JPH06335480A - 超音波フェーズドアレイの駆動方法および装置 - Google Patents

超音波フェーズドアレイの駆動方法および装置

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JPH06335480A
JPH06335480A JP6131458A JP13145894A JPH06335480A JP H06335480 A JPH06335480 A JP H06335480A JP 6131458 A JP6131458 A JP 6131458A JP 13145894 A JP13145894 A JP 13145894A JP H06335480 A JPH06335480 A JP H06335480A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】信号の受信中に受信超音波信号を動的にステア
リングし、収束させる方法および装置を提供する。 【構成】本発明の一実施例によれば、送信モードにおい
て超音波エネルギーのパルスを送信し、受信モードにお
いては反射超音波エネルギーを受信するトランスデュー
サアレイと、トランスデューサアレイに接続されてこれ
を制御し、角度と焦点とを選択し、送信モードにおいて
超音波エネルギーの送信パルスを所望の方向にステアリ
ングする送信制御回路と、トランスデューサアレイに接
続され超音波エネルギーの受信中に受信ステアリング角
度および焦点をリアルタイムで動的に変化させ、適用ア
ポダイゼイション関数の質量中心を通過する必要のない
少なくとも１本の仮想走査線に沿って受信超音波エネル
ギーを収束させる受信収束回路とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、包括的には医療診断用
超音波イメージング装置に関する発明である。本発明
は、より具体的には、信号の受信中に受信超音波信号を
動的にステアリングし、収束させる方法ならびに装置に
関する発明である。本発明は、近視野においてより広い
視野を供給するためにトランスデューサアレイの後に仮
想頂点を供給するか、あるいはまたトランスデューサの
前、すなわち患者の皮膚線の下に仮想頂点を供給するこ
とができる。
【０００２】
【従来の技術】直線トランスデューサアレイを用いてセ
クター走査を行うフェーズドアレイ超音波イメージング
システムは既知であり、同システムにおいては、直線ト
ランスデューサアレイの個々のトランスデューサを互い
に相異なる時点において起動し、半径方向走査ビームを
所定の方向に向けて送る。各トランスデューサの起動を
確定するために用いる相対遅延時間を逐次的に変化させ
ることによって半径方向ビームをセクター走査視野を横
断して角度的にステアリングする。従来法においては、
このセクター走査視野の原点はトランスデューサアレイ
の表面上に位置しており、近視野は略三角形尖端フォー
マット(substantially triangular, pointedformat) に
おいて表される（図１参照）。図１に示すごとく、トラ
ンスデューサアレイ１０（超音波送信・受信システムに
接続されている）には複数のトランスデューサ１２i（i
＝１〜ｎ）がある。典型的セクター走査フェーズドアレ
イトランスデューサアレイは６４〜１２８の素子を使用
する。トランスデューサアレイ１０は皮膚線１４に沿っ
て患者の体に接触させる。走査線１６i（i＝１〜ｍ）に
沿って超音波エネルギーのパルスを患者の体の中へ送り
込む。走査線１６iに沿っている一定数の点において各
トランスデューサ素子１２iが受ける反射超音波エネル
ギーを表す信号を各々遅延させることによって像を形成
し、焦点から特定トランスデューサ素子に反射される超
音波エネルギーを表す信号を構築的に加え合わせること
によって近視野から遠視野にかけての走査線１６iに沿
って像を生成する。このタイプのフェーズドアレイ超音
波イメージングシステムの一例が、その開示内容を本書
に引用編入した米国特許第４，１４０，０２２号に開示
されている。
【０００３】図１に示すごとく、近視野における、すな
わち患者の皮膚線に近接する視野は、トランスデューサ
の表面のセクター走査視野の点源によって限定される。
【０００４】先行技術は、近視野における視野を改善す
るためのいくつかのアプローチを含んでいる。１つの単
純なアプローチとして、皮膚表面からのスタンドオフと
して使用する水入りバッグを通して走査するアプローチ
がある。このアプローチの効果としては、視野の原点を
皮膚の表面からオフセットし、それによって三角形セク
ターを打ち切り、皮膚表面においてより広い視野を創造
する。しかしながら、走査トランスデューサからの深さ
は水入りバッグの厚みだけ大きくなるので、解像度は深
さが大きくなることと相殺される。
【０００５】別のアプローチとしては、直線アレイの逐
次的に選択する横方向にシフトするトランスデューサ群
のトランスデューサを起動し、送信ビームによって、原
点がトランスデューサアレイの後に位置するセクター走
査視野を形成する。この技術は、米国特許第４，３６
８，６４３号に開示されており、表示装置用の帰還エコ
ー信号を処理するために必要である走査変換器を簡素化
する。各サブアパーチャが、独自のステア角(unique st
eer angle)を有する固有の半径方向走査線を生成する。
このステア角は、トランスデューサの表面の後の仮想頂
点から発する半径方向走査線が生成する角度と同じであ
