[論文レビュー] Large elements and advanced beamformers for increased field of view in 2-D ultrasound matrix arrays

Mick Gardner, M. L. Oelze|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2026

Ultrasound Imaging and Elastography被引用数 0

ひとこと要約

この論文は、2D超音波マトリクスアレイで要素サイズを2倍にすると要素数を増やさずに視野を広げられることを示し、NSI、DCF、MVといった高度なビームフォーマを用いて解像度と画像品質を保持できることを示す。シミュレーションとファントム実験ではNSIが最良の解像度をたびたび示す。

ABSTRACT

Three-dimensional (3D) ultrasound promises various medical applications for abdominal, obstetrics, and cardiovascular imaging. However, ultrasound matrix arrays have extremely high element counts limiting their field of view (FOV). This work seeks to demonstrate an increased field-of-view using a reduced element count array design. The approach is to increase the element size and use advanced beamformers to maintain image quality. The delay and sum (DAS), Null Subtraction Imaging (NSI), directional coherence factor (DCF), and Minimum Variance (MV) beamformers were compared. K-wave simulations of the 3D point-spread functions (PSF) of NSI, DCF, and MV display reduced side lobes and narrowed main lobes compared to DAS. Experiments were conducted using a multiplexed 1024-element matrix array on a Verasonics 256 system. Elements were electronically coupled to imitate a larger pitch and element size. Then, a virtual large aperture was created by using a positioning system to collect data in sections with the matrix array. High-quality images were obtained using a coupling factor of two, doubling the FOV while maintaining the same element count in the virtual large aperture as the original matrix array. The NSI beamformer demonstrated the best resolution performance in simulations and on the large aperture, maintaining the same resolution as uncoupled DAS for coupling factors up to 4. Our results demonstrate how larger matrix arrays could be constructed with larger elements, with resolution maintained by advanced beamformers.

研究の動機と目的

• 周期的な2Dマトリクスアレイでより大きな正方形要素を使用して開口と視野を増やせるかを調査する。
• 要素サイズを増やした場合に高度なビームフォーマ（NSI、DCF、MV）が画質を維持または向上させられるかを評価する。
• DAS、NSI、DCF、MVの性能をシミュレーションおよび多重化マトリクスプローブから作成した仮想大開口で比較する。
• 大きな要素と異なるビームフォーマを使用する際の解像度、対比、斑状格子（speckle）とのトレードオフを評価する。

提案手法

• 商用2Dマトリクスアレイ（Verasonicsシステム）を用いて電子結合によりより大きな要素をシミュレートし、象限データ収集による仮想大開口を作成する。
• DAS、NSI、DCF、MVでビームフォーミングを実施し解像度とアーチファクトレベルを比較する。
• K-waveシミュレーションを実行してNSI、DCF、MV、DASの3DPSFを取得しサイドローブとメインローブ幅を評価する。
• 隣接要素ブロックの結合（結合係数1、2、4）を組み合わせて仮想大開口を作成し、プローブを移動して断層データを収集する。
• FWHM、対比（CR）、CNR、gCNR、speckle SNR（sSNR）を用いて画質を評価する。
• 各ビームフォーマのアルゴリズム的複雑さと実行時間を分析して計算実現性について議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大きな要素サイズがアクティブ要素数を増やさず視野を拡大できるか？
• RQ2 要素サイズを増やした場合、どのビームフォーマが解像度を最もよく保持し、サイドローブを管理できるか（DAS対NSI対DCF対MV）？
• RQ3 結合係数と仮想開口の構成は、異なるビームフォーマの解像度、対比、speckleにどう影響するか？
• RQ4 大要素条件下でビームフォーマ間の画質指標（解像度、対比、CNR、gCNR、sSNR）のトレードオフはどうなるか？

主な発見

Table 1: Beamformer performance metrics (Lateral FWHM, Elevation FWHM, Contrast)	Table 2: Element coupling factors and aperture metrics (Coupling Factor, Element Count, Width (lambda), F-number)	Table 3: Beamformer runtimes (Coupling Factor; DAS, NSI, DCF, MV)
DAS	2.29 mm	1.81 mm	26.3 dB
NSI	1.22 mm	1.25 mm	41.3 dB
DCF	1.26 mm	1.23 mm	30.2 dB
MV	1.49 mm	1.33 mm	28.8 dB
1	4096	1.48	1.70
2	1024	3.10	3.51
4	256	6.32	7.16
2	86 μs	3.1 ms	41 ms	1.42 s
4	91 μs	1.2 ms	20 ms	490 ms

• NSIはシミュレーションにおいて高度ビームフォーマの中で最良の解像度を示し、横方向/鉛直方向のFWHMは約1.22–1.25 mm、主峰とサイドローブのコントラストは最大41.3 dBに達する。
• DASはサイドローブが最も高く対比が最低だが、最も計算効率が良い；MVはCNRとgCNRは競争力があるが大きな要素では解像度が劣る。
• 大きな要素（結合係数2）とNSIを組み合わせると、結合なしのDASと同等の解像度を保ちつつFOVを倍増でき、ファントムおよび仮想開口の文脈で同等性能を示す。
• 結合係数が4の場合は解像度と画質が劣化し、粒状の画像と大きな死域を生み出すため、実用的な要素拡大には上限がある。
• DCオフセットNSIの調整は鋭い主ローブを維持しサイドローブを抑制する一方、DCFの性能は方向性コヒーレンス投影に依存し斑状を低減できる場合がある。
• MVの大要素化に対しては、アポダイゼーションの重みの多様性が低い要素数では効果が薄い。
• NSIは高度ビームフォーマの中では実行時間効率が良く、低要素数の仮想開口ではDASに次いで最速である。