JPH0856944A - 超音波ビームフォーマ - Google Patents

超音波ビームフォーマ

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JPH0856944A JP7202324A JP20232495A JPH0856944A JP H0856944 A JPH0856944 A JP H0856944A JP 7202324 A JP7202324 A JP 7202324A JP 20232495 A JP20232495 A JP 20232495A JP H0856944 A JPH0856944 A JP H0856944A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の超音波ビームフォーマを並列動作させ
るのに回路構成が簡潔で低廉で、かつ超音波ビームの走
査の対象物の画像化と高解像度の超音波ビームフォーマ
を提供すること。 【解決手段】 超音波ビームの走査対象から反射された
エネルギをフェーズド・アレイ超音波変換器１０の変換
素子１０1 〜１０n で受信して電気信号に変換し、デジ
タル化ユニット２０1 〜２０n でデジタル・サンプルに
変換し、時間多重化遅延ユニット２２1 〜２２n でデジ
タル・サンプルを時間多重化した遅延量だけ遅延してデ
ジタル・サンプルのストリームを生成し、このストリー
ムを加算ユニット２４で加算して２つあるいはそれ以上
の受信ビームを表す時間多重出力サンプルのストリーム
を形成して、人体の組織の画像を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はフェーズド・アレイ
・ビーム・ステアリングおよびフォーカシングを用いる
超音波画像化装置に関し、より詳細には受け取った２つ
あるいはそれ以上のビームを時間多重化を用いて同時に
処理する超音波ビームフォーマに関する。
【０００２】
【従来の技術】フェーズド・アレイ超音波画像化装置で
は、超音波変換器は変換器素子のアレイを有する。かか
る装置はそれぞれがこれらの変換器アレイ素子の１つに
接続された送信器と受信器を有するn 個の並列なチャン
ネルを有する。それぞれの送信器は変換器素子を介して
画像化すべき物体（通常は人体）に超音波パルスを送出
する。送出された超音波エネルギはそれぞれのアレイ素
子から送出された超音波パルスに対して送出されたエネ
ルギが所望の点に構築的に加わるように遅延を加えるこ
とによって方向付けおよび集束される。パルスは体内の
さまざまな構造や組織によって部分的に変換器アレイに
反射される。
【０００３】受け取られた超音波エネルギの方向付けと
集束は逆の方法で行なわれる。物体すなわち構造から反
射された超音波エネルギは異なる時点でアレイ要素に到
達する。受信された信号は受信ビームフォーマ内で増
幅、遅延および加算される。それぞれの素子に対する遅
延は、受け取られたビームが所望の点に集束するように
選択される。遅延は超音波エネルギが受け取られると
き、ビームを徐々に深い位置あるいは領域に集束するよ
うに動的に変化させることができる。送出されたビーム
は身体のある領域を走査し、ビームフォーマによって生
成された信号が処理されてその領域の画像が生成され
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】超音波画像化における
重要な要素（consideration)は画像シーケンス・レート
すなわちフレーム・レートである。フレーム・レートは
人体内での超音波エネルギの伝播速度、画像化しようと
する深さ、および画像の形成に用いられる走査線の数に
よって限定される。フレーム・レートは血流のカラー・
ドップラ画像化および高解像度画像の生成において特に
重要である。
【０００５】フレーム・レートを増大する方法の１つ
に、送出されたパターンの範囲内で２つ以上の方向から
同時にビームを受け取る方法がある。高いフレーム・レ
ートを得る他の方法においては、いくつかの広い間隔を
おいた受信ビームが同時に処理される。複数の受信ビー
ムの第３の応用法では、「通常の」送出パターンと多数
の受信ビームを用いて合成アパーチャ・データ・セット
を近似的に計算し、この合成アパーチャ・データ・セッ
トからいくつかの有益な画像強調を計算することができ
る。従来の装置では、並列動作する複数のビームフォー
マによって複数の受信ビームが形成される。しかし、そ
れぞれのビームフォーマに大量な回路が必要であるた
め、この方法はコストが高く実用的ではない。
【０００６】Augustine （オーガスティン）の１９８７
年２月２４日付米国特許第４，６４４，７９５号には、
sin(πx)/ πx 送出励起を用い、受信信号が並列遅延路
に入れられるマルチライン超音波ビームフォーマが開示
されている。
【０００７】Perten（パーテン）他の１９８８年１２月
１３日付米国特許第４，７９０，３２０号には、デュア
ル・ポートＲＡＭ等の遅延処理装置が並列ビーム形成を
同時に行なうためのインクリメンタルな遅延を有する超
音波画像化装置が開示されている。
【０００８】O'Donnell （オードネル）の１９８９年１
２月１２日付米国特許第４，８８６，０６９号には、帰
還信号を復調し、受信された信号の位相を回転させるこ
とによってＭの異なるビーム方向からの帰還信号を同時
に得る技術が開示されている。
【０００９】Fidel （フィデル）の１９８６年11月11日
付米国特許第４，６２２，６３４号には、第１のメモリ
と第２のメモリにベクトル情報が交互に記憶される超音
波ベクトルの並列処理装置が開示されている。
【００１０】Pesque（ペスキュウ）の１９９０年１月９
日付米国特許第４，８９３，２８３号には、送信器が非
常に短い期間にＭのビームを順次に送出し、受信器がこ
のＭのビームのエコーを同時に受け取る超音波装置が開
示されている。
【００１１】Harrison（ハリソン）他の１９９２年６月
９日付米国特許第５，１２１，３６１号には、交互に動
作して異なる領域に集光する第１および第２のプログラ
ム可能なビーム集束モジュールを有するプログラム可能
なビームフォーマが開示されている。この場合、１つの
ビームだけが形成されるように見える。
【００１２】Robinson（ロビンソン）の１９８１年２月
２４日付米国特許第４，２５２，０２６号には、複数の
ビーム形成回路によって送出パルスのそれぞれについて
受信ビームが提供される超音波装置が開示されている。
【００１３】McKeighen （マッキヘン）他の１９７９年
１０月３０日付米国特許第４，１７３，００７号には、
独立した読み出しおよび書き込み能力を有してダイナミ
ックに変化する遅延を生成するメモリを用いた超音波画
像化装置が開示されている。この遅延は書き込みあるい
は読み出しアドレス・ポインタを変更することによって
変化させることができる。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、超音波
変換器アレイから受け取った信号を処理する超音波ビー
ムフォーマは、それぞれが変換器アレイの１つの素子か
らの信号を受け取る複数の処理チャンネルを有する。そ
れぞれの処理チャンネルは受信信号をサンプリング・レ
ートｆでデジタル・サンプルに変換するデジタル化手段
と遅延係数に応じてデジタル・サンプルを時間多重化さ
れた遅延量だけ遅延して、遅延された時間多重サンプル
を生成して２つあるいはそれ以上の受信ビームを生成す
る時間多重遅延手段を有する。この超音波ビームフォー
マはさらに遅延された時間多重デジタル・サンプルを加
算して、２つあるいはそれ以上の受信ビームを表わす時
間多重出力サンプルのストリームを形成する加算手段と
各処理チャンネルの時間多重遅延手段に遅延係数を供給
する係数発生器を有する。
【００１５】好適には、時間多重遅延手段はデジタル・
サンプルをサンプリング期間１／ｆに等しい増量で量子
化された選択された遅延量だけ遅延するための遅延手段
からなる。この遅延手段は好適にはデジタル・サンプル
を記憶するためのメモリ手段、デジタル・サンプルをメ
モリ手段に書き込む手段、およびメモリ手段の時間多重
化された遅延に対応する位置からデジタル・サンプルを
読み出す時間多重読み出し手段からなる。第１実施例に
おいて、このメモリ手段は２ポート・ランダム・アクセ
ス・メモリからなる。読み出し手段は処理される各受信
ビームのための読み出しカウンタと、各クロック・サイ
クル中に処理される受信ビームを表わすインターリーブ
制御信号に応じて選択された読み出しカウンタの出力を
メモリ手段に与えるマルチプレクサ手段で構成すること
ができる。読み出しカウンタは好適には所望の遅延に対
応するメモリ手段内の位置をアドレス指定する手段を有
する。好適には、時間多重遅延手段はさらに各読み出し
カウンタに対応した集束遅延発生器を有する。それぞれ
の集束遅延発生器は遅延係数に応じて対応する読み出し
カウンタの状態を制御する。
【００１６】本発明の他の特徴は、時間多重遅延手段に