る。
【０００６】米国特許第５，１２３，４１５号はまた、
トランスデューサアレイの表面を横断するサブアパーチ
ャの横方向シフトを利用する。台形セクター視野のエリ
ア全体の解像度を改善するために、逐次半径方向走査ビ
ームの角度を、セクター走査視野を横断する直線アレイ
との関係において、略等角度インクリメントづつインク
リメントする。受信すれば、遅延回路は、大きくなる深
さからのエコー信号を受けるまでアレイ内において横方
向に位置しているトランスデューサ素子からの信号コン
ポーネントの受信を阻止し、大きくなる深さからのエコ
ー信号の受信に応じてアレイのアパーチャを拡大する。
横方向に位置しているエコー信号を視野の深さにわたっ
てサンプリングする周波数を加減することによって動的
収束を行う。
【０００７】トランスデューサアレイに沿って横方向に
シフトするサブアパーチャを使用することは米国特許第
５，１４８，８１０号に開示されているシステムにおい
ても行われている。同システムにおいては、トランスデ
ューサ素子のサブセットを選択的に起動することによっ
て１つの半径方向走査線を形成する。トランスデューサ
アレイのサブセットは、隣接トランスデューサ素子を含
んでいるか、または１つおきのトランスデューサ素子な
どの他のグループを含んでいる。走査線は、焦点をトラ
ンスデューサアパーチャのアポダイゼイション関数の
「質量中心」に結ぶ線によって設定される。
【０００８】前記のアプローチはすべてトランスデュー
サアレイのフルアパーチャよりも小さいシフティングサ
ブアパーチャを使用することによって仮想頂点走査を行
う。したがって、これよりも大きいアパーチャが必要で
ある状態においてはシステムは最良像を生成しない。た
とえば、遠視野においては、より深い構造物を詳細に改
造するためにはより大きいアパーチャが必要である。動
的アポダイゼイションはこの制約を緩和するが、セクタ
ーの縁の走査線は、物理的プローブ アパーチャの制約
によって生じるクランピングエフェクト(clamping effe
ct)によってさらに悪化する。加えて、前記のアプロー
チにおいて使用する走査線はアポダイゼイション関数質
量中心を通過しなければならない。したがって、実際に
使用することができるアポダイゼイションプロファイル
はいくぶん制限される。たとえば、非対称アポダイゼイ
ションプロファイルはビームのステア角に影響を及ぼ
す。
【０００９】
【発明の目的】本発明は、信号の受信中に受信超音波信
号を動的にステアリングし、収束させる方法および装置
を提供することを目的とする。
【００１０】
【発明の概要】本発明は、送信モードにおいては超音波
エネルギーのパルスを送り、受信モードにおいては反射
超音波エネルギーを受けるトランスデューサアレイと、
トランスデューサアレイに接続されており、トランスデ
ューサアレイを制御し、角度と焦点を選択し、送信モー
ドにおいて超音波エネルギーの送信パルスを所望方向に
ステアリングする送信制御回路を備えているフェーズド
アレイ超音波イメージングシステムを提供することによ
って従来技術の制約を解消するものである。本発明の超
音波イメージングシステムはさらに、トランスデューサ
アレイに接続されており、超音波エネルギーの受信中に
受信ステアリング角度・焦点をリアルタイムで動的に加
減し、適用アポダイゼイション関数(applied apodizati
on function)の質量中心を通過する必要がない少なくと
も１本の仮想走査線に添って受信超音波エネルギーを収
束させる受信収束回路を備えている。受信収束回路は、
受信中に受信ステアリング角度を無段階的に変化させる
か、または少なくとも１本の仮想走査線に沿っているゾ
ーンに対応する離散インクリメントで受信ステアリング
角度を変化させる。
【００１１】トランスデューサアレイの表面の前または
後に位置している仮想頂点において少なくとも１つの仮
想走査線が発する。仮想走査線を発生する実走査線は、
一般的にトランスデューサアレイの中心に位置している
固定原点を有している。アポダイゼイション関数の質量
中心は一般的に走査中はトランスデューサアレイの中心
に固定され続け、シフティングサブアパーチャは不要で
ある。各走査線は、これらの実走査線を動的にステアリ
ングし、収束させることによって送出される焦点の軌跡
(locus)によって設定される。送信・受信モードにおけ
る任意のアポダイゼイションプロファイルを使用するこ
とができる。受信モードにおける動的アポダイゼイショ
ンを使用することができる。仮想頂点において発する仮
想走査線に沿う方向における受信超音波エネルギーの音
速の見掛けの増大を補償する手段もある。
【００１２】
【実施例】本発明の実施の詳述に先立って、本発明のフ
ェーズドアレイ超音波イメージングシステムの作動原理
の概要を述べておくこととする。従来の超音波セクター
イメージングシステムにおいては、アレイのほぼ中心に
位置しており、特定のステアリング角を有している頂点
から走査線を送信することによってセクター像を形成す
る。受信中に、受信超音波走査線を一般的に送信走査線
と同じ軌道に沿ってステアリングする。超音波エネルギ
ーを受信するときに動的収束を用いて近視野から遠視野
にかけて受信走査線の軌道に沿って受信超音波エネルギ
ーを収束させる。これに対して本発明においては、フル
トランスデューサアパーチャと超音波エネルギーの受信
中の遅延の動的変化を用いて、必ずしも真直ぐではな
く、必ずしもアポダイゼイション関数の質量中心を通過
