(57)【要約】データのセットのようなｃ走査を形成するビームを形成するために利用される各々の素子のために選択されたプリセット遅延値に基づいて各々の利用素子の出力を、形成された各々のビームに対してサンプリングするビームフォーマに関連して、二次元に分布した素子を有するトランスデューサアセンブリを利用する超音波システム。
2004527325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元に分布された複数の素子を有するトランスデューサアセンブリ；並びに
各々のフレームのために形成される各々のビームについて、各々のビームのために選択されたポイントに関して集められるスラブ内にデータを生成するように各々の利用素子の出力をサンプリングするビームフォーマであって、スラブの厚さはトランスデューサの有効深さより実質的に小さい、ビームフォーマ；
から構成されることを特徴とする超音波システム。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波システムであって、ビームフォーマは各々のビームについて選択されたポイントのためにデータを生成するように、各々の利用素子の出力をサンプリングする、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波システムであって、ビームフォーマは各々のフレームにおける任意の幾何学的形状において、各々のビームについての複数のポイント又は１つのポイントのためにデータを生成する、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項４】
請求項１に記載の超音波システムであって：
ビームフォーマからデータを受信し且つ表示装置のために適切なデータを生成するプロセッサ；
から更に構成される、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波システムであって：
トランスデューサとビームフォーマとを統合する第１ハウジング；並びに
プロセッサを支える第２ハウジング；
から構成される、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項６】
請求項４に記載の超音波システムであって、プロセッサはビームフォーマに遅延値を提供するようになっている、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項７】
請求項４に記載の超音波システムであって、プロセッサはビームフォーマから
のデータに関して走査変換プロセスを実行するようになっている、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項８】
請求項４に記載の超音波システムであって、プロセッサはパーソナルコンピュータの一部である、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項９】
請求項４に記載の超音波システムであって：
プロセッサをもつビームフォーマに接続するシリアルインタフェース；
から更に構成される、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の超音波システムであって、シリアルインタフェースはＵＳＢインタフェースである、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の超音波システムであって、ＵＳＢインタフェースはＵＳＢ１．０、１．１又は２．０の仕様を満足する、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項１２】
請求項１０に記載の超音波システムであって、トランスデューサアセンブリとビームフォーマはＵＳＢインタフェースにより電力供給される、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項１３】
請求項１０に記載の超音波システムであって、トランスデューサアセンブリとビームフォーマはＵＳＢインタフェースにより供給されるクロック信号を利用する、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項１４】
請求項９に記載の超音波システムであって、シリアルインタフェースはＩＥＥＥ１３９４インタフェースである、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項１５】
素子のマトリクスを有するトランスデューサアセンブリ；
フレームにおける各々の焦点について各々の素子のための静的遅延を用いてビームを形成するビームフォーマ；並びに
ビームフォーマからデータを受信し且つ遅延について適切なデータを生成するプロセッサ；
から構成されることを特徴とする超音波システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の超音波システムであって、ビームフォーマは、各々のグループが複数の素子から構成される複数のグループと各々のグループの出力を合計する総和回路と、プロセッサからの情報により導かれた値に基づいて各々の素子の出力を遅延させる遅延回路と、グループの各々の遅延回路の出力を合計する和回路と、を有する、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項１７】
請求項１５に記載の超音波システムであって：
トランスデューサとビームフォーマとを統合する第１ハウジング；並びに
プロセッサを支える第２ハウジング；
から構成される、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項１８】
素子のマトリクスを有するトランスデューサアセンブリ；
スラブを表すエコーを生成するためにデータを受信する間に静的遅延を用いるビームフォーマ手段；
から構成されることを特徴とする超音波システム。
【請求項１９】
超音波データを得る方法であって：
少なくとも二次元に分布された複数の素子を用いて範囲をisonifyingする段階；
静的焦点を用いてエコーを受信する段階；並びに
受信されたエコーに基づく画像を表示する段階；
から構成される方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって：
受信されたエコーに基づくデータのスラブを形成する段階；
から更に構成され、
