(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波散乱体を撮像するシステムであって、多数のトランスデューサ素子（１２）を含んでいて、超音波を送信すると共に超音波散乱体により反射された超音波エコーを検出する超音波トランスデューサ・アレイ（１０）と、前記多数のトランスデューサ素子にそれぞれ結合されていて、それぞれの多数の送信波形により送信アパーチャを形成する選択されたトランスデューサ素子をパルス駆動する多数のパルサ（２４）と、前記パルサに結合されていて、前記送信アパーチャの前記選択されたトランスデューサ素子に送信ファイアリング時に第１及び第２の送信ビーム経路に沿って第１及び第２の送信ビームを送信させるように設計されているアパーチャ関数に従って決定されたそれぞれの時間遅延及びそれぞれのアポダイゼーション加重を有する前記多数の送信波形を発生するパルサ起動回路（２６、２８、３０）と、前記トランスデューサ・アレイに結合されていて、前記送信ファイアリングに続いて、受信アパーチャを形成する選択されたトランスデューサ素子から１組の受信信号を受け取って、第１及び第２の受信ビーム経路に対応する前記１組の受信信号から第１及び第２のビーム加算された受信信号を形成する受信器（１６）と、前記第１のビーム加算された受信信号の関数である第１の走査線と、前記第２のビーム加算された受信信号の関数である第２の走査線とを有する画像を表示する表示サブシステム（２２）とを備え、前記第１及び第２の送信ビーム経路が前記第１及び第２の受信ビーム経路にそれぞれ実質的に一致しており、
前記アパーチャ関数は、ビーム・プロファイル関数の関数である評価関数の数値的最適化により余弦関数から導出されること、を特徴とする撮像システム。
【請求項２】
前記評価関数は、次の式
【数１】
0004717995.tif 000014
である請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記数値的最適化は最小自乗法アルゴリズムに基づいている請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
超音波散乱体を撮像する方法であって、送信アパーチャを成す選択されたトランスデューサ素子に送信ファイアリング時に第１及び第２の送信ビーム経路に沿って第１及び第２の送信ビームを送信させるように設計されているアパーチャ関数に従って決定されたそれぞれの時間遅延及びそれぞれのアポダイゼーション加重を有する多数の送信波形を発生する工程と、送信ファイアリング時に送信アパーチャを形成するように前記多数の送信波形に従ってトランスデューサ・アレイの前記選択されたトランスデューサ素子をパルス駆動する工程と、前記送信ファイアリングに続いて受信アパーチャを形成する選択されたトランスデューサ素子から１組の受信信号を受け取る工程と、第１及び第２の受信ビーム経路に対応する前記１組の受信信号から第１及び第２のビーム加算された受信信号をビーム形成する工程と、前記第１のビーム加算された受信信号の関数である第１の走査線と、前記第２のビーム加算された受信信号の関数である第２の走査線とを有する画像を表示する工程とを含み、前記第１及び第２の送信ビーム経路が前記第１及び第２の受信ビーム経路にそれぞれ実質的に一致しており、
前記アパーチャ関数は、ビーム・プロファイル関数の関数である評価関数の数値的最適化により余弦関数から導出されること、を特徴とする方法。
【請求項５】
前記評価関数は、次の式
【数２】
0004717995.tif 000015
である請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記数値的最適化は最小自乗法アルゴリズムに基づいている請求項４に記載の方法。
【請求項７】
多数の超音波トランスデューサ素子を含んでいる超音波トランスデューサ・アレイを起動する超音波送信器をプログラムする方法であって、（ａ） 前記多数の超音波トランスデューサ素子についての送信時間遅延及びアポダイゼーション加重を定義するアパーチャ関数の関数として評価関数を定式化する工程と、（ｂ） ｉ番目のアパーチャ関数について前記評価関数のｉ番目の値を算出する工程と、（ｃ） 前記ｉ番目のアパーチャ関数と異なる（ｉ＋１）番目のアパーチャ関数を決定する工程と、（ｄ） 前記（ｉ＋１）番目のアパーチャ関数について前記評価関数の（ｉ＋１）番目の値を算出する工程と、（ｅ） 前記評価関数の前記ｉ番目の値と前記（ｉ＋１）番目の値との間の差を算出する工程と、（ｆ） ｉ＝１から開始して工程（ｂ）乃至工程（ｅ）を繰り返し式で反復する工程と、（ｇ） 前記工程（ｅ）における前記差が第１の所定の限度よりも小さいような１つ又はこれよりも多いアパーチャ関数から、最適化されたアパーチャ関数を決定する工程と、（ｈ） 該最適化されたアパーチャ関数に従って送信時間遅延及びアポダイゼーション加重により前記送信器をプログラムする工程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
ｉ＝１についての前記アパーチャ関数は余弦関数である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
（ｉ＋１）番目のアパーチャ関数を決定する前記工程は、前記ｉ番目のアパーチャ関数について前記評価関数の勾配を決定する工程と、該勾配に沿って前記評価関数を最小化するスカラ値を求める工程と、前記ｉ番目のアパーチャ関数及び前記勾配と前記スカラ値との積の関数として前記（ｉ＋１）番目のアパーチャ関数を決定する工程と、を含んでいる請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記評価関数は、次の式
