JP2019030623A - Beamforming method, measurement imaging device, and communication device - Google Patents
Beamforming method, measurement imaging device, and communication device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019030623A JP2019030623A JP2017207592A JP2017207592A JP2019030623A JP 2019030623 A JP2019030623 A JP 2019030623A JP 2017207592 A JP2017207592 A JP 2017207592A JP 2017207592 A JP2017207592 A JP 2017207592A JP 2019030623 A JP2019030623 A JP 2019030623A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wave
- aperture
- transmission
- reception
- waves
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 1005
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims description 325
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims description 233
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims description 74
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 828
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 claims abstract description 42
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 315
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 86
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 abstract description 181
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 abstract description 41
- 230000009466 transformation Effects 0.000 abstract description 14
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 669
- 238000009740 moulding (composite fabrication) Methods 0.000 description 387
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 247
- 230000006870 function Effects 0.000 description 206
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 196
- 230000009021 linear effect Effects 0.000 description 181
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 172
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 149
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 146
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 140
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 129
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 113
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 98
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 81
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 70
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 70
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 66
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 65
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 64
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 64
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 61
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 57
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 56
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 56
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 53
- 230000008859 change Effects 0.000 description 52
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 51
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 46
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 44
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 44
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 39
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 39
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 36
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 35
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 34
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 33
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 33
- 239000000463 material Substances 0.000 description 30
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 30
- 238000012880 independent component analysis Methods 0.000 description 28
- 230000003902 lesion Effects 0.000 description 28
- 238000002595 magnetic resonance imaging Methods 0.000 description 28
- 230000004044 response Effects 0.000 description 28
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 26
- 239000002872 contrast media Substances 0.000 description 24
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 23
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 23
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 22
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 22
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 21
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 21
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 21
- 239000000047 product Substances 0.000 description 21
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 20
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 20
- 238000007476 Maximum Likelihood Methods 0.000 description 19
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 19
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 19
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 18
- 238000005311 autocorrelation function Methods 0.000 description 18
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 18
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 18
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 18
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 17
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 17
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 16
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 16
- 238000002608 intravascular ultrasound Methods 0.000 description 16
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 15
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 13
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 13
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 13
- 238000011161 development Methods 0.000 description 13
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 13
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 13
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 13
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 13
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 12
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 12
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 12
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 12
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 12
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 11
- 230000009471 action Effects 0.000 description 11
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 11
- 238000003491 array Methods 0.000 description 11
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 11
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 11
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 11
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 11
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 230000010412 perfusion Effects 0.000 description 11
- 238000002600 positron emission tomography Methods 0.000 description 11
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 11
- 210000004872 soft tissue Anatomy 0.000 description 11
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 10
- 210000002216 heart Anatomy 0.000 description 10
- 238000000126 in silico method Methods 0.000 description 10
- 210000004185 liver Anatomy 0.000 description 10
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 10
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 9
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 9
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 9
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 9
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 9
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 8
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 description 8
- 101100008874 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) DAS2 gene Proteins 0.000 description 8
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 8
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 8
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 8
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 8
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 description 8
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 8
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 8
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 8
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 8
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 8
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 8
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 7
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 7
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 7
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 7
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 description 7
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 7
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 7
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 7
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 7
- 238000001028 reflection method Methods 0.000 description 7
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 7
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 7
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 6
- 206010012601 diabetes mellitus Diseases 0.000 description 6
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 6
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 6
- 210000001508 eye Anatomy 0.000 description 6
- 210000003734 kidney Anatomy 0.000 description 6
- 210000002751 lymph Anatomy 0.000 description 6
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 6
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 6
- 238000000513 principal component analysis Methods 0.000 description 6
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 6
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000002512 chemotherapy Methods 0.000 description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 5
- 238000007418 data mining Methods 0.000 description 5
- 230000007850 degeneration Effects 0.000 description 5
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 5
- 238000003748 differential diagnosis Methods 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 description 5
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 5
- 210000003491 skin Anatomy 0.000 description 5
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 5
- 208000003174 Brain Neoplasms Diseases 0.000 description 4
- 206010006187 Breast cancer Diseases 0.000 description 4
- 208000026310 Breast neoplasm Diseases 0.000 description 4
- 208000032928 Dyslipidaemia Diseases 0.000 description 4
- 241000282412 Homo Species 0.000 description 4
- 208000017170 Lipid metabolism disease Diseases 0.000 description 4
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 4
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000036772 blood pressure Effects 0.000 description 4
- 238000004141 dimensional analysis Methods 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- -1 etc.) Substances 0.000 description 4
- 230000004153 glucose metabolism Effects 0.000 description 4
- 230000000004 hemodynamic effect Effects 0.000 description 4
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 4
- 210000004072 lung Anatomy 0.000 description 4
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 4
- 238000013421 nuclear magnetic resonance imaging Methods 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 238000005309 stochastic process Methods 0.000 description 4
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 4
- 238000004613 tight binding model Methods 0.000 description 4
- 206010003210 Arteriosclerosis Diseases 0.000 description 3
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 3
- 206010027476 Metastases Diseases 0.000 description 3
- 241000699666 Mus <mouse, genus> Species 0.000 description 3
- 235000004522 Pentaglottis sempervirens Nutrition 0.000 description 3
- 208000034189 Sclerosis Diseases 0.000 description 3
- 208000007536 Thrombosis Diseases 0.000 description 3
- 206010046798 Uterine leiomyoma Diseases 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 208000011775 arteriosclerosis disease Diseases 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 3
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 3
- 210000000481 breast Anatomy 0.000 description 3
- 210000005242 cardiac chamber Anatomy 0.000 description 3
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 3
- 238000013135 deep learning Methods 0.000 description 3
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 3
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 3
- 230000036541 health Effects 0.000 description 3
- 201000010260 leiomyoma Diseases 0.000 description 3
- 201000007270 liver cancer Diseases 0.000 description 3
- 208000014018 liver neoplasm Diseases 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 description 3
- 208000031225 myocardial ischemia Diseases 0.000 description 3
- 210000004165 myocardium Anatomy 0.000 description 3
- 210000000496 pancreas Anatomy 0.000 description 3
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 3
- 210000002307 prostate Anatomy 0.000 description 3
- 238000001959 radiotherapy Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 3
- 230000005654 stationary process Effects 0.000 description 3
- 230000008685 targeting Effects 0.000 description 3
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 3
- 210000001685 thyroid gland Anatomy 0.000 description 3
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 3
- 238000009966 trimming Methods 0.000 description 3
- 210000004291 uterus Anatomy 0.000 description 3
- 229920001817 Agar Polymers 0.000 description 2
- 206010002383 Angina Pectoris Diseases 0.000 description 2
- 208000014644 Brain disease Diseases 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 206010008111 Cerebral haemorrhage Diseases 0.000 description 2
- 101150067325 DAS1 gene Proteins 0.000 description 2
- 102100023882 Endoribonuclease ZC3H12A Human genes 0.000 description 2
- 101710112715 Endoribonuclease ZC3H12A Proteins 0.000 description 2
- 206010061218 Inflammation Diseases 0.000 description 2
- 206010061902 Pancreatic neoplasm Diseases 0.000 description 2
- 206010060862 Prostate cancer Diseases 0.000 description 2
- 208000000236 Prostatic Neoplasms Diseases 0.000 description 2
- 101100516268 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) NDT80 gene Proteins 0.000 description 2
- 230000003187 abdominal effect Effects 0.000 description 2
- 239000008272 agar Substances 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- 239000003570 air Substances 0.000 description 2
- 230000008081 blood perfusion Effects 0.000 description 2
- 230000036760 body temperature Effects 0.000 description 2
- 210000005013 brain tissue Anatomy 0.000 description 2
- 210000005252 bulbus oculi Anatomy 0.000 description 2
- 230000008822 capillary blood flow Effects 0.000 description 2
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 2
- 230000000747 cardiac effect Effects 0.000 description 2
- 210000004413 cardiac myocyte Anatomy 0.000 description 2
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 2
- 206010008118 cerebral infarction Diseases 0.000 description 2
- 208000026106 cerebrovascular disease Diseases 0.000 description 2
- HVYWMOMLDIMFJA-DPAQBDIFSA-N cholesterol Chemical compound C1C=C2C[C@@H](O)CC[C@]2(C)[C@@H]2[C@@H]1[C@@H]1CC[C@H]([C@H](C)CCCC(C)C)[C@@]1(C)CC2 HVYWMOMLDIMFJA-DPAQBDIFSA-N 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 2
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 229940039231 contrast media Drugs 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000007428 craniotomy Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000013144 data compression Methods 0.000 description 2
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 2
- 230000034994 death Effects 0.000 description 2
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 2
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 2
- 239000002961 echo contrast media Substances 0.000 description 2
- 239000002305 electric material Substances 0.000 description 2
- 238000005421 electrostatic potential Methods 0.000 description 2
- 210000000744 eyelid Anatomy 0.000 description 2
- 210000000887 face Anatomy 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 2
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 2
- 238000007429 general method Methods 0.000 description 2
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 2
- 208000006454 hepatitis Diseases 0.000 description 2
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 2
- 230000004054 inflammatory process Effects 0.000 description 2
- 229910003480 inorganic solid Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 238000007917 intracranial administration Methods 0.000 description 2
- 230000004410 intraocular pressure Effects 0.000 description 2
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 description 2
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 2
- 208000015486 malignant pancreatic neoplasm Diseases 0.000 description 2
- 238000009607 mammography Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000009401 metastasis Effects 0.000 description 2
- 208000010125 myocardial infarction Diseases 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 201000002528 pancreatic cancer Diseases 0.000 description 2
- 208000008443 pancreatic carcinoma Diseases 0.000 description 2
- 230000008506 pathogenesis Effects 0.000 description 2
- QGVYYLZOAMMKAH-UHFFFAOYSA-N pegnivacogin Chemical compound COCCOC(=O)NCCCCC(NC(=O)OCCOC)C(=O)NCCCCCCOP(=O)(O)O QGVYYLZOAMMKAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 230000003863 physical function Effects 0.000 description 2
- 238000000554 physical therapy Methods 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 2
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 2
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 2
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 2
- 238000000518 rheometry Methods 0.000 description 2
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 2
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 2
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 description 2
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- ZCXUVYAZINUVJD-AHXZWLDOSA-N 2-deoxy-2-((18)F)fluoro-alpha-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@H](O)[C@H]([18F])[C@@H](O)[C@@H]1O ZCXUVYAZINUVJD-AHXZWLDOSA-N 0.000 description 1
- 208000024827 Alzheimer disease Diseases 0.000 description 1
- 208000020084 Bone disease Diseases 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 206010051290 Central nervous system lesion Diseases 0.000 description 1
- 206010008909 Chronic Hepatitis Diseases 0.000 description 1
- 206010009944 Colon cancer Diseases 0.000 description 1
- 102000018711 Facilitative Glucose Transport Proteins Human genes 0.000 description 1
- 229920002430 Fibre-reinforced plastic Polymers 0.000 description 1
- 206010016654 Fibrosis Diseases 0.000 description 1
- 108091052347 Glucose transporter family Proteins 0.000 description 1
- 102000005548 Hexokinase Human genes 0.000 description 1
- 108700040460 Hexokinases Proteins 0.000 description 1
- 101000979001 Homo sapiens Methionine aminopeptidase 2 Proteins 0.000 description 1
- 101000969087 Homo sapiens Microtubule-associated protein 2 Proteins 0.000 description 1
- 208000031226 Hyperlipidaemia Diseases 0.000 description 1
- 206010020843 Hyperthermia Diseases 0.000 description 1
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000005374 Kerr effect Effects 0.000 description 1
- 208000008839 Kidney Neoplasms Diseases 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-ZZWDRFIYSA-N L-glucose Chemical compound OC[C@@H]1OC(O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-ZZWDRFIYSA-N 0.000 description 1
- 206010058467 Lung neoplasm malignant Diseases 0.000 description 1
- 208000007433 Lymphatic Metastasis Diseases 0.000 description 1
- 206010025323 Lymphomas Diseases 0.000 description 1
- 102100023174 Methionine aminopeptidase 2 Human genes 0.000 description 1
- 241000699670 Mus sp. Species 0.000 description 1
- 206010028851 Necrosis Diseases 0.000 description 1
- 208000018737 Parkinson disease Diseases 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010076504 Protein Sorting Signals Proteins 0.000 description 1
- 206010038389 Renal cancer Diseases 0.000 description 1
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 208000005718 Stomach Neoplasms Diseases 0.000 description 1
- 208000024770 Thyroid neoplasm Diseases 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000010641 Tooth disease Diseases 0.000 description 1
- 210000001015 abdomen Anatomy 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N acetic acid Substances CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002583 angiography Methods 0.000 description 1
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 description 1
- 239000010839 body fluid Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N carbonyl sulfide Chemical compound O=C=S JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000001715 carotid artery Anatomy 0.000 description 1
- 230000002490 cerebral effect Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 235000012000 cholesterol Nutrition 0.000 description 1
- 229960001231 choline Drugs 0.000 description 1
- 230000007882 cirrhosis Effects 0.000 description 1
- 208000019425 cirrhosis of liver Diseases 0.000 description 1
- 238000003759 clinical diagnosis Methods 0.000 description 1
- 230000001112 coagulating effect Effects 0.000 description 1
- 208000029742 colonic neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000002939 conjugate gradient method Methods 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 description 1
- 238000002790 cross-validation Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000013481 data capture Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000013154 diagnostic monitoring Methods 0.000 description 1
- 238000012631 diagnostic technique Methods 0.000 description 1
- 230000003467 diminishing effect Effects 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001647 drug administration Methods 0.000 description 1
- 238000012377 drug delivery Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000013399 early diagnosis Methods 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 206010015037 epilepsy Diseases 0.000 description 1
- 210000003743 erythrocyte Anatomy 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000011151 fibre-reinforced plastic Substances 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 230000037406 food intake Effects 0.000 description 1
- 230000002431 foraging effect Effects 0.000 description 1
- 238000007499 fusion processing Methods 0.000 description 1
- 206010017758 gastric cancer Diseases 0.000 description 1
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 230000002414 glycolytic effect Effects 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 208000019622 heart disease Diseases 0.000 description 1
- 210000005003 heart tissue Anatomy 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000013210 hematogenous Diseases 0.000 description 1
- 231100000283 hepatitis Toxicity 0.000 description 1
- 206010073071 hepatocellular carcinoma Diseases 0.000 description 1
- 231100000844 hepatocellular carcinoma Toxicity 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 230000036031 hyperthermia Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000012625 in-situ measurement Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000011090 industrial biotechnology method and process Methods 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 208000028867 ischemia Diseases 0.000 description 1
- 201000010982 kidney cancer Diseases 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 238000002357 laparoscopic surgery Methods 0.000 description 1
- 238000002350 laparotomy Methods 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 201000005202 lung cancer Diseases 0.000 description 1
- 208000020816 lung neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 230000036210 malignancy Effects 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 239000008204 material by function Substances 0.000 description 1
- 230000009347 mechanical transmission Effects 0.000 description 1
- 230000006371 metabolic abnormality Effects 0.000 description 1
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 1
- 208000037819 metastatic cancer Diseases 0.000 description 1
- 208000011575 metastatic malignant neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 208000029691 metastatic malignant neoplasm in the lymph nodes Diseases 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FFEARJCKVFRZRR-JJZBXVGDSA-N methionine c-11 Chemical compound [11CH3]SCC[C@H](N)C(O)=O FFEARJCKVFRZRR-JJZBXVGDSA-N 0.000 description 1
- 238000002406 microsurgery Methods 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 210000000214 mouth Anatomy 0.000 description 1
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 1
- 210000003928 nasal cavity Anatomy 0.000 description 1
- 230000017074 necrotic cell death Effects 0.000 description 1
- 210000000944 nerve tissue Anatomy 0.000 description 1
- 230000003767 neural control Effects 0.000 description 1
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 description 1
- 239000002858 neurotransmitter agent Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 239000002547 new drug Substances 0.000 description 1
- 150000007523 nucleic acids Chemical class 0.000 description 1
- 102000039446 nucleic acids Human genes 0.000 description 1
- 108020004707 nucleic acids Proteins 0.000 description 1
- 238000012014 optical coherence tomography Methods 0.000 description 1
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 1
- 230000007170 pathology Effects 0.000 description 1
- 210000005259 peripheral blood Anatomy 0.000 description 1
- 239000011886 peripheral blood Substances 0.000 description 1
- 210000004303 peritoneum Anatomy 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 230000035479 physiological effects, processes and functions Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 230000002980 postoperative effect Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000002250 progressing effect Effects 0.000 description 1
- 208000017497 prostate disease Diseases 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 239000012857 radioactive material Substances 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 239000012925 reference material Substances 0.000 description 1
- 239000013558 reference substance Substances 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 210000001525 retina Anatomy 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 230000035807 sensation Effects 0.000 description 1
- 208000020352 skin basal cell carcinoma Diseases 0.000 description 1
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 description 1
- 230000000391 smoking effect Effects 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 230000000392 somatic effect Effects 0.000 description 1
- 210000001562 sternum Anatomy 0.000 description 1
- 201000011549 stomach cancer Diseases 0.000 description 1
- 238000002910 structure generation Methods 0.000 description 1
- 230000000153 supplemental effect Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 239000013076 target substance Substances 0.000 description 1
- 229940124597 therapeutic agent Drugs 0.000 description 1
- 201000002510 thyroid cancer Diseases 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 210000004881 tumor cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000012285 ultrasound imaging Methods 0.000 description 1
- 210000000689 upper leg Anatomy 0.000 description 1
- 210000002700 urine Anatomy 0.000 description 1
- 210000001215 vagina Anatomy 0.000 description 1
- 208000019553 vascular disease Diseases 0.000 description 1
- 230000003612 virological effect Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
Abstract
Description
本発明は、計測対象から到来する任意波動を用いてビームフォーミングを行うビームフォーミング方法に関する。さらに、本発明は、そのようなビームフォーミング方法を使用する計測イメージング装置及び通信装置に関する。 The present invention relates to a beam forming method for performing beam forming using an arbitrary wave coming from a measurement target. Furthermore, the present invention relates to a measurement imaging apparatus and a communication apparatus that use such a beamforming method.
特に、本発明は、計測対象から到来する電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動に基づいて、計測対象を撮像したり、又は、計測対象における温度や変位等の物理量や組成、又は、構造等を非破壊で計測するイメージング装置におけるデジタルビームフォーミング方法に関する。計測対象は、有機物、無機物、固体、液体、気体、レオロジーに従うもの、生き物、天体、地球、環境等、様々であり、応用範囲は極めて広い。 In particular, the present invention captures an image of a measurement object based on an electromagnetic wave, light, dynamic vibration, sound wave, or arbitrary wave such as a heat wave coming from the measurement object, or temperature or displacement in the measurement object. The present invention relates to a digital beam forming method in an imaging apparatus for nondestructively measuring the physical quantity, composition, structure, or the like. There are various measurement objects such as organic substances, inorganic substances, solids, liquids, gases, objects that follow rheology, living creatures, astronomical objects, the earth, and the environment, and the application range is extremely wide.
本発明は、非破壊的検査、診断、資源探査、材料や構造物の生成や製造、物理的又は化学的な様々な修復や治療のモニタリング、明らかにした機能や物性等を応用すること等に関連し、それらにおいては、計測対象に大きな擾乱を来さず、非侵襲的、低侵襲的、非観血的である条件等が課された中で、精度が求められることがある。理想的には、計測対象は原位置でのありのままの状態(in situ)において観測されることが望ましい。 The present invention can be applied to nondestructive inspection, diagnosis, resource exploration, material and structure generation and manufacturing, various physical and chemical repairs and treatment monitoring, clarified functions and physical properties, etc. Relatedly, in such cases, accuracy may be required under conditions that are not invasive, minimally invasive, noninvasive, and the like, without causing great disturbance to the measurement target. Ideally, the measurement object should be observed in situ in situ.
また、波動そのものの作用により計測対象に治療や修復を実施することもあり、その際の計測対象からの応答に対してビームフォーミングを実施してその状況が観測されることもある。また、衛星通信、レーダー、ソナー等においてビームフォーミングを実施し、省エネの下で情報的に安全な環境を実現し、正確な通信が行われている。アドホックな通信機器やモバイル通信においても、ビームフォーミングが応用されるに至っている。計測対象が動的である場合には実時間性が求められ、ビームフォーミングを短時間に完了することが求められる。 In addition, treatment or repair may be performed on the measurement target by the action of the wave itself, and the situation may be observed by performing beam forming on the response from the measurement target at that time. Also, beam forming is performed in satellite communication, radar, sonar, etc. to realize an informationally safe environment under energy saving, and accurate communication is performed. Beam forming has also been applied to ad hoc communication devices and mobile communications. When the measurement target is dynamic, real-time characteristics are required, and beam forming is required to be completed in a short time.
電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の波動においては、その周波数、帯域幅、強度、又は、モードにより、波動としての挙動が異なる。これまでに多くの各種波動のトランスデューサが開発され、それらの波動の透過波、反射波、屈折波、又は、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)等を用いるイメージングが行われている。 In a wave such as an electromagnetic wave, light, dynamic vibration, sound wave, or heat wave, the behavior as a wave varies depending on the frequency, bandwidth, intensity, or mode. Many types of transducers of various types of waves have been developed so far, and imaging using transmitted waves, reflected waves, refracted waves, scattered waves (forward scattered waves, back scattered waves, etc.) of these waves has been performed.
例えば、非破壊検査や医療やソナーにおいて、音波の中でも高い周波数を有する超音波が使用されることは良く知られている。また、レーダーにおいても、計測対象に合わせて適切な周波数の電磁波(ラジオ波、FM波、マイクロ波、テラヘルツ波、赤外線、可視光、紫外線、又は、X線等の放射線等)が使用される。他の波動においても同様であり、各波動は周波数により振る舞いが異なるがため、名称を別とし、計測対象や媒体、周波数帯域に合わせ、様々なセンシングや通信が行われている(電磁波であれば、偏波も使用できる)。 For example, it is well known that ultrasonic waves having a high frequency among sound waves are used in non-destructive inspection, medical care, and sonar. Also in the radar, electromagnetic waves (radio waves, FM waves, microwaves, terahertz waves, infrared rays, visible light, ultraviolet rays, radiation such as X-rays, etc.) having an appropriate frequency according to the measurement object are used. The same applies to other waves, and each wave behaves differently depending on the frequency.Therefore, different sensing and communication are performed according to the measurement object, medium, and frequency band. , Polarization can also be used).
それらの応用では、トランスデューサで計測対象を機械的に走査したり、同一のトランスデューサを複数回使用したり、予めアレイ状に並べられた複数のトランスデューサを使用してビームフォーミング処理が行われることが多い。地球や陸地、海洋、天候を、衛星や飛行機のレーダーによって観測する場合において、開口面合成処理が行われること等は良く知られている。ビームフォーミングは、特に、計測対象をイメージングする場合において、適切な指向性を持たせ、関心領域や関心点において、高い空間分解能と高いコントラストを得ることを目的とすることが多い。 In those applications, a beam forming process is often performed by mechanically scanning a measurement target with a transducer, using the same transducer multiple times, or using a plurality of transducers arranged in advance in an array. . It is well known that aperture surface synthesis processing is performed when observing the earth, land, ocean, and weather with satellite or airplane radar. Beam forming is often aimed at obtaining a high spatial resolution and a high contrast in a region of interest or a point of interest by providing appropriate directivity particularly when imaging a measurement target.
結果として、計測対象から発生する波動に作用することにより、インピーダンスの空間的な変化により生じる反射や透過、各種散乱(レーリー散乱、ミー散乱、その他)、減衰、又は、それらの周波数分散等を観測でき、計測対象が何であるかは元より、計測対象の内部や表面の構造や組成を観測できる。計測対象が様々な空間分解能で観測されることもある。構造や組成のレベル(例えば、個体レベル、分子レベル、原子レベル、核レベル等)で、特性評価(characterization)することができる。 As a result, by acting on the wave generated from the measurement object, reflection and transmission, various scattering (Rayleigh scattering, Mie scattering, etc.), attenuation, or frequency dispersion due to spatial changes in impedance are observed. It is possible to observe the structure and composition of the inside and surface of the measurement object based on what the measurement object is. The measurement object may be observed with various spatial resolutions. It can be characterized at the level of structure or composition (eg, individual level, molecular level, atomic level, nuclear level, etc.).
高精度な高分解能イメージングを目的に、古くから信号の圧縮技術が使用され、代表的なものにチャープ波技術や符号化圧縮技術が使用されている。ISAR(inverse synthetic aperture radar:逆合成開口レーダー)等のように、観測された波動にビーム特性の反転(inversion)を施して超解像を行うこともあるが(開口面合成時とは限らない)、積極的に分解能を低下させることもある。それらにおいて、特異値分解や正則化(regularization)、ウィーナーフィルタ等は有効である。 For the purpose of high-accuracy high-resolution imaging, signal compression techniques have been used for a long time, and chirp wave techniques and coding compression techniques have been used as representative ones. In some cases, such as ISAR (Inverse Synthetic Aperture Radar), the observed wave is subjected to inversion of the beam characteristics to perform super-resolution (not always during aperture synthesis). ), And may actively reduce resolution. Among them, singular value decomposition, regularization, Wiener filter, etc. are effective.
その他、符号化技術は、例えば、受信信号を送信位置の異なる送信信号に対応する受信信号に分離する場合等のように、複数の信号を分離する場合においても使用される。異なる方向から到来する波動を分離することもあり、また、信号源を特定したり分離したりすることもある。そのような場合において、信号検出能の高いマッチドフィルタに頼るところは多大である。しかしながら、信号エネルギーを獲得できる反面、変形を伴う計測対象の動きや、変位、歪等を求める場合には、空間分解能が低くなり、それらの計測精度は低下する。波動や信号の分離においては、周波数や帯域、又は、多次元スペクトルの利用も有用である。 In addition, the encoding technique is also used when a plurality of signals are separated, for example, when a received signal is separated into received signals corresponding to transmission signals having different transmission positions. Waves coming from different directions may be separated, and signal sources may be identified and separated. In such a case, the place which relies on the matched filter with high signal detection ability is great. However, while it is possible to acquire signal energy, when obtaining the movement, displacement, distortion, etc. of the measurement object accompanied by deformation, the spatial resolution is lowered, and the measurement accuracy is lowered. In separating waves and signals, it is also useful to use frequencies, bands, or multidimensional spectra.
上記の波動を用いるイメージングにおいては、通常、直交検波や包絡線検波、又は、二乗検波を通じて得られる振幅データの分布が、グレー画像やカラー画像として、1次元、2次元、又は、3次元で表示され、形態学的な画像となることも多い。また、機能的な観測も可能であり、例えば、それらの波動を使用するドプラ計測においては、生のコヒーレント信号が処理される(超音波ドプラ、レーダードプラ、レーザードプラ等)。 In the imaging using the above-described wave, the distribution of amplitude data obtained through orthogonal detection, envelope detection, or square detection is usually displayed as a gray image or a color image in one, two, or three dimensions. Often resulting in a morphological image. Functional observation is also possible. For example, in Doppler measurement using these waves, raw coherent signals are processed (ultrasonic Doppler, radar Doppler, laser Doppler, etc.).
その他、例えば、医用超音波の分野では、パワードプラのように、変位方向の情報は無いが、動きのある組織を検出できる有用な技術もある。また、マイクロ波やテラヘルツ波、又は遠赤外線を使用した場合には、計測対象の温度分布を観測することもできる。それらの計測された物理量は、形態学的画像に重畳して表示されることもある。画像計測の分野では、検波を通じてインコヒーレントにした信号を用いて動きの観測が行われることも良く知られている(相互相関処理やオプティカルフロー等)。医用超音波やソナーにおいては、物理的に生成されるハーモニックや和音や差音を用いたイメージングも行われる。特に、計測対象が動的である場合には、ビームフォーミング処理に実時間性が求められる。 In addition, for example, in the field of medical ultrasound, there is a useful technique that can detect a moving tissue although there is no information on the displacement direction, as in power Doppler. In addition, when microwaves, terahertz waves, or far infrared rays are used, the temperature distribution of the measurement target can be observed. These measured physical quantities may be displayed superimposed on the morphological image. In the field of image measurement, it is well known that motion is observed using a signal made incoherent through detection (cross-correlation processing, optical flow, etc.). In medical ultrasound and sonar, imaging using physically generated harmonics, chords, and difference tones is also performed. In particular, when the measurement target is dynamic, real-time characteristics are required for the beam forming process.
また、衛星通信、レーダー、ソナー等においても、ビームフォーミングを実施し、省エネの下で情報的に安全な環境を実現し、正確な通信が行われている。アドホックな通信機器やモバイル通信においても、ビームフォーミングが応用されるに至っている。特定者や特定の信号発生源、特定位置との通信にも有効である。通信においては、送信側から受信側に情報を波動に載せて送り、それだけで目的を達することもあるし、受信側が送信側にその通信の結果を応答したり、また、その送信された情報に対して応答したりすることもあるが、無論、通信の例はこの限りではない。通信対象や観察対象に応じて、情報の内容が動的である場合には実時間性が求められ、その場合におけるビームフォーミングは短時間に完了することが求められる。 In satellite communications, radar, sonar, etc., beam forming is performed to realize an informationally safe environment under energy saving, and accurate communication is performed. Beam forming has also been applied to ad hoc communication devices and mobile communications. It is also effective for communication with a specific person, a specific signal generation source, and a specific position. In communication, information may be transmitted from a transmitter to a receiver on a wave, and the purpose may be achieved by itself, or the receiver may return the result of the communication to the transmitter, Of course, there is a case of responding to the request, but of course the example of communication is not limited to this. Real-time characteristics are required when the content of information is dynamic depending on the communication target and observation target, and beam forming in that case is required to be completed in a short time.
この様な中で、本願の発明者は、例えば、ヒト組織の癌病変や硬化症等の病変を鑑別診断するための超音波イメージング技法の開発をしている。本願の発明者は、エコーイメージングの高分解能化や組織変位の高精度計測イメージング等と共に、HIFU(High Intensity Focus Ultrasound:高強度焦点超音波)治療の高分解能化や高効率化を行っており、強力超音波放射時のエコーの受信に基づくそれらのイメージングも行っている。それらのイメージングは、高速で適切なビームフォーミングを行うことを基礎としており、高速で適切な検波方法や組織変位計測方法、ずり波伝搬計測法等を過去に報告している。 Under such circumstances, the inventor of the present application has developed an ultrasonic imaging technique for differentially diagnosing lesions such as cancer lesions and sclerosis in human tissues. The inventor of the present application has made high resolution and high efficiency of HIFU (High Intensity Focus Ultrasound) treatment along with high resolution of echo imaging and high precision measurement imaging of tissue displacement, They also perform imaging based on the reception of echoes during intense ultrasound radiation. Such imaging is based on performing high-speed and appropriate beam forming, and high-speed and appropriate detection methods, tissue displacement measurement methods, shear wave propagation measurement methods, and the like have been reported in the past.
医用超音波画像診断装置は、デジタル化されてから20年以上経った。より古くには、単一開口の変換素子を用いて機械走査をし、その後、複数の変換素子やそれらから成るアレイ型デバイスを用いた電子スキャンが行われ、信号処理を行う装置が、アナログ装置からデジタル装置へと推移した。実の所、古典的な開口面合成処理そのものは、衛星や飛行機に搭載されているレーダーにおいて使用される様になった当時より、デジタルビームフォーミングであったわけであるが、受信信号の強度が弱いことを理由に、医用超音波において使用されることは稀であった。 More than 20 years have passed since the medical ultrasonic diagnostic imaging apparatus was digitized. In older cases, a device that performs mechanical scanning using a single aperture conversion element and then performs electronic scanning using a plurality of conversion elements and an array type device composed of them is an analog device. To digital equipment. In fact, the classic aperture synthesis process itself was digital beamforming from the time it was used in radar mounted on satellites and airplanes, but the received signal strength was weak. For that reason, it was rarely used in medical ultrasound.
これに対し、近年、本願の発明者は、多方向開口面合成法を発明し、開口面合成用の受信エコーデータから多方向にビームフォーミングを行うことを発明した。結果的に、通常の電子スキャンによるフレームレートと同一のフレームレートで多方向のステアリング(偏向)イメージ信号を得ることが可能となり、これをコヒーレント加算することにより、横方向変調イメージング(深さ方向とこれに直交する横方向のキャリア周波数を持ち、さらに、通常のイメージングに比べて高空間分解能)が可能となった。さらには、同じく本願の発明者が発明した多次元自己相関法を併用することにより、変位ベクトル分布の実時間計測が可能となった。また、インコヒーレント加算した場合には、スペックルを低減することも可能である(通常は、異なる方向に送信ビームを生成してスペックルが低減されるが、多方向開口面合成法によれば、高フレームレートを実現できる)。超音波の分野以外においても、マイクロ波、テラヘルツ波、X線等の放射線、その他の電磁波、音を含む振動波、熱波等の波動を非破壊検査に使用するセンシング装置において、デジタル化が進められている。 On the other hand, the inventor of the present application recently invented a multidirectional aperture plane synthesis method and invented beamforming in multiple directions from received echo data for aperture plane synthesis. As a result, it is possible to obtain a multi-directional steering (deflection) image signal at the same frame rate as that of a normal electronic scan, and by performing coherent addition thereof, lateral modulation imaging (depth direction and It has a horizontal carrier frequency orthogonal to this, and has a higher spatial resolution than normal imaging. Furthermore, by using together the multidimensional autocorrelation method invented by the inventor of the present application, the displacement vector distribution can be measured in real time. In addition, when incoherent addition is performed, it is also possible to reduce speckles (normally, transmission beams are generated in different directions to reduce speckles, but according to the multidirectional aperture synthesis method, High frame rate). Outside the field of ultrasound, digitization is progressing in sensing devices that use radiation such as microwaves, terahertz waves, X-rays, other electromagnetic waves, vibration waves including sound, and heat waves for nondestructive inspection. It has been.
例えば、それらのセンシング装置における開口面合成は、アクティブなビームフォーミングであり、処理対象となる波動は、トランスデューサによって生成されたそれらの波動の透過波や反射波、屈折波、又は、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)である。一方、パッシブなビームフォーミングにおいては、例えば、上記のマイクロ波観測に基づく温度分布計測や生き物の脳磁場による電気的な活動源を観測する場合がそうであるように、計測対象となる自己発散的(self-emanating)な信号源から発せられた波動を基とする透過波や反射波、屈折波、又は、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)が対象となる。それらに該当する例は他に数多く存在するが、それらとは別の例として、最近では、生物を計測対象として、光音響(photoacoustic)と称し、計測対象にレーザー照射を行い、周波数依存性のある熱吸収によって体積変化を生じさせ、これを音源とする超音波を生じさせ、ビームフォーミングの結果として、末梢血管の鑑別を行うことも行われている。 For example, aperture synthesis in these sensing devices is active beamforming, and the waves to be processed are transmitted waves, reflected waves, refracted waves, or scattered waves (forward) of those waves generated by the transducer. Scattered waves or backscattered waves). On the other hand, in passive beamforming, for example, the temperature distribution measurement based on the above-mentioned microwave observation and the case of observing the electrical activity source due to the brain magnetic field of living creatures are self-divergent. A transmitted wave, a reflected wave, a refracted wave, or a scattered wave (a forward scattered wave, a back scattered wave, or the like) based on a wave emitted from a (self-emanating) signal source is a target. There are many other examples that correspond to these, but as an example different from them, recently, we have called living organisms as measurement objects, called photoacoustics, irradiating measurement objects with lasers, and frequency-dependent A volume change is caused by a certain heat absorption, an ultrasonic wave is generated using this as a sound source, and peripheral blood vessels are differentiated as a result of beam forming.
デジタル装置は、アナログ装置に比べ、処理時間を多く要するが、計算処理能力が格段に向上し、且つ、小型化されたことや、データ記憶媒体を含めて安価になったこと、高次計算処理を施すことが容易で自由度が高いこと等、利点が多い。実際のところ、デジタル装置といっても、センシング装置においては、特に、センサーによって信号を受信した後の高速なアナログ処理は極めて重要であり、比較的に近傍においてAD変換(Analogue-to-Digital conversion)された後のデジタル処理と合わせて、適切に実現されるものである。 A digital device requires more processing time than an analog device, but its computational processing capability has been greatly improved, and it has been downsized, including data storage media, has become inexpensive, and higher-order calculation processing There are many advantages such as being easy to apply and having a high degree of freedom. In fact, even in digital devices, high-speed analog processing after receiving a signal by a sensor is extremely important in sensing devices, and AD conversion (analogue-to-digital conversion) is relatively close. It can be appropriately realized in combination with the digital processing after.
アナログ装置においては、送信と受信のビームフォーミングはアナログ処理によって行われる。一方、デジタル装置においては、送信ビームフォーミングはアナログ処理又はデジタル処理によって行われ、受信ビームフォーミングはデジタル処理によって行われる。従って、本願において、デジタルビームフォーマーとは、受信ビームフォーミングを必ずデジタル処理によって行うものをいう。 In an analog device, transmission and reception beamforming are performed by analog processing. On the other hand, in a digital apparatus, transmission beam forming is performed by analog processing or digital processing, and reception beam forming is performed by digital processing. Therefore, in the present application, the digital beamformer means that the reception beamforming is always performed by digital processing.
計測対象からの波動を、複数の変換素子やそれらから成るアレイ型デバイス、又は、1つ以上の変換素子の機械走査を通じて受信した後、いわゆる開口面合成処理であるDAS(Delay and Summation:整相加算)処理が行われる。送信においては、複数の素子を駆動して送信ビームフォーミングが行われることがあるし、1素子送信に基づく古典的な開口面合成が行われることもあるが、受信ビームフォーミングにおいては、共通して、DAS処理が行われる。 After receiving a wave from a measurement object through a plurality of transducer elements, an array type device composed of them, or mechanical scanning of one or more transducer elements, DAS (Delay and Summation) is a so-called aperture plane synthesis process. Addition) processing is performed. In transmission, transmission beam forming may be performed by driving a plurality of elements, and classical aperture synthesis based on single element transmission may be performed. However, in reception beam forming, , DAS processing is performed.
つまり、送信ビームフォーミングは、アナログ処理又はデジタル処理により行われる。一方、受信ビームフォーミングにおいては、アレイ内の各素子又は異なる位置の素子により波動を受信して受信信号が生成され、アナログ的な増幅又は減衰によるレベル調整やアナログフィルタリング等の後にアナログの受信信号がデジタルの受信信号にAD変換され、デジタルの受信信号がメモリに格納される。その後、汎用の計算処理能力を備えるデバイスや計算機、PLD(Programmable Logic Device:プログラム可能論理デバイス)、FPGA(Field-Programmable Gate Array:書き換え可能ゲートアレイ)、DSP(Digital Signal Processor:デジタル信号プロセッサー)、GPU(Graphical Processing Unit:グラフィック処理ユニット)、若しくは、マイクロプロセッサ等、又は、専用の計算機や専用のデジタル回路、若しくは、専用デバイス等を用いて、格納された受信信号に対してデジタル処理が施される。 That is, transmission beam forming is performed by analog processing or digital processing. On the other hand, in receive beamforming, a received signal is generated by receiving a wave by each element in the array or at a different position, and the analog received signal is output after level adjustment or analog filtering by analog amplification or attenuation. A / D conversion into a digital reception signal is performed, and the digital reception signal is stored in a memory. After that, devices and computers with general-purpose computing power, PLD (Programmable Logic Device), FPGA (Field-Programmable Gate Array), DSP (Digital Signal Processor), Digital processing is performed on the stored received signal using a GPU (Graphical Processing Unit), a microprocessor, or a dedicated computer, a dedicated digital circuit, or a dedicated device. The
これらのデジタル処理を行うデバイスが、それらのアナログデバイスやAD変換器、メモリ等を備えていることもある。計算能力を持つデバイスや計算機がマルチコアである場合もある。これより、受信時において、アナログ装置ではほぼ不可能であるダイナミックフォーカシングを容易に実施できる様になった。並列処理も行われる。アナログ処理とデジタル処理とを高速化するに当たり、伝送線路(例えば、積層された回路等)や広帯域な無線路は重要である。 Devices that perform these digital processes may include analog devices, AD converters, memories, and the like. Devices and computers with computing power may be multi-core. As a result, at the time of reception, dynamic focusing, which is almost impossible with an analog device, can be easily performed. Parallel processing is also performed. In order to increase the speed of analog processing and digital processing, a transmission line (for example, a stacked circuit) and a broadband wireless path are important.
ダイナミックフォーカシングは、生成されるイメージ信号のレンジ方向や計測対象の奥行き方向(深さ方向)の空間分解能を向上させる。一方、送信のダイナミックフォーカシングは、1素子送信による古典的な開口面合成のときのみにおいて可能である。送信波のエネルギーを確保するべく、1素子送信による開口面合成ではなく、複数素子駆動による固定焦点位置の送信ビームフォーミングが行われることも多い。 Dynamic focusing improves the spatial resolution in the range direction of the generated image signal and the depth direction (depth direction) of the measurement target. On the other hand, the dynamic focusing of transmission is possible only in the case of classic aperture synthesis by single-element transmission. In order to secure the energy of the transmission wave, transmission beam forming at a fixed focal position by multiple element driving is often performed instead of aperture plane synthesis by single element transmission.
本願の発明者は、平面波等の波面が横方向に広く拡がる波を送波し、一度の送信において広い範囲の領域を調査(interrogate)する高フレームレートのエコーイメージングを発明した。さらに、本願の発明者は、異なるステアリング(偏向)角度を持つこの種の波を複数個、コヒーレント加算(重ね合わせ)し、横方向変調や横方向の広帯域化(横方向の高分解能化)を実現しており、特に、上記の多次元自己相関法を実現した場合には、ずり波伝搬や血流の速い頸動脈内の血流、又は、複雑な流れをする心腔内の血流等を、多次元の変位ベクトルとして計測することを発明した。多方向開口面合成を行った場合も、送信ビームフォーミングを行った場合も、同様である。また、複数の異なる搬送周波数を持つ波動が生成されて重ね合わせされて、軸方向の広帯域化(軸方向の高分解能化)が実現されることがある。 The inventor of the present application invented high-frame-rate echo imaging that transmits a wave whose plane of a plane wave or the like spreads widely in the lateral direction and interrogate a wide range in one transmission. In addition, the inventor of the present application coherently adds (superimposes) a plurality of waves of this type having different steering (deflection) angles to perform lateral modulation and lateral wideband (higher lateral resolution). In particular, when the above-described multidimensional autocorrelation method is realized, blood flow in the carotid artery where shear wave propagation or blood flow is fast, or blood flow in the heart chamber with complicated flow, etc. Was measured as a multi-dimensional displacement vector. The same applies when multidirectional aperture synthesis is performed and when transmission beamforming is performed. In addition, a plurality of waves having different carrier frequencies may be generated and overlapped to realize a wide band in the axial direction (high resolution in the axial direction).
アクティブビームフォーミングの場合にはこの様な処理が行われるが、パッシブビームフォーミングにおいては送信器を使用しない。この様に、デジタルビームフォーマーは、通常、送信器(アクティブビームフォーミングの場合)と、受信器と、DAS処理デバイスとから成り、それらのデバイスを組み上げて実現されるが、最近では、それらを小型にパッケージングしたものが安価に入手できる様になった。 Such processing is performed in the case of active beam forming, but a transmitter is not used in passive beam forming. In this way, a digital beamformer usually consists of a transmitter (in the case of active beamforming), a receiver, and a DAS processing device, and is realized by assembling these devices. Small packages are now available at low cost.
このDAS処理には、整相のために、空間領域において補間近似処理を交えて受信信号に高速にディレイを掛けるものと、膨大な時間を要するが周波数領域において複素指数関数を乗ずる位相回転処理によりナイキスト(Nyquist)定理に基づいてディレイを高精度に掛けるもの(本願の発明者の過去の発明)とがあり、整相後に空間領域において受信信号を加算する(整相加算)。デジタル装置においては、アナログ受信信号のデジタルサンプリング(AD変換)のトリガー信号として、例えば、駆動する素子への送信信号を送信器が生成するために制御ユニットが発生する指令信号を使用することがある。 This DAS process uses a phase delay process that multiplies a complex exponential function in the frequency domain, which requires a huge amount of time but delays the received signal at high speed by interpolating approximation processing in the spatial domain for phasing. There is one that delays with high accuracy based on the Nyquist theorem (the past invention of the inventor of the present application), and the received signals are added in the spatial domain after phasing (phasing addition). In a digital device, as a trigger signal for digital sampling (AD conversion) of an analog reception signal, for example, a command signal generated by a control unit may be used so that a transmitter generates a transmission signal to an element to be driven. .
また、1つのビームフォーミングにおいて複数の素子を、送信ディレイを掛けて駆動する場合に、予め送信ユニットに搭載され、操作者が選択できる送信フォーカス位置やステアリング方向等を実現するアナログ又はデジタルの送信ディレイパターンを使用することがある。さらに、受信デジタル処理においては、最初に駆動する素子のための指令信号、最後に駆動する素子のための指令信号、又は、別の素子を駆動するための指令信号をトリガー信号として使用し、それらの信号に対してサンプリングを開始してデジタルディレイを掛けることがある。それらの指令信号は、1フレーム分のビームフォーミングを開始するための指令信号を基に生成されることがある。 In addition, when driving a plurality of elements with transmission delay in one beamforming, an analog or digital transmission delay is mounted in advance on the transmission unit to realize the transmission focus position, steering direction, etc. that can be selected by the operator. Patterns may be used. Furthermore, in the reception digital processing, the command signal for the element to be driven first, the command signal for the element to be driven last, or the command signal for driving another element is used as a trigger signal. Sampling may be started and a digital delay may be applied. These command signals may be generated based on a command signal for starting beam forming for one frame.
送信ディレイにおいてデジタルディレイを実施すると、アナログディレイと異なり、デジタル制御信号を発生するクロック周波数で決まる誤差を必ず生じるので、送信ディレイはアナログディレイの方が良い。また、受信ダイナミックフォーカシングを実現するべく受信においてデジタルディレイを掛けると、上記の補間近似処理によれば誤差を生じるので、コストをかけてAD変換器のサンプリング周波数を十分に高くするか、上記の高精度なデジタルディレイ(位相回転処理)を掛けて低速ビームフォーミングとするしかなかった。 When the digital delay is performed in the transmission delay, unlike the analog delay, an error determined by the clock frequency for generating the digital control signal is inevitably generated. Therefore, the analog delay is better for the transmission delay. In addition, if a digital delay is applied in reception to realize reception dynamic focusing, an error is caused by the above-described interpolation approximation processing. Therefore, the sampling frequency of the AD converter is increased sufficiently at a cost, or the above-described high There was no choice but to apply low-speed beam forming by applying an accurate digital delay (phase rotation processing).
整相加算は、補間近似処理を伴う前者の場合には、生成する信号値の座標位置を含む位置からのエコー信号を単純に加算することもあるし、バイリニア(bi-linear)や多次元多項式等を用いる補間によって精度を向上させることもある。前者は、複素指数関数を使用する後者に比べて、格段に高速であるが、精度は低い。後者は、精度が高いが至極低速である。この整相加算は、波動の伝搬速度が既知であるか、又は、仮定の下で行われ、関心領域内で一定と仮定されることも多い。一方、伝搬速度を計測し、位相収差補正を行うことも行われており、ビームフォーミング前又は後において、例えば、隣接するビーム信号間や異なる角度のビーム信号間の相互相関関数を評価して位相収差を求めることができる(伝搬速度が均質であれば、干渉分析(interferometry)となる)。 In the case of the former with interpolation approximation processing, the phasing addition may simply add echo signals from the position including the coordinate position of the signal value to be generated, bi-linear or multi-dimensional polynomial The accuracy may be improved by interpolation using the above. The former is much faster than the latter, which uses a complex exponential function, but the accuracy is low. The latter is highly accurate but extremely slow. This phasing addition is often performed under the assumption that the wave propagation velocity is known or assumed to be constant within the region of interest. On the other hand, the propagation velocity is measured and phase aberration correction is performed. Before or after beamforming, for example, the cross-correlation function between adjacent beam signals or between beam signals at different angles is evaluated to evaluate the phase. Aberration can be determined (if the propagation velocity is uniform, it becomes an interferometry).
開口素子が1次元空間において分布又はアレイを成している場合に比べ、開口素子が2次元又は3次元に分布している場合や、開口素子が2次元又は3次元のアレイを構成している場合には、ビームフォーミングにさらに多くの処理を行う必要があり、多数のプロセッサーを搭載して並列処理を行うこと等が行われている。干渉の少ない離れた位置におけるビームフォーミングや、ステアリング角度の異なる複数の方向への送信ビームフォーミング、単一の送信ビームフォーミングが、並列受信処理されることもある。 Compared to the case where the aperture elements are distributed or arrayed in a one-dimensional space, the aperture elements are distributed in two dimensions or three dimensions, or the aperture elements constitute a two-dimensional or three-dimensional array. In some cases, it is necessary to perform more processing for beam forming, and a large number of processors are installed to perform parallel processing. In some cases, parallel reception processing is performed for beam forming at a remote position with little interference, transmission beam forming in a plurality of directions with different steering angles, and single transmission beam forming.
通信の制御の面においては、通信データの種類やデータ量、又は、媒体の特性を反映して、適切に波動が生成されることが必要であり、それらの観測の下で、最適化された通信が行われることが望ましい。アナログデバイスを用いるか、アナログ又はデジタル信号処理により、干渉の生じている波を分離することも行われる。伝搬方向、符号化、周波数、及び/又は、帯域幅の制御された波動は重要である。 In terms of communication control, it is necessary for waves to be generated appropriately, reflecting the type and amount of communication data, or the characteristics of the medium, and optimized under these observations. It is desirable that communication be performed. It is also possible to separate the interfering waves using analog devices or by analog or digital signal processing. Controlled waves of propagation direction, coding, frequency and / or bandwidth are important.
上記の多方向開口面合成処理に類する本願の発明者の別の発明として、1つの送信ビームフォーミングに対して多方向の受信ビームフォーミングを行い、フレームレートを向上させることが可能である。また、ビームフォーミングにおいて、アポダイゼーションが重要となる場合がある。例えば、サイドローブを低減するべく、送信と受信のアポダイゼーションの各々が実施されることがあるが、これは、横方向分解能とトレードオフになる関係があり、適切に実施されるべきものである。一方、空間分解能を重視して、アポダイゼーションを行わないシンプルなビームフォーマが使用されることも多い。しかしながら、ステアリング時にサイドローブを抑圧しつつ横方向分解能も得るためには、適切なアポダイゼーションが必要であることを本願の発明者は報告している。また、本願の発明者の過去の発明には、周波数領域においてサイドローブを除去するものもある。 As another invention of the inventor of the present application similar to the above-described multidirectional aperture plane synthesis processing, it is possible to perform multidirectional reception beamforming with respect to one transmission beamforming and improve the frame rate. In addition, apodization may be important in beam forming. For example, each of transmission and reception apodization may be performed to reduce side lobes, but this has a trade-off relationship with lateral resolution and should be appropriately performed. On the other hand, a simple beam former that does not perform apodization is often used with an emphasis on spatial resolution. However, the inventor of the present application reports that appropriate apodization is necessary to obtain lateral resolution while suppressing side lobes during steering. Further, in the past inventions of the inventors of the present application, there are those that remove side lobes in the frequency domain.
その他、対象における波動の非線形特性を応用するべく、造影剤(例えば、医用超音波イメージングではマイクロバブル)が使用されることがあり、これらを応用することを含め、本願の発明者は、積極的に高強度を有する波動や高調波を含む波動を照射すること(広帯域送信)や、受信コヒーレント信号や整相加算後のコヒーレント信号に対して非線形処理を施すことを実現し、高空間分解能且つサイドローブを抑圧することによる高コントラストのイメージングを発明した。本願の発明者は、同非線形処理に基づく高精度な組織変位(ベクトル)計測も発明した。 In addition, contrast agents (for example, microbubbles in medical ultrasound imaging) may be used in order to apply the nonlinear characteristics of waves in the subject. Irradiates waves with high intensity and high harmonic waves (broadband transmission), and performs non-linear processing on received coherent signals and coherent signals after phasing addition. Invented high contrast imaging by suppressing lobes. The inventor of the present application also invented highly accurate tissue displacement (vector) measurement based on the nonlinear processing.
また、仮想源を用いたイメージング信号の生成も可能である。仮想源については、過去に物理開口の手前に仮想源を設置するものや送信焦点位置に仮想源を設置するものが報告されている。さらに、本願の発明者は、仮想源のみならず検出器を、焦点を使用せずに任意位置に設置することや、波動の物理的な源や検出器を適切な散乱体や回折格子の任意位置に設置できること等を報告している。高分空間解能化や視野領域(FOV:Field of Vision)を広くすることが可能である。 It is also possible to generate an imaging signal using a virtual source. As for the virtual source, there have been reports in the past that the virtual source is installed before the physical aperture and that the virtual source is installed at the transmission focal position. Furthermore, the inventor of the present application can install not only a virtual source but also a detector at an arbitrary position without using a focal point, an arbitrary physical source or detector of a wave, and an arbitrary scatterer or diffraction grating. We report that we can install in position. It is possible to increase the spatial resolution and widen the field of vision (FOV).
イメージング形態としては、直交検波や包絡線検波、二乗検波したものが使用されるが、本願の発明者は、波打ちそのものをカラー画像又はグレー画像として表示することも積極的に行っており、位相情報を含む表示を重視している。このように、様々な目的の下で、様々な波動を用いた多次元装置の開発が進められている。 As the imaging form, orthogonal detection, envelope detection, or square detection is used, but the inventors of the present application are also actively displaying the wave itself as a color image or a gray image, and phase information Emphasis on display including As described above, development of multi-dimensional devices using various waves is under progress for various purposes.
これまでに開示されている高速フーリエ変換を用いたデジタルビームフォーミングが幾つかあるが、その内の1つは、古典的なモノスタティック型開口面合成の解析解であるフーリエ変換を通じて行うアナログ処理(非特許文献1を参照)をデジタル化し、まさに、古典的な開口面合成を、高速フーリエ変換を通じて高速に且つ高精度に実施するものである(非特許文献2を参照)。この処理においては、補間近似を要さないが、ステアリング(偏向)する場合や、マルチスタティック型開口面合成(一般的には、1素子送信においてその素子や周辺の複数素子を用いた受信)のデジタル処理は開示されていない。 There are some digital beam forming using fast Fourier transform disclosed so far, and one of them is analog processing (Fourier transform is an analytical solution of classical monostatic aperture synthesis ( Digitize (see Non-Patent Document 1), and exactly perform classical aperture synthesis at high speed and high accuracy through Fast Fourier Transform (see Non-Patent Document 2). In this process, interpolation approximation is not required, but in the case of steering (deflection) or multi-static aperture synthesis (generally, reception using the element or a plurality of peripheral elements in one-element transmission) Digital processing is not disclosed.
その他に開示されているデジタルビームフォーミングは、全て補間近似処理を要するものであり、精度が低い。例えば、平面波送波においてステアリングを行う場合を含み、高速フーリエ変換を通じた波数マッチングを行う方法が開示されているが(非特許文献3−5を参照)、その場合とアレイの開口形状がフラットでない場合とにおいて計算や画像表示する際(アレイ開口が円弧である場合(非特許文献6を参照))には、補間近似処理を要し、精度が低い。平面波送波時の高速フーリエ変換を用いたものは、特許文献1−4にも開示されているが、いずれも、補間近似を通じて波数マッチングを行うものである。それらの補間近似による波数マッチングにより、角(angular)スペクトルの波数ベクトル座標系を等間隔にして多次元スペクトルを求め、高速逆フーリエ変換を実施することにより、高速にビームフォーミングを完了できる。 All other digital beam forming disclosed requires interpolation approximation processing and has low accuracy. For example, a method of performing wave number matching through fast Fourier transform including the case of steering in plane wave transmission is disclosed (see Non-Patent Document 3-5), but in this case, the aperture shape of the array is not flat. In some cases, when calculating or displaying an image (when the array opening is an arc (see Non-Patent Document 6)), an interpolation approximation process is required, and the accuracy is low. Although the thing using the fast Fourier transform at the time of plane wave transmission is disclosed also in patent documents 1-4, all perform wave number matching through interpolation approximation. By performing wave number matching by the interpolation approximation, the multi-dimensional spectrum is obtained with the angular vector wave vector coordinate system at equal intervals, and fast inverse Fourier transform is performed, so that beam forming can be completed at high speed.
最近の非特許文献5には、波数マッチングを非等間隔サンプリング信号に対してフーリエ変換することが開示されているが、やはり、これも補間近似処理に基づく。上記の通り、デジタルビームフォーミングは既に長い歴史を持つが、画像を表示するまでの実時間性(計算速度)を最も重視する場合には、補間近似を行うことが多く、最良の精度を提供しているわけではない。その他、DAS処理を行うことで知られる最も一般的(popular)な固定フォーカス処理及びその際のステアリング等に関しては、デジタル高速フーリエ変換を通じて行う処理方法すら開示されていない。 Recent Non-Patent Document 5 discloses that wave number matching is Fourier-transformed with respect to non-uniform sampling signals, but this is also based on interpolation approximation processing. As mentioned above, digital beam forming has a long history, but when the most important is the real-time performance (calculation speed) until the image is displayed, interpolation approximation is often performed, providing the best accuracy. I don't mean. In addition, the most general fixed focus processing known to perform DAS processing, steering at that time, and the like are not disclosed even by a processing method performed through digital fast Fourier transform.
また、マイグレーション法の報告もあるが(例えば、非特許文献7を参照)、これも波数マッチングにおいて補間近似を要する。これらの補間近似を伴う処理において精度を得るためには、通常、AD変換器のサンプリング周波数を高くして十二分にオーバーサンプリングする必要がある。 There is also a report on the migration method (see, for example, Non-Patent Document 7), which also requires interpolation approximation in wave number matching. In order to obtain accuracy in processing involving these interpolation approximations, it is usually necessary to perform oversampling sufficiently by increasing the sampling frequency of the AD converter.
先に説明したように、受信ダイナミックフォーカシングを実現するべく受信においてデジタルディレイを掛けると、上記の補間近似処理によれば誤差を生じるので、コストをかけてAD変換器のサンプリング周波数を十分に高くするか、上記の高精度なデジタルディレイ(位相回転処理)を掛けて低速ビームフォーミングとするしかなかった。 As described above, if a digital delay is applied in reception to realize reception dynamic focusing, an error is generated according to the above-described interpolation approximation processing. Therefore, the sampling frequency of the AD converter is sufficiently increased at a high cost. Alternatively, the above-described high-precision digital delay (phase rotation processing) was applied to achieve low-speed beam forming.
これまでに、電磁波や、音波(圧縮波)やずり波、表面波等を含む振動波(力学的波)、又は、熱波等の波動を対象として、反射波や透過波、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)、屈折波、表面波、衝撃波、又は、自己発散的(self-emanating)な波動源から発生するそれらの波動に関するデジタルビームフォーミングの方法が開示されているのは、上記の通り、ステアリングを含まないモノスタティック型開口面合成とステアリングを含む平面波送波、及び、マイグレーション法のみに限られる。また、そのモノスタティック型開口面合成以外は、補間近似を必要とせずにはデジタルビームフォーミングを実施できなかった。従って、その精度が低かった。 Up to now, reflected waves, transmitted waves, scattered waves (forward) are targeted for vibration waves (mechanical waves) including electromagnetic waves, sound waves (compression waves), shear waves, surface waves, etc., or heat waves. Scattered or backscattered waves, etc.), refracted waves, surface waves, shock waves, or methods of digital beamforming for those waves generated from self-emanating wave sources are disclosed. As described above, the present invention is limited to monostatic type aperture surface synthesis that does not include steering, plane wave transmission that includes steering, and the migration method. Other than the monostatic aperture plane synthesis, digital beam forming could not be performed without requiring interpolation approximation. Therefore, the accuracy was low.
これに対し、任意開口形状を有する送信又は受信トランスデューサアレイデバイス(送信と受信の両方に使用されることもあるし、送信と受信が異なる波動に関するものであることもある)を用いる場合や、パッシブなビームフォーミングにおいて受信トランスデューサのみを用いる場合においては、送信又は受信のフォーカシングやステアリングの有無に依らず、送受信ビームの座標系と画像表示する座標系が異なる場合においても、補間近似を一切要さずに、任意のビームフォーミングを高速に且つ高精度に実施することが望まれる。 On the other hand, when using a transmission or reception transducer array device having an arbitrary aperture shape (sometimes used for both transmission and reception, or transmission and reception may be related to different waves) or passive When only receiving transducers are used in beam forming, no interpolation approximation is required, regardless of whether transmission or reception focusing or steering is used, even if the coordinate system of the transmitted and received beams is different from the coordinate system for image display. In addition, it is desired to perform arbitrary beam forming at high speed and with high accuracy.
アクティブなビームフォーミングの場合には、任意開口形状を有する送信と受信トランスデューサアレイデバイス(トランスデューサは送信と受信の両方に使用されることもある)が使用される。また、パッシブなビームフォーミングの場合には、任意開口形状を有する受信トランスデューサアレイデバイスのみが使用される。それらの場合に、デジタル処理によって、任意のビームフォーミングを高速に且つ高精度に実現することが望まれる。実質的に、任意のフォーカシング及び任意のステアリング(偏向)を、任意開口形状を有するトランスデューサアレイデバイスを用いて実施することが望まれる。 In the case of active beamforming, transmit and receive transducer array devices with arbitrary aperture shapes (transducers may be used for both transmit and receive) are used. In the case of passive beamforming, only a receiving transducer array device having an arbitrary aperture shape is used. In those cases, it is desired to realize arbitrary beam forming at high speed and with high accuracy by digital processing. It is desired that virtually any focusing and any steering (deflection) be performed using a transducer array device having an arbitrary aperture shape.
整相加算を行ったビームフォーミングの後に、各方向の周波数、帯域幅、パルス形状、ビーム形状等の波動パラメータの内の少なくとも1つが異なる複数のビームに線形又は非線形の信号処理が施されて、それらの波動パラメータの内の少なくとも1つに関して新たに別の値を持つビームが生成される(周波数変調や広帯域化されたもの、マルチフォーカス等様々)こともあり、この様なビームフォーミングにおいて、フォーカシングとステアリング(偏向)、アポダイゼーションは、DAS処理に基づいて、任意開口形状を有するトランスデューサアレイデバイスを用いて実施される。また、後述の通り、媒体における線形又は非線形の現象により、それらの波動パラメータの内、少なくとも1つに関して新たに別の値を持つビームが生成され、活用されることもある。 After beam forming with phasing addition, linear or non-linear signal processing is performed on a plurality of beams in which at least one of wave parameters such as frequency, bandwidth, pulse shape, beam shape in each direction is different, A beam having a different value for at least one of those wave parameters may be generated (frequency modulation, wide band, multi-focus, etc.). In such beam forming, focusing is performed. Steering (deflection) and apodization are performed using a transducer array device having an arbitrary aperture shape based on DAS processing. Further, as described later, a beam having a different value for at least one of the wave parameters may be generated and utilized due to a linear or nonlinear phenomenon in the medium.
波動の伝搬速度は物理的な条件下における媒体の物性で決まるため、開口素子が2次元又は3次元分布や多次元アレイを構成して多次元空間のイメージングを行う場合には、1次元の場合に比べ、数多くのビームフォーミングを実施することとなり、また、1つのビームフォーミングに使用する処理データ数も増加するので、膨大な時間を要することとなるが、ビームフォーミングの高速性を獲得して、これらのビームフォーミングをいわゆる実時間で処理する装置や短時間で結果表示できる装置を使用することが望まれる。 The wave propagation speed is determined by the physical properties of the medium under physical conditions. Therefore, when the aperture element forms a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multidimensional array to perform imaging in a multidimensional space, it is a one-dimensional case. Compared to, a lot of beam forming will be performed, and the number of processing data used for one beam forming will increase, so it will take a lot of time, but acquiring the high speed of beam forming, It is desirable to use a device that processes these beam formings in a so-called real time or a device that can display the results in a short time.
また、これまで、フーリエ変換を通じたデジタルビームフォーミングに関しては、主として1次元又は2次元のリニアアレイ型トランスデューサを用いた際のデカルト座標系において補間近似を通じて行われるものが開示されているが、送信時や受信時と結果(画像)表示との座標系が異なる場合においても、一切の補間近似を行うことなく、デジタルビームフォーミングを行うことが望まれる。 Up to now, digital beam forming through Fourier transform has been disclosed through interpolation approximation in a Cartesian coordinate system mainly using a one-dimensional or two-dimensional linear array transducer. Even when the coordinate system between the reception and the result (image) display is different, it is desirable to perform digital beam forming without performing any interpolation approximation.
アレイの開口形状がフラットでない場合に関して開示されている方法(例えば、アレイ開口が円弧である場合)も、補間近似を行うものである。典型的な例として、コンベックス型トランスデューサを使用する場合や、電子又はメカニカルなセクタスキャンやIVUS(intravascular ultrasound:血管内超音波検査)のスキャンを行う場合には、極座標系等の任意座標系において送受信した波動から得られたデジタル信号を処理し、補間近似することなく、デカルト座標系等の任意の画像表示系(任意座標系)において直接的にビームフォーミングされた信号を得ることが望まれる。 A method disclosed for a case where the aperture shape of the array is not flat (for example, when the array aperture is an arc) also performs interpolation approximation. As a typical example, when a convex transducer is used, or when electronic or mechanical sector scan or IVUS (intravascular ultrasound) scan is performed, transmission and reception are performed in an arbitrary coordinate system such as a polar coordinate system. It is desired to obtain a signal that is directly beamformed in an arbitrary image display system (arbitrary coordinate system) such as a Cartesian coordinate system without processing the digital signal obtained from the wave and performing interpolation approximation.
近年、メモリやAD変換器は非常に安価なものになったが、オーバーサンプリングすることもなく、ナイキスト定理に基づいて波動をサンプリングすることにより、補間近似を行わない場合の時間を要するDAS処理に該当するビームフォーミングを高速に行えることが望まれる。アポダイゼーションを適切に実施することも重要になることがある。 In recent years, memory and AD converters have become very inexpensive, but without oversampling, sampling waves based on the Nyquist theorem, it takes time to perform DAS processing that does not require interpolation approximation. It is desired that the corresponding beam forming can be performed at high speed. Proper implementation of apodization can also be important.
これらの課題を解決した結果として、実時間又は短時間に得られるイメージ信号の空間分解能やコントラスト(サイドローブが抑圧される効果を含む)が高く、また、得られた信号から対象の動き(変位)や変形、又は、温度等を計測するに至っては、高精度な計測を実現することが望まれる。例えば、医用超音波の分野では、近年、エコー信号にドプラ法を適用して組織変位や速さを計測した後、これに時空間微分を施して加速度や歪等を求めて画像化する様になった。時空間微分は、高周波数の計測誤差を増幅してSN比(Signal-to-Noise Ratio)を劣化させる処理であるため、位相を用いた高精度な変位計測を実現する必要があり、従来において、これを実現する高精度なビームフォーミングは、いわゆるDAS処理に基づくダイナミックフォーカシングであった。2次元アレイや3次元アレイを用いた3次元イメージング装置も普及していく傾向にある。この様に、ダイナミックフォーカシングを含む任意のビームフォーミングを、補間近似することなく、高速に且つ高精度に成し遂げることが望まれる。 As a result of solving these problems, the spatial resolution and contrast (including the effect of suppressing side lobes) of the image signal obtained in real time or in a short time are high, and the motion (displacement) of the object is obtained from the obtained signal. ), Deformation, or temperature, etc., it is desired to realize highly accurate measurement. For example, in the field of medical ultrasound, in recent years, the Doppler method has been applied to echo signals to measure tissue displacement and speed, and then subjected to spatiotemporal differentiation to obtain acceleration and strain, etc. became. Spatio-temporal differentiation is a process that amplifies high-frequency measurement errors and degrades the signal-to-noise ratio (SN ratio), so it is necessary to realize highly accurate displacement measurement using phase. High-accuracy beam forming that realizes this is dynamic focusing based on so-called DAS processing. A three-dimensional imaging apparatus using a two-dimensional array or a three-dimensional array also tends to become widespread. In this way, it is desired to achieve arbitrary beam forming including dynamic focusing at high speed and with high accuracy without interpolation approximation.
本願の発明者は、最近において、偏向平面波送波による高速ビームフォーミング(関心領域内の送受信が高速)に基づいて、比較的に早い動きをする組織変位やずり波伝搬の高精度な計測法を実現したが、この様なフォーカシングを行わない場合においても、高速に且つ補間近似を要さずに高精度にビームフォーミングを行うことが望まれる。ステアリング角度を変えながら高速ビームフォーミングを行ってコヒーレント加算することにより、通常のフォーカシングビームを用いた走査と比べ、ほぼ同程度の高画質(空間分解能とコントラスト)を高速で得ることが可能にもなる。高速ビームフォーミングは、多次元アレイを用いた多次元イメージングにも有効である。 The inventor of the present application has recently developed a highly accurate measurement method for tissue displacement and shear wave propagation that moves relatively quickly, based on high-speed beam forming by deflection plane wave transmission (transmission and reception within the region of interest is fast). Although realized, it is desirable to perform beam forming with high accuracy at high speed without requiring interpolation approximation even when such focusing is not performed. By performing high-speed beam forming while changing the steering angle and performing coherent addition, it is possible to obtain almost the same high image quality (spatial resolution and contrast) at high speed compared to scanning using a normal focusing beam. . High-speed beamforming is also effective for multidimensional imaging using a multidimensional array.
また、これまでに開示されていない、1素子ずつの駆動による走査に基づく古典的な開口面合成(モノスタティック型)におけるステアリングやマルチスタティック型開口面合成を、高速に且つ補間近似を要さずに高精度に実施することが望まれる。また、いわゆるマイグレーション処理を用いた場合でも、同様に任意座標系において補間近似を施さずに任意ビームフォーミングを高速に且つ高精度に処理することが望まれる。その他に実現が望まれるビームフォーミングの具体的な例は、本明細書の他の部分に記載されている通りであり、それらのビームフォーミングも、同様に、高速に且つ高精度に実施できることが望まれる。 In addition, steering and multistatic aperture synthesis in classical aperture synthesis (monostatic type) based on scanning by driving one element at a time, which has not been disclosed so far, do not require interpolation approximation at high speed. It is desirable to carry out with high accuracy. In addition, even when so-called migration processing is used, it is desirable to process arbitrary beam forming at high speed and with high accuracy without performing interpolation approximation in an arbitrary coordinate system. Other specific examples of beam forming that are desired to be realized are as described in other parts of the present specification, and it is desirable that these beam forming can be performed at high speed and with high accuracy as well. It is.
そこで、本発明の目的の1つは、デジタルビームフォーマーとしてデジタル演算機能を備えるものを使用し、近似計算を行うことなく、任意のビームフォーミングを高速且つ高精度に行うことである。これにより、非線形処理を用いた超解像等を含む以下に記載の波動の様々な応用が実施可能になる。応用には、その他、画像化や変位計測、温度計測等、様々なものがあり、それらの応用を高速に実施することを可能にするべく、非特許文献13にて開示されている多次元フーリエ変換を用いた高精度且つ高速なヒルベルト変換処理(受信多次元信号に多次元フーリエ変換を実施して、周波数領域においてスペクトルの零詰めを通じ、3次元の場合にオークタント(Orctant)スペクトル、2次元の場合にクァドラント(Quadrant)スペクトルを生成し、多次元逆フーリエ変換を実施する方法)よりもさらに高速又は計算の簡単な処理を実現することである。 Accordingly, one of the objects of the present invention is to use a digital beam former having a digital calculation function and perform arbitrary beam forming at high speed and high accuracy without performing approximate calculation. This makes it possible to implement various applications of the wave described below, including super-resolution using nonlinear processing. There are various other applications such as imaging, displacement measurement, temperature measurement, etc., and the multidimensional Fourier disclosed in Non-Patent Document 13 is required to enable high-speed implementation of these applications. High-accuracy and high-speed Hilbert transform processing using transform (multi-dimensional Fourier transform is performed on the received multi-dimensional signal, and zero-padding of the spectrum in the frequency domain is performed. In this case, a quadrant (Quadrant spectrum is generated and a multidimensional inverse Fourier transform is performed), which is faster and simpler to calculate.
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものである。本発明の1つの観点に係るビームフォーミング方法は、任意の受信開口素子アレイの開口の向きによって定まる軸方向及びこれに直交する少なくとも1つの横方向の座標を用いる直交座標系において、任意方向に位置する少なくとも1つの波動源から計測対象物に向けて波動が送信され、計測対象物から到来する波動が、ビームフォーミングにより軸方向又は軸方向に対して対称である方向に送信又は受信されたものとして処理され、2次元の場合に2つの波動、3次元の場合に3つ又は4つの波動が重ね合わされた横方向変調が実施される場合において、前記計測対象物から到来する波動を少なくとも1つの受信開口素子によって受信して、受信信号を生成するステップ(a)と、ステップ(a)において生成される受信信号に対してビームフォーミング処理を行って横方向変調を実施することにより、多次元受信信号を生成するステップ(b)と、ステップ(b)において生成された多次元受信信号に対してヒルベルト変換処理を行うステップ(c)とを具備し、ステップ(c)が、軸方向又は横方向に偏微分処理又は1次元フーリエ変換を施して、2次元の場合には前記2つの波動の各々の多次元受信信号の解析信号を生成し、3次元の場合には前記3つ又は4つの波動の各々の多次元受信信号の解析信号を生成することを含む。
また、本発明の1つの観点に係る計測イメージング装置は、任意の受信開口素子アレイの開口の向きによって定まる軸方向及びこれに直交する少なくとも1つの横方向の座標を用いる直交座標系において、任意方向に位置する少なくとも1つの波動源から計測対象物に向けて波動が送信され、計測対象物から到来する波動が、ビームフォーミングにより軸方向又は軸方向に対して対称である方向に送信又は受信されたものとして処理され、2次元の場合に2つの波動、3次元の場合に3つ又は4つの波動が重ね合わされた横方向変調が実施される場合において、前記計測対象物から到来する波動を少なくとも1つの受信開口素子によって受信して、受信信号を生成する受信手段と、前記受信手段によって生成される受信信号に対してビームフォーミング処理を行って横方向変調を実施することにより、多次元受信信号を生成すると共に、生成された多次元受信信号に対してヒルベルト変換処理を行う装置本体とを具備し、前記装置本体が、軸方向又は横方向に偏微分処理又は1次元フーリエ変換を施して、2次元の場合には前記2つの波動の各々の多次元受信信号の解析信号を生成し、3次元の場合には前記3つ又は4つの波動の各々の多次元受信信号の解析信号を生成する。
さらに、本発明の1つの観点に係る通信装置は、任意の受信開口素子アレイの開口の向きによって定まる軸方向及びこれに直交する少なくとも1つの横方向の座標を用いる直交座標系において、任意方向に位置する少なくとも1つの波動源から計測対象物に向けて波動が送信され、計測対象物から到来する波動が、ビームフォーミングにより軸方向又は軸方向に対して対称である方向に送信又は受信されたものとして処理され、2次元の場合に2つの波動、3次元の場合に3つ又は4つの波動が重ね合わされた横方向変調が実施される場合において、前記計測対象物から到来する波動を少なくとも1つの受信開口素子によって受信して、受信信号を生成する受信手段と、前記受信手段によって生成される受信信号に対してビームフォーミング処理を行って横方向変調を実施することにより、多次元受信信号を生成すると共に、生成された多次元受信信号に対してヒルベルト変換処理を行う装置本体とを具備し、前記装置本体が、軸方向又は横方向に偏微分処理又は1次元フーリエ変換を施して、2次元の場合には前記2つの波動の各々の多次元受信信号の解析信号を生成し、3次元の場合には前記3つ又は4つの波動の各々の多次元受信信号の解析信号を生成する。
The present invention has been made to solve at least a part of the above problems. A beamforming method according to one aspect of the present invention is an orthogonal coordinate system that uses an axial direction determined by an aperture direction of an arbitrary receiving aperture element array and at least one lateral coordinate orthogonal thereto, and is positioned in an arbitrary direction. Waves are transmitted from at least one wave source toward the measurement object, and waves arriving from the measurement object are transmitted or received in the axial direction or a direction symmetric with respect to the axial direction by beam forming. Processed and subjected to lateral modulation in which two waves in the two-dimensional case and three or four waves in the three-dimensional case are superimposed, at least one wave coming from the measurement object is received Step (a) for receiving by an aperture element and generating a reception signal, and a beacon for the reception signal generated in step (a). A step (b) of generating a multidimensional received signal by performing lateral modulation by performing a forming process, and a step of performing a Hilbert transform process on the multidimensional received signal generated in step (b) (c) ), And the step (c) performs partial differential processing or one-dimensional Fourier transform in the axial direction or the lateral direction, and in the case of two dimensions, the analysis signal of the multidimensional received signal of each of the two waves And generating an analysis signal of the multi-dimensional received signal of each of the three or four waves in the three-dimensional case.
In addition, a measurement imaging apparatus according to one aspect of the present invention provides an arbitrary direction in an orthogonal coordinate system using an axial direction determined by the direction of the aperture of an arbitrary receiving aperture element array and at least one lateral coordinate orthogonal thereto. Waves are transmitted toward the measurement object from at least one wave source located at, and waves arriving from the measurement object are transmitted or received in the axial direction or a direction symmetric with respect to the axial direction by beam forming. In the case of performing lateral modulation in which two waves in the two-dimensional case and three or four waves in the three-dimensional case are superimposed, at least one wave coming from the measurement object is processed. Receiving means for receiving by two receiving aperture elements and generating a received signal, and a beam beam for the received signal generated by the receiving means. The apparatus main body comprises a device body that performs a Hilbert transform process on the generated multidimensional reception signal and generates a multidimensional reception signal by performing a lateral modulation by performing a teaming process. A partial differential process or a one-dimensional Fourier transform is performed in the axial direction or the horizontal direction to generate an analysis signal of a multidimensional received signal of each of the two waves in the two-dimensional case, and the three-dimensional case in the three-dimensional case. An analysis signal of the multidimensional received signal of each of the four or four waves is generated.
Furthermore, a communication device according to one aspect of the present invention is an orthogonal coordinate system that uses an axial direction determined by the orientation of an aperture of an arbitrary receiving aperture element array and at least one lateral coordinate orthogonal thereto. Waves transmitted from at least one located wave source toward the measurement object, and waves arriving from the measurement object are transmitted or received in the axial direction or a direction symmetric with respect to the axial direction by beam forming In the case of performing lateral modulation in which two waves in the two-dimensional case and three or four waves in the three-dimensional case are superimposed, at least one wave coming from the measurement object is obtained. Receiving means for generating a reception signal received by the receiving aperture element, and beam forming for the reception signal generated by the receiving means And performing a lateral modulation to generate a multidimensional received signal and a device body that performs a Hilbert transform process on the generated multidimensional received signal. In the two-dimensional case, an analysis signal of each of the two-dimensional received signals of the two waves is generated, and in the three-dimensional case, the three Alternatively, an analysis signal of the multidimensional reception signal of each of the four waves is generated.
また、本発明の他の観点に係るビームフォーミング方法は、平坦な受信開口素子アレイの開口の向きによって定まる軸方向y及びこれに直交する横方向xの座標を用いるデカルト直交座標系において、任意方向に位置する波動源から計測対象物に向けて任意の波動が送信され、計測対象物から到来する波動が、軸方向と成す偏向角度(偏角)θが零度又は非零度である方向に送信又は受信されたものとして処理され、さらに、計測対象物から到来する同波動が、軸方向と成す偏向角度(偏角)φが零度又は非零度である方向に受信ダイナミックフォーカシングされる場合において、計測対象物から到来する波動を少なくとも1つの受信開口素子によって受信して、受信信号を生成するステップ(a)と、ステップ(a)において生成される受信信号に対して、少なくともフーリエ変換及び波数マッチングを行うことによって、ビームフォーミング処理を行うステップ(b)とを具備し、ステップ(b)が、受信信号に対して波数領域又は周波数領域における補間近似処理を含む波数マッチングを行わずに、受信信号を軸方向yに関してフーリエ変換したものに波動の波数kと波動の搬送周波数ω0を用いて表される波数k0(=ω0/c)及び虚数単位iを用いて表される複素指数関数(101)を掛けることにより横方向xに関する波数マッチングを行い、
また、本発明の他の観点に係るビームフォーミング方法は、フーリエビームフォーミングやDAS処理等他、様々なビームフォーミングにおいて、アレイ型開口素子群(各々の素子が独立に駆動され、また、独立に受信信号を得ることのできる、独立した送信又は受信のチャンネルを持つ)において、隣接する又は離れた位置の素子に同一の送信又は受信の遅延や送信又は受信のアポダイゼーションを施して1つの開口として使用することにより、1素子を用いた送信又は受信よりも強さの大きい波動を送信又は受信のビームフォーミングに使用することを含む。
In addition, a beamforming method according to another aspect of the present invention is an arbitrary direction in a Cartesian orthogonal coordinate system using the coordinate of the axial direction y determined by the direction of the aperture of the flat receiving aperture element array and the lateral direction x orthogonal thereto. An arbitrary wave is transmitted from the wave source located at the position toward the measurement object, and the wave arriving from the measurement object is transmitted in a direction in which the deflection angle (deflection angle) θ formed with the axial direction is zero or non-zero. The object to be measured is processed as received, and the same wave coming from the object to be measured is subject to dynamic focusing in the direction in which the deflection angle (deflection angle) φ formed with the axial direction is zero or non-zero. Receiving a wave coming from an object by at least one receiving aperture element to generate a received signal, and the reception generated in step (a) And (b) performing beam forming processing by performing at least Fourier transform and wave number matching on the signal, and step (b) performs interpolation approximation processing in the wave number domain or frequency domain for the received signal. The wave number k 0 (= ω 0 / c) and the imaginary number expressed by using the wave number k of the wave and the carrier frequency ω 0 of the wave as a result of Fourier transform of the received signal with respect to the axial direction y without performing wave number matching including Perform wave number matching in the lateral direction x by multiplying the complex exponential function (101) expressed using the unit i,
In addition, the beamforming method according to another aspect of the present invention is an array type aperture element group (each element is independently driven and receives independently) in various beamforming such as Fourier beamforming and DAS processing. (With independent transmit or receive channels from which signals can be obtained), use the same transmit or receive delay or transmit or receive apodization on adjacent or distant elements as a single aperture This includes using a wave having a higher strength than transmission or reception using one element for beamforming for transmission or reception.
本発明は、高速フーリエ変換や複素指数関数の乗算、及び、ヤコビ(Jacobi)演算を適切に実施することを基礎として、通常のデジタル処理を行う場合において必要とされる近似計算を行うことなく、任意の直交座標系において任意のビームフォーミングを高速に且つ高精度に行う装置及び方法を含む。課題を解決するために、電磁波や、音波(圧縮波)やずり波、表面波等を含む振動波(力学的波)、又は、熱波等の波動を対象として、反射波や透過波、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)、屈折波、表面波、衝撃波、自己発散的(self-emanating)な波動源から発生するそれらの波動、移動体から発せられる波動、又は、未知の波源から到来する波動等の観測される波動に対し、適切に設定されたデジタル信号処理アルゴリズム(実装されるデジタル回路又はソフトウェアにおける)、又は、アナログ又はデジタルのハードウェアが用いられる。 The present invention is based on the proper implementation of fast Fourier transform, complex exponential function multiplication, and Jacobi calculation, without performing the approximate calculation required in normal digital processing, An apparatus and a method for performing arbitrary beam forming at high speed and high accuracy in an arbitrary orthogonal coordinate system are included. In order to solve the problem, reflected waves, transmitted waves, and scattered waves are targeted for waves such as electromagnetic waves, vibration waves (mechanical waves) including sound waves (compression waves), shear waves, surface waves, etc., or heat waves. Waves (such as forward scattered waves or back scattered waves), refracted waves, surface waves, shock waves, those generated from self-emanating wave sources, waves emitted from moving objects, or unknown wave sources For an observed wave, such as a wave coming from, an appropriately configured digital signal processing algorithm (in the implemented digital circuit or software) or analog or digital hardware is used.
ハードウェアウェアの構成は、各波動装置の通常のデジタルビームフォーマーの整相加算デバイスを搭載したものに、さらに、デジタル波動信号処理を実施するための演算機能を備える装置を含んでも良く、本発明のソフトウェアを実装するか、又は、その演算を実現するデジタル回路を構成して使用しても良い。その他に必要なデバイスとしては、最低限、通常に使用されるトランスデューサや送信器、受信器、及び、受信信号の格納デバイス等を設ければ良く、後に詳述する通りである。高調波の波動も処理される。仮想源や仮想受信器を用いたビームフォーミングも行われる。同時に複数のビームを生成するべく、並列処理も行われる。 The hardware configuration may include a device equipped with a normal digital beamformer phasing addition device of each wave device, and further a device having an arithmetic function for performing digital wave signal processing. May be implemented, or a digital circuit that realizes the calculation may be configured and used. As other necessary devices, at least a normally used transducer, transmitter, receiver, storage device for received signals, and the like may be provided, as described in detail later. Harmonic waves are also processed. Beam forming using a virtual source and a virtual receiver is also performed. Parallel processing is also performed to generate multiple beams simultaneously.
また、本発明において、高速且つ高精度な処理を実現するためには、上記のアナログ的な増幅又は減衰によるレベル調整やアナログフィルタリング等のアナログデバイスの他、アナログ信号処理デバイス(駆動信号の波形の特徴を強調したり減弱させたり等、波形を変えるための線形素子や特に非線形素子)の有効的な応用、また、上記の如く、汎用の計算処理能力を備えるデバイスや計算機、PLD(Programmable Logic Device)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、DSP(Digital Signal Processor)、GPU(Graphical Processing Unit)、又は、マイクロプロセッサ等が使用されることもあるが、専用の計算機や専用のデジタル回路、又は、専用デバイスを用いて、格納された信号に対してデジタル処理が施されることもある。 In the present invention, in order to realize high-speed and high-precision processing, in addition to the analog device such as level adjustment or analog filtering by the above-described analog amplification or attenuation, an analog signal processing device (the waveform of the drive signal) Effective application of linear elements and especially non-linear elements for changing waveforms, such as emphasizing and diminishing features, as well as devices and computers with general-purpose calculation processing capabilities as described above, PLD (Programmable Logic Device) ), FPGA (Field-Programmable Gate Array), DSP (Digital Signal Processor), GPU (Graphical Processing Unit), or microprocessor may be used, but a dedicated computer or dedicated digital circuit, or Digital processing may be performed on the stored signal using a dedicated device.
それらのアナログデバイスや、AD変換器、メモリ、及び、デジタル信号処理(マルチコア等)を行うデバイスが高性能であることは重要であるが、デバイス間の通信回数や通信線路容量、配線、若しくは、広帯域な無線通信も重要である。特に、本発明においては、それらの機能デバイスが1つのチップや基板に適切に装着される場合(脱着可能な場合)の他に、1つのチップや基板にそれらの機能デバイスが直接的に実装されること(積層を含む)が望ましい。並列処理も重要である。デバイスが脱着不可能なものであると、計算機が制御ユニットも兼ねる場合に、通常のプログラム制御の下で得られるセキュリティに比べて格段に高いセキュリティ性能を獲得することができる。その反面、現行の法律では処理内容の開示が求められることが増えるであろう。 It is important that these analog devices, AD converters, memories, and devices that perform digital signal processing (multi-core, etc.) have high performance, but the number of communication between devices, communication line capacity, wiring, or Broadband wireless communication is also important. In particular, in the present invention, in addition to the case where these functional devices are appropriately mounted on one chip or substrate (when detachable), the functional devices are directly mounted on one chip or substrate. (Including lamination) is desirable. Parallel processing is also important. If the device is non-detachable, when the computer doubles as a control unit, it is possible to obtain much higher security performance than that obtained under normal program control. On the other hand, the current law will require more disclosure of processing details.
本発明の1つの観点によれば、(偏)微分処理又は(高速)フーリエ変換を用いた新しいヒルベルト変換により、高速に、波動の画像化や変位(ベクトル)計測、温度計測等の様々な応用が実施可能となる(前者の方が後者よりも高速である)。1つ1つの時相において、超音波等の波動のパラメータやビームフォーミングパラメータの異なる複数のビームや波動が生成される場合には、受信トランスデューサにて受信する受信信号が増えてビームフォーミングやヒルベルト変換を実施する回数が増えるため、その様な場合に有効である。ビームフォーミングされた複数の信号が重ね合わされて、一度にヒルベルト変換されることもあり、その場合にも有効である。物理開口素子が2次元又は3次元分布や多次元のアレイを構成している場合には、多くの処理時間を要するという問題をさらに効果的に解決し、ヒルベルト変換の高速性はさらに有効となる。 According to one aspect of the present invention, various applications such as wave imaging, displacement (vector) measurement, and temperature measurement are performed at high speed by a new Hilbert transform using (partial) differentiation processing or (fast) Fourier transform. Can be implemented (the former is faster than the latter). When multiple beams and waves with different wave parameters such as ultrasonic waves and beam forming parameters are generated in each time phase, the number of received signals received by the receiving transducer increases, resulting in beam forming and Hilbert transform. This is effective in such a case. In some cases, a plurality of beamformed signals are superimposed and Hilbert transform is performed at one time. When the physical aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multi-dimensional array, the problem that a lot of processing time is required can be solved more effectively, and the high speed of the Hilbert transform becomes more effective. .
また、デジタルビームフォーマーとしてデジタル演算機能を備えるものを使用し、高速フーリエ変換を通じて、近似計算を行うことなく、任意のビームフォーミングを高速且つ高精度に行うことも可能となる(フーリエビームフォーミング)。後に詳細に説明する通り、本発明は、複素指数関数の乗算とヤコビ(Jacobi)演算を適切に使用することを基礎として、曲座標系を含む任意の直交座標系において任意のビームフォーミングを高速に且つ補間近似なしに高精度に実現することを含む。超音波等の波動のパラメータやビームフォーミングパラメータの異なる複数のビームや波動が生成される場合には、受信トランスデューサにて受信された受信エコー信号が重ね合わされて、一度にビームフォーミングされることもある。
従来のビームフォーミングを含む如何なるビームフォーミングもDAS(Delay and Summation)処理を用いて実現できるが、本発明によれば、物理開口が1次元アレイを構成している場合に、汎用のPC(パーソナルコンピュータ)を使用したときに計算速度は100倍以上にも優位に高速になる。開口素子が2次元又は3次元分布や多次元のアレイを構成している場合には、多くの処理時間を要するという問題をさらに効果的に解決し、ビームフォーミングの高速性はさらに有効となる。無論、DAS処理が使用されることもある。
In addition, using a digital beam former having a digital operation function, it is possible to perform arbitrary beam forming with high speed and high accuracy without performing approximate calculation through fast Fourier transform (Fourier beam forming). . As will be described in detail later, the present invention is based on the proper use of multiplication of complex exponential functions and Jacobi arithmetic, and can perform any beamforming at high speed in any orthogonal coordinate system including a curved coordinate system. And realization with high accuracy without interpolation approximation. When multiple beams and waves with different wave parameters such as ultrasonic waves and beam forming parameters are generated, the received echo signals received by the receiving transducer may be superimposed and beam formed at once. .
Any beamforming including conventional beamforming can be realized by using a DAS (Delay and Summation) process. However, according to the present invention, when a physical aperture forms a one-dimensional array, a general-purpose PC (personal computer) is used. ), The calculation speed is significantly faster than 100 times. When the aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multi-dimensional array, the problem of requiring a lot of processing time can be solved more effectively, and the high speed of beam forming becomes more effective. Of course, DAS processing may be used.
即ち、本発明によれば、任意開口形状を有する送信又は受信トランスデューサアレイデバイス(送信と受信の両方に使用されることもある)又はセンサーアレイデバイスを用い、任意のビームフォーミングを、高速に補間近似を行わずに高精度にデジタル処理によって実現できる。実質的に、任意のフォーカシングと任意のステアリング(偏向)、任意のアポダイゼーションを、任意開口形状を有するアレイデバイスを用いて実施できる。 That is, according to the present invention, a transmission or reception transducer array device (which may be used for both transmission and reception) or a sensor array device having an arbitrary aperture shape is used, and an arbitrary beam forming is interpolated at high speed. It can be realized by digital processing with high accuracy without performing the above. Virtually any focusing, any steering (deflection), any apodization can be performed with an array device having any aperture shape.
例えば、医用超音波画像の分野では、リニア型トランスデューサによるデカルト座標系の他、コンベ型やセクタスキャン、又は、IVUS(intravascular ultrasound)において、極座標系を用いて物理的に送信と受信とデジタル化を行うものが一般的(popular)であり、観測対象によって使い分けられる。例えば、胸骨の隙間から心臓の動態を観測する場合においては、通常、セクタスキャンが行われる。また、アレイ型開口形状やそうでなくPVDF(polyvinylidene fluoride:ポリフッ化ビニリデン)ベースのトランスデューサにおいては、開口が変形可能である場合もある。つまり、本発明によれば、任意座標系において送受信した波動から得られたデジタル信号を処理し、補間近似することなく、画像表示系等の任意座標系において直接的にビームフォーミングされた信号を得ることができる。高周波超音波を生成できるPVDFと低周波ではあるが大きなパワーを持つ超音波を生成できるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)との複合型のトランスデューサが広帯域用又は複数の搬送周波数を同時に生成できるトランスデューサとして使用されることもある。複数の異なる超音波を生成するものとしては、素子そのものの大きさ、素子間隔、又は、素子の厚みの異なるものがアレイ状に並んでいたり、様々に構成されたアレイが積層を成している場合も有る。 For example, in the field of medical ultrasonic imaging, in addition to the Cartesian coordinate system using linear transducers, in the convex type, sector scan, or IVUS (intravascular ultrasound), physical transmission, reception, and digitization are performed using a polar coordinate system. What is to be done is popular and can be used according to the observation target. For example, when observing the dynamics of the heart from the gap between the sternum, a sector scan is usually performed. In addition, in the case of an array-type opening shape or a PVDF (polyvinylidene fluoride) based transducer, the opening may be deformable. That is, according to the present invention, a digital signal obtained from a wave transmitted and received in an arbitrary coordinate system is processed, and a signal directly beamformed in an arbitrary coordinate system such as an image display system is obtained without interpolation approximation. be able to. As a transducer that can generate high-frequency ultrasonic waves and PVD that can generate low-frequency but high-power ultrasonic waves and PZT (lead zirconate titanate) can generate broadband or multiple carrier frequencies simultaneously Sometimes used. For generating a plurality of different ultrasonic waves, elements having different element sizes, element intervals, or element thicknesses are arranged in an array, or variously configured arrays are stacked. There are cases.
マルチスタティック開口面合成においては、送信位置に対して複数個存在する受信位置の内の同一位置において受信したエコー信号から成るエコーデータフレームを受信素子の数だけ生成し、周波数領域において、各々のエコーデータフレームに本発明によるモノスタティック型の開口面合成処理を施し、それらの処理結果を重ね合わせたものを逆フーリエ変換する。それにより、受信開口のチャンネル数と等しい回数の開口面合成処理でエコーデータを生成できるので、マルチスタティック型の処理方法として知られるDASにより低空間分解能イメージ信号を生成して重ね合わせて高空間分解能イメージ信号を生成する方法よりも高速である。 In multi-static aperture synthesis, echo data frames composed of echo signals received at the same position among a plurality of reception positions with respect to the transmission position are generated by the number of receiving elements, and each echo is generated in the frequency domain. The data frame is subjected to monostatic type aperture surface synthesis processing according to the present invention, and the result of superimposing these processing results is subjected to inverse Fourier transform. As a result, echo data can be generated by aperture surface synthesis processing equal to the number of channels of the reception aperture, so low spatial resolution image signals are generated and superimposed by DAS, which is known as a multistatic processing method, and high spatial resolution is achieved. It is faster than the method of generating an image signal.
また、本発明によるこのマルチスタティック処理を基礎とし、一般的(popular)な送信固定フォーカス時におけるダイナミック受信やステアリングを高速に且つ高精度に実施できる。いずれも、複素指数関数の乗算を用いた適切な位相回転処理を実施することにより、成し遂げることができる。 Further, based on the multi-static processing according to the present invention, dynamic reception and steering at the time of general transmission fixed focus can be performed at high speed and with high accuracy. Either can be accomplished by performing an appropriate phase rotation process using complex exponential multiplication.
また、座標系に関してであるが、本発明ではフーリエ変換においてヤコビ(Jacobi)演算を行うことを基礎とし、例えば、コンベックスやセクタスキャン、又は、IVUSの信号処理において、極座標系において送受信したエコーデータに基づいて、補間近似なしに高精度に且つ高速に、表示系のデカルト座標系において直接的にエコーデータを生成することができる。 As for the coordinate system, the present invention is based on performing a Jacobi operation in the Fourier transform. For example, in the convex, sector scan, or IVUS signal processing, echo data transmitted / received in the polar coordinate system is used. Based on this, echo data can be generated directly in the Cartesian coordinate system of the display system with high accuracy and high speed without interpolation approximation.
本発明によれば、いわゆるマイグレーション処理を用いた場合でも、同様に任意座標系において補間近似を施さずに任意ビームフォーミングを高速に且つ高精度に処理できる。また、本発明によれば、仮想源を用いた高SN比且つ高分解能なイメージングも高速に行える。さらに、本発明によれば、線形処理や非線形処理の下で行われるビームの周波数変調や広帯域化、マルチフォーカス、並列処理、仮想源や仮想受信器等も、デジタル処理の下、高速に高精度に実現できる。本発明は、計算量を必要とするビームフォーミングの最適化においても有用である。 According to the present invention, even when so-called migration processing is used, arbitrary beam forming can be processed at high speed and with high accuracy without performing interpolation approximation in an arbitrary coordinate system. Further, according to the present invention, high-SNR and high-resolution imaging using a virtual source can be performed at high speed. Furthermore, according to the present invention, the frequency modulation and widening of the beam performed under linear processing and non-linear processing, multi-focus, parallel processing, virtual source and virtual receiver, etc. are also highly accurate at high speed under digital processing. Can be realized. The present invention is also useful in the optimization of beam forming that requires a calculation amount.
また、本発明の他の観点に係るビームフォーミング方法は、フーリエビームフォーミングやDAS処理等他、様々なビームフォーミングにおいて、アレイ型開口素子群(各々の素子が独立に駆動され、また、独立に受信信号を得ることのできる、独立した送信又は受信のチャンネルを持つ)において、隣接する又は離れた位置の素子に同一の送信又は受信の遅延や送信又は受信のアポダイゼーションを施して1つの開口として使用することにより、1素子を用いた送信又は受信よりも強さの大きい波動を送信又は受信のビームフォーミングに使用することを含む。例えば、1次元アレイ型トランスデューサにおいて、軸方向や横方向の空間分解能を向上させるべく、素子幅や素子間隔を短くした場合には、送信や受信の波動の強さは弱くなる(本発明者は、素子ピッチ0.1mm付近又はそれ以下において高精度な変位ベクトル観測を実現している)。また、2次元アレイやさらに高次元のアレイを使用する場合も然りである(次元数の方向の素子幅や素子間隔が短くなる)。素子厚を薄くして周波数を高くする場合や例えば超音波においてはPZT等に比べて送信強度の弱いPVDF等を用いる場合等でも波動の強さは弱くなる。この様な場合に有効となる。ちなみに、素子ピッチが粗いと素子アレイ方向(元よりデジタル空間)にエイリアシングを生じた信号を受信してビームフォーミングを行うこととなるため、受信生信号の角スペクトル又はビームフォーミング後の信号において、折り返した帯域の信号をフィルタリングして除去する。上記の如くに素子幅を小さくして素子ピッチを短くすると、角スペクトルで確認できる通り横方向には広帯域となり、ビームフォーミングにより横方向に広帯域な信号を生成できるが、エイリアシングを生じる場合には同様に処理する必要がある。これらの処理は、全てのビームフォーミング処理の場合において必要となる。受信生信号の角スぺクトルの信号帯域内にてビームフォーミング信号を生成できるため、その素子アレイを用いて実現できるステアリング角度を確認できる。 In addition, the beamforming method according to another aspect of the present invention is an array type aperture element group (each element is independently driven and receives independently) in various beamforming such as Fourier beamforming and DAS processing. (With independent transmit or receive channels from which signals can be obtained), use the same transmit or receive delay or transmit or receive apodization on adjacent or distant elements as a single aperture This includes using a wave having a higher strength than transmission or reception using one element for beamforming for transmission or reception. For example, in a one-dimensional array type transducer, when the element width and the element interval are shortened in order to improve the spatial resolution in the axial direction and the lateral direction, the intensity of wave of transmission and reception becomes weak (the present inventor High-precision displacement vector observation is realized at an element pitch of about 0.1 mm or less). This is also the case when a two-dimensional array or a higher-dimensional array is used (the element width and the element interval in the direction of the number of dimensions are shortened). In the case of increasing the frequency by thinning the element thickness, or in the case of using PVDF or the like whose transmission intensity is weaker than that of PZT or the like in the ultrasonic wave, the intensity of the wave becomes weak. This is effective in such cases. By the way, if the element pitch is rough, the signal that causes aliasing in the element array direction (originally digital space) is received and beamforming is performed. Therefore, in the angular spectrum of the received raw signal or the signal after beamforming, Filter out the signal in the specified band. When the element width is reduced and the element pitch is shortened as described above, a wide band is generated in the horizontal direction as confirmed by the angular spectrum, and a wide band signal can be generated in the horizontal direction by beam forming. Need to be processed. These processes are necessary in the case of all beam forming processes. Since the beam forming signal can be generated within the signal band of the angular spectrum of the received raw signal, the steering angle that can be realized by using the element array can be confirmed.
以上述べたように、本発明によれば、電磁波や、音波(圧縮波)やずり波、衝撃波、表面波等を含む振動波(力学的波)、又は、熱波等の波動を対象として、送信又は受信のフォーカシングや送信又は受信のステアリング、及び、送信又は受信のアポダイゼーションの有無に依らず、送受信の座標系とビームフォーミングされた信号を生成する座標系が異なる場合においても、任意のビームフォーミングをデジタル処理に基づいて補間近似を行うことなく高精度に且つ高速に実施することができる。 As described above, according to the present invention, for electromagnetic waves, vibration waves (mechanical waves) including acoustic waves (compression waves), shear waves, shock waves, surface waves, etc., or waves such as heat waves, Arbitrary beamforming, regardless of transmission / reception focusing, transmission / reception steering, and transmission / reception apodization, even when the coordinate system for transmitting and receiving and the coordinate system for generating the beamformed signal are different Can be performed with high accuracy and high speed without performing interpolation approximation based on digital processing.
それにより、ビームフォーミングされた信号を画像表示する際のフレームレートが向上するだけでなく、画質に関して高い空間分解能と高いコントラストを得ることができ、さらに、ビームフォーミングされた信号を用いて変位や変形、又は、温度等を計測すれば、計測精度も向上する。処理の高速性は、多次元アレイを用いた多次元イメージングにおいて絶大な効果を奏する。本発明は、波動伝搬に関する数理的なアルゴリズムに関するものであり、デジタル演算を通じ、しかし、近似計算を含まない解を導出した成果そのものであり、容易に想到できるものではない。 This not only improves the frame rate when displaying the beamformed signal as an image, but also provides high spatial resolution and high contrast in terms of image quality, and also uses the beamformed signal for displacement and deformation. Alternatively, if the temperature or the like is measured, the measurement accuracy can be improved. The high speed of processing has a great effect in multidimensional imaging using a multidimensional array. The present invention relates to a mathematical algorithm related to wave propagation, is a result of deriving a solution through digital computation but not including approximate calculation, and cannot be easily conceived.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同じ構成要素には同じ符号を用いて、重複する説明を省略する。本発明に係る装置は、計測イメージング装置として使用することもできるし、通信装置として使用することもできる。以下においては、主として、波動が超音波等の音波であるときには音圧又は粒子速度、力学的な波として圧縮波(縦波)又はずり波、衝撃波、表面波等を対象とするときには応力波又は歪波、電磁波を対象とするときには電界又は磁場、熱波を対象とするときには温度又は熱束の透過波や屈折波、反射波、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)のイメージ信号を生成する場合について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is used for the same component and the overlapping description is abbreviate | omitted. The apparatus according to the present invention can be used as a measurement imaging apparatus or a communication apparatus. In the following, mainly when the wave is a sound wave such as an ultrasonic wave, the sound pressure or the particle velocity, and as a mechanical wave, a compression wave (longitudinal wave) or a shear wave, a shock wave, a surface wave, a stress wave or When distorted waves and electromagnetic waves are targeted, image signals of electric or magnetic fields, and when heat waves are targeted, transmitted signals of temperature or heat flux, refracted waves, reflected waves, scattered waves (forward scattered waves, backward scattered waves, etc.) The case of generating will be described.
<<第1の実施形態>>
まず、本発明の第1の実施形態に係る計測イメージング装置又は通信装置の構成を説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る計測イメージング装置又は通信装置の構成例を示す代表的なブロック図である。図1に示すように、本実施形態に係る計測イメージング装置(又は通信装置)は、送信手段である送信トランスデューサ(又はアプリケータ)10と、受信手段である受信トランスデューサ(又は受信センサー)20と、装置本体30と、入力装置40と、出力装置(又は表示装置)50と、外部記憶装置60とを備えている。
<< First Embodiment >>
First, the configuration of the measurement imaging apparatus or the communication apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a representative block diagram illustrating a configuration example of a measurement imaging apparatus or a communication apparatus according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a measurement imaging apparatus (or communication apparatus) according to the present embodiment includes a transmission transducer (or applicator) 10 that is a transmission unit, a reception transducer (or reception sensor) 20 that is a reception unit, A device main body 30, an input device 40, an output device (or display device) 50, and an external storage device 60 are provided.
図2は、図1に示す装置本体の構成例を詳しく示す代表的なブロック図である。装置本体30は、主として、送信ユニット31と、受信ユニット32と、デジタル信号処理ユニット33と、制御ユニット34とを備えている。ここで、受信ユニット32がデジタル信号処理ユニット33を含んでも良い。なお、図1及び図2は、適度に簡略化したブロック図であり、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の詳細は以下の通りである。一例として、上記の装置間や装置本体30内のユニット間や各ユニット内においては、有線技術又は無線技術を基礎として適切に通信が行われるものであり、離れた場所に設置されても良い。装置本体30とは、それらの様な複数のユニットから構成されるものであり、便宜上、その様に呼ぶ。 FIG. 2 is a representative block diagram showing in detail the configuration example of the apparatus main body shown in FIG. The apparatus main body 30 mainly includes a transmission unit 31, a reception unit 32, a digital signal processing unit 33, and a control unit 34. Here, the receiving unit 32 may include a digital signal processing unit 33. FIG. 1 and FIG. 2 are appropriately simplified block diagrams, and the present embodiment is not limited to these, and details of the present embodiment are as follows. As an example, communication is appropriately performed between the devices described above, between the units in the device main body 30, and within each unit based on wired technology or wireless technology, and may be installed at a remote location. The apparatus main body 30 is composed of a plurality of such units, and is referred to as such for convenience.
<送信トランスデユーサ>
図2に示す送信トランスデューサ(又はアプリケータ)10は、装置本体30内の送信ユニット31から供給される駆動信号により波動を発生して送信する。本実施形態においては、送信トランスデューサ10の複数の送信開口素子10aがアレイを構成している。
<Transmission transducer>
The transmission transducer (or applicator) 10 shown in FIG. 2 generates a wave by a drive signal supplied from the transmission unit 31 in the apparatus main body 30 and transmits it. In the present embodiment, the plurality of transmission aperture elements 10a of the transmission transducer 10 form an array.
図3は、送信トランスデューサにおける複数の送信開口素子の配置例を示す模式図である。図3(a1)は、1次元アレイ状に密に配列化された複数の送信開口素子10aを示しており、図3(b1)は、1次元状に疎に存在する複数の送信開口素子10aを示している。図3(a2)は、2次元アレイ状に密に配列化された複数の送信開口素子10aを示しており、図3(b2)は、2次元状に疎に存在する複数の送信開口素子10aを示している。図3(a3)は、3次元アレイ状に密に配列化された複数の送信開口素子10aを示しており、図3(b3)は、3次元状に疎に存在する複数の送信開口素子10aを示している。 FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an arrangement example of a plurality of transmission aperture elements in the transmission transducer. FIG. 3 (a1) shows a plurality of transmission aperture elements 10a densely arranged in a one-dimensional array, and FIG. 3 (b1) shows a plurality of transmission aperture elements 10a sparsely arranged in a one-dimensional shape. Is shown. FIG. 3 (a2) shows a plurality of transmission aperture elements 10a that are densely arranged in a two-dimensional array, and FIG. 3 (b2) shows a plurality of transmission aperture elements 10a that are sparsely arranged in two dimensions. Is shown. FIG. 3 (a3) shows a plurality of transmission aperture elements 10a densely arranged in a three-dimensional array, and FIG. 3 (b3) shows a plurality of transmission aperture elements 10a sparsely arranged in a three-dimensional shape. Is shown.
各々の送信開口素子10aは、矩形、円形、六角形、又は、その他の開口形状を有しており、また、フラット、凹型、凸型と様々であり、アレイは、1次元、2次元、又は、3次元状のものがある。1つの送信開口素子10aの指向性は、生成する波動の周波数や帯域幅、及び、その送信開口素子10aの開口の形状で決まり、通常、2次元以上の空間で表されるが、少なくとも直交する2方向に指向性を持つ様にいわゆる開口が直交する2方向を向いているものを1素子と勘定することがあるし、直交する3方向に指向性を持つ様にいわゆる開口が直交する3方向に向いているものを1素子と勘定することもある。独立した3方向より多くの方向に指向性を持つ様に開口が3方向より多くの方向を向いている開口をもつ素子も存在する。それらが位置により異なり、混在することもある。 Each transmission aperture element 10a has a rectangular, circular, hexagonal, or other aperture shape, and may be flat, concave, or convex, and the array may be one-dimensional, two-dimensional, or There are three-dimensional ones. The directivity of one transmission aperture element 10a is determined by the frequency and bandwidth of the generated wave and the shape of the aperture of the transmission aperture element 10a, and is usually expressed in a two-dimensional space or more, but at least orthogonal. A so-called opening that faces two directions orthogonal to each other so as to have directivity in two directions may be counted as one element, and three directions that so-called openings cross so as to have directivity in three directions orthogonal to each other. There is also a case where the one suitable for the device is counted as one element. There is also an element having an opening in which the opening is directed in more directions than three directions so as to have directivity in more directions than three independent directions. They differ depending on the position and may be mixed.
送信開口素子10aは、空間的に密又は疎(離れた位置)に存在する場合があるが、特段、1次元〜3次元のアレイ型と区別することなく、本実施形態を説明する。開口素子アレイは、リニア型(素子の並びがフラット)、コンベックス(凸型の円弧状の並び)、フォーカス型(凹型の円弧状の並び)、円形型(例えば、医用超音波等でIVUSに使用される)、球状、凸型又は凹型の球殻状、その他の形状で凸型又は凹型に並ぶもの等、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察対象に対して、様々な様態が取られ、これらに限られるものではない。これらの開口素子アレイを適切に駆動して、上記の平面波等の波面が横方向に広く拡がる波の送波やステアリング、開口面合成や固定送信フォーカス等が行われ、1つのビームや生成された波面を持つ送信波が実現される。 Although the transmission aperture elements 10a may exist spatially densely or sparsely (separated positions), the present embodiment will be described without being particularly distinguished from a one-dimensional to three-dimensional array type. Aperture element array is used for IVUS in linear type (element arrangement is flat), convex (convex arc arrangement), focus type (concave arc arrangement), circular type (for example, medical ultrasound) ), Spherical, convex or concave spherical shells, and other shapes that are arranged in a convex or concave shape, various aspects can be taken for objects (communication objects) that propagate waves and observation objects. However, it is not limited to these. By appropriately driving these aperture element arrays, wave transmission, steering, aperture synthesis, fixed transmission focus, etc., in which the wavefront of the plane wave or the like spreads in the horizontal direction are performed, and one beam or generated A transmission wave having a wavefront is realized.
電子走査に関しては、後に詳述する通り、1つの送信ビーム又は波面を持つ送信波を生成するべく、図2に示す送信ユニット31が備える複数の送信チャンネルが生成する独立した駆動信号により、その駆動信号の数と同じ数の送信開口素子10aを独立に駆動できる。1つの送信ビーム又は波面を持つ送信波を生成するために使用される送信開口素子アレイを、送信有効開口とも称する。また、全開口素子を纏めて称する物理開口素子アレイと区別し、この同時に駆動される送信開口素子10aにより実現される送信開口を、送信サブ開口素子アレイ、又は、単に送信サブ開口とも称することがある。 Regarding electronic scanning, as described in detail later, in order to generate a transmission wave having one transmission beam or wavefront, the driving is performed by independent drive signals generated by a plurality of transmission channels included in the transmission unit 31 shown in FIG. The same number of transmission aperture elements 10a as the number of signals can be driven independently. A transmit aperture element array used to generate a transmit wave having one transmit beam or wavefront is also referred to as a transmit effective aperture. Further, it is distinguished from a physical aperture element array that collectively refers to all aperture elements, and the transmission aperture realized by the transmission aperture element 10a that is driven simultaneously is also referred to as a transmission sub aperture element array or simply a transmission sub aperture. is there.
波動を伝搬させる対象(通信対象)が広い場合や関心領域全体を一度に観察するべく、物理開口素子アレイにある全開口素子数の送信チャンネル数を備え、常時、それらの全てを使用することもあるが、装置を安価にするべく、電子的に送信チャンネルをスイッチングして送信サブ開口素子アレイを推移させたり(電子走査)、又は、物理開口素子アレイを機械走査すること(機械的走査)により、最小限の送信チャンネル数を用いて関心領域全体に波動が送信されることもある。波動を伝搬させる対象(通信対象)が広い場合や観察対象のサイズが大きい場合には、電子走査と機械走査とが共に実施されることもある。 In order to observe the entire region of interest at once when the wave propagation object (communication object) is wide, the number of transmission channels of the total number of aperture elements in the physical aperture element array is provided, and all of them can be used at all times. However, in order to reduce the cost of the apparatus, the transmission channel is electronically switched to shift the transmission sub-aperture element array (electronic scanning), or the physical aperture element array is mechanically scanned (mechanical scanning). A wave may be transmitted throughout the region of interest using a minimum number of transmission channels. When a wave propagation target (communication target) is wide or an observation target is large in size, both electronic scanning and mechanical scanning may be performed.
セクタスキャンが行われる場合には、空間的に固定された上記の様な型の開口素子アレイが電子的に駆動されて走査される(電子走査)、又は、開口素子アレイそのものが機械的に走査される(機械走査)、又は、両者が共に実施されることがある。古典的な開口面合成では、開口素子アレイの1素子毎に電子的に駆動する電子走査、又は、1開口素子の機械走査を通じ、異なる位置において送信して送信開口アレイを構成するため、電子走査においては、送信ユニット31が、物理開口アレイの素子数だけの送信チャンネル数を備えることがあるが、スイッチングデバイスを使用するとその送信チャンネル数を減じることができ、機械走査と同様に必ず少なくとも1チャンネルを必要とする。偏波を送信する場合には、少なくとも、一度に駆動する素子数に偏波の数だけ乗じたチャンネル数が、送信ユニット31に必要である。 When sector scanning is performed, a spatially fixed aperture element array of the above type is electronically driven and scanned (electronic scanning), or the aperture element array itself is mechanically scanned. (Mechanical scanning) or both may be performed together. In classic aperture plane synthesis, electronic scanning is performed electronically for each element of an aperture element array, or mechanical transmission of one aperture element is used to transmit at different positions to form a transmission aperture array. In this case, the transmission unit 31 may have the number of transmission channels corresponding to the number of elements of the physical aperture array. However, if a switching device is used, the number of transmission channels can be reduced. Need. When transmitting polarized waves, the transmission unit 31 needs to have at least the number of channels obtained by multiplying the number of elements driven at one time by the number of polarized waves.
<受信トランスデューサ>
図2に示す受信トランスデューサ(又は受信センサー)20は、送信トランスデューサ10を兼ねることもあるが、送信トランスデューサ10とは別に使用されて受信専用のアレイ型センサーであっても良い。従って、受信トランスデューサ20は、送信トランスデューサ10とは別の位置に設定されることもある。また、受信トランスデューサ20が送信トランスデューサ10の生成する波動とは異なる波動を感知するものであることもある。その様な受信トランスデューサ20が送信トランスデューサ10と同一の位置に設置されたり、一体を成している場合もある。
<Receiving transducer>
The reception transducer (or reception sensor) 20 shown in FIG. 2 may also serve as the transmission transducer 10, but may be an array type sensor dedicated to reception that is used separately from the transmission transducer 10. Accordingly, the receiving transducer 20 may be set at a position different from that of the transmitting transducer 10. The receiving transducer 20 may sense a wave different from the wave generated by the transmitting transducer 10. Such a receiving transducer 20 may be installed at the same position as the transmitting transducer 10 or may be integrated.
本実施形態における受信トランスデューサ20は、送信トランスデューサ10と同様に、少なくとも1つ以上の受信開口素子20aがアレイを構成しており、各素子が受信した信号は、独立な状態で、装置本体30内の受信ユニット32(図2)に伝送される。送信開口素子10aと同様に、受信開口素子20aは、矩形、円形、六角形、又は、その他の開口形状を有しており、また、フラット、凹型、凸型と様々であり、アレイは、1次元、2次元、又は、3次元状のものがある。1つの受信開口素子20aの指向性は、受信する波動の周波数や帯域幅、及び、その受信開口素子20aの開口の形状で決まり、複数の開口を備えるものを1素子と勘定することもある。1素子における開口の数が位置により異なり、混在することもある。また、受信開口素子20aが空間的に密又は疎(離れた位置)に存在する場合もあり、ここでは、アレイ型と区別しない(図3の送信アレイの例を参照)。 As in the case of the transmission transducer 10, the reception transducer 20 in the present embodiment includes at least one reception aperture element 20 a constituting an array, and signals received by the respective elements are in an independent state in the apparatus main body 30. To the receiving unit 32 (FIG. 2). Similar to the transmission aperture element 10a, the reception aperture element 20a has a rectangular, circular, hexagonal, or other aperture shape, and may be flat, concave, or convex. There are dimensions, two dimensions, or three dimensions. The directivity of one reception aperture element 20a is determined by the frequency and bandwidth of the wave to be received and the shape of the aperture of the reception aperture element 20a, and an element having a plurality of apertures may be counted as one element. The number of openings in one element varies depending on the position and may be mixed. Further, there are cases where the reception aperture elements 20a are spatially dense or sparse (separate positions), and are not distinguished from the array type here (see the example of the transmission array in FIG. 3).
開口素子アレイは、送信トランスデューサ10のそれと同様に、リニア型(素子の並びがフラット)、コンベックス(凸型の円弧状の並び)、フォーカス型(凹型の円弧状の並び)、円形型(例えば、医用超音波等でIVUSに使用される)、球状、凸型又は凹型の球殻状、その他の形で凸型又は凹型に並ぶもの等、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察対象に対して、様々な様態が取られ、これらに限られるものではない。これらの開口素子アレイを用いて波動を受信して、上記の平面波等の波面が横方向に広く拡がる波の受波やステアリング、開口面合成や固定受信フォーカスやダイナミックフォーカス等が行われ、1つのビームや生成された波面を持つ受信波が実現される。 Similar to that of the transmission transducer 10, the aperture element array is linear type (element arrangement is flat), convex (convex arc arrangement), focus type (concave arc arrangement), circular type (for example, For objects that propagate waves (communication objects) and observation objects such as spherical, convex or concave spherical shells, and other shapes that are aligned in a convex or concave shape. However, various aspects are taken, and the present invention is not limited to these. Waves are received using these aperture element arrays, and wave reception, steering, aperture synthesis, fixed reception focus, dynamic focus, etc., in which the wavefront of the plane wave or the like spreads widely in the lateral direction, is performed. Received waves with beams and generated wavefronts are realized.
トランスデューサ開口(素子)は、空間的に密でなく、疎(離れた位置)に存在する場合もあり、また、計測対象を機械的に走査して送信又は受信を行うこともあり、一般的にアレイ型と称さないトランスデューサを用いる場合においても同様に受信信号が処理されることがあるが、本願においては、それらを特段に区別することなく、アレイ型デバイスを使用する場合について重点的に述べながら本発明を説明する。例えば、陸地の離れた位置に、レーダー開口がある場合に、各レーダーがアレイを構成している場合もあれば、そうでない場合もある。 Transducer apertures (elements) are not spatially dense and may exist in sparse (remote positions), and the measurement target may be mechanically scanned and transmitted or received. In the case of using a transducer that is not referred to as an array type, the received signal may be processed in the same manner. However, in this application, the case where an array type device is used is described without particular distinction. The present invention will be described. For example, when there is a radar aperture at a remote location on land, each radar may or may not constitute an array.
衛星や飛行機に搭載のレーダーのみならず、トランスデューサで計測対象を機械走査することがあり、そのような場合においても、トランスデューサがアレイを構成している場合もあれば、そうでない場合もあり、空間的に連続的に高密度に、若しくは、離れた位置において空間的に疎に、信号を送信又は受信することもある。従って、古典的な開口面合成(1開口素子による送信)だけでなく、送信ビームフォーミングを行いながら、信号を受信することもある。開口素子が1次元状に存在することもあるし、2次元又は3次元空間において存在することもある。また、電子的な走査を行いながら機械的な走査を行うこともある。 In addition to radar mounted on satellites and airplanes, the object to be measured may be mechanically scanned by a transducer. Even in such a case, the transducer may or may not form an array. The signal may be transmitted or received continuously in high density or spatially sparsely in remote locations. Therefore, in addition to classical aperture plane synthesis (transmission by a single aperture element), signals may be received while performing transmit beamforming. The aperture element may exist in a one-dimensional form, or may exist in a two-dimensional or three-dimensional space. In addition, mechanical scanning may be performed while performing electronic scanning.
電子走査に関しては、後に詳述する通り、1つの受信ビーム又は生成された波面を持つ受信波を実現するべく、受信ユニット32が備える受信チャンネル数の独立した受信信号を開口素子において一度に受信することができる(受信有効開口が決まる)。受信有効開口は、送信有効開口と異なることもある。全開口素子を纏めて称する物理開口素子アレイと区別し、この同時に使用される受信開口素子20aにより実現される受信開口を受信サブ開口素子アレイ、又は、単に受信サブ開口とも称することがある。 Regarding electronic scanning, as will be described in detail later, in order to realize a reception wave having one reception beam or a generated wavefront, independent reception signals of the number of reception channels included in the reception unit 32 are received at a time at the aperture element. (The reception effective aperture is determined). The reception effective aperture may be different from the transmission effective aperture. It is distinguished from a physical aperture element array that collectively refers to all aperture elements, and the reception aperture realized by the reception aperture element 20a used at the same time may be referred to as a reception sub aperture element array or simply as a reception sub aperture.
波動を伝搬させる対象(通信対象)が広い場合や関心領域全体を一度に観察するべく、物理開口素子アレイに設けられた全開口素子数の受信チャンネル数を受信ユニット32が備え、常時、それらの全てを使用することもあるが、装置を安価にするべく、電子的に受信チャンネルをスイッチングして受信サブ開口素子アレイを推移させたり(電子走査)、又は、物理開口素子アレイを機械走査すること(機械的走査)により、最小限の受信チャンネル数を用いて関心領域全体から到来する波動が受信されることもある。 In order to observe the entire region of interest at a time when the wave propagation object (communication object) is wide, the receiving unit 32 includes the number of reception channels of the total number of aperture elements provided in the physical aperture element array. All may be used, but in order to reduce the cost of the device, the receiving channel is electronically switched to shift the receiving sub-aperture array (electronic scanning), or the physical aperture element array is mechanically scanned. (Mechanical scanning) may receive waves coming from the entire region of interest using a minimum number of received channels.
波動を伝搬させる対象(通信対象)が広い場合や観察対象のサイズが大きい場合には、電子走査と機械走査とが共に実施されることもある。セクタスキャンが行われる場合には、空間的に固定された上記の様な型の開口素子アレイが電子的に駆動されて、送信と受信を交互に繰り返しながら走査されたり(電子走査)、又は、開口素子アレイそのものが機械的に走査されたり(機械走査)、又は、両者が共に実施されることがある。また、古典的な開口面合成においては、送信に関し、上記の通り、開口素子アレイの1素子毎に電子的に駆動する電子走査、又は、1開口素子の機械走査を通じて、異なる位置において送信して送信開口アレイを構成するため、電子走査においては物理開口アレイの素子数だけの送信チャンネル数を送信ユニット31が備えることがあるが、スイッチングデバイスを使用することにより機械走査と同様に必ず少なくとも1チャンネルを必要とする。 When a wave propagation target (communication target) is wide or an observation target is large in size, both electronic scanning and mechanical scanning may be performed. When a sector scan is performed, a spatially fixed aperture element array of the above type is electronically driven to scan while repeating transmission and reception (electronic scanning), or The aperture element array itself may be mechanically scanned (mechanical scanning) or both may be performed together. Also, in the classic aperture plane synthesis, as described above, transmission is performed at different positions through electronic scanning that is electronically driven for each element of the aperture element array or mechanical scanning of one aperture element as described above. In order to constitute the transmission aperture array, the transmission unit 31 may have as many transmission channels as the number of elements of the physical aperture array in electronic scanning. However, at least one channel is always required by using a switching device as in the case of mechanical scanning. Need.
一方、その際の受信に関しては、アクティブな送信素子と同一の素子のみで受信する型のモノスタティック型では、受信ユニット32が受信チャンネルを送信チャンネルと同様に備えれば良い。また、アクティブな送信素子を含む周囲の複数の素子で受信を行うことの多いマルチスタティック型では、電子走査では物理開口アレイの素子数だけの受信チャンネル数を受信ユニット32が備えることがあるが、スイッチングデバイスを使用することにより、電子走査と機械走査の両者において、少なくとも受信有効開口の素子数だけの受信チャンネル数を受信ユニット32が備えれば良い。偏波を受信する場合には、少なくとも、受信素子数に偏波の数だけ乗じたチャンネル数が受信ユニット32に必要である。 On the other hand, regarding the reception at that time, in the case of the monostatic type in which reception is performed only by the same element as the active transmission element, the reception unit 32 may be provided with the reception channel in the same manner as the transmission channel. Further, in the multi-static type in which reception is often performed by a plurality of surrounding elements including active transmission elements, the reception unit 32 may have the number of reception channels corresponding to the number of elements of the physical aperture array in electronic scanning. By using the switching device, it is only necessary that the receiving unit 32 has at least the number of reception channels equal to the number of elements of the reception effective aperture in both electronic scanning and mechanical scanning. When receiving polarized waves, the receiving unit 32 needs at least the number of channels obtained by multiplying the number of receiving elements by the number of polarized waves.
<トランスデューサの具体例>
トランスデューサ10又は20としては、電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動を生成又は受信できる様々なものがある。例えば、トランスデューサ10は、任意波動を計測対象に送信すると共に、計測対象内において反射された反射波や後方散乱された散乱波等を受信できることがある(トランスデューサ20を兼ねる)。例えば、任意波動が超音波である場合に、駆動信号に従って超音波を送信すると共に、超音波を受信して受信信号を生成する超音波トランスデューサを用いることができる。応用に合わせて、超音波素子(PZT(Pb(lead) zirconate titanate:チタン酸ジルコン酸鉛)や高分子圧電素子等)は異なり、トランスデューサの構造が異なることは良く知られている。
<Specific examples of transducer>
There are various transducers 10 or 20 that can generate or receive electromagnetic waves, light, dynamic vibrations, sound waves, or arbitrary waves such as heat waves. For example, the transducer 10 may transmit an arbitrary wave to the measurement target and receive a reflected wave reflected in the measurement target, a backscattered wave, or the like (also serves as the transducer 20). For example, when an arbitrary wave is an ultrasonic wave, an ultrasonic transducer that transmits an ultrasonic wave according to a drive signal and receives the ultrasonic wave to generate a reception signal can be used. It is well known that the ultrasonic elements (PZT (Pb (lead) zirconate titanate), polymer piezoelectric elements, etc.) are different depending on the application, and the structure of the transducer is different.
医療応用において、血流計測では歴史的に狭帯域の超音波を使用することが行われてきたが、本願の発明者は、近年において実用化された軟組織の変位や歪(静的な場合を含む)、ずり波伝搬(速度)の計測の場合を含め、(エコー)イメージング用の広帯域トランスデューサを使用することを世界に先駆けて実現してきた。HIFU治療も然りで、連続波が使用されることもあるが、本願の発明者は、高分解能な治療を実現すべく、高周波型や広帯域型のデバイスを用いたアプリケータの開発も行っている。強力超音波を使用する場合には、加熱効果を来さない範囲で組織を刺激し、上記の如く計測対象内に力源を生成することもあり、(エコー)イメージング用のトランスデューサが使用されることもある。加熱治療や力源生成、そして、(エコー)イメージングが同時に行われることもある。その他の波動源やトランスデューサにおいても然りである。 In medical applications, blood flow measurement has historically used narrow-band ultrasound, but the inventor of the present application has found that soft tissue displacements and strains that have been put into practical use in recent years (in static cases). Including the measurement of shear wave propagation (velocity), the use of a broadband transducer for (echo) imaging has been realized for the first time in the world. The same applies to HIFU treatment, and continuous wave may be used, but the inventor of the present application has also developed an applicator using a high-frequency type or broadband type device in order to realize high-resolution treatment. Yes. When using high-intensity ultrasound, the tissue may be stimulated within a range that does not produce a heating effect, and a force source may be generated in the measurement target as described above. A transducer for (echo) imaging is used. Sometimes. Heat treatment, force source generation, and (echo) imaging may be performed simultaneously. The same applies to other wave sources and transducers.
デジタル信号処理ユニット33において、力源は、時間的に又は空間的に、複数個を対象内に生成でき、ずり波の重ね合わせにより、ずり波の伝搬方向を制御することができ、(粘)ずり弾性率やその伝搬速度の非等方性を計測することができる。ほぼ同時に生成されたずり波は物理的に重なっているため、超音波の変位計計測を通じたずり波の観測後、スペクトル解析の下で、ずり波が分離されることがある。また、物理的に重なっていない場合には、各々の力源が生成したずり波を、超音波信号を解析して観測し、その結果を重ね合わせ、伝搬方向、伝搬速度、伝搬方向の(粘)ずり弾性率(特許文献11等)が求められることもあるが、各々の力源が生成されたときの超音波信号を重ね合わせて解析し、ずり波の重ね合わせを観測してそれらが求められることもある。熱源を生成して熱波や熱物性を観測する場合も同様である。以下、他にも様々な処理が行われる。 In the digital signal processing unit 33, a plurality of force sources can be generated in the object in time or space, and the propagation direction of the shear wave can be controlled by overlapping the shear waves. It is possible to measure the shear modulus and the anisotropy of the propagation velocity. Since shear waves generated almost simultaneously overlap physically, shear waves may be separated under spectral analysis after observation of shear waves through ultrasonic displacement meter measurement. In addition, when there is no physical overlap, the shear wave generated by each force source is observed by analyzing the ultrasonic signal, and the results are superimposed and (viscosity of propagation direction, propagation speed, propagation direction) ) The shear modulus (Patent Document 11 etc.) may be required, but the ultrasonic signals when each force source is generated are superposed and analyzed, and the superposition of shear waves is observed to obtain them. Sometimes. The same applies when generating heat sources and observing heat waves and thermal properties. Thereafter, various other processes are performed.
熱源や力源、音圧の形状は、送受信のアポダイゼーションや遅延(ディレイ)、放射強度で調整でき、それらを生成したときの透過波又は反射波を検出して、それらを最適化することにより、所望する熱源や力源、音圧を実現することができる。ハイドロホンを用いて信号が高感度にそれらの形状が観測されることもあるし、検出器で捉えた信号に関して自己相関関数を求め、その形状が推定されることもあり(特許文献11等)、これらの処理を基に、線形又は非線形の最適化が行われる。ずり波や熱波の伝搬方向が最適化されることもある。それらの各々の場合には、力学的特性や熱物性の推定結果が用いられることが望ましい。 The shape of the heat source, force source, and sound pressure can be adjusted by transmission / reception apodization, delay, and radiation intensity. By detecting the transmitted or reflected waves when they are generated and optimizing them, Desired heat source, force source, and sound pressure can be realized. The shape of the signal may be observed with high sensitivity using a hydrophone, or the shape of the signal may be estimated by obtaining an autocorrelation function for the signal captured by the detector (Patent Document 11, etc.) Based on these processes, linear or non-linear optimization is performed. The propagation direction of shear waves and heat waves may be optimized. In each of these cases, it is desirable to use estimated results of mechanical properties and thermophysical properties.
例えば、凹型アプリケータが使用される場合には、焦点位置に高強度の超音波を収束させることができ、横方向に広帯域となる。しかし、音圧形状は焦点位置から足を引く様な分布を成すため、反射波又は透過波を受信した後に求めたスペクトルを加工(フィルタリングや重み付け等)することにより、音圧形状を楕円形に加工することができる(特許文献7)。波動又はビームの各方向のスペクトル成分は、周波数領域において同じ方向にスペクトルとして確認されることを応用すれば良い。その結果、イメージングの質が向上したり、変位計測の精度が向上する。 For example, when a concave applicator is used, high-intensity ultrasonic waves can be converged at the focal position, resulting in a wide band in the lateral direction. However, since the sound pressure shape has a distribution that draws a foot from the focal position, the sound pressure shape is made elliptical by processing (filtering, weighting, etc.) the spectrum obtained after receiving the reflected wave or transmitted wave. It can be processed (Patent Document 7). What is necessary is just to apply that the spectral component in each direction of the wave or beam is confirmed as a spectrum in the same direction in the frequency domain. As a result, the quality of imaging is improved and the accuracy of displacement measurement is improved.
波動パラメータやビームフォーミングパラメータとして、送信フォーカシング有りの場合のフォーカス位置、送信フォーカシング無しの場合の平面波や円筒波や球面波等、偏向角度(偏向無しの零度の時を含む)、アポダーゼーション有り又は無し、Fナンバー、送信超音波周波数又は送信帯域、受信周波数又は受信帯域、パルス形状、ビーム形状が異なる等が異なる複数の波動やビームの送信又は受信を行った場合の受信信号を重ね合わせ、一回の送信と受信による波動生成やビームフォーミングでは生成できない新しい特徴を持つ波動又はビームを生成する場合(例えば、波動又はビームを交差させて重ね合わせて横方向変調や広帯域化させた場合、マルチフォーカス等の場合)においても、同処理を施して同効果が得られることがある。尚、重ね合わせは、同時刻に実時間において行われることもあるし、対象の同一の時相において異なる時刻において受信されたものに関して行われることもある。各々が受信ビームフォーミングされて重ね合わせされることもあるし、受信ビームフォーミングの行われていないものが重ね合されて受信ビームフォーミングされることもある。 Wave parameters and beam forming parameters include focus position with transmission focusing, plane wave, cylindrical wave, spherical wave without transmission focusing, deflection angle (including zero degree without deflection), with apodization or None, F number, transmission ultrasonic frequency or transmission band, reception frequency or reception band, pulse shape, beam signals with different wave shapes, etc. When generating a wave or beam with new characteristics that cannot be generated by wave generation or beam forming due to multiple transmissions and receptions (for example, when a wave or beam is crossed and overlapped to be laterally modulated or widened, multi-focus Etc.), the same effect may be obtained by performing the same processing. Note that superposition may be performed in real time at the same time, or may be performed with respect to those received at different times in the same time phase of interest. Each of them may be superposed by receiving beam forming, or may be superposed on those that have not been subjected to receiving beam forming, and may be superposed on the receiving beam.
単独の波動又はビーム、又は、それらの複数の波動又はビームの重ね合わせから得られた受信信号が、周波数領域において重み付けされて広帯域化され、超解像が行われることがある(高分解能化)。いわゆる逆フィルタリングやデコンボリューションである。段落0009に記載の方法等が併用されることもあり、観測された波動に、ビーム特性の反転(inversion)として周波数応答の共役又は逆数が施されることがある。また、観測された波動の共役又は周波数応答の共役が施されることがある(これらは、検波処理であり、前者により包絡線の二乗が得られ、後者により自己スペクトラム、即ち、自己相関関数が得られる)。ビームフォーミング(開口面合成を含む)されたものに超解像が施されることもあるし、受信ビームフォーミング前又はビームフォーミングが全く行われていないもの(開口面合成用送受信信号)に超解像処理を施した上でビームフォーミングが行われることがある。 A single wave or beam, or a received signal obtained from superposition of a plurality of waves or beams, may be weighted in the frequency domain to be broadened and super-resolution may be performed (high resolution). . This is so-called inverse filtering or deconvolution. The method described in paragraph 0009 may be used in combination, and the observed wave may be subjected to conjugate or reciprocal frequency response as inversion of the beam characteristics. In addition, conjugate of the observed wave or frequency response may be performed (these are detection processes, the former obtains the square of the envelope, and the latter produces the self spectrum, ie, the autocorrelation function. can get). Super-resolution may be applied to those that have undergone beam forming (including aperture synthesis), or super-resolution to those that have not been subjected to receive beam forming or that have not been subjected to beam forming at all (transmission / reception signals for aperture synthesis). Beam forming may be performed after image processing.
また、変位(ベクトル)計測においては、変位成分を高精度化させるためには、その変位成分方向の周波数を高くすればよい。高分解能化も要する場合には広帯域化する必要がある。例えば、低周波スペクトルを捨てて高周波化し、変位計測を高精度化させることができる。計算量も低減できる。複数の波動又はビームを物理的に生成する場合や、信号処理によりスペクトルを分割して複数の波動又はビームを生成することもあり、over-determinedシステムを構成して、高精度な変位計測等が行われることもある(ビームフォーミング前の角スペクトルを分割すると各々にビームフォーミングを行うこととなり、ビームフォーミング後に分割した方が良いことが多い)。イメージングには、包絡線検波や二乗検波、絶対値検波が施されるが、検波後の複数の波動又はビームを重ね合わせることにより、スッペクルを低減でき、鏡面反射を強調させることができる。 Further, in displacement (vector) measurement, in order to increase the accuracy of the displacement component, the frequency in the direction of the displacement component may be increased. When higher resolution is required, it is necessary to increase the bandwidth. For example, the low-frequency spectrum can be discarded to increase the frequency, and the displacement measurement can be made highly accurate. The calculation amount can also be reduced. When a plurality of waves or beams are physically generated or a spectrum is divided by signal processing to generate a plurality of waves or beams, an over-determined system is configured to perform highly accurate displacement measurement, etc. (It is often better to divide the beam after beam forming if the angular spectrum before beam forming is divided and beam forming is performed for each). For imaging, envelope detection, square detection, and absolute value detection are performed. By overlapping a plurality of waves or beams after detection, speckles can be reduced and specular reflection can be enhanced.
尚、これらの処理は、超音波を用いるときや医療においてのみならず、電磁波が使用される場合や様々な分野においても、同様に実施可能である。例えば、超音波を用いて可聴音波を観測する(つまり、ドプラ効果)、電磁波や光を用いて音波や熱波を観測する、又、それらを用いて地震波を観測すること等が可能であり、連動して、関連する物性(分布)を観測することも可能である。 Note that these processes can be similarly performed not only in the case of using ultrasonic waves and in medical treatment, but also in the case of using electromagnetic waves and in various fields. For example, it is possible to observe audible sound waves using ultrasonic waves (that is, Doppler effect), observe sound waves and heat waves using electromagnetic waves and light, and observe seismic waves using them. In conjunction with this, it is also possible to observe related physical properties (distribution).
トランスデューサには接触型と非接触型があり、その都度、整合材を介す(超音波の場合には、ジェルや水等)、又は、予め整合材がトランスデューサに組み込んであるもの(超音波の場合には、整合層)を使用し、計測体対象に対して各波動のインピーダンスマッチングが適切に行われている状態で使用される。パワーや搬送周波数、帯域(広帯域又は狭帯域化、軸方向の空間分解能を決める)、波形の形状、素子の大きさ(横方向の空間分解能を決める)、指向性等が、開口素子レベルとアレイ性能の両面において設計されたものが使用される(詳細は略)。超音波トランスデューサとして、PZTやPVDFが積層されて、送信音響パワーと広帯域性の両者を兼ね備えたもの等、複合的なものもある。 There are two types of transducers: contact type and non-contact type. Each time, an alignment material is used (in the case of ultrasonic waves, gel, water, etc.), or an alignment material is previously incorporated in the transducer (ultrasonic wave). In this case, the matching layer is used, and the impedance matching of each wave is appropriately performed on the object to be measured. Aperture element level and array include power, carrier frequency, bandwidth (determines broadband or narrow bandwidth, axial spatial resolution), waveform shape, element size (determines lateral spatial resolution), directivity, etc. Those designed in both aspects of performance are used (details omitted). As ultrasonic transducers, there are composite ones such as those in which PZT and PVDF are laminated and have both transmission acoustic power and broadband characteristics.
駆動信号によって強制振動させる場合においては、その駆動信号により、生成される超音波の周波数や帯域が調整されたり、符号化されることもある(受信に関しては、トランスデューサの帯域内の信号に対して、アナログ又はデジタルのフィルタを用いて帯域を選択することもある)。周波数や感度等の特性の異なる開口素子が並べられている場合もある。医療用超音波トランスデューサは、元より、それらは、ハンディーであり、使い勝手がよいものであったが、最近では、ノンケーブル型のトランスデューサが、ハンディーサイズの装置本体と共に使用される様になった。周波数の低い音(例えば、可聴音)であれば、スピーカーやマイクロフォンがある。他の波動のトランスデューサも同様な観点で実現されることがあるが、その限りではない。 In the case of forced oscillation by the drive signal, the frequency and band of the generated ultrasonic wave may be adjusted or encoded by the drive signal (with respect to reception, the signal in the transducer band Or band selection using analog or digital filters). In some cases, aperture elements having different characteristics such as frequency and sensitivity are arranged. Medical ultrasonic transducers were originally handy and easy to use, but recently, non-cable type transducers have been used with handy size device bodies. If the sound has a low frequency (for example, an audible sound), there are a speaker and a microphone. Other wave transducers may be realized from a similar point of view, but are not limited thereto.
あるいは、トランスデューサ10として、任意波動を生成する送信用トランスデューサと、トランスデューサ20として、任意波動を受信する受信用トランスデューサ(センサー)とが用いられても良い。その場合に、送信用トランスデューサは、任意波動を計測対象に送信すると共に、センサーは、計測対象内において反射された反射波又は後方散乱された散乱波、又は、計測対象内を透過した透過波や屈折波、前方散乱等を受信することができる。 Alternatively, the transducer 10 may be a transmission transducer that generates an arbitrary wave, and the transducer 20 may be a reception transducer (sensor) that receives the arbitrary wave. In that case, the transmitting transducer transmits an arbitrary wave to the measurement target, and the sensor reflects the reflected wave or the back-scattered wave reflected in the measurement target, or the transmitted wave transmitted through the measurement target or the like. Refractive waves, forward scattering, etc. can be received.
例えば、任意波動が熱波である場合に、太陽光や照明、生体内の代謝等の故意に生じさせることのない熱源が使用されることもあるが、赤外加温器やヒータ―等の比較的定常なものや、また、駆動信号に従って制御されることが多い加熱用の超音波を送信する超音波トランスデューサ(計測対象内に力源を生成することもある)や電磁波トランスデューサ、レーザー等も使用される。また、熱波を受信して受信信号を生成する赤外線センサー、焦電センサー、マイクロ波やテラヘルツ波の検出器、光ファイバー等の温度センサー、超音波トランスデューサ(超音波の音速や体積変化等の温度依存性を用いて温度変化を検出)、又は、核磁気共鳴信号検出器(核磁気共鳴のケミカルシフトを用いて温度を検出)を用いることができる。各波動に関し、適切に受信できるトランスデューサが使用される。 For example, when an arbitrary wave is a heat wave, a heat source that is not intentionally generated such as sunlight, lighting, or metabolism in the living body may be used, but an infrared heater, heater, etc. Ultra-sound transducers that transmit heating ultrasonic waves that are often controlled according to drive signals (sometimes generating a force source in the measurement target), electromagnetic wave transducers, lasers, etc. used. Infrared sensors that receive heat waves and generate received signals, pyroelectric sensors, microwave and terahertz wave detectors, temperature sensors such as optical fibers, and ultrasonic transducers (temperature dependence such as ultrasonic sound velocity and volume change) The temperature change can be detected by using a magnetic property) or a nuclear magnetic resonance signal detector (temperature can be detected by using a chemical shift of nuclear magnetic resonance). For each wave, a transducer that can receive properly is used.
光学デジタルカメラやマンモグラフィーには、CCD(電荷結合素子)技術が使用されており、集積回路とセンサー本体とが一体となっている場合がある。また、超音波2次元アレイにおいても、同技術が応用されており、実時間の3次元イメージングが可能になっている。X線の検出には、シンチレータとフォトカプラの組み合わせが使用されるが、波動として観測できる様になって久しい。高周波信号をデジタル信号として取り込むに当たり、前処理にアナログ的に検波又は変調を行い、低周波数にしてAD変換してメモリや記憶装置(記憶媒体)に格納することは有効である。時には、デジタル検波されることもある。これらが、送信器や受信器と共に、チップや基板によって一体化されることがある。 Optical digital cameras and mammography use CCD (charge coupled device) technology, and an integrated circuit and a sensor body may be integrated. The same technology is also applied to an ultrasonic two-dimensional array, and real-time three-dimensional imaging is possible. A combination of scintillator and photocoupler is used for X-ray detection, but it has been a long time since it can be observed as a wave. In capturing a high-frequency signal as a digital signal, it is effective to perform analog detection or modulation for pre-processing, and to perform AD conversion at a low frequency and store it in a memory or a storage device (storage medium). Sometimes digital detection is performed. These may be integrated by a chip or a substrate together with a transmitter and a receiver.
その他、例えば、陸地の離れた位置にレーダーがある場合等の様に、各開口がアレイを構成している場合もあるし、その限りではない場合もある。開口が機械的に走査されて、広い指向性が得られることもある。開口が、空間的に連続的に高密度に、また、離れた位置において空間的に疎に、また、等間隔に等の、ある規則性の下に、また、物理的な制約下において変則的に、設置されることもある。その他、海洋中や建物、又は、屋内等のように、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察位置に対して位置が固定されている場合もある。それらは波動の送信又は受信の専用開口であることがある。また、各開口が両者を兼ねることもあるが、自ら送信した波動の応答を受信するのみとは限らず、他の開口の送信した波動を受信することもある。医療や生物の観察においては、光音響(Photoacoustic)と称されて、レーザー照射により生成される超音波が観測されることもある(複数の波動のトランスデューサが一体化されていることもある)。本発明によれば、超音波診断装置とOCTの併用によるPhotoacousticsを、例えば、動脈と静脈の区別のみならず、各々における血流速度の計測を行うこともできる(超解像を実施することもできる)。また、病変に親和性のある磁性体を造影剤として静脈注射し、患部に超音波等の振動を与え、電磁波を観測することもできる。電波を使用して様々な移動体と通信することもある。 In addition, for example, each aperture may form an array, such as when a radar is located at a remote location on land, and there are cases where the aperture is not limited thereto. The aperture may be scanned mechanically to obtain a wide directivity. Openings are irregular in a spatially continuous high density, spatially sparse at distant locations, at regular intervals, etc., and under physical constraints In some cases, it is installed. In addition, the position may be fixed with respect to the object (communication object) to propagate the wave and the observation position, such as in the ocean, in a building, or indoors. They may be dedicated openings for wave transmission or reception. In addition, each opening may serve as both, but it does not necessarily receive a response of a wave transmitted by itself, and may receive a wave transmitted by another opening. In medical and biological observations, it is called photoacoustic, and ultrasonic waves generated by laser irradiation are sometimes observed (a plurality of wave transducers may be integrated). According to the present invention, for example, photoacoustics using an ultrasonic diagnostic apparatus and OCT can be measured not only for distinguishing between arteries and veins but also for measuring blood flow velocity in each (super-resolution can also be performed). it can). In addition, a magnetic substance having affinity for a lesion can be intravenously injected as a contrast medium, and vibrations such as ultrasonic waves can be applied to the affected area to observe electromagnetic waves. It may communicate with various mobile objects using radio waves.
地震波(地震計)や脳磁(SQUIDアレイ)、脳波、心電、神経回路網(電極アレイ)、電波(アンテナ)、レーダー等のパッシブな観測に使用されるトランスデューサ(アレイ)にも、様々なものがあり、波動源の観測に使用されることがある。到来する波動の伝搬方向を多次元スペクトル解析に基づいて求めたり(本願の発明者の過去の業績)、さらに、本願発明の装置においては、異なる位置に備えられた複数のトランスデューサ又は受信有効開口を使用して、伝搬時間に関する情報が得られない場合(通常、複数位置において波動が観測された時間から波動源の位置等を割り出す)においても、幾何学的に波動源の位置等を割り出すことが可能である。波動がパルス波やバースト波ではなく、連続波でも観測できる。如何なる処理を通じてでも、波動の到来方向がわかった場合において、その方向に、各種ビームをステアリング及びフォーカシングを行い、詳細に観測することも行える。それらの処理において、常に、可能性の高い方向を重点的に、ステアリング角度を変えながら受信ビームフォーミングを行って、得られる像又は結像、空間分解能、コントラスト、信号強度等を観測する、又は、多次元スペクトル解析を通じ、波源の方向を特定することもできる。従って、本願発明の装置で使用されるトランスデューサには、ステアリングにも使用され、電子走査、機械走査、又は、両走査を行う機構が備えられている場合もある。 Various transducers (arrays) used for passive observations such as seismic waves (seismic meters), magnetoencephalograms (SQUID arrays), brain waves, electrocardiograms, neural networks (electrode arrays), radio waves (antennas), radars, etc. Some of them are used to observe wave sources. The propagation direction of the arriving wave is obtained based on multidimensional spectral analysis (the past achievements of the inventor of the present application). Further, in the apparatus of the present invention, a plurality of transducers or reception effective apertures provided at different positions are obtained. It is possible to geometrically determine the position of the wave source even when the information about the propagation time is not obtained (usually, the position of the wave source is determined from the time when the waves are observed at a plurality of positions). Is possible. Waves can be observed with continuous waves instead of pulse waves and burst waves. Through any process, when the direction of arrival of the wave is known, various beams can be steered and focused in that direction for detailed observation. In those processes, receive beamforming is always performed while changing the steering angle, focusing on the likely direction, and the resulting image or imaging, spatial resolution, contrast, signal strength, etc. are observed, or The direction of the wave source can also be specified through multidimensional spectral analysis. Therefore, the transducer used in the apparatus of the present invention is also used for steering and may be provided with a mechanism for performing electronic scanning, mechanical scanning, or both scanning.
本願発明の有効性を実証できるトランスデューサとして、比較的に身近である典型的なトランスデューサや、特殊なものを幾つか列挙したが、本願発明において使用されるものとしては、応用を含めて、それらに限られるものではなく、電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動を生成又は受信できる様々なものを使用できる。 As transducers that can demonstrate the effectiveness of the present invention, some typical transducers that are relatively familiar and special ones are listed, but those used in the present invention include those including applications. The present invention is not limited, and various types that can generate or receive electromagnetic waves, light, dynamic vibrations, sound waves, or arbitrary waves such as heat waves can be used.
<ビームフォーミング>
同時、又は、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察対象の状態が同一又は略同一である同時相、又は、別の時刻若しくは別の時相において、各開口において、1つ以上のビームフォーミング、又は、送信若しくは受信が行われることもある。また、同様にして、開口の1つの組み合わせで、1つ以上のビームフォーミング、又は、送信若しくは受信が行われることもある。また、同様にして、開口の複数の組み合わせの各々が、1つ以上のビームフォーミング、又は、送信若しくは受信を行うこともある。また、それらにおいて、ビームフォーミングや受信の結果が複数得られる場合を含め、それらを用いた線形又は非線形の演算を通じて新たなデータが生成されることもある。処理される受信信号が、元々より重なっているときと重ねて処理するときがある。
<Beam forming>
One or more beam forming at each aperture at the same time, or at the same time or at the same time, or at the same time or in the same state of the object to be propagated (communication object) or observation object Alternatively, transmission or reception may be performed. Similarly, one or more beamforming or transmission or reception may be performed with one combination of apertures. Similarly, each of a plurality of combinations of apertures may perform one or more beamforming, transmission, or reception. In these cases, new data may be generated through linear or non-linear calculations using them, including cases where a plurality of beamforming and reception results are obtained. There are cases where the received signals to be processed are overlapped with each other and are processed in an overlapping manner.
また、例えば、衛星や飛行機に搭載のレーダー等の様に空間的に移動するものにおいては、搭載される開口がアレイを構成している場合もあれば、そうでない場合もあり、また、機械走査されて広い指向性が得られることもあり、また、空間的に連続的に高密度に、若しくは、離れた位置において空間的に疎に、若しくは、等間隔である等のとある規則性の下、若しくは、必要に応じて変則的に、送信と受信が行われることもある。移動物体は、その他に、車や船、電車、潜水艦、移動ロボット等、様々である。その他、流通されるもの等、生き物等、規則的又は無作為に移動するものである場合もある。そのような場合には、移動可能な通信機が使用される。RFID(Radio Frequency Identification)タグやICカード等が使用されることもある。 Also, for example, in the case of a spatially moving object such as a radar mounted on a satellite or an airplane, the mounted aperture may or may not constitute an array, and mechanical scanning may be performed. In some cases, wide directivity can be obtained, and the regularity such as spatially continuous high density, spatially sparseness at a distant position, or equidistant spacing. Alternatively, transmission and reception may be performed irregularly as necessary. There are various other moving objects such as cars, ships, trains, submarines, and mobile robots. In addition, there are cases where things such as distributed items, creatures, etc. move regularly or randomly. In such a case, a movable communication device is used. An RFID (Radio Frequency Identification) tag, an IC card, or the like may be used.
