JP2001187055A - 超音波映像システムおよびそのビームパターン化方法 - Google Patents

超音波映像システムおよびそのビームパターン化方法

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JP2001187055A JP2000356185A JP2000356185A JP2001187055A JP 2001187055 A JP2001187055 A JP 2001187055A JP 2000356185 A JP2000356185 A JP 2000356185A JP 2000356185 A JP2000356185 A JP 2000356185A JP 2001187055 A JP2001187055 A JP 2001187055A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 多次元センサ配列を採用する超音波映像シス
テムのためのぼほ瞬間的な集束を有する適応多次元ビー
ムパターンを開示する。 【解決手段】 最初の工程では、多次元ビームパターン
をサブアパーチャに分解する。次に各サブアパーチャを
多次元配列の異なる座標方向に円形及び／又は線形配列
のビームパターンの２つの干渉性サブセットに分解す
る。本発明に従った多次元ビームパターンを導入する
と、小型多次元センサ配列と現場に配備できる小型処理
装置とからなる本発明に従った３Ｄ超音波映像システム
の基盤となり、リアルタイムで高解像度の３次元映像を
生成する。また、４番目の次元が時間である、４次元映
像を捕獲することもでき、得られた映像は多量の器官の
動きのビデオ映像を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波映像システ
ムの分野に関係する。特に、本発明は、リアルタイムで
高解像度映像を提供する現場で展開可能な３Ｄ超音波映
像システムに関連した映像システムおよびそのビームパ
ターン化の方法に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】超音波感知及び映像技術は、治療診断の
ための無侵襲画像と最小限に侵襲する手術をするための
強力なツールである。ＣＴスキャナ及びＭＲＩとは異な
り、超音波映像システムは小型で、製造コストがかなり
安い。これら利点のために、救急車又はヘリコプタなど
の移動ユニットで超音波映像システムを使用できる。一
般的に、事故、災害又は戦争の犠牲者の命を救うために
は即座の診断と治療が必要である。
【０００３】例えば、移動ユニットで小型超音波映像シ
ステムを配備すると、その場でその後の病院での手術の
ための救命情報を提供しながら、あるいは移動ユニット
内で最小限に侵襲する手術のための情報を提供しなが
ら、搬送中の治療診断のために撮影することができる。
そのため、事故の現場、災害地域又は戦争地帯で犠牲者
を即座に撮影するための、移動ユニット及び野外病院用
の小型で現場配備可能な３Ｄ超音波映像システムを提供
することは非常に便利であろう。
【０００４】しかしながら、現在の技術水準の超音波映
像システムは、小型システムではセンサの配列が非常に
サイズが小さいために、画像の解像度が非常に劣るとい
う欠点をもつ。そのため、このようなシステムは治療診
断や、手術のために十分な解像度をもつ画像を提供でき
ない。画像の質を改善するためには、小型多次元配列で
多数のセンサを採用して、部分的に相関する雑音電波に
埋め込まれる信号の配列利得を著しく改善する必要があ
る。部分的に相関する雑音電波は、例えば人体の非線形
伝播特性によって生じ、再生画像で収差効果とぼけが現
れる。配列利得を改善すると、画像解像度が改善し、収
差効果が最小限となる。
【０００５】現在の技術水準の適応合成アパーチャビー
ムパターンの概要は、Ｓ． Ｓｔｅｒｇｉｏｐｏｕｌｏ
ｓの１９９８年２月、ＩＥＥＥの手順書８６（２）、３
５８〜３９７頁の「一体型アクティブ受動ソナーシステ
ムの適応合成アパーチャ処理手法の導入」に記載されて
いる。このアルゴリズムは、被写体検出を改善するため
の信号対雑音比を増加させて、同時に音響信号をローカ
ライズ、分類及び追跡しながらアルゴリズムに組込むた
めの周波数、タイムディレイ、ドップラーシフト及び方
位などのパラメータの推定値を提供するよう設計されて
いる。
【０００６】ビームパターン化プロセスを最適化するた
めに、ビームパターン化フィルタ係数はソナーシステム
のセンサ配列から受信するデータに基づいて選択しなけ
ればならない。特に、係数は受信データの統計的特性に
基いて選択しなければらなない。ビームパターン化プロ
セスを最適化するためにセンサ配列から受信する雑音の
特性を使用するアルゴリズムは、適応ビームパターンと
呼ばれる。適応ビームパターンには、相関する雑音の共
分散行列を知る必要がある。
【０００７】しかし、雑音特性が不正確にしか分からな
い場合、適応ビームパターンの性能は著しく減じられ、
望まれる信号を消去することにもなりかねない。そのた
め、リアルタイムで操作するシステムに有効に適応ビー
ムパターンを導入（履行）することは非常に難しい。適
応ビームパターン及びその導入に関する難しさについて
の論文は多数発表されている。一般化したサイドローブ
キャンセラー（ＧＳＣ）、線形に制限される最小分散ビ
ームパターン（ＬＣＭＶ）、及び最小分散無ひずみ応答
（ＭＶＤＲ）などの様々な適応ビームパターンが次にあ
げる参照文献で論じられており、これらはこれにより参
照により組込まれる。
【０００８】Ｒ． Ｗｉｎｄｒｏｗら：「適応アンテナ
システム」、ＩＥＥＥ手順書、５５（１２）、２１４３
〜２１５９頁、１９６７年； Ｎ．Ｌ． Ｏｗｓｌｅｙ：「ソナーアレイプロセッシン
グ」、Ｓ． Ｈａｙｋｉｎ、出版者、プレンティスホー
ル信号プロセッシングシリーズ、Ａ．Ｖ． Ｏｐｐｅｎ
ｈｅｉｍ、シリーズ出版者、１２３頁、１９８５年； Ｂ．Ｖａｎ ＶｅｅｎとＫ． Ｂｕｃｋｌｅｙ：「ビー
ムパターン化：空間フィルタリングへの多様なアプロー
チ」、ＩＥＥＥ ＡＳＳＰマガジン、４〜２４頁、１９
８８年； Ｊ． Ｃａｐｏｎ：「高解像度周波数波数スペクトル解
析」ＩＥＥＥ手順書、５７、１４０８〜１４１８頁、１
９６９年； Ｓ． Ｈａｙｋｉｎ：「適応フィルタ理論」、プレンテ
ィスホール、エングルウッド・クリフ、ＮＪ． １９８
６年； Ｔ．Ｌ． Ｍａｒｚｅｔｔａ：「Ｃａｐｏｎの周波数波
数スペクトル予測の最優法」、ＩＥＥＥ翻訳版、音声信
号プロセス、ＡＳＳＰ−３１（２）、４４５〜４４９
頁、１９８３年； Ａ．Ｈ． ＳａｙｅｄとＴ． Ｋａｉｌａｔｈ：「適応
ＲＬＳフィルタリングへの状態空間アプローチ」、ＩＥ
ＥＥ ＳＰマガジン、１８〜６０頁、１９９４年６月； Ａ．Ｂ． Ｂａｇｇｅｒｏｅｒ、Ｗ．Ａ． Ｋｕｐｅｒ
ｍａｎとＰ．Ｎ． Ｍｉｋｈａｌｅｖｓｋｙ：「海洋音
響の整合フィールド方法の概要」、ＩＥＥＥ Ｊ．海洋
光学、１８（４）、４０１〜４２４頁、１９９３年； Ｈ． ＷａｎｇとＭ． Ｋａｖｃｈ：「複数の広域帯波
源の到来角の検出と推定のコヒーレント信号・部分空間
プロセッシング」、ＩＥＥＥ翻訳版、音声、信号プロセ
ス、ＡＳＳＰ−３３、８２３〜８３１頁、１９８５年； Ｊ． ＫｒｏｌｉｋとＤ．Ｎ． Ｓｗｉｎｇｌｅｒ；
「操作分散行列を使用した複数の広域帯波源の方位の推
定」、ＩＥＥＥ翻訳版、音声、信号プロセス、ＡＳＳＰ
−３７、１４８１〜１４９４頁、１９８９年； Ｓ．Ｄ． Ｐｅｔｅｒｓ；「メモリーレス狭域帯ＧＳＣ
／ＮＬＭＳ適応ビームパターンのほぼ瞬間的な集束」、
ＩＥＥＥ翻訳版、音声、信号プロセスに提出、１９９５
年１月； Ｌ．Ｊ． ＧｒｉｆｆｉｔｈｓとＣ．Ｗ． Ｊｉｍ：
「線形に制限される適応ビームパターン化の代替アプロ
ーチ」、ＩＥＥＥ翻訳版、アンテナと伝播、ＡＰ−３
０、２７〜３４頁、１９８２年； Ｄ．Ｔ．Ｍ． Ｓｌｏｃｋ：「ＬＭＳ及び標準化ＬＭＳ
アルゴリズムの集束行動について」、ＩＥＥＥ翻訳版、
音声、信号プロセス、ＡＳＳＰ−３１、２８１１〜２８
２５頁、１９９３年。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】残念なことに、多数の
センサをもつ多次元配列から構成される現代の超音波シ
ステムに適応ビームパターンを導入するには、リアルタ
イムのデータ処理をするために非常に大量のメモリと非
常に大きな処理能力が必要なため、現場配備できるシス
テムが使用できない。現在のコンピュータ技術を使用し
て適応ビームパターンを導入するために、部分的な適応
ビームパターンの設計概念を展開してきた。
【００１０】部分的な適応ビームパターンは、ビームパ
ターン化プロセス、計算上の要求事項の減少、反応時間
の改善に伴い、自由度の数（度合い）を減らす。残念な
ことに、自由度の数が減少するために、部分的な適応ビ
ームパターンは、完全適応ビームパターンのように最適
な解に集束できない。そのため、部分的な適応ビームパ
ターンは、配列利得を改善し高解像度で画像を提供する
ために、超音波システムに採用される多次元配列を実質
的に利用できない。
【００１１】それゆえ、本発明の目的は、多次元センサ
