JPH10506809A - 位相偏差補正のための２ｄアレーの作動方法及び接続装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 第１および第２タイプのトランスジューサ素子を持つ、２Ｄトランスジューサアレーを含む型式の超音波イメージング装置。第１タイプの各素子が、第２タイプの各素子によって占められるエリアの整（数）の端数ないし分数（の大きさ）により表される）、アレーのエリアを占めている。複数の乗算／加算回路を含む接続装置がアレー素子を超音波イメージング装置の残り部分に電気的に接続するために設けられる。各乗算／加算回路は、所定の数、この所定の数は整（数）の端数ないし分数の逆数である、の第１タイプの素子を互いに選択的に組み合わせるため、それぞれの複数の第１タイプの素子に個別に接続される複数の信号入力を有している。本発明の望ましい実施例においては、２Ｄアレーは全体的に長方形の形状をなしており、そしてその横方向に沿った列、およびその高さ方向に沿った行とに配置された素子を有し、アレーの第１横部分は第１タイプの素子の少なくとも１つの行を含み、そしてアレーの第２横部分は第２タイプの素子の行を含んでいる。乗算／加算回路は組み合わせられるべき所定の数の素子を選択するために、第１タイプの素子の行の素子の各々に個別に接続された信号入力を有している。

Description

【発明の詳細な説明】 位相偏差補正のための２Ｄアレー の作動方法及び接続装置 関連する出願への相互参照 本出願は、本出願と同時に本願発明者によって出願された、そして同じ譲受け 人に譲渡された、「位相ずれ（偏差）補正のための２Ｄアレー」との名称を有す る出願に関する。 発明の背景 １．本発明の属する分野 本発明は超音波イメージングにおける改善に、そしてより特定化すれば、回路 および処理の複雑さにおける増加を最小化しながら、位相ずれ（偏差）補正処理 の性能を改善する２Ｄアレーの動作の新しい接続装置および方法に、関する。こ のアレーは、それらの高さ方向において異なる寸法の素子にセグメント化された 第１および第２部分を含んでおり、ここにおいてアレーの第１部分は粗素子にセ グメント化され、そして第２部分は微素子にセグメント化されている。接続装置 は選択的に、複数の微素子を互いに接続し、その結果接続された微素子に相当す る２Ｄアレーのエリアは実質的に粗素子のエリアと同じサイズとなる。 ２．従来技術の説明 超音波イメージングは、パルスエコー（Ｂモード）イメージングの形態におい て、事実上各医療用特定用途で広く用いられてきた。Ｂモードイメージング装置 は、エコー振幅に比例した明度レベルとして、超音波トランスジューサに戻って くるエコーを表示する。明度レベルの表示は、トランスジューサに垂直な平面に おける対象物の断面イメージを結果としてもたらす。 現在の超音波トランスジューサアレーは標準的に、送信信号の適切なタイミン グおよび受け取られたエコーの適切な表示によって達成される、送信モードフォ ーカシングおよび受信モードダイナミックフォーカシングを含んでいる。たとえ ば、リニアフェーズアレーは、送信信号および受信エコーの適切なタイミングに よって焦点合わせだけでなく、送信および受信ビームを操縦（角度付け）するよ うに動作する直線的に配置されたトランスジューサ素子の単独グループから構成 される。 都合よいことに、タイミングまたはフェージング（位相合わせ）データは、普 通１５４０ｍ／秒である、音波の一様な速度で人体組織媒体を通る超音波パルス の伝搬を想定（仮定）することによって決められる。 人体内の音波の一定速度の想定（仮定）はまた、フライトデータのラウンドト リップパルスエコー時間をイメージに変換するための全ての超音波走査装置の設 計の基礎ともなっている。不幸なことに、この全ての人体組織に関する単純モデ ルは、誤ったものである。人体は実際には変化する厚さと形状の隆起およびうね を持つ、異なる組織（脂肪、筋肉および骨格）の複数の不均等な層からなってお り、そしてその結果異なる音響速度を有している。それらの層は、トランスジュ ーサと、たとえば関心のある内部組織との間に存在する。超音波の伝搬速度は、 脂肪における約１４７０ｍ／秒から、筋肉におけるそして神経の多い組織におけ る１６００ｍ／秒よりも大きなものまで、そして骨における３７００ｍ／秒のよ うな大きさにまで変化する。もし不正な平均速度が選択されるならば、（ドップ ラー処理を基にしたカラーフローイメージのような、他の超音波イメージと同様 ）Ｂ走査イメージは、イメージ範囲および走査（スキャン）レジストレーション （位置合わせ）エラーを出現させる。 一様な組織媒体が一定の音響伝搬速度を有しているという仮定のもとでは、不 均一な組織の存在はイメージアーティファクト、レンジシフト幾何学的歪み等の 結果を生じさせ、これらは、理想的な回折（により）−制限される横方向分解能 を劣化させ、そして（イメージにおける信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を悪化させる ）サイドローブを増加させる。 不均等な、そして一様でない組織層のこれら不利な効果は、トランスジューサ 開口を横断して導かれる不 均一と結びついた、知られていない位相ずれ（偏差）の結果をもたらす。本明細 書において、位相ずれ（偏差）補正（ＰＡＣ）（）Ｐｈａｓｅ Ａｂｅｒａｔｉ ｏｎ Ｃｏｒｅｃｔｉｏｎ）処理として一般的に参照される、種々の信号処理技 術を用いて、これらずれ（偏差）を克服するために多くの試みがなされてきた。 