JP2014533154A - 超音波イメージングにおけるスペクトル拡散符号化波形 - Google Patents

Abstract

スペクトル拡散、コヒーレント、周波数符号化波形及び／又は位相符号化波形を用いた超音波イメージングの技術、システム及びデバイスを開示する。一側面として、音響イメージングデバイスにおいて、音響波形から画像を生成する方法は、デバイスを、ターゲットに向けて音響波形を送信する送信モードに切り換えるステップと、音響波形の送信において、１つ以上の波形シンセサイザによって、ターゲットに向けて送信される音響波形として、合成波形を構成する複数の実質的に直交する符号化波形を合成するステップであって、符号化波形は、周波数符号化波形又は位相符号化波形の少なくとも１つを含むステップと、デバイスを、ターゲットの少なくとも一部から戻る応答音響波形を受信する受信モードに切り換えるステップと、受信した応答音響波形を、ターゲットの情報を含む受信合成波形としてアナログ形式からデジタル形式に変換するステップと、受信合成波形を処理して、ターゲットの少なくとも一部の画像を生成するステップとを有する。【選択図】 図１Ａ

Description

関連出願への相互参照
本出願は、引用によって本願の一部として援用される２０１１年１０月２８日に出願された米国仮出願番号第６１／５５３，１３７号、発明の名称「SPREAD SPECTRUM CODED WAVEFORMS IN ULTRASOUND IMAGING」の優先権を主張する。

技術分野
本発明は、超音波イメージングに関する。

超音波イメージングは、媒体を伝播する音波の特性を用いて、視覚的な画像を生成するイメージング方式である。超音波イメージングは、数十年に亘って、様々な生体医療分野において、動物及び人間の内部構造及び機能を観察するためのイメージング方式として用いられている。生体医療イメージングで用いられる超音波は、異なる周波数、例えば、１〜２０ＭＨｚ、又はこれより高い周波数で動作することができる。従来の超音波イメージングでは、不十分な空間分解能及び組織の違いを含む幾つかの因子によって、望ましい画質が得られないことがあり、これによって、多くの臨床用途で超音波イメージングの使用が制約されている。

スペクトル拡散、コヒーレント、周波数符号化波形及び／又は位相符号化波形を使用し、広瞬時帯域幅を有する超音波イメージングのための技術、システム及び装置を開示する。

本発明の一側面として、音響イメージングデバイスにおいて、音響波形から画像を生成する方法は、音響イメージングデバイスの送信／受信スイッチを、ターゲットに向けて音響波形を送信する送信モードに切り換えるステップと、音響波形の送信において、１つ以上の波形シンセサイザによって、ターゲットに向けて送信される音響波形として、合成波形を構成する複数の実質的に直交する符号化波形を合成するステップであって、各波形は、別個の周波数帯域に対応し、符号化波形は、周波数符号化波形又は位相符号化波形の少なくとも１つを含むステップと、音響イメージングデバイスの送信／受信スイッチを、ターゲットの少なくとも一部から戻る応答音響波形を受信する受信モードに切り換えるステップと、受信した応答音響波形を、ターゲットの情報を含む受信合成波形としてアナログ形式からデジタル形式に変換するステップと、受信合成波形を処理して、ターゲットの少なくとも一部の画像を生成するステップとを有する。

他の側面として、音響波形イメージングシステムは、波形発生器に接続された１つ以上の波形シンセサイザを有する波形生成ユニットであって、波形発生器から提供される波形情報に基づいて、１つ以上の波形シンセサイザによって生成され、周波数帯域に対応する複数の実質的に直交する符号化波形を含む合成波形を合成し、符号化波形は、周波数符号化波形又は位相符号化波形の少なくとも１つを含む波形生成ユニットと、送信モードと受信モードとの間で切り換えられる送信／受信スイッチングユニットと、送信／受信スイッチングユニットと通信し、合成波形に基づいて、ターゲットに向けて音響波形を送信し、ターゲットの少なくとも一部から戻る応答音響波形を受信するトランスデューサ要素のアレイと、トランスデューサ要素のアレイが受信した応答音響波形を、ターゲットの情報を含む受信合成波形としてアナログ形式からデジタル形式に変換するアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器のアレイと、波形生成ユニット及びＡ／Ｄ変換器のアレイと通信し、受信合成波形を処理して、ターゲットの少なくとも一部の画像を生成する処理ユニットを含むコントローラユニットと、コントローラユニットと通信するユーザインタフェースユニットとを備える。

他の側面として、音響波形から画像を生成する方法は、送信／受信スイッチを送信モードに切り換えるステップと、複数の動作モードから動作モードを選択するステップと、１つ以上の波形シンセサイザによって、合成波形を構成する複数の実質的に直交する符号化波形を合成するステップであって、各波形は、別個の周波数帯域に対応し、符号化波形は、周波数符号化波形又は位相符号化波形の少なくとも１つを含むステップと、合成波形に基づく音響波形をターゲットに向けて送信するステップと、送信／受信スイッチを受信モードに切り換えるステップと、ターゲットの少なくとも一部から戻る応答音響波形を受信するステップと、受信した応答音響波形を、ターゲットの情報を含む受信合成波形としてアナログ形式からデジタル形式に変換するステップと、受信合成波形を処理して、ターゲットの少なくとも一部の画像を生成するステップとを有する。

他の側面として、音響波形から画像を生成する方法は、異なる周波数帯域に対応する複数の符号化波形を結合して、異なる周波数帯域において実質的に直交する波形信号を含む合成波形を生成するステップであって、符号化波形は、周波数符号化波形又は位相符号化波形の少なくとも１つを含むステップと、合成波形を用いて、ターゲットに向かう異なる周波数帯域を含む音響プローブ波を生成するステップと、音響プローブ波をターゲットに送信した後に、ターゲットの少なくとも一部から戻る音響エネルギを受信するステップと、受信した音響エネルギを、ターゲットの情報を含むデジタル合成波形に変換するステップと、受信合成波形を処理して、ターゲットの少なくとも一部の画像を生成するステップとを有する。

他の側面として、音響波形から画像を生成するデバイスにおいて、異なる周波数帯域に対応する複数の符号化波形を結合して、異なる周波数帯域において実質的に直交する波形信号を含む合成波形を生成する手段であって、符号化波形は、周波数符号化波形又は位相符号化波形の少なくとも１つを含む手段と、合成波形を用いて、ターゲットに向かう異なる周波数帯域を含む音響プローブ波を生成する手段と、音響プローブ波をターゲットに送信した後に、ターゲットの少なくとも一部から戻る音響エネルギを受信する手段と、受信した音響エネルギを、ターゲットの情報を含むデジタル合成波形に変換する手段と、受信合成波形を処理して、ターゲットの少なくとも一部の画像を生成する手段とを備える。

本明細書に開示する発明の主題は、以下の特徴の１つ以上を有することができ、多くの用途に応用される。例えば、通常の一次医療のスクリーニングにおいて、ここに開示する技術を用いて、早期段階の悪性腫瘍及び末期癌を特定し、及びその位置を検出することができ、潜在的に、例えば、診断が困難な無症状の患者の生存率を高めることができる。本発明によって、認定放射線専門医は、外科的生検又は切除介入の前に、腫瘍が良性であるか悪性であるかを診断することができ、これによって、不要な生検を回避しながら、患者の生存率を高めることができる。本発明は、細針生検器具に統合することによって、非侵襲的診断を確認するための医療的処置に用いることができ、これによって、このような生検処置による侵襲のレベルを低減することができる。本発明を侵襲が最小の外科的高精細度撮影器具に統合することによって、光学画像及び超音波画像を融合することができ、これによって、医師は、病変組織の位置を特定し、健全な組織を過剰に切除することなく、外科的に切除することができる。本発明を専門化された外科器具に統合することによって、超音波画像を他のデータと融合することができ、医師は、関心がある解剖学的領域の位置を特定し、構造近傍の不要なダメージを最小化しながら、この領域を処置することができる。本発明により、カテーテル及び密封された放射線源の挿入を適切な位置に正確に誘導することによって、悪性腫瘍の近接照射療法の時間を短縮できる。同様に、本発明は、治療のための高用量の局所的な投薬治療を補助することができる。

スペクトル拡散符号化波形を用いる例示的な超音波イメージングシステムのブロック図である。 スペクトル拡散符号化波形を用いる例示的な超音波イメージングシステムの動作のフローチャートである。 例示的なスペクトル拡散、広瞬時帯域幅、周波数符号化波形及び／又は位相符号化波形の特徴を有する複数の波形のグラフを示す図である。 例示的なスペクトル拡散符号化波形の不確定性関数の特徴を示す図である。 ビームステアリング、動的フォーカシング及びビーム成形の例を示す図である。 ビームステアリング、動的フォーカシング及びビーム成形の例を示す図である。 ビームステアリング、動的フォーカシング及びビーム成形の例を示す図である。 スペクトル拡散符号化波形の相関処理のための例示的なブロック図である。

複数の図面における同様の参照符号は、同様の要素を示す。

超音波イメージングで使用されるコヒーレントなスペクトル拡散、周波数符号化波形及び／又は位相符号化波形を生成し、送信し、受信し、及び処理する技術、システム及び装置を開示する。

