JPH10506800A

JPH10506800A - 超音波画像における調節可能な周波数走査方法および装置

Info

Publication number: JPH10506800A
Application number: JP8506780A
Authority: JP
Inventors: ライト，ジェイ．，ネルソン; コール，クリストファー，アール．; ジー，アルバート; ラーセン，ヒュー，ジー．; マズラク，サムエル，エイッチ．
Original assignee: アキュソンコーポレイション
Priority date: 1994-08-05
Filing date: 1995-08-04
Publication date: 1998-07-07
Also published as: DE19581711T1; US5549111A; WO1996003918A1; AU3360595A; DE19581711B4

Abstract

(57)【要約】走査フォーマットを使用して視野を走査する方法であって、視野の中心における結像パルスの搬送周波数を、視野の端部における搬送周波数よりも高くする。周波数の変更は、送信において、適当に遅延されたプログラム可能な初期波形情報サンプルを、プログラム可能な搬送周波数によって変調することにより達成される。これにより、人体に送信されるパルスは、走査の中心部において周波数が最も高くなり、操舵角度が増加するにつれて制御された方法で減少し、それによりグレーティングローブアーチファクトを減少させる。この手法は、変調が信号を単に周波数において変更するだけであり、実質的にパルス波形の変更を伴わないので、信号エネルギーを保存することができる。この手法は、受信においても有効であり、ビーム生成後の事前検出再変調（R-100）の前のベースバンドへ又はその近傍への変調は、走査線間の系統的な位相変動を補正し、その後の走査線に渡る干渉性処理、又は、複数のビームからの位相及び振幅を利用した干渉性結像（R-26）に関して、走査線間の位相の干渉性を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】超音波画像における調節可能な周波数走査方法および装置Ｉ．発明の分野この発明は、振動エネルギーを利用した、例えば、レーダーシステム、ソナーシステム、地震システムおよび超音波システムを含む干渉性の結像システムに関し、特に、これに限定されるものではないが、単なる例示としての、Ｂ−モード（グレースケール結像モード）、Ｆ−モード（フローまたはカラードップラー結像モード）、Ｍ−モード（モーションモード）およびＤ−モード（スペクトルドップラーモード）等の結像モードにおける、リニア型、操舵リニア型、セクタ型、サーキュラ型、ベクタ（登録商標）型、操舵ベクタ（登録商標）型およびその他の型の走査フォーマット等の走査フォーマット用の、位相アレイ超音波結像システムに関するものである。より詳細には、この発明は、位相アレイ変換器を用いた結像と、大開口、高周波数および、操舵角度の増加に起因する広範な視野との有益な結合に関するものである。より詳細には、この発明は、様々なフォーマットにおける像の外側端領域に対する良好な結像性能を維持しながら、視野の中央部分における空間解像度を改善するための、適応性を有する効果的な手段をもたらすものである。この発明を、超音波システムに関するものとして説明するが、この発明は、その他のタイプの干渉性結像システムに適用可能である。 II．発明の背景Ａ．調節可能な周波数走査システム位相アレイを利用した超音波医療システムが暫時使用されてきている。一般的には、３つの基本的な走査および表示フォーマットが、平面リニア変換器アレイ、即ち、個々の変換器素子の送信／受信面が単一の平面上に（ほぼ）位置しており、略一定の素子間隔を有するアレイと組み合わせて使用されてきている。素子の送信面を連結する線に対して垂直又は所定の角度を有する平行な走査線に対応する超音波ビームが、アレイを横切るようにシフトして配置された変換器素子のうちの選択されたグループによって発生した場合に、リニア型走査フォーマットによって２次元の像が形成されていた。平行な走査線によってリニア型走査を行う場合の視野は、変換器アレイの物理的開口の幅によって決定される。セクタ型走査フォーマットにおいては、変換器素子は、リニア型走査変換器のために通常使用される素子よりも、非常に近接して配置され、典型的なものにおいては約半波長の間隔をあけて配置されている。これによって、グレーティングローブを生ぜしめることなく、音波走査線を操舵することができ、変換器アレイのサイズを小さくすると共に、視野をより深い深度に拡大することができる。セクタ型位相アレイは、すべてが変換器アレイの面の中心における単一の点から発する音波走査線を生成する。ベクタ（登録商標）型走査フォーマットにおいては、走査線は、光線に沿って位置するが、これ等の光線は、変換器アレイの面上の単一の点から発する必要はなく、むしろ、典型的なものとしては、変換器アレイの面上にはない実質的に共通の頂点を通過することができる。変更可能に位置された頂点は、視野を拡大するために、通常は、変換器アレイの面よりも後方に選択可能な距離をおいた位置に置かれる。共通の頂点は、（アレイの前方を含み）どこに位置してもよく、アレイに対して垂直な中心線上にある必要はない。より一般的には、ベクタ（登録商標）型フォーマット走査における個々の走査線は、アレイの送信面と、異なる始点において、かつ、アレイの法線に対して異なる操舵角度をもって交差することができる。ベクタ（登録商標）型走査フォーマットは、アメリカ特許Ｎｏｓ．５，１４８，８１０；５，２３５，９８６；および５，２６１，４０８に記載されている。リニア型、セクタ型およびベクタ（登録商標）型走査フォーマットは、送信面が平面ではなく、むしろ湾曲した変換器アレイと共にも使用される。更に、数多くの走査フォーマットが、リニア型、セクタ型およびベクタ（登録商標）型走査フォーマット以外の他の類別によって定義されるが、これ等はすべて、各々の走査線について、変換器アレイとの交差点および変換器アレイの各法線に対する操舵角度の双方、並びに、走査線の最小および最大レンジを特定することによって定義付けされる。３次元走査フォーマットに関しては、各法線に対する２つの操舵角度（即ち、方位角および仰角）を用いることに加えて、他のパラメータのセットを特定する必要がある。また、送信および受信アレイは、典型的には同一の物理的性質を有するアレイであるが、一般的には、これ等は物理的に異なるアレイであってもよい。サンプルされた開口による位相アレイ超音波結像が、アレイ素子間隔の周期特性および超音波の干渉性に起因して、グレーティングローブの影響を受けることは周知である。グレーティングローブは、目的の方向から離れた角度における感度領域として現れ、干渉効果を生ぜしめ、その結果、像のアンビギュイティのアーティファクトをもたらす。超音波画像システムに望ましい特性は、高い空間解像度と広い視野である。前者のためには、高周波数作動、及び／又は、大能動開口が必要であり、後者のためには、大結像開口、及び／又は、グレーティングローブのアーティファクトを受けることなく、結像ビームを変換器の法線から離れた方向へ操舵する能力が必要である。位相アレイ結像ビームを、法線から離れるように、即ち、３０°以上遠ざけるように操舵すると、グレーティングローブ現象は、結像のアーティファクトに対して、より重要な影響力を有するものになる虞れがある。更に、感度またはゲインは、大操舵角度における個々の素子の感度の喪失効果に起因して喪失する。実際問題として、これ等の２つの効果が一体に結合することによって、グレーティングローブアーティファクトの影響が悪化する。操舵されるビームにおける感度低下の影響に対処するための１つの手段は、公称結像搬送周波数を低下させることである。しかしながら、これをすべての走査線に適用すると、像の視野における横方向の空間解像度全体が低下する。他の手段は、画像の中心から離れたビームについてのシステムゲインを増加することである。しかしながら、これは単なるゲイン調整に過ぎず、信号対雑音比、又は、ダイナミックレンジを改善するものではない。グレーティングローブの影響を軽減するための他の手段は、不利益をもたらす妥協策を含んでいる。素子と素子との間隔を、典型的には、搬送周波数の半波長の間隔に減少させることによって、グレーティングローブアーティファクトが制限または除去される場合があるが、横方向解像度が犠牲になる。