(57)【要約】  符号化送信信号は、発散超音波が順次的に送信される超音波アレイに対して供給される。各発散超音波は各セットの符号化送信信号によって生成され、各セットの符号化送信信号はＮｘＮ可逆直交行列の各行によって符号化される。Ｎ＜ＭであるＭ行の選択されたサブセットのみが、送信信号を符号化するために使用される。送信された発散超音波に応答して検出された受信信号のセットは、可逆直交行列に基づいて生成された転置行列を介して復号され、復号された受信信号の各セットは固定開口内の超音波アレイ素子のサブセットを介した超音波照射に関連付けられる。合成開口ビームフォーミングは、デコードされた受信信号に対して実行され、超音波画像を生成する。【選択図】図４
2021531058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波撮像システムであって、
複数の超音波アレイ素子を含む超音波アレイ；
前記複数の超音波アレイ素子に動作可能に接続された制御および処理回路；
を備え、
前記制御および処理回路はプロセッサおよびメモリを含み、前記プロセッサは、前記メモリに格納された命令を実行して、
符号化された送信信号の前記超音波アレイへの送出を制御して、複数の発散超音波を順次送信するステップであって、各発散超音波は符号化された送信信号の各セットを前記超音波アレイの固定開口に対して送信することによって生成され、前記固定開口は前記超音波アレイのＮ個の要素を有する、ステップであって、
符号化された送信信号の各セットは、Ｎ×Ｎの可逆直交行列の各行によって符号化されており、これにより、前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットのみが前記送信信号を符号化するために使用されるように構成されており、Ｍ＜Ｎである、
ステップを実行するように構成されており、
前記プロセッサはさらに、前記超音波アレイによって受信された受信信号のセットを処理するように構成され、前記受信信号の各セットは、
転置マトリクスによって受信信号の前記セットを復号化して復号化された受信信号の複数のセットを取得するステップであって、前記転置マトリクスは前記可逆直交行列に基づいて生成され、これにより、復号化された受信信号の各セットが前記固定開口内の前記超音波アレイ素子のサブセットを介した超音波照射と関連付けられる、ステップ；
前記復号化された受信信号の複数セットに対して合成開口ビームフォーミングを実行して超音波画像を生成するステップ；
によって各発散波の送信に関連づけられる、
システム。
【請求項２】
前記制御および処理回路は、前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットの各行が前記可逆直交行列のＮ〜Ｍ行の選択されていないサブセットの空間周波数よりも低い空間周波数を有するように構成される、
請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記制御および処理回路は、所与の位置に対して合成開口ビームフォーミングを実行するように構成され、これにより、前記超音波アレイ素子の所与のサブセットを介した超音波照射に関連づけられる復号化された受信信号の少なくとも１つの所与のセットは、
前記超音波アレイ素子の前記所与のサブセットの超音波アレイ素子それぞれについて、
前記超音波アレイ素子、前記位置、および前記固定開口の前記超音波アレイ素子の間の往復伝搬時間のセットを決定するステップ；
前記往復伝搬時間のセットを前記復号された受信信号の所与のセットに対して適用するステップ；
によって処理され、
これにより、ビームフォーミングを実行するとき、素子ごとの伝搬時間の計算のために前記所与のデコードされた受信信号のセットを繰り返し使用して、伝搬時間の計算の間にアレイ素子をグループ化することに関連するグレーティングローブアーチファクトを減少させる、
請求項１または２記載のシステム。
【請求項４】
前記制御および処理回路は、転置される前記可逆直交行列の形式が、
前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセット；
Ｎ〜Ｍのゼロパディング行；
を有する疎行列であるように構成されている、
請求項１から３のいずれか１項記載のシステム。
【請求項５】
前記制御および処理回路は、前記完全可逆直交行列が転置されて転置行列を生成するように構成され、前記転置行列に対してゼロパディング疎受信行列が乗算される、
請求項１から３のいずれか１項記載のシステム。
【請求項６】
前記制御および処理回路は、転置される前記可逆直交行列の形式が前記可逆直交行列のＭ行の選択された部分集合のみを含むように構成され、
前記復号化された受信信号のセットは、前記転置行列に対して、送信イベントに対応する受信信号のセットのみを含む受信信号行列を乗算することによって得られる、
請求項１から３のいずれか１項記載のシステム。
【請求項７】
前記制御および処理回路は、復号された受信信号の各セットが隣接する超音波アレイ素子の有効送信イベントに対応するように構成される、
請求項１から６のいずれか１項記載のシステム。
【請求項８】
前記制御および処理回路は、復号された受信信号の各セットが隣接しない超音波アレイ素子の有効送信イベントに対応するように構成される、
請求項１から６のいずれか１項記載のシステム。
【請求項９】
前記制御および処理回路は、復号化された受信信号の各セットが２つの超音波素子の有効送信イベントに対応するように構成される、
請求項１から８のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１０】
前記制御および処理回路は、前記固定開口が前記超音波アレイの全開口であるように構成される、
請求項１から９のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１１】
前記制御および処理回路は、共通発散波に対応する送信信号の共通セットを符号化することによって、符号化された送信信号の２つ以上のセットが生成されるように構成される、
請求項１から１０のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１２】
前記制御および処理回路は、前記符号化された送信信号のセットを生成し、前記受信信号のセットを１０００フレーム／秒を超えるフレームレートでビームフォームするように構成される、
請求項１から１１のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１３】
前記制御および処理回路は、前記可逆直交行列がアダマール行列であるように構成される、
請求項１から１２のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１４】
前記制御および処理回路は、前記可逆直交行列がＳシーケンス行列であるように構成される、
請求項１から１２のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１５】
超音波イメージングを実行する方法であって、
複数の超音波アレイ素子を備える超音波アレイに対して符号化された送信信号を送出して、複数の発散超音波を順次送信し、これにより各発散超音波は、符号化された送信信号の各セットを前記超音波アレイの固定開口に対して送信することによって生成され、前記固定開口は前記超音波アレイのＮ個の素子を有する、ステップであって、
符号化された送信信号の各セットは、Ｎ×Ｎの可逆直交行列の各行によって符号化され、これにより、前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットのみが前記送信信号を符号化するために使用されるように構成されており、Ｍ＜Ｎである、
ステップ；
前記送信された発散波に応答して前記超音波アレイからの受信信号を検出するステップであって、受信信号の各セットは、各発散波の送信に関連付けられている、ステップ；
転置マトリクスによって前記受信信号のセットを復号化して復号化された受信信号の複数のセットを得るステップであって、前記転置マトリクスは前記可逆直交行列に基づいて生成され、これにより、復号化された受信信号の各セットが前記固定開口内の前記超音波アレイ素子のサブセットを介した超音波照射と関連付けられる、ステップ；
前記復号化された受信信号の複数セットに対して合成開口ビームフォーミングを実行して超音波画像を生成するステップ；
を有する方法。
【請求項１６】
前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットの各行は、前記可逆直交行列のＮ〜Ｍ行の選択されていないサブセットの空間周波数よりも低い空間周波数を有する、
請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
所与の位置に対して合成開口ビームフォーミングを実行し、これにより、前記超音波アレイ素子の所与のサブセットを介した超音波照射に関連づけられる復号化された受信信号の少なくとも１つの所与のセットは、
前記超音波アレイ素子の前記所与のサブセットの超音波アレイ素子それぞれについて、
前記超音波アレイ素子、前記位置、および前記固定開口の前記超音波アレイ素子の間の往復伝搬時間のセットを決定するステップ；
前記往復伝搬時間のセットを前記復号された受信信号の所与のセットに対して適用するステップ；
によって処理され、
これにより、ビームフォーミングを実行するとき、素子ごとの伝搬時間の計算のために前記所与のデコードされた受信信号のセットを繰り返し使用して、伝搬時間の計算の間にアレイ素子をグループ化することに関連するグレーティングローブアーチファクトを減少させる、