【数３】
0004717995.tif 000016
である請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
最適化されたアパーチャ関数を決定する前記工程は、前記勾配と前記スカラ値との前記積のノルムが第２の所定の限度よりも小さいか否かを決定する工程を含んでいる請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
電気的な起動に応答して波動エネルギを送信すると共に、帰投した波動エネルギを電気信号へ変換する多数のトランスデューサ素子（１２）を含んでいるトランスデューサ・アレイ（１０）と、表示画像データを表示する表示サブシステム（２２）と、コンピュータ（２０）とを備えるイメージング・システムであって、前記コンピュータが、送信ファイアリング時に第１及び第２の送信ビーム経路に沿って第１及び第２の送信ビームを送信するように前記アレイのトランスデューサ素子を起動する工程と、前記送信ファイアリングに続いて、第１及び第２の受信ビーム経路に対応する第１及び第２のビーム加算された受信信号をビーム形成する工程であって、前記第１及び第２の送信ビーム経路は前記第１及び第２の受信ビーム経路にそれぞれ実質的に一致している、ビーム形成する工程と、前記第１のビーム加算された受信信号の関数である第１の走査線と、前記第２のビーム加算された受信信号の関数である第２の走査線とを有する画像を表示するように前記表示サブシステムを制御する工程とを開始するようにプログラムされており、
前記アパーチャ関数は、ビーム・プロファイル関数の関数である評価関数の数値的最適化により余弦関数から導出されること、を特徴とするイメージング・システム。
【請求項１３】
前記評価関数は、次の式
【数４】
0004717995.tif 000017
である請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記数値的最適化は最小自乗法アルゴリズムに基づいている請求項１２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波イメージング・システムに関し、より具体的には、超音波画像の音波フレーム・レートを高める方法及び装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
理想的な超音波イメージング・システムは、関心区域の全体にわたって撮像分解能を最適な値に維持する。これを達成する一つの方法はしばしば、完全なデータ集合によるビーム形成又はＮ2 再構成と呼ばれている。この方法によれば、データ取得処理連鎖は次のように進行する。すなわち、トランスデューサ素子１によって送信してトランスデューサ素子１乃至Ｎによって受信する、トランスデューサ素子２によって送信してトランスデューサ素子１乃至Ｎによって受信する、以下同様である。
【０００３】
このアプローチはＮ2回の送受信動作を必要とするので、データ取得時間の要求条件のため臨床的撮像には明らかに適さない。しかしながら、このアプローチは、画像の個々のピクセルの各々がピクセル固有のビーム形成パラメータの特定の集合を有するようなビーム形成方法を可能にする。この方法によれば、送信ビーム形成時及び受信ビーム形成時の動的集束（ダイナミック・フォーカシング）を行なうことができるので、Ｎ2再構成はしばしば、臨床に適したアプローチを図る比較対象又は比較点と考えられている。従って、フレーム・レートへの影響を最小限に抑えながらＮ2方法に近付くデータ取得方法が望ましい。
【０００４】
従来の超音波画像は、多数の画像走査線で構成されている。単一の走査線（又は走査線の局在化した小群）は、関心領域内の１つの点に集束した超音波エネルギを送信し、次いで、反射したエネルギを時間にわたって受信することにより取得される。集束した送信エネルギを送信ビームと呼ぶ。送信後の時間中に、１つ又はこれよりも多い受信ビームフォーマが、各々のチャネルによって受信したエネルギを位相回転又は遅延を動的に変化させながらコヒーレントに加算して、経過時間に比例したレンジにおける所望の走査線に沿ったピーク感度を形成する。得られた集束した感度パターンを受信ビームと呼ぶ。走査線の分解能は、関連する送信ビームと受信ビームとの対の指向性の結果となる。
【０００５】
ビームフォーマ・チャネルの出力信号はコヒーレントに加算されて、物体の関心領域又は関心空間の各々のサンプル空間についてそれぞれのピクセル強度を形成する。これらのピクセル強度値は対数圧縮され、走査変換された後に、走査されている解剖学的構造の画像として表示される。
【０００６】
医用超音波イメージング・システムのフレーム・レートは、フレーム当たり必要とされる送信事象の数によって決定される。従来の超音波イメージング・システムでは、送信事象とは、集束したビームを特定の方向又は特定の焦点位置へ送信することである。医用超音波撮像でのフレーム・レートは貴重なリソースである。フレーム・レートを増大させることにより、より広い領域（カラー・フロー撮像若しくは３次元撮像の場合等）又は相対的に高速な物体（例えば、心臓）を撮像することができる。加えて、ビデオ統合（雑音低減）又は合成（スペックル低減）等の画像強調方法もフレーム・レートを徹底的に活用し得る。
【０００７】
