(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換器アレー、ビーム形成器、および発信／受信のための１つの集積回路を備え、該集積回路が、該変換器アレーと該ビーム形成器に接続され、該集積回路が駆動信号を該変換器アレーの素子に多重送信すると共に該変換器アレーの素子からのエコー信号を該ビーム形成器のチャネルに多重送信する超音波画像処理装置であって、
該集積回路上に位置し、該変換器アレーの素子の個々の素子に接続する出力を有し、該変換器アレーの素子を選択的に駆動するための複数の発信マルチプレクサ、
該集積回路上に位置し、該ビーム形成器のチャネルに接続するエコーデータバス、および
該集積回路上に位置し、個々の該変換器アレーの素子に接続し、該エコーデータバスに接続する出力を有し、該変換器アレーの素子により受信されたエコー信号を該ビーム形成器のチャネルに選択的に導く複数の受信マルチプレクサを備え、
該発信マルチプレクサは、Ｎ：１の発信マルチプレクサであり、ここで、Ｎは該変換器アレーの開口素子Ｎ１の数で割られた該変換器アレーの素子の数であり、
該受信マルチプレクサは、変換器アレーの素子に接続されたＮ２：１の第１受信マルチプレクサと、該第１受信マルチプレクサとビーム形成器との間に接続された１：Ｍの第２受信マルチプレクサとを、備え、ここで、Ｍはビーム形成器のチャネルの数であり、Ｎ２はＮより大きい数であり、ＭはＮ１より小さい数である、超音波画像処理装置。
【請求項２】
さらに、該集積回路上に位置し、受信エコー信号を可変的に増幅するための複数のＴＧＣ増幅器を備える請求項１の超音波画像処理装置。
【請求項３】
さらに、該集積回路上に位置し、該マルチプレクサに接続し、制御信号を該マルチプレクサに適用するための制御レジスタを備える請求項１の超音波画像処理装置。
【請求項４】
該変換器アレーが１２８の素子を有する請求項１の超音波画像処理装置。
【請求項５】
Ｍが８の整数倍数である請求項４の超音波画像処理装置。
【請求項６】
Ｍが１６と等しい請求項５の超音波画像処理装置。
【請求項７】
開口を形成している該変換器アレーの素子の数Ｎ１が６４である請求項５の超音波画像処理装置。
【請求項８】
さらに、２つの該変換器アレーの素子が受信したエコー信号を該データバスの共通ラインに導く手段を備える請求項１の超音波画像処理装置。
【請求項９】
該導く手段が、ビーム形成のための組合せ開口を形成する手段を備える請求項８の超音波画像処理装置。
【請求項１０】
該導く手段が、ビーム形成の前に、隣接変換器アレーの素子により受信されたエコー信号を結合する手段を備える請求項８の超音波画像処理装置。
【請求項１１】
さらに、該変換器アレーの素子のファインピッチにより形成される発信開口を形成するために該発信マルチプレクサを制御する手段、および１または２以上の該変換器アレーの素子の粗いピッチにより形成される受信開口、該変換器アレーの素子の組合せにより形成される開口、または合成開口を形成するために、該受信マルチプレクサを制御する手段を備える請求項１の超音波画像処理装置。
【請求項１２】
複数の変換器素子を有する超音波変換器アレー、該変換器アレーによる超音波の発信を制御すると共に該変換器アレーによるエコー信号の受信に応答する発信／受信のための１つの集積回路を有する超音波診断画像処理装置において、
該集積回路上に位置し、該変換器素子のそれぞれ１つに接続する出力を有し、操作されるかまたは焦点合わせされた超音波を発信するために該変換器素子を選択的に駆動するための、複数の変換器パルサ；および
該集積回路に位置し、該変換器素子のそれぞれ１つに接続する入力を有し、該それぞれの変換器素子からのエコー信号を受信するための、複数のレシーバを備え、
該複数の変換器パルサが、変換器素子を選択的に駆動するための発信マルチプレクサを備え、
該複数のレシーバが、変換器素子により受信されたエコー信号をビーム形成器のチャネルに選択的に導く受信マルチプレクサを備え、
該発信マルチプレクサは、Ｎ：１の発信マルチプレクサであり、ここで、Ｎは該変換器アレーの開口素子Ｎ１の数で割られた該変換器素子の数であり、
該受信マルチプレクサは、変換器素子に接続されたＮ２：１の第１受信マルチプレクサと、該第１受信マルチプレクサとビーム形成器との間に接続された１：Ｍの第２受信マルチプレクサとを、備え、ここで、Ｍはビーム形成器のチャネルの数であり、Ｎ２はＮより大きい数であり、ＭはＮ１より小さい数である、超音波診断画像処理装置。
【請求項１３】
該レシーバが、該それぞれの変換器素子から受信されたエコー信号を増幅する複数の増幅器を備える請求項１２の超音波診断画像処理装置。
【請求項１４】
該レシーバがさらに、該それぞれの変換器素子が受信したエコー信号を該ビーム形成器のチャネルに転送する手段を備える請求項１２の超音波診断画像処理装置。
【請求項１５】
該変換器パルサが、操作され又は焦点合わせされた超音波を発信するために、該変換器素子を選択的に駆動するために、発信ビーム形成器により与えられた信号に応答する複数の入力を有する請求項１４の超音波診断画像処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用超音波診断装置、特に、完全集積型携帯用超音波診断装置に関する。本発明は１９９６年６月２８日出願の米国特許出願一連番号０８ ／ ６７２,７８２の一部継続出願である。
【背景技術】
【０００２】
