(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブハウジング内の２次元トランスデューサアレイと及び該プローブハウジング内の第１の複数のサブアレイビーム形成器であって、プローブハウジング内で第１段階ビーム形成動作を制御するためのビーム形成器制御データを記憶するプローブハウジング内のメモリーデバイスに接続された該第１の複数のサブアレイビーム形成器と、
第２ハウジング内の第２の複数のビーム形成器であって、該第２の複数のビーム形成器は該プローブハウジングと通信し、該第２の複数のビーム形成器は第２段階ビーム形成動作を行うために画像データを該第１の複数のサブアレイビーム形成器から受信し、第２段階ビーム形成動作を行い及びビーム形成された画像データを生成するために該第２の複数のビーム形成器が第１段階ビーム形成動作から画像データを受信するように該複数の第１のサブアレイビーム形成器が並列動作により第１段階ビーム形成動作を行う、該第２の複数のビーム形成器と、そして
３次元超音波画像データを提供するためにビーム形成された画像データを処理するデータ処理システムと、を具備する
医療用超音波画像形成システム。
【請求項２】
該プローブハウジング内に複数のマルチプレクサー回路を更に具備しており、該システムが少なくとも毎秒２０の３次元画像を発生する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
トランスデューサ素子のアレイがスパースアレイとして動作する請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
ビーム形成器デバイスが粗い及び細密な遅延素子を備える請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
該第２ビーム形成器が３次元超音波画像のタイムドメイン処理を提供するサブアレイプロセッサに接続された第２段階ビーム形成器を備える請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
第３段階ビーム形成器を更に具備する請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
該システムがコード化された送信信号システム及びデコードする受信器システムを具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
該システムがプロセッサハウジングに接続されたプローブハウジング内にトランスデューサアレイを具備しており、該トランスデューサアレイは複数の少なくとも４行のトランスデューサ素子を備え、各行は少なくとも６４個のトランスデューサ素子を有する請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
スパースアレイシステムを更に具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
トランスデューサ素子の各行が複数のサブアレイビーム形成器を有する回路基板に接続される請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
整合フィルターを更に具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
オーバーサンプルされた送信波形を提供する、データ処理システムで使用可能なコンピュータプログラムを更に具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
該プローブハウジングが複数のフレキシブルケーブルを更に備えており、各ケーブルがトランスデューササブアレイを対応するビーム形成器サブアレイを有する回路基板に接続する請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
該プローブハウジングが複数の回路基板を囲んでおり、各回路基板が、第１の複数のサブアレイビーム形成器の少なくとも１つと、そしてマルチプレクサー回路とを有する請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
フレキシブル回路を更に具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
該フレキシブル回路が複数のフレキシブルケーブル又はフレキシブルプリント回路を備える請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
該整合フィルターが数段の遅延線と関連した複数の重みを有する請求項１１に記載のシステム。
【請求項１８】
該複数のサブアレイビーム形成器内の各ビームが圧縮される請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
該第２の複数のビーム形成器が複数のデジタルビーム形成器を備える請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
該第１の複数のビーム形成器がチャージドメインプロセッサを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
メモリー内に記憶されたスペクトル拡散励振波形を用いてデータを処理するようにプログラムされたデータ処理システムを更に具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
ドップラー処理及び走査変換を行うために該第２ハウジング内にシステムプロセッサを更に具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
該システムが、プローブハウジング内の少なくとも１６のサブアレイビーム形成器を使い対象の心臓の画像を形成するために、少なくとも１６本のパラレル伝送ビームを有する心臓画像形成システムを具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
該第２ハウジングがプロセッサハウジング、ディスプレー及び制御パネルを有し、約６．８１ｋｇ（１５ポンド）より少ない重さである請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は２００８年９月３０日出願の米国特許出願第１２／２８６，５５５号の一部継続出願であり、“３次元超音波画像形成システム”の名称の、チャン他（Ｃｈｉａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．）による２００８年９月１５日出願の米国特許出願第６１／１９２，０６３号の優先権を主張するものである。本出願は又２００６年６月２３日出願の米国特許出願第１１／４７４，０９８号及び２００７年６月２２日出願の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０１４５２６号の優先権を主張する。上記出願の内容全体は引用によりここに組み入れられる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は一般的に３次元超音波画像形成システムに関し、特にプローブハウジング内のトランスデューサ素子の２次元配列を使って３次元画像形成を行う医療用超音波画像形成システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
医療用超音波画像形成法は多くの医療用画像形成応用の業界標準になりつつある。２次元（２デー）トランスデューサアレイを用いたプロセスと体内器官の３次元（３デー）画像を提供する技術が開発されて来た。これらのシステムは数千のビーム形成チャンネルを要する。この様なシステムを動作させるのに要する能力は、デジタル遅延ビーム形成器に依るアナログ位相シフト技術の利用に帰着するが、該技術では画像品質を妥協する結果となる。
【０００４】
改良された実時間３次元画像形成能力を可能にする超音波画像形成技術の更に進んだ改良が引き続き必要である。加えて、この改良された能力は４次元（４デー）機能用に実時間連続表示をサポートすべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願第１２／２８６，５５５号明細書、２００８年９月３０日出願
【特許文献２】米国特許出願第６１／１９２，０６３号明細書、“Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  ３Ｄ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ．”、Ｃｈｉａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．、２００８年９月１５日出願
【特許文献３】米国特許出願第１１／４７４，０９８号明細書、２００６年６月２３日出願
【特許文献４】国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０１４５２６号、２００７年６月２２日出願