従来の医用超音波撮像では、特定の方向に単一のパルスが送信され、反射したエコーがコヒーレントに加算されて、画像フレーム内の単一の線を形成している。この走査線を形成するのに必要な時間量は、超音波パルスの往復の通過時間によって大部分決定される。更に、解剖学的構造の関心領域を緻密にサンプリングするために、画像フレーム内に多数の走査線が存在している。従って、従来の医用超音波撮像でのフレーム・レートは、音波の伝播速度及び関心領域の寸法によって決定されている。
【０００８】
高フレーム・レートのシステムは、現行の２次元撮像には望ましいものであり、また、将来の実時間３次元撮像には必須である。フレーム・レートは、フレーム当たりの送信事象の数を減少させることにより向上させることができる。これは従来、各々の送信事象に用いられる送信素子の数を比例して減少させることにより達成されてきたが、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の劣化を齎している。
【０００９】
従来の超音波ビームフォーマは、エコーの受信時にダイナミック・フォーカシングを利用している。この方法によれば、ビーム形成処理は各々の深さ毎に最適化されて、可能な限り良好なビーム形状（即ち、ビーム幅が狭く、且つサイドローブが少ない）を実現することができる。しかしながら、殆どのシステムでは、送信ビーム形成時には、単一の固定された焦点を用いて合計後のビーム形状を良好に維持しようとしている。従って、送信焦点から離隔した区域では、結果として得られるビームのビーム幅が広がり、サイドローブが増大する。
【００１０】
１つの公知の超音波イメージング・システムでは、異なる焦点位置又は焦点ゾーンに向けられた多数回の送信を用いることにより、焦点特性の改善が行なわれている。これらの焦点ゾーンからのエコーを用いて小画像（subimage）を形成し、次いで、これらの小画像を「継ぎ合わせ」して最終画像とする。この方法は、画像の殆どの区域でビーム特性を最適化し、従って、Ｎ2の性能に近付き始めているが、フレーム・レートについては大きな不利益があり、すなわち、音速が十分に遅いので、フレーム・レートを５フレーム／秒までにも低速化してしまう。典型的な例では、８箇所もの焦点位置が用いられるので、フレーム・レートに８倍の低下が生じる。この不利益は、深い浸透を要求する臨床用環境で用いられる低めの周波数のプローブについては極めて深刻である。
【００１１】
関心のある方向に典型的には４回乃至１６回の送信が行われて臨床用途に十分なデータを取得するドプラ方式のカラー・フロー・マッピング手法では、データ取得時間に関連する同様の制限が更に深刻化して生ずる。この制限を克服しようとして具現化されている一つのアプローチは、相対的に広いビームを送信して、送信包絡線の内部に多数の受信ビームを配置するものである。結果として得られるビームは必ずしも良い品質を有しているとは言えないが、ドプラ処理に比較的穏当な要求条件が課せられている場合にはこの方法は十分良好に作用する。しかしながら、このようなビームの品質は、Ｂモード撮像には不十分である。
【００１２】
相対的に速い速度及び十分な画質でデータを取得する一つの試みが、１９９８年１１月２３日に出願され本出願人に譲渡されているトメニウス(Thomenius) 等の米国特許出願第０９／１９７，７４４号に開示されている。この出願は、高フレーム・レートで且つ高分解能（すなわち低ｆナンバ）の超音波撮像においてデータを取得する方法及び装置を開示している。この手法は、物理的に離隔した多数のビームを同時に送信して、受信時には１つよりも多い走査線についての撮像データを取得することを含んでいる。追加のタイミング電子回路を利用しないでトランスデューサ・アレイ素子の単一回のファイアリングによって送信ビーム形成に作用を及ぼすと共に、制御され集束した空間的に離隔した２つのビームを形成するために、空間的アポダイゼーションが用いられている。この方法は「アポダイゼーションによる二重ビーム・ステアリング（方向制御）」と呼ばれている。アポダイゼーションによる二重ビーム・ステアリングは、時間遅延を付与された集束した単一の信号の送信を含んでおり、この単一の信号は、送信を行なうフェーズド・アレイの素子から送信される信号に余弦アポダイゼーションを付与することにより、２つの別個のビームに同時に分離されている。この方法は、相対的に大きな走査角度及び二重ビームの相対的に大きな角度分離についての向上した性能を提供するように拡張され得る。また、この概念は、単一回の送信ファイアリングによる多数の（２つよりも多い）送信ビームに拡張することができる。また、この概念を２次元のアレイに適用することができ、２次元の送信ビーム集合を扱うことが可能になっている。
【００１３】
また、超音波多重線取得においては、単一の送信パルスから多数の受信ビームが取得される。この取得モードでのアーティファクトは、送信ビームが受信ビームの合間に集束されている場合に生じ得る線の歪みである。送信ビーム幅が変化するため、実効的な受信ビーム位置は送信焦点の区域の中心に引き寄せられる。従って、線の歪みの問題を解決することが可能な手法に対する必要性が存在している。
【００１４】
【発明の概要】
二重線超音波ビーム形成においては、理想的な送信ビームは２つのピーク位置を有し、各々のピークが受信ビームのそれぞれ一方に追従すべきである。アポダイゼーションによる二重ビーム・ステアリングはこのような送信ビームを形成するが、得られるビームは単一の深さについてのみ最適化されており、この深さから離隔した位置ではかなりの線の歪みが生じ得る。本発明は、送信ビームを数値的に最適化することにより、すなわちアパーチャ関数を数値的に最適化することにより、超音波多重線取得における送信ビームの形状を改善しており、この結果、音場の深さ全体にわたって線の歪みが生じなくなる。アパーチャ関数は、アパーチャ関数に依存している評価関数（cost function）を数値的に最小化することにより最適化されている。