ＰＡＣ方法は、ビーム形成のための時間遅延を生ぜしめるために、（補正素子 またはグループの）アレーの１つの素子または素子のグループからの信号を、補 正グループまたは素子および基準グループの（基準素子またはグループの）アレ ーの別の部分から受け取られた信号と比較することに依存している。この時間遅 延は、相互参照（クロスリファレンス）またはスペックル明度のような、いくつ かの方法のいずれか１つによって最適化される。そのような技術は、たとえば米 国特許第４，８５２，５７７号（デューク大学におけるトラヘイ他によって行わ れた研究の説明）、および米国特許第５，１７２，３４３号（ジェネラルエレク トリックにおけるオードンネルによって行われた研究の説明）の主題であり、こ れら両方は超音波イメージング装置のための２つの公知ＰＡＣとして、本明細に おいて参照されている。 最適化の後、補正素子のための時間遅延の値が固定され、そして次に、標準的 には新しい基準グループに隣接している次の補正素子またはグループを最適化す るために次の基準グループの一部となる。この目的は、前に説明した組織不均一 の焦点ずれ効果を補正するために、時間遅延における小さな調節（この調節は普 通「位相ずれ（偏差）補正プロフィール」と呼ばれる）を提供することである。 超音波イメージ発生器で用いられている最も多いアレー型式は、イメージの平 面に相当するように横方向に延びたアレーの１次元配置（１Ｄアレー）である。 良好なイメージ特性を得るために、この素子は横方向に小さく、そして微細（約 １波長またはそれ以下）に配置されるが、しかし高さ（平面の外へ）方向は、（ たとえば１５から２０波長の）比較的大きな寸法に固定されている。これは、作 られる平面イメージのスライス厚さを規定する、高さ方向における固定された焦 点配置を提供する。 前に説明したように、超音波信号が人体のような不均一な媒体を通過して伝搬 するとき、種々の組織の解析の指標における変化は横および高さ方向の両方にお いて波面の歪みを発生させる。ＰＡＣ処理は、イメージ品質、特にコントラスト 分解能、を改善するために、そのような歪みを補正するように試みてきた。１Ｄ アレーを用いる場合には、ＰＡＣ処理は横方向において発生される歪みに関して のみ補正できることが明らかである。 高さ方向における歪みの影響は、アレー素子の高さ 方向にわたる信号のフェーズ感応積分によって生じるフェーズキャンセレーショ ン（有害干渉）を発生させる。このフェーズキャンセレーションは、イメージ中 にスペックルを発生する信号の望ましくない振幅変調を生じさせ、そしてＰＡＣ アルゴリズム内で時間遅延最適化のために用いられる基準グループ信号を劣化さ せる。この影響を補償するために用いられる１つの手法は、基準グループと補正 素子またはグループとの間の、相関係数（またはＰＡＣアルゴリズムにおいて最 適化されるパラメータのメリット表現の他の類似の数値）上にスレッショールド を設け、これより下では時間遅延値は、その相関係数がスレッショールド基準を パスしたその最も近い隣接するものの間の補正グループまたは素子に関して補間 される。しかし、これは最も近い近傍がスレッショールドをパスしているならば 良好に働くのみである。もしいくつかの、絶縁されたスレッショールド欠陥が存 在するのみであれば、これは適正に働くがしかし、もし連続的に欠陥が存在する ならば、正確な補間を補償するための良好な手段ではない。 高さ方向における特性を改善するための別の手法は、横方向におけると同様、 高さ方向においても、アレーの素子を分ける、２Ｄアレーを構成することである 。たとえば、１９９１年の超音波シンポジウムにおいて出版された「２次元異方 性フェーズアレーのずれ（ 偏差）補正」と題する、オードンネル他による論文は、２Ｄアレーの横方向を一 様に横切るよう用いられる、高さ方向におけるアレー分割パターンの１つの型式 を開示している。ここで開示した２Ｄアレーは、素子の列の対称的配置を含んで おり、アレーの中心からの列の距離に従って変化する高さおよび列ごとに少ない 素子を持つこの列は高さ方向において増加する。列の高さ変化および列毎の素子 の数の変化によって、そのようなアレーは構成するのが難しく、そして多くの信 号処理チャンネルを必要とする。さらに、１つの列からの１つの素子は、所定の 特定な音響インピーダンスを持つべきである（特定の音響インピーダンスは素子 の電源インピーダンスに直接的に比例する、素子のユニットエリアごとの機械的 インピーダンスの関数であり、そして素子の振幅および周波数応答性を決める） 。しかし、異なる高さの列からの素子は、異なる特定の音響インピーダンスを持 つ。このため、どの特定の素子の特定の音響インピーダンスもその表面エリアに 依存する。理想的なビーム形成およびＰＡＣのためには、全ての素子の特定の音 響インピーダンスが等しくされるべきであるため、オードンネルアレーはいくら か不都合である。 理想的には、ＰＡＣのための最善の結果を得るには、高さ方向における分割が 横方向と同様、微細なものとされるべきである。しかし、そのような装置は製造 するのが難しく、そしてＰＡＣアルゴリズムを実行させるには多くのパルス繰り 返し周期（ＰＲＰ）を必要とする。このことは、イメージフレームレートをきわ めて遅くする。そのような遅いフレームレートを用いると、視野内に何らかの動 きまたはトランスジューサの動きが存在するならば、（たとえばＰＡＣアルゴリ ズムを再び開始させることによって）動きが考慮されたとしても、ＰＡＣの結果 は劣化する。