配列から構成される現代の超音波映像システムに適応ビ
ームパターンを導入することに関連する問題を克服する
ことである。
【００１２】また、本発明の目的は、センサの線形配
列、円形配列、球形配列又はこれら種類の配列の重ね合
せを展開する超音波映像システムに、ほぼ瞬間的な集束
を提供することである。
【００１３】さらに本発明のもう１つの目的は、現場展
開できる適応ビームパターン化プロセスを使用して、リ
アルタイムで高解像度の画像を生成するために、および
上記課題を解決可能な多次元センサからなる３Ｄ超音波
映像システムを含む映像システムとそのビームパターン
化の方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明に従って、超音波
映像システムのためにほぼ瞬間的な集束を有する適応多
次元ビームパターンを提供する。本発明に従う多次元ビ
ームパターンの導入は、小型多次元センサ配列と、現場
に配備でき、リアルタイム又はほぼリアルタイムで高解
像度の画像を生成する小型処理ユニット（装置）を有す
る本発明に従った３Ｄ超音波映像システムの基盤を提供
する。
【００１５】本発明に従って、超音波映像システムの多
次元配列に配備されるセンサによって与えられるセンサ
の時系列を多次元ビームパターン化するための方法が提
供される。すなわち、第１サブセットを多次元配列の第
１座標方向の後続ビームパターンにより構成し、第２サ
ブセットを多次元配列の異なる第２座標方向の後続ビー
ムパターンにより構成するようにして、多次元ビームパ
ターンを円形配列のビームパターン及び／又は線形配列
のビームパターンの２つの干渉性サブセット（コヒーレ
ントサブセット）に分解するための工程と；それぞれビ
ームの時系列を生成する第１サブセットの後続ビームパ
ターンを適用することによって、センサの時系列に関す
るデータの予め設定されるビーム操作方向でビームパタ
ーン化するための工程と；ビーム操作方向に１つのビー
ムの時系列を生成する操作方向に第２サブセットの後続
ビームパターンを適用しながら、第１サブセットのビー
ムパターンの各ビームの時系列を予め設定されるビーム
操作方向にビームパターン化するための工程と；を有す
る方法が提供される。本発明の別の側面に従い、サブア
パーチャ構成を使用して、超音波映像システムの多次元
配列に配備されるセンサによって与えられるセンサの時
系列を多次元ビームパターン化するための方法が提供さ
れる。すなわち、 ａ）多次元ビームパターンを複数の後続サブアパーチャ
に分割するための工程と； ｂ）第１サブセットが多次元配列の第１座標方向の後続
ビームパターンを構成し、第２サブセットがサブアパー
チャの他の第２座標方向の後続ビームパターンを構成し
て、各サブアパーチャを円形配列のビームパターン及び
／又は線形配列のビームパターンの２つの干渉性サブセ
ット（コヒーレントサブセット）に、分解するための工
程と； ｃ）各ビームパターンがビームの時系列を生成する第１
サブセットの後続ビームパターンを適用することによっ
て、各サブアパーチャを予め設定されるビーム操作方向
にセンサの時系列のフーリエ変換に通常のビームパター
ン化を行う工程と； ｄ）各サブアパーチャのビーム操作方向に１つのビーム
の時系列を生成する操作方向に第２サブセットの後続ビ
ームパターンを適用することによって、各サブアパーチ
ャを前記工程ｃ）のビームパターンによって生成したビ
ームの時系列の予め設定されるビーム操作方向に通常の
ビームパターン化を行う工程と； ｅ）ビームの操作方向に１つ以上のビームの時系列を供
給しながら、各線形配列が１つの座標方向に別の後続サ
ブアパーチャのビームの時系列を有している当該の線形
配列で適応ビームパターン化を行う工程と；を有する方
法が提供される。
【００１６】本発明のさらに別の側面に従って、干渉性
広域帯適応ビームパターンを使用して、超音波映像シス
テムのセンサが供給するセンサの時系列をビームパター
ン化するための方法が提供される。すなわち、連続的な
センサの時系列を重複データセットの組に区分化する工
程と；異なる周波数ビンに関して重複データセットのフ
ーリエ変換のセットを生成して各重複データセットのＦ
ＦＴを計算する工程と；各周波数ビンと各設定の操作方
向に関して重複データセットのフーリエ変換から相互ス
ペクトル密度行列を形成する工程と；操作分散行列（ス
テアリング分散行列）が関係する各操作方向と周波数帯
に対応する、相互スペクトル密度行列と通常の操作ベク
トルの対角行列を使用して、操作分散行列を形成する工
程と；操作分散行列を反転する工程と；関係する周波数
帯域の周波数ビン全体で定常性を仮定し、関係する周波
数帯域の中心周波数に対しての狭域帯推定量と同じ操作
分散行列の推定量を考慮して、適応操作ベクトルを推定
する工程と；適応操作ベクトルの推定量を使用して、狭
域帯の適応操作重みを決定する工程と；重複データセッ
トのフーリエ変換と適応操作重みから周波数領域で適応
ビームを形成する工程と；ＩＦＦＴを通して時間領域で
適応ビームを形成する工程と；区分の重なりと連接を除
くことによって連続的なビームの時系列を決定する工程
と；を有する方法が提供される。
【００１７】さらに、本発明に従って、リアルタイムで
被写体の高解像度３Ｄ画像を生成するための現場配備可
能な３Ｄ超音波映像システムを提供する。すなわち、超
音波を放射する波源と；被写体内の各種構造体により反
射される、超音波の反射を捕獲し、反射される超音波を
示すセンサの時系列を生成するための小型適応多次元セ
ンサ配列と；小型処理ユニットと；を備え、前記小型処
理ユニットは、多次元センサ配列によって生成されるセ
ンサの時系列を受信し、多次元ビームパターンを円形配
列のビームパターン及び／又は線形配列のビームパター
ンの干渉性サブセットを構成するサブアパーチャに分解
し、円形配列を通常にビームパターン化し、線形配列を
適応ビームパターン化することによって、連続的なビー
ムの時系列を生成するためにセンサの時系列を処理し、
およびリアルタイムでビームの時系列から３Ｄ画像を再
生する機能を備えたものとし、さらに、リアルタイムで
再生される３Ｄ画像を表示するためのディスプレイと；
を有することを特徴とする超音波映像システムを提供す
る。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態例を図面
に基づいて説明する。図１は、本発明に従った現場配備
可能な３Ｄ超音波映像システム１００を図示する。被写
体２は超音波を放射する波源４で照射される。被写体２
のなかの別の構造体３は別の方向で超音波を反射する。
次に反射された超音波は、小型多次元―２Ｄ又は３Ｄ―
センサ配列６の複数のセンサ８により捕獲される。
【００１９】センサ８の出力信号は、通信リンク（デー
タリンク）を介して、処理するための通常の（従来の）
コンピュータワークステーションなどの小型処理ユニッ
ト１２に伝送される。次に再生画像をディスプレイ１４
を使用して表示する。現場配備可能な超音波映像システ
ムの、多次元センサ配列６と処理ユニット１２の高解像
度画像及び小型設計配置は、次に開示する本発明に従っ
た高度なビームパターン化プロセスを使用することがで
きる。
【００２０】本発明に従った高度なビームパターン化プ
ロセスは、多次元センサ配列６のセンサの信号により提
供されるすべての情報を効率的に使用することにより、
配列利得と画像の解像度を最大限にする。このようにセ
ンサの信号を効率的に使用することにより、多次元セン
サ配列６を小さくすることができ、これは現場配備可能
な超音波映像システム１００にとって不可欠である。ま
た、本発明に従った高度なビームパターン化プロセス
は、完全な多次元ビームパターンを、既存のコンピュー
タのアーキテクチャのパラレル構成内に統合される小型
のＣＰＵで実行できる干渉プロセスのサブセットに分割
する分解を含む。
【００２１】そのため、本発明に従った高度なビームパ
ターン化プロセスは、現場配備可能な超音波映像システ
ム１００の小型処理ユニット１２を使用して実行でき
る。さらに、ビームパターン化プロセスのサブアパーチ
ャ構造を使用することにより、本発明に従った超音波シ
ステムのリアルタイムの適用を可能とする適応ビームパ
ターンのほぼ瞬間的な集束を提供する。
【００２２】本発明に従った多次元ビームパターンの分
解処理の結果、完全な多次元ビームパターン化プロセス
は、線形及び円形配列のビームパターン化プロセスに還
元される。
【００２３】図２は、伝播θの方向で平面波信号２２を
受信する均一なセンサ間隔δを設けたＮ個のセンサ８か
らなる線形センサ配列２０を図示している。ｘ
ｎ（ｔｉ）（ｎ＝１，．．．．，Ｎ；ｉ＝１，．．．．
Ｉ）は、受信した平面波信号２２を示すＮ個のセンサ８
が生成するセンサの時系列である。角度θで到来する平
面波信号２２に関して、センサの時系列はｘｎ（ｔｉ）
＝（ｔｉ−（ｎ−１）τ（θ））で表され、ここでτ
（θ）はτ（θ）＝δｃｏｓ（θ）／ｃにより求められ
る２つの隣接するセンサのセンサの時系列間のタイムデ
ィレイで、ｃは関係する媒体で平面波信号２２の伝播速
度である。
【００２４】Ｎ個のセンサの線形配列２０の平面波信号
の応答は次の数１で表わされる。
