(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査面内の物体をイメージングするための方法であって、
第1の走査線に沿った第１の送信焦点位置に焦点合わせされてなされるＮ（≧２）回の送信発射の各々の間に、第１の基本波周波数を有する音波エネルギを送信するステップであって、前記Ｎ回の送信発射の前記音波エネルギを発射の全体にわたり位相符号化するステップと、
前記Ｎ回の送信発射の各々で送信され、物体から反射されて戻ってきた音波エネルギを変換してＮ組の受信信号を形成するステップと、
前記Ｎ組の受信信号の各々に対してビーム形成を行い、その各々が前記第１の走査線に沿って取得したデータを構成するＮ個の受信ベクトルを順次形成するステップと、
前記Ｎ個の受信ベクトルを発射の全体にわたってフィルタリングし且つ加算して近距離音場の受信ベクトルを形成するステップであって、前記Ｎ個の受信ベクトルの第１の基本波信号成分については高域通過フィルタリングして抑制すると共に、前記Ｎ個の受信ベクトルの高調波（又は低調波）信号成分については全域通過フィルタリングさせるステップと、
第２の走査線に沿い前記第１の送信焦点位置と比べてより深い深度の第２の送信焦点位置に焦点合わせして、（Ｎ＋１）番目の送信発射の間に第２の基本波周波数を有する音波エネルギを送信するステップと、
前記（Ｎ＋１）番目の送信発射で送信されて物体から反射された音波エネルギを変換し、（Ｎ＋１）番目の組の受信信号を形成するステップと、
前記（Ｎ＋１）番目の組の受信信号に対してビーム形成を行い、前記第２の走査線に沿って取得したデータを構成する（Ｎ＋１）番目の受信ベクトルを形成するステップと、
前記（Ｎ＋１）番目の受信ベクトルをフィタリングし、遠距離音場の受信ベクトルを形成するステップであって、前記（Ｎ＋１）番目の受信ベクトルの第２の基本波信号成分を抑制すると共に、前記（Ｎ＋１）番目の受信ベクトルの高調波（又は低調波）信号成分を全域通過させるステップと、
前記近距離音場の受信ベクトルと遠距離音場の受信ベクトルとを組み合わせて合成受信ベクトルを形成するステップと、
前記合成受信ベクトルの関数である画像を表示するステップと、を含む方法。
【請求項２】
前記第１の基本波周波数が前記第２の基本波周波数に等しい請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記音波エネルギが超音波である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記Ｎ個の受信ベクトルをフィルタリングする前記ステップが、それぞれの「スロー・タイム」フィルタ重みａ1乃至ａNを所定の１組のフィルタ係数に当てはめることにより導き出されるＮ組のフィルタ係数をフィルタのタップに順々に入力するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
Ｎ＝３であり、発射の全体にわたる前記位相符号化が［１８０°，０°，１８０°］であり、かつ前記「スロー・タイム」フィルタ重みａ1乃至ａ3が［０．５，１，０．５］である請求項４に記載の方法。
【請求項６】
Ｎ＝４であり、発射の全体にわたる前記位相符号化が［０°，１８０°，０°，１８０°］であり、かつ前記「スロー・タイム」フィルタ重みａ1乃至ａ4が［０．５，１，１，０．５］である請求項４に記載の方法。
【請求項７】
Ｎ＝４であり、発射の全体にわたる前記位相符号化が［０°，９０°，０°，１８０°］であり、前記「スロー・タイム」フィルタ重みａ1乃至ａ4が［０．５，１，１，０．５］であり、かつ前記フィルタがフィルタ位相［０°，９０°，０°，０°］を有する請求項４に記載の方法。
【請求項８】
Ｎ＝４であり、発射の全体にわたる前記位相符号化が［０°，０°，１８０°，１８０°］であり、かつ前記「スロー・タイム」フィルタ重みａ1乃至ａ4が［１，１，１，１］である請求項４に記載の方法。
【請求項９】
Ｎ＝４であり、発射の全体にわたる前記位相符号化が［０°，１８０°，１８０°，０°］であり、かつ前記「スロー・タイム」フィルタ重みａ1乃至ａ4が［１，１，１，１］である請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
電気的付勢に応答して音波エネルギを送信し反射した音波エネルギを電気信号に変換する多数のトランスジューサ素子（１２）を有するトランスジューサ・アレイ（１０）と、
画像を表示させるための表示モニタ（２２）と、
コンピュータ（２０）とを備え、
該コンピュータは、
第1の走査線に沿った第１の送信焦点位置に焦点合わせされてなされるＮ（≧２）回の送信発射の各々の間に、第１の基本波周波数を有する音波エネルギを送信するために前記トランスデューサアレイ（１０）のトランスジューサ素子（１２）を付勢するステップであって、前記Ｎ回の送信発射の前記音波エネルギを発射の全体にわたり位相符号化するステップと、
前記トランスデューサアレイのトランスジューサ素子を付勢して、第２の走査線に沿い、前記第１の送信焦点位置と比べてより深い深度の第２の送信焦点位置に焦点合わせを行って、（Ｎ＋１）番目の送信発射の間に第２の基本波周波数を有する音波エネルギを送信するステップと、
前記（Ｎ＋１）回の送信発射の各々の発射に続いて、前記トランスジューサ・アレイ（１０）から出力された（Ｎ＋１）組の受信信号の各々に対してビーム形成を行って、１番目乃至（Ｎ＋１）番目の受信ベクトルを、その各々が前記走査線に沿って取得したデータを構成するように、順次形成するステップと、
前記１番目乃至Ｎ番目の受信ベクトルを発射の全体にわたってフィタリングし且つ加算して、近距離音場の受信ベクトルを形成するステップであって、前記１番目乃至Ｎ番目の受信ベクトルの第１の基本波信号成分については高域通過フィルタリングして抑制すると共に、前記１番目乃至Ｎ番目の受信ベクトルの高調波（又は低調波）信号成分については全域通過させるステップと、
前記（Ｎ＋１）番目の受信ベクトルをフィタリングし、遠距離音場の受信ベクトルを形成させるステップであって、前記（Ｎ＋１）番目の受信ベクトルの第２の基本波信号成分については抑制すると共に、前記（Ｎ＋１）番目の受信ベクトルの高調波（又は低調波）信号成分については全域通過させるステップと、
前記近距離音場の受信ベクトルと遠距離音場の受信ベクトルのゾーン組み合わせを行って、合成受信ベクトルを形成するステップと、
前記表示モニタに対して前記合成受信ベクトルの関数である画像信号を送信するステップと、
を実行するようにプログラムされていることを特徴とするイメージング・システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連する特許出願】
本出願は、米国特許出願第０９／０５２，６７５号（１９９８年３月３１日提出）の一部継続出願である。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全般的には人体の解剖学的構造に対する医学診断目的の超音波イメージングに関するものである。さらに詳しくは、本発明は調波イメージング(harmonic imaging)のための方法及び装置に関するものである。
【０００３】
【発明の背景】
従来の超音波スキャナは、画素（ピクセル）の輝度がエコー反射の強度に基づくようにして組織の２次元Ｂモード画像を作成する。従来のＢモード画像は基本波信号成分と調波(harmonic)信号成分との組合せから形成されており、基本波信号成分は送信されたパルスの直接的なエコーであり、調波信号成分は組織などの非線形媒体の中で有限振幅超音波伝搬から生じる。場合によっては、例えば肥満した患者の場合には、基本波信号成分を抑制して調波信号成分を強調することによって超音波画像を改善することができる。
【０００４】
組織調波イメージング法は、Ａｖｅｒｋｉｏｕらによる「組織の非線形特性に基づく新規なイメージング技法(A new imaging technique based on the nonlinear properties of tissues)」（Ｐｒｏｃ．  １９９７  ＩＥＥＥ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｓｙｍｐ．）と題する論文において提案されている。生体組織内での音波ビームの伝搬は非線形であることが知られており、これにより調波が生じる。組織調波イメージングの一形式においては、エネルギが基本波周波数ｆ0 で送信され、画像は第２高調波２ｆ0 のエネルギにより形成される。非線形により発生する第２高調波ビームの特性としては、基本波の場合よりもビームが狭くかつサイドローブが低くなること、累積処理におけるビーム形成すなわち第２高調波が伝搬中に基本波からエネルギを連続的に引き出すこと、などがある。これらの特性は、横方向(lateral) 分解能の改善、強靭な窓に起因する多重反射の低減、並びに組織及び皮膚層内の不均質に起因するクラッタ低減に貢献している。
【０００５】
従来は画像化が困難であった血管構造の診断に役立てるために超音波医学用の造影剤が開発されている。造影剤の使用法に関しては、例えば、ｄｅ  Ｊｏｎｇらによる「超音波造影剤の原理及び最新技術(Principles and Recent Developments in Ultrasound Contrast Agents)」（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．２９，３２４〜３８０頁（１９９１））において検討されている。造影剤は、典型的には直径が１〜１０マイクロメートルの範囲にあるマイクロバブル(microbubble) であり、血流中に注入される。これらのマイクロバブルからの後方散乱信号は血球からの後方散乱信号よりも遙かに大きいので、血流のイメージングを可能にするマーカーとして使用される。これらの造影剤からのエコーをさらに分離するための１つの方法は、造影剤のエコーの高調波（又は低調波）成分を使用することであり、これらの調波成分は造影剤を含んでいない周囲の組織からの調波成分よりもずっと大きい。例として、Ｎｅｗｈｏｕｓｅらの論文「第２高調波ドップラー超音波血液灌流測定(Second Harmonic Doppler Ultrasound Blood Perfusion Measurement)」（Ｐｒｏｃ．  １９９２  ＩＥＥＥ  Ｕｌｔｒａｓｏｎ．  Ｓｙｍｐ．，１１７５〜１１７７頁）、及びＢｕｒｎｓらの論文「マイクロバブル造影剤を用いる調波パワー・モード・ドップラー：小血管流れイメージング用の改良方法(Harmonic Power Mode Doppler Using Microbubble Contrast Agents: An Improved Method for Small Vessel Flow Imaging) 」（Ｐｒｏｃ．  １９９４  ＩＥＥＥ  Ｕｌｔｒａｓｏｎ．  Ｓｙｍｐ．，１５４７〜１５５０頁）を参照されたい。
【０００６】
