(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法であって、
送信および受信用に構成された個々の超音波アレイ・エレメントで形成された超音波アレイを設けるステップと、
前記個々のアレイ・エレメントを個々のチャネルに分割するステップであって、各チャネルが少なくとも１つのアレイ・エレメントを含む、ステップと、
前記チャネルの各アレイ・エレメントから受け取った入力から、チャネル毎に受信入力信号を生成するステップと、
チャネル毎の各受信入力信号をサンプリング・レートでサンプリングし、当該チャネルに関連付けられたサンプル／ホールド・セルのバンクに、前記サンプリングされたデータを格納するステップであって、前記サンプル／ホールド・セルのバンクが、前記サンプリングされた受信入力信号のために、アナログ・ランダム・アクセス・メモリを形成する、ステップと、
ビーム形成アルゴリズムにしたがって、ビーム形成過程における特定の出力時間毎に少なくとも１つのチャネルから少なくとも１つのサンプル／ホールド・セル・データを選択するステップと、
前記ビーム形成過程の間における前記関連チャネルから前記選択されたサンプル／ホールド・セル・データの全てを合計し、前記ビーム形成過程に対するアナログ・ビーム形成受信信号サンプルを形成するステップと、
前記アナログ・ビーム形成受信信号サンプルをディジタル化するステップと、
を含み、当該超音波ビーム形成方法が更に、
ｉ）前記アナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成における任意書き込み−順次読み出しビームフォーマ・アーキテクチャであって、スイッチ・アレイが、選択されたサンプル／ホールド・セルにチャネルを接続し、前記サンプル／ホールド・セルが複数の前記チャネルにおける時間制御寄与を合計してその結果を格納し、前記バンクにおけるサンプル／ホールド・セルの数が、当該超音波ビーム形成方法によって補正されるべき最大所望遅延を収容するために必要とされるサンプル・クロック周期の数よりも大きい、任意書き込み−順次読み出しビームフォーマ・アーキテクチャと、
ｉｉ）前記アナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成における任意書き込み−任意読み出しビームフォーマ・アーキテクチャであって、前記アナログ・ランダム・アクセス・メモリにおける各前記サンプル／ホールド・セルが超音波画像の１つのサンプル点を表すことにより、各サンプル・クロック周期において、前記ビーム形成アルゴリズムが、前記ビーム形成過程に関与する前記チャネルからの寄与を、前記超音波画像におけるサンプル点に関連付けられた前記サンプル／ホールド・セルに格納し、前記超音波撮像システムが、各前記チャネルからの前記寄与を格納および合計し、前記アナログ・ランダム・アクセス・メモリの深度は、フレームのスキャン・ラインにおける画素数に少なくとも等しい、任意書き込み−任意読み出しビームフォーマ・アーキテクチャと、
のうちの１つを実装することを含む、方法。
【請求項２】
請求項１記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法において、各チャネルが、１つのアレイ・エレメントのみを含み、チャネル毎に受信入力信号を生成する前記ステップが、前記アレイ・エレメントからの入力を、少なくとも１つの電圧制御増幅器および少なくとも１つのフィルタによって処理するステップを含み、各チャネルが動作において４０ミリワット未満を使用する、方法。
【請求項３】
請求項１記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法において、各サンプル／ホールド・セルが、キャパシタ・ベース・エレメントとして形成され、各チャネルが動作において２５ミリワット未満を使用する、方法。
【請求項４】
請求項１記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法において、各バンクにおけるサンプル／ホールド・セルの数が、秒毎のサンプル・レートに、信号経路に対する最大所望遅延を乗算した値以上であり、前記サンプル／ホールド・セルのバンクにおけるサンプリングされたデータの格納のためのサンプリング速度が、前記サンプル／ホールド・セルのバンクにおける前記サンプリングされたデータの読み出しのためのサンプリング速度とは独立である、方法。
【請求項５】
請求項１記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法であって、更に、送信チャネル毎に、送信出力パルス信号の少なくとも１つの形状を、前記送信チャネルに関連付けられた送信サンプル／ホールド・セルのバンクに格納するステップを含む、方法。
【請求項６】
請求項５記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法において、送信サンプル／ホールド・セルの単一のバンクが、複数の送信チャネルに関連付けられる、方法。
【請求項７】
請求項５記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法において、前記サンプル／ホールド・セルの同じバンクが、チャネル毎に、サンプル／ホールド・セルの受信バンクおよび送信サンプル／ホールド・セルのバンクを形成する、方法。
【請求項８】
請求項５記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法において、各チャネルが、サンプル／ホールド・セルの１つの受信バンクと、送信サンプル／ホールド・セルの１つの異なるバンクとに関連付けられる、方法。
【請求項９】
請求項１記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法において、複数のアルゴリズムに関連付けられた複数のビーム形成過程が利用され、
更に、前記アナログ・ビーム形成受信信号をディジタル化するのよりも前に、ビーム形成サンプル／ホールド・セルのバンクに、各ビーム形成過程における前記アナログ・ビーム形成受信信号の各々を格納するステップを含む、方法。
【請求項１０】
超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビームフォーマであって、
送信および受信用に構成された個々の超音波アレイ・エレメントで形成された超音波アレイであって、前記個々のアレイ・エレメントが個々のチャネルにグループ化され、各チャネルが少なくとも１つのアレイ・エレメントを含む、超音波アレイと、
前記チャネルの各アレイ・エレメントから受け取った入力から、チャネル毎に受信入力信号を生成する受信入力信号制御回路と、
サンプル／ホールド・セルの複数のバンクであって、サンプル／ホールド・セルの各バンクが１つのチャネルに関連付けられ、前記ビームフォーマが、チャネル毎の各受信入力信号をサンプリング・レートでサンプリングし、当該チャネルに関連付けられたサンプル／ホールド・セルの１つのバンクに、前記サンプリングされたデータを格納するように構成され、前記サンプル／ホールド・セルのバンクが、前記サンプリングされ関連付けられた受信入力信号のために、アナログ・ランダム・アクセス・メモリを形成する、複数のバンクと、
ビーム形成アルゴリズムにしたがって、各ビーム形成過程において、少なくとも１つのチャネルから少なくとも１つのサンプル／ホールド・セル・データを選択するように構成されたビーム形成プロセッサと、
各ビーム形成過程の間における各チャネルから前記選択されたサンプル／ホールド・セル・データの全てを合計し、前記ビーム形成過程に対するアナログ・ビーム形成受信信号を形成するアナログ合計エレメントと、
前記アナログ・ビーム形成受信信号をディジタル化するアナログ／ディジタル変換器と、
を含み、前記超音波撮像システムが、
ｉ）前記アナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成における任意書き込み−順次読み出しビームフォーマ・アーキテクチャであって、スイッチ・アレイが、選択されたサンプル／ホールド・セルにチャネルを接続し、前記サンプル／ホールド・セルが複数の前記チャネルにおける時間制御寄与を合計してその結果を格納し、前記バンクにおけるサンプル／ホールド・セルの数が、前記超音波ビーム形成によって補正されるべき最大所望遅延を収容するために必要とされるサンプル・クロック周期の数よりも大きい、任意書き込み−順次読み出しビームフォーマ・アーキテクチャと、
ｉｉ）前記アナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成における任意書き込み−任意読み出しビームフォーマ・アーキテクチャであって、前記アナログ・ランダム・アクセス・メモリにおける各前記サンプル／ホールド・セルが超音波画像の１つのサンプル点を表すことにより、各サンプル・クロック周期において、前記ビーム形成アルゴリズムが、前記ビーム形成過程に関与する前記チャネルからの寄与を、前記超音波画像におけるサンプル点に関連付けられた前記サンプル／ホールド・セルに格納し、前記超音波撮像システムが、各前記チャネルからの前記寄与を格納および合計し、前記アナログ・ランダム・アクセス・メモリの深度は、フレームのスキャン・ラインにおける画素数に少なくとも等しい、任意書き込み−任意読み出しビームフォーマ・アーキテクチャと、
のうちの１つを使用する、超音波ビームフォーマ。
【請求項１１】
請求項１０記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビームフォーマにおいて、各チャネルが１つのみのアレイ・エレメントを含み、各チャネルが動作において４０ミリワット未満を使用する、超音波ビームフォーマ。
【請求項１２】
請求項１０記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビームフォーマにおいて、各サンプル／ホールド・セルが、キャパシタ・ベース・エレメントとして形成され、少なくとも前記ビーム形成プロセッサが、集積回路として形成される、超音波ビームフォーマ。
【請求項１３】
請求項１０記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビームフォーマにおいて、各バンクにおけるサンプル／ホールド・セルの数が、サンプル・レートに前記信号経路に対する最大所望遅延を乗算した値以上である、超音波ビームフォーマ。
【請求項１４】
請求項１０記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビームフォーマであって、更に、送信出力パルス信号の少なくとも一部を、前記チャネルに関連付けられた送信サンプル／ホールド・セルのバンクに格納する送信ビームフォーマを含む、超音波ビームフォーマ。
【請求項１５】
請求項１４記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビームフォーマにおいて、送信サンプル／ホールド・セルの単一のバンクが複数のチャネルに関連付けられる、超音波ビームフォーマ。
【請求項１６】
請求項１４記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビームフォーマにおいて、サンプル／ホールド・セルの同じバンクが、少なくとも１つのチャネルに対して、前記サンプル／ホールド・セルの受信バンクおよび前記送信サンプル／ホールド・セルのバンクを形成する、超音波ビームフォーマ。
【請求項１７】
請求項１４記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビームフォーマにおいて、各チャネルが、サンプル／ホールド・セルの１つの受信バンクと、送信サンプル／ホールド・セルの１つの異なるバンクとに関連付けられる、超音波ビームフォーマ。
【請求項１８】
請求項１０記載の超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビームフォーマにおいて、複数のビーム形成アルゴリズムに関連付けられた複数のビーム形成過程が利用され、
更に、前記アナログ・ビーム形成受信信号をディジタル化するのよりも前に、各所与のビーム形成における前記アナログ・ビーム形成受信信号の各々を格納するように構成されたビーム形成サンプル／ホールド・セルのバンクを含む、超音波ビームフォーマ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
[0001]  本願は、２０１４年１１月１４日に出願され、"Ultrasound Beamforming System and Method Based on Analog Random Access Memory Array"（アナログ・ランダム・アクセス・メモリ・アレイに基づく超音波ビーム形成システムおよび方法）と題する米国仮特許出願第６２／０７９，８５５号の権利を主張する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]  １．発明の分野
[0003]  本発明は、超音波ビーム形成に関し、更に特定すれば、本発明は、アナログ格納／ディジタル読み出し式（ＡＳＤＲ：analog store, digital read）超音波ビーム形性システム、および関連方法に関する。
【０００３】
[0004]  ２．発明の背景
[0005]  ディジタル・ストレージ・オシロスコープ、Ｘ線検出器、および高エネルギ粒子追跡の実用(application)のように、アナログ・メモリ・デバイスを使用して成功している多数の技術分野がある。この技術の早期の先行物を追跡すると、米国特許第４，２７１，４８８号および第４，８３３，４４５号に記載されているような、ファスト−イン−スロー−アウト（ＦＩＳＯ）原理に基づくディジタル・オシロスコープおよび波形捕獲デバイスに到達することができる。これらの特許をここで引用したことにより、その内容は本願にも含まれるものとする。’４４５特許は、高速、高解像度ＦＩＳＯシステムを示し、一方’４８８特許は、１つの集積回路（ＩＣ）チップ上に実装することができるＭ×Ｎマトリクスを形成するために行および列に配列されたサンプル／ホールド・セルで組み立てられたアナログ・メモリ・マトリクスを使用する収集システムについて記載する。
【０００４】