超音波イメージングは、２つの媒体（例えば、生体組織構造）間の境界において一部が反射し、一部か透過する時間ゲート型の単一周波数又は狭瞬時帯域幅音響波形（narrow instantaneous bandwidth acoustic waveform）（パルス）を出射することによって実行できる。反射は、２つの媒体間の音響インピーダンスの差に依存する。幾つかの技術の超音波イメージングでは、反射信号から振幅情報のみを使用する。例えば、１つのパルスが出射されると、反射信号が継続的にサンプリングされる。生体組織においては、音の速さは、略々一定であるとみなすことができ、波形の出射から反射信号の受信までの時間は、波形がその組織構造を伝播する距離（例えば、反射構造の深さ）に依存する。したがって、反射信号を複数の時間間隔でサンプリングして、複数の深さから反射した複数の反射信号を受信してもよい。また、異なる深さの異なる組織は、入射波形を、異なる量のエネルギで部分的に反射することもあり、したがって、異なる媒体からの反射信号は、異なる振幅を有することがある。深さに基づいて、対応する超音波画像を構築することができる。したがって、新たな波形を出射するまでの時間は、イメージングが望まれる最大の深さに基づいて決定してもよい。パルス式モノクロマティック及び／又は狭瞬時帯域幅波形（pulsed monochromatic and/or narrow instantaneous bandwidth waveforms）を採用する超音波イメージング技術では、画像処理及び画像生成の解像度が低いという問題があった。ここで、（例えば、周波数及び／又は位相によって）符号化することができるスペクトル拡散、広瞬時帯域幅特徴（wide instantaneous bandwidth characteristics）を用いることによって、超音波イメージングの実時間制御が可能になり、高品質の画像を得ることができる。

図１Ａは、スペクトル拡散、広瞬時帯域幅、コヒーレント、擬似ランダム雑音特徴、及び周波数符号化及び／又は位相符号化を含む拡張された波形特性を有する音響波形を生成する例示的な超音波システム（１００）のブロック図である。システム（１００）は、様々なシステム設計で構成することができる。一具体例として、システム（１００）は、時間同期のためのマスタクロック（１０１）を備えていてもよい。マスタクロック（１０１）は、システムコントローラ（１０２）に接続してもよい。システムコントローラ（１０２）は、処理ユニット、例えば、中央演算処理装置（central processing unit：ＣＰＵ）を備えていてもよく、ＣＵＰは、ＲＩＳＣベースの又は他のタイプのＣＰＵアーキテクチャに基づいていてもよい。また、システムコントローラ（１０２）は、少なくとも１つの入出力（Ｉ／Ｏ）ユニット及び／又はメモリユニットを備えていてもよく、これらは、処理ユニットと通信して、システムコントローラ（１０２）の様々な機能をサポートする。例えば、処理ユニットは、システム制御バス、例えば、データ及び制御バス（１０３）に接続してもよい。システムコントローラ（１０２）は、様々なデータ処理アーキテクチャによって実現することができ、例えば、パーソナルコンピュータ（personal computer：ＰＣ）、ラップトップコンピュータ、タブレット及びモバイル通信デバイスアーキテクチャによって実現してもよい。

メモリユニットは、命令、ソフトウェア、値、画像、及び処理ユニットによって処理又は参照される他のデータ等の他の情報及びデータを保存できる。メモリユニットのストレージ機能を実現するために、ランダムアクセスメモリ（Random Access Memory：ＲＡＭ）デバイス、読取専用メモリ（Read Only Memory：ＲＯＭ）デバイス、フラッシュメモリデバイス及び他の適切な様々なタイプのストレージ媒体を用いることできる。メモリユニットは、事前記憶波形（pre-stored waveforms）、係数データ及び情報を保存でき、これらを用いて、例えば、スペクトル拡散、広瞬時帯域幅、コヒーレント、擬似ランダム雑音、周波数符号化波形及び／又は位相符号化波形等の波形を生成することができる。メモリユニットは、受信及び処理された波形から得られたデータ及び情報を保存でき、これを用いて、新たな波形を生成及び送信することができる。メモリユニットは、システム制御バス、例えば、データ及び制御バス（１０３）に接続してもよい。

入出力ユニットは、外部インタフェース、データストレージのソース及び／又はディスプレイデバイスに接続してもよい。入出力ユニットは、システム制御バス、例えば、データ及び制御バス（１０３）に接続してもよい。汎用シリアルバス（Universal Serial Bus：ＵＳＢ）、ＩＥＥＥ１３９４（ファイアワイヤ：FireWire）、ＩＥＥＥ８０２．１１１（ブルートゥース：Bluetooth）（登録商標）、無線ローカルエリアネットワーク（Wireless Local Area Network：ＷＬＡＮ）、無線パーソナルエリアネットワーク（Wireless Personal Area Network：ＷＰＡＮ）、無線ワイドエリアネットワーク（Wireless Wide Area Network：ＷＷＡＮ）、ＩＥＥＥ８０２．１６（Worldwide Interoperability for Microwave Access：ＷｉＭＡＸ）パラレルインタフェース等の一般的なデータ通信規格に互換性がある様々なタイプの有線又は無線インタフェースを用いて入出力ユニットを実現することができる。入出力ユニットは、外部インタフェース、データストレージのソース又はディスプレイデバイスに接続し、データ及び情報を受信又は出力してもよく、これらのデータ及び情報は、プロセッサユニットで処理し、メモリユニットに保存し、又は出力ユニットにおいて表示してもよい。

システムコントローラ（１０２）は、例えば、データ及び制御バス（１０３）への接続を介して、システム（１００）の全てのモジュールを制御できる。例えば、データ及び制御バス（１０３）は、システムコントローラ（１０２）を１つ以上の付属デジタルシグナルプロセッサ、例えば、デジタルシグナルプロセッサ（１０４）に接続し、その機能を制御して、波形を処理してもよい。デジタルシグナルプロセッサ（１０４）は、１つ以上のプロセッサ、例えば、以下に限定されるものではないが、特定用途向けＩＣ（application-specific integrated circuit：ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（field-programmable gate array：ＦＰＧＡ）、デジタルシグナルプロセッサ（digital signal processors：ＤＳＰ）、ＡｓＡＰ（asynchronous array of simple processors）及び他のタイプのデータ処理アーキテクチャを含んでいてもよい。また、データ及び制御バス（１０３）は、システムコントローラ（１０２）及びデジタルシグナルプロセッサ（１０４）をユーザインタフェースのためのモジュールを有する１つ以上のディスプレイユニット、例えば、モジュールユーザインタフェース（１０６）を有するディスプレイ（１０５）に接続し、ユーザ又はオペレータに情報を提供し、及びユーザ又はオペレータから入力／命令を受け取ってもよい。ディスプレイ（１０５）は、視覚的表示装置として、多くの適切なディスプレイユニット、例えば、以下に限定されるものではないが、陰極線管（cathode ray tube：ＣＲＴ）、発光ダイオード（light emitting diode：ＬＥＤ）、液晶ディスプレイ（liquid crystal display：ＬＣＤ）モニタ及び／又はスクリーンを含むことができる。また、ディスプレイ（１０５）は、様々なタイプのディスプレイ、スピーカ又はプリントインタフェースを含むことができる。他の具体例では、ディスプレイ（１０５）は、他のアウトプット装置、例えば、トナー、液体インクジェット、固体インク、昇華式又はインクレス（感熱式又は紫外線式）プリンタ、及び様々なタイプのオーディオ信号再生装置を含んでいてもよい。ユーザインタフェー
ス（１０６）は、適切な多くのインタフェース、例えば、様々なタイプのキーボード、マウス、音声コマンド、タッチパッド、ブレインマシンインタフェース（brain-machine interface）装置を含むことができる。

例示的なシステム（１００）は、システムコントローラ（１０２）によって制御されて、１つ以上のデジタル波形を生成する波形発生器（１０７）を備えていてもよい。波形シンセサイザ及びビームコントローラのアレイの少なくとも１つの要素、例えば、この具体例では、波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）として示されている要素によって、１つ以上のデジタル波形をアナログ電気信号（例えば、アナログ波形）として生成することができる。波形発生器（１０７）は、関数発生器及び任意波形発生器（arbitrary waveform generator：ＡＷＧ）の少なくとも１つであってもよい。例えば、波形発生器（１０７）をＡＷＧとして構成し、任意のデジタル波形を生成し、これを波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）によって、個々のアナログ波形及び／又は合成アナログ波形として合成してもよい。また、波形発生器（１０７）は、デジタル波形の生成に使用される事前記憶波形、係数データ及び情報を保存する少なくとも１つのメモリユニットを含むことができる。