このため、アレー素子の数とＰＡＣ処理の結果との間には、いくら かのトレードオフが存在する。超音波、電磁、および周波数制御に関する１９９ ４年９月に発行されたＩＥＥＥ会報第４１巻第５号６３１−６４３ページの、デ ューク大学のＮｇ他による「位相ずれ（偏差）補正のためのいくつかのアルゴリ ズムの比較評価」と題する論文は、全ての現在のＰＡＣ技術の基本的な問題が隣 接列の素子間の低い相関であることを認識している。Ｎｇ他は、いくつかのエッ ジ形状がアレーのエッジにおける中心−中心高さ方向を減少させるために研究さ せるべきであると提案しているが、しかし何の特別な装置も開示されておらず、 そしてアレーの複雑さを相当に増加させること、その製造の困難さ、およびこれ を制御するのに必要なハードウェアの複雑さのために、（前述オードンネルの文 献におけるような）高さ方向においてより微細に分割された素子を提供すること は望ましくないと指摘している。 より大きなサイズで、そしてより高い分解能のイメージのための、さらに増加 する要求とともに、２Ｄアレーは広く用いられていくと考えられ、そして特に２ ＤアレーはＰＡＣ処理の特性を改善するために、高さ方向において微細な素子を 持つようになる。アレーの素子の数における増加のために、必要な信号処理回路 の複雑さが相当に増加する。構成するのに比較的簡単な、そして同時に信号処理 回路の残り部分の柔軟性を明らかに制限することのない、２Ｄアレーのための接 続装置を提供することが、本発明の目的である。 発明の要約 超音波イメージング装置において用いるための、本発明の基本的手法によれば 、トランスジューサ素子の第１および第２タイプを持つ２Ｄトランスジューサア レーが備えられる。第１タイプの各素子は、第２タイプの各素子によって占めら れるエリアの整（数）の端数ないし分数（ｉｎｔｅｇｒａｌ ｆｒａｃｔｉｏｎ ）の大きさの（の大きさにより表される）アレーの１つのエリアを占めている。 接続装置が、アレー素子を超音波イメージング装置の残り部分に接続するため設 けられ、この接続装置は複数の乗算器／加算器回路を含んでいる。各乗算／加算 回路は、第１タイプ相互の素子の所定の数を選択的に組み合わせるため、相応す る複数の第１タイプの素子に個別に接続された複数の 個別の入力信号接続を有しており、この所定の数は、整（数）の端数ないし分数 （ｉｎｔｅｇｒａｌ ｆｒａｃｔｉｏｎ）の逆数である。本発明の望ましい実施 例においては、２Ｄアレーは全体的に長方形の形状であり、そしてその横方向に 沿った列およびその高さ方向に沿った行に配置された素子を持ち、アレーの第１ の横部分は少なくとも第１タイプの素子の１つの行を含み、そしてアレーの第２ 横部分は第２タイプの素子の行を含んでいる。乗算／加算回路は組み合わせられ るべき素子の所定の数を選択するために、第１タイプの素子の列の各素子に個別 に接続された信号入力を有している。 本発明のさらに別の特色によれば、乗算／加算回路の出力インピーダンスは超 音波イメージング装置の残り部分の入力インピーダンスと整合し、本発明のこれ らの、そして他の目的と利点とは、望ましい実施例の以下の説明から、そして請 求の範囲から明らかとなるであろう。本発明の充分な理解のために、本発明の望 ましい実施例の以下の詳細な説明および添付図面が参照される。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明が有用な、超音波イメージング装置を構成する簡単なブロッ ク図であり、 第２ａ図から第２ｏ図は、第１図に示された超音波 イメージング装置において使用される、本発明の接続装置が特に利用できる２Ｄ アレーを示す図であり、そしてアレーを通してＰＡＣアルゴリズム補正ウィンド ウの段階の１つの例であり、 第３ａ図および第３ｂ図は、第１図に示された超音波イメージング装置におい て有用な、トランスジューサアレーの別の実施例を示す図であり、そして 第４ａ図は、第２図または第３図のトランスジューサを超音波スキャナの残り 部分に接続するために用いられる、本発明の基本的手法によって、構成された接 続装置を示す図であり、そして第４ｂ図は第４ａ図装置の別の実施例を描いた図 である。 望ましい実施例の詳細な説明 第１図を参照すると、震動エネルギー（たとえば超音波）イメージング装置は 、送信回路（ＴＸ）１５によって発生されたパルスにより活性されたとき、超音 波エネルギーのような震動エネルギーのバーストを各々が発生する複数の別個に 駆動される素子１４からなるトランスジューサアレー１２を持つプローブ１０を 含んでいる。活性化パルスは送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチの組１６、トランス ジューサケーブル１７内の電気信号導体、およびプローブ１０内には明示的に示 されていない（しかしたとえば第４ａ図および第４ｂ図には示されている）電気 接続を通して素子１４に加 えられる。調査の対象となっている被験体（者）からトランスジューサアレー１ ２に反射戻しされた震動エネルギーは、各トランスジューサ素子１４によって電 気信号に変換され、そして送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１６および個別の増幅 段１９を通して別個に受信ビームフォーマ（ＲＣＶＲ）１８に加えられる。