その際には、古典的な開口面合成(1開口素子毎の送信に基づく開口面合成)が行われるだけでなく、送信ビームフォーミングを生成しながら、受信ビームフォーミングが行われることもある。また、電子走査を行いながら機械走査が規則的に又は変則的に行われることもあり、空間的に広い範囲に適切に波動を伝搬させたり(通信)、空間的に広い範囲が適切に観察されることもある。無論、多次元アレイを使用することにより、電子走査のみで、空間的に広い範囲に適切に波動を伝搬させたり(通信)、空間的に広い範囲が適切に観察されることもある(物理開口が大きくなるだけでなく、多方向のステアリングも可能になる)。 At that time, not only classical aperture synthesis (aperture synthesis based on transmission for each aperture element) is performed, but reception beamforming may be performed while generating transmission beamforming. In addition, mechanical scanning may be performed regularly or irregularly while electronic scanning is performed. Waves are propagated appropriately over a wide spatial range (communication), and a wide spatial range is appropriately observed. Sometimes. Of course, by using a multi-dimensional array, waves can be appropriately propagated over a wide spatial range (communication) only by electronic scanning, or a wide spatial range can be appropriately observed (physical aperture). Not only increases but also allows multi-directional steering).
搭載される開口は、波動の送信と受信のための両開口を兼ねることもあるが、自ら送信した波動の応答を受信するのみとは限らず、他の任意の開口の送信した波動を受信することもある。また、複数の移動物体が開口を備えている場合もあり、同時、又は、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察対象の状態が同一又は略同一である同時相、又は、別の時刻若しくは別の時相において、各開口において1つ以上のビームフォーミング、又は、送信若しくは受信が行われることもある。 The mounted aperture may serve as both apertures for wave transmission and reception, but not only receive the response of the wave transmitted by itself, but also receive the wave transmitted by any other aperture Sometimes. In addition, a plurality of moving objects may have openings, and at the same time, a simultaneous phase in which the wave propagation target (communication target) and the state of the observation target are the same or substantially the same, or another time or In another time phase, one or more beamforming, or transmission or reception may occur at each aperture.
また、同様にして、開口の1つの組み合わせで1つ以上のビームフォーミング、又は、送信若しくは受信が行われることもある。さらに、同様にして、開口の複数の組み合わせの各々が1つ以上のビームフォーミング、又は、送信若しくは受信を行うこともある。また、それらにおいて、ビームフォーミングや受信の結果が、複数得られる場合を含め、それらを用いた線形又は非線形の演算を通じて新たなデータが生成されることもある。上記において、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察対象に対して、移動物体の開口と固定された開口の組み合わせが使用されることもある。 Similarly, one or more beamforming, transmission, or reception may be performed with one combination of apertures. Further, similarly, each of a plurality of combinations of apertures may perform one or more beam forming, transmission, or reception. Also, in these cases, new data may be generated through linear or non-linear calculations using them, including cases where a plurality of beamforming and reception results are obtained. In the above, a combination of an aperture of a moving object and a fixed aperture may be used for an object (communication object) for propagating a wave or an observation object.
この様に、本実施形態では、複数の送信開口素子10aと複数の受信開口素子20aとが存在し(1つの開口素子が、送信開口素子10aと受信開口素子20aとを兼ねることもある)、アクティブにビームフォーミングが行われる。このアクティブビームフォーミングにおいて、高速フーリエ変換を通じて任意のビームフォーミングを、高速に補間近似を行わずにデジタル処理によって実現することができる。また、実質的に、任意のフォーカシングと任意のステアリングとを、任意開口形状を有するトランスデューサアレイデバイスを用いて実施することができる。 Thus, in the present embodiment, there are a plurality of transmission aperture elements 10a and a plurality of reception aperture elements 20a (one aperture element may serve as both the transmission aperture element 10a and the reception aperture element 20a). Beam forming is actively performed. In this active beam forming, arbitrary beam forming can be realized by digital processing without performing interpolation approximation at high speed through fast Fourier transform. Also, virtually any focusing and any steering can be implemented using a transducer array device having any aperture shape.
送信は、各開口素子の方向を重視するために、一般的に、物理開口素子アレイの形状で決まる直交座標系において行われるが(仮想音源は別途説明する)、本発明の特徴は、最終的な表示座標系において直接的に波動を表す信号を生成するべく、補間近似処理を行うことなく受信デジタルビームフォーミングを行うことが中心であり、派生的に、送信ビームフォーミングにおける座標系において受信デジタルビームフォーミングを行うことにもある。また、仮想源や仮想受信器等が使用されることもあり、物理開口素子アレイの場合と同様にビームフォーミングが行われる。 The transmission is generally performed in an orthogonal coordinate system determined by the shape of the physical aperture element array in order to place importance on the direction of each aperture element (virtual sound source will be described separately). In order to generate a signal directly representing a wave in a simple display coordinate system, it is mainly to perform reception digital beam forming without performing interpolation approximation processing. There is also forming. In addition, a virtual source, a virtual receiver, or the like may be used, and beam forming is performed as in the case of the physical aperture element array.
<送信ユニット>
次に、装置本体30が備える送信ユニット31(図2)について説明する。送信ユニット31は、複数の送信チャンネルの送信器31aを含んでいる。1つのビームフォーミングを行うに当たり使用する開口素子に異なる駆動信号を送るための回線数が送信チャンネル数である。例えば、下記の如く、この送信チャンネルの形態は様々なものがある。各送信開口素子10aにおいて生成される波動の周波数、帯域幅、波形、及び、指向性は、送信開口素子10aと送信ユニット31とで決まる。
<Transmission unit>
Next, the transmission unit 31 (FIG. 2) provided in the apparatus main body 30 will be described. The transmission unit 31 includes a plurality of transmission channel transmitters 31a. The number of transmission channels is the number of lines for sending different drive signals to the aperture elements used for performing one beamforming. For example, as described below, there are various forms of this transmission channel. The frequency, bandwidth, waveform, and directivity of the wave generated in each transmission aperture element 10 a are determined by the transmission aperture element 10 a and the transmission unit 31.
インパルス信号を送信開口素子10aに印加すると、送信開口素子10aの形状(厚みや開口の大きさや形)と材料(超音波素子の代表的なものにシングルクリスタル)とで決まる波動が生成されるが、送信ユニット31において生成されて周波数と帯域幅、波形(符号化されていることもある)を持つ駆動信号で送信開口素子10aを強制的に励起することにより、生成される波動の周波数、帯域幅、波形、指向性が調整される。その生成される駆動信号の特性は、制御ユニット34による制御の下でパラメータとして設定される。使用されるトランスデューサを制御ユニット34が認識して、推奨する設定が自動的に行われることもあるが、入力装置40を用いた設定又は調整も可能である。 When an impulse signal is applied to the transmission aperture element 10a, a wave determined by the shape (thickness and size and shape of the aperture) of the transmission aperture element 10a and the material (single crystal as a typical ultrasonic element) is generated. The frequency and band of a wave generated by forcibly exciting the transmission aperture element 10a with a drive signal generated in the transmission unit 31 and having a frequency, a bandwidth, and a waveform (which may be encoded) The width, waveform, and directivity are adjusted. The characteristics of the generated drive signal are set as parameters under the control of the control unit 34. Although the control unit 34 recognizes the transducer to be used and the recommended setting may be automatically performed, the setting or adjustment using the input device 40 is also possible.
通常、1つのビームフォーミングを行うに当たり、異なるディレイを掛けた駆動信号により複数の開口素子を駆動するために、送信ユニット31はアナログ又はデジタルのディレイパターンを搭載しており、操作者が入力装置40を用いて選択できる送信フォーカス位置やステアリング方向等を実現するディレイパターンが使用されることがある。それらのパターンがプログラマブルであり、目的に応じて、使用するパターンや選択可能なパターンがCD−ROM、フロッピーディスク、又は、MO等の様々な媒体を通じてインストールされることもある。プログラムを起動して入力装置40よりインターラクティブにパターンを選択できる場合もあるし、ディレイ(パターン)値を直接に入力したり、その他、データの記録されたファイルを読み込ませて設定する場合等、様々な場合がある。特に、アナログディレイの場合に、使用するディレイ値がアナログ的又はデジタル的に変更される場合もあるし、ディレイ回路又はパターンそのものが別のものに付け替えられるか別に切り替えられることもある。 Normally, in order to drive a plurality of aperture elements with drive signals multiplied by different delays when performing one beam forming, the transmission unit 31 is equipped with an analog or digital delay pattern, and an operator can input the input device 40. A delay pattern that realizes a transmission focus position, a steering direction, and the like that can be selected using the. These patterns are programmable, and the patterns to be used and selectable patterns may be installed through various media such as a CD-ROM, floppy disk, or MO depending on the purpose. In some cases, a program can be started and a pattern can be selected interactively from the input device 40, a delay (pattern) value can be directly input, or a file in which data is recorded can be read and set. There are cases. In particular, in the case of an analog delay, the delay value to be used may be changed in an analog or digital manner, or the delay circuit or the pattern itself may be replaced with another one or switched.
装置本体30(図2)において、制御ユニット34から複数チャンネルの送信器31aに、対応する送信開口素子10aを駆動する駆動信号(符号化されている場合がある)を生成させる指令信号が伝送される。それらの指令信号は、1フレーム分のビームフォーミングを開始するための指令信号を基に生成されることがある。送信ディレイがデジタルである場合に、例えば、最初に駆動する送信開口素子のための送信器31aに送られる指令信号をトリガーとしてデジタルディレイが掛けられ、各送信器31aに指令信号が送られることがある。デジタルディレイにはデジタル回路のディレイデバイスが使用されることもある。 In the apparatus main body 30 (FIG. 2), a command signal for generating a drive signal (which may be encoded) for driving the corresponding transmission aperture element 10a is transmitted from the control unit 34 to the transmitter 31a of a plurality of channels. The These command signals may be generated based on a command signal for starting beam forming for one frame. When the transmission delay is digital, for example, a digital delay is applied with a command signal sent to the transmitter 31a for the transmission aperture element to be driven first as a trigger, and the command signal is sent to each transmitter 31a. is there. A digital circuit delay device may be used for the digital delay.
また、最初に駆動する素子のために送信器31aにおいて生成された駆動信号そのものにアナログディレイが掛けられ、各開口素子に伝送されることもある。同期を必要としないアナログディレイが使用されるこの場合においては、送信器31aは少なくとも1機で複数の送信開口素子10aを駆動できる。従って、送信アナログディレイは、送信器31aの前後又は内部、又は、制御ユニット34内に設けられ、一方、送信デジタルディレイは、送信器31aの内部又は前、又は、制御ユニット34内に設けられることがある。 In addition, an analog delay may be applied to the drive signal itself generated in the transmitter 31a for the element to be driven first, and transmitted to each aperture element. In this case where an analog delay that does not require synchronization is used, the transmitter 31a can drive a plurality of transmission aperture elements 10a with at least one device. Therefore, the transmission analog delay is provided before and after or inside the transmitter 31a or in the control unit 34, while the transmission digital delay is provided in or before the transmitter 31a or in the control unit 34. There is.
アナログ回路若しくはアナログデバイス、又は、デジタル回路若しくはデジタルデバイスの切り替えにより、パターンが選択されることもあるが、それらのディレイデバイスのディレイが、制御ユニット34による制御の下で変更される場合もあるし、インストールや入力設定等を通じてプログラマブルであることもある。また、制御ユニット34内にディレイデバイスが設けられていることもある。さらに、制御ユニット34が以下の如く計算機等により構成されている場合には、ソフト制御の下でディレイの掛けられた指令信号が制御ユニット34から直接に出力されることもある。 A pattern may be selected by switching between an analog circuit or an analog device, or a digital circuit or a digital device, but the delay of these delay devices may be changed under the control of the control unit 34. It may be programmable through installation, input settings, and the like. In addition, a delay device may be provided in the control unit 34. Further, when the control unit 34 is configured by a computer or the like as described below, a command signal delayed by software control may be directly output from the control unit 34.
制御ユニット34やデジタルディレイは、汎用の計算処理能力を備えるデバイスや計算機、PLD(Programmable Logic Device)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、DSP(Digital Signal Processor)、GPU(Graphical Processing Unit)、若しくは、マイクロプロセッサ等、又は、専用のデジタル回路、若しくは、専用デバイスであっても良い。それらは高性能(マルチコア等)であることが望ましく、アナログデバイスや、AD変換器32b、メモリ32c、及び/又は、送信又は受信ビームフォーミング処理を行うデジタル信号処理ユニット33をも担うことがある。 The control unit 34 and the digital delay are devices and computers having general-purpose calculation processing capability, PLD (Programmable Logic Device), FPGA (Field-Programmable Gate Array), DSP (Digital Signal Processor), GPU (Graphical Processing Unit), or , A microprocessor, etc., or a dedicated digital circuit or a dedicated device. They are desirably high performance (such as multi-core) and may also be responsible for analog devices, AD converter 32b, memory 32c, and / or digital signal processing unit 33 that performs transmit or receive beamforming processing.
また、デバイス間の通信回数や通信線路容量、配線、若しくは、広帯域な無線通信は重要であり、特に、本発明においては、それらの機能デバイスが1つのチップや基板に適切に装着される場合(脱着可能な場合)がある。その他に、1つのチップや基板にそれらが直接的に実装されること(積層を含む)もある。並列処理が行われることもある。デバイスが脱着不可能なものであると、計算機が制御ユニット34も兼ねるときにおいて、通常のプログラム制御の下で得られるセキュリティに比べて格段に高いセキュリティ性能を獲得することもできる。その反面、現行の法律では処理内容の開示が求められることが増えるであろう。 In addition, the number of communication between devices, communication line capacity, wiring, or broadband wireless communication is important. In particular, in the present invention, when these functional devices are appropriately mounted on one chip or substrate ( Detachable). In addition, they may be directly mounted on one chip or substrate (including stacking). Parallel processing may be performed. If the device is non-detachable, when the computer also serves as the control unit 34, it is possible to obtain much higher security performance than security obtained under normal program control. On the other hand, the current law will require more disclosure of processing details.
制御ソフトウェアやディレイ値が直接にコーディング又は入力されるものやインストールされるものもある。デジタルディレイの掛け方はこれらに限られない。送信ディレイにおいてこのデジタルディレイを実施すると、アナログディレイとは異なり、デジタル制御信号を発生するためのクロック周波数で決まる誤差を必ず生じるので、精度の点では送信ディレイはアナログディレイの方が良い。基本的には、コストをかけて高クロック周波数を使用して誤差を低減する。一方、アナログディレイはアナログ的に変更可能であるし、デジタル制御可能なプログラマブルにすることも可能である。しかしながら、デジタルディレイに比べて自由度が低く、コストを下げる場合においては、アナログ回路として搭載されたディレイパターンを切り替えて使用することもある。 Some control software and delay values are coded or input directly, and some are installed. The method of applying the digital delay is not limited to these. When this digital delay is performed in the transmission delay, unlike the analog delay, an error determined by the clock frequency for generating the digital control signal is inevitably generated. Therefore, in terms of accuracy, the transmission delay is preferably the analog delay. Basically, a high clock frequency is used at a cost to reduce errors. On the other hand, the analog delay can be changed in an analog manner, or can be made digitally programmable. However, the degree of freedom is lower than that of a digital delay, and when the cost is reduced, a delay pattern mounted as an analog circuit may be switched and used.
尚、送信アポダイゼーションは、開口素子の駆動信号のエネルギーや時間的に変化する波形(符号化されていることもある)の振幅の時間変化によって行われる。開口素子の駆動信号の波動への変換効率(変換能)の校正データに基づいて、駆動信号が調節される。別の目的で、校正することだけを目的に駆動信号の調節が実施されることもある。制御ユニット34から送信器31aに送られる指令信号は、送信器31aが生成する駆動信号の波形や位相の情報を時系列として表すものであっても良いし、送信器31aが認識して所定の駆動信号を生成できる符号化されたものであっても良いし、有効開口内の駆動する各開口素子の位置に対して所定の駆動信号を生成する送信器31aに単に送信の指令を下すものであっても良い。 Note that the transmission apodization is performed by changing the energy of the driving signal of the aperture element and the time change of the amplitude of a waveform (which may be encoded) that changes with time. The drive signal is adjusted based on the calibration data of the conversion efficiency (convertibility) of the drive signal of the aperture element into the wave. For other purposes, adjustments to the drive signal may be performed solely for calibration purposes. The command signal sent from the control unit 34 to the transmitter 31a may represent the waveform and phase information of the drive signal generated by the transmitter 31a as a time series, or the transmitter 31a recognizes the predetermined signal. It may be an encoded signal that can generate a drive signal, or it simply gives a transmission command to the transmitter 31a that generates a predetermined drive signal for the position of each aperture element to be driven within the effective aperture. There may be.
また、ディレイと同様に、有効開口内の駆動する各開口素子の位置に対して所定の駆動信号を生成する様に送信器31aがプログラマブルであることがあり、様々な形態を取り得る。駆動信号の生成には、電源や増幅器が使用されるが、電力又はエネルギー供給量の異なる電源や増幅度の異なる増幅器が、切り換えられて使用されたり、1つの駆動信号を生成するために同時に使用されたり、また、送信ディレイパターンと同様に上記の如く直接的に設定されたりプログラマブルであることがある。ディレイとアポダーゼーションは、送信ユニット内において、同じか異なる階層レベルにおいて同じか異なる形態で実現されたものが実施されうるものである。 Similarly to the delay, the transmitter 31a may be programmable so as to generate a predetermined drive signal for the position of each aperture element to be driven within the effective aperture, and can take various forms. A power supply or an amplifier is used to generate a drive signal, but power supplies with different power or energy supply amounts or amplifiers with different amplification levels are switched and used simultaneously to generate one drive signal. In addition, as with the transmission delay pattern, it may be set directly or programmable as described above. The delay and the apodization can be implemented in the same or different forms at the same or different hierarchical levels in the transmission unit.
送信有効開口内の開口素子を駆動するための送信チャンネルは、シフトレジスタやマルチプレクサ等のスイッチングデバイスを通じて切り替えられ、別の位置の有効開口が使用されてビームフォーミングを行いながら関心領域が走査されることがある。また、ディレイ素子のディレイ値が可変であるものがあるし、ディレイパターン(ディレイ素子群)が切り換えられることもある。さらに、1つの有効開口において複数方向へのステアリングが行われることもあるし、適宜、開口位置や有効開口幅を変えながら、さらには、複数方向にステアリングが行われることもある。 The transmission channel for driving the aperture element in the transmission effective aperture is switched through a switching device such as a shift register or a multiplexer, and the region of interest is scanned while performing beam forming using the effective aperture at another position. There is. Some delay elements have variable delay values, and delay patterns (delay element groups) may be switched. Further, steering in a plurality of directions may be performed at one effective opening, and further steering may be performed in a plurality of directions while appropriately changing the opening position and the effective opening width.
高圧信号をスイッチングする場合においては、専用のスイッチングデバイスが使用される。また、アポダイゼーション素子のアポダイゼーション値が送信時間方向や開口素子のアレイ方向に可変であるものがあるし、アポダイゼーションパターン(アポダイゼーション素子群)が切り換えられることもあり、開口位置やレンジ方向、又は、ステアリング方向に依存してビーム形状が調整されることがある。詳細には、アポダイゼーション値が零の送信素子はアクティブではなくオフであることを意味し、アポダイゼーションは有効素子のスイッチをも担い、有効開口幅をも決め得るものである(開口素子アレイ方向のアポダイゼーションの関数が矩形(rectangular)窓であればスイッチはオンであり、一定値でないときは重みの掛かったオンである)。 In the case of switching a high voltage signal, a dedicated switching device is used. In some cases, the apodization value of the apodization element is variable in the transmission time direction and the array direction of the aperture element, and the apodization pattern (apodization element group) may be switched, and the aperture position, range direction, or steering direction Depending on the beam shape, the beam shape may be adjusted. Specifically, it means that a transmitting element with zero apodization value is not active and is off, and apodization can also act as a switch for the effective element and can determine the effective aperture width (apodization in the direction of the aperture element array). If the function is a rectangular window, the switch is on. If it is not a constant value, the switch is on).
また、ディレイパターンやアポダイゼーションパターンに関し、装置本体30が複数のパターンを備える場合や、プログラマブルである場合があり、送信対象からの応答や次に説明する受信ユニット32によるビームフォーミングの結果に基づいて、後に説明する装置本体30内のデジタル信号処理ユニット33(図2)において、伝搬過程の媒体における波動の減衰や散乱(前方散乱又は後方散乱等)、透過、反射、屈折、又は、音速の周波数分散や空間分布等が計算され、各開口から送信する波動のディレイや強度、ビームや波面のステアリング方向、アポダイゼーションパターン等が最適化されることがある。 Further, regarding the delay pattern and the apodization pattern, the apparatus main body 30 may be provided with a plurality of patterns or may be programmable. Based on the response from the transmission target and the result of beam forming by the receiving unit 32 described below, In the digital signal processing unit 33 (FIG. 2) in the apparatus main body 30 to be described later, wave attenuation and scattering (forward scattering, back scattering, etc.), transmission, reflection, refraction, or sound velocity frequency dispersion in a propagation medium. And spatial distribution may be calculated, and the delay and intensity of the wave transmitted from each aperture, the steering direction of the beam and wavefront, the apodization pattern, etc. may be optimized.
尚、古典的な開口面合成には、1開口素子による送信において行われるモノスタティック型とマルチスタティック型とがあり、アクティブな送信開口素子10aが、上記の如くして、スイッチング又はアポダイゼーションの下で切り替えられる。全送信素子が送信器31aを含む送信チャンネルを備えている場合もある。開口面合成においては、十分な強度又はエネルギーの波動を生成する必要があり、送信アポダイゼーション関数そのものが必ずしも重要であるとは限らない。実質的には、通常、開口面合成は、整相加算器において受信アポダイゼーションと同時に実施されるし、本発明においては、デジタル信号処理ユニット33において、受信アポダイゼーションと同時に実施されることが多い。以上、本実施形態の代表的な送信ユニットについて説明したが、送信ビームフォーミングの可能なものであれば、任意のものを使用でき、記載されている限りではない。 In addition, in the classical aperture plane synthesis, there are a monostatic type and a multistatic type performed in transmission by a single aperture element, and the active transmission aperture element 10a is subjected to switching or apodization as described above. Can be switched. In some cases, all transmission elements have a transmission channel including the transmitter 31a. In aperture plane synthesis, it is necessary to generate a wave of sufficient intensity or energy, and the transmission apodization function itself is not necessarily important. In practice, the aperture plane synthesis is usually performed simultaneously with reception apodization in the phasing adder, and in the present invention, it is often performed simultaneously with reception apodization in the digital signal processing unit 33. The representative transmission unit of the present embodiment has been described above. However, any transmission unit that can perform transmission beamforming can be used, and is not limited to the description.
<受信ユニット及びデジタル信号処理ユニット>
次に、装置本体30が備える受信ユニット32及びデジタル信号処理ユニット33(図2)について説明する。受信ユニット32は、複数の受信チャンネルの受信器32aと、AD変換器32bと、メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cとを含んでいる。各受信開口素子において生成される受信信号の周波数、帯域幅、波形、指向性は、受信開口素子20aと受信ユニット32で決まる。波動が受信開口に到来すると、受信開口素子20aの形状(厚みや開口の大きさや形)と材料(超音波素子の代表的なものにシングルクリスタル)とで決まる受信信号が生成されるが、受信ユニット32におけるフィルタリング処理(アナログ増幅器が兼ねることもある)により生成される受信信号の周波数と帯域幅、指向性が調整される。その生成される受信信号は、制御ユニット34による制御の下で設定されるフィルタのパラメータ(周波数や帯域幅等の周波数特性)に基づいて実質的に調整される。使用されるトランスデューサを制御ユニット34が認識して、推奨する設定が自動的に行われることもあるが、入力装置40を用いた設定又は調整も可能である。
<Receiving unit and digital signal processing unit>
Next, the receiving unit 32 and the digital signal processing unit 33 (FIG. 2) included in the apparatus main body 30 will be described. The reception unit 32 includes a receiver 32a of a plurality of reception channels, an AD converter 32b, and a memory (or storage device or storage medium) 32c. The frequency, bandwidth, waveform, and directivity of the reception signal generated in each reception aperture element are determined by the reception aperture element 20a and the reception unit 32. When the wave arrives at the reception aperture, a reception signal is generated which is determined by the shape (thickness or size and shape of the aperture) of the reception aperture element 20a and the material (single crystal as a typical ultrasonic element). The frequency, bandwidth, and directivity of the received signal generated by the filtering process in the unit 32 (which may also serve as an analog amplifier) are adjusted. The generated reception signal is substantially adjusted based on filter parameters (frequency characteristics such as frequency and bandwidth) set under the control of the control unit 34. Although the control unit 34 recognizes the transducer to be used and the recommended setting may be automatically performed, the setting or adjustment using the input device 40 is also possible.
通常のデジタル受信ユニット又はデジタル受信装置は、この様な機能を備え、さらに、整相加算機能を備える。即ち、デジタル受信ユニット又はデジタル受信装置におけるDAS処理は、複数の受信信号に整相処理を施して、整相処理が施された複数の受信信号を加算するものである。整相処理としては、複数の受信開口の受信チャンネルにおいて受信信号をAD変換して、基本的には読み書きを高速に行えるメモリ、記憶装置、又は、記憶媒体等に格納し、関心領域内の各関心位置に関して整相するべく、格納先から読み出した受信信号に空間領域において補間近似処理を交えて高速にディレイを掛けるものと、多くの時間を要するが、格納先から読み出した受信信号に周波数領域において複素指数関数を乗ずる位相回転によりナイキスト(Nyquist)定理に基づいてディレイを高精度に掛けるもの(本願の発明者の過去の発明、特許文献6、非特許文献15等)とがある。また、格納先においては、各受信開口の受信信号が受信ディレイに応じた位置に格納される場合もあり、それらの受信信号を読み出して加算したり、又は、それらに上記の処理をさらに施して加算することもある。 A normal digital receiving unit or digital receiving apparatus has such a function, and further has a phasing addition function. That is, the DAS process in the digital reception unit or the digital reception apparatus performs a phasing process on a plurality of reception signals and adds the plurality of reception signals subjected to the phasing process. As the phasing process, the received signals are AD-converted in the reception channels of a plurality of reception apertures, and are basically stored in a memory, a storage device, a storage medium, or the like that can be read and written at high speed. It takes a lot of time to delay the reception signal read from the storage destination by interpolating approximation processing in the spatial domain in order to adjust the phase of interest, but it takes a lot of time. In the present invention, a delay is applied with high accuracy based on the Nyquist theorem by phase rotation multiplied by a complex exponential function (the invention of the present inventor, Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.). In addition, at the storage destination, the reception signals of the respective reception openings may be stored at positions corresponding to the reception delay, and these reception signals are read out and added, or the above processing is further performed on them. May be added.
図4は、整相加算処理を実現する整相加算器を搭載する受信ユニット又は受信装置の典型的な構成とその周辺装置を示すブロック図である。図4に示す受信ユニット(又は受信装置)35は、複数の受信チャンネルの受信器35aと、AD変換器35bと、メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)35cとに加えて、整相加算処理を行う整相加算器35dと、生成されたイメージ信号をデジタル信号処理する他データ生成部35eとを備えている。例えば、他データ生成部35eは、画像表示データを生成したり、高次の計算により、例えば、ドプラ(Doppler)法に基づいて変位を計算したり、温度を計算したり等、対象に対して解析を行う。 FIG. 4 is a block diagram showing a typical configuration of a receiving unit or a receiving apparatus equipped with a phasing adder that realizes a phasing addition process and its peripheral devices. The receiving unit (or receiving device) 35 shown in FIG. 4 performs a phasing addition process in addition to a receiver 35a, an AD converter 35b, and a memory (or storage device or storage medium) 35c of a plurality of receiving channels. A phasing adder 35d to perform and another data generation unit 35e for digitally processing the generated image signal are provided. For example, the other data generation unit 35e generates image display data, calculates a displacement based on the Doppler method, calculates a temperature, and the like by a high-order calculation. Perform analysis.
この整相加算処理を関心領域内の各位置において実施することにより、ダイナミックフォーカシングが行われる。本来、ダイナミックフォーカシングは、有効開口において受信したレンジ方向において使う用語(term)であったが、実のところ、本発明によって実施される受信デジタルビームフォーミングにおいては、その限りではない。図2に示す本発明の実施形態における受信ユニット32は、整相加算(DAS)処理を行う演算過程がその名称の表す上記の演算処理とは異なる高速且つ近似処理を必要としない高精度なデジタルビームフォーミングを行うものである。従って、本発明の実施形態においては、図4に示す整相加算器35dの代わりに、図2に示すデジタル信号処理ユニット33が用いられる。デジタル信号処理ユニット33においては、イメージ信号を基に上記の様な他のデータが生成されることもある。例えば、デジタル信号処理ユニット33は、トランスデューサ20等の受信手段によって生成される受信信号に対してビームフォーミング処理を行って横方向変調を実施することにより、多次元受信信号を生成すると共に、生成された多次元受信信号に対してヒルベルト変換処理を行う。 By performing this phasing addition process at each position in the region of interest, dynamic focusing is performed. Originally, dynamic focusing was a term used in the range direction received at the effective aperture, but in fact, it is not limited to the reception digital beamforming performed by the present invention. The receiving unit 32 in the embodiment of the present invention shown in FIG. 2 is a high-precision digital that does not require high-speed and approximation processing that is different from the above-described calculation processing represented by its name in the calculation process for performing phasing addition (DAS) processing Beam forming is performed. Therefore, in the embodiment of the present invention, the digital signal processing unit 33 shown in FIG. 2 is used instead of the phasing adder 35d shown in FIG. In the digital signal processing unit 33, other data as described above may be generated based on the image signal. For example, the digital signal processing unit 33 performs a beam forming process on the reception signal generated by the reception unit such as the transducer 20 to perform lateral modulation, thereby generating a multidimensional reception signal. Hilbert transform processing is performed on the received multidimensional received signal.
通常の整相加算器も本発明の実施形態におけるデジタル信号処理ユニット33によって同様に実現することが可能であるが、特に、本発明の実施形態における受信ユニット32の特徴は、高速且つ高精度な処理を実現するべく、通常は受信開口素子20aにおいて生成される受信信号をアナログ的な増幅又は減衰によるレベル調整やアナログフィルタリング(プグラマブルであり、制御ユニット34を通じて設定される周波数特性やパラメータ下で動作する)等のアナログデバイスを使用して信号強度の確保やノイズの低減を行うことに加え、アナログ信号処理がデジタル信号処理よりも高速である利点を生かして、必要に応じて線形又は特に非線形のアナログ信号処理を行うデバイスを有効的に使用することを含み、それらの処理を通じて得られた信号をAD変換し、その結果として得られるデジタル信号を読み書きの高速なメモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cに格納する。 A normal phasing adder can be similarly realized by the digital signal processing unit 33 in the embodiment of the present invention. In particular, the feature of the receiving unit 32 in the embodiment of the present invention is high speed and high accuracy. In order to realize the processing, normally, the received signal generated in the receiving aperture element 20a is level-adjusted or analog-filtered by analog amplification or attenuation (programmable and operates under the frequency characteristics and parameters set through the control unit 34. In addition to ensuring signal strength and reducing noise using analog devices such as), the advantage of analog signal processing being faster than digital signal processing is linear or particularly non-linear as required Through the effective use of devices that perform analog signal processing and through those processing The resulting signal is AD converted and stored in the fast memory (or storage device or storage medium) 32c of reading and writing digital signal obtained as a result.
また、搭載されるデジタル信号処理ユニット33として、汎用の計算処理能力を備えるデバイスや計算機、PLD(Programmable Logic Device)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、DSP(Digital Signal Processor)、GPU(Graphical Processing Unit)、若しくは、マイクロプロセッサ等が使用され、又は、専用の計算機や専用のデジタル回路、若しくは、専用デバイスが使用されて、格納されているデジタル信号に対して本発明のデジタルの波動信号処理が施される。 Further, as the digital signal processing unit 33 to be mounted, a device or a computer having general-purpose calculation processing capability, a PLD (Programmable Logic Device), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), a DSP (Digital Signal Processor), a GPU (Graphical Processing). Unit) or a microprocessor or the like, or a dedicated computer, a dedicated digital circuit, or a dedicated device is used, and the digital wave signal processing of the present invention is performed on the stored digital signal. Applied.
それらのアナログデバイスや、AD変換器32b、メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32c、及び、デジタル信号処理ユニット33(マルチコア等)を担うデバイスが高性能であることは重要であるが、デバイス間の通信回数や通信線路容量、配線、若しくは、広帯域な無線通信は重要であり、特に、本発明においては、それらの機能デバイスが1つのチップや基板に適切に装着される場合(脱着可能な場合)があり、その他に、1つのチップや基板にそれらが直接的に実装されること(積層を含む)もある。並列処理が行われることもある。 It is important that these analog devices, AD converter 32b, memory (or storage device or storage medium) 32c, and device responsible for digital signal processing unit 33 (multicore, etc.) have high performance. The number of communications, communication line capacity, wiring, or broadband wireless communication is important. In particular, in the present invention, when these functional devices are properly mounted on a single chip or substrate (when removable) In addition, they may be directly mounted on a single chip or substrate (including stacked layers). Parallel processing may be performed.
デバイスが脱着不可能なものであると、計算機が制御ユニット34も兼ねるときにおいて通常のプログラム制御の下で得られるセキュリティに比べて格段に高いセキュリティ性能を獲得することもできる。その反面、現行の法律では処理内容の開示が求められることが増えるであろう。また、そのデジタル信号処理ユニット33が、他ユニットに指令信号を送りそれらを制御する制御ユニット34を兼ねることもある。 When the device is non-detachable, it is possible to obtain much higher security performance than the security obtained under normal program control when the computer also serves as the control unit 34. On the other hand, the current law will require more disclosure of processing details. The digital signal processing unit 33 may also serve as a control unit 34 that sends command signals to other units and controls them.
本発明に実施される受信ユニット32において、受信トランスデューサ(又は受信センサー)20において生成される受信信号のサンプリング(AD変換)をAD変換器32bに開始させるトリガー信号(即ち、AD変換を開始してメモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cにデジタル信号を格納することを開始する取り込み開始の指令信号)は、通常の受信ユニットにおいて用いられるトリガー信号と同様である。例えば、駆動する送信開口素子10aへの送信信号を送信器31aが生成する様に制御ユニット34が発生するいずれかの指令信号が使用されることがあり、有効開口の複数の受信開口素子20aにおいて受波する場合においては、最初に駆動する素子のための指令信号か、最後に駆動する素子のための指令信号か、又は、別の素子を駆動するための指令信号が使用され、適宜、所定のデジタルディレイを掛けてAD変換が開始されることもある。 In the receiving unit 32 implemented in the present invention, a trigger signal (that is, starting AD conversion) that causes the AD converter 32b to start sampling (AD conversion) of the reception signal generated in the reception transducer (or reception sensor) 20 is performed. The acquisition start command signal (starting to store the digital signal in the memory (or storage device or storage medium) 32c) is the same as the trigger signal used in the normal receiving unit. For example, any command signal generated by the control unit 34 may be used so that the transmitter 31a generates a transmission signal to the transmission aperture element 10a to be driven. When receiving a wave, a command signal for the element to be driven first, a command signal for the element to be driven last, or a command signal for driving another element is used. AD conversion may be started by applying a digital delay.
それらの指令信号は、1フレーム分のビームフォーミングを開始するための指令信号を基に生成されることがある。つまり、送信トリガー信号の発生回数をカウントし、所定の数、又は、適宜、入力装置40等から入力されて設定される等のプログラマブルなパラメータであることのある数に達したことがハードウェア又は制御プログラムにおいて確認されると、新しいフレームの生成を開始する指令信号が発生されることがある。その数は、他パラメータと同様に、CD−ROMやフロッピ―ディスク、又は、MO等の様々な媒体を通じてインストールされることもある。プログラムを起動して入力装置40からインターラクティブに選択できる場合もあるし、数値を直接に入力したり、その他、データの記録されたファイルを読み込ませて設定する場合等、様々な場合がある。その数は、ディップスイッチ等を使用して定めることも可能である。受信ディレイのパターンの数が大きいことが必要とされない場合には、受信信号に対して搭載されたアナログディレイパターンを掛けたものがAD変換されることもある。 These command signals may be generated based on a command signal for starting beam forming for one frame. In other words, the number of occurrences of the transmission trigger signal is counted, and the hardware or the number that has reached a predetermined number or a programmable parameter such as input and set from the input device 40 or the like as appropriate is reached. When confirmed in the control program, a command signal may be generated that initiates the generation of a new frame. The number may be installed through various media such as CD-ROM, floppy disk, or MO, as well as other parameters. There are cases where the program can be started and interactively selected from the input device 40, and there are various cases such as inputting a numerical value directly, or reading and setting a file in which data is recorded. The number can also be determined using a dip switch or the like. When the number of reception delay patterns is not required to be large, a signal obtained by multiplying a received signal by an installed analog delay pattern may be AD converted.
高速に受信ダイナミックフォーカシングを実現するべく、本願の発明者の過去の発明である周波数領域において信号に複素指数関数の積を施してナイキスト(Nyquist)定理に基づく方法を使用せずに通常の高速な受信デジタルディレイを掛けると、AD変換のサンプリング間隔で決まる誤差を生じるため、コストをかけてAD変換器32bのサンプリング周波数を十分に高くするか、又は、高精度なデジタルディレイ(位相回転処理)による低速ビームフォーミングを行うしかなかった。これに対し、本発明によれば、上記の如く、受信信号を同期してデジタルサンプリングすれば、その種の近似誤差を生じることなく、しかも、高速な受信デジタルビームフォーミングを実施することができる。そのような受信デジタルビームフォーミングは、本願の発明者の過去の発明である周波数領域において複素指数関数の積を演算する方法に比べ、格段に高速でもある。 In order to realize high-speed reception dynamic focusing, a normal high-speed operation is performed without using a method based on the Nyquist theorem by applying a product of a complex exponential function to a signal in the frequency domain, which is a past invention of the inventors of the present application. When the reception digital delay is multiplied, an error determined by the AD conversion sampling interval is generated. Therefore, the sampling frequency of the AD converter 32b is sufficiently increased at a high cost, or by a highly accurate digital delay (phase rotation processing). There was no choice but to do low-speed beamforming. On the other hand, according to the present invention, if the received signal is digitally sampled in synchronism as described above, high-speed received digital beamforming can be performed without causing such an approximation error. Such reception digital beamforming is much faster than the method of calculating the product of complex exponential functions in the frequency domain which is the past invention of the inventors of the present application.
本発明においても、通常においても、1つのビームフォーミングを行うに当たり使用する受信開口素子20aにおいて受波した信号を受信ユニット32に送るための回線数が受信チャンネル数である。その点で、受信ユニット32は以下の通りであり、受信チャンネルの形態も様々なものがある。即ち、通常のビームフォーミングを1回行うに当たり、複数の受信開口素子20aにおいて生成される信号に異なるディレイを掛けるべく、受信ユニット32は、上記の如くアナログ又はデジタルのディレイパターンを搭載しており、操作者が入力装置40を用いて選択できる受信フォーカス位置やステアリング方向等を実現するディレイパターンが使用されることがある。 In the present invention as well, normally, the number of channels for transmitting a signal received by the reception aperture element 20a used for performing one beamforming to the reception unit 32 is the number of reception channels. In that respect, the receiving unit 32 is as follows, and there are various types of receiving channels. That is, in order to apply different delays to the signals generated in the plurality of reception aperture elements 20a when performing normal beam forming once, the reception unit 32 is equipped with an analog or digital delay pattern as described above. A delay pattern that realizes a reception focus position, a steering direction, or the like that can be selected by the operator using the input device 40 may be used.
それらのパターンがプログラマブルであり、目的に応じて、使用するパターンや選択可能なパターンがCD−ROMやフロッピ―ディスク、又は、MO等の様々な媒体を通じてインストールされることもある。プログラムを起動して入力装置40よりインターラクティブにパターンを選択できる場合もあるし、ディレイ(パターン)値を直接に入力したり、その他、データの記録されたファイルを読み込ませて設定する場合等、様々な場合がある。特に、アナログディレイの場合には、使用するディレイ値がアナログ的に、又は、デジタル的に変更される場合もあるし、ディレイ回路又はパターンそのものが別のものに付け替えられるか、又は、別に切り替えられることもある。 These patterns are programmable, and patterns to be used and selectable patterns may be installed through various media such as a CD-ROM, floppy disk, or MO depending on the purpose. In some cases, a program can be started and a pattern can be selected interactively from the input device 40, a delay (pattern) value can be directly input, or a file in which data is recorded can be read and set. There are cases. In particular, in the case of analog delay, the delay value to be used may be changed in an analog or digital manner, or the delay circuit or pattern itself may be replaced with another one or switched separately. Sometimes.
また、受信ディレイがデジタルである場合には、各受信チャンネルのメモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cに格納されている受信信号が読み出されて整相(加算)される。本実施形態の装置においては、デジタル信号処理ユニット33においてデジタル受信信号にディレイを掛けるか、デジタル回路のディレイデバイスにデジタル受信信号を通過させるか、又は、AD変換器32b及びメモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cをオンにするための制御ユニット34からの取り込み開始の指令信号にディレイを掛けることができる。従って、デジタルディレイは、AD変換器32bの内部以降であれば任意位置において、又は、制御ユニット34において掛けることができる。 When the reception delay is digital, the reception signal stored in the memory (or storage device or storage medium) 32c of each reception channel is read and phased (added). In the apparatus of this embodiment, the digital signal processing unit 33 delays the digital reception signal, passes the digital reception signal through the delay device of the digital circuit, or the AD converter 32b and the memory (or storage device or It is possible to apply a delay to the command signal to start loading from the control unit 34 for turning on the storage medium 32c. Therefore, the digital delay can be applied at an arbitrary position or in the control unit 34 as long as it is after the inside of the AD converter 32b.
また、アナログディレイの場合には、受信開口素子20aにおいて受信信号を生成した後であれば任意の位置において、又は、制御ユニット34においてディレイを掛けることができる。アナログディレイパターンが使用される場合には、受信器32aは少なくとも1機で複数の開口素子の受信信号を受信できる。従って、受信信号の格納先には、各受信開口の受信信号が受信ディレイに応じた位置に格納されている場合があるし、受信ディレイが全く掛けられていないこともあり、それらを読み出して、デジタル信号処理ユニット33において後述のデジタル波動信号処理が実施されることがある(デジタル信号処理ユニット33は、通常の整相加算処理も実施できることがある)。 In the case of an analog delay, a delay can be applied at an arbitrary position or in the control unit 34 as long as a reception signal is generated in the reception aperture element 20a. When the analog delay pattern is used, the receiver 32a can receive the reception signals of a plurality of aperture elements with at least one device. Therefore, in the storage destination of the reception signal, the reception signal of each reception opening may be stored at a position corresponding to the reception delay, or the reception delay may not be applied at all. The digital signal processing unit 33 may perform digital wave signal processing described later (the digital signal processing unit 33 may also perform normal phasing addition processing).
アナログ回路若しくはアナログデバイス、又は、デジタル回路若しくはデジタルデバイスの切り替えにより、パターンが選択されることもある。また、それらのディレイデバイスのディレイが、制御ユニット34による制御の下で変更される場合や、インストールや入力設定等を通じてプログラマブルであることもある。さらに、制御ユニット34内にディレイデバイスが設けられていることもあり、制御ユニット34が上記の如く計算機等により構成されている場合には、ソフト制御の下でディレイの掛けられた指令信号が制御ユニット34より直接に出力されることもある。 A pattern may be selected by switching between an analog circuit or an analog device, or a digital circuit or a digital device. In addition, the delays of these delay devices may be programmable under the control of the control unit 34, or may be programmable through installation, input settings, or the like. Further, a delay device may be provided in the control unit 34. When the control unit 34 is configured by a computer or the like as described above, a command signal delayed by software control is controlled. It may be output directly from the unit 34.
制御ユニット34やデジタルディレイは、汎用の計算処理能力を備えるデバイスや計算機、PLD、FPGA、DSP、GPU、若しくは、マイクロプロセッサ等、又は、専用のデジタル回路、若しくは、専用デバイスであっても良い。それらは高性能(マルチコア等)であることが望ましく、アナログデバイスや、AD変換器32b、メモリ32c、及び/又は、送信又は受信ビームフォーミング処理を行うデジタル信号処理ユニット33をも担うことがある。 The control unit 34 and the digital delay may be a device or a computer having general-purpose calculation processing capability, a PLD, FPGA, DSP, GPU, or a microprocessor, or a dedicated digital circuit or a dedicated device. They are desirably high performance (such as multi-core) and may also be responsible for analog devices, AD converter 32b, memory 32c, and / or digital signal processing unit 33 that performs transmit or receive beamforming processing.
また、デバイス間の通信回数や通信線路容量、配線、若しくは、広帯域な無線通信は重要であり、特に、本発明においては、それらの機能デバイスが1つのチップや基板に適切に装着される場合(脱着可能な場合)がある。その他に、1つのチップや基板にそれらが直接的に実装されること(積層を含む)もある。並列処理が行われることもある。デバイスが脱着不可能なものであると、計算機が制御ユニット34も兼ねるときにおいて、通常のプログラム制御の下で得られるセキュリティに比べて格段に高いセキュリティ性能を獲得することもできる。その反面、現行の法律では処理内容の開示が求められることが増えるであろう。制御ソフトウェアやディレイ値が、直接にコーディング又は入力されるものや、インストールされるものもある。デジタルディレイの掛け方はこれらに限られない。 In addition, the number of communication between devices, communication line capacity, wiring, or broadband wireless communication is important. In particular, in the present invention, when these functional devices are appropriately mounted on one chip or substrate ( Detachable). In addition, they may be directly mounted on one chip or substrate (including stacking). Parallel processing may be performed. If the device is non-detachable, when the computer also serves as the control unit 34, it is possible to obtain much higher security performance than security obtained under normal program control. On the other hand, the current law will require more disclosure of processing details. Some control software and delay values are directly coded or input, and others are installed. The method of applying the digital delay is not limited to these.
本実施形態においては、装置本体30の制御ユニット34(図2)から送られてくる上記のトリガー信号を基に、AD変換の開始を指令するトリガー信号(指令信号)が、各受信チャンネルのAD変換器32bに供給される。この指令信号に従って、各チャンネルの受信アナログ信号のAD変換及びデジタル化された信号のメモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cへの格納が開始される。送信ユニット31、受信ユニット32、及び、デジタル信号処理ユニット33は、1フレーム分の受信信号が全て格納されるまで、制御ユニット34による制御の下で、送信開口位置や送信有効開口幅、又は、送信ステアリング方向等を変えながら、さらに、波動やビームを送信する毎に受信開口位置や受信有効開口幅、又は、受信ステアリング方向等を変えながら、送信からデジタル信号を格納するまでの処理を繰り返し行い、1フレーム分の受信信号が格納される毎に、その受信信号群に対して本発明において使用されるデジタルの波動信号処理方法、即ち、デジタルビームフォーミング方法を施してコヒーレントな信号を生成する。 In the present embodiment, a trigger signal (command signal) for instructing the start of AD conversion based on the trigger signal sent from the control unit 34 (FIG. 2) of the apparatus body 30 is the AD of each reception channel. It is supplied to the converter 32b. In accordance with this command signal, AD conversion of the received analog signal of each channel and storage of the digitized signal in the memory (or storage device or storage medium) 32c are started. The transmission unit 31, the reception unit 32, and the digital signal processing unit 33 are controlled by the control unit 34 until the reception signal for one frame is completely stored, or the transmission aperture position, the transmission effective aperture width, or While changing the transmission steering direction, etc., every time a wave or beam is transmitted, the process from transmission to storing the digital signal is repeated while changing the reception aperture position, reception effective aperture width, or reception steering direction. Each time a received signal for one frame is stored, a digital wave signal processing method used in the present invention, that is, a digital beam forming method is applied to the received signal group to generate a coherent signal.
従って、本発明における装置が上記のアナログやデジタルのディレイを搭載しているとしても、必ずしも、ビームフォーミングのためのディレイとして使用されるとは限らず、メモリ、記憶装置、又は、記憶媒体を節約して有効に利用すると共にアクセス時間を短縮するべく、受信信号のAD変換及びそれらのメモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cへの格納を開始するタイミングを遅らせるために使用される場合もある。ビームフォーミングにおける受信ディレイは、必ず、デジタル信号処理ユニット33で実施されるデジタル波動信号処理が主であり、本発明において、その節約とアクセス時間の短縮化の意味は大きい。また、送信時に物理的なビームフォーミング(例えば、計算機や専用デバイス等を用いたソフト的なビームフォーミングにおいて行うものとは別の、計算機や専用デバイス等を用いた物理的な処理であって、送信時又は受信時のそのときにおいて行うことのあるフォーカシングやステアリング、アポダイゼーション等の処理)を行わない古典的な開口面合成を行う場合には、送信ディレイは、デジタル波動信号処理において受信ディレイと同一のタイミングで掛けられる。 Therefore, even if the device according to the present invention is equipped with the above-mentioned analog or digital delay, it is not necessarily used as a delay for beam forming, and it saves memory, a storage device, or a storage medium. In order to effectively use the data and shorten the access time, it may be used to delay the timing of starting AD conversion of received signals and storing them in the memory (or storage device or storage medium) 32c. The reception delay in beam forming is always digital wave signal processing performed by the digital signal processing unit 33, and in the present invention, the significance of saving and shortening of access time is significant. Also, physical beam forming at the time of transmission (for example, physical processing using a computer or a dedicated device, which is different from that performed in software beam forming using a computer or a dedicated device). When performing classical aperture synthesis that does not perform focusing, steering, apodization processing, etc. that may be performed at the time of reception or reception, the transmission delay is the same as the reception delay in digital wave signal processing. Multiply with timing.
以上のことから、本発明において、受信ユニット32は、必ず、各受信チャンネルにおいて、独立した、アナログ又はデジタルのディレイ、受信器32a、AD変換器32b、及び、メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cを備え、必要に応じて、アナログ的な増幅又は減衰によるレベル調整やアナログフィルタ、その他のアナログ演算デバイスを備えるものである。即ち、本発明の装置において、受信ディレイによってこのデジタルディレイを実施するに当たり、ビームフォーミングのためのディレイを掛けない限りは、アナログディレイと同じく、クロック周波数に依存する様な誤差は生じない。 From the above, in the present invention, the receiving unit 32 always has an independent analog or digital delay, receiver 32a, AD converter 32b, and memory (or storage device or storage medium) in each reception channel. 32c, and if necessary, level adjustment by analog amplification or attenuation, an analog filter, and other analog arithmetic devices. That is, in the apparatus of the present invention, when this digital delay is performed by the reception delay, an error that depends on the clock frequency does not occur as in the case of the analog delay unless a delay for beam forming is applied.
つまり、送信のデジタルディレイではクロック周波数で決まる誤差を必ず生じるため、コストをかけて高クロック周波数を使用して誤差を低減する必要があるが、受信のデジタルディレイではその様なことは必要がない。受信ディレイにデジタルディレイを使用すると、精度を低下させることなく、また、ディレイパターンの設定の自由度も高く、送信ディレイにアナログディレイを使用すると、精度が良く、クロック周波数を低くできる。アナログディレイは、アナログ的に変更可能であるし、デジタル制御可能なプログラマブルにすることも可能である。しかしながら、アナログディレイは、デジタルディレイに比べて自由度が低く、コストを下げる場合においては、アナログ回路として搭載されたディレイパターンを切り替えて使用するか、適切なものに付け替えて使用することもある。送信ディレイパターンの設定に高い自由度を要する場合には、高クロックでデジタルディレイを稼働させることが必要となる。 In other words, an error that depends on the clock frequency always occurs in the digital delay of transmission, so it is necessary to reduce the error by using a high clock frequency at a high cost, but that is not necessary in the digital delay of reception. . If a digital delay is used for the reception delay, the accuracy is not lowered and the freedom of setting the delay pattern is high. If an analog delay is used for the transmission delay, the accuracy is high and the clock frequency can be lowered. The analog delay can be changed in an analog manner or can be made digitally programmable. However, the analog delay has a lower degree of freedom than the digital delay, and when the cost is reduced, the delay pattern mounted as an analog circuit may be used by switching or may be used by replacing it with an appropriate one. When a high degree of freedom is required for setting the transmission delay pattern, it is necessary to operate the digital delay with a high clock.
以下において、本発明のビームフォーミングそのものにより生成されるコヒーレント信号をイメージ信号と称する。受信有効開口素子やそれらの位置は、送信有効開口素子と同様に制御される(詳細については後述する)。尚、このデジタルビームフォーミングは、1フレーム分の受信信号が格納される毎に行われるとは限らず、例えば、有効開口幅やそれ以外の所定数、又は、適宜、入力装置40等から入力されて設定される等のハードウェアのチャンネル数かプログラマブルなパラメータであることのある数の受信信号が格納されたタイミング毎に行われることもある(上記の様に様々な入力手段がある)。また、部分的にビームフォーミングされて生成されるイメージ信号を合成して、1フレームのイメージ信号とすることもある。 Hereinafter, a coherent signal generated by the beam forming itself of the present invention is referred to as an image signal. The reception effective aperture elements and their positions are controlled in the same manner as the transmission effective aperture elements (details will be described later). The digital beam forming is not always performed every time a reception signal for one frame is stored. For example, the digital beam forming is input from the input device 40 or the like as appropriate, for example, an effective aperture width or a predetermined number other than that. The number of hardware channels, such as the number of hardware signals that are set, may be set at every timing when a number of received signals that may be programmable parameters are stored (there are various input means as described above). In addition, an image signal generated by partial beamforming may be combined into an image signal of one frame.
その場合に、走査方向に連続した位置において処理される受信信号がオーバーラップしたものであることがあり、それらの受信信号を合成する際には、単なる重ね合わせが行われる場合(周波数領域で重ね合わせされて逆フーリエ変換されることもある)や、適切に重み付けされて重ね合わせされる場合もあれば、単に接続される場合もある。格納された受信信号の数は、受信信号の取り込みのためのトリガー信号(制御ユニット34から届く指令信号)をカウントしてハードウェア又は制御プログラム内で確認することができるし、上記の通り、1フレーム毎に制御ユニット34が生成する1フレームのデジタル波動信号処理を開始させる指令信号を同様にして確認することができ、適切に1フレームのイメージ信号が連続的に生成される。 In that case, the received signals processed at consecutive positions in the scanning direction may be overlapped. When these received signals are combined, simple overlaying (overlapping in the frequency domain) is performed. May be combined and inverse Fourier transformed), suitably weighted and superimposed, or simply connected. The number of stored reception signals can be confirmed in hardware or a control program by counting a trigger signal (command signal received from the control unit 34) for receiving the reception signal. The command signal for starting the digital wave signal processing of one frame generated by the control unit 34 for each frame can be confirmed in the same manner, and the image signal of one frame is appropriately generated continuously.
実現できる最高のフレームレートは、実施するビームフォーミング形態に依存し、基本的に、波動の伝搬速度で決まるが、実際の応用上においては、1フレームのイメージ信号をデジタル計算するのに要する時間で決まる。従って、上記の部分的にイメージ信号を生成する処理を並列処理により実施することは有用である。また、上記の如く、本願の発明者が過去に開発した多方向開口面合成や、1つの送信ビームに対して複数位置における受信ビームや複数方向の受信ビームを生成すること、また、マルチフォーカスを実施することは有用であり、それらを高速に実施するために、並列処理を行うことは有用である。いずれも、上記の送信と受信を行うことを基礎として、1フレーム分又は部分的にビームフォーミングするための受信信号を格納し、後に詳述する本発明におけるデジタル波動信号処理を実施すれば良い。また、実時間でイメージ信号を生成できない場合には、フレームレートを下げる場合もあるし、オフラインで処理されることもある。 The maximum frame rate that can be achieved depends on the form of beam forming to be performed, and is basically determined by the wave propagation speed. However, in actual applications, it is the time required to digitally calculate one frame of image signal. Determined. Therefore, it is useful to perform the process of generating the image signal partially by parallel processing. In addition, as described above, the inventor of the present application has developed multidirectional aperture surface synthesis, generates a reception beam at a plurality of positions and a reception beam in a plurality of directions for one transmission beam, and performs multifocus. It is useful to implement, and in order to implement them at high speed, it is useful to perform parallel processing. In any case, on the basis of performing the above transmission and reception, a reception signal for beam forming for one frame or a part thereof may be stored, and digital wave signal processing in the present invention described in detail later may be performed. In addition, when the image signal cannot be generated in real time, the frame rate may be lowered or may be processed offline.
尚、受信アポダイゼーションは、各開口素子の受信チャンネルにおいて受信信号に対して重み付けを行うものであり、レンジ方向に関して可変であることがある。アナログ的に可変にすることも不可能ではないが、デジタル的に可変にすることは容易である。通常の受信ユニットにおいては、整相加算を行う際に、各位置や各レンジ位置等において実施され、可変であることが多いが、本発明における装置では、デジタル信号処理ユニット33において実施されることになる。一方、可変でないアポダイゼーションが実施されることは稀であるが、その場合には、開口素子によって生成した受信信号にアナログ的な増幅又は減衰によるレベル調整を行う際にアポダイゼーションが行われる。 The reception apodization weights the reception signal in the reception channel of each aperture element and may be variable with respect to the range direction. It is not impossible to make it variable in analog, but it is easy to make it digitally variable. In a normal receiving unit, when performing phasing addition, it is carried out at each position, each range position, etc. and is often variable, but in the apparatus according to the present invention, it is carried out by the digital signal processing unit 33. become. On the other hand, although it is rare that non-variable apodization is performed, in that case, apodization is performed when performing level adjustment by analog amplification or attenuation on the reception signal generated by the aperture element.
アポダイゼーションとは別の意味であるが、開口素子の駆動信号の波動への変換効率(変換能)の校正データに基づいて、少なくともレベル校正が行われることもあるし、レベル校正と同時にアポダイゼーションも行われることがある。それらの処理を目的にすることもあるし、受信アナログ信号の波形のダイナミックレンジを非線形的に拡大したり圧縮することもあり、各受信チャンネルにおいて、非線形素子等、他のアナログデバイスが使用されることもある。それらの増幅器等を含み、使用されるアナログデバイスがプログラマブルであることもあり、その設定方法は、様々な形態を取り得る。他のパラメータと同様に、各種入力装置を使用して直接的に設定されることもある。通常、ディレイとアポダーゼーションは、受信ユニット32内において、同じか異なる階層レベルにおいて同じか異なる形態で実現されたものが実施されるものであるが、通常は整相加算器において、本発明においてはデジタル信号処理ユニット33において、自由度高く実施され得るものである。 Although it has a different meaning from apodization, at least level calibration may be performed based on calibration data of the conversion efficiency (conversion capability) of the driving signal of the aperture element into a wave, and apodization is also performed at the same time as level calibration. May be. The processing may be aimed at, or the dynamic range of the waveform of the received analog signal may be nonlinearly expanded or compressed, and other analog devices such as nonlinear elements are used in each reception channel. Sometimes. The analog devices used, including those amplifiers and the like, may be programmable, and the setting method may take various forms. Like other parameters, it may be set directly using various input devices. Usually, the delay and the apodization are implemented in the receiving unit 32 in the same or different hierarchical levels in the same or different forms, but usually in a phasing adder, in the present invention. Can be implemented in the digital signal processing unit 33 with a high degree of freedom.
受信有効開口内の各開口素子の受信チャンネルは、シフトレジスタやマルチプレクサ等のスイッチングデバイスを通じて切り替えられ、別の位置の有効開口が使用されてビームフォーミングを行いながら関心領域が走査されることがある。また、ディレイ素子のディレイ値が可変であることがあるし、ディレイパターン(ディレイ素子群)が切り換えられることもある。さらに、1つの有効開口において複数方向へのステアリングが行われることもあるし、適宜、開口位置や有効開口幅を変えながら、さらには、複数方向へステアリングも行われることもあり、単にメモリ、記憶装置、又は、記憶媒体を節約してアクセス時間を短縮することもある。頻繁に使用するデータを、適宜、読み書きの容易な小規模なメモリに格納する効果も大きい。 The reception channel of each aperture element in the reception effective aperture is switched through a switching device such as a shift register or a multiplexer, and the region of interest may be scanned while performing beam forming using the effective aperture at another position. Further, the delay value of the delay element may be variable, and the delay pattern (delay element group) may be switched. Further, steering in a plurality of directions may be performed at one effective opening, and steering may be performed in a plurality of directions while changing the opening position and effective opening width as appropriate. The access time may be shortened by saving the device or the storage medium. The effect of storing frequently used data in a small memory that is easy to read and write as appropriate is also great.
本発明において、その節約とアクセス時間の短縮化の意味は大きい。アポダイゼーションパターンを構成するアポダイゼーション素子群が切り換えられることもある。開口位置やレンジ方向、ステアリング方向に依存してビーム形状が調整されることもある。詳細には、アポダイゼーション値が零の受信素子はアクティブではなくオフであることを意味し、アポダイゼーションは有効素子のスイッチをも担い、有効開口幅をも決め得るものである(開口素子アレイ方向のアポダイゼーションの関数が矩形(rectangular)窓であればスイッチはオンであり、一定値でないときは重みの掛かったオンである)。従って、アポダイゼーション素子は、スイッチと同レベルのものである。 In the present invention, the saving and the shortening of the access time are significant. The apodization element group constituting the apodization pattern may be switched. The beam shape may be adjusted depending on the opening position, the range direction, and the steering direction. In detail, it means that the receiving element with zero apodization value is not active but is off, and the apodization also serves as a switch for the effective element and can determine the effective aperture width (apodization in the direction of the aperture element array). If the function is a rectangular window, the switch is on. If it is not a constant value, the switch is on). Therefore, the apodization element is of the same level as the switch.
また、ディレイパターンやアポダイゼーションパターンが、複数のパターンを備える場合や、プログラマブルである場合に、送信対象からの応答やビームフォーミングの結果に基づいて、装置本体30内のデジタル信号処理ユニット33において、伝搬過程の媒体における波動の減衰や散乱(前方散乱や後方散乱等)、透過、反射、屈折、インピーダンス、又は、音速の周波数分散や空間分布等が計算され、各開口から送信して各開口において受信する波動のディレイや強度、ビームや波面のステアリング方向、又は、アポダイゼーションパターン等が、最適化されることがある。それらの媒体の特性の周波数特性は、パルス波等の送信波動に対して受信波動の瞬時周波数や瞬時位相を用いる代わりに、送信波動の周波数応答で受信波動の周波数応答を各周波数において除することによっても求まり、それに逆フーリエ変換を施して媒体の特性の時空間分布を求めることは有効である。その際、段落0363や段落0371に記載した通り、観測装置(デバイス)内において生じる波形歪分を補正した上で処理することは有効である。除算を用いる超解像の場合と同様に、小さいスペクトル成分で除するとノイズを増強してしまって大きなエラーを生じるため、正則化やウィーナーフィルタ等は有効である。最尤推定も有効であり、MAP(maximum a posteriori)を併用することもある。また、それらを統合・融合することもある。同一箇所のエコーを複数回取得してそれらの処理を行うこともある。また、別の超解像に類似して、周波数応答で除する代わりに周波数応答の共役の乗算が有効であることもある。それらの超解像を含む様々な超解像も本願明細書中に記載されている。上記の瞬時周波数や瞬時位相を用いる場合やその他の様々なイメージング(例えば、基本的な通常のエコーイメージング等の反射法や透過法等も含む)を行う場合にも、観測装置(デバイス)内において生じる波形歪分を補正した上で処理することは有効である。
また、送信波動の周波数応答の代わりに、同一の送信波動を参照物質(簡単なものは不規則な散乱体分布等の媒体の伝搬特性が均質なものや代表位置に設けられた反射体や散乱体等、その他、手の込んだものとしては、周波数依存性のある伝搬速度やインピーダンス、散乱、減衰等、均質な媒体の伝搬中に媒体の特性により生じる波動スペクトルの変化の蓄積を相殺できる様に不均質にしたもの等)に施して得られる受信波動の周波数応答で除したり、最尤推定したり、その周波数応答の共役を掛けることも有効であり、参照物質に対する相対的な特性が求まる(線形システムの応用である)。
上記の計算は、関心領域全体を対象として一度に実施されることもあるし、波動そのものの伝搬特性により表される点拡がり関数の空間的な不均質性に応じて局所的に、又は、局所毎に実施されることもある(前者は計算が簡単である)。後者の局所処理は超解像処理において前例(非特許文献35、36)が有り、参照物質(散乱体の不規則な分布や代表位置の散乱体)を対象にして局所に観測された点拡がり関数の周波数応答を用いて除する事例も有る。その他の超解像処理においても、関心領域全体を対象として一度に実施することや局所毎に実施することは同様に有効である。
In addition, when the delay pattern or the apodization pattern includes a plurality of patterns or is programmable, propagation is performed in the digital signal processing unit 33 in the apparatus main body 30 based on the response from the transmission target or the result of beam forming. Wave attenuation and scattering (forward scattering, backscattering, etc.), transmission, reflection, refraction, impedance, or sound velocity frequency dispersion and spatial distribution in the process medium are calculated, transmitted from each aperture, and received at each aperture The wave delay and intensity, the steering direction of the beam and wavefront, or the apodization pattern may be optimized. Instead of using the instantaneous frequency or instantaneous phase of the received wave for the transmitted wave such as a pulse wave, the frequency characteristic of those media characteristics is to divide the frequency response of the received wave at each frequency by the frequency response of the transmitted wave. It is effective to obtain the spatio-temporal distribution of the characteristics of the medium by applying inverse Fourier transform to it. At that time, as described in paragraphs 0363 and 0371, it is effective to correct the waveform distortion generated in the observation apparatus (device) and perform processing. As in the case of super-resolution using division, regularization, Wiener filtering, and the like are effective because noise is increased and a large error occurs when divided by a small spectral component. Maximum likelihood estimation is also effective, and MAP (maximum a posteriori) may be used in combination. They may also be integrated and fused. In some cases, echoes at the same location are acquired multiple times and processed. Also, similar to another super-resolution, conjugate of frequency response may be effective instead of dividing by frequency response. Various super-resolutions including those super-resolutions are also described herein. Even in the case of using the above instantaneous frequency and phase, and when performing various other imaging (for example, including reflection and transmission methods such as basic normal echo imaging, etc.) in the observation device (device) It is effective to process after correcting the generated waveform distortion.
In addition, instead of the frequency response of the transmitted wave, the same transmitted wave is used as a reference material (the simple one has a uniform propagation characteristic of the medium such as an irregular scatterer distribution, or a reflector or scatter provided at a representative position). For other elaborate things such as the body, it is possible to cancel the accumulation of changes in the wave spectrum caused by the characteristics of the medium during the propagation of a homogeneous medium, such as propagation speed, impedance, scattering, attenuation, etc., with frequency dependence It is also effective to divide by the frequency response of the received wave obtained by applying to the non-homogeneous, etc.), estimate the maximum likelihood, or multiply the conjugate of the frequency response. (It is an application of a linear system).
The above calculation may be performed for the entire region of interest at once, locally or locally depending on the spatial heterogeneity of the point spread function represented by the propagation characteristics of the wave itself. It may be performed every time (the former is easy to calculate). The latter local processing has precedents in super-resolution processing (Non-Patent Documents 35 and 36), and the point spread observed locally for a reference substance (irregular distribution of scatterers or scatterers at representative positions) is targeted. In some cases, the frequency response of the function is used to divide. In the other super-resolution processing, it is equally effective to perform the entire region of interest at once or to be performed locally.
尚、古典的な開口面合成においては、全受信素子が受信器32aを含む受信チャンネルを備えている場合もある。通常、開口面合成は、整相加算器において受信アポダイゼーションと同時に実施されるし、本発明においては、デジタル信号処理ユニット33において、開口面合成が受信アポダイゼーションと同時に実施されることもある。 In classical aperture plane synthesis, all receiving elements may have a receiving channel including the receiver 32a. In general, aperture synthesis is performed simultaneously with reception apodization in the phasing adder. In the present invention, aperture synthesis may be performed simultaneously with reception apodization in the digital signal processing unit 33.
また、上記の送信ユニット31や受信ユニット32においてパラメータとなる超音波周波数や帯域幅、符号、ディレイパターン、アポダイゼーションパターン、信号処理を目的としたアナログデバイス、有効開口幅、フォーカス位置、ステアリング方向、及び、ビームフォーミングを実施する上で必要とする送信と受信の各々の回数等は、ユニット内の各機能デバイスにCD−ROMやDVD、フロッピ―ディスク、又は、MO等の様々な媒体を通じてインストールされることもある。 In addition, the ultrasonic frequency and bandwidth as parameters in the transmission unit 31 and the reception unit 32, code, delay pattern, apodization pattern, analog device for signal processing, effective aperture width, focus position, steering direction, and The number of transmissions and receptions necessary for performing beamforming is installed on each functional device in the unit through various media such as CD-ROM, DVD, floppy disk, or MO. Sometimes.
プログラムを起動して入力装置40からインターラクティブにそれらを選択できる場合もあるし、数値を直接に入力したり、入力装置40の操作パネルでそれらを選択したり、その他、データが記録されたファイルを読み込ませて設定する場合等、様々な場合がある。ディップスイッチ等を使用してそれらを定めることも可能である。ユニットの取り換えや切り替えによる場合もある。また、計測対象を選択したり、使用するトランスデューサを装置に装着すると、それらを認識して、推奨されたパラメータの下で装置が自動的に動作することもある。その後の調整も可能である。また、通常の受信ユニットの機能デバイスを搭載しておくと、適宜、本発明の装置を使用して得られるイメージ画像と、通常の整相加算を通じた特に補間近似を含む処理により得られるイメージ画像とを比較することが可能である。 In some cases, the program can be started to select them interactively from the input device 40, or numerical values can be directly input, they can be selected on the operation panel of the input device 40, or other files in which data is recorded can be selected. There are various cases, such as when reading and setting. It is also possible to define them using a dip switch or the like. It may be due to unit replacement or switching. In addition, when a measurement target is selected or a transducer to be used is attached to the apparatus, the apparatus may be recognized and automatically operate under recommended parameters. Subsequent adjustments are possible. In addition, if a functional device of a normal receiving unit is mounted, an image image obtained by using the apparatus of the present invention and an image image obtained by processing including interpolation interpolation through normal phasing addition as appropriate. Can be compared.
<入力装置>
入力装置40は、例えば、上記の如く各種パラメータ値を設定するために使用される。入力装置40そのものとしては、キーボード、マウス、ボタン、パネルスイッチ、タッチコマンドスクリーン、フットスイッチ、又は、トラックボール等の様々なものがあり、それらに限られるものではない。汎用メモリ、USBメモリ、ハードディスク、フレキシブルディスク、CD−ROM、DVD−ROM、フロッピーディスク、又は、MO等の記憶媒体からオペレーションシステム(OS)やデバイスソフトウェアをインストールしたり、バージョンアップしたり、各種パラメータ値を設定したり、更新したりすることもある。記憶媒体からデータを読み取れる各種デバイスを入力装置40が備えているか、又は、入力装置40がインターフェースを備えて、各種デバイスが必要に応じて装着して使用される。
<Input device>
The input device 40 is used, for example, for setting various parameter values as described above. Examples of the input device 40 include, but are not limited to, a keyboard, a mouse, a button, a panel switch, a touch command screen, a foot switch, or a trackball. Install operating system (OS) and device software from a storage medium such as general-purpose memory, USB memory, hard disk, flexible disk, CD-ROM, DVD-ROM, floppy disk, or MO, upgrade, various parameters The value may be set or updated. The input device 40 includes various devices that can read data from the storage medium, or the input device 40 includes an interface, and various devices are mounted and used as necessary.
入力装置40は、本実施形態に係る装置の各種動作モードのパラメータを設定するだけでなく、動作モードの制御や切り替えにも使用される。操作者がヒトである場合には、それらの入力装置40は、いわゆる、マン・マシン・インターフェースにもなるが、必ずしもヒトにより制御されるとは限らない。上記の如く、パラメータ値やデータ、又は、制御信号を、他装置から各種規格及びコネクタを通じて受信して、あるいは、有線又は無線通信(即ち、少なくとも受信機能を持つ通信機器)を通じて受信して、同効果が得られること等もあり、上記の例に限られるものでもない。専用か通常のネットワークが使用されることもある。 The input device 40 is used not only for setting parameters of various operation modes of the device according to the present embodiment, but also for controlling and switching the operation modes. When the operator is a human, the input device 40 can be a so-called man-machine interface, but is not necessarily controlled by a human. As described above, parameter values, data, or control signals are received from other devices through various standards and connectors, or are received through wired or wireless communication (that is, communication devices having at least a reception function). The effect is obtained, and the present invention is not limited to the above example. A dedicated or regular network may be used.
それらの入力されたデータは、装置内部又は外部のメモリ、記憶装置、又は、記憶媒体に格納され、装置内の機能デバイスは、その格納されたデータを参照して動作する。あるいは、装置内の機能デバイスが専用のメモリを搭載している場合には、それにデータが書き込まれて動作設定がソフト的に決められるか、若しくは更新され、又は、ハード的に設定されるか、若しくは変更されることもある。装置内の計算機能が動作して、入力されたデータを基に、時に装置のリソースを勘案し、最適化された設定パラメータが算出されて使用されることもある。動作するモードが指令によって定められることもある。また、計測対象の波動(波動の種類や特徴、強度、周波数、帯域幅、又は、符号等)や、伝搬する対象や媒体(伝搬速度、波動に関わる物性値、減衰、前方散乱、後方散乱、透過、反射、屈折等、又は、それらの周波数分散等)に関する付加情報が与えられ、適切に受信信号がアナログ処理又はデジタル処理されることもある。 The input data is stored in a memory, a storage device, or a storage medium inside or outside the apparatus, and functional devices in the apparatus operate with reference to the stored data. Alternatively, when the functional device in the apparatus is equipped with a dedicated memory, data is written to it and the operation setting is determined by software, updated, or hardware is set, Or it may be changed. In some cases, the calculation function in the apparatus operates, and optimized setting parameters are calculated and used based on the input data, sometimes taking into account the resources of the apparatus. The operating mode may be determined by a command. In addition, the wave to be measured (wave type and characteristics, intensity, frequency, bandwidth, sign, etc.), the object to be propagated and the medium (propagation speed, physical property value related to the wave, attenuation, forward scattering, backscattering, Additional information regarding transmission, reflection, refraction, etc., or their frequency dispersion, etc.) may be provided and the received signal may be appropriately analog or digitally processed.
<出力装置>
出力装置50として代表的なものは表示装置であるが、表示装置は、生成されたイメージ信号を表示するだけでなく、その他、イメージ信号を基に計測された様々な結果を数値やイメージ等として表示するのに使用される。イメージ信号は、計算処理により画像表示又は動画又は静止画のフォーマットに変換(スキャンコンバート)されるが、グラフィックアクセレータが使用されることもある。輝度画像(グレー画像)又はカラー画像が表示され、輝度やカラーの表す意味が目盛り(bar)やロゴ表示されることがある。その他、結果は、鳥瞰図で表示されたり、グラフ表示されることもあるし、結果の表示方法はそれらに限られない。
<Output device>
A typical output device 50 is a display device. The display device not only displays the generated image signal, but also displays various results measured based on the image signal as numerical values, images, and the like. Used to display. The image signal is converted (scan converted) into an image display or moving image or still image format by calculation processing, but a graphic accelerator may be used. A luminance image (gray image) or a color image may be displayed, and the meaning represented by the luminance or color may be displayed on a scale (bar) or logo. In addition, the result may be displayed as a bird's eye view or a graph, and the method of displaying the result is not limited to them.
結果が表示される際には、各動作モードと共に、その動作モードが稼働している際の各種パラメータ値やパターン(名)が適切にロゴ又は文字として同時に表示されることもある。また、操作者又は他の装置から入力される計測対象に関する補足情報や各種のデータが表示されることもある。また、表示装置は、入力装置40を用いて各パラメータ値やパターンを設定する際に使用されるGUI(Graphical User Interface)を表示するために使用されることもあり、また、タッチコマンドスクリーンを使用することにより描出されるイメージの任意位置や任意範囲を指定して拡大表示させたり、各種の数値を表示させたりする際にも使用されて、入力装置40の一端を担うこともある。 When the result is displayed, various parameter values and patterns (names) when the operation mode is operating may be appropriately displayed as a logo or a character together with each operation mode. In addition, supplementary information and various data related to the measurement target input from the operator or another device may be displayed. In addition, the display device may be used to display a GUI (Graphical User Interface) used when setting each parameter value or pattern using the input device 40, and uses a touch command screen. This is also used when an arbitrary position or range of an image to be rendered is designated and displayed in an enlarged manner or various numerical values are displayed, and may serve as one end of the input device 40.
表示装置としては、CRT、液晶、又は、LEDを用いたもの等の様々なものが使用されるが、その他、専用の3次元表示装置等が使用される等、それらに限られない。また、出力データは、直接的にヒトが解釈や読影して使用するものとは限らず、装置本体(計算機)が所定の校正データや計算に基づいて出力データを理解してその結果を表示することもあるし(例えば、受信信号のスペクトル解析から計測対象の組成や構造を理解する等)、出力データが他装置に出力されて他装置で解釈され、さらには同装置(例えば、ロボット等)又は別の装置が出力データを応用することもある。 As the display device, various devices such as a device using a CRT, a liquid crystal, or an LED are used. However, the display device is not limited to such as a dedicated three-dimensional display device. Also, the output data is not necessarily used by human being directly interpreted or interpreted, but the device body (computer) understands the output data based on predetermined calibration data and calculation and displays the result. In some cases (for example, understanding the composition and structure of the measurement object from the spectrum analysis of the received signal), the output data is output to another device and interpreted by the other device, and the same device (for example, a robot). Or another device may apply the output data.
1つの装置が複数種類の波動を受信してイメージ信号を生成し、データマイニングや統合(fusion)等が行われることもあるし、別の装置を使用してその種の処理が行われることもある。生成されたイメージ信号の特徴(強度、周波数、帯域幅、又は、符号等)が解析されることもある。このように、本実施形態に係る装置で得られたデータは、他装置において使用されることがあり、実質的に、少なくとも送信機能を持つ通信機器も出力装置50の1つとなることがある。専用又は通常のネットワークが使用されることもある。 One device may receive a plurality of types of waves to generate image signals, and data mining and fusion may be performed, or another device may be used to perform that type of processing. is there. The characteristics (intensity, frequency, bandwidth, code, etc.) of the generated image signal may be analyzed. As described above, data obtained by the apparatus according to the present embodiment may be used in another apparatus, and a communication device having at least a transmission function may be one of the output apparatuses 50 in practice. A dedicated or regular network may be used.
<記憶装置>
生成されたイメージ信号やイメージ信号を基に計測された様々な結果(数値やイメージ等)は、出力装置50にもなる装置内部又は外部のメモリ、記憶装置、又は、記憶媒体に格納される。ここでは、それらを「記憶装置」として、表示装置から区別する。図2等には、外部記憶装置60も示されている。イメージ信号を格納する際には、動作モードや設定パラメータ値、操作者又は他の装置から入力される対象に関する補足情報、又は、各種のデータが、イメージ信号と共に格納されることがある。記憶装置としては、汎用又は特殊なメモリ、USBメモリ、ハードディスク、フレキシブルディスク、CD−R(W)、DVD−R(W)、ビデオレコーダ、又は、画像データ取り込み装置等が使用されるが、記憶装置はそれらに限られない。記憶装置は、格納するデータ量や書き込みや読み出し時間等を含め、その応用に合わせて適切に使用される。
<Storage device>
The generated image signal and various results (numerical values, images, etc.) measured based on the image signal are stored in a memory, a storage device, or a storage medium inside or outside the device that also becomes the output device 50. Here, they are distinguished from display devices as “storage devices”. An external storage device 60 is also shown in FIG. When storing an image signal, an operation mode, a setting parameter value, supplementary information about an object input from an operator or another device, or various data may be stored together with the image signal. As the storage device, general-purpose or special memory, USB memory, hard disk, flexible disk, CD-R (W), DVD-R (W), video recorder, image data capturing device, or the like is used. The device is not limited to them. The storage device is appropriately used in accordance with the application, including the amount of data to be stored and the time for writing and reading.
過去に格納したイメージ信号やその他のデータを記憶装置から読み出して再生することもあるが、主たるところとしては、記憶装置は、OSやデバイスソフトウェア、又は、設定パラメータが格納されるためのものとして重要である。各機能デバイスが専用の記憶装置を備えていることもある。脱着できる記憶装置は、他の装置で使用されることもある。 Although image signals and other data stored in the past may be read out from the storage device and played back, the main point is that the storage device is important for storing the OS, device software, or setting parameters. It is. Each functional device may have a dedicated storage device. A removable storage device may be used in other devices.
装置本体30は、記憶装置に格納されたイメージ信号を読み出して高次のデジタル信号処理を施し、イメージ信号の再合成(線形処理や非線形処理による周波数変調や広帯域化、又は、マルチフォーカス等々)、イメージ信号の画像処理(超解像や強調、平滑化、分離、抽出、又は、CG化等)、対象の変位や変形、又は、その他の様々な時間変化等々、各種の計測を行い、イメージや計測結果を出力することもあり、それらが表示装置に表示されることもある。 The apparatus main body 30 reads out the image signal stored in the storage device, performs high-order digital signal processing, and re-synthesizes the image signal (frequency modulation or broadening by linear processing or non-linear processing, multi-focus, etc.), Perform various measurements such as image processing of image signals (super-resolution, enhancement, smoothing, separation, extraction, CG conversion, etc.), displacement and deformation of the object, and other various temporal changes, etc. Measurement results may be output and displayed on the display device.
また、それらの格納される計測結果には、波動の減衰や散乱(前方散乱や後方散乱等)、透過、反射、屈折が含まれ、それらが読み出され、イメージ信号を生成する各種パラメータの最適化に使用され、記憶装置に格納されて使用されることもある。最適化は、制御ユニット34又はデジタル信号処理ユニット33に備えられる計算機能により行われる。 The stored measurement results include wave attenuation and scattering (forward scattering, backscattering, etc.), transmission, reflection, and refraction, which are read out and optimized for various parameters that generate image signals. In some cases, it is used for storage and stored in a storage device. The optimization is performed by a calculation function provided in the control unit 34 or the digital signal processing unit 33.
<制御ユニット>
制御ユニット34は、装置全体の動作を制御する。制御ユニット34は、各種計算機や専用デジタル回路等で構成され、デジタル信号処理ユニット33を兼ねることもある。基本的には、制御ユニット34は、入力装置40を介して入力された各種要求に応じて、記憶装置から読み込んだ各種制御プログラムや各種データに基づき、波動の送受信及び波動デジタル信号処理を行ってイメージ信号を生成するように、送信ユニット31、受信ユニット32、及び、デジタル信号処理ユニット33を制御する。
<Control unit>
The control unit 34 controls the operation of the entire apparatus. The control unit 34 is composed of various computers, a dedicated digital circuit, and the like, and may also serve as the digital signal processing unit 33. Basically, the control unit 34 performs wave transmission / reception and wave digital signal processing based on various control programs and various data read from the storage device in response to various requests input via the input device 40. The transmission unit 31, the reception unit 32, and the digital signal processing unit 33 are controlled so as to generate an image signal.
制御ユニット34が専用のデジタル回路で構成されている場合には、パラメータは可変であることもあるが、スイッチングして動作を切り替える場合を含め、決まった動作のみを実現できる場合がある。制御ユニット34として計算機を使用する場合には、バージョンアップを行う場合等を含めて、自由度が高い。制御ユニット34の基本は、送信と受信の開口素子数(各々のチャンネル数)や生成するビーム数、フレーム数(指定せずに停止させない限り動作を継続するものもある)、及び、フレームレート等に応じて、送信ユニット31及び受信ユニット32に繰り返し周波数や送受信位置情報等を提供することで、走査制御とイメージ信号の生成制御を行うことにあるが、上記の各種動作を実現させるべく、そのための制御も行う。また、様々なインターフェースが備えられ、様々なデバイスが連動して使用されることもある。 When the control unit 34 is configured by a dedicated digital circuit, the parameter may be variable, but there may be a case where only a fixed operation can be realized including switching the operation by switching. When a computer is used as the control unit 34, the degree of freedom is high, including when upgrading. The basics of the control unit 34 are the number of transmission and reception aperture elements (the number of each channel), the number of beams to be generated, the number of frames (some operations will continue unless specified and stopped), the frame rate, etc. In response to this, the transmission unit 31 and the reception unit 32 are provided with repetition frequency, transmission / reception position information, and the like to perform scanning control and image signal generation control. Also controls. In addition, various interfaces are provided, and various devices may be used in conjunction with each other.
本実施形態に係る装置は、一般的なネットワークやセンサーネットワーク等のデバイスの1つとして使用されることがあり、ネットワークシステムの制御装置により制御されることがあり、また、ネットワークデバイスを制御する制御装置として使用されることもあり、ローカルに構成されたネットワークを制御する制御装置となることもある。そのためのインターフェースが備えられていることもある。 The apparatus according to the present embodiment may be used as one of devices such as a general network and a sensor network, and may be controlled by a control device of the network system, and control for controlling the network device. It may be used as a device or a control device that controls a locally configured network. An interface for this purpose may be provided.
<ビームフォーミング方法>
次に、図2に示す装置本体30のデジタル信号処理ユニット33において実施される、複数の送受信開口素子(アレイ状になったものを含む)を使用する場合のデジタルフーリエ変換を通じた有用な高速なデジタルビームフォーミング方法について説明する。デジタル信号処理においては、適宜、計算過程において生成される途中データや繰り返し使用するデータが記憶装置や備え付けのメモリに格納されることがあり、また、同時相において複数のイメージ信号を生成する場合においても、記憶装置が効率良く使用される。小規模サイズのメモリが重宝することもある。
<Beam forming method>
Next, useful high-speed through digital Fourier transform in the case of using a plurality of transmission / reception aperture elements (including those in the form of an array) implemented in the digital signal processing unit 33 of the apparatus main body 30 shown in FIG. A digital beam forming method will be described. In digital signal processing, intermediate data generated in the calculation process or data to be used repeatedly may be stored in a storage device or a built-in memory as appropriate, and when generating a plurality of image signals in the same phase. However, the storage device is used efficiently. Small-sized memory may come in handy.
生成されたイメージ信号は、表示装置等の出力装置50に動画又は静止画として表示されたり、ハードディスク等の記録媒体を使用する外部記憶装置60に格納されることもある。尚、デジタル信号処理ユニット33が計算機である場合において、様々な言語を使用でき、アセンブラは有用であるが、特に、C言語やフォートラン(Fortran)等の高級言語プログラムの下で計算機を動作させる場合においては、コンパイル時に最適化や並列処理化を施して、高速な演算を実現することもある。マトラブ(MatLab)や各種の制御ソフトウェア、グラフィックインターフェースを備えたもの等、汎用性のものが使用されることもあるし、特殊なものが使用されることもある。 The generated image signal may be displayed as a moving image or a still image on the output device 50 such as a display device, or may be stored in the external storage device 60 using a recording medium such as a hard disk. In the case where the digital signal processing unit 33 is a computer, various languages can be used and the assembler is useful. In particular, when the computer is operated under a high-level language program such as C language or Fortran. In some cases, optimization and parallel processing are performed at the time of compilation to realize high-speed computation. A general-purpose one such as Matlab, various control software, or a graphic interface may be used, or a special one may be used.
以下においては、一例として、波動が超音波である場合を通じて、本願発明の装置において使用されるビームフォーミング方法について説明する。本実施形態において使用され得るビームフォーミング方法は、次の方法(1)〜(7)であり、方法(7)においては、各種のビームフォーミング法に加えて、デジタル信号処理ユニット33において生成される代表的な観測データについて開示する。 In the following, as an example, a beam forming method used in the apparatus of the present invention will be described through the case where the wave is an ultrasonic wave. The beam forming methods that can be used in the present embodiment are the following methods (1) to (7). In the method (7), in addition to various beam forming methods, the digital signal processing unit 33 generates the beam forming method. Disclose representative observation data.
方法(1)は、送信方向を偏向(ステアリング)する場合を含む平面波の送波及び/又は受信時の受信ビームフォーミングにおいて、フーリエ空間における波数マッチングを行うに当り、これまで必要とされてきた補間近似処理を要さない方法である。方法(1)は、偏向を実施した場合の波数マッチングにおいて、深さ方向と横方向とにおける波数マッチングを、偏向角度の余弦と正弦に関する複素指数関数を分けて受信信号に掛けることによって行う発明を含み、古典的なモノスタティック型の開口面合成と同様に計測結果が高精度化される。さらに、方法(2)として、モノスタティック型開口面合成による偏向ダイナミックフォーカシングの高速デジタル処理を開示する。 Method (1) is an interpolation that has been required so far in performing wave number matching in Fourier space in plane beam transmission and / or reception beamforming at the time of reception including the case where the transmission direction is deflected (steered). This method does not require approximation processing. Method (1) is an invention in which wave number matching in the depth direction and the transverse direction is performed by dividing a complex exponential function related to the cosine and sine of the deflection angle and multiplying the received signal by the wave number matching in the case of performing deflection. In addition, the measurement results are improved in accuracy as in the case of the classical monostatic type aperture plane synthesis. Furthermore, as a method (2), high-speed digital processing of deflection dynamic focusing by monostatic aperture surface synthesis is disclosed.
さらに、方法(3)として、マルチスタティック型開口面合成の高速デジタル処理を開示する。偏向を行うデジタルモノスタティック型開口面合成は、生成されるイメージ信号の多次元スペクトルの重心(中心)又は瞬時周波数が、偏向角度と搬送周波数とを用いて理想的に表されるもの(後述の通り、波数ベクトルが搬送周波数に偏向角度の正弦と余弦をかけたものを成分とする)となる様に、方法(1)と同様に波数マッチングを行うことにより、補間近似を要さずに高精度に実現できる。一方、マルチスタティック型開口面合成は、送信位置に対して複数個存在する受信位置の同一位置において受信したエコー信号を含むエコーデータフレームを受信素子の数だけ生成し、周波数領域において、各々のエコーデータフレームに上記のモノスタティック型のデジタル開口面合成処理を施し、それらの処理結果を重ね合わせたものを逆フーリエ変換して高精度に実現する。結果的に、方法(3)は、受信開口のチャンネル数と等しい回数のデジタル開口面合成処理でエコーデータを生成でき、いわゆる低空間分解能イメージ信号フレームを生成して重ね合わせて高空間分解能イメージ信号フレームを生成する従来のDAS(Delay and Summation)法よりも格段に高速である。 Furthermore, as a method (3), a high-speed digital process of multistatic aperture surface synthesis is disclosed. In the digital monostatic type aperture surface synthesis that performs deflection, the centroid (center) or instantaneous frequency of the multidimensional spectrum of the generated image signal is ideally expressed using the deflection angle and the carrier frequency (described later). As in the method (1), the wave number matching is performed so that the wave vector becomes the component of the carrier frequency multiplied by the sine and cosine of the deflection angle. Can be realized with accuracy. On the other hand, multi-static aperture surface synthesis generates echo data frames including echo signals received at the same position of a plurality of reception positions with respect to the transmission position, as many as the number of receiving elements, and each echo is generated in the frequency domain. The data frame is subjected to the above-mentioned monostatic type digital aperture synthesis processing, and the result of superimposing these processing results is subjected to inverse Fourier transform to achieve high accuracy. As a result, in the method (3), echo data can be generated by digital aperture plane synthesis processing equal to the number of channels of the reception aperture, and so-called low spatial resolution image signal frames are generated and superimposed to generate a high spatial resolution image signal. This is much faster than the conventional DAS (Delay and Summation) method for generating a frame.
ちなみに、DAS法には、整相を空間領域において補間近似処理を交えて受信信号に高速に遅延(delay)を掛けるものと、周波数領域において遅延(delay)を高精度に掛けて実現するもの(本願の発明者の過去の実績)とがあり、空間領域において受信信号を加算(summation)する。前者は、高速であるが精度が低く、後者は、精度が高いが至極低速である。 Incidentally, in the DAS method, phasing is realized by delaying the received signal at high speed with interpolation approximation processing in the spatial domain and by delaying in the frequency domain with high accuracy ( Inventor of the present application, the received signal is summed in the spatial domain. The former has high speed but low accuracy, and the latter has high accuracy but extremely low speed.
方法(4)として、方法(1)や方法(3)のビームフォーミングを基礎として、送信固定フォーカス時におけるデジタルダイナミックフォーカス受信を高精度に行う方法を開示する。方法(5)として、コンベックスやセクタスキャン、又は、IVUSへの応用のために、極座標系において送受信したエコーデータに関してもヤコビ(Jacobi)演算を通じた処理を行い、補間近似処理なしに高精度に表示系のデカルト(Cartesian)座標系において直接的にエコーデータを生成できることを開示する。 As a method (4), a method of performing digital dynamic focus reception at the time of fixed transmission focus with high accuracy based on the beam forming of the method (1) and the method (3) is disclosed. As method (5), echo data transmitted / received in the polar coordinate system is processed through Jacobi calculation for high precision display without interpolation approximation processing, for convex, sector scan, or IVUS applications. Disclose that echo data can be generated directly in the Cartesian coordinate system of the system.
また、方法(6)として、マイグレーション処理においても、本発明を用いて同様に補間近似処理を施さずに高精度に且つ高速に処理できることを開示する。方法(1)〜方法(5)の全てのビームフォーミング処理をマイグレーション処理に基づいて実施できる。最後に、方法(7)として、これらのビームフォーミングを基礎とする応用について開示する。これらにより、フォーカシングとステアリングを基礎とする任意のビームフォーミングを実施できるこことを実証できる。 Further, as a method (6), it is disclosed that migration processing can be performed with high accuracy and high speed without performing interpolation approximation processing in the same manner using the present invention. All the beam forming processes of the method (1) to the method (5) can be performed based on the migration process. Finally, as a method (7), an application based on these beamforming is disclosed. With these, it is possible to demonstrate that any beam forming based on focusing and steering can be performed.
方法(1):平面波送信及び/又は平面波受信のビームフォーミング
(i)平面波送波時のエコー信号(イメージ信号)
図5は、偏向平面波の送波の模式図である。平面波送波とは、リニアアレイ型トランスデューサにおいて全ての素子で同時に超音波を放射し、平面波を放射する方法である。波数がkであり、式(0)によって表される波数ベクトルの平面波を送波したときに(xは走査方向、yは深さ方向であり、受信有効開口素子アレイの位置をy座標の零とするデカルト直交座標系において)、位置(x,y)の音圧場は、式(1)によって表される。
FIG. 5 is a schematic diagram of transmission of a deflected plane wave. Plane wave transmission is a method of emitting a plane wave by radiating ultrasonic waves simultaneously from all elements in a linear array type transducer. When the wave number is k and a plane wave of the wave vector represented by the equation (0) is transmitted (x is the scanning direction, y is the depth direction), the position of the reception effective aperture element array is set to zero in the y coordinate. And the sound pressure field at the position (x, y) is expressed by the equation (1).
ここで、A(k)は、送波したパルスの周波数スペクトルであり、式(2)の関係がある。
深さy = yiに反射係数f(x,yi)の散乱体があるとき、この散乱体からのエコー信号は、式(3)によって表される。
探触子の周波数応答をT(k)とすると、角スペクトルの原理に基づき、深さy = yiからのエコー信号の開口面(y = 0)における角スペクトルは、式(5)によって表される。
従って、それぞれの深さからの角スペクトルを加算することにより、式(6)によって表されるエコー信号の角スペクトルが得られる。
よって、式(7)及び式(8)として波数マッチングを行うことにより、この逆フーリエ変換により、エコー信号(イメージ信号)は、式(9)として表せる。
送信と受信とを逆に考えると、任意の送信ビームフォーミング(例えば、偏向平面波、偏向された固定フォーカシングビーム、開口面合成に基づくステアリングダイナミックフォーカシング、偏向していない波やビーム等、他に様々)を計測対象物に対して行った場合に、計測対象物から到来した波動を偏向角度θ(零度である場合を含む)の平面波として受波した状況を実現できる。この考え方は、これまでに開示されていない。この様に考えると、任意のステアリング角度(零度又は非零度)の任意のビームや任意の波の送信時に、同一又は異なるステアリング角度θ(零度又は非零度)で波動を受信することが可能である。さらに、任意の波動源や、任意の送信有効開口アレイ(例えば、受信有効開口アレイと同一又は受信有効開口アレイとは別の任意形状で任意方向の開口を持つもの、別の位置に存在するもの、又は、同一の物理開口にはあるが異なる位置の有効開口等)から送信される任意の波動を対象にして、受信開口で定める座標系において受信ビームフォーミングを行うことができる。 Considering transmission and reception in reverse, arbitrary transmission beamforming (for example, deflection plane wave, deflected fixed focusing beam, steering dynamic focusing based on aperture synthesis, undeflected wave and beam, etc.) Is performed on the measurement object, it is possible to realize a situation in which the wave arriving from the measurement object is received as a plane wave having a deflection angle θ (including the case of zero degree). This idea has not been disclosed so far. In this way, it is possible to receive a wave at the same or different steering angle θ (zero or non-zero) when transmitting an arbitrary beam or arbitrary wave with an arbitrary steering angle (zero or non-zero). . Furthermore, an arbitrary wave source, an arbitrary transmit effective aperture array (for example, an aperture having the same shape as the receive effective aperture array or having an aperture in an arbitrary direction different from the receive effective aperture array, or existing at a different position) Alternatively, reception beam forming can be performed in a coordinate system defined by the reception aperture for any wave transmitted from the same physical aperture but from an effective aperture at a different position.
尚、平面波の送信時に偏向角度α(零度である場合を含む)にて物理的にステアリングを行って、方法(1)の偏向角度θ(零度である場合を含む)のステアリングをソフト的に施すと、偏向角度(α+θ)(最終的に生成される送信偏向角度はその平均)にて平面波をステアリングしたものとなる。このソフト的なステアリング(偏向角度θ)は、物理的な送信ステアリング(偏向角度α)を補強したり、純粋に平面波送波のステアリングをソフト的に実現するものであると考えることもできるし、平面波で受信ステアリングを行ったものと考えることもできる。 In addition, when the plane wave is transmitted, the steering is physically performed at the deflection angle α (including the case of zero degree), and the steering of the deflection angle θ (including the case of zero degree) of the method (1) is softly performed. Then, the plane wave is steered at the deflection angle (α + θ) (the transmission deflection angle finally generated is an average thereof). This soft steering (deflection angle θ) can be considered to reinforce the physical transmission steering (deflection angle α) or to realize purely plane wave transmission steering in software, It can also be considered that the reception steering is performed with a plane wave.
また、方法(1)において、送信時に、物理的な偏向角度α、又は、ソフト的な偏向角度θ、又は、両偏向角度α+θにて平面波をステアリングし、受信時にステアリング角度φにてダイナミックフォーカシングする場合には、方法(2)に記載のソフト的なステアリングを行えばよく、後述する(最終的に生成される偏向角度は送信偏向角度と受信偏向角度の平均である)。この場合に、そのソフト的なステアリング(偏向角度θ)は、物理的な送信ステアリング(偏向角度α)を補強したり、純粋に平面波送波のステアリングをソフト的に実現するものと考えることもできるし、受信ダイナミックフォーカシング(偏向角度φが零度である場合を含む)に加えてソフト的に平面波で受信ステアリングを行ったものと考えることもできる。 In the method (1), the plane wave is steered at the physical deflection angle α, the soft deflection angle θ, or both the deflection angles α + θ at the time of transmission, and the dynamic focusing is performed at the steering angle φ at the time of reception. In this case, the soft steering described in the method (2) may be performed, which will be described later (the finally generated deflection angle is an average of the transmission deflection angle and the reception deflection angle). In this case, the soft steering (deflection angle θ) can be considered to reinforce the physical transmission steering (deflection angle α) or to realize purely plane wave transmission steering in software. In addition to reception dynamic focusing (including the case where the deflection angle φ is zero degree), it can be considered that reception steering is performed by a plane wave in software.
これらの場合において、ソフト的な送信と受信とを逆に考えることができる。ソフト的な偏向平面波送信(偏向角度が零度である場合を含む)と受信偏向ダイナミックフォーカシング(偏向角度が零度である場合を含む)を入れ替えても処理は同一(等価)である。送信ビームフォーミングされて生成された信号を、物理的に偏向平面波(偏向角度が零度である場合を含む)で受波してビームフォーミングされたものと解釈することも可能である。通常、偏向有り無しに関わらず、物理的に送信ダイナミックフォーカシングを行うことは合理的ではないが、物理的に偏向平面波で受波したものとして解釈することもできる。 In these cases, software transmission and reception can be considered in reverse. The process is the same (equivalent) even if the software deflection plane wave transmission (including the case where the deflection angle is zero degree) and the reception deflection dynamic focusing (including the case where the deflection angle is zero degree) are interchanged. It is also possible to interpret the signal generated by the transmission beamforming as being physically received by a deflected plane wave (including a case where the deflection angle is zero degree) and beamformed. Normally, it is not reasonable to perform transmission dynamic focusing physically with or without deflection, but it can also be interpreted as having been physically received by a deflected plane wave.
また、本法を用いて、任意の送信ビームフォーミング(例えば、偏向平面波、偏向された固定フォーカシングビーム、開口面合成に基づくステアリングダイナミックフォーカシング、偏向していない波やビーム等、他に様々)を実施できる。つまり、送信に平面波を用いた同処理により、物理的にビームフォーミングして生成された任意の波又はビーム(例えば、上記の例等)を扱うことが可能である。つまり、如何なる送信を行った場合でも、受信ビームフォーミング(ダイナミックフォーカシング等)を行える。それも、複数の送信を行った場合において、一度に処理できる。また、送信偏向角度(零度である場合を含む)に加えて、ソフト的に、送信又は受信における、平面波又はダイナミックフォーカシングのステアリング(ステアリング角度は零度である場合を含む)を施すことが可能である(最終的に生成される偏向角度は送信偏向角度と受信偏向角度の平均である)。また、上記の如く、送信と受信を逆に考えることも可能であり、様々な組み合わせのビームフォーミングが可能である。送信と受信の各々においてビームフォーミングを行い、ソフト的に、送受信共に平面波処理されることもある。後述の2次元アレイを用いた3次元ビームフォーミングにおいても同様である。 Also, using this method, arbitrary transmit beamforming (for example, deflection plane waves, deflected fixed focusing beams, steering dynamic focusing based on aperture synthesis, undeflected waves and beams, etc.) it can. That is, by the same processing using a plane wave for transmission, it is possible to handle an arbitrary wave or beam (for example, the above example) generated by physical beam forming. In other words, reception beam forming (such as dynamic focusing) can be performed regardless of what transmission is performed. It can also be processed at a time when a plurality of transmissions are performed. Further, in addition to the transmission deflection angle (including the case of zero degree), it is possible to apply a steering of plane wave or dynamic focusing (including the case where the steering angle is zero degree) in transmission or reception in software. (The finally generated deflection angle is the average of the transmission deflection angle and the reception deflection angle). Further, as described above, transmission and reception can be considered in reverse, and various combinations of beam forming are possible. Beam forming is performed in each of transmission and reception, and both transmission and reception may be subjected to plane wave processing in software. The same applies to three-dimensional beam forming using a two-dimensional array described later.
J.-y. Luらによって開示されている計算方法(非特許文献3、4)は、上記の理論に基づき、まず、受信信号を時間と空間に関して高速2次元フーリエ変換し、R(kx,k)を計算し、次に、式(7)により波数マッチングを行い、高速2次元逆フーリエ変換を行う(段落0354にも記載してある)。波数マッチングは、線形補間近似や最も近傍のデータそのもので近似することを通じて行われており、精度を得るために受信信号をオーバーサンプリングすることが求められる。高次の補間近似が行われることもあるし、sinc関数が用いられることもある。3次元の場合には、同様にして、高速3次元フーリエ変換と高速3次元逆フーリエ変換が用いられる。本発明は、波数マッチングを補間近似することなく行うことを1つの特徴としているが、段落0192〜0196に記載の如くに様々なビームフォーミングに応用する場合において、補間近似処理を行って高速に近似解を求めることがあることも特徴としている。 Based on the above theory, the calculation method disclosed by J.-y. Lu et al. (Non-Patent Documents 3 and 4) first performs fast two-dimensional Fourier transform on the received signal with respect to time and space, and R (k x , k) is calculated, and then wave number matching is performed by equation (7) to perform high-speed two-dimensional inverse Fourier transform (also described in paragraph 0354). Wave number matching is performed through linear interpolation approximation or approximation with the nearest neighbor data itself, and it is required to oversample the received signal in order to obtain accuracy. A high-order interpolation approximation may be performed, or a sinc function may be used. In the case of three dimensions, high-speed three-dimensional Fourier transform and high-speed three-dimensional inverse Fourier transform are similarly used. One feature of the present invention is that wave number matching is performed without interpolation approximation. However, when applied to various beam forming as described in paragraphs 0192 to 0196, interpolation approximation processing is performed to perform approximation at high speed. It is also characterized by finding solutions.
(ii)本発明による平面波の送信及び/又は受信時のエコー信号(イメージ信号)の計算手順
以下に、偏向角度θを有する平面波を送信及び/又は受信する場合について説明する。本発明において、波数のマッチングは、受信信号を空間(横方向)に関してフーリエ変換する前段階で、複素指数関数(式(9a))を掛けて、まず横方向に実施し、深さy方向に関しては、深さy方向に分解能を持たせるべく上記の横方向のマッチング処理を除いた複素指数関数(式(9b))を掛けると同時に、複素指数関数(式(9c))を掛けて行われる。無論、偏向角度θは、非零度だけでなく、零度のときでも使用できる。この処理は、先行技術文献には開示されていない。
図6は、偏向平面波送波時のデジタル信号処理を示すフローチャートである。計算手順は以下の通りである。まず、ステップS11において、式(10)に示すように、受信信号を時間tに関してフーリエ変換する(FFTがよい)。
次に、ステップS12において、偏向のための波数kxに対してマッチング処理を施し、式(10)に式(11)を掛け、ステップS13において、受信信号を横方向xに関してフーリエ変換(FFTがよい)することにより、式(12)が得られる。尚、時間tに関する高速フーリエ変換の結果(10)と複素指数関数(11)の積の計算には、直接に計算結果を生成する専用の高速フーリエ変換が有用である。
この2回のフーリエ変換により、受信信号は平面波成分に分解される。各平面波が任意の深さyに作る角スペクトルは、上記の通り、式(13)を掛けて位相をずらすことで求められる。
さらに、ステップS14において、式(14)を同時に掛けることで波数kyに対してマッチング処理を同時に行う。
ステップS15において、各深さyの角スペクトルを計算する。つまり、式(15)を掛けることにより、式(16)が得られる。
各平面波成分が深さyに作る音圧場は、これを横方向xに関して逆フーリエ変換(IFFT)することにより、式(17)として求まる。
ここで、波数k(又は、周波数)と空間周波数kxの積分は、順序を入れ替えることができる。従って、ステップS16において角スペクトルの波数k成分を足し合わせ、ステップS17において横方向の波数kxに関して逆フーリエ変換(IFFT)を行っても、ステップS18においてイメージ信号が得られる。この場合には、1回の逆フーリエ変換で計算ができ、計算がより高速である。他の方法(1)〜(6)についても同様である。偏向のための波数のマッチングは、式(11)及び式(14)によって行われる。周波数領域において補間近似を通じて波数マッチングする方法(非特許文献3、4)と異なり、本発明は、近似処理を行わないため、高精度に計算できる。
The sound pressure field generated by each plane wave component at the depth y is obtained as an equation (17) by performing an inverse Fourier transform (IFFT) on the lateral direction x.
Here, the integration of the wave number k (or frequency) and the spatial frequency kx can be changed in order. Therefore, adding the wavenumber k component of the angular spectrum in step S16, even if the inverse Fourier transform with respect to the transverse direction of the wave number k x a (IFFT) in step S17, the image signal is obtained in step S18. In this case, calculation can be performed by one inverse Fourier transform, and the calculation is faster. The same applies to the other methods (1) to (6). The wave number matching for deflection is performed by the equations (11) and (14). Unlike the method of performing wave number matching through interpolation approximation in the frequency domain (Non-Patent Documents 3 and 4), the present invention does not perform approximation processing, and therefore can calculate with high accuracy.
また、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である。他の方法(1)〜(6)についても同様である。段落0199に記載の通り、上記の説明に合わせて、フーリエ変換として複素指数関数の核の符号が正である処理を示すが、通常のフーリエ変換と同様に複素指数関数の核の符号を負として計算することも可能である。いずれにせよ、後に計算する逆フーリエ変換においては、必ずその符号が最初のフーリエ変換時とは逆の複素指数関数が使用される(即ち、最初と最後の変換処理は複素指数関数の核の符号が逆であればよく、最初に一般的に言う逆フーリエ変換を実施して最後に一般的に言うフーリエ変換を実施でき、順序は逆でも良い)。まず、最初のフーリエ変換において波数マッチングを共に行う場合には、式(8)を実現すべく、受信信号r(x,y)(ここでは、式(10)と異なり、波動の伝搬時間tの変わりに深さ距離yを用いている)に対して、横方向xのフーリエ変換を式(12)の如くに行うべく式(11)を用いると共に、深さ方向yのフーリエ変換に式(13)と式(14)を用いて表される式(15)を用い、但し、2方向に同時に波数マッチングを施すため、式(15)においてksinθの補正は必要無く、
また、逆に最後の逆フーリエ変換において波数マッチングを共に行う場合には、まず、受信信号r(x,y)に対して2次元フーリエ変換を施してR(kx,k)を得て、最後の逆フーリエ変換において式(8)を実現すべく、横方向xの逆フーリエ変換において式(11)を用いると共に、深さ方向yの逆フーリエ変換に式(13)と式(14)を用いて表される式(15)を用い、但し、2方向に同時に波数マッチングを施すため、式(15)においてksinθの補正は必要無く、イメージ信号は、
また、これらにおいて、波数マッチングの内、式(11)と式(14)の分は、代わりに、それらの複素指数関数を用いて時空間信号にて乗算するkxとkyに関する周波数変調を施して加算しても良い。この場合には、まず、横方向xに1次元の変換を施せば良く、高速変換が有効であり、次に式(13)を用いた1次元処理により深さ方向yの変換と共に波数マッチングを施せば良く、高速化できる。
3次元の場合も同様であり、3次元フーリエ変換と3次元逆フーリエ変換を行えば良い。他の方法(1)〜(6)についても同様である。
In addition, both physically and mathematically, wave number matching can be performed during the first Fourier transform, and wave number matching can be performed during the last inverse Fourier transform. The same applies to the other methods (1) to (6). As described in paragraph 0199, in accordance with the above description, a process in which the core of the complex exponential function is positive as a Fourier transform is shown, but the sign of the complex exponential function is negative as in the normal Fourier transform. It is also possible to calculate. In any case, in the inverse Fourier transform to be calculated later, a complex exponential function whose sign is opposite to that at the time of the first Fourier transform is always used (that is, the first and last transformation processes are the core sign of the complex exponential function). Can be reversed, the first commonly referred inverse Fourier transform can be performed, and the last generally referred Fourier transform can be performed, and the order can be reversed. First, when performing wave number matching together in the first Fourier transform, the received signal r (x, y) (here, unlike the equation (10), the wave propagation time t (Instead, the depth distance y is used), the equation (11) is used to perform the Fourier transformation in the lateral direction x as in the equation (12), and the equation (13) is used for the Fourier transformation in the depth direction y. ) And Expression (15) expressed by using Expression (14), except that ksinθ is not corrected in Expression (15) because wave number matching is simultaneously performed in two directions.
Conversely, when performing wave number matching together in the last inverse Fourier transform, first, R (kx, k) is obtained by performing a two-dimensional Fourier transform on the received signal r (x, y), and finally In order to realize the equation (8) in the inverse Fourier transform, the equation (11) is used in the inverse Fourier transform in the lateral direction x, and the equations (13) and (14) are used in the inverse Fourier transform in the depth direction y. However, since wave number matching is simultaneously performed in two directions, correction of ksinθ is not necessary in Equation (15), and the image signal is
Also, in these, in the wave number matching, the parts of the equations (11) and (14) are instead subjected to frequency modulation relating to kx and ky that are multiplied by the space-time signal using their complex exponential functions. You may add. In this case, first, it is sufficient to perform one-dimensional conversion in the horizontal direction x, and high-speed conversion is effective. It can be done at high speed.
The same applies to the three-dimensional case, and a three-dimensional Fourier transform and a three-dimensional inverse Fourier transform may be performed. The same applies to the other methods (1) to (6).
また、2次元開口素子アレイを用いて、任意方向に位置する波動源から計測対象物に向けて任意の波動が送信されて、計測対象物から到来する波動を平面波として受信して3次元の波動デジタル信号処理を行う場合には、例えば、平坦な受信開口素子アレイの開口の向きによって定まる軸方向y及びこれに直交する横方向x及びzの座標を用いるデカルト直交座標系(x,y,z)において、平面波として受信する方向と軸方向とが成す零度又は非零度の偏向角度が仰角θ及び方位角φを用いて表される場合において、フーリエ変換は深さy方向と横方向xとzに関する3次元フーリエ変換が行われるが、上記の2次元の波動デジタル信号処理を行う場合と同様に、受信信号の3次元フーリエ変換R'(kx,k,kz)に対して、
波数マッチングにおいて補間近似処理をしない場合には、まず、受信信号を軸方向yに関してフーリエ変換したものに波動の波数k及び虚数単位iを用いて表される複素指数関数(C21)を掛けることにより横方向x及びzに関する波数マッチングを行い、
尚、上記の計算においては、送信信号で決まる帯域か、受信信号のSN比を勘案して定められる帯域内の信号成分のみが計算対象となる。例えば、式(10)を基に解析信号を生成する際に、必要な帯域内の信号だけが生成されて格納されることがある(ダウンサンプリングに該当する)。本発明の方法又は装置においては、波数マッチングを行う際に補間近似処理を行わないが、エコー信号を深さ方向や横方向にオーバーサンプリングすることによって、混入するノイズに対して頑強となる効果がある。他の方法(1)〜(6)でも同様である。 In the above calculation, only signal components within the band determined by the transmission signal or within the band determined in consideration of the SN ratio of the reception signal are to be calculated. For example, when generating an analysis signal based on Expression (10), only a signal within a necessary band may be generated and stored (corresponding to downsampling). In the method or apparatus of the present invention, interpolation approximation processing is not performed when performing wave number matching, but by oversampling the echo signal in the depth direction or in the lateral direction, an effect that is robust against mixed noise is obtained. is there. The same applies to the other methods (1) to (6).
また、式(13)〜(15)や式(C22)、式(C23)において、計算する深さy方向の位置座標や範囲、その座標の間隔等を定めることにより、任意の深さ位置や任意の深さ方向の範囲の、又は、深さ方向に任意の間隔や任意の密度の、イメージ信号を補間近似処理を行うことなく生成できる(前段落に記載のダウンサンプリングの有無に関係なしに、アップサンプリングでき、そのダウンサンプリングは、ナイキスト定理が満足される範囲で有効である。但し、故意に、高周波の信号成分を帯域外処理(フィルタリングアウト)することはある。また、前段落に記載のダウンサンプリングの有無に関係なしに、ナイキスト定理が満足される範囲ではダウンサンプリングも可能である)。また、式(17)等の横方向の逆フーリエ変換において、計算する横x方向の位置座標や範囲を定めることにより(必要に応じて、本願の発明者の過去の発明である複素指数関数の乗算を用いた位相回転によるアナログ的な空間のシフティングを施す)、任意の横方向の位置や任意の横方向の範囲のイメージ信号を補間近似処理を行うことなく生成でき、また、同逆フーリエ変換において、高周波帯域の周波数座標を除いて横方向に狭帯域化させたり(空間的に低密度化)、角スペクトルの零詰め処理によって横方向に広帯域化させること(空間的に高密度化)を通じて、横方向に任意の間隔や任意の密度のイメージ信号を、補間近似を行うことなく生成できる。 Further, in the formulas (13) to (15), the formula (C22), and the formula (C23), by determining the position coordinate and range in the depth y direction to be calculated, the interval of the coordinates, etc., an arbitrary depth position or An image signal can be generated within an arbitrary depth range or at an arbitrary interval or an arbitrary density in the depth direction without performing an interpolation approximation process (regardless of the downsampling described in the previous paragraph). Up-sampling is possible, and the down-sampling is effective as long as the Nyquist theorem is satisfied, but the high-frequency signal component may be intentionally processed out of band (filtering out), as described in the previous paragraph. Regardless of whether or not downsampling is performed, downsampling is possible as long as the Nyquist theorem is satisfied). Further, in the inverse Fourier transform in the lateral direction such as the equation (17), by determining the position coordinate and range in the lateral x direction to be calculated (if necessary, the complex exponential function of the past invention of the inventor of the present application is determined. Analog space shifting by phase rotation using multiplication), image signals in any horizontal position and any horizontal range can be generated without performing interpolation approximation processing, and the inverse Fourier In the conversion, the band is narrowed in the horizontal direction excluding frequency coordinates in the high frequency band (spatial density is reduced), or is widened in the horizontal direction by zero padding of the angular spectrum (spatial density is increased). Thus, an image signal having an arbitrary interval or an arbitrary density in the horizontal direction can be generated without performing interpolation approximation.
この様にして、所望する任意の位置や範囲、間隔、密度で、イメージ信号を生成できる。つまり、受信信号のサンプリング間隔よりも短く、また、受信開口素子の間隔よりもピッチの短い間隔で、イメージ信号を生成することもできる。また、各々の方向に関して、イメージ信号の間隔を粗くすることもできる(但し、ナイキスト(Nyquist)定理は満足されなければいけない)。また、2次元の場合(段落0205)と同様に、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である。ステアリングしない場合には、同様に、波数マッチングを伴う変換処理において、最初に横方向のx方向又はz方向に変換処理を実施し、最後に深さ方向yの変換処理を実施でき、高速化できる。また、これらにおいて、波数マッチングの内、式(C21)と式(C23)の分は、代わりに、それらの複素指数関数を用いて時空間信号にて乗算する周波数変調を施して加算しても良い。この場合には、まず、横方向のx又はz方向に1次元の変換を施せば良く、高速変換が有効であり、次に式(C22)を用いて深さ方向yの変換を行うと共に波数マッチングを施せば良く、高速化できる。尚、式(7)と(8)、又は、式(7')と(8')に従って波数マッチングを補間近似を通じて行う場合に高精度化するためには、計算量が増えることを代償に、適切なオーバーサンプリングの下で処理する必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。他の方法(1)〜(6)においても同様である。 In this way, an image signal can be generated at any desired position, range, interval, and density. That is, the image signal can be generated at an interval shorter than the sampling interval of the received signal and at a pitch shorter than the interval between the receiving aperture elements. It is also possible to coarsen the image signal spacing in each direction (however, the Nyquist theorem must be satisfied). Similarly to the two-dimensional case (paragraph 0205), wave number matching can be performed at the first Fourier transform both physically and mathematically, and wave number matching can be performed at the last inverse Fourier transform. Is possible. Similarly, in the case where the steering is not performed, in the conversion process with wave number matching, the conversion process can be performed first in the x direction or the z direction in the horizontal direction, and finally the conversion process in the depth direction y can be performed. . Also, in these, in the wave number matching, the parts of the equations (C21) and (C23) may be added by performing frequency modulation by multiplying them by the space-time signal using their complex exponential function instead. good. In this case, first, it is sufficient to perform one-dimensional conversion in the x or z direction in the horizontal direction, and high-speed conversion is effective. Next, conversion in the depth direction y is performed using equation (C22) and the wave number is converted. Matching can be performed, and the speed can be increased. In addition, in order to increase the accuracy when performing wave number matching through interpolation approximation according to equations (7) and (8) or equations (7 ′) and (8 ′), at the expense of an increase in calculation amount, It needs to be processed under appropriate oversampling. In that case, it is necessary to be careful that the number of data of the Fourier transform increases, unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process is not performed. The same applies to the other methods (1) to (6).
コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUSにおいて、極座標の半径r方向に送信又は受信をして角度θ方向に広い波(円筒波)を生成する場合(図7)や、他の開口形状において、後方に設置する仮想源を用いて同ビームフォーミング(円筒波)を行う場合(図8A(a)〜(c)を参照、特許文献7や非特許文献8等)には、上記の方法において、デカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えて処理をすれば良く、極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することができる。球座標系における球面波に関しても同様である。また、図8B(d)〜(f)に示すが、上記の様な極座標系で表される物理開口素子アレイや任意の開口形状の物理開口を用いて、任意距離位置において、送信又は受信、又は、両者の平面波を生成し、同様にしてビームフォーミングを行うこともある。その距離位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成したことと等価であり、その距離位置を零とすると、仮想的に、リニア型開口アレイを用いた場合に該当する。距離位置は、物理開口の前方以外に、後方にも設定でき、それらの位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成することもできる。仮想的なリニア型開口アレイは、仮想源ではなく、仮想受信器として使用されることもあるし、仮想源を兼ねることもある。 In convex transducers, sector scans, or IVUS, when transmitting or receiving in the radius r direction of polar coordinates to generate a wide wave (cylindrical wave) in the angle θ direction (FIG. 7), or in other aperture shapes, In the case of performing the same beam forming (cylindrical wave) using a virtual source installed at the back (see FIGS. 8A (a) to (c), Patent Document 7, Non-Patent Document 8, etc.), in the above method, The Cartesian coordinates (x, y) can be read and processed as polar coordinates (r, θ), and an image signal can be generated at the polar coordinates (r, θ). The same applies to spherical waves in a spherical coordinate system. 8B (d) to (f), transmission or reception at an arbitrary distance position using a physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or a physical aperture having an arbitrary aperture shape, Alternatively, both plane waves may be generated and beam forming may be performed in the same manner. This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at the distance position. If the distance position is set to zero, this corresponds to a case where a linear aperture array is virtually used. The distance position can be set not only in front of the physical aperture but also in the rear, and a virtual linear aperture array (or plane wave) can be generated at these positions. A virtual linear aperture array may be used as a virtual receiver instead of a virtual source, or may also serve as a virtual source.
図7は、極座標(r,θ)において角度θ方向に広い波を半径r方向に送波又は受波する場合(円筒波送波)の模式図である。図7(a)は、コンベックス型開口素子アレイを用いた円筒波送波を示しており、図7(b)は、セクタ型開口素子アレイを用いた円筒波送波を示しており、図7(c)は、IVUS(円形型)開口素子アレイを用いた円筒波送波を示している。尚、図7(b)には、開口が円弧状のものが示されている、開口が平坦なものが使用されてセクタスキャンが行われることもある。また、これらの開口を使用されて、フォーカスビームが生成されることもある。 FIG. 7 is a schematic diagram of a case where a wide wave in the direction of the angle θ in polar coordinates (r, θ) is transmitted or received in the direction of the radius r (cylindrical wave transmission). 7A shows a cylindrical wave transmission using a convex aperture element array, and FIG. 7B shows a cylindrical wave transmission using a sector type aperture element array. (C) shows a cylindrical wave transmission using an IVUS (circular type) aperture element array. In FIG. 7B, an opening having an arc shape is shown, and a sector having a flat opening may be used to perform sector scanning. These apertures may also be used to generate a focus beam.
図8Aは、任意の開口形状の物理開口の後方に設置された仮想源を用いて極座標系(r,θ)の角度θ方向に広い波を半径r方向に送波する場合(円筒波送波)の模式図である。図8A(a)は、リニア型開口素子アレイを用いた円筒波送波を示しており、図8A(b)は、コンベックス型開口素子アレイを用いた円筒波送波を示しており、図8A(c)は、その他の任意開口素子アレイを用いた円筒波送波を示している。受波が同様に行われることもある。また、図8B(d)〜(f)は、極座標系で表される物理開口素子アレイや任意の開口形状の物理開口を用いて、任意距離位置において、送信平面波を生成する場合を示している(図中はコンベックス型開口素子アレイを物理的に用いた場合)。その距離位置を零とすると、仮想的に、リニア型開口アレイを用いた場合に該当する(図8B(d))。距離位置は、物理開口の後方(図8B(e))以外に、前方(図8B(f))にも設定でき、それらの位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成することもできる。受波が同様に行われることもある。図8B(g)は、特殊な場合として、例えば、リニアアレイ型トランスデューサを物理的に用いる場合において、物理開口後方の仮想源を用いて円筒波を生成する場合を応用し、任意距離位置に、横方向に拡がった、平面波、又は、仮想的にリニアアレイ型トランスデューサを生成した場合の模式図である。受波が同様に行われることもある。仮想的なリニアアレイ型トランスデューサは、仮想源ではなく、仮想受信器として使用されることもあるし、仮想源を兼ねることもある。 FIG. 8A shows a case where a wide wave is transmitted in the direction of the angle θ of the polar coordinate system (r, θ) in the radius r direction using a virtual source installed behind a physical aperture having an arbitrary aperture shape (cylindrical wave transmission). ). 8A (a) shows a cylindrical wave transmission using a linear aperture element array, and FIG. 8A (b) shows a cylindrical wave transmission using a convex aperture element array. (C) has shown the cylindrical wave transmission using the other arbitrary aperture element array. The reception may be performed in the same way. 8B (d) to 8 (f) show a case where a transmission plane wave is generated at an arbitrary distance position using a physical aperture element array represented by a polar coordinate system or a physical aperture having an arbitrary aperture shape. (In the figure, a convex aperture element array is physically used). When the distance position is set to zero, this corresponds to a case where a linear aperture array is virtually used (FIG. 8B (d)). The distance position can be set not only behind the physical aperture (Fig. 8B (e)) but also forward (Fig. 8B (f)), and a virtual linear aperture array (or plane wave) is generated at those positions. You can also The reception may be performed in the same way. FIG. 8B (g) is a special case where, for example, when a linear array type transducer is physically used, a case where a cylindrical wave is generated using a virtual source behind a physical aperture is applied to an arbitrary distance position. It is a schematic diagram in the case of generating a plane wave or a linear array transducer virtually extending in the horizontal direction. The reception may be performed in the same way. The virtual linear array type transducer is not a virtual source but may be used as a virtual receiver or may also serve as a virtual source.
送信フォーカスする場合には、非特許文献6に報告があり、同様に、極座標(r,θ)において結果が得られる。例えば、広いFOVが得られる効果がある。非特許文献6とは別の方法として、本発明の1つの特徴として、本方法(1)をこれらに用い、さらに、これらの極座標系(r,θ)の座標位置においてもステアリング角度を持つステアリングビームを生成することが可能であり、以下の方法(2)〜(4)及び(6)を用いる場合にも同様であり、それらにおいて、デカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えて処理をすればよい。但し、これらのビームフォーミングを行った場合には、表示系のデカルト座標系の座標位置における信号値を得るべく、補間処理を行う必要が有り、周波数領域における複素指数関数の積による位相の回転を用いた厳密な補間処理を、時間をかけて行うか、又は、近似誤差を伴うが短時間の処理として補間近似処理が施される。球座標においても同様である。 In the case of transmission focus, there is a report in Non-Patent Document 6, and similarly, a result is obtained in polar coordinates (r, θ). For example, there is an effect that a wide FOV can be obtained. As a method different from Non-Patent Document 6, as a feature of the present invention, the present method (1) is used for these, and steering is also provided at the coordinate positions of these polar coordinate systems (r, θ). It is possible to generate a beam, and the same applies when the following methods (2) to (4) and (6) are used, in which Cartesian coordinates (x, y) are converted into polar coordinates (r, θ). You just need to replace it. However, when these beam forming operations are performed, it is necessary to perform an interpolation process to obtain a signal value at the coordinate position of the Cartesian coordinate system of the display system, and the phase rotation by the product of complex exponential functions in the frequency domain The exact interpolation process used is performed over time, or the interpolation approximation process is performed as a short-time process with an approximation error. The same applies to spherical coordinates.
また、極座標系においてビームフォーミングを行うこれらの場合において、変位計測を行うこともでき、例えば、半径r方向又は角度θ方向の変位成分の計測を行うことができ、若しくは、両方向の変位成分から成る変位ベクトルを計測することができる。但し、計測後に表示系のデカルト座標系の座標位置における計測結果を得るべく、補間処理を行う必要が有り、エコー信号の補間時と同様に、周波数領域における複素指数関数の積による位相の回転を用いた厳密な補間処理を、時間をかけて行うか、又は、近似誤差を伴うが短時間の処理として補間近似処理が施される。球座標系においても同様である。 In these cases where beam forming is performed in the polar coordinate system, displacement measurement can also be performed. For example, a displacement component in the radius r direction or the angle θ direction can be measured, or the displacement component in both directions can be measured. A displacement vector can be measured. However, in order to obtain the measurement result at the coordinate position of the Cartesian coordinate system of the display system after measurement, it is necessary to perform interpolation processing, and the phase rotation by the product of the complex exponential function in the frequency domain is performed as in the case of interpolation of the echo signal. The exact interpolation process used is performed over time, or the interpolation approximation process is performed as a short-time process with an approximation error. The same applies to the spherical coordinate system.
変位計測の結果から、微分フィルタを用いた偏微分処理により、歪や歪速度(テンソル)、速度(ベクトル)、加速度(ベクトル)が求められ、さらに、力学的な特性(例えば、体積弾性率やずり弾性率(例えば、非特許文献7)、その他、非等方性媒体の弾性率テンソル等)、温度等が演算を通じて求められることがある。補間近似を実施する場合には、近似処理を施してデカルト座標系でそれらの計算を行うと計算時間を短縮化できることが多いが、極座標系において演算を実施して結果を得、それを補間近似して表示すると良く、誤差の伝搬を小さくできる。つまり、変位計測後の処理過程において生じる誤差としては、最後の表示データを得る際の補間近似のみとなる(同一の変位データから複数の表示データを得る場合はある)。 From the result of displacement measurement, strain, strain velocity (tensor), velocity (vector), acceleration (vector) are obtained by partial differential processing using a differential filter. Furthermore, mechanical characteristics (for example, bulk modulus, The shear modulus (for example, Non-Patent Document 7), other elastic modulus tensors of anisotropic media, and the like may be obtained through computation. When interpolation approximation is performed, it is often possible to shorten the calculation time by performing approximation processing and performing the calculation in the Cartesian coordinate system. However, calculation is performed in the polar coordinate system, and the result is obtained by interpolation approximation. Display, and the propagation of error can be reduced. That is, the error that occurs in the process after displacement measurement is only interpolation approximation when obtaining the last display data (a plurality of display data may be obtained from the same displacement data).
尚、上記の如く、補間処理を通じて、エコー信号をデカルト座標系にて表し、変位計測及び一連の計測を実施することもできる。補間処理において近似処理を行うと誤差を生じるが、全体に要する演算量は少なくて済む。その他のエコー信号の処理に基づく計測を行う場合においても、上記の如く、処理できる。2次元アレイを用いた3次元ビームフォーミングにおいても同様である。 As described above, the echo signal can be represented in a Cartesian coordinate system through the interpolation process, and displacement measurement and a series of measurements can be performed. An error occurs when the approximation process is performed in the interpolation process, but the total amount of calculation is small. Even when measurement based on other echo signal processing is performed, processing can be performed as described above. The same applies to three-dimensional beam forming using a two-dimensional array.
また、上記のいずれに関しても、極座標系以外の任意の直交座標系を対象として、同様な処理が可能である。 In addition, with respect to any of the above, the same processing is possible for any orthogonal coordinate system other than the polar coordinate system.
一方、同じく、コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUS等において、極座標(r,θ)において角度θ方向に広い波を半径r方向に送波又は受波(円筒波)する場合(図7)と、任意の開口形状の物理開口の後方に設置された仮想源を用いて図7と同一の極座標系(r,θ)の角度θ方向に広い波を半径r方向に送波(円筒波)する場合(図8A(a)〜(c)を参照)とにおいて、直接にデカルト座標においてイメージ信号を生成する方法は、それぞれ、方法(5)及び方法(5−1)、(5−1')等として説明される。また、上記の様な極座標系で表される物理開口素子アレイや任意の開口形状の物理開口を用いて、任意距離位置において、送信又は受信、又は、両者の平面波を生成し、同様にしてビームフォーミングを行うこともあり、デカルト座標系において、イメージ信号が生成されることがある(図8B(d)〜(f)を参照)。その距離位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成したことと等価であり、その距離位置を零とすると、仮想的に、リニア型開口アレイを用いた場合に該当する。距離位置は、物理開口の後方以外に、前方にも設定でき、それらの位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成することもできる。仮想的なリニア型開口アレイは、仮想源ではなく、仮想受信器として使用されることもあるし、仮想源を兼ねることもある。同様に、ビームフォーミング方法は、方法(5)及び方法(5−1)、(5−1')等として説明される。これらの場合には、エコー信号のイメージング及び変位計測等を、一貫して、同一のデカルト座標系において実施できる。極座標系においても同様である。この様な場合において、エコー信号や計測値をデカルト座標系から極座標系に補間処理を通じて変換することも同様に可能である。2次元アレイを用いた3次元ビームフォーミングにおいても同様である。送信フォーカシングが行われることもある。 On the other hand, similarly, in a convex transducer, sector scan, or IVUS, a wide wave in the direction of angle θ in polar coordinates (r, θ) is transmitted or received in the direction of radius r (cylindrical wave) (FIG. 7). Then, using a virtual source installed behind a physical aperture of an arbitrary aperture shape, a wide wave in the direction of angle θ of the same polar coordinate system (r, θ) as in FIG. 7 is transmitted in the direction of radius r (cylindrical wave) In the case where the image signal is directly generated (see FIGS. 8A to 8C), the method of directly generating the image signal in Cartesian coordinates is the method (5), the method (5-1), and the method (5-1 ′), respectively. ) Etc. In addition, using a physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or a physical aperture of an arbitrary aperture shape, a plane wave of transmission or reception or both is generated at an arbitrary distance position, and the beam is similarly generated. Forming may be performed, and an image signal may be generated in a Cartesian coordinate system (see FIGS. 8B to 8F). This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at the distance position. If the distance position is set to zero, this corresponds to a case where a linear aperture array is virtually used. The distance position can be set not only behind the physical aperture but also at the front, and a virtual linear aperture array (or plane wave) can be generated at these positions. A virtual linear aperture array may be used as a virtual receiver instead of a virtual source, or may also serve as a virtual source. Similarly, the beamforming method is described as method (5), methods (5-1), (5-1 ′), and the like. In these cases, echo signal imaging, displacement measurement, and the like can be performed consistently in the same Cartesian coordinate system. The same applies to the polar coordinate system. In such a case, it is also possible to convert echo signals and measurement values from a Cartesian coordinate system to a polar coordinate system through interpolation processing. The same applies to three-dimensional beam forming using a two-dimensional array. Transmission focusing may be performed.
また、上記のいずれに関しても、極座標系以外の任意の直交座標系を対象として、同様な処理が可能である。また、仮想源や仮想受信器は、上記の通り、物理開口の後方に設置されるとは限らず、開口の前方に設置されることもあり、物理開口の形状に依らずに、任意に設置されうるものである(特許文献7、非特許文献8)。このように、本発明は、上記に限られるものではない。また、これらのビームフォーミングにおける波数マッチングにおいて、補間近似処理を行って、高速に近似解を求めることもある。また、いずれも、本方法(1)〜(7)において、同様にして、処理されることがある。 In addition, with respect to any of the above, the same processing is possible for any orthogonal coordinate system other than the polar coordinate system. In addition, as described above, the virtual source and the virtual receiver are not necessarily installed behind the physical aperture, but may be installed in front of the aperture, and can be installed arbitrarily regardless of the shape of the physical aperture. (Patent Literature 7, Non-Patent Literature 8). Thus, the present invention is not limited to the above. In addition, in wave number matching in such beam forming, interpolation approximation processing may be performed to obtain an approximate solution at high speed. In addition, any of the methods (1) to (7) may be similarly processed.
また、本方法(1)〜(7)においては、受信信号に対し、送信又は受信、又は、両方のアポダーゼーション処理は、線形処理であるがゆえに様々なタイミングで実施できる。つまり、受信時にハード的に行うか、又は、受信後においてソフト的に様々なタイミングで実施できる。送信時に物理的にアポダイゼーションされることがあることは上記の通りである(以下、同様)。 Further, in the present methods (1) to (7), transmission, reception, or both apodization processes for a received signal can be performed at various timings because they are linear processes. In other words, it can be performed in hardware at the time of reception, or can be performed at various timings in software after reception. As described above, it may be physically apodized at the time of transmission (the same applies hereinafter).
尚、当然のことであるが、エコー信号ではなく、透過波を受信してビームフォーミングする場合には、座標yは、往復距離の半分(伝搬時間tを用いてct/2と表される)ではなく、受信開口素子アレイで決まる座標系において、開口素子からの距離(ct)である。 As a matter of course, when beam forming is performed by receiving a transmitted wave instead of an echo signal, the coordinate y is half of the round trip distance (expressed as ct / 2 using the propagation time t). Instead, it is the distance (ct) from the aperture element in the coordinate system determined by the reception aperture element array.
次に、開口面合成を行う場合について説明する。開口面合成にはモノスタティック型とマルチスタティック型がある。
方法(2):モノスタティック型開口面合成
図9は、モノスタティック型開口面合成の模式図である。モノスタティック型開口面合成は、アレイの1つの素子から超音波を放射し、その素子自身でエコーを受信するものである。開口面合成においても、図6の手順で波数マッチングを行うことにより、エコー信号(イメージ信号)を計算できる。
Next, a case where aperture surface synthesis is performed will be described. There are monostatic type and multistatic type for aperture plane synthesis.
Method (2): Monostatic Type Opening Surface Synthesis FIG. 9 is a schematic diagram of monostatic type opening surface synthesis. In the monostatic type aperture plane synthesis, an ultrasonic wave is emitted from one element of the array, and an echo is received by the element itself. Also in aperture synthesis, echo signals (image signals) can be calculated by performing wave number matching according to the procedure of FIG.
モノスタティック型開口面合成では送受信を同一の素子で行うため、送信時の散乱体への音の伝播経路と、受信時の散乱体の反射音の伝播経路は同じである。よって、受信有効開口素子アレイの位置を軸方向y座標の零とするデカルト直交座標系において、ステアリングを実施しないとき(θが零度)は、式(18a)に示すように、波数kを2倍とし(反射波のとき、s=2、以下、同様)、式(7)と式(8)で表される波数のマッチングを行う。透過波の場合には波数2kではなく、kを用いる(s=1、以下、同様)。
また、ステアリング角度θが非零度のときは、超音波信号の搬送周波数ω0を用いて表される波数k0(=ω0/c)を持つ波数ベクトル(0,k0)に対し、波数ベクトル(sk0sinθ,sk0cosθ)を多次元スペクトルの重心(中心)又は瞬時周波数として持つイメージ信号を生成するべくスペクトルのシフティングを行うビームフォーミングを行う(図10参照)。即ち、式(7)と式(8)において、式(18b)と表される波数マッチングを行う。
信号処理は、方法(1)と同様に行われ、特に、波数マッチングは、受信信号を空間(横方向)に関してフーリエ変換する前段階において、複素指数関数(式(9a))の代わりに超音波信号の搬送周波数ω0を用いて表される複素指数関数(式(19a))を掛けて、まず横方向に実施し、深さy方向に関しては、深さy方向に分解能を持たせるべく、複素指数関数(式(9b))の代わりに横方向のマッチング処理(式(19a))を除いた複素指数関数(式(19b))を掛けると同時に、複素指数関数(式(9c))の代わりに複素指数関数(式(19c))を掛けて行われる。無論、偏向角度が零度のときにも使用できる。この処理は、先行技術文献には開示されていない。
また、例えば、エコー法(反射法)においては、送信ビームと受信ビームの偏向角度が異なる場合があり、その場合においては、送信ビームと受信ビームの各々の偏向角度をθtとθrとすると、式(7)と式(8)において、s=2の下で、式(18c)と表される波数マッチングを行う。
信号処理は、上記の送信ビームと受信ビームの偏向角度が等しい場合と同様に行われ、特に、波数マッチングは、受信信号を空間(横方向)に関してフーリエ変換する前段階において、複素指数関数(式(19a))の代わりに超音波信号の搬送周波数ω0を用いて表される複素指数関数(式(19d))を掛けて、まず横方向に実施し、深さy方向に関しては、深さy方向に分解能を持たせるべく、複素指数関数(式(19b))の代わりに横方向のマッチング処理(式(19d))を除いた複素指数関数(式(19e))を掛けると同時に、複素指数関数(式(19c))の代わりに複素指数関数(式(19f))を掛けて行われる。無論、偏向角度θtやθrが零度のときにも使用できる。この処理も、先行技術文献には開示されていない。
式(19a)〜(19c)と、式(19d)〜(19f)とにより、受信信号の2次元フーリエ変換R'(kx,k)に対し、式(7)と(8)の如くに、式(18b)と式(18c)の波数マッチングの各々を補間近似せずに行った状況を実現できる。これに対し、補間近似処理を行ってビームフォーミングを高速に行うことがあり、その場合には、F(kx',ky')が2次元逆フーリエ変換される。また、方法(1)と同様に、式(18a)〜式(18c)に関し、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である(段落0205と段落0210)。但し、これらの場合に、ステアリング時においても、波数マッチングを伴う変換処理においては、最初にx方向に1次元変換処理を実施し、その次にy方向の1次元変換処理(x方向の波数マッピング後の処理であるため、式(19b)や式(19e)を使用)を実施でき、高速化できる。また、波数マッチングの内、式(19a)と式(19c)、式(19d)と式(19f)の分は、代わりに、それらの複素指数関数を用いて時空間信号にて乗算するkxとkyに関する周波数変調を実施しても良い。その他、式(18b)と式(18c)において、偏向角度を零度とした場合の式(18a)に対応する近似的な波数マッチング処理を含め、これらの近似処理も先行技術文献には開示されていない。 From the equations (19a) to (19c) and the equations (19d) to (19f), the two-dimensional Fourier transform R ′ (k x , k) of the received signal is expressed as in equations (7) and (8). Thus, it is possible to realize a situation where each of the wave number matchings of the equations (18b) and (18c) is performed without interpolation approximation. On the other hand, there is a case where beam approximation is performed at high speed by performing an interpolation approximation process. In this case, F (k x ', k y ') is two-dimensionally inverse Fourier transformed. Similarly to the method (1), regarding the equations (18a) to (18c), wave number matching can be performed at the time of the first Fourier transform, both physically and mathematically, and the last inverse Fourier transform is performed. Sometimes wavenumber matching can also be performed (paragraph 0205 and paragraph 0210). However, in these cases, even during steering, in the conversion process involving wave number matching, the one-dimensional conversion process is first performed in the x direction, and then the one-dimensional conversion process in the y direction (wave number mapping in the x direction). Since this is a later process, the expression (19b) or the expression (19e) is used), and the speed can be increased. Also, in wave number matching, the expressions (19a) and (19c), (19d) and (19f) are replaced by kx multiplied by a spatio-temporal signal using their complex exponential function instead. You may implement the frequency modulation regarding ky. In addition, in the expressions (18b) and (18c), these approximation processes including the approximate wave number matching process corresponding to the expression (18a) when the deflection angle is set to zero are also disclosed in the prior art documents. Absent.
また、2次元開口素子アレイを用いて3次元の波動デジタル信号処理を行う場合には、例えば、平坦な受信開口素子アレイの開口の向きによって定まる軸方向y(受信有効開口素子アレイの位置のy座標を零とする)及びこれに直交する横方向x及びzの座標を用いるデカルト直交座標系(x,y,z)において、生成されるビームの方向と軸とが成す零度又は非零度の偏向角度が仰角θ及び方位角φを用いて表される場合において、フーリエ変換は深さy方向と横方向xとzに関する3次元フーリエ変換を行い(軸方向y及び横方向x及びzの波数をそれぞれky、kx、及び、kzとする波数領域(kx,ky,kz)を考える)、上記の2次元の波動デジタル信号処理を行う場合と同様に、以下の如く処理される。 Further, in the case of performing three-dimensional wave digital signal processing using a two-dimensional aperture element array, for example, the axial direction y determined by the aperture direction of a flat receive aperture element array (the y of the position of the receive effective aperture element array) In Cartesian Cartesian coordinate system (x, y, z) using the coordinates of x and z in the transverse direction orthogonal to this) and zero or non-zero deflection formed by the direction and axis of the generated beam In the case where the angle is expressed using the elevation angle θ and the azimuth angle φ, the Fourier transform performs a three-dimensional Fourier transform on the depth y direction and the lateral directions x and z (the wave numbers in the axial direction y and the lateral directions x and z are calculated). The wave number regions (k x , k y , k z ) are considered as k y , k x , and k z , respectively. Similarly to the case of performing the above two-dimensional wave digital signal processing, the following processing is performed. The
まず、波動の搬送周波数ω0を用いて表される波数k0(=ω0/c)を有する波数ベクトル(0,k0,0)に対し、波数ベクトル(sk0sinθcosφ,sk0cosθ,sk0sinθsinφ)を多次元スペクトルの重心(中心)又は瞬時周波数とするイメージ信号を生成するべくスペクトルのシフティングを伴う送信及び受信のダイナミックフォーカシングを行うべく、受信信号を軸方向yに関してフーリエ変換したものに、送信開口素子のy座標が零のときに値が2であり送信開口素子のy座標が非零のときに値が1であるパラメータs、波動の重心(中心)周波数k0、及び、虚数単位iを用いて表される複素指数関数(C41)を掛けることにより、横方向x及びzに関する波数マッチングを行い、
これにより、受信信号の3次元フーリエ変換R'(kx,k,kz)に対し、式(7')と(8')の如くに、以下の波数マッチング(式(C44))を行った状況を実現できる。また、2次元の場合と同様に、式(C44)に関し、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である(段落0229)。ステアリング時においても、波数マッチングを伴う変換処理においては、最初にx方向又はz方向に1次元変換処理を実施し、最後にy方向の1次元変換処理(x方向とz方向の波数マッピング後の処理であるため、式(C42)と式(C43)を使用)を実施でき、高速化できる。また、波数マッチングの内、式(C41)と式(C43)の分は、代わりに、それらの複素指数関数を用いて時空間信号にて乗算する周波数変調を実施しても良い(各々、kxとkz、kyの周波数変調)。上記は、この波数マッチングを補間近似せずに行うものであるが、式(C44)に従って、補間近似処理を行って高速に行うことはあり、その場合には、F(kx',ky',kz')が3次元逆フーリエ変換される。この処理も、先行技術文献には開示されていない。
また、例えば、エコー法(反射法)においては、送信ビームと受信ビームの偏向角度が異なる場合があり、その場合において、各々の偏向角度が、(仰角,方位角)=(θt,φt)と(θr,φr)を用いて表されるとすると、信号処理は、s=2の下で、上記の送信ビームと受信ビームの偏向角度が等しい場合と同様に行われ、特に、波数マッチングは、受信信号を空間(横方向)に関してフーリエ変換する前段階において、複素指数関数(式(C41))の代わりに超音波信号の搬送周波数ω0を用いて表される複素指数関数(式(D41))を掛けて、まず横方向に実施し、深さy方向に関しては、深さy方向に分解能を持たせるべく、複素指数関数(式(C42))の代わりに横方向のマッチング処理(式(D41))を除いた複素指数関数(式(D42))を掛けると同時に、複素指数関数(式(C43))の代わりに複素指数関数(式(D43))を掛けて行われる。無論、送信ビームと受信ビームの偏向角度が零度(即ち、θt、φt、θr、及び、φrが零度)のときにも使用できる。この処理も、先行技術文献には開示されていない。
これにより、受信信号の3次元フーリエ変換R'(kx,k,kz)に対し、式(7')と(8')の如くに、以下の波数マッチング(式(D44))を行った状況を実現できる。また、同様に、式(D44)に関し、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である(段落0232)。ステアリング時においても、波数マッチングを伴う変換処理においては、最初にx方向又はz方向に1次元変換処理を実施し、最後にy方向の1次元変換処理(x方向とz方向の波数マッピング後の処理であるため、式(D42)と式(D43)を使用)を実施でき、高速化できる。また、波数マッチングの内、式(D41)と式(D43)の分は、代わりに、それらの複素指数関数を用いて時空間信号にて乗算する周波数変調を実施しても良い(各々、kxとkz、kyの周波数変調)。上記は、この波数マッチングを補間近似せずに行うものであるが、式(D44)に従って、補間近似処理を行って高速に行うことはあり、その場合には、F(kx',ky',kz')が3次元逆フーリエ変換される。この処理も、先行技術文献には開示されていない。
開口面合成は、開口面合成用に収集したエコー信号(本方法(2)のモノスタティックだけでなく、方法(3)のマルチスタティックにおいても)を用いて任意のビームフォーミングを生成できる(実のところ、それらのデータに方法(1)や(4)〜(7)に記載の処理を施してもイメージ信号は生成できる)。方法(1)の平面波の処理においても、符号を用いることで、開口面合成処理を施すことができる。つまり、コーディングした平面波送波時の受信信号に対してデコーディングして開口面合成用の信号を得ることができる。
また、方法(1)において記載した通り、ダイナミックフォーカシングにおいて、ステアリングを行うことも可能である。方法(1)において、平面波の送信時に偏向角度α(零度である場合を含む)にて物理的にステアリングを行って、方法(1)の偏向角度θ(零度である場合を含む)のステアリングを施すと、ステアリング角度(α+θ)(最終的に生成されるステアリング角度はその平均)にて平面波をステアリングしたものと解釈できる。従って、方法(1)において、送信時に偏向角度α、又は、θ、又は、α+θにて平面波をステアリングし、受信時にステアリング角度φ(零度である場合を含む)にてダイナミックフォーカシングする場合には、本法(2)に記載の受信ステアリングを行えばよく、最終的に生成されるステアリング角度は送信偏向角度と受信偏向角度の平均である。尚、このソフト的な平面波のステアリング(偏向角度θ)は、方法(1)において記載した通り、物理的な送信ステアリング(偏向角度α)を補強したり、純粋に平面波送波のステアリングをソフト的に実現するものと考えることもできるし、受信ダイナミックフォーカシング(偏向角度φが零度である場合を含む)に加えてソフト的に平面波で受信ステアリングを行ったものと考えることもできる。
Aperture synthesis can generate arbitrary beamforming using echo signals collected for aperture synthesis (not only in the monostatic method of this method (2) but also in the multistatic method of method (3)). However, an image signal can be generated even if the processing described in the methods (1) and (4) to (7) is performed on the data. In the plane wave processing of the method (1), the aperture plane synthesis processing can be performed by using a code. That is, an aperture plane synthesis signal can be obtained by decoding the received signal at the time of coded plane wave transmission.
Further, as described in the method (1), the steering can be performed in the dynamic focusing. In the method (1), the steering is physically performed at the deflection angle α (including the case of zero degree) when the plane wave is transmitted, and the steering of the deflection angle θ (including the case of zero degree) of the method (1) is performed. When applied, it can be interpreted that the plane wave is steered at the steering angle (α + θ) (the average steering angle is finally generated). Therefore, in the method (1), when a plane wave is steered at a deflection angle α, θ, or α + θ at the time of transmission, and dynamic focusing is performed at a steering angle φ (including a case of zero degree) at the time of reception, The reception steering described in the method (2) may be performed, and the finally generated steering angle is an average of the transmission deflection angle and the reception deflection angle. As described in the method (1), this soft plane wave steering (deflection angle θ) reinforces the physical transmission steering (deflection angle α) or purely performs plane wave transmission steering. In addition to reception dynamic focusing (including the case where the deflection angle φ is zero degree), it can be considered that reception steering is performed with a plane wave in software.
即ち、2次元の場合には、(9a)と(19a)、(9b)と(19b)、(9c)と(19c)を各々にて組み合わせた、(F41)、(F42)、(F43)を使用して同様に処理すれば良い。
また、3次元の場合、即ち、物理的に平面波を仰角αと方位角βの偏向角度(α,β)でステアリング送波したとき、又は、いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合において、ソフト的に、平面波を偏向角度(θ1,φ1)にてステアリングして偏向角度(θ2,φ2)にてステアリングダイナミックフォーカシングを行う場合(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)には、(C21)と(C41)、(C22)と(C42)、(C23)と(C43)を各々にて組み合わせた(G41)、(G42)、(G43)を使用して同様に処理すれば良く、最終的に送信偏向角度と受信偏向角度の平均の偏向角度を生成できる。
ソフト的な送信と受信のビームフォーミングは入れ替えても処理は同じであり、入れ替えたビームフォーミングを行ったものと等価であることは方法(1)にて触れた通りである。つまり、これらの場合においても、ソフト的な送信と受信のビームフォーミングを逆に考えることができ、また、任意の物理的な送信ビームフォーミング(例えば、偏向平面波、偏向された固定フォーカシングビーム、開口面合成に基づくステアリングダイナミックフォーカシング、偏向していない波やビーム等、他に様々)において、ソフト的に、様々な組み合わせのビームフォーミングが可能である。物理的に生成した任意の波又はビーム(例えば、上記の例等)のステアリング角度(零度である場合を含む)に加えて、ソフト的に、送信又は受信における、平面波又はダイナミックフォーカシングのステアリング(ステアリング角度は零度であるを含む)を施すことが可能である。このソフト的な平面波のステアリングは、特に、物理的な送信ステアリングを補強したり、物理的に送信された任意の波動又はビームを純粋にステアリングさせるものと考えることもできるし、受信ダイナミックフォーカシング(偏向角度φが零度である場合を含む)に加えてソフト的に受信ステアリングを行ったものと考えることもできる。2次元アレイを用いた3次元ビームフォーミングにおいても同様である。その他にも、方法(1)に記載した通りである。 As described in the method (1), the processing is the same even if the beam forming for software transmission and reception is interchanged, and is equivalent to the one performed for the interchanged beam forming. In other words, in these cases, soft transmission and reception beamforming can be considered in reverse, and any physical transmission beamforming (for example, deflection plane wave, deflected fixed focusing beam, aperture surface) In combination with steering dynamic focusing based on synthesis, undeflected waves and beams, etc., various combinations of beam forming are possible in software. In addition to the steering angle (including the case of zero degrees) of any physically generated wave or beam (eg, in the above example), it can be soft, plane wave or dynamic focusing steering (steering) in transmission or reception (Including the angle is zero degrees). This soft plane wave steering can be thought of as enhancing the physical transmit steering, or purely steering any physically transmitted wave or beam, or receiving dynamic focusing (deflection). In addition to the case where the angle φ is zero degrees, it can be considered that the reception steering is performed in software. The same applies to three-dimensional beam forming using a two-dimensional array. In addition, it is as having described in the method (1).