【００２５】
【数１】
【００２６】ここで、＊は複素共役の転置を表し、 は関係する周波数ビン（ｂｉｎ）ｆのｘｎ（ｔｉ）のフ
ーリエ変換のベクトルである。 は例えば、ｄｎ（ｆ，θｓ）＝ｅｘｐ［ｊ２πｆ（ｎ−
１）δｃｏｓθｓ／ｃ］で表される角度θｓで平面波信
号２２のｎ番目の位相期間をもつ操作ベクトルであり、
ここでθｓはビーム操作方向の角度である。次にビーム
のパワーパターンＰ（ｆ，θｓ）はＰ（ｆ，θｓ）＝Ｂ
（ｆ，θｓ）×Ｂ＊（ｆ，θｓ）から得られる。
【００２７】信号の不連続性のフーリエ変換から生じる
サイドローブ構造は、ギブスの影響とも言われるが、こ
れはビームの幅が増大する代償として、フーリエ変換中
に異なる重みを加えることによって隠されることがある
「シェージング」と呼ばれる。線形配列の角度の応答は
角度θｓに関してはあいまいで、角度θｓと−θｓでは
被写体に等しく反応する。ここでθｓは範囲［０，π］
で変る。
【００２８】図３は、半径Ｒのリングに均一に配置した
Ｎ個のセンサ８からなる円形のセンサ配列３０を図示し
ている。Ｎ個のセンサは、図２に示すように方位角θで
仰角φで到来する平面波信号２２を受信している。Ｎ個
のセンサ８は、受信した平面波信号２２を示すセンサの
時系列ｘｎ（ｔｉ）（ｎ＝１，．．．．，Ｎ；ｉ＝
１，．．．．，Ｉ）を生成する。また、円形のセンサ配
列３０の平面波信号の応答（反応）は次の数２によって
表される。
【００２９】
【数２】
【００３０】 は、関係する周波数ビンｆに関するセンサの時系列ｘｎ
（ｔｉ）のフーリエ変換のベクトルである。 は、θｎ＝２πｎ／Ｎ、ｎ＝０，１，．．．，Ｎ−１の
とき、ｄｎ（ｆ，θｓ，φｓ）＝ｅｘｐ［ｊ２πｆＲｓ
ｉｎφｓｃｏｓ（θｓ−θｎ）／ｃ］で表される平面波
信号２２のｎ番目の位相期間（位相項）をもつ操作ベク
トルである。角度θｓとθｎはそれぞれ、ビーム操作方
向とセンサの位置を示す。Ｗ（θｓ）は、ゼロであるオ
フ対角成分とサイドローブ構造を減じる空間窓の重みで
ある対角項をもつ対角行列である。空間窓は一般的には
均一でなく、センサの位置とビーム操作方向に依存す
る。また、ビームのパワーパターンＰ（ｆ，θｓ，
φｓ）は、Ｐ（ｆ，θｓ，φｓ）＝Ｂ（ｆ，θｓ，
φｓ）×Ｂ＊（ｆ，θｓ，φｓ）により得られる。円形
のセンサ配列３０の角度応答は範囲［０，２π］をカバ
ーするため、方位角θに関してのあいまいさはない。
【００３１】図４に関して、本発明に従って円筒形配列
のビームパターンを線形及び円形の配列のビームパター
ンの干渉性サブセットに分解するプロセスを示す。この
図４のＡの部分は各円形配列のビームパターン化を示し
ている。Ｂの部分は各方位のビーム操作に関しすべての
円形配列からビームの時系列を選択して垂直線上に配列
を形成する処理を示している。また、図４のＣの部分
は、各垂直線配列をビームパターン化して、方位−高さ
のビーム操作時系列を形成する処理を示している。
【００３２】図４に図示する円筒形センサ配列４０はセ
ンサ８を有して構成され、ここにおいて、Ｎが円形セン
サ配列３０の数で、Ｍが各円形センサ配列３０上のセン
サ８の数であり、ＮＭは、すなわち、線形センサ配列２
０の数に相当する。図４に示すように、（θｓ，φｓ）
のとき円筒形センサ配列４０の操作される方向に対する
角度応答は次の数３で表される。
【００３３】
【数３】
【００３４】ここで、ｗｒ，ｍは、サイドローブ構造を
隠す３次元の空間窓の重みからなる行列Ｗ（θ，φ）の
（ｒ，ｍ）番目の期間（項）である。Ｘｒ，ｍ（ｆ）
は、ｒ番目の円形配列上のｍ番目のセンサのセンサ時系
列のフーリエ変換を表す行列Ｘ（ｆ）の（ｒ，ｍ）番目
の期間（項）である。 は、ｄｒ，ｍ（ｆ，θｓ，φｓ）＝ｅｘｐ（ｊ２πｆ
（ｒδｚｃｏｓφｓ＋Ｒｓｉｎφｓｃｏｓ（θｓ−
θｍ））／ｃ）で表される平面波信号に関する（ｒ，
ｍ）番目の位相期間（項）をもつステアリング（操作）
行列（可変行列）である。この式で、Ｒは円形センサ配
列３０の半径、δｚはｚ方向の円形配列間の距離、θｍ
＝２πｍ／Ｍ，ｍ＝０，１，．．．，Ｍ−１は円形配列
３０上のセンサ８の位置を示す。発明者は次の式で表さ
れる等式（３）の変形式を数４として見い出した。
【００３５】
【数４】
【００３６】ここで、ｄｒ（ｆ，θｓ，φｓ）＝ｅｘｐ
（ｊ２πｆｒδｚｃｏｓφｓ／ｃ）は、操作ベクトル
（ステアリングベクトル） のｒ番目の期間（項）で、これは上記論じたように線形
配列のビームパターンの核であり、ｗ１，ｒは線形配列
の空間シェージングに関する空間窓の期間（項）であ
る。ｄｍ（ｆ，θｓ，φｓ）＝ｅｘｐ（ｊ２πｆＲｓｉ
ｎφｓｃｏｓ（θｓ−θｍ）／ｃ）は、操作ベクトル のｍ番目の期間（項）で、これは前述した円形配列のビ
ームパターンの核であり、ｗ２，ｍは円形配列の空間シ
ェージングの空間窓の期間（項）である。等式（４）
は、１つが線形配列のビームパターンで、もう１つが円
形配列のビームパターンである２つの総和の積を構成す
る円筒形配列のビームパターンを表す。
【００３７】本発明に従って、等式（４）で表される円
筒形配列のビームパターン化プロセスは、図４に示すよ
うに２つの工程（ステップ）に分解される。最初の工程
は、各配列がＭ個のセンサ８からなるＮ個の円形センサ
配列３０のそれぞれに、円形配列のビームパターン化を
行って、Ｎ個のビーム時系列出力を生成する。２番目の
工程は、操作される方向に関して１つのビーム時系列を
生成しながら、最初の工程のＮ個のビーム時系列に線形
配列のビームパターン化を行う。さらに関係する他のビ
ーム操作方向に関しても同じプロセスを繰り返す。代替
的には、このプロセスを逆にして最初に線形配列のビー
ムパターン化を行ってもよい。
【００３８】本発明に従う等式（４）に基く分解プロセ
スは、円形配列のビームパターン化を実質的に容易にす
る。算術演算の数とこの演算を行うために必要なメモリ
量は、円筒形のビームパターンを、等式（３）で表され
る２つの総和の代わりに、２つの総和の積として表すこ
とにより実質的に減少する。そのため、リアルタイムシ
ステムアプリケーションのために非常に大量のメモリと
非常に高速なＣＰＵの必要性がなくなる。これにより、
小型処理ユニット１２の従来型のコンピュータワークス
テーションなどの現在利用できるコンピュータ技術を使
用して、多次元配列の高度なビームパターン化アルゴリ
ズムが適用できる。
【００３９】明らかなように、本発明に従った分解プロ
セスから生じる円形及び線形配列のビームパターンは並
行して行うことができるため、ビームパターン化プロセ
スの性能を実質的に高めるパラレルプロセッサをもつコ
ンピュータを使用して、ビーム形成操作を最適に実行す
ることができる。このため、小型処理ユニット１２内で
現在利用できるコンピュータ技術を使用して、超音波映
像システム１００をリアルタイムで適用することができ
る。
【００４０】また、等式（４）はさらなる仮定なく等式
（３）から直接導くため、本発明に従って分解された円
筒形配列のビームパターン化プロセスは自由度の数の損
失を含まない。そのため、本発明に従って分解された円
筒形配列のビームパターン化プロセスは、等式（３）で
表される最適な解に集束する。
【００４１】本発明に従った分解プロセスのもう１つの
利点はかなり単純な設計で、３次元の空間窓を組込んで
いることである。不均一なシェージング窓は、各円形配
列のビームパターンに対し、方位角θに対する角度応答
を改善するために適用することができる。また、均一な
シェージング窓は、線形配列のビームパターンに対し、
仰角φに対する角度応答を改善するために適用できる。
当然、他の種類のシェージング窓や、組合せも適用でき
る。
【００４２】平面及び球形配列の分解プロセス（ビーム
パターン化の分解プロセス）は、上記説明した円筒形配
列の分解プロセスに非常に類似している。このプロセス
の詳細な説明は、１９９７年７月にＩＥＥＥ、Ｊ．海洋
工学に提出されたＡ． ＴａｗｆｉｋとＳ． Ｓｔｅｒ
ｇｉｏｐｏｌｏｓ：「２Ｄ&３Ｄ配列のセンサのビーム
パターン化プロセスを干渉プロセスのサブセットに分解
する一般的な処理構造」に出版されている。当然なが
ら、本発明に従った分解は円筒形、平面及び球形配列以
外のセンサの配列に適用できる。
【００４３】それぞれ線形センサ配列２０と円形センサ
配列３０に関する等式（１）及び（２）で表されるビー
ムパターン化プロセスは、基本的には空間フィルタであ
るタイムディレイビームパターン化の推定量である。し
かし、最適なビームパターン化には、ビームパターン化
フィルタ係数をセンサ配列の応答を最適化するためにセ
ンサ配列が受信する雑音の特性に基いて選択する必要が
ある。センサ配列が受信する雑音の特性を使用した最適
なビームパターン化のアルゴリズムを、適応ビームパタ
ーンと呼ぶ。
【００４４】このアルゴリズムのビームパターン化フィ
ルタ係数は、センサ配列が受信する相関する雑音の共分
散行列に基いて選択する。ただし、雑音の特性が正確に
分からない場合は、適応ビームパターンの性能は著しく
落ち、望む信号の消去となる可能性もある。そのため、
リアルタイムの操作システムで有効な適応ビームパター
ンを実行するのは非常に難しい。また、整合フィルタ処
理などの後処理に関して、適応ビームパターンは干渉性