増幅 段（団）１９の各チャンネルは、入力整合インピーダンス、引き続く低雑音前置 増幅器および最終的に当業技術において一般的であるような、共通的にＴＧＣと して知られている、ユーザー制御の時間／利得補償の一部として用いられる可変 利得段を含んでいる。送信回路１５、ビームフォーマ１８、Ｔ／Ｒスイッチ１６ および増幅段１９は、イメージング装置の適切な動作のための操作者によるコマ ンドに応答するシステム制御器２０の制御の基で動作する。完全なイメージスキ ャンは、スイッチ１６が最初にそれらの送信位置にセットされ、そして送信回路 １５が活性され、その結果各トランスジューサ素子１４を選択的に活性する一連 のパルス信号を提供して、一連のエコーを得ることによって実行される。その後 、Ｔ／Ｒスイッチ１６はその受信位置にセットされ、そして反射された超音波エ ネルギーの、その上への衝突に応答して各トランスジューサ素子１４によって発 生された結果的なエコー信号が、増幅段１９の個々のチャンネルを通して受信ビ ームフォーマ１８に加えられる。受信ビームフォーマ １８においては、各トランスジューサ素子１４からの分離されたエコー信号がデ ィジタル化され、適切に他の信号に関して遅延され、そして単独のエコー（「ビ ーム」）信号を発生するために組み合わされ、これは次に、超音波イメージング 装置において一般的であるように、エコーイメージング装置２２の残り部分に含 まれる表示器上の表示されるイメージにおける各ラインを発生するために、検出 され、そしてスキャン変換される。 超音波イメージング装置においてよく知られているように、送信回路１５は、 発生された超音波エネルギーがビーム内に向けられるか、または操縦されるよう に、トランスジューサアレー１２を駆動する。こうして、Ｂスキャンは、物理的 にトランスジューサアレー１２を移動させるよりも、ポイントからポイントへア ングルをセットすることにより、このビームを移動させることにより実行される 。これを行うことため、送信回路１５は、連続的にトランスジューサ素子Ｉ １ ４に加えられるそれぞれのパルス２４に時間遅延（Ｔｊ）を与える。もし時間遅 延がゼロ（Ｔｊ＝０）であれば、トランスジューサ素子１４のすべてが同時に活 性され、そして結果的な超音波ビームはトランスジューサ面に垂直な、そしてそ の中心から発する軸２５に沿って向けられる。もし時間遅延（Ｔ）が素子数Ｉの 関数として増加するならば、たとえば第１図に描かれ ているように、超音波ビームは角度Θだけ中心軸２５から下に向けられる。時間 遅延増加Ｔと、結果的なビーム操縦の間の関係は超音波イメージングにおいては よく知られており、そして一般的であるため、ビーム操縦に関するこれ以上の説 明は省略される。 さらに第１図を参照すると、反射物体（反射物）から発する超音波エネルギー の各バーストによって発生したエコー信号（反射）は、超音波ビームに沿って連 続位置におかれている。これらはトランスジューサアレー１２の各素子１４によ って別個に感知され、そして特定の時間のポイントにおけるエコー信号の大きさ のサンプルは、特定の範囲（Ｒ）において発生した反射の量を表現している。し かしながら、焦点ポイントＰと各トランスジューサ素子１４の間の伝搬パスにお ける差異によって、それらのエコー信号は同時には発生せず、そしてそれらの振 幅も等しくはない。よく知られているように、受信ビームフォーマ１８の機能は 、各エコー信号に適切な時間遅延を与え、そしてそれらを互いに加算して、結果 的に角度Θにおいて発せられた超音波ビームに沿った範囲Ｒにおいて位置決めさ れる各焦点ポイントＰから反射された全体的な超音波エネルギーを正確に表現す る単独のエコー信号を提供することである。イメージの形式でイメージ結果を発 生させるための、エコー信号の組み合わせは、よく知られているように、反射器 の形状を表現している。 各トランスジューサ素子１４からのエコーによって発生された電気信号を同時 に加算するために、システム制御器２０は送信回路１５およびビームフォーマ１ ８を制御して、ビームフォーマ１８の各分離されたトランスジューサ素子チャン ネルに時間遅延が導き入れられるようにする。リニアアレー１２の場合において は、各チャンネル内に導き入れられる遅延が２つのコンポーネント、１つのコン ポーネントはビーム操縦時間遅延であり、そして他のコンポーネントはビーム焦 点合わせ時間遅延である、に分割される。ビーム操縦およびビーム焦点合わせ時 間遅延は、上に説明された送信遅延と正確に同じ遅延（Ｔｉ）である。しかし、 各受信チャンネル内に導き入れられる頂点合わせ時間遅延コンポーネントは、エ コー信号が発生される範囲Ｒにおいて受け取られたビームのダイナミックな焦点 あわせを提供するために、エコーの受信の間、連続的に変化する。ダイナミック 焦点あわせはまた、よく知られており、そのためこれ以上の説明は省略される。 よく知られているように、システム制御器２０の指示のもとで、ビームフォー マ１８の操縦が送信回路１５によって操縦されるビームの方向（ｅ）を追跡し、 そしてこれが範囲（Ｒ）の連続におけるエコー信号をサンプルし、そしてビーム に沿ったポイントＰにおいてダイナミックに焦点合わせするための適切な遅延を 提供するよう、ビームフォーマ１８は走査の間に受け 取られた信号に遅延を導き入れる。こうして、超音波パルスの各発散は、超音波 ビームに沿って位置決めされたポイントＰの一連の相応する点から反射された音 の量を表す一連のエコー信号サンプルの受信を結果的に生じさせる。受信ビーム フォーマ１８は、信号サンプルを発生させる反射器上のダイナミックな焦点合わ せをするため、各エコー信号サンプルに関するその遅延を迅速に変化させること ができる。 受信ビームフォーマ１８によって発生された、焦点合わせされた、そして操縦 されたエコー信号サンプルのストリームは、「受信されたビーム」として参照さ れる。 しかし、送信モードおよび受信モードの両方の間の望ましい操縦および焦点合 わせを提供するために発生される時間遅延は、音波が一様な速度で肉体を通過す るという仮定の上になりたっていることは明らかである。しかし、前に説明した ように、医療用途においては、これは普通あり得ないことである。代わりに、超 音波エネルギーは標準的に、異なる音響伝搬特性を持つ１つまたはそれ以上の組 織の層を通過する。そのような層関の境界は標準的に、イレギュラな形状を有し ている。結果としてたとえばビームサンプルが操縦角度ΘにおいてポイントＰか ら得られたとき、ポイントＰおよび２つの分離されたアレー素子の間を移動する 音は、境界のイレギュラのために全く異なって伝搬さ れる。このことは、ポイントＰと２つのアレー素子との間の超音波パス長におけ る差異を結果として生み出すが、これは単にポイントとアレー素子との間の幾何 学的関係によってだけ決まるものでもない。介在する組織の異なる伝搬特性を基 にしたパス長におけるこの差異は、ＰＡＣ処理技術が指向しているフェーズエラ ーを生じさせる。 音が伝搬する組織におけるずれ（偏差）によって生じるフェーズエラーに関す る補正は、各トランスジューサ素子１４に関して、そして走査の間に得られる各 操縦角度Θに関して、異なっている。標準的には、イメージのＰＡＣ「適合モー ド」の間に、受信されたビームフォーマ１８からのビーム信号がイメージを形成 するためには用いられず、そして上に説明された音の伝搬エラーをオフセットす るために、各トランスジューサ素子１４を結びついている信号に提供することが 必要なフェーズ補正（ＰＡＣプロフィール）を計算するよう、この明細書の背景 部分において指摘した米国特許において注目したような、公知のいくつかのＰＡ Ｃアルゴリズムのうちの１つを実行するような代わりの手段がＰＡＣプロセッサ ２６に適用される。次に、イメージャの「イメージングモード」の間には、普通 はＰＡＣが考慮されていない、送信回路１５および受信ビームフォーマ１８のた めにシステム制御器２０によって計算される時間遅延を増大するよう、これら計 算された補正が、よく知られているとおり適用される。その結果は、組み合わせ られた、増大させられた、時間遅延が、位相ずれ（偏差）によって生ずるイメー ジ歪みを削減する。 超音波機械が標準的には、受信ビームフォーマ１８に接続されたミッドプロセ ッサ部を含み、そしてエコープロセッサおよびフロープロセッサを含んでいるこ とが注目される。エコープロセッサは、公知のそして一般的なＢモードおよびＭ モードイメージを表示するために加えられる、信号を発生するために受信された ビームの振幅を処理する。フロープロセッサは原理的に、公知のそして一般的な カラーフローイメージを表示するために加えられる信号を発生するために受信さ れたビームを処理するために用いられる。望ましい実施例においては、フロープ ロセッサは、都合よく（すなわちイメージャのＰＡＣ適合／イメージングモード の間で）時間多重されることのできる（通常の当業技術を有する者にはよく知ら れている）信号処理の自動補正タイプを実行し、そのようにして受信されたエコ ー信号のＰＡＣ処理の相互相関を実行する。こうして、簡単な変更によって、一 般的なフロープロセッサはＰＡＣプロセッサ２６を含むことができる。 前に指摘したとおり、イメージ内にスペックルを発生し、そしてＰＡＣアルゴ リズム内の基準グループとして用いられる信号を悪化させる、イメージ信号の望 ましくない振幅変調のために、横方向におけると同様、高さ方向においてもＰＡ Ｃ補正値を計算することが望ましい。高さ方向における特性を改善するための１ つの公知手段は、横方向と同様、高さ方向においてもアレーの素子を分割した２ Ｄアレーを構成することである。たとえば、「２次元異方性フェーズアレー上の ずれ（偏差）補正」と題するオードンネル他による前に指摘した文献を参照する ことができる。理想的には、ＰＡＣに関する最善の結果を得るために、高さ方向 における分割は横方向におけると同じだけ微細にすべきである。しかし、各素子 がそれ自身の電子回路のチャンネルを必要とするため、そのような装置は製造す るのが難しく、そしてどのようにＰＡＣが実行されるかに依存して、ＰＡＣアル ゴリズムを実行するための多くのパルス繰り返し周期（ＰＲＰ）を必要とする。 このことはイメージフレームレートを極めて遅くさせる。そのような遅いフレー ムレートを用いると、視野内に何らかの動き、またはトランスジューサの移動が 存在する場合には、この動きがたとえばＰＡＣプロフィールを再計算することに よって考慮したとしても、ＰＡＣは劣化する結果となる。このため、アレー素子 の数と、ＰＡＣ処理の結果との間には何らかのトレードオフが存在する。 第２ａ図から第２ｏ図は、第１図に示された超音波イメージング装置において 用いるための、本発明の基 本的手法によって構成された２Ｄアレーの１つの例および、そのアレーを通すＰ ＡＣアルゴリズム補正ウインドウの段階を描いている。本発明の１つの特色によ れば、トランスジューサアレー１２の中央部分は、高さ方向において粗く分割さ れており、そして横の末端セグメントは微細に分割されている。