JP4472802B2

JP4472802B2 - 超音波散乱体をイメージングするためのシステム及び方法

Info

Publication number: JP4472802B2
Application number: JP11157199A
Authority: JP
Inventors: リチャード・ユング・シャオ; ルイス・ジョンズ・トーマス，ザ・サード
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2019-04-20
Also published as: EP0952461A3; US6113545A; JP2000041980A; EP0952461A2; EP0952461B1

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は一般的には超音波イメージング・システムに関する。具体的には、本発明は、医用超音波イメージングにおいて信号対雑音比（ＳＮＲ）を増大させる方法及び装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
従来の超音波イメージング・システムは、超音波ビームを送信し、次いで、被検体からの反射ビームを受信する超音波トランスデューサ素子のアレイ（配列）を含んでいる。このような走査は、一連の測定を含んでいる。これらの測定では、フォーカスされた超音波が送信されると、システムは短い時間間隔の後に受信モードに切り換わり、反射した超音波が受信され、ビーム形成されて、表示のために処理される。典型的には、送信及び受信は、各回の測定中には同一の方向にフォーカスされており、１本の音響ビーム又は走査線に沿った一連の点からデータを取得する。受信器は、反射した超音波が受信されるのに伴って、走査線に沿った一連のレンジ（距離）に動的にフォーカスされる。
【０００３】
超音波イメージングのために、アレイは典型的には、１列又はそれ以上の列を成して構成されており別個の電圧で駆動される多数のトランスデューサ素子を有している。時間遅延（又は位相）及び印加される電圧の振幅を選択することにより、所与の列の個々のトランスデューサ素子を、超音波を発生するように制御することができ、これらの超音波を合計して、好ましいベクトル方向に沿って走行しておりビームに沿った選択された点にフォーカスされている正味の超音波を形成する。各回のファイアリング（firing）のビーム形成用パラメータを変化させて、最大焦点に変化を与えてもよいし、又はそうでなければ、各回のファイアリングで受信されるデータの内容を変化させてもよく、これは、例えば、各ビームの焦点を前回のビームの焦点に対してシフトさせた状態で、同じ走査線に沿って相次いでビームを送信することにより行われる。ステアリング型アレイの場合には、時間遅延及び印加される電圧の振幅を変化させることにより、ビームをその焦点と共に平面内で移動させて、物体を走査するることができる。リニア・アレイの場合には、アレイに垂直な向きのフォーカスされたビームが、ファイアリング毎にアレイを横断して開口を平行移動させることにより、物体を横断して走査される。
【０００４】
トランスデューサ・プローブを用いて受信モードで反射音波を受信するときにも同じ原理が適用される。受信用トランスデューサ素子で発生される電圧は加算されて、正味の信号が物体内の単一の焦点から反射された超音波を表すようにする。送信モードの場合と同様に、超音波エネルギのこのフォーカスされた受信は、各々の受信用トランスデューサ素子からの信号に対して別個の時間遅延（及び／又は位相シフト）並びに利得を付与することにより達成される。
【０００５】
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（又は走査線の小さな局在化された群）は、関心領域内のある点にフォーカスされている超音波エネルギを送信した後に、反射エネルギを或る時間にわたって受信することにより取得される。フォーカスされた送信エネルギは送信ビームと呼ばれる。送信後の時間中に、１つ又はそれ以上の受信ビームフォーマが、各々のチャネルによって受信されたエネルギを、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、経過時間に比例するレンジにおける所望の走査線に沿ってピーク感度を生じさせる。結果として得られるフォーカスされた感度パターンが受信ビームと呼ばれる。ある走査線の分解能は、関連する送信ビーム及び受信ビームの対の指向性の結果である。
【０００６】
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内の各々のサンプル空間についてのそれぞれのピクセル強度値を形成する。これらのピクセル強度値は、対数圧縮され、スキャン変換された後に、走査中の解剖学的構造の画像として表示される。
以上に述べた形式の医用超音波イメージング・システムでは、ＳＮＲを最適化することが望ましい。付加的なＳＮＲを用いて、所与のイメージング周波数における増大した透過性を得ることもできるし、又はより高い周波数における超音波イメージングを容易にすることにより分解能を向上させることもできる。
【０００７】