超音波スキャナでの調波イメージングのためには、少なくとも２つの方法が知られている。第１の方法では、フェイズド・アレイのトランスジューサ素子が基本波周波数を有する波形により付勢され、送信焦点ゾーンに焦点合わせされた超音波ビームを発生させるように時間遅延を受ける。焦点合わせされた単一ビームの送信のことを「発射(firing)」と呼ぶ。検査中の身体から反射されたエコーは、アレイ素子によって電気信号に変換され、さらに時間遅延させて基本波及び調波信号成分の双方を有する音響データの受信ベクトルを形成させる。受信フィルタにより基本波信号成分を除去し、調波信号成分を分離させる。次いで、この調波信号成分を検出し、走査変換し、表示させる。
【０００７】
第２の方法では、各トランスジューサ素子は、第１の送信発射中は一方の極性を有する第１の位相符号化波形により付勢され、また第２の送信発射中はこれと反対の極性を有する第２の位相符号化波形により付勢される。この２つの波形は１つの基本波周波数を有している。各発射の間でのトランスジューサ素子の付勢は、時間遅延させて、同じ送信焦点ゾーンで焦点合わせされた超音波ビームを発生させる。各発射により、各々が基本波及び調波信号成分の双方を有する音響データのそれぞれの受信ベクトルを生じさせる。しかしながら、これらの受信ベクトルをベクトル加算するとその基本波信号成分は実質的に相殺され、これにより調波信号成分が分離される。次いで、この調波信号成分を検出し、走査変換し、表示させる。
【０００８】
第１の方法での問題としては、（ａ）受信した信号の帯域が狭く、このために分解能が悪いこと、（ｂ）大きな基本波信号成分を完全にフィルタリングすることは極めて困難であり、基本波信号が幾らか残留しコントラスト改善を劣化させること、（ｃ）送信信号が調波周波数を含む場合、この成分をフィルタリング除去することは不可能であること、などがある。
【０００９】
第２の方法では、第１の方法に関する上述の不都合がない。しかし、第２の方法の重大な欠点は、特定の送信焦点ゾーンに対応した調波データを収集するために２回の発射が必要となり、これにより常にフレーム速度が半分に減少することである。イメージングが２０〜２４ｃｍの深度まで実施される、より低周波数のトランスジューサの場合、第２の方法では、認識できないことが多い。
【特許文献１】
米国特許第５７０６８１９号
【特許文献２】
米国特許第５８７９３０３号
【００１０】
【発明の概要】
調波イメージングの単一送信方法に関連する問題の大部分は、受信した基本波信号の振幅が調波信号成分の信号の振幅と比較して極めて大きい音場である近距離音場でのみ重大である。さらに、２回送信式調波イメージングの方法により提供される帯域幅の改善は、近距離音場において顕著であり、より高い周波数は極めて急速に減衰するので深度が深くなるのに伴いこの改善は低下する。これらの知見から、２回送信式調波イメージングの第２の方法による改善は殆どが近距離音場の領域に限定されることが示唆される。したがって、上記の２つの動作モードを組み合わせて、フレーム速度の減少を最小にしながらコントラストの改善を最大とするような調波イメージングの方法が必要である。
【００１１】
本発明は、コントラストを改善した調波イメージング方法及び装置である。本方法では、多重焦点ゾーンを使用し、近距離音場（比較的より深度が浅い位置）及び遠距離音場（比較的より深度が深い位置）から受信したエコーから導き出した合成画像を作成する。近距離音場では、１つの送信焦点ゾーン当たり、発射の全てが同じ位相ではない２回以上の送信発射を使用する。一方、遠距離音場では、１つの送信焦点ゾーン当たり単一の送信発射を使用する。本明細書で使用する場合、近距離音場及び遠距離音場という用語により任意の特定の深度（すなわち、レンジ）を規定することを意図していない。その意図は、単に遠距離音場が近距離音場の最大深度と比べて深度レンジがより大きいという意味である。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態では、近距離音場内の各送信焦点ゾーンは異なる位相をもつ２回の送信発射により検査され、遠距離音場内の各送信焦点ゾーンは単一の送信発射により検査される。近距離音場に焦点合わせされた２回の送信発射は反対の極性を有する、すなわち互いに位相が反対であると共に、基本波周波数で送信される。受信の際に、これらそれぞれのベクトルは加算され、これによりそれぞれの受信信号内の基本波信号成分は実質的に相殺され、一方高調波（又は低調波）信号成分が分離される。遠距離音場では、その単一の送信発射は基本波周波数ｆ0 を有する。受信の際に、受信ベクトルは、ある高調波（又は低調波）周波数、例えば、２ｆ0 を中心とする通過帯域を有するフィルタより帯域通過フィルタリングされる。各角度での近距離音場及び遠距離音場の受信ベクトルは、次いで互いに組み合わせられ合成ベクトルが形成される。合成画像を構成する多数の合成ベクトルを得るために、この処理は反復される。
【００１３】
この第１の調波イメージング方法の主たる利点は、近距離及び遠距離音場の双方において１つの送信焦点ゾーン当たり２回の異なる送信を使用する方法と比較して、後者の方法の利点を犠牲にすることなくフレーム速度を改善することである。改良型の超音波スキャナの殆どでは多重焦点ゾーンを使用して完全な画像を形成しており、その実現は極めて簡単である。１つの送信焦点ゾーン当たり２回の異なる送信は近距離音場で使用されているため、２回の発射に要する時間は短く、フレーム速度が急激に低下することはない。
【００１４】
本発明の別の好ましい実施形態では、近距離音場内の各送信焦点ゾーンは３回以上の送信発射によって検査され、遠距離音場内の各送信焦点ゾーンは、この場合も単一の送信発射により検査される。次いで、３回の送信からのこれらそれぞれの受信ベクトルは、スカラー重みを有する「スロー・タイム」フィルタ（すなわち、ウォール・フィルタ）を使用して組み合わせられ、この結果組み合わせられた受信ベクトル内の基本波信号成分は実質的に相殺される。こうするとフレーム速度にかなりの影響を及ぼすことになるが、本実施形態は優れたフラッシュ抑制を達成する特有の能力を備えている。