能動電子チャンネル数を増加することも対応策であるかもしれないが、これによって複雑性およびコストがかなり増加する。最大操舵角度を減少させることによっても、グレーティングローブアーティファクトを軽減することができるが、視野が狭くなるという犠牲を伴う。走査線間ベースで結像周波数を減少させることによってグレーティングローブを抑制するための手段は、山口氏ほかのアメリカ特許Ｎｏ．４，６３１，７１０に既に開示されている。この特許において、可変帯域フィルタは、その特性（即ち、高域および低域カットオフ周波数）が操舵角度の関数として制御されるものとして記載されている。このフィルタは、広帯域増幅器、可変高域フィルタおよび可変低域フィルタを含んでいる。これは、操舵角度により、高周波パルスエネルギーを選択的にカットすることにより作動する。上述したように、このフィルタを、（１）パルス生成器または送信器からの各出力、（２）受信用変換器素子からの各受信信号、（３）複合受信ビーム、および、（４）原送信または励起信号の幾つかの組合せに適用することができる。グレーティングローブエネルギーを制御するための上述した手段は、多くの不利益を受ける。第一に、送信チャンネルおよび／または受信チャンネル毎に１つのこの種の装置を設けると、著しく高価で複雑化し、高速超音波画像システム用に電子部品の強化を要し、１２８個以上の送信器および受信器が同時に作動可能であるので、この種の装置が２５６個以上必要となる。これ等の装置は、ビーム生成の合計に必要な干渉性を破壊する位相エラーの導入を回避するために、ビーム生成以前に適用されるので、非常に広範な周波数レンジにわたって、非常に良好に適合した、厳格な公差に基づく部品によって構成されなければならない。このことは、受信または送信、またはこれ等の双方について、各チャンネル毎に個々の帯域フィルタを増設するための追加費用が非常に高額であることを意味している。第二に、原送信信号に可変帯域フィルタを適用するという提案のためには、波形整形後に、チャンネル毎に任意の波形を遅延させる必要がある。各励起パルスの搬送周波数は、特定の変換器についてでさえも、広大な周波数レンジにわたって、走査線の関数として変化しなければならないので、上述した可変帯域フィルタは、各能動送信チャンネル毎の専用のアナログ遅延線を含んでいるのみならず、各遅延線は非常に大きな帯域幅を有していなければならない。勿論、結像システムが、搬送周波数が広範囲に変化する（変換器の典型的な搬送周波数は、近年の高速医療超音波結像システムに関して言えば、２．０ＭＨｚから７．５ＭＨｚ又はそれ以上である）種々の変換器のために使用される場合には、帯域幅の要件は非常に厳しくなる。典型的なものとして、約３２から１２８個の能動送信器を同時に有する、高速超音波画像システムに関しては、再び、非常に高額になる。第三に、上述した山口特許の方法は、有益な信号エネルギーを喪失するので、信号対雑音比が本来的に低下するという問題を被る。可変帯域フィルタがシステムにおけるどこに使用されているかに拘わらず、このことは一般論として当てはまる。（にもかかわらず、上述したように、残りのすべての提案は、合理的コスト、他の考慮すべき事項ににおいて現実的に実現性がないので）複合受信ビームに可変帯域フィルタを適用するという、上述した特許の提案に集中すると、この特許において採用されている方法は、注目する帯域外で受信した信号エネルギーを単に放棄するということにほかならない。従って、帯域が５０％減少した場合には、信号エネルギーの５０％が単に放棄されるに過ぎない。しかも、放棄される信号エネルギーは、変換器が最高に感度の良好な周波数域に正確に存在しているので、信号対雑音比において非常に重大な損失を招く。グレーティングローブを減少させる方法は、1991年７月４日付「ELECTRONICLE TTERS」、第２７巻、第１４号におけるＭ．Ｈ．Ｂａｅ、Ｉ．Ｈ．ＳｏｈｎおよびＳ．Ｂ．Ｐａｒｋによる論文「超音波合成焦点調節におけるグレーティングローブの減少」にも論評されている。しかしながら、そこに論評された解決法は、単一の素子による合成焦点調節のみに適用されるものである。即ち、この解決法は、隣接する合成素子間の「間隔」を２という係数によって効果的に減少させることにほかならない。アレイ処理においては、このことは、同時能動チャンネル数を２という係数によって増加するという、当業界では既に周知の方法にほかならず、与えられたチャンネル数をもって、グレーティングローブを減少するという問題を解決するものではない。 III．発明の要旨この発明は、各走査線毎に結像周波数を制御しながら、信号エネルギーを放棄することなく、送信および受信パルス波形を処理するための手段を提供するものである。好ましくは、結像周波数を、ベクタ（登録商標）型またはセクタ型走査の場合には、操舵角度の関数として減少させ、また、湾曲リニア型またはリニア型走査の場合には、端部列の角度の関数として減少させる。これにより、高結像周波数による操作、および、それゆえ像の中央部分における高解像度と、像の横方向部におけるグレーティングローブを抑制した広い視野とを結合することが可能になる。感度の維持およびグレーティングローブからの解放の代償として、走査端付近における横方向の解像度は低下する。好ましくは、走査線毎の周波数の変更は、送信パルスのデジタル構造によって送信時に達成され、これによって、パルス波形の適切に遅延された初期波形サンプルが、異なる走査線について変化するプログラム可能な結像周波数に変調される。結像周波数はプログラムされ、その結果、走査の中央部分における搬送周波数が最も高い結像パルスが人体に送信され、そして、操舵角度が増加したとき、または、ビーム起点が端部列に接近したときに、グレーティングローブアーティファクトレベルを軽減するための制御された方法で減少される。変調は、パルス形状そのものを変更することなく、初期波形サンプルの信号エネルギーを単に周波数変換するに過ぎないので、上述した技術によって、パルス信号エネルギーは保存される。ここにおいて使用されているように、操舵角度は、走査線が交差する、変換器アレイの送信または受信面上の点における法線に関して測定され、０°の操舵角度は、法線と一致する。上述と同一の定義が、２次元（２Ｄ）変換器アレイから生じた３次元（３Ｄ）走査フォーマットに適用され、そして、湾曲した変換器アレイ面に適用される。また、初期波形サンプルは、好ましくは、０Ｈｚまたは０Ｈｚ付近を中心とする、実数の、または同相／直角位相（Ｉ／Ｑ）ベースバンドの励起パルス波形を示す。次いで、ベースバンド励起パルス波形は、送信中に変換器に適用される前に、結像周波数にまで変調され、デジタル・アナログ変換される。受信中においては、変換器から受信された波形信号は、遅延され、そして、０Ｈｚまたは０Ｈｚ付近を中心とする共通のデジタルベースバンドに復調される。各ビームのための復調周波数は、ビームを送信するために使用された変調周波数と、必然的にではないが、典型的には同一である。結果として得られた波形は、次いで、他のチャンネルからの波形と干渉的に加算される。その結果として得られたビーム生成信号は、次いで、好ましくは固定で、走査線間基準において変化することのないベースバンドフィルタを通過する。ベースバンドフィルタは、変調および復調による望ましくない生成物およびノイズを除去するが、望ましい信号エネルギーを決して減少させてはならない。従って、このプロセス全体を通じて、信号対雑音比を最大にし、従って、感度を最大にしながら、信号エネルギーが保存される。ベースバンドフィルタの出力において、ビーム生成後の信号を再変調することによって、位相の干渉性を、走査線に渡って維持させることができることが示されている。これによって、操作後に位相情報が喪失する、対数検出およびエンベロープ検出等の非線形操作を行う前に、横方向フィルタリングのための走査線の干渉性線形結合、または、追加の画像サンプルの干渉性補間を有効に生成することを可能ならしめる。更に、受信復調周波数を、走査線の関数としてのみならず、これをレンジの関数としても変化させることができる。このことには、結像パルス搬送周波数が人間の柔らかい組織等の減衰媒体を通って伝播するときの、周波数の低下に追従することを可能ならしめるという利点がある。更に、この操作は、信号エネルギーの周波数位置に追従する処理を調節することによって、信号エネルギーを保存することに役立つ。この発明の目的は、操舵が僅かな、視野の最も重要な中央部分において、実質的に高い結像パルス搬送周波数を実現し、それ以外の、グレーティングローブの影響がより顕著である像の横方向外側部に向けられた結像パルス搬送周波数を低くするように、結像パルス搬送周波数を変化させる、費用的に効率的な高性能な手段を提供することにある。