よく知られているように、近代の超音波診断装置は大きく複雑な装置であった。 今日の高級な超音波装置は携帯性を考慮して，カートに設置されているとはいえ、まだ数百キログラム（数百ポンド）の重さがある。過去において、本願出願人であるアドバンスト・テクノロジー・ラボラトリーズ・インコーポレイテッドによって製造されたＡＤＲ ４０００などの超音波装置は、より小さいほぼパーソナル・コンピュータの大きさのデスクトップ装置であった。しかしながら、このような装置は、色ドップラー(Doppler)画像処理や三次元表示能力など、今日の高級な超音波装置の進歩した機能の多くを欠いていた。超音波装置がいっそう洗練されるにつれて、それらはさらにかさばるようになってきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、アナログとデジタルの電子工学機器の集積度が高まるにつれて、超音波装置が、それらの初期の装置より小型化が予知しうる時代となってきた。医者は、ほぼ電気かみそりの大きさの携帯型超音波走査ヘッドでの仕事に慣れている。慣れ親しんだ走査ヘッドと対応して、超音波装置全体を走査ヘッドサイズのユニットに小型化できることが望まれる。このような超音波装置にとって、スペックル除去、色ドップラー、三次元画像処理能力などの、今日の洗練された超音波装置の機能を可能な限り保持することがさらに望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によると、高級な超音波装置の多くの機能を有する携帯型ユニットの診断用超音波装置が提供される。装置は単一ユニット、あるいは好適例において、装置は二つのユニットとして製造され、その一つは変換器、ビーム形成器と画像プロセッサを有し、他方は表示装置と両ユニットの電源で構成される。このような構成において、変換器／プロセッサ・ユニットは片手で操作することができ、超音波画像を最適な状態で観察することができるように表示ユニットを持ったまま、あるいは置いたままで映像を表示ユニット上に表示することを、２つのユニット間のケーブルが可能とする。このケーブルは、表示ユニットから変換器／プロセッサ・ユニットへの電源ともなる。
【０００５】
好適例において、変換器からビデオ出力までの、超音波装置は、４種類のエイシック（特定用途向け集積回路(ASIC)）上に製造される： 即ち、アレ−変換器の素子に接続する発信／受信エイシック、発信及び受信ビーム形成を実行し、制御するフロントエンドエイシック、フィルタ処理などの超音波信号の処理を実施するディジタル信号処理エイシック、そして処理された超音波信号を受信し、超音波画像データを作成するバックエンドエイシックである。アナログ発信／受信エイシック用の好適な構成は、多重処理化された(multiplexed)Ｎ：１,１：Ｍ構成である。画像は、標準的なモニターまたは液晶表示装置（LCD）上に表示される。エイシックから構成されているが、ユニットの電子機器は、従来よりコネクタとケーブルによって生じる問題をなくするために、少数あるいは単一の印刷回路基盤上に製造される。この改良された超音波装置は約２．２ｋｇ（５ポンド）以下の重量の携帯型ユニットとして生産することができる。
【０００６】
図１は、本発明の携帯型超音波装置の構成をブロックダイヤグラムにより説明している。図２ａ及び２ｂは、単一ユニットに構成された本発明の携帯型超音波装置の正面図及び側面図である。図３ａ及び３ｂは、本発明の２つのユニットで構成された携帯型超音波装置の変換器ユニットの正面図及び側面図である。図４は、２つのユニット収納容器中の、本発明の携帯型超音波装置の２つのユニットを説明している。図５は、図１の超音波装置の発信／受信エイシックの模式図である。図６は、図１の超音波装置のフロントエンドエイシックのブロックダイヤグラムである。図７は、発信／受信及びフロントエンドエイシックにより実施される開口制御を説明している。図８は、本発明の第２の具体例をブロックダイヤグラムにより説明している。図９は、変換器アレー及びビーム形成器に接続する図８のエイシックを説明している。図１０は、図１の超音波装置の使用者制御のチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
最初に図１には、本発明の携帯型超音波装置の構成が示されている。機能と特徴の適切な選択と集積回路と超音波技術を効率的に活用することで、単一の携帯型ユニットに全ての超音波装置を収納することが可能となる。変換器アレ−１０が、その固体、電子制御能力、可変開口、画像処理能力と信頼性のために使用される。平面又は曲面リニアアレーのいずれかを使用することができる。好適例において、アレ−は曲面アレ−であり、それは広いセクタ走査フィールドを可能とする。好適例では，フェーズド・アレーなどの平面アレーの操作と、焦点合わせの両方をするのに、十分な遅延能力が得られる一方、曲面アレ−の幾何学的な曲率によりビーム形成器の操作遅延の必要性が減じられる。アレ−の素子は、変換器素子を駆動し、素子が受信したエコーを受信する発信／受信エイシック２０に接続する。発信／受信エイシック３０も、アレー１０の発信そして受信開口、及び受信エコー信号の利得を制御する。好ましくは、発信／受信エイシックは、同じ収納容器内の変換器のすぐ後ろ、変換器素子から数センチメートル（数インチ）の範囲内に位置している。
【０００８】
発信／受信エイシック２０が受信したエコーは、隣接したフロントエンドエイシック３０に転送され、個々の変換器素子からのエコーを走査線信号にビーム形成する。フロントエンドエイシック３０は、発信／受信エイシック用に供給される制御信号を通じ、発信波形、タイミング、超音波ビームの焦点合わせと開口を制御する。具体例においては、フロントエンドエイシック３０は、他のエイシック用のタイミング信号と時間利得制御を提供する。電源とバッテリー管理サブシステム８０は、変換器アレ−が必要とする電力をモニターし制御し、それによって患者に適用される音響エネルギーを制御し、そしてユニットの電力消費を最少にする。記憶装置３２は、フロントエンドエイシック３０に接続し、ビーム形成器が使用するデータを記憶する。
【０００９】
ビーム形成された走査線信号は、フロントエンドエイシック３０から、隣接したデジタル信号処理エイシック４０に転送される。デジタル信号処理エイシック４０は走査線信号をフィルタ処理し、そして好適例においては、合成開口形成、周波数合成、パワードップラー（色パワー血管）処理などのドップラー処理、及びスペクトル除去などのいくつかの最新の技術をも提供する。
【００１０】
