(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブによって捕捉されるビーム形成された走査ラインデータから超音波画像を表示するために超音波診断撮像システムとワイヤレス式に通信する超音波プローブであって、
当該超音波プローブは：
受信される超音波エコーに応答して超音波エコー信号を生成する多素子トランスデューサアレイと、
上記超音波エコー信号に応答してビーム形成された走査ラインデータを生成するビームフォーマと、
上記ビーム形成された走査ラインデータの走査ライン群を特徴付ける情報を提供するヘッダデータの源であり、該ヘッダデータが送信帯域幅の８％以下のオーバヘッドを課す、ヘッダデータの源と、
上記ビーム形成された走査ラインデータ及び上記ヘッダデータの源に応答し、ビーム形成された走査ラインデータ及びヘッダデータをワイヤレス式に送信する送信器とを含み、
上記超音波診断撮像システムは、送信された上記ビーム形成された走査ラインデータ及び上記ヘッダデータを受信する受信器と、上記ビーム形成された走査ラインデータ及び上記ヘッダデータに応答して超音波画像情報を生成する画像プロセッサと、上記特徴付ける情報に基づいて上記超音波画像情報を表示するディスプレイとを含む、
超音波プローブ。
【請求項２】
上記送信器は上記ビーム形成された走査ラインデータを走査ラインデータのシーケンスとして送信し、上記ヘッダデータは個々の走査ラインを特徴付ける情報を含む、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項３】
上記送信器は上記ビーム形成された走査ラインデータを画像フレームデータのシーケンスで送信し、上記ヘッダデータは画像フレームを特徴付ける情報を含む、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項４】
上記送信器は上記ビーム形成された走査ラインデータを画像フレームの走査ラインのシーケンスで送信し、上記ヘッダデータは画像フレーム中の走査ラインの数及びタイプを特徴付ける情報を含む、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項５】
画像フレーム中の走査ラインのタイプは、Ｂモード走査ライン、ドップラー走査ライン、又はその両方の走査ラインである、請求項４記載の超音波プローブ。
【請求項６】
上記プローブは送信の前にビーム形成された走査ラインデータを圧縮する圧縮回路を更に有し、
上記ヘッダデータは上記ビーム形成された走査ラインデータに適用される圧縮特徴を特徴付ける、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項７】
上記送信器によって使用されるデータ伝送のタイプを特徴付ける情報を提供する通信プロトコルデータの源を更に有し、
上記送信器は、上記超音波システムの受信器による受信のために上記プロトコルデータをワイヤレス式に送信するため上記通信プロトコルデータの源に更に応答する、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項８】
上記ヘッダデータは、上記ビーム形成された走査ラインデータの画像における空間的原点を特定する情報を含む、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項９】
上記送信器は走査ラインデータのシーケンスとして上記ビーム形成された走査ラインデータを送信し、上記ヘッダデータは個々の走査ラインの空間的原点を特定する情報を含む、請求項８記載の超音波プローブ。
【請求項１０】
上記プローブは上記プローブに関する温度情報の源を更に有し、上記送信器は上記超音波システムの受信器へ上記温度情報を更に送信する、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項１１】
上記プローブは、過熱状態となったときに上記プローブをシャットダウンする、上記温度情報に応答する過熱時シャットダウン回路を更に有する、請求項１０記載の超音波プローブ。
【請求項１２】
上記プローブは、過熱状態となったときに上記プローブをシャットダウンする、上記超音波システムからの命令に応答する過熱時シャットダウン回路を更に有する、請求項１０記載の超音波プローブ。
【請求項１３】
上記送信器は上記ビーム形成された走査ラインデータを、共に画像フレームを構成する走査ラインデータのシーケンスで送信し、上記ヘッダデータは上記画像フレーム及び上記画像フレーム内の個々の走査ラインを特徴付ける情報を含む、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項１４】
上記プローブを特徴付ける情報を提供するデータの源を更に有し、
上記送信器は上記プローブ特徴付けデータを上記超音波システムの受信器による受信のためにワイヤレス式に送信するため上記プローブ特徴付けデータの源に更に応答する、請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項１５】