ビーム時系列（コヒーレントビーム時系列）を提供しな
ければならない。特に、整合フィルタ処理には、基準信
号（参照信号）に相関する連続的なビーム時系列を生成
するビームパターンのほぼ瞬間的な集束が必要である。
【００４５】適応ビームパターン化において、ビームパ
ターンの応答は、望む信号の方向以外の方向から到来す
る雑音と信号による最小限の貢献を含むために最適化さ
れる。最適化に関して、指定の利得を有して望む方向か
らの信号を通過することを許容する制限付きの最小化の
問題の解である線形フィルタベクトル を見出すことが望ましい。最小化の問題は次の式の数５
の最小化のσ２ ＭＶで表される。ただし、σ２ ＭＶの式
は、 を満たすことを条件とする。
【００４６】
【数５】
【００４７】ここで、 は、等式（１）に基く従来の操作ベクトル、Ｒ（ｆｉ）
は、成分Ｒｎｍ（ｆ，δｎｍ）＝Ｅ｛Ｘｎ（ｆ）Ｘ
ｍ（ｆ）｝をもつ受信したセンサの時系列の空間相関行
列で、この式でＥ｛．．．｝は期待演算子を表し、δ
ｎｍはｎ番目とｍ番目の間のセンサの間隔である。最小
化問題の解は次の式の数６で表される。
【００４８】
【数６】
【００４９】この等式（６）はＮ個のセンサ配列によっ
て受信されたするビームパターン化信号に適応操作ベク
トルを提供する。また、周波数領域において、操作角θ
ｓの適応ビームは、次の式の数７により定義される。
【００５０】
【数７】
【００５１】これは等式（１）が表す従来のビームに相
当する。「操作共分散行列を使用する複数の広域帯波源
の方位推定量」、ＩＥＥＥ翻訳版、音声、信号プロセ
ス、ＡＳＳＰ−３７、１４８１〜１４９４、１９８９年
において、Ｊ． ＫｒｏｌｉｋとＤ．Ｎ． Ｓｗｉｎｇ
ｌｅｒは、広域帯波源の位置に対する集束時間は、操作
共分散行列（ＳＴＣＭ）と呼ばれる時空間統計を使用し
て減少することを証明した。この方法は、空間解像度が
劣化せずに、１９８８にＩＥＥＥ ＡＳＳＰマガジン４
―２４頁の「ビームパターン化：空間フィルタリングの
多様なアプローチ」でＢ． Ｖａｎ ＶｅｅｎとＫ．
Ｂｕｃｋｌｅｙが教唆するように、狭域帯相互スペクト
ル密度行列（ＣＳＤＭ）に基く適応アルゴリズムよりも
著しく短い集束時間を達成する。ＳＴＣＭを推定するた
めに利用できる統計的な自由度の数は、ＣＳＤＭ方法の
観測時間（Ｔ＝Ｍ／Ｆｓ、Ｆｓはサンプリング周波数）
と比べ、ほぼ時間と帯域幅の積Ｔ×ＢＷである。これは
集束時間に関し、広域帯波源の帯域幅のサイズであるほ
ぼ概算的ＢＷ（帯域幅）を改善する。
【００５２】周波数領域の従来のビームパターンの出力
は等式（１）で表される。また時間領域で対応する出力
ζ（ｔｉ，θｓ）は操作されるセンサ出力の加重合計と
して次の数８に表される。
【００５３】
【数８】
【００５４】ζ（ｔｉ，θｓ）はＢ（ｆ，θｓ）の逆高
速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）であるため、連続的なビー
ムの時間シーケンスは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）と
高速たたみこみ手順を使用して周波数領域ビームパター
ンの出力から得られる。ビームパターン出力を使用し
て、期待広域帯のビームパワーＢ（θ）が次の式（数
９）より求められる。
【００５５】
【数９】
【００５６】ここで、ベクトル は空間シェージングの重みを含む。数１０で示される期
間（項）は、
【００５７】
【数１０】
【００５８】時間領域のＳＴＣＭとして定義され、定常
状態のｔｉからは独立すると仮定する。Ｘｎ（ｆｉ）を
センサの時系列のフーリエ変換と仮定し、センサの時系
列がほぼ帯域に制限されると仮定すると、操作されるセ
ンサ出力ｘｎ（ｔｉ，τｎ（θｓ）は次の式（１１）
（数１１）で表される。
【００５９】
【数１１】
【００６０】Ｔ（ｆｋ，θ）は従来の操作ベクトルＤ
（ｆｉ，θ）の成分と同一の成分をもつ可変対角行列で
あり、次の数１２のように表される。
【００６１】
【数１２】
【００６２】また、ＳＴＣＭは上記式から直接次の数１
３のように導かれる。
【００６３】
【数１３】
【００６４】ここで、指数ｋ＝ｌ，ｌ＋１，．．．，ｌ
＋Ｈは、関連する帯域Δｆの周波数ビン（ｂｉｎ）を表
し、Ｒ（ｆｋ）は周波数ビンｆｋに対するＣＤＳＭであ
る。操作最小分散アルゴリズム（ＳＴＭＶ：Ｓｔｅｅｒ
ｅｄ ｍｉｎｉｍｕｍ ｖａｒｉａｎｃｅ ａｌｇｏｒ
ｉｔｈｍｓ）において、広域帯の空間パワーのスペクト
ル推定量は次の式の数１４で求められる。
【００６５】
【数１４】
【００６６】ただし、等式（１４）に従ったＢ（θ）の
推定量は、それが適応プロセスの広域帯のビームパワー
出力を表さないため、干渉性ビーム時系列を提供しな
い。そのため、本発明に従って、ＳＴＭＶの推定プロセ
スは関係する周波数帯域のすべての周波数ビンに関して
Φ（Δｆ，θｓ）の複合係数（複素係数）を決定するた
めに修正される。
【００６７】ＳＴＭＶアルゴリズムはその元の形で用い
て、受信する信号の全ての周波数帯域Δｆに対してΦ
（Δｆ，θ）の推定量を出すのに使用される。帯域Δｆ
の周波数ビン全体で定常性を仮定すると、ＳＴＭＶの推
定量は帯域Δｆの中心周波数ｆ ０の狭域帯の推定量Φ
（ｆ０，θ）とほぼ同じと考えられる。
【００６８】
【数１５】
【００６９】周波数ビンｉ＝ｌ，ｌ＋１，．．．，ｌ＋
Ｈ全体の の位相変化は、次の式によりモデル化される。
【００７０】
【数１６】
【００７１】ここで、Ψｎ（Δｆ，θ）は次の式から導
き出すタイムディレイの期間（項）である。
【００７２】
【数１７】
【００７３】等式（１６）により提供される適応操作の
重みｗｎ（Δｆ，θ）を使用して、適応ビームは次の式
により修正される。
【００７４】
【数１８】
【００７５】図５は、前述したＳＴＭＶビームパターン
の処理工程を簡単に示す。入力側のＡ部分において、Ｆ
ＩＲフィルタの出力は装置のＮ個のセンサすべてにダウ
ンサンプリングした連続的な時系列を供給する。Ｂの部
分ではダウンサンプリングした連続的な時系列を重複デ
ータセットに区分する。そのＦＦＴはＸ（ｍ，ｊ）， ｎ
（ｆｉ）により定義される。ここで、各指数は以下の如
くである。 ｊ＝１，２，．．．，ｊ 適応ビームパターンが集束す
るために必要なｊ個の重複区画の数 ｍ＝１，２．．． 適応ビームパターンの出力の指数 ｎ＝１，２，．．．，Ｎ センサの指数 ｉ＝１，２，．．．，Ｍ 周波数ビンの指数 区画間の重複パーセンテージは５０％である。
【００７６】図４の出力側のＣの部分において、適応ビ
ームパターンの出力は、 １． 一時的スペクトル解析、狭域帯&広域帯処理 ２． 整合フィルタ処理に、連続的なビームの時系列を
供給する。ｍ＝１，２，．．に関して適応フィルタの応
答を除去するためにと、Ｓ個の連続的なビームの時系列
を得るためにξ（θ，ｔ）を連接する。
【００７７】図４のＤ１の部分はＣｈｏｌｅｓｋｙ因数
分解を使用してΦ（ｊ，ｍ）（Δｆ，θｓ）の反転処理
の部分であり、図４のＤ２の部分は、適応操作ベクトル
の推定処理の部分である。
【００７８】図４において、まず、センサの時系列をＦ
ＦＴを使用して周波数領域に区分、重複及び変換する。
次の工程では、ＳＴＣＭを等式（１０）及び（１３）に
基いて決定する。次に、ＳＴＣＭをＣｈｏｌｅｓｋｙ分
解を使用して反転して、等式（１５）に従って適応操作
ベクトルの推定量を決定する。次に、適応操作ベクトル
を、適応ビーム化する周波数領域に統合する。最後に、
時間領域の適応ビームをＩＦＦＴを通して求める。
【００７９】
【数１９】
【００８０】ここで、区分の重なりと連接を捨てて、連
続的なビームの時系列を形成する。
【００８１】行列反転はリアルタイムアプリケーション
に適応ビームパターンを導入するための主要な事項であ
る。線形方程式の系（システム）を解く標準的な数学的
方法は適応重みを解くのに適用可能である。数学的方法
は次のものを含む：・分散行列Ｒ（ｆｋ）のＣｈｏｌｅ
ｓｋｙ因数分解。これにより、受信するデータベクトル
に関し逆代入で線形系（線形システム）を解くことがで
きる。
【００８２】・回転により行列を上三角行列に変換する
ことを含む受信するベクトル のＱＲ分解。ＱＲ分解法はＣｈｏｌｅｓｋｙ因数分解よ
りも安定性があるが、計算量が２倍必要である。
【００８３】・ＳＶＤ（特異値分解）法。ＳＶＤ（Ｓｉ
ｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）法は最も安定した因数分解法であるが、ＱＲ分解法
より３倍の計算量が必要である。
【００８４】本発明に従ったビームパターン化プロセス
の調査研究の検討においては、Ｃｈｏｌｅｓｋｙ因数分
解とＱＲ分解法を採用している。これらの方法の間で
は、安定性に関する性能に著しい相違はないことが分か
っている。当然、リアルタイムアプリケーションに関し
ては、最速のアルゴリズムが好ましい。
【００８５】リアルタイムアプリケーションで適応ビー
ムパターン化を実行するための別の主要な事項は、等式
（１０）及び（１３）から導き出される、雑音電波の第
２順序統計量（第２次統計量）の知識が要求されること
である。これら統計量は通常的には知られていないが、
