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技術 Bモ—ド超音波イメ—ジングにおける自動送信波形最適化のための方法及び装置

出願人 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
発明者 ラリー・ワイ・エル・モウ
出願日 1999年11月30日 (21年5ヶ月経過) 出願番号 1999-338994
公開日 2000年7月11日 (20年10ヶ月経過) 公開番号 2000-189424
状態 特許登録済
技術分野 超音波診断装置 超音波診断装置 画像処理 イメージ分析
主要キーワード 送信周波数選択 受信電子回路 時間ゲイン ベクトル角度 関心空間 総エネルギ 衝撃係数 アナログ電子回路
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図面 (5)

課題

Bモード感度及び透過性に影響を与える基本的な画像パラメータ選択について、超音波スキャナ使い易さ及び効率を向上させる。

解決手段

Bモード送信波形中心周波数又は長さの調節を実際の画像データに基づいて自動化する方法及び装置を開示する。選択された画像データのカーネル(50)における平均SNR及び空間相関統計を解析して、高品質信号が存在しているか否かをテストする。1つ又はそれよりも多いテスト・カーネル(50)を比較的深い深さに(即ち、利用者が選択した画像の深さレンジの底部に近接して)配置することにより、テストの全体の結果が、所望の深さに到るまで十分に強い信号を提供しながら最高分解能を与える利用可能な送信波形を指示するようにする。

概要

背景

概要

Bモード感度及び透過性に影響を与える基本的な画像パラメータ選択について、超音波スキャナ使い易さ及び効率を向上させる。

Bモード送信波形中心周波数又は長さの調節を実際の画像データに基づいて自動化する方法及び装置を開示する。選択された画像データのカーネル(50)における平均SNR及び空間相関統計を解析して、高品質信号が存在しているか否かをテストする。1つ又はそれよりも多いテスト・カーネル(50)を比較的深い深さに(即ち、利用者が選択した画像の深さレンジの底部に近接して)配置することにより、テストの全体の結果が、所望の深さに到るまで十分に強い信号を提供しながら最高分解能を与える利用可能な送信波形を指示するようにする。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

多数のトランスデューサ素子を含んでいる超音波トランスデューサアレイと、該トランスデューサ・アレイをパルス駆動して、第1の走査において第1の送信波形集合を用いて形成される超音波ビームを送信する送信器と、前記送信に続いて、前記トランスデューサ・アレイにより検出されるエコー信号から導き出される音波データ受信ビームを形成する受信器と、前記音波データを前記第1の走査に対応するピクセル強度データの集合へ変換する信号処理系と、前記ピクセル強度データの集合から導き出される表示データの画像フレームを表す画像を表示する表示サブシステムと、(a)前記ピクセル強度データの集合から抽出される第1のピクセル強度データのテストカーネルについて、信号対ノイズ比及び横方向空間自己相関推定値を算出する工程、(b)前記第1のテスト・カーネルの前記信号対ノイズ比と前記横方向空間自己相関推定値との関数として第2の送信波形の集合を決定する工程、及び(c)前記送信器へ信号を送信して、前記送信器が第2の走査時に前記第2の送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信するようにする工程を実行するようにプログラムされているコンピュータと、を備えている、生体組織イメージングするシステム

請求項2

前記コンピュータは、前記第1のピクセル強度データのテスト・カーネルについて平均ピクセル強度を算出し、ノイズモデルに基づいた関連するすべてのシステム・パラメータカレントの設定の関数として前記第1のピクセル強度データのテスト・カーネルについて予測される平均ノイズ・レベルを算出することにより、前記信号対ノイズ比を算出する請求項1に記載のシステム。

請求項3

前記コンピュータは、前記第1のテスト・カーネルにおける各々のピクセル強度データの横方向線について空間自己相関関数を算出し、次いで、すべての横方向線についての結果を平均することにより、前記横方向空間自己相関推定値を算出する請求項1に記載のシステム。

請求項4

前記コンピュータにより実行される第2の送信波形の集合を決定する前記工程は、所定のレベルにおける前記横方向空間自己相関推定値の幅を決定する工程を含んでいる請求項1に記載のシステム。

請求項5

前記コンピュータにより実行される第2の送信波形の集合を決定する前記工程は、(a)多段画質尺度の各々の画質レベルについて、それぞれの最適な送信波形集合を記憶する工程と、(b)前記信号対ノイズ比と前記横方向空間自己相関推定値との関数として前記画質レベルの1つを割り当てることにより、前記多段の画質尺度に従って前記第1のテスト・カーネルを分類する工程と、(c)前記割り当てられた画質レベルに対応する最適な送信波形集合を選択する工程と、を含んでいる請求項1に記載のシステム。

請求項6

前記コンピュータは更に、前記第1のテスト・カーネルにおける各々のピクセル強度データの軸方向線について空間自己相関関数を算出し、次いで、すべての軸方向線についての結果を平均することにより、軸方向空間自己相関推定値を算出する請求項1に記載のシステム。

請求項7

前記送信器は、第1の送信焦点ゾーンフォーカスされており第1の中心周波数を有する前記第2の集合の第1の送信波形と、前記第1の送信焦点ゾーンと異なる第2の送信焦点ゾーンにフォーカスされており前記第1の周波数と異なる第2の中心周波数を有する前記第2の集合の第2の送信波形とを送信するようにプログラムされている請求項1に記載のシステム。

請求項8

前記送信器は、第1の送信焦点ゾーンにフォーカスされており第1の長さを有する前記第2の集合の第1の送信波形と、前記第1の送信焦点ゾーンと異なる第2の送信焦点ゾーンにフォーカスされており前記第1の長さと異なる第2の長さを有する前記第2の集合の第2の送信波形とを送信するようにプログラムされている請求項1に記載のシステム。

請求項9

前記コンピュータは更に、前記ピクセル強度データの集合から抽出された更なるピクセル強度データのテスト・カーネルについて、信号対ノイズ比及び横方向空間自己相関推定値を算出する工程を実行するようにプログラムされており、前記第2の送信波形の集合は、すべてのテスト・カーネルについての信号対ノイズ比と横方向空間自己相関推定値との関数として決定される請求項1に記載のシステム。