さらに整数クロック遅延手段によって出力された遅延さ
れたデジタル・サンプルを処理して、２つ以上の主ビー
ムを形成するための時間多重デジタル・サンプルを含む
第１のデータ・ストリームと２つ以上の近接ビームを形
成するための第２のデータ・ストリームを提供する主ビ
ームおよび近接ビーム遅延処理手段を設けることができ
ることである。それぞれの近接ビームは対応する主ビー
ムを有し、またそれぞれの近接ビームはそれに対応する
主ビームの所定の角度範囲内にある。主ビームおよび近
接ビーム遅延処理手段は好適には遅延されたデジタル・
サンプルにある一定の追加遅延を加えて第１にデータ・
ストリームを提供する主ビーム遅延手段と遅延されたデ
ジタル・サンプルに前に加えられた遅延を取り除いて主
ビーム遅延の所定数のクロック・サイクル内にある近接
ビーム遅延を加えて第２のデータ・ストリームを提供す
る近接ビーム遅延手段からなる。
【００１７】第２の実施例では、メモリ手段は書き込み
ポート、第１の読み出しポート、および第２の読み出し
ポートを有する３ポート・ランダム・アクセス・メモリ
からなる。時間多重読み出し手段は第１の読み出しポー
トに第１のインターリーブされたアドレスを供給するた
めの第１の読み出しアドレス制御と第２の読み出しポー
トに第２のインターリーブされたアドレスを供給するた
めの第２の読み出しアドレス制御からなる。第１の読み
出しポートは第１のインターリーブされたアドレスに応
じて時間多重データ・サンプルの第１のストリームを供
給し、第２の読み出しポートは第２のインターリーブさ
れたアドレスに応じて時間多重データ・サンプルの第２
のストリームを供給する。この３ポート・ランダム・ア
クセス・メモリは上述した主ビームおよび近接ビーム遅
延処理回路を用いることなく２つの時間多重受信ビーム
群を提供する。この２つの受信ビーム群は、主ビームと
近接ビームの場合と異なり、互いに所定のオフセット角
内にある必要はない。
【００１８】好適には、時間多重遅延手段はさらにデジ
タル・サンプルを、サンプリング期間１／ｆより小さい
増量で量子化された選択された小遅延量だけ遅延するた
めの遅延補間器を有する。この遅延補間器は好適にはフ
ィルタ係数に応じてデジタル・サンプルをサンプリング
期間１／ｆより小さい増量で量子化された異なる小遅延
量だけ遅延するプログラム可能な手段を有するＦＩＲデ
ジタル・フィルタ、小遅延制御信号に応じてＦＩＲデジ
タル・フィルタにフィルタ係数を供給する手段、遅延係
数に応じて小遅延制御信号を生成する手段、およびそれ
ぞれの受信ビームを表わす連続するデジタル・サンプル
の群を、異なるクロック・サイクル中にＦＩＲデジタル
・フィルタに時間多重的に与えるために記憶する手段か
らなる。
【００１９】デジタル化手段は好適には受信信号を増幅
する増幅器、増幅された信号を制限するリミッタ、この
制限された信号から高周波成分を除去得する低域フィル
タ、およびこの制限され、フィルタにかけられた信号を
デジタル・サンプルに変換するアナログ／デジタル変換
器からなる。このリミッタは好適にはアナログ／デジタ
ル変換器の飽和を防止する手段を有する。低域フィルタ
はサンプリング・レートｆに対応するカット・オフ周波
数を有する。
【００２０】加算手段は好適にはパイプライン構造を有
し、複数の処理チャンネル群のための遅延されたデジタ
ル・サンプルを加算して第１のクロック・サイクル中に
複数の中間和を提供する加算を行ない、また第２のクロ
ック・サイクル中にこの複数の中間和を加算して複数の
処理チャンネル群を表わす和を形成する手段を有する。
この加算手段は好適にはさらに処理される受信ビームの
数を表わすインターリーブ係数に応じて加算手段の出力
に異なるパイプライン遅延を加えるプログラム可能な手
段を有する。
【００２１】
【発明の実施の形態】図１には本発明の超音波変換器ア
レイと超音波ビームォーマとしてのデジタル・フェーズ
ド・アレイ超音波ビームフォーマの概略ブロック図を示
す。フェーズド・アレイ超音波変換器10は変換器素子１
０1 ，１０2 ，・・・，１０n 有する。これらの変換器
素子は通常直線状あるいは曲線状のアレイに構成され
る。超音波変換器１０は通常最大で１２８の変換器素子
を有する。
【００２２】超音波変換器１０は画像化される物体に超
音波エネルギを送出し、反射された超音波エネルギを受
け取る。医療用の超音波画像化装置では、反射は人体の
ある領域内のさまざまな構造や組織から受け取られる。
図１には簡略化のための超音波スキャナの送信器部分が
省略されているが、同部分は図３に示されている。各変
換器素子に加えられるパルスを適当に遅延することによ
って、集束された超音波ビームが患者に送出される。こ
の送出されたビームはそれぞれの変換器素子に関係する
遅延を変化させることによって集束および方向付けされ
る。
【００２３】患者の体内のある特定の点から反射された
超音波エネルギは各変換器要素によって異なる時点で受
け取られる。変換器素子１０1 ，１０2 ，・・・，１０
N のそれぞれは受け取った超音波エネルギを電気信号に
変換し、この電気信号は受信ビームフォーマ１２に供給
される。受信ビームフォーマ１２は、受信感度パターン
が制御されることによって受け取られた超音波エネルギ
の集束と方向付けが行なわれるようにこの電気信号を処
理する。超音波変換器１０に対する焦点の深さと方向は
各変換器素子からの受信信号を適当に遅延することによ
って時間とともに動的に変化させることができる。受信
ビームフォーマ１２は各変換器素子に対応する独立した
処理チャンネルを有する。
【００２４】超音波変換器、送信器、および受信ビーム
フォーマは複数の走査線に沿って超音波エネルギを送出
し受け取るフェーズド・アレイ超音波スキャナの部分を
なす。扇形走査パターン、線形走査パターンおよびその
他の当業者に周知の走査パターンを用いることができ
る。受信ビームフォーマ１２の出力はそれぞれの走査線
に沿って受け取られた超音波エネルギを表わす一連のデ
ジタル・データ・サンプルである。ビームフォーマ出力
１４が周知の技術で処理されて走査される領域の超音波
画像が生成される。
【００２５】変換器素子１０1 ，１０2 ，・・・，１０
n からの電気信号は受信ビームフォーマ１２の個々の処
理チャンネルに与えられる。それぞれの処理チャンネル
はデジタル化ユニット２０i と時間多重遅延ユニット２
２i を有する。ｉは１からｎの間で変動する。変換器素
子１０1 の出力はデジタル化ユニット２０1 の入力に与
えられ、デジタル化ユニット２０1 の出力は時間多重遅
延ユニット２２1 の入力に与えられる。同様に、変換器
素子１０2 の出力はデジタル化ユニット２０2の入力に
与えられ、デジタル化ユニット２２2 の出力は時間多重
遅延ユニット２２2 の入力に与えられる。時間多重遅延
ユニット２２1 ，２２2 ，・・・，２２ n の出力は加算
ユニット２４の入力に与えられる。計数発生器であるコ
ントローラ２８が遅延係数と他の制御情報をそれぞれの
処理チャンネルに供給する。一般に、それぞれのデジタ
ル化ユニット２０i は変換器素子からのアナログ信号を
このアナログ信号を表わす一連のデジタル・サンプルに
変換する。時間多重遅延ユニット２２i はそれぞれのデ
ジタル・サンプルに遅延を与える。この遅延は受信感度
パターンが所望の方向に方向付けされ、所望の深さで集
束するように選択される。
【００２６】本発明の重要な特徴は、デジタル・サンプ
ルに与えられる遅延は複数の受信ビームに対応し、遅延
されたデジタル・サンプルのストリームが複数の受信ビ
ームを同時に表わすように時間多重化される。したがっ
て、受信ビームフォーマ１２は複数の受信ビームの時間
多重処理を実行する。時間多重ビームフォーマによって
処理できる受信ビームの数は時間多重ビームフォーマの
クロック・レートと用いられる変換器の周波数によって
決まる。時間多重ビームフォーマによって処理される受
信ビームはすべて超音波エネルギの送出パターン内にな
ければならない。この条件はすべての受信ビームを含む
だけの幅を持つ１つのビームを送出する、複数のビーム
を同時に送出する、あるいは複数のビームを高速に連続
して送出することによって満たされる。
【００２７】超音波画像化装置では、異なる周波数を有
する異なる変換器を異なるアプリケーションに用いるこ
とができる。時間多重ビームフォーマのクロック・レー
トは用いられる最も周波数高い変換器および用いられる
可能性のある保護周波数帯のナイキスト条件を満たすも
のでなければならない。たとえば、最も周波数の高い変
換器が１００％の分数帯域幅（５ＭＨｚから１５ＭＨ
ｚ）を有する１０ＭＨｚのフェーズド・アレイ変換器で
ある場合、４０ＭＨｚのクロック・レートを用いること
ができる。４０ＭＨｚのクロック・レートで動作するデ
ジタル・ビームフォーマは１０ＭＨｚの変換器に対して
１つの受信ビームを処理することができる。このビーム
フォーマは同じクロック・レートを用いて、５ＭＨｚの
変換器の場合には２つの受信ビーム、3.３３ＭＨｚの変
換器の場合３つの受信ビーム、２．５ＭＨｚの変換器の
場合４つの受信ビームの時間多重処理を行なうことがで
きる。周波数の低い７つの変換器については、クロック
・レートを変えることなく、また受信ビームフォーマの
ハードウエアを増やすことなく複数の受信ビームを処理
することができる。したがって、用いられる変換器に応
じて、このビームフォーマによって１本から４本の受信
ビームを処理することができる。同時に処理することの
できるビームの異なる数はクロック・レートと変換器の
周波数の関係に応じて変化することがわかる。後に説明
するが、ビームフォーマの回路の一部を複製することに
よって、処理できるビームの数を増やすことができる。
【００２８】図２に受信ビームフォーマ１２の好適なア
ーキテクチャを示す。受信器基板３０1 ，３０2 ，・・
・，３０n はそれぞれフェーズド・アレイ変換器１０の
１６の変換器素子からの信号を処理する。１２８の変換
器素子を有する好適な変換器には８つの受信基板が用い
られる。係数発生器３２が始めの４つの受信器基板３０
1 ，３０2 ，３０3 および３０4 に対する遅延係数を供
給し、係数発生器３４が残りの４つの受信器基板３
０5 、３０6 、３０6 および３０8 に対する遅延係数を
供給する。それぞれの受信器基板は16の変換器素子のた
めのデジタル化ユニット２０i と時間多重遅延ユニット
２２i を有する。また、それぞれの受信器基板は次に説
明する加算ユニット２４の一部を含む。
【００２９】受信器基板３０1 ，３０2 ，・・・，３０
8 と係数発生器３２および３４はＸバス４０とＹバス４
２によって相互接続されている。Ｘバス４０およびＹバ
ス４２は受信器基板の間に、受信器基板間のパスにクロ
ック同期されたレジスタを設けたデイジー（daisy ）チ
ェーン構成で設けられており、したがってそれぞれの受
信器基板は次の受信器基板だけを駆動する。その結果、
リードの長さの問題と論理伝播遅延の問題を防止するこ
とができる。受信中、Ｘバス４０は最大で４つの時間多
重主ビームの遅延されたデータ・サンプルを搬送し、Ｙ
バス４２は最大で４つの時間多重近接ビームの遅延され
たデータサンプルを搬送する。係数発生器３２および３
４は遅延係数を記憶するためのキャッシュメモリを有
し、超音波エネルギの送出の前にＸバス４０およびＹバ
ス４２上に関係する受信器への遅延係数を送る。制御Ｃ
ＰＵ４４が係数発生器３２および３４と受信器基板３０
1 ，３０2 ，・・・，３０8 を制御する。
【００３０】ビームフォーマのＸバス出力５０はデマル
チプレクサ５２に入力され、Ｙバス出力５４はデマルチ
プレクサ５６に入力される。デマルチプレクサ５２およ
び５６はＸバス出力５０およびＹバス出力５４上の時間
多重デジタル・サンプルと同期したインターリーブ状態
信号によって制御される。それぞれのバス出力が多重化
解除されてそれぞれが異なる受信ビームを表わす別個の
信号が最大で４つ生成される。各受信ビームの信号が周
知の方法で処理されて、超音波画像が生成される。最大
で８つの受信ビームが同時に生成されるため、超音波画
像のフレーム・レートは最大で８倍まで大きくなる。前
述したように、本発明の範囲内であれば、処理できるビ
ームの数はこれより多くすることも少なくすることもで
きる。
【００３１】図３には、図１に示す受信ビームフォーマ
１２内の各処理チャンネルのデジタル化ユニット２０i
の実施例のブロック図を示す。変換器素子１０i が送信
／受信スイッチ６０に電気的に接続されている。送信／
受信スイッチ６０の第１のポートが可変利得増幅器６２
の入力に接続されている。送信器６４が送信／受信スイ
ッチ６０の第２のポートに接続されている。当該技術分
野で周知の通り、この送信／受信スイッチ６０は送信器
６４が通電されるとき増幅器６２への入力を保護する。
増幅器６２は変換器素子１０i からの低レベルのアナロ
グ信号を増幅し、リミッタ６８の入力に増幅された信号
を供給する。増幅器６２の利得制御は、当該技術分野で
周知の通り、受信中の時間利得制御（ＴＧＣ）と全体的
な利得の制御を行なうのに用いられる。リミッタ６８の
出力は低域フィルタ７０を介してアナログ／デジタル変
換器７２の入力に接続される。アナログ／デジタル変換
器７２は変換器信号を、装置に用いられる最も周波数の
高い変換器および所望の保護周波数帯に対するナイキス
ト条件を満たすサンプル・クロック・レートでサンプリ
ングする。前述したように、好適なクロック・レートは
約４０ＭＨｚである。アナログ／デジタル変換器７２の
出力はこのサンプル・クロック・レートによるデジタル
・データ・サンプルのストリームである。
【００３２】低域フィルタ７０はアナログ信号の高周波
成分によるデータ・サンプルのエイリアスの発生を防止
する。低域フィルタ７０は変換器の周波数とビームフォ
ーマに用いられるインターリーブ係数に応じたカットオ
フ周波数を有する。たとえば、４０ＭＨｚのクロック・
レートと１０ＭＨｚの変換器を用いて１つのビームを形
成する場合、低域フィルタ７０は１５ＭＨｚのコーナ周
波数を有する。同じクロック・レートを用いて、５ＭＨ
ｚの変換器で２つの受信ビームの時間多重処理を行なう
場合、低域フィルタ７０のコーナ周波数は７．５ＭＨｚ
とすることができる。同様に、受信ビームが３つである
場合、低域フィルタ７０のコーナ周波数は５ＭＨｚ、受
信ビームが４つである場合３．７５ＭＨｚとすることが
できる。
【００３３】アナログ／デジタル変換器７２が飽和した
場合、高調波が発生する。高調波はデータ・サンプルに
エイリアスを発生させる可能性があり、また低域フィル
タ７０によっては除去されない。この問題はアナログ／
デジタル変換器７２に供給されるアナログ信号をアナロ
グ／デジタル変換器７２が飽和するレベルより少し低い
レベルに制限するリミッタ６８によって解決することが
できる。その結果、アナログ／デジタル変換器７２の飽
和によって発生する高調波を防止することができる。
【００３４】図４には、各処理チャンネルの時間多重遅
延ユニット２２i の第１実施例のブロック図を示す。デ
ジタル化ユニット２０i （図３）からのデータ・サンプ
ルは整数クロック遅延８０に入力される。この整数クロ
ック遅延８０はデータ・サンプルにサンプル・クロック
周期に等しい増量で量子化された遅延を加える。データ
・サンプルに加えられる遅延は複数の受信ビームに対応
し、整数クロック遅延の出力を複数の受信ビームの形成
に用いることができるように時間多重化される。したが
って、装置が４つの受信ビームを処理するように構成さ
れる場合、線８１上の整数クロック遅延８０の出力は４
つの受信ビームに対応するデジタル・データ・サンプル
のストリームを含む。第１のクロック・サイクルにおい
て、データ・サンプルは第１の受信ビームの形成に必要
な量だけ遅延される。第２のクロック・サイクルにおい
て、データ・サンプルは第２の受信ビームの形成に必要
な量だけ遅延される。第３のクロック・サイクルにおい
て、データ・サンプルは第３の受信ビームの形成に必要
な量だけ遅延される。第４のクロック・サイクルにおい
て、データ・サンプルは第４の受信ビームの形成に必要
な量だけ遅延される。以下、この処理が繰り返される。
その結果得られるデータ・ストリームは４つの受信ビー
ムを同時に表わす時間多重データ・サンプルを含む。各
受信ビームは焦点と変換器に対する角度が異なる場合が
ある。しかし、各受信ビームは送出される超音波エネル
ギのパターン内に入っていなければならない。
【００３５】整数クロック遅延８０によって加えられる
遅延は主集束遅延発生器８２によって制御され、１つの
集束遅延発生器がそれぞれの受信ビームに対応する。整
数クロック遅延は主集束遅延発生器８２からの主集束制
御信号を受け取る。
【００３６】整数クロック遅延の出力は線８１上を主ビ
ーム遅延８４の入力と近接ビーム遅延８６の入力に供給
される。近接ビーム遅延８６は主集束遅延発生器８２と
近接集束遅延発生器８８からの集束制御信号を受け取
る。主ビーム遅延８４と近接ビーム遅延８６は主受信ビ
ームの集合と近接受信ビームの集合を形成するのに用い
られる。それぞれの近接受信ビームの角度は対応する主
ビームの角度から少しずれている。主ビーム遅延８４の
出力は最大で４つの主ビームを形成するための時間多重
データ・サンプルのストリームである。近接ビーム遅延
８６の出力は最大で４つの近接ビームを形成するための
時間多重データ・サンプルのストリームである。したが
って、主ビーム遅延８４と近接ビーム遅延８６は追加の
受信ビームの生成を可能にするが、この場合ビーム形成
のためのハードウエアを追加しなければならない。受信
ビームの数が少なくてもよい場合、近接ビーム回路を削
除することができる。
【００３７】主ビーム遅延８４の出力は遅延補間器９０
に供給され、近接ビーム遅延８６の出力は遅延補間器９
２に供給される。遅延補間器９０および９２の機能はそ
れぞれのデータ・サンプルをサンプリング期間より小さ
い増量で量子化された選択された小遅延量だけ遅延する
ことである。したがって、たとえば、データ・ストリー
ム内のそれぞれのサンプルは０、１／４τ、１／２τ、
あるいは３／４τだけ遅延することができる。ここで、
τはサンプリング期間である。遅延補間器はサンプリン
グ・クロック・レートを上げることなく高画質の画像を
生成することを可能にする。遅延補間器９０および９２
は整数クロック遅延８０と同様に時間多重化される。デ
ータ・サンプルに加えられる遅延は、出力が最大で４つ
の受信ビームを同時に表わすように時間多重化される。
遅延補間器９０および９２の小遅延情報は近接ビーム遅
延８６から主小遅延制御信号および近接小遅延制御信号
として受け取られる。
【００３８】遅延補間器９０および９２の出力はアポダ
イゼーションおよび利得制御９４、９６に供給される。
アポダイゼーションおよび利得制御９４、９６はそれぞ
れの受信ビームに対するデータ・サンプルの振幅を調整
するための乗算器からなる。アポダイゼーション情報
は、アポダイゼーションおよび利得制御９４、９６にア
ポダイゼーション係数と利得係数を供給するアポダイゼ
ーションＲＡＭ９８に記憶されている。アポダイゼーシ
ョン情報は係数発生器３２および３４からＲＡＭ９８に
ロードされる。制御９４および９６へのアポダイゼーシ
ョンおよび利得係数の適用はインターリーブ状態信号に
よって受信ビームに同期される。時間多重遅延ユニット
２２i の出力１００および１０２はそれぞれ最大で４つ
の受信ビームを同時に表わす時間多重データ・サンプル
のストリームからなる。出力１００は最大で４つの主受
信ビームを表わし、出力１０２は最大で４つの近接受信
ビームを表わす。図１に示すように、それぞれの処理チ
ャンネルの出力は加算ユニット２４によって加算され、
ビームフォーマ出力１４が提供される。加算ユニット２
４の動作を次に詳細に説明する。
【００３９】図５には整数クロック遅延８０の一例のブ
ロック図を示す。アナログ／デジタル変換器７２（図
３）からのデータ・サンプルは２ポート・ランダム・ア
クセス・メモリ（以下、ＲＡＭという）１１０に入力さ
れる。２ポートＲＡＭ１１０はデータの同時書き込み／
読み出しを可能にする。好適な実施例において、２ポー
トＲＭ１１０は１０２４の記憶場所を有し、それぞれの
記憶場所はアナログ／デジタル変換器７２からのデータ
・サンプルを記憶するのに充分な数のビットを有する。
好適な実施例では１０ビット・データ・サンプルが用い
られる。２ポートＲＡＭ１１０とその関連回路はデータ
・サンプルに時間多重遅延を加える。２ポートＲＡＭ１
１０はその出力に多重受信ビームを形成するためのデー
タ・サンプルのストリームを供給する。
【００４０】２ポートＲＡＭ１１０は「循環」メモリと
して動作する。メモリへのデータ・サンプルの書き込み
においては、２ポートＲＡＭ１１０内の記憶場所が順次
アドレス指定され、データ・サンプルがアドレス指定さ
れた記憶場所に記憶される。２ポートＲＡＭ１１０がい
っぱいになると、書き込みアドレスは最初の記憶場所に
戻り、次のデータ・サンプルはこの最初の記憶場所に書
き込まれる。書き込みアドレスが再度順次指定され、デ
ータ・サンプルが前に記憶されたデータ・サンプルの上
に書き込まれる。
【００４１】データ・サンプルは書き込みアドレスから
ずれたアドレスからのデータを読み出すことによって遅
延される。この読み出しアドレスもまた順次指定され
て、入力データに対して遅延された出力データの連続し
たストリームが提供される。したがって、たとえば、読
み出しアドレスが書き込みアドレスから１０の記憶場所
だけずれている場合、２ポートＲＡＭ１１０の出力に供
給されるデータ・サンプルは入力データ・サンプルに対
して１０のクロック・サイクルだけ遅延される。
【００４２】受信中に動的な集束を行なうためには、デ
ータサンプルに加えられる遅延を動的に変化させなけれ
ばならない。遅延の変化は２ポートＲＡＭ１１０内の書
き込みアドレスと読み出しアドレスの差を変化させるこ
とによって得られる。したがって、たとえば、書き込み
アドレスと読み出しアドレスの差を10クロック・サイク
ルの遅延に相当する１０の記憶場所分の差から１１クロ
ックサイクルの遅延に相当する11の記憶場所分の差に変
えることができる。通常、必要な遅延は数サイクルの間
は一定のままであり、その後１クロック・サイクルずつ
増大される。後述するように、遅延の増大は読み出しア
ドレス・カウンタを「停止する」ことによって行なわれ
る。これによって書き込みアドレスと読み出しアドレス
の差が変化する。１クロック・サイクルより小さい変化
量で量子化された小遅延が次に説明するように遅延補間
器によって与えられる。
【００４３】上述したように、整数クロック遅延８０は
複数の受信ビームを時間多重的に処理することができ
る。さらに、受信ビームの数は選択することができる。
一実施例においては、１本、２本、３本、あるいは４本
の受信ビームを処理することができる。受信ビームの数
は超音波画像化装置に用いられる変換器によって決ま
る。したがって、たとえば、１０ＭＨｚの変換器が用い
られる場合、１本の受信ビームを処理することができ、
２．５ＭＨｚの変換器が用いられる場合、４本の受信ビ
ームを処理することができる。受信ビームの数は特定の
変換器のタイプに対して設定され、「インターリーブ係
数」信号によって示される。
【００４４】２ポートＲＡＭ１１０は装置クロックに同
期した書き込みアドレス・カウンタ１１４によってアド
レス指定される。インターリーブ・カウンタ１１６は書
き込みアドレス・カウンタ１１４にカウント・イネーブ
ル信号を与える。インターリーブ・カウンタ１１６は装
置クロックに同期しており、装置クロック周波数を所望
の受信ビーム数（インターリーブ係数）に応じて１、
２、３あるいは４で分周する。インターリーブ係数が１
本の受信ビームに対応する１であるとき、書き込みアド
レス・カウンタ１１４が各装置クロックパルスによって
インクリメントされる。インターリーブ係数が４である
とき、書き込みアドレス・カウンタ１１４は３つおきの
装置クロックパルスによってインクリメントされる。し
たがって、インターリーブ係数が１である場合、すべて
のデータ・サンプルが２ポートＲＡＭ１１０に記憶され
る。インターリーブ係数が４である場合、３つおきのデ
ータ・サンプルが２ポートＲＡＭ１１０に記憶される。
変換器素子からのアナログ信号の最大周波数が低く、ま
たナイキスト条件を満たすのに必要なサンプリング・レ
ートが低いため情報の損失が発生しない。
【００４５】２ポートＲＡＭ１１０の読み出しアドレス
は読み出しアドレス・カウンタ１２０，１２２，１２４
および１２６によって供給される。これらの読み出しア
ドレス・カウンタの１つがそれぞれの受信ビームに対応
する。読み出しアドレス・カウンタ１２０，１２２，１
２４および１２６の出力は４対１マルチプレクサ１３０
を介して２ポートＲＡＭ１１０の読み出しアドレス入力
に供給される。４対１マルチプレクサ１３０の状態は読
み出し制御カウンタ１３２によって制御される。読み出
し制御カウンタ１３２の出力は４対１マルチプレクサ１
３０の制御入力および２行−４行復号器１３４の入力に
供給される。２行−４行復号器１３４の出力は読み出し
アドレス・カウンタ１２０，１２２，１２４および１２
６のイネーブル入力に供給される。
【００４６】読み出しアドレス・カウンタ１２０，１２
２，１２４および１２６はそれぞれ２行−４行復号器１
３４からのイネーブル信号、係数発生器３２あるいは３
４（図２）からの初期遅延設定、主集束遅延発生器８２
（図４）からの主集束制御信号、および装置クロックを
受け取る。初期遅延設定はある特定の受信ビームのため
のデータ・サンプルに加えるべき初期遅延を確立する。
主集束制御信号は加えられる遅延を変化させる停止コマ
ンドを含む。
【００４７】整数クロック遅延８０の一例において、２
ポートＲＡＭ１１０は１０２４の記憶場所を有する。読
み出しアドレス・カウンタ１２０，１２２，１２４およ
び１２６のそれぞれは１２ビット増分器であり、１２ビ
ット初期遅延設定を受け取る。選択された読み出しアド
レス・カウンタの最上位の１０ビットは４対１マルチプ
レクサ１３０を介して２ポートＲＡＭ１１０の読み出し
アドレス入力に供給される。この構成はデータ・サンプ
ルを最大で１０２４クロック・サイクルだけ遅延するこ
とを可能にする。それぞれの読み出しアドレス・カウン
タの最下位の２ビットは１クロック・サイクルより小さ
い小遅延を表わし、整数クロック遅延には用いられな
い。後述するように、小遅延は遅延補間器９０によって
加えられる。好適な実施例において、総遅延は１／４ク
ロック・サイクルの変化量で量子化され、１クロック・
サイクルは４遅延量を表わす。ある特定の受信ビームの
遅延を変化させる必要がないとき、停止コマンドは不活
動状態であり、対応する読み出しアドレス・カウンタは
（１クロック・サイクルに対応する）４だけインクリメ
ントされる。これによって２ポートＲＡＭ１１０に与え
られる読み出しアドレスは１記憶場所だけインクリメン
トされる。ある特定の受信ビームの遅延を変化させる必