大量な分散行列Ｒ（ｆｋ）の独立サンプルを平均化する
ことによって、受信データから推定することができる。
ＫがＲ（ｆｋ）の統計的に独立したサンプルの有効数
で、Ｎがセンサ８の数であるとき、雑音場の第２次統計
量の偏差（分散）―適応ビーム出力パワー推定量検出統
計―は、（Ｋ−Ｎ＋１）に反比例する。
【００８６】実験の観察とともに理論的な推定により、
適応ビームパターンの出力で干渉性ビームの時系列を得
るためには、ＫはＮより４倍大きくなければならないと
考えられる。大量のセンサをもつ配列に関しては、統計
的に最適なビームパターンとして適応ビームパターンを
実行するには、非常に大量のＲ（ｆｋ）の独立サンプル
を平均する必要があり、リアルタイムシステムでは適用
できない。この問題の解決策は、時間ｔｋでＲ（ｆｋ）
の時間で変動する適応推定量の形で、指数窓を使用して
分散行列を更新することである。時間で変動する適応推
定量とは、時間ｔｋのときの指数的な時間平均推定量―
幾何学的忘却アルゴリズムである。
【００８７】
【数２０】
【００８８】ここで、μは指数的な加重時間平均化を実
行する平滑係数（０<μ<１）である。
【００８９】多数のセンサに関し多数の適応重みをもつ
適応ビームパターンの導入には、関係する受信信号の時
間で変動する特性を検出するために、適応ビームパター
ンの動的特性を排除する集束期間が非常に長くかかる。
この制限は、適応重みの数を減らせば避けることができ
る。適応重みの数を減らすには、本発明に従ったサブア
パーチャ処理手法を導入することで達成される。
【００９０】図６は、センサ８の線形配列２０のサブア
パーチャ構成を図示している。線形配列は複数の重複す
るサブアレイに分割される。第１段階では、サブアレイ
は、各操作方向のサブアレイの数と等しい多数のビーム
組を生成する従来のビームパターンを使用してビームパ
ターン化される。第２段階では、適応ビームパターン化
が、空間での操作方向は同じであるが、異なるサブアレ
イに属する各ビームの各組のビームで実行される。１組
のビームは、同じ方向で操作される指向性センサからな
る線形配列に等しく、センサの間隔は２つの隣接するサ
ブアレイの間の分離空間に等しく、センサの数はサブア
レイの数に等しい。
【００９１】図７は、本発明に従ったＭ個のセンサ８を
もつ円形配列３０のサブアパーチャ構成を図示してい
る。図７のＡの部分はＧ＝３のとき、各サブアパーチャ
で（Ｍ−Ｇ＋１）個のセンサをもつサブ円形配列をビー
ムパターン化することを示しており、図７のＢ部分は、
θｓの方位のビーム操作に関して３つのサブ円形配列か
ら３つのビームの時系列（Ｔ−Ｓ）を選択して、θｓを
操作しながら３つのビームＴ−Ｓで適応ビームパターン
化を適用することを示している。
【００９２】図７において、第１円形サブアパーチャ
は、ｎがセンサの指数でＧがサブアパーチャの数の場
合、ｎ＝１，２，．．．，Ｍ−Ｇ＋１の第１のＭ−Ｇ＋
１個のセンサにより構成される。第２円形サブアパーチ
ャは、ｎ＝２，３，．．．，Ｍ−Ｇ＋２のＭ−Ｇ＋１個
のセンサにより構成される。サブアパーチャの編成は、
最後のサブアパーチャがｎ＝Ｇ，Ｇ＋１，．．．，Ｍの
Ｍ−Ｇ＋１により構成されるまで継続する。第１段階で
は、各円形サブアパーチャは、各操作方向に関してＧ組
のビームを生成する従来のビームパターンを使用してビ
ームパターン化する。第２段階は、空間では同じ方向に
操作されるが、それぞれ異なる円形サブアパーチャに属
する１組のビームで適応ビームパターン化する。図７は
Ｇ＝３の場合のこのようなサブアパーチャの工程を図示
している。
【００９３】図８に関し、本発明に従った円筒形配列４
０のサブアパーチャ構成を図示している。図８のＡの部
分は、Ｎ個のサブ円形配列のそれぞれに１つのビームパ
ターン化を行うことを示している。また、図８のＢの部
分は、各方位のビーム操作に関して、（Ｎ−Ｇ＋１）個
のサブ円形配列からビームの時系列を選択し、θｓとΦ
ｓに関して新たなビームの時系列を形成する処理を示し
ている。また、図８のＣの部分には、出力が各方位及び
高さに関し従来のビームの時系列を供給し、円筒形配列
の他の２つのサブアパーチャに関してプロセスを繰り返
す処理が示されている。さらに、図８のＤの部分にはθ
ｓ、Φｓの方位−高さのビーム操作をもつ３つのビーム
の時系列の各セットに関し、適応ビームパターン化を適
用することが示されている。
【００９４】図８において、円筒形配列４０は、Ｎが円
形リングの数、Ｍが各リング上のセンサの数としたとき
ＮＭ個のセンサ８により構成され、サブアパーチャの形
成は次のように行われる。
【００９５】第１サブアパーチャは、ｎ＝１，
２，．．．，Ｎ−Ｇ＋１がリング指数で、Ｇがサブアパ
ーチャの数のとき、第１の（Ｎ−Ｇ＋１）個のリングに
より構成される。各リングにおいて、ｍ＝１，
２，．．．，Ｍ−Ｇ＋１が各リングのセンサの指数のと
き、Ｍ−Ｇ＋１個の第１組のセンサが選択される。第１
サブアパーチャが、図８の上部右の絵に小円で示され
る、円筒形配列セル４２を形成する。次に、前述した本
発明に従った分解プロセスを使用して、従来（通常）の
ビームパターン化が、円筒形配列セル４２に適用され
る。方位角θｓと仰角φｓを有する与えられた操作方向
に関して、多次元サブアパーチャビームパターンは、下
添字ｇ＝１が第１サブアパーチャを示すとき、ビームの
時系列ｂｇ＝１（ｔｉ，θｓ，φｓ）を供給する。
【００９６】第２サブアパーチャは、ｎ＝２，
３，．．．，Ｎ−Ｇ＋２のとき、次の組の（Ｎ−Ｇ＋
１）個のリングにより構成される。各リングに関して、
ｍ＝２，３，．．．Ｍ−Ｇ＋２のとき、次の組のＭ−Ｇ
＋１個のセンサが選択される。次にこれら選択されたセ
ンサが第２サブアパーチャの円筒形配列セルを形成す
る。ここでも、次に従来（通常）のビームパターン化が
適用されて、与えられた操作方向に関して、多次元サブ
アパーチャビームパターンは、下添字ｇ＝２が第２サブ
アパーチャを示すとき、ビームの時系列ｂ
ｇ＝２（ｔｉ，θｓ，φｓ）を供給する。
【００９７】サブアパーチャの形成は、最後のサブアパ
ーチャがｎ＝Ｇ，Ｇ＋１，．．．，Ｎのときの（Ｎ−Ｇ
＋１）個のリングによる組が構成されるまで継続する。
各リングに関して、ｍ＝Ｇ，Ｇ＋１，．．．，Ｍのとき
の最後の組のＭ−Ｇ＋１個のセンサが選択すされる。次
に従来のビームパターン化が適用されて、与えられた設
定の操作方向に関して、多次元サブアパーチャビームパ
ターンは、下添字ｇ＝Ｇが最後のサブアパーチャを示す
とき、ビームの時系列ｂｇ＝Ｇ（ｔｉ，θｓ，φｓ）を
供給する。
【００９８】ビームパターン化の第２段階は、図８に示
すように、例えば、Ｇ＝３ビーム時系列ｂ
ｇ＝１（ｔｉ，θｓ，φｓ）、ｇ＝１，２，．．．，Ｇ
の線形配列の適応ビームパターンを構成する。操作方位
及び仰角｛θｓ，φｓ｝の与えられた対に関して、円筒
形適応ビームパターン化プロセスは適応線形配列のビー
ムパターン化に還元される。
【００９９】適応線形配列のビームパターンは、２つの
隣接するサブアパーチャの円筒形セルの間に間隔δ＝
［（Ｒ２π／Ｍ）２＋δｚ ２］１／２を持つわずか３つ
のビーム時系列ｂｇ（ｔｉ，θｓ，φｓ），ｇ＝１，
２，３を構成するに過ぎない。ここで、（Ｒ２π／Ｍ）
は各リング上のセンサの間隔で、δｚは円筒形配列４０
のｚ軸に沿った各リング間の距離である。適応線形配列
のビームパターンは、操作方位及び仰角｛θｓ，φｓ｝
の対の中心にあるステアリングに、１つ以上の適応ビー
ム時系列を提供する。
【０１００】各サブアパーチャの自由度の数は非常に少
数のため、適応プロセスはほぼ瞬間的な集束を受ける。
また、本発明に従った多次元サブアパーチャビームパタ
ーン化プロセスは、以下に揚げる文献で論じられるよう
なＭＶＤＲ及びＧＳＣなどの多様な適応雑音消去技術を
含むことができる。
【０１０１】Ｓ． Ｓｔｅｒｇｉｏｐｏｕｌｏｓ：「一
体型アクティブ受動ソナーシステムでの適応合成アパー
チャの処理方法の導入」ＩＥＥＥ手順書、８６（２）、
３５８〜３９７頁、１９９８年２月。 Ｂ．Ｗｉｎｄｒｏｗら：「適応アンテナシステム」ＩＥ
ＥＥ手順書、５５（１２）、２１４３〜２１５９頁、１
９６７年。 Ｎ．Ｌ． Ｏｗｓｌｅｙ：「ソナーアレイ処理」、Ｓ．
Ｈａｙｋｉｎ、出版者、プレンティスホール・シングル
プロセッシングシリーズ、Ａ．Ｖ． Ｏｐｐｅｎｈｅｉ
ｍシリーズ出版者、１２３頁、１９８５年。 Ｂ． Ｖａｎ ＶｅｅｎとＫ． Ｂｕｃｋｌｅｙ：「ビ
ームパターン化：空間フィルタリングの多様なアプロー
チ」、ＩＥＥＥ ＡＳＳＰマガジン、４〜２４頁、１９
８８年。
【０１０２】また、本発明に従ったサブアパーチャ構成
は、平面形配列及び球形配列などの他の多次元配列にも
適用できる。平面形及び球形配列に関する分解、サブア
パーチャ形成及び適応ビームパターンの導入は、前述し
た円筒形配列の対応する工程と同様に行い得る。特に、
平面形配列に関しては、サブアパーチャの形成は図９に
図示するように線形配列のサブアパーチャ適応コンセプ
トに基いて行い得る。同様に、球形配列のサブアパーチ
ャの形成は、円形配列のサブアパーチャ適応コンセプト
に基いて行い得る。
【０１０３】図９において、Ａの部分は各線形配列をビ