超音波Ｂモードとドップラー情報は次いで、走査変換とビデオ出力信号作成のために隣接するバックエンドエイシック５０に転送される。記憶装置４２は、バックエンドエイシック５０に接続し、三次元パワードップラー（３Ｄ ＣＰＡ）画像処理に使用される記憶装置となる。バックエンドエイシックは、時刻、日付、患者確認情報などの英数字情報を表示に加える。グラフィックスプロセッサは、深さ、焦点目印、カーソルなどの情報を超音波画像に重ねる。超音波画像のフレームは、バックエンドエイシック５０に接続したビデオメモリ５４に保存され、それらを呼出し、シネループ(Cineloop)実時間シーケンスで再生することを可能とする。ビデオ情報は、液晶表示装置６０又はビデオモニター用のテレビ／ビデオ標準化機構(NTSC)規格やＰＡＬテレビ方式、三原色(RGB)駆動信号を含む、いくつかの規格によってビデオ出力で利用可能である。
【００１１】
バックエンドエイシック５０は、超音波装置の中央プロセッサ、 RISC(reduced instruction set controller)プロセッサ５０２も含む。このRISCプロセッサは、フロントエンドエイシックとデジタル信号処理エイシックに接続し、携帯型ユニット全体の処理と制御機能を制御し、同期させる。プログラムメモリ５２は、ユニットを操作し、制御するためにRISCプロセッサにより使用されるプログラムデータを記憶するためにバックエンドエイシック５０に接続する。バックエンドエイシック５０は、赤外線発信器あるいはPCMCIAインタフェース５６として設定されたデータポートに接続する。このインタフェースは、他のモジュールや機能が、携帯型超音波ユニットに接続し、あるいは情報伝達するのを可能とする。インタフェース５６は、モデム又は情報リンクと接続し、超音波情報を発信し、遠隔地から超音波情報を受け取ることを可能とする。インタフェースは、ユニットに超音波情報分析パッケージなど、新しい機能を加えるために他のデータ記憶装置と接続可能である。
【００１２】
ＲＩＳＣプロセッサは、ユニットの使用者制御７０にも接続し、携帯型超音波装置の動作を制御し指示するために、使用者入力の制御を受ける。好適例における携帯型超音波装置の電源は、再充電可能なバッテリーによって提供される。バッテリー電力は節約され、電力サブシステム８０からユニットの各構成部分に送られる。電力サブシステム８０は、変換器アレ−１０の素子の駆動用に発信／受信エイシック２０に送られる高電圧に低バッテリー電圧を変換するＤＣ変換器を有する。
【００１３】
図２ａと２ｂは、図１の超音波装置を収納する一体型ユニット８０を図示している。ユニットの前部が、ＬＣＤ表示装置６０を含む上部セクション８３を含めて図２ａに示されている。下部セクション８１は、８６で示される使用者制御を含む。この使用者制御は、使用者がユニット電源をオン・オフするのを可能とし、モード（Ｂモードあるいはドップラー）などの動作特性、色ドップラーセクタあるいはフレーム速度、三次元表示などの特別な機能の選択を可能とする。この使用者制御は、時間、日付、患者データの入力も可能である。交差線で示した４方向制御は、ジョイスティックとして、スクリーン上のカーソルを操作したり、使用者メニューから機能を選択することにより操作される。代わりにマウスボールあるいはトラックパッドを、多方向にカーソルその他の制御装置を動かすのに使用することもできる。制御のいくつかのボタンとスイッチは、画像の停止、記憶、そしてシネループメモリから画像シーケンスの再生など、特定機能専用である。ユニット８０の一番下が、曲面変換器アレ−１０の開口８４である。使用中に、変換器開口は、患者を走査するために患者に対し保持され、超音波画像が液晶表示装置６０上に表示される。
【００１４】
図２ｂは、ユニットの奥行きを示す、ユニット８０の側面図である。このユニットはおよそ、高さ２０.３ｃｍ、幅Ｉｌ．４ｃｍ、奥行き４.５ｃｍである。このユニットは、２．２５ｋｇ(５ポンド)以下の重さの単一パッケージに、曲面アレ−変換器プローブを有する完全一体型超音波装置の全要素を含んでいる。この重量の主要部分を、ユニット中に収納されたバッテリーが占めている。
【００１５】
図３と図４は、超音波装置が２つの異なるセクションに収納された、第２のパッケージ構成を図示する。下部セクション８１は、変換器アレー、ビデオ信号出力への電子機器、そして使用者制御を有する。この下部セクションは、底部に曲面変換器アレ−開口が見える状態で、図３ａに示されている。下部セクションは図３ｂの側面図中に示されている。この下部セクションは約高さ１１．４ｃｍ、幅９．８ｃｍ、奥行２.５ｃｍである。このユニットは従来の超音波走査ヘッドと、ほぼ同重量である。この下部セクションはケーブル９０によって図４に示されるように上部セクション８３に接続している。上部セクション８３は、液晶表示装置８２とバッテリーパック８８を含む。ケーブル９０は、表示のために下部ユニット８１から上部ユニットにビデオ信号を送り、そしてバッテリーパック８８から下部ユニットに電力を供給する。使用者は、従来の走査ヘッドの要領で患者に対して下部ユニットと変換器８４を操作することができ、他方観察のために都合が良い静止位置で上部ユニットを保持できるので、この２つのユニットは便利である。上部ユニットにバッテリーパックを置くことによって、下部ユニットは軽くなり、容易に患者の体に対して操作することができる。
【００１６】
他の装置パッケージの態様も自明であろう。例えば、フロントエンドエイシック３０、デジタル信号処理エイシック４０とバックエンドエイシック５０を、異なるアレ−変換器に接続可能なフロントエンドエイシックのビーム形成器と共に、１つの収納容器に置くことができる。これは、異なる診断画像処理のために、デジタルビーム形成器、デジタルフィルタ及び画像プロセッサと共に、異なる変換器の使用を可能とする。表示装置は、３つのエイシックと同じ収納容器に置くか、あるいはバックエンドエイシックの出力を、別の表示装置に接続することができる。
【００１７】
