(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波散乱体をイメージングするための超音波イメージング・システムにおいて、
多数のトランスジューサ素子で構成されていて、超音波を送信し且つ超音波散乱体から反射された超音波エコーを検出する超音波トランスジューサ・アレイ、
前記トランスジューサ・アレイに結合されていて、Ｍ個の送信事象のために、前記多数のトランスジューサ素子のうちのＭ個のトランスジューサ素子を、可逆符号化マトリクスによって与えられる可逆符号により空間的に符号化された信号でパルス駆動し、且つ前記Ｍ個の送信事象の各々の後に超音波エコーに応答する前記多数のトランスジューサ素子のうちのＮ個のトランスジューサ素子からの信号を受信するパルサ／受信器、
前記パルサ／受信器に結合されていて、前記受信信号の各々をそれぞれのディジタル信号に変換するアナログ−ディジタル変換手段、
前記符号化マトリクスの逆マトリクスを用いることによりＭ×Ｎディジタル信号を復号して復号データ組を形成し、且つ該復号データ組からビーム形成されたデータ組を形成する復号処理手段、並びに
前記ビーム形成されたデータ組の関数である像を表示する表示モニタを有することを特徴とする超音波イメージング・システム。
【請求項２】
超音波散乱体をイメージングするための超音波イメージング・システムにおいて、
多数のトランスジューサ素子で構成されていて、超音波を送信し且つ超音波散乱体から反射された超音波エコーを検出する超音波トランスジューサ・アレイ、
前記トランスジューサ・アレイに結合されていて、Ｍ個の送信事象のために、前記多数のトランスジューサ素子のうちのＭ組のトランスジューサ素子を、可逆符号化マトリクスに従った可逆符号により空間的に符号化された信号でパルス駆動し、その際、同じ組内のトランスジューサ素子に対する空間的に符号化された信号が点源を模擬する複合源を生じるように遅延されるようにするパルサ／受信器であって、さらに前記Ｍ個の送信事象の各々の後に前記多数のトランスジューサ素子のうちのＮ個のトランスジューサ素子からの信号を受信するパルサ／受信器、
前記パルサ／受信器に結合されていて、前記受信信号の各々をそれぞれのディジタル信号に変換するアナログ−ディジタル変換手段、
前記符号化マトリクスの逆マトリクスを用いることによりＭ×Ｎディジタル信号を復号して復号データ組を形成し、且つ該復号データ組からビーム形成されたデータ組を形成する復号処理手段、並びに
前記ビーム形成されたデータ組の関数である像を表示する手段を有することを特徴とする超音波イメージング・システム。
【請求項３】
前記可逆符号が直交位相符号で構成されている請求項１または２に記載の超音波イメージング・システム。
【請求項４】
前記直交位相符号がアダマール符号で構成されている請求項３記載の超音波イメージング・システム。
【請求項５】
前記復号処理手段がディジタル信号プロセッサを有する請求項１または２に記載の超音波イメージング・システム。
【請求項６】
前記Ｍ個の送信事象毎にＮ個の受信信号について和をとることにより受信ビームが形成される請求項１乃至５のいずれかに記載の超音波イメージング・システム。
【請求項７】
前記Ｍ個の送信事象の受信ビームを前記符号化マトリクスの逆マトリクスに基づいて加算及び／または減算することにより、前記Ｍ個のトランスジューサ素子の内の１つの送信素子だけがファイヤリングされる場合における等価なデータ組が作成される請求項６に記載の超音波イメージング・システム。
【請求項８】
前記Ｍ個の送信事象の受信ビームを前記符号化マトリクスの逆マトリクスに基づいて加算及び／または減算し、該加算及び／または減算した結果をＭで割ることにより、前記Ｍ個のトランスジューサ素子の内の１つの送信素子だけがファイヤリングされる場合における等価なデータ組が作成される請求項６に記載の超音波イメージング・システム。
【請求項９】
前記可逆符号は、各要素が＋１又は−１で構成されるＭ×Ｍの直交位相符号であり、前記可逆符号の要素が−１の場合には、前記パルサ／受信器は、前記Ｍ組のトランスジューサ素子の対応するトランスジューサ素子のパルス駆動信号全体の位相を反転し、前記可逆符号の要素が＋１の場合には、前記パルサ／受信器は、前記Ｍ組のトランスジューサ素子の対応するトランスジューサ素子のパルス駆動信号の位相を反転しない、請求項１乃至８のいずれかに記載の超音波イメージング・システム。
【請求項１０】
