(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波トランスデューサアレイから受信した信号を処理するための方法であって、
信号サンプルを提供するために、受信超音波エネルギーを表す前記受信した信号をデジタル領域に変換することと、
前記信号サンプルの直交復調を実行し、それに続いて、前記復調済み信号サンプルの高速フーリエ変換および周波数領域における信号調節を実行することと、
前記復調済み信号サンプルの高速フーリエ変換および前記周波数領域における信号調節に続いて、集計エレベーション値を提供するために前記超音波トランスデューサアレイのエレベーションチャネルに対応する周波数領域値を集計することと、
超音波画像形成処理のために前記集計エレベーション値を出力することと、を含み、
前記信号調節が、周波数領域重み関数を前記周波数領域値に適用することを含む、方法。
【請求項２】
時間領域重み関数を前記復調済み信号サンプルに適用することをさらに含み、
前記高速フーリエ変換が、前記時間領域重み関数が適用された前記復調済み信号サンプル上で実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記信号サンプルの直交復調を実行する前に、形成予定の画像に対応する前記信号サンプルのサブセットを前記信号サンプルから抽出することをさらに含み、
前記直交復調が、前記信号サンプルのサブセット上で実行される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
データ低減のために前記復調済み信号サンプルをダウンサンプリングすることをさらに含み、
前記高速フーリエ変換が、前記ダウンサンプリングされた前記復調済み信号サンプル上で実行される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
超音波エネルギーの受信に応答して受信信号を提供するように構成された超音波トランスデューサアレイと、
前記受信信号を処理するように構成された処理回路であって、
信号サンプルを提供するために前記受信信号をデジタル領域に変換するように構成された変換回路と、
前記信号サンプルの直交復調を実行するように構成された直交復調回路と、
前記信号サンプルの直交復調に続いて、前記復調済み信号サンプルの高速フーリエ変換および周波数領域において周波数領域値に周波数領域重み関数を適用することを含む信号調節を実行する高速フーリエ変換回路と、
集計されたエレベーション値を提供するために前記超音波トランスデューサアレイのエレベーションチャネルに対応する前記重み付けされた周波数領域値の集計を実行するように構成された集計エレベーションチャネル回路と、
超音波画像形成処理のために前記集計されたエレベーション値を出力するように構成された出力回路と、を含む、処理回路と、
を備える、超音波デバイス。
【請求項６】
前記復調済み信号サンプルに少なくとも１つの時間領域重み関数を適用するように構成された時間領域信号調節回路をさらに含み、
前記高速フーリエ変換回路は、前記時間領域重み関数が適用された前記復調済み信号サンプル上で前記高速フーリエ変換を実行するように構成される、請求項５に記載の超音波デバイス。
【請求項７】
前記信号サンプルの直交復調を実行する前に、形成予定の画像に対応する前記信号サンプルのサブセットを前記信号サンプルから抽出するように構成された抽出回路をさらに含み、
前記直交復調回路は、前記信号サンプルの前記サブセット上で直交復調を実行するように構成される、請求項５又は６に記載の超音波デバイス。
【請求項８】
データ低減のために前記復調済み信号サンプルをダウンサンプリングするように構成されたダウンサンプリング回路をさらに含み、
前記高速フーリエ変換回路は、ダウンサンプリングされた前記復調済み信号サンプル上で前記高速フーリエ変換を実行するように構成される、請求項５から７のいずれか一項に記載の超音波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、米国特許法第１１９（ｅ）条の下で、２０１４年１０月７日に出願された「ULTRASOUND SIGNAL PROCESSING CIRCUITRY AND RELATED APPARATUS AND METHODS」と称する代理人整理番号Ｂ１３４８．７００１４ＵＳ００の米国仮特許出願第６２／０６０，８２２号の利益を主張し、同特許は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
技術分野
本開示の態様は、超音波撮像および／または処理技術などの撮像および／または処理のための回路、デバイス、システムおよび方法に関する。より具体的には、本開示の態様は、超音波トランスデューサアレイから受信された信号を処理するための回路および方法に関する。
【０００３】
背景
医学的応用のために使用される超音波トランスデューサアレイは、通常、医学的応用のための超音波画像を生成するために、必要に応じて、大量のデータを生成する。所望の画質や複雑性が高いほど、より多くのデータが通常は必要とされる。
【０００４】
超音波トランスデューサアレイからのアナログ信号の複数のチャネルを超音波システムの制御および処理電子機器に輸送するという問題は、超音波撮像の解像度を向上するためおよび高質の３Ｄ立体撮像を可能にするために必要とされるトランスデューサのより大きな高密度のアレイの利用を制限している。
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、信号を処理するために使用されるデジタルおよびアナログ回路を含む、超音波トランスデューサベースの撮像システムの超音波トランスデューサアレイから受信された信号の処理の態様を説明する。いくつかの実施形態では、信号サンプルは、１つまたは複数の重み関数の適用によって処理されるかまたは調節される。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の重み関数は、時間領域の信号サンプルに適用することができる。他の実施形態では、信号サンプルは、周波数領域に変換することができ、１つまたは複数の重み関数は、周波数領域で適用することができる。さらなる実施形態では、１つまたは複数の重み関数は、時間領域で適用することができ、１つまたは複数の重み関数は、周波数領域で適用することができる。重み関数は、チャネル依存性および／またはチャネル非依存性であり得る。処理済みデータは、画像形成プロセッサに提供することができる。画像形成処理前の信号の処理は、超音波トランスデューサアレイから受信された信号の「前処理」と呼ぶことができる。
【０００６】
いくつかの実施形態は、超音波トランスデューサアレイから受信された信号を処理するための方法を対象とする。方法は、アナログ領域からデジタル領域への受信信号の変換後の受信信号の信号調節を含む。
【０００７】
いくつかの実施形態は、超音波トランスデューサアレイから受信された信号を処理するための方法を対象とする。方法は、信号サンプルを提供するために受信信号をデジタル領域に変換することと、信号サンプルの直交復調を実行し、それに続いて、復調済み信号サンプルの高速フーリエ変換および周波数領域における信号調節を実行することとを含む。
【０００８】
いくつかの実施形態は、超音波トランスデューサアレイから受信された信号を処理するための方法を対象とする。方法は、受信信号の高速フーリエ変換に続いて、周波数領域における超音波トランスデューサアレイのエレベーションチャネルを集計することを含む。
【０００９】
いくつかの実施形態は、超音波トランスデューサアレイから受信された信号を処理するための方法を対象とする。方法は、フーリエリサンプリング画像形成処理および／または逆投影画像形成処理のために信号を提供するために受信信号を処理することを含む。
【００１０】
いくつかの実施形態は、超音波トランスデューサアレイから受信された信号を処理するための方法を対象とする。方法は、部分的に処理された信号サンプルを提供するために第１のチャネル数で受信信号を処理することと、部分的に処理された信号サンプルをメモリに格納することと、第１のチャネル数より少ない第２のチャネル数で、部分的に処理された信号サンプルの処理を完了することとを含む。
【００１１】
いくつかの実施形態は、超音波トランスデューサアレイから受信された信号を処理するための方法を対象とする。方法は、信号サンプルを提供するために受信信号をデジタル領域に変換することと、信号サンプルを調節することと、画像形成処理のために調節済み信号サンプルを出力することとを含む。
【００１２】
いくつかの実施形態は、超音波エネルギーの受信に応答して受信信号を提供するように構成された超音波トランスデューサアレイと、受信信号を処理するように構成された処理回路とを含む超音波デバイスを対象とする。処理回路は、信号サンプルを提供するために受信信号をデジタル領域に変換するように構成された変換回路と、信号サンプルを調節するように構成された調節回路と、画像形成処理のために調節済み信号サンプルを出力するように構成された出力回路とを含む。
【００１３】
いくつかの実施形態は、超音波トランスデューサアレイから受信された信号を処理するための方法を対象とする。方法は、信号サンプルを提供するために受信信号をデジタル領域に変換することと、形成予定の画像に対応する信号サンプルのサブセットを信号サンプルから抽出することと、信号サンプルに時間領域重み関数を適用することと、重み付けさ
れた信号サンプルを周波数領域値に変換することと、周波数領域値に周波数領域重み関数を適用することと、画像形成処理のために重み付けされた周波数領域値を出力することとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
開示される技術の様々な態様や実施形態は、以下の図を参照して説明される。図は、必ずしも原寸に比例するとは限らないことを理解すべきである。複数の図で見られるアイテムは、それらのアイテムが見られるすべての図において、同じ参照番号で示される。
【００１５】
【図１】開示される技術の様々な態様を具体化するモノリシック超音波デバイスの説明に役立つ例のブロック図である。
【図２】いくつかの実施形態において、要素に電圧を印加して超音波パルスを放出するために、または、トランスデューサ要素によって検知された超音波パルスを表す要素からの信号を受信して処理するために、所定のトランスデューサ要素用のＴＸ回路およびＲＸ回路をどのように使用することができるかを示すブロック図である。
【図３】図２に示されるＲＸ回路のアナログ処理ブロックおよびデジタル処理ブロック内に含めることができるコンポーネントの説明に役立つ例のブロック図である。
【図４】図２に示されるＲＸ回路のアナログ処理ブロックおよびデジタル処理ブロック内に含めることができるコンポーネントの説明に役立つ例のブロック図である。
【図５】図２に示されるＲＸ回路のアナログ処理ブロックおよびデジタル処理ブロック内に含めることができるコンポーネントの説明に役立つ例のブロック図である。
【図６】図２に示されるＲＸ回路のアナログ処理ブロックおよびデジタル処理ブロック内に含めることができるコンポーネントの説明に役立つ例のブロック図である。
【図７】図２に示されるＲＸ回路のアナログ処理ブロックおよびデジタル処理ブロック内に含めることができるコンポーネントの説明に役立つ例のブロック図である。
【図８】図２に示されるＲＸ回路のアナログ処理ブロックおよびデジタル処理ブロック内に含めることができるコンポーネントの説明に役立つ例のブロック図である。
【図９】実施形態による、ＲＸ回路のデジタル処理ブロックのブロック図である。
【図１０】図９に示されるＱＤＭ、フィルタおよびダウンサンプリングブロックの実施形態のブロック図である。
【図１１】実施形態による、図９の時間領域調節ブロックのブロック図である。
【図１２】実施形態による、図９に示されるＦＦＴブロックのブロック図である。
【図１３】実施形態による、図９に示される周波数領域調節ブロックのブロック図である。
【図１４】実施形態による、図１３に示される集計チャネルブロックのブロック図である。
【図１５】実施形態による、信号処理アーキテクチャのチャネル構成の例の概略ブロック図である。
【図１６】実施形態による、信号処理方法の例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本開示の態様は、超音波トランスデューサアレイから受信された信号を処理するためのデジタルおよびアナログ回路ならびに方法に関する。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサアレイおよび回路は、単一の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）チップもしくは基板上にまたは超音波プローブ内の複数のチップ上に集積することができる。本開示は、超音波トランスデューサ要素または超音波トランスデューサ要素のグループからの信号を処理するため、および、高度な高質撮像応用のための十分にロバストなデータを提供するために、独自の、コスト効果が高い、拡張可能な集積信号処理アーキテクチャを提供する。従って、本開示の態様は、集積超音波トランスデューサ（例えば、ＣＭＯＳ超音波トランスデューサ）およびデジタル回路を有する単一基板超音波デバイスで使用できるアーキテクチャを提供する。
【００１７】
本開示は、超音波トランスデューサベースの撮像システムの超音波トランスデューサアレイから受信された信号の処理の態様を説明する。いくつかの実施形態では、信号サンプルは、１つまたは複数の重み関数またはマスクの適用によって処理されるかまたは調節される。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の重み関数は、時間領域の信号サンプルに適用することができる。他の実施形態では、信号サンプルは、周波数領域に変換することができ、１つまたは複数の重み関数は、周波数領域で適用することができる。さらなる実施形態では、１つまたは複数の重み関数は、時間領域で適用することができ、１つまたは複数の重み関数は、周波数領域で適用することができる。重み関数は、チャネル依存性および／またはチャネル非依存性であり得る。処理済みデータは、画像形成プロセッサに提供することができる。画像形成処理前の信号の処理は、超音波トランスデューサアレイから受信された信号の「前処理」と呼ぶことができる。
【００１８】
それに加えて、信号サンプルは、画像形成処理に有利な形態に変換することができる。例えば、画像形成処理の前に、いくつかのエレベーションチャネルに対応するデータを組み合わせることができる。一般に、様々な信号処理機能は、特定のアーキテクチャに基づいて、画像形成処理の前にまたは画像形成処理の間に実行することができる。信号処理アーキテクチャは、処理されるデータの量を低減するために、データ低減、圧縮および／またはダウンサンプリングをさらに含み得る。そのような動作は、例えば、直交復調、フィルタリングおよびダウンサンプリングを含み得る。さらなる実施形態では、画像の形成に貢献しない信号サンプルまたは画像を劣化する信号サンプルは処分することができる。
【００１９】
上記で説明される態様および実施形態ならびに追加の態様および実施形態は、以下でさらに説明される。これらの態様および／または実施形態は、この点において本出願は制限されないため、個別に、すべて一緒にまたは２つ以上の任意の組合せで、使用することができる。
【００２０】
図１は、本開示の様々な態様を具体化するモノリシック超音波デバイス１００の説明に役立つ例を示す。示されるように、デバイス１００は、１つまたは複数のトランスデューサ配列（例えば、アレイ）１０２、送信（ＴＸ）回路１０４、受信（ＲＸ）回路１０６、タイミング＆制御回路１０８、信号調節／処理回路１１０、電力管理回路１１８および／または高強度集束超音波（ＨＩＦＵ）コントローラ１２０を含み得る。示される実施形態では、示される要素はすべて、単一の半導体ダイ１１２上に形成される。しかし、代替の実施形態では、示される要素のうちの１つまたは複数は、代わりに、オフチップに位置することもできることを理解すべきである。それに加えて、示される例はＴＸ回路１０４とＲＸ回路１０６の両方を示しているが、代替の実施形態では、ＴＸ回路のみまたはＲＸ回路のみを採用することができる。例えば、そのような実施形態は、１つまたは複数の送信専用デバイス１００が音響信号を送信するために使用される状況、ならびに、１つまたは複数の受信専用デバイス１００が、超音波撮像されている対象中を透過するかまたは超音波撮像されている物体によって反射された音響信号を受信するために使用される状況で採用することができる。
【００２１】
１つまたは複数の示されるコンポーネント間の通信は、多くの方法のいずれかで実行できることを理解すべきである。いくつかの実施形態では、例えば、統合ノースブリッジによって採用されるものなどの１つまたは複数の高速バス（図示せず）を使用して、高速イントラチップ通信または１つもしくは複数のオフチップコンポーネントとの通信を可能にすることができる。
【００２２】
１つまたは複数のトランスデューサアレイ１０２は、多くの形態のいずれかを取ることができ、本技術の態様は、必ずしも特定のタイプまたは配列のトランスデューサセルまたはトランスデューサ要素の使用を必要とするわけではない。実際に、「アレイ」という用語がこの説明で使用されているが、いくつかの実施形態では、トランスデューサ要素はアレイ状に組織化されておらず、代わりに、何らかの非アレイ方式で配列されている場合があることを理解すべきである。様々な実施形態では、アレイ状のトランスデューサ要素１０２の各々は、例えば、１つもしくは複数のＣＭＵＴ、１つもしくは複数のＣＭＯＳ超音波トランスデューサ（ＣＵＴ）および／または１つもしくは複数の他の適切な超音波トランスデューサセルを含み得る。いくつかの実施形態では、トランスデューサアレイ１０２のトランスデューサ要素は、ＴＸ回路１０４および／またはＲＸ回路１０６の電子機器と同じチップ上に形成することができる。超音波トランスデューサセル、要素および配列（例えば、アレイ）ならびにそのようなデバイスを基本的なＣＭＯＳ回路と集積する方法の多くの例は、その全開示が参照により本明細書に組み込まれる、２０１４年３月１３日に出願された「COMPLEMENTARY METAL OXIDE SEMICONDUCTOR (CMOS) ULTRASONIC TRANSDUCERS AND METHODS FOR FORMING THE SAME」と称する代理人整理番号Ｂ１３４８．７０００７ＵＳ０１の米国特許出願第１４／２０８，３５１号で詳細に論じられている。
【００２３】
ＣＵＴは、例えば、ＣＭＯＳウエハに形成される空洞を含み得、空洞は膜で覆われる（いくつかの実施形態では、空洞は膜で密封される）。カバーされた空洞構造からトランスデューサセルを作成するため、電極を提供することができる。ＣＭＯＳウエハは、トランスデューサセルを接続できる集積回路を含み得る。トランスデューサセルおよびＣＭＯＳウエハは、モノリシックに集積することができ、従って、単一の基板（ＣＭＯＳウエハ）上の集積超音波トランスデューサセルおよび集積回路が形成される。
【００２４】
ＴＸ回路１０４（含まれる場合）は、例えば、撮像に使用される音響信号を生成するために、トランスデューサアレイ１０２の個々の要素またはトランスデューサアレイ１０２内の１つもしくは複数の要素グループを駆動するパルスを生成することができる。他方では、ＲＸ回路１０６は、音響信号がそのような要素に作用する際に、トランスデューサアレイ１０２の個々の要素によって生成された電子信号を受信して処理することができる。
【００２５】
いくつかの実施形態では、タイミング＆制御回路１０８は、デバイス１００の他の要素の動作の同期および連動に使用されるすべてのタイミングおよび制御信号の生成に対する責任を有し得る。示される例では、タイミング＆制御回路１０８は、入力ポート１１６に供給される単一のクロック信号ＣＬＫによって駆動される。クロック信号ＣＬＫは、例えば、オンチップ回路コンポーネントのうちの１つまたは複数を駆動するために使用される高周波数クロックであり得る。いくつかの実施形態では、クロック信号ＣＬＫは、例えば、信号調節／処理回路１１０の高速シリアル出力デバイス（図１には図示せず）を駆動するために使用される１．５６２５ＧＨｚまたは２．５ＧＨｚクロック、あるいは、ダイ１１２上の他のデジタルコンポーネントを駆動するために使用される２０ＭＨｚまたは４０ＭＨｚクロックであり得、タイミング＆制御回路１０８は、ダイ１１２上の他のコンポーネントを駆動するために、必要に応じて、クロックＣＬＫを除するかまたは乗じることができる。他の実施形態では、異なる周波数の２つ以上のクロック（上記で言及されるものなど）は、オフチップソースからタイミング＆制御回路１０８に別々に供給することができる。
【００２６】
電力管理回路１１８は、例えば、オフチップソースからの１つまたは複数の入力電圧ＶＩＮをチップの動作を実行するために必要とされる電圧に変換すること、ならびにそうでなければ、デバイス１００内の電力消費量を管理することに対する責任を有し得る。いくつかの実施形態では、例えば、単一の電圧（例えば、１２Ｖ、８０Ｖ、１００Ｖ、１２０Ｖなど）をチップに供給することができ、電力管理回路１１８は、必要に応じて、電荷ポンプ回路を使用してまたは他の何らかのＤＣ／ＤＣ電圧変換メカニズムを介して、その電圧のステップアップまたはステップダウンを行うことができる。他の実施形態では、他のオンチップのコンポーネントでの処理および／または他のオンチップのコンポーネントへの分配のために、複数の異なる電圧を電力管理回路１１８に別々に供給することができる。
【００２７】
図１に示されるように、いくつかの実施形態では、ＨＩＦＵコントローラ１２０は、トランスデューサアレイ１０２の１つまたは複数の要素を介するＨＩＦＵ信号の生成を可能にするために、ダイ１１２上に集積することができる。他の実施形態では、トランスデューサアレイ１０２を駆動するためのＨＩＦＵコントローラは、オフチップに位置することも、デバイス１００とは別のデバイス内に位置することさえもできる。すなわち、本開示の態様は、超音波撮像能力の有無にかかわらず、超音波オンチップＨＩＦＵシステムの提供に関する。しかし、いくつかの実施形態は、いかなるＨＩＦＵ能力も有さない場合があり、従って、ＨＩＦＵコントローラ１２０を含まない場合があることを理解すべきである。
【００２８】
その上、それらの実施形態では、ＨＩＦＵコントローラ１２０は、ＨＩＦＵ機能を提供するものとして区別可能な回路を表さない場合があることを理解すべきである。例えば、いくつかの実施形態では、図１の残りの回路（ＨＩＦＵコントローラ１２０以外）は、超音波撮像機能および／またはＨＩＦＵの提供に適したものであり得る、すなわち、いくつかの実施形態では、同じ共有回路を撮像システムとしておよび／またはＨＩＦＵのために動作させることができる。撮像機能を呈するかまたはＨＩＦＵ機能を呈するかは、システムに提供される電力に依存し得る。ＨＩＦＵは、通常、超音波撮像より高い電力で動作する。従って、撮像適用に適切な第１の電力レベル（または電圧レベル）をシステムに提供することにより、システムは撮像システムとして動作する一方で、より高い電力レベル（または電圧レベル）を提供することにより、システムはＨＩＦＵのために動作することができる。そのような電力管理は、いくつかの実施形態では、オフチップ制御回路によって提供することができる。
【００２９】
異なる電力レベルの使用に加えて、撮像およびＨＩＦＵ適用は、異なる波形を利用することができる。従って、波形生成回路を使用して、撮像システムまたはＨＩＦＵシステムとして、システムの動作に適した波形を提供することができる。
【００３０】
いくつかの実施形態では、システムは、撮像システムとＨＩＦＵシステムの両方として動作することができる（例えば、画像誘導ＨＩＦＵを提供することが可能である）。そのようないくつかの実施形態では、同じオンチップ回路を利用して、２つの様式間の動作を制御するために使用される適切なタイミングシーケンスで、両方の機能を提供することができる。本開示に記載される様々な実施形態で採用できるＨＩＦＵ実装および動作特徴に関する追加の詳細は、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる、２０１２年１０月１７日に出願された「TRANSMISSIVE IMAGING AND RELATED APPARATUS AND METHODS」と称する米国特許出願第１３／６５４，３３７号で説明されている。
【００３１】
示される例では、１つまたは複数の出力ポート１１４は、出力信号調節／処理回路１１０の１つまたは複数のコンポーネントによって生成された高速シリアルデータストリームを出力することができる。そのようなデータストリームは、例えば、ダイ１１２上に集積された１つまたは複数のＵＳＢ３．０モジュールおよび／または１つまたは複数の１０ＧＢ、４０ＧＢもしくは１００ＧＢイーサネット（登録商標）モジュールによって生成することができる。いくつかの実施形態では、出力ポート１１４上で生成された信号ストリームは、二次元、三次元および／または断層画像の生成および／または表示のためにコンピュータ、タブレットまたはスマートフォンに供給することができる。画像形成能力が信号調節／処理回路１１０に組み込まれる実施形態では、限られた量の処理電力およびメモリしかアプリケーション実行に利用可能ではないスマートフォンまたはタブレットなどの比較的低い電力のデバイスでさえ、出力ポート１１４からのシリアルデータストリームのみを使用して画像を表示することができる。上記で記述されるように、オンチップアナログ／デジタル変換およびデジタルデータストリームをオフロードするための高速シリアルデータリンクの使用は、本開示のいくつかの実施形態による「超音波オンチップ」解決法の促進に役立つ特徴のうちの１つである。
【００３２】
図１に示されるものなどのデバイス１００は、多くの撮像および／または処理（例えば、ＨＩＦＵ）適用のいずれかで使用することができ、本明細書で論じられる特定の例は、制限するものと見なすべきではない。示される一実装形態では、例えば、ＣＭＵＴ要素のＮ×Ｍの平面状または実質的に平面状のアレイを含む撮像デバイスは、１つまたは複数の送信段階の間にアレイ１０２の要素のいくつかまたはすべてに電圧を印加し（一緒にまたは個別に）、各受信段階の間にＣＭＵＴ要素が対象によって反射された音響信号を検知するように１つまたは複数の受信段階の間にアレイ１０２の要素のいくつかまたはすべてによって生成された信号を受信して処理することによって、それ自体を、対象（例えば、人の腹部）の超音波画像を取得するために使用することができる。他の実装形態では、アレイ１０２の要素のいくつかは音響信号を送信するためにのみ使用し、同時に、同じアレイ１０２の他の要素は音響信号を受信するためにのみ使用することができる。その上、いくつかの実装形態では、単一の撮像デバイスは、個々のデバイスのＰ×ＱアレイまたはＣＭＵＴ要素の個々のＮ×Ｍの平面状アレイのＰ×Ｑアレイを含み得、そのコンポーネントは、単一のデバイス１００でまたは単一のダイ１１２上で具体化できるものより多くの数のＣＭＵＴ要素からデータを蓄積できるように、並列に、順番に、または、他の何らかのタイミングスキームに従って、動作することができる。
【００３３】
さらなる他の実装形態では、対の撮像デバイスを対象にまたがるように配置することができ、その結果、対象の一方の側の撮像デバイスのデバイス１００の１つまたは複数のＣＭＵＴ要素は、そのようなパルスが対象によって著しく減衰されない範囲で、対象の他方の側の撮像デバイスのデバイス１００の１つまたは複数のＣＭＵＴ要素によって生成された音響信号を検知することができる。その上、いくつかの実装形態では、同じデバイス１００を使用して、それ自体のＣＭＵＴ要素のうちの１つまたは複数からの音響信号の散乱と、対象の反対側の撮像デバイスに配置されたＣＭＵＴ要素のうちの１つまたは複数からの音響信号の送信の両方を測定することができる。
【００３４】
図２は、いくつかの実施形態において、トランスデューサ要素２０４に電圧を印加して超音波パルスを放出するために、または、トランスデューサ要素２０４によって検知された超音波パルスを表すトランスデューサ要素２０４からの信号を受信して処理するために、所定のトランスデューサ要素２０４用のＴＸ回路１０４およびＲＸ回路１０６をどのように使用することができるかを示すブロック図である。いくつかの実装形態では、ＴＸ回路１０４は、「送信」段階の間に使用することができ、ＲＸ回路は、送信段階とは重複しない「受信」段階の間に使用することができる。他の実装形態では、ＴＸ回路１０４およびＲＸ回路１０６のうちの１つは、対の超音波ユニットが透過撮像のみのために使用される際など、所定のデバイス１００では単に使用されない場合がある。上記で記述されるように、いくつかの実施形態では、デバイス１００は、代わりに、ＴＸ回路１０４のみまたはＲＸ回路１０６のみを採用することができ、本技術の態様は、必ずしもそのようなタイプの回路の両方の存在を必要とするわけではない。様々な実施形態では、ＴＸ回路１０４および／またはＲＸ回路１０６は、単一のトランスデューサセル（例えば、ＣＵＴまたはＣＭＵＴ）、単一のトランスデューサ要素２０４内の２つ以上のトランスデューサセルのグループ、トランスデューサセルのグループを含む単一のトランスデューサ要素２０４、アレイ１０２内の２つ以上のトランスデューサ要素２０４のグループ、または、トランスデューサ要素２０４のアレイ１０２全体と関連付けられたＴＸ回路および／またはＲＸ回路を含み得る。
【００３５】
図２に示される例では、ＴＸ回路１０４／ＲＸ回路１０６は、アレイ１０２の各トランスデューサ要素２０４用の別々のＴＸ回路および別々のＲＸ回路を含むが、タイミング＆制御回路１０８および信号調節／処理回路１１０の各々のたった１つの例しか存在しない。それに従って、そのような実装形態では、タイミング＆制御回路１０８は、ダイ１１２上のＴＸ回路１０４／ＲＸ回路１０６の組合せのすべての動作の同期および連動に対する責任を有し得、信号調節／処理回路１１０は、ダイ１１２上のＲＸ回路１０６のすべてからの入力の取り扱いに対する責任を有し得る。他の実施形態では、タイミングおよび制御回路１０８は、各トランスデューサ要素２０４に対してまたはトランスデューサ要素２０４のグループに対して複製することができる。
【００３６】
図２に示されるように、デバイス１００の様々なデジタルコンポーネントを駆動するためのクロック信号の生成および／または分配に加えて、タイミング＆制御回路１０８は、ＴＸ回路１０４の各ＴＸ回路の動作を可能にするための「ＴＸ可能」信号を出力するか、または、ＲＸ回路１０６の各ＲＸ回路の動作を可能にするための「ＲＸ可能」信号を出力することができる。示される例では、ＲＸ回路１０６のスイッチ２０２は、ＴＸ回路１０４を使用可能にする前は常に開いておき、ＴＸ回路１０４の出力によりＲＸ回路１０６が駆動されないようにすることができる。スイッチ２０２は、ＲＸ回路１０６の動作を可能にする際は閉じて、ＲＸ回路１０６がトランスデューサ要素２０４によって生成された信号を受信して処理できるようにすることができる。
【００３７】
示されるように、それぞれのトランスデューサ要素２０４用のＴＸ回路１０４は、波形ジェネレータ２０６とパルサ２０８の両方を含み得る。波形ジェネレータ２０６は、例えば、生成された波形に対応するトランスデューサ要素２０４への駆動信号をパルサ２０８に出力させるため、パルサ２０８に印加する予定の波形の生成に対する責任を有し得る。
【００３８】
図２に示される例では、それぞれのトランスデューサ要素２０４用のＲＸ回路１０６は、アナログ処理ブロック２１０、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２１２およびデジタル処理ブロック２１４を含む。ＡＤＣ  ２１２は、例えば、１０ビットまたは１２ビット、２０Ｍｓｐｓ、２５Ｍｓｐｓ、４０Ｍｓｐｓ、５０Ｍｓｐｓまたは８０Ｍｓｐｓ  ＡＤＣを含み得る。
【００３９】
デジタル処理ブロック２１４における処理の後、ダイ１１２上のＲＸ回路のすべての出力（その数は、この例では、チップ上のトランスデューサ要素２０４の数に等しい）は、信号調節／処理回路１１０のマルチプレクサ（ＭＵＸ）２１６に供給される。他の実施形態では、トランスデューサ要素の数は、ＲＸ回路の数より多く、いくつかのトランスデューサ要素が単一のＲＸ回路に信号を提供する。ＭＵＸ  ２１６は、ＲＸ回路からのデジタルデータを多重化し、ＭＵＸ  ２１６の出力は、データがダイ１１２から出力される（例えば、１つまたは複数の高速シリアル出力ポート１１４を介して）前の最終的な処理のために、信号調節／処理回路１１０の多重化済みデジタル処理ブロック２１８に供給される。ＭＵＸ  ２１６は任意選択のものであり、いくつかの実施形態では、並列信号処理が実行される。高速シリアルデータポートは、ブロック間もしくはブロック内のいかなるインタフェースでも、チップ間のいかなるインタフェースでも、および／または、ホストに対するいかなるインタフェースでも、提供することができる。アナログ処理ブロック２１０および／またはデジタル処理ブロック２１４の様々なコンポーネントは、高速シリアルデータリンクまたは別の方法を介してダイ１１２から出力する必要があるデータの量を低減することができる。従って、いくつかの実施形態では、例えば、アナログ処理ブロック２１０および／またはデジタル処理ブロック２１４の１つまたは複数のコンポーネントは、ＲＸ回路１０６が、向上させた信号対雑音比（ＳＮＲ）でおよび波形の多様性に適合する方法で、送信されたおよび／または散乱した超音波圧力波を受信できるようにする上で役立てることができる。従って、そのような要素を含めることにより、いくつかの実施形態では、開示される「超音波オンチップ」解決法をさらに促進および／または強化することができる。
【００４０】
アナログ処理ブロック２１０に任意選択で含めることができる特定のコンポーネントについて以下で説明するが、それに加えてまたはその代替として、そのようなアナログコンポーネントに対するデジタル対応部分をデジタル処理ブロック２１４で採用できることを理解すべきである。その逆もまた当てはまる。すなわち、デジタル処理ブロック２１４に任意選択で含めることができる特定のコンポーネントについて以下で説明するが、それに加えてまたはその代替として、そのようなデジタルコンポーネントに対するアナログ対応部分をアナログ処理ブロック２１０で採用できることを理解すべきである。
【００４１】
図３は、ＲＸ回路のアナログ処理ブロック２１０およびデジタル処理ブロック（図２を参照）内に含めることができるコンポーネントの説明に役立つ例を示す。いくつかの実施形態では、ＲＸ回路１０６のコンポーネントは、例えば、ＤＣから５０ＭＨｚまでの帯域幅を集合的に有し、４ｄＢ未満の雑音指数、４５ｄＢのエイリアス高調波除去および４０ｄＢのチャネル分離で、５０ｄＢ、６０ｄＢ、７０ｄＢ、８０ｄＢまたはそれ以上の利得を提供することができる。そのようなパラメータは、単なる例示のためにリストされ、制限することを意図しない。他の性能パラメータも可能であり、企図される。
【００４２】
図３に示されるように、アナログ処理ブロック２１０は、例えば、低雑音増幅器（ＬＮＡ）３０２、可変利得増幅器（ＶＧＡ）３０４およびローパスフィルタ（ＬＰＦ）３０６を含み得る。いくつかの実施形態では、ＶＧＡ  ３０４は、例えば、タイミング＆制御回路１０８に含まれる時間利得補償（ＴＧＣ）回路を介して調整することができる。ＬＰＦ  ３０６は、取得された信号のアンチエイリアシングに備える。いくつかの実施形態では、ＬＰＦ  ３０６は、例えば、５ＭＨｚ程度の周波数カットオフを有する二次ローパスフィルタを含み得る。しかし、他の実装形態も可能であり、企図される。上記で記述されるように、ＡＤＣ  ２１２は、例えば、１０ビットまたは１２ビット、２０Ｍｓｐｓ、２５Ｍｓｐｓ、４０Ｍｓｐｓ、５０Ｍｓｐｓまたは８０Ｍｓｐｓ  ＡＤＣを含み得る。
【００４３】
図３の例では、ＲＸ回路１０６のデジタル制御ブロック２１４は、デジタル直交復調（ＤＱＤＭ）回路３０８、平均回路３１４（アキュムレータ３１０および平均メモリ３１２を含む）および出力バッファ３１６を含む。ＤＱＤＭ回路３０８は、例えば、受信信号のデジタル化バージョンを中心周波数からベースバンドにミックスダウンし、次いで、ベースバンド信号をローパスフィルタ処理して間引くように構成することができる。ＤＱＤＭ回路３０８は、受信信号から未使用の周波数を除去することによって帯域幅のロスレス低減を可能にすることができ、従って、信号調節／処理回路１１０によって処理してダイ１１２からオフロードする必要があるデジタルデータの量を著しく低減することができる。これらのコンポーネントによって達成される帯域幅低減は、本明細書で説明される「超音波オンチップ」実施形態の実行の促進および／または改善に役立てることができる。
【００４４】
いくつかの実施形態では、ＤＱＤＭ  ３０８の中心周波数「ｆｃ」を、アレイ１０２で使用されるトランスデューサ要素の対象の周波数と一致させることが望ましい場合がある。図３に示されるＤＱＤＭ  ３０８および／または他のコンポーネントに加えてまたはその代わりに、いくつかの実施形態においてＲＸ回路１０６に含めることができる追加のコンポーネントの例は、図４〜８と関係して以下で説明する。示される実施形態の平均回路３１４（アキュムレータ３１０および平均メモリ３１２を含む）は、データの受信ウィンドウを平均するように機能する。
【００４５】
図４は、例えば、波形除去を実行し、受信回路の信号対雑音比を向上させる整合フィルタ４０２を含むＲＸ回路１０６の例示的な実装形態を示す。「整合」フィルタとラベル付けされているが、フィルタ回路４０２は、実際に、受信信号から波形を分離するための整合フィルタまたは不整合フィルタとして動作することができる。整合フィルタ４０２は、線形周波数変調（ＬＦＭ）または非ＬＦＭパルスに有効であり得る。
【００４６】
整合フィルタ４０２としての使用に適した回路の例示的な実施形態は、図５に示されている。示されるように、整合フィルタ４０２は、例えば、パディング回路５０２、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）回路５０４、乗算器５０６、ローパスフィルタ５０８、デシメータ回路５１０および逆ＦＦＴ回路５１２を含み得る。採用される場合、パディング回路５０２は、例えば、巡回畳み込みのＦＦＴ実装からアーチファクトを回避できるほど十分に、入力信号にパディングを適用することができる。
【００４７】
「整合」フィルタとして動作するように、乗算器５０６に適用される「Ｈ（ω）」の値は、送信波形Ｔｘ（ω）の共役であるべきである。従って、いくつかの実施形態では、フィルタ４０２は、実際に、乗算器５０６に送信波形Ｔｘ（ω）の共役を適用することによって、「整合」フィルタとして動作することができる。しかし、他の実施形態では、「整合」フィルタ４０２は、代わりに、不整合フィルタとして動作することができ、その事例では、送信波形Ｔｘ（ω）の共役以外の何らかの値を乗算器５０６に適用することができる。
【００４８】
図６は、ＲＸ回路１０６の別の例示的な実装形態を示す。図６の実施形態では、ＲＸ回路１０６は、対象の信号を絶縁することによって帯域幅を低減するために、さらなる別の技法を実行できるデチャープ回路６０２を含む。また、デチャープ回路は、時折、「デジタルランプ」または「ストレッチ」回路とも呼ばれる。様々な実施形態では、デチャープ回路６０２は、アナログ処理ブロック２１０内に含めることも、ＲＸのデジタル処理ブロック２１４内に含めることも、ＲＸ回路１０６のアナログ処理ブロック２１０とデジタル処理ブロック２１４の両方に含めることもできる。ＬＦＭ波形でのデチャープ回路の使用は、時間を周波数に効果的に変換する。
【００４９】
デジタルデチャープ回路６０２の例は、図７に示されている。示されるように、デチャープ回路６０２は、デジタル乗算器７０２、デジタルローパスフィルタ７０４およびデシメータ回路７０６を含み得る。（図８と関係して以下で論じられるアナログデチャープ回路は、デジタル乗算器およびフィルタよりむしろ、アナログ乗算器およびフィルタを採用し、デシメータ回路７０６を含まない。）図７に示される「参照チャープ」は、例えば、対応するＴＸ回路１０４の波形ジェネレータ２０６によって生成されるものと同じ「チャープ」であり得る。
【００５０】
図８は、ＲＸ回路１０６のさらなる別の例示的な実装形態を示す。この例では、デジタル処理ブロック２１４のＤＱＤＭ回路およびデジタルデチャープ回路の使用よりむしろ、アナログ直交復調（ＡＱＤＭ）回路８０２およびアナログデチャープ回路８０４がアナログ処理ブロック２１０に含まれる。そのような実施形態では、ＡＱＤＭ  ８０２は、例えば、ベースバンドに入力信号を混ぜて、次いで、望まない周波数をアナログ信号から除去するためにローパスアナログフィルタ（図示せず）を採用するために、アナログミキサ（図示せず）およびローカル発振器（図示せず）を採用することができる。図８に示されるように、この実施形態では、アナログデチャープ回路８０４の出力をデジタル信号フォーマットに変換するために、２つのＡＤＣ  ８０６ａ、ｂ（例えば、２つの１０ビットまたは１２ビット、１０Ｍｓｐｓ、２０Ｍｓｐｓ、２５Ｍｓｐｓ、４０Ｍｓｐｓ、５０Ｍｓｐｓまたは８０Ｍｓｐｓ  ＡＤＣ）を採用することができるが、ＡＤＣ  ８０６ａ、ｂの各々は、他の例で採用されるＡＤＣ  ２１２の半分のレートで実行することができ、従って、電力消費量を潜在的に低減することができる。
【００５１】
デジタル信号処理回路
図９は、実施形態による、ＲＸ回路１０６のデジタル処理ブロック２１４のブロック図である。図９のデジタル処理ブロック２１４は、ＡＤＣ  ２１２から信号サンプルを受信し、信号サンプルを処理し、画像形成処理のためのデータを提供する信号処理回路として構成される。信号処理は、これらに限定されないが、データ低減、データ圧縮および／またはダウンサンプリングのための処理、様々な物理的および回路効果の補償のための処理、選択された形式へのデータの変換のためおよび／または選択されたデータポート上の送信のための処理、ならびに／あるいは、異なる励振を説明するためおよび／またはあるタイプの励振から別のタイプに変換するための処理を含み得る。
【００５２】
図９に示されるように、信号処理回路は、抽出範囲スワスブロック９１０、直交復調ブロック９１２、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）として示されるフィルタブロック９１４、ダウンサンプリングブロック９１６、メモリ９２０、時間領域信号調節ブロック９２２、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）ブロック９２４、周波数領域信号調節ブロック９２６、集計エレベーションチャネルブロック９３０、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）ブロック９３２を含む。信号処理チェーンの出力は、フーリエリサンプリング画像形成プロセッサ９４０および／または逆投影画像形成プロセッサ９４２などの１つまたは複数の画像形成プロセッサ（ＩＦＰ）に供給することができる。以下で論じられるように、抽出範囲スワスブロック９１０は、ＡＤＣ  ２１２からのデータの適切なストリーミングによって実装することができる。以下でさらに論じられるように、メモリ９２０は、信号処理回路のいかなるポイントにも位置し得る。
【００５３】
図９の信号処理回路は、単一の超音波トランスデューサ要素または超音波トランスデューサ要素のグループからＡＤＣ  ２１２を介して受信された信号を処理する。従って、信号処理チェーンの少なくとも一部分は、各超音波トランスデューサ要素または超音波トランスデューサ要素のグループに対して繰り返される。以下で論じられるように、いくつかの実施形態では、信号処理チェーンの一部分は、低減されたチャネル数を利用し、時分割多重化方式でいくつかのチャネルに対する信号を処理する。低減されたチャネル数を信号処理に利用することにより、各超音波トランスデューサ要素または超音波トランスデューサ要素のグループに対して１つの信号処理チャネルを利用する構成と比べて、チップエリアおよび電力消費量を低減することができる。単なる例示として、超音波トランスデューサアレイは、１０００の超音波トランスデューサ要素を含み得、それにより、１０００の信号処理チャネルが必要とされる。いくつかの実施形態では、メモリ９２０の前の処理チャネルの数と比べて、メモリ９２０に続く処理チャネルの数が低減される。例えば、メモリ９２０に続いて４、８または１６のチャネルを使用することができるが、アーキテクチャはチャネル数に関して制限されない。示されるように、メモリ９２０は、時分割多重化を介して効果的なレート変更を行うために、信号処理回路のいかなるポイントにも位置し得る。
【００５４】
図９の信号処理回路は、特定の超音波システムの要件に応じて、いくつかのブロックが迂回または省略される各種の構成を有し得る。例えば、直交復調ブロック９１２、フィルタブロック９１４およびダウンサンプリングブロック９１６は、データ低減を実行し、データ低減が必要とされないシステムでは、迂回または省略することができる。集計エレベーションチャネルブロック９３０は、チャネル集計が画像形成プロセッサによって実行されるシステムでは、迂回または省略することができる。ＩＦＦＴブロック９３２は、画像形成プロセッサが周波数領域データに基づいて動作するシステムでは、迂回または省略することができる。いくつかの実施形態では、ＦＦＴブロック９２４および周波数領域信号調節ブロック９２６は、迂回または省略することができる。他の実施形態では、時間領域信号調節ブロック９２２は、迂回または省略することができる。
【００５５】
抽出範囲スワスブロック
抽出範囲スワスブロック９１０は、画像に貢献する入力サンプルを選択し、画像に貢献しない入力サンプルを処分する。画素が開口に対する所定の範囲および場所を有し、所定のパルス長を有する波形が使用される画像を処理するため、所定の受信機／励振の組合せに対して画像画素に貢献する時間サンプルセットがある。このセット外の時間サンプルは処分することができる。いくつかの実施形態では、抽出範囲スワスブロック９１０は、ＡＤＣ  ２１２からのデータのストリーミングによって実装することができ、データの選択範囲は、データがデジタル化されるおよび／または信号処理回路に注入される開始および終了時刻によって定義される。
【００５６】
受信スワスの貢献部分の抽出は、データ転送要件（オンボードで行われる際）、データ格納要件（メモリへのまたはディスクへの書き込みにかかわらず）および処理負担を低減することができる。これは、データ低減の重要性に応じて、様々なコンパクト度に対して行うことができる。基本的な実装形態は、すべての受信機およびすべての励振にわたる一定の開始時刻を有するすべての受信機およびすべての励振にわたる一定の時間範囲を含む。他の実装形態は、各受信機および各励振に対する別々の開始時刻および時間範囲を使用することができる。データ転送の後、データは、処理に必要とされるどのような形式でも整列および配列される。
【００５７】
通常、システムが送信している間またはその直後には、ゼロではない受信Ａ／Ｄサンプルが存在し、受信機保護回路またはスイッチングがあるにもかかわらず、飽和または他の非線形性から生じる高度に歪んだＡ／Ｄ値をもたらす。これらのサンプルは、使用可能な画像に貢献せず、画像における多くの問題およびアーチファクトを生じさせ、それにより、一般に、基本的な診断を行うことがより難しくなる。いかなる種類の逆畳み込みまたは他の時間周波数領域処理（単に処理帯域に切り捨てる場合が多い）を実行する際も、延長された時間領域のエネルギーは、画像全体を汚染し得る。これらのサンプルのエネルギーは受信チャネル全体のエネルギーの大半を占めるため、これらのサンプルが存在するスペクトルを推定する（診断または較正のため）ことは問題となり得る。
【００５８】
これらのサンプルは、前処理の間に処分することができる。この非線形部分が終了する近似インデックスは、相対遅延情報および波形のパルス長を使用して決定することができる。追加のバッファは、非線形サンプルがすべて識別されたことを確信するために使用することができる。このプロセスは、近い範囲で処分される画像の量を最小化するために、チャネルおよび励振にわたって独立して実行することができる。
【００５９】
プリプロセッサへの入力におけるデータは、実数または複素数であり得、暗黙キャリア周波数を既に有し得る。キャリア調整、ローパスフィルタリングおよびダウンサンプリングを組み合わせたステップは、データが複素数であること、過度にオーバーサンプリングされていないこと、および、画像形成プロセッサに対する所望のキャリア周波数を有することを保証する。既存のキャリア周波数は、「デフォルト」のものであり得、所望の処理帯域の実際の中心ではない場合がある。
【００６０】
データ低減
図１０は、図９の直交復調（ＱＤＭ）ブロック９１２、フィルタブロック９１４およびダウンサンプリングブロック９１６の例のブロック図である。図１０は、複素数入力信号ｘ［ｎ］の虚数（Ｉ［ｎ］）および直交（Ｑ［ｎ］）部分に対する２つの別々のデータストリームとして直交復調ブロック９１２を実装できることを示す。ＱＤＭブロック９１２は、数値制御発振器、または、ｃｏｓ（２πｆｃｔ）およびｓｉｎ（２πｆｃｔ）の生成に使用できる他の任意の適切なコンポーネントを含み、中心周波数ｆｃは、特定の量の復調を提供するように選択される。復調は、０Ｈｚが中心になるようにまたはフィルタリングのために何らかの所望の周波数範囲内に来るように信号を位相変調することができる。いくつかの実施形態では、ｆｃを、アレイ１０２で使用されるトランスデューサの対象の周波数と一致させることが望ましい場合がある。ＱＤＭブロック９１２からの虚数および直交データストリームは、出力の前に、フィルタブロック９１４およびダウンサンプリングブロック９１６によってさらに処理される。フィルタブロック９１４は、ローパスフィルタリング（ＬＰＦ）を実行するものとして示されている。しかし、バンドパスフィルタリング（ＢＰＦ）やハイパスフィルタリング（ＨＰＦ）などの他のタイプのフィルタリングをフィルタブロック９１４で代わりに使用できることを理解すべきである。
【００６１】
本開示のいくつかの実施形態では、カスケード積分コム（ＣＩＣ）フィルタアーキテクチャを使用して、フィルタリング（例えば、フィルタブロック９１４の場合）およびデシメーション（例えば、ダウンサンプリングブロック９１６の場合）を実行することができる。例えば、そのようなＣＩＣフィルタアーキテクチャは、正確な遅延時間インデックスを使用して範囲値を正確に計算するために使用することができる。ＣＩＣフィルタは、ローパスフィルタとしての多数（Ｎ）の段および動作を含む一方で、出力データストリームｙ［ｎ］を生成するために入力データストリームｘ［ｎ］を間引く。段の数を増加すると、通過帯域のドループは増大するが、段の数を増加すると、画像除去は改善される。いくつかの実装形態では、通過帯域ドループは、ＣＩＣフィルタがデータに適用された後に適用される補償フィルタを使用して、少なくとも部分的に対処することができる。
【００６２】
図１０の回路は、デジタル処理回路で実装される６つの処理段を含む。いかなる数のデジタル処理段も含めることができ、図１０に示される６つの段の実装形態は単なる例示のために提供されることを理解すべきである。それに加えて、超音波撮像デバイスのいくつかの動作モードは、特定の適用に対する異なる量および／またはタイプの圧縮（非圧縮を含む）を提供するために、図１０で説明されるデジタル信号処理機能のいくつか（ただし、すべてではない）を採用することができる。デジタル信号処理コンポーネントのモード選択および後続の起動／停止は、適切ないかなる技法も使用して達成することができる。
【００６３】
図１０に示されるように、受信デジタル信号ｘ［ｎ］は、最初に、ＱＤＭブロック９１２によって処理され、ＱＤＭブロック９１２は、対の乗算器回路１０２０、１０２２、正弦波ジェネレータ１０２４および位相シフタ要素１０２６を含む。ＱＤＭブロック９１２の出力は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）として実装されるフィルタブロック９１４に送られる。図１０の示されるアーキテクチャでは、ＬＰＦ  ９１４は、積分段１０１２ａおよびコム段１０１２ｂを含むカスケード積分コム（ＣＩＣ）フィルタの一部分として示されている。ＬＰＦ  ９１４に対して適切ないかなるローパスフィルタも使用できるが、好ましくは、ＬＰＦ  ９１４は、ダウンサンプリングブロック９１６によって提供されるダウンサンプリングの前に、ＱＤＭブロック９１２の乗算演算から高周波数画像を除去し、信号のアンチエイリアシングを行えるほど十分なものであるべきであることを理解すべきである。
【００６４】
図１０の示されるアーキテクチャでは、ＱＤＭブロック９１２の出力は、ＣＩＣフィルタの積分段１０１２ａに提供される。示されるように、積分段６１２ａは、遅延要素１０３０および加算要素１０３２を含む。積分段１０１２ａの出力は、ダウンサンプリングブロック９１６に送られ、ダウンサンプリングブロック９１６は、ダウンサンプリング回路１０４０を使用して、受信デジタル信号をＭ倍でダウンサンプリングする。これらに限定されないが、Ｍ＝２、４、６、８、１６、２４、３２、４８または６４でのダウンサンプリングを含む、適切ないかなる量のダウンサンプリング（Ｍ）も使用することができる。Ｍ＝４のダウン変換は、入力されたデータの半分の量を生成する（１／４のサンプルレートだが、２倍のデータチャネル数）。
【００６５】
ダウンサンプリングブロック９１６の出力は、ＣＩＣフィルタのコム段１０１２ｂに送られる。示されるように、コム段１０１２ｂは、遅延要素１０５０および減算要素１０５２を含む。コム段１０１２ｂの出力は、再量子化回路１０１６に送られ、再量子化回路１０１６では、再量子化回路１０６０を使用してデジタル信号の再量子化が実行される。再量子化回路１０１６の出力は、算術論理演算ユニット（ＡＬＵ）１０１８に送られ、算術論理演算ユニット（ＡＬＵ）１０１８は、追加の演算処理を提供する。
【００６６】
メモリ
再び図９を参照すると、メモリ９２０は、受信信号サンプルが抽出範囲スワスブロック９１０、直交復調ブロック９１２、ローパスフィルタ９１４およびダウンサンプリングブロック９１６によって処理された後に、信号サンプルを格納する。メモリ９２０に格納された信号サンプルは、時間によってインデックスが設けられる。信号サンプルは、時間領域信号調節ブロック９２２が必要とする際に、メモリ９２０から読み取られる。以下で論じられるように、メモリ９２０に続く処理は、いくつかの入力チャネル上で動作することができる。それに従って、信号サンプルは、超音波トランスデューサアレイから受信次第および初期の処理の後で、メモリ９２０に書き込まれる。信号サンプルは、メモリ９２０に続く処理ブロックが必要とする際に、メモリ９２０から読み取られる。
【００６７】
メモリは、いかなる対のブロック間またはサブブロック（ブロック内のブロック）間でも提供することができる。処理回路のいかなるポイントでも、メモリブロックは、ストリーミング処理レートの低減を促進することができ、従って、処理に必要とされる並列リソースの数を低減することができ、例えば、同時に処理されている１１５２のチャネルをメモリに保存し、次いで、メモリの後、ストリーミング処理が一度に単に４つのチャネルからなるようにすることができる。ストリーミングレートを低減する理由の１つは、例えば、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、Firewire、小振幅差動信号伝送（ＬＶＤＳ）、Thunderboltまたは他のものなどのデータレートインタフェースを一致させることによって、速度とリソースとの間の関係を最適化するためである。
【００６８】
時間領域信号調節
図９に示される時間領域信号調節ブロック９２２は、時間領域における信号サンプルの信号調節を実行する。信号調節は、様々な効果を補償するための時間領域信号の重み付けを伴い得る。重み付けは、重み関数またはマスクを使用して実行することができる。重み関数は、送信事象などの参照時間に続く時間の範囲に対応する係数または重み値を含み得る。従って、例えば、信号サンプルは、参照時間後の時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２、…ｔｎにおけるサンプルを含み得、重み関数は、参照時間後の各信号サンプルに対応する係数または重み値を含み得る。各信号サンプルには対応する係数を乗じて、重み付けされた信号サンプルを提供する。時間領域信号調節ブロック９２２のメモリは、１つまたは複数の重み関数の係数を格納することができる。重み関数は、固定することも、柔軟性を提供するためにホストコンピュータからダウンロードすることもできる。重み関数は、チャネル依存性またはチャネル非依存性であり得る。信号サンプルへの重み値の乗算は、複素数乗算であり得る。
【００６９】
図１１は、図９の時間領域信号調節ブロック９２２の例の概略ブロック図である。図１１の時間領域信号調節ブロック９２２は、複素数乗算器１１１０およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１１２０を含む。複素数乗算器１１１０の各々は、メモリ９２０から信号サンプルを受信し、ＲＡＭ  １１２０から重み値を受信する。複素数乗算器１１１０は、信号サンプルの時間領域重み付けを実行する。重み係数を含む重み関数は、ＲＡＭ  １１２０に格納される。信号サンプルのインデックスに対応する重み係数は、ＲＡＭ  １１２０から読み取られ、信号サンプルが受信されると乗算が実行される。いくつかの実施形態では、ＲＡＭ  １１２０は、補償すべき単一の効果に対応する単一の重み関数を含む。他の実施形態では、重み関数は、補償すべき２つ以上の効果の組合せであり得る。さらなる実施形態では、図１１の信号調節回路は、２回以上繰り返され、複素数乗算器１１１０の各セットによって異なる重み関数が適用される。
【００７０】
図１１の実施形態では、時間領域信号調節ブロック９２２は、４つの複素数乗算器１１１０を含む。しかし、時間領域信号調節ブロック９２２は、例えば、８つの乗算器または１６の乗算器など、並列で動作するいかなる所望の数の乗算器も含み得る。さらに、複素数乗算器１１１０は、信号サンプルが実数値で表されている場合は、従来の乗算器と置き換えることができる。いくつかの実施形態では、信号サンプルは、１２ビット実数値および１２ビット虚数値を含む、２４ビットを含み得る。しかし、いかなるサイズおよびフォーマットの信号サンプルも利用することができる。
【００７１】
受信信号は、所望の特性を有する画像を生成するために、時間および／または範囲にわたって変更する必要がある場合がある。これは、時間または範囲圧縮領域における重み付けを使用して行うことができる。ほぼすべての領域で実行される重み付けは、物理的に関連する現象を説明するために行うことができる。例として、周波数領域における重み、ＴＧＣ（時間利得補償）を説明するための時間依存性重み、および、減衰／「範囲損失」を説明するための範囲依存性重みとして適用される時不変伝達関数が挙げられる。時間領域は、範囲圧縮領域とは区別すべきである。時間にわたって適用される重みおよび範囲にわたって適用される重みは、時間領域データに課された十分に長い波形がある際は、異なるものを意味する。時間領域効果としてより正確に説明される効果（ＴＧＣまたは他の時間依存性受信機利得など）および範囲領域効果としてより正確に説明される効果（組織減衰など）がある。
【００７２】
正確なプリプロセッサ（または前進演算子、処理がどのモードを使用／定義しているかに依存する）は、２つの間で起こる波形およびシステム伝達関数適用／除去で、時間および範囲領域重みの適用／除去を分離する。範囲および／または時間における急激な移行は、拡張された波形が存在する際はこれらは物理的に異なるものを意味するため、ならびに、急激な勾配および移行はスペクトルの形状に影響を及ぼすため（データ自体を使用して逆畳み込みを行う際に関連する、すなわち、範囲／時間領域のランプが時間スペクトルにおける導関数である）、慎重に適用する必要がある。状況、パラメータまたは所望の画質により時間および範囲重みを別々に適用することが決定された際は、真の範囲処理を使用することができる。
【００７３】
時間領域重み付けとは別々に「真の範囲重み付け」を実行するため、前処理チェーンの残りの形態および出力前処理済みデータ領域の定義に応じて、追加のＦＦＴが必要とされる場合がある。このことを行うための潜在的な組合せのすべてを説明するための多くの方法がある。最も演算効率の高い前処理の１つは、高速時間および範囲重み付けを組み合わせて、時間に沿って適用される単一のセットの重みにする。重みを組み合わせる際は、範囲依存性重みを時間領域に移動させる。
【００７４】
出力をシフトするＦＦＴがＦＦＴの後で望まれる（時間領域重み付けの後の前処理ブロック）場合は、それは、ＦＦＴの前に時間に沿って乗算することによって遂行できることに留意されたい。これを遂行するための線形位相ランプは、前処理の間の追加の演算コストなしで、事前に演算された時間領域重み付けに吸収させることができる。
【００７５】
時間領域重み付けがチャネル依存性であるかまたはチャネル非依存性であるかにかかわらず、分散（周波数依存性）時間領域重み付け（または「真の範囲重み付け」）を実行することが望ましい場合がある。これは、多項式展開または他の基底展開およびマルチレートフィルタバンクによるものを含む、いくつかの方法で行うことができる。
【００７６】
時間領域重み付けの最も基本的な事例は、チャネル非依存性（受信機および励振非依存性）重み付けである。時間にわたって適用される唯一の重み付けがチャネル非依存性である際は、メモリの保存およびインデキシングの単純化が存在し得る。他の形態の時間領域重み付け（受信機依存性、励振依存性またはチャネル依存性）が使用される際は、このチャネル非依存性重みは、他の時間領域重み付けに吸収させることができる。チャネル非依存性時間領域重みの例は、（１）上記で論じられるようなキャリア周波数調整、（２）時間において適用されるとＦＦＴの後でＦＦＴが時間周波数領域をシフトする線形位相、ならびに、（３）いくつかの事例ではあらゆる受信機およびあらゆる励振に対して同じである時間利得補償（ＴＧＣ）プロファイルを含む。
【００７７】
時間の関数であるが、励振の関数ではない、受信機依存性高速時間領域重みがあり得る。その例は、個別に補償する必要があるほど受信機ごとに十分に異なるＴＧＣプロファイルである（これは、依然として、ＴＧＣ設定／パラメータがあらゆる受信機に対して同じである場合の事例でもあり得る。これは、増幅器利得の変化が非常に大きいためにそれらを別々に扱う必要がある場合に可能である）。
【００７８】
励振依存性高速時間領域重みを適用する必要があり得る。これは、すべての励振にわたって信号を最良に量子化するために異なるＴＧＣ設定が意図的に使用されるほど励振が十分に異なる際の事例であり得る。
【００７９】
範囲依存性重みが時間領域重みと組み合わされるというようなシナリオである際に、励振依存性の過度の時間遅延があれば、時間／範囲ラインナップは励振ごとに変化する。励振にわたって同じ時間／範囲関係を維持するための方法の１つは、開口の中心（ＦＦＴ中心であり、平均ではない）において同じ遅延を有することである。
【００８０】
チャネル依存性時間領域重みは、前処理チェーン内で適用することができる。また、受信機依存性時間領域重みのセットおよび励振依存性時間領域重みのセットを有することも可能であり、これにより、これらを組み合わせて単一のセットのチャネル依存性重みにするメモリ格納と、これらを組み合わせて２つの別々のセットのより複雑なインデキシングを伴う乗算にするメモリ格納との間のトレードオフが生じる。
【００８１】
関連性の主要な真の時間依存性重み付けは、時間利得補償（ＴＧＣ）である。時間領域重みに吸収させることができる／時間領域重みと組み合わせることができる特定の範囲依存性重みについては以下で論じる。ＴＧＣプロファイルおよびその補正重み付け（通常、プロファイルの逆数であり、恐らくは何らかの正則化を伴う）は、特定のセンサの各々からの狭帯域情報として提供すべきである。
【００８２】
高速フーリエ変換ブロック
図９のＦＦＴブロック９２４の例の概略ブロック図は、図１２に示されている。図１２のＦＦＴブロック９２４は、ＦＦＴユニット１２１０、データセレクタ１２２０およびゼロスタッフ論理１２３０を含む。ＦＦＴブロック９２４は、時間領域信号調節ブロック９２２による重み付けの後に信号サンプルを受信し、信号サンプルの高速フーリエ変換処理を実行する。データセレクタ１２２０は、ゼロスタッフ論理１２３０からの制御信号に従って、ＦＦＴユニット１２１０に提供される信号サンプルまたはゼロの値を選択する。データセレクタ１２２０は、事実上、入力信号サンプルのゼロパディングを提供する。いくつかの実施形態では、データセレクタ１２２０は、各チャネルにおけるゼロパディングの個々の制御を提供するために、ＦＦＴユニット１２１０の各々に対する別々のデータセレクタとして構成することができる。
【００８３】
いくつかの実施形態では、ＦＦＴユニット１２１０は、１０２４ポイント可変ストリーミングＦＦＴユニットであり得る。しかし、他のＦＦＴユニットを利用することもできる。図１２の例では、信号サンプルは、１２ビット実数値および１２ビット虚数値を含む、２４ビットであり得る。ＦＦＴユニット１２１０は、時間領域信号を周波数領域値に変換し、それは、図１２の例では、１６ビットを有する。しかし、いかなる数のビットおよび実数または複素数信号サンプルも利用することができる。
【００８４】
図９のＦＦＴブロック９２４は、ゼロパディング、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）および所望の処理帯域への切り捨てを含む。データは、より大きな既定のサイズのゼロで満たされたアレイのＦＦＴ中心に、トリミングされた時間領域データを置くことによってゼロパディングされる。トリミングされたアレイに対するゼロパディングの量／より大きなアレイのサイズは、以下で論じられるようないくつかの因子に依存する。
【００８５】
因子の１つは、時間領域波形の長さであり、他のすべてのシステムの時間領域インパルス応答は、「整合フィルタリング」を介してデータへの畳み込み／データからの除去が行われる（真の整合フィルタはオリジナルの信号と同じ畳み込み長を有する）。これは、前方散乱および前方散乱の随伴モードで前処理チェーンを使用する際に関連する。
【００８６】
別の因子は、「逆」および「逆」の随伴モードでデータを処理する際の時間領域不整合フィルタの長さである。ここでは、「不整合フィルタ」という用語は、整合フィルタではない参照信号を意味する。特定の使用のものである不整合フィルタ生成技法は、単に、信号のスペクトルの正則化された逆畳み込みによって生成された信号である。不整合フィルタのお粗末な選択は適切な波形の除去を行わないが、有用な不整合フィルタは、整合フィルタ以上の効果的な長さを有する可能性が高い。いくつかの事例では、望まない信号を容易に除去できるように、長さを拡張して、望まない信号を引き離すことができる。前方／随伴処理に対して畳み込みが行われた信号の長さと、「逆」／「逆」の随伴処理に対して畳み込みが行われた信号の長さとの間には、別々のチェーンがより効率的でより適切であるほど十分に大きな差があり得る。
【００８７】
不整合フィルタの長さを意図的に非常に長くしている際は、不整合フィルタによってプッシュされた望まない信号を除去するため、および、最終的な前処理済みの複素数散乱関数に対するすべてのモード間の時間周波数グリッド（周波数の数、間隔、開始周波数）を等しくするために、追加のＦＦＴの対およびパディング／切り捨て／範囲における重みを追加することが適切であり得る。
【００８８】
前方および随伴モードに対するこれらの同じＦＦＴサイズや追加のＦＦＴ対も使用する単一のブランチが可能であるが、同じＦＦＴサイズおよび追加のＦＦＴ対を「逆」に対して使用することは実施されない。「良いＦＦＴサイズ」の使用により、ＦＦＴの速度に大きな違いが生じ、従って、他のすべてのサイズ変更情報を考慮した後、次に大きい「良いＦＦＴサイズ」が通常使用される。
【００８９】
ＦＦＴの効果の１つは、表される周波数におけるシフトである。このリマッピングは、データがＤＦＴ（離散フーリエ変換）／ＦＦＴに入る際およびデータがＤＦＴ（離散フーリエ変換）／ＦＦＴから出る際に使用されるクワドラントスワップ／「ＦＦＴシフト」と見なされる場合が多い。ＦＦＴシフトでの単なるメモリの移動は、待ち時間ペナルティを招く場合が多いが、アルゴリズムは、ＦＦＴシフトペナルティを除去するために「効率化する」ことができる。ＦＦＴシフトは、ゼロではないデータをゼロパディングされたアレイに挿入する間、または、処理が起こる１−Ｄバッファからデータを取り出す際に、実行することができる。
【００９０】
ＦＦＴシフトを間接的に実行するための別の方法は、線形位相ランプを乗じることによるものである（ＦＦＴへの入力上で乗じられる線形位相ランプは、出力のＦＦＴシフトをもたらし、ＦＦＴの出力上で乗じられる線形位相ランプは、ＦＦＴシフトを入力に適用するものと同じ効果をもたらす）。これを実行する線形位相ランプは、単純なものである（長さが４で割り切れる際は、両側において±１であり、長さが２でのみ割り切れる際は、異なる側において
【数１】
0006692804.tif 000002
である）。４では均等に割り切れないかなりの長さの本物の「良いＦＦＴサイズ」は多くはないと考える際は、これらの線形位相ランプは、ＦＦＴの両側において、高速時間または時間周波数サンプルにわたって単に±１である。
【００９１】
これらの線形位相ランプを時間領域乗算および周波数領域乗算と組み合わせることにより、ＦＦＴへのＦＦＴシフトインおよびＦＦＴからのＦＦＴシフトアウトは、組み合わされた重みの初期の演算の後に、追加の演算負担なしで実行することができる。
【００９２】
ＦＦＴの後、スペクトルは、画像に貢献するように選択された処理帯域の部分にトリミングされる。これは、画質要件から選択することができる。
【００９３】
周波数領域信号調節
図９の周波数領域信号調節ブロック９２６の例の概略ブロック図は、図１３に示されている。周波数領域信号調節ブロック９２６は、信号サンプルに対応する周波数領域値を受信し、周波数領域における信号調節を実行する。具体的には、周波数領域信号調節ブロック９２６は、１つまたは複数の効果を補償するために、周波数領域値の重み付けを実行し、重み付けされた周波数領域値を提供する。
【００９４】
図１３を参照すると、周波数領域信号調節ブロック９２６は、数値制御発振器（ＮＣＯ１〜ＮＣＯ４）１３１０、ＲＡＭ  １３２０、複素数乗算器１３３０、１３３２および１３３４、ならびに、ＲＡＭ  １３４０を含む。ＲＡＭ  １３２０は、初期の位相情報をＮＣＯ  １３１０に提供する。ＮＣＯ  １３１０の出力は、複素数乗算器１３３０の各々の１つの入力にそれぞれ提供され、アポディゼーション値は、ＲＡＭ  １３２０から複素数乗算器１３３０の第２の入力に提供される。複素数乗算器１３３０の出力は、複素数乗算器１３３２の各々の１つの入力にそれぞれ提供される。ＲＡＭ  １３４０は、複素数乗算器１３３２の第２の入力に重み値または係数を提供する。複素数乗算器１３３２の出力は、複素数乗算器１３３４の各々の１つの入力にそれぞれ提供され、ＦＦＴブロック９２４からの入力は、複素数乗算器１３３４の各々の第２の入力に提供される。複素数乗算器１３３４の出力は、ＲＡＭ  １３４０に含まれる１つまたは複数の重み関数に従って調節されている重み付けされた周波数領域値である。
【００９５】
ＲＡＭ  １３２０は、チャネル非依存性またはチャネル依存性乗算を適応させるためにサイズ変更することができる。その上、実装形態は、受信機トランスデューサ場所（例えば、アレイ行チャネル依存性および列チャネル非依存性あるいはその逆）に依存し得る。ここでは、ＮＣＯは、乗算のための単一の周波数を生成しており、それは、関連時間領域信号（逆ＦＦＴ後の信号）における遅延を与える効果を有する。第１の乗算は、遅延およびアポディゼーションを与えるための方法である。
【００９６】
周波数領域前処理および重み付けは、データ上の処理の大部分を実行し、画質に対する最も大きな影響を有する。これは、１つ１つのすべての伝達関数が組み合わされ、説明されるところであり、動き補償／位相調整を実行できるところである。
【００９７】
高速時間ＦＦＴの前に入力をシフトするＦＦＴが望まれる場合は（時間周波数領域重み付けの前の前処理ブロック）、それは、ＦＦＴ後の時間周波数に沿った乗算によって遂行することができる。これを遂行するための線形位相ランプは、前処理の間、追加の演算コストもなく、事前に演算された時間周波数重み付けのいずれかに吸収させることができる。
【００９８】
チャネル非依存性および受信機／励振／チャネル依存性重み付けを組み合わせるための多くのオプションおよび組合せがある。基本的な形態についてはここで論じ、特定の選択は特定のシナリオに委ねられる。
【００９９】
チャネル非依存性周波数領域重み付けは、いくつかの効果、すなわち、（１）単に非平坦波形ジェネレータ／伝達関数の組合せでシステムが生成したどのようなものも使用することよりむしろ、画像における特定のサイドローブ構造を強いるために選択される、時間周波数線形開口重み付け、（２）すべてのチャネルにわたって適用される一定の「マスタ波形」、および、（３）共通のトランスデューサ伝達関数を説明するために望ましい場合がある。
【０１００】
ほとんどの事例では、前処理内で適用する必要がある少なくとも１つの受信機／励振／チャネル依存性周波数領域重み付けがあり、チャネル非依存性周波数領域重み付けはそこに吸収させることができる。可能な例外の１つは、受信機／励振／チャネル依存性周波数領域重み付けが位相限定である際であり得、位相は、低次多項式によって説明される（線形位相での動き補償または他の二次位相関数での位相調整など）。この事例では、位相限定関数は、オンザフライで効率的に演算することができ、チャネル非依存性重みは、別々の乗算ステップとして適用される。これはより多くの全乗算を招くが、事前に演算された重み（特に、完全なチャネル依存性重み）を格納するために使用される大量のメモリを保存することになる。
【０１０１】
受信機依存性周波数領域重み付けは有用であり得る。これは、組み合わされた送信機／トランスデューサ／受信機の各々の伝達関数がそれらを別々に説明することを保証できるほど十分に異なる場合の事例であろう。
【０１０２】
励振依存性周波数領域重み付けは、受信機非依存性であるデータに適用することができる。関連する例は、平面波励振に対するものであり、平面波角度の関数である中間受信機における位相基準に対するオフセット遅延がある場合が多い。これは時間領域補間または完全なチャネル依存性周波数領域重み付けに吸収させることができるが、重みの完全なセットのためのメモリ格納の量は、励振依存性重み付けを魅力的なものにすることができる。
【０１０３】
また、チャネル依存性周波数領域重み付けも利用することができる。最も一般的な重み付けは、データのあらゆるチャネル上で潜在的に異なるものであり、チャネルは、独自の受信機／励振の組合せである。いかなるチャネル非依存性重み付けも、チャネル依存性、受信機依存性または励振依存性重み付けに吸収させることができる。
【０１０４】
受信機依存性重み付けおよび励振依存性重み付けを使用する際は、両方の重み付けを単一のチャネル依存性重み付けに吸収させるために必要な追加の格納と、２つの別々の乗算を伴うより少ない格納の使用との間のトレードオフがあり得る。
【０１０５】
周波数非依存性、時間／範囲非依存性だが、チャネル依存性の重み付けを提供する必要があり得る。この重み付けの最も共通のタイプは、受信機ごとに異なるが、励振にわたって一定であるスカラ利得である。これらの重みは、最も少ない数の係数を有する可能性が高いが（高速時間Ａ／Ｄサンプルが受信機の数よりも圧倒的に多いため）、あらゆる複素数乗算が高価であれば、これらのタイプの重みは、最も適切などのような方法ででも他のチャネル依存性重みに吸収させることができる（どちらが同じ受信機／励振／チャネル依存性を有する対応する重みセットを有するかに応じて、高速時間においてまたは周波数に沿って）。前処理内のどこにも受信機／励振／チャネル依存性補正がない場合は、別々の乗算段階を有することと、これらの高速時間／周波数非依存性重みを吸収できる完全なチャネル依存性重みの格納との間のトレードオフを行うことができる。
【０１０６】
真の範囲処理は、他の重み付けとは別々に実行することができる。特に長い波形で、高速時間および範囲領域の物理的プロセスをより良く模倣するために、波形適用／除去の前後に重みを適用することが望ましいシナリオがあり得る。これらを別々にするか、それらを高速時間重みにひとまとめにするかの選択は、特定のシナリオおよび制約に依存する。
【０１０７】
局所的な音響エネルギーが組織中を伝播する際の局所的な音響エネルギーの低減は重要であり得る。画像を平滑化するために、推定範囲依存性プロファイルで生のデータを重み付けしないことが望ましい場合がある。近似範囲減衰を補償することは有用であり得る。具体的には、多くの２−Ｄ画像定式化は、無限のラインソースおよび無限のライントランスデューサ要素を想定し、それにより、円筒状の波の減衰が生じる。これらの定式化の多くは、実際は、生データに正しい円筒状の波の挙動を強いる（前方の意味で使用される際のことであり、「逆」の意味で使用される際は正確に除去される）。しかし、実際のトランスデューサはむしろポイントソースのように挙動し、ボリュームは点散乱体から構成されるため、基本的な伝播損失を説明するには、球面波がより適切である。
【０１０８】
組織中の信号減衰特性は、一般には、あらかじめ分かっているわけではない。しかし、推定パラメータを用いる均一プロセスとしての減衰の近似は、ダウンレンジの関数として画像明度を平滑化する上で役立てることができる。想定された均一減衰パラメータを用いても、減衰は、多項式展開もしくは他の基底展開、マルチレートを通じてまたは他の手段によって、周波数の関数として強いられる／除去されるべきである。これが演算的に負担がかかり過ぎるものであれば、単一の周波数におけるパラメータを使用して近似させることができる。
【０１０９】
集計エレベーションチャネル
図９の集計エレベーションチャネルブロック９３０の例の概略ブロック図は、図１４に示されている。集計エレベーションチャネルブロック９３０は、周波数領域のエレベーションチャネルデータを集計することを実行する。他の実施形態では、エレベーションチャネルデータの集計は、画像形成プロセッサによって実行することができる。
【０１１０】
図１４を参照すると、集計エレベーションチャネルブロック９３０は、レジスタ１４１０、データセレクタ１４１２、集計ユニット１４２０、１４２２、１４２４、１４２６、データセレクタ１４３０、１４３２、ＲＡＭ  １４４０、１４４２、データセレクタ１４５０、１４５２、および、ＯＲ回路１４６０を含む。重み付けされた周波数領域値は、レジスタ１４１０およびデータセレクタ１４１２を介して集計ユニット１４２０および１４２２に提供され、集計ユニット１４２０および１４２２では、重み付けされた周波数領域値は、異なるエレベーションチャネルを表す。集計ユニット１４２０および１４２２の出力は、集計ユニット１４２４および１４２６の各々の１つの入力にそれぞれ提供される。ＲＡＭ  １４４０および１４４２は、データセレクタ１４３０および１４３２を介して、追加のチャネルに対する周波数領域値を集計ユニット１４２４および１４２６の第２の入力にそれぞれ提供する。集計ユニット１４２４および１４２６の出力は、データセレクタ１４５０および１４５２によって、ＲＡＭ  １４４０および１４４２にそれぞれルーティングされるか、または、集計エレベーションチャネルブロックの出力のためにＯＲ回路１４６０にルーティングされる。集計エレベーションチャネルブロック９３０は、チャネルの構成可能な集計を提供する。
【０１１１】
いくつかのシナリオでは、周波数領域重み付けの後、時間周波数に沿ったデータのフィルタリングおよびリサンプリングが必要であり得る。これは、ローパスフィルタリング／ダウンサンプリング／リサンプリングによって、または、中間の別の重み付けを伴うＦＦＴ対によって、行うことができる。この一般的な形態は、様々な処理オプションを考慮する際に心に留めておくことができる。
【０１１２】
範囲圧縮領域のデータは、プリプロセッサの必要な出力／画像形成への入力（例えば、逆投影）であり得る。領域選択にかかわらず、標準化データポートは、そのポートが明示的に所定のプリプロセッサ／ＩＦＰ処理チェーンに沿ったウェイポイントであるかどうかにかかわらず、処理チェーンに沿って確立することができる。範囲圧縮データポートに達するため、周波数領域重み付けの後に別のＦＦＴ（高速時間に沿ってＦＦＴが行われた場合はＩＦＦＴ）が実行される。図９のＩＦＦＴ  ９３２は、集計エレベーションチャネルブロック９３０によって、または、集計エレベーションチャネルブロック９３０が利用されていない場合は周波数領域信号調節ブロック９２６によって、周波数領域データ出力を画像形成処理のための時間領域に変換するために使用することができる。これは、再構築のためにサンプリングされていない範囲圧縮データに基づいて動作するためにある程度のゼロパディングを有し得る。
【０１１３】
言及されるように、プリプロセッサの出力は、画像形成プロセッサ（ＩＦＰ）によって取り込まれる予定のデータである。好ましくは、画像形成プロセッサへのこの入力は、時間周波数と受信機チャネル領域における複素数散乱関数の形態であるべきであるが、これが唯一のオプションではない。範囲圧縮領域における画像形成プロセッサの入力を有するブランチは、逆投影などの再構築に有用である。
【０１１４】
チャネル構成
信号処理アーキテクチャのチャネル構成の例の概略ブロック図は、図１５に示されている。図１５の例では、いくつかの入力チャネル１５１０（チャネル０、チャネル１…チャネルＭを含む）を組み合わせて単一の出力チャネル１５２０にする。入力チャネル１５１０によって出力された信号サンプルは、チャネルメモリ１５３０に書き込まれる。具体的には、チャネル０によって出力された信号サンプルはチャネル０メモリに書き込まれ、チャネル１によって出力された信号サンプルはチャネル１メモリに書き込まれ、…、チャネルＭによって出力された信号サンプルはチャネルＭメモリに書き込まれる。信号サンプル値は、出力チャネル１５２０による処理の必要に応じて、チャネルメモリ１５３０から読み取られる。
【０１１５】
図１５の例では、各入力チャネル１５１０は、抽出範囲スワスブロック９１０、直交復調ブロック９１２、ＬＰＦ  ９１４およびダウンサンプリングブロック９１６を含み得る。出力チャネル１５２０は、時間領域信号調節ブロック９２２、ＦＦＴブロック９２４、周波数領域信号調節ブロック９２６、集計エレベーションチャネルブロック９３０およびＩＦＦＴブロック９３２を含み得、各チャネルメモリ１５３０は、メモリ９２０に相当する。しかし、より多くのまたはより少ない信号処理機能を各入力チャネル１５１０に含めることができ、同様に、より多くのまたはより少ない信号処理機能を出力チャネル１５２０に含めることができる。
【０１１６】
デジタル信号処理方法
図９の信号処理回路によって実行される方法の例を示すフローチャートは、図１６に示されている。段階１６１０では、信号処理回路は、ＡＤＣ  ２１２から信号サンプルを受信する。段階１６１２では、画像に貢献しない信号サンプルを処分することができる。また、非線形信号サンプルも処分することができる。段階１６１４では、直交復調ブロック９１２によって直交復調が実行され、段階１６１６では、ＬＰＦ  ９１４によってフィルタリングが実行される。段階１６１８では、ダウンサンプリングブロック９１６によってフィルタリングされた信号のダウンサンプリングが実行される。次いで、段階１６２０では、部分的に処理された信号サンプルをメモリ９２０に格納することができる。
【０１１７】
段階１６３０では、メモリ９２０からデータ値が読み取られ、時間領域信号調節ブロック９２２によって時間領域信号調節が実行される。上記で説明されるように、時間領域信号調節は、時間領域信号への１つまたは複数の重み関数の適用を含み得る。段階１６３２では、高速フーリエ変換が信号サンプルに適用され、段階１６３４では、周波数領域信号調節が実行される。上記で説明されるように、周波数領域信号調節は、周波数領域データへの１つまたは複数の周波数領域重み関数の適用を伴う。段階１６３６では、集計エレベーションチャネルブロック９３０によってエレベーションチャネルが集計され、それにより、画像形成処理のために供給されるデータの量が低減される。段階１６３８では、画像形成処理に時間領域信号が必要とされる場合は、逆高速フーリエ変換を調節済み信号サンプルに適用することができる。段階１６４０では、調節済み信号サンプルが画像形成処理に利用される。
【０１１８】