図１Ａに示す例示的なシステム（１００）は、Ｉ個のアレイ要素を含む波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）を備える。一具体例では、波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）は、Ｉ個のアレイ式波形シンセサイザの各ラインに少なくとも１つの波形シンセサイザ要素を含むように構成できる。他の具体例では、波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）は、Ｉ個のアレイ式ビームコントローラの各ラインに少なくとも１つのビームコントローラ要素を含むことができる。他の具体例では、波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）は、Ｉ個のアレイ式波形シンセサイザ及びビームコントローラの各ラインに少なくとも１つの波形シンセサイザ要素及びビームコントローラ要素を含むことができる。波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）は、電気信号、例えば、無線周波数（radio frequency：ＲＦ）波形を生成するための位相ロックループシステムを含んでいてもよい。例示的なＲＦ波形は、波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）のアレイ要素によって生成された個々の波形から、波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）によって合成され、例えば、個々のＲＦ波形は、波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）の他のアレイ要素によって生成される他の全ての個々の波形と実質的に同時に１つのアレイ要素によって生成してもよい。個々のＲＦ波形のそれぞれは、周波数成分又は「チップ」とも呼ばれる特定の周波数帯域毎に定義され、個々の波形のそれぞれの波形特性は、波形発生器（１０７）によって決定され、チップに対応する少なくとも１つの振幅値及び少なくとも１つの位相値を含んでいてもよい。波形発生器（１０７）は、波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）に命令を発し、個々の波形のそれぞれの特性に関する情報を含む波形データを波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）に供給し、個々のＲＦ波形を生成し、これらを合成して、合成ＲＦ波形を生成することができる。

波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）によって生成される個々のＲＦ波形及び／又は合成ＲＦ波形は、Ｉ個の増幅器のアレイを含む出力増幅器（１０９）によって、例えば、波形を増幅し及び／又は波形の位相をシフトさせることによって、変更される。出力増幅器（１０９）は、トランスデューサドライバとして用いることができる。個々のＲＦ波形及び／又は合成ＲＦ波形は、例えば、Ｎ極双投送信／受信スイッチ（N-pole double-throw transmit/receive switch）である送信／受信（Transmit/Receive：Ｔ／Ｒ）スイッチ（１１０）に供給される。Ｔ／Ｒスイッチ（１１０）は、トランスデューサモジュールに接続してもよい。生成されたＲＦ波形、例えば、ターゲット媒体に送信される合成ＲＦ波形及び／又は少なくとも１つの個々のＲＦ波形は、トランスデューサ要素のアレイを含むトランスデューサモジュール、例えば、Ｉ個の要素を含むトランスデューサアレイ（１１１）によって、例えば、音響波に変換できる。例えば、変換された音響波は、音響波形パルスの形式で出射することができる。トランスデューサアレイ（１１１）の各アレイ要素は、波形発生器（１０７）によって定義された個々の波形チップに対応する１つ以上の音響波形を生成することができる。

例示的な、変換され、送信された音響波形は、ターゲット領域、例えば、生体組織に向けて送信され、空間的に結合された音響波形を形成することができる。送信波形は、ターゲット媒体を伝播し、ターゲット媒体は、例えば、送信された音響波形を部分的に透過し、部分的に反射する１つ以上の非一様な媒体を有することがある。部分的に反射される例示的な音響波形は、応答音響波形（returned acoustic waveforms）とも呼ばれ、トランスデューサアレイ（１１１）によって受信される。例えば、Ｉ個のアレイ要素を備えるトランスデューサアレイ（１１１）の各アレイ要素は、周波数チップに対応する応答音響波形を受信し、これをアナログＲＦ波形に変換する。受信された個々の（アナログ）ＲＦ波形は、Ｉ個の増幅器のアレイを含む前置増幅器モジュール（１１２）によって、例えば、波形を増幅し及び／又は波形の位相をシフトすることによって、変更される。個々の受信波形は、Ｉ個のＡ／Ｄ変換器のアレイを含むアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器モジュール（１１３）によってアナログ形式からデジタル形式に変換できる。Ａ／Ｄ変換器モジュール（１１３）は、最下位ビット（least significant bit：ＬＳＢ）ジッタ、スプリアスフリーダイナミックレンジ（spurious-free dynamic range：ＳＦＤＲ）及び波形依存性を有するＡ／Ｄ変換器を有していてもよく、例示的な波形を適切に復号することができる。個々の受信波形の変換されたデジタル表現は、プロセッサ、例えば、デジタルシグナルプロセッサ（１０４）によって処理され、ターゲット媒体を表す画像が生成及び形成される。

例示的なシステム（１００）は、多くの動作モードの１つで動作することができる。一具体例では、マスタクロック（１０１）は、例えば、波形シンセサイザ（１０８）のための時間ベースとして、システム（１００）を同期させるための時間ベースを提供してもよい。マスタクロック（１０１）は、例示的な波形を位相符号化できるように、低位相雑音クロックとして構成してもよい。オペレータは、ユーザインタフェース（１０６）によって、動作モードを選択できる。ユーザインタフェース（１０６）によってユーザが選択できる例示的な動作モードとしては、従来のＡ−モード（例えば、１Ｄ深さのみの画像）、従来のＢ−モード（例えば、２Ｄ平面画像−横断方向対深さの画像）、従来のＣ−モード（例えば、選択された深さにおける２Ｄ平面画像）、従来のＤ−モード（例えば、ドップラーモード）等が含まれる。例示的なドップラーモードは、カラードップラー（例えば、カラー符号化ドップラー画像及びＢモードの重畳）、連続波ドップラー（例えば、１Ｄドップラープロファイル対深さ）、パルス波ドップラー（例えば、選択されたボリュームのドップラー対時間）、二重／三重ドップラー（例えば、従来のＢ−モード、従来のＣ−モード又はカラードップラー及びパルス波ドップラーの重畳）を含む。他の例示的な動作モードは、上述した動作モードの従来の３Ｄ及び４Ｄ（「実時間」３Ｄ）ボリュームレンダリングを含むことができる。例示的なシステム（１００）は、スペクトル拡散、広瞬時帯域幅、周波数符号化波形及び／又は位相符号化波形を生成することができる新たな動作モードを実現することができる。例えば、ユーザは、顕微鏡組織学的研究のための組織染色と同様に、カラー画像符号化に組み合わされて組織の弁別を補助し、Ｂ−モード、Ｃ−モード、Ｄ−モード又は他のモードを含むことができる例示的な人工組織染色（Artificial Tissue Staining：ＡＴＳ）モード及び組織タイプを弁別し、特定する例示的なコンピュータ支援診断（Computer Aided Diagnostic：ＣＡＤ）モードを選択できる。ＡＴＳモードは、画像処理において、ターゲット領域からの応答エコー波形、例えば、例示的な送信されたスペクトル拡散、広瞬時帯域幅、符号化音響波形からの応答エコーから測定された複数の特性の１つ以上に基づく特徴を用いて、カラー画像符号化を行うことができる。ＣＡＤモードは、分類器（アルゴリズム）を用いて、ターゲット領域からの応答エコー、例えば、例示的なスペクトル拡散、広瞬時帯域幅、符号化音響波形からの応答エコーについて測定された特性の特徴に基づいて、組織タイプを分類する。これらの特性の特徴としては、異なるインピーダンス、（波長の関数としての）振幅反射及び群遅延等が含まれる。ＣＡＤモードで使用することができる幾つかの例示的な分類器としては、決定論的分類器、確率論的分類器（例えば、ベイズ分類器）、ニューラルネットワーク分類器等がある。

図１Ｂは、超音波イメージングのためにシステム（１００）を動作させる例示的な動作プロセス（１５０）を示している。各タイムエポック毎に、プロセス（１５０）は、プロセス（１５１）によって開始され、ここで、システム（１００）を送信モードに切り換える。例えば、システムコントローラ（１０２）は、Ｎ極双投送信／受信スイッチ、例えば、Ｔ／Ｒスイッチ（１１０）を送信位置に切り換える。プロセス（１５０）は、ユーザが定義した動作モードを確認するプロセス（１５２）を含む。例えば、動作モードは、ユーザがユーザインタフェース（１０６）を用いて選択してもよく、他のエンティティによって又はシステム（１００）の内部で動作モードを選択してもよい。システムコントローラ（１０２）は、例えば、プロセス（１５３）において、選択された動作モードに基づいて、波形発生器（１０７）に命令を発し、波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）の１つ以上の要素に対し、命令された所望の広帯域合成ＲＦ波形を形成する各周波数チップの周波数、振幅及び位相を定義するデジタルメッセージ（データ）を発行する。プロセス（１５２）は、プロセス（１５０）の間のどこで実行してもよく、複数回実行してもよい。プロセス（１５０）は、波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）等の波形シンセサイザ及びビーム形成器に波形データ（例えば、例示的なデジタルメッセージ／データ）を発行するプロセス（１５３）を含む。発行される波形データは、周波数符号化波形及び／又は位相符号化波形として合成される所望の周波数チップの周波数、振幅及び位相情報を含むことができ、各符号化波形（coded waveform）は、別個の周波数帯域に対応している。プロセス（１５０）は、定義された周波数チップに対応する個々のアナログＲＦ波形を生成するプロセス（１５４）を含む。例えば、波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）のアレイの各要素は、波形発生器（１０７）からのデジタルメッセージ／データをコヒーレントなアナログ広帯域合成波形を構成する個々のアナログ波形に変換できる。プロセス（１５０）は、コヒーレントなアナログ広帯域合成波形を構成する個々のアナログ波形を増幅するプロセス（１５５）を含む。例えば、出力増幅器（１０９）のアレイ要素によって、各アナログ波形及び／又は広帯域合成波形を増幅することができる。そして、増幅されたアナログ広帯域合成波形は、Ｔ／Ｒスイッチ（１１０）を通過し、それぞれに対応する（例えば、超音波プローブ内の）トランスデューサアレイ（１１１）の各アレイ要素を励起する。プロセス（１５０）は、合成アナログ波形を、スキャンされるボリュームを伝播できる音響波形に変換するプロセス（１５６）を含む。例えば、トランスデューサアレイ（１１１）の各要素は、波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）で生成された周波数チップに対応する個々のアナログ波形のそれぞれからの音響波形を提供でき、これらは、広帯域合成音響波形を構成する。トランスデューサアレイ（１１１）は、ターゲット媒体、例えば、診断対象の生体組織ボリューム内を伝播する音響波ビームを形成できる。