請求項１５または１６記載の方法。
【請求項１８】
転置される可逆直交行列の形式は、
前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセット；
Ｎ〜Ｍのゼロパディング行；
を含む疎行列である、
請求項１５から１７のいずれか１項記載の方法。
【請求項１９】
前記完全可逆直交行列は転置されて前記転置行列を生成し、前記転置行列に対してゼロパディング疎受信行列が乗算される、
請求項１５から１７のいずれか１項記載の方法。
【請求項２０】
転置される前記可逆直交行列の形式は、前記可逆直交行列のＭ行の選択された部分集合のみを含み、
前記復号化された受信信号のセットは、前記転置行列に対して、送信イベントに対応する受信信号のセットのみを含む受信信号行列を乗算することによって得られる、
請求項１５から１７のいずれか１項記載の方法。
【請求項２１】
復号された受信信号の各セットは、隣接する超音波アレイ素子の有効送信イベントに対応する、
請求項１５から２０のいずれか１項記載の方法。
【請求項２２】
復号された受信信号の各セットは、隣接しない超音波アレイ素子の有効送信イベントに対応する、
請求項１５から２０のいずれか１項記載の方法。
【請求項２３】
復号された受信信号の各セットは、２つの超音波素子の有効送信イベントに対応する、
請求項１５から２２のいずれか１項記載の方法。
【請求項２４】
前記固定開口は、前記超音波アレイの全開口である、
請求項１５から２３のいずれか１項記載の方法。
【請求項２５】
共通発散波に対応する送信信号の共通セットを符号化することによって、符号化された送信信号の２つ以上のセットが生成される、
請求項１５から２４のいずれか１項記載の方法。
【請求項２６】
前記符号化された送信信号のセットが送信され、前記受信信号のセットが、毎秒１０００フレームを超えるフレームレートでビームフォーミングされる、
請求項１５から２５のいずれか１項記載の方法。
【請求項２７】
前記可逆直交行列はアダマール行列である、
請求項１５から２６のいずれか１項記載の方法。
【請求項２８】
前記可逆直交行列は、Ｓシーケンス行列である、
請求項１５から２６のいずれか１項記載の方法。
【請求項２９】
超音波撮像システムであって、
複数の超音波アレイ素子を含む超音波アレイ；
前記複数の超音波アレイ素子に動作可能に接続された制御および処理回路；
を備え、
前記制御および処理回路はプロセッサおよびメモリを含み、前記プロセッサは、前記メモリに格納された命令を実行して、
符号化された送信信号の前記超音波アレイへの送出を制御して、複数の発散超音波を順次送信するステップであって、各発散超音波は、符号化された送信信号の各セットを前記超音波アレイの固定開口に対して送信することによって生成され、前記固定開口は前記超音波アレイのＮ個の要素を有する、ステップであって、
符号化された送信信号の各セットはＮ×Ｎの可逆直交行列の各行によって符号化され、これにより、前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットのみが送信信号を符号化するために使用されるように構成されており、Ｍ＜Ｎである、
ステップを実行するように構成されており、
前記プロセッサはさらに、前記超音波アレイによって受信された受信信号のセットを処理するように構成され、前記受信信号の各セットは、
前記受信信号のセットを転置マトリクスによって復号化して復号化された受信信号の複数セットを取得するステップであって、前記転置マトリクスは前記可逆直交行列に基づいて生成され、これにより、前記復号化された受信信号の各セットが前記固定開口内の前記超音波アレイ素子のサブセットを介した超音波照射に関連づけられる、ステップ；
前記複数セットの復号化された受信信号に対して合成開口ビームフォーミングを実行して超音波画像を生成するステップ；
によって各発散波の送信に関連づけられ、
合成開口ビームフォーミングが所与の位置に対して実施され、これにより、前記超音波アレイ素子の所与のサブセットを介した超音波照射に関連づけられた少なくとも１つの復号化受信信号の所与のセットが、
前記超音波アレイ素子の前記所与のサブセットの各超音波アレイ素子について：
前記超音波アレイ素子、前記位置、および前記固定開口の前記超音波アレイ素子の間の往復伝搬時間のセットを決定するステップ；
前記往復伝搬時間のセットを前記復号された受信信号の所与のセットに対して適用するステップ；
によって処理され、
これにより、ビームフォーミングを実行するとき、素子単位での伝搬時間の計算のために前記復号化された受信信号の所与のセットを繰り返し使用して、伝搬時間の計算の間にアレイ素子をグループ化することに関連するグレーティングローブアーチファクトを低減する、
システム。
【請求項３０】
前記制御および処理回路は、前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットの各行が前記可逆直交行列のＮ〜Ｍ行の選択されていないサブセットの空間周波数よりも低い空間周波数を有するように構成される、
請求項２９記載のシステム。
【請求項３１】
前記制御および処理回路は、転置される前記可逆直交行列の形式が、
可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセット；
Ｎ〜Ｍのゼロパディング行；
を含む疎行列であるように構成される、
請求項２９または３０記載のシステム。
【請求項３２】
前記制御および処理回路は、前記完全可逆直交行列が転置されて転置行列を生成するように構成され、前記転置行列に対してゼロパディング疎受信行列が乗算される、
請求項２９または３０記載のシステム。
【請求項３３】
前記制御および処理回路は、転置される前記可逆直交行列の形式が前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットのみを含むように構成され、
前記復号された受信信号のセットは、前記転置された行列に対して、送信イベントに対応する受信信号のセットのみを含む受信信号行列を乗算することによって得られる、
請求項２９または３０記載のシステム。
【請求項３４】
前記制御および処理回路は、復号された受信信号の各セットが隣接する超音波アレイ素子の有効送信イベントに対応するように構成される、
請求項２９から３３のいずれか１項記載のシステム。
【請求項３５】
前記制御および処理回路は、復号された受信信号の各セットが隣接しない超音波アレイ素子の有効送信イベントに対応するように構成される、
請求項２９から３３のいずれか１項記載のシステム。
【請求項３６】
前記制御および処理回路は、復号された受信信号の各セットが２つの超音波素子の有効送信イベントに対応するように構成される、
請求項２９から３５のいずれか１項記載のシステム。
【請求項３７】
前記制御および処理回路は、前記固定開口が前記超音波アレイの全開口であるように構成される、
請求項２９から３６のいずれか１項記載のシステム。
【請求項３８】
前記制御および処理回路は、共通発散波に対応する送信信号の共通セットを符号化することによって、符号化された送信信号の２つ以上のセットが生成されるように構成される、
請求項２９から３７のいずれか１項記載のシステム。
【請求項３９】
前記制御および処理回路は、前記符号化された送信信号のセットを生成し、前記受信信号のセットを１０００フレーム／秒を超えるフレームレートでビームフォームするように構成される、
請求項２９から３８のいずれか１項記載のシステム。
【請求項４０】
前記制御および処理回路は、前記可逆直交行列がアダマール行列であるように構成される、
請求項２９から３９のいずれか１項記載のシステム。
【請求項４１】
前記制御および処理回路は、前記可逆直交行列がＳシーケンス行列であるように構成される、
請求項２９から３９のいずれか１項記載のシステム。
【請求項４２】
超音波イメージングを実行する方法であって、
複数の超音波アレイ素子を備える超音波アレイに対して符号化された送信信号を送出して、複数の発散超音波を順次送信し、これにより各発散超音波は、前記超音波アレイの固定開口に対して符号化された送信信号の各セットを送信することによって生成され、前記固定開口は前記超音波アレイのＮ個の素子を有する、ステップであって、
符号化された送信信号の各セットはＮ×Ｎの可逆直交行列の各行によって符号化され、これにより、前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットのみが前記送信信号を符号化するために使用されるように構成されており、Ｍ＜Ｎである、ステップ；
前記送信された発散波に応答して前記超音波アレイからの受信信号を検出するステップであって、受信信号の各セットは各発散波の送信に関連付けられている、ステップ；
前記受信信号のセットを転置マトリクスによって復号化して復号化された受信信号の複数セットを得るステップであって、前記転置マトリクスは前記可逆直交行列に基づいて生成され、これにより、前記復号化された受信信号の各セットが前記固定開口内の前記超音波アレイ素子のサブセットを介した超音波照射に関連づけられる、ステップ；
前記複数セットの復号化された受信信号に対して合成開口ビームフォーミングを実行して超音波画像を生成するステップ；
を有し、
合成開口ビームフォーミングが所与の位置に対して実施され、これにより、前記超音波アレイ素子の所与のサブセットを介した超音波照射に関連する少なくとも１つの復号化受信信号の所与のセットが、
前記超音波アレイ素子の前記所与のサブセットの各超音波アレイ素子について：
前記超音波アレイ素子、前記位置、および前記固定開口の前記超音波アレイ素子の間の往復伝搬時間のセットを決定するステップ；
前記往復伝搬時間のセットを復号された受信信号の前記所与のセットに対して適用するステップ；
によって処理され、
これにより、ビームフォーミングを実行するとき、素子単位での伝搬時間の計算のために前記復号化された受信信号の所与のセットを繰り返し使用して、伝搬時間の計算の間にアレイ素子をグループ化することに関連するグレーティングローブアーチファクトを低減する、
方法。
【請求項４３】
前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットの各行は、前記可逆直交行列のＮ〜Ｍ行の選択されていないサブセットの空間周波数よりも低い空間周波数を有する、
請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
転置される前記可逆直交行列の形式は、
前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセット；
Ｎ〜Ｍのゼロパディング行；
を含む疎行列である、
請求項４２または４３記載の方法。
【請求項４５】
前記全可逆直交行列は転置されて転置行列を生成し、前記転置行列に対してゼロパディング疎受信行列が乗算される、
請求項４２または４３記載の方法。
【請求項４６】
転置される前記可逆直交行列の形式は、前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットのみを含み、
復号された受信信号のセットは、前記転置行列に対して、送信イベントに対応する受信信号のセットのみを含む受信信号行列を乗算することによって得られる、
請求項４２または４３記載の方法。
【請求項４７】
復号された受信信号の各セットは、隣接する超音波アレイ素子の有効送信イベントに対応する、
請求項４２から４６のいずれか１項記載の方法。
【請求項４８】
復号された受信信号の各セットは、隣接しない超音波アレイ素子の有効送信イベントに対応する、
請求項４２から４６のいずれか１項記載の方法。
【請求項４９】
復号化された受信信号の各セットは、２つの超音波素子の有効送信イベントに対応する、
請求項４２から４８のいずれか１項記載の方法。
【請求項５０】
前記固定開口は、前記超音波アレイの全開口である、
請求項４２から４９のいずれか１項記載の方法。
【請求項５１】
共通発散波に対応する送信信号の共通セットを符号化することによって、符号化された送信信号の２つ以上のセットが生成される、
請求項４２から５０のいずれか１項記載の方法。
【請求項５２】
前記符号化された送信信号のセットが送信され、前記受信信号のセットが、毎秒１０００フレームを超えるフレームレートでビームフォーミングされる、
請求項４２から５１のいずれか１項記載の方法。
【請求項５３】
前記可逆直交行列はアダマール行列である、
請求項４２から５２のいずれか１項記載の方法。
【請求項５４】
前記可逆直交行列は、Ｓシーケンス行列である、
請求項４２から５２のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の相互参照＞
本出願は、発明の名称「SYSTEMS AND METHODS OF SPARSE ORTHOGONAL DIVERGING WAVE ULTRASOUND IMAGING」、２０１８年５月９日に出願された米国仮特許出願第６２／６６９，１２０号の優先権を主張し、その内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、超音波ビームフォーミングおよび超音波イメージングに関する。より詳細には、本開示は超高速超音波イメージングに関する。
【背景技術】
【０００３】
超高速イメージング技術は、従来のＢモードイメージング技術に優る利点を有するものとして出現した。超高速イメージングは例えば、剪断や機械的波動伝搬のような種々の現象を解決するために、１０００フレーム／秒（ｆｐｓ）を超えるフレームレートが必要とされる用途を実現する。このような波の測定および分析は、従来のＢモード画像からは得られない組織の生理機能に対する臨床的に重要な知見を提供する。
【０００４】
平面波イメージング、発散波イメージング、および合成開口イメージングのような超高速イメージング技術は、非集束超音波を媒質中に伝送する。これらの放射は画像全体を弱く超音波照射し、これにより、少数の放射から画像を生成することができる。一方で、送信フォーカシング技術を実施する以前のＢモード撮像方法は、通常、完全なＢモード画像を生成するために数百の超音波照射を必要とする。直観的に、超高速イメージング技術からの１つの照射は、送信フォーカシングケースと同じ品質の画像を得ることはないであろう。画質を整合させるために、複数の超音波照射をコヒーレントに合成することによって送信焦点が合成的に生成され、それによって連続する超音波照射が異なる位置から効果的に放出される。
【０００５】
平面波イメージングは、イメージを生成するために必要な超音波照射数を最小限に抑えることにより、明確な速度上の利点を提供する。受信ビームフォーミング中、画像ウィンドウ内のすべての空間に対してデジタル焦点合わせが適用され、その結果、画像を生成するために、単一の超音波照射を使用することができる。
【０００６】
単一の平面波が媒質中に放出される単純な場合は、受信において１方向の焦点が存在するだけであり、したがって、画質は従来の画像再構築に比べて著しく低下する。画質を改善するために、送信焦点は、連続的な超音波照射によって構築されなければならない。平面波イメージングにおいては、送信焦点は、送信開口に対して、異なる角度αで放射される平面波をコヒーレントに合成することによって構築される。したがって、励起と媒体内の点との間の時間は、次式によって与えられる。
【０００７】
【数１】
2021531058.tif 000003
【０００８】
そして、トランスデューサに戻る受信時間は、次式によって与えられる。ｘ１は配列上の要素の位置である。
【０００９】
【数２】
2021531058.tif 000004
【００１０】
各平面波から生成された画像は次に、コヒーレントに加算されて、最終的な合成画像を生成する。合成は、性能利点を与える平面波イメージングの重要な特徴である。種々の角度から媒質を励起することにより、焦点の外側の物体からの受信焦点合わせに関する干渉は、各フレームにわたってコヒーレントに合計されることはない。これにより、受信フォーカスに対して重畳される干渉の量を減らすことができる。
【００１１】
図１Ａ〜図１Ｄは、異なる角度で放射される幾つかの平面波から複合焦点を構築する方法を示す図である。図１Ａは、異なる角度を有する複数の平面波（波は、１組の送信イベントにしたがって順次生成される）を生成するためのトランスデューサアレイの位相調整を示す図である。図１Ｂ〜図１Ｄは、異なる画像焦点に関する画像データを生成するために、各平面波送信イベントに応答して収集される、受信信号のコヒーレント合成を示す図である。平面波合成から生成された画像は、画像の改善、マッチング、およびいくつかの点で、従来のビーム形成技術を超える改善を示すことができることが分かっている。線形アレイについては、平面波イメージングは、コントラスト、ＳＮ比、および横方向解像度について利点をもたらすとともに、より高いフレームレートを達成することが示されている。
【００１２】
発散波イメージングにおいては、仮想点源をアレイ開口の背後に合成的に作成する。仮想点源の横方向位置はアレイの背後で平行移動させることができ、媒体を新しい空間位置から効果的に超音波照射することができる。次に、連続する超音波照射をコヒーレントに合成して、画質を向上させることができる。この撮像技法は上述の平面波撮像モダリティと同様に、単一の超音波照射から画像を生成することができる。
【００１３】
発散波を生成するために、アレイ上の要素を励起して、イメージングアレイの背後の仮想点源を模倣する。平面波イメージングの先の例の場合と同様に、アレイの背後の異なる仮想点源位置から生成された画像をコヒーレントに合成することにより、画質を改善する。異なる仮想点源位置を有する発散波面の生成を図２Ａに示す。異なる波面は図２Ｂ〜２Ｄに示されるように、コヒーレントに合成され、異なる焦点位置で受信焦点合わせを実施できる。
【００１４】
同様に、図３Ａおよび３Ｂに示される合成開口イメージングは、伝送中に各素子において点光源を効果的に作り出す。各超音波照射において、１つの素子がアクティブになる。このプロセスは、典型的にはアパーチャ内のすべての素子について繰り返される。平面および発散波イメージングの前述の例のように、画像は個々の各素子をパルシングすることから生成され、それらが一緒に合成されて、送信フォーカスを生成し、画質を改善する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
符号化送信信号は、このような発散超音波が順次的に送信されるような超音波アレイに対して供給される。各発散超音波は符号化送信信号の各セットによって生成され、符号化送信信号の各セットはＮｘＮ可逆直交行列の各行によって符号化される。Ｍ行（Ｍ＜Ｎ）の選択されたサブセットのみが、送信信号を符号化するために使用される。送信された発散超音波に応答して検出された受信信号のセットは、可逆直交行列に基づいて生成された転置行列を介して復号され、復号された受信信号の各セットは、固定開口内の超音波アレイ素子のサブセットを介した超音波照射に関連付けられる。デコードされた受信信号に対して合成開口ビームフォーミングが実行され、超音波画像を生成する。
【００１６】
したがって、１態様において、以下を備える超音波撮像システムが提供される：
複数の超音波アレイ素子を含む超音波アレイ；
前記複数の超音波アレイ素子に動作可能に接続された制御および処理回路であって、前記制御および処理回路はプロセッサおよびメモリを含み、前記プロセッサは、以下のステップを実行するために前記メモリに格納された命令を実行するように構成される：
