(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エレベーション方向およびアジマス方向を有しバイアス電圧によってバイアスオンされる複数の素子からなる二次元超音波アレイを含むトランスデューサ（１０２）と、
前記トランスデューサ（１０２）に結合され、複数の異なるバイアスパターン（６０２，６０８）を連続的に形成する複数のバイアス信号を発生するバイアス発生器（２０６）と、
前記トランスデューサ（１０２）に結合されたビームフォーマ（１０４）とを備え、
前記各バイアスパターン（６０２，６０８）は、それぞれ、前記エレベーション方向の開口インデックス（３０２，４０２）によって選択された行のバイアス線をバイアスオンし、
前記各バイアスパターン（６０２，６０８）は前記エレベーション方向に変化し、
前記各バイアスパターン（６０２，６０８）によってバイアスオンされる素子は互いに異なり、
前記トランスデューサ（１０２）は、前記ビームフォーマ（１０４）に応答して、前記各バイアスパターン（６０２，６０８）に基づく複数の超音波データを送受信し、
前記ビームフォーマ（１０４）は、前記アジマス方向にビーム形成を行い、前記エレベーション方向に開口を合成し、
前記各バイアスパターン（６０２，６０８）からの前記複数の超音波データが、前記エレベーション方向に沿った開口合成を使用して組み合わされ、
前記各バイアスパターン（６０２，６０８）からの前記複数の超音波データの組み合わせに基づいて画像が作成される
ボリューム超音波イメージングシステム。
【請求項２】
前記開口合成はハダマード符号化を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記トランスデューサ（１０２）は、前記バイアス電圧によって活性化される素子を含む音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）または電気歪変換材料の少なくとも一方を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記各バイアスパターン（６０２，６０８）はアポダイズされるか、または、前記各バイアスパターン（６０２，６０８）の前記エレベーション方向の有効幅（Ｎelsubap）は、それぞれ、前記各バイアスパターン（６０２，６０８）が前記エレベーション方向にスキップするサイズ（Ｎskip）より大きい
請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
エレベーション方向およびアジマス方向を有しバイアス電圧によってバイアスオンされる複数の素子からなる二次元超音波アレイを含み、変換用バイアスに応答する超音波トランスデューサ（１０２）による超音波イメージング方法であって、
前記超音波トランスデューサ（１０２）から、前記変換用バイアスに応答して、複数の異なるバイアスパターン（６０２，６０８）で連続的に送信する送信ステップと、
前記超音波トランスデューサ（１０２）により、前記送信ステップに応じて、前記複数のバイアスパターン（６０２，６０８）から連続的に受信する受信ステップ（６０４）と、
前記複数のバイアスパターン（６０２，６０８）の送受信から連続的に得られた信号を、前記エレベーション方向に沿った開口合成を使用して互いに組み合わせるステップ（６１４）とを含み、
前記各バイアスパターン（６０２，６０８）は、それぞれ、前記エレベーション方向の開口インデックス（３０２，４０２）によって選択された行のバイアス線をバイアスオンし、
前記各バイアスパターン（６０２，６０８）によってバイアスオンされる素子は、前記エレベーション方向で変更され、
前記各バイアスパターン（６０２，６０８）によってバイアスオンされる素子は互いに異なる
超音波イメージング方法。
【請求項６】
第１のバイアスパターン（６０２）は、バイアスオンされた素子の第１のパターンに対応する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
第２のバイアスパターン（６０８）は、バイアスオンされた素子の第２のパターンに対応する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のバイアスパターン（６０２）は、バイアスオンされているが前記第２のバイアスパターン（６０８）でバイアスオンされているのではないアジマス方向の素子を含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
変換用バイアスに応答する前記超音波トランスデューサ（１０２）は、容量性膜超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）または電気歪材料の少なくとも一方を含む請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記受信ステップは、前記超音波トランスデューサ（１０２）によって第３のバイアスパターンで受信するステップを含む請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記開口合成（６１４）は送信（ｔｘ）専用、受信（ｒｘ）専用、または送受信（ｔｘ−ｒｘ）を含む請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
前記各バイアスパターン（６０２，６０８）の前記エレベーション方向の有効幅（Ｎelsubap）は、それぞれ、前記各バイアスパターン（６０２，６０８）が前記エレベーション方向にスキップするサイズ（Ｎskip）より大きい請求項５に記載の方法。
【請求項１３】
前記開口合成は遅延加算ビーム形成、位相シフティング、整合または反転横方向フィルタリングのうちの少なくとも１つを含む請求項５に記載の方法。
【請求項１４】
送信ステップは、
前記超音波トランスデューサ（１０２）上の第１のバイアスパターン（６０２）を活性化するステップと、
前記第１のバイアスパターン（６０２）の適用から信号に第１の時間遅延パターンを適用するステップとを含み、
受信ステップは、
前記超音波トランスデューサ（１０２）に第２のバイアスパターン（６０８）を適用するステップと、
前記第２のバイアスパターン（６０８）の適用から、前記超音波トランスデューサ（１０２）からの信号に第２の時間遅延パターンを適用するステップと
を含む請求項５に記載の方法。
【請求項１５】
ボリューム内の複数の走査線に沿って前記送信ステップおよび受信ステップを繰り返すステップと、
前記ボリューム（６１６）の表示を生成するステップと
を含む請求項５に記載の方法。
【請求項１６】
バイアス印加に応答する電気歪材料を使用する超音波イメージング方法であって、
前記材料上でエレベーション方向およびアジマス方向を有する二次元超音波アレイの素子の複数のバイアスパターン（６０２，６０８）を連続的に活性化する活性化ステップと、
前記複数の異なるバイアスパターン（６０２，６０８）で複数の超音波画像データを送受信するステップと、
前記複数の超音波画像データを、エレベーション方向に沿った開口合成を使用して組み合わせるステップ（６１４）と、
前記組み合わせに基づいて画像を形成するステップ（６１６）とを含み、
前記各バイアスパターン（６０２，６０８）によってバイアスオンされる素子は、エレベーション方向で変更され、
前記各バイアスパターン（６０２，６０８）によってバイアスオンされる素子は互いに異なる、
超音波イメージング方法。
【請求項１７】
前記電気歪材料は、容量性膜またはマイクロファブリケーション加工超音波トランスデューサ（１０２）（ｃＭＵＴ）を含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
エレベーション方向およびアジマス方向を有しバイアス電圧によって活性化される複数の素子からなる二次元超音波アレイを含むトランスデューサ（１０２）と、
