(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各チャンネルからサンプリングされたデータを保存するためのメモリと、該サンプリングされた各チャンネル毎のデータの遅延値の整数部分に基づいてブロックデータを発生するための手段とを含む、超音波映像装置のための多チャンネルビーム形成装置において、
各チャンネルについて小数遅延が同じブロックデータを結合し、結合されたブロックデータから小数部分の遅延値を得る小数遅延フィルタを含むポストフィルタリング手段を備え、
該ポストフィルタリング手段は、同じ係数を付されたチャンネルのブロックデータを結合して同時にフィルタリング工程を行うものであり、
前記ブロックデータは、前記各チャンネルにおいて連続的なデータサンプルの部分であることを特徴とする多チャンネルビーム形成装置。
【請求項２】
請求項１記載の多チャンネルビーム形成装置において、
前記ポストフィルタリング手段は、
各チャンネル別ブロックアドレスをｎ個出力するためにチャンネル毎に設けられた複数の１対ｎデマルチプレクサと、
前記デマルチプレクサから出力される全ての信号を加算するためにチャンネル毎に設けられた複数のブロック加算器と、
各ブロック加算器から出力されるｎ個の信号を小数遅延するための複数の小数遅延フィルタと、
各小数遅延フィルタの出力信号を合算する加算器と
を含むことを特徴とする多チャンネルビーム形成装置。
【請求項３】
請求項１記載の多チャンネルビーム形成装置において、
前記ポストフィルタリング手段は、
各チャンネル別ブロックアドレスをｎ個出力するためにチャンネル毎に設けられた複数の１対ｎデマルチプレクサと、
前記デマルチプレクサから出力される信号を結合するための複数のブロック加算器と、
各ブロック加算器から出力されるｎ個の信号を所定の変数と乗算する複数の乗算器と、
前記乗算器から出力される信号を合算する合算器と
を備えることを特徴とする多チャンネルビーム形成装置。
【請求項４】
請求項３記載の多チャンネルビーム形成装置において、更に、
前記デマルチプレクサから出力される信号を乗算して、対応するブロック加算器に対して出力する複数のマルチプレクサ
を備えることを特徴とする多チャンネルビーム形成装置。
【請求項５】
各チャンネルからサンプリングされたデータを保存するメモリと、メモリに保存されたデータの遅延値の整数部分を使ってブロックデータを生成させる手段とを有する多チャンネルビーム形成装置を含む超音波映像処理装置用のビーム形成方法において、
小数遅延が同じブロックデータを結合し、結合されたデータから小数部分の遅延値を得ることを含むポストフィルタリングを備え、
該ポストフィルタリングは、同じ係数を付されたブロックデータを結合して同時にフィルタリングすることであり、
前記ブロックデータは、前記各チャンネルにおいて連続的なデータサンプルの部分であることを特徴とするビーム形成方法。
【請求項６】
請求項５記載のビーム形成方法において、
前記ポストフィルタリングは、
各チャンネルを異なるアドレスを持つｎ個の信号に多重化すること、
前記多重化信号をアドレスにより結合すること、
結合した信号について小数部分のフィルタリングを行うこと、及び
小数フィルタリングした信号を合算すること
を備えることを特徴とするビーム形成方法。
【請求項７】
請求項５記載のビーム形成方法において、
前記ポストフィルタリングは、
各チャンネルを異なるアドレスを持つｎ個の信号に多重化すること、
前記多重化信号をアドレスにより結合すること、
前記結合した信号を各変数と乗算すること、及び
前記乗算して得られた信号を合算すること
を備えることを特徴とするビーム形成方法。
【請求項８】
請求項５記載のビーム形成方法において、更に、