また、方法(1)と方法(2)と同様に、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である。ステアリングに依存して、波数マッチングを伴う変換処理においては、変換処理を方向に分けて1次元処理でき、高速化できる。また、波数マッチングの内、式(F41)と式(F43)、式(G41)と式(G43)の分は、代わりに、それらの複素指数関数を用いて時空間信号にて乗算する周波数変調を実施しても良い(各々、kxとkz、kyの周波数変調)。
2次元の場合の式(F41)、(F42)、(F43)と、3次元の場合の式(G41)、(G42)、(G43)とを用いたビームフォーミングにおける波数マッチングを補間近似を通じて行い、高速に結果を得ることもある。
2次元の場合には、受信信号の2次元フーリエ変換R'(kx,k)に対し、式(7)と(8)と共に、式(18b)又は式(18c)の波数マッチングを補間近似を通じて行い(式(F44))、F(kx',ky')が2次元逆フーリエ変換される。この近似処理も先行技術文献には開示されていない。
Wave number matching in beam forming using the two-dimensional equations (F41), (F42), and (F43) and the three-dimensional equations (G41), (G42), and (G43) is performed through interpolation approximation. Sometimes you get results fast.
In the case of the two-dimensional case, the wave number matching of the formula (18b) or the formula (18c) is interpolated and approximated with the formulas (7) and (8) for the two-dimensional Fourier transform R ′ (k x , k) of the received signal. (Expression (F44)), and F (k x ', k y ') is subjected to two-dimensional inverse Fourier transform. This approximation process is also not disclosed in the prior art documents.
また、コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUS等において、極座標(r,θ)において角度θ方向に広い波を半径r方向に送波又は受波(円筒波)する場合(図7)や、任意の開口形状の物理開口の後方に設置された仮想源を用いて図7と同一の極座標系(r,θ)の角度θ方向に広い波を半径r方向に送波(円筒波)する場合(図8A(a)〜(c)を参照)や、その極座標系において開口面合成用に収集したエコー信号に対して、方法(1)と同様に、デカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えて処理をすれば良く、デカルト座標系(x,y)や極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することができる。また、上記の様な極座標系で表される物理開口素子アレイや任意の開口形状の物理開口を用いて任意距離位置において送信又は受信の平面波を生成し、同様にビームフォーミングすることもある(図8B(d)〜(f)を参照)。その距離位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成したことと等価であり、その距離位置を零とすると、仮想的に、リニア型開口アレイを用いた場合に該当する。距離位置は、物理開口の後方以外に、前方にも設定でき、それらの位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成することもできる。仮想的なリニア型開口アレイは、仮想源ではなく、仮想受信器として使用されることもあるし、仮想源を兼ねることもある。他の送信ビームフォーミングを行った場合や、それらを球座標系において実施した場合においても同様である。一方、同じく、コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUS等を用いた場合や、任意の開口形状の物理開口の後方に設置された仮想源を用いた場合において、方法(5)に従って、直接にデカルト座標においてイメージ信号を生成することができる。また、上記の様な極座標系で表される物理開口素子アレイや任意の開口形状の物理開口を用いて任意距離位置において送信又は受信の平面波を生成し、同様にビームフォーミングすることもある(図8B(d)〜(f)を参照)。その距離位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成したことと等価であり、その距離位置を零とすると、仮想的に、リニア型開口アレイを用いた場合に該当する。距離位置は、物理開口の後方以外に、前方にも設定でき、それらの位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成することもできる。仮想的なリニア型開口アレイは、仮想源ではなく、仮想受信器として使用されることもあるし、仮想源を兼ねることもある。これらの場合には、エコー信号のイメージング及び変位計測等を、一貫して、同一のデカルト座標系において実施できる。極座標系においても同様である。これらにおいて、方法(1)と同様に、任意の直交座標系において、又は、任意の直交座標系に変換して、同様に処理できる。これらにおいて、送信フォーカシングが行われることもある。また、仮想源や仮想受信器は、上記の通り、物理開口の後方に設置されるとは限らず、開口の前方に設置されることもあり、物理開口の形状に依らずに、任意に設置されうるものである(特許文献7、非特許文献8)。このように、本発明は、上記に限られるものではない。また、これらのビームフォーミングにおける波数マッチングにおいて、補間近似処理を行って、高速に近似解を求めることもある。 Further, in a convex transducer, sector scan, IVUS, or the like, when a wide wave is transmitted or received (cylindrical wave) in the angle θ direction in polar coordinates (r, θ) in the radius r direction (FIG. 7), When a wide wave is transmitted in the direction of the angle θ of the polar coordinate system (r, θ) in the same polar coordinate system (r, θ) as in FIG. (Refer to FIGS. 8A (a) to 8 (c)), and for the echo signals collected for aperture plane synthesis in the polar coordinate system, Cartesian coordinates (x, y) are converted into polar coordinates (as in method (1)). The image signal can be generated in a Cartesian coordinate system (x, y) or polar coordinates (r, θ). In addition, a transmission or reception plane wave may be generated at an arbitrary distance position using a physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or a physical aperture having an arbitrary aperture shape, and beamforming may be performed in the same manner (FIG. 8B (d) to (f)). This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at the distance position. If the distance position is set to zero, this corresponds to a case where a linear aperture array is virtually used. The distance position can be set not only behind the physical aperture but also at the front, and a virtual linear aperture array (or plane wave) can be generated at these positions. A virtual linear aperture array may be used as a virtual receiver instead of a virtual source, or may also serve as a virtual source. The same applies when other transmission beamforming is performed or when they are performed in a spherical coordinate system. On the other hand, when a convex transducer, sector scan, IVUS, or the like is used, or when a virtual source installed behind a physical aperture having an arbitrary aperture shape is used, directly according to method (5). An image signal can be generated in Cartesian coordinates. In addition, a transmission or reception plane wave may be generated at an arbitrary distance position using a physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or a physical aperture having an arbitrary aperture shape, and beamforming may be performed in the same manner (FIG. 8B (d) to (f)). This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at the distance position. If the distance position is set to zero, this corresponds to a case where a linear aperture array is virtually used. The distance position can be set not only behind the physical aperture but also at the front, and a virtual linear aperture array (or plane wave) can be generated at these positions. A virtual linear aperture array may be used as a virtual receiver instead of a virtual source, or may also serve as a virtual source. In these cases, echo signal imaging, displacement measurement, and the like can be performed consistently in the same Cartesian coordinate system. The same applies to the polar coordinate system. In these, similarly to the method (1), the same processing can be performed in an arbitrary orthogonal coordinate system or by converting to an arbitrary orthogonal coordinate system. In these cases, transmission focusing may be performed. In addition, as described above, the virtual source and the virtual receiver are not necessarily installed behind the physical aperture, but may be installed in front of the aperture, and can be installed arbitrarily regardless of the shape of the physical aperture. (Patent Literature 7, Non-Patent Literature 8). Thus, the present invention is not limited to the above. In addition, in wave number matching in such beam forming, interpolation approximation processing may be performed to obtain an approximate solution at high speed.
また、受信信号に対し、送信又は受信、又は、両方のアポダーゼーション処理は、線形処理であるがゆえに様々なタイミングで実施できる(受信時にハード的に、又は、受信後にソフト的に)。送信時に物理的にアポダイゼーションされることがあることは上記の通りである。尚、式(7)や式(7')を用いて波数マッチングを補間近似を通じて行う場合において高精度化する場合には、計算量が増えることを代償に、適切なオーバーサンプリングの下で処理する必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。これらの処理は、方法(1)と同様に行え、他の方法(3)〜(7)においても同様にして行われる。 In addition, since apodization processing for transmission, reception, or both for the received signal is linear processing, it can be performed at various timings (hardware at the time of reception or software after reception). As described above, it may be physically apodized at the time of transmission. In the case where the accuracy is increased in the case where wave number matching is performed through interpolation approximation using Equation (7) or Equation (7 ′), processing is performed under appropriate oversampling at the cost of an increase in calculation amount. There is a need. In that case, it is necessary to be careful that the number of data of the Fourier transform increases, unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process is not performed. These processes can be performed in the same manner as the method (1), and are also performed in the same manner in the other methods (3) to (7).
方法(3):マルチスタティック型開口面合成
図11は、マルチスタティック型開口面合成の模式図である。マルチスタティック型開口面合成は、アレイの1素子から超音波を放射し、エコーをその素子周辺の複数の素子で受信する方法である。1回の放射ごとに低分解能イメージ信号が得られ、複数に得られる低分解能イメージ信号を重ね合わせることにより高分解能のイメージ信号を生成する。この低分解能エコー信号を生成するべく、本発明を用いることもある。
Method (3): Multistatic Type Aperture Synthesis FIG. 11 is a schematic diagram of multistatic type aperture synthesis. Multistatic aperture surface synthesis is a method in which ultrasonic waves are emitted from one element of an array and echoes are received by a plurality of elements around the element. A low resolution image signal is obtained for each radiation, and a high resolution image signal is generated by superimposing a plurality of low resolution image signals obtained. The present invention may be used to generate this low resolution echo signal.
上記の通り、通常は、各素子の放射毎に受信したエコー信号から低分解能エコー信号を生成し、それらを重ね合わせるのが従来の方法である。これに対し、本発明では、送受信位置の関係が同一の信号から成る信号群を1つのセットとして、1セット毎にデジタルのモノスタティック型開口面合成を施し、本方法(3)により複数に得られるそれらの低分解能イメージ信号を重ね合わせて処理を終える。実際には、線形処理である重ね合わせは横方向の逆フーリエ変換処理の前の周波数領域において実施でき、その方が高速であり、また、その重ね合わせを行うための横方向の位置合わせも、重ね合わせする際に、横方向のシフティング処理を行うための複素指数関数を掛けて横方向に位相を回転させることにより高速に行い、補間近似することなく、イメージ信号を生成できる。逆フーリエ変換は、高速逆フーリエ変換を1度実施すればよい。また、各々の低分解能エコー信号を生成するべく、横方向の逆フーリエ変換を施す際に、同時に横方向のシフティング処理を行うための複素指数関数を掛けて横方向に位相を回転させ、空間領域で重ね合わせることもできる。その場合には、専用の高速逆フーリエ変換を実施してもよい。 As described above, it is a conventional method to generate a low resolution echo signal from echo signals received for each element radiation and superimpose them. On the other hand, in the present invention, a signal group composed of signals having the same transmission / reception position relationship is set as one set, and digital monostatic aperture synthesis is performed for each set, and a plurality of values are obtained by this method (3). The processing is finished by superimposing these low resolution image signals. Actually, the superimposition that is linear processing can be performed in the frequency domain before the inverse Fourier transform processing in the horizontal direction, which is faster, and the horizontal alignment for performing the superposition is also When superimposing, an image signal can be generated without performing interpolation approximation at high speed by multiplying the complex exponential function for performing the shifting process in the horizontal direction and rotating the phase in the horizontal direction. The inverse Fourier transform may be performed once by the fast inverse Fourier transform. In addition, when performing the inverse Fourier transform in the horizontal direction to generate each low-resolution echo signal, the phase is rotated in the horizontal direction by multiplying the complex exponential function for performing the horizontal shifting process at the same time. It is also possible to overlap in the area. In that case, a dedicated fast inverse Fourier transform may be performed.
但し、重要なことは、モノスタティック型開口面合成処理のプログラムを応用するに当たり、s=2の時、y=0の受信位置とy=0の送信位置のx方向の距離をΔxとすると、関心点の距離y(座標y)に対し、Δxだけ離れた位置で受信するまでの伝播経路の換算距離y'を計算して使用することであり、偏向角度が零度の時は、式(20a)によって表される換算距離を計算することである。また、s=1の時、y座標y=0の受信位置と非零y座標y=Yの送信位置のx方向の距離をΔxとすると、関心点の距離y(座標y)に対し、偏向角度が零度の時は、式(20b)によって表される換算距離を計算することである(送信位置と受信位置のy座標は逆に考えても良い)。
偏向角度がθ(零度を含む)の場合には、少なくとも受信のダイナミックフォーカシング(s=2のときは、送信のダイナミックフォーカシングも実現できる)が施されたビームを生成するマルチスタティックな開口面合成を行うビームフォーミング方法として、送信有効開口素子アレイ内の複数の送信開口素子の1つずつから波動を送信し、計測対象物から到来する波動を、異なる位置における複数の受信開口素子の少なくとも1つによって受信して受信信号を生成し(1つである場合も、本願発明の装置では処理可能である)、その送信開口素子は、波動が、計測対象物における少なくとも反射若しくは後方散乱によって生成されたもの(s=2)、又は、計測対象物における少なくとも透過、前方散乱、若しくは、屈折により生成されたもの(s=1)となる様に、受信信号を生成する受信開口素子のx座標に寄らずに任意のx座標を有し、さらに、零のy座標を有する、受信有効開口素子アレイ内のいずれかの受信開口素子を兼ねるか、又は、いずれの受信開口素子とも異なる複数の送信開口素子の1つずつ、又は、非零の一定のy座標を有する、受信有効開口素子アレイと対向する位置にある送信有効開口素子アレイ内の複数の送信開口素子の1つずつのことである(s=1のとき、送信位置と受信位置のy座標は逆に考えても良い)。 When the deflection angle is θ (including zero degree), multistatic aperture synthesis is performed to generate a beam that has been subjected to at least reception dynamic focusing (when s = 2, transmission dynamic focusing can also be realized). As a beam forming method to be performed, a wave is transmitted from each of a plurality of transmission aperture elements in a transmission effective aperture element array, and a wave arriving from a measurement object is transmitted by at least one of a plurality of reception aperture elements at different positions. Receives and generates a received signal (can be processed by the device of the present invention even if there is only one), and the transmission aperture element has a wave generated by at least reflection or backscattering in the measurement object (S = 2) or generated by at least transmission, forward scattering, or refraction in the measurement object In the receiving effective aperture element array having an arbitrary x coordinate and a zero y coordinate so as to be (s = 1) without depending on the x coordinate of the receive aperture element generating the received signal. A position opposite to the reception effective aperture element array, each serving as one of the reception aperture elements, or one of a plurality of transmission aperture elements different from any of the reception aperture elements, or having a non-zero constant y coordinate Each of the plurality of transmission aperture elements in the transmission effective aperture element array (when s = 1, the y coordinates of the transmission position and the reception position may be considered in reverse).
即ち、ステアリングを行う場合には、上記の送信素子と受信素子との位置が同一の組み合わせより生成されるモノスタティック型開口面合成用データ群の各々に、方法(2)に記載のステアリング処理を施し、同様に処理すれば良い。送信と受信のステアリング角度が異なる場合も同様である。但し、偏向角度が非零度の時も、モノスタティック型開口面合成処理のプログラムを応用するに当たり、上記の偏向角度が零度の時と同様に、関心点の距離y(座標y)に対し、s=2の時は式(20a)、s=1の時は式(20b)によって表される換算距離を用いる。従って、方法(1)や(2)と同様に、偏向可能なプログラムにおいて、偏向角度を零度又は非零度に設定して、処理すれば良い。
また、送信には、方法(1)の平面波を送波した場合も処理できるし、その他、固定フォーカシング等の任意の送信ビームフォーミングを行った場合も処理できる。
That is, when steering is performed, the steering process described in the method (2) is applied to each of the monostatic aperture synthesis data groups generated by the same combination of the positions of the transmitting element and the receiving element. And the same processing may be performed. The same applies when the transmission and reception steering angles are different. However, even when the deflection angle is non-zero, in applying the monostatic aperture surface synthesis processing program, as with the case where the deflection angle is zero, the distance y (coordinate y) of the point of interest is s. When = 2, the conversion distance represented by the equation (20a) is used, and when s = 1, the conversion distance represented by the equation (20b) is used. Therefore, similarly to the methods (1) and (2), the deflection angle may be set to zero degree or non-zero degree in the deflectable program.
Further, the transmission can be processed when the plane wave of the method (1) is transmitted, and can also be processed when arbitrary transmission beam forming such as fixed focusing is performed.
また、別の方法として、送信位置と受信位置との間の横方向座標における距離Δxが等しい受信信号を並べて得られる受信信号群の各々に対して、送信と受信の開口素子のy座標が零(s=2)のときに、偏角θと送信と受信の開口の位置を含む関心点のy座標と距離Δxとを用いて表される送信開口素子と関心点と受信開口素子との間を結ぶ直線距離の半分の距離(式(20c))、又は、送信開口素子のy座標が非零(s=1、送信位置と受信位置のy座標は逆に考えても良い)のときに、偏角θと関心点のy座標と送信開口素子のy=Y座標と距離Δxとを用いて表される送信開口素子と関心点と受信開口素子との間の距離(式(20d))を用いて、上記のモノスタティック開口面合成において偏向角度を設定して得られるイメージ信号の各々を周波数領域において横方向の位置に関して補正し、それらを重ね合わせて補間近似処理を行うことなくイメージ信号を生成することができる。深さ方向の空間分解能は低下するが、大きなステアリング角度を生成できる。
また、2次元開口素子アレイを用いて3次元の波動デジタル信号処理を行う場合には、例えば、平坦な受信開口素子アレイの開口の向きによって定まる軸方向y及びこれに直交する横方向x及びzの座標を用いるデカルト直交座標系において、同様に処理することができ、生成されるビーム方向と軸方向とが成す零度又は非零度の偏向角度が仰角θ及び方位角φを用いて表される場合において、送信有効開口素子アレイ内の複数の送信開口素子の1つずつから波動を送信し、計測対象物から到来する波動を、異なる位置における複数の受信開口素子の少なくとも1つによって受信して受信信号を生成し、その送信開口素子は、波動が、計測対象物における少なくとも反射若しくは後方散乱によって生成されたもの(s=2)、又は、計測対象物における少なくとも透過、前方散乱、若しくは、屈折により生成されたもの(s=1)となる様に、受信信号を生成する受信開口素子のx座標及びz座標に寄らずに任意のx座標及びz座標を有し、さらに、零のy座標を有する、受信有効開口素子アレイ内のいずれかの受信開口素子を兼ねるか、又は、いずれの受信開口素子とも異なる複数の送信開口素子の1つずつ、又は、非零の一定のy座標を有する、受信有効開口素子アレイと対向する位置にある送信有効開口素子アレイ内の複数の送信開口素子の1つずつのことである(s=1のとき、送信位置と受信位置のy座標は逆に考えても良い)。偏向角度が零度(ステアリング無し)の時も、非零度(ステアリング有り)の時も、上記の1次元開口素子アレイを用いた2次元の波動デジタル信号処理と同様に、送信素子と受信素子との位置が同一の組み合わせより生成されるモノスタティック型開口面合成用データ群の各々に、方法(2)に記載のステアリング有り又は無しの処理を施し、同様に処理すれば良い。送信と受信のステアリング角度が異なる場合も同様である。但し、重要なことは、偏向角度が零度(ステアリング無し)の時も非零度(ステアリング有り)の時も、モノスタティック型開口面合成処理のプログラムを応用するに当たり、s=2の時は、y=0の受信位置とy=0の送信位置のx方向(横方向)の距離をΔx、z方向(エレベーション方向)の距離をΔzとすると、2方向にΔxとΔzだけ離れた位置で受信するまでの伝播経路の換算距離y'を計算して使用することであり、式(20e)によって表される換算距離を計算することである。また、s=1の時は、y座標y=0の受信位置と非零y座標y=Yの送信位置のx方向の距離をΔx、z方向の距離をΔzとすると、式(20f)によって表される換算距離を計算することである(送信位置と受信位置のy座標は逆に考えても良い)。
また、送信には、方法(1)の平面波を送波した場合も処理できるし、その他、固定フォーカシング等の任意の送信ビームフォーミングを行った場合も処理できる。 Further, the transmission can be processed when the plane wave of the method (1) is transmitted, and can also be processed when arbitrary transmission beam forming such as fixed focusing is performed.
また、別の方法として、送信位置と受信位置との間の横方向のx座標及びz座標における距離Δx及びΔzが等しい受信信号を並べて得られる受信信号群の各々に対して、送信と受信の開口素子のy座標が零(s=2)のときに、仰角θ及び方位角φと送信と受信の開口位置を含む関心点のy座標と距離Δx及びΔzとを用いて表される送信開口素子と関心点と受信開口素子との間を結ぶ直線距離の半分の距離、又は、送信開口素子のy座標が非零(s=1、送信位置と受信位置のy座標は逆に考えても良い)のときに、仰角θ及び方位角φと関心点のy座標と送信開口素子のy座標と距離Δx及びΔzとを用いて表される送信開口素子と関心点と受信開口素子との間の距離を用いて、上記のモノスタティック型開口面合成において偏向角度を設定して得られるイメージ信号の各々を周波数領域において横方向の位置に関して補正し、それらを重ね合わせて補間近似処理を行うことなくイメージ信号を生成できる。深さ方向の空間分解能は低下するが、大きなステアリング角度を生成できる。 As another method, transmission and reception are performed for each reception signal group obtained by arranging reception signals having the same distances Δx and Δz in the horizontal x-coordinate and z-coordinate between the transmission position and the reception position. When the y coordinate of the aperture element is zero (s = 2), the transmission aperture represented by using the elevation angle θ and the azimuth angle φ, the y coordinate of the point of interest including the transmission and reception aperture positions, and the distances Δx and Δz. The distance between the element, the point of interest, and the receiving aperture element is half the linear distance, or the y coordinate of the transmitting aperture element is non-zero (s = 1, the y coordinates of the transmitting position and the receiving position may be considered in reverse) Between the transmission aperture element, the interest point, and the reception aperture element expressed using the elevation angle θ and the azimuth angle φ, the y coordinate of the point of interest, the y coordinate of the transmission aperture element, and the distances Δx and Δz. Set the deflection angle in the above monostatic aperture synthesis using the distance of Each image signal obtained Te was corrected for lateral position in the frequency domain, can generate an image signal without performing the interpolation approximation process by superimposing them. Although the spatial resolution in the depth direction is reduced, a large steering angle can be generated.
また、未知の波動源又はそれが生成する波動の伝搬を表すイメージ信号を生成するべく(いわゆる、パッシブモード)、推定される未知波動源のy座標を送信開口素子のy座標に設定して、ビームフォーミングを行うと良い。試行錯誤的にy座標を変えながら、観測してみることも有効である。例えば、結像されるとか、空間分解能が高くなるとか、信号強度が強くなる、コントラストが増加するとか等の効果が得られるとよく、これらを判定基準として、一連の処理を自動的に行うことも可能である。 Also, in order to generate an image signal representing the propagation of an unknown wave source or the wave it generates (so-called passive mode), the y coordinate of the estimated unknown wave source is set to the y coordinate of the transmission aperture element, It is good to perform beam forming. It is also effective to make observations while changing the y coordinate by trial and error. For example, effects such as image formation, increased spatial resolution, increased signal intensity, increased contrast, etc. should be obtained, and a series of processing is automatically performed using these as criteria. Is also possible.
後述の通り、波動源位置又は送信開口素子に関する情報として、受信開口素子に対する位置、存在する位置の方向若しくは距離、開口の方向、又は、生成される波動の伝搬方向が与えられることがある。また、任意の波動源によって波動が生成された時刻が与えられることもある。他装置によって観測されることもあるし、波動源から、その受信信号そのものか、それよりも高速に伝搬する波動が発せられて伝えられること等がある。 As will be described later, as the information on the wave source position or the transmission aperture element, the position with respect to the reception aperture element, the direction or distance of the existing position, the direction of the aperture, or the propagation direction of the generated wave may be given. In addition, the time at which a wave is generated by an arbitrary wave source may be given. It may be observed by other devices, and the received signal itself or a wave propagating at a higher speed may be emitted and transmitted from the wave source.
受信信号に対して、多次元スペクトルの重心(中心)周波数又は瞬時周波数を求め、こりより、波動源の存在する方向又は波動の伝搬方向を求め、送信又は受信の偏向角度を調整して、ビームフォーミングが行われることもある。また、ビームフォーミングされたイメージ信号に対して、多次元スペクトルの重心(中心)周波数又は瞬時周波数を求め、これより、波動源の存在する方向又は波動の伝搬方向を求め、送信又は受信の偏向角度を調整して、ビームフォーミングが行われることがある。これらの処理を複数の受信開口又は受信有効開口において実施し、幾何学的に波動源の存在する位置又は方向を求めることもできる。これらの処理は有用であり、他のビームフォーミングに応用されることもある。 Obtain the center of gravity (center) frequency or instantaneous frequency of the multi-dimensional spectrum for the received signal, determine the direction in which the wave source exists or the propagation direction of the wave from this, adjust the deflection angle for transmission or reception, and adjust the beam Forming may be performed. In addition, the center-of-gravity (center) frequency or instantaneous frequency of the multi-dimensional spectrum is obtained from the beam-formed image signal, and the direction in which the wave source exists or the propagation direction of the wave is obtained from this, and the deflection angle of transmission or reception is obtained. The beam forming may be performed by adjusting. These processes can be performed in a plurality of reception apertures or reception effective apertures to geometrically determine the position or direction where the wave source exists. These processes are useful and may be applied to other beam forming.
方法(2)のモノスタティック型開口面合成において説明した通り、本方法(3)のマルチスタティック型開口面合成においても、開口面合成用に収集したエコー信号を用いて任意のビームフォーミングを生成できる(実のところ、それらのデータに方法(1)や(4)〜(7)に記載の処理を施してもイメージ信号は生成できる)。モノスタティック型に比べてデータ量が豊富であることが有効であることがあるが、計算量は増大する。方法(1)の平面波の処理においても、符号を用いることで、開口面合成処理を施すことができる。また、コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUS等において、極座標(r,θ)において角度θ方向に広い波を半径r方向に送波又は受波(円筒波)する場合(図7)や、任意の開口形状の物理開口の後方に設置された仮想源を用いて図7と同一の極座標系(r,θ)の角度θ方向に広い波を半径r方向に送波(円筒波)する場合(図8A(a)〜(c)を参照)や、その極座標系において開口面合成用に収集したエコー信号に対して、方法(1)と同様に、デカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えて処理をすれば良く、デカルト座標系(x,y)や極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することができる。他の送信ビームフォーミングを行った場合や、それらを球座標系において実施した場合においても同様である。一方、同じく、コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUS等において、方法(5)に従って、直接にデカルト座標においてイメージ信号を生成することができる。その場合には、エコー信号のイメージング及び変位計測等を、一貫して、同一のデカルト座標系において実施できる。これらにおいて、方法(1)と同様に、任意の直交座標系において、又は、任意の直交座標系に変換して、同様に処理できる。その他、方法(1)の段落0211〜0222等と、方法(2)の段落0240等に記載のビームフォーミングを同様にして行うことができ、例えば、仮想源や仮想受信機等を、物理開口の形状に依らずに、任意に設置できる(特許文献7、非特許文献8)。また、本発明は、その限りでは無い(以下、同様)。 As described in the method (2) for monostatic aperture synthesis, in the method (3) for multistatic aperture synthesis, an arbitrary beamforming can be generated using echo signals collected for aperture synthesis. (Actually, an image signal can be generated even if the processing described in the methods (1) and (4) to (7) is performed on these data). Although it may be effective that the amount of data is abundant compared to the monostatic type, the amount of calculation increases. In the plane wave processing of the method (1), the aperture plane synthesis processing can be performed by using a code. Further, in a convex transducer, sector scan, IVUS, or the like, when a wide wave is transmitted or received (cylindrical wave) in the angle θ direction in polar coordinates (r, θ) in the radius r direction (FIG. 7), When a wide wave is transmitted in the direction of the angle θ of the polar coordinate system (r, θ) in the same polar coordinate system (r, θ) as in FIG. (Refer to FIGS. 8A (a) to 8 (c)), and for the echo signals collected for aperture plane synthesis in the polar coordinate system, Cartesian coordinates (x, y) are converted into polar coordinates (as in method (1)). The image signal can be generated in a Cartesian coordinate system (x, y) or polar coordinates (r, θ). The same applies when other transmission beamforming is performed or when they are performed in a spherical coordinate system. On the other hand, the image signal can be directly generated in Cartesian coordinates according to the method (5) in the convex transducer, sector scan, IVUS or the like. In that case, imaging of the echo signal, displacement measurement, and the like can be performed consistently in the same Cartesian coordinate system. In these, similarly to the method (1), the same processing can be performed in an arbitrary orthogonal coordinate system or by converting to an arbitrary orthogonal coordinate system. In addition, the beam forming described in paragraphs 0221 to 0222 of the method (1) and the paragraph 0240 of the method (2) can be performed in the same manner. For example, a virtual source, a virtual receiver, or the like It can be installed arbitrarily without depending on the shape (Patent Document 7, Non-Patent Document 8). The present invention is not limited to this (hereinafter the same).
また、上記の如く、深さ方向の空間分解能は低下するが、大きなステアリング角度を生成するべく、別の方法として偏向することが可能であるが、その場合にも、送信ビームフォーミングと受信ビームフォーミングのステアリング角度が異なる場合を同様に処理できる。送信開口素子と受信開口素子との横方向の距離、送信ステアリング角度と受信ステアリング角度、及び、透過型の場合には送信開口素子と受信素子との距離も用いて換算距離を計算すればよい。 In addition, as described above, the spatial resolution in the depth direction is reduced, but it is possible to deflect as another method in order to generate a large steering angle. In this case as well, transmission beam forming and reception beam forming are possible. The case where the steering angle is different can be processed in the same manner. The conversion distance may be calculated using the lateral distance between the transmission aperture element and the reception aperture element, the transmission steering angle and the reception steering angle, and in the case of the transmission type, the distance between the transmission aperture element and the reception element.
方法(3)におけるいずれのステアリングも、基本的には、ソフト的に実施するものである。また、送信時にアポダーゼーションを実施することもあるし、実施しないこともある。また、受信アポダーゼーション処理も線形処理であるがゆえに様々なタイミングで実施できるが(ハード的に、又は、ソフト的に)、ソフト的に実施する場合には、例えば、生成する低分解能エコー信号の数を決める有効開口幅等に依存する計算量を加味して適切なタイミングで容易に実施可能である。例えば、低分解能エコー信号の生成を開始するための各セットを重み付けするか、又は、生成された低分解能信号に周波数領域又は空間領域においてアポダーゼーションできる。 Any steering in the method (3) is basically performed in a software manner. In addition, apodization may or may not be performed at the time of transmission. In addition, since the reception apodization process is also a linear process, it can be performed at various timings (hardware or software). In consideration of the amount of calculation that depends on the effective aperture width and the like that determines the number of the above, it can be easily implemented at an appropriate timing. For example, each set for initiating generation of a low resolution echo signal can be weighted or apodized in the frequency domain or spatial domain to the generated low resolution signal.
また、方法(2)のモノスタティック開口面合成を応用するに当たり、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である。また、波数マッチングを上記の補間近似を通じて高速に行うことがある。補間近似には、線形補間近似や最も近傍のデータそのもので近似することが行われることもあるし、高次の補間近似が行われることもあるし、sinc関数が用いられることもある。その補間近似を通じた波数マッチングを高精度化する場合には、計算量が増えることを代償に、適切なオーバーサンプリングの下で処理する必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。
また、段落0243、0247、0250に記載されている、重ね合わせを行うための横方向の位置合わせにおいて、横方向のシフティング処理を行うための複素指数関数を掛けて横方向に位相を回転させる代わりに、より高速な処理を実現するべく、補間近似を通じて空間的なシフティング処理が行われることもある。補間近似には、線形補間近似や最も近傍のデータそのもので近似することが行われることもあるし、高次の補間近似が行われることもあるし、sinc関数が用いられることもある。この場合においても、その補間近似の精度を向上させる場合には、計算量が増えることを代償として、適切なオーバーサンプリングの下で処理する必要がある。
In addition, in applying the monostatic aperture surface synthesis of method (2), wave number matching can be performed at the first Fourier transform, both physically and mathematically, and wave number matching can be performed at the last inverse Fourier transform. It is also possible to do this. Also, wave number matching may be performed at high speed through the above-described interpolation approximation. In the interpolation approximation, approximation may be performed using linear interpolation approximation or nearest neighbor data itself, higher-order interpolation approximation may be performed, or a sinc function may be used. In order to increase the accuracy of wave number matching through the interpolation approximation, it is necessary to perform processing under appropriate oversampling at the cost of increasing the amount of calculation. In that case, it is necessary to be careful that the number of data of the Fourier transform increases, unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process is not performed.
Further, in the horizontal alignment for performing superposition described in paragraphs 0243, 0247, and 0250, the phase is rotated in the horizontal direction by multiplying by a complex exponential function for performing the shifting process in the horizontal direction. Instead, spatial shifting processing may be performed through interpolation approximation in order to realize faster processing. In the interpolation approximation, approximation may be performed using linear interpolation approximation or nearest neighbor data itself, higher-order interpolation approximation may be performed, or a sinc function may be used. Even in this case, in order to improve the accuracy of the interpolation approximation, it is necessary to perform processing under appropriate oversampling at the cost of an increase in calculation amount.
方法(4):固定フォーカシング
図12は、リニア型アレイを用いた固定フォーカシングの模式図である。固定フォーカシングとは、1点をフォーカス点とし、フォーカス点に同時に超音波が到達する様に、各素子に遅延を与える方法である。アレイ型トランスデューサの物理開口の一部又は全てを有効開口として受信して、計測対象が走査される。無論、ステアリングを行うこともある。送信と受信のステアリング角度が異なることもある。
Method (4): Fixed Focusing FIG. 12 is a schematic diagram of fixed focusing using a linear array. Fixed focusing is a method in which each element is delayed so that one point is a focus point and ultrasonic waves reach the focus point simultaneously. A part or all of the physical aperture of the array type transducer is received as an effective aperture, and the measurement target is scanned. Of course, steering may be performed. The transmission and reception steering angles may be different.
固定フォーカシングは、イメージ信号の生成を、方法(1):平面波送信時のビームフォーミング、又は、方法(3):マルチスタティック型開口面合成、又は、方法(1)の平面波送信のビームフォーミングと方法(2)又は方法(3)の受信ダイナミックフォーカシングを組み合わせた方法により行う。その場合に、以下の3通りの方法がある。
(i)有効開口幅において得られた各受信信号を重ね合わせに対して、1回のイメージ信号生成処理を施す。
(ii)1回の送信毎の受信信号を用いていわゆる通常の低分解能イメージ信号を生成して、それらを重ね合わせる。
(iii)マルチスタティック型開口面合成と同様に、送受信の位置関係が同じものをセットにしてイメージ信号を生成して、それらを重ね合わせる。
In the fixed focusing, the image signal is generated by the method (1): beam forming during plane wave transmission, or the method (3): multi-static aperture synthesis, or the beam forming and method of plane wave transmission in method (1). This is performed by a method combining the reception dynamic focusing of (2) or method (3). In that case, there are the following three methods.
(I) Each received signal obtained in the effective aperture width is subjected to one image signal generation process on the superposition.
(Ii) A so-called normal low-resolution image signal is generated using the received signal for each transmission, and they are superimposed.
(Iii) Similar to the multi-static aperture plane synthesis, image signals are generated by setting the same transmission / reception positional relationship as a set, and then superimposed.
コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUSにおいて極座標の半径r方向に送信及び受信を行う場合や、任意の開口形状において後方に設置する仮想源を用いてビームフォーミングを行う場合には、デカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えて処理をすれば良く、極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することができる。そのイメージの生成後に補間近似を必要とすることがあることは上記の通りである。球座標系を使用する送信と受信においても同様である。送信フォーカスする場合に近似処理を交えて行う処理の報告(非特許文献6)があり、同様に、極座標(r,θ)において結果が得られる。本願の発明者は、それらの極座標系や球座標系、また、任意の直交曲線座標系における送信又は受信のビームフォーミングの結果として、デカルト座標系において直接的にイメージ信号を生成する方法(5)、(5−1)、(5−1')、及び、(5−2)も発明した。その場合には、透過信号や反射信号、散乱信号、減衰信号等のイメージング及び変位計測等を、一貫して、同一のデカルト座標系において実施できる。これらにおいて、方法(1)と同様に、任意の直交座標系において、又は、任意の直交座標系に変換して、同様に処理できる。その他、方法(1)の段落0211〜0222等と、方法(2)の段落0240等に記載のビームフォーミングを同様にして行うことができ、例えば、仮想源や仮想受信機等を、物理開口の形状に依らずに、任意に設置できる(特許文献7、非特許文献8)。また、本発明は、その限りでは無い(以下、同様)。また、上記の如く、偏向することが可能であるが、物理的な送信ビームフォーミングとソフト的な受信ビームフォーミングの偏向角度が異なる場合も処理できる。ソフト的に送信ステアリングを施すこともできる。その場合に、偏向角度が他の偏向角度と異なる場合もある。受信時に物理的にビームフォーミングすることもできる。送信と受信を逆に解釈することもできる。送信時にアポダイゼーションされることもあるし、受信信号に対し、受信アポダーゼーション処理を行うこともある(受信時にハード的に、又は、受信後にソフト的に)。アポダイゼーションをソフト的に実施する場合には、方法(1)又は方法(3)に従って行う。平面波送信のビームフォーミングと方法(2)又は方法(3)の受信ダイナミックフォーカシングを組み合わせた方法を用いた場合も、同様にアポダイゼーションが行われる。 When performing transmission and reception in the radius r direction of polar coordinates in convex transducers, sector scans, or IVUS, or when performing beamforming using a virtual source placed behind in an arbitrary aperture shape, Cartesian coordinates ( Processing may be performed by replacing x, y) with polar coordinates (r, θ), and an image signal can be generated at polar coordinates (r, θ). As described above, interpolation approximation may be required after the image is generated. The same applies to transmission and reception using a spherical coordinate system. There is a report (Non-Patent Document 6) of processing performed with approximation processing when transmission focus is performed, and similarly, a result is obtained in polar coordinates (r, θ). The inventor of the present application directly generates an image signal in a Cartesian coordinate system as a result of beam forming for transmission or reception in the polar coordinate system, spherical coordinate system, or arbitrary orthogonal curve coordinate system (5). , (5-1), (5-1 ′) and (5-2) were also invented. In that case, imaging and displacement measurement of transmission signals, reflection signals, scattering signals, attenuation signals, etc. can be performed consistently in the same Cartesian coordinate system. In these, similarly to the method (1), the same processing can be performed in an arbitrary orthogonal coordinate system or by converting to an arbitrary orthogonal coordinate system. In addition, the beam forming described in paragraphs 0221 to 0222 of the method (1) and the paragraph 0240 of the method (2) can be performed in the same manner. For example, a virtual source, a virtual receiver, or the like It can be installed arbitrarily without depending on the shape (Patent Document 7, Non-Patent Document 8). The present invention is not limited to this (hereinafter the same). Further, as described above, it is possible to deflect, but it is also possible to handle a case where the deflection angles of physical transmission beam forming and soft reception beam forming are different. Transmission steering can also be applied in software. In that case, the deflection angle may be different from other deflection angles. It is also possible to physically perform beamforming at the time of reception. Transmission and reception can be interpreted in reverse. Apodization may be performed at the time of transmission, or reception apodization processing may be performed on the received signal (hardware at the time of reception or software after reception). When apodization is performed in software, it is performed according to method (1) or method (3). Apodization is performed in the same manner when using a method that combines the beam forming of plane wave transmission and the reception dynamic focusing of method (2) or method (3).
尚、平面波処理を行う方法(1)を用いる方法(4)の如何なる処理も、理論的に、そして、実際に、任意の物理的送信、又は、受信のビームフォーミングを行うことが可能であり、上記の如く処理すると、様々な組み合わせのビームフォーミングを実施できる(例えば、計算機や専用デバイス等を用いたソフト的なビームフォーミングにおいて行うものとは別の、計算機や専用デバイス等を用いた物理的な送信時と受信時のそれらのときにおいて行うことのあるフォーカシングやステアリング、アポダイゼーション等の処理を伴うものの各々又は両者を平面波送信と受信処理することができる。又は、上記の如く、送信と受信を逆に捉えて処理できる)。例えば、段落0109、0112、0365、0367、0368等に記載の、複数ビームの同時送信に関し、それらの複数のビームが、物理的に偏向有り又は無しにおいて、それらのビームが干渉する場合や干渉しない場合を含み、又は、対象の同時相において異なるタイミングでそれらのフォーカスビームフォーミングを行った場合、又は、それらの両受信信号が混在する場合において、物理的フォーカス(サブ開口幅、距離や深さ、位置等)が同一であるか異なるかに依らず、また、物理的な送信偏向角度が同一であるか異なるかに依らず、方法(4)の上記の処理は有効であり、特に、(i)の有効開口幅において得られた各受信信号の重ね合わせに対して1回のイメージ信号生成処理を施す方法を用いれば、高フレームレートを実現するものである。方法(4)においては、必ずしも波動が干渉しない位置(段落0030、0364等に記載)でビームフォーミングを行う必要は無く、オーバーラップするサブ開口を同時に用いる場合等、波動が干渉する場合でも、同処理で高フレームレートを実現できる。その際、実施する複数のフォーカスビームに施すソフト的な送信偏向角度と受信偏向角度との各々が同一であれば、上記の処理を行えば良い。その他、対象の同時相において、複数位置のフォーカシングや送信ダイナミックフォーカシングを行う場合等の複数回の送信を行う場合においても、受信信号の重ね合わせに同様に処理できる。対象の同時相において受信した受信信号群に関し、送信素子の位置やタイミングを基に時間が揃えられた状態の受信信号の重ね合わせであれば、その全てに本処理を施すことができる。 Any processing of the method (4) using the method (1) for performing the plane wave processing can theoretically and actually perform any physical transmission or reception beamforming, By processing as described above, various combinations of beam forming can be performed (for example, physical using a computer or a dedicated device other than that performed in a soft beam forming using a computer or a dedicated device). Plane wave transmission and reception processing can be performed for each or both of the processing, such as focusing, steering, and apodization, which may be performed at the time of transmission and reception, or transmission and reception can be reversed as described above. Can be captured and processed). For example, regarding simultaneous transmission of a plurality of beams described in paragraphs 0109, 0112, 0365, 0367, 0368, etc., the beams interfere or do not interfere with each other with or without physical deflection. In some cases, or when the focus beamforming is performed at different timings in the target simultaneous phase, or when both received signals are mixed, the physical focus (sub aperture width, distance and depth, Regardless of whether the position, etc.) are the same or different, and regardless of whether the physical transmission deflection angle is the same or different, the above processing of method (4) is effective, and in particular, (i If a method of performing one image signal generation process on the superposition of received signals obtained at the effective aperture width of It is intended to. In method (4), it is not always necessary to perform beam forming at a position where waves do not interfere (described in paragraphs 0030, 0364, etc.). High frame rate can be realized by processing. At this time, if the software transmission deflection angle and the reception deflection angle applied to the plurality of focus beams to be performed are the same, the above-described processing may be performed. In addition, in the case where multiple transmissions are performed, such as when performing focusing at a plurality of positions or transmission dynamic focusing in the target simultaneous phase, the same processing can be performed for superimposing received signals. With respect to the received signal group received in the target simultaneous phase, this processing can be applied to all of the received signals in a state in which the time is aligned based on the position and timing of the transmitting element.
また、複数のフォーカスビームに施すソフト的な送信偏向角度と受信偏向角度とのいずれかが異なるものを含む場合には、同一のものに分け、同一のもの毎に同処理を施し、最終結果を求めるべく周波数領域における重ね合わせを施せば良い。1つの物理的な送信ビーム(偏向有り、又は、無し)に対して、複数の偏向受信ビーム(偏向角度0°も含む)を生成することもあり、同様に、処理される。異なる複数の物理的な偏向が行われる場合も、同一のものに分けて、各々の処理結果を得る場合があるし、分けずに、処理することもある。分けた場合には、空間領域又は周波数領域で重ね合わせが行われることがある。 Also, if any of the software transmission deflection angles and reception deflection angles applied to multiple focus beams is different, divide them into the same ones, apply the same processing to the same ones, and obtain the final result. What is necessary is just to superimpose in the frequency domain to obtain. For a single physical transmit beam (with or without deflection), multiple deflected receive beams (including a deflection angle of 0 °) may be generated and processed similarly. Even when a plurality of different physical deflections are performed, the processing results may be obtained by dividing them into the same one, or they may be processed without being divided. In the case of division, superposition may be performed in the spatial domain or the frequency domain.
物理的に多方向に送信した場合には、各々の送信偏向角度に対してソフト的に固有の送信と受信の偏向を施すことがあり、その場合には、送信ビームを周波数領域で分離するか、又は、独立成分分析(ICA:参考文献としては、比較的に古書であるTe-Won Lee, Independent Component Analysis: Theory and Applications, Springer, 1998等を初め多くの文献がある)等の分離処理を施し、処理することがある。アナログデバイスが使用されることもある。例として、各々の物理的な偏向角度と同一にソフト的な送信や受信の偏向角度を設定することがある。信号分離には、他にも記載してある(例えば、段落0370)。 When transmitting in multiple directions physically, there may be software-specific transmission and reception deflections for each transmission deflection angle, in which case the transmission beam is separated in the frequency domain. Or, separation processing such as independent component analysis (ICA: There are many documents such as Te-Won Lee, Independent Component Analysis: Theory and Applications, Springer, 1998 etc. which are relatively old books as a reference) May be applied and processed. Analog devices may be used. As an example, software transmission and reception deflection angles may be set in the same manner as the respective physical deflection angles. Others are described for signal separation (eg, paragraph 0370).
ここでは、様々な固定フォーカシング処理を対象として、本法を実施することを記載したが、本法は、これらに限られず、他の送信ビームフォーミングが実施された場合にも使用できる。フォーカシング有り(有効開口に対して異なるフォーカス位置を複数個実現するマルチフォーカス)又は無し、偏向有り(異なる偏向角度を持つ複数のステアリング)又は無し、アポダーゼーション有り(位置毎に異なる場合を含む)又は無し、Fナンバー、送信超音波周波数又は送信帯域が異なる、受信周波数又は受信帯域、パルス形状が異なる、ビーム形状が異なる等、波動や超音波パラメータの異なる複数の送信又は受信を行う場合においても、同様に処理でき、それらを固定した1つのビームフォーミングでは生成できない新しい特徴を持ったビームフォーミングを実施できる。例えば、重ね合わせにより、複数のフォーカスを獲得することや、深さ方向にも横方向にも広帯域化(高分解能化)できることは公知であるが、これらの処理を高速に実施できる。高調波を得るべく、いわゆるパルス・インバージョン(Pulse inversion)法(超音波パラメータとして極性が異なるパルスを放射する)等を用いる場合には、受信信号を重ね合わせ、同様に、高速に処理できる。無論、ビームフォーミングを行った後に、受信信号を重ね合わせることもできる。2つ以上の複数のビームの受信信号を重ね合わせることもある。 Here, it has been described that the present method is implemented for various fixed focusing processes. However, the present method is not limited thereto, and can be used when other transmission beam forming is performed. With or without focusing (multi-focus that realizes multiple different focus positions with respect to the effective aperture) or without, with or without deflection (multiple steering with different deflection angles) or without apodization (including different cases for each position) Even when performing a plurality of transmissions or receptions with different waves or ultrasonic parameters such as none, F number, transmission ultrasonic frequency or transmission band are different, reception frequency or reception band, pulse shape is different, beam shape is different, etc. The beam forming can be performed in the same manner and with new features that cannot be generated by a single beam forming with them fixed. For example, it is known that a plurality of focus points can be obtained by superposition, and that a wide band (high resolution) can be obtained both in the depth direction and in the horizontal direction, but these processes can be performed at high speed. In order to obtain harmonics, when using a so-called pulse inversion method (emitting pulses having different polarities as ultrasonic parameters) or the like, received signals can be superimposed and similarly processed at high speed. Of course, it is also possible to superimpose received signals after beamforming. The received signals of two or more beams may be superimposed.
上記の送信と受信を逆に考えることを基礎として、上記の処理を同時受信ビームフォーミングに施すこともある。また、上記の処理を送受信の両方に施すこともある。 The above processing may be applied to simultaneous reception beamforming on the basis of considering the transmission and reception in reverse. In addition, the above processing may be performed for both transmission and reception.
尚、複数のビームフォーミングに分けて処理される場合には、並列処理されることがある。上記の偏向角度等の各種の波動や超音波パラメータや関心領域の位置等で、複数のビームフォーミングに分けられることがある。イメージングや計測、治療等、1つの受信信号が多目的に使用されることがあり、情報量の多い、例えば、高精度、高分解能である、透過信号や反射信号、散乱信号、減衰信号等をビームフォーミングにより生成してフィルタリング等の後処理により目的に合わせた信号が生成されることもあるが、目的に合わせて、適切なビームフォーミングが行われ、それらが並列処理されることもある。 In addition, when processing is divided into a plurality of beam forming, it may be processed in parallel. Depending on various waves such as the above deflection angle, ultrasonic parameters, position of the region of interest, etc., there are cases where it is divided into a plurality of beam forming. One received signal may be used for multiple purposes such as imaging, measurement, treatment, etc., and a large amount of information, for example, high-accuracy, high-resolution, transmitted, reflected, scattered, attenuated signals, etc. A signal that is generated by forming and subjected to post-processing such as filtering may be generated according to the purpose. However, appropriate beam forming may be performed according to the purpose, and they may be processed in parallel.
固定フォーカスビーム等の任意のビームの他、任意の波(ビームフォーミングされていない波を含む)の送信時のビームフォーミング、複数のビームや波の送信時の重ね合わせ処理、及び、同時の複数ビームや波の送信時の処理を実施できる。つまり、単数又は複数の如何なる送信が行われた場合においても、受信ビームフォーミング(ダイナミックフォーカシング等)を一度に行える。複数のビームフォーミングは、多方向開口面合成法を用いて行われる場合もあり、その場合も同様にして高速に行われる。また、本発明は、それらの限りでは無い。
また、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である。尚、本発明の特徴の1つには、波数マッチングにおいて、補間近似処理を行わないことにあるが、上記の方法(1)〜(3)に記載の方法を応用する本方法(4)でも、方法(1)〜(3)の場合と同様に波数マッチングにおいて補間近似処理を行うことがあり、それらに記載されている近似的な波数マッチングが行われて、高速にビームフォーミングが行われることがある。高精度に近似的な波数マッチングを行うには、計算量が増えることを代償として、受信信号を適切にオーバーサンプリングする必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。
In addition to an arbitrary beam such as a fixed focus beam, beam forming at the time of transmission of an arbitrary wave (including a wave not subjected to beam forming), superposition processing at the time of transmission of a plurality of beams and waves, and simultaneous multiple beams And processing at the time of wave transmission. In other words, reception beamforming (such as dynamic focusing) can be performed at a time regardless of whether one or a plurality of transmissions are performed. The plurality of beam forming operations may be performed using a multidirectional aperture plane synthesis method, and in this case as well, the beam forming operations are performed at high speed in the same manner. The present invention is not limited to these.
In addition, both physically and mathematically, wave number matching can be performed during the first Fourier transform, and wave number matching can be performed during the last inverse Fourier transform. One of the features of the present invention is that interpolation approximation processing is not performed in wave number matching, but this method (4) applying the method described in the above methods (1) to (3) is also applicable. As in methods (1) to (3), interpolation approximation processing may be performed in wave number matching, and approximate wave number matching described therein is performed, and beam forming is performed at high speed. There is. In order to perform approximate wave number matching with high accuracy, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the cost of an increase in the amount of calculation. In that case, it is necessary to be careful that the number of data of the Fourier transform increases, unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process is not performed.
方法(5):極座標系におけるイメージ信号生成
方法(5)は、コンベックスアレイやセクタスキャン、IVUS等の2次元極座標系(r,θ)で超音波円筒波(の一部)を送信又は受信した場合のデカルト座標系におけるイメージ信号の生成法である(図7を参照)。方法(1)〜(4)、(6)を実施できる。
Method (5): Image signal generation in a polar coordinate system Method (5) transmits or receives (part of) an ultrasonic cylindrical wave in a two-dimensional polar coordinate system (r, θ) such as convex array, sector scan, or IVUS. This is a method of generating an image signal in a Cartesian coordinate system in the case (see FIG. 7). The methods (1) to (4) and (6) can be performed.
以下に、フーリエ変換の極座標表示について説明する。2次元フーリエ変換は、式(22)によって表される。
方法(5−1):円筒波送波又は受信のイメージ信号生成
図13は、円筒波送波時のデジタル信号処理を示すフローチャートである。式(24)より、開口上の角度θ方向のフーリエ変換は、式(25)によって表される。
従って、例えば、これに、式(26)によって表される波数マッチングを施し(ステップS23)、空間(x,y)に関して逆フーリエ変換することにより、イメージ信号を生成することができる。
さらに、ステップS24において、2次元スペクトルに以下の複素指数関数を掛け、各深さyの角スペクトルが計算される。
若しくは、式(26a)と式(26b)を用いずに、方法(5)に順当に従い、以下の複素指数関数を掛け、波数マッチングを行うと共に、各深さ位置yの角スペクトルを求めても良い。
さらに、例えば、ステップS25において角スペクトルの周波数成分kを足し合わせ、ステップS26において横方向の波数kxに関して逆フーリエ変換(IFFT)を行うことにより、ステップS27においてイメージ信号が得られる。純粋に2次元逆フーリエ変換を施しても良い。 Further, for example, the frequency component k of the angular spectrum is added in step S25, and an inverse Fourier transform (IFFT) is performed on the horizontal wave number kx in step S26, whereby an image signal is obtained in step S27. A purely two-dimensional inverse Fourier transform may be applied.
尚、ステアリングを行う場合には、方法(1)に従い、偏向角度θを用いた式(9a)〜(9c)に従って、x方向及びy方向の波数マッチングを行うと共に空間分解能を得れば良い。尚、後に記載の通り、極座標系(r,θ)にて計算を行う場合においては、極座標系においてステアリング角度(半径方向と成す角度)を設け、同様にして、ステアリングすることもできる。物理的なステアリングを実施することもできるし、送信又は受信、又は、送受信のソフト的なステアリングを実施することもできるし、物理的なステアリングとソフト的なステアリングを組み合わせて実施することも可能であるのは、方法(1)等、他の方法の如くである。 When steering is performed, according to method (1), wave number matching in the x direction and y direction may be performed and spatial resolution may be obtained according to equations (9a) to (9c) using the deflection angle θ. As will be described later, when the calculation is performed in the polar coordinate system (r, θ), a steering angle (an angle formed with the radial direction) is provided in the polar coordinate system, and the steering can be similarly performed. Physical steering can be implemented, transmission, reception, transmission / reception soft steering can be implemented, or physical steering and soft steering can be implemented in combination. There are other methods such as method (1).
この方法は、極座標系(r,θ)の信号からデカルト座標系(x,y)のイメージ信号を得るに当り、波数マッチングと座標系の変換に補間処理を要さず、高速かつ高精度なビームフォーミングを行うものである。リニアアレイ型トランスデューサにおける平面波送波と同様に、円筒波を極座標系において偏向することもできる。送信ビームフォーミングと受信ビームフォーミングのステアリング角度が異なる場合等も同様に処理できる。ソフト的なステアリングを施すこともできる。アポダイゼーションも同様に実施できる。円筒波の場合には、2次元極座標系と直交するz軸方向の異なる位置(即ち、円筒座標系(r,θ,z)におけるz軸)において、上記の送信を同時に行って受信するか、同一の時相ではあるが異なる時刻に上記の送信を行って受信したものを重ね合わせ、上記の処理を行うこともある。z軸方向には、アナログデバイス(レンズ)により、フォーカスされている場合もあるし、本願発明のデジタル信号処理により、任意の処理を行うことも可能である。波動の伝搬方向が中心方向にある場合も同様に計算できる(例えば、HIFU治療や対象物を囲む円形ベースのアレイトランスデューサによる各種イメージングやCT等に有用である)。無論、それらにおいて、受信のみのビームフォーミングが行われることもあり、同様に処理される。尚、極座標(r,θ)にて表される受信信号に対し、方法(1)のデカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えた処理を行うこともでき、極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成できることは上記の通りであり、その後の処理にて、補間近似を行うことになる。これらにおいて、同様に、ステアリングを行うこともできる。方法(2)〜(4)、(6)も同様に実施できる。 This method does not require interpolation processing for wave number matching and coordinate system conversion to obtain image signal of Cartesian coordinate system (x, y) from polar coordinate system (r, θ) signal, and it is fast and highly accurate. Beam forming is performed. Similar to the plane wave transmission in a linear array transducer, a cylindrical wave can be deflected in a polar coordinate system. The same processing can be performed when the transmission beam forming and the reception beam forming have different steering angles. Soft steering can also be applied. Apodization can be performed similarly. In the case of a cylindrical wave, at the different positions in the z-axis direction orthogonal to the two-dimensional polar coordinate system (that is, the z-axis in the cylindrical coordinate system (r, θ, z)) The above processing may be performed by superimposing those received by performing the above transmission at the same time phase but at different times. The z-axis direction may be focused by an analog device (lens), or arbitrary processing can be performed by the digital signal processing of the present invention. The same calculation can be performed when the wave propagation direction is in the center direction (for example, useful for various imaging or CT using a circular-based array transducer surrounding a HIFU treatment or an object). Of course, reception-only beamforming may be performed in them, and the same processing is performed. The received signal represented by polar coordinates (r, θ) can be processed by replacing the Cartesian coordinates (x, y) in method (1) with polar coordinates (r, θ). , θ), the image signal can be generated as described above, and interpolation approximation is performed in the subsequent processing. In these, similarly, steering can be performed. The methods (2) to (4) and (6) can be similarly performed.
また、受信信号がデカルト座標(x,y)のデジタル信号として表されるとき、式(22)とは逆に、f(x,y)を半径rと角度θに関してフーリエ変換して処理をし、結局のところ、極座標系(r,θ)においてイメージ信号を生成するか、又は、各方法を用いて、デカルト座標系(x,y)においてイメージ信号を生成することもできる。ステアリング及びアポダイゼーションも同様に行われることがある。 Also, when the received signal is represented as a digital signal with Cartesian coordinates (x, y), f (x, y) is Fourier-transformed with respect to the radius r and the angle θ and processed, contrary to the equation (22). After all, the image signal can be generated in the polar coordinate system (r, θ), or the image signal can be generated in the Cartesian coordinate system (x, y) using each method. Steering and apodization may occur as well.
また、図8B(d)〜(f)に示すように、上記の様な極座標系で表される物理開口素子アレイや任意の開口形状の物理開口を用いて、任意距離位置において、送信又は受信、又は、両者の平面波を生成し、同様にしてビームフォーミングを行うこともあり、デカルト座標系又は極座標系、又は、物理開口形状に合わせて設定される直交曲座標系において、イメージ信号が生成されることがある。その距離位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成したことと等価であり、その距離位置を零とすると、仮想的に、リニア型開口アレイを用いた場合に該当する。距離位置は、物理開口の後方以外に、前方にも設定でき、それらの位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成することもできる。平面波はステアリングされたり、仮想的リニア型開口が傾けられる(仮想的にメカニカルステアリングされる)こともある。無論、必要に応じて、物理的な開口はメカニカルステアリングされる。それらの平面波を送信するのみ、又は、受信するのみの場合には、各々、円筒波を送信及び受信する場合を基礎とし、時として、他のビームフォーミングが行われることもある。 Further, as shown in FIGS. 8B (d) to 8 (f), transmission or reception is performed at an arbitrary distance position using a physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or a physical aperture having an arbitrary aperture shape. Alternatively, both plane waves may be generated and beam forming may be performed in the same manner, and an image signal is generated in a Cartesian coordinate system, a polar coordinate system, or an orthogonal curved coordinate system set in accordance with a physical aperture shape. Sometimes. This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at the distance position. If the distance position is set to zero, this corresponds to a case where a linear aperture array is virtually used. The distance position can be set not only behind the physical aperture but also at the front, and a virtual linear aperture array (or plane wave) can be generated at these positions. The plane wave may be steered or the virtual linear opening may be tilted (virtual mechanical steering). Of course, if necessary, the physical opening is mechanically steered. When only these plane waves are transmitted or received, other beam forming is sometimes performed on the basis of the case of transmitting and receiving cylindrical waves, respectively.
方法(5−1'):仮想源と他の任意形状の開口アレイを用いたイメージ信号生成
円形開口アレイだけでなく、リニアアレイ型トランスデューサ等の任意開口形状から波動を送信する場合において、後方に設置された仮想源を用いて円筒波の一部を生成する場合(図8A(a)〜(c)を参照)について説明する。
Method (5-1 ′): Image signal generation using virtual source and other arbitrary shape aperture array When transmitting wave from arbitrary aperture shape such as linear array type transducer as well as circular aperture array A case where a part of a cylindrical wave is generated using an installed virtual source (see FIGS. 8A (a) to (c)) will be described.
(i)モノスタティック開口面合成用に取得した受信信号を用いる場合には、各素子において送受信してメモリ等に格納された受信信号に対して、必要があれば、フーリエ変換に複素指数関数を乗算し、仮想源から発せられた波動の応答を極座標(r,θ)にて表されるデジタル受信信号とし、その上で、方法(5)に従う、又は、方法(5−1)を用いれば、直接的に(x,y)座標系においてイメージ信号を生成できる。また、同じく、受信した信号を極座標(r,θ)のデジタル信号として表し、方法(1)のデカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えた処理を行うこともでき、極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することもできる。無論、方法(2)のモノスタティック処理も極座標系(r,θ)において可能である。 (I) When the received signal acquired for monostatic aperture plane synthesis is used, if necessary for the received signal transmitted and received in each element and stored in a memory or the like, a complex exponential function is applied to the Fourier transform. Multiply the response of the wave emitted from the virtual source into a digital received signal represented by polar coordinates (r, θ), and then follow method (5) or use method (5-1) The image signal can be generated directly in the (x, y) coordinate system. Similarly, the received signal can be represented as a digital signal of polar coordinates (r, θ), and the process of replacing the Cartesian coordinates (x, y) in method (1) with polar coordinates (r, θ) can be performed. An image signal can also be generated at (r, θ). Of course, monostatic processing of method (2) is also possible in the polar coordinate system (r, θ).
(ii)また、マルチスタティック開口面合成用に取得した受信信号を用いる場合には、各素子において送信して周囲の素子で受信してメモリ等に格納された受信信号に対して、必要があれば、フーリエ変換に複素指数関数を乗算し、仮想源から発せられた波動の応答を極座標(r,θ)にて表されるデジタル受信信号とし、方法(3)のマルチスタティック開口面合成を実施できる。別の処理としては、方法(5)に従う、又は、そのデジタル受信信号を各受信素子において重ね合わせ、その上で、方法(5−1)を用いれば、直接的に(x,y)座標系においてイメージ信号を生成できる。また、同じく、そのデジタル受信信号を各受信素子において重ね合わせ、その上で、方法(1)のデカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えた処理を行うこともでき、極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することもできる。無論、重ね合わせせずに、方法(3)のマルチスタティック処理も極座標系(r,θ)において実施できる。 (Ii) In addition, when using the received signal acquired for multi-static aperture plane synthesis, there is a need for the received signal transmitted in each element and received by the surrounding elements and stored in the memory etc. For example, multiply the Fourier transform by the complex exponential function, and use the response of the wave emitted from the virtual source as the digital received signal represented by polar coordinates (r, θ), and implement the multistatic aperture plane synthesis method (3) it can. Another process is to follow the method (5) or superimpose the digital received signal at each receiving element and then use the method (5-1) to directly (x, y) coordinate system. Can generate an image signal. Similarly, it is possible to superimpose the digital reception signal at each receiving element, and then to perform the processing in which the Cartesian coordinates (x, y) in method (1) are read as polar coordinates (r, θ). An image signal can also be generated at (r, θ). Of course, the multi-static processing of the method (3) can be performed in the polar coordinate system (r, θ) without superposition.
(iii)これらの処理において、物理開口アレイによって受信した信号を極座標系(r,θ)のデジタル信号に書き換える処理を省くために、元よりサンプリングが極座標系(r,θ)において行われる様に送信又は受信のディレイパターンを用いて、各開口素子より送信し、受信サンプリングされることがある。そして、方法(5−1)や、方法(5)に基づく方法(2)や方法(3)に基づき、直接的に(x,y)座標系においてイメージ信号を生成できる。また、同じく、受信した信号を極座標(r,θ)のデジタル信号として表し、方法(1)〜(3)のデカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えた処理を行うこともでき、極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することもできる。 (Iii) In these processes, in order to omit the process of rewriting the signal received by the physical aperture array into the digital signal of the polar coordinate system (r, θ), the sampling is originally performed in the polar coordinate system (r, θ). A transmission or reception delay pattern may be used to transmit and receive samples from each aperture element. Based on the method (5-1), the method (2) based on the method (5), and the method (3), an image signal can be directly generated in the (x, y) coordinate system. Similarly, the received signal is represented as a digital signal of polar coordinates (r, θ), and the processing in which the Cartesian coordinates (x, y) in methods (1) to (3) are replaced with polar coordinates (r, θ) is performed. It is also possible to generate an image signal in polar coordinates (r, θ).
(iv)また、同じく、任意開口形状において後方に設置された仮想源を用いて円筒波の一部を生成する場合(図8A(a)〜(c)を参照)の上記(i)〜(iii)において、各素子によって受信してメモリ等に格納された受信信号のフーリエ変換に複素指数関数を乗算して、受信信号をデカルト座標(x,y)のデジタル信号として表す(但し、時間を要する)か補間近似を行い、方法(5−1)における式(22)とは逆に、f(x,y)を半径rと角度θに関してフーリエ変換して処理をし、結局のところ、極座標系(r,θ)においてイメージ信号を生成するか、又は、各方法を用いて、デカルト座標系(x,y)においてイメージ信号を生成することもできる。開口形状に合わせて設定された直交曲線座標系(曲座標系)においても、同様にして、イメージ信号を生成できる。 (Iv) Similarly, in the case where a part of a cylindrical wave is generated by using a virtual source installed at the rear in an arbitrary opening shape (see FIGS. 8A (a) to (c)), the above (i) to ( In iii), the Fourier transform of the received signal received by each element and stored in the memory or the like is multiplied by a complex exponential function to represent the received signal as a digital signal in Cartesian coordinates (x, y) (however, the time is Or interpolation approximation, and conversely to equation (22) in method (5-1), f (x, y) is Fourier transformed with respect to radius r and angle θ, and finally, polar coordinates The image signal can be generated in the system (r, θ), or each method can be used to generate the image signal in the Cartesian coordinate system (x, y). In the orthogonal curve coordinate system (curved coordinate system) set in accordance with the opening shape, an image signal can be generated in the same manner.
(i)〜(iv)において、その他、方法(5−1)に記載した様々なビームフォーミング等を実施できる。 In (i) to (iv), various beam forming described in the method (5-1) can be performed.
尚、方法(1)等に記載されている通り、任意の開口(リニアアレイ型トランスデューサの開口やその他、メカニカルスキャンにより得られる疑似的なアレイ開口)の後方に設定された仮想源(図8A(a)〜(c)を参照)を用いて円筒波を送信する場合(送信ディレイを用いる)には、平面波送信の場合と同様に各素子にてコーディングを施して送信し、そして、受信された受信信号をデコーディングして開口面合成用の受信信号群を生成し、上記の処理により、直接的に、デカルト座標系や極座標系等の任意の直交曲線座標系において、イメージ信号を生成することができる。また、仮想源ではなく、仮想受信器が設定されることもあるし、仮想受信器が仮想源を兼ねることもある。 As described in the method (1) and the like, a virtual source (FIG. 8A (FIG. 8A (FIG. 8A) (FIG. 8A)) is set behind an arbitrary opening (a linear array type transducer opening or other pseudo array opening obtained by mechanical scanning). (see a) to (c)), when transmitting a cylindrical wave (using a transmission delay), the coding is performed at each element in the same manner as in the case of plane wave transmission, and then received. Generate received signal group for aperture plane synthesis by decoding received signal, and directly generate image signal in arbitrary Cartesian coordinate system such as Cartesian coordinate system or polar coordinate system by the above processing. Can do. In addition, a virtual receiver may be set instead of the virtual source, and the virtual receiver may also serve as the virtual source.
また、方法(1)等に記載されている、任意の同開口(リニアアレイ型トランスデューサの開口やその他、メカニカルスキャンにより得られる疑似的なアレイ開口)の後方に設定された仮想源(図8A(a)〜(c)を参照)を用いて円筒波を送信した場合(送信ディレイを用いる)において、上記の方法を用いて以下のことが可能である。
(A)リニアアレイ型トランスデューサやメカニカルスキャンにより得られたデカルト座標系(x,y)で表されている受信信号に対して、直接的に方法(1)そのものを施し、デカルト座標系にてイメージ信号を得る。
(B)リニアアレイ型トランスデューサやメカニカルスキャンにより、各受信位置にて受信された信号に対して、y方向の(高速)フーリエ変換により求まる周波数応答に複素指数関数を乗じてy方向に空間的にシフティングし、仮想源を原点とする極座標系(r,θ)において、受信位置で決まるθの下で半径r方向の位置座標に補正し、方法(5)又は方法(5−1)を施し、デカルト座標系(x,y)又は極座標系(r,θ)にてイメージ信号を得る。複素指数関数を用いた空間的なシフティングではなく、r座標系における信号値の零詰めによる近似的な空間シフティングが行われることもあるが、精度を向上させる場合には、適切にオーバーサンプリングを行う必要があり、高サンプリングレートのAD変換器や多くのメモリが必要とされ、フーリエ変換前においてはデータ数が増加することに注意する必要がある。
(C)リニアアレイ型トランスデューサやメカニカルスキャンによる疑似のリニアアレイ開口とは別の任意開口形状において受信された信号に対し、方法(5)又は方法(5−1)を施し、同様にして、デカルト座標系(x,y)、又は、極座標系(r,θ)、開口形状に合わせて設定された直交曲線座標系(曲座標系)においても、同様にして、イメージ信号を生成できる。
(D)仮想源ではなく、仮想受信器が使用されることもあるし、仮想受信器が仮想源を兼ねることもある。
In addition, a virtual source (see FIG. 8A (FIG. 8A) shown in the method (1) or the like, which is set behind an arbitrary same opening (a linear array type transducer opening or other pseudo array opening obtained by mechanical scanning) In the case of transmitting a cylindrical wave using a) to (c) (using transmission delay), the following method can be used.
(A) Method (1) itself is applied directly to the received signal expressed in the Cartesian coordinate system (x, y) obtained by linear array type transducer or mechanical scan, and the image is displayed in the Cartesian coordinate system. Get a signal.
(B) The signal received at each receiving position by a linear array type transducer or mechanical scan is spatially multiplied in the y direction by multiplying the frequency response obtained by (fast) Fourier transformation in the y direction by a complex exponential function. In the polar coordinate system (r, θ) with the virtual source as the origin, the position coordinate in the radius r direction is corrected under θ determined by the reception position, and method (5) or method (5-1) is performed. The image signal is obtained in the Cartesian coordinate system (x, y) or the polar coordinate system (r, θ). Rather than spatial shifting using a complex exponential function, approximate spatial shifting may be performed by zero padding of signal values in the r coordinate system, but in order to improve accuracy, oversampling is appropriately performed. Note that a high sampling rate AD converter and a large amount of memory are required, and the number of data increases before Fourier transform.
(C) A method (5) or a method (5-1) is applied to a signal received in an arbitrary aperture shape other than a linear array type transducer or a pseudo linear array aperture by mechanical scanning. In the coordinate system (x, y), the polar coordinate system (r, θ), or the orthogonal curve coordinate system (curved coordinate system) set in accordance with the aperture shape, an image signal can be generated in the same manner.
(D) A virtual receiver may be used instead of a virtual source, and the virtual receiver may also serve as a virtual source.
これらの方法(5−1')の結果として、例えば、別の型のトランスデューサや別のメカニカルスキャンを用いて、図7に示される様なコンベックス型やセクタ型トランスデューサ(対応するメカニカルスキャンの図は略)を用いた場合のイメージ信号を、デカルト座標系(x,y)、又は、極座標系(r,θ)、開口形状に合わせて設定された直交曲線座標系(曲座標系)において生成できる。
この他、逆に、物理的に別の型のトランスデューサを用いて、リニア型トランスデューサを仮想的に用いた場合(例えば、物理的にコンベックス型トランスデューサを用いた場合の図8B(d)〜(f)を参照、仮想源又は仮想受信器が物理開口の位置又は後方、又は、前方にある場合)のイメージ信号を、同様にして、デカルト座標系(x,y)、又は、極座標系(r,θ)、開口形状に合わせて設定された直交曲線座標系(曲座標系)において生成することもできる。
また、特殊な場合として、例えば、リニアアレイ型トランスデューサを物理的に用いる場合において、物理開口後方の仮想源又は仮想受信器を用いて円筒波を生成する場合を応用し、任意距離位置に、横方向に拡がった、平面波、又は、仮想的にリニアアレイ型トランスデューサを生成した場合(図8B(g))のイメージ信号も生成できる。
これらにおいて、生成される送信又は受信する波動はステアリングされたり、仮想的に開口が傾けられる(仮想的にメカニカルステアリングされる)こともある。無論、必要に応じて、物理的な開口はメカニカルステアリングされる。
As a result of these methods (5-1 ′), for example, using another type of transducer or another mechanical scan, a convex type or sector type transducer as shown in FIG. Image signal when using (Omitted) can be generated in Cartesian coordinate system (x, y), polar coordinate system (r, θ), or orthogonal curve coordinate system (curved coordinate system) set according to the aperture shape .
In addition, conversely, when a linear type transducer is virtually used by using a physically different type transducer (for example, FIG. 8B (d) to (f) when a convex type transducer is physically used. ), The image signal of the virtual source or virtual receiver in the position or behind or in front of the physical aperture) is similarly applied to the Cartesian coordinate system (x, y) or polar coordinate system (r, θ), and can also be generated in an orthogonal curve coordinate system (curved coordinate system) set in accordance with the aperture shape.
In addition, as a special case, for example, when a linear array type transducer is physically used, a case where a cylindrical wave is generated using a virtual source or a virtual receiver behind the physical aperture is applied. An image signal can also be generated in the case where a plane wave or a linear array type transducer virtually generated in the direction (FIG. 8B (g)) is generated.
In these, the generated wave to be transmitted or received may be steered, or the opening may be virtually tilted (virtually mechanically steered). Of course, if necessary, the physical opening is mechanically steered.
方法(5−2):固定フォーカス時のイメージ信号生成
図14は、コンベックス型アレイを用いた固定フォーカシングの模式図である。コンベックスアレイにおいても、図14に示すように固定フォーカシングを行うことができる。図14(a)及び(b)の各々は、例として、固定フォーカシングの位置が、各有効開口から等距離の場合と、コンベックス型アレイから任意距離位置に設定された場合の模式図である。リニアアレイ型のとき(方法(4))と同様に、円筒波送波時と同じ計算処理でイメージ信号を生成することができる。即ち、方法(1)又は方法(3)の処理を基礎として、以下の3通りの方法がある。
(i)有効開口幅において得られた各受信信号を重ね合わせに対して1回のイメージ信号生成処理を施す。
(ii)1回の送信毎の受信信号を用いていわゆる通常の低分解能イメージ信号を生成して、それらを重ね合わせる。
(iii)マルチスタティック型開口面合成と同様に、送受信の位置関係が同じものをセットにしてイメージ信号を生成して、それらを重ね合わせる。
上記の如くして、デカルト座標系において直接にイメージ信号を生成できるが、極座標系の座標軸を用いて方法(4)を実施し、極座標系においてイメージ信号を生成できることも然りである。同様に偏向やアポダーゼーションも実施できる。z軸方向に関しては、(5−1)と同様に処理できる。
Method (5-2): Image Signal Generation at Fixed Focus FIG. 14 is a schematic diagram of fixed focusing using a convex array. Also in the convex array, fixed focusing can be performed as shown in FIG. Each of FIGS. 14A and 14B is a schematic diagram when, for example, the fixed focusing position is equidistant from each effective opening and the arbitrary distance position is set from the convex array. As in the case of the linear array type (method (4)), an image signal can be generated by the same calculation process as that for cylindrical wave transmission. That is, there are the following three methods based on the processing of method (1) or method (3).
(I) Each received signal obtained in the effective aperture width is subjected to one image signal generation process for superposition.
(Ii) A so-called normal low-resolution image signal is generated using the received signal for each transmission, and they are superimposed.
(Iii) Similar to the multi-static aperture plane synthesis, image signals are generated by setting the same transmission / reception positional relationship as a set, and then superimposed.
As described above, the image signal can be directly generated in the Cartesian coordinate system. However, the method (4) can be performed using the coordinate axes of the polar coordinate system to generate the image signal in the polar coordinate system. Similarly, deflection and apodization can be performed. The z-axis direction can be processed in the same manner as (5-1).
また、受信信号がデカルト座標(x,y)のデジタル信号として表されるとき、f(x,y)を半径rと角度θに関してフーリエ変換して処理をし、結局のところ、極座標系(r,θ)においてイメージ信号を生成するか、又は、各方法を用いて、デカルト座標系(x,y)においてイメージ信号を生成することもできる。ステアリング及びアポダイゼーション、z軸方向の処理も同様に行われることがある。 When the received signal is expressed as a digital signal in Cartesian coordinates (x, y), f (x, y) is Fourier-transformed with respect to the radius r and the angle θ. As a result, the polar coordinate system (r , θ) or an image signal in the Cartesian coordinate system (x, y) can be generated using each method. Steering, apodization, and processing in the z-axis direction may be performed in the same manner.
尚、ステアリングを行う場合も、方法(4)に従って、x方向及びy方向の波数マッチングを行うと共に空間分解能を得れば良い。尚、後に記載の通り、極座標系(r,θ)にて計算を行う場合においては、極座標系においてステアリング角度(半径方向と成す角度)を設け、同様にして、ステアリングすることもできる。物理的なステアリングを実施することもできるし、送信又は受信、又は、送受信のソフト的なステアリングを実施することもできるし、物理的なステアリングとソフト的なステアリングを組み合わせて実施することも可能であるのは、方法(1)等、他の方法の如くである。 In the case of steering, the wave number matching in the x direction and the y direction may be performed and the spatial resolution may be obtained according to the method (4). As will be described later, when the calculation is performed in the polar coordinate system (r, θ), a steering angle (an angle formed with the radial direction) is provided in the polar coordinate system, and the steering can be similarly performed. Physical steering can be implemented, transmission, reception, transmission / reception soft steering can be implemented, or physical steering and soft steering can be implemented in combination. There are other methods such as method (1).
また、仮想源や仮想受信器を用いる場合には、方法(5―1')にて記載されている物理的な開口等を用いて仮想的な開口をその位置又は前後に実現し、上記の送信固定フォーカシングを行うことができる。例えば、リニア型アレイトランスデューサを仮想的に実現することがある。その他、任意の開口形状のトランスデューサを実現することもある。デカルト座標系又は極座標系、又は、物理開口形状に合わせて設定される直交曲座標系において、イメージ信号が生成される。物理的なステアリングを実施することもできるし、送信又は受信、又は、送受信のソフト的なステアリングを実施することもできるし、物理的なステアリングとソフト的なステアリングを組み合わせて実施することも可能であるのは、方法(1)等、他の方法の如くである。これらにおいて、生成される送信又は受信する波動はステアリングされたり、仮想的に開口が傾けられる(仮想的にメカニカルステアリングされる)こともある。無論、必要に応じて、物理的な開口はメカニカルステアリングされる。 When a virtual source or a virtual receiver is used, a virtual aperture is realized at the position or front and rear using the physical aperture described in the method (5-1 ′), and the above-mentioned Transmission fixed focusing can be performed. For example, a linear array transducer may be virtually realized. In addition, a transducer having an arbitrary opening shape may be realized. An image signal is generated in a Cartesian coordinate system, a polar coordinate system, or an orthogonal curvature coordinate system set in accordance with a physical aperture shape. Physical steering can be implemented, transmission, reception, transmission / reception soft steering can be implemented, or physical steering and soft steering can be implemented in combination. There are other methods such as method (1). In these, the generated wave to be transmitted or received may be steered, or the opening may be virtually tilted (virtually mechanically steered). Of course, if necessary, the physical opening is mechanically steered.
以上の如くして、方法(1)〜(4)のビームフォーミングを実施できるが、それらに限られずに、任意のビームフォーミングに適応させて、同効果を得ることができる。特に、方法(4)を用いる場合には、送信固定フォーカスビームの他に、如何なる送信ビーム又は波動を対象としても受信ビームフォーミングを実施できる。無論、複数の異なるビーム又は波動の同時送信時における一括受信信号や各々の送信に対する受信信号の重ね合わせのビームフォーミングも同様に実施できる。 As described above, the beam forming of the methods (1) to (4) can be performed. However, the present invention is not limited thereto, and the same effect can be obtained by adapting to any beam forming. In particular, when the method (4) is used, reception beam forming can be performed for any transmission beam or wave other than the transmission fixed focus beam. Needless to say, beam forming of overlapping reception signals for each transmission and reception signals at the time of simultaneous transmission of a plurality of different beams or waves can be similarly performed.
方法(5−3):球座標系における受信時のイメージ信号生成
球核状の波動開口素子アレイを使用する場合には、3次元のデジタル波動信号処理を行うこととなるが、例えば、受信開口素子アレイがそうである場合に、波動の受信は、球座標系(r,θ,φ)において行われるため、受信された波動の受信信号はf(r,θ,φ)と表される。この場合も、ヤコビ(Jacobi)演算を通じて、2次元の極座標系(r,θ)の場合と同様に、様々なビームフォーミングを実施できる。
Method (5-3): Image signal generation at the time of reception in a spherical coordinate system When a spherical core wave aperture element array is used, three-dimensional digital wave signal processing is performed. When the element array is so, the wave is received in the spherical coordinate system (r, θ, φ), and therefore the received signal of the received wave is represented as f (r, θ, φ). In this case as well, various beamforming can be performed through the Jacobi calculation, as in the case of the two-dimensional polar coordinate system (r, θ).
具体的には、受信された波動をデカルト座標系(x,y,z)において平面波に分解するべく受信信号f(r,θ,φ)に対して行う3次元フーリエ変換により、デカルト座標系(x,y,z)の波数領域又は周波数領域(kx,ky,kz)において表される式(27)を、x=rsinθcosφ、y=rcosθ及びz=rsinθsinφを用いたヤコビ(Jacobi)演算により、式(28)のように計算し、補間近似処理を行うことなく直接的にデカルト座標系においてイメージ信号を生成することができる。無論、方法(1)〜(4)、(6)のビームフォーミングを実施できるが、それらに限られず、任意のビームフォーミングに適応して使用し、同効果が得られる。特に、方法(4)を用いる場合には、2次元の場合と同様に、送信固定フォーカスビームの他に、全ての送信ビーム又は波動を対象として受信ビームフォーミングを実施できる。無論、複数の異なるビーム又は波動の同時送信時における一括受信信号や各々の送信に対する受信信号の重ね合わせのビームフォーミングも同様に実施できる。また、仮想源や仮想受信器を用いる場合やステアリングを行う場合等も、全て、2次元の場合と同様に実施することができ、デカルト座標系又は球座標系、又は、物理開口形状に合わせて設定される直交曲座標系において、イメージ信号を生成できる。
方法(5"): デカルト座標系にて送信又は受信した場合の任意直交曲線座標系におけるイメージ信号生成
上記の一連の方法とは逆に、デカルト座標系において、送信又は受信を行って得られる受信信号から、補間近似を行うことなく2次元極座標系又は球座標系によって表されるイメージ信号を直接的に得ることも可能であり、同様な計算により実現できる。例えば、受信信号がf(x,y,z)と表されるときに、rとθ、φ方向にフーリエ変換して、デカルト座標系における平面波に該当する円形波や球面波に受信信号を分解する計算を、ヤコビ演算を通じて行えばよい。これらの方法は、FOVを変える場合にも使用されることがある(例えば、広くできる場合もある)。Jacobi演算を用いて、同様に、任意の直交座標系においてイメージ信号を生成できるし、任意の座標系にて送信又は受信した場合においても同様に任意の直交座標系においてイメージ信号を生成することができる(直交デカルト座標系や様々な曲線直交座標系等の異なる直交座標系であったり、原点が異なったり回転していたり、同一の直交座標系であっても原点位置が異なったり、回転していたりする場合を含む)。方法(5)に記載の他の方法と同様に、如何なる送信ビームや波動も処理でき、ステアリングも同様に実施でき、さらに、仮想源や仮想受信器も用いることができる。
Method (5 "): Image signal generation in an arbitrary orthogonal curve coordinate system when transmitted or received in a Cartesian coordinate system In contrast to the above-described series of methods, reception obtained by transmitting or receiving in a Cartesian coordinate system An image signal represented by a two-dimensional polar coordinate system or a spherical coordinate system can be directly obtained from the signal without performing interpolation approximation, and can be realized by a similar calculation, for example, if the received signal is f (x, y, z), the Fourier transform is performed in the r, θ, and φ directions, and the calculation for decomposing the received signal into a circular wave or a spherical wave corresponding to a plane wave in the Cartesian coordinate system is performed through Jacobian calculation. These methods may also be used to change the FOV (eg, it can be widespread), using Jacobi operations, as well as image signals in any Cartesian coordinate system. Even when transmitted or received in an arbitrary coordinate system, an image signal can be generated in an arbitrary orthogonal coordinate system (different Cartesian coordinate systems such as an orthogonal Cartesian coordinate system and various curved orthogonal coordinate systems). (Including the case where the coordinate system is different, the origin is different or rotated, or the origin position is different or rotated even in the same orthogonal coordinate system) Other methods described in method (5) As with, any transmit beam or wave can be processed, steering can be performed as well, and virtual sources and receivers can be used.
また、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である。尚、方法(5)の特徴の1つは、波数マッチングにおいて補間近似処理を行うことなく、任意の座標系においてビームフォーミングを行うことにあるが、方法(5)を応用して方法(1)〜方法(4)、方法(6)、方法(7)に記載のビームフォーミングを任意の座標系において実施するに当たり、波数マッチングにおいて補間近似処理を行うことがあり、それらの各々に記載されている近似的な波数マッチングが行われて、高速にビームフォーミングが行われることがある。高精度に近似的な波数マッチングを行うには、計算量が増えることを代償として、受信信号を適切にオーバーサンプリングする必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。 In addition, both physically and mathematically, wave number matching can be performed during the first Fourier transform, and wave number matching can be performed during the last inverse Fourier transform. One of the features of method (5) is that beam forming is performed in an arbitrary coordinate system without performing interpolation approximation processing in wave number matching, but method (1) is applied by applying method (5). When performing the beam forming described in the method (4), the method (6), and the method (7) in an arbitrary coordinate system, interpolation approximation processing may be performed in wave number matching, which are described in each of them. Approximate wave number matching is performed, and beam forming may be performed at high speed. In order to perform approximate wave number matching with high accuracy, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the cost of an increase in the amount of calculation. In that case, it is necessary to be careful that the number of data of the Fourier transform increases, unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process is not performed.
方法(6):マイグレーション法
マイグレーション処理においても、本発明の装置においては、波数マッチングにおいて補間近似処理を行うことなく処理することが可能である。マイグレーションの式(以下の式(M6'))そのものは、良く知られており、式の導出も良く知られているので、式の導出については、ここでは割愛する。
Method (6): Migration Method Also in the migration process, the apparatus of the present invention can perform the processing without performing the interpolation approximation process in the wave number matching. The migration equation (the following equation (M6 ′)) itself is well known, and the derivation of the equation is also well known, so the derivation of the equation is omitted here.
非特許文献12には、1素子送信による1素子受信を基礎とする通常のマイグレーション処理(即ち、方法(2)のモノスタティック型開口面合成用の送受信データを用いた偏向しない処理に該当)を基礎として、ステアリング無しと有りの場合の平面波送波及び/又は受信の場合(方法(1)に該当する処理)において、任意の同一の位置を対象として、任意の送信開口素子から波動が生成されてその送信開口素子を兼ねる受信開口素子によって波動を受信するまでの時間である伝搬時間がその通常のマイグレーションの場合と異なることから、伝搬速度とその対象位置の座標を読み替え(以下の式(M1))、同一の形(式(M6))で表される値を計算する方法が開示されている。 Non-Patent Document 12 describes a normal migration process based on 1-element reception based on 1-element transmission (that is, corresponding to a non-deflecting process using transmission / reception data for monostatic aperture synthesis in method (2)). As a basis, in the case of plane wave transmission and / or reception with and without steering (processing corresponding to method (1)), a wave is generated from any transmission aperture element for any identical position. Since the propagation time, which is the time until the wave is received by the reception aperture element that also serves as the transmission aperture element, is different from that in the case of the normal migration, the propagation speed and the coordinates of the target position are reread (the following formula (M1 )), A method of calculating a value represented by the same form (formula (M6)) is disclosed.
しかしながら、他の方法(2)〜(5)の処理に関しては、非特許文献12に開示されていない(方法(2)においてステアリングを行う場合は、開示されていない)。さらに、式(M6')を計算する上で、従来は、波数マッチングを行う際に補間近似が行われてきた(式(M4)及び式(M4'))が、本発明の装置においては、補間近似をせずに高精度に波数マッチングが行われる(式(M7)及び式(M7'))。 However, the other methods (2) to (5) are not disclosed in Non-Patent Document 12 (when steering is performed in method (2), they are not disclosed). Furthermore, in calculating the equation (M6 ′), conventionally, interpolation approximation has been performed when performing wave number matching (equation (M4) and equation (M4 ′)). In the apparatus of the present invention, Wave number matching is performed with high accuracy without performing interpolation approximation (formula (M7) and formula (M7 ′)).
横方向をx軸、深さ方向をy軸とする2次元座標をとり、時間の座標をtとする。具体的には、その通常のマイグレーションでは、任意開口素子位置(x,0)と任意位置(xs,ys)の間を波動が往復するのに要する伝搬時間は、式(M0)によって表される。
これに対し、ステアリング角度がθ(0°を含む)の平面波送波においては、伝搬時間は、式(M0')によって表される。
従って、方法(1)の偏向平面波送波時にマイグレーション法に基づいて行う計算においては、搬速度cと対象の位置を表す座標系(xs,ys)の各々を式(M1)と読み替えて、通常のマイグレーションの式が計算される(式(M4)及び式(M5))。
纏めれば、方法(1)〜(5)の内で、方法(2)のモノスタティック型開口面合成用の送受信データを用いた偏向しない処理を行う通常のマイグレーション以外は、全て同様にしてマイグレーション処理できる。例えば、方法(1)の偏向平面波送波時(0°も含む)のマイグレーションの計算手順を主として説明する。 In summary, among the methods (1) to (5), migration is performed in the same manner except for normal migration that performs non-deflecting processing using transmission / reception data for monostatic aperture surface synthesis in method (2). It can be processed. For example, the calculation procedure of migration during deflection plane wave transmission (including 0 °) in method (1) will be mainly described.
図15は、偏向平面波を送信した場合のマイグレーション処理を示すフローチャートである。受信信号が、r(x,y,t)と表されるとき、開口素子アレイ位置における受信信号は、r(x,y=0,t)と表される。 FIG. 15 is a flowchart showing migration processing when a deflected plane wave is transmitted. When the received signal is represented as r (x, y, t), the received signal at the aperture element array position is represented as r (x, y = 0, t).
まず、式(M2)に示すように、受信信号を時間tと横方向xに関する2次元フーリエ変換する(2次元高速フーリエ変換が良い)。
上記のように、特殊な2次元高速フーリエ変換法を使用することもできるが、一般的(popular)な方法としては、まず、ステップS31において、受信信号に対し、横方向座標xにおいて、時間tに関する高速フーリエ変換(FFT)を行って解析信号のスペクトルを得る。その上で、帯域k内の各周波数座標において、横方向xに関する高速フーリエ変換を行えば良い(2次元スペクトルの各々を式(M2)に従って計算するよりは高速である)。 As described above, a special two-dimensional fast Fourier transform method can also be used. As a general method, first, in step S31, a time t The spectrum of the analytic signal is obtained by performing a fast Fourier transform (FFT) on. In addition, fast Fourier transform in the horizontal direction x may be performed at each frequency coordinate in the band k (which is faster than calculating each two-dimensional spectrum according to the equation (M2)).
平面波を偏向送波しない場合には、上記の計算で良いが、偏向する場合には、トリミングをせねばならず、そのためには、ステップS32において、トリミングのために、上記の時間tに関する高速フーリエ変換後のR'(x,0,k)に複素指数関数(M3)を掛ける(方法(1)における複素指数関数(11)と同様に、時間tに関する高速フーリエ変換と複素指数関数の掛け算の演算は一度に直接に計算することもできるし、そのような計算が可能な専用の高速フーリエ変換も有用である)。
その上で、ステップS33において、受信信号に対し、横方向xに関して高速フーリエ変換(FFT)が施される。その結果を、ここでは、R''(kx,0,k)と表すことにする。ちなみに、トリミングを行える様にプログラムされていても、偏向せずに平面波を送波する場合(ステアリング角度0°)を処理できる。 In step S33, the received signal is subjected to fast Fourier transform (FFT) in the horizontal direction x. Here, the result is expressed as R ″ (k x , 0, k). By the way, even if it is programmed so that trimming can be performed, a case where a plane wave is transmitted without deflection (steering angle 0 °) can be processed.
通常は、次に、波数マッチング(又は、マッピング)が行われる。ビームフォーミングが、通常のマイグレーション(方法(2)のステアリング無しのとき)以外の方法(1)〜(5)の場合には、伝搬速度cと座標系(xs,ys)を上記の式(M1)の如く、各々のビームフォーミングのための伝搬速度(E1)と座標系(E2)に読み替えて処理することになる。
通常のマイグレーション(方法(2)のステアリング無しのとき)以外の方法(方法(1)を含む)の場合において計算された2次元フーリエ変換R''(kx,0,k)に対して、又は、通常のマイグレーションにおいて計算された上記のR(kx,0,k)に対して、補間近似(周波数座標の最も近い所の角スペクトルを使用する、バイリニア(bi-linear)補間等)を通じて、それぞれ、式(M4)又は式(M4')で表される波数マッチングが行われる。
但し、式(M4)と式(M4')の波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、各々の式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合における各々の深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度cと式(E1)にて除したものである。以下、同様である。
For the two-dimensional Fourier transform R ″ (k x , 0, k) calculated in the case of a method (including method (1)) other than normal migration (when method (2) is not steering), Or, for the above R (k x , 0, k) calculated in normal migration, through interpolation approximation (such as bi-linear interpolation using the angular spectrum closest to the frequency coordinate) , Wave number matching represented by Expression (M4) or Expression (M4 ′) is performed.
However, when interpolation approximation is not performed in the wave number matching of the equations (M4) and (M4 ′), the wave number in the depth direction represented in the proviso in each equation is used. Each wave number in the depth direction is obtained by dividing the angular frequency ω by the propagation velocity c and the equation (E1). The same applies hereinafter.
このように波数マッチングが施されて、次の関数(M4'')が求められる。
式(M5)又は(M5')に対して、式(M6)又は式(M6')によって表されるように、波数kx及び波数(E3)に関する2次元逆フーリエ変換を施すことにより、イメージ信号f(x,y)が生成される。
非特許文献12には、式中においてySを用いる式(M6)は開示されておらず、ySでなくyを用いて計算し、計算後に、座標の補正を行うことが開示されている。座標の補正は、近似処理を行うか、本願の発明者の過去の発明である複素指数関数の乗算に基づく時間を掛けて近似処理せずに行う。式(M6)は、偏向角度が0°の時にも使用することができる。 Non-Patent Document 12 does not disclose the formula (M6) using y S in the formula, but discloses that calculation is performed using y instead of y S , and correction of coordinates is performed after the calculation. . The correction of the coordinates is performed without approximation processing by performing approximation processing or by multiplying time based on the multiplication of the complex exponential function which is the past invention of the inventor of the present application. Equation (M6) can also be used when the deflection angle is 0 °.
本発明の装置においては、波数マッチングを2次元逆フーリエ変換と共に、又は、深さ方向の逆フーリエ変換と共に、補間近似することなく実施する。つまり、通常のマイグレーション法(方法(2)のステアリング無しのとき)以外の方法(方法(1)を含む)の場合において計算された2次元フーリエ変換R''(kx,0,k)に対して、又は、通常のマイグレーション法において計算された上記のR(kx,0,k)に対して、式(M7)又は式(M7')によって表されるように、まず、帯域内のそれぞれのkxに対してkに関する積分を行って、深さ方向の波数(E3)の波数マッチングと逆フーリエ変換(IFFT)とを同時に行い(ステップS34)、その後に、横(x)方向の高速逆フーリエ変換を行う。
さらに、通常のマイグレーション(方法(2)のステアリング無しのときと対応する処理)と異なる場合には、式(M6)や式(M7)を計算する過程において、横(x)方向の位置の補正を行うことができる。例えば、方法(1)の偏向平面波を送波したときは、まず、ステップS34において、上記の如く、波数(E3)に関する計算を行い、ステップS35において、位置補正のために、各々の結果として求まる関数(M8)に対して、複素指数関数(M9)を掛け、その後、ステップS36において、横方向の波数kxに関する高速逆フーリエ変換(IFFT)を行う。あるいは、横方向の波数kxに関する逆フーリエ変換の複素指数関数と共に式(M9)を掛けて計算するか、それ専用の高速逆フーリエ変換を実施しても良い。式(M9)は、偏向角度が0°のときにも使用できる。以上により、ステップS37において、イメージ信号f(x,y)が生成される。
尚、式(M9)を乗じずに近似処理無しに同結果を得る場合には、式(M4)に代わる次式(N4)を用いて、式(M6)又は式(M7)を計算すれば良い。
この式中に表される深さ方向の波数の式は、方法(1)における式(13)に類似しているが、方法(1)において、式(13)〜式(15)中のkx-ksinθの-ksinθを用いずに(零として)計算した場合に同じ結果を得る場合には、方法(6)において式(M9)を乗じて逆フーリエ変換を行う場合と同様に、段落0204に記載の処理を行う前に、式(16)に式(M9)を乗じれば良い。但し、方法(6)で実現される平面波の偏向は、あくまで、近似計算の下で実現されるものであり、従って、方法(6)において式(N4)と式(M7)を用いた場合には全くに近似処理無しにて高精度化されるが、方法(1)において式(M9)を用いると精度は低下する。また、最後の逆フーリエ変換を2次元高速逆フーリエ変換で実施する場合(後述の通り、3次元の場合には3次元高速逆フーリエ変換)には、それらの処理を行うと、計算速度は、方法(6)では高速化されるが、方法(1)では遅くなる(段落0204に記載の処理は高速である)。
また、これらの改変された方法(1)や方法(6)の各々において、波数マッチングにおいて補間近似処理を行う場合において、式(M9)と(N4)とを用いて同じ結果を得る場合には、補間近似の式は対応して変化する(段落0354の(A)と(B)の各々に記載)。
また、これらの改変された方法(1)や方法(6)の各々において、波数マッチングにおいて補間近似処理を行う場合において、上記の式(11)と(M3)とを用いる場合(偏向角度データθを用いる)と、式(11)と(M3)とを用いない場合(偏向角度θを零とする)とにおいて同結果を得る場合も、補間近似の式は対応して変化する(用いない場合を段落0354の(A')と(B')の各々に記載)。
平面波送波を用いる場合のビームフォーミングは、本願明細書に記載の通り、様々なビームフォーミングに応用されるが、それらの応用において本段落に記載の処理が代わりに使用されることもある。注意すべきこととして、方法(6)を応用して送信フォーカシングされたもの等の任意の送信ビームフォーミングが行われたものに対して受信ダイナミックフォーカシングを行う場合には、後述の通り、角周波数ωと換算伝搬速度(E1)とを用いて表される波数(式(M13))を用いて表される(M3'')を式(M3)の代わりに用いるため、補間近似式中の-ksinθtの波数kには、代わりに式(M13)を使用する必要がある。
方法(1)と方法(6)との各々において、本段落に記載の方法が組み合わされて実施されることもある。例えば、方法(1)にて補間近似を行うJ.-y. Luらの方法(段落0197参照、式は段落0354の(C')に記載)と同様に、方法(6)において、波数マッチングを全て補間近似を通じて行い、最初の2次元フーリエ変換と最後の2次元逆フーリエ変換を高速2次元フーリエ変換で実施することが可能である(段落0354の(D')に記載。後述の通り、3次元の場合には3次元高速フーリエ変換)。これらの各々において、式(11)を用いる場合(偏向角度データθを用いる)と式(M3)を用いる場合もある(段落0354の(C)と(D)の各々に記載)。無論、偏向しない場合にも使用できる。
上記の通り、方法(1)と方法(6)とを基礎とする平面波送波は、様々なビームフォーミングに応用される。
If the same result is obtained without the approximation process without multiplying the equation (M9), the following equation (N4) instead of the equation (M4) is used to calculate the equation (M6) or the equation (M7). good.
The expression of the wave number in the depth direction expressed in this expression is similar to the expression (13) in the method (1), but in the method (1), kx in the expressions (13) to (15) In the case where the same result is obtained when calculation is performed without using -ksinθ of -ksinθ (as zero), as in the case of performing inverse Fourier transform by multiplying equation (M9) in method (6), paragraph 0204 Before performing the described processing, the equation (16) may be multiplied by the equation (M9). However, the deflection of the plane wave realized by the method (6) is only realized under approximate calculation. Therefore, when the equations (N4) and (M7) are used in the method (6), Although the accuracy is improved without any approximation processing, the accuracy decreases when the equation (M9) is used in the method (1). Further, when the last inverse Fourier transform is performed by a two-dimensional fast inverse Fourier transform (as described later, a three-dimensional fast inverse Fourier transform in the case of three dimensions), when these processes are performed, the calculation speed is The method (6) is faster, but the method (1) is slower (the process described in paragraph 0204 is faster).
In each of these modified methods (1) and (6), when interpolation approximation processing is performed in wave number matching, the same result is obtained using equations (M9) and (N4). The interpolation approximation formula changes correspondingly (described in paragraphs 0354 (A) and (B)).
Further, in each of these modified methods (1) and (6), when interpolation approximation processing is performed in wave number matching, when the above equations (11) and (M3) are used (deflection angle data θ ) And when the same result is obtained when Expressions (11) and (M3) are not used (deflection angle θ is zero), the interpolation approximation expression changes correspondingly (when not used). In paragraphs 0354 (A ′) and (B ′)).
Beam forming in the case of using plane wave transmission is applied to various beam forming as described in the present specification, but the processing described in this paragraph may be used instead in these applications. It should be noted that when receiving dynamic focusing is performed on a beam that has been subjected to transmission beam forming such as that subjected to transmission focusing by applying the method (6), as described later, the angular frequency ω And (M3 ″) expressed using the wave number expressed by using the converted propagation velocity (E1) (formula (M13)) instead of the formula (M3), −ksinθ in the interpolation approximation formula For the wave number k of t , it is necessary to use the equation (M13) instead.
In each of the method (1) and the method (6), the methods described in this paragraph may be performed in combination. For example, in the method (6), wave number matching is performed in the same manner as the method of J.-y. Lu et al. (See paragraph 0197, the equation is described in (C ′) of paragraph 0354) that performs interpolation approximation in method (1). Can be performed through interpolation approximation, and the first two-dimensional Fourier transform and the last two-dimensional inverse Fourier transform can be performed by a high-speed two-dimensional Fourier transform (described in (D ′) of paragraph 0354, as described later). 3D fast Fourier transform in the case of 3D). In each of these, there is a case where Expression (11) is used (deflection angle data θ is used) and an expression (M3) is used (described in each of (C) and (D) of paragraph 0354). Of course, it can be used even when it is not deflected.
As described above, the plane wave transmission based on the method (1) and the method (6) is applied to various beam forming.
ここでは、マイグレーション法を用いて、方法(1)のステアリング有りと無しの平面波送波時のビームフォーミングを波数マッチングにおいて補間近似無しに高速に実施することを主として説明したが、本発明の他の方法(2)(ステアリングを行う場合を含むモノスタティック開口面合成法)、方法(3)(ステアリング有り又は無しのマルチスタティック法)、方法(4)(ステアリング有り又は無しの送信固定フォーカス)、及び、方法(5)(極座標系や任意の直交曲線座標系におけるビームフォーミング)の各々において記載されている全てのビームフォーミングを同様に実施できる。送信と受信において、偏向角度が異なる場合も同様に処理できる。アポダイゼーションも同様に行われることがある。 Here, the description has mainly been given of performing the beam forming at the time of plane wave transmission with and without steering in the method (1) at high speed without interpolation approximation in wave number matching using the migration method. Method (2) (monostatic aperture synthesis method including the case of steering), method (3) (multistatic method with or without steering), method (4) (transmission fixed focus with or without steering), and All the beam forming described in each of the methods (5) (Beam forming in a polar coordinate system or an arbitrary orthogonal coordinate system) can be similarly performed. The same processing can be performed when the deflection angle differs between transmission and reception. Apodization may be performed as well.
3次元の場合も同様に処理できる。2次元開口素子アレイを用いて得られる受信信号が、r(x,y,z,t)と表されるとき、開口素子アレイ位置(y=0)における受信信号は、r(x,y=0,z,t)と表される。 The same process can be applied to the three-dimensional case. When the received signal obtained using the two-dimensional aperture element array is expressed as r (x, y, z, t), the received signal at the aperture element array position (y = 0) is r (x, y = 0, z, t).
まず、式(M'2)に示すように、受信信号を時間tと横方向xとエレベーション方向zに関する3次元フーリエ変換する(3次元高速フーリエ変換が良い)。
一般的には、受信信号に対し、各位置座標(x,0,z)において、時間tに関する高速フーリエ変換(FFT)を行って解析信号のスペクトルR(x,0,z,k)が得られる。その上で、帯域k内の各周波数座標において、横方向xとエレベーション方向zに関する高速フーリエ変換を行い、R(kx,0,kz,k)が得られる(3次元スペクトルの各々を式(M'2)に従って計算するよりは高速である)。 Generally, the received signal is subjected to fast Fourier transform (FFT) with respect to time t at each position coordinate (x, 0, z) to obtain a spectrum R (x, 0, z, k) of the analysis signal. It is done. Then, in each frequency coordinate in the band k, fast Fourier transform is performed with respect to the horizontal direction x and the elevation direction z to obtain R (k x , 0, k z , k) (each of the three-dimensional spectra Faster than calculating according to equation (M′2)).
平面波を偏向送波しない場合には、上記の計算で良いが、平面波として送信する方向と軸方向とが成す零度又は非零度の偏向角度が仰角θ及び方位角φを用いて表される場合には、トリミングをせねばならず、そのために、上記の時間tに関する高速フーリエ変換後のR'(x,0,z,k)に複素指数関数(M'3)を掛ける(時間tに関する高速フーリエ変換と複素指数関数の掛け算の演算は一度に直接に計算することもできるし、そのような計算が可能な専用の高速フーリエ変換も有用である)。
その上で、受信信号に対し、横方向xに関して高速フーリエ変換(FFT)が施される。その結果を、R''(kx,0,z,k)とする。ちなみに、トリミングを行える様にプログラムされていても、偏向せずに平面波を送波する場合(ステアリング角度0°)を処理できる。 Then, a fast Fourier transform (FFT) is performed on the received signal in the lateral direction x. The result is R ″ (k x , 0, z, k). By the way, even if it is programmed so that trimming can be performed, a case where a plane wave is transmitted without deflection (steering angle 0 °) can be processed.
次に、波数マッチング(又は、マッピング)を行う。ビームフォーミングが、通常のマイグレーション(方法(2)のステアリング無しのとき)以外の方法(1)〜(5)の場合には、伝搬速度cと座標系(xs,ys,zs)を各々のビームフォーミングのための伝搬速度(E'1)と座標系(E'2)に読み替えて処理する。
通常のマイグレーション(方法(2)のステアリング無しのとき)以外の方法(方法(1)を含む)の場合において計算された3次元フーリエ変換R''(kx,0,z,k)に対して、又は、通常のマイグレーションにおいて計算された上記のR(kx,0,z,k)に対して、補間近似(周波数座標の最も近い所の角スペクトルを使用する、バイリニア(bi-linear)補間等)を通じて、それぞれ、式(M'4)又は式(M'4')で表される波数マッチングが行われる。
但し、式(M'4)と式(M'4')の波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、各々の式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合における各々の深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度cと式(E'1)にて除したものである。以下、同様である。
For the 3D Fourier transform R ″ (k x , 0, z, k) calculated in the case of methods other than normal migration (when method (2) is not steering) (including method (1)) Or the above approximation R (k x , 0, z, k) calculated in normal migration, bi-linear using the nearest angular spectrum of frequency coordinates Through the interpolation etc., wave number matching represented by the equation (M′4) or the equation (M′4 ′) is performed, respectively.
However, when interpolation approximation is not performed in the wave number matching of the equations (M′4) and (M′4 ′), the wave number in the depth direction represented in the proviso in each equation is used. The wave number in the depth direction in the case of performing is obtained by dividing the angular frequency ω by the propagation velocity c and the equation (E′1). The same applies hereinafter.
このように波数マッチングが施されて、次の関数(M'4'')が求められる。
式(M'5)又は(M'5')に対して、式(M'6)又は式(M'6')によって表されるように、波数kx及びkz、3次元の場合の波数(E'3)に関する3次元逆フーリエ変換を施すことにより、イメージ信号f(x,y,z)が生成される。
式(M'6)及び式(M'6')の計算における3次元逆フーリエ変換は、高速3次元逆フーリエ変換(IFFT)を施せば良く、特殊な高速3次元逆フーリエ変換を使用することもできるが、一般的(popular)な方法としては、式(M'6)及び式(M'6')の各々において、まず、信号帯域内の二方の波数kxとkzに対し、もう一方の波数(E'3)に関する高速逆フーリエ変換を行い、その上で、生成された空間座標yの各座標に対し、(信号帯域内の)波数kxとkzに関する高速逆フーリエ変換を行えば良い(3次元のイメージ信号の各々を式(M'6)又は式(M'6')に従って計算するよりは高速である)。 The three-dimensional inverse Fourier transform in the calculation of the equations (M′6) and (M′6 ′) may be performed by performing a fast three-dimensional inverse Fourier transform (IFFT), and using a special fast three-dimensional inverse Fourier transform. However, as a popular method, in each of the equations (M′6) and (M′6 ′), first, for the two wave numbers k x and k z in the signal band, Perform fast inverse Fourier transform on the other wave number (E′3), and then, for each coordinate of the generated spatial coordinate y, fast inverse Fourier transform on wave numbers k x and k z (in the signal band) (It is faster than calculating each of the three-dimensional image signals according to the equation (M′6) or the equation (M′6 ′)).
本発明の装置においては、波数マッチングを3次元逆フーリエ変換と共に、又は、深さ方向の逆フーリエ変換と共に、補間近似することなく実施する。つまり、通常のマイグレーション法(方法(2)のステアリング無しのとき)以外の方法(方法(1)を含む)の場合において計算された3次元フーリエ変換R''(kx,0, kz,k)に対して、又は、通常のマイグレーション法において計算された上記のR(kx,0, kz,k)に対して、式(M'7)又は式(M'7')によって表されるように、まず、帯域内のそれぞれの(kx,kz)対してkに関する積分を行って、深さ方向の波数(E'3)の波数マッチングと逆フーリエ変換(IFFT)とを同時に行い、その後に、横(x)方向とエレベーション(z)方向の高速逆フーリエ変換を行う。
非特許文献12には、式中においてySを用いる式(M'6)や(M'7)は開示されていない。両式は、偏向角度が0°のときにも使用できる。方法(1)〜(6)と同様、スペクトルの周波数k成分を足し合わせた上で、横方向とエレベーション方向の波数kxとkzに関する逆フーリエ変換(IFFT)を行い、1度の逆フーリエ変換で計算ができ、計算が高速である。 Non-Patent Document 12 does not disclose formulas (M′6) and (M′7) that use y S in the formula. Both types can also be used when the deflection angle is 0 °. Similarly to the methods (1) to (6), after adding the frequency k components of the spectrum, the inverse Fourier transform (IFFT) is performed on the wave numbers k x and k z in the horizontal direction and the elevation direction, and the inverse of 1 degree is performed. The calculation can be performed by Fourier transform, and the calculation is fast.
さらに、通常のマイグレーション(方法(2)のステアリング無しのときと対応する処理)と異なる場合には、式(M'6)や式(M'7)を計算する過程において、横(x)方向とエレベーション方向(z)の位置の補正を行うことができる。例えば、方法(1)の偏向平面波を送波したときは、まず、上記の如く、波数(E'3)に関する計算を行い、位置補正のために、各々の結果として求まる関数(M'8)に対して、複素指数関数を掛け、その後、横方向とエレベーション方向の波数kxとkzに関する高速逆フーリエ変換(IFFT)を行う。
尚、2次元の場合の式(M9)に該当する複素指数関数を乗じずに近似処理無しに同結果を得る場合には、式(M'4)の代わりに、次式(N'4)を用いて、式(M6)又は式(M7)を計算すれば良い。
この式中に表される深さ方向の波数の式は、方法(1)における式(C22)に類似しているが、方法(1)において、式(C22)と式(C23)中のkx-ksinθcosφとkz-ksinθsinφの-ksinθcosφと-ksinθsinφを用いずに(零として)計算した場合に同じ結果を得る場合には、方法(6)において2次元の場合の式(M9)に該当する複素指数関数を乗じて逆フーリエ変換を行う場合と同様に、段落0207に記載の処理を行う中で乗じれば良い。但し、方法(6)で実現される平面波の偏向は、あくまで、近似計算の下で実現されるものであり、従って、2次元の場合と同様に、方法(6)において式(N'4)と式(M7)を用いた場合には全くに近似処理無しにて高精度化されるが、方法(1)において2次元の場合の式(M9)に該当する複素指数関数を用いると精度は低下する。また、最後の逆フーリエ変換を3次元高速逆フーリエ変換で実施する場合には、それらの処理を行うと、2次元の場合と同様に、計算速度は、方法(6)では高速化されるが、方法(1)では遅くなる(段落0204に記載の処理は高速である)。
また、これらの改変された方法(1)や方法(6)の各々において、波数マッチングにおいて補間近似処理を行う場合において、2次元の場合の式(M9)に該当する複素指数関数と式(N'4)とを用いて同じ結果を得る場合には、2次元の場合と同様に、補間近似の式は対応して変化する(段落0354の(A)と(B)の各々に記載)。
また、これらの改変された方法(1)や方法(6)の各々において、波数マッチングにおいて補間近似処理を行う場合において、上記の式(C21)と(M'3)とを用いる場合(偏向角度データθとφを用いる)と、式(C21)と(M'3)とを用いない場合(全ての偏向角度θとφを零とする)とにおいて同結果を得る場合も、2次元の場合と同様に、補間近似の式は対応して変化する(用いない場合を段落0354の(A')と(B')の各々に記載)。
平面波送波を用いる場合のビームフォーミングは、本願明細書に記載の通り、様々なビームフォーミングに応用されるが、それらの応用において本段落に記載の処理が代わりに使用されることもある。2次元の場合と同様にして注意すべきこととして、方法(6)を応用して送信フォーカシングされたもの等の任意の送信ビームフォーミングが行われたものに対して受信ダイナミックフォーカシングを行う場合には、後述の通り、角周波数ωと換算伝搬速度(E'1)とを用いて表される波数(式(M'13))を用いて表される(M'3'')を式(M'3)の代わりに用いるため、補間近似式中の-ksinθ1(cosφ1x+sinφ1z)の波数kには、代わりに式(M'13)を使用する必要がある。
方法(1)と方法(6)との各々において、本段落に記載の方法が組み合わされて実施されることもある。例えば、方法(1)にて補間近似を行うJ.-y. Luらの方法(段落0197参照、式は段落0354の(C')に記載)と同様に、方法(6)において、波数マッチングを全て補間近似を通じて行い、最初の3次元フーリエ変換と最後の3次元逆フーリエ変換を高速フーリエ変換で実施することが可能である(段落0354の(D')に記載)。これらの各々において、式(C21)を用いる場合(偏向角度データθを用いる)と式(M'3)を用いる場合もある(段落0354の(C')と(D')の各々に記載)。無論、偏向しない場合にも使用できる。
上記の通り、方法(1)と方法(6)とを基礎とする平面波送波は、様々なビームフォーミングに応用される。
In the case of obtaining the same result without approximation processing without multiplying the complex exponential function corresponding to the two-dimensional expression (M9), the following expression (N′4) is used instead of the expression (M′4). Is used to calculate the equation (M6) or the equation (M7).
The expression of the wave number in the depth direction expressed in this expression is similar to the expression (C22) in the method (1), but in the method (1), kx in the expressions (C22) and (C23) If the same result is obtained when (without zero) -ksinθcosφ and -ksinθsinφ of -ksinθcosφ and kz-ksinθsinφ is obtained, the complex corresponding to equation (M9) in the two-dimensional case in method (6) Similar to the case of performing an inverse Fourier transform by multiplying by an exponential function, the multiplication may be performed while performing the processing described in paragraph 0207. However, the deflection of the plane wave realized by the method (6) is only realized under approximate calculation. Therefore, as in the two-dimensional case, the expression (N′4) in the method (6) is used. And the equation (M7), the accuracy is improved without any approximation processing. However, when the complex exponential function corresponding to the equation (M9) in the two-dimensional case is used in the method (1), the accuracy is descend. Further, when the last inverse Fourier transform is performed by the three-dimensional fast inverse Fourier transform, if these processes are performed, the calculation speed is increased in the method (6) as in the two-dimensional case. The method (1) is slow (the processing described in paragraph 0204 is fast).
Further, in each of these modified methods (1) and (6), when an interpolation approximation process is performed in wave number matching, a complex exponential function corresponding to the two-dimensional equation (M9) and the equation (N When the same result is obtained using '4), the interpolation approximation formula changes correspondingly as described in the two-dimensional case (described in each of paragraphs 0354 (A) and (B)).
Further, in each of these modified methods (1) and (6), when interpolation approximation processing is performed in wave number matching, when the above equations (C21) and (M′3) are used (deflection angle) The case where the same result is obtained when the data θ and φ are used) and when the equations (C21) and (M′3) are not used (all the deflection angles θ and φ are set to zero) are also two-dimensional cases. Similarly, the interpolation approximation formula changes correspondingly (the case where it is not used is described in each of paragraphs (A ′) and (B ′) of paragraph 0354).
Beam forming in the case of using plane wave transmission is applied to various beam forming as described in the present specification, but the processing described in this paragraph may be used instead in these applications. As in the case of the two-dimensional case, it should be noted that when receiving dynamic focusing is performed on an object subjected to arbitrary transmission beam forming such as transmission focused by applying the method (6). As will be described later, (M′3 ″) expressed using the wave number (formula (M′13)) expressed using the angular frequency ω and the converted propagation velocity (E′1) is expressed by the formula (M Since it is used instead of '3), it is necessary to use the equation (M'13) instead for the wave number k of -ksinθ 1 (cosφ 1 x + sinφ 1 z) in the interpolation approximation formula.
In each of the method (1) and the method (6), the methods described in this paragraph may be performed in combination. For example, in the method (6), wave number matching is performed in the same manner as the method of J.-y. Lu et al. (See paragraph 0197, the equation is described in (C ′) of paragraph 0354) that performs interpolation approximation in method (1). Can be performed through interpolation approximation, and the first three-dimensional Fourier transform and the last three-dimensional inverse Fourier transform can be performed by fast Fourier transform (described in paragraph (D ′) of paragraph 0354). In each of these, there are cases where the expression (C21) is used (the deflection angle data θ is used) and the expression (M′3) is used (described in each of (C ′) and (D ′) of the paragraph 0354). . Of course, it can be used even when it is not deflected.
As described above, the plane wave transmission based on the method (1) and the method (6) is applied to various beam forming.
このマイグレーション法においても、方法(2)や方法(3)の方法と同様にして、波数マッチングにおいて補間近似処理を行わずに、モノスタティックやマルチスタティックの開口面合成を実施できる。 Also in this migration method, monostatic or multistatic aperture plane synthesis can be performed without performing interpolation approximation processing in wave number matching in the same manner as the methods (2) and (3).
モノスタティック開口面合成の場合には、ソフト的な送信偏向角度と受信角度の各々をθtとθrとすると、式(M3)の代わりに、超音波角周波数ω0と伝搬速度cを用いて表される波数
とすれば良い。
In the case of monostatic aperture plane synthesis, if the software transmission deflection angle and reception angle are θt and θr, respectively, the ultrasonic angular frequency ω 0 and the propagation velocity c are used instead of the equation (M3). Wave number
What should I do?
また、3次元の場合において、送信ビームと受信ビームの偏向角度の各々が、(仰角,方位角)=(θt,φt)と(θr,φr)を用いて表されるとすると、波数マッチングは、方法(2)と同様に、超音波信号の搬送周波数ω0を用いて表される複素指数関数(式(D41))を掛けて、まず横方向に実施し、深さy方向に関しては、深さy方向に分解能を持たせるべく、横方向のマッチング処理(式(D41))を除いた複素指数関数(式(D42))を掛けると同時に、複素指数関数(式(D43))を掛けて行われる。即ち、2次元の場合の式(M3')の代わりに式(D41)を用い、式(M11)の代わりに式(D42)と式(D43)の積を用いる。 In the three-dimensional case, suppose that the deflection angles of the transmission beam and the reception beam are expressed using (elevation angle, azimuth angle) = (θ t , φ t ) and (θ r , φ r ), respectively. Similarly to the method (2), the wave number matching is first performed in the lateral direction by multiplying the complex exponential function (formula (D41)) expressed using the carrier frequency ω 0 of the ultrasonic signal, and the depth y With respect to the direction, in order to have resolution in the depth y direction, the complex exponential function (formula (D42)) excluding the horizontal matching process (formula (D41)) is multiplied, and at the same time, the complex exponential function (formula (D43) )). That is, the expression (D41) is used instead of the expression (M3 ′) in the case of the two dimensions, and the product of the expression (D42) and the expression (D43) is used instead of the expression (M11).
この様に、方法(2)とこれに基づく方法(3)に該当する本発明におけるマイグレーション処理は、方法(2)と方法(3)と等価である。 As described above, the migration processing according to the present invention corresponding to the method (2) and the method (3) based thereon is equivalent to the method (2) and the method (3).
これらの場合にも、通常のマイグレーション処理と同様に、波数マッチングにおいて補間処理を行って高速逆フーリエ変換を実施することは可能であり、その場合には、方法(2)とこれに基づく方法(3)とは等価ではなく、式(M3')を用いた上記の処理等の後、補間処理を共なう波数マッチングである式(M4')の代わりに、式(M11)に基づいて、
と表される式(M4'')を求め、(M4''')の同kyを用いて表される式(M5')の2次元逆フーリエ変換(式(M6'))を実施するか、又は、式(M4')の代わりに、
と表される補間処理を共なう波数マッチングを行って式(M4'')を求め、(M4'''')の同kyを用いて表される式(M5')に、
Whether the two-dimensional inverse Fourier transform (formula (M6 ′)) of the formula (M5 ′) represented using the same ky of (M4 ′ ″) is performed. Or instead of the formula (M4 ′)
Equation (M4 ″) is obtained by performing wave number matching with interpolation processing expressed as follows, and in equation (M5 ′) expressed using the same ky of (M4 ″ ″),
また、この場合も、マルチスタティック開口面合成は、方法(2)を応用して方法(3)を実現したときと全くに同様にして、方法(2)の代わりに、このマイグレーション法よるモノスタティック開口面合成法を応用して実現できる。 Also in this case, multistatic aperture synthesis is performed in the same manner as when method (3) is realized by applying method (2), and instead of method (2), monostatic by this migration method This can be realized by applying the aperture synthesis method.
3次元の場合も同様に処理できる。つまり、3次元の場合の式(M'3')を用いた処理等の後、補間処理を共なう波数マッチングである式(M'4')の代わりに、式(D42)と式(D43)の積(2次元の時の(M11)に該当)に基づいて、
と表される式(M'4'')を求め、(M'4''')の同kyを用いて表される式(M'5')の3次元逆フーリエ変換(式(M'6'))を実施するか、又は、式(M'4')の代わりに、
と表される補間処理を共なう波数マッチングを行って式(M'4'')を求め、(M'4'''')の同kyを用いて表される式(M'5')に、
The expression (M′4 ″) represented by the following equation is obtained, and the three-dimensional inverse Fourier transform (expression (M′4 ′)) of the expression (M′5 ′) represented by using the same ky of (M′4 ′ ″). 6 ′)) or instead of the formula (M′4 ′)
Equation (M′4 ″) is obtained by performing wave number matching with interpolation processing expressed as follows, and the equation (M′5 ′) expressed using the same ky of (M′4 ″ ″) )
この場合も、マルチスタティック開口面合成は、方法(2)を応用して方法(3)を実現したときと全くに同様にして、方法(2)の代わりに、このマイグレーション法よるモノスタティック開口面合成法を応用して実現できる。 In this case, the multistatic aperture plane synthesis is performed in the same manner as when the method (3) is realized by applying the method (2), and the monostatic aperture plane by this migration method is used instead of the method (2). It can be realized by applying the synthesis method.
これらのマイグレーション法に基づき、方法(2)と(3)に記載の全てのビームフォーミングを同様に実施できる。 Based on these migration methods, all the beam forming described in the methods (2) and (3) can be similarly performed.
また、方法(1)に該当する上記平面波送信時のマイグレーション処理(式(M7)等)を用いて、波数マッチングにおいて補間近似を行うことなく、方法(4)の固定フォーカスビーム等の任意のビームの他、任意の波(ビームフォーミングされていない波を含む)の送信時のビームフォーミング、複数のビームや波の送信時の重ね合わせ処理、同時の複数ビームや波の送信時の処理を実施できる。複数のビームフォーミングが行われることは、多方向開口面合成法を用いて行われる場合もあり、その場合も同様にして高速に行われる。また、それらの限りでは無い。それらの場合においては、方法(1)を用いたときと同様にして、方法(2)との組み合わせとして、任意の送信ビームフォーミングに対して受信の偏向ダイナミックフォーカシングを実施できる。 Further, any beam such as a fixed focus beam of the method (4) can be used without performing interpolation approximation in wave number matching using the migration process (formula (M7), etc.) at the time of plane wave transmission corresponding to the method (1). In addition, beam forming during transmission of arbitrary waves (including waves that have not been beam-formed), superposition processing during transmission of multiple beams and waves, and processing during simultaneous transmission of multiple beams and waves can be performed. . A plurality of beam forming operations may be performed using a multidirectional aperture surface synthesis method, and in this case as well, it is performed at high speed in the same manner. It is not limited to those. In these cases, as in the case of using the method (1), as a combination with the method (2), the deflection dynamic focusing of reception can be performed for an arbitrary transmission beamforming.
フォーカスビームの物理的な送信偏向角度がAであるときに、ソフト的な送信偏向角度と受信角度の各々をθ(=θt)とθrとすると、式(M3)の代わりに、角周波数ωと換算伝搬速度(E1)を用いて表される波数
また、3次元の場合も同様に処理できる。フォーカスビームの物理的な送信偏向角度が仰角Aと方位角Bで表されるとき(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)に、ソフト的な送信偏向角度(仰角θ1と方位角φ1)にてステアリングして偏向角度(仰角θ2,方位角φ2)にてステアリングダイナミックフォーカシングを行う場合(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)には、式(M'3)の代わりに、角周波数ωと換算伝搬速度(E'1)を用いて表される波数
この場合にも、通常のマイグレーション処理と同様に、波数マッチングにおいて補間処理を行って高速逆フーリエ変換を実施することは可能であり、その場合には、補間処理を共なう波数マッチングである式(M4)の代わりに、式(M11''')に基づいて、
と表される式(M4'')を求め、(M4''''')の同kyを用いて表される式(M5)の2次元逆フーリエ変換(式(M6))を実施するか、又は、式(M4)の代わりに、
と表される補間処理を共なう波数マッチングを行って式(M4'')を求め、(M4'''''')の同kyを用いて表される式(M5)に、
Whether the two-dimensional inverse Fourier transform (formula (M6)) of formula (M5) represented using the same ky of (M4 ′ ″ ″) is performed. Or instead of formula (M4)
Equation (M4 '') is obtained by performing wave number matching with interpolation processing expressed as follows, and in equation (M5) expressed using the same ky of (M4 ''''''),
尚、上記において、式(M3'')と(M3''')を入れ替えて各々を処理すると、ソフト的な送信ステアリングを行った場合(θtが非零の場合)に結像位置がずれるエラーを生じる。また、これらの処理において、超音波周波数に対応する波数である式(M10)の代わりに、超音波角周波数ω0と換算伝搬速度(E1)を用いて表される波数
また、3次元の場合も同様に処理できる。つまり、3次元の場合の式(M'3'')を用いた処理等の後、補間処理を共なう波数マッチングである式(M'4)の代わりに、式(M'11''')に基づいて、
と表される式(M'4'')を求め、(M'4''''')の同kyを用いて表される式(M'5)の3次元逆フーリエ変換(式(M'6))を実施するか、又は、式(M'4)の代わりに、
と表される補間処理を共なう波数マッチングを行って式(M'4'')を求め、(M'4'''''')の同kyを用いて表される式(M'5)に、
And a three-dimensional inverse Fourier transform of the equation (M′5) expressed by using the same ky of (M′4 ′ ″ ″) (the equation (M '6)) or instead of formula (M'4)
Equation (M′4 ″) is obtained by performing wave number matching with the interpolation processing expressed as follows, and the equation (M′4 ′) expressed using the same ky of (M′4 ″ ″ ″) 5)
尚、上記において、式(M'3'')と(M'3''')を入れ替えて各々を処理すると、ソフト的な送信ステアリングを行った場合(偏向角度が非零の場合)に結像位置がずれるエラーを生じる。また、これらの処理において、超音波周波数に対応する波数である式(M'10)の代わりに、超音波角周波数ω0と換算伝搬速度(E'1)を用いて表される波数
また、この場合に、段落0316に記載の式(N4)に基づくマイグレーション方法を用いる場合には、フォーカスビームの物理的な送信偏向角度がAであるときに、ソフト的な送信偏向角度と受信角度の各々をθ(=θt)とθrとすると、式(M3)の代わりに、角周波数ωと換算伝搬速度(E1)を用いて表される波数(M13)を用いて表される(M3'')を同様に用い、また、平面波の物理的な送信偏向角度がAであるときに、ソフト的な送信偏向角度と受信角度の各々をθ(=θt)とθrとすると、式(M3)の代わりに、(M3''')を同様に用い、式(M6)又は(M7)において、式(N4)の代わりに、次式(N4')を同様に用いれば良い。
また、3次元の場合(段落0331に記載の式(N'4)に基づくマイグレーション方法を用いる場合)も同様に処理できる。フォーカスビームの物理的な送信偏向角度が仰角Aと方位角Bで表されるとき(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)に、ソフト的な送信偏向角度(仰角θ1と方位角φ1)にてステアリングして偏向角度(仰角θ2,方位角φ2)にてステアリングダイナミックフォーカシングを行う場合(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)には、式(M'3)の代わりに、角周波数ωと換算伝搬速度(E'1)を用いて表される波数(M'13)を用いて表される式(M'3'')を同様に用い、また、平面波の物理的な送信偏向角度が仰角Aと方位角Bで表されるとき(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)、ソフト的な送信偏向角度(仰角θ1と方位角φ1)にてステアリングして偏向角度(仰角θ2,方位角φ2)にてステアリングダイナミックフォーカシングを行う場合(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)には、式(M'3)の代わりに、式(M'3''')を同様に用い、式(M'6)又は(M'7)において、式(N'4)の代わりに、次式(N'4')を同様に用いれば良い。
この様に、これらのマイグレーション法に基づくビームフォーミングも、段落0316や0331に記載の方法と同様にして、波数マッチングにおいて補間近似処理を行う、又は、行わずに実施できる。 In this manner, beam forming based on these migration methods can be performed with or without performing interpolation approximation processing in wave number matching in the same manner as the methods described in paragraphs 0316 and 0331.
また、方法(1)に関して段落0316や0331に記載されている処理を、方法(1)と方法(2)の組み合わせ(段落0235〜0238に記載の方法(1)において受信偏向ダイナミックフォーカシングを行う場合)においても同様に実施できる。つまり、2次元の場合において、式(F42)と式(F43)中の偏向角度θを零として計算した場合に同じ結果を得る場合には、方法(6)において式(M9)を乗じて逆フーリエ変換を行う場合と同様に、段落0204に記載の処理を行う前に、式(16)に該当する式に式(M9)を乗じれば良い。また、3次元の場合において、式(G22)と式(G23)中の全ての偏向角度θとφを零として計算した場合に同じ結果を得る場合には、方法(6)において2次元の場合の式(M9)に該当する複素指数関数を乗じて逆フーリエ変換を行う場合と同様に、段落0207に記載の処理を行う中で乗じれば良い。
これらのビームフォーミングにおいても、段落0316や段落0331に記載の通り、波数マッチングにおいて補間処理を行う、又は、行わずに実施できる。他、同段落に記載の通りである。
Further, the processing described in paragraphs 0316 and 0331 with respect to method (1) is a combination of method (1) and method (2) (when receiving deflection dynamic focusing is performed in method (1) described in paragraphs 0235 to 0238). ) In the same manner. That is, in the two-dimensional case, when the same result is obtained when the deflection angle θ in the equations (F42) and (F43) is calculated to be zero, the method (6) is multiplied by the equation (M9) and reversed. Similar to the case of performing the Fourier transform, the formula corresponding to the formula (16) may be multiplied by the formula (M9) before the processing described in the paragraph 0204 is performed. In the case of the three-dimensional case, when the same result is obtained when all the deflection angles θ and φ in the equations (G22) and (G23) are calculated to be zero, the case of the two-dimensional case in the method (6) As in the case of performing the inverse Fourier transform by multiplying the complex exponential function corresponding to the equation (M9), the multiplication may be performed while performing the processing described in paragraph 0207.
These beam forming can also be performed with or without interpolation processing in wave number matching as described in paragraphs 0316 and 0331. Others are as described in the same paragraph.
これらのマイグレーション法に基づき、方法(4)に記載の全てのビームフォーミングを同様に実施できる。 Based on these migration methods, all the beam forming described in the method (4) can be similarly performed.
また、方法(5)に記載の如く、極座標系等のデカルト座標系以外の直交座標系において送受信を行った場合も、全くに同様にして、式(M6)、式(M6')、式(M7)、式(M7')にヤコビ演算を施したものを計算して上記のビームフォーミングを実施して、デカルト座標系において直接的に結果を得ることができる。また、3次元の場合も、全くに同様にして、式(M'6)、式(M'6')、式(M'7)、式(M'7')にヤコビ演算を施して同様に処理できる。その他にも、方法(5)に記載の全てのビームフォーミングを同様に実施できる。 Further, as described in the method (5), when transmission / reception is performed in an orthogonal coordinate system such as a polar coordinate system other than a Cartesian coordinate system, the expressions (M6), (M6 ′), ( It is possible to obtain the result directly in the Cartesian coordinate system by calculating the M7) and the equation (M7 ′) obtained by performing the Jacobian operation and performing the beam forming described above. In the case of the three-dimensional case, Jacobian calculation is similarly applied to the expressions (M′6), (M′6 ′), (M′7), and (M′7 ′) in the same manner. Can be processed. In addition, all beam forming described in the method (5) can be similarly performed.
尚、本発明の目的の1つは、フーリエ変換を基礎として、高速に且つ高精度なビームフォーミングを実現することにあるが、上記の方法(1)〜(6)を用いた補間近似を行わない処理は、いずれも、様々な形の補間近似を交えた処理に改変して使用することが可能であり、精度は低下するものの、高速化して使用されることがある。横方向、エレベーション方向、深さ方向の3方向の内の、少なくとも1方向又は2方向、全3方向の波数マッチングを近似して行うか、また、複素指数関数の乗算を用いるか等において、方法を改変して使用することが可能である。近似を多く行うと高速化できるが、精度は低下する。これまでの説明において、既に説明済みのものもある。本段落では、2次元と3次元の各々の場合に関し、段落0316と0331に記載した(A)、(A')、(B)、(B')、(C)、(C')、(D)、(D')の8つの場合について、補間近似式を示す。
例えば、方法(6)のマイグレーション法にて平面波のステアリングを行う場合も同様に処理でき、全方向の波数マッチングを補間近似する((D')に該当)と、方法(1)にて補間近似処理を行うJ.-y. Luらの方法(段落0197参照、(C')に該当)と同様に、マイグレーションを用いた場合において計算は最速となる。しかし、精度はマイグレーションの中で最も低い。一方、J.-y. Luらの方法(段落0197参照、(C')に該当)において、例えば、フーリエ変換前に横方向の波数マッチングのみを行うと高精度化されるが、計算速度は低下する((C)に該当)。他、(A)、(A')、(B)、(B')の場合も含め、以下に2次元の場合(段落0316)の補間処理(式)を示す(3次元の場合(段落0331)も同様に表され、略)。尚、(A)、(A')、(C)、(C')に関しては、式(7)と(8)に従って表してある。また、(B')及び(D')においては、横方向に関する逆フーリエ変換は、kxではなく、kx'に関して行われる。
これらにおいても、受信ビームフォーミングにおいて、方法(2)が併用されることがある。
最初の多次元フーリエ変換と多次元逆フーリエ変換を高速に実施することは重要であり、適切に各種の高速フーリエ変換アルゴリズムを使用できる。また、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である。また、本明細書に記載されているビームフォーミング(方法(1)〜方法(6)等)以外のものも全て、同様に、補間近似処理無し又はその近似処理を通じた処理により実現できる。補間近似処理を行う場合において高精度化するべく、サンプリング周波数を高くすることがあるが、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。但し、補間近似処理を行わない場合も、適度にオーバーサンプリングを行い、信号を高SN比化して処理する状況を実現することは重要である。
この様な中で、マイグレーション処理に基づいた場合(方法(6))においても、方法(1)〜(5)に記載のビームフォーミング(複数の異なるビーム又は波動の同時送信時における一括受信信号や各々の送信に対する受信信号の重ね合わせのビームフォーミングや、仮想源や仮想受信機を用いる場合等を含む)を、補間近似を行う場合と、行わない場合とにおいて、実施できる。
One of the objects of the present invention is to realize high-speed and high-accuracy beam forming on the basis of Fourier transform, and performs interpolation approximation using the above methods (1) to (6). Any processing that does not exist can be modified and used for processing with various forms of interpolation approximation, and may be used at a higher speed, although the accuracy is reduced. Whether the wave number matching in at least one direction or two directions among all three directions of the horizontal direction, the elevation direction, and the depth direction is approximated or whether multiplication of complex exponential functions is used, etc. It is possible to modify and use the method. If many approximations are performed, the speed can be increased, but the accuracy decreases. Some of the descriptions so far have already been described. In this paragraph, (A), (A ′), (B), (B ′), (C), (C ′), (C) described in paragraphs 0316 and 0331 regarding the two-dimensional and three-dimensional cases. Interpolation approximation formulas are shown for the eight cases of D) and (D ′).
For example, the same processing can be performed when plane wave steering is performed by the migration method of method (6), and interpolation approximation is performed for wave number matching in all directions (corresponding to (D ′)), and interpolation approximation is performed by method (1). Similar to the method of J.-y. Lu et al. (Refer to paragraph 0197, corresponding to (C ′)) for processing, the calculation is the fastest when migration is used. However, accuracy is the lowest in migration. On the other hand, in the method of J.-y. Lu et al. (Refer to paragraph 0197, corresponding to (C ′)), for example, if only horizontal wave number matching is performed before Fourier transformation, the accuracy is improved. Decreases (corresponds to (C)). In addition, including the cases of (A), (A ′), (B), and (B ′), an interpolation process (expression) in the case of two dimensions (paragraph 0316) is shown below (in the case of three dimensions (paragraph 0331). ) Is also expressed in the same way, abbreviated) Note that (A), (A ′), (C), and (C ′) are expressed according to the equations (7) and (8). In (B ′) and (D ′), the inverse Fourier transform in the horizontal direction is performed not on kx but on kx ′.
Also in these cases, the method (2) may be used in combination in the reception beam forming.
It is important to perform the first multidimensional Fourier transform and the multidimensional inverse Fourier transform at high speed, and various fast Fourier transform algorithms can be appropriately used. In addition, both physically and mathematically, wave number matching can be performed during the first Fourier transform, and wave number matching can be performed during the last inverse Fourier transform. In addition, all other than the beam forming described in this specification (method (1) to method (6), etc.) can be similarly realized without interpolation approximation processing or processing through the approximation processing. When performing interpolation approximation processing, the sampling frequency may be increased in order to increase the accuracy. However, unlike the case where a signal at an arbitrary position can be generated without interpolation approximation processing, the number of data of the Fourier transform increases. You need to be careful. However, even when the interpolation approximation process is not performed, it is important to realize a situation where the signal is processed with a moderate oversampling and a signal having a high SN ratio.
In such a case, even when based on the migration process (method (6)), the beam forming described in the methods (1) to (5) (a collective reception signal at the time of simultaneous transmission of a plurality of different beams or waves) The beam forming of the received signal for each transmission, including the case of using a virtual source and a virtual receiver, and the like can be performed with or without interpolation approximation.
方法(7):その他
尚、上記の方法(1)〜(6)は、主として、1次元アレイを用いた場合について説明したが、2次元アレイ又は3次元アレイの場合には、上記の如くして、各々において、他の1つ又は他の2つの軸方向に、横方向に関して行った処理を同様に施せば良い。これらは、直交曲座標系を含む全ての直交座標系で実施できる。即ち、単純に、上記の方法(1)〜(6)を、より高次の次元に拡張すれば良い。また、方法(1)〜(6)及びここに記載する方法(7)の処理中において、横方向又は縦方向の直流成分や低周波成分が生成されることがあり、その場合には、最後の逆フーリエ変換前の段階でスペクトルの零詰め処理を行うと良い。デジタル信号処理を開始するに当たり、前処理として、直流を切るべく、アナログ処理又はデジタル処理が行われるが、角スペクトルにおいてスペクトルが零詰めされることもある。
また、デジタルフーリエ変換を行う場合に、有限な空間領域における処理前の生信号や処理後のイメージ信号の分布の周期性(即ち、巡回性)を仮定するため、関心領域の上部と下部の境界等(主として、物理開口素子アレイの面と平行な方向の境界やいわゆる横方向やエレベーション方向に走行する境界等)やそれら以外の側面や縦方向の境界等(主として、物理開口素子アレイの面と直交する方向の境界やいわゆる軸方向に走行する境界等)を中心として、処理前の生信号成分や処理後のイメージ信号が巡回して現れることが問題となることがある。
反射波を対象とする場合と、透過波を対象とする場合との両方において、送信開口面から伝搬して離れるにつれ、拡散や減衰、散乱、反射の現象により信号強度は小さくなるため、関心領域がその様な生信号を持つ場合には、それらの関心領域の上部と下部の境界等(主として、物理開口素子アレイの面と平行な方向の境界やいわゆる横方向やエレベーション方向に走行する境界等)において生じるその現象(アーチファクト)は問題とならないことがあるが、上部や下部において生信号の強度が小さくないときには、問題となる。透過波を対象として受信開口が送信開口と異なる場合には、受信開口位置における信号強度が問題となることがある。その様な場合には、その生信号の関心領域に、その関心領域の上部から送信開口面の方へ近づく方向(長さ方向)に零信号の領域(厳密には、上部と下部の距離の長さを持つ領域)を加えるか、その関心領域の下部より送信開口面から離れる方向(長さ方向)に零信号の領域(厳密には、上部と下部の距離の長さを持つ領域)を加え、関心領域を送信開口や受信開口から離れる方向(長さ方向)に広げて処理した後に、その加えた領域にて求められたイメージ信号を捨てるか、それでもその生信号は不連続な状態を持つため、代わりに生信号に長さ方向のいわゆる窓を掛けて処理して窓の裾付近にて求められたイメージ信号は重視しないこともある。
一方、それら以外の側面や縦方向の境界等(主として、物理開口素子アレイの面と直交する方向の境界やいわゆる軸方向に走行する境界等)においては、異なる空間位置を表す生信号を用いてイメージ信号を合成することとなり、また、その生信号は強度が強いことが多く、殆どの場合において、同現象(アーチファクト)が問題となる。その様な場合には、その生信号の関心領域に、その関心領域の側面や縦方向の境界の対となる2つの境界の内の少なくとも1つから関心領域の外へ離れる方向(幅方向)に零信号の領域(厳密には、送信又は受信の有効開口幅の大きい方の幅を持つ領域)を加え、関心領域を横方向に広げて処理した後に加えた領域にて求められたイメージ信号を捨てるか、それでも、その生信号は不連続な状態を持つため、代わりに生信号にいわゆる幅方向の窓を掛けて処理して窓の裾付近にて求められたイメージ信号は重視しないことがある。3次元の場合、窓は横方向とエレベーション方向の多次元であり、いわゆる分離型窓又は非分離型窓である。ステアリングをしなかった場合も問題となるが、ステアリング処理をした場合にはその処理が必要になることが多い。
上記のそれらの処理を同時に行うことが有用となる場合もある。窓を用いる場合に、窓は多次元であり、いわゆる分離型窓又は非分離型窓である。また、それらの処理をせずに求められたイメージ信号において、巡回して現れたイメージ信号が存在する場合には、そのイメージ信号の領域を関心領域から外すこともある。
Method (7): Others The above methods (1) to (6) have mainly been described for the case of using a one-dimensional array. However, in the case of a two-dimensional array or a three-dimensional array, the method is as described above. In each case, the processing performed in the lateral direction may be similarly performed in the other one or the other two axial directions. These can be implemented in all orthogonal coordinate systems, including orthogonal coordinate systems. That is, the above methods (1) to (6) may be simply extended to higher order dimensions. Further, during the processes of the methods (1) to (6) and the method (7) described herein, a DC component or a low frequency component in the horizontal direction or the vertical direction may be generated. It is advisable to perform zero padding of the spectrum at the stage before the inverse Fourier transform. When digital signal processing is started, analog processing or digital processing is performed as a preprocessing to cut off direct current, but the spectrum may be zeroed in the angular spectrum.
In addition, when digital Fourier transform is performed, the upper and lower boundaries of the region of interest are assumed in order to assume the periodicity (that is, cyclicity) of the distribution of the raw signal before processing and the processed image signal in a finite spatial region. Etc. (mainly the boundary in the direction parallel to the surface of the physical aperture element array, the boundary traveling in the so-called lateral direction or the elevation direction, etc.), the other side surface, the boundary in the vertical direction, etc. (mainly the surface of the physical aperture element array A raw signal component before processing or an image signal after processing may appear to circulate around a boundary in a direction orthogonal to the boundary or a boundary traveling in a so-called axial direction.
In both the case of the reflected wave target and the case of the transmitted wave target, the signal intensity decreases due to the phenomenon of diffusion, attenuation, scattering, and reflection as it propagates away from the transmission aperture surface. Have such a raw signal, the upper and lower boundaries of those regions of interest (mainly boundaries parallel to the plane of the physical aperture element array or boundaries that run in the so-called lateral and elevation directions) Etc.) may not be a problem, but it is a problem when the intensity of the raw signal is not small at the upper and lower parts. When the reception aperture is different from the transmission aperture for the transmitted wave, the signal strength at the reception aperture position may be a problem. In such a case, the region of the zero signal (strictly speaking, the distance between the upper and lower parts) is measured in the direction of approaching the length of the transmission aperture from the upper part of the region of interest (length direction) to the region of interest of the raw signal. A region with a length) or a zero signal region (strictly, a region with a distance between the top and bottom) in the direction away from the transmission aperture surface (length direction) from the bottom of the region of interest In addition, after processing the region of interest in a direction away from the transmission aperture and reception aperture (length direction), the image signal obtained in the added region is discarded or the raw signal is still in a discontinuous state. Therefore, instead of emphasizing the image signal obtained by processing the raw signal by applying a so-called window in the length direction in the vicinity of the bottom of the window.
On the other hand, on other side surfaces, vertical boundaries, etc. (mainly boundaries in a direction perpendicular to the surface of the physical aperture element array or boundaries that run in the so-called axial direction), raw signals representing different spatial positions are used. The image signal is synthesized, and the raw signal is often strong, and in most cases, the same phenomenon (artifact) becomes a problem. In such a case, the region of interest of the raw signal is separated from the region of interest (width direction) from at least one of the two boundaries that form a pair of the side or vertical boundary of the region of interest. The image signal obtained in the region added after processing the region of interest by extending the region of interest in the horizontal direction by adding the zero signal region (strictly, the region having the larger effective aperture width for transmission or reception) to However, since the raw signal has a discontinuous state, instead of processing the raw signal by applying a so-called width window, the image signal obtained near the bottom of the window may not be emphasized. is there. In the case of three dimensions, the windows are multidimensional in the lateral direction and the elevation direction, so-called separable windows or non-separable windows. Even when steering is not performed, there is a problem, but when steering processing is performed, the processing is often necessary.
It may be useful to perform these processes simultaneously. When using windows, the windows are multidimensional, so-called separable or non-separable windows. In addition, in the image signal obtained without performing such processing, when there is an image signal that appears in a cyclic manner, the region of the image signal may be excluded from the region of interest.
また、非特許文献9等にある他のフーリエ変換を用いたビームフォーミングにおいても、方法(1)〜(7)の中で開示した方法を用いることも可能であり、同効果を得ることができる。
例えば、非特許文献9の2.4節には、波動方程式の一般解(グリーン関数)を用いて任意のビームや波動を計算する方法が開示されている。そこでは、解析的に計算する例として、球面波や円筒波、平面波が扱われている。グリーン関数を用いる特徴として、求める信号は、周波数領域において、分母に、
つまり、方法(1)〜(7)の中で開示した方法又は数式(波数マッチングにおいて補間近似を行わない場合と行う場合)において、求める信号のスペクトルが、分母に式(GR1)又は(GR2)を持つ状況において演算すれば良い。方法(1)〜(7)に記載の方法や数式は、その他の様々な方法やビームフォーミングに応用できる。
また、グリーン関数を用いるこれらの場合において、点源を考えることができることから、物理開口の前後に設定される仮想源(特許文献7や非特許文献8)を表すのに適している。その場合に、次段落にて述べる物理開口(素子)の実際の放射パターンに対する処理は重要である。
In beam forming using other Fourier transforms described in Non-Patent Document 9 or the like, the method disclosed in the methods (1) to (7) can be used, and the same effect can be obtained. .
For example, Section 2.4 of Non-Patent Document 9 discloses a method for calculating an arbitrary beam or wave using a general solution (green function) of a wave equation. There, spherical waves, cylindrical waves, and plane waves are handled as examples for analytical calculation. As a feature using the Green function, the signal to be obtained is in the denominator in the frequency domain,
That is, in the method or formula disclosed in the methods (1) to (7) (when the interpolation approximation is not performed in the wave number matching), the spectrum of the signal to be obtained is expressed by the formula (GR1) or (GR2) in the denominator. It may be calculated in a situation with The methods and formulas described in the methods (1) to (7) can be applied to various other methods and beam forming.
In these cases using the Green function, a point source can be considered, which is suitable for representing a virtual source (Patent Document 7 or Non-Patent Document 8) set before and after the physical aperture. In that case, the processing for the actual radiation pattern of the physical aperture (element) described in the next paragraph is important.
また、本方法(1)〜(7)は、例えば、非特許文献9の3.2節に記載のある開口(素子)の放射パターンを加味した演算を応用することができる。その際には、物理的又はソフト的なアポダイゼーションにより、適切に信号強度が補正されて、信号処理されることもある。本明細書に数多く記載されている通り、例えば、ISAR(観測対象の動きを応用することもある)や非線形処理、アダプティブビームフォーミング(非特許文献10)等を始めとし、その他、様々な処理を施し、高分解能化(特に、伝搬方向と直交する方向)やサイドローブを抑圧することによる高コントラスト化が行われることがある。非特許文献11等にあるコヒーレントファクター等も適用できる。また、それらに限られるものでも無く、アポダイゼーション(複素信号を用いてディレイを兼ねることもある)が適切に行われる。尚、アポダイゼーションは、伝搬方向のみならず走査方向にも可変である場合を含む。 In addition, the present methods (1) to (7) can be applied, for example, with a calculation in consideration of the radiation pattern of the aperture (element) described in Section 3.2 of Non-Patent Document 9. In that case, signal strength may be appropriately corrected by physical or soft apodization, and signal processing may be performed. As described many times in this specification, for example, ISAR (the motion of the observation target may be applied), nonlinear processing, adaptive beamforming (Non-Patent Document 10), and other various processing are also performed. In some cases, high resolution (in particular, a direction orthogonal to the propagation direction) and high contrast are suppressed by suppressing side lobes. The coherent factor etc. which exist in nonpatent literature 11 etc. are applicable. Further, the present invention is not limited to these, and apodization (which may also serve as a delay using a complex signal) is appropriately performed. The apodization includes a case where the apodization is variable not only in the propagation direction but also in the scanning direction.
また、方法(1)〜(7)は、様々な位置の送信又は受信の開口を用いた場合やその他の様々なビームフォーミングを行う場合にも用いることができる。例えば、非特許文献9に、豊富に、例が提示されている。例えば、7.3節にあるGeophysical Imaging(例えば、式7.9〜式7.12の形に注目)や、いわゆるX線CT(Computed Tomography)等の記載があり、これらの他、天体観測等にも、本方法(1)〜(7)を使用できる。非特許文献9の7.2節に記載のある透過イメージングの場合に開示されている図7.3及び式7.5〜式7.9も注目に値する。これらにおいて、波数マッチング等を含め、補間近似処理を行うことなく、処理できる(それらにおいて、補間近似処理を行うことはある)。 In addition, the methods (1) to (7) can be used when transmission or reception apertures at various positions are used or when performing various other beam forming. For example, Non-Patent Document 9 provides abundant examples. For example, there are descriptions such as Geophysical Imaging (for example, pay attention to the form of Equation 7.9 to 7.12) and so-called X-ray CT (Computed Tomography) in Section 7.3. In addition, the present methods (1) to (7) can be used. Also noteworthy are FIG. 7.3 and Equations 7.5 to 7.9 disclosed in the case of transmission imaging described in Section 7.2 of Non-Patent Document 9. In these, processing can be performed without performing interpolation approximation processing including wave number matching or the like (in which interpolation interpolation processing is sometimes performed).
