでアパーチャーをつくるために必要とされるインデックスのセット（即ち、Ｋ_ａｐ［ｎ］）の決定が可能となる。Ｋ_ａｐ［ｎ］は上記式２に示されている。

例えば、フェーズドアレイトランスデューサのためのビームフォーカシング位置は、トランスデューサを構成するトランスデューサ要素の中間（中央）に位置する。その結果、所望のアパーチャーは、トランスデューサのほぼ中間に集中するＮ_ａｐ［ｎ］個のチャネルを用いることによりつくられる。しかし、線形アレイトランスデューサでは、線形アレイトランスデューサのためのビームフォーカシング位置は、トランスデューサの面に沿って移動される。その結果、所望のアパーチャーは、ダイナミックビームフォーカシング位置辺りのＮ_ａｐ［ｎ］個のチャネルを用いることによりつくられる。

アポダイゼーションがチャネルデータに適用されると、アポダイズされたチャネルデータは、平均信号レベルをサンプル数ｎにわたって全走査線に沿って同じ（効果的に一定）に保つように正規化され得る。正規化を達成するためのスケールファクタＫ_ｒａｔ［ｎ］は、本明細書において下記のように書くことができる正規化スケールファクタＫ_ｒａｔ［ｎ］を指す。
Ｋ_ｒａｔ［ｎ］＝Ｎ_ａｃｔ／Ｎ_ａｐ［ｎ］ （８）
ここで、上述のようにＮ_ａｃｔはアクティブトランスデューサチャネルの数である。このスケールファクタＫ_ｒａｔ［ｎ］の最大値のための値が、０で１を除する場合を対処するように、及び所定の超音波イメージ内の全ての走査線に対する正規化を対処するように、特定されるべきであることに注意されたい。そのため、正規化スケールファクタＫ_ｒａｔ［ｎ］のための可能な値の範囲は下記のように表すことができる。
１≦Ｋ_ｒａｔ［ｎ］≦Ｋ_ｍａｘ （９）

（８、９）におけるこの正規化スケールファクタＫ_ｒａｔ［ｎ］及び（７）におけるアパーチャーチャネルＮ_ａｐ［ｎ］の数についての関係を用いて、（１０）として下記に示すように下記一般的な内積関係が、生成され得、任意の選択されたアポダイゼーション関数ｈ［ｎ，ｋ］に対する正規化されたアポダイゼーション実装ｈ_ｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］を演算するために用いられ得る。
０≦ｋ≦Ｎの場合にｈ_ｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］＝Ｋ_ｒａｔ［ｎ］・ｈ［ｎ，ｋ］ （１０）

ここで、ｈ［ｎ，ｋ］は所望のアポダイゼーション関数であり、ｈ_ｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］は所望のアポダイゼーション関数の正規化されたバージョンである。

図２は、例示の一実施例に従った、対象組織を画像化するための超音波ビームフォーマシステム２００の簡略化したブロック図を概略的に示し、このシステムは、開示されるダイナミックアパーチャー制御及び正規化を含む。典型的な実施例において、ビームフォーマシステム２００は、遅延及び加算超音波ビームフォーマシステムである。

図２は線形形式で配されるトランスデューサ要素と共に示されているが、幾つかのフェーズドアレイスキャニングシステムのように、開示される実施例は、曲線状、円筒状などの他の構成だけでなく、２Ｄ（即ち、二次元）及び３Ｄ（即ち、三次元）配置に配されたトランスデューサ要素にも用いられ得る。また、開示される実施例は、曲線状又はカーブしたトランスデューサ、円筒状トランスデューサ、環状アレイトランスデューサ、及び矩形アレイトランスデューサを含む、他の種類のアレイトランスデューサにも適用可能である。

ビームフォーマシステム２００が、要素１１２_１〜１１２_８として示す複数（ｋ）のトランスデューサ要素を含むトランスデューサアレイ１１２を含み、これらの要素は各々データチャネルを定義し、データチャネルは対象組織１０５によりエコーされた音波を電気的検知信号に変換する圧電性トランスデューサを含む。トランスデューサ要素１１２_１〜１１２_８はそのため、以下に説明するようにトランスデューサ要素１１２_１〜１１２_８からｎｕｍＡｃｔｉｖｅＣｈａｎｎｅｌ（Ｎ_ａｃｔ）ブロック１２０ａまで延びる８つの別々のデータチャネル１〜８（データチャネル毎に１トランスデューサ）内の第１の要素を形成する。