表示する段階はデータのスラブの一部の表示を表示する手順を含む；
ことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１９に記載の方法であって、受信する段階は：
各々の素子について固定された遅延を伴う信号を合計することにより素子のマトリクスからの信号をビームフォーミングする手順；
を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１９に記載の方法であって：
範囲をisonifyし且つエコーを受信するために用いられるトランスデューサから処理ユニットにシリアルインタフェースによりデータを送信する段階、から更に構成される、ことを特徴とする方法。
【請求項２３】
受信されたエコーを代表する信号を出力する複数次元の分布の状態にある複数の素子；並びに
複数のサンプラであって、少なくとも１つのサンプラは各々の素子に関連しており、各々のサンプラは、複数の音波イベントの各々のために、任意の幾何学的形状における信号の位置を表す関連する素子からの信号を獲得するために時間を決める、複数のサンプラ；
から構成されることを特徴とする超音波システム。
【請求項２４】
請求項２３に記載の超音波システムであって、各々の素子は少なくとも２つのサンプルに接続される、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項２５】
請求項２３に記載の超音波システムであって、各々のサンプラは所定の遅延の後の所定時間の間に制御信号に応じて閉じるスイッチから構成される、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項２６】
請求項２３に記載の超音波システムであって、各々のサンプラは所定の遅延の後の所定時間の間に所定回数、制御信号に応じて、連続的に開いて閉じるスイッチから構成される、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項２７】
請求項２３に記載の超音波システムであって：
複数のサンプラからデータを受信し且つ遅延のために適切なデータを生成するプロセッサ；
から更に構成される、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項２８】
請求項２７に記載の超音波システムであって：
サンプラとサンプラからデータを受信するプロセッサとに接続されたアダプタカードであって、受信されたエコーを表すデジタルデータを生成するための前記データを処理し且つプロセッサに関連するメモリにデジタルデータを供給する、アダプタカード；
から更に構成される、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項２９】
請求項２７に記載の超音波システムであって、アダプタカードはＰＣカードである、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項３０】
請求項２７に記載の超音波システムであって、サンプラは任意の幾何学的形状として複数の素子の反対側における仮想頂点を用いて任意の幾何学的形状からのデータをサンプリングする、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項３１】
請求項２７に記載の超音波システムであって、サンプラは任意の幾何学的形状として複数の素子と同じ側における仮想頂点を用いて任意の幾何学的形状からのデータをサンプリングする、ことを特徴とする超音波システム。
【請求項３２】
請求項２７に記載の超音波システムであって：
何れかの１つのフレームにより表される範囲より大きい範囲を表すデータのスーパーセットを作り出すために複数のフレームからのデータを結びつける画像処理ユニット；
から更に構成される、ことを特徴とする超音波システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
超音波トランスデューサアセンブリは超音波パルスを放出し、エコーを受信する。一般に、断面像又は体積像を生成するために、超音波アセンブリは複数の経路によりパルスを放出し、複数の経路から受信されたエコーを用いる。そのような操作は、一般に、ビームの“走査”、“掃引”又は“ステアリング”と表現する。殆どの超音波システムにおいては、わずかな時間の間に多くの画像（“フレーム”）が得られるように、走査が速く繰り返される。
【０００２】
リアルタイムの超音波診断は、走査が実行されるとき、速いシーケンシャルフォーマットにおける超音波画像の表示を参照する。走査は、機械的（１つ又はそれ以上のトランスデューサを物理的に信号させることにより）又は電子的に実行される。今日の超音波システムにおける走査の最も一般的なタイプは電子的なものであり、トランスデューサ素子のグループ（“アレイ”と呼ばれる）はライン状に配列され、掃引動作を構成するように調整された一連の電気パルスであって素子当たり１パルスにより励振される。
【０００３】
直線的に順序付けられたアレイにおいて、アパチャはトランスデューサ素子のサブグループをシーケンシャルに励振（及び重ね合わせ）することによりアレイに亘って掃引される。直線的に順序付けられたアレイにおいて、全ての（又は殆んど全ての）素子は、単一パルスにより且つ隣接する素子間の小さい（典型的には１ミリ秒未満の）時間（“位相”）差を用いて励振され、それ故、結果的に得られる音波パルスは特定の方向（“ステアリング”と呼ばれる）沿って累積される。ビームのステアリングに加えて、フェーズドアレイは、位相遅延パターンに曲率を設けることにより、深さ方向にビームの焦点合わせを行うことが可能である。より大きい曲率はトランスデューサアレイのより近くに焦点を定める一方、曲率がより小さいと焦点はより深い方向に移動する。又、焦点合わせを提供するために線形シーケンスアレイと共に遅延を用いることができる。
【０００４】
アレイがエコーを受信しているとき、素子の電子出力を遅延することができ、それ故、アレイは、特定の深さにおいて焦点を合わせることを伴って、特定の方向にセンシティブである。送信パルスが画像形成されている対象物の組織を通って移動するにつれ、この受信焦点深さを連続的に増加することが可能である。このように連続的に変化する受信焦点は動的焦点と呼ばれる。送信焦点と動的受信焦点は、画像形成における大きい深さ範囲に亘る細部の解像度を改善する。
【０００５】
