(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波変換素子アレイ(10)を備えたシステムにおける超音波画像形成装置であって、この装置が、
前記超音波変換素子アレイ(10)上の異なる点を起点とし、前記変換素子アレイに対する法線(20)に関して非ゼロ角θに方向付けられ、及びリニア走査パターン(14)を規定する平行線(26,28)に沿って、前記変換素子アレイ(10)により超音波エネルギーを送信する手段と、
頂点(30,32)を起点とし、及びセクタ走査パターン(16,18)を規定するセクタ線(33,35)に沿って前記変換素子アレイ(10)のセクタアパーチャ(40,42)を介して超音波エネルギーを送信し、該セクタ走査パターン(16,18)と前記リニア走査パターン(14)とが隣接して複合走査パターン(12)を形成する手段と、
前記平行線(26,28)と上記セクタ線(33,35)とに沿って前記変換素子アレイ(10)により超音波エコーを受信して、前記平行線(26,28)と前記セクタ線(33,35)とに沿った画像を表す信号を提供する手段と、
対象領域の深さに応じて前記セクタアパーチャ(40,42)の幅と前記リニア走査パターンの幅とを変化させる手段と、
を含むことを特徴とする、超音波画像形成装置。
【請求項２】
前記セクタアパーチャの幅と前記リニア走査パターンの幅とを変化させる前記手段が、
比較的深い部分の画像形成には幅広のセクタアパーチャと幅狭のリニア走査パターンとを提供し、比較的浅い部分の画像形成には幅狭のセクタアパーチャと幅広のリニア走査パターンとを提供する手段、
を含む、請求項１に記載の超音波画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、フェーズドアレイ式ビーム操向および集束を用いた超音波画像形成システムに関し、特に、リニア走査とセクタ（扇形）走査との組み合わせを用いてリニア走査の利点を保持したまま視野の拡大を提供する超音波画像形成のための方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
フェーズドアレイ式超音波画像形成システムにおいて、その超音波変換器は、変換素子アレイを含むものである。このシステムは、多チャネル送信器と多チャネル受信器とを含むものである。チャネル数が前記アレイ中の変換素子数よりも少ない典型的な場合には、電子式スイッチ網が、選択された１グループの変換素子を送信器および受信器のチャネルに接続する。送信器の各チャネルにより、選択された変換素子アレイが画像形成対象となる物体（典型的には人体）中に超音波パルスを送信することになる。この送信された超音波エネルギーが、各変換素子から送信されるパルスに適当な遅延を与えることにより操向および集束されて、その送信されるエネルギーが所望の点に有効に加えられる。このようなパルスの一部は、人体中の様々な構造や組織により反射されて変換器アレイへと戻る。
【０００３】
受信された超音波エネルギーの操向および集束は、上記の送信の場合と逆の方法で行われる。物体または構造からの反射された超音波エネルギーは、異なる時点でアレイ素子に到達する。受信された信号は、受信器の別々のチャネルでその増幅および遅延が行われ、次いで、受信側のビーム形成器(receive beamformer)中で加算される。各チャネル毎の遅延は、受信ビームが所望の点で集束するよう選択される。それらの遅延は、超音波エネルギーの受信時に、走査線に沿った漸進的に増大する深さでビームを集束させるように、動的に変化させることができる。送信されたビームが人体の或る領域にわたって走査され、上記ビーム形成器により生成された信号が処理されて前記領域の画像が生成される。
【０００４】
様々な走査パターン即ち走査形式が、当業界で公知である。リニア走査パターンでは、超音波エネルギーは、変換素子アレイ上の異なる点を起点とする多数の平行線に沿って送信および受信される。それらの平行線は、前記アレイに対して垂直とすることができ、また所望の角度に操向することができるものである。このリニア走査パターンは、比較的高品質の画像を生成する。これは、画像形成対象となる構造に対して全ての走査線が同一方向から入射するからである。リニア走査パターンで得られる視野は、全ての深さにおいて同一である。
【０００５】
また、セクタ走査パターンでは、超音波エネルギーは、典型的には変換素子アレイ上に位置する共通の１つの頂点を起点とするセクタ線に沿って送信および受信される。このセクタ走査パターンは、深さの増大に応じて拡大する視野を有している。セクタ走査パターンの欠点は、浅い深さではその視野が比較的狭いという点である。浅い深さにおけるセクタ走査パターンの視野を拡大するための技術は周知のものであり、この技術は、変換素子アレイの背後に位置する仮想頂点を起点とするようにセクタ走査パターンをシフトさせることを含むものである。この仮想頂点走査パターンは、高品質画像を生成するというリニア走査の利点を有さないものである。