プロセス（１５６）が終了すると、プロセス（１５０）は、システム（１００）を受信モードに切り換えるプロセス（１５７）を実行できる。例えば、システムコントローラ（１０２）は、Ｎ極双投Ｔ／Ｒスイッチ（１１０）を受信位置に切り換える。プロセス（１５０）は、１つ以上の応答音響波形（また、音響波形エコーとも呼ぶ。）の形式で、応答音響波形を受信するプロセス（１５８）を含む。また、プロセス（１５８）は、応答音響波形エコーを、例えば、生成された個々の波形の周波数チップに対応する個々の受信アナログ波形に変換するプロセスを含んでいてもよい。例えば、応答音響波形は、戻り方向に伝播して、トランスデューサアレイ（１１１）によって受信される。トランスデューサアレイ（１１１）の各要素は、受信した音響波形をアナログ信号（波形）に変換できる。プロセス（１５０）は、個々の受信アナログ波形を増幅するプロセス（１５９）を含む。例えば、各受信アナログ波形は、前置増幅器モジュール（１１２）内のそれぞれの低雑音前置増幅器要素によって増幅することができる。プロセス（１５０）は、個々の受信アナログ波形をデジタル波形データに変換するプロセス（１６０）を含む。例えば、受信され（及び増幅された）各アナログ波形信号は、Ａ／Ｄ変換器モジュール（１１３）の各Ａ／Ｄ要素によって、デジタルワードに変換できる。デジタル形式のデータは、信号処理のためにデジタルシグナルプロセッサ（１０４）に供給することができる。プロセス（１５０）は、デジタル波形データをターゲット媒体を表す画像フレームに処理するプロセス（１６１）を含む。また、プロセス（１６１）は、デジタル波形データを、個々の及び合成された受信アナログ波形を表す合成デジタル信号に合成するプロセスを含んでいてもよい。例えば、デジタルシグナルプロセッサ（１０４）は、各トランスデューサアレイ要素が受信した、広帯域合成音響波形を構成する各周波数チップの振幅及び位相を検出できる。デジタルシグナルプロセッサ（１０４）は、受信ビームを形成し、ビームの各分解要素の振幅及びドップラー成分を分離し、先にオペレータが選択したモードに関連する画像フレームを形成できる。デジタルシグナルプロセッサ（１０４）によって形成された画像フレームは、ディスプレイ（１０５）によってユーザに表示できる。他の後続するタイムエポックにおいて、システムコントローラ（１０２）は、例えば、波形発生器（１０７）に命令を発し、広帯域合成波形を含む各周波数チップの振幅及び位相を定義する他のデジタルメッセージを波形シンセサイザ（１０８）の各要素に発行し、及びＴ／Ｒスイッチ（１１０）に命令を発し、送信位置に戻すことによって、この例示的なプロセスを繰り返すことできる。

システム（１００）は、超音波イメージングのためのスペクトル拡散、広瞬時帯域幅（例えば、最大１００％以上の断片的な帯域幅）、コヒーレント、擬似ランダム雑音（pseudo-random noise：ＰＲＮ）、周波数符号化波形及び／又は位相符号化波形を生成するように構成できる。このような波形には、限りなく多くの実施形態がある。図２に示す一具体例は、複数の個々の波形（例えば、周波数チップ）から構成される、生成された合成波形（２００）の例示的なプロットを示している。幾つかの実施形態では、合成波形（２００）の個々の波形は、シーケンス又は符号期間（Ｔ）の後に繰り返される各周波数チップのパルスのシーケンスを含むＰＲＮ波形であってもよく、シーケンスは、周波数チップの組内の他の全てのシーケンスに対する、又は有意に異なる時間フレームにおける同じシーケンスに対する、又は狭帯域干渉又は熱雑音に対する相関性が極めて低い。例えば、システム（１００）は、送信側及び受信側の両方において、例示的なＰＲＮ波形の同じシーケンスを生成することができ、（送信された信号シーケンスに基づく）受信信号シーケンスは、ターゲットに関する音響画像を生成する信号処理において、高い相関性を示す。

図２に示すように、合成波形（２００）の例示的な個々の波形又はチップ（２０１）は、周波数チップｆ_Ｎ−２に対応しており、例えば、図１Ｂのプロセス（１５６）について説明したように、時間フレームｔ_０において開始される送信期間Ｔの間に送信される。図２に示すように、送信期間Ｔの後には、受信時間インターバルＴ_Ｒが続き、ここで、図１Ｂのプロセス（１５８）について説明したように、応答音響波形エコーが受信される。送信期間Ｔ及び受信時間インターバルＴ_Ｒは、フレーム期間Ｔ_ｆを構成し、フレーム期間Ｔ_ｆは、後続する時間フレーム（ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３…）において繰り返すことができる。

例示的な合成波形（２００）は、式（１）によって与えられる複素数として、時間領域で表される波形Ｗの式によって表すことができる。

Ｗは、Ｍ個の個々の直交する波形（例えば、直交周波数チップ）から構成され、ｊ＝√−１である。式（１）において、Ｔは、符号化シーケンスのチップ持続時間又は期間を表し、ｆ_０は、チップの基本周波数を表し、ｆ_０＝１／ＮＴであり、ここで、Ｎｆ_０は、最高周波数であり、（Ｍ−Ｎ＋１）０は、最低周波数であり、ｎは、Ｎ−Ｍ＋１からＮまでの正の整数のシーケンスを表す。波形繰返し周波数は、１／Ｔ_ｆであり、Ｔ_ｆは、フレーム又はエポックの持続時間であり、０≦ｘ≦Ｔ_ｆについて、Ｕ（ｘ）＝１である。Φ_ｎｋは、第ｋのタイムエポック内の第ｎのチップの周波数チップ位相項を表し、Ａ_ｎは、第ｎのチップの振幅である。周波数チップ位相項Φ_ｎｋは、擬似乱数位相項であってもよく、この場合、擬似乱数的にスクランブルされた開始位相Φ_ｎｋは、集合｛Ｉ_ｎｋ２π／Ｎ｝内の乱数であり、Ｉ_ｎｋは、Ｎを大きな数として、数列Ｉ＝０，１，２，３，…Ｎから置き換えなしで選択されたランダムな正の整数のシーケンスである。追加的位相項であるＣ_ｎは、０〜２πの間の数である。例えば、周波数チップ位相擬似乱数値Φ_ｎｋは、システムコントローラ（１０２）及び／又は波形発生器（１０７）のメモリユニット内の例示的なデータベースに予め保存しておくことができる。

合成波形Ｗは、実質的に直交する符号化波形（例えば、周波数チップ）を合成することによって形成でき、ここで、各符号化波形は、別個の周波数帯域に対応し、符号化波形は、周波数符号化波形又は位相符号化波形の少なくとも１つ、例えば、波形シンセサイザ（１０８）で合成された符号化波形を含む。符号化波形は、周波数チップの搬送波周波数を定義する（例えば、最低周波数及び最高周波数を選択することを含む。）２つ以上の周波数を選択し、周波数チップのＡ_ｎ振幅値を決定することによって周波数符号化波形として合成できる。また、周波数符号化波形の合成は、符号化波形の各波形の時間−帯域幅積（Ｍｆ_０Ｔ）パラメータを決定することを含んでいてもよい。幾つかの実施形態では、特定の周波数チップの振幅は、特定のタイムエポックの間、その周波数チップのための単一の値として定義でき、後続するタイムエポックにおいて、その特定の周波数チップについては、この振幅が繰り返される。他の実施形態では、特定の周波数チップの振幅は、特定のタイムエポックの間、その周波数チップの単一の値として定義でき、後続するタイムエポックでは、その特定の周波数チップに異なる単一の値を割り当てる。他の実施形態では、特定の周波数チップの振幅は、特定のタイムエポックの間、その周波数チップのための複数の振幅値を含むように定義でき、後続するタイムエポックでは、特定の周波数チップについて、Ａ_ｎの複数の値を繰り返してもよく、変化させてもよい。最高周波数（Ｎｆ_０）から最低周波数（（Ｍ−Ｎ＋１）ｆ_０）までの周波数範囲及び個々の波形振幅項（Ａ_ｎ）の集合の選択では、多くの既知のコードシーケンス（例えば、プッシングシーケンス（pushing sequence）、バーカ符号（Barker Code）等）の１つを利用してもよく、或いは、例えば擬似乱数符号又は不確定サイドローブを最小化するための他のあらゆる符号についての数値検索を利用してもよい。