しない仮想走査線に沿って収束させる。事実、本発明
は、受信ステアリング角と焦点の両方を動的に変化させ
ることによって仮想走査線を設定し、仮想走査線に沿っ
て焦点を位置させる。さらに、本発明はアナログ超音波
システムとして実施するものとして説明するが、本発明
の原理は、デジタル技術を用いてビームを形成する超音
波イメージングシステムに全面的に適用することができ
ることを関係者は理解されよう。
【００１３】再び図１を参照して、米国特許第４，１４
０，０２２号に開示されているセクター走査システムに
従えば、送信中に、各走査線１６iを一般的に送信焦点
１８に収束させる。走査線１６iに沿って受信するとき
は、収束は一般的に２つのオペレーションから成ってい
る。第１のオペレーションとしては、遅延回路（たとえ
ば総和遅延線）のタップを選択することによって線１６
iに沿ってターゲット焦点を供給する。焦点は、たとえ
ば点２０に位置させることができる。焦点２０は、焦点
１８に必ずしも位置する必要はない。その後、クロック
信号の位相を用いて、総和遅延線によって設定した粗焦
点を微調節し、矢印２２の方向において走査線１６iに
沿って動的収束を行う。
【００１４】角度θは、走査線１６iと、トランスデュ
ーサアレイ１０の表面２６に対して垂直である線２４と
の間の角度である。線２４に沿って受信する走査線を基
準線として用い、他のすべての受信走査線は角度θの関
数として線２４に対して遅延させ、像を正しく収束させ
なければならない。個々のトランスデューサ素子が送受
する超音波信号は互いに遅延し合っており、トランスデ
ューサアレイ１０の表面２６のほぼ中心に位置する頂点
２８の周囲に超音波像が位置する。
【００１５】今度は、仮想頂点がトランスデューサアレ
イ１０の表面の後に位置しているときに本発明の仮想頂
点走査法によって供給する増大視野の一例を示す図２を
参照する。図２に示すごとく、頂点２８がトランスデュ
ーサアレイ１０の中心に位置しているときは、反射超音
波エネルギーの受信中に走査線１６iによって形成され
る９０度セクター像は深度Ｄにおいて２Ｄに等しい幅
（視野）を有している。それに対して、頂点がトランス
デューサアレイ１０の後の位置３０へ向かって距離ｈ
（ｈ＝Ｗ／２）だけ戻れば、同じ深度Ｄにおいて、視野
は２Ｄ＋Ｗに等しい幅を有する（Ｗはトランスデューサ
アレイの長さ）。この関係はすべての深度Ｄについて成
立する。
【００１６】今度は、本発明の仮想頂点走査における重
要アイテムの様々な幾何関係を示す図３Ａ、３Ｂを参照
する。まず図３Ａに示す送信モードを考えて、距離ｆXO
は、頂点２８から焦点３２へ送信するときの初発焦点深
度である。送信走査線２４は、頂点２８を中心にして角
度θX´を通って角度インクリメントで移動する故に、
円弧３４は一定数の半径方向等価焦点の軌跡である。頂
点２８が仮想頂点３０までの距離ｈだけトランスデュー
サ１０の後へ移動すれば、線３６は、仮想頂点３０と送
信焦点３２との間の距離（ｆXO＋ｈ）を表す。線３６は
角度θXを通ってインクリメントする故に、円弧３８
は、仮想頂点３０から等しい半径方向距離を有する点の
軌跡である。したがって、線３６は、点４２ではなく点
４０に位置する関連焦点を有する。焦点の差αは、頂点
２８から発する送信超音波パルスと仮想頂点３０から発
するパルスとの間の飛行時間差に相当する。焦点差α
は、 ｆX´−ｆXO である。 ここで、 ｆXO ＝頂点２８において発する送信走査線に対する焦
点深度。 ｆX´ ＝仮想頂点３０において発するが、実際には頂点
２８から送られる線に対する焦点深度。 図３Ａに示すごとく、θXとθX´の値が大きくなれば差
αが大きくなる。
【００１７】超音波パルスは実際にはトランスデューサ
アレイ１０の表面から送信され、頂点２８を中心とする
故に、下記の式を用いて角度と、仮想頂点３０から焦点
までの距離の差を補償する： （１） ｆX´＝［（ｆXO＋ｈ）2＋ｈ2−２（ｆXO＋ｈ）
ｈ ｃｏｓ θX］1/2 （２） ｓｉｎ θX´＝｛（ｆXO＋ｈ）／ｆX´｝ｓｉｎ
θX ここで、 ｆX´ ＝仮想頂点３０において発するが、実際には頂点
２８から送られる線に対する補正焦点深度。 ｆXO ＝頂点２８において発する送信走査線に対する焦
点深度。 ｈ ＝頂点２８からの仮想頂点３０の移動距離。 θX ＝走査線２４と線３６との間のステアリング角。 θX´＝頂点２８において発する送信走査線に対する補
正ステアリング角。
【００１８】今度は、反射超音波を受けるときの仮想頂
点走査の様々な幾何関係を示す図３Ｂを参照する。図３
Ｂにおいて、θRは、受信走査線２４Ａと受信仮想線３
６Ａとの間のステアリング角である。θR´は、頂点２
８に到達する受信走査線の補正ステアリング角である。
米国特許第４，１４０，０２２号に記述されている超音
波走査システムに従えば、総和遅延線によって供給され
る粗遅延（θTとθT´）と、位相遅延θR＝θT＋θPな
らびにθR´＝θT´＋θP´によって供給される微遅延
（θPならびにθP´）とで構成される総遅延によってθ
RとθR´が決定される。総和遅延線上のタップ選択器を
用いて、仮想頂点３０とターゲット焦点５０とを結ぶ受
信仮想走査線３６Ａに沿って粗焦点５０を設定する。図
３Ａ、３Ｂに示すごとく、送信焦点と受信焦点は必ずし
も同じ位置にはない。特定時間遅延プロファイルを選択
することによって受信ステアリング角とターゲット焦点
を決定する。ターゲット焦点５０を設定するためには、
