JP6416884B2 - ダイナミックフォーカスを有する超音波プローブならびに関連するシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本開示は、超音波プローブならびに関連するシステムおよび方法に関し、特に、単純化された動的遅延更新機構を用いた部分開口ビームフォーミングおよびダイナミックフォーカスを有する超音波プローブに関する。

従来の超音波システムは、一般的に、超音波プローブの開口部を画定する複数のトランスデューサから形成される超音波プローブを含む。トランスデューサは空間的に配置することができ、複数の部分開口部またはサブアレイに分割することができる。部分開口プロセッサ（ＳＡＰ）は、送信および／または受信動作において部分開口部内の素子のビームフォーミング動作を実行することができる。典型的な超音波システムは、一般的に、プローブの外部に位置し、電気ケーブルによりトランスデューサ素子に接続される受信および／または送信ビームフォーマをさらに含む。

ビームフォーマは、一般的に、プローブによって送受信される超音波エネルギーをフォーカスし、ステアリングして、ディスプレイ上に解剖学的内容物の画像を生成する際の１つのステップとして音響残響データを取得する。具体的には、送信ビームフォーマがパルスまたは連続信号を生成し、複数のトランスデューサが電気信号を圧力波に変換し、逆もまた同様である。圧力波は一般に組織を通って伝播し、超音波エネルギーの一部は反射してトランスデューサへ戻る。受信ビームフォーマは、受信した超音波エコーを処理し、エネルギーを集束させる。それから、超音波信号は、処理されて、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）で、音声出力および／または視覚ディスプレイに変換される。

以上説明したように、各超音波波形は、各チャネルを介してプローブにより出力される。従来の（非３Ｄ）超音波システムでは、各トランスデューサ素子は、通常、それぞれの超音波信号の処理を容易にするためにビームフォーマにプローブを接続する別個のケーブルまたはワイヤと関係づけられ、例えば、幾何学的な計算がステアリングのために各トランスデューサ素子に必要とされる。数千個の個別素子を有する３Ｄ超音波システムでは、別個のケーブルは実現可能ではない。数千個の素子に対応するために、システムからの送信信号のセットを分配することにより、またはプローブの送信器により、送信が処理される。受信は、プローブおよび／またはシステムにおけるビームフォーミングの組み合わせにより処理される。プローブビームフォーミングは、アナログおよび／またはデジタルとすることができる。デジタルによる解決策では、プローブ内にアナログデジタル（ＡＤＣ）変換器が必要となる。各チャネルはＡＤＣを有することができるので、いくつかの実装では、数千個のＡＤＣが必要となる場合がある。結果として、プローブ内のビームフォーマの実装は、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ならびにシリコン領域、電力、設定データ、計算時間などについて要求される制限内で必要な回路に適合することを可能にする技術的解決策を必要とする場合がある。

したがって、動的ビームフォーマを実現するための複雑さを低減するための手段を備える超音波プローブが求められている。これらのおよび他の必要性は、本発明の超音波プローブならびに関連するシステムおよび方法によって対処される。

欧州特許出願公開第２２８４５６６号明細書

本開示の実施形態によれば、ダイナミックフォーカスが可能な部分開口処理を有する例示的な超音波プローブが提供され、それは、一般に、超音波プローブに部分開口部を形成するトランスデューサ素子のグループまたはアレイを含む。部分開口部のトランスデューサ素子は、超音波信号を送信および／または受信することができる。初期遅延は、一般に、部分開口部の個々のトランスデューサ素子に関係する超音波信号に適用することができる。例示的な超音波プローブは、一般に、部分開口部のトランスデューサ素子に関係する超音波信号に遅延更新を動的に適用する部分開口プロセッサを含む。実装を簡単にするために、トランスデューサ素子を複数の動的遅延更新グループのうちの１つに割り当てることができ、更新グループ内のトランスデューサ素子は、同じレートおよび／または同じ大きさで同じ遅延更新を適用することができる。したがって、部分開口プロセッサは、理想的な遅延プロファイルを近似するために、所定の期間に繰り返して遅延更新を超音波信号に動的に適用するように構成することができ、遅延更新の頻度は、部分開口プロセッサごとに構成可能であり、遅延更新の大きさは、トランスデューサ素子が割り当てられた動的遅延更新グループに依存する。

第１の遅延変更を部分開口部内のトランスデューサ素子の第１のグループに適用し、第２の遅延変更を部分開口部内のトランスデューサ素子の第２のグループに適用するように、部分開口プロセッサを構成することによって、部分開口プロセッサは、トランスデューサ素子を複数の動的更新グループに割り当てることができる。この処理は、複数の動的更新のグループについて繰り返すことができる。各遅延更新グループの遅延変更は、他の遅延更新グループの遅延変更と異なっていてもよい。遅延更新グループの遅延変更は、別の遅延更新グループの遅延変更の反対の符号を有することができる。遅延更新グループのうちの１つまたは複数は、遅延変更を受信しなくてもよい。いくつかの例示的な実施形態では、遅延変更は静的であってもよい。

部分開口部内の動的遅延更新グループは、２つ以上の異なるレートで更新することができる。あるいは、遅延更新は同じレートで適用されてもよいが、２つ以上の異なる遅延更新の大きさを用いる。部分開口プロセッサによって適用される遅延更新は、動的遅延更新グループのトランスデューサ素子と関係する理想的な遅延プロファイルの曲線または区分線形近似とすることができる部分開口プロセッサは、部分開口素子によって最初に受信された超音波信号の位相を実質的に合わせるために、超音波信号に初期遅延を適用するように構成することができる。部分開口プロセッサは、部分開口部についてトランスデューサ素子によって受信された超音波信号の位相を時間の関数として実質的に合わせるために、動的遅延更新グループに遅延更新を適用するようにさらに構成することができる。