この発明の他の目的は、グレーティングローブアーティファクトを回避するために選択された固定結像パルス搬送周波数を使用する走査フォーマットを用いた場合に提供することが可能な視野を超えて、横方向視野を拡大することにある。この発明の更に他の目的は、パルスエネルギーを変調および復調によってシフトすることによって、パルスエネルギーを保存し、もって、感度および信号対雑音比を最大にすることにある。調節可能な周波数の結像システムは、高結像パルス搬送周波数および拡大視野と、アンダーサンプルされた大（素子間隔がλ／２超の）結像開口との組合せによる利益をもたらす。従来の固定周波数結像システムにおいては、感度の低下およびこれによる結像アーティファクトを回避するために、これ等の望ましい特性の低下を代償としなければならない。調節可能な周波数の結像システムは、走査線が変換器アレイの面の法線に関して操舵されるすべての走査フォーマットに有益に適用可能である。これは、例えば、アメリカ特許Ｎｏｓ．５，１４８，８１０および５，２６１，４０８に記載された走査フォーマットを含んでいる。たとえ、操舵が行われなくても、走査線の始点が変換器アレイの物理的端部付近になる場合にグレーティングローブアーティファクトを減少させるために、調節可能な周波数の結像システムを適用することも可能である。これは、２次元アレイからの３次元走査システムにも適用可能である。 IV．図面の簡単な説明この発明を、その特定の実施態様に関して、図面を参照しながら説明する。図面において、図１ａおよび１ｂは、人体組織へ出入りする超音波ビームの送信および受信を概念的に示している。図２ａは、超音波医療用結像システムにおける新規な超音波ビーム生成器システムの高レベル概略ブロック図を示している。図２ｂおよび２ｃは、図２ａの超音波ビーム生成器システムの詳細なブロック図を示している。図３Ａ、３Ｂ、４Ａおよび４Ｂは、超音波変換器アレイ用の幾何学的パラメータを、シンボルとして図示している。Ｖ．好適な実施例の説明Ａ．好適なビーム生成器システム構造の概要１．超音波信号の説明本発明では、超音波結像は、結像されるべき人体の組織又は他の物体に、送信走査線と呼ばれる空間的な直線に沿うように中心が配置された合焦超音波ビームの走査シーケンスを発射（送信）することによって行われる（図１ａ）。送信走査線は、送信ビーム生成器と超音波変換器アレイによって生成される。送信走査線は、予め定められた発射又は走査パターンによって、組織の平坦でリニア、平坦でセクタの、又は他の表示を生成するように離間している。組織のある定められた深度に焦点が合うと、組織を通じて公称Ｃ＝１５４０ｍ／秒の想定一定伝搬速度で伝搬する超音波送信連続波（ＣＷ）又はパルス波（ＰＷ）信号は、組織と相互作用し、信号の小さい部分を、超音波信号を発信した超音波変換器アレイへ戻す。往復遅延時間は、超音波変換器アレイの最も近くに位置する目標に対して最短であり、変換器アレイから最も離れている目標に対して最長になる。適正な時間遅延を適用すると、受信ビーム生成器（図１ｂ）は、例えば、対象の最浅のレンジ（深度）から始まり、対象の最深のレンジに向かう、受信走査線と呼ばれる空間的な直線に沿う受信ビームを動的に焦点調節できる。図１ａと１ｂは、各々、送信と受信の走査線（実線）と個々の素子からの直線信号伝搬通路（破線）を示す。図１ａでは、送信ビーム生成器は、この特定の実施例の場合、リニア位相アレイとして構成された複数の個々の変換器素子Ｔ−５４を含む変換器アレイＴ−５２と共に、Ｔ−５０によって全体的に表されている。従来技術において周知のように、多種多様な変換器アレイ構成が、超音波送受信ビーム生成器システムで使用できる。図１ａから分かるように、送信ビーム生成器Ｔ−５０は、適切に時間的に遅延された電気信号を個々の変換器素子Ｔ−５４に送る。これらの変換器素子Ｔ−５４は、電気信号を、人体の組織Ｔ−５６内を伝搬する音波に順に変換する。個々の変換器素子Ｔ−５４に送られる励起信号に異なる時間遅延を加えることによって、それぞれ焦点レンジｒ₁とｒ₂を有する送信走査線Ｔ−６０とＴ−６２が設定できる。これらの送信走査線の各々が、結像されるべき人体に向けて操舵され焦点調節される、異なる送信ビームの中心線を表していることが理解できる。送信ビーム生成器Ｔ−５０は、異なる走査線に沿う、又は、同じ走査線に沿う異なる焦点深度の同時のマルチビームを生成できる（合成焦点）。更に、複数の送信ビームは、各々が、結像フォーマット全体を走査でき、又は、複数のビーム各々が結像フォーマットの指定部分だけを走査するように送信できる。図１ｂは、デジタル受信ビーム生成器Ｒ−５８を示し、これもまた変換器アレイＴ−５２に接続している。また、図１ｂには、動的に焦点調節された第１受信ビームと動的に焦点調節された第２受信ビームに夫々対応する受信走査線Ｒ−６４とＲ−６６が図示してある。ビームは、レンジにおいて、夫々の走査線に沿う複数の焦点深度（ｒ₁、ｒ₂、ｒ₃）でサンプルされる。本発明のデジタル受信信号通路では、変換器アレイ信号は、複数の別個のビームを表すデータに選択的に分離できる。送信又は受信走査パターンの各々の走査線は、変換器アレイ上の原点と走査線方向（角度θ）と焦点深度又はレンジ（ｒ）とによってパラメータ設定できる。本発明の超音波結像システムは、これらのパラメータによって指示される焦点調節時間遅延と開口アポダイゼーション値の予め計算された散在データセットを記憶し（従来技術において周知の幾何学的検討に基づいて）、リアルタイム計算手段によってその値を拡張して、所望の走査線を生成する送信／受信ビーム生成器システムを制御する。２．ビーム生成器システム図２ａ、２ｂ、２ｃは、医療用超音波結像システムＲ−２０の全体的なブロック図を示す。超音波システムＲ−２０は、ビーム生成器システムＲ−２２、１以上の変換器Ｔ−１１２、ディスプレイＲ−２８を有する表示処理システムＲ−２６、超音波結像システムコントロールＲ−４０を備えている。図２ａ、２ｂ、は２ｃでは、ビーム生成器システムＲ−２２は、独創的で新規の、（１）デジタル送信ビーム生成器システムＴ−１０２、（２）デジタル受信ビーム生成器システムＲ−１００、（３）ビーム生成器中央制御システムＣ−１０４、（４）適応式焦点調節コントロールシステムＧ−１００、（５）ドップラー受信ビーム生成器システムＡ−４００、（６）ベースバンドマルチビームプロセッサＲ−１２５、及び、（７）干渉性サンプル合成器Ｓ −１００を備えている。これらのシステムは、高レベル機能ブロック図として図示してある。ブロックは、実行される信号処理機能を効果的に図示するために、好適な実施例の実際の装備から抽出されている。図２ａに示すように、ビーム生成器システムＲ−２２は、２つのデジタルビームデータ源を表示処理システムＲ−２６に提供する。すなわち、（１）ビームの干渉性時間的サンプル抽出（ＣＷケース）、又は、ビームに沿ったあるレンジロケーションにおける干渉性時間的サンプル抽出（ＰＷケース）を表すドップラー受信ビーム生成器の単一ビームの複素同相／直角位相データと、（２）各々の受信走査線に沿うレンジにおける干渉性サンプル抽出を表す、デジタル受信ビーム生成器のマルチビームの複素同相／直角位相データである。ビーム生成器システムＲ−２２は、種々の表示モードに適したデータを提供するために、前述のように、走査線のシーケンス及び関連するサンプルを提供するように作動できる。例として、可能な表示モードとそれらに関連するプロセッサは、（１）Ｂ−モード（グレースケール結像）とＭ−モード（運動表示）のための輝度画像及び運動プロセッサＲ−３０と、（２）Ｆ−モード（流れ結像）のためのカラードップラー画像プロセッサＲ−３２と、（３）広域動的非結像ドップラー速度対時間表示のためのスペクトルドップラープロセッサＲ−３４とを搭載できる。更なる表示モードは、当業者には自明のことと思われるが、Ｒ−２２の２つの複素データ源から作成できる。また、超音波システムＲ−２０は、出力波形を送信器Ｔ−１０３から変換器素子Ｔ−１１４に送る送信デマルチプレクサＴ−１０６と、入力波形を変換器素子Ｔ−１１４から受信器Ｒ−１０１に送る受信マルチプレクサＲ−１０８と、１以上の変換器コネクタＴ−１１０と、変換器アレイＴ−１１２を備えている。数多くのタイプの変換器アレイがこのシステムで使用できる。また、超音波システムＲ−２０は、超音波結像システムコントロールＲ−４０と、走査パラメータと走査データを記憶する保管メモリＲ−３８と、オペレータインタフェースＲ−３６を備えている。