前記トランスデューサ（１０２）に結合され前記アジマス方向に沿って複数の送受信機能を実行するビームフォーマ（１０４）と、
前記トランスデューサ（１０２）に結合され前記送受信機能に前記エレベーション方向に沿った開口合成（６１４）を実行する合成器とを備え、
前記複数の送受信機能は、複数の異なるバイアスパターン（６０２，６０８）に従ってバイアスオンされる素子で連続的に実行され、
前記各バイアスパターン（６０２，６０８）によってバイアスオンされる素子は、前記エレベーション方向で変更され、
前記各バイアスパターン（６０２，６０８）によってバイアスオンされる素子は互いに異なる
ボリューム超音波イメージングシステム。
【請求項１９】
前記合成器は、前記送受信機能の前記開口合成（６１４）に基づいて超音波画像を作成する請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
超音波診断業界が、二次元（２Ｄ）イメージング用の一次元（１Ｄ）超音波アレイからボリュームイメージング用の二次元超音波アレイに移行するときに、アレイの大きさの問題が生じることがある。例えば、従来の一次元アレイがＮ＝２００個の素子を有する場合、対応する二次元アレイは、Ｎ×Ｎ＝４０，０００個の素子を有することになる。従来、超音波システムは、プローブ内の素子数にほぼ対応するチャネル数を有していた。しかしながら、システムチャネルのコストは、二次元アレイにとってそのような対応が実際的でないものである。
【０００２】
二次元超音波イメージングは、容量性膜マイクロマシン加工またはマイクロファブリケーション加工超音波トランスデューサ（capacitive membrane, micromachined, or microfabricated ultrasound transducer ; ｃＭＵＴ）または電気歪材料トランスデューサを利用してもよい。（ｃＭＵＴのような）容量性トランスデューサと電気歪材料でできたトランスデューサとは、作動のために直流（ＤＣ）バイアス電圧の印加を利用する点が類似している。バイアス印加により変換操作の実行が可能になる。ｃＭＵＴは半導体材料や他の材料から形成されてもよい。電極を有する複数の膜や他の柔構造が、音響エネルギーと電気エネルギー間の変換を行う。膜のグループが様々な素子として動作する。ｃＭＵＴ上には、素子の多次元配列や二次元配列などの種々の配列の素子が提供される。ｃＭＵＴを作動させるために、直流電圧によって膜にバイアスがかけられる。素子に交流信号が印加されると音響エネルギーが生成される。素子によって受信された音響エネルギーは交流電気信号に変換される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
前置きとして、以下で述べる好ましい実施形態は、容量性マイクロマシン加工超音波トランスデューサ（capacitive micromachined ultrasound transducer ;ｃＭＵＴ）または容量性電気歪超音波トランスデューサを有する超音波イメージングシステムおよび方法を含む。等方性ボリュームイメージングは、バイアス線素子選択および様々な開口合成技術によって実現されてもよい。二次元ビーム形成は、ビームフォーマを使用して一次元に集束させ、次に２回目の「オフライン」または「レトロスペクティブ（遡及的）」ビーム形成を他の方向に沿って実行することによって実行されてもよい。
【０００４】
第１の態様では、バイアス電圧によって活性化される複数の素子からなる二次元超音波アレイを含むトランスデューサを含むボリューム超音波イメージングシステムが提供される。バイアス発生器は、トランスデューサに結合され、素子の第１のバイアスパターンを確立するバイアス信号を発生し、かつ、素子の第２のバイアスパターンを確立するバイアス信号を発生する。トランスデューサにビームフォーマが結合され、トランスデューサは、第１のバイアスパターンに基づいて超音波データを送受信し、第２のバイアスパターンに基づいて超音波データを送受信する。第１のバイアスパターンからの超音波データと第２のバイアスパターンからの超音波データとの組み合わせに基づいて画像が作成される。
従って、本発明によれば、エレベーション方向およびアジマス方向を有しバイアス電圧によってバイアスオンされる複数の素子からなる二次元超音波アレイを含むトランスデューサと、前記トランスデューサに結合され、複数の異なるバイアスパターンを連続的に形成する複数のバイアス信号を発生するバイアス発生器と、前記トランスデューサに結合されたビームフォーマとを備え、前記各バイアスパターンは、それぞれ、前記エレベーション方向の開口インデックスによって選択された行のバイアス線をバイアスオンし、前記各バイアスパターンは前記エレベーション方向に変化し、前記各バイアスパターンによってバイアスオンされる素子は互いに異なり、前記トランスデューサは、前記ビームフォーマに応答して、前記各バイアスパターンに基づく複数の超音波データを送受信し、前記ビームフォーマは、前記アジマス方向にビーム形成を行い、前記エレベーション方向に開口を合成し、前記各バイアスパターンからの前記複数の超音波データが、前記エレベーション方向に沿った開口合成を使用して組み合わされ、前記各バイアスパターンからの前記複数の超音波データの組み合わせに基づいて画像が作成されるボリューム超音波イメージングシステムが提案される（請求項１）。
このボリューム超音波イメージングシステムに関する本発明の実施態様は次の通りである。
・前記開口合成はハダマード符号化を含む（請求項２）。
・前記トランスデューサは、前記バイアス電圧によって活性化される素子を含む音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）または電気歪変換材料の少なくとも一方を含む（請求項３）。
・前記各バイアスパターンはアポダイズされるか、または、前記各バイアスパターンの前記エレベーション方向の有効幅は、それぞれ、前記各バイアスパターンが前記エレベーション方向にスキップするサイズより大きい（請求項４）。
【０００５】
第２の態様では、変換用バイアスに応答する超音波トランスデューサによる超音波イメージング方法が提供される。超音波トランスデューサからの送信は、第１のバイアスパターンおよび第２のバイアスパターンで行われる。超音波トランスデューサは、送信に応じて、第１のバイアスパターンおよび第２のバイアスパターンからデータを受け取る。第１のバイアスパターンの送受信によって得られる信号が、第２のバイアスパターンの送受信によって得られる信号と組み合わされる。
従って、本発明によれば、エレベーション方向およびアジマス方向を有しバイアス電圧によってバイアスオンされる複数の素子からなる二次元超音波アレイを含み、変換用バイアスに応答する超音波トランスデューサ（１０２）による超音波イメージング方法であって、
前記超音波トランスデューサから、前記変換用バイアスに応答して、複数の異なるバイアスパターンで連続的に送信する送信ステップと、
前記超音波トランスデューサにより、前記送信ステップに応じて、前記複数のバイアスパターンから連続的に受信する受信ステップと、
前記複数のバイアスパターンの送受信から連続的に得られた信号を、前記エレベーション方向に沿った開口合成を使用して互いに組み合わせるステップとを含み、
前記各バイアスパターンは、それぞれ、前記エレベーション方向の開口インデックスによって選択された行のバイアス線をバイアスオンし、
前記各バイアスパターンによってバイアスオンされる素子は、前記エレベーション方向で変更され、
前記各バイアスパターンによってバイアスオンされる素子は互いに異なる
超音波イメージング方法が提供される（請求項５）。
この超音波イメージング方法に関する本発明の実施態様は次の通りである。
・第１のバイアスパターンは、バイアスオンされた素子の第１のパターンに対応する（請求項６）。