超音波におけるゴレイ（Golay ）・コードの利用は、単一素子で固定焦点のトランスデューサを用いて無生物を検査する非破壊検査（ＮＤＥ）の分野で周知である。ゴレイ・コードはまた、医用超音波イメージングの分野でも知られている。しかしながら、超音波イメージング・システムにおいてゴレイ・コードを利用することは、ダイナミック・フォーカシング、組織の動き（ＮＤＥには存在しない影響）及び非線形の伝播効果が、許容できない符号の劣化及び対応するレンジの劣化をもたらすと考えられていたので、顧みられていなかった。
【０００８】
【発明の概要】
本願の優先権主張の基礎出願である米国特許出願第０９／０６３，１０９号（米国特許第５９８４８６９号、１９９９年１１月１６日発行）は、トランスデューサ・アレイのゴレイ符号化励起を用いることにより医用超音波イメージングにおいてＳＮＲを向上させる方法及び装置を開示している。ＳＮＲの改善のために、１対のゴレイ符号化された基本系列を各々のビームで連続して同一の焦点位置に送信し、次いで、ビーム加算されたデータをデコードしている。１対のゴレイ符号化された基本系列は、基本系列を、オーバサンプリングの後にゴレイ・コード対と畳み込みすることにより形成されている。ゴレイ・コード対は、１対の２値（＋１，−１）系列であり、２つの系列の自己相関の和がクロネッカのデルタ関数であるという性質を備えている。オーバサンプリング後のゴレイ系列は、各々の＋１及び−１の間にゼロを有しているゴレイ系列であり、ゼロの数が基本系列の長さから１を減じたものに等しいか又はこれよりも大きくなっている。ゴレイ・コード対の上述の性質は、一般の符号よりも優れた２つの重要な利点となって現れる。即ち、（１）ゴレイ・コードは、レンジ・サイドローブを有さないこと、及び（２）ゴレイ・コードは、より高価なディジタル−アナログ変換器に対して、バイポーラ・パルサを利用するだけで送信することができることである。
【０００９】
上述の米国特許出願第０９／０６３，１０９号は更に、ゴレイ対の２つの系列の送信の間に生ずる組織の動きが、符号の歪みをもたらし、これにより、レンジ・サイドローブが増大することを開示している。第１の系列からのエコーが完全に受信されたら直ちに第２の系列を送信することにより、これら２回の送信の間での時間間隔を最小化することができる。そして、送信の間の間隔の最小化は、動きに誘起される符号の歪みを最小化する。
【００１０】
ゴレイ符号化励起を用いる前述の医用超音波Ｂモード・イメージング・システムでは、フレーム・レートは、従来のイメージングと比較して２倍分低下する。なぜならば、従来のイメージングでは焦点ゾーン当たり１回のファイアリングしか必要でなかったのに対し、各々の送信焦点ゾーン毎に２回の往復遅延付きファイアリング（即ち、間に往復の伝播遅延を有する２回のファイアリング）が必要だからである。換言すると、従来のイメージングでは、ゴレイ符号化励起を用いて１つの焦点ゾーンをビーム形成するのに必要な時間と同じ時間量で２つの焦点ゾーンをビーム形成することができる。従って、解決すべき問題点は、どのようにしてゴレイ符号化励起における２倍のフレーム・レートの低下（又は一般的には多相のＮ個の相補セットにおけるＮ倍の低下）を回復させるかということにある。
【００１１】
1982 IEEE Ultrasonics Symposium 、第８２１頁〜第８２５頁（１９８２年）のB. B. Lee 及びE. S. Furgasonによる論文「フェーズド・アレイにおける同時マルチ・モード動作のためのゴレイ・コード（Golay Codes for Simultaneous Multi-Mode Opertion in Phased Arrays ）」では、直交するゴレイ・コードを用いて２つのビームを同時に送信及び受信するアナログ式超音波イメージング・システムが記載されている。このLee 及びFurgasonのシステムは、基礎的なアナログ式フェーズド・アレイ・システムであり、セクタ走査のみ可能なものであって、１つのビーム方向に沿って多数の送信焦点ゾーンを実現することはできない。従って、先行技術を改良するようなゴレイ符号化励起を用いた超音波イメージング・システムが必要とされている。
【００１２】
トランスデューサ・アレイのゴレイ符号化励起を用いることにより医用超音波イメージングにおけるＳＮＲを改善する本発明の方法及び装置は、いくつかの観点でLee 及びFurgasonの先行技術に改良を加えたものである。第１に、本発明の１つの好ましい実施態様は、ディジタル・システムであり、セクタ（フェーズド・アレイ）走査ならびに非セクタ（リニア及びカーブリニア）走査において多数の送信焦点ゾーンが可能である。２つの送信焦点ゾーンが、２回の往復遅延付きファイアリングに必要な時間よりも僅かに長い時間で、直交するゴレイ・コードを用いてビーム形成され、これにより、ゴレイ符号化励起により生ずる２倍のフレーム・レートの低下の殆どすべてを回復する。次に、先行技術における多数のビームの同時送信は、非効率的で高価な並列送信ビーム形成用ハードウェアを必要とするものであったが、本発明では、ビームの順次送信を利用しており、バイポーラ・パルサを用いるときには１組の送信ハードウェアしか必要としない。最後に、本発明は、多相符号及び３つ以上の焦点ゾーンに拡張することができる。
【００１３】
Ａ₁ 、Ａ₂ 、Ｂ₁ 及びＢ₂ がそれぞれ、長さＮ（２の羃数）のバイポーラ系列であって、例えば、Ａ₁ ＝［ａ₁ （１），ａ₁ （２），…，ａ₁ （Ｎ）］であって、
【００１４】
【数１】