ここで用いる超音波という用語は、人間の聴覚範囲を越える周波数を意味している。しかし、変換器アレイＴ−１１２は典型的に２〜１０ＭＨｚの範囲の周波数に対して最適化してある。変換器アレイＴ−１１２は、リニア、湾曲、湾曲リニア、及び、環状の変換器アレイを含むが、それらに限定されない、種々の異なる変換器アレイと交換可能である。種々の変換器アレイの形状と周波数は、種々の異なる医学的な設定に関する要求を満足するために望ましいことである。しかし、変換器アレイＴ−１１２は、典型的には前述の２〜１０ＭＨｚの指定範囲内の周波数に対して最適化される。医療用超音波システムＲ−２０は、３つの主な機能、すなわち、超音波変換器アレイ素子Ｔ−１１４を駆動して、焦点調節した超音波エネルギーを送ること、変換器アレイＴ−１１４に入射する後方散乱した超音波エネルギーを受けて焦点調節すること、送信／受信機能を制御してリニア、セクタ又はベクタ（登録商標）フォーマットを含む（しかしこれらには限定されない）走査フォーマットの視野を走査することを行う。図２ａ、２ｂ、２ｃでは、コントロール信号は細い案内線で連結されるが、シグナルパスは太い案内線を用いて描かれている。３．デジタル送信ビーム生成器システム好適な実施例では、デジタル送信ビーム生成器Ｔ−１０２は、複数のデジタルマルチチャンネル送信器Ｔ−１０３と、１以上の個々の変換器素子Ｔ−１１４に対する１つのデジタルマルチチャンネル送信器とから構成されている。送信器は、マルチチャンネルであり、好適な実施例では、４つまでの独立ビームを処理できる。従って、例えば、１２８個のマルチチャンネル送信器は５１２チャンネルを有する。他の好適な実施例では、５つ以上の独立したビームを処理できる。プロセッサあたり５つ以上のビームを処理することも本発明の視野の範囲内である。好適な実施例では、デジタルマルチチャンネル送信器Ｔ−１０３の各々は、励起事象に対応する出力として、４パルスまでの重畳を生成し、各々のパルスがビームに対応している。各々のパルスは正確にプログラム設定された波形を有しており、その増幅度は、他の送信器又はチャンネルあるいはその両方に対して正確にアポダイズされ、共通の送信開始（ＳＯＴ）信号に対して正確に定められた時間だけ遅延される。送信器Ｔ−１０３はＣＷも生成できる。各々のデジタル・マルチチャンネル送信器Ｔ−１０３は、概念的には、複素変調器Ｔ−１１７に出力を送るマルチビーム送信フィルタＴ−１１５を備えている。複素変調器Ｔ−１１７の出力は、遅延／フィルタ部Ｔ−１１９に送られ、そこからデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）Ｔ−１２１に送られる。ＤＡＣＴ− １２１の出力は増幅器Ｔ−１２３によって増幅される。マルチビーム送信フィルタＴ−１１５と、複素変調器Ｔ−１１７と、遅延／フィルタ・ブロックＴ−１１９は、デジタルマルチチャンネル送信プロセッサＴ−１０４を構成する。送信フィルタＴ−１１５は、送信開始（ＳＯＴ）信号に対応するあらゆる実数又は複素数波形を提供するようにプログラム設定できる。送信フィルタＴ−１１５は、あらゆる所望の任意のパルス波形の実数又は複素数サンプルを記憶するメモリと、焦点調節遅延機能の構成要素によって遅延された送信開始（ＳＯＴ）信号に応答して連続的にサンプルを読み出す手段と、を備えて構成される。好適な実施例では、Ｔ−１１５のメモリは、実数又は複素数パルスのエンベロープのベースバンド表示を記憶するようにプログラム設定される。ブロックＴ−１１５は、主としてメモリであるが、ブロックＴ−１１５の出力がインパルスに対するフィルタの時間応答と考えることができるので、ここでは送信フィルタと呼ぶことにする。複素変調器Ｔ−１１７は、エンベロープを送信周波数にアップコンバートし、適切な焦点調節位相及びアポダイゼーションを提供する。遅延／フィルタ部Ｔ−１１９は、概念的には、あらゆる残余焦点調節遅延成分と最終的な整形フィルタを提供する。デジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）Ｔ −１２１は、送信波形サンプルをアナログ信号に変換する。送信増幅器Ｔ−１２３は、送信パワーレベルを設定し、選択された変換器素子Ｔ−１１４へ送信デマルチプレクサＴ−１０６経由して送られる高電圧信号を生成する。各々のマルチチャンネル送信プロセッサＴ−１０４に関連するのは、局部的又は２次プロセッサコントロールＣ−１２５であり、それは、アポダイゼーションと遅延値などの制御値及びパラメータを、マルチチャンネル送信プロセッサＴ− １０４の機能ブロックに提供する。各々の局部的又は２次プロセッサコントロールＣ−１２５は、中央又は１次制御システムＣ−１０４によって順に制御される。４．デジタル受信ビーム生成器システム個々の変換器素子Ｔ−１１４からの信号は、結像される物体から反射される戻りエコー又は戻り信号を表している。これらの信号は、変換器コネクタＴ−１１０を経由して受信マルチプレクサＲ−１０８に送られる。マルチプレクサＲ−１０８を経由して、各々の変換器素子Ｔ−１１４が、複数のデジタルマルチチャンネル受信器Ｒ−１０１のうちの１つに別々に接続しており、デジタルマルチチャンネル受信器Ｒ−１０１は、加算器Ｒ−１２６と共に、本発明のデジタル受信ビーム生成器Ｒ−１００を構成する。受信器はマルチチャンネルであり、好適な実施例では、各々の受信器が４つまでの独立したビームを処理できる。プロセッサあたり５つ以上のビームを処理することも、本発明の視野の範囲である。各々のデジタルマルチチャンネル受信器Ｒ−１０１は、好適な実施例では、図２ｂの高レベル機能ブロック図に示す、次の要素を備えている。これらの要素は、動的で小ノイズで可変時間利得式の増幅器Ｒ−１１６と、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）Ｒ−１１８と、デジタルマルチチャンネル受信プロセッサＲ−１２０と、を備えている。デジタルマルチチャンネル受信プロセッサＲ−１２０は、概念的には、フィルタ／遅延ユニットＲ−１２２と、複素復調器Ｒ−１２４と、を備えている。フィルタ／遅延ユニットＲ− １２２は、フィルタリングと、粗い焦点調節の時間遅延を提供する。複素復調器Ｒ−１２４は、微細な焦点調節の遅延を位相回転とアポダイゼーション（計測又は重み付け）の形態で提供し、また、ベースバンドへ、又は、その近傍への信号復調を行う。テジタルマルチチャンネル受信器Ｒ−１０１は、加算器Ｒ−１２６に接続され、そこでは、各々の受信プロセッサの各ビームの信号サンプルが加算器Ｒ−１２６により加算されて、最終受信走査線サンプルを生成し、その結果得られた複素サンプルはベースバンドプロセッサＲ−１２５へ送られる。局部的又は２次コントロールＣ−２１０は、各々のデジタルマルチチャンネル受信器Ｒ−１０１に関連する。局部的プロセッサコントロールＣ−２１０は、中央又は１次コントロールＣ−１０４によって制御され、タイミングと制御とパラメータの値を前述の受信器Ｒ−１０１のそれぞれに送る。パラメータ値は、時間遅延プロファイルとアポダイゼーションプロファイルを含んでいる。５．ドップラー受信ビーム生成器システム広ダイナミックレンジ、非結像ドップラー捕捉のためのドップラー受信ビーム生成器システムＡ−４００は、アナログ受信器Ａ−４０２を備えており、その各々がエコー信号を各々１以上の変換器Ｔ−１１４から受信する。ドップラー受信器Ａ−４０２の各々は、復調器／レンジゲートＡ−４０４を備えており、それは受信信号を復調してゲート制御し（ＰＷモードだけ）、エコーを狭いレンジから選択する。ドップラー受信器Ａ−４０２のアナログ出力はドップラープリプロセッサＡ−４０６に送られる。プリプロセッサＡ−４０６内で、アナログ信号は、加算器Ａ−４０８によって加算され、その後、積分され、フィルタリングされ、アナログプロセッサＡ−４１０によってサンプル抽出される。プリプロセッサＡ− ４０６は、それから、サンプル抽出したアナログ信号をアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）Ａ−４１２でデジタル化する。デジタル化された信号は表示処理システムＲ−２６に送られる。全てのドップラー受信器Ａ−４０２に、単一の局部的又は２次ドップラービーム生成器コントロールＣ−１２７が関連している。ドップラービーム生成器コントロールＣ−１２７は、中央又は１次制御システムＣ−１０４によって制御され、制御及び焦点調節パラメータの値をドップラー受信ビーム生成器システムＡ− ４００に提供する。