JPH08507951A - ビーム和−チャンネル相関を用いた多重素子配列超音波スキャナに対するビーム形成遅延時間の補正 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 伝送媒質内の音速の非一様性によるビーム形成時の遅延時間誤差を補正する、走査を行うための超音波作像システムが、多重チャンネル送信器と、受信器とを用いている。遅延時間誤差は、それぞれ１つの受信チャンネルにおけるチャンネル信号を、すべての受信チャンネル信号を合算することにより発生された基準ビーム和信号と相互相関させることによって測定される。この結果得られた遅延時間補正値は、送信器及び受信器の対応するチャンネルに加えられて、この後の像データの収集のときに遅延時間誤差を相殺する。

Description

【発明の詳細な説明】 ビーム和−チャンネル相関を用いた多重素子配列 超音波スキャナに対するビーム形成遅延時間の補正 発明の背景 本発明は、超音波のような振動エネルギを用いたコヒーレント作像に関し、特 に、多重素子配列変換器を用いた超音波作像に関する。 超音波のような振動エネルギを用いて物体の像を作成するのに用いることので きる多数の方法がある。本発明は、超音波パルスの送信及び受信の両方に単一の 超音波変換器配列を用いて超音波像を作成する反射方法に関する。各々の画素の 輝度が物体から受信器に反射された超音波の振幅の関数である像が作成される。 医療用の超音波変換器は、１つ又は更に多くの圧電素子を一対の電極の間に挟 み込んで構成されている。適当な電圧パルスが印加されると、圧電素子は媒質内 に超音波パルスを放出する。逆に、超音波パルスが圧電素子に入射すると、素子 はその電極の間に対応する電圧を発生する。多数のこのような超音波変換器の構 造が、いずれも本出願人に譲渡された米国特許番号第４，２１７，６８４号、同 第４，４２５，５２５号、同第４，４４１，５０３号、同第４，４７０，３０５ 号及び同第４，５６９，２３１号に記載されている。 超音波作像に使用するとき、変換器は典型的には、配列として設けられた多数 の圧電素子を有しており、これらの素子は別々の電圧で駆動される。各々の素子 に対する印加電圧の相対的な遅延時間を正しく制御することにより、圧電素子に よって発生された超音波を、選択された点に焦点合わせした正味の超音波を形成 するように組み合わせることができる。この焦点を各々の相次ぐ送信器の送信ご とに移動させて、変換器を動かすことなく、送信されたビームで物体を走査する ことができる。 反射された音波を受信するために変換器を用いるときにも、同じ原理が適用さ れる。配列内の変換器素子で発生された電圧が、時間的に個別に遅延させられ、 その後合算されて、正味の信号が、被検体内の１つの受信焦点から反射された音 波によって左右されるようにする。この合算受信信号は、「ビーム和」と呼ばれ る場合が多い。 単一周波数ｆの波では、時間のシフトΔｔは、△φ＝２πφ△ｔの関係により 、位相のシフト△φに相当することがよく知られている。超音波作像に典型的に 用いられるパルスは、広い範囲の周波数を含んでおり、そのため、この同等性も 近似的に過ぎない。ある超音波作像システムはこの近似的な同等性を利用して、 時間遅延及び位相遅延を組み合わせて、送信及び／又は受信のときに所望の焦点 合わせを行う。焦点合わせされた送信ビーム及び受信ビームを形成するために時 間の遅延及び／又は位相の遅延を加える過程が、「ビーム形成」と呼ばれる場合 が多い。 一組の所望の方向で一連の反射の測定を行うことにより、超音波像が形成され る。各々の測定では、焦点合わせした超音波を送信する。その後、システムは受 信モードに切り替わり、反射された超音波を受信し、焦点合わせをして、記憶す る。完全な一組の走査方向を求めたときに、超音波像を構成して表示し、その後 、次の作像フレームに対してこの過程を繰り返す。このような多数の超音波作像 システムが、いずれも本出願人に譲渡された米国特許番号第４，１５５，２５８ 号、同第４，１５５，２６０号、同第４，１５４，１１３号、同第４，１５５， ２５９号、同第４，１８０，７９０号、同第４，４７０，３０３号、同第４，６ ６２，２２３号、同第４，６６９，３１４号及び同第４，８０９，１８４号に記 載されている。 今述べたような超音波作像システムが正しく動作するためには、超音波パルス がその中を伝わる媒質における音速が既知の一定値であるということを前提にし ている。音速が一定でないと、配列内のある素子から発生された音波パルスは所 望の焦点で予想されるよりも早く又は遅く到達することがあり、他のパルスとの 組み合わせが正しく行われない。