請求項10

前記コンピュータにより実行される第2の送信波形の集合を決定する前記工程は、(a)多段の画質尺度の各々の画質レベルについて、それぞれの最適な送信波形集合を記憶する工程と、(b)前記信号対ノイズ比と前記横方向空間自己相関推定値との関数として各々のテスト・カーネルにそれぞれの画質レベルを割り当てることにより、前記多段の画質尺度に従ってすべてのテスト・カーネルを分類する工程と、(c)すべてのテスト・カーネルについて組み合わされた画質等級に基づいて、最適な送信波形集合を選択する工程と、を含んでいる請求項9に記載のシステム。

請求項11

多数のトランスデューサ素子を含んでいる超音波トランスデューサ・アレイと、該トランスデューサ・アレイをパルス駆動して、連続した走査において超音波ビームを送信する送信器と、前記各送信に続いて、前記トランスデューサ・アレイにより検出されるエコー信号から導き出される音波データの受信ビームを形成する受信器と、前記音波データを前記各走査に対応するそれぞれのピクセル強度データの集合へ変換する信号処理系と、前記それぞれのピクセル強度データの集合から導き出されるそれぞれの表示データの画像フレームに相当するそれぞれの画像を表示する表示サブシステムと、(a)前記それぞれのピクセル強度データの集合の平均から抽出される複数のピクセル強度データのテスト・カーネルの各々について、信号対ノイズ比及び横方向空間自己相関推定値を算出する工程、(b)前記信号対ノイズ比と前記横方向空間自己相関推定値との関数として第2の送信波形の集合を決定する工程、及び(c)前記送信器へ信号を送信して、前記送信器が第2の走査時に前記第2の送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信するようにする工程を実行するようにプログラムされているコンピュータと、を備えている、生体組織をイメージングするシステム。

請求項12

前記コンピュータは、各々の平均されたピクセル強度データのテスト・カーネルについて平均ピクセル強度を算出し、ノイズ・モデルに基づいた関連するすべてのシステム・パラメータのカレントの設定の関数として各々の平均されたピクセル強度データのテスト・カーネルについて予測される平均ノイズ・レベルを算出することにより、前記信号対ノイズ比を算出する請求項11に記載のシステム。

請求項13

前記コンピュータは、前記それぞれのテスト・カーネルにおける各々の平均されたピクセル強度データの横方向線について空間自己相関関数を算出し、次いで、すべての横方向線についての結果を平均することにより、各々のテスト・カーネルについて横方向空間自己相関推定値を算出する請求項11に記載のシステム。

請求項14

前記コンピュータにより実行される第2の送信波形の集合を決定する前記工程は、各々のテスト・カーネルについて所定のレベルにおける前記横方向空間自己相関推定値の幅を決定する工程を含んでいる請求項11に記載のシステム。

請求項15

前記コンピュータにより実行される第2の送信波形の集合を決定する前記工程は、(a)多段の画質尺度の各々の画質レベルについて、それぞれの最適な送信波形集合を記憶する工程と、(b)前記それぞれの信号対ノイズ比と前記それぞれの横方向空間自己相関推定値との関数として各々のテスト・カーネルに前記画質レベルの1つを割り当てることにより、前記多段の画質尺度に従って前記テスト・カーネルの各々を分類する工程と、(c)すべてのテスト・カーネルについて組み合わされた画質等級に基づいて前記最適な送信波形集合のうち最も適切なものを選択する工程と、を含んでいる請求項11に記載のシステム。

請求項16

(a)第1の走査時に非最適な送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信する工程と、(b)前記第1の走査時にピクセル強度データの画像フレームを取得する工程と、(c)前記ピクセル強度データの画像フレームにおいて第1のテスト・カーネルを選択する工程と、(d)前記第1のピクセル強度データのテスト・カーネルについて、信号対ノイズ比を算出する工程と、(e)前記第1のピクセル強度データのテスト・カーネルについて、横方向空間自己相関推定値を算出する工程と、(f)前記第1のテスト・カーネルの前記信号対ノイズ比と前記横方向空間自己相関推定値との関数として、最適な送信波形の集合を決定する工程と、(g)第2の走査時に前記最適な送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信する工程と、を含んでいる、超音波イメージング・システムにおいて送信波形を自動的に最適化する方法。

請求項17

前記超音波イメージング・システムにおける関連するすべてのシステム・パラメータのカレントの設定を検索する工程を更に含んでおり、信号対ノイズ比を算出する前記工程は、前記第1のピクセル強度データのテスト・カーネルについて、平均ピクセル強度を算出する工程と、ノイズ・モデルに基づいた関連するすべてのシステム・パラメータのカレントの設定の関数として前記第1のピクセル強度データのテスト・カーネルについて予測される平均ノイズ・レベルを算出する工程とを含んでいる請求項16に記載の方法。

請求項18

前記横方向空間自己相関推定値は、前記第1のテスト・カーネルにおける各々のピクセル強度データの横方向線について空間自己相関関数を算出し、次いで、すべての横方向線についての結果を平均することにより算出される請求項16に記載の方法。

請求項19

最適な送信波形の集合を決定する前記工程は、所定のレベルにおける前記横方向空間自己相関推定値の幅を決定する工程を含んでいる請求項16に記載の方法。

請求項20

第2の送信波形の集合を決定する前記工程は、(a)多段の画質尺度の各々の画質レベルについて、それぞれの最適な送信波形集合を記憶する工程と、(b)前記信号対ノイズ比と前記横方向空間自己相関推定値との関数として前記画質レベルの1つを割り当てることにより、前記多段の画質尺度に従って前記第1のテスト・カーネルを分類する工程と、(c)前記割り当てられた画質レベルに対応する最適な送信波形集合を選択する工程と、を含んでいる請求項16に記載の方法。

請求項21

前記第1のテスト・カーネルの各々のピクセル強度データの軸方向線について空間自己相関関数を算出し、次いで、すべての軸方向線についての結果を平均することにより、軸方向空間自己相関推定値を算出する工程を更に含んでいる請求項16に記載の方法。