種々の遅延を生成するアパチャはビームフォーマと呼ばれる。従来、既知のビームフォーマは、毎ナノ秒毎に（動的に遅延された）新しいポイントのデータを伝えることが可能である高価なビームフォーミング回路を用いるアナログドメインにおいて機能していた。ごく最近、デジタルメモリから離れて読み取り時間を変化させることにより遅延を提供するデジタルビームフォーマが開発されてきた。デジタルビームフォーマは、拡張メモリ、正確なクロック装置及び大きいタイミングテーブルを必要とする一方、これらの構成要素は、それらのアナログ対応物より安価であり且つ小さい。そのようなデジタルビームフォーマは、それらの据え置き型対応物と略同様に強力な、コストパフォーマンスの高い可搬型の超音波装置についての要望に応えられない。
【０００６】
既知の可搬型超音波装置は、プローブの面から伸びる平面において得られる画像を生成するためのプローブにおいて一次元トランスデューサアセンブリを用いている（既知の利用可能な装置は線形シーケンスアレイを用いている）。現在、可搬型超音波装置には、超音波特定装置とＰＣアドオン装置の２つの種類がある。
【０００７】
超音波特定装置は、単に小型の超音波装置であり、一般に、大きいスタンドアロン装置を模写しており、デジタルビームフォーマを用いている。そのような装置の一例としては、ＳＯＮＯＳＩＴＥ社により市場に出されているＳＯＮＯＳＩＴＥ装置がある。最高級の超音波システムにおける回路及びソフトウェアの多くは、ラップトップコンピュータと違って小型化には適さない。ビームフォーマのような大きい従来型の構成要素は、小型化されるとき、機能性を失う。ＰＣアドオン装置においては、トランスデューサアセンブリとビームフォーマをプローブハウジングに一体化することが試みられている。このとき、プローブはＰＣであって、代表的にはよく装備されたラップトップＰＣに接続され、ビームフォームされたデータからの画像生成を実行する。そのような装置の一例としては、ＴＥＲＡＳＯＮ社のＴＥＲＡＳＯＮ２０００がある。
【０００８】
大きな関心が寄せられている超音波技術の他の分野には、素子のマトリクスから構成されるトランスデューサアセンブリを有するプローブ、即ち、ときどき二次元又はマトリクスプローブと呼ばれるプローブがある。マトリクスプローブは、前述の深さ方向における焦点と共に二次元におけるビームステアリングを可能にするので、今日の努力は、三次元画像をレンダリングするために用いられる超音波データ容量の捕捉のためにマトリクストランスデューサアセンブリを用いることに関連している。残念ながら、リアルタイムのマトリクストランスデューサにより生成されるデータ容量において機能することが可能である低価格の画像処理資源がないことにより、大きいリアルタイムの全帯域幅に亘る三次元画像の商品化は恐らく２、３年後になる。従来の動的焦点ビームフォーマの導入に伴って含まれるコストはサンプリングに用いられるマトリクスプローブにおける素子の数により増加することにより、今日まで、既知の可搬型超音波装置でマトリクストランスデューサアセンブリを利用できるものはない。
【０００９】
超音波画像形成は、ユーザにより所望される結果を得るために、トランスデューサからのデータを処理するために必要とされる画像処理資源と画像品質との間のトレードオフを常に含んでいる。データが得られる速度は物理（音波は人間の体の中においてのみ非常に速く移動する）により制限される一方、データに関して実行されることができる画像処理の種類は、データに影響を与えることとなる画像処理資源の量と品質により制限される。大抵そうであるように、リアルタイムの画像形成が所望される場合、他の制限因子は処理システムのデータ捕捉速度である。
【００１０】
超音波データは、一般に、フレーム単位で捕捉され、各々のフレームはトランスデューサの面から放射される超音波ビームの掃引を表す。一次元トランスデューサは二次元の矩形又は扇形掃引を生成する。二次元トランスデューサは、所定の三次元形状又はボリュームを形成する掃引を生成することが可能である。リアルタイムで超音波データの比較的大きなボリューム（６０°ｘ６０°）を十分に処理するためには、平行度１６ｘが可能であるビームフォーマが必要とされる。そのようなビームフォーマは、超音波システムの受け入れられるコストが急激に減少している市場において、特に、非常に高価である。今日の努力は、全体の処理を手っ取り早く実行する方法に焦点が当てられている一方、現在の二次元のシステムと競合可能な価格帯において許容可能な画像を生成することが可能である三次元超音波システムを市場に出すことに向けられている。現在利用可能な可搬型の三次元の解決方法は知られていない。
【００１１】
図１は、本発明の譲受人に譲受された同時係属の米国特許出願公開第０９／６３３，４８０号明細書に説明されている既存の三次元超音波画像形成システムのブロック図である。米国特許出願公開第０９／６３３，４８０号明細書に説明されている装置は、マトリクストランスデューサアセンブリにより生成されるデータからリアルタイムの画像のアピアランスを伴う三次元画像をレンダリングするためのインターリービングを用いている。このことは、コストを最少化するために比較的標準的な構成要素を使用することを可能にする一方、芸術的表示状態を提供することを可能にする。図１に示すシステムは、今日、可搬型パッケージとして利用可能ではない。
【００１２】
超音波システム１００は、三次元画像プロセッサとして機能させるために、標準的なパーソナルコンピュータ（“ＰＣ”）を利用し、好適には補間データを用いて画像を生成する。超音波システム１００はマトリクストランスデューサアセンブリ１０４を有し、サブグループビームフォーミングの概念を利用している。図１に示す例においては、素子は１０６ａ乃至１０６ｆのみが示されているが、任意の数の素子を用いることが可能であることを当業者は認識するであろう。トランスデューサ１０４は、好適には、一連のＡＳＩＣ１０８ｎを用いるサブグループビームフォーミングのために構成される。ビームフォーミングにおけるサブグループの使用については、本発明の譲受人に譲受された米国特許第５，９９７，４７９号明細書及び米国特許第６，１２６，６０２号明細書の両方に説明されており、各々の主題をここで参照として示す。
【００１３】
２つのＡＳＩＣ１０８ａ及び１０８ｂを示しており、素子１０６ａ乃至１０６ｆに対応している。各々のＡＳＩＣ１０８ｎは３つの素子に接続されているが、例えば、５個、１５個又は２５個の素子が各々のＡＳＩＣ１０８ｎに接続されるような他のデザインも又可能である。各々のＡＳＩＣ１０８ｎは、音波ビームを焦点合わせし且つステアリングするために既知の方法でプログラム可能な量だけ接続された素子１０６ｎの出力を遅延させる複数の遅延回路１１０ｎ（ＡＳＩＣ１０８ｎに接続された素子各々に１つ）を備えている。和回路１１２ｎは各々のＡＳＩＣ１０８ｎにおいて遅延回路１１０ｎの出力を結合する。