描かれている実 施例においては、アレー１２は３列（Ｒ１、Ｒ２およびＲ３）および１２８行（ Ｃ１からＣ１２８）を有しており、ここにおいて中央部分（Ｃ３−Ｃ１２６）に おける量は、列ごとに１つの粗い素子を含んでいる。末端セグメント（Ｃ１、Ｃ ２およびＣ１２７、Ｃ１２８）における行は、各列における高さ方向において各 々４つの素子（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を有している。５列を持つ、そして中央部分に 粗素子を持ち、そしてその列が各々いくつかの付加的素子に分割されるように、 各横末端において少なくとも１つの列を持つような、他の類似の構成も同様に働 くことが指摘される。 新しい２Ｄアレーの基本的な特色は、微細素子の１つまたはそれ以上の量の分 割である。微細素子が列内に配置されているので、アレーの構成は比較的簡単な 作業である。すなわち、微細素子および粗素子を持つ量セクションは別個に構成 され、そして次に第２ａ図、第３ａ図、または第３ｂ図に示されるような、望ま しい構造に互いに接着される。新しい２Ｄアレーの付加的な利点は、アレー素子 をビームフォーマに電子的 に接続する上で、微細素子が高さ方向においてビームフォーミングのために用い られることである。 粗および微細素子の両方を用いることにより、それら素子の特定音響インピー ダンスおよび電気的インピーダンスの両方の整合に考慮を払うことができる。本 発明によれば、微細素子のいくつか（たとえば、４）からの信号が、選択的に組 み合わせられ、その結果、高品質イメージングと同様、正確なＰＡＣ計算のため に必要な信号の一様性を維持することができるよう、組み合わせられた微細素子 が、粗素子の各々によって表されているのと同様の、超音波イメージング装置の 残り部分に対する電気的ソースインピーダンスを実質的に表すようにされる。第 ４ａ図に関して後に詳細に説明されるように、微細素子からの信号はプローブ１ ０内に設けられた乗算／加算（ＭＵＸ／ｓｕｍ）によって組み合わせられる。 一般的には、ＰＡＣおよび／または高さ方向操縦は微細に設けられた素子を持 つ多数の行が存在するときに、よりよく実行される。一方では、より少ない数で のそれらの行は、トランスジューサおよび関連する電子回路の複雑さおよびコス トを節減させる。こうして、各特定の装置は、性能およびコストの間の妥協を図 っている。 現在開示されている２Ｄアレーについては、ＰＡＣ動作はアレーの素子の初期 的基準グループからの信号 を形成し、そしてその信号を素子の隣接する素子またはグループを補正するため の基礎として用いることによって実行される。補正された素子またはグループは 、次に基準グループ内に含まれ、そして最も遠い基準グループの素子が除かれる 。この段階は外面的にスペーシャル（空間的）ボックスカーまたはスライディン グウィンドウアベレージャ（ｓｌｉｄｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ ａｖｅｒａｇｅｒ ）に類似している。 第２ａ図から第２ｏ図に描かれている以下の実施例においては、初期基準グル ープが１つの列（Ｒ３）において３素子とされ、そして補正素子は右の隣接素子 である。第２ａ図は、アレー１２の右側末端に向かうＰＡＣアルゴリズム補正ウ ィンドウ段階としてのボトム列（Ｒ３）上のＩ番目の繰り返しを描いている。（ 単純化のためにアレー１２の右側末端のみを示している）第２ｂ図から第２ｏ図 によって描かれている引き続くＰＲＰでは、補正ウィンドウが列Ｒ３から列Ｒ２ に移動することにより、アレーの末端に段階をすすめ、そして次に列Ｒ２からＲ １に曲がりくねった状態でアレー１２に沿って進むよう補正ウィンドウが移行し 、ここにおいて補正ウィンドウは最終的にアレーの反対側末端に到達する。用い られるＰＡＣ補正アルゴリズムの特定のタイプは、本発明の理解に関しては重要 ではなく、そしていくつかのよく知られているアルゴリズムのうちのどのような １つでも用いることができ る。さらにより多くのまたはより少ない素子が基準グループ内で用いられること ができる。 第２ｂ図において示されるように、より明確にすると、素子の基準グループが 右への１素子（行Ｃ１２２−Ｃ１２４からＣ１２３−Ｃ１２５へ）のステップを 持ち、そして補正素子は行Ｃ１２６内に存在する。第２ｃ図は、基準グループが 右にさらに１行だけ（行Ｃ１２５−Ｃ１２６）ステップし、その結果、これが４ つの微細素子（行Ｃ１２７の素子Ｒ３ａ−Ｒ３ｄ）のグループを含む補正素子に 隣接する。 これら４つの素子からの信号は、第４ａ図に示されるＭｕｘ／ｓｕｍチップ４ ００内で加算される。Ｍｕｘ／ｓｕｍチップ４００からの出力は、スキャナの単 独Ｔｘ／Ｒｘチャンネルに取り付けられ、その結果４つの微細素子はスキャナへ の１つの粗い（レギュラサイズの）素子として現れる。Ｍｕｘ／ｓｕｍチップの 出力インピーダンスは、トランスジューサケーブル１７のインピーダンスに整合 するように設計される。これはＰＡＣ処理の間にビームフォーマ１８に現れるイ ンピーダンスにおける一様性を維持し、このことは前に指摘されているとおり、 本発明によって達成される重要な特色となっている。 第２ｄ図は、右にさらに１行だけ基準グループがステップし、その結果、補正 グループが今度は行１２８の素子Ｒ３ａ−Ｒ３ｄを含むことを描いている。第２ ｅ図は、行Ｃ１２６、Ｃ１２７およびＣ１２８に関する列Ｒ３における素子を含 むような基準グループを描いており、一方素子の補正グループは行Ｃ１２８装置 の素子Ｒ２ｄからＲ３ｃを含んでいる。 