図５には、発信／受信エイシック２０の詳細が示されている。このエイシックは、１６セクションで構成され、そのそれぞれはアレ−１０の６つの変換器素子に接続している。図示されたセクション２０ａは、図の左側の素子１、１７、３３、４９、６５と８１の端末に接続する。セクション毎に６つの素子で、エイシック全体は９６素子変換器として動作することができる。各セクションが、８つの素子で働くように構成を設定することもでき、その場合エイシックは、１２８素子変換器を制御する。走査線用超音波パルス発信の前に、フロントエンドエイシック３０からのデータの連続的な流れが、図の右側の、発信データ入力端末で発信開口選択論理２０６に同期される。発信開口選択論理２０６は、このデータを使い、特定の走査線のためにアクティブになる変換器素子用の３：１発信マルチプレクサ２０８と２１０に、マルチプレクサスイッチを設定する。例えば、発信される次の走査線は、素子１−３２からなる発信開口を有する。これには、発信マルチプレクサ２０８がスイッチを閉じ、パルサ２０２を素子１の端末に接続させ、発信マルチプレクサ２１０がスイッチを閉じ、パルサ２０４を素子１７の端末に接続することを必要とする。同様に、エイシックの他の１５のセクション中の発信マルチプレクサが、パルサを素子端末２−１６と１８−３２に接続する。
【００１８】
接続された素子１と１７が活性化される時に、パルサ２０２と２０４用の駆動信号が、フロントエンドエイシックから、信号１入力と信号２入力の端末に送られる。単極性パルサの場合、駆動信号は各パルサの単一の入力端末に送られる。代わりに、二極の駆動信号が使用される場合には、この図で各パルサ用の対となる入力端末によって図示されるように、補足的波形が適切な時に、対となった端末に送られる。これらの駆動信号は、論理レベル信号としてパルサ入力に送られ、次いでマルチプレクサ２０８と２１０に適用された高電圧ＨＶによって高電圧に変換される。パルサとマルチプレクサ機能を単一ユニットとして製造することも同様に可能であり、それによってマルチプレクサの各スイッチは、効率的に高電圧パルサとなる。別の言い方をすると、これは各マルチプレクサが３つの別個に制御されたパルサを有することを意味する。あるいは、発信マルチプレクサの入力における２つのパルサは除去することができ、発信マルチプレクサの出力の６つのパルサに置き換えてもよいが、図示した具体例では好都合に、ただ二つの低電圧パルサを必要とするのみである。素子１−３２の開口の例を続けると、もし素子１が開口の周縁部にあり、そして素子１７が開口のより中央部にあるならば、素子１は素子１７よりも前にパルス発信し、焦点合わせされた発信超音波波形を形成する。
【００１９】
走査線発信の前に、フロントエンドエイシックからのデジタルデータの流れは、受信開口選択論理２１４に接続する受信データ入力端末から受信開口選択論理２１４に同期される。受信開口選択論理は、適切な受信開口になるよう、６：１受信マルチプレクサ２１２とｌ：８受信マルチプレクサ２１８中のスイッチを閉じる。発信開口選択論理と同様、受信開口選択論理はバッファ記憶を有し、エイシックが現在の走査線からのエコーを受信している間に次の走査線用のデータを受信することができる。図の具体例は、１：８受信マルチプレクサ２１８の出力の８個のデータバスラインで示されるように、１６素子の組合せ受信開口用に設計されている。６：１受信マルチプレクサ２１２への入力は、セクション２０ａの６素子端末に接続し、マルチプレクサ入力での発信／受信ネットワークの統合による高駆動電圧から守られる。受信開口選択論理２１４は、マルチプレクサ２１２の入力の一つをマルチプレクサの出力に接続し、そして選択された素子からの受信信号は、第１の時間利得制御(ＴＧＣ)増幅器２１６に送られる。このＴＧＣ増幅器の利得は、エイシックのＴＧＣ制御端末に適用される制御信号によって制御される。増幅器２１６により行われる増幅は、超音波エコーの受信がより深くなるにつれて、従来のように増加する。増幅されたエコー信号は次いで、１：８受信マルチプレクサ２１８のスイッチングにより、データバスライン２２０の１つに送られる。
【００２０】
データバスライン２２０のそれぞれは、エイシック上の全ての１：８受信マルチプレクサの同じ対応する出力に接続する。マルチプレクサ２１８の出力は、１から８の番号が付されている。各１：８受信マルチプレクサの出力１は、データラインの同じ１つに接続し、１：８受信マルチプレクサの出力２は、もう１つのデータラインに接続し、以下同様である。好適例の装置は、変換器に対して直角に発信された走査線の１６素子の組合せ開口を使用する。これは、開口の２つの素子が同じ動作の同じ受信位相を有し；受信開口の１６素子が対となって、８個の受信位相を有することを意味している。例えば、もし受信走査線が素子１−１６の開口の中心に位置しているならば、素子１と１６が同じ受信タイミングを有する。素子１が受信したエコーは、マルチプレクサ２１２を通り、ＴＧＣ増幅器２１６により増幅され、マルチプレクサ２１８に送られて、マルチプレクサ２１８の出力８で、その時の出力が作成される。同時に、素子１６により受信されたエコーは、エイシックのもう１つのセクションのマルチプレクサを通じて送られ、もう１つのＴＧＣ増幅器によって同じく増幅され、そして他の１：８受信マルチプレクサの出力８でその時の出力として形成される。これら２つの電流は、同様に組合せ開口により位相化され、受信マルチプレクサの出力８に接続するデータライン上で結合する。
【００２１】
各データラインの電流は、２２２に示すようなフィルタネットワークによって、フィルタ処理され、電圧に変換される。好適例において、フィルタネットワーク２２２は、外部のエイシック端末で接続し、その構成要素を、従ってそのフィルタ特性を容易に選択し、そして変化させることができる。フィルタ特性は、変換器の通過帯域に合うように選ばれた帯域通過である。３.５ＭＨｚ変換器では、通過帯域は、例えばｌ．５から５．５ＭＨｚまで拡張することができる。フィルタは、電流信号を一つの電圧に変換するために、フィルタインピーダンスを通して、現在の電流源に接続する。この電圧は、他の（あるいは同じ）エイシック端末を通じ、該エイシックに再入力し、第２のＴＧＣ増幅器２２４の入力に送られる。２つのＴＧＣ増幅器の使用は、２つの縦続式増幅器の広いダイナミックレンジにわたる動作を可能にする。具体例において、単一のＴＧＣ制御は、両方のＴＧＣ増幅器２１６と２２４に同じ制御特性を与えるが、２つの増幅器に別の、異なるＴＧＣ特性を与えることも同じく可能である。この増幅されたエコー信号は、エイシックの最終出力端末に運ばれ、それらは帯域通過フィルタ２２６によってフィルタ処理され、フロントエンドエイシック上のビーム形成器の入力で、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器に転送される。