【００１４】
ビームフォーミングを完了するために、各々のＡＳＩＣ１０８ｎの出力はスキャナ１１４に供給され、好適には、超音波システム１００の主ハウジング内に設けられる。各々のＡＳＩＣ１０８ｎからの各々の和回路１１２ｎの出力は、先ず、対応するＡ／Ｄ変換器１１６ｎによりＡ／Ｄ変換される。次いで、各々の和回路１１２ｎの変換された出力は対応する遅延回路１１８ｎにより遅延され、その後、和回路１２０により、他の遅延され変換された出力と合計される。合計された信号に関する画像検出手順を実行することによりエコーデータを生成する和回路の一部として、画像検出を実行する回路（図示せず）が提供されることが可能である。スキャナ制御回路１２４は、メモリ１２２に記憶された遅延係数を用いて、スキャナ１１４及びトランスデューサ１０４の操作及びタイミングを制御する。図１に示したシステムの場合、各々の遅延回路１１０ｎの遅延は単一ビームの受信の間を通して変化がないように保たれるが、遅延回路１１８ｎにおける遅延は、動的焦点を達成するために受信の間、動的に変化される。
【００１５】
スキャナ１１４の出力は、その後の信号処理のためにＩ／Ｏ１２８を経由して、主ハウジングに備えられているバックエンド１２６に送信される。バックエンド１２６は二次元信号処理を実行し、他方、ＰＣ１０２は三次元画像処理を実行する。バックエンド１２６は、二次元走査データをＸ−Ｙ空間に変換する走査変換器１３０を備えている。走査変換の後には、モニタ１４０に表示するための画像データを生成するために、カラーフロー、ドップラ等の種々の二次元画像エンハンスメント処理を実行することが可能である画像処理ユニット１３１が備えられている。
【００１６】
チャンネルリンク送信器１３２は、バックエンド１２６により受信されたエコーデータを、チャンネルリンク受信器１３４によりエコーデータを受信するＰＣ１０２に転送する。チャンネルリンクは、種々の製造方法を利用可能である、高速差動信号伝送標準（Low  Voltage  Differential  Signaling  standard）に適合する一対のチップを用いて形成されることが可能である。図示したように、ＰＣ１０２に転送されたデータは、スキャン変換に先立ち、バックエンド１２６におけるデータバスから得られる。
【００１７】
ＣＰＵ１３６は、メモリ１３８に記憶されたプログラムの制御下の三次元走査変換（Ｘ−Ｙ−Ｚ空間への）を含む計算タスクを実行する。ＣＰＵ１３６は、後のモニタ１４０（例えば、ＡＧＰビデオカード（図示せず）による）への出力のための基礎となる表示データを生成する。ＰＣ１０２は、ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩにより供給されたＶＯＬＵＭＥＰＲＯのシリーズのカードのような拡張カードを用いて、三次元レンダリング及び三次元データ操作を行う。レンダリングプロセスの第１段階は、任意の観点と共に画像形成された面を確認することである。ときどき、その面はボリュームレンダリングされ、即ち、選択された面の“後ろの”平行な面からのデータを用いてエンハンスされる。全体としては、三次元システムのより生成された画像（以後、“三次元画像”と表す）と従来の二次元システムにより生成された画像との間の違いは、ａ）三次元画像は部ローブの面に関して任意のオリエンテーションを有することが可能であること、及びｂ）三次元画像は、深さの錯覚を与える近くのスライスからの画像データを含むようにボリュームレンダリングされることが可能であること、である。
【００１８】
図１に示す装置は、かなりの量の処理資源と複雑な信号処理装置がレンダリングされた画像を生成するために必要である理由から、現在の三次元超音波システムをよく代表している。結局、大抵製造されるものは、いまだに、本質的には、二次元画像である。三次元超音波システムのデザイナーの主な関心の１つは、表示のための画像をデータ容量からどのように生成するか、ということである。上述のように、殆どの方法は対象となる面を確認するために位置を移動し、その面とその面のできるだけ僅かに後方からのデータを表示する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１９】
結局、マトリクスプローブの大きく貢献できる点の１つがデータ容量内で任意の面の画像を形成する能力であることを、本発明者は認識している。このことから、本発明者は、プローブの視野内の任意の幾何学的性質を直接画像化するマトリクスプローブを用いるための装置及び方法を見出した。これにより、かなり多くの処理資源又は複雑な信号処理装置を必要とすることなく、従来の三次元超音波システムにより生成される画像に実質的に同様な二次元画像の表示が可能である。本発明者は、マトリクスプローブを利用する可搬型超音波装置をつくり出すための装置及び方法を更に見出した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、例を挙げて、本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、それらの例は添付図面により示され、参照符号は一貫して同じ構成要素を表すこととする。
【００２１】
本発明者は、従来の方法とは対照的であり、前述の動的焦点及びマトリクスプローブを用いることにより、受け入れられる二次元走査画像を最少のハードウェア及び処理資源を用いて生成することが可能であることを見出した。本発明者は、従来の一次元プローブにより生成される二次元画像における幾つかの優位点を有する優れた品質の二次元画像を生成するためのマトリクストランスデューサアセンブリの利用する新しい画像形成方法を発明した。注目に値すべきは、この方法を使用するために構築された装置は、高価な最新式のビームフォーマを用いることを回避し、可搬型システムとして適切となっている。又、データのスラブを得ることにより受け入れられる三次元画像を提供するために、そのようなシステムを用いることが可能である。
【００２２】