特定のタップ選択器を選ぶ式に対して下記の補正を行わ
なければならないが、それは、受信超音波信号は実際に
は仮想頂点３０ではなく頂点２８を中心にして到達する
からである： （３） ｆT´＝［（ｆTO＋ｈ）2＋ｈ2−２（ｆTO＋ｈ）
ｈ ｃｏｓ θT］1/2 （４） ｓｉｎ θT´＝｛（ｆTO＋ｈ）／ｆT´｝ｓｉｎ
θT ここで、 ｆT´＝仮想頂点３０に到達するが、実際には頂点２８
に到達する受信仮想走査線に対する補正タップ選択器焦
点深度（すなわち時間遅延）。 ｆTO ＝頂点２８に到達する受信走査線に対するタップ
選択器焦点深度。 ｈ ＝頂点２８からの仮想頂点３０の移動距離。 θT ＝受信走査線２４Ａと受信仮想走査線３６Ａとの
間のステアリング角を決定する時間遅延によって供給さ
れるθRの部分。 θT´＝頂点２８に到達する受信走査線に対するステア
リング角を決定する時間遅延によって供給されるθR´
の部分。
【００１９】同じく米国特許第４，１４０，０２２号に
従えば、通常は受信走査線４１Ａに沿って供給され位相
遅延を補正することによって受信超音波信号の微収束な
らびに動的収束を行うために使用する位相遅延が供給さ
れ、次式に従って仮想走査線３６Ａに沿って焦点が生じ
る： （５） ｆP´＝［（ｆPO＋ｈ）2＋ｈ2−２（ｆPO＋ｈ）
ｈ ｃｏｓ θP］1/2 （６） ｓｉｎ θP´＝｛（ｆPO＋ｈ）／ｆP´｝ｓｉｎ
θP ここで、 ｆP´＝仮想頂点３０に到達するが、実際に頂点２８に
到達する受信仮想走査線に対する補正位相遅延。 ｆPO ＝頂点２８に到達する受信走査線に対す位相遅
延。 ｈ ＝頂点２８からの仮想頂点３０の移動距離。 θP ＝受信走査線２４Ａと受信仮想走査線３６Ａとの
間のステアリング角を決定する時間遅延によって供給さ
れるθRの部分。 θP´＝頂点３０に到達する受信仮想走査線に対する補
正ステアリング角を決定する位相遅延によって供給され
るθR´の部分。
【００２０】先述のごとく、頂点２８から焦点に到達す
る送信走査線と、仮想頂点３０から同じ焦点に到達する
送信仮想走査線との間には飛行時間差がある。この差
は、角度θが大きくなればそれに比例して大きくなる。
この差を補償するためには、反射超音波信号を受けると
きに、信号の受信の始端をθの変化で更新しなければな
らない。別法として、トランスデューサ素子をして超音
波信号を送信させる送信器駆動回路をリタイミングし、
本来起動するときよりも早く起動し、中央トランスデュ
ーサアレイ素子から発する超音波パルスが常にステアリ
ング角θXとは無関係に円弧３８によって設定される焦
点深さに到達するようにすることができる。対称によ
り、仮想頂点走査中に超音波信号を受けるときに同じ問
題が生じる。送信モードと受信モードの両方において時
間差を補償する１つの便利な方法としては、他のトラン
スデューサ素子に対する送信器起動時間を次式に従って
調節する： （７） ΔＴX＝［（ｆX´−ｆXO）＋（ｆT´−ｆTO）］
／Ｃ ここで、 ΔＴX ＝トランスデューサ素子をステアリング角の関数
とするために必要な送信進み時間。 Ｃ ＝組織中の音速（０．１５４ ｃｍ／μｓｅｃ）
【００２１】今度は、仮想頂点がトランスデューサの
前、すなわち皮膚線の下に位置しているときに適用する
幾何関係を示す図４Ａ、４Ｂを参照する。このタイプの
仮想頂点走査は、たとえば、肋間スペースを通してイメ
ージングを行うときに有益であるが、それは肋骨が生じ
るシャドーイングエフェクト(shadowing effect)を抑制
することができるからである。図３Ａ、３Ｂに関連して
説明した解析ならびに補正係数はすべて皮膚線の下の仮
想頂点に対して等しく適用することができる。唯一の違
いは、ｈの符号を負にすることによってトランスデュー
サアレイの前における仮想頂点の移動を反映することで
ある。
【００２２】これらの原則を心に留めておくこととし
て、今度は、本発明の原理に従って超音波信号を受ける
ときの動的ステアリングと動的収束を示す図５Ａを参照
する。図５Ａにおいて、仮想頂点３０と焦点５２との間
に仮想走査線５０を作成する。仮想走査線５４、５６
は、ビューセクター(view sector)５８の増大視野の境
界である。超音波エネルギーを受けるときに角度θを動
的に調節し、各実走査線６０iに沿って動的に収束する
ことにより（ｉは各焦点６２iにおいて１からｑまで変
化し、ｉは１からｒまで変化する）、本発明は、任意の
仮想走査線（たとえば仮想走査線５０）上に位置する焦
点６２iの軌跡を生成する。図５Ａに示すケースではｑ
とｒは同じであるが、そうでなければならないというこ
とはない。仮想走査線５０に沿っての収束は、走査線に
沿って無段階的にあるいは離散インクリメント（ゾー
ン）として行うことができることは関係者は理解されよ
う。同じく図５Ａに示すごとく、従来のシステムと異な
り、仮想走査線は適用アポダイゼイション関数の質量中
心を通過する必要はない。たとえば、図５Ａにおいて
は、トランスデューサアレイの素子に対してアポダイゼ
イションプロファイル６４が適用されている。このアポ
ダイゼイション関数の質量中心は頂点２８に位置してい
るが、仮想走査線５０はこの質量中心を通過していな
い。本発明によれば、受信モードと送信モードにおいて
任意のアポダイゼイションプロファイルを適用すること
ができる。たとえば、非対称アポダイゼイション（静的
あるいは動的）プロファイルを使用することができる。
【００２３】本発明によればまた、仮想頂点走査を行う
ときに、アレイの全幅をアパーチャとして使用すること