ームパターン化する処理を示している。また、図９のＢ
の部分には、各方位のビーム操作に関しすべての線形配
列からビームの時系列を選択し、センサとして方位操作
θｓをもつ新たなセットのビームの時系列を含む垂直線
形配列を形成し、そして、新たな垂直線形配列をビーム
パターン化する処理が示されている。さらに、図９のＣ
の部分には、２Ｄ平面線形ビームパターンのものと等価
なビームパターンが連続的なビームの時系列で供給する
ことが示されている。
【０１０４】図１０には、本発明に従った超音波映像シ
ステムの３Ｄ円筒形配列の信号処理のフローのモジュラ
ー構造を簡単に図示する。図１０の入力側は、ＦＩＲフ
ィルタの出力が円筒形配列のすべてのセンサにダウンサ
ンプリングした連続的な時系列を供給する。図１０の線
形及び円形配列のビームパターンは有限インパルス応答
（ＦＩＲ）フィルタとして実行される。図１０において
の、異なる処理モジュールの再構成により、信号処理の
フローを、例えば、線形、平面形又は球形のセンサ配列
をもつ様々な超音波映像システムに適用できる。
【０１０５】第１処理モジュール５０においては、ダウ
ンサンプリングした連続的な時系列を１組の重複データ
セットに区分する。その処理のＦＥＴは式Ｘ
（ｍ，ｊ），ｒ（ｆｉ）＝ＦＥＴ｛Ｘ
（ｍ，ｊ），ｒ（ｔｉ）｝で定義される。ここで、 ｊ＝１，２，．．．，Ｉはセグメント（区分）の指数 ｍ＝０，１，．．．，Ｍ−１はｒ番目の円筒形配列のリ
ングのセンサの指数 ｒ＝０，１，．．．，Ｎ−１はリングの指数 ｉ＝１，２，．．．，Ｉは周波数ビンの指数
【０１０６】第１処理モジュール５０には、センサ配列
から受信した時系列の分割、分割した時系列の初期スペ
クトルＦＦＴの計算、帯域ＦＩＲフィルタを介して関係
する周波数帯域の選択、及びダウンサンプリングの処理
が含まれる。モジュール５０の出力は、減少したサンプ
リング速度で連続的な時系列を構成する。
【０１０７】モジュール５２は円形配列ビームパターン
化（ＣＩＲＣＵＬＡＲ ＡＲＡＲＡＹ ＢＥＡＭＦＯＲ
ＭＥＲ）の部分と連続ビーム時系列の出力の部分（ＯＵ
ＴＰＵＴ ＰＲＯＶＩＤＥＳ ＣＯＮＴＩＮＵＯＵＳ
ＢＥＡＭ ＴＩＭＥ ＳＥＲＩＥＳ）とを有し、円形配
列ビームパターン化の部分はＢｒ（ｆｉ，θｓ）の式を
用いて円形配列ビームパターン化の処理を行い、連続ビ
ーム時系列の出力の部分は、円形ビームパターンの連続
的な時系列を生成するために、重複と連結した区分（セ
グメント）を除去する処理を行う。
【０１０８】モジュール５３は線形配列のビームパター
ン化を行う部分と連続ビーム時系列の出力の部分とを有
しており、ビームパターン化の部分は式Ｂ（ｆｉ，
θｓ，φ ｓ）を用いて線形配列のビームパターン化を行
い、連続ビーム時系列の出力の部分はモジュール５２の
場合と同様に、ビームパターンの連続的な時系列を生成
するために、重複と連結した区分（セグメント）を除去
する処理を行う。
【０１０９】円形配列と線形配列のビームパターンを構
成する第２モジュール５２及び第３モジュール５３は、
円形たたみこみを介した空間フィルタリングのＦＩＲ手
法を使用して、連続的な指向性ビームの時系列を提供す
る。ビームパターンの入力の区分化と重複は、高速たた
みこみ信号処理操作によるラップラウンドエラー（ｗｒ
ａｐａｒｏｕｎｄ ｅｒｒｏｒｓ）を処理する。重複
（オーバーラップ）は有効なＦＩＲフィルタの長さに等
しい。
【０１１０】モジュール５４はアクティブ超音波アプリ
ケーションから得たエコーを処理するために、使用され
る。
【０１１１】モジュール５６は時間的スペクトル解析の
最終処理工程を含む。
【０１１２】最終的に、データ標準化（規格化）処理手
法を使用して、出力結果をディスプレイ装置の動的範囲
（ダイナミックレンジ）にマップ（ｍａｐ）する。
【０１１３】モジュール５６においての、バーニヤおよ
び時間的スペクトル解析の使用―区分重複の組込み、ウ
ィンドウ化及びＦＦＴコヒーレント処理―は、すべての
ビーム時系列に狭域帯の結果を提供する。標準化と論理
和演算は出力結果を表示する前の最終処理工程である。
【０１１４】アクティブモジュール５４では、時系列ビ
ーム上での整合フィルタ―又はレプリカ相関器―の使用
により、広域帯処理を提供する。これにより、超音波シ
ステムの能動変換器により伝送される基準波形（参照波
形）に対しての範囲と方位の関数として、エコーを検出
することができる。
【０１１５】図１１に関し、本発明に従った多次元配列
のサブアパーチャ構成の信号処理のフローの概略図を示
す。モジュール６０は多次元配列のセンサのサブアパー
チャの形成を含むもので、サブアパーチャの形成は多次
元ビームパターンを線形及び／又は円形ビームパターン
の干渉性セットに分解することに基く。次の工程（ステ
ップ）で、各サブアパーチャにビームの時系列を供給し
ながら、各サブアパーチャのセンサの時系列は、図１０
に示すように本発明に従い、従来の多次元配列のビーム
パターンを使用してモジュール６２でビームパターン化
する。モジュール６２は通常（従来）のビームパターン
化を行うもので、一般構造は３Ｄサブアパーチャの３Ｄ
ビームパターンを線形&円形配列のビームパターンに分
解する。出力は連続時系列である。
【０１１６】ビームパターン化の第２段階はモジュール
６４で行う。モジューラ６４において、サブアパーチャ
から同じ操作方向（θｓ，Φｓ）をもつビームの時系列
は線形配列のＧ個の指向性センサの時系列を表す。適応
ビームパターンの入力で上記指向性時系列を供給して、
ｓ＝１，２，．．．，Ｓの（θｓ，Φｓ）に集中する操
作方向をもつＧ個の適応ビームを生成する。ビームパタ
ーン化の第２段階は、モジュール６２で得たビーム時系
列の適応ビームパターン化からなる。適応ビームパター
ンは、従来のビームと同じ方位角及び仰角の中心にある
ステアリングに、１つ以上の適応ビームの時系列を提供
する。
【０１１７】図１１に示す多次元配列のサブアパーチャ
構成の信号処理のフローを、図１０に示す信号処理のフ
ローのモジュール５２及び５３に組込んでもよい。
【０１１８】本発明に従った信号処理の別の実施形態例
では、画像解像度を更に改善するために、サブアパーチ
ャの適応ビームパターンを合成アパーチャのビームパタ
ーン―ＥＴＡＭアルゴリズム―と組合せる。合成アパー
チャのビームパターンは、入力センサの時系列を合成ア
パーチャのビームパターンに提供するために使用する実
際の―物理的―センサ配列よりも、多数のセンサにより
構成される合成センサ配列に対応するセンサの時系列を
提供する。
【０１１９】合成アパーチャのビームパターンに関する
詳細は、１９９０年にＳｕｌｌｉｖａｎ Ｅ．Ｄ．とＳ
ｔｅｒｇｉｏｐｏｕｌｏｓ Ｓ．に発行された米国特許
第４，９３０，１１１号に開示されている。第１工程
で、センサの時系列は合成アパーチャのビームパターン
を使用して処理され、サブアパーチャの適応ビームパタ
ーンへの入力として供給する。代替的には、より小型の
センサ配列が小型超音波映像システムに採用されると
き、十分な画像解像度を得るために、この方法を使用す
ることもできる。
【０１２０】本発明に従ったサブアパーチャの適応ビー
ムパターンを、ほぼ瞬間的な集束を達成すること、その
ため十分な時間的コヒーレンスをもつ出力ビームの時系
列を提供し、基準信号（参照信号）と相関することを実
証するために、シミュレートしたデータセットとともに
実データセットで試験された。十分な時間的コヒーレン
スをもつ出力ビームの時系列を提供することは、受動及
びアクティブ超音波映像システムでの整合フィルタ処理
又は時間的スペクトル解析にとって不可欠である。
【０１２１】図１２を参照して、様々な種類のビームパ
ターンの操作角度（ステアリング角度）の関数としての
アクティブＣＷパルスに対するビームの応答パワーを示
す。図１２に示すものは、―４８個のセンサの平面形配
列上の従来のビームパターン（１）；本発明に従った４
８個のセンサの平面形配列のサブアパーチャ適応ビーム
パターン（２）；物理的な４８個のセンサの平面形配列
を合成１４４個のセンサの平面形配列に拡張した合成ア
パーチャ（ＥＴＡＭアルゴリズム）のビームパターン
（３）；本発明に従って４８個のセンサの平面形配列上
の合成アパーチャとサブアパーチャ適応ビームパターン
の組合せ（４）；及び１４４個のセンサの平面形配列上
の従来のビームパターン（５）である。
【０１２２】図１２に提示した結果から明らかなよう
に、本発明に従ったサブアパーチャの適応ビームパター
ンは、３倍大きい平面形配列に適用される従来のビーム
パターンと同様の角度分解能を提供する。角度分解能を
更に改善するためには、ビームパターン化プロセスに伴
う計算量が増える代償として、図１２に示すように本発
明に従って、サブアパーチャの適応ビームパターンを合
成アパーチャのビームパターンと組合せることで得られ
る。
【０１２３】また、本発明に従ったサブアパーチャ適応
ビームパターンを、数分の繰返し数をもつ広域帯ＦＭパ
ルスを含む合成データセットで試験して、本発明に従っ
たサブアパーチャ適応ビームパターンが広域帯ＦＭパル
スの干渉性ビーム時系列を供給するためにほぼ瞬間的な
集束を達成する効率性を実証した。これは、適応処理手