また、本方法(1)〜(7)は、所定のバイプレーンやマルチプルプレーン、所望する任意方向に拡がるプレーン若しくは断層面(それらにおいて、プレーンや断層面等の平坦とは限らず、曲面であることもある)、又は、面では無く線上(線は直線又は曲線)のイメージ信号を、選択的に、直接的に、生成できる特徴を持つ。例えば、3次元又は2次元のイメージ信号を基に像を提示することができる中で、それらのイメージ信号を基に像を提示することもあるし、単独に、それらの像を提示することも可能である。また、信号処理において、補間近似を通じて、それらのイメージ信号や像が提示されることもある。また、それらにおいて、イメージ信号や像を基に計測された変位や歪、温度等、計測データが、単独に表示されることもあるし、それらの像に重畳されて表示されることもある。 In addition, the present methods (1) to (7) are predetermined biplanes, multiple planes, planes or tomographic planes extending in a desired arbitrary direction (in which, planes, tomographic planes and the like are not necessarily flat but curved surfaces). Or an image signal that is not a plane but a line (a line is a straight line or a curve) can be selectively and directly generated. For example, while images can be presented based on three-dimensional or two-dimensional image signals, images may be presented based on those image signals, or those images may be presented independently. Is possible. In signal processing, these image signals and images may be presented through interpolation approximation. In these, measurement data such as displacement, strain, temperature, etc. measured based on the image signal or image may be displayed independently or may be displayed superimposed on those images.
本明細書にて複数回、記載している通り、アポダイゼーションは、様々な方法で決められて実施されうるものである。非特許文献10等に記載されている様々なアダプティブビームフォーミングやミニマム バリアンス ビームフォーミング、Capon法等々がある。これらにおいて、共分散行列を正則化する際、正則化の程度を調整するパラメータ(正則化パラメータ)は、各位置の信号のSN比等に基づき、各位置に適切に決めることのできるものであり、空間的に異形(variant)にして処理することが可能である。また、変則的に、正則化オペレーターに単位行列を用いるのではなく、勾配作用素やラプラシアン等々の他の正定値のオペレーターを使用することも可能である。イメージ信号を高分解能化(特に、伝搬方向と直交する方向)することができ、サイドローブを抑圧することによる高コントラスト化を行うことも可能である。また、独立成分分析(独立信号分離)においても、同様にして共分散行列を正則化することは有効である。これらの正則化法はこれまでに開示されていない。若しくは、両処理において、特異値分解や固有値分解に基づき、ランクを下げて、処理を安定化することも行われている。ビームフォーミングにおける他の方法でも同様に、これらの処理は有効である。他に記載している通り、MIMO(Multiple-input and Multiple-output:送信側及び受信側において複数のアンテナを組み合わせて送受信信号の帯域を広げる無線通信技術)やSIMO(Single-input and Multiple-output:送信側において1つのアンテナを用い、受信側において複数のアンテナを用いて受信信号の帯域を広げる無線通信技術)を用いることも有効である。また、本願発明者は、以前より、包絡線検波の他に絶対値検波や冪乗検波を好んで使用しているが、非特許文献11等にあるコヒーレンスファクターは有効である。絶対値検波や冪乗検波は、波動の波打ちを可視化する場合に有効である。絶対値を取ったり、冪乗を施すと、特に次数が高い場合に、高い周波数成分を持つこととなるが、波動の振幅そのものに輝度を割り当てたり、カラーを割り当てて表示することもある(これらは、バイアスを加える検波と捉えることもできる)。非特許文献10には、他の様々なアダプティブビームフォーミングが記載されているし、本明細書にも、MUSIC(Multiple Signal Classification:受信信号の相関行列の固有値又は固有ベクトルを用いる無線通信技術)等々の様々な処理を記載してある。また、有効な処理はその限りでは無く、他にも様々なものがある。この様な様々な処理を、ビームフォーミングの前処理、処理中、処理後に行うことができ、アポダイゼーションのレベルで実施することも可能である。その際には、相関処理を基礎とした時空間的な位置合わせを施した上で処理することは極めて有効である(詳細については後述する)。 As described herein multiple times, apodization can be determined and implemented in various ways. There are various adaptive beam forming, minimum variance beam forming, Capon method, etc. described in Non-Patent Document 10 and the like. In these, when the covariance matrix is regularized, a parameter (regularization parameter) for adjusting the degree of regularization can be appropriately determined at each position based on the signal-to-noise ratio of the signal at each position. It is possible to process spatially variants. It is also possible to use other positive definite operators such as gradient operators and Laplacians instead of using unit matrices as regularization operators. The resolution of the image signal can be increased (particularly, the direction orthogonal to the propagation direction), and the contrast can be increased by suppressing the side lobes. Also in the independent component analysis (independent signal separation), it is effective to regularize the covariance matrix in the same manner. These regularization methods have not been disclosed so far. Alternatively, in both processes, the rank is lowered and the process is stabilized based on singular value decomposition or eigenvalue decomposition. These processes are also effective in other methods in beam forming. As described elsewhere, MIMO (Multiple-input and Multiple-output: a wireless communication technology that combines a plurality of antennas on the transmitting side and the receiving side to widen the band of transmission and reception signals) and SIMO (Single-input and Multiple-output) : It is also effective to use a wireless communication technique that uses one antenna on the transmission side and uses a plurality of antennas on the reception side to widen the band of received signals. Further, the inventor of the present application has favored and used absolute value detection and power detection in addition to envelope detection, but the coherence factor described in Non-Patent Document 11 and the like is effective. Absolute value detection and power detection are effective in visualizing the undulation of waves. If absolute value is taken or raised, it will have a high frequency component, especially when the order is high, but brightness may be assigned to the amplitude of the wave itself or color may be assigned for display. Can also be viewed as a biased detector). Non-Patent Document 10 describes various other adaptive beamforming, and also in this specification, MUSIC (Multiple Signal Classification: wireless communication technology using eigenvalues or eigenvectors of a correlation matrix of a received signal), etc. Various processes are described. Further, the effective processing is not limited to this, and there are various other processes. Such various processes can be performed before, during and after beamforming, and can be performed at the level of apodization. In that case, it is extremely effective to perform processing after performing spatiotemporal alignment based on correlation processing (details will be described later).
また、本発明においては、特に、rfデータを取得した時間方向(距離方向)に積分処理(演算)を行い、信号のSN比を向上させることがある。この積分処理も、アナログ処理(いわゆる積分器)やデジタル処理(積分器又は積分演算)により行われる。 In the present invention, in particular, integration processing (calculation) may be performed in the time direction (distance direction) in which the rf data is acquired to improve the signal-to-noise ratio of the signal. This integration processing is also performed by analog processing (so-called integrator) or digital processing (integrator or integration calculation).
また、上記においては、アポダーゼーション処理には演算量が少なく容易である重み値との積を計算することについて説明したが、本発明はこの限りではなく、線形システムにおいて空間領域と周波数領域とにおける積と畳み込み積分とが双対の関係に基づき、畳み込み積分が行われることがある。それぞれの深さ位置毎において、又は、それぞれの開口素子からの等距離毎において、適切にアポダーゼーションすることが可能である。 Further, in the above description, calculation of a product with a weight value that has a small amount of calculation and is easy for apodization processing has been described. However, the present invention is not limited to this, and in a linear system, a spatial domain and a frequency domain are calculated. Convolution integration may be performed based on the dual relationship between the product and the convolution integration in. It is possible to appropriately apodize at each depth position or at equal distances from each aperture element.
方法(1)〜(6)を用いて本実施形態に係る装置によって生成される多方向の偏向ビームや平面波を重ね合わせる処理により、上記の横方向変調信号(イメージ信号)や、横方向に広帯域化されて横方向に高分解能化された信号(イメージ信号)が生成されることがある。単独送信の場合と同様にして、物理的又はソフト的、又は、両者のステアリングが各々において行われることがあるし、全てに、同一のそれらのステアリングが施される場合も有る。受信ビームフォーミングはソフト的に行うことを中心に記載したが、必要に応じて、受信ディレイや受信アポダイゼーションを用いた受信ビームフォーミングを、物理的に、単独又は併用して実施することもある。一方、送信ビームフォーミングは物理的に実施することを中心に記載したが、例えば、平面波を送信したり、複数のビームや波動を送信する等して、高速フレームレートを得ることができる一方、開口面合成を行うべく、一素子ずつに送信を行うこともある(多方向開口面合成を行うことも可能であり、平面波や円筒波、球面波等をコーディング送信し、デコーディングして開口面合成を行うことも可能である)。ソフト的には送信と受信を逆に考えることや実施することが可能であることも上記の通りである。平面波はフォーカスビームに比べ、より深い位置まで波が到達する(エコーも比較して深い位置から得られる)が、変位を計測すること等を目的とした場合の波動又はビームとしてのSN比は比較して低い。そもそも横方向の分解能も比較して低い。一方、多方向の平面波を重ね合わせた場合には、位置に依らず、ほぼ等しい横方向分解能が得られる。これに対し、フォーカスビームを使用する場合には、フォーカス位置において複数方向のビームを交差させることは有効であるが、高い横方向分解能を複数に位置で得ようとする場合には、マルチフォーカシングを行うこととなる。何れにせよ、複数の波動又はビームを同時送信した場合の受信信号や、対象が同時相でも異なる時間に送信して受信されたものを重ね合わせたものに関して、高速にビームフォーミングを成し遂げることができる。また、搬送周波数の異なる波動を複数個使用して、軸方向に広帯域化されて軸方向に高分解能化された信号(イメージ信号)が生成されることもある。それらの場合に、スペクトルが重なる様に広帯域化されて高分解能化されることがある。これらの複数のビームも同時に並列的に生成されることがあるし、計測対象が同一の時相であるが、異なる時刻に生成されることもある。多方向の波動は、上記の多方向開口面合成によって生成されることもある。
尚、偏向角度を大きくした場合に、反射体や強散乱体の結像位置が空間的にずれることがある。例えば、偏向角度を開口素子正面に対して、平面波を、偏向角度を小刻み(例えば、1°ずつ)に±45°まで変化させて送信してビームフォーミングした信号を重ね合わせると、正面方向に開口面合成した場合を模擬でき、横方向には偏向角度±45°に相当する帯域までは得られない(重ね合わせ時に信号が相殺される)。正面方向のビームフォーミングを角スペクトルとして平面波に分解した場合を考えると当然のことである。時空間又は周波数空間における重ね合わせによる横方向の広帯域化を行う場合には、偏向平面波送信の場合に限らず、他の偏向ビームフォーミングを行った場合も、スペクトルが周波数空間にて重ならないものを重ね合わせる必要があるが、そこに、その結像位置が空間的にずれる原因を見出せる。つまり、位相収差として、媒体の音速の空間的な不均質性(温度や圧にも依存)や特にステアリング角度の大きいステアリング時には開口の指向性によって焦点取りや伝搬方向の制御にエラーを生じる。従って、偏向角度の大きい信号を重ね合わせる場合には、ビームフォーミングの際の送信時、又は、受信ビームフォーミング前の受信信号、受信ビームフォーミング中、ビームフォーミング後のいずれか少なくとも1つの時点にて、信号の位置補正を行う必要を生じることがある(位相収差補正)。これらの信号のスペクトル加工や非線形処理による超解像を行う場合において、重ね合わせ処理(重ね合わせのスペクトル加工や非線形処理、又は、スペクトル加工や非線形処理の重ね合わせ等)を併用する場合には、位置のずれが結果に齎す影響(位置の誤差等)は顕著となり、その様な位置補正は重要となることが有る。この他、換算伝搬速度の周波数依存性等も位置ずれを齎す要因であり、また、異なる周波数の信号を重ね合わせる場合においても同問題を生じることがあり、同様に処理されることがある。また、デバイスにおける周波数依存性のある位相遅延や位相変化等(例えば、センサーにおける位相変化や回路内のアンプにおける位相遅延等)により波形歪を生じることもあり、同様に受信信号に対して位相を補正して波形を整形することがある(周波数領域において周波数毎に複素指数関数を乗算して各々の信号成分の位相を回転させるデジタル信号のアナログ的なシフティングを行うことは有効である)。予めデバイスにおいて生じる位相変化を求めておいて、所望の波形を有する波動を発生させたり、観測位置又は受信位置において所望の波形を生成することを目標にしてセンサーを適切に電気的に駆動することもある。それにより、観測対象の観測が高精度化される(位相を用いる様々な観測や、周波数依存性のある伝搬速度、散乱、又は、減衰等の観測等)。受信デバイスにおいて生じる分のみ補正されることもある。上記の他の位置ずれを生じさせるものに対しても同様に処理されることがある。位置補正に関しては、段落0371等にも記載してある。動き補償や位相収差補正の様々な信号処理技術を使用できる。また、信号強度補正については、段落0689等にも記載してある。尚、弱散乱信号のビームフォーミング成分やスペックル成分に関しては、それらの決定的な信号とは異なり、本願の発明者が発明した散乱体等を想定した仮想音源や仮想受信器(特許文献7、非特許文献8)を用いた実験を通じて確認されている通り、位置補正処理を行うこと無く、イメージングや変位計測に使用できる(例えば、変位計測には平面波送信とガウス型アポダイゼーションの併用が有効であり、フォーカシング時には2乗関数等の冪乗型アポダイゼーションが有効であり、後者は、単独ビームフォーミングにおいても高分解能である)。
By using the methods (1) to (6) to superimpose multidirectional deflected beams and plane waves generated by the apparatus according to the present embodiment, the above-described lateral modulation signal (image signal) and a wide band in the lateral direction are used. In some cases, a signal (image signal) having a high resolution in the horizontal direction is generated. As in the case of the single transmission, both the physical and / or soft steering operations may be performed in each case, and all the same steering operations may be performed. Although reception beam forming has been described mainly with respect to software, reception beam forming using reception delay and reception apodization may be physically or individually performed as necessary. On the other hand, transmission beam forming has been described centering on physical implementation. For example, a high-speed frame rate can be obtained by transmitting a plane wave or transmitting a plurality of beams or waves, while opening an aperture. In order to perform surface synthesis, transmission may be performed for each element (multidirectional aperture surface synthesis is also possible. Plane wave, cylindrical wave, spherical wave, etc. are transmitted by coding, decoding and aperture surface synthesis. Can also be performed). As described above, transmission and reception can be considered and implemented in terms of software. The plane wave reaches a deeper position than the focus beam (obtained from the deep position by comparing the echo), but the S / N ratio as a wave or beam is compared for the purpose of measuring displacement. And low. In the first place, the horizontal resolution is also low. On the other hand, when multi-directional plane waves are superposed, almost equal lateral resolution can be obtained regardless of the position. On the other hand, when using a focus beam, it is effective to cross beams in multiple directions at the focus position. However, if high lateral resolution is to be obtained at multiple positions, multi-focusing is used. Will be done. In any case, it is possible to achieve beam forming at high speed with respect to a reception signal when a plurality of waves or beams are transmitted at the same time, or a superposition of signals received and transmitted at different times even in the same phase. . In addition, a plurality of waves having different carrier frequencies may be used to generate a signal (image signal) having a wide bandwidth in the axial direction and a high resolution in the axial direction. In these cases, the spectrum may be widened to increase the resolution so that the spectra overlap. The plurality of beams may be generated in parallel at the same time, and the measurement target may be generated at the same time phase but at different times. Multidirectional waves may be generated by the multidirectional aperture plane synthesis described above.
When the deflection angle is increased, the imaging positions of the reflector and the strong scatterer may be spatially shifted. For example, when the deflection angle is transmitted to the front surface of the aperture element and a plane wave is transmitted by changing the deflection angle in small increments (for example, by 1 °) to ± 45 ° and the signals formed by beam formation are superimposed, the aperture opens in the front direction. The case of surface synthesis can be simulated, and a band corresponding to a deflection angle of ± 45 ° cannot be obtained in the horizontal direction (the signal is canceled at the time of superposition). It is natural to consider the case where the beam forming in the front direction is decomposed into a plane wave as an angular spectrum. When widening in the horizontal direction by superposition in space-time or frequency space, not only in the case of deflected plane wave transmission, but also in the case of performing other deflected beam forming, the spectrum does not overlap in the frequency space. Although it is necessary to superimpose, there can be found the cause of the spatial shift of the imaging position. That is, as phase aberration, an error occurs in focusing and propagation direction control due to spatial inhomogeneity of the sound velocity of the medium (depending on temperature and pressure) and particularly in steering with a large steering angle, due to the directivity of the aperture. Therefore, when superimposing signals with a large deflection angle, at the time of transmission at the time of beam forming, or at least one time point after the beam forming, the received signal before receiving beam forming, during receiving beam forming, It may be necessary to perform signal position correction (phase aberration correction). When super-resolution by spectral processing or nonlinear processing of these signals is performed, when superimposing processing (superimposing spectral processing or nonlinear processing, or superposition of spectral processing or nonlinear processing, etc.) is used together, The influence of the position shift on the result (position error, etc.) becomes significant, and such position correction may be important. In addition, the frequency dependence of the converted propagation speed is a factor that causes misregistration, and the same problem may occur when signals of different frequencies are superimposed and may be processed in the same manner. In addition, waveform distortion may occur due to frequency-dependent phase delay or phase change in the device (for example, phase change in the sensor or phase delay in the amplifier in the circuit). There is a case where the waveform is corrected to correct the waveform (it is effective to perform analog shifting of the digital signal that rotates the phase of each signal component by multiplying the complex exponential function for each frequency in the frequency domain). The phase change that occurs in the device is obtained in advance, and the sensor is appropriately electrically driven with the goal of generating a wave having a desired waveform or generating a desired waveform at the observation position or reception position. There is also. Thereby, the observation of the observation target is made highly accurate (various observations using the phase, observations of propagation speed, scattering, attenuation, etc. having frequency dependence). Only the amount that occurs at the receiving device may be corrected. The same processing may be performed for the above-described other misalignment. The position correction is also described in paragraph 0371 and the like. Various signal processing techniques such as motion compensation and phase aberration correction can be used. The signal intensity correction is also described in paragraph 0689. In addition, regarding the beam forming component and the speckle component of the weakly scattered signal, unlike those decisive signals, a virtual sound source or virtual receiver assuming a scatterer invented by the inventors of the present application (Patent Document 7, As confirmed through experiments using Non-Patent Document 8), it can be used for imaging and displacement measurement without performing position correction processing (for example, combined use of plane wave transmission and Gaussian apodization is effective for displacement measurement). In the focusing, a power apodization such as a square function is effective, and the latter has a high resolution even in single beam forming).
また、マルチフォーカス(ビーム伝搬方向の複数個所に送信フォーカスを形成する通常のマルチフォーカスに限らず、横方向を含めて、任意の複数の位置に送信フォーカスを取ることを含む)を形成するべく異なる位置にフォーカスした波動を複数個送波して受信ビームフォーミングを行う処理が行われることがある。また、1つの送信ビームに対して複数位置における受信ビームや複数方向の受信ビームを生成する処理が行われることがある。また、ステアリング角度の異なる複数方向への送信に基づくビームフォーミングが行われることがある。他には、干渉の少ない離れた位置におけるビームフォーミングや、送信と受信を行うことを基礎として1フレーム内にて分割されたそれぞれの部分においてビームフォーミングを行うことがあり、それらの複数のビームフォーミングを並列に処理すること等の並列ビームフォーミングを行い、各々において、複数のビームフォーミングの結果が得られた関心領域内の各位置においてそれらの結果を重ね合わせる処理が行われることがある。方法(4)そのものは、関心領域内を伝搬した波動であれば、干渉した波動の受信信号に対しても処理が可能であるという特徴を有し、これを生かして、高フレームレートを実現できるものである(方法(4)は、如何なる送信ビームや波動、単数又は複数の送信に対しても受信ビームフォーミングが可能である)。また、各種信号分離処理を施した上で、適切な信号成分を用いてビームフォーミングが行われることもある。干渉の程度に依存して、関心領域外の波動を除くことなく、処理することもある。 Further, it is different to form a multi-focus (including not only a normal multi-focus that forms a transmission focus at a plurality of positions in the beam propagation direction but also a transmission focus at a plurality of arbitrary positions including the horizontal direction). There may be a case where a plurality of waves focused on the position are transmitted to perform reception beam forming. In addition, processing for generating reception beams at a plurality of positions and reception beams in a plurality of directions may be performed on one transmission beam. In addition, beam forming based on transmission in a plurality of directions with different steering angles may be performed. In addition, there is a case where beam forming is performed at a position where there is little interference, and beam forming is performed at each part divided within one frame on the basis of performing transmission and reception. In some cases, parallel beamforming is performed, such as processing in parallel, and in each case, processing is performed to superimpose the results at each position in the region of interest from which a plurality of beamforming results are obtained. The method (4) itself has a feature that if a wave propagates in the region of interest, it can process the received signal of the interfering wave, and this can be used to realize a high frame rate. (Method (4) is capable of receiving beam forming for any transmission beam, wave, single or multiple transmissions). In addition, beam forming may be performed using an appropriate signal component after performing various signal separation processes. Depending on the degree of interference, processing may be performed without removing waves outside the region of interest.
その他、波動の送信又は受信の開口は各々の専用開口であることがあるが、両者を兼ねることもあり、自ら送信した波動の応答を受信するのみとは限らず、他の開口より送信された波動を受信することもあり、やはり、並列処理される場合を含み、生成されたビームフォーミングの結果が重ね合わせされることがある。纏めてみれば、上記の重ね合わせは、同時、又は、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察対象の状態が同一又は略同一である同時相、又は、別の時刻、又は、別の時相において、各開口において1つ以上のビームフォーミング、又は、送信又は受信が行われることもあり、また、同様にして、開口の1つの組み合わせで1つ以上のビームフォーミング、又は、送信又は受信が行われることもある。また、同様にして、開口の複数の組み合わせの各々が1つ以上のビームフォーミング、又は、送信又は受信を行うこともある。また、それらにおいて、ビームフォーミング、又は、送信又は受信の結果が複数得られる場合において、それらの重ね合わせの演算を通じて新たなデータが生成されることがある。 In addition, the wave transmission / reception apertures may be dedicated apertures, but they may also serve as both, and not only receive the response of the wave transmitted by themselves, but are transmitted from other apertures. Waves may be received and again the generated beamforming results may be superimposed, including when processed in parallel. In summary, the above superposition is performed at the same time, at the same time, or at the same time or at the same time when the state of the object to be propagated (communication object) or the observation object is the same or substantially the same. In phase, one or more beamforming or transmission or reception may occur at each aperture, and similarly one or more beamforming or transmission or reception may be performed with one combination of apertures. Sometimes done. Similarly, each of a plurality of combinations of apertures may perform one or more beamforming, transmission, or reception. Also, in these cases, when a plurality of beamforming or transmission or reception results are obtained, new data may be generated through the calculation of the superposition thereof.
それらの重ね合わせ処理は、線形処理であるため、上記の方法(1)〜(6)の計算過程において、周波数領域で同一の周波数を持つ複数の複素スペクトル信号を重ね合わせることもでき、その場合には、重ね合わされた複素スペクトルを一度に逆フーリエ変換すれば良く、複数のビームフォーミングされた波動の生成後に空間領域で上記の如く重ね合わせる場合に、重ね合わせる波動の数だけの逆フーリエ変換を必要とするよりも、高速に処理を完了することができる。到来波等、これに限られないが、角スペクトルの状態で重ね合わされたものが、例えば、単一の方向や複数の方向に処理されることもある。処理そのものとしては、複数の波動を空間領域で重ね合わせてフーリエ変換を行い、重ね合わされた角スペクトルを求めると良い(フーリエ変換は一度で済む効果がある)。対象物の存在する位置等を確認できることがある。 Since these superposition processes are linear processes, a plurality of complex spectrum signals having the same frequency in the frequency domain can be superposed in the calculation process of the above methods (1) to (6). In this case, it is only necessary to perform inverse Fourier transform on the superimposed complex spectrum at one time. Processing can be completed faster than necessary. Although not limited to this, such as an incoming wave, what is superimposed in the state of an angular spectrum may be processed in a single direction or a plurality of directions, for example. As the processing itself, it is preferable to perform a Fourier transform by superimposing a plurality of waves in a spatial domain, and obtain a superposed angular spectrum (the effect of performing the Fourier transform only once). In some cases, the position of the object can be confirmed.
また、上記において、複数のビームフォーミングされた(少なくとも、所定の送信ディレイが掛けられ、さらに、送信アポダイゼーションが掛けられることもある)波動を送信する場合(方法(1)〜(6)の内、方法(2)及び(3)の開口面合成は除く別の方法)においては、物理的に同時に送信を行った場合に(送信される各波動の有効開口アレイ内の最初に励起される開口素子が同一時刻に励起される)、それぞれの受信信号は重なった状態でメモリ又は記憶装置(記憶媒体)に格納されているので、各方法に従って、1つのフレームのイメージ信号の生成処理を施せばよい(1フレームを分割してそれぞれの部分で処理する並列処理を行うことはある)。 In the above, when transmitting a plurality of beam-formed waves (at least, a predetermined transmission delay is applied and a transmission apodization may be applied) (among methods (1) to (6)) In methods (2) and (3) other than the aperture plane synthesis), the first excited aperture element in the effective aperture array for each wave transmitted when physically transmitted simultaneously Since each received signal is stored in a memory or a storage device (storage medium) in an overlapped state, the image signal generation process for one frame may be performed according to each method. (Parallel processing may be performed in which one frame is divided and processed in each part).
これに対し、ビームフォーミングを異なる時刻で複数回行う上記の別の場合においては、各受信開口素子のチャンネルにおいて、有効開口アレイ内の最初に励起される開口素子から送信されるタイミングを把握できる本実施形態に係る装置においては、デジタル信号処理ユニットにおいて、同時に複数の波動を送信したときの受信信号と同じ信号を得るべく複数の受信信号を適切に重ね合わせて、同様に処理することもできる(この場合も、1フレームを分割してそれぞれの部分で処理する並列処理を行うことがある)。これらの場合においては、実質的に、最初のフーリエ変換は1回で済む(それぞれの部分で分割して処理する場合はある)。 On the other hand, in the above-mentioned another case where beam forming is performed a plurality of times at different times, in the channel of each receiving aperture element, the timing transmitted from the aperture element that is excited first in the effective aperture array can be grasped. In the apparatus according to the embodiment, in the digital signal processing unit, a plurality of received signals can be appropriately overlapped and processed in the same manner to obtain the same signal as the received signal when a plurality of waves are transmitted simultaneously ( In this case as well, parallel processing may be performed in which one frame is divided and processed in each part). In these cases, the first Fourier transform is substantially one time (there may be divided and processed in each part).
この様なアクティブの場合には、開口面合成(方法(2)及び(3))を除くビームフォーミングにおいて、さらに、高速にビームフォーミングを完了できる。但し、方法(2)及び(3)用に収集された開口面合成用受信信号に必要に応じて送信のビームフォーミング(必要に応じて送信ディレイ又は送信アポダイゼーションが掛けられる)が施されて重ね合わせた上で処理され、同様に処理されることがある。ちなみに、送信ディレイをかけずに、受信信号を重ね合わせると、この場合には、ステアリングせずに平面波送波したときの受信信号を生成できる。開口面合成処理においても、分割並列処理を行って、高速化されることがあるが、特に、本願の発明者の過去の発明である多方向開口面合成を行う場合には、1つの時相において収集された信号から、複数方向のビームを生成でき、本願発明の装置又は方法において処理する場合においては、各方向の偏向角度の下で、1回のフーリエ変換にて得られた同一の角スペクトルデータを用いた計算を行い、最終的に、各々の偏向角度に関して得られた多次元スペクトルの逆フーリエ変換を複数回実施することなく、それらの多次元スペクトルを重ね合わせて、1回の逆フーリエ変換により高速に最終的なイメージ信号を生成することができる(分割処理を行うことはある)。しかし、開口面合成にせよ、受信の固定フォーカシングや他のビームフォーミングにおいても、パッシブな処理に行う場合には、上記の通り、重ね合わされた受信信号(即ち、1つの角スペクトル)に対して、例えば、単一方向又は複数の異なる方向に処理を行うことは有効である。 In such an active state, the beam forming can be completed at a higher speed in the beam forming except for the aperture plane synthesis (methods (2) and (3)). However, the aperture-synthesized received signals collected for the methods (2) and (3) are subjected to transmission beamforming (transmission delay or transmission apodization is applied as necessary) and superimposed as necessary. May be processed in the same way. Incidentally, by superimposing the reception signals without applying transmission delay, in this case, it is possible to generate a reception signal when a plane wave is transmitted without steering. In the aperture synthesis processing, division parallel processing may be performed to increase the speed, but in particular, when performing multidirectional aperture synthesis, which is the past invention of the inventor of the present application, one time phase. In the case of processing in the apparatus or method of the present invention, the same angle obtained by one Fourier transform can be obtained under the deflection angle in each direction. The calculation using the spectrum data is performed, and finally, the multidimensional spectrum obtained by superimposing the multidimensional spectrum with respect to each deflection angle is overlapped without performing the inverse Fourier transform a plurality of times. A final image signal can be generated at high speed by Fourier transform (division processing may be performed). However, in the case of aperture synthesis, when performing passive processing in reception fixed focusing or other beam forming, as described above, with respect to the superimposed received signal (that is, one angular spectrum), For example, it is effective to perform processing in a single direction or a plurality of different directions.
また、これらの処理において得られ複数の波動の重ね合わせが得られる場合においては、例えば、伝搬方向や周波数、又は、帯域が異なるものであれば、スペクトルを分離して処理することも有効であり、その他に、符号化、MIMO、SIMO、MUSIC、独立信号分離(独立成分分析)、主成分分析、符号、又は、パラメトリックな方法等を用いてデジタル信号ユニットにおいて分離することができる。尚、重ね合わせ処理は、それら以外においても有効となることがある(例えば、同時相において複数個得られた信号を用いることにより、SN比が向上する等)。 In addition, in the case where a superposition of a plurality of waves obtained in these processes is obtained, it is also effective to separate the spectrum if the propagation direction, frequency, or band is different, for example. In addition, it can be separated in the digital signal unit using encoding, MIMO, SIMO, MUSIC, independent signal separation (independent component analysis), principal component analysis, code, or parametric method. Note that the overlay process may be effective in other cases (for example, the SN ratio is improved by using a plurality of signals obtained in the same phase).
独立信号分離(独立成分分析)は、例えば、鏡面反射信号と散乱信号を分離するのに有効であり、同鏡面反射信号を含むものに対し、2つ以上のフレーム間において、独立した散乱信号を持つ状態か、独立した散乱信号が混入した状態を実現して処理を行うと、共通して存在する鏡面反射信号を効果的に分離することができる。血流等の組織変位を計測する場合の血管等からの高強度の信号を検出・分離(除去)したり、血流領域の範囲を特定(検出)したりすることを自動化するために有用である。他にも、臓器や腫瘍等の境界の検出や抽出に有用であり、同様に、鏡面反射(組織)の検出、分離(除去)、特徴的な領域の範囲を特定(検出)することができる。同時に、混入した独立した散乱信号を分離することも可能であり、フレーム間の信号の和(つまり、加算平均)や差の各々からそれらに該当する信号を検出するよりも、独立成分分析(独立成分分離)を用いた方が、鏡面反射信号の検出能及び混入信号の分離能が高い。検波(包絡線検波、二乗検波、絶対値検波等)した上で処理した方が、それらの能力は高い。このことは、視覚的に確認できるに留まらず、決定的又は確率統計的に定量的に評価して確認できる。また、変位や歪等の計測を応用し、並進、回転、変形等に関して動き補償(並進、回転、伸縮)を施して、位置合わせを行って処理すると、それらの能力が向上する(例えば、3MHz周波数のシミュレーションで、相互相関ベースの変位計測を行った場合には、散乱信号の標準偏差が1.0のときに0.1〜0.5の鏡面反射率分布も、同程度の強度の散乱信号が混入しても動き補償できる)。空間分解能のある処理が望ましい。尚、変位等の計測は、検波前に行った方が精度が高いが、検波後において行われることもある。また、検波前において各種計測方法を用いて高精度に変位計測を行った場合には、オーバーサンプリング又はアップサンプリングを通じて行われることのある時空間領域におけるブロックマッチング(位相マッチング)、又は、周波数領域における位相回転に基づく位相マッチングによる動き補償は有効である。独立した信号は、医用超音波トランスデューサであれば、トランスデューサを傾けて別の角度から同一位置の鏡面反射信号を拾うとか、ステアリング処理に基づいて別のサブ開口を用いて信号を拾えばよく、また、スキャン面をずらして同一の鏡面反射信号源(同一の構造や組成の連なり)からの鏡面反射信号を含む信号を収集することも有効である(計測手技)。対象の動き(スキャン面がずれるとか他組織からの信号が混入する)や変形(ノイズを含んだ状態と考えられる)を積極的に応用することも可能であり、上記の如く、鏡面反射信号を含む信号を収集すれば良い。また、医用超音波以外の超音波(ソナー等)や電磁波を使用する場合においても同様にして、センサーや信号源、検出器の動き(手ぶれやそれらの保持器の擾乱等を含む)、波動又はビームのステアリング、対象の動きや変形を応用して、反射波又は透過波を収集して処理すれば良い。回路において生じるノイズが混入して効果を齎したり、積極的に発生させたアナログ又はデジタル(プログラムによるソフト的なものを含む)のノイズを混入させることもある。尚、これらの処理は、鏡面反射信号と散乱信号の分離にのみならず、信号間に有る共通信号と混入信号において、同効果を得るために使用することもでき、応用範囲はこれに限られるものではない。信号の時空間のずれは変位や歪によるものとも限らず、開口の指向性(特にステアリング時)や、媒体そのものの持つ不均質な伝搬速度や媒体の擾乱や条件変化(例えば、圧や温度変化等々)に伴う伝搬速度の変化等にもより、また、純粋に信号解析において処理されることがある。また、デバイスにおける周波数依存性のある位相遅延や位相変化等(例えば、センサーにおける位相変化や回路内のアンプにおける位相遅延等)により波形歪を生じることもあり、同様に受信信号に対して位相を補正して波形を整形することがある(周波数領域において周波数毎に複素指数関数を乗算して各々の信号成分の位相を回転させることは有効である)。予めデバイスにおいて生じる位相変化を求めておいて、所望の波形を有する波動を発生させたり、観測位置又は受信位置において所望の波形を生成することを目標にしてセンサーを適切に電気的に駆動することもある。それにより、観測対象の観測が高精度化される(位相を用いる様々な観測や、周波数依存性のある伝搬速度、散乱、又は、減衰等の観測等)。受信デバイスにおいて生じる分のみ補正されることもある。上記の他の位置ずれを生じさせるものに対しても同様に処理されることがある。フレーム信号について述べたが、ビームフォーミング(開口面合成を含む)されたものに施されることもあるし、受信ビームフォーミング前又はビームフォーミングが全く行われていないもの(開口面合成用送受信信号)に処理を施した上でビームフォーミングが行われることがある。つまり、ビームフォーミングの前、中、後の少なくともいずれかにおいて行われることがある。各々の場合において、超解像が併用されることがある。上記の動き補償処理は、時空間のずれを補正する他、例えば、フォーカシングビームや平面波の送信時の信号を比較参照した時(例えば、超解像において)のずれ等の補正にも有効である。また、ビームフォーミング前又はビームフォーミング中において行われることのある上記の動き補償処理は、DAS処理におけるDelay(ディレイ:遅延)処理を兼ねることがある。また、検波(絶対値検波、二乗検波、包絡線検波等々)や後に詳述する線形又は非線形処理を通じた高分解能化も、同様に、ビームフォーミング(開口面合成を含む)されたものに施されることもあるし、受信ビームフォーミング前又はビームフォーミングが全く行われていないもの(開口面合成用送受信信号)に処理を施した上でビームフォーミングが行われることがある。つまり、ビームフォーミングの前、中、後の少なくともいずれかにおいて行われることがある。それらの処理において広帯域化を行う場合には、必要に応じて、時空間においてオーバーサンプリング又はアップサンプリングが行われるか、周波数領域においてスペクトルの零詰めを通じた広帯域化が行われる(逆フーリエ変換を行えば、オーバーサンプリング又はアップサンプリングの結果が得られる)。 Independent signal separation (independent component analysis) is effective, for example, in separating a specular reflection signal and a scattered signal, and separates an independent scattered signal between two or more frames with respect to those including the specular reflection signal. When processing is performed by realizing a state of holding or a state in which an independent scattered signal is mixed, it is possible to effectively separate specular reflection signals existing in common. Useful for automating the detection / separation (removal) of high-intensity signals from blood vessels, etc. when measuring tissue displacement such as blood flow, and the identification (detection) of the range of blood flow regions is there. In addition, it is useful for detection and extraction of boundaries of organs and tumors, and similarly, specular reflection (tissue) can be detected, separated (removed), and the range of characteristic regions can be specified (detected). . At the same time, it is also possible to separate mixed scattered signals, and independent component analysis (independent) rather than detecting the corresponding signal from each of the sum (ie, averaging) and difference of signals between frames. The component separation) has higher specular reflection signal detection capability and mixed signal separation capability. Those capabilities are higher when processed after detection (envelope detection, square detection, absolute value detection, etc.). This can be confirmed not only visually, but also quantitatively evaluated deterministically or probabilistically. Moreover, if the measurement of displacement, distortion, etc. is applied, and motion compensation (translation, rotation, expansion / contraction) is performed on translation, rotation, deformation, etc., and alignment is performed for processing, those capabilities are improved (for example, 3 MHz) When the cross-correlation-based displacement measurement is performed in the frequency simulation, even when the standard deviation of the scattered signal is 1.0, the specular reflectance distribution of 0.1 to 0.5 is mixed with the scattered signal of the same intensity. Motion compensation). Processing with spatial resolution is desirable. It should be noted that the measurement of displacement or the like is more accurate when performed before detection, but may be performed after detection. Also, when displacement measurement is performed with high accuracy using various measurement methods before detection, block matching (phase matching) in the spatio-temporal domain, which may be performed through oversampling or upsampling, or in the frequency domain Motion compensation by phase matching based on phase rotation is effective. If the independent signal is a medical ultrasonic transducer, the transducer can be tilted to pick up the specular reflection signal at the same position from another angle, or the signal can be picked up using another sub-aperture based on the steering process. It is also effective to collect signals including specular reflection signals from the same specular reflection signal source (a sequence of the same structure and composition) by shifting the scan plane (measurement technique). It is also possible to positively apply the movement of the target (the scan plane is displaced or a signal from another tissue is mixed) or deformation (considered as a state containing noise). It is only necessary to collect the signal including the signal. Similarly, when using ultrasonic waves (such as sonar) and electromagnetic waves other than medical ultrasonic waves, the movement of sensors, signal sources, detectors (including camera shake and disturbance of their cages), waves, The reflected wave or transmitted wave may be collected and processed by applying the beam steering and the movement and deformation of the object. Noise generated in the circuit may be mixed to create an effect, or may be mixed with analog or digital (including software-based software) noise that is actively generated. These processes can be used not only to separate the specular reflection signal and the scattered signal but also to obtain the same effect in the common signal and the mixed signal between the signals, and the application range is limited to this. It is not a thing. The spatio-temporal shift of the signal is not limited to displacement or distortion, but the directivity of the aperture (especially during steering), the inhomogeneous propagation speed of the medium itself, the disturbance of the medium, and changes in conditions (for example, changes in pressure and temperature) Etc.) and may be processed purely in signal analysis. In addition, waveform distortion may occur due to frequency-dependent phase delay or phase change in the device (for example, phase change in the sensor or phase delay in the amplifier in the circuit). There is a case where the waveform is corrected to correct the waveform (it is effective to multiply the complex exponential function for each frequency in the frequency domain to rotate the phase of each signal component). The phase change that occurs in the device is obtained in advance, and the sensor is appropriately electrically driven with the goal of generating a wave having a desired waveform or generating a desired waveform at the observation position or reception position. There is also. Thereby, the observation of the observation target is made highly accurate (various observations using the phase, observations of propagation speed, scattering, attenuation, etc. having frequency dependence). Only the amount that occurs at the receiving device may be corrected. The same processing may be performed for the above-described other misalignment. Although the frame signal has been described, it may be applied to those that have been subjected to beam forming (including aperture plane synthesis), or those that have not been subjected to beam forming at all before reception beam forming (transmission / reception signals for aperture plane synthesis) Beam forming may be performed after processing. That is, it may be performed at least before, during, or after beamforming. In each case, super-resolution may be used together. In addition to correcting the spatio-temporal shift, the motion compensation process described above is also effective in correcting a shift or the like when, for example, comparing and referring to a signal during transmission of a focusing beam or a plane wave (for example, in super-resolution). . Further, the motion compensation process that may be performed before or during beam forming may also serve as a delay process in the DAS process. Further, detection (absolute value detection, square detection, envelope detection, etc.) and higher resolution through linear or nonlinear processing, which will be described in detail later, are similarly applied to those subjected to beam forming (including aperture synthesis). In some cases, beam forming may be performed after processing is performed on a beam that has not been subjected to beam forming at all or on which no beam forming has been performed (transmission / reception signal for aperture plane synthesis). That is, it may be performed at least before, during, or after beamforming. When performing band broadening in these processes, oversampling or upsampling is performed in space-time, or widening through zero padding of the spectrum is performed in the frequency domain as necessary (inverse Fourier transform is performed). For example, the result of oversampling or upsampling is obtained).
尚、上記の位置補正や位相収差補正には、相関ベースの方法として、相互相関法を使用できるし、様々な変位計測法を応用できる。1次元信号として処理されることもあるし、多次元信号として処理されることもある。例えば、(多次元)クロススペクトル位相勾配法、(多次元)自己相関法、(多次元)ドプラ法等がある。クロススペクトル位相勾配法や自己相関法等、相互相関法と同様にマッチドフィルタの効果があると、上記の如く波動信号に含まれるノイズに頑強となる。上記の如く、これらの変位計測法を位相収差計測に応用する際に(反復)位相マッチング法(時空間におけるシフト又は周波数空間における位相回転)を用いることは有効である。ここに、これらを応用したアレイ型開口を用いたビームフォーミングにおける位相収差と有効開口幅の自動的な決定方法の例を示す。下記の如くに、局所信号間(例えば、超音波の場合には、局所エコー信号や局所透過超音波信号)の相関値による判別やビームフォーミングにおける遅延時間(時間差)の推定エラーの発生そのものを検出することによって自動的に有効開口幅を決めてビームフォーミングを行うことができる。その場合に反復位相マッチング法が有効である。例えば、上記の如く、ステアリング角度の異なるビームフォーミングにおいてコヒーレントなコンパウンディング(重ね合わせ)を行う場合に応用すると、結像が得られ、コントラスの増加や高分解能化の効果も得られる。その他、上記の如く、MIMO、SIMO、MUSIC、独立信号分離(独立成分分析)、主成分分析、パラメトリックな方法等、また、アダプティブビームフォーミング、ミニマム・バリアンス・ビームフォーミング、Capon法等(非特許文献10)にも応用できる。これらが高精度化されるだけでなく、計算量を低減できる。適応性そのものは計測対象における反射特性、散乱特性、又は、減衰特性に依存するものであり、空間分解能があることが望ましい。 For the above-described position correction and phase aberration correction, a cross-correlation method can be used as a correlation-based method, and various displacement measurement methods can be applied. It may be processed as a one-dimensional signal or may be processed as a multidimensional signal. For example, there are (multi-dimensional) cross spectrum phase gradient method, (multi-dimensional) autocorrelation method, (multi-dimensional) Doppler method and the like. Similar to the cross-correlation method, such as the cross-spectral phase gradient method and the autocorrelation method, the effect of the matched filter is robust against the noise included in the wave signal as described above. As described above, it is effective to use the (matching) phase matching method (shift in time space or phase rotation in frequency space) when applying these displacement measurement methods to phase aberration measurement. Here, an example of an automatic determination method of phase aberration and effective aperture width in beam forming using an array type aperture to which these are applied will be shown. As shown below, discrimination based on correlation values between local signals (for example, in the case of ultrasonic waves, local echo signals and local transmitted ultrasonic signals) and detection of errors in estimation of delay time (time difference) in beamforming are detected. By doing so, it is possible to automatically determine the effective aperture width and perform beam forming. In that case, the iterative phase matching method is effective. For example, as described above, when applied to coherent compounding (superposition) in beam forming with different steering angles, an image can be obtained, and the effect of increasing the contrast and increasing the resolution can also be obtained. In addition, as described above, MIMO, SIMO, MUSIC, independent signal separation (independent component analysis), principal component analysis, parametric methods, adaptive beamforming, minimum variance beamforming, Capon method, etc. (non-patent literature) 10). Not only are these highly accurate, but the amount of calculation can be reduced. The adaptability itself depends on the reflection characteristic, scattering characteristic, or attenuation characteristic in the measurement target, and it is desirable that there is a spatial resolution.
少なくとも受信ビームフォーミングを行っていない受信信号を対象として説明する(上記の通り、受信ビームフォーミングを行ったものに処理を施すこともある)。送信ビームフォーミングとしては、固定フォーカスビームフォーミングや、平面波や球面波等の波動の伝搬方向と交わる方向に広く拡がった波動等が対象となる(これらに限られるものでは無い)。後者は、高速フレームレートを実現することは上記の通りである。また、送信ビームフォーミングを行っていない場合には、いわゆる古典的な開口面合成に本法を用いることとなり、モノスタティック型とマルチスタティック型の両者において有効となる可能性がある。 A description will be given of at least a received signal that has not been subjected to reception beamforming (as described above, processing may be performed on a signal that has undergone reception beamforming). Transmission beam forming includes, but is not limited to, fixed focus beam forming, waves that spread widely in the direction intersecting with the propagation direction of waves such as plane waves and spherical waves, and the like. The latter realizes a high frame rate as described above. In addition, when transmission beam forming is not performed, this method is used for so-called classical aperture synthesis, which may be effective in both the monostatic type and the multistatic type.
それらの信号において、関心領域内にて注目する位置からの信号を含む局所信号を受信した受信位置(ビームフォーミングを行う位置)に対し、その周辺の各位置にて受信された信号系列の中に存在する相関性の最も高い局所信号及びその受信時間を探し求める(図16〜図18を参照)。そのための探索領域を、相関性の高い局所信号を含むように設定する。周波数領域における複素指数関数を乗ずることによる高精度な位相回転は探索領域内の信号に施され、巡回して現れる信号が位相収差を求めるために窓で切り出される局所信号の領域内(局所領域)に現れない様に、探索領域は、適切に局所領域よりも大きく設定する(闇雲に大きくすると計算量が増えるだけであり、また、局所領域を必ずしも中央に設定する必要もなく、先験的に見積もられる位相収差の大きさと符号から適切に決める)。局所信号間の位相収差がΔtと推定された場合には、探索領域の信号を−Δtだけシフトして位相収差を補正すべく、探索領域の信号のスペクトルA(ω)にexp{iωΔt}を乗じ、逆フーリエ変換すればよい(特許文献6、非特許文献15等)。計算時間を要することになるが、この処理を同一のペアーの信号に繰り返し施すと、徐々に局所信号間の相関性が高くなり、最終的に高精度な位相収差の推定を成し遂げることができる(反復位相マッチングは、特許文献6や非特許文献15等に詳しい)。
図16は、リニア型の1次元アレイ型トランスデューサを用いた場合に、ステアリングを実施しないときの位相収差補正の例を説明するための模式図である。また、図17は、リニア型の1次元アレイ型トランスデューサを用いた場合に、ステアリングを実施するときの位相収差補正の例を説明するための模式図である。図16(a)及び図16(b)は、別のパラメータを用いて得られた受信信号群を示しており、図17(a)及び図17(b)は、別のパラメータを用いて得られた受信信号群を示している。図16(a)及び図17(a)に示すように、ビームフォーミングを行う関心点Aを含む受信信号群から成るフレーム内においてのみ処理を実施する場合と、図16(b)及び図17(b)に示すように、波動のパラメータやビームフォーミングパラメータの異なる受信信号群(フレーム)を得て、各々、図16(a)及び図17(a)中に示される関心点Aにおける受信信号との位相収差補正を実施する場合とがある。それらの図には、送信又は受信の異なるステアリング角度にて得た複数のフレームを処理する場合を示してある。
図18は、2次元アレイ型トランスデューサを用いた場合に、ステアリングを実施するときの位相収差補正の例を説明するための模式図である。図18(a)及び図18(b)は、別のパラメータを用いて得られた受信信号群を示している。このトランスデューサはリニア型のものであるが、1次元アレイ型と同様に2次元アレイ型トランスデューサにも様々なものがあり、アレイが弧を描いているトランスデューサやセクタスキャンすることを基本として使用されるトランスデューサもある(リニア型以外のトランスデューサにおいても、素子開口面の向いている方向で決まる軸方向に対してステアリングすることがある)。受信後にメモリに格納されるデジタル信号が処理対象であるため、相互相関処理そのものを施した場合には、相関性の高い局所信号は信号の受信時間はサンプリング間隔で評価することになるが、本発明者はナイキスト定理に基づいてデジタル信号のアナログ評価が可能なクロススペクトラム位相勾配法を報告しており、例えばこの方法を使用できる。また、他の変位計測方法を適用して位相収差補正に使用できることは上記の通りであるが、受信信号のSN比が高い場合には、窓を用いた処理(特許文献6や非特許文献15の反復位相マッチングの場合には、窓は矩形窓で良いことが多く、特に反復回数の最終時には矩形窓が使用されていることが望ましい)や移動平均等の局所推定を行う必要は無く、図に示してある関心点Aの受信信号(瞬時データ)を用いた推定も可能である。また、本処理において言う処理対象の受信信号は、既に送信又は受信のビームフォーミングが実施されたものを言う場合もある。
このクロススペクトル位相勾配法は、局所信号間の時間差が大きいと位相スペクトルが反転するため、アンラッピングを行う必要を生じる。そこで、まずはアンラッピングの効果を含む、相互相関法そのものを用いたいわゆるCoarse推定及び位相マッチング(空間シフト)を行い、その後にクロススペクトラム位相勾配法を用いるFine推定を行う。このFine推定においては、位相マッチングとして複素指数関数を用いた位相回転を行い、繰り返し相関値を向上させながら高精度化させることができる(処理対象はデジタル信号であるが、アナログ的に位相をマッチングできる)。このアプローチは、我々が変位計測法として確立した位相マッチング法に基づく(特許文献6、非特許文献15等)。計算速度は、相互相関法に比べてクロススペクトル位相勾配法の方が高速であり、従って、アンラッピングを伴うクロススペクトル位相勾配法も有効ではある(基本的には関心点と素子位置の距離の差で決まるアンラッピングを行えば良く、任意の方向へ移動する場合の変位の観測時に比べて容易である)。この反復位相マッチングにおいては、窓長を徐々に短くしていき、最終的に高分解能な結果を得ることも可能である。想定される伝搬速度にて物理的に決まる、対応する信号の存在しうる範囲をCoarseに探索し、その後にFine推定を行うことができ、Coarse推定を必要とせずに、Fine推定のみ、それもアンラッピング処理を要さない場合も有る。
有効開口幅は、開口アレイ内のビームフォーミングを行う各素子位置の関心点Aに関し、その関心点Aから離れる方向(図16や図17:1次元アレイの場合には左右、(図18:2次元の場合には周囲方向)の位置にて受信された受信信号に上記の処理を実施していき、マッチング処理後の(i)局所信号間の内積によって求まる相関値が設定した閾値を下回る手前までと、(ii)求められた局所信号との時間差が予め設定された閾値よりも大きくなる手前までとして自動的に決めることができる(処理を実施して行く間に推定値が不連続に大きく変化することもあり、エラーを検出すると考えられる場合がある)。
自らのフレーム内の受信信号のみにてビームフォーミングを行う場合に本処理を実施することも有効であるが、例えば、高速フレームレートを実現する平面波送信の場合において、単独送信の場合には生成される波動は横方向には狭帯域となるため、上記の如くステアリング角度の異なる複数のステアリング送信を行ってコヒーレントなコンパウンディング処理(広帯域化)を行うにあたって本処理を実施することも有効である。フォーカシングビームフォーミングにおいても広帯域化の効果が得られ、無論、有効である。ステアリング角度とは別のビームフォーミングパラメータや波動のパラメータの異なるビームフォーミングを行った際の受信信号も同様に処理対象となる(図16や図17を参照)。上記の処理を受信信号フレームの各位置Aにおいて送信ステアリング角度と同一又は異なる受信ステアリング角度の下で同処理を実施してコンパウンドできるが、送信や受信のステアリング角度が大きく異なるものをコンパウンディングすると結像されない場合がある。そこで、生成する波動の送信ステアリング角度を定めた上で、それと同一又は異なる受信ステアリング角度を1つ定め、その送信ステアリング角度の受信信号フレーム内にのみ設定する各位置Aに対し、自分自身の受信信号フレームのみならず(コンパウンディングしないときはこのフレームのみの処理を実施)、他の送信ステアリング角度の受信信号フレームを含めて同処理を施す。精度まで追求する場合には、極力、開口の指向性の強い方向に送信と受信のステアリング方向を定めるべきである(つまり、開口面の正面方向)。さらに、送信と受信のステアリング角度の異なる組み合わせにて生成してコンパウンディングすることも可能であるが、送信や受信のステアリング角度が大きく異なるものを含むと結像されない場合がある。
尚、コンパウンディングに関しては、例えば、正面方向や任意方向の1つの送信ステアリング角度に対して、複数の異なる受信ステアリング角度にて複数の信号を生成することや開口面合成データを用いて多方向に送信や受信のステアリングを行い、コンパウンディングすることも報告しており、これを上記の複数の異なる方向の送信ステアリング時に応用することも可能である。
本処理において、局所信号の長さ(窓長)は、適切に設定する必要がある(反復マッチングを行う場合には最初の窓長のこと)。短い方が高い相関値が得られて局所信号の推定結果(つまり、位相収差の推定値)の空間分解能は高いが、類似した別の信号を検出してしまうことがある。窓長が長いと相関値は低くなり、信号を探しきれないこととなる(例えば、ヒト軟組織の寒天グラファイトファントムにて公称周波数7.5MHzの超音波の平面波送信をしたときに、エコー信号を30MHzにてサンプリングしたときは64ポイントと128ポイントは適切であったが、32ポイントや256ポイントは不適切であった)。変位や変位ベクトルを観測する場合と同様である。上記の通り、その様に適切な窓長にて位相マッチングを行うことが良く、反復位相マッチングを行う場合に、繰り返して位相をマッチングする間、徐々に窓長を短くしていくことは有効である(最終的に高分解能な結果が得られる)。開口面合成等の場合において位相マッチングの回数が数回では結像されなかった散乱信号が反復回数を重ねて結像される場合があり、反復位相マッチングは有効である。高精度な上記の位相収差補正又は反復処理は、計算時間を要することとなるが、精密検査に適している。医用超音波では実時間性が重視されるが、上記の処理は、斬新な医用超音波精密検査法となる可能性がある。反復位相マッチングは、その実施回数に上限値を設けることもできるし、位相収差の推定値の更新値が予め設定した値よりも小さくなったり、十分に小さくなったら終了し、これを上記の(i)又は(ii)の条件が満足される間は、横方向の次の位置の受信信号を対象として同処理を実施して行く。計算時間を短縮化するべく次の位置の位相収差の初期値に得られた推定結果を使用することも有効である。1次元アレイ型の場合には、点Aを中心とて左右に処理を実施して行くことが可能である(上記の(i)又は(ii)の処理により求まる有効開口幅は各位置Aを中心として必ずしも左右対称にはならない)。2次アレイ型の場合には、点Aを中心として周囲方向に処理を実施して行くことが可能である。若しくは、予め点Aを含む最大の有効開口幅を決めておき、端から位相収差の推定を実施して行き、条件(i)の相関値が予め決めた値より大きいことや(ii)の位相収差の推定値そのものを基に有効開口幅を決定することも可能である。何れにせよ、位相収差の推定結果が得られる毎に、その位相収差補正を施した局所信号(ディレイの掛けられた局所信号)が求まるので、最終的な推定を終えた際に、その都度、加算処理を実施して行くのが効率が良い(つまり、位相収差を用いたDAS処理)。また、その際に独立信号分離(独立成分分析)や主成分分析を行って、参照信号と同成分を持つ信号(上記の和(加算平均)よりも精度の良い信号)と異なる成分を持つ信号(上記の減算よりも精度の良い信号)とに分離し、前者の信号成分に関して加算処理を実施することは有用である。前者と後者の信号成分の判別は、参照信号との相関を計算し、相関値の高い方の信号を前者とし、相関値の低い方の信号を後者とすれば良い。後者の信号成分に関しても、加算処理を実施して使用することもある。そして、関心領域内の深さ方向や横方向の別の位置Aに関して同様に位相収差補正を行うことができる。位相収差の推定のみが目的の場合には、加算処理は不要である。また、各関心点Aにおいて推定された有効開口幅内の位相収差補正が施された信号群に対して一度に独立信号分離を施して、全てに共通する信号成分(相関値の最も高い信号)とそれ以外の信号成分とに分け、前者をDAS処理の結果として用いても良い。
また、送信又は受信の波動パラメータやビームフォーミングパラメータの異なる信号が重なっている場合には、そのままの信号において位相収差の推定や位相収差補正が施されることがあるが、例えば、周波数領域において分離したり、他の処理により分離し、その上で、分離された各々の信号において位相収差の推定や位相収差補正が実施されることがある(例えば、各ステアリング角度の信号において処理を実施できる)。また、同様に重なった信号や重なっていない信号に対して周波数領域においてスペクトルを分割し、新しい波動を生成した上で、位相収差の推定や位相収差補正が実施されることがある。周波数領域で信号を分離した場合には、波動パラメーややビームフォーミングパラメータを実現でき、例えば、疑似的に様々な方向にステアリングした波動や、新しい波動やビームの形状等を生成できる(この限りでは無い)。各々において位相収差補正の施された信号が重ね合わされることがある。
フレーム単独における処理において像のコントラスト及び空間分解能が位相収差補正無しの像に比べて高くなることが確認されており、また、上記の如くに複数フレームに処理を施してコンパウンディングする(重ね合わせる)とさらに効果があることが確認されている。このコンパウンディングは生の信号に対してコヒーレント処理するものであるが、検波(包絡線検波や二乗検波、絶対値検波等々)を施した上で重ね合わせて(インコヒーレントコンパウンディング)スペックルを低減して、鏡面反射信号などの決定的信号や強散乱信号を強調してコントラストやCNR(Contrast-to-noise ratio)の向上した像を生成する場合にも有効である。
(多次元)自己相関法や(多次元)ドプラ法等の別の方法を用いる場合も相互相関法をCoarse推定に用い、位相のアンラッピング処理無しにそれらをFine推定に使用できる。クロススペクトル位相勾配法と同様に単独で使用されることもあるし、アンラッピングを行うこともある。上記の如くに推定される有効開口幅や位相収差は、ミニマム・バリアンス・ビームフォーミングや独立成分分析、主成分分析、非線形処理による超解像(非線形処理を施して加算処理を行う、加算処理を施した後に非線形処理を施す)等の上記の応用を含めて様々な応用に使用できる。尚、方法(i)又は(ii)を基に各距離位置における平均的な有効開口幅をデータベース化し、位相収差補正無しで使用することも可能である。上記処理は、受動的な第2の実施形態でも同様である。
Among those signals, in the signal sequence received at each position around the reception position (position where beamforming is performed) that received the local signal including the signal from the position of interest in the region of interest. The local signal having the highest correlation and the reception time thereof are searched for (see FIGS. 16 to 18). The search area for that purpose is set so as to include a local signal with high correlation. High-precision phase rotation by multiplying the complex exponential function in the frequency domain is applied to the signal in the search domain, and the signal that appears in a round is within the local signal domain (local domain) that is cut out by the window to obtain the phase aberration The search area should be set appropriately larger than the local area so that it does not appear in (the calculation amount increases only if it is increased to the dark cloud, and it is not necessary to set the local area in the center. Appropriately determined from the magnitude and sign of the estimated phase aberration). When the phase aberration between the local signals is estimated to be Δt, exp {iωΔt} is added to the spectrum A (ω) of the search region signal to correct the phase aberration by shifting the search region signal by −Δt. Multiplication and inverse Fourier transform may be performed (Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.). Although calculation time is required, if this process is repeatedly performed on the same pair of signals, the correlation between the local signals gradually increases, and the phase aberration can be estimated with high accuracy. (Repetitive phase matching is detailed in Patent Document 6 and Non-Patent Document 15).
FIG. 16 is a schematic diagram for explaining an example of phase aberration correction when steering is not performed when a linear one-dimensional array transducer is used. FIG. 17 is a schematic diagram for explaining an example of phase aberration correction when steering is performed when a linear one-dimensional array type transducer is used. FIGS. 16A and 16B show received signal groups obtained using different parameters, and FIGS. 17A and 17B are obtained using different parameters. The received signal group is shown. As shown in FIGS. 16 (a) and 17 (a), when processing is performed only in a frame composed of a reception signal group including a point of interest A where beamforming is performed, and FIGS. 16 (b) and 17 (a). As shown in b), received signal groups (frames) having different wave parameters and beam forming parameters are obtained, and received signals at the point of interest A shown in FIGS. 16 (a) and 17 (a), respectively. In some cases, phase aberration correction is performed. In these drawings, a case where a plurality of frames obtained at different steering angles for transmission or reception is processed is shown.
FIG. 18 is a schematic diagram for explaining an example of phase aberration correction when steering is performed when a two-dimensional array type transducer is used. FIGS. 18A and 18B show received signal groups obtained using different parameters. Although this transducer is of a linear type, there are various two-dimensional array type transducers as well as a one-dimensional array type, and the transducer is used on the basis of an arc-shaped transducer or sector scan. There are also transducers (some transducers other than the linear type may be steered with respect to the axial direction determined by the direction in which the element aperture faces). Since digital signals stored in memory after reception are processed, when cross-correlation is performed, local signals with high correlation will be evaluated at the sampling interval for signal reception time. The inventor has reported a cross-spectral phase gradient method capable of analog evaluation of a digital signal based on the Nyquist theorem. For example, this method can be used. As described above, other displacement measurement methods can be used for phase aberration correction. However, when the SN ratio of the received signal is high, processing using a window (Patent Document 6 and Non-Patent Document 15). In the case of iterative phase matching, it is often necessary to use a rectangular window, and it is desirable that a rectangular window be used at the end of the number of iterations). Estimation using the received signal (instantaneous data) of the point of interest A shown in FIG. In addition, the received signal to be processed in this process may be a signal that has already been subjected to transmission or reception beamforming.
In this cross spectrum phase gradient method, if the time difference between the local signals is large, the phase spectrum is inverted, so that it is necessary to perform unwrapping. Therefore, first, so-called coarse estimation and phase matching (spatial shift) using the cross-correlation method itself including the effect of unwrapping are performed, and then fine estimation using the cross spectrum phase gradient method is performed. In this Fine estimation, phase rotation using a complex exponential function is performed as phase matching, and it is possible to improve accuracy while improving the correlation value repeatedly (the processing target is a digital signal, but the phase is matched in an analog manner) it can). This approach is based on the phase matching method that we have established as a displacement measurement method (Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.). The cross-spectral phase gradient method is faster than the cross-correlation method. Therefore, the cross-spectral phase gradient method with unwrapping is also effective (basically the distance between the point of interest and the element position). Unwrapping determined by the difference may be performed, which is easier than when observing displacement when moving in any direction). In this iterative phase matching, it is possible to gradually shorten the window length and finally obtain a high-resolution result. Coarse searches the possible range of the corresponding signal, which is physically determined by the assumed propagation speed, and then performs Fine estimation, without requiring Coarse estimation, only Fine estimation, In some cases, unwrapping is not required.
The effective aperture width is a direction away from the point of interest A at each element position where beam forming is performed in the aperture array (FIG. 16 and FIG. 17: left and right in the case of a one-dimensional array, (FIG. 18: 2 In the case of dimensions, the above processing is performed on the received signal received at the position in the peripheral direction), and (i) the correlation value obtained by the inner product between the local signals after matching processing is below the set threshold value And (ii) before the time difference with the obtained local signal becomes larger than a preset threshold value (the estimated value increases discontinuously during the processing) May change and may be considered to detect errors).
It is also effective to perform this processing when beamforming is performed only with the received signal in its own frame. For example, in the case of plane wave transmission realizing a high frame rate, it is generated in the case of single transmission. Since this wave has a narrow band in the lateral direction, it is also effective to perform this process when performing a coherent compounding process (broadbanding) by performing a plurality of steering transmissions with different steering angles as described above. Even in focusing beam forming, the effect of broadening the band is obtained and, of course, is effective. Received signals when beamforming with different beamforming parameters and wave parameters different from the steering angle are also processed (see FIGS. 16 and 17). The above process can be compounded by performing the same process at each position A in the received signal frame under the same or different receive steering angle as the transmit steering angle. May not be imaged. Therefore, after determining the transmission steering angle of the wave to be generated, one reception steering angle that is the same as or different from the transmission steering angle is determined. The same processing is performed including not only the signal frame (only the frame is processed when compounding is not performed) but also reception signal frames of other transmission steering angles. When pursuing accuracy, the transmission and reception steering directions should be determined in the direction of strong directivity of the aperture as much as possible (that is, the front direction of the aperture surface). Furthermore, it is possible to generate and compound by different combinations of transmission and reception steering angles, but if the transmission and reception steering angles are greatly different, there is a case where no image is formed.
As for compounding, for example, a plurality of signals are generated at a plurality of different reception steering angles with respect to one transmission steering angle in the front direction or an arbitrary direction, and the multi-direction is obtained by using aperture synthesis data. It has also been reported that transmission and reception steering and compounding are performed, and this can be applied to the transmission steering in a plurality of different directions.
In this processing, the length of the local signal (window length) needs to be set appropriately (the first window length when iterative matching is performed). If the shorter one, a higher correlation value is obtained, and the spatial resolution of the local signal estimation result (that is, the phase aberration estimation value) is high, but another similar signal may be detected. If the window length is long, the correlation value becomes low and the signal cannot be searched (for example, when an ultrasonic plane wave is transmitted at a nominal frequency of 7.5 MHz with an agar graphite phantom of human soft tissue, the echo signal is 30 MHz. 64 points and 128 points were appropriate when sampling at, but 32 points and 256 points were inappropriate). This is the same as the case of observing the displacement or displacement vector. As mentioned above, it is better to perform phase matching with such an appropriate window length, and when performing iterative phase matching, it is effective to gradually shorten the window length during repeated phase matching. Yes (finally high resolution results are obtained). In the case of aperture surface synthesis or the like, a scattered signal that is not imaged when the number of phase matching is several times may be imaged by repeating the number of repetitions, and iterative phase matching is effective. Although the above-described highly accurate phase aberration correction or repetitive processing requires calculation time, it is suitable for close inspection. Although real-time characteristics are important in medical ultrasound, the above processing may be a novel medical ultrasound precision inspection method. The iterative phase matching can set an upper limit value for the number of executions, and is terminated when the update value of the estimated value of phase aberration becomes smaller than a preset value or becomes sufficiently small. While the condition i) or (ii) is satisfied, the same process is performed on the received signal at the next position in the horizontal direction. In order to shorten the calculation time, it is also effective to use the estimation result obtained as the initial value of the phase aberration at the next position. In the case of the one-dimensional array type, it is possible to carry out processing left and right with the point A as the center (the effective aperture width obtained by the processing (i) or (ii) described above is determined for each position A). The center is not necessarily symmetrical). In the case of the secondary array type, it is possible to perform processing in the peripheral direction around the point A. Alternatively, the maximum effective aperture width including the point A is determined in advance, the phase aberration is estimated from the end, and the correlation value of the condition (i) is larger than the predetermined value or the phase of (ii) It is also possible to determine the effective aperture width based on the estimated aberration value itself. In any case, every time the estimation result of the phase aberration is obtained, the local signal subjected to the phase aberration correction (the local signal multiplied by the delay) is obtained, so each time when the final estimation is finished, It is efficient to perform the addition processing (that is, DAS processing using phase aberration). At that time, independent signal separation (independent component analysis) and principal component analysis are performed, and the signal has the same component as the reference signal (signal with higher accuracy than the above summation (addition average)). It is useful to perform the addition process on the former signal component by separating the signal component (a signal having higher accuracy than the above subtraction). For discrimination between the former and latter signal components, the correlation with the reference signal is calculated, the signal with the higher correlation value is set as the former, and the signal with the lower correlation value is set as the latter. The latter signal component may also be used after performing an addition process. Then, phase aberration correction can be performed in the same manner with respect to another position A in the depth direction or the lateral direction within the region of interest. If only phase aberration estimation is intended, no addition processing is necessary. Further, independent signal separation is performed at once on the signal group subjected to the phase aberration correction within the effective aperture width estimated at each point of interest A, and the signal component common to all (the signal having the highest correlation value) And the former may be used as a result of DAS processing.
When signals with different transmission or reception wave parameters or beam forming parameters are overlapped, phase aberration estimation and phase aberration correction may be performed on the signals as they are. For example, separation is performed in the frequency domain. In some cases, phase aberration estimation and phase aberration correction are performed on each separated signal (for example, processing can be performed on signals at each steering angle). . Similarly, spectrums may be divided in the frequency domain for overlapping signals and non-overlapping signals to generate new waves, and phase aberration estimation and phase aberration correction may be performed. When the signal is separated in the frequency domain, wave parameters and beam forming parameters can be realized, for example, pseudo-steered waves in various directions, new waves and beam shapes can be generated (not limited to this) ). In each case, signals subjected to phase aberration correction may be superimposed.
It has been confirmed that the contrast and spatial resolution of the image are higher in the processing in the frame alone than in the image without phase aberration correction, and a plurality of frames are processed and compounded (superposed) as described above. And it has been confirmed that it is more effective. This compounding is to perform coherent processing on the raw signal, but it performs detection (envelope detection, square detection, absolute value detection, etc.) and then superimposes (incoherent compounding) to reduce speckle. Thus, it is also effective in generating an image with improved contrast and CNR (Contrast-to-noise ratio) by emphasizing deterministic signals such as specular reflection signals and strong scattering signals.
When using other methods such as the (multidimensional) autocorrelation method and the (multidimensional) Doppler method, the cross correlation method can be used for coarse estimation, and they can be used for fine estimation without phase unwrapping. Like the cross-spectral phase gradient method, it may be used alone or unwrapped. The effective aperture width and phase aberration estimated as described above are the minimum resolution, beamforming, independent component analysis, principal component analysis, super-resolution by nonlinear processing (addition processing is performed by applying nonlinear processing, addition processing) It can be used for various applications including the above-mentioned application such as applying non-linear processing after applying. It should be noted that the average effective aperture width at each distance position can be made into a database based on the method (i) or (ii) and used without phase aberration correction. The above process is the same as in the passive second embodiment.
信号分離は、若しくは、冪乗演算による高周波化且つ広帯域化(次数が1より大きいとき)、又は、低周波化且つ狭帯域化(次数が1より小さいとき)処理を行った上で、周波数領域において、高精度に行われることがある。分離後の信号の復元も使用した冪乗次数の逆数乗をすればよく、容易である。 Signal separation or frequency domain after processing with higher frequency and wider band (when the order is greater than 1) or lower frequency and narrower band (when the order is less than 1) by a power operation In this case, it may be performed with high accuracy. It is easy to reconstruct the signal after separation by multiplying the power of the power using the inverse power.
上記の位相収差補正は、その他にも様々な場合に効果を齎す。観測量(物理量や化学量等)が異なる場合や、同一の観測量でもその観測量に影響を与えることのある条件やパラメータが異なる場合等、様々な観測データ(間)においても、位相収差補正を施したり、位相収差補正を施した上で、本明細書に記載の様々な処理を施すことがある。例えば、超音波(エコー)とOCTのそのもの同士やそれらを用いて得られた観測データを融合・統合するにあたり、OCTデータより特徴的な位置の精度を得、超音波(エコー)の位相収差補正を行うこともある(光と音の物性は異なるが、特に共通してそれらが変化する位置や散乱の生じる位置を使用でき、マッチング処理そのものがコヒーレント信号同士において行われることもあるし、検波して得られるインコヒーレント信号同士や画像データ同士において行われることもある)。マッチング後において、コヒーレント信号又はインコヒーレント信号(又は画像データ)に対し、後述の通り、ICA等の他に機会学習や深層学習、ニューラルネットワーク(バックプロパーゲ―ション型やホップフィールド型等、又は、これらをベースとして変形されたモデル等、その他のモデル)、又は、その他の処理が実施されることがある。
本発明者は、主として医用イメージングやリモートセンシング(様々なタイプのレーダー、地上レーダー、地球外レーダー、星や衛星、飛行機に搭載、気象観測、様々な地球観測、環境や資源探査、宇宙・天体観測、ソナー他)、非破壊検査(構造学、マテリアル研究、物性や機能、生命を含む)等の分野における様々な波動応用において開発して来た、画期的な多次元デジタル信号処理技術(エレクトロニクスを含む)と逆解析・逆問題、統計処理(数理を基礎)を含む情報処理を基礎とし、計測技術と高度情報処理の融合に取り組んでいる。特に、ヒト生体組織(顕微鏡を含む)、バイオ、マテリアル、構造物、環境等の分野における総合的な応用を行うことができ、社会と経済の変革を齎す様な革新的な科学技術を創出することが可能となる。例えば、観測結果を数値で得たり、グラフ化したり、イメージングしたり、可視化したり、医療やライフサイエンス(人類の健康促進等、ヒト組織検査、生成、治療、加工、応用、(小)動物、組織、細胞、薬等)、マテリアル(エレクトリック、サーマル、エラスティシティー、複合材料等)の開発、環境観測(気体や液体、固体)、エネルギー開発、安全保障(監視やモニタリング、移動物体の観測)、様々な高精度観測(大きいものや小さいもの、短時間や長時間の現象、遠方や近距離に位置するものを対象にすることができ、また、世界初のin silico計測標準が実現される可能性を含む)など、極めて広範な応用が可能となる電磁気と力学、熱の3つの基礎物理学や他現象(生物学や化学、生化学等の様々な現象が連動して生じるもの、その他にも様々な現象)における物理量や化学量と物性に関する革新的な非破壊検査技法を実現でき、それらの様々な分野の計測(検査や診断)、修復(修理や治療、再生)、製造(材料の成長や組織の3次元培養)、応用(新しい機能や物性の創出などを含む)を可能にする。それにより、これまで観測できなかった対象内の基礎物理量や化学量、物性の時空間分布のin situ計測が可能になったり、観測用に条件を整えることなく観測できる様になる。例えば、稼働中のデバイスや生き物・細胞を自然の条件下にて観測したり、材料の成長過程の条件下にてその過程を観測することが可能になる。さらに、それらの多様な同時観測・解析技術と最先端の情報科学や統計数理等の高度な融合によって、様々な潜在要因(メカニズム)や新現象、新原理等が詳細に解明され、新しい物性や機能の創出や合成、修復に寄与できる。単独の観測による精度の限界を単にover-determinedシステム化(加算平均や最小二乗化)して超えるのでは無く、例えば、下記のインテリジェントな統合・融合技術(高精度な共通情報の多重化と、独立情報の分離、独立な信号源の分離)により飛躍的に超えることが可能になる(共通情報の多重化と、独立情報、独立な信号源の分離能を高精度化すべく、精密デジタル信号処理を交えたICAの新しい応用、機械学習やディープラーニング、ニューラルネットワークの新しい応用として統合学習と統合認識等)。無論、必要に応じて、解体したり、ヒトにおいては開頭や開腹、腹腔鏡、内視鏡、経口・経鼻穴(カメラ)、カプセル(型カメラ)、穿刺針を用いてセンサーを観測対象の近傍に備えて観測することもある。また、位相収差補正が、全く実施されないか、又は、精密に実施されない(例えば、相互相関法を用いる場合等であるが、サンプリング間隔は短い方が良い)こともある。ここで言う信号源は、物理的な信号源そのものである場合もあるし、反射源や散乱源である場合もある。特に受信信号が多重反射や多重散乱の信号を含む場合等、異なる位置や時間に観測対象の信号が含まれると考えられる場合には、積極的に異なる位置(時間)の信号を直接にICA等の処理を施すことは有効であり、位置をずらしながら処理する等、それらの処理が信号検出処理を兼ねることがある(検出された信号の精度や信頼度の指標には相関値を使用できる)。これにより、多重反射や多重散乱の信号を分離できる。
The above phase aberration correction is effective in various other cases. Phase aberration correction even in various observation data (between), such as when the observed quantity (physical quantity, chemical quantity, etc.) is different, or when the conditions and parameters that may affect the observed quantity are different even with the same observed quantity In some cases, various processes described in the present specification are performed after performing the above-described correction and phase aberration correction. For example, in fusing and integrating ultrasound (echo) and OCT themselves and observation data obtained using them, characteristic position accuracy is obtained from OCT data, and phase aberration correction of ultrasound (echo) is performed. (The physical properties of light and sound are different, but in particular the positions where they change or the positions where scattering occurs can be used, and the matching process itself may be performed between coherent signals. May be performed between incoherent signals or image data obtained in this manner). After matching, for coherent signals or incoherent signals (or image data), as described later, in addition to ICA, opportunity learning, deep learning, neural network (back-propagation type, hop field type, etc., or Other models such as models deformed based on these) or other processes may be performed.
The inventor mainly uses medical imaging and remote sensing (various types of radar, ground radar, extraterrestrial radar, stars, satellites, airplanes, meteorological observation, various earth observations, environment and resource exploration, space and astronomical observations. , Sonar, etc.), innovative multidimensional digital signal processing technology (electronics) that has been developed in various wave applications in fields such as nondestructive inspection (including structural studies, material research, physical properties and functions, and life) ), Inverse analysis / inverse problems, and information processing including statistical processing (based on mathematics). In particular, it can be applied comprehensively in fields such as human biological tissues (including microscopes), biotechnology, materials, structures, and the environment, and create innovative science and technology that can disrupt social and economic changes. It becomes possible. For example, the observation results can be obtained numerically, graphed, imaged, visualized, medical and life sciences (human health promotion, human tissue examination, generation, treatment, processing, application, (small) animals, Tissue, cells, drugs, etc.), materials (electric, thermal, elasticity, composite materials, etc.) development, environmental observation (gas, liquid, solid), energy development, security (monitoring and monitoring, observation of moving objects) , Various high-precision observations (large and small, short and long-term phenomena, distant and close-range objects, and the world's first in silico measurement standard is realized The three basic physics and other phenomena (biology, chemistry, biochemistry, etc.) that can be applied in a wide range of applications such as possibilities In addition, we can realize innovative non-destructive inspection techniques related to physical quantities, chemical quantities and physical properties in various phenomena), measurement (inspection and diagnosis), repair (repair and treatment, regeneration), manufacturing ( Enables growth of materials and three-dimensional culture of tissues) and applications (including creation of new functions and physical properties). As a result, in-situ measurement of basic physical quantity, chemical quantity, and spatio-temporal distribution of physical properties in the object that could not be observed until now becomes possible, and it becomes possible to observe without preparing conditions for observation. For example, it is possible to observe a working device, a living thing, or a cell under natural conditions, or to observe the process under conditions of a material growth process. Furthermore, through the advanced fusion of these various simultaneous observation / analysis technologies and cutting-edge information science and statistical mathematics, various latent factors (mechanisms), new phenomena, new principles, etc. are elucidated in detail, new physical properties and It can contribute to the creation, synthesis and repair of functions. Rather than simply over-determined system (additional averaging or least squares) to exceed the limit of accuracy of a single observation, for example, the following intelligent integration / fusion technology (high-precision common information multiplexing and (Separation of independent information, separation of independent signal sources) makes it possible to dramatically exceed (precision digital signal processing to increase the accuracy of multiplexing common information and separation of independent information and independent signal sources) ICA with new applications, machine learning and deep learning, and new applications of neural networks such as integrated learning and integrated recognition). Of course, if necessary, it can be dismantled, and in humans, the craniotomy, laparotomy, laparoscope, endoscope, oral / nasal cavity (camera), capsule (model camera), and puncture needle can be used to monitor the sensor. Sometimes it is observed in the vicinity. In addition, phase aberration correction may not be performed at all or may not be performed precisely (for example, when a cross-correlation method is used, but a shorter sampling interval is better). The signal source mentioned here may be a physical signal source itself, or may be a reflection source or a scattering source. In particular, when the received signal includes signals of multiple reflections and multiple scattering, etc., it is considered that signals to be observed are included at different positions and times. It is effective to perform the above processing, such as processing while shifting the position, such processing may also serve as signal detection processing (correlation values can be used as indicators of the accuracy and reliability of the detected signal) . Thereby, signals of multiple reflections and multiple scattering can be separated.
例えば、段落0380に記載の通り、観測対象内の電磁気学、力学、熱学における物理量の分布の波動センシング(逆解析を含む)によるin situイメージングを実現し、それらの観測に基づいた、関連する物性分布の再構成(逆解析)を実現できる。現象の源も再構成できる。また、一方の物理量とそれらの再構成を用いて別の物理量を求めることもできる。エネルギーを求めて観測することもできる。高精度観測を実現すべく、3次元や2次元の多次元観測が望ましい場合がある。例えば、
(1)電流密度(ベクトル)分布計測に基づく電気物性(導電率と誘電率とを共に、又は、どちらか1つ)分布や電流源又は電圧源の分布、電位分布の再構成(イメージング)、又は、電位分布計測に基づく電気物性や電流密度(ベクトル)、電流源の再構成等
(2)変位(速度、加速度)ベクトルや歪(率)テンソルの分布計測に基づく力学物性(ずり弾性率、粘ずり弾性率、圧縮性(ポアソン比)や非圧縮性、粘性、密度等)分布や力源分布の再構成(イメージング)、平均垂直応力(内圧)分布も同時又は別に観測、慣性力ベクトルや応力テンソルの分布を観測等
(3)音波伝搬計測に基づく音響物性(体積弾性率、粘弾性、密度、静圧、比熱等)分布や音源分布、音圧、粒子変位・速度の分布の再構成(イメージング)等
(4)温度分布計測に基づく熱物性(熱伝導率と熱容量、熱拡散率、灌流、対流)分布や熱源分布、熱束分布の再構成(イメージング)等
がある。各波動の媒体となる観測対象内のそれらの観測を、核磁気共鳴イメージング(MRI:Magnetic Resonance Imaging)やSQUID(Superconducting Quantum Interference Device)(観測波動は磁場)、テラヘルツ(電界)、その他、直流(波動では無い)や、電力、ラジオ波、マイクロ波、赤外線、可視光、紫外線、放射線、宇宙線等の電磁波、光パルスやレーザーを用いたドプラ効果による音圧分布観測、OCT(Optical Coherent Tomography)、光マイクロフォン(発明者:園田義人氏)、超音波エコー(音波)の装置(モダリティー)、その他を基礎として実現できる(本発明者の特許多数)。(1)〜(4)の物性分布の再構成は、1つの物理量の分布から相対的な物性分布を再構成するものであり、多くの逆解析(X線CTや電気インピーダンスCT等)が観測対象の境界位置において観測される物理量から対象内を観測するために積分方程式を解くのに対し偏微分方程式又は常微分方程式(波動方程式や拡散方程式等の支配方程式に構成方程式を代入したもの)を解くこととなるため、積分型に対して微分型の逆問題・逆解析と称している。関心領域内の適切な位置(参照領域)に物性の参照値(実測値や典型値等)が与えられれば絶対的な分布が求まる。値が一定と考えられる領域を参照領域として、参照値として単位大きさの値を設定した場合には、相対的な値の分布が求まる。無論、それらの積分型の逆問題が使用されることもある。
いずれにせよ、未知分布(ベクトルx)に関する方程式Ax=bが成立する(未知数と式の数が等しい場合もあれば、Over-determinedであったり、fewer-determinedであったりする場合もある)。未知分布xは、線形の方程式の場合は求めたい分布そのものである場合が多く、非線形問題の場合には、繰り返し推定して推定結果を更新して行くことが多いので、その更新すべき量の分布Δxであることが多い。無論、その限りではない。非線形問題の場合には、行列A又はベクトルbが未知分布xに依存することとなり、繰り返し推定を行う各ステップにて推定されている未知分布xを用いて求められるA(x)又はb(x)が使用されて、そのステップにおけるΔxが求められる。そして、xがΔx分だけ更新される。これを、Δxの大きさ(ノルム)が所定の値よりも小さくなったら収束したものと判断して繰り返し推定を終了する。
For example, as described in paragraph 0380, in situ imaging by wave sensing (including inverse analysis) of the distribution of physical quantities in the observation object, including electromagnetism, mechanics, and thermology, is realized, and based on those observations. Realization of physical property distribution reconstruction (inverse analysis). The source of the phenomenon can also be reconfigured. Moreover, another physical quantity can also be calculated | required using one physical quantity and those reconstruction. It can also be observed for energy. In some cases, three-dimensional or two-dimensional multidimensional observation is desirable in order to realize high-precision observation. For example,
(1) Electrical physical properties (both conductivity and dielectric constant, or one of them) based on current density (vector) distribution measurement, distribution of current source or voltage source, reconstruction of potential distribution (imaging), Or, electrical properties and current density (vector) based on potential distribution measurement, reconstruction of current source, etc. (2) mechanical properties based on distribution measurement of displacement (speed, acceleration) vector and strain (rate) tensor (shear elastic modulus, Viscosity modulus, compressibility (Poisson's ratio), incompressibility, viscosity, density, etc.) distribution and force source distribution reconstruction (imaging), mean normal stress (internal pressure) distribution is observed simultaneously or separately, inertia force vector and Observation of stress tensor distribution, etc. (3) Reconstruction of acoustic properties (volume modulus, viscoelasticity, density, static pressure, specific heat, etc.) distribution, sound source distribution, sound pressure, particle displacement / velocity distribution based on sound wave propagation measurement (Imaging) etc. (4) Temperature Thermophysical properties based on fabric measured (thermal conductivity and heat capacity, thermal diffusivity, perfusion, convection) distribution and heat distribution, there is a reconstruction (imaging), etc. heat flux distribution. These observations in the observation object, which is the medium of each wave, can be performed by means of nuclear magnetic resonance imaging (MRI), superconducting quantum interference device (SQUID) (observed wave is magnetic field), terahertz (electric field), other direct current ( (Not waves), power, radio waves, microwaves, infrared rays, visible light, ultraviolet rays, radiation, cosmic rays and other electromagnetic waves, observation of sound pressure distribution by Doppler effect using optical pulses and lasers, OCT (Optical Coherent Tomography) It can be realized on the basis of an optical microphone (inventor: Yoshito Sonoda), an ultrasonic echo (sound wave) device (modality), and others (many patents of the present inventor). The reconstruction of physical property distributions (1) to (4) reconstructs a relative physical property distribution from one physical quantity distribution, and many inverse analyzes (such as X-ray CT and electrical impedance CT) are observed. In contrast to solving the integral equation to observe the inside of the object from the physical quantity observed at the boundary position of the object, the partial differential equation or ordinary differential equation (substitution equation is substituted for the governing equation such as wave equation and diffusion equation) Since it is to be solved, it is called a differential inverse problem / inverse analysis with respect to the integral type. If a reference value (measured value, typical value, etc.) of physical properties is given to an appropriate position (reference region) in the region of interest, an absolute distribution can be obtained. When a region whose value is considered to be constant is set as a reference region and a unit size value is set as a reference value, a relative value distribution is obtained. Of course, an integral inverse problem may be used.
In any case, the equation Ax = b holds for the unknown distribution (vector x) (the number of unknowns may be equal to the number of equations, may be over-determined, or may be fewer-determined). In the case of a linear equation, the unknown distribution x is often the distribution itself that is desired, and in the case of a nonlinear problem, the estimation result is often updated by repeated estimation. In many cases, the distribution Δx. Of course, this is not the case. In the case of a nonlinear problem, the matrix A or the vector b depends on the unknown distribution x, and A (x) or b (x obtained by using the unknown distribution x estimated in each step of performing repeated estimation. ) Is used to determine Δx at that step. Then, x is updated by Δx. If the magnitude (norm) of Δx becomes smaller than a predetermined value, it is determined that the value has converged, and the repetition estimation is finished.
さらに、それらの電磁波と音波センシングと逆問題の融合・統合を行うことができる。医用画像においては、これまでに、X線CT(形態情報)やMRI(形態と機能情報)、PET(機能情報)の融合装置が実用化されて来た。その様な中で、超音波(縦波)とずり現象(横波)の他、様々な波動の各々の特徴を生かし、例えば、斬新にMRIと超音波、超音波とテラヘルツやOCT、レーザー等、電磁波と力学波動、その他に熱波との融合も行える。
例えば、(1)〜(4)の融合と統合の応用(以下において、(5)とする)には、段落0380に記載の通りに様々である。例えば、ライフサイエンスの分野では、機能や物性の新しい計測に基づいて、効率の高い培養(特に3次元培養)やその制御、病変の発生メカニズムの解明などに寄与できる(有機と無機の同時観測等)。iPs細胞が注目される中、例えば、培養心筋細胞が自然に活動しているin situ状態で運動力学的にも電気現象としても同時にactivityを観測できる(新しい観測の多重化、融合も可能)。また、稼動中の電気電子回路もin situのままに観測できる(デバイスの機能や接合の検査)。また、各種機能マテリアルの成長や動作の過程や各種デバイス開発においても、in situのまま物理量と物性を観測し(例えば、圧電PZT素子や高分子膜PVDF等の超音波素子において、多角的に、同時に、電気機械のエネルギー変換効率や電気インピーダンス、振動モード、熱現象を観測、その他、小型化、高速化、エネルギー効率化(消エネ化))、新しい機能の創出や合成にも寄与できる(電気材料、弾性体、熱材料等)。その他、段落0380に記載の通り様々な分野にて有効な観測を実施する。
それらの逆解析と融合において、情報科学や統計数理は有効である。段落0381に記載の通り、信号処理において実施して来た様々な最適化、最尤推定、ベイズ推定、EM(Expectation-Maximization)、偏微分作用素を正則化項とするunbiasな正則化(過去に世界初の時空間的にvariantな正則化を実施、均質なマテリアルを対象とした絶対的又は相対的な物性再構成において正則化パラメータを大きく設定して可能な限り安定化させてばらつきを小さくすると世界初のin silico標準を実現できる可能性有り)、特異値分解、等価器やスパースモデリング、ICAやMUSICによる信号(源)分離や特徴量解析、新しい超解像(in silico高調波イメージング等を特許出願)、変位(ベクトル)計測誤差の評価においては定常過程を仮定したりCramer-Rao Lower Bound(CRLB)やZiv-Zakai Lower Bound(ZZLB)を使用したりして来た(a prioriやa posterioriな正則化にも応用)。各観測対象の誤差モデルを確立して、それらに応用することも可能である。また、異種情報(上記の異なる観測量や異なる条件下やパラメータにおける観測量等を含む)の統合と融合には、KL情報量、最尤法、相互情報量最小/最大化、エントロピー最小化を用いる他、特に共通情報の多重化と独立情報の分離能を向上させるべく、上記の様な精密なデジタル信号処理を交えた新しいICAの応用(複数のデジタル信号の時空間の精密なマッチング(デジタル信号において近似処理無しにアナログ的に位相回転等)を施した上で処理すると、共通情報の抽出能が加算平均を上回ることや独立成分の分離能が向上)やニューラルネットワークを用いた新しいディープな統合学習や統合判断(認識、複数の3層ニューラルネットワークを統合・分析するアプローチ、病変の鑑別診断・認識等(斬新に病変の種類を符号化、医療診断に限らず様々な認識対象を符号化できる)、画像間や別の臨床データ、所望する目的・目標や新しい機能へのマッピング等、同じく医療応用に限られない)等を行える。確率過程の異なる現象同士の統合と融合も有効である(例えば、正規分布に従うノイズとレーリー分布に従う超音波散乱信号を多重化又は分離、複数の異なる確率過程の事象を混在させる等)。テラヘルツ信号やSQUID信号はSN比が低く、同様にしてICA(加算平均を超える)やMUSICを用いた信号処理による高精度化も有効である。また、3次元空間や時空間におけるセンシングデータ等がビッグデータである場合には、実時間性(高速演算)を追求して、センシング時に精密且つ高速なフーリエビームフォーミング(データ圧縮を含む)や並列処理を実施することもある。無論、いわゆるデータマイニングも有効である。無論、通常の様々な圧縮技術も効果がある。
Furthermore, it is possible to fuse and integrate the inverse problem with those electromagnetic wave and sound wave sensing. For medical images, fusion devices of X-ray CT (morphological information), MRI (morphological and functional information), and PET (functional information) have been put into practical use. In such a situation, in addition to ultrasonic waves (longitudinal waves) and shear phenomena (transverse waves), various characteristics of each wave are utilized, for example, MRI and ultrasonic waves, ultrasonic waves and terahertz, OCT, laser, etc. Fusion of electromagnetic waves and dynamic waves, as well as heat waves, is also possible.
For example, the application of fusion and integration of (1) to (4) (hereinafter referred to as (5)) varies as described in paragraph 0380. For example, in the field of life science, based on new measurement of functions and physical properties, it can contribute to highly efficient culture (especially three-dimensional culture), its control, and elucidation of the pathogenesis of lesions (simultaneous observation of organic and inorganic, etc.) ). While iPs cells are attracting attention, for example, activity can be observed at the same time as kinetics and electrical phenomena in an in situ state where cultured cardiomyocytes are naturally active (multiplication and fusion of new observations are also possible). In addition, operating electrical and electronic circuits can be observed in situ (device function and bonding inspection). Also, in the process of growth and operation of various functional materials and various device developments, physical quantities and physical properties are observed in situ (for example, in ultrasonic elements such as piezoelectric PZT elements and polymer film PVDF, At the same time, the energy conversion efficiency, electrical impedance, vibration mode, and thermal phenomena of electric machines can be observed, and in addition, it can contribute to the creation and synthesis of new functions (miniaturization, high speed, energy efficiency). Materials, elastic bodies, thermal materials, etc.). In addition, effective observations will be conducted in various fields as described in paragraph 0380.
Information science and statistical mathematics are effective in their inverse analysis and fusion. As described in paragraph 0381, various optimizations, maximum likelihood estimation, Bayesian estimation, EM (Expectation-Maximization), and unbias regularization with partial differential operators as regularization terms (in the past) Implement the world's first spatiotemporal variant regularization, and set the regularization parameter as large as possible in absolute or relative physical property reconstruction for homogeneous materials to stabilize as much as possible to reduce variation The world's first in silico standard may be realized), singular value decomposition, equivalent and sparse modeling, signal (source) separation and feature analysis by ICA and MUSIC, new super-resolution (in silico harmonic imaging, etc.) (Patent application), in the evaluation of displacement (vector) measurement error, we assume a steady process or use Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) or Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB) (A priori and a posteriori that also applied to the regularization). It is also possible to establish an error model for each observation target and apply it to them. In addition, KL information, maximum likelihood, mutual information minimization / maximization, and entropy minimization are used for integration and fusion of heterogeneous information (including the above-mentioned different observations, observations under different conditions and parameters, etc.). In addition to the use of the new ICA in combination with precise digital signal processing as described above (in particular, precise matching of time and space of multiple digital signals (digital If the signal is processed after being subjected to analog phase rotation without approximation processing), the common information extraction ability exceeds the averaging and the independent component separation ability is improved.) Integrated learning and judgment (recognition, approach to integrate / analyze multiple three-layer neural networks, differential diagnosis / recognition of lesions, etc.) Can encode a variety of recognition target is not limited to medical diagnosis), inter-image or another clinical data, mapping the like to the desired objectives and goals and new features, not limited to the same medical applications) can be performed or the like. Integration and fusion of phenomena with different stochastic processes are also effective (for example, multiplexing or separating noises according to normal distribution and ultrasonic scattering signals according to Rayleigh distribution, mixing events of different probabilistic processes, etc.). Terahertz signals and SQUID signals have a low S / N ratio, and in the same way, high accuracy by signal processing using ICA (exceeding addition average) or MUSIC is also effective. In addition, when sensing data in 3D space or space-time is big data, pursuit of real-time performance (high-speed computation), precise and high-speed Fourier beam forming (including data compression) and parallel Processing may be performed. Of course, so-called data mining is also effective. Of course, various ordinary compression techniques are also effective.
この様な並行又は統合・融合して開発される新しい観測技術は、将来的に、各観測対象の革新的な非破壊検査技法としての地位を築き、そして、様々な分野に新しい展望(新しい工学等)を拓き、科学の発展を躍進させるものと考えられる。また、基礎的な物性(特に、分布定数)の国際計測標準にも貢献しうるものでもあり(正則化を用いる等の初のin silico国際標準となる可能性を秘める)、産業面において絶大な効果を齎す(計算機の有効桁数並みの精度を実現)。上記のin situリモートセンシング応用(アプローチ)は、これらに留まらず、他分野への波及効果は計り知れず、上記の如くに様々な分野や融合・統合分野、社会へ還元できる。 New observation technologies developed in parallel or integrated and integrated in this way will establish a position as innovative non-destructive inspection techniques for each observation object in the future, and new prospects (new engineering) in various fields. Etc.), and is considered to advance the development of science. It can also contribute to international measurement standards for basic physical properties (especially distribution constants) (it has the potential to become the first in silico international standard such as using regularization), and it is extremely industrial. Demonstrate the effect (Achieving accuracy equivalent to the effective number of digits of the computer). The above in situ remote sensing application (approach) is not limited to these, and the ripple effect on other fields is immeasurable, and can be returned to various fields, fusion / integration fields, and society as described above.
上記の(1)〜(4)によって実現される応用の例を箇条書きで以下に列挙しておく。応用はこれらに限られるものでは無い。また、物性値(熱伝導率や電気導電率)の分布の再構成から観測対象の厚みの変化の分布を高精度に観測できたりして、みかけの観測が有効となる場合も有るし、必ずしも分布では無く、値が少なくとも1つ観測されることもある。
(1)電流密度(ベクトル)分布計測に基づく電気物性(導電率と誘電率とを共に、又は、どちらか1つ)分布や電流源又は電圧源の分布、電位分布の再構成(イメージング)、又は、電位分布計測に基づく電気物性や電流密度(ベクトル)、電流源の分布の再構成等。
プラットフォーム:MRI、テラヘルツ、SQUID、電極アレイ(脳波図・心電図計等他)や静電型電位センサーアレイ等他。
観測対象:MRIや電極アレイ、静電型電位センサーアレイはヒトや動物(マウス等)の神経回路網、電気回路網、電気材料(抵抗体や誘電体)、電流場や電界場、電位場;テラヘルツは電気回路や電気材料(抵抗体や誘電体)、圧電素子(PZT、PVDF)等;SQUIDはそれら全て等。MRIやSQUIDが使用される場合に、電流密度ベクトルの分布はビオ・サバートの法則の逆問題(積分型逆問題)を解いて求められる。
(2)変位(速度、加速度)ベクトルや歪(率)テンソルの分布計測に基づく力学物性(ずり弾性率、粘ずり弾性率、圧縮性(ポアソン比等)や非圧縮性、粘性、密度等)分布や力源分布の再構成(イメージング)、平均垂直応力(内圧)分布も同時又は別に観測、慣性力ベクトルや応力テンソルの分布を観測等。
プラットフォーム:MRI、テラヘルツ、超音波、OCT、レーザー、光パルス等他。
観測対象: ヒトや動物(マウス等)の軟組織(脳腫瘍、肝癌や乳癌等の癌病変、硬化症等の血管疾患モデル、心臓や血管、血流を含む血行動態、特に、MRIは、超音波やOCTで観測の困難な頭蓋内の癌病変モデル);テラヘルツは同じく動物の病変モデル、歯や骨の疾患、無機固形物の圧電体(PZTやPVDF等)、その他、PVDFやゴム等の変形・粘弾性、薬や金属(導体や磁性体)等の粉体(トレーサー)を含む液体(血液を含む)や気体等の流体、粉塵を含む気体や廃液等。
(3)音波伝搬計測に基づく音響物性(体積弾性率、粘弾性率、密度、静圧、比熱等)分布や音源分布、音圧や粒子変位・速度の分布の再構成イメージング等。
プラットフォーム:光パルス、光マイクロフォン、レーザー、MRI、超音波、OCT等他。
観測対象:上記の有機系の観測対象に加え、気体(ヘリウム、酸素、空気等)や液体(純液、混合液、水、食塩水、薬を含む液体や血液等)、固体(無機系を含む)。特殊な環境(室内、屋外、高度、山、深度、海、狭いところ等)等。
(4)温度分布計測に基づく熱物性(熱伝導率と熱容量、熱拡散率、灌流、対流)分布や熱源分布、熱束分布の再構成イメージング等。
プラットフォーム:MRI、テラヘルツ、超音波、光ファイバー、焦電センサー等他。
観測対象: 熱材料、無機固形物の圧電体(テラヘルツ)等、動物(マウス等)の神経回路網における灌流効果、代謝、上記癌病変や炎症、心臓や血管、血液(灌流)モデル、圧電素子やPVDF、気体や液体の対流等。
(1)〜(4)に加えて、(5)として、(1)〜(4)や他の逆解析を融合・統合したものやデータマイニングしたもの。例えば、以下のものが該当する。
(i)同一又は異なる装置を用いた(1)〜(4)による、同一対象の同時の又は多角的な観測、同一の事象(現象)に関連する複数の対象を同時に又は多角的に観測。
・医療におけるin situ観測(健康診断や検診、人間ドッグ、疾患の診断、各種治療におけるモニタリングにおいて、同一の臓器や組織、病変を同時又は多角的に観測、1つの疾患又は併発した疾患、又は、独立した複数の疾患、関連する臓器や組織を同時に又は多角的に観測、これらを少ない種類の装置(ハードウェア)で実施可能)。
・再生医療やライフサイエンスにおけるin situ観測(効率の高い培養、特に、3次元培養やその制御、病変の発生メカニズムを解明。有機と無機の同時観測等)。
・培養心筋細胞(iPs細胞等)が自然に活動しているin situ状態で運動力学的にも電気現象としても同時に観測(activity等)、新しい観測の多重化・高精度化、融合も可能。
・ヒトやマウスの病変(脳腫瘍や肝癌、乳癌)モデルや心筋、血管、心腔内や血管中の血液(薬を含む)の(粘)弾性(血行動態を含む)と熱特性(や温度)の同時観測。
・力学や電磁誘導によるドラッグ・デリバリーの超音波やテラヘルツ観測、新薬の開発。
・ヒトや動物の神経回路網や代謝を対象として、電気活動と熱生成(温度)、血液の灌流効果の同時観測。
・ヒト癌病変やパーキンソン病の低侵襲的温熱治療(HIFU:High Intensity Focus Ultrasound等を用いた加温又は加熱)において、MRIや超音波により患部の治療効果(温度上昇や粘弾性の変化等の変性)と灌流そのもの、灌流の神経回路網制御を同時観測し、治療を実時間に多角的にモニタリングして治療能を向上:医療において、診断のみならず、正常な部位を侵すことなく、安全且つ効率良く異常な部位のみを治療(修復)する。
・統合医療(総合診断、治療、外科術、物理・化学療法、投薬等)、Theranosis(本発明者は、過去に超音波エコー法に基づく組織ずり弾性率の再構成法を開発し、肝癌の診断と加熱治療の前中後を一貫してその同一の指標の下でモニタリングすることに成功しており、Theranosisの1つの成功例と考える)、治療後の炎症により粘弾性率が変化(血流も同時観測)。
・導電率と熱伝導率に関するヴィーデマン―フランツの法則を確認し、高精度又は安価な技法を提供(例えばSQUID計を使わずに赤外線カメラを使用する等)。
・合成問題(複合材料等)において所望する特性をターゲットとして、材料や構造、生成過程等を最適化処理。
・圧電PZT素子や高分子膜PVDF等の超音波素子において、多角的に、同時に、電気機械のエネルギー変換効率や電気インピーダンス、振動モード、熱現象を観測、新しい機能の創出や合成にも寄与する(電気材料、ゴム等の弾性体、熱材料等)。
・In silicoの統合判断によるロボットの自発的動作。
・比較的に安価に(例えば、1台等の少ない装置で多用できる)従来の大規模な施設でも実現されていない新しい計測を実現。
・例えば、医療において超音波エコー法、MRI、OCT、レーザー、又は、光パルスを用い、観測組織の変位(ベクトル)や変形等の分布を観測して(粘)ずり弾性率等の物性の分布を再構成し、本来のそれら画像とそれらの観測結果を融合して病変の診断・鑑別を行い(様々な融合・統合処理の他、画像においては単に透かして重畳して同時に複数の観測データを表示することも有り)、何かしらの治療(外科術や物理・化学療法)を実施する場合に、その治療効果(主として、変性)までも同一の指標(観測される物性)を用いて診断、即ち、治療前中後において診断とモニタリング、経過を観測することは有効であるし、また、特に加熱・加温治療においては、超音波の音速や体積変化の温度依存性を用いたり、MRIにおいては核磁気共鳴周波数(ラーモアの周波数)のケミカルシフトを用いたり、OCT等の光を用いる場合においては光(屈折率等)の温度依存性を用いたり、観測される(粘)ずり弾性率の温度依存性等を用いたりして温度(変化)分布を観測することができて治療効果をモニタリングできるし、その他に観測された温度(分布)データから熱物性(分布)の再構成を行い、熱源の推定(逆問題に基づいて熱源を求める、又は、加熱・加温波動をセンシングによって観測して自己相関関数を求めれば熱源の形状を把握でき、送信パワーや組織物性を鑑みて熱源のパワーを推定、又は、形状データを逆問題に活用すること可能、上記自己相関関数を用いてその波動の波長や伝搬速度の分布も観測できる)(特許文献11)を行って、加熱・加温によって生じる温度分布を推定・予測可能となり、それらの観測をしながら統合判断し、逐次、加熱・加温計画を立てて、minimum-invasive治療を実現できる。受信器がHIFU送信時の受信も可能であれば、HIFU送信により生じるエコー信号を処理して使用できるし、受信が不可能な場合には、観測用の超音波を送信して受信信号を得ることも有る。いずれもイメージングに使用できる。それらの内のいずれか少なくとも1つの受信信号を用いて位相収差(音速の温度依存性や音速の不均質性、波動の指向性等が原因)を算出し、HIFU治療や観測イメージングに位相収差補正を施し、治療位置の位置決め精度を向上させることもある。観測結果と予測結果とに基づいて、逐次、HIFUビームや治療のパラメータが最適化によって決定されることもある(線形や非線形型の様々な最適化法を使用できる)。線形又は非線形の計画法も有効である。所望する温度分布や被爆量、又は、(粘)弾性率等の組織物性や組織圧を目標にして最適化されることがある。その際には、治療組織の受熱特性や変性特性の典型データや実測値、又は、モデルが使用されることがある。本発明は、本願に記載の信号処理を駆使して実現される上記の観測や予測、又は、最適化に基づいて、HIFUの照射パワー、照射強度、連続照射時間、照射間隔、照射位置(焦点位置)、照射形状(アポダイゼーション)、又は、HIFU実施間隔等に関し、HIFU治療を電子制御又は機械制御して、Minimum-invasive治療を実現することを含む。治療制御そのものは、臨床医がマークした病変や機械的に診断された病変に対し、臨床医が観測結果や予測結果、又は、最適化の結果を基に判断をしつつマニュアル制御されることもあるし、機械的に自動的に制御されることもあるが、後者の場合には、常に臨床医が治療方針を変更したりすることを可能にしておく必要があるし、マニュアル制御モードへ切り替えることを可能にしておく必要がある。マニュアルモードから自動モードへの切り替えも有効となることがある。いずれの場合にも、病変のトラッキングは重要である(相互相関法やクロススペクトル位相勾配法等の相互相関ベースの処理が加熱により生じる超音波画像の変化(ノイズ源)に頑強であることを明らかにしてある)。インターフェースは、PC及び周辺機器を中心として実現されることもあるし、専用機として実現されることもある。
この手段は、Theranosisを実現するための1つの手段であり、治療はもとより診断に関して極めて高い空間分解能を有し、病変組織、神経、血(管)、リンパ、ニッチの鑑別下で侵襲性を最小限に留めた最適な処置を実現する。マイクロサージェリーへの応用も重要である。早期の精密診断に加えて、1台の装置で単一又は複数の臓器(脳、肝臓、腎臓、乳房、前立腺、子宮、心臓、眼、甲状腺、血管、皮膚等)の疾患を同時にマルチに診ることのできる統合診断イメージングを可能とし、早期の精密なHIFU治療、それも、それらを同一の指標(力学や熱学の物理量、組織粘ずり弾性や熱物性、又は、マーカー等)の下で、診断イメージングと治療効果のモニタリング、さらには、治療後の経過観察が可能であり、診断と治療を共に、低侵襲的に、そして、簡便且つ短時間に、それゆえ他の技法に比べて安価に実施できる医療を実現できる。超高齢化社会に適合した医療技術の開発の下で、新しい臨床スタイル(短時間の診断と治療、検診等)を拓くと共に、将来の長くに渡り有用となる医療技術である。これらの手段は、HIFUだけでなく、放射線治療や重粒子線治療においても同様に有効である。薬剤を含め、それらの併用も有効である。また、観測するための波動は超音波に限られず、MRIやOCT、X線等、様々なセンシング波動を使用できる(他にも多数記載してある)。これらが融合・統合されて用いられることもある。また、医療応用だけでなく、診断や修復、創生等をマテリアル工学において実施する場合にも、同様な観測が有効であることがある。
・ヒトや動物の脳組織の機能の解明:培養神経回路網においては学習や認識の過程、薬の投与の効果等を電気的in situ観測、心臓や脳の血管(粘弾性)、血流(流体)、マイクロフロー等の高精度な同時観測を行うことができ、その他、連動して、それらの組織や細胞への外的な刺激ツールや加工技術の開発が可能になる。
(ii)環境や産業バイオ、省エネや環境保全への応用(リサイクル、空気や土壌、水等の観測)。様々な気体の音響物性(光パルス、光マイクロフォン)、様々な粉塵を含む気体(テラヘルツによる流れ観測)等。
(iii)等価媒体や機能代替等の新しい合成理論の展開(マテリアル工学)。
Examples of applications realized by the above (1) to (4) are listed below in itemized form. Applications are not limited to these. In addition, it is possible to observe the distribution of changes in the thickness of the observation object with high accuracy from the reconstruction of the distribution of physical properties (thermal conductivity and electrical conductivity), and apparent observation may be effective. At least one value may be observed instead of the distribution.
(1) Electrical physical properties (both conductivity and dielectric constant, or one of them) based on current density (vector) distribution measurement, distribution of current source or voltage source, reconstruction of potential distribution (imaging), Or, electrical properties, current density (vector), and reconstruction of current source distribution based on potential distribution measurement.
Platform: MRI, terahertz, SQUID, electrode array (electroencephalogram, electrocardiograph, etc.), electrostatic potential sensor array, etc.
Observation target: MRI, electrode array, electrostatic potential sensor array are human and animal (mouse, etc.) neural network, electrical network, electrical material (resistor and dielectric), current field, electric field, potential field; Terahertz is an electric circuit, electric material (resistor or dielectric), piezoelectric element (PZT, PVDF), etc .; SQUID is all of them. When MRI or SQUID is used, the distribution of the current density vector is obtained by solving the inverse problem of Bio-Sabert's law (integral inverse problem).
(2) Mechanical properties (shear elastic modulus, shear elastic modulus, compressibility (Poisson's ratio, etc.), incompressibility, viscosity, density, etc.) based on displacement (speed, acceleration) vector and strain (rate) tensor distribution measurement Reconstruction of distribution and force source distribution (imaging), observation of average normal stress (internal pressure) distribution simultaneously or separately, observation of inertial force vector and stress tensor distribution, etc.
Platform: MRI, terahertz, ultrasound, OCT, laser, light pulse, etc.
Observation target: Soft tissues of humans and animals (such as mice) (brain tumors, cancerous lesions such as liver cancer and breast cancer, vascular disease models such as sclerosis, hemodynamics including heart, blood vessels, and blood flow, especially MRI, Intracranial cancer lesion model difficult to observe with OCT); Terahertz is also an animal lesion model, tooth and bone disease, inorganic solid piezoelectrics (PZT, PVDF, etc.), and other deformations such as PVDF, rubber, etc. Viscoelasticity, fluids (including blood) containing powders (tracers) such as medicines and metals (conductors and magnetic materials), fluids such as gases, gases and waste fluids containing dust, etc.
(3) Reconstructive imaging of acoustic properties (volume elastic modulus, viscoelastic modulus, density, static pressure, specific heat, etc.) distribution, sound source distribution, sound pressure, particle displacement / velocity distribution based on sound wave propagation measurement, and the like.
Platform: optical pulse, optical microphone, laser, MRI, ultrasound, OCT, etc.
Observation target: In addition to the above-mentioned organic observation targets, gas (helium, oxygen, air, etc.), liquid (pure liquid, mixed solution, water, saline, liquids including blood, blood, etc.), solid (inorganic type) Including). Special environment (indoor, outdoor, altitude, mountain, depth, sea, narrow space, etc.)
(4) Thermophysical properties (thermal conductivity and heat capacity, thermal diffusivity, perfusion, convection) distribution, heat source distribution, reconstruction imaging of heat flux distribution, etc. based on temperature distribution measurement.
Platform: MRI, terahertz, ultrasound, optical fiber, pyroelectric sensor, etc.
Observation target: Thermal material, inorganic solid piezoelectric (terahertz), etc., perfusion effect in animal (mouse, etc.) neural network, metabolism, cancer lesions and inflammation, heart and blood vessels, blood (perfusion) model, piezoelectric element And PVDF, convection of gas and liquid.
In addition to (1) to (4), as (5), (1) to (4) and other inverse analyzes fused and integrated or data mined. For example, the following applies.
(I) Simultaneous or multifaceted observation of the same object by (1) to (4) using the same or different devices, and multiple objects related to the same event (phenomenon) are simultaneously or multifacetedly observed.
・ In situ observation in medical care (health checkup, medical examination, human dog, diagnosis of disease, monitoring in various treatments, the same organ, tissue, lesions are observed simultaneously or from multiple perspectives, one disease or a disease that coexists, or Multiple independent diseases and related organs and tissues can be observed simultaneously or from multiple perspectives, which can be implemented with a small number of devices (hardware)).
・ In situ observation in regenerative medicine and life science (highly efficient culture, especially 3D culture and its control, elucidation of pathogenesis of lesions, simultaneous observation of organic and inorganic).
・ Observation of both myodynamics and electrical phenomena (activity etc.) at the same time in situ, where cultured cardiomyocytes (iPs cells, etc.) are naturally active, multiplexing of new observations, high accuracy, and fusion are also possible.
・ Human and mouse lesions (brain tumor, liver cancer, breast cancer) models and myocardium, blood vessels, blood in the heart chambers and blood (including drugs) (viscosity) (including hemodynamics) and thermal characteristics (and temperature) Simultaneous observation.
・ Ultrasonic and terahertz observation of drug delivery by mechanics and electromagnetic induction, development of new drugs.
・ Simultaneous observation of electrical activity, heat generation (temperature), and blood perfusion effects on human and animal neural networks and metabolism.
・ In minimally invasive hyperthermia treatment (HIFU: heating or heating using High Intensity Focus Ultrasound etc.) for human cancer lesions or Parkinson's disease, the therapeutic effect of the affected area (temperature rise, changes in viscoelasticity, etc.) by MRI or ultrasound Degeneration), perfusion itself, and neural network control of perfusion are monitored at the same time, and treatments are monitored in multiple ways in real time to improve treatment performance. In addition, only abnormal sites are efficiently treated (repaired).
・ Integrated medicine (general diagnosis, treatment, surgery, physical / chemotherapy, medication, etc.), Theranosis (the present inventor has developed a reconstruction method of tissue shear elasticity based on the ultrasonic echo method in the past. We have succeeded in monitoring the diagnosis before and after heat treatment consistently under the same index, which is considered as one successful example of Theranosis), and changes in viscoelasticity due to inflammation after treatment (blood Simultaneous observation of flow).
-Check Wiedemann-Franz's law on conductivity and thermal conductivity, and provide high-precision or inexpensive techniques (for example, using an infrared camera without using a SQUID meter).
・ Optimizing the material, structure, generation process, etc., targeting the desired characteristics in synthesis problems (composite materials, etc.).
・ In the ultrasonic element such as piezoelectric PZT element and polymer film PVDF, the energy conversion efficiency, electric impedance, vibration mode and thermal phenomenon of electric machine are observed at the same time, contributing to the creation and synthesis of new functions. (Electric materials, elastic bodies such as rubber, thermal materials, etc.).
・ Spontaneous robot movement based on in silico integration.
-Realize new measurement that has not been realized even in conventional large-scale facilities at a relatively low cost (for example, it can be used with a small number of devices such as one).
・ For example, in ultrasound, ultrasonic echo, MRI, OCT, laser, or light pulse is used to observe the distribution of displacement (vector), deformation, etc. of the observed tissue and (viscosity) distribution of physical properties such as shear modulus The image is reconstructed, and the original images and their observation results are fused to diagnose and differentiate the lesion (in addition to various fusion and integration processes, the images are simply watermarked and superimposed to simultaneously display multiple observation data. When performing some kind of treatment (surgery or physical / chemotherapy), even the treatment effect (mainly degeneration) is diagnosed using the same index (observed physical properties), that is, In addition, it is effective to observe the diagnosis, monitoring, and progress before and after treatment. In particular, in the heating and warming treatment, the temperature dependence of the ultrasonic velocity and volume change is used. Nuclear Using chemical shift of gas resonance frequency (Larmor frequency), temperature dependence of light (refractive index, etc.) when using light such as OCT, temperature dependence of observed (viscous) shear modulus The temperature (change) distribution can be observed by using the sex, etc., and the therapeutic effect can be monitored, and the thermophysical property (distribution) is reconstructed from the other observed temperature (distribution) data, Estimate (Calculate the heat source based on the inverse problem, or obtain the autocorrelation function by observing the heating / heating wave by sensing to obtain the shape of the heat source, and estimate the power of the heat source in consideration of the transmission power and the physical properties of the tissue. Or, the shape data can be used for the inverse problem, and the wavelength and propagation velocity distribution of the wave can be observed using the autocorrelation function) (Patent Document 11). Jill becomes a temperature distribution estimation and predictable, integrated decision with their observations, sequentially make a heat-warming plan, it can be realized minimum-invasive therapy. If the receiver is capable of receiving during HIFU transmission, the echo signal generated by HIFU transmission can be processed and used. If reception is not possible, an observation ultrasonic wave is transmitted to obtain a received signal. There is also a thing. Either can be used for imaging. Phase aberration correction (due to temperature dependence of sound speed, sound speed inhomogeneity, wave directivity, etc.) is calculated using at least one of these received signals, and phase aberration correction is performed for HIFU treatment and observation imaging To improve the positioning accuracy of the treatment position. On the basis of the observation result and the prediction result, the HIFU beam and treatment parameters may be sequentially determined by optimization (a variety of linear and non-linear optimization methods can be used). Linear or non-linear programming is also effective. There are cases where optimization is performed with a target of tissue properties and tissue pressure such as a desired temperature distribution, exposure amount, or (viscosity) modulus. In that case, typical data, actual measurement values, or models of the heat receiving characteristics and degeneration characteristics of the treated tissue may be used. The present invention is based on the above observation, prediction, or optimization realized by making full use of the signal processing described in the present application, and the irradiation power, irradiation intensity, continuous irradiation time, irradiation interval, irradiation position (focus point) of the HIFU. This includes electronically or mechanically controlling the HIFU treatment with respect to (position), irradiation shape (apodization), HIFU execution interval, etc. to realize a minimum-invasive treatment. Treatment control itself can be manually controlled by the clinician based on observations, predictions, or optimization results for lesions marked by clinicians or mechanically diagnosed lesions. Yes, it may be automatically controlled mechanically, but in the latter case, it is necessary to always allow the clinician to change the treatment policy and switch to manual control mode. It needs to be possible. Switching from manual mode to automatic mode may also be effective. In any case, lesion tracking is important (cross-correlation-based processing such as cross-correlation method and cross-spectral phase gradient method is robust to changes in ultrasound images (noise sources) caused by heating. ) The interface may be realized centering on a PC and peripheral devices, or may be realized as a dedicated machine.
This measure is one way to realize Theranosis, has a very high spatial resolution for diagnosis as well as treatment, and minimizes invasiveness under the differentiation of diseased tissue, nerves, blood (tubes), lymph, niche Realize the best possible treatment. Application to microsurgery is also important. In addition to early precision diagnosis, a single device can simultaneously diagnose multiple or multiple organ diseases (brain, liver, kidney, breast, prostate, uterus, heart, eye, thyroid, blood vessels, skin, etc.) Enables integrated diagnostic imaging that can be performed early and with precise HIFU treatment, even under the same indicators (physical and thermodynamic physical quantities, tissue viscoelasticity and thermophysical properties, markers, etc.) Diagnostic imaging and monitoring of therapeutic effects, as well as follow-up after treatment are possible. Both diagnosis and treatment are both minimally invasive, simple and short, and therefore less expensive than other techniques. Medical care that can be implemented can be realized. It is a medical technology that will be useful for a long time in the future while developing a new clinical style (short-term diagnosis and treatment, medical examination, etc.) under the development of medical technology suitable for a super-aging society. These means are effective not only in HIFU but also in radiotherapy and heavy particle beam therapy. Combinations including drugs are also effective. In addition, the wave to be observed is not limited to the ultrasonic wave, and various sensing waves such as MRI, OCT, and X-ray can be used (many other are described). These may be fused and integrated. Similar observations may be effective not only in medical applications but also in diagnosis, repair, creation, etc. in material engineering.
・ Elucidation of the function of human and animal brain tissues: In the cultured neural network, the process of learning and recognition, the effect of drug administration, etc. are observed electrically in situ, blood vessels in the heart and brain (viscoelasticity), blood flow ( Fluid), microflow, etc., can be observed simultaneously, and in addition, external stimulation tools and processing techniques for these tissues and cells can be developed.
(Ii) Application to environment, industrial biotechnology, energy saving and environmental conservation (recycling, observation of air, soil, water, etc.). Various gas acoustic properties (light pulse, light microphone), gas containing various dust (flow observation by terahertz), etc.
(Iii) Development of new synthesis theories such as equivalent media and functional substitution (material engineering).
次に、上記の(1)〜(4)、その他の逆解析、(5)の融合・統合の手段を箇条書きしておく。情報科学と統計数理に関連す技術であり、逆解析を含む。基本的には通常の計測限界を超えることを目的としている。例えば、以下の処理は有効である。
(A)逆解析:波動センシングにおいて、
・観測対象を含むシステムの等価器やスパースモデリング(同定や低次元化、ダウンサンプリングに基づく粗いサンプリングデータ化(逆解析においては正則化の効果がある)、フーリエビームフォーミング等における帯域圧縮)を用いた高速化や安定化、データ圧縮。
・最適化(重み付き最小自乗化、ベイズ推定、最尤推定(MAP有り又は無し)、特異値分解法、線形・非線形計画法、凸射影等)による計測・再構成において逆を施す際(ビオ・サバートの法則の逆解析において磁場(ベクトル分布)データから電流密度(ベクトル分布)データや電流(分布)を求める等の積分型逆問題)や物性再構成(線形型又は非線形型の微分型逆問題:偏微分方程式を用いた初期値問題)における参照領域(初期値)や積分型逆問題(インピーダンスCT等に類する非線形型逆問題等)の最適化等による解の安定化。
・逆解析を施す際のunbiasな正則化による解の一意的な存在化とアダプティブな安定化(本発明者は過去に世界初の計測データの精度に依存した時空間的にvariantな正則化パラメータを使用、正則化パラメータを大きく設定して可能な限り観測対象を安定化させてばらつきを小さくすると世界初のin silico標準を実現できる可能性有り、過去に変位(ベクトル)観測や(粘)ずり弾性率再構成等にて実施)。
・各観測対象(歪テンソル、温度、電流密度ベクトル、各物性等)に加えて直接に観測されるセンシング信号の誤差モデル(ばらつきや分散)を確立して高精度化(過去に 変位(ベクトル)計測誤差の評価において時空間的に局所において定常過程を仮定したり、Cramer-Rao Lower Bound(CRLB)やZiv-Zakai Lower Bound(ZZLB)を使用、具体的にはシステムに正則化を施す際のa prioriやa posterioriに正則化パラメータを分散に比例する様に使用したり(従って、時空間的に可変にすることがある)、変位ベクトル成分や様々な観測対象の時空間分布に関する連立方程式の各方程式にばらつきの逆数や分散の逆数を用いて信頼度の重み付けに使用(重み付き最小二乗化)、正則化と重み付けを同時に実施することも有り。
・超解像(高分解能化、世界初のin silicoハーモニック生成イメージングや瞬時位相イメージング、公知のInverse synthetic apertureや逆フィルタリング)や新しいMinimum varianceビームフォーミング(位相収差補正が有効)、上記の信号(源)の高い分離能等。最尤推定等は、画像処理においては古くより用いられ、例えば、自己相関関数を求める等して様々に推定の可能な点拡がり関数が使用される(例えば、非特許文献31〜34等)。その他にも様々な方法がある。
・波動信号のアナログ又はデジタルの線形処理又は非線形処理、伝搬過程(観測対象内又は外)における線形現象や非線形現象による新しい波動の生成と活用、単一又は異なるパラメータを持つ複数の波動が対象、観測量(物理量や化学量)が異なるもの同士が対象である場合を含む。
・信号(源)分離や特徴量解析(独立成分分析ICAや主成分分析PCA、MUSIC、上記の正則化の応用や特異値分解、機械学習、ニューラルネットワーク、ディープラーニング等)
これらに限られるものでは無い。
また、
(B)異種情報の統合と融合、同一情報の多重化と独立情報の分離(単独の観測による精度の限界を単にover-determinedシステム化(加算平均や最小二乗化)して超えるのでは無く、高精度な共通情報の多重化と独立情報の分離により超える:信号処理や画像処理において、特にMRI(電磁波)と超音波(力学波)、超音波とテラヘルツ(有機と無機の同時観測)、超音波(縦波)とずり波(横波)等の新しい統合・融合による多重化と分離等に、KL情報量、最尤推定法、相互情報量最小/最大化、エントロピー最小化等を用いる他、飛躍的に精度を向上させるべく、斬新に、
・ICA(過去にヒト組織の超音波エコー信号(ランダム信号)を対象にして複数データの時空間の精密なマッチング(デジタル信号において近似処理無しの位相回転)を施した上で処理すると、共通情報の抽出能が加算平均を上回ることや独立成分の分離能が向上。
・ニューラルネットワーク(ディープな統合学習や統合判断・認識):異種特徴ベクトル(情報)を入力とする複数の3層ニューラルネットワークを統合学習・統合認識するアプローチ(認識層の3層目にて複数のニューラルネットワークを結合、各々のニューラルネットワークを各特徴ベクトル(情報)のクローズデータでディープに学習さぜず、ある程度学習させた上で結合させ、全特徴ベクトル(情報)のクローズデータを用いて学習させると、最初から結合ネットワークを用いて全特徴ベクトル(情報)のクローズデータを用いて学習させるよりも学習速度が飛躍的に高速化され、認識率も飛躍的に向上)を提案し、手書き数字認識に応用し、単一の特徴ベクトル(情報)のみを用いた場合に比べて認識率が飛躍的に向上、統合分析には、斬新に、学習済みの単独ニューラルネットワーク、学習開始当初から結合ネットワークを用いた場合と上記の通りにある程度の学習後に結合させてディープに学習させた場合のネットワークの重み分布を比較、例えば、重み分布を可視化したり、重み分布にICAやPCA処理を施して共通成分と独立成分を解釈することは有効であり、病変の鑑別診断・認識等においては斬新に対象の疾患や病変の種類を符号化(独立した符号を用いる)する等して認識対象を符号化して学習させたり、また、認識対象に関する同種又は異種の観測データや関連する観測データ又は関連する認識対象(例えば、疾患や病変)、所望する目的や目標、新しい物性や機能(in silicoによる創成や合成及びその活用、デバイス化が困難な場合や比較して簡易で安価な場合等には他専用デバイスと連動して稼働させることも有る)等へのマッピング等、バックプロジェクション型の他にホップフィールド型(連想記憶の学習や認識)、同様に実施可能等の他モデル、ニューラルネットワーク以外に最適化や他本明細書に記載の処理(in silico処理)等を行う場合も同様に使用可。
・確率過程の異なる現象同士を対象(例えば、超音波レーリー散乱や観測ノイズの正規分布等)として、共通成分の多重化と独立成分の分離、確率過程の異なる確率過程への遷移(確率モデル、確率変数等の変化)を解明。
また、
(C)ビッグデータ処理:
・多くのセンシングデータ(時空間)等のビッグデータを扱う場合に実時間性を追求して高速演算を実現するべく、センシング時に高速且つ高精度なフーリエビームフォーミングや並列処理等を実施。
・データマイニング(上記の統計処理や相関処理、ICA、PCA、ニューラルネットワーク等による特徴量の抽出を含む)。
また、
(D)観測信号SN比の向上:例えば、一般的に観測されるテラヘルツ信号やSQUID信号、光等はSN比が低く、OCTにおける相関のアナログ処理に習ったり、デジタル化して処理したり、ICA(加算平均を超える)やMUSIC、Wienerフィルタ、マッチドフィルタ、相関処理、信号検出等の信号処理(信号は実時間信号又は複素信号)に基づく高精度化技術。
本発明においては上記の処理等が実施されるが、本発明の目的及び処理手段はこれらに限られるものでは無い。
Next, the above-mentioned (1) to (4), other inverse analysis, and the means for fusion / integration of (5) are listed. Technology related to information science and statistical mathematics, including inverse analysis. Basically it aims to exceed the normal measurement limits. For example, the following processing is effective.
(A) Inverse analysis: In wave sensing,
・ Uses equivalent system and sparse modeling (including identification, reduction in dimension, rough sampling data based on downsampling (regularization effect in inverse analysis), band compression in Fourier beam forming, etc.) Faster and more stable, data compression.
・ When performing the reverse in measurement and reconstruction by optimization (weighted least squares, Bayesian estimation, maximum likelihood estimation (with or without MAP), singular value decomposition method, linear / nonlinear programming, convex projection, etc.) (bio)・ Integral inverse problem such as obtaining current density (vector distribution) data and current (distribution) from magnetic field (vector distribution) data in inverse analysis of Sabert's law) and physical property reconstruction (linear or nonlinear differential inverse) Problem: Stabilization of the solution by optimizing the reference region (initial value) and integral inverse problem (nonlinear inverse problem similar to impedance CT etc.) in the initial value problem using partial differential equations.
・ Unique existence and adaptive stabilization by unbias regularization when performing inverse analysis (This inventor is a space-time variant regularization parameter that depends on the accuracy of the world's first measurement data in the past. , Set the regularization parameter as large as possible to stabilize the observation target as much as possible, and reduce the variation, the world's first in silico standard may be realized. In the past, displacement (vector) observation and (viscous) shear Implemented by elastic modulus reconstruction, etc.).
・ In addition to each observation target (strain tensor, temperature, current density vector, each physical property, etc.), an error model (variation and dispersion) of the directly observed sensing signal is established to improve accuracy (displacement (vector) in the past) In the estimation of measurement error, it is assumed that the stationary process is locally in space and time, or Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) or Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB) is used, specifically when regularizing the system Use regularization parameters in a priori and a posteriori in proportion to the variance (thus making them spatiotemporally variable), and use of simultaneous equations for displacement vector components and spatiotemporal distribution of various observation objects Each equation is used for weighting reliability by using the reciprocal of dispersion or reciprocal of variance (weighted least squares), and regularization and weighting may be performed simultaneously.
・ Super-resolution (high resolution, world's first in silico harmonic generation imaging and instantaneous phase imaging, known inverse synthetic aperture and inverse filtering), new minimum variance beamforming (phase aberration correction is effective), the above signal (source ) High resolution. Maximum likelihood estimation or the like has been used for a long time in image processing. For example, a point spread function that can be variously estimated by obtaining an autocorrelation function is used (for example, Non-Patent Documents 31 to 34). There are various other methods.
・ Analog or digital linear processing or non-linear processing of wave signals, generation and utilization of new waves due to linear or non-linear phenomena in the propagation process (inside or outside of the observation target), multiple waves with single or different parameters, This includes cases where observed quantities (physical quantities or chemical quantities) are different.
・ Signal (source) separation and feature analysis (independent component analysis ICA, principal component analysis PCA, MUSIC, application of regularization and singular value decomposition, machine learning, neural network, deep learning, etc.)
It is not limited to these.
Also,
(B) Integration and fusion of heterogeneous information, multiplexing of the same information and separation of independent information (not just exceeding the limits of accuracy due to single observation by over-determined system (addition averaging or least squares)) Exceeded by high-precision multiplexing of common information and separation of independent information: Especially in signal processing and image processing, MRI (electromagnetic wave) and ultrasound (mechanical wave), ultrasound and terahertz (simultaneous observation of organic and inorganic), ultra In addition to using KL information, maximum likelihood estimation, mutual information minimization / maximization, entropy minimization, etc. for multiplexing and separation by new integration and fusion of sound waves (longitudinal waves) and shear waves (transverse waves), In order to dramatically improve accuracy,
・ Common information when processed after ICA (in the past, ultrasonic echo signal (random signal) of human tissue is subjected to precise time-space matching of multiple data (phase rotation without approximation in digital signal)) The extraction ability of the product exceeds the average and the separation ability of independent components is improved.
・ Neural network (deep integrated learning and integrated judgment / recognition): An approach for integrated learning / integrated recognition of multiple three-layer neural networks that receive heterogeneous feature vectors (information) (multiple layers in the recognition layer Combine neural networks, do not learn deeply with closed data of each feature vector (information), connect them after learning to some extent, and learn using the closed data of all feature vectors (information) And, from the beginning, the learning speed is dramatically increased and the recognition rate is drastically improved compared to learning using closed data of all feature vectors (information) using a connected network. The recognition rate is dramatically improved compared to the case where only a single feature vector (information) is used. Is a novel neural network that has already been learned, comparing the weight distribution of the network when using a combined network from the beginning of learning and when deeply learning by combining after some learning as described above, for example, It is effective to visualize the weight distribution or interpret the common component and independent component by applying ICA or PCA processing to the weight distribution. In the differential diagnosis / recognition of the lesion, the target disease and the type of the lesion are newly determined. Encoding (using an independent code) to learn the recognition object by encoding, etc., or the same or different observation data related to the recognition object, related observation data or related recognition object (eg, disease or lesion) ), Desired objectives and goals, new physical properties and functions (in silico creation and synthesis and their utilization, simpler than when it is difficult to make a device) In some cases, it may be operated in conjunction with other dedicated devices, etc.) In addition to the back projection type, the hop field type (learning and recognition of associative memory), etc. In addition to models and neural networks, optimization and other processes described in this specification (in silico processing) can also be used.
-Targeting phenomena with different stochastic processes (for example, ultrasonic Rayleigh scattering and normal distribution of observation noise), multiplexing common components and separating independent components, transitioning to different stochastic processes (probability models, Elucidate changes in random variables.
Also,
(C) Big data processing:
・ High-speed and high-precision Fourier beam forming and parallel processing are performed at the time of sensing in order to realize high-speed computation in pursuit of real-time characteristics when handling a lot of big data such as sensing data (space-time).
Data mining (including the above-described statistical processing and correlation processing, feature amount extraction by ICA, PCA, neural network, etc.).
Also,
(D) Improvement of observed signal S / N ratio: For example, generally observed terahertz signals, SQUID signals, light, etc. have a low S / N ratio, and learning from correlation analog processing in OCT, digitization processing, ICA High-precision technology based on signal processing (signal is real-time signal or complex signal) such as MUSIC, Wiener filter, matched filter, correlation processing, signal detection, etc.
In the present invention, the above processing and the like are performed, but the object and processing means of the present invention are not limited to these.
ハードウェア(装置、プラットフォーム)や計算機を使用して実施される計測/逆解析(イメージング)の(1)〜(4)やそれらを用いる(5)融合・統合(情報科学や統計数理等)は、電磁気と力学、熱に関する基礎物理、その他の物理や化学、生化学における物理量と化学量、物性の分布の非破壊検査を融合的・統合的にin situにて実時間で実現する革新的技術(計測・解析手法)となり、様々な分野において革新的な計測(検査や診断)、修復(修理や治療、再生)、製造(材料の成長や組織の3次元培養)、応用(合成等による新しい機能や物性の創出等)を拓く。これまでは捉えられなかった物理量・物質状態、その変化、潜在要因等を検出、その他、測定対象が実際に動作・機能している状況を多角的に観測すること等を可能にする本研究構想は、医療やライフサイエンスによる人類の健康促進、マテリアル(合成を含む)の開発による新しい工学の開拓、食品工学(鮮度や品質の管理等など)、高効率なエネルギー開発や資源探査、省エネ、環境アセスメントや環境保全(地球や天体も)、気象予測(天候予測、雨量、気体対流、海流等)、安全保障、衛星やレーダー、ソナー、国際標準(in silicoによる初の標準となる可能性有り)等、様々な分野に波及し、産業界や社会インフラを含め、経済的にも社会的にもその波及効果は絶大である。開発される技法は必ずや科学技術イノベーションの創出、新産業創出、社会貢献に寄与する基礎技術となる。 (1) to (4) of measurement / inverse analysis (imaging) performed using hardware (devices, platforms) and computers, and (5) fusion / integration (information science, statistical mathematics, etc.) Innovative technology that realizes non-destructive inspection of physical quantities and chemical quantities in physical chemistry, biochemistry, distribution of physical properties in an integrated and real-time in situ, electromagnetic and dynamics, basic physics related to heat (Measurement / analysis method), innovative measurement (inspection and diagnosis), repair (repair, treatment, regeneration), manufacturing (material growth and tissue three-dimensional culture), application (new by synthesis, etc.) in various fields Create functions and physical properties). This research concept makes it possible to detect physical quantities / material states, changes, latent factors, etc. that have not been captured so far, as well as to make multifaceted observations of the actual behavior and function of the measurement target. Is the promotion of human health through medical and life sciences, the development of new engineering through the development of materials (including synthesis), food engineering (eg, management of freshness and quality), high-efficiency energy development and resource exploration, energy conservation, and the environment Assessment, environmental conservation (including earth and celestial bodies), weather forecast (weather forecast, rainfall, gas convection, ocean current, etc.), security, satellite, radar, sonar, international standard (may be the first standard by in silico) Etc., and the ripple effect is great both economically and socially, including industry and social infrastructure. The techniques that are developed will be fundamental technologies that contribute to the creation of science and technology innovation, the creation of new industries, and social contribution.
一方で、ビームフォーミングに関する方法(1)〜(6)において、スペクトルを周波数分割して、1フレームのイメージ信号を生成するべくメモリ又は記憶装置(記憶媒体)に格納した受信信号に対して、波数マッチング後に表される周波数領域においてスペクトルが分割された状況で処理された波動を複数個得ることが行われることもある。角スペクトルの状態で分割され、各々が処理されることもある。何れにおいても、信号成分の帯域を限定して処理すれば良い。複数の波動が重なっている場合においても、スペクトルを同様に周波数分割することもある。これらのスペクトルの周波数分割により、新たな波動パラメータ(周波数や帯域、伝搬方向等)を持つ物理的には疑似の波動が生成されたことに該当する。分割されたそれらのスペクトルが並列処理されることもある。重ね合わせ処理も新たな波動パラメータを生成する処理であるが、空間領域で重ね合わされて角スペクトルが重なったものである場合もあるし、逆フーリエ変換前にスペクトルが重ね合わせされる場合もある。しかし、必要があれば、フーリエ変換後の角スペクトルを重ね合わせる、又は、逆フーリエ変換後の信号を重ね合わせることもある。尚、フーリエ変換の可逆性(フーリエ変換と逆フーリエ変換)を応用し、生成された信号から受信ビームフォーミング前(開口面合成の場合には送受信ビームフォーミング前)の信号に戻し、他のビームフォーミングが行われることもある(例えば、送信又は受信のステアリング角度が別のものや、1つの送信に対してステアリング角度の異なる複数の波動等)。
超解像処理として、以下に、スペクトルの重み付け処理(いわゆる単なる逆フィルタリングやデコンボリューションでは無く、それらの処理を施した上で所望する点拡がり関数を持つ様にフィルタリングする処理を一括して行える)、非線形処理、位相回転を除いた瞬時位相のイメージングを記載するが、本フーリエビームフォーミングの他に、DAS処理の下で処理されることもある。例えば、平面波や円形波、円筒波、球面波等の横方向に広く拡がる波の送信時においては、高速イメージングが可能であることは上記の通りであるが、他の場合を含めて、上記の如く送信又は受信のステアリング角度の異なる波動を複数個生成して重ね合せし、横方向に広帯域化した上でそれらの超解像処理を施すことは、それらの効果を増強させることができて有効である。平面波等の重ね合わせは、位相に関しては深さ位置に依らない一様なフォーカシングを行った場合を実現し、上記のスペクトルの重み付け処理に基づく、例えば、ガウス関数を用いたアポダイゼーションを行った場合において、矩形波や冪乗関数を用いたアポダーゼーションに基づく開口面合成を用いた高分解能イメージングをターゲットとしてそのスペクトル強度に補償することは有効である。いわば、その重ね合せは、フーリエイメージングにおける平面波分離に基づくAngularスペクトルの計算の逆を計算していることに該当する。フォーカスや開口面合成を行ったものが重ね合せ処理されることもある。重ね合わせするステアリング角度を調整することは重要であり、角度差が小さいと横方向にスペクトル強度を相対的に見ただけでは広帯域化されていない(その相対的にスペクトル強度の低い広帯域化されなかった帯域のSN比はある、特に開口面合成処理時)が、ある程度の角度差を設けて重ねるとスペクトル強度がある状況にて広帯域化される。角度差の小さいときのその相対的にスペクトル強度の低い帯域については、例えば、そのスペクトルの重み付け処理は有効である。位相の異なるものの重ね合わせであるために、信号の強度は低いので、必要に応じて、倍精度の計算処理(ビームフォーミングや超解像処理等)を行う必要がある。一方、ある程度の角度差がある場合には、少ない波動又はビームで容易に広帯域な信号が得られる。それらにおいて、波動のエネルギーを正規化して重ね合わせることも有効である。同様にして、他の2つの超解像も有効となる。無論、フォーカス位置や超音波周波数の異なる波動を重ね合わせて行う重ね合せ処理も超解像の方法として有効である。各々の波動に超解像を施して得られる結果を重ね合せることもできるが、重ね合せして処理した方が処理量が少なく、効果も高い。重ね合せにおける位相補償(波動の伝搬速度の不均質性を補償すること)は重要である。
本発明者は、これまでに超音波エコー法(即ち、反射法)や透過法に基づき観測対象の変位ベクトル(歪テンソル)を観測する方法としてクロススペクトル位相勾配法や多次元自己相関法等を報告している(他にも多数)。超音波以外の波動を用いる場合にも使用できる。それらの技法を用いた際の計測精度を向上させるべく、横方向変調法を拡張してさらに多くの波動を使用したり、スペクトル周波数分割を用いることにより、over-determinedシステムを実現することは有効であり、正則化(a prioriまたはa posteriori、cross-validation法)や重み付き最小二乗法(a prioriまたはa posteriori)は有効である。最尤推定(例えば、非特許文献37等)も有効である(MAP有り又は無し)。それらを融合・統合、混合して実施することも有効である。ばらつきを用いる場合には、局所定常過程を仮定したり、Cramer-Rao Lower Bound(CRLB)やZiv-Zakai Lower Bound(ZZLB)等を用いることができ、いわゆる通常の自己相関法(1次元)にて推定されるばらつきも使用できることを見出してある(後に記載)。さらに、それらの変位ベクトル(歪テンソル)観測を応用して、反射法や透過法にて取得される波動信号より得られる画像(例えば、超音波エコー画像等)を高分解能化できる。例えば、時間的に連続する等の複数の波動信号フレーム(例えば、超音波rfエコーデータフレーム)やそれより得られる画像フレームに本発明で実施する位相マッチングを施したり、また、マルコフモデルに基づく動きの予測を用いたりして、本発明の重ね合わせ処理やICA処理等の信号分離を応用する等、確率統計学的に融合し(多重化と分離等)、様々な超解像(例えば、非特許文献38等)を効果的に施せる。超解像後の融合処理も可能である。これらにおいて実施する位相マッチングとしては、ブロックマッチングも有効であるが、上記の通り、特に位相回転に基づく高精度な位相マッチングが有効である。
また、いわゆるCompressedセンシングが行われることもある。同様にして、DAS処理において行われることもある。上記の3つの超解像と同様に、複数の波動の重ね合わせに対して施されることもある。上記の3つの超解像の方が計算量が少なくて済むが、Compressedセンシングを含め、それらの組み合せが処理されることもある。
On the other hand, in the methods (1) to (6) relating to beam forming, the wave number of the received signal stored in the memory or the storage device (storage medium) to frequency-divide the spectrum and generate the image signal of one frame. In some cases, a plurality of processed waves are obtained in a state where the spectrum is divided in the frequency domain represented after the matching. Each may be processed in the state of the angular spectrum. In any case, the signal component band may be limited. Even when a plurality of waves are overlapped, the spectrum may be similarly frequency-divided. This corresponds to the generation of a physically pseudo wave having new wave parameters (frequency, band, propagation direction, etc.) by frequency division of these spectra. These divided spectra may be processed in parallel. The superimposing process is a process for generating a new wave parameter. However, the superposition process may be performed by superimposing the angular spectra in the spatial domain, and may superimpose the spectrum before the inverse Fourier transform. However, if necessary, the angular spectra after Fourier transformation may be superimposed or the signals after inverse Fourier transformation may be superimposed. The reversibility of Fourier transform (Fourier transform and inverse Fourier transform) is applied, and the generated signal is returned to the signal before reception beamforming (before transmission / reception beamforming in the case of aperture plane synthesis), and other beamforming is performed. (For example, different transmission or reception steering angles or a plurality of waves with different steering angles for one transmission).
As super-resolution processing, the following is the spectrum weighting processing (not so-called inverse filtering or deconvolution, but processing to perform filtering so as to have a desired point spread function after performing these processing) Nonlinear processing and imaging of instantaneous phase excluding phase rotation will be described, but in addition to the present Fourier beam forming, processing may be performed under DAS processing. For example, when transmitting a wave that spreads widely in the horizontal direction, such as a plane wave, a circular wave, a cylindrical wave, and a spherical wave, as described above, high-speed imaging is possible. In this way, it is effective to generate and superimpose a plurality of waves with different steering angles for transmission or reception and to widen the width in the lateral direction and then apply their super-resolution processing to enhance their effects. It is. Superposition of plane waves, etc. is realized when uniform focusing is performed regardless of the depth position with respect to the phase, and for example, when apodization using a Gaussian function is performed based on the above weighting processing of the spectrum It is effective to compensate for the spectral intensity by targeting high resolution imaging using aperture synthesis based on apodization using a square wave or a power function. In other words, the superposition corresponds to calculating the inverse of the calculation of the Angular spectrum based on plane wave separation in Fourier imaging. In some cases, the focus and aperture surface composition are overlapped. It is important to adjust the steering angle to be overlapped. If the angle difference is small, it is not widened only by looking at the spectral intensity relatively in the lateral direction (the band with relatively low spectral intensity is not widened). If there is an S / N ratio of a certain band (especially during aperture plane synthesis processing), a wide band can be obtained in a situation where there is a spectrum intensity when overlapping with a certain degree of angle difference. For the band having a relatively low spectral intensity when the angle difference is small, for example, weighting processing of the spectrum is effective. Since signal strength is low due to superposition of different phases, it is necessary to perform double-precision calculation processing (such as beam forming or super-resolution processing) as necessary. On the other hand, when there is a certain degree of angular difference, a broadband signal can be easily obtained with a small number of waves or beams. In these, it is also effective to normalize and superimpose wave energy. Similarly, the other two super-resolutions are also effective. Of course, the superposition processing performed by superposing waves with different focus positions and ultrasonic frequencies is also effective as a super-resolution method. Although the results obtained by super-resolving each wave can be superimposed, the amount of processing is smaller and the effect is higher when they are processed by superposition. Phase compensation in superposition (compensating for inhomogeneity in wave propagation velocity) is important.
As a method for observing a displacement vector (distortion tensor) of an observation object based on an ultrasonic echo method (that is, a reflection method) or a transmission method, the present inventor has previously used a cross-spectral phase gradient method, a multidimensional autocorrelation method, Reported (many others). It can also be used when using waves other than ultrasonic waves. In order to improve the measurement accuracy when using these techniques, it is effective to extend the lateral modulation method to use more waves or to implement an over-determined system by using spectral frequency division. Regularization (a priori or a posteriori, cross-validation method) and weighted least square method (a priori or a posteriori) are effective. Maximum likelihood estimation (for example, non-patent document 37) is also effective (with or without MAP). It is also effective to combine, integrate and mix them. When using variation, local steady processes can be assumed, Cramer-Rao Lower Bound (CRLB), Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB), etc. can be used. It has been found that the estimated variability can also be used (described later). Furthermore, by applying such displacement vector (distortion tensor) observation, it is possible to increase the resolution of an image (for example, an ultrasonic echo image or the like) obtained from a wave signal acquired by a reflection method or a transmission method. For example, phase matching performed in the present invention is applied to a plurality of wave signal frames (for example, ultrasonic rf echo data frames) that are temporally continuous or an image frame obtained therefrom, and motion based on a Markov model Such as superposition processing of the present invention and application of signal separation such as superposition processing and ICA processing, etc., and fusing statistically (multiplexing and separation, etc.), and various super-resolution (for example, non-resolution) Patent document 38 etc.) can be applied effectively. Fusion processing after super-resolution is also possible. As the phase matching performed in these, block matching is also effective, but as described above, highly accurate phase matching based on phase rotation is particularly effective.
In addition, so-called Compressed sensing may be performed. Similarly, it may be performed in the DAS process. Similar to the above three super-resolutions, it may be applied to the superposition of a plurality of waves. The above three super-resolutions require less computation, but combinations of them, including compressed sensing, may be processed.