【００１５】
具体的に述べると、多重送信方法では、３回以上の送信発射での位相符号化励起、及び受信時の選択的発射間すなわち「スロー・タイム」フィルタリングが使用される。送信発射の組の全体にわたって変化する送信位相と「スロー・タイム」フィルタリングとを組み合わせることにより、反射信号内の異なるモードに対応する異なる実効「スロー・タイム」フィルタが得られる。送信位相及び「スロー・タイム」フィルタ重みは、所望のモードを選択的に強調しながら他のモードを抑制するように設計される。具体的に述べると、異なる位相（また可能性として異なる振幅）をもつ一連の広帯域パルスが、複数の発射にわたって１つの送信焦点位置に送信され、そして１組の受信されビーム形成された信号は１組の（可能性として複素）スカラー重みと乗算され、その１組の重み付けされビーム形成された信号は１つの画像走査線を形成するための後続の処理のために合算される。関心領域の全体に及ぶ多数の送信焦点位置についてこの手順を繰り返すことによって１つの完全な画像が形成される。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、「スロー・タイム」フィルタは有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタとして具現化される。このＦＩＲフィルタは、それぞれの位相符号化送信発射の結果として生じた受信信号をフィルタリングするためのフィルタ係数からなるそれぞれの組を受け取る。フィルタ係数の各組は、所定の１組のフィルタ係数の各々にそれぞれのスカラー重みを乗算することによって形成される。送信位相及び「スロー・タイム」スカラー重みは、造影剤調波イメージングや組織調波イメージングなどの用途の関数としてプログラム可能である。
【００１７】
組織調波イメージングでは、その目標は組織内での非線形伝搬により発生する調波信号（特に、第２高調波）を観察することである。この目標は、基本波信号のかなりの部分を抑制すると共に、第２高調波のかなりの部分を通過させることにより達成される。
【００１８】
極性が反対の２回の送信を使用する調波イメージング法では、フラッシュ・アーティファクトを表示させる傾向がある。組織又はトランスジューサの動きが速い場合には、２回の反対極性の発射からの基本波信号成分が適正に相殺されず、フラッシュとして出現する。しかし、３回以上の発射を適当な乗率係数により組み合わせると、このフラッシュは効果的に抑制される。例えば、このシステムは、ある動作モードでは、同じ周波数及び同じ振幅をもつが極性（及び位相）が異なる３つの波形を相次いで発射する。第１の波形が正の極性であれば、第２の波形は負の極性を有し、さらに第３の波形は正の極性を有しており、次いで、この３つの受信ベクトルはスカラー重み［０．５，１．０，０．５］を使用して加算される。基本波信号成分に対して得られるフィルタは、［０．５，−１．０，０．５］となり、これにより、直流成分及び低周波数成分が極めて効果的に相殺される。同じアルゴリズムを、１つの送信焦点ゾーン当たりその発射の全てが同じではない４回以上の発射を有する送信方式向けに設計することができる。フレーム速度が問題とならないような用途の場合には、この技法を使用してフラッシュを抑制することができる。さらに、この方法では、コヒーレント加算のために画像のＳＮＲが改善される。
【００１９】
【発明の好適な実施の形態】
本発明は、図１に示す形式の超音波イメージング・システムに取り入れることができる。このシステムは、複数の別々に駆動されるトランスジューサ素子１２で構成されたトランスジューサ・アレイ１０を有する。各トランスジューサ素子１２は、送信装置１４が発生させたパルス波形により付勢されたときに超音波エネルギのバーストを発生させる。検査中の物体からトランスジューサ・アレイ１０へ反射された超音波エネルギは各受信用トランスジューサ素子１２によって電気信号へ変換されて、１組の送受切換え（Ｔ／Ｒ）スイッチ１８を介して受信装置１６へ別々に印加される。送信装置１４及び受信装置１６は、オペレータからの命令に応答してホストコンピュータ又は主制御装置２０の制御の下で動作する。送信装置１４を一時的にオンにゲート駆動して各トランスジューサ素子１２を付勢し、その後に各トランスジューサ素子１２が発生させたエコー信号を受信装置１６に印加するようにして一連のエコー信号を取得することにより、完全な１回の走査（スキャン）が実行される。あるチャンネルは、別のチャンネルが未だ送信を行っている間に受信を開始することがある。受信装置１６は各トランスジューサ素子からの別々のエコー信号を組み合わせて単一のエコー信号を作成し、この単一のエコー信号を使用して表示サブシステム２２上の画像内の一走査線を作成する。この表示サブシステム２２は、典型的にはビデオ処理装置及び表示モニタ（図示せず）を備えている。
【００２０】