前記可逆符号は、正の値又は負の値の要素で構成されるＭ×Ｍの直交位相符号であり、前記可逆符号の要素が負の値の場合には、前記パルサ／受信器は、前記Ｍ組のトランスジューサ素子の対応するトランスジューサ素子のパルス駆動信号全体の位相を反転し、前記可逆符号の要素が正の値の場合には、前記パルサ／受信器は、前記Ｍ組のトランスジューサ素子の対応するトランスジューサ素子のパルス駆動信号の位相を反転しない、請求項１乃至８のいずれかに記載の超音波イメージング・システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にディジタル超音波イメージング・システムに関するものであり、更に詳しくは超音波像の見かけの音響フレーム速度を増大するための方法および装置に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
従来の医用超音波イメージング・システムは、超音波ビームを送信し且つ被検査物体から反射されたビームを受ける超音波トランスジューサ素子のアレイ（ａｒｒａｙ）を有する。このような走査は、ステアリング（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）された超音波を送信してから短時間後に受信モードにシステムを切り替えて、反射された超音波を受信して記憶する一連の測定で構成される。典型的には、各々の測定では送信および受信は同じ方向にステアリングされて、音響ビームすなわち走査線に沿った一連の点からデータが取得される。受信器は、反射された超音波を受信するとき走査線に沿った相次ぐ距離（レンジ）に動的に集束するように作用する。
【０００３】
超音波イメージングのため、アレイは典型的には、１つ以上の横列（ｒｏｗ）を成すように配置され且つ別々の電圧で駆動される多数のトランスジューサ素子で構成される。印加電圧の振幅および時間遅延（または位相）を選択することによって、所与の横列内の個々のトランスジューサ素子は制御されて、好ましいベクトル方向に沿って進行し且つビームに沿った選択された点に集束される正味の超音波を形成するように組み合わされる超音波を発生する。多数のファイヤリング（ｆｉｒｉｎｇ）を使用することにより、同じ解剖学的情報を表すデータを取得することが出来る。各々のファイヤリングのビーム形成パラメータを変えることにより、最大焦点を変更し、さもなければ例えば各ビームの焦点を前のビームの焦点に対してシフトさせながら同じ走査線に沿って相次ぐビームを送信することによって、各ファイヤリングにおける受信データの内容を変えることが出来る。印加電圧の時間遅延および振幅を変えることによって、物体を走査する平面内でビームをその焦点と共に動かすことが出来る。
【０００４】
受信モードで反射された音波を受信するためにトランスジューサ・プローブを採用するとき同じ原理が適用される。受信トランスジューサ素子で発生された電圧は、物体内の１つの焦点から反射された超音波を表す正味の信号が得られるように加算される。送信モードの場合と同様に、この集束された超音波エネルギの受信は各々のトランスジューサ素子からの信号に別々の時間遅延（および／または移相）および利得を与えることによって達成される。次いで、ビーム形成チャンネルの出力信号をコヒーレントに加算することにより、物体内のサンプル体積または関心のある体積に対応する各々の焦点についてそれぞれの画素強度値が形成される。これらの画素強度値は対数圧縮され、走査変換されてから、走査している解剖学的構造の像として表示される。
【０００５】
医用超音波イメージング・システムのフレーム速度は、１フレーム当りの必要な送信事象の数によって決定される。通常の超音波イメージング・システムでは、送信事象は集束されたビームを特定の方向または特定の焦点位置に送信する事である。例えば、送信開口をアレイにわたって移動させる通常の超音波イメージング・アレイでは、各々の送信開口は集束された送信ビームを形成するように並列にファイヤリングされるＭ個の送信素子で構成される。送信ビームは、１つのフレームを作成するためにＫ個の事象で視野（ＦＯＶ：ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ）にわたって走査される。アレイの縁では、送信開口はＭ個より少ない送信素子を持つことがある。受信開口は、送信開口の中心に中心合わせされたＮ個の素子で構成される。受信素子の数Ｎは指定されたＦナンバおよびイメージング深度によって決定される。
【０００６】