【００１５】
本発明はまた、多数のピークを有するビームを送信するためのアパーチャ関数を数値的に最適化した多重線取得手法を用いた超音波撮像を指向している。
【００１６】
【好適実施形態の詳細な説明】
図１には、典型的な従来のディジタル式実時間超音波イメージング・システムが全体的に示されている。この超音波イメージング・システムは、別個に駆動される複数のトランスデューサ素子１２で構成されているトランスデューサ・アレイ１０を含んでおり、トランスデューサ素子１２の各々が、送信器１４によって発生されるパルス波形によってエネルギを与えられると超音波エネルギのバーストを発生する。被検体から反射されてトランスデューサ・アレイ１０に帰投した超音波エネルギは、受信を行なう各々のトランスデューサ素子１２によって電気信号へ変換されて、一組の送受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１８を介して受信器１６へ別個に印加される。送信器１４及び受信器１６は、操作者による命令（コマンド）に応答するホスト・コンピュータ２０の制御下で動作する。ホスト・コンピュータ２０は、中央処理ユニットと付設されているメモリとを含んでいる。完全な１回の走査は一連のエコーを取得することにより実行され、このときには、送信器１４が瞬間的にオンにゲート制御されて各々のトランスデューサ素子１２にエネルギを与え、各々のトランスデューサ素子１２によって発生された後続のエコー信号が受信器１６へ印加される。１つのチャネルは、他のチャネルがまだ送信している間に受信を開始してもよい。受信器１６は、各々のトランスデューサ素子からの別個のエコー信号を合計して単一のエコー信号を発生し、この単一のエコー信号を用いて表示サブシステム２２のモニタ上で画像の１つの線を形成する。
【００１７】
各々のトランスデューサ素子によって送信される基本波形は、送信系列メモリ２６に記憶されているディジタルの送信系列によって決定される。送信アパーチャ内に位置する各々のトランスデューサ素子１２がそれぞれの二極パルサ２４によって発生されたパルス波形によりパルス駆動され、パルサ２４は、送信系列メモリ２６から当該パルサへ供給されるそれぞれの送信系列に応答して動作する。
【００１８】
ホスト・コンピュータ２０の指令下で、送信器１４は、超音波エネルギが指向性集束ビームとして送信されるようにトランスデューサ・アレイ１０を駆動する。集束を達成するために、送信集束遅延２８によって二極パルサ２４に対してそれぞれの時間遅延が付与される一方で、それぞれのパルス振幅は、各々のパルサに対して電源圧を設定する高電圧制御器等の送信レベル制御（アポダイゼーション発生）３０によって設定される。ホスト・コンピュータ２０は、音波パルスが送信される際の条件を決定する。この情報によって、送信集束遅延及び送信レベル制御は、パルサ２４によって発生されるべき送信パルスの各々についてのタイミング及び振幅をそれぞれ決定する。パルサ２４は続いて、トランスデューサ・アレイ１０の素子１２の各々に対してＴ／Ｒ（送受信）スイッチ１８を介して送信パルスを送る。送信集束時間遅延を従来の態様で適当に調節することにより、超音波ビームを送信焦点位置に指向させ集束させることができる。本発明の好適実施例によれば、ホスト・コンピュータは、送信器１４を制御して空間アポダイゼーション及び時間遅延を利用させて、制御され集束した空間的に離隔した２つのビームをトランスデューサ・アレイ素子の単一回のファイアリングで形成するようにプログラムされている。このことを達成するために用いられるアポダイゼーション関数及びタイミング関数については後に詳述する。
【００１９】
超音波エネルギの各々のバーストによって発生されるエコー信号は、各々の超音波ビームに沿って連続したレンジに位置する物体から反射している。反射点と各々のトランスデューサ素子１２との間の伝播経路に差があるので、エコー信号は同時には検出されず、又、エコー信号の振幅は等しくならない。各回の送信毎に、トランスデューサ素子１２からのエコー信号は受信器のそれぞれの受信チャネル３２へ供給される。ホスト・コンピュータ２０の指令下で、受信器は、送信されたビームの方向を追跡する。受信器は、受け取った各々のエコー信号に対して適正な受信集束時間遅延３４を付与する。受信集束時間遅延は、特殊化されたハードウェアを用いて実時間で算出されるか、又はルックアップ・テーブルから読み込まれる。時間遅延を付与された受信信号は、各回の送信ファイアリング毎に受信ビーム加算器３６において加算されて、超音波ビームに沿った特定のレンジに位置する点から反射した全超音波エネルギを正確に指示するエコー信号を形成する。
【００２０】