上記プローブ特徴付けデータは、上記ビーム形成された走査ラインデータの送信の前に上記送信器によって送信される、請求項１４記載の超音波プローブ。
【請求項１６】
上記プローブ特徴付けデータは、上記トランスデューサアレイを特徴付けるデータを含む、請求項１４記載の超音波プローブ。
【請求項１７】
上記ヘッダデータに対応するトレーラデータの源を更に有する請求項１記載の超音波プローブ。
【請求項１８】
上記ヘッダデータは超音波画像フレームを特徴付ける情報を含み、上記トレーラデータはフレームトレーラを含む、請求項１７記載の超音波プローブ。
【請求項１９】
上記ヘッダデータは上記ビーム形成された走査ラインデータのための伝送プロトコルを特徴付ける情報を含み、上記トレーラデータはプロトコルトレーラを含む、請求項１７記載の超音波プローブ。
【請求項２０】
上記ヘッダデータは超音波画像フレームと上記ビーム形成された走査ラインデータのための伝送プロトコルとを特徴付ける情報を含み、上記トレーラデータはフレームトレーラ及びプロトコルトレーラを含む、請求項１７記載の超音波プローブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は超音波診断撮像システムに関連し、更に特定的には患者の走査がコードレス走査ヘッドによって行なわれる超音波診断撮像システムに関する。
【０００２】
超音波診断撮像システムは、従来は２つの主な構成部分、即ち、プローブ又は走査ヘッドと、メインフレームプロセッサ又はシステムとを有するとみなされてきた。プローブは、患者の身体を走査するために使用される超音波エネルギーの圧電性の送信器及び受信器を含む。システムはプローブを制御しエコー信号を診断用の画像及び情報へ変える高性能な電子制御器及びプロセッサを含む。しかし、常に存在していた１つの更なる構成要素があり、それはプローブとシステムとの間で電力及び信号を結合するためのプローブをシステムに接続するケーブルである。
【０００３】
プローブのケーブルは、長年に亘って開発されるにつれ様々な形状をとり、技術者及び患者にとっての快適さ及び利便性に対して様々な影響があった。オーディオドップラー又はＡ−ライン（単一ライン）のためにのみ使用された初期の製品は、ケーブル内に僅かなワイヤのみを必要とした。かかる製品用のプローブは概して単一の素子又は単一のピストントランスデューサを使用したため、「ペンシルプローブ」と称されることがあり、信号ワイヤ及びグランドワイヤはしばしば完全なケーブルとして充分であった。かかるプローブは単一のビームに沿ったステアリングされていない固定の焦点を有する。ユーザはプローブを異なる位置へ物理的に動かすこと、又は音響的に離して身体からずらすことによってプローブを調節する。持ち上げること及び操作するためには細く軽いケーブルが便利である一方で、得られる診断上の情報の質は最低限のものであった。
【０００４】
Ｂアームシステムは、異なる方向性の利便性をもたらした。これらのシステムでは、プローブは２次元撮像用のプローブ位置情報を与える関節アームの端に取り付けられる。診断画像の質の向上は、関節アームを用いて行われ、これによる撮像はアームの動きの範囲に制限される。ケーブルは、関節アームに入れられると、扱いにくい機構の中で実質的に人目につかなくなる。
【０００５】
機械的なセクタスキャナプローブの開発と共により大きな動きの自由度が取り戻された。機械的セクタスキャナはイメージフィールドを走査するためにトランスデューサを前後に振動させ、振動機構は２次元撮像のために空間的な向きを与える。振動機構に電力供給し制御しシステムへ空間的な向き信号を送信するためのワイヤの他に２つのワイヤ、即ち信号ワイヤ及びグランドワイヤを有する単一のピストントランスデューサが必要とされる。手持ち式のプローブは便利であるが、ケーブルの寸法が大きくなっている。
【０００６】
ケーブルの寸法の増大は、ソリッドステート又はアレイプローブによりかなり加速された。アレイプローブでは、トランスデューサは、超音波ビームを電子的に走査しフォーカシングさせるために個々に制御された数ダース又は数百の素子のアレイを含む。しかし、個々のワイヤのために個々の制御が必要となり、即ち１２８のトランスデューサプローブは１２８の個々のワイヤを有するワイヤを所望としうる。受信されたエコー信号は概して非常に低いレベルであるため、ワイヤは単純な撚り線ではなく、夫々がそれ自体の信号ライン及び伝導性のシールドを有する同軸ラインである。ケーブル中のワイヤの数を減少するためにプローブ内の様々な多重化スキームが使用されてきたが、これらのスキームはフレーム速度、アパーチャ寸法、制御の複雑さに対して悪影響を有しうる。従って、プローブのケーブルの寸法を減少させるか、又はケーブルを全く排除し、それにより性能上の不利な点を生じさせずに臨床医及び患者の利便性を改善することが望ましい。
【０００７】