今日の２次元（２Ｄ）イメージングにおいてはフレーム速度の高いシステムが望ましく、またこのような高フレーム速度のシステムは将来の実時間３次元（３Ｄ）イメージングにおいては必須である。フレーム速度は、改善することが出来る。これを達成するために従来では、各々の送信事象に使用される送信素子の数を比例的に低減しており、その結果として信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が非常に悪くなる。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、１つの像フレーム当りの送信事象の数を低減することによって医用超音波イメージングにおけるフレーム速度を著しく増大するための方法および装置に関するものである。具体的に述べると、空間的に符号化された送信事象を使用してＳＮＲを改善しながら高いフレーム速度の医用イメージングが実行される。完全な１組の散乱データは、例えば全てのＭ個の送信素子およびＮ個の受信素子に対して、ｍ番目の送信素子のようなフェーズド・アレイの１つのトランスジューサ素子から送信されて、媒体によって散乱され、その後にｎ番目の受信素子で受信される超音波パルスの時間的経歴を捕捉する。全ての送信素子から同時に送信しながら、このｍ→ｎ素子散乱データが抽出される。個別のｍ→ｎ素子散乱データは、送信信号が可逆（ｉｎｖｅｒｔｉｂｌｅ）符号、好ましくはアダマール（Ｈａｄａｍａｒｄ）符号のような直交位相符号で空間的に符号化される場合、回復させることが出来る。
【０００８】
本発明の好ましい実施態様では、トランスジューサ・アレイのＭ個の送信素子からＭ組の符号化された信号が１組ずつ順次送信される。各送信において、Ｍ個の送信素子の全てが特定の組の符号化に従って同時に作動される。その結果得られた散乱データがＭ個の送信事象の各々に対して記憶される。記憶された散乱データはその後、個々の素子情報を得るために符号化マトリクスの逆マトリクスにより復号される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に示されている通常の超音波イメージング法では、トランスジューサ素子１２より成るトランスジューサ・アレイ１０からＫ個の送信事象が相次いでファイヤリングされる。アレイはそれぞれの送信および受信開口を持ち、開口はこくファイヤリング毎にアレイにわたって移動される。送信開口にＭ個の送信素子（陰影を付けて示されている）が用いられ、且つ受信開口にＮ個の受信素子が用いられる場合、各送信事象毎にＮ個の受信信号について和をとることによりビームが形成され、この場合、受信信号振幅はＭＳO になり、ＳO は各受信素子における受信信号振幅であり、ノイズ標準偏差はσである。この場合、信号対ノイズ比は次のようにＳＮＲ＝Ｎ1/2 Ｍ（ＳO ／σ）である。
【００１０】
Ｋ個の送信事象が相次いでファイヤリングされ、且つ各送信事象で唯１つの送信素子が使用される場合、ＳＮＲが通常の場合のＭ／Ｋ1/2 分の１に劣化する。この劣化はＫが小さくなると大きくなる。具体的に述べると、Ｍ個の送信素子、Ｋ＝Ｍ個の送信事象およびＮ個の受信素子の場合、Ｍ×Ｎの完全なデータ組について和をとることによりビームが形成され、この場合、受信信号振幅はＳO であり、ノイズ標準偏差はσである。この場合、信号対ノイズ比は次のようにＳＮＲ＝（ＭＮ）1/2 （ＳO ／σ）である。
【００１１】
本発明の好ましい実施態様では、トランスジューサ・アレイのＭ個の送信素子からＭ組の符号化された信号が１組ずつ順次送信される。各送信において、Ｍ個の送信素子の全てが可逆符号化マトリクスのそれぞれの列内の符号化に従って同時に作動される。その結果得られた散乱データがその後、符号化マトリクスの逆マトリクスにより復号されて、全てのＭ個の送信素子およびＮ個の受信素子に対して、ｍ番目の送信素子から送信されて、媒体によって散乱され、その後にｎ番目の受信素子で受信された超音波パルスの時間的経歴を表す完全な１組の散乱データを得る。
【００１２】
各々の送信事象において、符号化された送信素子の数はＭに等しく且つ受信素子の数はＮに等しく、ここで送信事象の数Ｋ＝Ｍである。復号した後の受信信号振幅はＭＳO であり、ノイズ標準偏差はＭ1/2 σに等しい。復号後、Ｍ×Ｎの完全なデータ組について和をとることによりビーム形成が行われる。この結果得られる信号対ノイズ比は次のようにＳＮＲ＝ＭＮ1/2 （ＳO ／σ）である。
【００１３】
従って、本発明の空間的符号化プロセスは、完全な散乱データの収集のためのＳＮＲを、同じ数の送信事象のために一度に１つの素子からの送信を使用してデータを測定することによって得られる場合のＳＮＲに比べて１０ log（Ｍ）デシベル増大させる。
【００１４】
図２は、本発明を取り入れた超音波イメージング・システムを示す。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１２ａ−１２ｎで構成されたトランスジューサ・アレイ１０を有する。各々のトランスジューサ素子は、それぞれのパルサ／受信器１４によって発生されたパルス波形によって付勢されたときに超音波エネルギのバーストを生じる。検査中の物体からトランスジューサ・アレイ１０に反射されて戻った超音波エネルギは各々の受信トランスジューサ素子によって電気信号に変換されて、それぞれのパルサ／受信器１４に別々に印加される。パルサ／受信器１４は、操作員の命令に応答するディジタル制御器１６の制御の下に動作する。