【特許文献５】米国特許第６，２９２，４３３号明細書
【特許文献６】米国を指定国としている国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０１４５２６号、２００７年６月２２日出願
【特許文献７】米国特許出願第１１／４７４，０９８号明細書、２００６年６月２３日出願
【特許文献８】米国特許第６，７２１，２３５号明細書
【特許文献９】米国特許第６，１０６，４７２号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，８６９，４０１号明細書
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、プローブハウジング内のトランスデューサ素子の２次元（２デー）配列を使って３次元（３デー）画像形成を提供する医療用超音波画像形成システムに関する。本発明の実施例は高解像度と多数の画像モダリティを有する医療用画像形成のシステムと方法を提供する。
【０００７】
好ましい実施例では、該プローブハウジングは第１ビーム形成回路を有し、該第１ビーム形成回路は第２ビーム形成回路を有する第２ハウジングへビーム形成されたデータを送信する。該第１ビーム形成回路は遠方場サブアレイビーム形成動作を提供する。最終のビーム形成されたデータは、走査ヘッドから、該第２ビーム形成回路を有する第２ハウジングへ送信される、該第２ビーム形成回路は近接場のビーム操向とビーム集束を提供する。
【０００８】
好ましい実施例は従来の超音波システムへ接続することができる走査ヘッドを提供し、該システムでは該走査ヘッドは該従来のビーム形成処理機能への入力を提供する。該走査ヘッドビーム形成器は少なくとも３２のビーム形成チャンネルを有する低電力チャージドメインプロセッサを利用することが出来る。
【０００９】
本発明の好ましい実施例はトランスデューサ素子のごく一部分のみが作動される必要があるスパースアレイ（ｓｐａｒｓｅ  ａｒｒａｙ）を使う。適当な平均ローブバンド幅を提供するよう該アレイの４隅要素を選択し、平均サイドローブエネルギー及びクラッタを最小化し、周期性を除去しそしてピーク対サイドローブ比を最大化することにより、高品質画像が作られる。関心体積又は関心領域に亘りビームを操向するために、ピーク対サイドローブ比を保持するよう種々のトランスデューサ素子が適切な順序で駆動されねばならない。システムプロセッサはビームを種々の角度で向けるためにトランスデューサ駆動用の望ましい順序を提供するようプログラムされてもよい。代わりに、個別制御器が、スパースアレイ駆動を制御するよう使われてもよい。好ましい実施例は、シーケンシャルな多重ビーム形成用にスパースアレイ駆動素子をシーケンシャルに選択するために、集積化スイッチ回路付き走査ヘッドを提供する。該走査ヘッドは従来の超音波システムに接続されてもよく、該超音波システムでは該走査ヘッドが従来のビーム形成処理機能へ入力を提供する。もう１つの実施例では、送信アレイ素子と受信アレイ素子とは独立に操作され、該送信素子はスパースアレイを有し、受信素子は略全部充填されたアレイ（ａ  ｎｅａｒ  ｆｕｌｌｙ  ｐｏｐｕｌａｔｅｄ  ａｒｒａｙ）である。好ましい実施例では、マルチプレクサーとビーム形成器回路はインターフエースシステム内、又は代わりにホスト処理システム内、に一体化され、該プローブハウジング内に設置された２次元トランスデューサアレイを残している。
【００１０】
本発明はビーム形成器内の各段階の遅延素子に於ける非破壊検出を利用する。それで、例えば、６５段階の遅延線を用いれば、各段階に１つを有する６４の使用可能出力がある。その時間分解能は８分の１λから１６分の１λの範囲内にある。
【００１１】
プローブ内の高電圧マルチプレクサーと該非破壊検出法の使用は時間多重化されたシーケンシャルなビーム形成を可能にする。今や多重ビームを形成するために各遅延線のタップ選択をシーケンシャルに変えることが可能である。
【００１２】
３次元（３デー）表示能力に加えて、例えば毎秒１０フレーム以上で記録される一連の画像を記録及び表示するために、第４次元又は時間分解された、画像表示が使われ得る。これは毎秒３０フレームのビデオフレーム速度で、血流又は流量；心臓壁運動他の様な急激に変わる特徴を見ることを可能にする。
【００１３】
本発明のもう１つの好ましい実施例は、３段階のビーム形成器システムを利用し、該システムでは、第１段階はトランスデューサアレイから受信したデータに基づき第１ビーム
形成動作を行い第１ビーム形成データを発生し、該第１ビーム形成データは第２段階ビーム形成データを提供するため第２ビーム形成動作を行う第２段階により引き継がれ、該第２段階ビーム形成データは次いで第３ビーム形成動作を行う第３ビーム形成段階へ送られる。
【００１４】
諸段階はチャージドメインプロセッサを使って行われてもよい。データは又、第１段階又は第２段階の前に、第３段階で、或いはその後でアナログからデジタル形式に変換されてもよい。１つの段階は並列ビーム形成動作を利用し、第２段階は直列ビーム形成作用を提供してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の超音波画像形成用の２次元タイル状アレイの使用法を図解する。
【図２】本発明の操向可能な２次元アレイを図解する。
【図３Ａ】遠方場のビーム操向及び集束用第１ビーム形成器デバイスと、近接場のビーム形成用第２時間遅延ビーム形成器と、の使用法を図解する。
【図３Ｂ】デジタルビーム形成器へデータを送る第１アナログサブアレイビーム形成器を図解する。
【図３Ｃ】２次元トランスデューサプローブ用走査ヘッドを図解する。
【図３Ｄ】フレキシブル回路基板とケーブル組立体を利用する好ましい実施例を図解する。
【図４】集積化サブアレイ走査ヘッド発明に依る３次元画像形成システムの好ましい実施例を図解する。
【図５】第２時間遅延ビーム形成用チャージドメインプロセッサを使う集積化サブアレイ走査ヘッド発明の好ましい実施例を図解する。
【図６Ａ】第２段階ビーム形成超音波プロセッサを有する本発明の集積化サブアレイ走査ヘッドプローブの使用法を図解する。
【図６Ｂ】デジタルビーム形成プロセッサを有する集積化サブアレイ走査ヘッドの使用法を図解する。
【図７】本発明の超音波システムを図解する。
【図８Ａ】本発明で使用されるスパースアレイを図解する。
【図８Ｂ】該スパースアレイ動作をグラフで図解する。
【図９Ａ】チャージドメインビーム形成処理付きホストシステムに接続された本発明の集積化スパースアレイ走査ヘッドプローブの使用法を図解する。
【図９Ｂ】ｍ個の平行ビーム形成部品を有する従来のデジタル超音波システムに接続された本発明の集積化スパースアレイ走査ヘッドプローブの使用法を図解する。
【図１０】本発明の好ましい実施例のポータブルコンピュータに接続された走査ヘッドを図解する。
【図１１】略全部が充填された受信アレイを図解するが、該アレイでは受信素子は送信アレイから独立し、かつ送信アレイと重なり合わない。
【図１２】受信アレイビームパターンの方位断面及び仰角断面をグラフで図解する。
【図１３】図１２の方位ビームパターンの拡大部分であり、主ローブ及びサイドローブ構造を示す。
【図１４】略全部充填された受信アレイビームパターンを図解する。
【図１５】本発明のスパースアレイについて選択された送信位置を示す。
【図１６】図１５の実施例の送信スパースアレイビームパターンの断面図を図解する。
【図１７】スパース送信アレイビームパターンを図解する。
【図１８】平均サイドローブエネルギーをビームパターンの中央ピークに対し−３５デシベルより小さく限定することが可能であることを図解する。
【図１９】２次元微分遅延方程式を図解する。
【図２０】遅延差プロフアイルを図解する。
【図２１】遅延差誤差を図解する。
【図２２Ａ−２２Ｃ】４本平行ビーム形成システム内のシステムプロセッサの実施例を図解する。
【図２３Ａ−２３Ｂ】スペクトル拡散超音波送信用のコード化されない及びコード化された送信波形を図解する。
【図２４Ａ−２４Ｃ】送信信号を形成する過程を図解する。
【図２５Ａ−２５Ｄ】整合フィルターを有する好ましい実施例を図解する。
【実施例１】
【００１６】
ビーム形成システムの目的は画像点から受信した信号をトランスデューサアレイ上に集束することである。特定の方向に伝播する波頭にビーム形成器内で適当な遅延を挿入することにより、関心のある方向から到着する信号はコヒーレントに加算される一方、他の方向からの信号はコヒーレントには加算されないか又は打ち消される。実時間の３次元応用のためには、各トランスデューサ素子用に別々の電子回路が必要である。従来の実施法を使うと、素子数が増加するにつれ、最終電子機器は急激に嵩張りかつコスト高になる。従来、高解像度ビーム形成器のコスト、寸法、複雑さ及び電力要求は“ワークアラウンド”により避けられて来た。実時間の３次元高解像度超音波画像形成応用のために、“遅延和（ｄｅｌａｙ−ａｎｄ−ｓｕｍ）”の計算アルゴリズムに基づく電子的に操向可能な２次元ビーム形成プロセッサが選ばれた。
【００１７】
電子的に調整可能な音響的コンフォーマルレンズの概念は、２次元トランスデューサア
レイの面を、比較的小さいサブアレイの平面“タイル”に分けることである。その内容全体が引用によりここに組み入れられる特許文献５で説明され、図１で図解される様に、タイル／サブアレイ１２０は充分小さくされるので、対象が画像形成システムの視野内に置かれる時、該対象から各“タイル”に向かう入射放射１２２は遠方場近似を使って扱われてもよい。全サブアレイがコヒーレントに加算され得るよう、追加の遅延素子が第２段階処理として組み入れられる（すなわち、全サブアレイからの出力を単純に遅延させ、次いで加算することによりグローバル近接場ビーム形成が達成される）。該遅延和ビーム形成器は各サブアレイが特定方向から放射する信号を“見る”ことを可能にする。該アレイの各素子と関連する遅延を調整することにより、該アレイの見る方向は放射源の方へ電子的に操向される。かくして、１２４ａで見られる１方向で見る代わりに、タイル１２０の方向は種々の方向１２４ｂに操向され得る。サブアレイ内の各素子用の遅延線要求は１００段階より少なくてよい。グローバルな加算用の長い遅延のみが最後の近接場集束用に必要になる。
【００１８】
操向可能なビーム形成器システムを使って画像平面を走査するために、図２で示す様な過程が使われてもよい。２次元操向可能なトランスデューサアレイ２６４を使って画像平面２６２を走査するためラスター走査２６０が使われる。
【００１９】
本発明の電子制御ビーム形成システムの詳細図が図３Ａで示される。このシステムは並列時間遅延ビーム形成プロセッサのバンク３３０１−３３０Ｎから成る。各プロセッサ３３０は２つの要素、すなわち、遠方場ビーム操向／集束用２次元サブアレイビーム形成器３３２と、各対応するサブアレイからの出力の階層的近接場ビーム形成を可能にする付加的時間遅延プロセッサ３３４と、から成る。該サブアレイ３３２はタップセレクター３４２を有するｍ個のプログラマブル遅延線３４０、マルチプレクサー３４４そして加算された出力３４６を備える。図３Ａで見られる様に、ｎ個のサブアレイを有するシステムについては、個別遅延調整用にｎ個の並列プログラマブル第２段階近接場時間遅延が必要であり、該時間遅延は全部でｎ個の並列出力がコヒーレントに加算３５４されることが出来るようＡ／Ｄコンバータ３５２で変換されるが、順にこの加算された出力は３３８でフィルターされ、目標対象の３次元画像を提供する。プロセッサ３３６はサブアレイ動作を制御する。
【００２０】
第２段階デジタルビーム形成器を有する走査ヘッドの使用法が図３Ｂで示される。この実施例では、好ましい実施例の近接場ビーム形成器であってもよい複数のＮ個のサブアレイビーム形成器４００の各々は、別々の遅延線を持つｍ個のトランスデューサ素子から信号を受信するが、該遅延線の出力は加算され、ビーム形成器４２０に提供されるので、このビーム形成器は従来のプロセッサ４８０を有する従来のシステムであってもよい。別々のサブアレイプロセッサ４６０がビーム形成器４００を制御する。
【００２１】
８０×８０素子の２次元アレイ用に、この階層的な、サブアレイ遠方場、次いで近接場のビーム形成アプローチを使わなければ、該トランスデューサアレイを従来のビーム形成システムへ接続するために、６４００本のワイヤから成るケーブルが必要になる。図３Ａに示す様に、各サブアレイプロセッサへの入力数は該サブアレイ内の遅延素子の合計数に等しく、各サブアレイは１つの出力しか有しない。サブアレイバンクへの入力数は、２次元アレイ素子の数に等しく、該サブアレイバンクからの出力数は、該サブアレイ素子数で割り算した合計トランスデューサアレイ素子数に等しく、すなわち、入力数基準のサブアレイバンクからの出力数はサブアレイのサイズに等しい倍数で減少する。例えば、もしこの階層的ビーム形成概念を実施するために５×５サブアレイの使用を選ぶなら、第１段階サブアレイビーム形成後、第２段階近接場ビーム形成部に接続するのに要するワイヤの総数は２５分の１に減少する。特に、上記で述べた様に、この２次元サブアレイビーム形成部を使うことが無ければ、８０×８０素子の２次元トランスデューサアレイを従来のバッ
クエンドビーム形成システムに接続するには６４００本のワイヤを要する。５×５サブアレイ処理バンクを最初に使うと、該バックエンドビーム形成システムに接続するのに要するワイヤ数は２５６に減じられる。本発明に基づき、２５６個の５×５素子サブアレイビーム形成器のバンクは走査ヘッド内の８０×８０素子２次元アレイと集積化され得るので、２５６本のワイヤから成るケーブルは、該集積化走査ヘッドをバックエンド近接場ビーム形成システムと接続するのに好適である。５×５サブアレイ遠方場ビーム形成プロセッサは１つの小型シリコン集積回路内に容易に集積化され、８つのこの様な５×５サブアレイビーム形成器は１つのチップ上に集積化され得ることを言及することは重要である。この実施例では、３２以下のチップしか走査ヘッド内に集積化されず、それによりケーブルサイズを６４００本のワイヤから２５６本のワイヤに減じられる。
【００２２】
ビーム形成器処理システムは大きな２次元アレイのリターンを同時処理することが出来るタイムドメインプロセッサであり、ポータブルシステム内のアレイ全体の実時間処理が出来る低電力、高集積ビーム形成システムを提供する。１９２の並列受信チャンネルを有するシステムは実時間の３次元／４次元画像形成応用のためのマトリックス２次元アレイプローブをサポートし、該階層的多段ビーム形成法は低電力でコンパクトな超音波システムと共に使われてもよい。
【００２３】
図３Ｂは隣り合う受信素子のグループのビーム形成が２段階で実施される階層的ビーム形成アーキテクチャーを示しており、すなわち、受信素子の各々用の１つの長い遅延の代わりに、１つの共通の長い遅延が該グループ内の全素子により共有されるが、各々は該長い遅延の前に該受信素子自身の短い、プログラマブルな遅延を有する。各グループ内では、該短い遅延の各々からの出力は一緒になるよう加算され、次いで該共通の長い遅延に印加される。この共通の長い遅延特性を有する隣り合う受信素子の小グループは、トランスデューサの“サブアレイ”と規定される。例えば、実時間３次元画像形成用の２次元マトリックスアレイを使う応用のためには、該サブアレイは４×４又は５×５の隣接素子を有する小アレイであってもよい。このサブアレイ内の各素子の第１段階のプログラマブルな遅延はトランスデューサプローブの内部に一体化され、次いで各サブアレイからの加算された出力はバックエンドプロセッサに接続される。それ故、６４×４８素子の２次元アレイ（３０７２以上のトランスデューサ素子）用では、もし４×４サブアレイが第１段階ビーム形成用に使われるなら、該先端プローブを該バックエンドプロセッサに接続するには１９２本の入力／出力ケーブル要素しか要しない。
【００２４】
好ましい実施例では、該階層型ビーム形成はまた、実時間２次元画像形成応用のための１次元（１デー）アレイに適用されてもよい。例えば、１２８素子１次元アレイ用には、８つの隣り合う素子のグループがサブアレイとして一緒にグループ化されてもよい。各サブアレイ内では、該８つの素子の各々は該素子自身の短いプログラマブルな遅延を有し、次いで該８つの遅延の出力は一緒に加算され、次いで共通の長い遅延に印加される。２つの異なる方法がこの２段階実施法に使われ得ることに言及することが重要である。第１実施法では、該短い遅延及び長い遅延の両者を有する全ビーム形成回路がバックエンドプロセッサ内に置かれ、それで１２８素子１次元アレイ用に、トランスデューサプローブと該バックエンドプロセッサ間の入力／出力ケーブルとして１２８本の接続ケーブルが使われる。代わりの実施法は全部のサブアレイプロセッサをトランスデューサプローブ内に一体化することであり、すなわち、１２８素子アレイ用に、各々が８つのプログラマブルな遅延を有する全部で１６のサブアレイプロセッサが該トランスデューサプローブ内に一体化されるので、フロントエンド一体化プローブをバックエンドプロセッサと接続するのに１６本のケーブル要素しか要しない。ビーム形成機能を完成するにはバックエンド内に１６個の長い遅延ビーム形成回路しか要しない。同様に、プローブ内に８つの集積化８素子サブアレイプロセッサを有する６４素子アレイ用では、バックエンドプロセッサは８つのビーム形成回路だけに簡単化され、フロントエンド一体化プローブをバックエンドプロセッサに接続するには８本のケーブル要素しか要しない。更に、低電力送信回路及びＡ／Ｄコンバータが該フロントエンドプローブ内に一体化されるので、該フロントエンドプローブと該バックエンドプロセッサを接続するために無線通信が使われてもよい。無線のユーエスビー（ＵＳＢ）接続又は無線のファイヤワイヤ（ＦｉｒｅＷｉｒｅ）接続が使われてもよい。
【００２５】
集積化４×４サブアレイプロセッサを有する６４×４８素子２次元トランスデューサプローブ４８５の構造が図３Ｃで図解される。該６４×４８素子２次元アレイ４８７は、各々が６４素子を有する１次元アレイの４８行のスタッキングを備える。各６４素子１次元トランスデューサアレイの素子への接続はフレキシブルケーブルを通して行われるので、トランスデューサヘッド組立体は２次元トランスデューサアレイと４８本のフレキシブルケーブル４８６とを有する。図３Ｃで示す様に、各サブアレイは４×４素子（又は、サブアレイ当たり少なくとも１６素子から２５６素子までを有するのが好ましい他の長方形又は２次元形状の）を有し、該４８本のフレキシブルケーブルは１２グループにグループ分けされ、各隣り合う４本のフレキシブルケーブルはプリント回路基板に接続されるが、すなわち行１から行４の１次元トランスデューサアレイに対応するフレキシブルケーブルは第１プリント回路基板４８８に接続され、行５から行８のフレキシブルケーブルは第２プリント回路基板４８７に接続され、そして以下、行４５から行４８のフレキシブルケーブルが第１２プリント回路基板に接続されるまで、順に続く。各フレキシブルケーブルの１端は該トランスデューサ素子に接続され、該フレキシブルケーブルの他端は該プリント回路基板上に設置された６４素子のフレキシブルコネクターに接続される。各プリント回路基板内には、１６個の４×４素子サブアレイプロセッサ４８９と高電圧マルチプレクサチップ４９１とがある。該サブアレイプロセッサは、各々がその入力部にある低雑音前置増幅器を有する１６の並列プログラマブル遅延線と、アポダイザーとしての別々のプログラマブル掛け算器と、から成り、そして該１６個の掛け算器の出力は１つの出力を形成するよう一緒に加算される。各基板内にはまた、４×６４素子トランスデューサが送信モードか又は受信モードか何れかで動作することを可能にするために高電圧マルチプレックスチップがある。また、遅延線の各々用にプログラムされる遅延を記憶するためにメモリーチップ４９０が各プリント回路基板上に設置される。また、電源供給ケーブルと、インターフエース４９５を通して各プリント回路基板に接続されるデジタル入力部４９２と、がある。
【００２６】
１つの６４素子トランスデューサアレイ４９１がフレキシブルケーブル４９７に接続され、該フレキシブルケーブルの１端が該トランスデューサ素子の各々に接続され、該ケーブルの他端が６４ピンフレキシブルコネクターに接続されることを除けば、統合第１段階サブアレイプロセッサを有する６４素子１次元アレイの実施例もまた、図３Ｃの設計を用いて実現され得る。該コネクターはプリント回路基板上に設置される。該プリント回路内には、８つの８素子サブアレイプロセッサがある。各サブアレイプロセッサは８つのプログラム可能な遅延線から成り、各遅延線はその分離された低雑音前置増幅器を有し、そして該遅延線の出力にはアポダイザー（ａｐｏｄｉｚｅｒ）、すなわち、ビーム成形機能用掛け算器がある。該８つの掛け算器の出力は１つのアナログ出力を形成するために一緒に加算される。高電圧マルチプレクサー回路チップがまた、該プリント回路基板上に含まれ、該６４素子トランスデューサが送信か又は受信か何れかのモードで動作することを可能にする。遅延線の各々用のプログラムされる遅延を記憶するためにメモリーチップがまた、該プリント回路基板上に設置される。また、電源供給ケーブルと各プリント回路基板に接続されるデジタル入力部とがある。
【００２７】
統合サブアレイプロセッサを有する６４素子（またはそれ以上、例えば１２８又は２５６素子）１次元アレイ４９６の好ましい実施例が図３Ｄで示される。この実施例では、プリント回路基板を使う代わりに、該サブアレイ処理チップ４９９ａ、高電圧マルチプレク
サー回路チップ４９９ｂ及びメモリーチップ４９９ｃがフレキシブルプリント回路又はケーブルに直接設置される（４９７，４９８）。ここに説明されるシステムは、心臓画像形成（４次元）用の体腔又は他の体内器官内への挿入用のカテーテル又はプローブと共に使われる。該プローブ又はカテーテル組立体はここで説明した第１の複数のビーム形成器を有する回路ハウジングを備える。
【００２８】
各々が改良されたＳＮ比性能を有し、雑音及びケーブル損失を最小化する、２次元アレイビーム形成用の本発明の好ましい実施例が図４，５及び６で説明される。全部の３つの実施例で、コンパクトで低雑音の走査ヘッド５００を創るために、ｍ個の並列サブアレイビーム形成プロセッサ５２０及びマルチプレクサー５２８のバンクが２次元トランスデューサアレイ５２５と統合される。図４はコンパクトな走査ヘッドが専用処理モジュールに接続されるシステムを画き、該システム内には、ｍ個の並列の前置増幅器／テージーシーエス（ＴＧＣｓ）５２２、送信／受信チップ５２４及び第２段階時間遅延処理ユニット５２６が納められる。この専用処理モジュールは、ファイヤワイヤアイイーイーイー（ＦｉｒｅＷｉｒｅ  ＩＥＥＥ）１３９４又はユーエスビー又はピーシーアイバス５４２を経由してホストコンピュータ５４０と通信する。制御及び同期化は処理モジュール又はハウジング５４６内に配置されたシステム制御器５４４により行われる。図５は図４で述べたものと同じアーキテクチャーを画いているが、例外は該専用処理モジュール内部で、第２段階時間遅延処理ユニットが、手持ちプローブ６６０及びコンピュータハウジング６４８に接続されるハウジング６２０内のチャージドメインプログラマブル｛シーデーピー（ＣＤＰ）｝時間遅延線６００を使うことにより特別に実施されることである。図６Ｂは、コンパクトなスパースアレイ走査ヘッド７００が、ｎ個の並列ビーム形成チャンネル７６０を有する従来の、商業的に入手可能なタイムドメインデジタル超音波画像形成システム７８０に接続されるシステムを画く。図６Ａで、時間遅延プロセッサ７２０はまた、シーデーピー時間遅延線７４０を使うことにより実現されてもよいことは容易に分かる。これらの実施例では、近接場ビーム形成部は他の画像処理機能と同じハウジング内に収容される７２０，７８０。これらのシステムは、両出願がそれら全体の引用によりここに組み入れられる特許文献６及び７で説明されている。
【００２９】
２次元トランスデューサアレイの視角に沿い、ビーム形成器遅延と、シェーディングと、をシステム的に変えることにより、３次元放射源を表す視線に沿う戻りエコーは、走査角での走査画像を創るため使われ得る。該システムは毎秒２０フレーム以上で、広視野中の連続的実時間大面積被走査画像を提供することが出来る。このフレーム速度では、該システムは連続的３次元画像対時間を表示するため使われ、かくして被走査対象の４次元情報を提供する。図７で示す様に、シーデーピービーム形成チップ８１０、すなわち時間多重化された計算構造体が多重ビームを発生するため使われ、すなわち、各送信パルス用に、２次元サブアレイビーム形成器８１８とその対応する第２段階近接場時間遅延線とのバンクは多重ビームをシーケンシャルに提供することが出来る。該計算回路はｋ個のビームを形成するため必要な遅延をシーケンシャルに発生する。該デバイスは次の様に動作する。一旦サンプルされた戻りエコーのセットが、時刻ｔ１にサンプリング回路８１４を有する遅延線内に負荷されると、ビーム１を形成するのに要する遅延は各モジュール８２２内で計算され８１２、全遅延線に並列に印加される。適当な遅延を有する該サンプルされた戻りエコーはコヒーレントに加算され８０２、第１ビームを形成するようフィルターされる８０４。時刻ｔ２には、ビーム２を形成するのに要する遅延が各モジュール内で計算され、全遅延線に並列に印加される。適当な遅延を有する該サンプルされた戻りエコーは第２ビームを形成するようコヒーレントに加算される。該手順はＫ番目のビームがコヒーレントに形成されるまで繰り返される。
【００３０】
例えば、もし１６の直列のアドレス可能な出力を有する計算回路がシーデーピーサブアレイ及び第２段階時間遅延線と共に組み入れられるなら、各送信パルス用に、各々が種々
の走査角に沿う１６のビーム又は走査線が創られる。１５ｃｍのダウンレンジ（ｄｏｗｎ−ｒａｎｇｅ）深さを有する２５６パルス用には、該システムは毎秒２０フレームのフレーム速度で６４×６４の画素解像度を有する４０９６ビームを発生出来る。該システムは完全にプログラマブルであり、ビーム形成電子機器は高解像度又はより高いフレーム速度画像用により小さい視野へズームインするよう調整され得る。例えば、同じ１５ｃｍのダウンレンジ深さを有する１９２の送信パルスを使って、該システムは毎秒３０フレームのフレーム速度で６４×４８画素解像度で３０７２本のビームを発生する。
【００３１】
説明されたアレイは、３ＭＨｚの周波数で２次元の２ｃｍ×２ｃｍアレイを使う超音波画像形成応用に取り組む。半波長より短いオーダーの解像度の要求は、コンパクトなパッケージ内に収容され得る出来るだけ大きなアパーチャーを指定する。９０度の走査容積を調べ、グレーティングローブの影響を最小化するために、０．２５ｍｍより小さい素子ピッチ又は間隔が望ましいので、８０×８０素子アレイに行き着く。上記説明のサブアレイ処理技術を使い、第２段階近接場ビーム操向／ビーム集束システムが後続する統合サブアレイビーム形成回路付き走査ヘッドが実用的実施例を提供する。しかしながら、該実施例はなお走査ヘッド上に統合されるべき少なくとも３２のサブアレイチップを要する。走査ヘッド内に遙かに少ない量の処理部品を有してこの解像度を達成するために、代わりの擬似ランダムアレイ設計アプローチが使われ得る。
【００３２】
スパースアレイを実用化するためには、低い照度レベルでの受け入れ可能な画像形成性能を実現するよう低挿入損失と広いバンド幅性能と組み合わせが重要である。４分の１波表整合層は、低い音響インピーダンスを有し、物理的に固体状の裏張りは、受信信号エネルギーの電気エネルギーへの変換で３−４デシベルしか失わないロバストなアレイをもたらす。７５％以上のアレイバンド幅はこの設計及び製作過程で典型的である。該トランスデューサアレイはまた、ビーム形成器回路用に好適な素子位置づけと相互接続システムを使う。電子機器はフレキシブルケーブルを経由して該トランスデューサ素子に取り付けられたプリント回路基板上に設置される。実際は、アレイ素子の大半はフレキシブルケーブルを使い出力部に接続される。しかしながら、全素子数のごく一部のみが回路基板に配線される。それにも拘わらず、多数のアレイ素子接続は最終アレイの能動素子位置の独特なパターンを保証するのに充分である。
【００３３】
スパースアレイの例として、２５６の能動素子を有する２×２ｃｍアレイを仮定すると、最終充填率は４％である。該アレイの出力のＳＮ比は能動素子の数に比例するので、この充填率は、同じ寸法の充填済みアレイに比較した時、−１３デシベルの感度損失に対応する。この損失を補償するために、より広いバンド幅の被送信信号がアレイ感度を高めるよう選ばれる。ここに提示したアプローチでは、感度は約１０デシベルのオーダーで高められる。スパースアレイデバイスに関する更に進んだ詳細は内容が引用によりここに組み入れられる特許文献８で見出される。
【００３４】
アレイの素子の位置づけは、主ローブに対抗するグレーティングローブをもたらす何等かの周期性を除去するよう注意が払われねばならない手法を取る。擬似ランダム又はランダムアレイが使われてもよい（図８Ａ）。グレーティング及びサイドローブのクラッターを最小化しながら、ビーム形成器の効率を最大化する活性素子配置の形状が展開される。走査される関心領域又は関心体積に対して種々のビーム角度で最も効率的ビームパターンを提供するために複数の異なるアレイパターンの間の切り替えが行われる。かくして、第１パターンは図８Ａに図解するパターンを使用するが、該パターンは次いで異なる走査角用の第２パターンに切り替えられる。これは第２角度で走査するために与えられたアレイを囲む近傍８８０内のトランスデューサ素子を選択する過程を含んでもよい。
【００３５】
最適化方法の第１の目標は平均サイドローブエネルギーを最小化することである。特に
、これは最適基準をインタラクティブに評価することにより行われる：
【００３６】
【数１】
0005649576.tif 000002
【００３７】
ここで重み付け関数、Ｗ（ｕｘ，ｕｙ）、はサイドローブ減少を求めるアレイ応答内領域にもっと多くの重みを付ける。該最適化方法は重み付け無し｛すなわち、Ｗ（ｕｘ，ｕｙ）＝１｝で始まり、該最適化基準を充たすもっと良い重み付け関数を次々と選ぶことにより進行する。最大の減少を求めるサイドローブはあらかじめ計算されたビームパターン、Ｂ（ｕｘ，ｕｙ）、に関係付けられるので、該重み付けはＷ（ｕｘ，ｕｙ）＝Ｂ（ｕｘ，ｕｙ）となるよう選ばれる。これは収束するまでインタラクティブの仕方で行われる。
【００３８】
基本的に、ランダムアレイは、Ｎを該アレイ内の能動素子の総数とした場合、Ｎの主ローブ対平均サイドローブ比を有する画像形成点像分布関数（ｉｍａｇｉｎｇ  ｐｏｉｎｔ
ｓｐｒｅａｄ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を作ることが出来る。２５６素子のスパースアレイ例については、最終比は−１３デシベルである。広いバンド幅アプローチの使用はこの比を１０デシベルだけ改善する。前記最適化基準に基づき、アレイ素子の擬似ランダム配置が発生された（図８Ａ）。
【００３９】
図８Ｂは３ＭＨｚにおける２５６素子のまばらにサンプルされたアレイについてのアレイ性能、感度対クロス範囲のプロットである。ピークから最大サイドローブレベルまでは約３０デシベルである。この性能を改善するために、該システムは可能な最大の主ローブ対クラッターレベル比を達成するよう構成され、該比は独立に検証された。
【００４０】
図９Ｂはスパースアレイ走査ヘッド９００がｍ個の平行ビーム形成チャンネルを有する従来の商業的に入手可能なタイムドメインデジタル超音波画像形成システム９４０に接続されたシステムを画いている。図９Ａで、時間遅延プロセッサがまた、別のコンピュータ９２７に接続されたハウジング９２５内のシーデーピー時間遅延線９２０を使うことにより実現されることを分かることは容易である。ｍ個のマルチプレクサー９０６のアレイは、ソフトウエアプログラムとシステム制御器９４０又はプロセッサ９５０を使って実行される走査パターンのシーケンス間切り替えを行うため使われる。スパースアレイパターンのシーケンスはかくして、それらの３次元超音波画像形成を提供するため画像形成される対象を種々の走査角度で走査するよう選択される。
【００４１】
電子的に調整可能な音響的コンフォーマルレンズシステムにより発生される３次元多重ビームボリューム画像データを可視化、操作、及び解析するため商業的に入手可能なウインドウベースの３次元可視化ソフトウエアが使われる。従来、診断用の２次元超音波画像部を有する臨床医は２次元走査画像をスライス毎に見て、患者の組織を判断するためにその情報を頭の中で３次元表現に再生する。この手順は臨床医が根拠の十分な経験のみならず人体組織の高度に洗練された理解を有することを要求する。“完成した”画像から３次元構造体を創るために、臨床医は全ての利用可能なスライスを考慮せねばならない。数百のスライスを見ることは、例え１人の患者についてでも、余りに時間を費やす。３次元ボリュームデータに基づく３次元可視化は、多重走査されたビーム形成データのセットから再構成された患者の組織の３次元表現を臨床医に提供することによりこの問題の克服を助ける。
【００４２】
インド、チェンナイ市のケービーブイアイエステクノロジー（ＫＢ−ＶＩＳ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｃｈｅｎｎａｉ，Ｉｎｄｉａ）のケービー−ブォル３デー（ＫＢ−Ｖ
ｏｌ３Ｄ）の様な商業的に入手可能なソフトウエアツールは
・高速ボリュームレンダリング（Ｆａｓｔ  Ｖｏｌｕｍｅ−Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）
・シェーデッドサーフェイスディスプレー（Ｓｈａｄｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｄｉｓｐｌａｙ）
の様な、３次元的特徴の表示又は視認を提供する。
【００４３】
シェーデッドサーフェイスモジュールはボリューム内の面の容易な可視化を可能にする。面は輝度ベースのしきい値設定（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ−ｂａｓｅｄ  ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ）で創られる。代わりに、シーディング（Ｓｅｅｄｉｎｇ）オプションは関心のある特定結合構造体の選択を可能にする。
【００４４】
・ラディアルス（Ｒａｄｉａｌｓ）を用いたエムアイピー（最大値投影法）
・斜め及び２重斜めと３次元相関を用いたエムピーアール（多断面変換表示法）
・エムアールピースラブアンドマルチカット（ＭＲＰ  Ｓｌａｂｓ  ＆  Ｍｕｌｔｉ−Ｃｕｔｓ）
・カーブドエムピーアール（曲面変換表示法）
・エディターを用いたカラー及び不透明性プリセット
・領域拡張及び立体測定
・スラブ立体を用いたカットアウェイビューイング（Ｃｕｔａｗａｙ  Ｖｉｅｗｉｎｇ）とインタラクティブ実時間ブイオーアイ（ＶＯＩ）
【００４５】
立体内部は“カットアウェイビューイング”ツールを使って容易に可視化される。切断面（Ｃｕｔ−Ｐｌａｎｅ）は該立体を通るようスライスし、内部領域を示すため使われる。該切断面はマウスを使って容易に位置付けられ、配向される。
【００４６】
ブイオーアイ（関心体積）ツールはインタラクティブに、実時間で、関心体積を表示することを可能にする。ユーザーは容易なクリックアンドドラッグのマウス操作を行って、関心部分体積を非常に容易に、そして実時間で分離して、見ることが出来る。
【００４７】
・多数フォーマットでの画像保存
【００４８】
ケービー−ブォル３デー（ＫＢ−Ｖｏｌ３Ｄ）により表示された画像は種々の画像フォーマット｛ダイコム（ＤＩＣＯＭ）、ジェイペグ（ＪＰＥＧ）及びビーエムピー（ＢＭＰ）他を含む｝に取り込まれ得る。
【００４９】
・エイブイアイフォーマットでのムービー取り込み
【００５０】
可視化操作はまた、エイブイアイムービー  エルイー（ＡＶＩ  ｍｏｖｉｅ．ｌｅ）に取り込まれ、ウィンドウズメディアプレイヤー（Ｗｉｎｄｏｗｓ  Ｍｅｄｉａ  Ｐｌａｙｅｒ）、クイックタイム  （Ｑｕｉｃｋ−Ｔｉｍｅ）、及びリアルプレイヤー（Ｒｅａｌ
Ｐｌａｙｅｒ）他上で再生され得る。
【００５１】
本発明は図１０で示される様にポータブルコンピュータ１４に接続された走査ヘッド１２を使って実施され得る。超音波システム１０はまた、プローブ１２をプロセッサハウジング１４に接続するケーブル１６を有する。或る実施例は、ビーム形成器デバイスを有するインターフエースユニット１３を使ってもよい。これらの特許の内容全体が引用によりここに組み入れられる特許文献９，１０で詳細に説明される様に、走査ヘッド１２はトランスデューサアレイ１５Ａ（２デー）と、マルチプレクサー及び／又はビーム形成部品を収容出来る回路ハウジング１５Ｂと、を有してもよい。
【００５２】
送信用スパースアレイと非重なり合い完全実装アレイとを使う２次元アレイ構成が受信用に使われる。Ｎ×Ｍ素子アレイについては、最適のスパースアレイ配置を有するｍ個の素子のみが送信用に使われ、次いで残りのＮＭ−ｍ個の素子が受信アレイとして使われる。例えば、４０×６０素子の２次元アレイについては、２５６素子が送信素子として使われ、該送信素子の配置は選択基準に基づき最適化され、残りの２１４４素子は受信素子として使われる。この実施例は２次元アレイ用に必要なマルチプレクサー要求を簡単化し、その場合該マルチプレクサーはインターフエースハウジング内に設置されてもよい。
【００５３】
ほぼ完全実装した４０対６０の受信アレイ５０用の素子配置の例が図１１に示される。該２４００素子アレイは２５６個のスパースアレイ送信素子により立ち退かされ、２１４４個の受信素子配置を生ずる。これらの受信素子は独立しており、該スパースアレイ送信素子と重なり合わない。好ましい実施例では、該送信素子は総アレイ素子数の２５％より少なく、好ましくは１５％より少なく構成するのがよい。
【００５４】
上述の受信アレイのビームパターンの方位及び仰角の断面は図１２で示される。第１サイドローブは中央ピークに対して約−１３デシベルである。グレーティングローブは該ピークに対し−３０デシベルより小さい。２次元アレイの高さより幅が広い場合、方位ビーム幅｛青（実線）でプロットされる｝は仰角ビーム幅｛緑（点線）でプロットされる｝より僅かに狭い。
【００５５】
図１３では、上述の方位ビームパターンの拡大図が詳細な主ローブ及びサイドローブ構造を示す。この場合についてはビーム幅が約１．５度である。該ビームパターンは完全実装した６０×４０素子ビームパターンと略同一である。受信アレイビームパターンは図１４で示される。上述の様に、受信スパースアレイは２１４４素子から成る。２５６（送信）素子による該アレイの中央部の立ち退かせによりサイドローブはない。
【００５６】
該２５６個の送信スパースアレイ６０用の最終素子配置の例が図１５で示される。該２５６素子の配置は完全実装したアレイの中央の３２×３２素子に限定される。これらの素子は独立しており、受信アレイ素子と重なり合わない。送信スパースアレイビームパターンの断面図は図１６で示される。第１サイドローブは中央ピークに対し約−１７デシベルである。グレーティングローブは該ピークに対し−２７デシベルより小さい。該スパースアレイ最適化アルゴリズムは方位は＋／−４５度で、仰角は＋／−４５度でサイドローブエネルギーを最小化する。
【００５７】
図１７は図１５で示すスパース送信アレイのビームパターンを示す。該送信ビームパターンは４×４ビームデータピラミッドを均一にカバーするよう設計される。該送信スパースアレイは完全実装した２４００素子アレイの２５６素子副集合から成る（約１０％を充たす）。送信及び受信サイドローブエネルギーを＋／−４５度方位領域、＋／−４５度仰角領域内で最小化するために、送信／受信アレイ設計アルゴリズムによる配置は７５０回以上の繰り返しを要した。図１８に示す様に７５０回の繰り返し後、最終のスパース送信アレイ素子配置は平均サイドローブエネルギーをビームパターンの中央ピークに対し−３５デシベルより小さく限定する。
【００５８】
毎秒２０より多い３次元画像を６４×６４の４０９６走査ビームを用いて３次元の立体画像を実時間で発生するために、２次元のマトリックス配列を電子的に走査出来る低電力超音波システムが説明される。各送信パルス用に、該システムは１６の被受信ビームを発生出来る。加えて、該設計は１．５次元アレイをドライブし、システムの感度を改良するために、パルス圧縮用に広いバンド幅の符号化された送信波形をサポートすることが出来る。広いバンド幅は、距離分解能損失無しに、低電力送信バーストの長さを伸ばすことが出来るチャープ化又はコード化波形（ピーエヌシーケンス）の使用を可能にする。これら
の特徴の組み合わせは携帯型手持ち式デバイス内に填る電子システム付き画像形成アレイをもたらす。
【００５９】
該ビーム成形器処理システムは大きな２次元アレイの応答を同時処理するタイムドメインプロセッサであり、アレイ全体の実時間処理を提供し、かくして手で持てる、低コストユニットを提供する低電力、高集積ビーム形成器である。
【００６０】
２次元マトリックスアレイを使う実時間３次元超音波画像形成を求める強い要求がある。この節では、実時間３次元画像形成をサポートするために超音波システムで必要な受信ビーム形成チャンネルの最小数を解析する。４８×６４素子アレイの様な合理的な寸法をサポートするために最小で１９２の並列受信ビーム形成チャンネルが必要なことが示される。
【００６１】
２次元トランスデューサアレイの面を比較的小さいサブアレイの平面“タイル”に分けるために電子的に調整可能な音響的コンフォーマルレンズを有するシステムの例が、内容が引用によりここに組み入れられる特許文献５で形成されるが、アレイ全体のビーム形成は２つの段階に分けられ、第１は小アパーチャーのサブアレイビーム形成であり、それに続く第２段階の該サブアレイの各々からの出力の大アパーチャーコヒーレント加算がある。画かれている様に、タイル／サブアレイは、対象が画像形成システムの視野内に置かれた時、該対象から各“タイル”への入射放射が遠方場近似を使って取り扱われるよう、充分に小さくされ得る。しかしながら、より広い応用を可能にするよう、近接場ビーム形成能力は該サブアレイビーム形成システムの現実の実施例に組み入れられた。全てのサブアレイがコヒーレントに加算されることを可能にするため追加の遅延素子が第２段階処理として組み入れられた。該遅延和（ｄｅｌａｙ−ａｎｄ−ｓｕｍ）ビーム形成器は各サブアレイが特定の方向から放射する信号を“探す”ことを可能にする。該アレイの各素子と関連する遅延を調整することにより、該アレイの見る方向は放射源に向かうよう電子的に操向され得る。該サブアレイ内の各素子用の遅延線要求は百段階より少なくてもよい。最終の近接場集束用にはグローバル加算用の長い遅延だけが必要となる。本発明の電子制御ビーム形成システムの詳細線図は特許文献５の図１４Ａで示される。このシステムは並列の時間遅延ビーム形成プロセッサのバンクから成る。各プロセッサは２つの部品、すなわち小アパーチャービーム操向／集束用の２次元サブアレイビーム形成器と、各対応するサブアレイからの出力の階層的近接場ビーム形成を可能にする追加的時間遅延プロセッサと、から成る。ｍ個のサブアレイを有するシステム用に上記で参照した図１４Ａで見られる様に、ｍ個の並列のプログラマブルな第２段階近接場時間遅延は全てのｍ個の並列出力がコヒーレントに加算されることを可能にするために個別遅延調整用に必要である、一方この加算された出力は目標対象の３次元画像を提供する。
【００６２】
８０×８０素子２次元アレイ用で、この階層的なサブアレイ小アパーチャー、次いで大アパーチャーのビーム形成アプローチを使わなければ、６４００本のワイヤから成るケーブルが、該トランスデューサアレイを従来のビーム形成システムに接続するために、必要であることを理解することは容易である。上記で参照した特許文献５の図１４Ａで示す様に、各サブアレイプロセッサへの入力の数は該サブアレイ内の遅延素子の合計数と等しく、各サブアレイは１つの出力しか有しない。すなわち、サブアレイへの入力の数はそのサブアレイと関連したトランスデューサ素子の数に等しい。サブアレイ出力の数は、サブアレイの数で割り算した合計トランスデューサアレイ素子数に等しい。例えば、もしこの階層的ビーム形成システムを実現するために５×５サブアレイの使用を選択するならば、第１段階サブアレイビーム形成後、該第２段階近接場ビーム形成部に接続するのに要するワイヤの合計数は２５分の１に減少する。特に、上述の様に、この２次元サブアレイビーム形成を使わなければ、８０×８０の２次元トランスデューサアレイを従来のバックエンドビーム形成部に接続するために６４００本のワイヤが必要である。最初に５×５サブアレイ処理バンクを使うと、該バックエンドビーム形成システムへ接続するために必要なワイヤの数は２５６に減じられる。本発明のこの例に基づいて、２５６の５×５素子サブアレイビーム形成器のバンクが走査ヘッドの８０×８０素子２次元アレイと一体化されると、２５６本のワイヤから成るケーブルが集積化された走査ヘッドとバックエンド近接場ビーム形成システムを適切に接続する。
【００６３】
５×５サブアレイ小アパーチャービーム形成プロセッサは小サイズのシリコン集積回路内に容易に集積化され、８つのこの様な５×５サブアレイビーム形成部は１つの集積回路上に集積化され得ることを言及することは重要である。サブアレイは一般に、３×３サブアレイから８×８サブアレイまでに対応する９と６４の間のトランスデューサ素子を有することを注意されたい。好ましい範囲は正方形アレイ形状については４×４及び６×６アレイであるか、それらの間である。長方形サブアレイはまた、好ましくは３×４、４×５，又は４×６が使われるのがよい。４分の１λ誤差最小基準が使われることを注意されたい。僅か３２の集積回路デバイスが走査ヘッド内に組み入れられる必要があるだけで、ケーブルサイズを６４００本のワイヤから２５６本のワイヤに減じ得る。同様に、６４×４８素子の２次元アレイについては、最初にトランスデューサハウジング内の４×４サブアレイ処理バンクを使うと、バックエンドビーム形成チャンネルの数は１９２に減じられる。
【００６４】
本発明では、各々が、改良されたＳＮ比性能を有する雑音及びケーブル損失を最小化する２次元アレイビーム形成用の好ましい実施例が、図４−６Ｂで説明される。これらの実施例では、ｍ個の並列サブアレイビーム形成プロセッサのバンクが、コンパクトな、低雑音走査ヘッドを創るために２次元トランスデューサアレイと一体化される。図４はコンパクトな走査ヘッドが専用処理モジュールに接続され、ｍ個の並列前置増幅器／テージーシーエス（ＴＧＣｓ）、送信／受信チップ及び第２段階時間遅延処理ユニットが収容される。この専用処理モジュールはファイヤワイヤ、ユーエスビー又はピーシーアイバスを経由してホストコンピュータ５４０と通信する。制御及び同期化は該処理モジュール内に配置されたシステム制御器により行われる。図５は図４で述べられたと同じアーキテクチャーを画くが、例外事項は該専用処理モジュール内部で、該第２段階時間遅延処理ユニットは特にチャージドメインプログラマブル時間遅延線を使うことにより実施されることである。図６Ａ及び６Ｂは、該コンパクトな走査ヘッドが、ｍ個の並列ビーム形成チャンネルを有する従来の、商業的に入手可能なタイムドメインデジタル超音波画像形成システムと接続されるシステムを画いている。図６Ａと６Ｂで、該時間遅延プロセッサが又シーデーピー時間遅延線を用いて実現され得ることは容易に分かる。
【００６５】
該システムの好ましい実施例では、図１９−２４Ｂと連携して示される様に、大アパーチャービーム形成システムが超音波画像形成システムの主プロセッサハウジング内に組み入れられる。
【００６６】
組織内の音の速度は約１５００ｃｍ／秒なので、１５ｃｍの深さを貫入する音波の往復伝播時間は約２０マイクロ秒である。診断品質画像を提供するには、実時間３次元画像形成用として、毎秒２０個より多いフレーム速度の３次元立体画像向けの少なくとも６４×６４の走査ビームを必要とする。各送信ビーム用に、該実時間３次元画像形成システムは、好ましい３次元フレーム速度要求を充たすために、各送信パルスのための少なくとも１６ビームを形成出来ねばならない。この節では直列時間多重送信ビーム形成と、並列同時タイムドメインビーム形成実施と、の両者を取り扱う。
【００６７】
１６ビーム走査の要求を達成するために、直列及び並列アーキテクチャーの組み合わせが使われてもよく、すなわち、該システムは２つのビームを形成するためにフロントエンドの時間多重化された直列ビーム形成要素技術を使い、次いで、バックエンドプロセッサ
での８個の並列ビーム形成法が続くか、又は該システムは各直列出力ビーム用に、４つの直列ビームを形成し、次いで該バックエンドプロセッサが４つの並列ビームを形成する等である。
【００６８】
２次元トランスデューサアレイの視認角度に沿い、ビーム形成器遅延とシェーディングをシステマチックに変化させることにより、該３次元放射源を表す視線に沿う戻りエコーが、その走査角度での走査画像を創るため使われてもよい。該システムは毎秒２０フレーム以上で広視野内の連続実時間大面積走査画像を提供出来る。図７で示す様に、シーデーピービーム形成チップ内では、多重ビームを発生するために時間多重化された計算構造が使われ、すなわち、各送信パルス用に、２次元サブアレイとその対応する第２段階近接場時間遅延線とのバンクはシーケンシャルに多重ビームを提供することが出来る。該計算回路はＫ個のビームを形成するために要する遅延をシーケンシャルに発生する。該デバイスは下記シーケンスを使って動作するが、すなわち：一旦サンプルされた戻りエコーのセットが該遅延線内に負荷されると、時刻ｔ１でビーム１を形成するのに要する遅延が各モジュール内で計算され、全遅延線に並列に印加される。サンプルされた適当な遅延付き戻りエコーは第１ビームを形成するためにコヒーレントに加算される。時刻ｔ２でビーム２を形成するため必要な遅延が各モジュール内で計算され、並列に全遅延線に印加される。サンプルされた適当な遅延付き戻りエコーは第２ビームを形成するためコヒーレントに加算される。該手順はＫ番目のビームがコヒーレントに形成されるまで繰り返される。
【００６９】
例えば、もし１６の直列のアドレス可能な出力を有する計算回路が、プロセッササブアレイ及び第２段階時間遅延線と組み合わされるなら、各送信パルス用に、各々が異なる走査角度に沿う１６のビーム又は走査線が創られ得る。１５ｃｍの深さのダウンレンジを有する２５６のパルス用に、該システムは毎秒２０フレームのフレーム速度で６４×６４画素解像度を有する４０９６ビームを発生出来る。該システムは完全にプログラマブルで、該ビーム形成電子機器は高解像度の又はより高いフレーム速度の画像用に、より小さい視野へズームインするよう調整されることが出来る。例えば、１５ｃｍの同じダウンレンジ深さを有する１９２の送信パルスを使って、該システムは毎秒３０フレームのフレーム速度で６４×４８画素解像度を有する３０７２ビームを発生出来る。
【００７０】
ビーム形成システムの目的は画素点から受信した信号をトランスデューサアレイ上に集束することである。特定の方向に伝播する波頭を整合させるようビーム形成器内に適当な遅延を挿入することにより、関心のある方向から到着する信号はコヒーレントに加算される一方、他の方向からの信号はコヒーレントに加算されないか、又は打ち消される。放射源から焦点までの飛行時間（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）は計算され、並列の多数の到来方向からの全てのチャンネル用のメモリー内に記憶される。従来の実施例では、各ビーム用に別々の電子回路が必要であり、多重ビームシステム用では、最終電子機器はビーム数が増えると急激に嵩張り、コスト高になる。例えば、線形の１９２素子アレイ用のビーム形成部は各々が１２８λより大きいプログラマブル遅延長さを有する１９２の並列遅延線を要する。４つの平行ビームを形成するために、例えば、合計７６８のプログラマブルの長い遅延線が必要である。多重ビーム用に必要な電子機器を簡単化するために、階層的２段階ビーム形成システムを説明する。
【００７１】
階層的ビーム形成の概念は飛行時間計算を２部分に分けることであり、第１部分は、粗い解像度で、小アパーチャーのビーム形成用の短い遅延であり、これに精細な解像度で、大アパーチャーのビーム形成用の長い遅延が続く。図１９には２次元アレイ用の３次元微分遅延方程式が示されている。この方程式はアレイ素子（ｘｍ、ｙｍ）の遅延差を（該２次元アレイの中心に対する）距離と角度、シータ及びファイ、との関数として示す。該方程式は全てのｙｍ（素子位置のｙ座標）を０に設定することにより１次元配列に変えられる。該遅延差は、角度ファイ＝０に設定することにより（立体の代わりに）単一平面に限
定され得る。
【００７２】
２段階遅延の操作を例示するためには、遅延差プロフアイルが該１次元又は２次元アレイ内の全素子用に発生されねばならない。これを行うために、該微分遅延方程式が計算され、全ての遅延差が与えられた距離での角度シータ及びファイの関数として作表された。例えば、図２０に示す様に、２次元アレイの中心の近くの素子について遅延差プロフアイルがプロットされた。
【００７３】
２段階遅延システムでは、前記過程からの作表されたデータが粗い遅延と細密な遅延とに分けられる。該粗い遅延と細密な遅延とを分ける方法を決定するため、最大遅延差誤差が制限される（典型的には、１サンプル以下の最大遅延差誤差を有するよう設定する）。（前記過程からの）該作表された遅延はまた、受信要素が有効にされる時期を決定するためにも使われる。例えば、図２１は少数の素子について遅延差誤差を距離の関数として画く。最悪ケースの遅延差（青でプロットされたデータ）は、シータ＝−４５度、ファイ＝−４５度の方向から画像データを受信しようと企てる２次元アレイの隅部（シータ＝＋４５度、ファイ＝＋４５度）の素子用である。この場合については、最大遅延差は制限より大きく（＞１サンプル誤差）、従って該素子は、約１００サンプルより大きい範囲まで受信することを有効にされない。
【００７４】
階層的２段階平行ビーム形成システム９５８のブロック線図が図２２Ａで示される。約６．８１ｋｇ（１５ポンド）より軽い重さの、図１０の１２の様な手持ちプローブの２次元トランスデューサアレイ９６０がビーム形成システム９６４の入力に接続される前に増幅器９６２に接続される。該ビーム形成システムは複数の短い遅延線を有しており、該遅延線の出力は加算回路９６８でコヒーレントに加算されるが、該加算回路の加算出力は長い遅延線９７０に供給され、該長い遅延線の出力はまた、加算回路９７２で加算される。第１段階の粗いビーム形成は、例えば、この特定の実施例の８つの隣り合う受信器に於ける小アパーチャーからの戻りエコーをコヒーレントに加算する過程を有する。該アパーチャーの小さい寸法のために、各短い遅延の遅延長さは約８λにしか過ぎない。それで、１９２素子入力、２４のこの様な小アパーチャーについて、粗いビームが形成される。それら２４のビームの各々は次いで、大アパーチャーの、精細解像度のビーム形成用に、その対応するプログラマブルな長い遅延線に印加される。４本の平行ビームを形成するには、４つのこの様なビーム形成構造体が必要である。図２２Ａ見られる様に、この階層的実施例は、２４本の粗いビームを形成するために、１９２の短い遅延しか必要とせず、次いでこれに、各１つが１２８λより短いプログラマブルな遅延長さを有する２４の長い遅延線が続く。４本の平行ビーム用に、１９２の短い遅延にプラスして９６の長い遅延しか必要でなく、このことは電子部品及び電力の意味で大きな節約を提供する。
【００７５】
更に、各小アパーチャーの、短い遅延線内では、チャージドメイン処理回路からのタップ位置出力を選択するため飛行時間制御回路が使われるが、該制御回路はタップ付けされた遅延線出力を非破壊的に検出する。各受信器はビームシェーディング／アポディゼーション用の掛け算器を有する。各プロセッサ内では、全ての掛け算器は共通の出力を共有する。加算された電荷は、減じられたＳＮ比を有する画像形成パルスを作るよう戻りエコーをデコードし、圧縮するために整合フィルターに印加される。階層的加算がデジタル式に行われるようＡ−Ｄ変換器又はオンチップチャージドメインＡ−Ｄ変換器が使われてもよい。
【００７６】
好ましい実施例では、ビーム形成器出力とバックエンドプロセッサの間で高速デジタル通信接続を使うことが重要である。前に説明した様に、各トランスデューサ素子で受信したアナログ戻りエコーは信号処理時Ａ−Ｄ変換器（Ａ／Ｄ）によりデジタル信号に変換される。図２２Ｂのビーム形成器９７４で示す様に、Ａ−Ｄ変換器９７６は各短い遅延線の
入力で使用され、時間遅延はデジタル式に行われる。或いは代わりに、図２２Ｃの実施例９８０で示す様に、該Ａ−Ｄ変換器９８２は各粗いビームの出力で使われてもよく、該長い遅延はデジタル式に行われてもよい。該Ａ−Ｄ変換は入手可能な個別部品を使って行われてもよく、或いは好ましい実施例では、チャージドメインＡ−Ｄ変換器が、デジタル式に行われる階層的加算を伴う該チャージドメインビーム形成器と同じ集積回路上に形成されてもよい。
【００７７】
コード化された又はスペクトラム拡散式の信号の使用法は通信社会で大きな愛顧を得て来た。該使用法は今や衛星、セルラー、そして有線デジタル通信システムで日常的に使われている。スペクトラム拡散コード化無しの３ＭＨｚ正弦曲線の５サイクルの例が図２３Ａで示される。コード化された又はスペクトル拡散式のシステムは有限の時間−バンド幅積を有する、ブロードバンドの、１時的に延ばされた励振信号を送信する。その受信信号は改良したＳＮ比を有する画像形成パルスを作るようデコードされる。超音波画像形成システムでコード化信号を使う利点は、ピーク音響出力を著しく下げながら、高解像度画像形成の使用法を提供することである。これらの信号はまた、システム全体の受信感度を改良する信号処理利得を提供する。直接シーケンス変調はコードシーケンスによる搬送波の変調である。実際は、この信号はＡＭ（パルス）、ＦＭ、振幅、位相又は角度変調とすることが出来る。該信号はまた、指定時間の後に繰り返す２進値のシーケンスを含む擬似ランダムな又はピーエヌ（ＰＮ）のシーケンスであってもよい。
【００７８】
超音波で、スペクトル拡散／コード化励振送信波形を使う概念は、長さＰの送信パルスの基本シーケンスを、コード長さＮを有するコードシーケンスで、変調する過程を有する。ＮバーストのコードパルスシーケンスはＮチャープコードと呼ばれることが多い。５つのチャープバーカー（Ｃｈｉｒｐ  Ｂａｒｋｅｒ）コーディング［１１１−１１］を有するゲートされた３ＭＨｚ正弦曲線の例が図２３Ｂで示される。各“チャープ”はゲートされた送信波形の１サイクルに対応する。かくして、図２３Ｂは第４サイクルが反転されていることを除けば、図２３Ａのそれと略一致して見える。図２３Ａ及び図２３Ｂの両者では、連続線は連続的にサンプルされた正弦曲線波形を表すが、クロスハッチされた点はサンプルされた信号であり、そこではサイクル当たり１０サンプルが取られている。長さＮ×Ｐを有するコード化パルスシーケンスは、出力スペクトルをより長い持続時間に亘り拡散することにより、送信メディア内のピーク出力を有効に減ずることが出来る。スペクトル拡散の／コード化された戻りエコーを受信すると、改良されたＳＮ比（ＳＮＲ）を有する画像形成パルスを作るために、受信信号をデコードするようパルス圧縮整合フィルターが使われてもよい。Ｎ×Ｐコード化パルスシーケンスのＳＮ比改善は１０ｌｏｇ（ＮＰ）である。それで、長さ７のバーカーコードと２サイクルバースト送信波形については、１１．４デシベルのＳＮ比改善が達成される。しかしながら、本システムでは、送信及び受信波形はＳのオーバーサンプル比でオーバーサンプルされる。典型的に、Ｓ＝４のオーバーサンプル比が使われた。そこで次いで、１０ｌｏｇ（ＮＰＳ）のＳＮ比改良を有する画像形成パルスを作るために、戻りエコーをデコードし、圧縮するよう受信端で、Ｎ×Ｐ×Ｓのタップ長さを有する整合フィルターが使われてもよい。上記例では、Ｎ＝７、Ｐ＝２、Ｓ＝４で、１７．５デシベルのＳＮ比が達成される。
【００７９】
送信信号を形成する好ましい方法が図２４Ａ−２４Ｃで示される。基本シーケンスは図２４Ａで見られる様な単一パルスである。５チャープバーカーコード［１１１−１１］を使って、該バーカーコードを用いた該基本シーケンスのたたみ込み（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）が図２４Ｂで表わされる。最後に、該システムは図２４Ｃで示す様に該連続波形のオーバーサンプルされた版を送信し、６回オーバーサンプルされた波形が送信波形として使われる。
【００８０】
各、送信され、拡散、コード化され、励振される波形用に、４つの平行な、圧縮された
ビームを形成出来る１９２チャンネル受信ビーム形成システムが図２５Ａのビーム形成器システム９８５で示される。この実施例では、２段階の階層的ビーム形成アーキテクチャーが使われ、最初に、小アパーチャー短遅延ビーム形成器９８６が信号を出力するが、該信号は８つの隣り合うトランスデューサからの戻りエコーのコヒーレント式に加算されたものであり、次いでパルス圧縮整合フィルター９８７が該受信信号をデコードするよう追随し、この圧縮された信号９８８は長遅延線に印加され、ビーム形成要求を完了する。図２５Ｂのシステム９９０では、Ａ−Ｄ変換器９９２が該整合フィルター出力の各々で組み入れられる。次いで、長い遅延が第２段階デジタル遅延線実施例を使ってデジタル式に行われる過程が続く。
【００８１】
整合フィルターの実施例は図２５Ｃで示される。該フィルター９９４はサンプリング回路９９５から信号を受信するＫ段階のタップ付き遅延線と、Ｋ個のプログラマブル掛け算器と、から成る。拡散され、粗くビーム形成された信号である、ｆｎは該遅延線の入力に連続的に印加される。該遅延の各段階で該信号は非破壊式に検出され、タップ重み９９６である、Ｗｋを掛け算され、ここでｋ＝１，２，３，．．，Ｋ−２，Ｋ−１，Ｋである。該重み付けられた信号は圧縮された出力ｇｎ９９８を創るために、加算回路９９７で一緒に加算される。時刻ｔ＝ｎで
ｇｎ＝ｆｎ−１Ｗ１＋ｆｎ−２Ｗ２＋ｆｎ−３Ｗ３＋．．．＋ｆｎ−Ｋ−２ＷＫ−２＋ｆｎ−Ｋ−１ＷＫ−１＋ｆｎ−ＫＷＫ
【００８２】
図２４Ａ−２４Ｃに示す例を使うと、もし該システムが６回オーバーサンプルされた、５つのチャープのバーカーコードを送信し、該整合フィルターの重みが該送信された５つのチャープのバーカーコード励振波形の時間的反転として選択されるなら、該整合フィルターは、１０ｌｏｇ（５×６）＝１５デシベルのフィルター利得を有する、圧縮され、デコードされ、パルス化された信号（図２５Ｄ参照）である相互相関出力９９９を作る。
【００８３】
請求項は、その結果に向け述べられてない限り、詳述された順序又は要素に限定されるとして読まれるべきでない。次の請求項とそれの等価物の範囲と精神の中に入る全ての実施例は本発明として請求される。
【図１】
0005649576.tif 000003
【図２】
0005649576.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
0005649576.tif 000006
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２３Ａ−２３Ｂ】
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【図２４Ａ−２４Ｃ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２５Ｄ】
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