ができる。そうすれば、遠視野において構造詳細の分解
を試みるときに像を著しく改善することができる。
【００２４】今度は、まっすぐでない仮想走査線７０に
沿って収束させる本発明のフェーズドアレイ超音波イメ
ージングシステムの作動原理を示す図５Ｂを参照する。
図５Ａの場合と同様に、受信ステアリング角θと受信焦
点７２i（ｉは１からｓまで変化する）は各々各受信実
走査線７４i（ｉは１からｔまで変化する）に対して超
音波エネルギーの受信中に動的に変化し焦点の軌跡を生
成し、湾曲走査線７０に沿って音響インタロゲーション
(acoustic interrogation)を可能にする。図５Ｂに示す
ケースではｓとｔは同じであるが、そうでなければなら
ないということはない。あとで詳述するごとく、フェー
ズドアレイ超音波イメージングシステムにおける受信中
の動的ステアリング・収束は、ミキサーに印加するクロ
ック位相を加減することによって行い、ミキサーが動的
収束に必要な細密遅延を生成するのみならず、受信角θ
を加減する。
【００２５】今度は、超音波信号の受信中に動的ステア
リングならびに動的収束を行うことができる超音波イメ
ージングシステムの１つのアーキテクチャの一例をブロ
ック図で示す図６を参照する。図６のアーキテクチャ
は、米国特許第４，１４０，０２２号の原理に基づいて
おり、いわゆる混合・遅延（すなわち粗遅延に加えた細
密遅延）を利用して収束ならびにステアリングを行う。
図６のブロック図は、Hewlett-Packard Company 製 Son
os 1000 超音波イメージングシステムにおいて使用する
アーキテクチャの応用形である。
【００２６】超音波エネルギーの送信中に、マイクロプ
ロセッサと関連メモリでなければならないデジタル制御
器１００が、所望仮想頂点３０とトランスデューサアレ
イの実頂点２８との間の距離を示す移動量ｈを接続体１
０２を介して仮想頂点走査プレプロセッサ１０６へ送
る。ｈの正値は仮想頂点がトランスデューサアレイの後
に位置していることを指示し、ｈの負値は仮想頂点がト
ランスデューサアレイの表面の前、すなわち皮膚線の下
に位置していることを指示する。デジタル制御器１００
はまたアポダイゼイションプロファイルを接続体１０４
を介して仮想頂点走査プレプロセッサ１０６へ送る。プ
レプロセッサ１０６には次の３つの機能ブロックがあ
る：送信器プレプロセッサ１０８、ミキサー位相プレプ
ロセッサ１１０、タップ選択プレプロセッサ１１２。送
信器プレプロセッサ１０８は送信ステアリング角θと送
信焦点ｆXを前記の式（１）、（２）に従って補正送信
ステアリング角θX´と補正送信焦点ｆX´に変換する。
【００２７】続いて補正送信ステアリング角と送信焦点
を、開示内容を本書に引用編入した米国特許第４，９４
９，２５９号に開示されている方法に従って処理し、ト
ランスデューサアレイ素子から選んだ焦点ｆX´までの
距離式の直列近似である第３次多項式Ａｘ3＋Ｂｘ2＋Ｃ
ｘ＋Ｄの係数を生成する。送信器プレプロセッサ１０８
が生成する初発セットの係数は接続体１５０Ａ〜１５０
Ｄを介してマルチアキュムレータ回路（ＭＡＣ： multi
ple accumulator circuit)内へローディングする。
【００２８】前記の米国特許第４，９４９，２５９号に
開示されている方法・装置に従って、ＭＡＣ回路は、並
列に作動することによって第３次多項式の係数を生成す
る３つのアキュムレータを含んでいる。アキュムレータ
は、送信器プレプロセッサ１０８からの係数でプレセッ
トされた後、第１チャンネルに関する遅延値をアレイ中
心の左側（右側）へ供給する。アレイ中心では遅延はゼ
ロとする。送信中に、各逐次クロックサイクルで、第３
アキュムレータの出力における値はアレイに沿っての次
のチャンネル（すなわちトランスデューサ素子）に必要
な遅延を表す。マルチＭＡＣ回路は並列に作動させるこ
とができる；たとえば、４つのＭＡＣ回路を並列にし、
１２８素子アパーチャで、特定焦点のすべての係数を３
２クロックサイクル（すなわち２μｓ）で生成すること
ができる。
【００２９】続いてこれらの係数を接続体１２０を介し
て送信器ミキサー制御（ＴＲＩＸ）回路１１８内へロー
ディングする。ＴＲＩＸ回路は、トランスデューサアレ
イの素子数に相当する数のカウントダウンカウンタを含
んでいる。典型的ＴＲＩＸ回路は３２のかかるカウント
ダウンカウンタを含んでおり、したがって、１２８個の
素子を有しているトランスデューサアレイの場合は４つ
のＴＲＩＸ回路を使用する。ＴＲＩＸ回路のカウンタ
は、その初発カウントからカウントダウンを開始し、終
末カウントに達すれば関連回路が、アポダイゼイション
信号によって選択した幅の送信パルスを発生する。トラ
ンスデューサ素子の数に相当する数のゲーティング制御
ライン１２２を用いて一定数の高圧送信ドライバ１２４
をゲートし、同ドライバ１２４が電源１２６から選択回
路１２８と接続体１３１、１２９を介してトランスデュ
ーサ１０の素子ヘ高圧を供給する。各トランスデューサ
素子へ供給される高圧は、ゲーティング制御ライン１２
２のパルスの持続時間の間ターンオンし続ける。カウン
トダウンカウンタの適切なプレローディングによって、
トランスデューサ素子の相異なる点弧時間(firing tim
e)を用いて送信中にビームステアリングを行うことがで
きる。
【００３０】仮想頂点イメージング中の超音波信号の受
信中に各トランスデューサからの信号を選択回路１２８