トランスデューサアレイ１１２におけるそれぞれのトランスデューサは、各々電圧制御増幅器（ＶＣＡ）１１６に結合され、その後、増幅されたトランスデューサ信号のデジタル変換のためアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）１１７に結合される。図２のＡＤＣ１１７は、図示するコントローラ２４１により制御される図示されるダイナミックアパーチャー制御ブロック１２０のＮ_ａｃｔとして示されるブロック１２０ａに結合される。Ｎ_ａｃｔは、ビームフォーマシステム２００により用いられるｋ個のデータチャネルの最大数を設定し、これは概して、ユーザー入力提供され、メモリにストアされるなど、所定及び一定に保たれる。Ｎ_ａｃｔは下記制約を有する。
０≦Ｎ_ａｃｔ≦ｎｕｍＣｈａｎｎｅｌ（図２に示すようにｎｕｍＣｈａｎｎｅｌ＝８である）

Ｎ_ａｃｔブロック１２０ａは、図２に示す可能な８つのデータチャネルのうち６つが選択される例で図２に示されている。ダイナミックアパーチャー制御ブロック１２０は更に、ｎｕｍＡｐｅｒｔｕｒｅＣｈａｎｎｅｌ（Ｎ_ａｐ）演算ブロック１２０ｂを含む。上記で開示されるようなダイナミックＮ_ａｐ［ｎ］演算が、コントローラ２４１による制御下のＮ_ａｐ演算ブロック１２０ｂにより実装されて示されている。Ｎ_ａｐ［ｎ］演算ブロック１２０ｂは、有効口径をつくるために用いられる特定のデータチャネルを動的に決定するように動作し得る。Ｎ_ａｐ［ｎ］は下記制約を有する。
０≦Ｎ_ａｐ≦Ｎ_ａｃｔ

Ｎ_ａｐ演算ブロック１２０ｂによって提供された出力は、対象組織１０５とそれぞれのトランスデューサ要素との間のパス長さの差に起因する異なるエコー到達時間を補償するため、適切な時間遅延を適用する複数のフィルタを含むフィルタブロック１１８に結合される。フィルタブロック１１８内のフィルタは、アポダイゼーション利得ブロック１１９内のアポダイゼーションブロックに結合され、アポダイゼーション利得ブロック１１９は、ビームフォーミングのためダイナミックビームフォーカシング位置に基づいて選択された複数のデータチャネルからのＮ_ａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルにおけるデータに対し、アポダイズされ且つ正規化されたチャネルデータを生成する。アポダイゼーション利得ブロック１１９はそのため、提供されたそれぞれのデータチャネル信号のスケーリング（即ち、重み付け）を提供する。アポダイゼーション利得ブロック１１９によってそれぞれのＮ_ａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルに提供されるアポダイゼーション利得は、上述のように所望のアポダイゼーション関数ｈ_ｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］の正規化されたバージョンに基づき、これらはそのためサンプル毎（ｎ毎）に変更される。

それぞれのアポダイゼーション利得ブロック１１９の出力は、加算器１２１に結合され、加算器１２１は、アポダイゼーション利得ブロック１１９により出力されたアポダイズされ且つ正規化された信号を加算して、ｚ［ｎ］として示す所望のビームフォーミングされた信号を生成する。ｚ［ｎ］はフォーカスされ及び正規化されたエコー信号を表す。走査線を形成するため、フォーカスされ及び正規化された複数のエコー信号ｚ［ｎ］を用いることができ、また、適切なディスプレイデバイス上に対象組織１０５のイメージを形成するため複数の走査線が組み合わされ得る。

システム２００は更に、コンピューティング構造２４６を含むコントローラ２４１を含む。コントローラ２４１は、１つ又は複数のＤＳＰ、ＦＰＧＡ、又はＡＳＩＣを含むデバイスによって提供され得る。例えば、ＤＳＰが、図２に示す破線内のシステム２００の全ての構成要素を提供することができる。システム２００は、開示される統合されたアポダイゼーションアルゴリズム及びビームフォーミングの間のサンプルカウント（数）データを含むデータをストアするためのメモリ２４８を含み、メモリ２４８はコントローラ２４１に結合される。コントローラ２４１は、処理のためメモリ２４８からデータをロードするように動作し得る。