【００２２】
発信／受信エイシック２０の他のセクションを、他のエイシックに含ませてもよく、あるいはいくつかのセクションを同じエイシックに集積、結合させてもよい。好ましくは、１６の全セクションを単一のエイシックチップに集積することである。
【００２３】
従って好適例において、発信／受信エイシック２０は、９６素子変換器アレ−と共に動作し、３２素子発信開口及び１６素子の組合せ開口を使用していることが分かる。以下に論じるように、合成開口の使用により、装置は発信、受信の両方に３２素子開口となる。
【００２４】
フロントエンドエイシック３０の細部が図６に示される。この図はフロントエンドエイシック３０の１つのセクション３０ａを示す。フロントエンドエイシック上には８個のこのようなセクションがあり、発信／受信エイシック２０からの８個の出力のビーム形成を実施する。各エコー信号の出力は、Ａ／Ｄ変換器３１０の入力に送られ、エコー信号はデジタルデータに変換される。各素子（あるいは組合せ開口中の素子の各対）からのディジタルデータは、クロック信号Ａ／Ｄクロック(ＣＬＫ)により、先入れ先出し(ＦＩＦＯ)レジスタ３１２にシフト(shift)される。Ａ／Ｄクロック信号は、動的焦点タイミング回路３１４によって与えられ、クロック信号の開始を遅延させて初期遅延を与え、次いで信号サンプリング回数を制御して、受信エコー信号の動的焦点を与える。先入れ先出しレジスタ３１２の長さは、初期遅延、変換器中心周波数、開口の大きさ、アレ−の曲率、そしてビームを操作することの必要性によって決定される。例えば、より高い中心周波数と曲面アレ−は、操作遅延の必要性を減じ、それ故先入れ先出しレジスタの長さを減らす。先入れ先出しレジスタ３１２からの遅延エコー信号は、乗算器３１６に転送され、そこでエコー信号は、動的重み付けレジスタ３１８に記憶された動的重み付け値によって重み付けされる。この動的重み付け値は、エコーが走査線に沿ってより深い位置から受信され、開口が外側の素子が加わることにより拡大するにつれて、活性素子数、開口中の素子の位置、および所望のアポディゼーション機能などの動的受信開口の効果を考慮してエコー信号を重み付けする。遅延され、重み付けされたエコー信号は、次いで他の素子からの適切に遅延され、重み付けされたエコー信号と、そして加算回路３２０によって縦続的に接続された全ての他の遅延段階からのエコー信号と合計される。同期オーバフロービットと共に、ビーム形成されたエコー信号は、無線周波数(RF)データバス上に出力走査線データを作成する。走査線の各シーケンスに伴って、エコー信号は、エイシック上の無線周波数（ＲＦ）ヘッダーシーケンサにより提供された情報を識別し、作成された走査線データのタイプを識別する。例えば、無線周波数(RF)ヘッダーは、走査線がＢモードエコーデータであるかドップラーデータであるかを識別することができる。
【００２５】
他のデジタル記憶装置を、所望により、ビーム形成器遅延に使用することができる。二重ポートされたランダムアクセスメモリが受信デジタルエコー試料の記憶に使用され、該試料は時によりあるいはシーケンスによりメモリから読み出され、変換器素子からの信号に所望の遅延を与える。フロントエンドエイシックの各セクション３０ａは、アレ−の４つの変換器素子のための発信制御回路３０２−３０８を有する。従って、８つのセクションにより、同時にアレーの３２素子の発信を制御し、それによって最大発信開口を決定する。発信制御回路は、希望する発信周波数で、そして適切な時期にパルス波形を形成し、所望の焦点深さに焦点の合った発信音響信号を作成する。
【００２６】
フロントエンドエイシックは、発信と受信機能用の包括的実時間制御を提供する共通制御セクション３３０を有する。この制御セクション３３０は、バックエンドエイシック上に位置するＲＩＳＣプロセッサの制御下にデータを受信し、ＲＩＳＣプロセッサにより制御される。特定の画像処理モード用のデータテーブルは、走査前にランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３２にロードされ、そしてＲＩＳＫプロセッサの指揮下で制御セクション３３０にロードされる。個々の線の走査制御は、実時間で実施され、変化する。制御セクション３３０は、発信および受信機能のシーケンス用の多くのシーケンサを有する。フレームシーケンサ３３２は、作成しようとする画像フレームのタイプを識別する他のシーケンサによって使用される情報を作成する。例えばフレームシーケンサには、次のフレームを、４つのドップラー走査線のグループの間に点在するＢモード走査線と定義するデータが、そして走査線シーケンスは、全ての偶数番号の走査線の前の、全ての奇数番号の走査線であるというデータが、ロードされる。この情報は、ラインシーケンサ３３４に提供され、それは適切なシーケンスで発信され、そして受信される走査線を制御する。
【００２７】
新しい走査線の準備において、ラインシ−ケンサは、ＴＧＣシーケンサ３３６を制御して、ＴＧＣ制御データの希望するシーケンスを作成する。ＴＧＣシ−ケンサからのＴＧＣ制御データは、ディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）３３８によって電圧信号に変換され、発信／受信エイシック２０のＴＧＣ制御入力端末に転送される。ラインシ−ケンサ３３４も、シリアルバスシ−ケンサ３４０を制御し、発信／受信エイシック上の、発信および受信開口選択論理回路２０６と２１４用のシリアルバスにシリアルデータを作成する。受信／発信（ＲＴ）レジスタローダ３４２は、開口選択論理回路２０６と２１４、発信制御回路３０２−３０８、動的焦点タイミング回路３１４と動的重み付けレジスタ３１８を含む、両エイシック上の種々のレジスタへの、新しい走査線データのローディングを制御する。実時間機能を実行する全てのレジスタは、二重にバッファされている。上記したように、種々のレジスタはバッファされ、制御データはシリアルバスに置かれ、該制御データが使用される走査線に先立つ線の間の種々のレジスタに、ロードされる。
【００２８】