部分開口プロセッサは、複数のビームを処理するように構成することができる。例えば、部分開口プロセッサは、動的遅延更新パラメータの第１のセットで第１のビームを処理し、動的遅延更新パラメータの第２のセットで第２のビームを処理するように構成することができる。動的遅延更新パラメータの第１のセットは、動的遅延更新パラメータの第２のセットとは異なってもよく、遅延更新グループの割り当ても、次の１つのビームとは異なってもよい。第１のビーム方向を処理するために、第１のビームの方向からの超音波信号をビーム成形するための上述した方式に従って、部分開口プロセッサを設定することができる。第２のビーム方向を処理するために、第２のビームの方向からの超音波信号をビーム成形するための上述した方式に従って、部分開口プロセッサを設定することができる。いくつかの実施形態では、受信ビームフォーマは、トランスデューサ素子に直接接続されるのではなく、部分開口プロセッサ電子回路に接続することができる。この例示的な設定は、複数のビーム方向のビームごとに繰り返すことができる。部分開口プロセッサは、離散遅延更新を部分開口部のトランスデューサ素子と関係する超音波信号に適用するためのレートを設定するようにさらに構成することができる。さらに、部分開口プロセッサは、部分開口部のトランスデューサ素子と関係する超音波信号に適用される初期遅延の大きさを設定するように構成することができる。遅延更新は、例えば、増分遅延、静的遅延、減分遅延などのうちの１つとすることができる。

部分開口プロセッサは、部分開口部のトランスデューサ素子に関係する超音波信号に初期遅延のセットを適用するように構成することができる。さらに、部分開口プロセッサは、カウンタ、例えば、起動カウンタなどに応答して、部分開口部のトランスデューサ素子に関係する超音波信号に遅延更新を適用し始めるように構成することができる。部分開口プロセッサは、カウンタ、例えば、レートカウンタなどによって指定された間隔で遅延更新を適用し続けるように構成することができる。部分開口プロセッサは、カウンタ、例えば、停止カウンタなどに応答して、部分開口部のトランスデューサ素子に関係する超音波信号に対する遅延更新の適用を停止するように構成することができる。いくつかの実施形態では、カウンタはコントローラの一部であってもよい。カウンタは部分開口部の制御に関連して使用されるが、いくつかの実施形態において、他のタイプの制御回路を用いることができることを理解されたい。

本開示の実施形態によれば、ダイナミックフォーカスを有する例示的な超音波システムが提供され、部分開口部を形成するトランスデューサ素子のアレイまたはグループを含む超音波プローブを含む。例示的なシステムは、部分開口部のトランスデューサ素子に関係する超音波信号に初期遅延を適用するように構成された部分開口プロセッサをさらに含む。部分開口部のトランスデューサ素子は、動的遅延更新グループに割り当てることができる。部分開口プロセッサは、理想的な遅延プロファイルを近似するために、所定の期間に繰り返して遅延更新を超音波信号に動的に適用するようにさらに構成することができる。遅延更新は、部分開口プロセッサごとに構成可能とすることができる。遅延更新の大きさは、トランスデューサ素子が割り当てられた動的遅延更新グループに依存することができる。

部分開口プロセッサは、一般に、少なくとも１つのカウンタ、例えば起動カウンタ、レートカウンタ、停止カウンタなどを含む。部分開口プロセッサは、トランスデューサ素子に関係する超音波信号に初期遅延を適用し、少なくとも１つのカウンタに応答して、遅延更新を適用するように構成することができる。部分開口プロセッサは、少なくとも１つのカウンタが指定された値に達するたびに指定されたレートでトランスデューサ素子に関係する超音波信号に離散遅延更新を適用し、指定された数の遅延更新が完了した後に遅延更新を停止するようにさらに構成することができる。

本開示の実施形態によれば、ダイナミックフォーカスで超音波信号を受信および／または送信する例示的な方法が提供され、それは、一般に、超音波プローブに配置された部分開口部のトランスデューサ素子と関係する超音波信号に初期遅延を適用するステップを含む。本方法は、一般に、部分開口部のトランスデューサ素子を動的遅延更新グループに割り当てるステップを含む。さらに、例示的な方法は、一般に、理想的な遅延プロファイルを近似するために、所定の期間に繰り返して遅延更新を超音波信号に適用するステップを含む。遅延更新の頻度は、部分開口プロセッサごとに構成可能とすることができる。遅延更新の大きさは、トランスデューサ素子が割り当てられた動的遅延更新グループに依存することができる。

例示的な方法は、部分開口部のトランスデューサ素子を介して超音波信号を送信し、超音波信号の焦点または超音波信号の所望の焦点情報を特定するために、部分開口プロセッサを介して初期遅延を超音波信号に適用するステップを含むことができる。例示的な方法は、部分開口部のトランスデューサ素子を介して超音波信号を受信し、動的遅延更新グループごとに、トランスデューサ素子によって受信された超音波信号の位相を実質的に合わせるために、部分開口プロセッサを介して遅延更新を超音波信号に適用するステップをさらに含む。

例示的な方法は、動的遅延更新パラメータの第１のセットを用いて第１のビームを処理し、動的遅延更新パラメータの第２のセットを用いて第２のビームを処理するステップを含むことができる。動的遅延更新パラメータの第１のセットは、動的遅延更新パラメータの第２のセットと異なってもよい。例示的な方法は、一般に、動的遅延更新パラメータの第１のセットおよび第２のセットの各々について、遅延更新のための異なる遅延増分または遅延減分を適用するステップを含む。さらに、例示的な方法は、動的遅延更新パラメータの第１のセットおよび第２のセットの各々について、遅延更新のための異なる遅延更新期間を適用するステップを含む。一般に、例示的な方法は、遅延更新を部分開口部のトランスデューサ素子と関係する超音波信号に離散的に適用するためのレートを設定するステップを含む。

他の目的および特徴は、添付図面と関連して考慮される以下の詳細な説明から明らかになろう。しかし、図面は例示として描かれたものであって、本発明の限定を規定するものではないことを理解されたい。

当業者が開示された装置ならびに関連するシステムおよび方法を作製および使用するのを助けるために、以下の添付の図面を参照する。

例示的な超音波システムのブロック図である。 受信動作モードを説明するための、部分開口プロセッサを含む超音波プローブの例示的なブロック図である。 例示的なビームフォーミングシステムのブロック図である。 部分開口部の２次元アレイを有する例示的なトランスデューサを示す図である。 トランスデューサ素子の２次元アレイを有する例示的な部分開口部を示す図である。 例示的なトランスデューサ素子を示す図である。 動的遅延更新グループへの例示的なグループ化を有する例示的な部分開口部を示す図である。 動的遅延更新グループへの例示的なグループ化を有する例示的な部分開口部を示す図である。 グループ化されたトランスデューサ素子を有する部分開口部の例示的な遅延プロファイルを示す図である。 動的遅延更新グループに基づく遅延増分および遅延減分による、例示的な遅延プロファイルの近似を示す図である。 部分開口プロセッサの例示的な遅延更新タイミングコントローラのブロック図である。 ２つの例示的な部分開口形状についての理想的なステアリングプロファイルを示す図である。