【００１５】
のゴレイの相補条件が各々の対について成立しており（即ち、各々の対がゴレイ対となっており）、
且つ、２つのゴレイ対の間では、
【００１６】
【数２】

【００１７】
の直交条件が成立している場合、直交するゴレイ対［Ａ₁ ，Ａ₂ ］及び［Ｂ₁ ，Ｂ₂ ］が存在する。ここで、上記の式で「×を○で囲んだ記号」は相関を表しており、δ（ｎ）はクロネッカのデルタ関数である。２つの焦点ゾーンＡ及びＢに関わる従来のゴレイ符号化励起では、１対のゴレイ・コードが先ずＡへ送信され、続いて、各回の送信の間での往復伝播遅延をＴとして、もう１対のゴレイ・コードがＢへ送信されている。従って、この送信の系列は、
Ａ₁ −（Ｔ）−Ａ₂ −（Ｔ）−Ｂ₁ −（Ｔ）−Ｂ₂ −（Ｔ）−… （４）
と表すことができる。ここで、（Ｔ）は往復伝播遅延を表している。このように、上述の送信の系列は、約４Ｔの全送信持続時間を有している。本発明の好ましい実施態様では、２つの直交するゴレイ対の系列が、上述のようにそれぞれのゾーンへ送信されるが、第２のゾーンへのゴレイ対の送信は、第１の送信焦点ゾーンへのゴレイ対の送信開始の短時間の後に開始し、２つの対のファイアリングがインタリーブされるようにする。即ち、
Ａ₁ −Ｂ₁ −（Ｔ）−Ａ₂ −Ｂ₂ −（Ｔ）−… （５）
１つのゴレイ対（［Ａ₁ ，Ａ₂ ］又は［Ｂ₁ ，Ｂ₂ ］）における２回のファイアリングの間の間隔は、このように、ゴレイ対の間での余分なファイアリングを収容するためにＴよりも僅かに長くなっている（典型的には約１％〜２％）。４回の送信の全持続時間は、この場合には、２Ｔを僅かに上回るのみであり、２つの対のファイアリングが焦点ゾーンＡ及びＢをそれぞれビーム形成するように順序よく行われれば、２倍のフレーム・レートの低下の殆どすべてを回復する。
【００１８】
往復伝播遅延がない状態でＡ₁ 及びＢ₁ を送信すると、２回の送信からのエコーの間に重なりが生じ、このことはＡ₂ 及びＢ₂ についても同様であるので、この重なりを、２つの送信焦点位置を適正にビーム形成するために受信フィルタリングで分離しなければならない。受信フィルタリングは、各々の焦点ゾーンについて１つずつ、２つの並列の経路を辿る。各々のデコード用フィルタ（これは帯域フィルタリング（ＢＰＦ）用にも使用される）が、ベクトル加算器に対して出力信号を供給し、この出力信号はマルチプレクス（多重化）されて、従来のＢモード処理（包絡線検出、対数圧縮及びエッジ強調フィルタ）へ送られた後、表示のためにスキャン変換される。
【００１９】
【好ましい実施態様の詳しい説明】
本発明を組み込んだ超音波イメージング・システムが図１に示されている。このシステムは、別個に駆動される複数のトランスデューサ素子１２を有し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の各々は、送信器１４によって発生される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発生する。被検体からトランスデューサ・アレイ１０に反射されて戻って来た超音波エネルギは、各々の受信用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、１組の送受信切換え（Ｔ／Ｒ）スイッチ１８を介して受信器１６へ別個に印加される。Ｔ／Ｒスイッチは、典型的には、送信用の電子回路によって発生される高電圧から受信用電子回路を保護するためのダイオードである。送信信号によって、ダイオードは受信器への信号を遮断するか又は制限する。送信器１４及び受信器１６は、人間のオペレータによるコマンドに応答してマスタ・コントローラ２０の制御の下で動作する。１つの完全な走査（スキャン）は一連のエコーの取得によって行われ、この際、送信器１４が瞬間的にオンにゲート駆動されて各々のトランスデューサ素子１２を付勢し、各々のトランスデューサ素子１２によって発生される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、他のチャネルが依然として送信中であ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々のエコー信号を合算して単一のエコー信号を発生し、このエコー信号を用いて表示モニタ２２上の画像の１本の線を形成する。
【００２０】
マスタ・コントローラ２０の指令の下で、送信器１４は、超音波エネルギが指向性のフォーカスされた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。これを達成するためには、送信ビームフォーマ２６によって多数のパルサ２４へそれぞれの時間遅延が付与される。マスタ・コントローラ２０は、音響パルスが送信される条件を決定する。この情報によって、送信ビームフォーマ２６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タイミング及び振幅を決定する。各々の送信パルスの振幅は、アポダイゼーション発生回路（図示されていない）によって発生される。次いで、パルサ２４は送信パルスをＴ／Ｒスイッチ１８を介してトランスデューサ・アレイ１０の素子１２の各々へ送り、これにより、トランスデューサ・アレイに存在している可能性のある高電圧から時間−利得制御（ＴＧＣ）増幅器２８を保護する。送信フォーカス時間遅延及びアポダイゼーション重みを従来の方式で適当に調節することにより、超音波ビームを方向付けすると共にフォーカスさせて、送信ビームを形成することができる。
【００２１】
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、各々の送信ビームに沿った連続したレンジ（距離）に位置する物体から反射したものである。これらのエコー信号は、各々のトランスデューサ素子１２によって別々に検知される。特定の時間点におけるエコー信号の大きさのサンプルが、特定のレンジにおいて生じた反射の量を表す。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、また各エコー信号の振幅は等しくない。受信器１６は、各々の受信チャネルに設けられているそれぞれのＴＧＣ増幅器２８を介して別々のエコー信号を増幅する。ＴＧＣ増幅器２８によって提供される増幅の量は、制御線（図示されていない）を介して制御される。次いで、増幅されたエコー信号は受信ビームフォーマ３０へ供給される。受信ビームフォーマの各々の受信用チャネルは、それぞれのＴＧＣ増幅器２８によってそれぞれ１つのトランスデューサ素子１２に結合されている。
【００２２】