符号化された送信信号の前記超音波アレイへの送出を制御して、複数の発散超音波を順次送信するステップであって、各発散超音波は符号化された送信信号の各セットを前記超音波アレイの固定開口に対して送信することによって生成され、前記固定開口は前記超音波アレイのＮ個の要素を有する、ステップ；
符号化された送信信号の各セットは、Ｎ×Ｎの可逆直交行列の各行によって符号化されており、これにより、前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットのみが前記送信信号を符号化するために使用されるように構成されている（Ｍ＜Ｎ）；
前記プロセッサはさらに、前記超音波アレイによって受信された受信信号のセットを処理するように構成され、前記受信信号の各セットは、以下のステップによって各発散波の送信に関連づけられる：
転置マトリクスによって受信信号の前記セットを復号化して復号化された受信信号の複数のセットを取得するステップであって、前記転置マトリクスは前記可逆直交行列に基づいて生成され、これにより、復号化された受信信号の各セットが前記固定開口内の前記超音波アレイ素子のサブセットを介した超音波照射と関連付けられる、ステップ；
前記復号化された受信信号の複数セットに対して合成開口ビームフォーミングを実行して超音波画像を生成するステップ。
【００１７】
別の態様において、超音波イメージングを実行する方法が提供される。前記方法は以下を有する：
複数の超音波アレイ素子を備える超音波アレイに対して符号化された送信信号を送出して、複数の発散超音波を順次送信し、これにより各発散超音波は、符号化された送信信号の各セットを前記超音波アレイの固定開口に対して送信することによって生成され、前記固定開口は前記超音波アレイのＮ個の素子を有する、ステップ；
符号化された送信信号の各セットは、Ｎ×Ｎの可逆直交行列の各行によって符号化され、これにより、前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットのみが前記送信信号を符号化するために使用されるように構成されている（Ｍ＜Ｎ）；
前記送信された発散波に応答して前記超音波アレイからの受信信号を検出するステップであって、受信信号の各セットは、各発散波の送信に関連付けられている、ステップ；
転置マトリクスによって前記受信信号のセットを復号化して復号化された受信信号の複数のセットを得るステップであって、前記転置マトリクスは可逆直交行列に基づいて生成され、これにより、復号化された受信信号の各セットが前記固定開口内の前記超音波アレイ素子のサブセットを介した超音波照射と関連付けられる、ステップ；
前記復号化された受信信号の複数セットに対して合成開口ビームフォーミングを実行して超音波画像を生成するステップ。
【００１８】
別の態様において、以下を備える超音波撮像システムが提供される：
複数の超音波アレイ素子を含む超音波アレイ；
前記複数の超音波アレイ素子に動作可能に接続された制御および処理回路であって、前記制御および処理回路はプロセッサおよびメモリを含み、前記プロセッサは、以下のステップを実行するために前記メモリに格納された命令を実行するように構成される：
符号化された送信信号の前記超音波アレイへの送出を制御して、複数の発散超音波を順次送信するステップであって、各発散超音波は、符号化された送信信号の各セットを前記超音波アレイの固定開口に対して送信することによって生成され、前記固定開口は前記超音波アレイのＮ個の要素を有する、ステップ；
符号化された送信信号の各セットはＮ×Ｎの可逆直交行列の各行によって符号化され、これにより、前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットのみが送信信号を符号化するために使用されるよう構成されている（Ｍ＜Ｎ）；
前記プロセッサはさらに、前記超音波アレイによって受信された受信信号のセットを処理するように構成され、前記受信信号の各セットは以下のステップによって各発散波の送信に関連づけられる：
前記受信信号のセットを転置マトリクスによって復号化して復号化された受信信号の複数セットを取得するステップであって、前記転置マトリクスは前記可逆直交行列に基づいて生成され、これにより、前記復号化された受信信号の各セットが前記固定開口内の前記超音波アレイ素子のサブセットを介した超音波照射に関連づけられる、ステップ；
前記複数セットの復号化された受信信号に対して合成開口ビームフォーミングを実行して超音波画像を生成するステップ；
合成開口ビームフォーミングは所与の位置に対して実施され、これにより、超音波アレイ素子の所与のサブセットを介した超音波照射に関連する少なくとも１つの復号化受信信号の所与のセットが以下のステップによって処理される：
前記超音波アレイ素子の前記所与のサブセットの各超音波アレイ素子について：
前記超音波アレイ素子、前記位置、および前記固定開口の前記超音波アレイ素子の間の往復伝搬時間のセットを決定するステップ；
前記往復伝搬時間のセットを前記復号された受信信号の所与のセットに対して適用するステップ；
これにより、ビームフォーミングを実行するとき、エレメント単位での伝搬時間の計算のために前記復号化された受信信号の所与のセットを繰り返し使用して、伝搬時間の計算の間にアレイ素子をグループ化することに関連するグレーティングローブアーチファクトを低減する。
【００１９】
別の態様において、超音波イメージングを実行する方法が提供される。前記方法は以下を有する：
複数の超音波アレイ素子を備える超音波アレイに対して符号化された送信信号を送出して、複数の発散超音波を順次送信し、これにより各発散超音波は、前記超音波アレイの固定開口に対して符号化された送信信号の各セットを送信することによって生成され、前記固定開口は前記超音波アレイのＮ個の素子を有する、ステップ；
符号化された送信信号の各セットはＮ×Ｎの可逆直交行列の各行によって符号化され、これにより、前記可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットのみが前記送信信号を符号化するために使用されるように構成されている（Ｍ＜Ｎ）；
前記送信された発散波に応答して前記超音波アレイからの受信信号を検出するステップであって、受信信号の各セットは各発散波の送信に関連付けられている、ステップ；
前記受信信号のセットを転置マトリクスによって復号化して復号化された受信信号の複数セットを得るステップであって、前記転置マトリクスは前記可逆直交行列に基づいて生成され、これにより、前記復号化された受信信号の各セットが前記固定開口内の前記超音波アレイ素子のサブセットを介した超音波照射に関連づけられる、ステップ；
前記複数セットの復号化された受信信号に対して合成開口ビームフォーミングを実行して超音波画像を生成するステップ；
合成開口ビームフォーミングは所与の位置に対して実施され、これにより、前記超音波アレイ素子の所与のサブセットを介した超音波照射に関連する少なくとも１つの復号化受信信号の所与のセットが以下のステップによって処理される：
前記超音波アレイ素子の前記所与のサブセットの各超音波アレイ素子について：
前記超音波アレイ素子、前記位置、および前記固定開口の前記超音波アレイ素子の間の往復伝搬時間のセットを決定するステップ；
前記往復伝搬時間のセットを復号された受信信号の前記所与のセットに対して適用するステップ；
これにより、ビームフォーミングを実行するとき、エレメント単位での伝搬時間の計算のために前記復号化された受信信号の所与のセットを繰り返し使用して、伝搬時間の計算の間にアレイ素子をグループ化することに関連するグレーティングローブアーチファクトを低減する。
【００２０】
本開示の機能的および有利な態様のさらなる理解は、以下の詳細な説明および図面を参照することによって実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
実施形態は、図面を参照して、単に例として記載される。
【００２２】
【図１Ａ】複数の角度における平面波の生成、および超音波画像形成のための平面波のコヒーレント合成を示す。
【図１Ｂ】複数の角度における平面波の生成、および超音波画像形成のための平面波のコヒーレント合成を示す。
【図１Ｃ】複数の角度における平面波の生成、および超音波画像形成のための平面波のコヒーレント合成を示す。
【図１Ｄ】複数の角度における平面波の生成、および超音波画像形成のための平面波のコヒーレント合成を示す。
【図２Ａ】複数の仮想焦点を有する発散波の発生、および超音波画像形成のための発散波のコヒーレント合成を示す図である。
【図２Ｂ】複数の仮想焦点を有する発散波の発生、および超音波画像形成のための発散波のコヒーレント合成を示す図である。
【図２Ｃ】複数の仮想焦点を有する発散波の発生、および超音波画像形成のための発散波のコヒーレント合成を示す図である。
【図２Ｄ】複数の仮想焦点を有する発散波の発生、および超音波画像形成のための発散波のコヒーレント合成を示す図である。
【図３Ａ】合成開口イメージング中に採用される送信および受信シーケンスを示す。発散波は個々のアレイ素子により順次伝送される。受信信号は、各送信イベントにおいて開口を横切って検出され、動的にビーム形成され、一緒に処理されて超音波画像が生成される。
【図３Ｂ】合成開口イメージング中に採用される送信および受信シーケンスを示す。発散波は個々のアレイ素子により順次伝送される。受信信号は、各送信イベントにおいて開口を横切って検出され、動的にビーム形成され、一緒に処理されて超音波画像が生成される。
【図４】可逆疎直交行列を介した復号化を用いて超音波画像化を行う方法を示すフローチャートである。
【図５Ａ】復号化された受信信号の合成開口ビームフォーミングを実行するときの伝搬時間値を決定する別方法を示す図である。
【図５Ｂ】復号化された受信信号の合成開口ビームフォーミングを実行するときの伝搬時間値を決定する別方法を示す図である。
【図６】疎直交発散波超音波イメージングを実行するための１例のシステムである。
【図７Ａ】λ／２素子ピッチを有する６４素子４０ＭＨｚフェーズドアレイについての素子ビニングを伴う３２のアダマール符号を含むシミュレーションに基づく横方向点広がり関数をプロットしたものである。
【図７Ｂ】λ／２素子ピッチを有する６４素子４０ＭＨｚフェーズドアレイについての素子ビニングを伴う１６のアダマール符号を含むシミュレーションに基づく横方向点広がり関数をプロットしたものである。
【図８Ａ】λ／２素子ピッチを有する６４素子４０ＭＨｚフェーズドアレイについての６４のアダマール符号を含むシミュレーションに基づく横方向点広がり関数をプロットしたものである。
【図８Ｂ】λ／２素子ピッチを有する６４素子４０ＭＨｚフェーズドアレイについて、素子ビニングを伴わない３２のアダマール符号を含むシミュレーションに基づく横方向点広がり関数をプロットしたものである。
【図８Ｃ】λ／２素子ピッチを有する６４素子４０ＭＨｚフェーズドアレイについて、素子ビニングを伴わない１６のアダマール符号を含むシミュレーションに基づく横方向点広がり関数をプロットしたものである。
【図８Ｄ】λ／２素子ピッチを有する６４素子４０ＭＨｚフェーズドアレイについて、素子ビニングを伴わない８つのアダマール符号を含むシミュレーションに基づく横方向点広がり関数をプロットしたものである。
【図８Ｅ】λ／２素子ピッチを有する６４素子４０ＭＨｚフェーズドアレイについて、素子ビニングを伴わない４つのアダマール符号を含むシミュレーションに基づく横方向点広がり関数をプロットしたものである。
【図９Ａ】アダマール符号化超音波照射の指向性測定値をプロットしたものである。ピーク圧力は、６４ＴＸケースのピークシミュレーション圧力を基準としている。データは、ｄＢで提供される。
【図９Ｂ】アダマール符号化超音波照射の指向性測定値をプロットしたものである。ピーク圧力は、６４ＴＸケースのピークシミュレーション圧力を基準としている。データは、線形スケールで提供される。
【図１０Ａ】発散波上に供給されるアダマール符号化超音波照射の指向性測定値をプロットしたものである。ピーク圧力は、６４ＴＸケースのピークシミュレーション圧力を基準としている。データはｄＢで提供される。
【図１０Ｂ】発散波上に供給されるアダマール符号化超音波照射の指向性測定値をプロットしたものである。ピーク圧力は、６４ＴＸケースのピークシミュレーション圧力を基準としている。データはリニアスケールで提供される。
【図１１】従来の発散波イメージングと比較して、疎直交発散波イメージングを使用した場合に達成される受信信号利得をプロットしたものであり、結果は、６４素子アレイについて、４、８、１６、３２、および６４超音波照射についてプロットされたものである。
【図１２】疎直交発散波撮像、発散波撮像、および従来の集束に対する撮像深度の関数として、実験的に測定された信号対雑音比（ＳＮＲ）をプロットしたものである。ＳＯＤＷＩ＝疎直交発散波撮像、ＤＷ＝発散波（撮像）である。
【図１３】疎直交発散波イメージングで得られた実験的ＳＮＲと、５１２パルスによる集束イメージングで得られたＳＮＲとを比較した表である。
【図１４】ファントムを模倣する組織内部の無響含有物の実験的に得られた画像の比較を提供する。図１４Ａは参照のために提供される集束画像を示す。図１４Ｂ〜１４Ｆは、６４、３２、１６、８、および４の符号で得られる疎直交発散波画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本開示の様々な実施形態および態様は、以下で論じられる詳細事項を参照して説明される。以下の説明および図面は本開示を例示するものであり、本開示を限定するものとして解釈されるべきではない。本開示の様々な実施形態の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が説明される。しかしながら、場合によっては、本開示の実施形態の簡潔な議論を提供するために、周知のまたは従来の詳細事項は説明されない。
【００２４】
本明細書において、用語「備える」および「備えている」は包括的なものであり、限定的なものではないと解釈されるべきである。具体的には本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、用語「備える」および「備えている」ならびにそれらの変形は、指定された特徴、ステップ、または構成要素が含まれることを意味する。これらの用語は、他の特徴、ステップ、または構成要素の存在を排除するものと解釈されるべきではない。
【００２５】
本明細書において、「例示的」という語は「例、事例、または例示として用いられる」ことを意味し、本明細書で開示される他の構成よりも好ましい、または好都合なものであると解釈されるべきではない。
【００２６】
本明細書において、「約」および「およそ」という用語は、特性、パラメータ、および寸法の変動など、値の範囲の上限および下限に存在し得る変動を包含することを意味する。別段の指定がない限り、「約」および「およそ」という用語は、±２５パーセント以下を意味する。
【００２７】
特に明記しない限り、任意の特定の範囲またはグループは、範囲またはグループの各メンバーおよびすべてのメンバーを個別に言及し、あるいは、その中に包含されるサブ範囲またはサブグループそれぞれまたは全ておよびそのなかの任意のサブ範囲またはサブグループに同様に言及する、簡潔な方法であることを理解されたい。別段の指定がない限り、本開示はサブ範囲またはサブグループのそれぞれおよびすべての特定のメンバーおよび組み合わせに関するものであり、これらを明示的に組み込む。
【００２８】
ここでいう「〜のオーダ」とは、数量やパラメータと併用する場合、記載されている数量やパラメータの約１０分の１から１０倍に及ぶ範囲を指す。
【００２９】
上述のように、平面波撮像、発散波撮像、および合成開口イメージングなどの撮像方法は、送信フォーカシングを採用する従来の方法と比較して、超音波撮像のフレームレートを増加させる際に有用である。しかしながら、発散波イメージングと合成開口に関して、これらの方法は１つの主要な問題を持っている。すなわち、開口全体は各超音波照射に対して励起されず、これは信号対雑音比（ＳＮＲ）の劣化をもたらす。
【００３０】
発散波イメージングにおいて、超音波照射中に励起されるサブアパーチャのサイズは、完全な画像を生成するために使用される仮想点源位置の総数によって制限される。実際、サブアパーチャの全体的なサイズは各超音波照射に対して保存されるので、仮想点源の配置のために利用可能な横方向位置の範囲は制限される。例えば、各サブアパーチャに対して２１の素子が採用される場合、各サブアパーチャに関連する仮想点源は、超音波アレイのいずれかのエッジから少なくとも１１の素子離れている必要がある。サブアレイ内の素子の数を増加させると、仮想点源の配置がさらに制限され、それによって、フィールド内に放出される圧力と、捕捉することができる合成画像の数との間に固有のトレードオフが生じる。合成開口イメージングは、任意の所与の超音波照射中に単一の要素のみが活性であるので、さらに厳しい圧力損失を有する。
【００３１】
合成開口イメージングの場合、この問題に対処するための１つのアプローチは、全開口を活性化するために空間的に符号化された発光を採用することである。全開口にわたる一連の送信を符号化するための符号は、ＮｘＮアダマール行列Ｈから導出される。Ｎは超音波アレイ内の要素の数と等価であるように設定される。各超音波照射は、アダマール行列の連続する行を用いて実施される。符号化方式は以下のように表すことができる。Ｔは適切な群遅延を含む送信パルス行列を表し、φはフィールド伝達関数を表し、Ｒはアレイにおける受信データである：
ＨＴφ＝Ｒ
【００３２】
Ｎ個の超音波照射（アダマール行列の各行に対して１個）が実行され、それぞれの受信データがキャプチャされると、受信データはデコードされて、各要素が個々に励起された場合（すなわち、従来の合成開口イメージングの場合のように）得られるのであろう受信データと等価なデコードされた受信データを得ることができる。ただし、従来の合成開口ビームフォーミングよりも送信パルス当たり’Ｎ’倍の信号強度を有する。具体的には、アダマール行列の転置を用いて、以下のように受信データの復号を実施できる：
ＩＴφ＝ＨＴＲ
【００３３】
復号プロセスは、積が送信行列Ｔで実行されるときに送信行列を対角化する単位行列Ｉを生成する。結果は合成開口マトリックスと数学的に等価なものであり、受信データは、各超音波照射に対して１つの要素のみがアクティブであるかのようにフォーマットされる。
【００３４】
従来の合成開口イメージングと比較した上述のアダマール符号化法の利点は、伝送のための全開口の使用により、Ｎ１／２倍のＳＮ比の改善が得られることである。しかしながら、アダマール符号化方法はそれにもかかわらず、画像当たりＮ個の超音波照射を実行する必要性のために、高速画像化用途への適用性が制限されている。例えば、６４個の素子からなるより小さなアレイについてさえ、Ｎ回の照射は有効フレームレートを１０００ ｆｐｓの剪断波イメージング閾値未満に押し下げ、これは、その全体的な臨床的有効性を制限する。したがって、アダマール符号化平面波イメージングは、依然として、いくつかの臨床応用のために十分に高いフレームレートでイメージングを達成することができない課題があることが明らかである。
【００３５】