法が最適な解に集束するためには少なくとも繰返し過程
が必要なため、試験する必要がある。
【０１２４】出力ビームの時系列は、ＧＲＡＭが図１３
に示すビーム操作の関数として範囲（深さ）のウォータ
ーフォールディスプレイを提供するため、整合フィルタ
とその配置を使用して処理されている。各ビームパター
ンに関して、水平軸は、２０度の見る方向に集まる１０
度の角度セクタ内において２０個の操作ビームを含む。
垂直軸は人体内の信号のタイムディレイ又は侵入度（透
入深さ）を表す。そのため、図１３で示す各ウィンドウ
の垂直軸に沿った検出エコーは器官などのシミュレート
した被写体からの反射を示す。
【０１２５】図１３の左側から順に、使用する様々なビ
ームパターンは、４８個のセンサ配列の従来のビームパ
ターン；４８個のセンサ配列の本発明に従ったサブアパ
ーチャ適応ビームパターン；物理的な４８個のセンサ配
列を１４４個の合成センサ配列に拡張した合成アパーチ
ャ（ＥＴＡＭアルゴリズム）のビームパターン；４８個
のセンサ配列の本発明に従った合成アパーチャとサブア
パーチャ適応ビームパターンの組合せ；１４４個のセン
サ配列の従来のビームパターンである。
【０１２６】明らかなように、４８個のセンサ配列に適
用する従来のビームパターン―図１３の一番左側のウィ
ンドウ―は、２つのエコーを解像していない。これは現
在の技術水準の超音波映像システムの性能特性を表す。
図１３の次の３つのウィンドウは、４８個のセンサ配列
に適用した本発明に従った適応ビームパターンの結果
（ＦＭ形のパルスのシュミレートした整合フィルタの結
果）を示す。この結果は、想定した適応ビームパターン
の画像解像度の定量的評価を提供する。明らかに、３つ
のウィンドウすべてで、２つのエコーが鮮明に見える。
本発明に従った適応ビームパターンの解像度は、図１３
の右側のウィンドウに示す３倍大きいセンサ配列に適用
した従来のビームパターンの解像度に匹敵する。
【０１２７】改善されたことを実証するために、本発明
に従った適応ビームパターンを、図１４に示す医療診断
アプリケーション用の汎用超音波映像システム内で実行
した。このシステムは、３２個のセンサ８の線形配列２
０と、現在の技術水準の信号処理装置７２と、１２ビッ
トでチャネル当たり４５ＭＨｚのサンプリング（標本
化）周波数をもつ特注のＡ／ＤＣ ７４と、線形配列２
０が供給するセンサの時系列を適応ビームパターン化
し、再生を映像化して３Ｄで可視化するためのコンピュ
ータワークステーション７６とからなる。
【０１２８】図１５は、胎児の頭骨の典型的な３Ｄ画像
を示す。上２つの画像と左下の画像は、現在の技術水準
の超音波システムと信号処理を使用して得ているが、右
下の画像は本発明に従った適応ビームパターンを現在の
技術水準の超音波システムが捕獲した信号に適用して得
たものである。明らかに、本発明に従った適応ビームパ
ターンの適用は、画像の解像度を実質的に高めている。
【０１２９】画像の解像度をさらに改善するためには、
本発明に従った適応ビームパターンを多次元―２Ｄ又は
３Ｄ―のセンサ配列に適用して、ビームパターン化プロ
セス中に信号の角度解像度を向上させることによって得
られる。
【０１３０】図１２、１３及び１５に示す結果から分か
るように、本発明に従った適応ビームパターンはほぼ瞬
間的な集束を達成し、画像の解像度を実質的に改善す
る。そのため、適応ビームパターンは超音波映像に適用
すると非常に有利であり、画像の解像度を改善するため
に既存の超音波システムに組込むことができる。好適な
実施形態例では、本発明に従った適応ビームパターンを
使用して、リアルタイムで高解像度の画像を提供するた
めの小型で現場配備可能な超音波システムを提供する。
【０１３１】これは、適応ビームパターンを小型多次元
配列から得た信号に適用し、各サブアパーチャ内の自由
度を減じるサブアパーチャ構造を使用して、多次元配列
をビームパターン化するための計算量を最小限にするこ
とにより達成される。そのため、ビームパターン化プロ
セスには従来のワークステーションしか必要なく（従来
のワークステーションのみで対応でき）、リアルタイム
で実施される。
【０１３２】当然ながら、本発明の精神及び範囲を逸脱
することなく、他の多数の実施形態例を考えることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従った小型現場配備可能な超音波映像
システムの略図である。
【図２】超音波映像システムのためのセンサの線形配列
の略図である。
【図３】超音波映像システムのためのセンサの円形配列
の略図である。
【図４】本発明に従った分解概念を図示する超音波映像
システムのためのセンサの円筒形配列の略図である。
【図５】超音波映像システムのための本発明に従った適
応ビームパターン処理の簡単なフロー図である。
【図６】本発明に従った適応サブアパーチャ構造を図示
する超音波映像システムのためのセンサの線形配列の略
図である。
【図７】本発明に従った適応サブアパーチャ構造を図示
する超音波映像システムのためのセンサの円形配列の略
図である。
【図８】本発明に従った適応サブアパーチャ構造を図示
する超音波映像システムのためのセンサの円筒形配列の
略図である。
【図９】本発明に従った適応サブアパーチャ構造を図示
する超音波映像システムのためのセンサの平面配列の略
図である。
【図１０】円筒形配列をビームパターン化するための本
発明に従った信号処理のフローの概略図である。
【図１１】本発明に従った多次元配列の適応サブアパー
チャ構造のための信号処理の概略図である。
【図１２】様々な種類のビームパターンの操作角の関数
として、アクティブＣＷパルスへのビーム応答パワーを
図示する概略図である。
【図１３】超音波アプリケーションのために、様々な種
類のビームパターンの整合フィルタのシミュレーション
結果の図である。
【図１４】本発明に従った適応ビームパターンの画像解
像度の改善を評価するための超音波映像システムの略図
である。
【図１５】現在の技術水準の信号処理技術を使用して、
本発明に従った適応ビームパターンを現在の技術水準の
超音波システムで捕獲した信号に適用して得た胎児の頭
骨の様々な３Ｄ画像を従来のビームパターンの処理の場
合との比較状態で示す図である。
フロントページの続き (71)出願人 500540040 ハー マジェスティ ザ クイーン イン ライト オブ カナダ， アズ リプレ ゼンテッド バイ ザ ミニスター オブ ナショナル ディフェンス Ｈｅｒ Ｍａｊｅｓｔｙ Ｔｈｅ Ｑｕｅ ｅｎ ｉｎ Ｒｉｇｈｔ ｏｆ Ｃａｎａ ｄａ， ａｓ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｍｉｎｉｓｔｅｒ ｏｆ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｅｆｅｎｃｅ カナダ オンタリオ州 Ｋ１Ａ ０Ｋ２ オッタワ コロネルバイドライブ 101 101 Ｃｏｌｏｎｅｌ Ｂｙ Ｄｒｉｖｅ Ｏｔｔａｗａ Ｏｎｔａｒｉｏ Ｃａｎ ａｄａ Ｋ１Ａ ０Ｋ２ (72)発明者 スタジオス スタジオポロス カナダ オンタリオ州 Ｍ４Ｎ １Ｓ８ トロント ローレンスアベニューイースト 124 (72)発明者 アマー シー ダナントウオリー カナダ オンタリオ州 Ｍ２Ｒ ３Ｓ３ ノースヨーク スティルウォータークレセ ント 57

Claims (30)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超音波映像システムの多次元配列に配備
    されるセンサによって与えられるセンサの時系列を多次
    元ビームパターン化するための方法であって、第１サブ
    セットを多次元配列の第１座標方向の後続ビームパター
    ンにより構成し、第２サブセットを多次元配列の異なる
    第２座標方向の後続ビームパターンにより構成するよう
    にして、多次元ビームパターンを円形配列のビームパタ
    ーン及び／又は線形配列のビームパターンの２つの干渉
    性サブセット（コヒーレントサブセット）に分解するた
    めの工程と；それぞれビームの時系列を生成する第１サ
    ブセットの後続ビームパターンを適用することによっ
    て、センサの時系列に関するデータの予め設定されるビ
    ーム操作方向でビームパターン化するための工程と；ビ
    ーム操作方向に１つのビームの時系列を生成する操作方
    向に第２サブセットの後続ビームパターンを適用しなが
    ら、第１サブセットのビームパターンの各ビームの時系
    列を予め設定されるビーム操作方向にビームパターン化
    するための工程と；を有することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 多次元センサ配列が平面配列であること
    を特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 多次元センサ配列が円筒形配列であるこ
    とを特徴とする請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 多次元センサ配列が球形配列であること