・第２のバイアスパターンは、バイアスオンされた素子の第２のパターンに対応する（請求項７）。
・前記第１のバイアスパターンは、バイアスオンされているが前記第２のバイアスパターンでバイアスオンされているのではないアジマス方向の素子を含む（請求項８）。
・変換用バイアスに応答する前記超音波トランスデューサは、容量性膜超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）または電気歪材料の少なくとも一方を含む（請求項９）。
・前記受信ステップは、前記超音波トランスデューサによって第３のバイアスパターンで受信するステップを含む（請求項１０）。
・前記開口合成は送信（ｔｘ）専用、受信（ｒｘ）専用、または送受信（ｔｘ−ｒｘ）を含む（請求項１１）。
・前記各バイアスパターンの前記エレベーション方向の有効幅は、それぞれ、前記各バイアスパターンが前記エレベーション方向にスキップするサイズより大きい（請求項１２）。
・前記開口合成は遅延加算ビーム形成、位相シフティング、整合または反転横方向フィルタリングのうちの少なくとも１つを含む（請求項１３）。
・送信ステップは、前記超音波トランスデューサ上の第１のバイアスパターンを活性化するステップと、前記第１のバイアスパターンの適用から信号に第１の時間遅延パターンを適用するステップとを含み、
受信ステップは、前記超音波トランスデューサに第２のバイアスパターンを適用するステップと、前記第２のバイアスパターンの適用から、前記超音波トランスデューサからの信号に第２の時間遅延パターンを適用するステップとを含む（請求項１４）。
・ボリューム内の複数の走査線に沿って前記送信ステップおよび受信ステップを繰り返すステップと、前記ボリュームの表示を生成するステップとを含む（請求項１５）。
【０００６】
第３の態様では、バイアス印加に応答する電気歪材料を使用する超音波イメージング方法が提供される。材料上の素子の第１のバイアスパターンが活性化される。この第１のバイアスパターンで第１の超音波イメージデータが送受信される。材料上の素子の第２のバイアスパターンが活性化される。この第２のバイアスパターンで第２の超音波イメージデータが送受信される。第１の超音波イメージデータと第２の超音波イメージデータとが組み合わされ、組み合わせに基づいて画像が形成される。
従って、本発明によれば、バイアス印加に応答する電気歪材料を使用する超音波イメージング方法であって、
前記材料上でエレベーション方向およびアジマス方向を有する二次元超音波アレイの素子の複数のバイアスパターンを連続的に活性化する活性化ステップと、
前記複数の異なるバイアスパターンで複数の超音波画像データを送受信するステップと、
前記複数の超音波画像データを、エレベーション方向に沿った開口合成を使用して組み合わせるステップと、
前記組み合わせに基づいて画像を形成するステップ（６１６）とを含み、
前記各バイアスパターンによってバイアスオンされる素子は、エレベーション方向で変更され、
前記各バイアスパターンによってバイアスオンされる素子は互いに異なる、
超音波イメージング方法が提案される（請求項１６）。
この超音波イメージング方法に関する本発明の実施態様は次の通りである。
・前記電気歪材料は、容量性膜またはマイクロファブリケーション加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）を含む（請求項１７）。
【０００７】
第４の態様では、バイアス電圧によって活性化される素子を含むトランスデューサを含むボリューム超音波イメージングシステムが提供される。ビームフォーマが、トランスデューサに結合され、送信機能と受信機能を実行する。トランスデューサに合成器が結合される。合成器は、送信機能と受信機能とで開口合成を実行する。第１の送受信機能が、第１のバイアスパターンに従ってバイアスをかけられた素子で実行され、第２の送受信機能が、第２のバイアスパターンに従ってバイアスをかけられた素子で実行される。
従って、本発明によれば、エレベーション方向およびアジマス方向を有しバイアス電圧によって活性化される複数の素子からなる二次元超音波アレイを含むトランスデューサと、
前記トランスデューサに結合され前記アジマス方向に沿って複数の送受信機能を実行するビームフォーマと、
前記トランスデューサに結合され前記送受信機能に前記エレベーション方向に沿った開口合成を実行する合成器とを備え、
前記複数の送受信機能は、複数の異なるバイアスパターンに従ってバイアスオンされる素子で連続的に実行され、前記各バイアスパターンによってバイアスオンされる素子は、前記エレベーション方向で変更され、前記各バイアスパターンによってバイアスオンされる素子は互いに異なるボリューム超音波イメージングシステム
が提案される（請求項１８）。
このボリューム超音波イメージングシステムに関する本発明の実施態様は次の通りである。
・前記合成器は、前記送受信機能の前記開口合成に基づいて超音波画像を作成する（請求項１９）。
【０００８】
本発明は、添付の特許請求の範囲によって定められ、この節内の何物も特許請求の範囲の限定として解釈されるべきでない。本発明の更に他の態様および利点は、好ましい実施形態と関連して後述され、後で独立または組み合わせで請求されてもよい。
【０００９】
構成要素と図は必ずしも尺度通りではなく、むしろ本発明の原理を示す強調が行われている。更に、図では、類似の参照数字が、様々な図全体にわたって対応する部分を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】超音波イメージングシステムを示す図である。
【図２】二次元アレイの説明図である。
【図３】バイアスパターンの一実施形態のグラフィック表示を示す図である。
【図４】バイアスパターンの代替実施形態のグラフィック表示を示す図である。
【図５】アポダイゼーション関数の一例のグラフィック表示を示す図である。
【図６】バイアスを用いる超音波イメージング方法の一実施形態のフローチャート図である。
【図７】バイアスパターンの代替実施形態のグラフィック表示を示す図である。
【図８】図７のバイアスパターンのグラフィック表示を示す図である。
【図９】一群の素子からのバイアスパターンの実例を示す図である。
【図１０】図９のバイアスパターンのグラフィック表示を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
「ROTATING APERTURE FOR ULTRASOUND IMAGING WITH A CAPACITIVE MEMBRANE OR ELECTROSTRICTIVE ULTRASOUND TRANSDUCER」と題する米国特許出願番号２００７／００７９６５８号は、この参照により本明細書に援用され、ｃＭＵＴトランスデューサの特性を利用し、トランスデューサへの電気接続数をＮ×Ｎ個ではなく２×Ｎ個にできるプローブ設計について述べている。あるいは、電気接続は、Ｎ×Ｎ個ではなくＭ×Ｎでもよく、その結果素子がＭ×Ｎ個になる。この開示は、一実施形態においてＭ×Ｎ個の電気接続を有するｃＭＵＴプローブのような、ｃＭＵＴトランスデューサと電気歪トランスデューサの使用に関する。Ｎ×Ｎ個のビームフォーマチャネルを必要とするのではなく、シリアル２段ビーム形成プロセスによりＮ個のビームフォーマチャネルを利用することができる。このプロセスは等方性ボリュームイメージングを可能にする。
【００１２】
図１は、超音波データから画像を作成するための超音波システム１００を示す。超音波システム１００は、トランスデューサ１０２と、ビームフォーマ（beamformer）１０４と、検出器１０６と、メモリ１１０を備えたプロセッサ１０８と、表示装置１１２とを含む。更に他の構成要素、異なる構成要素、または少ない数の構成要素が提供されてもよい。例えば、プロセッサ１０８は、コンピュータ処理装置（ＣＰＵ）またはグラフィック処理装置（ＧＰＵ）のいずれでもよく、メモリ１１０は、プロセッサ１０８とで単一ユニットに統合されてもよい。プロセッサ１０８は、システム１００を構成し、超音波データを処理するかまたは他の機能を実行する。代替の実施形態では、システム１００は、別の装置が取得した超音波データを処理するワークステーションまたはコンピュータである。
【００１３】
トランスデューサ１０２は、二次元（２Ｄ）アレイなどの素子アレイを含んでもよい。素子アレイは、線形、曲線、扇形、Ｖｅｃｔｏｒ（登録商標）、または他のイメージング構成用に構成されてもよい。一実施形態では、トランスデューサ１０２は、直流バイアス電圧によって活性化される素子を含む電気歪材料を含んでもよい。例えば、トランスデューサ１０２は、容量性マイクロマシン加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）でもよいし、電気歪材料による構造でもよい。詳細には、ｃＭＵＴは、超音波を発生し検出するために使用される素子アレイである。ｃＭＵＴ装置は、一般に、膜上または膜内に配置された上部電極と、基板上または基板内に配置された下部電極と、膜と下部電極との間の空洞とからなるセルを含み、ｃＭＵＴは、２つの電極を有する平行板コンデンサになる。上部電極（例えば、金属化膜）は可動式でもよく、基板上または基板内の下部電極は固定されていてもよい。電極間には誘電媒質（真空またはエアギャップ）がある。
【００１４】
ｃＭＵＴ装置は、音響エネルギーを電気エネルギーにまたはその逆に変換するために印加直流バイアスに応答するセル群を素子内に含む。セルは、機械エネルギーを電気エネルギーにまたはその逆に変換する。ｃＭＵＴは、一般に、きわめて小さく、機械的部分と電気的部分とを両方とも有するので、マイクロエレクトロニクスメカニカルシステム（「ＭＥＭＳ」）装置と呼ばれることがある。従来のｃＭＵＴは一般にグランド電極とホット電極を有する。ホット電極を使用して、超音波イメージング中に超音波音響波を送受信することができる。超音波の送受信と関連した様々な特性により、従来のｃＭＵＴホット電極は、一般に、超音波を高感度で送受信するように最適化されているので、最大送信出力が損なわれる可能性がある。
【００１５】
ｃＭＵＴは、送信器モードで操作されても受信器モードで操作されてもよい。ｃＭＵＴの送信器モードは超音波を発生するために使用されてもよく、受信器モードは超音波を検出してもよい。２つの電極間に静電圧が印加されると、膜はクーロン力によって基板に引き寄せられる。直流電圧の上に交流電圧が重ねられると、膜は信号に応じて動き、超音波が発生されて環境中に発射される。直流バイアス下で、超音波が膜に近づくと、膜は振動し、出力された交流電圧は装置電極から測定することができる。直流バイアスが印加されると、膜の動きによって変調された電荷が供給されて、交流信号が発生される。
【００１６】
トランスデューサ１０２は、「ROTATING APERTURE FOR ULTRASOUND IMAGING WITH A CAPACITIVE MEMBRANE OR ELECTROSTRICTIVE ULTRASOUND TRANSDUCER」と題する米国特許出願番号２００７／００７９６５８号に記載されているようなトランスデューサでよく、この出願は、この参照により本明細書に援用される。詳細には、図２は、トランスデューサの一実施形態を示す。設計はｃＭＵＴ型変換の特定の特徴を利用したものである。圧電トランスデューサは、交流信号の印加を使用して放射するが、ｃＭＵＴは交流信号と直流バイアスとを使用する。図２に示した二次元アレイは、Ｍ行およびＮ列の合計Ｍ×Ｎ個の素子を有する。ＭおよびＮは、２以上の整数であり、等しくても等しくなくてもよい。バイアス電圧は、Ｍ個のチャネルを有するバイアス電圧発生器によって提供される。バイアス電圧を伝えるＭ本の線はそれぞれ、水平方向に向けられ、その行のすべての素子にバイアスをかける。これと対照的に、Ｎ本の交流信号線はそれぞれ、垂直方向に向けられ、その列のすべての素子に信号を伝える。（ｍ，ｎ）番目の素子を励起または活性化させるために、バイアス電圧がｍ番目のバイアス線に印加され、交流信号がｎ番目の信号線に印加される。ｍ番目の行に沿ったすべての素子は「オン」にバイアスをかけられ、ｎ番目の列に沿ったすべての素子は交流信号を供給される。但し、オンにバイアスをかけられ且つ交流信号を供給される素子は（ｍ，ｎ）番目の素子だけである。従って、この（ｍ，ｎ）番目の素子が、放射する素子である。複数の素子が、定められた時間に放射してもよい。
【００１７】
以上に述べたように、すべての素子に個別のシステムチャネルがなくてもよい。二次元アレイ内のすべての素子に個別のアクセスが提供されるが、同時アクセスはなくてもよい。従って、ビーム形成技術は、従来の超音波イメージングに使用されたものと異なってもよい。一実施形態において、本明細書に示したビーム形成技術は、前述のトランスデューサアーキテクチャを利用してもよく、その結果、二次元アレイによる等方性ボリューム超音波イメージングの方が実際的である。
【００１８】
再び図１を参照すると、ビームフォーマ１０４は、音響格子に沿った音響ビームを発生するためにトランスデューサ１０２に接続される。音響データは、機械的運動によってまたは電子ビームステアリングを使用して、トランスデューサを揺動させ、回転させまたは摺動させることによって収集される。ビームフォーマ１０４は、また、複数の受信イベントから１つの開口を合成することによって数千個の素子全体にわたる二次元ビームの形成を可能にする開口合成エンジンと呼ばれることがある。あるいは、ビーム形成の前または後に信号から開口を合成するための個別のプロセッサおよびメモリが提供される。一実施形態では、この技術は、エレベーション開口合成（ＥＡＳ）と呼ばれることがあり、一方の軸に沿って従来の超音波ビーム形成を利用し、他方の軸に沿って開口合成方法を利用する。これらの２つの操作は、両方の軸を横切る集束イメージングを提供するために連続的に実行されてもよい。開口合成の一例は、「ULTRASOUND IMAGING TRANSDUCER ARRAY FOR SYNTHETIC APERTURE」と題する米国特許出願番号２００７／０１６７７５２号に記載されており、この出願の開示全体は、この参照により本明細書に援用される。
【００１９】
図２は、Ｍチャネルバイアス電圧発生器２０６の個別チャネルにそれぞれ接続されたＭ個の行と、Ｎチャネル超音波システム２０４の個別チャネルにそれぞれ接続されたＮ個の列とを有する二次元（２Ｄ）アレイ２０２を示す。バイアス電圧発生器２０６は切り替え式直流電圧源である。バイアス電圧が、「オン」に切り替えられ、トランスデューサに印加された際、過渡電流が流れるが、定常のバイアス状態では最小の漏れ電流が存在する。バイアス電圧発生器２０６が「オフ」にされると、電流は実質的に流れない。バイアス電圧発生器２０６が「オン」にされると、予め定められた値の直流電流が流れる。
【００２０】
バイアス発生器２０６は特定パターンのバイアス電圧を発生するように構成され、超音波システム２０４は従来の一次元超音波アレイの従来の超音波イメージングと同じように送受信するようにトリガされる。バイアス発生器２０６は、電圧源に接続された高電圧ＦＥＴ回路網でよい。様々なトランジスタ、スイッチ、分圧器、変圧器、電圧発生器、または他の装置を使用することができる。現在公知または今後開発される任意のバイアス発生器２０６を使用することができる。一実施形態では、バイアス発生器２０６は、実質的に直流バイアスとして働くようにトランスデューサ１０２の交流動作周波数（超音波周波数）より低い周波数の交流波形を発生する。交流信号周波数の１／３以下のバイアス電圧周波数は「実質的に直流」である。例えば、５００ｋＨｚの波形が生成される。約５００ｋＨｚで切り換えることによって、正弦波形を使用して、送信イベントと受信イベントとの間でバイアス電圧を徐々に増減することができる。１または２マイクロ秒にわたるようなステップ的移行により、望ましくない音響伝播の生成が回避される。移行中に生成される望ましくない音は、受信信号からフィルタ除去されてもよい。