【００１５】
Ｌ≧Ｍとして、Ｌ個のトランスジューサ素子より成るトランスジューサ・アレイの中にＭ個の送信素子があると仮定すると、Ｋ＝Ｍ個の送信事象の各々の際にＭ個の送信素子が同時に作動されて、集束されていない超音波を送出する。各々の送信事象のために、異なるＭ素子符号ベクトルが制御器１６によってパルサ／受信器に供給されて、送信素子を駆動する。Ｍ個のＭ素子符号ベクトルが、可逆であるＭ×ＭマトリクスＱの列を形成する。マトリクスＱ-1は列ｑ1 ，ｑ2 ，....，ｑM を持つ。
【００１６】
ｍ＝１，２，....，Ｍとし、ｎ＝１，２，....，Ｎとして、各々の送信事象ｎにおいて、後方散乱信号Ｒmn（ｔ）が１組Ｎ個の受信素子で電気信号に変換される。これらの電気信号はそれぞれのパルサ／受信器１４によって増幅されて、それぞれのアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器１８に送られる（図２参照）。各々の送信事象において、ディジタル化された信号は制御器１６の制御の下にランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）２０に記憶される。１つの像フレームに対応するＫ個の送信事象が完了したとき、ＲＡＭ２０に記憶されているデータが検索されて、ディジタル信号プロセッサ２２によって別のデータ組Ｄmn（ｔ）に変換すなわち復号される。ディジタル信号プロセッサ２２はまた、復号された像データについてビーム形成を行う。この復号されビーム形成された像データは次いでビデオまたは表示モニタ２４上で１つの像フレームとして表示される。このプロセスは、トランスジューサ・アレイで関心のある領域または体積を走査するとき相次ぐ像フレームを作成するように繰り返される。
【００１７】
データ組Ｄmn（ｔ）は以下の式に従って変換される。
【００１８】
【数１】
0004251382.tif 000002
【００１９】
この変換は、各々の送信事象が１群のＭ＝Ｋ個の素子で送信される１組のＫ個の送信事象を復号して、１つのデータ組を得る。この場合、送信素子は分離される、すなわちデータ組Ｄmn（ｔ）が送信素子ｍから送信されて受信素子ｎで受信された信号に対応する。
【００２０】
復号されたデータ組Ｄmn（ｔ）は共焦点像を形成するようにビーム形成されることが出来る。図３に示されている各々の位置ｐに対する復号されたデータは次の式に従ってビーム形成される。
【００２１】
【数２】
0004251382.tif 000003
【００２２】
上式で、τmpは送信パルスがｍ番目の送信素子から位置ｐまで伝搬する時間であり、τpnは散乱されるパルスが位置ｐからｎ番目の受信素子まで伝搬する時間であり、ａmnはｍ番目の送信素子およびｎ番目の受信素子に対するアポダイゼーション（ａｐｏｄｉｚａｔｉｏｎ）関数である。
【００２３】
復号されたデータ組は、Ｍ個の送信素子の各々で送信し且つ各送信事象に対してＮ個の受信素子の全部で受信することによって得られるものと同じ情報（完全なデータ）を含んでおり、但しＳＮＲが１０ log（Ｍ）デシベル増大している。
【００２４】
符号化マトリクスとして任意の可逆マトリクスを使用することが出来るが、符号化マトリクスとしてアダマール・マトリクスを選ぶのが有益である。アダマール・マトリクスの要素は＋１または−１のいずれかであり、これらは送信電子回路において位相の反転として容易に実施し得る。対称アダマール・マトリクスの逆マトリクスは、単にそれ自身をスケーリングしたもの、すなわちＱN-1 ＝（１／Ｎ）Ｑである。一般的に、復号プロセスは受信データ組についてＭ（Ｍ−１）の演算（加算および乗算）を含む。しかしながら、アダマール符号の場合、復号はＭ log2 Ｍの演算（加算のみ）で実行される。アダマール・マトリクスは下記のような繰返しで作成することが出来る。
【００２５】
【数３】
0004251382.tif 000004
【００２６】
アダマール・マトリクスを使用したＭ＝４の場合の簡単な例を図４乃至図７に示す。図４乃至図７は、４個の相次ぐ送信事象の各々に対するアレイ内の４個の送信素子の符号化されたパルス駆動を表す。アダマール・マトリクスの＋１および−１の要素はパルサ／受信器（図４乃至図７には図示していない）によって反対の位相のパルスに変換される。これらのパルスはＰ（ｔ）または−ｐ（ｔ）のいずれかで表されている。具体的に述べると、送信素子１２ａ−１２ｄが次のアダマール符号ベクトルを使用して駆動される。