ホストコンピュータ２０の指令の下に、送信装置１４は、超音波エネルギが方向付けされ焦点合わせされたビームとして送出されるようにトランスジューサ・アレイ１０を駆動する。これを達成するためには、送信ビーム形成装置２６により、それぞれの時間遅延が多数のパルス発生装置２４に与えられる。ホストコンピュータ２０により音波パルスを送信する条件が決定される。この情報により、送信ビーム形成装置２６は、パルス発生装置２４が発生すべき各送信パルスに対するタイミング及び振幅を決定する。各送信パルスの振幅はアポダイゼーション(apodization) 発生回路３６により作成する。このアポダイゼーション発生回路は、例えば、各パルス発生装置に対する電源電圧を設定する高電圧制御装置とすることができる。パルス発生装置２４は、次いで、Ｔ／Ｒスイッチ１８を介してトランスジューサ・アレイ１０の各トランスジューサ素子１２へ送信パルスを送る。Ｔ／Ｒスイッチ１８はトランスジューサ・アレイに生じる恐れのある高電圧から時間利得補償（ＴＧＣ）増幅装置２８を保護する。このアポダイゼーション重みは送信出力とサイドローブ・レベルの間で最適な折り合いが達成されるように選択される。送信ビーム形成装置２６から重みデータを取り出してパルス発生装置２４に印加するための１組のディジタル対アナログ変換器を備えることが可能であるような、ブロック３６内で重みが作成される。送信焦点合わせ時間遅延を従来の方式により適切に調節すること、またさらに送信アポダイゼーション重みを調節することによって、個々のトランスジューサ素子が送信する多数の超音波を組み合わせて、方向付けされ焦点合わせされた送信ビームを形成させることができる。アポダイゼーション重み及び送信焦点合わせ時間遅延は、システムのプログラム及びオペレータ入力に基づいてホストコンピュータにより設定することができる。
【００２１】
超音波エネルギの各バーストは、各送信ビームに沿った相次ぐ距離に位置する物体から反射される。得られたエコー信号は各トランスジューサ素子１２によって別々に検出され、特定の時点におけるエコー信号の大きさのサンプル値により特定の距離において生じる反射の量が表される。反射点と各トランスジューサ素子１２との間の伝搬経路の差により、エコー信号は同時に検出されず、またこれらの大きさは等しくない。受信装置１６は、各受信チャンネル内のそれぞれのＴＧＣ増幅装置２８によってエコー信号を別々に増幅する。ＴＧＣは、深度の関数としてゲインを増加又は減少させて実行される。ＴＧＣ増幅装置により提供される増幅量は、ＴＧＣ回路（図示せず）により駆動されている制御線（図示せず）を介して制御されており、このＴＧＣ回路はホストコンピュータ及びポテンショメータの手動操作により設定される。増幅されたエコー信号は、次いで、受信ビーム形成装置３０へ供給される。
【００２２】
ホストコンピュータ２０の指令の下に、受信ビーム形成装置３０は送信ビームの方向を追跡する。受信ビーム形成装置３０は、増幅された各エコー信号に適切な時間遅延及び受信アポダイゼーション重みを与え、それらを加算して、１つの超音波ビームに沿った特定のレンジ（距離）に位置する点から反射された全超音波エネルギを正確に示す１つの加算されたエコー信号を作成する。受信焦点合わせ時間遅延は、専用ハードウエアを使用してリアルタイムで計算されるか、あるいはルックアップ・テーブルから読み出される。受信チャンネルはまた、受信したパルスをフィルタリングするための回路を有している。受信アポダイゼーション重み及び受信焦点合わせ時間遅延は、システムのプログラム及びオペレータ入力に基づいてホストコンピュータにより設定することができる。
【００２３】
次いで、時間遅延された受信信号は加算されて、信号処理装置又は検出器３２に出力される。検出器３２は、加算された受信信号を表示データに変換する。典型的なグレースケール表示画像では、その表示データは、エッジ強調や対数圧縮など何らかの追加処理を受けた信号の包絡線となっている。ＲＦデータの場合では、この包絡線は低域通過フィルタを使用して検出できるが、ベースバンド・データの場合には、（Ｉ2 ＋Ｑ2 ）1/2 （ここで、Ｉはベースバンド・データの同相の信号成分、Ｑはベースバンド・データの直交する信号成分である）で表される信号を出力する包絡線検出器を用いてその包絡線を検出できる。
【００２４】
走査変換装置３４は、検出器３２から表示データを受け取り、このデータを表示のための所望の画像に変換する。具体的に述べると、走査変換装置３４は、音響画像データを、極座標（Ｒ−θ）セクター形式またはデカルト座標線形アレイから適切なスケールとしたデカルト座標表示画素データに、ビデオ速度で変換する。走査変換されたこの音響データは、次いで表示サブシステム２２上で表示するために出力され、表示サブシステム２２は信号の包絡線の時間変化する振幅をグレースケールで映像化する。各送信ビームに対してそれぞれの１本の走査線が表示される。
【００２５】
図２は、本発明によりプログラムすることができる超音波イメージング・システムの部分を示す。このシステムでは、送信開口内の各トランスジューサ素子は、送信シーケンス・メモリ３８に格納されている送信符号に従ってそれぞれの多相（例えば、バイポーラ）パルス発生装置２４’によってＮ回パルス駆動される。例えば、トランスジューサ素子は、第１の送信発射の際は第１の送信符号に従ってパルス駆動され、また第２の送信発射の際は第２の送信符号に従ってパルス駆動される。この場合、第１及び第２の送信符号は、従来の送信パルスに対する位相符号化（例えば、極性反転）として印加される。パルス発生装置２４’はトランスジューサ・アレイ１０のトランスジューサ素子１２を駆動して、発生する超音波エネルギが各送信発射において同じ送信焦点位置に焦点合わせされるようにする。これを達成するために、送信符号に従ってパルス発生装置が出力させるそれぞれのパルス波形に対して同じ送信焦点合わせ時間遅延３６が与えられる。送信焦点合わせ時間遅延を従来の方式により適切に調節することによって、超音波ビームを多数の送信焦点位置に焦点合わせして、画像平面内の走査を行うことが可能となる。
【００２６】
各々の送信ごとに、トランスジューサ素子１２からのエコー信号がビーム形成装置のそれぞれの受信チャンネル４０に供給される。ホストコンピュータ（図１の参照番号２０）の指令の下に、受信ビーム形成装置は送信ビームの方向を追跡する。受信ビーム形成装置は、受信されたエコー信号に適切な受信焦点合わせ時間遅延４２を与え、これらの信号を加算して、１つの送信ビームに沿った特定の送信焦点位置から反射された全超音波エネルギを正確に示す１つのエコー信号を作成する。特定の送信焦点位置に焦点合わせされるＮ回の送信発射の各々について、時間遅延された受信信号が受信加算装置４４で加算される。次いで、Ｎ回の送信発射の各々についての加算された受信信号が「スロー・タイム」フィルタ４６に順次出力される。この「スロー・タイム」フィルタ４６は、少なくとも２種類のモードで動作するようにプログラムされている。
【００２７】
本発明の方法は、近距離音場ではある１つの調波イメージング・モードを、また遠距離音場では別の１つの調波イメージング・モードを利用する。各モードの動作（送信位相符号化及び受信フィルタリングを含む）は、ホストコンピュータにより制御される。近距離音場用の調波イメージング・モードでは、（１つの受信ベクトル当たりの）送信発射の数Ｎは、Ｎ≧２である。前に開示したように、これらの送信発射は位相符号化される。同時に、それぞれＮ組のフィルタ係数が、ホストコンピュータの指令の下にメモリ５２からＦＩＲフィルタ４８のタップに順に入力される。この各フィルタ係数の組の入力は、Ｎ回の送信発射のそれぞれの１つからの受信ベクトルの到着に連動させる。Ｎ回の送信発射により取得したフィルタリングされた受信ベクトルは、次いでベクトル加算装置５０において加算される。送信位相符号化及び受信フィルタ係数の組は、基本波信号成分がベクトル加算の中で実質的に相殺されると共に、例えば、検出器３２での包絡線検出、走査変換装置３４（図１参照）での走査変換、表示サブシステム２２でのビデオ処理などの後続の処理ために高調波（又は低調波）信号成分が残存するように設計する。
【００２８】
遠距離音場用の調波イメージング・モードでは、（１つの受信ベクトル当たりの）送信発射の数Ｎは、Ｎ＝１である。この発射により、基本波周波数ｆ0 を中心とする帯域幅を有する波形が送信される。フィルタ係数の対応する組がメモリ５２からＦＩＲフィルタ４８のタップに入力される。このフィルタ係数は、ＦＩＲフィルタにより基本波信号成分が実質的にフィルタリング除去され、高調波（又は低調波）信号成分、例えば、周波数２ｆ0 を中心とする帯域幅を有する第２高調波信号成分など、を分離させるように設計される。次いで、分離させたこの高調波（又は低調波）信号成分は他のいかなる受信ベクトルとも加算させずにベクトル加算装置５０を通過させ、検出器３２に渡す。
【００２９】
本発明のこの好ましい実施形態では、ベクトル加算装置から出力された近距離及び遠距離音場ベクトルは組み合わせられ、表示のための合成ベクトルが形成される。この動作は、撮影域全体を走査する多数の送信ビーム角で取得された多数の近距離及び遠距離音場ベクトルに対して反復され、表示のため調波イメージング・データからなる画像フレームが作成される。図３には、ゾーン１（すなわち、近距離音場）に対するメモリ５４と、ゾーン２（すなわち、遠距離音場）に対するメモリ５６を示しており、この両者は検出器３２の出力に接続されている。メモリ５４及び５６に対する読み出し動作及び書き込み動作は、ホストコンピュータ２０からの読み出し及び書き込みコマンド入力により制御されている。近距離音場用の調波イメージング・モードでは、ベクトル加算装置の出力はゾーン１のメモリ５４内に格納される。また、遠距離音場用の調波イメージング・モードでは、ベクトル加算装置の出力はゾーン２のメモリ５６内に格納される。表示画像フレーム内の各走査線に対して、対応する近距離及び遠距離音場の受信ベクトルがメモリ５４及び５６のそれぞれからゾーン組み合わせ処理装置５８に送られる。ホストコンピュータ２０から提供されるゾーン組み合わせパラメータに従って、ゾーン組み合わせ処理装置５８は近距離及び遠距離音場の受信ベクトルを互いに組み合わせて合成受信ベクトルを形成させる。この動作は各走査線に対して反復させ合成画像フレームを形成させる。次いで、調波イメージング・データの合成フレームは走査変換され、ビデオ処理され、表示される。
【００３０】
本発明のこの好ましい実施形態によれば、「スロー・タイム」フィルタ４６は、受信加算装置４４の出力に接続された入力をもつＦＩＲフィルタ４８と、ＦＩＲフィルタ４８に接続された入力及び検出器３２に接続された出力をもつベクトル加算装置５０とで構成される。ＦＩＲフィルタは、各送信発射に対して、Ｍ個のフィルタ係数からなるそれぞれの組を受け取るためのＭ個のフィルタ・タップを有する。ｎ番目の送信発射についてのフィルタ係数は、ａn ｃ1 ，ａn ｃ2 ，．．．，ａn ｃM である。ここで、ａn はｎ番目の送信発射に対するスカラー重みであり、ｎ＝１，２，．．．，Ｎであり、またｃ1 ，ｃ2 ，．．．，ｃM は、ＦＩＲフィルタ４８が受信信号中の所望の周波数帯域を通すように選択された１組のフィルタ係数である。スカラー重みａ1 ，ａ2 ，．．．，ａN は、「スロー・タイム」フィルタが調波モード及び散乱体速度の関数として帯域通過信号を選択的に通過又は減衰させるようにする。フィルタ係数ａn ｃ1 ，ａn ｃ2 ，．．．，ａn ｃM は、ホストコンピュータによって各送信発射についてフィルタ係数メモリ５２からフィルタに入力される。例えば、１番目の送信発射について、フィルタ係数ａ1 ｃ1 ，ａ1 ｃ2 ，．．．，ａ1 ｃM の組がＦＩＲフィルタに入力され、そして２番目の送信発射について、フィルタ係数ａ2 ｃ1 ，ａ2 ｃ2 ，．．．