と受信前置増幅器１３０を通して送る。トランスデュー
サ素子と同数の前置増幅器がある。各トランスデューサ
素子からの受信信号をライン１３４を介してＴＧＣ回路
１３２へ供給する。ＴＧＣ（time gain compensation：
時間利得補償）制御回路１３６によって制御されつつＴ
ＧＣ発生器１３８、クロック発生器１４０ならびにアポ
ダイゼイション発生器１４２が受信信号に対して受信時
間利得制御とアポダイゼイションプロファイルを供給す
る。ミキサー１４６を用いて、接続体１４８を介してＴ
ＲＩＸ回路１１８のミキサー制御部分で制御しつつ受信
信号で選択したクロック位相をヘテロダイニングする。
ミキサー１４６によって受信超音波信号に印加するクロ
ック信号の選択した位相を変えることによって関数受信
中に動的ステアリングと動的収束を行う。ＴＲＩＸチッ
プ１１８のミキサー制御部分がＭＡＣ１１４から制御信
号を受ける。
【００３１】ミキサー位相プレプロセッサ１１０は、受
信ステアリング角θ、受信位相焦点ｆPならびに移動量
ｈを用いて、前記の式（５）、（６）に従って補正受信
ステアリング角θP´と補正位相焦点ｆP´を生成する。
前記の距離の第３次多項式近似の受信収束係数は、米国
特許第４，９４９，２５９号に開示されている方法に従
ってミキサー位相プレプロセッサ１１０によって生成
し、接続体１１６Ａ〜１１６Ｄを介してＭＡＣチップ１
１４へ送る。続いて、米国特許第４，９４９，２５９号
の方法に従って、注目仮想走査線に沿って各走査線と焦
点について受信係数を更新する。この実施例において
は、距離式のＢ係数を動的に更新することによって受信
ステアリング角を加減する。
【００３２】受信ステアリング角θ、受信タップ焦点ｆ
Tならびに移動量をｈを取り込み、仮想頂点３０に到達
する仮想走査線に関して式（３）、（４）に従って補正
受信ステアリング角 θT´と補正タップ焦点ｆT´を供
給するタップ選択プレプロセッサ１１２が受信信号の粗
遅延を調節する。この補正タップ値を接続体１５２を介
してタップ選択器１５４へ送る。タップ選択器１５４
は、タップ焦点を仮想頂点に接続する任意走査線に関し
て適切なタップ焦点を供給するために用いる特定の実施
に応じて総和遅延線１５６のタップを選択するか、また
は遅延線１５６をコンフィギュレート(configurate)す
る。その後、像検知器／走査変換器１５８によって受信
信号を処理し、端子１６０において使用可能ビデオ像出
力を発生する。
【００３３】仮想頂点走査のコンテクストにおいて生じ
る１つの技術的困難として、受信アパーチャにおける音
速の見掛けの増大がある。すなわち、すべての制御計算
が仮想頂点３０と送信、あるいは受信焦点との間の距離
を用いる。しかしながら、実際には、超音波信号は実際
には、解析を目的として、頂点２８から受けて送る。す
なわち、送信、あるいは受信焦点からの飛行時間は実際
には実頂点２８のほうに近い故に、仮想頂点３０から送
信される超音波は実際には理論通路長さが予測する前に
受信されることが超音波システムにとって明白になる。
数学的には、この音速の見掛けの増大は下記のとおりに
計算することができる。見掛けの瞬時音速は次式で与え
られる； （８） Ｃi＝（ＣO）／２ＣＯＳφ ここで、 Ｃi ＝見掛けの瞬時音速。 ＣO ＝実音速。 φ ＝焦点における仮想走査線の接線と、焦点とアポダ
イゼイション関数の質量中心との間に形成される線との
間の角度。 式（８）は、送信アポダイゼイション関数と受信アポダ
イゼイション関数が同じ点を「中心とする」こと、すな
わち光線が送信走査線と受信走査線を合致させることを
前提としている。そうでない場合は次式が成立する： （９） Ｃi＝（ＣO）／｛ＣＯＳ （φX）＋ｃｏｓ （φ
R）｝ トランスデューサとターゲットとの間の往復距離を考慮
すれば、 （１０） Ｃi＝［２／｛ＣＯＳ （φX）＋ｃｏｓ
（φR)｝]（ＣO／２） ここで、分母の２は往復距離を考慮する。 φX＝焦点における仮想走査線の接線と、焦点とアポダ
イゼイション関数の質量中心との間に形成される線との
間の送信角度。 φR＝焦点における仮想走査線の接線と、焦点とアポダ
イゼイション関数の質量中心との間に形成される線との
間の受信角度。 音速が見掛け増大する定数は次式で与えられる： （１２） α＝２／｛ＣＯＳ （φX）＋ＣＯＳ
（φR）｝ φXあるいはφRがゼロに等しくない場合はαは１より大
きいことに注目せよ。先述の見掛け音速の瞬時変化は、
周知の関係であるＤ＝ＲＴ（Ｄ＝距離、Ｔ＝時間、Ｒ＝
速度）からのＣ、ＤあるいはＴ次元に帰することができ
る。
【００３４】時間調節パラメータαは、仮想頂点走査を
用いない場合よりも受信超音波パルスが見掛けよりも時
間が接近して到達する時間量を記述する。この問題は、
トランスデューサアレイの表面（視野の近く）に接近し
て作動する場合、すなわちφが０よりも多大である傾向
の場合において特に深刻である。
【００３５】この現象を補償する方法はいくつかある。
デジタル制御器１００と像検知器／走査変換器１５８に
よって非周期時間サンプリングを行い、各時間サンプル
を１つの深度解像度に対応させることができる。別法と
して、周期時間サンプリングを用いて、サンプリングし
た深度インクリメントをサンプリング中に粗から微に切
り替え、続いて走査変換器によって再プログラミングを
行い、変化するサンプリングインタバルを補償し、半径
方向サンプルを正しく像にいれることができる。最後
に、エコーを受信するときにデジタル制御器１００によ