    を特徴とする請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 各座標方向のビームパターンのサブセッ
    トが並行に実行されることを特徴とする請求項１記載の
    方法。
  6. 【請求項６】サイドローブ構造を抑制するための３次元
    空間窓の重みを有することを特徴とする請求項１記載の
    方法。
  7. 【請求項７】 多次元配列の２つの異なる座標方向の期
    間の二重総和を有する多次元ビームパターンが、２つの
    総和の積に変換される構成とし、前記各総和は多次元配
    列の１つの座標方向の期間を構成していることを特徴と
    する請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 サブセットのビームパターンが適応ビー
    ムパターンであることを特徴とする請求項１記載の方
    法。
  9. 【請求項９】 非均一のシェージング窓がビームパター
    ンのサブセットのビームパターンに適用されることを特
    徴とする請求項１記載の方法。
  10. 【請求項１０】 線形及び円形配列のビームパターン
    は、円形たたみこみを介して空間フィルタリングするた
    めの有限インパルス応答（ＦＩＲ）として実行されるこ
    とを特徴とする請求項１記載の方法。
  11. 【請求項１１】 範囲と方位の関数としてエコーを検出
    するために整合フィルタを使用して、各操作方向にビー
    ムの時系列を広域帯化する処理を含むことを特徴とする
    請求項１記載の方法。
  12. 【請求項１２】 サブアパーチャ構成を使用して、超音
    波映像システムの多次元配列に配備されるセンサによっ
    て与えられるセンサの時系列を多次元ビームパターン化
    するための方法であって、 ａ）多次元ビームパターンを複数の後続サブアパーチャ
    に分割するための工程と； ｂ）第１サブセットが多次元配列の第１座標方向の後続
    ビームパターンを構成し、第２サブセットがサブアパー
    チャの他の第２座標方向の後続ビームパターンを構成し
    て、各サブアパーチャを円形配列のビームパターン及び
    ／又は線形配列のビームパターンの２つの干渉性サブセ
    ット（コヒーレントサブセット）に、分解するための工
    程と； ｃ）各ビームパターンがビームの時系列を生成する第１
    サブセットの後続ビームパターンを適用することによっ
    て、各サブアパーチャを予め設定されるビーム操作方向
    にセンサの時系列のフーリエ変換に通常のビームパター
    ン化を行う工程と； ｄ）各サブアパーチャのビーム操作方向に１つのビーム
    の時系列を生成する操作方向に第２サブセットの後続ビ
    ームパターンを適用することによって、各サブアパーチ
    ャを前記工程ｃ）のビームパターンによって生成したビ
    ームの時系列の予め設定されるビーム操作方向に通常の
    ビームパターン化を行う工程と； ｅ）ビームの操作方向に１つ以上のビームの時系列を供
    給しながら、各線形配列が１つの座標方向に別の後続サ
    ブアパーチャのビームの時系列を有している当該の線形
    配列で適応ビームパターン化を行う工程と；を有する方
    法。
  13. 【請求項１３】多次元センサ配列が平面形配列であるこ
    とを特徴とする請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 多次元センサ配列が円筒形配列である
    ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
  15. 【請求項１５】 多次元センサ配列が球形配列であるこ
    とを特徴とする請求項１２記載の方法。
  16. 【請求項１６】 センサの時系列を多次元ビームパター
    ン化する方法にはＭＶＤＲ適応雑音消去処理を含むこと
    を特徴とする請求項１２記載の方法。
  17. 【請求項１７】 センサの時系列を多次元ビームパター
    ン化する方法にはＧＳＣ適応雑音消去処理を含むことを
    特徴とする請求項１２記載の方法。
  18. 【請求項１８】 適応ビームパターンは合成アパーチャ
    のビームパターンと組合せることを特徴とする請求項１
    ２記載の方法。
  19. 【請求項１９】 センサの時系列はリアルタイムでビー
    ムパターン化されることを特徴とする請求項１２記載の
    方法。
  20. 【請求項２０】 干渉性広域帯適応ビームパターンを使
    用して、超音波映像システムのセンサが供給するセンサ
    の時系列をビームパターン化するための方法であって、
    連続的なセンサの時系列を重複データセットの組に区分
    化する工程と；異なる周波数ビンに関して重複データセ
    ットのフーリエ変換のセットを生成して各重複データセ
    ットのＦＦＴを計算する工程と；各周波数ビンと各設定
    の操作方向に関して重複データセットのフーリエ変換か
    ら相互スペクトル密度行列を形成する工程と；操作分散
    行列（ステアリング分散行列）が関係する各操作方向と
    周波数帯に対応する、相互スペクトル密度行列と通常の
    操作ベクトルの対角行列を使用して、操作分散行列を形
    成する工程と；操作分散行列を反転する工程と；関係す
    る周波数帯域の周波数ビン全体で定常性を仮定し、関係
    する周波数帯域の中心周波数に対しての狭域帯推定量と
    同じ操作分散行列の推定量を考慮して、適応操作ベクト
    ルを推定する工程と；適応操作ベクトルの推定量を使用
    して、狭域帯の適応操作重みを決定する工程と；重複デ
    ータセットのフーリエ変換と適応操作重みから周波数領
    域で適応ビームを形成する工程と；ＩＦＦＴを通して時
    間領域で適応ビームを形成する工程と；区分の重なりと
    連接を除くことによって連続的なビームの時系列を決定
    する工程と；を有する方法。
  21. 【請求項２１】 操作分散行列はＣｈｏｌｅｓｋｙ因数
    分解を使用して反転することを特徴とする請求項２０記
    載の方法。
  22. 【請求項２２】 操作分散行列をＱＲ分解を使用して反
    転することを特徴とする請求項２０記載の方法。
  23. 【請求項２３】 操作分散行列をＳＶＤ（特異値分解）
    方法を使用して反転することを特徴とする請求項２０記
    載の方法。
  24. 【請求項２４】 操作分散行列は、時間で変動する適応
    推定が指数的な時間平均推定量である、時間で変動する
    該適応推定を使用して更新されることを特徴とする請求
    項２０記載の方法。
  25. 【請求項２５】 リアルタイムで被写体の高解像度３Ｄ
    画像を生成するための現場配備可能な３Ｄ超音波映像シ
    ステムであって、超音波を放射する波源と；被写体内の
    各種構造体により反射される、超音波の反射を捕獲し、
    反射される超音波を示すセンサの時系列を生成するため
    の小型適応多次元センサ配列と；小型処理ユニットと；
    を備え、前記小型処理ユニットは、多次元センサ配列に
    よって生成されるセンサの時系列を受信し、多次元ビー
    ムパターンを円形配列のビームパターン及び／又は線形
    配列のビームパターンの干渉性サブセットを構成するサ
    ブアパーチャに分解し、円形配列を通常にビームパター
    ン化し、線形配列を適応ビームパターン化することによ
    って、連続的なビームの時系列を生成するためにセンサ
    の時系列を処理し、およびリアルタイムでビームの時系
    列から３Ｄ画像を再生する機能を備えたものとし、 さらに、 リアルタイムで再生される３Ｄ画像を表示するためのデ
    ィスプレイと；を有することを特徴とする超音波映像シ
    ステム。
  26. 【請求項２６】 小型適応多次元センサ配列は、平面形
    配列によって構成されていることを特徴とする請求項２
    ５記載の超音波映像システム。
  27. 【請求項２７】 小型適応多次元センサ配列は、円筒形
    配列により構成されていることを特徴とする請求項２５
    記載の超音波映像システム。
  28. 【請求項２８】 小型適用多次元センサ配列は、球形配
    列により構成されていることを特徴とする請求項２５記
    載の超音波映像システム。
  29. 【請求項２９】 小型処理装置ユニットは、従来のコン
    ピュータワークステーションにより構成されていること
    を特徴とする請求項２５記載の超音波映像システム。
  30. 【請求項３０】 従来のコンピュータワークステーショ
    ンは、サブセットのビームパターンをパラレル処理する
    ために複数のプロセッサを有していることを特徴とする
    請求項２９記載の超音波システム。
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