アポダイゼーションによる二重ビーム・ステアリングを用いる場合には、ホスト・コンピュータ２０は受信器１６を制御して、２つの送信ビームの方向を追跡させて、各々のビームに沿った一連のレンジでのエコー信号をサンプリングする。受信器１６は、各々の増幅後のエコー信号に対して適正な時間遅延を付与すると共に増幅後のエコー信号を加算して、それぞれの超音波ビームに沿って特定のレンジに位置する点から反射した全超音波エネルギを正確に表わす合成エコー信号を形成する。最も広く用いられている従来のシステムは、２つのビームを同時に受信する能力を有している。この能力は通常、ビームフォーマ・チャネルの完全な２つのセットを要求する訳ではなく、別個のビームは、ディジタル・ビームフォーマにおいて、幾つかの工程から成る共通処理を経た後に形成される。このようにして、受信器１６は従来の態様で２つの受信ビームを発生し、各受信ビームは、本発明の好適実施例に従って、異なる角度で送信された２つの超音波ビームに対応する。従来のビームフォーマで二重線受信ビーム形成を行なう場合には、送信ビームは通常、２つの受信ビームの面積を覆うように拡大される。本発明は、追加のタイミング回路を一切必要とせずに、飛躍的に改善されたビーム形成を（２つの分離した送信ビームを用いることにより）得ることを可能にする。
【００２１】
従来のシステムでは、ビーム加算された受信信号は帯域通過フィルタ処理されて、信号プロセッサ又は検波器３８へ供給される。帯域通過フィルタ（図示されていない）は、所望の信号成分を通過させる。検波器３８は、帯域通過フィルタ処理後の受信信号を表示データへ変換する。Ｂモード（グレイ・スケール）では、信号の包絡線は、エッジ強調及び対数圧縮のような何らかの追加処理を施した表示データで構成されている。スキャン・コンバータ４０が、検波器３８から表示データを受け取り、このデータを表示に望ましい画像へ変換する。具体的には、スキャン・コンバータ４０は、音波画像データを極座標（Ｒ−θ）のセクタ型フォーマット又はデカルト座標のリニア型フォーマットから、適当にスケーリングされたビデオ・レートのデカルト座標の表示ピクセル・データへ変換する。次いで、これらの走査変換（スキャン・コンバート）された音波データは、表示サブシステム２２に組み込まれているビデオ・プロセッサによって処理されて、表示システムのモニタ上での表示用に形成され、これにより、信号の包絡線の時間変化する振幅をグレイ・スケールとして画像化する。単一回の送信ファイアリング中に送信された空間的に分離した各々のビーム毎にそれぞれの走査線が表示される。
【００２２】
アポダイゼーションによる二重ビーム・ステアリング（２つよりも多いビームに拡張することもできる）は、数学的に説明することができる。狭帯域ビームフォーマの応答は、その焦点の付近では次の表現によって与えられる。
【００２３】
【数５】
0004717995.tif 000002
【００２４】
ここで、ｆ（ｕ）はｕ＝ｓｉｎ（θ）の関数としての送信応答であり、θはアレイの法線に対する角度であり、ｋ0 ＝２π／λは波数である。周知のように、この表現は、アパーチャ関数ａ（ｘ）とｕの関数としての音場応答との間にフーリエ変換関係を生ずる。典型的な超音波応用では、関数ａ（ｘ）はアポダイゼーションの目的のために用いられ、すなわちギプスの現象の帰結として生ずるサイドローブを抑制するために用いられる。
【００２５】
二重ビーム・ステアリングの実施例による手法は、式（１）のａ（ｘ）成分を用いて、単一回の送信から２つ又はこれよりも多い送信ビームの形成を可能にするような態様でビーム・パターンを修正する。２つの点源を用いると正弦音場分布が生じることは干渉計測定から周知である。このことは、狭帯域遠距離音場（すなわち集束式）ビーム形成のフーリエ変換特性の直接的な帰結である。本発明は、正弦加重（アポダイゼーション）がアレイ素子に適用されると、音場パターンは空間的に離隔した２つのδ関数のパターンになるという相互関係を利用している。すなわち、次の加重
ａ（ｘ）＝ｃｏｓ（２πｘ／ｄ）                                （２）
が適用され、ｄが正弦曲線の空間周波数であるとすると、得られる音場パターンは、
【００２６】
【数６】
0004717995.tif 000003
【００２７】
となる。
【００２８】
このように、余弦加重関数を導入するだけで、多数素子のフェイズド・アレイの単一回のファイアリング時に２つのビームが送信される。このことは、タイミング信号の発生、又はこのような目的のために通常用いられるその他の手段を用いずとも達成される。式（１）〜式（３）は無限のアパーチャを仮定している。アパーチャが有限で長さＬを有すると仮定する場合には、音場応答は次のようになる。
【００２９】
【数７】
0004717995.tif 000004
【００３０】
ここで、略号ｓｉは、ｓｉｎｃ（すなわちｓｉｎ（ｘ）／ｘ）の代わりに用いられている。
【００３１】
式（４）を導くために用いられるａ（ｘ）関数は、ｒｅｃｔ｛Ｌ｝関数によってウィンドウ設定され、従って応答におけるｓｉｎｃ項によってウィンドウ設定される。ｒｅｃｔ関数は次のように定義され得る。
【００３２】
ｘ≦Ｌ／２のときに、ｒｅｃｔ｛ｘ｝＝１
ｘ＞Ｌ／２のときに、ｒｅｃｔ｛ｘ｝＝０                      （５）。
【００３３】
ｓｉｎｃ関数に関連したサイドローブを抑制するためには、更に適切な加重関数を用いることができる。図２は、サイドローブ抑制のためのガウス型アポダイゼーションを重ね合わせた正弦加重関数の実例である。ガウス関数は、アパーチャ応答のエッジを平滑化するが、本発明の具現化に必須である訳ではない。図３は、結果として得られるシミュレーションによるビーム形状を示しており、同図では、アポダイゼーションによって２つのビームが１９°及び２５°で右方へステアリングされている。同じｆナンバを用いて送信を行ないながらアポダイゼーションを除去すると、図３の一点鎖線で示すような単一のビームが形成される。
【００３４】