本発明の原理によれば、プローブのケーブルが排除され、臨床医及び患者にとって最大の利便性を与える超音波診断撮像システムが提供される。この利便性は、プローブをメインフレーム超音波システムに接続する必要性を排除するプローブケース内のワイヤレス送信器によって与えられる。超音波システムは、プローブから超音波情報を受信するための受信器を含む。本発明によれば、プローブから超音波システムへの信号の伝送はフォーマットされ、それによりプローブによって捕捉され伝送される超音波画像情報は超音波システム上に表示される画像内に高い信頼性で正確に再生される。
【０００８】
まず、図１を参照するに、従来の超音波プローブ、ケーブル及び撮像システム配置がブロック図の形式で示されている。超音波プローブ１０はトランスデューサアレイ１２を含む。導線１４は、トランスデューサアレイの個々の素子を超音波撮像システム３０に接続されるケーブル２０内部の導線に接続される。ケーブルの導線は撮像システム内のビーム生成器３２に電気的に接続され、ビーム生成器３２は、トランスデューサアレイの素子のパルス発生のタイミングを制御し、エコー信号のコヒーレントなビームを生成するようトランスデューサ素子から受信された信号を遅延し加算する。ビーム生成されたエコー信号は画像プロセッサ３４に結合され、走査されている患者の身体の内部の組織又は流れの画像を形成するために処理される。合成超音波画像は画像ディスプレイ３６上に表示される。ビーム生成器３２及び画像プロセッサ３４の処理及びデータの流れの調整は、様々なユーザ制御器によってユーザからの命令を受信するシステム制御器３８によってなされる。
【０００９】
図１中、トランスデューサアレイ１２の素子はケーブルの導線に直接ワイヤ接続されて示されているが、ケーブルの導線の数を低減させるために、プローブ内にアレイ素子とケーブルとの間にマルチプレクサが含まれてもよい。この場合、それによりプローブが超音波信号を送信又は受信するたびに、ケーブルの導線がその時点において有効なアパーチャの素子に多重化されるよう、超音波システムから制御線を用いてマルチプレクサを制御することが必要である。
【００１０】
図２は、超音波の送信及び受信の両方のためのビーム生成がプローブ内でなされ、ケーブル２０内で必要とされる導線の数をかなり低減させる超音波システムを示す図である。トランスデューサアレイ１２の素子は送受信ビーム生成器（ビームフォーマ）１６に結合され、送受信ビーム生成器１６はアレイによって送信される超音波ビームのタイミング、ステアリング、及びフォーカシングと、アレイ素子によって受信される信号からのコヒーレントなエコー信号のビーム生成とを制御する。超音波システム３０による画像処理及び表示のために、各トランスデューサ素子からの信号ではなく、生成されたビームがケーブル２０を通じて結合される。ケーブル２０はまた、走査される画像の特定のものについてビーム生成器に命令するシステム制御器３８からの制御情報も搬送する。この制御情報は、ケーブル内のシリアルディジタルラインによって搬送され、ビーム生成器内に記憶される情報は以下のように合わせられる。ケーブルはビーム生成器及びトランスデューサアレイのための供給電圧を搬送する。送受信ビーム生成器１６がマルチビットディジタルデータを生成するディジタルビーム生成器であっても、ケーブル導線の数は従来の６４、９６、又は１２８素子のトランスデューサアレイに必要とされる導線と比較してやはりかなり減少される。
【００１１】
受信された超音波ビームは図２中のプローブ１０内で生成されるため、プローブは超音波システム３０内のビーム生成器３２を使用する必要がない。プローブ１０によって生成されるビーム生成されたエコー信号は、中間の処理及び続く表示のために画像プロセッサ３４に直接結合されうる。図２の実施例では、これは、システム制御器の制御下で、システムのビーム生成器３２によって生成される信号ではなくプローブ１０からのビーム生成されたエコー信号が画像プロセッサに接続されるよう切り換えるスイッチＳによって達成される。従来通り、プローブ１０又はそのシステムコネクタ２２内の「パーソナリティチップ」はユーザに対してプローブ１０の特徴を知らせ、ユーザ制御器でユーザによってプローブ１０が選択されると、システム制御器に命令させてプローブを動作させそのエコー情報を画像プロセッサ３４へ接続させる。
【００１２】
図３は、ビーム生成器１６及び送受信マルチプレクサ／デマルチプレクサ１８を有する超音波プローブの実施例を示す図である。ビーム生成器１６は、トランスデューサアレイ１２の素子によって送信される超音波のタイミングを制御する送信及びタイミング回路３００を含む。送信及びタイミング回路は、ユーザによって所望のタイプの画像をプローブに生成させるようプローブを制御するため超音波システム３０から命令信号を受信する。送信及びタイミング回路はまた、アレイの所望の有効なアパーチャを選択するよう送受信マルチプレクサ／デマルチプレクサに命令する。送信及びタイミング回路はまた、送信される超音波の性質を制御し、例えば、Ｂモード及びドップラー撮像のために異なる超音波を送信する。タイミング及び制御信号はマルチプレクサ／デマルチプレクサ１８に印加され、アレイの素子は所望の送信ビームをステアリングしフォーカシングするための正しい時間に励起される。
【００１３】
アレイ素子によって受信されるエコーは素子によって電気信号に変換され、マルチプレクサ／デマルチプレクサ１８によってビーム生成器１６のビーム生成回路へ送られる。有効な受信アパーチャのトランスデューサ素子からの受信されたエコー信号はビーム生成器の個々のチャネルに結合される。図３は４チャネルビーム生成器を示す。望ましいビーム生成器は集積回路の形状で製造され、各ビーム生成器チップ内に多数の４チャネルを含むことが望ましい。殆どの素子数が多いアレイに対して４、８、又は１６チャネルビーム生成器チップが容易に使用されうる。望ましいビーム生成器は、サンプリングされたアナログ又はディジタル技術のいずれかを用いたサンプリングデータビーム生成器である。いずれの場合も、ビーム生成器の各チャネルは、最初の量子化段３１とそれに続く遅延ライン段３２とを含む。遅延ライン段の出力は、受信ビームを生成するよう遅延されたエコー信号を組み合わせる加算回路３２０に結合される。図３に示される４チャネルビーム生成器は４つの量子化段Ｑ1、Ｑ2、Ｑ3及びＱ4と、それに続く４つの遅延ライン段ＤＬ1、ＤＬ2、ＤＬ3及びＤＬ4とを含む。加算回路３２０の出力におけるコヒーレントなエコー信号は、画像処理及び表示のために超音波システム３０に結合される。
【００１４】
受信ビーム生成器がサンプリングされたアナログ変形であるとき、量子化段は、送信及びタイミング回路３００によって示される時間に受信されたエコー信号をサンプリングするサンプル及びホールド回路を含む。サンプリングされたアナログ信号電圧は、遅延段としての電荷結合素子（ＣＣＤ）バケットブリゲード遅延ラインによって適当に遅延される。遅延時間は幾つかの方法のうちの任意の方法で送信及びタイミング回路３００によって制御される。１つの方法は、サンプリングされた電圧が印加されるＣＣＤ遅延ラインへの複数の入力タップのうちの１つを選択することである。他の方法は、加算回路３２０へのＣＣＤ遅延ラインの段からの複数の出力タップのうちの１つを選択することである。いずれの場合も、タップを選択することによって、シフトされ遅延されるために電圧サンプルが通る段の数を選択する。第３の遅延技術は、ＣＣＤ段を通じてサンプルがシフトされる周波数を変化させることである。即ち、より低い周波数はシフトされるサンプルに対してより長い遅延を与える。加算された出力信号は、プローブ内のアナログ・ディジタル変換器によってディジタル化されディジタル形式で超音波システム３０へ送信されるか、又は、超音波システム３０へアナログ信号が送信され超音波システム内でディジタルエコーサンプルへ変換されてもよい。後者のアプローチは、ケーブル２０内に単一の出力信号導線のみを必要とする。
【００１５】
受信ビーム生成器がディジタルビーム生成器であるとき、量子化段は、送信及びタイミング回路３００によって示されるサンプリング時間で１つの素子当たりのアナログ信号をディジタルサンプルへ変換するアナログ・ディジタル変換器を含む。ディジタルエコーサンプルは、ランダムアクセスメモリ、シフトレジスタ、又はディジタルＦＩＦＯレジスタの形であり得るディジタル遅延ラインによってディジタルに遅延される。各ディジタル遅延段の遅延は、メモリ内のサンプルの読み書き間隔或いはシフトレジスタ又はＦＩＦＯレジスタのシフト周波数を制御する送信及びタイミング回路３００によって制御される。ディジタル遅延ラインの出力における遅延されたサンプルは、ディジタルに加算され超音波システム３０へ転送される。
【００１６】
図４中、図３のプローブでの使用に適したディジタルビーム生成器がブロック図として示される。この図はビーム生成器集積回路１６の１つのセクション１６ａを示す図である。マルチプレクサ／デマルチプレクサ１８からの８つのトランスデューサ素子の信号のビーム生成を行なうよう、ビーム生成器集積回路上には８つのかかるセクションがある。マルチプレクサ／デマルチプレクサからの各エコー信号は、エコー信号がディジタルデータへ変換されるＡ／Ｄ変換器３１０の入力に結合される。Ａ／Ｄ変換器はビーム生成器自体として同一の集積回路上に配置され、これにより集積回路の外部接続ピンが最小限とされる。各ビーム生成器チャネルのために１つのアナログ入力ピンのみが必要とされ、コヒーレントに加算された出力信号のために１組のディジタル出力ピンのみが必要とされる。各素子（或いは折り返し又は粗アパーチャ内の各素子対又は各素子組）のためのＡ／Ｄ変換器からのディジタルデータは、クロック信号Ａ／ＤＣＬＫによって先入れ先出し（ＦＩＦＯ）レジスタ３１２の中へシフトされる。Ａ／ＤＣＬＫ信号は、初期遅延を与えるようクロック信号の開始を延期し、次に受信されたエコー信号の動的フォーカシングを与えるよう信号サンプリング時間を制御する動的フォーカシング制御器３１４によって与えられる。ＦＩＦＯレジスタ３１２の長さは、トランスデューサの中央周波数、アパーチャの寸法、アレイの曲率、及びビーム走査要件によって決定される。例えば、より高い中央周波数及び湾曲したアレイは走査遅延要件を減少させ、従ってＦＩＦＯレジスタの長さを減少させる。
【００１７】