[0006]  更に、ＩＣ上のマトリクス・アナログ・メモリ・デバイスという構想が Stewart Kleinfielderやその他の貢献者によって開発された。Stewart Kleinfielderは、ニュートリノ物理実験における検出器からデータを取り込むために使用される、多数の(a range of)マルチチャネル過渡アナログ波形ディジタイザ・チップを製造した（Kleinfelder, S.A., "A 4096 Cell Switched Capacitor Analog Waveform Storage Integrated Circuit"（４０９６セル・スイッチド・キャパシタ・アナログ波形記憶集積回路）IEEE Transactions on Nuclear Science, NS-37, No. 1, Feb. 1990、およびKleinfelder, S.A., "Advanced Transient Waveform Digitizers"（高度過渡波形ディジタイザ）SPIE Particle Astrophysics Instrumentation Proc, v. 4858, pp. 316-326, Aug. 2002を参照のこと）。更に他の有益な背景資料も、米国特許第４，０９９，２５１号、第５，７２２，４１２号、第６，１２６，６０２号、および第８，２２０，３３４号、ならびに米国特許出願公開第２００４−００１５０７９Ａ１号、第２００８−０２６２３５１Ａ１号、第２０１０−０１５２５８７Ａ１号、第２０１１−０２１３２５１Ａ１号において見出すことができる。また、Haller, G.M.; Wooley, B.A., "A 700-MHz switched-capacitor analog waveform sampling circuit"（７００−ＭＨｚスイッチド・キャパシタ・アナログ波形サンプリング回路）、IEEE Journal of Solid-State Circuits, v.29(4), pp.500-508, Apr 1994、およびKai E. Thomenius, "Recent Trends in Beamformation in Medical Ultrasound"（医療用超音波のビーム形成における最近の傾向）、IEEE Ultrasonics Symposium 2005も参照のこと。以上で特定した特許よび公開特許出願をここで引用したことにより、その内容全体が本願にも含まれるものとする。
【０００５】
[0007]  医療診断用超音波では、超音波信号ビーム形成のためにアナログ・メモリを使用する様々な試みがあった。特に、"Ultrasonic Dynamic Focusing Using an Analog FIFO and Asynchronous Sampling"（アナログＦＩＦＯおよび非同期サンプリングを使用した超音波多段階焦点収束法）、UFFC IEEE Trans., v41(3), May 1994において、Song, T.K.,およびGreenleaf, J.F.によって提案されたパイプライン・サンプル−遅延焦点収束法(Pipelined Sampled-Delay Focusing)と呼ばれる方式がある。この方式では、各チャネルにおいて可変遅延されたアナログ・サンプルが、ＦＩＦＯのようなアナログ・メモリ・バッファ構造に格納され、ディジタル化の前に、アナログ加算器によって合計される。米国特許第６，５００，１２０号および第６，７０５，９９５号に記載されているアナログ・メモリ・ビームフォーマは、このパイプライン状サンプル−遅延方式の変形と見なすことができる。これら２件の特許をここで引用したことにより、その内容は本願にも含まれるものとする。
【０００６】
[0008]  医療診断におけるような超音波撮像は、空間的に組み立てられた超音波信号（パルス、波形、または波形パケット）を被験者、例えば、医療診断における組織内（またはジェット・エンジン検査のためのタービン・ブレード等）に送り込むことから開始する。圧力パルスが奥に伝搬する間減衰して、経路に沿った音響インピーダンス・インターフェース（異なる組織間の境界のような）上で散乱する。これらの散乱エコーは、超音波受信アレイ(receiving ultrasound array)によって拾われ、このデータから、パルス伝搬経路に沿った組織の組成が、１つのスキャン・ラインとして再現(reconstruct)される。次いで、次のパルスが異なる方向に送られ、求められる２−Ｄスライス（Ｂ−モード・フレーム）または３−Ｄボリュームが別個のスキャン・ラインから組み立てられるまで、センサ・アレイに戻る散乱（または透過型断層撮影におけるような減衰）超音波信号を受信し、結果を解釈するプロセスが繰り返される。
【０００７】
[0009]  組織内にある一定の空間位置から来る信号の空間分解能およびコントラスト（強度）分解能を高めるためには、超音波アレイをその位置に合焦する必要がある。このため、組織における圧力パルス伝搬の間、受信アレイ(receiving array)は、パルスの現在の位置に続いて、一定にその焦点をずらしていく必要がある。したがって、生データを処理するときの初期ステップ(first steps)の１つは、ビーム形成と呼ばれ、このビーム形成において、アレイの異なるエレメントに向かう信号は、互いに加算される前に、時間的にずらされる。減速として、ビーム形成は、送信および受信信号双方に適用される。
【０００８】
[0010]  図１は、アナログ・ビーム形成としても知られる、超音波画像を形成するときに使用される第１方法を示す。概略的に、超音波撮像デバイスは、複数の独立したエレメント１０７またはチャネル（通例、線形または曲線ＩＤアレイでは６４から１２８エレメント）に分割された超音波アレイ１０６を含む。質問(interrogation)の送信段階において、送信ビームフォーマは、可変遅延電気パルスを超音波アレイ１０６のエレメントに送る。信号間における相対的な遅延は、アレイ１０６のエレメント１０７によって放出される超音波パルスが所定の空間点１００（焦点Ｐ）に同時に到達し、これらの位相が整列して、アレイ１０６の全てのエレメント１０７から来るウェーブレットのコヒーレント加算(coherent summation)を達成するような方法で構成される(construct)。この波は、点１００において散乱し、この球散乱波(spherical scattered wave)の一部が、アレイ１０６のエレメント１０７に戻って来る。各エレメント１０７は、着信波の圧力変動を電圧変動出力１０８に変換する。アレイ・エレメント１０７の表面(face surface)に到達したこの散乱波の部分は、散乱点１００とエレメント１０７の面とを接続する光線(ray)１０４に沿って進むウェーブレット１０２と見なすことができる。散乱点１００とアレイ１０６の特定のエレメント１０７との相互位置に応じて、経路１０４は、半径Ｒ０  １０５と等価な最短経路から最長経路まで変化する。最短経路１０５と、点１００からアレイ１０６のｉ番目のエレメントまでの経路との間の空間的差違ΔＤｉは、信号１０８の到達間の時間遅延Δｔｉに換算される。受信ビームフォーマのタスクは、ビーム形成に関与する全てのエレメント１０７からの信号１０８間の時間差を修正し、ビーム形成アルゴリズムの指令にしたがってこれらを合計することである。例えば、このようなビーム形成アルゴリズムは、全ての到達信号から時間遅延Δｔを除去することを要求し、このように処理した信号を合計し（遅延−合計アルゴリズム）、実質的にアレイを点Ｐに合焦することができる。尚、送信および受信ビームフォーマの役割(working)は相互に相反し、したがって、受信ビームフォーマの作用を説明することは、送信ビームフォーマに対する解決策の説明にもなることは分かるであろう。
【０００９】
[0011]  受信した信号を処理する方法から、ビームフォーマのタイプが決まる。図１に示すアナログ・ビームフォーマでは、信号１０８は最初に信号減衰を補償するために電圧制御型増幅器（ＶＣＡ）１１０によって増幅され、次いで、信号を時間的にずらして到達における遅延を補償するために遅延回路１１２が使用され、次いでこのように整列された信号１１４はアナログ加算回路１１６において合計され、出力信号１１８がアナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）１２０によってディジタル化されて、出力ディジタル信号１２２を生成する。出力ディジタル信号１２２は、メモリに格納され、Ｂ−モードまたはドプラ画像を再現するために、バックエンド・プロセッサによって使用される。このような設計の利点はハードウェアの簡素さである。欠点には、時間判別がし難いこと、アナログ設計エレメント１１２のリフレッシュ・レートが低いこと（ダイナミック・ビーム形成ではない）、１つのビーム形成アルゴリズムしか、取り込まれた信号に適用できず、ビーム形成プロセスが非可逆性であることが含まれる。
【００１０】
[0012]  超音波撮像において使用されるビームフォーマの第２の共通タイプは、ディジタル・ビームフォーマ（図２参照）として一般に知られている。ディジタル・ビームフォーマでは、アレイ１０６のエレメントからの電圧信号１０８は、信号減衰を補償するために、電圧制御型増幅器（ＶＣＡ）１１０によって増幅され、次いで、各チャネルにおける信号は、チャネルＡＤＣ１２４によって一定のサンプリング・レートでディジタル化される。チャネルＡＤＣ１２４は、ディジタル化信号をメモリまたは先入れ先出し（ＦＩＦＯ）レジスタに出力し、ここで信号はビーム形成アルゴリズムにしたがってずらされ（例えば、到達遅延Δｔを除去するように）、次いで、関与する各チャネルからのこのような処理済みディジタル・データ１２８は、ディジタル加算器１３０によって合計され、出力データ１２２が、更に他の処理のために、メモリに書き込まれる。あるいは、エレメント１２６および１３０は、ビーム形成アルゴリズムのソフトウェア・ブロックとして実現することもできる。図２に示すようなディジタル・ビームフォーマの利点は、その速度および正確さであり、これらによって、ダイナミック・ビーム形成の実現(implementation)、および同じデータ・ボリュームに対する複数のビーム形成戦略の実現(possible realization)が可能になる。欠点は、ハードウェアが複雑なことであり、ハードウェア・サイズが大きく、コストが高く、電力消費（発熱）が大きいことに現れる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
[0013]  明確化のために、図１および図２に示すアナログおよびディジタル・ビームフォーマの模式図は、多重化段階を除去することによって、簡略化されている。実際には、当業者には知られているように、アレイのエレメント数と等しい数の処理チャネルを有することは、非常に費用がかかる提案である。つまり、アレイは、６４、１２８、２５６、またはそれよりも多い数のエレメントを有することができるが、ビームフォーマは、通例、３２または６４個のエレメントと、アレイ１０６のエレメントを現在のアパーチャに選択するアナログ多重化回路とを有する。また、同じ理由のために、アレイ１０６のエレメントをアナログ・フロントエンド電子回路に接続するケーブルおよび信号コネクタも示されていないが、これらもシステムのコストおよび信号品質に影響を及ぼす。
【００１２】
[0014]  ビーム形成プロセスの説明から、アレイ・エレメント１０７の出力から来る信号は、ビームフォーマの出力まで、他のエレメントから来る信号とは独立して処理され、ビームフォーマにおいて、信号の全てが組み合わせられる。このため、本明細書では、エレメント１０７から加算器１１６、１３０（または１３６）の入力までのこの信号経路を、「信号経路」または「ビーム形成チャネル」または単に「チャネル」１０９と呼ぶ。当技術分野では、診断用超音波撮像を小型化し必要な電力を低減すること、そしてこの目的を達成するためにビーム形成アーキテクチャを利用することが依然として必要になっている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
[0015]  超音波アレイ・エレメントからのアナログ信号の瞬時サンプルを取り込み、格納し、処理するために、サンプル／ホールド・セルのマトリクスを使用して信号ビーム形成タスクを実行するアナログ格納／ディジタル読み出し式（ＡＳＤＲ）超音波ビーム形成アーキテクチャを紹介する。このアーキテクチャは、超音波アレイの隣りに位置付けられた１つまたは数個の特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）内に、ＡＳＤＲ超音波ビームフォーマ・アーキテクチャによるハードウェア構造(hardware build)を配置することができるように、診断用超音波撮像システムの著しい電力消費低減および大幅な小型化を可能にする。診断用超音波撮像システム全体は、超音波プローブのハンドル内に収まることができるが、カート規模のシステム(cart-based system)の機能の殆どを持続する。このＡＳＤＲアーキテクチャは、信号対ノイズ比を高めることができ、スケーラブルである。
【００１４】
[0016]  本発明の１つの態様は、超音波撮像システム用のアナログ・ランダム・アクセス・メモリ（ＡＲＡＭ）において順次書き込みおよび任意読み出し動作を実現するアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法を提供する。この方法は、ｉ）送信および受信用に構成された個々の超音波アレイ・エレメントで形成された超音波アレイを用意するステップと、ｉｉ）個々のアレイ・エレメントを個々のチャネルに分割するステップであって、各チャネルが少なくとも１つのアレイ・エレメントを含む、ステップと、ｉｉｉ）チャネルの各アレイ・エレメントから受け取った入力から、チャネル毎に受信入力信号を生成する(create)ステップと、ｉｖ）チャネル毎の各受信入力信号をサンプリング・レートでサンプリングし、当該チャネルに関連付けられたサンプル／ホールド・セルのバンクに、サンプリングされたデータ(sampled data)を格納するステップであって、サンプル／ホールド・セルのバンクが、サンプリングされた受信入力信号のために、アナログ・ランダム・アクセス・メモリを形成する、ステップと、ｖ）ビーム形成アルゴリズムにしたがって、各ビーム形成過程における特定の出力時間毎に少なくとも１つのチャネルから少なくとも１つのサンプル／ホールド・セル・データを選択するステップと、ｖｉ）ビーム形成過程の間における関連チャネルから選択されたサンプル／ホールド・セル・データの全てを合計し、ビーム形成過程に対するアナログ・ビーム形成受信信号サンプルを形成するステップと、ｖｉｉ）アナログ・ビーム形成受信信号サンプルをディジタル化するステップとを含む。