余弦アポダイゼーションを用いると、広帯域信号については横方向分解能及びコントラスト分解能の若干の損失が生じ得る。このため、実際には、シミュレーションにおいてアパーチャ・サイズが制限されている。実用上は、この損失は、二重ビーム性能が望ましい状況では相対的に低いｆナンバを用いることにより補償することができる。可能なアポダイゼーション曲線のかなり広い選択肢が与えられているので、設計者は所与の状況に合わせて性能を最適化することができる。
【００３５】
正弦関数又は余弦関数には、これらの関数を本発明において実効的にするような自然の性質が備わっている。余弦加重は次のように表現することができる。
【００３６】
【数８】
0004717995.tif 000005
【００３７】
式（６）の右辺を解釈する１つの方法は、これらの項が、所望の２つの方向にビームをステアリングするのに必要とされるステアリング遅延に対応する位相遅延（通常、複素指数として表現される）であるとするものである。
【００３８】
式（２）のような余弦アポダイゼーションは、比較的単純な表現であって、医用超音波等の応用では限定された範囲の有効性しか有さない。より一般的に適用可能な表現は、前述の米国特許出願第０９／１９７，７４４号において与えられており、この表現は、ガウス型送信波形及び目標からの単一の散乱という仮定に基づいている。送信信号及び受信信号を加算することにより、点拡がり関数（ＰＳＦ）についての表現が形成される。送信動作時に用いられるアポダイゼーション関数を変化させることにより、多数のピークを有するビームを形成することができる。
【００３９】
超音波多重線取得モードでのアーティファクトは、送信ビームが受信ビームの間に集束されているときに生じ得る線の歪みである。図４は、中心に位置する送信ビーム４２が２つの受信ビームに挟まれている実例を示している。所望の受信ビーム位置４４は点線で示されている。しかしながら、送信ビーム幅が変化するので、実効的な受信ビーム位置４６は送信焦点の区域の中心に引き寄せられてしまう。
【００４０】
二重ビーム・ステアリング手法は、所望の受信ビームの位置に横方向のピークを有する送信ビームを形成することにより線の歪みを軽減する。このことは、アパーチャ加重関数及び遅延関数を適切に選択することにより達成される。この方法は図４に示す線の歪みを解消するが、異なる形式の歪みを生ずる可能性もある。ビームの分割は、単一の深さでのみ制御されている。この深さの前方及び後方では、ビームは何らかの自然の経路を辿るが、この経路が所望の受信ビーム経路と異なっている可能性もある。図５は、リニア型アレイ１０についてのこの状況を示している。所望の受信ビーム経路４４（破線）はトランスデューサ・アレイに垂直であるが、実効的な送信ビーム経路４８（点線）はアレイ１０に対して斜めになっている。実効的な送信ビーム経路４８は、アレイ１０の中心の近くでアレイ１０に交差しているので、これらのようなビーム経路はセクタ画像に適している。しかしながら、直線型又は台形型の画像形式では若干の線の歪みが生ずる。
【００４１】
本発明の好適実施例によれば、この線の歪みについての問題は、実効的な送信ビーム経路を制御することにより克服される。アパーチャ加重関数及び遅延関数は、実効的な送信ビーム経路が図６の破線５０によって示すように所望の受信ビーム経路に一致するように最適化され、すなわち、何らかの所望の経路を辿る送信ビームを形成するような送信遅延関数及び加重関数が見出される。このことは、数値的最適化方法を用いることにより達成される。実際のビーム形状が所望のビーム形状から逸脱するときに増大するような評価関数が定義される。この評価関数を最小化すると、最適な遅延関数及び加重関数が得られる。このアプローチを実例によって最も分かり易く説明する。図７は、リニア型アレイ１０を用いた数値的最適化のための幾何形状を示している。所望の送信ビームは２つの横方向強度ピーク５２（破線）を有しており、これらのピーク５２はアレイの中心５４の両側にξ0 ずつオフセットしている。強度ピークは平行に走行していなければならない。実際的な理由から、任意の深さ範囲にわたってこのようなビームを形成することは可能ではない。従って、最適化は［ｙmin ，ｙmax ］の範囲に限定される。（最終的には、この範囲は最適化の精度、横方向の分離等と共に代償関係を有するパラメータの１つとなる。）
所望の送信ビームは次の特性を有している。
【００４２】
（ａ）ビームはアレイの中心の周りに対称である；
（ｂ）メインローブの領域では、ξ0 において、ビームは所定のパルス・エネルギを有していなければならない；
（ｃ）サイドローブの領域では、パルス・エネルギは可能な限り低くなければならない；
（ｄ）横方向ビーム・プロファイルはξ0 にピークを有していなければならない。
【００４３】
これらのビーム特性は、アパーチャ最適化のための評価関数へ変換される。幾つかの変形で類似の結果を得ることができるので評価関数は一意ではない。ここに示すものは、良好に作用する１つの具現化形態である。評価関数を確定するためには、ビーム・プロファイルがまず必要とされる。ビーム・プロファイルは最適化の際に多数回にわたって評価されるので、狭帯域近似（フェイザ（phasor））方法が適用される。図７の幾何形状から、振幅自乗したビーム・プロファイルが次のようにして導出される。
【００４４】
【数９】
0004717995.tif 000006
【００４５】
ここで、ａ（ｘ）は複素アパーチャ関数であり、ｋは波数である。
【００４６】
上で述べた（ａ）〜（ｄ）の特性は、ビーム・プロファイルｂ（ξ，ｙ）について解釈される。
【００４７】