デマルチプレクシングにより出力された信号を多重化し、アドレスにより結合される信号を出力することを備えることを特徴とするビーム形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波映像装置のためのビーム形成装置に関する。特に、従来の補間（interpolation）フィルタ又はＩＱ（In-phase and quadrature）位相回転器よりもハードウェアの複雑化を低減する必要があるポストフィルタリングを使用する小数遅延（Fractional Delay）フィルタを備えることにより、広い周波数スペクトルで遅延サンプルを適切に発生することができるビーム形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の遅延-合算ビーム形成装置（delay-sum beamformer）は、（精密な遅延制御のために16ｆ0を超えて）データ伝送率を効果的に増大するために４重の補間フィルタを用いている。このためには、位相誤差がなく振幅誤差が少ない遅延サンプルを生成する有限インパルス応答（Finite Impulse Response）フィルタが理想的である。しかしながら、補間フィルタは複数の乗算器を必要とする。一方、位相回転ビーム形成装置は、ＩＱ復調のために２つのＦＩＲ低域フィルタ（ＦＩＲ  ＬＰＦ）と、チャンネル毎にＩＱ信号の位相回転のために４つの実数乗算器とを必要とする。
【０００３】
しかしながら、これらのビーム形成装置は、高画質の映像を形成するために開発されたものであるため、電力消費、製造コスト、サイズなどを考慮して設計しなければならない携帯型の超音波スキャナには適していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、小数遅延フィルタを用いるポストフィルタリング技術を採用することによってハードウェアの複雑化を減少させる、超音波映像装置のためのビーム形成装置及びビーム形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、各チャンネルからサンプリングされたデータを保存するメモリと、該データの遅延値の整数部分に基づいてブロックデータを発生するための手段とを含む、超音波映像装置のための多チャンネルビーム形成装置であって、各チャンネルについて小数遅延が同じブロックデータを結合し、結合されたデータから小数部分の遅延値を得る小数遅延フィルタを含むポストフィルタリング手段を備え、該ポストフィルタリング手段は、同じ係数を付されたチャンネルのブロックデータを結合して同時にフィルタリング工程を行うことを特徴とする。
【０００６】
本発明の装置において、前記ポストフィルタリング手段は、各チャンネル別ブロックアドレスをｎ個出力するためにチャンネル別に設けられる複数の１対ｎデマルチプレクサと、各チャンネルのデマルチプレクサから出力されるすべての信号を加算し、各チャンネル別に設けられる複数のブロック加算器と、各ブロック加算器から出力されるｎ個の出力を各チャンネル別に小数遅延する複数の小数遅延フィルタと、各チャンネル別小数遅延フィルタの出力を合算する加算器とを含むことが好ましい。
【０００７】
或いは、前記ポストフィルタリング手段は、各チャンネル別ブロックアドレスをｎ個出力するためにチャンネル別に設けられる複数の１対ｎデマルチプレクサと、各チャンネルのデマルチプレクサから出力されるすべての信号を加算するために各チャンネル別に設けられる複数のブロック加算器と、各ブロック加算器から出力されるｎ個の出力信号を所定の変数と乗算する複数のチャンネル別乗算器と、前記乗算器の出力を合算する加算器とを含むことが好ましい。
【０００８】
本発明の装置は更に、前記デマルチプレクサから出力される信号を乗算して、対応するブロック加算器に対して出力する複数のマルチプレクサを備えることが好ましい。
【０００９】
本発明の方法は、各チャンネルからサンプリングされたデータを保存するメモリと、該メモリに保存されたデータの遅延値の整数部分を使ってブロックデータを生成させる手段とを含む超音波映像処理装置用の多チャンネルビーム形成方法であって、小数遅延が同じブロックデータを結合し、結合されたデータから小数部分の遅延値を得ることを含むポストフィルタリングを備え、該ポストフィルタリングは、同じ係数を付されたブロックデータを結合して同時にフィルタリングすることを特徴とする。
【００１０】
本発明の方法において、前記ポストフィルタリングは、各チャンネルを異なるアドレスを持つｎ個の信号に多重化すること、前記多重化信号をアドレスにより結合すること、結合した信号について小数部分のフィルタリングを行うこと、及び小数フィルタリングした信号を合算することを含むことが好ましい。
【００１１】
或いは、前記ポストフィルタリングは、各チャンネルを異なるアドレスを持つｎ個の信号に多重化すること、前記多重化信号をアドレスにより結合すること、前記結合した信号を各変数と乗算すること、及び前記乗算して得られた信号を合算することを含むことが好ましい。
【００１２】
本発明の方法は更に、デマルチプレクシングにより出力された信号を多重化し、アドレスにより結合される信号を出力することを備えることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明のビーム形成装置は、個々のチャンネルに異なる遅延値を加えるために受信信号を量子化してこれを保存するためのメモリを備えている。このメモリから、ブロックデータを得るために遅延値の整数部分のみ読み出される。一方、ビーム形成の正確度を高めるためには、それぞれのチャンネルにより細密な遅延値を与えなければならず、このために遅延値の小数部分（小数値）を計算する、遅延値の小数部分を使ってこれに相応する受信値を得るために小数遅延フィルタを利用する。使われる小数遅延フィルタのタップ数は、ビーム形成装置が得ようとする性能によって可変することができ、得ようとする遅延値の正確度によってフィルタのセット数が決定される。小数遅延フィルタのセット（係数）は、遅延値の小数部によって決定されるが、本発明では、このとき、同じ係数を使うチャンネル同士で集めてあらかじめ加算した後、最後に一回のみフィルタリングを取る構造を提案し、これをポストフィルタリング（post-filtering）と名付けた。このようなポストフィルタリング技法は、ビーム形成装置のチャンネル数と関係なく一回のフィルタリングのみでビーム形成をできるようにすることで、ハードウェア複雑度を大きく減らしうる。
【００１４】
本発明では、同一の小数遅延が与えられなければならないすべてのチャンネルはブロック合算によって集合され、この合算データは該当のＦＤフィルタ（すなわち、0，0.25，0.5，0.75サンプル遅延に対する４個のＦＤフィルタのうちの１つ）に供給される。したがって、４個の四タップＦＤフィルタの対称特性を用いる６個の乗算器でビーム形成装置を構成できる。
【００１５】
実験結果によれば、本発明のＦＤビーム形成装置は、一層単純化されたハードウェア構成で、６４タップフィルタを有する遅延合算ビーム形成装置とほぼ同一の映像品質を達成できる。
【００１６】
フィルタ設計及び最適なハードウェア構造
本発明の実施形態のＦＤビーム形成装置は、補間フィルタでなくＦＤフィルタを用いる点を除いて、補間ビーム形成装置と同一の構造を有する。一般に、補間ビーム形成装置は４重補間フィルタを使うので、補間フィルタをＦＤフィルタに置き換えるために、ＦＤフィルタはプログラム可能な小数遅延値Ｄを生成する必要がある。小数遅延値の理想的な応答は、次式１によって得られる。
【００１７】
【数１】
0005546100.tif 000002
【００１８】
Ｄ＝ 0，0.25，0.5，0.75 
本実施形態のビーム形成装置は、ＦＤフィルタを用いて、２段階の最小二乗評価（ＬＳＥ）法によりサイズとグループ遅延応答とを向上させている。まず、二乗誤差を最小化するＦＤフィルタ係数は、次式２によって計算される、式２では、限定された周波数スペクトルは、απからβπの範囲にある。この式によって計算された係数は、フィルタ応答特性を向上させるために使われる最適化プログラムのための初期パラメータとして使用される。
【００１９】
【数２】
0005546100.tif 000003
【００２０】
例えば、５ＭＨｚの映像周波数に対するＦＤフィルタ係数は、Ｄ＝０のとき（０，０，１，０）、Ｄ＝0.25のとき（−0.0677，0.8320，0.2788，−0.0498）、Ｄ＝0.5のとき（−0.0788，0.5742，0.5742，−0.0788）、Ｄ＝0.75のとき（−0.0498，0.2788，0.8320，−0.0677）である。Ｄ＝0.75のときのフィルタ係数は、Ｄ＝0.25のときの値を時間的に逆順にしたものであり、Ｄ＝0.5に対する係数は、対称的に並んでいる。他の映像周波数に対するフィルタ係数は、同一の対称特性を示す。
【００２１】