【００１５】
[0017]  本発明の１つの態様は、超音波撮像システム用のアナログ・ランダム・アクセス・メモリ（ＡＲＡＭ）において任意書き込みおよび順次読み出し動作を実現するアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法を提供する。この方法は、ｉ）送信および受信用に構成された個々の超音波アレイ・エレメントで形成された超音波アレイを用意するステップと、ｉｉ）個々のアレイ・エレメントを個々のチャネルに分割するステップであって、各チャネルが少なくとも１つのアレイ・エレメントを含む、ステップと、ｉｉｉ）チャネルの各アレイ・エレメントから受け取った入力から、チャネル毎に受信入力信号を生成するステップと、ｉｖ）チャネル毎の各受信入力信号をサンプリング・レートでサンプリングし、メモリ・セルのバンクに、サンプリングされたデータを格納するステップであって、メモリ・セルのバンクがアナログ・ランダム・アクセス・メモリを形成し、このビーム形成過程に関与する各チャネルからの現在のサンプルが、この特定の時間位置(time instance)に対してビーム形成アルゴリズムによって定められたアドレスを有するメモリ・セルに加算され、各メモリ・セルが、サンプル・クロックの時間位置に関連付けられ、ビーム形成過程に関与する各メモリ・セルが、ビーム形成アルゴリズムによって選択された複数のチャネルから選択されたサンプルを合計して、ビーム形成過程に対するアナログ・ビーム形成受信信号サンプルを形成する、ステップと、ｖｉｉ）アナログ・ビーム形成受信信号サンプルをディジタル化するステップとを含む。
【００１６】
[0018]  本発明の１つの態様は、超音波撮像システム用のアナログ・ランダム・アクセス・メモリ（ＡＲＡＭ）において任意書き込みおよび任意読み出し動作を実現するアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法を提供する。この方法は、ｉ）送信および受信用に構成された個々の超音波アレイ・エレメントで形成された超音波アレイを用意するステップと、ｉｉ）個々のアレイ・エレメントを個々のチャネルに分割するステップであって、各チャネルが少なくとも１つのアレイ・エレメントを含む、ステップと、ｉｉｉ）チャネルの各アレイ・エレメントから受け取った入力から、チャネル毎に受信入力信号を生成するステップと、ｉｖ）チャネル毎の各受信入力信号をサンプリング・レートでサンプリングし、メモリ・セルのバンクに、サンプリングされたデータを格納するステップであって、 メモリ・セルのバンクがアナログ・ランダム・アクセス・メモリを形成し、アナログ・ランダム・アクセス・メモリが、チャネル毎に少なくとも１つの行を有し、列の数が、サンプリング・レートに、補正する必要がある最大遅延を乗算することによって求められる数以上であり、このビーム形成過程に関与する各チャネルからの瞬時サンプルが、この特定の時間位置のためにビーム形成アルゴリズムによって定められたアドレスを有する少なくとも１つのメモリ・セルに加算され、行における各メモリ・セルが、サンプル・クロック時間位置に関連付けられ、列における各メモリ・セルがスキャン・ラインに関連付けられ、ビーム形成過程に関与する各メモリ・セルが、ビーム形成アルゴリズムによって選択された複数のチャネルから選択されたサンプルを合計して、ビーム形成過程に対するアナログ・ビーム形成受信信号サンプルを形成する、ステップと、ｖｉｉ）アナログ・ビーム形成受信信号サンプルをディジタル化するステップとを含む。
【００１７】
[0019]  本発明の１つの態様は、超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成システムを提供する。このシステムは、送信および受信用に構成された個々の超音波アレイ・エレメントで形成された超音波アレイを含み、個々のアレイ・エレメントが個々のチャネルに形成され、個々のチャネルが、少なくとも１つのアレイ・エレメントを含み、各チャネルが動作において４０ミリワット未満を使用する。
【００１８】
[0020]  本発明の１つの態様は、超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビームフォーマを提供する。このシステムは、ｉ）送信および受信用に構成された個々の超音波アレイ・エレメントで形成された超音波アレイであって、個々のアレイ・エレメントが個々のチャネルにグループ化され、各チャネルが少なくとも１つのアレイ・エレメントを含む、超音波アレイと、ｉｉ）チャネルの各アレイ・エレメントから受け取った入力から、チャネル毎に受信入力信号を生成する受信入力信号制御回路と、ｉｉｉ）サンプル／ホールド・セルの複数のバンクであって、サンプル／ホールド・セルの各バンクが１つのチャネルに関連付けられ、ビームフォーマが、チャネル毎の各受信入力信号をサンプリング・レートでサンプリングし、当該チャネルに関連付けられたサンプル／ホールド・セルの１つのバンクに、サンプリングされたデータを格納するように構成され、サンプル／ホールド・セルのバンクが、サンプリングされ関連付けられた受信入力信号のために、アナログ・ランダム・アクセス・メモリを形成する、サンプル／ホールド・セルの複数のバンクと、ｉｖ）ビーム形成アルゴリズムにしたがって、各ビーム形成過程において、少なくとも１つのチャネルから少なくとも１つのサンプル／ホールド・セル・データを選択するように構成されたビーム形成プロセッサと、ｖ）各ビーム形成過程の間における各チャネルから選択されたサンプル／ホールド・セル・データの全てを合計し、ビーム形成過程に対するアナログ・ビーム形成受信信号サンプルを形成するアナログ合計エレメントと、ｖｉ）アナログ・ビーム形成受信信号をディジタル化するアナログ／ディジタル変換器とを含む。
【００１９】
[0021]  本発明のこれらおよびその他の利点は、好ましい実施形態の端的な説明を図面と合わせて検討することによって明らかになるであろう。図面においては、同様の参照番号は全体を通じて同様のエレメントを表す。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、先行技術のアナログ・ビームフォーマの模式図である。
【図２】図２は、先行技術のディジタル・ビームフォーマの模式図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態によるアナログ格納／ディジタル読み出し式（ＡＳＤＲ）超音波ビームフォーマの模式図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明のＡＳＤＲ超音波ビームフォーマにおいて使用するための代表的なサンプル／ホールド・セル（ＳＨＣ）の模式図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明のＡＳＤＲ超音波ビームフォーマにおいて使用するための代表的なサンプル／ホールド・セル（ＳＨＣ）の模式図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明のＡＳＤＲ超音波ビームフォーマにおいて使用するための代表的なサンプル／ホールド・セル（ＳＨＣ）の模式図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明のＡＳＤＲ超音波ビームフォーマにおいて使用するための代表的なサンプル／ホールド・セル（ＳＨＣ）の模式図である。
【図５】図５は、本発明のＡＳＤＲ超音波ビームフォーマにおいて使用するための代用ＳＨＣの模式図である。
【図６】図６は、本発明のＡＳＤＲ超音波ビームフォーマにおいて使用されるサンプル／ホールド・セルの動作(work)を示す模式タイミング図である。
【図７】図７は、本発明のＡＳＤＲ超音波ビームフォーマの動作を示すタイミング図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の２つの実施形態による送信および受信ビームフォーマ・チャネルの２通りの模式ブロック図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の２つの実施形態による送信および受信ビームフォーマ・チャネルの２通りの模式ブロック図である。
【図９】図９は、本発明のＡＳＤＲ超音波ビームフォーマにおいて使用されるＳＨＣアレイへの書き込みおよびＳＨＣアレイからの読み出しのプロセスを模式的に示す。
【図１０】図１０は、本発明のＡＳＤＲ超音波ビームフォーマにおいて使用される受信ビームフォーマの模式図である。
【図１１】図１１は、本発明の一態様による第２段階サンプル／ホールド・セル・アレイの模式ブロック図である。
【図１２】図１２は、共通アレイの模式組成である。
【図１３】図１３は、本発明の一態様によるサブアパーチャ送信および受信ビームフォーマの模式ブロック図である。
【図１４】図１４は、本発明によるＡＳＤＲ超音波システムの模式ブロック図である。
【図１５】図１５は、本発明の一態様による受信ビームフォーマ・チャネルの代用模式ブロック図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の４つの実施形態による受信ビームフォーマ・アーキテクチャの４通りの模式ブロック図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の４つの実施形態による受信ビームフォーマ・アーキテクチャの４通りの模式ブロック図である。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、本発明の４つの実施形態による受信ビームフォーマ・アーキテクチャの４通りの模式ブロック図である。
【図１６Ｄ】図１６Ｄは、本発明の４つの実施形態による受信ビームフォーマ・アーキテクチャの４通りの模式ブロック図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明のＡＳＤＲ超音波ビームフォーマにおいて使用されるＳＨＣアレイへの書き込みおよびＳＨＣアレイからの読み出しのプロセスを模式的に示す。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本発明のＡＳＤＲ超音波ビームフォーマにおいて使用されるＳＨＣアレイへの書き込みおよびＳＨＣアレイからの読み出しのプロセスを模式的に示す。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、本発明のＡＳＤＲ超音波ビームフォーマにおいて使用されるＳＨＣアレイへの書き込みおよびＳＨＣアレイからの読み出しのプロセスを模式的に示す。
【図１８】図１８は、本発明による受信ビームフォーマ・アーキテクチャの一般化した模式ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
[0023]  本発明は、医療用の人間または動物の用途のための医療診断システムにおいて使用されるような、超音波診断システムに関する。本発明の態様には、ＰＣＴ／ＩＢ２０１４／０００２８１に対応するＷＯ／２０１４／１２５３７１と関連付けて理解できるものもある。ＷＯ／２０１４／１２５３７１をここで引用したことにより、その内容が本願にも含まれるものとする。また、本発明は、非破壊試験／評価にも適用可能である（例えば、配管試験、機体試験、タービン・ブレード試験、橋梁および構造試験、製造試験（例えば、金属加工ロール））。超音波試験は、材料において欠陥を発見するため、および物体の厚さを測定するために一般に使用される一種の非破壊試験である。１〜５０ＭＨｚの周波数が一般的であるが、特殊な目的のためには、他の周波数も使用される。検査は、手動でもまたは自動化されてもよいが、近代の製造プロセスの必須な部分である。殆どの金属や可塑体(plastics)および宇宙航空複合体も検査することができる。木材、コンクリート、およびセメントのように、密度が低い材料程、検査するために低い周波数の超音波（５０〜５００ｋＨｚ）を使用することもできる。また、本発明は、地球物理探査およびソナーの用途にも適用可能であり、一般に、送信および／または受信のためにビーム形成を必要とするあらゆる超音波撮像（または撮像関連(image-like)）の用途に適用可能である。具体的には、本発明は、超音波アレイ（受信ビームフォーマ）のエレメントから来る信号、および同じアレイ（送信ビームフォーマ）のエレメントへ行く信号を処理する方法を対象とする。本発明は、現行のシステムと比較して、画質向上を可能とし、併せて大幅なシステムの小型化、電力消費および生産コストの低減を可能にするビームフォーマ・システムについて記載する。つまり、本発明の主要な用途は医療用超音波であるが、このビーム形成アーキテクチャ、ならびにその原理の上に構築されるハードウェアおよびソフトウェアは、非破壊試験、ソナー、レーダ、テラヘルツ、赤外線、光学撮像システムのような他の分野において、または地震地球物理探究のためにも使用することができる。
【００２２】