ここで、本発明において実施されることのあるDAS処理の例を幾つか纏めておく。本発明の方法DII等も含まれる。また、下記においては実時間信号や解析信号の処理を記載しているが、その他に本明細書に記載の様々な処理を施した信号にそれらの処理を施すこともある。
・通常のデジタル診断装置にて行われるDAS処理(方法D1)
受信ダイナミックフォーカシングを行うべく、AD(Analogue-to-Digital)変換処理後の各チャンネルのメモリに格納されている受信信号の読み出しにおいて、各チャンネルの各受信素子位置と各関心点との距離で決まるデジタル受信の時刻を意味するアドレスのメモリからその格納されている信号を読み出す(即ち、Delay)。そして、有効開口幅内のそれらの信号を加算する(Summation)。この方法によると、Delayにおいて受信信号のサンプリング周波数で決まる誤差を生じるため、ナイキスト定理に基づいてサンプリングすることは当然であるが、極力、高い周波数でサンプリングする。高速である特徴を持つ。尚、処理される信号は、AD変換処理後のデジタル実信号の他に解析信号であることもある。また、演算は専用回路の他に汎用のCPUを用いて行うこともあり、以下には計算のプロトコルの実施例も示す。サンプリングされた時間や空間座標(整数値)は、プログラム上ではデジタル信号の格納された配列のインデックスと考えても良いし、デジタル信号の格納されたメモリのアドレスと考えても良い(以下、同様)。
例えば、関心点A、又は、関心点Aに最も近い、整数値であらわされるサンプリング位置i=IにおけるDAS処理において、実信号又は解析信号
r(I) (DAS1)
に加算される別の受信素子にて受信された関心点Aからの信号が受信信号r'中に伝搬距離がΔxだけ長い位置に存在するとすると(反射法の場合に、開口面合成など、往路又は送信のビームフォーミングを行う場合には、その際の伝搬距離の差の分も含む)、サンプリング間隔が距離でsampxと表される場合に、Δi=nint(Δx/sampx)(但し、nint(x)は四捨五入整数化関数を表す)、又は、Δi=inta(Δx/sampx)(但し、inta(x)は切り上げ整数化関数を表す)、又は、Δi=intd(Δx/sampx)(但し、intd(x)は切り下げ整数化関数を表す)等の引数xを整数化する関数又は計算を用いて算出される整数値Δiを用いて表される実信号又は解析信号
r'(I+Δi) (DAS1')
が加算される。整数値Δiは、Δi×sampxがアナログ値Δxに最も近くなるものであることが望ましく(上記の中ではnintが良い)、計算方法はこれらに限られるものではない。各位置の有効開口幅内の受信素子にて受信されたデジタル信号に本処理を施して加算する。伝搬速度が一定である仮定の下で、距離ではなく時間を用いても同様に説明できる。
若しくは、デジタル信号値の様々な補間処理法があるが、それらを用いて、Δxの位置における信号値を補間近似して求めても良い(バイリニア補間、高次補間、ラグランジュの方法、スプライン補間等、これらに限らず、様々な補間近似を実施できる)。
・方法D1を高精度化したDAS処理(方法D2)
方法D1に基づいてDAS処理を行う中で、Delay処理を高精度化するために、Hilbert変換に基づいて計算される受信信号の解析信号a(t)に対し、複素指数関数を掛け、位相回転を行うDelayを掛けることにより、サンプリング時間間隔samptよりも短い時間内t0の精度を得て、加算処理する。
a(t+t0)=a(t)exp[jω0(t)t0] (DAS2)
ここで、jは虚数単位であり、t=i×sampt(iは0〜N-1の整数値)の関係が成立し、ω0(t)は、サンプリング時間(位置)tにおける公称角周波数、重心(中心)角周波数、及び、瞬時角周波数の内のいずれかである。式(DAS2)は、サンプリング時間(位置)tに対してサンプリング座標系の正の方向にアナログ量t0だけ移動した時間(位置)の信号を近似計算するものであるが、関心点A、又は、関心点Aに最も近い、整数値で表されるサンプリング位置i=IにおけるDAS処理においては、方法D1と同様に、サンプリング時間(位置)tについて、施すアナログ量のDelay値Δt(反射法の場合に、開口面合成など、往路又は送信のビームフォーミングを行う場合には、その際のDelay分も含む)を基に算出されるΔi(例えば、Δi=nint(Δt/sampt))を用いて表されるサンプリング時間(位置)I+Δiの解析信号a(t)(=a((I+Δi)×sampt))が使用されることが望ましい。即ち、理想的なアナログ時間(位置)T=I×sampt+Δtに最も近いサンプリング時間(位置)tの信号が使用されることが望ましい。従って、T>tのときは、正値t0=T-t=Δt-Δi×samptを用いる式であり、T<tのときは、負値t0=T-tを用いる式である。各位置の有効開口幅内の受信素子にて受信されたデジタル信号に本処理を施して加算する。
方法D1よりも精度が高いが、サンプリグされた時間(位置)の周波数ω0(t)を用いたあくまでも近似処理である。減衰や散乱等の周波数変調の影響を受ける。方法D1と同様に、サンプリング周波数は高い方が良い。高速性を備えている。
ちなみに、時間ではなく明に離散位置x(=i×sampx、iは0〜N-1の整数値)でサンプリング信号が表される場合に、式(DAS2)は、波数k0(=ω0/c=2πf0/c=2π/λ)(但し、cは波動の伝搬速度、f0は公称周波数、重心(中心)周波数、及び、瞬時周波数のいずれか、λは波長)を用いて、
a(x+x0)=a(x)exp[jk0(x)x0] (DAS2')
と表される。同じく、関心点A、又は、関心点Aに最も近い、整数値であらわされるサンプリング位置i=IにおけるDAS処理においては、離散位置xについて、施すアナログ量の距離差Δx(反射法の場合に、開口面合成など、往路又は送信のビームフォーミングを行う場合には、その際の伝搬距離の差の分も含む)を基に算出されるΔi(例えば、Δi=nint(Δx/sampx))を用いて表されるサンプリング位置I+Δiの解析信号a(x)(=a((I+Δi)×sampx))が使用されることが望ましい。即ち、理想的なアナログ位置X=I×sampx+Δxに最も近いサンプリング位置xの信号が使用されることが望ましい。従って、X>xのときは、正値x0=X-x=Δx-Δi×sampxを用いる式であり、X<xのときは、負値x0=X-xを用いる式である。
若しくは、式(DAS2)と(DAS2')の各々において、理想的なアナログ時間(位置)Tと理想的なアナログ位置Xに最も近いサンプリング時間(位置)tと位置xのデジタル信号に位相回転を掛けるのではなく、生成する各ビーム又は各波動の各サンプリング位置i(x=i×sampxを表すi)を各関心点Aと考えた際の有効開口幅内の各受信素子位置がその各関心点Aに対して持つ前記DelayΔtと前記距離差Δxを各関心点iに対して表される離散(デジタル)データΔt(i)とΔx(i)として用い、各位置の有効開口幅内の受信素子で受信された各デジタル受信信号の解析信号a(i)に対して、以下の如くに複素指数関数を掛け、
a(i)exp[jω0(i)Δt(i)] (DAS2'')
a(i)exp[jk0(i)Δx(i)] (DAS2''')
加算する。
・方法D2を改良したDAS処理(方法DII)
方法D2は、解析信号においてサンプリング位置の周波数や波数を用いた近似処理であるが、方法DIIなる本発明は、サンプリング位置の周波数や波数を用いずに同様に高速計算を可能にする。
周波数領域において振幅スペクトルS(i)(非正周波数のスペクトルは零)の重心としても求まる重心(中心)周波数(離散フーリエ変換における整数値で表される周波数座標iにおいて求まったアナログ値)
M0=ΣiS(i)/ΣS(i) (DASII1)
但し、振幅スペクトルS(i)(但し、i=0〜N-1)は、デジタル空間信号r(x)(但し、サンプリング位置はx=i×sampx)のフーリエ変換とその共役との積の平方根により求まる。式中のΣの加算範囲はi=0〜N/2である。
従って、波数k0は、
k0=(2πM0)/(N×sampx) (DASII2)
である。ここで、解析信号a(x)を
a(x)=A(x)exp{jk0(x)x}
=A(x)exp{jk0(x)×(i×sampx)} (DASII3)
と表してみる。
これに基づき、生成する各ビーム又は各波動の各サンプリング位置i(x=i×sampxを表すi)を各関心点Aと考えた際の前記有効開口幅内の各受信素子位置が各関心点Aに対して持つ距離差Δxを各関心点iに対して表される離散(デジタル)データΔx(i)として用い、各位置の有効開口幅内の受信素子で受信された各デジタル受信信号の解析信号a(i)に対して、以下の如くに複素指数関数を掛け、
a(i)exp{j(2πΔx(i)/sampx)/(N×sampx)×(i×sampx)}
=a(i)exp{j(2πΔx(i))/(N×sampx)×i} (DASII4)
と演算する。DAS処理された信号が、xの正方向に進むに連れて、それと直交する方向が強く広帯域化(高分解能化)される効果が得られる。尚、式(DASII4)中のi(=0〜N)は、代わりに、
N-i (i=0〜N-1) (DASII5)
を用いて計算しても良い。その場合には、DAS処理された信号が、xの負方向に戻るに連れて、それと直交する方向が強く広帯域化(高分解能化)される効果が得られる。Δxを関心点iに依存せずに一定にすると、i方向に不変な周波数変調を掛けることを表す。つまり、本処理は、各関心点iに対して有効開口幅内の各受信素子位置における受信信号に周波数変調
M0+Δx(i)/sampx (DASII6)
を掛け、加算する処理である。信号がデジタル空間信号では無くデジタル時間信号r(t)として表される場合も、同様に、瞬時周波数ω0(i)を用いて表されるその解析信号a(i)に対して以下の如くに複素指数関数を掛け、
a(i)exp{j(2πΔt(i)/sampt)/(N×sampt)×(i×sampt)}
=a(i)exp{j(2πΔt(i))/(N×sampt)×i} (DASII4')
と演算する。他も同様である。
特定の位置に所望の周波数変調を掛けたり、空間的に一様に周波数変調を施すことも有効である。位置xと時刻tの信号に施す変調波長をk0'、変調周波数をω0'すると、
a'(x)=a(x)exp[jk0'(x)x] (DASII7)
a'(t)=a(t)exp[jω0'(t)t] (DASII7')
と求まる。同様に離散信号に施せる。
未変調の波動や変調した波動を重ね合わせすることも、広帯域化(高分解能化)や位相を用いる観測(変位観測等)の高精度化に有効である。
・理論的に最も高精度なDAS処理(方法D3)
本発明者が過去に発明した方法(特許文献6、非特許文献15)であるが、関心点位置の信号を含む局所信号のスペクトルA(ω)に周波数領域において複素指数関数を掛け、その局所信号の位相を回転させてDelayを行う。
A'(ω)=A(ω)exp[jωt0]
サンプリング定理を満足する補間処理であり、理論的には最も精度が高いが、計算時間を要する。
・フーリエビームフォーミング(方法D4)
本発明の根幹たるビームフォーミングである。受信信号の多次元周波数領域において、デジタル波数マッピングを行う方法であり、高速フーリエ変換を行い、方法D3と同等の精度を格段に高速に計算できる。他に報告されている通常のフーリエイメージング法と異なる特徴として、そのデジタル波数マッピングにおいて補間近似処理を要さないが、より高速化するべく、補間近処理を行うことも可能である。但し、その場合には、アーチファクトを生じ、その精度の低下を低減するべく、サンプリング周波数を高くすることが求められる。
これらのビームフォーミング処理において、必ずしも解析信号を処理するとは限らず、受信信号を解析信号にする計算を省いて計算時間を短縮化することがある。但し、時空間において複素指数関数を乗ずる処理においては、理論的に正しくは無く誤差を含むものであるが、超音波信号そのもののイメージングや、それを応用して実施される各種のイメージング(弾性イメージング等、その他多数)が実用的であることもある。
また、これらのDAS処理(方法D1〜D3)における各々のDelay処理は、DAS処理においてだけでなく、フーリエビームフォーミングやアダプティブビームフォーミングやミニマムバリアンス等の他のビームフォーミング時や、本願に記載の信号の位相収差補正や動き補償、位相マッチング、位置合わせ、位置補正等の信号を時間座標や空間座標や時空間座標においてシフティングする場合に有用である。また、本願に記載のものに限られない。1次元解析信号の場合と同様に、位置(x,y,z)又は時刻(t1,t2,t3)の多次元解析信号に処理を施すこともできる。例えば、方法D2においては、
2次元の場合に、
a(t1+t10, t2+t20)=a(t1,t2)exp[j{ω10(t1,t2)t10+ω20(t1,t2)t20}] (2DAS2)
a(x+x0, y+y0)=a(x,y)exp[j{kx0(x,y)x0+ky0(x,y)y0}] (2DAS2')
3次元の場合に、
a(t1+t10, t2+t20, t3+t30)=a(t1,t2,t3)
×exp[j{ω10(t1,t2,t3)t10+ω20(t1,t2,t3)t20+ω30(t1,t2,t3)t30}] (3DAS2)
a(x+x0, y+y0, z+z0)=a(x,y,z)
×exp[j{kx0(x,y,z)x0+ky0(x,y,z)y0+kz0(x,y,z)z0}] (3DAS2')
と計算できる。但し、(ω10,ω20,ω30)は、各時刻(t1,t2,t3)における各時間方向の公称角周波数、重心(中心)角周波数、及び、瞬時角周波数であり、(kx0,ky0,kz0)は、各位置(x,y,z)における各方向の波数である。位置(x,y,z)又は時刻(t1,t2,t3)の組み合わせの多次元信号においても同様にシフティングできる。つまり、デジタル信号において、各時刻における各時間方向の公称角周波数、重心(中心)角周波数、及び、瞬時角周波数又は各位置における各方向の波数を用いて、離散座標(高い精度を必要とする場合は高サンプリング周波数であることが望ましい)においてアナログ的なシフティングを施すことができる。1次元の場合と同様に、方法D1(時空間領域における信号のブロックマッチング又は断片のマッチングに該当)に比べて精度を高くでき、その他の方法(方法D3の周波数領域における位相回転に基づく位相マッチングや方法D4のフーリエビームフォーミング)に比べると精度が低いが計算速度は速い。高速な計算速度を必要とする場合に適している。
方法DIIにおける変調も、1次元解析信号の場合と同様に、位置(x,y,z)又は時刻(t1,t2,t3)の多次元解析信号に施すことができる。
例えば、2次元の場合に、
a'(x,y)=a(x,y)exp[j{kx0'(x,y)x+ ky0'(x,y)y}] (2DASII7)
a'(t1,t2)=a(t1,t2)exp[j{ω10'(t1,t2)t1+ω20'(t1,t2)t2}] (2DASII7')
3次元の場合に、
a'(x,y,z)=a(x,y,z)exp[j{kx0'(x,y,z)x+ ky0'(x,y,z)y+ kz0'(x,y,z)z}]
(3DASII7)
a'(t1,t2,t3)=a(t1,t2,t3)exp[j{ω10'(t1,t2,t3)t1+ω20'(t1,t2,t3)t2+ω30'(t1,t2,t3)t3}]
(3DASII7')
と求まる。但し、(kx0',ky0',kz0')は各位置(x,y,z)において多次元信号に施す各方向の変調波長であり、(ω10',ω20',ω30')は各時刻(t1,t2,t3)において多次元信号に施す各時間方向の変調周波数である。空間座標と時間座標を持つ多次元信号にも同様に施せる。1次元の場合を含め、応用はDAS処理に限らない。
他のDelay処理も多次元処理が可能で、多次元信号に施すことができる。
Here, some examples of DAS processing that may be implemented in the present invention are summarized. The method DII of the present invention is also included. In the following, processing of real-time signals and analysis signals is described, but other processing may be applied to signals that have been subjected to various processing described in this specification.
-DAS processing (method D1) performed by a normal digital diagnostic device
In order to perform reception dynamic focusing, in the reading of the received signal stored in the memory of each channel after AD (Analogue-to-Digital) conversion processing, it is determined by the distance between each receiving element position of each channel and each point of interest. The stored signal is read from the memory at the address indicating the digital reception time (ie, Delay). Then, those signals within the effective aperture width are added (Summation). According to this method, an error determined by the sampling frequency of the received signal occurs in the delay, so that sampling is naturally performed based on the Nyquist theorem, but sampling is performed at a high frequency as much as possible. Has the characteristics of being fast. The signal to be processed may be an analysis signal in addition to the digital real signal after AD conversion processing. The calculation may be performed using a general-purpose CPU in addition to the dedicated circuit, and an embodiment of a calculation protocol is also shown below. The sampled time and space coordinates (integer values) may be considered as an index of an array in which a digital signal is stored in the program, or may be considered as an address of a memory in which the digital signal is stored (hereinafter the same). ).
For example, in the DAS processing at the sampling position i = I represented by an integer value closest to the interest point A or the interest point A, an actual signal or an analysis signal
r (I) (DAS1)
If the signal from the point of interest A received by another receiving element to be added to is present at a position where the propagation distance is longer by Δx in the received signal r ′ (in the case of the reflection method, the outgoing path synthesis, etc. Or, when performing beam forming for transmission, the difference in propagation distance at that time is also included. When the sampling interval is expressed as sampx, Δi = nint (Δx / sampx) (where nint ( x) represents a rounded integer function), or Δi = inta (Δx / sampx) (where inta (x) represents a rounded integer function), or Δi = intd (Δx / sampx) (where intd (x) represents a rounded down integerization function) or a real signal or analysis signal expressed using an integer value Δi calculated using a function or calculation that converts the argument x to an integer
r '(I + Δi) (DAS1')
Is added. The integer value Δi is preferably such that Δi × sampx is closest to the analog value Δx (nint is preferable in the above), and the calculation method is not limited to these. This process is added to the digital signal received by the receiving element within the effective aperture width at each position and added. Under the assumption that the propagation speed is constant, the same explanation can be made by using time instead of distance.
Alternatively, there are various interpolation processing methods for digital signal values, and using them, the signal value at the position of Δx may be obtained by interpolation approximation (bilinear interpolation, high-order interpolation, Lagrangian method, spline interpolation, etc.) In addition to these, various interpolation approximations can be performed).
-DAS processing with high accuracy of method D1 (method D2)
While performing DAS processing based on the method D1, in order to increase the accuracy of the delay processing, the analysis signal a (t) of the received signal calculated based on the Hilbert transform is multiplied by a complex exponential function, and phase rotation is performed. By multiplying the delay to perform, the accuracy of the time t 0 shorter than the sampling time interval samt is obtained, and the addition processing is performed.
a (t + t 0 ) = a (t) exp [jω 0 (t) t 0 ] (DAS2)
Here, j is an imaginary unit, and a relationship of t = i × sampt (i is an integer value of 0 to N−1) is established, and ω 0 (t) is a nominal angular frequency at a sampling time (position) t. , The center of gravity (center) angular frequency, or the instantaneous angular frequency. Expression (DAS2) is an approximate calculation of a signal of time (position) moved by an analog amount t 0 in the positive direction of the sampling coordinate system with respect to the sampling time (position) t. In the DAS processing at the sampling position i = I that is closest to the point of interest A and is represented by an integer value, the delay value Δt of the analog amount to be applied (for the reflection method) for the sampling time (position) t as in the method D1. In this case, Δi (for example, Δi = nint (Δt / sampt)) calculated on the basis of the forward or transmission beamforming such as aperture synthesis is also used. It is desirable to use an analysis signal a (t) (= a ((I + Δi) × sampt)) of the represented sampling time (position) I + Δi. That is, it is desirable to use a signal having a sampling time (position) t closest to the ideal analog time (position) T = I × sampt + Δt. Therefore, when T> t, the equation uses a positive value t 0 = Tt = Δt−Δi × sampt, and when T <t, the equation uses a negative value t 0 = Tt. This process is added to the digital signal received by the receiving element within the effective aperture width at each position and added.
Although it is more accurate than the method D1, it is an approximation process using the sampled time (position) frequency ω 0 (t). It is affected by frequency modulation such as attenuation and scattering. As with method D1, the sampling frequency should be higher. Has high speed.
Incidentally, when the sampling signal is expressed clearly at discrete positions x (= i × sampx, i is an integer value of 0 to N−1) instead of time, the equation (DAS2) is expressed by the wave number k 0 (= ω 0). / c = 2πf 0 / c = 2π / λ) (where c is the wave propagation velocity, f 0 is the nominal frequency, centroid (center) frequency, and instantaneous frequency, λ is the wavelength),
a (x + x 0 ) = a (x) exp [jk 0 (x) x 0 ] (DAS2 ′)
It is expressed. Similarly, in the DAS process at the sampling point i = I represented by an integer value closest to the point of interest A or the point of interest A, the distance difference Δx of the analog amount to be applied to the discrete position x (in the case of the reflection method, Δi (eg, Δi = nint (Δx / sampx)) calculated based on the difference in propagation distance at the time of forward or transmission beamforming, such as aperture synthesis, is used. It is desirable to use an analysis signal a (x) (= a ((I + Δi) × sampx)) at a sampling position I + Δi expressed as follows. That is, it is desirable to use the signal at the sampling position x closest to the ideal analog position X = I × sampx + Δx. Therefore, when X> x, the expression uses a positive value x 0 = X−x = Δx−Δi × sampx, and when X <x, the expression uses a negative value x 0 = X−x.
Alternatively, in each of the equations (DAS2) and (DAS2 ′), phase rotation is performed on the digital signal of the ideal analog time (position) T and the sampling time (position) t and position x closest to the ideal analog position X. Rather than multiplying, each receiving element position within the effective aperture width when each sampling position i (x = i × sampx i) of each generated beam or each wave is considered as each interest point A is the respective interest. Using the Delay Δt and the distance difference Δx with respect to the point A as discrete (digital) data Δt (i) and Δx (i) represented for each point of interest i, reception within the effective aperture width at each position The analytic signal a (i) of each digital received signal received by the element is multiplied by a complex exponential function as follows,
a (i) exp [jω 0 (i) Δt (i)] (DAS2 ″)
a (i) exp [jk 0 (i) Δx (i)] (DAS2 ''')
to add.
-DAS treatment improved from method D2 (method DII)
The method D2 is an approximation process using the frequency and wave number of the sampling position in the analysis signal. However, the present invention, which is the method DII, similarly enables high-speed calculation without using the frequency and wave number of the sampling position.
Center-of-gravity (center) frequency (analog value obtained at frequency coordinate i represented by integer value in discrete Fourier transform) obtained as centroid of amplitude spectrum S (i) in the frequency domain (non-positive frequency spectrum is zero)
M 0 = ΣiS (i) / ΣS (i) (DASII1)
However, the amplitude spectrum S (i) (where i = 0 to N-1) is the product of the Fourier transform of the digital spatial signal r (x) (where the sampling position is x = i × sampx) and its conjugate. It is obtained from the square root. In the equation, the addition range of Σ is i = 0 to N / 2.
Therefore, the wave number k 0 is
k 0 = (2πM 0 ) / (N × sampx) (DASII2)
It is. Here, the analytic signal a (x)
a (x) = A (x) exp {jk 0 (x) x}
= A (x) exp {jk 0 (x) x (i x sampx)} (DASII3)
Try to express.
Based on this, each receiving element position within the effective aperture width when each sampling position i (x = i × sampx i) of each generated beam or each wave is considered as each interest point A is each interest point. The distance difference Δx with respect to A is used as discrete (digital) data Δx (i) represented for each point of interest i, and each digital received signal received by the receiving element within the effective aperture width at each position The analytic signal a (i) is multiplied by a complex exponential function as follows,
a (i) exp {j (2πΔx (i) / sampx) / (N × sampx) × (i × sampx)}
= a (i) exp {j (2πΔx (i)) / (N × sampx) × i} (DASII4)
And calculate. As the DAS-processed signal advances in the positive x direction, an effect is obtained in which the direction orthogonal to the signal is strongly widened (higher resolution). Note that i (= 0 to N) in the formula (DASII4) is
Ni (i = 0 ~ N-1) (DASII5)
You may calculate using. In this case, as the DAS-processed signal returns to the negative x direction, an effect is obtained in which the direction orthogonal to the signal is strongly broadened (high resolution). If Δx is made constant without depending on the point of interest i, this means that frequency modulation that is invariant in the i direction is applied. In other words, this process performs frequency modulation on the received signal at each receiving element position within the effective aperture width for each point of interest i.
M 0 + Δx (i) / sampx (DASII6)
Is a process of multiplying and adding. Similarly, when the signal is represented not as a digital spatial signal but as a digital time signal r (t), the analysis signal a (i) represented using the instantaneous frequency ω 0 (i) is as follows: Is multiplied by the complex exponential function,
a (i) exp {j (2πΔt (i) / sampt) / (N × sampt) × (i × sampt)}
= a (i) exp {j (2πΔt (i)) / (N × sampt) × i} (DASII4 ′)
And calculate. Others are the same.
It is also effective to apply desired frequency modulation to a specific position or to apply frequency modulation uniformly in space. If the modulation wavelength applied to the signal at position x and time t is k 0 ′ and the modulation frequency is ω 0 ′,
a '(x) = a (x) exp [jk 0 ' (x) x] (DASII7)
a '(t) = a (t) exp [jω 0 ' (t) t] (DASII7 ')
It is obtained. Similarly, it can be applied to discrete signals.
Superimposing unmodulated waves and modulated waves is also effective for widening the bandwidth (higher resolution) and improving the accuracy of observation using phase (displacement observation, etc.).
・ Theoretical most accurate DAS processing (Method D3)
A method invented in the past by the present inventor (Patent Document 6 and Non-Patent Document 15), wherein a spectrum A (ω) of a local signal including a signal at a position of interest is multiplied by a complex exponential function in the frequency domain, Delay is performed by rotating the phase of the signal.
A '(ω) = A (ω) exp [jωt 0 ]
This is an interpolation process that satisfies the sampling theorem, and theoretically has the highest accuracy, but requires calculation time.
Fourier beam forming (Method D4)
It is beam forming which is the basis of the present invention. In this method, digital wave number mapping is performed in the multi-dimensional frequency domain of the received signal. Fast Fourier transform is performed, and the accuracy equivalent to method D3 can be calculated at a much higher speed. As a feature different from other reported normal Fourier imaging methods, interpolation approximation processing is not required in the digital wave number mapping, but interpolation near processing can also be performed in order to increase the speed. However, in that case, it is required to increase the sampling frequency in order to cause artifacts and reduce the decrease in accuracy.
In these beam forming processes, the analysis signal is not necessarily processed, and the calculation time may be shortened by omitting the calculation for converting the received signal into the analysis signal. However, in the process of multiplying the complex exponential function in space-time, it is not theoretically correct and includes errors, but imaging of the ultrasonic signal itself and various imaging performed by applying it (such as elastic imaging, Many others) may be practical.
In addition, each delay process in these DAS processes (methods D1 to D3) is not limited to the DAS process, but is also performed during other beam forming such as Fourier beam forming, adaptive beam forming, and minimum variance, and the signals described in the present application. This is useful when shifting signals such as phase aberration correction, motion compensation, phase matching, alignment, and position correction in time coordinates, space coordinates, and space-time coordinates. Moreover, it is not restricted to the thing as described in this application. As in the case of the one-dimensional analysis signal, the multi-dimensional analysis signal at the position (x, y, z) or time (t1, t2, t3) can be processed. For example, in method D2,
In the case of two dimensions,
a (t1 + t1 0 , t2 + t2 0 ) = a (t1, t2) exp [j {ω1 0 (t1, t2) t1 0 + ω2 0 (t1, t2) t2 0 }] (2DAS2)
a (x + x 0 , y + y 0 ) = a (x, y) exp [j {kx 0 (x, y) x 0 + ky 0 (x, y) y 0 }] (2DAS2 ′)
In the 3D case,
a (t1 + t1 0 , t2 + t2 0 , t3 + t3 0 ) = a (t1, t2, t3)
× exp [j {ω1 0 (t1, t2, t3) t1 0 + ω2 0 (t1, t2, t3) t2 0 + ω3 0 (t1, t2, t3) t3 0 }] (3DAS2)
a (x + x 0 , y + y 0 , z + z 0 ) = a (x, y, z)
Xexp [j {kx 0 (x, y, z) x 0 + ky 0 (x, y, z) y 0 + kz 0 (x, y, z) z 0 }] (3DAS2 ')
Can be calculated. However, (ω1 0 , ω2 0 , ω3 0 ) are the nominal angular frequency, centroid (center) angular frequency, and instantaneous angular frequency in each time direction at each time (t1, t2, t3), and (kx 0 , ky 0 , kz 0 ) is the wave number in each direction at each position (x, y, z). Shifting can be similarly performed in a multidimensional signal of a combination of position (x, y, z) or time (t1, t2, t3). In other words, in the digital signal, discrete coordinates (requires high accuracy) using the nominal angular frequency in each time direction at each time, the center of gravity (center) angular frequency, and the instantaneous angular frequency or wave number in each direction at each position. In some cases, it is desirable to have a high sampling frequency). As in the case of the one-dimensional case, the accuracy can be increased compared to the method D1 (corresponding to block matching or fragment matching of signals in the spatiotemporal domain), and other methods (phase matching based on phase rotation in the frequency domain of the method D3) Compared with Fourier beam forming in method D4), the accuracy is low, but the calculation speed is fast. This is suitable when high calculation speed is required.
Similarly to the case of the one-dimensional analysis signal, the modulation in the method DII can be performed on the multi-dimensional analysis signal at the position (x, y, z) or the time (t1, t2, t3).
For example, in the case of two dimensions,
a '(x, y) = a (x, y) exp [j {kx 0 ' (x, y) x + ky 0 '(x, y) y}] (2DASII7)
a '(t1, t2) = a (t1, t2) exp [j {ω1 0 ' (t1, t2) t1 + ω2 0 '(t1, t2) t2}] (2DASII7')
In the 3D case,
a '(x, y, z) = a (x, y, z) exp [j {kx 0 ' (x, y, z) x + ky 0 '(x, y, z) y + kz 0 ' (x, y, z) z}]
(3DASII7)
a '(t1, t2, t3) = a (t1, t2, t3) exp (j {ω1 0 ' (t1, t2, t3) t1 + ω2 0 '(t1, t2, t3) t2 + ω3 0 ' ( t1, t2, t3) t3}]
(3DASII7 ')
It is obtained. Where (kx 0 ′, ky 0 ′, kz 0 ′) is the modulation wavelength in each direction applied to the multidimensional signal at each position (x, y, z), and (ω1 0 ′, ω2 0 ′, ω3 0 ') Is a modulation frequency in each time direction applied to the multidimensional signal at each time (t1, t2, t3). The same applies to multidimensional signals with spatial and temporal coordinates. Applications are not limited to DAS processing, including one-dimensional cases.
Other delay processes can also be multidimensional and can be applied to multidimensional signals.
また、本発明の他の観点に係るビームフォーミング方法は、上記の(1)〜(6)、(7)に記載のフーリエビームフォーミングやDAS処理等他、全てのビームフォーミングにおいて、アレイ型開口素子群(各々の素子が独立に駆動され、また、独立に受信信号を得ることのできる、独立した送信又は受信のチャンネルを持つ)において、隣接する又は離れた位置(等間隔とは限らない)の少なくとも2つ以上の素子に同一の送信又は受信の遅延や送信又は受信のアポダイゼーションを施して1つの開口として使用することにより、1素子を用いた送信又は受信よりも強さの大きい波動を送信又は受信のビームフォーミングに使用することを含む。例えば、1次元アレイ型トランスデューサにおいて、軸方向や横方向の空間分解能を向上させるべく、素子幅や素子間隔を短くした場合に、送信や受信の波動の強さは弱くなる。また、2次元アレイやさらに高次元のアレイを使用する場合にも然りである(次元数の方向の素子幅や素子間隔が短くなる)。素子厚を薄くして周波数を高くする場合や例えば超音波においてはPZT等に比べて送信強度の弱いPVDF等を用いる場合等でも波動の強さは弱くなる。この様な場合に有効となる。つまり、送信又は受信の波動の強度を大きくして、受信トランスデューサにて受信される受信信号のSN比を向上させることができる。例えば、古典的な開口面合成(モノスタティックやマルチスタティック)を行う場合に効果がある。この場合の走査(スキャン)は、有効開口幅を物理的な素子間隔(1素子ずつ)の距離でずらしていくことも可能であるし、任意の素子数の間隔の距離でずらしていくこともできるし、走査の間にずらす距離を可変にすることもある。多次元アレイ型トランスデューサにおいては次元の各方向で異なる素子数や異なる距離間隔で走査していくこともある。上記の1つの開口と見なす隣接する又は離れた位置の素子の組み合わせを、走査の間に変化させることもある。また、通常のビームフォーミングにて行われている通り、走査の間に有効開口幅を変化させる場合も有る。様々な型のアレイ型トランスデューサにおいて実施可能であり、この処理そのものは、デジタル装置のみならず、アナログ装置やデジタル装置との融合装置(例えば、送信ディレイや送信アポダイゼーション等を含む送信回路はアナログ回路)において実施されることもある。本処理における、送信又は受信の1つの素子として見なす素子の数やそれらの位置(組み合わせ)や送信又は受信の有効開口幅、送信又は受信の有効開口幅をずらす距離を上記のビームフォーミングパラメータに加え、必要に応じては上記の波動のパラメータも使用し、また、必要に応じて複数の有効開口を共に使用して複数の波動やビームを生成し(同時送信又は対象が同一の時相において異なる時間に送信)、同様にして本発明に記載の様々な応用を行うこともある。古典的な開口面合成や通常のビームフォーミングにおける送信又は受信において、少なくとも1つの有効開口幅内にて、1つの開口と見なす複数の開口素子を複数箇所にて同時に使用することもある。物理開口の幅の大きいアレイ素子や単一開口を持つトランスデューサを用いて強い強度の波動で観測対象を機械的に走査(送信又は受信の位置がデジタル的又はアナログ的に変化)する際に、物理開口の幅に比べて空間的に密に又は疎に送信又は受信したものにビームフォーミングを施すこともある。 In addition, the beam forming method according to another aspect of the present invention is an array type aperture element in all beam forming such as Fourier beam forming and DAS processing described in (1) to (6) and (7) above. In groups (with independent transmit or receive channels where each element is driven independently and can independently receive the received signal) in adjacent or remote locations (not necessarily equally spaced) At least two or more elements are subjected to the same transmission or reception delay or transmission or reception apodization and used as one aperture, thereby transmitting a wave having a strength stronger than transmission or reception using one element or Including use for receive beamforming. For example, in a one-dimensional array type transducer, when the element width and the element interval are shortened in order to improve the spatial resolution in the axial direction and the lateral direction, the intensity of wave of transmission and reception becomes weak. This is also true when a two-dimensional array or a higher-dimensional array is used (the element width and the element interval in the direction of the number of dimensions are shortened). In the case of increasing the frequency by thinning the element thickness, or in the case of using PVDF or the like whose transmission intensity is weaker than that of PZT or the like in the ultrasonic wave, the intensity of the wave becomes weak. This is effective in such cases. That is, it is possible to increase the S / N ratio of the reception signal received by the reception transducer by increasing the intensity of the transmission or reception wave. For example, it is effective when performing classical aperture synthesis (monostatic or multistatic). In this case, the effective aperture width can be shifted by a physical element interval (one element at a time), or can be shifted by an arbitrary number of elements. It is possible to make the distance shifted during scanning variable. In a multi-dimensional array type transducer, scanning may be performed with different numbers of elements and different distance intervals in each direction of dimension. The combination of adjacent or distant elements considered as one aperture may be changed during the scan. Further, as is done in normal beam forming, the effective aperture width may be changed during scanning. It can be implemented in various types of array type transducers, and this process itself is not only a digital device, but also an analog device or a fusion device with a digital device (for example, a transmission circuit including transmission delay, transmission apodization, etc. is an analog circuit). May also be implemented. In this process, the number of elements regarded as one element for transmission or reception, their position (combination), effective aperture width for transmission or reception, and distance for shifting the effective aperture width for transmission or reception are added to the above beam forming parameters. If necessary, the above wave parameters are also used, and if necessary, a plurality of effective apertures are used together to generate a plurality of waves and beams (simultaneous transmission or different targets in the same time phase). In the same way, various applications described in the present invention may be performed. In transmission or reception in classical aperture plane synthesis or normal beam forming, a plurality of aperture elements that are regarded as one aperture may be used simultaneously at a plurality of locations within at least one effective aperture width. When an object to be observed is mechanically scanned with a strong intensity wave using an array element with a large physical aperture width or a transducer with a single aperture (the position of transmission or reception changes digitally or analogly), Beam forming may be applied to a beam transmitted or received spatially densely or sparsely compared to the width of the aperture.
この複数素子の同時駆動は、一素子駆動における一素子又は複数素子による受信時においても、それらの素子の受信信号を加えて、同効果を得ることもある。また、複数素子の同時駆動における一素子又は複数素子による受信時においても同様に処理して同効果を得ることもある。また、有効開口幅内の素子群の駆動による送信ビームフォーミングを行う場合においても、その有効開口幅内に存在する様々な組み合わせの複数素子から同時に送信することもある。複数の有効開口幅から同時に送信することもある。 This simultaneous driving of a plurality of elements may obtain the same effect by adding reception signals of those elements even when receiving by one element or a plurality of elements in one element driving. The same effect may be obtained by processing in the same way even when receiving by one element or a plurality of elements in the simultaneous driving of a plurality of elements. Also, when performing transmission beamforming by driving an element group within the effective aperture width, transmission may be performed simultaneously from various combinations of elements existing within the effective aperture width. There are also cases in which transmission is performed simultaneously from a plurality of effective aperture widths.
上記の如く様々な様態にて複数素子の同時送信を実施することは、送信素子の幅や送信素子のピッチを大きくすることと等価であり、グレーティングローブが生じる。上記の如く、送信素子の幅は大きくして、送信素子のピッチは素子幅よりも小さいこともある。また、物理的に素子幅やピッチが大きい場合もある(メカニカルスキャンして素子の幅やピッチの距離よりも密に信号を収集することもある)。これらは、波動の搬送周波数やステアリング角度(0°を含む)に依存する(幾何学的な計算によりグレーティングローブの生じる方向を見積ることもできる)。また、そもそも開口素子からはサイドローブが生じる。通常、これらは偽像(アーチファクト)の原因となるため低減するべく、素子の幅やピッチ、素子形状、波動の搬送周波数、ステアリング角度、アポダイゼーション等が最適化されてビームフォーミングは実施されている。実際には、送信と受信の感度は異なるが、同じに考えることも多い。受信のみにおいても同様にグレーティングローブやサイドローブは生じ、送信と受信の両者で生じることもあるが、送信と受信で生成されるものは、異なる素子又は異なる素子の組み合わせを用いることで異なることもある。
本発明者が特許文献7や非特許文献19にて開示している通り、周波数領域においてステアリング角度の異なる波動を分離することが可能である(段落0623も参照)。スペクトルの重心やそのスペクトルに対応する解析信号の瞬時周波数から、波動の伝搬方向や実際に生じたステアリング角度を推定できる。この方法は、それらのグレーティングローブやサイドローブをメインローブから分離する場合や除去する場合にも使用できる。通常、グレーティングローブやサイドローブのスペクトルは周波数空間において離れており、それらを特定することや分離することは容易である(注目するスペクトルのみ抽出するか、又は、他の帯域のスペクトルを零にすれば良い)。
Performing simultaneous transmission of a plurality of elements in various manners as described above is equivalent to increasing the width of the transmission elements and the pitch of the transmission elements, resulting in a grating lobe. As described above, the width of the transmitting element is increased, and the pitch of the transmitting element may be smaller than the element width. In some cases, the device width or pitch is physically large (signals may be collected more densely than the device width or pitch distance by mechanical scanning). These depend on the wave carrier frequency and the steering angle (including 0 °) (the direction of the grating lobe can also be estimated by geometric calculation). In the first place, side lobes are generated from the aperture elements. Usually, since these cause false images (artifacts), the beam forming is performed by optimizing the element width, pitch, element shape, wave carrier frequency, steering angle, apodization, and the like. Actually, the sensitivity of transmission and reception is different, but the same is often considered. Likewise, grating lobes and side lobes are generated in reception alone, and may occur in both transmission and reception. is there.
As the inventor discloses in Patent Document 7 and Non-Patent Document 19, it is possible to separate waves with different steering angles in the frequency domain (see also paragraph 0623). From the centroid of the spectrum and the instantaneous frequency of the analysis signal corresponding to the spectrum, the propagation direction of the wave and the steering angle actually generated can be estimated. This method can also be used when separating or removing the grating lobes and side lobes from the main lobe. Usually, the spectrum of the grating lobe and side lobe is separated in the frequency space, and it is easy to identify and separate them (extract only the spectrum of interest or make the spectrum of other bands zero). Just fine).
実のところ、これらのグレーティングローブやサイドローブは、横方向変調を実現するべく、そのままで又は加工して積極的に使用でき、波動のイメージングや変位(ベクトル)観測等、様々に応用することができる。通常、横方向変調は波動が交差している状況のものを言うが、ステアリングされた各々の波動に分離されて応用されることもある(同時に重み付けされることもある)。これらにおいて、例えば、分離された波動を検波してインコヒーレント信号にしてイメージングしたり、それらのインコヒーレント信号を重ね合わせ(コンパウンディング)してイメージングし、スペックルを低減したりできる。また、コヒーレント信号のままにおいてスペクトルをある帯域で分割(又は重み付け)して新しいコヒーレント信号を合成することもある。ステアリング角度などのパラメータの異なる波動を1つ以上生成し、各々を検波してイメージングしたり、重ね合わせてイメージングすることもできる。また、これらの処理により生成されたコヒーレント信号の各々が変位の観測に用いられたり、同時に使用されて同一の変位や変位ベクトル成分に関する連立方程式や過剰決定(over-determined)的なシステムが解かれることもある。グレーティングローブやサイドローブに対応する波動には、ビームフォーミングにて設定したステアリング角度よりも大きいステアリング角度を持つものが有り、その場合には、横方向の周波数がグレーティングやサイドローブを生じない場合に比べて高くなり、横方向の変位(非特許文献19)や変位ベクトルの計測精度が向上する。ビームフォーミングにて設定したステアリング角度よりも大きい又は略同じステアリング角度を持つものが有り、これらと併用されることもある。尚、グレーティングローブやサイドローブは複数生成されるが、横方向に周波数の高いほど信号強度は弱く、信号のSN比が低い点で捨てるべく周波数領域でスペクトルを零にするか、単独では使用せずに横方向に周波数の低いものと共に波動の成分として使用する。通常のステアリングビームフォーミングと同様に、横方向の周波数が高いと正面方向の周波数は低くなるが、変位ベクトルを観測する場合においては横方向変位の計測精度が向上する効果がその低周波化に勝り、正面方向変位の計測精度も向上することがある。 In fact, these grating lobes and side lobes can be used actively as they are or processed to achieve lateral modulation, and can be used in various applications such as wave imaging and displacement (vector) observation. it can. Usually, lateral modulation refers to the situation where the waves intersect, but is sometimes applied separately to each steered wave (sometimes weighted simultaneously). In these, for example, the separated waves can be detected and imaged as incoherent signals, or the incoherent signals can be superimposed (compounded) and imaged to reduce speckle. Further, a new coherent signal may be synthesized by dividing (or weighting) the spectrum in a certain band while maintaining the coherent signal. It is also possible to generate one or more waves having different parameters such as a steering angle, and detect and image each of them or superimpose images. Also, each of the coherent signals generated by these processes can be used for observation of displacement or used simultaneously to solve simultaneous equations and over-determined systems for the same displacement and displacement vector components. Sometimes. Some of the waves corresponding to the grating lobe and side lobe have a steering angle larger than the steering angle set by beam forming, in which case the lateral frequency does not cause a grating or side lobe. Compared to this, the measurement accuracy of the lateral displacement (Non-Patent Document 19) and displacement vector is improved. Some have a steering angle larger than or substantially the same as the steering angle set by beam forming, and these may be used together. Although multiple grating lobes and side lobes are generated, the higher the frequency in the lateral direction, the weaker the signal strength, and the spectrum is made zero in the frequency domain so that it can be discarded when the signal SN ratio is low. Rather, it is used as a wave component with a low frequency in the lateral direction. As with normal steering beam forming, if the frequency in the lateral direction is high, the frequency in the front direction is low, but when observing the displacement vector, the effect of improving the measurement accuracy of the lateral displacement is superior to the low frequency In addition, the measurement accuracy of the displacement in the front direction may be improved.
これらの処理において生成される複数の波動を用い、デジタル信号ユニットにおいて、任意方向に移動する変位ベクトル(多次元自己相関法や多次元自己ドプラ法等(非特許文献13)を使用して変位ベクトル成分に関する連立方程式を解くという方法で、本願の発明者の過去の発明)や通常の1方向の変位が高精度に計測される(求める変位成分の数よりも多くの方程式を導出し、過剰決定(over-determined)的なシステムにおいて、最小二乗法や計算結果の平均値、波動が重なって高周波且つ広帯域である状態で精度の高い結果を得る等、特許文献5)。生成される波動ひとつひとつから、方程式が1つずつ導出される。1つの波動に通常のドプラ法が施されることもある。ひとつひとつの波動は、波動が重なったものであることもあるし、スペクトルが周波数分割又はスペクトルが加工されたものであることもある。ひとつひとつの波動は、高周波数であることが望ましく、低周波スペクトルを除去したものが使用されることもあり、また、高空間分解能も必要とされる場合には広帯域であることが望ましい(非特許文献14)。その分割と加工には、スペクトルを重み付けできる窓が使用されることもある。変位(ベクトル)からは、空間又は時間に関する微分フィルタを用いた偏微分処理により、歪(テンソル)、歪速度(テンソル)、速度(ベクトル)、加速度(ベクトル)が得られる。これらは、(粘)ずり弾性率や粘性、平均垂直応力、密度等を求めるために使用できる。この他に、変位(ベクトル)を計測する方法として、本願の発明者の過去の発明である、多次元クロススペクトル位相勾配法(ブロックマッチング法の1つ、特許文献6や非特許文献15等を参照)やデジタルデモジュレーション法(特許文献7)があり、同様に、歪等の計測も可能である。また、これらを用いると、ずり波や低周波振動の波の伝搬を計測することもできる。(粘)ずり弾性率、ずり波の伝搬速度、伝搬方向、ずり波の変位、周波数、位相、振動振幅、振動速度、振動加速度等を計測できる。これらは、分布としても求めることができる。 A displacement vector (multidimensional autocorrelation method, multidimensional self-Doppler method, etc. (non-patent document 13) using a plurality of waves generated in these processes and moving in an arbitrary direction in the digital signal unit is used. By solving the simultaneous equations related to the components, the inventor of the present application can measure the displacement in one normal direction with high accuracy (derived more equations than the number of displacement components to be obtained, and overdetermined. In an (over-determined) system, the least square method, the average value of calculation results, and high-precision and high-frequency results are obtained in a state where the waves overlap and have a high frequency and a wide range, etc. (Patent Document 5). One equation is derived from each generated wave. A normal Doppler method may be applied to one wave. Each wave may be a combination of waves, or a spectrum may be frequency-divided or processed. It is desirable that each wave has a high frequency, a low-frequency spectrum removed may be used, and if a high spatial resolution is also required, a wide band is desirable (Non-patent) Reference 14). A window capable of weighting the spectrum may be used for the division and processing. From the displacement (vector), strain (tensor), strain velocity (tensor), velocity (vector), and acceleration (vector) are obtained by partial differentiation using a differential filter related to space or time. These can be used to determine (viscous) shear modulus, viscosity, average normal stress, density, and the like. In addition to this, as a method for measuring displacement (vector), a multidimensional cross spectrum phase gradient method (one of block matching methods, Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.), which is the past invention of the inventor of the present application. Reference) and a digital demodulation method (Patent Document 7), and similarly, distortion and the like can be measured. Moreover, when these are used, the propagation of shear waves and low-frequency vibration waves can be measured. The (viscous) shear modulus, shear wave propagation velocity, propagation direction, shear wave displacement, frequency, phase, vibration amplitude, vibration velocity, vibration acceleration, and the like can be measured. These can also be obtained as distributions.
この変位計測を高精度化するために、本願の発明者は過去に正則化を施すことを発明した。処罰項の正則化パラメータを決めるべく、例えば、a posterioriに、計測された変位(ベクトル)のばらつきを(局所)定常過程の下で推定して用いる(特許文献6)ことや、a prioriに、波動又はビームの特性等を用いて、Ziv-Zakai Lower Bound(ZZLB、例えば、非特許文献16に表されるばらつき)を用いること等を発明した(例えば、非特許文献17、18)。1方向の速度計測法である1次元自己相関法(非特許文献20)にて導出されているばらつきを応用することも可能である(パワードプラにて使用されている)。 In order to increase the accuracy of this displacement measurement, the inventors of the present application have invented regularization in the past. In order to determine the regularization parameter of the punishment term, for example, a posteriori is used by estimating the variation of the measured displacement (vector) under a (local) stationary process (Patent Document 6), or a priori, The inventors have invented the use of Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB, for example, variation shown in Non-Patent Document 16) using wave or beam characteristics (for example, Non-Patent Documents 17 and 18). It is also possible to apply the variation derived by the one-dimensional autocorrelation method (Non-Patent Document 20), which is a velocity measurement method in one direction (used in power Doppler).
本発明では、これらのばらつきやZZLBを、上記の如く導出されるドプラ方程式を連立する際に、各方程式の信頼度を調節するべく、重み付けするためにも使用できる(信頼度が高いものは重く、信頼度の低いものは低く設定する)。即ち、関心領域内の各位置において、上記のひとつひとつの波動又はビームからそれらの値を求め、その各位置において対応する各波動又は各ビームから導出されるドプラ方程式の各々を重み付けして連立方程式を解く。最小二乗法を用いて、Weighted Least Squares Solusion(WLSQS)を、a posteriori又はa prioriに求めることができる。 In the present invention, these variations and ZZLB can be used for weighting in order to adjust the reliability of each equation when the Doppler equations derived as described above are combined (the one with high reliability is heavy. Set low for low reliability). That is, at each position in the region of interest, the value is obtained from each of the waves or beams described above, and the Doppler equations derived from the corresponding waves or beams at each position are weighted to obtain the simultaneous equations. solve. Weighted Least Squares Solusion (WLSQS) can be determined for a posteriori or a priori using the least squares method.
上記の導出されるドプラ方程式の連立方程式が、
と表されるとき、ばらつきやZZLBの逆数を用いて、そのもの、又は、そのべき乗、又は、その分布を表すマトリクスWを用いて重み付けして解く。
, Using the dispersion or the inverse of ZZLB, weighting it using the matrix W representing itself, its power, or its distribution.
詳細には、1つの関心点又は局所領域に注目すると、波動又はビームp(=1〜N)の内の1つから導出されたドプラ方程式1つ(又は、複数、即ち、クロススペクトル位相勾配法を用いた場合には、局所領域で求められるクロススペクトラムに対して信号帯域内の位相スペクトラムに関して成立する式を連立した式の数、また、多次元自己相関法や多次元ドプラ法に基づいてブロックマッチングを行う場合には、局所領域内の位置において成立する式を連立した式の数)に対し、その関心点又は局所領域で計算されたZZLBの逆数値Wpはその関心点又は局所領域におけるそのビーム方向の変位のZZLBの逆数であるから、例えば、その関心点又は局所領域の未知変位が3次元ベクトルu = (Ux,Uy,Uz)Tであるときは、
例えば、非特許文献16に記載のZZLBに従って、Cramer-Rao Lower Bound (CRLB)が成立するとき、その二乗である分散は、
但し、Tは多次元自己相関法や多次元ドプラ法のときは周波数や位相変化を求める際の移動平均幅であり、多次元クロススペクトラム位相勾配法や多次元自己相関法、多次元ドプラ法にてブロックマッチングを行うときは変位計測の局所領域のビーム方向の長さであり(連立するビーム又は式においてTが同一の場合には、変数Tを使用する必要はなく、1等の任意定数で良い)、また、f0bはビーム方向の超音波周波数、Bbはビーム方向のRectangular帯域幅であり、SNRcはエコーのSN比であるSNReと相関SN比であるSNRρ(変位や対象の変形に伴って波形が歪むことにより相関性が低下して生じるノイズ成分に対する信号比)
との結合(Combined)SN比
However, T is the moving average width for obtaining the frequency and phase change in the case of the multidimensional autocorrelation method and the multidimensional Doppler method, and is used in the multidimensional cross spectrum phase gradient method, the multidimensional autocorrelation method, and the multidimensional Doppler method. When performing block matching, it is the length in the beam direction of the local region of displacement measurement (if T is the same in simultaneous beams or equations, the variable T need not be used, and an arbitrary constant such as 1 F 0b is the ultrasonic frequency in the beam direction, B b is the Rectangular bandwidth in the beam direction, and SNRc is the SNRe that is the SN ratio of the echo and SNRρ that is the correlation SN ratio (for displacement and deformation of the object). The signal ratio to the noise component generated by the waveform being distorted and the correlation being reduced)
Combined signal-to-noise ratio
従って、ばらつきは、例えば、特許文献17に記載の通り、T、f0b、Bb、SNRc、SNRe、SNRρ、ρを計測して用い、推定すれば良い。計測せずに任意の定数や典型値が使用されることもある。f0bは、非特許文献19に記載されている通り、瞬時周波数又は第1次モーメント(重心、つまり、重み付きの平均値)を求めれば良く、また、Bbは第2次の中心モーメントの平方根を求めれば推定できる。
同様に、式(S1')及び式(S2')中のスペクトルは、エネルギーが1となる様に正規化されたものである。若しくは、同様に、式(S1')及び式(S2')において生のスペクトルを用い、各々の計算結果を全エネルギーで除してもよく、後者の方が計算量が少ない。式(S2')で求まるBbは、実際の送信又は受信したパルス形状又はスペクトル形状を基にRectangular帯域幅を表す様に換算して使用されることもある(以下の第2次の中心モーメントを用いる場合も同様である)。
一方、エコーのSN比SNRe、は、対象物又は校正ファントムを対象として繰り返しエコーを収集して統計的に推定することができる。対象やその状態、計測の経験等に基づき、先験的に典型値を用いて決めてしまう場合もある。一方、相関SN比SNRρは各関心点において局所的に評価される相関値ρを用いて推定できる。これらの求め方は、これらに限られるものでは無い。また、いずれかの値が欠如して、ばらつきを絶対的には推定できない場合には、典型値を用いたりすることもできるが、正則化パラメータを設定する場合には、可能な範囲で表されたばらつきに未定の比例定数を掛け、この比例定数を変えながら得られる結果の良し悪しから最良の状況の結果が得られることもある(正則化について、例えば、特許文献6、非特許文献17や18)。
Similarly, the spectra in the formulas (S1 ′) and (S2 ′) are normalized so that the energy is 1. Alternatively, similarly, the raw spectrum may be used in the formula (S1 ′) and the formula (S2 ′), and each calculation result may be divided by the total energy, and the latter has a smaller calculation amount. B b obtained by the equation (S2 ′) may be used after being converted so as to represent the rectangular bandwidth based on the actual transmitted or received pulse shape or spectrum shape (the following second-order central moment) It is the same when using.
On the other hand, the echo SN ratio SNRe can be statistically estimated by repeatedly collecting echoes for the object or the calibration phantom. In some cases, the typical value is determined a priori based on the object, its state, measurement experience, and the like. On the other hand, the correlation SN ratio SNRρ can be estimated using the correlation value ρ evaluated locally at each point of interest. These ways of obtaining are not limited to these. In addition, if any value is missing and the variation cannot be estimated absolutely, a typical value can be used, but when setting a regularization parameter, it is represented in the possible range. The result of the best situation may be obtained from the quality of the result obtained by multiplying the undetermined variation by an undetermined proportionality constant and changing the proportionality constant (for example, Patent Document 6, Non-Patent Document 17 and 18).
また、1方向の速度計測法である1次元自己相関法(非特許文献20)にて導出されているばらつき(パワードプラにて使用されている)を応用する場合には、自己相関関数がslow-time-axis τにおいて、
尚、上記の自己相関関数は空間座標を用いて表さなかったが、関心点におけるビーム方向の1次元局所領域や関心点を含む2次元局所領域又は3次元局所領域の信号を用いて処理しても良い(1次元や2次元又は3次元の移動平均処理を含めても良く、例えば、非特許文献13や19に詳しい)。その2次元又は3次元の局所領域において、ビーム方向がそれらの局所領域の直交座標軸(デカルト座標系だけで無く、曲線座標系を含む)である必要は無く、求まる平均とばらつきは、その局所領域のビーム方向の速度の平均とばらつきである。
従って、ビーム方向の変位の平均と分散の各々は、式(AUTO2)又は(AUTO2')と(AUTO3)又は(AUTO3')のそれぞれに、IとIの二乗を掛けて求められる。ここでは、変位のばらつきを用いた変位の重み付き計測を示したが、速度や加速度のドプラ方程式を導出して各々のばらつきを重みにしてそれらを計測しても良い。
In addition, when applying the variation (used in power Doppler) derived by the one-dimensional autocorrelation method (Non-patent Document 20), which is a velocity measurement method in one direction, the autocorrelation function is slow. -time-axis τ
Although the above autocorrelation function is not expressed using spatial coordinates, it is processed using a signal of a one-dimensional local region in the beam direction at a point of interest or a two-dimensional local region including the point of interest or a three-dimensional local region. (One-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional moving average processing may be included. In the two-dimensional or three-dimensional local region, the beam direction does not have to be an orthogonal coordinate axis (including not only a Cartesian coordinate system but also a curved coordinate system) of the local region, and the average and variation obtained are determined by the local region. Is the average and variation of the velocity in the beam direction.
Accordingly, the average and dispersion of the displacement in the beam direction are obtained by multiplying the formulas (AUTO2) or (AUTO2 ′) and (AUTO3) or (AUTO3 ′) by the squares of I and I, respectively. Here, the weighted measurement of the displacement using the variation of the displacement is shown. However, the Doppler equations of speed and acceleration may be derived, and each variation may be weighted and measured.
ここで、ビーム方向の第1次モーメントや第2次の中心モーメントが直接的に推定されずに各方向のそれらが推定される場合(例えば、信号が3次元の場合)において、x軸方向の第1次モーメントf0xと第2次の中心モーメントBxは、
また、式(A4)〜式(A6)に記載のパラメータ(T、f0b、Bb、SNRc、SNRe、SNRρ)が複数の方向毎に与えられ、各方向の変位の平均f0x、f0y、f0zとばらつきσCRLBx、σCRLBy、σCRLBzが、各々、推定されたときは、ビーム方向の変位のばらつきσCRLBは、式(A8)に従って、
関心位置の未知変位が2次元ベクトルu = (Ux,Uy)である場合も同様に導出される(未知変位が1つであり、とある一方向の変位Uやビーム方向の変位Uである場合には、得られる推定値そのものが使用される)。
関心点又は関心点に関する局所領域の個々において変位を求める場合には、その位置において成立する重み付きドプラ方程式(A3)(p=1〜N)を連立して成立する式(A2)を解く。波動又はビームの数(即ち、式の数)Nは、未知変位成分の数以上である必要がある。但し、上記のブロックマッチングを行う場合には、上記の如く、1つの波動又はビームpから方程式(A3)の複数個が成立する。従って、他の変位計測法を用いる場合に比べて、少ない波動又はビームの数で計測が行われることもある。 In the case of obtaining the displacement in each of the interest points or the local regions related to the interest points, the weighted Doppler equation (A3) (p = 1 to N) established at the position is solved to solve the equation (A2). The number of waves or beams (ie, the number of equations) N needs to be greater than or equal to the number of unknown displacement components. However, when the above block matching is performed, a plurality of equations (A3) are established from one wave or beam p as described above. Therefore, the measurement may be performed with a smaller number of waves or beams than in the case of using other displacement measurement methods.
また、同時に、正則化も施す場合には、関心領域内の複数箇所の関心点又は関心点に関する局所領域にて成立する式(A3)を全て連立し、未知ベクトルuが変位成分分布であるときの式(A2)を得、正則化された重み付き最小二乗解が求められることもある(Regularized Weighted Least Squares Solusion:RWLSQS)。その際の正則化パラメータに、ばらつきやZZLBが使用されることがある(ばらつきに比例する値、べき乗に比例する値等)。正則化については、例えば、特許文献6等に詳しい。上記ひとつひとつの波動の伝搬方向やビーム方向の変位のばらつきが全ての方向の変位の正則化パラメータに使用されることがあるし、ひとつひとつの波動やビームにおいて推定された各方向の変位のばらつきが各々の方向の変位の正則化パラメータに使用されることもある。例えば、未知3次元変位ベクトル(Ux,Uy,Uz)Tの分布として、x、y、z方向の各変位成分Ux、Uy、Uzの分布であるUx、Uy、Uzを部分ベクトルとする未知ベクトルu= (Ux,Uy,Uz)Tを求める場合において、ビーム方向の変位のばらつきWp(p=1〜N)を対角成分に持つマトリクスW、又は、各方向の変位のばらつきWpx、Wpy、Wpz(p=1〜N)の各々を対角成分に持つマトリクスWx、Wy、Wzを用いると、最小二乗化される誤差エネルギーE(u)とその解uは、以下の如く表される。
また、ばらつきやZZLBは、選択されたドプラ方程式を連立して求まる変位成分の計測結果に関して平均処理を施す場合もあり、その場合の重み付けに使用されることもある。ビーム方向の変位のばらつきの逆数Wp(p=1〜N)、又は、各方向の変位のばらつきの逆数(Wpx,Wpy,Wpz)(p=1〜N)を用いて、重み付きの平均が求められることがある。
尚、ばらつきは、定常過程やZZLB以外に、非定常過程の下でアンサンブル平均に基づいて求められることもあり、校正ファントムを用いて求められることもあるし、計測対象そのものから求めることもある。以上の様にして、正則化パラメータや重み付きマトリクスは決められるが、その他、対象やその状態、計測の経験等に基づき、先験的に典型値を用いて決めてしまう場合もある。また、この限りでは無い。 In addition to the steady process and ZZLB, the variation may be obtained based on an ensemble average under an unsteady process, may be obtained using a calibration phantom, or may be obtained from a measurement object itself. As described above, the regularization parameter and the weighted matrix are determined, but there are cases where the typical value is determined a priori based on the target, its state, measurement experience, and the like. This is not the case.
この様に、重み値や正則化パラメータは、空間分解能を持つ状態で高精度に設定できるが、変形が小さい場合や、計算量を低減する場合には、関心点や局所領域よりも広い領域(例えば、関心領域全体や、例えば、伝搬方向距離や観測対象内の深さ毎に設けられる部分領域等の関心領域内の部分領域)を対象とし、ばらつきを推定し、また、波動又はビーム毎に大局的に設定されて処理されることもある。計測そのものを可能にせしめるためと計測精度の高精度化には、本願の発明者が過去に発明した位相マッチング法(特許文献6、非特許文献15)が必要とされるが、計測の高精度化には他に報告のある伸縮法等が有用である。
図19は、2次元の場合に、処理対象の次のフレーム内に設けられる探索領域を関心点又は関心点を含む局所領域の変位ベクトルの推定値を用いて移動させて行う動き補償(位相マッチング)の模式図であり、図19(a)は、並進の動き補償を示しており、図19(b)は、回転を含む動き補償を示している。3次元の場合には、3次元空間にて3次元又は2次元の局所領域や探索領域を用いて同様に処理される。
位相マッチングにおいて並進処理を行う場合(非特許文献13と15)には、例えば、リニアアレイ型探触子を用いたデカルト座標系等の任意の直交座標系において、各関心点又は各関心点を含む各局所領域に対し、次のフレーム(フレームNeと称す)内のその関心点又は関心点を含む局所領域の位置を含む探索領域又は関心領域(図19(a)を参照)の信号を用いる。段落0384の方法D3の1次元信号の位相回転と同様に複素指数関数をスペクトルに乗じ、例えば、2次元の場合に局所信号の変位ベクトルが(Δ1,Δ2)(1と2は2次元直交デカルト座標系の軸を表す)と推定された場合には、探索領域の波動信号の2次元スペクトルA(k1,k2)に複素指数関数exp{i(k1Δ1+k2Δ2)}を乗じて探索領域を変位ベクトルと逆の方向に(−Δ1,−Δ2)だけシフトさせ、3次元の場合に局所信号の変位ベクトルが(Δ1,Δ2,Δ3)(1と2と3は、3次元直交デカルト座標系の軸を表す)と推定された場合には、探索領域の波動信号の3次元のスペクトルA(k1,k2,k3)に複素指数関数exp{i(k1Δ1+k2Δ2+k3Δ3)}を乗じて探索領域を変位ベクトルと逆の方向に(−Δ1,−Δ2,−Δ3)だけシフトさせる(特許文献6、非特許文献15等)。即ち、その乗算後のスペクトルに逆フーリエ変換を施すと、同一位置にて位相マッチング(シフト)されたデカルト座標系で表された局所(時)空間信号が得られる。ちなみに、局所領域を変位ベクトル方向にシフトさせる場合には、各々において、複素指数関数の核の符号を反転させたexp{−i(k1Δ1+k2Δ2)}又はexp{−i(k1Δ1+k2Δ2+k3Δ3)}を乗ずれば良いが、デジタル信号処理においては、後述の通り、デジタル信号の巡回性が問題となるため、探索領域の波動信号をシフトさせるべきである。
位相マッチングにおいて回転処理を行う場合には、並進の位相マッチングと同様にして(非特許文献13と15、図19(a)を参照)、例えば、リニアアレイ型探触子を用いたデカルト座標系等の任意の直交座標系において、各関心点又は各関心点を含む各局所領域に対し、次のフレーム(フレームNeと称す)内のその関心点又は関心点を含む局所領域の位置を含む探索領域又は関心領域(図19(b)を参照)の信号の極座標系(極座標系の中心は各関心点又は関心領域内又は関心領域外の位置)のフーリエ変換(即ち、スペクトル)を、本明細書にて実施しているヤコビ演算を通じて近似処理せずに直接に得る。
即ち、2次元の場合には、例えば、x=rsinθ及びy=rcosθのとき、ヤコビ行列は(22)式で表されるフーリエ変換の場合の逆になるから(逆関数の定理)、
局所領域や探索領域は、関心点を中央にて設定することが多いが、後者は、組織変位の方向が先験的に与えられる場合に効率良くその方向に探索領域を設けることができる。位相収差補正や動き補償を目的とする場合も同様である。クロススペクトル位相勾配法以外の、例えば、多次元自己相関法等を用いる場合には、各フレームの(解析)信号を極座標系で求めれば良く、同様にヤコビ演算を用いたフーリエ変換を実施すれば良い。この様にして回転の位相マッチングも並進の位相マッチングと同様に高精度に実施できる。上記のヤコビ演算を用いたフーリエ変換により、セクタスキャンやコンベックス型探触子を用いた場合等、任意の直交座標系において表されるデジタル信号や離散フーリエ変換(離散スペクトル)を近似処理せずに直接に別の任意の直交座標系(直交デカルト座標系や様々な曲線直交座標系等の異なる直交座標系であったり、原点が異なったり回転していたり、同一の直交座標系であっても原点位置が異なったり、回転していたりする場合を含む)にて表し直すことが可能である(段落0026や段落0132、0214等に記載の位相回転を用いた厳密な補間近似も精度が高いが、計算に時間を要する)。図20は、ヤコビ演算を用いたフーリエ変換による信号処理の一例を示すフローチャートであるが、上記の信号処理はこの限りでは無い。
位相マッチングは、各直交座標系で表される信号に対し、まずは並進の位相マッチングを行った上で、回転の位相マッチングを行うことが多いが、その限りでは無い。交互に実施することもあるし、逆の順に実施することもある。また、非特許文献13や15にある通り、各々の位相マッチングを繰り返し実施することがある(修正変位量が予め設定した閾値よりも小さくなったら繰り返しを終了する)。伸縮の処理を交えることもある。
尚、局所領域や探索領域は必ずしも矩形では無く、円形等の他の形をしていることがある(データが矩形状の配列、例えば、正方形や長方形、立方体や直方体の配列に格納されている場合には、実寸の円形や球等の領域外に該当する位置の配列には零詰めされることがある)。周波数領域における複素指数関数を乗ずることによる位相回転によって探索領域内にて巡回した信号が関心領域内に現れない様に、探索領域は適切に局所領域よりも大きい必要がある(闇雲に大きくすると計算量が増えるだけであり、先験的に観測対象の変位ベクトルの大きさから適切に決める)。ちなみに、動径方向の変位が無く、観測対象が回転方向の変位のみの場合には、探索領域の大きさは局所領域と同一で良い。また、探索領域が前のフレーム内に設けられることもある。また、処理時間を短縮化するべく、複素指数関数を乗ずる位相マッチングでは無く、デジタル信号の離散的なシフティングによって位相マッチングを行うこともある。この場合には、必ずしも探索領域に動き補償を施す必要は無く、局所領域を別のフレームの探索領域内にて直接に探索(ブロックマッチング)して位相マッチングを行っても良い。
尚、位相マッチングは、極座標系の周波数領域における上記の位相回転処理の他に、段落0384に記載のDAS処理(方法D1の補間処理又は方法D2の時空間領域において解析信号に位相回転を施す処理を通じたシフティング)のDelay処理を基礎として多次元信号をシフティングする場合と同様に、極座標系で表される多次元解析信号に対して処理して位相マッチング(動径方向のシフティングや回転処理)できる。上記の極座標系の周波数領域における位相回転処理は、方法D3のDelay処理に基づく。これらの処理は、極座標系におけるDAS処理にも使用でき、極座標系におけるフーリエビームフォーミングやアダプティブビームフォーミングやミニマムバリアンス等の他のビームフォーミング時にも実施でき、また、本願に記載の信号の位相収差補正や動き補償、位相マッチング(新しい処理方法を含む)、位置合わせ、位置補正等の信号を、時間座標や空間座標や時空間座標において動径方向のシフティングや回転する場合に有用である。
例えば、2次元の場合には、
f(r+r0, θ+θ0)=f(r,θ)exp[j{kr(r,θ)r0+kθ(r,θ)θ0}] (2DASr)
3次元の場合には、
f(r+r0, θ+θ0, φ+φ0)=f(r,θ,φ)
×exp[j{kr(r,θ,φ)r0+kθ(r,θ,φ)θ0+kφ(r,θ,φ)φ0}] (3DASr)
と計算できる。但し、(kr,kθ,kφ)は各位置(r,θ,φ)における各方向の波数である。つまり、デジタル信号において、各位置における各方向の波数を用いて、離散極座標系(高い精度を必要とする場合は高サンプリング周波数であることが望ましい)においてアナログ的なシフティングを施すことができる。1次元の場合と同様に、方法D1(時空間領域における信号のブロックマッチング又は断片のマッチングに該当)に比べて精度を高くでき、その他の方法(方法D3や方法D4)に比べると精度が低いが計算速度は速い。高速な計算速度を必要とする場合に適している。
尚、これらの処理は、観測対象そのものと共に、点拡がり関数も同時に動径方向や回転方向にシフティングさせることになることに注意が必要である(位相マッチングの誤差源となり得る)。また、これらの処理は、キャリア周波数を持たない信号において実施されることもある(例えば、画像処理等)。
In this way, the weight value and regularization parameter can be set with high accuracy in a state having spatial resolution, but when the deformation is small or the amount of calculation is reduced, the region (wider than the point of interest or the local region ( For example, the entire region of interest or, for example, a partial region in the region of interest such as a partial region provided for each propagation direction distance or depth within the observation target) is estimated, and variation is estimated for each wave or beam. It may be set and processed globally. The phase matching method (Patent Document 6, Non-Patent Document 15) invented in the past by the inventor of the present application is required to make the measurement itself possible and to increase the measurement accuracy. For the conversion, other reported stretching methods are useful.
FIG. 19 shows motion compensation (phase matching) performed by moving a search region provided in a next frame to be processed using an estimated value of a displacement vector of a local region including a point of interest or a point of interest in a two-dimensional case. FIG. 19A shows translational motion compensation, and FIG. 19B shows motion compensation including rotation. In the case of three dimensions, the same processing is performed using a three-dimensional or two-dimensional local area or search area in a three-dimensional space.
When performing translation processing in phase matching (Non-Patent Documents 13 and 15), for example, each point of interest or each point of interest is set in an arbitrary orthogonal coordinate system such as a Cartesian coordinate system using a linear array probe. For each included local region, use the signal of the search region or region of interest (see FIG. 19 (a)) that includes the point of interest or the location of the local region that includes the point of interest in the next frame (referred to as frame Ne). . The spectrum is multiplied by the spectrum in the same manner as the phase rotation of the one-dimensional signal in method D3 of paragraph 0384. For example, in the case of two dimensions, the displacement vector of the local signal is (Δ 1 , Δ 2 ) (1 and 2 are two-dimensional Represents the axis of Cartesian Cartesian coordinate system), the complex exponential function exp {i (k 1 Δ 1 + k 2 Δ) is added to the two-dimensional spectrum A (k 1 , k 2 ) of the wave signal in the search region. 2 )} to shift the search region by (−Δ 1 , −Δ 2 ) in the direction opposite to the displacement vector, and the displacement vector of the local signal becomes (Δ 1 , Δ 2 , Δ 3 ) in the three-dimensional case. (1 and 2 and 3 represent axes of a three-dimensional Cartesian coordinate system), it is complex in the three-dimensional spectrum A (k 1 , k 2 , k 3 ) of the wave signal in the search region. Multiply by exponential function exp {i (k 1 Δ 1 + k 2 Δ 2 + k 3 Δ 3 )} to shift the search area in the direction opposite to the displacement vector by (−Δ 1 , −Δ 2 , −Δ 3 ) (Patent Literature 6, Non-Patent Literature) 15 etc.). That is, when an inverse Fourier transform is applied to the multiplied spectrum, a local (time) space signal expressed in a Cartesian coordinate system phase-matched (shifted) at the same position is obtained. Incidentally, when shifting the local region in the direction of the displacement vector, exp {−i (k 1 Δ 1 + k 2 Δ 2 )} or exp {−i (k 1 Δ 1 + k 2 Δ 2 + k 3 Δ 3 )} may be multiplied, but in digital signal processing, since the cyclicity of the digital signal becomes a problem as described later, the wave signal in the search region Should be shifted.
When performing rotation processing in phase matching, the Cartesian coordinate system using, for example, a linear array probe is used in the same manner as in translation phase matching (see Non-Patent Documents 13 and 15, FIG. 19A). For any Cartesian coordinate system, such as, for each local area that includes each point of interest or each point of interest, a search that includes the position of that local point or area of interest in the next frame (referred to as frame Ne) The Fourier transform (ie, spectrum) of the polar coordinate system (the center of the polar coordinate system is the position of each point of interest or the position within or outside the region of interest) of the signal of the region or the region of interest (see FIG. 19B), It is obtained directly without approximation processing through the Jacobian operation implemented in the book.
That is, in the two-dimensional case, for example, when x = rsinθ and y = rcosθ, the Jacobian matrix is the reverse of the case of the Fourier transform expressed by the equation (22) (the inverse function theorem).
In the local region and the search region, the point of interest is often set at the center, but the latter can efficiently provide the search region in the direction when the direction of tissue displacement is given a priori. The same applies to the purpose of phase aberration correction and motion compensation. When using, for example, a multidimensional autocorrelation method other than the cross-spectral phase gradient method, the (analysis) signal of each frame may be obtained by a polar coordinate system, and similarly, if Fourier transform using Jacobian operation is performed. good. In this way, rotational phase matching can be performed with high accuracy in the same manner as translational phase matching. Without approximation processing of digital signals and discrete Fourier transforms (discrete spectrum) expressed in any orthogonal coordinate system, such as when using sector scans or convex probes, by Fourier transform using the above Jacobian operation Any other orthogonal coordinate system (different Cartesian coordinate system such as Cartesian Cartesian coordinate system or various curved Cartesian coordinate system, origin is different or rotating, origin is different even in the same Cartesian coordinate system (Including the case where the position is different or rotated) (the exact interpolation approximation using phase rotation described in paragraph 0026, paragraph 0132, 0214, etc. is also highly accurate, It takes time to calculate). FIG. 20 is a flowchart showing an example of signal processing by Fourier transform using Jacobian arithmetic, but the above signal processing is not limited to this.
In phase matching, first, translation phase matching is first performed on a signal represented by each orthogonal coordinate system, and then rotation phase matching is often performed, but this is not a limitation. It may be carried out alternately or in the reverse order. Further, as described in Non-Patent Documents 13 and 15, each phase matching may be repeatedly performed (when the correction displacement amount becomes smaller than a preset threshold value, the repetition is terminated). There are also cases where stretching treatment is used.
Note that the local region and the search region are not necessarily rectangular but may have other shapes such as a circle (data is stored in a rectangular array, for example, a square, rectangular, cube, or rectangular parallelepiped array. In some cases, the array of positions that fall outside the actual area such as a circle or sphere may be zero-padded). The search area needs to be appropriately larger than the local area so that the signal circulated in the search area does not appear in the region of interest due to phase rotation by multiplying by the complex exponential function in the frequency domain. Only the amount increases, and it is determined a priori from the magnitude of the displacement vector to be observed a priori). Incidentally, when there is no displacement in the radial direction and the observation target is only the displacement in the rotation direction, the size of the search area may be the same as that of the local area. In addition, a search area may be provided in the previous frame. In addition, in order to shorten the processing time, phase matching may be performed by discrete shifting of a digital signal instead of phase matching by multiplying by a complex exponential function. In this case, it is not always necessary to perform motion compensation on the search area, and the local area may be directly searched (block matching) in the search area of another frame to perform phase matching.
In addition to the above-described phase rotation processing in the frequency domain of the polar coordinate system, the phase matching is not limited to the DAS processing described in paragraph 0384 (interpolation processing in method D1 or processing for performing phase rotation on the analysis signal in the spatiotemporal domain in method D2). In the same way as when shifting multidimensional signals based on delay processing (shifting through), phase matching (radial direction shifting and rotation) is performed on multidimensional analysis signals expressed in a polar coordinate system. Processing). The phase rotation process in the frequency domain of the polar coordinate system is based on the delay process of the method D3. These processes can also be used for DAS processing in the polar coordinate system, and can also be performed during other beam forming such as Fourier beam forming, adaptive beam forming, and minimum variance in the polar coordinate system. This is useful when shifting or rotating signals such as motion compensation, phase matching (including a new processing method), positioning, position correction, etc. in the time, space, and space-time coordinates.
For example, in the case of two dimensions,
f (r + r 0 , θ + θ 0 ) = f (r, θ) exp [j {k r (r, θ) r 0 + k θ (r, θ) θ 0 }] (2DASr)
In the case of 3D,
f (r + r 0 , θ + θ 0 , φ + φ 0 ) = f (r, θ, φ)
× exp [j {k r (r, θ, φ) r 0 + k θ (r, θ, φ) θ 0 + k φ (r, θ, φ) φ 0 }] (3DASr)
Can be calculated. However, (k r , k θ , k φ ) is the wave number in each direction at each position (r, θ, φ). That is, in the digital signal, analog shifting can be performed in a discrete polar coordinate system (high sampling frequency is desirable when high accuracy is required) by using the wave number in each direction at each position. As in the one-dimensional case, the accuracy can be higher than the method D1 (corresponding to block matching or fragment matching of signals in the spatio-temporal domain), and the accuracy is lower than other methods (method D3 and method D4). However, the calculation speed is fast. This is suitable when high calculation speed is required.
It should be noted that in these processes, the point spread function is shifted in the radial direction and the rotational direction at the same time as the observation target itself (which may be a phase matching error source). In addition, these processes may be performed on a signal having no carrier frequency (for example, image processing).
また、Wpとして、ウィーナーフィルタを応用することもできる。時空間領域において、信号そのものに直接的に重み付けを施した上で、信号のイメージング又は変位計測を行う。信号は検波前又は検波後の信号r(x,y,z)である。
尚、ノイズ信号n(x,y,z)は、対象物又は校正ファントムを対象として繰り返しエコーを収集して統計的に推定することができる。例えば、ばらつきを用いることができ、定常過程を仮定して局所的に加算平均で推定する場合やアンサンブル平均で推定することもある。対象やその状態、計測の経験等に基づき、先験的に典型値を用いて決めてしまう場合もある。また、この限りでは無い。また、イメージングのために信号r(x,y,z)を検波するべく、包絡線検波、二乗検波、絶対値検波を行うときに、式(A12)や式(A13)を各位置にて掛けることもある。また、解析信号の共役を解析信号に掛けてパワースペクトルを求めて自己関数を求める場合にも同様にして重み付けすることができる。尚、解析信号を用いる変位計測法である自己相関法やドプラ法、その他、クロススペクトラム位相勾配法や相互相関法(解析信号を使用しない場合もある)等を用いる前の信号の前処理としても使用できる。 The noise signal n (x, y, z) can be statistically estimated by repeatedly collecting echoes for the object or the calibration phantom. For example, variation can be used, and estimation may be performed locally using an addition average or an ensemble average assuming a steady process. In some cases, the typical value is determined a priori based on the object, its state, measurement experience, and the like. This is not the case. Further, in order to detect the signal r (x, y, z) for imaging, when performing envelope detection, square detection, and absolute value detection, the expressions (A12) and (A13) are multiplied at each position. Sometimes. Similarly, when the self-function is obtained by multiplying the analysis signal by the conjugate of the analysis signal to obtain the power spectrum, weighting can be performed in the same manner. In addition, auto-correlation method and Doppler method, which are displacement measurement methods using analysis signals, and other pre-processing of signals before using cross-spectral phase gradient method or cross-correlation method (analysis signals may not be used) Can be used.
信号が2次元又は1次元の場合も、式(A12)や式(A13)のr(x,y,z)とn(x,y,z)の代わりに、各々、r(x,y)とn(x,y)、r(x)とn(x)を用いて同様に処理できる。また、各々のビーム又は各々のビームで走査して得られた関心領域において、大局的に式(A12)や式(A13)が求められて使用されることもある。式(A12)や式(A13)の代わりに、式(A4)〜式(A6)も同様に、直接的にエコーの重み付けに使用されることがある。 Even when the signal is two-dimensional or one-dimensional, instead of r (x, y, z) and n (x, y, z) in equations (A12) and (A13), r (x, y) And n (x, y) and r (x) and n (x) can be processed in the same manner. In addition, in each beam or a region of interest obtained by scanning with each beam, Expression (A12) or Expression (A13) may be obtained and used on a global basis. In place of the expressions (A12) and (A13), the expressions (A4) to (A6) may also be directly used for echo weighting.
また、特に、多次元クロススペクトル位相勾配法(特許文献6、非特許文献15)を用いる場合には、時空間領域のみならず、周波数領域においてもウィーナーフィルタを応用することができる。上記の通り、ひとつひとつの波動又はビームに関し、同一の条件下で取得される変形又は変位の前後の信号間のクロススペクトラムHp(ωx,ωy,ωz)(p = 1〜N)の周波数領域(ωx,ωy,ωz)における位相スペクトラムθ(ωx,ωy,ωz)の勾配(3次元未知変位ベクトル)を、最小二乗法を用いて求めるに当たり、
と表される重み付けを行って最小二乗化する。例えば、特許文献6の式(1)〜(14')には、重み付けにクロススペクトルの大きさの二乗(||Hp(ωx,ωy,ωz)||2)そのものが使用された場合の記載があるが、その重みの代わりにWp(ωx,ωy,ωz)が使用されることがあるわけである(別にビーム方向の変位のばらつきやZZLBが使用されることが有ることは上記の通りである)。尚、最小二乗化は、p=1〜NのN個の波動又はビームの各々に関して評価されて、各関心位置において一度に最小二乗化される。
In particular, when the multidimensional cross spectrum phase gradient method (Patent Document 6, Non-Patent Document 15) is used, the Wiener filter can be applied not only in the spatio-temporal domain but also in the frequency domain. As described above, the frequency domain (ωx) of the cross spectrum Hp (ωx, ωy, ωz) (p = 1 to N) between the signals before and after the deformation or displacement acquired under the same conditions for each wave or beam. , ωy, ωz) to obtain the gradient (three-dimensional unknown displacement vector) of the phase spectrum θ (ωx, ωy, ωz) using the least square method,
The least square is obtained by weighting. For example, in the equations (1) to (14 ′) of Patent Document 6, a description in the case where the square of the size of the cross spectrum (|| Hp (ωx, ωy, ωz) || 2 ) itself is used for weighting. However, Wp (ωx, ωy, ωz) may be used instead of the weight. (As mentioned above, the variation in displacement in the beam direction and ZZLB may be used separately.) is there). Note that least squares are evaluated for each of N waves or beams with p = 1 to N and are least squared at each location of interest.
尚、ノイズのパワースペクトラムPWpn(ωx,ωy,ωz)は、対象物又は校正ファントムを対象として繰り返しエコーを収集して統計的に推定することができる。対象やその状態、計測の経験等に基づき、先験的に典型値を用いて決めてしまう場合もある。また、この限りでは無い。 Note that the noise power spectrum PWpn (ωx, ωy, ωz) can be statistically estimated by repeatedly collecting echoes for the object or the calibration phantom. In some cases, the typical value is determined a priori based on the object, its state, measurement experience, and the like. This is not the case.
その他、式(A12)や(A13)の中にて表されるn(x,y,z)/r(x,y,z)や、式(A12')や式(A13')の中にて表されるPWpn(ωx,ωy,ωz)/PWps(ωx,ωy,ωz)は、上記のエコーのSN比SNReの逆数、又は、SNReと相関SN比であるSNRρとの結合(Combined)SN比の逆数を基に設定されることもある。また、空間分解能が有る状態か、各々のビーム又は各々のビームで走査して得られた関心領域において、大局的に式(A12')や式(A13')が求められ、式(A12)や式(A13)、式(A4)〜式(A6)と同様に、直接的にエコーの重み付けに使用されることがある(イメージング又は変位計測)。また、イメージングのために信号r(x,y,z)を検波(包絡線検波、二乗検波、絶対値検波等)する際に、式(A12)や式(A13)が使用されることがあるが、その場合には、式中の最初のスペクトルHp(ωx,ωy,ωz)(但し、局所信号又は関心領域に及ぶ信号のスペクトル)の二乗ノルムは使用しなくても良い。また、局所スペクトルHp(ωx,ωy,ωz)の共役をスペクトルHp(ωx,ωy,ωz)に掛けてパワースペクトルを求めて自己相関関数信号を求める場合も同様である。 In addition, n (x, y, z) / r (x, y, z) represented in the expressions (A12) and (A13), and the expressions (A12 ′) and (A13 ′) PWpn (ωx, ωy, ωz) / PWps (ωx, ωy, ωz) is the reciprocal of the above-mentioned echo SN ratio SNRe or the combination of SNRe and SNRρ, which is the correlation SN ratio (Combined) SN It may be set based on the reciprocal of the ratio. Also, in a state where there is a spatial resolution, or in each region of interest or obtained by scanning with each beam, equations (A12 ′) and (A13 ′) are obtained globally, and equations (A12) and Similar to the equations (A13) and (A4) to (A6), it may be used directly for weighting the echo (imaging or displacement measurement). Further, when detecting the signal r (x, y, z) for imaging (envelope detection, square detection, absolute value detection, etc.), the expressions (A12) and (A13) may be used. However, in that case, the square norm of the first spectrum Hp (ωx, ωy, ωz) in the equation (where the spectrum of the signal extending over the local signal or the region of interest) may not be used. The same applies to the case of obtaining the autocorrelation function signal by multiplying the conjugate of the local spectrum Hp (ωx, ωy, ωz) by the spectrum Hp (ωx, ωy, ωz) to obtain the power spectrum.
未知変位が2次元ベクトルu = (Ux,Uy)や未知変位がビーム方向のU(1つ)である場合には、式(A12')と式(A13')においてH(ωx,ωy,ωz)の代わりに、同じく、変形又は変位前後の信号間のクロススペクトラムH(ωx,ωy)とH(ωx)に関する各々のウィーナーフィルタを用いて同様に表される重みを用いることができる。 When the unknown displacement is a two-dimensional vector u = (Ux, Uy) and the unknown displacement is U (one) in the beam direction, H (ωx, ωy, ωz in Equation (A12 ′) and Equation (A13 ′) In the same way, weights similarly expressed using respective Wiener filters for the cross spectrums H (ωx, ωy) and H (ωx) between signals before and after deformation or displacement can be used.
さらに、正則化を施す場合には、式(10)や式(10')に従い、同様に、上記のばらつき等が使用されて正則化パラメータが設定されることがある。 Further, when regularization is performed, the regularization parameter may be set by using the above-described variation or the like in accordance with Expression (10) or Expression (10 ′).
クロススペクトラム位相勾配法や他のブロックマッチング法を用いる場合には、単独に1つの波動又はビームを用いて2方向以上の変位ベクトルを求めることもでき、また、単独に1つの波動又はビームが使用されても、over-determinedシステムを構成することができる。 When using the cross-spectral phase gradient method or other block matching methods, displacement vectors in two or more directions can be obtained using one wave or beam alone, or one wave or beam can be used independently. You can still configure an over-determined system.
また、上記のいずれの変位計測を行う場合でも、over-determinedシステムにせずに計測を行うことも可能であり、その場合においても、上記の重み付けや正則化が行われることもある。 In addition, in any of the above displacement measurements, it is possible to perform the measurement without using an over-determined system, and even in that case, the above weighting and regularization may be performed.
変位は少なくとも2つの信号間から求まるわけだが、上記の変位(関心点又は関心点を含む局所領域の変位)計測において変位が大きいときに、変位に関する方程式中の位相である瞬時位相(多次元又は1次元の自己相関法や多次元又は1次元のドプラ法、非特許文献13)や局所位相(多次元又は1次元のクロススペクトル位相勾配法、非特許文献15)が反転することがあり、それらの位相をアンラッピングする代わりに位相マッチング(空間的なシフティング又は複素指数関数を乗ずる位相回転)を行うことがあることは、既に説明した通りである(そもそも組織の変位や歪の観測を可能にした画期的な処理方法でもある、例えば、C. Sumi et al, World Congress of Ultrasound in Medicine and Biology, 札幌, 1994年)。段落0405においては、同処理による極座標系における動径方向と回転方向のシフティング処理も説明した。また、段落0384や段落0405に記載のDAS処理のDelay処理に使用できる様々なシフティング処理も有効である。大きな変位の推定を可能とする相互相関ベースの多次元又は1次元の相互相関法(この場合はブロックマッチングが有効である)やクロススペクトル位相勾配法(サンプリング間隔を粗くして処理する)を用いてcoarseな推定を実施して位相マッチングを行い(反復して処理することがある)、その上でそれらの方法を用いてFineな推定を行う(同様に反復して処理することがあり、クロススペクトル位相勾配法においてはサンプリング間隔を元に戻して処理しても良い)。位相収差補正にも使用されることがあることは、既に説明した通りである。
これらをベースとして変形して様々な処理を実施できる(例えば、特許文献7に記載のデモジュレーション法等)。基本的には、自己相関法は複素自己相関関数の位相を用い、その推定を安定化させるべく、オイラーの公式に基づいて複素自己関数の虚部/実部に正接の逆関数を掛けて求まる瞬時位相に時間又は空間の移動平均処理を施すか(方法Ai)、複素自己関数に同様に移動平均を施した上でその虚部/実部に同様に正接の逆関数を掛けて求まる位相を用いる(方法Aii)ことができる。ドプラ法の場合には、解析信号そのものの瞬時位相の差を用い、その推定を安定化させるべく、解析信号の虚部/実部に正接の逆関数を掛けて求まる瞬時位相又はその差に、同様に移動平均処理を施すことができる(方法D)。クロススペクトル位相勾配法は、局所信号のクロススペクトルの位相を用いる(方法C)。
これらの内で、coarseな変位を相互相関法を用いて推定して位相マッチング(空間的なシフティング)を行う場合に、方法Aiと方法Dをベースとして処理する場合には、空間的に不連続な分布をしていることのある瞬時位相に時間又は空間の移動平均を施すことになるので、変位が正しく求まらない(エラーを生じ、位相マッチングの最終結果が不連続な変位分布となってしまう)。そこで、位相マッチング(空間的なシフティング)後に、例えば、3次元観測において、瞬時周波数を(fx,fy,fz)、coarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)に対して更新すべき未知変位を(ux,uy,uz)、移動平均処理前の空間的に不連続な分布をしていることのある瞬時位相をθとして、方程式がfx ux+fy uy+fz uz=θと表された場合には、その位相θに対してcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)を用いてθ'=θ+fx dx0+fy dy0+fz dz0を計算してcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)の分の位相を加える位相マッチング(位相回転に該当)を施した上で移動平均処理を施してθ''を得ることにより、fx dx+fy dy+fz dz=θ''を解いて直接的に未知変位(dx,dy,dz)の推定結果を求めることができる(新しい位相マッチングである)。それらの計算において、瞬時周波数(fx,fy,fz)は、移動平均処理されていることもあるし、移動平均されていないこともある。この位相マッチングにより、正しく求まらない(ux,uy,uz)の推定値をcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)に加算することを回避できる。また、位相マッチング後の瞬時位相θ'を移動平均せず、θ''では無く、θ'を用いて方程式を解いて直接的に未知変位(dx,dy,dz)の推定結果を求めることも有り、coarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)に更新すべき変位量(ux,uy,uz)の推定値を加算した結果と同一の結果が得られる。2次元観測や1次元観測の場合も同様である。
一方、同様にcoarseな変位を相互相関法を用いて推定して位相マッチング(空間的なシフティング)を実施した場合に、方法Aiiをベースとして処理する場合には、空間的に不連続な分布をしていることのある瞬時位相に時間又は空間の移動平均を施すことは無く、移動平均された瞬時位相が空間的に不連続な分布を成していることになっても問題とはならない。即ち、例えば、3次元観測の場合に、方法Aiiをベースとして処理する場合には、位相マッチング(空間的なシフティング)後において求まる移動平均された瞬時位相θ''に対してcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)を用いてθ'''=θ''+fx dx0+fy dy0+fz dz0を計算してcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)の分の位相を加える位相マッチング(位相回転に該当)を施してθ'''を得ることにより、fx dx+fy dy+fz dz=θ'''を解いて直接的に未知変位(dx,dy,dz)の推定結果が求まるし(新しい位相マッチングである)、従来の通りにθ'''では無く、θ''を用いて方程式fx ux+fy uy+fz uz=θ''を解いて更新すべき変位量(ux,uy,uz)の推定値を得て、それをcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)に加算しても推定結果が求まる。それらの計算において、周波数(fx,fy,fz)は、移動平均処理されていることもあるし、移動平均されていないこともある。2次元観測や1次元観測の場合も同様である。
また、方法Dをベースとして処理する場合には、同様にcoarseな変位を相互相関法を用いて推定して位相マッチング(空間的なシフティング)を実施した場合に、クロススペクトルの位相特性(周波数特性)が空間的に不連続な分布をしていることはあるが、その分布に移動平均を施すことは無く、問題とはならない(各局所領域において、位相の周波数特性が不連続になることは無い)。変位に関する方程式は、代表的に重心周波数やその近傍の周波数において立てて連立しても良いし(1次元、2次元、3次元の場合には、それぞれ、少なくとも、1つ、2つ、3つの周波数において立てる必要が有る)、信号帯域内において過剰(over-determined)に立てて連立しても良い。この場合でも、位相マッチング(空間的なシフティング)後において、例えば、3次元観測において、信号帯域内の周波数を(Fx,Fy,Fz)、coarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)に対して更新すべき未知変位を(ux,uy,uz)、同周波数のクロススペクトルの位相をαとして、方程式がFx ux+Fy uy+Fz uz=αと表された場合には、その位相αに対してcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)を用いてα'=α+Fx dx0+Fy dy0+Fz dz0と計算してcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)の分の位相を加える位相マッチング(位相回転に該当)を施してα'を得ることにより、Fx dx+Fy dy+Fz dz=α'を解いて直接的に未知変位(dx,dy,dz)の推定結果が求まるし(新しい位相マッチングである)、従来の通りにα'では無く、αを用いて方程式Fx ux+Fy uy+Fz uz=αを解いて更新すべき変位量(ux,uy,uz)の推定値を得て、それをcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)に加算しても推定結果が求まる。2次元観測や1次元観測の場合も同様である。
The displacement is obtained from at least two signals. When the displacement is large in the above displacement (interesting point or local region including the interest point) measurement, the instantaneous phase (multi-dimensional or One-dimensional autocorrelation method, multi-dimensional or one-dimensional Doppler method, Non-Patent Document 13) and local phase (multi-dimensional or one-dimensional cross-spectral phase gradient method, Non-Patent Document 15) may be reversed. As described above, it is possible to observe tissue displacement and strain in the first place, instead of unwrapping the phase of the tissue, phase matching (spatial shifting or phase rotation multiplied by a complex exponential function) may be performed. It is also an epoch-making processing method, for example, C. Sumi et al, World Congress of Ultrasound in Medicine and Biology, Sapporo, 1994). In paragraph 0405, shifting processing in the radial direction and the rotation direction in the polar coordinate system by the same processing is also described. Various shifting processes that can be used for the delay process of the DAS process described in paragraphs 0384 and 0405 are also effective. Use cross-correlation-based multi-dimensional or one-dimensional cross-correlation method (block matching is effective in this case) and cross-spectral phase gradient method (process with coarse sampling interval) that enable estimation of large displacements Perform coarse estimation and perform phase matching (may be iteratively processed), then use those methods to make fine estimation (similarly it may be iteratively processed and cross In the spectral phase gradient method, the sampling interval may be restored to the original processing). As already described, it may also be used for phase aberration correction.
Various processes can be performed by modifying these as a base (for example, the demodulation method described in Patent Document 7). Basically, the autocorrelation method uses the phase of the complex autocorrelation function, and is obtained by multiplying the imaginary part / real part of the complex autofunction by the inverse tangent function based on Euler's formula to stabilize the estimation. Apply the moving average processing of time or space to the instantaneous phase (Method Ai), apply the moving average to the complex self-function in the same way, and multiply the imaginary part / real part by the inverse function of the tangent in the same way to obtain the phase Can be used (Method Aii). In the case of the Doppler method, in order to stabilize the estimation using the difference in instantaneous phase of the analysis signal itself, the instantaneous phase obtained by multiplying the imaginary part / real part of the analysis signal by the inverse function of the tangent, or the difference between them, Similarly, moving average processing can be performed (method D). The cross spectrum phase gradient method uses the cross spectrum phase of the local signal (Method C).
Among these, when the coarse displacement is estimated using the cross-correlation method and phase matching (spatial shifting) is performed, when processing is performed based on the method Ai and the method D, it is spatially ineffective. Displacement cannot be obtained correctly because the time or space moving average is applied to the instantaneous phase that may have a continuous distribution (error occurs, and the final result of phase matching is a discontinuous displacement distribution. turn into). Therefore, after phase matching (spatial shifting), for example, in 3D observation, the instantaneous frequency should be updated to (fx, fy, fz) and coarse estimation results (dx0, dy0, dz0) (Ux, uy, uz), and the equation is expressed as fx ux + fy uy + fz uz = θ, where θ is the instantaneous phase that may have a spatially discontinuous distribution before moving average processing In this case, θ ′ = θ + fx dx0 + fy dy0 + fz dz0 is calculated using a coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) for the phase θ, and a coarse estimation result (dx0, dy0, Solve for fx dx + fy dy + fz dz = θ ″ by applying phase matching (corresponding to phase rotation) to add the phase of (dz0) and performing moving average processing to obtain θ ″ The estimation result of unknown displacement (dx, dy, dz) can be obtained directly (new phase matching). In those calculations, the instantaneous frequency (fx, fy, fz) may or may not be subjected to moving average processing. By this phase matching, it is possible to avoid adding the estimated value (ux, uy, uz) that cannot be obtained correctly to the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0). Also, the instantaneous phase θ ′ after phase matching is not averaged, and the estimated result of unknown displacement (dx, dy, dz) can be obtained directly by solving the equation using θ ′ instead of θ ″. Yes, the same result as the result of adding the estimated value of the displacement (ux, uy, uz) to be updated to the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) is obtained. The same applies to two-dimensional observations and one-dimensional observations.
On the other hand, when the coarse displacement is similarly estimated using the cross-correlation method and phase matching (spatial shifting) is performed, when processing based on the method Aii, the spatially discontinuous distribution The moving average of time or space is not applied to the instantaneous phase that may be moving, and it does not matter if the moving average instantaneous phase has a spatially discontinuous distribution. . That is, for example, in the case of processing based on the method Aii in the case of three-dimensional observation, an estimation result that is coarse with respect to the moving averaged instantaneous phase θ ″ obtained after phase matching (spatial shifting) Phase matching that calculates the phase of coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) by calculating θ '''=θ''+ fx dx0 + fy dy0 + fz dz0 using (dx0, dy0, dz0) (Corresponding to phase rotation) to obtain θ ''', fx dx + fy dy + fz dz = θ''' is solved and the unknown displacement (dx, dy, dz) estimation result directly The displacement to be updated by solving the equation fx ux + fy uy + fz uz = θ ″ using θ ″ instead of θ ′ ″ as before (new phase matching) , uy, uz) are obtained and added to the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) to obtain the estimation result. In these calculations, the frequency (fx, fy, fz) may or may not be moving average processed. The same applies to two-dimensional observations and one-dimensional observations.
In addition, when processing is performed based on the method D, when the coarse displacement is similarly estimated using the cross-correlation method and phase matching (spatial shifting) is performed, the phase characteristic (frequency) of the cross spectrum is obtained. (Characteristic) may have a spatially discontinuous distribution, but it will not be a problem because the moving average is not applied to the distribution (the frequency characteristics of the phase will be discontinuous in each local region) There is no). The equations related to displacement may typically be set up at the center of gravity frequency or in the vicinity of the center frequency (in the case of one-dimensional, two-dimensional, and three-dimensional, respectively, at least one, two, three, It may be necessary to stand in frequency), or may be combined in an over-determined manner within the signal band. Even in this case, after phase matching (spatial shifting), for example, in three-dimensional observation, the frequency within the signal band is (Fx, Fy, Fz), and the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) If the equation is expressed as Fx ux + Fy uy + Fz uz = α, where the unknown displacement to be updated is (ux, uy, uz) and the cross spectrum phase at the same frequency is α, the phase α For the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0), calculate α '= α + Fx dx0 + Fy dy0 + Fz dz0 and add the phase of the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) By performing phase matching (corresponding to phase rotation) to obtain α ', Fx dx + Fy dy + Fz dz = α' can be solved to directly obtain the estimation result of unknown displacement (dx, dy, dz). (This is a new phase matching). Estimated amount of displacement (ux, uy, uz) to be updated by solving equation Fx ux + Fy uy + Fz uz = α using α instead of α 'as before To the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) Calculated to be estimated result is obtained. The same applies to two-dimensional observations and one-dimensional observations.
同一位置において生成された異なる波動やビームフォーミングのパラメータを持つ複数の波動(物理的に生成されたものの他、異なる波動やビームフォーミングのパラメータを持つ波動が重ね合されて生成された疑似波動や、スペクトルを周波数分割して生成された疑似波動等を含む)の1つ1つから1つの方程式を導出して未知変位成分と同数の方程式を連立したり同数以上の数の方程式を連立してover-determinedシステムを実現したり、異なる位置において導出される方程式を連立して解くことがあり、それらの方程式を立てる際には、それらの位相の空間分布を連続にする上記の位相マッチングを施して処理しても良い。
特に変位計測(推定)を高精度化したり安定化させるべく、本願に記載の最適化処理(段落0402や段落0403、その他)や他の最適化処理を実施する場合には、全ての変位計測法において位相の空間分布を連続にする上記の位相マッチングを施した上で処理すべきである。まず、上記の複素自己相関関数の位相や解析信号の瞬時位相の差や局所クロススペクトルの位相に関して局所の定常過程を仮定して時間又は空間的な局所平均や分散、又は、共分散を推定して使用する場合には、位相が上記のエラーを含んでいるとエラーを生じる。例えば、最尤推定を行う場合が該当する(Maximum a posteriori(MAP)と共に実施されることがある)。関心点においてノーマルな連立方程式又は過剰な方程式(over-determinedシステム)が、
ちなみに、超解像として、ボケ関数(線形時空間不変システム又は線形時空間変システムの点拡がり関数と考える)を表す行列Fと原像(ターゲット)を表すベクトルOとボケ画像を表すベクトルBとを用いてFO = Bを解く場合に、最尤推定を行う場合には、同様に、
この時空間領域における処理は時空間変(spatially variant)な場合に有効である。物理開口面からの各距離の位置における点拡がり関数を同距離の位置において推定される複数の点拡がり関数(深さ方向又は横方向の1次元自己相関関数又は多次元自己相関関数)を平均化して推定することは有効である(非特許文献35及び36)。平均処理をせずに関心位置において推定された点拡がり関数を用いることもある。これらの時空間領域における処理には、例えば共役勾配法等を使用できる。この最尤推定を施した場合には、後述のMAP(Maximum a posteriori、例えば、非特許文献42)が有効であるが、EMアルゴリズムを用いた方法(非特許文献31)も報告されている。これらの処理結果には、整形フィルタリングとして所望する点拡がり関数を時空間領域にてコンボリューションしたり、周波数領域においてその周波数応答を乗ずることも有効である。
時空間領域における処理の場合、点拡がり関数の時空間不変(spatially invariant)を仮定できる場合はデコボリューションを実施することになるが、計算速度を考えると、その処理は、本願に記載の周波数領域における逆フィルタリング処理を実施した方が良い。その場合に、点拡がり関数は時空間不変と考えられる領域における平均化されて用いられることがある。空間分解能がほぼ一様となる古典的な開口面合成や平面波送信を行って受信ダイナミックフォーカシングした場合等が該当するが、フォーカスビームを生成した場合の時空間変の場合でも、時空間不変を仮定して周波数領域において同処理を行うことがある。同様に、処理結果には、整形フィルタリングとして所望する点拡がり関数を時空間領域においてコンボリューションしたり、周波数領域においてその周波数応答を乗ずることも有効である。
また、a posteioriに変位の計測結果から分散を推定して正則化パラメータをそれに比例する様に決めたり(正則化、非特許文献18)、その逆数を重み(方程式の信頼度)とする重み付き最小二乗法を実施する場合には、位相の上記エラーにより変位の計測結果がエラーを含んでいるとエラーを生じる。
さらに、それらの統計量は、coarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)に対して更新すべき変位量(ux,uy,uz)に関する方程式に実施されることになる。従って、1方向の速度計測法である1次元自己相関法(非特許文献20)にて導出されているばらつき(パワードプラにて使用されている)や、これを基に本願にて多次元自己相関法に関して導出されているばらつきや、Ziv-Zakai Lower Bound(ZZLB)は、a prioriであり、変位計測に関して定常過程を仮定していないが、同じくエラーを生じる。この種の最適化処理を実施する場合は全ての変位計測法において位相の空間分布を連続にする上記の位相マッチングを施した上で処理する必要がある。位相マッチング中において更新すべき変位(残差変位)そのものやその分の位相データに移動平均処理や最適化を施してはいけない。また、この新しい位相マッチングは、その必要が無くとも、数種類の最適化法を用いて複数の推定結果を得たり、それらを統合又は判断して最終的な結果を得ることも有り、計算量が増えるがその様にしておくと良いことがある。
ここで、最尤推定において有効なMAP推定について記載し、さらに、正則化との類似性について述べる(非特許文献42)。
式(LM1)におけるDのMAP推定は、Dのa posteriori確率密度関数
を最大化して実施できる。このMAP推定は、重み付き最小二乗法としてコスト関数
を解くこととなる。正則化オペレーターPとしては単位行列を用いることができ、この場合の正則化パラメータλは空間的に可変(variable)に使用することが可能である(非特許文献17)。この正則化オペレーターは全帯域の通過型フィルタであるので、Dの結果は真値に比べて小さくなることがある。別の正則化オペレーターPとして、高域通過型フィルタや微分フィルタ(勾配作用素Gを用いたラプラシアン作用素GTGやそのn乗ノルム)等が使用されることもあり、この場合は高域周波数のエラーが効果的に抑圧されるが、高周波成分は失われることがある(しかし、ボケ画像の復元や超解像にも使用できる)。複数の正則化オペレーターを同時に使用することもある。導出される式(REG1)の通りではなく、便宜上、λを正則化パラメータとして典型値を用いたり、新しい位相マッチング時のθの分散や式(LM1)の左辺と右辺の差の分散、Dの分散に比例する様に定める場合もある(正則化パラメータを大きくすると正則化の効果が増す)。また、式(A2)の重み行列Wを用いた重み付き最小二乗法は、WTWにDの分散の逆数を用いたものである(Dのばらつきが小さく精度が高い式は重視して重みを大きくする)。
式(MAP2)と式(REG1)との類似性から、両式を混ぜて使用することも有効である。これらにおいて、E[D]が零ベクトルで無くとも、便宜上、零ベクトルとして計算することもある。
尚、ボケ画像の復元や超解像においては、上記のシステムFO=Bにおいて最尤推定を施すと、式(LM7)~(LM9)を解くことと成り、また、上記の変位計測と同様にMAP推定を行ったり、EMアルゴリズムを用いることも可能であり、また、時空間不変システムとして周波数領域において処理することも有効である。上記の変位計測の場合と同様に時空間領域のシステムを正則化して安定化して解くことも有効である(非特許文献43)が、同文献にて公開されている周波数領域における処理によって高速処理が可能である。
この正則化は、受信信号のSN比が低い場合や、超音波パラメータやビームフォーミングパラメータが異なる信号間や、物理的に異なるセンシング信号間の処理等においては、空間分解能が低下することを代償としても、この様な平滑化処理が有用となる可能性がある。
その他として、例えば、段落0377に示した逆解析や他の様々な逆解析(システムがAx=bと表される場合)においても同様に最適化することが可能である。最尤推定やMAP、正則化以外にも、ベイズ推定を同様に実施できるし、その他にも様々な有効な方法を施すことができる。ちなみに、変位ベクトルや電流密度ベクトル等のベクトルが観測対象の場合は各方向成分に関して別の正則化パラメータや別の正則化オペレーターが使用されることがある(非特許文献17)。
Multiple waves with different wave and beam forming parameters generated at the same position (physical waves generated by superposing waves with different wave and beam forming parameters in addition to those generated physically, (Including pseudo waves generated by frequency-splitting the spectrum), one equation is derived, and the same number of equations as the unknown displacement components are combined, or more than the same number of equations are combined and over -Determined system may be realized or equations derived at different positions may be solved simultaneously. When these equations are established, the above phase matching that makes the spatial distribution of those phases continuous is applied. It may be processed.
In particular, when the optimization process (paragraph 0402 and paragraph 0403, etc.) and other optimization processes described in the present application and other optimization processes are performed in order to increase or stabilize the displacement measurement (estimation), all displacement measurement methods are used. Should be processed after applying the above-mentioned phase matching to make the spatial distribution of phases continuous. First, the local average or variance or covariance is estimated by assuming a local stationary process with respect to the phase of the complex autocorrelation function, the instantaneous phase difference of the analysis signal, and the phase of the local cross spectrum. If the phase includes the above error, an error occurs. For example, this corresponds to the case where maximum likelihood estimation is performed (may be performed together with Maximum a posteriori (MAP)). Normal simultaneous equations or excess equations (over-determined systems) at the point of interest
Incidentally, as super-resolution, a matrix F representing a blur function (considered as a point-spread function of a linear spatio-temporal invariant system or a linear spatio-temporal variable system), a vector O representing an original image (target), and a vector B representing a blur image Similarly, when performing maximum likelihood estimation when solving FO = B using
This processing in the spatio-temporal region is effective in the case of spatially variant. Averages the point spread function (one-dimensional autocorrelation function or multidimensional autocorrelation function in the depth direction or lateral direction) estimated from the point spread function at each distance position from the physical aperture. It is effective to estimate this (Non-patent Documents 35 and 36). A point spread function estimated at the position of interest without averaging may be used. For the processing in these spatiotemporal regions, for example, a conjugate gradient method can be used. When this maximum likelihood estimation is performed, MAP (Maximum a posteriori, for example, Non-Patent Document 42) described later is effective, but a method using an EM algorithm (Non-Patent Document 31) has also been reported. For these processing results, it is also effective to convolve a point spread function desired as shaping filtering in the spatio-temporal domain or to multiply the frequency response in the frequency domain.
In the case of processing in the spatio-temporal domain, if the spatio-temporal invariant of the point spread function can be assumed, devolution will be performed, but considering the calculation speed, the processing is performed in the frequency domain described in this application. It is better to perform the inverse filtering process in. In that case, the point spread function may be used after being averaged in a region considered to be space-time invariant. This applies to classical aperture synthesis where the spatial resolution is almost uniform or to receive dynamic focusing by performing plane wave transmission, but it is assumed that the spatio-temporal invariance occurs even when the focus beam is generated. The same processing may be performed in the frequency domain. Similarly, it is also effective to convolve the processing result with a point spread function desired as shaping filtering in the spatio-temporal domain, or multiply the frequency response in the frequency domain.
In addition, a posteiori estimates the variance from the displacement measurement result and determines the regularization parameter to be proportional to it (regularization, Non-Patent Document 18), or weights with the reciprocal as a weight (reliability of the equation) When the least square method is performed, an error occurs if the displacement measurement result includes an error due to the phase error.
Further, these statistics are implemented in an equation relating to the displacement (ux, uy, uz) to be updated with respect to the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0). Therefore, the variation (used in power Doppler) derived by the one-dimensional autocorrelation method (Non-patent Document 20), which is a velocity measurement method in one direction, and the multidimensional self Variations derived with respect to the correlation method and Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB) are a priori and do not assume a steady process for displacement measurement, but also cause errors. When performing this type of optimization processing, it is necessary to perform the processing after performing the above-described phase matching that makes the spatial distribution of the phase continuous in all displacement measurement methods. Do not perform moving average processing or optimization on the displacement (residual displacement) itself to be updated during phase matching or the corresponding phase data. Even if this new phase matching is not necessary, several types of optimization methods can be used to obtain multiple estimation results, or they can be integrated or judged to obtain final results. There are some things that should be done in this way.
Here, MAP estimation effective in maximum likelihood estimation will be described, and the similarity to regularization will be described (Non-patent Document 42).
The MAP estimate of D in equation (LM1) is the a posteriori probability density function of D
Can be implemented with the maximum. This MAP estimation is a cost function as a weighted least squares method.
Will be solved. As the regularization operator P, a unit matrix can be used, and the regularization parameter λ in this case can be spatially variable (Non-patent Document 17). Since this regularization operator is a full-band pass filter, the result of D may be smaller than the true value. As another regularization operator P, a high-pass filter or a differential filter (Laplacian operator G T G using a gradient operator G or its n-th norm) may be used. Although errors are effectively suppressed, high frequency components may be lost (but can also be used for blurry image restoration and super-resolution). Multiple regularization operators may be used simultaneously. For convenience, instead of using the derived formula (REG1), λ is used as a regularization parameter, a typical value is used, the variance of θ at the time of new phase matching, the variance of the difference between the left side and the right side of formula (LM1), In some cases, it is determined so as to be proportional to the variance (increasing the regularization parameter increases the regularization effect). In addition, the weighted least square method using the weight matrix W of the formula (A2) uses a reciprocal of the variance of D for W T W (emphasis is given to formulas with small variations in D and high accuracy). Increase).
From the similarity of the formula (MAP2) and the formula (REG1), it is also effective to use a mixture of both formulas. In these, even if E [D] is not a zero vector, it may be calculated as a zero vector for convenience.
In the restoration and super-resolution of a blurred image, when maximum likelihood estimation is performed in the system FO = B, the equations (LM7) to (LM9) are solved, and, similarly to the displacement measurement described above. It is possible to perform MAP estimation or use an EM algorithm, and it is also effective to process in the frequency domain as a space-time invariant system. As in the case of the displacement measurement described above, it is also effective to regularize and stabilize the system in the spatio-temporal region (Non-Patent Document 43), but high-speed processing is performed by the processing in the frequency domain disclosed in the same document. Is possible.
This regularization is at the cost of reduced spatial resolution when the received signal has a low signal-to-noise ratio, processing between signals with different ultrasonic parameters or beamforming parameters, or processing between physically different sensing signals. However, such a smoothing process may be useful.
In addition, for example, optimization can be similarly performed in the inverse analysis shown in paragraph 0377 and various other inverse analyzes (when the system is expressed as Ax = b). In addition to maximum likelihood estimation, MAP, and regularization, Bayesian estimation can be performed in the same manner, and various other effective methods can be applied. Incidentally, when a vector such as a displacement vector or a current density vector is an observation target, another regularization parameter or another regularization operator may be used for each direction component (Non-patent Document 17).
新しい本位相マッチング処理は、同一位置において生成された異なる波動やビームフォーミングのパラメータを持つ複数の波動そのもの(物理的に生成されたものの他、スペクトルを周波数分割して生成された疑似波動等を含む)やそれらの波動が重ね合されて生成された疑似波動そのもの(コヒーレント加算による広帯域化・高分解能化)、又は、それらのビームフォーミング処理時における位相収差補正(変位計測法を応用した高精度な位相収差計測に基づく高精度な位相マッチング)においても有効であり、それらにおけるICA(Independent Component Analysis)処理による信号分離(加算平均よりも効果的な多重化効果がある)や非線形処理による超解像等にも有効である。それらの位相収差補正において組織変位のある場合には動き補償も同時に行うことが可能であり、観測対象が明に変位している場合に受信される単一フレーム内の受信信号や連続して取得されることの多い複数フレーム内の受信信号において、ビームフォーミング中やビームフォーミング後に位相収差補正を行い、ビームフォーミング中やビームフォーミング後に超解像を行うことも有効である(重ねた波動に超解像を施したり、超解像の結果を重ねたりする処理等)。また、これらをMRIや超音波、X線CT、OCT、テラヘルツ等の異なるセンシング信号間において処理することも有効である。その様な複数のフレームデータを用いた処理において、観測対象の大変位や変形、特に非制御下における自発的な観測対象の変位における信号の欠落(例えば、観測対象が1次元又は2次元又は3次元の関心領域内から外れる)や加熱(治療)等の物理的作用や化学療法等の化学作用により複数のフレームデータ間の位相マッチングの精度は低下するため、本願に記載の変位計測(シフティング処理を含む)における正則化や最尤推定等の最適化は有効であるが、それらの場合においても新しい位相マッチングは有用となる。スペックル信号を処理することもあるし、スペキュラー信号を処理することもあり、必要に応じて、エッジ抽出や強調、特徴点(例えば、ヒトを観る場合には血管分岐位置等の組織構造)を得て行う変位トラッキング等は有効である。または、信号によっては上記の正則化において積極的に平滑化したり、包絡線検波を施した上で処理を行うことが有効であることもある。
この様に、新しい本位相マッチング処理は、変位計測等における位相マッチングの他、段落0384に記載のDAS処理(方法D1〜D3)、その他、フーリエビームフォーミングやアダプティブビームフォーミングやミニマムバリアンス等の他のビームフォーミングにおけるDelayの推定(位相収差補正)や、段落0372に記載のビームフォーミング中における位相収差補正、動き補償、位置合わせ、位置補正等の時間座標や空間座標や時空間座標において信号のシフティング量を推定する場合に有用である。
The new phase matching process includes a plurality of waves with different wave and beam forming parameters generated at the same position (physical wave generated in addition to a pseudo wave generated by frequency-splitting the spectrum in addition to those generated physically) ) And the pseudo wave itself generated by superimposing those waves (widening and high resolution by coherent addition), or phase aberration correction during the beam forming process (high precision applying displacement measurement method) It is also effective in high-accuracy phase matching based on phase aberration measurement), and signal separation by ICA (Independent Component Analysis) processing (there is more effective multiplexing than averaging) and super-resolution by nonlinear processing Etc. are also effective. If there is tissue displacement in the phase aberration correction, motion compensation can be performed at the same time, and the received signal in a single frame received continuously when the observation target is clearly displaced or acquired continuously It is also effective to perform phase aberration correction during beam forming or after beam forming, and to perform super-resolution during beam forming or after beam forming, for received signals in multiple frames that are often generated (super-resolution to superimposed waves). Image processing and super-resolution results). It is also effective to process these signals between different sensing signals such as MRI, ultrasound, X-ray CT, OCT, terahertz and the like. In such a process using a plurality of frame data, a large amount of displacement or deformation of the observation target, particularly a lack of signal due to spontaneous displacement of the observation target under non-control (for example, the observation target is one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional) Because the accuracy of phase matching between multiple frame data decreases due to physical action such as heating (treatment) and chemical action such as chemotherapy, the displacement measurement described in this application (shifting) Optimization including regularization and maximum likelihood estimation (including processing) is effective, but even in those cases, new phase matching is useful. The speckle signal may be processed or the specular signal may be processed. If necessary, edge extraction, enhancement, and feature points (for example, a tissue structure such as a blood vessel branch position when viewing a human) The obtained displacement tracking is effective. Alternatively, depending on the signal, it may be effective to perform smoothing in the above regularization or processing after performing envelope detection.
In this manner, the new phase matching processing includes DAS processing (methods D1 to D3) described in paragraph 0384, in addition to phase matching in displacement measurement, etc., and other types such as Fourier beam forming, adaptive beam forming, and minimum variance. Delay estimation in beam forming (phase aberration correction), phase aberration correction during beam forming described in paragraph 0372, motion compensation, alignment, position correction, etc. Signal shifting in time coordinates, space coordinates, and space-time coordinates Useful for estimating quantities.
尚、観測された波動を基に対象の動きを検出、イメージする様々な技法もあり、例えば、医用超音波の分野では、血流や組織の変位や変形に関して、平均速度や分散等を基に、速度情報、動きの有無、複雑さ等を表示できるものがある。積極的に造影剤(マイクロバブル)が使用され、血管内や心腔内の血液からの波動の強度を増強した状態で計測イメージングが行われることもある。形態学的な観測だけでなく、機能計測にも有効となることがある。自己発散(self-emanating)型の造影剤には、PET(陽電子放射型断層撮影法)で使用される放射性同位体が典型的な例であり、発生数のカウントに基づく観測が行われる。これは第2の実施形態のパッシブな装置で対象となるタイプのものであるが、例えば、磁性体(癌病変等のターゲットに親和性があることがある)を静脈注射し、そこに力学的振動を加えて磁場を発生させることもある。従って、送信手段である送信トランスデューサにより力学的に刺激し、その応答として電磁波を、受信手段である受信トランスデューサで観測することになる。また、上記の光音響(photoacoustic)等も可能である。例えば、代表的なPET造影剤である18FDG(18F−フルオロデオキシグルコース、グルコースにポジトロン放出核種を標識)は、癌細胞が正常な細胞よりも多く(3から20倍)のブドウ糖を摂取する性質を応用し、全身を対象として癌の早期発見に使用されているが、これにPhotoacoustics(光音響)を応用し、超音波を受信して癌を早期発見できる(メタボリックトラッピングによる集積機序が有り、グルコースと同様に細胞膜のグルコーストランスポータを介して細胞膜に取り込まれ、酵素ヘキソキナーゼにより代謝されるが、グルコースと異なり、解糖系に進まずに細胞内に留まる。)。PETと併用されることもあるが、超音波検査がPETとは別に行われることもある。処理そのものは、レーザー照射のタイミングに基づくトリガーを用いた到来超音波(透過波)に対する受信ビームフォーミングを基本とする。陽電子がβ?崩壊により陽電子放出核種(ポジトロン核種)から放出され、電子と引き寄せ合い、数mm移動後に電子と結合して消滅し、その際に、ほぼ正反対方向に放出される2本の光子(γ線、即ち、消滅放射線)を観測すること等により空間分解能は低いが、生成される超音波を観測できる部位においては、比較して、高分解能に観測できるという利点がある。早期発見にも適しているし、集積の有無によって疾患の有無を観測したり、その他、その程度をphotoacoustic信号の強度から観測して、悪性度や進行度等を判断することも可能である(悪性腫瘍細胞では糖代謝が亢進しており、高集積)。体内に存在するD型グルコースの他、『癌病変がL型を特異的に取り込む特性を蛍光Lグルコースに応用する光超音波の分野外の弘前大学大学院医学研究科統合機能生理学講座(旧生理学第一講座)山田勝也の研究グループの成果(経口又は注射による摂取)』に習って、L型グルコースの使用も有効である。その他、例えば、脳は人体で最も糖代謝が盛んであり、アルツハイマー型認知症は早期から代謝異常を伴う。また、心筋は、虚血が進行すると糖代謝が亢進する(陽性)が、壊死すると糖代謝は行われない。それらの観測にもPhotoacousticを使用できる。脳の場合には開頭することがあり、腹部の深部臓器の疾患を対象とする場合には、開腹したり、腹腔鏡(腹穴鏡)やカテーテル等を用いる等、疾患の近傍でレーザー照射や超音波の検出が行われることもある。これらの応用において、造影剤の光吸収周波数特性が明らかにされて公知となっているものが多い中、照射レーザー及び生成される超音波信号の周波数分散が積極的に用いられることもあり(即ち、広帯域又は特定の帯域のレーザー照射時に発生する超音波を下記の如くに広帯域に観測する、又は、特定の超音波周波数帯域に注目することも有り、又は、異なる帯域のレーザー照射時に発生する超音波を広帯域に観測したり、その際の特定の超音波周波数帯域に注目したり、観測された超音波信号を重ね合わせて広帯域なレーザー照射を疑似的に実現したりすることがあり、光源や超音波センサーが広帯域又は特定の帯域の同一の特性を持つものが1次元、2次元、又は、3次元のアレイ状に並んでいる場合も有れば、異なる帯域特性を持つものが同様にアレイ状に並んでいる場合(例えば、局所的に連続して、又は、交互に、又は、周期的に)も有るし、光源と超音波センサーが別のbodyを持つこともあるし一体化されていることもあるし、光源や超音波センサーを取り換えてそれらを同一箇所に設置して観測することもある)、また、必ずしもイメージングが行われるとは限らず、数値に基づく定量的な観測のみが行われることもある。前記の通り、グルコース濃度を観測対象とし、血糖値の観測やイメージングにも応用できる。また、PET造影剤には、糖分の他に、酸素、水、アミノ酸、核酸、神経伝達物質等にポジトロン放出核種を標識したもの(11C−メチオニン、11C−酢酸、11C−コリン、11C−メチルスピペロン、13N−アンモニア、15O−水、15O−酸素ガス、18F−フルオロドーバ等)が実用化されており、それらやPhotoacoustics用に開発されたもの等、別に開発される各種造影剤にも使用できる。これらのPhotoacousticsにおいては、造影剤を使用する場合と使用しない場合とにおいて、血液や尿、体液を対象にしてドプラ計測(ベクトル計測を含む)が行われることもあるし、また、軟組織や硬組織を含めて臓器の変位や変形、粘弾性や熱力学的特性が観測されることもある(診断や検査だけでなく様々な治療を含む)。放射線を被爆する場合には、通常の通り、被爆を防いだり、被爆量を安全値以下にする必要がある。造影剤が治療の効果も持つこともある。逆に言えば、治療薬が造影剤の効果を持つこともある。
様々な造影剤が同時に使用されることもあるが、使用されない場合も有り、超音波センサーは、広帯域な受信特性を持つものが積極的に使用されて一度に広帯域なPhotoacoustics信号が上記の応用等に用いられることがあるし、フィルタリング(アナログ又はデジタル)によって周波数帯域を選択して上記の応用(Photoacoustics信号そのもののイメージングも含む)等に用いられることがある。各々の周波数又は周波数帯域のPhotoacoustics信号を用いた上記の応用の観測結果を、重ね合わせたり平均化して使用することもある。画像化する場合には、表示する観測データの数値の大きさに色を割り当てたり、同一の色の中でも濃淡を付けて表示して解像度を持たせることがある。また、観測された各々の周波数又は周波数帯域における観測結果を画像化して、重畳して表示することがある。その場合に、観測された各々の周波数又は周波数帯域の観測結果に異なる色を割り当てたり、さらに、濃淡を付けて表示する観測データの数値の大きさに解像度を持たせることがある。各周波数帯域のPhotoacoustics信号がどの造影剤又は観測対象の物質によるものであるかを理解してあったり(光超音波の分散を実測することも重要であるが、例えば、ヒト組織やヒト病変組織、それらに関連する物質の400nmから25μmにおける吸光度データは豊富であり参考になる)、それらのターゲットに合う周波数帯域のPhotoacoustics信号が積極的に用いられることもあるが、必ずしもそうでは無く用いることも有用である(即ち、観測対象内に元より少なくとも1つ存在するものや観測対象外から少なくとも1つ取り込んだもの、それらが共に存在する場合等の複数のマーカーが混在している場合や、特段にマーカーを意識せずにマーカー無しとする場合等、それらにおいてPhotoacoustics信号が生成される帯域幅を持つ光を照射する)。上記の通りに画像化することがあるし、本願に記載の変位や温度の観測、その他、それらを用いる逆解析(観測)に用いられることもある。さらに、本願に記載の通り、スペクトル解析(アナログ又はデジタルフィルタリング)やICA等の信号処理(位相収差補正を行う場合と行わない場合とを含む)、その他、画像処理(例えば、決定的又は確率統計的な画像パターンを指標とする)を用いて異なるマーカーからの信号に分離して使用することもある。信号強度又はスペクトルの大きさ(実効値)そのものの違いを使用することも有効である。マーカーの分析そのものとなることもある。その場合には、造影剤使用時と未使用時の信号を対象とすることもある。同様に、上記の通りに画像化することがあるし、分離された信号が本願に記載の変位や温度の観測、その他、それらを用いる逆解析(観測)に用いられることもある。また、例えば、血流等の静止または速度の遅い変位をしている媒体中の流体を画像したりそれらの動きを観測する場合には、Photoacoustics信号そのもの又は併用することのある超音波(エコー)信号においてドプラ観測を用い、通常の血流ドプラ観測にて使用されるクラッターリジェクションフィルタや信号強度の違いを使用して直接に分離したり、血流位置(領域)を特定して分離することも有用である。無論、照射光の周波数や帯域をターゲットの流体に適切に設定して観測する場合においても本処理は有効であり、また、周波数や帯域を合わせた、又は、周波数を合せていないOCTや他の光学装置(光パルスや電磁波パルス)を用いたドプラ観測を併用して処理することも有用である。重要なことに、分離された流体の周囲の媒体に関しても詳細な評価が可能になる(変位や温度、逆解析等)。これらは、連生解析・分析、合成(論)における有用な方法ともなる。
それらのPhotoacoustics信号(受信信号)には、公知のビームフォーミング法の他、本明細書に記載の様々なビームフォーミング法や信号処理が用いられる。従って、応用には、上記の通りPhotoacoustics信号そのもののイメージングも含む。検波処理は、公知の方法の他、本明細書に記載の方法が使用される。信号の分離には、本明細書に記載のICA等の様々な信号処理法が使用できるが、例えば、スペクトルを分割したりすることができ、ビームフォーミング後に分割したり、ビームフォーミング前の角スペクトルを分割しても良い。角スペクトルを分割する場合には、フーリエビームフォーミングの他、DAS処理等の様々なビームフォーミングを行うことができる。重ね合わせにおいては、コヒーレント加算又はインコヒーレント加算が行われる。特に、本明細書に記載のビームフォーミング法や信号処理を用いると、微弱信号を漏らさずに処理でき、高精度に詳細な観測が可能である。基本的にPhotoacousics信号は広帯域であるため、高分解能な観測(上記の応用等を含む)を実現できるだけでなく、顕微鏡として応用することも可能であり、超音波センサー部がハンディー型のPhotoacoustics顕微鏡を実現することもできる。この場合においても上記の応用等が行われる。尚、光の照射は平面波や球面波や円筒波等、一度に広い範囲に照射する場合と、光ビームの走査(メカニカル走査又は電子走査)を行うことがあり、前者に比べて後者の方が高分解能な観測が可能である。
また、超音波センサーの受信特性が狭帯域である場合には、その受信帯域の異なる複数個の超音波センサーを用いて受信された各々のPhotoacoustics信号を上記の如くに用いることがあるし、併用することもある。
これらの観測される光音響信号を超音波エコーの代わりに同様に処理し、本明細書に記載の様々な信号処理(逆解析を含む)が施され、様々に応用される。例えば、ドプラ観測や力学再構成、温度観測に基づく熱学再構成等、これらに限られない。
There are various techniques to detect and image the movement of the target based on the observed waves. For example, in the field of medical ultrasound, based on the average velocity and dispersion of blood flow and tissue displacement and deformation. Some of them can display speed information, presence / absence of movement, complexity, and the like. A contrast agent (microbubble) is actively used, and measurement imaging may be performed in a state where the intensity of the wave from blood in the blood vessel or the heart chamber is increased. It may be useful not only for morphological observation but also for functional measurement. As a self-emanating contrast agent, a radioisotope used in PET (Positron Emission Tomography) is a typical example, and observation based on the count of the number of occurrences is performed. This is the target type of the passive device of the second embodiment. For example, a magnetic substance (which may have an affinity for a target such as a cancer lesion) is intravenously injected, and then mechanically there. A vibration may be applied to generate a magnetic field. Therefore, the stimulation is dynamically stimulated by the transmission transducer as the transmission means, and the electromagnetic wave is observed as the response by the reception transducer as the reception means. Moreover, the above-mentioned photoacoustic (photoacoustic) etc. are also possible. For example, 18 FDG ( 18 F-fluorodeoxyglucose, labeled with a positron-emitting nuclide) is a typical PET contrast agent, and cancer cells ingest more glucose (3 to 20 times) than normal cells. Applying properties, it is used for early detection of cancer in the whole body, but by applying photoacoustics (photoacoustics) to this, it can detect cancer early by receiving ultrasound (the integration mechanism by metabolic trapping is Yes, like glucose, it is taken into the cell membrane via the glucose transporter of the cell membrane and metabolized by the enzyme hexokinase, but unlike glucose, it stays in the cell without going into the glycolytic system.) Although it may be used in combination with PET, an ultrasonic examination may be performed separately from PET. The processing itself is based on reception beam forming for incoming ultrasonic waves (transmitted waves) using a trigger based on the timing of laser irradiation. A positron is emitted from a positron emitting nuclide (positron nuclide) due to β? Decay, attracts the electron, disappears by combining with the electron after moving several mm, and at that time, two photons emitted in almost opposite directions Although the spatial resolution is low by observing gamma rays (ie, annihilation radiation), there is an advantage that the portion that can observe the generated ultrasonic waves can be observed with high resolution. It is also suitable for early detection.It is also possible to determine the degree of malignancy and progression by observing the presence or absence of disease according to the presence or absence of accumulation, or by observing the extent from the intensity of the photoacoustic signal ( Malignant tumor cells have increased glucose metabolism and high accumulation). In addition to D-type glucose present in the body, “The Department of Integrated Functional Physiology, Hirosaki University Graduate School of Medicine outside the field of optical ultrasound, which applies the characteristic that cancer lesions specifically capture L-type to fluorescent L-glucose” (Lecture) Katsuya Yamada's research group results (oral or ingestion by injection) ”, the use of L-type glucose is also effective. In addition, for example, the brain has the highest glucose metabolism in the human body, and Alzheimer's dementia is accompanied by metabolic abnormalities from an early stage. In the myocardium, glucose metabolism increases (positive) when ischemia progresses, but glucose metabolism does not occur when necrosis occurs. Photoacoustic can also be used for these observations. In the case of the brain, there may be craniotomy, and when targeting diseases of deep organs in the abdomen, laser irradiation or near the disease, such as using a laparoscope (laparoscope) or catheter, etc. Ultrasonic detection may be performed. In many of these applications, the optical absorption frequency characteristics of contrast agents have been clarified, and in many cases, the frequency dispersion of the irradiation laser and the generated ultrasonic signal may be actively used (ie, Ultrasonic waves generated during laser irradiation in a wide band or a specific band are observed in a wide band as described below, or attention may be paid to a specific ultrasonic frequency band, or ultrasonic waves generated during laser irradiation in a different band It may observe sound waves in a wide band, focus on a specific ultrasonic frequency band at that time, or superimpose the observed ultrasonic signals to realize broadband laser irradiation in a pseudo manner. In some cases, ultrasonic sensors with the same characteristics in a wide band or a specific band are arranged in a one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional array. May be arranged in an array (for example, locally continuously, alternately, or periodically), and the light source and the ultrasonic sensor may have different bodies. May be integrated, or the light source and the ultrasonic sensor may be replaced and installed at the same location for observation.) Also, imaging is not always performed, and quantification based on numerical values Sometimes only observations are made. As described above, the glucose concentration is an observation target, and it can be applied to blood glucose level observation and imaging. In addition to sugar, PET contrast agents include oxygen, water, amino acids, nucleic acids, neurotransmitters and the like labeled with positron-emitting nuclides ( 11 C-methionine, 11 C-acetic acid, 11 C-choline, 11 C-methylspiperone, 13 N-ammonia, 15 O-water, 15 O-oxygen gas, 18 F-fluorodova etc.) have been put into practical use and have been developed separately such as those developed for Photoacoustics. It can also be used for various contrast media. In these photoacoustics, Doppler measurement (including vector measurement) may be performed on blood, urine, and body fluids with or without a contrast agent, and soft tissue or hard tissue Displacement and deformation of organs, viscoelasticity and thermodynamic characteristics may be observed (including not only diagnosis and examination but also various treatments). When exposed to radiation, as usual, it is necessary to prevent exposure and to reduce the amount of exposure to a safe value or less. Contrast agents can also have therapeutic effects. Conversely, the therapeutic agent may have the effect of a contrast agent.
Various contrast agents may be used at the same time, but may not be used. Ultrasonic sensors that have a wide-band reception characteristic are actively used. In some cases, the frequency band is selected by filtering (analog or digital) and used in the above application (including imaging of the photoacoustics signal itself). The observation results of the above application using the photoacoustics signal of each frequency or frequency band may be used by superimposing or averaging. In the case of imaging, a color may be assigned to the numerical value of the observation data to be displayed, or the same color may be displayed with shades to give resolution. In addition, the observed results at each observed frequency or frequency band may be imaged and displayed superimposed. In that case, a different color may be assigned to the observation result of each observed frequency or frequency band, and further, the resolution may be given to the numerical value of the observation data to be displayed with shading. Understand which contrast medium or observation target substance is the photoacoustics signal of each frequency band (It is also important to actually measure the dispersion of optical ultrasound, but for example human tissue or human lesion tissue Absorbance data from 400nm to 25μm of related substances is abundant and can be used as a reference), Photoacoustics signals in the frequency band suitable for those targets may be actively used, but not necessarily Useful (that is, when there are multiple markers, such as when there is at least one from within the observation target, at least one from outside the observation target, or when both exist together, In such a case, for example, when there is no marker without being aware of the marker, light having a bandwidth in which a Photoacoustics signal is generated is emitted). It may be imaged as described above, and may be used for observation of displacement and temperature described in the present application, and other inverse analysis (observation) using them. Further, as described in the present application, spectrum processing (analog or digital filtering), signal processing such as ICA (including the case where phase aberration correction is performed or not), and other image processing (for example, deterministic or probability statistics) May be used by separating into signals from different markers. It is also effective to use the difference in signal intensity or spectrum size (effective value) itself. It may be the marker analysis itself. In that case, the signal when the contrast medium is used and when it is not used may be targeted. Similarly, imaging may be performed as described above, and the separated signal may be used for the displacement and temperature observation described in the present application, and for other inverse analysis (observation) using them. In addition, for example, when imaging fluids in a medium that is stationary or moving slowly, such as blood flow, or observing their movement, the Photoacoustics signal itself or ultrasonic waves that may be used together (echo) Using Doppler observations on signals and separating them directly using the clutter rejection filter used in normal blood flow Doppler observations or differences in signal intensity, or identifying and separating blood flow positions (regions) Is also useful. Of course, this processing is also effective in the case of observing by setting the frequency and band of the irradiation light appropriately for the target fluid, and the OCT and other frequencies that match the frequency or band or that do not match the frequency. It is also useful to perform processing in combination with Doppler observation using an optical device (light pulse or electromagnetic wave pulse). Importantly, detailed evaluation is also possible for the media surrounding the separated fluid (displacement, temperature, inverse analysis, etc.). These are also useful methods in life analysis / analysis and synthesis.
For these Photoacoustics signals (received signals), various beam forming methods and signal processing described in this specification are used in addition to a known beam forming method. Therefore, the application includes imaging of the Photoacoustics signal itself as described above. For the detection process, a method described in this specification is used in addition to a known method. For signal separation, various signal processing methods such as ICA described in this specification can be used. For example, the spectrum can be divided, the beam spectrum can be divided, or the angular spectrum before beam forming can be divided. May be divided. When the angular spectrum is divided, various beam forming such as DAS processing can be performed in addition to Fourier beam forming. In superposition, coherent addition or incoherent addition is performed. In particular, if the beam forming method and signal processing described in this specification are used, weak signals can be processed without leaking, and detailed observation can be performed with high accuracy. Basically, because the photoacousics signal is broadband, not only can high-resolution observations (including the above-mentioned applications) be realized, but it can also be applied as a microscope. The ultrasonic sensor unit uses a handy photoacoustics microscope. It can also be realized. Even in this case, the above-described application is performed. In addition, light irradiation may be performed over a wide range such as plane wave, spherical wave, cylindrical wave, etc., and light beam scanning (mechanical scanning or electronic scanning) may be performed, the latter being more than the former. High-resolution observation is possible.
In addition, when the reception characteristics of the ultrasonic sensor are narrow, each Photoacoustics signal received using a plurality of ultrasonic sensors with different reception bands may be used as described above. Sometimes.
These observed photoacoustic signals are processed in the same manner instead of the ultrasonic echoes, and various signal processing (including inverse analysis) described in the present specification is applied to various applications. For example, Doppler observation, dynamic reconstruction, thermodynamic reconstruction based on temperature observation, and the like are not limited thereto.
また、波動を最後の逆フーリエ変換前に分離して検波(二乗検波や包絡線検波等)するか、最後の逆フーリエ変換後に分離して同検波するか、又は、元より分離されているものをフーリエ変換前後で検波すること(非特許文献1)が可能であり、各々の波動の強度分布を表す画像化を行うか、又は、それらの検波によりインコヒーレント信号になったものを重ね合わせて、決定的(deterministic)な信号(例えば、反射信号やスペキュラー信号)を強調し、確率的(stochastic)な信号(例えば、散乱信号やスペックル信号)を低減して、対象や媒体の構造の空間的な変化を効果的に描出することが行われる(本願の発明者の過去の発明)。 In addition, the wave is separated and detected before the last inverse Fourier transform (square detection, envelope detection, etc.), separated after the last inverse Fourier transform and then detected, or separated from the original Can be detected before and after Fourier transform (Non-Patent Document 1), and imaging representing the intensity distribution of each wave is performed, or incoherent signals resulting from the detection are superimposed. Emphasize deterministic signals (eg reflected or specular signals), reduce stochastic signals (eg scattered or speckle signals), and space in the structure of objects and media The change is effectively depicted (the past invention of the inventor of the present application).
波動が重なっているコヒーレント信号を検波し、その強度分布の画像化を行うこともある。また、検波していないコヒーレント信号を画像化して、波打ちそのものを画像化することもあるし、信号の強度(振幅)の画像と共に得られる位相分布の画像を提示することも可能である。単一の波動に関しても同様に画像されることがある。 In some cases, a coherent signal with overlapping waves is detected and its intensity distribution is imaged. In addition, a non-detected coherent signal may be imaged to image the wave itself, or an image of a phase distribution obtained together with an image of signal strength (amplitude) may be presented. A single wave may be similarly imaged.
表示方法は、グレー画像やカラー画像が一般的(popular)であるが、その際に、定量性が求められる場合には、表示されている輝度や色に対応する数値がバー表示されることもある。その他、鳥瞰図等で表示されることもあり、CGを併用して表示されることもある。それらは静止画又は動画として表示されることがあるし、動画はフリーズして表示されることもあるし、それらが実時間で表示されることもあるし、オフラインで処理されて表示されることもある。記憶装置(又は記憶媒体)に格納されている波動データ又は画像データが読みだされて表示されることもある。任意数値の経時的な変化がグラフとして表示されることもある。 Gray images and color images are popular (popular). If quantitativeness is required, numerical values corresponding to the displayed brightness and color may be displayed as bars. is there. In addition, it may be displayed as a bird's eye view or the like, or may be displayed together with CG. They may be displayed as still images or videos, videos may be displayed frozen, they may be displayed in real time, or processed and displayed offline. There is also. Wave data or image data stored in a storage device (or storage medium) may be read out and displayed. An arbitrary numerical change with time may be displayed as a graph.
その他、例えば、マイクロ波や赤外線、又は、テラヘルツ帯域の信号を使用して、計測対象の温度分布を観測すること等も可能である。輻射しているものに送波した波動が変調を受け、これを検出する(尚、第2の実施形態に係るパッシブ型の装置においても、輻射される波動そのものから対象の温度分布の計測が行われることもある)。他の波動と同様、連続波でなく、パルス波やバースト波、ビームフォーミングを用いると空間分解能を得ることができ、赤外線は、主として対象の表面の温度分布を観測する場合に使用されるが(対象の表面のみに制約されると考える場合も有る)、マイクロ波やテラヘルツを用いると、対象の内部の温度分布をも観測することができる。これらの観測された物理量や化学量を基に、逆問題的なアプローチ等の高次の処理が実施されて、粘弾性率や弾性率、粘性(特許文献9)、熱物性(特許文献10)、電気物性(導電率や誘電率、特許文献8)、透磁率、波動の伝搬速度(光速や音速等)、減衰、散乱(前方散乱や後方散乱等)、透過、反射、屈折、表面波、又は、波動源等が、周波数分散を含めて求められることがある。特許文献8〜10には、関心領域内の1つの物理量(観測量)からその物理量に関連する物性の分布を再構成できる方法が開示されている。また、直接的にセンサーによってセンシングされた波動そのものから直接的に物性分布が評価されることもある。医療応用においては、超音波やMRIを使用する場合を含め、癌病変や加温・加熱治療中、それらの治療や外科術の後の炎症部分の温度や熱物性に加え、粘弾性率の観測やモニタリングが行われることもある。また、体温観測(朝、昼、夜、代謝、成長、老化、食前後、喫煙前後、末梢系への負荷、電気生理的な神経制御を含む等)、様々な臓器における運動負荷等も、同様にして、観測されることがある。医療応用に限られるものでも無く、他の有機体や無機体、混合して構成されるものが観測対象となることもあり、診断、修復、応用等において、様々な観測やモニタリングが連動して実施されることがある。テラヘルツの応用は、それらの計測のみならず、他の波動と同様に、透過波や反射波等のイメーングに使用でき、ドプラ計測等にも応用できる。特徴的に、X線と同様、無機物の観測にも応用できる。他の波動も有機体と無機物の観測に使用されることもるが、他の波動と同時に使用して、Fusionすることも可能である。 In addition, for example, it is also possible to observe the temperature distribution of the measurement object using a microwave, an infrared ray, or a terahertz band signal. The wave transmitted to the radiating object is modulated and detected (the passive device according to the second embodiment also measures the temperature distribution of the target from the radiated wave itself. Sometimes). As with other waves, spatial resolution can be obtained by using pulse waves, burst waves, and beam forming instead of continuous waves. Infrared rays are mainly used for observing the temperature distribution of the target surface ( In some cases, it may be considered that only the surface of the object is constrained), and if microwaves or terahertz is used, the temperature distribution inside the object can also be observed. Based on these observed physical quantities and chemical quantities, high-order processing such as an inverse problem approach is performed, and viscoelastic modulus, elastic modulus, viscosity (Patent Document 9), thermophysical property (Patent Document 10). , Electrical properties (conductivity and dielectric constant, Patent Document 8), magnetic permeability, wave propagation speed (light speed, sound speed, etc.), attenuation, scattering (forward scattering, backscattering, etc.), transmission, reflection, refraction, surface wave, Or a wave source etc. may be calculated | required including frequency dispersion. Patent Documents 8 to 10 disclose a method capable of reconstructing a physical property distribution related to a physical quantity from one physical quantity (observed quantity) in a region of interest. In addition, the physical property distribution may be directly evaluated from the wave itself directly sensed by the sensor. In medical applications, including the use of ultrasound and MRI, during the treatment of cancer lesions and heating / heating treatment, in addition to the temperature and thermophysical properties of the inflamed part after such treatment and surgery, observation of viscoelastic modulus And monitoring. In addition, body temperature observation (morning, noon, night, metabolism, growth, aging, before and after eating, before and after smoking, load on peripheral system, including electrophysiological nerve control, etc.), exercise load in various organs, etc. May be observed. It is not limited to medical applications, but other organic and inorganic substances and mixed substances may be the object of observation, and various observations and monitoring are linked in diagnosis, restoration, application, etc. May be implemented. The application of terahertz can be used for imaging of transmitted waves and reflected waves, as well as other waves, and can also be applied to Doppler measurements and the like. Characteristically, it can be applied to observation of inorganic substances as well as X-rays. Other waves may be used for observation of organisms and inorganics, but can be used simultaneously with other waves to create a fusion.
計測された変位や温度等の物理量も、同様に画像表示されることがあるが、同時に得られる形態学的画像に重畳されて表示されることもある。これらの分布を表す画像には定量性が求められることが多く、表示されている輝度や色に対応する数値がバー表示されることもある。その他、鳥瞰図等で表示されることもあるし、CGが併用されて表示されることもある。それらは静止画又は動画として表示されることがあるし、動画はフリーズして表示されることもあるし、それらが実時間で表示されることもあるし、オフラインで処理されて表示されることもある。記憶装置(又は記憶媒体)に格納されている波動データ又は画像データが読みだされて表示されることもある。任意数値の経時的な変化がグラフとして表示されることもある。 Physical quantities such as measured displacement and temperature may be displayed in the same manner, but may be displayed superimposed on the morphological image obtained at the same time. An image representing these distributions is often required to be quantitative, and numerical values corresponding to the displayed luminance and color may be displayed as bars. In addition, it may be displayed in a bird's eye view or the like, or may be displayed in combination with CG. They may be displayed as still images or videos, videos may be displayed frozen, they may be displayed in real time, or processed and displayed offline. There is also. Wave data or image data stored in a storage device (or storage medium) may be read out and displayed. An arbitrary numerical change with time may be displayed as a graph.
また、他装置から、入力装置を通じて観察対象である波動に関する付加情報が提供されることがあり、また、他物理量や化学量の観測データが提供されることもあり、デジタル信号処理ユニットにおいて、上記の処理の他に、データマイニングや独立信号分離(独立成分分析)、主成分分析、符号、多次元スペクトル解析、MIMO、SIMO、MUSICによる信号分離、パラメトリックな方法による対象の同定に基づく信号分離、これらの方法を併用することのある超解像、又は、ISAR(Inverse synthetic aperture)等の高次の処理が行われることがある。つまり、ビームフォーミング(開口面合成を含む)されたものに超解像が施されることもあるし、受信ビームフォーミング前又はビームフォーミングが全く行われていないもの(開口面合成用送受信信号)に超解像処理を施した上でビームフォーミングが行われることがあるが、各々の場合において、それらの方法が併用されることがある。 Further, additional information on the wave to be observed may be provided from another device through the input device, and observation data of other physical quantities or chemical amounts may be provided. In the digital signal processing unit, In addition to the above processing, data mining and independent signal separation (independent component analysis), principal component analysis, sign, multidimensional spectral analysis, signal separation by MIMO, SIMO, MUSIC, signal separation based on object identification by parametric methods, Super-resolution that may use these methods in combination, or higher-order processing such as ISAR (Inverse synthetic aperture) may be performed. In other words, super-resolution may be applied to the beam-formed (including aperture synthesis), or it may be applied to the signal that has not been subjected to receive beam forming or is not subjected to beam forming at all (transmission / reception signal for aperture synthesis). Beam forming may be performed after performing super-resolution processing. In each case, these methods may be used in combination.
第2の実施形態に係るパッシブ型の装置においても、これらの処理が行われるので、そこで詳述することにするが、パッシブ装置の場合と異なり、本実施形態に係るアクティブ型の装置では、波動を送信して走査するため、受波した受信信号において関心のある位置を特定できることが大きく異なり、また、送信フォーカス又はマルチフォーカスを行えば、それらのフォーカス位置の状態や機能、そこに波動源があれば波動源に関する情報で高分解能に波動を変調して復調してそれらを理解し、また、平面波(フラットなアレイ)や円筒波(リング状のアレイ)、球面波(球殻状のアレイ)に類する波動を使用すれば、高いフレームレートで高速にそれらを捉えることも可能である。 These processes are also performed in the passive device according to the second embodiment, and will be described in detail there. However, unlike the passive device, the active device according to the present embodiment has a wave motion. The position of interest can be specified in the received signal that is received is greatly different, and if transmission focus or multifocus is performed, the state and function of those focus positions, and the wave source there If there is any information about the wave source, it modulates and demodulates the waves with high resolution and understands them. Also, plane waves (flat arrays), cylindrical waves (ring-shaped arrays), spherical waves (spherical shell-shaped arrays) It is possible to capture them at a high frame rate and at high speed by using similar waves.
通信を行う上では、送信トランスデューサから、通信先の位置を絞って、省エネと通信のセキュリティを向上させることができる。観察を行うに当たっては、計測系を構成する上で自由度が高い。また、それらのシステム論に基づく処理においては、生成する点拡がり関数を同定したり、また、目的に合わせて調整したりすることも容易である。送信トランスデューサや受信トランスデューサ(送信トランスデューサを兼ねることもある)の各々を複数使用することも可能であるし、送信と受信の対象となる波動が同種の物であることも異なることもあるし、時として、同期して稼働する複数のトランスデューサ専用の装置本体が複数台使用することもあるし、また、第2の実施形態に係るパッシブ型の装置が併用されることもあるし、それらが、それらを制御する装置を含む他の装置と、専用又は通常のネットワークを通じて結ばれていることもあるし、装置本体がネットワークの制御機能を有することがある。 In communication, the position of the communication destination can be narrowed down from the transmission transducer, and energy saving and communication security can be improved. In performing the observation, the degree of freedom is high in configuring the measurement system. Further, in the processing based on these system theories, it is easy to identify the point spread function to be generated and adjust it according to the purpose. It is possible to use multiple transmitting and receiving transducers (sometimes serving as transmitting transducers), and the waves to be transmitted and received may be the same or different. As mentioned above, a plurality of device bodies dedicated to a plurality of transducers operating in synchronization may be used, or a passive device according to the second embodiment may be used together. It may be connected to other devices including a device for controlling the network through a dedicated or normal network, or the device main body may have a network control function.
各種観測データを基に、材料や構造物の製造する装置、治療や修復するための装置、応用する装置(ロボット等)などの装置が連動して稼働することもあるが、それらに限られない。尚、これらの波動を用いた計測や高次の計算処理は、脱着可能な記憶装置(記憶媒体)に格納された波動データ等を用いて、別装置で実施されることもあるし、それらのデータが同タイプの記憶装置(記憶媒体)に格納されて、別の装置で使用されることもある。 Based on various observation data, devices such as materials and structures manufacturing devices, treatment and repair devices, and applied devices (robots, etc.) may operate in conjunction with each other, but are not limited thereto. . In addition, measurement and high-order calculation processing using these waves may be performed by another device using wave data stored in a removable storage device (storage medium). Data may be stored in the same type of storage device (storage medium) and used in another device.
尚、受信してメモリ又は記憶装置(記憶媒体)に格納されている受信信号において、対象や媒体において生成される高調波成分を含んでいる場合に、ビームフォーミング処理を行う前に基本波や高調波(第2高調波だけのときもあればさらに高次の成分を無視することなく複数の高調波を扱うときもある)を分離してビームフォーミング処理(通常の整相加算)することもあるし、ビームフォーミングが実施された後に分離されることがある。その分離方法には、周波数領域において、スペクトルを分離するものがあるが、帯域が重なることがあり、いわゆる、医用超音波ではパルス・インバージョン法と呼ばれる同時相において極性が逆の波動を生成し、本実施形態に係る装置において、各々の送信に対する受信信号をビームフォーミング前又は後で重ね合わせすると、第2次高調波成分を抽出できると共に、基本波も得ることができる。 Note that if the received signal received and stored in the memory or storage device (storage medium) contains harmonic components generated in the target or medium, the fundamental wave or harmonics before the beamforming process is performed. A beam forming process (normal phasing addition) may be performed by separating a wave (sometimes only the second harmonic and sometimes dealing with multiple harmonics without ignoring higher-order components) However, it may be separated after beamforming is performed. Some of the separation methods separate the spectrum in the frequency domain, but the bands may overlap. So-called medical ultrasonic waves generate waves with opposite polarities in the simultaneous phase called the pulse inversion method. In the apparatus according to the present embodiment, when the reception signals for the respective transmissions are superimposed before or after beamforming, the second harmonic component can be extracted and the fundamental wave can also be obtained.
その他、多項式を用いて分離する方法も知られており、本実施形態に係る装置では、波動伝搬方向の1次元処理、もしくは横方向に変調されている場合や波動の伝搬方向が厳密には各位置において変化することを加味して多次元処理することが可能であり、ビームフォーミングの前又は後において実施できる。但し、分離してからビームフォーミングを行う場合において、基本波や高調波の各々のビームフォーミングを行う場合には、各々のビームフォーミング処理を行うことになるので、計算時間を要し、従って、並列処理が行われることもあるが、ビームフォーミング後の分離の方が、処理が高速である。 In addition, a method of separating using a polynomial is also known. In the apparatus according to the present embodiment, one-dimensional processing of the wave propagation direction, or when the wave is modulated in the lateral direction, It is possible to perform multidimensional processing taking into account changes in position and can be performed before or after beamforming. However, in the case of performing beam forming after separation, when performing beam forming of each of the fundamental wave and the harmonic wave, each beam forming process is performed. Although processing may be performed, separation after beam forming is faster.