本発明において述べる装置は、好適には、特に、要求される目的、即ち超音波画像形成のために構成されるが、ここで挙げる方法は、上述の超音波画像形成装置を用いてコンピュータ及びインタフェースに記憶されたルーチンにより選択的に達成されるか又は認識される一般目的コンピュータ又は他のネットワーク装置において機能することが可能である。ここで提供する手法は、何らかの特定な超音波システム、コンピュータ又は他の装置に固有に関連するものではない。特に、本発明の教示に従ったルーチンを用いて、種々の装置を利用することが可能であり、又、必要な方法の段階を実行するためにより特殊化された装置を構築することはより便利なことである。特定の環境において、１つのハードウェアが特定の特性をもつことが所望されるとき、これらの特性は次のようなテキストにおいてより十分に説明される。そのような多様なハードウェアのために必要な構造は、次に示すような説明で表すことが可能である。本発明の機能を実施することが可能である装置は、ＡＧＩＬＥＮＴ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ、ＡＤＶＡＮＣＥＤ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＩＥＳ  ＩＮＣ．及び他の超音波装置の製造業者等の企業により製造される装置を含む。
【００２３】
ここで述べる方法に関して、そのような方法を実行するためのソフトウェアを作り出すためのプラットフォーム及び言語は種々存在することを、当業者は認識しているであろう。１種類のシステムに用いることが可能であるものが他のシステムにおいては効果的ではないように、的確なプラットフォーム及び言語の選択は、しばしば、実際の構成されたシステムの仕様により決定されることも又、当業者は認識しているであろう。
【００２４】
図２は、本発明の好適な実施形態に従った超音波画像形成システムの用いる方法を示している。図２は、本発明に従って形成された代表的なビーム（又は、“走査線”と呼ばれる）を用いる６ｘ６マトリクストランスデューサアセンブリを示している。各々の走査線は、特定の焦点ポイント２４２ａ乃至２４２ｉにおいて終端となる各々の素子２０６ｎ（説明の簡単化のために素子２０６ａ乃至２０６ｆのみにラベル付けを行った）からの一組の個々の音波経路線により形成される。
【００２５】
図２は、各々の素子からの及び各々の素子への信号はここで示した線に沿って完全に移動することはなく、むしろ、線及び焦点は各々の素子２０６ｎについての駆動信号に与えられる遅延に基づく各々の素子２０６ｎによる信号出力の効果を表している理由から、図２はトランスデューサアセンブリ２０４の機能の概念を示すだけのものであることを、当業者は認識するであろう。一般に、各々の焦点２４２ｎは走査線又は“ビーム”から得られるデータを表す一方、一連の焦点２４２ａ乃至２４２ｉは単一フレームを表している。
【００２６】
焦点２４２ａ乃至２４２ｉのみが、図による表示を理解可能にするために表されている。しかしながら、フレーム当たりの走査線数は、分解能とフレーム速度との間のトレードオフに基づくデザイン上の選択であることを、当業者は認識するであろう。好適には、フレーム当たりの線は、対応する一次元のプローブが備えられたシステムにおけるより、より多く生成される。一般に、フレーム当たりの走査線数は、従来の三次元画像形成システムにおけるそのような選択に対する同じ基準を用いて選択される必要がある。
【００２７】
本発明の好適な実施形態に従って、走査線のセット（例えば、フレーム）における各々の走査線についての受信遅延は、各々の素子からそれぞれの線に沿った焦点への及び焦点からのフライト時間に等しくなるように設定される。素子２０６ｎの走査線の各々の遅延は固定的であると言われる。換言すれば、各々の素子の受信遅延は異なるビーム間では変化することが可能である一方、特定のビームについては、受信遅延はそのビームの全体的な受信プロセスについて一定である。好適には、各々の素子の受信遅延は、以下に述べるように、送信焦点への及び送信焦点からのフライト時間と必ずしも一致する必要はない。
【００２８】
各々の焦点２４２ｎは、例えば、平面の表面、局面の表面又は円錐台のような他の形状（“任意の幾何学的形状”と呼ばれる）等の所定の任意の幾何学的形状において存在する。ある意味では、プローブ面から拡張された平面における一次元プローブにより得られる連続的受信焦点は、マトリクスプローブ及び固定的焦点を用いることにより置き換えられる。プローブから拡張された平面における複数の受信ポイントにおいて焦点合わせすることの代わりに、本発明は、走査線毎の単一ポイントにおいて焦点合わせを行い、このとき、画像形成された形状の表面において動的焦点を与えるようにして、焦点は任意の幾何学的形状に存在する。好適には、焦点は同一平面上にあるが、凹状又は凸状曲面のような他の形状は画像形成される対象物に依存して有用になる可能性があることを、当業者は認識するであろう。
【００２９】
走査線はピラミッド形状又は錘台形状になることが可能であり、又、平行になる（“線形”形式において）ことも可能である。平行形状が用いられる場合、走査視野はプローブのアパチャと同じ大きさになる。錘台形状が用いられる場合、走査視野はプローブのアパチャより大きくなることが可能であるが、焦点深度に依存し、平行形状を用いて得られる解像度と同様の解像度を得るためにはより多くの走査線を必要とすることとなる。
【００３０】
任意の平面を画像形成するために用いるとき、本発明に従って生成された走査は“ｃ走査”と呼ばれる種類の走査と似ている。一般に、“ｃ走査”の用語は、トランスデューサを横切ることのない何れかの平面の走査を意味する。本発明は、トランスデューサを必ずしも横切らない（画像形成平面がプローブ面を横切る可能性がある遅延の適切な選択を伴うが）ことから、ｃ走査に似た走査を生成する。上述のように、本発明は平面に限定されないが、何れかの任意の幾何学的形状に画像形成することが可能である。更に、本発明に従って、且つｃ走査の従来の概念とは異なる様式で、本発明により得られるｃ走査は厚みを有している。本発明に従った走査により得られたデータは、送信ビームと受信ビームを重ねることにより画像形成されることが可能であるのと同じ厚さを表すことが可能である。このようにして、本発明により得られたデータのセットは、走査線の領域の深さに等しいか又はその深さより小さい厚さを有する“スラブ”を表すことが可能である。領域の成分ビームの有効深さを増加させるために、固定的な送信焦点と受信焦点を短い距離だけ互いから移動させることが可能である。
【００３１】