【００２１】
バイアス発生器２０６は、１０〜１２０ボルトのような、トランスデューサ１０２が所望の感度になるように選択されたゼロバイアスと非ゼロバイアス、または負バイアスと正バイアスなどの少なくとも２つの異なるバイアスレベルを発生する。５つのバイアスレベルや７つのバイアスレベルなどのより多くのバイアスレベルを使用してもよい。異なるバイアスレベルは、送信および／または受信イベント中に使用するためのアポダイズされた開口（apodized aperture）を構成する異なる電極（図示せず）に印加される。受信時に、バイアスレベルおよび／またはフレネルバイアスパターンは、位相に基づいて動的に集束するように受信イベント中ずっと変動してもよい。
【００２２】
超音波集束ビームが、１つのある方向に沿って送信される。得られた受信信号に、標準集束ビーム形成操作が実行される。その結果得られた超音波ビームデータストリームは後処理のために記憶される。バイアス電圧パターンが更新されてもよく、プロセスが繰り返される。一実施形態では、プロセスはＬ回繰り返えされ、Ｌは一般に異なるバイアス構成の数を表す。完了後に、結果はＬ組の超音波ビームデータを含む。バイアス制御は、更に、「MICROFABRICATED ULTRASONIC TRANSDUCER ARRAY FOR 3-D IMAGING AND METHOD OF OPERATING THE SAME」と題する米国特許出願番号２００５／０１１９５７５号に記載されており、この開示全体は、この参照により本明細書に援用される。
【００２３】
ビームデータは、一次元に沿って集束された集束超音波ビームデータである。超音波システムチャネルはアレイ２０２の列に対応してもよい。従って、超音波システム２０４によって行われる集束はアレイ２０２の列を横切る。この次元は、図２に示したようにアジマスと呼ばれることがある。反対の次元はエレベーションと呼ばれることがある。
【００２４】
図３は１組のバイアスパターンの一実施形態を示す。トランスデューサは、バイアス電圧発生器のチャネルまたは線にそれぞれ接続された複数の行を有する。図示したように、各行のバイアス線は開口インデックス３０２によって選択される。開口インデックス３０２によって選択された各行のバイアス線がバイアスオンされ、その他の行のバイアス線はバイアスオフされる。開口インデックス３０２は、複数のそれぞれ異なるバイアス線を表し、それらのバイアス線の状態がバイアスパターンを形成する。開口インデックス３０２は、素子インデックス３０４における各素子のために利用可能な開口を選択する。素子インデックス３０４からの各素子は、開口インデックス３０２のバイアスオンされた行のバイアス線によってバイアスオンされ、バイアスオフされた行のバイアス線によってバイアスオフされる。
【００２５】
バイアス線の第１のパターンでは、開口インデックス３０２における第１のバイアス線を除くすべてのバイアス線がオフ（一例では約０ボルト）である。第１のバイアス線はオン（一例では１００ボルトの電圧）にされる。第２のパターンでは、開口インデックス３０２が２である場合、第２のバイアス線以外のバイアス線がすべてオフである。第３のパターンでは、第３のバイアス線以外のバイアス線がすべてオフであり、即ち、第３のバイアス線はオンである。このプロット上の各行は、トランスデューサに印加されたバイアス電圧のパターンを表わす。プロットはＬ個のこのような行を示すので、トランスデューサにはＬ個の異なるバイアスパターンが順番に印加される。従って、超音波システムは、Ｌ個のビームデータ捕捉を実行する。一例として、素子３１０はバイアスオンされて示される。白い四角形はそれぞれ素子３１０と呼ばれ、白い四角形はバイアスオンされた素子を表わす。示したように、各行は、あるｔｘ／ｒｘイベントのバイアスパターンでよい。図３に示した組のバイアス構成の場合、第１のｔｘ／ｒｘイベント中にバイアス線１がバイアスオンされる。第２のｔｘ／ｒｘイベントでは、バイアス線２がバイアスオンされる。
【００２６】
結果として、バイアスパターンからビームデータセットが作成される。図３に示したように、各バイアス状態で、単一のバイアス線がオンにされる。詳細には、Ｎelsubap＝１（３０６）から明らかなように１度に１個の素子がバイアスオンされる。Ｎelsubapは、各ｔｘ／ｒｘイベント（送信／受信イベント）の間にオンにされたバイアス線の数のような各「サブ開口」内の素子数である。Ｎskipは、その組のバイアス線（すなわちサブ開口）が各ｔｘ／ｒｘイベントによりどれだけ並進するかである。図３に示したように、Ｎelsubap＝１およびＮskip＝１であり、従って任意のｔｘ／ｒｘイベントでは、１つのバイアス線がオンにされ、その後のｔｘ／ｒｘイベントでは、そのバイアスグループ（この場合は、単一のバイアス線）が、１つの増分で開口を横切って並進する。ｔｘ／ｒｘバイアスパターンは、バイアスパターン間でスキップサイズＮskip以上の有効幅を有していてもよい。
【００２７】
換言すると、１つの素子行が同時にバイアスオンされる。更に、素子行の進行は、Ｎskip＝１（３０８）から明らかなように次の素子行に１つずつ移動する。従って、単一行の素子が、送信サイクル中にバイアスオンされて音響パルスを放射し、受信サイクル中に活性化されて後方散乱超音波を受信する。トランスデューサ素子はイメージングに使用される音響波長と同じ寸法なので、単一行の素子は、その行の素子から伝播するときにエレベーション方向で円筒状に広がる幅広い全方向性音響場を生成する。同様に、受信感度パターンは往復感度パターンと同様に幅広くなる。
【００２８】
図３に示したように、１組のＭ個のバイアスパターンの各バイアスパターンは、オンにされた単一のバイアス線を含む。従って、それぞれの関連付けられた往復感度パターンは横方向の並進以外では類似している。アレイは、エレベーション方向とアジマス方向とを有する二次元アレイである。受信データはビーム形成によってアジマス方向に集束されてもよい。往復感度パターンは一次元（エレベーションのみ）アレイの単一素子応答と類似している。特定の組のバイアスパターンは、（エレベーションのみ）アレイの各素子に連続的な送受信を提供する。これは、海洋ソナーイメージング用の「サイドスキャン」ソナーに使用される送受信構成と類似している。サイドスキャンソナーでは、トランスデューサは、海洋中を牽引される単一の送受信機である。牽引されるとき、このトランスデューサは異なる場所から何時も送受信する。そのような各送受信サイクル中に、得られたデータストリームが記憶される。この結果、一般に開口合成として知られるビーム形成プロセスによって１組のデータストリームが解析される。このプロセスは、往復「単一素子」データを遡及的に集束して集束画像を得る。
【００２９】
開口合成方法は、二次元アレイからの往復データを集束させるために使用されてもよい。このデータは、超音波システムによって実行される１回目のビーム形成によってアジマス方向に既に集束されている。２回目のビーム形成は、エレベーション方向に開口を横切って集束する。その結果、合成開口用にアジマス方向とエレベーション方向との両方に集束された画像が得られる。この画像は等方性ボリューム超音波画像である。
【００３０】
説明したように、図３は単一バイアス線パターンに関するが、１行の素子からの放射は幅が広すぎる場合がある。この幅広さは、横方向分解能の観点からは十分であるが、ＳＮＲの観点からは不十分である。更に、得られたデータセットは、横方向空間周波数の点でサンプリングされた所定の従来のアレイ素子サイズであり、グレーティングローブにかけられてもよい。あるいは、様々なバイアスパターンを使用して異なる結果を達成することもできる。例えば、１行の素子にバイアス「オン」するのではなく、隣接したグループまたは組の素子全体にわたってバイアスがかけられてもよく、それにより有効素子サイズが大きくなる。有効素子サイズが大きくなると、放射音響場が横方向に広がる程度が小さくなり、これによりＳＮＲが改善され、グレーティングローブの振幅を小さくすることがある。