したがって、本発明者らはこの技術的課題に対処し、符号化された送信の利点を実現するとともに、より高いフレームレートを達成することができる、超音波撮像の改善された方法を開発することに着手した。
【００３６】
本発明者らは、アダマール行列のような可逆直交行列の全行数のサブセットを用いて符号化波を送信することにより、換言すれば、送信信号を符号化し、受信信号を復号化するために直交符号のスペアセットを用いることにより、妥当な成果が達成され得ることを発見した。
【００３７】
アダマール行列の例の場合、直交基底符号の完全なセットは、Ｎ個のアダマール符号によって定義される。完全なアダマール集合は、以下で表される：
【数３】
2021531058.tif 000005
【００３８】
アダマール符号化行列から行をまばらに選択することによって、符号の数を減らすことができる。アダマール行列の行のスパース（サブセット）の選択は、ゼロパディングされた行を有するスパース行列として表すことができる。例えば、ある限定的でない実施例においては、N＝８およびM＝４であるＮ行ハダマード行列のＭ行のサブセットの選択は次のように表すことができる：
【数４】
2021531058.tif 000006
【００３９】
上記に示した疎アダマール行列を調べると、符号の選択されたサブセットは、最も低い空間周波数を有するアダマール行列の行に対応することが分かる。行選択に対するそのようなアプローチは、要素を２の累乗に効果的にグループ化し、グループ内の各要素には、同じコード（例えば、＋／−１のバイナリコード）が提供される。したがって、復号に必要な超音波照射の数は、アダマール符号の集合内の最小グループサイズを制御することによって、２の任意の累乗に低減することができる。例えば、８要素アレイの場合、１例として、画像は、アダマール行列の２つまたは４つの行をそれぞれ選択することによって、２つまたは４つの超音波照射を使用する疎行列を使用することによってキャプチャすることができる。
【００４０】
ゼロで満たされた行を有する送信超音波を符号化することは、これらの行について信号を送信しないことに類似していることに留意されたい。したがって、アダマール行列をまばらに埋めることは、送信超音波照射の数を減らすことと等価である。
【００４１】
符号化送信のために採用される行１、３、５および７のみを有する、上に示された疎アダマール行列の場合、受信信号は、以下のゼロパディング受信信号行列で表すことができる：
【数５】
2021531058.tif 000007
【００４２】
８つの要素に対する受信データは、疎アダマール行列の奇数行に対して捕捉される。復号は、疎アダマール行列の転置ＨＳＴを使用して実行される。この方法の意味は、アダマール行列とその転置との積をとることによって典型的に生成される標準的な単位行列が以下のように近似されることである：
【数６】
2021531058.tif 000008
【００４３】
アダマール行列のスパース形式は、上述の受信信号行列を復号するために使用される転置行列を生成するときに使用する必要がないことに留意されたい。例えば、受信信号行列が、非送信イベントについて上述したようにＲＳについてゼロパディングされている場合、ＨＳＴＲＳとＨＴＲＳは等価な結果を与える。しかしながら、受信信号行列がゼロパディングされず、代わりに非送信イベント中に雑音のある受信データが収集される場合、転置行列を生成するためにアダマール行列のスパース形式を使用することが有益である場合がある。
【００４４】
代替の例示的な実施形態において、受信信号行列およびアダマール行列は、（より大きいスパース行列の代わりに）ゼロパディング行が存在しない、より小さい密度の行列として表すことができる。例えば、８×８アダマール行列の４つの行のサブセットが符号化のために使用された上記の例では、疎アダマール行列は代替的に、以下のように表すことができる：
【数７】
2021531058.tif 000009
受信信号行列は、次のように表すことができる：
【数８】
2021531058.tif 000010
【００４５】
ＨＳ’とＨＳ’Ｔの積をとることは、ＨＳＴＨＳと同じ結果をもたらし、
【数９】
2021531058.tif 000011
したがって、ＨＳ’ＴＲＳ’はＨＳＴＲＳと同等である。
【００４６】
疎アダマール行列の列は、同時にアクティブ化された非隣接要素を有することに対応する受信データセットを復号プロセスが提供するように並べ替えることができることに留意されたい。たとえば、次の例の行列は８ｘ８アダマール行列の４つの行の選択に基づいており、各送信イベント中に、要素１と５、２と６、３と７、および４と８でコードが同一になるように列が再順序付けされている：
【数１０】
2021531058.tif 000012
【００４７】
このマトリックスのデコード過程は以下を得る：
【数１１】
2021531058.tif 000013
【００４８】
この構成の受信データはエレメント１と５を持ち、最初のデータセットでアクティブになり、次のデータセットでアクティブになる２と６というようになる。これにより、デコードされたデータセットでどの要素を効果的に一緒にアクティブ化するかを柔軟に制御できる。
【００４９】
疎アダマール符号化の前述の方法はフレームレートを増加させることに成功しているが、それにもかかわらず、指向性に関連する問題を有する可能性がある。これらの問題は、次のように理解することができる。合成開口ベースの技法を用いて送信パルス化を実施する場合、過度に狭い指向性プロファイルなしに視野全体を超音波照射することが重要である。これは、大きなステアリング角度が必要なフェーズドアレイメージングにおいて特に重要である。一度に１つの要素がパルス化される従来の合成開口ビームフォーミングでは、波面は点エミッタのものに近似し、かつ、超音波照射角の範囲は非常に大きくなる。これは、Ｎ個の送信パルスが使用されるとき、アダマール復号化方式でも同様である。しかしながら、もしアダマール符号の疎集合が平面波を符号化するために使用されるならば、以下の実施例２でさらに説明するように、有効素子サイズの増加に起因して、超音波照射角度の指向性または範囲は劣化する。
【００５０】
本発明者らは、スパース符号化を採用した場合の指向性の損失というこの問題が、平面波とは対照的に、可逆直交行列の符号の疎集合で発散波を符号化することによって軽減できることを発見した。まばらな直交符号化と発散波伝送とを組み合わせることにより、実質的には、発散波セット上に直交符号の疎セットを「サーフィン」することによって、本発明者は増加したフレームレート（例えば、超高速超音波イメージング用途のための１０００フェムト秒を超えるフレームレート）を容易に実現すると同時に、指向性を改善した広い角度の超音波プロファイルを提供し、信号対雑音比を改善するための大きなまたは完全な開口を採用する、解決策を提供することができた。
【００５１】
図４を参照する。疎に符号化された発散波イメージングを実行する例示的な方法を説明するフローチャートが提供される。ステップ２００において、符号化発散波を送信するために、符号化送信信号のセットが超音波アレイの固定開口に対して送出される。固定開口のアレイ要素に対してそれぞれ送出される符号化送信信号のセットは、可逆直交行列の行に対応する符号によって符号化される。次に、ステップ２１０において、固定開口のアレイ素子によって超音波受信信号が検出される。このプロセスは２２０に示されるようにさらなる符号化発散波を送信するために繰り返され、これにより、一連の符号化発散波が送受信され、また、可逆直交行列のＭ行の選択されたサブセットのみが採用されて発散波を符号化する。上述のように、Ｍ行は最も低い空間周波数を有する行であってもよいが、行は必ずしもこれに基づいて選択される必要はない。ステップ２３０において、複数の送信された符号化発散波に対応する受信信号のセットが転置行列を用いて復号される。転置行列は、復号された受信信号の各セットが固定開口の超音波素子のサブセットを介した超音波照射に関連付けられるように、可逆直交行列に基づいて生成される。様々な非限定的な例によれば、上で説明したように、転置行列は完全な可逆直交行列の転置であってもよく（例えば、受信信号のスパース行列が復号中に使用される場合）、または転置行列は発散波を符号化するために使用されない非選択行に対してゼロパディングされるスパース可逆直交行列の転置であってもよく、または転置行列は発散波を符号化するために使用されない非選択行が存在しない可逆直交行列の高密度バージョンの転置であってもよい（復号中に受信信号の高密度行列が使用される場合）。次いで、ステップ２４０に示されるように、合成開口ビームフォーミングが、複数の復号化された受信信号のセットに対して実行され、超音波画像を生成する。合成開口ビームフォーミングは、複数のセットの復号化された受信信号に対応する各送信要素から、視野内の任意の焦点に対して向かい、受信要素の各々に戻る、伝搬時間遅延を挿入することを含む。画像は送信要素の各々について生成され、次いで、それらは双方向焦点画像を形成するために一緒に合成される。
【００５２】
上述したように、受信信号のデコードされたセット（例えば、デコードされた受信信号行列）は、一緒に有効にアクティブ化される要素のグループを有する媒体を超音波照射し、これらの超音波照射の各々について個々のチャネルデータを受信することを表す。便宜上、隣接する要素が一緒に有効に活性化される場合を考えることができる。
【００５３】