結果として得られるデータのスラブの表示において、少なくとも２つの技術を用いることが可能である。第１に、それは、全部のボリュームマトリクスを用いる場合のようにスライスされ且つレンダリングされるデータのマトリクスとして扱われることが可能である。換言すれば、スラブは、既知の方法を用いて、スラブのスライスの二次元表示を含む三次元画像にレンダリングされることが可能である。ユーザが画像形成されるスライスの深さ及び／又はスラブの厚さを調節することを可能であるように、超音波システムに制御器を設けることができる。
【００３２】
要約すれば、見られるべき平面を予め選択するための交換において、受け入れられる三次元画像は、以下で説明するように、高度に単純化されたビームフォーマを用いて得られることが可能である限定されたデータのセットを用いて生成されることが可能である。本発明を考慮するための１つの方法は、全体的なボリュームからデータを得て見えるようにスライスすることの代わりに、本発明はスライスされた表面からデータを直接得るものである。
【００３３】
画像形成された平面、形状又はスラブの形と方向は、画像形成される構造により選択されることが可能である。浅い末梢血管について、皮膚に平行な走査平面を走査することは、浅い焦点を用いて選択されることが可能である。スラブの深さは多かれ少なかれ一定であるため、ユーザは、皮下層を見るために患者において簡単に掃引することが可能である。画像修正等の既知の方法を用いて、ユーザに大きいマップを提供するために、一連の画像を互いに繋ぎ合わせることが可能である。他の例としては、スラブを４５°傾けることにより、胸腔を通してのプローブにおいて、標準的な心臓の様子を表すことが可能である。図３及び４は、有用な走査平面の方向の例を更に示している。
【００３４】
図３は、本発明の好適な実施形態に従った超音波画像形成システムを用いる方法について示している。図３は、本発明に従って形成された代表的な走査線を伴う６ｘ６マトリクストランスデューサアセンブリ３０４を示している。特に、図３は、トランスデューサアセンブリ３０４上方の仮想的な走査の原点から放射状に伸び、焦点３４２ｎに焦点が合っている走査線を示している。各々の素子への音波経路は、明確にするために省略している。この場合、走査平面３４４は、トランスデューサアセンブリ３０４の面に略平行に形成されている。この構成は、物理的アパチャより著しく大きい視野を提供することにより皮膚表面近くの構造の画像形成を容易にしている。グラフィックアートの分野の当業者には周知のように、複数のフレームからのデータは、何れか１つのフレームにおける画像の範囲より大きい範囲を有する画像を形成するために繋ぎ合わされることが可能である。
【００３５】
走査線は又、トランスデューサアセンブリ３０４の面下方の仮想的な頂点を作り出すために形成されることが可能である。これは、“キーホール（keyhole）”走査と呼ばれ、肋骨のような固体構造物を通して、又は他の障害物の周りを走査するために、特に有用である。
【００３６】
図４は、本発明の好適な実施形形態に従った超音波画像形成システムを用いる方法について示している。図４は、本発明に従って形成された代表的な走査線を伴う６ｘ６マトリクストランスデューサアセンブリ４０４を示している。特に、図４は、トランスデューサアセンブリ４０４の面における仮想的な走査の原点から放射状に伸び、焦点４４２ｎに焦点が合っている走査線を示している。各々の素子への音波経路は、明確にするために省略している。走査平面５４４は、トランスデューサアセンブリ４０４の面から傾けられて形成されている。走査平面の傾きを調整することにより、一次元トランスデューサにより生成される視野に匹敵する視野を得るように改善することが可能である。例えば、適切な断面を示す左心室弁の“真の”短軸断面を生成することが可能である。
【００３７】
図２乃至４において述べたように、本発明は種々の超音波システムにおいて実行することが可能である。図５及び６は、本発明のために最適化した２つのアーキテクチャの例を示している。しかしながら、最も高価なハードウェアを利用できない厳しい状況下にあっても、従来の動的遅延ビームフォーマを利用する今日のアーキテクチャにおいて本発明を実施することが可能であることを、当業者は認識するであろう。
【００３８】
図５は、本発明の好適な実施形態に従った超音波画像形成システム５００の簡単なブロック図である。超音波システム５００は、本発明のため最適化された既存技術に基づいている。図５に示すような超音波画像形成システムと以下で述べるようなそのシステムの動作は、そのようなシステムを一般に代表するように意図されており、何れかの特定のシステムは図５に示すシステムとは異なり、特に
そのようなシステムの構成及び動作の詳細において異なり得ることを、関連分野の当業者は認識するであろう。図５は、本発明の発明的特徴を示す簡単化された図である。本発明を理解し易くするように、例えば受信フィルタのような、一部の構成要素を省略したことを、当業者は理解するであろう。従って、超音波画像形成システム５００は説明に役立つ例とみなすことができ、ここで述べる発明又は添付した請求項に関して制限するものではないことは、当業者には認識されるであろう。
【００３９】
超音波システム５００は、好適には、画像視覚化ユニットとして機能させるために、具体的には標準的なパーソナルコンピュータ（“ＰＣ５０２”）よりなる処理ユニット５０２を用いるが、それは必ずしも必要ではない。超音波システム５００は、マトリクストランスデューサアセンブリ５０４を備えている。図５に示す例においては、素子５０６ａ乃至５０６ｆのみを示しているが、任意の数の素子を用いることが可能であり、例えば、１つの選択肢として４８ｘ６０の素子アレイを用いることが可能である。
【００４０】
トランスデューサアセンブリ５０４は、好適には、一連のＡＳＩＣ５０８ｎを用いて、サブグループビームフォーミングを構成することができる。ＡＳＩＣ５０８ｎは、好適には、ＡＳＩＣ１０８ｎに基づく。２組のＡＳＩＣ５０８ａ及び５０８ｂが示され、素子５０６ａ乃至５０６ｆに対応している。この例において、各々のＡＳＩＣｎは３つの素子に接続されている。集積化の程度に依存して、任意の数、例えば、２５、７５、１２０、１５０等の素子を各々のＡＳＩＣ５０８ｎに接続することが可能である。しかしながら、好適な実施形態においては、２０個の素子が各々のＡＳＩＣ５０８ｎによりグループ化される。各々のＡＳＩＣ５０８ｎは、音波ビームを焦点合わせしステアリングさせるように、接続された素子５０６ｎの出力を遅延させる複数の遅延回路５１０ｎ（ＡＳＩＣ５０８ｎに接続される各々の素子に対して１つ）を備えている。
【００４１】