マスタ・コントローラ２０の指令の下で、受信ビームフォーマ３０は、送信されたビームの方向を追跡し、各々のビームに沿った一連のレンジにおけるエコー信号をサンプリングする。受信ビームフォーマ３０は、各々の増幅されたエコー信号に対して適正な時間遅延及び受信時アポダイゼーション重みを付与し、これらの信号を加算して、１つの超音波ビームに沿ったある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示すエコー信号を形成する。受信フォーカス時間遅延は、特殊な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・テーブルから読み出される。受信チャネルはまた、受信され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。その後、時間遅延された受信信号が加算される。
【００２３】
図１に示すシステムにおいて、受信ビームフォーマの出力信号の周波数は、復調器３１によってベースバンドにシフトされる。これを達成する１つの方法は、入力信号に複素正弦ｅｘｐ（ｉ２πｆ_d ｔ）を乗算するものである。ここで、ｆ_d は、信号のスペクトルをベースバンドに移動させるのに要求される周波数シフトである。次いで、ビーム加算され復調された信号は、信号処理器３２へ供給され、信号処理器３２は、加算された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、表示データは、エッジ強調及び対数圧縮等の何らかの追加の処理を行った後の信号の包絡線である。スキャン・コンバータ３４が、信号処理器３２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３４は、音響画像データを極座標（Ｒ−θ）のセクタ・フォーマット又はデカルト座標リニア・アレイから、適当にスケーリングされたデカルト座標の表示ピクセル・データへ、ビデオ・レートで変換する。次いで、これらのスキャン変換された音響データは、表示のため表示モニタ２２へ供給され、表示モニタ２２は、Ｂモード信号の包絡線の時間変化振幅をグレイ・スケールとして映像化する。各々の送信ビームについてそれぞれの走査線が表示される。
【００２４】
図２は、米国特許出願第０９／０６３，１０９号に開示されている形式の超音波イメージング・システムを示している。このシステムでは、送信開口内の各々のトランスデューサ素子が、基本系列を符号化した系列を用いてパルス駆動される。符号化された系列における各々のパルスは、通常、チップ（chip）と呼ばれている。基本系列はＮ桁の送信符号を用いて位相符号化されて、Ｎチップの符号化された系列を形成し、これは送信系列メモリ３６に記憶される。送信系列メモリ３６から読み出された各々の符号化された系列は、それぞれの送信ファイアリングの際に多数のパルサ２４の駆動を制御する。例えば、各トランスデューサ素子は、所望の送信焦点位置にフォーカスされている１回目の送信ファイアリングの際には第１の符号化された系列に従ってパルス駆動され、同じ送信焦点位置にフォーカスされている２回目の送信ファイアリングの際には第２の符号化された系列に従ってパルス駆動される。第１及び第２の符号化された系列は、第１及び第２の送信符号を基本系列とそれぞれ畳み込みすることにより形成され、即ち、送信符号を用いて基本系列を位相符号化することにより形成される。好ましい実施態様によれば、第１及び第２の送信符号は相補的ゴレイ・コード、即ち、［１，１］及び［１，−１］のゴレイ・コード対であり、パルサ２４はバイポーラ・パルサである。
【００２５】
パルサ２４は、発生される超音波エネルギが各回の送信ファイアリング毎に１つのビームにフォーカスされるように、トランスデューサ・アレイ１０の素子１２を駆動する。これを達成するためには、ルックアップ・テーブル３８からの送信フォーカス時間遅延が、パルサによって発生されるそれぞれのパルス波形に付与される。送信フォーカス時間遅延を従来の同様に適当に調節することにより、超音波ビームを多数の送信焦点位置にフォーカスさせて、画像平面における走査を行うことができる。
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、受信ビームフォーマのそれぞれの受信チャネル４０へ供給される。各々の受信チャネルは、アナログ−ディジタル変換器（図示されていない）を含んでいる。マスタ・コントローラ２０（図１）の指令下で、受信ビームフォーマ３０（図１）は、送信されたビームの方向を追跡する。受信ビームフォーマ・メモリ４２が、受信されたエコー信号に対して適正な受信フォーカス時間遅延を付与し、これらの信号を加算して、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表す合成エコー信号を形成する。時間遅延された受信信号は、各回の送信ファイアリングについて受信加算器４４で加算される。
【００２６】
相次ぐファイアリングからの加算された受信信号は、デコード用フィルタ４６へ供給される。デコード用フィルタ４６は、１回目の送信ファイアリングについては第１の加算された受信信号を第１の受信符号と相関させ、２回目の送信ファイアリングについては第２の加算された受信信号を第２の受信符号と相関させる。同じ送信焦点位置にフォーカスされた１回目及び２回目の送信ファイアリングから導き出されたフィルタリングされた信号は、ベクトル加算器５０で加算され、次いで、加算されフィルタリングされた信号は復調されて、信号処理器３２（図１）へ供給される。Ｂモードでは、信号処理には、包絡線検出、エッジ強調及び対数圧縮が含まれている。信号処理及びスキャン変換の後に、表示モニタ２２（図１）上に１本の走査線が表示される。以上の手順を繰り返して、各々の送信焦点位置についてそれぞれの走査線が表示されるようにする（各々のビーム角度毎に１つの送信焦点位置がある場合）か、又は各々のベクトルについてそれぞれの走査線が表示されるようにする（各々のビーム角度毎に多数の送信焦点位置がある場合）。
【００２７】
図２に示すシステムでは、第１のゴレイ符号化された系列からのエコーが完全に受信されたら直ちに、第２のゴレイ符号化された系列が送信される。その結果、フレーム・レートは、従来のイメージングと比較して２倍分低下する。なぜならば、従来のイメージングでは焦点ゾーン当たり１回のファイアリングしか必要でなかったのに対し、各々の送信焦点ゾーン毎に２回の往復遅延付きファイアリング（即ち、間に往復伝播遅延を有する２回のファイアリング）が必要だからである。
【００２８】
図３は、本発明の好ましい実施態様による医用超音波イメージング・システムのブロック図である。このイメージング・システムは、浅い送信焦点ゾーン（一般的には、妥当なＳＮＲを有している）をイメージングするときには、従来の方式で動作する。しかしながら、深い送信焦点ゾーン（一般的には、不適当なＳＮＲを有している）については、このシステムは、ゴレイ符号化励起を用いる。
【００２９】