[0024]  この新しい設計の概略的な考えは、ディジタル制御と、変換器アレイ・エレメントからのアナログ信号の操作とを使用する混合ビームフォーマを創作することである。このような設計は、電子回路のハードウェア量および電力消費の根源的な極小化を可能にし、超携帯用超音波機械の開発に可能性を開き、プレミアム・システム(premium system)における進歩を可能にする。ＡＳＤＲビームフォーマを構築するためのアナログ信号の操作には、様々な基本的手法があり、ａ）アナログ・メモリに対する順次書き込み／順次読み出し（ＳＷＳＲ）が含まれる。この原理が最初に使用されたのは、イベント取り込みデバイス(event capturing device)において、ある高速信号が高速でＡＲＡＭに記録され、後に核物理検出器に見合う遅いサンプリング速度で再生およびディジタル化されたときである（Kleinfelder, S.A., "A 4096 Cell Switched Capacitor Analog Waveform Storage Integrated Circuit"（４０９６セル・スイッチド・キャパシタ・アナログ波形記憶集積回路）、IEEE Trans.Nucl.Sc. NS-37(1)1990）。超音波ビームフォーマとして、このアーキテクチャはパイプライン型サンプル−遅延合焦ビームフォーマ(Pipelined Sampled-Delay Focusing beamformer)において実現され（Song, T.K., and Greenleaf, J.F., "Ultrasonic Dynamic Focusing Using an Analog FIFO and Asynchronous Sampling"（アナログＦＩＦＯおよび非同期サンプリングを使用した超音波多段階焦点収束法）、 UFFC IEEE Trans., v41(3), 1994）、アナログ・サンプルが取り込まれチャネルのアナログＦＩＦＯバッファに格納される前に、各チャネルにおいてアナログ・サンプルを可変遅延させるために、非均一サンプリング・クロックが使用され、全てのチャネルのＦＩＦＯからのサンプルが順次読み出され、ディジタル化の前に、アナログ加算器によって合計される。サンプルが順次書き込まれ、次いで数個のサンプリング期間からの１つの「スリッピング」(slipping)によって注入される適正な遅延を伴って読み出される、この方式の変形が、米国特許第６，５００，１２０号および第６，７０５，９９５号（ここで引用したことにより、その内容は本願にも含まれるものとする）に記載されている。ｂ）アナログ・メモリ・セルに対する順次書き込み／任意読み出し（ＳＷＡＲ）、ｂ）アナログ・メモリ・セルに対する任意書き込み／順次読み出し（ＡＷＳＲ）、およびｃ）アナログ・メモリ・セルに対する任意書き込み／任意読み出し（ＡＷＡＲ）。これら後者の３つの手法は本発明の主題であり、ＳＷＡＲビームフォーマについて余すところなく説明し、ＡＷＳＲおよびＡＷＡＲアーキテクチャについては、本願ではＡＳＷＲ設計に対する重要な相違について説明する。「任意の」(arbitrary)という用語が本願を通じて使用され、当技術分野において一般に知られているように、「ランダム・アクセス」を意味することは理解されてしかるべきである。メモリ・セルへの任意アクセスは、ビーム形成を行うためにビーム形成アルゴリズムによって使用される。
【００２３】
[0025]  順次書き込み／任意読み出しビームフォーマ・アーキテクチャ
図３は、ＳＷＡＲの原理によって構築されたビームフォーマの模式全体像を示す。本発明のビームフォーマでは、アレイ１０６のエレメント１０７からのアナログ信号１０８は、媒体における信号減衰を補償するために、電圧制御型増幅器（ＶＣＡ）１１０を通過し、次いでサンプル／ホールド・セルのアレイ１３１に、一定のサンプリング・レートで電圧レベルのシーケンスとして書き込まれる。サンプリング・レートは固定または可変でもよく、アレイ１３１のサンプル／ホールド・セルからの読み出しのサンプリング・レートとは独立して異なってもよい。
【００２４】
[0026]  ＳＨＣアレイ１３１は、アナログ・ランダム・アクセス・メモリ（ＡＲＡＭ）アレイ１３１としても知られ、その各々は、別個の行またはバンク１３２に配列された複数のサンプル／ホールド・セル１５０で構成され(consist of)、以下で論ずるような従来のディジタル・ランダム・アクセス・メモリと同様に機能する共通信号線および制御スイッチを有する（図１０も参照のこと）。次に、各信号チャネル１０９において、ビーム形成アルゴリズムにしたがって、１つの行１３２の１つのサンプル／ホールド・セル１５０が選択され、ビーム形成過程(beamforming instance)としても知られる、この特定の時点(time moment)におけるビーム形成プロセスに関与する全てのチャネルからのアナログ信号１３４のサンプルが、アナログ加算回路１３６によって合計される。ビーム形成過程の意味を明確にすると、ビーム形成アルゴリズムの実行における１つのサンプリング・ステップである。ビーム形成の結果をアナログ・サンプルのシーケンスとして表す出力アナログ信号１３８は、アナログ／ディジタル変換器１２０によってディジタル化され、出力データ１２２は更なる処理のためにメモリに書き込まれる。
【００２５】
[0027]  言い換えると、ビーム形成プロセスは、アレイ・エレメントからの連続信号のアナログ・サンプルを格納し、次いで一定のアナログ・メモリ・セルの内容を、ディジタル・ビームフォーマ・プロセスにおいてディジタル・メモリ・セルが読み出されるのと同じ方法で読み出すことを含む(consist of)。しかしながら、出力ビーム形成信号を生成するために信号のディジタル表現を加算する代わりに、同じ信号のアナログ表現が最初に合計され、その結果がディジタル化される。つまり、アナログ信号のサンプルをディジタル的に処理する(operate)プロセスは、本発明のアナログ格納／ディジタル読み出し式（ＡＳＤＲ）超音波ビームフォーマ・システムおよび方法の本質を構成する。アナログ格納／ディジタル読み出し式（ＡＳＤＲ）超音波ビームフォーマの機能および動作について説明するために、このようなデバイスの基本構成ブロック、およびシステム・レベルまでの経過(progress)から説明を始める。
【００２６】
[0028]  サンプル／ホールド・セル
アナログ・メモリ・アレイの基本的な構成ブロック(building block)はサンプル／ホールド・セル（ＳＨＣ）である。ＳＨＣの設計は周知であり、ここでは、本設計の一例として、ストレージ・キャパシタに基づいたＳＨＣ設計を使用する。しなしながら、アナログ量を格納できるデバイスであればいずれでも、このようなセルを構築するために使用することができる。
【００２７】
[0029]  １つのサンプル／ホールド・セル（ＳＨＣ）１５０の模式的な組織を図４Ａ〜図４Ｄおよび図５に示す。ＳＨＣの主要なエレメントは、ストレージ・キャパシタ１５２およびアナログ・スイッチ１５４〜１５８である。アナログ・スイッチ１５４〜１５８は、キャパシタ１５２を入力アナログ信号ラインＷＲＩＴＥ１６０ならびに出力信号ラインＲＥＡＤＡ１６２およびＲＥＡＤＢ１６４に、または接地に接続する。スイッチ１５４〜１５８は、トランジスタ、ＭＥＭ、またはアナログ・スイッチングおよび多重化を可能にする他の技術に基づいて作ることができる。
【００２８】
[0030]  図５は、「単極単投」（ＳＰＳＴ）書き込みスイッチ１５５の使用、他のＳＰＳＴ読み出しスイッチ１５７、スイッチ１５４によるキャパシタ放電プロセスを制御するブリード抵抗器１６８の追加、およびストレージ・キャパシタ１５２の下側プレートの信号接地への永続的な接合というような、基本的なＳＨＣ１５０の設計における変形の模式表現を示す。これら、またはＳＨＣ設計の他の既知のあらゆる変形も本願に含まれる。
【００２９】
[0031]  図６に模式的に示すＳＨＣ１５０の動作(working)サイクルは、以下の動作で構成される。電圧レベルをストレージ・キャパシタ１５２に書き込む、電荷を格納する、キャパシタ１５２の内容を読み出す、そして次の動作サイクルの準備のためにストレージ・キャパシタ１５２の内容を消去する。図７のタイミング・チャート(time diagram)を参照すると、時点Ｔｉにおける書き込み動作の間、キャパシタ１５２の上側プレートは、スイッチ１５４および１５６を介して、入力アナログ信号ラインＷＲＩＴＥ１６０に接続される。スイッチ１５８は、１５２の下側プレートを接地に接続する。ＶＣＡ１（１１０）の出力からのＶ（Ｔｉ）の電圧値がキャパシタ１５２に格納される。時間期間Ｔ３（格納動作）の間、スイッチ１５４および１５６の一方または双方が高インピーダンス状態になる（開く、または信号ラインから切断される）。時間期間Ｔ１以内に現れる時点Ｔ３の後、キャパシタ１５２の内容が読み出される。読み出し動作において、スイッチ１５８はキャパシタ１５２の下側プレートをＲＥＡＤ  Ｂ出力信号ライン１６４に接続し、キャパシタ１５２の上側プレートは、スイッチ１５４および１５６を介して、ＲＥＡＤ  Ａ信号ライン１６２に接続される。時間期間Ｔ２の間に行われる放電動作は、キャパシタ１５２の上側プレートおよび下側プレートを、スイッチ１５４および１５８を介して、直接またはブリード抵抗器１６８を経由して接地に接続することを含む(consist of)。読み出し−格納−放電サイクル（図７参照）の合計時間Δｔ＝ｔｉ＋１−ｔｉ＝Ｔ１＋Ｔ２は、ＳＨＣバンク１０９の行の長さ（Ｓ／Ｈセルの数）、サンプリング・レート、および補正する必要がある最大信号遅延によって定められる。スイッチ１５４〜１５８の開放および閉鎖状態は、以下で論ずるビームフォーマ制御回路によって制御される。
【００３０】
[0032]  サンプル／ホールド・セル・アレイ
別々のサンプル／ホールド・セル１５０は、行毎および列毎に、サンプル／ホールド・セル・アレイ１３１（またはアナログ・ランダム・アクセス・メモリ即ちＡＲＡＭ）に編成される。好ましい実施形態では、アレイ１３１の行１３２の数（またはビームフォーマ・チャネル１０９の数）は、通例、変換器アレイ１０６におけるエレメント１０７の数（例えば、１２８エレメント）に等しい。他の実施形態では、ビーム形成チャネル１０９の数は、この数よりも小さいこともまたは大きいことも可能である。列の数（ＳＨＣバンク１３２におけるＳ／Ｈセルの数）は、サンプリング・レート、および変換器アレイ１０６のエレメントへの信号到達における最大遅延によって定められる。これについては後に説明する。例えば、Ｃ５−２／６０として知られるもののような一般的な湾曲医療用超音波変換器アレイでは、１２８エレメントのアクティブなアパーチャ（全長６０ｍｍ）が最大に開き、信号が組織内ｚ＝１００ｍｍの深さまで貫入する場合、最大信号経路差（深度ｚからアパーチャの中央に達するパルスおよびアパーチャの縁に達するパルス）はΔｄ≒４．４ｍｍ程度となる（図３参照）。１５４０ｍ／ｓの音速では、最大遅延はΔｔ≒２．８６×１０−６ｓとなる。Ｓ＝４０ＭＳ／ｓ（メガ・サンプル毎秒）のサンプリング・レートでは、アパーチャの全エレメント１０７への信号の到達における２．８６マイクロ秒の遅延を補償可能にするためには、最少でも１１４サンプル点を取り込むことが必要となる。つまり、この場合、ＳＨＣアレイ１３１は、１２８本の行１３２の各々において、少なくとも１１４列のサンプル／ホールド・セル１５０を含む(consist of)。他の実施形態では、列の数Ｎは、最少必要数よりも大きくすることができるが、判断基準Ｎ＞Δｔ×Ｓ（サンプル／秒）が、各行１３２におけるサンプル・キャパシタ、即ち、セル１５０の数に対する最少推定値を与える。
【００３１】
[0033]  ＳＨＣアレイの列方向組織は、データをＳ／Ｈセル１５０に書き込むために使用され、行方向組織は、セルからデータを読み出すために使用される。図８Ａおよび図８Ｂに、このようなアレイを超音波ビームフォーマに採用した２つの主要なアーキテクチャを示す。図８Ａは、超音波システムの１つのチャネル１０９の部分的模式図を表示し、ＳＨＣ行１３２が送信および受信ビームフォーマ・チャネル間で、スイッチ１８４を介して共有される。図８Ｂは、１つの超音波チャネル１０９の部分模式図であり、送信および受信ビームフォーマが、アナログ・サンプルを格納し読み出すために、それら自体のＳＨＣ行バンク１３２および１３３を有する。バンク１３２および１３３は同じ設計を有してもよいが（図４Ａ〜図４Ｄおよび図５に示すように）、ＳＨＣバンク１３３は１３２とは別に印され(marked)、これらが、異なるサイズ値のストレージ・キャパシタ１５０を有してもよい２つの物理的に異なるアレイに属すことを示す。行バンク１３２に属する全てのＳ／Ｈセル１５０は、共通信号ライン１６０、１６２、および１６４に接続されている。セル・スイッチ１５２〜１５８を制御する論理回路は、ディジタル・ダイナミックＲＡＭ動作を制御するロジックと同様に、読み出し、書き込み、格納、または放電動作を実行するために、１つのセル、１つのグループ、または全てのセルの選択を可能にする。
【００３２】
[0034]  送信ビームフォーマの動作
図８Ｂを参照すると、ビームフォーマの動作の送信フェーズは、パルス形状をビームフォーマ・チャネル送信アナログ・サンプル・ストレージ１３３に書き込むことから開始し、ディジタル・アナログ変換器即ちＤＡＣ（図示せず）が、ＷＲＩＴＥライン１６０を使用して電圧レベル・サンプルをＳＨＣ行１３３のセル１５０に書き込む。好ましい実施形態は、受信チャネル１３２の数および変換器アレイ・エレメント１０７の数に等しい数の送信ビームフォーマ・チャネル１３３を有する。他の実施形態では、送信チャネルの数は、異なる信号形状を格納するために、アレイ・エレメントの数よりも多くすることができ、またはエレメント１０７の数よりも少なくして、アレイの全てのエレメントを引き受ける(serve)１つのチャネル１３３まで減らすこともできる。パルス形状は、１３３に格納される電圧サンプルのシーケンスによって形成される。パルスを形成するために、ＳＨＣ行１３３のサンプル／ホールド・セル１５０は、送信／受信スイッチ１８０を介して変換器エレメント１０７に接続された高電圧パルサー(pulser)１８２の入力に順次接続される。パルスの中心周波数および周波数内容(frequency content)は、パルス形状と、電圧サンプルがパルス発生器１８２の入力に到達するサンプリング（またはクロック）速度とによって定められる。送信チャネル毎のビーム形成遅延は、チャネル自体のタイマによって形成され、例えば、カウントダウン・カウンタまたはバッファを使用して、適した数のクロック・サイクルだけパルス形成の開始を遅らせる。
【００３３】
[0035]  一実施形態では、送信チャネル１３３のＳＨＣ行におけるサンプル／ホールド・セルの電圧分解能は、受信チャネル１３２のＳＨＣ行のＳＨＣ分解能よりも低くすることができる。他の実施形態では、送信チャネル・セルの分解能は、２ビット程度に低くすることができ、または受信ＳＨＣの分解能程度に高くすることもできる。送信ＳＨＣ行１３３の深度は、２つのセルから、受信行１３２におけるセル数に等しい数まで変化することができる。
【００３４】
[0036]  ＳＨＣ行１３３は、１つのパルス形状ではなく、現在のスキャン・ライン動作の間に異なるパルスを形成する（例えば、種々の中心周波数パルスによる１本のスキャン・ライン生成において複数の焦点を形成するため）ために、または異なるスキャン・ラインの生成（例えば、パルス逆転撮像(pulse inversion imaging)におけるように）のために、送信コントローラによって素早く選択することができる数のパルス形状を順次格納することができる。
【００３５】
[0037]  一実施形態では、各ＳＨＣ行１３３は、全てのビーム形成チャネルに共通であるパルス形状を格納することができ、あるいはビーム形成チャネル毎、またはビーム形成チャネルのグループ毎に別々であるパルス形状を格納することもできる。
【００３６】
[0038]  パルス形状は、必要であれば、ビーム形成の受信フェーズの間にリフレッシュするまたは書き換えることができる。送信ビームフォーマ回路のクロックまたはサンプリング周波数は、受信ビームフォーマのクロック速度と同じにすることができ、あるいはこれらの速度は独立しているので、受信ビームフォーマのクロック速度よりも高くまたは低くすることもできる。更に、サンプリング周波数を可変にすることもできる。一実施形態では、送信ビームフォーマのサンプリング速度は、送信中に送信パルスの周波数内容を変えつつその記録された形状を保存するために、プログラムによって変更することができる。
【００３７】
[0039]  送信／受信チャネル・アーキテクチャの他の可能な実施形態を図８Ａに示す。この実施形態では、ビーム形成チャネルの送信および受信部が、スイッチ１８４によって、同じＳＨＣアレイ１３２を共有する。送信および受信動作は、以上で説明したのと同じように進むが、受信サイクルの終了時に、ＷＲＩＴＥライン１６０が１１０の出力から切断され、最後の受信ビーム形成イベントがＳＨＣアレイの遠端(far end)において行われる間に外部ＤＡＣからのパルス形状データが順次アレイ１３２のＳＨＣセルに書き込まれることを除く。
【００３８】
[0040]  受信ビームフォーマの動作
図８Ｂのビーム形成チャネル１０９の模式図を参照すると、ピエゾ・エレメント１０７（変換器アレイ１０６の一部）が、送信段階の間電気エネルギを機械的振動に変換し、受信段階の間機械的振動エネルギを電気信号に変換する。送信／受信スイッチ１８０は、エレメント１０７を高電圧送信パルス発生器１８２の出力に、または増幅器１１０の入力に接続する（内部は、ロー・パス・フィルタ、低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）段階、およびＶＣＡを、時間−利得補償のための第２段階として含む(consist of)）。ＶＣＡ１１０の出力からの信号は、濾波および増幅されており、ＷＲＩＴＥ信号レーン１６０に接続される。ＷＲＩＴＥ信号レーン１６０は、ＳＨＣ行１３２を形成する全てのサンプル／ホールド・セル１５０を接続する。ＶＣＡ１１０の出力の代わりに、信号ライン１６０を、スイッチ１８８を介して基準電圧源１８６に接続することもでき、較正電圧レベルを書き込みそして読み出すことによって、バンク１３２におけるセルの動作(performance)試験および較正を可能にする。出力ＲＥＡＤ信号ライン１６２および１６４は、任意のセル１５０の任意のストレージ・キャパシタを電流または電圧フォロワーあるいは加算回路(summing circuit)の入力に接続することを可能にし、あるいはアポダイゼーションが必要でないとき（例えば、サブアパーチャ・ビーム形成）にストレージ・キャパシタ１５０から選択したものを順次直接接続することを可能にする。
【００３９】
[0041]  受信段階の間、ＶＣＡ１１０からの電圧レベルは一定の周波数（サンプリング・レート）によってサンプリングされ、最後のセルが格納するサンプルを受け取るまで、連続セル１５０に格納される。その時点において、書き込み動作が、再度、最初のセルから開始する（図６および図７に示すようなセル放電動作が先に行われる）。ある実施形態では、放電動作を含めなくてもよく、古いセルの内容は、書き込み動作の間に、新しい内容と置き換えられる。書き込み動作が開始するのは、ユーザによって設定された最少深度から散乱した信号がアレイに達したときであり、プリセットされた最大深度からの信号が、ビーム形成に関与するアレイの最も遠いエレメントに達するまで継続する。スキャン・ラインの作成(creation)のために散乱データを受け取る間にアレイの全てのエレメントに対する時間−圧力履歴全体を書き込み格納する代わりに、本発明は、スライディング・ウィンドウ(sliding window)手法を使用し、ビーム形成された信号の現在のサンプルの生成において使用される現行部分のみを格納する。
【００４０】
[0042]  データ収集を開始し十分に列を満たした後、読み出し（ビーム形成）動作が開始する。図９は、ＳＨＣアレイへの書き込みおよびＳＨＣアレイからの読み出しがどのように行われるかを示す。図９では、各正方形は、Ｎ行（ビーム形成チャネル）およびＭ列の１つのサンプル／ホールド・セル１５０を表す。時点ｔＪ＋１において、対応するＶＣＡ１１０からの電圧レベルのサンプルが、シンボルＷＩで識別された列２１０に書き込まれる。同じ時点において、Ｒ１で識別されたセル２１４が、ビーム形成アルゴリズムによって、現在の出力ビーム形成サンプルの生成のために選択される。これらのセルの内容が読み出され、加算回路によって合計される。次のサンプリング・インターバル時点ｔＪ＋２において、Ｗ２で識別されたＳ／Ｈセル２１２に書き込まれ、セル２１６（Ｒ２）が読み出される。読み出し動作がＳＨＣアレイの終端に達したとき、アナログ・サンプル書き込み動作で行うのと同じ方法で、最初の列に戻って繰り返す(fold over)。本システムは読み出しおよび書き込みに別々の信号ラインを有するので、これらの動作を同時に行うことができる。アレイにおける列の数を、必要とされる最小数よりも多少多く保持して、読み出しおよび書き込み動作が重複しないようにすることが望ましい。ある実施形態では、本システムはアレイ１３１全体を列方向に(column-wise)数個の独立したブロックに分割して、１つの列方向メモリ・ブロックにおいて書き込み動作を可能にし、次の１つにおいて放電を可能にしつつ、残りのブロックを読み出し動作のために確保する。例えば、本システムは、１２８×１２８エレメントを含む(consist of)アレイ１３１を列方向に分割し、各々１２８×１６ＳＨＣセルの８つのブロックにする。次いで、ある時点において、ブロック５を使用して１２８チャネルからのデータを書き込み、ブロック６を使用してその内容を放電し、ブロック７、８、および１〜４は読み出しおよびビーム形成に使用される。したがって、別々の読み出しおよび書き込みラインの代わりに、セグメント化された１本の信号ラインを、セルにアクセスするために使用することができる。ビーム形成時に関与するセルを選択する自由があるため、格納されたサンプリング・データを再利用して１つのビーム形成アルゴリズムを実行するだけでなく、同じデータ・ブロック上で多数の種々のビーム形成シナリオを同様に得ることが可能となる。これは、ディジタル・ビーム形成アーキテクチャにおいて、格納されたチャネル・データによって実行できるからである。
【００４１】
[0043]  概して言うと、書き込み動作は、Ｓ／Ｈセルの連続列上で実行する必要はない。メモリ・コントローラがスコアを保持する限り、セルのアドレスはランダムにすることができる。データを列方向に書き込むのは便利な選択肢であるが、ＳＨＣアレイは、ランダム・アクセス・アナログ・メモリＡＲＡＭとして使用されるように構築することもでき、あるエレメントからの電圧レベル・サンプルは、ランダムな位置に格納される（ハード・チャネルやタイミング・リンクはない）。この手法の潜在的に可能な利点は、ＳＨＣ行バンク（チャネル）の深度、およびアパーチャのサイズ（行または変換器エレメントの数）を選択する自由が得られることである。潜在的に可能な欠点の中には、チャネルを切り替えるためにアナログ・マルチプレクサが必要であること、および書き込み速度が遅くなる可能性があることであるが、このような設計の選択肢は、一部の用途には検討することもできる。
【００４２】
[0044]  また、サンプル／ホールド・セル・アレイ１３２、加算器１３６、およびＡＤＣ１２０のサンプリング・レートは、同じにする必要はなく、および／または同期させる必要もない。ある実施形態では、３つのブロック全てを制御するために１つのクロックを有することが望まれる場合もあり、他の実施形態では、読み出し、書き込み、およびディジタル化動作の間で位相差を有することが望ましい場合もある。更に他の実施形態では、サンプル／ホールド・セル・アレイ１３２、加算器１３６、およびＡＤＣ１２０の動作を制御するために、位相リンクされたまたは完全に独立した異なる周波数を有することが望ましい場合もある。以下で更に詳しく検討するように、３つの機能ブロック全てを独立したサンプリング・レートで、異なる周波数および位相を用いて機能させること、ならびに機能ブロック毎に独立してサンプリング・クロックを動的に調節する能力を有することが、有効に働く(benefits)場合もある。
【００４３】
[0045]  受信ビーム形成合計動作
ビーム形成合計(beamforming summation)は、ＳＨＣ１５０に格納されているアナログ・サンプルの電圧値または電流値を用いて行うことができる。図９および図１０を参照すると、ビーム形成過程において、各ビーム形成チャネル１３２においてセル１５０（Ｒ１で識別された）がビーム形成アルゴリズムによって選択された後の時点ｔＪ＋１において、ストレージ・キャパシタ１５２が、信号ラインＲＥＡＤ  Ａ（１６２）およびＲＥＡＤ  Ｂ（１６４）によって、電圧または電流フォロアー２００の入力に接続される。一実施形態では、電圧フォロワー２００が電圧制御増幅器２０２に接続される。電圧制御増幅器２０２は、アパーチャー・アポダイゼーションの形成のため、およびキャパシタ較正補償のために使用される。現在のアクティブ・アパーチャのスパンは、現在のビーム形成過程に関与していないチャネルに対して、アポダイゼーション値を０に設定することによって制御される。他の実施形態では、電圧フォロワー２００およびＶＣＡ２０２を１つの回路に組み込むことができる。更に他の実施形態では、２００は電流フォロワーである。他の実施形態では、ストレージ・キャパシタ１５２の一方のプレートが、信号接地に永続的に繋がれ(attach)、信号ラインＲＥＡＤ  Ｂ１６４は使用されない(absent)。
【００４４】
[0046]  一実施形態では、各受信ビーム形成チャネルは、それ自体の２００および２０２増幅器を有する。他の実施形態では、減少した数の２００および２０２増幅器を有し、アナログ・マルチプレクサによって、選択されたビーム形成チャネルを、複数の２００および２０２増幅器によって形成されたアパーチャと接続してもよい。更に他の実施形態は、ＶＣＡ２０２を除去してもよく、またはアクティブ・アパーチャ選択のためのアナログ・スイッチと交換してもよい。
【００４５】
[0047]  便宜上、本システムは、アナログ・チャネルＡＣ２０３を、アレイ・エレメント１０７の出力から出力ＶＣＡ２０２上における電圧サンプリングまでにおける、アナログ信号収集、格納、および処理に関与するエレメントおよび機能ブロックの全てを含むものと定める。ＶＣＡ２０２（またはＡＣ２０３）の出力は、適正に遅延され、アポダイズされ、補償されたアナログ・チャネル・サンプルを表す。
【００４６】
[0048]  電圧合計方式では、加算回路１３６が全てのビーム形成チャネルからの電圧サンプルのインスタンスを受け取り、これらを合計して、その結果を出力する。電流合計手法が使用される場合、回路１３６は電流加算回路となる。他の実施形態では、合計(summing)は、実際のストレージ・キャパシタ１５２の内容で行われるのではなく、合計のために使用される一時的ストレージ・キャパシタに最初にコピーされたそれらの内容で行われる。更に他の実施形態では、合計は、ビーム形成イベントに関与する全てのストレージ・キャパシタ１５２、または一時的ストレージ・キャパシタを直列に接続することによって行われ、最後のキャパシタが接続されるまで、第１キャパシタのライン１６４は第２行キャパシタのライン１６２に接続される等となる。次いで、第１キャパシタのライン１６２および最後のキャパシタのライン１６４から合計値が読み出される。
【００４７】
[0049]  加算回路１３６の出力は、副サンプル／ホールド・セル２０４、ＶＣＡ２０６、およびアナログ／ディジタル変換器１２０に接続されている。アナログ・ディジタル変換器１２０の出力は、ディジタル化されたビーム形成ＲＦ信号となる。更に、エレメント２０４および２０６は模式図から削除してもよく、逆の順序で取り付けられてもよく、またはＡＣＤ１２０の内部エレメントにしてもよい。ＶＣＡ２０６はロー・パス・フィルタを含んでもよい。
【００４８】
[0050]  一実施形態では、ＡＤＣ１２０の出力から受け取った無線周波数（ＲＦ）信号を直接サンプリングすることによって、同相／直交（Ｉ／Ｑ）データが生成される。他の実施形態では、ＶＣＡ２０６の出力も従来のＩ／Ｑ復調サンプリング回路に接続されてもよい。
【００４９】
[0051]  副ＳＨＣ
副サンプル／ホールド・セル２０４は、Ｓ／Ｈセル１５０と同じ設計を有する。一実施形態では、エレメント１３６における合計の現在の結果を格納するために、１つのＳＨＣ２０４が使用される。他の実施形態では、図１１に示すように、スイッチ２０８および副ＶＣＡ２０６（ＶＣＡはなくてもよく、または電圧フォロワーと交換されてもよい）によるそれらのアナログ／ディジタル変換の前に、多数の(a number of)Ｓ／Ｈセルを使用して、同じチャネルのデータ・ブロックに対する異なるビーム形成アルゴリズムの動作を総計した結果を一時的に格納することができる。更に他の実施形態では、副ＳＨＣアレイが主ＳＨＣアレイ１３１と同様のサイズを有し、同様に使用されてもよい。この場合、主アレイ１３１は、密接に配置された変換器エレメントのグループに作用するサブアパーチャ・ビーム形成のために使用され、副ＳＨＣアレイは、以下で説明するように、予備ビーム形成(pre-beamforming)の結果をビーム形成するために使用される。更に他の実施形態では、副ＳＨＣアレイのサブアパーチャ・ビーム形成の結果に作用する三次(tertiary)ＳＨＣアレイ等があっても良い。
【００５０】
[0052]  可変サンプリング・クロック動作