先行技術によれば、受信遅延は、所定のビームについての所定の遅延回路に対して変化しない。従って、遅延素子５１０ｎにおいては、動的受信焦点合わせが可能である必要はない。このことは、遅延回路５１０ｎに対して比較的安価且つ小型の回路を用いることを可能にする。そのようなビームフォーミング回路は周知である一方、今日の従来から培われてきた知恵は、殆ど全ての応用における動的受信焦点合わせが可能である動的遅延ビームフォーミング回路を用いることに対して、要請している。本発明は、複雑な回路を用いることなく済ませられる一方、複雑な回路が提供するような利点を達成することができる。従来の動的遅延ビームフォーマを利用する超音波装置を、例えば、動的受信焦点合わせを無効にすることにより、本発明の方法に従って用いることが可能である、ことは留意すべきことである。動的受信焦点合わせは“無効”にされる必要がなく、むしろ、システムは任意の幾何形状からデータをサンプリングするのみである、ことに留意されたい。
【００４２】
動的受信焦点合わせは、プローブ１０４を用いて得られる領域の深さを厳密に制限する一方、受け入れられる二次元画像がこの構成を用いて得られ、上述のように、従来の一次元のプローブを用いて得られる二次元画像において一部の重要な優位性を提供する。図５において示す構成は、最小の空間と最小のパワーを用いることから、可搬型超音波装置のために特に適切である。
【００４３】
和回路５１２ｎは、各々のＡＳＩＣ５０８ｎにおける遅延回路５１０ｎの出力を結合する。和回路５１４は、各々のＡＳＩＣ５０８ｎにおける各々の和回路５２１ｎの出力を結合する。好適には、２８８０個の素子５０６ｎは、各々２０個より成る１４４個のサブグループにグループ分けされる。好適には、１４４個のサブグループのうち１２８個が画像形成のために用いられ、１２８個のＡＳＩＣ５０８ｎが必要とされ、それらの出力は和回路５１４により合計される。
【００４４】
和回路５１４の出力はＡ／Ｄ変換器５１６によりＡ／Ｄ変換され、送信媒体５１９によりＩ／Ｏ制御器５１８及び５２０から構成される通信リンクを経由してＰＣ５０２に送信される。本発明の好適な実施形態に従って、通信リンクは“ＵＳＢ（Universal Serial Bus）”である。ＵＳＢは、ＰＣに周辺機器を接続するための工業規格のインタフェースであり、接続された周辺機器に５Ｖにおいて２．５Ｗ以下を供給する。今日用いられているＵＳＢ１．１工業規格は１２Ｍｂｉｔ／ｓｅｃ以下のデータ速度を可能とする。ＵＳＢ等時性転送プロトコルを用いると、６０Ｍｂｉｔ／ｓｅｃにおけるデータの周期的バーストが可能である。そのような速度は、超音波プローブからのＲＦ捕捉に対して十分である。将来、ＵＳＢ２．０は４８０Ｍｂｉｔ／ｓｅｃの転送速度を提供するであろう。当業者は、ＩＥＥＥ１３９４（“ＦＩＲＥＷＩＲＥ”として知られている）のような他のインタフェースを適用することができることを認識するであろう。更に、本発明の実行に依存して、ＰＣＩバス又はパラレルポートに直接接続することが可能である。ＰＣＩバスへの接続はＰＣＩカード又はＰＣカードでさえ経由することが可能である。データが転送に先立って圧縮される場合、低速シリアル接続のような他のオプションが存在する。
【００４５】
各々のＩ／Ｏ制御器５１８及び５２０は、例えば、ＣＹＰＲＥＳＳ  ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ社製の低パワーＵＳＢＩＣから構成されることが可能である。そのようなＩＣは、一般に、ビームフォーミングされたデータの１つのラインを記憶するための十分なＲＡＭと、ＰＣへの等時性転送を調整するためのマイクロコントローラに基づく８０５１とを含む。このデザインについての興味深い利点は、ＡＳＩＣ５０８ｎについてのクロックとラインタイミングがＵＳＢ転送から由来し、１つの転送が生じているとき、クロックは次のラインの捕捉とＲＡＭにおける記憶のために備えている。
【００４６】
和回路５１４の出力は、画像検出器５２１により組織の輝度対時間の関係を表す複数の振幅“エンベロープ”信号（“エコーデータ”と呼ばれる）に変換される。次いで、エンベロープ信号はＣＰＵ５２２の指令の下でＰＣ５０２内のメモリ５２４に記憶される。走査変換プロセス５２６は、モニタ５３０における表示装置アダプタ５２８により最終的な表示装置のためのデータを生成するためのデジタルデータに基づいて機能する。ＣＰＵ５２２は、メモリ５２４において演算され及び／又は記憶された遅延係数を用いて、トランスデューサ５０４のタイミングと機能を制御する。
【００４７】
図６は、本発明の第２の好適な実施形態に従った超音波画像形成システム６００についてのブロック図である。図６に示す装置は、従来のビームフォーマのデザインからの逸脱を示しており、全ての不必要なハードウェアを避けて本発明を用いるために、高度に最適化したものである。図６に示すような超音波画像形成システム６００と以下で説明するようなそのシステムの動作はそのようなシステムを一般に代表するものとして意図されており、その他の特定なシステムは図６に示すものと異なり得ることを、当業者は認識するであろう。図６は、本発明の発明的特徴を示すために単純化した図である。本発明を理解し易いように一部の構成要素、例えば受信フィルタと検出器を省略していることを、当業者は認識するであろう。従って、超音波画像形成システム６００は説明に役立つ例とみなすことができ、ここで述べる発明又は添付した請求項に関して制限するものではない。
【００４８】
超音波システム６００は、好適には、画像視覚化ユニットとして機能させるために、具体的には標準的なパーソナルコンピュータ（“ＰＣ６０２”）よりなる処理ユニット６０２を用いるが、それは必ずしも必要ではない。超音波システム６００は、素子６０６ｎのマトリクスを有するマトリクストランスデューサアセンブリ６０４を備えている。図５に示す例においては、素子５０６ａ乃至５０６ｆのみを示しているが、任意の数の素子（例えば、１つの選択肢として４８ｘ６０の素子アレイ）を用いることが可能であることを、当業者は認識するであろう。
【００４９】