簡潔にするため、図３では、図２の構成要素１０、１８、２４、３６、３８、４０及び４２については繰り返さない。しかしながら、本発明を理解するために、図３に示されている構成要素は、図２からの前述の構成要素と組み合わされることを理解されたい。従って、以下の説明では、図２及び図３の両方を参照する。
【００３０】
本発明の好ましい実施の形態では、第１及び第２の直交するゴレイ対を、これらの送信のそれぞれの開始の間に往復伝播遅延がない状態で送信することにより、ゴレイ符号化励起における２倍のフレーム・レートの低下が回復される。具体的には、本発明の好ましい実施の形態によれば、２つの直交するゴレイ対の系列［Ａ₁ ，Ａ₂ ］及び［Ｂ₁ ，Ｂ₂ ］をそれぞれの送信焦点ゾーンへ送信する。このとき、第２のゾーンへ送信されるゴレイ対［Ｂ₁ ，Ｂ₂ ］は、第１の送信焦点ゾーンへのゴレイ対［Ａ₁ ，Ａ₂ ］の送信の開始から短時間の後に開始される。Ａ₁ 及びＢ₁ を往復伝播遅延のない状態で送信することにより、これら２回の送信からのエコーの間に重なりが生じ、このことはまた、Ａ₂ 及びＢ₂ についても同様である。これらの重なりは、分離を回復すると共に２つの送信焦点位置を適正にビーム形成するために、受信フィルタリングで除去されなければならない。受信フィルタリングは、各々の焦点ゾーンについて１つずつ、２つの並列の経路に従う。
【００３１】
各回のファイアリングの際に、（図２を参照）バイポーラ・パルサ２４は、送信系列メモリ３６によって又は特殊なハードウェアによって供給されるゴレイ符号化された基本系列によって励起される。送信系列メモリ３６からのゴレイ符号化された基本系列及びルックアップ・テーブル３８によって供給される送信フォーカス遅延に応答して、パルサ２４は、送信開口を構成するそれぞれのトランスデューサ素子１２に対してゴレイ符号化されたパルス系列を供給する。図４は、トランスデューサ素子１２を駆動するために送信メモリ３６に記憶されている上述のような基本系列の１つを示している。ゴレイ符号化された基本系列の各々における＋１及び−１の要素は、バイポーラ・パルサによって反対の位相を有するパルスへ変換される。
【００３２】
直交するゴレイ・コード対は、直接送信されるのではなく、先ず、これらの系列をオーバサンプリング（典型的には、４０ＭＨｚで、又はｄｔ＝０．０２５マイクロ秒の時間でのサンプル）し、次いで、オーバサンプリング系列を基本系列と畳み込みして、直交するゴレイ符号化された基本系列を形成することにより送信される。各々の直交するゴレイ符号化された基本系列は、基本系列の適正な選択によりそのスペクトルがトランスデューサの通過帯域によりよく一致するので、遥かに効率的に送信することができる。
【００３３】
図４は、等間隔のバイポーラ・パルスの系列で各々のトランスデューサ素子１２を励起することによる送信波形の形成を示している。このパルス系列は、送信メモリ３６に記憶されておりバイポーラ・パルサ２４によって供給される＋１及び−１から成る系列によって指定される。図４は、送信メモリ３６に記憶されている８つのサンプルしか示していないが、実際には、送信メモリは、例えば４０ＭＨｚのサンプリング・レートで読み出される６４、１２８又はそれ以上のサンプルを記憶している。２つのゴレイ・コード対［＋１，＋１］及び［＋１，−１］、並びに［−１，＋１，＋１，−１］の基本系列については、ゴレイ符号化された基本系列［−１，＋１，＋１，−１，−１，＋１，＋１，−１］が１回目のファイアリングについて送信メモリ３６に記憶される。２回目のファイアリングについては、ゴレイ符号化された基本系列［−１，＋１，＋１，−１，＋１，−１，−１，＋１］が送信メモリに記憶される。
【００３４】
図５〜図８は、基本系列と、オーバサンプリング後の１対のゴレイ系列の一方との畳み込みからの送信用の（ゴレイ符号化された）基本系列の形成を示している。図５には、ゴレイ系列［＋１，−１］が示されている。基本系列は、結果として得られる超音波のパルス形状及びスペクトル・エネルギを最適化するように設計されている。図６に示す実例では、基本系列は、極性［＋１，＋１，＋１，＋１，＋１，＋１，−１，−１，−１，−１，−１，−１］を有するパルスの系列となっている。１回目のファイアリングでは、基本系列は、ゴレイ・コード［＋１，−１］に対応しているオーバサンプリング後のゴレイ系列（図７を参照）と畳み込みされる。結果として得られるゴレイ符号化された基本系列を図８に示す。２回目のファイアリングでは、基本系列は、ゴレイ・コード［＋１，＋１］に対応しているオーバサンプリング後のゴレイ系列（図示されていない）と畳み込みされる。結果として得られるゴレイ符号化された基本系列を図９に示す。ゴレイ符号化された基本系列は、予め算出されており、送信系列メモリ３６（図２）に記憶されている。送信系列は、トランスデューサ素子を励起した後に、各回のファイアリング毎にゴレイ系列によって決定される極性を有する超音波パルスの系列を生ずる。
【００３５】
各回のファイアリング毎に、得られたフォーカスされたビームからのエコー信号が、受信開口を構成するトランスデューサ素子によって電気信号へ変換される。これらの受信信号は、受信チャネル４０（図２）において、増幅されると共に、特殊なハードウェアによって実時間で算出されるか又はルックアップ・テーブルから供給される受信フォーカス時間遅延４２（図２）に従って時間遅延される。次いで、増幅され遅延された信号は、受信ビーム加算器４４（図２）によって加算される。
【００３６】
２つの直交するゴレイ式の系列の対［Ａ₁ ，Ａ₂ ］及び［Ｂ₁ ，Ｂ₂ ］がそれぞれの送信焦点ゾーンへ送信される場合には、加算されている受信信号Ｒ₁ 及びＲ₂ が、１対のゴレイ・デコーダによってデコードされる。ここで、Ｒ₁ ＝Ａ₁ ＋Ｂ₁ は、Ａ₁ 送信からのエコー及びＢ₁ 送信からのエコーの重ね合わせを表しており、Ｒ₂ ＝Ａ₂ ＋Ｂ₂ は、Ａ₂ 送信からのエコー及びＢ₂ 送信からのエコーの重ね合わせを表している。図３に示すように、第１のゴレイ・デコーダはデコード用フィルタ５２とベクトル加算器５４とを含んでおり、第２のゴレイ・デコーダはデコード用フィルタ５６とベクトル加算器５８とを含んでいる。加算されている受信信号Ｒ₁ はデコード用フィルタ５２に供給されると共にデコード用フィルタ５６に供給されて、デコード用フィルタ５２は該加算されている受信信号Ｒ₁ を受信符号Ａ₁ と相関させ、またデコード用フィルタ５６は該加算されている受信信号Ｒ₁ を受信符号Ｂ₁ と相関させる。受信符号は、フィルタ係数メモリ４８によってフィルタ係数の形態で供給される。受信の際には、時間反転されたオーバサンプリング後の系列をフィルタ係数として用いる（ＦＩＲフィルタにおける相関を実現するために時間が反転されている。）。Ａ₁ によってフィルタリングすると、
【００３７】
【数３】