当技術分野では、合焦遅延誤差（または遅延量子化誤差）を最小限に抑えるために、ビーム形成プロセスは、ビーム形成イベントに関与する全てのチャネルの位相の適正な整列を必要とすることは周知であり、合焦遅延誤差は、出力されるビーム形成信号の信号対ノイズ比、および結果的に得られる画像のダイナミック・レンジを劣化させる。この要件のために、サンプリング・クロック・レートをナイキスト周波数よりもかなり高く設定することになる。以前の研究(works)では（G.F.Manes, et.al., "Design of a Simplified Delay System for Ultrasound Phased Array Imaging"（超音波フェーズド・アレイ撮像用簡略化遅延システムの設計）、IEEE Trans. Son. Ulrrason., vol. SU-30, 1984）、最低判断基準を変換器の中心周波数の８倍として設定した。広帯域変換器を用いた最近の更に進んだシステムは、信号周期の１／１６程度の遅延分解能を必要とする（C. Fritsch, et.al., "Beamforming with a reduced sampling rate"（低サンプリング・レートによるビーム形成）Ultrasonics. v40(l-8), 2002）。設定されたサンプリング・レートにおいて、遅延量子化誤差は、信号帯域幅の低端からその高端まで増加し、既に周波数依存減衰が生じている信号における高い周波数が最も影響を受ける。したがって、クロック・レートを、変換器帯域幅における最高周波数の関数として設定することは理にかなっている。サンプリングするための最高周波数として１５ＭＨｚに設定すると、必要とされるサンプリング周波数は２４０ＭＨｚとなる。これは、高いサンプリング・レートであり、最近の標準によってでさえも、リアル・タイム・ビーム形成およびビーム形成後処理のために、膨大な量のデータを生成し、電力消費も増大する。したがって、この高データ・スループットを低下させる方法が望まれる。
【００５１】
[0053]  チャネル・サンプリングからディジタル化までのＡＳＤＲビームフォーマの信号経路全体にわたって同じサンプリング・クロックを維持すると、電力消費およびデータを最適化する多数の方法が得られる。携帯用、バッテリ動作型の応用システム(application)では、デバイス・メニューからユーザによって設定される主クロック・レートの任意の端数で動作するサンプリング・クロックによる低電力モードを利用することができる。他の選択肢は、粗略な予備的なスキャニングには低クロック・モードを有し、一旦スキャニングの目標が発見されたなら、診断品質の画像収集のために高クロックに切り替えることである。他の選択肢をあげるとすれば、画像の縁におけるラインは低いクロックによって収集し、中心に近いライン程高いクロックによってスキャンすることである。
【００５２】
[0054]  先に述べたように、ＡＳＤＲビームフォーマは、このビームフォーマの異なる機能ブロック毎に別個の独立したサンプリング・レートを有することを可能にする。ＡＳＤＲビームフォーマにおけるサンプル量子化段階においてのみ、合焦遅延誤差最小化の要件が必要となる。しかしながら、結果的に得られＡ／Ｄ変換器の入力に到達するビーム形成アナログ信号は、シャノンのサンプリング理論の範疇に入り、はるかに低いサンプリング・レートでディジタル化することができる。ビームフォーマにおける合計でさえも、アナログ・メモリからの適正な細かく遅延されたサンプルによって、ナイキスト・レート程度の低さで行うことができる。このように、２４０ＭＳ／ｓ（メガ・サンプル毎秒）のＷＲＩＴＥクロック・レートでサンプルをビームフォーマのメモリに書き込むことができ、合計動作（ＲＥＡＤクロック）およびその後のアナログ／ディジタル変換（ＤＩＧＩＴＩＺＥクロック）は、例えば、６０ＭＳ／ｓで、信号内容の損失を全く起こさずに行うことができる。
【００５３】
[0055]  独立したクロック・レートを有することの他の利点は、加算器のクロック（またはＲＥＡＤクロック）レートを低くすることによって解放される時間を、追加のビーム形成動作を実行するために使用できることである。例えば、図１１において説明し図示するように、チャネル・サンプルを２４０ＭＳ／ｓで書き込み、選択されたサンプルを６０ＭＳ／ｓで合計することにより、第２段階サンプル／ホールド・セル・アレイを使用するものの代わりに、同じチャネル・データ・ボリュームに対して４回までの独立したビーム形成動作（即ち、４回の後続のスキャン・ライン調合(compounding)）の実行が可能になる。
【００５４】
[0056]  このように、好ましい実施形態は、ビームフォーマのアナログ・メモリ書き込みおよび読み出し動作、加算器回路、およびアナログ／ディジタル変換ブロックのためにＷＲＩＴＥ、ＲＥＡＤ、およびＤＩＧＩＴＩＺＥという別個で独立したサンプリング・クロックを有する。このようなクロックは、プログラミングによって周波数および位相が同一になるように設定することができ、あるいは任意の位相および周波数差を有することができ、あるいはその周波数および位相を主サンプル書き込みクロックの端数として設定させることができる。主クロック・レートは、電力節約、発熱減少、または当業者には自明な他の理由のために低下させることができる。
【００５５】
[0057]  他の実施形態では、信号が深さ方向に伝搬しその高周波数内容を失うに連れて、電力節約の理由のため、または同時に行われる独立したビーム形成合計の回数を増やすため、あるいは当業者には自明な他の理由のために、サンプリング・レートを対応して低下させることもできる。
【００５６】
[0058]  任意書き込み／順次読み出しビームフォーマ・アーキテクチャ
図１５を参照すると、この特定実施形態は、１行だけのサンプル／ホールド・セル３０６と、Ｎ×Ｍクロスポイント・スイッチ・アレイ３０４とを採用する。Ｎ×Ｍクロスポイント・スイッチ・アレイ３０４は、アレイ１０７のＮ個のチャネルを、ＡＲＡＭ行３０６におけるＭ個のセルから選択された任意のＮ個のサンプル／ホールド・セルに接続する。他のクロスポイントＭ×１スイッチ３０８が、選択されたサンプル／ホールド・セル３１６をアナログ／ディジタル変換器１２０の入力に、直接あるいは必要であれば電気増幅器またはフィルタまたはインテロゲータを介して接続することができる。この実施形態では、サンプル／ホールド・セル３０６は、複数のチャネルからの時間制御寄与(time-gated contribution)を合計し、その結果を格納する。メモリ・バンクにおけるＳＨＣの数は、ビームフォーマによって補正されるべき最大所望遅延を収容する(fill)ために必要とされるサンプル・クロック周期の数よりも大きくなければならない。例えば、補正すべき信号到達時間における最大遅延が１ミリ秒であり、サンプリング時間が毎秒４０メガサンプルである場合、ビーム形成を実行するために必要なセルはＭ＞４０となる。
【００５７】
[0059]  送信／受信アレイ１０７は、生成、超音波パルスの受信、および圧力パルスを、電気のような他の形態のエネルギに、そしてその逆に変換するために使用される。アレイ１０７は、ピエゾ技術、ＭＥＭに基づく技術、磁気抵抗技術として設計することができ、または圧力波情報の他の形態のエネルギへの変換(transformation)を可能にする任意の他の技術によって設計することもできる。
【００５８】
[0060]  サンプル／ホールド・セル３１６の設計は、ＳＨＣ１５０の設計とは異なることができ、セル３１６は時間制御サンプル(time-gated sample)を合計し、つまり積分回路として作用する。このような回路の設計は一般的な知識であり、受動ＲＣ回路として、または能動的なオペ・アンプに基づく積分回路として構築することができ、追加のコンポーネントがセル３１６自体の一部となるか、またはセル外部の回路の一部となる。
【００５９】
[0061]  先に説明した実施形態と同様、サンプル／ホールド・セルは、円形または環状バッファに編成され、現サンプルが最後のアドレスに書き込まれると、書き込み動作が繰り返し、アレイの最初のアドレスにおいて次のサンプルを書き込み始めるようになっている。しかしながら、他の実施形態では、ＡＲＡＭメモリ・バンクの長さは、（サンプル・レート）×（最大深度）／（音速）としてスキャン・ラインを構成する全てのサンプルを書き込むのに十分であることもあり得る。
【００６０】
[0062]  増幅器ブロック３００および３１２は双方共、フィルタ、バッファ、電圧制御増幅器、電圧フォロワー、または信号コンディショニング・タスクに必要とされる、以上で述べた回路の任意の組み合わせを内蔵することができる。
【００６１】
[0063]  受信ビームフォーマのこの実施形態の作用(workings)は、超音波フレーム生成の間における１つのビーム形成ＲＦラインの生成を説明することによって例示することができる。過剰に簡略化した例において、エレメントＥＬ５が、最少遅延を有するアパーチャの中心にあり、８つのサンプル／ホールド・セル３１６がＡＲＡＭバンク３０６内にあり、遅延が線形である９チャネル・アパーチャ１０６を想定する。次いで、図１７Ａを参照すると、中心のエレメントＥＬ５が、各クロックｔ１、ｔ２、．．．、ｔｊによって、ＳＨセルＣ１、Ｃ２、．．．、Ｃ８における受信圧力(received pressure) に比例するアナログ・サンプルを格納する。これは、図１７Ａに示す通りである。アパーチャＥＬ４およびＥＬ６のエレメントは、到達時間における遅延を補正するために、簡略化ビーム形成アルゴリズムによって、１クロック周期だけ遅延され、時点ｔ２に到達した信号をＳＨセルＣ１に格納し、つまり、直前のクロック・サイクルにおいてそこに既に格納されているエレメントＥＬ５からのアナログ・サンプルにそれを追加し、次いでサンプルをセルＣ２、Ｃ３等．．．に加算する動作を進める（図１７Ｂ参照）。ＡＲＡＭバンク３０６における１つの特定のセルを取り上げる(reference)。図１７Ｃを参照すると、ＥＬ５からのアナログ・サンプルが任意の開始時点ｔ１においてセルに格納された場合、次のクロックｔ２において、ＥＬ４およびＥＬ６からのサンプルの加算があり、次いでｔ３においてアレイ・エレメントＥＬ３およびＥＬ７からのアナログ・サンプルのセルの内容への加算があり、次いでｔ４において既存のセルの内容およびＥＬ２およびＥＬ８からのアナログ・サンプルの合計があり、次いでｔ５においてエレメントＥＬ１およびＥＬ９からのアパーチャ・サンプルからの最後の寄与の加算がある。一旦このビーム形成過程に関与するアパーチャの全てのエレメントからのアナログ・サンプルを加算し終えたなら、本システムは、次のクロック周期ｔ６においてセルの内容を読み出し、それをアナログ／ディジタル変換器に（直接または積分器を介して）、またはビームフォーマの次の段階に送ることができる。
【００６２】
[0064]  このビームフォーマは、アレイ全体を有する単独ビームフォーマとして使用することができ、またはサブアパーチャ・ビームフォーマとして実装することができ、各サブビームフォーマは別のＡＤＣにおいて動作するか、またはもっと大きなマルチレベル・ビームフォーマの一部または段階であり、第１段階サブアパーチャ・ビームフォーマとして動作するか、または中間段階ビームフォーマとして動作して、以前の段階の寄与を合計し、その結果を上位段階に受け渡すか、あるいは最終段階のビームフォーマとして動作して、最終ＲＦ信号をアナログ／ディジタル変換器に出力する。また、このビームフォーマは、任意の他の既存のビームフォーマ・アーキテクチャおよび今後のビームフォーマ・アーキテクチャと組み合わせたビーム形成段階として動作することもできる。
【００６３】
[0065]  １行のビームフォーマは、多数のビーム形成アーキテクチャを実現することができる。いくつかの概略的な例を図１６に紹介する。図１６Ａはこの章で先に説明した１行ビームフォーマであり、アレイ１０６からの信号は、信号コンディショニング回路３００およびＮ×Ｍクロスポイント・スイッチ３０４を通って、１行ＡＲＡＭ３０６に書き込まれ、Ｍ×１スイッチ３０８を通ったビーム形成信号は、アナログ／ディジタル変換器１２０に達する。クロスポイント・スイッチ３０４は、便宜上、少なくとも２つの独立または並列アドレシング制御によるセクション３１４（図１６Ｂ）に分割することができる。図１６Ｃに示す他の実施形態では、１行のサンプル／ホールド・セル３０６の代わりに、多数のＡＲＡＭセル・バンクがあり、各々が独立したビーム形成アルゴリズムを実行することができる。また、ここでは、各ＡＲＡＭセルは、１つのＡＤＣを全てのＡＲＡＭバンク３０６に共通にする代わりに、それ自体のアナログ／ディジタル変換器に接続することもできる。
【００６４】
[0066]  図１６Ｄは他の実施形態を示し、この場合、ディジタル化の代わりに、ＡＲＡＭセル・バンク３０６におけるスキャン・ライン・ビーム形成の結果が、もっと大きなＡＲＡＭアレイ３２０に送られる。ＡＲＡＭアレイ３２０は、今後の抽出および処理のために、画像フレームを構成する全てのスキャン・ラインのアナログ・サンプルを格納する。ここで、このようなサンプル・ラインの数は、チャネルの数よりも小さいこと、等しいこと、または大きいことも可能である。更に他の実施形態では、アレイ３２０における各ＳＨセルは、画面上に表示される超音波診断画像における１つの画素に対応する。この場合、コンディショニング回路３１２およびクロスポイント・マトリクス・スイッチ３１８を介して３０６に格納されたスキャン・ラインの内容は、スキャン変換アルゴリズムにしたがって、３２０のセルに書き込まれる。
【００６５】
[0067]  任意書き込み／任意読み出しビームフォーマ・アーキテクチャ
任意書き込み／任意読み出しの原理に基づく他のビームフォーマ・アーキテクチャを模式的に図１８に示す。この図では、ＡＲＡＭ３２０の各セルは、図１６Ｄにおいて先に説明した実施形態と同様に、超音波フレームの１つのサンプル点または１つの画素を表す。各サンプル・クロック周期において、ビーム形成アルゴリズムは、このビーム形成過程に関与するチャネルからの寄与を、超音波画像におけるサンプル点に関連付けられたＡＲＡＭセルに格納する。ＡＲＡＭ３２０におけるこのようなサンプル・ラインＫまたは行の数は、１０６におけるチャネルの数よりも小さいことも、等しいことも、大きいことも可能であり、アレイ３２０の長さＭは、超音波フレームの最大深度を収容するように、または補償される必要がある最大遅延を収容するように、あるいはこれら２つの数の間の任意の数のセルとなるように選択することができる。この設計では、１つのＡＤ変換器１２０があることも、または並列に動作してＡＲＡＭ３２０からのデータを、クロスポイント・スイッチ３２４を介して受け取る複数のこのようなＡＤ変換器があることも可能である。ＡＲＡＭ３２０の各セルが画面変換前のフレーム(pre-screen converted)または生のＲＦ超音波フレームの１つのサンプル点に関連付けられる実施形態では、本システムは、任意書き込み／順次読み出しビームフォーマについて先に説明したのと同じ方法で、各チャネルからの寄与を格納し合計するが、各サンプル・クロックにおけるチャネルからの寄与は、現サンプリング・ラインの形成に行くだけでなく、フレームにおいて隣接するサンプル・ラインのビーム形成にも関与することができる。ＡＲＡＭ３２０の各セルが、画面上に表示される超音波診断画像における１つの画素に関連付けられる実施形態では（いわゆる画面変換画像）、ビーム形成は先に説明したように行われる。ここで唯一の違いは、ビーム形成アルゴリズムによって定められる現ビーム形成過程に対するサンプル選択判断基準にあり、更にＡＲＡＭ３２０の深度（列の数）を、フレームのスキャン・ラインにおける画素数に少なくとも等しくさせなければならないことである。