図１および図２は、本発明の例示的な超音波システム１０を示す。図１を参照すると、システム１０は、一般に、プローブ１２の開口部を画定する複数のトランスデューサ素子から構成された開口アセンブリ１４を含む超音波プローブ１２を含む。主超音波処理部１５は、一般に、電気ケーブル４０によってトランスデューサ素子に接続された送信ビームフォーマ２０を含む。システム１０は、ビームフォーマ２０からの送信信号を増幅するための高電圧送信増幅器１８（ＨＶ Ｔｘ ＡＭＰ）と、マルチプレクサ／デマルチプレクサおよび送信／受信スイッチ１６（ＭＵＸ／ＤＥＭＵＸおよびＴ／Ｒスイッチ）と、をさらに含むことができる。ビームフォーマ中央制御システム２２は、ビームフォーマ２０を制御するために利用することができる。ビームフォーマ２０は、選択された設計に応じて、純粋な設定／遅延制御から完全なパルス送信器までの範囲に及ぶことができる。

主超音波処理部１５はまた、時間利得補償増幅器２４（ＴＧＣ）と、アナログデジタル変換器２６（ＡＤＣ）と、超音波エネルギーの信号を受信するための受信ビームフォーマ２８と、を含むことができる。受信された超音波信号は、例えば、スペクトルドプラ処理３０、画像および動き処理３２、カラードプラ処理３４などによりさらに処理することができる。送信ビームフォーマ２０は、パルスまたは制御信号を生成し、複数のトランスデューサ素子は、電気信号を圧力波変換し、圧力波は組織を通って伝播し、反射してトランスデューサ素子に戻る。受信ビームフォーマ２８は、受信した超音波エコーを処理し、エネルギーを集束させる。それから、超音波信号は、処理されて、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）で、音声出力３６および／または視覚ディスプレイ３８に変換される。

ここで図２を参照すると、超音波プローブ１２は、プローブ１２の開口部１３を画定するトランスデューサ素子４４から一般的に構成された開口アセンブリ１４を含む。トランスデューサ素子４４は、空間的に配置することができ、送信および受信動作の両方ための複数の部分開口部４２（ＳＡ４２）またはサブアレイに分割することができる。トランスデューサ素子４４の各ＳＡ４２は、専用の部分開口プロセッサ４８（ＳＡＰ４８）を含むことができる。トランスデューサ素子４４は、初期遅延を個別に受信することができる。いくつかの実施形態では、トランスデューサ素子４４は、遅延の同一の周波数および／または大きさを受信するためにグループ化することができる。

部分開口プロセッサ４８は、例えば、初期遅延、遅延更新などをコントローラ４９を介してトランスデューサ素子４４により受信され、出力された超音波信号に動的に制御および／または適用することによって、遅延素子４６の適用を調整および／または制御するように構成することができる。遅延素子４６は、トランスデューサ素子４４により受信された超音波信号の位相を実質的に一致させるために、コントローラ４９により動的に制御および／または適用することができる。トランスデューサ素子４４に関係するコントローラによる超音波信号の動的処理は、例示的な開口アセンブリ１４の部分開口プロセッサレベルで行われる。専用の加算素子５０は、特定のＳＡＰ４８に関係するトランスデューサ素子４４からの複数の位相合わせされた超音波信号を１つの超音波信号５２、すなわち単一チャネルに組み合わせるために、各ＳＡＰ４８に実装することができる。各ＳＡ４２の超音波信号５２は、ケーブル４０を介してプローブ１２から主超音波処理部１５にさらに出力することができる。

図２は、各ＳＡＰ４８が別個のコントローラ４９を含むことができる、１つの例示的な実施形態を示しているが、当業者であれば、１つのコントローラ４９がＳＡＰ４８の各々にある遅延素子４６の各々に動作可能に結合することができることを認識するであろう。さらに、またはその代わりに、コントローラ４９は、プローブ１２の外部にあってもよいし、例えば主超音波処理部１５内に実装されてもよい。

図３は、部分開口部４２の１つの例示的な実施形態により受信されて、部分開口プロセッサ４８の例示的な実施形態によって処理されている、例示的なビーム６０を示す。送信ビームフォーマ２０は、一般に、超音波信号の球面波が生成されて、特定の点でフォーカスするように、球面信号を生成する。したがって、各超音波信号のタイミングは、他の超音波信号とわずかに異なり、超音波信号の円弧状の遅延パターンによって定義することができる。例えば、図３に示すように、パルスが最初にビームフォーマ２０によって生成され、反射パルスが部分開口部４２のトランスデューサ素子４４によって受信される。送信された超音波信号は、特定の焦点６２から反射され得る。波形６４は、補正前の超音波信号の円弧状の遅延パターンを示す。各反射波形６４は、トランスデューサ素子４４によって受信することができ、遅延素子４６により対応する遅延、例えば円弧状の遅延パターンを適用することができる。部分開口部４２の円弧状の波形６４は、補正ステージ６８において部分開口プロセッサ４８の遅延素子４６によりさらに動的に補正、すなわち動的にステアリングまたはフォーカスすることができ、波形６４の位相合わせされたバージョンを生成することができる。線条波形６４は、加算ステージで加算素子５０の例示的な実施形態によりさらに加算され、処理される単一の信号５２として出力され得る。したがって、波形６４は、トランスデューサ素子４４によって受信された各波形６４について別々のチャネルを実施するのではなく、ＳＡ４２ごとに位相合わせされて合計され、主超音波処理部１５に転送することができる。