って信号に印加する遅延量を少なくすることができる。
本発明のフェーズドアレイ超音波イメージングシステム
により、仮想頂点の位置がトランスデューサアレイの長
さの１／２に等しい距離ｈだけトランスデューサアレイ
の後に位置している像を生成し、高品質像を生成した。
【００３６】以上、本発明の１つの代表的実施態様を紹
介したが、様々な変更、改造ならびに改良を容易に行う
ことができることを関係者は理解されよう。一例とし
て、ミキサーの位相のみを用いて動的ステアリングを行
うこととしたが、遅延線によって、あるいは位相選択と
遅延選択の組み合わせによって供給される遅延によって
のみ動的ステアリングを行うことも可能である。また、
本発明のフェーズドアレイ超音波イメージングシステム
を用いることにより、たとえ送信ビームが異なる軌跡を
有していても、受信中に収束を行うことができる。ま
た、本発明のフェーズドアレイ超音波イメージングシス
テムを色フロー法(color flow technique)、二次元解
剖情報法、音響定量化法（組織識別）、ドップラー法、
並列処理法ならびに走査線スプライシング法と併用する
ことができる。本発明のフェーズドアレイ超音波イメー
ジングシステムは、直線配列アレイだけに限定されるこ
とはなく、任意のトランスデューサプローブコンフィギ
ュレーションで作動させることができる。加えて、本発
明のフェーズドアレイ超音波イメージングシステムは、
球形収束や楕円形収束などの他の様々な収束アルゴリズ
ムにも適用することができる。さらに、前記の実施態様
においては仮想頂点がトランスデューサアレイの中心線
上に位置しているものとしたが、これにかぎることはな
い。仮想頂点は、トランスデューサアレイの表面上では
ない任意の位置に配置することができる。
【００３７】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施例毎に列挙する。
【実施例１】下記の諸要素を備えて成るフェーズドアレ
イ超音波イメージングシステム：送信モードにおいては
超音波エネルギーのパルスを送り、受信モードにおいて
は反射超音波エネルギーを受けるトランスデューサアレ
イ（１０）；トランスデューサアレイに接続されてお
り、トランスデューサアレイを制御し、角度と焦点を選
択し、送信モードにおいて超音波エネルギーの送信パル
スを所望方向にステアリングする送信制御回路（１０
８、１１４、１１８、１２４）；トランスデューサアレ
イに接続されており、超音波エネルギーの受信中に受信
ステアリング角度・焦点をリアルタイムで動的に変化さ
せ、適用アポダイゼイション関数(applied apodization
function)の質量中心を通過する必要がない少なくとも
１本の仮想走査線に添って受信超音波エネルギーを収束
させる受信収束回路（１１０、１１２、１１４、１１
８、１４６、１５４、１５６）。
【実施例２】受信収束回路が受信中に受信ステアリング
角度を無段階的に変化させる、実施例１に記載のフェー
ズドアレイ超音波イメージングシステム。
【実施例３】受信収束回路が垂直走査線に沿っているゾ
ーンに対応する離散インクリメントで受信ステアリング
角度を変化させる、実施例１に記載のフェーズドアレイ
超音波イメージングシステム。
【実施例４】トランスデューサアレイの表面以外の位置
に位置している仮想頂点において仮想走査線が発する、
実施例１に記載のフェーズドアレイ超音波イメージング
システム。
【実施例５】トランスデューサアレイの表面の後に仮想
頂点が位置している、実施例１に記載のフェーズドアレ
イ超音波イメージングシステム。
【実施例６】トランスデューサアレイの表面の前に仮想
頂点が位置している、実施例１に記載のフェーズドアレ
イ超音波イメージングシステム。
【実施例７】次式に従って角度と焦点を選択する手段が
送信制御回路にある、実施例１に記載のフェーズドアレ
イ超音波イメージングシステム： ｆX´＝［（ｆXO＋ｈ）2＋ｈ2−２（ｆXO＋ｈ）ｈ ｃｏ
ｓ θX］1/2 ｓｉｎ θX´＝｛（ｆXO＋ｈ）／ｆX´｝ｓｉｎ θX ここで、 ｆX´＝仮想頂点において発するが、実際にはトランス
デューサアレイの表面上の頂点から送られる線に対する
補正焦点深度、 ｆXO ＝トランスデューサアレイの表面上の頂点におい
て発する送信走査線に対する焦点深度、 ｈ ＝トランスデューサアレイの表面の中心からの仮
想頂点の移動距離、 θX ＝トランスデューサアレイに対して垂直であり、
トランスデューサアレイの表面上の頂点において発する
送信走査線と、仮想頂点において発する線との間のステ
アリング角度、 θX´＝トランスデューサアレイの表面上の頂点におい
て発する送信走査線に対する補正ステアリング角度であ
る。
【実施例８】クロック信号の選択した位相をヘテロダイ
ニングするミキサーが受信収束回路にあり、ミキサーに
よって供給される位相に加えるべき時間遅延量を選択す
る選択器を備えている遅延回路へ受信超音波信号が送ら
れる、実施例１に記載のフェーズドアレイイメージング
システム。
【実施例９】クロック信号の位相を次式に従って選択す
る、実施例１に記載のフェーズドアレイイメージングシ
ステム： ｆP´＝［（ｆPO＋ｈ）2＋ｈ2−２（ｆPO＋ｈ）ｈ ｃｏ
ｓ θP］1/2 ｓｉｎ θP´＝｛（ｆPO＋ｈ）／ｆP´｝ｓｉｎ θP ここで、 ｆP´＝仮想頂点に到達するが、実際にはトランスデュ
ーサアレイの表面上の頂点に到達する受信仮想走査線に
対する補正位相遅延、 ｆPO ＝トランスデューサアレイの表面上の頂点に到達