位相回転器及び二個の補間フィルタに対するＦＤフィルタの性能を評価するために、基準信号ｘｒｅｆ(ｎ)（各映像形成周波数160 ＭＨｚである場合に６ｄＢ帯域幅の６０％を有するガウス信号をサンプリングして得る）に対してコンピュータシミュレーションを行った。各基準信号は、４０ＭＨｚのサンプリング周波数に減じて、すべてのシミュレーション方法に対する入力データとして使用した。
【００２２】
図１は、限定された周波数スペクトルにおいて種々のビーム形成技術の信号対雑音比（ＳＮＲ）を示すグラフである。ＳＮＲは、次式３で定義される。式３において、ｘｄ(ｎ) は、各方式の４重補間の結果を表わす。小型携帯型スキャナ用ビーム形成装置を設計するために、８ビットの符号含み整数形式（8-bit signed integer format）が基準信号を表わすために使用され、すべてのフィルタ係数は、固定点演算のための符号含み１２ビット数（signed 12-bit numbers）に量子化される。
【００２３】
【数３】
0005546100.tif 000004
【００２４】
ＬＳＥによるＦＤフィルタは、位相回転器（△）及び１６タップ補間フィルタ（・）に比べて、大部分の映像形成周波数（2、3.5、5、7.5、10 ＭＨｚ）で高いＳＮＲを与える。また、ＬＳＥに基づくＦＤフィルタは、7.5及び10 ＭＨｚの周波数では、６４タップ補間フィルタに比べて、それぞれ2.75ｄＢ及び10.93ｄＢほどＳＮＲが低い。既存の映像形成周波数帯域で動作する商用製品には位相回転器が成功裏に使われているので、４タップＦＤフィルタは、少なくとも１０ＭＨｚまでは効率的な映像形成手段になりうる。
【００２５】
図２は、本発明の実施形態によるビーム形成装置の構成を示すブロック図である。この実施形態では、ビーム形成装置は、ポストフィルタリング技術を採用することによってハードウェアの複雑化を減少させている。図２において、すべてのチャンネル１０を通って入力された同じ遅延のブロックデータ１２は、ブロック加算器１５によって合算される。各ブロックデータ１２は、（ＦＤフィルタにより遅延されたサンプルとして出力される）４個の連続的なデータサンプルからなる。
【００２６】
図２は、タップ数が４で補間比が４のＦＤフィルタ１１を用いたビーム形成装置の構成を示している。各チャンネル上でサンプリングされたデータはメモリ１６に格納され、各チャンネルに付与される遅延値の整数部分に基づいて、ブロックデータ１２として更新されるかどうかが決定される。遅延値の同じ小数部分が付与されたチャンネル上のブロックデータ１２は合算され、同時にフィルタを通って互いに結合されてビームを形成することになる。ＦＤフィルタのタップ数が４、ブロックデータ１２の数が４、そして補間比が４であるので、遅延値は、小数部分が0，0.25，0.5，0.75のように表わされる。
【００２７】
このビーム形成装置は、各チャンネル毎に１対４デマルチプレクサ１４を含むことによって、４個のブロックアドレス（それぞれ４個の別アドレスを含む）中の一つにブロックデータ１２を印加する。そして、各ブロック加算器１５から出力される４個の出力サンプルは、対応するＦＤフィルタ１１に印加される。最後に、４個のＦＤフィルタ１１の出力を加算器１３で結合するようにしたので、各ＦＤフィルタ１１は、各チャンネルごとに独立してＦＤフィルタを配置している場合と同様の出力を生成することができる。すなわち、本発明のＦＤビーム形成装置は、４個のＦＤフィルタを備えていればよい。
【００２８】
本発明のビーム形成装置は、ＦＤフィルタの特性を活用することで、ハードウェア構造をさらに単純化して設計することができる。これは、ビーム形成装置を次のように構成することで達成される。まず、遅延なし（Ｄ＝０）の入力サンプルはバイパスして通過させる。Ｄ＝0.25及び0.75に対しては、0.75のフィルタ係数は0.25のフィルタ係数を時間的に逆にすることで得られるから、４個の乗算器で４タップＦＤフィルタを具現できる。更に、Ｄ＝0.5のときの入力サンプリングは、係数値が対称であるから、２個の乗算器のみで処理できる。
【００２９】