これに加えて又はこれに代えて、符号化波形は、符号化波形の各波形の個々の波形位相項（Φ_ｎｋ）を決定することによって、位相符号化波形として合成することができる。例えば、合成波形Ｗのバリエーションを提供するために、位相Φ_ｎｋは、送信期間Ｔ内の周波数チップについて１つ以上の位相を含むことができる。幾つかの実施形態では、特定の周波数チップの位相Φ_ｎｋは、特定のタイムエポックの間、その周波数チップのための単一の値として定義でき、後続するタイムエポックにおいて、その特定の周波数チップについては、この単一の値が繰り返される。他の実施形態では、特定の周波数チップの位相Φ_ｎｋは、特定のタイムエポックの間、その周波数チップの単一の値として定義でき、後続するタイムエポックでは、その特定の周波数チップに異なる単一の値を割り当てる。他の実施形態では、特定の周波数チップの位相Φ_ｎｋは、特定のタイムエポックの間、その周波数チップのための複数の値を含むように定義でき、後続するタイムエポックでは、特定の周波数チップについて、Φ_ｎｋの複数の値を繰り返してもよく、変化させてもよい。例えば、第１のタイムエポック（ｔ_０）における波形（２０１）は、例えば、送信期間Ｔの開始部分の位相シフトとして、第１の位相Φ_Ａと、例えば、送信期間Ｔの次の部分の位相シフトとして、第２の位相Φ_Ｂとを含むことができる。次のタイムエポック（ｔ１）の波形（２０１）は、始めの及び次の位相シフトとして、例示的な位相Φ_Ａ及びΦ_Ｂを繰り返してもよく、他の位相シフトシーケンス（例えば、Φ_Ａ，Φ_Ｂ，Φ_Ｃ、又はΦ_Ｂ及びΦ_Ａ、又は他の構成）を含んでいてもよい。また、周波数符号化波形の合成は、符号化波形の各波形の時間−帯域幅積（Ｍｆ_０Ｔ）パラメータを決定することを含んでいてもよい。

例示的な送信波形Ｗは、図２に示すように、ｆ_{Ｎ−Ｍ＋１}からｆ_Ｎまでの周波数範囲の全体に亘る互いに直交するＭ個の波形の集合から構成してもよい。Ｗが広瞬時帯域幅を有するように、パラメータＮは、大きな数となるように選択できる。最低周波数ｆ_{Ｎ−Ｍ＋１}＝１／Ｔである特別な場合、Ｗは、この周波数の範囲内に含むことができるあらゆる広帯域波形を表すことができる。Ｍ個の波形内の如何なる波形についても、インターバルＴの間、単一の波形内に１つ以上の位相（例えば、Φ_ｎｋ）を符号化できる。更に、Ｍ個の波形内の如何なる波形も、単一の波形内に符号化された複数の振幅を含むことができる。これは、振幅重み付け及び位相重み付けによって実現できる。

式（１）によって記述される個々の波形の一群は、コヒーレント、擬似ランダム雑音、周波数符号化及び／又は位相符号化、スペクトル拡散合成波形を形成できる。パラメータ選択に基づき、個々の波形は、望まれる任意の程度で、統計的に直交するように設定できる。例えば、後述する式（２）に現れる所定の波形の不確定性関数のサイドローブレベルは、その波形の直交性の程度を表す。波形の特定のパラメータを決定することによって、医療用超音波画像の解像度を大幅に改善できる。例えば、医療用超音波画像の解像度に影響するパラメータは、生来的に結合された軸の範囲（例えば、ドップラー解像度）及び波形のスペックル低減能力を決定する時間−帯域幅積（Ｍｆ_０Ｔ）パラメータと、統計的な直交性の程度を決定し、更に、例えば、波形が生体組織の非一様な媒体内で機能できる程度を決定する個々の波形位相項（Φ_ｎｋ）とを含む。例えば、サイドローブが小さければ、直交性が高まり及び解像度が高まる（雑音が少なくなる）。個々の波形位相項（Φ_ｎｋ）の集合の選択では、既知のコードシーケンス（例えば、バーカ（Barker）、フランク（Frank）、ゴレイ（Golay）等）の１つを利用してもよく、或いは、例えば擬似乱数符号又は不確定サイドローブを最小化するための他のあらゆる符号についての数値検索を利用してもよい。

幾つかの実施形態では、例えば、式（１）によって表される合成波形（２００）は、単一の広帯域、コヒーレント、周波数符号化波形及び／又は位相符号化波形であってもよい。例えば、パラメータの選択に基づいて、単一の波形は、他の全ての信号波形又はターゲット媒体内に存在する雑音信号に対して統計的に直交させることができる。

第ｎのチップの振幅であるパラメータＡ_ｎ及び追加的位相項であるＣ_ｎは、これらの組合せによって、トランスデューサアレイ（１１１）の個々の要素を励起するアナログ信号をプリエンファシスし、Ｗの周波数範囲に亘って所望の振幅及び位相特性を有する送信音響波形を生成する。送信波形のプリエンファシスによって、周波数の関数としてのトランスデューサ要素の一定ではない振幅及び位相応答、及び介在する組織層の非一様な伝播特性の両方を補償することができる。例えば、プリエンファシス項によって、一定の（例えば、平坦な）振幅を有する振幅が等しい複数のチップ及び既知の位相対周波数特性を有する音響波形を提供できる。このような振幅対周波数が一定の音響波形は、「白（white）」波形と呼ぶことができる。一方、プリエンファシスを行わない場合、送信音響波形は、トランスデューサの周波数応答を反映し、このような波形は、「色付き（colored）」波形と呼ばれる。受信波形のデエンファシスによって、ターゲット媒体のボリューム、例えば、生体組織ボリュームの反射特性を判定することができる。

検証の結果、単一周波数モード（例えば、従来のＡ−モード、Ｂ−モード及びＣ−モード）では、そのモノクロマティックな性質のために、プリエンファシスの必要がない。このような単一周波数波形は、例えば、生物学的に安全な音の強さの限界を超えないように、振幅制御を必要とすることがある。

各チップの位相がランダムである場合、送信波形Ｗは、ランダム雑音と同様の特徴を有することができる。各チップの位相（Φ_ｎｋ＋Ｃ_ｎ）を一意的に決定し、繰返し可能に（図１Ａに示す）マスタクロックに同期させる場合、送信波形Ｗは、擬似ランダム雑音として分類できる。このような擬似ランダム雑音波形は、コヒーレントであり、これによって、コヒーレント受信機を実現することができる。

広瞬時帯域幅、擬似ランダム雑音波形の画像処理の利点は、適切な波形選択によるスペックル、例えば、従来の医療用超音波画像に一般的に関連している相互干渉波形によって生成されるランダムな強度パターンであるスペックル／スペックルパターンの低減及び潜在的排除を含む。スペックルのこの例示的な低減は、広帯域のガウス雑音状の白色光によって照射されたシーンには観察可能なスペックルがなく、狭帯域レーザ照射では、同じシーンで強いスペックルが生じることと同様である。

コヒーレント、擬似ランダム雑音、周波数符号化波形及び／又は位相符号化波形の信号処理の利点は、波形の時間サイドローブ及びドップラーサイドローブを非常に小さくできることを含む。例えば、不確定性関数Ａ（τ，ν）は、ドップラーシフト（ν）又は伝搬遅延（τ）の効果のために受信機のマッチドフィルタによって処理される受信波形の歪みを表す二次元表現であってもよい。具体的には、例示的な不確定性関数Ａ（τ，ν）は、式（２）によって定義され、シナリオによらず、波形特性及び受信機の特徴のみによって決定される。不確定性関数Ａ（τ，ν）は、以下のように定義される

式（１）で示したタイプの波形については、以下の式を得ることができる。

ここで、Δｔ＝τ−ｔ、Δｆ＝ν−（ｆ_ｎ−ｆ_ｍ）及びΔΦ＝Φ_ｎ−Φ_ｍであり、これにより、式（４）に示す完全な不確定性の式が得られる。

ここで、ｎ及びｍの両方は、Ｎ−Ｍ＋１からＮまでの正の整数のシーケンスである。

図３は、波形Ｗのための式によって表される擬似ランダム雑音、周波数符号化波形（３０１）の例示的な不確定性関数の特徴を示している。例示的な符号化波形（３０１）は、１２８のコード長を有する。図３に示すように、この不確定性関数のサイドローブ（３０２）は、チップ間の位相の相互作用に起因し、Ｎ^２の関数であるピークより低いプラトーレベルを有する。

検証の結果、選択された特定の乱数コード（Ｉ_ｎｋ）に基づき、多くの波形（Ｗ）が可能である。しかしながら、サイドローブ性能は、定義された全ての波形について保証することはできず、したがって、可能な符号の集合の数値検索によって、サイドローブを十分に小さくすると判定された符号のみを使用する。

例えば、医用超音波用途では、伝搬媒質としての生体組織は、非一様である。伝搬媒質の非一様性によって、差動時間遅延が導入され、生体組織は、不要な動きに誘発されたドップラーを導入することがある。超音波トランスデューサアレイは、（例えば、物理的なサイズ制限のために）超音波ビームの軸外部分に不要なサイドローブ及びグレーティングローブを有することもあり、これによって、メインローブ応答に不要な時間遅延及びドップラー応答が追加されてしまう。不確定性関数サイドローブが小さい波形は、差動時間遅延、動き誘発ドップラー、トランスデューササイドローブ効果からの干渉の低減によって、フォーカシング及びターゲットコントラストを大幅に改善する。