要があるとき、停止コマンドが活動状態であり、対応す
る読み出しアドレス・カウンタは３だけインクリメント
される。これはクロック・サイクルの３／４に対応する
が、２ポートＲＡＭ１１０に与えられる読み出しアドレ
スは停止し（同じままであり）、遅延補間器９０によっ
て加えられる小遅延は総変化量が１遅延量になるように
調整される。
【００４８】整数クロック遅延８０の動作を、４つの受
信ビームの処理のタイミングを示す図６を参照して説明
する。前述したように、書き込みアドレス・カウンタ１
１４は３つおきの装置クロックパルスで状態が変化す
る。２ポートＲＡＭ１１０は所定の期間にわたる入力信
号を表わすデータ・サンプルを含む、第１のクロック・
サイクル中に、４対１マルチプレクサ１３０は読み出し
アドレス・カウンタ１２０を選択し、そこに記憶された
読み出しアドレスは２ポートＲＡＭ１１０の読み出しア
ドレスに与えられる。読み出しアドレス・カウンタ１２
０は第１の受信ビームに必要な遅延を表わす読み出しア
ドレスを含む。読み出しアドレス・カウンタ１２０によ
って指定されたアドレスに記憶されたデータ・サンプル
は線８１上で２ポートＲＡＭ１１０によって供給され
る。第２のクロック・サイクル中に、４対１マルチプレ
クサ１３０は読み出しアドレス・カウンタ１２２の出力
を選択し、そこに記憶された読み出しアドレスは２ポー
トＲＡＭ１１０に与えられる。読み出しアドレス・カウ
ンタ１２２は第２の受信ビームに必要な遅延を表わす読
み出しアドレスを含む。読み出しアドレス・カウンタ１
２２によって指定されたアドレスに記憶されたデータ・
サンプルは線８１上で２ポートＲＡＭ１１０によって供
給される。同様に、読み出しアドレス・カウンタ１２４
および１２６の出力は第３および第４のクロック・サイ
クル中に２ポートＲＡＭ１１０に与えられ、第３および
第４の受信ビームを表わすデータ・サンプルは線８１上
で２ポートＲＡＭ１１０から供給される。その結果得ら
れる２ポートＲＡＭ１１０の出力は４つの受信ビームを
形成するためのデータ・サンプルが時間多重化されたシ
リアル・データ・ストリームである。
【００４９】上述したように、読み出しアドレス・カウ
ンタ１２０，１２２，１２４および１２６は係数発生器
３２、３４からの初期遅延設定および主集束遅延発生器
８２からの停止コマンドを受け取る。それぞれの読み出
しアドレス・カウンタには集束遅延発生器が設けられ
る。線１４０上で停止コマンドを時間多重化して、異な
る集積回路に実装することのできる整数クロック遅延８
０と主集束遅延発生器８２の間の相互接続の数を低減す
ることができる。停止コマンドのアドレス指定は２行−
４行復号器１３４によって生成されるイネーブル信号に
よって制御される。
【００５０】当該技術分野で周知の通り、超音波アレイ
内の各素子に加えられる遅延の一般式は中心素子、受信
走査線の角度、焦点の範囲あるいは深度等の基準に対す
る、アレイ内の素子の位置の関数である。ある特定の走
査線について、動的な集束を行なうためには、素子Ｘの
位置と走査線の角度θは通常固定され、その範囲は時間
の関数とされる。動的な集束を行なっている間、各変換
器素子に必要な遅延は増大する。
【００５１】本発明では、遅延の増大は読み出しアドレ
ス・カウンタの１つを停止することを意味する。上述し
たように、読み出しアドレス・カウンタが停止される
と、読み出しアドレスと書き込みアドレスの差が増大
し、その結果データ・サンプルに与えられる遅延が増大
する。それぞれの読み出しアドレス・カウンタに対する
初期遅延設定は特定の変換器素子（Ｘ位置）に対する遅
延と走査線角度を表わす。特定の走査線上の動的な集束
に必要な遅延は対応する主集束遅延発生器８２によって
決定される。変換器素子の位置、走査線角度および遅延
式に基づいて、各集束遅延発生器は対応する読み出しア
ドレス・カウンタの内容によって表わされる必要な遅延
をいつ変化させなければならないかを判定し、停止コマ
ンドを発する。停止コマンドは装置クロックと同期され
る。集束遅延発生器は同時係属中の「Focal Delay Gene
rator For Digital Phased Array Ultrasound Beamfor
mer （デジタル・フェーズド・アレイ超音波ビームフォ
ーマ用集束遅延発生器）」｛譲受人のDocket（ドケッ
ト）番号１０９２２７４｝に詳細に説明され、ここに参
照のために引用されている。
【００５２】前述したように、読み出しアドレス・カウ
ンタは停止が必要でないとき４だけインクリメントされ
る。読み出しアドレス・カウンタの最下位の２ビットは
２ポートＲＡＭ１１０には与えられないため、読み出し
アドレス・カウンタに「４」を加えることによって２ポ
ートＲＡＭ１１０内の読み出しアドレスが「１」だけイ
ンクリメントされ、加えられる遅延は固定されたままで
ある。停止が必要な場合、読み出しアドレス・カウンタ
は「３」だけインクリメントされる。読み出しアドレス
・カウンタの最下位の２ビットは２ポートＲＡＭ１１０
に与えられないため、読み出しアドレス・カウンタは２
ポートＲＡＭ１１０内の同じアドレスで停止され、それ
によって粗遅延が１サンプル期間だけ遅延される。後述
するように、遅延補間器90は、停止コマンドが与えられ
たとき総遅延がサンプル・クロック期間（１遅延量）の
１／４だけ変化するように、サンプル・クロック期間の
何分の１かだけ遅延を調整する。
【００５３】図７には主ビーム遅延８４と近接ビーム遅
延８６の一例のブロック図を示す。主ビームと近接ビー
ムの概念は、必要な回路構成を大幅に増大することなく
同時に処理される受信ビームの数を増大させるのに用い
られる。各主受信ビームはそれからわずかに角度の変位
した対応する近接受信ビームを有する。この角変位は遅
延の小さな差に相当する。図８に示す例では、１〜４の
主ビームと１〜４の近接ビームを処理することができ
る。
【００５４】主ビーム遅延８４は好適には１２段のシフ
ト・レジスタ１５０として構成される。シフト・レジス
タ１５０は各主ビーム内の各データ・サンプルに１２ク
ロック・サイクルの固定された遅延を加える。すべての
変換器素子のデータ・サンプルに同じ固定された遅延を
加えてもビームの方向付けすなわち動的な集束には効果
がないことが理解されるであろう。シフト・レジスタ１
５０は好適にはビームフォーマによって処理可能な受信
ビームの数（本実施例は「１」、「２」、「３」あるい
は「４」）で割ることのできる数の段を有する。
【００５５】近接ビーム遅延８６は通常24の記憶場所を
有する２ポートＲＡＭ１５２を含む。線８１上に２ポー
ト ＲＡＭ１１０（図５）によって供給されるデータ・サ
ンプルは２ポートＲＡＭ１５２の書き込みデータ入力と
シフト・レジスタ１５０の第１段に与えられる。近接ビ
ームに関係する遅延は主ビームに対して１２±１２クロ
ック・サイクルである。近接ビーム遅延８６は主ビーム
に加えられた停止コマンドを取り除き、近接ビームの処
理に必要な停止コマンドを与える。
【００５６】書き込みアドレス制御１５４は２ポートＲ
ＡＭ１５２の書き込みアドレス入力にインターリーブさ
れた書き込みアドレスを供給する。また、書き込みアド
レス制御１５４は遅延補間器９０（図４）に主小遅延制
御を供給する。主集束遅延発生器８２（図４）は書き込
みアドレス制御１５４に主集束制御を供給する。読み出
しアドレス制御１５６は２ポートＲＡＭ１５２の読み出
しアドレス入力にインターリーブされた読み出しアドレ
スを供給する。また、読み出しアドレス制御１５６は遅
延補間器９２（図４）に近接小遅延制御を供給する。近
接集束遅延発生器８８（図４）は読み出しアドレス制御
１５６に主集束制御を供給する。書き込みアドレス制御
１５４と読み出しアドレス制御１５６は係数発生器３
２、３４（図２）からの遅延設定を受け取る。
【００５７】図８には、書き込みアドレス制御１５４と
読み出しアドレス制御１５６の実施に適当な回路の一例
を示す。アドレス・カウンタ１６０，１６２，１６４お
よび１６６は４対１マルチプレクサ１６８に結合された
出力を有し、２ポートＲＡＭ１５２へのインターリーブ
されたアドレスを提供する。書き込みアドレス制御１５
４の場合、このインターリーブされたアドレスは書き込
みアドレスであり、読み出しアドレス制御１５６の場
合、このインターリーブされたアドレスは読み出しアド
レスである。それぞれのアドレス・カウンタは受信ビー
ムの１つに対応する。４対１マルチプレクサ１６８の状
態は制御カウンタ１７０によって制御される。制御カウ
ンタ１７０の状態は現在処理中の受信ビームを示すイン
ターリーブ状態信号を表わす。したがって、線８１上の
データ・サンプルが受信ビーム「０」を表わすとき、制
御カウンタ１７０によって与えられるインターリーブ状
態信号によってアドレス・カウンタ１６０が選択され
る。制御カウンタ１７０は処理される受信ビームを連続
的に順次指定する。
【００５８】アドレス・カウンタ１６０、１６２、１６
４および１６６のそれぞれは２ぽーとＲＡＭ１５２内の
「２４」の記憶場所に対応するＭＤＤ２４カウンタおよ