図４は、１つの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）のＳＡ１０４の８×８の２次元アレイを含む例示的な開口部１０２を示す。ＳＡ１０４の８×８アレイとして示しているが、いくつかの例示的な実施形態では、開口部１０２は、様々なＳＡ１０４アレイを含むことができることを理解されたい。開口部１０２に関係するＡＳＩＣはまた、超音波プローブと超音波信号処理システム、例えばコンピュータ、処理装置などとの間で超音波信号を通信するための周辺入力／出力領域（図示せず）を含むことができる。いくつかの例示的な実施形態では、トランスデューサの長さＬ_Tを約１０ｍｍとすることができ、トランスデューサの高さＨ_Tを約１０ｍｍとすることができる。他の例示的な実施形態では、トランスデューサの長さＬ_Tおよびトランスデューサの高さＨ_Tは、問題のプローブタイプの所望の開口部に依存してもよく、また所望の開口部をまたがって複数のＡＳＩＣが利用されるかどうかに依存してもよい。

図５は、開口部１０２の例示的なＳＡ１０４を示す。特に、個々のＳＡ１０４は、トランスデューサ素子１０６の２Ｄアレイを含む。なお、この文脈における「２Ｄアレイ」の使用は、ＳＡ素子のインデックス付けを指すことに留意されたい。物理的なトランスデューサ素子１０６は、３Ｄの任意の空間的表面に沿って配置することができる。トランスデューサ素子１０６の５×５アレイとして示しているが、いくつかの例示的な実施形態では、２Ｄアレイは、例えば、５×３、５×６、１０×５などとすることができる。図５の例示的なＳＡ１０４では、ＳＡＰの長さＬ_Sを約１．２５ｍｍとすることができ、ＳＡＰの高さＨ_Sを約１．２５ｍｍとすることができる。例えば約１ＭＨｚと約１２ＭＨｚとの間などのＲＸ周波数（すなわち受信周波数）にまたがる多くの用途のために、および例えば約１６チャネルと約５１２チャネルとの間のチャネル数を有する支援システムのために、単一のＡＳＩＣが実装できるように、ＳＡ１０４の幾何学的形状を選択することができる。フルプローブビームフォーマについては、チャネル数は１つであってもよい。例えば、いくつかの例示的な実施形態では、ＳＡ１０４の５×５ ２Ｄアレイは、複数のＳＡ１０４を互いに組み合わせて、異なる幾何学的形状を有するより大きなＳＡ１０４を作製するオプションで、実現することができる。以上説明したように、各ＳＡ１０４は、受信した超音波信号に適用される遅延を制御するための専用の部分開口プロセッサを含むことができる。それによって、各部分開口プロセッサは、各部分開口プロセッサに関係するトランスデューサ素子４４に遅延を適用する。図６は、ＳＡ１０４の例示的なトランスデューサ素子１０６を示す。例示的なトランスデューサ素子の長さＬ_TEは約２５０μｍとすることができ、トランスデューサ素子の高さＨ_TEは約２５０μｍとすることができる。

例示的な実施形態では、超音波プローブは、ビームフォーミングＡＳＩＣ内の部分開口プロセッサを用いて、各部分開口部の動的焦点合わせ、すなわちステアリングを支援する。ＳＡ１０４の動的焦点合わせは、部分開口プロセッサが３Ｄの任意の受信ビームベクトルに沿って所望のステアリング／焦点を動的に追跡することを可能にする。具体的には、以下でより詳細に説明するように、ダイナミックビームフォーミングの例示的な方法は、ビームの範囲にわたってビームフォーミング遅延を近似するステップ、および指定された間隔で素子の再構成可能なグループに増分遅延更新を行うステップを含む。

図７Ａは、トランスデューサ素子２０２の５×５ ２Ｄアレイを含む例示的なＳＡ２００を示す。例示的な方法は、ＳＡ２００のトランスデューサ素子２０２を動的遅延更新グループ２０４、例えばグループＡ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥに割り当てるステップを含む。同一遅延更新グループ２０４内のトランスデューサ素子２０２は、一定時間間隔で、例えば、＋２０ナノ秒の増分または−２０ナノ秒の減分の同じ遅延更新を受信する。いくつかの遅延更新グループ２０４、例えばグループＣのトランスデューサ素子２０２は、静的遅延を有していてもよく、したがって遅延更新を受信することはない。５つの動的遅延更新グループ２０４として示しているが、いくつかの例示的な実施形態では、他の任意の数の動的遅延更新グループ２０４が実現されてもよい。動的遅延更新グループ２０４の数は、ＳＡ２００の大きさに依存してもよい。各トランスデューサ素子２０２によって受信された超音波信号は、ＳＡ２００ごとに部分開口プロセッサ内でサンプリングされ、遅延され、および／または合計され得る。各部分開口プロセッサは、個々のトランスデューサ素子２０２に初期遅延プロファイルを適用し、各トランスデューサ素子２０２に関係する遅延は、さらに時間とともに動的に更新することができる。具体的には、初期遅延および更新された遅延は、部分開口プロセッサによって、トランスデューサ素子２０２からの超音波信号を受信する遅延素子に適用され、動的更新ステアリング／焦点合わせ方向を実現することができる。いくつかの例示的な実施形態では、初期遅延は、例えば、約１０、２０、３０ナノ秒などとすることができる。ＳＡ２００のトランスデューサ素子２０２の各々に関係する遅延素子は、例えば、実質的に同様の初期遅延、異なる初期遅延などを支援するように構成することができる。図７Ｂは、別の例示的なＳＡ２００’を示し、それは、動的遅延更新グループ２０５’、例えばグループＡ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥに割り当てられたトランスデューサ素子２０２’の５×５ ２Ｄアレイを含む。多くの異なるグループ化パターンが可能であり、そのうちの２つを図７Ａおよび図７Ｂに示す。

超音波信号は、トランスデューサ素子２０２によって受信されるが、部分開口プロセッサは、トランスデューサ素子２０２が割り当てられたグループ２０４に基づいて、トランスデューサ素子２０２に関係する超音波信号に、例えば増分遅延、減分遅延、静的遅延などの遅延更新を適用することができる。遅延更新は、トランスデューサ素子２０２によって受信した超音波信号の位相を実質的に合わせるために適用することができる。ステアリング更新パターンは、ステアリング更新を適用すべき方向、すなわち回転軸を示している。必要な回路を簡単にするために、異なる更新パターンは、比較的少数の可能なグループ化割り当てで近似することができる。例えば、１６の異なる回転軸パターンをサポートすることができ、そのうちの２つを図７Ａおよび図７Ｂに示す。異なる遅延更新グループは、様々な間隔や大きさで、遅延増分または遅延減分を適用することができる。