図３は、本発明の別の実施形態によるビーム形成装置の構成を示すブロック図である。図３において、チャンネルブロック２９は、本発明のポストフィルタリング構造において１つのチャンネルに対するハードウェアを表わしている。チャンネルブロックは、ビーム形成装置のチャンネル数に応じて反復的に使用される。各ブロックは、データパス３０を通じて直列加算されて、ＦＤフィルタ２３に入力される。例えば、Ｄ＝0.25と0.75は順序が反対で、同じ係数を使うので、図３のチャンネルブロック２９の構造では一つのフィルタのみ必要である。Ｄ＝0.5のフィルタ係数は、時間的に対称に配列されるので、チャンネルブロック２９の構造では２個の乗算器のみ用いられる。Ｄ＝０の場合は、係数に拘らずサンプルの加算のみ必要である。
【００３０】
図３のビーム形成装置は、図２のＦＤビーム形成装置の各チャンネルのＦＤフィルタを１対４デマルチプレクサ２１に置き換えると共に６個の乗算器２３を用いて構成されている。乗算器２３の被乗数であるＦＤフィルタ係数は、超音波の中心周波数及び帯域幅の変更に従って修正されなければならない。このため、乗算器２３で用いられる被乗数を保存するためにレジスタが必要である。このレジスタの値は、超音波の中心周波数が変わるときだけ、更新される。
【００３１】
メモリ２４は、整数部分の遅延値を与えるための遅延メモリであり、遅延計算器２５は、目標により異なって適用される超音波の遅延値を計算する。遅延計算器２５の小数部分の解像度は、遅延値の精度に応じて決定される。図３の例では、解像度を４倍に増加させるので、小数部分は２ビットになる。すなわち、遅延計算器２５は、概略的な遅延制御用に整数部分を与え、細密な遅延制御用に内部サンプル遅延を規定する２ビットの小数部分を与える。
【００３２】
図３において、メモリ２４から出力される入力サンプル信号は、従来のビーム形成装置と同様に概略的な遅延値を用いて、動的フォーカシング用レジスタ２７内でシフトされる。精密な遅延値は、２つの小数遅延ビットを各チャンネルのデマルチプレクサ２１の選択ラインに連結することにより、動的に制御されうる。動的フォーカシング用レジスタ２７は、本発明のポストフィルタリングのために使用されるブロックデータを保存するためのレジスタである。このレジスタの数は、ＦＤフィルタのタップ数によって決定される。この実施形態では、図３に示すように４−タップＦＤフィルタで４個のレジスタが使われる。レジスタのイネーブル信号は、遅延計算器２５で計算された遅延値によって決定される。より詳細には、遅延値の整数部分が変わるときのみ、レジスタが可能化されて、その値が変わる。デマルチプレクサ２１とマルチプレクサ２８は協働して、遅延計算器２５で計算された遅延値の小数部分に従って、各レジスタ内に保存された値を加算器３１に送るように動作する。
【００３３】
シミュレーション結果
本発明の効果を検証するために、従来の６４チャンネル超音波スキャナの各チャンネルでのアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）の出力端からサンプルＲＦデータを測定した。商用ファントム（ＡＴＳ tissue phantom、Model 539 ）を、１２８個の線形配列素子（中心周波数６．２ＭＨｚ、伝達焦点設定３ｃｍ）によってスキャンした。図４（ａ）は、本実施形態のビーム形成装置を用いて得られたファントムのワイヤ標的（wire target）を示し、図４（ｂ）は、６４タップフィルタを用いて得られたファントムのワイヤ標的を示している。図４（ａ）及び（ｂ）に示されるように、これら二つの映像は近似している。
【００３４】
図４の（ｃ）（ｄ）では、ファントムの他の範囲でも同一の結果を得ることができた。表１に、画像の左側のホール（黒点）４０の周辺で測定されたＣＮＲ値を示す。一方、ホール４０の周辺よりも明るく面積の大きいターゲット領域（cyst area）４１でのＣＮＲ値は、（ｃ）ビーム形成装置の場合7.90ｄＢ、（ｄ）補間ビーム形成装置の場合7.98ｄＢであった。このシミュレーション結果は、４タップＦＤフィルタと６４タップ補間フィルタとの間のＳＮＲ比較結果に適合している。
【００３５】
［表１］
深  さ ＦＤビーム形成装置 補間ビーム形成装置
２ｃｍ                ７．７  ｄＢ                  ７．７３ｄＢ  
３ｃｍ              １０．４７ｄＢ                １０．４６ｄＢ  
４ｃｍ                ９．５０ｄＢ                  ９．４８ｄＢ  