図１６のプロセスでは、任意選択の機能を省略することができる。例えば、画像形成処理の間に集計が実行される場合は、段階１６３６のエレベーションチャネルの集計を省略することができる。別の例では、段階１６４０の画像形成処理が周波数領域データに基づいて動作される際は、段階１６３８の逆高速フーリエ変換を省略することができる。それに加えて、いくつかの応用では、段階１６１４の直交復調、段階１６１６のフィルタリングおよび段階１６１８のダウンサンプリングなどのデータ低減動作を省略することができる。その上、追加のステップを図１６の信号処理方法内に含めることができる。
【０１１９】
本開示に記載される技術のいくつかの態様および実施形態をこうして説明してきたが、様々な改変、変更および改善が当業者に容易に思い当たることを理解されたい。そのような改変、変更および改善は、本明細書で説明される技術の精神および範囲内にあることが意図される。例えば、当業者は、機能を実行するためならびに／あるいは本明細書で説明される結果および／または利点のうちの１つまたは複数を得るための各種の他の手段および／または構造を容易に想像でき、そのような変形および／または変更の各々は、本明細書で説明される実施形態の範囲内であると考えられる。当業者は、定められた通りの実験のみを使用して本明細書で説明される特定の実施形態の多くの均等物を認識するかまたは確認することができる。従って、前述の実施形態は単なる例示として提示されていることや、具体的に説明されるものとして以外に、添付の請求項およびその均等物の範囲内で本発明の実施形態を実践できることを理解されたい。それに加えて、本明細書で説明される２つ以上の特徴、システム、物品、材料、キットおよび／または方法のいかなる組合せも、そのような特徴、システム、物品、材料、キットおよび／または方法が相互に矛盾しない場合は、本開示の範囲内に含まれる。
【０１２０】
上記で説明される実施形態は、多くの方法のいずれかで実装することができる。プロセスまたは方法の実行に関与する本開示の１つまたは複数の態様および実施形態は、デバイス（例えば、コンピュータ、プロセッサまたは他のデバイス）による実行が可能なプログラム命令を利用して、プロセスもしくは方法を実行するかまたはその実行を制御することができる。この点において、様々な発明概念は、１つまたは複数のコンピュータまたは他のプロセッサ上で実行されると、上記で説明される様々な実施形態のうちの１つまたは複数を実装する方法を実行する１つまたは複数のプログラムで符号化された１つのコンピュータ可読記憶媒体（または複数のコンピュータ可読記憶媒体）（例えば、コンピュータメモリ、１つもしくは複数のフロッピーディスク、コンパクトディスク、光ディスク、磁気テープ、フラッシュメモリ、フィールドプログラマブルゲートアレイもしくは他の半導体デバイスの回路構成、または、他の有形コンピュータ記憶媒体）として具体化することができる。１つまたは複数のコンピュータ可読媒体は、上記で説明される態様の様々なものを実装するためにその上に格納された１つまたは複数のプログラムを１つまたは複数の異なるコンピュータまたは他のプロセッサにロードできるように、輸送可能なものであり得る。いくつかの実施形態では、コンピュータ可読媒体は、非一時的な媒体であり得る。
【０１２１】
「プログラム」または「ソフトウェア」という用語は、本明細書では、上記で説明されるような様々な態様を実装するようにコンピュータまたは他のプロセッサをプログラムするために採用できる任意のタイプのコンピュータコードまたはコンピュータ実行可能命令のセットを指すために一般的な意味で使用される。それに加えて、一態様によれば、実行されると本開示の方法を実行する１つまたは複数のコンピュータプログラムは、単一のコンピュータまたはプロセッサに存在する必要はないが、本開示の様々な態様を実装するために、多くの異なるコンピュータまたはプロセッサ間でモジュール方式で分散できることを理解すべきである。
【０１２２】
コンピュータ実行可能命令は、１つまたは複数のコンピュータまたは他のデバイスによって実行されるプログラムモジュールなどの多くの形態のものであり得る。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行するかまたは特定の抽象データタイプを実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。通常、プログラムモジュールの機能は、様々な実施形態における要望通りに組み合わせるかまたは分散させることができる。
【０１２３】
また、データ構造は、任意の適切な形態でコンピュータ可読媒体に格納することができる。説明を簡単にするため、データ構造は、データ構造における場所を通じて関連付けられるフィールドを有するように示すことができる。そのような関係は、フィールド間の関係を伝えるコンピュータ可読媒体における場所をフィールドの格納に割り当てることによって同様に達成することができる。しかし、データ要素間の関係を確立するポインタ、タグまたは他のメカニズムの使用を含めて、任意の適切なメカニズムを使用して、データ構造のフィールドの情報間の関係を確立することができる。
【０１２４】
ソフトウェアで実装される際は、ソフトウェアコードは、単一のコンピュータで提供されるかまたは複数のコンピュータ間で分散されるかにかかわらず、任意の適切なプロセッサまたはプロセッサの集合体上で実行することができる。
【０１２５】
さらに、コンピュータは、非限定的な例として、ラックマウント式コンピュータ、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータまたはタブレットコンピュータなど、多くの形態のいずれかで具体化できることを理解すべきである。それに加えて、コンピュータは、携帯情報端末（ＰＤＡ）、スマートフォンまたは他の任意の適切な携帯もしくは固定電子デバイスを含む、一般的にはコンピュータとは見なされないが適切な処理能力を有するデバイスに埋め込むことができる。
【０１２６】
また、コンピュータは、１つまたは複数の入力および出力デバイスを有し得る。これらのデバイスは、他のものの間で、ユーザインタフェースを提示するために使用することができる。ユーザインタフェースを提供するために使用できる出力デバイスの例は、出力の視覚表現のためのプリンタまたは表示画面や、出力の可聴表現のためのスピーカまたは他の音発生デバイスを含む。ユーザインタフェースのために使用できる入力デバイスの例は、キーボード、マウスなどのポインティングデバイス、タッチパッドおよびデジタル化タブレットを含む。別の例として、コンピュータは、音声認識を通じてまたは他の可聴フォーマットで、入力情報を受信することができる。
【０１２７】
そのようなコンピュータは、ローカルエリアネットワークまたは広域ネットワーク（企業ネットワークなど）およびインテリジェントネットワーク（ＩＮ）またはインターネットを含む、任意の適切な形態の１つまたは複数のネットワークによって相互接続することができる。そのようなネットワークは、任意の適切な技術に基づき得、任意の適切なプロトコルに従って動作することができ、無線ネットワーク、有線ネットワークまたは光ファイバネットワークを含み得る。
【０１２８】
また、説明されるように、いくつかの態様は、１つまたは複数の方法として具体化することができる。方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法で順序付けることができる。それに従って、示される実施形態において順次動作として示される場合であっても、いくつかの動作を同時に実行することを含み得る、示されるものとは異なる順番で動作が実行される実施形態を構築することができる。
【０１２９】
すべての定義は、本明細書で定義され使用される場合は、辞書の定義、参照によって組み込まれる文書の定義および／または定義される用語の一般的な意味を制御するものと理解すべきである。
【０１３０】
「a」および「an」という不定冠詞は、本明細書および請求項で使用される場合は、それとは異なる規定が明確に示されていない限り、「少なくとも１つ」を意味するものと理解すべきである。
【０１３１】
「および／または」という記載は、本明細書および請求項で使用される場合は、そのように結合された要素の「一方または両方」、すなわち、いくつかの事例において連言的に存在する要素および他の事例において選言的に存在する要素を意味するものと理解すべきである。「および／または」と共にリストされる複数の要素は、同じように、すなわち、そのように結合された要素の「１つまたは複数」と解釈すべきである。「および／または」節によって具体的に特定された要素以外の他の要素は、具体的に特定されたそれらの要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、任意選択により存在し得る。従って、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、「含む（comprising）」などの開放言語と併せて使用される際は、一実施形態では、Ａのみ（任意選択によりＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態では、Ｂのみ（任意選択によりＡ以外の要素を含む）を指し、さらなる別の実施形態では、ＡとＢの両方（任意選択により他の要素を含む）を指すなど、可能である。
【０１３２】
本明細書および請求項で使用される場合は、１つまたは複数の要素のリストを言及する際の「少なくとも１つ」という記載は、要素のリスト内の要素のいずれか１つまたは複数から選択された少なくとも１つの要素を意味するが、必ずしも要素のリスト内で具体的にリストされる各要素およびあらゆる要素の少なくとも１つを含むわけではなく、要素のリスト内の要素のいかなる組合せも除外しないものと理解すべきである。また、この定義により、具体的に特定されたそれらの要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、「少なくとも１つ」という記載が指す要素のリスト内で具体的に特定された以外の要素が任意選択により存在することも可能になる。従って、非限定的な例として、「ＡおよびＢの少なくとも１つ」（または同等に「ＡまたはＢの少なくとも１つ」または同等に「Ａおよび／またはＢの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、少なくとも１つの（任意選択により複数を含む）Ａ（Ｂは存在せず、任意選択によりＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態では、少なくとも１つの（任意選択により複数を含む）Ｂ（Ａは存在せず、任意選択によりＡ以外の要素を含む）を指し、さらなる別の実施形態では、少なくとも１つの（任意選択により複数を含む）Ａおよび少なくとも１つの（任意選択により複数を含む）Ｂ（任意選択により他の要素を含む）を指すなど、可能である。
【０１３３】
また、本明細書で使用される表現および用語は、説明を目的とし、制限するものと見なすべきではない。本明細書における「含む（including、comprising、containing）」、「有する（having）」、「伴う（involving）」およびその変形例の使用は、その後にリストされるアイテムおよびその均等物ならびに追加のアイテムを包含することが意図される。
【０１３４】
請求項および上記の明細書では、「含む（comprising、including、containing）」、「保持する（carrying、holding）」、「有する（having）」、「伴う（involving）」、「から構成される（composed of）」などのすべての移行句および同様のものは、開放されているもの、すなわち、「これらに限定されないが、〜を含む」を意味するものと理解されたい。「〜からなる」および「本質的に〜からなる」の移行句のみが閉鎖または半閉鎖移行句のそれぞれであるものとする。
【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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【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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