フロントエンドエイシック３０は、電流モニタ回路３４６を有し、Ａ／Ｄ変換器３４８を通じてＨＶバス上の電流をサンプリングする。電流モニタは、もし過剰な電流レベルが検知されると、高電圧を抑制し、あるいは完全に切断し、それによって過熱した変換器あるいは容認できない高音響出力レベルから患者を守って、患者の安全性を確保する。電流モニタ回路は電力とバッテリーマネージメントサブシステム８０に位置させてもよい。
【００２９】
フロントエンドエイシックは、その制御セクションに、装置の全ての動作が、それに同期する多数の同期クロック信号を作成するクロック発生器３５０を有する。装置内の緊密間隔で置かれた機器間の干渉とクロストークを防止するために、ビデオ出力信号周波数は、クロック発生器のクロック信号に同期させられ、それで１つの周波数の倍音は、他と干渉する成分を作成しない。（示されていない）結晶発振器は、フロントエンドエイシック３０に接続し、そこから装置の全てのクロック信号が得られる６０ＭＨｚなどの基本高周波数を提供する。
【００３０】
曲面アレイの３２素子から合成される組合せ開口走査線を作成するための発信／受信およびフロントエンドエイシック２０と３０の動作を、図７を参照して説明する。この図において、エイシックは、曲面アレ−１０の２５から３２まで、次いで１から２４まで番号付けされた３２素子からなる変換器の開口を制御している。全ての開口の走査線情報を集めるのに、全３２素子の２つの発信シーケンスを必要とする。発信するのに、ラインシーケンサ３３４、シリアルバスシーケンサ３４０とＲＴレジスタローダ３４２は、１６の発信開口選択論理回路２０６とフロントエンドエイシック上の３２発信制御器に、適切な発信マルチプレクサのデータをロードする。開口選択論理は次いで、３２発信マルチプレクサを制御し、パルサを、希望する発信開口である、２５−３２そして１−２４に番号付けられた素子に接続する。パルサは発信制御回路によりパルス発振し、図７の点Ｆに焦点を合わせられた音響波を作成する。
【００３１】
最初のパルス発信の後、エコーは、ｌ−１６と番号付けられた素子の中心群によって受信され、その時それらは、１６の６：１受信マルチプレクサと１：８受信マルチプレクサにより、８つの出力データラインに接続する。１６の受信信号は、最初のＴＧＣ増幅器を通過するとき別個に表示され、そのうちの８個が、図７に２１６'で一列に示されている。同様に位相化された信号は、ラインの対がビーム形成器遅延ラインの入力で一緒になる組合せ開口により、対にされ、そのうちの４個が、３７０に示されている。図示した例において、走査線３６０は、素子８と９の間のアレ−開口の中心から延びている。これは素子８と９によって受信されたエコー信号は、同相であり、結合可能であることを意味する。同様に、７と１０の対の素子、６と１１の対の素子、５と１２の対の素子により受信されたエコーも、同じく結合可能である。従って、最初に発信されたパルスの後、素子１−１６によって受信されたエコーは、８つの遅延先入れ先出し(FIFOs)によって遅延され、そして加算回路３２０によって合計される。この半開口は、他の半開口の受信用に記憶される。
【００３２】
もう１つの音響パルスが、開口の全３２素子によって発信される。この第２のパルスの後、受信マルチプレクサは、素子２５−３２と１７−２４からのエコーをビーム形成器に送る。組合せ開口の対称性によって、素子３２からのエコーは素子１７からのエコーと対にされ、そして２つは結合される。同じく、素子３１からのエコーは、素子１８からのエコーと対にされ、以下同様に、最も横方の対にされた素子２５と２４に到達する。
【００３３】
組合せ開口によって対にされ、８つの信号にされた、１６の受信エコーは、８つの遅延先入れ先出し回路によって適切に遅延され、そして合計されて走査線の第２の半開口を形成する。２つの半開口は、２つのシーケンスの走査線に沿ったエコー成分の位置の関数として、合計される。従って、完全な開口が開口内側の１６の素子から、次いで外側の１６素子からのエコーの個々の受信の結合により形成される。正確にビーム形成された合成開口信号は、ＴＧＣ制御の同一条件を維持することによって、両受信間隔の間に作成される。動的重み付けと動的焦点合わせは、２つのシーケンスの間、受信素子の開口位置の相違から、２つの受信シーケンスに異なった効果を与える。２つのシーケンスの間に先入れ先出しによって適用された遅延は、１つのシーケンス毎の受信素子の開口内の位置の違いにより相違する。
【００３４】
好適な発信／受信エイシック２０Ａが図８に示されている。エイシック２０Ａの信号通路は、４つの同一のセクションＳ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４に分けられている。この図において、セクションＳ１の内部の詳細が示されている。セクション Ｓ１は、２つの２：１発信マルチプレクサ４０８と４１０を有し、そのそれぞれは８発信入力ラインの１つのパルサ信号に応答する。各２：１発信マルチプレクサは、パルサ４０２、４０４、と４１４、４１６、を駆動する２つの出力を有し、その出力は、変換器素子が接続するエイシックピンに接続している。図示された例において、２：１発信マルチプレクサ４０８は、素子１あるいは素子６５のいずれかを駆動するために接続され、２：１発信マルチプレクサ４１０は素子３３あるいは素子９７のいずれかを駆動するために接続される。エイシックの他のセクションの２：１発信マルチプレクサは、それぞれ同様に４つの変換器素子に接続する。各変換器素子用の個別のパルサで、エイシック２０Ａは、接続する１６の変換器素子のうちの８つを独立に、そして同時に駆動することができる。
【００３５】