ＦＩＦＯレジスタ３１２からの遅延されたエコー信号は乗算器３１６に結合され、乗算器３１６においてエコー信号は動的重み付け制御器３１８によって与えられる動的重み値によって重み付けされる。動的重み値は、有効素子の数、アパーチャ内の素子の位置、及び所望のアポディゼーション関数の効果を考慮にいれてエコー信号に重み付けし、エコーが走査ラインに沿ったより大きな深度から受信されるにつれ追加的な外側素子を含むことによってアパーチャは拡張する。遅延され重み付けされたエコー信号は、加算器３２０を通じて、他の素子からの適当に遅延され重み付けされたエコー信号及び縦続に結合される他の遅延段からのエコー信号と加算される。ビーム生成されたエコー信号は、同期オーバフロービットと共に、ＲＦデータバス上の出力走査ラインデータとして生成される。走査ラインエコー信号の各シーケンスには、集積回路上のＲＦヘッダシーケンサによって与えられる識別情報が伴う。ＲＦヘッダは、例えば走査ラインをＢモードエコーデータ又はドップラーデータとして識別しうる。
【００１８】
所望であれば、ビーム生成器遅延を与えるために、他のディジタル及びサンプリングされたデータ記憶装置が使用されうる。デュアルポートのランダムアクセスメモリは、トランスデューサ素子からの信号の所望の遅延をああ照る時間又はシーケンスにおいてメモリから読み出される受信ディジタルエコーサンプルを記憶するために使用されうる。
【００１９】
ビーム生成器集積回路の各セクション１６ａは、アレイの４つのトランスデューサ素子のための送信制御回路３０２乃至３０８を含む。集積回路の８つのセクションはこのように、同時にアレイの３２の素子についての送信制御を行ない、それにより最大の送信アパーチャを決定する。送信制御回路は、所望の方向で走査され、所望の深さの焦点でフォーカシングされる送信音響信号を生成するよう適当な時間においてマルチプレクサパルサーを活性化する所定の持続時間及び周期性の波形を生成する。
【００２０】
ビーム生成器集積回路１６は、集積回路上の８つのビーム生成器チャネルの送受信機能のための全体的な制御を与える共通制御セクション３３０を含む。制御セクション３３０は、超音波システム３０内に配置されるシステム制御器３８の制御下で制御されデータを受信する。特定の画像フレームのための制御データテーブルは超音波システム内のメモリ内に記憶され、システム制御器の命令下で制御セクション３３０内へロードされる。制御セクション３３０は、プローブの送受信機能のために多数のシーケンサを含む。フレームシーケンサ３３２は、生成されるべき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生成する。フレームシーケンサは、例えば、次のフレームを４つのドップラー走査ラインのグループの間に散在するＢモード走査ラインとして定義し、一連の走査ラインが全ての奇数の走査ラインとそれに続く全ての偶数の走査ラインであるデータでロードされる。この情報は、所望の走査ラインを捕捉するために必要とされるタイミングを制御するラインシーケンサ３３４へ供給される。
【００２１】
走査ラインの捕捉中、ラインシーケンサは、ＴＧＣ制御データの所望のシーケンスを生成するようＴＣＧシーケンサ３３６を制御する。ＴＧＣシーケンサからのＴＧＣ制御データは、ディジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）３３８によって電圧信号へ変換され、マルチプレクサ／デマルチプレクサ１８のＴＧＣ制御入力端子へ印加される。アドレスシーケンサ３４２は、ＴＧＣシーケンサのレジスタ、動的フォーカシング３１４及び動的重み付け制御器３１８、及びマルチプレクサ／デマルチプレクサ１８の制御レジスタのためのシリアルバス上にシリアルデータを生成するシリアルバスシーケンサ３４０といったビーム生成器の様々なリアルタイムレジスタへの新しい走査ライン用のデータのロードを制御する。リアルタイム機能を実行するビーム生成器集積回路上の全てのレジスタは２重バッファとされる。送受信マルチプレクサ／デマルチプレクサ１８のレジスタもまた２重バッファとされ、それにより多重化及びＴＧＣ制御のための制御データは、制御データが使用される走査ラインに先行するラインに亘ってシリアルバス上に与えられマルチプレクサ／デマルチプレクサレジスタ内へロードされうる。
【００２２】
ビーム生成器集積回路の制御セクションには、プローブの全ての動作を同期させる複数の同期クロック信号を生成するクロック発生器３５０が含まれる。６０ＭＨｚといった基本高周波を与えるためにビーム生成器集積回路１６には水晶発振器（図示せず）が結合され、この基本高周波からプローブの全てのクロック信号が導出される。
【００２３】
ビーム生成器集積回路及びそのシーケンサの動作については、米国特許第５，８１７，２０５号に詳述されている。
【００２４】