５ｃｍ                ３．６３ｄＢ                  ３．２２ｄＢ  
ハードウェアの複雑さを比較するために、本発明の４タップＦＤビーム形成装置と、１６タップ及び６４タップフィルタを使う二個の補間ビーム形成装置とを、ＶＨＤＬによって設計した。メモリを除いたＶＨＤＬ設計のビーム形成装置の複雑度を、Ｘｉｌｉｎｘフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）でのゲート数として測定した。各設計案の最大クロック周波数は、５５ＭＨｚであった。入力サンプルとＦＤフィルタ係数は、８ビット及び１２ビットの固定点の数にそれぞれ量子化された。一方、補間フィルタには、３回以下のシフト及び加算演算によって最適化された係数を適用した。３つのビーム形成装置を同じ遅延算出器で設計した。
【００３６】
６４タップ補間フィルタを用いる６４チャンネルビーム形成装置には、64×25,933個の補間用ゲート、11,089個の内部チャンネル合算用ゲート、83,100個の遅延計算器用ゲートを必要として、計1,753,901個のゲートが追加された。同様に、１６タップ補間フィルタを使う６４チャンネルビーム形成装置は、527,789個のゲートを使っている。一方、本発明のビーム形成装置は、デマルチプレクサ及び各チャンネル別関連制御ロジック用ゲート1,028個、内部チャンネル合算用ゲート68,515個、６個の乗算器及びその後端の加算器用ゲート26,133個を使っている。したがって、本発明のＦＤビーム形成装置を構成するためには、243,540個のゲートが必要である。この結果から、本発明のハードウェア複雑度は、従来の６４タップ補間ビーム形成装置の１４％、１６タップ補間ビーム形成装置の４６％に過ぎない。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はその技術思想の範囲内で適宜改変可能である。
【００３８】
上述のように、本発明のビーム形成装置は、ビーム形成装置のチャンネル数に拘らず、ビーム形成のために一のフィルタリング工程しか必要としない小数遅延フィルタを使用するポストフィルタリング技術で実現される。
【００３９】
上記のとおり、本発明のビーム形成装置は、ビーム形成装置のチャンネル数に拘らず、一つのフィルタリング工程でビーム形成ができるという効果を奏する。本発明のビーム形成装置は、ＦＤフィルタを使用するポストフィルタリング技術で実現されるので、ハードウェアの複雑化を著しく減らす。シミュレーション結果によれば、ＦＤフィルタに基づくビーム形成装置は、ハードウェアの複雑化を最小限に抑えながら、６４タップフィルタを使用する遅延合算ビーム形成装置で得られる品質とほぼ同一の高品質映像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】限定された周波数スペクトルで、異なるビーム形成技術の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を示すグラフである。
【図２】本発明の実施形態によるビーム形成装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明のもう１つの実施形態によるビーム形成装置の構成を示すブロック図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明のビーム形成装置と従来のビーム形成装置の性能比較のシミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４１】
１０…チャンネル、１１…ＦＤフィルタ、１２…ブロックデータ、１３…加算器、１４…デマルチプレクサ、１５…ブロック加算器、１６…メモリ、２１…デマルチプレクサ、２３…乗算器、２４…メモリ、２５…遅延計算器、２７…動的フォーカシング用レジスタ、２８…デマルチプレクサ、２９…チャンネルブロック、３０…データパス、３１…加算器。
【図１】
0005546100.tif 000005
【図２】
0005546100.tif 000006
【図３】
0005546100.tif 000007
【図４】
0005546100.tif 000008