コヒーレント、擬似ランダム雑音、周波数符号化波形及び／又は位相符号化波形により、より高次のクロスレンジフォーカシング技術を採用でき、サイズが制限されている超音波トランスデューサアレイ、例えば、医用用超音波トランスデューサアレイの横方向分解能を改善できる。

例えば、各生物学的組織タイプ及び各疾患組織タイプは、周波数及び空間的形態の関数として、それぞれ固有の超音波エコー応答を示す。従来のエラストグラフィ（Elastograph）モード（Ｅ−モード）の方式では、例えば、重なり合う非一様な媒体を介する超音波波動伝搬を正確に特徴付ける能力の不足等による測定誤差のために、このような特性を利用して組織を分類することが困難である場合がある。例示的なシステム（１００）によって生成される例示的な波形、例えば広瞬時帯域幅、コヒーレント、擬似ランダム雑音、周波数符号化波形及び／又は位相符号化波形により、介在する組織層を介する各音線の伝搬遅延を同時に判定し、調査中のターゲットボリュームの空間的なエコー特性を正確に判定することによって、組織を弁別することができる。例えば、分類器、例えば、ベイズ推定分類器（Bayesian inference Classifier）を、受信エコーの測定された特徴から得られた特徴データに適用して、ターゲットボリュームにおいて観測される組織タイプを自動的に分類することができ、コンピュータ支援診断モード（ＣＡＤモード）を実現できる。

生来的に画質を大幅に低下させ、個々のオペレータの技術に頼る従来のＥ−モードとは異なり、式（１）によって表される例示的な波形は、生来的に、画質を向上させ、同時に、ＡＴＳモード及び／又はＣＡＤモードにおいて、組織タイプによって結果の画像を色付けすることができる。この利点によって、ユーザの技術を補完でき、病巣の周縁を認識でき、したがって、診断を向上させることができる。

更に、（図１Ａに示すように、）送信側に配置された波形シンセサイザ（１０８）及び受信側に配置されたデジタルシグナルプロセッサ（１０４）によって、ビーム制御（例えば、ビームステアリング、動的ビームフォーカシング、及びビーム成形）機能を実現できる。図４Ａ〜図４Ｃは、フェイズドアレイの各要素の間に、差動時間遅延又はこれと同等な位相シフト及び振幅重み付けを導入することによる、これらのデジタル電子回路機能の基礎を示している。図４Ａに示すように、差動位相シフトによって、各音線（ｒ_１，ｒ_２，…ｒ_ｉ，…）が第ｉの要素から焦点（ｐ）まで伝播する距離（ｄ）の差動的変化を補償することができる。ターゲット媒体のターゲットに向かうトランスデューサアレイ（１１１）の直接目標／アラインメントのｚ軸方向に焦点（ｐ）が沿っていないために、角度（θ）が形成される。更に、各要素に差動振幅重みを適用して、ビーム形状を制御し、サイドローブ及びグレーティングローブを抑圧することができる。また、例示的な波形内の１つ以上のチップについて、波形発生器（１０７）は、位相遅延を予め符号化し、トランスデューサアレイ（１１１）内の各トランスデューサ要素から送信される１つ以上のチップの位相を遅らせることができる。この機能の結果を図４Ｂ及び図４Ｃに示す。１つ以上のチップの例示的な位相遅延値をデジタルシグナルプロセッサ（１０４）及び／又はシステムコントローラ（１０２）に伝達し、受信合成波形の信号処理において、位相遅延値を反映させることができる。

狭瞬時帯域幅超音波デバイスでは、この機能は、各要素を駆動する合成アナログ信号に位相シフト及び振幅減衰を導入することによって実現できる。しかしながら、システム（１００）によって生成される例示的なスペクトル拡散、広瞬時帯域幅、周波数符号化波形及び／又は位相符号化波形では、式（５）に示すように、波形（Ｗ_ｉ）の個々のチップは、各アレイ要素（ｉ）の周波数（ｎ）の関数として、全てのＩ要素について個別に、それぞれ別個に振幅重み付け（Ｂ_ｎｉ）及び位相重み付け（Ｄ_ｎｉ）が行われている。

各チップに要求される振幅及び位相の重みは、送信時に、システムコントローラ（１０２）によって算出でき、波形発生器（１０７）に命令として供給することができる。そして、波形発生器（１０７）は、デジタルワード（実数及び虚数成分）を波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）に送り、波形シンセサイザ及びビームコントローラ（１０８）は、アナログ駆動信号を生成し、アナログ駆動信号は、増幅器（１０９）で増幅されて、トランスデューサアレイ（１１１）の各アレイ要素に送られる。

受信時には、逆のプロセスが行われる。Ａ／Ｄ変換器モジュール（１１３）は、各アレイ要素の各チップの振幅及び位相情報を表すデジタルワードをデジタルシグナルプロセッサ（１０４）に送り、次に、デジタルシグナルプロセッサ（１０４）は、各チップについての受信ビームをデジタル的に形成する。

受信波形、例えば、広帯域幅、スペクトル拡散、周波数符号化波形及び／又は位相符号化波形を処理するために、多くの手法を用いることができる。図５は、例示的な相関処理技術を示している。例えば、例示的な相関処理技術への入力は、デジタル化された受信信号Ｙ_ｉ（τ，ν）を含むことができ、これに、送信されたデジタル波形の複素共役の複製Ｗ_ｉ＊（τ）を乗算できる。複素共役の複製Ｗ_ｉ＊（τ）は、乗算の前に、１・τ０だけタイムシフトさせてもよい。図５に示すように、この乗算は、複数のタイムシフトのために、複数回、例えば、Ｊ回、繰り返してもよい。複数のタイムシフトのための複数の乗算は、平行に繰り返してもよいが、各演算における複製は、図５に示すように、先の複製から、増分τ０によってタイムシフトされる。各タイムステップについて得られた積は、例えば、ハン（Hann）、ハミング（Hamming）、チューキー（Tukey）、カイザー−ベッセル（Kaiser-Bessel）、ドルフ−チェビシェフ、ブラックマン−ハリス（Blackman-Harris）窓等の窓関数によってフィルタリングされ、高速フーリエ変換（fast Fourier Transform：ＦＦＴ）積算器を経て、デジタルフィルタを通過する。例えば、特定の波形Ｗに依存するタイプのデジタルフィルタを用いてフィルタリングを行い、入力信号をデシメートする。この例示的なプロセスにより、トランスデューサアレイ第ｉの要素のそれぞれのレンジドップラー応答（range-Doppler return）が得られる。そして、従来の技術を用いて、例示的な検出アルゴリズムからの出力データストリームを処理して、表示用の画像を生成することができる。更に、処理されるレンジドップラー波形は、Ｉ個のトランスデューサ要素を２つ以上のサブアレイ（subarray）に分割することによって処理してもよい。処理される第ｉのレンジドップラー応答は、その第ｉの要素がどのサブアレイに属するかに基づいて、振幅及び／又は位相において重み付けしてもよい。これらの重み付けされた応答は、加算及び減算することができる。これらの和又は差を処理して、システムのクロスレンジ画像分解能を向上させることができる。

ここに開示した技術の幾つかの応用例及び用途は、上述のしたシステム、方法及びデバイスのここに開示した特徴を利用して実現することができる。ここに開示した技術の臨床的な使用の幾つかの具体例について説明する。

１つの例示的な応用例では、例示的なスペクトル拡散超音波デバイスのＡＴＳ及びＣＡＤモードにより得られる画質によって、一次医療の医師は、通常の検査選別プロトコルにこの方式を組み込み、初期の悪性腫瘍（例えば、ステージ０又はステージ１）及び末期癌の位置を検出することができる。この応用例の結果として、デバイスによって、潜在的に、例えば、診断が困難な胃癌、膵臓癌、膀胱癌等を罹患した無症状の患者の生存率を高めることができる。

他の例示的な応用例では、例示的なスペクトル拡散超音波デバイスのＡＴＳ及びＣＡＤモードにより得られる画質によって、認定放射線専門医は、外科的生検又は切除介入の前に、腫瘍が良性であるか悪性であるかを診断することができる。この応用例により、放射線専門医は、初期の悪性腫瘍（例えば、ステージ０又はステージ１）の位置を特定及び診断することができ、潜在的に患者の生存率を高めることができる。更に、治療が困難で、致命的な場合もある合併症、例えば、耐性黄色ブドウ球菌（ＭＲＳＡ（methicillin resistant staphylococcus aureus）ブドウ球菌）感染等のリスクを伴う潜在的に不要な生検を回避することができる。

他の例示的な応用例では、細針生検及び他の医療的処置において、例示的なスペクトル拡散超音波デバイスから得られる３Ｄ画質及びその４Ｄイメージング能力を用いることができる。例えば、例示的なスペクトル拡散超音波デバイスを例示的な細針生検器具（例えば、デバイスのトランスデューサプローブ）に統合し、非常に小さく、初期（例えば、ステージ０又はステージ１）の腫瘍の細針生検によって、非侵襲的診断を確認することができる。この応用例によって、医師は、切開生検及びこの結果として生じる治療が困難で、致命的にもなり得る合併症の可能性を回避することができ、患者にとって有益であることは明らかである。