図５は、図３のプローブ内でのマルチプレクサ／デマルチプレクサ１８としての使用に適した送受信マルチプレクサ集積回路を示す図である。マルチプレクサ集積回路１８Ａの信号路は、４つの同一のセクションＳ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４へ分割される。図中、セクションＳ１の内部が詳細に示されている。セクションＳ１は、２つの２：１送信マルチプレクサ４０８及び４１０を含み、各マルチプレクサは８つの送信ＩＮラインのうちの１つ上のパルサー信号に応答する。各２：１送信マルチプレクサはパルサー４０２、４０４及び４１４、４１６を駆動する２つの出力を有し、各パルサーの出力はトランスデューサ素子が接続されるマルチプレクサ集積回路ピンに結合される。図示される実施例では、２：１送信マルチプレクサ４０８は素子１又は素子６５を駆動するよう結合され、２：１送信マルチプレクサ４１０は素子３３又は素子９７を駆動するよう結合される。マルチプレクサ集積回路ＩＣ１８Ａの他のセクションの２：１送信マルチプレクサは夫々同様に４つのトランスデューサ素子に結合される。個々のトランスデューサ素子のための別個のパルサーを用いて、マルチプレクサ集積回路１８Ａは接続される８又は１６のトランスデューサ素子を別々に且つ同時に駆動しうる。
【００２５】
各セクションのパルサーが結合されるトランスデューサ素子のピンは、４：１受信マルチプレクサ及びスイッチ４１２の入力にも結合される。超音波送信中にパルサーがトランスデューサ素子を駆動しているとき、マルチプレクサ集積回路上の全ての４：１受信マルチプレクサ及びスイッチに結合される送信ＯＮライン上の信号は、全ての４：１受信マルチプレクサ及びスイッチを高電圧駆動パルスに対する高いインピーダンスを表わす状態へ切換え、それにより受信信号路の残る部分をこれらの高電圧パルスから隔離する。マルチプレクサＩＣの全ての４：１受信マルチプレクサ及びスイッチはマルチプレクサ集積回路の受信テストピンに結合され、それによりテスト信号は受信信号路内へ入れられ、受信器システムを通じて伝搬しうる。エコー受信中、各４：１受信マルチプレクサ及びスイッチは、結合される４つのトランスデューサ素子のうちの１つの信号を第１のＴＧＣ段４２２によって１：１６マルチプレクサ４１８に結合する。
【００２６】
マルチプレクサ集積回路上の第１のＴＧＣ段の利得はマルチプレクサ集積回路のＴＣＧ１ピンに印加される電圧によって制御され、これは構築される実施例では、差動制御電圧の印加のために２つのピンを含む。マルチプレクサ集積回路の各セクションの１：１６マルチプレクサは夫々、受信されたエコー信号を加算バス４４０の１６のラインのうちの１つへルーティングする。１６の加算バスラインのうちの２つは、図中右側に、フィルタ回路２２２に結合されて示されている。フィルタリングされたバス信号は第２のＴＧＣ段４２４及び４２６につながる入力ピンに結合され、その利得は１つ又は２つのＴＧＣピンに印加される電圧によって制御される。図示される実施例のこれらの第２のＴＧＣ段の出力は、プローブのビーム生成器集積回路のチャネルにつながる出力ピンに接続される。
【００２７】
マルチプレクサ集積回路１８Ａはまた、ビーム生成器集積回路からシリアルバスを通じて制御信号を受信する制御レジスタ４３０を含む。制御レジスタはＣＴＲＬ入力矢印によって示されるようにマルチプレクサ集積回路の全てのマルチプレクサに制御信号を分配する。
【００２８】
マルチプレクサ集積回路及びビーム生成器集積回路の構築される実施例は、供給電圧及びバイアス電圧用の多数のピン及びグランド接続を有し、これは図示されていない。
【００２９】
個々のトランスデューサ素子用の多数の導線は、ビーム生成器制御データ用の導線、トランスデューサ、ビーム生成器、及びマルチプレクサ集積回路のためのビーム生成された出力信号及び供給電圧によって置き換えられる。典型的なＣＣＤ実施例は、ＣＣＤビーム生成器出力信号用の導線と、超音波システムから送信及びタイミング回路３００へ制御データを与えるシリアルデータラインと、ビーム生成器集積回路及びマルチプレクサ集積回路用のＤＣ供給電圧及び参照導線と、超音波伝送中に圧電材料を駆動するのに必要とされる駆動電圧とを必要としうる。ディジタルビーム生成器の実施例は、ＣＣＤ出力導線を、ビーム生成されたデータワード（並列伝送の場合）内のビットの数、又はビーム生成されたワードが直列データとして超音波システムへ送信される場合は直列データラインに等しい数の導線で置き換える。並列出力データは、ケーブル内により多くの導線を必要とするが、アキシアル解像度を改善させ超音波システム内のシリアル・パラレル変換器の必要性をなくす。
【００３０】
発明者は、本発明の超音波プローブが出力信号として、多数のトランスデューサ素子からの個々の信号ではなく、ビーム生成された走査ラインサンプルを生成するため、プローブによって生成されるデータの容量が、プローブの出力信号の超音波システムへの無線伝送を可能とするレベルにあることを見出した。４Ｍビット毎秒の送信器帯域幅は、リアルタイム画像表示に適した１５Ｈｚに近いフレームレートでの圧縮なしに超音波画像を伝送するのに充分である。現在の集積回路送信器帯域幅は１１Ｍビット毎秒のレンジであり、数年のうちに２５Ｍビット毎秒のレンジとなることが予期されている。更に、データ圧縮を用いることにより、より大きいフレームレートを可能とする４乃至２０の範囲のデータ圧縮率を用いて画質の低下を最小限にしつつ、１画像当たり約２３０，０００ビットの１つのＢモード超音波画像当たりのビット数が減少されうる。図６ａ及び６ｂは、超音波システムへのケーブルレス接続を与える本発明の実施例を示す図である。