請求項22

第2の走査時に前記最適な送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信する前記工程は、第1の送信焦点ゾーンにフォーカスされており第1の中心周波数を有する前記第2の集合の第1の送信波形を送信する工程と、前記第1の送信焦点ゾーンと異なる第2の送信焦点ゾーンにフォーカスされており前記第1の中心周波数と異なる第2の中心周波数を有する前記第2の集合の第2の送信波形を送信する工程と、を含んでいる請求項16に記載の方法。

請求項23

第2の走査時に前記最適な送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信する前記工程は、第1の送信焦点ゾーンにフォーカスされており第1の長さを有する前記第2の集合の第1の送信波形を送信する工程と、前記第1の送信焦点ゾーンと異なる第2の送信焦点ゾーンにフォーカスされており前記第1の長さと異なる第2の長さを有する前記第2の集合の第2の送信波形を送信する工程と、を含んでいる請求項16に記載の方法。

請求項24

前記ピクセル強度データの集合から抽出される更なるピクセル強度データのテスト・カーネルについて、信号対ノイズ比及び横方向空間自己相関推定値を算出する工程を更に含んでおり、前記第2の送信波形の集合は、すべてのテスト・カーネルについての信号対ノイズ比と横方向空間自己相関推定値との関数として決定される請求項16に記載の方法。

請求項25

第2の送信波形の集合を決定する前記工程は、(a)多段の画質尺度の各々の画質レベルについて、それぞれの最適な送信波形集合を記憶する工程と、(b)前記信号対ノイズ比と前記横方向空間自己相関推定値との関数として各々のテスト・カーネルにそれぞれの画質レベルを割り当てることにより、前記多段の画質尺度に従ってすべてのテスト・カーネルを分類する工程と、(c)すべてのテスト・カーネルについて組み合わされた画質等級に基づいて、最適な送信波形集合を選択する工程と、を含んでいる請求項24に記載の方法。

請求項26

(a)nが整数であり且つn>1であるときに、n回の走査時に非最適な送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信する工程と、(b)前記n回の走査時にn個のピクセル強度データの画像フレームを取得する工程と、(c)前記n個のピクセル強度データの画像フレームを平均して、平均されたピクセル強度データの画像フレームを形成する工程と、(d)前記平均されたピクセル強度データの画像フレームにおいて第1のテスト・カーネルを選択する工程と、(e)前記第1の平均されたピクセル強度データのテスト・カーネルについて、信号対ノイズ比を算出する工程と、(f)前記第1の平均されたピクセル強度データのテスト・カーネルについて、横方向空間自己相関推定値を算出する工程と、(g)前記第1のテスト・カーネルの前記信号対ノイズ比と前記横方向空間自己相関推定値との関数として、最適な送信波形の集合を決定する工程と、(h)第(n+1)の走査時に前記最適な送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信する工程と、を含んでいる、超音波イメージング・システムにおいて送信波形を自動的に最適化する方法。

請求項27

多数のトランスデューサ素子を含んでいる超音波トランスデューサ・アレイと、該トランスデューサ・アレイをパルス駆動して、第1の走査において第1の送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信する送信器と、前記送信に続いて、前記トランスデューサ・アレイにより検出されるエコー信号から導き出される音波データの受信ビームを形成する受信器と、前記音波データを前記第1の走査に対応するピクセル強度データの集合へ変換する信号処理系と、前記ピクセル強度データの集合から導き出される表示データの画像フレームに相当する画像を表示する表示サブシステムと、(a)前記ピクセル強度データの集合から抽出されるピクセル強度データのテスト・カーネルについて、信号対ノイズ比を算出する工程、(b)前記テスト・カーネルの前記信号対ノイズ比の関数として第2の送信波形の集合を決定する工程、及び(c)前記送信器へ信号を送信して、前記送信器が第2の走査時に前記第2の送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信するようにする工程を実行するようにプログラムされているコンピュータと、を備えている、生体組織をイメージングするシステム。

請求項28

前記コンピュータは、前記ピクセル強度データのテスト・カーネルについて平均ピクセル強度を算出し、ノイズ・モデルに基づいた関連するすべてのシステム・パラメータのカレントの設定の関数として前記ピクセル強度データのテスト・カーネルについて予測される平均ノイズ・レベルを算出することにより、前記信号対ノイズ比を算出する請求項27に記載のシステム。

請求項29

多数のトランスデューサ素子を含んでいる超音波トランスデューサ・アレイと、該トランスデューサ・アレイをパルス駆動して、連続した走査において超音波ビームを送信する送信器と、前記各送信に続いて、前記トランスデューサ・アレイにより検出されるエコー信号から導き出される音波データの受信ビームを形成する受信器と、前記音波データを前記各走査に対応するそれぞれのピクセル強度データの集合へ変換する信号処理系と、前記それぞれのピクセル強度データの集合から導き出されるそれぞれの表示データの画像フレームに相当するそれぞれの画像を表示する表示サブシステムと、(a)前記それぞれのピクセル強度データの集合の平均から抽出される複数のピクセル強度データのテスト・カーネルの各々について、信号対ノイズ比を算出する工程、(b)前記信号対ノイズ比の関数として第2の送信波形の集合を決定する工程、及び(c)前記送信器へ信号を送信して、前記送信器が第2の走査時に前記第2の送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信するようにする工程を実行するようにプログラムされているコンピュータと、を備えている、生体組織をイメージングするシステム。

請求項30

前記コンピュータは、各々の平均されたピクセル強度データのテスト・カーネルについて平均ピクセル強度を算出し、ノイズ・モデルに基づいた関連するすべてのシステム・パラメータのカレントの設定の関数として各々の平均されたピクセル強度データのテスト・カーネルについて予測される平均ノイズ・レベルを算出することにより、前記信号対ノイズ比を算出する請求項29に記載のシステム。

請求項31

(a)第1の走査時に非最適な送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信する工程と、(b)前記第1の走査時にピクセル強度データの画像フレームを取得する工程と、(c)前記ピクセル強度データの画像フレームにおいてテスト・カーネルを選択する工程と、(d)前記ピクセル強度データのテスト・カーネルについて、信号対ノイズ比を算出する工程と、(e)前記テスト・カーネルの前記信号対ノイズ比の関数として、最適な送信波形の集合を決定する工程と、(f)第2の走査時に前記最適な送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信する工程と、を含んでいる、超音波イメージング・システムにおいて送信波形を自動的に最適化する方法。