【００３１】
図４は、代替のバイアス線パターンを示す。図示したように、各バイアスパターンは、バイアスオンされた３つの隣接バイアス線のグループを含み、このグループは、パターンにより、エレベーション方向に離間された１つまたは複数の素子（行）だけ並進する。トランスデューサは、バイアス電圧発生器のチャネルまたは線にそれぞれ接続された複数の行を有する。図示したように、バイアス線は開口インデックス４０２によって選択される。開口インデックス４０２は、素子インデックス４０４における各素子のために利用可能な開口を選択する。素子インデックス４０４からの各素子は、開口インデックス４０２のバイアスオンされた行のバイアス線によってバイアスオンされ、バイアスオフされた行のバイアス線によってバイアスオフされる。例えば、素子４１０がバイアスオンされる。この素子４１０は３つの行の素子に対応する。図４に示したバイアス構成の場合、Ｎelsubap＝３およびＮSkip＝１であり、従って各ｔｘ／ｒｘイベントごとに、３つの隣接バイアス線がオンにされ、その後のｔｘ／ｒｘイベントでは、そのバイアスグループが１つの素子行だけ並進する。詳細には、Ｎelsubap＝３（４０６）から明らかなように３つの素子行が同時にバイアスオンされる。素子の進行は、Ｎskip＝１（４０８）から明らかなように次の素子に１つずつ移動する。換言すると、第１の素子行のバイアス線と次の２つの素子行（第２の素子行および第３の素子行）の２つのバイアス線とがバイアスオンされ、Ｎskip＝１（４０８）なので、次に第２の素子行のバイアス線と次の２つの素子行（第３の素子行および第４の素子行）の２つのバイアス線とがバイアスオンされる。バイアスパターンは、１つの素子行を同時に増分することによって残りＮ個の素子を続ける。図４に示した１組のバイアス構成の場合、第１のｔｘ／ｒｘイベント中に、バイアス線１，２，３がバイアスオンされる。第２のｔｘ／ｒｘイベントでは、バイアス線２，３，４がバイアスオンされる。
【００３２】
開口合成処理は、遅延加算ビーム形成プロセス（delay and sum beamformation process）として説明することもできる。ｘmがｍ番目のバイアスパターンでバイアスオンされた素子グループの「質量中心」の位置を表し、（ｘ，ｚ）が、画像内のある点の座標を表わす場合、データに適用される遅延は、ｔ＝２［（ｘm−ｘ）2＋ｚ2］(1/2)／Ｃ0によって与えられ、ここでＣ0は音速である。遅延は、ビーム合計のコヒーレント利得と横方向分解能とを改善するために信号を整合させる働きをする。遅延はすべての深度で改善されたコヒーレント集束を表わすが、深さに依存しない遅延は計算要件を少なくする（例えば、固定焦点ビーム形成）。一実施形態では、合計は、均一に重み付けされた合計でよい。あるいは、サイドローブ構造を改善するために、合計前に不均一な重み付けが信号に適用されてもよい。換言すると、ビーム形成は図５に関して後で述べるようなアポダイゼーションを含んでもよい。このアポダイゼーション自体は、計算を単純にするために静的でもよく、あるいはレンジ（range）と共にサイドローブ制御を改善するために変化してもよい。
【００３３】
ビーム形成の他の変形が可能である。例えば、インコヒーレントビーム形成または部分コヒーレントビーム形成が利用されてもよい。インコヒーレントビーム形成において、ＲＦビームデータはビーム合計前に検出された振幅である。部分コヒーレントビーム形成において、ビーム形成操作は、異なるアポダイゼーションにより同じデータセットに数回適用され、また得られた１組の画像はインコヒーレントに組み合わされる。
【００３４】
例えば、１組のデータが取得され、図５に示したような１組のアポダイゼーション関数によって合成開口ビームフォーマで３回処理されてもよい。アポダイゼーション５０２はＹ軸上に示され、グループインデックス５０４はＸ軸として示されている。アポダイゼーション関数は、データのダイナミックレンジを改善するためにデータの入力強度分布を変化させる。３つのアポダイゼーション関数はそれぞれ、アレイの異なる部分からのデータを強調する。得られたアポダイズされたデータセットがビーム形成されるとき、ビーム形成が有効に制御される。
【００３５】
換言すると、画像データは、トランスデューサの物理位置が、図５に示した３つのアポダイゼーション関数の結果としてその後の３つの取得の際に異なるかのように記録される。その結果、３つの合成画像は類似しているが、スペックルパターンは多少異なる。次に、３つの画像が検出プロセス後に組み合わされる（すなわち、インコヒーレントに組み合わされる）場合は、スペックル分散が減少するが、横方向分解能が犠牲になる可能性がある。部分的コヒーレントビーム形成は、遡及的空間合成でよく、従来の空間合成にある類似の利点を提供する。
【００３６】
代替の実施形態が可能である。前述の実施形態では、バイアスパターンが適用され、送受信イベントが開始され完了され、次のバイアスパターンが適用される。送信サイクルと受信サイクルとの間でバイアスパターンを変更することにより、いくつかの利点が得られる。代替の実施形態では、前述のバイアスパターンが受信サイクル中に使用されてもよいが、送信サイクル中にすべてのバイアス線がオンにされる。この実施形態では、送信された音響場は平面波でよく、各送受信サイクルに同一でもよいが、受信バイアスグループはイベントによって変化する。従って、ビーム形成中に、ｔ＝｛［（ｘm−ｘ）2＋ｚ2］(1/2)＋ｚ｝／Ｃ0の異なる遅延が使用され、ここでＣ0は音速であり、得られるビーム形成は、一方向の受信のみのビーム形成として検討されてもよい。往復ビーム形成は、より優れた横方向分解能を有するが、ＳＮＲの点ではあまり強くない。更に、そのような一方向の技術は、ハダマード符号化（Hadamard encoding）などの開口符号化方式の使用を可能にし、ハダマード符号化は更なるＳＮＲの長所を提供し、図７と図８に関して後で説明される。
【００３７】
図６は、前述のようなバイアスパターンを有する超音波イメージングの一実施形態のフローチャート図である。ブロック６０２で、ｃＭＵＴの素子などのトランスデューサの素子が、第１のバイアスパターンに従ってバイアスをかけられる。バイアスパターンの例は前に図３と図４で述べられた。第１のバイアスパターンに基づいて、ブロック６０４のように、送信／受信機能が実行されて超音波画像データが収集される。この超音波画像データは、ブロック６０６のように、更なる処理のために記録または保存される。ブロック６０８では、バイアスパターンが調整され、トランスデューサからの素子が第２のバイアスパターンに従ってバイアスをかけられる。ブロック６１０で、送信／受信機能が実行されて、第２のバイアスパターンに基づいて超音波画像データが収集される。その第２組の超音波画像データは、ブロック６１２のように、更なる処理のために記録または保存される。ブロック６１４で、第１のバイアスパターンからの超音波画像データと第２のバイアスパターンからの超音波画像データとが、開口合成を使用して組み合わされてもよい。例えば、各組のデータが、電子焦点によってバイアスオンされた素子行内の素子アレイに沿ってビーム形成される（例えば、アジマス方向にビーム形成される）。合成方向（例えば、エレベーション）に沿って、集束は提供されない。多数の取得からのビーム形成サンプルが、合成方向に沿ってビーム形成などの合成によって組み合わされる（例えば、エレベーションと合計との所望の遅延に関連付けられた精選アジマスビーム形成サンプル）。換言すると、信号は、開口が合成されデータがビーム形成または集束されるように組み合わされる。組み合わせた超音波データは、ブロック６１６のように、各送信／受信イベントの合成物である超音波画像を作成するために使用される。
【００３８】