コントローラ２４１は、フィルタブロック１１８及びアポダイゼーションブロック１１９両方を制御するように結合されるべきであることがわかる。アポダイゼーション利得ブロック１１９内のそれぞれのデータチャネルに提供される重み付け関数は、（１０）として上述した選択されたアポダイゼーション関数ｈ［ｎ，ｋ］に対し、正規化されたアポダイゼーション実装ｈ_ｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］に基づき、これも下記のように写される。
０≦ｋ≦Ｎの場合にｈ_ｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］＝Ｋ_ｒａｔ［ｎ］・ｈ［ｎ，ｋ］ （１０）
ここで、ｈ［ｎ，ｋ］は所望のアポダイゼーション関数であり、ｈ_ｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］は所望のアポダイゼーション関数の正規化されたバージョンである。

図３は、図２に示す破線内の全てのシステム要素を実装することができる、本発明の一実施例に従った、ＤＳＰ ＩＣ３００の簡略化したブロック図を示す。ＤＳＰ ＩＣ３００は、上部半導体表面（例えば、シリコン基板）を有する基板３１０上に形成されて示されており、開示されるダイナミックアパーチャー制御及び正規化を実装するため制御信号を生成するように動作し得る積和演算（ＭＡＣ）ユニット３２０を含む。ＤＳＰ ＩＣ３００は概して、揮発性メモリ（例えば、ＲＡＭ）３２５及び不揮発性メモリ（例えば、ＲＯＭ）３３０を含む。本発明の実施例に従ったアルゴリズムが、不揮発性メモリ３３０にストアされ得る。ＤＳＰ ＩＣ３００は、入力及び出力、カウンタ／タイマー３４５、メモリコントローラ３５０、及びバス３５５のためのインタフェースポート３４０を含んで示されている。

従来のＤＳＰのように、ＤＳＰ ＩＣ３００は、１つ又は複数のデジタル信号処理アルゴリズム又はプロセスを実装するための命令を実行できる。例えば、命令データは種々の係数及び命令を含み得、これらは、ロードされＤＳＰ ＩＣ３００内に初期化されると、ＤＳＰ ＩＣ３００に異なるデジタル信号処理アルゴリズム又はプロセスを実装させることができる。ＤＳＰ ＩＣ３００は、図２に示すＡＤＣ１１７からデータを受信することができ、及びその後その現在の構成に従ってアルゴリズムをデータに適用することができる。

ＭＡＣユニット３２０は概して、遅延され、アポダイズされ、且つ正規化されたデジタル超音波検知信号を形成するために、デジタル化された超音波検知信号を処理するための遅延及びアポダイズ回路要素を含む。ＭＡＣユニット３２０ユニットは更に、コントローラ２４１及びコンピューティング構造２４６を提供することもできる。揮発性メモリ３２５は、必要とされる任意のメモリを提供することができる。

図４は、例示の一実施例に従った、開示されるダイナミックアパーチャー制御及び正規化を実装することができる例示の超音波システム４００のブロック図である。システム４００は、送信（Ｔｘ）ビームフォーマ５２５を含む送信セクション５２０、及び受信（Ｒｘ）ビームフォーマ５４５を含む受信部５４０を含み、これらのセクションは、トランスデューサ５５０の共通のアレイを共有する。

システム４００は、Ｔｘビームフォーマ５２５及びＲｘビームフォーマ５４５両方に結合されるビームフォーマ中央制御ユニット５１０を含む。ビームフォーマ中央制御ユニット５１０は、図２に示す超音波ビームフォーマシステム２００によって提供される上述で開示されるダイナミックアパーチャー制御及び正規化を実装するため、図３に関して上述したＤＳＰ ＩＣ３００などの、ＤＳＰとして具現化され得る。受信部５４０のＲｘビームフォーマ５４５は、バックエンドイメージングＤＳＰ５６０に結合される。バックエンドイメージングＤＳＰ５６０はディスプレイ５７０に結合される。

図５は、例示の一実施例に従った、超音波ビームフォーミングのための複数のトランスデューサ要素のうちの異なるトランスデューサ要素に各々関連付けられる、複数（ｋ）のデータチャネルから受信した超音波信号をアポダイズする方法５００のためのフローチャートである。ステップ５０１が、複数のデータチャネルの各々、及び複数のデータチャネルからの所定の数のアクティブデータチャネル（Ｎ_ａｃｔ）における対象組織から受信したエコーデータを表すデジタルチャネルデータを提供することを含む。

ステップ５０２が、選択されたアポダイズ関数ｈ［ｎ，ｋ］を用いてデジタルチャネルデータを動的にアポダイズするため、ソフトウェアベースの統合されたアポダイゼーションアルゴリズムを適用することを含み、ここで、ｎがサンプル数であり、開示される統合されたアポダイゼーションアルゴリズムを実装するため、コンピューティングシステム（図２に示すコンピューティング構造２４６を含むコントローラ２４１など）がトランジスタを含まない（non-transitory）マシン読み出し可能なストレージ（図２に示すメモリ２４８など）を含む。統合されたアポダイゼーションアルゴリズムは、（ｉ）パラメータｎｕｍＡｐｅｒｔｕｒｅＣｈａｎｎｅｌ（Ｎ_ａｐ［ｎ］）を生成することであって、ここで、Ｎ_ａｐ［ｎ］がＮ_ａｃｔより小さいことと、ビームフォーミングのためダイナミックビームフォーカシング位置に基づいて複数のデータチャネルからＮ_ａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルを選択することとを含む、有効口径をつくるためのダイナミックアパーチャー制御を適用すること、及び（ｉｉ）正規化されたアポダイズ関数ｈ_ｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］を生成するためアポダイズ関数ｈ［ｎ，ｋ］とスケールファクタとの間のベクトル内積関係を用いて、ダイナミックデータスケーリングを提供するためデータ正規化を適用することを含む。

ステップ５０３が、サンプル数［ｎ］の少なくとも１つの間、Ｎ_ａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルにより定義されるデータチャネルに対し、アポダイズされ且つ正規化されたデジタルチャネルデータを生成するため、正規化されたアポダイズ関数ｈ_ｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］をデジタルチャネルデータに適用することを含む。方法５００は更に、異なるエコー到達時間を補償するため、適切な時間遅延をそれぞれのデータチャネルに適用するフィルタリングを含む。フィルタリングは、データ処理フローにおいてアポダイズの前又は後に実装され得る。数学的フィルタリングは、アポダイズに続くことができるが、実際にはアポダイズに続くフィルタリングは、フィルタリングが（図２のシステム２００に示すような）アポダイズに先行するデータ処理フローに比べて、多いデータ値（例えば、より多いより多い乗算を要する）のアポダイズとなり得る。ビームフォーミングのためのダイナミックビームフォーカシング位置に基づいて選択されたＮ_ａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルからのアポダイズされ且つ正規化されたフィルタされたデジタルチャネルデータがその後、所望のビームフォーミングされた信号（図２においてｚ［ｎ］として示す）を生成するために用いられ得、これはフォーカスされ及び正規化されたエコー信号を表す。

ダイナミックアパーチャー制御及び正規化を含む、開示される統合されたアポダイゼーションアルゴリズムが、Ｃコードに実装されており、テキサス・インスツルメンツ・インコーポレーテッドにより製造されるＴＭＳ３２０Ｃ６４７４ＤＳＰで実証されている。ハニングアポダイゼーションは、ＴＩ ＤＳＰ Ｃ６４＋アーキテクチャに向けられたソフトウェアに実装されている。Ｃ６４＋アーキテクチャで動作する統合されたアポダイゼーションアルゴリズムのためのソフトウェアパイプライン情報を図６に示す。

特定の統合されたアポダイゼーションアルゴリズムは、ダイナミックアパーチャー制御及び正規化両方を実装するための各アポダイゼーション値を演算するために１５サイクルを要することが分かっている。開示される統合されたアポダイゼーションアルゴリズムを実装することに関与するアーキテクチャは、乗算器（Ｍユニット）制限ではなく、代わりにシフト／ロード（Ｌ、Ｓ、Ｄユニット）制限であることに注意されたい。Ｌ、Ｓ、Ｄユニット制限である利点は、データ処理がよりデータインテンシブでないことである。開示されるアルゴリズムは、オフラインで演算され、テーブルにストアされ、パイプラインドスケジュールを、示された１１サイクルの理想的な範囲まで低減するために参照される、アポダイゼーションテーブルによりサポートされ得る。

開示されるダイナミックアパーチャー制御（正規化は送信ビームフォーミングに必要とされないため）は、送信超音波ビームフォーミングに用いることができる。また、開示されるビームフォーミングは、超音波アプリケーションを超えて拡張され得る。当業者であれば、例示の実施例に変形が成され得ること、及び本発明の特許請求の範囲内で他の実施例を実装し得ることが分かるであろう。

Claims (13)

1. 超音波ビームフォーミングのため複数のトランスデューサ要素のうちの異なるトランスデューサ要素に各々関連付けられる複数（ｋ）のデータチャネルから受信した超音波信号をアポダイズする方法であって、
   前記複数のデータチャネルの各々と前記複数のデータチャネルから選択される所定の数のアクティブデータチャネル（Ｎａｃｔ）とにおける対象組織から受信したエコーデータを表すデジタルチャネルデータを提供することと、
   選択されたアポダイズ関数ｈ［ｎ、ｋ］を用いて前記デジタルチャネルデータを動的にアポダイズするためにソフトウェアベースの統合されたアポダイゼーションアルゴリズムを適用することであって、ここで、ｎがサンプル数であり、前記統合されたアポダイゼーションアルゴリズムを実装するため、非一時的（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）マシン読み出し可能なストレージを含むコンピューティングシステムを用いることであって、前記統合されたアポダイゼーションアルゴリズムが、
   （ｉ）パラメータｎｕｍＡｐｅｒｔｕｒｅＣｈａｎｎｅｌ（Ｎａｐ［ｎ］）を生成することであって、Ｎａｐ［ｎ］≦Ｎａｃｔである、Ｎａｐ［ｎ］を生成することと、前記超音波ビームフォーミングのためダイナミックビームフォーカシング位置に基づいて前記複数のデータチャネルからＮａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルを選択することとを含む、有効口径をつくるようにダイナミックアパーチャー制御を適用することと、
   （ｉｉ）正規化されたアポダイズ関数ｈｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］を生成するため前記アポダイズ関数ｈ［ｎ，ｋ］とスケールファクタとの間のベクトル内積関係を用いて、データ正規化を提供するためダイナミックデータスケーリングを適用することと、
   を含む、前記統合されたアポダイゼーショナルゴリズムを適用することと、
   前記サンプル数ｎの少なくとも１つの間前記Ｎａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルにより定義される前記データチャネルのためのアポダイズされ且つ正規化されたデジタルチャネルデータを生成するため、前記正規化されたアポダイズ関数ｈｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］を前記デジタルチャネルデータに適用することと、
   を含み、
   前記スケールファクタがＫｒａｔ［ｎ］で表され、前記ベクトル内積関係が、０≦ｋ≦Ｎの場合に、ｈｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］＝Ｋｒａｔ［ｎ］・ｈ［ｎ，ｋ］を含み、Ｋｒａｔ［ｎ］＝Ｎａｃｔ／Ｎａｐ［ｎ］である、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記正規化されたアポダイズ関数ｈｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］が、前記複数のデータチャネルの前記Ｎａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルに限定的にのみ供給される、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   前記選択されたアポダイズ関数ｈ［ｎ，ｋ］がガウス窓関数を含む、方法。
4. 請求項２に記載の方法であって、
   前記アポダイズされ且つ正規化されたデジタルチャネルデータが、アポダイズされ且つ正規化されたフィルタされたデジタルチャネルデータを含むように、前記複数のデータチャネルの前記Ｎａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルに対してのみ限定的に前記デジタルチャネルデータをフィルタすることと、
   ビームフォームされた信号を生成するため、前記アポダイズされ且つ正規化されたフィルタされたデジタルチャネルデータを加算することと、
   前記ダイナミックビームフォーカシング位置を線に沿って変えることと、
   複数の前記ビームフォームされた信号を生成するため、前記加算することと前記変えることとを含む前記方法を複数回を反復することと、
   前記複数のビームフォームされた信号から走査線を生成することと、
   を更に含む、方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、
   複数の前記走査線を生成することと、ディスプレイデバイス上に前記対象組織のイメージを形成するため前記複数の前記走査線を組み合わせることとを更に含む、方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、
   前記アポダイズされ且つ正規化されたデジタルチャネルデータが、アポダイズされ且つ正規化されたフィルタされたデジタルチャネルデータを含むように、前記複数のデータチャネルの前記Ｎａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルに対してのみ限定的に前記デジタルチャネルデータをフィルタするために、及び前記フィルタされたデジタルチャネルデータを動的にアポダイズするため前記ソフトウェアベースの統合されたアポダイゼーションアルゴリズムを適用するために、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いること、を更に含む、方法。
7. 超音波ビームフォーミングのための超音波イメージングシステムであって、
   超音波送信パルスを対象組織に向けて送信し、それに応じて前記対象組織からのエコー信号を受信するための複数（ｋ）のトランスデューサ要素と、
   前記超音波送信パルスの前記送信のための前記複数のトランスデューサ要素を駆動するための送信部と、
   前記エコー信号に応答して前記複数のトランスデューサにより生成される複数の検知信号を処理するための受信部と、
   を含み、
   前記受信部が、前記複数のトランスデューサ要素のうち異なるトランスデューサ要素に各々関連付けられる複数のデータチャネルを定義し、
   前記受信部が、
   前記複数のデータチャネルの各々における前記エコー信号からのエコーデータを表すデジタルチャネルデータを生成するためのデジタル化ブロックと、
   前記システムにより用いられる前記複数のデータチャネルの数を設定するためのＮａｃｔブロックと、有効口径をつくるよう前記複数のデータチャネルの数Ｎａｐ［ｎ］を動的に決定するためのダイナミックｎｕｍＡｐｅｒｔｕｒｅＣｈａｎｎｅｌｓ（Ｎａｐ［ｎ］）演算ブロックとを含む、前記デジタル化ブロックの出力に結合されるダイナミックアパーチャー制御ブロックと、
   フィルタされたデジタルチャネルデータを生成するため前記デジタルチャネルデータをフィルタするため前記Ｎａｐ［ｎ］演算ブロックの出力に結合されるフィルタブロックと、
   前記フィルタブロックに結合されるアポダイゼーションブロックと、
   前記フィルタブロックと前記アポダイゼーションブロックと前記ダイナミックアパーチャー制御ブロックとを制御するように結合されるコントローラ及び関連するメモリであって、
   前記コントローラが、選択されたアポダイズ関数ｈ［ｎ，ｋ］を用いて前記フィルタされたデジタルチャネルデータを動的にアポダイズするためソフトウェアベースの統合されたアポダイゼーションアルゴリズムを実行し、ここで、ｎがサンプル数であり、非一時的マシン読み出し可能なストレージを含む前記統合されたアポダイゼーションアルゴリズムを実装するためのコンピューティングシステムを備え、前記統合されたアポダイゼーションアルゴリズムが、
   （ｉ）前記ビームフォーミングのためダイナミックビームフォーカシング位置に基づいて前記複数のデータチャネルからＮａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルを選択することを含む、前記有効口径をつくるよう前記ダイナミックアパーチャー制御ブロックを制御するためのダイナミックアパーチャー制御と、
   （ｉｉ）正規化されたアポダイズ関数ｈｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］を生成するため前記アポダイズ関数ｈ［ｎ，ｋ］とスケールファクタＫｒａｔ［ｎ］との間のベクトル内積関係を用いてデータ正規化を提供するためのダイナミックデータスケーリングと、
   を含み、
   前記コントローラが、前記サンプル数ｎの少なくとも１つの間、アポダイズされ且つ正規化されたフィルタされたデジタルチャネルデータを生成するため、前記フィルタされたデジタルチャネルデータを処理するため前記正規化されたアポダイズ関数ｈｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］を前記アポダイゼーションブロックに提供する、前記コントローラ及び関連するメモリと、
   ビームフォームされた信号を形成するため前記アポダイゼーションブロックの出力に結合される加算のための加算器と、
   ディスプレイ信号を生成するため前記ビームフォームされた信号を受け取り処理するように結合されるバックエンドイメージングディスプレイプロセッサであって、前記ディスプレイ信号がディスプレイデバイスにイメージを生成させるために適している、前記バックエンドイメージングディスプレイプロセッサと、
   前記ディスプレイ信号を受信し、前記イメージを生成するためのディスプレイデバイスと、
   を含み、
   前記スケールファクタがＫｒａｔ［ｎ］で表され、前記ベクトル内積関係が、０≦ｋ≦Ｎの場合に、ｈｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］＝Ｋｒａｔ［ｎ］・ｈ［ｎ，ｋ］を含み、Ｋｒａｔ［ｎ］＝Ｎａｃｔ／Ｎａｐ［ｎ］である、超音波イメージングシステム。
8. 請求項７に記載の超音波イメージングシステムであって、