請求項32

前記超音波イメージング・システムにおける関連するすべてのシステム・パラメータのカレントの設定を検索する工程を更に含んでおり、信号対ノイズ比を算出する前記工程は、前記ピクセル強度データのテスト・カーネルについて、平均ピクセル強度を算出する工程と、ノイズ・モデルに基づいた関連するすべてのシステム・パラメータの現在の設定の関数として前記ピクセル強度データのテスト・カーネルについて予測される平均ノイズ・レベルを算出する工程とを含んでいる請求項31に記載の方法。

請求項33

(a)nが整数であり且つn>1であるときに、n回の走査時に非最適な送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信する工程と、(b)前記n回の走査時にn個のピクセル強度データの画像フレームを取得する工程と、(c)前記n個のピクセル強度データの画像フレームを平均して、平均されたピクセル強度データの画像フレームを形成する工程と、(d)前記平均されたピクセル強度データの画像フレームにおいてテスト・カーネルを選択する工程と、(e)前記平均されたピクセル強度データのテスト・カーネルについて信号対ノイズ比を算出する工程と、(f)前記テスト・カーネルの前記信号対ノイズ比の関数として、最適な送信波形の集合を決定する工程と、(g)第(n+1)の走査時に前記最適な送信波形の集合を用いて形成される超音波ビームを送信する工程と、を含んでいる、超音波イメージング・システムにおいて送信波形を自動的に最適化する方法。

請求項34

前記超音波イメージング・システムにおける関連するすべてのシステム・パラメータのカレントの設定を検索する工程を更に含んでおり、信号対ノイズ比を算出する前記工程は、前記平均されたピクセル強度データのテスト・カーネルについて平均ピクセル強度を算出する工程と、ノイズ・モデルに基づいた関連するすべてのシステム・パラメータの現在の設定の関数として前記第1の平均されたピクセル強度データのテスト・カーネルについて予測される平均ノイズ・レベルを算出する工程とを含んでいる請求項33に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、一般的には、生体組織Bモードイメージングに関する。具体的には、本発明は、画像データの計算機解析に基づいて送信パルスシーケンスを調節することによりBモード超音波画像を最適化する方法に関する。

背景技術

0002

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、被検体から反射したビームを受信するのに用いられる超音波トランスデューサ素子アレイ(配列)を含んでいる。このような走査は、フォーカス(focus) された超音波を送信し、短時間の後にシステムが受信モードに切り換わり、反射された超音波を受信し、ビーム形成ビームフォーミング)し、処理して表示するという一連測定動作を含んでいる。典型的には、送信及び受信は、各回の測定中には同じ方向にフォーカスされており、音波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、反射された超音波が受信されるのに伴い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では、アレイは典型的には、1つ又はそれ以上の行(row)を成して配列されており別個電圧で駆動される多数のトランスデューサを有している。印加電圧時間遅延(又は位相)及び振幅を選択することにより、所与の行内の個々のトランスデューサ素子を制御して超音波を形成し、これらの超音波を組み合わせて、好ましいベクトル方向に沿って走行していると共にビームに沿って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ことができる。各回のファイアリング(firing)でのビーム形成パラメータを変化させて、例えば、各々のビームの焦点前回のビームの焦点に対してシフトさせながら同じ走査線に沿って連続したビームを送信することにより、最大焦点に変化を与えることもできるし、他の場合には、各回のファイアリング毎に受信データの内容を変化させることもできる。方向可変式(steered )アレイの場合には、印加電圧の時間遅延及び振幅を変化させることにより、ビームをその焦点について平面内で移動させて物体を走査することができる。リニア・アレイの場合には、1回のファイアリングから次回のファイアリングにかけてアレイを横断するようにアパーチャ平行移動させることにより、アレイに垂直な方向を向いたフォーカスされたビームで物体を横断して走査する。

0004

同じ原理が、受信モードでトランスデューサ・プローブを用いて反射された音波を受信する場合にも適用される。受信用のトランスデューサ素子の所で発生する電圧は、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示すように加算される。送信モードの場合と同様に、この超音波エネルギ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別個の時間遅延(及び/又は位相シフト)並びにゲインを与え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。フォーカスされた超音波エネルギを関心領域内の一点に送信し、次いで、反射エネルギを時間にわたって受信することにより、単一の走査線(又は局在化された走査線の小群)が取得される。フォーカスされた送信エネルギ送信ビームと呼ぶ。送信後の一定時間にわたって、1つ又はそれ以上の受信ビームフォーマが、位相回転又は位相遅延を動的に変化させながら各々のチャネルによって受信されたエネルギコヒーレントに加算して、所望の走査線に沿って経過時間に比例したレンジにおけるピーク感度を形成する。結果として得られるフォーカスされた感度パターン受信ビームと呼ばれる。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となる。

0006

Bモード超音波イメージングでは、ピクセル輝度エコー反射の強度に基づいているような組織の2次元画像が作成される。ビームフォーマ・チャネルの出力は、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、走査変換された後に、走査されている解剖学的構造の画像として表示される。

0007

Bモード超音波イメージングでは、信号対ノイズ比(SNR)が画質の主要な尺度となっている。SNRがより高いということは、所与のイメージング周波数における透過が増大していることをしばしば意味する。代替的には、SNRは、より高い周波数におけるイメージングによって分解能を向上させるときの引換条件となり得る。従来の超音波スキャナはしばしば、Bモード・イメージング用に2つ又はそれ以上の利用者選択可能な送信周波数を搭載している。「容易」な患者種別については最大分解能を得るためにより高い周波数を用いることができ、他方、「困難」な患者種別についてはよりよい透過を達成するためにより低い周波数を用いる。異なる送信周波数波形はまた、パルスの数又はバースト長について異なっていてもよい。一般に、より長いバースト長(照射量が増大する)を用いて、分解能を犠牲にして透過をより大きくする。所与のプローブ用のプリセット又は既定の送信周波数は、通常、用途の種別に基づいて選択される。しかしながら実際には、患者間のばらつきが非常に大きいので、プリセットの送信周波数が必ず最適とは限らない。