他の例示的な応用例では、このデバイスのスペクトル拡散トランスデューサプローブを侵襲が最小の外科的高精細度撮影器具に統合することによって、光学画像及び超音波画像を融合することができる。このスペクトル拡散超音波デバイスの改善された３Ｄ画質、その４Ｄイメージング能力、及びＡＴＳ及びＣＡＤモードによって、医師は、このような融合された映像及び超音波画像に基づいて、病変組織の位置を特定し、健全な組織を過剰に切除することなく、外科的に切除することができる。

他の例示的な応用例では、このスペクトル拡散超音波デバイスの改善された３Ｄ画質、その４Ｄイメージング能力及びＡＴＳモードによって、例示的なスペクトル拡散超音波デバイスは、カテーテル及び密封された放射線源の挿入を適切な位置に正確に誘導することによって、悪性腫瘍の近接照射療法の時間を短縮できる。このスペクトル拡散超音波デバイスの近接照射療法への応用は、位置及び周縁の特定が困難な小さい腫瘍の治療に特に有用である。

他の例示的な応用例では、このスペクトル拡散超音波デバイスの改善された３Ｄ画質、その４Ｄイメージング能力、及びＡＴＳモードによって、例示的なスペクトル拡散超音波デバイスは、カテーテル及び薬剤の挿入を適切な位置に正確に誘導することによって、高用量の局所的な投薬治療を可能にする。このスペクトル拡散超音波デバイスの近接照射療法への応用は、位置の特定が困難な小さい腫瘍の治療に特に有用である。

本明細書に開示した実施の形態及び機能的動作は、デジタル電子回路で実現してもよく、本明細書に開示した構造及びこれらの構造的な均等物を含むコンピュータソフトウェア、ファームウェア又はハードウェアで実現してもよく、これらの１つ以上の組合せで実現してもよい。ここに開示した実施の形態及び他の実施の形態は、１つ以上のコンピュータプログラム製品、例えば、実体がある不揮発性の媒体内に符号化され、データ処理装置によって実行され、又はデータ処理装置の動作を制御するコンピュータプログラム命令の１つ以上のモジュールとして実現することもできる。コンピュータが読取可能な媒体は、機械可読のストレージデバイス、機械可読のストレージ基板、メモリデバイス、機械可読の伝播信号に作用する組成物又はこれらの１つ以上の組合せであってもよい。用語「データ処理装置」は、データを処理するための全ての装置、デバイス及び機械を包含し、一例としてプログラミング可能なプロセッサ、コンピュータ、複数のプロセッサ又はコンピュータがこれに含まれる。装置は、ハードウェアに加えて、当該コンピュータプログラムの実行環境を作成するコード、例えば、プロセッサファームウェアを構成するコード、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステム又はこれらの１つ以上の組合せを含むことができる。

コンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、スクリプト又はコードとも呼ばれる。）は、コンパイラ言語又はインタープリタ言語を含む如何なる形式のプログラミング言語で書いてもよく、例えば、スタンドアロンプログラムとして、若しくはモジュール、コンポーネント、サブルーチン又は演算環境での使用に適する他のユニットとして、如何なる形式で展開してもよい。コンピュータプログラムは、必ずしもファイルシステム内のファイルに対応していなくてもよい。プログラムは、他のプログラム又はデータを含むファイル（例えば、マークアップ言語文書内に保存された１つ以上のスクリプト）の一部に保存してもよく、当該プログラムに専用の単一のファイルに保存してもよく、連携する複数のファイル（例えば、モジュール、サブプログラム又はコードの一部を保存する１つ以上のファイル）に保存してもよい。コンピュータプログラムは、１つのコンピュータ上で実行されるように展開してもよく、１つの場所に設けられた又は複数の場所に亘って分散され、通信ネットワークによって相互接続された複数のコンピュータ上で実行されるように展開してもよい。

本明細書に開示したプロセス及びロジックフローは、入力データを処理し、出力を生成することによって機能を実現する１つ以上のコンピュータプログラムを実行する１つ以上のプログラミング可能なプロセッサによって実現してもよい。プロセス及びロジックフローは、例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（field programmable gate array：ＦＰＧＡ）又は特定用途向け集積回路（application specific integrated circuit：ＡＳＩＣ）等の専用論理回路等として実現できる装置によって実行してもよい。

コンピュータプログラムの実行に適するプロセッサには、一例として、汎用マイクロプロセッサ及び専用マイクロプロセッサの両方、例えば、デジタルシグナルプロセッサ（digital signal processor：ＤＳＰ）並びにあらゆる種類のデジタルコンピュータの１つ以上のプロセッサの何れかを含ませてもよい。プロセッサは、通常、読出専用メモリ若しくはランダムアクセスメモリ、又はこれらの両方から命令及びデータを受け取る。コンピュータの基本的な要素は、命令を実行するプロセッサと、命令及びデータを保存する１つ以上のメモリデバイスである。また、コンピュータは、通常、データを保存するための１つ以上の大容量記憶装置、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク又は光ディスクを含み、若しくは、大容量記憶装置からデータを受信し、大容量記憶装置にデータを送信し、又はこの両方の動作を行うように大容量記憶装置に動作的に接続されている。但し、コンピュータは、必ずしもこのような装置を有する必要はない。コンピュータプログラム命令及びデータの格納に適するデバイスには、一例として挙げれば、半導体記憶デバイス、例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ及びフラッシュメモリデバイスを含む全ての形式の不揮発性メモリが含まれる。プロセッサ及びメモリは、専用論理回路によって補ってもよく、専用論理回路に組み込んでもよい。

本明細書は、多くの詳細事項を含んでいるが、これらの詳細事項は、特許請求している又は特許請求することができる本発明の範囲を限定するものとは解釈されず、本発明の特定の実施の形態の特定の特徴の記述として解釈される。本明細書において、別個の実施の形態の文脈で開示した幾つかの特徴を組み合わせて、単一の実施の形態として実現してもよい。逆に、単一の実施の形態の文脈で開示した様々な特徴は、複数の実施の形態に別個に具現化してもよく、適切な如何なる部分的組合せとして具現化してもよい。更に、以上では、幾つかの特徴を、ある組合せで機能するものと説明しているが、初期的には、そのように特許請求している場合であっても、特許請求された組合せからの１つ以上の特徴は、幾つかの場合、組合せから除外でき、特許請求された組合せは、部分的組合せ又は部分的な組合せの変形に変更してもよい。

同様に、図面では、動作を特定の順序で示しているが、このような動作は、所望の結果を達成するために、図示した特定の順序又は順次的な順序で行う必要はなく、また、図示した全ての動作を行う必要もない。ある特定の状況では、多重タスキング及び並列処理が有利であることもある。更に、上述した実施形態における様々なシステムの構成要素の分離は、全ての実施形態においてこのような分離が必要であることを意図してはいない。

幾つかの具体例及び実施例のみを開示した。ここに開示した内容に基づいて、上述した具体例及び実施例及び他の実施例を変形、変更及び拡張することができる。

Claims (40)