【００３８】
が得られ、これはベクトル加算器５４に記憶される。同様に、Ｂ₁ によってフィルタリングすると、
【００３９】
【数４】

【００４０】
が得られ、これはベクトル加算器５８に記憶される。続いて、加算されている受信信号Ｒ₂ はデコード用フィルタ５２に供給されると共にデコード用フィルタ５６に供給されて、デコード用フィルタ５２は該加算されている受信信号Ｒ₂ を受信符号Ａ₂ と相関させ、またデコード用フィルタ５６は該加算されている受信信号Ｒ₂ を受信符号Ｂ₂ と相関させる。Ａ₂ によってフィルタリングすると、
【００４１】
【数５】

【００４２】
が得られ、これをベクトル加算器５４で加算すると、
【００４３】
【数６】

【００４４】
が得られ、焦点ゾーンＡについての信号が分離されてゴレイ・デコードされている。同様に、Ｂ₂ によってフィルタリングすると、
【００４５】
【数７】

【００４６】
が得られ、これをベクトル加算器５８で加算すると、
【００４７】
【数８】

【００４８】
が得られ、焦点ゾーンＢについての信号が分離されてゴレイ・デコードされている。
本発明の好ましい実施態様では、各々のデコード用フィルタは、帯域フィルタ処理も行うそれぞれのＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタを含んでおり、各々のベクトル加算器は、それぞれのＦＩＲフィルタの出力に結合された入力を有するそれぞれのバッファ・メモリを含んでいる。重なり合ったエコー信号の各々の対について、それぞれ１組のフィルタ・タップがフィルタ係数メモリ４８から読み出され、それぞれのＦＩＲフィルタへ書き込まれる。
【００４９】
各回のファイアリング毎に、送信の際に用いられたゴレイ符号化された基本系列に対応しているオーバサンプリング後のゴレイ系列を用いてフィルタリングが行われる。時間反転されたオーバサンプリング後のゴレイ系列は、メモリ４８に記憶されており、適当な時刻にデコード用フィルタ５２及び５６へ供給される。デコード用フィルタは、以下の相関を実行するＦＩＲフィルタである。
【００５０】
【数９】