0008

最新型のスキャナは、利用者に対して、送信周波数、音波出力TGC曲線ダイナミック・レンジ及びフレーム平均ベル等の選択可能なイメージング・パラメータを提供しており、これらのパラメータはすべて、Bモードの感度及び透過性に大きな影響を与え得るが、超音波技師は通常、これらすべての制御を完全に最適化するための時間を有していない(又は訓練を受けていない)。走査が困難と思われる患者であれば、超音波技師は直ちに送信周波数を最低にするか、又はより低い周波数のプローブ若しくは異なるマシン交換するであろう。他方、カレント(現在)の走査が許容できるものであれば、利用者は、よりよい分解能を得るためにより高い送信周波数をわざわざ選択しようとはしないであろう。従って、スキャナの使い易さ及び効率を向上させるために、基本的な画像パラメータ選択のいくつかを実際の画像データに基づいて自動化する必要がある。

発明の開示

0009

本発明は、送信波形中心周波数及び/又は総計パルス長を含めたBモード送信波形調節を実際の画像データに基づいて自動化する方法及び装置である。この方法は、選択された画像データのカーネルにおける平均SNR及び空間相関統計を解析して、高品質の信号が存在しているか否かをテストする工程を含んでいる。1つ又はそれよりも多いテスト・カーネルを比較的深い深さに(即ち、利用者が選択した画像の深さレンジの底部に近接して)配置することにより、テストの全体の結果が、所望の深さに到るまで十分に強い信号を提供しながら最高の分解能を与える利用可能な送信波形を指示するものとなる。

0010

従来のイメージング装置は典型的には、利用者による選択のために3つ以下の送信周波数の選択肢を提供している。各々の送信周波数設定が、様々な焦点ゾーンについての送信波形の集合を表している。所与の波形内での1サイクルの平均持続時間(時間)が、波形の中心周波数を決定する。固定電圧での駆動の場合には、総エネルギ(照射量)は、送信波形内のパルスの長さ又は総数に比例する。本発明の自動送信方法によれば、最適な送信波形集合をより広い範囲の送信波形の周波数及び長さ(即ち、パルスの数)から選択することができる。従って、この自動送信方法は、各々の特定の患者の身体によりよく適合する波形を送信する可能性を有し、これにより、従来のスキャナでは可能でなかった画質を達成することができる。

0011

本発明の好ましい実施態様によれば、この自動送信波形(パルス・シーケンス)調節方法は、ビームフォーマからBモード・プロセッサを介して後端ビデオ・プロセッサに到るまでのBモード処理系全体のノイズモデルを用いる。基本的には、このノイズ・モデルは、ディジタル・スキャナにおける主たるノイズ源が、フロントエンド電子回路前置増幅器)に存在しており、(通常の動作温度について)正確に較正することができるようなRMS(平方自乗平均)振幅を有するホワイトガウス・ノイズとしてモデル化することができるという事実を利用している。従って、信号処理経路の様々な点における正確なシステム帯域幅及びゲインに関する知識、並びに表示のダイナミック・レンジ設定及びビデオ・グレイ写像に関する知識を組み入れることにより、ノイズ・モデルを用いて、任意の前面パネルでのゲイン設定についてBモード画像における正確なノイズ統計(平均及び確率分布)を予測することができる。

0012

好ましい実施態様によれば、画像がフリーズされて、カレントの画像フレームをシネ・メモリに保存することを可能にし、次いで、この画像フレームを、解析のためにホスト・コンピュータによって読み出すことができる。ホスト・コンピュータは、画像内の一定数のテスト・カーネルについて、関連するすべてのゲイン・パラメータ、受信アパーチャ・パラメータ及び表示パラメータのカレントの設定を検索する。ノイズ・モデルを用いて、各々のカーネルにおける平均ノイズ・レベルを予測する。次いで、各々のカーネルについて、ホスト・コンピュータは、平均(又は総計)ピクセル強度を算出し、予測される平均(又は総計)ノイズと比較して、平均SNRの尺度を得る。あるカーネルの平均表示ピクセル強度が、予測される平均ノイズ・レベルを大幅に上回っていれば、このカーネルには信号が存在しているものと見做される。他の場合には、カーネルはノイズのみを含むものと見做されて、廃棄される。平均SNRが最低許容閾値を上回っている各々のカーネルについて、横方向空間自己相関関数をそれぞれのピクセルの水平行(リニア走査の場合)又はそれぞれのピクセルの円弧セクタ走査の場合)について算出する。次いで、これらの値を平均して横方向空間相関推定値を得、その幅をこのカーネルにおいて期待される点拡散関数(PSF)に基づいた理論値と比較する。送信ビームが、位相逸脱を生ずる人体壁層によって損なわれている又は焦点を外されているならば、様々なテスト・カーネルにおける空間相関関数推定値は、理論的なPSFの幅よりも有意に大きい幅を示すはずである。

0013

代替的な好ましい実施態様によれば、各々のピクセル強度の水平行を空間周波数領域に変換して解析することもできる。

0014

次いで、以上に述べた解析に基づいて、ホスト・コンピュータは、各々のテスト・カーネルにおける画質を測定する。すべてのテスト・カーネルについて組み合わされた画質等級に基づいて、最適な送信波形集合のテーブル(表)から最も適切な送信波形集合(様々な送信焦点ゾーンについての)を選択する。

0015

図1に、本発明の1つの好ましい実施例による超音波イメージング・システムを概略的に示す。このシステムは、別々に駆動される複数のトランスデューサ素子4から成るトランスデューサ・アレイ2を含んでおり、トランスデューサ素子4の各々は、送信器8によって発生されるパルス波形によって付勢されると、超音波エネルギのバーストを発生する。被検体から反射されてトランスデューサ・アレイ2へ戻った超音波エネルギは、各々の受信トランスデューサ素子4によって電気信号へ変換されて、1組の送受信(T/R)スイッチ6を介して受信器10へ別々に印加される。T/Rスイッチ6は、典型的には、送信電子回路によって発生される高電圧から受信電子回路を保護するダイオードである。送信信号によって、ダイオードは受信器への信号を遮断又は制限する。送信器8及び受信器10は、ホスト・コンピュータ(即ち、マスタコントローラ)26の制御下で動作する。完全な走査は、一連のエコーを取得することにより実行される。この走査においては、送信器8が瞬間的にオンゲート駆動されて、送信アパーチャ内の各々のトランスデューサ素子4を付勢し、その後、各々のトランスデューサ素子4によって生じたエコー信号が受信器10へ印加される。受信器10は、各々のトランスデューサ素子からの別個のエコー信号を組み合わせて単一のエコー信号を形成し、この単一のエコー信号を用いて、表示モニタ22に画像の1本の線を形成する。