する受信走査線に対する位相遅延、 ｈ ＝トランスデューサアレイの中心からの仮想頂点
の移動距離、 θP ＝トランスデューサアレイに対して垂直であり、
トランスデューサアレイの表面上の頂点と交わる受信走
査線と、仮想頂点に到達する受信走査線との間のステア
リング角度、 θP´＝仮想頂点に到達する受信送走査線に対する補正
ステアリング角度である。
【実施例１０】時間遅延を次式に従って選択する、実施
例１に記載のフェーズドアレイイメージングシステム： ｆT´＝［（ｆTO＋ｈ）2＋ｈ2−２（ｆTO＋ｈ）ｈ ｃｏ
ｓ θT］1/2 ｓｉｎ θT´＝｛（ｆTO＋ｈ）／ｆT´｝ｓｉｎ θT ここで、 ｆT´＝仮想頂点に到達するが、実際にはトランスデュ
ーサアレイの表面上の頂点に到達する受信仮想走査線に
対する補正時間遅延、 ｆTO ＝トランスデューサアレイの表面上の頂点に到達
する受信走査線に対する時間遅延、 ｈ ＝トランスデューサアレイの中心からの仮想頂点
の移動距離、 θT ＝トランスデューサアレイに対して垂直であり、ト
ランスデューサアレイの表面上の頂点と交わる受信走査
線と、仮想頂点に到達する受信走査線との間のステアリ
ング角、 θT´＝仮想頂点に到達する受信送走査線に対する補正
ステアリング角である。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いるこ
とにより、信号の受信中に受信超音波信号を動的にステ
アリングし、収束させることができる。また、近視野に
おいてより広い視野を供給するためにトランスデューサ
アレイの後に仮想頂点を供給するか、あるいはまたトラ
ンスデューサの前、すなわち患者の皮膚線の下に仮想頂
点を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のセクター走査像フォーマットの像面の図
である。
【図２】セクター走査像の仮想頂点を走査を用いる像面
の図である。
【図３Ａ】トランスデューサアレイの表面の後に位置し
ている、本発明に従う仮想頂点走査を用いる像面内の単
一走査線と単一仮想走査線を示す図である。
【図３Ｂ】トランスデューサアレイの表面の後に位置し
ている、本発明に従う仮想頂点走査を用いる像面内の単
一走査線と単一仮想走査線を示す図である。
【図４Ａ】トランスデューサアレイの表面の前に位置し
ている、本発明に従う仮想頂点走査を用いる像面内の単
一走査線と単一仮想走査線を示す図である。
【図４Ｂ】トランスデューサアレイの表面の前に位置し
ている、本発明に従う仮想頂点走査を用いる像面内の単
一走査線と単一仮想走査線を示す図である。
【図５Ａ】本発明に従う動的ステアリングと動的収束を
用いて発生させて仮想頂点において発する仮想走査線に
沿って収束させる像面内の単一走査線を示す図である。
【図５Ｂ】仮想頂点から発する仮想走査線（直線ではな
い）に沿っての動的ステアリングと動的収束を用いて本
発明に従って発生する像面内の単一走査線を示す図であ
る。
【図６】本発明に従って仮想頂点走査を行うことができ
る本発明の超音波走査システムのアーキテクチャのブロ
ック図である。
【符号の説明】
１０：トランスデューサアレイ １６i：走査線 １８：送信焦点 ２０：焦点 ２２：矢印 ２４：線 ２６：表面 ２８：頂点 ３０：仮想頂点 ３２：焦点 ３４：円弧 ３４：半径方向に等価の焦点の軌跡 ３６：線 ３６Ａ：仮想走査線 ３８：円弧 ４０：点 ４２：点 ５０：粗焦点 ５２：焦点 ５４、５６：仮想走査線 ５８：ビューセクター ６０i：マルチ実走査線 ６４：アポダイゼイションプロファイル ７０：仮想走査線 ７２i：受信焦点 ７４i：受信実走査線 １００：デジタル制御器 １０２：接続体 １０３：接続体 １０６：仮想頂点走査プロセッサ １０８：送信プロセッサ １１０：ミキサー位相プロセッサ １１２：タップ選択プロセッサ １１４：マルチアキュムレータ回路 １１８：送信ミキサー制御（ＴＲＩＸ）回路 １２０：接続体 １２２：ゲーティング制御ライン １２８：選択回路 １３０：受信前置増幅器 １３２：ＴＧＣ回路 １３４：ライン １３８：ＴＧＣ発生器 １４０：クロック発生器 １４２：アポダイゼイション発生器 １４６：ミキサー １４８：接続体 １５０Ａ〜１５０Ｄ：接続体 １５２：接続体 １５４：タップ選択器 １５６：総和遅延線 １５８：像検知器／走査変換器 １６０：端子

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】送信モードにおいては超音波エネルギーの
    パルスを送信し、受信モードにおいては反射超音波エネ
    ルギーを受信するトランスデューサアレイと、 前記トランスデューサアレイに接続されて該トランスデ
    ューサアレイを制御し、角度と焦点とを選択し、送信モ
    ードにおいて前記超音波エネルギーの送信パルスを所定
    の方向にステアリングする送信制御回路と、 前記トランスデューサアレイに接続され、超音波エネル
    ギーの受信中に受信ステアリング角度および焦点をリア
    ルタイムで動的に変化させ、適用アポダイゼイション関
    数の質量中心を通過する必要のない少なくとも１本の仮
    想走査線に添って、前記受信超音波エネルギーを収束さ
    せる受信収束回路と、 を備えて成るフェーズドアレイ超音波イメージングシス
    テム。
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