【０００６】
リニア走査とセクタ走査との組み合わせを用いる走査技術が、1987年5月12日付けでYanoに付与された米国特許第4,664,122号に開示されている。その開示の変換素子アレイでは、変換素子アレイの両端における部分アレイ中の素子の間隔を、中央部の部分アレイ中の素子の間隔よりも小さくすることにより、その走査フォーマットが実現される。リニア走査の操向については開示されていない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、超音波画像形成のための方法および装置が提供される。本発明の第１態様によれば、超音波変換素子アレイを含むシステムにおける超音波画像形成のための方法は、超音波変換素子アレイ上の異なる点を起点とすると共にその変換素子アレイに対する法線に関して可変的な角度θに方向付けされ即ち操向された平行線に沿って、前記変換素子アレイにより超音波エネルギーを送信し、前記平行線がリニア走査パターンを規定するものであり、および、１つの頂点を起点としてセクタ走査パターンを規定するセクタ線に沿って前記アレイにより超音波エネルギーを送信する、というステップを含む。前記セクタ走査パターンおよびリニア走査パターンが隣接して複合走査パターンが形成される。この方法は更に、前記平行線および前記セクタ線に沿って前記アレイにより超音波エコーを受信して、前記平行線および前記セクタ線に沿って画像を表す信号を提供する、というステップを含む。
【０００８】
セクタ走査パターンは、リニア走査パターンの一方または両方の端部で利用することが可能である。典型的には、セクタ走査パターンの頂点は、リニア走査パターンの一端で前記アレイ上に位置する。セクタ走査パターンをリニア走査パターンの両端で利用する場合には、前記複合走査パターンはほぼ台形の形状を有する。そのセクタ走査パターンは、前記アレイに対する法線に関する所望の最大角度αと前記平行線の角度θとの間に延在する。
【０００９】
セクタ走査パターンのセクタ線は、前記アレイのセクタアパーチャを通って送信され、また平行線は、前記アレイのリニアアパーチャを通って送信される。本発明の別の態様によれば、リニア走査パターンおよびセクタ走査パターンを用いた複合走査パターンでのセクタアパーチャの幅は、対象領域の深さに応じて変化させられる。比較的深い部分の画像形成には、全幅のセクタアパーチャが使用され、比較的浅い部分の画像形成には、前記全幅のセクタアパーチャよりも狭い縮小幅のセクタアパーチャが使用される。浅い画像形成のためにセクタアパーチャの幅が狭められる場合には、リニア走査パターン中の平行線の数を増加させて広い視野を提供することが好ましい。
【００１０】
好適な一実施例では、変換素子アレイは、互いに同一の間隔が形成された同一寸法の変換素子からなる直線アレイにより構成される。好適には、前記平行線は互いに等間隔で隔置され、前記セクタ線は互いに等角度で隔置される。
【００１１】
本発明の別態様によれば、超音波変換素子アレイと、所定数の送信チャネルおよび受信チャネルと、それらの送信チャネルおよび受信チャネルと接続する変換素子を選択するための電子スイッチとを備えたシステムにおける、セクタ走査パターンを用いた超音波画像形成方法が提供される。この方法は、セクタアパーチャの大きさと変換素子アレイ上のセクタアパーチャの位置とから送信チャネルおよび受信チャネルに対する変換素子の写像を決定し、セクタ走査パターンに関するセクタ角と焦点とから集束遅延を決定し、その集束遅延を前記写像を用いて既写像集束遅延に変換し、その既写像集束遅延を用いてセクタ走査パターンのセクタ走査線に沿って超音波エネルギーの送信および受信を行い、そのセクタ走査線に沿った画像を表す信号を提供する、というステップを含む。
【００１２】
【実施例】
本発明の一態様による超音波画像形成技術を図１(a),(b)に示す。超音波変換素子アレイ10は、典型的には直線的な構成で多数の変換素子を備えている。超音波変換素子アレイの製造技術は周知のものである。
【００１３】