0016

受信器への信号入力は、トランスデューサ素子からの低レベルアナログRF信号である。受信器は、アナログからディジタルへの変換及び受信ビーム形成を受け持つ。ベースバンド・イメージング・システムでは、ビーム加算された信号が復調器12へ出力され、復調器12は、ビーム加算された信号を同相I及び直角位相Qのベースバンド受信ビームへ変換する。復調器12からのI及びQの音波データベクトルは、好ましくは送信波形の基本周波数f0 を中心とする周波数帯域又は基本周波数の高調波若しくは低調波周波数を通過させるフィルタ係数プログラムされているそれぞれのFIR(有限インパルス応答フィルタ14へ送られる。

0017

選択によっては、I及びQの音波データのベクトルは、時間ゲイン補償及び/又は横方向ゲイン補償を行うTGC/LGCブロック(図示されていないが、通常、受信器とフィルタとの間に配置されている)の処理を受ける。時間ゲイン補償は、すべての受信ベクトルについてゲインを深さ(時間)の関数として増大させる又は減少させることにより、軸方向において画像を微調整する。横方向ゲイン補償は、ゲインを横方向位置(ビーム又はベクトルの位置)の関数として増大又は減少させることにより、横方向において画像を微調整する。前者の場合には、画像の小さな行(row )におけるゲインが制御される。後者の場合には、画像の小さなセクタにおけるゲインが制御される。

0018

TGC/LGCの後に、音波データは、Bモード・プロセッサ16へ送られ、Bモード・プロセッサ16は、I及びQの音波データを対数圧縮された形態の信号包絡線へ変換する。Bモード機能は、信号の包絡線時間変化する振幅をグレイ・スケールとして画像化する。ベースバンド信号の包絡線は、I及びQが表しているベクトルの大きさである。I及びQの位相角は、Bモード表示には用いられない。信号の大きさ(即ち、強度)は、これら直交する成分の平方和平方根、即ち、(I2 +Q2 )1/2 である。

0019

Bモード強度データは、スキャンコンバータ18へ出力される。スキャン・コンバータ18は、Bモード音線メモリと、この後にXY表示メモリとを含んでいる。音線メモリは、処理後のBモード強度データのベクトルを受け取り、必要に応じて補間すると共に、Bモード強度データの極座標(R−θ)セクタ・フォーマット又はデカルト座標リニア・フォーマットから適当に拡縮されたデカルト座標の表示ピクセル強度データへの座標変換を行う。変換後のデータは、XY表示メモリに記憶される。

0020

走査変換(スキャン・コンバート)されたフレームは、ビデオ・プロセッサ20へ渡され、ビデオ・プロセッサ20は、ビデオ表示のために、ピクセル強度データをビデオ・フレーム・レートへ変換した後に、グレイ・スケール・マップへ写像(マッピング)する。従来の超音波イメージング・システムは、典型的には、生の強度データの単純な伝達関数である多様なグレイ・マップを用いてグレイ・スケール・レベルを表示する。次いで、これらのグレイ・スケール画像フレームを表示モニタ22へ送って表示する。

0021

モニタ22によって表示されるBモード画像は、画像フレームを成すデータから形成されており、画像フレームにおいて各々のデータは、表示におけるそれぞれのピクセルの強度又は輝度を示している。1つの画像フレームは、例えば、256×256のデータ配列を含むことができ、各々の表示ピクセル強度データは、ピクセル輝度を示す8ビット二進数である。各々のピクセルは、呼び掛け超音波パルス応答したそれぞれのサンプル空間の後方散乱断面積と、用いられているグレイ・マップとの関数である強度値を有している。表示画像は、イメージングされている人体を通る平面内での組織及び/又は血流を表す。

0022

表示ピクセル強度データの相次ぐフレームは、先入れ先出し方式でシネ・メモリ24に記憶される。記憶は連続的であってもよいし、又は外部のトリガ事象の結果として行ってもよい。シネ・メモリ24は、バックグラウンド稼働する循環的な画像バッファの様なものであり、利用者に対して実時間で表示されている画像データを取り込む。利用者が(オペレータインタフェイス28上の適当な装置の操作によって)システムをフリーズさせると、利用者は、シネ・メモリに以前に取り込まれている画像データを見ることができるようになる。

0023

システム制御は、ホスト・コンピュータ26に集中化されており、ホスト・コンピュータ26は、オペレータ・インタフェイス28(例えば、制御パネル)を介して操作者の入力を受け取って、様々なサブシステムを制御する。ホスト・コンピュータ26は、システム・レベルの制御作用を実行する。システム制御バス(図示されていない)が、ホスト・コンピュータから各サブシステムへのインタフェイスを提供している。スキャン・コントローラ(図示されていない)が、様々なサブシステムへ実時間(音波ベクトル・レート)の制御入力を供給する。スキャン・コントローラは、音波フレーム取得用のベクトル・シーケンス及び同期化オプションについてホスト・コンピュータによってプログラムされている。このようにして、スキャン・コントローラは、ビーム分布及びビーム密度を制御している。スキャン・コントローラは、ホスト・コンピュータによって定義されたこれらのビーム・パラメータを走査制御バス(図示されていない)を介して各サブシステムへ伝達する。

0024

本発明の好ましい実施例によれば、送信最適化は、ディジタル送信シーケンス・メモリ36(図2を参照)をプログラムすることにより実現される。送信アパーチャの各々のトランスデューサ素子は、それぞれのパルサ30によって出力されるパルス波形によってパルス駆動され、このパルス駆動は、送信シーケンス・メモリ36から該当のパルサへ出力されるそれぞれの送信シーケンスに応答して行われる。各々のパルス波形の周波数及び長さは、それぞれの送信シーケンスによって決定されている。例えば、パルサ30が双極型であるならば、送信シーケンスの+1及び−1の要素がパルサによって反対の位相を有するパルスへ変換され、また、0の要素は無パルスに対応する。衝撃係数(duty cycle)又はパルス幅は、送信シーケンス内の連続した+1又は−1の数に比例する。