1. 音響イメージングデバイスにおいて、音響波形から画像を生成する方法において、
   前記音響イメージングデバイスの送信／受信スイッチを、ターゲットに向けて音響波形を送信する送信モードに切り換えるステップと、
   前記音響波形の送信において、１つ以上の波形シンセサイザによって、前記ターゲットに向けて送信される音響波形として、合成波形を構成する複数の実質的に直交する符号化波形を合成するステップであって、前記各波形は、別個の周波数帯域に対応し、前記符号化波形は、周波数符号化波形又は位相符号化波形の少なくとも１つを含むステップと、
   前記音響イメージングデバイスの送信／受信スイッチを、前記ターゲットの少なくとも一部から戻る応答音響波形を受信する受信モードに切り換えるステップと、
   前記受信した応答音響波形を、前記ターゲットの情報を含む受信合成波形としてアナログ形式からデジタル形式に変換するステップと、
   前記受信合成波形を処理して、前記ターゲットの少なくとも一部の画像を生成するステップと、
   を有する方法。
2. 前記周波数符号化波形を合成するステップは、前記周波数帯域に対応する２つ以上の搬送波周波数を選択し、前記符号化波形の各波形の１つ以上の振幅及び時間−帯域幅積パラメータを決定するステップを含む請求項１記載の方法。
3. 前記位相符号化波形を合成するステップは、前記符号化波形の各波形の時間−帯域幅積パラメータ及び位相パラメータを決定するステップを含む請求項１記載の方法。
4. 前記位相パラメータは、擬似乱数の集合から決定される請求項３記載の方法。
5. 前記位相パラメータは、決定論的数の集合から決定される請求項３記載の方法。
6. 前記符号化波形は、コヒーレントな波形を含む請求項１記載の方法。
7. 前記符号化波形は、周波数符号化波形及び位相符号化波形である請求項１記載の方法。
8. 前記複数の符号化波形の各波形は、１つ以上の振幅及び１つ以上の位相を含む請求項１記載の方法。
9. 前記１つ以上の振幅は、前記複数の符号化波形の少なくとも１つの波形について、個別に振幅重み付けされ、前記音響波形のステアリング、フォーカシング又は成形の少なくとも１つを提供する請求項８記載の方法。
10. 前記１つ以上の位相は、前記複数の符号化波形の少なくとも１つの波形について、個別に位相重み付けされ、前記音響波形のステアリング、フォーカシング又は成形の少なくとも１つを提供する請求項８記載の方法。
11. 前記情報は、前記受信合成波形の対応する周波数帯域に関係付けられた振幅及び位相を含む請求項１記載の方法。
12. 前記振幅は、前記受信合成波形の対応する周波数帯域の少なくとも１つの周波数帯域について、個別に振幅重み付けされ、前記音響波形のステアリング、フォーカシング又は成形の少なくとも１つを提供する請求項１１記載の方法。
13. 前記位相は、前記受信合成波形の対応する周波数帯域の少なくとも１つの周波数帯域について、個別に位相重み付けされ、前記音響波形のステアリング、フォーカシング又は成形の少なくとも１つを提供する請求項１１記載の方法。
14. 前記合成波形に基づいて、無線周波数（ＲＦ）波形を形成するステップを更に有する請求項１記載の方法。
15. 前記ＲＦ波形に基づいて、音響波形を形成するステップを更に有する請求項１４記載の方法。
16. 前記ＲＦ波形を増幅するステップを更に有する請求項１４記載の方法。
17. 前記音響波形は、前記複数の符号化波形に関係付けられた対応する周波数帯域を含む空間的に結合された音響波形である請求項１記載の方法。
18. 前記受信した応答音響波形を増幅するステップを更に有する請求項１記載の方法。
19. 前記受信合成波形を処理するステップは、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）によって実行される請求項１記載の方法。
20. 波形発生器に接続された１つ以上の波形シンセサイザを有する波形生成ユニットであって、前記波形発生器から提供される波形情報に基づいて、前記１つ以上の波形シンセサイザによって生成され、周波数帯域に対応する複数の実質的に直交する符号化波形を含む合成波形を合成し、前記符号化波形は、周波数符号化波形又は位相符号化波形の少なくとも１つを含む波形生成ユニットと、
    送信モードと受信モードとの間で切り換えられる送信／受信スイッチングユニットと、
    前記送信／受信スイッチングユニットと通信し、前記合成波形に基づいて、ターゲットに向けて音響波形を送信し、前記ターゲットの少なくとも一部から戻る応答音響波形を受信するトランスデューサ要素のアレイと、
    前記トランスデューサ要素のアレイが受信した前記応答音響波形を、前記ターゲットの情報を含む受信合成波形としてアナログ形式からデジタル形式に変換するアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器のアレイと、
    前記波形生成ユニット及び前記Ａ／Ｄ変換器のアレイと通信し、前記受信合成波形を処理して、前記ターゲットの少なくとも一部の画像を生成する処理ユニットを含むコントローラユニットと、
    前記コントローラユニットと通信するユーザインタフェースユニットと、
    を備える音響波形イメージングシステム。
21. 前記ユーザインタフェースユニットは、前記画像を表示するディスプレイを備える請求項２０記載の音響波形イメージングシステム。
22. 前記波形生成ユニットは、前記送信／受信スイッチングユニットと前記１つ以上の波形シンセサイザの間に配置され、前記合成波形を変更する１つ以上の増幅器を備える請求項２０記載の音響波形イメージングシステム。
23. 前記送信／受信スイッチングユニットと前記少なくとも１つのＡ／Ｄ変換器のアレイとの間に配置され、受信した前記応答音響波形を変更する１つ以上の前置増幅器のアレイを更に備える請求項２０記載の音響波形イメージングシステム。
24. 前記処理ユニットは、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を備える請求項２０記載の音響波形イメージングシステム。
25. 前記コントローラユニットは、前記音響波形イメージングシステムの要素の少なくとも１つにおける時間を同期させるマスタクロックを備える請求項２０記載の音響波形イメージングシステム。
26. 前記ユーザインタフェースユニットは、前記コントローラユニットと通信し、ユーザから入力を受け取る１つ以上のユーザインタフェースを備える請求項２０記載の音響波形イメージングシステム。
27. 前記入力は、動作モードを含む請求項２６記載の音響波形イメージングシステム。
28. 前記動作モードは、前記応答音響波形から得られる１つ以上の測定された特性の少なくとも１つの特徴に基づくカラー画像符号化を可能にする生体組織のイメージングのためのＡＴＳモード（人工組織染色モード）の少なくとも１つを含む請求項２７記載の音響波形イメージングシステム。
29. 前記動作モードは、前記応答音響波形から得られる１つ以上の測定された特性の少なくとも１つの特徴に基づいて生体組織タイプを分類する１つ以上のアルゴリズム分類器を用いる生体組織のイメージングのためのＣＡＤモード（コンピュータ支援診断モード）の少なくとも１つを含む請求項２７記載の音響波形イメージングシステム。
30. 前記ユーザインタフェースユニットは、前記分類された生体組織タイプに基づいて、生体組織のカラー符号化された画像を表示するディスプレイを備える請求項２９記載の音響波形イメージングシステム。
31. 前記トランスデューサ要素のアレイは、２つ以上のサブアレイに区切られ、前記送信された音響波形に対応する周波数帯域の少なくとも１つの周波数帯域について、前記２つ以上のサブアレイの少なくとも１つは、個別に振幅重み付けされ、前記２つ以上のサブアレイの少なくとも１つは、個別に位相重み付けされ、及び結合されて、クロスレンジ分解能を向上させる請求項２０記載の音響波形イメージングシステム。
32. 前記トランスデューサ要素のアレイは、２つ以上のサブアレイに区切られ、前記受信した応答音響波形に対応する周波数帯域の少なくとも１つの周波数帯域について、前記２つ以上のサブアレイの少なくとも１つは、個別に振幅重み付けされ、前記２つ以上のサブアレイの少なくとも１つは、個別に位相重み付けされ、及び結合されて、クロスレンジ分解能を向上させる請求項２０記載の音響波形イメージングシステム。
33. 音響波形から画像を生成する方法において、
    送信／受信スイッチを送信モードに切り換えるステップと、
    複数の動作モードから動作モードを選択するステップと、
    １つ以上の波形シンセサイザによって、合成波形を構成する複数の実質的に直交する符号化波形を合成するステップであって、前記各波形は、別個の周波数帯域に対応し、前記符号化波形は、周波数符号化波形又は位相符号化波形の少なくとも１つを含むステップと、
    前記合成波形に基づく音響波形をターゲットに向けて送信するステップと、
    前記送信／受信スイッチを受信モードに切り換えるステップと、
    前記ターゲットの少なくとも一部から戻る応答音響波形を受信するステップと、
    前記受信した応答音響波形を、前記ターゲットの情報を含む受信合成波形としてアナログ形式からデジタル形式に変換するステップと、
    前記受信合成波形を処理して、前記ターゲットの少なくとも一部の画像を生成するステップと、
    を有する方法。
34. 前記動作モードは、前記応答音響波形から得られる１つ以上の測定された特性の少なくとも１つの特徴に基づくカラー画像符号化を可能にする生体組織のイメージングのためのＡＴＳモードの少なくとも１つを含む請求項３３記載の方法。
35. 前記動作モードは、前記応答音響波形から得られる１つ以上の測定された特性の少なくとも１つの特徴に基づいて生体組織タイプを分類する１つ以上のアルゴリズム分類器を用いる生体組織のイメージングのためのＣＡＤモードの少なくとも１つを含む請求項３３記載の方法。
36. 前記分類された生体組織タイプに基づいて、生体組織のカラー符号化された画像を表示するステップを更に有する請求項３５記載の方法。
37. 前記周波数符号化波形を合成するステップは、前記周波数帯域に対応する２つ以上の搬送波周波数を選択し、前記符号化波形の各波形の１つ以上の振幅及び時間−帯域幅積パラメータを決定するステップを含む請求項３３記載の方法。
38. 前記位相符号化波形を合成するステップは、上記符号化波形の各波形の時間−帯域幅積パラメータ及び位相パラメータを決定するステップを含む請求項３３記載の方法。
39. 音響波形から画像を生成する方法において、
    異なる周波数帯域に対応する複数の符号化波形を結合して、異なる周波数帯域において実質的に直交する波形信号を含む合成波形を生成するステップであって、前記符号化波形は、周波数符号化波形又は位相符号化波形の少なくとも１つを含むステップと、
    前記合成波形を用いて、ターゲットに向かう異なる周波数帯域を含む音響プローブ波を生成するステップと、
    前記音響プローブ波を前記ターゲットに送信した後に、前記ターゲットの少なくとも一部から戻る音響エネルギを受信するステップと、
    前記受信した音響エネルギを、前記ターゲットの情報を含むデジタル合成波形に変換するステップと、
    前記受信合成波形を処理して、前記ターゲットの少なくとも一部の画像を生成するステップと、
    を有する方法。
40. 音響波形から画像を生成するデバイスにおいて、
    異なる周波数帯域に対応する複数の符号化波形を結合して、異なる周波数帯域において実質的に直交する波形信号を含む合成波形を生成する手段であって、前記符号化波形は、周波数符号化波形又は位相符号化波形の少なくとも１つを含む手段と、
    前記合成波形を用いて、ターゲットに向かう異なる周波数帯域を含む音響プローブ波を生成する手段と、
    前記音響プローブ波を前記ターゲットに送信した後に、前記ターゲットの少なくとも一部から戻る音響エネルギを受信する手段と、
    前記受信した音響エネルギを、前記ターゲットの情報を含むデジタル合成波形に変換する手段と、
    前記受信合成波形を処理して、前記ターゲットの少なくとも一部の画像を生成する手段と、
    を備えるデバイス。

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