【００５１】
ここで、＊は畳み込みを示しており、上付きのバーは共役関係を示している（ｘ及びｙが複素数である場合）。相関の結果は、それぞれベクトル加算器５４及び５８で加算されて、デコードされた信号を形成し、これらの信号は更なる処理のためにマルチプレクサ６０を介して順次Ｂモード・プロセッサ３２（図１）へ供給される。ＳＮＲが向上すること以外では、デコード後のゴレイ・パルスは、ゴレイ符号化された基本系列の代わりに基本系列を送信することにより得られるものと実質的に同じである。
【００５２】
ゴレイ・コードの主な利点は、符号の送信のために、アポダイズされたチャープ（chirp ）等のその他の符号を送信することが必要なより高価なディジタル−アナログ変換器に対して、バイポーラ・パルサを利用することにある。加えて、ゴレイ・コードは理論的にはレンジ・ローブを有していないが、このことは他のどの符号にも当てはまらない。
【００５３】
このイメージング・システムはまた、ＲＦエコー信号をベースバンドに復調させると共にビーム加算の前又は後にダウンサンプリングすることにより動作することもできる。この場合には、相関のために記憶されているオーバサンプリング後のゴレイ系列もまた、ベースバンドに復調されると共にダウンサンプリングされる。
【００５４】
直交するゴレイ符号化励起に用いられる２つの送信焦点ゾーンは、同一のビーム・ベクトルに沿っていてもよいし、異なるビーム・ベクトルに沿っていてもよい。前者の場合には、スキャン・コントローラ（図示されていない）が、より深いゾーンについての加算器の出力信号を指示し、この出力信号をトランケート（打ち切り）して、適当なレンジ位置においてより浅いゾーンについての加算器の出力信号にアペンド（追加）し、表示される前に１本の走査線を形成する。後者の場合には、２つの焦点ゾーンの各々が、それぞれの走査線に対応する。（直交する）ゴレイ符号化励起がより深いゾーンにおいてのみ用いられるときには、より浅い領域に従来のゾーンが存在していてもよい。
【００５５】
本発明のいくつかの好ましい特徴についてのみここに例示し説明したが、当業者には多くの改変及び変更が想到されよう。例えば、本発明は、２相の符号を用いることに限定されておらず、多相の符号を代替的に用いることができる。加えて、ここに記載した方法は、直交する相補的な組を用いて２つよりも多い焦点ゾーンに拡張することもできる。更に、ゴレイ符号化を個別の受信サブ開口に対して用いて、ダイナミック・フォーカシングの影響を減少させ得ることは明らかである。例えば、受信開口を単一の送信イベントについて２つ又はそれよりも多いサブ開口に分割することができ、全体的な受信開口が同一であれば、対としてまとめられる送信イベントについてサブ開口を異なったものとすることが可能である。各回の送信イベント毎に、受信信号を各々のサブ開口についてビーム形成し、それぞれのサブ開口についてビーム形成された信号をフィルタリングした後に、それぞれのサブ開口のフィルタリング後の信号を加算する。従って、特許請求の範囲は、本発明の要旨の範囲内に含まれるこれらのようなすべての改変及び変更を網羅することを意図しているものと理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を組み込むようにプログラムすることのでき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】米国特許出願第０９／０６３，１０９号に開示されている発明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３】本発明の好ましい実施態様に従って、トランスデューサ素子に対する重なり合ったゴレイ符号化励起及び対応する受信波形の並列デコーディングを用いた超音波イメージング・システムの一部のブロック図である。
【図４】本発明による単一のトランスデューサ素子についてゴレイ符号化励起のための構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の好ましい実施態様によるゴレイ・コード系列を示すパルス線図である。
【図６】本発明の好ましい実施態様による基本系列を示すパルス線図である。
【図７】本発明の好ましい実施態様によるオーバサンプリング後のゴレイ・コード系列を示すパルス線図である。
【図８】本発明の好ましい実施態様によるゴレイ符号化された１対の基本系列を示すパルス線図である。
【図９】本発明の好ましい実施態様によるゴレイ符号化された１対の基本系列を示すパルス線図である。