（ａ）対称性：アパーチャ遅延関数及び加重関数はｘについて対称であり、すなわちａ（ｘ）＝ａ（−ｘ）である。
【００４８】
（ｂ）メインローブ領域では、ビームは所定のパルス・パワーＷ0 を有していなければならず、すなわち、
【００４９】
【数１０】
0004717995.tif 000007
【００５０】
である。
【００５１】
式（８）は、送信パワーに対する制限と関連している場合にのみ意味を成す。
従って、送信パワーは、
【００５２】
【数１１】
0004717995.tif 000008
【００５３】
によって制限される。
【００５４】
（ｃ）サイドローブ領域では、パルス・エネルギは可能な限り低くなければならず、すなわち、
【００５５】
【数１２】
0004717995.tif 000009
【００５６】
でなければならない。
【００５７】
（ｄ）横方向ビーム・プロファイルは、ξ0 にピークを有していなければならず、すなわち、プロファイルの導関数が次のようにゼロでなければならないことを意味している。すなわち、
【００５８】
【数１３】
0004717995.tif 000010
【００５９】
である。
【００６０】
この基準は音場の深さ全体にわたって有効でなければならないので、自乗積分しなければならない。すなわち、
【００６１】
【数１４】
0004717995.tif 000011
【００６２】
である。
【００６３】
式（７）〜式（１２）は、ビーム・プロファイルｂ（ξ，ｙ）が複素アパーチャ関数ａ（ｘ）に依存しているので、ａ（ｘ）に暗黙のうちに依存している。
【００６４】
ここにおいて、評価関数を次のように定義することができる。
【００６５】
【数１５】
0004717995.tif 000012
【００６６】
係数Ａ、Ｂ及びＣは、評価関数に対する式（１３）の各成分の相対的な寄与を制御する。最適化の結果は、これらの係数の選択にある程度まで依存している。但し、経験的な係数選択でも十分である。
【００６７】
最適なアパーチャ関数は、ａ（ｘ）＝ａ（−ｘ）及び∫｜ａ（ｘ）｜2 ｄｘ≦ＷTXの条件を与えてＣｏｓｔ［ａ（ｘ）］を最小化することにより求めることができる。最後の制約条件は、送信パワーを恣意的に増大させることなくビームのピーク・エネルギを維持することを保証するのに必要とされる。
【００６８】
数値的最適化は多くのアルゴリズムによって行なうことができる。以下に述べる実例では最小自乗法を用いている。最小自乗法アルゴリズムは極小値を見出すのみであるので、適当な開始点を選択しておかなければならない。この開始点として余弦アポダイゼーションを用いる。
【００６９】
先ず、最適化問題は、全ての積分が加算となるように離散化され、すなわち、ａ（ｘ）→ａn とする。ここで、ｎは素子数である。
【００７０】
次に、この制約条件付き最適化問題は、無制約の最適化問題へ変換される。対称性の制約条件（ａn ＝ａ-n）は、アパーチャ（ｎ＞０）の２分の１のみを最適化して、残りの２分の１を鏡映することにより遂行される。送信エネルギの制約条件は、アパーチャをアパーチャ自体の自乗平均（ｒｍｓ）値によってスケーリングすることにより具現化される。従って、
【００７１】
【数１６】
0004717995.tif 000013
【００７２】
となる。
【００７３】
この正規化は、最適化によって新たなアパーチャ関数を算出するときには常に適用しなければならない。これにより、最適化は無制約問題に簡略化され、すなわち、Ｃｏｓｔ（ａn ）をｎ＝［０，Ｎ／２］及び式（１４）からの上述のパワー正規化によって最小化する。
【００７４】
最小自乗法での最適化によって実行される工程を図８に示す。この好適実施例によれば、初期アパーチャ関数ａ（ｘ）として余弦アポダイゼーションが選択される（図８のステップ６０）。次のステップ６２において、現在のアパーチャ関数について評価関数の勾配を決定する。すなわちｇ＝ｇｒａｄ［Ｃｏｓｔ（ａ）］とする。次いで、ステップ６４において、評価関数を勾配に沿って最小化するスカラλを求める。すなわちｍｉｎ［Ｃｏｓｔ（ａ＋λｇ）］とし、この最適値をλopt と表わす。ステップ６６において、アパーチャ関数が更新され、すなわち古いアパーチャ関数をａold として記憶すると共に、新たなアパーチャ関数をａ：＝ａ＋λopt ｇとして算出する。次いで、新たな評価関数が算出される。判定ステップ６８において、新たな評価関数と古い評価関数との間の差の絶対値が第１の所定の限度よりも小さいか否かについての判定を行なう。｜ΔＣｏｓｔ｜が第１の所定の限度よりも小さくなるまでステップ６２、６４、６６及び６８が繰り返され、小さくなったら、ステップ７０において、ｎｏｒｍ（λopt ｇ）が第２の所定の限度よりも小さいか否かについての判定を行なう。小さくなければ、ステップ６２、６４、６６、６８及び７０が繰り返される。ｎｏｒｍ（λopt ｇ）が第２の所定の限度よりも小さくなったら、現在のアパーチャ関数を最適化されたアパーチャとして採用する。図１を参照しながら述べると、次いで、ホスト・コンピュータ２０は、各回の送信ファイアリングについてこの最適化されたアパーチャ関数に従って送信レベル及び送信集束遅延を制御する。
【００７５】
多くの類似の最適化方法が実質的に同じ結果を与える。例えば、The Mathworks, Inc.社、１９９６年１２月刊行の「最適化ツールボックス：ユーザーズ・ガイド（Optimization Toolbox; User's Guide）」及びJohn Wiley & Sons社、１９７５年刊行のG. R. Walsh著「最適化の諸方法（Methods of Optimization）」に開示されている数値的最適化方法を参照されたい。更に、これらの方法のいずれのものも多くの変形を与える。本発明は、如何なる特定の最適化方法の利用にも限定されていない。