，ａ2 ｃM の組がＦＩＲフィルタに入力される、という様に続く。フィルタ係数は診断用途に応じてプログラム可能である。フィルタ係数の多様な組をホストコンピュータのメモリ内のルックアップ・テーブルに格納させておくことができ、またシステムのオペレータはフィルタ係数の所望の組を選択することができる。送信発射の数がＮ＝２である用途では、１組又は複数組のフィルタ係数がメモリに格納されており、１組のフィルタ係数を１番目の送信発射の前にＦＩＲフィルタに転送し、そして別の１組のフィルタ係数を１番目の送信発射の後でかつ２番目の送信発射の前にＦＩＲフィルタに転送する（同じスカラー重みを２つの送信発射に対して適用する場合には、同じフィルタ係数の組を両方の発射に使用することができる）。同様に、送信発射の数がＮ＞２である用途では、２組またはそれ以上の組のフィルタ係数がメモリに格納される。Ｎ回の送信発射での相次ぐＦＩＲフィルタ出力がベクトル加算装置５０で累算される。次いで、ベクトル加算装置の出力は通常のＢモード処理を受けてから、走査変換され表示される。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態によれば、発射間（すなわち、「スロー・タイム」）フィルタリングを送信位相符号化と組み合わせて、近距離音場の強調された超音波画像を作成する。送信位相は送信発射の組の全体にわたって変化するので、この「スロー・タイム」フィルタは反射された信号の異なるモード（基本波、第２低調波、第２高調波、第３高調波など）に対して異なる応答をする。これにより、所望のモードを選択的に強調する一方で他のモードを抑制するように送信位相及び「スロー・タイム」フィルタを設計することが可能となる。具体的に述べると、ｉ＝１，２，．．．，Ｎとして、送信した信号が位相項ｅｘｐ［ｊθi ］を有する場合、ｋ番目の高調波（又は低調波）は、ｉ＝１，２，．．．，Ｎとして、位相項ｅｘｐ［ｊｋ(-1)θi ］を有する。したがって、「スロー・タイム」フィルタ係数が、ｉ＝１，２，．．．，Ｎとして、ａi である場合、ｋ番目の高調波（又は低調波）に対する実効「スロー・タイム」フィルタは、特定のモードｋに依存する伝達関数であり、ｉ＝１，２，．．．，Ｎとして、ａi ｅｘｐ［ｊｋ(-1)θi ］となる。
【００３２】
本発明の方法は、造影剤調波イメージング、組織調波イメージングに用途を有する。各用途ごとに、送信位相及び「スロー・タイム」フィルタ重みを選択して、基本波及び高調波（又は低調波）信号成分について所望のフィルタリングを達成することができる。種々の好ましい実施形態についての「スロー・タイム」フィルタ応答を図４乃至図９に示す。基本波モードに対する「スロー・タイム」フィルタ応答を実線で表示し、第２高調波に対する「スロー・タイム」フィルタ応答を破線で表示し、さらに第２低調波に対する「スロー・タイム」フィルタ応答を点線で表示している。水平軸は「スロー・タイム」正規化周波数に対応し、垂直軸は「スロー・タイム」フィルタ出力の大きさである。正規化動作周波数の予測される範囲は±０．２の範囲内にある。
【００３３】
造影剤調波イメージングでは、気体充填マイクロバブルよりなる造影剤を血液中に注入して、血流のイメージングのためのマーカーとして作用させる。背景の組織信号が抑制されると共にモーション・フラッシュ・アーティファクトが殆ど無いようにしながら、造影剤の流れからの基本波又は第２高調波信号を観察することが望ましい。特定の送信焦点位置に順々に送信される広帯域パルスは位相符号化される。具体的に述べると、中心周波数がｆ0 のＮ個のパルスが各送信焦点位置に送信される。受信時には、「スロー・タイム」フィルタによりＮ回の送信に対して高調波（又は低調波）流れ信号を抽出する。具体的に述べると、Ｍ個のタップの「スロー・タイム」ＦＩＲフィルタ４８により、ある特定の速度で動いている造影剤から反射された信号中の所望の高調波又は低調波周波数の全てを通過させると共に、基本波周波数の信号が実質的に抑制されるように、「スロー・タイム」フィルタ重みの組ａ1 ，ａ2 ，．．．，ａM を選択する。送信された中心周波数がｆ0 である場合、組織／造影剤の非線形性によりｋｆ0 の高調波が発生する。ここで、ｋは２を超える整数又は２に等しい整数である。また、造影剤のバブルが破壊されることにより、周波数がｆ0 ／ｋの低調波が発生することがある。
【００３４】
本発明の好ましい実施形態によれば、造影剤調波イメージングは、基本波信号を高域通過フィルタリングすなわち抑制し、第２高調波信号を全域通過フィルタリングすることにより実現される。この結果、（第２高調波により）組織の背景が多くなるが、最もゆっくり動く造影剤からであっても調波信号を表示できる。このモードの例を、図４乃至９に示す。図４に示す応答は、送信位相［０°，１８０°，０°，１８０°］及びフィルタ重み［０．５，１，１，０．５］を使用して得たものであり、図５に示す応答は、送信位相［０°，９０°，０°，１８０°］、フィルタ重み［０．５，１，１，０．５］並びにフィルタ位相［０°，９０°，０°，０°］を使用して得たものであり、図６に示す応答は、送信位相［０°，１８０°］及びフィルタ重み［１，１］を使用して得たものであり、図７に示す応答は、送信位相［１８０°，０°，１８０°］及びフィルタ重み［０．５，１，０．５］を使用して得たものであり、図８に示す応答は、送信位相［０°，０°，１８０°，１８０°］及びフィルタ重み［１，１，１，１］を使用して得たものであり、図９に示す応答は、送信位相［０°，１８０°，１８０°，０°］及びフィルタ重み［１，１，１，１］を使用して得たものである。図５に示す応答は複素フィルタを使用して得たものである。