Claims

超音波散乱体をイメージングするシステムにおいて、
多数のトランスデューサ素子（１２）を有し、超音波を発すると共に前記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、
前記トランスデューサ・アレイ（１０）に接続され、送信開口を形成する第１の複数のトランスデューサ素子（１２）を、第１の送信イベントの間には第１のゴレイ符号化パルス系列によって、第２の送信イベントの間には第２のゴレイ符号化パルス系列によって、パルス駆動させる送信手段（１４）であって、前記第１と第２のゴレイ符号化パルス系列は夫々、基本系列と、１対のゴレイ系列のオーバサンプルした第１と第２のゴレイ系列との畳み込み演算から得られたものであり、前記１対のゴレイ系列は、前記第１と第２のゴレイ系列の自己相関同士の和がクロネッカデルタ関数であるという特性を有する、送信手段（１４）と、
前記トランスデューサ・アレイ（１０）に接続されて、受信開口を形成し、前記第１の送信イベントに続いて第２の複数のトランスデューサ素子（１２）からの第１の組の信号を受信し、前記第２の送信イベントに続いて前記第２の複数のトランスデューサ素子（１２）からの第２の組の信号を受信する受信手段（１６）と、
前記第１と第２の組の信号の夫々から第１と第２のビーム加算された受信信号を形成するビームフォーマ手段（３０）と、
前記第１のビーム加算された受信信号を前記第１のオーバサンプルされたゴレイ系列の関数としてフィルタして第１のフィルタ処理信号を、そして、前記第２のビーム加算された受信信号を前記第２のオーバサンプルされたゴレイ系列の関数としてフィルタして第２のフィルタ処理信号を形成するフィルタ手段（５２，５６）と、
前記第１及び第２のフィルタ処理信号を加算して、デコード信号を形成する手段（５４，５８）と、
前記デコード信号の関数である画像を表示する表示モニタ手段（２２）とを有していることを特徴とする、超音波散乱体イメージングシステム。
開口を形成する前記トランスデューサ素子は（１２）は、前記第１と第２の送信イベントとにおいて同じ焦点位置にフォーカスされることを特徴とする請求項１のシステム。
前記送信手段は、
前記第１の複数のトランスデューサ素子（１２）に夫々結合された複数のバイポーラパルサ（２４）と、
これら複数のバイポーラパルサ（２４）の各々に前記第１と第２のゴレイ符号化された基本系列を供給する基本系列供給手段と、
を具備することを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
前記基本系列供給手段は、前記第１と第２のゴレイ符号化されたパルス系列を格納しておく第１のメモリ手段（３６）を具備することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
前記基本系列供給手段は、前記バイポーラパルサ（２４）の活性化を遅らせる送信遅延時間を格納しておく第２のメモリ手段（３８）を具備することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
前記フィルタ手段は、前記第１のビーム加算された受信信号を前記第１のオーバサンプルされたゴレイ系列で相関させ、且つ、前記第２のビーム加算された受信信号を前記第２のオーバサンプルされたゴレイ系列で相関させて、前記第１と第２のフィルタ処理信号を夫々生成する手段を具備することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
前記フィルタ手段は、ＦＩＲフィルタと、このＦＩＲフィルタに第１の組と第２の組のフィルタタップを供給するのメモリ手段とを有し、前記第１の組と第２の組のフィルタタップは、前記第１と第２のオーバサンプルされたゴレイ系列に夫々対応することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
超音波散乱体をイメージングする方法であって、
基本系列と、オーバサンプルした第１と第２のゴレイ系列との夫々の畳み込み演算から、第１と第２のゴレイ符号化パルス系列の夫々を、前記第１と第２のゴレイ符号化パルス系列との自己相関同士の和がクロネッカデルタ関数となるように、導き出す工程と、
第１の送信イベントの間に、トランスデューサアレイ（１０）にて送信開口を構成する第１の組のトランスデューサ素子（１２）を、前記第１のゴレイ符号化パルス系列で駆動する工程と、
前記第１の送信イベントに続いて、前記トランスデューサアレイ（１０）にて受信開口を構成する第２の組のトランスデューサ素子（１２）から、第１の組のエコー信号を受信する工程と、
前記第１の組のエコー信号から第１のビーム加算された受信信号を形成する工程と、
前記第１のビーム加算された受信信号を前記第１のオーバサンプルされたゴレイ系列の関数としてフィルタ処理して、第１のフィルタ処理信号を形成する工程と、
前記第１の送信イベントに続く第２の送信イベントの間に、前記第１の組のトランスデューサ素子（１２）を、前記第２のゴレイ符号化パルス系列で駆動する工程と、
前記第２の送信イベントに続いて、前記第２の組のトランスデューサ素子（１２）から、第２の組のエコー信号を受信する工程と、
前記第２の組のエコー信号から第２のビーム加算された受信信号を形成する工程と、
前記第２のビーム加算された受信信号を前記第２のオーバサンプルされたゴレイ系列の関数としてフィルタ処理して、第２のフィルタ処理信号を形成する工程と、
前記第１と第２のフィルタ処理信号同士を加算してデコード信号を形成する工程と、
前記デコード信号の関数としての画像を表示する工程とを具備することを特徴とする、超音波散乱体イメージング方法。
前記第１と第２の送信イベントにおいて、前記第１の組と第２の組のトランスデューサ素子（１２）を、同じ焦点位置にフォーカスさせることを特徴とする請求項８の方法。
前記フィルタ工程は、
前記第１のビーム加算された受信信号を前記第１のオーバサンプルされたゴレイ系列で相関させ、前記第２のビーム加算された受信信号を前記第２のオーバサンプルされたゴレイ系列で相関させることにより、前記第１と第２のフィルタ処理信号を夫々形成する工程と、
前記第２の組のエコー信号から第２のビーム加算された受信信号を形成する工程と、
前記第２のビーム加算された受信信号を前記第２のオーバサンプルされたゴレイ系列の関数としてフィルタ処理して第２のフィルタ処理信号を形成する工程と、
前記第１と第２のフィルタ処理信号を加算してデコード信号を形成する工程と、
前記デコード信号の関数としての画像を表示する工程とを具備することを特徴とする請求項８または９に記載の方法。