その結果、正味の発信波が最適の形で焦点合わ せされない。同様に、受信のときに、配列内の各々の素子に対する信号が、合算 の前に最適の形で遅延させられず、受信のときの焦点合わせが劣化する。前提と した伝搬時間からの偏差を測定し又は推定することができれば、加えられる遅延 時間をこの偏差に対して補正することにより、超音波 像を改善することができる。 人体は音速の異なる多数の異なる組織で構成されていることが知られている。 それにも拘わらず、医療用では、一定の音速という前提により、多くの患者では 良好な像が得られる。しかしながら、種々の組織の種類の分布が患者によって大 幅に変化し、患者によっては不良な像しか得られないことがある。特に、内部器 官の平均音速とはかなり異なる音速を有する比較的厚い筋肉及び脂肪層で構成さ れている身体の壁は、患者によっては、像を劣化させることがある。身体内での 音速の非一様性を補正することにより、このような患者の像を改善することがで きれば、医学的に相当の利点になる。このような遅延時間の補正は、音速の非一 様性がビームの方向と共にかなり変わることがあるので、各々の別々の送受信方 向に対して計算を必要とすることがある。この補正は、臨床用では、患者及び変 換器の動きのために、実時間での計算を必要とすることもある。本出願人に譲渡 された米国特許番号第４，９８９，１４３号には、音速の変動を計算に入れて、 変換器配列の素子によって発生された別々の信号の遅延時間を補正する方法及び システムが記載されている。この従来の方法では、対の隣接した受信チャンネル からの復調されたベースバント信号をある範囲のエコー・サンプルにわたって相 互相関させて、２つのチャンネルの間の位相誤差の差を計算する。この位相誤差 の差を配列にわたって累積して、対応する送信チャンネル及び受信チャンネルに 対する遅延時間の補正として 加える。しかしながら、ある状況下では、この方法では画質が改善されない。具 体的に言うと、相互相関させる信号は、個別の配列素子に到達する超音波エネル ギに対応する。個別の配列素子は、補正しているビーム方向から遠く離れた反射 部材に対してかなりの応答を有することがある。反射部材が十分に明るいか、又 は送信ビームの焦点外れが十分大きい場合には、遅延時間の推定値が軸線から外 れたこれらの反射部材によって狂うことがある。更に、遅延時間の補正値を計算 するための位相誤差の差の累積により、各々のチャンネル対の測定値の不正確さ も累積され、補正値の精度及び頑健さ（ロバスト）が低下する。 本出願人に譲渡された米国特許番号第５，１７２，３４４号には、変換器配列 の素子によって発生された別々の信号の遅延時間を補正する方法及びシステムが 記載されている。この従来の方法では、基準ビーム角度で発生された復調された ベースバンド・ビーム信号を相互相関させて、ビームの間の位相誤差を計算する 。これらの位相誤差を視野全体にわたって計算し、その後、フーリエ変換して、 各々の送信及び受信チャンネルに加えられる遅延時間の補正値を発生する。しか しながら、フーリエ変換からの遅延時間誤差の決定は、近似に基づいており、臨 床用では、その近似を無効にするおそれのあるような大きな遅延時間の誤差又は ビームの発射の間の患者の動きに注意を払わなければならない。 発明の要約 本発明は、伝送媒質内での音速の変動が原因で起こる超音波作像システムにお ける焦点合わせの劣化を補正する方法及び装置に関し、特に、収集されたビーム ・データを用いて、各々の変換器素子に対する補正遅延時間の計算に関する。更 に具体的に言うと、本発明は、多重素子超音波変換器と、別々の変換器素子に、 超音波ビームを所望の方向に方向決めするのに必要な量だけ遅延させたパルスを 印加する送信器と、各々の変換器素子に応答して、各々の素子によって発生され たエコー信号に別々の遅延を加えて、前述の所望の方向に方向決めされた受信ビ ームを形成する受信器と、受信器に応答して、その受信チャンネルに対応する変 換器素子に対する遅延時間誤差を測定するために、受信ビーム・データと各々の 別々の受信チャンネル信号との間の相互相関を行わせるように動作可能な遅延時 間補正プロセッサとを含んでいる。遅延時間補正プロセッサは、一組の補正遅延 時間の変化を発生し、この変化が同じビーム方向に対するその後の送信器の発射 のときに加えられて、送信器からそれぞれの変換器素子に加えられるパルスのタ イミングを補正し、更にこの変化は、それぞれの変換器素子によって発生された エコー信号に対して、受信器によって加えられる遅延を補正するためにも加えら れる。 本発明の全般的な目的は、伝送媒質内での音速の非一様性を補正することによ り、超音波作像システムにおける画質を改善することにある。