   前記正規化されたアポダイズ関数ｈｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］が、前記複数のデータチャネルのうち前記Ｎａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルに限定的にのみ提供される、超音波イメージングシステム。
9. 請求項７に記載の超音波イメージングシステムであって、
   前記システムが、前記ダイナミックビームフォーカスシング位置を線に沿って変えるように、複数の前記ビームフォームされた信号を生成するために前記加算することと前記変えることとを複数回を反復するように、動作可能である、超音波イメージングシステム。
10. 請求項７に記載の超音波イメージングシステムであって、
    前記フィルタブロックと前記アポダイゼーションブロックと前記ダイナミックアパーチャー制御ブロックと前記コントローラと前記加算器とを実装するためにデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いることを更に含む、超音波イメージングシステム。
11. 超音波信号処理のためのデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）集積回路（ＩＣ）であって、
    半導体表面を有する基板と、
    複数のトランスデューサ要素のうち異なるトランスデューサ要素に各々関連付けられる複数のデータチャネルの各々においてエコー信号からのエコーデータを表すデジタルチャネルデータを提供するデジタル化ブロックの出力に結合されるダイナミックアパーチャー制御ブロックであって、用いられる前記複数のデータチャネルの最大数を設定するためのＮａｃｔブロックと、有効口径をつくるよう前記複数のデータチャネルの数Ｎａｐ［ｎ］を動的に決定するためのダイナミックｎｕｍＡｐｅｒｔｕｒｅＣｈａｎｎｅｌｓ（Ｎａｐ［ｎ］）演算ブロックとを含む、前記ダイナミックアパーチャー制御及び正規化ブロックと、
    フィルタされたデジタルチャネルデータを生成するため、前記デジタルチャネルデータをフィルタするために前記Ｎａｐ［ｎ］演算ブロックの出力に結合されるフィルタブロックと、
    前記フィルタブロックに結合されるアポダイゼーションブロックと、
    前記フィルタブロックと前記アポダイゼーションブロックと前記ダイナミックアパーチャー制御及び正規化ブロックとを制御するように結合されるコントローラ及び関連するメモリであって、
    前記コントローラが、選択されたアポダイズ関数ｈ［ｎ，ｋ］を用いて前記フィルタされたデジタルチャネルデータを動的にアポダイズするためソフトウェアベースの統合されたアポダイゼーションアルゴリズムを実行し、ここで、ｎがサンプル数であり、前記統合されたアポダイゼーションアルゴリズムを実行することが、
    （ｉ）前記ビームフォーミングのためダイナミックビームフォーカシング位置に基づいて複数のデータチャネルからＮａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルを選択することを含む、有効口径をつくるよう前記ダイナミックアパーチャー制御及び正規化ブロックを制御するためのダイナミックアパーチャー制御と、
    （ｉｉ）正規化されたアポダイズ関数ｈｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］を生成するため前記アポダイズ関数ｈ［ｎ，ｋ］とスケールファクタＫｒａｔ［ｎ］との間のベクトル内積関係を用いてデータ正規化を提供するためのダイナミックデータスケーリングと、
    を含み、
    前記コントローラが、前記サンプル数ｎの少なくとも１つの間アポダイズされ且つ正規化されたフィルタされたデジタルチャネルデータを生成するために前記フィルタされたデジタルチャネルデータを処理するため、前記正規化されたアポダイズ関数ｈｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］を前記アポダイゼーションブロックに提供する、前記コントローラ及び関連するメモリと、
    ビームフォームされた信号を形成するため前記アポダイゼーションブロックの出力に結合される加算のための加算器と、
    を含み、
    前記スケールファクタがＫｒａｔ［ｎ］で表され、前記ベクトル内積関係が、０≦ｋ≦Ｎの場合に、ｈｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］＝Ｋｒａｔ［ｎ］・ｈ［ｎ，ｋ］を含み、Ｋｒａｔ［ｎ］＝Ｎａｃｔ／Ｎａｐ［ｎ］である、ＤＳＰ ＩＣ。
12. 請求項１１に記載のＤＳＰ ＩＣであって、
    前記正規化されたアポダイズ関数ｈｎｏｒｍ［ｎ，ｋ］が、前記複数のデータチャネルのうち前記Ｎａｐ［ｎ］個の特定のデータチャネルに限定的にのみ供給される、ＤＳＰ ＩＣ。
13. 請求項１１に記載のＤＳＰ ＩＣであって、
    前記選択されたアポダイズ関数ｈ［ｎ，ｋ］がガウス窓関数を含む、ＤＳＰ ＩＣ。