ドップラー受信ビーム生成器システムＡ−４００を記載する前述の特許出願において指摘したように、このビーム生成器システムＲ−２２は、デジタル受信ビーム生成器システムＲ−１００とドップラー受信ビーム生成器システムＡ−４００を、同一のデジタル送信ビーム生成器システムＴ−１０２及び同一の変換器アレイを用いて、デジタル受信ビーム生成器システムＲ−１００がＢ−及びカラードップラーモードのような結像モードに対して最適となるように効果的に結合し、それゆえ、高い空間解像度を備えていることになる。付帯するドップラー受信ビーム生成器システムは、広いダイナミックレンジを備え、非結像ドップラー処理信号捕捉における使用に対して最適化されている。６．ビーム生成器中央制御システム本発明のビーム生成器中央制御システムＣ−１０４は、デジタル送信ビーム生成器システムＴ−１０２と、デジタル受信ビーム生成器システムＲ−１００と、ドップラー受信ビーム生成器システムＡ−４００と、適応式焦点調節制御システムＧ−１００と、ベースバンドプロセッサＲ−１２７の動作を制御する。中央制御システムＣ−１０４の主な制御機能が図２ｃに図示してある。制御機能は４つの構成要素を用いて行われる。捕捉コントロールＣ−１３０は、超音波システムコントロールＲ−４０を含むシステムの残りの部分と通信し、高レベルの制御と走査パラメータのダウンロードを行う。焦点調節コントロールＣ−１３２は、送信／受信ビーム生成に必要な動的遅延値とアポダイゼーションデジタル値をリアルタイムで計算し、それらは、適応式焦点調節制御システムＧ−１００により提供されるあらゆる推定補正値に加え、事前計算値と拡張理想値を含んでいる。前置コントロールＣ−１３４は、デマルチプレクサＴ−１０６とマルチプレクサＲ−１０８の切替えを設定し、変換器コネクタＴ −１１０とインタフェースし、全ての送信増幅器Ｔ−１２３及び全ての受信増幅器Ｒ−１１６の利得とバイアスレベルを設定する。タイミングコントロールＣ− １３６は、デジタル回路が要求するデジタルクロックの全てを提供する。これは送信器ＤＡＣＴ−１２１と受信器ＡＤＣＲ−１１８の全てのサンプル抽出クロックを含んでいる。好適な実施例では、中央制御システムＣ−１０４は、補間及び補外の如き手法を用いて事前に計算され、記憶されたデータに基づいて、焦点調節時間遅延と開口アポダイゼーション値の散在テーブルを拡張する。拡張した遅延及びアポダイゼーション値は、変換器開口に渡る値のプロファイルとして局部プロセッサコントロールに送られ、レンジにおける遅延とアポダイゼーションのデータ拡張が、変換器素子ごと、サンプルごと、ビーム値ごとに行われる。７．適応式焦点調節制御システム適応式焦点調節制御システムＧ−１００はリアルタイム同時適応式焦点調節を提供する。適応式焦点調節制御システムＧ−１００は、中央コントロールＣ−１０４の焦点調節コントロールＣ−１３２に焦点補正遅延値を提供する適応式焦点調節プロセッサＧ−５０５を備える。適応式焦点調節プロセッサＧ−５０５は、デジタル受信ビーム生成器システムＲ−１００のサブアレイ加算器Ｒ−１２６から収集したデータから収差値推定器Ｇ−５０２によって生成された出力を演算する。従って、収差補正値、好ましくは収差遅延及び振幅値は、図２ｃに示す適応式焦点調節制御サブシステムＧ−１００により、送信焦点深度に対応するレンジ領域で、各々の受信走査線又は受信走査線のサブセットについて適応的に測定される。焦点調節遅延を調整する適応式焦点調節制御システムに加えて、数多くの適応式制御システムが考えられる。これらのシステムは、例えば、（１）焦点調節遅延と開口アポダイゼーションを調整する適応式コントラスト改善制御システムと、（２）焦点調節遅延及び位相、並びに、開口アポダイゼーションを調整する適応式干渉除去コントロールと、（３）焦点調節遅延及び位相と、開口アポダイゼーションと、像送受信周波数と、ベースバンド波形整形を調整する適応式目標改善コントロールと、を備える。適応式焦点調節制御システムＧ−１００の好適な実施例に含めることができる適応式焦点調節機能の別の観点は、幾何学的収差変換デバイスＧ−５０８／５０９であり、それは、測定された収差値を収差値推定器Ｇ−５０２が収集しなかった走査線及び走査線深度位置について、適応式焦点調節プロセッサＧ−５０５に収差補正遅延値を提供することができる。特に、測定された収差補正値は、Ｇ− ５０８／５０９の遅延テーブルに書き込まれる。Ｇ−５０８／５０９は、幾何学的収差変換のルックアップルールに準じて遅延テーブルから値を検索し、深度、走査幾何形状、並びに、深度、走査幾何形状、及び、収差補正値が測定されたモード以外の捕捉モードに対して有効な開口に渡る焦点調節遅延補正のプロファイルを形成する。８．ベースバンドプロセッサシステムベースバンドプロセッサＲ−１２５は、ここに記載したように、フィルタリング、受信走査線間（ビーム間）の増幅および位相調整を行う。ベースバンドプロセッサＲ−１２５は、ベースバンドフィルタ、複素乗算器、並びに、ベースバンドフィルタおよび複素乗算器の動作を制御するベースバンドプロセッサコントロールを付加的に含んでいる。ベースバンドプロセッサコントロールは、中央制御システムＣ−１０４によって制御される。９．干渉性サンプル合成システムこのシステムは、この発明のマルチビーム送信およびマルチビーム受信能力を利用して、実際の走査線に沿った受信ビームデータの干渉性（事前検出）サンプルを捕捉し、記憶し、そして、記憶された干渉サンプルの補間を行って、実際の走査線に沿った、または、合成的に生成された走査線に沿った新たなレンジ位置に新たな干渉サンプルを合成する。捕捉されたサンプルおよび合成されたサンプルの双方が、表示処理ステムＲ−２６に伝送される。 10．送信および受信マルチプレクサ変換器アレイ素子Ｔ−１１４と、デジタル送信ビーム生成器システム、デジタル受信ビーム生成器システムおよびドップラー受信ビーム生成器システムのためのプロセッサＴ−１０３、Ｒ−１０１およびＡ−４０２との接続性は、図２ａに示す送信デマルチプレクサＴ−１０６および別の受信マルチプレクサＲ−１０８を介して確立されている。図２ａに示す複数の変換器のマルチプレクサの形態は、単一の変換器アレイ内に完全に位置し、または、２個の変換器アレイに跨がる送信および受信開口を選択することを可能ならしめる。２つのマルチプレクサは、ビーム生成器中央制御システムＣ−１０４によって独立して制御されるが、滑り開口および合成開口モードを含む多くの捕捉モードを支持するためにプログラムすることができる。Ｂ．方法この発明の実施方法に関する特定の実施例を考慮するために、搬送周波数ｆ＝２．５ＭＨｚの半波長分の間隔を有する平面変換器アレイを考える。ここで使用したように、信号の搬送周波数は、信号のパワースペクトルの質量中心であり、これは、フィルタリング等に起因して、変調周波数と一致しなくてもよい。この条件で、λ＝ｃ／ｆであるから、素子間隔ｄ＝０．６１６ｍｍである。ここにおいて用いたｃ＝１．５４ｍｍ／μｓｅｃの値は、人体内の音波の速度の近似値であり、これと異なる近似値を用いることが可能であることが理解される。平面アレイについてのグレーティングローブ角度θｇは、下式によって求められることは周知である sin(θ_s) - sin(θ_g)＝λ/ｄ (1) 但し、θ_g ＝グレーティングローブ角度 θ_s ＝操舵角度 λ ＝信号波長ｄ＝素子間隔式（１）は、素子間隔ｄがλ／２のとき、＋９０°の操舵角度に関して、グレーティング角度が−９００であることを予測している。この式の更に現実的な使用は、最大操舵角度θs,maxが＋４５°で、素子間隔がλ／２のときに、何が発生するかを考慮することである。この場合において、グレーティングローブの挙動に関する式ｓｉｎ（θｓ）−λ／ｄ＝−１．２９によって、良好な像をもたらすことは周知である。搬送周波数ｆの式を整理し、 λに代入すれば、下式が得られるｆ＝ｃ/ｄ・1.0/[sin(|θ_s|)＋1.29]，｜θ_s｜< 45° (2) 式（２）は、操舵角度または走査線の関数としての最大周波数を示している。これは、表形式で次のように表される：このように式化すれば、各走査線について、実質的に唯一の周波数が存在する。走査線に渡り周波数をかなり粗く量子化し、そして、都合のよい周波数、例えば、０．１ＭＨｚに最も近くなるように丸められ、または、０．５ＭＨｚに最も近くなるように丸められた周波数等を選択することには、明らかに、かなりの適応性がある。しかしながら、搬送周波数の選択ががかなり大まかな場合には、走査線に渡りビデオフィルタリングを行って、得られる像の外観を滑らかにしなければならない場合がある。このようなフィルタリングは、走査変換プロセス中に、または、数本の隣接する走査線に渡る後続の空間的フィルタリングを行うことによって、適用してもよい。いずれの場合にも、ここに記載した利益が依然としてもたらされる。更に、式（２）の値の１．２９に、適切な定数Ｋ（θs,max）を単に代入することによって、式（２）を、あらゆるθs,maxについて一般式化することができる。どの走査線がどの周波数ステップを用いるかを決定するために、上述した方法の代わりに、若干異なる方法を有益に用いることができる。先ず、比較的高い搬送周波数を、画像の中心部のために予め選択する。この周波数は、予め特定された評価基準が乱されるまで、増加する操舵角度の関数として維持される。このとき、評価基準が再び乱されるまで、更に大きな操舵角度を実現するために予め選択された、より低い搬送周波数を用いる。次いで、更に大きな操舵角度を実現するために、更に低い搬送周波数を用い、所望の最大操舵角度に到達するまで、このような方法を実施する。どの操舵角度のときに低い周波数に降下させるかを決定するための適切な評価基準は、図３Ａおよび３Ｂを参照して求められる。図３Ａは、複数個の送信または受信素子Ｖ１０４を含む能動開口Ｖ１０２を有するリニアアレイをシンボルとして図示している。焦点はＦで示されている。図３Ｂは、湾曲したアレイに関して、上述と同一のものを示している。何れの場合においても、最大操舵角度は、アレイの端部素子Ｖ１０６、即ち、焦点Ｆから最も遠い位置にある素子と関連を有していることが分かる。受容角度と等しい、端部素子のみの操舵角度、および、この素子に関連ある対応するグレーティングローブについて考察する。従って、式（１）は、図３Ａおよび３Ｂを参照して、下式になる： sin(θ_g)＝sin(α)−λ/ｄ (3) ここで、端部素子の操舵角度、即ち、受容角度を、負のグレーティングローブ角度、即ち、α＝−θｇ未満に、または、限界値でこれと等しくしなければならない場合には、受容角度についての限界値は、下式によって表される： sin(α)＝λ/(２・ｄ) (4) この評価基準は、アレイにおける各素子は、受信焦点およびグレーティングローブ角度におけるターゲットに対する感度が同一である端部素子を除き、受信焦点におけるターゲットに対する感度が、グレーティングローブ角度における同ーターゲットに対する感度よりも、より高いことを示している。図４Ａおよび４Ｂの幾何学的配置を参照しながら、周波数ステップにおける最大許容操舵角度と、能動開口およびその対応受信焦点と、特定の搬送周波数との関係を生ぜしめることができる。この関係は、下式によって表される：但し、ｂ＝（１−［λ／（２ｄ）］²）ｆ_♯＝（ｒ／Ｄ）＝ｆ数ｄ＝素子間隔ｒ＝焦点レンジＤ＝能動開口 κ＝グレーティングローブを特定のレベル未満に維持するために選択された選択可能な定数。但し、０＜κ＜１．０。注：κ＝０．７０７によって、ｄ＝λ／２のときのθmax＝４５°が保証される。下記例を考える：ｄ＝０．３０８ｍｍｆ_♯＝６ κ ＝０．７０７これにより、下記表を求めることができる：周波数を操舵角度の関数として処理するための２つの異なる方法をこのように表したが、これ等の方法を変化させたものを適用してもよい。更に、リニアまたは湾曲リニア変換器を用いたリニア型走査フォーマットについて、走査線が端部列に接近したときに送信および／または受信周波数を減少させる技術は、上述したように、これ等の走査フォーマットにおけるグレーティングローブを処理するためにも有効な手段である。例えば、特定の能動開口を維持することが望ましい場合には、端部素子の受容角度αと、周波数ｆ＝ｃ／λとの関係は、上記式（３）および（４）から導き出される。操舵角度および端部列の双方を考慮した、ベクタ型走査フォーマットに有益な他の方法を開発することが可能である。周波数ステップを、操舵角度の関数として、または、端部列の角度の関数として、または、その両者としてのいすれにより処理するかに拘わらず、周波数ステップが大きい場合には、検出されたビデオ出力にラテラルビデオフィルタを適用して、走査線間の遷移を平滑化することが望ましい。このようなビデオフィルタを用いることは、他の関連技術において周知である。Ｃ．変調、復調および再変調上述したように、ビーム生成後、検出前の用途のために、走査における２本以上のビーム間において、受信時に干渉性位相の整列を維持することが望ましい。即ち、所定のレンジについて、第１受信ビームから受信されたベースバンドＩ／Ｑ信号と、第２受信ビームから受信されたベースバンドＩ／Ｑ信号とが位相的に整列されていることが望ましい。２本のビームについて変調周波数が異なる場合には、ビーム間の位相整列は内在するものではなく、むしろ、レンジに応じた位相差が導入される。それにもかわわらず、レンジに依存する位相差を、ビーム生成後のベースバンドＩ／Ｑ信号を再変調することによって系統的に補正することができる。複数の素子に渡って干渉的に加算され、送信時に変調され、受信時に復調され、そして、干渉性加算されたビーム生成器の出力における信号の理想的な表示を考察すれば、下記の通りである：但し、ｅ(t) ＝ベースバンドＩ／Ｑ信号のエンベロープ、 ω_m ＝２πｆ_m＝変調周波数［ＭＨｚ］、 ω_d ＝２πｆ_d＝復調周波数［ＭＨｚ］、ｒ＝像の深度（レンジ）［ｃｍ］。留意すべき事項は、結像パルスの実際の搬送周波数、ｘ（ｔ−２ｒ／ｃ）は、組織による減衰、送信および受信処理連鎖におけるフィルタリング、並びに、式（６）には明らかに考慮されていない他の影響などの他の事項に更に依存することである。干渉性加算に必要な遅延および位相整列の詳細な表示もまた、式（６）には明確には含まれていないが、これ等は、当業者によって推測されるものである。この詳細は、ここに述べられた特別な結果の動機付けを行うために必要ではない。送信変調周波数、受信復調周波数、または、これ等の双方は、一般的にはレンジに依存する。特に、これについては、下式の関係がある： ω_m＝ω(Ｒ_t)，and ω_d＝ω_d(Ｒ_r)，但し、Ｒ_t＝能動アレイの中心から送信焦点までの距離、Ｒ_r＝能動アレイの中心から受信焦点までの距離。動的に更新されるシステムに関して言えば、これは、ω_dが継続的に更新されることを意味する。次に、変調周波数ω_m ¹、復調周波数ω_d ¹およびビーム生成器後の再変調周波数 ω_r ¹に対応する走査線１、並びに、それぞれ変調、復調および再変調周波数ω_m ² 、ω_d ²およびω_r ²を有する隣接した走査線２について考察する。異なる変調、復調および再変調周波数の結果としての、これ等２本の走査線間のビーム生成後の位相差を、下式によるΔνの大きさによって制限することができる： Δν＜(ω_m ²-ω_m ¹)・Ｔ_p-[(ω_d ²+ω_r ²)-(ω_d ¹+ω_r ¹)]・2R_r/Ｃ (7) 但し、Ｔ_p＝受信ビーム生成器の信号出力のいずれかの深度におけるパルス持続時間。この式は、ビーム生成器後の再変調点での受信焦点深度、Ｒ_rにおいて有効てある。再び留意すべきは、式（７）とは別問題として、ビーム生成器出力における位相干渉性を確保するために必要な、Δνとは別の項があることである。これに限定されるものではないが、この種の項の例としては、ベクタ（登録商標）型、リニア型および湾曲リニア型フォーマットにおいて、特に端部列調整において必然的に生ずる、ビーム始点におけるオフセットの原因となる項が挙げられる。予測される通り、ω_m ²＝ω_m ¹、ω_d ²＝ω_d ¹およびω_r ²＝ω_r ¹のとき、Δν＝０である。次に、ビーム生成器後における再変調を行えば、周波数ω_rを有する事前検出された出力によって、その適切な選択により走査線間での位相干渉性が可能になることについて、式（７）から説明する。特に、下式のようにω_r ¹およびω_r ²を選択すれば： ω_d ¹＋ω_r ¹＝ω_d ²＋ω_r ² (8) 式（７）の第２項を実質的に無視することができる。ここにおいて留意すべき事項は、レンジ追従システムの場合のように、ω_dがレンジに依存する場合には、 ω_rもまたレンジに依存しなければならないことである。 (ω_m ²−ω_m ¹)・Ｔ_pによって得られた式（７）の第１項は、(ω_m ²−ω_m ¹)を充分に小さくすることによって容易に処理される。例えば、Δν＜π／４という要件を仮定すれば、典型的なものとして、追従フォーカスシステムのための再変調点において測定された結像パルスは、公称変調周波数の４サイクルの持続時間を有していると考えられる。