一方、各送信開口から送信される波動が符号化されているときは、ビームフォーミングを行うに当たり、各受信開口素子によって受信した受信信号に対して、どの送信開口素子から送信されて生成された波動成分であるかをマッチドフィルタに基づく信号検出により分離し、受信のダイナミックフォーカシングだけでなく送信のダイナミックフォーカシングをも行うことがあり、これは広く知られている。これは、平面波送波による高速送信においても有効であるし、フォーカスビームやステアリングを行っている場合においても有効である。 On the other hand, when the wave transmitted from each transmission aperture is encoded, the wave generated from which transmission aperture element is generated with respect to the reception signal received by each reception aperture element when performing beamforming. The components are separated by signal detection based on a matched filter, and not only dynamic focusing for reception but also dynamic focusing for transmission may be performed, which is widely known. This is effective for high-speed transmission by plane wave transmission, and is also effective when a focus beam or steering is performed.
また、複数の波動又はビームを同時に送信する場合において、例えば、上記の複数の異なる周波数や複数の異なる伝搬方向を持つ波動等を、各々を符号化(coding)したものとして送波し、受信信号を同様に復号化(decoding)して、それらの各々の波動や送信ビームにより生じた受信信号に分離することにより、分離能を向上させることがある。これは、例えば、帯域が重なる波動や屈折や反射、透過、散乱等により伝搬方向が同一となる場合等において効果がある。分離する波を別のコード(code)で符号化する基本的な考え方に基づく。物理的なパラメータが同一である下で単純に符号化することもある。 When transmitting a plurality of waves or beams at the same time, for example, the above-mentioned plurality of waves having different frequencies and a plurality of different propagation directions are transmitted as encoded signals, and received signals May be decoded in the same manner and separated into received signals generated by their respective waves and transmission beams. This is effective, for example, in the case where the propagation directions are the same due to waves with overlapping bands, refraction, reflection, transmission, scattering, or the like. This is based on the basic idea of encoding the separated waves with another code. It may be simply encoded under the same physical parameters.
これらにおいて、連立方程式を解くことも可能であるが、処理が高速であり、マッチドフィルタの効果も得られる。対象や媒体に適したコード(code)も開発されている。しかしながら、使用する素子数が増えると、コード長が長くなり、信号のエネルギーは大きくなり、これを有効利用することは重要であるが、その反面、例えば、対象や媒体が変形する場合には精度が低下して適さなないこと等が知られており、チャープ信号圧縮においても同様の問題を生じる。 In these, simultaneous equations can be solved, but the processing is fast and the effect of a matched filter can be obtained. Codes suitable for the target and medium have also been developed. However, as the number of elements used increases, the code length increases and the signal energy increases. It is important to make effective use of this, but on the other hand, for example, if the target or medium is deformed, the accuracy is increased. Is known to be unsuitable due to a decrease in the frequency, and the same problem occurs in chirp signal compression.
通信においては、各送信開口素子から送信される波動に情報を符号化したもので符号化(coding)して送波し(ビームフォーミングとしては、例えば、平面波や円筒波、又は、球面波を使用して広く伝える場合や、複数位置であることのあるフォーカシングを行い、それらの位置における精度を保証し、また、局所又は特定の対象と通信するべくセキュリティを確保したり、省エネ化することもある)、受信信号に対してビームフォーミングを行った上で復号化(decoding)される。本実施形態に係る装置における符号化の応用は、それらに限られるものではないが、デジタル信号処理ユニット(メモリ内臓型もある)やメモリや記憶装置(記憶媒体)において、これらの処理が行われる。 In communication, information is encoded on the wave transmitted from each transmission aperture element, and then coded and transmitted (for example, a plane wave, a cylindrical wave, or a spherical wave is used as beam forming) If the information is widely communicated, focusing may be performed at multiple positions, the accuracy at those positions is guaranteed, and security may be ensured to communicate with local or specific objects, or energy may be saved. ) The received signal is subjected to beam forming and then decoded. The application of encoding in the apparatus according to the present embodiment is not limited thereto, but these processes are performed in a digital signal processing unit (also including a memory built-in type), a memory, or a storage device (storage medium). .
また、本実施形態に係る装置により観測される、又は、他より提供される、物理量(変位、速度、加速度、歪、歪速度等の大きさや方向、温度等)や化学量、又は、付加情報、また、逆問題的なアプローチ(特許文献8〜10)等の上記の高次の処理が実施されて得られる、波動に関連する粘弾性率や弾性率、粘性、熱物性、電気物性(導電率や誘電率)、透磁率、波動の伝搬速度(光速や音速等)、減衰、散乱、透過、反射、屈折、表面波、波動源、材料、構造、又は、それらの周波数分散等を基に、常時又は適宜、又は、決まった時間間隔で、ビームフォーミングパラメータ(送信強度、送信と受信のアポダイゼーション、送信と受信のディレイ、ステアリング角度、送信と受信の各々の時間間隔(スキャンレート)、フレームレート、走査線数、有効開口の数や形状と大きさと向きと位置、開口素子の形状や大きさや向き、物理開口の向き、又は、偏波モード等)が最適化されることがある。それにより、例えば、空間的に一様なクオリティー(空間分解能やコントラスト、スキャンレート等)を持つ、また、あるターゲットが(形や材料、構造、動きの特徴、温度、湿度等に基づいて)検出された位置やそれに関連する位置に高いクオリティー(空間分解能やコントラスト、スキャンレート等)を持つ、対象の動きや組成、構造に合わせて散乱波(前方散乱波又は後方散乱波)や透過波、反射波、屈折波、又は、表面波を適切に捉えたり、重点的に広い方向から観測する等、最適化ビームフォーミングが行われる。 In addition, physical quantities (size, direction, temperature, etc. of displacement, velocity, acceleration, strain, strain rate, etc.), chemical amounts, or additional information that are observed by the apparatus according to this embodiment or provided by others. In addition, viscoelastic modulus and elastic modulus related to wave, viscosity, thermophysical properties, electrical properties (conductivity) obtained by performing the above high-order processing such as an inverse problem approach (Patent Documents 8 to 10). Rate, dielectric constant), magnetic permeability, wave propagation speed (light speed, sound speed, etc.), attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, surface wave, wave source, material, structure, or their frequency dispersion Beamforming parameters (transmission intensity, transmission and reception apodization, transmission and reception delay, steering angle, transmission and reception time intervals (scan rate), frame rate, always or as appropriate or at fixed time intervals ,査線 number, number and shape and size and orientation and position of the effective aperture, the shape and the size and orientation of the aperture element, the physical opening orientation, or polarization mode, etc.) may be optimized. Thus, for example, spatially uniform quality (spatial resolution, contrast, scan rate, etc.), and certain targets (based on shape, material, structure, motion characteristics, temperature, humidity, etc.) can be detected High-quality (spatial resolution, contrast, scan rate, etc.) at the target position and related positions. Optimized beamforming is performed such as appropriately capturing waves, refracted waves, or surface waves, or observing from a wide range of directions.
波動の伝搬速度は媒体の物性で決まるが、その物性は圧や温度、湿度等の環境条件によって変化し、また、媒体中で物性が不均質であることも多く、従って、伝搬速度は不均質である。伝搬速度は実時間で計測されることもあり、また、環境条件に対する校正データに基づき、観測される環境条件より、伝搬速度を求めることもできる。本実施形態に係る装置は、伝搬速度の不均質性を補正する位相収差補正ユニットをさらに備えており、実質的に、送信時に上記の各チャンネルの送信ディレイそのものか補正専用のディレイを調節して位相収差補正を行える。また、受信後においては、その送信及び/又は受信の伝搬経路における伝搬速度の不均質性を補正するべく、上記デジタル信号ユニットにおいて、周波数領域における複素指数関数の乗算による補正が可能である。若しくは、上記のフーリエ変換と逆フーリエ変換の計算において、直接に補正を施すことも可能である。計測された伝搬速度の信頼性は、計測対象そのものか、計測対象の近傍に存在するか設置した参照物を対象としてイメージング信号を生成し、結像の状態、空間分解能、信号強度、コントラスト等を指標として確認でき、これを基に、さらに、調整されることもある。後述のパッシブである第2の実施形態においても、受信後に、送信及び/又は受信の位相収差補正が行われることがある。 The wave propagation speed is determined by the physical properties of the medium, but the physical properties vary depending on the environmental conditions such as pressure, temperature, and humidity, and the physical properties are often inhomogeneous in the medium. It is. The propagation velocity may be measured in real time, and the propagation velocity can be obtained from the observed environmental conditions based on calibration data for the environmental conditions. The apparatus according to the present embodiment further includes a phase aberration correction unit that corrects the inhomogeneity of the propagation velocity, and substantially adjusts the transmission delay of each channel described above or the delay dedicated to correction during transmission. Phase aberration correction can be performed. Further, after reception, the digital signal unit can be corrected by multiplication with a complex exponential function in the digital signal unit in order to correct non-uniformity in propagation speed in the transmission and / or reception propagation path. Alternatively, it is also possible to perform correction directly in the calculation of the Fourier transform and the inverse Fourier transform. The reliability of the measured propagation velocity is determined by generating an imaging signal for the measurement object itself or a reference object that exists in the vicinity of the measurement object, and the imaging state, spatial resolution, signal intensity, contrast, etc. It can be confirmed as an index, and it may be further adjusted based on this. Also in the second embodiment, which will be described later, transmission and / or reception phase aberration correction may be performed after reception.
波動は、減衰や散乱、透過、反射、屈折等の影響を受けながら伝搬して拡がるものであり、基本的には、伝搬距離にも伴い、波動の強度は弱くなる。従って、本実施形態に係る装置では、例えば、ランバートの法則に基づいて、ビームフォーミングの前又は後の信号に対して減衰の補正を行う機能が搭載されていたり、操作者が入力装置より減衰の補正を各位置や各距離において調整できる機能が備えられていることがあるが、上記の如く、対象に適応して最適な補正をビームフォーミング処理の前又は後において行う機能を備えることもある。これらの処理において、自由度は低いが、処理の高速性を重視して、デジタル処理ではなく、アナログデバイスや回路によるアナログ処理が行われることがある。 A wave propagates and spreads under the influence of attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, and the like. Basically, the intensity of the wave decreases with the propagation distance. Therefore, in the apparatus according to the present embodiment, for example, based on Lambert's law, a function for correcting the attenuation of the signal before or after beamforming is installed, or the operator reduces the attenuation from the input apparatus. There is a case where a function capable of adjusting the correction at each position and each distance is provided. However, as described above, there is a case where a function of performing an optimal correction before or after the beam forming process in conformity with an object may be provided. In these processes, although the degree of freedom is low, analog processing by an analog device or a circuit may be performed instead of digital processing with an emphasis on high-speed processing.
上記の処理において、重ね合わせとスペクトル周波数分割は、線形処理であったが、上記の方法(1)〜(6)のビームフォーミングによる波動の生成又は生成後において、非線形の処理を施し、別の波動パラメータを持つ信号を生成することが行われる。ビームフォーミングの過程において、受信信号がアナログ信号であるときにはアナログ回路(ダイオードやトランジスタ、増幅器、専用非線形回路等)を用いたアナログ信号処理に基づき、デジタル信号であるときにはデジタル信号処理ユニットを用いたデジタル信号処理に基づき、受信信号にべき乗演算や乗算演算、その他の非線形処理が施されることがある。周波数領域において、スペクトルに対して非線形処理が施されることもある。 In the above processing, superposition and spectral frequency division were linear processing. However, after the generation or generation of the wave by the beam forming in the above methods (1) to (6), nonlinear processing is performed, A signal having wave parameters is generated. In the beam forming process, when the received signal is an analog signal, it is based on analog signal processing using an analog circuit (diode, transistor, amplifier, dedicated non-linear circuit, etc.), and when it is a digital signal, digital using a digital signal processing unit Based on the signal processing, the received signal may be subjected to a power operation, multiplication operation, or other non-linear processing. In the frequency domain, nonlinear processing may be performed on the spectrum.
その他、DASの変形として、本願の発明者の発明であるDAM(Delay and Multiplication)処理を本発明の装置において周波数領域において実施することがある。時空間領域におけるべき乗や乗算等の積の計算は、周波数領域では畳み込み積分で計算できる。信号を高周波化したり、広帯域化したり、高調波を模擬したり、ステアリングされた波動に関しては、少なくとも任意の1方向から全方向に検波した信号を得ることができ、例えば、その結果として得られる波動の画像を生成できるし、通常の1方向の変位計測法を用いて、変位ベクトルの計測が可能であることがある。 In addition, as a modification of DAS, DAM (Delay and Multiplication) processing, which is the inventor's invention, may be performed in the frequency domain in the apparatus of the present invention. Calculation of products such as power and multiplication in the space-time domain can be performed by convolution integration in the frequency domain. For signals that have a higher frequency, a wider band, simulated harmonics, or a steered wave, it is possible to obtain a signal that has been detected from at least one arbitrary direction in all directions. For example, the resulting wave In some cases, a displacement vector can be measured using a normal one-direction displacement measurement method.
また、仮想源を用いたイメージング信号の生成も可能である。仮想源については、過去に物理開口の手前に仮想源を設置するものや送信焦点位置に仮想源を設置するものが報告されており、また、本願の発明者は、仮想源のみならず検出器を任意位置に設置することや、波動の物理的な源や検出器を適切な散乱体や回折格子の任意位置に設置できること等を報告しており(特許文献7、非特許文献8)、本発明は、上記の如く、それらの仮想源や仮想検出器においても実施できる。高空間分解能化や視野領域(FOV)を広くすることが可能である。また、1素子以上の開口を用いた送信(ビームフォーミングした場合としていない場合、開口面合成用送受信)により得られた受信信号に対して、送信又は受信、又は、送受信のビームフォーミングを行う場合において、複数の波動パラメータ、複数のビームフォーミングパラメータ、及び、複数のトランスデューサのパラメータ(素子の形や大きさ、配置、数、有効開口幅、素子材料等々)の内の少なくとも1つのパラメータを異なるものとすることにより、異なる特徴を持ったビーム又は波動を複数個生成でき(同一の受信信号から複数個得ることも含む)、優決定(over-determined)システムを構成できるが、仮想源や仮想受信器の位置や、分布(形状や大きさ等)を変えることによっても、同様に、優決定(over-determined)システムを構成できる。この場合も、同一の受信信号から、異なる特徴を持った複数個のビーム又は波動が生成されることがある。優決定システムの特徴である、それらのコヒーレントな重ね合わせによる高SN比化及び高分解能化や、それらの検波を通じたインコヒーレントな重ね合わせによるスペックル低減等は、イメージングに有効である場合もあるし、また、変位計測や温度計測等の各種計測の精度を向上させる効果が得られる。仮想源や仮想受信器と共に、複数の波動パラメータ、複数のビームフォーミングパラメータ、及び、複数のトランスデューサのパラメータの内の少なくとも1つのパラメータを異なるものとすることもある(例えば、電気電子工学的又はメカニカルに物理的に、又は、ソフト的に、ステアリング角度を変える等)。 It is also possible to generate an imaging signal using a virtual source. As for the virtual source, there have been reports in the past of installing a virtual source before the physical aperture and installing a virtual source at the transmission focal position, and the inventor of the present application is not only a virtual source but also a detector. Have been reported to be installed at an arbitrary position, and a physical source and detector of a wave can be installed at an arbitrary position of an appropriate scatterer or diffraction grating (Patent Document 7, Non-Patent Document 8). The invention can also be implemented in these virtual sources and virtual detectors as described above. It is possible to increase the spatial resolution and widen the field of view (FOV). In addition, when performing transmission or reception or transmission / reception beamforming on a reception signal obtained by transmission using an aperture of one or more elements (when not performing beamforming, transmission / reception for aperture plane synthesis) A plurality of wave parameters, a plurality of beam forming parameters, and a plurality of transducer parameters (element shape and size, arrangement, number, effective aperture width, element material, etc.) are different from each other. By doing this, multiple beams or waves with different characteristics can be generated (including obtaining multiple beams or waves from the same received signal), and an over-determined system can be constructed. Similarly, an over-determined system can be configured by changing the position and distribution (shape, size, etc.) Kill. In this case, a plurality of beams or waves having different characteristics may be generated from the same received signal. The characteristics of the dominant decision system, such as high signal-to-noise ratio and high resolution due to their coherent superposition, and speckle reduction due to incoherent superposition through their detection, may be effective for imaging. In addition, the effect of improving the accuracy of various measurements such as displacement measurement and temperature measurement can be obtained. Along with the virtual source and the virtual receiver, at least one of the plurality of wave parameters, the plurality of beamforming parameters, and the parameters of the plurality of transducers may be different (eg, electrical or electronic or mechanical). To change the steering angle physically or softly).
任意の波動源によって、波動が、受信開口素子アレイで決まる座標系を任意位置を中心として回転させたり、空間的にシフティングして表される座標系(例えば、送信開口の軸と横の座標で決まる座標であり、受信開口で決まるものとは異なる)において生成される場合に、受信信号に座標の補正をかけた上で、ビームフォーミングが行われることがある。例えば、上記の2次元のデカルト座標系(x,y)を原点を中心としてθだけ回転させた状態においてイメージング信号を直接に生成したい場合には、最初の時間方向のフーリエ変換により得られる解析信号に対して、式(29)を乗じて計算を進めればよく、波数ベクトル(kx,√(k2-kx2))及び座標(x,y)の回転とヤコビアンの計算を行うよりも、本発明により達成される高速性を失うことなく、高速にイメージ信号を生成できる。
但し、反射波の場合には、s=2であり、透過波の場合には、s=1である。実質的に、送信分の補正であれば、s=1によって実施すればよい。空間的なシフティング(並進)も周波数領域において、複素指数関数を掛けて実施できる。上記の波数ベクトル(kx,√(k2-kx2))及び座標(x,y)の回転とヤコビアンの計算を行う方法は、受信開口素子アレイで決まる座標系への変換を伴う送信ビームフォーミング(s=1)を行うものであり、その状況の下で、受信ビームフォーミング(s=1)は行われ、低速である。 However, in the case of a reflected wave, s = 2, and in the case of a transmitted wave, s = 1. If the transmission is substantially corrected, it may be carried out with s = 1. Spatial shifting (translation) can also be performed by multiplying a complex exponential function in the frequency domain. The above-described method for calculating the wave vector (kx, √ (k 2 -kx 2 )) and coordinates (x, y) and calculating the Jacobian is a transmission beamforming involving conversion to a coordinate system determined by the receiving aperture element array. (S = 1) is performed, and under the circumstances, reception beamforming (s = 1) is performed and the speed is low.
本実施形態に係るアクティブ型の装置においては、後に説明する第2の実施形態に係るパッシブ型の装置においても同様であるが、アナログデバイスとして、その他、トランスデューサや装置本体に組み込まれることもある、レンズや反射体(鏡)、散乱体、偏向器、偏光器、偏波器、吸収体(減衰器)、乗算器、共役器、位相遅延デバイス、加算器、微分器、積分器、整合器、フィルタ(空間又は時間、周波数)、回折格子、分光器、コリメータ、スプリッター、方向性結合器、又は、非線形媒体、波動の増幅器等の特殊なデバイスが併用されることがある。この他、光を対象とする場合には、偏光フィルタ、NDフィルタ、遮蔽物、光導波路、光ファイバー、光カー効果デバイス、非線形光ファイバー、光混合光ファイバー、変調用光ファイバー、光閉じ込めデバイス、光メモリ、分散シフト光ファイバー、バンドパスフィルタ、時間の反転器、又は、光学的マスク等による符号化等、また、それらを光制御(波長変換・スイッチング・ルーチング)するべく、光ノード技術、光クロスコネクト(OXC)、光分岐挿入多重(OADM)、光多重・分離装置、又は、光スイッチ素子が使用され、デバイスそのものが光伝達網や光ネットワークであることもある。この限りでは無い。ビームフォーミングにおいて、それらは、装置と共に、人義的に、又は、自然に、又は、上記の様な仕組みの下で同様に最適に、制御されるものである。周波数領域において、スペクトルに対して非線形処理が施されることもある。 In the active type device according to the present embodiment, the same applies to the passive type device according to the second embodiment to be described later, but as an analog device, it may be incorporated in the transducer or the device body. Lenses and reflectors (mirrors), scatterers, deflectors, polarizers, polarizers, absorbers (attenuators), multipliers, conjugates, phase delay devices, adders, differentiators, integrators, matching devices, Special devices such as filters (space or time, frequency), diffraction gratings, spectrometers, collimators, splitters, directional couplers, or nonlinear media, wave amplifiers may be used in combination. In addition, for light, polarizing filter, ND filter, shield, optical waveguide, optical fiber, optical Kerr effect device, nonlinear optical fiber, optical mixing optical fiber, optical fiber for modulation, optical confinement device, optical memory, dispersion shift Optical node technology, optical cross-connect (OXC), optical fiber, bandpass filter, time inverter, encoding with optical mask, etc., and optical control (wavelength conversion, switching, routing) of them An optical add / drop multiplexer (OADM), an optical multiplexer / demultiplexer, or an optical switch element is used, and the device itself may be an optical transmission network or an optical network. This is not the case. In beamforming, they are to be controlled with the device either personally, naturally, or equally optimally under the mechanism described above. In the frequency domain, nonlinear processing may be performed on the spectrum.
また、その様な組み合わせの下で、本発明に係る装置は、波動を用いる通常の装置においても使用される。医療用の装置としては、例えば、超音波診断装置(反射・エコー法と透過型等がある)、X線CT(減衰効果を増強する造影剤が使用されることがある)、X線レントゲン、アンギオグラフィー、マンモグラフィー、MRI(Magnetic resonance Imaging、造影剤が使用されることがある)、OCT(Optical Coherent Tomography)、PET(Positron Emission Tomography、第2の実施形態に該当)、SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography)、内視鏡(カプセル型もある)、腹腔鏡、各種センシング機能を装備したカテーテル、テラヘルツイメージング装置、各種顕微鏡、各種放射線治療装置(治療効果増進のために化学療法を併用することがある)、SQUID計、脳波計、心電図計、及び、HIFU(High Intensity Focus Ultrasound)等が該当する。中でも、核磁気共鳴画像装置は、元よりデジタル装置であり、その素質(capability)を含め、応用範囲は非常に広い。例えば、本願発明者が取り組んでいる電磁波観測や逆問題までを使用すると、電流分布や電気物性再構成(計測)、変位や力学波の伝搬の観測、力学的特性の再構成(計測)、温度分布や熱波の観測、及び、熱物性の再構成(計測)の全てに応用することもできる(特許文献8〜10)。特許文献8〜10には、1次元、2次元、又は、3次元の関心領域内の1つの物理量(観測量)からその物理量に関連する物性の分布を再構成できる方法が開示されている。観測物理量が表面波(電磁波や弾性波、熱波等)や境界の物理量であり、その観測に基づいて同様にそれらの物性が再構成されることもある。テラヘルツを用いた場合には電界の観測が可能であり、電流密度や電気物性等の観測が可能である。テラヘルツを用いたドプラ観測も重要となる。また、直接的にセンサーによってセンシングされた波動そのものから直接的に物性分布が評価されることもある。これらに関しては、核磁気共鳴画像装置の他に、超音波等を用いた取り組みも行っており、同様である。また、他の取り組みとしては、例えば、OCTにおいては、吸収スペクトルの計測を行い、赤外分光法に基づき、例えば、皮膚の基底細胞癌、血液中の酸素やグルコース濃度のイメージングを行うことが可能になる。通常のNear InfraRed(NIR)への応用も可能であるが、いわゆるNIRに基づく再構成に比べて高空間分解能にその分布を捉えることが可能になる。また、それらにおいて、OCTやレーザー装置に超音波センサー装置(顕微鏡も可)を併用し、フォトアコースティックイメージングを行うこともあるし、応用は、それらに限られない。また、レーザーやOCT装置を使用して、力学的な刺激を与えない場合の組織のゆらぎを高感度に捉えてイメージングすることもある(ドプラ観測等、表面波の観測とその応用がなされることもある)。また、レーザー光によるもの等を含むあらゆる(力学的な)刺激に対する応答が、イメージングの対象とされることがある(光を用いて生じさせた動態の光を用いた観測等を含む)。その他のイメージングにおいては、化学センサー等が使用されることもある。波動の組み合わせに関しては、これらに限られるものでは無く、また、物理センサーの他に、化学センサー等の別のセンサーが併用されることもある。また、本発明に係る装置は、各種のレーダー、ソナー、及び、光学系装置等においても使用される。波動は、パルス波やバースト波に限らず、連続波が使用されることもある。また、自由度の高いデジタル処理を動作時間の速い専用のアナログ回路によって実現して使用することもあり、その逆もある。資源探査や非破壊検査、通信の分野等、各分野において各種の装置が存在し、それらにおいても、本発明に係る装置は使用される。本願発明の装置は、装置として、また、動作モード(例えば、イメージングモード、ドプラモード、計測モード、通信モード等)に関して、通常の装置において使用されうるものであり、また、それらや上記のものに限られるものではない。 Also, under such a combination, the device according to the present invention is also used in a normal device using waves. Examples of medical devices include ultrasonic diagnostic devices (including reflection / echo methods and transmission types), X-ray CT (contrast agents that enhance attenuation effects may be used), X-ray X-rays, Angiography, mammography, MRI (Magnetic Resonance Imaging, contrast media may be used), OCT (Optical Coherent Tomography), PET (Positron Emission Tomography, applicable to the second embodiment), SPECT (Single Photon Emission Computed) Tomography), endoscopes (also capsule type), laparoscopes, catheters equipped with various sensing functions, terahertz imaging devices, various microscopes, various radiotherapy devices (chemotherapy may be used in combination to enhance therapeutic effect) ), SQUID meter, electroencephalograph, electrocardiograph, HIFU (High Intensity Focus Ultrasound), and the like. Above all, the nuclear magnetic resonance imaging apparatus is originally a digital apparatus, and its application range is very wide including its capability. For example, using the electromagnetic wave observation and inverse problem that the inventor is working on, current distribution and electrical property reconstruction (measurement), observation of displacement and mechanical wave propagation, mechanical property reconstruction (measurement), temperature It can also be applied to all observations of distribution and heat wave, and reconstruction (measurement) of thermophysical properties (Patent Documents 8 to 10). Patent Documents 8 to 10 disclose a method capable of reconstructing the distribution of physical properties related to a physical quantity from one physical quantity (observed quantity) in a one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional region of interest. The observed physical quantity is a surface wave (electromagnetic wave, elastic wave, thermal wave, etc.) or a physical quantity at the boundary, and their physical properties may be similarly reconstructed based on the observation. When terahertz is used, an electric field can be observed, and current density, electrical properties, and the like can be observed. Doppler observation using terahertz is also important. In addition, the physical property distribution may be directly evaluated from the wave itself directly sensed by the sensor. Regarding these, in addition to the nuclear magnetic resonance imaging apparatus, an approach using ultrasonic waves or the like is being carried out, and the same applies. As another approach, for example, in OCT, absorption spectra can be measured, and based on infrared spectroscopy, for example, basal cell carcinoma of the skin, oxygen and glucose concentrations in blood can be imaged. become. Although application to normal Near InfraRed (NIR) is also possible, it is possible to capture the distribution with higher spatial resolution as compared with reconstruction based on so-called NIR. Also, in these cases, an ultrasonic sensor device (also a microscope) may be used in combination with OCT or a laser device to perform photoacoustic imaging, and the application is not limited thereto. In addition, using a laser or OCT device, imaging may be performed with high sensitivity to fluctuations in the tissue when mechanical stimulation is not given (observation of surface waves such as Doppler observation and its application) There is also.) In addition, responses to all (dynamic) stimuli including those caused by laser light or the like may be targeted for imaging (including observation using dynamic light generated using light). In other imaging, a chemical sensor or the like may be used. The combination of waves is not limited to these, and another sensor such as a chemical sensor may be used in combination with the physical sensor. The apparatus according to the present invention is also used in various radars, sonars, optical system apparatuses, and the like. The wave is not limited to a pulse wave or a burst wave, and a continuous wave may be used. Also, digital processing with a high degree of freedom may be realized and used by a dedicated analog circuit with a fast operating time, and vice versa. There are various devices in each field such as resource exploration, nondestructive inspection, and communication fields, and the device according to the present invention is also used in these devices. The apparatus of the present invention can be used in a normal apparatus as an apparatus and with respect to operation modes (for example, an imaging mode, a Doppler mode, a measurement mode, a communication mode, etc.). It is not limited.
上記の複数の固定フォーカシングビームやマルチフォーカシング、その他、平面波等の、任意のビームや波動を同時に物理的に送信した場合には、関心領域に対して広い範囲に一度に送信できると高フレームレートを実現できる。同一の有効開口から複数方向に同時に送信される場合もあれば、異なる有効開口から同一方向又は異なる方向に同時に送信される場合もある。その様なステアリング角度やフォーカス位置等がそれらにおいて同一又は異なる場合の他、超音波周波数や帯域幅(ビーム方向や波動の伝搬方向、それらと直交する方向)、パルス形状、波数、開口形状やアポダイゼーション等によるビーム形状等のビームフォーミングパラメータや、素子形状や大きさ、配列状況等のトランスデューサのパラメータが同一又は異なるものが同時に送信されることもある。
物理的な複数送信において、それらのパラメータが異なるときに、以下を代表的な場合として考えることができる。
(A1)全てに同一のソフト的なステアリングを施す場合。
(A2)異なる複数のソフト的なステアリングを施す場合(例えば、異なる送信ステアリング角度毎に同一のステアリングをソフト的に施す場合等)。
また、それらのパラメータが同一であるときに、以下を代表的な場合として考えることができる。
(B1)ソフト的なステアリングを施す場合。
(B2)複数のソフト的なステアリングを施す場合。
ただし、それらを複合して実施することもある。伝搬過程における障害物や、散乱や減衰の影響(周波数に依存する場合を含む)により、いわゆる、アダプティブビームフォーミングが行われることもある。その際に、ソフト的な送信と受信のステアリングやアポダイゼーションの組み合わせとして同一のものが実施される場合には、それらが重ね合わせされた状態において一度に処理される。また、組み合わせが異なるものを含む場合には、実施される組み合わせが同一のもの毎に重ね合わせされた状態において各々が一度に処理され、最後の逆フーリエ変換前に重ね合わせされる。
(A1)及び(B1)の場合には、各送信超音波に対するエコー信号の重ね合せとして受信される受信エコー信号に対して、1回のソフト的な処理を施せる。
(A2)の場合には、ソフト的に同一の処理を施すエコー信号に分類し、同一のソフト的なステアリングを施すもの毎に重ね合わせ、各々にそのソフト的な処理を1回ずつ施し、最後の逆フーリエ変換の前に、それらを重ね合わせる。尚、信号の分離は、上記の各種方法を使用すれば良く、また、それらに限られるものでは無い。
(B2)の場合には、全ての重ね合わせの角スペクトルに対して複数の異なるソフト的な処理を施し、最後の逆フーリエ変換の前に、それらを重ね合わせる。
また、それらのビームや波動が物理的に同時には送信されない場合において、対象の時相が同一であるか、又は、その仮定の下で、複数の送受信が行われた場合には、上記の同時送信の場合に従って処理されることがある。また、ソフト的な送信と受信のステアリングやアポダイゼーションの組み合わせが同一のものが実施される場合には、それらが重ね合わせされて一度に処理され、組み合わせが異なるものを含む場合には、実施される組み合わせが同一のもの毎に重ね合わせされて各々が一度に処理され、最後の逆フーリエ変換前に重ね合わせされる。同時送信されたものと同時には送信されなかったものとが、上記の同条件又は仮定の下で、同様に処理されることもある。尚、物理送信におけるそれらのパラメータは、予め既知である場合もあるし、ビームや波動が解析されて、使用されることがある。尚、後述のパッシブ型の場合においても、然りである。
複数のビームや波動の同時又は同時では無い送信を行うことにより、高フレームレートや同一又は複数箇所のフォーカシングを実現できる他、重ね合わせ処理を含む同処理に基づき、新しいパラメータを持つビームや波動を生成でき(例えば、広帯域化による高分解能化等)、また、スペクトルの周波数分割処理も交えて、同じく、新しいパラメータを持つビームや波動を生成でき、また、それらによって生成されたビームや波動をパラメータの異なるものに分離して、各々が使用される場合もある(例えば、生成されたビーム方向や波動の伝搬方向の変位の計測や変位ベクトル計測)。重ね合わせされた状態のものやスペクトル周波数分割されたもの、分離されたものに後述の非線形又は線形処理に基づく広帯域化が行われることもある。また、重ね合わせやスペクトル周波数分割されたもの、分離されたもの、非線形や線形処理の施されたもの等が、変位計測等に使用されることがある。それらの各々が検波されてイメージングされることもあるし、検波されたそれらが重ね合されてイメージングされることもある(例えば、スペックルを低減できる)。応用は、これらに限られず、上記の如く多様であり、また、それらに限られるものでは無い。
When any beam or wave, such as the above-mentioned fixed focusing beam, multi-focusing, or other plane wave, is transmitted physically at the same time, a high frame rate can be obtained if it can be transmitted to a wide range at once. realizable. There are cases where the same effective aperture is simultaneously transmitted in a plurality of directions, and cases where different effective apertures are simultaneously transmitted in the same direction or different directions. In addition to the case where the steering angle and focus position are the same or different, the ultrasonic frequency and bandwidth (beam direction, wave propagation direction, direction orthogonal to them), pulse shape, wave number, aperture shape and apodization The same or different beam forming parameters such as the beam shape due to the same or different transducer parameters such as the element shape, size and arrangement state may be transmitted simultaneously.
In a physical multiple transmission, when these parameters are different, the following can be considered as a typical case.
(A1) When the same soft steering is applied to all.
(A2) When a plurality of different soft steerings are performed (for example, when the same steering is performed softly at different transmission steering angles).
When these parameters are the same, the following can be considered as a typical case.
(B1) When performing soft steering.
(B2) When performing a plurality of soft steering operations.
However, they may be implemented in combination. So-called adaptive beamforming may be performed due to obstacles in the propagation process and the influence of scattering and attenuation (including cases depending on frequency). At that time, if the same combination of software transmission and reception steering and apodization is implemented, they are processed at a time in a state where they are superimposed. In addition, when different combinations are included, each is processed at a time in a state where the combinations to be implemented are overlapped for each same one, and are overlapped before the last inverse Fourier transform.
In the case of (A1) and (B1), one software process can be performed on the received echo signal received as a superposition of echo signals for each transmitted ultrasonic wave.
In the case of (A2), the signals are classified into echo signals that are subjected to the same software processing, and are superposed for each one subjected to the same soft steering, and the software processing is performed once for each. They are superimposed before the inverse Fourier transform of. The signal separation may be performed using the above-described various methods, and is not limited thereto.
In the case of (B2), a plurality of different soft processes are applied to all the overlapped angular spectra, and they are superimposed before the last inverse Fourier transform.
In addition, when these beams and waves are not transmitted physically at the same time, if the target time phase is the same, or if a plurality of transmissions / receptions are performed under that assumption, the above simultaneous May be processed according to the transmission case. In addition, when the same combination of steering and apodization of software transmission and reception is implemented, they are superimposed and processed at once, and implemented when different combinations are included Each combination is superposed and each is processed at once and overlaid before the final inverse Fourier transform. What was sent simultaneously and what was not sent at the same time may be treated similarly under the same conditions or assumptions described above. Note that these parameters in physical transmission may be known in advance, or may be used after the beam or wave is analyzed. This also applies to the passive type described later.
By performing simultaneous or non-simultaneous transmission of multiple beams and waves, it is possible to achieve a high frame rate and focusing at the same or multiple locations, as well as to generate beams and waves with new parameters based on the same processing including overlay processing. It can be generated (for example, high resolution by broadening the bandwidth), and with the frequency division processing of the spectrum, a beam or wave having a new parameter can also be generated, and the beam or wave generated by them can be parameterized. May be used separately (for example, measurement of displacement in a generated beam direction or wave propagation direction or displacement vector measurement). There is a case where the band-width based on the nonlinear or linear processing described later is performed on the superposed state, the spectral frequency-divided one, or the separated one. In addition, superposed or spectral frequency-divided, separated, non-linear or linearly processed ones may be used for displacement measurement or the like. Each of them may be detected and imaged, or they may be superimposed and imaged (eg, speckle can be reduced). Applications are not limited to these and are various as described above, and are not limited thereto.
<シミュレーション結果>
以下、主として、波動が超音波である場合に、上記のビームフォーミング方法(1)〜(7)について、実行可能性をシミュレーションによって確認した結果を示す(平面波送波やステアリング時のモノスタティック型開口面合成、マルチスタティック型開口面合成、固定フォーカシングによるイメージ信号の生成、極座標系における送受信時のデカルト座標系におけるイメージ信号生成に加え、マイグレーション法の結果)。
<Simulation results>
The following mainly shows the results of confirming the feasibility of the beam forming methods (1) to (7) by simulation when the wave is ultrasonic waves (plane wave transmission and monostatic opening during steering). In addition to surface synthesis, multi-static aperture surface synthesis, image signal generation by fixed focusing, image signal generation in Cartesian coordinate system during transmission and reception in polar coordinate system, result of migration method).
図21は、シミュレーションにおいて用いられた数値ファントムを示す図である。ここでは、無エコー且つ無減衰媒体中において深さ30mmに2.5mm間隔で存在する5個の点散乱体を含む数値ファントムを扱った。エコー信号の生成には、Field II(非特許文献21を参照)を用いた。ここでは、深さ方向をz軸、横方向をx軸としている。 FIG. 21 is a diagram showing a numerical phantom used in the simulation. Here, a numerical phantom including five point scatterers existing at an interval of 2.5 mm at a depth of 30 mm in an echo-free and non-attenuating medium was handled. Field II (see Non-Patent Document 21) was used to generate the echo signal. Here, the depth direction is the z-axis and the horizontal direction is the x-axis.
平面波送波とマイグレーション法、モノスタティック型開口面合成では、1次元リニアアレイ型トランスデューサ(128素子、素子幅0.1mm、間隙0.025mm、スライス方向の厚み5mm)を用いた。固定フォーカシングとマルチスタティック型開口面合成では、1次元リニアアレイ型トランスデューサ(256素子、素子幅0.1mm、間隙0.025mm、スライス方向の厚み5mm、有効開口幅33〜129素子)を用いた。極座標系における送受信には、コンベックス型トランスデューサ(128素子、素子幅0.1mm、間隙0.025mm、スライス方向の厚み5mm、曲率半径30mm)を用いた。放射する超音波パルスの中心周波数は3MHzとし、その音圧波形を図22に示す。偏向角度は、正面の深さ方向に対して定義し、以下においては、「θ」と表すことにする。 In the plane wave transmission, the migration method, and the monostatic aperture surface synthesis, a one-dimensional linear array transducer (128 elements, element width 0.1 mm, gap 0.025 mm, slice direction thickness 5 mm) was used. In fixed focusing and multi-static aperture synthesis, a one-dimensional linear array transducer (256 elements, element width 0.1 mm, gap 0.025 mm, slice direction thickness 5 mm, effective aperture width 33 to 129 elements) was used. A convex transducer (128 elements, element width 0.1 mm, gap 0.025 mm, slice direction thickness 5 mm, curvature radius 30 mm) was used for transmission and reception in the polar coordinate system. The center frequency of the emitted ultrasonic pulse is 3 MHz, and the sound pressure waveform is shown in FIG. The deflection angle is defined with respect to the depth direction of the front, and will be represented as “θ” in the following.
(1)偏向平面波の送波
偏向角度θ=0°、5°、10°、15°の偏向平面波を送波したときのシミュレーション結果を図23A(各々、(a)〜(d))に示す。また、偏向角度がθ=0°のときに波数マッチングにおいて補間近似を行ったときのシミュレーション結果を図23Bに示す。これらは、同一角度で受信を行った結果である。図23A及び図23Bにおいて、横軸は、横方向(Lateral x)の位置[mm]を表しており、縦軸は、深さ(Depth)z[mm]を表している。図23Aに示すように、結像したエコー画像が得られ、さらに、偏向されたことも確認できる。いずれも、周波数領域において、100MHzから10MHzにダウンサンプリング(段落0208、0209)し、サンプリング周波数25MHzに該当する間隔でイメージ信号を生成した結果である(他も同様)。
一方、偏向角度がθ=0°のときに波数マッチングにおいて補間近似を行い、図23B(e)は、近傍のスペクトルに置き換えた場合において、サンプリング周波数が100MHz(左)と25MHz(右)であるときの結果を示し、図23B(f)は、スペクトルに線形補間近似を施した場合において、サンプリング周波数が100MHz(左)と25MHz(右)であるときの結果を示す。サンプリング周波数が高く、線形補間近似を行った方が像は安定したが、補間近似を行わなかった場合の図23A(a)には及ばなかった。偏向角度を非零度にすると、さらに、不安定な結果となった。
(1) Transmission of deflection plane waves FIG. 23A (respectively, (a) to (d)) shows simulation results when deflection plane waves having deflection angles θ = 0 °, 5 °, 10 °, and 15 ° are transmitted. . Further, FIG. 23B shows a simulation result when interpolation approximation is performed in wave number matching when the deflection angle is θ = 0 °. These are the results of receiving at the same angle. In FIG. 23A and FIG. 23B, the horizontal axis represents the position [mm] in the horizontal direction (Lateral x), and the vertical axis represents the depth (Depth) z [mm]. As shown in FIG. 23A, it is also possible to confirm that the formed echo image is obtained and further deflected. Both are results of down-sampling from 100 MHz to 10 MHz in the frequency domain (paragraphs 0208, 0209) and generating image signals at intervals corresponding to the sampling frequency of 25 MHz (the same applies to others).
On the other hand, interpolation approximation is performed in wave number matching when the deflection angle is θ = 0 °, and FIG. 23B (e) shows sampling frequencies of 100 MHz (left) and 25 MHz (right) when replaced with nearby spectra. FIG. 23B (f) shows the results when the sampling frequency is 100 MHz (left) and 25 MHz (right) when linear interpolation approximation is performed on the spectrum. The image was more stable when the sampling frequency was high and linear interpolation approximation was performed, but the image was not as good as FIG. 23A (a) when interpolation approximation was not performed. When the deflection angle was set to a non-zero degree, an unstable result was obtained.
生成されたイメージ信号のスペクトルより、得られた偏向角度を算出した結果を図24及び図25に示す。この評価のために、数値ファントム内の散乱体を増やし、0〜40mmの深さにランダムに300個の散乱体を配置した。各散乱体の反射係数は−1〜1のランダム値にした。設定した偏向角度に寄らず、0.5〜0.8度の誤差が確認された。誤差は、生成された波動に対しての散乱体の位置に依存したものである。散乱体を多くすると精度は向上する(略)。 24 and 25 show the result of calculating the obtained deflection angle from the spectrum of the generated image signal. For this evaluation, the number of scatterers in the numerical phantom was increased, and 300 scatterers were randomly arranged at a depth of 0 to 40 mm. The reflection coefficient of each scatterer was set to a random value of −1 to 1. An error of 0.5 to 0.8 degrees was confirmed regardless of the set deflection angle. The error depends on the position of the scatterer relative to the generated wave. Increasing the number of scatterers improves accuracy (omitted).
異なる偏向角度で得られた画像を複数重ね合わせた結果を図26に示す。偏向角度は1°間隔で設定し、1波(0°)、11波(−5°〜5°)、21波(−10°〜10°)、41波(−20°〜20°)をそれぞれ重ね合わせた。図27は、生成されたイメージ信号から推定された点拡がり関数の横方向の分布をプロットした図である。図27において、横軸は横方向(Lateral x)の位置[mm]を表しており、縦軸は輝度(Brightness)の相対値を表している。図27に示すように、重ね合わせの数が多いほど分解能が向上することを確認できる。 FIG. 26 shows a result of superimposing a plurality of images obtained at different deflection angles. The deflection angle is set at 1 ° intervals, and 1 wave (0 °), 11 waves (−5 ° to 5 °), 21 waves (−10 ° to 10 °), and 41 waves (−20 ° to 20 °) Each was superimposed. FIG. 27 is a diagram in which the distribution in the horizontal direction of the point spread function estimated from the generated image signal is plotted. In FIG. 27, the horizontal axis represents the position (mm) in the horizontal direction (Lateral x), and the vertical axis represents the relative value of brightness (Brightness). As shown in FIG. 27, it can be confirmed that the resolution is improved as the number of superpositions is increased.
マイグレーション法(方法(6)を同偏向平面波送波時のビームフォーミングに応用)
本発明によるマイグレーション法でイメージ信号を生成した結果を図28に示す。偏向角度は、図23Aと同様に、θ=0°、5°、10°、15°とした。波数マッチングにおいて、補間近似した場合の結果は略すが、像は不安定であった。
Migration method (Applying method (6) to beamforming during transmission of the same plane wave)
FIG. 28 shows the result of generating an image signal by the migration method according to the present invention. The deflection angles were set to θ = 0 °, 5 °, 10 °, and 15 ° as in FIG. 23A. In wave number matching, the result of interpolation approximation is omitted, but the image is unstable.
(2)偏向モノスタティック型開口面合成
方法(2)のモノスタティック型開口面合成による偏向時のシミュレーション結果を図29に示す。図23Aと同様に、偏向角度をθ=0°、5°、10°、15°とした。図29に示すように、結像し、偏向されていることを確認できる。
(2) Deflection Monostatic Type Aperture Synthesis FIG. 29 shows a simulation result at the time of deflection by monostatic type aperture synthesis of method (2). Similar to FIG. 23A, the deflection angles were set to θ = 0 °, 5 °, 10 °, and 15 °. As shown in FIG. 29, it can be confirmed that an image is formed and deflected.
(3)マルチスタティック型開口面合成
方法(3)のマルチスタティック型開口面合成によるシミュレーション結果を図30に示す。図30(a)は、受信素子を送信素子と等しくして受信した信号のみ(即ち、1セット)を用いて生成された低分解能画像を示す(つまり、モノスタティック型と同じ)。図30(b)は、送信位置の素子に加えて左右16素子を受信に用いた合計33セットの結果を重ね合わせた結果を示す。図30(c)及び(d)は、それぞれ、65セット(送信素子の左右32素子)を重ね合わせた結果、及び、129セット(送信素子の左右64素子)を重ね合わせた結果を示す。図30に示すように、結像されたことを確認できる。また、それぞれの点拡がり関数をプロットした結果を図31に示す。図30及び図31より、重ね合わせた数が多いほどサイドローブが抑圧されており、高分解能であることも確認できる。
(3) Multistatic Type Aperture Synthesis FIG. 30 shows a simulation result by multistatic type aperture synthesis of the method (3). FIG. 30 (a) shows a low-resolution image generated using only signals (that is, one set) received with the receiving element equal to the transmitting element (that is, the same as the monostatic type). FIG. 30B shows a result of superposing 33 sets of results in which 16 elements on the left and right sides are used for reception in addition to the element at the transmission position. FIGS. 30C and 30D show the result of superimposing 65 sets (32 elements on the left and right of the transmitting elements) and the result of superposing 129 sets (64 elements on the left and right of the transmitting elements), respectively. As shown in FIG. 30, it can be confirmed that the image is formed. Moreover, the result of having plotted each point spread function is shown in FIG. From FIG. 30 and FIG. 31, it can also be confirmed that the side lobe is suppressed as the number of overlapping is larger, and the resolution is higher.
(4)固定フォーカシング
固定フォーカシング送信の結果を図32に示す。ここでは、方法(1)を用いた。図32(a)は、各送信有効開口において受信したエコー信号を重ね合わせ、1回のエコー信号の生成処理を施した結果を示す。図32(b)は、それぞれの有効開口幅毎に低分解能なエコー信号を生成して重ね合わせた結果を示す。図32(c)は、マルチスタティック開口面合成と同様に送受信で同じ位置関係のものをセットとしてエコー信号を生成して重ね合わせた結果を示す。図32に示すように、いずれにおいても結像され、特に違いは見られない。方法(1)は、他の2つの方法に比べ、演算が高速であり、有効である。また、方法(1)の結果は、理想的に複数又は全てのビームを同時に送信した際の受信信号を用いても、受信ビームフォーミングが可能であることを示している(干渉のある送信ビームに対する受信信号も処理でき、高速フレームレートを実現できる)。この処理は、固定フォーカシング送信に限らず、全ての種類の波動の複数送信(異なる波動の組み合せも含む)時においても、実施できる。つまり、複数の波動が異なる送信ビームフォーミングの施されたものを含む場合や、ビームフォーミング有りと無しとを含む場合や、種類の異なる波動(電磁波や力学波、熱波等)を含む場合もあるし、非線形処理や検波処理、超解像やアダプティブビームフォーミング、ミニマムバリアンス処理、又は、信号分離等々、加工の施されたものを含む場合もある。ビームフォーミング中において、それらの処理が行われることもある。無論、各々の送信に対する受信信号が重ね合わせ処理されることもある。これらの場合の波数マッチングにおいても、補間近似処理が行われることがある。
(4) Fixed Focusing FIG. 32 shows the result of fixed focusing transmission. Here, method (1) was used. FIG. 32A shows the result of superimposing the echo signals received at each transmission effective aperture and performing one echo signal generation process. FIG. 32B shows a result of generating and superposing low-resolution echo signals for each effective aperture width. FIG. 32 (c) shows the result of generating and superimposing echo signals with a set of the same positional relationship in transmission and reception as in the multi-static aperture plane synthesis. As shown in FIG. 32, images are formed in any case, and no particular difference is seen. Method (1) is faster and more effective than the other two methods. In addition, the result of the method (1) shows that reception beam forming is possible even using reception signals when ideally transmitting a plurality or all of the beams simultaneously (for a transmission beam having interference). Received signals can also be processed and high frame rates can be achieved). This processing is not limited to fixed focusing transmission, but can be performed even when a plurality of transmissions of all types of waves (including combinations of different waves) are included. In other words, there may be cases where multiple waves include those with different transmit beamforming, cases where beamforming is present or not, and cases where different types of waves (electromagnetic waves, mechanical waves, thermal waves, etc.) are included. However, there may be cases in which processing such as nonlinear processing, detection processing, super-resolution, adaptive beamforming, minimum variance processing, or signal separation is performed. These processes may be performed during beam forming. Of course, the received signal for each transmission may be superimposed. Interpolation approximation processing may also be performed in wave number matching in these cases.
(5)極座標系における送受信のデカルト座標系におけるイメージ信号の生成
(5−1)円筒波送波
コンベックスアレイの全素子から超音波を同時に放射して円筒波を送波したときのエコー信号を周波数領域で処理した結果を図33(a)に示す。実際のところ、(5−1')内に記載した通り、送信と受信において、深さ30mmの位置に平面波又は仮想的なリニアアレイを生成している。図33(a)に示すように、散乱体が結像されたことを確認できる。
(5−1')リニアアレイを用いた円筒波送波
次に、リニアアレイとその後方の位置に設定した仮想音源(図8A(a))を用いて円筒波を送波したときのエコー信号を生成した結果を示す。図33(b)は、仮想音源を後方30mmの位置にして方法(5−1')内に記載の方法(1)を用いた結果を示しており、図33(c)は、仮想音源を後方60mmの位置にして方法(5−1')内に記載の方法(2)を用いた結果を示している。散乱体が結像されたことを確認できる。
また、リニアアレイ型トランスデューサを用いる場合において、方法(5−1')内に記載の方法(1)を用い、物理開口後方30mmの位置の仮想源を用いて円筒波を生成する場合を応用し、30mmの距離位置に、横方向に拡がった、平面波、又は、仮想的にリニアアレイ型トランスデューサを生成した場合(図8B(g))の結果を図33(d)に示す。
(5) Generation of image signal in Cartesian coordinate system for transmission and reception in polar coordinate system (5-1) Cylindrical wave transmission Echo signal when transmitting ultrasonic wave from all elements of convex array simultaneously and transmitting cylindrical wave in frequency The result of processing in the area is shown in FIG. Actually, as described in (5-1 ′), a plane wave or a virtual linear array is generated at a position of a depth of 30 mm in transmission and reception. As shown in FIG. 33A, it can be confirmed that the scatterer has been imaged.
(5-1 ′) Cylindrical Wave Transmission Using Linear Array Next, an echo signal when a cylindrical wave is transmitted using a linear sound source and a virtual sound source (FIG. 8A (a)) set at the position behind the linear array. The result of generating is shown. FIG. 33B shows the result of using the method (1) described in the method (5-1 ′) with the virtual sound source 30 mm behind, and FIG. 33C shows the virtual sound source. The result of using the method (2) described in the method (5-1 ′) at a position 60 mm rearward is shown. It can be confirmed that the scatterer has been imaged.
In addition, when a linear array type transducer is used, the method (1) described in the method (5-1 ′) is used to generate a cylindrical wave using a virtual source located 30 mm behind the physical aperture. FIG. 33 (d) shows the result when a plane wave or virtual linear array type transducer (FIG. 8B (g)) extending in the lateral direction is generated at a distance position of 30 mm (FIG. 8B (g)).
(5−2)固定フォーカシング
コンベックスアレイを用いて、各素子から距離30mmを固定フォーカシング(図14(a))した際の受信信号を処理した結果を図34(a)及び29(b)に示す。図34(a)は、各有効送信開口において得られる受信信号を重ね合わせ、1回のエコー信号生成処理を施した結果を示しており、図34(b)は、それぞれの送信毎に低分解能画像を生成して重ね合わせた結果を示している。マルチスタティック開口面合成と同様に送受信で同じ位置関係のものをセットとしてエコー信号を生成して重ね合わせた結果は略すが、これらの3つの演算は、(4)のときと同様に、ほぼ同一の結果を齎した。また、図34(c)は、深さ30mmを固定フォーカシング(図14(b))した際の受信信号に1回のエコー信号生成処理を施した結果を示している。散乱体は良好に結像された。
これらの結果は、(4)と同様に得られたものであり、理想的に複数又は全てのビームを同時に送信した際の受信信号を用いても、受信ビームフォーミングが可能であることを示している(干渉のある送信ビームに対する受信信号も処理でき、高速フレームレートを実現できる)。この処理は、これらの固定フォーカシング送信に限らず、全ての種類の波動の複数送信(異なる波動の組み合せも含む)時においても、実施できる。つまり、複数の波動が異なる送信ビームフォーミングの施されたものを含む場合や、ビームフォーミング有りと無しを含む場合や、種類の異なる波動(電磁波や力学波、熱波等)を含む場合もあるし、非線形処理や検波処理、超解像やアダプティブビームフォーミング、ミニマムバリアンス処理、又は、信号分離等々、加工の施されたものを含む場合もある。ビームフォーミング中において、それらの処理が行われることもある。無論、各々の送信に対する受信信号が重ね合わせ処理されることもある。これらの場合の波数マッチングにおいても、補間近似処理が行われることがある。
(5-2) Fixed Focusing FIG. 34 (a) and FIG. 29 (b) show the results of processing the received signal when fixed focusing is performed at a distance of 30 mm from each element (FIG. 14 (a)) using a convex array. . FIG. 34 (a) shows the result of superimposing received signals obtained at each effective transmission aperture and performing one echo signal generation process. FIG. 34 (b) shows a low resolution for each transmission. The result of generating and overlaying images is shown. Similar to multi-static aperture plane synthesis, echo signals are generated and superimposed with the same positional relationship in transmission and reception as a set, but the result of superimposing is omitted, but these three operations are almost the same as in (4). I hesitated the result. FIG. 34 (c) shows the result of performing echo signal generation processing once on the received signal when the depth of 30 mm is fixedly focused (FIG. 14 (b)). The scatterer was well imaged.
These results were obtained in the same manner as in (4), and it was shown that reception beam forming is possible even using reception signals when multiple or all beams are ideally transmitted at the same time. (The received signal for the transmission beam with interference can be processed, and a high frame rate can be realized). This processing is not limited to these fixed focusing transmissions, but can be performed even when a plurality of transmissions of all types of waves (including combinations of different waves) are included. In other words, there are cases where multiple waves include those with different transmit beamforming, cases with and without beamforming, and types of waves (electromagnetic waves, mechanical waves, thermal waves, etc.). In some cases, processing such as nonlinear processing, detection processing, super-resolution, adaptive beamforming, minimum variance processing, or signal separation is included. These processes may be performed during beam forming. Of course, the received signal for each transmission may be superimposed. Interpolation approximation processing may also be performed in wave number matching in these cases.
以上のシミュレーションにおいて実施した本発明によるデジタルフーリエ変換を用いたビームフォーミングは、複素指数関数の乗算とヤコビ(Jacobi)演算を適切に使用することを基礎として、任意直交座標系における任意ビームフォーミング処理を補間近似なしに高精度に実現できることを実証した。いずれのビームフォーミングもDAS(Delay and Summation)法を用いて実現できるが、本発明によるビームフォーミングは、波数マッチングと横方向のフーリエ変換の違いにより高速化され、1次元アレイのときに、汎用のPCを使用した場合には、計算時間が100倍以上にも優位に高速である。開口素子が2次元又は3次元分布、2次元又は3次元のアレイを構成している場合には、上記の方法をさらに多次元化すれば良く、1次元の場合に比べてさらに多くの処理を要するという問題を解決し、その高速性はさらに有効となる。また、偏向角度の異なる平面波送波時の重ね合わせ等が有効になる実施例も記載した。高分解能化され、また、サイドローブが抑圧されて高コントラスト化される効果等を高速に得られる。 The beam forming using the digital Fourier transform according to the present invention performed in the above simulation is based on the appropriate use of complex exponential multiplication and Jacobi calculation, and arbitrary beam forming processing in an arbitrary orthogonal coordinate system. It was proved that it can be realized with high accuracy without interpolation approximation. Any of the beam forming can be realized by using the DAS (Delay and Summation) method. However, the beam forming according to the present invention is speeded up by the difference between wave number matching and lateral Fourier transform, and can be used for a general purpose in a one-dimensional array. When a PC is used, the calculation time is significantly faster than 100 times. If the aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution, or a two-dimensional or three-dimensional array, the above method may be further increased in number of dimensions, and more processing can be performed than in the case of a one-dimensional case. This solves the problem that it requires, and the high speed becomes more effective. In addition, an example in which superposition or the like at the time of plane wave transmission with different deflection angles is effective has been described. The effect of increasing the resolution and increasing the contrast by suppressing the side lobes can be obtained at high speed.
上記の例において、任意のアレイ型開口面形状において、任意のフォーカス(フォーカスなしを含む)とステアリングを実施できることが確認され、任意直交座標系における任意ビームフォーミング処理を補間近似なしに高速に且つ高精度に実現できることが確認された。生成されるイメージ信号を基礎とした変位計測等の高次の計測結果を得る時間も短縮化され、その計測精度が向上する効果も得られる。尚、本発明においては、方法(1)〜(7)に記載の如く、任意のビームフォーミングの波数マッチングにおいて補間近似処理を行うことがあり、より高速にビームフォーミングが行われることがある。高精度に近似的な波数マッチングを行うには、計算量が増えることを代償として、受信信号を適切にオーバーサンプリングする必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。 In the above example, it has been confirmed that arbitrary focus (including no focus) and steering can be performed in any array type aperture surface shape, and arbitrary beam forming processing in an arbitrary orthogonal coordinate system can be performed at high speed without interpolation approximation. It was confirmed that it could be realized with accuracy. The time for obtaining high-order measurement results such as displacement measurement based on the generated image signal is also shortened, and the effect of improving the measurement accuracy is also obtained. In the present invention, as described in the methods (1) to (7), interpolation approximation processing may be performed in wave number matching of arbitrary beam forming, and beam forming may be performed at a higher speed. In order to perform approximate wave number matching with high accuracy, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the cost of an increase in the amount of calculation. In that case, it is necessary to be careful that the number of data of the Fourier transform increases, unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process is not performed.
以上、第1の実施形態における代表的なトランスデューサ、受信センサー、送信ユニットと受信ユニット、制御ユニット、出力装置、及び、外部記憶装置等を使用した例を説明した。方法(1)〜(7)のビームフォーミングが可能であったことは、任意直交座標系において、フォーカシングとステアリングを基礎とする任意のビームフォーミングを実施できることを実証したことになり、本発明の装置を使用して実現できるビームフォーミングや応用はその他に記載されたものを含めてもその限りではない。 As described above, the example using the representative transducer, the reception sensor, the transmission unit and the reception unit, the control unit, the output device, the external storage device, and the like in the first embodiment has been described. The fact that the beam forming of the methods (1) to (7) was possible proved that arbitrary beam forming based on focusing and steering can be performed in an arbitrary orthogonal coordinate system, and the apparatus of the present invention. The beam forming and applications that can be realized using the above are not limited to those described in the others.
<<第2の実施形態>>
次に、本発明の第2の実施形態に係る計測イメージング装置又は通信装置の構成を説明する。図1は、第1の実施形態に係る装置がアクティブ型であるときの構成例を示す代表的なブロック図であり、図2は、その装置本体の構成例を詳しく示す代表的なブロック図であるが、第2の実施形態では、パッシブ型の装置が使用され、従って、第2の実施形態に係る装置は、図1において、少なくとも、送信用のトランスデューサは備えず、さらに、制御ユニットから送信トランスデューサに駆動信号を送るための有線又は無線の経路を備えていないものである。
<< Second Embodiment >>
Next, the configuration of a measurement imaging apparatus or a communication apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a representative block diagram showing a configuration example when the device according to the first embodiment is an active type, and FIG. 2 is a representative block diagram showing a detailed configuration example of the device main body. However, in the second embodiment, a passive device is used. Therefore, the device according to the second embodiment does not include at least a transducer for transmission in FIG. 1, and further transmits from the control unit. It does not have a wired or wireless path for sending drive signals to the transducer.
第1の実施形態に係るアクティブ型の装置の場合には、図1及び図2を代表的な構成として、詳細な装置やユニットの構成例を説明したが、アクティブ型の装置は、任意開口形状の送信と受信トランスデューサアレイデバイス(トランスデューサは送信と受信の両方に使用されることもある)を必ず用いるものであるのに対し、パッシブ型の装置は、それらにおいて、任意開口形状の送信トランスデューサアレイデバイスを使用しない。 In the case of the active device according to the first embodiment, the detailed configuration example of the device and unit has been described with reference to FIGS. 1 and 2 as a representative configuration. However, the active device has an arbitrary opening shape. The transmission and reception transducer array devices (transducers may be used for both transmission and reception) are necessarily used, while passive devices are used in them in any shape of the transmission transducer array device. Do not use.
つまり、第2の実施形態に係る装置の基本構成は、受信手段である受信トランスデューサ(又は受信センサー)20と、装置本体30と、入力装置40と、出力装置(又は表示装置)50と、外部記憶装置60とを備える。装置本体30は、主として、受信ユニット32と、デジタル信号処理ユニット33と、制御ユニット34と、図示しない記憶ユニット(メモリ又は記憶装置又は記憶媒体)とを備える。さらに、装置本体30は、送信ユニット31を備えても良い。これらの構成要素についての第1の実施形態における説明は、第2の実施形態にも適用される。 In other words, the basic configuration of the device according to the second embodiment includes a receiving transducer (or receiving sensor) 20 that is a receiving means, a device main body 30, an input device 40, an output device (or display device) 50, an external device. And a storage device 60. The apparatus main body 30 mainly includes a receiving unit 32, a digital signal processing unit 33, a control unit 34, and a storage unit (memory or storage device or storage medium) not shown. Furthermore, the apparatus main body 30 may include a transmission unit 31. The description of these components in the first embodiment is also applied to the second embodiment.
第1の実施形態と同様に、これらの各装置や装置本体30内の各ユニットは、離れた場所に設置され得るものである。装置本体30とは、それらの様な複数のユニットから構成されるものであり、便宜上、その様に呼ぶ。また、第1の実施形態と同様に、受信トランスデューサ20を機械的に走査して受信を行うこともある。一般的にアレイ型と称さない場合においても同様に処理されることがある。 As in the first embodiment, each of these devices and each unit in the device main body 30 can be installed at a remote location. The apparatus main body 30 is composed of a plurality of such units, and is referred to as such for convenience. Similarly to the first embodiment, reception may be performed by mechanically scanning the reception transducer 20. In general, even when not called an array type, the same processing may be performed.
しかしながら、第2の実施形態に係る装置は、第1の実施形態に係る装置とは異なり、波動が生成されたタイミングを感知するべく、以下に詳細に説明するが如くに、任意波動源から到来した観察対象の波動そのものを受波してタイミング信号を生成するか、別の過程を経て生成されるタイミング信号を有線又は無線通信を通じて制御ユニットが感知し、受信ユニットのデータの取り込み(各受信チャンネルにおけるAD変換とメモリへの書き込み)を開始するためのトリガー信号として使用されることがある。 However, unlike the apparatus according to the first embodiment, the apparatus according to the second embodiment comes from an arbitrary wave source, as will be described in detail below, in order to sense the timing at which the wave is generated. The control unit senses the timing signal generated by receiving the observed wave itself or generates a timing signal through another process, via wired or wireless communication, and receives the data of each receiving unit (each receiving channel). It may be used as a trigger signal for starting (AD conversion and writing to memory).
波動が生成されたタイミングを知らせるタイミング信号を制御ユニットが感知する方法として、波動源から到来する波動そのものがタイミング信号として使用される場合に、本実施形態に係る装置の受信トランスデューサ(又は受信センサー)20の受信開口素子20aにより受信される受信信号そのものが使用されるか、又は、装置本体30に備えられることもある専用受信装置によって受信されるタイミング信号が使用される。 As a method for the control unit to sense a timing signal that informs the timing at which the wave is generated, when the wave itself coming from the wave source is used as the timing signal, the receiving transducer (or receiving sensor) of the apparatus according to the present embodiment The reception signal itself received by the 20 reception aperture elements 20a is used, or a timing signal received by a dedicated reception apparatus that may be provided in the apparatus main body 30 is used.
この場合に、受信開口素子20a(全素子の場合もあるが、物理開口において、端部又は中央位置にある素子等が疎らに使用されることもある)又は専用受信装置(受信チャンネルが少なくとも複数であることがある)によって受信される信号が、時間的に継続的に検出され、例えば、上記の様な各種の入力手段を通じて、受信信号の信号強度や周波数、帯域、又は、符号等に関する情報が、制御ユニット34そのもの(内臓メモリ)やアナログ判定回路(この場合には、ソフト的にもハード的にも可変でなく、ハード的に固定のものもある)に設定される。あるいは、波動が生成されるタイミングの感知は、受信開口素子20a又は専用受信装置によって受信される信号を、メモリ又は記憶装置(記憶媒体)に記録された、閾値や値、観察対象の波動の特徴に関するデータベース等の判別データと照合することに基づく。 In this case, the reception aperture element 20a (may be all elements, but the element or the like at the end or the center position may be used sparsely in the physical aperture) or a dedicated reception device (at least a plurality of reception channels). For example, information on the signal strength, frequency, band, code, etc. of the received signal through various input means as described above is detected. However, it is set to the control unit 34 (built-in memory) or an analog determination circuit (in this case, neither software nor hardware is variable and some hardware is fixed). Alternatively, the detection of the timing at which the wave is generated is performed by detecting the signal received by the receiving aperture element 20a or the dedicated receiving device in the memory or the storage device (storage medium), the threshold value, the value, and the characteristic of the wave to be observed. It is based on collating with discriminating data such as databases.
受信信号をアナログ的に判別する場合には、備えられる専用のアナログ回路によって判別をし、観察対象の信号と判断された場合においてのみ、データ取り込みのためのトリガー信号が生成され、受信信号がAD変換されてメモリや記憶装置(記憶媒体)に格納され、ビームフォーミング処理が行われることがある。 In the case of discriminating the received signal in an analog manner, the trigger signal for data acquisition is generated only when the received signal is discriminated by a dedicated analog circuit provided, and only when the received signal is determined to be an observation target. There are cases where the beam forming process is performed after being converted and stored in a memory or a storage device (storage medium).
受信信号をデジタル的に判別する場合には、受信信号が時間的に継続的にAD変換されてメモリや記憶装置(記憶媒体)に格納され、常時又は随時(入力装置を通じて指令があった際等)、所定の時間間隔(入力装置を通じて設定される等)において、その格納された信号をデジタル信号処理ユニット33が読み出して同判別データとの照合を基に判別をし、観察対象の信号と判断された場合においてのみ、ビームフォーミング処理を行うことがある。 When the received signal is digitally determined, the received signal is continuously AD-converted in time and stored in a memory or a storage device (storage medium). ) At a predetermined time interval (set through the input device, etc.), the digital signal processing unit 33 reads the stored signal and makes a determination based on the comparison with the determination data, and determines that the signal is an observation target signal. Only in such a case, the beam forming process may be performed.
メモリや記憶装置(記憶媒体)の記憶容量は有限であるため、デジタル的に判別する場合において、所定(入力装置を通じて設定される等)の時間内に観察対象の波動の信号が観測されなかった場合には、メモリのアドレスが初期化される様になっている。また、省エネの点では効率的でないが、随時、ビームフォーミングを行い、ビームフォーミングによって精度の高くなったイメージ信号を基に、同判別データを使用して、波動信号を判別することもある。通常の通信目的の波動が観察対象である場合においても、処理は同様である。 Since the storage capacity of the memory and the storage device (storage medium) is limited, the wave signal to be observed was not observed within a predetermined time (such as set through the input device) when digitally discriminating. In this case, the memory address is initialized. Further, although it is not efficient in terms of energy saving, the wave signal may be discriminated using the discrimination data based on the image signal that has been subjected to beam forming at any time and the accuracy has been improved by the beam forming. The processing is the same when a normal wave for communication purposes is an observation target.
また、専用受信装置は、他の装置のユニットとは離れた、例えば、計測対象である波動源近くの位置や、そのタイミング信号の受信環境の良い位置等の別の位置に設置されることもあり、受信開口で受波する波動よりも高速に伝搬する波動(タイミング信号となる波動)が使用され、その専用受信装置を介して装置本体内の制御ユニットにそのタイミング信号が伝えられることがある。中継局を使用することのある専用の回線(有線又は無線)が使用されることもある。この場合には、そのタイミング信号をトリガー信号として、受信信号の取り込み(AD変換とメモリや記憶装置や記憶媒体への格納)とビームフォーミングとを行う。 In addition, the dedicated receiving device may be installed at another position away from the units of other devices, for example, near the wave source to be measured, or at a position where the timing signal reception environment is good. There is a case where a wave propagating at a higher speed than a wave received at the receiving aperture (wave which becomes a timing signal) is used, and the timing signal is transmitted to the control unit in the apparatus body via the dedicated receiving apparatus. . A dedicated line (wired or wireless) that may use a relay station may be used. In this case, using the timing signal as a trigger signal, reception of the received signal (AD conversion and storage in a memory, a storage device, or a storage medium) and beam forming are performed.
また、本発明の装置が波動を受波した後に、波動が生成されたタイミング信号が届くこともある。つまり、伝搬速度が遅い、若しくは、その様な仕組みが使用されることもあるが、結果的にその様になることもある。その様な場合に対応するためには、常時、継続的に受信信号の取り込みを行って、メモリや記憶装置(記憶媒体)に格納されている受信信号を時間を遡って読み出し、ビームフォーミングを行う。その場合に、タイミング信号には、他の観察者や観察装置により得られた波動に関する情報が中継局等において付加情報として付加されて、付加情報が付加されたタイミング信号が伝送されて、専用受信装置によって付加情報を含む情報が読み取られ、本発明の装置だけでなく、他の装置において使用されることもある。尚、使用される回線は、専用の回線には限られず、通常のネットワークが使用されることもある。通常の通信目的の波動が観察対象である場合においても、同様なタイミング信号が使用されることもある。付加情報がタイミング信号とは別の波動又は信号で伝えられることもある。 In addition, after the apparatus of the present invention receives a wave, a timing signal at which the wave is generated may arrive. In other words, the propagation speed is slow or such a mechanism may be used, but as a result, such a case may occur. In order to cope with such a case, the reception signal is constantly taken in, the reception signal stored in the memory or the storage device (storage medium) is read back in time, and beam forming is performed. . In that case, the timing signal is added with additional information on the wave obtained by other observers and observation devices as additional information at the relay station, etc., and the timing signal with additional information added is transmitted for dedicated reception. Information including additional information is read by the device and may be used not only in the device of the present invention but also in other devices. The line used is not limited to a dedicated line, and a normal network may be used. A similar timing signal may be used even when a wave for normal communication purposes is an observation target. The additional information may be transmitted by a wave or signal other than the timing signal.
また、観察対象の波動の生成と共に、その生成前か、生成時、又は、生成後に、受信開口素子で受波する波動よりも高速又は低速に伝搬する波動(タイミング信号となる波動)が波動源において生成されて、その専用受信装置や専用回線が同様に設置されて使用されることもある。その場合に、タイミング信号となる波動には、観察対象の波動に関する情報が付加されることがあるし、他の観察者や観察装置により得られた波動に関する情報が中継局等によって付加されて伝送され、専用受信装置によって付加情報を含む情報が読み取られ、本発明の装置や他の装置によって使用されることもある。尚、使用される回線は、専用の回線には限られず、通常のネットワークが使用されることもある。通常の通信目的の波動が観察対象である場合においても、同様なタイミング信号が使用されることもある。付加情報がタイミング信号とは別の波動又は信号で伝えられることもある。 In addition to the generation of the wave to be observed, a wave that propagates at a higher or lower speed than the wave received by the receiving aperture element before, during, or after the generation (wave that becomes a timing signal) is a wave source. The dedicated receiving device and the dedicated line may be similarly installed and used. In that case, information about the wave to be observed may be added to the wave that becomes the timing signal, and information about the wave obtained by another observer or observation device is added by the relay station and transmitted. In some cases, information including additional information is read by the dedicated receiving device and used by the device of the present invention or other devices. The line used is not limited to a dedicated line, and a normal network may be used. A similar timing signal may be used even when a wave for normal communication purposes is an observation target. The additional information may be transmitted by a wave or signal other than the timing signal.
これらの専用受信装置としては、タイミング信号を感知する、又は、付加情報を読み取ることのできる専用感知装置が使用されるわけであるが、任意の観察者、又は、任意の観察装置(観察対象の波動に関する任意のアクティブ型又はパッシブ型の観察装置又はそれに類する観測装置等、その他、その波動が生成される予兆となる、又は、その波動に伴って同時に生成される、又は、波動生成後の別の現象や波動に関する任意のアクティブ型又はパッシブ型の観察装置又はそれに類する観測装置等)が使用される。変則的に、専用受信装置がタイミング信号を受信するのみで、付加情報の読み取りそのものは、専用装置又は装置本体内の制御ユニットを介してデジタル信号処理ユニットで行われることもある。 As these dedicated receiving devices, dedicated sensing devices capable of sensing timing signals or reading additional information are used, but any observer or any observation device (observation object to be observed) can be used. Any active-type or passive-type observation device related to a wave or similar observation device, etc., or any other signal that is a precursor to the generation of the wave, is generated simultaneously with the wave, or is generated after the wave is generated Any active or passive observation device or similar observation device relating to the above phenomenon or wave) is used. In an irregular manner, only the timing signal is received by the dedicated receiving device, and the reading of the additional information itself may be performed by the digital signal processing unit via the dedicated device or the control unit in the device body.
本発明のアクティブ型又はパッシブ型の装置そのものが感知装置として使用される場合においても、同様に、デジタル信号処理ユニット33によって付加情報が読み取られることがある。備えられる感知装置によりタイミング信号が生成される場合もある。いつ何時に、又は、何処で、又は、いつ何時に何処で、波動が生成されるか分からない場合において、データの取り込み動作及びビームフォーミング処理の高効率化や、電力の節約、メモリや記憶装置(記憶媒体)の節約に重要である。制御ユニット34の持つクロック信号を基に、データの取り込みとビームフォーミングが行われる。波動源がデジタルである場合には、同期が取れる方が良く、観察対象の波動のディジタル受信を基礎として、高クロック周波数及び高サンプリング周波数で装置が稼働することがある。タイミング信号がアナログ信号である場合も同様であるが、タイミング信号がデジタル信号である場合には、装置本体で同期が取られることがある。 Even when the active or passive device itself of the present invention is used as a sensing device, the additional information may be read by the digital signal processing unit 33 in the same manner. The timing signal may be generated by a sensing device provided. When you don't know when, where, when, when, where, when and where the wave is generated, increase the efficiency of data acquisition and beam forming process, save power, memory and storage This is important for saving (storage media). Data capture and beam forming are performed based on the clock signal of the control unit 34. If the wave source is digital, it is better to synchronize, and the apparatus may operate at a high clock frequency and a high sampling frequency based on digital reception of the wave to be observed. The same applies to the case where the timing signal is an analog signal. However, when the timing signal is a digital signal, synchronization may be obtained in the apparatus main body.
観察対象は、自己発散的(self-emanating)な波動源によって生成された波動そのものであり、波動源の特徴(強さやどの種の源であるか等)や位置、波動源として活動した時刻等が観測されることがある。また、装置がアクティブ型であるときと同様に、波動のスペクトルから対象の温度(分布)や変位、速度、加速度、歪、又は、歪速度等の分布が求められることがある。また、伝搬過程における媒体の特性(伝搬速度、波動に関わる物性値、減衰、散乱、透過、反射、屈折等、又は、それらの周波数分散等)が観測され、観測対象や媒体の構造や組成等が明らかにされることもある。例えば、放射性物質(PETにおける同位体等々)、非零の熱力学的温度を持つ物質、地震源、神経活動、天体観測、天候、到来物、移動物体、移動通信機器を含む通信機器、物理的又は化学的な刺激に対して反応するもの、電気源、磁気源、放射源、又は、各種エネルギー源等が観測され、観測対象はこれらに限られない。 The object of observation is the wave itself generated by a self-emanating wave source, the characteristics of the wave source (strength, what kind of source, etc.), position, time when the wave source was activated, etc. May be observed. Similarly to the case where the apparatus is an active type, the distribution of temperature (distribution), displacement, velocity, acceleration, strain, strain rate, or the like of the target may be obtained from the wave spectrum. In addition, the characteristics of the medium in the propagation process (propagation speed, physical properties related to waves, attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, etc., or their frequency dispersion) are observed, and the structure and composition of the observation target and medium May be revealed. For example, radioactive materials (such as isotopes in PET), materials with non-zero thermodynamic temperatures, seismic sources, neural activity, astronomical observation, weather, arrivals, moving objects, communication equipment including mobile communication equipment, physical Alternatively, an object that responds to chemical stimulation, an electric source, a magnetic source, a radiation source, or various energy sources are observed, and the observation target is not limited to these.
複数の異なる種類の波動の受信トランスデューサや受信センサーを使用して、マルチフィジックス又はマルチケノミクスを通じ、計測結果の統合(Fusion)やデータマイニングが行われることもる。無論、単一のトランスデューサやセンサーによって、それらが観測されることもある(例えば、医用超音波イメージングにおいて、組織の変形を表す歪と血流、また、これらに関連する組織物性が、選択的に同時にエコー画像上に異なる色等を用いて重畳してイメージングされたり、広帯域にて異なるマーカーの光超音波を同時に異なる色等を用いてイメージングする等、物理量や物性値の大きさや物理量の方向によっても色を変えて表示したり色の濃さを変えてイメージングする等)。多機能や多くの物性に基づいて機能するもの、又は、周囲に対して別の様態にて影響を与えるもの等に対し、対象の全体(ヒトの場合には全身)や局所の挙動を多面的に観測し、新たに、若しくは、詳細に、対象の全体(ヒトの場合には全身)や局所の挙動を理解することも行われる。例えば、生物において短時間に、又は、長時間に渡って行われる様々な神経制御(体温、血流量、代謝等々)、生物への短時間の、又は、長時間に渡って与えられる影響(放射線被爆、栄養摂取)等を観測し、長寿化や延命に寄与する人工臓器や培養組織、それらのハイブリット、薬、又は、サプリメント等の開発や、それらの動作のモニタリングに使用できる。
日本国を始め先進国は高齢社会を迎え、従って、QOLを向上させ、且つ、医療費を低減することは重要である。増加を辿るヒト肝癌や膵臓癌、腎臓癌、甲状腺癌、前立腺癌、乳癌等の癌病変(日本において150万人以上、国民の2人に1人は患い、3人に1人の死亡原因)や子宮筋腫、脳疾患(脳腫瘍や脳出血、脳梗塞、約130万人以上)、虚血性心疾患(心筋梗塞や狭心症、170万人以上)、動脈硬化・血栓(4人に1人の死亡原因)、脂質異常症(206万人以上)、糖尿病等(1,000万人以上)の成人病の多疾患に対し、それら臓器・疾患の連関において神経と血流、リンパのネットワークに注目し、本発明は、早期の非侵襲的鑑別診断を高精度且つ簡便に、そして安価に実施できる革新的な統合画像診断システムおよび技法と臨床スタイル(検診を含む)を拓ける。
癌転移の多くは、リンパ液の流れが集まるリンパ節への転移(リンパ行性転移)の他、肺や肝臓、脳、骨など血液の流れが豊富な場所への転移(血行性転移)である。現在、リンパ種に関しては、まずその腫れやしこりが診断された場合には、広がり(病期)や全身状態が診断される。また、血流を介し、例えば、膵臓癌は肝臓や腹膜等に、乳癌は肝臓や肺、脳等に、胃癌は肺や、肝臓、腎臓、膵臓等に、肺癌は肝臓や腎臓、脳等に、大腸がんは肝臓や肺、脳等に、臓器間で転移して行くことが知られている。転移癌は原発性癌の特徴を持つため、適切な治療を行うべく、原発性癌を特定することが肝要である。無論、例えば、原発性肝細胞癌の場合の様にその原因となる肝炎やウィルス性慢性肝炎や肝硬変等(発生機序そのもの)を捉えることも重要である。また、早期癌腫瘍周辺の栄養動脈や進行癌腫瘍内血流が多いことや、血流量が乏しいと前立腺疾患や子宮筋腫の可能性が大、血圧が高いと動脈硬化の可能性が大、血栓や高脂血、血糖の粘性が大、糖尿病既往の有無で癌になる確率が1.2倍〜1.3倍、糖尿病群で虚血性心疾患発症リスクが3倍、相互に悪化する糖尿病と脂質異常症(糖尿病の20〜50%)とそれらが動脈硬化を促進すること、加熱による温度上昇により血流量が増えること(灌流)、腎臓が赤血球の数(酸素量)や血圧の調整をしていること等が明らかになっており、それらの様々な組織の病態と神経制御、血行動態を同時に実時間にて高精度にin situ観測する本発明は重要である。また、血栓に関しては術後や心臓ペースメーカ使用者(福祉)の普段の生活における血行動態の観測精度が向上することも望ましい。
例えば、神経と血流、リンパのネットワークに注目する上記アプローチの下、具体的にはMRI(核磁気共鳴イメージング)やSQUID(超電導量子干渉装置)、(光)超音波装置、OCT(光干渉断層装置)の単体装置又は融合装置を用い、3つの基礎物理学である電磁気学・力学・熱学の数理逆問題(段落0377等に記載)に基づく新しい高精度且つ簡便な実時間3次元in vivo画像診断技を用いて、それらの関連臓器・組織の性状の早期統合イメージング技法(同一または複数臓器の同時多観測による関連性のある同時観測や融合イメージング)を実施でき、さらに、癌と脳・心疾患の低侵襲的治療手段として強力集束超音波治療(HIFU:High Intensity Focus Ultrasound)や、電磁加熱凝固治療、化学療法、薬学療法、各種放射線治療等との画期的な融合を行え、高精度且つ安価な早期鑑別診断と低侵襲の早期治療を実施できる。短時間の早期診断に続いて加熱治療を最短時間で実施できる革新的な臨床スタイルが拓かれる。
(1)<電磁気学ベース>MRIとSQUIDを用いた電流密度ベクトルと電気物性のイメージング: 磁場計測に基づいて電流密度ベクトルと電気物性(導電率と誘電率)の3次元分布をイメージングして脳神経ネットワークを可視化(MRIの拡散イメージングに重畳表示)。各々、ビオ・サバールの法則の逆問題と観測された電流密度ベクトルを用いた微分型逆問題。例えば、下記(6)のHIFU加熱治療との融合においては灌流(血流)制御をモニタリングできる。
(2)<力学ベース>MRIと(光)超音波、OCTを用いた血流ベクトルと血圧、ずり粘性のイメージング: MRIにおいては、水素と炭素、リン等の分布イメージングを元に、また、超音波エコー法と光超音波の場合(動脈と静脈の鑑別の下や、D型グルコースや最近に報告のある癌に特異的に取り込まれるL型グルコースを造影剤として使用する場合、糖尿病による糖分や脂質異常症によるLDLとHDLコレステロールと中性脂肪をマーカーとする場合)において、多次元ドプラ法を用いて血流の3次元流速ベクトルと歪率テンソルの3次元分布をイメージングし(通常のドプラとは異なり、センサを対象に向けるだけで任意方向のベクトルの観測が可能)、さらに観測された流速データから微分型逆問題に基づいて血圧や心腔圧とずり粘性、密度の3次元分布をイメージング。MRIは、頭蓋内の脳内血流、超音波エコー法は、心腔内や腹部臓器(肝臓や膵臓、腎臓、前立腺、子宮)内、体表組織(乳房や甲状腺、眼、皮膚)内の血流、光超音波やOCTは、開体中の臓器や眼、皮膚内の血流の観測に使用(糖尿病に関連して眼を観測)。最終的に血流ネットワークを観測。血圧や心腔圧、粘性の定量化により、脂質異常症と血糖に着眼した虚血性心疾患(心筋梗塞や狭心症)、脳疾患(脳腫瘍や脳出血、脳梗塞)、動脈硬化、血栓の診断。(5)の統合イメージングにおいて(3)の軟組織の同時観測を実施。又は、(6)のHIFU加熱治療における灌流(血流)をモニタリング。
(3)<力学ベース>MRIと(光)超音波、OCTを用いた軟組織の力学動態とずり(粘)弾性のイメージング: 超音波エコー法と光超音波(軟組織成分に着目したり、斬新に造影剤無しやマーカー無しに照射光や光超音波の広帯域観測を実施)の場合にて、(2)と同一の多次元ドプラ法を用いて軟組織の3次元変位ベクトルと歪テンソルの3次元分布をイメージング、さらに、観測された変位データから微分型逆問題に基づいて体内圧(組織圧や眼圧)とずり(粘)弾性(硬さ)、密度、力源(放射圧やHIFU)の3次元分布をin situイメージング。MRIは頭蓋内脳組織やリンパネットワーク、超音波エコー法は心臓組織(心筋や各弁)や腹部臓器(肝臓や膵臓、腎臓、前立腺、子宮)、体表組織(乳房や甲状腺、眼、皮膚)、リンパネットワーク、光超音波やOCTは開体中の臓器や眼、皮膚の病態(組織性状)を診断。(5)の統合イメージングにおいて(2)の血流の同時観測を実施。又は、(6)のHIFU加熱治療の効果(組織凝固などの変性)をモニタリング。
(4)<熱学ベース>MRIと(光)超音波、OCTを用いた軟組織の温度と熱物性のイメージング: 代謝や(6)のHIFU加熱治療をモニタリングするべく、いわゆるMRIのラーモアー周波数のケミカルシフトや(光)超音波の音速と体積の温度依存性を用いた観測の他に(3)を用いたずり(粘)弾性率の温度依存性を用いた3次元温度分布のin situ観測を実施し、組織変位に頑強で実用的な観測を実施。さらに微分型逆問題に基づいて熱物性(熱伝導率や熱容量、熱拡散率)や灌流((2)の血流観測を応用することも可)、熱源(HIFU)の3次元分布をイメージングし、(6)のHIFU加熱治療における加熱治療計画に応用。
(5)<統合イメージング>(1)〜(4)による多臓器の同時多観測: 電磁気学と力学と熱学の組織物性の3次元イメージングに基づいて神経と血流・灌流のネットワークを中心に多臓器を多面的に同時観測する統合イメージング診断。簡便性を備え、短時間診断を実施。
(6)<統合イメージングと治療の融合>(5)の統合イメージングを用いたHIFU加熱治療制御(自動治療): 低侵襲に短時間で治療を完了すべく、(2)の血流データと(4)の温度と熱物性の観測データとHIFU熱源データベースを温度分布計算シミュレータにかけて温度分布の予測を行い、(3)のずり(粘)弾性イメージングによる治療効果(変性)のモニタリングデータも活用する逐次更新型の自動加熱治療計画を使用、位相収差補正の下、HIFUビームの焦点(加熱)位置、ビーム形状、ビーム強度、照射時間、照射間隔を制御。治療の精度や信頼性、安全性を向上させ、骨等の障害物が無くHIFUアプリケータを近傍に設置出来て広く普及している前立腺癌と子宮筋腫以外の臓器癌の治療が可能である。
治療手段は低侵襲的であるものが望ましく、上記の通りこれらに限られるものでは無い。本発明は、高齢社会に簡便にて安価であり高QOLを齎す技法であり、これにより予防および早期発見に繋がる検診が普及し、さらに短時間の治療手段も実施(理想的には同時に実施)できる技術の有力候補である(Theranosis)。上記のイメージング及び治療は、体表から施す他、外科術中(開体中に臓器に直接に施したり臓器を介して施す)や腹腔鏡術中、経口や経鼻穴、経門、経膣時においても実施できる。
また、生物の持つ様々なセンサーの代替となるものやそれらを補足するもの、又は、新たなセンサーを備える場合を含む。生物を対象とする場合には、小型化されてウェラブルであることや生物に馴染みやすい形態や素材が求められることもある。処理内容も様々であり、例えば、力学的な波動として、同時に複数の圧縮波やずり波などが到来した場合に、モードや周波数、帯域、符号、伝搬方向等を用いてアナログの専用デバイスを使用するか、又は、デジタル信号処理ユニットを使用して、第1の実施形態と同様に波動を分離した上で、ビームフォーミングが行われることがある。電磁波の波動源が複数存在する場合には、それらの特徴が異なる複数の電磁波が重畳している場合があり、同様に、分離されることがある。若しくは、ビームフォーミングによる整相加算効果により、複数の波動が到来する場合においても、精度の高いイメージ信号が生成される場合がある(例えば、媒体が散乱媒体である場合等)。
Multiple different types of wave receiving transducers and sensors may be used to integrate measurement results (Fusion) and data mining through multi-physics or multi-chemistry. Of course, they may be observed by a single transducer or sensor (e.g., in medical ultrasound imaging, strain and blood flow representing tissue deformation and related tissue properties are selectively Depending on the size of the physical quantity and physical property value, and the direction of the physical quantity, such as superimposing images with different colors on the echo image at the same time, imaging optical ultrasound of different markers in a wide band with different colors, etc. Display images with different colors, or image with different color densities). Multifaceted behavior of the whole subject (whole body in the case of humans) and local behavior for those that function based on multiple functions and many physical properties, or that affect the surroundings in different ways In addition, the behavior of the whole subject (whole body in the case of humans) and local behavior is also understood. For example, various neural controls (body temperature, blood flow, metabolism, etc.) performed in a short time or for a long time in an organism, effects (radiation) on a living organism for a short time or for a long time It can be used for the development of artificial organs and cultured tissues, their hybrids, drugs, or supplements that contribute to prolonging life and prolonging life, and monitoring their operations.
Japan and other developed countries face an aging society, so it is important to improve QOL and reduce medical costs. Cancer lesions such as human liver cancer, pancreatic cancer, kidney cancer, thyroid cancer, prostate cancer, breast cancer, etc. are increasing (more than 1.5 million in Japan, 1 in 2 people in the country suffering from 1 death) And uterine fibroids, brain disease (brain tumor and cerebral hemorrhage, cerebral infarction, more than 1.3 million people), ischemic heart disease (myocardial infarction and angina, more than 1.7 million people), arteriosclerosis / thrombosis (1 in 4 people) Causes of death), dyslipidemia (over 2,060,000), diabetes (etc., over 10 million) and other diseases of adult disease, focusing on the network of nerves, blood flow, and lymph in the linkage of these organs and diseases However, the present invention opens up an innovative integrated diagnostic imaging system and technique and clinical style (including screening) that can perform early non-invasive differential diagnosis with high accuracy, convenience, and low cost.
Many cancer metastases are metastasis to lymph nodes where lymph flow is concentrated (lymphatic metastasis), as well as metastasis to areas where blood flow is abundant, such as lung, liver, brain, and bone (hematogenous metastasis). . Currently, when lymphoma is first diagnosed as swollen or lump, its spread (stage) and general condition are diagnosed. Also, via the bloodstream, for example, pancreatic cancer is in the liver, peritoneum, etc., breast cancer is in the liver, lungs, brain, etc., stomach cancer is in the lungs, liver, kidney, pancreas, etc., lung cancer is in the liver, kidneys, brain, etc. Colon cancer is known to metastasize between organs in the liver, lungs, brain, and the like. Since metastatic cancer has the characteristics of primary cancer, it is important to identify the primary cancer for appropriate treatment. Of course, for example, it is also important to capture hepatitis, viral chronic hepatitis, cirrhosis, etc. (development mechanism itself) that cause it as in the case of primary hepatocellular carcinoma. In addition, there is a large amount of blood flow in the vegetative artery around advanced cancer tumors and in advanced cancer tumors, and if blood flow is low, there is a high possibility of prostate disease and uterine fibroids. Diabetes, hyperlipidemia, high blood sugar viscosity, 1.2 to 1.3 times the probability of developing cancer with or without a history of diabetes, and 3 times the risk of developing ischemic heart disease in the diabetic group. Dyslipidemia (20-50% of diabetes) and they promote arteriosclerosis, increase in blood flow due to temperature rise due to heating (perfusion), kidney adjusts the number of red blood cells (oxygen) and blood pressure The present invention for observing the pathology, nerve control, and hemodynamics of these various tissues simultaneously in real time with high accuracy is important. Regarding thrombus, it is also desirable to improve the observation accuracy of hemodynamics in the daily life of the postoperative and cardiac pacemaker user (welfare).
For example, under the above approach focusing on the network of nerves, blood flow, and lymph, specifically, MRI (nuclear magnetic resonance imaging), SQUID (superconducting quantum interference device), (light) ultrasound device, OCT (optical coherence tomography) New high-precision and simple real-time three-dimensional in vivo based on the three basic physics mathematical inverse problems of electromagnetics, mechanics and thermology (described in paragraph 0377). Using image diagnostic techniques, early integrated imaging techniques (related simultaneous observation and fusion imaging by simultaneous multiple observations of the same or multiple organs) can be performed, and cancer and brain / High-intensity focused ultrasound (HIFU), electromagnetically heated coagulation, chemotherapy, pharmaceutical therapy, various types of radiation therapy, etc. as minimally invasive treatments for heart disease Performed breakthrough fusion can be carried out early treatment of highly accurate and inexpensive early differential diagnosis and minimally invasive. Innovative clinical style that can perform heat treatment in the shortest time following short-term early diagnosis will be developed.
(1) <Electromagnetics-based> Imaging of current density vector and electrical properties using MRI and SQUID: Based on magnetic field measurement, imaging of 3D distribution of current density vector and electrical properties (conductivity and dielectric constant) Visualize the network (superimposed on MRI diffusion imaging). Inverse problem of Bio-Savart's law and differential inverse problem using observed current density vector. For example, perfusion (blood flow) control can be monitored in the fusion with HIFU heat treatment described in (6) below.
(2) <Mechanical base> Imaging of blood flow vector, blood pressure, and shear viscosity using MRI, (optical) ultrasound, and OCT: In MRI, based on distribution imaging of hydrogen, carbon, phosphorus, etc. In the case of acoustic echography and optical ultrasound (when differentiating between arteries and veins, or when using D-type glucose or L-type glucose that is specifically taken up by recently reported cancers as a contrast agent, In the case of LDL, HDL cholesterol, and neutral fat due to dyslipidemia as markers, the multi-dimensional Doppler method is used to image the three-dimensional flow velocity vector and the three-dimensional distribution of the strain rate tensor (normal Doppler and In contrast, it is possible to observe vectors in any direction just by pointing the sensor to the target), and based on the differential inverse problem from the observed flow velocity data, Imaging the three-dimensional distribution of shear viscosity and density. MRI is the intracerebral blood flow in the skull, ultrasonic echo is in the heart cavity and abdominal organs (liver, pancreas, kidney, prostate, uterus), and in the body surface tissue (breast, thyroid, eye, skin). Blood flow, optical ultrasound, and OCT are used to monitor blood flow in organs, eyes, and skin during body opening (observation of eyes related to diabetes). Finally, the blood flow network is observed. Diagnosis of ischemic heart disease (myocardial infarction and angina) focusing on dyslipidemia and blood glucose, brain disease (brain tumor, cerebral hemorrhage, cerebral infarction), arteriosclerosis, thrombus by quantifying blood pressure, heart pressure and viscosity. In the integrated imaging of (5), the soft tissue of (3) is simultaneously observed. Or the perfusion (blood flow) in the HIFU heat treatment of (6) is monitored.
(3) <Mechanical base> Imaging of dynamic dynamics and shear (viscosity) of soft tissues using MRI, (optical) ultrasound, and OCT: Ultrasonic echo method and optical ultrasound (focusing on soft tissue components 3D distribution of soft tissue and strain tensor using the same multidimensional Doppler method as in (2) in the case of broadband observation of irradiation light and optical ultrasound without contrast agent or marker) In addition, based on the observed displacement data, the body pressure (tissue pressure and intraocular pressure) and shear (viscosity) elasticity (hardness), density, force source (radiation pressure and HIFU) 3 In situ imaging of dimensional distribution. MRI for intracranial brain tissue and lymph network, ultrasound echo method for heart tissue (myocardium and valves) and abdominal organs (liver, pancreas, kidney, prostate, uterus), body surface tissue (breast, thyroid, eye, skin) , Lymph network, optical ultrasound and OCT diagnose the pathological condition (organizational condition) of organs, eyes, and skin during open body. In (5) integrated imaging, (2) blood flow is simultaneously observed. Alternatively, the effect of HIFU heat treatment (6) (degeneration such as tissue coagulation) is monitored.
(4) <Thermologic base> Imaging of soft tissue temperature and thermophysical properties using MRI, (optical) ultrasound, and OCT: Chemical monitoring of so-called MRI Larmor frequency to monitor metabolism and HIFU heating treatment in (6) In-situ observation of three-dimensional temperature distribution using temperature dependence of shear (viscosity) modulus using (3) in addition to observation using shift and temperature dependence of (optical) ultrasonic velocity and volume. Conducted practical observations that are robust to tissue displacement. Furthermore, based on the differential inverse problem, we image the three-dimensional distribution of thermophysical properties (thermal conductivity, heat capacity, thermal diffusivity), perfusion (the blood flow observation in (2) can be applied), and heat source (HIFU). (6) Applied to the heat treatment plan in the HIFU heat treatment.
(5) <Integrated imaging> Simultaneous multiple observation of multiple organs using (1) to (4): Focusing on the network of nerves, blood flow, and perfusion based on three-dimensional imaging of tissue physical properties of electromagnetism, mechanics and thermology Integrated imaging diagnosis that simultaneously observes multiple organs from multiple angles. Simple and short time diagnosis.
(6) <Integration of integrated imaging and treatment> HIFU heat treatment control (automatic treatment) using integrated imaging of (5): (2) blood flow data and ( 4) Use the temperature and thermophysical observation data and HIFU heat source database on the temperature distribution calculation simulator to predict the temperature distribution, and also use the monitoring data of the therapeutic effect (degeneration) by the shear (viscoelastic) imaging of (3) Using an updated automatic heating treatment plan, controlling the focus (heating) position, beam shape, beam intensity, irradiation time, and irradiation interval of the HIFU beam under phase aberration correction It is possible to improve the accuracy, reliability, and safety of treatment, and to treat organ cancers other than prostate cancer and uterine fibroids that are widely used without obstacles such as bones and can be installed nearby.
The treatment means is desirably minimally invasive, and is not limited thereto as described above. The present invention is a simple, inexpensive and high QOL technique for aging societies, which has led to widespread use of medical examinations that lead to prevention and early detection, and also implements short-term treatment measures (ideally at the same time) It is a promising candidate for possible technology (Theranosis). The above imaging and treatment can be performed from the surface of the body, during surgery (directly applied to the organ during opening or through the organ) or during laparoscopic surgery, orally, through the nares, through the portal, and through the vagina. Can also be implemented.
Moreover, it includes a case where a substitute for various sensors possessed by living organisms, a supplement to them, or a case where a new sensor is provided. When living organisms are targeted, there may be a need for a compact and wearable form or material that is easy to adapt to living organisms. Processing contents are also various.For example, when multiple compression waves and shear waves arrive as dynamic waves at the same time, an analog dedicated device is used using the mode, frequency, band, code, propagation direction, etc. Alternatively, beam forming may be performed after separating the waves using the digital signal processing unit as in the first embodiment. When there are a plurality of electromagnetic wave sources, a plurality of electromagnetic waves having different characteristics may be superimposed and may be separated in the same manner. Alternatively, a high-precision image signal may be generated even when a plurality of waves arrives due to the phasing addition effect by beam forming (for example, when the medium is a scattering medium).
無論、ビームフォーミングが行われた後に、同処理に基づいて信号が分離されることもある。整相加算の効果を得るためには、波動の到来方向や、波動源の位置を求めることが必要であり、その方向にステアリングしたり、その位置にフォーカシングしたりすることがある。受信において、ダイナミックフォーカシングの他に、固定のフォーカシングも有用である。それらを求めるために、受信開口素子アレイによって受信した波動の多次元スペクトルの重心(中心)周波数や瞬時周波数、帯域、いわゆるMIMO、SIMO、MUSIC、独立成分分析、符号、又は、各種パラメトリックな方法等が使用されることもある。ビームフォーミングを行った上で同処理が行われることもあるが、その他に、特に、複数位置においてビームフォーミングを行った上で、幾何学的な情報を使用して波動が観測されることもある。処理方法は、これらに限られるものではなく、例えば、逆問題的アプローチの下で実施されること等もある。 Of course, after beam forming is performed, signals may be separated based on the same processing. In order to obtain the effect of phasing addition, it is necessary to determine the arrival direction of the wave and the position of the wave source, and steering in that direction or focusing to the position may be performed. In reception, in addition to dynamic focusing, fixed focusing is also useful. In order to obtain them, the center-of-gravity (center) frequency, instantaneous frequency, band, so-called MIMO, SIMO, MUSIC, independent component analysis, code, various parametric methods, etc. of the wave received by the receiving aperture element array May be used. The same processing may be performed after performing beam forming, but in addition, waves may be observed using geometric information, particularly after performing beam forming at a plurality of positions. . The processing method is not limited to these, and may be implemented under an inverse problem approach, for example.
例えば、到来する波動の伝搬方向を受信信号の多次元スペクトル解析に基づいて求めたり(本願の発明者の過去の業績)、さらに、本願発明の装置においては、異なる位置に備えられた複数のトランスデューサ又は受信有効開口を使用して、伝搬時間に関する情報が得られない場合(通常、複数位置において波動が観測された時間から波動源の位置や距離を割り出す)においても、幾何学的に波動源の位置や距離を割り出すことが可能である。波動がパルス波やバースト波ではなく連続波でも観測できる。如何なる処理を通じてでも、波動の到来方向が分かった場合において、その方向に、受信ビームをステアリング及びフォーカシングを行い(モノスタティック型やマルチスタティック型の開口面合成)、詳細に観測することも行える。必要に応じ、第1の実施形態のアクティブ型にして、送信ビームフォーミングも行うことがある。それらの処理において、常に、可能性の高い方向を重点的に、ステアリング角度を変えながら受信ビームフォーミングを行って、得られる像又は結像、空間分解能、コントラスト、信号強度等を観測する、又は、多次元スペクトル解析を通じ、波源の方向を特定することもできる。自動制御されることもある。 For example, the propagation direction of an incoming wave is obtained based on multidimensional spectral analysis of a received signal (the past achievements of the inventor of the present application), and in the apparatus of the present invention, a plurality of transducers provided at different positions Or, when information about the propagation time is not obtained using the reception effective aperture (normally, the position and distance of the wave source are calculated from the time when the wave is observed at a plurality of positions), the geometrical It is possible to determine the position and distance. Waves can be observed with continuous waves instead of pulse waves and burst waves. Through any processing, when the direction of arrival of the wave is known, the received beam can be steered and focused in that direction (monostatic or multistatic aperture synthesis) and observed in detail. If necessary, transmission beam forming may also be performed in the active type of the first embodiment. In those processes, receive beamforming is always performed while changing the steering angle, focusing on the likely direction, and the resulting image or imaging, spatial resolution, contrast, signal strength, etc. are observed, or The direction of the wave source can also be specified through multidimensional spectral analysis. It may be automatically controlled.
超解像により、イメージ信号の高分解能化を行うことがある。段落0009、0425にも記載がある。波動源や、計測対象や媒体内の散乱や反射体の大きさや強度、位置等の計測が容易になることがある。物理的に生成される波動場により帯域は必ず制限されるが、代表的な超解像は、これを逆フィルタリングにより広帯域化して、オリジナル(original)の信号源又は信号としてそれらを復元するものである。また、通常、波動は周波数依存性のある減衰の影響を受けたり、焦点の合っていない場合もあるし、波動源が移動体であることもあるし、介在する媒体に擾乱を生じることもある。これらを補正するべく、超解像が実施されることもある。段落0383に記載の通り、単なる広帯域化だけでなく、所望する点拡がり関数を持つ様にさらにフィルタリングを施すことが有用であることもあり、様々な超解像において、そのフィルタリングを逆フィルタリングと共に周波数領域又は時空間領域において実施することは本発明の特徴の1つである。 The resolution of the image signal may be increased by super-resolution. There are also descriptions in paragraphs 0009 and 0425. It may be easy to measure the wave source, the object to be measured, scattering in the medium, the size, intensity, position, etc. of the reflector. The band is always limited by the physically generated wave field, but typical super-resolution is to broaden this by inverse filtering and restore them as the original signal source or signal. is there. In addition, the wave is usually affected by frequency-dependent attenuation, may not be in focus, the wave source may be a moving object, and the intervening medium may be disturbed. . Super-resolution may be performed to correct these. As described in paragraph 0383, it may be useful to perform further filtering to have the desired point spread function, not just a broad band, and in various super-resolutions, the filtering can be combined with inverse filtering and frequency Implementing in the region or spatio-temporal region is one of the features of the present invention.
また、1つのイメージ信号を生成するために必要とする送信及び/又は受信を行っている間に計測対象等が移動することがあり、動き補償を行う必要があることがある。点拡がり関数が未知であることが多く、その場合には、上記の信号分離処理(特に、ブラインド・セパレーション)を併用する場合も含めて、ブラインド・デコンボリューションが行われることがある。段落0425に記載の方法等が知られている。その他、最尤法等、他にも様々である(例えば、非特許文献39−41等)。自己相関関数を求める等の何かしらの方法で、点拡がり関数を評価し、理想的にはコヒーレントな点拡がり関数を得ることが望ましいが、インコヒーレント信号から求められる場合を含めてスペクトル分布形状や帯域が求まっても逆フィルタリングは可能である。この様な場合においても、所望する点拡がり関数を持つ様にフィルタリングを共に実施することは有用である。 In addition, the measurement target or the like may move during transmission and / or reception necessary for generating one image signal, and it may be necessary to perform motion compensation. In many cases, the point spread function is unknown, and in this case, blind deconvolution may be performed including the case where the above signal separation processing (particularly, blind separation) is used in combination. The method described in paragraph 0425 is known. In addition, there are various other methods such as a maximum likelihood method (for example, non-patent documents 39-41). It is desirable to evaluate the point spread function by some method, such as obtaining an autocorrelation function, and ideally to obtain a coherent point spread function. However, inverse filtering is possible even if it is obtained. Even in such a case, it is useful to perform filtering together so as to have a desired point spread function.
観測したいときに、点拡がり関数を求めることができない場合には、例えば、観測できるときに点拡がり関数を評価してデータベースとして保有しておくと良い。逆フィルタリングを行う1つの有効な方法としては、所望する点拡がり関数やエコー分布等の信号分布のスペクトル分布(無論、スペクトル強度の分布)と同一になる様に、観測されたスペクトルを重み付けることが可能である。所望する点拡がり関数やエコー分布等の信号分布のスペクトル分布は、解析的又はシミュレーション、最適化等を通じて設定される場合があるし、計測対象に対して理想的なパラメータの下でビームフォーミングを行い、それも、一度の計測で済ませることがあるし、複数回の計測の下でアンサンブル平均が施されることもあるし、局所の定常過程の仮定の下に加算平均されることもあるし(古くから行われている、例えば、非特許文献35、36)、また、計測対象物のファントム(校正用ファントム)を用いて同様にして求められることもある。波動の伝搬方向やそれと直交する方向の1次元の点拡がり関数を1次元自己相関関数を求めて推定することもあるが、多次元の点拡がり関数を多次元自己相関関数を求めて推定することもある(非特許文献8、14)。各々、伝搬方向や直交方向の1次元スペクトル、多次元スペクトルと等価である(即ち、自己スペクトル)。これらが、波動の波長や力源の形状、波動の空間分解能を評価する際に使用されたり(特許文献11等)、超解像に使用される。例えば、冪乗関数型のアポダイゼーションを用いて固定フォーカシング又は開口面合成(非特許文献15)を行って所望する高分解能な点拡がり関数又はエコー分布等の信号分布を得、高速送受信の可能な平面波送信をガウス型アポダイゼーションを用いて行って得られる低分解能信号(非特許文献15)を高分解能化することがある。後者は高速な動きやずり波伝搬の高精度な計測に適しており、その計測と高分解能な超音波イメージングを同時に実現できる。若しくは、信号そのもののパワースペクトルを用いて、inversionすることも可能である。波数マッチング前の角スペクトルか、波数マッチング後のスペクトルに、それらの処理を施すことができる。即ち、所望する点拡がり関数やエコー分布等の信号分布の角スペクトル若しくはスペクトル又は受信信号の角スペクトル若しくはスペクトルを用いて、超解像を施すことができる。尚、重み付けにおいて、零値や小さいスペクトルで割る場合には、注意が必要であり、特に、受信信号に含まれる各種のノイズを増幅することは有効ではなく、上記の如く、正則化(高周波成分の過度な増幅を抑圧する)やウィーナーフィルタ(信号雑音比の低い周波数成分の増幅を抑える)、特異値分解(小さい特異値やスペクトルを捨てて、対応する周波数の信号成分は使用しない)、最尤推定(MAP有り又は無し)等が有効である。 If the point spread function cannot be obtained when the observation is desired, for example, the point spread function may be evaluated and stored as a database when the observation is possible. One effective method of performing inverse filtering is to weight the observed spectrum so that it is the same as the desired spectral distribution of the signal distribution such as the point spread function or echo distribution (of course, the spectral intensity distribution). Is possible. The desired spectral distribution of signal distribution such as point spread function and echo distribution may be set through analysis, simulation, optimization, etc., and beam forming is performed under ideal parameters for the measurement target. , It can be done once, ensemble averaging can be done under multiple measurements, or it can be averaged under local steady-state assumptions ( For example, Non-Patent Documents 35 and 36), which have been used for a long time, may be obtained in the same manner using a phantom (calibration phantom) of a measurement object. Estimating a one-dimensional point spread function in the direction of wave propagation or in a direction perpendicular thereto by obtaining a one-dimensional autocorrelation function, or estimating a multidimensional point spread function by obtaining a multidimensional autocorrelation function (Non-Patent Documents 8 and 14). Each is equivalent to a one-dimensional spectrum or a multi-dimensional spectrum in the propagation direction or orthogonal direction (ie, self-spectrum). These are used when evaluating the wavelength of the wave, the shape of the force source, and the spatial resolution of the wave (Patent Document 11 etc.), and are used for super-resolution. For example, a fixed wave or aperture synthesis (Non-Patent Document 15) is performed using a power function apodization to obtain a desired signal distribution such as a point spread function or an echo distribution, and a plane wave capable of high-speed transmission / reception A low resolution signal (Non-patent Document 15) obtained by performing transmission using Gaussian apodization may be increased in resolution. The latter is suitable for high-speed measurement of high-speed movement and shear wave propagation, and can simultaneously realize the measurement and high-resolution ultrasonic imaging. Alternatively, inversion can be performed using the power spectrum of the signal itself. These processes can be applied to the angular spectrum before wave number matching or the spectrum after wave number matching. That is, super-resolution can be performed using a desired point spread function, an angular spectrum or spectrum of a signal distribution such as an echo distribution, or an angular spectrum or spectrum of a received signal. In weighting, care must be taken when dividing by a zero value or a small spectrum.In particular, it is not effective to amplify various types of noise contained in the received signal. ), Wiener filter (suppresses amplification of frequency components with low signal-to-noise ratio), singular value decomposition (throws out small singular values and spectrum and does not use signal components of corresponding frequency), Likelihood estimation (with or without MAP) is effective.
上記のデジタル波動信号処理における方法(1)〜(7)の過程においても、逆フィルタリングを行うことが可能である。イメージ信号が高分解能化され、定量性(数値)に関しても効果が得られることもあるが、画像として表示した場合においても同効果が得られることがある。ボケ画像が復元されたり、ピントが合ったりする効果が得られる。逆フィルタリングは、インコヒーレント信号に対して実施されることもあるし、コヒーレント信号の状態で施されると効果的であり、特に、物性分布の空間的な変化等を理解できることがある。重ね合わせされているものやスペクトルが周波数分割されているものに超解像が施されることもある。超解像の応用は、これらに限られない。 It is possible to perform inverse filtering also in the process of the methods (1) to (7) in the digital wave signal processing. The resolution of the image signal is increased, and an effect may be obtained in terms of quantitativeness (numerical value), but the same effect may be obtained when displayed as an image. An effect of restoring a blurred image or focusing can be obtained. Inverse filtering may be performed on an incoherent signal, or it is effective when performed in the state of a coherent signal, and in particular, a spatial change in a physical property distribution may be understood. In some cases, super-resolution is performed on a superimposed image or a spectrum whose frequency is divided. The application of super-resolution is not limited to these.
また、新しい超解像を実施することもできる。1つは後述の非線形処理に基づくものであり、もう1つは、ここに記載する瞬時位相をイメージングするものである。 A new super-resolution can also be implemented. One is based on non-linear processing described later, and the other is to image the instantaneous phase described here.
いま、単独の波動又はビームを用いて得られた関心領域内の伝搬方向(座標軸t)の位置座標sの信号を
とすると、これより、伝搬方向tの瞬時角周波数ω(t)と、瞬時位相θ(t)等を求めてイメージングする。伝搬方向tは、ステアリングせずに正面方向を向いている場合もあるし、ステアリングして偏向角度を持つ場合もあり、関心領域が3次元であるときも、又、2次元、1次元であるときもある。非特許文献19にある通り、波動又はビームの伝搬方向を空間分解能を持つ状態で計測でき(スペクトルの重心や瞬時周波数を用いる)、同時に、その方向の周波数も計測でき、後の示される周波数の空間積分処理において設定される積分路の方向(接線方向)の周波数を高精度に求めて計算できる。例えば、積分路は、送信時に設定した波動又はビームのステアリング方向(角度)、又は、生成された波動又はビームにおいて、同様に、但し、大局的に推定されるステアリング方向(角度)に直線状に取ることができる。尚、処理を簡単に済ませるべく、公称周波数や同時に大局的に推定されるその方向の周波数を使用することもできる。空間分解能を持つ状態で推定される伝搬方向に積分を行うことは、周波数分布の補間処理を伴い、不可能ではないが、実用的ではない。
Now, the signal of the position coordinate s in the propagation direction (coordinate axis t) in the region of interest obtained using a single wave or beam
Then, from this, the instantaneous angular frequency ω (t) in the propagation direction t, the instantaneous phase θ (t), and the like are obtained and imaged. The propagation direction t may be directed to the front without steering, may be steered and have a deflection angle, and is two-dimensional or one-dimensional when the region of interest is three-dimensional. Sometimes. As described in Non-Patent Document 19, the propagation direction of a wave or beam can be measured with spatial resolution (using the center of gravity and instantaneous frequency of the spectrum), and at the same time, the frequency in that direction can be measured. The frequency in the direction of the integration path (tangential direction) set in the spatial integration process can be obtained and calculated with high accuracy. For example, the integration path is linear in the steering direction (angle) of the wave or beam set at the time of transmission or in the generated wave or beam in the same manner, but in a globally estimated steering direction (angle). Can take. In order to simplify the processing, the nominal frequency and the frequency in the direction estimated globally can also be used. Performing integration in the propagation direction estimated with spatial resolution involves frequency distribution interpolation processing, which is not impossible but not practical.
ちなみに、A(s)は振幅であり、位置座標t=sにおける反射強度や散乱強度を表す。例えば、式(30−1)の直交検波を通じた包絡線検波(IQ信号の二乗の和の平方根)により求まる。もしくは、フーリ変換を用いたヒルベルト変換を通じて、
式(30)と式(31)を用いて、複素解析信号(特許文献6や非特許文献7)で表示し、
瞬時位相θ(s)を求めるべく、まず、瞬時角周波数を求める。常套手段としては、特許文献6や非特許文献7に記載の方法で、位置座標t=sにおいて、次のサンプリング位置座標t=s+Δsにおける瞬時周波数が等しく、瞬時位相は等しくないことを想定し(δθ(t)は、ランダムな散乱強度や反射率で決まる位相変化(即ち、ランダム)であり、tに対してランダム的に大きく変化する)、
特許文献6や非特許文献7に記載されている通り、実際には、信号r(s)にはノイズが混入するし、式(33)や式(34)の仮定の下で推定することとして、s軸方向やこれと直交する2方向又は1方向に含めて移動平均処理が施され、高精度化されることがある。この移動平均処理は、式(36)に対して施されて式(37)に従って求められる場合
これらの移動平均の施された瞬時周波数を用いて、各位座標において、瞬時周波数に関して検波すれば良い。瞬時周波数の推定値はアンバイアスであり、デジタル信号処理の場合には、式(32)に対して、
尚、式(38−1)と式(38−2)により求められる瞬時周波数に移動平均を施したものの代わりに、スペクトルの第1次モーメント(重心、つまり、重み付きの平均値)より求まる重心周波数(×2π)を用いても良い。式は、式(S1)に示してある。 Note that the center of gravity obtained from the first moment of the spectrum (the center of gravity, that is, the weighted average value) is used instead of the moving average of the instantaneous frequency obtained by the equations (38-1) and (38-2). A frequency (× 2π) may be used. The equation is shown in equation (S1).
上記の観測信号を表す式中のt = 0は、t軸方向の基準位置、即ち、波動源位置を表す。これに対し、式(39)中の基準位置t = t'も、t'= 0(波動源位置)とすることがあり、その場合に位置座標t=sの分布として求まるθ'(s)は、反射や散乱により生じる位相変化の積分値で表される瞬時位相(式(30−2))そのものの推定値である。瞬時周波数は平均化されたものであり、求まるθ'(s)はその状況で求められた推定値である。 T = 0 in the expression representing the observed signal represents a reference position in the t-axis direction, that is, a wave source position. On the other hand, the reference position t = t ′ in the equation (39) may also be set to t ′ = 0 (wave source position), and in this case, θ ′ (s) obtained as a distribution of position coordinates t = s. Is an estimated value of the instantaneous phase (Expression (30-2)) itself represented by an integral value of the phase change caused by reflection or scattering. The instantaneous frequency is averaged, and θ ′ (s) obtained is an estimated value obtained in the situation.
また、移動平均処理の影響やスペクトルを求める際の窓長の影響で、瞬時周波数が波動源位置(t=0)からt=s'(非零であり、sとも等しくない)まで求まらない場合には、t'=0として、公称角周波数又は予め測定/推定した角周波数ω0を用いて、
しかし、式(30−2)と式(34)に基づき、サンプリングΔs間隔での瞬時位相の変化量であるΔθ(s)を推定する場合には、そのバイアスは問題とならない。推定結果は、
尚、式(40)で表される位相回転を含まない瞬時位相(式(30−2))の推定結果を得るべく、上記に依らずに、式(32)で表される解析信号の虚数部/実数部にarctan(正接の逆関数)を施して、式(30−1)中の余弦の角(即ち、位相回転を含む瞬時位相)を求め、式(42)においてs'=sとして瞬時周波数の移動平均又はスペクトルの第1次モーメントの積分演算により求まる位相回転を用いて直接的に減算することもできる。但し、arctanの直接の演算結果は、−π〜πの結果となるため、その結果をアンラッピングした上で減算処理を行う必要がある。位相回転を含む瞬時位相は単調増加であるため、アンラッピングは、arctanの結果が負のときに2πを整数m倍したものを足せば良い。但し、mはビーム方向又は波動の伝搬方向に観測されたarctanの結果が負となった回数である。尚、上記の場合と同様に、式(41)を使用する場合もあるし、式(42)により表されるバイアスエラーを生じることもある。また、バイアスエラーを含まないサンプリング間隔Δsの瞬時位相の変化量であるΔθ(s)を推定するべく、式(43)とは別に、Δsだけ隔てた位置にて推定された位相回転を含まない瞬時位相の推定値との差を直接的に引き算により計算することもできる。
式(40)又は式(43)を用いて表される位相に関する画像は広帯域化されており、超解像の一種である。それらの位相そのものを表示することもできるし、余弦や正弦関数を掛けて表示することもできるし、さらに、包絡線で重み付けして表示することもできる。ちなみに、式(40)の位相を求めた複素解析信号の実部と虚部の各々の二乗の和の平方根は、包絡線信号と同一である。従って、二乗検波や絶対値検波、理想的には波打ち(信号値の符号、位相)を壊さずにそのままに画像化すると良い(グレー画像やカラー画像で表示できる)。主として、反射や散乱で決まる信号強度と位相や位相変化を表す画像となる。一方、求められた瞬時周波数を画像化すると、減衰や散乱による周波数変調の影響などを表す画像となる(同じく、グレーやカラー表示できる)。
However, when estimating Δθ (s), which is the change amount of the instantaneous phase at the sampling Δs interval, based on the equations (30-2) and (34), the bias does not pose a problem. The estimation result is
In addition, in order to obtain the estimation result of the instantaneous phase (Expression (30-2)) not including the phase rotation expressed by Expression (40), the imaginary number of the analysis signal expressed by Expression (32) without depending on the above. Arctan (inverse function of tangent) is applied to the part / real part to obtain the cosine angle (ie, instantaneous phase including phase rotation) in equation (30-1), and s ′ = s in equation (42) It is also possible to directly subtract using a moving average of the instantaneous frequency or a phase rotation obtained by integrating the first moment of the spectrum. However, since the direct calculation result of arctan is a result of −π to π, it is necessary to perform a subtraction process after unwrapping the result. Since the instantaneous phase including phase rotation is monotonically increasing, the unwrapping may be obtained by adding 2π multiplied by an integer m when the arctan result is negative. Here, m is the number of times that the arctan result observed in the beam direction or wave propagation direction becomes negative. Similar to the above case, the equation (41) may be used, or a bias error represented by the equation (42) may be generated. Further, in order to estimate Δθ (s), which is the amount of change in instantaneous phase of sampling interval Δs that does not include a bias error, phase rotation estimated at positions separated by Δs is not included, apart from equation (43). The difference from the instantaneous phase estimate can also be calculated directly by subtraction.
The image related to the phase expressed using the equation (40) or the equation (43) has a wide band and is a kind of super-resolution. These phases themselves can be displayed, can be displayed by being multiplied by a cosine or a sine function, and can also be displayed by being weighted with an envelope. Incidentally, the square root of the sum of the squares of the real part and the imaginary part of the complex analysis signal for which the phase of Equation (40) is obtained is the same as that of the envelope signal. Therefore, it is better to image the square wave detection, the absolute value detection, and ideally, without damaging the wave (the sign and phase of the signal value) (can be displayed as a gray image or a color image). The image mainly represents the signal intensity, phase, and phase change determined by reflection and scattering. On the other hand, when the obtained instantaneous frequency is imaged, an image representing the influence of frequency modulation due to attenuation or scattering is obtained (similarly, gray and color can be displayed).
尚、上記のヒルベルト変換は、(高速)フーリエ変換に基づいて行うこと(非特許文献13)を記載したが、無論、本来のヒルベルト変換の計算をしても良い。また、信号にノイズが混入している場合には精度が低下するが、対象の実時間信号に対して微分処理を施して、位相が90°進んだ信号を生成し、−1を乗じて虚数成分を計算することもできる(微分処理によって角周波数が乗ざれた分は、元の実時間信号に対して余弦又は正弦信号の逆関数を施して求まる位相を近隣の位置における同計算結果(位相)との差分(いわゆる前方差分、後方差分、中心差分等を用いて1と−1を乗じて加算、又は、引き算)を計算してそれらの位置の距離で割ったもの(差分近似)で補正すればよく、差分近似ではなく、微分フィルタが施されることもある)。
例えば、式(30−1)で表される任意の信号に関して微分処理を施す場合には、振幅A(s)の空間微分(空間(s)的な変化)が瞬時周波数ω(s)に比べて小さい場合やその仮定をし、また、式(30−1)又はその微分の結果に関して、偏微分方向を含む多次元において、又は、その偏微分方向に移動平均を施すことにより、以下の様に近似する。
For example, when differential processing is performed on an arbitrary signal represented by Expression (30-1), the spatial differentiation (change in space (s)) of the amplitude A (s) is compared with the instantaneous frequency ω (s). In the case where the value is small or the assumption thereof is made, and regarding the result of the expression (30-1) or the derivative thereof, in the multi-dimension including the partial differential direction or by applying the moving average to the partial differential direction, To approximate.
図35は、2次元の場合の2ステアリングビームの例と、それらの重ね合わせの横方向変調を示す図である。また、図36は、3次元の場合の4ステアリングビームの例と、それらの重ね合わせの横方向変調を示す図である(3つのステアリングビームの場合には、図36に示されているいずれかの内の3つのステアリングビームを使用することが可能であるし、その他、軸に対して全てが対称な3つのステアリングビームを生成しても良いが、その図は略)。また、図35と図36には、リニア型の1次元と2次元のアレイ開口が示されているが、他の任意形状のアレイ型開口を使用することもでき、座標系も任意の直交座標系を使用できる。いずれの形状のアレイ開口型や直交座標系が使用される場合でも、空間的に軸や軸を交差する軸とする空間的に4象限を区切る平面に対称なステアリングビームが使用される(対称でない場合には、対称にすべく座標系を並進や回転させることもある)。ここで、ステアリングビームと称したが、ステアリングされた任意の波動に適用できる(ステアリングされていないものを含むこともある)。横方向変調の場合に、例えば2次元の場合には、図35に示すように、ステアリングにより生成された2つの交差波動を重ね合わせていない状態と重ね合わせた状態にて処理される。3次元の場合も同様に、図36に示すように、ステアリングにより生成された3つ又は4つの交差波動を重ね合わせていない状態と重ね合わせた状態にて処理される。ステアリングを実施した場合も多次元受信信号として処理する場合には同様である。非特許文献19にある通り、波動又はビームの伝搬方向を空間分解能を持つ状態で計測でき(スペクトルの重心や瞬時周波数を用いる)、同時に、その方向の周波数も計測でき、後の示される周波数の空間積分処理において設定される積分路の方向(接線方向)の周波数を高精度に求めて計算できる。上記の1次元信号の場合においては、例として、積分路を、送信時に設定した波動又はビームのステアリング方向(角度)、又は、生成された波動又はビームにおいて、同様に、但し、大局的に推定されるステアリング方向(角度)に直線状に取ることを記載したが、この多次元の場合に、積分路はその次元空間において理論的には任意に取れる。しかし、実際に積分の計算を行う上では、積分路をビームフォーミングの行われた座標系に適した状態で設定することは重要であり、直線や弧を描くものやそれらを連結したもの等が使用されることが多い。また、処理を簡単に済ませるべく、公称周波数や同時に大局的に推定される周波数を使用することもできる(積分路に投影する)。空間分解能を持つ状態で推定される伝搬方向に積分を行うことは、周波数分布の補間処理を伴い、不可能ではないが、実用的ではない。いま、関心領域内の信号を
ちなみに、A(s1,s2,s3)は振幅であり、位置座標(s1,s2,s3)における反射強度や散乱強度を表す。例えば、式(30'−1)の直交検波を通じた包絡線検波(IQ信号の二乗の和の平方根)により求まる。もしくは、フーリ変換を用いたヒルベルト変換を通じて、
式(30')と式(31')を用いて、複素解析信号(特許文献6や非特許文献7)で表示し、
瞬時位相θ(s1,s2,s3)を求めるべく、まず、瞬時角周波数を求める。常套手段としては、特許文献6や非特許文献7に記載の方法で、位置座標(s1,s2,s3)において、例えば、t1方向の次のサンプリング位置座標(s1+Δs1,s2,s3)における瞬時周波数が等しく、瞬時位相は等しくないことを想定し(δθ(t1,t2,t3)は、ランダムな散乱強度や反射率で決まる位相変化(即ち、ランダム)であり、(t1,t2,t3)に対してランダム的に大きく変化する)、
特許文献6や非特許文献7に記載されている通り、実際には、信号r(s1,s2,s3)にはノイズが混入するし、式(33')や式(34')の仮定の下で推定することとして、s1軸方向やこれと直交する2方向又は1方向を含めて移動平均処理が施され、高精度化されることがある。この移動平均処理は、式(36')に対して施されて式(37')に従って求められる場合
これらの移動平均の施された瞬時周波数を用いて、各位座標において、瞬時周波数に関して検波すれば良い。瞬時周波数の推定値はアンバイアスであり、デジタル信号処理の場合には、式(32')に対して、
尚、式(38'−1)と式(38'−2)により求められる瞬時周波数に移動平均を施したものの代わりに、スペクトルの第1次モーメント(重心、つまり、重み付きの平均値)より求まる重心周波数(×2π)を用いても良い。3次元の直交座標系の1つの軸、x軸方向の重心の式は、式(S1'')に示してある。他の方向も同様に求まり、2次元においても求まる。 In addition, instead of using the moving average on the instantaneous frequency obtained by the equations (38′-1) and (38′-2), the first moment of the spectrum (center of gravity, that is, the weighted average value) is used. The obtained center-of-gravity frequency (× 2π) may be used. The equation of the center of gravity in the x-axis direction of one axis of the three-dimensional orthogonal coordinate system is shown in the equation (S1 ″). The other directions are obtained in the same manner, and are obtained in two dimensions.
上記の観測信号を表す式の積分路cは、瞬時位相を零とする位置を基準位置と考える始点0から関心点(s1,s2,s3)までの任意の線路である。0は、波動源の位置を表す。これに対し、式(39')中の積分路c'の始点も0(波動源位置)とすることがあり、その場合に位置座標(t1,t2,t3)=(s1,s2,s3)の分布として求まるθ'(s1,s2,s3)は、反射や散乱により生じる位相変化の積分値で表される瞬時位相(式(30'−2))そのものの推定値である。瞬時周波数は平均化されたものであり、求まるθ'(s1,s2,s3)はその状況で求められた推定値である。 The integration path c in the expression representing the observed signal is an arbitrary line from the start point 0 to the point of interest (s 1 , s 2 , s 3 ) where the position where the instantaneous phase is zero is considered as the reference position. 0 represents the position of the wave source. On the other hand, the starting point of the integration path c ′ in the equation (39 ′) may also be 0 (wave source position), in which case the position coordinates (t 1 , t 2 , t 3 ) = (s 1 , s 2, s 3 obtained theta 'as distribution) (s 1, s 2, s 3) is the instantaneous phase represented by the integral value of the phase change caused by reflection or scattering (formula (30'-2)) itself Is an estimated value. The instantaneous frequency is averaged, and θ ′ (s 1 , s 2 , s 3 ) obtained is an estimated value obtained in that situation.
また、移動平均処理の影響やスペクトルを求める際の窓長の影響で、瞬時周波数が波動源位置0から(t1,t2,t3)=(s1',s2',s3')(波動源位置ではなく、(s1,s2,s3)とも等しくない)まで求まらない場合には、積分路c'の始点を0として、公称角周波数又は予め測定/推定した各方向の角周波数(ω01,ω02,ω03)を用いて、
しかし、例えば、式(30'−2)と式(34')に基づき、サンプリングΔs1間隔でt1軸方向の瞬時位相の変化量であるΔθ1(s1,s2,s3)を推定する場合には、そのバイアスは問題とならない。推定結果は、
式(40')又は式(43')を用いて表される位相に関する画像は広帯域化されており、超解像の一種である。それらの位相そのものを表示することもできるし、余弦や正弦関数を掛けて表示することもできるし、さらに、包絡線で重み付けして表示することもできる。ちなみに、式(40')の位相を求めた複素解析信号の実部と虚部の各々の二乗の和の平方根は、包絡線信号と同一である。従って、二乗検波や絶対値検波、理想的には波打ち(信号値の符号、位相)を壊さずにそのままに画像化すると良い(グレー画像やカラー画像で表示できる)。
However, for example, Δθ 1 (s 1 , s 2 , s 3 ), which is the amount of change in the instantaneous phase in the t 1 axis direction at sampling Δs 1 intervals, is calculated based on equations (30′-2) and (34 ′). When estimating, the bias does not matter. The estimation result is
The image related to the phase expressed using the equation (40 ′) or the equation (43 ′) has a wide band and is a kind of super-resolution. These phases themselves can be displayed, can be displayed by being multiplied by a cosine or a sine function, and can also be displayed by being weighted with an envelope. Incidentally, the square root of the sum of the squares of the real part and the imaginary part of the complex analytic signal for which the phase of the equation (40 ′) is obtained is the same as that of the envelope signal. Therefore, it is better to image the square wave detection, the absolute value detection, and ideally, without damaging the wave (the sign and phase of the signal value) (can be displayed as a gray image or a color image).
尚、上記のヒルベルト変換は、多次元(高速)フーリエ変換に基づいて行うこと(非特許文献13、交差ビームや交差波動が空間において重なっていても重なっておらずに分離された状態にあっても処理できるが、後に確認する通り、前者の処理の方が全ての受信信号を一度にフーリエ変換できて計算量が少なくて済み、分離された状態の信号は積極的に重ね合わせた上で処理されることがある)を記載したが、無論、1次元のときと同様に、本来のヒルベルト変換の計算を応用しても良い。
また、信号にノイズが混入している場合には精度が低下するが、1次元のときと同様に、対象の実時間信号に対して微分処理を施して、位相が90°進んだ信号を生成し、-1を乗じて虚数成分を計算することもできる(微分処理によって角周波数が乗ざれた分は、元の実時間信号に対して余弦又は正弦信号の逆関数を施して求まる位相を近隣の位置における同計算結果(位相)との差分(いわゆる前方差分、後方差分、中心差分等)を計算してそれらの位置の距離で割ったもの(差分近似)で補正すればよく、差分近似ではなく、微分フィルタが施されることもある)。但し、本段落に記載されている方法は、横方向変調が実施されている場合には、図35や図36に示される通り、ステアリングされた波動が重ね合わさっていない場合に限られる。単独のステアリングされた波動を単独に処理する場合も処理可能である(本段落)。重なっている場合の1つの処理方法を本段落中の最後に、その他の2つの処理方法は次段落以降にて記載する。
例えば、式(30'−1)等で表される任意の信号に関して偏微分処理を施す場合には、s1からs3の内の1つの方向に関して偏微分を施す。振幅A(s1,s2,s3)の空間偏微分(空間的な変化)がその偏微分方向の瞬時周波数ω1(s1,s2,s3)又はω2(s1,s2,s3)、ω3(s1,s2,s3)に比べて小さい場合やその仮定をし、また、式(30'−1)又はその偏微分の結果に関して、偏微分方向を含む多次元において、又は、その偏微分方向に移動平均を施すことにより、以下の様に近似する。例えば、s1方向に偏微分した場合には以下の通りである。
本ヒルベルト変換法は多次元フーリエ変換を用いたヒルベルト変換(非特許文献13)よりも高速であり、1つ1つの時相において、波動のパラメータやビームフォーミングパラメータの異なる複数のビームや波動が生成される場合(但し、ステアリング方向が同一であったりするし、ステアリング方向が軸に対して対称であるとも限らない)には、受信トランスデューサにて受信する受信信号が増えてビームフォーミングやヒルベルト変換を実施する回数が増えるため、その様な場合に有効である。ビームフォーミングされた複数の信号を重ね合わせたものをビームフォーミングされた1つの信号(式(30'−1))と見なして一度に本ヒルベルト変換を実施することもあり、その場合にも有効である(偏微分により求まる瞬時周波数は、それらのビームや波動の重ね合わせの偏微分方向の合成周波数である)。上記の瞬時位相イメージングも同様に重ね合わされた合成波動において実施されることがある。物理開口素子が2次元又は3次元分布や多次元のアレイを構成している場合において、多くの処理時間を要するという問題をさらに効果的に解決し、本ヒルベルト変換の高速性は有効となる。
The Hilbert transform described above is performed based on a multidimensional (fast) Fourier transform (Non-patent Document 13, in a state where cross beams and cross waves are separated without overlapping even if they overlap in space. However, as will be confirmed later, the former processing can Fourier-transform all received signals at one time and requires less computation, and the separated signals are processed after being actively superimposed. Of course, the calculation of the original Hilbert transform may be applied as in the case of one-dimensional.
Also, the accuracy decreases when noise is mixed in the signal, but as with the one-dimensional case, the target real-time signal is differentiated to generate a signal whose phase is advanced by 90 °. The imaginary component can also be calculated by multiplying by -1 (the amount obtained by multiplying the angular frequency by the differentiation process is the neighborhood obtained by applying the inverse function of the cosine or sine signal to the original real-time signal. It is sufficient to calculate the difference (so-called forward difference, backward difference, center difference, etc.) from the calculation result (phase) at the position of, and divide by the distance of those positions (difference approximation). And a differential filter may be applied). However, the method described in this paragraph is limited to the case where the steered waves are not superimposed as shown in FIGS. 35 and 36 when the lateral modulation is performed. It is also possible to process a single steered wave independently (this paragraph). One processing method in the case of overlapping is described at the end of this paragraph, and the other two processing methods are described in the following paragraphs.
For example, when partial differential processing is performed on an arbitrary signal represented by the equation (30′-1) or the like, partial differentiation is performed on one direction from s 1 to s 3 . The spatial partial differentiation (spatial change) of the amplitude A (s 1 , s 2 , s 3 ) is the instantaneous frequency ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) or ω 2 (s 1 , s 2 , s 3 ), ω 3 (s 1 , s 2 , s 3 ) and the case where it is smaller or its assumption, and the partial differential direction is expressed in relation to the expression (30′-1) or the partial differential result thereof. It approximates as follows by performing a moving average in the multi-dimensionality to include or the partial differential direction. For example, when the partial differentiation in s 1 direction is as follows.
This Hilbert transform method is faster than the Hilbert transform using multidimensional Fourier transform (Non-patent Document 13), and generates multiple beams and waves with different wave parameters and beam forming parameters in each time phase. If the steering direction is the same (however, the steering direction is the same, and the steering direction is not necessarily symmetrical with respect to the axis), the reception signal received by the reception transducer increases and beamforming and Hilbert conversion are performed. Since the number of times of implementation increases, it is effective in such a case. In some cases, the Hilbert transform may be performed at one time by regarding a superposition of a plurality of beamformed signals as one beamformed signal (formula (30′-1)). Yes (the instantaneous frequency obtained by partial differentiation is the combined frequency in the partial differential direction of the superposition of these beams and waves). The instantaneous phase imaging described above may also be performed on the superimposed composite wave as well. In the case where the physical aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multi-dimensional array, the problem that a lot of processing time is required can be solved more effectively, and the high speed of this Hilbert transform becomes effective.
また、交差ビーム又は交差する波動を重ねて横方向変調の施されたエコー信号そのものに関しては、以下の如くに直接的に処理できる(2次元の場合には図35、3次元の場合には図36)。
2次元の場合において、2つの交差波動を重ねて横方向変調の施されたエコー信号そのものに関しては、以下の如くに直接的に処理できる。そのエコー信号が、
実際の(30A−6)の計算結果は、偏微分の順番を逆にすると異なるため、(30A−6)をその様にして2つ求めて、(30A−8)、(30A−8')、(30A−9)、(30A−9')中にて使用し、同一の式で表される解析信号は重ね合わせて平均化して使用しても良い(変位計測や画像化)。また、未知変位ベクトル成分に関するover-determinedシステムを実現しても良い(変位計測や画像化)。複数求まる包絡線検波の結果は重ね合わせて画像化に使用しても良い(スペックルの低減効果がある)。
また、交差ビームを重ねて横方向変調の施されたエコー信号そのものは、以下の如くに、
また、3次元の場合において、3つ又は4つの交差波動を重ねて横方向変調の施されたエコー信号そのものが、
また、交差ビームを重ねて横方向変調の施されたエコー信号そのものは、以下の如くに、
In the two-dimensional case, the echo signal itself subjected to lateral modulation by superimposing two cross waves can be directly processed as follows. The echo signal is
Since the actual calculation result of (30A-6) differs when the order of partial differentiation is reversed, two (30A-6) are obtained in this way, and (30A-8), (30A-8 ') , (30A-9), (30A-9 ′), and the analysis signals represented by the same equation may be used by superimposing and averaging (displacement measurement or imaging). An over-determined system for unknown displacement vector components may be realized (displacement measurement and imaging). A plurality of obtained envelope detection results may be overlapped and used for imaging (there is a speckle reduction effect).
In addition, the echo signal itself subjected to lateral modulation by overlapping the cross beams is as follows:
In the three-dimensional case, the echo signal itself subjected to lateral modulation by superimposing three or four cross waves is
In addition, the echo signal itself subjected to lateral modulation by overlapping the cross beams is as follows:
また、交差波の重ね合わせによる横方向変調(2次元の場合には図35、3次元の場合には図36)において、多次元(高速)フーリエ変換を用いたヒルベルト変換(非特許文献13)や前段落の偏微分処理とは異なり、1次元(高速)フーリエ変換を施してヒルベルト変換を実現することも可能である。
2次元の場合に、交差波が重なった2次元エコー信号が(30A−1)と表されるとすると、s1とs2の各々に関する1次元(高速)フーリエ変換を行い、各々の半帯域(負帯域)のスペクトルを零詰めした上で1次元逆フーリエ変換し、
また、3次元の場合に、3つ又は4つの交差波が重なった横方向変調のエコー信号が、(30B−1)と表わされるとすると、2次元の場合と同様に、1次元フーリエ変換と1次元逆フーリエ変換を通じて、解析信号(30B−2)とこれと独立な解析信号を合せて交差波動の総数(3つ又は4つ)だけ求めることができ、その内の少なくとも3つを連立するか、未知変位成分は3つであるため全てを連立してover-determinedシステムが得られる。2次元の場合と同様に、3次元エコーイメージングも可能である。非特許文献13にて報告した3次元フーリエ変換を用いる方法と同一回数の1次元フーリエ変換と1次元逆フーリエ変換を実施することになる(交差波が3つのときは計12方向の回数、交差波が4つのときは計15方向の回数)。
これらの場合においても、同様に変位ベクトルの計測が行われる。また、包絡線検波や二乗検波等の検波を通じて各々の信号が画像化されることがある。また、重ね合わせて画像化されることもある(スペックルの低減効果もある)。over-determinedシステムである場合にも、同様に変位計測や画像化が行われることがある(スペックルの低減効果もある)。
以上、交差波が重なって横方向変調が実施された信号そのものに関する新しい高速なヒルベルト変換法を記載したが、その重なった交差波とは、同時に波動を送信した場合や各々の送信に対する受信信号を重ねたものである。これに対し、その前に記載した交差波が分離されている場合(即ち、各々が送信された際の受信信号や同時に送信された際の受信信号が処理されて分離された信号)には、例えば、2次元の場合に2つの交差波が重なっていないときに独立な2つの波動信号((30A−8)又は(30A−8')と(30A−9)又は(30A−9')の実信号)が、
In the case of two dimensions, if a two-dimensional echo signal in which cross waves overlap is expressed as (30A-1), a one-dimensional (fast) Fourier transform for each of s 1 and s 2 is performed, and each half-band is obtained. 1-dimensional inverse Fourier transform with zero-padded (negative band) spectrum,
Also, in the case of three dimensions, if a laterally modulated echo signal in which three or four cross waves overlap is expressed as (30B-1), as in the case of the two dimensions, one-dimensional Fourier transform and Through the one-dimensional inverse Fourier transform, the analysis signal (30B-2) and the analysis signal independent of this can be combined to obtain the total number of cross waves (three or four), and at least three of them are simultaneous. Or, since there are three unknown displacement components, all of them can be combined to obtain an over-determined system. Similar to the two-dimensional case, three-dimensional echo imaging is also possible. The same number of one-dimensional Fourier transforms and one-dimensional inverse Fourier transforms are performed as in the method using the three-dimensional Fourier transform reported in Non-Patent Document 13. (When there are four waves, the total number of directions is 15).
In these cases, the displacement vector is similarly measured. In addition, each signal may be imaged through detection such as envelope detection or square detection. In addition, the images may be overlapped to form an image (there is also a speckle reduction effect). In the case of an over-determined system, displacement measurement and imaging may be performed in the same way (there is also a speckle reduction effect).
In the above, a new high-speed Hilbert transform method has been described for signals themselves that have undergone lateral modulation with overlapping cross waves, but the overlapped cross waves are the signals that are transmitted simultaneously and the received signals for each transmission. It is a stack of things. On the other hand, when the cross waves described before are separated (that is, the received signal when each is transmitted and the received signal when the signals are transmitted at the same time are processed and separated), For example, in the two-dimensional case, two independent wave signals ((30A-8) or (30A-8 ') and (30A-9) or (30A-9') when two crossing waves do not overlap. Real signal)
本法を用いた場合には、主として、反射や散乱で決まる信号強度と位相や位相変化を表す画像となる。一方、求められた瞬時周波数を画像化すると、減衰や散乱による周波数変調の影響などを表す画像となる(同じく、グレーやカラー表示できる)。尚、上記の瞬時位相の存在は、ドプラ法に基づく上記の組織変位計測法や古典的な計測方法を単独に実施した場合には、微小変位といえども、何れの計測精度をも劣化させるものであったが、本願の発明者はフレーム間の位相マッチング法を開発してこれを克服した(例えば、非特許文献15)。他に報告のある組織変形を表す信号を伸縮させる方法も有効であることがあるが、前者の位相マッチング法は、組織変位や歪の計測等における高強度且つランダムな信号を対象とした場合の計測には欠かせない(並進と回転が可能)。通常、血流は狭帯域信号を用いて計測されるが、本方法によれば高分解能計測が可能となり、高精度な粘性計測等を拓くものである。多次元ベクトルやテンソルの計測も可能である。血流計測にも、位相マッチングを施す処理を実施して精密検査を実施できる。 When this method is used, the image mainly represents the signal intensity determined by reflection or scattering and the phase or phase change. On the other hand, when the obtained instantaneous frequency is imaged, an image representing the influence of frequency modulation due to attenuation or scattering is obtained (similarly, gray and color can be displayed). Note that the presence of the instantaneous phase described above degrades the measurement accuracy even if it is a micro displacement when the tissue displacement measurement method based on the Doppler method or the classical measurement method is carried out independently. However, the inventor of the present application developed a phase matching method between frames to overcome this (for example, Non-Patent Document 15). Other reported methods of expanding and contracting signals representing tissue deformation may be effective, but the former phase matching method is used for high-intensity and random signals in tissue displacement and strain measurement. Indispensable for measurement (translation and rotation are possible). Normally, blood flow is measured using a narrowband signal, but according to this method, high-resolution measurement is possible, which opens up highly accurate viscosity measurement and the like. Measurement of multidimensional vectors and tensors is also possible. For blood flow measurement, it is possible to carry out a precision inspection by performing a process for performing phase matching.
また、上記の包絡線検波は、生成されたイメージ信号に対して行うのが常套的手段であるが、周波数領域において、角スペクトル又はスペクトルの共役積による演算や、それも、加算処理前の各波数(周波数)成分に関するそれらの演算も有用である(本発明における非線形処理の1つ)。また、振幅の検波のために、上記の他に、二乗検波や絶対値検波等を施すこともある。尚、ビームフォーミング(即ち、ディレイやアポダイゼーションが掛けられ実現されるフォーカスや偏向)が行われて得られたイメージ信号からフーリエ変換を通じて得られるものはスペクトルであるが、さらに、ビームフォーミングを施すに至った場合には、軸方向と少なくとも1つの横方向にフーリエ変換されたものは、角スペクトルである。即ち、イメージ信号が生成された後に、さらに、ビームフォーミング処理が施されることがある。また、本処理や他の処理(後に詳細に記したスペクトルの重み加工や信号への非線形処理、逆フィルタリング等、その他)を含め、超解像処理の施されたものが上記のコヒーレント加算に使用されることがあるし、上記のインコヒーレント加算に使用されることもある。加算の対象は、異なる、又は、同一の信号(それらはビームフォーミング前又は後)に他の処理の施された信号、又は、それらの生信号等が対象となる。コヒーレント加算は、広帯域化(高分解能化)や高SN比化に適している一方で、インコヒーレント加算は、スペックルの低減や高SN比化に適している。スペックルの低減においては、空間分解能の低下を伴うこともあるが、超解像を交えた処理は、それが問題とならずに、高空間分解能な結果を齎すことがある。インコヒーレント加算は、基本的には、何かしらの検波(冪乗検波を含む)が施されて正値にされたものに対して施されるわけだが、上記の包絡検波以外の検波処理は、検波信号にコヒーレンス性が残る処理である(少なくとも、波の振動がわかる)。包絡線検波も有用であるが、この様なコヒーレンス性の残る検波は、特に、空間分解能を損じない検波処理として有用である。これと比較して、包絡線検波によれば、空間分解能が低下しやすいことがある。 Further, the envelope detection described above is a conventional means to be performed on the generated image signal. However, in the frequency domain, the calculation based on the angular spectrum or the conjugate product of the spectrum, and each before the addition processing is performed. Those operations relating to the wave number (frequency) component are also useful (one of the non-linear processes in the present invention). In addition to the above, square detection, absolute value detection, or the like may be performed for amplitude detection. Note that what is obtained through Fourier transform from an image signal obtained by beam forming (that is, focus and deflection realized by applying delay or apodization) is a spectrum, but further, beam forming is performed. In this case, the result of Fourier transform in the axial direction and at least one lateral direction is an angular spectrum. That is, after the image signal is generated, beam forming processing may be further performed. In addition, this processing and other processing (spectral weight processing, nonlinear processing on signals, inverse filtering, etc., described in detail later), which has undergone super-resolution processing, are used for the above coherent addition And may be used for the incoherent addition described above. The target of addition is different or the same signal (they are before or after beamforming) and other processings, or their raw signals. Coherent addition is suitable for wideband (higher resolution) and higher SN ratio, while incoherent addition is suitable for speckle reduction and higher SN ratio. The reduction in speckle may be accompanied by a reduction in spatial resolution. However, processing with super-resolution may cause a high spatial resolution result without causing a problem. Incoherent addition is basically applied to a signal that has been subjected to some kind of detection (including power detection) and made positive. However, detection processing other than the envelope detection described above is performed by detection. This is a process in which coherence remains in the signal (at least the vibration of the wave is known). Envelope detection is also useful, but detection with such coherence is particularly useful as detection processing that does not impair spatial resolution. Compared with this, according to the envelope detection, the spatial resolution may be easily lowered.
動作するモードが装置に入力される指令(信号)によって定められることもある。また、観察対象の波動(波動の種類や特徴、強度、周波数、帯域幅、又は、符号等)や伝搬する媒体(伝搬速度、波動に関わる物性値、減衰、散乱、透過、反射、屈折、又は、それらの周波数分散等)に関する付加情報が与えられ、適切に受信信号がアナログ処理又はデジタル処理されることもある。生成されたイメージ信号の特徴(強度、周波数、帯域幅、又は、符号等)が解析されることもある。本実施形態に係る装置で得られたデータは、他の装置において使用されることがある。本実施形態に係る装置は、ネットワークデバイスの1つとして使用されることがあり、ネットワークシステムの制御装置により制御されることがあり、また、ネットワークデバイスを制御する制御装置として使用されることもあり、ローカルに構成されたネットワークを制御する制御装置となることもある。 The operating mode may be determined by a command (signal) input to the apparatus. In addition, the wave to be observed (wave type and characteristics, intensity, frequency, bandwidth, sign, etc.) and propagating medium (propagation velocity, physical property value related to wave, attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, or , Their frequency dispersion, etc.) are given, and the received signal may be appropriately analog processed or digitally processed. The characteristics (intensity, frequency, bandwidth, code, etc.) of the generated image signal may be analyzed. Data obtained by the device according to the present embodiment may be used in other devices. The apparatus according to the present embodiment may be used as one of network devices, may be controlled by a network system control apparatus, and may be used as a control apparatus that controls the network device. In some cases, the control device controls a locally configured network.
本実施形態に係るパッシブ型の装置をアクティブ型の装置として使用する場合においては、送信トランスデューサ(又はアプリケータ)10を装置本体30の送信ユニット31に接続し、送信器31aがアナログ装置でトリガー信号の入力端子を持つ場合には、制御ユニット34によってトリガー信号を生成して印加するか、又は、送信器31aがデジタル装置で外部クロック信号に従って動作するモードがあれば、装置本体30内のいずれかから、又は、制御ユニット34からクロック信号を与えるか、又は、装置本体30が送信器31aのクロック信号で動作するかのいずれかの機構が設けられることがある。送信器31aがデジタル装置である場合においては、これらの内のいずれかの機構により、送信と受信のクロック信号が同期される。このことは、複数回の送信に基づいて、1つのイメージ信号を生成する場合に重要となる。同期を取れない場合には、クロック周波数やサンプリング周波数が高い状況において、誤差が低減されることがある。 When the passive device according to the present embodiment is used as an active device, the transmission transducer (or applicator) 10 is connected to the transmission unit 31 of the device body 30, and the transmitter 31a is an analog device and is a trigger signal. If the control unit 34 generates and applies a trigger signal, or if the transmitter 31a has a mode in which the transmitter 31a operates in accordance with an external clock signal, any of the devices in the device main body 30 is provided. Or a clock signal from the control unit 34, or a mechanism in which the apparatus main body 30 operates with the clock signal of the transmitter 31a may be provided. In the case where the transmitter 31a is a digital device, the transmission and reception clock signals are synchronized by any one of these mechanisms. This is important when one image signal is generated based on a plurality of transmissions. If synchronization cannot be achieved, errors may be reduced in situations where the clock frequency or sampling frequency is high.