0025

ホスト・コンピュータ26の指令下で、送信器8は、超音波エネルギが指向性を有しフォーカスしたビームとして送信されるようにトランスデューサ・アレイを駆動する。フォーカスを達成するために、送信フォーカス遅延ブロック34によってパルサ30に対してそれぞれの時間遅延を与える一方、それぞれのパルス振幅は、送信レベル制御ブロック32によって設定する。ホスト・コンピュータ26は、音波パルスが送信される条件を決定する。この情報によって、送信フォーカス遅延ブロック及び送信レベル制御ブロックはそれぞれ、パルサ30によって発生されるべき送信パルスの各々についてのタイミング及び振幅を決定する一方、送信パルスの周波数及び長さは送信シーケンスによって決定される。

0026

図1を再び参照すると、各パルサは、T/Rスイッチ6を介してトランスデューサ・アレイ2の素子4の各々へ送信パルスを送っている。送信フォーカス時間遅延を従来の方式で適当に調節することにより、超音波ビームを送信焦点位置指向させフォーカスさせることができる。

0027

自動送信最適化方法は、ホスト・コンピュータによってソフトウェアにおいて実現することが出来る。この方法の1つの主要な構成要素は、ビームフォーマからBモード・プロセッサを介して後端のビデオ・プロセッサに到るまでのBモード処理系全体のノイズ・モデルである。Bモード画像フレームの所与の位置(x,y)について、画像ノイズ・モデルを用いてこの位置におけるノイズ・レベルを(Bモード強度又はグレイ・スケール・レベルとして)予測する。現行のディジタル・スキャナ用として、画像ノイズ・モデルは、いくつかの主要な構成要素から成っており、その詳細は、特定のスキャナに固有のサブシステム設計に依存する。各々の構成要素に関連するノイズ及びゲイン計算は、システム設計では標準的な手法であるので、以下では各々の構成要素の主要な作用についてのみ記載する。

0028

図3に、本発明の好ましい実施例に用いるのに適したBモード画像ノイズ・モデルを概略的に示す。フロント・エンド・ノイズ・モデル(ブロック40)は、単一の受信チャネル内のフロント・エンド電子回路(例えば、前置増幅器)によって発生されるガウス・ノイズ・レベル、及びアナログからディジタルへの変換に伴うあらゆる量子化ノイズを算出する。アナログ電子回路のノイズはしばしば、熱雑音と呼ばれており、所与の温度範囲について正確に較正することができる。フロント・エンドに接続されているトランスデューサの電気インピーダンスに依存して、熱雑音は平坦スペクトルパワー密度を有したり有さなかったりする。

0029

ノイズに寄与する受信チャネルの数は、受信アパーチャのサイズに依存しており、所与のプローブ及び(x,y)位置について、既知のアパーチャ制御パラメータ(即ち、Fナンバ及び開度(shading ))に基づいて受信アパーチャ・モデル(ブロック38)によって算出される。

0030

フロント・エンド・ゲイン・モデル(ブロック42)は、個々のすべての受信チャネルからの総計ノイズを算出すると共に、任意のTGC/LGCを含めてビームフォーマにおけるすべてのフィルタ処理ゲインの効果を組み入れる。

0031

Bモード処理モデル(ブロック44)は、走査変換を含めてBモード検波器及びフィルタにおいて生ずるノイズ・ゲインについてノイズを調節する。標準的なノイズ理論は、検出されるガウス・ノイズの包絡線がレイリー確率分布に従い、レイリー確率分布はその分散によって完全に特定されることを示している。

0032

表示処理モデル(ブロック46)は、対数圧縮及びグレイ写像の効果を盛り込んで、画像における入力された(x,y)位置での予測されるノイズ分布を出力する。

0033

上述のノイズ・モデルは、ホスト・コンピュータによって実行される。ノイズ・モデルを実行する前に、ホスト・コンピュータは、カレントのTGC曲線、送信焦点ゾーン位置、画像深さ、受信アパーチャ、表示ダイナミック・レンジ設定及びグレイ写像設定等の関連するすべての内部及び外部システム設定を読み出す必要がある。次いで、ホスト・コンピュータは、これらのパラメータを画像ノイズ・モデルの様々な構成要素へ供給する。

0034

ホスト・コンピュータはまた、自動送信最適化アルゴリズムを実行する。患者が、最適でない可能性のある既定(プリセット)の送信周波数選択を用いて走査されるものと仮定する。自動送信最適化は、単一のボタン(又はソフト・キー)を介して起動され得る。1つの好ましい実施例による送信最適化アルゴリズムの主な工程を以下に概説する。

0035

自動送信最適化作用の起動に応答して、画像は瞬間的にフリーズされ、いくつかの最新の画像フレームをシネ・メモリに保存することを可能にし、次いで、これらの画像フレームを、解析のためにホスト・コンピュータによって読み出すことができる。1つよりも多い画像を用いる場合には、平均を求めて、画像解析の前に統計的ばらつきを減少させる。

0036

次いで、ホスト・コンピュータは、画像フレーム(単一又は平均)内のテスト・カーネルの数を画定する。図4は、セクタ走査画像48に対するテスト・カーネル50の位置を示している。図4に示すように、テスト・カーネル50は、画像48内の様々な位置に配置することができ、カーネルのうち少なくとも1つは、楔形画像の底部に近接させるようにする。どれか1つのカーネルが無反響領域嚢胞)内に配置される可能性があり、これにより送信ビームによる透過が不十分であったという誤警報が発生し得るので、1つよりも多いテスト・カーネルを用いることが好ましい。テスト・カーネルの各々は、約−30dBのレベルにおいてカーネルにおいて期待されるPSFの寸法の数倍を網羅カバー)するのに十分な大きさ(ピクセル数に関して)とすべきである。PSF推定値は、標準的なビーム分布シミュレーション又は実験的較正によって予め決定しておくことができる。テスト・カーネルの寸法は、好ましくは、(図4に示すように)セクタ走査又はカーブリニア走査の場合には等しいレンジ間隔及びベクトル角度間隔によって画定され、また、リニア走査の場合には、長方形又は正方形とする。