前述の実施形態に代替の実施形態が利用可能である。上記の例では、バイアスパターンが適用され、送受信イベントが開始され完了され、次のバイアスパターンが適用される。送信サイクルと受信サイクルとの間でバイアスパターンを変更することは有益である。一実施形態では、前述のバイアスパターンが、受信サイクル中に使用されてもよいが、送信サイクル中にＭ個のバイアス線はすべてオンにされる。その実施形態では、送信される音響場は平面波であり、各送受信サイクルに同一でよい。受信バイアスグループはイベントにより変化する。ビーム形成中に、ｔ＝｛（ｘm−ｘ）2＋ｚ2｝(1/2)＋ｚ｝／Ｃ0のような異なる遅延が使用されてもよい。
【００３９】
得られたビーム形成は、一方向の受信専用形式のビーム形成と呼ばれることがある。このビーム形成は、前述の往復ビーム形成と比べて横方向分解能の点であまり最適でないが、ＳＮＲの点でより最適である。代替の実施形態は、送信と受信との役割を切り替えてもよい。換言すると、送信サイクルの際に様々なバイアスパターンが適用され、受信の際にすべての素子がバイアスオンされる。また、得られたビーム形成は、一方向形式のビーム形成であるが、送信専用と呼ばれることがある。
【００４０】
受信専用技術か送信専用技術かにより、開口全体の代わりに送信（または受信）開口の一部分だけをバイアスオンすることが望ましい場合がある。例えば、受信専用技術では、送信開口全体がバイアスオンされる。開口のバイアスオン部分の幅を小さくして送信平面波の幅を小さくし、従ってサイドローブと画像クラッタを減少させることが望ましい場合がある。得られる画像はもっと狭くてもよいが、アクティブな開口は移動されてもよい。
【００４１】
ハダマード符号化などの開口符号化方式を使用することにより、更に他のＳＮＲの利点が達成される。ハダマード符号化では、一連の幅広い符号化パターンが適用される。図３に示した１組のバイアスパターンを検討する。このバイアスパターンでは、各バイアスパターンは、バイアスオンされた１つの線以外のすべてのバイアス線からなる。ハダマード符号化バイアスパターンが図７に示したように適用され、得られたデータセットを線形代数的復号化演算で処理する場合は、得られた復号化データセットは、ＳＮＲが２０×ｌｏｇ（√Ｎ）だけ大きい場合がある以外は、図３のバイアスパターンを使用して得られるデータセットと類似している。ここで、Ｎはバイアス線の総数である。
【００４２】
ハダマードマトリクス内の点は、大きさが同じであるが符号（素子極性）が異なる非ゼロでよい。例は図８に示され、図８は、図７に示したバイアスパターンセットの第６のｔｘ／ｒｘイベントに関連付けられたバイアスパターンを表わす。すべてのバイアス線は、非ゼロであるが、＋ｖまたは−ｖの値にバイアスをかけられることに注意されたい。ここで、ｖはバイアス電圧の大きさである。図７のバイアスパターンは、バイアス電圧の反転によって送信信号の反転が起こる線形変換方式で実行可能である。あるいは、あまり線形形式でない変換を利用するトランスデューサでは、改良技術が使用されてもよい。この改良技術では、各ｔｘ／ｒｘイベントは、同じ符号のバイアス電圧をそれぞれ利用する２つの別個のｔｘ／ｒｘイベントに分割される。例えば、図８に、図７に示した組内の第６のバイアスパターンのバイアスパターンが示される。このバイアスパターンは２ステップで実行されてもよい。第１のステップで、組の正バイアス電圧部分がオンにされ、残りはバイアスされないままである。次に、システムはｔｘ／ｒｘイベントを実行するように作動する。次に、バイアスパターンが切り替えられ、バイアスパターンの負電圧成分だけが印加されるが、正電圧として印加される。システムはｔｘ／ｒｘイベントを実行するように作動され、２つのイベントの結果が減算される。
【００４３】
図３と図４に示したバイアスパターンでは、スキップサイズＮskipは、グレーティングローブ性能に影響を及ぼす可能性のあるパラメータである。Ｎskipの値が大きくなると取得が速くなるが、グレーティングローブが高くなり、従ってクラッタ性能が悪化する。図３と図４に示したように、Ｎskipは整数値に限定されてもよい。ピッチの粗いトランスデューサの場合、１未満のＮskipの値を使用することが望ましい。これは、バイアスパターンのアポダイゼーションを使用することにより可能である。バイアスパターンのアポダイゼーションを可能にするために、いくつかの異なるバイアス電圧を発生できるバイアス発生器を使用してもよい。スキップサイズＮskipは、バイアスパターンがｔｘ／ｒｘイベント（送信／受信イベント）間にどれだけ並進するかの尺度である。
【００４４】
図９は、一群の素子からのバイアスパターンの実例である。図９は、３つの異なる非ゼロのバイアス電圧（１／３，２／３，１）を利用する。音響学の観点から、バイアスパターンの位置は、バイアスオンされた素子グループの「質量中心」である。質量中心の計算から、これらのバイアスグループの質量中心が、バイアスグループ間でＮskip＝１／３だけシフトすることが分かる。換言すると、第１のバイアスグループ９０２は、第２のバイアスグループ９０４に対して１／３だけシフトされた質量中心を有する。第２のバイアスグループ９０４は、第３のバイアスグループ９０６に対して１／３だけシフトされた質量中心を有する。第３のバイアスグループ９０６は、第４のバイアスグループ９０８に対して１／３だけシフトされた質量中心を有する。
【００４５】
図１０は、図９のバイアスパターンを表すグラフィック表示である。詳細には、図１０は、図９に示された１組のバイアスパターンを示す。図１０に示したようなバイアスセットから形成された画像は、グレーティングローブアーティファクトになりにくい傾向がある。
【００４６】
開口合成をエレベーションで実行し、従来のビーム形成をアジマスで実行するが、開口合成を両方の次元で行ってボリューム画像を形成してもよい。標準の移動バイアスパターンまたはハダマード符号がエレベーションで適用され、固定焦点時間遅延ビーム形成が送信と受信との両方でアジマスで行われてもよく、送信焦点と受信焦点とが同じ深度に配置される。次に、電子的に並進された多数の送受信イベントの受信データが収集され記憶されてボリュームが描出される。次に、バイアスパターンの中心とエレベーション範囲平面内の意図された焦点との間の距離に基づく波形の遅延加算によって、開口がエレベーションで合成される。同時にまたはその後に、固定焦点に「仮想点光源」を仮定し、そのような仮想点とアジマス範囲平面内の意図された焦点との間の距離に基づく波形の遅延加算を実行することによって、開口がアジマスで合成される。例えば、ボリューム超音波イメージング方法は、バイアス変換に応じた多次元音響トランスデューサを含んでもよく、この場合、第１のバイアスパターンがエレベーションで適用されて、第１の送受信イベントが行われる。送信の間、１組の固定時間遅延を有する交流信号がアジマスで適用され、受信の間、アジマスでの交流信号が、時間的に動的に変化しない別の組の固定時間遅延でビームに形成される。次に、第２のバイアスパターンがエレベーションで適用され、第２の送受信イベントが実行される。第１のイベントからの波形と第２のイベントからの波形とは、エレベーションおよびアジマス両方で開口を同時に合成するか、開口を最初にエレベーションで合成し次にアジマスで合成するかまたはその逆に合成するように「オフライン」で組み合わされる。
【００４７】