１実施形態において、図５Ａに示されるように、合成開口ビームフォーミングは素子ごとに受信データに対して適用される。図５Ａは、スパース符号化発散波イメージングのために採用されるアレイ開口３００を示す。図５Ａに示すこの例において、素子３０５および３１０は、復号を実行した後に媒体に対して効果的に超音波を照射する素子のサブセットまたはグループである。この例示的な方法によれば、伝搬時間（ＴＯＦ）遅延は、グループ内の要素のそれぞれについて別々に計算される。例えば、伝搬時間は最初に、２つの要素が一緒に送信されたとしても、要素３０５から発信して空間内の点３１５に到着し、アレイ上の別の要素に戻るものとみなされる。次に、このプロセスが要素３１０に対して繰り返される。これは、復号化された受信信号のセットを有効に繰り返し使用して、要素ごとに伝搬時間計算を実行する。図５Ａに示されている要素ごとの前述の合成開口ビーム形成方法は、送信される隣接する要素からの「ノイズ」が無視される、Ｎ個の要素からの送信および受信の両方に対する従来の合成開口を近似する。この方法は、グループ内の全ての要素を一度に効果的にパルスしてグレーティングローブが画像内に顕在化するのを防止することにより「ノイズ」が追加されることを許容することに留意されたい。この妥協は、グループサイズが増加することにつれて、より深刻になる。したがって、符号の数が減少するにつれて、画質の内在的トレードオフが存在する。
【００５４】
図５Ｂは、合成開口ビームフォーミングの代替方法を示しており、送信フォーカスを生成するために使用される伝搬時間遅延は、グループ化された送信要素３２０から空間３１５内の点へ、そしてアレイ上の他の要素へ戻るまでの遅延を使用する。この例における送信アパーチャのエレメントピッチは、元のアパーチャの２倍になる。
【００５５】
フェーズドアレイアプリケーションにおいては、グレーティングローブアーチファクトが画像に現れないように、素子ピッチは通常λ／２以下に維持される。図５Ａに示される技術が採用される場合、有効送信開口のピッチは一定に保持され、グレーティングローブアーチファクトは回避されるが、図５Ｂに示される方法は素子ピッチがＢ倍増加する。Ｂは一緒にビニングされる素子の数であり、結果として、グレーティングローブアーチファクトを生じる。
【００５６】
本開示に提供される実施例の多くは発散波のセットを符号化するために疎アダマール行列（完全アダマール行列の行のサブセット）を使用するが、疎符号化のために他のタイプの可逆直交行列を代替的に採用してもよいことが理解されるであろう。代替の可逆直交行列の１例は、アダマール行列に基づいて形成することができるＳシーケンス行列である。アダマール行列に基づいて生成されるＳ系列行列の次数はＭ＝２N−１であり、２Nはアダマール行列の次数である。Ｓシーケンス行列は、アダマール行列内の任意の１を０で置き換え、任意の−１を１で置き換え、行列の最初の行および列を除去することによって得ることができる。このような行列はアダマール行列と同じ可逆特性を持ち、したがって発散波のスパース符号化に採用できる。しかしながら、このアプローチは、Ｓシーケンス行列内のゼロが超音波場内の放射エネルギーを低下させ、ＳＮ比を低下させるので、アダマール符号化よりもあまり有利でない場合がある。
【００５７】
上述したように、現在の疎符号化発散波方法の開発の１つの動機は、従来の発散波および合成開口画像化アプローチに比べて大きな送信開口の使用を容易にする解決策を提供することであった。事実、従来の発散波画像化は各々の超音波照射についてサブ開口を採用し、各々の連続的な超音波照射について開口の位置を調整する。さらに、従来の発散波イメージングを実行する場合、サブアパーチャサイズは全ての超音波照射にわたって一定に保持されるので、より仮想的な点光源が使用される場合、サブアパーチャサイズが使用可能な点光源位置の範囲を制限することに起因して、アパーチャのサイズが縮小する。
これにより、媒体に伝送される信号と圧力の合計が制限される。対照的に、本明細書に開示されるシステムおよび方法は、開口サイズに対して制約を適用しない。いくつかの実施形態では、疎に符号化された直交発散波撮像が超音波アレイの全開口を用いて、または代替的に、超音波アレイの固定サブ開口を使用して、実行されてもよい。
【００５８】
本発明者らは、疎直交符号で符号化される発散波が複数の送信イベント間で等しいことが好ましいことを見出した。あるいは、複数の送信イベントを横断する発散波の幾何学的形状のわずかな変化を採用することができる。発散波の幾何学的形状の変動は、復号化処理に対して数学的誤差を導入する可能性がある。これらのエラーが許容され得る程度は、特定の用途に依存する。
【００５９】
図６を参照する。超音波アレイによる疎直交発散波撮像を実施するための、例示的撮像システムが示される。実施例のシステムは、超音波トランスデューサアレイ素子（例えば、超音波画像内視鏡などの超音波画像形成装置の構成要素である圧電素子）のセットを含む超音波アレイ３００、超音波アレイ３００に対して送信電圧パルスを供給するための送信回路５００、送信器−受信器スイッチ５２０、超音波アレイ３００からの受信信号を検出するための受信回路５１０、制御および処理ハードウェア２００（例えば、コントローラ、コンピュータ、または他の計算システム）、を含む。
【００６０】
制御および処理ハードウェア２００は、送信回路３００およびＴｘ／Ｒｘスイッチ５２０を制御し、受信回路５１０から得られた受信信号を処理するために用いられる。図６に示すように、１実施形態において、制御および処理ハードウェア３００は、プロセッサ４１０、メモリ４２０、システムバス４０５、１つまたは複数の入出力デバイス４３０、通信インターフェース４６０、ディスプレイ４４０、外部記憶装置４５０、およびデータ取得インターフェース４７０などの複数の任意選択の追加デバイスを含むことができる。
【００６１】
疎直交発散波イメージングを実行する本方法例（例えば、図４に示す方法例）は、プロセッサ４１０および／またはメモリ４２０を介して実施することができる。図６に示すように、疎符号化発散波を生成するのに適した符号化送信信号の送出、受信信号の復号化、およびその後の合成開口ビームフォーミングの制御は、疎符号化発散波モジュール４９０として表される実行可能命令を介して、制御および処理ハードウェア４００によって実施することができる。制御および処理ハードウェア４００は、走査変換ソフトウェア（例えば、リアルタイム走査変換ソフトウェア）または画像処理モジュール４８０によって表される他の画像処理機能を含み、実行することができる。
【００６２】
本明細書で説明される機能は、プロセッサ４１０内のハードウェアロジックを介して部分的に実装され、メモリ４２０内に格納された命令を部分的に使用して実装することができる。いくつかの実施形態はメモリ４２０に記憶された追加の命令を伴わずに、プロセッサ４１０を使用して実施可能である。いくつかの実施形態は１つ以上の汎用マイクロプロセッサによる実行のために、メモリ４２０に記憶された命令を使用して実施される。いくつかの例示的な実施形態では、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）のようなカスタマイズされたプロセッサを採用することができる。したがって、本開示は、ハードウェアおよび／またはソフトウェアの特定の構成に限定されない。       
【００６３】
再び図６を参照する。図に示されている例示的なシステムは、所与の実装形態で使用することができる構成要素に限定されることを意図していないことを理解されたい。例えば、システムは、１つ以上の追加のプロセッサを含んでもよい。さらに、制御および処理ハードウェア４００の１つまたは複数の構成要素は、処理デバイスにインターフェースされる外部構成要素として提供することができる。例えば、図に示されるように、送信回路５００、受信回路５１０、およびＴｘ／Ｒｘスイッチ５２０のうちの任意の１つまたは複数は、制御および処理ハードウェア４００の構成要素として含まれてもよく（破線内に示されるように）、または１つまたは複数の外部デバイスとして提供されてもよい。
【００６４】
いくつかの実施形態は完全に機能するコンピュータおよびコンピュータシステムで実施することができるが、各実施形態は様々な形態のコンピューティング製品として配布することができ、配布を実際に実施するために使用される特定のタイプの機械またはコンピュータ可読媒体に関係なく適用することができる。
【００６５】
本明細書で開示される少なくともいくつかの態様は少なくとも部分的に、ソフトウェアで具現化することができる。すなわち、この技術は、マイクロプロセッサなどのそのプロセッサに応答して、ＲＯＭ、揮発性ＲＡＭ、不揮発性メモリ、キャッシュまたは遠隔記憶装置などのメモリに含まれる命令のシーケンスを実行する、コンピュータシステムまたは他のデータ処理システムで実行されてもよい。
【００６６】
コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、データ処理システムによって実行されると、システムに様々な方法を実行させるソフトウェアおよびデータを記憶するために使用することができる。実行可能なソフトウェアおよびデータは、例えばＲＯＭ、揮発性ＲＡＭ、不揮発性メモリおよび／またはキャッシュを含む様々な場所に記憶することができる。このソフトウェアおよび／またはデータの一部は、これらの記憶装置のいずれかに記憶することができる。本明細書で使用されるように、「コンピュータ可読物質」および「コンピュータ可読記憶媒体」という語句は、一時的な伝搬信号自体を除いて、すべてのコンピュータ可読媒体を指す。
【００６７】
＜実施例＞
以下の実施例は当業者が本開示の実施形態を理解し、実施することを可能にするために提示される。それらは、本開示の範囲を限定するものと見なされるべきではなく、単にその例示および代表であると見なされるべきである。
【００６８】
以下の例は、発散波の疎アダマールアレイ符号化を用いた図４に示す方法に基づいて、λ／２素子ピッチを有する６４素子４０ＭＨｚフェーズドアレイのシミュレーションから得られた結果である。
【００６９】
実施例１：合成開口ビーム形成中に要素毎の伝搬時間計算を使用して得られる改善された点広がり関数