図８は、各遅延更新グループ、例えばＡ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥについて、経時的な遅延変化を伴うＳＡＰ内の５つの素子に対する例示的な遅延プロファイルを示す。具体的には、プロットライン（ａ）は、ＳＡＰに関係するトランスデューサ素子の各々について遅延素子に適用される初期遅延を示し、平坦なプロファイルおよび焦点においてまっすぐ向かう信号が得られる。遅延素子間の相対的な遅延が一定である限り、ＳＡＰはほぼ変化しない静的な焦点を維持する。初期ＳＡＰ焦点は、ΔｘおよびΔｙステアリングパラメータによって決定することができ、それは、ｘ方向およびｙ方向の遅延勾配を指定する。ＳＡＰの相対的な遅延は、ＳＡＰの焦点方向が変更されるように、ＳＡＰにより一定間隔で更新することができる。遅延更新を適用する期間は、例えば約５００ナノ秒のステップとすることができる。

プロットライン（ｂ）は、遅延更新が終了した後の例示的な最終的な遅延プロファイルを示す。具体的には、プロットライン（ｂ）は、部分開口プロセッサがグループ化されたトランスデューサ素子に関係する超音波信号に一定間隔で遅延更新を適用するので、初期遅延プロファイルから遠方場プロファイルへの緩やかな遷移を示している。当業者によって理解されるように、超音波信号に遅延更新を適用することにより、受信した超音波信号は、動的遅延更新グループごとに位相を実質的に合わせることができる。遅延更新が超音波信号に適用されると、ＳＡＰのステア／焦点方向が移動することができる。この例示的な場合では、グループＡおよびＥのトランスデューサ素子の遅延は、グループＢおよびＤのトランスデューサ素子の２倍のレートで、または２倍の大きさで、増分および減分される。グループＣのトランスデューサ素子の遅延は静的なままである。

図９は、例示的な遅延プロファイルが、どのように動的遅延更新グループ２０４、すなわちグループＡ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥと共に働くかを示す。時刻０（点１）において、ビームが開始する。点２において、動的遅延更新の増分が開始され、グループ２０４の割り当てに基づいて、トランスデューサ素子２０２の超音波信号に適用することができる。遅延更新の大きさは一定のままであるが、遅延更新が適用されるレートは、グループ２０４ごとの更新レートを変更することによって変化させることができる。いくつかの実施形態では、遅延更新は、２つ以上の異なる遅延更新の大きさを用いながら、同じレートで適用することができる。理想的には、各トランスデューサ素子に関係する遅延は時間とともに滑らかにまたは段階的に変化する。しかし、これらの理想的な遅延曲線は、特定の数の量子化された遅延更新ステップで簡単に効率的に近似することができる。図９に示す例示的な遅延プロファイルの近似では、曲線（ａ）’、（ｂ）’、（ｃ）’、（ｄ）’および（ｅ）’は、例示的な理想的な素子遅延であることを理解されたい。曲線（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）は、対応する量子化された素子遅延である。具体的には、グループＡの曲線（ａ）は理想的に所望の曲線（ａ）’を近似し、グループＢの曲線（ｂ）は曲線（ｂ）’を近似し、グループＤの曲線（ｄ）は曲線（ｄ）’を近似し、グループＥの曲線（ｅ）は曲線（ｅ）’を近似し、グループＣの曲線（ｃ）は一定のままである。グループＡおよびＥは、レートカウンタに基づいて、例えば５００ナノ秒の間隔で、部分開口プロセッサから遅延更新を受信するが、レートカウンタは、１０００ナノ秒の間隔、すなわちグループＡおよびＥの半分のレートでグループＢおよびＤに遅延更新を適用することができる。さらに、グループＡおよびＥは、逆方向の遅延更新、すなわち、各増分について＋２０ナノ秒の更新および各減分について−２０ナノ秒の更新の遅延更新をそれぞれ受信する。同様に、グループＢおよびＤは、逆方向に遅延更新を受信する。一方、グループＣは静的なままであり、遅延信号は変化しない。点３において、動的な更新を停止させることができ、図９から分かるように、時刻ｎにおいて、例示的な超音波プローブのダイナミックフォーカスは、動的遅延更新グループごとにトランスデューサ素子により受信された超音波信号の位相を実質的に合わせる。点３およびそれ以降の残留ビームフォーミング誤差は小さくて、ほとんど重要ではないことが実証されている。

いくつかの例示的な実施形態では、トランスデューサ素子により受信された超音波信号の理想的な遅延プロファイルは、一般的に、３つのセグメントを有する単純な区分線形近似で近似することができる。時間の第１のセグメントの間では、初期遅延は静的なままである。第２のセグメントの間では、遅延更新を開始し、時間ともに特定の遅延更新レートを効率的に近似することができる。第３のセグメントの間では、遅延更新は停止し、遅延は、受信期間の残りの部分について静的なままである。これらのセグメントのタイミングは、３つのカウンタ、例えば、起動カウンタ、レートカウンタ、および停止カウンタで簡素に達成することができる。例えば、点１では、部分開口プロセッサは、トランスデューサ素子に初期遅延プロファイル、すなわち初期深さを適用することができ、それは起動カウンタによって指定された期間において一定のままである。起動カウンタが点２において指定された値に達すると、部分開口プロセッサ内の遅延は、その遅延が関係するグループに従って更新することができる。具体的には、遅延更新は、更新の間の時間を決定するレートカウンタの何倍かで増分することができ、それによって、遅延プロファイル更新の傾きを制御することができる。遅延更新の適用は、理想的な遅延プロファイルプロットラインを近似するステップとして、図９に見ることができる。点２と点３との間、すなわち、中間場位置では、近似遅延更新は、理想的な遅延プロファイルをより接近して追跡することが分かる。遅延更新の回数は停止カウンタによってカウントすることができ、点３、すなわち停止深さでは、近似遅延更新は部分開口プロセッサにより停止される。したがって、ビームの受信期間の残りの部分については、トランスデューサ素子の遅延は一定のままである。