次いで、走査線間での周波数変化について要求された限界値は、式（７）および（８）から概算的に、ｆ_m ²−ｆ_m ¹＜ｆ_m ¹／32になる。公称変調周波数が５ＭＨｚの場合には、走査線間の変調周波数差は、この実施例においては、０．１５６ＭＨｚ未満に抑制される。従って、ビーム生成後、検出前の受信処理が、走査におけるすべてのビームについてのビーム間の位相干渉性を必要とする場合には、走査における何れか２本のビーム間の最大送信キャリア周波数差を、上述した基準を満たすように選択すべきである。再変調周波数を特定した式（８）の上述した関係は、送信中の変調周波数に関して独立している。このような独立性は、すべての送信および受信チャンネルについての変調信号および復調信号の双方が、共通のタイミングクロック基準に関して位相ロックされていることを推定するものである。即ち、すべてのこのような変調および復調信号は、共通の時間的基準について規定されている。式（８）の上述した関係は、また、連続した送信走査線の変調周波数および連続した受信走査線の復調周波数が、各々、遅い速度で変化して、２πの位相によるアンビギュイティを回避していることを推定するものすべき課題と一致する。式（８）の上述した関係は、また、視野のある点に関してなされたあらゆる観察は、ターゲットがこの点（即ち、トラッキングまたはダイナミックフォーカス）に位置しているか否かに拘わらず、受信焦点がこの点に位置しているときに生じるという「良好な合焦」システムを推定するものである。上述した再変調は、受信ビーム生成後、検出前に行われることが望ましいが、その代わりに、再変調を、干渉性チャンネル加算前にチャンネル毎に行うことが可能であることに留意すべきである。アナログフィルタ、変換器素子等によって導入される位相変化等の、変化する変調および復調周波数の補正に加えて、補正されるべき他の系統的な位相変化が存在することがあることにも留意すべきである。その場合には、それ等の補正も同様に行うべきである。典型的なものとしては、これ等の補正を、上述した位相補正に単に加えて、全体的な位相補正を生ぜしめる。Ｄ．デジタル超音波画像システムにおける実行この発明の重要な特徴は、送信および受信された波形を、変調および復調によって、周波数において変換することができることである。好ましい実施態様においては、これは、デジタル構造に関連して、送信および受信の双方における大まかな遅延と精密な遅延とを組合せて行われる。このようなプロセスによって、キャリアー（または変調）周波数は、走査線間毎に変化するものの、情報のロスは実質的にない。ここに記載したデジタル構造は、更に、送信されたパルス形状および帯域幅全体にわたる精密な制御を可能にし、更に、同時に送信および／または受信される複数のビームの励起を可能にする。この構造の全体のブロック図は、上述した図２ａ、２ｂおよび２ｃに記されている。この発明の好ましい実施態様の上述した説明は、発明を図示し説明するために行ったものであって、これは、余すところなく説明すること、または、この発明を、開示した厳密な形式に限定することを意図しているのではない。数多くの改良および変更を行うことは、当業者にとって自明である。例えば、異なる実施態様において、複数のビームの照射における異なるビームが、異なるキャリアー周波数を有していてもよい。ここに記載した実施態様は、発明の原理およびその実際の適用方法を最良の形で説明し、もって、この発明を、様々な実施態様について、考慮すべき特別な用途に適した様々な対応で、当業者に理解させることを可能ならしめるために、選択され記載されたものである。この発明の技術的範囲は、下記請求項およびその均等物によって特定されることを意図している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者ジー，アルバートアメリカ合衆国，94024 カリフォルニア州，ロスアルトウズ，マドンナウェイ 844 (72)発明者ラーセン，ヒュー，ジー. アメリカ合衆国，94022 カリフォルニア州，ロスアルトウズヒルズ，コネジョコート 26520 (72)発明者マズラク，サムエル，エイッチ. アメリカ合衆国，94062 カリフォルニア州，ウッドサイド，ハイロード 961

Claims

【特許請求の範囲】１．複数の超音波送信ビームを用いて視野を走査する方法において、前記超音波送信ビームの少なくとも第１および第２のビームが前記視野内の異なる経路を横切り、前記方法は下記ステップを有すること：前記送信ビームの少なくとも前記第１および第２のビームについてのベースバンド波形を超音波周波数に変調するステップであって、前記第１送信ビームが変調された超音波周波数は、前記第２送信ビームが変調された超音波周波数よりも高い；及び、前記送信ビームの少なくとも前記第１および第２のビームについて、超音波変換器のアレイにおける複数のそれぞれの変換器を、変調された前記ベースバンド波形のそれぞれに応答するそれぞれの励起信号によって励起して、送信ビームを生成するステップ。２．下記を特徴とする、請求項１に記載した方法：前記視野は、中央領域と、前記視野における前記中央領域から横方向に延びる外側領域とを有しており、前記第１ビームは前記中央領域を横切り、前記第２ビームは前記外側領域を横切る。３．下記を特徴とする、請求項２に記載した方法：前記中央領域を横切る前記複数の超音波ビームにおけるすべてのビームの周波数は、前記第１ビームの周波数と等しく、前記外側領域の１つを横切る前記複数の超音波ビームにおけるすべてのビームの周波数は、前記第２ビームの周波数と等しい。４．下記を特徴とする、請求項１に記載した方法：前記視野は、２つの横方向において対向する端部と、中央領域と、前記中央領域から前記視野の前記端部のそれぞれの１つに向ってそれぞれ横方向に伸びる１対の外側領域とを有しており、前記第１ビームは前記中央領域を横切り、前記第２ビームは前記外側領域の１つを横切る。５．下記を特徴とする、請求項４に記載した方法：前記中央領域を横切る前記複数の超音波ビームにおけるすべてのビームの周波数は前記第１ビームの周波数と等しく、前記外側領域の１つを横切る前記複数の超音波ビームにおけるすべてのビームの周波数は前記第２ビームの周波数と等しい。６．下記を特徴とする、請求項１に記載した方法：前記複数の超音波ビームにおける前記ビームの各々は、前記アレイの面の法線に対して、異なる見掛け操舵角度を有している。７．下記を特徴とする、請求項６に記載した方法：前記複数の超音波ビームにおける前記ビームの周波数は、最小の絶対見掛け操舵角度を有するビームから最大の絶対見掛け操舵角度を有するビームに、３以上の周波数ステップをもって降下する。８．下記を特徴とする、請求項６に記載した方法：前記複数の超音波ビームにおける前記ビームの周波数は、最小の絶対見掛け操舵角度を有するビームから最大の絶対見掛け操舵角度を有するビームに、少なくとも１周波数ステップをもって降下する。９．下記を特徴とする、請求項８に記載した方法：前記周波数ステップの各々において、前記複数の超音波ビームにおける前記ビームの何れかの最大操舵角度θs,maxは、その周波数ステップにおけるビームの周波数ｆと下記の関連を有している：但し、λ＝ｃ／ｆ；ｃは人体内の音波の速度の近似値としての定数であり；ｂ＝ (１-{λ/(2d)}²)；ｆ_♯は能動開口幅Ｄによって分割された焦点長さｒによって規定されるｆ数であり；ｄは前記アレイ内の変換器素子間隔であり： κは前記周波数ステップのすべてにわたる定数である所望の値であり、０＜κ＜１である。 10．下記を特徴とする、請求項８に記載した方法：前記複数のビームにおける前記ビームのうちのｉ番目のビームの周波数ｆｉの概数は下記の通りである：ｆ_i＝（ｃ/ｄ）{sin(｜θ_s,i｜)＋κ(θ_s,max)}^-1, 但し、ｃは人体内の音波の速度の近似値としての定数であり：ｄは前記アレイ内の変換器素子間隔であり； θs,iは前記ｉ番目のビームの操舵角度であり；ｋ（θs,max）は最大操舵角度θs,maxに依存する定数である。 11．下記を特徴とする、請求項６に記載した方法：前記複数のビームにおける前記ビームのうちのｉ番目のビームの周波数ｆｉの概数は下記の通りである：ｆ_i＝（ｃ/ｄ）{sin(｜θ_s,i｜+κ(θ_s,max)}^-1，但し、ｃは人体内の音波の速度の近似値としての定数であり；ｄは前記アレイ内の変換器素子間隔であり； θs,iは前記ｉ番目のビームの操舵角度であり；ｋ（θs,max）は最大操舵角度θs,maxに依存する定数である。 12．下記を特徴とする、請求項11に記載した方法： 13．