第２ｆ図−第２ｏ図に示されるように、グループへの微細素子の組み合わせが もはや必要ではなくなるまで、すなわち第２ｏ図の後まで、基準および補正グル ープが列Ｒ３からＲ２へステップ状態で移動する。 出願された新しい設計およびその接続装置は、漸進的に行われる列から列への 移行を可能とし、それによりこの処理の間にエコー信号間の相関の程度を高く維 持することができる。これがなければ、列間の中心から中心までの距離が大きく なり、その結果、１つの列内の基準グループからの信号と次の列内の補正グルー プとの間の相関係数が小さくなり、位相ずれ（偏差）補正の正確さが失われ、そ してすべての動作が意味のないものとなる。貧弱な相関を持つ値が補間される１ Ｄアレーの場合とは異なり、２Ｄアレーに関する高さ方向においてそのような補 間を信頼して行うことができる可能性は、比較的低い。 第２図は、本発明の１つの望ましい実施例を表していることに注目すべきであ る。種々のシーケンスに接続できる、または並列に充分なハードウェアを持つ、 基準グループおよび補正グループの多くの他の可能な組み合わせが存在する。さ らに、本発明は、選択され た基準グループおよび補正グループの特定のシーケンスに関わりなく、列から列 への移行が行われるときに、有益である。 第３ａ図は、本発明の基本的手法によって構成される接続装置とともに用いる ことができる、２Ｄトランスジューサの別の構成を描いており、これは基本的に は、第２図に示されたそれと動作および機能において等価であり、そしてアレー の中心に位置決めされた微細素子の１つの（または２つであれば好都合の）行を 持ち、そして両側に位置決めされた粗素子の行を持つアレーである。この手法は 、より製造に難しいとはいえ、これはＰＡＣ処理がアレーの中心において開始さ れ、そしてそのエッジの両方に向かって外向きに移動することにより、ＰＡＣア ルゴリズムが実行される距離がより短くなるため（列が中心において「互いに結 ばれる」ため）累積されたフェーズジッタを最小化できるという利点を有してい る。さらに、中心における微細素子の多数（たとえば１６または３２）の列を用 いると、このアレー構成はまた、高さ方向において超音波ビームの操縦を可能と し、そしてそのためたとえば、生検プローブをイメージングするときには、特に 有用である。しかし、この「微細素子」高さ方向操縦を実行するために、ＭＵＸ ／ｓｕｍチップ４００を用い、そして微細チャンネルの加算がビームフォーマ内 で行われるような、描かれている第４図の実施例にお いて行われるような、微細素子のグルーピングよりも微細素子からビームフォー マへの信号接続が個別の受信チャンネルで構成されるべきであることに注目すべ きである。 第３ｂ図は、２つの上に説明された構成の組み合わせであり、そしてアレーの 両横側におけるのと同様、中心においても微細素子の行を持つ、さらに別の構成 を描いている。これは素子の列間の微細補正の繰り返しを可能とし、そしてまた 「ループ」構成においてＰＡＣ処理が実行されることを可能とする。ループ構成 は、正確なＰＡＣ処理の確認として用いられるべき「位相（ループ的）閉成（ク ロージャ）」の所有を可能とする。この実施例の付加的利点は、位相（ループ的 ）閉成（クロージャ）を実行するための複数の機会がより多くのエリア特定「Ｐ ＡＣ」処理において行われるという結果をもたらし、これはイメージされる全体 的なエリアに影響を与えることのない、患者および／またはプローブ移動の場合 においても特定の利点を有している。 第４ａ図は、本発明によるＰＡＣ処理のために必要とされるトランスジューサ 素子アクセスの程度とコンパチブルな、そして単に回路の複雑さにおける増加を 最小とした、第２図（または第３図）のトランスジューサを、簡単な方法で超音 波スキャナの残り部分に接続するための本発明の基本的手法によって構成された 新しい回路装置を描いている。描かれている実施例は、所定の数（４）の微細素 子（行Ｃ１２７およびＣ１２８におけるＢ）によって出現される特定の音響イン ピーダンスを最適化するための２つの乗算／加算段（ＭＵＸ／Ｓｕｍ）４００を 用いており、これら微細素子は組み合わせられて、各粗素子によって出現される 特定の音響インピーダンスに整合する。組み合わせられた微細素子の特定の音響 インピーダンスは、粗素子Ａのために用いられているピエゾ電気結晶の全体エリ アは微細素子Ｂの４つのために用いられているそれと同じエリアであるため、各 粗素子によって出現されるそれと整合する。こうして、微細素子のエリアが粗素 子のエリアの分数となる。ＭＡＸ／Ｓｕｍ段４００はＡＳＩＣとして構成される ことができ、そしてトランスジューサハンドル内に設けられることができ、また は超音波スキャナそれ自体内の回路として設けられることも可能である。ＭＡＸ ／Ｓｕｍ出力接続は、粗素子（Ａ）への直接接続によって提供されるそれと、超 音波スキャナの残り部分の電気的ソースインピーダンスに等しいように出現する 。ＭＡＸ／Ｓｕｍブロックの内部では、いくつかの（この実施例では４素子）微 細素子Ｂからの信号が出力を形成するために互いに加えられる。 説明されている実施例が高さ方向におけるビーム操縦に関していくらか制限さ れる、すなわち単に粗素子 操縦のみ、とはいえ、本発明の著しい利点は、これが備えられている信号接続の 複雑さを減少させることである。 この実施例においては、粗素子Ａの全ては等しい寸法である。しかし、理想的 な高さ方向焦点合わせに関しては、不等寸法の列が望ましい。この可能性は第４ ｂ図に描かれており、ここでは中央列（Ｒ２）がより大きい。