複合走査パターン12は、リニア走査パターン14とセクタ走査パターン16,18とを含んでいる。リニア走査パターン14は、アレイ10に対する法線20に関して角度θに操向可能であり、その両端は線22,24により境界付けられている。リニア走査パターン14は、変換素子アレイ10上の異なる点を起点とする多数の平行走査線26,28他により生成される。それら平行走査線の各々は、法線20に関して角度θに方向付け即ち操向することが可能なものであり、また、法線20と平行にすることも可能である。本明細書で使用する用語「平行走査線」および「セクタ走査線」は、超音波エネルギーの送信および受信を行う際に沿う線を意味している。こうした「走査線」は、焦点と変換素子アレイの活動アパーチャの中央（更に特定すれば、変換素子アレイの活動アパーチャについての多数のアポダイゼーション関数の中央(the center of mass of the apodization function)）との間の線と定義することができる。
【００１４】
セクタ走査パターン16は、変換素子アレイ10上の頂点30を起点とし、セクタ走査パターン18は、変換素子アレイ10上の頂点32を起点とする。セクタ走査パターン16は、法線20に対して角度αをなす線34から、リニア走査パターン14の境界に位置する線22へと延在する。また、セクタ走査パターン18は、法線20に対して角度−αをなす線36から、リニア走査パターン14の境界に位置する線24へと延在する。セクタ走査パターン16は、頂点30を起点として線34,22間に延在するセクタ走査線33,35他に沿って超音波エネルギーの送信および受信を行うことにより得られる。典型的には、セクタ走査線は等角度で隔置される。同様に、セクタ走査パターン18は、頂点32を起点として線36,24間に延在するセクタ走査線（図示せず）に沿って超音波エネルギーを送信および受信することにより得られる。従って、セクタ走査パターン16は、リニア走査パターン14に一端で隣接し、セクタ走査パターン18は、リニア走査パターン14に他端で隣接する。
【００１５】
セクタ走査パターン16,18およびリニア走査パターン14は、複合走査パターン12を規定する。この複合走査パターン12の形状はほぼ台形である。この複合走査パターン12の形状を「ほぼ台形」と説明するのは、その下部境界38が直線でない可能性があるからである。図１(a),(b)では、下部境界38は湾曲部38a,38bと直線部38cとを含んでいる。これに代わるものとして、複合走査パターンの下部境界全体が直線となるようにセクタ走査パターン16,18のセクタ走査線を延在させることも可能である。
【００１６】
超音波エネルギーは、「アパーチャ」として知られる変換素子アレイ10における変換素子からなる部分アレイを介して、セクタ走査パターン16,18のセクタ線とリニア走査パターン14の平行線とに沿って送信および受信される。超音波エネルギーの送信および受信を行う際に介在するアパーチャは、活動(active)アパーチャとして知られている。図１(a),(b)では、アレイ10の斜線部で示すセクタアパーチャ40,42を介して超音波エネルギーの送信および受信を行うことにより、セクタ走査パターン16,18がそれぞれ形成される。セクタアパーチャ40,42の各々は、所望のセクタ走査パターンの生成に十分な個数の変換素子を備えている。各セクタ走査パターンの頂点は、典型的には個々のセクタアパーチャの中央に位置する。以降で一層完全に説明する一例では、セクタアパーチャ40,42は、それぞれ128個の変換素子を備えている。
【００１７】
リニア走査パターン14は、セクタアパーチャ40の中央におけるセクタ走査パターン16の頂点30から、セクタアパーチャ42の中央におけるセクタ走査パターン18の頂点32まで延在する。このリニア走査パターン14の平行線の各々は、後述するように関連するリニアアパーチャを有している。
【００１８】
複合走査パターン12の典型的な走査は次のように行うことができる。最初に、頂点30を起点とするセクタ線33,35他に沿ってセクタアパーチャ40中の変換素子により超音波エネルギーの送信および受信を行ってセクタ走査パターン16を形成する。それらのセクタ線は、所望の最大角度αをなす線34から、リニア走査パターン14の角度θをなす線22まで延在する。一例では、それらセクタ線は1/2度ずつ隔置されている。従って、図１(a)の例では、セクタ走査パターン16のセクタ線は、28.5度をなす線34から線22に隣接した-9.5度をなす線まで（これは、線22がリニア走査パターン14の最初の線であるからである）延在する。この例の場合、セクタ走査パターン16は76本のセクタ線を有する。代替的には、線22をセクタ走査パターン16の最後のセクタ線とし、リニア走査パターン14の最初の線をその線22に隣接する線とすることが可能である。
【００１９】