超音波システム６００は、エコーデータの検出を容易にするために求積法を用いている。これにより専用の画像検出器の必要性が軽減される。各々の素子６０６ｎは２つのスイッチ６０８ｎ１及び６０８ｎ２に接続される。求積法が必要ない場合、素子当たり１つのスイッチが必要である。スイッチの動作は以下で説明するような制御器により制御される。基本的には、任意の幾何学的形状における単一の位置を表す関連する素子からの信号が収集されることを可能にする特定の時間に閉じることによるサンプラとして、各々のスイッチは機能する。この位置は焦点とみなすことができるが、完全な焦点である必要はない。スイッチ６０８は、遠隔的に与えられる時間値を維持するために構成されることができ、又は、制御信号によりアクティブにされることができる。６０８ｎ１が１／４λに等しくなった後の時間に閉じるためにスイッチ６０８ｎ２が時間を決めることにより、各々の対を成すスイッチ６０８ｎ１及び６０８ｎ２が順に閉じられ、ここで、λは超音波波形の基本周波数の周期である。特に、各々の第１スイッチ６０８ｎ１は、関連する素子についての変わらない焦点値に基づいて閉じるために、プログラム又は制御され、各々の第２スイッチ６０８ｎ２は関連する第１スイッチの後１／４λにおいて閉じるようにプログラムされている。
【００５０】
データのスラブを得るために、スイッチ６０８は、サンプルのバーストを得るために、所定の時間数開いて閉じるように構成／制御されることが可能である。実際、そのような“バースト動作”は、ビームの全体的な深さからサンプルを得るために用いられることができる。
【００５１】
第１スイッチ６０８ｎ１の出力は和回路６１０ａにより合計される一方、第２スイッチ６０８ｎ２の出力はＱ和回路６１０ｂにより合計される。Ｉ和回路６１０ａとＱ和回路６１０ｂとの出力は、Ａ／Ｄ変換器６２２（ＡＤＣ６２２）によりデジタルデータに変換され、送信媒体６１３によりＩ／Ｏ制御器６１２及び６１４から構成される通信リンクにより処理ユニット６０２に転送される。通信リンクは、例えば、“ＵＳＢ（Universal Serial Bus）”リンク又はＩＥＥＥ１３９４リンクから構成される。しかしながら、第２の好適な実施形態に従って、通信リンクは処理ユニットの主バス６２６への直接接続を用いて実行され、更に好適には、ＰＣカード規格を用いて実行される。
【００５２】
ＰＣカード規格はPersonal  Computer  Memory  Card  International  Association（ＰＣＭＣＩＡ）により設定され、今日、タイプ１、タイプ２及びタイプ３とデザインされた３種類の実施がなされている。各々のタイプは１６ビットバスを提供して、順に厚くなるようになっている（回路を更に加えることを可能にしている）。更に、ＰＣＭＣＩＡは、高速３２ビットバスを提供するカードバス（CardBus）と呼ばれるＰＣカードの拡張版を出している。本発明はカードバスを用いて同様に実行することが可能である。ＰＣカード規格又はカードバス規格のどちらかを用いる通信の実行に関する詳細は本発明と密接な関係はないが、当業者は、ここに含まれる教示に基づいて何れかの解決方法を効果的に実行することが十分可能であると言える。
【００５３】
一旦、Ｉ和回路６１０ａとＱ和回路６１０ｂからの信号がＩ／Ｏ制御器６１４により受信されると、二乗回路６１６ａ及び６１６ｂにより二乗され、次いで加算器６１８により単一信号に加算される。加算器６１８の出力は積算器６２０により積算される。
【００５４】
Ｉ／Ｏ制御器６１４、二乗回路６１６ａ及び６１６ｂ、加算器６１８及び積算器６２０は、好適には、ＰＣ６０２の主バス６２６をもつインタフェースのためにＰＣカード６３６に組み込まれる。更に、制御回路６２４は、種々の構成要素の動作を制御するため及びスイッチ６０８をもつインタフェースとして機能するために、ＰＣカード６３６に備えられる。それに代えて、スイッチ制御信号はＰＣ６０２により供給されることができる。
【００５５】
積算器６２０の出力は、その後の表示装置のためにＰＣ６０２の主バスに供給される。ＰＣ６０２は、当該分野において周知のように、メモリ６２８、ＣＰＵ６３０及び表示装置アダプタ６３２を備えている。一旦、ＣＰＵ６３０が、データをマトリクストランスデューサアセンブリ６０４から表示可能なデータに変換すると、これは当業者には周知のプロセスであるが、画像が表示装置アダプタ６３２によりもニタ３４に表示される。
【００５６】
アナログ通信リンクはアナログとすることができ、二乗回路６１６ａ及び６１６ｂ、加算器６１８、積算器６２０はアナログ回路に形成することができる。ＡＤＣは、このとき、メモリ６２８に得られたデータをロードする前に、加算器６２０の出力をデジタル化するために備えられる。
【００５７】
本発明の幾つかの例について参照図を参照しながら詳述してきたが、本発明の主旨及び請求の範囲から逸脱することなく、詳述した例において変形が可能であることを当業者は認識するであろう。例えば、スイッチ６０８ｎへの遅延電圧の供給を更新することにより制限された動的焦点合わせを提供するために、超音波システム６００を修正することが可能である。更に、ドップラ及び調波のような最も従来的な画像形成モードを、本発明の装置及び方法に結び付けて用いることが可能である。更に、機械的ウォブラ並びに単一素子アレイ又は線形アレイを用いてマトリクスプローブをシミュレートすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】既知の超音波画像形成システムのブロック図である。
【図２】本発明の好適な実施形態に従った超音波画像形成システムを用いる方法について示す図である。
【図３】本発明の好適な実施形態に従った超音波画像形成システムを用いる方法について示す図である。
【図４】本発明の好適な実施形態に従った超音波画像形成システムを用いる方法について示す図である。
【図５】本発明の第１の好適な実施形態に従った超音波画像形成システムのブロック図である。
【図６】本発明の第２の好適な実施形態に従った超音波画像形成システムのブロック図である。
【図１】
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【図５】
2004527325.tif 000004
【図６】
2004527325.tif 000005
【国際公開パンフレット】
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2004527325.tif 000007
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2004527325.tif 000034
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004527325.tif 000035
【国際調査報告】
2004527325.tif 000036
2004527325.tif 000037