説明したように、開口合成は「Ｖ３」型ｃＭＵＴ二次元アレイで行われてもよく、この場合、バイアスはエレベーションが固定され、時間遅延送信／受信ビーム形成はアジマスで固定される。代替の実施形態では、「ＳＶ３」型回転開口トランスデューサに適用可能な他の開口合成方法を利用してもよく、この場合、送信では、時間遅延がエレベーションで適用され、バイアスパターンがアジマスで適用され、受信では、バイアスパターンがエレベーションで適用され、時間遅延がアジマスで適用される。例えば、ボリューム超音波イメージング方法は、開口回転モードで処理されるバイアス変換に応じた二次元トランスデューサを含んでもよい（例えば、「ULTRASOUND IMAGING TRANSDUCER ARRAY FOR SYNTHETIC APERTURE」と題する米国特許出願番号２００７／０１６７７５２号に記載されており、この開示全体はこの参照により本明細書に援用される）。エレベーションの第１と第２の送信時間遅延プロファイルを使用することによって２つの送受信イベントが取得され、次にこの２つのイベントからの受信波形が、開口合成、マッチングフィルタリングおよび／または動的送信集束をエレベーションで実施するように組み合わされる。
【００４８】
非回転開口モードのエレベーション開口合成方法は、優れた等方性三次元分解能を有するが、理想的なＳＮＲとは言えない。回転開口モードイメージングは、また、等方性三次元分解能を有するが、電子的切り換え時間がゼロではないので近距離場で画像化できない。これらの２つのモードの組み合わせは全場イメージングソリューションを達成する。例えば、ボリューム超音波イメージング方法は、非回転開口モードで動作するトランスデューサによって取得された第１組のエレベーション開口合成データと、回転開口モードで動作するトランスデューサによって取得された第２組のデータとの組み合わせからボリュームを構成する。第２組は、開口合成を含む場合も含まない場合もある。この２つの組からのデータは、コヒーレントまたはインコヒーレントに、合成されるか、ステッチされるか、インタリーブされるか、左右または上下に並べて配置されてもよい。
【００４９】
トランスデューサ開口が、画像化または問い合わされるボリュームのフットプリントまたは領域より小さいときは、開口合成を機械的並進およびステッチングと組み合わせてボリューム全体を覆うようにしなければならない。例えば、ボリューム超音波イメージング方法は、非回転開口モードで動作するトランスデューサによって得られた第１組および第２組のエレベーション開口合成データからボリュームを構成することを含んでもよく、トランスデューサは、第１組および第２組を取得する間にエレベーションまたはアジマスで機械的に並進またはシフトされる。２つの組からのデータは、コヒーレント、インコヒーレントまたは部分コヒーレントにステッチされてもよい。
【００５０】
図１に戻ると、検出器１０６は、Ｂモード検出器、ドプラ検出器、フロー検出器、および／またはビームフォーマ信号からの強度、エネルギー、速度または他の情報を識別するための他の検出器である。超音波データは、Ｂモード、ドプラ速度情報、またはドプラエネルギー情報のいずれでもよい。
【００５１】
システム１００は、表示装置２４と関連付けられたような、音響格子からデカルト座標格子に変換するオプションのスキャントランスデューサ（図示せず）を含んでもよい。データをデカルト座標系で変換する実施形態では、スキャンコンバータがデータを音響格子からデカルト座標格子に変換する。例えば、スキャンコンバータは、複数の二次元画像または平面を音響格子からデカルト座標格子にスキャン変換する。あるいは、スキャンコンバータ、ＣＰＵ、ＧＰＵ、または他のプロセッサが、音響格子データの一部またはすべてを三次元デカルト格子に変換する。
【００５２】
メモリ１１０は、データまたはビデオ情報を記憶するためにビデオランダムアクセスメモリ、ランダムアクセスメモリ、または他のメモリデバイスを含んでもよい。メモリ１１０は、キャッシュ、バッファ、ＲＡＭ、取り外し可能媒体、ハードドライブ、または他のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体などの、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体またはメモリでよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体には、様々なタイプの揮発性媒体および不揮発性記憶媒体がある。図面に示されまたは本明細書に記載された機能、操作またはタスクは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された１つまたは複数組の命令に応じて実行される。機能、操作またはタスクは、特定のタイプの命令セット、記憶媒体、プロセッサ、または処理方式に依存せず、単独または組み合わせで動作するソフトウェア、ハードウェア、集積回路、ファームウェア、マイクロコードなどによって実行されてもよい。同様に、処理方式には、多重処理、マルチタスキング、並列処理などがある。一実施形態では、命令は、ローカルまたはリモートシステムによって読み出すために取り外し可能媒体装置に記憶される。他の実施形態では、命令は、コンピュータネットワークを介してまたは電話線で転送するためにリモート位置に記憶される。更に他の実施形態では、命令は、所定のコンピュータ、ＣＰＵ、ＧＰＵまたはシステムに記憶される。
【００５３】
一実施形態では、メモリ１１０はプロセッサ１０８のビデオランダムアクセスメモリを構成する。代替の実施形態では、メモリ１１０は、プロセッサのキャッシュメモリ、システムメモリ、または他のメモリなど、プロセッサ１０８から分離されたものである。メモリ１１０は、音響格子、デカルト格子、デカルト座標格子と音響格子との両方で変換された超音波データ、またはボリュームを三次元格子で表わす超音波データを記憶する。
【００５４】
一実施形態では、プロセッサ１０８は、グラフィックアクセラレータチップ、プロセッサ、特定用途向け集積回路、回路、またはアクセラレータカードを含むＧＰＵでよい。第２の実施形態では、プロセッサ１０８は、ｎＶｉｄｉａ（例えば、Ｑｕａｄｒｏ４  ９００ＸＧＬなど）、ＡＴＩ（例えば、Ｒａｄｅｏｎ９７００など）、またはＭａｔｒｏｘ（例えば、Ｐａｒｈｅｌｉａなど）によって製造されたようなパーソナルコンピュータグラフィックアクセラレータカードまたは構成要素である。プロセッサ１０８は、三次元テクスチャマッピング用のアプリケーションプログラミングインタフェースの使用のような、ボリュームレンダリングプロセスを加速するハードウェア装置を提供する。ＡＰＩの例にはＯｐｅｎＧＬとＤｉｒｅｃｔＸがあるが、プロセッサ１０８と関係なくまたはプロセッサ１０８と共に他のＡＰＩを使用することもできる。
【００５５】
プロセッサ１０８および／またはメモリ１１０は、システム１００内に、同一ハウジング内のカート上の超音波システムなどの、単一超音波システム構成要素の一部として含まれてもよい。代替実施形態では、プロセッサ１０８とメモリ１１０は、ワークステーションまたはパーソナルコンピュータ内に提供されるなど、超音波データ収集システムと別に提供される。超音波データは、コンピュータネットワークによって無線で、または可搬式記憶媒体を介してプロセッサ１０８に転送されてもよい。
【００５６】
表示装置２４は、三次元ボリュームまたは表現の二次元画像を表示するためのＣＲＴ、ＬＣＤ、平面パネル、プラズマスクリーン、ビデオプロジェクタまたは他の装置である。表示装置２４は、超音波画像の出力を表示するように構成されてもよい。
【００５７】
本発明を様々な実施形態を参照して説明したが、本発明の範囲を逸脱することなく多くの変更および修正を行なうことができることを理解されたい。従って、前述の詳細な説明が、限定ではなく例示と見なされ、添付の特許請求の範囲が、本発明の精神および範囲を定めるように意図されたすべての等価物を含むことを理解されることを意図している。
【符号の説明】
【００５８】
１００  ボリューム超音波イメージングシステム
１０２  トランスデューサ
１０４  ビームフォーマ
２０６  バイアス発生器
３０４  素子
６０２，６０８  バイアスパターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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