次に、アレイ10のリニアアパーチャを介した超音波エネルギーの送信および受信により、リニア走査パターン14を形成する。リニア走査パターン14の平行線は、典型的には１度に２個の変換素子ずつ、アレイ10にわたり活動リニアアパーチャを電子的にシフトさせることにより形成される。線22の形成に使用される第１リニアアパーチャは、典型的にはセクタアパーチャ40と同一のものである。次いで、そのリニアアパーチャを２個の変換素子だけシフトさせて、前記線22に平行な第２線に沿って超音波エネルギーの送信および受信が行われる。リニアアパーチャを２個の変換素子だけ移動させて、超音波エネルギーの送受信を平行線に沿って行うプロセスは、線24でリニア走査パターン14が完了するまで繰り返される。従って、リニア走査パターン14は、操向角θの線22,24と平行な多数の走査線からなる。ここで、平行な走査線間でリニアアパーチャを１個の変換素子だけまたは２個以上の変換素子だけシフトさせることが本発明の範囲内で可能であることが理解されよう。
【００２０】
最後に、セクタ走査パターン18が、セクタ走査パターン16と同様の方法で形成される。即ち、超音波エネルギーがセクタアパーチャ42の変換素子により送信および受信されて、頂点32を起点とするセクタ線が形成される。そのセクタ線は、所望の最大角度をなす線36とリニア走査パターン14の境界の線24との間に延在する。セクタ走査パターンおよびリニア走査パターンの走査のためのシーケンスは任意であり、異なるシーケンスを使用できることが理解されよう。しかし、好適には、それらの走査は、左から右へ、または、右から左へと順次行われる。
【００２１】
セクタ線および平行線の各々に沿った受信された超音波エコーは、活動アパーチャの変換素子により電気信号に変換される。その電気信号が以降で説明するように処理されて、複合走査パターン12内の領域の超音波画像が提供される。その画像は、典型的には表示画面上に表示され、図１(a),(b)に示し上記で説明した複合走査パターン12の形状を有する。
【００２２】
図１(a),(b)に示した上記説明の複合走査パターン12は、操向された１つのリニア走査パターンと１つ以上のセクタ走査パターンとの両者を含み、従来の走査パターンにまさる幾つかの利点を有するものである。操向されたリニア走査パターン14は、対象となる構造の高品質画像を提供する。これは、リニア走査パターン14の角度θが対象となる構造上に垂直に入射するように調整可能であるからである。例えば、図１(b)に示すように、調査対象となる血管50が、変換素子アレイ10に対して角度θの方向に向いている場合には、リニア走査パターン14を角度θに操向して最良の画像を得ることができる。セクタ走査パターン16,18は、視野を大幅に拡大するものである。
変換素子アレイ10の一例は、135μmの素子ピッチ（中心間間隔）を有する288個の変換素子を備えたものである。その素子ピッチは、7.5MHzでの超音波波長の0. 66倍に相当し、また、5.0MHzでの超音波波長の0.44倍に相当するものである。この構成により、少なくとも±30度までの超音波エネルギーの操向が可能となり、セクタ走査パターンとリニア走査パターンとの間の滑らかな推移が実現する。288個の変換素子と3.89cmの長さ寸法とを有する変換素子アレイ10では、従来のリニア走査の場合の走査幅は全ての深さで3.4cmとなる。本発明によりリニア走査をセクタ走査と組み合わせた場合には、深さの増大と共に視野が拡大する。セクタ角が28.5度であり、以下で説明するような可変セクタアパーチャを使用する上記実施例の場合には、深さ４cmでの視野が6.8cm、深さ６cmでの視野が8.3cm、深さ８cmでの視野が9.8cmとなる。
本発明の範囲内には多数の変形例が含まれることが理解されよう。例えば、リニア走査パターンの両端にセクタ走査パターンを与える必要はない。その代わりに、リニア走査パターンの何れかの端部に単一のセクタ走査パターンを与えることができる。また、リニア走査パターンの両端でセクタ走査パターンを使用する場合には、それらのセクタ走査パターンが互いに異なるパラメータを有することが可能である。例えば、それらセクタ走査パターンは、互いに異なる最大角度を有することが可能であり、互いに異なるセクタアパーチャを介して送信することが可能である。更に、セクタ走査パターンの頂点は、必ずしも変換素子アレイ10上に位置する必要はない。変換素子アレイ10の背後または正面に位置する仮想頂点を起点としたセクタ走査パターンを生成するための技術を本発明の範囲内で使用することが可能である。更に、変換素子の個数および変換素子のピッチを含む変換素子アレイのパラメータを特定の用途に応じて選択することが可能である。
更なる変形例として、送信スプライス(splice)技術を使用することができる。この送信スプライス技術によれば、２つの走査線が変換素子アレイ上の同一起点から同一方向に順次送信されるが、それら走査線の焦点深度は互いに異なるものとなる。このプロセスは、所望の走査パターン中の各走査線毎に繰り返される。