以上により、高速フーリエ変換を通じて、任意のビームフォーミングを、高速に補間近似を行わずにデジタル処理によって実現できる。実質的に、任意のフォーカシングと任意のステアリング(偏向)を、任意開口形状のトランスデューサアレイデバイスを用いて実施できる。尚、本発明においては、方法(1)〜(7)に記載の如く、任意のビームフォーミングの波数マッチングにおいて補間近似処理を行うことがあり、より高速にビームフォーミングが行われることがある。高精度に近似的な波数マッチングを行うには、計算量が増えることを代償として、受信信号を適切にオーバーサンプリングする必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。第2の実施形態は、装置として、また、動作モード(例えば、イメージングモード、ドプラモード、計測モード、通信モード等)に関して、通常の装置において使用され得るものであり、また、それらや上記のものに限られるものではない。 As described above, arbitrary beam forming can be realized by digital processing without performing high-speed interpolation approximation through fast Fourier transform. Virtually any focusing and any steering (deflection) can be performed using a transducer array device with any aperture shape. In the present invention, as described in the methods (1) to (7), interpolation approximation processing may be performed in wave number matching of arbitrary beam forming, and beam forming may be performed at a higher speed. In order to perform approximate wave number matching with high accuracy, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the cost of an increase in the amount of calculation. In that case, it is necessary to be careful that the number of data of the Fourier transform increases, unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process is not performed. The second embodiment can be used in an ordinary apparatus as an apparatus and with respect to an operation mode (for example, an imaging mode, a Doppler mode, a measurement mode, a communication mode, etc.), and those and the above-described ones. It is not limited to.
以上の第1及び第2の実施形態において、電磁波や、音波(圧縮波)やずり波、衝撃波、表面波等を含む振動波(力学的波)、又は、熱波等の波動(表面波やGuided waves等を含む)を対象として、送信又は受信のフォーカシングや送信又は受信のステアリング、送信又は受信のアポダイゼーションの有無に依らず、送受信の座標系とビームフォーミングされた信号を生成する座標系が異なる場合を含め、任意のビームフォーミングをデジタル処理に基づいて補間近似を行うことなく高精度に且つ高速に実施できる。ビームフォーミングされた信号を画像表示する際のフレームレートが向上するだけでなく、画質に関して高い空間分解能と高いコントラストを得ることができ、さらに、ビームフォーミングされた信号を用いて変位や変形、又は、温度等を計測すれば、計測精度も向上する。尚、本発明においては、方法(1)〜(7)に記載の如く、任意のビームフォーミングの波数マッチングにおいて補間近似処理を行うことがあり、より高速にビームフォーミングが行われることがある。高精度に近似的な波数マッチングを行うには、計算量が増えることを代償として、受信信号を適切にオーバーサンプリングする必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。高速にビームフォーミングされた波動又はビームの重ね合わせ処理やスペクトル周波数分割、また、未受信ビームフォーミングの受信信号が重ね合わせされたりやスペクトル周波数分割されている状況における高速ビームフォーミングは様々な応用を実現する。本発明の応用は、この限りではない。処理の高速性は、多次元アレイを用いた多次元イメージングにおいて絶大な効果を奏する。尚、上記の計算アルゴリズムにおいて実施するフーリエ変換又は逆フーリエ変換処理には、専用の高速フーリエ変換又は高速逆フーリエ変換を実施することを含め、高速フーリエ変換を実施することが望ましい。また、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。 In the first and second embodiments described above, an electromagnetic wave, a vibration wave (mechanical wave) including a sound wave (compression wave), a shear wave, a shock wave, a surface wave, etc., or a wave such as a heat wave (surface wave or Regardless of transmission / reception focusing, transmission / reception steering, or transmission / reception apodization, the transmission / reception coordinate system differs from the coordinate system that generates the beam-formed signal. Arbitrary beam forming can be performed with high accuracy and high speed without performing interpolation approximation based on digital processing. Not only the frame rate when displaying the beam-formed signal is improved, but also high spatial resolution and high contrast can be obtained with respect to image quality, and further, displacement and deformation using the beam-formed signal, or Measuring temperature etc. will improve measurement accuracy. In the present invention, as described in the methods (1) to (7), interpolation approximation processing may be performed in wave number matching of arbitrary beam forming, and beam forming may be performed at a higher speed. In order to perform approximate wave number matching with high accuracy, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the cost of an increase in the amount of calculation. In that case, it is necessary to be careful that the number of data of the Fourier transform increases, unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process is not performed. High-speed beamforming realizes various applications by superimposing and spectral frequency division of waves or beams that are beamformed at high speed, and in the situation where received signals of unreceived beamforming are superimposed or spectral frequency divided To do. The application of the present invention is not limited to this. The high speed of processing has a great effect in multidimensional imaging using a multidimensional array. In addition, in the Fourier transform or inverse Fourier transform processing performed in the above calculation algorithm, it is desirable to perform fast Fourier transform including performing dedicated fast Fourier transform or fast inverse Fourier transform. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and many modifications can be made within the technical idea of the present invention by those who have ordinary knowledge in the technical field.
計測対象は、有機物、無機物、固体、液体、気体、レオロジーに従うもの、生き物、天体、地球、環境等、様々であり、応用範囲は極めて広い。非破壊的検査(最近のトピックとしては、安価且つ簡便な超音波による金属やプラスチック(特に、炭素繊維やガラス繊維等を用いたFiber-Reinforced Plastics)等の検査が盛んである。本発明者は、従来は超音波減衰が強いとされるゴムの超音波観測を提案している)、診断、資源探査、材料や構造物の生成や製造、物理的又は化学的な様々な修復や治療のモニタリング、明らかにした機能や物性等を応用すること等に貢献し、それらにおいては被測定対象に大きな擾乱を来さず、非侵襲的、低侵襲的、非観血的である条件が課された中で精度が求められることがある。理想的に対象を原位置でのありのままの状態(in situ)において観測できる場合がある。例えば、3次元波動を観測できる場合には、3次元変位ベクトルをドプラ観測でき、通常のドプラであると観測対象の変位方向に波動の伝搬方向を向ける必要が有るが、センサーを観測対象に向けるだけで任意方向の動きを観測できる(例えば、超音波エコー法)。計測手技も簡便化される。例えば、瞼を開いているときは水を介したり閉じていたりするときに超音波エコー法を用い、また、瞼を開いているときはOCTを用いて眼球の歪テンソルや歪率テンソル、ずり波伝搬を観測して数理逆問題により眼球の粘弾性率分布や眼圧を再構成できる。また、心腔内や血管内、眼底・網膜の血流ベクトルを超音波ドプラ観測して血液の粘性や心腔圧、血圧を再構成すること等もできる。その他、指紋鑑定(認証)や虹彩認証等を含め、光だけでなく超音波も様々な生体認証に応用できる(動態や温度等の機能観測や様々な物性観測を含む)。また、観測対象が稼働した状態においてin situにて観測できる場合がある。例えば、数理逆問題を用いて稼働している神経回路網や電気電子回路の導電率や誘電率等の電気物性の分布を磁場分布観測に基づいて電流密度ベクトル分布を観測して再構成したり、温度分布を観測して熱物性の分布を再構成したり、走行している車等のタイヤや流体の流れているゴム管や電流の流れている電線のゴム等の内部の歪テンソルや歪率テンソルを超音波ドプラ観測して粘弾性率や内圧の分布を再構成したり、それらの内部の温度を観測して熱物性や発熱、灌流の分布を再構成したり、ヒトの運動中における筋肉の動きベクトルを同様にして観測して粘弾性や組織圧を再構成すること等ができる。また、材料を生成・成長させている間において観測用に物理条件等を変えることなくその生成・成長過程をモニタリングできる。段落0094には、弾性率の非等方性を観測するための弾性波動の観測方法(その観測には超音波やMRI、OCT等を使用できる)を記載したが、他の様々な物性の非等方性も各物性に関わる波動(様々な電磁波、力学的波動、熱波等)を同様に観測して観測できる。つまり、源の位置や数、指向性等を調整して観測対象となる波動(各電磁波や光、放射線、可聴音波、超音波、弾性波、熱波)の重なりを観測したり、各々の波動を観測して重ね合わせたりして、伝搬方向を制御したりできる。又は、源の位置や数、指向性等を調整して純粋に独立した波動を複数個生成して観測し、物性の再構成の精度を向上させることもできる(over-determinedなシステムを生成できる)。例えば、様々な表面波やGuided wavesを実現するデバイス(媒体や源等)の設計に応用できる。ここで、観測対象を波動として記載したが、静的又は疑似的に静的な場(歪テンソル分布、電位分布、電流密度ベクトル分布、温度分布等)を観測対象とすることもあり、その様な場を観測して静的な物性を再構成することもある。
また、それらの波動や場を観測するために直接にセンシングする波動のSN比が低い場合には、その波動の重ね合わせや加算平均は有効である。例えば、ヒトや動物の脳磁場(非常に微弱であり周囲の磁場に埋もれてしまうことが多い)をSQUID計にて観測して電流密度ベクトルを観測する場合には、視覚や聴覚、体性感覚による誘発脳磁場を重ねて(加算平均)して電流密度ベクトルの分布を再構成することにより、その精度を得、電気物性の分布を再構成することもある。各誘発に対して電流密度ベクトル分布を観測して、それらを重ねて(加算平均して)、電気物性の分布を再構成することもある。また、てんかんの様に突発的に生じるものを対象にする場合にも、観測磁場を重ねたり観測時系列を積分した上でそれらの再構成を行うこともある。また、テラヘルツ観測(電界観測)においてSN比を向上させるべく加算平均が実施されるが、その様に重ね合わされたものを基に電気物性が再構成されることもある。重ね合わせ(加算平均)や積分に複数の事象の信号成分を含む場合には、それらの蓄積を同時に観測でき、ランダム性の信号成分は抑圧される。その様に重ね合わされた信号においてもそれらの再構成を実施することは可能であり、例えば、電流密度ベクトルや電気物性の分布再構成により観測の間に使用された神経回路網の走行構造が可視化されたりする。
波動の周波数を変えたり、広帯域な波動を実現して観測することにより、物性の周波数分散を再構成することもある。
また、波動そのものの作用により対象に治療や修復を実施することもあり、その際の対象からの応答に対してビームフォーミングを実施してその状況が観測されることもある。また、衛星通信、レーダー、ソナー等においてビームフォーミングを実施し、省エネの下、情報的に安全な環境を実現し、正確な通信も可能である。アドホックな通信機器やモバイルを含む通常の通信においても、本発明は有効である。また、センサーネットワークにも応用できる。対象が動的である場合には実時間性が求められるが、本発明に依れば、デジタルビームフォーミングを短時間に高速に高精度に完了することが可能である。
There are various measurement objects such as organic substances, inorganic substances, solids, liquids, gases, objects that follow rheology, living creatures, astronomical objects, the earth, and the environment, and the application range is extremely wide. Non-destructive inspection (Recent topics include inspection of inexpensive and simple ultrasonic metals and plastics (particularly Fiber-Reinforced Plastics using carbon fiber, glass fiber, etc.). In the past, we have proposed ultrasonic observation of rubber, which has strong ultrasonic attenuation), diagnosis, resource exploration, generation and production of materials and structures, and various physical and chemical repair and treatment monitoring This contributes to the application of the functions and physical properties that have been clarified, and in these cases, the subject to be measured is not disturbed greatly, and the conditions are non-invasive, minimally invasive and non-invasive. In some cases, accuracy is required. Ideally, the object may be observed in situ in situ. For example, when a three-dimensional wave can be observed, a three-dimensional displacement vector can be Doppler-observed, and if it is a normal Doppler, it is necessary to direct the propagation direction of the wave toward the observation target, but the sensor is directed toward the observation target. It is possible to observe the movement in any direction only (for example, ultrasonic echo method). Measurement techniques are also simplified. For example, when the eyelid is open, ultrasonic echo method is used when passing through or closing water, and when the eyelid is open, OCT is used to strain the eyeball distortion tensor, distortion rate tensor, shear wave. By observing the propagation, the viscoelasticity distribution and intraocular pressure of the eyeball can be reconstructed by the mathematical inverse problem. It is also possible to reconstruct blood viscosity, cardiac cavity pressure, blood pressure, etc. by ultrasonic Doppler observation of blood flow vectors in the heart cavity, blood vessel, fundus and retina. In addition, not only light but also ultrasonic waves can be applied to various biometric authentication including fingerprint identification (authentication) and iris authentication (including functional observations such as dynamics and temperature and various physical property observations). In some cases, the observation target can be observed in situ. For example, we can reconstruct the distribution of electrical properties such as the electrical conductivity and dielectric constant of neural networks and electrical and electronic circuits that are operating using mathematical inverse problems by observing the current density vector distribution based on the magnetic field distribution observation. The temperature distribution is observed to reconstruct the thermophysical distribution, and the internal strain tensors and strains of tires such as running cars, rubber pipes that are flowing fluid, and rubber of electric wires that are carrying current. Ultrasonic Doppler observation of the rate tensor to reconstruct the distribution of viscoelastic modulus and internal pressure, observation of the temperature inside them to reconstruct the distribution of thermophysical properties, heat generation, and perfusion, during human movement Viscoelasticity and tissue pressure can be reconstructed by observing muscle motion vectors in the same way. In addition, during the generation and growth of materials, the generation and growth processes can be monitored without changing physical conditions for observation. Paragraph 0094 describes a method of observing elastic waves for observing the anisotropy of elastic modulus (ultrasonic waves, MRI, OCT, etc. can be used for the observation). Isotropy can be observed by observing waves (various electromagnetic waves, mechanical waves, heat waves, etc.) related to each physical property in the same way. In other words, by adjusting the position and number of sources, directivity, etc., the overlapping of the waves to be observed (each electromagnetic wave, light, radiation, audible sound wave, ultrasonic wave, elastic wave, thermal wave) It is possible to control the propagation direction by observing and superimposing. Or, it is possible to adjust the position and number of sources, directivity, etc., and generate and observe a plurality of purely independent waves to improve the accuracy of reconstruction of physical properties (an over-determined system can be generated) ). For example, it can be applied to the design of devices (medium, source, etc.) that realize various surface waves and guided waves. Although the observation target is described as a wave here, a static or pseudo static field (strain tensor distribution, potential distribution, current density vector distribution, temperature distribution, etc.) may be set as the observation target. Sometimes static properties are reconstructed by observing critical fields.
In addition, when the S / N ratio of a wave directly sensed to observe those waves and fields is low, the superposition or addition averaging of the waves is effective. For example, when observing a current density vector by observing a human or animal brain magnetic field (which is very weak and often buried in the surrounding magnetic field) with a SQUID meter, visual, auditory, or somatic sensation By reconstructing the distribution of the current density vector by superimposing the cerebral magnetic field induced by (addition averaging), the accuracy may be obtained and the distribution of the electrical properties may be reconstructed. The current density vector distribution is observed for each induction, and they are superimposed (added and averaged) to reconstruct the electrical property distribution. In addition, when an object such as epilepsy that occurs suddenly is used as a target, reconstruction may be performed after overlapping observation magnetic fields or integrating observation time series. In addition, although addition averaging is performed in order to improve the SN ratio in terahertz observation (electric field observation), the electrical physical properties may be reconstructed based on such superposition. When the signal components of a plurality of events are included in superposition (addition averaging) or integration, their accumulation can be observed simultaneously, and the random signal components are suppressed. It is possible to carry out reconstruction of such superposed signals, for example, visualization of the running structure of the neural network used during observation by reconstructing the distribution of current density vectors and electrical properties. Or
The frequency dispersion of physical properties may be reconfigured by changing the frequency of the wave or observing a wideband wave.
In addition, treatment or repair may be performed on the target by the action of the wave itself, and the situation may be observed by performing beam forming on the response from the target at that time. Also, beam forming is performed in satellite communication, radar, sonar, etc., and an energy-saving and information-safe environment is realized, and accurate communication is possible. The present invention is also effective in normal communications including ad hoc communication devices and mobile devices. It can also be applied to sensor networks. When the object is dynamic, real-time characteristics are required. However, according to the present invention, digital beam forming can be completed quickly and with high accuracy in a short time.
<<第3の実施形態>>
電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の波動においては、その周波数、帯域幅、強度、又は、モードにより、波動としての挙動が異なる。これまでに多くの各種波動のトランスデューサが開発され、それらの波動の透過波、反射波、又は、散乱波等を用いるイメージングが行われている。例えば、非破壊検査や医療やソナーにおいて、音波の中でも高い周波数を有する超音波が使用されることは良く知られている。また、レーダーにおいても、観測対象に合わせて適切な周波数の電磁波(マイクロ波、テラヘルツ波、赤外線、可視光、又は、X線等の放射線等)が使用される。他の波動においても同様である。
<< Third Embodiment >>
In a wave such as an electromagnetic wave, light, dynamic vibration, sound wave, or heat wave, the behavior as a wave varies depending on the frequency, bandwidth, intensity, or mode. Many various wave transducers have been developed so far, and imaging using transmitted waves, reflected waves, scattered waves, and the like of these waves has been performed. For example, it is well known that ultrasonic waves having a high frequency among sound waves are used in non-destructive inspection, medical care, and sonar. Also in the radar, electromagnetic waves (microwaves, terahertz waves, infrared rays, visible light, radiation such as X-rays, etc.) having an appropriate frequency according to the object to be observed are used. The same applies to other waves.
それらの波動を用いるイメージングにおいては、通常、直交検波や包絡線検波や二乗検波を通じて得られる振幅データの分布が、グレー画像やカラー画像として、1次元、2次元、又は、3次元で表示される。また、それらの波動を使用するドプラ計測においては、生のコヒーレント信号が処理される(超音波ドプラ、レーダードプラ、レーザードプラ等)。さらに、画像計測の分野では、検波を通じてインコヒーレントにした信号を用いて動きの観測が行われることも良く知られている(相互相関処理やオプティカルフロー等)。医用超音波やソナーにおいては、物理的に生成されるハーモニックや和音や差音を用いたイメージングも行われる。 In imaging using these waves, the distribution of amplitude data obtained through orthogonal detection, envelope detection, and square detection is usually displayed as a gray image or color image in one, two, or three dimensions. . In Doppler measurement using these waves, raw coherent signals are processed (ultrasonic Doppler, radar Doppler, laser Doppler, etc.). Further, in the field of image measurement, it is well known that motion is observed using a signal made incoherent through detection (cross-correlation processing, optical flow, etc.). In medical ultrasound and sonar, imaging using physically generated harmonics, chords, and difference tones is also performed.
この様な中で、本願発明者は、ヒト組織の癌病変や硬化症等の病変を鑑別診断するための超音波イメージング技法の開発をしている。本願発明者は、エコーイメージングの高分解能化や組織変位の高精度計測イメージング等と共に、HIFU(High Intensity Focus Ultrasound:高強度焦点超音波)治療の高分解能化や高効率化を行っており、強力超音波放射時のエコーの受信に基づくそれらのイメージングも行っている。それらのイメージングは、適切なビームフォーミングを行うことを基礎としており、適切な検波方法や組織変位計測方法が必要となる。 Under such circumstances, the inventor of the present application has developed an ultrasonic imaging technique for differential diagnosis of cancerous lesions and sclerosis in human tissues. The inventor of the present application has improved the resolution and efficiency of HIFU (High Intensity Focus Ultrasound) treatment along with higher resolution of echo imaging and high-precision measurement imaging of tissue displacement. Their imaging based on reception of echoes during ultrasound emission is also performed. Such imaging is based on performing appropriate beam forming, and an appropriate detection method and tissue displacement measurement method are required.
例えば、本願発明者は、ビームフォーミング法として、交差ビームを用いた横方向変調法、スペクトル周波数分割法、多くの交差ビームを使用する方法、及び、優決定(over-determined)システム法等、また、特に多次元受信信号の検波方法として、直交検波や包絡線検波の他に二乗検波等、また、変位ベクトル計測法として、多次元自己相関法、多次元ドプラ法、多次元クロススペクトラム位相勾配法、及び、位相マッチング法等を考案し、その他、変位や歪計測に基づいて(粘)ずり弾性率分布や熱物性分布を再構成イメージングする技法を報告している(非特許文献13及び30を参照)。その中には、既に臨床において使用されているものもある。本願発明者の最近の報告は、ITEC(International Tissue Elasticity Conference)、IEEE Trans.on UFFC、超音波研究会、及び、アコースティックイメージング研究会等に多い。 For example, the inventor of the present application has, as a beam forming method, a lateral modulation method using crossed beams, a spectral frequency division method, a method using many crossed beams, an over-determined system method, etc. Especially, quadrature detection and envelope detection as well as quadrature detection as detection methods for multidimensional received signals, and multidimensional autocorrelation method, multidimensional Doppler method, multidimensional cross spectrum phase gradient method as displacement vector measurement methods In addition, a phase matching method has been devised, and other techniques for reconstructing imaging of (viscous) shear modulus distribution and thermophysical property distribution based on displacement and strain measurement have been reported (Non-Patent Documents 13 and 30). reference). Some of them are already in clinical use. The present inventor's recent reports include ITEC (International Tissue Elasticity Conference), IEEE Trans. on UFFC, Ultrasound Study Group, Acoustic Imaging Study Group, etc.
本願発明者は、これらに関連して、非線形イメージングに注目している。医用超音波においては、現在、超音波の伝搬過程における物理的作用の結果に基づく非線形イメージング(いわゆる、ハーモニックイメージング)が行われている。以下においては、特に、非線形超音波の診断と治療への応用について述べる。 In this regard, the inventor of the present application has focused on nonlinear imaging. In medical ultrasound, nonlinear imaging (so-called harmonic imaging) based on the result of physical action in the propagation process of ultrasound is currently being performed. In the following, the application to diagnosis and treatment of nonlinear ultrasound will be described in particular.
ハーモニックイメージングは、音圧強度の大きい波成分の伝搬速度が大きい(通常、高強度の音圧に対して体積弾性率が大きいためと説明される)ことを要因として、伝搬中に生成される高調波成分をイメージングするものである。このハーモニックイメージングにおいては、超音波伝搬における非線形効果を増強するべく、コントラスト剤(超音波造影剤)を使用することがある。 Harmonic imaging is due to the high propagation velocity of wave components with high sound pressure intensity (usually explained by the fact that the bulk modulus is large for high-intensity sound pressure), and the harmonics generated during propagation. It is for imaging wave components. In this harmonic imaging, a contrast agent (ultrasound contrast agent) may be used to enhance nonlinear effects in ultrasonic propagation.
毛細管(Capillary)の血流イメージングが可能であること等、その有効性が臨床において認知されて既に長い歴史がある(非特許文献22を参照)。非線形成分(高調波成分)を用いたドプラ計測も可能であり、近く、この様な場合において本願発明者の実現した多次元ベクトル計測を行った報告を行う。非特許文献23においては、いわゆるパルス・インバージョン法が用いられ、基本波との分離が行われている。 The effectiveness of the capillary blood flow imaging has been recognized in clinical practice, and there is already a long history (see Non-Patent Document 22). Doppler measurement using a non-linear component (harmonic component) is also possible, and in such a case, a report on multi-dimensional vector measurement realized by the present inventor will be made. In Non-Patent Document 23, a so-called pulse inversion method is used, and separation from the fundamental wave is performed.
また、組織イメージングは、血流イメージングに先行して行われた歴史があり、当初は、高調波はフィルタリングにより分離されていたが(非特許文献24を参照)、現在は、上記のパルス・インバージョン法により分離される。送波信号が広帯域である場合には、基本波と高調波の帯域が被るので、フィルタリング法には限界があった。その他、冪乗項からなる多次元乗多項式において、最小自乗法に基づいて、各次元項で表される基本波と高調波に分離する報告がある(非特許文献25を参照)。 In addition, tissue imaging has a history of being performed prior to blood flow imaging. Originally, harmonics were separated by filtering (see Non-Patent Document 24), but now, the above-described pulse-in Separated by version method. When the transmitted signal has a wide band, the filtering method has a limit because it covers the fundamental and harmonic bands. In addition, there is a report that separates a fundamental wave and a harmonic wave represented by each dimension term based on the least square method in a multidimensional power polynomial composed of a power term (see Non-Patent Document 25).
最近では、超音波顕微鏡(非特許文献26を参照)や、放射圧イメージング(非特許文献27を参照)において、ハーモニック成分や和音を応用する報告がある。また、その非線形伝搬と熱吸収には深い関わりがあり、HIFUは、キャビテーション(Cavitation)を生じさせる場合を含めて、高強度の超音波を焦点位置に集中させて使用される(非特許文献28等を参照)。また、超音波からずり波にエネルギー(やモード)が変換されるとき(例えば、軟組織と骨間の音響インピーダンスが大きく変化する境界に音波が斜めに入射する場合や散乱によってずりを生じるとき)には、その生成された高周波のずり波が、発生位置近傍内の伝搬中に、組織に吸収され易い(Girke)。 Recently, there are reports of applying harmonic components and chords in ultrasonic microscopes (see Non-Patent Document 26) and radiation pressure imaging (see Non-Patent Document 27). In addition, the nonlinear propagation and heat absorption are deeply related, and the HIFU is used by concentrating high-intensity ultrasonic waves at the focal position, including the case where cavitation occurs (Non-patent Document 28). Etc.). Also, when energy (or mode) is converted from ultrasonic waves to shear waves (for example, when sound waves are obliquely incident on a boundary where the acoustic impedance between soft tissue and bone changes greatly, or when shear occurs due to scattering) The generated high-frequency shear wave is easily absorbed by the tissue during propagation in the vicinity of the generation position (Girke).
HIFU治療において非線形効果を増強することを目的に使用されるコントラスト剤(非特許文献29等を参照)は、これらの点においても有効と考える。本願発明者は、癌病変の治療に関し、血液を凝固させて栄養動脈(feeding artery)を閉塞させる効果について17年前に世界に先駆けて言及しており、この効果も得られるものと考えている。最近では、臨床診断用の探触子と同程度の周波数帯域を有するアプリケータを安価に入手できる様になったが、本願発明者は、専用のコントラスト剤を開発する必要があると考えている。本願発明者は、少なくとも壊れやすい特性と壊れにくい特性とを共に魅力的な特性と考えているが、直近では、診断用の同特性のものや幾種類かを混合して使用することが可能である。 A contrast agent (see Non-Patent Document 29, etc.) used for the purpose of enhancing the nonlinear effect in HIFU treatment is also considered effective in these respects. The inventor of the present application has referred to the effect of coagulating blood and blocking the feeding artery for the treatment of cancer lesions 17 years ago, and believes that this effect can also be obtained. . Recently, an applicator having a frequency band comparable to that of a probe for clinical diagnosis has become available at a low cost, but the present inventor believes that it is necessary to develop a dedicated contrast agent. . The inventor of the present application considers at least a fragile characteristic and a hard-to-break characteristic as attractive characteristics, but recently, it is possible to use the same characteristic or several types for diagnosis. is there.
波動は伝搬する間に減衰の影響を受け、従って、伝搬距離が進むにつれて波動のエネルギーは小さくなる。また、拡散する波動においては、拡散の影響も受ける。この様な中で、透過波、反射波、又は、散乱波が、インピーダンスの変化、反射体、又は、散乱体の存在を反映し、それらのイメージングやドプラ計測に使用される。それらのメージングにおいては、可能な限り、又は、必要とされる範囲内で、信号が高周波数の成分を含み、且つ、広帯域であることが望ましく、また、ドプラ計測においても同様である。 Waves are affected by attenuation while propagating, so the wave energy decreases as the propagation distance increases. In addition, diffusion waves are also affected by diffusion. Under such circumstances, transmitted waves, reflected waves, or scattered waves reflect impedance changes, the presence of reflectors, or scatterers, and are used for imaging and Doppler measurements. In these merging, it is desirable that the signal includes a high-frequency component and has a wide band as much as possible or within a required range, and the same applies to Doppler measurement.
しかしながら、通常は、高周波数の信号成分は減衰の影響を強く受け、伝搬距離が進むにつれて、そのエネルギーは失われ、信号は低周波化され、そして、狭帯域となって行く。即ち、信号源から遠い位置のイメージングは、信号対雑音比(Signal-to-Noise Ratio:SN比)が低くなり、空間分解能も低くなるような影響を受ける。ドプラ計測においては、その精度が低下する。減衰によるそれらの影響を低減することは、工学的な意味において極めて重要である。 However, normally, high-frequency signal components are strongly affected by attenuation, and as the propagation distance increases, the energy is lost, the signal is lowered in frequency, and becomes narrower. That is, imaging at a position far from the signal source is affected by a low signal-to-noise ratio (SN ratio) and a low spatial resolution. In Doppler measurement, the accuracy decreases. Reducing those effects of attenuation is extremely important in the engineering sense.
また、単一の信号源では実現できない高周波の信号を生成できると、より高分解能なイメージングと高精度なドプラ計測が可能となる。単純に高周波数の信号を生成できても良い。通常、減衰の影響は高周波成分に強く、例えば、減衰の影響を受けやすい顕微鏡では、高い周波数で極力深部まで観測できると良い。また、低周波数のイメージングや低周波数の信号を用いた計測ができても良い。また、単一の信号源では実現できない低周波数の信号を生成できても良い。例えば、対象の深部を低周波数で変形させることができる。医用超音波画像、核磁気共鳴画像、OCT、レーザー応用においては、複数の信号源を用いて深部組織を低周波数で変形させることが行われる(Tissue Elasticity)。 In addition, if a high-frequency signal that cannot be realized by a single signal source can be generated, higher-resolution imaging and high-precision Doppler measurement can be performed. It may be possible to simply generate a high-frequency signal. Usually, the influence of attenuation is strong against high-frequency components. For example, in a microscope that is susceptible to the influence of attenuation, it is desirable to observe as deep as possible at a high frequency. Further, low frequency imaging or measurement using low frequency signals may be possible. Further, it may be possible to generate a low-frequency signal that cannot be realized by a single signal source. For example, the deep part of the object can be deformed at a low frequency. In medical ultrasonic images, nuclear magnetic resonance images, OCT, and laser applications, a deep tissue is deformed at a low frequency using a plurality of signal sources (Tissue Elasticity).
例えば、多方向から振動を加えてその周波数よりも低周波数の振動波を生成したり、また、複数の超音波ビームをそれらの焦点位置等において交差させ、そこに低周波数の力源を実現して低周波数の振動波を生成させたりし、それらの生成された振動波が超音波(縦波)である場合があるし、また、それらの生成された振動波がずり波(横波)である場合には超音波で観測されることがある。それらの生成される波動の伝搬方向を調整できても良い。これらの信号を理論的に又は演算を基礎として実現できると、生成される波動を制御することもできて良い。さらに、通常の直交検波及び包絡線検波、二乗検波の処理に代わる、短時間に容易に実施できる検波方法も重要である。 For example, a vibration wave with a frequency lower than that frequency is generated by applying vibrations from multiple directions, or a plurality of ultrasonic beams are crossed at their focal positions to realize a low frequency force source there. The generated vibration wave may be an ultrasonic wave (longitudinal wave), and the generated vibration wave is a shear wave (transverse wave). In some cases, it may be observed with ultrasound. The propagation direction of the generated waves may be adjusted. If these signals can be realized theoretically or based on computation, the generated waves may be controlled. In addition, a detection method that can be easily performed in a short time, instead of processing of normal quadrature detection, envelope detection, and square detection is also important.
そこで、上記の点に鑑み、本発明の第2の目的は、計測対象内から伝搬して来る任意波動において一般的に相対的に強度の弱い高周波数の成分や失われた高周波の成分を増強したり新たに生成したりして、空間分解能や計測精度を向上させることが可能なイメージング装置を提供することである。また、イメージング装置は、計測対象内の非線形の効果を増強したり、模擬したり、計測対象内において非線形効果がない場合においては新たに生成したり、又は、仮想的に実現してイメージングを行っても良い。また、本発明の第3の目的は、単一の波動源では実現できない高周波の信号を生成することである。さらに、本発明の第4の目的は、短時間に容易に実施できる検波方法を実現することである。 Therefore, in view of the above points, the second object of the present invention is to enhance a high-frequency component having a relatively weak intensity or a lost high-frequency component in an arbitrary wave propagating from within a measurement target. It is an object of the present invention to provide an imaging apparatus capable of improving spatial resolution and measurement accuracy by performing or newly generating. The imaging device also enhances or simulates non-linear effects in the measurement target, or newly generates or performs virtual imaging when there is no non-linear effect in the measurement target. May be. A third object of the present invention is to generate a high-frequency signal that cannot be realized with a single wave source. Furthermore, a fourth object of the present invention is to realize a detection method that can be easily implemented in a short time.
上記課題を解決するため、本発明の1つの観点に係るイメージング装置は、計測対象内から伝搬して来る任意波動に対し、(i)伝搬経路の任意位置において非線形デバイスを用いて非線形処理を施した上でトランスデューサによって受信して受信信号を生成する処理、(ii)トランスデューサによって受信してアナログの受信信号を生成し、アナログの受信信号にアナログの非線形処理を施す処理、及び、(iii)トランスデューサによって受信してアナログの受信信号を生成し、アナログの受信信号をデジタルサンプリングして得られるデジタルの受信信号にデジタルの非線形処理を施す処理の内の少なくとも1つを施す非線形受信処理部と、非線形受信処理部によって得られる受信信号に基づいて、計測対象の画像を表す画像信号を生成する画像信号生成部とを備える。 In order to solve the above problems, an imaging apparatus according to one aspect of the present invention performs (i) nonlinear processing using a nonlinear device at an arbitrary position in a propagation path for an arbitrary wave propagating from within a measurement target. And (ii) a process of generating an analog reception signal by receiving by the transducer and performing an analog nonlinear process on the analog reception signal; and (iii) a transducer. A non-linear reception processing unit for generating at least one of processes for generating a digital non-linear process on a digital received signal obtained by digitally sampling the analog received signal, Generates an image signal representing an image to be measured based on the reception signal obtained by the reception processing unit And an image signal generating unit.
本発明の1つの観点によれば、計測対象内から伝搬して来る任意波動において減衰の影響が問題とならない周波数の信号に対して非線形処理を施すことにより、一般的に相対的に強度の弱い高周波数の成分や失われた高周波数の成分を増強したり新たに生成したりして、空間分解能や計測精度を向上させることが可能となる。また、電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動の信号源より到来した波動や、それらの信号源から発せられた波動の透過波、反射波、又は、散乱波をトランスデューサによって検出して得られるコヒーレント信号に対し、波動伝搬中における乗算や冪乗の効果や、それらのアナログ演算やデジタル演算を含む処理によって、計測対象内の非線形効果を増強することができる。若しくは、同様の効果を模擬したり、新たに生成したり、又は、仮想的に実現することができる。 According to one aspect of the present invention, non-linear processing is generally performed on a signal having a frequency at which the influence of attenuation is not a problem in an arbitrary wave propagating from within a measurement target, so that the intensity is generally relatively weak. Spatial resolution and measurement accuracy can be improved by enhancing or newly generating high frequency components or lost high frequency components. In addition, waves arriving from signal sources of arbitrary waves such as electromagnetic waves, light, dynamic vibrations, sound waves, or heat waves, and transmitted waves, reflected waves, or scattered waves of waves emitted from those signal sources The non-linear effect in the measurement target can be enhanced by the processing including the multiplication and the power in the wave propagation and the processing including the analog calculation and the digital calculation for the coherent signal obtained by detecting the signal with the transducer. Alternatively, the same effect can be simulated, newly generated, or virtually realized.
例えば、コヒーレント信号を用いたイメージングやドプラ計測において、元の信号を用いたイメージングに比べて、高周波成分を含む広帯域な信号を利用して高分解能イメージングを実現し、また、元の信号を用いたドプラ計測に比べて高精度な変位、速度、加速度、歪、又は、歪率の計測を実現することができる。また、インコヒーレント信号に対しても、同様の課題に対して同様の処理が施される。ハードウェアとしては、通常のデバイスを使用することができる。無論、アナログ処理(回路)の方がデジタル処理(回路)よりも高速である。高次計算を含む計算を行う場合や自由度が広い点において、計算機や演算機能を有するデバイス(FPGAやDSP等)を使用することができる。 For example, in imaging and Doppler measurement using coherent signals, high-resolution imaging is realized using wideband signals containing high-frequency components compared to imaging using original signals, and the original signals are used. Compared with Doppler measurement, it is possible to realize measurement of displacement, speed, acceleration, strain, or distortion rate with higher accuracy. In addition, the same processing is performed on the same problem for the incoherent signal. As the hardware, a normal device can be used. Of course, analog processing (circuit) is faster than digital processing (circuit). A computer or a device having an arithmetic function (FPGA, DSP, or the like) can be used when performing calculations including higher-order calculations or having a wide degree of freedom.
特に、波動伝搬過程における減衰の影響に頑強で、単一の信号源では実現できない高周波成分を生成することも可能であり、高分解能なイメージングと、高精度なドプラ計測が可能となる。また、単一の信号源では物理的に実現できない高周波の信号を生成することも可能である。100MHzの超音波トランスデューサを複数台使用すると、物理的にその台数倍の高い超音波を生成でき、通常のトランスデューサでは生成することのできない高周波数を実現できる。また、単純に高周波数の信号を生成できても良い。本発明によれば、そのような高周波数を演算によっても実現することができる。従って、物理的に実現できない高周波な波動や信号も生成することができる。同様にして、低周波数のイメージングや低周波数の信号を用いた計測を実現できる。また、単一の信号源では物理的に実現できない低周波数の信号を生成することも可能である。これらの信号を理論的に又は演算を基礎として実現し、生成される波動を制御することもできる。 In particular, it is robust against the influence of attenuation in the wave propagation process, and it is also possible to generate a high-frequency component that cannot be realized with a single signal source, enabling high-resolution imaging and highly accurate Doppler measurement. It is also possible to generate a high-frequency signal that cannot be physically realized with a single signal source. When a plurality of 100 MHz ultrasonic transducers are used, it is possible to physically generate ultrasonic waves that are several times as high as that number, and to realize a high frequency that cannot be generated by a normal transducer. Further, it may be possible to simply generate a high-frequency signal. According to the present invention, such a high frequency can also be realized by calculation. Therefore, high-frequency waves and signals that cannot be physically realized can be generated. Similarly, measurement using low-frequency imaging or low-frequency signals can be realized. It is also possible to generate a low-frequency signal that cannot be physically realized with a single signal source. These signals can be realized theoretically or on the basis of computation to control the generated waves.
例えば、超音波顕微鏡において、数百MHzの高周波超音波(信号)を応用して、音源で決まる周波数よりも高い周波数の超音波を生成し、且つ、その超音波が減衰に対して頑強であることから、通常よりも高分解能なイメージングと高精度なドプラ計測が可能な超音波顕微鏡を実現することができる。また、低周波数のイメージングや低周波数の信号を用いた計測もできる。また、組織の変形能を計測する場合においては、例えば、対象の深部を低周波数で変形させることができる。医用超音波画像、核磁気共鳴画像、OCT、レーザー応用等において、複数の信号源を用いて深部組織を低周波数で変形させることが行われる。他のイメージング装置やドプラ装置においても同様である。その他、加温、加熱、冷却、冷凍、溶接、加熱治療、洗浄、又は、修復等の効果も向上し、その際の高分解能化も可能である。各種検波後のインコヒーレント信号においても同様の効果が得られる。 For example, in an ultrasonic microscope, high frequency ultrasonic waves (signals) of several hundred MHz are applied to generate ultrasonic waves having a frequency higher than the frequency determined by the sound source, and the ultrasonic waves are robust against attenuation. Therefore, it is possible to realize an ultrasonic microscope capable of higher-resolution imaging and higher-precision Doppler measurement than usual. Also, low-frequency imaging and measurement using low-frequency signals can be performed. Moreover, when measuring the deformability of a structure | tissue, the deep part of object can be deformed with a low frequency, for example. In medical ultrasonic images, nuclear magnetic resonance images, OCT, laser applications, and the like, a deep tissue is deformed at a low frequency using a plurality of signal sources. The same applies to other imaging devices and Doppler devices. In addition, effects such as heating, heating, cooling, freezing, welding, heat treatment, cleaning, or restoration can be improved, and high resolution can be achieved at that time. Similar effects can be obtained for incoherent signals after various detections.
また、信号処理の技術的な面においては、直交検波及び包絡線検波の処理を容易にできる。例えば、偏向ビームや偏向された波動に本発明を適用すると、全座標軸に関して直交検波したIQ信号が得られるので、包絡線検波が容易になる。また、交差ビームに本発明を施すと、各座標軸に直交検波したIQ信号が得られるので、各方向に通常のドプラ信号処理を施すことのみで、変位ベクトル、速度ベクトル、加速度ベクトル、歪テンソル、又は、歪率テンソルの計測が可能となる。無論、画像化において、検波処理として二乗検波を行うこともできる。 Further, in terms of the technical aspect of signal processing, it is possible to easily perform processing of quadrature detection and envelope detection. For example, when the present invention is applied to a deflected beam or a deflected wave, an IQ signal obtained by orthogonal detection with respect to all coordinate axes can be obtained, so that envelope detection is facilitated. Further, when the present invention is applied to the cross beam, an IQ signal orthogonally detected with respect to each coordinate axis can be obtained. Therefore, only by performing normal Doppler signal processing in each direction, a displacement vector, velocity vector, acceleration vector, distortion tensor, Alternatively, the distortion rate tensor can be measured. Of course, in imaging, square detection can also be performed as detection processing.
電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動の信号源より到来した波や、それらの信号源より発せられた波動の透過波、反射波、又は、散乱波をトランスデューサによって検出して得られるコヒーレント信号を用いたイメージングやドプラ計測は、レーダー、ソナー、非破壊検査、又は、診断等において、各媒体を対象として適切な周波数を用いて広く行われている。また、信号源より発せられた波動は、加温、加熱、冷却、冷凍、溶接、加熱治療、洗浄、又は、修復等にも応用されている。さらに、最近においては、インコヒーレント信号を用いた動き等の画像計測が行われる様になり、画像処理や信号処理を基礎として様々なイメージングや計測が行われている。本発明は、これら全てにおいて効果を奏するものであり、本発明の利用可能性及び市場可能性は非常に高い。 Transducer waves that have arrived from a signal source of arbitrary waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, or heat waves, or transmitted waves, reflected waves, or scattered waves of waves emitted from those signal sources Imaging and Doppler measurement using a coherent signal obtained by detection by means of radar is widely performed using an appropriate frequency for each medium in radar, sonar, nondestructive inspection, diagnosis, or the like. The wave generated from the signal source is also applied to heating, heating, cooling, freezing, welding, heat treatment, cleaning, restoration, and the like. Furthermore, recently, image measurement such as motion using an incoherent signal has been performed, and various imaging and measurement have been performed based on image processing and signal processing. The present invention is effective in all of these, and the applicability and marketability of the present invention are very high.
図37は、本発明の第3の実施形態に係るイメージング装置の構成例を示すブロック図である。このイメージング装置は、計測対象から到来する電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動に基づいて、計測対象を撮像したり、又は、計測対象における変位等の物理量を非破壊で計測する装置である。 FIG. 37 is a block diagram illustrating a configuration example of an imaging apparatus according to the third embodiment of the present invention. This imaging apparatus captures a physical object such as a displacement or a physical quantity in a measurement object based on an arbitrary wave such as an electromagnetic wave, light, dynamic vibration, sound wave, or heat wave coming from the measurement object. This is a non-destructive measuring device.
図37に示すように、イメージング装置は、送信手段であり受信手段でもある少なくとも1つのトランスデューサ110と、イメージング装置本体120とを含んでいる。トランスデューサ110は、電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動を生成及び受信できるものであっても良い。その場合に、トランスデューサ110は、任意波動を計測対象1に送信すると共に、計測対象1内において反射された反射波又は散乱された散乱波等を受信することができる。例えば、任意波動が超音波である場合に、駆動信号に従って超音波を送信すると共に、超音波を受信して受信信号を生成する超音波トランスデューサを用いることができる。応用に合わせて、超音波素子(PZTや高分子圧電素子等)は異なり、トランスデューサの構造が異なることは良く知られている。 As shown in FIG. 37, the imaging apparatus includes at least one transducer 110 that is both a transmission unit and a reception unit, and an imaging apparatus main body 120. The transducer 110 may be capable of generating and receiving an arbitrary wave such as an electromagnetic wave, light, dynamic vibration, sound wave, or heat wave. In this case, the transducer 110 can transmit an arbitrary wave to the measurement target 1 and can receive a reflected wave or a scattered scattered wave reflected in the measurement target 1. For example, when an arbitrary wave is an ultrasonic wave, an ultrasonic transducer that transmits an ultrasonic wave according to a drive signal and receives the ultrasonic wave to generate a reception signal can be used. It is well known that the ultrasonic elements (PZT, polymer piezoelectric elements, etc.) are different and the structure of the transducer is different depending on the application.
血流計測では歴史的に狭帯域の超音波を使用することが行われてきたが、本願発明者は、近年において実用化された軟組織の変位や歪(静的な場合を含む)、ずり波伝搬(速度)の計測の場合を含め、(エコー)イメージング用の広帯域トランスデューサを使用することを世界に先駆けて実現してきた。HIFU治療も然りで、連続波が使用されることもあるが、本願発明者は、高分解能な治療を実現すべく、広帯域型のデバイスを用いた開発を行っている。強力超音波を使用する場合には、加熱効果を来さない範囲で組織を刺激し、上記の如く計測対象1内に力源を生成することもあり、(エコー)イメージング用のトランスデューサが使用されることもある。加熱治療や力源生成、そして、(エコー)イメージングが同時に行われることもある。その他の波動源やトランスデューサにおいても然りである。トランスデューサには接触型と非接触型があり、各波動のインピーダンスマッチングが適切に行われて使用される。 Historically, narrowband ultrasound has been used in blood flow measurement, but the present inventor has found that soft tissue displacement and strain (including static cases) and shear waves that have been put to practical use in recent years. Including the measurement of propagation (velocity), the use of a broadband transducer for (echo) imaging has been realized for the first time in the world. The same applies to HIFU treatment, and continuous wave may be used, but the present inventor has developed using a broadband device in order to realize high-resolution treatment. When intense ultrasound is used, the tissue is stimulated within a range that does not produce a heating effect, and a force source may be generated in the measurement object 1 as described above. A transducer for (echo) imaging is used. Sometimes. Heat treatment, force source generation, and (echo) imaging may be performed simultaneously. The same applies to other wave sources and transducers. There are two types of transducers, contact type and non-contact type, and impedance matching of each wave is appropriately performed and used.
あるいは、トランスデューサ110として、任意波動を生成する送信用トランスデューサと、任意波動を受信する受信用トランスデューサ(センサー)とが用いられても良い。その場合に、送信用トランスデューサは、任意波動を計測対象1に送信すると共に、センサーは、計測対象1内において反射された反射波又は散乱された散乱波、又は、計測対象1内を透過した透過波等を受信することができる。 Alternatively, as the transducer 110, a transmission transducer that generates an arbitrary wave and a reception transducer (sensor) that receives the arbitrary wave may be used. In this case, the transmitting transducer transmits an arbitrary wave to the measurement target 1, and the sensor transmits the reflected wave or scattered scattered wave reflected in the measurement target 1 or transmitted through the measurement target 1. Waves etc. can be received.
例えば、任意波動が熱波である場合に、太陽光や照明、生体内の代謝等の故意に生じさせることのない熱源が使用されることもあるが、赤外加温器やヒータ―等の比較的定常なものや、また、駆動信号に従って制御されることが多い加熱用の超音波を送信する超音波トランスデューサ(計測対象内1に力源を生成することもある)や電磁波トランスデューサ、レーザー等も使用される。また、熱波を受信して受信信号を生成する赤外線センサー、焦電センサー、マイクロ波やテラヘルツ波の検出器、光ファイバー等の温度センサー、超音波トランスデューサ(超音波の音速や体積変化等の温度依存性を用いて温度変化を検出)、又は、核磁気共鳴信号検出器(核磁気共鳴のケミカルシフトを用いて温度を検出)を用いることができる。各波動に関し、適切に受信できるトランスデューサが使用される。 For example, when an arbitrary wave is a heat wave, a heat source that is not intentionally generated such as sunlight, lighting, or metabolism in the living body may be used, but an infrared heater, heater, etc. An ultrasonic transducer that transmits a heating ultrasonic wave that is often controlled according to a drive signal (which may generate a force source in the measurement target 1), an electromagnetic wave transducer, a laser, etc. Also used. Infrared sensors that receive heat waves and generate received signals, pyroelectric sensors, microwave and terahertz wave detectors, temperature sensors such as optical fibers, and ultrasonic transducers (temperature dependence such as ultrasonic sound velocity and volume change) The temperature change can be detected by using a magnetic property) or a nuclear magnetic resonance signal detector (temperature can be detected by using a chemical shift of nuclear magnetic resonance). For each wave, a transducer that can receive properly is used.
トランスデューサ110は、駆動信号に従って能動的に波動を生成する際に、積極的に高調波を含む波動を生成しても良い。例えば、トランスデューサ110は、波動源又はそれを駆動する送信器121の回路の非線形特性に従って波動を生成する。また、トランスデューサ110は、1つの送信面又は受信面を有しても良く、複数の送信面又は受信面を有しても良い。トランスデューサ110の送信面には、生成された任意波動に対して非線形処理を施す非線形デバイス111が設けられても良い。トランスデューサ110の受信面には、計測対象1内から伝搬して来る任意波動に対して非線形処理を施す非線形デバイス111が設けられても良い。非線形デバイス111は、必ずしもトランスデューサ110の送信面や受信面に接している必要はなく、任意波動の伝搬経路の任意位置に設けられても良い。 When the transducer 110 actively generates a wave according to the drive signal, the transducer 110 may positively generate a wave including harmonics. For example, the transducer 110 generates a wave according to the nonlinear characteristics of the wave source or the circuit of the transmitter 121 that drives it. The transducer 110 may have one transmission surface or reception surface, or may have a plurality of transmission surfaces or reception surfaces. The transmission surface of the transducer 110 may be provided with a nonlinear device 111 that performs nonlinear processing on the generated arbitrary wave. The receiving surface of the transducer 110 may be provided with a nonlinear device 111 that performs nonlinear processing on an arbitrary wave propagating from within the measurement target 1. The nonlinear device 111 is not necessarily in contact with the transmission surface and the reception surface of the transducer 110, and may be provided at an arbitrary position on the propagation path of an arbitrary wave.
また、計測対象1とトランスデューサ110の送信面又は受信面との間に、フィルタ(分光器等)、遮蔽物、増幅器、又は、減衰器等の作用デバイス112が設けられても良い。非線形デバイス111を用いる場合に、作用デバイス112は、非線形デバイス111の前後両側に設けられても良い。トランスデューサ110、非線形デバイス111、及び、作用デバイス112は、分離されている場合と、組み合わせにおいて一体となっている場合とがある。 Further, an action device 112 such as a filter (a spectroscope or the like), a shield, an amplifier, or an attenuator may be provided between the measurement target 1 and the transmission surface or the reception surface of the transducer 110. When the nonlinear device 111 is used, the action device 112 may be provided on both the front and rear sides of the nonlinear device 111. The transducer 110, the non-linear device 111, and the action device 112 may be separated or may be integrated in combination.
図37においては、波動源が計測対象1内に設けられる場合も示しており、又は、それが制御部133によって直接的に制御可能である場合がある。また、トランスデューサ110によって生成した波動をレンズ等を用いて集中させたり、又は、複数のトランスデューサ110を用いてフォーカス送信等を行って、波動源を生じさせたりすることがある(力学的な波や熱波の源、又は、力学的な波や電磁波を用いて、例えば造影剤であることのある磁性体等を対象として新たに電磁波を生成したり、又は、波動間の物理的作用や物性への刺激により波動の強さや伝搬方向を制御する場合等を含む)。 FIG. 37 also shows a case where a wave source is provided in the measurement object 1, or it may be directly controllable by the control unit 133. In addition, a wave generated by the transducer 110 may be concentrated using a lens or the like, or a focus transmission may be performed using a plurality of transducers 110 to generate a wave source (such as a dynamic wave or Using a heat wave source or mechanical waves or electromagnetic waves, for example, to generate a new electromagnetic wave for a magnetic material that may be a contrast agent, or to a physical action or physical property between waves Including the case of controlling the intensity and direction of propagation of waves by the stimulation of
無論、計測対象1内に、元より、波動源があることがある(例えば、脳や心臓の電気活動は電流源、心臓は力源となる)。また、波動源を制御可能な場合もあれば、波動源を制御できない場合もあり、計測対象1をin situの状態で観測することもあり、又は、それらの波動源そのものがイメージング対象や計測対象であることもある。あるいは、元より、その様な波動源が、計測対象1外に存在することもあり、同様に扱われ、計測対象となることもある。その様な波動源と計測対象1との間に、非線形デバイス111や作用デバイス112が適切に設けられる場合もある。 Of course, there may be a wave source in the measurement object 1 (for example, the electrical activity of the brain and the heart is the current source, and the heart is the force source). In addition, the wave source may be controllable or the wave source may not be controlled, and the measurement target 1 may be observed in situ, or the wave source itself may be an imaging target or a measurement target. Sometimes it is. Alternatively, such a wave source may exist outside the measurement target 1 from the beginning, and may be handled in the same manner and become a measurement target. In some cases, the nonlinear device 111 and the action device 112 are appropriately provided between the wave source and the measurement target 1.
さらに、計測対象1内の少なくとも一部に、計測対象1内において非線形効果を得たり、又は、計測対象1内の非線形効果を積極的に増強するために、微小気泡等の造影剤(非線形増強剤)1aが注入されても良い。造影剤1aとしては、計測対象1内の特にターゲットとする病変や流体等に対して親和性を有するものが使用されることがある。この様に、波動を受信するトランスデューサには、複数の波動源により生成された波動が到来することがある。 Furthermore, in order to obtain a non-linear effect in the measurement object 1 or to positively enhance the non-linear effect in the measurement object 1 at least partially in the measurement object 1, a contrast agent (non-linear enhancement such as a microbubble) Agent) 1a may be injected. As the contrast medium 1a, a substance having affinity for a target lesion or fluid in the measurement target 1 may be used. As described above, a wave generated by a plurality of wave sources may arrive at a transducer that receives a wave.
トランスデューサ110は、有線又は無線によって、イメージング装置本体120から駆動信号を供給され、及び/又は、イメージング装置本体120に受信信号を出力する。無線による場合には、トランスデューサ110内に無線受信器及び/又は無線送信器が設けられ、イメージング装置本体120内にも無線送信器及び無線受信器が設けられる。 The transducer 110 is supplied with a drive signal from the imaging apparatus main body 120 by wire or wireless and / or outputs a reception signal to the imaging apparatus main body 120. In the case of wireless, a wireless receiver and / or a wireless transmitter is provided in the transducer 110, and a wireless transmitter and a wireless receiver are also provided in the imaging apparatus main body 120.
イメージング装置本体120は、パートAにおいて、送信器121と、受信器122と、フィルタ/ゲイン調整部123と、非線形素子124と、フィルタ/ゲイン調整部125と、検波器126と、AD(Analogue-to-digital)変換器127と、記憶装置128とを含んでも良い。また、イメージング装置本体120は、パートBにおいて、受信ビームフォーマ129と、演算部130と、画像信号生成部131と、計測部132と、制御部133と、表示装置134と、アナログ表示装置135とを含んでも良い。制御部133は、イメージング装置本体120の各部を制御する。 In Part A, the imaging apparatus main body 120 includes a transmitter 121, a receiver 122, a filter / gain adjustment unit 123, a nonlinear element 124, a filter / gain adjustment unit 125, a detector 126, an AD (Analogue- to-digital) converter 127 and storage device 128 may be included. In Part B, the imaging apparatus main body 120 includes a reception beamformer 129, a calculation unit 130, an image signal generation unit 131, a measurement unit 132, a control unit 133, a display device 134, and an analog display device 135. May be included. The control unit 133 controls each unit of the imaging apparatus main body 120.
複数のトランスデューサ110が用いられる場合には、トランスデューサ110の数と同じチャンネル数のパートAが設けられるようにしても良い。後に、それらのトランスデューサ110がアレイを構成する場合についても説明する。図37に示すように、複数チャンネルのパートAが設けられる場合には、複数チャンネルのパートAの記憶装置128から出力される受信信号が、パートBの受信ビームフォーマ129に供給されることもある。あるいは、各々のパートAに縦続的にそれぞれのパートBが接続されて独立に処理されることもあり、その場合には、各チャンネルのパートAの記憶装置128から出力される受信信号が各チャンネルのパートBの受信ビームフォーマ129に供給される。なお、複数のトランスデューサ110は、異なる別の種類の波動に関するものであることがあり、その場合には、異なる種類の波動の非線形効果を同時に観測することがあるし、同一波動における非線形効果ではなくて異なる種類の波動間の非線形効果を観測することがある。 When a plurality of transducers 110 are used, part A having the same number of channels as the number of transducers 110 may be provided. The case where these transducers 110 form an array will be described later. As shown in FIG. 37, when a multi-channel part A is provided, a reception signal output from the multi-channel part A storage device 128 may be supplied to the receive beamformer 129 of the part B. . Alternatively, each part A may be connected to each part A in cascade and processed independently, and in this case, the received signal output from the storage device 128 of each channel part A is transmitted to each channel. To the receiving beamformer 129 of Part B. The plurality of transducers 110 may be related to different types of waves, and in that case, the nonlinear effects of different types of waves may be observed simultaneously, and not the nonlinear effects in the same wave. May observe non-linear effects between different types of waves.
パートAにおいて、送信器121〜検波器126は、アナログ回路によって構成されても良いし、それらの少なくとも一部は、デジタル回路で構成される場合もある。また、パートBにおいて、受信ビームフォーマ129〜制御部133は、デジタル回路によって構成されても良いし、又は、中央演算装置(CPU)と、CPUに各種の処理を行わせるためのソフトウェアを記録した記録媒体とによって構成されても良い。記録媒体としては、ハードディスク、フレキシブルディスク、MO、MT、CD−ROM、又は、DVD−ROM等を用いることができる。なお、受信ビームフォーマ129〜制御部133の少なくとも一部は、アナログ回路で構成される場合もある。 In Part A, the transmitter 121 to the detector 126 may be configured by analog circuits, or at least some of them may be configured by digital circuits. Further, in Part B, the reception beamformer 129 to the control unit 133 may be configured by a digital circuit, or a central processing unit (CPU) and software for causing the CPU to perform various processes are recorded. It may be constituted by a recording medium. As the recording medium, a hard disk, flexible disk, MO, MT, CD-ROM, DVD-ROM, or the like can be used. Note that at least a part of the reception beamformer 129 to the control unit 133 may be configured by an analog circuit.
送信器121は、制御部133から供給されるトリガー信号に従って駆動信号を生成するパルサー等の信号発生器を含んでいる。制御部133により、周波数やキャリア周波数、帯域幅、送信信号強度(アポダイゼーション)、又は、パルス波やバースト波等の波形や形状が制御されることがある。制御部133は、トリガー信号のタイミング又は遅延時間をチャンネル毎に設定しても良い。あるいは、制御部133から出力されるトリガー信号のタイミングを全てのチャンネルについて一定にしておき、送信器121が、制御部133によって設定された遅延時間に従ってトリガー信号を遅延させる遅延素子をさらに含んでも良い。 The transmitter 121 includes a signal generator such as a pulser that generates a drive signal in accordance with a trigger signal supplied from the control unit 133. The control unit 133 may control the frequency, carrier frequency, bandwidth, transmission signal strength (apodization), or the waveform or shape of a pulse wave, burst wave, or the like. The control unit 133 may set the trigger signal timing or delay time for each channel. Alternatively, the timing of the trigger signal output from the control unit 133 may be constant for all channels, and the transmitter 121 may further include a delay element that delays the trigger signal according to the delay time set by the control unit 133. .
送信器121は、生成した駆動信号をトランスデューサ110に印加することにより、トランスデューサ110に任意波動を生成させる。例えば、送信器121は、送信される波動の強度や生成される高調波の強度を調整するべく、駆動信号の増幅器(アポダイゼーションを兼ね得る)を含み、制御部133によって遅延時間が設定される遅延素子をさらに含んでも良い。高調波を含む駆動信号が生成されて使用されることもある。共振ではなく、アポダイゼーションを行う、又は、強制振動させる場合に、チャープ波を生成する等、様々な波が生成されて使用される。複数チャンネルの送信器121によって生成された駆動信号を複数のトランスデューサ110に印加する場合には、制御部133による遅延時間の設定によって、送信ビームのフォーカシングやステアリング、及び、平面波の送信が可能である(平面波は、伝搬する方向と直交する方向には狭帯域の波であり、広帯域化されると効果的である)。 The transmitter 121 causes the transducer 110 to generate an arbitrary wave by applying the generated drive signal to the transducer 110. For example, the transmitter 121 includes a drive signal amplifier (can also serve as apodization) to adjust the intensity of transmitted waves and the intensity of generated harmonics, and a delay whose delay time is set by the control unit 133. An element may be further included. A drive signal including harmonics may be generated and used. When apodization is performed instead of resonance, or when forced oscillation is performed, various waves are generated and used, such as generating a chirp wave. When the drive signals generated by the multi-channel transmitters 121 are applied to the plurality of transducers 110, transmission beam focusing, steering, and plane wave transmission can be performed by setting a delay time by the control unit 133. (A plane wave is a narrow-band wave in a direction orthogonal to the propagating direction, and is effective when the bandwidth is increased).
また、送信器121は、非線形効果が同様に設定される非線形素子(トランジスタやダイオードや非線形回路等のアナログデバイス、又は、非線形演算器等のデジタルデバイス)をさらに含んでも良い。予め用意されている周波数やキャリア周波数、帯域幅、アポダイゼーション、遅延、及び、非線形効果が設定される場合があるが、操作者により制御部133を介してそれらが制御されることもあり、また、演算部130において観測状況に合わせてそれらがアダプティブに決定されて制御されることもある。 The transmitter 121 may further include a non-linear element (an analog device such as a transistor, a diode, or a non-linear circuit, or a digital device such as a non-linear arithmetic unit) in which the non-linear effect is similarly set. The frequency and carrier frequency, bandwidth, apodization, delay, and nonlinear effect prepared in advance may be set, but they may be controlled by the operator via the control unit 133, In the arithmetic unit 130, they may be determined and controlled adaptively according to the observation situation.
複数のトランスデューサ110を駆動する場合には、各チャンネルの送信器の周波数やキャリア周波数、帯域幅、アポダイゼーション、遅延素子、及び、非線形素子が制御されるが、予め用意されているそれらのパターンに設定される場合もあれば、操作者により制御部133を介してそれらのパターンが制御されることもあり、演算部130において観測状況に合わせてそれらのパターンがアダプティブに決定されて設定されることもある。 When driving a plurality of transducers 110, the frequency, carrier frequency, bandwidth, apodization, delay element, and nonlinear element of each channel are controlled, but these patterns are set in advance. In some cases, these patterns may be controlled by the operator via the control unit 133. In the calculation unit 130, these patterns may be determined and set adaptively according to the observation situation. is there.
受信器122は、例えば、受信信号を増幅する増幅器又は減衰させる減衰器(アポダイゼーションやフィルタを兼ね得る)を含み、制御部133によって遅延時間が設定される遅延素子をさらに含んでも良い。また、受信器122は、非線形効果を生む非線形素子(トランジスタやダイオードや非線形回路等のアナログデバイス、又は、非線形演算器等のデジタルデバイス)をさらに含んでも良い。複数のトランスデューサ110によって波動を受信する場合を含め、送信器121のそれらと同様に、それらは設定されることがある。受信器122は、任意波動を受信したトランスデューサ110によって生成される受信信号を増幅して、増幅された受信信号を、フィルタ/ゲイン調整部123及びAD変換器127に出力する。 The receiver 122 includes, for example, an amplifier that amplifies the received signal or an attenuator that attenuates (can also serve as an apodization or a filter), and may further include a delay element whose delay time is set by the control unit 133. The receiver 122 may further include a non-linear element that generates a non-linear effect (an analog device such as a transistor, a diode, or a non-linear circuit, or a digital device such as a non-linear arithmetic unit). Similar to those of the transmitter 121, they may be set, including when receiving waves by multiple transducers 110. The receiver 122 amplifies the reception signal generated by the transducer 110 that has received the arbitrary wave, and outputs the amplified reception signal to the filter / gain adjustment unit 123 and the AD converter 127.
フィルタ/ゲイン調整部123は、受信信号の周波数帯域を制限するフィルタ、又は、受信信号のゲインを調整する増幅器若しくは減衰器を含んでいる。フィルタ/ゲイン調整部123は、受信信号の周波数帯域又はゲインを調整し、その受信信号を非線形素子124に出力する。 The filter / gain adjustment unit 123 includes a filter that limits the frequency band of the reception signal, or an amplifier or attenuator that adjusts the gain of the reception signal. The filter / gain adjustment unit 123 adjusts the frequency band or gain of the received signal and outputs the received signal to the nonlinear element 124.
非線形素子124は、例えば、トランジスタやダイオードや非線形回路等のアナログデバイスを含み、受信信号にアナログの非線形処理を施す。この非線形処理は、受信信号に含まれている少なくとも1つの周波数成分信号に対する冪乗演算であっても良いし、受信信号に含まれている複数の周波数成分信号に対する乗算演算であっても良い(ホール効果素子等を使用できる)。 The nonlinear element 124 includes, for example, an analog device such as a transistor, a diode, or a nonlinear circuit, and performs analog nonlinear processing on the received signal. This non-linear processing may be a power operation for at least one frequency component signal included in the received signal, or may be a multiplication operation for a plurality of frequency component signals included in the received signal ( Hall effect elements can be used).
フィルタ/ゲイン調整部125は、受信信号の周波数帯域を制限するフィルタ、又は、受信信号のゲインを調整する増幅器若しくは減衰器を含んでいる。フィルタ/ゲイン調整部125は、受信信号の周波数帯域又はゲインを調整し、その受信信号を検波器126及びAD変換器127に出力する。 The filter / gain adjustment unit 125 includes a filter that limits the frequency band of the reception signal, or an amplifier or attenuator that adjusts the gain of the reception signal. The filter / gain adjustment unit 125 adjusts the frequency band or gain of the received signal and outputs the received signal to the detector 126 and the AD converter 127.
上記のフィルタ/ゲイン調整部123及び125と非線形素子124とは、制御部133により、予め用意されているものに設定される場合があるが、操作者により制御部133を介してそれらが制御されることもあり、また、演算部130において観測状況に合わせてアダプティブにそれらが決定されて制御されることもある。複数のトランスデューサ110を駆動する場合には、それらは各チャンネルにおいて独立に制御されるが、予め用意されているパターンに設定される場合もあれば、操作者により制御部133を介してそれらのパターンが制御されることもあり、演算部130において観測状況に合わせてアダプティブにそれらのパターンが決定されて設定されることもある。 The filter / gain adjusting units 123 and 125 and the nonlinear element 124 may be set to those prepared in advance by the control unit 133, but they are controlled by the operator via the control unit 133. In addition, they may be determined and controlled adaptively in accordance with the observation state in the calculation unit 130. When a plurality of transducers 110 are driven, they are controlled independently in each channel. However, in some cases, the patterns may be set in advance, or the patterns may be set by the operator via the control unit 133. May be controlled, and those patterns may be determined and set adaptively in accordance with the observation state in the calculation unit 130.
検波器126は、例えば、受信ビームフォーミングを行わない場合に、受信信号に包絡線検波処理又は二乗検波処理等を施すことにより、アナログの画像信号を生成する。また、直交検波を通じて、変位計測が行われることがある。アナログ表示装置135は、検波器126によって生成された画像信号や計測結果に基づいて、計測対象1又は波動源の画像を表示する。 For example, when the reception beamforming is not performed, the detector 126 performs an envelope detection process or a square detection process on the reception signal to generate an analog image signal. In addition, displacement measurement may be performed through quadrature detection. The analog display device 135 displays an image of the measurement target 1 or the wave source based on the image signal generated by the detector 126 and the measurement result.
AD変換器127は、受信信号にアナログの非線形処理を施す場合に、フィルタ/ゲイン調整部125から出力される受信信号を選択し、受信信号にアナログの非線形処理を施さない場合に、受信器122から出力される受信信号を選択する。AD変換器127は、アナログの受信信号をデジタルサンプリングすることにより、デジタルの受信信号に変換する。AD変換器127によって得られるデジタルの受信信号は、記憶装置128に出力される。記憶装置128は、例えば、RAM等のメモリによって構成され、受信信号を記憶する。 The AD converter 127 selects the reception signal output from the filter / gain adjustment unit 125 when performing analog nonlinear processing on the reception signal, and receives the receiver 122 when not performing analog nonlinear processing on the reception signal. The received signal output from is selected. The AD converter 127 digitally samples an analog reception signal to convert it into a digital reception signal. A digital reception signal obtained by the AD converter 127 is output to the storage device 128. The storage device 128 is configured by a memory such as a RAM, for example, and stores a reception signal.
記憶装置128に記憶された受信信号は、受信ビームフォーマ129に供給される。なお、受信ビームフォーマ129によって信号が処理される間、一時的に、処理中の信号を記憶装置128又は外部記憶装置140に格納することがあり、それらの信号は必要に応じて読み出される。単一又は複数のトランスデューサ110が用いられる場合において、受信ビームフォーマ129において、パルス・インバージョン法や多項式フィッティング法等による高調波の分離等が行われることがある(演算部130において同処理が行われることもある)。 The reception signal stored in the storage device 128 is supplied to the reception beam former 129. Note that while signals are processed by the receive beamformer 129, the signals being processed may be temporarily stored in the storage device 128 or the external storage device 140, and these signals are read out as necessary. When a single or a plurality of transducers 110 are used, the reception beamformer 129 may perform harmonic separation or the like by a pulse inversion method, a polynomial fitting method, or the like (the same processing is performed in the arithmetic unit 130). Sometimes).
また、複数のトランスデューサ110が用いられる場合に、受信ビームフォーマ129は、複数チャンネルの記憶装置128から供給される受信信号に対して、受信ビームフォーミング処理を施す。例えば、受信ビームフォーマ129は、制御部133によって設定される遅延時間に従って複数チャンネルの受信信号を遅延させて整相処理した後に、加算又は乗算の演算を施すことによって受信信号を合成して、焦点が絞り込まれた新たな受信信号を生成する。 When a plurality of transducers 110 are used, the reception beamformer 129 performs reception beamforming processing on the reception signals supplied from the storage devices 128 of a plurality of channels. For example, the reception beamformer 129 synthesizes the reception signals by delaying the reception signals of a plurality of channels in accordance with the delay time set by the control unit 133 and performing an addition or multiplication operation to obtain a focal point. Is generated, a new received signal is generated.
あるいは、受信器122が遅延素子を含む場合には、複数チャンネルの受信器122が、制御部133によって設定される遅延時間に従ってそれぞれの受信信号を遅延させても良い。受信ビームフォーマ129は、複数チャンネルの受信信号に加算又は乗算の演算を施すことによって受信信号を合成する。受信ビームフォーミングの際に、受信ビームフォーマ129は、アポダイゼーションを行っても良い。 Alternatively, when the receiver 122 includes a delay element, the multi-channel receiver 122 may delay each received signal according to a delay time set by the control unit 133. The reception beamformer 129 synthesizes reception signals by performing addition or multiplication operations on the reception signals of a plurality of channels. During reception beam forming, the reception beam former 129 may perform apodization.
その他、(多次元)高速フーリエ変換器をイメージング装置本体120に搭載して受信信号のスペクトルを得ることにより、スペクトルの処理に基づいて、フィルタリングやビーム又は波動の特性(周波数やキャリア周波数、帯域幅、いずれかの方向における周波数やキャリア周波数、いずれかの方向における帯域幅、波形、ビーム形状、ステアリング方向、又は、伝搬方向等)を調整しても良い。スペクトル周波数分割(非特許文献30を参照)により、単一の受信信号から複数の受信信号(疑似の複数の異なるビームフォーミングに対応)を得る等して、さらに、これらに非線形処理を施すことがある。非線形処理が施された信号に対して、これらの処理が行われることもある。 In addition, a (multi-dimensional) fast Fourier transformer is mounted on the imaging apparatus main body 120 to obtain the spectrum of the received signal, so that filtering, beam or wave characteristics (frequency, carrier frequency, bandwidth) The frequency or carrier frequency in any direction, bandwidth in any direction, waveform, beam shape, steering direction, propagation direction, etc.) may be adjusted. Spectral frequency division (see Non-Patent Document 30) can be used to obtain a plurality of received signals (corresponding to a plurality of pseudo different beamformings) from a single received signal, and to perform nonlinear processing on these signals. is there. These processes may be performed on a signal subjected to nonlinear processing.
このイメージング装置においては、単一又は複数のトランスデューサを用いて生成された上記の複数の波動信号(非線形効果を受けたもの又は受けていないもの)が記憶装置128又は外部記憶装置140に格納され、受信ビームフォーマ129又は演算部130において、それらの結果を読み出して加算(重ね合わせ、線形処理)や乗算(非線形処理)の演算が行われ、これがイメージングや各種計測に使用されることもある。その場合には、適切に整相処理が施される。 In this imaging apparatus, the plurality of wave signals generated by using a single or a plurality of transducers (those subjected to or not subjected to nonlinear effects) are stored in the storage device 128 or the external storage device 140, The reception beamformer 129 or the calculation unit 130 reads out the results and performs addition (overlay, linear processing) or multiplication (nonlinear processing) calculations, which may be used for imaging or various measurements. In that case, a phasing process is appropriately performed.
演算部130は、主として、受信ビームフォーマ129から出力されるデジタルの受信信号にデジタルの非線形処理を施す。この非線形処理は、受信信号に含まれている少なくとも1つの周波数成分信号に対する冪乗演算であっても良いし、受信信号に含まれている複数の周波数成分信号に対する乗算演算であっても良い。なお、演算部130が受信ビームフォーマ129を兼ねることがあることは上記の通りである。その場合を含め、信号が処理される間、一時的に、処理中の信号を記憶装置128又は外部記憶装置140に格納することがあり、それらの信号は必要に応じて読み出される。 The arithmetic unit 130 mainly performs digital non-linear processing on the digital reception signal output from the reception beamformer 129. This non-linear processing may be a power operation for at least one frequency component signal included in the reception signal, or may be a multiplication operation for a plurality of frequency component signals included in the reception signal. As described above, the calculation unit 130 may also serve as the reception beamformer 129. Including such cases, while the signals are processed, the signals being processed may be temporarily stored in the storage device 128 or the external storage device 140, and these signals are read as necessary.
ここで、トランスデューサ110〜作用デバイス112、及び、受信器122〜演算部130は、計測対象1内から伝搬して来る任意波動又はその任意波動を受信して得られる受信信号に対して非線形処理を施す非線形受信処理部を構成している。非線形受信処理部において、非線形デバイス111、非線形素子124、及び、演算部130の内の少なくとも1つが、計測対象1内から伝搬して来る任意波動又はその任意波動を受信して得られる受信信号に対して非線形処理を施す。その他において、非線形効果を得ることがあることは上記の通りである。 Here, the transducer 110 to the action device 112 and the receiver 122 to the calculation unit 130 perform nonlinear processing on an arbitrary wave propagating from the measurement target 1 or a reception signal obtained by receiving the arbitrary wave. A non-linear reception processing unit is configured. In the non-linear reception processing unit, at least one of the non-linear device 111, the non-linear element 124, and the calculation unit 130 generates an arbitrary wave propagating from the measurement target 1 or a received signal obtained by receiving the arbitrary wave. Non-linear processing is applied to this. In other cases, the nonlinear effect may be obtained as described above.
即ち、非線形受信処理部は、計測対象1内から伝搬して来る任意波動に対し、(i)伝搬経路の任意位置において非線形デバイス111を用いて非線形処理を施した上でトランスデューサ110によって受信して受信信号を生成する処理を施しても良い。また、非線形受信処理部は、計測対象1内から伝搬して来る任意波動に対し、(ii)トランスデューサ110によって受信してアナログの受信信号を生成し、アナログの受信信号に、例えば、アナログの非線形素子124を用いてアナログの非線形処理を施す処理を施しても良い。また、非線形受信処理部は、計測対象1内から伝搬して来る任意波動に対し、(iii)トランスデューサ110によって受信してアナログの受信信号を生成し、アナログの受信信号をデジタルサンプリングして得られるデジタルの受信信号に、例えば、デジタルの演算部130を用いてデジタルの非線形処理を施しても良い。その他において、非線形効果を得ることがあることは上記の通りである。 That is, the non-linear reception processing unit performs (i) non-linear processing using the non-linear device 111 at an arbitrary position on the propagation path for an arbitrary wave propagating from within the measurement target 1 and then receives it by the transducer 110. Processing for generating a reception signal may be performed. Further, the non-linear reception processing unit generates an analog reception signal by receiving (ii) an arbitrary wave propagating from the measurement target 1 by the transducer 110, and converts the analog reception signal into, for example, an analog non-linear signal. The element 124 may be used to perform analog nonlinear processing. The non-linear reception processing unit is obtained by (iii) receiving an arbitrary wave propagating from the measurement target 1 by the transducer 110 to generate an analog reception signal, and digitally sampling the analog reception signal. For example, digital non-linear processing may be performed on the digital received signal using the digital arithmetic unit 130. In other cases, the nonlinear effect may be obtained as described above.
画像信号生成部131及び計測部132は、受信信号にデジタルの非線形処理を施す場合に、演算部130から出力される受信信号を選択し、受信信号にデジタルの非線形処理を施さない場合に、受信ビームフォーマ129から出力される受信信号を選択する。 The image signal generation unit 131 and the measurement unit 132 select the reception signal output from the calculation unit 130 when performing digital nonlinear processing on the reception signal, and receive the signal when the digital nonlinear processing is not performed on the reception signal. A reception signal output from the beamformer 129 is selected.
画像信号生成部131は、非線形受信処理部によって得られる受信信号に基づいて、計測対象1の画像を表す画像信号を生成する。あるいは、画像信号生成部131は、非線形処理によって得られる受信信号と共に、非線形処理が施されていない受信信号に基づいて画像信号を生成しても良い。また、画像信号生成部131は、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号を選択的に用いて、計測対象1の画像を表す画像信号を生成しても良い。例えば、画像信号生成部131は、受信信号に包絡線検波処理又は二乗検波処理等を施すことにより、画像信号を生成する。表示装置134は、画像信号生成部131によって生成された画像信号に基づいて、計測対象1の画像を表す画像信号を生成する。 The image signal generation unit 131 generates an image signal representing an image of the measurement target 1 based on the reception signal obtained by the nonlinear reception processing unit. Alternatively, the image signal generation unit 131 may generate an image signal based on a reception signal obtained by non-linear processing and a reception signal not subjected to non-linear processing. Further, the image signal generation unit 131 may generate an image signal representing an image of the measurement target 1 by selectively using a reception signal obtained when non-linear processing is not performed. For example, the image signal generation unit 131 generates an image signal by performing an envelope detection process or a square detection process on the received signal. The display device 134 generates an image signal representing an image of the measurement target 1 based on the image signal generated by the image signal generation unit 131.
計測部132は、非線形処理によって得られる複数の信号の内の少なくとも1つを用いて計測対象1内の変位等を計測する。例えば、計測部132は、力学的又は電磁的波の伝搬を観測するにあたり、自らの波動又は別の波動の任意の波動伝搬によって生じる粒子変位又は粒子速度を計測された変位に基づいて計測する。その場合に、画像信号生成部131は、計測部132によって計測された粒子変位又は粒子速度に基づいて、波動伝搬を表す画像信号を生成する。複数の波動が到来する場合においては、予め波動を分離しておくか、又は、受信後にアナログ処理又はデジタル処理により分離する処理を通じて計測が行われることがある。 The measurement unit 132 measures a displacement or the like in the measurement target 1 using at least one of a plurality of signals obtained by nonlinear processing. For example, when observing the propagation of a mechanical or electromagnetic wave, the measurement unit 132 measures the particle displacement or particle velocity caused by the wave propagation of its own wave or another wave based on the measured displacement. In that case, the image signal generation unit 131 generates an image signal representing wave propagation based on the particle displacement or particle velocity measured by the measurement unit 132. In the case where a plurality of waves arrive, measurement may be performed through separation of the waves in advance or separation through analog processing or digital processing after reception.
あるいは、計測部132は、熱力学的な波動の伝搬を観測するにあたり、トランスデューサ110として、赤外線センサーや焦電センサー、マイクロ波やテラヘルツ波の検出器、光ファイバー等の温度センサー、超音波トランスデューサ(超音波の音速や体積変化等の温度依存性を用いて温度変化を検出)、又は、核磁気共鳴信号検出器(核磁気共鳴のケミカルシフトを用いて温度を検出)とを用いて熱波を計測しても良い。その場合に、画像信号生成部131は、計測部132によって計測された熱波に基づいて、熱力学的な波動の伝搬を表す画像信号を生成する。画像信号生成部131によって生成された画像信号、及び、計測部132によって得られた計測データは、外部記憶装置140に格納することが可能である。 Alternatively, when observing the propagation of thermodynamic waves, the measuring unit 132 uses an infrared sensor, a pyroelectric sensor, a microwave or terahertz wave detector, a temperature sensor such as an optical fiber, an ultrasonic transducer (ultrasonic wave) as the transducer 110. Temperature change is detected using temperature dependency such as sound velocity and volume change of sound waves) or nuclear magnetic resonance signal detector (temperature is detected using chemical shift of nuclear magnetic resonance). You may do it. In that case, the image signal generation unit 131 generates an image signal representing the propagation of thermodynamic waves based on the heat wave measured by the measurement unit 132. The image signal generated by the image signal generation unit 131 and the measurement data obtained by the measurement unit 132 can be stored in the external storage device 140.
以上において、非線形受信処理部は、計測対象1内から伝搬して来る任意波動に対する非線形処理によって冪乗演算の結果を得るか、又は、非線形処理が冪乗演算であることにより、任意波動に基づいて、和音及び差音、及び、倍音の結果として、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて高周波化又は低周波化された受信信号を得るようにしても良い。また、非線形処理は、乗算演算であっても良い。非線形処理は、高次の非線形処理でも良く、その効果から、主として冪乗演算や乗算演算の結果を得ることが行われることがある。 In the above, the non-linear reception processing unit obtains the result of the power calculation by the non-linear processing for the arbitrary wave propagating from within the measurement object 1 or based on the arbitrary wave by the non-linear processing being the power calculation. Thus, as a result of chords, difference tones, and overtones, a reception signal that is higher or lower in frequency than the reception signal obtained when non-linear processing is not performed may be obtained. Further, the nonlinear processing may be a multiplication operation. The non-linear processing may be a higher-order non-linear processing, and the result of the power operation or multiplication operation may be mainly obtained from the effect.
これにより、受信信号は、任意波動が複数の異なる周波数成分を有する場合に、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて広帯域化されたものとなる。又は、高周波化された受信信号が、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて、高周波化、高空間分解能化、低サイドローブ化、又は、高コントラスト化された高調波信号となる。又は、低周波化された受信信号が、高調波信号を略直交検波して得られる直流を含む帯域の信号となる。画像信号生成部131は、非線形処理によって得られる少なくとも1つの信号に基づいて画像信号を生成する。 Thus, the received signal has a wider band than the received signal obtained when the non-linear processing is not performed when the arbitrary wave has a plurality of different frequency components. Alternatively, the high frequency received signal becomes a higher frequency, higher spatial resolution, lower side lobe, or higher contrast harmonic signal than the received signal obtained when non-linear processing is not performed. . Alternatively, the low-frequency received signal becomes a signal in a band including a direct current obtained by substantially quadrature detection of the harmonic signal. The image signal generation unit 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by nonlinear processing.
あるいは、計測対象1内から伝搬して来る複数の任意波動が、計測対象1内において、伝搬方向、ステアリング角度、周波数、キャリア周波数、パルス形状、ビーム形状、いずれかの方向における周波数やキャリア周波数、又は、帯域幅の内の少なくとも1つが異なる場合において、重なって到来する複数の任意波動に対し、非線形受信処理部が、上記(i)〜(iii)の処理の内の少なくとも1つを施しても良い。画像信号生成部131は、非線形受信処理部によって得られる受信信号に基づいて画像信号を生成する。 Alternatively, a plurality of arbitrary waves propagating from within the measurement target 1 are transmitted in the measurement target 1 in the propagation direction, steering angle, frequency, carrier frequency, pulse shape, beam shape, frequency or carrier frequency in any direction, Alternatively, when at least one of the bandwidths is different, the non-linear reception processing unit applies at least one of the processes (i) to (iii) to a plurality of arbitrary waves that arrive in an overlapping manner. Also good. The image signal generation unit 131 generates an image signal based on the reception signal obtained by the nonlinear reception processing unit.
ここで、非線形受信処理部が、複数の任意波動の受信前において、複数の任意波動を作用デバイス112としてのアナログ遅延デバイス及びアナログ記憶デバイスの内の少なくとも1つに通過させることにより、複数の任意波動が計測対象1内の各位置において重なったものとなる様にしても良い。いわゆる収差補正である。 Here, the non-linear reception processing unit passes a plurality of arbitrary waves by passing the plurality of arbitrary waves to at least one of the analog delay device and the analog storage device as the action device 112 before receiving the plurality of arbitrary waves. The wave may be overlapped at each position in the measurement target 1. This is so-called aberration correction.
また、非線形受信処理部が、計測対象1内から伝搬して来る複数の任意波動の重ね合わせに対する非線形処理によって冪乗演算の結果を得るか、又は、非線形処理が冪乗演算であることにより、複数の任意波動に基づいて、和音及び差音、及び、倍音の結果として、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて高周波化又は低周波化された受信信号を得ても良い。これによっても、上記と同様の効果が得られる。画像信号生成部131は、非線形受信処理部によって得られる少なくとも1つの信号に基づいて画像信号を生成する。 In addition, the nonlinear reception processing unit obtains the result of the power calculation by the nonlinear processing for the superposition of a plurality of arbitrary waves propagating from the measurement target 1, or the nonlinear processing is a power calculation, Based on a plurality of arbitrary waves, as a result of chords, difference tones, and harmonics, a reception signal that is higher or lower in frequency than a reception signal obtained when non-linear processing is not performed may be obtained. This also provides the same effect as described above. The image signal generation unit 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by the nonlinear reception processing unit.
あるいは、計測対象1内から伝搬して来る複数の任意波動が、計測対象1内において、伝搬方向、ステアリング角度、周波数、キャリア周波数、パルス形状、ビーム形状、及び、いずれかの方向における周波数やキャリア周波数、又は、帯域幅の内の少なくとも1つが異なる場合において、重なって到来する複数の任意波動に対し、非線形受信処理部が、上記(i)〜(iii)の処理の内の少なくとも1つを施すと共に、複数の任意波動の受信後の任意の時点において、アナログ又はデジタルのデバイスを用いて、又は、アナログ又はデジタルの信号処理に基づいて、受信信号を複数の信号に分離しても良い。画像信号生成部131は、非線形受信処理部によって分離された複数の信号の内の少なくとも1つに基づいて、上記計測対象の画像を表す画像信号を生成する。非線形演算では、乗算効果を得ることが行われる。また、アナログ又はデジタルの収差補正が行われた上で、それらの信号が再度加算されて、冪乗効果を得ることもある。 Alternatively, a plurality of arbitrary waves propagating from within the measurement target 1 are propagated within the measurement target 1 in the propagation direction, steering angle, frequency, carrier frequency, pulse shape, beam shape, and frequency or carrier in any direction. When at least one of frequency or bandwidth is different, the non-linear reception processing unit performs at least one of the processes (i) to (iii) for a plurality of arbitrary waves that arrive in a superimposed manner. In addition, at any time after receiving a plurality of arbitrary waves, the received signal may be separated into a plurality of signals by using an analog or digital device or based on analog or digital signal processing. The image signal generation unit 131 generates an image signal representing the image to be measured based on at least one of the plurality of signals separated by the nonlinear reception processing unit. In the non-linear operation, a multiplication effect is obtained. In addition, after analog or digital aberration correction is performed, these signals are added again to obtain a power effect.
あるいは、計測対象1内から伝搬して来る複数の任意波動が、計測対象1内において、伝搬方向、ステアリング角度、周波数、キャリア周波数、パルス形状、ビーム形状、及び、いずれかの方向における周波数やキャリア周波数、又は、帯域幅の内の少なくとも1つが異なる場合において、重ならずに到来する波動、作用デバイス112を用いて遮蔽して重ならない様にされた波動、及び、デバイス(アナログ又はデジタル)やアナログ又はデジタルの信号処理を用いて分離された波動の内の少なくとも1つの波動に対し、非線形受信処理部が、上記(i)〜(iii)の処理の内の少なくとも1つを施しても良い。画像信号生成部131は、非線形受信処理部によって得られる受信信号に基づいて画像信号を生成する。 Alternatively, a plurality of arbitrary waves propagating from within the measurement target 1 are propagated within the measurement target 1 in the propagation direction, steering angle, frequency, carrier frequency, pulse shape, beam shape, and frequency or carrier in any direction. Waves that do not overlap, waves that are shielded with the action device 112 so that they do not overlap, and devices (analog or digital) when at least one of frequency or bandwidth is different, The non-linear reception processing unit may perform at least one of the processes (i) to (iii) on at least one of the waves separated using analog or digital signal processing. . The image signal generation unit 131 generates an image signal based on the reception signal obtained by the nonlinear reception processing unit.
ここで、非線形受信処理部が、複数の任意波動の受信前において、複数の任意波動を作用デバイス112としてのアナログ遅延デバイス及びアナログ記憶デバイスの内の少なくとも1つに通過させることにより、複数の任意波動が計測対象1内の各位置において重なったものとなる様にしても良い。いわゆる収差補正である。 Here, the non-linear reception processing unit passes a plurality of arbitrary waves by passing the plurality of arbitrary waves to at least one of the analog delay device and the analog storage device as the action device 112 before receiving the plurality of arbitrary waves. The wave may be overlapped at each position in the measurement target 1. This is so-called aberration correction.
あるいは、非線形受信処理部が、アナログの受信信号をアナログ遅延デバイス及びアナログ記憶デバイスの内の少なくとも1つに通過させ、又は、デジタルの受信信号にデジタル演算によりディレイを掛け、若しくは、デジタルの受信信号をデジタル記憶デバイスに通過させることにより、複数の任意波動が計測対象1内の各位置において重なったもとなる様にするようにしても良い。 Alternatively, the non-linear reception processing unit passes the analog reception signal through at least one of the analog delay device and the analog storage device, or delays the digital reception signal by digital calculation, or the digital reception signal May be passed through the digital storage device so that a plurality of arbitrary waves overlap at each position in the measurement object 1.
また、非線形受信処理部が、計測対象1内から伝搬して来る複数の任意波動の各々に対する非線形処理によって冪乗演算の結果を得るか、又は、非線形処理が冪乗演算であることにより、複数の任意波動の各々に基づいて、和音及び差音、及び、倍音の結果として、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて高周波化又は低周波化された受信信号を得ても良い。これによっても、上記と同様の効果が得られる。画像信号生成部131は、非線形受信処理部によって得られる少なくとも1つの信号に基づいて画像信号を生成する。 In addition, the nonlinear reception processing unit obtains the result of the power calculation by nonlinear processing for each of a plurality of arbitrary waves propagating from within the measurement target 1, or the nonlinear processing is a power calculation. As a result of chords, difference tones, and overtones, a received signal that has a higher or lower frequency than the received signal that is obtained when non-linear processing is not performed may be obtained based on each of the arbitrary waves . This also provides the same effect as described above. The image signal generation unit 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by the nonlinear reception processing unit.
あるいは、非線形受信処理部が、計測対象1内から伝搬して来る複数の任意波動の各々に対する非線形処理によって乗算演算の結果を得るか、又は、非線形処理が乗算演算であることにより、複数の任意波動に基づいて、和音及び差音、又は、倍音の結果として、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて高周波化又は低周波化された受信信号を得ても良い。 Alternatively, the non-linear reception processing unit obtains the result of the multiplication operation by non-linear processing for each of the plurality of arbitrary waves propagating from within the measurement target 1, or the non-linear processing is a multiplication operation, so that a plurality of arbitrary Based on the wave, as a result of chords and difference tones or overtones, a reception signal having a higher or lower frequency than the reception signal obtained when non-linear processing is not performed may be obtained.
これにより、受信信号は、複数の任意波動が複数の異なる周波数成分を有する場合に、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて広帯域化されたものとなる。又は、高周波化又は低周波化された受信信号が、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて、高空間分解能化、低サイドローブ化、又は、高コントラスト化され、少なくとも任意の1方向に略直交検波されて直流を含み、別の少なくとも1方向には高調波の周波数を含む帯域の信号となる。画像信号生成部131は、非線形処理によって得られる少なくとも1つの信号に基づいて画像信号を生成する。 As a result, the received signal has a wider band than the received signal obtained when non-linear processing is not performed when a plurality of arbitrary waves have a plurality of different frequency components. Alternatively, the received signal whose frequency is increased or decreased is made higher in spatial resolution, lower sidelobe, or higher in contrast to the received signal obtained when non-linear processing is not performed, and at least any arbitrary 1 The signal is substantially orthogonally detected in the direction and includes a direct current, and becomes a signal in a band including a harmonic frequency in another at least one direction. The image signal generation unit 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by nonlinear processing.
以上において、画像信号生成部131は、非線形処理によって得られる複数の信号の内の少なくとも1つに任意の検波処理を施し、又は、複数の信号を重ね合わせたものに任意の検波処理を施し、又は、複数の信号に任意の検波処理を施した上で複数の信号を重ね合わせることにより、画像信号を生成しても良い。 In the above, the image signal generation unit 131 performs arbitrary detection processing on at least one of the plurality of signals obtained by the nonlinear processing, or performs arbitrary detection processing on the superposition of the plurality of signals, Alternatively, an image signal may be generated by superposing a plurality of signals after performing arbitrary detection processing on the plurality of signals.
<<第4の実施形態>>
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。図38は、本発明の第4の実施形態及びその変形に係るイメージング装置の構成例を示すブロック図である。第4の実施形態及びその変形に係るイメージング装置は、複数のトランスデューサ110又はトランスデューサアレイを駆動して波動を生成するか、又は、それらにより波動を受信してイメージングを行う装置であり(図38にはトランスデューサアレイを示す)、構成要素としては、第3の実施形態における構成要素と同じ性能を有するものを使用できる。
<< Fourth Embodiment >>
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 38 is a block diagram illustrating a configuration example of an imaging apparatus according to the fourth embodiment of the present invention and a modification thereof. The imaging apparatus according to the fourth embodiment and its modification is an apparatus that generates a wave by driving a plurality of transducers 110 or transducer arrays, or receives a wave by them to perform imaging (see FIG. 38). Indicates a transducer array), and components having the same performance as the components in the third embodiment can be used.
図38(a)に示す第4の実施形態に係るイメージング装置においては、図37に示す第3の実施形態に係るイメージング装置において複数のトランスデューサ110又はトランスデューサアレイを使用する場合と同様に、複数のトランスデューサ110又は素子が複数の送信器121又は受信器122にそれぞれ接続されている。ただし、イメージング装置本体120aにおいて、1つのパートA'内に複数の送信器121又は受信器122が設けられている。 In the imaging apparatus according to the fourth embodiment shown in FIG. 38A, a plurality of transducers 110 or transducer arrays are used in the imaging apparatus according to the third embodiment shown in FIG. A transducer 110 or element is connected to a plurality of transmitters 121 or receivers 122, respectively. However, in the imaging apparatus main body 120a, a plurality of transmitters 121 or receivers 122 are provided in one part A ′.
複数のトランスデューサ110又はトランスデューサアレイから出力され、受信器122内の遅延素子を使用して整相されるか、又は、未整相のアナログの受信信号に対して、加算処理部が加算(線形処理)のアナログ処理を施し、又は、乗算処理部が乗算(非線形処理、ホール効果素子等が使用される)のアナログ処理を施す。これにより、受信ビームフォーミングが行われるので、パートBにおいて、受信ビームフォーマ129(図37)は不要となる。 An output from a plurality of transducers 110 or a transducer array is phased using a delay element in the receiver 122, or an addition processing unit adds (linear processing) to an unphased analog reception signal. ) Or a multiplication processing unit performs multiplication (non-linear processing, Hall effect element or the like is used) analog processing. As a result, reception beamforming is performed, and therefore the reception beamformer 129 (FIG. 37) is unnecessary in Part B.
その上で、AD変換器127を通じて得られたデジタルの受信信号が、記憶装置128に格納される。イメージング装置本体120aのパートBは、その受信信号に基づいて、第3の実施形態によって実現できる全ての非線形効果をも得るべく、制御部133が各部を制御することにより、第3の実施形態と同様にイメージングや計測イメージングを行う。なお、図38においては、制御部133から受信器122等への配線は省略されている。 In addition, a digital reception signal obtained through the AD converter 127 is stored in the storage device 128. Part B of the imaging apparatus main body 120a is configured so that the control unit 133 controls each unit to obtain all nonlinear effects that can be realized by the third embodiment, based on the received signal. Similarly, imaging and measurement imaging are performed. In FIG. 38, wiring from the control unit 133 to the receiver 122 and the like is omitted.
第4の実施形態においても、第3の実施形態における送信器や受信器と同様に、各トランスデューサの駆動信号又は受信信号に対して遅延を与えることができ、送信又は受信のフォーカシングやステアリング等の処理を施すことも可能である。第4の実施形態においては、チャンネル数と同じ数のAD変換器127及び記憶装置128が必要とされる第3の実施形態と比べて、1つのAD変換器127と1つの記憶装置128とを設ければ良いので、装置を簡単化できる。 Also in the fourth embodiment, similarly to the transmitter and receiver in the third embodiment, a delay can be given to the drive signal or reception signal of each transducer, and transmission or reception focusing, steering, etc. It is also possible to perform processing. In the fourth embodiment, one AD converter 127 and one storage device 128 are provided as compared with the third embodiment in which the same number of AD converters 127 and storage devices 128 as the number of channels are required. Since it suffices to provide it, the apparatus can be simplified.
一方、図38(b)に示す第4の実施形態の変形に係るイメージング装置においては、イメージング装置本体120bのパートA''において、送信遅延素子121a及び受信遅延素子122aが、送信器121及び受信器122の外部に設けられている。図38(b)に示すイメージング装置は、図38(a)に示すイメージング装置とは異なり、受信遅延素子122aにおいて整相されるか、又は、未整相のアナログの受信信号に対して、加算処理部が加算(線形処理)のアナログ処理を施し、又は、乗算処理部が乗算(非線形処理)のアナログ処理を施した後に受信器122で受信する。従って、1つの送信器121と1つの受信器122とを設ければ良いので、装置を格段に簡単化でき、第3の実施形態におけるのと同じ非線形効果を得ることもできる。 On the other hand, in the imaging apparatus according to the modification of the fourth embodiment shown in FIG. 38B, in part A ″ of the imaging apparatus main body 120b, the transmission delay element 121a and the reception delay element 122a are replaced by the transmitter 121 and the reception. It is provided outside the container 122. Unlike the imaging apparatus shown in FIG. 38 (a), the imaging apparatus shown in FIG. 38 (b) is phase-adjusted in the reception delay element 122a or added to an unphased analog received signal. The processing unit performs analog processing of addition (linear processing), or the multiplication processing unit performs analog processing of multiplication (non-linear processing), and then receives by the receiver 122. Therefore, since only one transmitter 121 and one receiver 122 are provided, the apparatus can be greatly simplified, and the same nonlinear effect as in the third embodiment can be obtained.
図37に示す第3の実施形態に係るイメージング装置、図38(a)に示す第4の実施形態に係るイメージング装置、及び、図38(b)に示す第4の実施形態の変形に係るイメージング装置、又は、その他の型のイメージング装置や、それらの構成要素を同時に使用することもできる。例えば、複数の型の装置を用いて得られたコヒーレント又はインコヒーレントの画像信号や計測結果の各々を表示することもできるし、同時に並べて表示することもできるし、それらを重畳したものや乗算したものを表示することもできる。基本的には、同一の時刻又は同一の時相の受信信号より得られたものを対象とすることができる。同一のイメージング装置においても、同一の時刻又は同一の時相において受信された信号を用いて、複数の画像信号や計測結果が得られる場合において同処理が行われることもある。対象となる信号は、整相後のアナログ信号又はデジタル信号であり、その加算や乗算は、アナログ処理(ホール効果素子等を使用)又はデジタル処理(計算機や演算器等を使用)により実施される。 An imaging apparatus according to the third embodiment shown in FIG. 37, an imaging apparatus according to the fourth embodiment shown in FIG. 38 (a), and an imaging according to a modification of the fourth embodiment shown in FIG. 38 (b). Devices or other types of imaging devices and components thereof can be used simultaneously. For example, each of the coherent or incoherent image signals and measurement results obtained by using a plurality of types of devices can be displayed, or can be displayed side by side at the same time, or they can be superimposed or multiplied. You can also display things. Basically, signals obtained from received signals at the same time or the same time phase can be targeted. Even in the same imaging apparatus, the same processing may be performed when a plurality of image signals and measurement results are obtained using signals received at the same time or in the same time phase. The target signal is an analog signal or a digital signal after phasing, and the addition or multiplication is performed by analog processing (using a Hall effect element or the like) or digital processing (using a calculator or an arithmetic unit). .
本発明の第1又は第4の実施形態に係るイメージング装置は、各種デバイスのアナログ演算器、デジタル演算器、計算機、又は、これに類するデバイス(FPGAやDSP等)を用いて、信号に非線形計算を施すことを基礎とする。後に詳述する通り、非線形演算は、冪乗や乗算の効果を得ることが中心であるが、演算そのものは、この限りではなく、他の非線形特性を有する高次の計算であることもある。多項式フィッティング、スペクトル解析、パルス・インバージョン法、数値計算、又は、信号処理等を通じ、それらの効果を抽出したり、分離することができる。信号に対してだけでなく、波動に対しても非線形演算を施すことがあるし、受信前において、波動をデバイス(時間又は空間、又は、それらの周波数のフィルタや分光器等)を用いて抽出したり、分離することもできる。専用デバイスを使用できる可能性がある。 The imaging apparatus according to the first or fourth embodiment of the present invention uses an analog computing unit, a digital computing unit, a computer, or a similar device (FPGA, DSP, etc.) of various devices to perform nonlinear calculation on a signal. Is based on. As will be described in detail later, the non-linear operation is centered on obtaining a power or multiplication effect. However, the operation itself is not limited to this, and may be a high-order calculation having other non-linear characteristics. The effects can be extracted or separated through polynomial fitting, spectral analysis, pulse inversion method, numerical calculation, signal processing, or the like. Non-linear operations may be performed not only on signals but also on waves, and before reception, the waves are extracted using devices (time or space, or filters or spectrometers of those frequencies) Or can be separated. A dedicated device may be available.
上記のように、このイメージング装置は、任意波動用のトランスデューサ110、送信器121、及び、受信器122を備えると共に、非線形デバイス111、非線形素子124、又は、演算部130を備えるものであり、必要に応じて、データ記憶装置(メモリ、ハードディスク、写真、CD−RW、又は、その他の記録媒体)や表示装置等を備える。汎用のそれらの各デバイスを組み上げて構成することもできるし、非線形デバイス111、非線形素子124、演算部130、又は、その他の非線形デバイスを搭載していない既存の装置に、本発明の非線形処理を行うデバイスを加えて、非線形処理を実施することもできる。 As described above, the imaging apparatus includes the transducer 110 for arbitrary waves, the transmitter 121, and the receiver 122, and includes the nonlinear device 111, the nonlinear element 124, or the arithmetic unit 130, and is necessary. According to the above, a data storage device (memory, hard disk, photograph, CD-RW, or other recording medium), a display device, and the like are provided. Each of these general-purpose devices can be assembled and configured, or the non-linear device 111, the non-linear element 124, the arithmetic unit 130, or other non-linear devices can be subjected to the non-linear processing of the present invention. Non-linear processing can also be performed by adding devices to be performed.
波動源となる送信器121又はトランスデューサ110から送信される波動としては、パルス波、バースト波、又は、位相変調等のコーディングされた波動等が使用されて、空間分解能を有するイメージングや計測が可能である。ただし、空間分解能を必要とせずに計測が可能である場合には、この限りでは無く、連続波が使用されることもある。 As a wave transmitted from the transmitter 121 or the transducer 110 serving as a wave source, a pulse wave, a burst wave, a coded wave such as phase modulation or the like is used, and imaging and measurement with spatial resolution are possible. is there. However, when measurement is possible without requiring spatial resolution, this is not the only case, and a continuous wave may be used.
生成される波動は、トランスデューサ110における電気信号(駆動信号)から波動への変換特性で決まり、適切に設計されたデバイス及び駆動信号が使用される。例えば、光波の場合には様々な光源(コヒーレント又はインコヒーレント、発光ダイオード(LED)、光混合LED、(可変波長)レーザー、又は、光発振器等)が使用され、音波の場合には音源として電気音響変換器や振動子等が使用される。また、振動波の場合にはアクチュエータベースの振動源が使用され、熱波の場合には熱源等が使用される。このように、本実施形態においては、各種の波動を生成するトランスデューサ110が使用可能である。 The generated wave is determined by a conversion characteristic from an electric signal (driving signal) to a wave in the transducer 110, and an appropriately designed device and driving signal are used. For example, in the case of light waves, various light sources (coherent or incoherent, light emitting diodes (LEDs), light mixing LEDs, (variable wavelength) lasers, optical oscillators, etc.) are used. An acoustic transducer or vibrator is used. In the case of a vibration wave, an actuator-based vibration source is used, and in the case of a heat wave, a heat source or the like is used. Thus, in the present embodiment, the transducer 110 that generates various types of waves can be used.
使用されるトランスデューサ110は、上記の各種波動を対象とするにあたり、代表的なトランスデューサを含み、また、非線形特性を有するゆえに通常では使用されないトランスデューサを積極的に使用することも可能である。通常、超音波素子においては、高圧をかけると非線形現象により高調波を含む超音波が生成されるが、パルス・インバージョン法により、媒体内で生じた非線形成分を抽出するハーモニックイメージングが行われているし、高調波成分をフィルタリングして除いて基本波帯域の信号のみを使用する場合もある。 The transducer 110 to be used includes typical transducers for the above-described various waves, and it is also possible to actively use a transducer that is not normally used because it has nonlinear characteristics. Usually, in ultrasonic elements, when high pressure is applied, ultrasonic waves containing harmonics are generated by nonlinear phenomena, but harmonic imaging is performed to extract nonlinear components generated in the medium by the pulse inversion method. In some cases, only the signal in the fundamental band is used by filtering out harmonic components.
本実施形態においても、非線形波動を積極的に生成させて使用することがある。即ち、送信時に非線形特性が現れる場合には、送信波動が高調波を含む状態にあるが、本発明においては、これを有効的に応用することがある。一方、非線形成分を含まない波動を生成して、計測対象物内の非線形現象を探ることも行われる。 Also in this embodiment, a nonlinear wave may be actively generated and used. That is, when nonlinear characteristics appear at the time of transmission, the transmission wave is in a state including harmonics, but in the present invention, this may be effectively applied. On the other hand, a wave that does not contain a nonlinear component is generated to search for a nonlinear phenomenon in the measurement object.
また、非線形成分を有する波動においては、高調波にも非線形現象を生じることがある。送波した波動が元より高調波を含む場合や交差する複数の波が存在する場合(周波数やキャリア周波数、パルス形状、ビーム形状、又は、各方向に見た周波数やキャリア周波数、又は、帯域幅も異なる場合がある、即ち、伝搬方向やステアリング角度以外の波動パラメータが異なる)には、後述の通り、受信信号についてパルス・インバージョン法、時空間フィルタリング、スペクトルフィルタリング、若しくは、多項式フィッティングを含めてアナログ処理により、又は、それらや信号処理等のデジタル処理により、分離を図った上で本発明が実施されることもあるし、分離が行われずに本発明が実施されることもある。また、伝搬過程に、障害物等の遮蔽物、フィルタデバイス、又は、分光器(時間又は空間、又は、それらの周波数のもの)、物理的な刺激を与えて媒質の屈折率を変化させる(光学スイッチ)等を使用して、波動を予め分離した状態で各々を受信することもある。各々の波動の源を制御できる場合には、各波動を独立に生成させ、各々を観測することもある。 In addition, in a wave having a non-linear component, a non-linear phenomenon may occur in the harmonics. When the transmitted wave contains harmonics from the beginning or there are multiple intersecting waves (frequency, carrier frequency, pulse shape, beam shape, frequency or carrier frequency seen in each direction, or bandwidth (That is, the wave parameters other than the propagation direction and the steering angle are different), including the pulse inversion method, spatio-temporal filtering, spectral filtering, or polynomial fitting for the received signal as described later. The present invention may be implemented after separation by analog processing or digital processing such as signal processing or the like, or may be performed without separation. In addition, the refractive index of the medium is changed by applying a physical stimulus to the propagation process, such as an obstacle such as an obstacle, a filter device, or a spectroscope (in time or space, or those frequencies). Each of the waves may be received in a state where the waves are separated in advance using a switch). If the source of each wave can be controlled, each wave may be generated independently and observed separately.
また、トランスデューサ110において波動を生成した後に、波動が計測対象物に伝搬する前において、波動に対して直接的に非線形現象を生じさせるデバイスを使用することにより、非線形成分を含む波動を計測対象物に伝搬させることもある。また、計測対象内の伝搬後又は伝搬中において、非線形現象を生じさせるデバイスを使用することも可能である。波動又は信号を結合させたり、又は、混合(mix)する等して乗算効果を得ることもある。 In addition, after a wave is generated in the transducer 110 and before the wave propagates to the measurement target, a device that directly generates a non-linear phenomenon with respect to the wave is used. May be propagated to. It is also possible to use a device that generates a non-linear phenomenon after or during propagation within the measurement object. A multiplication effect may be obtained by combining or mixing waves or signals.
例えば、光に関しては、(i)非線形光学素子(例えば、レーザー光の短波長領域への波長変換等に使用される光高調波発生デバイス)、(ii)光混合デバイス、(iii)光パラメトリック発生、誘導ラマン散乱、コヒーレントラマン散乱、誘導ブリュアン散乱、誘導コンプトン散乱、又は、四光波混合等の光パラメトリック効果を生じさせるデバイス、(iv)通常のラマン散乱(自然放出ラマン散乱)等の多光子遷移を生じさせるデバイス、(v)非線形屈折率変化を生じさせるデバイス、及び、(vi)電場依存屈折率変化を生じさせるデバイス等を使用することができる。カプラや光ファイバー等も有効に使用できる。多点観測(多チャネル)もできるし、信号処理を行う上でも適している。 For example, with respect to light, (i) nonlinear optical elements (for example, optical harmonic generation devices used for wavelength conversion of laser light to a short wavelength region, etc.), (ii) optical mixing devices, and (iii) optical parametric generation , Stimulated Raman scattering, coherent Raman scattering, stimulated Brillouin scattering, stimulated Compton scattering, or devices that produce optical parametric effects such as four-wave mixing, (iv) multiphoton transitions such as normal Raman scattering (spontaneous emission Raman scattering) (V) a device that generates a nonlinear refractive index change, (vi) a device that generates an electric field dependent refractive index change, and the like can be used. Couplers and optical fibers can also be used effectively. Multi-point observation (multi-channel) is possible, and it is also suitable for signal processing.
光を使用する場合には、光の発生、制御、又は、測定等についての光エレクトロニクス、非線形光学効果、又は、レーザー工学等の幅広い分野に関連する。通常に使用される光デバイスは、作用デバイス112や非線形デバイス111として使用でき、専用に実現されたものが使用されることもある。これらには、光増幅器(フォトンマルチチューブ等)、吸収体(減衰材)、反射体、鏡、散乱体、コリメータ、(焦点可変)レンズ、偏向器、偏光器、偏光フィルタ、NDフィルタ、偏向ビームスプリッタ―(分離)、遮蔽物、光導波路(フォトニクス結晶を使用したもの等)、光ファイバー、光カー効果デバイス、非線形光ファイバー、光混合光ファイバー、変調用光ファイバー、光閉じ込めデバイス、光メモリ、結合器(カップラ)、方向結合器、分配器、混合分配器、分光器、分散シフト光ファイバー、バンドパスフィルタ、位相共役器(縮退4光波混合やフォトリフラクティブ効果によるもの等)、強誘電半導体の光制御によるスイッチ、位相遅延デバイス、位相補正デバイス、時間の反転器、光スイッチ、又は、光学的マスク等による符号化等を、単独で使用する場合もあれば、併用することもある。また、この限りではない。光制御(波長変換・スイッチング・ルーチング)の下で、光ノード技術、光クロスコネクト(OXC)、光分岐挿入多重(OADM)、光多重・分離装置、又は、光スイッチ素子が使用され、デバイスそのものが光伝達網や光ネットワークを構成している場合もあり、光信号処理が行われることがある。 When light is used, it relates to a wide range of fields such as optoelectronics, nonlinear optical effects, or laser engineering for light generation, control, or measurement. Optical devices that are normally used can be used as the working device 112 and the nonlinear device 111, and a dedicated device may be used. These include optical amplifiers (photon multitubes, etc.), absorbers (attenuators), reflectors, mirrors, scatterers, collimators, (variable focus) lenses, deflectors, polarizers, polarizing filters, ND filters, deflected beams Splitter (separation), shield, optical waveguide (using photonic crystal, etc.), optical fiber, optical Kerr effect device, nonlinear optical fiber, optical mixing optical fiber, optical fiber for modulation, optical confinement device, optical memory, coupler (coupler) , Directional coupler, distributor, mixer / distributor, spectrometer, dispersion-shifted optical fiber, bandpass filter, phase conjugator (by degenerate four-wave mixing or photorefractive effect, etc.), switch by phase control of ferroelectric semiconductor, phase For delay devices, phase correction devices, time inverters, optical switches, optical masks, etc. The that coding etc., some when used alone, sometimes in combination. This is not the case. Under optical control (wavelength conversion / switching / routing), optical node technology, optical cross-connect (OXC), optical add / drop multiplexing (OADM), optical multiplexer / demultiplexer, or optical switch element is used. May constitute an optical transmission network or an optical network, and optical signal processing may be performed.
検出には、CCDカメラ、光ダイオード、混合型の光ダイオード、又は、本願明細書に記載の仮想源(波動源としても)を使用することもできる。光信号処理には、時間や空間フィルタ、相関演算やマッチドフィルタ処理、信号抽出、ヘテロダインやスーパーヘテロダイン(低周波信号を得てAD、復調させることもできる)、及び、ホモダイン等があり、電磁波検出器が使用される場合もある。 For detection, a CCD camera, a photodiode, a mixed photodiode, or a virtual source (also as a wave source) described herein can be used. Optical signal processing includes time and spatial filters, correlation calculation and matched filter processing, signal extraction, heterodyne and superheterodyne (low frequency signals can be obtained and demodulated), homodyne, etc., and electromagnetic wave detection A vessel may be used.
また、特に非線形媒質に関して例を揚げると、二硫化炭素、ナトリウム蒸気、シリコンやガリウムヒ素などの半導体、量子井戸、及び、フルオレセインやエリトロシンなどの有機色素等があり、多種多様である。またチタン酸バリウムなどの結晶では、外部からポンプ波を供給することなく4光波混合を行わせる自己ポンプもある。 In particular, examples of nonlinear media include carbon disulfide, sodium vapor, semiconductors such as silicon and gallium arsenide, quantum wells, and organic dyes such as fluorescein and erythrosin. For crystals such as barium titanate, there is also a self-pump that performs four-wave mixing without supplying a pump wave from the outside.
可視光線、赤外線、マイクロ波やテラヘルツ波、及び、放射線等の他の波動に関しても、各々の汎用デバイスを使用できるが、専用デバイスを実現して使用されることもある。SAWのみならず、振動系と電磁系との関係を有するデバイス等も重宝する。また、非線形デバイスも使用することができる。熱伝導において非線形性を提示するものに、アルミナとジルコニア合成、はんだ、及び、層状コバルト酸化物等様々なものがある。熱は光デバイスに作用し、非線形性を生み出すこともあり、それらの応用を広く考えることも可能になる。 For other waves such as visible light, infrared light, microwaves, terahertz waves, and radiation, each general-purpose device can be used, but a dedicated device may be realized and used. Not only SAW but also devices having a relationship between vibration system and electromagnetic system are useful. Nonlinear devices can also be used. There are various things that exhibit nonlinearity in heat conduction, such as alumina and zirconia synthesis, solder, and layered cobalt oxide. Heat acts on optical devices, creating non-linearities, and their applications can be widely considered.
なお、トランスデューサ110は、計測対象に対して、接触型と非接触型があるが、作用デバイスとして、各波動のインピーダンスマッチングデバイスが必要であることがある。装置内のデバイス間や電気回路内においても然りであるが、計測空間において、各デバイス間にマッチングデバイスが使用されることがある。例えば、超音波によって生体組織を観測する場合には、ジェル又は水がマッチング材として使用される。超音波顕微鏡においては、通常、架台の上にて試料を観測することが多いが、アレイ型やメカニカルスキャン型(ハウジングされた中で水等のマッチング材を介して素子又は素子アレイがメカニカルに移動してスキャンする場合等)のものが実現されて使用されることもあり、試料に対して設置が容易であったり(方向を自由に決めることができる等)、ハンディー型にして試料として対象を切り出す(in vitro)ことなく、直接にin situ又はin vivoの状態で観測することを可能にすることもできる。超音波顕微鏡では、焦点位置がレンズ等で決まる固定型のものも多く、特に、その様な素子又は素子アレイが使用される場合に良い方法である。従って、メカニカルスキャンは横方向やエレベーション方向に限られず、伝搬方向にも可動である場合もある。RF波に対しては、アンテナが使用されるし、生体組織電位や磁場の各々の観測には、電解質ジェルと電極、又は、SQUID計等が使用されるが、計測対象の大きさに合わせて、小型化されたものが使用されることがある(顕微鏡など)。微弱な信号は、非線形性を持たない場合があり、その様な場合には、非線形性を疑似的に生成したり、仮想的に生成したりすることがある。非線形信号が微弱で観測できない場合には、非線形性を増強することも行われる。 In addition, although the transducer 110 has a contact type and a non-contact type with respect to a measurement object, an impedance matching device for each wave may be required as an action device. This is also true between devices in the apparatus and in electrical circuits, but a matching device may be used between devices in the measurement space. For example, when observing a living tissue by ultrasonic waves, gel or water is used as a matching material. In an ultrasonic microscope, a sample is usually observed on a gantry, but an array type or a mechanical scan type (the element or element array moves mechanically through a matching material such as water in the housing). In some cases, it is easy to install on the sample (the direction can be freely determined, etc.). It may also be possible to observe directly in situ or in vivo without being cut out (in vitro). Many ultrasonic microscopes have a fixed type whose focal position is determined by a lens or the like, and this is a good method particularly when such an element or an element array is used. Therefore, the mechanical scan is not limited to the horizontal direction and the elevation direction, and may be movable in the propagation direction. For RF waves, an antenna is used, and an electrolyte gel and an electrode, or a SQUID meter, etc. are used for observing biological tissue potentials and magnetic fields. Smaller ones may be used (such as a microscope). A weak signal may not have non-linearity. In such a case, the non-linearity may be generated in a pseudo manner or virtually. When the non-linear signal is weak and cannot be observed, the non-linearity is also enhanced.
非線形デバイスが送信器121又はトランスデューサ110と一体化されている場合もあり、また、非線形デバイスを別個に組み上げて使用する場合もある。この様に、非線形デバイスは、高周波化や広帯域化等を行うことを含め、受信後の信号に対してだけでなく、任意位置において非線形デバイスを用いることにより、波動そのものに非線形演算を施すことができる。 The nonlinear device may be integrated with the transmitter 121 or the transducer 110, or the nonlinear device may be separately assembled and used. In this way, non-linear devices can perform non-linear operations on the wave itself by using non-linear devices at arbitrary positions, not only for signals after reception, including high frequency and wide band. it can.
また、受動的に波動を観測する場合において、波動源を制御できない場合を含めて、本発明が適用されることもある。各種方法又はデバイスを用いて、信号源位置や到来方向、信号源の強度、信号源の大きさや分布を求めて本発明が適用されることもあるし、本発明が適用されて信号源や波動源の位置や到来方向が求められる場合もある。その際、それらは波動や信号を分離して求められることがあるし、信号や波動の源や到来方向が求められた上で波動や信号が分離されることもあるし、両者が同時に求められることもある。波動源や到来方向が求まると、受信ビームフォーミングの精度が向上する。信号にはアナログ処理又はデジタル処理等の信号処理が施され、波動には、時間又は空間、又は、それらの周波数のフィルタや分光器等を使用できる。 In addition, when passively observing waves, the present invention may be applied to cases where the wave source cannot be controlled. Various methods or devices may be used to determine the signal source position and direction of arrival, signal source strength, signal source size and distribution, and the present invention may be applied. Sometimes the source location and direction of arrival are required. At that time, they may be obtained by separating the waves and signals, or the waves and signals may be separated after obtaining the source and direction of arrival of the signals and waves, or both are obtained at the same time. Sometimes. Once the wave source and direction of arrival are determined, the accuracy of receive beamforming is improved. The signal is subjected to signal processing such as analog processing or digital processing, and a filter, a spectroscope, or the like of time or space or those frequencies can be used for the wave.
計測対象物を含む媒体を伝搬した波動をトランスデューサにおいて受信するに当たり、送信に使用されたトランスデューサが受信にも使用される場合(反射信号を観測する場合)がある。一方、送信に使用されたトランスデューサとは別のトランスデューサが受信に使用されることもある。その場合に、送信トランスデューサと受信トランスデューサとが近傍位置にある場合(反射信号を観測する場合)や、送信トランスデューサと受信トランスデューサとが異なる位置にある場合(例えば、透過波や屈折波等を観測する場合)もある。 When a wave propagated through a medium including a measurement object is received by the transducer, the transducer used for transmission may be used for reception (when a reflected signal is observed). On the other hand, a transducer other than the transducer used for transmission may be used for reception. In that case, when the transmitting transducer and the receiving transducer are in the vicinity (when a reflected signal is observed), or when the transmitting transducer and the receiving transducer are in different positions (for example, observing a transmitted wave, a refracted wave, etc.) In some cases.
また、トランスデューサ110は単一開口のものが使用されることもあるし、複数のトランスデューサ110を密に隣接した状態でアレイ状(1次元アレイ又は2次元アレイ、3次元アレイ)に並べて使用することもあるし、スパース配列、若しくは、離れた位置に設置されたものが同時に使用されることもある。開口の形状には様々なものがあり(円形、矩形、平型、凹型、及び、凸型等など)、それらの指向性は様々である。複数方向に開口を有する状態で一体となっている素子もあり、同一位置で多方向の指向性を有するものもある。電位や圧、又は、温度等のスカラー計測の他、電磁波や電界ベクトル等のベクトル計測を行うものもある。偏波するものもある。無論、同一の波動に関しても、素子の材料や構造は多様である。また、それらを用いた配置も様々であり、例えば、多方向に開口が向いているもの等もある。 In addition, the transducer 110 may have a single aperture, or a plurality of transducers 110 may be arrayed in a closely adjacent state (one-dimensional array, two-dimensional array, or three-dimensional array). There are also cases where a sparse arrangement or a remote arrangement is used at the same time. There are various shapes of openings (circular, rectangular, flat, concave, convex, etc.), and their directivities vary. Some elements are integrated with openings in multiple directions, and others have multidirectional directivity at the same position. In addition to scalar measurement such as potential, pressure, or temperature, there are some that perform vector measurement such as electromagnetic wave and electric field vector. Some are polarized. Of course, even with the same wave, the materials and structures of the elements are diverse. Moreover, the arrangement | positioning using them is also various, for example, there exist some which the opening has faced in many directions.
図39は、複数のトランスデューサの配置例を示す模式図である。図39において、(a1)は、1次元アレイ状に密に配列化された複数のトランスデューサ110を示しており、(b1)は、1次元状に疎に存在する複数のトランスデューサ110を示している。(a2)は、2次元アレイ状に密に配列化された複数のトランスデューサ110を示しており、(b2)は、2次元状に疎に存在する複数のトランスデューサ110を示している。(a3)は、3次元アレイ状に密に配列化された複数のトランスデューサ110を示しており、(b3)は、3次元状に疎に存在する複数のトランスデューサ110を示している。 FIG. 39 is a schematic diagram illustrating an arrangement example of a plurality of transducers. 39, (a1) shows a plurality of transducers 110 that are densely arranged in a one-dimensional array, and (b1) shows a plurality of transducers 110 that are sparsely arranged in a one-dimensional array. . (A2) shows a plurality of transducers 110 that are densely arranged in a two-dimensional array, and (b2) shows a plurality of transducers 110 that are sparsely arranged in two dimensions. (A3) shows a plurality of transducers 110 densely arranged in a three-dimensional array, and (b3) shows a plurality of transducers 110 sparsely arranged in a three-dimensional shape.
トランスデューサの開口部においてレンズ等を用いてアナログ的にビームが生成されたり、又は、調整されたりすることがあるが、上記の駆動信号によって調整されることもある。また、本実施形態に係るイメージング装置は、最大で6自由度(並進3方向及び回転3方向の自由度)を有する機械走査デバイスを備え、機械走査デバイスが少なくとも1つのトランスデューサ110又は少なくとも1つのトランスデューサアレイを少なくとも1つの方向に機械的に移動させることにより、計測対象1の走査や焦点位置の調整やステアリングが行われることがある。 A beam may be generated or adjusted in an analog manner using a lens or the like at the opening of the transducer, but may be adjusted by the drive signal. In addition, the imaging apparatus according to the present embodiment includes a mechanical scanning device having a maximum of 6 degrees of freedom (degrees of freedom in three translational directions and three rotational directions), and the mechanical scanning device includes at least one transducer 110 or at least one transducer. By mechanically moving the array in at least one direction, scanning of the measurement object 1, adjustment of the focal position, and steering may be performed.
一方、複数のトランスデューサ110を使用する場合には、駆動するトランスデューサ110の数と等しい数の駆動信号を生成すべく、トランスデューサ110の数と等しいチャンネル数の送信器121が設けられる。又は、遅延素子群を使用して、限られた数の生成信号から複数の駆動信号を生成することにより、所望のビームフォーミング(所望する位置に焦点を形成する、又は、所望する方向にステアリングする)が行われることがある。 On the other hand, when a plurality of transducers 110 are used, transmitters 121 having the same number of channels as the number of transducers 110 are provided to generate the same number of drive signals as the number of transducers 110 to be driven. Alternatively, by using a delay element group, a plurality of drive signals are generated from a limited number of generation signals, thereby forming a desired beam forming (focusing at a desired position or steering in a desired direction). ) May be performed.
通常のアナログ又はデジタルのビームフォーマを使用することもできる。上記のビームフォーミング(受信時のみの場合を含む)を並列処理的に行って、計測対象を走査する際の実時間性を向上させることがある。 A normal analog or digital beamformer can also be used. The beam forming (including the case of receiving only) may be performed in parallel processing to improve the real-time property when scanning the measurement target.
また、同一時刻において、複数のトランスデューサ110を駆動して、複数のビームフォーミングを同時に行うこともある。あるいは、送信器121を切り替えて使用する場合を含めて、同時相の信号を受信することが許される時間内において、異なる時刻に異なるトランスデューサ110を用いてビームフォーミングが複数回行われることもある。同一のトランスデューサに機械走査を施し、複数回のビームフォーミングが行われることがある。 In addition, at the same time, a plurality of transducers 110 may be driven to perform a plurality of beam forming simultaneously. Alternatively, beam forming may be performed a plurality of times using different transducers 110 at different times within a time period in which simultaneous phase signals are allowed to be received, including when the transmitter 121 is switched and used. The same transducer may be subjected to mechanical scanning, and beam forming may be performed multiple times.
各ビームフォーミングにおいては、機械走査を行う場合を含めて、古典的な開口面合成が行われることがあり、通常の遅延加算(Delay-and-Summation)、又は、本発明に基づく遅延乗算(Delay-and-Multiplication)が行われる(いずれも、モノスタティック型又はマルチスタティック型)。送信時において、フォーカシングをせずに、平面波が生成されることもあり、その場合には、広い領域を一度に短時間で観測することも可能である。その際に、平面波がステアリングされることもある。波動が平面波として受波されることがあるし、ダイナミックフォーカシングされることもある(送信時にステアリングしている時は、受信時もステアリングした方が良い)。平面波は、伝搬する方向と直交する方向には狭帯域の波であり、広帯域化されると効果的である。 In each beamforming, classical aperture synthesis may be performed, including the case of performing mechanical scanning, and normal delay addition (Delay-and-Summation) or delay multiplication based on the present invention (Delay) -and-Multiplication) (both monostatic type and multistatic type). At the time of transmission, a plane wave may be generated without performing focusing. In this case, a wide area can be observed in a short time. At that time, the plane wave may be steered. A wave may be received as a plane wave or may be dynamically focused (when steering during transmission, it is better to steer during reception). A plane wave is a narrow-band wave in a direction orthogonal to the propagating direction, and is effective when the band is widened.
図40は、1次元トランスデューサアレイを用いた場合における波動の形態を説明するための図である。図40において、(a)は、波動のフォーカシングを示しており、送信時又は受信時において、遅延時間の設定によって定まるフォーカスの位置に絞り込まれた波動ビームが形成される。(b)は、波動のステアリングを示しており、送信時又は受信時において、遅延時間の設定によって定まる方向に偏向された波動ビームが形成される。(c)は、平面波の送信又は受信を示しており、遅延時間の設定によって定まる方向に向けた平面波が形成される。平面波は、伝搬する方向と直交する方向には狭帯域の波であり、広帯域化されると効果的である。 FIG. 40 is a diagram for explaining the form of waves when a one-dimensional transducer array is used. In FIG. 40, (a) shows wave focusing, and a wave beam narrowed down to a focus position determined by setting a delay time is formed during transmission or reception. (B) shows wave steering, and a wave beam deflected in a direction determined by setting of a delay time is formed at the time of transmission or reception. (C) shows transmission or reception of a plane wave, and a plane wave directed in a direction determined by the setting of the delay time is formed. A plane wave is a narrow-band wave in a direction orthogonal to the propagating direction, and is effective when the band is widened.
なお、トランスデューサ110による受信前において、波動をアナログ遅延デバイス及びアナログ記憶デバイスの少なくとも1つに通過させることにより、複数の波動が計測対象1内の各位置において重なったものとなる様にすることがある。また、トランスデューサ110による受信後において得られるアナログ信号をアナログ遅延デバイス及びアナログ記憶デバイスの少なくとも1つに通過させたり、又は、受信後に得られるデジタルサンプリングされたデジタル信号にデジタル演算によりディレイを掛けたり、又は、デジタル記憶デバイスに通過させることを通じて、複数の波動が計測対象内の各位置において重なったもとなる様にすることもある。いわゆる位相収差補正を、上記の様に実施したり、上記のビームフォーミングの整相に関連して実施することもある。様々なデバイスがあるが、例えば、光においては、光ファイバーは遅延線にもなるし、光閉じ込めデバイスは遅延デバイスや記憶装置にもなる。 Note that, before reception by the transducer 110, the waves are passed through at least one of the analog delay device and the analog storage device, so that the plurality of waves overlap at each position in the measurement target 1. is there. Further, an analog signal obtained after reception by the transducer 110 is passed through at least one of an analog delay device and an analog storage device, or a digitally sampled digital signal obtained after reception is delayed by digital computation, Alternatively, a plurality of waves may be overlapped at each position in the measurement target by passing through a digital storage device. So-called phase aberration correction may be performed as described above or may be performed in connection with the phasing of the beam forming described above. There are various devices. For example, in light, an optical fiber can be a delay line, and an optical confinement device can be a delay device or a storage device.
一方、計測対象に関し、計測対象内を伝搬した結果として非線形現象を強く受けた信号を観測することになる場合もあるが、逆に、非線形成分が得られない場合もある。一般に、波動の強度が強いときに非線形現象が観測され易く、強度が弱いときには非線形現象が観測され難い。いずれの場合においても、本発明を実施することができる。受信信号は、適切な信号処理を行う等により、独立した信号に分離されて、本発明が実施されることがある。 On the other hand, with respect to the measurement target, there may be a case where a signal that is strongly subjected to a nonlinear phenomenon as a result of propagation through the measurement target may be observed, but conversely, a nonlinear component may not be obtained. In general, a nonlinear phenomenon is easily observed when the intensity of the wave is strong, and it is difficult to observe the nonlinear phenomenon when the intensity is weak. In any case, the present invention can be implemented. The received signal may be separated into independent signals by performing appropriate signal processing or the like, and the present invention may be implemented.
信号の分離には、各種波動のアナログデバイス(時間又は空間、又は、それらの周波数のフィルタや分光器等)が使用されることもあり、また、信号処理に基づいて、アナログ処理又はデジタル処理(上記のコーディングに対してデコーディングする処理、スペクトル解析を通じてスペクトルの重心を求める処理、解析信号を求めて瞬時周波数を求める処理、MIMO、SIMO、MUSIC、又は、独立信号分離処理等)されることもある。受動的な場合においては、各種方法又はデバイスを用いて、信号源位置や到来方向、信号源の強度、信号源の大きさや分布を求めて処理されることもあるし、本発明が実施された後に信号源位置や到来方向が求められることがある。ビームフォーミングと同時に信号源位置や到来方向、信号源の強度、信号源の大きさや分布が求められることがある。後に詳述する通り、非線形処理を施して、高調波等にて表した状況において、精度よく信号分離を行うこともある。具体的には、冪乗演算による高周波化且つ広帯域化(次数が1より大きいとき)、又は、低周波化且つ狭帯域化(次数が1より小さいとき)処理を行った上で、周波数領域において、高精度に行われることがある。分離後の信号の復元も使用した冪乗次数の逆数乗すればよく、容易である。 For the signal separation, analog devices of various waves (time or space, or filters or spectrometers of those frequencies) may be used, and analog processing or digital processing (based on signal processing ( (Decoding for the above coding, processing for obtaining the center of gravity of the spectrum through spectral analysis, processing for obtaining an analysis signal and obtaining instantaneous frequency, MIMO, SIMO, MUSIC, or independent signal separation processing) is there. In the passive case, the signal source position and direction of arrival, the intensity of the signal source, the size and distribution of the signal source may be obtained using various methods or devices, and the present invention was implemented. Later, the signal source position and direction of arrival may be determined. Simultaneously with beam forming, the signal source position and direction of arrival, the intensity of the signal source, and the size and distribution of the signal source may be required. As will be described in detail later, signal separation may be performed with high accuracy in a situation represented by harmonics or the like by performing nonlinear processing. Specifically, in the frequency domain after performing high frequency and wide band (when the order is greater than 1) by low power calculation or low frequency and narrow band (when the order is less than 1) , Sometimes done with high accuracy. It is easy to restore the signal after separation by multiplying the power of the power using the inverse power.
図41は、2次元計測の場合の空間領域及び周波数領域におけるビーム方向や波動の到来方向の角度とスペクトルの重心を示す図である。図41において、(a)は、空間領域において、関心点(x,y)におけるビーム1及びビーム2のビーム方向角度θ1及びθ2を示している。また、(b)は、周波数領域において、ビーム1及びビーム2のスペクトルの重心と、ビーム1の瞬時周波数(fx,fy)とを示している。ビーム1又はビーム2がグレーティングローブやサイドローブの波動に該当する場合もある。
ちなみに、アレイ型センサーにおいて素子ピッチが粗いと素子アレイ方向(元よりデジタル空間)にエイリアシングを生じた信号を受信してビームフォーミングを行うこととなるため、受信生信号の角スペクトルかビームフォーミング後の信号において、折り返した帯域の信号をフィルタリングして除去する。上記の如くに素子幅を小さくして素子ピッチを短くすると、角スペクトルで確認できる通り横方向には広帯域となり、ビームフォーミングにより横方向に広帯域な信号を生成できるが、エイリアシングを生じる場合には同様に処理する必要がある。これらの処理は、全てのビームフォーミング処理の場合において必要となる。受信生信号の角スぺクトルの信号帯域内にてビームフォーミング信号を生成できるため、その素子アレイを用いて実現できるステアリング角度を確認できる。
FIG. 41 is a diagram illustrating the angle of the beam direction and the arrival direction of the wave and the center of the spectrum in the spatial domain and the frequency domain in the case of two-dimensional measurement. 41A shows the beam direction angles θ1 and θ2 of the beam 1 and the beam 2 at the point of interest (x, y) in the spatial domain. Further, (b) shows the centroid of the spectrum of the beam 1 and the beam 2 and the instantaneous frequency (fx, fy) of the beam 1 in the frequency domain. In some cases, the beam 1 or the beam 2 corresponds to a wave of a grating lobe or a side lobe.
By the way, in the array type sensor, if the element pitch is coarse, a signal that causes aliasing in the element array direction (originally digital space) is received and beamforming is performed. Therefore, the angular spectrum of the received raw signal or after beamforming is performed. In the signal, the signal in the folded band is filtered and removed. When the element width is reduced and the element pitch is shortened as described above, a wide band is generated in the horizontal direction as confirmed by the angular spectrum, and a wide band signal can be generated in the horizontal direction by beam forming. Need to be processed. These processes are necessary in the case of all beam forming processes. Since the beam forming signal can be generated within the signal band of the angular spectrum of the received raw signal, the steering angle that can be realized by using the element array can be confirmed.
基本的には、ビームフォーミングを波動に対してアナログ的に行うか、あるいは、複数のトランスデューサ110を使用する場合においては、ビームフォーミング(フォーカシング又はステアリング)が行われる。上記の通り、信号の分離を行った上で、ビームフォーミングされることもあるが、ビームフォーミング後に信号分離が行われることもある。 Basically, beam forming is performed in analogy with respect to a wave, or when a plurality of transducers 110 are used, beam forming (focusing or steering) is performed. As described above, signal separation may be performed and then beam forming may be performed, but signal separation may be performed after beam forming.
また、開口面合成処理を行う場合においては、受信した同一の信号セットから、異なる複数位置のフォーカシング信号や異なる複数方向のステアリング信号を生成できる(Delay-and-Summation、又は、本発明に基づくDelay-and-Multiplication)。また、それらの生成された信号に対して本発明を実施することもできる。送信器121と受信器122とは、一体型であっても良く、分離型であっても良い。 In addition, when performing aperture plane synthesis processing, it is possible to generate focusing signals at different positions and steering signals in different directions from the same received signal set (Delay-and-Summation or Delay based on the present invention). -and-Multiplication). It is also possible to implement the present invention for those generated signals. The transmitter 121 and the receiver 122 may be integrated or separated.
非線形素子124には、様々なものがあり、トランスデューサ110において受信した後の電気的なアナログ信号に対しては、ダイオードやトランジスタを使用することができる。その他、超電導現象を応用するもの等を含め、回路によって信号に非線形現象を施す如何なる非線形素子も使用することができる。また、分布定数系の非線形素子を使用することもできる。波動(信号)の周波数に合わせて、適切なものが使用される。各種増幅器や減衰器を用いて、波動又は信号が適切にゲイン調整されることもある。 There are various non-linear elements 124, and diodes and transistors can be used for electrical analog signals received by the transducer 110. In addition, any non-linear element that applies a non-linear phenomenon to a signal by a circuit can be used, including those applying a superconducting phenomenon. Also, a distributed-constant nonlinear element can be used. An appropriate one is used in accordance with the frequency of the wave (signal). Waves or signals may be appropriately gain adjusted using various amplifiers and attenuators.
非線形演算は、トランスデューサ110において受信する前に、波動に対して直接的に非線形現象を生じさせる非線形デバイスを使用して行われることもある。例えば、光に関しては、上記の(i)非線形光学素子、(ii)光混合デバイス、(iii)光パラメトリック効果、(iv)通常のラマン散乱(自然放出ラマン散乱)等の多光子遷移、(v)非線形屈折率変化、又は、(vi)電場依存屈折率変化等を使用することができる。その他の波動に関しても、同様に、非線形デバイスを使用することができる。それらの非線形デバイスがトランスデューサ110と一体化されている場合もあり、また、非線形デバイスを別個に組み上げて使用されることもある。また、受信時に使用するトランスデューサ110における波動から電気信号への変換時の非線形現象そのものが使用されることもある。 The non-linear operation may be performed using a non-linear device that produces a non-linear phenomenon directly on the wave before being received at the transducer 110. For example, with respect to light, (i) nonlinear optical elements, (ii) optical mixing devices, (iii) optical parametric effects, (iv) multiphoton transitions such as normal Raman scattering (spontaneous emission Raman scattering), (v Non-linear refractive index change or (vi) electric field dependent refractive index change can be used. For other waves as well, non-linear devices can be used as well. The nonlinear devices may be integrated with the transducer 110, or the nonlinear devices may be separately assembled and used. Further, the nonlinear phenomenon itself at the time of conversion from a wave to an electric signal in the transducer 110 used at the time of reception may be used.
以上のいずれの場合においても、波動そのものにアナログ演算(非線形処理)が施される場合と、受信後の信号にアナログ演算が施される場合があるが、信号のAD変換後において、デジタル演算器や計算機、又は、それに類するデバイス(FPGAやDSP等)を用いて信号に非線形演算が施されることもある。 In any of the above cases, there are a case where an analog operation (nonlinear processing) is applied to the wave itself and an analog operation is applied to the signal after reception. In some cases, the signal is subjected to a nonlinear operation using a computer or a similar device (FPGA, DSP, or the like).
本発明の一実施形態に係るイメージング装置に関し、アナログ型と称した場合には、演算が上記の如くアナログ処理によるものをいい、例えば、非線形効果を受けたアナログ信号をブラウン管ディスプレイやオシロスコープ(アナログ又はデジタル)等の表示機器によって表示し、必要に応じて写真(アナログ又はデジタル)やホログラフィ等の記憶媒体に記録される。あるいは、AD変換を通じてデジタル化されて、必要に応じてメモリ、ハードディスク、又は、CD−RW等のデジタルデータ記憶媒体に記録され、表示機器を用いて表示が行われることもある。 When the imaging apparatus according to an embodiment of the present invention is referred to as an analog type, the calculation is performed by analog processing as described above. It is displayed by a display device such as digital) and recorded on a storage medium such as a photograph (analog or digital) or holography as necessary. Alternatively, it may be digitized through AD conversion, recorded in a digital data storage medium such as a memory, a hard disk, or a CD-RW as necessary, and displayed using a display device.
一方、デジタル型と称した場合には、適切なアナログ処理(ゲイン調整やフィルタリング)後にアナログ信号がAD変換され、信号が記録媒体であるメモリやハードディスク等に蓄えられる場合を含み、デジタル非線形演算処理が施され、必要に応じてデータ記憶装置(上記の写真やデジタル記録媒体等)にデータが格納され、表示装置に表示される。 On the other hand, when referred to as a digital type, the digital nonlinear arithmetic processing includes the case where the analog signal is AD converted after appropriate analog processing (gain adjustment or filtering) and the signal is stored in a memory or a hard disk as a recording medium. As necessary, data is stored in a data storage device (the above-mentioned photograph or digital recording medium) and displayed on a display device.
上記の構成において、計測対象物内の非線形現象が受信信号に含まれることがあり、その場合には、上記のアナログ装置又はデジタル装置を用いて、その効果を増強することもできるが、非線形成分を含まない受信信号においては、新たに非線形効果を生成したり、非線形効果を模擬したり、又は、仮想的に実現することが可能である。また、計測対象内において生じた非線形効果(高調波成分)と、信号源において生成された非線形成分(高調波成分)と、非線形演算の効果を分離することが行われることがある。例外的に、非線形演算を施さない場合を含み、前2者の非線形効果(非線形成分)を分離するべく、上記のデバイスや信号処理が使用されることもある。 In the above configuration, a nonlinear phenomenon in the measurement object may be included in the received signal. In this case, the effect can be enhanced by using the analog device or the digital device, but the nonlinear component In a received signal that does not include, it is possible to newly generate a nonlinear effect, simulate a nonlinear effect, or virtually realize it. Further, the nonlinear effect (harmonic component) generated in the measurement target, the nonlinear component (harmonic component) generated in the signal source, and the effect of the nonlinear calculation may be separated. In exceptional cases, including the case where non-linear operation is not performed, the above-described devices and signal processing may be used to separate the former two non-linear effects (non-linear components).
なお、イメージング装置に関する上記の説明においては、観測する波動に対する変換器(トランスデューサ)を使用する場合について述べたが、例えば、振動波の伝搬は、レーザードプラや光学画像処理に基づいて光学的に観測することもできるし、ヒト組織において周波数の低い振動波として支配的になるずり波の伝搬は、同じく振動波である超音波のドプラ効果を用いて観測することができる。 In the above description regarding the imaging apparatus, the case where a transducer (transducer) for the wave to be observed is used has been described. The propagation of shear waves that dominate as vibration waves having a low frequency in human tissues can be observed using the Doppler effect of ultrasonic waves that are also vibration waves.
また、可聴音波や超音波等の音の伝搬を光学的に捉えることも可能である。光学的処理は、一般的にいう電磁波を処理するものであり、X線等の放射線も含まれる。超音波を用いて可聴音波を観測することもある。熱波に関しては、輻射に基づく赤外線カメラ、マイクロ波やテラヘルツ波や超音波の音速変化や対象の体積変化、核磁気共鳴のケミカルシフト、又は、光ファイバーを使用する等によって観測することもできる。これは、コヒーレント信号処理、又は、画像処理等のインコヒーレント処理による。他の波動を使用して関心のある波動の挙動を観測できる事例は、それらに限られず、いずれにしても計測結果はアナログ信号又はデジタル信号となる。従って、本発明は、それらの観測された波動(信号)に対しても実施することができる。ドプラ効果の他、観測対象の波動により媒体の物性が変調されて、センシングに使用する波動が変調されると解釈されることもある。これらにおいて、ドプラ効果や変調を受けた波動を検波する処理は有用である。特に、電磁波は偏波を応用して容易に様々な方向に伝搬する波動を観測することができると共に、容易に様々な方向に持つ構造を捉えることができる。一方、音波も発散(ダイバージェンス)を基礎として、本願明細書に記載の如く、様々な計測を可能とする。輻射計測も重要である。マイクロ波を用いて、温度分布計測の他に、様々なリモートセンシングが行われるが、例えば、散乱や減衰を測り、雨滴や水分、気圧等の分布が測られている。この様な場合にも、本願明細書に記載のビームフォーミングを始めとする様々な処理により高い空間分解能が得られることは有効であり、特に、所望する位置を高速に観測できる効果が得られる。イメージを生成した後の画像処理に依らずに、任意の面や領域、そして、空間を、直接的に、高速に、観測できる効果が得られる。 It is also possible to optically capture the propagation of sound such as audible sound waves and ultrasonic waves. The optical treatment is a treatment of electromagnetic waves in general and includes radiation such as X-rays. Sometimes audible sound waves are observed using ultrasonic waves. The heat wave can also be observed by using an infrared camera based on radiation, a change in sound velocity of microwaves, terahertz waves and ultrasonic waves, a change in volume of the object, a chemical shift of nuclear magnetic resonance, or using an optical fiber. This is due to incoherent processing such as coherent signal processing or image processing. The cases where the behavior of the wave of interest can be observed using other waves are not limited to those, and in any case, the measurement result is an analog signal or a digital signal. Therefore, the present invention can also be implemented for those observed waves (signals). In addition to the Doppler effect, the physical properties of the medium are modulated by the wave of the observation target, and the wave used for sensing may be interpreted as being modulated. In these, the process which detects the wave which received the Doppler effect and modulation is useful. In particular, electromagnetic waves can easily observe waves propagating in various directions by applying polarized waves, and can easily grasp structures having various directions. On the other hand, sound waves can be measured in various ways based on divergence as described herein. Radiation measurement is also important. Various remote sensing is performed using microwaves in addition to temperature distribution measurement. For example, scattering and attenuation are measured, and distributions such as raindrops, moisture, and atmospheric pressure are measured. Even in such a case, it is effective to obtain a high spatial resolution by various processes including the beam forming described in the present specification, and in particular, an effect of observing a desired position at a high speed is obtained. An effect of observing an arbitrary surface, region, and space directly and at high speed can be obtained without depending on image processing after the image is generated.
また、イメージング装置に関する上記の説明において、電磁波、音を含む振動、熱の波動、又は、それらに該当する信号の非線形演算装置について述べたが、異なる種類の物理エネルギー間の非線形効果を増強したり、非線形効果を模擬したり、又は、非線形効果を仮想的に実現すること(つまり、物理的、又は、化学的、又は、生物学的に、非線形効果を生じる場合以外に、非線形効果を生じない場合を含む)も可能であり、その場合には、使用される複数種類の波動に関するデバイスを同時に使用して波動を受信することにより、又は、同時相であれば異なる時刻において受信された信号を基礎として、本発明を実施することもできる。即ち、本発明は、複数種類の波動が同時に発生している場合と、1種類の波動が単独に発生している場合とを扱うことができる。 In the above description of the imaging device, the nonlinear arithmetic device for electromagnetic waves, vibrations including sound, thermal waves, or signals corresponding to them has been described. However, the nonlinear effect between different types of physical energy can be enhanced. , Simulate non-linear effects, or virtually realize non-linear effects (that is, do not produce non-linear effects other than to produce non-linear effects physically, chemically, or biologically) In this case, the signals received at different times can be obtained by simultaneously using the devices related to the plurality of types of waves used, or by receiving the waves at the same time. As a basis, the present invention can also be implemented. That is, the present invention can handle a case where a plurality of types of waves are generated simultaneously and a case where a single type of waves are generated independently.
また、電磁波や音を含む振動や熱の波動において、周波数が異なると各計測対象物(媒体)に依って支配的な挙動は異なり、名称が異なる(種類が異なると考えても良い)。例えば、電磁波に関しては、マイクロ波、テラヘルツ波、X線等の放射線等が存在し、振動に関しては、ヒト軟組織を対象とした場合に、メガHz帯域においてずり波は減衰の影響により波動として伝わらず、超音波が支配的であるが、100Hz等の低周波においては非圧縮性の特徴が強く、ずり波が支配的である。 In addition, in vibration and heat wave including electromagnetic waves and sound, if the frequency is different, the dominant behavior is different depending on each measurement object (medium), and the name is different (the type may be different). For example, regarding electromagnetic waves, there are radiations such as microwaves, terahertz waves, and X-rays, and regarding vibrations, shear waves are not transmitted as waves in the megahertz band due to the influence of attenuation when human soft tissue is targeted. Ultrasonic waves are dominant, but at low frequencies such as 100 Hz, the characteristics of incompressibility are strong, and shear waves are dominant.
本発明は、その様な挙動を異にする波動同士の非線形効果を増強したり、非線形効果を模擬したり、又は、仮想的に実現することも可能である。その場合には、複数種類の波動に関するデバイスを同時に使用して波動を受信したり、又は、同時相であれば異なる時刻において受信された信号を基礎として、本発明を実施することもできる。無論、それらの波動の減衰、散乱、又は、反射等の現象が分散特性を有し、受信信号のSN比を考慮して、適切に使用されなければいけないという限界がある。しかしながら、物理的に高周波成分を生成したり、捉えることのできない高周波成分を生成できることを含め、本発明の応用範囲は非常に広い。 The present invention can enhance the nonlinear effect between waves with different behaviors, simulate the nonlinear effect, or virtually realize the effect. In that case, the present invention can also be implemented on the basis of signals received at different times in the case of simultaneous reception of waves using devices related to a plurality of types of waves. Of course, there is a limit that phenomena such as attenuation, scattering, or reflection of these waves have dispersion characteristics and should be used appropriately in consideration of the S / N ratio of the received signal. However, the scope of application of the present invention is very wide, including the ability to physically generate high frequency components or to generate high frequency components that cannot be captured.
なお、計測対象物内の非線形効果を積極的に観測する場合と、本発明による非線形処理を積極的に施す場合とにおいて、両者を切り替えて使用したり、両者を同時に使用したり、積極的な演算を通じて、計測対象物内の非線形効果を解明することが行われることもある。 In addition, when actively observing the nonlinear effect in the measurement object and when performing the nonlinear processing according to the present invention, both of them can be used by switching them, or both can be used at the same time. Through computation, it is sometimes performed to elucidate nonlinear effects in a measurement object.
次に、上記のイメージング装置の構成を用いて、本発明を超音波エコー信号に適用した一実施形態について説明する。超音波伝搬過程における高調波の生成は、乗算又は冪乗によって表される。特に、和音や差音は、伝搬する方向又は周波数が異なる波同士の乗算で表され(非特許文献27を参照)、高調波は、一般的に同一周波数の波の冪乗で表される(非特許文献25を参照)。物理現象として、波の強度が大きいときに生じ易い。また、波の歪は、高強度成分に関して伝搬と共に大きくなる効果があるが、伝搬の間に、基本波に比べて減衰の影響を受け易い。一方で、強度がさほど強くない場合には、波の干渉として、重ね合わせ(和又は差)のみが強く観測され、これを応用したものに、本願発明者の開発した横方向変調法がある(非特許文献13及び30等を参照)。 Next, an embodiment in which the present invention is applied to an ultrasonic echo signal using the configuration of the imaging apparatus described above will be described. Generation of harmonics in the ultrasonic propagation process is represented by multiplication or power. In particular, chords and difference tones are represented by multiplication of waves having different propagation directions or frequencies (see Non-Patent Document 27), and harmonics are generally represented by the power of waves of the same frequency ( (See Non-Patent Document 25). It is likely to occur as a physical phenomenon when the wave intensity is high. The wave distortion has an effect of increasing with propagation with respect to the high-intensity component, but is more susceptible to attenuation during propagation than the fundamental wave during propagation. On the other hand, when the intensity is not so strong, only superposition (sum or difference) is strongly observed as wave interference, and an application of this is the lateral modulation method developed by the present inventor ( (See Non-Patent Documents 13 and 30).