0037

次いで、ホスト・コンピュータは、各々のテスト・カーネル毎に、前述したような関連するすべてのゲイン・パラメータ、受信アパーチャ・パラメータ及び表示パラメータのカレントの設定を検索する。これらの設定は、通常、他のシステム・プログラムから読み出すこともできるし、又は既知のシステム・パラメータから算出することもできる。これらのパラメータ値は、ノイズ・モデルへ入力され、各々のテスト・カーネルにおける平均ノイズ・レベルを予測する。

0038

各々のテスト・カーネルについて、ホスト・コンピュータは、シネ・メモリから検索されたデータから平均ピクセル強度を算出する。次いで、ホスト・コンピュータは、各々のテスト・カーネルについて、平均ピクセル強度の予測された平均ノイズ・レベルに対する比を算出する。これにより、各々のテスト・カーネルにおけるSNRの尺度が得られる。

0039

所与のテスト・カーネルにおけるSNRが最小の許容可能な閾値(例えば、15dB)を上回っていたら、ホスト・コンピュータはまた、このテスト・カーネル内のそれぞれのピクセルの水平行(リニア走査の場合)又はそれぞれのピクセルの円弧(セクタ走査若しくはカーブリニア走査の場合)について横方向空間自己相関関数を算出し、これらの値を平均して横方向空間相関推定値を求める。次いで、ホスト・コンピュータは、相関関数推定値の幅(例えば、−6dBでの幅)を決定し、この値を理論値(カーネルにおいて期待されるPSFに基づく)と比較する。送信ビームが、位相収差を生ずる人体壁層によって損なわれ又は焦点外れしている場合は、様々なテスト・カーネルにおける空間相関関数推定値は、理論的PSFの幅よりも有意に大きい幅を示すはずである。選択によっては、空間相関関数の算出は、軸方向に沿って繰り返すこともできる。

0040

代替的な好ましい実施例によれば、各々のピクセル強度の水平行又は円弧を空間周波数領域に変換して解析することもできる。空間相関関数のフーリエ変換は、空間領域でのピクセル強度のパワー・スペクトルと同一となるはずである。

0041

ランダムな組織散乱媒体から後方散乱した超音波はガウス確率過程によって記述され、ガウス確率過程はその1次統計(即ち、平均及び分散を含めた振幅統計)及び2次統計(即ち、空間相関)によって完全に特定され得るということは十分に確証されている。従って、前述のようにしてホスト・コンピュータによって行われる解析は、各々のカーネルにおける画質を測定するのに必要なすべてのデータを提供する。SNR及び空間相関幅に基づいて適当な閾値論理を適用することにより、テスト・カーネルの各々を多段画質尺度に従って分類することができる。(様々な焦点ゾーンについての)最適な送信波形集合は、各々の画質レベル毎に予め決定しておくことができる。すべてのテスト・カーネルについて組み合わされた画質等級に基づいて、最も適切な送信波形集合が選択される。例えば、テスト・カーネルのすべてが低いSNRを示す場合は、画質等級は最低とされ、このため、最も低い周波数又は最も長い送信波形を自動的に起動することができる。他方、最も深いテスト・カーネルにおいてもSNRが「良好なSNRレベル」を例えば10dB上回っていた場合は、カレントの送信波形よりも減衰損が10dBだけ大きくなるようなより短い送信バーストを自動的にファイアリングして、深さの深い位置での分解能を最大化することができる。代替的には、テスト・カーネルが1つしか存在していなければ、この単一のテスト・カーネルの画質レベルに対応する最適な送信波形集合を選択する。

0042

以上に述べた好ましい実施例は、説明の目的のために開示された。本発明の概念の変形及び改変は、当業者には容易に想到されよう。例えば、本発明の自動送信最適化作用は、ベースバンド・システムにおいて実現されることに限定されているわけではなく、RF信号をベースバンドに復調させずに処理するようなシステムにおいて実現することもできる。更に、本発明は、表示強度データの処理に限定されているわけではない。シネ・メモリに音波データ又はR−θデータ(走査変換前)が記憶されるようなシステムの場合には、この自動送信最適化アルゴリズムを、ピクセル強度データではなく生の音波データに適用することもできる。本発明はまた、送信波形が様々な焦点ゾーン毎に変化しないような場合にも適用することができる。これらのようなすべての変形及び改変は、特許請求の範囲によって包含されているものとする。

0043

特許請求の範囲において用いられている場合には、「音波データ」という用語は、トランスデューサとスキャン・コンバータとの間の任意の点における受信信号を指し、「ピクセル強度データ」という用語は、グレイ写像の前の走査変換された信号を指すものとする。また、「信号を有するカーネル」という用語は、特許請求の範囲において用いられている場合には、ある同じカーネルについて予測される平均ノイズ・レベルよりも所定の量だけ大きい平均ピクセル強度を有するカーネルを意味するものとする。また、特許請求の範囲で引用されている場合に、あるカーネル内での総計ピクセル強度値の算出は、平均ピクセル強度の算出と等価であるものと理解されたい。最後に、「〜の関数として」というは、特許請求の範囲において用いられている場合には、「〜のみの関数として」を意味すると解釈すべきではない。例えば、上述の定義に従って、「yをxの関数として決定する」という句は、yがxのみの関数として決定され、又はyがx及び他の1つ若しくはそれよりも多い変数、例えば、zの関数として決定されるようなすべての場合として解釈されたい。

図面の簡単な説明

0044

図1本発明の好ましい実施例による超音波イメージング・システムのブロック図を示す略図である。
図2図1に示すシステムに組み込まれている送信器のブロック図を示す略図である。
図3本発明の好ましい実施例に従って送信波形(周波数又は長さ)調節を行うのに用いられるBモード画像ノイズ・モデルのブロック図を示す略図である。
図4自動送信最適化に用いられる様々な深さ及び角度に拡在した3つのテスト・カーネルを示すセクタ走査の略図である。

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