最適な部分開口プロセッサのステアリング／焦点合わせ方向は、深さと共に変化する。理想的には、部分開口プロセッサの遅延プロファイルは、関心のある深さごとに理想的にステアリングされるように受信ビームに沿って更新することができる。所望の遅延更新は、理想的な遠方場遅延プロファイルから理想的な近接場または初期遅延プロファイルを減算することによって算出することができる。残留遅延パターンは、焦点深度が深くなるにつれて徐々に適用されるべき所望の動的遅延更新の総和であって、そのようにして、部分開口プロセッサのステアリングは、所望の焦点を動的に追跡する。

好ましい遅延更新グループパターン、すなわち回転軸は、ｘ方向およびｙ方向で必要な遅延更新によって決定することができる。各回転軸は、ＡＳＩＣ内にいくつかのスイッチを必要とする。複雑度を低く抑えるためには、限られた数の回転軸を用いることが望ましい。いくつかの例示的な実施形態では、１６の回転軸が２２．５度のＳＡＰステアリング分解能を提供する。他の例示的な実施形態では、８の回転軸が４５度のステアリング分解能を提供する。

回転軸が決定されると、各遅延更新がＳＡＰ内のトランスデューサ素子に適用する方向が知られる。しかし、更新の数およびそれらの更新のタイミングを決定しなければならない。いくつかの例示的な実施形態では、起動、更新、および停止カウンタは、問題となる素子の理想的な動的遅延に関する平均遅延誤差を最小化することによって決定される。

したがって、例示的なプローブは、区分線形近似、すなわち初期静的期間で遅延曲線を近似し、その後に１つまたは複数の更新レート期間が続き、その後に遠方場における別の静的期間が続く。遅延更新の大きさおよび／または更新レート／頻度は、遅延しているグループ２０４に基づいて異なってもよい。具体的には、遅延更新の大きさを一定のままにすることができるが、更新間の周期を、遅延更新の傾きを変化させるためにグループ２０４ごとに調整することができる。代替的な実施形態では、遅延曲線近似は、理想的な動的焦点合わせ遅延をより良く近似するように非線形とすることができ、あるいは追加の区分線形セグメントを含むことができる。

図１０は、ＳＡＰ（例えば、ＳＡＰ４８）の各々に実装することができる遅延更新タイミングコントローラ２５０の例示的なブロック図を示す。図１０に関して、コントローラ２５０は、遅延更新の区分線形近似のタイミングを調整するための少なくとも１つのカウンタ、例えば、起動カウンタ２５２、停止カウンタ２５４、レートカウンタ２５６などを含み、調整することができる。いくつかの例示的な実施形態では、１つのカウンタが起動カウンタ２５２、停止カウンタ２５４、およびレートカウンタ２５６として機能することができる。いくつかの例示的な実施形態では、起動カウンタ２５２、停止カウンタ２５４、およびレートカウンタ２５６の機能を実行するために、別々のカウンタを実装することができる。コントローラ２５０は、トランスデューサ素子２０２の各々に関係する遅延素子（例えば遅延素子４６）に初期遅延プロファイルを適用することができ、それは起動カウンタ２５２で指定された期間では一定のままである。起動カウンタ２５２が、指定された値、例えば、コントローラ２５０により予め定められた値に達すると、あるいは指定された値から０にカウントダウンすると、部分開口プロセッサの遅延素子内の遅延は、トランスデューサ素子２０２が割り当てられたグループ２０４に従って更新され得る。１つの例示的な実施形態では、いくつかのグループ２０４は、増分することができ、いくつかのグループ２０４は、減分することができ、および／またはいくつかのグループ２０４は静的なままであり得る。

遅延更新は、レートカウンタ２５６の何倍か（または係数／分数）で増分され、これが更新間の時間を決定する。したがって、遅延の大きさは、１つのグループ２０４ごとに異なっていてもよく、例えば、いくつかの遅延素子は、他の遅延素子２０２と比較して、レートの２倍（または半分）、あるいは大きさの２倍（または半分）で更新することができる。例えば、レートカウンタ２５６に基づいて、遅延更新は、グループＡおよびＥでは１００ナノ秒の周期で適用することができ、グループＢおよびＤでは２００ナノ秒の周期で適用することができ、グループＣでは適用されない。したがって、遅延更新の大きさが１．０の場合には、グループＡは＋１．０の遅延増分を受け取ることができ、グループＥは−１．０の遅延増分を受けることができ、グループＢは＋０．５の遅延増分を受け取ることができ、グループＤは−０．５の遅延増分を受け取ることができ、グループＣは静的遅延を受けることができ、すなわち信号は同じ状態のままである。具体的には、一実施形態では、１つのビームについて、グループＡおよびＢは１つの方向に遅延変更を受け取ることができ、グループＤおよびＥは逆方向に遅延変更を受けることができる。更新回数は、さらに、停止カウンタ２５４によって管理することができる。停止カウンタ２５４は、所望の遅延更新回数をカウントすることができ、停止カウンタ２５４が指定された値、例えばコントローラ２５０によって予め決められた値に達した場合には、部分開口プロセッサによって動的遅延更新を停止することができる。遅延更新が停止されると、トランスデューサ素子２０２の各々に関係する遅延曲線素子の遅延は、ビーム受信期間の残りについて一定に保つことができる。

動的遅延更新グループ２０４の割り当て、初期遅延の大きさ、および／または遅延更新の大きさは、ビームごとに部分開口プロセッサのコントローラ２５０によって再評価および再割り当てすることができる。したがって、初期遅延プロファイルは、ビームの所望のステアリングによって定義することができ、またビームごとに更新することができるが、動的遅延更新プロファイルは、ビームごとに時間とともに変化させることができる。部分開口プロセッサはさらに、ＳＡ（例えば、ＳＡ４２、２００）のすべてのトランスデューサ素子２０２の超音波信号を合計し、プローブの外部の主処理部と通信可能なすべてのＳＡについて、ＳＡＰの出力として１つのチャネルを実装することができる。したがって、例えば５×５ＳＡのために２５個のチャネルを実装するのではなく、１つのチャネルを用いることができ、それによって、超音波プローブと主処理部との間に延在するケーブルまたはワイヤの数を低減することができる。遅延の区分線形近似を用いて、その後に位相合わせされた信号を部分開口部ごとに単一のチャネルに組み合わせることによって、動的ビームフォーマを実現するための複雑さを大幅に低減することができ、また必要なシリコン領域を減少させることができる。素子に必要な全回路がトランスデューサ素子のサイズより小さいか、またはそれにほぼ等しい場合には、ＡＳＩＣは、トランスデューサスタックの真後ろに配置することができる。低減されたシリコン領域は、超音波プローブの信号処理および電力要件に関して有利であり得る。