各セクションのパルサが接続する変換器素子のピンは、４：１受信マルチプレクサとスイッチ４１２の入力にも接続する。超音波発信の間、パルサが変換器素子を駆動している時、４：１受信マルチプレクサとエイシック上のスイッチの全てに接続する発信オンのラインの信号は、それら全てを高電圧端末パルスに高インピーダンスを与える状態にスイッチし、これにより残りの受信信号経路を、これら高電圧パルスから遮蔽する。エイシック上の４：１受信マルチプレクサとスイッチの全ては、集積回路 (I.C.)の受信試験ピンにも接続し、試験信号は、受信信号経路に入り、受話器装置に進む。エコー受信の間、各４：１受信マルチプレクサとスイッチは、最初のＴＧＣステージ４１６を通って１：１６マルチプレクサ４１８に接続する４つの変換器素子の１つの信号に接続する。エイシックの最初のＴＧＣ段階の利得は、構成例では、微分制御電圧を与える２本のピンからなるエイシックのＴＧＣ１のピンに与えられる電圧によって制御される。エイシックの各セクションの１：１６マルチプレクサのそれぞれは、サムバス４４０の１６のラインの１つに受信エコー信号を送る。１６のサムバスラインのうちの２つを、図の右側に示し、そしてそれはフィルタ回路２２２に接続する。フィルタ処理されたバス信号は、２つの第２ＴＧＣ段階４２４と４２６に導く入力ピンに接続し、その利得は、１あるいは２本のＴＧＣ２ピンに与えられる電圧によって制御される。この具体例において、これらの第２ＴＧＣ段階の出力は、超音波装置のビーム形成器のチャネル１と２に導く出力ピンに接続する。
【００３６】
エイシック２０Ａは、ビーム形成器からシリアルバスを通じ制御信号を受信する制御レジスタ４３０も有する。制御レジスタは、Ctrl入力矢印によって示されるように、エイシックのマルチプレクサの全てに制御信号を分配する。エイシック２０Ａの構成例は、電源と電圧バイアスとアース接地のための多くのピンを持っているが、それらは図に示されていない。
【００３７】
本発明のエイシックを使う装置は、Ｎ：１、１：Ｍ構造を有し、ここにＮは最大開口径で割られた変換器素子の番号であり、そしてＭはビーム形成器のチャネル数である。これらのエイシックは、種々の数の素子からなる各種変換器アレーを、異なった数のチャネルを有するビーム形成器に、多種多様な方法で接続するのに使用される。この多機能の例が図９の装置に現わされており、それは８つのエイシック２０Ａ−２０Ｈに（矢印５０６、５０４で示すように）接続した変換器１０'を示し、そのサムバス４４０は、エイシックの１６の第２ＴＧＣ段階によって１６チャネルビーム形成器５００に接続する。（説明を明解にするために、第２ＴＧＣ段階は、エイシック上に実際は集積されているのであるが、分けて図示している。） この例において、８つのエイシックは、それぞれが変換器素子への接続のための１６本のピンを持っており、個別に変換器アレ−１０'の１２８の素子全てを別々に駆動する。８つのエイシックの２：１発信マルチプレクサは、一度に６４素子を駆動することができ、従って図中の変換器素子１−４．．．.２９−３６．．．６１−６４によって表されるように、６４素子発信開口を有する変換器アレ−を操作することができる。この６４素子開口は素子３２と３３の間に中心がある。この配置は、各発信超音波のために６４素子開口の全ての素子を駆動することができる。８つのエイシック２０Ａ−２０Ｈの制御レジスタは、ビーム形成器からの８つのラインデータバスの個別の線に適宜接続し、各ラインは特定の制御レジスタのシリアルバスの役をし、これによって全ての８つの制御レジスタに同時にロードされる。
【００３８】
６４素子開口全てにわたるエコー信号の受信は、いくつかの方法で達成することができる。１つは、図７に記載したように、組合せおよび合成開口の使用である。最初の超音波発信後、素子１７−３２のエコーが受信され、素子４８−３３からのエコーと組み合わされる。即ち、１つのサムバスラインは、それに多重送信した素子１７と４８からのエコーを有し、もう１つのサムバスラインは、それに多重送信した素子１８と４７からのエコーを持ち、以下同様である。これら１６の組合せ信号は、適切に遅延され、結合されて、焦点合わせされた信号を発生させる。２番目の超音波発信の後、開口の外側の素子は組合せ受信に使用され、遅延され、そして互いにそして第１の焦点合わせされた信号と結合され、開口を完成させる。
【００３９】
このＮ：１,１：Ｍエイシック構成は、組合せと合成開口技術の使用によって、あるいは合衆国特許第４,５４２,６５３号に記載されているように、粗ら(coarse)開口技術の使用によって、１６チャネルビーム形成器の代わりに、８チャネルビーム形成器５００と共に使用される。この技術において、ビーム発信中に独立に駆動された隣接素子は、それらの受信信号を結合し、そして同じ焦点合わせ遅延を使用することにより、受信中に対にされる。これにより効率的に変換器ピッチが、２倍単位で受信中に粗らになることを意味する。これは、受信ビームパターンのグレーティングローブのレベルを引き上げるが、結合された発信と受信ビームのパターンは、まだ許容範囲内にあり、そしてより大きい受信開口に基づくより高い感度によって、装置にとって有益である。もしグレーティングローブが問題となるような場合には、開口内でグループとして結合される素子の数を開口中のグループ毎に変化させる非周期性開口を使用することによって減少させることができる。非周期性開口は、グレーティングローブ効果を均一な画像背景の中に効率的に溶け込ませる。
【００４０】
１つのそのような配置においては、４つの変換器素子が受信した信号を、１：１６マルチプレクサを適切にプログラムすることによって、同じサムバスラインに送り、８つのビーム形成器チャネルの各入力に送る。これが素子１７と１８からの受信信号が、同じサムバスライン上の素子４７と４８から受信された信号と結合されることを可能とし、そして４つの全ての信号が、１つのビーム形成器チャネルの入力に送られることを可能とする。従って、粗ら受信と組合せ開口技術の両方が、同時に採用される。３２素子開口は、単一発信波に基づき受信され、あるいは６４素子開口が２つの超音波発信による合成開口技術によって形成される。もしファイン(fine)受信開口のみが使用されるならば、受信開口は、組合せおよび合成開口技術の使用により３２素子に、あるいは組合せまたは合成開口技術のいずれか１つの使用により１６素子に制限される。
【００４１】
図６のフロントエンドエイシックは、各受信チャネル用の４つの発信制御回路を有し、全部で３２発信制御回路を有することが分かる。これらの３２の発信制御回路は、１つの発信制御回路を、発信マルチプレクサ４０８、４１０の各対の両方の入力に接続し、制御レジスタ４３０の制御信号により、該発信マルチプレクサの１つを活性化し、残りを不動化することにより、図９の８つの発信／受信エイシックの６４のパルサ入力に接続することができる。これが、２：１発信マルチプレクサの各対を、４：１発信マルチプレクサとしての動作に効率的に変換し、３２独立制御素子の最大発信開口を与える。