び遅延補間のための２つの追加段を有する。それぞれの
ＭＤＤ２４カウンタの出力は４対１マルチプレクサ１６
８に供給される。制御カウンタ１７０の出力は２行／４
行復号器１７２に供給される。２行−４行復号器１７２
の出力はアドレス・カウンタ１６０，１６２，１６４お
よび１６６のイネーブル入力である。それぞれのアドレ
ス・カウンタは集束制御信号と、制御カウンタ１７０に
よって生成されるインターリーブ状態信号と同期したイ
ネーブル信号を受け取る。主集束制御信号は書き込みア
ドレス制御１５４内のカウンタに与えられ、近接集束制
御信号は読み出しアドレス制御１５６内のカウンタに与
えられる。上述したように、集束制御信号は、イネーブ
ルされたカウンタを「４」遅延量だけすすめて一定した
遅延を生じさせるがあるいはイネーブルされたカウンタ
を「３」遅延量だけ進めて遅延を変化させる停止コマン
ドを含む。
【００５９】書き込みアドレス制御１５４内のイネーブ
ルされたカウンタの内容は対応する受信ビームのデータ
・サンプルと同期して２ポートＲＡＭ１５２の書き込み
アドレス入力に与えられる。書き込みアドレス制御１５
４内のカウンタは読み出しアドレス・カウンタ１２０，
１２４および１２６（図５）と同じ停止コマンドを受け
取るため、停止コマンドはキャンセルされ、２ポートＲ
ＡＭ１５２に記憶されたデータは主集束制御信号の停止
コマンドに関係した遅延を含まない。
【００６０】また、読み出しアドレス制御１６０は図８
に示す回路によって実施することもできる。書き込みア
ドレス制御１５４と読み出しアドレス制御１５６の実施
は別個の回路を用いて行なわれることがわかる。アドレ
ス・カウンタ１６０，１６２，１６４および１６６の出
力は４対１マルチプレクサ１６８を介して２ポートＲＡ
Ｍ１５２の読み出しアドレス入力に与えられる。４対１
マルチプレクサ１６８は上述した制御カウンタ１７０に
よって生成されるインターリーブ状態信号によって制御
される。読み出しアドレス制御１５６内の各カウンタは
２ポートＲＡＭ１５２内のそれぞれのｌ記憶場所に１つ
の状態が対応するＭＤＤ２４カウンタと遅延補間のため
の２つの追加段を有する。読み出しアドレス制御１５６
内の各カウンタはインターリーブ状態信号と同期したイ
ネーブル信号と近接集束遅延発生器88（図４）からの近
接集束制御信号を受け取る。近接集束制御信号は各アド
レス・カウンタに対する停止コマンドを含み、インター
リーブ状態信号に同期している。したがって、読み出し
アドレス制御１５６内のカウンタは近接ビームに対する
停止コマンドにしたがって制御される。線１１０上の２
ポートＲＡＭ１５２の出力は「１」〜「４」の近接受信
ビームを表わす時間多重データ・サンプルを含む。
【００６１】すなわち、主ビームに対する遅延は２ポー
トＲＡＭ１１０（図５）によってデータ・サンプルに加
えられる。２ポートＲＡＭ１１０からのデータ・サンプ
ルがシフト・レジスタ１５０によってさらに１２クロッ
ク・サイクルだけ遅延されて、出力線１８０上に主ビー
ム・データ・サンプルが生成される。２ポートＲＡＭ１
５２とそれに関係する書き込みアドレス制御１５４およ
び読み出しアドレス制御１５６が主ビームに必要な停止
を取り除き、近接ビームに必要な停止を与えて出力線１
８０上に近接ビーム・データ・サンプルを提供する。
【００６２】アドレス・カウンタ１６０，１６２，１６
４および１６６のそれぞれの最下位の２ビットは制御カ
ウンタ１７０によって生成されるインターリーブ状態信
号によって制御される４対１マルチプレクサ１８４に入
力される。アドレス・カウンタ１６０，１６２，１６４
および１６６のそれぞれの最下位の２ビットはそれぞれ
のビームに必要な小遅延すなわち分数遅延を表わす。４
対１マルチプレクサ１８４の出力は時間多重小遅延制御
信号である。書き込みアドレス制御１５４の小遅延信号
出力は各主ビームに加わる小遅延を表わし、遅延補間器
９０（図４）に与えられる。読み出しアドレス制御１５
６の小遅延信号出力は各近接ビームに加わる小遅延を表
わし、遅延補間器９２（図４）に与えられる。
【００６３】図９には時間多重遅延補間器のブロック図
を示す。この遅延補間器はサンプリング・クロック周期
より短い遅延量で量子化された異なる選択可能な遅延量
を有する有限インパルス応答（ＦＩＲ）デジタル・フィ
ルタ１９６を有する。このＦＩＲデジタル・フィルタは
フラットな振幅応答と周波数の関数としてのリニアな遅
延量を持つように設計されている。ＦＩＲデジタル・フ
ィルタに異なるフィルタ係数を適用することによって異
なる遅延量が得られる。この遅延補間のためのＦＩＲデ
ジタル・フィルタは偶数の段を有し、対称である。好適
な実施例では、ＦＩＲデジタル・フィルタ１９６は６つ
の段を有し、サンプリング期間の０倍、１／４，１／２
および３／４の遅延量を生成する。遅延補間のための好
適なＦＩＲデジタルフィルタ１９６が同時係属中の「De
lay Interpolator For Digital Phased Array Ultrasou
nd Beamformer （デジタル・フェーズド・アレイ超音波
ビームフォーマ用遅延補間器）」と題する出願（譲受人
Docket（ドケット）番号１０９２１８５））に開示さ
れ、ここに参照のめに引用されている。
【００６４】ＦＩＲデジタル・フィルタ遅延補間器は内
部フィードバックを有しないため複数の受信ビームを時
間多重処理するための時間多重ビーム・フォーマに用い
ることができる。それぞれのビームに関するデータはＦ
ＩＲデジタル・フィルタ内で個別に処理される。
【００６５】主ビーム遅延８４あるいは近接ビーム遅延
８６からの時間多重データ・サンプルはインターリーブ
状態信号に同期される。インターリーブ状態信号が２行
−４行復号器２０２によって復号されてイネーブル信号
ＥＮ１，ＥＮ２，ＥＮ３，およびＥＮ４が提供される。
これらのイネーブル信号は任意の瞬時にどのビームが処
理中であるかを示す。したがって、たとえば、イネーブ
ル信号ＥＮ１が活動状態であるとき、データ・サンプル
はビーム「０」を表わす。データ・サンプルはシフト・
レジスタ２０４、２０６，２０８および２１０に並列に
入力される。ＦＩＲデジタル・フィルタ１９６が６つの
段を有する実施例では、各シフト・レジスタはそれぞれ
がＮビットからなる６つの段を有する（ここで、Ｎは各
データ・サンプル中のビットの数）。シフト・レジスタ
２０４、２０６、２０８および２１０へのデータ・サン
プルの移動はイネーブル信号ＥＮ１，ＥＮ２，ＥＮ３お
よびＥＮ４によって制御される。第１のクロック・サイ
クル中には、イネーブル信号ＥＮ１が活動状態であり、
ビーム０を表わすデータ・サンプルがシフト・レジスタ
２０４にロードされる。第２のクロック・サイクル中に
は、イネーブル信号ＥＮ２が活動状態であり、ビーム１
を表わすデータ・サンプルがシフト・レジスタ２０６に
ロードされる。第３のクロック・サイクル中には、イネ
ーブル信号ＥＮ３が活動状態であり、ビーム２を表わす
データ・サンプルがシフト・レジスタ２０８にロードさ
れる。第４のクロック・サイクル中には、イネーブル信
号ＥＮ４が活動状態であり、ビーム３を表わすデータ・
サンプルがシフト・レジス２１０にロードされる。シフ
トレジスタのそれぞれが４つの受信ビームのうちの１つ
の６つの連続するサンプルを含むようにこの処理が繰り
返される。したがって、シフト・レジスタ２０４はビー
ム０の６つの連続するサンプルを含み、シフト・レジス
タ２０６はビーム１の６つの連続したサンプルを含む。
他も同様である。
【００６６】シフト・レジスタ２０４、２０６、２０８
および２１０の出力は４対１マルチプレクサ２１４に供
給される。４対１マルチプレクサ２１４の４つの入力は
それぞれ、６つのＮビットのデータ・サンプルを含む。
４対１マルチプレクサ２１４はインターリーブ状態信号
によって制御される。４対１マルチプレクサ２１４の出
力は、時間多重化された受信ビームのうちの１つを表わ
す、それぞれがＮビットからなる６つのデータ・サンプ
ルＡ〜Ｆである。４対１マルチプレクサ２１４からのデ
ータ・サンプルＡ〜ＦはＦＩＲデジタル・フィルタ１９
６の入力に供給される。フィルタ係数ＣＡ，ＣＢ，Ｃ
Ｃ，ＣＤ．ＣＥおよびCFが係数記憶ユニット２１６から
ＦＩＲデジタル・フィルタ１９６に供給される。係数記
憶ユニット２１６はランダム・アクセス・メモリとする
ことができる。所望の小遅延に対応する一組の係数が、
近接ビーム遅延８６（図４）からの小遅延制御信号によ
って係数記憶ユニット２１６内でアドレス指定される。
所望の小遅延はそれぞれが異なるフィルタ係数群（ＣＡ
〜ＣＦ）を必要とする。
【００６７】ＦＩＲデジタル・フィルタ１９６におい
て、フィルタ係数が６つのデータ・サンプルＡ〜Ｆにそ
れぞれ掛けられ、その結果の和から出力データ・サンプ
ルが求められる。上述したように、遅延補間器はデータ
・サンプルをサンプリング・クロック期間より短い変化
量で量子化された選択された遅延量だけ遅延する。好適
な実施例では、遅延補間器はサンプリング・クロック期
間の０倍，１／４，１／２および３／４の遅延量を生成
する。したがって、ＦＩＲデジタル・フィルタ１９６の
出力は最大で４つの受信ビームを形成するための時間多
重データを含むデータサンプルのストリームである。こ
れらのデータサンプルは整数クロック遅延８０によって
整数個のクロック・サイクルだけ遅延され、また対応す
る遅延補間器９０および９２によってサンプリング・ク
ロック期間より短い小遅延量だけ遅延される。
【００６８】図１０には加算ユニット２４（図１）の一
部を示す。図１０に示す加算回路は受信ビームフォーマ
の１６の処理チャンネルの出力を加算する。上述したよ
うに、通常のフェーズド・アレイ超音波変換器は１２８
の変換器素子を有し、したがって受信ビームフォーマ内
に１２８の処理チャンネルを必要とする場合がある。図
２に示す好適なアーキテクチャでは、それぞれの受信器
基板は変換器アレイの１６の要素からの信号を処理し、
それぞれの受信器基板はこれら１６のチャンネルを加算
するための図１０に示す加算回路を有する。この加算回
路の出力はデイジーチェーン構成のバスＸバス４０およ
びＹバス４２に与えられる。各受信器基板からの加算出
力が同期されるようにするためにパイプライン構造が用
いられる。
【００６９】図１０において、１６の処理チャンネルの
出力（時間多重遅延ユニット２２iの出力）は加算ユニ
ット２３０，２３２，２３４，および２３６によって一
度に４つずつ加算される。加算ユニット２３０，２３
２，２３４，および２３６の出力はそれぞれパイプライ
ン・レジスタ２４０，２４２，２４４および２４６を介
して４入力加算ユニット２５０に供給される。加算ユニ
ット２３０，２３２，２３４，および２３６への各入力
は時間多重遅延ユニット２２i （図４）の主ビーム出力
１００あるいは近接ビーム出力１０２によって表わされ
る時間多重化され、遅延されたデータ・サンプルのスト
リームである。パイプライン・レジスタ２４０，２４
２，２４４および２４６はそれぞれ装置クロックによっ
てクロックされる。加算ユニット２５０の出力はパイプ
ライン・レジスタ２５１を介して加算ユニット２５４に
供給される。加算ユニット２５４はまた前の受信器基板
からのバス入力があればこれを受け取る。加算ユニット
２５４へのバス入力はデイジーチェーン構造内の前のす
べての処理チャンネルの加算出力を含む。加算ユニット
２５４の出力は一連のパイプライン・レジスタ２６０，
２６２，２６４および２６６を介して４対１マルチプレ
クサ２７０に供給される。パイプライン・レジスタ２６
２，２６４および１６６の出力は４対１マルチプレクサ
２７０の入力に与えられる。４対１マルチプレクサ２７
０はインターリーブ状態信号によって制御される。レジ
スタ２６０，２６２，２６４および２６６およびマルチ
プレクサ２７０はインターリーブ係数に応じてそれぞれ
の受信器基板の加算出力に２、３あるいは４クロックサ
イクルの遅延を挿入することを可能にする。これによっ
て、インターリーブ係数が異なる場合にもすべての受信
器基板からの出力を同期させることが可能になる。した
がって、加算ユニットとの最終出力はすべての処理チャ
ンネルのデータ・サンプルの時間同期された和を表わ
す。加算ユニットの出力は時間多重化されたままであ
り、「１」〜「４」の受信ビーム上の焦点からの総受信
信号強度を表わす。
【００７０】図１１には時間多重遅延ユニット２２
i （図１）の第２の実施例を示す。図４と図１１におい
て同じ構成要素には同じ参照符号が付されている。図１
１の実施例にはそれぞれが時間多重化された受信ビーム
を表わす２つのデータ・ストリームを生成するための３
ポートＲＡＭ３００が用いられる。３ポートＲＡＭ３０
０は２つの異なるアドレスに対するデータの書き込みと
データの読み出しを同時に行なう能力を有する。ただ
し、同じアドレスに対するデータの書き込みと読み出し
を同時に行なうことはできない。通常、この３ポートＲ
ＡＭ３００は２つの異なるアドレスからの同時読み出し
を可能にする２組のセンス・アンプと復号器を用いて構
成される。図１１の構成は最大で４つの受信ビームを表
わすデータ・サンプルを含むグループ１データ・ストリ
ームと最大で４つの受信ビームを表わすデータ・サンプ
ルを含むグループ２データ・ストリームを生成する。グ
ループ１のビームとグループ２のビームは前述した主ビ
ームと近接ビームの場合と異なり、互いに対して所定の
オフセット角内に入っている必要はない。ただそれぞれ
の受信ビームが送出された超音波エネルギのパターン内
に入っているだけでよい。
【００７１】３ポートＲＡＭ３００は装置クロックと同
期した書き込みアドレス・ポインタ３０２によってアド
レス指定される。インターリーブ・カウンタ３０４が書
き込みアドレス・カウンタ３０２にカウント・イネーブ
ル信号を供給する。インターリーブ・カウンタ３０４は
装置クロックに同期しており、所望の受信ビーム数（イ
ンターリーブ係数）に応じて装置クロック周波数を１、
２、３あるいは４で分周する。書き込みアドレス・カウ
ンタ３０２およびインターリーブ・カウンタ３０４はそ
れぞれ図５に示す上述した書き込みアドレス・カウンタ
１１４およびインターリーブ・カウンタ１１６に対応す
る。
【００７２】グループ１読み出しアドレス制御３１０が
３ポートＲＡＭ３００の読み出しアドレス１入力にグル
ープ１のインターリーブされたアドレスを供給する。ま
た、グループ１読み出しアドレス制御３１０は遅延補間
器９０にグループ１小遅延制御を供給する。グループ１
集束遅延発生器３１２がグループ１読み出しアドレス制
御３１０にグループ１集束制御を供給する。グループ２
読み出しアドレス制御３２０が３ポートＲＡＭ３００の
読み出しアドレス２入力にグループ２のインターリーブ
されたアドレスを供給する。また、グループ２読み出し
アドレス制御３２０は遅延補間器９２にグループ２小遅
延制御を供給する。グループ２集束遅延発生器３２２が
グループ２読み出しアドレス制御３２０にグループ２集
束制御を供給する。グループ１集束遅延発生器３１２お
よびグループ２集束遅延発生器３２２は図４に示す上述
した集束遅延発生器８２および８８と同じ機能と構造を
有する。
【００７３】グループ１読み出しアドレス制御３１０お
よびグループ２読み出しアドレス制御３２０は図８に示
し上述したように構成することができる。ただし、アド
レスカウンタ１６０，１６２，１６４および１６６はＭ
ＤＤ２４カウンタではない。その代わりに、グループ１
読み出しアドレス制御３１０およびグループ２読み出し
アドレス制御３２０内のカウンタは３ポートＲＡＭ３０
０のアドレス入力と同じ数のビットに加えて小遅延の制
御のための２つのビットを有する。たとえば、この３ポ
ートＲＡＭ３００は１０２４のアドレスを有する。この
場合、グループ１読み出しアドレス制御３１０およびグ
ループ２読み出しアドレス制御３２０内のカウンタはそ
れぞれ１２ビット、すなわち３ポートＲＡＭ３００をア
ドレス指定するための１０ビットと小遅延の制御のため
の２ビットを有する。
【００７４】３ポートＲＡＭ３００の読み出しデータ１
出力は遅延補間器９０にグループ１データストリームと
して供給される。３ポートＲＡＭ３００の読み出しデー
タ２出力は遅延補間器９２にグループ２データ・ストリ
ームとして供給される。上述したように、グループ１の
ビームとグループ２のビームは関係付けられている必要
はない。遅延補間器９０および９２の出力はそれぞれア
ポダイゼーションおよび利得制御９４，９６に供給され
る。これらの遅延補間器とアポダイゼーションおよび利
得制御は図４に示しまた上述したものに対応する。
【００７５】本発明の現在考えられる好適な実施例を図
示および説明したが、当業者には特許請求の範囲から逸
脱することなくさまざまな変更や改造が可能であること
は明らかであろう。
【００７６】以上本発明の各実施例について詳述した
が、ここで、各実施例の理解を容易にするために、各実
施例ごとに要約して以下に列挙する。
【００７７】１． 超音波変換器アレイ（１０）から受
け取った信号を処理するための超音波ビームフォーマ
（１２）であって、それぞれが前記の超音波変換器アレ
イ（１０）の素子からの信号を受け取る複数の処理チャ
ンネル、受け取った信号をサンプリング・レートｆでデ
ジタル・サンプルに変換するデジタル化手段（２０1 、
２０2 、・・・、２０n ）、遅延係数に応じて前記のデ
ジタル・サンプルを時間多重化した遅延量だけ遅延して
２つあるいはそれ以上の受信ビームを形成するための遅
延され、時間多重化されたデジタル・サンプルのストリ
ームを生成する時間多重遅延手段（２２1 、２２2 、・
・・，２２n ）、前記の遅延され時間多重化されたデジ
タル・サンプルを加算して前記の２つあるいはそれ以上
の受信ビームを表わす時間多重出力サンプルのストリー
ムを形成する加算手段（２４）、前記の遅延係数を前記
の各処理チャンネル内の時間多重遅延手段（２２1 、２
２2 、・・・，２２n ）に供給する係数発生器（２８）
からなる超音波ビームフォーマである。
【００７８】２． 前記の時間多重遅延手段は、前記の