本発明の別態様によれば、対象領域の深さに応じてセクタアパーチャ40,42の幅が変化させられる。典型的には、画像の深さは、対象領域の深さに基づき選択される。上述のように、セクタ走査パターンは、浅い深さでは比較的狭い視野を有し、深さが増すにつれて比較的広い視野を有する。リニア走査パターンは、全ての深さで一定の視野を有する。これらの特徴を利用して、浅い画像形成と深い画像形成との両方で広い視野が提供される。アパーチャが大きい場合には、深部の組織の詳細な分析が可能となる。浅い画像形成深さでは、セクタアパーチャの幅を縮小させることが可能であり、平行線の数を増大させることによりリニア走査パターンの幅を拡大することが可能である。リニア走査パターンの幅を拡大することにより、浅い画像形成深さでの視野が拡大される。
各セクタアパーチャの幅およびリニア走査パターンの幅の変化を図２(a)〜(c)に示す。図２(a)では、変換素子アレイ10のセクタアパーチャ40,42は全幅であり、そのリニア走査パターンは頂点30,32の間に延在する。本発明の一実施例では、変換素子アレイ10は288個の変換素子を有し、セクタアパーチャ40,42は128個の変換素子を各々有している。リニアアパーチャもまた128個の変換素子を有しており、このリニアアパーチャは、典型的には、頂点30から頂点32へと一度に２個の変換素子ずつシフトされて81本の平行線が形成される。図２(a)に示す構成は、約８cm以上の画像形成深さに適したものである。
図２(b)に示す構成は、約６cmといった中間の画像形成深さに適したものである。セクタアパーチャ40a,42aの幅は、図２(a)に示すセクタアパーチャ40,42の幅に比べて狭くなっている。超音波エネルギーは、頂点30a,32aを起点とするセクタ線に沿って送信および受信され、それら頂点30a,32aは、図２(a)に示す頂点30,32と比べて変換素子アレイ10の両端に向かって外方に変位されている。リニア走査パターンは頂点30a,32a間に延在する。288個の変換素子を有する上述の変換素子アレイの一例では、セクタアパーチャ40a,42aの各々が96個の変換素子を有し、リニア走査パターンは97本の平行線を含むことになる。
約４cmの深さでの浅い画像形成のための構成を図２(c)に示す。セクタアパーチャ40b,42bの幅は最小幅に狭められて、リニア走査パターンの幅が最大幅に拡大される。セクタ走査パターンは、頂点30a,30bを起点とするものであり、それら頂点30a,30bは、変換素子アレイ10の両端の一層近くに変位されている。288個の変換素子を有する変換素子アレイの一例では、セクタアパーチャ40b,42bの各々は64個の変換素子を有し、リニア走査パターンは113本の平行線を有する。
図２(a)の実施例では、セクタアパーチャ40,42は、その各々に128個の変換素子を有し、リニア走査パターンの平行線を送信するためのリニアアパーチャは、各平行線毎の128個の変換素子を有する。図２(b),(c)に示すように、セクタアパーチャの幅が狭められる際には、好適には、リニアアパーチャの幅がリニア走査パターンの両端近くで狭められる。図２(b)において、リニアアパーチャは、頂点30aを起点とする線に沿って超音波エネルギーの送信および受信を行うためにセクタアパーチャの幅に狭められる。次いで、そのリニアアパーチャが、１度に２個の変換素子だけ変換素子アレイに沿って変位されて、連続する各走査線毎に４個の変換素子だけその幅が拡大され、これは、そのリニアアパーチャが変換素子アレイ10の中央部分において所望の最大幅に達するまで行われる。次いで、そのリニアアパーチャは、頂点32aに近づく際に、連続する各走査線毎に４個の素子ずつその幅が狭められて、頂点32aを起点とする線に沿って超音波エネルギーの送信および受信を行うためのセクタアパーチャ42bの幅を有することとなる。活動リニアアパーチャがリニア走査パターンの端部に近づく際には、連続する各走査線毎にそのアパーチャの先縁および後縁の両方から２個の変換素子を除去してそのアパーチャを対称的に縮小させるのが望ましい。同様に、活動リニアアパーチャがリニア走査パターンの端部から遠ざかる際には、そのアパーチャがその最大幅に達するまで、連続する各走査線毎にそのアパーチャの先縁および後縁の両方に２個の変換素子を加える。これにより、送信ビームが受信ビームと平行に保たれる。
【００２３】
代替的には、リニア走査パターンの端部付近で非対称なリニアアパーチャを使用することが可能であるが、送信焦点から離れた画像の品質が幾分か劣化することになる。この場合には、活動リニアアパーチャが変換素子アレイの端部に達する際に、その先端のチャネルは、その端部を減衰させるので、使用されない。
【００２４】
セクタアパーチャ40a,42aがそれぞれ96個の変換素子を有する図２(b)の実施例では、リニアアパーチャの大きさは、リニア走査パターンの両端における96個の変換素子分から、リニア走査パターンの中央部分における128個の変換素子分まで変化する。同様に、図２(c)の実施例の場合には、リニアアパーチャの大きさは、リニア走査パターンの両端における64個の変換素子分から、リニア走査パターンの中央部分における128個の変換素子分まで変化する。
【００２５】
図２(a),(c)に示した上述の変換素子アレイ中の変換素子の数と、幅が狭められたセクタアパーチャ中の変換素子の数と、リニアアパーチャ中の変換素子の数とは、単なる例示にすぎず、他の変換素子アレイおよびアパーチャの大きさが本発明の範囲内に含まれる、ということが理解されよう。更に、リニアアパーチャとセクタアパーチャとの相対的な大きさは設計上の選択事項に過ぎない。リニアアパーチャとセクタアパーチャとの相対的な幅によっては、上述のようにリニア走査パターンの両端付近でリニアアパーチャの幅を狭める必要がない場合もある。
【００２６】
上述の走査技術の実施に適した超音波画像形成システムの一例の簡素化ブロック図を図３に示す。変換素子アレイ10の各変換素子は、電子スイッチ網60に接続される。この電子スイッチ網60は、超音波エネルギーの送信および受信を行うための１グループの変換素子を選択することにより、活動セクタアパーチャまたは活動リニアアパーチャを規定するものである。図３の実施例では、変換素子アレイ10は288個の変換素子を有し、アパーチャの最大の大きさは128個の変換素子分である。電子スイッチ網60は、選択された変換素子を、選択されたアパーチャ中の各変換素子毎に送信チャネルを１つずつ有する送信器62へ接続する。それら送信チャネルは、送信される超音波エネルギーの操向および集束を行うためのプログラム可能な遅延を有している。送信器62は、適当に遅延された超音波パルスを、電子スイッチ網60を介して、セクタアパーチャまたはリニアアパーチャの選択された変換素子に供給する。
アパーチャの選択された変換素子はまた、電子スイッチ網60により、その選択されたアパーチャ中の各変換素子毎に受信チャネルを１つずつ有する受信器64にも接続される。受信器64は、選択されたアパーチャの各変換素子からの受信信号を遅延させて操向および集束を行い、その遅延信号を組み合わせて、複合走査パターン12（図１(a),(b)参照）のセクタ線および平行線に沿った画像を表わす信号を生成する。それらの信号が、信号処理装置66を介して表示装置68（典型的にはＣＲＴ）に供給されて超音波画像の表示が行われる。その信号処理装置66により使用される好適な走査変換技術は、1990年1月23日付けでHunt等に付与された米国特許第4,896,283号に開示されている。なお、本引用をもってその開示内容を本明細書に包含させたものとし、その詳細な説明は省略する。表示装置68は、図１(a),(b)に概略的に示すように、画像空間の表示を提供する。制御ユニット70は、制御信号を、変換素子の選択のために電子スイッチ網60に供給し、遅延の選択のために送信器62および受信器64に供給し、画像表示の制御のために信号処理装置66に供給する。
【００２７】
スイッチ網60は、変換素子と処理用電子回路との間のマルチプレクサとみなすことができる。好適なマルチプレクサは、「トラクタトレディング(tractor treading)」マルチプレクサである。トラクタトレディング技術については、1988年5月9日付けで出願された米国特許出願第07/191,999号に開示されている。なお、本引用をもってその開示内容を本明細書に包含させたものとし、その詳細な説明は省略する。フェーズドアレイ式のシステムの場合、変換器の各受信信号は、典型的には処理電子回路内での所定の位相補正および遅延タップ選択を用いて、精確な態様で処理されなければならない。それらの位相変数およびタップ変数は、選択されたアパーチャ中の変換素子の相対位置に関連するものである。ヘテロダイン手段（ミキサ）およびタップ遅延線を使用して遅延を実施するための好適な技術が、1979年2月20日付けでMaslakに付与された米国特許第4,140,022号に開示されている。また、動的集束を行う際に使用すべき遅延係数を決定するための遅延係数生成器が、1990年8月14日付けでHunt他に付与された米国特許第4,949,259号に開示されている。なお、上記引用をもってそれら開示内容を本明細書に包含させたものとし、それらの詳細な説明は省略する。送信アポダイゼーションおよび動的受信アポダイゼーションに関する公知技術を、図３のシステムで使用することが可能である。本発明の走査パターンの実施に適したシステムは、ヒューレット・パッカード・カンパニーにより製造および販売されるSonos 1000システムである。
本発明は、図３に示し上述した類の超音波画像形成システムでの実施に限られたものではない、ということが理解されよう。例えば、送信器および受信器におけるチャネル数が変換素子アレイの変換素子数と等しい場合には、電子スイッチ網60は必要ない。この場合には、選択された送信チャネルおよび受信チャネルが活動状態にされて所望のアパーチャが発生する。また、本発明の走査技術は、受信信号をディジタル化した後にディジタル的に遅延させるディジタル受信ビーム形成器で実施することも可能である。
本発明を実施するための超音波画像形成システムの好適実施例のブロック図を図４に示す。基本的なアーキテクチャは、前記の特許第4,140,022号に基づくものであり、操向および集束のためにいわゆる「混合(mix)および遅延（粗遅延に付加された微細遅延）機構」を採用したものである。選択回路100（図３に示す既述の電子スイッチ網60に相当するもの）が、超音波画像形成システムの送信チャネルおよび受信チャネルを変換素子アレイ10の変換素子に接続する。上記実施例では、そのシステムは128のチャネルを含み、変換素子アレイ10は288個の変換素子を備えている。選択回路100はトラクタトレディングを行う。更に、図４に示す超音波画像形成システムは、上述のようにセクタ走査パターンおよびリニア走査パターンを生成するためにセクタ集束回路およびリニア集束回路の両方を備えている。
ディジタル制御装置102は、各走査線毎に、動作モード（セクタモードまたはリニアモード）とアレイ10上の活動アパーチャの位置とを決定する。セクタモードの場合には、ディジタル制御装置102はセクタ線の角度αも決定する。セクタ係数生成器104は、送信時にセクタモードでイネーブルになると３次多項式の係数を生成する。その３次多項式は、前記の特許第4,949,259号で開示されているように、選択された焦点およびセクタ角についての変換素子からの距離の式の逐次(series)近似である。次いで、選択回路100により決定されるように、それらの係数がローテート(rotate)されて活動アパーチャと位置合わせされ、プリセットとしてＭＡＣ回路106に送られる。このＭＡＣ回路106は、前記の特許第4,949,259号で開示されているように、各チャネル毎に遅延値を生成する。リニア係数生成器110は、送信時にリニアモードでイネーブルになると、選択された焦点およびリニア角について各チャネル毎に遅延を生成する。次いで、選択回路100により決定されるように、その遅延がローテートされて活動アパーチャと位置合わせされる。送信アポダイゼーション生成器112は、選択された送信焦点についての送信アポダイゼーション特性を生成する。次いで、選択回路100により決定されるように、その特性がローテートされて活動アパーチャと位置合わせされる。送信制御回路（ＴＲＩＸ）114は、各チャネル毎の遅延をカウントダウンカウンタにロードする。そのカウンタが最終カウントに達した後、ＴＲＩＸ114が、送信アポダイゼーション生成器112によりイネーブルにされた場合に送信パルスを生成する。電源116は、送信ドライバ118に高電圧を供給する。
【００２８】
受信された信号は、選択回路100により前置増幅器119に供給される。当業界で公知のように、ＴＧＣ生成器120は、各受信チャネルの可変利得増幅器122に時間利得制御信号を供給する。セクタ係数生成器104は、受信時にセクタモードでイネーブルになった際に、各焦点区域毎の受信係数プリセットを生成するために使用される。それらの係数プリセットがＭＡＣ回路106で使用されて受信遅延が生成される。リニア係数生成器110は、受信時にリニアモードでイネーブルになった際に、各焦点区域毎の受信遅延を生成するために使用される。ＴＲＩＸ114は、受信時に、各受信チャネルのミキサ124のためのミキサ制御信号を生成する。受信アポダイゼーション生成器130は、動的受信アポダイゼーション特性を可変利得増幅器131に供給する。その特性は、受信チャネルに供給される前に、選択回路100により決定されるように、ローテートされて活動アパーチャと位置合わせされる。セクタタップ生成器132は、セクタモードでイネーブルになった際に、選択された焦点およびセクタ角についてのタップ制御信号を生成する。このタップ制御信号は、選択回路100により決定されるように、ローテートされて活動アパーチャと位置合わせされる。リニアタップ生成器134は、リニアモードでイネーブルになった際に、選択された焦点およびリニア角についてのタップ制御信号を生成する。次いでそのタップ制御信号が、選択回路100により決定されるように、ローテートされて活動アパーチャと位置合わせされる。タップセレクタ140は、加算遅延ライン142上の１つのタップを選択する。代替的には、タップセレクタ140は、走査線に適当な遅延を与えるように、使用される特定の実施形態に応じて遅延ラインを構成することができる。画像検出器／走査変換器144は、前記特許第4,896,283号に開示の走査変換技術を使用して検出信号を走査変換して、ビデオ表示画面上に超音波画像を表示させる。
【００２９】
変換素子アレイ10の一端の付近のセクタアパーチャを起点とするセクタ走査パターンのセクタ線に沿った超音波の送信および受信に含まれる諸ステップを図５に示す。図４では、前記諸ステップは、マイクロプロセッサとすることが可能なディジタル制御装置102により行われ、その結果が、セクタ係数生成器104とアポダイゼーション生成器112,130とセクタタップ生成器132とにロードされる。それらは、ランダムアクセスメモリを備えることが可能なものである。ステップ150では、セクタアパーチャの位置、即ち変換素子アレイ10のどちらか一端が、セクタ角およびリニア角から決定される。セクタ線の角度がリニア線の角度よりも大きい場合には、セクタアパーチャはアレイ10の左側にある。また、それ以外の場合には、セクタアパーチャはアレイ10の右側にある。ステップ152では、送信チャネルおよび受信チャネルへの変換素子の写像は、セクタアパーチャの大きさとその位置とから決定される。トラクタトレディングプロセスにより、変換素子とシステムのチャネルとを一致させる際にローテートが生じるので、前記写像が必要となる。ステップ154では、係数プリセットが、送信焦点および受信焦点と必要なセクタ角とについて、前記特許第4,949,259号に従って生成される。ステップ156では、その係数プリセットが、以前に決定された写像に従って写像されて、既写像係数プリセットが与えられ、その既写像係数プリセットがセクタ係数生成器104（図４参照）に格納される。ステップ158では、タップ制御信号が、指示された焦点と必要なセクタ角とについて決定される。そのタップ制御信号がステップ160で写像されて既写像タップ制御信号が与えられ、その既写像タップ制御信号がセクタタップ生成器132に格納される。ステップ162では、送信アポダイゼーション特性および受信アポダイゼーション特性が、アポダイゼーション制御信号に基づいて生成される。未写像のアポダイゼーション特性が、ステップ164で写像されて送信アポダイゼーション生成器112と受信アポダイゼーション生成器130とにそれぞれ格納される。
【００３０】
図４と図５に示した上述の超音波画像形成システムの実施例は、本発明の実施に適したシステムの単なる一例であり、上述のように他の実施態様が利用可能であることが理解されよう。
【００３１】
本発明の好適実施例であると現時点で考えられるものについて図示および説明してきたが、特許請求の範囲で規定する本発明の範囲から逸脱することなくそれら実施例に対して様々な変更および修正を行うことが可能であることは、当業者には明らかであろう。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は上述のように、リニア走査とセクタ走査との組み合わせを用いることによりリニア走査の利点を保持したまま視野の拡大を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  (a),(b)は、本発明による走査パターンを異なるリニア走査角度について示す説明図である。
【図２】  (a)〜(c)は、異なる画像形成深さに関する走査パターンの変化を示す変換素子アレイの概略図である。
【図３】本発明の実施のための超音波画像形成システムを示す概略ブロック図である。
【図４】本発明の実施のための超音波画像形成システムの好適実施例を示すブロック図である。
【図５】図４のシステムにおけるリニア走査パターンの一端または両端でのセクタ走査パターンの生成に関連する諸ステップを示すフローチャートである。
【符号の説明】
10 超音波変換素子アレイ
12 複合走査パターン
14 リニア走査パターン
16,18 セクタ走査パターン
20 法線
26,28 平行走査線
30,32 頂点
33,35 セクタ走査線
40,42 セクタアパーチャ
【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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