下記を特徴とする、請求項11に記載した方法： 14．下記を特徴とする、請求項１に記載した方法：前記複数の超音波送信ビームにおける前記ビームの各々は、前記アレイの面との、異なる見掛けの交差点を有している。 15．下記を特徴とする、請求項14に記載した方法：前記複数の超音波送信ビームにおける前記ビームの各々は、また、前記アレイの前記面の法線に対する、異なる見掛けの操舵角度を有している。 16．下記を特徴とする、請求項14に記載した方法：前記複数の超音波送信ビームにおける前記ビームの周波数は、前記アレイの前記面の中心に最も近い交差点を有するビームから、３以上の周波数ステップをもって降下する。 17．更に下記ステップを有することを特徴とする、請求項１に記載した方法：変調ステップおよび励起ステップを繰り返して、時間において分離された、前記視野の複数の走査を生ぜしめるステップであって、前記複数のビームにおける各々のビームの超音波周波数は、前記走査のすべてにおいて同一である。 18．更に下記ステップを有することを特徴とする、請求項１に記載した方法：前記複数の超音波送信ビームにおける前記ビームの各々に対応する少なくとも１つの超音波受信ビームを生成するステップであって、前記超音波受信ビームの各々は、前記変換器のうちの対応する変換器から受信された複数の入力波形をもって表され、受信ビームに沿った複数のレンジについての情報を含んでおり、前記受信ビームのうちの少なくとも第１および第２ビームは、前記視野内の異なる経路を横切っている；及び、前記受信ビームの各々の入力波形を、受信ビームのそれぞれの復調周波数で復調するステップであって、前記第１受信ビームの復調周波数は、同一レンジでの情報に関して、前記第２受信ビームの復調周波数よりも高い。 19．更に下記ステップを有することを特徴とする、請求項１に記載した方法：前記複数の超音波送信ビームにおける前記ビームの各々に対応する少なくとも１つの超音波受信ビームを生成するステップであって、前記超音波受信ビームの各々は、前記変換器のうちの対応する変換器から受信された複数の入力波形をもって表され、受信ビームに沿った複数のレンジのための情報を含んでおり、前記受信ビームのうちの少なくとも第１および第２ビームは、前記視野内の異なる経路を横切っている；前記受信ビームの各々の復調された出力波形を復調および結合して、前記受信ビームの各々のビーム出力波形を生成するステップ；及び、前記受信ビームの異なるそれぞれについて、ビーム出力波形に渡ってフィルタリングするステップ。 20．更に下記ステップを有することを特徴とする、請求項１に記載した方法：前記走査中に、超音波変換器の前記アレイを励起して、前記複数の超音波ビームには存在しない付加的な超音波ビームを生成するステップ。 21．下記を特徴とする、請求項１に記載した方法：前記ベースバンド波形は、ほぼ０Ｈzを中心とする周波数スペクトルを有している。 22．下記を特徴とする、請求項１に記載した方法：前記ベースバンド波形は、所定の装置において可能な限り低い周波数を中心とする周波数スペクトルを有している。 23．下記を特徴とする、請求項１に記載した方法：前記ベースバンド波形は、前記ビームのすべてについて同一である。 24．下記を特徴とする、請求項１に記載した方法：前記複数の超音波ビームにおける前記超音波ビームはすべて、時間において分離している。 25．下記を特徴とする、請求項１に記載した方法：超音波変換器のアレイにおける複数のそれぞれの変換器をそれぞれの励起信号で励起する前記ステップは、下記ステップを有する：前記アレイにおける複数のそれぞれの変換器を、前記送信ビームのうちの１つのビームについての前記変調されたベースバンド波形のそれぞれの波形に応答するそれぞれの励起信号で励起するステップ；及び、前記アレイにおける複数のそれぞれの変換器を、前記送信ビームの他のビームについての前記変調されたベースバンド波形のそれぞれの波形に応答するそれぞれの励起信号で同時に励起するステップ。 26．下記を特徴とする、請求項１に記載した方法：変換器の前記アレイの面は、平面および湾曲面の何れか１つである。 27．下記を特徴とする、請求項１に記載した視野を走査するための方法：前記第１ビームを生成するベースバンド波形は、前記第２ビームを生成するベースバンド波形と同一である。 28．下記を特徴とする、請求項１に記載した方法：前記ベースバンド波形の各々は、ベースバンド波形のエンベロープである。 29．第１および第２の送信ビームを含む複数の超音波送信ビームを用いて、視野を走査するための、下記を有する装置：面を有する超音波変換器のアレイ；前記第１送信ビームを生成するための変換器の前記アレイを、第１超音波周波数で励起するための手段、前記第１送信ビームは、前記アレイの前記面の法線に対して、第１角度で伸びており、前記アレイの前記面との第１交差点を有しており；前記第２送信ビームを生成するための変換器の前記アレイを、第２超音波周波数で励起するための手段、前記第２送信ビームは、前記アレイの前記面の法線に対して、前記第１角度で伸びており、前記アレイの前記面との第２交差点を有しており；前記第２交差点は、前記第１交差点と異なり、前記第２超音波周波数は、前記第１超音波周波数よりも低い。 30．複数の超音波送信および受信ビームを用いて視野を走査する装置において、前記送信及び受信ビームは第１および第２の送信ビームを含み、１番目の１つ以上の受信ビームが前記第１送信ビームに対応し、２番目の１つ以上の受信ビームが前記第２送信ビームに対応し、前記装置は下記を有すること：超音波変換器のアレイ；波形を変調して、送信ビームと関連を有する送信励起波形を生成し、そして、受信ビームと関連を有する波形を復調するための回路、前記回路は、前記第１送信ビームと関連を有する高い超音波周波数および第２送信ビームと関連を有する低い超音波周波数での励起波形を生成するための手段を含んでおり；前記第１および第２送信ビームは、前記視野内の異なる経路に沿って前記アレイから生成される。 31．下記を特徴とする、請求項30に記載した装置：前記変調回路は、ベースバンド波形を変調して、前記第１送信ビームを生成するために前記超音波変換器に適用される第１変調波形を生成し、そして、ベースバンド波形を変調して、前記第２送信ビームを生成するために前記超音波変換器に適用される第２変調波形を生成する。 32．更に下記を有することを特徴とする、請求項30に記載した装置：前記第１送信ビームに対応する前記第１の１つ以上の受信ビームを生成し、そして、前記第２送信ビームに対応する前記第２の１つ以上の受信ビームを生成するためのビーム生成器。 33．下記を特徴とする、請求項32に記載した装置：前記復調回路は、前記第１の１つ以上の受信ビームを生成するために結合される出力波形から、第１復調ベースバンド波形を生成し、そして、前記第２の１つ以上の受信ビームを生成するために結合される出力波形から、第２復調ベースバンド波形を生成する。 34．下記を特徴とする、請求項33に記載した装置：前記復調回路は、各受信ビームのための出力波形から、復調されたベースバンド波形を生成し、前記第１の１つ以上の受信ビームは、前記第２の１つ以上の受信ビームよりも高い復調周波数を有している。 35．更に下記を有することを特徴とする、請求項33に記載した装置：前記第１の１つ以上の受信ビームとそれぞれ関連を有する第１の１つ以上の再変調された波形、および、前記第２の１つ以上の受信ビームとそれぞれ関連を有する第２の１つ以上の再変調された波形を生成するための再変調回路、前記第１の１つ以上の受信ビームおよび前記第２の１つ以上の受信ビームにそれぞれ対応する前記第１の１つ以上の再変調された波形および前記第２の１つ以上の再変調された波形間において、位相干渉が維持されている。 36．下記を特徴とする、請求項34に記載した装置：前記第１の復調された波形に対応する第１復調周波数と前記第１の再変調された波形に対応する第１再変調周波数との和は、前記第２の復調された波形に対応する第２復調周波数と前記第２の再変調された波形に対応する第２再変調周波数との和と等しい。 37．下記を特徴とする、請求項30または36に記載した装置：各送信ビームは、単一の受信ビームと関連を有している。 38．下記を特徴とする、請求項30または36に記載した装置：各送信ビームは、複数の受信ビームと関連を有している。 39．下記を特徴とする、請求項30に記載した装置：変換器の前記アレイの面は平面である。 40．下記を特徴とする、請求項30に記載した装置：変換器の前記アレイの面は湾曲面である。