ここで描かれてい るＭＡＸ／Ｓｕｍは柔軟であり、そして本発明の基本的手法によって、そしてた とえば第２ａ図−第２ｏ図を参照しながら説明されたように、適切な数の微細素 子を加算することにより、粗素子ＡまたはＢと整合させることができる。 こうして、全ての目的を満足させ、そしてそのため利点が考えられる、アダプ ティブ（適応的）位相ずれ（偏差）補正のための動作のための新しい２Ｄトラン スジューサアレーおよび方法が示され、そして説明された。しかし、多くの変化 、変更、変形および被験体（者）となる発明の他の使用および用途が、本発明の 望ましい実施例を開示したこの明細およびその添付図面を考慮したのちには、当 業技術者には明らかとなるであろう。たとえば、微細素子を持つ２つ以上の隣接 行が、アレーの横末端および／または中心にあるような、所定の場所において用 いられることができる。実際、位相ずれ（偏差）は局部的現象であるため、微細 素子の行はアレーの横方向を横切って一様に設けるこ とができる。この実施例においては、第３図の構造が変更され、たとえば粗素子 の各Ｎ行の後に、微細素子の２行を持つことができる。この実施例の付加的利点 は、これが位相（ループ的）閉成（クロージャ）を実行する機会を著しく増加さ せることであり、これによってより多くの「エリア特定」ＰＡＣ処理が可能とな る。さらに、他の接続装置がトランスジューサアレーとビームフォーマとの間に 設けられることができ、それらは各微細素子に関するプローブ内に前置増幅器回 路を設け、そして微細素子加算がビームフォーマより前に実行されるようにする こともできる。本発明の精神および範囲から離れることのない、そのような変化 、変更、変形および他の使用および用途の全ては、以下の請求の範囲によっての み制限される、本発明によってカバーされていると考えられる。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 プの素子の行の素子の各々に個別に接続された信号入力 を有している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．振動エネルギーイメージング装置において、前記振動エネルギーを反射器に 向けて発し、そして反射を受け、そしてそれに応答したエコー信号を発現させる 、振動エネルギーのパルスを発生させる複数のトランスジューサ素子を持つ２Ｄ トランスジューサアレーを有し、前記トランスジューサアレーは第一および第二 タイプのトランスジューサ素子を持ち、第一タイプは第二タイプの各々によって 占められるエリアの整（数）の端数ないし分数（の大きさ）により表される）ア レーのエリアを占めるものであり、 前記反射器の形状を表すイメージ信号を発生させるために前記エコー信号を 処理するための信号処理装置を有し、そして、 所定の数の第一タイプの素子を互いに選択的に結合する（組み合わせる）た め、第一タイプのそれぞれの複数の素子に個々に接続された複数の信号入力を持 つ、少なくとも１つの乗算／加算回路を含む、前記素子を前記信号処理装置に接 続するための接続装置とを含み、前記の所定の数は、整（数）の端数ないし分数 の逆数（ｉｎｔｅｇｒａｌ ｆｒａｃｔｉｏｎ）であることを特徴とする、振動 エネルギーイメージング装置。 ２．全体的に２Ｄアレーが長方形の形状をなし、そしてその横方向に沿った列と 、その高さ方向に沿った行とに配置された素子を持ち、アレーの第一の横部分は 複数の第一タイプの素子の少なくとも２つの行を含み、そしてアレーの第二の横 部分は複数の第二タイプの素子の行を含み、第二の横部分は第一の横部分に隣接 して位置決めされ、そして接続装置は、第一タイプの素子を持つ複数の行の数に 相当する複数の乗算／加算回路、この各乗算／加算回路は第一タイプの相当する 行の素子の各々に個別に接続された信号入力を持ち、そして組み合わせられるべ き所定の数の素子を選択する、を含むような、請求項１に記載の振動エネルギー イメージング装置。 ３．信号処理装置が所定の入力インピーダンスを持ち、そして乗算／加算回路が 所定の入力インピーダンスに整合する出力インピーダンスを持つような、請求項 ２に記載の振動エネルギーイメージング装置。 ４．振動エネルギーイメージング装置を動作させる方法において、 第一および第二タイプのトランスジューサ素子、ここで第一タイプは第二タ イプの各素子によって占められるエリアの整（数）の端数ないし分数（の大きさ ）により表される）アレーのエリアを占めている、の複数のトランスジューサ素 子を持つ２Ｄトランスジューサアレーをエネルギー活性し、そしてそ れへの応答として反射器に向かうよう方向付けられた振動エネルギーのパルスを 発生する段階と、 それへの応答として、前記２Ｄトランスジューサアレーにおいて前記振動エ ネルギーの反射を受け取り、前記素子が電気的エコー信号を現出させる段階と、 そして 前記反射器の形状を表すイメージ信号を現出させるため、前記素子の各々に よって現出された電気的エコー信号を信号処理装置に接続する段階、前記接続は 前記第二のタイプの前記素子の各々を直接的に前記信号処理装置に個別に接続す ることと、そして所定の数、この所定の数は分数の逆数、の第一のタイプの素子 を互いに選択的に組み合わせるために、第一のタイプの複数のそれぞれの素子に 個別に接続された複数の信号入力を持つ乗算／加算回路を通して前記第一のタイ プの素子の各々を前記信号処理装置に接続することを含む、とを含むことを特徴 とする、振動エネルギーイメージング装置の動作方法。