【００３５】
組織調波イメージングでは、その目標は組織内での非線形伝搬により発生する調波信号（特に、第２高調波）を観察することである。本発明のさらに別の好ましい実施形態によれば、基本波信号の全てを抑制すると共に、第２高調波信号の全てを通過させることにより、近距離音場イメージング中にこの目標が達成される。この目的のために、図４、５、７又は９に表されている送信位相及び「スロー・タイム」フィルタ重みを使用することができる。また図６に示す応答を生じさせる送信位相及び「スロー・タイム」フィルタ重みを使用することもできるが、フラッシュ・モーション・アーティファクトが大きくなる。
【００３６】
１焦点位置当たりＮ回の送信の各々の間の時間間隔は、「スロー・タイム」フィルタの遮断周波数を決定するようにユーザによる制御が可能である。特定の焦点位置へのＮ回の送信の各々の間の時間間隔が長くなると、遮断周波数が低くなり、低速の流れに対する感度が高くなる。
【００３７】
本発明を好ましい実施形態を参照しながら記載してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変形が可能であり、また本発明の要素を等価物により置換することが可能であることを、当業者であれば理解するであろう。さらに、本発明の本質的範囲を逸脱することなしに、具体的な状況を本発明の教示に適合させるような多くの変形が可能である。例えば、本発明は２重位相符号を使用することに限定されるものではなく、多重の位相符号も使用することができる。また、近距離及び遠距離音場に対する送信発射は自由に置換可能である。さらに、近距離及び遠距離音場用の各調波イメージング・モードに対する送信周波数は、必ずしも同じである必要はない。その上、近距離音場用の調波イメージング・モードではＮ≧２の位相符号化した送信発射を利用することが好ましく、また遠距離音場用の調波イメージング・モードでは単一の送信発射を利用することが好ましいものではあるが、これらの送信発射を複数回繰り返し、次いで累算させた値の平均を使用することにより、フレーム速度が減少するという犠牲は伴うものの同様の効果を達成することができることを、当業者であれば容易に理解するであろう。本発明は、したがって、本発明を実行するように企図されたベスト・モードとして開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲内にある全ての実施形態を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の超音波イメージング・システムを示すブロック図である。
【図２】  一部継続出願として優先権を主張している米国特許出願第０９／０５２，６７５号に開示された超音波イメージング・システムの部分を示すブロック図である。
【図３】  本発明の好ましい一実施形態を示すブロック図である。
【図４】  基本波モード（実線）、第２高調波（破線）及び第２低調波（点線）に対するフィルタ応答を（スロー・タイムの正規化周波数の関数として）表したグラフであり、この場合の送信位相及びフィルタ重みはそれぞれ［０°，１８０°，０°，１８０°］及び［０．４，１，１，０．４］である。
【図５】  基本波モード（実線）、第２高調波（破線）及び第２低調波（点線）に対するフィルタ応答を（スロー・タイムの正規化周波数の関数として）表したグラフであり、この場合の送信位相及びフィルタ重みはそれぞれ［０°，９０°，０°，１８０°］及び［０．４，１，１，０．４］（「スロー・タイム」フィルタ位相は［０°，９０°，０°，０°］）である。
【図６】  基本波モード（実線）、第２高調波（破線）及び第２低調波（点線）に対するフィルタ応答を（スロー・タイムの正規化周波数の関数として）表したグラフであり、この場合の送信位相及びフィルタ重みはそれぞれ［０°，１８０°］及び［１，１］である。
【図７】  基本波モード（実線）、第２高調波（破線）及び第２低調波（点線）に対するフィルタ応答を（スロー・タイムの正規化周波数の関数として）表したグラフであり、この場合の送信位相及びフィルタ重みはそれぞれ［１８０°，０°，１８０°］及び［０．５，１，０．５］である。
【図８】  基本波モード（実線）、第２高調波（破線）及び第２低調波（点線）に対するフィルタ応答を（スロー・タイムの正規化周波数の関数として）表したグラフでありこの場合の送信位相及びフィルタ重みはそれぞれ［０°，０°，１８０°，１８０°］及び［１，１，１，１］である。
【図９】  基本波モード（実線）、第２高調波（破線）及び第２低調波（点線）に対するフィルタ応答を（スロー・タイムの正規化周波数の関数として）表したグラフであり、この場合の送信位相及びフィルタ重みはそれぞれ［０°，１８０°，１８０°，０°］及び［１，１，１，１］である。
【符号の説明】
１０  トランスジューサ・アレイ
１２  トランスジューサ素子
１４  送信装置
１６  受信装置
１８  送受切換え（Ｔ／Ｒ）スイッチ
４６  「スロー・タイム」フィルタ
【図１】
0004570116.tif 000002
【図２】
0004570116.tif 000003
【図３】
0004570116.tif 000004
【図４】
0004570116.tif 000005
【図５】
0004570116.tif 000006
【図６】
0004570116.tif 000007
【図７】
0004570116.tif 000008
【図８】
0004570116.tif 000009
【図９】
0004570116.tif 000010