デジタル・サンプルをサンプリング期間１／ｆに等しい
増量で量子化された選択された遅延量だけ遅延する遅延
手段を有し、前記の遅延手段は前記のデジタル・サンプ
ルを記憶するメモリ手段、前記のデジタル・サンプルを
前記のメモリ手段書き込む手段、および前記のデジタル
・サンプルを前記のメモリ手段の前記の時間多重化され
た遅延に対応する位置から読み出す時間多重読み出し手
段からなる上記１に記載の超音波ビームフォーマであ
る。
【００７９】３． 前記の読み出し手段は、処理される
各受信ビームに対する読み出しカウンタからなり、各読
み出しカウンタは所望の遅延に対応する前記のメモリ手
段内の位置をアドレス指定する手段と各クロック・サイ
クル中に処理される受信ビームを表わすインターリーブ
制御信号に応じて選択された読み出しカウンタの出力を
前記のメモリ手段に与えるマルチプレクサ手段を含む上
記２に記載の超音波ビームフォーマである。
【００８０】４． 前記の時間多重遅延手段はさらに、
前記の遅延されたデジタル・サンプルを処理して２つあ
るいはそれ以上の主ビームを形成するための時間多重デ
ジタル・サンプルを含む第１のデータ・ストリームと２
つあるいはそれ以上の近接ビームを形成するための時間
多重デジタル・サンプルを含む第２のデータ・ストリー
ムを提供する主ビームおよび近接ビーム遅延処理手段を
有し、各近接ビームは対応する主ビームを有し、各近接
ビームは対応する主ビームの所定の角度範囲内にある上
記２に記載の超音波ビームフォーマである。
【００８１】５． 前記の時間多重遅延手段はさらに、
前記のデジタル・サンプルをサンプリング期間１／ｆよ
り短い増量で量子化された選択された遅延量だけ遅延す
る遅延補間器を有する上記２に記載の超音波ビームフォ
ーマである。
【００８２】６． 前記の時間多重遅延手段、前記の加
算手段、および前記の係数発生器はそれぞれ選択された
数の受信ビームを処理するためのプログラム可能な手段
を有する上記２に記載の超音波ビームフォーマである。
【００８３】７． 前記の加算手段は第１のクロック・
サイクル中に複数のチャンネル群の遅延されたデジタル
・サンプルを加算して複数の中間和を提供する手段と、
第２のクロック・サイクル中に前記の複数の中間和を加
算して前記の複数のチャンネル群を表わす和を形成する
手段を含むパイプライン構造を有する上記１に記載の超
音波ビームフォーマである。
【００８４】８． 前記のメモリ手段は書き込みポー
ト、第１の読み出しポート、および第２の読み出しポー
トを有する３ポート・ランダム・アクセス・メモリから
なり、前記の時間多重遅延手段は第１のインターリーブ
されたアドレスを前記の第１の読み出しポートに供給す
る第１の読み出しアドレス制御と第２のインターリーブ
されたアドレスを前記の第２の読み出しポートに供給す
る第２の読み出しアドレス制御を有し、前記の第１の読
み出しポートは前記の第１のインターリーブされたアド
レスに応じて時間多重化されたデータ・サンプルの第１
のストリームを供給し、前記の第２の読み出しポートは
前記の第２のインターリーブされたアドレスに応じて時
間多重化されたデータ・サンプルの第２のストリームを
供給する上記２に記載の超音波ビームフォーマである。
【００８５】９． 前記の第１および第２の読み出しア
ドレス制御はそれぞれ処理される各受信ビームに対する
読み出しカウンタからなり、各読み出しカウンタは所望
の遅延に対応する前記の３ポート・ランダム・アクセス
・メモリ内の位置をアドレス指定する手段と各クロック
・サクル中に処理される受信ビームを表わすインターリ
ーブ制御信号に応じて選択された読み出しカウンタの出
力を前記のメモリ手段に与えるマルチプレクサ手段とを
含む上記８に記載の超音波ビームフォーマである。
【００８６】１０． 超音波変換器アレイ（１０）から
受け取った信号を処理するための超音波ビームフォーマ
（１２）であって、それぞれが前記の超音波変換器アレ
イ（１０）の素子からの信号を受け取る複数の処理チャ
ンネル、受け取った信号をサンプリング・レートｆでデ
ジタル・サンプルに変換するデジタル化手段であって、
受け取った信号を増幅するための増幅器（６２）、増幅
された信号を制限するためのリミッタ（６８）、制限さ
れた信号から高周波成分を除去するための低域フィルタ
（７０）、および制限されフィルタにかけられた信号を
前記のデジタル・サンプルに変換するためのアナログ／
デジタル変換器（７２）からなり、前記のリミッタ（６
８）は前記のアナログ／デジタル変換器（７２）の飽和
を防止する手段を含むデジタル化手段（２０１，２０
２，・・・，２０ｎ）、前記のデジタル・サンプルを選
択された遅延量だけ遅延して受信ビームを形成するため
の遅延されたデジタル・サンプルのストリームを生成す
る遅延手段（２２３１，２２２，・・・，２２ｎ）、前
記の遅延されたデジタル・サンプルを加算して前記の受
信ビームを表わす出力サンプルのストリームを形成する
加算手段（２４）からなる超音波ビームフォーマであ
る。
【００８７】
【発明の効果】以上のよに、本発明によれば、超音波変
換器アレイの素子からの信号をデジタル化手段でデジタ
ル・サンプルに変換し時間多重化遅延ユニットでこのデ
ジタル・サンプルを遅延係数に応じて時間多重化した遅
延量だけ遅延して２またはそれ以上の受信ビームを形成
し、このデジタル・サンプルを加算して受信ビームを表
す時間多重出力サンプルのストリームを形成するように
したので、超音波変換器における焦点の深さと方向を時
間とともに動的に変化させることができ、走査される領
域の超音波画像が得られ、血流等のカラー・ドップラ画
像化および高解像度画像を比較的少ない回路構成と低コ
ストで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のデジタル・フェーズド・アレイ超音波
ビームフォーマのブロック図である。
【図２】図１に示す超音波ビームフォーマの好適なアー
キテクチャの概略図である。
【図３】送受信スイッチを介して変換器素子に接続され
た、図１に示す超音波ビームフォーマの処理チャンネル
の１つのデジタル化ユニットのブロック図である。
【図４】図１に示す超音波ビームフォーマの処理チャン
ネルの１つの時間多重遅延ユニットの第１実施例のブロ
ック図である。
【図５】図４に示す整数クロック遅延のブロック図であ
る。
【図６】図５に示す整数クロック遅延の時間多重動作を
示すタイミング図でる。
【図７】図４に示す主ビーム遅延と近接ビーム遅延のブ
ロック図である。
【図８】図７に示す書き込みアドレス制御と読み出しア
ドレス制御を表わすブロック図である。
【図９】図４に示す各遅延補間器を表わすブロック図で
ある。
【図１０】図１に示す加算ユニットの一部のブロック図
である。
【図１１】図１に示す超音波ビームフォーマの１つの処
理チャンネルのための時間多重遅延ユニットの第２実施
例のブロック図である。
【符号の説明】
１０ フェーズド・アレイ超音波変換器 １０1 〜 １０n 変換器素子 １２ 受信ビームフォーマ ２０i 〜２０n デジタル化ユニット ２２i 〜２２n 時間多重遅延ユニット ２４，２５４ 加算ユニット ２８ コントローラ ３０1 ないし３０ｎ 受信器基板 ３２，３４ 係数発生器 ４４ 制御CPU ５２，５６ デマルチプレクサ
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０３Ｈ 3/00

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超音波変換器アレイ（１０）から受け取
    った信号を処理するための超音波ビームフォーマ（１
    ２）であって、 それぞれが前記の超音波変換器アレイ（１０）の素子か
    らの信号を受け取る複数の処理チャンネル、 受け取った信号をサンプリング・レートｆでデジタル・
    サンプルに変換するデジタル化手段（２０1 、２０2 、
    ・・・、２０n ）、 遅延係数に応じて前記のデジタル・サンプルを時間多重
    化した遅延量だけ遅延して２つあるいはそれ以上の受信
    ビームを形成するための遅延され、時間多重化されたデ
    ジタル・サンプルのストリームを生成する時間多重遅延
    手段（２２1 、２２2 、・・・，２２n ）、 前記の遅延され時間多重化されたデジタル・サンプルゐ
    加算して前記の２つあるいはそれ以上の受信ビームを表
    わす時間多重出力サンプルのストリームを形成 する加算手段（２４）、前記の遅延係数を前記の各処理
    チャンネル内の時間多重遅延手段（２２1 、２２2 、・
    ・・，２２n ）に供給する係数発生器（２８）からなる
    超音波ビームフォーマ。
JP20232495A 1994-08-09 1995-08-08 超音波ビームフォーマ Expired - Lifetime JP3759769B2 (ja)

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