受信冊のビーム和 データを各々の受信チャンネルに対するエコー信号データと相互相関さ せることにより、受信チャンネル及び送信チャンネルに対して一組の遅延時間補 正値が発生される。このような補正値が、所望のビーム方向の送信／受信ビーム をこの後で求めるときに用いられる。 本発明の他の目的は、遅延時間補正値の精度を高めることにより、超音波作像 システムの画質を改善することにある。チャンネル対の間で遅延時間誤差を計算 する代わりに、ビーム和信号を基準信号として用いて、各チャンネルと、共通の 基準信号との間の遅延時間誤差を計算する。受信ビーム和信号は、ビーム焦点か ら反射されたエコー信号によって左右されるので、受信ビーム和信号を用いると 、相互相関の測定値に寄与するエコー源の角度範囲が所望のビーム方向に実効的 に制限され、こうして、所望のビーム方向から離れた源が測定値を歪めるおそれ が小さくなる。 本発明の他の目的は、各々の変換器チャンネルに対する遅延時間誤差の頑健（ ロバスト）な測定値を発生する超音波作像システムを提供することにある。各々 の受信チャンネル信号をそれに対して相互相関させる共通の基準ビームを用いる ことにより、各チャンネルの遅延時間誤差が直接的に且つ独立に計算される。測 定値を基準チャンネルに関係付けるために、増分的な遅延時間誤差を累積する必 要はなく、このため、１つのチャンネルの測定値の不正確さが他のチャンネルに 持ち込まれることがない。 本発明の更に特定の目的は、超音波作像システムにおける時間遅延補正回路を 簡単にすることにある。共通の基準 信号を各々の受信チャンネルに対して相互相関させるので、システムに必要な独 立の信号則線の数が減少する。更に、各チャンネルに対する遅延時間の絶対的な 誤差を直接的に且つ独立に発生することにより、各チャンネルに対する遅延時間 の絶対的な誤差とするために、増分的な遅延時間の誤差の測定値を累積する必要 が避けられる。 本発明の新規と考えられる特徴は、請求の範囲に具体的に記載してあるが、本 発明自体の構成、作用、並びにその他の目的及び利点は、以下図面について説明 するところから最もよく理解されよう。 図面の簡単な説明 第１図は本発明を用いた超音波作像システムのブロック図である。 第２図は第１図のシステムの一部を形成している送信器のブロック図である。 第３図は第１図のシステムの一部を形成している受信器のブロック図である。 第４図は第１図のシステムに用いられている超音波変換器の概略図であって、 音波伝送媒質内での非一様性の影響を示す図である。 第５図は第３図の受信器の一部を形成している時間遅延補正プロセッサの好ま しい実施例のブロック図である。 第６図は第５図の時間遅延補正プロセッサの一部を形成している相互相関器回 路のブロック図である。 好ましい実施例の説明 第１図に示すように、振動エネルギ作像システムが、変換器配列１１を含んで おり、この変換器配列は、複数の別々に駆動される素子１２で構成されている。 各々の素子は、送信器１３によって発生されたパルスによって付勢された（エネ ルギを与えられた）ときに、超音波エネルギのような振動エネルギのバーストを 発生する。被検体から変換器配列１１に反射された振動エネルギは、各々の変換 器素子１２によって電気信号に変換されて、一組のスイッチ１５を介して受信器 １４に別々に印加される。発信器１３、受信器１４及びスイッチ１５は、オペレ ータである人間からの指令に応答して、ディジタル制御器１６の制御の下に作動 される。像内の各々の走査線は、スイッチ１５を送信位置に設定し、送信器１３ を一時的にオンにゲート駆動して各々の変換器素子１２を付勢し、その後、スイ ッチ１５をその受信位置に設定し、各々の変換器素子１２によって発生されたこ の後のエコー信号を受信器１４に印加する一連のエコーを収集することによって 構成されている。各々の変換器素子１２からの別々のエコー信号は、受信器１４ 内で組み合わされて、１つの走査線に対応する１つのエコー信号を発生する。表 示システム１７が、すべての走査線に対して受信器１４によって発生された一連 のデータ・サンプルを受け取り、そのデータを、所望の像の１フレームを発生す る形に変換する。 送信器１３は、発生された振動エネルギ（例えば、超音波エネルギ）が方向決 めされると共にビームとして焦点合 わせされるように、変換器配列１１を駆動する。従って、このビームを一組の角 度θ_iにわたって移動させることにより、完全な走査を行うことができる。この ようなことを行うために、送信器１３は、Ｎ個の変換器素子１２に印加されるそ れぞれのパルス２０に遅延時間Ｔ_t,k（ｋ＝１〜Ｎ）を加える。遅延時間Ｔ_t,kは 、各々の変換器素子からのパルスが所望の送信焦点（Ｒ，θ_i）に同時に到着す るように選択されている。 Ｔ_t,k＝−（Ｄ_t,k−Ｄ_t,o）／ｃ＋Ｔ_t,o−Ｔ_c,k （１） ここで、Ｄ_t,kは所望の送信焦点から送信器内のｋ番目の素子までの距離であり 、Ｄ_t,oは所望の送信焦点から変換器の中心までの距離であり、ｃは媒質内の想 定音速である。Ｔ_t,oは、すべての遅延時間Ｔ_t,kが正の値になるよう保証するた めに加えられるオフセット遅延時間である。Ｔ_c,kは、これから説明するように 、伝送媒質内の非一様性を考慮に入れて、各々の素子に対して遅延時間補正回路 によって計算される遅延時間補正値である。 第２図に示すように、送信器１３は、送信チャンネル制御部５４と、パルス駆 動装置５０との２つの部分で構成されている。送信チャンネル制御部は、第１図 に示すディジタル制御器１６から、開始及びマスタ・クロックの２つの制御信号 と、送信遅延時間Ｔ_t,kとを受け取る。マスタ・クロック信号をタイミングの基 準として用いて、送信チャンネル制御部は、開始信号を受け取ってからそれぞれ の時 刻Ｔ_t,kに、各々のパルス駆動装置５０に対するタイミング信号を発生する。開 始信号は、１つの送信／受信ビーム・サイクルの開始の合図である。それぞれの タイミング信号を受け取ったときに、各々のパルス駆動装置は電気パルスを発生 し、この電気パルスは第１図に示すＴ／Ｒスイッチ１５を介して、対応する変換 器素子に伝えられる。変換器素子は、この電気パルスを超音波パルスに変換する 。 後で説明する遅延時間補正回路が正しく作用するための送信器の重要な特徴は 、送信器が特定し得る時刻に各々の変換器素子に対する電圧パルスを発生するこ とである。送信器１３についての詳しい説明は、１９９１年５月１４日に付与さ れ、本出願人に譲渡された米国特許番号第５，０１４，７１２号、発明の名称「 振動エネルギ・ビームの送信ダイナミック集束作用のための符号化励振」を参照 されたい。 超音波エネルギの各々のバーストによって発生されたエコー信号は、走査線の 方向に沿った相次ぐ位置にある反射物体から出て来る。これらのエコー信号は、 第１図に示す変換器配列１１の各々の素子１２によって別々に感知される。第１ 図に示す受信器１４は、これらの別々のエコー信号を増幅し、各々の信号に適切 な遅延時間を加え、それらを合算して、第１図に示す受信焦点Ｐから反射された 合計の超音波エネルギを正確に表す単一のエコー信号を発生する。受信器に対す る遅延時間は、焦点から各々の変換器素子までの伝搬時間を考慮に入れることに より、送信器の場 合と同じように計算される。 Ｔ_r,k＝（Ｄ_r,k−Ｄ_r,k）／ｃ＋Ｔ_t,o＋Ｔ_r,o＋Ｔ_c,k （２） ここで、Ｄ_r,kは所望の受信焦点から変換器１１内の素子ｋまでの距離であり、 Ｄ_r,oは所望の受信焦点から変換器１１の中心までの距離であり、Ｔ_r,oはすべて の受信遅延時間Ｔ_r,Kが正の値になるよう保証するために加えられるオフセット 遅延時間である。Ｔ_t,oは送信オフセット時間であり、Ｔ_c,Kは式（１）に用いら れる遅延時間補正値である。 １回の送信用の発射の後に、次第に一層長い距離の所からのエコーを受信する につれて、焦点の深さを増加するように、受信遅延時間をダイナミックに調節す ることができる。このような遅延時間をダイナミックに計算するのに必要な回路 を簡単にするために、当業者には周知のように、距離（Ｄ_r,k−Ｄ_r,o）に対する 種々の近似を用いることができる。 第３図に示すように、受信器１４は、３つの部分、即ち増幅器部１００と、受 信ビーム形成部１０１と、中央プロセッサ１０２とで構成されている。第１図に 示す各々の変換器素子１２は、第１図に示すＴ／Ｒスイッチ１５を介して増幅器 １０５に接続されており、この増幅器は、変換器素子が受信したエコー信号を増 幅する。各々の増幅器からの増幅された信号は受信チャンネル１１０に印加され る。各々の受信チャンネルは、第１図に示すディジタル制御器 １６から、開始及びマスタ・クロックの２つの制御信号と、対応する受信遅延時 間Ｔ_r,kを受け取る。各々の受信チャンネルが増幅器からのアナログ・エコー信 号をサンプリングして復調し、Ｉ母線１１２及びＱ母線１１３にディジタル出力 値のストリームを発生する。母線に印加されたＩ信号及びＱ信号は、復調された エコー信号の同相成分及び直角位相成分を表すディジタル数である。マスタ・ク ロック信号を用いて、これらのサンプルは、開始信号に対して、対応する遅延時 間Ｔ_r,kだけ、受信チャンネルによって遅延させられる。開始信号は、１つの送 信／受信ビーム・サイクルの開始の合図である。 これから説明する遅延時間補正回路が正しく作用するための受信器の重要な特 徴は、受信器が各々の変換器素子に対して、特定し得る時間だけ遅延させられて いる復調されたディジタル信号Ｉ及びＱを発生することである。受信器１４につ いての更に詳しいことは、１９９１年１月８日に付与された米国特許番号第４， ９８３，９７０号、発明の名称「ディジタル位相配列作像の方法及び装置」を参 照されたい。 中央プロセッサ部１０２は、Ｉ母線１１２及びＱ母線１１３から得られた受信 チャンネル・エコー信号サンプルを合算して、ビーム和信号サンプルを発生する 。中央プロセッサ１０２は、このようなビーム・サンプルに対して種々の計算を 行うことができる。例えば検出プロセッサ１２０が用いられるが、この検出プロ セッサでは、次の式 Ｍ＝（Ｉ²＋Ｑ²）^1/2 （３） に従って、ディジタルの大きさＭが各々のビーム和サンプルから計算され、中央 プロセッサの出力１２１に発生される。この大きさデータは所望の形に変換され 、第１図に示す表示システム１７に像としてオペレータに対して表示される。 項Ｔ_c,kを省略して式（１）及び式（２）に従って行った計算で得られる送信 遅延時間及び受信遅延時間は、音波が音波伝搬媒質全体にわたって一様な速度ｃ で通るときにのみ正確であることが理解されよう。本発明は、各々の素子に対す るエコーの到着時間の誤差を測定すると共に、遅延時間補正値Ｔ_c,kを発生し、 次にこれを用いて送信遅延時間及び受信遅延時間を補正する。 臨床の用途では、音波の伝搬速度が一様であるという仮定は、患者によっては 無効であることがある。第４図に示すように、超音波変換器１１は典型的には、 患者の皮膚２５の上に配置されている。関心のある領域へ送信され且つその領域 から受け取った音波は、相異なる音波伝搬特性、特に相異なる音波伝送速度を有 する組織の１つ又は更に多くの層を通過する。式（１）及び式（２）で仮定した のとは異なる音波伝送速度を有する組織層が存在することにより、送信遅延及び 受信遅延の計算に誤差が生ずる。この誤差が各々の変換器素子に対して同じであ れば、送信焦点及び受信焦点の劣化は比較的小さい。しかしながら、層が不規則 な境界を有するときには、遅延時間誤差は素子によっ て変化し、発信及び受信焦点合わせが実質的に劣化する結果となる。 一例として、２つの組織層の間の境界２６が不規則な形状を成している第４図 に示す場合を考える。点Ｐから方向決め角度θでビーム・サンプルを収集してい るとき、点Ｐと２つの別々の配列素子１２₄及び１２₅との間を伝わる音波は、境 界２６が不規則であるために、伝搬の形が全く異なる。このことがそれぞれの破 線２８及び２９によって例示されている。これらの破線は、組織層３０内の超音 波通路長が、変換器素子１２₅では、変換器素子１２₄の場合よりも一層長くなる ことを示している。２つの変換器素子１２₄及び１２₅までの組織層３０内での通 路長のこの差により、これらの２つの素子に対する計算された送信遅延時間及び 受信遅延時間に異なる誤差が生ずる。同じ組織層は、他の変換器素子１２に対し ては、素子に依存した遅延時間誤差をもたらすこともあるし又はもたらさないこ ともあり、同じ組織層は、異なる方向決め角度θでは、同じ素子１２₄及び１２₅ に対して、素子に依存した遅延時間誤差を招くこともあるし又は招かないことも ある。このことが、組織層３０内で非常によく似た通路長を有している点Ｐ′ま での２つの音波通路３１及び３２によって例示されている。このため、一般的に 、音波伝搬媒質内での非一様性が原因で起こる遅延時間誤差は、変換器素子１２ ごとに、そして走査中に収集されるビーム方向θ_iごとに異なる。 第３図は、中央プロセッサ１０２に含まれている遅延時間補正プロセッサ１２ ２によって、本発明の大部分を構成した場合を示す。遅延時間補正プロセッサ１ ２２は、ビーム和サンプルのＩ成分及びＱ成分と、各々の受信チャンネルからの サンプルのＩ成分及びＱ成分とを受け取り、これらの成分から、これから詳しく 説明するように、遅延時間補正値Ｔ_c,kを計算する。これらの値は第１図に示す ディジタル制御器１６に供給され、この制御器は、この後の送信／受信ビーム・ サイクルで用いるために、送信遅延時間Ｔ_t,K及び受信遅延時間Ｔ_r,kを計算し直 す。 第５図を第３図と共に参照して説明すると、各々の受信チャンネル１１０のＩ 出力信号及びＱ出力信号はそれぞれの母線１１２及び１１３を介して、遅延時間 補正プロセッサ１２２に設けられた対応する一組の相関回路２５０に送られる。 これらのＩ出力信号及びＱ出力信号は、それぞれの合算回路２５１及び２５２に も印加され、これらの合算回路で信号は算術的に加算されて、それぞれの母線２ ５３及び２５４にビーム和信号のＩ成分及びＱ成分を形成する。前に述べたよう に、このビーム和信号のＩ成分及びＱ成分を用いて、特定の位置（Ｒ、θ_i）に 対して表示される像の画素の輝度を決定する大きさの値を計算する。この同じビ ーム和信号を基準信号としても用い、この信号に対して各々の受信チャンネル信 号を相互相関させることが有利である。 各々の相関器２５０は、母線のＩビーム和信号及びＱビ ーム和信号と、それに対応するチャンネルのＩチャンネル信号及びＱチャンネル 信号と、制御線２５５を介して印加される制御信号とを受け取る。相関回路が制 御線２５５を通じて動作可能（イネーブル）になったときに、各々の相関回路は ビーム和信号と特定の受信チャンネル信号との間の相互相関を求める。制御線２ ５５は第１図に示すディジタル制御器１６によって駆動され、この制御器が平均 期間にわたって相関器２５０を動作可能にする。この平均期間はオペレータによ って制御される。オペレータは、遅延時間データを収集しようとする範囲をマー クする距離ゲートを像の上で位置決めすることにより、ある区間を選択する。典 型的には、オペレータは平均区間に強い反射部材を含めるのを回避するような距 離の幅を選択するが、その理由は後で明らかになる。 第６図に示すｋ番目の相関器２５０は、それぞれ母線２５３及び２５４の各々 の複素数ビーム和信号Ｓ_T（ｔ）＝Ｉ_T（ｔ）＋ｊＱ_T（ｔ）のＩ成分及びＱ成分 と、それぞれ母線１１２_k及び１１３_kのｋ番目の受信チャンネル信号Ｓ_k（ｔ） ＝Ｉ_k（ｔ）＋ｊＱ_k（ｔ）のＩ成分及びＱ成分とを受け取る。ここで用いた引数 ｔは、受信チャンネルによって範囲ごとに１つずつ発生される別々のサンプルの 組を表すためである。複素数乗算器部２６２が、受信チャンネル信号の共役複素 数とビーム和信号との複素数乗算をサンプルごとに実行する。 Ｓ^* _k（ｔ）Ｓ_T（ｔ） ＝（Ｉ_k−ｊＱ_k）（Ｉ_T＋ｊＱ_T） ＝（Ｉ_kＩ_T＋Ｑ_kＱ_T）＋ｊ（Ｉ_kＱ_T−Ｑ_kＩ_T） ＝Ｉ_m,k（ｔ）＋ｊＱ_m,k（ｔ） （４） 複素数乗算器部２６２のＩ出力信号Ｉ_m,k及びＱ出力信号Ｑ_m,kがそれぞれのアキ ュムレータ２６３及び２６４に個別に蓄積されて、アキュムレータのＩ相関和出 力信号Ｉ_s,k及びＱ相関和出力信号Ｑ_s,kをそれぞれ発生する。 このようなアキュムレータの蓄積が行われるサンプルｔ＝ｔ₁からｔ＝ｔ₂までの 範囲が、制御線２５５の信号によって制御される。相関和Ｉ_s,k及びＱ_s,kは、デ ータ・ストリームではなく、それぞれ単独のディジタル数である。 平均期間の終わり（ｔ＝ｔ₂）に、アキュムレータ２６３及び２６４の相関和 出力信号が逆正接計算機２６５に印加され、この計算機は、複素数Ｓ_s,k＝Ｉ_s,k ＋ｊＱ_s,kとみなされる相関和Ｉ_s,k及びＱ_s,kの位相角△φ_kを計算する。位相角 Δφ_kは、平均がサンプルｔ＝ｔ₁からｔ＝ｔ₂までにわたる場合、２つの複素数 信号Ｓ_k及びＳ_Tの間の加重平均位相差の推定値であり、位相には２つの信 号の振幅の積が加重される。これは、２つの信号を極座標の形で書くことにより わかる。 Ｓ_T（ｔ）＝Ａ_T（ｔ）ｅｘｐ［ｊψ_T（ｔ）］ Ｓ_k（ｔ）＝Ａ_k（ｔ）ｅｘｐ［ｊψ_k（ｔ）］ このとき、相関和は次のように書くことができる。 前に述べたように、平均期間内に明るい反射部材を回避することにより、オペ レータは少数のサンプルが相関和を左右することを回避することができる。 相関器２５０の作用を行うと共に、集積回路の形態で構成するのに適した相互 相関回路についての更に詳しいことは、本出願人に譲渡された米国特許番号第４ ，９３７，７７５号、発明の名称「一対の複素数サンプル信号の相互相関を行う 装置」を参照されたい。 各チャンネルに対する相関器の３つの出力信号Ｉ_s,k、Ｑ_s,k及び△φ_k（ｋ＝ １〜Ｎ）は、ディジタル制御器１６（第１図）によって受け取られる。遅延時間 補正プロセッサ１２２（第５図）はディジタル制御器によって制御さ れているので、遅延時間補正値を計算し且つ印加する動作モードには大きな融通 性がある。最も簡単な動作モードでは、遅延時間補正プロセッサは、各々の送信 ／受信チャンネルに対して及び各々のビーム方向に対して独立に、遅延時間補正 値を発生する。この代わりに、ディジタル制御器でフィルタ作用を行ってから、 遅延時間補正値を送信遅延時間及び受信遅延時間に加え、遅延時間補正値の推定 値の品質及び頑健さ（ロバスト）を改善することができる。遅延時間補正値の推 定値に対するフィルタ作用は、所与のビーム方向の各々の送信／受信チャンネル に対する推定値に対して行ってもよいし、若しくは所与のチャンネルに対する各 々のビーム方向にわたって行ってもよいし、又は最も一般的には、チャンネル及 びビーム方向の両方にわたって行ってもよい。 フィルタ作用を希望しないときには、位相補正値Δφ_kしか必要としない。式 （１）及び式（２）で送信遅延時間及び受信遅延時間を計算するとき、遅延時間 補正値Ｔ_c,kをゼロに初期設定して、特定のビーム方向に対するデータを最初に 収集する。この発射から得られた測定された位相補正値Δφ_kは、前に述べた位 相と時間との間の関係式を用いて、遅延時間補正値Ｔ_c,kに変換される。即ち、 Ｔ_c,k＝Δφ_k／（２πｆ）である。ここて、ｆは超音波作像パルスの中心周波数 である。これらの遅延時間補正値Ｔ_c,kを用いて、このビーム方向に対する次の 発射のときの送信遅延時間及び受信遅延時間を調節する。この次の発射は、 新しい一組の遅延時間補正値を発生する。このように送信遅延時間及び受信遅延 時間を反復的に改善する過程が、このビーム方向に対して続けられ、同様にすべ てのビーム方向に対して行われ、その後、オペレータの希望により、補正値は再 びゼロにリセットされる。 遅延時間推定値のフィルタ作用を希望するときには、相関器の和Ｉ_s,k及びＱ_{s ,k} をディジタル制御器１６（第１図）で用いる。この場合、各々のチャンネル及 びビームに対して１つずつの相関和Ｓ_s,k＝Ｉ_s,k＋ｊＱ_s,kは、チャンネルにわ たって及び／又はビーム方向にわたって、フィルタ作用にかけられ、新しい一組 のフィルタ処理済み相関和Ｓ′_s,kを発生する。位相角Δφ_k′がフィルタ処理済 み相関和Ｓ′_s,kから計算され、前と同じように遅延時間に変換される。フィル タ作用は、測定値中の不規則な誤差の影響を減少させることにより、遅延時間推 定値を改善する。ディジタル制御器を用いることにより、システムの回路を変更 せずに、広い範囲の種々のフィルタを構成することができる。例えば、所定のビ ームに対して、チャンネルにわたって加えれるＭ個の一様な重みを有するフィル タは、ビーム和基準信号と、Ｍ個の素子を含んでいる変換器配列全体のうちの部 分開口によって発生された信号との間の相関を実施することに相当する。 本発明のある好ましい特徴のみを図面に示して説明したが、当業者には種々の 改変及び変更が考えられよう。従って、請求の範囲の記載は、本発明の要旨の範 囲内に属する このようなすべての改変及び変更を包括するものであることを承知されたい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ビームに対する伝送媒質の伝搬速度の非一様性を補正するコヒーレント 振動エネルギ・ビーム作像システムであって、 あるパターンに設けられた一組の配列素子を有している変換器配列であって、 前記素子の各々は、送信モードの間に振動エネルギのパルスを発生すると共に受 信モードの間に該素子に入射する振動エネルギに応答してエコー信号を発生する ように、別々に動作可能である、変換器配列と、 該変換器配列に接続されており、送信モードの間に、方向決めされた送信ビー ムが発生されるように、前記配列素子の各々に対してそれぞれの送信遅延時間Ｔ_t,k を有する別々の送信信号パルスを印加するよう動作可能である送信器と、 前記変換器配列に接続されており、受信モードの間に、方向決めされた受信ビ ームが発生されるように、振動エネルギが入射したときに前記配列素子の各々に より発生されるエコー信号をサンプリングすると共に該エコー信号のサンプルの 各々にそれぞれ別々の受信遅延時間Ｔ_r,kを加えるよう動作可能である受信器と 、 前記変換器配列内の各々の配列素子に加えられる送信信号パルスの送信遅延時 間Ｔ_t,kを補正するために前記送信器に印加されると共に、前記エコー信号のサ ンプルの各々に加えられる受信遅延時間Ｔ_r,kを補正するために前記受信器に印 加される遅延時間補正値Ｔ_c,kを前記受信器に応 答して発生する補正手段とを備えたコヒーレント振動エネルギ・ビーム作像シス テム。 ２． 前記補正手段は、 前記遅延時間補正値Ｔ_c,kを発生する遅延時間補正プロセッサと、 該遅延時間補正プロセッサに応答して、前記遅延時間補正値Ｔ_c,kに応答して 前記送信遅延時間Ｔ_t,k及び前記受信遅延時間Ｔ_r,kを発生するディジタル制御器 とを含んでいる請求項１に記載のコヒーレント振動エネルギ・ビーム作像システ ム。 ３． 前記受信器は、複数のＮ個の受信チャンネルを含んでおり、前記遅延時 間補正プロセッサは、 前記受信チャンネルに接続されている複数のＮ個の相関器であって、前記受信 チャンネルの各々１つの出力が該相関器のそれぞれ１つに接続されている、複数 のＮ個の相関器と、 前記受信チャンネルの各々１つに接続されており、ビーム和信号を形成するよ うに該チャンネルにより発生された出力信号を算術的に合算する合算手段であっ て、該合算手段は、前記相関器の各々に対して前記ビーム和信号を供給するよう に該相関器に接続されている、合算手段とを含んでいる請求項２に記載のコヒー レント振動エネルギ・ビーム作像システム。 ４． 前記相関器の各々に接続されており、平均期間にわたって前記相関器を 動作可能にする制御手段を含んでい る請求項３に記載のコヒーレント振動エネルギ・ビーム作像システム。 ５． 前記制御手段は、前記振動エネルギに伝搬範囲の制限を課すように選択 された平均期間にわたって前記相関器を動作可能にするように構成されている請 求項４に記載のコヒーレント振動エネルギ・ビーム作像システム。 ６． 前記相関器の各々は、 前記受信チャンネルのそれぞれ別々の１つに接続されており、前記ビーム和信 号、及び前記受信チャンネルのそれぞれ別々の１つにより発生された出力信号の 共役複素数の複素数乗算をサンプルごとに実行する複素数乗算器手段と、 該複素数乗算器手段の複素数出力信号を相関和として累積するアキュムレータ 手段と、 該アキュムレータ手段にある相関和に対する位相角出力信号を発生する逆正接 計算機手段とを含んでおり、 前記システムは、前記乗算器手段及び前記逆正接計算機手段の各々の出力を前 記ディジタル制御器に結合する手段を更に含んでいる請求項３に記載のコヒーレ ント振動エネルギ・ビーム作像システム。 ７． 前記振動エネルギは、超音波エネルギを含んでおり、前記変換器の各々 は、超音波変換器を含んでいる請求項４に記載のコヒーレント振動エネルギ・ビ ーム作像システム。 ８． 超音波作像システムにおいて、ビームに対する伝送媒質の伝搬速度の非 一様性を補正する方法であって、 あるパターンに設けられた超音波変換器素子の配列にエネルギを与える工程で あって、前記配列の素子の各々は、送信モードの間に、方向決めされた送信ビー ムが発生されるように該素子に対してそれぞれ印加されたそれぞれの送信遅延時 間Ｔ_t,kを有する別々の送信信号パルスに応答して、別々に動作可能であり、前 記配列の素子の各々は更に、受信モードの間に、該素子に対してそれぞれ入射し た超音波エネルギに応答してエコー信号を発生するように別々に動作可能である 、超音波変換器素子の配列にエネルギを与える工程と、 超音波エネルギが入射したときにそれぞれ別々の受信チャンネルを介して、前 記配列の素子の各々により発生された前記エコー信号をサンプリングする工程と 、 像を発生するのに用いられる方向決めされた受信ビームを形成するように、各 々の配列の素子のエコー信号のサンプルをそれぞれの受信遅延時間Ｔ_r,kだけ別 々に遅延させる工程と、 基準ビーム和信号を形成するように、別々に遅延させた前記配列の素子のエコ ー信号のサンプルを合算する工程と、 前記配列の素子の各々に対する遅延時間補正値Ｔ_c,kを発生するように、前記 基準ビーム和信号を別々に遅延させた配列の素子のエコー信号のサンプルの各々 と相互相関させる工程とを備えたビームに対する伝送媒質の伝搬速度の非一様性 を補正する方法。 ９． 前記配列の素子の各々に対する前記遅延時間補正 値Ｔ_c,kに応答して、前記方向決めされた送信ビームが発生されるときに前記配 列の素子の各々にそれぞれ印加される別々の信号パルスのそれぞれの送信遅延時 間Ｔ_t,kを変更する工程と、 前記配列の素子の各々に対する前記遅延時間補正値Ｔ_c,kに応答して、前記配 列の素子のエコー信号のサンプルの各々に加えられるそれぞれ別々の受信遅延時 間Ｔ_r,kを変更する工程とを含んでいる請求項８に記載の方法。 １０． 前記ビーム和信号は、複素数信号を含んでおり、 前記エコー信号のサンプルは、複素数信号を含んでおり、 前記相互相関は、 前記ビーム和信号に前記別々に遅延させた配列の素子のエコー信号のサンプル の共役複素数を乗算して複素数積を発生することと、 平均期間にわたって前記積を合算して複素数相関和を発生することとにより行 われる請求項８に記載の方法。 １１． 各々の遅延時間補正値Ｔ_c,kは、 受信チャンネルと、ビーム方向と、受信チャンネル及びビーム方向の両方とか ら成っている群のうちの１つにわたり、各々個別の受信チャンネル及び各々の個 別のビーム方向に対して発生された複素数相関和をフィルタ作用にかけて、フィ ルタ処理済み複素数相関和を発生することと、 前記フィルタ処理済み複素数相関和の各々の位相を計算することと、 計算された位相の各々を超音波作像パルスの中心周波数 の２π倍で除して、各々個別の受信チャンネル及び各々個別のビーム方向に対す る遅延時間補正値Ｔ_c,kを発生することとにより発生される請求項１０に記載の 方法。