すなわち、第１の送信事象ではアダマール符号ベクトル［+1 +1 +1 +1］ を使用し（図４参照）、第２の送信事象でアダマール符号ベクトル［+1 -1 +1 -1］ を使用し（図５参照）、第３の送信事象でアダマール符号ベクトル［+1 +1 -1 -1］ を使用し（図６参照）、第４の送信事象ではアダマール符号ベクトル［+1 -1 -1 +1］ を使用する（図７参照）。第１の送信素子だけがファイヤリングされる場合における等価なデータ組を作成するための復号は、４つの受信データ組の全てを加算し、その結果を４で割ることより成る。第２の送信素子だけがファイヤリングされる場合における等価なデータ組を作成するための復号は、第１および第３の受信データ組を加算して得た和から残りの受信データ組を減算し、次いでその結果を４で割ることより成る。第３の送信素子だけがファイヤリングされる場合における等価なデータ組を作成するための復号は、第１および第２の受信データ組を加算して得た和から残りの受信データ組を減算し、次いでその結果を４で割ることより成る。最後に、第４の送信素子だけがファイヤリングされる場合における等価なデータ組を作成するための復号は、第１および第４の受信データ組を加算して得た和から残りの受信データ組を減算し、次いでその結果を４で割ることより成る。
【００２７】
空間的符号化方法はまた、ＳＮＲを増大させる他の幾つかの公知の方法を使用することを可能にする。先ず、トランスジューサ・アレイによって発生される正味の超音波は集束されていないので、ピーク振幅がトランスジューサ・アレイの表面近くで生じ、それは集束された送信波のピークよりもずっと低い。従って、送信圧力振幅をかなり増大させることができ、しかもこの空間的符号化方式を使用するときの規定限界を満足する。次に、各々の個々の送信素子は一群の素子と置換して、該一群の素子の出力を遅延させて、一層高い出力信号振幅を持つ点源を模擬する複合源を作るようにすることが出来る。例えば、その群が３個の素子を持つ場合、中心の素子を最初にファイヤリングし、次いでその両側の２つの素子を所定の遅延後にファイヤリングして、トランスジューサ表面より後ろに位置する点源からの発散波に似た発散波を発生させることによって、点源を模擬することが出来る。最後に、送信事象の数を非常に小さくすることによってフレーム速度を過大にする代わりに、ビデオ積分すなわち大きさの非コヒーレント加算によりＳＮＲを改善することが出来る。
【００２８】
送信事象の数または等価的に送信素子の数は、動きが存在する場合に受信データのコヒーレンスによって厳密に制限される。受信データは、選ばれた領域内での選択的集束が得られるように充分にコヒーレントでなければならない。λ／１６以下の時間誤差はこの目的のために許容できると見なされる。
【００２９】
本発明の特定の好ましい特徴について図示し説明したが、当業者には種々の変更および変形をなし得よう。従って、特許請求の範囲は本発明の真の精神および趣旨の範囲内にあるこの様な全ての変更および変形を包含することを意図して記載してあることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】移動式の開口がＭ個の送信素子によって形成され、各々の開口が通常の超音波データ取得法に従って集束ビームを送信するようになっているトランスジューサ・アレイの概略構成図である。
【図２】本発明の好ましい実施態様に従ったディジタル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３】ｍ番目の送信素子によって送信され、位置ｐに存在する散乱体によって散乱されて、ｎ番目の受信素子によって受信される超音波の送信散乱経路を示す概略図である。
【図４】符号化が４×４アダマール・マトリクスの４つの列に対応するような第１乃至第４の送信事象のうちの第１の送信事象に対する符号化パルスの概略図である。
【図５】符号化が４×４アダマール・マトリクスの４つの列に対応するような第１乃至第４の送信事象のうちの第２の送信事象に対する符号化パルスの概略図である。
【図６】符号化が４×４アダマール・マトリクスの４つの列に対応するような第１乃至第４の送信事象のうちの第３の送信事象に対する符号化パルスの概略図である。
【図７】符号化が４×４アダマール・マトリクスの４つの列に対応するような第１乃至第４の送信事象のうちの第１の送信事象に対する符号化パルスの概略図である。
【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    パルサ／受信器
１６    制御器
１８    アナログ−ディジタル変換器
２０    ランダム・アクセス・メモリ
２２    ディジタル信号プロセッサ
２４    表示モニタ
【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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