図１１を参照すると、図４に示した開口部の異なる位置における２つのＳＡＰについて例示的なステアリングプロットを示す。具体的には、トランスデューサ素子のアレイのエッジ付近のＳＡＰは、区分的線形曲線（ａ）で表され、曲線（ａ）’で近似されており、トランスデューサ素子のアレイの中央付近のＳＡＰは、曲線（ｂ）で表され、曲線（ｂ）’で近似されている。以上説明したように、初期遅延は、起動カウンタ２５２が指定された値に到達するまで、期間Ａにおいて各ＳＡＰに適用される。それから遅延更新近似は、レートカウンタ２５６によって決定されたレートに基づいて、期間Ｂにおいて各ＳＡＰに適用される。期間Ｃにおいて遅延更新が指定された回数に達すると、停止カウンタ２５４が遅延更新を停止することができ、ビームの残りの部分は静的遅延のままである。

例示的な実施形態について本明細書で説明してきたが、これらの実施形態は、限定するものとして解釈されるべきではなく、本明細書で明白に記載したものに対する追加や変更も、本発明の範囲内に含まれることに留意されたい。さらに、本明細書に記載した様々な実施形態の特徴は、相互に排他的なものではなく、様々な組み合わせおよび置換が本明細書に明示されていなくても、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な組み合わせおよび置換で存在し得ることを理解されたい。

１０ 超音波システム
１２ 超音波プローブ
１３ 開口部
１４ 開口アセンブリ
１５ 主超音波処理部
１６ マルチプレクサ／デマルチプレクサおよび送信／受信スイッチ
１８ 高電圧送信増幅器
２０ 送信ビームフォーマ
２２ ビームフォーマ中央制御システム
２４ 時間利得補償増幅器
２６ アナログデジタル変換器
２８ 受信ビームフォーマ
３０ スペクトルドプラ処理
３２ 画像および動き処理
３４ カラードプラ処理
３６ 音声出力
３８ 視覚ディスプレイ
４０ 電気ケーブル
４２ 部分開口部
４４ トランスデューサ素子
４６ 遅延素子
４８ 部分開口プロセッサ（ＳＡＰ）
４９ 別個のコントローラ
５０ 加算素子
５２ １つの超音波信号
６０ 例示的なビーム
６２ 特定の焦点
６４ 波形
６８ 補正ステージ
１０２ 開口部
１０４ 部分開口部（ＳＡ）
１０６ トランスデューサ素子
２００ 部分開口部（ＳＡ）
２００’ 部分開口部（ＳＡ）
２０２ トランスデューサ素子
２０２’ トランスデューサ素子
２０４ 動的遅延更新グループ
２０５’ 動的遅延更新グループ
２５０ 遅延更新タイミングコントローラ
２５２ 起動カウンタ
２５４ 停止カウンタ
２５６ レートカウンタ

Claims (22)