【００３１】
図６ａ中、図３のプローブは、ビーム生成器１６に結合される幾つかの追加的な要素、即ち、フィルタリング及び検出を行なうディジタル信号プロセッサ５２、ビーム生成されたデータを圧縮する圧縮／圧縮解除回路（ＣＯＤＥＣ５４）、２重バッファとされたフレーム記憶５６、超音波システム３０内の同様の送受信器と通信する送受信器５０を含む。ＣＯＤＥＣ５４は、「ULTRASONIC DIAGNOSTIC IMAGING SYSTEM WITH CORDLESS SCANHEADS」なる名称の同日出願された米国特許出願第０９／１９７，３９８号に記載されるようなＪＰＥＧ、ＭＰＥＧ、及びウェーブレット圧縮技術を含む幾つかの圧縮スキームを実施することが可能である。要素５０乃至５６は、超音波システムとの間のデータの処理及び伝送を制御するマイクロコントローラ２００の制御下で動作する。マイクロコントローラとして有用なものは、Intel 80186プロセッサといったプロセッサ及びHitachi及びIntelといった販売者から入手可能な同等の最新のプロセッサである。送受信器５０は、Ｂモード又はドップラー画像といった生成される超音波画像のタイプを、及び例えばカラーフロー画像内のドップラー窓の寸法を制御するために超音波システムからの制御データを受信する。この制御データが受信されると、プローブによって行なわれる走査を制御するために、送信及びタイミング回路３００に結合される。
【００３２】
加算器３２０によって生成される走査ラインデータは、フィルタリングと、任意に検出とを実行するディジタル信号プロセッサ５２に結合される。ＤＳＰ５２はまた、上述の米国特許［出願第０８／８６３，９３７号］に記載されるようにドップラー処理を実行しうる。実行されるフィルタリングは、ビーム生成された信号からサンプリング周波数信号成分を除去する低域通過フィルタリング又は帯域通過フィルタリングのいずれかでありうる。望ましくは、このフィルタリングは直角帯域通過フィルタリング（ＱＢＰ）を実行する乗算器・アキュムレータによって実施される。米国特許出願第０８／８９３，４２６号に記載されるように、かかる実施は３つの機能、即ち、ビーム形成された信号を帯域制限すること、信号を直角（Ｉ及びＱ）対へ分割すること、及びサンプリングレートを間引きすることを有利に実行する。望ましい実施例では、トランスデューサ信号は、ナイキスト規準に関連してビーム生成器の量子化段によってオーバーサンプリングされる。オーバーサンプリングは、信号に対してフィルタ特徴を課すと共にデータレートを減少させる間引きフィルタリングによるビーム生成された信号のフィルタリングを可能とする。減少されたデータレートは、ワイヤレスプローブ内での送受信器についてのデータ転送要件を軽減するという利点がある。
【００３３】
Ｂモード信号は、Ｉサンプル及びＱサンプルの平方の和の平方根を取ることによってＤＳＰ内で検出されうる。ドップラー信号では、Ｉ及びＱデータはＤＳＰによってウォールフィルタリングされ、ドップラー集合を形成する受信された走査ラインのグループを記憶することで、各走査ラインに沿ったサンプル体積点においてドップラー周波数推定が実行されうる。超音波信号データは、ＣＯＤＥＣ５４によって所望であれば圧縮されてもよく、一時的にフレーム記憶５６内に記憶される。マイクロコントローラ２００が超音波データが超音波システム３０へ送信されるべきであると決定したとき、データは送受信器５０に結合され、画像処理及び表示のために超音波システムへ戻るよう送信される。スキャンコンバージョンを含む画像処理は超音波システム内で実行されるため、走査ラインはスキャンコンバージョンされていない形式、例えばＲ−θフォーマットで超音波システムへ送信される。超音波システム内の画像プロセッサ３４は、Ｒ−θ走査ラインデータを所望の表示フォーマットへ変換する。
【００３４】
図６ａのケーブルレスプローブは通常のケーブルによって電力を受け取らないため、プローブはバッテリ電源を有する必要がある。バッテリ及び配電サブシステム６０は、プローブの構成要素として示される。サブシステム６０は充電可能なリチウムイオンバッテリを使用することが望ましく、プローブの回路及び送受信器のための供給電圧及びトランスデューサアレイの圧電素子のための必要励起電圧を生成する。超音波システムからバッテリを充電するための技術は、「ULTRASONIC DIAGNOSTIC IMAGING SYSTEM WITH CORDLESS SCANHEAD CHARGER」なる名称の同日出願の米国特許第０９／１９６，８５２号に記載される。
【００３５】
図６ｂの超音波システム３０は、図６ａのプローブへの走査制御データの送信及びプローブからの超音波画像データの受信のための送受信器５０を含む。走査制御データは、システム制御器３８によってシステム送受信器５０へ供給される。受信された画像データは、既にプローブ内でビーム生成されているため超音波システム内のビーム生成器３２を迂回し、画像処理及び表示のための画像プロセッサ３４へ直接印加される。