【００６６】
[0068]  本願全体を通じて、簡略化された図が採用されており、表現の明確化のために有意な実際の設計ブロックおよびコンポーネントの多くが省略されているが、これらの省略は当業者には明白であり設計の欠陥と考えることはできないことは、注記するに値する。
【００６７】
[0069]  １．５Ｄ、１．７５Ｄ、２Ｄアレイ動作
以上で説明したビーム形成アーキテクチャは、アレイにおけるエレメント（送信／受信チャネル）の数が数千に上る、任意の一般的なＩＤ超音波アレイ（一般的なＩＤアレイのレイアウトを模式的に図示する図１２Ａを参照のこと）を収容する(accommodate)ことができる。１．５Ｄ、１．７５Ｄ、または２Ｄといった、変換器アレイのエレメント数がもっと多い場合や、構造が更に複雑な場合、先に部分的に説明した方法（副サンプル／ホールド・セル・アレイ）で、この基本的なアーキテクチャを改造することができる。図１２の一番上の模式図を参照すると、典型的な１．５Ｄまたは１．７５Ｄアレイは、本質的に、ＩＤ変換器であり、そのエレメントが仰角方向(elevation direction)に分割され、各エレメントが好ましくは別個のビーム形成チャネルを有する。分割数はいずれでも可能であるが、仰角方向（図ではＹ軸）のサブエレメントのサイズが、軸方向（Ｘ軸）のサイズに近く、双方のサイズがアレイの中心周波数の波長の半分以下である場合、このようなアレイを２Ｄアレイとして記述することが一層正しくなる（対応して、図１２の下の模式図を参照のこと）。このようなアレイを使用する主な理由は、軸方向の合焦を制御するのと同じ方法で仰角方向の合焦を制御することができるからであり、つまり、仰角方向に画像スライスに一定の厚さが得られ、対応してコントラストや詳細分解能が改善するからである。
【００６８】
[0070]  １．５Ｄおよび１．７５Ｄアレイ間における主な違いは、１．５Ｄアレイでは、エレメントが対称的に列方向に接続される（図１２参照）ので、仰角方向の合焦は、画像スライスの平面、即ち、Ｙ−Ｚ平面（Ｚ軸は深度であり、図１２の平面に対して垂直に向かう）においてのみ行われるのに対して、１．７５Ｄアレイのサブエレメントは独立して制御され、したがって、限定された平面外合焦(out-of-plane focusing)を行うことができ、グレーティング・ローブ位置によって制限されることである。２Ｄアレイは、そのエレメントが１／２波長に近く、３つの方向、仰角、軸方向、および深度全てにおける合焦に同じ自由度を有する。
【００６９】
[0071]  １．５Ｄ、１．７５Ｄ、および２Ｄアレイに対する好ましい実施形態では、アレイの全てのエレメントがグループまたはサブアパーチャ２１８に分割される。このようなサブアパーチャのいつかの例を、図１２の下の方の模式図に示す。サブアパーチャを選択する好ましい方法は、サブアパーチャの中心エレメント（図１２の一番下の模式図における例）に関して最少の群遅延に基づいてアレイのエレメントを組み立てることであり、主アナログ・チャネル２０３（図１３）の受信ビームフォーマ・チャネル１３２におけるサンプル／ホールド・セルの数を少なくすることができる。この場合、主（または第１）アナログ・チャネルの下において、チャネルはアレイ・エレメントに接続されることが分かる。サブアパーチャ２１８のエレメントは、アナログ・チャネル２０３（ＳＨＣ１５０の数が少ない）に接続し、次いでサブアパーチャ内の異なるチャネルからのセル１５０の内容が、先に説明した方法でビーム形成され、加算回路１３６の出力が第２段階ビームフォーマ・チャネル１３５に接続される。第２段階ビームフォーマ・チャネル１３５は、ビームフォーマ・チャネル１３２と同じ設計を有するが、第１および第２段階ビームフォーマ・チャネル１３２および１３５は物理的に異なるデバイスであり、異なる内部構造（例えば、セル１５０の数）を有する場合もあることを示すために、異なる番号が付けられている。１３５の寄与は、第２段階加算回路１３７によって合計される。１３７の出力は、ディジタル化ビーム形成ＲＦ信号を生成するために、アナログ／ディジタル変換器１２０の入力に入力されるビーム形成アナログ信号である。尚、本発明は任意の数のサブアパーチャを形成できることは理解されよう。また、本発明は、任意の数のビーム形成段階を実装できることも理解されよう。この場合、低い方のレベルのサブアパーチャから収集される各寄与は、１つのビーム形成信号が出力されるまで、次のレベルのサブアパーチャにおける１つのチャネルとなる。
【００７０】
[0072]  １．５Ｄ、１．７５Ｄ、および２Ｄアレイに対する一実施形態では、全てのビーム形成は、アレイの隣に置かれたＡＳＤＲビームフォーマ・ハードウェアにおいて行われる。他の実施形態では、一部のサブアパーチャ・ビーム形成は、アレイの隣にあるＡＳＤＲビームフォーマにおいて行うことができ、次いで部分的にビーム形成された信号は有線リンクまたはワイヤレス・リンクを通じて超音波機械ハードウェアに送られ、最終的なビーム形成はＡＳＤＲビームフォーマまたは先行技術のディジタル・ビームフォーマにおいて行われる。このような手法の主な利点は、プローブから超音波ハードウェアまでにわたるケーブルの本数の減少である。
【００７１】
[0073]  携帯用超音波デバイスおよびＡＳＩＣ構造
本発明において説明したＡＳＤＲビームフォーマは、小型サイズおよび低電力消費を、チャネル数が多いフル・アパーチャおよび短い信号経路１０９から得られる高画質と組み合わせた、小型の超音波診断デバイスを構築するために使用することができる。このようなシステムは、プローブ上システムとして実現することができ、信号収集および処理に必要な全てのハードウェアは、バッテリと共に変換器アレイのハンドル内に収まり、ビーム形成され処理された信号をワイヤレスで受信機に送信する。受信機は、ラップトップ、スマートフォン、タブレット、またはＴＶ受像機のようなディスプレイ・ユニットに接続され、画像が表示される。このような診断用超音波システムの一実施形態では、図１４の模式図の例に示されるように、ＡＳＤＲビームフォーマは、変換器アレイ１０６に直接隣接して配置された１つまたは数個の集積チップ（ＩＣ）として実装される。
【００７２】
[0074]  Ｎチャネル（エレメント数に等しい）受信ビームフォーマ２５２の機能については、先に説明した。この場合、アレイ１０６の各エレメントからＴ／Ｒスイッチ１８０を通った信号はＶＣＡ１１０、Ｓ／Ｈセル・バンク１３２に進み、次いで選択されたＳＨＣエレメントの電圧レベルは、フォロワー２００を通って、加算回路１３６の入力に至り、更にＶＣＡ２０６を通ってＡＤＣ１２０の入力に至る。出力ＡＤＣからのディジタル化データはバッファ・メモリ２５４に書き込まれる。
【００７３】
[0075]  送信／受信制御回路ブロック２５６は、受信ビームフォーマ２５０、２５２、バッファ・メモリ２５４、およびバックエンド・プロセッサ２５８に入る、およびこれらから出るデータならびにコマンドの流れを制御する。送信ビームフォーマ２５０は、ディジタル／アナログ変換器２４２からの電圧レベルを、バッファ増幅器２４０を介して、送信ＳＨＣアレイ１３３に書き込む。１３３からの電圧レベル・サンプルは、高電圧パルスを形成するために順次パルサー１８２に送られて、高電圧パルスは変換器アレイに送られる。送信ビーム形成遅延は、Ｔ／Ｒ制御回路ブロック２５６によって制御される。送信ビームフォーマＤＡＣ２４２は、Ｒｘビームフォーマが受信モードにある間、アレイＳＨＣ１３３の内容をリフレッシュする。バックエンド・プロセッサ２５８は、バッファ・メモリから受け取った生のＲＦデータに対して初期信号および画像処理を実行する。この処理は、データ流編成（ラインおよびフレーム・ヘッダの作成というような）、フィルタリング、Ｉ／Ｑ、Ｂ−モード変換、ドプラ・データ抽出、データ圧縮、スキャン画像形成、およびバックエンドＤＳＰの他の典型的なタスクを含むが、これらに限定されるのではない。また、これは、超音波ハードウェア制御ブロック２６０の任意のボタンおよび回転ダイアル制御手段からのコマンドを受け取って解釈する。プロセッサ２５８の他のタスクは、外部ストレージおよび処理インターフェース・ブロック２６２への情報の流れを編成することであり、超音波データの不揮発性メモリ・ストレージ（フラッシュ・カード、ＳＤ、またはマイクロＳＤのような）、ワイヤ・ベースのデータ転送（ＵＳＢのような）ポート、およびワイヤレス・データ・インターフェースへの書き込みを制御する。
【００７４】
[0076]  スキャン・データ（生ＲＦ、ドプラ、Ｂ−モード、画像、ボリューム・データのような）は、プローブ側ハードウェア・ブロック２６４から外部に、ワイヤ・リンクまたはワイヤレス・リンク２６６を介して、ディスプレイ側のハードウェア・ブロック２７０に転送される。そこで、データはインターフェース２７２によってデコードされ、画像は、ブロック２７４において、現在のディスプレイ・デバイスのフォーマットに収まるように処理され、ディスプレイ・インターフェース２７６に出力される。ディスプレイ・インターフェース２７６は、ディスプレイ・デバイスによって受け入れられるフォーマットのデータを、ＵＳＢ、ＨＤＭＩ（登録商標）、ＤＶＩ、または他の入力信号ポートを介して送信する。
【００７５】
[0077]  このようなシステムの一実施形態では、ＡＳＤＲビームフォーマは、１つのＡＳＩＣ上に構築され、アナログ・フロントエンド、ＳＨＣアレイ、ディジタル・バック・エンド、および制御回路と共に、変換器アレイを除いて、ブロック２６４において説明した全ての機能ブロックを含むことができる。他の実施形態では、機能ブロックの一部、またはブロック２６４において説明したこのようなブロックの一部が、ＡＳＤＲ  ＡＳＩＣとは別個に実装されてもよい。他の実施形態では、本システムは、１つのＡＳＤＲ  ＡＳＩＣで構成されるのではなく、１つのＡＤＣに作用する数個の独立したＡＳＤＲビームフォーマ（または各々がそれら自体のＡＤＣに作用する）で構成されてもよく、各ＡＳＤＲビームフォーマは、アレイ１０６の一部をそのサブアパーチャとして有し、最終的なビーム形成は、複数のＡＳＤＲビームフォーマから来るデータ・ストリームに対してディジタル的に行われる。更に他の実施形態では、更に高いサンプリング・レートを達成するために、時間インターリーブによって、数個の独立したＡＳＤＲビームフォーマが同じアレイ１０６に作用することができる。このようなシステムの一実施形態では、ディスプレイ側コントローラ２７０はドングル(dongle)として実装される。ドングルは、ＵＳＢまたはＨＤＭＩのような標準的なデータ接続によってディスプレイ・デバイスに接続し、プローブ側ハードウェア２６４とワイヤレスで相互作用する。他の実施形態では、制御および画像処理ソフトウェアがディスプレイ・ユニットにロードされ、ドングル２７０によるプローブ側ハードウェア２６４の制御を可能にする。
【００７６】
[0078]  このようなシステムの一実施形態では、コントローラ２７０を任意の診断用超音波デバイスのプローブ・コネクタに、後付け部品として取り付けることができる。これは、超音波データをプローブ側ハードウェアからワイヤレスで受信し、既存のコード接続型(corded)ＩＤプローブと置き換わる超音波デバイスにそれを送信する。簡単な措置を講ずることによって、高いダイナミック・レンジおよびＡＳＤＲシステムの分解能の保存を確保することができる。例えば、着信するビーム形成ＲＦ信号をディジタル・ビームフォーマの１つのチャネルを通じて導くことができ、アナログ・フロントエンド電子回路を最少ノイズ設定に合わせて調整し、次いで復元およびディジタル化するか、または着信ビーム形成ＲＦ信号を全てのビームフォーマ・チャネルを通じて並列に導き、次いで遅延なしで合計するか、または、例えば、１６個のビームフォーマ・チャネルを割り当て、各々が着信ＲＦ信号の１６ビット・データの内１つの論理レベルを搬送することによって、または当業者には自明な他の手段によって、着信ＲＦ信号をホスト・システムのアナログ・フロントエンドおよびディジタル・ビームフォーマを介してそのディジタル形態で導くこともできる。また、このような実施形態におけるスキャニング・プロセス、コマンド、およびスキャン・パラメータの制御は、ホスト・デバイスからＡＳＤＲデバイスへのドングル２７０を介したデータ転送によって、行うこともできる。このような実施形態は、ホスト機械の一部であるＡＳＤＲプローブ用の充電器(charging station)、ならびにバッテリ健全性およびアレイ健全性インディケータも含む。
【００７７】
[0079]  このような診断用超音波システムの一実施形態では、超音波試験の間に取り込まれた全てのスキャン・ラインおよびフレームの正確な３D空間位置の記録を可能にするために、加速度計、ジャイロスコープ、およびソフトウェア・アルゴリズムをシステムに追加する。この実施形態では、試験の間に破棄されるスキャン・ラインやフレームはなく、メモリに格納される。更に、各スキャン・ラインおよびフレームは、これらがその位置において以前に記録されたデータを含む場合、画面上における現フレームの作成に関与することもできる。このように、試験の間に、オペレータがプローブを動かすと、超音波プローブが多くの時間を費やす位置および方向ほど、高い密度のデータで、３Ｄボリュームが再現される(reconstruct)。この方式の利点の１つは、オペレータがより広いエリアにわたって大まかな掃引を行い（身体エリアの「ペインティング」(painting)のように）、対象領域にそのスキャニング時間の殆どを集中させることができることである。大きな掃引は、周辺分析の総合的評価を与え、一方集中スキャン(focused scan)はより良い画像を生成する。