【００７０】
図７Ａ〜７Ｂは、４ｍｍ半径に配置され、開口の中心に対して３５度に配置されたワイヤターゲットを有する、シミュレートされた点広がり関数を示す。図７Ａは６４×６４アダマール行列の３２行を使用して得られた結果を示し、３２行は最も低い空間周波数を有する行として選択された。デコードされた受信信号の合成開口ビームフォーミングを実行する場合、図５Ｂに示すように、エレメントはペアでビンニングされた。図７Ｂは最低の空間周波数を有する６４×６４のアダマール行列の１６行を使用して得られた結果を示しており、復号後の合成開口ビームフォーミング中に要素が４のグループにビンニングされている。図は、合成開口ビームフォーミングを実行しながら伝搬時間の計算中にグループ内のビニング素子によって有効送信開口ピッチが増加したときに発生するグレーティングローブアーチファクトから生じる信号劣化を例示している。
【００７１】
図８Ｂ〜図８Ｅは、図５Ａに示すように、アダマール行列の３２、１６、８および４行をそれぞれ用いて、ビニング要素なしで合成開口ビームフォーミング中に伝搬時間が計算されるときに得られる、改良された点広がり関数のシミュレーション結果を示す。図８Ａは、６４×６４アダマール行列の全６４行を基準として使用して得られた結果を示す。図は、グレーティングローブアーチファクトが存在しないことと、素子グループベースではなく素子ベースで伝搬時間値を計算することによって達成される著しく改善された点広がり関数とを示す。図５Ａに示される要素ごとのアプローチを使用すると、アダマール行列の行を疎に選択することによって、超音波照射の数を減らすとき、送信開口ピッチを保持することができる。
【００７２】
実施例２：発散波上の疎アダマール符号を符号化することによって得られる改善された指向性
【００７３】
上述したように、平面波の集合を符号化するために疎なアダマール符号の集合を用いると、実効素子サイズが大きくなるので、指向性や照射角度の範囲が悪化する。この効果は図９Ａおよび９Ｂに示されている。図９Ａと９Ｂにおいて、６４コードを使用し、また、３２、１６、８、および４のスパースコードを使用して、アダマール符号化平面波イメージングのためのステアリング角の関数としてピーク圧力をプロットした。符号化された平面波に基づく指向性関数の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、それぞれ６４、３２、および１６アダマール符号で波を符号化する場合、１３６θ、１６０θ、および１４０θである。図からわかるように、スパース符号の数が減少することにつれて、指向性はますます狭くなる。
【００７４】
この欠点は図１０Ａおよび１０Ｂに示されるように、平面波の代わりに発散波を符号化することによって軽減される。符号化された発散波に基づく指向性関数の半値全幅（ＦＷＨＭ）はそれぞれ６４、３２、および１６アダマール符号で波を符号化する場合、１３６θ、１６０θ、および１４０θであり、これは、平面波で得られる対応する値よりもはるかに広い。より少ないアダマール符号、すなわち８と４を使用する場合、発散波が採用されると指向関数は複素多項式になり、したがってＦＷＨＭ比較に適しない。この制限にもかかわらず、方向付けられたエネルギーが発散源に適用された８および４アダマール符号の１２０θに及ぶのに対して、発散波を符号化しない指向性は両方の場合において４０θに到達するまでに２０ｄＢを超えて低下することを、グラフは明確に示している。
【００７５】
実施例３：発散波上の疎アダマールコードを符号化することによる改善されたピーク圧力
【００７６】
疎直交発散波イメージングのピーク受信信号を通常の発散波イメージングと比較するためにシミュレーションを実施した。シミュレーションで採用したサブアパーチャのサイズは、複合画像を作成するために使用した超音波照射の総数に基づいて最大化した。図１１は、従来の発散波イメージングと比較した場合の、本疎直交発散波イメージング法によって得られた信号利得を示す。６４個の照射について、６４素子アレイ上の発散波イメージングは合成開口イメージングに類似しており、したがって、この場合、６４倍多い信号が効果的に受信されることに留意されたい。全ての場合において、ピーク受信信号は、従来の発散波イメージングよりも著しく大きい。また、図１０Ａおよび１０Ｂに示される指向性プロットにおける収差のために、４および８の超音波照射に対する信号利得測定値が誇張されることにも留意されたい。
【００７７】
例４：従来の発散波イメージングとフォーカスイメージングに対する疎直交発散波イメージング実験的比較
【００７８】
疎直交発散波イメージング技術のＳＮＲ性能を実験的に評価するために、６４ＲＦチャネルを並列に獲得できるカスタムシステム上に種々の例示的ビームフォーミングアルゴリズムを実装した。システムは６４個のチャネルの各々について６４個の超音波収集を記憶することができ、２５μｓのパルス繰り返し間隔を使用した。６４波、３２波、１６波、８波、４波を伝送する場合、システムフレームレートはそれぞれ０．６２５、１．２５、２．５、５、１０ｋＨｚであった。データは、オフラインでの復号および受信ビームフォーミングのためにＰＣに転送された。比較のためのベンチマークを提供するために、従来の発散波イメージングがシステム上に実装された。フェーズドアレイのために最も一般的に使用される超高速イメージング技術だからである。最後に、深さ３．８、４．７、６．４、７．８ｍｍに４つの焦点ゾーンを配置し、１２８のステアリング角を基準（５１２パルス）としたフォーカス伝送方式を提供した。
【００７９】
Ｒｙａｎら（Ｒｙａｎ、LKet al、"tissue equivalent vessel phantoms for intravascular ultrasound"、Ultrasound Med Biol、ｖｏｌ．２３、ｎｏ．２、ｐｐ．２６１−７３、１９９７）に記載された手順にしたがって構築された均質な組織模倣ファントムを、上記の技術を用いて画像化した。イメージングプローブを所定の位置に固定し、各イメージングスキームを用いて均質ファントムの２０フレームを捕捉した。フレームは各画素位置について真の信号を生成するために平均化され、フレームにわたる標準偏差が各画素についてのノイズ測定を提供するために計算された。これらの量の比率を取ると、各ピクセルのＳＮＲ測定値が生成される。次いで、ＳＮＲ値を深さの関数としてＳＮＲ曲線をもたらす１２８の画像線にわたって平均化した。
【００８０】
図１２は、追加符号を使用する場合のＳＮＲ利得を示す。６４個のコードまたは超音波照射が使用される場合、疎直交発散波イメージングは、（５１２個のパルスを用いた）フォーカスイメージングよりも約３ｄＢのＳＮＲの改善を提供した。３２個のアダマール符号を用いた構成はフォーカスイメージングと同じＳＮ比をもたらすことが分かり、３２個の従来の発散波を用いた実装よりもおよそ２ｄＢ良好であった。符号数を１６以下にさらに減らすと、発散波イメージングは疎直交発散波イメージングよりも高いＳＮ比を達成した。図１３に示す表は、各試験構成についてフォーカスケースと比較した平均ＳＮＲ利得または減少を示す。予想されるように、分布波と疎直交発散波イメージングの両方について、超音波照射の数を減らすと、ＳＮＲは低下する。
【００８１】
ファントムを模倣する組織の内側に埋め込まれた無響空隙の画像を捕捉した。図１４Ａ〜１４Ｆは、様々な疎な直交発散波画像と集束撮像ケースとの間のコントラストの定性的比較を提供する。疎直交発散波画像はそれぞれ、無響領域と隣接組織との間で２２．１、１９．６、１６．０、１３．８、および１２．２ｄＢのコントラストを示したが、フォーカスケースは２０．３ｄＢのコントラストを示した。
【００８２】
上述の特定の実施形態は例として示されており、これらの実施形態は、様々な修正および代替の形態が可能であることを理解されたい。さらに、特許請求の範囲は、開示された特定の形態に限定されることを意図するものではなく、むしろ、本開示の要旨および範囲内にあるすべての修正形態、均等物、および代替形態を包含することを意図するものであることを理解されたい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
2021531058.tif 000022
【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
2021531058.tif 000025
【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
2021531058.tif 000028
【図７Ｂ】
2021531058.tif 000029
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2021531058.tif 000031
【図８Ｃ】
2021531058.tif 000032
【図８Ｄ】
2021531058.tif 000033
【図８Ｅ】
2021531058.tif 000034
【図９Ａ】
2021531058.tif 000035
【図９Ｂ】
2021531058.tif 000036
【図１０Ａ】
2021531058.tif 000037
【図１０Ｂ】
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【図１１】
2021531058.tif 000039
【図１２】
2021531058.tif 000040
【図１３】
2021531058.tif 000041
【図１４】
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【国際調査報告】
2021531058.tif 000043
2021531058.tif 000044