【００４２】
前述の例はアレ−開口の中心に直角に方向付けられた受信ビームに当てはまる。もし受信されたビームが、焦点を合わせられると共に、直角の線から外れて操作されるならば、さまざまな遅延がフルアクティブな開口全体に採用されなければならないので、組合せ開口技術を使用することはできない。
【００４３】
エイシック２０Ａの変形は、当業者には自明であろう。もし変換器素子の全てが、同時にそして独立に駆動されるならば、２：１発信マルチプレクサは除去することができ、パルサ４０２、４０４、４１４、４１６は、直接駆動される。１：１６マルチプレクサは、３２チャネルビーム形成器用に１：３２に拡張することができ、フレーム速度の減速なしに、組合せ開口と粗ら開口技術を用いて、６４素子開口を制御する。４：１受信マルチプレクサとスイッチは、２つの２：１受信マルチプレクサとスイッチに分割することができ、それぞれがそれ自身のバスマルチプレクサに接続する。これらの変形は、異なった、そしてより高い画像フレーム速度で動作する種々の開口に適応する。
【００４４】
バックエンドエイシック５０は、ＲＩＳＫプロセッサ５０２の位置にあり、それは携帯型超音波装置の動作の全てのタイミングを調整する。ＲＩＳＣプロセッサは、エイシックの全ての他の主要な機能領域に接続し、処理タイミングを調整し、そして使用者が希望するタイプの処理と表示を実行するのに必要なデータをバッファとレジスタにロードする。ＲＩＳＣプロセッサの動作用のプログラムデータは、ＲＩＳＫプロセッサがアクセスするプログラムメモリ５２に記憶される。ＲＩＳＫプロセッサ用のタイミングは、フロントエンドエイシック３０上のクロック発生器からのクロック信号によって与えられる。ＲＩＳＫプロセッサは赤外線ビームインタフェースを通じて情報伝達し、それにより該プロセッサは、追加的プログラムデータにアクセスするか、あるいは遠隔地に画像情報を伝達することができる。赤外線インタフェースは、例えば携帯型ユニットから遠隔地への超音波画像の発信のために遠隔測定リンクに接続可能である。ＰＣＭＣＩＡデータインタフェースも同様に、あるいはそれに代わってデータ通信に使用することができる。
【００４５】
ＲＩＳＫプロセッサは、コマンドによる使用者制御下に、そして使用者制御７０からの使用者による入力により操作される。制御機能、制御のタイプとそれらの表示を示すチャートを図１０に示す。患者データ入力、シネループ (Cineloop)動作、３Ｄレビューなどの多数の機能は、小さい携帯型ユニット上のキーあるいはボタン制御の数を最小にするようメニュー制御を通じて操作されることが分かる。さらにユニットを単純化するために、多くの操作機能は、特定の診断への応用に予めプログラムされ、そしてある特定の応用が選択された時、自動的に動作する。例えばＢモード画像処理を選択すると、自動的に周波数混合と深さ依存フィルタ処理を開始し、一方ドップラー動作を選択すると、４つの乗数フィルタは自動的にウォールフィルタに設定される。特定の診断応用メニューの選択は、例えば、自動的にＴＧＣ制御特性と焦点領域などの特定機能の設定を開始させる。
【００４６】
本発明は、携帯型超音波診断装置用の超音波アレー変換器トランシーバに関し、該携帯型超音波装置は、Ｂモードとドップラー画像処理の両方を実行可能である。装置は変換器のすぐ後ろのアレ−の素子に接続する集積回路トランシーバと共に、携帯型容器にマウントされた変換器アレーを有する。トランシーバは携帯型容器に収納されたデジタルビーム形成器により制御され、デジタルビーム形成器に受信エコー信号を送る。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の携帯型超音波装置のブロックダイヤグラムである。
【図２】単一ユニットに構成された本発明装置の正面図及び側面図である。
【図３】２ユニット構成の装置の変換器ユニットの正面図及び側面図である。
【図４】２ユニット収納容器中の装置の２つのユニットを説明している。
【図５】図１の超音波装置の発信／受信エイシックの模式図である。
【図６】図１の超音波装置のフロントエンドエイシックのブロックダイヤグラムである。
【図７】発信／受信及びフロントエンドエイシックにより実施される開口制御を説明している。
【図８】本発明の第２の例をブロックダイヤグラムにより説明している。
【図９】変換器アレー及びビーム形成器に接続する図８のエイシックを説明している。
【図１０】図１の超音波装置の使用者制御のチャートである。
【符号の説明】
【００４８】
１０・・・変換器アレー、２０・・・発信／受信エイシック、３０・・・フロントエンドエイシック、３２・・・ＲＡＭ、４０・・・ディジタル信号処理エイシック、４２・・・記憶装置、５０・・・バックエンドエイシック、５２・・・プログラムメモリ、５４・・・ビデオメモリ、５６・・・PCMCIAインターフェイス、６０・・・液晶表示装置、７０・・・使用者制御、８０・・・電源とバッテリー管理サブシステム、８１・・・下部セクション、８３・・・上部セクション、８４・・・開口、８８・・・バッテリーパック、９０・・・ケーブル、２０２・・・パルサ、２０６・・・発信開口選択論理、２０８、２１０・・・発信マルチプレクサ、２１０、２１２・・・受信マルチプレクサ、２１６、３３６・・・ＴＧＣ増幅器、２２０・・・データバスライン、２２２・・・フィルタネットワーク、３１２・・・先入れ先出し（ＦＩＦＯ）レジスタ、３１４・・・動的焦点タイミング回路、３１８・・・動的重み付けレジスタ、３３０・・・制御セクション、３３２・・・フレームシ−ケンサ、３３４・・・ラインシ−ケンサ、３４６・・・電流モニタ回路、３４８・・・Ａ／Ｄ変換器、４３０・・・制御レジスタ、４４０・・・サムバス、５０２・・・RISCプロセッサ
【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】
0004696150.tif 000009
【図９】
0004696150.tif 000010
【図１０】
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