【００７６】
本発明の基本的な概念によれば、所望のビーム特性は評価関数へ変換され、この評価関数が数値的に最適化、例えば最小化される。評価関数は、アパーチャ関数（振幅及び時間遅延）からビーム・パターンを算出し、ビーム・パターンから幾つかのパラメータを抽出して、これらのパラメータを評価関数に組み入れることにより確定される。
【００７７】
以下の数値的な実例は、開示された方法の能力を実証している。このシミュレーションの目標は、アパーチャの中心から±２ｍｍだけオフセットした２つの平行なビームを形成することにあった。所望の音場の深さは２０ｍｍ〜３０ｍｍであり、焦点は２５ｍｍに位置していた。図９は、水平軸をアジマスとし、垂直軸を深さとした送信ビーム・パターンを示している。このプロファイルは、数値的最適化を行なわない余弦アポダイゼーションによって形成された。所望の±２ｍｍのビーム分割は焦点の深さ（２５ｍｍ）の所で生じた。しかしながら、この分割は深さにわたって一定ではなかったので、図９に示すビームは平行にならない。図１０は、余弦アポダイゼーションを数値的最適化と組み合わせた場合の結果を示している。図１０のビームが実質的に平行であることは明らかである。また、最適化によって音場の深さが所望の２０ｍｍ〜３０ｍｍまで増大した。
【００７８】
以上の実例は説明の目的のためにのみ提示されている。２つよりも多い横方向強度ピークを有する送信ビームを最適化することも可能である。更に、適正な評価関数を指定することにより、平行ではなくセクタ形式、台形形式又はその他の形式に従うような送信経路も可能である。
【００７９】
本発明は医用超音波撮像に適用することができる。しかしながら、その性質から、本発明はまた、他のコヒーレントな撮像方法（例えば、レーダ、側方監視レーダ又はマイクロ波等）にも適用することができる。
【００８０】
本発明によれば、従来の多重線取得方法の線の歪みのアーティファクトが減少する。従来、多重線取得は、歪みのアーティファクトが比較的目立たないカラー・フロー撮像に限定されていた。本発明は、Ｂモード撮像に多重線取得を適用する可能性を開くものである。
【００８１】
本発明の幾つかの好ましい特徴についてのみ図解すると共に記述したが、当業者には多くの改変及び変形を想到されよう。従って、特許請求の範囲は、本発明の主旨に含まれるような全ての改変及び変形を網羅することを意図しているものと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施例による超音波イメージング・システムのブロック図である。
【図２】本発明の１つの好適実施例による１２８素子のフェーズド・アレイからの１対のステアリングされた超音波ビームの送信のための送信アポダイゼーション・プロファイルのグラフである。
【図３】図２に示す送信アポダイゼーション加重関数の適用により得られる二重ビームのプロファイル（実線）及び同じｆナンバを有するがアポダイゼーションを行なわない送信についての単一ビームのプロファイルのグラフである。
【図４】二重線ビーム取得及び関連する線の歪みを示す概略図であって、太線が実効的な受信ビーム位置を示しており、実線が送信ビーム及びビーム幅を示しており、点線が所望の受信ビーム位置を示している図である。
【図５】所望の受信ビーム経路と、数値的最適化を行なわないアポダイゼーションによる二重ビーム・ステアリングを用いて達成される実効的な送信ビーム経路との間の不整合を示す概略図であって、実線が送信の中心を示しており、破線が所望の受信ビーム経路を示しており、点線が実効的な送信ビーム経路を示している図である。
【図６】本発明の好適実施例による数値的最適化を行なったアポダイゼーションによる二重ビーム・ステアリングを用いて達成される最適化された送信ビーム経路を示す概略図であって、実線が送信の中心を示しており、破線が所望の受信ビーム経路及び実効的な送信ビーム経路を示している図である。
【図７】数値的ビーム最適化のための例示的な幾何形状が示されている点を除けば図６と同一の概略図である。
【図８】本発明の好適実施例による数値的最適化手法の流れ図である。
【図９】余弦アポダイゼーションを用いて数値的最適化を行なわずに形成されたシミュレーションによる二重線送信ビームを示すコンピュータ形成画像である。
【図１０】余弦アポダイゼーションを用いて本発明の好適実施例による数値的最適化を行なって形成されたシミュレーションによる二重線送信ビームを示すコンピュータ形成画像である。
【符号の説明】
１０  トランスデューサ・アレイ
１２  トランスデューサ素子
４２  送信ビーム
４４  受信ビーム位置
４６  実効的な受信ビーム位置
４８  実効的な送信ビーム経路
５０  送受信ビーム経路の一致
５２  横方向強度ピーク
５４  アレイの中心
【図１】
0004717995.tif 000018
【図２】
0004717995.tif 000019
【図３】
0004717995.tif 000020
【図４】
0004717995.tif 000021
【図５】
0004717995.tif 000022
【図６】
0004717995.tif 000023
【図７】
0004717995.tif 000024
【図８】
0004717995.tif 000025
【図９】
0004717995.tif 000026
【図１０】
0004717995.tif 000027