【００７８】
[0080]  尚、このビームフォーマ・システムは、部分的にハードウェアで、部分的にファームウェアで、そして部分的にソフトウェアで実装し、これらの部分の間の正確な境界を実施の必要性によって決めることができるようにしていることは注記してしかるべきである。更に、全ての説明および模式図において、本発明の理解にとって補助的なＶＣＡ、ＬＮＡ、電圧フォロワー・スイッチ等のようなエレメントまたはブロックの配置は、電子設計の通常の知識を有する者であれば誰でも、それらの機能が、実際の作業回路図、それらの構造において、これらが配置されるべき場所およびパラメータを決定することを理解すると想定して、厳密に守られていない。
【００７９】
[0081]  以上の説明は、超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法について説明した。この方法は、ｉ）送信および受信用に構成された個々の超音波アレイ・エレメントで形成された超音波アレイを用意するステップと、ｉｉ）個々のアレイ・エレメントを個々のチャネルに分割するステップであって、各チャネルが少なくとも１つのアレイ・エレメントを含む、ステップと、ｉｉｉ）チャネルの各アレイ・エレメントから受け取った入力から、チャネル毎に受信入力信号を生成するステップと、ｉｖ）チャネル毎の各受信入力信号をサンプリング・レートでサンプリングし、当該チャネルに関連付けられたサンプル／ホールド・セルのバンクに、サンプリングされたデータを格納するステップであって、サンプル／ホールド・セルのバンクが、サンプリングされた受信入力信号のために、アナログ・ランダム・アクセス・メモリを形成する、ステップと、ｖ）ビーム形成アルゴリズムにしたがって、各ビーム形成過程における特定の出力時間毎に少なくとも１つのチャネルから少なくとも１つのサンプル／ホールド・セル・データを選択するステップと、ｖｉ）ビーム形成過程の間における関連チャネルから選択されたサンプル／ホールド・セル・データの全てを合計し、ビーム形成過程に対するアナログ・ビーム形成受信信号サンプルを形成するステップと、ｖｉｉ）アナログ・ビーム形成受信信号サンプルをディジタル化するステップとを含む。
【００８０】
[0082]  結論
以上で論じたように、個々のチャネルは、総合的に、アレイ・エレメントだけでなく、制御電子回路も含む。更に、サンプリング・レートは固定であっても可変であってもよく、更に、データがセルから読み出されるレート、またはこのようなものがディジタル化されるレートとは独立であってもよいことを注記するのは重要である。ディジタル化されたサンプルは、通例、当技術では周知のように、更なる処理のために格納される。超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法では、各チャネルは１つだけのアレイ・エレメントを含むのでもよい。更に、チャネル毎に受信入力信号を生成するステップは、少なくとも１つの電圧制御増幅器と少なくとも１つのフィルタによって、アレイ・エレメントからの入力を処理するステップを含んでもよい。加えて、各チャネルは、動作において４０ミリワット未満を使用すればよく、一般にはチャネル毎に２５ミリワット未満であり、典型的にはチャネル毎に約１０ミリワットまたはそれ未満である。各サンプル／ホールド・セルは、キャパシタ・ベース・エレメントとして形成されてもよい。尚、適正な時間利得補償（ＴＧＣ）値、アパーチャ選択、およびアポダイゼーション重み付けを割り当てる目的で、適正な信号対ノイズ減衰のための合計の前に、選択されたアナログ−ホールド・データが、アナログ・フィルタおよび／または可変利得の増幅器を通過することは特記するに値する。
【００８１】
[0083]  アナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法において、各バンクにおけるサンプル／ホールド・セルの数が、秒毎のサンプル・レートに、信号経路に対する最大所望遅延を乗算した値以上であればよい。更に、サンプル／ホールド・セルのバンクにおけるサンプリングされたデータの格納のためのサンプリング速度が、サンプル／ホールド・セルのバンクにおけるサンプリングされたデータの読み出しのためのサンプリング速度には独立であってもよい。
【００８２】
[0084]  更に、アナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法は、送信チャネル毎に、送信出力パルス信号の少なくとも１つの形状を、この送信チャネルに関連付けられた送信サンプル／ホールド・セルのバンクに格納するステップを含んでもよい。一実施形態では、送信サンプル／ホールド・セルの１つのバンクが、複数の送信チャネルに関連付けられる。更に、この方法は、サンプル／ホールド・セルの同じバンクが、チャネル毎に、サンプル／ホールド・セルの受信バンクおよび送信サンプル／ホールド・セルのバンクを形成することを規定してもよい。あるいは、各チャネルが、サンプル／ホールド・セルの１つの受信バンクと、送信サンプル／ホールド・セルの１つの異なるバンクとに関連付けられてもよい。
【００８３】
[0085]  以上で説明した超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成方法は、複数のアルゴリズムに関連付けられた複数のビーム形成過程を利用してもよいことを規定し、更に、アナログ・ビーム形成受信信号をディジタル化する前に、ビーム形成サンプル／ホールド・セルのバンクに、各ビーム形成過程におけるアナログ・ビーム形成受信信号の各々を格納するステップを含んでもよい。
【００８４】
[0086]  以上で概説したように、サンプル・メモリを編成するには、次の２つの方法がある。１）動作の間、リング・バッファとして編成されたＡＲＡＭにデータが連続的に書き込まれ、現在のサンプルが最後のアドレスに書き込まれたとき、書き込み動作が繰り返し、アレイの最初のアドレスにおいて書き込み始めるようになっている。または、２）ＡＲＡＭメモリ深度は、スキャン・ラインに対するチャネル・データ全長を格納するのに十分であり（ここで、最大遅延は、信号が最大所望スキャン深度まで進行し受信機に戻るのに要する時間である）、複数のビーム形成に対する自由度が広がる。
【００８５】
[0087]  以上の説明は、受信ビーム形成を説明したときと本質的に同じ方法で、送信ビーム形成も明確に定める(define)。要するに、送信ビームフォーマは、ビーム形成アルゴリズムによって選択されたチャネルにおけるサンプル／ホールド・セルの送信バンクに格納されたアナログ・サンプル値を順次読み出すことによって超音波パルスを形成し、送信／受信アレイのエレメントに接続された高電圧増幅器または発電機にこれらを送り、各チャネルは、送信ビーム形成アルゴリズムにしたがって、既定の時間遅延およびサンプリング・レートで、アナログ・サンプル値を読み出し始める。
【００８６】
[0088]  以上の説明は、超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビームフォーマについて明記したのであり、ｉ）送信および受信用に構成された個々の超音波アレイ・エレメントで形成された超音波アレイであって、個々のアレイ・エレメントが個々のチャネルにグループ化され、各チャネルが少なくとも１つのアレイ・エレメントを含む、超音波アレイと、ｉｉ）チャネルの各アレイ・エレメントから受け取った入力から、チャネル毎に受信入力信号を生成する受信入力信号制御回路と、ｉｉｉ）サンプル／ホールド・セルの複数のバンクであって、サンプル／ホールド・セルの各バンクが１つのチャネルに関連付けられ、ビームフォーマが、チャネル毎の各受信入力信号をサンプリング・レートでサンプリングし、当該チャネルに関連付けられたサンプル／ホールド・セルの１つのバンクに、サンプリングされたデータを格納するように構成され、サンプル／ホールド・セルのバンクが、サンプリングされ関連付けられた受信入力信号のために、アナログ・ランダム・アクセス・メモリを形成する、サンプル／ホールド・セルの複数のバンクと、ｉｖ）ビーム形成アルゴリズムにしたがって、各ビーム形成過程において少なくとも１つのチャネルから少なくとも１つのサンプル／ホールド・セル・データを選択するように構成されたビーム形成プロセッサと、ｖ）各ビーム形成過程の間における各チャネルから選択されたサンプル／ホールド・セル・データの全てを合計し、ビーム形成過程に対するアナログ・ビーム形成受信信号サンプルを形成するアナログ合計エレメントと、ｖｉ）アナログ・ビーム形成受信信号をディジタル化するアナログ／ディジタル変換器とを含む。
【００８７】
[0089]  少なくともビーム形成プロセッサは、集積回路として形成されてもよい。本質的に、ビーム形成方法を実現する回路は、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）のような集積回路（ＩＣ）を含んでもよい。
【００８８】
[0090]  また、以上の説明は、超音波撮像システム用のアナログ格納／ディジタル読み出し式超音波ビーム形成システムも明確にする。このシステムは、送信および受信用に構成された個々の超音波アレイ・エレメントで形成された超音波アレイを含み、個々のアレイ・エレメントが個々のチャネルに形成され、各チャネルが、少なくとも１つのアレイ・エレメントを含み、各チャネルが動作において４０ミリワット未満を使用し、一般にチャネル毎に約２５ミリワット未満、多くの場合チャネル毎に１５ミリワット未満、またはチャネル毎に１０ミリワット未満を使用する場合さえある。
【００８９】
[0091]  本発明によって形成される小型超音波撮像システムは、ビーム形成信号を外部ディスプレイ・デバイスに、ワイヤレスまたは有線によって、ディスプレイ中立システムまたは方法で(display neutral system or manner)送ることができる。説明したシステムは、小型のＡＳＩＣ、低電力デバイス、および多チャネル数（１２８以上）を、単純でスケーラブルなアーキテクチャで提供する。尚、このビームフォーマ・システムは、部分的にハードウェアで、部分的にファームウェアで、そして部分的にソフトウェアで実装し、これらの部分の間の正確な境界を実施の必要性によって決めることができるようにしていることは明白なはずである。
【００９０】
[0092]  更に、以上で説明したサブアパーチャ・ビーム形成および副サンプル／ホールド・セル・バンクに関して、ＡＲＡＭビーム形成を使用するサブアパーチャ・ビーム形成の第１、第２および第３レベル（任意の数のビーム形成段階）を設けることもできる。サブアパーチャを選択する効果的な方法は、サブアパーチャの中心エレメントに関する最少群遅延に基づいて、アレイのエレメントを組み立てることである。このシステムは、サブアパーチャ・ビームフォーマの異なる段階に対するビームフォーマ方法ＡＲＡＭ、アナログ、ディジタルの混合であってもよい。更に、ビーム形成の段階は、プローブ上における第１段階、およびハードウェア側における第２段階というように、空間的に分離されてもよい。
【００９１】
[0093]  本発明の利点の１つは、診断用超音波撮像システムの大幅な小型化を可能にするので、このＡＳＤＲ超音波ビームフォーマ・アーキテクチャによるハードウェア構造(hardware build)を、超音波アレイの隣りに位置する１つまたは数個の特定用途集積チップ（ＡＳＩＣ）に配置することができ、診断用超音波撮像システム全体が、超音波プローブのハンドル内に収まることができる一方、カート規模のシステム(cart-based system)の機能の殆どを持続することである。本発明の他の利点は、このような小型のシステムが、データおよび診断画像を、このような送信を受信するように装備された任意の画像ディスプレイ、あるいはディスプレイ・ユニットのＵＳＢまたはＦｉｒｅＷｉｒｅのようなデータ・ポートに取り付けられたこのような受信機を有する任意の画像ディスプレイに、ワイヤレスで送ることを可能にすることである。本発明の他の利点は、変換器エレメントからディジタイザへの信号経路のハードウェアの複雑さの劇的な低減により、高い信号対ノイズ比が得られることである。このような信号経路の短縮は、アナログ高電圧およびチャネル・マルチプレクサ、信号ケーブル、および先行技術において超音波アレイを信号処理ハードウェアに接続するために使用されていたコネクタのような、信号経路の多数のコンポーネントを冗長にすることによって達成される。
【００９２】
[0094]  本発明の他の利点は、アレイの各エレメントがそれ自体の送信および受信チャネル（典型的な１２８エレメントのＩＤアレイでは、１２８個の並列送信／受信チャネル）を動作させるフル・アパーチャ・ビーム形成を実施することにより、更に信号対ノイズ比、診断画像コントラスト、および空間分解能を高めることであり、したがって、利用可能なアパーチャがアレイ全体のサイズと等しくなることである。本発明の他の利点は、チャネル毎に低電力を使用し、したがってバッテリ電力の場合に動作時間の延長が可能になることである。本発明の他の利点は、２つまたは数個のＡＳＩＣにおける実装により、超音波システムの生産コストが大幅に削減されることである。本発明の他の利点は、スケーラブルなアーキテクチャを有し、線形拡張により、任意の数のエレメントで超音波アレイの構造(construction)を可能にすることである（例えば、１つのＡＳＩＣが１２８エレメントＩＤアレイ、２つのＡＳＩＣ−２５６エレメント・アレイ等を制御する）。本発明の他の利点は、画質を向上させ、１．５Ｄ、１．７５Ｄ、および２Ｄアレイで構築されたシステムのコストを低減することである。
【００９３】
[0095]  以上、本明細書では特定的に本発明について説明したが、本発明の範囲は、開示した具体的な実施形態に限定されるのではない。本発明の主旨や範囲から逸脱することなく、本発明には種々の変更が可能であることは、当業者には明白であろう。例えば、全スキャン・ライン(whole-scan-line)チャネル格納の選択肢を設けるために、アレイの長さを選択することもできるが、本発明のシステムや方法の動作の基本を変えることはない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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