【００３６】
図６ａのプローブにおける使用に適した送受信器の形態は、「ULTRASONIC DIAGNOSTIC IMAGING SYSTEM WITH CORDLESS SCANHEADS」なる名称の同日出願の米国特許出願第０９／１９７，３９８号に記載される。
【００３７】
図７ａ及び７ｂは、ビーム生成された画像データが図６ａのプローブ送受信器によって超音波システム３０へ送信されるために使用されうる２つの可能な送信データシーケンスを示す図である。コンピュータ及びデータ記憶装置といった超音波システム以外のプラットフォームと通信するときは、他のフォーマットが使用されうる。図４に示されるように、図示されるビーム生成器集積回路は、一連の走査ラインデータ内に識別ヘッダ情報を挿入することが可能なＲＦヘッダシーケンサ３４４を含む。このヘッダ情報が使用されうる１つの方法は図７ａに示される。この実施例では、走査ラインデータのフレームに先行して、どの走査ラインデータが後続するかについての情報を超音波システムに与えるフレームヘッダがある。これは例えばフレーム内の走査ラインの数及びタイプに関する情報、及び圧縮されるのであれば使用される圧縮のタイプに関する情報を含みうる。フレームヘッダには、フレーム内の走査ラインのための走査ラインデータが後続する。任意に、フレームデータのシーケンスはフレームトレーラによって終端してもよい。データシーケンスの開始と、任意に終端に、ＴＣＰ／ＩＰ又は他のより低水準データといった通信プロトコルを識別するプロトコルヘッダ及びトレーラがある。これらの伝送プロトコルは、干渉のない受信条件下では送信帯域幅に約７乃至８％のオーバヘッドを課すことが予期される。
【００３８】
図７ｂは、ＲＦヘッダシーケンサが画像の各走査ラインの前にヘッダを挿入する第２の走査ライン送信フォーマットを示す図である。図示されるように、走査ライン１のデータにはライン１のためのヘッダが先行し、走査ライン２のデータにはライン１のためのヘッダが先行し、以下同様である。各ラインヘッダは、その関連付けられた走査ラインに関する識別情報、例えば画像中の空間的位置及びＢモード又はドップラー走査ラインであること、を与える。
【００３９】
これらの２つのフォーマット、即ち、各画像フレームの開始においてフレームヘッダを送信し、フレームの各走査ラインのためにラインヘッダを送信することの組合せが使用されうることが認識されるべきである。超音波画像データの送信の開始の前に、プローブは超音波システムへ、プローブのタイプの識別（例えば４ＭＨｚ湾曲アレイタイプ）、プローブによって送信されるデータのフォーマット、超音波データの帯域幅、プローブの固有の機能、プローブの欠陥（例えば故障したアレイ素子）、機能的な特徴（例えばプローブチャネルに亘る利得特徴、温度データ）、及び超音波システムに有用でありうる他の動作特徴といった、基本的な識別情報を送信する。超音波システムは、実際の画像走査及び表示を開始する前にプローブの動作を確立するためにそれ自身の設定及び検査情報でこの情報に応答しうる。過熱条件下でのプローブ温度といった重要な安全情報は、例えばモニタ上に表示される警告によってユーザに潜在的な危険を通知するために割込みによって所望に応じてシステムへ送信され、プローブは超音波システムによって電源切断を命令されるか、又は電源切断を自己で実行しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  超音波プローブ、ケーブル、及び超音波撮像システムの従来の形態を示すブロック図である。
【図２】  超音波撮像システムに動作上接続される一体型ビーム生成器を具備した超音波プローブを示す図である。
【図３】  図２の超音波プローブをより詳細に示すブロック図である。
【図４】  図３の超音波プローブにおける使用に適したディジタルビーム生成集積回路を示すブロック図である。
【図５】  図３の超音波プローブにおける使用に適したマルチプレクサを示すブロック図である。
【図６ａ】  図３の超音波プローブのケーブルレス実施を示す図である。
【図６ｂ】  本発明の原理による超音波撮像システムを示す図である。
【図７ａ】  図６ａのケーブルレス超音波プローブのためのデータ伝送フォーマットを示す図である。
【図７ｂ】  図６ａのケーブルレス超音波プローブのためのデータ伝送フォーマットを示す図である。
【図１】
0004719359.tif 000002
【図２】
0004719359.tif 000003
【図３】
0004719359.tif 000004
【図４】
0004719359.tif 000005
【図５】
0004719359.tif 000006
【図６ａ】
0004719359.tif 000007
【図６ｂ】
0004719359.tif 000008
【図７ａ】
0004719359.tif 000009
【図７ｂ】
0004719359.tif 000010