1. ダイナミックなビームフォーミングが可能な部分開口処理を有する超音波プローブ（１２）であって、
   前記超音波プローブ（１２）に部分開口部（４２）を形成するトランスデューサ素子（４４）のアレイであって、前記部分開口部（４２）の前記トランスデューサ素子（４４）が、超音波信号を受信するよう構成され、かつ前記部分開口部のトランスデューサ素子（４４）は、少なくともトランスデューサ素子（４４）の第１のグループとトランスデューサ素子（４４）の第２のグループとを含む複数の動的遅延更新グループ（２０４）に分割されている、トランスデューサ素子（４４）のアレイと、
   前記部分開口部の前記トランスデューサ素子（４４）に前記ビームフォーミングを行なうための遅延量の初期値を用いた初期遅延を適用し、かつ前記部分開口部の前記トランスデューサ素子（４４）と関係する前記超音波信号に、前記ビームフォーミングを行なうために設定される遅延量を更新する遅延更新を動的に適用するように構成された部分開口プロセッサ（４８）と、を含み、前記遅延更新は、遅延量の時間変化を示す遅延プロファイルが所望の遅延プロファイルと近似するように、所定の期間に繰り返して前記超音波信号に適用され、前記遅延プロファイルは、前記動的遅延更新グループ（２０４）に依存する、超音波プローブ（１２）。
2. 前記部分開口プロセッサ（４８）は、第１の遅延変更を前記部分開口部（４２）内のトランスデューサ素子（４４）の前記第１のグループに適用し、第２の遅延変更を前記部分開口部（４２）内のトランスデューサ素子（４４）の前記第２のグループに適用するように構成され、前記第１の遅延変更は、前記第２の遅延変更と異なる、請求項１に記載の超音波プローブ（１２）。
3. 前記第１の遅延変更および前記第２の遅延変更は、遅延増分または遅延減分として異なる方向に適用される、請求項２に記載の超音波プローブ（１２）。
4. 前記部分開口部（４２）内の前記動的遅延更新グループ（２０４）は、２つ以上の異なるレートで更新される、請求項２に記載の超音波プローブ（１２）。
5. 前記遅延更新は、前記動的遅延更新グループ（２０４）の前記トランスデューサ素子（４４）と関係する前記所定の遅延プロファイルの区分線形近似である、請求項１に記載の超音波プローブ（１２）。
6. 前記部分開口部（４２）の前記トランスデューサ素子（４４）は、超音波信号を送信するように構成され、前記部分開口プロセッサ（４８）は、前記超音波信号の焦点を特定するために、前記初期遅延を前記超音波信号に適用するように構成される、請求項１に記載の超音波プローブ（１２）。
7. 前記部分開口プロセッサ（４８）は、前記動的遅延更新グループ（２０４）ごとに、前記トランスデューサ素子（４４）によって受信された前記超音波信号の位相を実質的に合わせるために、前記遅延更新を前記超音波信号に適用するように構成される、請求項１に記載の超音波プローブ（１２）。
8. 前記部分開口プロセッサ（４８）は、前記遅延更新における前記遅延量の第１のセットで第１のビームを処理し、前記遅延更新における前記遅延量の第２のセットで第２のビームを処理するように構成され、前記遅延量の第１のセットは、前記遅延量の第２のセットと異なる、請求項１に記載の超音波プローブ（１２）。
9. 前記部分開口プロセッサ（４８）は、前記遅延更新を前記部分開口部（４２）の前記トランスデューサ素子（４４）と関係する前記超音波信号に適用するためのレートを設定するように構成される、請求項１に記載の超音波プローブ（１２）。
10. 前記部分開口プロセッサ（４８）は、前記部分開口部（４２）の前記トランスデューサ素子（４４）と関係する前記超音波信号に適用される前記初期遅延における前記初期値の大きさを設定するように構成される、請求項１に記載の超音波プローブ（１２）。
11. 前記遅延更新は、増分遅延、静的遅延、または減分遅延のうちの１つである、請求項１に記載の超音波プローブ（１２）。
12. 前記部分開口プロセッサ（４８）は、前記初期遅延における前記初期値の１セットを前記部分開口部（４２）の前記トランスデューサ素子（４４）と関係する前記超音波信号に適用し、起動カウンタ（２５２）に応答して、前記部分開口部（４２）の前記トランスデューサ素子（４４）と関係する前記超音波信号に対して前記遅延更新の適用を開始し、レートカウンタ（２５６）によって指定された間隔で前記遅延更新の適用を継続し、停止カウンタ（２５４）に応答して、前記部分開口部（４２）の前記トランスデューサ素子（４４）と関係する前記超音波信号に対する前記遅延更新の適用を停止するように構成される、請求項１に記載の超音波プローブ（１２）。
13. ダイナミックなビームフォーミングを有する超音波システム（１０）であって、
    超音波プローブ（１２）を含み、前記超音波プローブ（１２）は、部分開口部（４２）を形成するトランスデューサ素子（４４）のアレイであって、前記部分開口部のトランスデューサ素子が、超音波信号を受信するよう構成され、かつ前記部分開口部のトランスデューサ素子（４４）は、少なくともトランスデューサ素子（４４）の第１のグループとトランスデューサ素子（４４）の第２のグループとを含む複数の動的遅延更新グループ（２０４）に分割されている、トランスデューサ素子（４４）のアレイと、
    前記部分開口部の前記トランスデューサ素子（４４）に前記ビームフォーミングを行なうための遅延量の初期値を用いた初期遅延を適用し、かつ前記部分開口部の前記トランスデューサ素子（４４）と関係する前記超音波信号に、前記ビームフォーミングを行なうために設定される遅延量を更新する遅延更新を動的に適用するように構成された部分開口プロセッサ（４８）と、を含み、前記遅延更新は、遅延量の時間変化を示す遅延プロファイルが所望の遅延プロファイルと近似するように、所定の期間に繰り返して前記超音波信号に適用され、前記遅延プロファイルは、前記動的遅延更新グループ（２０４）に依存する、超音波システム。
14. 前記部分開口プロセッサ（４８）は、少なくとも１つのカウンタを含む、請求項１３に記載の超音波システム。
15. 前記部分開口プロセッサ（４８）は、前記初期遅延を前記トランスデューサ素子（４４）と関係する超音波信号に適用し、前記少なくとも１つのカウンタに応答して前記遅延更新を適用し、前記遅延更新を、前記少なくとも１つのカウンタが指定された値に達するたびに指定されたレートで前記トランスデューサ素子（４４）と関係する前記超音波信号に適用し、指定された数の遅延更新が完了した後に前記遅延更新を停止するように構成される、請求項１４に記載の超音波システム。
16. ダイナミックなビームフォーミングで超音波信号を受信する方法であって、
    超音波プローブ（１２）に配置された部分開口部（４２）のトランスデューサ素子（４４）と関係する超音波信号に前記ビームフォーミングを行なうための遅延量の初期値を用いた初期遅延を適用するステップと、
    少なくともトランスデューサ素子（４４）の第１のグループとトランスデューサ素子（４４）の第２のグループとを含む複数の動的遅延更新グループ（２０４）に前記部分開口部（４２）の前記トランスデューサ素子（４４）を分割するステップと、
    前記部分開口部の前記トランスデューサ素子（４４）と関係する前記超音波信号に、前記ビームフォーミングを行なうために設定される遅延量を更新する遅延更新を適用するステップと、を含み、前記遅延更新は、遅延量の時間変化を示す遅延プロファイルが所望の遅延プロファイルと近似するように、所定の期間に繰り返して前記超音波信号に適用され、前記遅延プロファイルは、前記動的遅延更新グループ（２０４）に依存する、方法。
17. 前記部分開口部（４２）の前記トランスデューサ素子（４４）を介して前記超音波信号を送信し、前記超音波信号の焦点を特定するために、部分開口プロセッサ（４８）を介して前記初期遅延を前記超音波信号に適用するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記部分開口部（４２）の前記トランスデューサ素子（４４）を介して前記超音波信号を受信し、前記動的遅延更新グループ（２０４）ごとに、前記トランスデューサ素子（４４）によって受信された前記超音波信号の位相を実質的に合わせるために、部分開口プロセッサ（４８）を介して前記遅延更新を前記超音波信号に適用するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記遅延更新における前記遅延量の第１のセットを用いて第１のビームを処理し、前記遅延更新における前記遅延量の第２のセットを用いて第２のビームを処理するステップをさらに含み、 前記遅延量の第１のセットは、前記遅延量の第２のセットと異なる、請求項１６に記載の方法。
20. 前記遅延量の前記第１のセットおよび前記第２のセットの各々について、前記遅延更新のための異なる遅延増分または遅延減分を適用するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記遅延量の前記第１のセットおよび前記第２のセットの各々について、前記遅延更新のための異なる遅延更新期間を適用するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
22. 前記遅延更新を前記部分開口部（４２）の前記トランスデューサ素子（４４）と関係する前記超音波信号に離散的に適用するためのレートを設定するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。