図42は、横方向変調法に用いる2つの偏向ビームを2次元空間において示す図である。図42において、横軸は横方向位置yを示しており、縦軸は深さ方向位置xを示している。ここでは、代表的な例として、任意の1方向(図中における角度θの方向)にビームフォーミングした場合と、任意の1方向を軸(X軸)として横方向変調を行った場合との2つの場合について、受信ビームフォーミング後の非線形演算の効果を確認する。なお、この計算は、容易に3次元空間に拡張でき、3次元空間においても同様の効果が得られることを確認できる。以下において、「λ」は、超音波の重心周波数に対応する波長である。また、深さ方向における距離x及び横方向における距離yは、原点から送信された超音波がある点において反射されて原点に戻るまでの時間をtとして、時間t/2において超音波が伝搬する距離を表している。 FIG. 42 is a diagram showing two deflected beams used in the lateral modulation method in a two-dimensional space. In FIG. 42, the horizontal axis indicates the horizontal position y, and the vertical axis indicates the depth direction position x. Here, as a representative example, there are 2 cases where beam forming is performed in any one direction (direction of angle θ in the figure) and when lateral modulation is performed with any one direction as an axis (X axis). In one case, the effect of nonlinear calculation after reception beamforming is confirmed. This calculation can be easily extended to a three-dimensional space, and it can be confirmed that the same effect can be obtained in a three-dimensional space. In the following, “λ” is a wavelength corresponding to the centroid frequency of the ultrasonic wave. In addition, the distance x in the depth direction and the distance y in the lateral direction are t at the time until the ultrasonic wave transmitted from the origin is reflected at a certain point and returns to the origin, and the ultrasonic wave propagates at time t / 2. It represents the distance.
<0>横方向変調:角度θ1及びθ2方向の2つのビーム又は波(平面波等)の重ね合わせ(同時送受信又は各々の送受信の重ね合わせ)
2つのRFエコー信号の重ね合わせ(加算、即ち、和)は、次式によって表される。
A(x,y)cos[2π(2/λ)(xcosθ1+ysinθ1)]
+A'(x,y)cos[2π(2/λ)(xcosθ2+ysinθ2)] ・・・(0')
<0> Lateral modulation: Superposition of two beams or waves (plane waves, etc.) in the directions of angles θ 1 and θ 2 (simultaneous transmission / reception or superposition of each transmission / reception)
The superposition (addition, that is, sum) of two RF echo signals is expressed by the following equation.
A (x, y) cos [2π (2 / λ) (xcosθ 1 + ysinθ 1 )]
+ A ′ (x, y) cos [2π (2 / λ) (xcosθ 2 + ysinθ 2 )] (0 ′)
ここで、反射又は散乱が等しく、A(x,y)=A'(x,y)と仮定すると、2波の伝搬方向の中央の方向のX軸、及び、それと直交するY軸から成る座標(X,Y)において、2つのRFエコー信号の重ね合わせは、次式によって表される。
A(x,y)cos{2π(2/λ)cos[(1/2)(θ2−θ1)X]}
×cos{2π(2/λ)sin[(1/2)(θ2−θ1)Y]} ・・・(0)
このように、(X,Y)座標系において、横方向変調が実現される。2波は異なる周波数でもよい。例えば、以下の<2>や<3>において、これに非線形処理が施される。なお、3次元空間において、横方向変調する場合には、変調する方向が2方向あり、従って、少なくとも3本の交差ビームを生成する必要がある(非特許文献13及び30を参照)。
Here, assuming that reflection or scattering is equal and A (x, y) = A ′ (x, y), a coordinate consisting of the X axis in the center of the propagation direction of the two waves and the Y axis perpendicular to it. In (X, Y), the superposition of two RF echo signals is expressed by the following equation.
A (x, y) cos {2π (2 / λ) cos [(1/2) (θ 2 −θ 1 ) X]}
× cos {2π (2 / λ) sin [(1/2) (θ 2 −θ 1 ) Y]} (0)
In this way, lateral modulation is realized in the (X, Y) coordinate system. The two waves may have different frequencies. For example, in the following <2> and <3>, non-linear processing is performed. In the case of lateral modulation in a three-dimensional space, there are two directions of modulation, and therefore it is necessary to generate at least three cross beams (see Non-Patent Documents 13 and 30).
<1>θ方向の1ビーム又は1波の冪乗計算
RFエコー信号は、次式によって表される。
A(x,y)cos[2π(2/λ)(xcosθ+ysinθ)]
この場合に、例えば、その二乗は、次式(51)によって表される。
(1/2)A2(x,y)×{1+cos[2π(2・2/λ)(xcosθ+ysinθ)]} ・・・(51)
このように、第2次高調波成分が直流成分と同時に生成され、ベースバンデッド信号も同時に得られる(包絡線信号も直接的に得られる)。計算された二乗エコー信号は、帯域内の異なる周波数同士の積の効果により、基本波のスペクトルよりも帯域幅が広くなり、パルス長とビーム幅が短くなって空間分解能が高い。
<1> Calculation of Power of One Beam or One Wave in θ Direction The RF echo signal is expressed by the following equation.
A (x, y) cos [2π (2 / λ) (xcosθ + ysinθ)]
In this case, for example, the square is expressed by the following equation (51).
(1/2) A 2 (x, y) × {1 + cos [2π (2 · 2 / λ) (xcosθ + ysinθ)]} (51)
In this way, the second harmonic component is generated at the same time as the DC component, and the basebanded signal is also obtained at the same time (the envelope signal is also obtained directly). The calculated square echo signal has a wider bandwidth than the spectrum of the fundamental wave due to the effect of the product of different frequencies in the band, and the pulse length and beam width are shortened, resulting in a high spatial resolution.
さらに分かり易い例として、例えば、深さ方向xの位置におけるRFエコー信号が周波数f1とf2を有するとき、二乗の演算により、二乗エコー信号は、次式で表される。
eI(x;f1,f2)2 =eII(x;0,2f1,2f2,f1+f2,f1-f2)
このように、二乗エコー信号は、直流(周波数0)と、周波数2f1、2f2、f1+f2、f1-f2の信号成分を有することになる。
As a further easy-to-understand example, for example, when the RF echo signal at the position in the depth direction x has the frequencies f 1 and f 2 , the square echo signal is expressed by the following equation by the square calculation.
e I (x; f 1 , f 2 ) 2 = e II (x; 0,2f 1 , 2f 2 , f 1 + f 2 , f 1 -f 2 )
Thus, the square echo signal has direct current (frequency 0) and signal components of frequencies 2f 1 , 2f 2 , f 1 + f 2 , and f 1 -f 2 .
即ち、冪乗演算により生成されるそれらの信号は、波動が複数の異なる周波数の信号成分を有する場合には非線形演算を施さない場合に受信される波動に比べて其の複数の異なる周波数信号成分を有する方向に関して広帯域化されたものであり、高調波は、非線形演算を施さない場合に受信される波動に比べて、高周波化、又は、高空間分解能化、又は、低サイドローブ化、又は、高コントラスト化の少なくとも1の効果を得た信号であり、直流を含む帯域に生成された信号(ベースバンデッド信号)は高調波を略直交検波した信号であり、非線形演算を通じて得られるこれらの信号の少なくとも1つに基づいて、波動を画像化することができる。 That is, those signals generated by the power operation have a plurality of different frequency signal components compared to a wave received when the wave has a plurality of signal components having different frequencies compared to a wave received without a non-linear operation. The harmonics are widened with respect to the direction having a higher frequency, higher spatial resolution, lower side lobe, or lower than the wave received when non-linear operation is not performed. A signal that has at least one effect of increasing the contrast, and a signal (baseband signal) generated in a band including direct current is a signal obtained by substantially quadrature detection of harmonics. Waves can be imaged based on at least one.
さらに高次の冪乗の計算を行うと、n乗によって基本波のn倍の高周波数の信号成分が得られ、また、空間分解能がさらに高くなる。ベースバンデッド信号は、厳密には、その第2次高調波を直交検波したもの(通常のベースバンド信号)とは異なり、その計算結果は純粋に直流を含むが、その処理の有無に関わらず元のエコー画像に比べて高分解能な画像が簡単に得られる。なお、非線形演算により生じる直流成分は、同時に生成される高周波、低周波、高調波等の強度から求まり、ベースバンデッド信号に含まれるその直流成分は基本的には除く。時に、計算を簡略化して、ベースバンデッド信号の直流を全て除くこともある。この処理により、深さに依存した輝度調整を行うことなく、直流を含む場合に比べ、より深部までイメージングできることがある。 When higher power calculation is performed, a signal component having a high frequency n times the fundamental wave is obtained by the nth power, and the spatial resolution is further increased. Strictly speaking, the basebanded signal is different from the signal obtained by quadrature detection of the second harmonic (normal baseband signal), and the calculation result purely includes direct current, but it does not depend on the processing. High-resolution images can be easily obtained as compared with the echo images. Note that the DC component generated by the nonlinear calculation is obtained from the intensities of high frequency, low frequency, harmonics, etc. generated at the same time, and the DC component included in the baseband signal is basically excluded. Sometimes the calculation is simplified and all direct current of the basebanded signal is removed. By this processing, it may be possible to image deeper than the case of including direct current, without adjusting the luminance depending on the depth.
倍角又は分角の定理により、高調波信号や低周波信号は様々な形(正弦波や余弦波の四則演算)で表され、必要なときはデジタル・ヒルベルト(Hilbert)変換(非特許文献13を参照)を通じて計算できる。実測高調波も使用することができる。これらは、任意強度の波に対して、非線形信号を各位置で計算により求めたものであり、伝搬過程において物理的に蓄積されて減衰の影響を受ける非線形成分とは異なり、新しい高調波又は低周波イメージングを実現するものでる。 Harmonic signals and low-frequency signals are expressed in various forms (four arithmetic operations of sine waves and cosine waves) according to the double angle or dividing angle theorem, and when necessary, digital Hilbert conversion (Non-Patent Document 13) See). Measured harmonics can also be used. These are obtained by calculating a nonlinear signal at each position for a wave of arbitrary intensity. Unlike nonlinear components that are physically accumulated in the propagation process and are affected by attenuation, new harmonics or low It realizes frequency imaging.
<2>横方向変調エコー信号の冪乗計算
例えば、式(0)の二乗は、次式(52)によって表される。
A(x,y)2×cos2{2π(2/λ)cos[(1/2)(θ2−θ1)X]}
×cos2{2π(2/λ)sin[(1/2)(θ2−θ1)Y]}
=A(x,y)2×[1+cos{2π(2・2/λ)cos[(1/2)(θ2−θ1)X]}
+cos{2π(2・2/λ)sin[(1/2)(θ2−θ1)Y]}
+cos{2π(2・2/λ)cos[(1/2)(θ2−θ1)X]}
×cos{2π(2・2/λ)sin[(1/2)(θ2−θ1)Y]}] ・・・(52)
このように、直流(上記のベースバンデッド信号)と、異なる一方向には検波された第2次高調波の2つの信号と、第2次高調波の横方向変調信号とが得られる。<1>と同様に、高分解能化も行われる。ベースバンデッド信号や他の高次高調波信号も、<1>と同様に計算できる。
<2> Calculation of Power of Lateral Modulation Echo Signal For example, the square of the equation (0) is expressed by the following equation (52).
A (x, y) 2 × cos 2 {2π (2 / λ) cos [(1/2) (θ 2 −θ 1 ) X]}
× cos 2 {2π (2 / λ) sin [(1/2) (θ 2 −θ 1 ) Y]}
= A (x, y) 2 × [1 + cos {2π (2 · 2 / λ) cos [(1/2) (θ 2 −θ 1 ) X]}
+ Cos {2π (2 · 2 / λ) sin [(1/2) (θ 2 −θ 1 ) Y]}
+ Cos {2π (2 · 2 / λ) cos [(1/2) (θ 2 −θ 1 ) X]}
× cos {2π (2 · 2 / λ) sin [(1/2) (θ 2 −θ 1 ) Y]}] (52)
In this manner, a direct current (the above-described baseband signal), two signals of the second harmonic detected in different directions, and a lateral modulation signal of the second harmonic are obtained. As in <1>, high resolution is also achieved. Basebanded signals and other high-order harmonic signals can be calculated in the same manner as in <1>.
分かり易い例として、位置(x,y)における交差エコー信号が、e1((x,y);(f0,f1))、及び、e2((x,y);(f0,f2))と表され、y方向に対称であるとき、重ね合わせ信号の二乗信号は、次式によって表される。
[e1((x,y);(f0,f1))+e2((x,y);(f0,f2))]2
=e1((x,y);(f0,f1))2+2 e1((x,y);(f0,f1))e2((x,y);(f0,f2))+e2((x,y);(f0,f2))2
=e1'((x,y);(0,0),(2f0,2f1))+e12'((x,y);(2f0,0),(0,2f1),(0,2f2))
+e2'((x,y);(0,0),(2f0,2f2))
このように、重ね合わせ信号の二乗信号は、周波数(0,0)、(2f0,2f1)、(2f0,2f2)、(2f0,0)、(0,2f1)、(0,2f2)の信号成分を有することを理解することができる。
As an easy-to-understand example, the cross-echo signals at position (x, y) are e 1 ((x, y); (f 0 , f 1 )) and e 2 ((x, y); (f 0 , When expressed as f 2 )) and symmetric in the y direction, the square signal of the superposition signal is expressed by the following equation.
[e 1 ((x, y); (f 0 , f 1 )) + e 2 ((x, y); (f 0 , f 2 ))] 2
= E 1 ((x, y); (f 0 , f 1 )) 2 +2 e 1 ((x, y); (f 0 , f 1 )) e 2 ((x, y); (f 0 , f 2 )) + e 2 ((x, y); (f 0 , f 2 )) 2
= E 1 '((x, y); (0,0), (2f 0 , 2f 1 )) + e 12 ' ((x, y); (2f 0 , 0), (0,2f 1 ), (0,2f 2 ))
+ E 2 '((x, y); (0,0), (2f 0 , 2f 2 ))
Thus, the square signal of the superposition signal has the frequencies (0,0), (2f 0 , 2f 1 ), (2f 0 , 2f 2 ), (2f 0 , 0), (0,2f 1 ), ( It can be seen that it has 0,2f 2 ) signal components.
即ち、冪乗演算により生成されるそれらの信号は、線形の重ね合わせされた各々の信号(交差した波動に対応する信号)の高調波信号とベースバンデッド信号(少なくとも1方向の直流を含む帯域の信号)であり、波動が複数の異なる周波数の信号成分を有する場合には非線形演算を施さない場合に受信される波動に比べて其の複数の異なる周波数信号成分を有する方向に関して広帯域化されたものであり、高調波は、非線形演算を施さない場合に受信される対応する波動に比べて、高周波化、又は、高空間分解能化、又は、低サイドローブ化、又は、高コントラスト化の少なくとも1の効果を得た信号であり、ベースバンデッド信号は高調波を各方向又は複数方向に直交検波又は略直交検波した信号であり、それらの信号の少なくとも1つに基づいて、波動を画像化することができる。交差する波動やビームが異なる周波数を有する場合や座標軸に対して対称でない場合に同処理が施されると、多次元空間において、和音や差音が得られるが、同様に、それらはイメージングや計測に用いられる。他のパラメータが異なる状況においてもそれらは作用する。 That is, those signals generated by the power operation are the harmonic signal of each of the linearly superimposed signals (the signals corresponding to the crossed waves) and the basebanded signal (in a band including at least one direction of direct current). Signal), and when the wave has signal components of a plurality of different frequencies, the band is broadened with respect to the direction having the plurality of different frequency signal components compared to the wave received when non-linear operation is not performed. The harmonics are at least one of higher frequency, higher spatial resolution, lower side lobe, or higher contrast than the corresponding wave received when non-linear operation is not performed. The baseband signal is a signal obtained by performing quadrature detection or substantially quadrature detection of harmonics in each direction or in a plurality of directions, and at least one of these signals. Based on, it is possible to image the wave. When crossed waves and beams have different frequencies or are not symmetrical with respect to the coordinate axis, the same processing can produce chords and difference sounds in a multidimensional space. Used for. They also work in situations where other parameters are different.
3次元空間においては、横方向変調は、上記の通り、少なくとも3本の交差ビームを生成する必要があるが、この場合には、得られるベースバンデッド信号として、各ビームの高調波を同様にほぼ直交検波した信号(直流を含む近傍の信号)の他、任意の1方向のみ又は任意の2方向に直交検波された信号が得られる。即ち、対称となる軸に対し、対称な方向の周波数の極性が逆であるがため、その和が零になる。全ての波動やビームが座標軸に対して対称に生成されることもあるが、その限りではない。また、周波数や他のパラメータが異なることもある。 In the three-dimensional space, the lateral modulation needs to generate at least three crossed beams as described above. In this case, the harmonics of each beam are similarly set as the obtained baseband signal. In addition to a signal subjected to quadrature detection (a nearby signal including a direct current), a signal obtained by quadrature detection in only one arbitrary direction or two arbitrary directions is obtained. That is, the polarity of the frequency in the symmetric direction is opposite to the symmetric axis, so the sum becomes zero. All waves and beams may be generated symmetrically with respect to the coordinate axis, but this is not a limitation. Also, the frequency and other parameters may be different.
<3>横方向変調エコー信号の2波の乗算
例えば、(0')式内の2波は分離して扱えるので、その積を考えるに当たり、分かり易い式を示すために、伝搬方向が、x軸に対して対称な2方向とすると、θ1=−θ2であり、2つのRFエコー信号の乗算(積)は、次式(53)によって表される。
A(x,y)cos[2π(2/λ)(xcosθ1+ysinθ1)]
×A'(x,y)cos[2π(2/λ)(xcosθ1−ysinθ1)]
=A(x,y) A'(x,y)×{cos[2π(2・2/λ)cosθ1x]
+cos[2π(2・2/λ)sinθ1y]} ・・・・(53)
これにより、異なる一方向には検波された第2次高調波の2つの信号が得られる。これらは、式(52)においても得られた信号成分である。
<3> Multiplication of Two Waves of Lateral Modulation Echo Signal For example, since two waves in the equation (0 ′) can be handled separately, in considering the product, in order to show an easy-to-understand equation, the propagation direction is x Assuming that the two directions are symmetric with respect to the axis, θ 1 = −θ 2 , and the multiplication (product) of the two RF echo signals is expressed by the following equation (53).
A (x, y) cos [2π (2 / λ) (xcosθ 1 + ysinθ 1 )]
× A '(x, y) cos [2π (2 / λ) (xcosθ 1 −ysinθ 1 )]
= A (x, y) A '(x, y) × {cos [2π (2 · 2 / λ) cosθ 1 x]
+ Cos [2π (2 · 2 / λ) sinθ 1 y]} (53)
Thereby, two signals of the detected second harmonic are obtained in different directions. These are signal components obtained also in the equation (52).
分かり易い例として、位置(x,y)における交差エコー信号が、e1((x,y);(f0,f1))、及び、e2((x,y);(f0,f2))と表され、y方向に対称であるとき、信号の乗算は、次式によって表される。
e1((x,y);(f0,f1))×e2((x,y);(f0,f2))
=e12'((x,y);(2f0,0),(0,2f1),(0,2f2))
このように、信号の乗算は、周波数(2f0,0)、(0,2f1)、(0, 2f2)の信号成分を有することを理解することができる。
As an easy-to-understand example, the cross-echo signals at position (x, y) are e 1 ((x, y); (f 0 , f 1 )) and e 2 ((x, y); (f 0 , When expressed as f 2 )) and symmetric in the y direction, signal multiplication is expressed by the following equation:
e 1 ((x, y); (f 0 , f 1 )) × e 2 ((x, y); (f 0 , f 2 ))
= E 12 '((x, y); (2f 0 , 0), (0,2f 1 ), (0,2f 2 ))
Thus, it can be understood that signal multiplication has signal components of frequencies (2f 0 , 0), (0,2f 1 ), and (0,2f 2 ).
即ち、乗算演算により生成される信号は、線形の重ね合わせされた各々の信号(交差した波動に対応する信号)に対してベースバンデッド信号(少なくとも1方向の直流を含む帯域の信号)であり、波動が複数の異なる周波数の信号成分を有する場合には非線形演算を施さない場合に受信される波動に比べて其の複数の異なる周波数信号成分を有する方向に関して広帯域化されたものであり、ベースバンデッド信号は、非線形演算を施さない場合に受信される対応する波動に比べて、高周波化、又は、高空間分解能化、又は、低サイドローブ化、又は、高コントラスト化の少なくとも1の効果を得た高調波信号を各方向又は複数方向に直交検波した信号であり、それらの信号の少なくとも1つに基づいて、波動を画像化することができる。交差する波動やビームが異なる周波数を有する場合や座標軸に対して対称でない場合に同処理が施されると、多次元空間において、和音や差音が得られるが、同様に、それらはイメージングや計測に用いられる。他のパラメータが異なる状況においてもそれらは作用する。 That is, the signal generated by the multiplication operation is a basebanded signal (a signal in a band including a direct current in at least one direction) for each linearly superimposed signal (a signal corresponding to a crossed wave), When the wave has a plurality of signal components having different frequencies, the band is broadened in the direction having the plurality of different frequency signal components compared to the wave received when non-linear operation is not performed. The signal has at least one effect of higher frequency, higher spatial resolution, lower sidelobe, or higher contrast than the corresponding wave received when non-linear operation is not performed. A signal obtained by orthogonally detecting a harmonic signal in each direction or in a plurality of directions, and a wave can be imaged based on at least one of the signals. When crossed waves and beams have different frequencies or are not symmetrical with respect to the coordinate axis, the same processing can produce chords and difference sounds in a multidimensional space. Used for. They also work in situations where other parameters are different.
3次元空間においては、横方向変調は、上記の通り、少なくとも3本の交差ビームを生成する必要があるが、この場合には、得られるベースバンデッド信号として、任意の1方向のみ又は任意の2方向に直交検波された信号が得られる。即ち、対称となる軸に対し、対称な方向の周波数の極性が逆であるがため、その和が零になる。全ての波動やビームが座標軸に対して対称に生成されることもあるが、その限りではない。また、周波数や他のパラメータが異なることもある。 In the three-dimensional space, the lateral modulation needs to generate at least three cross beams as described above. In this case, as a baseband signal obtained, only one arbitrary direction or two arbitrary A signal orthogonally detected in the direction is obtained. That is, the polarity of the frequency in the symmetric direction is opposite to the symmetric axis, so the sum becomes zero. All waves and beams may be generated symmetrically with respect to the coordinate axis, but this is not a limitation. Also, the frequency and other parameters may be different.
なお、上記の交差ビームの様に各ビームや波動の伝搬方向やステアリング角度が異なる場合の他、別のパラメータが異なり、例えば、周波数やキャリア周波数、パルス形状、ビーム形状、各方向に見た周波数やキャリア周波数、又は、帯域幅が異なる場合もある。また、横方向変調時の、2次元の時の2つ、3次元の時の4つ(3つであることもある)の交差する波動やビームを生成する場合とは異なり、各々の次元において、より多くの波動又はビームが使用されることがある。特に、平面波や円筒波、球面波を送信した場合には高速な送受信が可能であり、それらの様に複数の波動を用いても、通常のイメージングの場合のビームフォーミングよりも高速である。また、フォーカシングビームを使用した場合も、高速フーリエ変換を用いた高速ビームフォーミングを重ね合わせされた受信信号に対して施すことを可能にしたので、特に同時に複数のビームを送信した場合を含め、同様に高速に処理が可能である(上記の如く、波数マッチングにおいて、補間近似が行われることもある)。非線形処理の安定化のために同パラメータで送受信を複数回行い、重ね合わせることも有効である(加算平均)。また、いわゆるパルス・インバージョン送信を行った場合に受信された信号に対しても、上記のそれらの同処理が可能であり、極性の異なるパルス送信時の受信信号の重ね合わせにより得られる高調波に対して同処理を施すことや、重ね合わせを行う前にそれらの同処理を行うことが可能である。これらの重ね合わせ(つまり、加算)を行ったときは、基本波の周波数の偶数倍の周波数を持つ高調波が得られるが、加算の代わりに引き算を行うと奇数倍の高調波が得られる。これらをイメージングに用いることも重要である(パルス・インバージョンの受信信号の単なる引き算だけでも主として第3次高調波が得られる)。受信時にトランスデューサの帯域や積極的にアナログやデジタルのフィルタを掛けることにより帯域制限されている信号に対し、本発明を用いて高調波信号の重ね合わせが求まった場合には、フィルタリング(アナログ又はデジタル)を行う、又は、様々な重ね合わせや基本波を交えて信号処理(アナログ又はデジタル)を行うことにより、高調波を分離できる。また、パルス・インバージョンでは無く、180°以外の位相差を持つ信号を送波することもあるが、その様な場合にも応用できる。つまり、パラメータの内の少なくとも1つが異なるビーム又は波動においても、重ね合わさった状態、又は、分離された状態、重ね合わせていない状態等において、同非線形効果を得ることもでき、有効に使用されることがある。理論又は演算を通じ、線形効果のみならず、非線形効果により生成される波動やビームを設計し(伝搬方向等の波動やビームのパラメータ)、そして、制御できることを理解できる。 In addition to the case where the propagation direction and steering angle of each beam and wave are different as in the above cross beam, other parameters are different, for example, frequency, carrier frequency, pulse shape, beam shape, frequency seen in each direction. Or the carrier frequency or bandwidth may be different. Also, in the case of transverse modulation, unlike the case of generating two or three intersecting waves or beams in the two-dimensional case (sometimes three), in each dimension. More waves or beams may be used. In particular, when a plane wave, a cylindrical wave, or a spherical wave is transmitted, high-speed transmission / reception is possible, and even when a plurality of waves are used like that, it is faster than beam forming in normal imaging. In addition, even when focusing beams are used, it is possible to apply high-speed beam forming using fast Fourier transform to the received signals that have been superimposed. (As described above, interpolation approximation may be performed in wave number matching as described above). In order to stabilize nonlinear processing, it is also effective to perform transmission / reception multiple times with the same parameters and to superimpose them (addition average). The same processing can be applied to signals received when so-called pulse inversion transmission is performed, and harmonics obtained by superposition of received signals at the time of pulse transmission with different polarities It is possible to perform the same processing on the image and perform the same processing before superposition. When these superpositions (that is, addition) are performed, a harmonic having a frequency that is an even multiple of the fundamental frequency is obtained, but when subtraction is performed instead of addition, a harmonic that is an odd multiple is obtained. It is also important to use them for imaging (a third harmonic is mainly obtained by simple subtraction of the received signal of pulse inversion). When superimposition of harmonic signals is obtained using the present invention for a signal whose bandwidth is limited by applying transducer or analog or digital filter at the time of reception, filtering (analog or digital) ), Or by performing signal processing (analog or digital) with various superpositions and fundamental waves, harmonics can be separated. Further, instead of pulse inversion, a signal having a phase difference other than 180 ° may be transmitted, but this can also be applied to such a case. In other words, even in a beam or wave having at least one of different parameters, the same non-linear effect can be obtained in an overlapped state, a separated state, a non-overlapped state, etc., and is used effectively. Sometimes. Through theory or calculation, it can be understood that waves and beams generated by nonlinear effects as well as linear effects can be designed (wave and beam parameters such as propagation direction) and controlled.
これらの非線形演算により生成される高調波信号や和音や差音、又は、倍音等は、上記の特徴を持って、エコーイメージングの画質を向上させる。通常のハーモニックイメージングにおいて生じる減衰の影響もない。本発明は、仮想的に各位置において非線形成分を生成する、物理的に生じた非線形信号を解釈するためにも有効である。また、本発明は、微弱で観測できない場合にも有効である。さらに、変位計測においては、高周波化は歓迎されるものであり、位相の回転が速くなるので、高精度計測が可能となると期待されるが、以下に示すファントム実験では、空間分解能は高くなるが、そのままで高空間分解能を計測すると、雑音が増加する傾向があった。 The harmonic signals, chords, difference tones, overtones, and the like generated by these non-linear operations have the above characteristics and improve the image quality of echo imaging. There is no attenuation effect that occurs in normal harmonic imaging. The present invention is also effective for interpreting a physically generated nonlinear signal that virtually generates a nonlinear component at each position. The present invention is also effective when it is weak and cannot be observed. Furthermore, in displacement measurement, higher frequencies are welcomed, and phase rotation is faster, which is expected to enable high-accuracy measurement. However, in the phantom experiment shown below, the spatial resolution is high. When high spatial resolution was measured as it was, there was a tendency for noise to increase.
この様な場合には、正則化(例えば、非特許文献18を参照)や上記の統計評価を通じた重み付け最小二乗法や平均処理等が有効となる。例えば、<2>及び<3>において得られる異なる一方向には検波された第2次高調波の2つの信号は、通常の一方向変位計測法を用いて各方向の変位計測に使用することができる。異なる時相間に生じた変位又は変位ベクトルを計測するべく、任意の1方向にのみキャリア周波数を持つ信号に対し、関心点の各々において、その時相間に生じた瞬時位相の変化を瞬時周波数、重心周波数、又は、公称周波数等で除して、その方向の変位を計測でき、さらには、異なる方向における計測に基づいて、変位ベクトルを合成できる。過去に、多次元自己相関法(非特許文献13を参照)に比べて計算量を要するものの、通常の1方向変位計測法を用いた変位ベクトル計測を実現するべく、横方向変調エコー信号のデジタル復調法を考案して報告した(解析信号の積と共役積を計算する:非特許文献30等を参照)。本発明によれば、各段に少ないメモリと計算量で横方向変調エコー信号を復調でき、しかも、得られる信号は高調波信号である。また、雑音は、同一のコンディションにおいて同波動を複数個取得できる場合には、受信した生信号又は受信後の非線形処理を施した後において加算平均することができるし、また、受信した生信号又は受信後の非線形処理を施した後において積分処理を施す等して、低減することは有効である。また、冪乗や乗算の代わりに、二乗ノルムや内積を計算することもでき、その場合には、その計算の際の信号長さで空間分解能が決まることになる。これらの方法は、変位計測以外のイメージング等においても有効であることがある。 In such a case, regularization (see, for example, non-patent document 18), the weighted least square method or the average processing through the above-described statistical evaluation, and the like are effective. For example, two signals of second harmonics detected in different directions obtained in <2> and <3> should be used for displacement measurement in each direction using the normal unidirectional displacement measurement method. Can do. In order to measure displacements or displacement vectors that occur between different time phases, for a signal that has a carrier frequency only in one arbitrary direction, the instantaneous phase change that occurred between the time points at each point of interest is the instantaneous frequency and centroid frequency. Alternatively, the displacement in that direction can be measured by dividing by the nominal frequency or the like, and further, the displacement vector can be synthesized based on the measurements in different directions. In the past, although it requires a calculation amount compared with the multidimensional autocorrelation method (see Non-Patent Document 13), in order to realize displacement vector measurement using a normal unidirectional displacement measurement method, digital of a lateral modulation echo signal A demodulation method was devised and reported (calculating the product and conjugate product of analytic signals: see Non-Patent Document 30 etc.). According to the present invention, a lateral modulation echo signal can be demodulated with a small amount of memory and a calculation amount in each stage, and the obtained signal is a harmonic signal. In addition, the noise can be averaged after the received raw signal or the non-linear processing after reception when a plurality of the same waves can be obtained in the same condition, and the received raw signal or It is effective to reduce by performing integration processing after performing nonlinear processing after reception. Further, a square norm or inner product can be calculated instead of the power or multiplication, and in that case, the spatial resolution is determined by the signal length at the time of the calculation. These methods may be effective in imaging other than displacement measurement.
尚、本願発明者が発明した非特許文献30に記載のデジタル復調法は、具体的には、各方向の変位成分のみで決まる位相を導出して、各方向の変位成分を求めるものであり、以下の如く、例えば、2次元変位ベクトル(dx,dy)を計測する場合において、2次元関心領域内のとある点の異なる2時相間における瞬時位相の差が、2つの交差ビーム又は波により生成される独立した2つの単一クォードラント(single quadrant)のスペクトルを用いて、複素自己相関信号exp[j(fxdx+fydy)]とexp[j(fxdx−fydy)]の位相として表されるため、それらの積や共役積を計算することにより、exp[j(2fxdx)]とexp[j(2fydy)]を得、各々の方向の瞬時位相の差2fxdxと2fydyを各方向の瞬時周波数2fxと2fyで除することにより、未知変位ベクトル(dx,dy)を得るというものである。また、3次元変位ベクトル(dx,dy,dz)を計測する場合においては、4つ又は少なくとも3つの交差ビーム又は波より得られる複素自己相関信号のexp[j(fxdx+fydy+fzdz)]、exp[j(fxdx+fydy−fzdz)]、exp[j(fxdx−fydy+fzdz)]、exp[j(fxdx−fydy−fzdz)]の4つ又はその内の少なくとも3つを用いて、同様にして容易に求めることができる。このデジタル復調法、又は、<2>、又は、<3>の非線形計算は、任意の方向に交差する任意の波動の対称軸と其れに直交する方向との各々の方向にキャリア周波数を持つ波動(1方向又は2方向に検波した波動)を生成するものであるので、それらの波動に関する障害物や遮蔽物等が存在する所を避けてその後方にてその様にして波動を交差させることにより、障害物や遮蔽物等の後方に、障害物や遮蔽物等を介しては直接には生成できない任意方向にキャリア周波数を持つ波動を生成でき、通常は困難である障害物や遮蔽物等の後方のイメージングや変位計測を実施できる。例えば、障害物や遮蔽物等を介して深さ方向及び横方向にキャリア周波数を持つ波動を生成した場合には、障害物や遮蔽物等を正面方向から透かした状況を実現したことと等価であり、また、その際には対象の任意方向への動きも計測できる。本イメージング及び変位計測は、障害物や遮蔽物等の正面方向からに限らず、任意方向から実施することが可能である。それらの場合には、少なくとも1つのミラーを用いて、反射波を生成して障害物や遮蔽物等の後方を観測することもある。例えば、障害物や遮蔽物の等の正面方向からステアリングした波動を生成し、そのステアリングした方向にてミラーで反射させて、障害物や遮蔽物の後方にて波動を交差させることもあるし、正面方向以外の方向に波動源が存在することもある。ステアリング角度とキャリア周波数は様々な組合わせで使用できるが、複素積や複素共役の効果を得る必要があることを考えると、連立方程式を解く方法はその組み合わせに関して制約されず、計算量も少ない。
尚、これらのデジタル復調法、又は、<2>、又は、<3>の非線形計算においては、各方向の瞬時周波数の2倍の周波数を生じさせるため、ナイキスト定理に基づいて予め帯域幅を広く取ってビームフォーミングしておくか、空間にてビーム数の補間を行うか、周波数領域において信号スペクトル以外のスペクトルを零詰めによる広帯域化(データ補間)を行う必要がある。つまり、折り返し現象が生じない様にすることがある。これらの処理も、一種の信号分離である。若しくは、これらのデジタル復調法、又は、<2>、又は、<3>の非線形計算において折り返しが生じる場合には、その様に帯域を広くすることなく、処理前の信号に対してナイキスト定理が満足されている状況において、それらの各々の処理を同じく施し、その場合に計算される各々の方向の瞬時位相の差が2fxdx、2fydy、2fzdzであるのに対し、各方向の瞬時周波数fx、fy、fzは元の信号において求め、それらを2倍してそれらの瞬時位相の差を除すればよい。帯域を広くする処理を要さず、計算量も少なく高速であり、メモリが少なくて済む効果がある。尚、上記の瞬時周波数の2倍の代わりに、各波動又は各ビームにおいて推定された各方向の瞬時周波数の和を用いても良い。それらの場合において、瞬時周波数の代わりに、元の信号のスペクトルの重心(重心周波数又は中心周波数)を求めて2倍の値、又は、同様に和を求めて用いていも良い。若しくは、計算して求めることなく、公称周波数や予め求められた典型値等の2倍の値を用いても良い。また、図43及び図44のスペクトル分布の模式図に示される様に、折り返し現象が生じている状況において、折り返し現象が生じている周波数座標の周波数領域を正又は負の半帯域の周波数領域に読み替え、2倍の周波数をスペクトルの重心から直接的に計算することもできる(処理前の信号に対してナイキスト定理は満足されているため、必ず計算できる)。スペクトル分布は、関心領域又はある領域内のエコー信号に関して計算されることもあるし、関心点に注目して各関心点を含む局所領域のエコー信号に関して計算されることもある。図43は、2次元の横方向変調時のデモジュレーションにより、深さ方向の帯域2A(−A〜A)の2次元スペクトルにおいて折り返し現象が生じたときに、周波数座標軸を読み替えて処理する例を示している。また、図44は、2次元の横方向変調時のデモジュレーションにより、横方向の帯域2B(−B〜B)の2次元スペクトルにおいて折り返し現象が生じたときに、周波数座標軸を読み替えて処理する例を示している。独立な解析信号の組み合わせは複数あるが、図43は、瞬時(重心)周波数が(fx,fy)と(fx,-fy)である2つの解析信号に関し、折り返し現象が深さ方向に生じた場合に、深さ方向の重心周波数を2fxと計算できる例を示している。また、図44は、瞬時(重心)周波数が(fx,fy)と(fx,-fy)である2つの解析信号に関し、折り返し現象が横方向に生じた場合に、横方向の重心周波数を2fyと計算できる例を示している。深さ方向と横方向に同時に折り返し現象を生じることもある。3次元の場合も同様に、折り返し現象が生じている周波数座標の周波数領域を正又は負の半帯域の周波数領域に読み替え、2倍の周波数をスペクトルの重心から直接的に計算すれば良い。また、同じく折り返し現象が生じている状況において、折り返し現象が生じている周波数座標の周波数領域を同様に正又は負の半帯域の周波数領域に読み替えた上で零スペクトルの半帯域の周波数領域を加えてナイキスト定理を満足する様に広帯域化し、その逆フーリエ変換によって解析信号を得ることはできる(このタイミングで、広帯域化や信号の補間を行って瞬時周波数や瞬時位相の変化を計算することもでき、予め広帯域化又は補間しておくよりは計算量を軽減できるが、広帯域化しないそれらの処理に比べると計算量は多い)。無論、これらのデジタル復調法、又は、<2>、又は、<3>の非線形計算において折り返しを生じない場合には、周波数座標を読み替えたり広帯域化せずに直接に求まる2倍又は和の瞬時周波数又は重心周波数を用いてそれらの瞬時位相の差を除すればよい。また、計算して求めることなく、公称周波数や予め求められた典型値等の2倍の値を用いても良い。周波数座標の読み替えまでの範囲では問題を生じないが、スペクトルの零詰めや補間処理により広帯域化すると、計算量が膨大に膨らむだけでなく、精度が低下することがあり、広帯域化せずに処理することは、これらの点においても、有用である。広帯域化した場合及び広帯域化しなかった場合において、必要に応じて、正則化処理されることがある。
The digital demodulation method described in Non-Patent Document 30 invented by the present inventor specifically derives a phase determined only by a displacement component in each direction and obtains a displacement component in each direction. As shown below, for example, when measuring a two-dimensional displacement vector (dx, dy), the instantaneous phase difference between two different phases in a two-dimensional region of interest is generated by two cross beams or waves. Are represented as the phases of the complex autocorrelation signals exp [j (fxdx + fydy)] and exp [j (fxdx-fydy)] using two independent single quadrant spectra Exp [j (2fxdx)] and exp [j (2fydy)] are obtained by calculating the product or conjugate product, and the instantaneous phase differences 2fxdx and 2fydy in each direction are obtained by the instantaneous frequencies 2fx and 2fy in each direction. By dividing, the unknown displacement vector (dx, dy) is obtained. When measuring a three-dimensional displacement vector (dx, dy, dz), exp [j (fxdx + fydy + fzdz)], exp [j () of complex autocorrelation signals obtained from four or at least three cross beams or waves. fxdx + fydy−fzdz)], exp [j (fxdx−fydy + fzdz)], exp [j (fxdx−fydy−fzdz)], or at least three of them can be easily obtained in the same manner. . This digital demodulation method or the non-linear calculation of <2> or <3> has a carrier frequency in each direction of the symmetry axis of an arbitrary wave crossing an arbitrary direction and the direction orthogonal thereto. Since it generates waves (waves detected in one direction or two directions), avoid the location where obstacles or shields related to those waves exist, and cross the waves in that way behind it Can generate a wave with a carrier frequency in an arbitrary direction that cannot be generated directly via an obstacle or shielding object behind the obstacle or shielding object. Imaging and displacement measurement behind can be performed. For example, when a wave having a carrier frequency in the depth direction and the lateral direction is generated via an obstacle or a shield, this is equivalent to realizing a situation where the obstacle or the shield is watermarked from the front. Yes, and in that case, the movement of the target in any direction can be measured. This imaging and displacement measurement can be performed not only from the front direction of an obstacle or a shield, but also from an arbitrary direction. In those cases, at least one mirror may be used to generate a reflected wave and observe the back of an obstacle or a shield. For example, a wave that is steered from the front direction such as an obstacle or a shield is generated, reflected by a mirror in the steered direction, and the wave may cross behind the obstacle or the shield, There may be a wave source in a direction other than the front direction. Although the steering angle and the carrier frequency can be used in various combinations, considering that it is necessary to obtain the effect of complex products and complex conjugates, the method for solving simultaneous equations is not restricted in terms of the combination and the amount of calculation is small.
In these digital demodulation methods or <2> or <3> non-linear calculation, a frequency twice as large as the instantaneous frequency in each direction is generated, so that the bandwidth is widened in advance based on the Nyquist theorem. Therefore, it is necessary to perform beam forming, perform interpolation of the number of beams in space, or perform widening (data interpolation) by zero-filling a spectrum other than the signal spectrum in the frequency domain. That is, the folding phenomenon may be prevented from occurring. These processes are also a kind of signal separation. Alternatively, when aliasing occurs in these digital demodulation methods or <2> or <3> nonlinear calculations, the Nyquist theorem can be applied to the signal before processing without widening the band. In the satisfied situation, each of these processes is performed in the same way, and the instantaneous phase difference in each direction calculated in that case is 2fxdx, 2fydy, 2fzdz, whereas the instantaneous frequency fx, fy in each direction , Fz can be found in the original signal, and they can be doubled to remove their instantaneous phase difference. There is an effect that the processing for widening the bandwidth is not required, the calculation amount is small, the speed is high, and the memory is small. Note that the sum of the instantaneous frequencies in each direction estimated for each wave or each beam may be used instead of twice the above instantaneous frequency. In those cases, instead of the instantaneous frequency, the center of gravity (the center of gravity frequency or the center frequency) of the spectrum of the original signal may be obtained and a double value or a sum may be obtained and used. Alternatively, a double value such as a nominal frequency or a typical value obtained in advance may be used without obtaining it by calculation. Further, as shown in the schematic diagrams of the spectral distributions of FIGS. 43 and 44, in the situation where the aliasing phenomenon occurs, the frequency region of the frequency coordinate where the aliasing phenomenon occurs is changed to the positive or negative half-band frequency region. It is also possible to directly calculate the double frequency from the centroid of the spectrum (because the Nyquist theorem is satisfied for the signal before processing, it can always be calculated). The spectral distribution may be calculated for the region of interest or an echo signal within a region, or may be calculated for a local region echo signal that includes each point of interest by looking at the point of interest. FIG. 43 shows an example in which the frequency coordinate axis is read and processed when a folding phenomenon occurs in the two-dimensional spectrum of the band 2A (−A to A) in the depth direction due to the demodulation during two-dimensional lateral modulation. Show. FIG. 44 shows an example in which the frequency coordinate axis is read and processed when a folding phenomenon occurs in the two-dimensional spectrum of the band 2B (−B to B) in the horizontal direction due to demodulation during two-dimensional horizontal modulation. Is shown. Although there are a plurality of combinations of independent analysis signals, FIG. 43 shows that the aliasing phenomenon occurred in the depth direction for two analysis signals whose instantaneous (center of gravity) frequencies are (fx, fy) and (fx, -fy). In this case, the center of gravity frequency in the depth direction can be calculated as 2fx. Further, FIG. 44 shows that when the aliasing phenomenon occurs in the horizontal direction with respect to two analysis signals whose instantaneous (centroid) frequencies are (fx, fy) and (fx, −fy), the horizontal center-of-gravity frequency is 2fy. An example that can be calculated is shown. A folding phenomenon may occur simultaneously in the depth direction and the lateral direction. Similarly, in the case of the three-dimensional case, the frequency region of the frequency coordinate where the aliasing phenomenon occurs may be read as a positive or negative half-band frequency region, and the double frequency may be calculated directly from the center of gravity of the spectrum. Similarly, in the situation where the aliasing phenomenon occurs, the frequency region of the frequency coordinate where the aliasing phenomenon occurs is similarly read as the positive or negative halfband frequency region, and then the half spectrum frequency region of the zero spectrum is added. The analysis signal can be obtained by the inverse Fourier transform of the broadband to satisfy the Nyquist theorem (at this timing, the change in instantaneous frequency and instantaneous phase can be calculated by widening the band and interpolating the signal. The amount of calculation can be reduced as compared with the case where the bandwidth is broadened or interpolated in advance, but the amount of computation is large compared to those processes that do not have a bandwidth). Of course, if no aliasing occurs in these digital demodulation methods or <2> or <3> non-linear calculations, the instant of double or sum that can be obtained directly without re-reading frequency coordinates or widening the bandwidth. What is necessary is just to remove | eliminate the difference of those instantaneous phases using a frequency or a gravity center frequency. Moreover, you may use a double value, such as a nominal frequency and the typical value calculated | required previously, without calculating and calculating | requiring. There is no problem in the range until the frequency coordinate is read, but if the bandwidth is widened by zeroing the spectrum or interpolation processing, not only will the amount of calculation increase enormously, but the accuracy may decrease, and processing without widening the bandwidth It is useful also in these respects. When the bandwidth is increased and when the bandwidth is not increased, regularization processing may be performed as necessary.
以上においては、超音波イメージング又は超音波計測に本発明を適用した幾つかの例を提示した。本発明によって計算されて生成された信号成分の帯域が他の信号の帯域と重なる場合には、周波数領域では両者を分離することができない。その場合には、パルス・インバージョン法又は多次元項の分離を用いるが、本願発明者は、重畳した状態のスペクトルを扱ったり、分割して処理したりすることを過去に報告している(非特許文献30を参照)。本願発明においては、スペクトルが重畳している場合を含め、波動を精度よく分離する他の方法としては、周波数空間においてそれらが分離される効果を得るべく、重畳した波動に対して非線形処理として冪乗演算を施し、広帯域化されて高調波として表された状況において、周波数空間で分離することがある。また、逆に、高周波信号を低周波化したり、広帯域信号を狭帯域化し、表示したり、扱ったりすることもある。冪乗演算による高周波化且つ広帯域化(次数が1より大きいとき)、又は、低周波化且つ狭帯域化(次数が1より小さいとき)処理を行った上で、周波数領域において、高精度に行われることがある。波動の伝搬方向は、生成された高調波のスペクトルの重心(局所における方向、即ち、空間分解能がある、又は、巨視的で空間分解能が低い、又は、無い)、若しくは、解析信号から瞬時周波数(空間分解能がある)を求めて、計算できる。実施した冪乗の次数を用いて、その他、元の波動の周波数や帯域幅等の波動のパラメータを逆算して求め、分離した状況で復元できる(分離後の信号の復元も使用した冪乗次数の逆数乗すればよく、容易である。)。その様な場合を含め、信号源位置や到来方向、信号源の強度、信号源の大きさや分布も高精度に計測できる。また、元の信号よりも高い周波数の信号を生成する場合において、計算を行うのに先行して、予め、計算可能な帯域幅を広くしておく必要がある。そのために、スペクトルの零詰めは、近似を伴わずに有効であるが(非特許文献30を参照)、時空間において直接的に補間近似に基づいてサンプリング間隔を短くすることもある。 In the above, some examples in which the present invention is applied to ultrasonic imaging or ultrasonic measurement have been presented. When the band of the signal component calculated and generated by the present invention overlaps with the band of other signals, the two cannot be separated in the frequency domain. In that case, the pulse inversion method or multi-dimensional term separation is used, but the inventor of the present application has reported in the past that the spectrum in the superimposed state is handled or divided and processed ( (Refer nonpatent literature 30). In the present invention, as another method for accurately separating the waves, including the case where the spectra are superimposed, in order to obtain the effect of separating them in the frequency space, a nonlinear process is applied to the superimposed waves. In a situation where a multiplication operation is performed and the band is widened and expressed as a harmonic, the frequency space may be separated. Conversely, a high frequency signal may be displayed at a low frequency or a wideband signal may be displayed in a narrow band. Perform high-frequency and wide-band processing (when the order is greater than 1), or low-frequency and narrow-band processing (when the order is less than 1), and perform high-precision in the frequency domain. May be. The propagation direction of the wave is the centroid of the generated harmonic spectrum (local direction, i.e., spatial resolution, or macroscopic low spatial resolution, or no), or the instantaneous frequency ( There is a spatial resolution) and can be calculated. Using the power of the power performed, other wave parameters such as the frequency and bandwidth of the original wave can be obtained by reverse calculation and restored in a separated situation (the power of the power using the restoration of the signal after separation) It is easy to raise to the reciprocal of. Including such cases, the signal source position and direction of arrival, the intensity of the signal source, and the size and distribution of the signal source can be measured with high accuracy. In addition, when a signal having a higher frequency than the original signal is generated, it is necessary to widen the bandwidth that can be calculated in advance before performing the calculation. Therefore, zero padding of the spectrum is effective without approximation (see Non-Patent Document 30), but the sampling interval may be shortened directly in space-time based on interpolation approximation.
近年、非線形伝搬を低コストでシミュレーションすることが可能となった。従って、本発明の非線形計算やその様なシミュレーション技術を未ビームフォーミング信号(平面波等)や開口面合成用エコー信号に対して施して非線形信号を生成することも可能である。また、これらを基礎として、実測された非線形信号を逆問題的アプローチに基づいて解析(逆解析)し、組織診断に応用することも可能である。 In recent years, it has become possible to simulate nonlinear propagation at low cost. Therefore, the nonlinear calculation of the present invention or such a simulation technique can be applied to an unbeamformed signal (plane wave or the like) or an aperture synthesis echo signal to generate a nonlinear signal. On the basis of these, it is also possible to analyze (inverse analysis) the actually measured nonlinear signal based on an inverse problem approach and apply it to tissue diagnosis.
例えば、超音波を対象とした場合において、生体の組織性状として、音速、体積弾性率、音響インピーダンス、反射、レーリー散乱、後方散乱、多重散乱、又は、減衰等を評価し、診断に応用されることもある。他の波動に関しても、関連する現象や物性値の逆解析が有効となる(光におけるミー散乱、放射線における散乱、又は、コンプトン散乱等)。 For example, in the case of targeting ultrasonic waves, it is applied to diagnosis by evaluating the tissue properties of a living body such as sound velocity, bulk modulus, acoustic impedance, reflection, Rayleigh scattering, backscattering, multiple scattering, or attenuation. Sometimes. For other waves, the inverse analysis of related phenomena and physical property values is effective (Mie scattering in light, scattering in radiation, Compton scattering, etc.).
また、加熱や加温による治療においては、対象の受熱特性(例えば、強力超音波の音圧に対する特性や、造影剤の効果等)や温度上昇の特性を明らかにすることが必要とされ、一般的な理解が求められる場合や現場で理解することが必要になることがあるが、その様な場合においても非線形計算を含む計算が有効になる。また、治療において、本発明による非線形効果のイメージングに基づいて、その効果を評価して応用することは有用である。その他としては、物理的に非線形効果を受けた受信信号や、分離されたベースバンデッド信号や複数の高調波に、本発明を用いて、エコーイメージングや組織変位計測を行うことも可能である。 In addition, in the treatment by heating and heating, it is necessary to clarify the heat receiving characteristics (for example, the characteristics with respect to the sound pressure of high-intensity ultrasonic waves and the effect of contrast medium) and the characteristics of temperature rise. However, even in such cases, calculations including nonlinear calculations are effective. In the treatment, it is useful to evaluate and apply the effect based on the imaging of the non-linear effect according to the present invention. As another example, echo imaging and tissue displacement measurement can be performed on a received signal that has been subjected to a physically nonlinear effect, a separated baseband signal, and a plurality of harmonics using the present invention.
本発明は、超音波の他にも、電磁波、光、放射線、力学的な振動、超音波以外の音波、及び、熱波等の任意波動のコヒーレント信号に対して乗算や冪乗等の非線形演算を施すことにより、信号の高周波化、高帯域化、又は、高コントラスト化を行うイメージング装置に関するものである。本発明によれば、高調波信号を増強したり、模擬したり、新たに生成することができる。さらに、高調波信号を仮想的に実現することもできる。 In addition to ultrasonic waves, the present invention applies non-linear operations such as multiplication and power to electromagnetic waves, light, radiation, dynamic vibration, sound waves other than ultrasonic waves, and coherent signals of arbitrary waves such as heat waves. The present invention relates to an imaging apparatus that increases the frequency, bandwidth, or contrast of a signal. According to the present invention, the harmonic signal can be enhanced, simulated, or newly generated. Furthermore, a harmonic signal can be virtually realized.
また、通常の検波処理に比べて少ない計算量で、ベースバンド帯域信号と高調波信号の任意方向の検波信号とを同時に得ることもできる。結果的に、例えば、高周波化及び広帯域化、高コントラスト化、又は、サイドローブの抑圧を達成することができ、高SN比の非線形イメージングが可能となる。また、通常の1方向の変位計測法を用いて、少ない計算量で変位ベクトルを容易に計測できる様になる。和音や差音、倍音等を生成するという観点においては、波動やビームの周波数やキャリア周波数、ステアリング方向、又は、伝搬方向等が異なる場合を含めて、高周波信号や低周波信号が得られるわけであり、これらがイメージングや計測に有効に使用されることもある。理論又は演算を通じ、線形効果のみならず、非線形効果により生成される波動やビームを設計し(伝搬方向等の波動やビームのパラメータ)、そして、それらを制御することもできる。 In addition, it is possible to simultaneously obtain a baseband signal and a detection signal in an arbitrary direction of a harmonic signal with a small amount of calculation compared to a normal detection process. As a result, for example, high frequency and wide band, high contrast, or sidelobe suppression can be achieved, and non-linear imaging with high S / N ratio becomes possible. Further, the displacement vector can be easily measured with a small amount of calculation by using a normal one-direction displacement measuring method. From the viewpoint of generating chords, difference tones, harmonics, etc., high-frequency signals and low-frequency signals can be obtained, including when the wave and beam frequencies, carrier frequency, steering direction, or propagation direction are different. They are sometimes used effectively for imaging and measurement. Through theory or calculation, it is possible to design waves and beams generated not only by linear effects but also by nonlinear effects (wave and beam parameters such as propagation directions) and control them.
一方、画像計測の分野では、コヒーレント信号に対して各種の検波(単に波形の絶対値を取るもの等を含む)を施すことによってインコヒーレントにした信号(結果表示は画像)を用いて、動きの観測が行われることもよく知られている。相互相関処理、オプティカルフロー、又は、SAD(Sum and Difference)法に準ずる方法等が使用されることがある。また、インコヒーレント信号に本発明を適用しても、広帯域化(高分解能化)することもできる。本発明により得られる上記の高分解能な検波信号も使用することができる。高帯域化を通じてデータが高密度になった状況はそれらの処理に適しており、動きの計測精度も向上する。なお、上記の方法は、コヒーレント信号に適用させることも可能であり、同広帯域化は、精度を向上させるために有効である。即ち、本発明は、任意のコヒーレント信号及びインコヒーレント信号に適用することが可能である。 On the other hand, in the field of image measurement, using a signal (result display is an image) made incoherent by applying various types of detection to the coherent signal (including those that simply take the absolute value of the waveform) It is well known that observations are made. A cross-correlation process, an optical flow, or a method according to the SAD (Sum and Difference) method may be used. Moreover, even if the present invention is applied to an incoherent signal, it is possible to increase the bandwidth (high resolution). The high-resolution detection signal obtained by the present invention can also be used. The situation where the data density is increased due to the increased bandwidth is suitable for such processing, and the motion measurement accuracy is also improved. Note that the above method can also be applied to coherent signals, and the wide band is effective for improving accuracy. That is, the present invention can be applied to arbitrary coherent signals and incoherent signals.
その他としては、本発明によれば、波動(レーザー、超音波、又は、焦点型強力超音波等)を用いて行われる任意対象の加温、加熱、冷却、冷凍、溶接、修復、医療における癌病変等の加熱、冷凍治療、又は、任意対象(眼鏡等)の洗浄等において、それらの効果を、非線形現象を通じて増強すること、高分解能にすること、また、その効果の予測(例えば、強力超音波を用いた加熱時のべき乗効果や、交差ビームを用いて効果を増強させる場合の加算だけでなく乗算の効果等)を通じてその効果を向上させることが可能となる。 In addition, according to the present invention, heating, heating, cooling, freezing, welding, repairing, cancer in medical treatment of any object performed using waves (laser, ultrasonic waves, focused intense ultrasonic waves, etc.) In heating, freezing treatment of lesions, etc., or cleaning of an arbitrary object (glasses, etc.), the effect is enhanced through a non-linear phenomenon, the resolution is increased, and the effect is predicted (for example, overpowering) The effect can be improved not only by the power effect during heating using sound waves, but also by the multiplication effect as well as the addition in the case of enhancing the effect by using cross beams.
強力超音波を用いた加熱治療等においては、組織の非線形効果により高調波を生成し、高周波であるがゆえ、その熱エネルギーとしての吸収効果が強いので、組織における発熱を簡単に理解し、予測することも可能である。同観点において、高周波信号を送波したり、広帯域信号を送波したり、高調波を送波したり、重畳ビームを生成したり、又は、交差ビームを生成したりすることは治療に有効であり、やはり、その理解と予測が容易に可能である。具体的には、音場をシミュレーションしたり、又は、受信信号を得ることのできるシステムにおいては自己相関関数を評価することを基礎にして音圧形状や点拡がり関数を推定することができ、直接的に高調波信号に関して評価することもできれば、基本波信号に対して非線形演算を施すことも有効である。他の波動に関しても同様である。 In heat treatment using intense ultrasonic waves, harmonics are generated by the non-linear effect of the tissue, and because of its high frequency, its absorption effect as thermal energy is strong, so it is easy to understand and predict heat generation in the tissue. It is also possible to do. From this point of view, transmitting high-frequency signals, transmitting broadband signals, transmitting harmonics, generating superimposed beams, or generating crossed beams are effective for treatment. Yes, it is easy to understand and predict. Specifically, in a system that can simulate a sound field or obtain a received signal, it is possible to estimate a sound pressure shape and a point spread function based on evaluating an autocorrelation function, In particular, it is possible to evaluate the harmonic signal, and it is also effective to perform a nonlinear operation on the fundamental wave signal. The same applies to other waves.
また、本発明は、物理的に非線形効果が得られない物理的条件下(例えば、計測対象に対して強度を高くできない場合や高周波ゆえに高い強度が得られない場合等)において非線形効果を得ることにも有効である。逆に、例えば、超音波エコーイメージング、変位計測、又は、治療の際に、マイクロバブル等の造影剤を使用して非線形効果を増強した条件下で本発明を実施することもできる。組織に染み渡った状態で組織を対象とすることもあるが、血管や心腔内の血液を対象とした計測やイメージングにも適している。即ち、本発明は、非線形効果を増強することもできるし、模擬したり、新たに生成することができる。さらに、本発明は、非線形効果を仮想的に実現することもできる。上記に記載した如く、非線形効果を評価することも可能である。造影剤は、加熱治療の効果を増強するために使用されることもある。他の波動に関しても同様である。 In addition, the present invention obtains a nonlinear effect under physical conditions in which a nonlinear effect cannot be physically obtained (for example, when the strength cannot be increased with respect to a measurement target or when a high strength cannot be obtained due to a high frequency). Also effective. Conversely, for example, the present invention can be implemented under conditions in which a nonlinear effect is enhanced by using a contrast agent such as microbubbles during ultrasonic echo imaging, displacement measurement, or treatment. Although the tissue may be targeted in a state where it has permeated the tissue, it is also suitable for measurement and imaging for blood in blood vessels and heart chambers. That is, the present invention can enhance the nonlinear effect, can be simulated, or can be newly generated. Furthermore, the present invention can virtually realize the nonlinear effect. As described above, it is also possible to evaluate non-linear effects. Contrast agents may be used to enhance the effects of heat treatment. The same applies to other waves.
また、単一の信号源では実現できない高周波の信号を生成する場合には、より高分解能なイメージングや高精度なドプラ計測が可能となる。通常、減衰の影響は高周波成分に強く、例えば、減衰の影響を受けやすい顕微鏡では、高い周波数で極力深部まで観測できると良い。例えば、100MHzの超音波トランスデューサを複数台使用すると、物理的にその台数倍の高い超音波を生成でき、通常のトランスデューサでは生成することのできない高周波数を実現できる。また、単純には高周波数の信号(和音)を生成できる。本発明によれば、そのような高周波数を演算によっても実現することができる。従って、本発明によれば、物理的に実現できない高周波な波動や信号も生成することができる。同様にして、低周波数のイメージングや低周波数の信号(例えば、差音)を用いた計測を実現することもできる。また、単一の信号源では物理的に実現できない低周波数の信号を生成することも可能である。これらの信号を理論的に又は演算を基礎として実現し、生成される波動を制御することもできる。 In addition, when generating a high-frequency signal that cannot be realized with a single signal source, higher-resolution imaging and high-precision Doppler measurement are possible. Usually, the influence of attenuation is strong against high-frequency components. For example, in a microscope that is susceptible to the influence of attenuation, it is desirable to observe as deep as possible at a high frequency. For example, when a plurality of 100 MHz ultrasonic transducers are used, it is possible to physically generate ultrasonic waves that are several times as high as that number, and realize high frequencies that cannot be generated by ordinary transducers. In addition, simply a high frequency signal (chord) can be generated. According to the present invention, such a high frequency can also be realized by calculation. Therefore, according to the present invention, it is possible to generate high-frequency waves and signals that cannot be physically realized. Similarly, low-frequency imaging and measurement using a low-frequency signal (for example, difference sound) can be realized. It is also possible to generate a low-frequency signal that cannot be physically realized with a single signal source. These signals can be realized theoretically or on the basis of computation to control the generated waves.
以下においては、本発明の効果を立証するために、実験データ、シミュレーション結果、及び、写真等の資料について説明する。これらは、超音波シミュレーションや寒天ファントム実験を通じ、超音波エコーイメージングや計測イメージングを行って本発明の有効性を実証するものである。本発明は、超音波エコー法以外の任意の信号(身近なものでレーザー、光波、OCT、電気、磁場信号、X線等の放射線、及び、熱波等)や異なる信号間にも応用できるものである。これは、生のコヒーレント信号又は信号処理後のインコヒーレント信号において応用される。 In the following, in order to prove the effect of the present invention, experimental data, simulation results, and materials such as photographs will be described. These demonstrate the effectiveness of the present invention by performing ultrasonic echo imaging and measurement imaging through an ultrasonic simulation and an agar phantom experiment. The present invention can be applied to any signal other than the ultrasonic echo method (familiar, laser, light wave, OCT, electricity, magnetic field signal, radiation such as X-ray, and heat wave) and between different signals. It is. This is applied in raw coherent signals or incoherent signals after signal processing.
非特許文献30に開示されている寒天ファントムの開口面合成用エコーデータ(リニアアレイ型探触子、7.5MHz)に対し、正面方向のビームフォーミングと、横方向に3.5MHzの横方向変調を行った際のそれぞれのエコー信号を用いて、上記<1>〜<3>の処理を行った。 Front-facing beamforming and lateral modulation of 3.5 MHz laterally for echo data (linear array probe, 7.5 MHz) for aperture surface synthesis of an agar phantom disclosed in Non-Patent Document 30 The processes <1> to <3> were performed using the respective echo signals when performing the above.
図45は、本発明の一実施形態によるエコー信号のスペクトルの変化を示す図である。図45において、横軸は横方向周波数[MHz]を示しており、縦軸は深さ方向周波数[MHz]を示している。図45において、(a1)及び(a2)は、ステアリング無しの場合において、オリジナルのエコー信号のスペクトル、及び、エコー信号の二乗のスペクトルをそれぞれ示している。(b1)、(b2)、及び、(b3)は、横方向変調時において、オリジナルのエコー信号のスペクトル、1方向ステアリングエコー信号の二乗のスペクトル、及び、横方向変調エコー信号の二乗のスペクトルをそれぞれ示している。(c)は、交差ステアリングビームエコー信号の積のスペクトルを示している。図45から、上記の理論で導出した各信号のスペクトルを確認することができる。いずれのエコー信号においても、二乗又は乗算の結果、第2次高調波のスペクトルが生成され、その帯域幅は元のスペクトルよりも広くなっている。 FIG. 45 is a diagram showing changes in the spectrum of an echo signal according to an embodiment of the present invention. In FIG. 45, the horizontal axis indicates the horizontal frequency [MHz], and the vertical axis indicates the depth direction frequency [MHz]. 45, (a1) and (a2) show the spectrum of the original echo signal and the spectrum of the square of the echo signal, respectively, when there is no steering. (B1), (b2), and (b3) show the spectrum of the original echo signal, the spectrum of the square of the one-way steering echo signal, and the spectrum of the square of the transverse modulation echo signal in the lateral modulation. Each is shown. (C) shows the product spectrum of the crossed steering beam echo signal. From FIG. 45, the spectrum of each signal derived by the above theory can be confirmed. In any echo signal, as a result of squaring or multiplication, a spectrum of the second harmonic is generated, and its bandwidth is wider than the original spectrum.
図46A〜図46Cは、本発明の一実施形態によるエコー信号の自己相関関数の変化を示す図である。ここで、横軸は横方向位置[mm]を示しており、縦軸は正規化された自己相関関数を示している。図46Aは、ステアリング無しの場合において、オリジナルのエコー信号の自己相関関数とエコー信号の二乗による第2次高調波の自己相関関数との比較を示している。図46Bは、横方向変調時において、オリジナルの横方向変調エコー信号の自己相関関数と横方向変調エコー信号の二乗による第2次高調波の自己相関関数との比較を示している。図46Cは、交差ビームエコー信号の積、及び、横方向変調エコー信号の二乗について、横方向成分及び深さ方向成分の自己相関関数を示している。自己相関関数に基づいて、音圧や点拡がり関数の横方向のプロファイルを評価することができる(関心領域の中央の深さ19.1mmの場合)。ここでは省略するが、この2次元エコー信号に対して、2次元の自己相関関数を求めると、音圧や点拡がり関数の2次元分布を推定でき、3次元エコーに対しては3次元自己相関関数を求めると良い。 46A to 46C are diagrams illustrating changes in an autocorrelation function of an echo signal according to an embodiment of the present invention. Here, the horizontal axis indicates the horizontal position [mm], and the vertical axis indicates the normalized autocorrelation function. FIG. 46A shows a comparison between the autocorrelation function of the original echo signal and the autocorrelation function of the second harmonic by the square of the echo signal without steering. FIG. 46B shows a comparison between the autocorrelation function of the original transverse modulation echo signal and the second harmonic autocorrelation function based on the square of the transverse modulation echo signal during lateral modulation. FIG. 46C shows the autocorrelation function of the transverse component and the depth component for the product of the cross beam echo signal and the square of the transverse modulation echo signal. Based on the autocorrelation function, the lateral profile of the sound pressure and the point spread function can be evaluated (in the case of a center depth of interest of 19.1 mm). Although omitted here, if a two-dimensional autocorrelation function is obtained for this two-dimensional echo signal, a two-dimensional distribution of sound pressure and point spread function can be estimated, and a three-dimensional autocorrelation for a three-dimensional echo. Find the function.
図47〜図49は、本発明の一実施形態によるBモードエコー画像の変化を示す図である。これらのエコー画像の深さは10.0mm〜28.1mm、であり、横幅は20.7mmである。寒天ファントムにおいては、ずり弾性率が周囲に比べて約3.29倍高い円柱状(直径10mm)のつめものが、深さ19mmを中心として存在する。 47 to 49 are diagrams showing changes in the B-mode echo image according to the embodiment of the present invention. The depth of these echo images is 10.0 mm to 28.1 mm, and the lateral width is 20.7 mm. In the agar phantom, there is a claw having a columnar shape (diameter 10 mm) whose shear modulus is about 3.29 times higher than that of the surrounding, centering on a depth of 19 mm.
図47〜図49において、(a1)、(a2)、及び、(a3)は、ステアリング無しの場合において、オリジナルのエコー信号に基づくエコー画像、ベースバンデッド信号に基づくエコー画像、及び、エコー信号の二乗による第2次高調波に基づくエコー画像をそれぞれ示している。左右に2つの画像がある場合に、左側の画像は包絡線検波によるものであり、右側の画像は二乗検波によるものである。 47 to 49, (a1), (a2), and (a3) are the echo image based on the original echo signal, the echo image based on the basebanded signal, and the echo signal in the case without steering. The echo images based on the second harmonic by the square are respectively shown. When there are two images on the left and right, the left image is based on envelope detection, and the right image is based on square detection.
(b1)、(b2)、(b3)、(b4)、及び、(b5)は、横方向変調時において、オリジナルの横方向変調エコー信号に基づくエコー画像、ベースバンデッド信号に基づくエコー画像、横方向変調エコー信号の二乗による第2次高調波に基づくエコー画像、横方向変調エコー信号の二乗による第2次高調波の横方向成分に基づくエコー画像、及び、横方向変調エコー信号の二乗による第2次高調波の深さ方向成分に基づくエコー画像をそれぞれ示している。 (B1), (b2), (b3), (b4), and (b5) are an echo image based on an original laterally modulated echo signal, an echo image based on a basebanded signal, An echo image based on the second harmonic by the square of the directionally modulated echo signal, an echo image based on the lateral component of the second harmonic by the square of the laterally modulated echo signal, and a second by the square of the laterally modulated echo signal Each echo image based on the depth direction component of the second harmonic is shown.
また、(c1)及び(c2)は、交差ビームエコー信号の積による第2次高調波について、横方向成分に基づくエコー画像、及び、深さ方向成分に基づくエコー画像をそれぞれ示している。複数波が存在する場合については、コヒーレント信号の重ね合わせの検波も過去に報告しているが、ここでは、各々の検波信号の重ね合わせの結果が示されている。 Further, (c1) and (c2) respectively show an echo image based on the lateral direction component and an echo image based on the depth direction component for the second harmonic due to the product of the cross beam echo signals. In the case where a plurality of waves exist, detection of superposition of coherent signals has been reported in the past, but here, the result of superposition of the respective detection signals is shown.
図45に示すスペクトルの広帯域化に対応して、図46A〜図46C及び図47〜図49から、空間分解能が高くなったことを確認することができる。ここでは、ベースバンデッドされたデータの直流を切っていない。その直流、又は、必要に応じて、深さ方向や横方向の極低周波数のスペクトルをフィルタリング等により除去すると、縦方向に走行する高又は低輝度の線(縦縞)は完全に除去できる(図示は省略する)。図46A〜図46Cからは、サイドローブが低くなったことを確認できる。これらに対応して、図47〜図49からは、コントラストが大きくなる効果も確認できる(強散乱体等に注目)。元のエコー信号において減衰の補正をしていないので、処理後の信号から得られた画像は、未補正によるコントラストが増大した結果として、元信号の画像に比べて、深い位置の信号強度が浅い位置のそれに比べて極度に低い。 It can be confirmed from FIG. 46A to FIG. 46C and FIG. 47 to FIG. 49 that the spatial resolution has increased in response to the broadening of the spectrum shown in FIG. Here, the DC of the basebanded data is not cut off. If the direct current or, if necessary, the extremely low frequency spectrum in the depth direction or the horizontal direction is removed by filtering or the like, the high or low luminance lines (vertical stripes) that run in the vertical direction can be completely removed (illustrated). Is omitted). From FIG. 46A to FIG. 46C, it can be confirmed that the side lobe is lowered. Corresponding to these, the effect of increasing the contrast can also be confirmed from FIGS. Since the original echo signal is not corrected for attenuation, the image obtained from the processed signal has a shallower signal intensity at a deeper position than the original signal image as a result of increased contrast due to the uncorrected signal. Extremely low compared to that of the position.
元信号を用いたイメージングにおいては、いわゆる波動の伝搬過程における減衰の補正はコヒーレント信号又は検波後のインコヒーレント信号に対して施されるが、本装置においては、予め元のコヒーレント信号に補正を施した上でコヒーレント信号に非線形処理が施されたり、又は、非線形処理後にコヒーレント信号又はインコヒーレント信号が補正される。補正処理そのものは、通常の補正と同様に、受信ビームフォーミングの前又は後、又は、画像化後において、主に信号強度を基礎として実施されることがある。ランバート(Lambert)の法則に従って、補正が施されることがある。 In imaging using the original signal, correction of attenuation in the so-called wave propagation process is performed on the coherent signal or the incoherent signal after detection. In this apparatus, the original coherent signal is corrected in advance. Then, the coherent signal is subjected to nonlinear processing, or the coherent signal or incoherent signal is corrected after the nonlinear processing. The correction process itself may be performed mainly on the basis of signal strength, before or after reception beamforming, or after imaging, as in normal correction. Corrections may be made according to Lambert's law.
その場合に、平均的な減衰係数が使用されることがあるが、波動又はビームのパス上の各位置における減衰係数が演算部130において信号処理又は逆解析的に算出され、補正が高精度に実施されることもある。即ち、アダプティブに、又は、自動的に行われることがある。若しくは、操作者が、生成された画像を見ながら、制御部133を介して、各深さにおいて所定の範囲で強度の調整を行うこともある。計測対象により、選択できるパターンが用意されている場合もある。 In this case, an average attenuation coefficient may be used, but the attenuation coefficient at each position on the wave or beam path is calculated by signal processing or inverse analysis in the calculation unit 130, and correction is performed with high accuracy. Sometimes implemented. That is, it may be performed adaptively or automatically. Alternatively, the operator may adjust the intensity within a predetermined range at each depth via the control unit 133 while viewing the generated image. Depending on the measurement target, a selectable pattern may be prepared.
受信器122、フィルタ/ゲイン調整部123若しくは125内の増幅器や減衰器、受信ビームフォーマ129内の増幅器や減衰器若しくはデジタル処理、又は、演算部130におけるアナログ処理若しくはデジタル処理により、ゲイン調整は行われる。送信器121において、送信されるビームや波動の強度が調整されることもある。また、作用デバイス112として、増幅器や減衰器が使用され、波動そのものの強度が調整されることもある。造影剤1aは、それらの決定に大きく影響を与えるので注意を要する。 Gain adjustment is performed by an amplifier or attenuator in the receiver 122, the filter / gain adjustment unit 123 or 125, an amplifier or attenuator or digital processing in the reception beamformer 129, or an analog processing or digital processing in the arithmetic unit 130. Is called. In the transmitter 121, the intensity of the transmitted beam or wave may be adjusted. In addition, an amplifier or an attenuator may be used as the action device 112 to adjust the intensity of the wave itself. Since the contrast agent 1a has a great influence on the determination thereof, attention is required.
上記の実験における横方向変調エコー信号の二乗計算(<2>)において、異なる一方向に検波された第2次高調波の2つの信号の内の横方向に検波されたスペクトルと第2次高調波のそれが重なったため、本願発明者が目見当でスペクトルを分割した。その結果と、横方向変調エコー信号の2波の乗算(<3>)の結果とを、自己相関関数(図46Cを参照)において比較したが、若干、高調波周波数が低くなったこと以外に違いは無かった。 In the square calculation (<2>) of the lateral modulation echo signal in the above experiment, the spectrum and the second harmonic detected in the lateral direction of the two signals of the second harmonic detected in different one directions Since the waves overlapped, the inventor divided the spectrum with a glance. The result was compared with the result of multiplication (<3>) of two waves of the laterally modulated echo signal in the autocorrelation function (see FIG. 46C), except that the harmonic frequency was slightly lowered. There was no difference.
これらの実験に加えて、多次元自己相関法を用いて、変位ベクトル計測、歪テンソル計測、及び、ずり弾性率再構成を行った。その内の結果として、ここでは、<3>において異なる一方向のみに検波された第2次高調波信号の2つを用いて各方向の変位計測を行った結果を図50に示す。 In addition to these experiments, displacement vector measurement, strain tensor measurement, and shear modulus reconstruction were performed using the multidimensional autocorrelation method. As a result, FIG. 50 shows a result of displacement measurement in each direction using two of the second harmonic signals detected in only one different direction in <3>.
図50は、本発明の一実施形態によって寒天ファントムにおいて計測された変位ベクトル、歪テンソル、及び、相対的ずり弾性率の画像を示す図である。図50の一部においては、つめものの中央において評価された平均値とばらつき(括弧内)も示されている。同横方向変調エコーデータにデジタル復調を施した結果に比べて雑音が増加する傾向があったが(横方向(y)における歪のばらつきが、3.08×10−3から9.52×10−3に増加)、空間分解能は2倍に高くなり、ずり弾性率再構成に関して正則化を施した結果では、精度が向上した(3.37から3.23に向上)。 FIG. 50 is a diagram illustrating an image of a displacement vector, a strain tensor, and a relative shear modulus measured in an agar phantom according to an embodiment of the present invention. In part of FIG. 50, the average value and the variation (in parentheses) evaluated at the center of the nail are also shown. There was a tendency for noise to increase compared to the result of digital demodulation of the laterally modulated echo data (distortion variation in the lateral direction (y) was 3.08 × 10 −3 to 9.52 × 10 9 3 ), the spatial resolution is doubled, and the result of regularizing the shear modulus reconstruction is improved (improved from 3.37 to 3.23).
尚、ここでは、結果を省略するが、段落0655に記載した通り、多くの波動やビームを生成して、重ね合わせした状況の下で非線形処理を施すことや、重ね合わせていない状況で非線形処理を施した上で重ね合わせすることがある。また、他に記載した通り、ビームフォーミングの行われていない生の受信信号(送信ビームフォーミングのみの場合や開口面合成の場合等)に対して、非線形処理が施されることがある。波動やビームフォーミングのパラメータが同一の下で生成された複数の波動又はビームが処理されることがあるが、異なるパラメータ下にて生成された波動やビームが処理されることもある。 Although the results are omitted here, as described in paragraph 0655, many waves and beams are generated and nonlinear processing is performed in a superimposed state, or nonlinear processing is performed in a non-superposed state. May be overlapped after applying. In addition, as described elsewhere, nonlinear processing may be performed on a raw reception signal that has not been subjected to beamforming (for example, only transmission beamforming or aperture surface synthesis). A plurality of waves or beams generated under the same wave and beam forming parameters may be processed, but waves or beams generated under different parameters may be processed.
高分解能化に関しては、上記の線形モデルにおける超解像が有効であり、それらの超解像をこの様な複数の波動やビームに用いることもある。即ち、重ね合わされていない個々の波動又はビームに超解像が施されて重ね合されるか、重ね合わせのされた状態で超解像が施されることもある。両者が混合して処理される場合も有る。同一のパラメータ下において重ね合わせ(加算平均)されてノイズが低減されたものが処理されることもある。オリジナルの信号(高調波である場合を含む)に対して格段に高い空間分解能を実現できる。様々な超解像を記載したが、例えば、段落0363に記載の様に、所望する点拡がり関数やエコー分布等の信号分布のスペクトルをターゲットとして逆フィルタリングする場合には、段落0390〜0415に記載の変位計測と共に記載した様に、信号そのもののイメージングのためにウィーナーフィルタを応用して重み付けすることができ、その中でも、例えば、式(A12')や式(A13')にて用いるウィーナーフィルタを基礎とする重み(最初の信号スペクトルの二乗ノルムを除いたもの)を用いた場合には、逆フィルタ
のノルムに重み付けした
を用いて処理すれば良い。上記記載の線形モデルにおける他の超解像においても、同様に、ウィーナーフィルタを応用して、雑音の増幅を抑えることが可能である。ウィーナーフィルタを用いずに、(AA1)のノルムそのものを施す場合に、信号スペクトルHp(ωx,ωy,ωz)のノルム(最大ノルムやL2ノルム、L1ノルム等)のε(<1)倍以上のスペクトルを持つ周波数のスペクトルのみの処理が行われる(他の周波数のスペクトルは零にする)こともある。これらにおいて、変則的に、(AA1)のノルムではなく、(AA1)そのものを用いることもあり、位相まで合わせることもある。その場合に、Gp(ωx,ωy,ωz)は、計測対象の位相情報を持つことが多い。
その他、これらの重み付け処理は、ブラインド・デコンボリューションにおいて実施されることもある。また、別に求められた点拡がり関数やシステム伝達関数を用いて逆フィルタリングして白色化する場合や、それら点拡がり関数やシステム伝達関数の共役や、式(AA1)の共役を掛ける場合を含め、それらをビームフォーミング前又は後(送信ビームフォーミングのみの状態や開口面合成用に収得した受信信号)において実施する場合においても、これらの重み付け処理は有用である。特に、逆フィルタリングにおいては、正則化が施されることもある。また、最尤推定(MAP有り又は無し)等に基づいて実施されることもある。
For high resolution, super-resolution in the above linear model is effective, and such super-resolution may be used for such a plurality of waves and beams. That is, individual waves or beams that are not superimposed may be super-resolved and superimposed, or super-resolution may be performed in a superposed state. In some cases, both are mixed and processed. There are cases where noise is reduced by superposition (addition averaging) under the same parameters. A remarkably high spatial resolution can be realized with respect to the original signal (including the case of a harmonic). Various super-resolutions have been described. For example, as described in paragraph 0363, in the case where inverse filtering is performed using a spectrum of a signal distribution such as a desired point spread function or echo distribution as described in paragraphs 0390-0415, As described together with the displacement measurement, the Wiener filter can be applied and weighted for imaging of the signal itself. Among them, for example, the Wiener filter used in the equations (A12 ′) and (A13 ′) is used. When using the basic weight (excluding the square norm of the first signal spectrum), the inverse filter
Weighted to the norm of
It is sufficient to process using Similarly, in other super-resolutions in the linear model described above, it is possible to suppress noise amplification by applying a Wiener filter. When the norm of (AA1) is applied without using the Wiener filter, ε (<1) times the norm (maximum norm, L 2 norm, L 1 norm, etc.) of the signal spectrum Hp (ωx, ωy, ωz) Only the spectrum of the frequency having the above spectrum may be processed (the spectrum of other frequencies is set to zero). In these, irregularly, (AA1) itself may be used instead of the norm of (AA1), and the phase may be matched. In that case, Gp (ωx, ωy, ωz) often has phase information to be measured.
In addition, these weighting processes may be performed in blind deconvolution. In addition, including the case of whitening by inverse filtering using a separately obtained point spread function or system transfer function, the case of multiplying the conjugate of the point spread function or system transfer function, or the conjugate of equation (AA1), These weighting processes are useful even when they are implemented before or after beam forming (a state in which only transmission beam forming is performed or a received signal obtained for aperture plane synthesis). In particular, regularization may be performed in inverse filtering. Further, it may be performed based on maximum likelihood estimation (with or without MAP).
この様な線形モデルの下で超解像の施された信号に対して、上記の非線形処理が施されることもある。さらに、高分解能化され、さらに、高コントラスト化も実現できる。線形モデルの下で得られた超解像の結果として、オリジナル(高調波である場合を含む、以下、同様)の信号が超解像されたもの、それらの超解像の施された信号が複数存在して重ね合せされたもの、複数のオリジナルを重ね合わせて超解像されたもの、それらが混合して処理されたもの等が処理対象となる。また、オリジナルの信号が複数個存在し、それらの各々が線形モデルの下で超解像され、各々に非線形処理が施されて重ね合わせされることもある。それらが混合して処理されることもある。 The nonlinear processing described above may be performed on a signal subjected to super-resolution under such a linear model. Furthermore, the resolution is increased, and the contrast can be increased. As a result of the super-resolution obtained under the linear model, the original (including the case where it is a harmonic, the same applies hereinafter) super-resolved signals, and those super-resolved signals are A plurality of objects that are superposed, a plurality of originals that are super-resolved, a thing that is processed by mixing them, and the like are processed. There are also cases where there are a plurality of original signals, each of which is super-resolved under a linear model and subjected to non-linear processing and superimposed. They may be mixed and processed.
また、上記の如く、非線形処理された信号に対して、線形モデルで行われる超解像が施されることもある。高分解能化されるが、コントラストは低下することがある。非線形処理により得られた超解像の結果として、オリジナル(高調波である場合を含む)の信号が超解像されたもの、それらの超解像の施された信号が複数存在して重ね合せされたもの、複数のオリジナルを重ね合わせて超解像されたもの、それらが混合して処理されたもの等が処理対象となる。また、オリジナルの信号が複数個存在し、それらの各々が非線形処理により超解像され、各々に線形モデルで行われる超解像が施されて重ね合わせされることもある。それらが混合して処理されることもある。 Further, as described above, super-resolution performed by a linear model may be performed on a non-linearly processed signal. Although the resolution is increased, the contrast may be lowered. As a result of super-resolution obtained by nonlinear processing, the original (including harmonics) signals are super-resolved, and there are multiple super-resolved signals that are superposed. What is processed, what is super-resolved by superimposing a plurality of originals, what is processed by mixing them, and the like are processed. In addition, there are a plurality of original signals, each of which is super-resolved by non-linear processing, and super-resolution performed by a linear model is performed on each of the signals to be superimposed. They may be mixed and processed.
尚、同一の関心位置において、これらの非線形処理を複数の信号(ビーム又は波動を表す信号であり、基本波に限られず、高調波であることもある)に施す場合に、開口の指向性や対象における散乱や減衰(周波数に依存する場合を含む)の影響等により、処理前の元の信号そのものの強度が異なると、その違いが強調されることがあり、特に、高次の高調波を生成すると、顕著となることがある。この違いを積極的にイメージングしたり、若しくは、スペクトル画像において定量的に確認することもある(それらの周波数特性が強調されて確認できる場合が有る)。一方で、その違いを低減してイメージングするべく、非線形処理前又は後において、信号のエネルギー又は特定の周波数のスペクトルを重み付けする処理を行い、イメージングすることがある。それらの複数の信号が重ね合わせされてイメージングされることもある。尚、信号のスペクトル又はエネルギーは、関心位置を含む局所領域において評価されることもあるし、関心領域全体で評価されることもある。無論、非線形処理を施すか否やに関わらず、線形の重ね合わせ処理の際に、同様にして重み付けされることもある。
また、伝搬過程の減衰や反射/散乱の影響により、信号強度は距離方向に弱くなるが、例えば、フォーカシング時に比べ、平面波は減衰の程度が弱い。非線形処理を施すと、次数が高いほど、その影響が強調される。従って、上記の如く、非線形処理の前又は後に、信号強度が補正されることがある(非線形処理を行わない場合も、補正されることがある)。検波の前又は後等において処理される。
尚、超解像としては、他に様々なものがあり、その内の少なくとも1つの方法が併用され、同一又は別の信号に施されて、コヒーレント加算されて、使用されることがある。上記の通り、重ね合わせされた信号に施されることもある。また、それらがインコヒーレント加算されることもあり、スペックルが低減されることもある。超解像を通じたインコヒーレント加算は、上記の通り、空間分解能が低下しない場合がある。
また、それらの超解像の各々の処理において、信号の強度やSN比、空間分解能に依存して、空間的に非一様に加算が施されることがある。即ち、各方法のパラメータが各位置のそれらに依存して可変であることがある。スペクトルを加工する場合には上記の通りであるが、例えば、非線形処理の場合には、冪乗の次数や乗算回数等である。また、コヒーレント信号やインコヒーレント信号の加算を行う場合には、加算数や重み付け値等である。無論、空間的に一様に処理することもある。
尚、非線形処理による高コントラス化の効果として、組織内の散乱体や反射体が際立って良く可視化されることがあり、冪乗の次数や乗算の回数を多くすると、信号強度(グレー画像にしたときは輝度)の高低差が顕著となる効果が得られることがある。例えば、生物組織の壊死後の石灰化を捉えることが容易になったりすることがある。その他、例えば、それらの信号強度に依存してカラーリングし、通常のグレー画像やドプラ画像、パワードプラ画像、又は、造影画像等に重畳して表示することもある。信号分布の強度が補正された上で、処理が施されることもある。例えば、関心領域内から受信した信号(検波前又は後)の強度を空間的に一様にする補正後に非線形処理を施し、散乱強度分布や複数の散乱体の散乱強度、又は、反射強度分布や複数の反射体の反射強度の高低を可視化することがある。反射体や散乱体の数をカウントすることを目的として、処理が施されることもある。フォーカスビームや開口面合成以外に、平面波や球面波、又は、円筒波を用いると、空間分解能は低く、その様な場合においても非線形処理を始めとする様々な超解像は有用であるが、特に、非線形処理を施した場合には、散乱波や反射波がその生成位置において際立って良く可視化されることがある。例えば、それらの交差波を生成した場合には、散乱波としてクロス型の波形が散乱体位置に強調されて表示される。
It should be noted that when the nonlinear processing is applied to a plurality of signals (a signal representing a beam or a wave, which is not limited to a fundamental wave but may be a harmonic) at the same position of interest, If the intensity of the original signal itself before processing differs due to the effects of scattering and attenuation (including frequency-dependent cases) in the target, the difference may be emphasized, especially high-order harmonics. When generated, it may become noticeable. This difference may be positively imaged or may be quantitatively confirmed in the spectrum image (there may be confirmed by enhancing their frequency characteristics). On the other hand, in order to reduce the difference and perform imaging, imaging may be performed by weighting the signal energy or the spectrum of a specific frequency before or after nonlinear processing. These multiple signals may be superimposed and imaged. The spectrum or energy of the signal may be evaluated in a local region including the position of interest, or may be evaluated in the entire region of interest. Needless to say, weighting may be performed in the same manner during the linear superimposition process, regardless of whether or not the nonlinear process is performed.
Further, the signal intensity is weak in the distance direction due to the attenuation of the propagation process and the influence of reflection / scattering. For example, the degree of attenuation of the plane wave is weaker than that at the time of focusing. When nonlinear processing is performed, the higher the order, the more the effect is emphasized. Therefore, as described above, the signal strength may be corrected before or after the nonlinear processing (the correction may be performed even when the nonlinear processing is not performed). It is processed before or after detection.
There are various other types of super-resolution, and at least one of them may be used in combination, applied to the same or different signals, coherently added, and used. As described above, it may be applied to the superimposed signals. In addition, they may be added incoherently, and speckle may be reduced. Incoherent addition through super-resolution may not reduce the spatial resolution as described above.
In each of these super-resolution processes, addition may be performed spatially non-uniformly depending on the signal strength, the SN ratio, and the spatial resolution. That is, the parameters of each method may be variable depending on those at each position. When the spectrum is processed, it is as described above. For example, in the case of nonlinear processing, the order of the power, the number of multiplications, and the like. In addition, when addition of a coherent signal or an incoherent signal is performed, an addition number, a weighting value, or the like is used. Of course, it may be processed spatially uniformly.
In addition, as an effect of increasing the contrast by non-linear processing, scatterers and reflectors in the tissue may be noticeably well visualized. When the power order and the number of multiplications are increased, the signal intensity (a gray image is obtained). In some cases, an effect that the difference in the level of the brightness) becomes significant is obtained. For example, it may be easier to capture calcification after necrosis of biological tissue. In addition, for example, coloring may be performed depending on the signal intensity, and the image may be superimposed and displayed on a normal gray image, Doppler image, power Doppler image, or contrast image. Processing may be performed after the intensity of the signal distribution is corrected. For example, nonlinear processing is performed after correction to make the intensity of the signal received from within the region of interest (before or after detection) spatially uniform, and the scattering intensity distribution, the scattering intensity of a plurality of scatterers, or the reflection intensity distribution The level of reflection intensity of a plurality of reflectors may be visualized. Processing may be performed for the purpose of counting the number of reflectors and scatterers. When plane waves, spherical waves, or cylindrical waves are used in addition to the focus beam and aperture synthesis, the spatial resolution is low, and even in such cases, various super-resolutions including nonlinear processing are useful. In particular, when nonlinear processing is performed, scattered waves and reflected waves may be remarkably visualized at the generation position. For example, when these cross waves are generated, a cross-shaped waveform is highlighted and displayed at the scatterer position as a scattered wave.
また、凹型開口HIFUアプリケータ(シミュレーション、周波数5MHz、開口直径12mm、焦点深さ30mm)を用いた場合(単一開口と二開口を用いた場合)の点拡がり関数の冪乗や乗算を計算した。上記の通り、この種の計算は、加熱効果の考察に効果的である。実験データを収集することにより、音圧(点拡がり関数)と高調波の音圧、受熱の関係等を定式化することが可能であり、アプリケータや放射音圧(超音波パラメータ)の設計等を通じて加熱治療の高効率化に役立てることができる。他の波動を用いた場合も同様である。 In addition, when a concave aperture HIFU applicator (simulation, frequency 5 MHz, aperture diameter 12 mm, focal depth 30 mm) is used (single aperture and two apertures are used), the power or multiplication of the point spread function is calculated. . As described above, this type of calculation is effective for considering the heating effect. By collecting experimental data, it is possible to formulate the relationship between sound pressure (point spread function), harmonic sound pressure, heat reception, etc. Design of applicator and radiation sound pressure (ultrasonic parameters), etc. Can be used to improve the efficiency of heat treatment. The same applies when other waves are used.
図51は、凹型HIFUアプリケータを用いた際の本発明の一実施形態による音圧変化を示す図である。図51において、(a1)及び(a2)は、1つの開口の使用時において、オリジナルの信号による音圧の画像、及び、二乗信号の音圧(左は直流を含み、右は高調波のみ)の画像を示している。(b1)及び(b2)は、2つの開口の使用時(交差角度は横方向に対して±5°)において、オリジナルの信号による音圧の画像、及び、乗算信号の音圧(左は直流を含み、右は高調波のみ)の画像をそれぞれ示している。画像は包絡線検波によるものであり、画像サイズは3.8×12.8mm2である。二乗と乗算の各々により得られた第2次高調波成分において、その音圧が所望の領域に集中してコントラストが高くなっていることを確認できる。この様に、基本波の強度(Intensity、即ち、電力)の評価や生成される高調波(第2次以上の高調波)の音圧分布形状を推定することができる。また、高調波により消費される電力(Intensity)も評価できる。実際に観測される高調波に関しても同様に評価できる。 FIG. 51 is a diagram showing a change in sound pressure according to an embodiment of the present invention when a concave HIFU applicator is used. 51, (a1) and (a2) are images of the sound pressure by the original signal and the sound pressure of the square signal (left includes DC, right only harmonics) when one aperture is used. The image is shown. (B1) and (b2) are images of the sound pressure of the original signal and the sound pressure of the multiplication signal (left is direct current) when two openings are used (the crossing angle is ± 5 ° with respect to the horizontal direction). , And the right shows only the harmonics). The image is obtained by envelope detection, and the image size is 3.8 × 12.8 mm 2 . It can be confirmed that in the second harmonic component obtained by each of the square and multiplication, the sound pressure is concentrated in a desired region and the contrast is high. In this way, it is possible to estimate the intensity of the fundamental wave (Intensity, ie, power) and the sound pressure distribution shape of the generated harmonics (second and higher harmonics). In addition, the power consumed by harmonics (Intensity) can also be evaluated. The same can be done for the actually observed harmonics.
以上においては、本発明の実施形態に係るイメージング装置に関し、主として、電磁波、音を含む振動、熱の波動、又は、該当する信号の非線形演算装置について述べたが、異なる種類の物理エネルギー間の非線形効果を増強したり、非線形効果を模擬したり、又は、仮想的に実現すること(つまり、物理的、又は、化学的、又は、生物学的に、非線形効果を生じる場合以外に、非線形効果を生じない場合を含む)も可能である。その場合には、使用される波動に関するデバイスを同時に使用して波動を受信したり、又は、同時相であれば異なる時刻において受信された信号を基礎として、本発明を実施することもできる。即ち、本発明は、複数の波動が同時に発生している場合と、波動が単独に発生している場合とを扱うことができる。 In the above, the imaging apparatus according to the embodiment of the present invention has been described mainly with respect to electromagnetic waves, vibrations including sound, thermal waves, or nonlinear arithmetic apparatuses for corresponding signals. Enhance the effect, simulate the non-linear effect, or virtually realize the non-linear effect (ie, unless the effect is physically, chemically, or biological) Including the case where it does not occur). In that case, the present invention can be implemented on the basis of signals received at different times if they are received simultaneously using devices related to the wave used, or if they are in the same phase. That is, the present invention can handle a case where a plurality of waves are generated simultaneously and a case where a wave is generated independently.
また、電磁波、振動、又は、熱において、周波数が異なると各計測対象物(媒体)に依って支配的な挙動は異なり、名称を異とするのは然りであるが(例えば、電磁波に関しては、マイクロ波、テラヘルツ波、X線等の放射線等、振動に関しては、例えば、ヒト軟組織を対象とした場合に、メガHz帯域においてずり波は減衰の影響により波として伝わらず超音波が支配的であるが、100Hz等の低周波においては非圧縮性の特徴が強くずり波が支配的である)、本発明は、その様な挙動を異とするもの同士の非線形効果を増強したり、非線形効果を模擬したり、又は、仮想的に実現することも可能である。 In addition, in electromagnetic waves, vibrations, or heat, if the frequency is different, the dominant behavior differs depending on each measurement object (medium), and the name is obviously different (for example, regarding electromagnetic waves) As for vibrations such as radiation such as microwaves, terahertz waves, and X-rays, for example, in the case of human soft tissue, shear waves are not transmitted as waves due to the attenuation in the megahertz band, and ultrasonic waves are dominant. However, at low frequencies such as 100 Hz, the characteristics of incompressibility are strong and shear waves are dominant), and the present invention enhances the nonlinear effect between those different in such behavior, Can be simulated or realized virtually.
その場合には、使用される波動に関するデバイスを同時に使用して波動を受信したり、又は、同時相であれば異なる時刻において受信された信号を基礎として、本発明を実施することもできる。無論、各波の伝搬速度や減衰、散乱、反射等の現象が分散特性を有し、受信信号のSN比を考慮して、適切に使用されなければいけないという限界がある。しかしながら、物理的に生成したり、又は、捉えることのできない高周波信号や低周波信号を生成できることを含め、本発明の応用範囲は非常に広い。 In that case, the present invention can be implemented on the basis of signals received at different times if they are received simultaneously using devices related to the wave used, or if they are in the same phase. Of course, there is a limit that phenomena such as propagation speed, attenuation, scattering, and reflection of each wave have dispersion characteristics and should be used appropriately in consideration of the SN ratio of the received signal. However, the scope of application of the present invention is very wide, including the ability to generate high-frequency signals and low-frequency signals that cannot be physically generated or captured.
また、非線形演算や計測対象内の非線形効果を画像化したり、又は、他計測に応用することを記載し、積極的に高調波を計測対象に伝搬させることがあることも記載したが、元の基本波をそれらにおいて積極的に併用することもある。また、優決定(over-determinedシステム)を構成することもできる。基本波も高調波と同様に処理される。 In addition, it describes that non-linear calculation and nonlinear effects in the measurement object are imaged or applied to other measurements, and that harmonics may be actively propagated to the measurement object. In some cases, the fundamental wave is actively used together. An over-determined system can also be configured. The fundamental wave is processed in the same way as the harmonics.
さらに、非線形演算を通じて得られる複数の信号の内の少なくとも1つに任意検波処理を施したり、又は、基本波を含むことのある複数の信号に任意検波処理を施した上で重ね合わせたり、又は、基本波を含むことのある複数の信号をそのままに重ね合わせたものに任意検波処理を施し、画像化又は変位等のその他の計測が行われることがある。重ね合わせに関し、前者のインコヒーレント加算(インコヒーレントコンパウンディング)はスペックルの低減に有効であり、高周波信号を生成して使用した場合には空間分解能は低下しない。通常のスペックル低減で生じることの多い低空間分解能化が問題とならない。低周波信号を生成して使用した場合には、空間分解能は低下するが有用であることがある。一方、後者のコヒーレント加算(コヒーレントコンパウンディング)は、信号の広帯域化、即ち、高空間分解能化できる。特に、高周波信号を生成して使用した場合には高周波化でき、低周波信号を生成して使用した場合には低周波化できる。結果的に、イメージングを高空間分解能化でき、また、変位やその他の計測を高精度化できる。上記の如く、複数のビームや波動を生成した場合やスペクトルの周波数分割を通じて得られる信号も非線形処理を含むこれらの処理対象に含まれる。 Further, arbitrary detection processing is performed on at least one of the plurality of signals obtained through the non-linear operation, or the plurality of signals that may include the fundamental wave are subjected to arbitrary detection processing and are superimposed, or In addition, an arbitrary detection process may be performed on a superposition of a plurality of signals that may include a fundamental wave as they are, and other measurements such as imaging or displacement may be performed. Regarding superposition, the former incoherent addition (incoherent compounding) is effective in reducing speckles, and the spatial resolution is not lowered when a high frequency signal is generated and used. Low spatial resolution often caused by normal speckle reduction is not a problem. When a low frequency signal is generated and used, it may be useful although the spatial resolution is reduced. On the other hand, the latter coherent addition (coherent compounding) can increase the bandwidth of the signal, that is, increase the spatial resolution. In particular, when a high frequency signal is generated and used, the frequency can be increased, and when a low frequency signal is generated and used, the frequency can be decreased. As a result, the imaging can have a high spatial resolution, and the displacement and other measurements can be made highly accurate. As described above, a signal obtained by generating a plurality of beams and waves or through spectrum frequency division is also included in these processing targets including nonlinear processing.
変位計測は、例えば、上記の通りに応用できる。レーダー、ソナー、その他、環境計測等など、応用範囲は計り知れない。変位の他、例えば、温度を測ることもある。直接に温度センサーを用いて温度センシングを行うこともあれば、波動伝搬特性の温度依存性を検出して、例えば、超音波を用いたときには、温度変化による音速の変化と体積変化を反映した熱歪計測を目的とした信号処理に基づいて温度分布が計測されることもある。核磁気共鳴周波数のケミカルシフトを信号処理に基づいて検出することもある。熱波が観測され、その非線形をイメージングしたり、加熱治療の高効率化に応用することも可能である。 The displacement measurement can be applied as described above, for example. The range of applications such as radar, sonar, and environmental measurement is immeasurable. In addition to displacement, for example, temperature may be measured. The temperature sensing may be performed directly using a temperature sensor, or the temperature dependence of wave propagation characteristics is detected. For example, when ultrasonic waves are used, the thermal velocity reflects changes in sound velocity and volume due to temperature changes. The temperature distribution may be measured based on signal processing for the purpose of strain measurement. The chemical shift of the nuclear magnetic resonance frequency may be detected based on signal processing. Thermal waves are observed, and it is possible to image the nonlinearity and to apply heat treatment with high efficiency.
なお、計測対象物内の非線形効果を積極的に観測する場合と、本発明による非線形処理を積極的に施した場合とにおいて、両者を切り替えて使用したり、両者を同時に使用したり、積極的な演算を通じて、計測対象物内の非線形効果を解明することが行われることもある。即ち、信号源の非線形性や造影剤、使用するアナログ又はデジタルの非線形演算を駆使することにより、計測対象内の非線形性効果を高精度に計測し、画像化することができる。 In addition, when actively observing the nonlinear effect in the measurement object and when the nonlinear processing according to the present invention is actively performed, both of them can be used by switching them, or both can be used simultaneously. In some cases, non-linear effects in the measurement object are clarified through simple calculations. That is, by using the nonlinearity of the signal source, the contrast agent, and the analog or digital nonlinear calculation to be used, the nonlinearity effect in the measurement object can be measured with high accuracy and imaged.
上記のイメージングや計測は、適切なビームフォーミングを行うことを基礎としており、適切な検波方法や組織変位計測法等も重要である。本願発明者は、過去に、特に多次元受信信号の検波方法として、直交検波や包絡線検波の他に二乗検波等、ビームフォーミング法として、交差ビームを用いた横方向変調法(非特許文献13及び30を参照)、スペクトル周波数分割法(非特許文献30を参照)、スペクトルのフィルタリングに依る波動又はビーム形状の調整、多くの交差ビームを使用する方法、及び、優決定(over-determined)システム法等、また、変位ベクトル計測法として、多次元自己相関法、多次元ドプラ法、多次元クロススペクトラム位相勾配法、及び、位相マッチング法等(非特許文献13及び30を参照)を開発しており、その他、変位や歪計測に基づいて(粘)ずり弾性率分布や熱物性分布を再構成イメージングすることもできる。元の波動や信号のみならず、複数の波動や信号の重ね合わせ、又は、非線形効果により生成された波動やビーム(疑似のものを含むことがある)に対し、スペクトル周波数分割においては疑似の波動やビームを生成することができ、スペクトルのフィルタリングにおいては波動やビームの形状を調整することができる。 The above imaging and measurement are based on performing appropriate beam forming, and an appropriate detection method and tissue displacement measurement method are also important. The inventor of the present application has used a lateral modulation method using a cross beam as a beam forming method, such as square detection as well as quadrature detection or envelope detection, in particular as a detection method of a multidimensional reception signal (Non-Patent Document 13). And 30), spectral frequency division (see Non-Patent Document 30), wave or beam shape adjustment by spectral filtering, method using many crossed beams, and over-determined system As a displacement vector measurement method, a multidimensional autocorrelation method, a multidimensional Doppler method, a multidimensional cross spectrum phase gradient method, a phase matching method, etc. (see Non-Patent Documents 13 and 30) are developed. In addition, (viscous) shear modulus distribution and thermophysical property distribution can be reconstructed and imaged based on displacement and strain measurement. In addition to the original wave and signal, multiple waves and signals are superimposed, or waves and beams generated by nonlinear effects (which may include pseudo) may be simulated in spectral frequency division. And a beam can be generated, and in the filtering of the spectrum, the wave and the shape of the beam can be adjusted.
基本波を含むことのある複数の信号を重ね合わせて得られる信号、又は、基本波を含むことのある複数の信号の内の少なくとも1つを周波数領域においてスペクトル分割やフィルタリングして得られる信号(非特許文献30を参照)、又は、これらの処理を施していない元の信号、又は、これらを併用して、優決定(over-determined)システムを構成し、上記の処理により、画像化すしたり、又は、変位等のその他の計測が行われることもある。 A signal obtained by superimposing a plurality of signals that may contain a fundamental wave, or a signal obtained by spectrally dividing or filtering at least one of a plurality of signals that may contain a fundamental wave in the frequency domain ( (See Non-Patent Document 30), or an original signal that has not been subjected to these processes, or an over-determined system using these signals in combination, and imaging can be performed by the above process. Alternatively, other measurements such as displacement may be performed.
以上述べたように、本発明は、任意波動の透過波、反射波、又は、散乱波をセンサーによって検出して得られるコヒーレント信号に対し、波動伝搬中における高強度に対する非線形反応や波が重ね合わさる際の乗算や冪乗等の非線形効果(高調波や和音、差音等の生成)を、例えば、アナログ演算又は計算機を用いたデジタル演算を施すことにより得ることにより、元の信号を用いたイメージングに比べて、高周波且つ広帯域、高コントラスト且つ高空間分解能なイメージングを実現する。高周波化ではなく低周波化されたイメージングを行うこともできる。また、同効果の下で、元の信号を用いたドプラ計測に比べ、高空間分解能且つ高精度に、変位、速度、加速度、歪、又は、歪率の計測を実現するものである。 As described above, the present invention superimposes a non-linear response or wave to high intensity during wave propagation on a coherent signal obtained by detecting a transmitted wave, reflected wave, or scattered wave of an arbitrary wave with a sensor. Imaging using the original signal by obtaining non-linear effects (generation of harmonics, chords, difference tones, etc.) such as multiplication and power, for example, by performing analog computation or digital computation using a computer, for example Compared to the above, imaging with high frequency, wide bandwidth, high contrast, and high spatial resolution is realized. It is also possible to perform imaging with lower frequency instead of higher frequency. Also, under the same effect, displacement, velocity, acceleration, distortion, or distortion rate can be measured with higher spatial resolution and higher accuracy than Doppler measurement using the original signal.
その波の重ね合わせとは、物理的に、ビームフォーミング中や、ビームフォーミングされた波、ビームフォーミングされていない波等の間において実現されるものを意味する。波の強度が弱いときは線形則で成立する重ね合わせの理が主として観測されるが、強度が強いときは重ね合わせの他に乗算や冪乗等の非線形の影響を受けた信号(即ち、高調波や和音、差音)が観測され、本発明は、この後者の現象に着目するものである。本発明は、これらの波成分や重ね合わされた波の全てに対して、それらの強度に寄らずに使用できることも特徴とする。無論、基本波と人工的に放射された、又は、伝搬中に生成された高調波成分を含む波にも適用される。伝搬中に生成される高調波の例として、例えば、超音波ハーモニック信号等が挙げられる。 The wave superposition means what is physically realized during beam forming, or between beam-formed waves and non-beam-formed waves. When the wave intensity is weak, the superposition theory established by the linear rule is mainly observed. Waves, chords, and difference sounds) are observed, and the present invention focuses on this latter phenomenon. The present invention is also characterized in that it can be used for all of these wave components and superimposed waves without depending on their strength. Of course, the present invention also applies to a wave including a harmonic component artificially radiated with a fundamental wave or generated during propagation. Examples of harmonics generated during propagation include, for example, an ultrasonic harmonic signal.
これに対し、本発明は、例えば、ビームフォーミング(アポダイゼーション、遅延処理、若しくは、加算処理からなる物理的なもの、又は、計算によるもの)により生成されたビームや、ビームフォーミングが施されていない波そのもの(平面波や開口面合成用の受信信号群等を含む)、透過波、反射波、又は、散乱波等の任意波動に関し、高強度による非線形効果と、同一方向又は異なる方向に伝搬する複数の波動(同一物理量の同一の波で方向のみ異なる、同一物理量の異なるパラメータを有する波、異なる種類の物理量の波)が重なる場合等により生じる乗算や冪乗等の非線形効果を高精度に計測したり、又は、模擬するべく、例えば、信号をトランスデューサにより検出した後に積極的にアナログ演算器やデジタル演算器を用いて信号にそれらの演算を施すものであり、広帯域化された高調波や和音、差音を得ることができる。また、物理的、又は、化学的、又は、生物学的に、非線形効果を生じる場合以外に、その効果を強調したり、非線形効果を観測できない場合や生じない場合において、非線形効果を生み出すことも可能である。また、複数の検波信号を同時に得ることができる。その他、物理作用を受けて生成されたベースバンデッド信号の応用も本発明に含まれる(受信信号からパルス・インバージョン法やフィルタリング法等により求められた高調波を除去したり、また、上記の演算や計算により推定された信号を応用する等)。 On the other hand, the present invention, for example, a beam generated by beam forming (physical or calculation based on apodization, delay processing, or addition processing), or a wave not subjected to beam forming. As for any wave such as itself (including plane wave and received signal group for aperture surface synthesis), transmitted wave, reflected wave, scattered wave, etc. Non-linear effects such as multiplication and power that occur when waves (the same wave of the same physical quantity differ only in direction, waves with different parameters of the same physical quantity, waves of different types of physical quantities) overlap, etc. can be measured with high accuracy In order to simulate, for example, after detecting a signal by a transducer, the signal is actively transmitted using an analog arithmetic unit or a digital arithmetic unit. To are those subjected to these operations, it is possible to obtain broadband and harmonic or chords, the difference tone. In addition to creating a nonlinear effect physically, chemically, or biologically, the effect may be emphasized or a nonlinear effect may be created when the nonlinear effect cannot be observed or does not occur. Is possible. In addition, a plurality of detection signals can be obtained simultaneously. In addition, the application of the basebanded signal generated by the physical action is also included in the present invention (the harmonics obtained by the pulse inversion method, the filtering method, etc. are removed from the received signal, or the above calculation is performed. And applying signals estimated by calculation).
本願発明者は、過去に、線形則に基づいて交差波(平面波等)や交差ビームを用いた横方向変調法を開示しているが(深さ方向と横方向にキャリア周波数を有する)、本発明によれば、この横方向変調においても冪乗の効果を得ることができ、また、交差波間の乗算効果を得ることもできる。また、通常は、波の強度を強くすることにより、べき乗効果や積の効果を得ることができるが、本発明によれば、その強度に寄らずに、それらの非線形効果を得ることができる。 The inventor of the present application has disclosed a transverse modulation method using a cross wave (plane wave or the like) or a cross beam based on a linear rule in the past (having carrier frequencies in the depth direction and the horizontal direction). According to the invention, a power effect can be obtained even in this lateral modulation, and a multiplication effect between cross waves can be obtained. In general, power effects and product effects can be obtained by increasing the wave intensity. However, according to the present invention, these nonlinear effects can be obtained without depending on the intensity.
また、本発明によれば、通常の直交検波や包絡線検波の代わりに少ない計算量で容易に実施できる新しい検波処理によりベースバンデッド信号を得ることができて、エコーイメージングやドプラ計測において、その効果が得られる。但し、その検波信号は、通常にいうベースバンド信号とは異なり、直流を含むので、そのまま使用されるか、あるいは、アナログ処理又はデジタル処理によって直流を除いてから使用される。その他、物理作用を受けて得られるベースバンデッド信号の応用も、本発明に含まれる。なお、演算により生成されるベースバンド帯域の信号もベースバンデッド信号と称す。 In addition, according to the present invention, a basebanded signal can be obtained by a new detection process that can be easily performed with a small amount of calculation instead of normal quadrature detection or envelope detection, and its effect in echo imaging and Doppler measurement. Is obtained. However, the detection signal is different from the baseband signal as usual, and includes direct current, so it is used as it is, or is used after removing direct current by analog processing or digital processing. In addition, the application of a baseband signal obtained by receiving a physical action is also included in the present invention. A baseband signal generated by calculation is also called a baseband signal.
例えば、医用超音波やソナーの分野では、生体内の超音波の伝搬過程における非線形現象(音圧が高い場合には、体積弾性率が高く作用するため、音速が速く、波形が歪み、伝搬過程において蓄積される)により生じるハーモニック(高調波)エコーイメージングと称して臨床応用されているが、物理的に生成されるベースバンデッド信号を応用することは開示されていない。その他の非線形現象により物理的に生成されるベースバンデッド信号を応用することも開示されていない。なお、ベースバンド信号、ベースバンデッド信号、及び、包絡線検波又は二乗検波等のなされたインコヒーレント信号も、本発明の処理対象に含まれる。 For example, in the field of medical ultrasound and sonar, nonlinear phenomena in the propagation process of ultrasound in a living body (when the sound pressure is high, the volume elastic modulus acts high, so the sound speed is fast, the waveform is distorted, and the propagation process Although it is applied clinically as harmonic (harmonic) echo imaging caused by (accumulated in), it is not disclosed to apply a physically generated baseband signal. Application of a baseband signal that is physically generated by other nonlinear phenomena is not disclosed. Note that the baseband signal, basebanded signal, and incoherent signal such as envelope detection or square detection are also included in the processing target of the present invention.
特に、ドプラ計測に関して、本願発明者は、多次元受信信号を使用することにより、波の伝搬方向の変位を計測する通常のドプラ計測とは異なり、任意方向の変位ベクトルや速度ベクトル、加速度ベクトル、歪テンソル、又は、歪率テンソルを高精度に計測することを可能にした。本発明によれば、通常の検波とは異なり、多次元受信信号から任意の1方向に検波した信号(ベースバンデッド信号)を同時に求めることができ、通常の1方向の変位計測法を用いて、少ない計算量で短時間に容易にそれらの計測を行うことも可能である。この場合においても、同時に得られる高調波や上記のベースバンデッド信号を用いたエコーイメージングが可能である。その他、サイドローブの抑圧と、高コントラスト化も可能である。温度計測が行われることも上記の通りである。 In particular, regarding the Doppler measurement, the inventor of the present application uses a multi-dimensional received signal, unlike normal Doppler measurement that measures the displacement in the wave propagation direction, the displacement vector in any direction, velocity vector, acceleration vector, The strain tensor or strain rate tensor can be measured with high accuracy. According to the present invention, unlike normal detection, a signal (basebanded signal) detected in any one direction from a multidimensional received signal can be obtained simultaneously, and using a normal one-direction displacement measurement method, It is also possible to easily measure them in a short time with a small amount of calculation. Even in this case, echo imaging using the harmonics obtained at the same time or the above baseband signal is possible. In addition, side lobe suppression and high contrast are possible. The temperature measurement is also performed as described above.
基本は、異なる単一周波数の正弦、余弦信号間の乗算を行うと和音と差音を生じること、冪乗計算を施すと信号の周波数が冪乗数だけ倍の高さになること(倍角だけでなく分角も可能)と、複数の周波数成分を有する信号(歪波)においては高周波化されるだけでなく広帯域化されることにある。これに加え、いわゆるサイドローブが抑圧される効果も得られ、コントラストが増加する。これらの効果は、特に強度の強い波動の伝搬中の効果として観測されることが多いが、本発明では、強度に寄らず、任意信号に対してアナログ又はデジタル演算処理を施して非線形効果を増強や模擬したり、又は、新たに生成するものである。仮想的に実現することもできる。空間分解能を有する場合に限らず、連続波においても、同様に、高調波や検波信号を物理的に又は人工的に得ることができる。物理的に生成されるベースバンデッド信号を本発明の下で理解できると、その応用も工学的に有用となる。例えば、変位や変位ベクトル成分の計測が可能であったりする(通常の1次元の変位計測法が使用できる)。また、観測された高調波を用いても変位や変位ベクトル成分の計測が可能であったり(上記の各種の多次元変位ベクトル計測法を使用できる)、優決定(over-determined)システムを構成することもでき、本発明の非線形処理を用いた場合と同様に、イメージング(高SN比化、高分解能化、スペックル低減等)や変位成分計測(高精度化)等に応用できる。これらの場合において、造影剤を積極的に応用して、非線形効果を増強することも有効である。 Basically, multiplication between sine and cosine signals of different single frequencies produces chords and difference sounds, and when power calculation is performed, the frequency of the signal is doubled by the power of the power (by using only the double angle) In addition, a signal having a plurality of frequency components (distorted wave) is not only high-frequency but also wideband. In addition to this, an effect of suppressing the so-called side lobe is obtained, and the contrast is increased. These effects are often observed as propagation effects of particularly strong waves, but in the present invention, the nonlinear effect is enhanced by applying analog or digital arithmetic processing to arbitrary signals regardless of the intensity. Or simulated or newly generated. It can also be realized virtually. Not only in the case of having spatial resolution, but also in continuous waves, harmonics and detection signals can be obtained physically or artificially. If a physically generated baseband signal can be understood under the present invention, its application will also be engineeringly useful. For example, displacement and displacement vector components can be measured (a normal one-dimensional displacement measurement method can be used). It is also possible to measure displacement and displacement vector components using the observed harmonics (you can use the various multidimensional displacement vector measurement methods described above), or configure an over-determined system. As in the case of using the nonlinear processing of the present invention, it can be applied to imaging (high signal-to-noise ratio, high resolution, speckle reduction, etc.), displacement component measurement (high accuracy), and the like. In these cases, it is also effective to enhance the nonlinear effect by actively applying the contrast agent.
その他、本発明は、波動(レーザー、超音波、又は、焦点型強力超音波等)を用いて行われる任意対象の加温、加熱、冷却、冷凍、溶接、修復、医療における癌病変等の加熱、冷凍治療、又は、任意対象(眼鏡など)の洗浄等において、それらの効果を、非線形現象を通じて増強することや、高分解能にすることや、また、その効果の予測(例えば、強力超音波を用いた加熱時のべき乗効果や、交差ビームを用いて効果を増強させる場合の加算による高空間分解能化だけでなく乗算の効果としての高周波化と高空間分解能化等)を通じて、その効果を向上させることが可能となる。これらにおいても、連続波が使用されることもあり、同効果が得られる。 In addition, the present invention relates to heating, heating, cooling, freezing, welding, repairing of cancerous lesions in medical treatment, etc. of any object performed using waves (laser, ultrasonic waves, focused intense ultrasonic waves, etc.) , Cryotherapy, or cleaning of an arbitrary target (glasses etc.), etc., to enhance the effect through a non-linear phenomenon, to increase the resolution, and to predict the effect (for example, using high intensity ultrasound) The effect is improved not only by the power effect during heating, but also by high frequency and high spatial resolution as the effects of multiplication as well as high spatial resolution by addition when enhancing the effect by using crossed beams) It becomes possible. In these cases, a continuous wave may be used, and the same effect can be obtained.
本発明は、物理的に非線形効果の得られない物理的条件下(例えば、計測対象に対して強度を高くできない場合や高周波ゆえに高い強度が得られない場合等)において非線形効果を得ることにも有効であるが、逆に、例えば、超音波エコーイメージング、変位計測、温度計測、又は、治療の際にマイクロバブル等の造影剤を使用して非線形効果を増強した条件下で本発明を実施することも有効である。即ち、本発明は、非線形効果を増強することもできるが、模擬したり、新たに生成したり、仮想的に実現することもできる。また、本発明は、イメージングや変位計測、治療等において、純粋に高分解能化と高精度化、高効率化を目的に実施することもできる。 The present invention is also capable of obtaining a nonlinear effect under physical conditions in which a nonlinear effect cannot be physically obtained (for example, when the strength cannot be increased with respect to a measurement target or when a high strength cannot be obtained due to high frequencies). While effective, conversely, for example, the present invention is implemented under conditions in which nonlinear effects are enhanced by using contrast agents such as microbubbles during ultrasound echo imaging, displacement measurement, temperature measurement, or treatment. It is also effective. That is, the present invention can enhance the nonlinear effect, but it can also be simulated, newly generated, or virtually realized. The present invention can also be implemented for the purpose of purely high resolution, high accuracy, and high efficiency in imaging, displacement measurement, treatment, and the like.
本発明によれば、ハーモニックイメージングと同様に、高周波化と広帯域化、高コントラスト化、又は、サイドローブを抑圧することができ、高SN比の非線形イメージングが可能となる。その他、メモリや計算を多くに必要とすることなく、アナログ検波又はデジタル検波を同時に行うことができる。 According to the present invention, similarly to harmonic imaging, it is possible to increase the frequency, increase the bandwidth, increase the contrast, or suppress side lobes, and enable nonlinear imaging with a high S / N ratio. In addition, analog detection or digital detection can be performed simultaneously without requiring a large amount of memory and calculation.
本発明の有効性は、シミュレーションや寒天ファントム実験を通じて、超音波エコーイメージングや計測イメージングを行って実証されている。本発明は、超音波エコー法以外の任意のコヒーレント信号(身近なものでは、光波、OCT、電気、磁場信号、X線等の放射線、及び、熱波等)や、異なる種類のコヒーレント信号間にも応用できるものである。アナログ処理(例えば、センサーを用いた受信信号のエネルギー検出や非線形素子を用いたエネルギー検出等)又はデジタル処理によってインコヒーレント化されたものを含む信号が、コヒーレント信号と共に処理されることもある。 The effectiveness of the present invention has been demonstrated through ultrasonic echo imaging and measurement imaging through simulations and agar phantom experiments. The present invention can be applied to any coherent signal other than the ultrasonic echo method (light wave, OCT, electricity, magnetic field signal, radiation such as X-ray, heat wave, etc.), and different types of coherent signals. Can also be applied. A signal including an incoherent signal by analog processing (for example, energy detection of a received signal using a sensor or energy detection using a non-linear element) or digital processing may be processed together with the coherent signal.
一方、画像計測の分野では、コヒーレント信号に対して各種の検波(物理現象又は通常の信号処理)を通じてインコヒーレント信号(結果表示は画像)にしたものを用いて動きの観測が行われることも良く知られている(相互相関処理やオプティカルフロー等々様々)。インコヒーレント信号に本法を用いると広帯域化(高分解能化)することもできる。本発明により得られる上記の高分解能な検波信号も使用できる。それらの動きの計測精度も向上する。即ち、本発明は、任意のコヒーレント又はインコヒーレント信号に適用される。 On the other hand, in the field of image measurement, it is often possible to observe motion using an incoherent signal (result display is an image) through various detections (physical phenomenon or normal signal processing) for the coherent signal. Known (various such as cross-correlation processing and optical flow). If this method is used for an incoherent signal, the bandwidth can be increased (high resolution). The high-resolution detection signal obtained by the present invention can also be used. The measurement accuracy of those movements is also improved. That is, the present invention applies to any coherent or incoherent signal.
上記のコヒーレント信号やインコヒーレント信号を用いたイメージングや動き等計測は、上記の例等を含めて様々な分野で行われ、非常に長い歴史があるが、本発明による非線形効果を用いて、高周波又は低周波を含む広帯域な高分解能且つ高コントラストなイメージングを行うことや、高精度に変位等を計測することは、有効且つ有用である。多次元信号処理ならではの工学的効果のあることを含めて有効である。また、治療等の上記の他の応用において、非線形効果のイメージングに基づいてその効果を評価して応用することも有効且つ有用である。 Imaging and motion measurement using the above-mentioned coherent signal and incoherent signal have been performed in various fields including the above-mentioned examples, etc., and have a very long history. Alternatively, it is effective and useful to perform wide-band high-resolution and high-contrast imaging including low frequencies and to measure displacement with high accuracy. It is effective including the engineering effects unique to multidimensional signal processing. Further, in the above-mentioned other applications such as treatment, it is also effective and useful to evaluate and apply the effect based on imaging of the non-linear effect.
イメージング装置において、乗算又は冪算を施して高調波成分とベースバンデッド信号(上記の新しい検波信号)を生成し、それらに基づいて画像信号を生成することは、有用であるが、乗算と冪算に限らずに高次の非線形処理を実施した場合においても同効果が得られる。コスト等の兼ね合いで、従来技術と選択的に採用されたり、又は、併用されることがある。 In an imaging apparatus, it is useful to generate a harmonic component and a basebanded signal (the above-mentioned new detection signal) by performing multiplication or calculation, and to generate an image signal based on them, but multiplication and calculation are used. The same effect can be obtained not only when the high-order nonlinear processing is performed. In view of cost and the like, it may be selectively adopted or used together with the prior art.
本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。電磁波や、音波(圧縮波)やずり波、表面波等を含む振動波(力学的波)、又は、熱波等の波動を対象として、反射波や透過波、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)、屈折波、表面波、衝撃波、自己発散的(self-emanating)な波動源から発生するそれらの波動、移動体から発せられる波動、又は、未知の波動源から到来する波動等の観測される波動に対し、変位(ベクトル)計測や温度計測等の適切に設定されたデジタル信号処理アルゴリズム(実装されるデジタル回路又はソフトウェアにおける)、又は、アナログ又はデジタルのハードウェアが用いられる。変位計測法に関する特許文献5〜7及び11(センシング波動の伝搬方向をも求めて高精度に対象の変位や粒子変位、媒体変位等を高精度に観測、また、波動の伝搬が観測対象である場合の詳細な高精度観測等)やその他において開示されている様々な計測法は、反射法やエコー法における実施例を中心として開示されることが多いが、透過法等、上記の様々な波動に用いることができ、また、それらに限定されるものでは無い。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and many modifications can be made within the technical idea of the present invention by those having ordinary knowledge in the technical field. Reflecting waves, transmitted waves, scattered waves (forward scattered waves or backward waves) for waves such as electromagnetic waves, vibration waves (mechanical waves) including thermal waves (compression waves), shear waves, surface waves, etc., or heat waves Scattered waves, etc.), refracted waves, surface waves, shock waves, those waves generated from self-emanating wave sources, waves emitted from moving bodies, waves coming from unknown wave sources, etc. For the observed wave, an appropriately set digital signal processing algorithm (in a mounted digital circuit or software) such as displacement (vector) measurement or temperature measurement, or analog or digital hardware is used. Patent Documents 5 to 7 and 11 relating to displacement measurement methods (determining the propagation direction of sensing waves with high accuracy and observing object displacement, particle displacement, medium displacement, etc. with high accuracy, and wave propagation is the object of observation. Various measurement methods disclosed in other cases, such as detailed high-precision observation) and others, are often disclosed centering on examples in the reflection method and the echo method. However, the present invention is not limited to these.
本発明は、本発明は、計測対象から到来する任意波動を用いてビームフォーミングを行うビームフォーミング方法、及び、そのようなビームフォーミング方法を使用する計測イメージング装置及び通信装置において利用することが可能である。 The present invention can be used in a beam forming method for performing beam forming using an arbitrary wave arriving from a measurement object, and a measurement imaging apparatus and a communication apparatus using such a beam forming method. is there.
レーダーやソナー、その他の光学系波や音波、熱波等の波動の信号の生成は、現在においては、既にデジタル装置によって生成されることが多く、また、その信号を応用することを目的に高次計算を行う処理能力を備えるのみで信号の生成と連動して応用できる。様々な装置の多次元化も図られており、本発明の重要性は増すことになる。計測対象も、固体、流体、レオロジー、無機物、有機物、生き物、環境等、計り知れず、計測範囲も広がっていくものと考えられる。今後は、装置内の各デバイスの小型化がさらに進み、また、計算応力が十二分に高いに計算機をさらに安価に組み込むこともでき、実時間性のある便利な装置が多くに実現されていくものと期待できる。また、単なる波動のイメージング装置としてだけでなく、波動を用いた計測を通じた応用の開発もさらに盛んになり、応用範囲が広範化されるものと考えられる。各種装置のデジタル化は今後にさらに進むものと見込まれ、その際には、本発明による高精度な信号を実時間で生成できる高精度且つ高速なビームフォーミングの需要が増すものと考えられる。何と言っても、処理が高速であることに加え、これまでは必要された補間近似を行う必要が全くない。但し、本発明において、更なる高速性を重視し、必要に応じて、精度が低下するものの、補間近似を伴う処理を行うこともある。通常の通信やセンサーネットワークにも有効な装置である。デジタル信号処理に基づく本発明に係るデジタルビームフォーミングの利用可能性と市場性は十二分に高い。 Generation of wave signals such as radar, sonar, other optical waves, sound waves, heat waves, etc. is often already generated by digital devices, and it is highly aimed at applying the signals. It can be applied in conjunction with signal generation only by providing processing capability for performing the next calculation. The multi-dimensionalization of various devices is also being attempted, and the importance of the present invention will increase. Measurement objects are solid, fluid, rheology, inorganic, organic, creatures, environments, etc., and the measurement range is expected to expand. In the future, miniaturization of each device in the device will further progress, and the calculation stress will be sufficiently high, and it will be possible to incorporate a computer at a lower cost, and many useful devices with real time will be realized. We can expect to go. In addition to the simple wave imaging device, the development of applications through measurement using waves will become more popular and the application range will be broadened. The digitization of various devices is expected to progress further in the future, and at that time, it is considered that the demand for high-precision and high-speed beam forming capable of generating a high-precision signal according to the present invention in real time will increase. After all, in addition to being fast, there is no need to perform the necessary interpolation approximation so far. However, in the present invention, further high speed is emphasized, and processing with interpolation approximation may be performed as necessary, although the accuracy is reduced. It is also an effective device for normal communications and sensor networks. The applicability and marketability of digital beamforming according to the present invention based on digital signal processing is much higher.
10…送信トランスデューサ(又はアプリケータ)、10a…送信開口素子、20…受信トランスデューサ(又は受信センサー)、20a…受信開口素子、30…装置本体、31…送信ユニット、31a…送信器、32…受信ユニット、32a…受信器、32b…AD変換器、32c…メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)、33…デジタル信号処理ユニット、34…制御ユニット、35…受信ユニット(又は受信装置)、35a…受信器、35b…AD変換器、35c…メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)、35d…整相加算器、35e…他データ生成部、40…入力装置、50…出力装置、60…外部記憶装置、1…計測対象、1a…造影剤、110…トランスデューサ、111…非線形デバイス、112…作用デバイス、120、120a、120b…イメージング装置本体、121…送信器、121a…送信遅延素子、122…受信器、122a…受信遅延素子、123…フィルタ/ゲイン調整部、124…非線形素子、125…フィルタ/ゲイン調整部、126…検波器、127…AD変換器、128…記憶装置、129…受信ビームフォーマ、130…演算部、131…画像信号生成部、132…計測部、133…制御部、134…表示装置、135…アナログ表示装置、140…外部記憶装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Transmission transducer (or applicator), 10a ... Transmission aperture element, 20 ... Reception transducer (or reception sensor), 20a ... Reception aperture element, 30 ... Apparatus main body, 31 ... Transmission unit, 31a ... Transmitter, 32 ... Reception Unit, 32a ... receiver, 32b ... AD converter, 32c ... memory (or storage device or storage medium), 33 ... digital signal processing unit, 34 ... control unit, 35 ... reception unit (or reception device), 35a ... reception 35b ... AD converter, 35c ... memory (or storage device or storage medium), 35d ... phasing adder, 35e ... other data generation unit, 40 ... input device, 50 ... output device, 60 ... external storage device, DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Measurement object, 1a ... Contrast agent, 110 ... Transducer, 111 ... Non-linear device, 112 ... Action device, 120, 1 DESCRIPTION OF SYMBOLS 0a, 120b ... Imaging apparatus main body, 121 ... Transmitter, 121a ... Transmission delay element, 122 ... Receiver, 122a ... Reception delay element, 123 ... Filter / gain adjustment part, 124 ... Non-linear element, 125 ... Filter / gain adjustment part , 126 ... detector, 127 ... AD converter, 128 ... storage device, 129 ... reception beamformer, 130 ... calculation unit, 131 ... image signal generation unit, 132 ... measurement unit, 133 ... control unit, 134 ... display device, 135: Analog display device, 140: External storage device
Claims (3)
前記計測対象物から到来する波動を少なくとも1つの受信開口素子によって受信して、受信信号を生成するステップ(a)と、
ステップ(a)において生成される受信信号に対してビームフォーミング処理を行って横方向変調を実施することにより、多次元受信信号を生成するステップ(b)と、
ステップ(b)において生成された多次元受信信号に対してヒルベルト変換処理を行うステップ(c)と、
を具備し、
ステップ(c)が、軸方向又は横方向に偏微分処理又は1次元フーリエ変換を施して、2次元の場合には前記2つの波動の各々の多次元受信信号の解析信号を生成し、3次元の場合には前記3つ又は4つの波動の各々の多次元受信信号の解析信号を生成することを含む、ビームフォーミング方法。 In an orthogonal coordinate system using an axial direction determined by an aperture direction of an arbitrary receiving aperture element array and at least one lateral coordinate orthogonal thereto, from at least one wave source located in an arbitrary direction toward the measurement object Waves are transmitted, and waves coming from the measurement object are processed as if they were transmitted or received by beamforming in the axial direction or a direction that is symmetric with respect to the axial direction. In the case of a lateral modulation where 3 or 4 waves are superimposed in the dimension case,
Receiving a wave coming from the measurement object by at least one receiving aperture element to generate a received signal;
(B) generating a multidimensional received signal by performing beam-forming processing on the received signal generated in step (a) and performing lateral modulation;
Performing a Hilbert transform process on the multidimensional received signal generated in step (b);
Comprising
Step (c) performs partial differential processing or one-dimensional Fourier transform in the axial direction or the horizontal direction, and in the case of two dimensions, generates an analysis signal of each of the two-dimensional received signals of the two waves. A beamforming method including generating an analysis signal of a multidimensional received signal of each of the three or four waves.
前記計測対象物から到来する波動を少なくとも1つの受信開口素子によって受信して、受信信号を生成する受信手段と、
前記受信手段によって生成される受信信号に対してビームフォーミング処理を行って横方向変調を実施することにより、多次元受信信号を生成すると共に、生成された多次元受信信号に対してヒルベルト変換処理を行う装置本体と、
を具備し、
前記装置本体が、軸方向又は横方向に偏微分処理又は1次元フーリエ変換を施して、2次元の場合には前記2つの波動の各々の多次元受信信号の解析信号を生成し、3次元の場合には前記3つ又は4つの波動の各々の多次元受信信号の解析信号を生成する、計測イメージング装置。 In an orthogonal coordinate system using an axial direction determined by an aperture direction of an arbitrary receiving aperture element array and at least one lateral coordinate orthogonal thereto, from at least one wave source located in an arbitrary direction toward the measurement object Waves are transmitted, and waves coming from the measurement object are processed as if they were transmitted or received by beamforming in the axial direction or a direction that is symmetric with respect to the axial direction. In the case of a lateral modulation where 3 or 4 waves are superimposed in the dimension case,
Receiving means for receiving a wave coming from the measurement object by at least one receiving aperture element and generating a received signal;
A beam forming process is performed on the received signal generated by the receiving unit to perform lateral modulation, thereby generating a multidimensional received signal and a Hilbert transform process on the generated multidimensional received signal. A device body to perform;
Comprising
The apparatus main body performs partial differential processing or one-dimensional Fourier transform in the axial direction or the horizontal direction, and in the case of two dimensions, generates an analysis signal of each of the two-dimensional received signals of the two waves, A measurement imaging apparatus that generates an analysis signal of a multidimensional received signal of each of the three or four waves in some cases.
前記計測対象物から到来する波動を少なくとも1つの受信開口素子によって受信して、受信信号を生成する受信手段と、
前記受信手段によって生成される受信信号に対してビームフォーミング処理を行って横方向変調を実施することにより、多次元受信信号を生成すると共に、生成された多次元受信信号に対してヒルベルト変換処理を行う装置本体と、
を具備し、
前記装置本体が、軸方向又は横方向に偏微分処理又は1次元フーリエ変換を施して、2次元の場合には前記2つの波動の各々の多次元受信信号の解析信号を生成し、3次元の場合には前記3つ又は4つの波動の各々の多次元受信信号の解析信号を生成する、通信装置。 In an orthogonal coordinate system using an axial direction determined by an aperture direction of an arbitrary receiving aperture element array and at least one lateral coordinate orthogonal thereto, from at least one wave source located in an arbitrary direction toward the measurement object Waves are transmitted, and waves coming from the measurement object are processed as if they were transmitted or received by beamforming in the axial direction or a direction that is symmetric with respect to the axial direction. In the case of a lateral modulation where 3 or 4 waves are superimposed in the dimension case,
Receiving means for receiving a wave coming from the measurement object by at least one receiving aperture element and generating a received signal;
A beam forming process is performed on the received signal generated by the receiving unit to perform lateral modulation, thereby generating a multidimensional received signal and a Hilbert transform process on the generated multidimensional received signal. A device body to perform;
Comprising
The apparatus main body performs partial differential processing or one-dimensional Fourier transform in the axial direction or the horizontal direction, and in the case of two dimensions, generates an analysis signal of each of the two-dimensional received signals of the two waves, In some cases, the communication device generates an analysis signal of a multidimensional reception signal of each of the three or four waves.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US15/951,459 US11125866B2 (en) | 2015-06-04 | 2018-04-12 | Measurement and imaging instruments and beamforming method |
US17/394,615 US11965993B2 (en) | 2015-06-04 | 2021-08-05 | Measurement and imaging instruments and beamforming method |
US18/589,890 US20240241238A1 (en) | 2015-06-04 | 2024-02-28 | Measurement and imaging instruments and beamforming method |
Applications Claiming Priority (24)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016222598 | 2016-11-15 | ||
JP2016222598 | 2016-11-15 | ||
JP2016231467 | 2016-11-29 | ||
JP2016231467 | 2016-11-29 | ||
JP2016256338 | 2016-12-28 | ||
JP2016256338 | 2016-12-28 | ||
JP2017000532 | 2017-01-05 | ||
JP2017000532 | 2017-01-05 | ||
JP2017009773 | 2017-01-23 | ||
JP2017009773 | 2017-01-23 | ||
JP2017047692 | 2017-03-13 | ||
JP2017047692 | 2017-03-13 | ||
JP2017100947 | 2017-05-22 | ||
JP2017100947 | 2017-05-22 | ||
JP2017122554 | 2017-06-22 | ||
JP2017122554 | 2017-06-22 | ||
JP2017137185 | 2017-07-13 | ||
JP2017137185 | 2017-07-13 | ||
JP2017144588 | 2017-07-26 | ||
JP2017144588 | 2017-07-26 | ||
JP2017157256 | 2017-08-16 | ||
JP2017157256 | 2017-08-16 | ||
JP2017157590 | 2017-08-17 | ||
JP2017157590 | 2017-08-17 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019030623A true JP2019030623A (en) | 2019-02-28 |
JP2019030623A5 JP2019030623A5 (en) | 2021-11-11 |
JP7175489B2 JP7175489B2 (en) | 2022-11-21 |
Family
ID=65523842
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017207592A Active JP7175489B2 (en) | 2015-06-04 | 2017-10-26 | BEAMFORMING METHOD, MEASUREMENT IMAGING DEVICE, AND COMMUNICATION DEVICE |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7175489B2 (en) |
Cited By (23)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109856634A (en) * | 2019-03-06 | 2019-06-07 | 湖南太康电子信息技术有限公司 | A kind of graing lobe minimizing technology under ultra wide band thinned array polar coordinates imaging |
KR20210014284A (en) * | 2019-07-30 | 2021-02-09 | 한국과학기술원 | Method for processing ultrasound image in various sensor conditions and apparatus therefor |
CN112370079A (en) * | 2020-11-18 | 2021-02-19 | 景德镇陶瓷大学 | Method for detecting thrombus by using ultrasonic Doppler |
CN113108893A (en) * | 2021-03-22 | 2021-07-13 | 北京科技大学 | Sound field reconstruction system and method based on sound pressure and particle vibration velocity |
CN113630120A (en) * | 2021-03-31 | 2021-11-09 | 中山大学 | Zero-time-delay communication method combined with 1-bit analog-to-digital converter and application thereof |
CN113869105A (en) * | 2021-08-09 | 2021-12-31 | 华北电力大学(保定) | Human behavior recognition method |
CN114337746A (en) * | 2022-01-07 | 2022-04-12 | 重庆邮电大学 | Large-scale MIMO signal detection method based on deep learning |
US11366223B2 (en) * | 2019-02-28 | 2022-06-21 | Fujifilm Healthcare Corporation | Ultrasound imaging apparatus, image processing apparatus, and image processing program |
CN114978355A (en) * | 2022-04-11 | 2022-08-30 | 北京邮电大学 | Terahertz link discovery method based on superheterodyne intermediate frequency leakage sensing |
CN115508780A (en) * | 2022-11-23 | 2022-12-23 | 杭州兆华电子股份有限公司 | Synthetic aperture acoustic imaging method |
CN115754491A (en) * | 2021-10-27 | 2023-03-07 | 南京捷希科技有限公司 | Plane wave generator and plane wave generator testing system |
CN115792981A (en) * | 2023-02-06 | 2023-03-14 | 深圳大学 | Visible satellite detection method based on array antenna |
CN116189821A (en) * | 2022-12-19 | 2023-05-30 | 北京航空航天大学 | RCS reduction method for V-shaped metal structure |
CN116953010A (en) * | 2023-07-26 | 2023-10-27 | 哈尔滨工业大学 | Nonlinear frequency modulation ultrasonic induced magnetic resonance-photon marker fusion imaging tumor tissue optical/mechanical performance evaluation device and evaluation method |
CN117503203A (en) * | 2024-01-03 | 2024-02-06 | 之江实验室 | Phase aberration correction method and system for ultrasonic ring array imaging |
US11921200B1 (en) | 2022-08-19 | 2024-03-05 | Navico, Inc. | Live down sonar view |
CN117826071A (en) * | 2024-03-06 | 2024-04-05 | 成都大公博创信息技术有限公司 | Direction finding system and method for realizing broadband calibration of multiple acquisition modules based on intermediate frequency triggering |
CN117826229A (en) * | 2023-12-27 | 2024-04-05 | 中国科学院近代物理研究所 | Beam current information online measurement method and system based on beam cavity interaction principle |
CN118011839A (en) * | 2024-04-09 | 2024-05-10 | 哈船通航(三亚)技术服务合伙企业(有限合伙) | Unmanned ship active self-righting system regulation and control method based on artificial intelligence |
USD1026679S1 (en) | 2022-08-19 | 2024-05-14 | Navico, Inc. | Multi-orientation sonar transducer array system |
WO2024049461A3 (en) * | 2022-02-24 | 2024-06-13 | Ford Global Technologies, Llc | Methods and systems for dealiasing radar range rate measurements using machine learning |
CN118501691A (en) * | 2024-07-12 | 2024-08-16 | 广东敏卓机电股份有限公司 | Micro-motor abnormal sound detection method and device |
CN118642051A (en) * | 2024-08-09 | 2024-09-13 | 四川大学 | Multi-interference angle estimation method, system and medium based on high-dimensional space reconstruction |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07303638A (en) * | 1994-05-12 | 1995-11-21 | Ge Yokogawa Medical Syst Ltd | Method and apparatus for receiving digital data using multichannel and ultrasonic diagnosis apparatus |
US6383140B1 (en) * | 1997-11-28 | 2002-05-07 | Hitachi Medical Corporation | Ultrasonic diagnosis device |
JP2014176014A (en) * | 2013-03-12 | 2014-09-22 | Panasonic Corp | Phase error estimation method and device |
-
2017
- 2017-10-26 JP JP2017207592A patent/JP7175489B2/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07303638A (en) * | 1994-05-12 | 1995-11-21 | Ge Yokogawa Medical Syst Ltd | Method and apparatus for receiving digital data using multichannel and ultrasonic diagnosis apparatus |
US6383140B1 (en) * | 1997-11-28 | 2002-05-07 | Hitachi Medical Corporation | Ultrasonic diagnosis device |
US6572550B2 (en) * | 1997-11-28 | 2003-06-03 | Hitachi Medical Corporation | Ultrasonic diagnosis device |
US6659951B2 (en) * | 1997-11-28 | 2003-12-09 | Hitachi Medical Corporation | Ultrasonic diagnosis device |
JP2014176014A (en) * | 2013-03-12 | 2014-09-22 | Panasonic Corp | Phase error estimation method and device |
Cited By (33)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11366223B2 (en) * | 2019-02-28 | 2022-06-21 | Fujifilm Healthcare Corporation | Ultrasound imaging apparatus, image processing apparatus, and image processing program |
CN109856634B (en) * | 2019-03-06 | 2022-12-13 | 湖南太康电子信息技术有限公司 | Grating lobe removing method under ultra-wideband sparse array polar coordinate imaging |
CN109856634A (en) * | 2019-03-06 | 2019-06-07 | 湖南太康电子信息技术有限公司 | A kind of graing lobe minimizing technology under ultra wide band thinned array polar coordinates imaging |
KR20210014284A (en) * | 2019-07-30 | 2021-02-09 | 한국과학기술원 | Method for processing ultrasound image in various sensor conditions and apparatus therefor |
KR102317337B1 (en) | 2019-07-30 | 2021-10-26 | 한국과학기술원 | Method for processing ultrasound image in various sensor conditions and apparatus therefor |
CN112370079A (en) * | 2020-11-18 | 2021-02-19 | 景德镇陶瓷大学 | Method for detecting thrombus by using ultrasonic Doppler |
CN113108893B (en) * | 2021-03-22 | 2022-08-16 | 北京科技大学 | Sound field reconstruction system and method based on sound pressure and particle vibration velocity |
CN113108893A (en) * | 2021-03-22 | 2021-07-13 | 北京科技大学 | Sound field reconstruction system and method based on sound pressure and particle vibration velocity |
CN113630120A (en) * | 2021-03-31 | 2021-11-09 | 中山大学 | Zero-time-delay communication method combined with 1-bit analog-to-digital converter and application thereof |
CN113630120B (en) * | 2021-03-31 | 2024-08-09 | 中山大学 | Zero delay communication method combined with 1-bit analog-to-digital converter and application thereof |
CN113869105A (en) * | 2021-08-09 | 2021-12-31 | 华北电力大学(保定) | Human behavior recognition method |
CN115754491A (en) * | 2021-10-27 | 2023-03-07 | 南京捷希科技有限公司 | Plane wave generator and plane wave generator testing system |
CN115754491B (en) * | 2021-10-27 | 2023-11-21 | 南京捷希科技有限公司 | Plane wave generator and plane wave generator test system |
CN114337746A (en) * | 2022-01-07 | 2022-04-12 | 重庆邮电大学 | Large-scale MIMO signal detection method based on deep learning |
WO2024049461A3 (en) * | 2022-02-24 | 2024-06-13 | Ford Global Technologies, Llc | Methods and systems for dealiasing radar range rate measurements using machine learning |
CN114978355B (en) * | 2022-04-11 | 2023-06-16 | 北京邮电大学 | Terahertz link discovery method based on superheterodyne intermediate frequency leakage sensing |
CN114978355A (en) * | 2022-04-11 | 2022-08-30 | 北京邮电大学 | Terahertz link discovery method based on superheterodyne intermediate frequency leakage sensing |
USD1026679S1 (en) | 2022-08-19 | 2024-05-14 | Navico, Inc. | Multi-orientation sonar transducer array system |
US11921200B1 (en) | 2022-08-19 | 2024-03-05 | Navico, Inc. | Live down sonar view |
CN115508780A (en) * | 2022-11-23 | 2022-12-23 | 杭州兆华电子股份有限公司 | Synthetic aperture acoustic imaging method |
CN116189821B (en) * | 2022-12-19 | 2023-07-21 | 北京航空航天大学 | RCS reduction method for V-shaped metal structure |
CN116189821A (en) * | 2022-12-19 | 2023-05-30 | 北京航空航天大学 | RCS reduction method for V-shaped metal structure |
CN115792981A (en) * | 2023-02-06 | 2023-03-14 | 深圳大学 | Visible satellite detection method based on array antenna |
CN116953010A (en) * | 2023-07-26 | 2023-10-27 | 哈尔滨工业大学 | Nonlinear frequency modulation ultrasonic induced magnetic resonance-photon marker fusion imaging tumor tissue optical/mechanical performance evaluation device and evaluation method |
CN117826229A (en) * | 2023-12-27 | 2024-04-05 | 中国科学院近代物理研究所 | Beam current information online measurement method and system based on beam cavity interaction principle |
CN117503203A (en) * | 2024-01-03 | 2024-02-06 | 之江实验室 | Phase aberration correction method and system for ultrasonic ring array imaging |
CN117503203B (en) * | 2024-01-03 | 2024-03-22 | 之江实验室 | Phase aberration correction method and system for ultrasonic ring array imaging |
CN117826071B (en) * | 2024-03-06 | 2024-05-28 | 成都大公博创信息技术有限公司 | Direction finding system and method for realizing broadband calibration of multiple acquisition modules based on intermediate frequency triggering |
CN117826071A (en) * | 2024-03-06 | 2024-04-05 | 成都大公博创信息技术有限公司 | Direction finding system and method for realizing broadband calibration of multiple acquisition modules based on intermediate frequency triggering |
CN118011839A (en) * | 2024-04-09 | 2024-05-10 | 哈船通航(三亚)技术服务合伙企业(有限合伙) | Unmanned ship active self-righting system regulation and control method based on artificial intelligence |
CN118011839B (en) * | 2024-04-09 | 2024-06-04 | 哈船通航(三亚)技术服务合伙企业(有限合伙) | Unmanned ship active self-righting system regulation and control method based on artificial intelligence |
CN118501691A (en) * | 2024-07-12 | 2024-08-16 | 广东敏卓机电股份有限公司 | Micro-motor abnormal sound detection method and device |
CN118642051A (en) * | 2024-08-09 | 2024-09-13 | 四川大学 | Multi-interference angle estimation method, system and medium based on high-dimensional space reconstruction |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP7175489B2 (en) | 2022-11-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7175489B2 (en) | BEAMFORMING METHOD, MEASUREMENT IMAGING DEVICE, AND COMMUNICATION DEVICE | |
US20240241238A1 (en) | Measurement and imaging instruments and beamforming method | |
JP2020039841A (en) | Measurement imaging apparatus | |
JP6696782B2 (en) | Beamforming method, measurement imaging device, and communication device | |
US10624612B2 (en) | Beamforming method, measurement and imaging instruments, and communication instruments | |
JP6408297B2 (en) | Beam forming method, measurement imaging apparatus, and communication apparatus | |
Desailly et al. | Resolution limits of ultrafast ultrasound localization microscopy | |
US9084559B2 (en) | Imaging method, displacement measurement method and apparatus | |
Polichetti et al. | A nonlinear beamformer based on p-th root compression—Application to plane wave ultrasound imaging | |
Ding et al. | Efficient non-negative constrained model-based inversion in optoacoustic tomography | |
US10959703B2 (en) | Methods, systems and computer program products for single track location shear wave elasticity imaging | |
JP2019030623A5 (en) | ||
JP2017104476A5 (en) | ||
Berthon et al. | Spatiotemporal matrix image formation for programmable ultrasound scanners | |
Mor et al. | A unified deep network for beamforming and speckle reduction in plane wave imaging: A simulation study | |
Favre et al. | Boosting transducer matrix sensitivity for 3D large field ultrasound localization microscopy using a multi-lens diffracting layer: a simulation study | |
Hardy et al. | Sparse channel sampling for ultrasound localization microscopy (SPARSE-ULM) | |
Khodayi-Mehr et al. | Plane wave elastography: a frequency-domain ultrasound shear wave elastography approach | |
Chen et al. | Dynamic transmit–receive beamforming by spatial matched filtering for ultrasound imaging with plane wave transmission | |
Sharahi et al. | A Convolutional Neural Network for Beamforming and Image Reconstruction in Passive Cavitation Imaging | |
Pan et al. | Improving axial resolution based on the deconvolution recovery method combined with adaptive weighting techniques for ultrasound imaging | |
Hyun | A universal end-to-end description of pulse-echo ultrasound image reconstruction | |
Zhao | Inverse problems in medical ultrasound images-applications to image deconvolution, segmentation and super-resolution | |
Feng et al. | Neighborhood singular value decomposition filter and application in adaptive beamforming for coherent plane-wave compounding | |
Zhang et al. | Challenges and advances in two-dimensional photoacoustic computed tomography: a review |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A80 | Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80 Effective date: 20171124 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20201026 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210927 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20210929 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20211019 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20211214 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220322 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20220520 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220705 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20221018 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20221101 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7175489 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |