JP2020039841A - Measurement imaging apparatus - Google Patents

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Abstract

To improve measurement accuracy by overcoming the problem of reduction in the measurement accuracy caused by asymmetry of actually generated deflection waves with respect to an axial direction or the like of a rectangular coordinate system.SOLUTION: A measurement imaging apparatus comprises: a sensor; a signal processing unit; a measurement control unit that scans a measurement target in a lateral direction by generating a steered wave and controls the signal processing unit so as to generate a wave data signal; and a data processing unit that using a phase of a product of two complex signals or a conjugate product signal having as a core a change in an instantaneous phase of a product of two complex analytic signals or a conjugate product signal obtained from a spectrum corresponding to wave data signals generated in at least two time phase, divides a change or phase of instantaneous phases of new waves propagating in directions orthogonal to each other by instantaneous frequencies in the directions orthogonal to each other or a gravity center frequency of a corresponding spectrum to calculate displacement components in the directions orthogonal to each other and calculate a displacement vector.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、計測対象から到来する任意波動に対してビームフォーミング(波動のフォーミング)を施すことによって計測を行う計測イメージング装置に関する。   The present invention relates to a measurement imaging apparatus that performs measurement by performing beam forming (wave forming) on an arbitrary wave arriving from a measurement target.

さらに、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ために用いられるビームフォーミング方法等に関する。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。   Furthermore, the present invention is an electromagnetic wave, light, mechanical vibration, sound wave, or an arbitrary wave such as a heat wave arriving from the measurement target, based on an arbitrary wave such as a heat wave, or, the temperature or displacement in the measurement target The present invention relates to a beam forming method and the like used for non-destructively measuring a physical quantity, a composition, a structure, and the like. The object to be measured is various, such as an organic matter, an inorganic matter, a solid, a liquid, a gas, a substance that follows rheology, a living thing, a celestial body, the earth, the environment, and the like.

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 is applicable to nondestructive inspection, diagnosis, resource exploration, generation and manufacture of materials and structures, monitoring of various physical and chemical repairs and treatments, application of revealed functions and physical properties, etc. Relatedly, in those cases, accuracy may be required in a condition where non-invasive, minimally invasive, non-invasive conditions or the like are imposed without causing large disturbance to the measurement object. Ideally, it is desirable that the measurement target be observed in the in situ state at the original position.

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, the treatment or restoration 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. In addition, beamforming is performed in satellite communication, radar, sonar, and the like to realize an informationally safe environment while saving energy, and accurate communication is performed. Beamforming has also been applied to ad hoc communication devices and mobile communications. When the measurement target is dynamic, real-time performance is required, and it is required that beamforming 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(回折波そのもの)や、それらの透過波、反射波、屈折波、回折波、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。   2. Description of the Related Art Waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, and heat waves have different behaviors depending on the frequency, bandwidth, intensity, or mode. Many transducers for various waves have been developed so far, and these waves (the diffracted waves themselves), their transmitted waves, reflected waves, refracted waves, diffracted waves, or scattered waves (forward scattered waves, backscattered waves, etc.) ) Etc. are being used.

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 nondestructive inspection, medical treatment, 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, and the like) having an appropriate frequency according to the measurement target are used. The same applies to other waves, and since each wave behaves differently depending on the frequency, a different name is used and various sensing and communication are performed according to the measurement target, medium, and frequency band (for electromagnetic waves, , 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, the 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 an array in advance. . It is well known that when observing the earth, land, ocean, and weather with satellite or airplane radar, aperture synthesis processing is performed. In particular, in the case of imaging an object to be measured, the purpose of beamforming is often to provide appropriate directivity and to obtain high spatial resolution and high contrast in a region of interest or a point of interest.

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、屈折、回折、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 waves generated from the object to be measured, reflection and transmission caused by a spatial change in impedance, various scatterings (Rayleigh scattering, Mie scattering, etc.), attenuation, refraction, diffraction, or their frequencies Dispersion and the like can be observed, and the structure and composition of the inside and surface of the measurement target can be observed, as well as what the measurement target is. The measurement target may be observed with various spatial resolutions. Characterization can be at the level of structure or composition (eg, individual, molecular, atomic, nuclear, 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 technology has been used for a long time, and chirp wave technology and coded compression technology have been used as typical ones. In some cases, such as ISAR (inverse synthetic aperture radar), the observed wave is subjected to inversion of beam characteristics to perform super-resolution, but it is not always the case when the aperture is synthesized. ), The resolution may be actively reduced. In 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(アクティブである場合とパッシブである場合とにおいて、信号源は回折を行う計測対象として扱われることがある)。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 coding technique is also used in a case where a plurality of signals are separated, for example, in a case where a received signal is separated into reception signals corresponding to transmission signals having different transmission positions. In some cases, waves coming from different directions may be separated, and in other cases, the signal source may be specified or separated. May be treated). In such a case, there is much to rely on a matched filter having high signal detection ability. However, while signal energy can be obtained, when the movement, displacement, distortion, and the like of the measurement object accompanied by deformation are obtained, the spatial resolution is reduced, and the measurement accuracy is reduced. In separating waves and signals, the use of frequency, band, or multidimensional spectrum is also useful.

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、グレースケール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 imaging using the above-described wave, the distribution of amplitude data obtained through orthogonal detection, envelope detection, or square detection is usually one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional as a grayscale image or color image. They are often displayed and become morphological images. Functional observation is also possible. For example, in Doppler measurement using those waves, a raw coherent signal is 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 a displacement direction, unlike power Doppler. When microwaves, terahertz waves, or far-infrared rays are used, the temperature distribution of the measurement target can be observed. The measured physical quantities may be displayed so as to be 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 sounds is also performed. In particular, when the measurement target is dynamic, real-time performance is required for the beamforming 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 communication, radar, sonar, and the like, beamforming is performed to realize an informationally safe environment while saving energy, and accurate communication is performed. Beamforming 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 source, and a specific position. In communication, information is sent from the transmitting side to the receiving side on the wave, and the purpose may be achieved by itself.The receiving side may respond to the transmitting side with the result of the communication, or the information may be transmitted to the transmitting side. May respond to the request, but of course, the example of communication is not limited to this. When the content of information is dynamic according to the communication target or the observation target, real-time property is required, and in that case, beamforming 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, for example, cancer lesions and sclerosis in human tissues. The inventor of the present application has performed high resolution and high efficiency of HIFU (High Intensity Focus Ultrasound) treatment, together with high resolution of echo imaging and high precision measurement imaging of tissue displacement, and the like. Their imaging is also based on the reception of echoes during intense ultrasonic radiation. Such imaging is based on high-speed and appropriate beamforming, and high-speed and appropriate detection methods, tissue displacement measurement methods, and shear wave propagation measurement methods 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ようになった当時より、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。   Medical ultrasound diagnostic imaging devices have been digitized for over 20 years. In older systems, mechanical scanning was performed using a single-aperture conversion element, and then electronic scanning was performed using a plurality of conversion elements and an array-type device composed of those elements. From digital devices. In fact, the classic aperture synthesis process itself was digital beamforming since the time it was used in radars onboard satellites and airplanes, but the received signal strength was weak For that reason, they have rarely been 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。無論、通常のフォーカスビーム等を交差させても良く、また、後に記載の平面波や球面波等のフォーカス無しの開口アレイ形状で決まる波動や仮想音源や仮想受信器により生成される波動を交差させても良い。通常、2次元横方向変調イメージングを行う場合には、観測を実施する直交座標系の軸方向の座標軸(軸方向軸)又はそれに直交する横方向の座標軸(横方向軸)に対称になるように2つの波動を偏向(ステアリング)させて交差させる。また、3次元横方向変調イメージングを行う場合には、観測を実施する直交座標系の軸方向軸とそれと直交する横方向を含む面に対称となるように3つ又は4つの波動を偏向させて交差させる(つまり、軸方向に対して全ての波動を対称にする)。通常、開口アレイ素子や物理開口の向いている方向に軸方向軸を取るが、その限りではない。波動は、軸座標軸の正方向にだけではなく、その負方向に生成されることもある。便宜的に横方向軸を軸方向軸と読み替えて処理することもある。
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、多次元ドプラ法、多次元クロススペクトル位相勾配法、又は、デモジュレーション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, in recent years, the inventor of the present application has invented a multidirectional aperture synthesis method, and has invented performing beamforming in multiple directions from received echo data for aperture 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. It has a carrier frequency in the horizontal direction that is orthogonal to this, and has a higher spatial resolution (compared to normal imaging). Of course, normal focus beams and the like may be crossed, and waves determined by an aperture array shape without focus such as plane waves and spherical waves described later and waves generated by virtual sound sources and virtual receivers are crossed. Is also good. Normally, when performing two-dimensional lateral modulation imaging, the coordinate system should be symmetrical with respect to the axial coordinate axis (axial axis) of the orthogonal coordinate system for performing observation or the horizontal coordinate axis (horizontal axis) orthogonal thereto. The two waves are deflected (steered) and crossed. When performing three-dimensional lateral modulation imaging, three or four waves are deflected so as to be symmetrical with respect to a plane including an axial axis of a rectangular coordinate system for performing observation and a lateral direction orthogonal thereto. Intersect (ie, make all waves symmetric about the axial direction). Usually, an axial axis is set in the direction in which the aperture array element and the physical aperture face, but this is not a limitation. Waves may be generated not only in the positive direction of the axis coordinate axis but also in the negative direction. For convenience, the horizontal axis may be read as the axial axis for processing.
Furthermore, real-time measurement of the displacement vector distribution is possible by using the multidimensional autocorrelation method, multidimensional Doppler method, multidimensional cross spectrum phase gradient method or demodulation method also invented by the inventor of the present application. It became. In addition, in the case of incoherent addition, it is also possible to reduce speckles (normally, a transmit beam is generated in a different direction to reduce speckles. , High frame rates can be achieved). In fields other than the ultrasonic field, 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. Have 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計測対象からの透過波や反射波、屈折波、又は、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)である。回折波としては、トランスデューサ(信号源)において生成される波動は勿論のこと、信号源以外によって生成される回折波も対象となる。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。アクティブな場合と同様に、それらの回折波も対象となる。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 plane synthesis in those sensing devices is active beamforming, and the waves to be processed are transmitted waves, reflected waves, refracted waves, or reflected waves from the measurement of those waves generated by the transducer. It is a scattered wave (forward scattered wave, back scattered wave, etc.). The diffracted waves include not only the waves generated by the transducer (signal source) but also the diffracted waves generated by sources other than the signal source. On the other hand, in passive beamforming, for example, as in the case of measuring the temperature distribution based on the above-mentioned microwave observation and observing the electric activity source due to the cerebral magnetic field of a living thing, the 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 an object. As with the active case, those diffracted waves are also of interest. There are many other examples that correspond to them, but as another example, recently, living organisms have been measured, called photoacoustic, and laser irradiation is performed on the measurement target, and frequency-dependent A volume change is caused by a certain heat absorption, an ultrasonic wave is generated using the volume change as a sound source, and as a result of the beam forming, differentiation of a peripheral blood vessel is performed.

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。   Digital devices require more processing time than analog devices, but their computational performance has been significantly improved, and their size has been reduced, and their cost has been reduced, including that of data storage media. There are many advantages such as easy application and high degree of freedom. As a matter of fact, even in the case of a digital device, in a sensing device, particularly, high-speed analog processing after receiving a signal by a sensor is extremely important, and AD conversion (Analog-to-Digital conversion) is relatively performed in the vicinity. ) Is appropriately realized in combination with the digital processing after the processing.

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 analog devices, beamforming for transmission and reception is performed by analog processing. On the other hand, in a digital device, transmission beamforming is performed by analog processing or digital processing, and reception beamforming is performed by digital processing. Therefore, in the present application, the digital beamformer refers to one that always performs reception beamforming 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 mechanical scanning of a plurality of conversion elements or an array type device composed of them, or one or more conversion elements, DAS (Delay and Summation: phasing), which is a so-called aperture plane synthesis processing. Addition) processing is performed. In transmission, transmission beamforming may be performed by driving a plurality of elements, or classical aperture synthesis based on one-element transmission may be performed. , 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 beamforming is performed by analog processing or digital processing. On the other hand, in receive beam forming, a received signal is generated by receiving a wave by each element in the array or an element at a different position, and after analog adjustment or level adjustment by analog amplification or attenuation, analog reception signal is generated. A / D conversion is performed on the digital reception signal, and the digital reception signal is stored in the memory. After that, devices and computers with general-purpose calculation processing capability, PLDs (Programmable Logic Devices), FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays), DSPs (Digital Signal Processors), Digital processing is performed on the received signal stored using a GPU (Graphical Processing Unit), a microprocessor, or a dedicated computer, a dedicated digital circuit, or a dedicated device. You.

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ようになった。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。   A device that performs such digital processing may include such an analog device, an AD converter, a memory, and the like. In some cases, a device or a computer having computing power is multi-core. Thus, 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, transmission lines (for example, stacked circuits) and broadband wireless paths 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 of the generated image signal in the range direction and the depth direction (depth direction) of the measurement target. On the other hand, dynamic focusing of transmission is possible only in classical aperture synthesis by one-element transmission. In order to secure the energy of the transmission wave, transmission beamforming of a fixed focal position by driving a plurality of elements is often performed instead of combining aperture surfaces by one-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、例えば、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 has invented a high frame rate echo imaging that transmits a wave such as a plane wave whose wave front spreads widely in the horizontal direction and interrogates a wide area in one transmission. Further, the inventor of the present application coherently adds (superimposes) a plurality of waves of this kind having different steering (deflection) angles to perform lateral modulation and broadband in the lateral direction (higher lateral resolution). For example, when the above-described multidimensional autocorrelation method is realized, the blood flow in the carotid artery with shear wave propagation and fast blood flow, or the blood flow in the heart cavity with complicated flow, etc. Has been invented as a multidimensional displacement vector. The same applies to the case where multidirectional aperture plane synthesis is performed and the case where transmission beamforming is performed. Also, waves having a plurality of different carrier frequencies may be generated and superimposed to realize a wider band in the axial direction (higher 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。このように、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ようになった。   Such a process is performed in the case of active beamforming, but the transmitter is not used in passive beamforming. Thus, 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 those 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。   The DAS process includes a process of delaying a received signal at high speed with interpolation and approximation processing in a spatial domain for phasing, and a phase rotation process of multiplying a complex exponential function in a frequency domain, which requires an enormous amount of time. There is a method of applying a delay with high accuracy based on the Nyquist theorem (a past invention of the inventor of the present application), and adds received signals in a spatial domain after phasing (phasing addition). In a digital device, for example, a command signal generated by a control unit for a transmitter to generate a transmission signal to a driving element may be used as a trigger signal for digital sampling (AD conversion) of an analog reception signal. .

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。   Further, when a plurality of elements are driven with a transmission delay in one beam forming, an analog or digital transmission delay which is previously mounted on a transmission unit and realizes a transmission focus position and a steering direction which can be selected by an operator. May use patterns. Furthermore, in the reception digital processing, a command signal for an element to be driven first, a command signal for an element to be driven last, or a command signal for driving another element is used as a trigger signal, and In some cases, sampling is started for the signal of (1) and a digital delay is 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, an error determined by the clock frequency for generating the digital control signal always occurs, unlike the analog delay. Therefore, the analog delay is better as the transmission delay. Further, if a digital delay is applied to the reception to realize the reception dynamic focusing, an error is generated according to the above interpolation approximation processing. The only option was to apply accurate digital delay (phase rotation processing) to achieve low-speed beamforming.

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 former case involving interpolation approximation processing, phasing addition may simply add echo signals from a position including the coordinate position of a signal value to be generated, or may add bi-linear or multidimensional polynomial. In some cases, the accuracy may be improved by interpolation using such as. The former is much faster but less accurate than the latter using a complex exponential function. The latter is highly accurate but extremely slow. This phasing addition is performed under known or assumed hypothetical wave propagation velocities and is often assumed to be constant within the region of interest. On the other hand, measuring the propagation velocity and performing phase aberration correction is also performed.Before or after beamforming, for example, the cross-correlation function between adjacent beam signals or beam signals at different angles is evaluated to evaluate the phase. Aberrations can be determined (if the propagation speed is homogeneous, it will be an interference analysis).

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 form a distribution or an array in a one-dimensional space, the case where the aperture elements are distributed in a two-dimensional or three-dimensional manner, or the case where the aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional array. In such a case, more processing needs to be performed for beamforming, and a large number of processors are mounted to perform parallel processing. In some cases, beamforming at distant positions with little interference, transmission beamforming in a plurality of directions with different steering angles, and single transmission beamforming are processed in parallel.

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 that waves are appropriately generated to reflect the type and amount of communication data or the characteristics of the medium. It is desirable that communication be performed. Separation of the interfering wave is also performed using an analog device or analog or digital signal processing. Controlled waves in the direction of propagation, 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 present inventor, which is similar to the above-described multi-directional aperture plane synthesizing process, it is possible to improve the frame rate by performing multi-directional reception beam forming for one transmission beam forming. Also, in beamforming, apodization may be important. For example, each of the transmit and receive apodizations may be implemented to reduce side lobes, which has a trade-off with lateral resolution and should be implemented appropriately. On the other hand, in many cases, a simple beamformer that does not perform apodization with emphasis on spatial resolution is used. However, the inventor of the present application has reported that appropriate apodization is necessary in order to obtain a lateral resolution while suppressing side lobes during steering. Further, in the past invention of the inventor of the present application, there is one that removes a side lobe in a 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, a contrast agent (for example, microbubbles in medical ultrasound imaging) may be used in order to apply the nonlinear characteristics of waves in an object. To irradiate high-intensity waves and waves containing harmonics (broadband transmission), and to perform nonlinear processing on received coherent signals and coherent signals after phasing and addition. High contrast imaging by suppressing lobes was invented. The inventor of the present application has also invented a 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, it has been reported in the past that a virtual source was set before a physical aperture or a virtual source was set at a transmission focal position. Further, the inventor of the present application has proposed that a detector as well as a virtual source can be installed at an arbitrary position without using a focal point, and that a physical source or a detector of a wave can be provided by an appropriate scatterer or diffraction grating. It reports that it can be installed at a location. 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スケール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 mode, quadrature detection, envelope detection, or squared detection is used.The inventor of the present application also actively displays the waving itself as a color image or a gray scale image, The emphasis is on displaying information. As described above, multi-dimensional devices using various waves are being developed 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 several digital beamforming using the fast Fourier transform disclosed so far, and one of them is an analog processing performed through a Fourier transform (analysis solution of a classic monostatic aperture synthesis). (See Non-Patent Document 1), and indeed, a classical aperture synthesis is performed at high speed and with high accuracy through a fast Fourier transform (see Non-Patent Document 2). In this processing, 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). No digital processing is 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。   Other digital beamforming 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 performing steering in plane wave transmission has been disclosed (see Non-Patent Documents 3-5), but in this case, the aperture shape of the array is not flat. Interpolation approximation processing is required when calculating or displaying an image (when the array opening is an arc (see Non-Patent Document 6)), and the accuracy is low. Patent Literatures 1 to 4 disclose a technique using fast Fourier transform at the time of transmitting a plane wave, but all of them perform wave number matching through interpolation approximation. By performing wave number matching based on these interpolation approximations, a multi-dimensional spectrum is obtained at equal intervals in the wave vector coordinate system of the angular spectrum, and high-speed inverse Fourier transform is performed, thereby completing beamforming 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 Fourier transform is performed on wave number matching for non-equidistant sampling signals, but this is also based on interpolation approximation processing. As described above, digital beamforming has a long history, but when real-time performance (calculation speed) before displaying an image is most important, interpolation approximation is often performed, and the best accuracy is provided. Not necessarily. In addition, as for the most common fixed focus processing known to perform the DAS processing and the steering at that time, even a processing method performed through digital fast Fourier transform is not disclosed.

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 (for example, see Non-Patent Document 7), which also requires interpolation approximation in wave number matching. In order to obtain the accuracy in the processing involving the interpolation approximation, it is usually necessary to increase the sampling frequency of the AD converter and perform oversampling more than enough.

米国特許第5,720,708号明細書U.S. Pat. No. 5,720,708 米国特許第6,685,641号明細書U.S. Patent No. 6,685,641 米国特許第7,957,609号明細書U.S. Pat. No. 7,957,609 米国特許出願公開第2009/0036772号明細書US Patent Application Publication No. 2009/0036772 米国特許第8,211,019号明細書US Patent No. 8,211,019 米国特許第7,775,980号明細書US Patent No. 7,775,980 米国特許出願公開第2011/0172538号明細書US Patent Application Publication No. 2011/0172538 特許第5441292号公報Japanese Patent No. 5441292 米国特許第9,326,748号明細書U.S. Patent No. 9,326,748 米国特許第7,690,838号明細書US Patent No. 7,690,838 米国特許第9,084,559号明細書US Patent No. 9,084,559 米国特許第7,868,824号明細書US Patent No. 7,868,824

J. W. Goodman, "Introduction to Fourier Optics" 2nd ed., McGraw-Hill Co, Inc., 1996J. W. Goodman, "Introduction to Fourier Optics" 2nd ed., McGraw-Hill Co, Inc., 1996 L. J. Busse, IEEE Trans. UFFC, vol. 39, no. 2, pp. 174-179, 1992L. J. Busse, IEEE Trans. UFFC, vol. 39, no. 2, pp. 174-179, 1992 J. Cheng, J.-y. Lu, IEEE Trans UFFC, vol. 53, no. 5, pp. 880-899, 2006J. Cheng, J.-y. Lu, IEEE Trans UFFC, vol. 53, no.5, pp. 880-899, 2006 H. Peng, J.-y. Lu, X. Han, Ultrasonics, 44, e97-e99, 2006H. Peng, J.-y. Lu, X. Han, Ultrasonics, 44, e97-e99, 2006 P. Kruizinga et al, IEEE Trans. UFFC, vol. 59, no. 12, pp. 2684-2691, 2012P. Kruizinga et al, IEEE Trans.UFFC, vol. 59, no.12, pp. 2684-2691, 2012 M. A. Haun, D. L. Jones, W. D. O'Brien, Jr., IEEE Trans. UFFC, vol. 49, pp. 861-870, 2002M.A.Haun, D.L.Jones, W.D.O'Brien, Jr., IEEE Trans.UFFC, vol. 49, pp. 861-870, 2002 C. Sumi, IEEE Trans. UFFC, vol. 55, pp. 2607-2625, 2008C. Sumi, IEEE Trans. UFFC, vol. 55, pp. 2607-2625, 2008 C. Sumi, S. 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Yanagimura, "Reconstruction of thermal property distributions of tissue phantoms from temperature measurements -Thermal conductivity, thermal capacity and thermal diffusivity," Physics in Medicine and Biology, vol. 52, pp. 2845-2864, 2007C. Sumi and H. Yanagimura, "Reconstruction of thermal property distributions of tissue phantoms from temperature measurements -Thermal conductivity, thermal capacity and thermal diffusivity," Physics in Medicine and Biology, vol. 52, pp. 2845-2864, 2007 C. Sumi, "Determination of lateral modulation apodization functions using a regularized, weighted least squares estimation," Int. J. Biomed. Imag, ID: 635294 (7 pages), 2010C. Sumi, "Determination of lateral modulation apodization functions using a regularized, weighted least squares estimation," Int. J. Biomed. Imag, ID: 635294 (7 pages), 2010 C. Sumi, Y. Komiya, S. Uga, "A demonstration of optimal apodization determination for proper lateral modulation," Jpn J Appl Phys, vol. 48(7B), ID: 07GJ06 (10 pages), 2009C. Sumi, Y. Komiya, S. Uga, "A demonstration of optimal apodization determination for proper lateral modulation," Jpn J Appl Phys, vol. 48 (7B), ID: 07GJ06 (10 pages), 2009

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 to the reception in order to realize the reception dynamic focusing, an error occurs according to the interpolation approximation processing, so that the sampling frequency of the AD converter is increased sufficiently at a high cost. Alternatively, the only option is to apply the above-described high-precision digital delay (phase rotation processing) to achieve low-speed beamforming.

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、回折波、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, and scattered waves (forward waves) have been targeted for vibration waves (mechanical waves) including electromagnetic waves, sound waves (compression waves), shear waves, surface waves, and the like, or heat waves. A method of digital beamforming is disclosed for scattered or backscattered waves, refracted waves, diffracted waves, surface waves, shock waves, or those waves originating from self-emanating wave sources. As described above, only the monostatic aperture synthesis without steering and the plane wave transmission including steering, and the migration method are limited. Except for the monostatic aperture synthesis, digital beamforming could not be performed without the need for interpolation approximation. Therefore, its 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 transmitting or receiving transducer array device having an arbitrary aperture shape (may be used for both transmitting and receiving, and transmitting and receiving may be related to different waves), or may be passive. When only the receiving transducer is used in simple beamforming, regardless of the presence or absence of focusing or steering of transmission or reception, even when the coordinate system of the transmitted and received beams and the coordinate system for displaying images are different, no interpolation approximation is required. 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。   For 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 beamforming at high speed and with high precision by digital processing. It is desirable to perform virtually any focusing and any steering (deflection) using a transducer array device having any 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 beamforming with phasing addition, frequency or bandwidth in each direction, at least one of wave parameters such as pulse shape and beam shape is subjected to linear or non-linear signal processing to a plurality of different beams, A beam having a new value with respect to at least one of the wave parameters may be newly generated (frequency modulation, broadened 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. In addition, as described later, a beam having a different value for at least one of these wave parameters may be generated and used due to a linear or non-linear 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。   Since the wave propagation speed is determined by the physical properties of the medium under physical conditions, if the aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multi-dimensional array to perform multi-dimensional imaging, then one-dimensional In comparison with, a large number of beamformings will be performed, and the number of pieces of processing data used for one beamforming will also increase, which will take an enormous amount of time. It is desired to use an apparatus that performs these beam forming operations in real time or an apparatus 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。   In addition, digital beamforming through Fourier transform has been disclosed that is performed through interpolation approximation in a Cartesian coordinate system when a one-dimensional or two-dimensional linear array transducer is mainly used. Also, even when the coordinate system between the reception and the result (image) display is different, it is desired to perform digital beamforming 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。   The method disclosed for the case where the aperture shape of the array is not flat (for example, when the array aperture is a circular arc) also performs interpolation approximation. As a typical example, when a convex transducer is used, or when an 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 process a digital signal obtained from the generated wave and obtain a signal directly beamformed in an arbitrary image display system (arbitrary coordinate system) such as a Cartesian coordinate system without 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, memories and AD converters have become very inexpensive, but without oversampling, by sampling waves based on the Nyquist theorem, it is possible to perform DAS processing that takes time when interpolation approximation is not performed. It is desired that the beam forming can be performed at high speed. Proper 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ようになった。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。このように、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, temperature, etc., it is desired to realize highly accurate measurement. For example, in the field of medical ultrasound, in recent years, a Doppler method has been applied to an echo signal to measure tissue displacement or velocity, and then to perform spatio-temporal differentiation on the echo signal to obtain an acceleration, a distortion, and the like, and image the same. became. Spatio-temporal differentiation is a process that amplifies high-frequency measurement errors and degrades the signal-to-noise ratio, so it is necessary to realize highly accurate displacement measurement using phase. The highly accurate beamforming for realizing 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 spread. As described above, it is desired that any beam forming including dynamic focusing be performed at high speed and with high accuracy without performing 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。   Recently, the inventor of the present application has developed a highly accurate measurement method of a relatively fast-moving tissue displacement or shear wave propagation based on high-speed beam forming (transmission and reception in a region of interest is fast) by polarized plane wave transmission. Although it has been realized, even when such focusing is not performed, it is desired that beamforming be performed at high speed and with high accuracy without requiring interpolation approximation. By performing high-speed beamforming while changing the steering angle and performing coherent addition, it is possible to obtain almost the same high-quality image (spatial resolution and contrast) at high speed as 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 multi-static aperture synthesis in classical aperture synthesis (monostatic type) based on scanning by driving one element, which has not been disclosed, can be performed at high speed without interpolation approximation. It is desired to implement it with high precision. Even when so-called migration processing is used, similarly, it is desired to perform arbitrary beam forming at high speed and with high accuracy without performing interpolation approximation in an arbitrary coordinate system. Other specific examples of the beamforming that is desired to be realized are as described in other parts of the present specification, and it is similarly desired that the beamforming can be performed at high speed and with high accuracy. 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。
特に変位計測においては、変位のベクトル観測を行う方法として、多次元自己相関法や多次元ドプラ法(非特許文献13)、多次元クロススペクトル位相勾配法(特許文献6や非特許文献15等)、デモジュレーション法(特許文献7や特許文献8)や非線形処理法、スペクトル周波数分割法、多次元位相マッチング法、コヒーレント加算による広帯域化法、over-determined法等を実現して来たが、それらの中でも、特に横方向変調時に実施されるデモジュレーション処理に基づく方法を改良し、計測精度を飛躍的に向上させることが要望されている。実のところ、従来のデモジュレーション(特許文献7や特許文献8)では、2次元又は3次元の横方向変調時のそれぞれにおいてデモジュレーションを行うべく、観測を実施する直交座標系の軸方向又はそれに直交する横方向の軸(それぞれ、軸座標軸と横座標軸)に対してと、軸座標軸とそれと直交する横方向を含む面に対して対称(つまり、軸方向に対して全ての波動が対称)になるように波動を偏向(ステアリング)して交差させても、実際に生成される波動は厳密には対称にならず、変位ベクトルの計測精度が低下する問題があった。また、積極的に偏向波動の中心軸を開口の正面方向から偏向した場合に観測不能となる問題があった。また、生成された偏向波動の伝搬方向(偏向波動そのもの)の瞬時周波数又は局所スペクトルの重心周波数が異なる場合に計測誤差を生じる問題があった。
Therefore, one of the objects of the present invention is to use a digital beamformer having a digital operation function as a digital beamformer and perform arbitrary beamforming with high speed and high accuracy without performing an approximate calculation. This makes it possible to implement various applications of the waves described below, including super-resolution using non-linear processing. There are various other applications, such as imaging, displacement measurement, temperature measurement, etc., and the multidimensional Fourier disclosed in Non-Patent Document 13 has been proposed in order to enable those applications to be performed at high speed. High-accuracy and high-speed Hilbert transform processing using transform (performs a multidimensional Fourier transform on a received multidimensional signal, and performs zero-filling of the spectrum in the frequency domain. In this case, a quadrant spectrum is generated, and a multidimensional inverse Fourier transform is performed.
In particular, in displacement measurement, as a method of performing vector observation of displacement, a multidimensional autocorrelation method, a multidimensional Doppler method (Non-patent Document 13), a multidimensional cross-spectral phase gradient method (Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.) , Demodulation methods (Patent Documents 7 and 8), non-linear processing methods, spectral frequency division methods, multidimensional phase matching methods, broadband methods using coherent addition, over-determined methods, and the like. Among them, there is a demand for improving a method based on demodulation processing performed at the time of lateral modulation, and dramatically improving measurement accuracy. In fact, in conventional demodulation (Patent Document 7 and Patent Document 8), in order to perform demodulation at the time of two-dimensional or three-dimensional lateral modulation, respectively, the axial direction of the orthogonal coordinate system where observation is performed or the direction thereof is performed. Symmetric with respect to the orthogonal transverse axes (the axis coordinate axis and the abscissa axis, respectively), and with respect to the axis coordinate axis and a plane including the transverse direction orthogonal thereto (that is, all waves are symmetrical with respect to the axial direction). Thus, even if the waves are deflected (steered) and intersected, the generated waves are not strictly symmetrical, and there is a problem that the measurement accuracy of the displacement vector is reduced. Further, there is a problem that the observation becomes impossible when the central axis of the deflection wave is positively deflected from the front direction of the opening. Further, there is a problem that a measurement error occurs when the instantaneous frequency in the propagation direction of the generated deflection wave (the deflection wave itself) or the center of gravity frequency of the local spectrum is different.

本発明は、上記の課題の少なくも一部を解決するためになされたものである。本発明の第1の観点に係る計測イメージング装置は、計測対象を透過し、又は、計測対象によって反射又は屈折又は散乱又は回折した波動を受信して少なくとも1つの受信信号を出力する少なくとも1つのセンサーと、前記少なくとも1つの受信信号を処理する信号処理部と、電子的又は機械的に少なくとも1つのステアリングされた波動を生成して、前記計測対象を横方向に走査し、少なくとも2つの時相において波動データ信号を生成するように前記信号処理部を制御する計測制御部と、前記少なくとも2つの時相において生成される波動データ信号に変位計測法を施して変位ベクトルを算出するデータ処理部とを具備し、前記データ処理部が、3次元の直交座標系の場合に前記信号処理部によって生成される前記波動を含む零度又は非零度の互いに異なる偏向角度を有する少なくとも3つのステアリングされた波動に対し、又は、2次元の直交座標系の場合に前記信号処理部によって生成される前記波動を含む零度又は非零度の互いに異なる偏向角度を有する少なくとも2つのステアリングされた波動に対し、前記少なくとも2つの時相におけるそれぞれのステアリングされた波動で単独に前記計測対象を走査して生成される波動データ信号に対応する単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルから得られる2つの複素解析信号の積又は共役積の信号のそれぞれが表す、互いに直交する方向に伝搬する新しい波動のそれぞれの瞬時位相の変化、又は、それぞれの瞬時位相の変化を同じく表す、前記少なくとも2つの時相におけるそれぞれのステアリングされた波動で単独に前記計測対象を走査して生成される波動データ信号に対応する単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルから得られる波動の瞬時位相の変化を核に有する2つの複素信号の積又は共役積の信号のそれぞれの位相を用いて、前記2つの複素解析信号又は前記2つの複素信号の積又は共役積の信号のそれぞれが表す、互いに直交する方向に伝搬する新しい波動の前記それぞれの瞬時位相の変化を、前記互いに直交する方向のそれぞれの瞬時周波数又は対応するスペクトルの重心周波数で除することにより、前記互いに直交する方向のそれぞれの変位成分を算出して、前記3次元の直交座標系の場合に3次元変位ベクトルを算出し、前記2次元の直交座標系の場合に2次元変位ベクトルを算出する。
また、本発明の第2の観点に係る計測イメージング装置は、計測対象を透過し、又は、計測対象によって反射又は屈折又は散乱又は回折した波動を受信して少なくとも1つの受信信号を出力する少なくとも1つのセンサーと、前記少なくとも1つの受信信号を処理する信号処理部と、前記計測対象の深さ方向、深さ方向に直交する横方向、及び、深さ方向及び横方向に直交するエレベーション方向を3軸とする3次元の直交座標系において、電子的又は機械的に生成される零度又は非零度の互いに異なる偏向角度を有する少なくとも3つのステアリングされた波動を生成し、又は、深さ方向、及び、深さ方向に直交する横方向を2軸とする2次元の直交座標系において、電子的又は機械的に生成される零度又は非零度の互いに異なる偏向角度を有する少なくとも2つのステアリングされた波動を生成して、前記計測対象を横方向に走査し、少なくとも2つの時相において波動データ信号を生成するように前記信号処理部を制御する計測制御部と、前記少なくとも2つの時相において生成される波動データ信号に変位計測法を施して変位ベクトルを算出するデータ処理部とを具備し、前記データ処理部が、前記少なくとも2つの時相におけるそれぞれのステアリングされた波動で単独に前記計測対象を走査して生成される波動データ信号に対応する単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルから得られる波動の瞬時位相を核とする複素解析信号又は前記少なくとも2つの時相の間に生じた瞬時位相の変化を核に有する複素自己相関信号又は複素信号を用いて、前記3次元の直交座標系の場合に3次元変位ベクトルを算出し、前記2次元の直交座標系の場合に2次元変位ベクトルを算出するにあたり、前記単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルに対応する複素解析信号又は複素自己相関信号又は複素信号の瞬時周波数ベクトルの大きさ又はスペクトルの重心周波数ベクトルの大きさが他の複素解析信号又は他の複素自己相関信号又は他の複素信号と同一になるように、前記他の複素解析信号又は前記他の複素自己相関信号又は前記他の複素信号の瞬時周波数ベクトル成分又は重心周波数ベクトル成分を定数倍する際にそれらの瞬時位相又は瞬時位相の変化も定数倍し、又は、複数の複素解析信号又は複数の複素自己相関信号又は複数の複素信号の瞬時周波数ベクトルの大きさ又は重心周波数ベクトルの大きさを正規化する際に、前記複数の複素解析信号又は前記複数の複素自己相関信号又は前記複数の複素信号の瞬時周波数ベクトル成分又は重心周波数ベクトル成分を正規化すると共にそれらの瞬時位相又は瞬時位相の変化も正規化し、前記単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルに対応する波動の重ね合わせが前記3次元の直交座標系又は前記2次元の直交座標系又はそれらを回転した3次元の直交座標系又は2次元の直交座標系の軸の方向に独立した瞬時周波数又は重心周波数を有するように前記波動データ信号を処理して、前記波動の重ね合わせを画像化する。
The present invention has been made to solve at least a part of the above problems. A measurement imaging apparatus according to a first aspect of the present invention includes at least one sensor that transmits a measurement target, or receives a wave reflected, refracted, scattered, or diffracted by the measurement target and outputs at least one reception signal. And a signal processing unit for processing the at least one received signal; and electronically or mechanically generating at least one steered wave to scan the object to be measured in a lateral direction, and in at least two time phases. A measurement control unit that controls the signal processing unit to generate a wave data signal; and a data processing unit that calculates a displacement vector by performing a displacement measurement method on the wave data signal generated in the at least two time phases. The data processing unit has a three-dimensional orthogonal coordinate system, and includes the wave generated by the signal processing unit at zero degree or non-zero. Zero or non-zero different deflection angles for the at least three steered waves having different deflection angles in degrees or including the waves generated by the signal processor in the case of a two-dimensional rectangular coordinate system. A single actant corresponding to a wave data signal generated by scanning the measurement object alone with each steered wave in the at least two time phases for at least two steered waves having The change of each instantaneous phase or the change of each instantaneous phase of a new wave propagating in a direction orthogonal to each other, which is represented by the signal of the product or conjugate product of two complex analytic signals obtained from the quadrant spectrum, respectively Representing each steered wave in said at least two phases The product or conjugate product of two complex signals having, at the nucleus, a change in the instantaneous phase of a wave obtained from the spectrum of a single actant or quadrant corresponding to a wave data signal generated by scanning the measurement object. A change in the respective instantaneous phase of a new wave propagating in mutually orthogonal directions represented by each of the two complex analytic signals or the product or conjugate product signal of the two complex signals using the respective phases of the signal; Is divided by each instantaneous frequency in the direction orthogonal to each other or the center of gravity frequency of the corresponding spectrum to calculate each displacement component in the direction orthogonal to each other, and in the case of the three-dimensional orthogonal coordinate system, A three-dimensional displacement vector is calculated, and in the case of the two-dimensional orthogonal coordinate system, a two-dimensional displacement vector is calculated.
In addition, the measurement imaging apparatus according to the second aspect of the present invention transmits at least one of a wave transmitted through a measurement target, or a wave reflected, refracted, scattered, or diffracted by the measurement target and outputs at least one reception signal. Two sensors, a signal processing unit that processes the at least one received signal, a depth direction of the measurement target, a horizontal direction orthogonal to the depth direction, and an elevation direction orthogonal to the depth direction and the horizontal direction. Generate at least three steered waves having different deflection angles of electronically or mechanically generated zero or non-zero in a three-dimensional rectangular coordinate system having three axes, or in a depth direction, and In a two-dimensional orthogonal coordinate system having two axes in a horizontal direction perpendicular to the depth direction, different deflection angles of zero degree or non-zero degree generated electronically or mechanically. A measurement control unit that generates at least two steered waves, scans the object to be measured in a lateral direction, and controls the signal processing unit to generate a wave data signal in at least two time phases; A data processing unit for performing a displacement measurement method on a wave data signal generated in at least two time phases to calculate a displacement vector, wherein the data processing unit is operated in each of the at least two time phases. A complex analytic signal centered on the instantaneous phase of a wave obtained from the spectrum of a single actant or quadrant corresponding to a wave data signal generated by scanning the object to be measured by a wave alone, or the at least two time phases Using a complex autocorrelation signal or a complex signal having the instantaneous phase change occurring during When calculating a three-dimensional displacement vector in the case of a coordinate system and calculating a two-dimensional displacement vector in the case of the two-dimensional orthogonal coordinate system, a complex analytic signal or complex signal corresponding to the spectrum of the single actant or quadrant is used. The magnitude of the instantaneous frequency vector of the autocorrelation signal or the complex signal or the magnitude of the centroid frequency vector of the spectrum is the same as that of the other complex analysis signal or the other complex autocorrelation signal or the other complex signal. When the complex analytic signal or the other complex autocorrelation signal or the instantaneous frequency vector component or the centroid frequency vector component of the other complex signal is multiplied by a constant, the instantaneous phase or the change in the instantaneous phase is also multiplied by a constant, or The magnitude of the instantaneous frequency vector or the centroid frequency vector of the complex analytic signal or the plurality of complex autocorrelation signals or the plurality of complex signals When normalizing, the plurality of complex analytic signals or the plurality of complex autocorrelation signals or the instantaneous frequency vector component or the center of gravity frequency vector component of the plurality of complex signals are normalized and their instantaneous phase or instantaneous phase is normalized. Is also normalized, and the superposition of the waves corresponding to the spectrum of the single actant or quadrant is the three-dimensional rectangular coordinate system, the two-dimensional rectangular coordinate system, or the three-dimensional rectangular coordinate system obtained by rotating them. Alternatively, the wave data signal is processed so as to have an instantaneous frequency or a center-of-gravity frequency independent of the direction of the axis of the two-dimensional rectangular coordinate system, and the superposition of the waves is imaged.

さらに、本発明の第3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、本発明の第4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ωを用いて表される波数k(=ω/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、
さらに、その積を、軸方向yに関して分解能を持たせるべく横方向xに関してフーリエ変換し、得られた演算結果に、横方向xに行われた波数マッチングの効果を除いて実施できる複素指数関数(102)を掛けると同時に、複素指数関数(103)を掛けることにより軸方向に関する波数マッチングを行い、ここで、横方向の波数がkと表され、
補間近似処理を行うことなく波数マッチングを行うことによって、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を含む。
Furthermore, the beam forming method according to the third aspect of the present invention is characterized in that, in an orthogonal coordinate system using an axial direction determined by an opening direction of an arbitrary receiving aperture element array and at least one horizontal direction orthogonal thereto, A wave is transmitted from at least one wave source located in the direction toward the measurement target, and a wave coming from the measurement target is transmitted or received in an axial direction or a direction symmetric with respect to the axial direction by beam forming. In the case where two-dimensional two-waves and three-dimensional or three- or four-waves are superimposed in the case of transverse modulation, the waves coming from the measurement object are at least The step (a) of receiving a signal by one receiving aperture element to generate a received signal, and the step (a) (B) generating a multidimensional reception signal by performing beamforming processing and performing lateral modulation, and performing Hilbert transform processing on the multidimensional reception signal generated in step (b). (C) performing partial differential processing or one-dimensional Fourier transform in the axial or lateral direction, and in the case of two-dimensional, the multi-dimensional reception signal of each of the two waves. Generating an analytic signal and, in the case of three dimensions, generating an analytic signal of a multidimensional received signal for each of the three or four waves.
In addition, the beam forming method according to the fourth aspect of the present invention can be implemented in a Cartesian Cartesian coordinate system using coordinates in an axial direction y determined by the direction of an opening of a flat receiving aperture element array and a horizontal direction x orthogonal thereto. An arbitrary wave is transmitted from the wave source located in the direction to the object to be measured, and the wave arriving from the object to be measured is transmitted in a direction where the deflection angle (deviation) θ formed with the axial direction is zero degree or non-zero degree. Or, when the same wave arriving from the object to be measured is subjected to reception dynamic focusing in a direction in which the deflection angle (deviation angle) φ formed with the axial direction is zero degree or non-zero degree, the measurement is performed. (A) receiving a wave arriving from an object by at least one reception aperture element to generate a reception signal; and receiving the wave generated in step (a). (B) performing a beam forming process by performing at least Fourier transform and wave number matching on the received signal, wherein step (b) performs interpolation approximation on the received signal in the wave number domain or the frequency domain. The wave number k 0 (= ω 0 / c) expressed by using the wave number k of the wave and the carrier frequency ω 0 of the wave in a Fourier transform of the received signal without performing the wave number matching including the processing, and Wave number matching in the horizontal direction x is performed by multiplying by a complex exponential function (101) expressed using an imaginary unit i,
Further, the product is Fourier-transformed in the horizontal direction x so as to have a resolution in the axial direction y, and a complex exponential function (excluding the effect of the wave number matching performed in the horizontal direction x) is obtained on the obtained operation result. At the same time as multiplying by 102), the wave number matching in the axial direction is performed by multiplying by a complex exponential function (103), where the wave number in the horizontal direction is represented by k x ,
This includes generating an image signal directly in a Cartesian coordinate system by performing wave number matching without performing interpolation approximation processing.

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、回折波、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 fast Fourier transform, multiplication of complex exponential function, and proper execution of Jacobi operation, without performing the approximate calculation required in the case of performing ordinary digital processing, It includes an apparatus and a method for performing arbitrary beamforming at high speed and with high accuracy in an arbitrary rectangular coordinate system. In order to solve the problem, reflected waves, transmitted waves, and scattering waves are applied to vibration waves (mechanical waves) including electromagnetic waves, sound waves (compression waves), shear waves, surface waves, etc., or heat waves. Waves (such as forward scattered waves or back scattered waves), refracted waves, diffracted waves, surface waves, shock waves, those waves generated from a self-emanating wave source, waves generated from a moving object, or Appropriately set digital signal processing algorithms (in implemented digital circuits or software) or analog or digital hardware are used for observed waves, such as waves coming from unknown sources.

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 phasing addition device of a normal digital beamformer of each wave device, and may further include a device having an arithmetic function for performing digital wave signal processing. May be implemented, or a digital circuit for implementing the operation may be configured and used. As other necessary devices, at least a normally used transducer, a transmitter, a receiver, a device for storing a received signal, and the like may be provided, as will be described later in detail. Harmonic waves are also processed. Beamforming 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-accuracy processing, in addition to the analog devices such as the above-described level adjustment by analog amplification or attenuation and analog filtering, an analog signal processing device (a waveform of a drive signal waveform) is used. Effective application of linear elements, especially non-linear elements, for changing waveforms, such as emphasizing or attenuating features), as described above, devices and calculators with general-purpose calculation processing capability, PLDs (Programmable Logic Devices) ), FPGA (Field-Programmable Gate Array), DSP (Digital Signal Processor), GPU (Graphical Processing Unit), or a microprocessor may be used, but a dedicated computer or a 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 (such as multi-core) have high performance, but the number of communication times 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 they are detachable), those 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 also serves as the control unit, much higher security performance can be obtained as compared with the security obtained under normal program control. On the other hand, current legislation will require more disclosure of processing details.

本発明のいずれかの観点によれば、従来のデモジュレーション法(特許文献7や特許文献8)を用いた変位ベクトル観測では、2次元又は3次元の横方向変調時のそれぞれにおいてデモジュレーションを行うべく、観測を実施する直交座標系の軸方向又はそれに直交する横方向の軸(それぞれ、軸座標軸と横座標軸)に対してと、軸座標軸とそれと直交する横方向を含む面に対して対称(つまり、軸方向に対して全ての波動が対称)になるように波動を偏向して交差させた際に、実際に生成される波動が厳密にはそれらに対して対称にはならずに計測精度が低下する問題を克服でき、飛躍的に計測精度を向上させることができる。また、積極的に偏向波動の中心軸を開口の正面方向から偏向した場合に観測不能となる問題を解決し、様々な場合の波動を用いてデモジュレーションに基づく変位ベクトルの観測が可能になる。また、生成された偏向波動の伝搬方向(偏向波動そのもの)の瞬時周波数又は局所スペクトルの重心周波数が異なる場合に計測誤差を生じる問題を克服でき、高精度な観測が可能になる。
また、本発明のいずれかの観点によれば、(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, in displacement vector observation using a conventional demodulation method (Patent Document 7 or Patent Document 8), demodulation is performed at the time of two-dimensional or three-dimensional lateral modulation, respectively. Therefore, it is symmetrical with respect to the axis direction of the orthogonal coordinate system for performing the observation or the horizontal axis orthogonal thereto (the axis coordinate axis and the horizontal coordinate axis, respectively) and the axis coordinate axis and the plane including the horizontal direction orthogonal thereto ( In other words, when the waves are deflected and crossed so that all the waves are symmetrical with respect to the axial direction, the waves actually generated are not strictly symmetrical with respect to them but the measurement accuracy Can be overcome, and the measurement accuracy can be dramatically improved. In addition, it is possible to solve the problem that the observation becomes impossible when the center axis of the deflection wave is positively deflected from the front direction of the opening, and it is possible to observe the displacement vector based on the demodulation using the wave in various cases. In addition, it is possible to overcome the problem that a measurement error occurs when the instantaneous frequency in the propagation direction of the generated deflection wave (deflection wave itself) or the center of gravity frequency of the local spectrum is different, and high-precision observation is possible.
Further, according to any aspect of the present invention, a new Hilbert transform using (partial) differential processing or (high-speed) Fourier transform can quickly perform wave imaging, displacement (vector) measurement, temperature measurement, and the like. Various applications can be implemented (the former is faster than the latter). When a plurality of beams and waves having different wave parameters and beam forming parameters such as ultrasonic waves are generated in each time phase, the number of reception signals received by the receiving transducer increases, and beam forming and Hilbert transform are performed. This is effective in such a case, since the number of times of performing is increased. A plurality of beamformed signals may be superimposed and Hilbert transformed at once, which is also effective. When the physical aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multi-dimensional array, the problem of requiring a large amount of processing time is more effectively solved, and the high-speed Hilbert transform is 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, it is possible to use a digital beamformer having a digital operation function and perform high-speed and high-precision arbitrary beamforming without performing approximate calculation through fast Fourier transform (Fourier beamforming). . As will be described in more detail below, the present invention provides for fast execution of arbitrary beamforming in any Cartesian coordinate system, including curved coordinate systems, based on the proper use of complex exponential multiplication and Jacobi operations. In addition, it includes realizing with high accuracy without interpolation approximation. When a plurality of beams or waves having different wave parameters or beam forming parameters such as ultrasonic waves are generated, the received echo signals received by the receiving transducers are superimposed and beam forming may be performed at once. .
Any beam forming including conventional beam forming can be realized using DAS (Delay and Summation) processing. However, according to the present invention, when the physical apertures constitute a one-dimensional array, a general-purpose PC (personal computer) is used. )), The calculation speed is significantly faster by more than 100 times. When the aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multi-dimensional array, the problem that much processing time is required is more effectively solved, and the beam forming speed is 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, any beam forming can be quickly interpolated and approximated by using a transmitting or receiving transducer array device having an arbitrary aperture shape (sometimes used for both transmitting and receiving) or a sensor array device. , And can be realized by digital processing with high precision. Virtually any focusing, any steering (deflection), any apodization can be performed using 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。シングルクリスタルとの複合型も可能である。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 a Cartesian coordinate system using a linear transducer, in a conveyor type, sector scan, or IVUS (intravascular ultrasound), transmission, reception, and digitization are physically performed using a polar coordinate system. What is performed is popular, and it depends on the observation target. For example, when observing the dynamics of the heart from the gap between the sternum, a sector scan is usually performed. Also, in an array-type aperture shape or otherwise a PVDF (polyvinylidene fluoride) based transducer, the aperture 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 performing interpolation approximation. be able to. A composite transducer of PVDF, which can generate high-frequency ultrasonic waves, and PZT (lead zirconate titanate), which can generate low-frequency but high-power ultrasonic waves, is used as a transducer for a wide band or for simultaneously generating a plurality of carrier frequencies. Sometimes used. A composite type with a single crystal is also possible. As a device for generating a plurality of different ultrasonic waves, devices having different sizes of elements, element intervals, or element thicknesses are arranged in an array, or an array of various configurations forms a layered structure. In some 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 reception elements, and each echo data frame is generated in the frequency domain. The data frame is subjected to the monostatic type aperture plane synthesizing process according to the present invention, and the result obtained by superimposing the processing results is subjected to inverse Fourier transform. As a result, echo data can be generated by the same number of aperture plane synthesizing processes as the number of channels of the receiving aperture. Therefore, a low spatial resolution image signal is generated by a DAS known as a multi-static processing method and superimposed to obtain a high spatial resolution. 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 (fixed) transmission fixed focus can be performed at high speed and with high accuracy. Either case can be achieved by performing an appropriate phase rotation process using multiplication of a complex exponential function.

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。   Regarding the coordinate system, the present invention is based on performing Jacobi operation in the Fourier transform. For example, in a convex or sector scan, or IVUS signal processing, echo data transmitted and received in a polar coordinate system is used. Based on this, echo data can be directly generated 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、デジタル処理の下で、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 beamforming can be performed at high speed and with high accuracy without similarly performing interpolation approximation in an arbitrary coordinate system. Further, according to the present invention, imaging with a high SN ratio and high resolution using a virtual source can be performed at high speed. Further, according to the present invention, frequency modulation and broadening of a beam performed under linear processing or non-linear processing, multi-focus, parallel processing, virtual sources and virtual receivers can be performed at high speed under digital processing. It can be realized with high accuracy. The present invention is also useful in optimizing beamforming that requires computational complexity.

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(本願の発明者は、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。   A beam forming method according to another aspect of the present invention provides an array type aperture element group (each element is independently driven and independently received in various beam forming such as Fourier beam forming and DAS processing). Have independent transmission or reception channels from which signals can be obtained), and use the same transmission or reception delay or transmission or reception apodization for adjacent or distant elements as one 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 the transmission and reception waves becomes weaker (the present inventor). Realizes high-precision displacement vector observation at or near the element pitch of 0.1 mm). This is also the case when a two-dimensional array or a higher-dimensional array is used (element width and element spacing in the direction of the number of dimensions are reduced). Even when the frequency is increased by reducing the element thickness, for example, in the case of using ultrasonic waves such as PVDF having a lower transmission intensity than PZT or the like, the strength of the wave is weakened. It is effective in such a case. By the way, if the element pitch is coarse, a signal in which aliasing has occurred in the element array direction (original digital space) is received and beamforming is performed. And removes the signal in the band. When the element width is reduced and the element pitch is shortened as described above, a wide band in the horizontal direction can be obtained as can be confirmed from the angular spectrum, and a signal having a wide band in the horizontal direction can be generated by beam forming, but the same applies when aliasing occurs. Need to be processed. These processes are required in all beamforming processes. Since the beamforming 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, an electromagnetic wave, a sound wave (compression wave), a shear wave, a shock wave, a vibration wave including a surface wave (mechanical wave), or a wave such as a heat wave is targeted. Focusing on transmission or reception, steering on transmission or reception, and arbitrary beamforming regardless of the presence or absence of apodization on transmission or reception, even when the coordinate system for transmission and reception is different from the coordinate system for generating a beamformed signal 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 in an image, but also provides a high spatial resolution and high contrast with respect to the image quality, and further enables displacement and deformation using the beamformed signal. Or, if the temperature or the like is measured, the measurement accuracy is also improved. The high processing speed has a great effect in multidimensional imaging using a multidimensional array. The present invention relates to a mathematical algorithm related to wave propagation, and is a result of deriving a solution that does not include an approximate calculation through digital operation, but cannot be easily conceived.

本発明の第1の実施形態に係る計測イメージング装置の構成例を示す代表的なブロック図。FIG. 1 is a representative block diagram illustrating a configuration example of a measurement imaging apparatus according to a first embodiment of the present invention. 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。FIG. 2 is a representative block diagram illustrating a configuration example of the apparatus main body illustrated in FIG. 1 in detail. 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。FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of arrangement of a plurality of transmission aperture elements in a transmission transducer. 整相加算器を搭載する受信ユニット又は受信装置の構成とその周辺装置を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a receiving unit or a receiving device equipped with a phasing adder and peripheral devices thereof. 偏向平面波の送波の模式図。FIG. 4 is a schematic diagram of transmission of a deflection plane wave. 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。9 is a flowchart showing digital signal processing at the time of transmitting a plane wave of deflection. 極座標(r,θ)において角度θ方向に広い波を半径r方向に送波する場合(円筒波送波)の模式図。FIG. 9 is a schematic diagram of a case where a wave that is wide in the angle θ direction is transmitted in the radius r direction in polar coordinates (r, θ) (cylindrical wave transmission). 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。Schematic diagram of a case in which a wide wave is transmitted in the direction of the radius r in the polar coordinate system (r, θ) in the direction of the radius r using a virtual source installed behind a physical aperture having an arbitrary aperture shape (cylindrical wave transmission) . 任意の開口形状の物理開口の位置、又は、その後方又は前方に別の開口又は波を生成する場合の模式図。The schematic diagram in the case of generating the position of the physical opening of arbitrary opening shapes, or another opening or a wave behind or ahead of it. モノスタティック型開口面合成の模式図。FIG. 4 is a schematic diagram of monostatic type aperture synthesis. モノスタティック型開口面合成におけるステアリングにより生成されるスペクトルの模式図(θはステアリング角度)。FIG. 3 is a schematic view of a spectrum generated by steering in monostatic aperture synthesis (θ is a steering angle). マルチスタティック型開口面合成の模式図。FIG. 3 is a schematic diagram of multi-static type aperture surface synthesis. リニア型アレイを用いた固定フォーカシングの模式図。FIG. 2 is a schematic diagram of fixed focusing using a linear array. 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。9 is a flowchart showing digital signal processing when transmitting a cylindrical wave. 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。FIG. 3 is a schematic diagram of fixed focusing using a convex type array. 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。9 is a flowchart illustrating a migration process when a plane-deflected wave is transmitted. 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。FIG. 7 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. 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。FIG. 9 is a schematic diagram for explaining an example of phase aberration correction when performing steering when a linear one-dimensional array transducer is used. 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。FIG. 9 is a schematic diagram for explaining an example of phase aberration correction when performing steering when using a two-dimensional array transducer. 変形可能な物理開口アレイ素子群の素子位置を計算する例を説明するための模式図。FIG. 9 is a schematic diagram for explaining an example of calculating an element position of a deformable physical aperture array element group. 波動信号におけるアンギュラースペクトルを示す図。The figure which shows the angular spectrum in a wave signal. 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の模式図。FIG. 7 is a schematic diagram of motion compensation performed in a two-dimensional case by moving a search area provided in a next frame to be processed using an estimated value of a displacement vector of a point of interest or a local area including the point of interest. 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。9 is a flowchart illustrating an example of signal processing by Fourier transform using a Jacobi operation. 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。The figure which shows the numerical value phantom used in the simulation. シミュレーションにおいて用いられた送信パルスの音圧波形を示す図。The figure which shows the sound pressure waveform of the transmission pulse used in the simulation. 偏向平面波送波において方法(1)を用いて得られた画像を示す図。The figure which shows the image obtained using the method (1) in the deflection plane wave transmission. 偏向平面波送波において方法(1)を用いて得られた画像を示す図。The figure which shows the image obtained using the method (1) in the deflection plane wave transmission. 偏向平面波送波において方法(1)を用いて得られた偏向角度と誤差を設定角度に対して示す図。The figure which shows the deflection | deviation angle and error which were obtained using the method (1) in deflection plane wave transmission with respect to a set angle. 偏向平面波送波において方法(1)を用いて得られた偏向角度の誤差を示す図。The figure which shows the error of the deflection angle obtained using the method (1) in the deflection plane wave transmission. 偏向平面波送波において方法(1)をコンパウンド法と共に用いて得られた画像を示す図。The figure which shows the image obtained by using the method (1) with the compound method in the deflection plane wave transmission. 偏向平面波送波において方法(1)を用いて実現された点拡がり関数を示す図。The figure which shows the point spread function implement | achieved using the method (1) in deflection plane wave transmission. 偏向平面波送波において方法(6)のマイグレーション法を用いて得られた画像を示す図。The figure which shows the image obtained by using the migration method of the method (6) in the deflection plane wave transmission. 方法(2)のモノスタティック型開口面合成により得られた画像を示す図。The figure which shows the image obtained by the monostatic-type aperture surface synthesis of the method (2). 方法(3)のマルチスタティック型開口面合成により得られた画像を示す図。The figure which shows the image obtained by the multi-static type | form aperture surface synthesis of the method (3). 方法(3)のマルチスタティック型開口面合成により実現された点拡がり関数を示す図。The figure which shows the point spread function implement | achieved by the multi-static-type aperture surface synthesis of the method (3). 方法(4)の固定フォーカシング送信により得られた画像を示す図。The figure which shows the image obtained by the fixed focusing transmission of the method (4). コンベックス型アレイを用いた円筒波送波において方法(5−1)により得られた画像、及び、リニア型アレイを用いた円筒波送波において方法(5−1')により得られた画像を示す図。The image obtained by the method (5-1) in the cylindrical wave transmission using the convex type array and the image obtained by the method (5-1 ′) in the cylindrical wave transmission using the linear type array are shown. FIG. コンベックス型アレイと方法(5−2)の固定フォーカシング送信により得られた画像を示す図。The figure which shows the image obtained by the convex type array and the fixed focusing transmission of the method (5-2). 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。FIG. 4 shows an example of two steering beams in a two-dimensional case and the lateral modulation of their superposition. 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。FIG. 4 shows an example of four steering beams in a three-dimensional case and a lateral modulation of their superposition. 本発明の第3の実施形態に係る計測イメージング装置の構成例を示すブロック図。FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration example of a measurement imaging apparatus according to a third embodiment of the present invention. 本発明の第4の実施形態及びその変形に係る計測イメージング装置の構成例を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration example of a measurement imaging apparatus according to a fourth embodiment and a modification thereof. 複数のトランスデューサの配置例を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of the arrangement of a plurality of transducers. 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。The figure for demonstrating the form of a wave when a one-dimensional transducer array is used. 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。The figure which shows the angle of the beam direction and the arrival direction of a wave in the space domain and the frequency domain in the case of two-dimensional measurement, and the gravity center of a spectrum. 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。FIG. 3 is a diagram illustrating two deflection beams used in a lateral modulation method in a two-dimensional space. 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の2次元スペクトルにおいて折り返しが生じたときに、周波数座標軸を読み替えて処理する例を示す図。The figure which shows the example which rewrites a frequency coordinate axis and processes when a return arises in the two-dimensional spectrum of the band 2A of a depth direction by the demodulation at the time of two-dimensional horizontal modulation. 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の2次元スペクトルにおいて折り返しが生じたときに、周波数座標軸を読み替えて処理する例を示す図。The figure which shows the example which rewrites a frequency coordinate axis and processes when a return arises in the two-dimensional spectrum of the horizontal band 2B by the demodulation at the time of two-dimensional horizontal modulation. デモジュレーションの例において周波数変調を施した例を示す図。The figure which shows the example which performed frequency modulation in the example of demodulation. 2次元座標系において生成された2つの波動及びそれらのスペクトルを模式的に示す図。FIG. 4 is a diagram schematically showing two waves generated in a two-dimensional coordinate system and their spectra. 2次元座標系において生成された2つの波動の複素自己相関信号の積のスペクトルと共役積のスペクトルを模式的に示す図。The figure which shows typically the spectrum of the product of the complex autocorrelation signal of two waves produced | generated in the two-dimensional coordinate system, and the spectrum of a conjugate product. 2次元直交座標系において疑似の軸方向とそれに直交する疑似の横方向の空間座標軸方向のそれぞれの変位を模式的に示す図。FIG. 4 is a diagram schematically showing displacements in a pseudo axial direction and a pseudo lateral spatial coordinate axis direction orthogonal to the pseudo axial direction in a two-dimensional orthogonal coordinate system. 2次元直交座標系の軸方向とそれに直交する横方向の空間座標軸方向とは異なる方向に生成された疑似の軸方向とそれに直交する疑似の横方向を模式的に示す図。FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a pseudo axial direction generated in a direction different from an axial direction of a two-dimensional orthogonal coordinate system and a spatial coordinate axis direction of a horizontal direction orthogonal thereto, and a pseudo horizontal direction orthogonal thereto. 直交しない疑似の軸方向と疑似の横方向を模式的に示す図。The figure which shows typically the pseudo axial direction which is not orthogonal, and the pseudo lateral direction. 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。FIG. 4 is a diagram showing a change in the spectrum of an echo signal according to an embodiment of the present invention. 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。FIG. 4 is a diagram illustrating a change in an autocorrelation function of an echo signal according to an embodiment of the present invention. 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。FIG. 4 is a diagram illustrating a change in an autocorrelation function of an echo signal according to an embodiment of the present invention. 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。FIG. 4 is a diagram illustrating a change in an autocorrelation function of an echo signal according to an embodiment of the present invention. 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。FIG. 4 is a diagram illustrating a change in a B-mode echo image according to an embodiment of the present invention. 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。FIG. 4 is a diagram illustrating a change in a B-mode echo image according to an embodiment of the present invention. 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。FIG. 4 is a diagram illustrating a change in a B-mode echo image according to an embodiment of the present invention. 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。The figure which shows the image of the displacement vector measured by the agar phantom by one Embodiment of this invention, a distortion tensor, and a relative shear modulus. 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。The figure which shows the sound pressure change by one Embodiment of this invention at the time of using a concave HIFU applicator. ヒトin vivo手首にて得られた光超音波画像の例を示す図。The figure which shows the example of the optical ultrasonic image obtained by the human in vivo wrist. ヒトin vivo手首にて得られた2次元点拡がり関数の例を示す図。The figure which shows the example of the two-dimensional point spread function obtained by the human in vivo wrist. ヒトin vivo手首にて得られた深さ方向の歪画像の例を示す図。The figure which shows the example of the distortion image of the depth direction obtained with the human in vivo wrist.

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。本発明に係る計測イメージング装置は、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)、回折波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. Note that the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. The measurement imaging apparatus according to the present invention can be used as a communication device. In the following, mainly, when the wave is a sound wave such as an ultrasonic wave, a sound pressure or a particle velocity, and when a mechanical wave is a compression wave (longitudinal wave) or a shear wave, a shock wave, a surface wave, or the like, a stress wave or When a distortion wave or an electromagnetic wave is targeted, an electric field or a magnetic field. A case where an image signal is generated 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。ここで、送信トランスデューサ10と受信トランスデューサ20とが一体化又は組み合わされて、波動を送受信するセンサーを構成しても良い。
<< First Embodiment >>
First, the configuration of the measurement imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a typical block diagram illustrating a configuration example of a measurement imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the measurement imaging apparatus according to the present embodiment includes a transmitting transducer (or applicator) 10 as a transmitting unit, a receiving transducer (or receiving sensor) 20 as a receiving unit, an apparatus main body 30, An input device 40, an output device (or a display device) 50, and an external storage device 60 are provided. Here, the transmitting transducer 10 and the receiving transducer 20 may be integrated or combined to constitute a sensor that transmits and receives a wave.

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、送信ユニット31及び受信ユニット32が、少なくとも1つの駆動信号を生成すると共に、少なくとも1つの受信信号を処理して波動データ信号を生成する信号処理部を構成し、デジタル信号処理ユニット33が、少なくとも2つの時相において生成される波動データ信号に変位計測法を施して変位ベクトルを算出するデータ処理部を構成する。制御ユニット34は、電子的又は機械的に少なくとも1つのステアリングされた波動(「ステアリングビーム」ともいう)を生成して、計測対象を横方向に走査し、少なくとも2つの時相において波動データ信号を生成するように送信ユニット31及び受信ユニット32を制御する計測制御部を構成する。また、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、そのように呼ぶ。   FIG. 2 is a typical block diagram showing a detailed configuration example of the apparatus main body shown in FIG. The device 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 transmission unit 31 and the reception unit 32 form a signal processing unit that generates at least one drive signal and processes at least one reception signal to generate a wave data signal, and the digital signal processing unit 33 , A data processing unit configured to perform a displacement measurement method on the wave data signals generated in at least two time phases to calculate a displacement vector. The control unit 34 generates at least one steered wave electronically or mechanically (also referred to as a “steering beam”) to scan the measurement object laterally and to generate a wave data signal in at least two time phases. A measurement control unit that controls the transmission unit 31 and the reception unit 32 so as to generate them is configured. Further, the receiving unit 32 may include a digital signal processing unit 33. 1 and 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, between the above-mentioned apparatuses, between the units in the apparatus main body 30, and in each unit, communication is appropriately performed based on a wired technology or a wireless technology, and may be installed at a remote place. The apparatus main body 30 is composed of a plurality of such units, and is referred to as such for convenience.

<送信トランスデューサ>
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従って、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 and transmits a wave according to a drive signal supplied from a transmission unit 31 in the apparatus main body 30. In the present embodiment, a 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 example of the arrangement of a plurality of transmission aperture elements in a 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 present in a one-dimensional array. Is shown. FIG. 3 (a2) shows a plurality of transmission aperture elements 10a densely arranged in a two-dimensional array, and FIG. 3 (b2) shows a plurality of transmission aperture elements 10a which are two-dimensionally sparse. 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 existing in a three-dimensional array. 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よう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よう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ように開口が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 transmitting aperture element 10a has a rectangular, circular, hexagonal, or other aperture shape, and can be various, such as flat, concave, or convex, and the array can 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 or more space, but at least orthogonal. A device in which so-called openings are oriented in two orthogonal directions so as to have directivity in two directions may be referred to as one element, or three directions in which so-called openings are orthogonal so as to have directivity in three orthogonal directions. The one that is suitable for is sometimes counted as one element. Some devices have apertures that are oriented in more than three directions so as to have directivity in more 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。   The transmitting aperture element 10a may be spatially dense or sparse (separate position), but this embodiment will be described without distinction from a special one-dimensional to three-dimensional array type. The aperture element array is used for IVUS in linear type (array of elements is flat), convex (arrangement of convex arcs), focus type (arrangement of concave arcs), circular type (for example, medical ultrasonic wave etc.) ), Various shapes such as spherical, convex or concave spherical shell, and other shapes that are arranged in a convex or concave shape can be applied to objects that propagate waves (communication objects) or observation objects. However, the present invention is not limited to these. By appropriately driving these aperture element arrays, transmission and steering of waves whose wavefronts such as the above-mentioned plane waves spread widely in the horizontal direction, aperture plane synthesis, fixed transmission focus, and the like were performed, and one beam or a generated beam was generated. A transmitted 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 the electronic scanning, as will be described later in detail, in order to generate a transmission wave having one transmission beam or wavefront, the driving is performed by independent driving signals generated by a plurality of transmission channels provided in the transmission unit 31 shown in FIG. The same number of transmission aperture elements 10a as the number of signals can be independently driven. A transmission aperture element array used to generate a transmission wave having one transmission beam or wavefront is also referred to as a transmission effective aperture. Further, it is distinguished from a physical aperture element array which collectively refers to all aperture elements, and a transmission aperture realized by the simultaneously driven transmission aperture element 10a may be referred to as a transmission sub-opening element array or simply as a transmission sub-opening. 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 whole area of interest or the wide area where the wave is to be propagated (communication target) at a time, the physical aperture element array has the number of transmission channels of the total number of aperture elements, and all of them can be used at all times. However, in order to make the device inexpensive, electronically switching the transmission channel to shift the transmission sub-aperture element array (electronic scanning) or mechanically scanning the physical aperture element array (mechanical scanning) The waves may be transmitted over the entire region of interest using a minimum number of transmission channels. If the object (communication object) through which the wave propagates is large or the size of the observation object is large, 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 a sector scan is performed, a spatially fixed aperture element array of the type described above is electronically driven and scanned (electronic scanning), or the aperture element array itself is mechanically scanned. (Mechanical scanning) or both. In classical aperture synthesis, electronic scanning is performed by electronically driving each element of the aperture element array or mechanical scanning of one aperture element to transmit at different positions to form a transmission aperture array. In, the transmission unit 31 may have the number of transmission channels equal 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 transmitting unit 31 needs at least the number of channels obtained by multiplying the number of elements driven at a 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、計測対象を透過し、又は、計測対象によって反射又は屈折又は散乱又は回折した波動を受信して少なくとも1つの受信信号を出力する。受信トランスデューサ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。
<Reception transducer>
The receiving transducer (or receiving sensor) 20 shown in FIG. 2 transmits at least one wave transmitted through the measuring object or reflected, refracted, scattered, or diffracted by the measuring object and outputs at least one received signal. The receiving transducer 20 may also serve as the transmitting transducer 10, but may be an array-type sensor that is used separately from the transmitting transducer 10 and is dedicated to receiving. Therefore, the receiving transducer 20 may be set at a different position from the transmitting transducer 10. Further, the receiving transducer 20 may sense a wave different from the wave generated by the transmitting transducer 10 in some cases. 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)。   In the receiving transducer 20 of the present embodiment, at least one or more receiving aperture elements 20a constitute an array, similarly to the transmitting transducer 10, and the signals received by each element are stored in the apparatus main body 30 in an independent state. To the receiving unit 32 (FIG. 2). Like the transmit aperture element 10a, the receive aperture element 20a has a rectangular, circular, hexagonal, or other aperture shape, and can be flat, concave, or convex, with an array of one. There are two-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional shapes. The directivity of one receiving aperture element 20a is determined by the frequency and bandwidth of the wave to be received and the shape of the aperture of the receiving aperture element 20a, and one having a plurality of apertures may be counted as one element. The number of openings in one element differs depending on the position and may be mixed. In addition, the reception aperture elements 20a may be 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。   The aperture element array is, similarly to that of the transmission transducer 10, a linear type (the array of elements is flat), a convex (an array of convex arcs), a focus type (an array of concave arcs), and a circular type (for example, Used for IVUS in medical ultrasound, etc.), spherical, convex or concave spherical shells, other types of convex or concave lines, etc. Therefore, various aspects are taken and are not limited to these. Waves are received using these aperture element arrays, and the wavefronts such as the above-described plane waves are spread and spread in the horizontal direction. Wave reception and steering, aperture synthesis, fixed reception focus, dynamic focus, and the like are performed. A received wave having a beam and a generated wavefront is 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) may not be spatially dense, but may be sparse (distant locations), or may transmit or receive by mechanically scanning a measurement object. In the case where a transducer not referred to as an array type is used, the received signal may be processed in the same manner.In this application, without specially distinguishing them, a case where an array type device is used will be described. The present invention will be described. For example, if there is a radar aperture at a remote location on land, each radar may or may not form 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 radars mounted on satellites and airplanes, there are cases where the measurement target is mechanically scanned with a transducer, and in such a case, the transducer may or may not constitute an array, Signals may be transmitted or received continuously and densely or spatially sparsely at remote locations. Therefore, the signal may be received while performing the transmission beamforming as well as the classical aperture synthesis (transmission by one aperture element). The aperture element may exist in a one-dimensional shape, or may exist in a two-dimensional or three-dimensional space. Also, 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 the electronic scanning, as will be described later in detail, in order to realize one reception beam or a reception wave having a generated wavefront, reception signals independent of the number of reception channels provided in the reception unit 32 are received at a time by the aperture element. (The effective receiving aperture is determined). The receive effective aperture may be different from the transmit effective aperture. The full aperture element is distinguished from the physical aperture element array which is collectively referred to, and the reception aperture realized by the simultaneously used reception aperture element 20a may be referred to as a reception sub aperture element array or simply 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 whole area of interest or the case where the object (communication object) through which the wave propagates is wide, the receiving unit 32 includes the number of receiving channels of the total number of aperture elements provided in the physical aperture element array. All may be used, but electronically switching the receive channel to shift the receive sub-aperture element array (electronic scanning) or mechanically scanning the physical aperture element array to reduce the cost of the device Due to (mechanical scanning), a wave arriving from the entire region of interest may be received using a minimum number of reception 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。   If the object (communication object) through which the wave propagates is large or the size of the observation object is large, both electronic scanning and mechanical scanning may be performed. When a sector scan is performed, a spatially fixed aperture element array of the type described above is electronically driven to scan while alternately repeating transmission and reception (electronic scanning), or The aperture element array itself may be mechanically scanned (mechanical scanning), or both may be performed together. Further, in the classical aperture synthesis, regarding transmission, 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. In order to configure the transmission aperture array, the transmission unit 31 may have the number of transmission channels equal to the number of elements of the physical aperture array in the electronic scanning. However, by using the switching device, at least one channel is necessarily provided like the 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 a monostatic type in which reception is performed only by the same element as the active transmission element, the reception unit 32 may have a reception channel in the same manner as the transmission channel. In a multi-static type in which reception is frequently performed by a plurality of surrounding elements including an active transmission element, the reception unit 32 may include the number of reception channels equal to the number of elements of the physical aperture array in electronic scanning. By using the switching device, it is sufficient that the receiving unit 32 has at least the number of receiving channels equal to the number of elements of the effective receiving aperture in both the electronic scanning and the 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、その波動そのもの(回折波)や計測対象内において反射された反射波や屈折された屈折波や後方又は前方散乱された散乱波や回折された回折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 example of transducer>
There are various transducers 10 or 20 that can generate or receive arbitrary waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, or heat waves. For example, the transducer 10 transmits an arbitrary wave to a measurement object, and also transmits the wave itself (diffraction wave), a reflected wave reflected within the measurement object, a refracted refracted wave, a scattered wave backward or forward scattered, and a diffraction wave. The received diffracted wave or the like may be received (also serving as the transducer 20). For example, when the 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 element (PZT (Pb (lead) zirconate titanate: lead zirconate titanate), polymer piezoelectric element, or the like) is different depending on the application, and the transducer structure 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 ultrasonic waves. However, the present inventor has proposed a soft tissue displacement or strain (static case) that has been put into practical use in recent years. And the use of broadband transducers for (echo) imaging, including measurements of shear wave propagation (velocity). As with HIFU treatment, continuous waves may be used. However, the inventor of the present application has also developed an applicator using a high-frequency or broadband device in order to achieve high-resolution treatment. I have. In the case of using high-intensity ultrasonic waves, a tissue is stimulated within a range that does not cause a heating effect, and a power source may be generated in the measurement target as described above, and a transducer for (echo) imaging is used. Sometimes. Heat treatment, force source generation, and (echo) imaging may be performed simultaneously. The same is true for 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 superimposing the shear wave. The shear elastic modulus and the anisotropy of the propagation velocity can be measured. Since shear waves generated almost simultaneously are physically overlapped, the shear waves may be separated under spectrum analysis after the observation of the shear waves through ultrasonic displacement meter measurement. If they do not physically overlap, the shear wave generated by each force source is analyzed by observing the ultrasonic signal, the results are superimposed, and the propagation direction, propagation velocity, and propagation In some cases, the shear modulus (Patent Document 11 and the like) is required. However, the ultrasonic signals generated when the respective force sources are generated are analyzed by superposition, and the superposition of the shear waves is observed to obtain them. Sometimes it is done. The same applies to the case where a heat source is generated to observe heat waves and thermophysical properties. Hereinafter, 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 heat source, power source and sound pressure can be adjusted by the apodization and delay of transmission / reception, the radiation intensity, and by detecting the transmitted wave or reflected wave when they are generated and optimizing them, Desired heat source, power source and sound pressure can be realized. The shape of the signal may be observed with high sensitivity using a hydrophone, or the shape 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. In some cases, the propagation direction of the shear wave or the heat wave is optimized. In each of these cases, it is desirable to use the estimation 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-type applicator is used, high-intensity ultrasonic waves can be focused on the focal position, and a wide band is provided in the lateral direction. However, since the sound pressure shape has a distribution that draws a foot from the focal position, the spectrum obtained after receiving the reflected or transmitted wave is processed (filtering, weighting, etc.) to make the sound pressure shape elliptical. It can be processed (Patent Document 7). It may be applied that spectral components in each direction of a wave or a beam are confirmed as a spectrum in the same direction in a 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。   As wave parameters and beamforming parameters, focus position with transmission focusing, plane wave, cylindrical wave, spherical wave, etc. without transmission focusing, deflection angle (including zero degree without deflection), apodization or None, F number, transmission ultrasonic frequency or transmission band, reception frequency or reception band, pulse shape, beam shape, etc. When generating waves or beams with new characteristics that cannot be generated by wave generation or beam forming by multiple transmissions and receptions (for example, when the waves or beams are crossed and superimposed for lateral modulation or broadband, multi-focus , Etc.), the same effect may be obtained by performing the same processing. Note that the superposition may be performed at the same time in real time, or may be performed on data received at different times in the same time phase of the subject. Each of them may be subjected to reception beamforming and superimposed, or those not subjected to reception beamforming may be superimposed and subjected to reception beamforming.

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 a superposition of a plurality of waves or beams is weighted in the frequency domain and widened, and super-resolution may be performed (higher resolution). . This is the so-called inverse filtering or deconvolution. In some cases, the method described in paragraph 0009 may be used, and the conjugate or reciprocal of the frequency response may be applied to the observed wave as an inversion of the beam characteristic. Also, the conjugate of the observed wave or the conjugate of the frequency response may be applied (these are the detection processes, the former obtains the square of the envelope, and the latter uses the auto-spectrum, that is, the auto-correlation function). can get). Super-resolution may be applied to the beam-formed one (including aperture synthesis), or super-resolution to the one before reception beam-forming or no beam-forming (transmission / reception signal for aperture synthesis). Beam forming may be performed after performing 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。   In the 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. If high resolution is also required, it is necessary to widen the band. For example, the low frequency spectrum can be discarded and the frequency can be increased to increase the accuracy of displacement measurement. The amount of calculation can also be reduced. When multiple waves or beams are physically generated, or when multiple waves or beams are generated by dividing the spectrum by signal processing, an over-determined system is configured to perform high-precision displacement measurement, etc. In some cases, when the angular spectrum before beamforming is divided, beamforming is performed for each, and it is often better to divide the spectrum after beamforming. In the imaging, envelope detection, square detection, and absolute value detection are performed. By superimposing a plurality of waves or beams after detection, it is possible to reduce the number of speckles and enhance specular reflection.

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 when using ultrasonic waves and in medical treatment, but also when 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 therewith, 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。   Transducers are classified into contact type and non-contact type. Each time, a matching material is inserted through a matching material (eg, gel or water in the case of ultrasonic waves), or a matching material previously incorporated into the transducer (ultrasonic wave). In this case, a matching layer is used and the impedance matching of each wave is appropriately performed for the measurement target. Power element, carrier frequency, band (wide or narrow band, determine axial spatial resolution), waveform shape, element size (determine horizontal spatial resolution), directivity, etc., aperture element level and array Those designed in terms of both performance are used (details are omitted). As an ultrasonic transducer, there is a composite ultrasonic transducer such as one in which PZT or PVDF is laminated and has 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ようになった。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 forcibly vibrating by a drive signal, the frequency and the band of the generated ultrasonic wave may be adjusted or coded according to the drive signal. , Using analog or digital filters). In some cases, aperture elements having different characteristics such as frequency and sensitivity are arranged. Medical ultrasound transducers were originally handy and easy to use, but recently, non-cable transducers have been used with handy sized device bodies. If the sound has a low frequency (for example, audible sound), there are a speaker and a microphone. Other wave transducers may be implemented with similar perspectives, but not limited to.

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、その波動そのもの(回折波)や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前方散乱波、又は、計測対象内にて屈折された屈折波や回折された回折波等を受信することができる。   Alternatively, a transmitting transducer that generates an arbitrary wave and a receiving transducer (sensor) that receives an arbitrary wave may be used as the transducer 10 and the transducer 20. In that case, the transmitting transducer transmits an arbitrary wave to the measurement target, and the sensor uses the wave itself (diffraction wave), a reflected wave reflected in the measurement target or a scattered wave backscattered, or A transmitted wave or a forward scattered wave transmitted through an object, a refracted wave refracted or diffracted in an object to be measured, or the like 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 the arbitrary wave is a heat wave, a heat source that is not intentionally generated such as sunlight, lighting, metabolism in a living body, etc. may be used, but such as an infrared heater or a heater, etc. An ultrasonic transducer (which may generate a force source in the object to be measured), an electromagnetic transducer, a laser, etc., which transmits a comparatively stationary or heating ultrasonic wave which is often controlled according to a drive signal. used. In addition, 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-dependent such as sound speed and volume change of ultrasonic waves) A nuclear magnetic resonance signal detector (detecting a temperature using a chemical shift of nuclear magnetic resonance) can be used. For each wave, an appropriately receivable transducer 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ようになって久しい。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 a charge coupled device (CCD) technology, and an integrated circuit and a sensor body may be integrated. The same technology is applied to an ultrasonic two-dimensional array, and real-time three-dimensional imaging is possible. A combination of a scintillator and a photocoupler is used to detect X-rays, but it has been long since they have been observed as waves. When capturing a high-frequency signal as a digital signal, it is effective to perform analog detection or modulation in preprocessing, convert the signal to a low frequency, perform A / D conversion, and store it in a memory or a storage device (storage medium). Sometimes, it is digitally detected. These may be integrated with a transmitter or a receiver by a chip or a substrate.

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ように、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, each aperture may form an array, such as when a radar is located at a remote position on land, or may not be limited to this. The aperture may be mechanically scanned to obtain a wide directivity. Apertures are anomalous under certain regularities, such as spatially dense and continuous, densely sparse at distant locations, and evenly spaced, and under physical constraints In some cases, it is installed. In addition, the position may be fixed with respect to the object (communication target) or the observation position where the wave propagates, such as in the ocean, a building, or an indoor space. They may be dedicated apertures for transmitting or receiving waves. Further, each opening may serve as both, but it is not limited to receiving the response of the wave transmitted by itself, and may receive the wave transmitted by another opening. In medical and biological observations, ultrasonic waves generated by laser irradiation, sometimes referred to as photoacoustic, may be observed (a plurality of wave transducers may be integrated). According to the present invention, the photoacoustics by the combined use of the ultrasonic diagnostic apparatus and the OCT can be used, for example, to distinguish not only arteries and veins, but also to measure the blood flow velocity in each of them. it can). In addition, a magnetic substance having an affinity for a lesion may be injected intravenously as a contrast medium, and vibration such as ultrasonic waves may be applied to the affected part to observe electromagnetic waves. It may communicate with various mobiles 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、本発明の計測イメージング装置においては、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、本発明の計測イメージング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 (seismographs), magnetoencephalograms (SQUID arrays), brain waves, electrocardiograms, neural networks (electrode arrays), radio waves (antennas), radars, etc. Some are used to observe wave sources. The propagation direction of the arriving wave is obtained based on multidimensional spectral analysis (the past work of the inventor of the present application). Further, in the measurement and imaging apparatus of the present invention, a plurality of transducers provided at different positions or reception effective Even when information on the propagation time cannot be obtained using the aperture (usually, the position of the wave source is determined from the time when the wave is observed at a plurality of positions), the position of the wave source is determined geometrically. It is possible. Waves can be observed not only in pulse waves or burst waves but also in continuous waves. Through any processing, when the arrival direction of the wave is known, various beams can be steered and focused in that direction to observe in detail. In those processes, always, with emphasis on the likely direction, perform reception beamforming while changing the steering angle, and observe the obtained image or image, spatial resolution, contrast, signal strength, or Through multi-dimensional spectral analysis, the direction of the wave source can also be specified. Therefore, the transducer used in the measurement imaging apparatus of the present invention may be provided with a mechanism that is also used for steering and performs electronic scanning, mechanical scanning, or both scanning.

本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, typical transducers that are relatively familiar and some special ones are listed, but those used in the present invention include those including applications. The present invention is not limited thereto, and various types of devices that can generate or receive arbitrary waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, and 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>
Simultaneous phase, simultaneous phase in which the state of the object (communication target) or observation target in which the wave propagates or the observation target is the same or almost the same, or at another time or another time phase, one or more beam forming at each aperture Alternatively, transmission or reception may be performed. Similarly, one or more combinations of apertures may provide one or more beamformings, or transmission or reception. Similarly, each of a plurality of combinations of apertures may perform one or more beamformings, or transmit or receive. Also, in such cases, new data may be generated through linear or non-linear calculation using the results, including a case where a plurality of results of beamforming and reception are obtained. There are times when the received signal to be processed is overlapped with that when it originally overlaps.

また、例えば、衛星や飛行機に搭載のレーダー等のよう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で、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 spatially moving objects such as satellites and radars mounted on airplanes, the mounted apertures may or may not form an array, and mechanical scanning In some cases, wide directivity can be obtained, and under certain regularities such as spatially continuous high density, or spatially sparsely spaced at equal distances, or evenly spaced. , Or irregularly as needed. There are various other moving objects such as cars, ships, trains, submarines, and mobile robots. In addition, there are also cases where the creatures, such as those distributed, move regularly or randomly. In such a case, a mobile 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 (opening synthesis based on transmission for each aperture element) is performed, but also reception beamforming may be performed while generating transmission beamforming. In addition, mechanical scanning may be performed regularly or irregularly while performing electronic scanning. Waves may be appropriately propagated over a wide spatial range (communication) or a wide spatial range may be appropriately observed. Sometimes. Of course, by using a multi-dimensional array, waves may be appropriately propagated over a wide spatial range (communication) or a wide spatial range may be appropriately observed only by electronic scanning (physical aperture). Not only becomes larger, but also multi-directional steering becomes possible).

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 also serve as both apertures for transmitting and receiving waves, but it is not limited to receiving the response of the waves transmitted by itself, and receives the transmitted waves of other arbitrary apertures Sometimes. In addition, there are cases where a plurality of moving objects have openings, and simultaneous or simultaneous phases in which the state of a wave propagation target (communication target) or observation target is the same or substantially the same, or at a different time or At another phase, one or more beamformings or transmissions or receptions 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 combinations of apertures may perform one or more beamformings, or transmit or receive. Further, similarly, each of the plurality of combinations of apertures may perform one or more beamformings or transmit or receive. Also, in those cases, new data may be generated through linear or non-linear calculation using them, including a case where a plurality of results of beamforming and reception are obtained. In the above description, a combination of an opening of a moving object and a fixed opening may be used for an object (a communication object) or an observation object that propagates a wave.

このように、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 also serve as the transmission aperture element 10a and the reception aperture element 20a), Active beamforming is performed. In this active beamforming, arbitrary beamforming 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 performed using a transducer array device having an arbitrary 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 to emphasize the direction of each aperture element (a virtual sound source will be described separately). In order to generate a signal that directly represents a wave in a simple display coordinate system, the center is to perform reception digital beamforming without performing interpolation approximation processing. There is also forming. In addition, a virtual source, a virtual receiver, and the like may be used, and beamforming is performed in the same manner 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) included in the device main body 30 will be described. The transmission unit 31 includes transmitters 31a for a plurality of transmission channels. The number of lines for transmitting different drive signals to the aperture elements used for performing one beam forming is the number of transmission channels. 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 10a are determined by the transmission aperture element 10a 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 transmitting aperture element 10a, a wave is generated which is determined by the shape (thickness and size and shape of the aperture) of the transmitting aperture element 10a and the material (a typical example of an ultrasonic element is a single crystal). , By forcibly exciting the transmitting aperture element 10a with a drive signal having a frequency, a bandwidth, and a waveform (which may be encoded) generated in the transmitting unit 31, 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. The control unit 34 recognizes the transducer to be used, and the recommended setting may be automatically made. However, 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 performing one beam forming, the transmission unit 31 is equipped with an analog or digital delay pattern in order to drive a plurality of aperture elements by drive signals with different delays. In some cases, a delay pattern that realizes a transmission focus position, a steering direction, and the like that can be selected by using a command is used. These patterns are programmable, and depending on the purpose, patterns to be used and selectable patterns may be installed through various media such as a CD-ROM, a floppy disk, or an MO. In some cases, a pattern can be interactively selected from the input device 40 by activating the program, or a delay (pattern) value can be directly input, or a file in which data is recorded is read and set. It may be. 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 pattern itself may be replaced with another one or switched separately.

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 coded) for driving the corresponding transmission aperture element 10a is transmitted from the control unit 34 to the transmitters 31a of a plurality of channels. You. 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 command signal sent to the transmitter 31a for the transmission aperture element to be driven first is used as a trigger to apply a digital delay, 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。   Further, the drive signal itself generated in the transmitter 31a for the element to be driven first may be subjected to analog delay 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 or after or inside the transmitter 31a, or in the control unit 34, while the transmission digital delay is provided inside 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 an analog circuit or an analog device, or a digital circuit or a digital device, but the delay of those delay devices may be changed under the control of the control unit 34. , May be programmable through installation or input settings. Further, 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 with a delay may be directly output from the control unit 34 under software control.

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 a device or a computer having a 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 digital circuit or a dedicated device. They are desirably of high performance (such as multi-core) and may also carry analog devices, AD converters 32b, memories 32c, and / or digital signal processing units 33 that perform transmit or receive beamforming.

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 times of communication between devices, communication line capacity, wiring, or broadband wireless communication is important. Particularly, in the present invention, when these functional devices are appropriately mounted on one chip or substrate ( If it can be removed). In addition, they may be directly mounted on one chip or substrate (including lamination). 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 the security obtained under normal program control. On the other hand, current legislation 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 directly coded or input, and some are installed. How to apply digital delay is not limited to these. When this digital delay is performed in the transmission delay, an error determined by the clock frequency for generating the digital control signal always occurs, unlike the analog delay. Therefore, the analog delay is better as the transmission delay in terms of accuracy. Basically, the error is reduced by using a high clock frequency at a cost. On the other hand, the analog delay can be changed in an analog manner or can be made digitally controllable and programmable. However, when the degree of freedom is lower than that of the digital delay and 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 the temporal change of the energy of the drive signal of the aperture element and the amplitude of the time-varying waveform (which may be coded). The drive signal is adjusted based on the calibration data of the conversion efficiency (conversion ability) of the drive signal of the aperture element into a wave. For other purposes, adjustment of the drive signal may be performed solely for calibration. The command signal sent from the control unit 34 to the transmitter 31a may be a signal representing the waveform and phase information of the drive signal generated by the transmitter 31a in a time series, or may be a predetermined signal that the transmitter 31a recognizes and outputs. It may be a coded signal that can generate a drive signal, or simply sends a transmission command to a 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ように送信器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。   Further, similarly to the delay, the transmitter 31a may be programmable so as to generate a predetermined drive signal for the position of each driven aperture element in the effective aperture, and may take various forms. A power supply or an amplifier is used to generate a drive signal, but power supplies or amplifiers with different amounts of power or energy supplied are switched and used, or simultaneously used to generate one drive signal. And may be directly set or programmable as described above, similar to the transmission delay pattern. The delay and the apodization can be implemented in the same or different hierarchical levels in the same or different form 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 effective aperture at another position is used to scan the region of interest while performing beamforming. There is. Some delay elements have variable delay values, and delay patterns (delay element groups) are sometimes switched. Further, steering in a plurality of directions may be performed in one effective opening, and steering may be performed in a plurality of directions while appropriately changing an opening position and an 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)。   When switching a high voltage signal, a dedicated switching device is used. Further, there is a case where the apodization value of the apodization element is variable in the transmission time direction or the array direction of the aperture element, and the apodization pattern (apodization element group) is sometimes switched. May be adjusted depending on the beam shape. Specifically, a transmitting element having an apodization value of zero means that the transmitting element 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; otherwise, it is weighted 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、回折、又は、音速等の伝搬速度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 device main body 30 may include a plurality of patterns or may be programmable. Based on a response from a transmission target or a result of beamforming by the receiving unit 32 described below, In a digital signal processing unit 33 (FIG. 2) in the apparatus main body 30 described later, attenuation and scattering (forward scattering or back scattering, etc.), transmission, reflection, refraction, diffraction, sound speed, etc. The frequency dispersion and the spatial distribution of the propagation velocity of the beam are calculated, and the delay and strength of the wave transmitted from each aperture, the steering direction of the beam and the wavefront, the apodization pattern, and the like 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。   Note that the classical aperture synthesis includes a monostatic type and a multi-static type that are performed in transmission by one aperture element, and the active transmission aperture element 10a is operated under switching or apodization as described above. Can be switched. In some cases, all transmitting elements have a transmission channel including the transmitter 31a. In aperture synthesis, it is necessary to generate a wave of sufficient intensity or energy, and the transmission apodization function itself is not always important. Substantially, the aperture plane synthesis is usually performed simultaneously with the reception apodization in the phasing adder. In the present invention, the digital signal processing unit 33 often performs the synthesis simultaneously with the reception apodization. As described above, the representative transmission unit according to the present embodiment has been described. However, any unit can be used as long as transmission beamforming can be performed.

<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。
<Reception 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 receiving unit 32 includes receivers 32a for a plurality of receiving channels, an AD converter 32b, and a memory (or a storage device or a storage medium) 32c. The frequency, bandwidth, waveform, and directivity of the reception signal generated by 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 determined by the shape (thickness and size and shape of the aperture) of the reception aperture element 20a and the material (single crystal as a typical ultrasonic element) is generated. 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 received signal is substantially adjusted based on filter parameters (frequency characteristics such as frequency and bandwidth) set under the control of the control unit 34. The control unit 34 recognizes the transducer to be used, and the recommended setting may be automatically made. However, 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 typical digital receiving unit or digital receiving device has such a function, and further has a phasing addition function. That is, the DAS processing in the digital receiving unit or the digital receiving apparatus performs phasing processing on a plurality of reception signals and adds the plurality of reception signals that have been subjected to the phasing processing. As the phasing processing, the reception signal is AD-converted in the reception channels of the plurality of reception apertures, and is basically stored in a memory, a storage device, or a storage medium capable of high-speed reading and writing, and each of the signals in the region of interest To delay the received signal read from the storage destination at high speed with interpolation approximation processing in the spatial domain in order to delay the phase with respect to the position of interest, it takes much time. In the above, there is a method of applying a delay with high precision based on the Nyquist theorem by phase rotation multiplied by a complex exponential function (the past invention of the inventor of the present application, Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.). In the storage destination, the reception signal of each reception aperture may be stored at a position corresponding to the reception delay, and these reception signals are read out and added, or the above processing is further performed on them. Sometimes they are 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 for realizing the phasing addition processing and peripheral devices thereof. The receiving unit (or receiving device) 35 illustrated in FIG. 4 performs a phasing addition process in addition to the receivers 35a of a plurality of receiving channels, the AD converter 35b, and the memory (or storage device or storage medium) 35c. It has a phasing adder 35d for performing a digital signal processing of the generated image signal and another data generating unit 35e for performing digital signal processing. For example, the other data generating unit 35e generates image display data, calculates a displacement based on a Doppler method by a higher-order calculation, calculates a temperature, and the like. 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(データ処理部)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、イメージ信号に基づいて、本願に記載されている様々な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やスぺクトル周波数分割や重ね合わせ処理等を行うことがある。また、デジタル信号処理ユニット33は、計測対象の構成成分や構造や様々な物理量や物性のデータを生成することもある。デジタル信号処理ユニット33において生成されるデータは、本願に記載されているものに限らない。上記の通り、受信ユニット32がデジタル信号処理ユニット33を含んでも良く、逆も然りである。制御ユニット(計測制御部)34は、デジタル信号処理ユニット33や他のユニットに指令信号を送り制御するが、デジタル信号処理ユニットを兼ねることも有り、逆も然りである。
By performing this phasing addition processing 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 is not the case in receive digital beamforming implemented according to the present invention. The receiving unit 32 in the embodiment of the present invention shown in FIG. 2 has a high-precision digital processing in which an arithmetic process for performing a phasing addition (DAS) process does not require a high-speed and approximation process different from the above-described arithmetic process. Beam forming is performed. Therefore, in the embodiment of the present invention, the digital signal processing unit (data 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, various data described in the present application may be generated based on the image signal.
For example, the digital signal processing unit 33 performs a beam forming process on a reception signal generated by a receiving unit such as the transducer 20 to generate a multidimensional reception signal. In some cases, conversion, spectral frequency division, superposition, and the like are performed. In addition, the digital signal processing unit 33 may generate data of a constituent component or a structure to be measured, or various physical quantities or physical properties. The data generated in the digital signal processing unit 33 is not limited to the data described in the present application. As described above, the receiving unit 32 may include the digital signal processing unit 33, and vice versa. The control unit (measurement control unit) 34 sends and controls a command signal to the digital signal processing unit 33 and other units, but may also serve as a digital signal processing unit, and vice versa.

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。   Although 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 that a high-speed and high-precision In order to realize the processing, the reception signal normally generated in the reception aperture element 20a is level-adjusted by analog amplification or attenuation or analog filtering (programmable, and operates under frequency characteristics and parameters set through the control unit 34). In addition to using analog devices to ensure signal strength and reduce noise, the advantage of analog signal processing being faster than digital signal processing is to use linear or especially non-linear as needed. Through the effective use of devices that perform analog signal 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。   Also, as the digital signal processing unit 33 to be mounted, a device or a computer having a 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 or 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. Will be 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 the analog devices and the devices that carry the AD converter 32b, the memory (or storage device or storage medium) 32c, and the digital signal processing unit 33 (such as a multi-core) have high performance. The number of times of communication, communication line capacity, wiring, or wideband wireless communication is important. In particular, in the present invention, when these functional devices are appropriately mounted on one chip or substrate (when they are detachable) ), Or they may be directly mounted on one chip or substrate (including lamination). 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。   If the device is non-detachable, a significantly higher security performance can be obtained when the computer also serves as the control unit 34 as compared with the security obtained under normal program control. On the other hand, current legislation will require more disclosure of processing details. Further, the digital signal processing unit 33 may also serve as a control unit 34 for sending command signals to other units and controlling 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が生成するように制御ユニット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 embodied in the present invention, a trigger signal that causes the AD converter 32b to start sampling (AD conversion) of the reception signal generated by the reception transducer (or reception sensor) 20 (that is, by starting AD conversion). The acquisition start command signal for starting to store the digital signal in the memory (or the storage device or the storage medium) 32c is the same as the trigger signal used in a normal receiving unit. For example, any command signal generated by the control unit 34 such that the transmitter 31a generates a transmission signal to the transmitting aperture element 10a to be driven may be used. In the case of receiving waves, a command signal for an element to be driven first, a command signal for an element to be driven last, or a command signal for driving another element is used, and a predetermined signal is used as appropriate. A / D 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. That is, the number of times the transmission trigger signal is generated is counted, and a predetermined number or, as appropriate, reaching a number that may be a programmable parameter such as input and set from the input device 40 or the like, When confirmed in the control program, a command signal may be generated to start generating a new frame. The number, like the other parameters, may be installed through various media such as a CD-ROM, a floppy disk, or an MO. In some cases, the program can be started and interactively selected from the input device 40. In other cases, there are various cases, such as when a numerical value is directly input or when a file in which data is recorded is read and set. The number can be determined by using a dip switch or the like. When it is not necessary that the number of reception delay patterns is large, a signal obtained by multiplying a received signal by a mounted analog delay pattern may be subjected to AD conversion.

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, the present inventor's past invention applies a product of a complex exponential function to a signal in the frequency domain and uses a normal high-speed method without using a method based on the Nyquist theorem. When the receiving digital delay is multiplied, an error determined by the sampling interval of the AD conversion occurs. Therefore, the sampling frequency of the AD converter 32b is increased sufficiently at a high cost, or a highly accurate digital delay (phase rotation processing) is used. The only option was to perform slow beamforming. On the other hand, according to the present invention, as described above, if the received signal is synchronously digitally sampled, high-speed reception digital beamforming can be performed without causing such an approximation error. Such receiving digital beamforming is also much faster than the method of computing the product of complex exponential functions in the frequency domain, which is the past invention of the present inventor.

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。   Also in the present invention, the number of lines for transmitting the signal received by the receiving aperture element 20a used for performing one beam forming to the receiving unit 32 is usually the number of reception channels. In that regard, the receiving unit 32 is as follows, and there are various types of receiving channels. That is, in performing the normal beamforming once, the receiving unit 32 is equipped with an analog or digital delay pattern as described above in order to apply different delays to the signals generated in the plurality of receiving aperture elements 20a. A delay pattern that realizes a reception focus position, a steering direction, and 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 depending on the purpose, patterns to be used and selectable patterns may be installed through various media such as a CD-ROM, a floppy disk, or an MO. In some cases, a pattern can be interactively selected from the input device 40 by activating the program, or a delay (pattern) value can be directly input, or a file in which data is recorded is read and set. It may be. In particular, in the case of an analog delay, the delay value to be used may be changed in an analog or digital manner, and the delay circuit or the 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。本実施形態の計測イメージング装置においては、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。   If 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 measurement imaging apparatus of the present embodiment, the digital signal processing unit 33 delays the digital reception signal, passes the digital reception signal through a delay device of a digital circuit, or stores the AD converter 32b and the memory (or storage). It is possible to apply a delay to the command signal for starting the capture from the control unit 34 for turning on the (device or storage medium) 32c. Therefore, the digital delay can be applied at an arbitrary position or in the control unit 34 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 after a reception signal is generated in the reception aperture element 20a. When an analog delay pattern is used, at least one receiver 32a can receive reception signals of a plurality of aperture elements. Therefore, in the storage destination of the reception signal, the reception signal of each reception aperture 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 execute digital wave signal processing described later (the digital signal processing unit 33 may also be able to execute 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 an analog circuit or an analog device or a digital circuit or a digital device. Further, the delay of these delay devices may be changed under the control of the control unit 34, or may be programmable through installation, input setting, 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, the command signal delayed by the 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 a general-purpose calculation processing capability, a PLD, an FPGA, a DSP, a GPU, a microprocessor, or the like, or a dedicated digital circuit or a dedicated device. They are desirably of high performance (such as multi-core) and may also carry analog devices, AD converters 32b, memories 32c, and / or digital signal processing units 33 that perform transmit or receive beamforming.

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 times of communication between devices, communication line capacity, wiring, or broadband wireless communication is important. Particularly, in the present invention, when these functional devices are appropriately mounted on one chip or substrate ( If it can be removed). In addition, they may be directly mounted on one chip or substrate (including lamination). 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 a much higher security performance than the security obtained under normal program control. On the other hand, current legislation will require more disclosure of processing details. Some control software and delay values are directly coded or input, while others are installed. How to apply 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, based on the trigger signal sent from the control unit 34 (FIG. 2) of the apparatus main body 30, a trigger signal (command signal) for instructing the start of AD conversion is sent to the AD channel of each reception channel. It is supplied to the converter 32b. In accordance with this command signal, A / D 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 control the transmission aperture position and the transmission effective aperture width under the control of the control unit 34 until all the reception signals for one frame are stored, or While changing the transmission steering direction and the like, and further changing the reception aperture position and the effective reception aperture width each time a wave or beam is transmitted, or the reception steering direction, the processing from transmission to storing the digital signal is repeatedly performed. 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、本発明における計測イメージング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 measurement / imaging apparatus according to the present invention is equipped with the analog or digital delay described above, it is not always used as a delay for beamforming, and may be used as a memory, a storage device, or a storage medium. Is used to delay the timing of starting the A / D conversion of the received signals and storing them in the memory (or storage device or storage medium) 32c in order to save and effectively use and reduce the access time. is there. The reception delay in beamforming is mainly digital wave signal processing performed by the digital signal processing unit 33, and in the present invention, saving and shortening the access time are significant. In addition, physical beamforming at the time of transmission (for example, physical processing using a computer or a dedicated device, which is different from that performed in software beamforming using a computer or a dedicated device, In the case of performing classical aperture synthesis without performing focusing, steering, apodization, or the like 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. Multiplied at the 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、本発明の計測イメージング装置において、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。   In view of the above, in the present invention, the receiving unit 32 must be an independent analog or digital delay, a receiver 32a, an AD converter 32b, and a memory (or a storage device or a storage medium) in each reception channel. 32c, and if necessary, a level adjustment by analog amplification or attenuation, an analog filter, and other analog operation devices. That is, in the measurement and imaging apparatus according to the present invention, when the digital delay is performed by the reception delay, an error that depends on the clock frequency does not occur as in the analog delay unless a delay for beamforming 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 determined by 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 this is not necessary in the digital delay of reception. . When a digital delay is used for the reception delay, the accuracy is not reduced, and the degree of freedom in setting the delay pattern is high. When an analog delay is used for the transmission delay, the accuracy and the clock frequency can be reduced. The analog delay can be changed in an analog manner or can be made digitally controllable and programmable. However, the analog delay has a lower degree of freedom than the digital delay, and in order to reduce the cost, the delay pattern mounted as an analog circuit may be used by switching or replaced by an appropriate one. If 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(上記のよう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 effective receiving aperture elements and their positions are controlled similarly to the effective transmitting aperture elements (the details will be described later). Note that this digital beam forming is not always performed every time a received signal for one frame is stored. For example, the effective aperture width or a predetermined number other than that, or an input from the input device 40 or the like as appropriate. The number of received signals may be the number of hardware channels, such as the number of hardware channels to be set, or the number of received signals, which may be a programmable parameter (there are various input means as described above). Further, an image signal generated by partially 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 successive positions in the scanning direction may overlap, and when combining these received signals, simple superposition is performed (overlapping in the frequency domain). May be combined and inverse Fourier transformed), may be superimposed with appropriate weighting, or may simply be connected. The number of stored received signals can be confirmed in hardware or a control program by counting a trigger signal (command signal received from the control unit 34) for taking in the received signal. The command signal for starting the one-frame digital wave signal processing generated by the control unit 34 for each frame can be similarly confirmed, and the one-frame image signal is continuously generated appropriately.

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 achievable frame rate depends on the form of beamforming to be performed, and is basically determined by the propagation speed of the wave. However, in actual applications, the time required to digitally calculate one frame of image signal is obtained. Decided. Therefore, it is useful to perform the above-described process of partially generating an image signal by parallel processing. In addition, as described above, the multi-directional aperture synthesis developed in the past by the inventor of the present application, generation of reception beams at a plurality of positions and reception beams in a plurality of directions for one transmission beam, and multi-focus It is useful to implement, and to perform them at high speed, it is useful to perform parallel processing. In any case, based on the above-described transmission and reception, a received signal for beamforming for one frame or partially may be stored, and digital wave signal processing according to the present invention described later in detail may be performed. Further, when an image signal cannot be generated in real time, the frame rate may be reduced, or the image signal may be processed off-line.

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、本発明における計測イメージング装置では、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 is for weighting a reception signal in a reception channel of each aperture element, and may be variable in the range direction. It is not impossible to make it variable in an analog manner, but it is easy to make it digital. In a normal receiving unit, when performing phasing addition, it is performed at each position or each range position, and is often variable. Will be. On the other hand, non-variable apodization is rarely performed, but in such a case, apodization is performed when performing level adjustment by analog amplification or attenuation on the received 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。   In a different meaning from apodization, at least the level calibration may be performed based on the calibration data of the conversion efficiency (conversion ability) of the drive signal of the aperture element into a wave, and at the same time, the apodization is performed at the same time as the level calibration. May be asked. The processing may be for the purpose, 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 receiving channel. Sometimes. Analog devices used, including those amplifiers, may be programmable, and the setting method may take various forms. Like other parameters, they may be set directly using various input devices. Usually, the delay and the apodization are implemented in the same or different hierarchical levels in the receiving unit 32 in the same or different form, but usually in a phasing adder, 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 receiving channel of each aperture element in the receiving effective aperture is switched through a switching device such as a shift register or a multiplexer, and the effective area at another position may be used to scan the region of interest while performing beamforming. Further, the delay value of the delay element may be variable, or the delay pattern (delay element group) may be switched. Further, steering in a plurality of directions may be performed in one effective opening, and steering may also be performed in a plurality of directions while appropriately changing an opening position and an effective opening width. In some cases, access time may be reduced by saving the device or storage medium. The effect of storing frequently used data in a small-sized memory that is easy to read and write 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 forming 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, a receiving element having an apodization value of zero means that the receiving element 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; otherwise, it is weighted on.) Therefore, the apodization element is at 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、回折、インピーダンス、又は、音速等の伝搬速度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よう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)。回析を生成するものであることもある。
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等)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。
Further, when the delay pattern or the apodization pattern includes a plurality of patterns or is programmable, the digital signal processing unit 33 in the apparatus main body 30 propagates the signal based on the response from the transmission target and the result of beamforming. Wave dispersion and spatial distribution of propagation velocity such as attenuation, scattering (forward scattering, back scattering, etc.), transmission, reflection, refraction, diffraction, impedance, or sound velocity in the process medium are calculated and transmitted from each aperture. The delay and intensity of the wave received at each aperture, the steering direction of the beam or wavefront, or the apodization pattern may be optimized. Instead of using the instantaneous frequency and instantaneous phase of the received wave for the transmitted wave such as a pulse wave, the frequency response of the characteristics of those media is to divide the frequency response of the received wave by the frequency response of the transmitted wave at each frequency. It is effective to perform an inverse Fourier transform on it to obtain the spatiotemporal distribution of the characteristics of the medium. At this time, as described in paragraphs 0363 and 0371, it is effective to correct the waveform distortion generated in the observation device (device) before processing. As in the case of the super-resolution using division, if the signal is divided by a small spectral component, noise is enhanced and a large error occurs, so that regularization, a Wiener filter, and the like are effective. Maximum likelihood estimation is also effective, and MAP (maximum a posteriori) may be used together. In addition, they may be integrated and fused. In some cases, echoes of the same location are acquired a plurality of times and their processing is performed. Similar to another super-resolution, conjugate multiplication of the frequency response may be effective instead of dividing by the frequency response. Various super-resolutions, including those super-resolutions, are also described herein. Even when the above instantaneous frequency or instantaneous phase is used, or when performing various other types of imaging (including, for example, a reflection method or a transmission method such as basic ordinary echo imaging), the observation apparatus (device) may be used. It is effective to perform processing after correcting the generated waveform distortion.
In addition, instead of the frequency response of the transmitted wave, the same transmitted wave is referred to as a reference substance (simple ones with uniform medium propagation characteristics such as irregular scatterer distribution, reflectors or scattering media provided at representative positions, etc.). For elaborate objects such as the body, it can offset the accumulation of changes in the wave spectrum caused by the characteristics of the medium during propagation of a homogeneous medium, such as frequency-dependent propagation speed, impedance, scattering, attenuation, etc. It is also effective to divide by the frequency response of the received wave obtained by applying it to the sample, make maximum likelihood estimation, or multiply the conjugate of the frequency response. (Which is an application of a linear system). It may produce diffraction.
The above calculation may be performed at once for the entire region of interest, or locally or locally depending on the spatial inhomogeneity of the point spread function represented by the propagation characteristics of the wave itself. (The former is easier to calculate). The latter local processing has a precedent (Non-Patent Documents 35 and 36) in super-resolution processing, and is a point observed locally for a reference substance (irregular distribution of scatterers, scatterers at a representative position, etc.). In some cases, division is performed using the frequency response of the spread function. In other super-resolution processes, it is equally effective to perform the process once for the entire region of interest or for each local region.

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 the classical aperture synthesis, all the receiving elements may include a receiving channel including the receiver 32a. Usually, the aperture synthesis is performed simultaneously with the reception apodization in the phasing adder. In the present invention, the aperture synthesis may be performed simultaneously with the 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 the bandwidth, the sign, the delay pattern, the apodization pattern, the analog device for the purpose of signal processing, the effective aperture width, the focus position, the steering direction, The number of times of transmission and reception required for performing beamforming is installed in various functional devices in the unit through various media such as a CD-ROM, a DVD, a floppy disk, or an 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計測イメージング装置に装着すると、それらを認識して、推奨されたパラメータの下で計測イメージング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、本発明の計測イメージング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 the user can directly input numerical values, select them on the operation panel of the input device 40, or delete a file in which data is recorded. There are various cases such as a case of setting by reading. It is also possible to determine them using a dip switch or the like. It may be due to unit replacement or switching. Further, when a measurement object is selected or a transducer to be used is mounted on the measurement imaging apparatus, the measurement imaging apparatus may recognize them and operate automatically under the recommended parameters. Subsequent adjustments are also possible. In addition, if a functional device of a normal receiving unit is mounted, an image obtained by using the measurement imaging apparatus of the present invention and a process including interpolation approximation through normal phasing and addition can be obtained as appropriate. It is possible to compare with an image image.

<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, to set various parameter values as described above. The input device 40 itself includes various devices such as a keyboard, a mouse, a button, a panel switch, a touch command screen, a foot switch, and a trackball, but is not limited thereto. Install or upgrade the operating system (OS) or device software from a storage medium such as a general-purpose memory, USB memory, hard disk, flexible disk, CD-ROM, DVD-ROM, floppy disk, or MO, and upgrade various parameters. May set or update values. 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 needed.

入力装置40は、本実施形態に係る計測イメージング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 measurement and imaging apparatus according to the present embodiment, but also for controlling and switching operation modes. If the operator is a human, those input devices 40 may be so-called man-machine interfaces, but are not always controlled by a human. As described above, parameter values, data, or control signals are received from other devices through various standards and connectors, or received through wired or wireless communication (ie, at least a communication device having a receiving function). The effect may be obtained, and the 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、波動源や回折等)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、回折等、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 an internal or external memory, storage device, or storage medium, and a functional device in the device operates with reference to the stored data. Alternatively, if 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, or updated, or set by hardware, Or it may be changed. A calculation function in the device may be operated to calculate and use an optimized setting parameter based on the input data, sometimes considering the resource of the device. The operating mode may be determined by a command. In addition, the wave to be measured (wave type and characteristics, intensity, frequency, bandwidth, or code, wave source, diffraction, etc.) and the propagation target and medium (propagation speed, physical properties related to the wave, attenuation, forward Additional information on scattering, backscattering, transmission, reflection, refraction, diffraction, etc., or their frequency dispersion, etc. may be provided, and the received signal may be appropriately processed in an analog or digital manner.

<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(グレースケール画像)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 a generated image signal, but also outputs 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 a calculation process, but a graphic accelerator may be used in some cases. A luminance image (grayscale image) or a color image is displayed, and the meaning of the luminance or color may be displayed as a scale (bar) or a logo. In addition, the result may be displayed in a bird's-eye view or a graph, and the method of displaying the result is not limited thereto.

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 simultaneously as logos or characters together with the operation modes. Further, supplementary information and various data on the measurement target input from the operator or another device may be displayed. 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 may use a touch command screen. It is also used when specifying an arbitrary position or an arbitrary range of the image to be drawn and displaying it in an enlarged manner, or when displaying various numerical values, 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 thereto, for example, a dedicated three-dimensional display device is used. Further, the output data is not necessarily used directly by humans by interpretation and interpretation, and the apparatus body (computer) understands the output data based on predetermined calibration data and calculations and displays the result. Sometimes (for example, the composition or structure of the measurement target is understood from the spectrum analysis of the received signal), the output data is output to another device and interpreted by another device, and furthermore, the same device (for example, a robot, etc.) 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、本実施形態に係る計測イメージング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 receives a plurality of types of waves to generate an image signal, and data mining and fusion may be performed, or another type of processing may be performed using another device. is there. The characteristics (intensity, frequency, bandwidth, sign, etc.) of the generated image signal may be analyzed. As described above, data obtained by the measurement imaging apparatus according to the present embodiment may be used in another apparatus, and a communication apparatus having at least a transmission function may be one of the output apparatuses 50. is there. 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, and the like) measured based on the image signal are stored in an internal or external memory, storage device, or storage medium that also serves as the output device 50. Here, they are referred to as “storage devices” and are distinguished from display devices. FIG. 2 and the like also show an external storage device 60. When the image signal is stored, an operation mode, a setting parameter value, supplementary information on a target input from an operator or another device, or various data may be stored together with the image signal. As the storage device, a general-purpose or special memory, a USB memory, a hard disk, a flexible disk, a CD-R (W), a DVD-R (W), a video recorder, an 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 its application, including the amount of data to be stored, writing and reading times, and the like.

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。   The image signals and other data stored in the past may be read out from the storage device and played back. It is. Each functional device may have a dedicated storage device. Removable storage devices 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-combines the image signal (frequency modulation or widening of the band by linear processing or non-linear processing, or multi-focus). Performs various measurements such as image processing (super-resolution, enhancement, smoothing, separation, extraction, or CG conversion) of an image signal, displacement or deformation of an object, or various other time changes, and the like. The measurement results may be output, and may be displayed on the display device.

また、それらの格納される計測結果には、波動そのものや波動の減衰や散乱(前方散乱や後方散乱等)、透過、反射、屈折、回折等が含まれ、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。   Also, the stored measurement results include the wave itself, attenuation and scattering of the wave (forward scattering, back scattering, etc.), transmission, reflection, refraction, diffraction, etc., which are read out and used to read the image signal. It is used for optimizing various parameters to be generated, and may be stored in a storage device and used. 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 device. The control unit 34 is composed of various computers, dedicated digital circuits, 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 transmitting unit 31, the receiving unit 32, and the digital signal processing unit 33 are controlled 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 parameters may be variable, but there may be cases where only a fixed operation can be realized, including the case where the operation is switched by switching. When a computer is used as the control unit 34, the degree of freedom is high, including the case of version upgrade. The basics of the control unit 34 are the number of aperture elements for transmission and reception (the number of channels for each), the number of beams to be generated, the number of frames (some continue to operate unless stopped unless specified), frame rate, etc. According to the above, the scanning control and the generation control of the image signal are performed by providing the repetition frequency and the transmission / reception position information to the transmission unit 31 and the reception unit 32 in order to realize the various operations described above. Is also controlled. In addition, various interfaces are provided, and various devices may be used in conjunction with each other.

本実施形態に係る計測イメージング装置は、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 measurement imaging apparatus according to the present embodiment may be used as one of devices such as a general network and a sensor network, may be controlled by a control device of a network system, and may control a network device. It may be used as a control device that controls the network configured locally, or may be a control device that controls a locally configured network. An interface for that 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 processing through digital Fourier transform in the case of using a plurality of transmitting / receiving aperture elements (including those arranged in an array) implemented in the digital signal processing unit 33 of the apparatus main body 30 shown in FIG. The digital beam forming method will be described. In digital signal processing, intermediate data generated in the calculation process and data used repeatedly may be stored in a storage device or an attached memory as appropriate, and when a plurality of image signals are generated in the same phase, Also, the storage device is used efficiently. Small-sized memory can be useful.

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 an output device 50 such as a display device, or may be stored in an 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, optimization and parallel processing may be performed at the time of compilation to realize high-speed operation. A general-purpose device such as Matlab, various control software, or a device equipped with a graphic interface may be used, or a special device 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、本発明の計測イメージング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。   Hereinafter, as an example, a description will be given of a beam forming method used in the measurement imaging apparatus of the present invention through a case where a wave is an ultrasonic wave. The beamforming methods that can be used in the present embodiment are the following methods (1) to (7). In the method (7), the beamforming method is generated in the digital signal processing unit 33 in addition to various beamforming methods. We 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。   The method (1) is an interpolation which has been required so far in performing wave number matching in Fourier space in reception beamforming at the time of transmission and / or reception of a plane wave including deflection (steering) of the transmission direction. This method does not require approximation processing. The method (1) is an invention in which wave number matching in the depth direction and the horizontal direction is performed by multiplying a received signal by dividing a complex exponential function relating to the cosine and sine of a deflection angle in wave number matching in the case of performing deflection. The accuracy of the measurement result is improved as in the case of the classic monostatic type aperture synthesis. Further, as a method (2), a high-speed digital processing of deflection dynamic focusing by monostatic aperture 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)となるように、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 processing of multi-static aperture synthesis is disclosed. In the digital monostatic aperture synthesis that performs deflection, the center of gravity (center) or instantaneous frequency of a multidimensional spectrum of a generated image signal is ideally represented using a deflection angle and a carrier frequency (described later). As described above, the wave number matching is performed in the same manner as in the method (1) so that the wave number vector becomes the carrier frequency multiplied by the sine and cosine of the deflection angle. Can be realized with high accuracy. On the other hand, the multi-static aperture plane synthesis generates echo data frames including echo signals received at the same position among a plurality of reception positions with respect to the transmission position, the number of which is equal to the number of reception elements, and in the frequency domain, each echo data frame is generated. The data frame is subjected to the above-described monostatic type digital aperture plane synthesis processing, and a result obtained by superimposing the processing results is inversely Fourier-transformed to achieve high precision. As a result, in the method (3), echo data can be generated by the digital aperture plane synthesizing process as many times as the number of channels of the receiving aperture. It is much faster than the conventional DAS (Delay and Summation) method of generating frames.

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, the DAS method includes a method in which phasing is applied to a received signal at high speed (delay) with interpolation approximation processing in a spatial domain, and a method in which a delay (delay) is applied with high precision in a frequency domain ( (The past results of the inventor of the present application), and sums received signals in the spatial domain. The former has a high speed but low accuracy, and the latter has a 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 beamforming of the method (1) or the method (3) is disclosed. As method (5), echo data transmitted and received in the polar coordinate system is processed through Jacobi calculation for application to convex and sector scan or IVUS, and displayed with high accuracy without interpolation approximation processing. It discloses 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。   Also, as a method (6), it is disclosed that migration processing can be performed with high accuracy and high speed without similarly performing interpolation approximation processing by using the present invention. All beam forming processes of the methods (1) to (5) can be performed based on the migration process. Finally, we disclose these beamforming based applications as method (7). Thus, it can be demonstrated 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。
Method (1): Beam forming of plane wave transmission and / or plane wave reception (i) Echo signal (image signal) during plane wave transmission
FIG. 5 is a schematic diagram of the transmission of a polarized plane wave. Plane wave transmission is a method of simultaneously radiating ultrasonic waves from all elements in a linear array type transducer to radiate a plane wave. When the wave number is k and a plane wave of the wave number vector represented by the equation (0) is transmitted (x is the scanning direction, y is the depth direction, and the position of the receiving effective aperture element array is set to zero on the y coordinate. , The sound pressure field at the position (x, y) is represented by 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。
Here, A (k) is the frequency spectrum of the transmitted pulse, and has the relationship of equation (2).

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。
この式の角スペクトルは、式(4)によって表される。
When there is a scatterer having a reflection coefficient f (x, yi ) at a depth y = yi , an echo signal from this scatterer is represented by Expression (3).
The angular spectrum of this equation is represented by equation (4).

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。
Assuming that the frequency response of the probe is T (k), based on the principle of the angular spectrum, the angular spectrum at the aperture plane (y = 0) of the echo signal from the depth y = y i is expressed by Expression (5). Is done.

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。
Therefore, by adding the angular spectra from the respective depths, the angular spectrum of the echo signal represented by the equation (6) is obtained.

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。
Therefore, by performing wave number matching as Expressions (7) and (8), the echo signal (image signal) can be expressed as Expression (9) by the inverse Fourier transform.

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。このように考えると、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 transmit and receive in reverse, any transmit beamforming (eg, deflected plane wave, deflected fixed focusing beam, steering dynamic focusing based on aperture synthesis, undeflected wave or beam, etc.) Is performed on the object to be measured, it is possible to realize a situation in which the wave arriving from the object to be measured is received as a plane wave having a deflection angle θ (including the case where the angle is zero degree). This idea has not been disclosed before. Considering this, it is possible to receive waves at the same or different steering angles θ (zero or non-zero) when transmitting any beam or any wave at any steering angle (zero or non-zero). . Furthermore, any wave source, any transmission effective aperture array (for example, one having the same shape as the reception effective aperture array or having an arbitrary shape in a different shape from the reception effective aperture array and having an aperture in any direction, or one existing at another position) Or, for any wave transmitted from the same physical aperture but from a different effective aperture), receive beamforming can be performed in a coordinate system defined by the receive aperture.

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。   When the plane wave is transmitted, the steering is physically performed at the deflection angle α (including zero degree), and the steering at the deflection angle θ (including zero degree) in the method (1) is performed in a soft manner. Then, the plane wave is steered at the deflection angle (α + θ) (the transmission deflection angle finally generated is the average thereof). This soft steering (deflection angle θ) can be considered to reinforce the physical transmission steering (deflection angle α), or to purely realize the steering of plane wave transmission as software, It can be considered that the reception steering is performed by the 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 or the soft deflection angle θ or both the deflection angles α + θ during transmission, and dynamic focusing is performed at the steering angle φ during 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 pure steering of the plane wave transmission by software. However, in addition to the dynamic reception focusing (including the case where the deflection angle φ is zero degree), it can be considered that the reception steering is performed by a plane wave in a software manner.

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, soft transmission and reception can be considered in reverse. The processing is the same (equivalent) even if the soft 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 exchanged. It is also possible to interpret that a signal generated by transmission beamforming is physically received by a deflection plane wave (including a case where the deflection angle is zero degree) and beamformed. Normally, it is not reasonable to physically perform transmission dynamic focusing regardless of the presence or absence of deflection, but it can also be interpreted as physically receiving a polarized 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。   In addition, any transmit beamforming (eg, deflected plane wave, deflected fixed focusing beam, steering dynamic focusing based on aperture synthesis, undeflected wave or beam, etc.) is performed using this method. 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 physically by beamforming. That is, no matter what kind of transmission is performed, reception beamforming (such as dynamic focusing) can be performed. It can be processed at once when a plurality of transmissions are performed. Further, in addition to the transmission deflection angle (including the case where the steering angle is zero degree), it is possible to perform the steering of the plane wave or the dynamic focusing (including the case where the steering angle is zero degree) in transmission or reception in software. (The resulting deflection angle is the average of the transmission deflection angle and the reception deflection angle). As described above, transmission and reception can be considered in reverse, and various combinations of beamforming are possible. Beamforming is performed in each of transmission and reception, and plane wave processing may be performed for both transmission and reception by 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。 The calculation method disclosed by J.-y. Lu et al. (Non-Patent Documents 3 and 4) first performs a high-speed two-dimensional Fourier transform on a received signal in time and space based on the above theory, and obtains R (k x , k) is calculated, and then wave number matching is performed according to equation (7), and high-speed two-dimensional inverse Fourier transform is performed (also described in paragraph 0354). Wave number matching is performed through linear interpolation approximation or approximation using the nearest data itself, and oversampling of a received signal is required to obtain accuracy. A higher-order interpolation approximation may be performed, or a sinc function may be used. In the case of three-dimensional, similarly, fast three-dimensional Fourier transform and fast three-dimensional inverse Fourier transform are used. One feature of the present invention is that wave number matching is performed without performing interpolation approximation. However, as described in paragraphs 0192 to 0196, when the present invention is applied to various beamformings, interpolation approximation processing is performed to perform high-speed approximation. Another feature is that a solution may be found.

(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。
(Ii) Calculation procedure of echo signal (image signal) at the time of transmission and / or reception of a plane wave according to the present invention Hereinafter, the case of transmitting and / or receiving a plane wave having a deflection angle θ will be described. In the present invention, wave number matching is firstly performed in the horizontal direction by multiplying a complex exponential function (Equation (9a)) before the Fourier transform of the received signal in the space (lateral direction), and is performed in the depth y direction. Is multiplied by a complex exponential function (equation (9b)) excluding the above-described horizontal matching processing so as to have a resolution in the depth y direction, and simultaneously by a complex exponential function (equation (9c)). . Of course, the deflection angle θ can be used not only at non-zero degrees but also at zero degrees. This processing is not disclosed in the prior art document.

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)。
但し、ωが角周波数(角振動数)、cが音速であるときに、波数k=ω/cである。これより、解析信号を得る。ここでは、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しているが、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、必ず符号が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)。他の方法(2)〜(7)においても、同様である。
FIG. 6 is a flowchart showing digital signal processing at the time of transmitting a polarized plane wave. The calculation procedure is as follows. First, in Step S11, as shown in Expression (10), the received signal is Fourier-transformed with respect to time t (FFT is preferable).
However, when ω is the angular frequency (angular frequency) and c is the speed of sound, the wave number k = ω / c. Thus, an analysis signal is obtained. Here, in accordance with the above description, a process in which the sign of the core of the complex exponential function is positive is shown as the Fourier transform, but the sign of the kernel of the complex exponential function is calculated as negative as in the normal Fourier transform. It is also possible. In any case, in the inverse Fourier transform to be calculated later, a complex exponential function whose sign is opposite to that of the Fourier transform is always used (that is, the first and last conversion processes are performed when the sign of the core of the complex exponential function is reversed). It is sufficient that the inverse Fourier transform is generally performed first, and then the Fourier transform generally performed last, and the order may be reversed. The same applies to the other methods (2) to (7).

次に、ステップS12において、偏向のための波数k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。
ちなみに、式(12)の結果は、直接に計算することでも得られる。
Next, in step S12, a matching process is performed on the wave number k x for deflection, and equation (10) is multiplied by equation (11). In step S13, the received signal is Fourier transformed (FFT Good), the equation (12) is obtained. For calculating the product of the result (10) of the fast Fourier transform with respect to time t and the complex exponential function (11), a dedicated fast Fourier transform that directly generates the calculation result is useful.
Incidentally, the result of Expression (12) can also be obtained by direct calculation.

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。
The received signal is decomposed into a plane wave component by the two Fourier transforms. As described above, the angular spectrum formed by each plane wave at an arbitrary depth y is obtained by multiplying the expression (13) and shifting the phase.

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。
Further, in step S14, a matching process is simultaneously performed on the wave number ky by simultaneously multiplying the expression (14).

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。
In step S15, an angular spectrum at each depth y is calculated. That is, Expression (16) is obtained by multiplying Expression (15).

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。
これを複数の波数k成分(又は、周波数成分)を足し合わせることにより、イメージ信号が得られる。
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k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 created by each plane wave component at the depth y is obtained as Expression (17) by performing an inverse Fourier transform (IFFT) on the horizontal direction x.
By adding this to a plurality of wave number k components (or frequency components), an image signal is obtained.
Here, the order of integration of the wave number k (or frequency) and the spatial frequency kx can be interchanged. 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 other methods (1) to (6). Matching of wave numbers for deflection is performed by Expressions (11) and (14). Unlike the method of 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、
である(一般的に言う逆フーリエ変換を施した結果である)。尚、偏向角度θが0度のときには、まず、横方向xには1次元フーリエ変換を施せば良く、高速フーリエ変換が有効である(上式の如くに計算して行く場合には、一般的に言う逆フーリエ変換を施すことになる)。そして、計算されたR'(kx,y)に対して深さ方向yにフーリエ変換すると共に波数マッチングするべく、
と1次元処理できる。式(16')に従って各R'(kx,ky)を計算するよりも高速である。そして、最後に、式(16')又は式(16'')にx方向とy方向の2次元逆フーリエ変換を施し、イメージ信号f(x,y)が求まる。x方向とy方向の各々に1次元逆フーリエ変換を施しても良く、高速逆フーリエ変換が有効である(上式の如くに計算した場合には、一般的に言う2次元フーリエ変換を施すことになる)。
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、
と求まる。尚、偏向角度θが0度のときは、まず、深さ方向yに逆フーリエ変換すると共に波数マッチングするべく、
と1次元処理し、次に、横方向xに1次元逆フーリエ変換を施せば良く、高速逆フーリエ変換が有効である。式(16''')に従って各f(x,y)を計算するよりも高速である。
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。
Physically and mathematically, wave number matching can be performed at the time of the first Fourier transform, and wave number matching can be performed at the time of the last inverse Fourier transform. The same applies to other methods (1) to (6). As described in paragraph 0199, in accordance with the above description, a process in which the sign of the core of the complex exponential function is positive is shown as the Fourier transform, but the sign of the core of the complex exponential function is negative as in the ordinary 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 of the first Fourier transform is always used (that is, the first and last transform processes are performed by using the sign of the core of the complex exponential function). Can be reversed, and the inverse Fourier transform can be performed first and then generally performed and the order can be reversed. First, when performing wave number matching in the first Fourier transform, the received signal r (x, y) (here, unlike equation (10), the propagation time t of the wave is different) in order to realize equation (8). (Where the depth distance y is used instead), Equation (11) is used to perform the Fourier transform in the lateral direction x as shown in Equation (12), and Equation (13) is used for the Fourier transform in the depth direction y. ) And Expression (15) expressed by Expression (14), but since wave number matching is performed simultaneously in two directions, correction of ksinθ is not necessary in Expression (15).
(Generally the result of applying the inverse Fourier transform). When the deflection angle θ is 0 degree, first, a one-dimensional Fourier transform may be performed in the horizontal direction x, and the fast Fourier transform is effective (when calculation is performed as in the above equation, a general method is used). To perform the inverse Fourier transform.) Then, in order to perform a Fourier transform on the calculated R '(kx, y) in the depth direction y and perform wave number matching,
And one-dimensional processing. It is faster than calculating each R '(kx, ky) according to equation (16'). Finally, two-dimensional inverse Fourier transform in the x and y directions is performed on equation (16 ′) or equation (16 ″), and an image signal f (x, y) is obtained. One-dimensional inverse Fourier transform may be performed in each of the x direction and y direction, and fast inverse Fourier transform is effective. (When calculated as in the above equation, it is generally necessary to perform two-dimensional inverse Fourier transform. become).
Conversely, when performing wave number matching in the last inverse Fourier transform, first, a two-dimensional Fourier transform is performed on the received signal r (x, y) to obtain R (kx, k), and finally In order to realize the formula (8) in the inverse Fourier transform of the following equation, the formula (11) is used in the inverse Fourier transform in the horizontal 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 performed in two directions at the same time, no correction of ksinθ is required in equation (15), and the image signal is
Is obtained. When the deflection angle θ is 0 degree, first, in order to perform inverse Fourier transform in the depth direction y and perform wave number matching,
Then, a one-dimensional inverse Fourier transform may be performed in the horizontal direction x, and a high-speed inverse Fourier transform is effective. It is faster than calculating each f (x, y) according to equation (16 ″ ′).
Further, in these, in the wave number matching, the expressions (11) and (14) are subjected to frequency modulation with respect to kx and ky which are multiplied by a spatio-temporal signal using their complex exponential functions instead. It may be added. In this case, first, it is sufficient to perform one-dimensional conversion in the horizontal direction x, and high-speed conversion is effective. Next, by performing one-dimensional processing using Expression (13), wave number matching is performed together with conversion in the depth direction y. It just needs to be applied, and it can speed up.
The same applies to the three-dimensional case, and the three-dimensional Fourier transform and the three-dimensional inverse Fourier transform may be performed. The same applies to 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'(k,k,kz)に対して、
と表される波数マッチングが以下の如くに補間近似せずに行われる。尚、2次元の場合と同様に、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に当たり、波数マッチングを式(7')と式(8')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(k',ky',kz')が3次元逆フーリエ変換される。
In addition, an arbitrary wave is transmitted from a wave source located in an arbitrary direction toward a measurement object using a two-dimensional aperture element array, and a wave arriving from the measurement object is received as a plane wave to generate a three-dimensional wave. In the case of performing digital signal processing, for example, a Cartesian rectangular coordinate system (x, y, z) using the coordinates of the axial direction y determined by the direction of the aperture of the flat receiving aperture element array and the horizontal directions x and z orthogonal thereto. )), When the zero-degree or non-zero-degree deflection angle formed by the direction of reception as a plane wave and the axial direction is expressed using the elevation angle θ and the azimuth angle φ, the Fourier transform is performed in the depth y direction and the lateral directions x and z. The three-dimensional Fourier transform of the received signal is performed in the same manner as in the case of performing the two-dimensional wave digital signal processing described above, with respect to the three-dimensional Fourier transform R ′ (k x , k, k z ) of the received signal.
Is performed without interpolation approximation as follows. As described in paragraphs 0192 to 0196, as in the two-dimensional case, wave number matching is performed by performing interpolation approximation processing in accordance with Equations (7 ′) and (8 ′), as described in paragraphs 0192 to 0196. There be performed in, in which case the, F (k x ', k y', k z ') are three-dimensional inverse Fourier transform.

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、
さらに、その積を、軸方向yに関して分解能を持たせるべく横方向x及びzに関してフーリエ変換して得られた角スペクトルに、横方向x及びzに行われた波数マッチングの効果を除いて実施できる複素指数関数(C22)を掛けると同時に、複素指数関数(C23)を掛けることにより軸方向に関する波数マッチングを行い、ここで、横方向の波数がk及びkzで表され、
補間近似処理を行うことなく波数マッチングを行うことによって、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。即ち、各平面波成分が深さyに作る音圧場は、これを横方向xとzに関する2次元逆フーリエ変換(IFFT)を行い、複数の波数k成分(又は、周波数成分)を足し合わせることにより、イメージ信号を得る。無論、偏向角度が零度(即ち、仰角θ及び方位角φが零度)やいずれかの少なくとも1つの角度が零度のときにも使用できる。
When the interpolation approximation processing is not performed in the wave number matching, first, a complex exponential function (C21) represented by using the wave number k of the wave and the imaginary unit i is multiplied by the Fourier transform of the received signal in the axial direction y. Perform wave number matching on the lateral x and z,
Further, the product can be implemented on an angular spectrum obtained by performing a Fourier transform on the lateral directions x and z so as to have a resolution in the axial direction y, excluding the effect of the wave number matching performed on the lateral directions x and z. At the same time as multiplying the complex exponential function (C22), the wave number matching in the axial direction is performed by multiplying the complex exponential function (C23), where the wave numbers in the horizontal direction are represented by k x and k z ,
By performing wave number matching without performing interpolation approximation processing, an image signal can be directly generated in a Cartesian coordinate system. That is, the sound pressure field created by each plane wave component at the depth y is subjected to a two-dimensional inverse Fourier transform (IFFT) in the horizontal direction x and z, and a plurality of wave number k components (or frequency components) are added. As a result, an image signal is obtained. Of course, it can be used when the deflection angle is zero degree (that is, the elevation angle θ and the azimuth angle φ are zero degree) or when at least one of the angles is zero degree.

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 the signal component in the band determined by the transmission signal or in the band determined in consideration of the SN ratio of the reception signal is to be calculated. For example, when generating an analytic signal based on Equation (10), only a signal within a required 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.However, by oversampling the echo signal in the depth direction or the horizontal direction, an effect of being robust against mixed noise can be 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。無論、処理前の生の受信信号は、ナイキスト定理に基づいて、全ての方向に関して帯域を確保しておく必要がある。波動の周波数やアレイ素子で決まる、横方向やエレベーション方向の帯域も重要である。   In addition, in Expressions (13) to (15), Expressions (C22), and Expression (C23), the position coordinate and range in the depth y direction to be calculated, the interval between the coordinates, and the like are determined, so that an arbitrary depth position or An image signal in an arbitrary depth range or at an arbitrary interval or an arbitrary density in the depth direction can be generated without performing interpolation approximation processing (with or without downsampling described in the preceding paragraph). The down-sampling is effective as long as the Nyquist theorem is satisfied, except that high-frequency signal components may be intentionally processed out of band (filtering out). Regardless of the presence or absence of downsampling, downsampling is possible as long as the Nyquist theorem is satisfied). Further, in the inverse Fourier transform in the horizontal direction such as Expression (17), by determining the position coordinates and the range in the horizontal x direction to be calculated (if necessary, the complex exponential function of the inventor's past invention Analog space shifting by phase rotation using multiplication), an image signal at an arbitrary horizontal position or an arbitrary horizontal range can be generated without performing interpolation approximation processing, and the same inverse Fourier transform can be performed. In the conversion, a band is narrowed in the horizontal direction except for the frequency coordinates of the high frequency band (spatial density reduction), or a band is widened in the horizontal direction by zero-fill processing of the angular spectrum (spatial density increase). Thus, image signals having arbitrary intervals and arbitrary densities in the horizontal direction can be generated without performing interpolation approximation. Of course, the raw received signal before processing needs to secure bands in all directions based on the Nyquist theorem. The band in the horizontal direction and the elevation direction determined by the wave frequency and the array element is also important.

このようにして、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 manner, 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 reception signal and shorter than the interval between the reception aperture elements. In each direction, the interval between image signals can be made coarse (however, the Nyquist theorem must be satisfied). Similarly to the two-dimensional case (paragraph 0205), wave number matching can be performed physically and mathematically at the time of the first Fourier transform, and wave number matching can be performed at the time of the last inverse Fourier transform. It is possible. When steering is not performed, similarly, in the conversion processing involving wave number matching, the conversion processing can be performed first in the horizontal x direction or the z direction, and finally the conversion processing in the depth direction y can be performed, and the speed can be increased. . Further, in these, in the wave number matching, the expression (C21) and the expression (C23) are replaced by performing frequency modulation for multiplying by a spatio-temporal signal using their complex exponential functions and adding them. good. In this case, first, one-dimensional conversion may be performed in the horizontal x or z 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. What is necessary is just to perform the matching, and the speed can be increased. 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 cost of an increase in the amount of calculation, It needs to be processed under proper oversampling. In such a case, it is necessary to pay attention to an increase in the number of data of the Fourier transform, unlike a case where a signal at an arbitrary position can be selectively generated without performing the interpolation approximation processing. 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 a convex type transducer, sector scan, 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, When performing the same beam forming (cylindrical wave) using a virtual source installed behind (see FIGS. 8A (a) to 8 (c), Patent Document 7 and Non-Patent Document 8, etc.), The processing may be performed by replacing the Cartesian coordinates (x, y) with polar coordinates (r, θ), and an image signal can be generated at the polar coordinates (r, θ). The same applies to a spherical wave in a spherical coordinate system. 8B (d) to 8 (f), transmission or reception 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 as described above. Alternatively, both plane waves may be generated, and beamforming may be performed in the same manner. This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that 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 behind it, and a virtual linear aperture array (or plane wave) can be generated at those locations. The virtual linear aperture array may be used not as a virtual source but as a virtual receiver, and 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 wave that is wide in the direction of the angle θ is transmitted or received in the direction of the radius r in polar coordinates (r, θ) (cylindrical wave transmission). FIG. 7A shows cylindrical wave transmission using a convex type aperture element array, and FIG. 7B shows cylindrical wave transmission using a sector type aperture element array. (C) shows cylindrical wave transmission using an IVUS (circular) aperture element array. In FIG. 7B, an arc-shaped opening is shown. A sector having a flat opening may be used for the sector scan. Also, these apertures may 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 an angle θ of a polar coordinate system (r, θ) in the direction of a radius r using a virtual source installed behind a physical aperture having an arbitrary opening shape (cylindrical wave transmission). FIG. FIG. 8A (a) shows a cylindrical wave transmission using a linear type aperture element array, and FIG. 8A (b) shows a cylindrical wave transmission using a convex type aperture element array. (C) shows a cylindrical wave transmission using another arbitrary aperture element array. Receiving may be performed similarly. 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 type aperture element array is physically used). Assuming that the distance position is zero, this corresponds to a case where a linear aperture array is used virtually (FIG. 8B (d)). The distance position can be set not only behind the physical aperture (FIG. 8B (e)) but also in front (FIG. 8B (f)), and a virtual linear aperture array (or plane wave) is generated at those positions. You can also. Receiving may be performed similarly. FIG. 8B (g) shows a special case where, for example, when a linear array transducer is physically used, a case where a cylindrical wave is generated using a virtual source behind a physical aperture is applied. FIG. 7 is a schematic diagram of a case where a plane wave or a virtually linear array type transducer that is spread in a lateral direction is generated. Receiving may be performed similarly. A virtual linear array transducer may be used as a virtual receiver instead of a virtual source, or may 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。   Non-patent document 6 reports the case of transmission focusing, and similarly, a result is obtained at 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 one feature of the present invention, the present method (1) is used for them, and further, a steering having a steering angle even at the coordinate position of these polar coordinate systems (r, θ). A beam can be generated, and the same applies to the following methods (2) to (4) and (6) in which the Cartesian coordinates (x, y) are converted to the polar coordinates (r, θ). Should be read and processed. However, when these beamformings are performed, it is necessary to perform an interpolation process in order to obtain a signal value at the coordinate position of the display system in the Cartesian coordinate system. The strict interpolation process used is performed over time, or the interpolation approximation process is performed as a short-time process involving 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 in which beamforming is performed in a polar coordinate system, displacement measurement can also be performed, for example, measurement of a displacement component in the radius r direction or angle θ direction can be performed, or a displacement component in both directions can be measured. The displacement vector can be measured. However, it is necessary to perform interpolation processing to obtain the measurement result at the coordinate position of the Cartesian coordinate system of the display system after the measurement, and the phase rotation by the product of the complex exponential function in the frequency domain is performed as in the case of the interpolation of the echo signal. The strict interpolation processing used is performed over time, or the interpolation approximation processing is performed as a short-time processing involving 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 results of the displacement measurement, strain, strain rate (tensor), speed (vector), acceleration (vector) are obtained by partial differential processing using a differential filter, and furthermore, mechanical properties (for example, bulk modulus and The shear modulus (for example, Non-Patent Document 7), the elastic modulus tensor of an anisotropic medium, and the like, the temperature, and the like may be obtained through calculation. When performing interpolation approximation, it is often possible to shorten the calculation time by performing approximation processing and performing those calculations in the Cartesian coordinate system.However, the calculation is performed in the polar coordinate system, the result is obtained, and the interpolation approximation is performed. In this case, the error propagation can be reduced. That is, the only error that occurs in the processing process after the displacement measurement is 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, it is also possible to represent the echo signal in the Cartesian coordinate system and perform displacement measurement and a series of measurements through the interpolation processing. An error occurs when the approximation process is performed in the interpolation process, but the amount of calculation required for the entire process is small. Even when performing measurement based on processing of other echo signals, the 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, in any of the above, similar processing can be performed for an arbitrary rectangular 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-type transducer, sector scan, or IVUS, a wave that is wide in the angle θ direction in polar coordinates (r, θ) is transmitted or received (cylindrical wave) in the radius r direction (FIG. 7). And a wave that is wide in the angle θ direction of the same polar coordinate system (r, θ) as in FIG. 7 and is transmitted in the radius r direction (cylindrical wave) using a virtual source installed behind a physical aperture having an arbitrary aperture shape. (See FIGS. 8A to 8C), the method of directly generating an image signal in Cartesian coordinates is method (5), method (5-1), and method (5-1 ′), respectively. ). Further, using a physical aperture element array represented by a polar coordinate system as described above or a physical aperture having an arbitrary aperture shape, at an arbitrary distance position, transmitting or receiving, or generating a plane wave of both, and similarly emitting a beam. Forming may be performed, and an image signal may be generated in a Cartesian coordinate system (see FIG. 8B (d) to (f)). This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that 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 in front of it, and a virtual linear aperture array (or plane wave) can be generated at those locations. The virtual linear aperture array may be used not as a virtual source but as a virtual receiver, and may also serve as a virtual source. Similarly, beamforming methods are described as method (5) and methods (5-1), (5-1 ′), and so on. In these cases, imaging of echo signals and displacement measurement 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 the echo signal or the measured value from the Cartesian coordinate system to the 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, in any of the above, similar processing can be performed for an arbitrary rectangular coordinate system other than the polar coordinate system. Further, as described above, the virtual source and the virtual receiver are not always installed behind the physical aperture, and may be installed in front of the aperture, and may be installed arbitrarily regardless of the shape of the physical aperture. (Patent Document 7, Non-Patent Document 8). Thus, the present invention is not limited to the above. In wave number matching in these beamformings, an interpolation approximation process may be performed to quickly obtain an approximate solution. 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)。   In the methods (1) to (7), transmission or reception, or both apodization processes for a received signal can be performed at various timings because the process is a linear process. That is, it can be performed by hardware at the time of reception, or can be performed at various timings by software after reception. As described above, physical apodization may be performed 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 beamforming is performed by receiving a transmitted wave instead of an echo signal, the coordinate y is half the reciprocating 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, the case where the aperture surfaces are synthesized will be described. There are a monostatic type and a multi-static type in the aperture surface synthesis.
Method (2): Monostatic Opening Surface Synthesis FIG. 9 is a schematic diagram of monostatic opening surface synthesis. In the monostatic aperture synthesis, an ultrasonic wave is emitted from one element of an array, and the element itself receives an echo. Also in the aperture plane synthesis, an echo signal (image signal) can be calculated by performing wave number matching in 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)。
Since transmission and reception are performed by the same element in the monostatic aperture synthesis, the propagation path of the sound to the scatterer during transmission is the same as the propagation path of the reflected sound of the scatterer during reception. Therefore, when steering is not performed (θ is zero degree) in the Cartesian orthogonal coordinate system where the position of the reception effective aperture element array is zero in the axial y-coordinate, the wave number k is doubled as shown in Expression (18a). (In the case of a reflected wave, s = 2, the same applies hereinafter), and the matching of the wave numbers represented by Expressions (7) and (8) is performed. In the case of a transmitted wave, k is used instead of wave number 2k (s = 1, the same applies hereinafter).

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ωを用いて表される波数k(=ω/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。
When the steering angle θ is non-zero, the wave number vector (0, k 0 ) having the wave number k 0 (= ω 0 / c) expressed using the carrier frequency ω 0 of the ultrasonic signal is Beamforming for shifting the spectrum is performed to generate an image signal having the vector (sk 0 sin θ, sk 0 cos θ) as the center of gravity or the instantaneous frequency of the multidimensional spectrum (see FIG. 10). That is, wave number matching represented by Expression (18b) is performed in Expressions (7) and (8).

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。
The signal processing is performed in the same manner as in the method (1). In particular, the wave number matching is performed by using an ultrasonic wave instead of the complex exponential function (Equation (9a)) before the Fourier transform of the received signal in space (lateral direction). Multiplying by a complex exponential function (Equation (19a)) expressed by using the carrier frequency ω 0 of the signal, the processing is first performed in the horizontal direction, and in the depth y direction, in order to have a resolution in the depth y direction, Instead of the complex exponential function (Equation (9b)), the complex exponential function (Equation (19b)) excluding the horizontal matching process (Equation (19a)) is multiplied. Instead, it is performed by multiplying by a complex exponential function (Equation (19c)). Of course, it can also be used when the deflection angle is zero degrees. This processing is not disclosed in the prior art document.

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。
Further, for example, in echo method (reflection method), there is a case where the deflection angle of the transmit and receive beams are different, in that case, when each deflection angle of the transmit and receive beams and theta t and theta r In equations (7) and (8), the wave number matching represented by equation (18c) is performed under s = 2.

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。
The signal processing is performed in the same manner as in the case where the transmission beam and the reception beam have the same deflection angle. In particular, wave number matching is performed by using a complex exponential function (formula (4)) before performing a Fourier transform on the received signal with respect to space (lateral direction). (19a)) is multiplied by a complex exponential function (Equation (19d)) expressed by using the carrier frequency ω 0 of the ultrasonic signal instead of (19a)). In order to have a resolution in the y direction, a complex exponential function (equation (19e)) excluding the horizontal matching processing (equation (19d)) is multiplied instead of the complex exponential function (equation (19b)). This is performed by multiplying a complex exponential function (equation (19f)) instead of the exponential function (equation (19c)). Of course, it is also used when the deflection angle theta t and theta r is zero degrees. This processing is not disclosed in the prior art document.

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'(k,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(k',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 by the following equations (7) and (8). , (18b) and (18c) can be realized without performing interpolation approximation. In contrast, it may perform beamforming by performing the interpolation approximation process at high speed, in which case, F (k x ', k y') is the inverse Fourier transform 2-D. Similarly to the method (1), regarding the equations (18a) to (18c), wave number matching can be performed physically and mathematically at the time of the first Fourier transform, and the last inverse Fourier transform can be performed. At times, wave number matching can be performed (paragraphs 0205 and 0210). However, in these cases, even in the steering operation, in the conversion processing involving wave number matching, one-dimensional conversion processing is first performed in the x direction, and then one-dimensional conversion processing in the y direction (wave number mapping in the x direction) is performed. Since this processing is performed later, the equations (19b) and (19e) can be used, and the processing speed can be increased. In the wave number matching, the expressions (19a) and (19c), and the expressions (19d) and (19f) are replaced by kx multiplied by a spatiotemporal signal using their complex exponential functions. Frequency modulation for ky may be performed. In addition, in the equations (18b) and (18c), the approximation processing including the approximate wave number matching processing corresponding to the equation (18a) when the deflection angle is set to zero degree is also disclosed in the prior art document. 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k、k、及び、kzとする波数領域(k,k,k)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。 When performing three-dimensional wave digital signal processing using a two-dimensional aperture element array, for example, an axial direction y (y of the position of the reception effective aperture element array) determined by the direction of the opening of the flat reception aperture element array is used. Zero or non-zero deflection in the Cartesian Cartesian coordinate system (x, y, z) using the x and z coordinates in the transverse direction orthogonal to this, with the direction and axis of the generated beam forming In the case where the angle is represented 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 number in the axial direction y and the lateral directions x and z is calculated). each k y, k x, and, k z the wavenumber region (k x, k y, k z) consider), similarly to the case of the two-dimensional wave digital signal processing described above, are treated as follows You.

まず、波動の搬送周波数ωを用いて表される波数k(=ω/c)を有する波数ベクトル(0,k,0)に対し、波数ベクトル(sksinθcosφ,skcosθ,sksinθsinφ)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k、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、
さらに、その積を、軸方向yに関して分解能を持たせるべく横方向x及びzに関してフーリエ変換して得られる角スペクトルに、横方向x及びzに行われた波数マッチングの効果を除いて実施できる複素指数関数(C42)を掛けると同時に、複素指数関数(C43)を掛けることにより軸方向に関する波数マッチングを行い、
補間近似処理を行うことなく波数マッチングを行うことによって、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。即ち、各平面波成分が深さyに作る音圧場は、これを横方向xとzに関する2次元逆フーリエ変換を行い、複数の周波数k成分を足し合わせることにより、イメージ信号を得る。無論、偏向角度が零度(即ち、仰角θ及び方位角φが零度)やいずれかの少なくとも1つの角度が零度のときも計算できる。
First, for a wave number vector (0, k 0 , 0) having a wave number k 0 (= ω 0 / c) expressed using the carrier frequency ω 0 of the wave, the wave number vector (sk 0 sin θ cos φ, sk 0 cos θ, (sk 0 sin θ sin φ) is subjected to Fourier transform with respect to the axial direction y in order to perform dynamic focusing of transmission and reception accompanied by spectrum shifting in order to generate an image signal having a centroid (center) or an instantaneous frequency of a multidimensional spectrum. In addition, a parameter s having a value of 2 when the y coordinate of the transmitting aperture element is zero and a value of 1 when the y coordinate of the transmitting aperture element is non-zero, a center of gravity (center) frequency k 0 of the wave, and , Multiplying by a complex exponential function (C41) expressed by using an imaginary unit i, thereby performing wave number matching in the horizontal direction x and z,
Further, the product is converted to an angular spectrum obtained by performing a Fourier transform on the lateral directions x and z so as to have a resolution in the axial direction y, and a complex spectrum that can be implemented without the effect of the wave number matching performed on the lateral directions x and z. At the same time as multiplying the exponential function (C42), the wave number matching in the axial direction is performed by multiplying the complex exponential function (C43).
By performing wave number matching without performing interpolation approximation processing, an image signal can be directly generated in a Cartesian coordinate system. That is, the sound pressure field created by each plane wave component at the depth y is subjected to a two-dimensional inverse Fourier transform in the horizontal direction x and z, and an image signal is obtained by adding a plurality of frequency k components. Of course, the calculation can be performed when the deflection angle is zero degree (that is, the elevation angle θ and the azimuth angle φ are zero degree) or when at least one of the angles is zero degree.

これにより、受信信号の3次元フーリエ変換R'(k,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(k',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。
As a result, the following wave number matching (formula (C44)) is performed on the three-dimensional Fourier transform R ′ (k x , k, k z ) of the received signal as shown in formulas (7 ′) and (8 ′). Situation can be realized. Similarly to the two-dimensional case, the wave number matching can be performed physically and mathematically at the time of the first Fourier transform, and the wave number matching can be performed at the time of the last inverse Fourier transform. It is also possible (paragraph 0229). At the time of steering also, in the conversion processing involving wave number matching, one-dimensional conversion processing is first performed in the x direction or z direction, and finally one-dimensional conversion processing in the y direction (after wave number mapping in the x and z directions). Since this is a process, equations (C42) and (C43) can be used, and the processing speed can be increased. Further, in the wave number matching, the frequency modulation of multiplying the space-time signal by using the complex exponential functions may be performed instead of the expressions (C41) and (C43) (each of kx And kz, ky frequency modulation). In the above description, this wave number matching is performed without performing interpolation approximation. However, interpolation approximation processing may be performed at high speed in accordance with equation (C44). In this case, F (k x ′, ky ', k z ') are subjected to a three-dimensional inverse Fourier transform. This processing is not disclosed in the prior art document.

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)=(θtt)と(θrr)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。
尚、送信と受信の両ビームフォーミングがソフト的に行われる開口面合成において、それらの送信と受信を入れ替えてビームフォーミングしても同処理である。
Also, for example, in the echo method (reflection method), the deflection angles of the transmission beam and the reception beam may be different, and in that case, each deflection angle is (elevation angle, azimuth angle) = (θ t , φ t). ) And (θ r , φ r ), the signal processing is performed under s = 2 in the same manner as in the case where the deflection angles of the transmission beam and the reception beam are equal. In the wave number matching, a complex exponential function (using a carrier frequency ω 0 of an ultrasonic signal instead of a complex exponential function (Equation (C41)) is used before a Fourier transform of a received signal in space (lateral direction). Equation (D41)) is multiplied, and is firstly executed in the horizontal direction. In the depth y direction, horizontal matching is performed instead of the complex exponential function (Equation (C42)) in order to provide resolution in the depth y direction. Complex exponential function excluding processing (Equation (D41)) Simultaneously multiplying (formula (D42)), is performed by multiplying the complex exponential function instead of complex exponential function (Equation (C43)) (formula (D43)). Of course, it can also be used when the deflection angles of the transmission beam and the reception beam are zero degrees (that is, θ t , φ t , θ r , and φ r are zero degrees). This processing is not disclosed in the prior art document.
It should be noted that the same processing is performed even if the beam forming is performed by exchanging the transmission and the reception in the aperture plane synthesis in which both the beam forming for the transmission and the beam reception are performed by software.

これにより、受信信号の3次元フーリエ変換R'(k,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(k',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。
As a result, the following wave number matching (formula (D44)) is performed on the three-dimensional Fourier transform R ′ (k x , k, k z ) of the received signal as shown in formulas (7 ′) and (8 ′). Situation can be realized. Similarly, with respect to the formula (D44), it is possible to physically and mathematically perform wave number matching at the time of the first Fourier transform, and it is also possible to perform wave number matching at the time of the last inverse Fourier transform. (Paragraph 0232). At the time of steering also, in the conversion processing involving wave number matching, one-dimensional conversion processing is first performed in the x direction or z direction, and finally one-dimensional conversion processing in the y direction (after wave number mapping in the x and z directions). Since the processing is performed, the equation (D42) and the equation (D43) are used), and the processing speed can be increased. Further, in the wave number matching, the frequency modulation for multiplying by the space-time signal using the complex exponential functions may be performed instead of the expressions (D41) and (D43) (each of kx And kz, ky frequency modulation). In the above description, the wave number matching is performed without performing interpolation approximation. However, interpolation approximation processing may be performed at high speed according to equation (D44). In this case, F (k x ′, ky ', k z ') are subjected to a three-dimensional inverse Fourier transform. This processing is not disclosed in the prior art document.

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。
In the aperture synthesis, an arbitrary beamforming can be generated using echo signals collected for the aperture synthesis (not only in the monostatic method of the method (2) but also in the multistatic method of the 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. Also in the processing of the plane wave in the method (1), the aperture plane synthesis processing can be performed by using the code. That is, it is possible to decode the coded reception signal at the time of transmitting the plane wave to obtain a signal for aperture synthesis.
Further, as described in the method (1), the steering can be performed in the dynamic focusing. In the method (1), 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 method (1) with the deflection angle θ (including the case of zero degree) is performed. When applied, it can be interpreted that the plane wave is steered at the steering angle (α + θ) (the steering angle finally generated is an average thereof). Therefore, in the method (1), when the plane wave is steered at the deflection angle α or θ or α + θ at the time of transmission, and dynamic focusing is performed at the steering angle φ (including the case of zero degree) at the time of reception, The reception steering described in this 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), the soft plane wave steering (deflection angle θ) reinforces the physical transmission steering (deflection angle α) or purely changes the plane wave transmission steering. It can be considered that the reception steering is performed by a plane wave in a software manner in addition to the reception dynamic focusing (including the case where the deflection angle φ is zero degree).

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。
That is, in the case of two dimensions, (9a) and (19a), (9b) and (19b), (9c) and (19c) are combined, respectively, (F41), (F42), (F43) May be processed in the same manner.

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(θ11)にてステアリングして偏向角度(θ22)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。
In the three-dimensional case, that is, when a plane wave is physically transmitted by steering at deflection angles (α, β) of the elevation angle α and the azimuth angle β, or when at least one of the angles is zero degree When softly steering a plane wave at a deflection angle (θ 1 , φ 1 ) to perform steering dynamic focusing at a deflection angle (θ 2 , φ 2 ) (at least one of the angles is zero degree) (Including cases), (G41), (G42), and (G43), which are combinations of (C21) and (C41), (C22) and (C42), and (C23) and (C43), respectively, are used. In this case, the average deflection angle of the transmission deflection angle and the reception deflection angle can be finally generated.

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 beamforming of the transmission and the reception of the software is exchanged, and the processing is the same as the one performed the beamforming with the exchanged. In other words, in these cases, soft transmission and reception beamforming can be considered in reverse, and any physical transmission beamforming (for example, a polarized plane wave, a deflected fixed focusing beam, an aperture plane) can be considered. In the case of steering dynamic focusing based on synthesis, non-deflected waves and beams, and the like, various other beamformings can be softly performed. In addition to the steering angle (including zero degrees) of any physically generated wave or beam (eg, such as in the above example), the steering (steering) of a plane wave or dynamic focusing in transmission or reception in software. Angles, including zero degrees). This soft plane wave steering can be considered as, in particular, augmenting the physical transmit steering, 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 is also possible to consider that the reception steering is performed by software. The same applies to three-dimensional beam forming using a two-dimensional array. Others are as 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'(k,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(k',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。
また、3次元の場合には、受信信号の3次元フーリエ変換R'(k,k,kz)に対し、式(7')と(8')と共に、式(C44)又は式(D44)の波数マッチングを補間近似を通じて行い(式(G44))、F(k',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。
Similarly to the methods (1) and (2), it is possible to physically and mathematically perform wave number matching at the time of the first Fourier transform and perform wave number matching at the time of the last inverse Fourier transform. Is also possible. In the conversion processing involving wave number matching depending on the steering, the conversion processing can be divided into directions and one-dimensional processing can be performed, and the speed can be increased. In the wave number matching, the expressions (F41) and (F43), and the expressions (G41) and (G43) are used instead of frequency modulation for multiplying by a space-time signal using their complex exponential functions. (Frequency modulation of kx, kz, and ky, respectively).
Wave number matching in beamforming using equations (F41), (F42), and (F43) in the two-dimensional case and equations (G41), (G42), and (G43) in the three-dimensional case is performed through interpolation approximation. In some cases, results are obtained at high speed.
In the case of the two-dimensional case, the wave number matching of the expression (18b) or the expression (18c) together with the expressions (7) and (8) is interpolated with respect to the two-dimensional Fourier transform R ′ (k x , k) of the received signal. made through (formula (F44)), F (k x ', k y') are two-dimensional inverse Fourier transform. This approximation process is not disclosed in the prior art document.
In addition, in the case of three-dimensional, for the three-dimensional Fourier transform R ′ (k x , k, k z ) of the received signal, together with equations (7 ′) and (8 ′), equation (C44) or equation (D44) performed through interpolation approximate wavenumber matching) (formula (G44)), F (k x ', k y', k z ') are three-dimensional inverse Fourier transform. This processing is not disclosed in the prior art document.

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 type transducer, sector scan, or IVUS or the like, a wave that is wide in the angle θ direction in polar coordinates (r, θ) is transmitted or received (cylindrical wave) in the radius r direction (FIG. 7), A case where a wide wave is transmitted in the radius r direction (cylindrical wave) in the same angle θ direction of the polar coordinate system (r, θ) as shown in FIG. 7 by using a virtual source installed behind a physical aperture having an arbitrary aperture shape. 8A (see FIGS. 8A to 8C) and the echo signals collected for aperture synthesis in the polar coordinate system, the Cartesian coordinates (x, y) are converted to the polar coordinates (x) in the same manner as in the method (1). r, θ) and perform the processing, and an image signal can be generated in the Cartesian coordinate system (x, y) or the polar coordinates (r, θ). Also, a plane wave for transmission or reception may be generated at an arbitrary distance position using a physical aperture element array represented by the above-described polar coordinate system or a physical aperture having an arbitrary aperture shape, and beamforming may be performed similarly (see FIG. 8B (d)-(f)). This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that 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 in front of it, and a virtual linear aperture array (or plane wave) can be generated at those locations. The virtual linear aperture array may be used not as a virtual source but as a virtual receiver, and 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, similarly, when a convex type transducer, sector scan, IVUS, or the like is used, or when a virtual source placed behind a physical aperture having an arbitrary aperture shape is used, the method is directly performed according to the method (5). An image signal can be generated in Cartesian coordinates. Also, a plane wave for transmission or reception may be generated at an arbitrary distance position using a physical aperture element array represented by the above-described polar coordinate system or a physical aperture having an arbitrary aperture shape, and beamforming may be performed similarly (see FIG. 8B (d)-(f)). This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that 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 in front of it, and a virtual linear aperture array (or plane wave) can be generated at those locations. The virtual linear aperture array may be used not as a virtual source but as a virtual receiver, and may also serve as a virtual source. In these cases, imaging of echo signals and displacement measurement 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), processing can be performed in an arbitrary rectangular coordinate system or by converting to an arbitrary rectangular coordinate system and similarly. In these, transmission focusing may be performed. Further, as described above, the virtual source and the virtual receiver are not always installed behind the physical aperture, and may be installed in front of the aperture, and may be installed arbitrarily regardless of the shape of the physical aperture. (Patent Document 7, Non-Patent Document 8). Thus, the present invention is not limited to the above. In wave number matching in these beamformings, an interpolation approximation process may be performed to quickly obtain an approximate solution.

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。   Further, the transmission and / or reception apodization process for the received signal can be performed at various timings because of linear processing (hardware upon reception or software after reception). As described above, physical apodization may be performed during transmission. In the case where the wave number matching is performed through interpolation approximation using Expressions (7) and (7 '), when the accuracy is improved, processing is performed under appropriate oversampling at the expense of an increase in the amount of calculation. There is a need. In such a case, it is necessary to pay attention to an increase in the number of data of the Fourier transform, unlike a case where a signal at an arbitrary position can be selectively generated without performing the interpolation approximation processing. These processes can be performed in the same manner as in the method (1), and also 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): Multi-Static Opening Surface Synthesis FIG. 11 is a schematic diagram of multi-static opening surface synthesis. Multi-static aperture 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 obtained low-resolution image signals. 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, the conventional method usually generates a low-resolution echo signal from an echo signal received for each emission of each element and superimposes them. On the other hand, in the present invention, a signal group consisting of signals having the same transmission / reception position relationship is set as one set, and a digital monostatic aperture plane synthesis is performed for each set. The processing is completed by superimposing the obtained low-resolution image signals. In practice, superposition, which is a linear process, can be performed in the frequency domain before the horizontal inverse Fourier transform process, which is faster, and the horizontal alignment for performing the superposition is also: At the time of superposition, the image signal can be generated at high speed by multiplying a complex exponential function for performing horizontal shifting processing and rotating the phase in the horizontal direction without performing interpolation approximation. The inverse Fourier transform may be performed by performing the fast inverse Fourier transform once. In addition, in order to generate each low-resolution echo signal, when performing the inverse Fourier transform in the horizontal direction, simultaneously multiply the complex exponential function for performing the horizontal shifting process and rotate the phase in the horizontal direction, It can also be superimposed on 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)。
However, what is important is that when applying the program of the monostatic aperture plane synthesis processing, when s = 2, the distance in the x direction between the reception position of y = 0 and the transmission position of y = 0 is Δx. This is to calculate and use the converted distance y ′ of the propagation path until reception at a position separated by Δx with respect to the distance y (coordinate y) of the point of interest, and when the deflection angle is zero degree, the equation (20a) is used. ) Is calculated. Further, when s = 1, the distance in the x direction between the reception position at the y coordinate y = 0 and the transmission position at the non-zero y coordinate y = Y is Δx. When the angle is zero degrees, the conversion distance represented by Expression (20b) is calculated (the y-coordinate of the transmission position and the reception position may be reversed).

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、本発明の計測イメージング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)となるように、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), multi-static aperture plane synthesis for generating a beam subjected to at least dynamic focusing of reception (when s = 2, dynamic focusing of transmission can also be realized) is performed. 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 an object to be measured is transmitted by at least one of a plurality of reception aperture elements at different positions. It receives and produces a received signal (even if it is one, it can be processed by the measurement and imaging apparatus of the present invention), and its transmission aperture element is such that the wave is generated by at least reflection or back scattering on the measurement object. (S = 2) or at least transmission, forward scattering, or refraction in the measurement object The effective aperture having an arbitrary x-coordinate without depending on the x-coordinate of the reception aperture element generating the reception signal and further having a zero y-coordinate so that the generated aperture (s = 1). A receiving effective aperture element array which also serves as any of the receiving aperture elements in the element array, or one of a plurality of transmission aperture elements different from any of the reception aperture elements, or has a non-zero constant y coordinate (One of a plurality of transmission aperture elements in a transmission effective aperture element array at a position opposed to the above) (when s = 1, the y coordinate 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 performed on each of the monostatic aperture plane synthesis data groups generated from the same combination of the transmitting element and the receiving element. And then perform the same treatment. The same applies when the transmission and reception steering angles are different. However, even when the deflection angle is non-zero, the distance y of the point of interest (coordinate y) is set to s, as in the case where the deflection angle is zero, in applying the program of the monostatic aperture synthesis process. = 2, the converted distance expressed by the equation (20b) is used when s = 1. Therefore, similarly to the methods (1) and (2), in the deflectable program, the deflection angle may be set to zero or non-zero, and the processing may be performed.
Further, the transmission can be processed when the plane wave of the method (1) is transmitted, and can also be processed when any transmission beamforming 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。
Further, as another method, for each of the received signal groups obtained by arranging the received signals having the same distance Δx in the horizontal coordinate between the transmitting position and the receiving position, the y coordinate of the transmitting and receiving aperture elements is zero. When (s = 2), the distance between the transmitting aperture element, the point of interest, and the receiving aperture element expressed using the declination θ, the y coordinate of the point of interest including the positions of the transmitting and receiving apertures, and the distance Δx , Or when the y coordinate of the transmitting aperture element is non-zero (s = 1, the y coordinate of the transmitting position and the receiving position may be considered in reverse). , The y-coordinate of the point of interest, the y = Y coordinate of the transmitting aperture element, and the distance Δx, expressed by using the argument θ, the distance between the transmitting aperture element, the point of interest, and the receiving aperture element (Equation (20d)) Image signal obtained by setting the deflection angle in the above monostatic aperture synthesis using Can be corrected with respect to the horizontal position in the frequency domain, and they can be superimposed to generate an image signal without performing interpolation approximation processing. Although the spatial resolution in the depth direction is reduced, a large steering angle can be generated.

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)となるように、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)。
When three-dimensional wave digital signal processing is performed using a two-dimensional aperture element array, for example, the axial direction y determined by the direction of the aperture of the flat receiving aperture element array and the horizontal directions x and z orthogonal thereto In the Cartesian rectangular coordinate system using the coordinates of the above, the same processing can be performed, and the zero-degree or non-zero degree deflection angle formed by the generated beam direction and the axial direction is expressed using the elevation angle θ and the azimuth angle φ. , 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 an object to be measured is received and received by at least one of a plurality of reception aperture elements at different positions. A signal generated by the transmitting aperture element, wherein the wave is generated at least by reflection or backscattering on the object to be measured (s = 2), or , Any x-coordinate and z-coordinate without depending on the x- and z-coordinates of the receiving aperture element that generates the reception signal so that at least the one generated by transmission, forward scattering, or refraction (s = 1) And furthermore, having zero y-coordinate, also serving as any of the receiving aperture elements in the receiving effective aperture element array, or one of a plurality of transmitting aperture elements different from any of the receiving aperture elements, or , One of a plurality of transmission aperture elements in the transmission effective aperture element array having a non-zero constant y coordinate and located at a position facing the reception effective aperture element array (when s = 1, transmission is performed). The y coordinate of the position and the reception position may be considered in reverse.) When the deflection angle is zero degree (without steering) or non-zero degree (with steering), similarly to the two-dimensional wave digital signal processing using the one-dimensional aperture element array described above, the transmission element and the reception element are connected. The processing with or without the steering described in the method (2) may be performed on each of the monostatic type aperture plane synthesizing data groups generated from the same combination of the positions, and the processing may be performed similarly. The same applies when the transmission and reception steering angles are different. However, what is important is that when the deflection angle is zero degree (without steering) or non-zero degree (with steering), when the program of the monostatic type aperture synthesis processing is applied, when s = 2, y Assuming that the distance in the x direction (horizontal direction) between the reception position = 0 and the transmission position y = 0 is Δx, and the distance in the z direction (elevation direction) is Δz, reception is performed at positions separated by Δx and Δz in two directions. This is to calculate and use the converted distance y 'of the propagation path before performing the calculation, and to calculate the converted distance represented by Expression (20e). Further, when s = 1, if the distance in the x direction between the reception position at the y coordinate y = 0 and the transmission position at the non-zero y coordinate y = Y is Δx and the distance in the z direction is Δz, Expression (20f) is used. This is to calculate the converted distance represented (the y coordinate of the transmission position and the reception position may be considered in reverse).

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 any transmission beamforming 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。   Further, as another method, transmission and reception are performed for each reception signal group obtained by arranging reception signals having the same distance 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 using the y-coordinate of the point of interest including the elevation angle θ and the azimuth angle φ, and the aperture position for transmission and reception, and the distances Δx and Δz. The distance of half the linear distance between the element, the point of interest, and the receiving aperture element, or the y coordinate of the transmitting aperture element is non-zero (s = 1, and the y coordinate of the transmitting position and the receiving position can be considered in reverse. Good), 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 between the transmission aperture element, the interest point, and the reception aperture element Deflection angle is set 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。   Further, in order to generate an image signal representing the propagation of the unknown wave source or the wave generated by the unknown wave source (so-called passive mode), the y coordinate of the estimated unknown wave source is set to the y coordinate of the transmitting aperture element, It is good to perform beam forming. It is also effective to try and observe while changing the y-coordinate by trial and error. For example, it is desirable to obtain effects such as imaging, increased spatial resolution, increased signal intensity, and increased contrast, and automatically perform a series of processes using these as a criterion. 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 described later, a position with respect to the receiving aperture element, a direction or distance of an existing position, an opening direction, or a propagation direction of a generated wave may be given as information on the wave source position or the transmitting aperture element. Also, the time at which the wave was generated by an arbitrary wave source may be given. The signal may be observed by another device, or 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。   For the received signal, the center of gravity (center) frequency or instantaneous frequency of the multidimensional spectrum is obtained, the direction in which the wave source is present or the propagation direction of the wave is obtained, and the deflection angle of the transmission or reception is adjusted. Forming may be performed. Further, for the beamformed image signal, the center of gravity (center) frequency or instantaneous frequency of the multidimensional spectrum is obtained, and the direction in which the wave source exists or the propagation direction of the wave is obtained, and the transmission or reception deflection angle is obtained. May be adjusted to perform beamforming. These processes can be performed at a plurality of reception apertures or reception apertures to geometrically determine the position or direction where the wave source exists. These processes are useful and may be applied to other beamforming.

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) of the monostatic aperture synthesis, in the method (3) of the multistatic aperture synthesis as well, an arbitrary beamforming can be generated using the echo signals collected for the 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 the data). It is sometimes effective to have a large amount of data as compared with the monostatic type, but the amount of calculation increases. Also in the processing of the plane wave in the method (1), the aperture plane synthesis processing can be performed by using the code. Further, in a convex type transducer, sector scan, or IVUS or the like, a wave that is wide in the angle θ direction in polar coordinates (r, θ) is transmitted or received (cylindrical wave) in the radius r direction (FIG. 7), A case where a wide wave is transmitted in the radius r direction (cylindrical wave) in the same angle θ direction of the polar coordinate system (r, θ) as shown in FIG. 7 by using a virtual source installed behind a physical aperture having an arbitrary aperture shape. 8A (see FIGS. 8A to 8C) and the echo signals collected for aperture synthesis in the polar coordinate system, the Cartesian coordinates (x, y) are converted to the polar coordinates (x) in the same manner as in the method (1). r, θ) and perform the processing, and an image signal can be generated in the Cartesian coordinate system (x, y) or the 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, similarly, in a convex transducer, sector scan, or IVUS, an image signal can be directly generated in Cartesian coordinates according to the method (5). In that case, imaging of echo signals, displacement measurement, and the like can be performed consistently in the same Cartesian coordinate system. In these, similarly to the method (1), processing can be performed in an arbitrary rectangular coordinate system or by converting to an arbitrary rectangular coordinate system and similarly. In addition, beamforming described in paragraphs 0111 to 0222 of method (1) and paragraph 0240 of method (2) can be performed in the same manner. For example, a virtual source, a virtual receiver, etc. It can be installed arbitrarily regardless of the shape (Patent Document 7, Non-Patent Document 8). In addition, the present invention is not limited thereto (the same applies hereinafter).

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。   Further, as described above, although the spatial resolution in the depth direction is reduced, it is possible to deflect as another method in order to generate a large steering angle. Can be processed in a similar manner when the steering angles are different. The reduced distance may be calculated using the horizontal 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 of the steerings in the method (3) is basically performed by software. In addition, an apodization may or may not be performed at the time of transmission. Further, the reception apodization process is also a linear process, so that it can be performed at various timings (hardware or software). Can be easily implemented at an appropriate timing by taking into account the amount of calculation that depends on the effective aperture width or the like that determines the number of. For example, each set for initiating the generation of a low-resolution echo signal can be weighted, or the generated low-resolution signal can be apodized in the frequency domain or the spatial domain.

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 applying the monostatic aperture synthesis in the method (2), wave number matching can be performed physically and mathematically at the time of the first Fourier transform, and wave number matching can be performed at the time of the last inverse Fourier transform. It is also possible to do. In addition, wave number matching may be performed at high speed through the above interpolation approximation. In the interpolation approximation, a linear interpolation approximation or an approximation using the nearest data itself may be performed, a 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 expense of an increase in the amount of calculation. In such a case, it is necessary to pay attention to an increase in the number of data of the Fourier transform, unlike a case where a signal at an arbitrary position can be selectively generated without performing the interpolation approximation processing.
In the horizontal alignment for 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 horizontal shifting. Instead, spatial shifting processing may be performed through interpolation approximation in order to realize faster processing. In the interpolation approximation, a linear interpolation approximation or an approximation using the nearest data itself may be performed, a 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 the amount of calculation.

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ように、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. The fixed focusing is a method in which one point is set as a focus point and each element is delayed so that ultrasonic waves reach the focus point at the same time. A part or all of the physical aperture of the array type transducer is received as an effective aperture, and the object to be measured is scanned. Of course, there is also steering. 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, an image signal is generated by a method (1): beam forming at the time of plane wave transmission, or a method (3): multi-static aperture synthesis, or a beam forming and a method of plane wave transmission by the method (1). This is performed by a method that combines the reception dynamic focusing of the method (2) or the method (3). In that case, there are the following three methods.
(I) A single image signal generation process is performed for each received signal obtained in the effective aperture width.
(Ii) A so-called ordinary low-resolution image signal is generated by using the received signal for each transmission, and they are superimposed.
(Iii) As in the case of the multi-static aperture plane synthesis, image signals are generated by setting those having the same positional relationship of transmission and reception, and are 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。   In the case of transmitting and receiving in the radius r direction of the polar coordinate in the convex type transducer or sector scan, or IVUS, or in the case of performing beamforming using a virtual source installed behind in an arbitrary aperture shape, Cartesian coordinates ( x, y) may be replaced with polar coordinates (r, θ) for processing, and an image signal can be generated at polar coordinates (r, θ). As mentioned above, interpolation approximation may be required after the generation of the image. The same applies to transmission and reception using the spherical coordinate system. There is a report of a process that performs an approximation process when performing transmission focusing (Non-Patent Document 6), and similarly, a result is obtained in polar coordinates (r, θ). The inventor of the present application has proposed a method for directly generating an image signal in a Cartesian coordinate system as a result of transmission or reception beamforming in such a polar coordinate system, a spherical coordinate system, or an arbitrary orthogonal coordinate system (5). , (5-1), (5-1 ′), and (5-2) were also invented. In such a case, imaging of a transmission signal, a reflection signal, a scattering signal, an attenuation signal, and the like, displacement measurement, and the like can be consistently performed in the same Cartesian coordinate system. In these, similarly to the method (1), processing can be performed in an arbitrary rectangular coordinate system or by converting to an arbitrary rectangular coordinate system and similarly. In addition, beamforming described in paragraphs 0111 to 0222 of method (1) and paragraph 0240 of method (2) can be performed in the same manner. For example, a virtual source, a virtual receiver, etc. It can be installed arbitrarily regardless of the shape (Patent Document 7, Non-Patent Document 8). In addition, the present invention is not limited thereto (the same applies hereinafter). As described above, it is possible to deflect, but it is also possible to handle the case where the deflection angles of physical transmission beamforming and soft reception beamforming are different. The transmission steering can be performed by software. In that case, the deflection angle may be different from other deflection angles. Beamforming can also be performed physically during 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 a received signal (hardware at the time of reception or software after reception). When apodization is performed in a software manner, it is performed according to the method (1) or the method (3). Apodization is performed in the same manner when using a method in which the beamforming of the plane wave transmission is combined with the receiving dynamic focusing of the method (2) or the 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。   Note that any processing of the method (4) using the method (1) of performing the plane wave processing can theoretically and practically perform any physical transmission or reception beamforming. By performing the processing as described above, various combinations of beamforming can be performed (for example, physical beamforming using a computer or a dedicated device, which is different from that performed in software beamforming using a computer or a dedicated device, etc.). Each or both of those involving processing such as focusing, steering, and apodization that may be performed at the time of transmission and reception can be subjected to plane wave transmission and reception processing, or transmission and reception are reversed as described above. And process it.) For example, regarding simultaneous transmission of a plurality of beams described in paragraphs 0109, 0112, 0365, 0367, 0368, etc., when the plurality of beams interfere with each other with or without physical deflection, and do not interfere with each other Including the case, or when the focus beamforming is performed at different timing in the simultaneous phase of the object, or when both of the received signals are mixed, the physical focus (sub aperture width, distance and depth, Irrespective of whether the position and the like are the same or different, and irrespective of whether the physical transmission deflection angles are the same or different, the above processing of the method (4) is effective. If a method of performing one image signal generation process on the superposition of the respective received signals obtained in the effective aperture width of (1) is used, a high frame rate can be realized. It is intended to. In the method (4), it is not necessary to perform beam forming at a position where the wave does not interfere (described in paragraphs 0030 and 0364, etc.), and even when the waves interfere, such as when overlapping sub-apertures are used simultaneously. High frame rate can be realized by processing. At this time, if the soft transmission deflection angle and the reception deflection angle applied to the plurality of focus beams to be performed are the same, the above processing may be performed. In addition, even in the case of performing transmission a plurality of times, such as when performing focusing at a plurality of positions or performing dynamic transmission focusing in the simultaneous phase of the target, the same processing can be performed as the superposition of the received signals. This processing can be performed on all of the received signals received in the target simultaneous phase, as long as the received signals are superimposed in a state where the times are 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。   If any of the soft transmission deflection angle and the reception deflection angle to be applied to a plurality of focus beams includes different ones, they are divided into the same beam, the same process is performed for each same beam, and the final result is obtained. What is necessary is just to superimpose in a frequency domain to obtain | require. Multiple deflection reception beams (including a deflection angle of 0 °) may be generated for one physical transmission beam (with or without deflection), and are similarly processed. Even when a plurality of different physical deflections are performed, processing may be performed by dividing them into the same one and obtaining the respective processing results. When divided, 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)。   In the case of physical transmission in multiple directions, transmission and reception deflections specific to software may be performed for each transmission deflection angle, in which case the transmission beams must be separated in the frequency domain. Or separation processing such as independent component analysis (ICA: there are many references including relatively old books such as Te-Won Lee, Independent Component Analysis: Theory and Applications, Springer, 1998). May be applied and treated. Analog devices may be used. As an example, a soft transmission or reception deflection angle may be set in the same manner as each physical deflection angle. Signal separation is described elsewhere (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 performed for various fixed focusing processes. However, the present method is not limited to these, and can be used when other transmission beamforming is performed. With focusing (multi-focus for realizing a plurality of different focus positions with respect to the effective aperture) or without, with deflection (several steerings with different deflection angles) or without, with apodization (including different positions) Also, when performing multiple transmissions or receptions with different wave or ultrasonic parameters, such as different or no, F number, transmission ultrasonic frequency or transmission band is different, reception frequency or reception band, pulse shape is different, beam shape is different, etc. , And can perform beamforming with new features that cannot be generated by one beamforming with them fixed. For example, although it is known that a plurality of focuses can be obtained by superposition and that a wide band (high resolution) can be obtained in both the depth direction and the horizontal direction, these processes can be performed at high speed. When a so-called pulse inversion method (emission of pulses having different polarities as ultrasonic parameters) or the like is used to obtain harmonics, the received signals can be superimposed and similarly processed at high speed. Of course, the received signals can be superimposed after performing beamforming. In some cases, received signals of two or more beams are 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 that the above transmission and reception are considered in reverse. 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。   When processing is performed by dividing into a plurality of beamformings, parallel processing may be performed. Depending on various waves such as the above-mentioned deflection angles, ultrasonic parameters, the position of the region of interest, and the like, the beamforming may be divided into a plurality of beamformings. One received signal may be used for multiple purposes such as imaging, measurement, treatment, etc., and a beam of a large amount of information, for example, a transmission signal, a reflection signal, a scattered signal, an attenuated signal, etc., which has high precision and high resolution, In some cases, a signal that is generated by forming and is subjected to post-processing such as filtering to generate a signal tailored to the purpose. However, appropriate beamforming is 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 transmitting an arbitrary wave (including a wave that has not been beam formed), superposition processing at the time of transmitting a plurality of beams and waves, and simultaneous multiple beams And processing when transmitting waves. That is, even when any one or more transmissions are performed, reception beamforming (such as dynamic focusing) can be performed at once. The plurality of beamformings may be performed using a multidirectional aperture plane synthesis method, and in such a case, the beamforming is performed at a high speed. Further, the present invention is not limited thereto.
Physically and mathematically, wave number matching can be performed at the time of the first Fourier transform, and wave number matching can be performed at the time of 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. However, even in the present method (4) to which the methods described in the above methods (1) to (3) are applied. In the same manner as in the methods (1) to (3), interpolation approximation processing may be performed in wave number matching. Approximate wave number matching described therein is performed, and beam forming is performed at high speed. There is. In order to perform approximate approximate wave number matching, it is necessary to appropriately oversample a received signal at the cost of an increase in the amount of calculation. In such a case, it is necessary to pay attention to an increase in the number of data of the Fourier transform, unlike a case where a signal at an arbitrary position can be selectively generated without performing the interpolation approximation processing.

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 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, and IVUS. This is a method of generating an image signal in the Cartesian coordinate system in the case (see FIG. 7). 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。
極座標系における受信エコー信号は、f(r,θ)と表されるので、式(23)が成立する。
従って、ヤコビ(Jacobi)演算を通じて、式(24)が得られる。このようにして、極座標系において表される波動をデカルト座標系において平面波成分(kx,ky)に分解できる。任意の直交曲線座標において表される波動も同様に、デカルト座標系において平面波成分(kx,ky)に分解できる。
Hereinafter, the polar coordinate display of the Fourier transform will be described. The two-dimensional Fourier transform is represented by equation (22).
Since the received echo signal in the polar coordinate system is represented by f (r, θ), Expression (23) holds.
Therefore, equation (24) is obtained through the Jacobi operation. In this way, degradation of the wave represented in a polar coordinate system plane wave components in a Cartesian coordinate system (k x, k y) in the. Similarly, a wave represented in arbitrary orthogonal curve coordinates can be decomposed into a plane wave component (k x , k y ) in a Cartesian coordinate system.

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。
ここで、rはコンベックス探触子の曲率半径であり、x0とy0はコンベックス探触子のアレイ素子位置を表すx軸とy軸の座標である。ステップS21において、受信信号を時間tに関してフーリエ変換し、ステップS22において、受信信号を角度θに関してフーリエ変換(FFT)することにより、極座標系において受信した信号をデカルト座標系において平面波成分(kx,ky)に分解できる。
Method (5-1): Generation of Image Signal for Cylindrical Wave Transmission or Reception FIG. 13 is a flowchart showing digital signal processing at the time of cylindrical wave transmission. From equation (24), the Fourier transform in the angle θ direction on the aperture is expressed by equation (25).
Here, r 0 is the radius of curvature of the convex probe, and x 0 and y 0 are the x-axis and y-axis coordinates representing the array element position of the convex probe. In step S21, the received signal is Fourier-transformed with respect to time t, and in step S22, the received signal is subjected to Fourier transform (FFT) with respect to the angle θ to convert the signal received in the polar coordinate system into a plane wave component (k x , k y ).

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。
Therefore, for example, an image signal can be generated by performing a wave number matching represented by the equation (26) (step S23) and performing an inverse Fourier transform on the space (x, y).

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、ステップ23とステップ24とを逆にして演算しても良い。
Further, in step S24, a two-dimensional spectrum is multiplied by the following complex exponential function to calculate an angular spectrum at each depth y.
Alternatively, the calculation may be performed with step 23 and step 24 reversed.

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。
Alternatively, without using Equations (26a) and (26b), the following complex exponential function is multiplied according to the method (5), wave number matching is performed, and the angular spectrum at each depth position y is obtained. good.

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, by adding the frequency component k of the angular spectrum in step S25 and performing an inverse Fourier transform (IFFT) on the horizontal wave number kx in step S26, an image signal is obtained in step S27. A purely two-dimensional inverse Fourier transform may be performed.

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, wave number matching in the x and y directions may be performed and spatial resolution may be obtained in accordance with Equations (9a) to (9c) using the deflection angle θ according to the method (1). As will be described later, when performing calculations in the polar coordinate system (r, θ), it is also possible to provide a steering angle (an angle formed with the radial direction) in the polar coordinate system and perform steering in the same manner. It is possible to implement physical steering, transmit or receive, or implement soft steering for transmission and reception, or to implement physical steering and soft steering 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, when obtaining an image signal of the Cartesian coordinate system (x, y) from the signal of the polar coordinate system (r, θ), does not require interpolation processing for wave number matching and conversion of the coordinate system, and is fast and highly accurate. Beam forming is performed. Similar to plane wave transmission in a linear array transducer, a cylindrical wave can also be deflected in a polar coordinate system. The same processing can be performed when the steering angles of the transmission beamforming and the reception beamforming are different. Soft steering can also be applied. Apodization can be performed similarly. In the case of a cylindrical wave, at the different position 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-mentioned transmission is performed simultaneously and received. The above-described processing may be performed by overlapping the transmissions and receptions performed at the same time but at different times. In the z-axis direction, focusing may be performed by an analog device (lens), or arbitrary processing may be performed by the digital signal processing of the present invention. The same calculation can be performed when the propagation direction of the wave is in the center direction (for example, it is useful for HIFU treatment, various kinds of imaging using a circular-based array transducer surrounding an object, CT, and the like). Of course, in these, beamforming only for reception may be performed, and the same processing is performed. Note that the received signal represented by the polar coordinates (r, θ) can be processed by replacing the Cartesian coordinates (x, y) of the method (1) with the polar coordinates (r, θ). , θ), the image signal can be generated as described above. In the subsequent processing, interpolation approximation is performed. In these, steering can be performed similarly. 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。   When the received signal is represented as a digital signal of the Cartesian coordinates (x, y), the processing is performed by performing a Fourier transform on f (x, y) with respect to the radius r and the angle θ, contrary to the equation (22). After all, it is also possible to generate the image signal in the polar coordinate system (r, θ), or to generate the image signal in the Cartesian coordinate system (x, y) using each method. Steering and apodization may be performed 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 by using a physical aperture element array represented by the above-described polar coordinate system or a physical aperture having an arbitrary aperture shape. Alternatively, both plane waves may be generated, and beamforming may be performed in the same manner.An image signal is generated in a Cartesian coordinate system or a polar coordinate system, or an orthogonal curved coordinate system set according to a physical aperture shape. Sometimes. This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that 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 in front of it, and a virtual linear aperture array (or plane wave) can be generated at those locations. The plane wave may be steered, or the virtual linear aperture may be tilted (virtually mechanically steered). Of course, the physical aperture is mechanically steered as needed. When only these plane waves are transmitted or only received, each beamforming is performed on the basis of transmitting and receiving a cylindrical wave, and sometimes other beamforming is performed.

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 Shaped Aperture Array When transmitting a wave not only from a circular aperture array but also from an arbitrary aperture shape such as a linear array type transducer, a backward direction is required. A case where a part of a cylindrical wave is generated using the installed virtual source (see FIGS. 8A to 8C) 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, a complex exponential function is applied to the Fourier transform, if necessary, of the received signal transmitted and received by each element and stored in a memory or the like. Multiplying the response of the wave generated from the virtual source into a digital reception signal represented by polar coordinates (r, θ), and then following the method (5) or using the method (5-1) Image signals can be generated directly in the (x, y) coordinate system. Similarly, the received signal may be represented as a digital signal of polar coordinates (r, θ), and the process (1) in which the Cartesian coordinates (x, y) are replaced with polar coordinates (r, θ) may be performed. An image signal can also be generated at (r, θ). Of course, the monostatic processing of the 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 the case of using the received signal acquired for the multi-static aperture plane synthesis, it is necessary for the received signal transmitted by each element to be received by the surrounding elements and stored in a memory or the like. For example, the Fourier transform is multiplied by a complex exponential function, and the response of the wave generated from the virtual source is converted into a digital reception signal represented by polar coordinates (r, θ), and the multi-static aperture plane synthesis of the method (3) is performed. it can. As another processing, according to the method (5), or by superimposing the digital reception signal at each receiving element and then using the method (5-1), the (x, y) coordinate system is directly obtained. Can generate an image signal. Similarly, it is also possible to superimpose the digital reception signal at each receiving element, and then perform the process of reading Cartesian coordinates (x, y) into polar coordinates (r, θ) in method (1). An image signal can also be generated at (r, θ). Of course, without superposition, the multi-static processing of the method (3) can also be performed in the polar coordinate system (r, θ).

(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)において行われるよう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 a digital signal in the polar coordinate system (r, θ), sampling is performed in the polar coordinate system (r, θ) from the beginning. In some cases, transmission and reception sampling is performed from each aperture element using a transmission or reception delay pattern. Then, based on the method (5-1) or the method (2) or the method (3) based on the method (5), 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 of reading the Cartesian coordinates (x, y) of the methods (1) to (3) into polar coordinates (r, θ) is performed. Alternatively, an image signal can be generated 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 using a virtual source placed behind in an arbitrary aperture shape (see FIGS. 8A (a) to (c)), the above (i) to (c) In iii), the Fourier transform of the received signal received by each element and stored in a 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) (where time is represented by Necessary) or an interpolation approximation is performed, and contrary to the equation (22) in the method (5-1), the f (x, y) is subjected to the Fourier transform with respect to the radius r and the angle θ, and the polar coordinates are eventually obtained. The image signal can be generated in the system (r, θ), or the image signal can be generated in the Cartesian coordinate system (x, y) using each method. Similarly, an image signal can be generated in an orthogonal curve coordinate system (curved coordinate system) set according to the opening shape.

(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 other beamformings 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)) is set behind an arbitrary aperture (an aperture of a linear array transducer or other pseudo array aperture obtained by mechanical scanning). a) to (c)) (in the case of transmitting a cylindrical wave) (using a transmission delay), each element is coded and transmitted in the same manner as in the case of plane wave transmission, and then received. Decoding a reception signal to generate a reception signal group for aperture synthesis, and directly generating an image signal in an arbitrary orthogonal curve coordinate system such as a Cartesian coordinate system or a polar coordinate system by the above processing. Can be. In addition, a virtual receiver may be set instead of a virtual source, and a virtual receiver may also serve as a 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 (FIG. 8A (FIG. 8A)) set behind an arbitrary aperture (an aperture of a linear array transducer or other pseudo array aperture obtained by mechanical scanning) described in the method (1) or the like. a) to (c)) (when a transmission delay is used), the following can be performed using the above method.
(A) The method (1) is directly applied to a received signal represented by a Cartesian coordinate system (x, y) obtained by a linear array transducer or a mechanical scan, and an image is formed in the Cartesian coordinate system. Get the signal.
(B) A signal received at each receiving position by a linear array transducer or mechanical scan is spatially multiplied by a complex exponential function in a y-direction by multiplying a frequency response obtained by a (fast) Fourier transform in the y-direction. In the polar coordinate system (r, θ) with the virtual source as the origin, the coordinates are corrected to the position coordinates in the radius r direction under θ determined by the reception position, and the method (5) or the method (5-1) is performed. , An image signal is obtained in a Cartesian coordinate system (x, y) or a polar coordinate system (r, θ). Instead of spatial shifting using complex exponential functions, approximate spatial shifting may be performed by zero padding of signal values in the r coordinate system. It is necessary to note that an AD converter with a high sampling rate and a lot 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 different from a pseudo linear array aperture by a linear array transducer or a mechanical scan, and the Cartesian Similarly, an image signal can be generated in a coordinate system (x, y), a polar coordinate system (r, θ), or an orthogonal curve coordinate system (curved coordinate system) set according to an opening shape.
(D) A virtual receiver may be used instead of a virtual source, and a 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 a different type of transducer or another mechanical scan, a convex or sector type transducer as shown in FIG. An image signal in the case of using (abbreviated) can be generated in a Cartesian coordinate system (x, y), a polar coordinate system (r, θ), or an orthogonal curve coordinate system (curved coordinate system) set according to the opening shape. .
On the other hand, conversely, when a linear type transducer is virtually used by using a physically different type of transducer (for example, FIGS. 8B (d) to (f) when a convex type transducer is physically used). ), The virtual source or virtual receiver is at or behind the physical aperture, or in front of it), and the image signal is similarly calculated in a Cartesian coordinate system (x, y) or a polar coordinate system (r, θ), it can also be generated in an orthogonal curve coordinate system (curved coordinate system) set according to the opening shape.
As a special case, for example, when a linear array transducer is physically used, a case where a cylindrical wave is generated using a virtual source or a virtual receiver behind a physical aperture is applied, and a horizontal position is set at an arbitrary distance position. An image signal can also be generated in the case of generating a plane wave or a virtually linear array type transducer that spreads in the direction (FIG. 8B (g)).
In these, the generated transmitted or received wave may be steered or the opening may be virtually tilted (virtually mechanically steered). Of course, the physical aperture is mechanically steered as needed.

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 During Fixed Focus FIG. 14 is a schematic diagram of fixed focusing using a convex type 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 showing an example in which the fixed focusing position is equidistant from each effective aperture and a case where the fixed focusing position is set at an arbitrary distance 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 processing as in the case of cylindrical wave transmission. That is, there are the following three methods based on the processing of the method (1) or the method (3).
(I) Image signal generation processing is performed once for each of the received signals obtained in the effective aperture width.
(Ii) A so-called ordinary low-resolution image signal is generated by using the received signal for each transmission, and they are superimposed.
(Iii) As in the case of the multi-static aperture plane synthesis, image signals are generated by setting those having the same positional relationship of transmission and reception, and are superimposed.
As described above, the image signal can be directly generated in the Cartesian coordinate system. However, the image signal can be generated in the polar coordinate system by performing the method (4) using the coordinate axes of the polar coordinate system. Similarly, deflection and apodization can be performed. The processing in the z-axis direction can be performed in the same manner as in (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。   Further, when the received signal is represented as a digital signal of the Cartesian coordinates (x, y), f (x, y) is subjected to a Fourier transform with respect to the radius r and the angle θ, and eventually processed in the polar coordinate system (r , θ), or each method can be used to generate an image signal in a Cartesian coordinate system (x, y). Steering, apodization, and processing in the z-axis direction may be performed similarly.

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。   When performing steering, it is sufficient to perform wave number matching in the x and y directions and obtain spatial resolution according to the method (4). As will be described later, when performing calculations in the polar coordinate system (r, θ), it is also possible to provide a steering angle (an angle formed with the radial direction) in the polar coordinate system and perform steering in the same manner. It is possible to implement physical steering, transmit or receive, or implement soft steering for transmission and reception, or to implement physical steering and soft steering 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 opening is realized at or before or after the position using the physical opening described in the method (5-1 ′). 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 or a polar coordinate system, or a rectangular coordinate system set according to the physical aperture shape. It is possible to implement physical steering, transmit or receive, or implement soft steering for transmission and reception, or to implement physical steering and soft steering in combination. There are other methods such as method (1). In these, the generated transmitted or received wave may be steered or the opening may be virtually tilted (virtually mechanically steered). Of course, the physical aperture is mechanically steered as needed.

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, but 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 beamforming can be performed for any transmission beam or wave in addition to the transmission fixed focus beam. Of course, the beam forming of the collective reception signal at the time of simultaneous transmission of a plurality of different beams or waves and the superposition of the reception signal for each transmission 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): Generation of Image Signal at the Time of Reception in Spherical Coordinate System When a spherical nucleus wave aperture element array is used, three-dimensional digital wave signal processing is performed. When the element array is so, the reception of the wave is performed in the spherical coordinate system (r, θ, φ), and the received signal of the received wave is represented by f (r, θ, φ). Also in this case, various beamformings can be performed through the Jacobi operation, 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。
Specifically, a three-dimensional Fourier transform performed on the received signal f (r, θ, φ) to decompose the received wave into a plane wave in the Cartesian coordinate system (x, y, z) is performed by using the Cartesian coordinate system ( Expression (27) expressed in the wave number domain or the frequency domain (k x , k y , k z ) of x , y , z ) is expressed by Jacobi using x = rsin θcosφ, y = rcosθ, and z = rsinθsinφ. By the calculation, the image signal can be calculated as in Expression (28), and the image signal can be directly generated in the Cartesian coordinate system without performing the interpolation approximation processing. Needless to say, the beam forming of the methods (1) to (4) and (6) can be performed, but the present invention is not limited to this. In particular, when the method (4) is used, similarly to the case of the two-dimensional case, the reception beam forming can be performed for all the transmission beams or waves in addition to the transmission fixed focus beam. Of course, the beam forming of the collective reception signal at the time of simultaneous transmission of a plurality of different beams or waves and the superposition of the reception signal for each transmission can be similarly performed. In addition, when using a virtual source or a virtual receiver, when performing steering, etc., all can be performed in the same manner as in the two-dimensional case, and can be performed according to the Cartesian coordinate system or the spherical coordinate system, or the physical aperture shape. An image signal can be generated in the set orthogonal curved coordinate system.

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 "): Generation of Image Signal in Arbitrary Orthogonal Curve Coordinate System When Transmitting or Receiving in Cartesian Coordinate System Contrary to the above series of methods, reception obtained by performing transmission or reception in Cartesian coordinate system From the signal, it is also possible to directly obtain an image signal represented by a two-dimensional polar coordinate system or a spherical coordinate system without performing interpolation approximation, which can be realized by a similar calculation, for example, when the received signal is f (x, y, z), a calculation that performs a Fourier transform in the r, θ, and φ directions to decompose the received signal into a circular wave or a spherical wave corresponding to a plane wave in a Cartesian coordinate system is performed through a Jacobi operation. These methods may also be used to change the FOV (e.g., may be wider), using the Jacobi operation, also in an arbitrary Cartesian coordinate system. And an image signal can be similarly generated in an arbitrary rectangular coordinate system when transmitted or received in an arbitrary coordinate system (a different orthogonal coordinate system such as an orthogonal Cartesian coordinate system or various curved rectangular coordinate systems). (This includes cases where the coordinate system is used, the origin is different or rotated, or even if the same orthogonal coordinate system is used, the origin position is different or rotated.) Other methods described in the method (5). Similarly, any transmitted beam or wave can be processed, steering can be implemented 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。   Physically and mathematically, wave number matching can be performed at the time of the first Fourier transform, and wave number matching can be performed at the time of the last inverse Fourier transform. One of the features of the method (5) is that beamforming is performed in an arbitrary coordinate system without performing interpolation approximation processing in wavenumber matching. However, the method (1) is applied by applying the method (5). When performing the beamforming described in the methods (4), (6), and (7) in an arbitrary coordinate system, an interpolation approximation process may be performed in wave number matching, and each of them is described. Approximate wave number matching is performed, and beam forming may be performed at high speed. In order to perform approximate approximate wave number matching, it is necessary to appropriately oversample a received signal at the cost of an increase in the amount of calculation. In such a case, it is necessary to pay attention to an increase in the number of data of the Fourier transform, unlike a case where a signal at an arbitrary position can be selectively generated without performing the interpolation approximation processing.

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、本発明の計測イメージング装置においては、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 In the migration processing, the measurement imaging apparatus of the present invention can perform the wave number matching without performing the interpolation approximation processing. 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 one-element reception by one-element transmission (that is, non-deflection processing 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 an arbitrary transmission aperture element for an arbitrary same position. Since the propagation time, which is the time until the wave is received by the receiving aperture element also serving as the transmitting aperture element, is different from that of the normal migration, the propagation velocity and the coordinates of the target position are replaced with the following equation (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、本発明の計測イメージング装置においては、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 processes of the other methods (2) to (5) are not disclosed in Non-Patent Document 12 (the case where steering is performed in the method (2) is not disclosed). Further, in calculating the equation (M6 ′), interpolation approximation has conventionally been performed when performing wave number matching (formulas (M4) and (M4 ′)). Performs wave number matching with high accuracy without performing interpolation approximation (Equation (M7) and Equation (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。
Two-dimensional coordinates with the x-axis in the horizontal direction and the y-axis in the depth direction are taken, and the coordinate of time is t. Table Specifically, in its normal migration, any opening devices position (x, 0) and an arbitrary position (x s, y s) the propagation time required for the wave reciprocates between, by the equation (M0) Is done.

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。
On the other hand, in plane wave transmission in which the steering angle is θ (including 0 °), the propagation time is represented by Expression (M0 ′).

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))。
Therefore, in the calculation performed based on the migration method at the time of transmitting the deflection plane wave in the method (1), each of the transport speed c and the coordinate system (x s , y s ) representing the position of the target is read as equation (M1). , A normal migration formula is calculated (Formula (M4) and Formula (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, of the methods (1) to (5), the migration is the same except for the normal migration of performing the non-deflection processing using the transmission / reception data for monostatic aperture synthesis in the method (2). Can be processed. For example, a description will be mainly given of the procedure of calculating the migration in the method (1) when transmitting the polarized plane wave (including 0 °).

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 a migration process when a deflection plane wave is transmitted. When the received signal is represented by r (x, y, t), the received signal at the aperture element array position is represented by 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)。
ここで、k=ω/cであり、波数kと角周波数(角振動数)ωは比例定数1/cで関係付けられ、1対1対応であり、kの代わりにωを用いて表したり計算できる。
First, as shown in the equation (M2), the received signal is subjected to two-dimensional Fourier transform with respect to time t and the horizontal direction x (two-dimensional fast Fourier transform is preferable).
Here, k = ω / c, and the wave number k and the angular frequency (angular frequency) ω are related by a proportionality constant 1 / c, and have a one-to-one correspondence, and are expressed using ω instead of k. Can be calculated.

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 be used. However, as a general method, first, in step S31, the received signal is compared with the time t at the horizontal coordinate x. A fast Fourier transform (FFT) is performed to obtain a spectrum of the analytic signal. Then, at each frequency coordinate within the band k, fast Fourier transform in the horizontal direction x may be performed (faster than calculating each of the two-dimensional spectra according to the formula (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)。
When the plane wave is not transmitted by deflection, the above calculation is sufficient. However, when the plane wave is deflected, trimming must be performed. For this purpose, in step S32, the fast Fourier related to the time t is trimmed for trimming. Multiply the transformed R ′ (x, 0, k) by the complex exponential function (M3) (similar to the complex exponential function (11) in the method (1)). The operation can be calculated directly at a time, or a dedicated fast Fourier transform capable of such calculation is also useful).

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よう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, in step S33, a fast Fourier transform (FFT) is performed on the received signal in the horizontal direction x. Here, the result is represented as R '' (k x , 0, k). By the way, even if it is programmed to perform trimming, it can handle the case where a plane wave is transmitted without deflection (steering angle 0 °).

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。
Usually, wave number matching (or mapping) is then performed. Beam forming, when the normal migration method other than (method (when there is no steering 2)) (1) to (5), the propagation velocity c and the coordinate system (x s, y s) of the above formula As in (M1), the processing is performed by reading the propagation speed (E1) and the coordinate system (E2) for each beamforming.

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、受信信号が反射信号の場合には、s = 2であり、透過信号の場合には、s = 1である。
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 the method (including the method (1)) other than the normal migration (when there is no steering in the method (2)), Alternatively, for the above R (k x , 0, k) calculated in the normal migration, through interpolation approximation (such as bi-linear interpolation using the angular spectrum closest to the frequency coordinate) , Respectively, the wave number matching represented by Expression (M4) or Expression (M4 ′) is performed.
However, when the received signal is a reflected signal, s = 2, and when the received signal is a transmitted signal, s = 1.
However, when interpolation approximation is not performed in the wave number matching of Expression (M4) and Expression (M4 ′), the wave number in the depth direction expressed by the proviso in each expression 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). Hereinafter, the same applies.

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。
さらに、関数(M4'')を用いて、次の式(M5)又は式(M5')が求められる。
The wave number matching is performed as described above, and the following function (M4 ″) is obtained.
Further, the following equation (M5) or equation (M5 ′) is obtained using the function (M4 ″).

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k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。
式(M6)及び式(M6')の計算における2次元逆フーリエ変換は、高速2次元逆フーリエ変換(IFFT)を施せば良く、特殊な高速2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(M6)及び式(M6')の各々において、まず、信号帯域内の一方の波数kに対し、他方の波数(E3)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kに関する高速逆フーリエ変換を行えば良い(2次元のイメージ信号の各々を式(M6)又は式(M6')に従って計算するよりは高速である)。
By applying the two-dimensional inverse Fourier transform on the wave number k x and the wave number (E3) to the equation (M5) or (M5 ′) as represented by the equation (M6) or (M6 ′), A signal f (x, y) is generated.
The two-dimensional inverse Fourier transform in the calculation of the equations (M6) and (M6 ′) may be performed by performing a fast two-dimensional inverse Fourier transform (IFFT), and a special fast two-dimensional inverse Fourier transform may be used. common (popular) method, in each of formulas (M6) and the formula (M6 '), first, with respect to one of the wave number k x in the signal band, the inverse fast Fourier transform about the other wavenumber (E3) Then, a fast inverse Fourier transform on the wave number k x (within the signal band) may be performed on each of the generated spatial coordinates y (each of the two-dimensional image signals is expressed by the formula (M6) or Faster than calculating according to equation (M6 ')).

非特許文献12には、式中においてyを用いる式(M6)は開示されておらず、y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, y S equation (M6) using have not been disclosed in the formula, was calculated using the y rather than y S, after calculation, it is disclosed that correct the coordinates . The coordinates are corrected by performing approximation processing or by multiplying time based on multiplication of a complex exponential function, which is a past invention of the inventor of the present application, without performing the approximation processing. Equation (M6) can also be used when the deflection angle is 0 °.

本発明の計測イメージング装置においては、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k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。
非特許文献12には、式中においてyを用いる式(M7)は開示されていない。式(M7)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、横方向の波数kに関する逆フーリエ変換(IFFT)を行い、1回の逆フーリエ変換で計算ができ、計算が高速である。
In the measurement imaging apparatus of the present invention, the wave number matching is performed together with the two-dimensional inverse Fourier transform or the inverse Fourier transform in the depth direction without performing interpolation approximation. That is, the two-dimensional Fourier transform R ″ (k x , 0, k) calculated in the case of the method (including the method (1)) other than the normal migration method (when there is no steering in the method (2)) For the above or R (k x , 0, k) calculated in the normal migration method, first, as expressed by the equation (M7) or (M7 ′), performing integration over k for each k x, perform wave number matching and the inverse Fourier transform of the depth direction of the wave number (E3) and (IFFT) at the same time (step S34), thereafter, the horizontal (x) direction Perform fast inverse Fourier transform.
Non-Patent Document 12, the formula (M7) using y S in the formula are not disclosed. Equation (M7) can also be used when the deflection angle is 0 °. Like method (1) to (6), in terms of the sum of the frequency k components of the spectrum, inverse Fourier transform about the wave number k x lateral performed (IFFT) can be calculated by inverse Fourier transform of one, 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(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k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k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。
纏めると、式(M6)、式(M7)、又は、式(M7')を使用して、新しい処理を行うことができ、補間近似による誤差を除き、高速に、イメージ信号f(x,y)を生成できる。
Further, if the migration is different from the normal migration (the processing corresponding to the case without the steering in the method (2)), the position in the horizontal (x) direction is corrected in the process of calculating the equations (M6) and (M7). It can be performed. For example, when the deflection plane wave of the method (1) is transmitted, first, in step S34, the calculation relating to the wave number (E3) is performed as described above, and in step S35, each result is obtained for position correction. for the function (M8), multiplied by a complex exponential function (M9), carried out thereafter, in step S36, inverse fast Fourier transform relates to lateral wavenumber k x a (IFFT). Alternatively, calculation may be performed by multiplying the complex exponential function of the inverse Fourier transform with respect to the wave number k x in the horizontal direction by the equation (M9), or a dedicated inverse fast Fourier transform may be performed. Equation (M9) can also be used when the deflection angle is 0 °. As described above, in step S37, the image signal f (x, y) is generated.
In summary, a new process can be performed using Expression (M6), Expression (M7), or Expression (M7 ′), and the image signal f (x, y) can be removed at high speed except for an error due to interpolation approximation. ) Can be generated.

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。
即ち、波数マッチングにおいて、補間近似しない場合には、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深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度(E1)にて除したものである。
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。
When the same result is obtained without approximation without multiplying the equation (M9), the following equation (N4) can be used instead of the equation (M4) to calculate the equation (M6) or the equation (M7). good.
That is, in the wave number matching, if interpolation approximation is not performed, the wave number in the depth direction represented by the proviso in the equation is used, but the wave number in the depth direction when performing interpolation approximation propagates the angular frequency ω. It is divided by the speed (E1).
The equation of the wave number in the depth direction expressed in this equation is similar to the equation (13) in the method (1), but in the method (1), kx in the equations (13) to (15) is used. In the case where the same result is obtained without using -ksinθ of -ksinθ (calculated as zero), similar to the case of performing the inverse Fourier transform by multiplying the equation (M9) in the method (6), Before performing the processing described, equation (16) may be multiplied by equation (M9). However, the plane wave deflection realized by the method (6) is realized only by approximation calculation. Therefore, when the equations (N4) and (M7) are used in the method (6). Is highly accurate without any approximation processing, but the accuracy decreases when the equation (M9) is used in the method (1). When the last inverse Fourier transform is performed by a two-dimensional fast inverse Fourier transform (as will be described later, in the case of three dimensions, a three-dimensional fast inverse Fourier transform), if those processes are performed, the calculation speed becomes In the method (6), the speed is increased, but in the method (1), the speed is reduced (the process described in paragraph 0204 is fast).
In each of the modified methods (1) and (6), when performing interpolation approximation processing in wavenumber matching, when obtaining the same result using equations (M9) and (N4), , The interpolation approximation formula changes correspondingly (described in each of (A) and (B) in paragraph 0354).
In each of the modified methods (1) and (6), when the interpolation approximation processing is performed in the wave number matching, the above equations (11) and (M3) are used (deflection angle data θ ) And the case where equations (11) and (M3) are not used (deflection angle θ is set to zero), the interpolation approximation equation also changes correspondingly (when not used). Is described in each of (A ′) and (B ′) in paragraph 0354).
The beamforming using the plane wave transmission is applied to various beamformings as described in the specification of the present application, but the processing described in this paragraph may be used in those applications instead. It should be noted that when receiving dynamic focusing is performed on an arbitrary beam-formed beam, such as the beam focused by applying the method (6), as described later, the angular frequency ω (M3 ″) expressed by using the wave number (Equation (M13)) expressed by using Eq. (E1) and the converted propagation speed (E1), the -ksin θ in the interpolation approximation equation is used instead of the equation (M3). For the wave number k of t , it is necessary to use equation (M13) instead.
In each of the method (1) and the method (6), the method described in this paragraph may be implemented in combination. For example, similar to the method of J.-y. Lu et al. (See paragraph 0197, the expression is described in (C ′) of paragraph 0354) in which interpolation approximation is performed in method (1), wave number matching is performed in method (6). 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, In the case of three dimensions, three-dimensional fast Fourier transform). In each of these, equation (11) may be used (using deflection angle data θ) and equation (M3) may be used (described in each of (C) and (D) in paragraph 0354). Of course, it can be used even when there is no deflection.
As described above, the plane wave transmission based on the method (1) and the method (6) is applied to various beamforming.

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, it has been mainly described that the beam forming at the time of plane wave transmission with and without steering in the method (1) is performed at high speed without interpolation in wave number matching by using the migration method. Method (2) (monostatic aperture synthesis including steering), method (3) (multistatic method with or without steering), method (4) (fixed transmission focus with or without steering), and All the beamforming described in each of the methods (5) (beamforming in a polar coordinate system and an arbitrary orthogonal curve coordinate system) can be similarly performed. The same processing can be performed when the deflection angle is different between transmission and reception. Apodization may be performed similarly.

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 processing can be performed for a three-dimensional case. When the received signal obtained using the two-dimensional aperture element array is represented by 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)。
ここで、k=ω/cである。
First, as shown in the equation (M'2), the received signal is subjected to three-dimensional Fourier transform with respect to time t, lateral direction x, and elevation direction z (three-dimensional fast Fourier transform is preferable).
Here, k = ω / c.

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 a 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. Can be Then, at each frequency coordinate in the band k, a fast Fourier transform is performed on the horizontal direction x and the elevation direction z, and R (k x , 0, k z , k) is obtained (each of the three-dimensional spectrum is 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)。
In the case where the plane wave is not deflected and transmitted, the above calculation may be performed. Must be trimmed, for which, multiply the complex exponential function (M′3) by R ′ (x, 0, z, k) after the fast Fourier transform for the above time t (fast Fourier for time t). The conversion and the multiplication of the complex exponential function can be calculated directly at once, or a dedicated fast Fourier transform that can perform such a calculation is also useful.)

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よう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 horizontal direction x. The result is defined as R ″ (k x , 0, z, k). By the way, even if it is programmed to perform trimming, it can handle the case where a plane wave is transmitted without deflection (steering angle 0 °).

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。
Next, wave number matching (or mapping) is performed. Beam forming, in the case of conventional migration methods (1) to the other (when there is no steering of the method (2)) (5), the propagation velocity c and coordinate system (x s, y s, z s) The processing is performed by reading the propagation speed (E'1) and the coordinate system (E'2) for each beamforming.

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、受信信号が反射信号の場合には、s = 2であり、透過信号の場合には、s = 1である。
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 three-dimensional Fourier transform R '' (k x , 0, z, k) calculated in the case of the method (including the method (1)) other than the normal migration (without the steering of the method (2)) Or the above R (k x , 0, z, k) calculated in a normal migration, by interpolation approximation (using the angular spectrum closest to the frequency coordinate, bi-linear) Through interpolation or the like, the wave number matching represented by Expression (M'4) or Expression (M'4 ') is performed, respectively.
However, when the received signal is a reflected signal, s = 2, and when the received signal is a transmitted signal, s = 1.
However, when interpolation approximation is not performed in the wave number matching of Expressions (M'4) and (M'4 '), the wave number in the depth direction indicated by the proviso in each expression is used. Is performed, the wave number in each depth direction is obtained by dividing the angular frequency ω by the propagation velocity c and the equation (E′1). Hereinafter, the same applies.

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。
さらに、関数(M'4'')を用いて、次の式(M'5)又は式(M'5')が求められる。
The wave number matching is performed as described above, and the following function (M′4 ″) is obtained.
Further, the following expression (M'5) or expression (M'5 ') is obtained using the function (M'4'').

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k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。
For the expression (M'5) or (M'5 '), as represented by the expression (M'6) or the expression (M'6'), the wave numbers k x and k z , An image signal f (x, y, z) is generated by performing a three-dimensional inverse Fourier transform on the wave number (E′3).

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k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k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 general method, in each of the equations (M′6) and (M′6 ′), first, for two wave numbers k x and k z in the signal band, A fast inverse Fourier transform on the other wave number (E′3) is performed, and then a fast inverse Fourier transform on the wave numbers k x and k z (within the signal band) is performed on each of the generated spatial coordinates y. (Which is faster than calculating each of the three-dimensional image signals according to equation (M'6) or equation (M'6 ')).

本発明の計測イメージング装置においては、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(k,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。
In the measurement imaging apparatus of the present invention, the wave number matching is performed together with the three-dimensional inverse Fourier transform or the depth direction inverse Fourier transform without performing interpolation approximation. That is, the three-dimensional Fourier transform R ″ (k x , 0, k z , calculated in the case of the method (including the method (1)) other than the normal migration method (when there is no steering in the method (2)) k) or the above R (k x , 0, k z , k) calculated by the ordinary migration method, is expressed by the equation (M′7) or (M′7 ′). First, the integration with respect to k is performed for each (k x , k z ) in the band, and the wave number matching of the wave number in the depth direction (E′3) and the inverse Fourier transform (IFFT) are performed. At the same time, after that, a fast inverse Fourier transform in the horizontal (x) direction and the elevation (z) direction is performed.

非特許文献12には、式中においてy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k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, the formula (M'6) or (M'7) using y S in the formula are not disclosed. Both methods can be used even when the deflection angle is 0 °. Like method (1) to (6), in terms of the sum of the frequency k components of the spectrum, performs inverse Fourier transform (IFFT) relates wavenumber k x and k z lateral and elevation direction, once the reverse 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kとkzに関する高速逆フーリエ変換(IFFT)を行う。
纏めると、式(M'6)、式(M'6')、式(M'7)、又は、式(M'7')を使用して、新しい処理を行うことができ、補間近似による誤差を除き、高速に、イメージ信号f(x,y,z)を生成できる。
Furthermore, if the migration is different from the normal migration (the processing corresponding to the case without the steering in the method (2)), the horizontal (x) direction is calculated in the process of calculating the equations (M′6) and (M′7). And the position in the elevation direction (z) can be corrected. For example, when the deflection plane wave of the method (1) is transmitted, first, as described above, the calculation regarding the wave number (E′3) is performed, and the function (M′8) obtained as a result is obtained for position correction. Is multiplied by a complex exponential function, and then a fast inverse Fourier transform (IFFT) is performed on the wave numbers k x and k z in the lateral direction and the elevation direction.
In summary, a new process can be performed using the formula (M'6), the formula (M'6 '), the formula (M'7), or the formula (M'7'). The image signal f (x, y, z) can be generated at high speed except for errors.

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。
即ち、波数マッチングにおいて、補間近似しない場合には、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深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度(E'1)にて除したものである。
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。
When the same result is obtained without approximation processing without multiplying the complex exponential function corresponding to the equation (M9) in the two-dimensional case, the following equation (N'4) is used instead of the equation (M'4). Equation (M6) or Equation (M7) may be calculated using.
That is, in the wave number matching, when interpolation approximation is not performed, the wave number in the depth direction represented by the proviso in the equation is used, but the wave number in the depth direction when performing interpolation approximation propagates the angular frequency ω. It is divided by the speed (E'1).
The equation of the wave number in the depth direction expressed in this equation is similar to the equation (C22) in the method (1), however, in the method (1), kx in the equations (C22) and (C23) is used. If the same result is obtained without using -ksinθcosφ and -ksinθsinφ of -ksinθcosφ and kz-ksinθsinφ, the complex corresponding to the equation (M9) in the two-dimensional case in the method (6) As in the case of performing the inverse Fourier transform by multiplying by the exponential function, the multiplication may be performed during the processing described in paragraph 0207. However, the plane wave deflection realized by the method (6) is realized only by approximation calculation. Therefore, similarly to the two-dimensional case, the method (6) uses the equation (N'4) When the equation (M7) is used, the precision 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 precision becomes higher. descend. When the last inverse Fourier transform is performed by a three-dimensional fast inverse Fourier transform, when these processes are performed, the calculation speed is increased by the method (6), as in the case of the two-dimensional inverse Fourier transform. The method (1) is slow (the process described in paragraph 0204 is fast).
In each of the modified methods (1) and (6), when performing interpolation approximation processing in wave number matching, a complex exponential function and an expression (N When the same result is obtained using '4), the interpolation approximation equation changes correspondingly as described in the two-dimensional case (described in each of (A) and (B) in paragraph 0354).
In each of the modified methods (1) and (6), when the interpolation approximation processing is performed in wavenumber matching, the above equations (C21) and (M'3) are used (deflection angle 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). Similarly to the above, the expression of the interpolation approximation changes correspondingly (the case where it is not used is described in each of (A ′) and (B ′) in paragraph 0354).
The beamforming using the plane wave transmission is applied to various beamformings as described in the specification of the present application, but the processing described in this paragraph may be used in those applications instead. It should be noted in the same manner as in the case of the two-dimensional case that the dynamic dynamic focusing is performed on a beam that has been subjected to arbitrary transmission beamforming such as a beam that has been transmitted and focused by applying the method (6). As described later, (M′3 ″) expressed by using the wave number (Equation (M′13)) expressed by using the angular frequency ω and the converted propagation velocity (E′1) is expressed by the following equation (M for use instead of '3), the wave number k of -ksinθ in interpolation approximation formula 1 (cosφ 1 x + sinφ 1 z), it is necessary to use the formula (M'13) instead.
In each of the method (1) and the method (6), the method described in this paragraph may be implemented in combination. For example, similar to the method of J.-y. Lu et al. (See paragraph 0197, the expression is described in (C ′) of paragraph 0354) in which interpolation approximation is performed in method (1), wave number matching is performed in method (6). 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 a fast Fourier transform (described in (D ′) of paragraph 0354). In each of these, equation (C21) is used (using deflection angle data θ) and equation (M'3) is sometimes used (described in each of (C ') and (D') in paragraph 0354). . Of course, it can be used even when there is no deflection.
As described above, the plane wave transmission based on the method (1) and the method (6) is applied to various beamforming.

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, in a manner similar to the method (2) or the method (3), monostatic or multistatic aperture plane synthesis can be performed without performing interpolation approximation processing in wave number matching.

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
を用いて表される
を同様に用い、通常のマイグレーション処理の波数マッチングにおいて補間処理を要しない場合の式(M7')において、
但し、受信信号が反射信号の場合には、s = 2であり、透過信号の場合には、s = 1である。
とすれば良い。
In the case of monostatic synthetic aperture, when each of the reception angle and soft transmissions deflection angle is θt and [theta] r, using instead, the propagation velocity c and the ultrasonic angular frequency omega 0 of the formula (M3) Table Wave number
Represented using
Similarly, in the equation (M7 ′) in the case where interpolation processing is not required in wave number matching in normal migration processing,
However, when the received signal is a reflected signal, s = 2, and when the received signal is a transmitted signal, s = 1.
It is good.

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)=(θtt)と(θrr)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。 Further, in the case of the three-dimensional case, it is assumed that each of the deflection angles of the transmission beam and the reception beam is expressed by using (elevation angle, azimuth angle) = (θ t , φ t ) and (θ r , φ r ). The wave number matching is first performed in the horizontal direction by multiplying by a complex exponential function (Equation (D41)) expressed by using the carrier frequency ω 0 of the ultrasonic signal in the same manner as in the method (2), and the depth y With respect to the direction, a complex exponential function (Equation (D43)) excluding the horizontal matching processing (Equation (D41)) is applied to give a resolution in the depth y direction, and at the same time, a complex exponential function (Equation (D43)) is applied. )). That is, equation (D41) is used instead of equation (M3 ') in the two-dimensional case, and the product of equation (D42) and equation (D43) is used instead of equation (M11).

このように、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。   Thus, the migration processing in the present invention corresponding to the method (2) and the method (3) based on the method (2) 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、
但し、受信信号が反射信号の場合には、s = 2であり、透過信号の場合には、s = 1である。また、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、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の深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものである。以下、同様である。
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、
但し、受信信号が反射信号の場合には、s = 2であり、透過信号の場合には、s = 1である。また、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、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の深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものである。以下、同様である。
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、
を乗算したものの2次元逆フーリエ変換(式(M6')に該当)を実施すれば良い。
Also in these cases, it is possible to perform the fast inverse Fourier transform by performing the interpolation process in the wave number matching as in the case of the normal migration process. In that case, the method (2) and the method ( 3) is not equivalent, and after the above-described processing using the equation (M3 ′) and the like, instead of the equation (M4 ′) that is the wave number matching with the interpolation processing, based on the equation (M11),
However, when the received signal is a reflected signal, s = 2, and when the received signal is a transmitted signal, s = 1. When interpolation approximation is not performed in wave number matching, the wave number in the depth direction represented by the proviso in the equation is used. It is divided by c. Hereinafter, the same applies.
Equation (M4 ″) is obtained, and the two-dimensional inverse Fourier transform (Equation (M6 ′)) of the equation (M5 ′) expressed using the same ky of (M4 ′ ″) is performed. Or, instead of formula (M4 ′),
However, when the received signal is a reflected signal, s = 2, and when the received signal is a transmitted signal, s = 1. When interpolation approximation is not performed in wave number matching, the wave number in the depth direction represented by the proviso in the equation is used. It is divided by c. Hereinafter, the same applies.
Equation (M4 ″) is obtained by performing wave number matching with interpolation processing represented by the following equation, and into equation (M5 ′) represented using the same ky of (M4 ″ ″),
May be subjected to a two-dimensional inverse Fourier transform (corresponding to equation (M6 ′)).

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, the multi-static aperture synthesis is performed in exactly the same manner as when the method (3) is realized by applying the method (2). It 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、
但し、受信信号が反射信号の場合には、s = 2であり、透過信号の場合には、s = 1である。また、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、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の深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものである。以下、同様である。
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、
但し、受信信号が反射信号の場合には、s = 2であり、透過信号の場合には、s = 1である。また、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、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の深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものである。以下、同様である。
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、
を乗算したものの3次元逆フーリエ変換(式(M'6')に該当)を実施すれば良い。
The same processing can be performed for a three-dimensional case. That is, after the processing using the equation (M'3 ') in the three-dimensional case, the equation (D42) and the equation (D42) are used instead of the equation (M'4') which is the wave number matching with the interpolation processing. D43) (corresponding to (M11) in two dimensions)
However, when the received signal is a reflected signal, s = 2, and when the received signal is a transmitted signal, s = 1. When interpolation approximation is not performed in wave number matching, the wave number in the depth direction represented by the proviso in the equation is used. It is divided by c. Hereinafter, the same applies.
Equation (M′4 ″) is obtained, and the three-dimensional inverse Fourier transform (formula (M ′)) of the equation (M′5 ′) expressed using the same ky of (M′4 ″ ′) is obtained. 6 ′)) or, instead of formula (M′4 ′),
However, when the received signal is a reflected signal, s = 2, and when the received signal is a transmitted signal, s = 1. When interpolation approximation is not performed in wave number matching, the wave number in the depth direction represented by the proviso in the equation is used. It is divided by c. Hereinafter, the same applies.
Expression (M′4 ″) is obtained by performing wave number matching with interpolation processing represented by the following expression, and expression (M′5 ′) expressed using the same ky of (M′4 ″ ″) )
May be subjected to a three-dimensional inverse Fourier transform (corresponding to equation (M'6 ')).

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, the synthesis of the multi-static aperture surface is performed in exactly the same manner as when the method (3) is realized by applying the method (2). It can be realized by applying a 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 beamformings 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。   Also, by using the above-described migration processing at the time of plane wave transmission (Equation (M7) or the like) corresponding to the method (1), any beam such as a fixed focus beam of the method (4) can be used without performing interpolation approximation in wave number matching. In addition to the above, it is possible to perform beamforming when transmitting an arbitrary wave (including a wave that has not been beamformed), superimposing processing when transmitting a plurality of beams and waves, and processing when simultaneously transmitting a plurality of beams and waves. . A plurality of beamformings may be performed using a multidirectional aperture synthesis method, and in such a case, the beamforming is performed at a high speed. Also, they are not limited. In those cases, as in the case of using the method (1), in combination with the method (2), deflection dynamic focusing of reception can be performed for 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
を用いて表される
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、
を同様に用い、式(M7)において、
とすれば良い。
When the physical transmission deflection angle of the focus beam is A and the software transmission deflection angle and the reception angle are θ (= θt) and θr, respectively, instead of the equation (M3), the angular frequency ω Wave number expressed using reduced propagation velocity (E1)
Represented using
Similarly, when the physical transmission deflection angle of the plane wave is A, and if the soft transmission deflection angle and the reception angle are θ (= θt) and θr, respectively, the equation (M3) can be replaced by To
Is similarly used, and in the formula (M7),
It is good.

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
を用いて表される
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、
を同様に用い、式(M'7)において、
とすれば良い。
Further, the same processing can be performed in the case of three dimensions. When the physical transmission deflection angle of the focus beam is represented by an elevation angle A and an azimuth angle B (including a case where at least one of the angles is zero degree), a soft transmission deflection angle (elevation angle θ 1 and When steering is performed at an azimuth angle φ 1 ) and steering dynamic focusing is performed at a deflection angle (elevation angle θ 2 , azimuth angle φ 2 ) (including a case where at least one of the angles is zero degree), the following expression is used. Wave number expressed using angular frequency ω and reduced propagation velocity (E′1) instead of (M′3)
Represented using
Similarly, when the physical transmission deflection angle of a plane wave is represented by an elevation angle A and an azimuth angle B (including a case where at least one of the angles is zero degree), a soft transmission deflection angle is used. Steering at (elevation angle θ 1 and azimuth angle φ 1 ) to perform steering dynamic focusing at deflection angle (elevation angle θ 2 , azimuth angle φ 2 ) (including a case where at least one of the angles is zero degree) ) Includes, instead of equation (M'3),
Is similarly used, and in the formula (M'7),
It is good.

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、
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、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の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E1)にて除したものである。以下、同様である。
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、
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、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の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E1)にて除したものである。以下、同様である。
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、
を乗算したものの2次元逆フーリエ変換(式(M6)に該当)を実施すれば良い。
In this case as well, it is possible to perform the fast inverse Fourier transform by performing the interpolation process in the wave number matching in the same manner as the normal migration process. Instead of (M4), based on equation (M11 ″ ′),
However, when interpolation approximation is not performed in wave number matching, the wave number in the depth direction indicated by the proviso in the equation is used. It is divided by the speed (E1). Hereinafter, the same applies.
Equation (M4 ″) is obtained, and the two-dimensional inverse Fourier transform (Equation (M6)) of Equation (M5) expressed using the same ky of (M4 ′ ″ ″) is performed. Or, instead of equation (M4),
However, when interpolation approximation is not performed in wave number matching, the wave number in the depth direction indicated by the proviso in the equation is used. It is divided by the speed (E1). Hereinafter, the same applies.
Equation (M4 ″) is obtained by performing wave number matching with interpolation processing expressed by the following equation. Equation (M5) expressed using the same ky of (M4 ″ ″ ″)
, A two-dimensional inverse Fourier transform (corresponding to equation (M6)) may be performed.

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
を用いると、ソフト的な受信ステアリングを行った場合(θrが非零の場合)には、生成される偏向角度が式(M10)を用いた時よりも大きく生成される誤差(偏向角度20°を実現する際に、1、2°程度)を生じるが、結像は得られる。
In the above, if the equations (M3 ″) and (M3 ″ ′) are exchanged and processed, an error occurs in which the imaging position shifts when performing soft transmission steering (when θt is non-zero). Is generated. In these processes, the wave number represented by using the ultrasonic angular frequency ω 0 and the converted propagation velocity (E1) instead of the equation (M10) which is the wave number corresponding to the ultrasonic frequency.
Is used, when soft reception steering is performed (when θr is non-zero), an error (deflection angle 20 °) in which the generated deflection angle is larger than that in the case of using the equation (M10) is generated. Is realized, about 1 or 2 °), but an image is obtained.

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、
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、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の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E'1)にて除したものである。以下、同様である。
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、
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、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の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E'1)にて除したものである。以下、同様である。
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、
を乗算したものの2次元逆フーリエ変換(式(M'6)に該当)を実施すれば良い。
Further, the same processing can be performed in the case of three dimensions. That is, after the processing using the equation (M'3 '') in the case of three-dimensional, etc., instead of the equation (M'4) which is the wave number matching with the interpolation processing, the equation (M'11 '') is used. ')On the basis of the,
However, when interpolation approximation is not performed in wave number matching, the wave number in the depth direction indicated by the proviso in the equation is used. It is divided by the speed (E'1). Hereinafter, the same applies.
Equation (M′4 ″) is obtained, and the three-dimensional inverse Fourier transform (Equation (M′5)) of Equation (M′5) expressed using the same ky of (M′4 ″ ″ ′) is obtained. '6)) or, instead of equation (M'4),
However, when interpolation approximation is not performed in wave number matching, the wave number in the depth direction indicated by the proviso in the equation is used. It is divided by the speed (E'1). Hereinafter, the same applies.
Expression (M′4 ″) is obtained by performing wave number matching with interpolation processing expressed by the following expression, and expression (M ′) expressed using the same ky of (M′4 ″ ″ ″) 5)
, A two-dimensional inverse Fourier transform (corresponding to equation (M'6)) may be performed.

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
を用いると、ソフト的な受信ステアリングを行った場合(偏向角度が非零の場合)には、生成される偏向角度が式(M'10)を用いた時よりも大きく生成される誤差を生じるが、結像は得られる。
In the above, if the equations (M′3 ″) and (M′3 ″ ″) are exchanged and processed, the result is obtained when soft transmission steering is performed (when the deflection angle is non-zero). An error occurs in which the image position shifts. In these processes, the wave number represented by using the ultrasonic angular frequency ω 0 and the converted propagation velocity (E ′ 1) instead of the equation (M′10) that is the wave number corresponding to the ultrasonic frequency.
Is used, when soft reception steering is performed (when the deflection angle is non-zero), an error occurs in which the generated deflection angle is larger than when the equation (M'10) is used. However, an image is obtained.

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。
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用され、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E1)にて除したものである。以下、同様である。
In this case, when the migration method based on the equation (N4) described in paragraph 0316 is used, when the physical transmission deflection angle of the focus beam is A, the soft transmission deflection angle and the reception angle Are represented by θ (= θt) and θr, respectively, and are expressed by using the wave number (M13) expressed by using the angular frequency ω and the reduced propagation velocity (E1) instead of the equation (M3) (M3 ′). '), And when the physical transmission deflection angle of the plane wave is A and the soft transmission deflection angle and the reception angle are θ (= θt) and θr, respectively, the equation (M3) is obtained. May be used instead of (M3 ′ ″), and the following equation (N4 ′) may be used instead of equation (N4) in equation (M6) or (M7).
However, when interpolation approximation is not performed in wave number matching, the wave number in the depth direction expressed by the proviso in the equation is used, and the wave number in the depth direction when performing interpolation approximation is obtained by converting the angular frequency ω into the converted propagation velocity ( E1). Hereinafter, the same applies.

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。
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用され、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E'1)にて除したものである。以下、同様である。
In addition, the same processing can be performed in a three-dimensional case (when a migration method based on Expression (N′4) described in paragraph 0331 is used). When the physical transmission deflection angle of the focus beam is represented by an elevation angle A and an azimuth angle B (including a case where at least one of the angles is zero degree), a soft transmission deflection angle (elevation angle θ 1 and When the steering is performed at the azimuth angle φ 1 ) and the steering dynamic focusing is performed at the deflection angle (elevation angle θ 2 , azimuth angle φ 2 ) (including a case where at least one of the angles is zero degree), the following expression is used. Equation (M′3 ″) expressed using the wave number (M′13) expressed using the angular frequency ω and the converted propagation velocity (E′1) instead of (M′3) is similarly used. Used, and when the physical transmission deflection angle of the plane wave is represented by an elevation angle A and an azimuth angle B (including a case where at least one of the angles is zero degree), a soft transmission deflection angle (elevation angle θ) 1 and azimuth angle phi 1) steering to the deflection angle at (elevation theta 2, the azimuth angle In the case of performing the steering dynamic focusing in 2) (including those which are the zero either at least one angle), instead of equation (M'3), similarly formula (M'3 ''') In equation (M'6) or (M'7), the following equation (N'4 ') may be used instead of equation (N'4).
However, when interpolation approximation is not performed in wave number matching, the wave number in the depth direction expressed by the proviso in the equation is used, and the wave number in the depth direction when performing interpolation approximation is obtained by converting the angular frequency ω into the converted propagation velocity ( E'1). Hereinafter, the same applies.

このように、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, beamforming based on these migration methods can be performed with or without performing interpolation approximation processing in wavenumber matching, similarly to the method 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 the method (1) is performed by combining the method (1) and the method (2) (when the reception deflection dynamic focusing is performed in the method (1) described in the paragraphs 0235 to 0238). ) Can be similarly implemented. That is, in the two-dimensional case, when the same result is obtained when the deflection angle θ in Equation (F42) and Equation (F43) is calculated as zero, the inverse is obtained by multiplying Equation (M9) in Method (6). As in the case of performing the Fourier transform, the expression corresponding to the expression (16) may be multiplied by the expression (M9) before performing the processing described in paragraph 0204. In addition, in the case of three dimensions, when the same result is obtained when all the deflection angles θ and φ in Equations (G22) and (G23) are calculated as zero, the two-dimensional case in the method (6) is used. 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 during the processing described in paragraph 0207.
As described in paragraphs 0316 and 0331, such beamforming can also be performed with or without performing interpolation processing in wavenumber matching. 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 beamformings 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。   Also, as described in the method (5), when transmission / reception is performed in an orthogonal coordinate system other than a Cartesian coordinate system such as a polar coordinate system, the expressions (M6), (M6 ′), and ( M7), the result of performing the Jacobi operation on the equation (M7 ′) is calculated, and the above-described beamforming is performed, so that the result can be directly obtained in the Cartesian coordinate system. Also in the case of three dimensions, the Jacobian operation is applied to the equations (M'6), (M'6 '), (M'7), and (M'7') in exactly the same manner. Can be processed. In addition, all beamforming 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。
波数マッチングにおいて補間近似を行う場合の深さ方向の波数kyは、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものであるが、補間近似しない場合に上記の如く処理できる。
波数マッチングにおいて補間近似を行う場合の深さ方向の波数kyは、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものであるが、補間近似しない場合に上記の如く処理できる。
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、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の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E1)にて除したものである。
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、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の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E1)にて除したものである。
波数マッチングにおいて補間近似を行う場合の深さ方向の波数kyは、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものであるが、補間近似しない場合に上記の如く処理できる。
波数マッチングにおいて補間近似を行う場合の深さ方向の波数kyは、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものであるが、本発明の1つである、補間近似しない場合には、方法(1)に従って、上記の如く処理できる。
但し、本発明の1つである、波数マッチングにおいて補間近似しない場合(方法(6)の1つ)には、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の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E1)にて除したものである。
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、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の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E1)にて除したものである。
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-precision beamforming based on the Fourier transform. However, interpolation approximation using the above methods (1) to (6) is performed. Any of these processes can be modified and used as processes with various forms of interpolation approximation, and may be used at a higher speed, although the accuracy is reduced. In the horizontal direction, the elevation direction, and the depth direction, at least one or two directions, whether to perform wave number matching in all three directions by approximation, or to use multiplication of a complex exponential function, The method can be modified and used. The speed can be increased by performing many approximations, but the accuracy decreases. Some of the explanations so far have already been made. In this paragraph, (A), (A '), (B), (B'), (C), (C '), and (C) described in paragraphs 0316 and 0331 are respectively related to the two-dimensional and three-dimensional cases. Interpolation approximation formulas for the eight cases D) and (D ') are shown.
For example, when the plane wave steering is performed by the migration method of the method (6), the same processing can be performed. When the wave number matching in all directions is approximated by interpolation (corresponding to (D ′)), the interpolation approximation is performed by the method (1). Similar to the method of J.-y. Lu et al. (See paragraph 0197, corresponding to (C ')) for performing the processing, the calculation is the fastest when using migration. However, accuracy is the lowest in migration. On the other hand, in the method of J.-y. Lu et al. (See paragraph 0197, corresponding to (C ′)), for example, if only the horizontal wave number matching is performed before the Fourier transform, the accuracy is improved, but the calculation speed is increased. Lower (corresponds to (C)). In addition, the interpolation process (formula) for the two-dimensional case (paragraph 0316) including the cases of (A), (A '), (B), and (B') is shown below (for the three-dimensional case (paragraph 0331)). ) Is similarly expressed, abbreviation). Note that (A), (A '), (C), and (C') are represented according to equations (7) and (8). In (B ′) and (D ′), the inverse Fourier transform in the horizontal direction is performed not on kx but on kx ′.
Wave number k y in the depth direction of the case of performing the interpolation approximation in wavenumber matching, but is obtained by dividing the angular frequency ω in propagation velocity c, can be processed as described above when no interpolation approximation.
Wave number k y in the depth direction of the case of performing the interpolation approximation in wavenumber matching, but is obtained by dividing the angular frequency ω in propagation velocity c, can be processed as described above when no interpolation approximation.
However, when interpolation approximation is not performed in wave number matching, the wave number in the depth direction indicated by the proviso in the equation is used. It is divided by the speed (E1).
However, when interpolation approximation is not performed in wave number matching, the wave number in the depth direction indicated by the proviso in the equation is used. It is divided by the speed (E1).
Wave number k y in the depth direction of the case of performing the interpolation approximation in wavenumber matching, but is obtained by dividing the angular frequency ω in propagation velocity c, can be processed as described above when no interpolation approximation.
Wave number k y in the depth direction of the case of performing the interpolation approximation in wavenumber matching, but is obtained by dividing the angular frequency ω in propagation velocity c, which is one of the present invention, when no interpolation approximation method According to (1), processing can be performed as described above.
However, in the case where interpolation approximation is not performed in the wave number matching, which is one of the present invention (one of the methods (6)), the wave number in the depth direction expressed by the proviso in the equation is used. Is obtained by dividing the angular frequency ω by the reduced propagation velocity (E1).
However, when interpolation approximation is not performed in wave number matching, the wave number in the depth direction indicated by the proviso in the equation is used. It is divided by the speed (E1).
Also in these, the method (2) may be used together in the reception beamforming.
It is important to perform the first multidimensional Fourier transform and inverse multidimensional inverse Fourier transform at high speed, and various fast Fourier transform algorithms can be used appropriately. Physically and mathematically, wave number matching can be performed at the time of the first Fourier transform, and wave number matching can be performed at the time of the last inverse Fourier transform. In addition, all of the methods other than the beamforming (methods (1) to (6)) described in the present specification can be similarly realized without interpolation approximation processing or processing through the approximation processing. In the case of performing the interpolation approximation processing, the sampling frequency may be increased in order to increase the accuracy. However, unlike the case where the signal of an arbitrary position can be generated without performing the interpolation approximation processing, the number of data of the Fourier transform increases. Be careful with this. However, even when the interpolation approximation process is not performed, it is important to appropriately perform oversampling and realize a situation in which the signal is processed with a high SN ratio.
In such a case, even when the migration processing is based (method (6)), the beam forming described in the methods (1) to (5) (the collective reception signal or the simultaneous reception signal at the time of simultaneous transmission of a plurality of different beams or waves) is used. (Including beamforming of superposition of received signals for each transmission, use of a virtual source and a virtual receiver, etc.) can be performed when interpolation approximation is performed and when interpolation is not performed.

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。
1次元アレイセンサーを用いる2次元イメージング処理に比べ、2次元や3次元アレイセンサーを用いる多次元イメージング処理の方が扱うデータ量が多く、高速な本フーリエビームフォーミングはその有効性を増して発揮しえる。これらにおいて演算を高速に実施するべく、深さ位置や距離方向の位置に依存する複素指数関数又はその核をデータとしてメモリに蓄えておくことは有効である。実質的には、装置において使用する複数のビームフォーミングに関するデータをメモリに蓄えて使用するか、ビームフォーミングを選んだ際にそのデータをメモリに取り込む。それらのデータが予めハードディスク等の媒体に格納されていたり、装置をアクティブにした際やビームフォーミングが選択された場合に計算されたりすることもある。但し、これらの多次元処理においてメモリが不足する場合には、それらのデータをメモリに蓄えることは出来ず、適宜に計算しながら、又は、ハードディスクなどの媒体から読み出しながら使用することになるため、計算速度は低下する。尚、計算過程における解析信号又はそのスペクトルは、オリジナルの信号の帯域幅内の信号成分のみをメモリに格納して用いれば良い。
Method (7): Others In the above methods (1) to (6), the case where a one-dimensional array is mainly used has been described. However, in the case of a two-dimensional array or a three-dimensional array, the method is performed 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 any rectangular coordinate system including a rectangular coordinate system. That is, the above methods (1) to (6) may be simply extended to higher dimensions. Further, during the processing of the methods (1) to (6) and the method (7) described here, a DC component or a low frequency component in the horizontal or vertical direction may be generated. It is preferable to perform a spectrum zeroing process at a stage before the inverse Fourier transform. When starting the digital signal processing, analog processing or digital processing is performed as a preprocessing to cut off the direct current, but the spectrum may be zero-filled in the angular spectrum.
In addition, when performing the digital Fourier transform, the periodicity (ie, cyclicity) of the distribution of the raw signal before processing and the image signal after processing in a finite spatial domain is assumed. (Mainly, a boundary in a direction parallel to the surface of the physical aperture element array, a boundary running in a so-called lateral direction or an elevation direction, etc.), and other side surfaces or vertical boundaries (mainly, a surface of the physical aperture element array). There may be a problem that the raw signal component before processing and the image signal after processing cyclically appear around a boundary in a direction orthogonal to the axis or a boundary running in a so-called axial direction.
In both the case where the reflected wave is targeted and the case where the transmitted wave is targeted, as the signal propagates away from the transmission aperture surface, the signal intensity decreases due to diffusion, attenuation, scattering, and reflection phenomena. Has such a raw signal, the boundary between the upper and lower portions of the region of interest (mainly, the boundary in the direction parallel to the plane of the physical aperture element array or the boundary running in the so-called lateral direction or elevation direction). 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 portions. If the receiving aperture is different from the transmitting aperture for the transmitted wave, the signal strength at the position of the receiving aperture may be problematic. In such a case, the region of interest of the raw signal is added to the region of the zero signal (strictly speaking, the distance between the upper portion and the lower portion) in a direction (length direction) approaching from the upper portion of the region of interest toward the transmission aperture plane (length direction). A region with a zero signal (strictly speaking, a region with a length between the upper and lower parts) in a direction (length direction) away from the transmission aperture plane below the region of interest. In addition, after processing by expanding the region of interest in the direction (length direction) away from the transmission aperture and the reception aperture, the image signal obtained in the added area may be discarded, or the raw signal may still be discontinuous. Therefore, the raw signal may be processed by multiplying the raw signal by a so-called window in the length direction, and the image signal obtained near the foot of the window may not be regarded as important.
On the other hand, on other side surfaces, vertical boundaries, and the like (mainly, boundaries in a direction orthogonal to the surface of the physical aperture element array and boundaries running in the so-called axial direction), raw signals representing different spatial positions are used. An 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, a direction (width direction) away from the region of interest from at least one of the two boundaries forming a pair of a side surface and a vertical boundary of the region of interest in the region of interest of the raw signal. To the zero signal area (strictly speaking, the area having the larger width of the effective aperture width for transmission or reception), expand the region of interest in the horizontal direction, and process the image signal. Or the raw signal still has a discontinuous state, so instead of multiplying the raw signal by a so-called width direction window and processing it, it is important not to focus on the image signal obtained near the foot of the window is there. In the case of three dimensions, the windows are multidimensional in the lateral and elevation directions, so-called separable or non-separable windows. If steering is not performed, a problem occurs. However, when steering processing is performed, the processing is often required.
It may be useful to perform these processes simultaneously. If windows are used, the windows are multi-dimensional, so-called separable or non-separable windows. Further, in the image signal obtained without performing such processing, when there is an image signal that appears cyclically, the region of the image signal may be excluded from the region of interest.
Compared to two-dimensional imaging processing using a one-dimensional array sensor, multi-dimensional imaging processing using a two-dimensional or three-dimensional array sensor handles a larger amount of data, and high-speed Fourier beamforming increases its effectiveness. I can. In these cases, it is effective to store a complex exponential function or its nucleus depending on a depth position or a position in a distance direction as data in a memory in order to perform a calculation at high speed. Practically, data relating to a plurality of beamformings used in the apparatus is stored in a memory and used, or when the beamforming is selected, the data is loaded into the memory. Such data may be stored in advance in a medium such as a hard disk, or may be calculated when the apparatus is activated or when beam forming is selected. However, when the memory is insufficient in these multidimensional processing, the data cannot be stored in the memory, and it is used while appropriately calculating or reading from a medium such as a hard disk. Calculation speed decreases. The analysis signal or its spectrum in the calculation process may be used by storing only the signal components within the bandwidth of the original signal in the memory.

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、
を持つ。その方法を用いて、円筒座標系や球座標系、他の如何なる直交座標系においても、グリーン関数を用いて演算可能である。
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。
Also, in beamforming using other Fourier transforms described in Non-Patent Document 9, etc., the methods disclosed in 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 of calculating an arbitrary beam or wave using a general solution (Green function) of a wave equation. Here, spherical waves, cylindrical waves, and plane waves are used as examples of analytical calculation. As a feature using the Green's function, the signal to be obtained is represented by a denominator in the frequency domain,
have. By using the method, it is possible to calculate using the Green's function in a cylindrical coordinate system, a spherical coordinate system, or any other orthogonal coordinate system.
That is, in the methods disclosed in the methods (1) to (7) or the mathematical expressions (with and without interpolation approximation in wavenumber matching), the spectrum of the signal to be obtained is represented by the formula (GR1) or (GR2) in the denominator. The calculation may be performed in a situation having. The methods and formulas described in the methods (1) to (7) can be applied to various other methods and beamforming.
In these cases using the Green's function, since a point source can be considered, it is suitable for representing a virtual source (Patent Document 7 and Non-Patent Document 8) set before and after a physical aperture. In that case, the processing on 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 methods (1) to (7) can apply, for example, a calculation in consideration of a radiation pattern of an aperture (element) described in Section 3.2 of Non-Patent Document 9. At that time, the signal intensity may be appropriately corrected by physical or soft apodization, and the signal may be processed. As described variously in this specification, for example, various processes such as ISAR (the motion of the observation target is sometimes applied), nonlinear processing, adaptive beamforming (Non-Patent Document 10), and the like are performed. In some cases, the resolution may be increased (particularly in the direction orthogonal to the propagation direction) or the contrast may be increased by suppressing side lobes. The coherent factor and the like described in Non-Patent Document 11 and the like can also be applied. In addition, 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)。フーリエビームフォーミング処理において使用されるアポダイゼーションや複素指数又はその核等のデータは、DAS処理におけるアポダイゼーションや遅延時間のデータと同様に、予め計算又は設定されたデータが位置座標と共に記憶装置に格納されていて、処理の際に読み出して使用されたり(装置を立ち上げた際や、使用するセンサーを装置に接続したり選択した際や、ビームフォーミングパラメータを変えたりした際等)、又は、それらの処理を行う際に計算しながら使用されることがある。   In addition, the methods (1) to (7) can be used also when transmitting or receiving apertures at various positions are used or when performing various other beamforming. For example, Non-Patent Document 9 provides various examples. For example, Geophysical Imaging (for example, paying attention to the shapes of Expressions 7.9 to 7.12) in Section 7.3 and so-called X-ray CT (Computed Tomography) are described. Also, the methods (1) to (7) can be used. Also noteworthy is FIG. 7.3 and equations 7.5 to 7.9, which are 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 and the like (in those cases, interpolation approximation processing may be performed). Data such as apodization and complex exponents or their nuclei used in the Fourier beam forming process have data calculated or set in advance and stored in a storage device together with position coordinates, similarly to apodization and delay time data in the DAS process. Or read and used during processing (when starting up the device, connecting or selecting a sensor to be used with the device, changing beamforming parameters, etc.), or performing those processes. May be used while calculating.

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 methods (1) to (7) are predetermined biplanes or multiple planes, planes or tomographic planes extending in a desired arbitrary direction (they are not necessarily flat such as planes or tomographic planes, but are curved surfaces). Or an image signal on a line instead of a plane (a line is a straight line or a curved line) 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 alone. It is possible. In signal processing, such image signals and images may be presented through interpolation approximation. Further, in these, measurement data such as displacement, strain, and temperature measured based on an image signal or an image may be displayed alone, or may be displayed by being superimposed on the image.

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、本願の発明者は、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 multiple times herein, apodization can be determined and performed in a variety of ways. There are various adaptive beamforming, minimum variance beamforming, Capon method, and the like described in Non-Patent Document 10 and the like. In these, when the covariance matrix is regularized, the parameter (regularization parameter) for adjusting the degree of regularization can be appropriately determined for each position based on the SN ratio of the signal at each position. It can be spatially variant and processed. Alternatively, instead of using a unit matrix for the regularization operator, it is also possible to use other positive definite operators such as gradient operators and Laplacians. The resolution of the image signal can be increased (in particular, the direction orthogonal to the propagation direction), and the contrast can be enhanced by suppressing the side lobe. In the independent component analysis (independent signal separation), it is also effective to regularize the covariance matrix in the same manner. These regularization methods have not been disclosed before. Alternatively, in both processes, the rank is lowered based on singular value decomposition or eigenvalue decomposition to stabilize the process. These processes are also effective in other methods in beamforming. As described elsewhere, MIMO (Multiple-input and Multiple-output: a wireless communication technology that expands the band of a transmission / reception signal by combining a plurality of antennas on a transmission side and a reception side) and SIMO (Single-input and Multiple-output) It is also effective to use a single communication antenna on the transmitting side and a plurality of antennas on the receiving side to expand the band of the received signal. In addition, the inventor of the present application has favorably used absolute value detection and power-law 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 exponentiation detection are effective when visualizing the undulation of a wave. If an absolute value is taken or raised to a power, especially when the order is high, it will have a high frequency component. However, brightness may be assigned to the amplitude of the wave itself, or a color may be assigned to display. Can also be considered as detection with bias.) Non-Patent Document 10 describes various other adaptive beamforming, and also in this specification, MUSIC (Multiple Signal Classification: a radio communication technique using an eigenvalue or an eigenvector of a correlation matrix of a received signal) and the like. Various processes are described. In addition, the effective processing is not limited thereto, and there are various other processings. Such various processes can be performed before, during, and after beamforming, and can also be performed at the apodization level. In that case, it is extremely effective to perform processing after performing spatiotemporal alignment based on the correlation processing (the 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。   Further, in the present invention, in particular, the integration process (operation) may be performed in the time direction (distance direction) in which the rf data is obtained to improve the signal-to-noise ratio. This integration process is also performed by analog processing (so-called integrator) or digital processing (integrator or integration operation).

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, the apodization process has been described to calculate the product of the weight value, which is easy and requires a small amount of calculation. However, the present invention is not limited to this, and the spatial domain and the frequency domain are used in a linear system. The convolution integral may be performed based on the dual relationship between the product and the convolution integral in. Appropriate apodization can be performed at each depth position or at the same distance from each aperture element.

方法(1)〜(6)を用いて本実施形態に係る計測イメージング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よう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0694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)。
The above-described lateral modulation signal (image signal) or lateral signal is obtained by a process of superimposing multi-directional deflection beams and plane waves generated by the measurement imaging apparatus according to the present embodiment using the methods (1) to (6). In some cases, a signal (image signal) having a wider bandwidth and higher resolution in the horizontal direction may be generated. As in the case of the single transmission, the steering may be performed physically or softly, or both may be performed individually, or the same steering may be applied to all of them. Although the description has been made focusing on performing the reception beamforming in a software manner, the reception beamforming using the reception delay or the reception apodization may be performed physically, alone or in combination, as necessary. On the other hand, transmission beamforming is mainly described as being physically performed, but for example, a high-speed frame rate can be obtained by transmitting a plane wave, transmitting a plurality of beams or waves, etc. In order to perform surface synthesis, transmission may be performed one element at a time (multidirectional aperture synthesis is also possible, and plane waves, cylindrical waves, spherical waves, etc. are coded and transmitted, decoded, and aperture synthesis is performed. Is also possible). As described above, it is possible to consider transmission and reception in reverse and to implement them in software. The plane wave arrives at a deeper position than the focus beam (echo is also obtained from the deep position compared with the echo), but the S / N ratio as a wave or beam for the purpose of measuring displacement is compared. And low. In the first place, the resolution in the horizontal direction is also low. On the other hand, when plane waves in multiple directions are superimposed, substantially the same lateral resolution can be obtained regardless of the position. On the other hand, when a focus beam is used, it is effective to cross beams in multiple directions at the focus position, but when trying to obtain high lateral resolution at multiple positions, multi-focusing is required. Will do. In any case, it is possible to achieve high-speed beamforming 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 when the target is in the same phase. . In addition, a signal (image signal) whose bandwidth is increased in the axial direction and whose resolution is increased in the axial direction may be generated by using a plurality of waves having different carrier frequencies. In those cases, the bandwidth may be widened so that the spectra overlap, and the resolution may be increased. These plural beams may be simultaneously generated in parallel, and the measurement targets may be generated at the same time but at different times. Multi-directional waves may be generated by the above-described multi-directional aperture plane synthesis.
When the deflection angle is increased, the imaging positions of the reflector and the strong scatterer may be spatially shifted. For example, if the deflection angle is transmitted to the front of the aperture element and the plane wave is transmitted while changing the deflection angle in small increments (for example, every 1 °) to ± 45 °, and the beamformed signals are superimposed, the aperture in the front direction is increased. The case where the surfaces are combined can be simulated, and it is not possible to obtain a band corresponding to a deflection angle of ± 45 ° in the horizontal direction (the signal is canceled at the time of superposition). It is natural to consider the case where beamforming in the front direction is decomposed into plane waves as angular spectra. When broadening in the horizontal direction by superposition in space-time or frequency space is performed, not only in the case of transmission of polarized plane waves, but also in the case of performing other deflection beamforming, the spectrum that does not overlap in frequency space. Although it is necessary to superimpose, the cause of the spatial displacement of the imaging position can be found there. That is, an error occurs in the control of the focusing and the propagation direction due to the spatial inhomogeneity of the sound velocity of the medium (depending on the temperature and pressure) as well as the directivity of the aperture especially at the time of steering with a large steering angle. Therefore, when superimposing signals having a large deflection angle, at the time of transmission at the time of beamforming, or at the time of at least one of the reception signal before reception beamforming, during reception beamforming, and after beamforming, In some cases, it is necessary to perform signal position correction (phase aberration correction). When performing super-resolution by spectral processing or non-linear processing of these signals, when superimposing processing (superimposing spectral processing or non-linear processing, or superimposing spectral processing or non-linear processing) is used together, The effect of the position shift on the result (position error or the like) becomes significant, and such position correction may be important. In addition, the frequency dependence of the reduced propagation speed is also a factor that causes a position shift. In addition, the same problem may occur when signals of different frequencies are superimposed, and the same processing may be performed. In addition, waveform distortion may occur due to a phase delay or a phase change having a frequency dependency in a device (for example, a phase change in a sensor or a phase delay in an amplifier in a circuit). There is a case where the waveform is shaped by correction (the analog shifting of a digital signal that rotates the phase of each signal component by multiplying by a complex exponential function for each frequency in the frequency domain is effective). Determine the phase change that occurs in the device in advance, and appropriately drive the sensor appropriately with the aim of generating a wave having a desired waveform or generating a desired waveform at the observation position or reception position. There is also. As a result, the observation of the observation target is improved in accuracy (various observations using phases, observations of frequency-dependent propagation velocity, scattering, attenuation, etc.). In some cases, only the amount that occurs in the receiving device is corrected. The same processing may be performed for the above-mentioned other types of displacement. 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 strength correction is also described in paragraph 0694 and the like. In addition, regarding the beam forming component and the speckle component of the weakly scattered signal, unlike the definitive signals, a virtual sound source and a virtual receiver assuming a scatterer or the like invented by the inventor of the present application (Patent Document 7, As confirmed through an experiment using Non-Patent Document 8, it can be used for imaging and displacement measurement without performing position correction processing (for example, a combination of plane wave transmission and Gaussian apodization is effective for displacement measurement. In focusing, a power-type apodization such as a square function is effective, and the latter has 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。   In addition, it is different to form multi-focus (not limited to normal multi-focus in which transmission focus is formed at a plurality of positions in the beam propagation direction, but also includes taking transmission focus at arbitrary plural positions including a horizontal direction). A process of transmitting a plurality of waves focused on a position and performing reception beamforming may be performed. Further, processing for generating a reception beam at a plurality of positions or a reception beam in a plurality of directions may be performed on one transmission beam. In addition, beamforming based on transmission in a plurality of directions having different steering angles may be performed. In addition, there is a case where beamforming is performed at a distant position where interference is small, and beamforming is performed at each portion divided within one frame based on performing transmission and reception. May be performed in parallel, and in each case, a process of superimposing the results at each position in the region of interest where a plurality of beamforming results are obtained may be performed. The method (4) itself has a feature that if the wave propagates in the region of interest, the received signal of the interfered wave can be processed, and by utilizing this, a high frame rate can be realized. (Method (4) allows receive beamforming for any transmit beam, wave, singular or multiple transmissions). In addition, after performing various signal separation processes, beamforming may be performed using an appropriate signal component. 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 or reception aperture may be a dedicated aperture for each, but may also serve as both, not only receive the response of the wave transmitted by itself, transmitted from other apertures Waves may be received and again the resulting beamforming results may be superimposed, including when processed in parallel. In summary, the above-mentioned superimposition is performed simultaneously, or in a simultaneous phase in which the state of the object (communication target) or the observation target in which the wave propagates or the observation target is the same or substantially the same, or at another time, or at another time. In a phase, one or more beamforming or transmission or reception may occur at each aperture, and similarly, one or more beamforming or transmission or reception at one combination of apertures. Sometimes it is done. Similarly, each of a plurality of combinations of apertures may perform one or more beamforming or transmission or reception. In addition, when a plurality of beamforming or transmission or reception results are obtained, new data may be generated through an operation of superimposing them.

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 superimposed in the calculation process of the above methods (1) to (6). It is sufficient to perform the inverse Fourier transform on the superimposed complex spectrum at a time, and when the plurality of beam-formed waves are superimposed in the spatial domain as described above, the inverse Fourier transform of the number of the superimposed waves is performed. Processing can be completed faster than required. Although not limited thereto, such as an arriving wave, those superimposed in a state of an angular spectrum may be processed in, for example, a single direction or a plurality of directions. As the processing itself, it is preferable to perform a Fourier transform by superimposing a plurality of waves in the spatial domain and obtain a superimposed angular spectrum (the Fourier transform has an effect of being performed only once). In some cases, the position or the like where the object exists 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)。   Also, 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) (methods (1) to (6) In methods (2) and (3) other than the aperture synthesis, in the case of simultaneous physical transmission (the first excited aperture element in the effective aperture array of each transmitted wave) Are excited at the same time), since the received signals are stored in a memory or a storage device (storage medium) in an overlapping state, the image signal of one frame may be generated according to each method. (Parallel processing for dividing one frame and processing each part may be performed.)

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計測イメージング装置においては、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 another case where beamforming is performed a plurality of times at different times, in the channel of each receiving aperture element, it is possible to grasp the timing of transmission from the first excited aperture element in the effective aperture array. In the measurement imaging apparatus according to the embodiment, in the digital signal processing unit, a plurality of received signals may be appropriately overlapped to obtain the same signal as a received signal when a plurality of waves are transmitted at the same time, and the same processing may be performed. (In this case as well, parallel processing for dividing one frame and processing each part may be performed). In these cases, the first Fourier transform only needs to be performed once (there may be a case where each part is divided and processed).

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 the case of such an active state, beam forming can be completed at a higher speed in beam forming except for combining aperture surfaces (methods (2) and (3)). However, the reception signals for aperture plane synthesis collected for the methods (2) and (3) are subjected to transmission beam forming (transmission delay or transmission apodization as necessary) and superimposed. And may be processed in the same way. By the way, if the received signals are superimposed without applying a transmission delay, in this case, a received signal when a plane wave is transmitted without steering can be generated. In the aperture plane synthesis processing, the division parallel processing may be performed to speed up the processing. In particular, when performing the multidirectional aperture plane synthesis which is the past invention of the inventor of the present application, one time phase is required. Can generate beams in multiple directions from the signals collected in step (1). In the case of processing in the apparatus or method of the present invention, the same angle obtained by one Fourier transform under a deflection angle in each direction can be obtained. A calculation using the spectral data is performed, and finally, the multidimensional spectra obtained for each deflection angle are superimposed 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, even in the case of aperture plane synthesis, when performing passive processing even in fixed focusing of reception and other beamforming, as described above, for 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 plurality of waves obtained by these processes are superimposed, for example, if the propagation direction, the frequency, or the band is different, it is also effective to separate and process the spectrum. , Besides, encoding, MIMO, SIMO, MUSIC, independent signal separation (independent component analysis), principal component analysis, code, or a parametric method can be used to separate the digital signal units. Note that the superposition process may be effective in other cases (for example, the SN ratio is improved by using a plurality of signals obtained in the simultaneous 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, to separate a specular reflected signal and a scattered signal, and separates an independent scattered signal between two or more frames with respect to a signal including the specular reflected signal. If the processing is performed by realizing a state of having a scattered signal or a state of being mixed with an independent scattered signal, it is possible to effectively separate a specular reflection signal which is commonly present. It is useful for automating detection / separation (removal) of high-intensity signals from blood vessels and the like when measuring tissue displacement such as blood flow, and identification (detection) of a blood flow region range. is there. In addition, it is useful for detecting and extracting boundaries of organs, tumors, and the like. Similarly, it can detect specular reflection (tissue), separate (remove), and specify (detect) the range of a characteristic region. . At the same time, it is also possible to separate the mixed independent scattered signals, and to perform independent component analysis (independent component analysis) rather than detecting the corresponding signal from each of the sum (that is, the averaging) and the difference between the frames. The use of (component separation) has higher ability to detect a specular reflection signal and to separate mixed signals. The higher the processing is, the higher the detection performance (envelope detection, square detection, absolute value detection, etc.). This can be confirmed not only visually but also quantitatively and deterministically or stochastically. In addition, by applying measurement of displacement, distortion, and the like, performing motion compensation (translation, rotation, expansion / contraction) on translation, rotation, deformation, and the like, and performing alignment and processing, the performance is improved (for example, 3 MHz). In frequency simulation, when cross-correlation-based displacement measurement is performed, when the standard deviation of the scattered signal is 1.0, the specular reflectance distribution of 0.1 to 0.5, even if the scattered signal of similar intensity is mixed Motion compensation). Processing with spatial resolution is desirable. Note that measurement of displacement and the like is more accurate when performed before detection, but may be performed after detection. In addition, when displacement measurement is performed with high accuracy using various measurement methods before detection, block matching (phase matching) in the spatiotemporal 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 may be tilted to pick up a specular reflected signal at the same position from another angle, or a signal may be picked up using another sub-aperture based on steering processing, or It is also effective to shift the scan plane to collect signals including specular reflection signals from the same specular reflection signal source (a series of the same structure and composition) (measurement technique). It is also possible to positively apply the movement of the object (the scan plane is shifted or signals from other tissues are mixed) and the deformation (considered to contain noise), as described above. What is necessary is just to collect the included signal. Similarly, when using ultrasonic waves (such as sonar) and electromagnetic waves other than medical ultrasonic waves, the movements of sensors, signal sources, and detectors (including camera shake and disturbance of their holders), waves, A reflected wave or a transmitted wave may be collected and processed by applying beam steering, movement or deformation of an object. Noise generated in the circuit may be mixed to produce an effect, or analog or digital (including software-like noise generated by a program) generated positively may be mixed. In addition, these processes can be used not only for separating the specular reflection signal and the scattered signal but also for obtaining the same effect in the common signal and the mixed signal existing between the signals, and the application range is limited to this. Not something. The spatio-temporal shift of the signal is not limited to displacement or distortion, but also the directivity of the aperture (particularly during steering), the heterogeneous propagation speed of the medium itself, disturbance of the medium, and changes in conditions (for example, pressure and temperature changes). Etc.), and may be processed purely in signal analysis, depending on changes in the propagation velocity, etc. Also, waveform distortion may occur due to a phase delay or phase change having a frequency dependency in a device (for example, a phase change in a sensor or a phase delay in an amplifier in a circuit), and similarly, the phase of a received signal is changed. There is a case where the waveform is shaped by correction (rotating the phase of each signal component by multiplying by a complex exponential function for each frequency in the frequency domain is effective). Determine the phase change that occurs in the device in advance and appropriately drive the sensor appropriately with the aim of generating a wave having a desired waveform or generating a desired waveform at the observation position or reception position. There is also. As a result, the observation of the observation target is improved in accuracy (various observations using phases, observations of frequency-dependent propagation speed, scattering, attenuation, etc.). In some cases, only the amount that occurs in the receiving device is corrected. The same processing may be performed for the above-mentioned other types of displacement. Although the frame signal has been described, the signal may be applied to a beamformed one (including aperture synthesis), or may be applied before or after receiving beamforming (transmission / reception signal for aperture synthesis). And then beam forming is performed. That is, it may be performed before, during, and / or after beamforming. In each case, super-resolution may be used in combination. The above-described motion compensation processing is effective not only for correcting a spatio-temporal shift, but also for correcting, for example, a shift when a signal at the time of transmitting a focusing beam or a plane wave is compared and referenced (for example, in super-resolution). . Further, the above-described motion compensation processing that may be performed before or during beam forming may also serve as a delay (delay) processing in the DAS processing. In addition, high resolution through detection (absolute value detection, square detection, envelope detection, etc.) and linear or non-linear processing to be described in detail later are similarly applied to those subjected to beam forming (including aperture surface synthesis). In some cases, beamforming may be performed before receiving beamforming or after performing processing on a beamforming-free signal (transmission / reception signal for aperture plane synthesis) at all. That is, it may be performed before, during, and / or after beamforming. When widening is performed in such processing, oversampling or upsampling is performed in space and time, or broadening is performed through zero-filling of the spectrum in the frequency domain as necessary (inverse Fourier transform is performed). For example, a 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、減衰特性等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 position correction and the 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 as a multidimensional signal. For example, there are a (multidimensional) cross-spectrum phase gradient method, a (multidimensional) autocorrelation method, a (multidimensional) Doppler method, and the like. If there is an effect of the matched filter as in the case of the cross-correlation method such as the cross-spectral phase gradient method or the auto-correlation method, it becomes robust to the noise contained in the wave signal as described above. As described above, it is effective to use the (iterative) phase matching method (shift in space time or phase rotation in frequency space) when applying these displacement measurement methods to phase aberration measurement. Here, an example of a method for automatically determining the phase aberration and the effective aperture width in beamforming using an array-type aperture to which these are applied will be described. As described below, discrimination based on a correlation value between local signals (for example, in the case of an ultrasonic wave, a local echo signal or a local transmitted ultrasonic signal), and detection of an occurrence of a delay time (time difference) estimation error itself in beamforming. By doing so, it is possible to automatically determine the effective aperture width and perform beamforming. In that case, the iterative phase matching method is effective. For example, as described above, when applied to the case where coherent compounding (superposition) is performed in beamforming with different steering angles, an image can be obtained, and the effects of increasing the contrast and increasing the resolution can be obtained. In addition, as described above, MIMO, SIMO, MUSIC, independent signal separation (independent component analysis), principal component analysis, parametric method, etc., adaptive beamforming, minimum variance beamforming, Capon method, etc. Also applicable to 10). These not only increase the accuracy, but also reduce the amount of calculation. The adaptability itself depends on a reflection characteristic, a scattering characteristic, an attenuation characteristic, or the like of the measurement object, and it is desirable that the spatial resolution is provided.

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 reception signal that has not been subjected to reception beamforming (as described above, processing may be performed on a signal that has been subjected to reception beamforming). The transmission beamforming includes, but is not limited to, fixed focus beamforming and waves that spread widely in a direction intersecting the propagation direction of waves such as plane waves and spherical waves. The latter realizes a high frame rate as described above. In addition, when transmission beamforming is not performed, the present 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)に現れないように、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(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(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(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、本願の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。
尚、上記の通り、変形可能な物理開口アレイにおいても位相収差補正は有効である。図19に示す通り、関心点を定め、物理開口アレイ内の各アレイ素子の位置や各アレイ素子開口の方向を推定したり、有効開口幅を推定することもできる。各アレイ素子は、変形しない場合もあれば、変形することもある。変形可能な物理開口は、観測対象のセンサー開口面との接触面が複雑な形状をしている場合に接触面積を増やす効果があり、必要に応じて、波動の透過性に富む様な介在物を使用することもある。変形可能な物理開口は、観測対象が変形しない硬いものである場合に特に有効であるが、観測対象が変形する場合には、与える変形を低減したり、変形させずに観測することが可能である。これらにおいて、変形可能な物理開口は、特に近距離場の観測に有効である。上記の通り、観測対象において取得された複数の波動信号においても同様の処理が施されることがある。その場合に、複数の波動が異なる物理開口形状や有効開口幅形状で観測されることもあり、その場合においても上記と同様の処理が施される。また、上記の通り、本処理により物理開口形状や有効開口幅形状が求められ、DAS処理ベースの処理の代わりにフーリエビームフォーミング処理が行われることもある(本願明細書に記載されているように、任意の開口形状において実施できる)。これらにおいて、関心点は、所望する直交座標系の節点として定められることもあるし、求まる物理開口形状や有効開口幅形状で定まるデカルト座標系や直交曲線座標系の節点として定められることもあるし、その他、任意に所望する位置に定められることもある。また、関心点は、複数の位置である場合もあるし、単一箇所である場合もある。
図19に示すように、関心点は、ある一素子にて受信した一つの時系列信号(参照信号)を、開口正面方向又は最大の指向性を持つ方向からの受信信号として考えて設定されることが望ましい。障害物の存在等によっては別の方向に考えることもあるが、指向性の高い方向に選ぶことが望ましい。非零度のステアリング角度でステアリングを行う場合には、位相収差補正の場合と同様に、関心点からアレイ素子群を見て、そのステアリング角度に極力近い角度を持つ位置のアレイ素子(参照信号)に決めることが望ましい。複数の関心点を設定する場合には、それらの関心点が、その時系列信号(参照信号)内の複数の位置に設定されることもあるし、又は、有効開口幅内に存在すると考えられる異なる素子にて受信した異なる時系列信号(参照信号)内の位置に設定されることもある。両者を含む場合もある。これらの場合に、音速等の伝搬速度が一定であると考えられる方向や距離内からの受信信号を取得できる素子を選ぶことが望ましい。その素子を含む有効開口幅内のアレイ素子の位置は、上記の位相収差の推定値を用いて幾何学的に推定される。隣接する素子の位置が順に求められる場合もあるし、そうでない場合もある。例えば、素子幅や素子間隙や素子ピッチの既知データが併用されることがある。また、1つのアレイ素子に関し、複数の関心点に対して位置が定まる場合もあり、統計処理や最適化法により1つの推定結果が得られることもある(平均処理や最小二乗法等、これらに限られない)。伝搬速度が不均質である場合には、伝搬速度分布の既知データや推定結果や再構成結果が使用されたり、関心領域又はその部分における伝搬速度分布や関心位置までのみかけの伝搬速度が共に推定されることもあり、本願明細書に記載されている様々な統計処理や最適化法が有効であり、また、これらに限られない。また、これらの推定は、観測部位における伝搬速度が均質である場合にも有効である。また、物理開口素子アレイデバイス又はアレイ素子に素子位置を感知する少なくとも1つの位置や角度のセンサーや同機能を担うデバイスが備えられて、感知された位置データが、単独に、若しくは、高精度化するためにそれらと同様にして併用されることもある。(i)物理開口素子アレイと観測対象との間にアレイの変形と共に変形する弾性特性と波動を散乱する特性(散乱特性)とを持つ参照物を備え、アレイの変形と共に生じる参照物の厚みの変化や厚み方向の変位や垂直歪成分の分布や、横又はエレベーション方向の変位や垂直歪成分の分布や、ずり歪成分の分布等をビームフォーミング(送信及び/又は受信のフォーカシングやステアリング、重ね合わせ等)無し又はビームフォーミング有りの波動信号を用いて観測(変位や歪を計測)し、参照物の変形を測り、物理開口素子アレイの形状又はアレイ素子の位置を測ることがある。(ii)また、参照物が弾性特性を持ち、波動に対して透明な特性を持つ場合には、その中に既知の間隔で分布させた反射体(例えば、球状等)の変位や間隔の変化を同波動を用いて観測して、物理開口素子アレイの形状又はアレイ素子の位置を測ることもある。(iii)また、(ii)における反射体として、伸縮可能なストリングを等間隔でグリッド(格子)状にして参照物内を走行させ(横やエレベーション方向のみに少なくとも1枚の場合もある)、そのグリッド(格子)の変形(ストリングの伸縮)や節位置の変位を測って、物理開口素子アレイの形状又はアレイ素子の位置を測ることもある。(iv)また、(ii)又は(iii)において、媒体が波動に対して透明では無く、(i)と同様に散乱媒体から成り、その中に反射体やストリングが存在する場合には、(i)と(ii)又は(iii)の同時の観測を行って、物理開口素子アレイの形状又はアレイ素子の位置を測ることもある。参照物は、その変形が物理開口素子アレイの形状を良く反映するように比較的に薄いものであることが望ましく、極力に素子の近傍に備えることが出来るとよい。センサーのボディーに組み込まれている場合もあるし、必要に応じて挟んで使用することもある。また、ある程度に観測対象及び/又は物理開口素子アレイの形状の接触面の形状を反映したものであることもあり、その場合には、物理開口素子アレイの初期の形状や素子の初期位置からの変化を同様にして観測する。これらの様に、素子位置に関するマーカーを備えた参照物を使用することは有効であり、他の様々な様態を取り得る。参照物は整合層やレンズなどの他の機能を兼ねることもある。また、(i)〜(iv)における散乱体や反射体やグリッド(格子)は仮想源としても使用できる(物理開口素子アレイの形状が変形しない場合にも同様に使用できる)。尚、必要に応じて、ビームフォーミング(送信及び/又は受信のフォーカスや偏向等)されたものについて、その際の有効開口幅に関して、その位置と向きを定め、さらにビームフォーミング等に使用されることもある。ここで称した位置とは、有限の大きさの開口における代表位置を表し、例としては、開口の物理的な中心や、送信及び/又は受信の指向性又は受信信号の強度等を重みとする開口の重心等である。
また、上記の位相収差補正により観測対象の音速の不均質性を補正した波動信号群(波動信号フレーム)を生成した上で、フーリエビームフォーミングが行われることがある(本願明細書に記載されているように、任意の開口形状において実施できる)。
尚、観測対象に対して配置される物理開口素子アレイ群を備えるデバイス(ボディー)は、アレイセンサー等の一体型とは限らず、例えば、段落0007等に記載の通り、アレイ素子に該当するデバイスを点在させることもあるし、必要に応じて、デバイスを増設したり、減設したり、アクティブにしたり、インアクティブにしたりすることもあり、様々な様態を取り得る。物理開口又は物理開口アレイ素子は、能動的に、又は、制御下において、移動したり変形することもあり、その場合には、設定又は観測される位置や開口の向き等に関する動的データが使用されることがある。
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。これらのコヒーレント又はインコヒーレント化した信号において、反射率又は固有インピーダンス(固有電磁インピーダンスや固有音響インピーダンスや関連する物性、減衰率等)の分布を高精度(高分解能且つ高コントラスト)に再構成できる様に極力広い有効開口幅を得るべく、アレイセンサーにて観測対象を周囲から囲んで様々な方向にて処理することがある(例えば、観測対象を球状等の様に完全に囲んだり、半球状や、CTの様に円筒状に囲んだりすることがあり、ステアリングを行うこともある)。関心領域内の各位置における既知の送信波動(上記の如くに重ね合わせの場合もある)の波形や分布形状(自己相関法により推定されることもある)と各位置における未知反射率や波動のかかる領域の未知反射率分布との乗算や畳み込み積分を通じて表される信号の重ね合わせの時系列信号モデルに複数の観測信号(複数の受信センサーの生の受信信号)をフィッティングさせて、未知反射率の空間分布を求めることもある。送信時にビームフォーミング(フォーカシングやステアリング等)されている場合もあるし、ビームフォーミングされていない場合もある。それらの重ね合わせであることがある。また、観測信号が受信ビームフォーミング(フォーカシングやステアリング、重ね合わせ等)されたものであることもあり、その場合には、対応する送受信波動の波形や分布形状(自己相関法により直接に推定されることもあるし、送信と受信の畳み込み積分により推定されることもある)が同様に用いられる。スペックルを低減してある場合には、鏡面反射の反射率分布を効果的に捉えることができ、スペックルを低減していない場合には、散乱現象も同時に反射率分布として捉えることができる。その際には、公知のCTのアルゴリズム(伝搬速度や減衰率等)が予め使用されて、その観測結果が使用されることもある。また、固有インピーダンスや反射率の再構成結果が併用されることもある。無論、公知のCTが実施されるだけの場合もある。
(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。
In those signals, a reception position (a position where beamforming is performed) including a local signal including a signal from a position of interest in a region of interest is included in a signal sequence received at each position around the reception position. The local signal having the highest correlation and the reception time thereof are searched for (see FIGS. 16 to 18). A search area for that purpose is set to include a highly correlated local signal. High-precision phase rotation by multiplying by a complex exponential function in the frequency domain is applied to the signal in the search area, and the signal appearing cyclically is cut out by a window to find the phase aberration in the area of the local signal (local area) The search area is set appropriately larger than the local area so that it does not appear in (The increase in the size of the dark area only increases the amount of calculation, and the local area does not always need to be set at the center. It is determined appropriately from the estimated magnitude and sign of the 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 signal in the search area to shift the signal in the search area by −Δt and correct the phase aberration. Multiplication and inverse Fourier transform may be performed (Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.). Although the calculation time is required, if this process is repeatedly performed on the signals of the same pair, the correlation between the local signals gradually increases, and it is possible to finally estimate the phase aberration with high accuracy ( Iterative phase matching is described in detail 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 transducer is used. FIGS. 16A and 16B show received signal groups obtained using different parameters, and FIGS. 17A and 17B show received signal groups obtained using different parameters. The group is shown. As shown in FIGS. 16 (a) and 17 (a), processing is performed only in a frame composed of a received signal group including a point of interest A for performing beamforming, and FIGS. 16 (b) and 17 ( As shown in FIG. 16B, received signal groups (frames) having different wave parameters and beamforming parameters are obtained, and the received signals at the point of interest A shown in FIGS. 16A and 17A are respectively obtained. May be performed. The figures show the case of processing a plurality of frames obtained at different steering angles for transmission or reception.
FIG. 18 is a schematic diagram for explaining an example of phase aberration correction when steering is performed when a two-dimensional array transducer is used. FIGS. 18A and 18B show received signal groups obtained using different parameters. Although this transducer is of the linear type, there are various types of two-dimensional array type transducers as well as one-dimensional array type transducers. There is also a transducer (even in the case of a transducer other than the linear type, there is a case where steering is performed in an axial direction determined by the direction in which the element opening surface faces). Since the digital signal stored in the memory after reception is the object of processing, if the cross-correlation processing itself is performed, the reception time of the signal of a highly correlated local signal will be evaluated at the sampling interval. Has reported a cross-spectrum 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, another displacement measurement method can be used for phase aberration correction. However, when the SN ratio of a received signal is high, processing using a window (Patent Document 6 and Non-Patent Document 15) In the case of iterative phase matching, the window may be a rectangular window in many cases. In particular, it is desirable to use a rectangular window at the end of the number of iterations. The estimation using the received signal (instantaneous data) of the point of interest A shown in FIG. In addition, the reception signal to be processed in this processing may be a signal that has been subjected to transmission or reception beamforming.
In the cross-spectrum phase gradient method, if the time difference between local signals is large, the phase spectrum is inverted, so that it becomes 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 achieve high accuracy while repeatedly improving the correlation value (the processing target is a digital signal, but the phase matching is performed analogously. 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 calculation speed is faster in the cross-spectral phase gradient method than in the cross-correlation method, and therefore, the cross-spectral phase gradient method with unwrapping is also effective (basically, the distance between the point of interest and the element position). It is sufficient to perform unwrapping determined by the difference, which is easier than when observing displacement when moving in any direction.) In this iterative phase matching, it is also possible to gradually shorten the window length and finally obtain a high-resolution result. Physically determined by the assumed propagation speed, Coarse searches for the possible range of the corresponding signal, and then Fine estimation can be performed, without requiring Coarse estimation, Fine estimation only, In some cases, the unwrapping process is not required.
The effective aperture width is related to the point of interest A at each element position for performing beam forming in the aperture array in a direction away from the point of interest A (FIGS. 16 and 17: left and right in the case of a one-dimensional array, (FIG. 18: 2 The above processing is performed on the received signal received at the position (in the case of the dimension, in the circumferential direction), and before (i) the correlation value obtained by the inner product between the local signals after the matching processing falls below the set threshold value And (ii) before the time difference from the obtained local signal becomes larger than a preset threshold value (the estimated value becomes discontinuously large during the execution of the processing). May change and may be considered to detect an error).
It is also effective to perform this processing when performing beamforming only with the received signal in its own frame.For example, in the case of plane wave transmission that achieves a high frame rate, it is generated in the case of single transmission. Since this wave has a narrow band in the horizontal direction, it is also effective to perform this processing when performing a plurality of steering transmissions with different steering angles as described above to perform a coherent compounding process (broadbanding). The effect of widening the band is also obtained in focusing beam forming, and it is of course effective. Similarly, a received signal when performing beamforming with different beamforming parameters and wave parameters different from the steering angle is also processed (see FIGS. 16 and 17). The above processing can be performed by performing the same processing at each position A of the received signal frame under the same or different reception steering angle as the transmission steering angle. However, if the transmission and reception steering angles are greatly different, compounding is performed. May not be imaged. Therefore, after determining the transmission steering angle of the generated wave, one reception steering angle which is the same as or different from the transmission steering angle is determined, and for each position A set only in the reception signal frame of the transmission steering angle, its own reception steering angle is determined. The same process is performed not only for the signal frame (when the compounding is not performed, the process for only this frame is performed), but also for the received signal frame of another transmission steering angle. In order to pursue accuracy, the transmission and reception steering directions should be determined in the direction in which the aperture has high directivity as much as possible (that is, the front direction of the aperture surface). Furthermore, it is also possible to generate and compound with different combinations of the transmission and reception steering angles, but if the transmission and reception steering angles are greatly different, an image may not be formed.
For compounding, for example, for one transmission steering angle in a front direction or an arbitrary direction, a plurality of signals are generated at a plurality of different reception steering angles, or in a plurality of directions by using aperture plane synthesis data. It also reports that transmission and reception steering and compounding are performed, and this can be applied to the above-described 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 initial window length when performing iterative matching). The shorter the value, the higher the correlation value is obtained, and the spatial resolution of the estimation result of the local signal (that is, the estimated value of the phase aberration) is high, but another similar signal may be detected. If the window length is long, the correlation value becomes low, and it becomes impossible to search for a signal. (For example, when a plane wave of an ultrasonic wave having a nominal frequency of 7.5 MHz is transmitted by a human soft tissue agar graphite phantom, the echo signal is converted to 30 MHz When sampling at, 64 points and 128 points were appropriate, but 32 points and 256 points were inappropriate.) This is similar to the case of observing displacement and displacement vector. As described above, it is good to perform phase matching with such an appropriate window length, and when performing iterative phase matching, it is effective to gradually reduce the window length during repeated phase matching. Yes (finally, high-resolution results can be obtained). In the case of aperture plane synthesis or the like, a scattered signal that is not formed when the number of times of phase matching is several is sometimes formed by repeating the number of times of repetition, so that iterative phase matching is effective. The above-described highly accurate phase aberration correction or iterative processing requires a long calculation time, but is suitable for a close inspection. In medical ultrasound, real-time performance is emphasized, but the above process may be a novel medical ultrasound precision inspection method. The iterative phase matching can have an upper limit for the number of times it is performed, and is terminated when the updated value of the estimated value of the phase aberration becomes smaller than a preset value or becomes sufficiently smaller. As long as the condition (i) or (ii) is satisfied, the same process is performed on the received signal at the next position in the horizontal direction. It is also effective to use the estimation result obtained for the initial value of the phase aberration at the next position in order to shorten the calculation time. In the case of the one-dimensional array type, it is possible to perform the processing left and right around the point A (the effective aperture width obtained by the processing (i) or (ii) above corresponds to each position A). It is not necessarily symmetrical about the center). In the case of the secondary array type, it is possible to carry out the processing around the point A in the peripheral direction. Alternatively, the maximum effective aperture width including the point A is determined in advance, and the phase aberration is estimated from the end. If the correlation value of the condition (i) is larger than the predetermined value, It is also possible to determine the effective aperture width based on the estimated value of the aberration itself. In any case, each time the estimation result of the phase aberration is obtained, the local signal (local signal with the delay) subjected to the phase aberration correction is obtained. Therefore, each time the final estimation is completed, It is efficient to perform the addition processing (that is, DAS processing using phase aberration). At that time, a signal having a component different from a signal having the same component as the reference signal (a signal having higher accuracy than the above-mentioned sum (average averaging)) by performing independent signal separation (independent component analysis) or principal component analysis. (A signal with higher accuracy than the above-described subtraction), and it is useful to perform an addition process on the former signal component. To determine the former and latter signal components, the correlation with the reference signal may be calculated, and the signal with the higher correlation value may be the former, and the signal with the lower correlation value may be the latter. The latter signal component may be used after performing an addition process. Then, the phase aberration can be similarly corrected for another position A in the depth direction or the lateral direction in the region of interest. If the purpose is only to estimate the phase aberration, the addition process is unnecessary. In addition, a signal group subjected to phase aberration correction within the effective aperture width estimated at each point of interest A is subjected to independent signal separation at a time, and a signal component common to all (the signal having the highest correlation value) And the other signal components, and the former may be used as a result of the DAS processing.
As described above, the phase aberration correction is effective even in the deformable physical aperture array. As shown in FIG. 19, a point of interest is determined, and the position of each array element in the physical aperture array, the direction of each array element aperture, and the effective aperture width can be estimated. Each array element may or may not be deformed. The deformable physical aperture has the effect of increasing the contact area when the contact surface with the sensor aperture surface to be observed has a complicated shape, and if necessary, includes an object that is rich in wave transmission Sometimes used. A deformable physical aperture is particularly effective when the observation target is hard and does not deform.However, when the observation target deforms, it is possible to reduce the applied deformation or observe without deforming. is there. In these, the deformable physical aperture is particularly effective for near-field observation. As described above, the same processing may be performed on a plurality of wave signals acquired from an observation target. In that case, a plurality of waves may be observed in different physical aperture shapes or effective aperture width shapes, and in such a case, the same processing as described above is performed. Further, as described above, the physical aperture shape and the effective aperture width shape are obtained by this processing, and Fourier beam forming processing may be performed instead of the DAS processing-based processing (as described in the specification of the present application). , And can be performed in any opening shape). In these, the point of interest may be determined as a node of a desired orthogonal coordinate system, or may be determined as a node of a Cartesian coordinate system or an orthogonal curve coordinate system determined by a physical opening shape or an effective opening width shape to be obtained. , Etc., may be arbitrarily set at a desired position. Further, the point of interest may be a plurality of positions or a single point.
As shown in FIG. 19, the point of interest is set considering one time-series signal (reference signal) received by a certain element as a reception signal from the front direction of the aperture or the direction having the maximum directivity. It is desirable. Depending on the existence of obstacles, the direction may be considered in another direction, but it is desirable to select the direction with high directivity. When steering is performed at a non-zero steering angle, as in the case of phase aberration correction, the array element group is viewed from the point of interest and the array element (reference signal) at a position having an angle as close as possible to the steering angle. It is desirable to decide. When setting a plurality of points of interest, the points of interest may be set at a plurality of positions in the time series signal (reference signal), or different points of interest may be set within the effective aperture width. It may be set to a position in a different time-series signal (reference signal) received by the element. It may include both. In these cases, it is desirable to select an element that can acquire a received signal from within a direction or a distance where the propagation speed such as the sound speed is considered to be constant. The position of the array element within the effective aperture width including that element is geometrically estimated using the phase aberration estimates described above. The positions of adjacent elements may be obtained in order, or may not be. For example, known data of element width, element gap, and element pitch may be used together. In addition, for one array element, the position may be determined with respect to a plurality of points of interest, and one estimation result may be obtained by a statistical process or an optimization method (such as an averaging process or a least squares method). Not limited). When the propagation speed is heterogeneous, known data of the propagation speed distribution, estimation results, and reconstruction results are used, and the propagation speed distribution and the apparent propagation speed up to the position of interest in the region of interest or its part are both estimated. Various statistical processes and optimization methods described in the specification of the present application are effective, and are not limited thereto. These estimations are also effective when the propagation speed at the observation site is uniform. In addition, the physical aperture element array device or the array element is provided with at least one position or angle sensor for sensing the element position or a device having the same function, and the sensed position data can be used alone or with high accuracy. In some cases, they are used together in the same manner. (i) between the physical aperture element array and the object to be observed, a reference having elasticity and wave scattering properties (scattering properties) that deforms with the deformation of the array, and the thickness of the reference that occurs with the deformation of the array; Beam forming (transmission and / or reception focusing, steering, and superimposition) of changes, distribution of thickness direction displacement, distribution of vertical distortion component, displacement of horizontal or elevation direction, distribution of vertical distortion component, distribution of shear distortion component, etc. There is a case where observation (measurement of displacement and strain) is performed using a wave signal without alignment or with beam forming, deformation of a reference object is measured, and the shape of the physical aperture element array or the position of the array element is measured. (ii) In the case where the reference object has an elastic property and has a property of being transparent to waves, the displacement of the reflector (for example, a sphere or the like) distributed at a known interval in the reference object or a change in the interval. May be observed using the same wave to measure the shape of the physical aperture element array or the position of the array element. (iii) As a reflector in (ii), extendable strings are run at equal intervals in the form of a grid (grid) and run inside the reference object (there may be at least one in the horizontal or elevation direction only). The shape of the physical aperture element array or the position of the array element may be measured by measuring the deformation of the grid (expansion or contraction of the string) or the displacement of the node position. (iv) Also, in (ii) or (iii), if the medium is not transparent to the wave and consists of a scattering medium as in (i), and a reflector or string exists in it, In some cases, i) and (ii) or (iii) are simultaneously measured to measure the shape of the physical aperture element array or the position of the array element. It is desirable that the reference object be relatively thin so that its deformation reflects the shape of the physical aperture element array, and it is preferable that the reference object be provided as close to the element as possible. It may be built into the body of the sensor, or it may be used as needed. In some cases, the shape of the contact surface of the shape of the observation target and / or the physical aperture element array may be reflected to some extent. In such a case, the initial shape of the physical aperture element array or the initial position of the element may be reflected. Observe the changes in the same way. As described above, it is effective to use a reference provided with a marker regarding an element position, and may take various other aspects. The reference may also serve other functions, such as matching layers and lenses. The scatterers, reflectors, and grids in (i) to (iv) can also be used as virtual sources (the same can be used when the shape of the physical aperture element array is not deformed). If necessary, the beam aperture (transmission and / or reception focus or deflection, etc.) shall be used to determine the position and orientation of the effective aperture width at that time, and to be used for beamforming, etc. There is also. The position referred to here represents a representative position in an opening having a finite size. For example, the physical center of the opening, the directivity of transmission and / or reception, the strength of a reception signal, or the like is used as a weight. The center of gravity of the opening and the like.
Further, after generating a wave signal group (wave signal frame) in which the inhomogeneity of the sound velocity of the observation target is corrected by the above-described phase aberration correction, Fourier beam forming may be performed (described in the specification of the present application). Can be implemented in any opening shape.
Note that a device (body) including a physical aperture element array group arranged with respect to an observation target is not limited to an integrated type such as an array sensor. For example, as described in paragraph 0007, a device corresponding to an array element May be scattered, and as necessary, devices may be added, removed, activated, or deactivated, and may take various forms. The physical aperture or physical aperture array element may move or deform, either actively or under control, in which case dynamic data about the set or observed position and the orientation of the aperture is used. May be done.
Further, when signals having different wave parameters or beam forming parameters of transmission or reception overlap, phase aberration estimation or phase aberration correction may be performed on the signal as it is. Or by other processing, and then the phase aberration estimation or the phase aberration correction may be performed on each of the separated signals (for example, the processing can be performed on the signals at each steering angle). . Similarly, the spectrum may be divided in the frequency domain for the overlapping signal and the non-overlapping signal to generate a new wave, and then the phase aberration may be estimated or the phase aberration may be corrected. When the signals are separated in the frequency domain, wave parameters and beamforming parameters can be realized, for example, waves that are pseudo-steered in various directions and new waves and beam shapes can be generated. ). In each case, signals subjected to phase aberration correction may be superimposed.
It has been confirmed that the contrast and the spatial resolution of the image are higher in the processing of the frame alone than in the image without the phase aberration correction, and the processing is performed on a plurality of frames as described above to perform compounding (overlapping). It has been confirmed that it is more effective. This compounding performs coherent processing on the raw signal, but reduces the speckle by performing detection (envelope detection, square detection, absolute value detection, etc.) and then superimposing (incoherent compounding) Then, it is also effective when an image with enhanced contrast and CNR (Contrast-to-noise ratio) is generated by emphasizing a deterministic signal such as a specular reflection signal or a strong scattering signal. In such coherent or incoherent signals, the distribution of reflectance or specific impedance (specific electromagnetic impedance, specific acoustic impedance, related physical properties, attenuation rate, etc.) can be reconstructed with high accuracy (high resolution and high contrast). In order to obtain an effective aperture width as wide as possible, the array sensor may surround the observation target from the surroundings and perform processing in various directions (for example, completely surround the observation target like a sphere, , CT, etc., and steering may be performed). The waveform and distribution shape (sometimes estimated by the autocorrelation method) of the known transmission wave (which may be superimposed as described above) at each position in the region of interest and the unknown reflectance or wave at each position A plurality of observation signals (raw reception signals of a plurality of reception sensors) are fitted to a time-series signal model of a signal superimposed by multiplication or convolution integration with an unknown reflectance distribution in such an area to obtain an unknown reflectance. Sometimes the spatial distribution of is calculated. At the time of transmission, beamforming (eg, focusing or steering) may be performed, or beamforming may not be performed. It may be a superposition of them. In addition, the observation signal may be a signal subjected to reception beamforming (focusing, steering, superposition, etc.). In this case, the waveform and distribution shape of the corresponding transmission / reception wave (directly estimated by the autocorrelation method) May be estimated by convolution of transmission and reception). When the speckle is reduced, the reflectance distribution of specular reflection can be effectively captured, and when the speckle is not reduced, the scattering phenomenon can be also captured as a reflectance distribution at the same time. At this time, a known CT algorithm (propagation speed, attenuation rate, etc.) may be used in advance, and the observation result may be used. In addition, the reconstruction results of the specific impedance and the reflectance may be used together. Of course, in some cases, a known CT may only be performed.
When other methods such as (multidimensional) autocorrelation method and (multidimensional) Doppler method are used, the cross correlation method can be used for coarse estimation and they can be used for fine estimation without phase unwrapping processing. Like the cross-spectral phase gradient method, it may be used alone or may be unwrapped. The effective aperture width and phase aberration estimated as described above are obtained by minimum variance beamforming, independent component analysis, principal component analysis, super-resolution by nonlinear processing (addition processing by performing nonlinear processing, The method can be used for various applications including the above-mentioned application such as performing a non-linear processing after the application. It is also possible to make a database of the average effective aperture width at each distance position based on the method (i) or (ii) and use the database without phase aberration correction. The above processing is the same 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。   The signal separation is performed by increasing the frequency and widening (when the order is larger than 1) or lowering the frequency and narrowing the band (when the order is smaller than 1) by the exponentiation operation, and then performing the frequency domain processing. May be performed with high accuracy. Restoration of the signal after separation may be performed by simply raising the reciprocal of the power order using the 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。
本願の発明者は、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(回折源として扱われることもある)そのものである場合もあるし、反射源や散乱源や回折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-described phase aberration correction is effective in various other cases. Phase aberration correction for various observation data (between), such as when the observed quantities (physical quantities, chemical quantities, etc.) are different, or when the same observed quantities have different conditions or parameters that may affect the observed quantities. Or after performing phase aberration correction, various processes described in this specification may be performed. For example, in integrating and integrating ultrasonic waves (echoes) and OCTs themselves and observation data obtained using them, a characteristic position accuracy is obtained from the OCT data, and phase aberration correction of the ultrasonic waves (echoes) is performed. (Even though the physical properties of light and sound are different, the positions where they change and the positions where scattering occurs can be used in common, and the matching process itself may be performed between coherent signals. Incoherent signals or image data obtained from the same). After the matching, the coherent signal or incoherent signal (or image data) is subjected to opportunity learning, deep learning, neural network (back-propagation type, Hopfield type, or the like, or Other models such as a model modified based on these) or other processing may be performed.
The inventor of the present application is mainly engaged in medical imaging and remote sensing (mounted on various types of radar, ground radar, extraterrestrial radar, stars and satellites, airplanes, meteorological observation, various earth observations, environment and resource exploration, space and astronomical objects Innovative multi-dimensional digital signal processing technology developed in various wave applications in fields such as observation, sonar, etc., non-destructive inspection (including structural science, material research, physical properties and functions, and life) Based on information processing including electronics (including electronics), inverse analysis and inverse problems, and statistical processing (based on mathematics), we are working on the fusion of measurement technology and advanced information processing. In particular, it can be applied comprehensively in the fields of human biological tissues (including microscopes), biotechnology, materials, structures, environment, etc., and creates innovative science and technology that will bring about social and economic changes. It becomes possible. For example, numerical results, graphs, imaging, and visualization of observation results, medical and life sciences (promotion of human health, human tissue examination, generation, treatment, processing, application, (small) animals, Development of tissues (cells, drugs, etc.), materials (electric, thermal, elasticity, composite materials, etc.), environmental observation (gas, liquid, solid), energy development, security (monitoring and monitoring, observation of moving objects) , A variety of high-precision observations (large and small, short and long-term phenomena, objects located at long distances and short distances), and the world's first in silico measurement standard And other phenomena (such as biology, chemistry, biochemistry, etc.) that can be applied to a very wide range of applications such as electromagnetism, mechanics, and heat. In addition, it is possible to realize innovative non-destructive inspection techniques for physical quantities, stoichiometry and physical properties of various phenomena), measurement (inspection and diagnosis), repair (repair, treatment, regeneration), manufacturing ( It enables material growth and tissue three-dimensional culture) and applications (including creation of new functions and physical properties). As a result, in-situ measurement of the spatio-temporal distribution of basic physical quantities, chemical quantities, and physical properties in an object that could not be observed until now can be performed, or observation can be performed without adjusting conditions for observation. For example, it becomes possible to observe operating devices, living things and cells under natural conditions, and to observe the process under the conditions of the material growth process. Furthermore, through the advanced fusion of these various simultaneous observation and analysis technologies with the latest information science and statistical mathematics, various latent factors (mechanisms), new phenomena, new principles, etc. are elucidated in detail, and new physical properties and It can contribute to the creation, synthesis, and restoration of functions. Rather than simply over-determined systematization (averaging or least-squares) to overcome the accuracy limitations of a single observation, for example, the following intelligent integration and fusion technologies (multiplexing of highly accurate common information, Precise digital signal processing can be achieved dramatically by separating independent information and separating independent signal sources (multiplexing of common information and increasing the accuracy of separating 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). Needless to say, if necessary, disassemble or, in humans, use craniotomy and laparotomy, laparoscopic, endoscope, oral and nasal (camera), capsule (type camera), and puncture needles to monitor the sensor. It may be observed in preparation for the vicinity. Further, 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 referred to here may be a physical signal source (which may be treated as a diffraction source) itself, or may be a reflection source, a scattering source, or a diffraction source. Especially when the signal to be observed is considered to be included at a different position or time, such as when the received signal includes a signal of multiple reflection or multiple scattering, the signal at a different position (time) is positively transferred directly to ICA or the like It is effective to perform the processing of (1) and (2), such processing may be performed while shifting the position, and such processing may also serve as signal detection processing (correlation values can be used as indices of accuracy and reliability of detected signals) . Thereby, multiple reflection and multiple scattering signals 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)<特許文献8> 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)<特許文献9> 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)<特許文献10、非特許文献44> 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(本願の発明者の特許多数)。(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に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, the in-situ imaging by the wave sensing (including the inverse analysis) of the distribution of the physical quantity in the electromagnetism, the dynamics, and the thermodynamics in the observation target is realized, and the related observation is performed based on the observation. Reconstruction (inverse analysis) of physical property distribution can be realized. The source of the phenomenon can also be reconstructed. Further, another physical quantity can be obtained by using one physical quantity and their reconfiguration. You can also observe for energy. In order to realize high-precision observation, three-dimensional or two-dimensional multidimensional observation may be desirable. For example,
(1) <Patent Literature 8> Distribution of electrical properties (both or one of conductivity and / or permittivity) based on current density (vector) distribution measurement, distribution of current source or voltage source, and re-distribution of potential distribution Configuration (imaging) or electrical properties and current density (vector) based on potential distribution measurement, reconstruction of current source, etc. (2) <Patent Document 9> Distribution of displacement (velocity, acceleration) vector and strain (rate) tensor Reconstruction (imaging) of distribution of force and distribution of force source based on measurement (shear modulus, shear modulus, compressibility (Poisson's ratio), incompressibility, viscosity, density, etc.), average normal stress (internal pressure) distribution Simultaneous or separate observation, observation of inertial force vector and stress tensor distribution, etc. (3) Distribution of acoustic properties (bulk elasticity, viscoelasticity, density, static pressure, specific heat, etc.), sound source distribution, sound pressure based on sound wave propagation measurement Reconstruction of particle displacement and velocity distribution (Imaging) etc. (4) <Patent Document 10, Non-patent Document 44> Reconstruction of thermophysical property (thermal conductivity and heat capacity, thermal diffusivity, perfusion, convection) distribution, heat source distribution and heat flux distribution based on temperature distribution measurement (Imaging) and the like. These observations in the observation object that is the medium of each wave are analyzed by nuclear magnetic resonance imaging (MRI: Magnetic Resonance Imaging), SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) (observation wave is a magnetic field), terahertz (electric field), DC ( (Not wave motion), power, radio wave, microwave, infrared, visible light, ultraviolet, radiation, electromagnetic waves such as cosmic rays, sound pressure distribution observation by Doppler effect using light pulse or laser, OCT (Optical Coherent Tomography) , An optical microphone (inventor: Yoshito Sonoda), an ultrasonic echo (sound wave) device (modality), and others (many patents of the present inventor). The reconstruction of the physical property distribution in (1) to (4) is to reconstruct the relative physical property distribution from the distribution of one physical quantity, and many inverse analyzes (X-ray CT, electric impedance CT, etc.) are observed. To solve 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 the ordinary differential equation (substituting the constitutive equations into the governing equations such as wave equation and diffusion equation) This is called the inverse problem / inverse analysis of the differential type with respect to the integral type. If a reference value (measured value, typical value, or the like) of the physical property 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 value of unit size is set as a reference value, a relative value distribution is obtained. Of course, the integral inverse problem may be used.
In any case, the equation Ax = b holds for the unknown distribution (vector x) (the unknown number may be equal to the number of equations, or may be over-determined or fewer-determined). The unknown distribution x is often the distribution itself to be obtained in the case of a linear equation, and in the case of a non-linear problem, the estimation result is often updated by repeatedly estimating. Distribution Δx in many cases. Of course, that 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 ) 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 convergence has been reached, and the estimation is repeated.

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、MAP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層以上の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、光信号、光超音波信号は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(ビームフォーミング時にも有用であるし、ビームフォーミング後のデータにおいても有用である)。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。
In addition, the integration and integration of the electromagnetic wave and acoustic wave sensing and the inverse problem can be performed. For medical images, fusion devices of X-ray CT (morphological information), MRI (morphological and functional information), and PET (functional information) have been put to practical use. Under such circumstances, in addition to ultrasonic waves (longitudinal waves) and shearing phenomena (transverse waves), utilizing the characteristics of various waves, for example, MRI and ultrasonic waves, ultrasonic waves and terahertz, OCT, laser, etc. Electromagnetic waves and mechanical waves can be fused with heat waves.
For example, the application of the fusion and integration of (1) to (4) (hereinafter referred to as (5)) is various as described in paragraph 0380. For example, in the field of life science, based on new measurements 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 substances, etc.) ). While iPs cells are attracting attention, for example, activity can be observed at the same time as kinetic and electrical phenomena in the in situ state in which cultured cardiomyocytes are naturally active (multiplexing and fusion of new observations are also possible). In addition, operating electrical and electronic circuits can be observed in situ (inspection of device functions and bonding). Also, in the growth and operation processes of various functional materials and in the development of various devices, physical quantities and physical properties are observed in situ (for example, in an ultrasonic element such as a piezoelectric PZT element or a polymer film PVDF, At the same time, we can observe the energy conversion efficiency, electrical impedance, vibration modes, and thermal phenomena of electric machines, and also contribute to miniaturization, speeding up, energy efficiency (energy saving), creation of new functions, and synthesis (electricity). Material, elastic body, thermal material, etc.) In addition, effective observation in various fields is performed 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 performed in signal processing, maximum likelihood estimation, MAP estimation, Bayesian estimation, EM (Expectation-Maximization), and unbiased regularization using partial differential operators as regularization terms (In the past, the world's first spatio-temporal variant regularization was performed. In absolute or relative physical property reconstruction for a homogeneous material, the regularization parameter was set to a large value and stabilized as much as possible. May be able to realize the world's first in silico standard if is reduced), singular value decomposition, equalizer and sparse modeling, signal (source) separation and feature analysis by ICA and MUSIC, new super-resolution (in silico harmonics) A patent is filed for imaging, etc.), and a displacement (vector) measurement error is evaluated using a stationary process or using Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) or Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB). It came or (a priori and a posteriori that also applied to the regularization). It is also possible to establish an error model for each observation object and apply it to them. In addition, the integration and fusion of heterogeneous information (including the above-mentioned different observables and observables under different conditions and parameters) include KL information, maximum likelihood method, mutual information minimum / maximization, and entropy minimization. In addition to the use of ICA, the application of a new ICA with the above-mentioned precise digital signal processing to improve the multiplexing of common information and the separation ability of independent information (exact space-time precise matching of multiple digital signals (digital If the signal is processed after analog phase rotation without approximation processing), the extraction of common information will exceed the averaging and the separation of independent components will improve.) Integrated learning and integrated judgment (recognition, approaches to integrate and analyze multiple neural networks of three or more layers, differential diagnosis and recognition of lesions, etc. Coding, not only medical coding, but also various recognition targets), mapping between images and other clinical data, mapping to desired objectives / targets, new functions, etc. are not limited to medical applications as well) . It is also effective to integrate and fuse phenomena with different stochastic processes (for example, multiplex or separate a noise according to a normal distribution and an ultrasonic scattered signal according to a Rayleigh distribution, or mix a plurality of events of different stochastic processes). Terahertz signals, SQUID signals, optical signals, and optical ultrasonic signals have low S / N ratios. Similarly, signal processing using ICA (exceeds averaging) or MUSIC is also effective in improving accuracy (also useful during beam forming). And also useful for data after beamforming). Also, when the sensing data in the three-dimensional space or the spatiotemporal space is big data, the real-time property (high-speed operation) is pursued, and precise and high-speed Fourier beam forming (including data compression) and parallel processing are performed at the time of sensing. 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。   The new observation technology developed in parallel or integrated and integrated will establish itself as an innovative non-destructive inspection technique for each observation object in the future, and will provide new perspectives (new engineering) in various fields. Etc.) to advance scientific development. It can also contribute to international measurement standards for basic physical properties (particularly distribution constants) (it has the potential to become the first in silico international standard using regularization, etc.) Bring effect (achieving accuracy on the order of the number of significant digits of a computer). The above-mentioned in situ remote sensing application (approach) is not limited to these, and its 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)<特許文献8> 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)<特許文献9> 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)<特許文献10、非特許文献44> 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(本願の発明者は、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。例えば、特許文献12や非特許文献45と46等では、所望する音圧形状(点拡がり関数)やその分布を実現すべく、アポダイゼーション関数を最適化。)。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、光学治療においても同様に有効である。薬剤(照射波動に対して反応するものを含む)や造影剤を含め、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)。これらの波動においても、所望する点拡がり関数(波動形状)やその分布を実現すべく、波動パラメータやビームフォーミングパラメータが同様に最適化されることがある(例えば、特許文献12、非特許文献45と46等)。高空間分解能且つサイドローブの小さい(高コントラストを実現できる)点拡がり関数や高精度な変位計測を実現できる点拡がり関数、それらの分布等を実現できる。これらの波動が融合・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 a bulleted list. Applications are not limited to these. In addition, it is sometimes possible to observe the distribution of changes in the thickness of the observation target with high precision from the reconstruction of the distribution of the physical property values (thermal conductivity and electric conductivity), so that apparent observation is sometimes effective, and it is not always necessary. Instead of a distribution, at least one value may be observed.
(1) <Patent Literature 8> Distribution of electrical properties (both or one of conductivity and / or permittivity) based on current density (vector) distribution measurement, distribution of current source or voltage source, and re-distribution of potential distribution Configuration (imaging), electrical properties and current density (vector) based on potential distribution measurement, reconstruction of current source distribution, etc.
Platform: MRI, terahertz, SQUID, electrode array (eg electroencephalogram / electrocardiograph etc.), electrostatic potential sensor array etc.
Observation target: MRI, electrode array, electrostatic potential sensor array are human and animal (mouse, etc.) neural networks, electrical networks, electrical materials (resistors and dielectrics), current and electric fields, potential fields; Terahertz refers to electrical circuits and electrical materials (resistors and dielectrics), piezoelectric elements (PZT, PVDF), etc .; SQUID refers to all of them. When MRI or SQUID is used, the distribution of the current density vector can be obtained by solving the inverse problem of Biot-Sabert's law (integral inverse problem).
(2) <Patent Document 9> Mechanical properties (shear modulus, shear modulus, compressibility (Poisson's ratio, etc.), incompressibility, etc.) based on measurement of distribution of displacement (velocity, acceleration) vector and strain (rate) tensor (Viscosity, density, etc.) distribution and force source distribution reconstruction (imaging), mean vertical stress (internal pressure) distribution simultaneously or separately, observation of inertial force vector and stress tensor distribution, etc.
Platform: MRI, terahertz, ultrasonic, OCT, laser, light pulse, etc.
Observation target: Soft tissues of humans and animals (such as mice) (brain tumors, cancer lesions such as liver cancer and breast cancer, vascular disease models such as sclerosis, hemodynamics including heart, blood vessels, and blood flow. Intracranial cancer lesion model that is difficult to observe with OCT); Terahertz is also a model of animal lesions, diseases of teeth and bones, piezoelectric materials of inorganic solids (PZT, PVDF, etc.), deformation of PVDF, rubber, etc. Fluids (including blood) and gases containing viscoelasticity, powders (tracers) such as drugs and metals (conductors and magnetic materials), gases and waste liquids containing dusts.
(3) Reconstruction imaging of acoustic physical property (bulk modulus, viscoelastic modulus, density, static pressure, specific heat, etc.) distribution, sound source distribution, sound pressure, particle displacement / velocity distribution, etc. based on sound wave propagation measurement.
Platform: light pulse, optical microphone, laser, MRI, ultrasonic, OCT, etc.
Observation target: In addition to the above organic observation targets, gases (helium, oxygen, air, etc.) and liquids (pure liquids, mixed liquids, water, saline, liquids containing drugs, blood, etc.), and solids (inorganic Including). Special environment (indoor, outdoor, altitude, mountain, depth, sea, narrow place, etc.) etc.
(4) <Patent Document 10, Non-Patent Document 44> Reconstruction imaging of thermophysical property (thermal conductivity and heat capacity, thermal diffusivity, perfusion, convection) distribution, heat source distribution, heat flux distribution, etc. based on temperature distribution measurement.
Platform: MRI, terahertz, ultrasonic, optical fiber, pyroelectric sensor, etc.
Observation target: Perfusion effect, metabolism, above-mentioned cancer lesions and inflammation, heart and blood vessels, blood (perfusion) model, piezoelectric element, such as thermal material, inorganic solid piezoelectric body (terahertz), etc. in animal (mouse etc.) neural network And PVDF, convection of gas and liquid.
In addition to (1) to (4), as (5), those obtained by fusing / integrating (1) to (4) and other inverse analysis or data mining. For example, the following applies.
(I) Simultaneous or multilateral observation of the same object, simultaneous or multilateral observation of a plurality of objects related to the same event (phenomenon) by (1) to (4) using the same or different devices.
-In situ observation in medical treatment (in health examinations and medical examinations, human dogs, diagnosis of diseases, and monitoring in various treatments, the same organs, tissues, and lesions are observed simultaneously or from multiple angles; one disease or concurrent diseases, or Simultaneous or multilateral observation of multiple independent diseases and related organs and tissues, which can be performed with a small number of devices (hardware)).
・ In situ observations in regenerative medicine and life sciences (high-efficiency culture, especially three-dimensional culture and its control, elucidation of lesion generation mechanisms; simultaneous observation of organic and inorganic substances, etc.).
-Observation (activity, etc.) of kinetic and electrical phenomena simultaneously in the in situ state in which cultured cardiomyocytes (iPs cells, etc.) are naturally active, and new observations can be multiplexed, highly accurate, and fused.
・ Human and mouse lesions (brain tumor, liver cancer, breast cancer) models and the (visco) elasticity (including hemodynamics) and thermal characteristics (and temperature) of blood (including drugs) in the heart muscle, blood vessels, heart chambers and blood vessels Simultaneous observation.
-Ultrasound and terahertz observation of drug delivery by dynamics 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 (heating or heating using HIFU: High Intensity Focus Ultrasound etc.) for human cancer lesions and Parkinson's disease, the therapeutic effect of the affected area by MRI or ultrasound (such as temperature rise and change in viscoelasticity etc.) Degeneration) and perfusion itself, and neural network control of perfusion are simultaneously observed, and treatment is monitored in multiple ways in real time to improve the therapeutic ability: In medical treatment, it is safe not only to diagnose but also to affect normal parts In addition, only the abnormal part is efficiently treated (repaired).
・ Integrated medicine (general diagnosis, treatment, surgery, physio / chemotherapy, medication, etc.), Theranosis (the inventor of the present application has developed a reconstruction method of tissue shear modulus based on ultrasonic echo method in the past, and Diagnosis and before and after the heat treatment were consistently monitored under the same index, which is considered to be one successful case of Theranosis), and the viscoelastic modulus was changed by inflammation after the treatment ( Simultaneous observation of blood flow).
-Confirm Wiedemann-Franz's law regarding electrical conductivity and thermal conductivity and provide high-precision or inexpensive techniques (for example, use an infrared camera without using a SQUID meter).
・ Optimization of materials, structures, generation processes, etc., targeting desired properties in synthesis problems (composite materials, etc.)
-Observe energy conversion efficiency, electrical impedance, vibration mode, and thermal phenomena of electromechanical devices at the same time from various aspects of ultrasonic elements such as piezoelectric PZT elements and polymer membrane PVDF, and contribute to the creation and synthesis of new functions. (Electric materials, elastic materials such as rubber, thermal materials, etc.).
・ Spontaneous movement of the robot based on integrated judgment of In silico.
-A new measurement that has not been realized even in a conventional large-scale facility at a relatively low cost (for example, a single device or the like can be used frequently).
-For example, in medical treatment, using ultrasonic echo method, MRI, OCT, laser, or optical pulse, observe the distribution of displacement (vector) and deformation of the observed tissue, etc. (viscous) Distribution of physical properties such as shear modulus The original image and their observations are merged to diagnose and discriminate the lesion (in addition to various fusion and integration processes, the images are simply watermarked and superimposed to simultaneously In some cases, if any treatment (surgery or physio / chemotherapy) is performed, even the therapeutic effect (mainly, degeneration) is diagnosed using the same index (observed physical properties), that is, It is effective to diagnose, monitor, and monitor the progress before, during, and after the treatment, and in particular, in heating and heating treatment, use the sound speed of ultrasound and the temperature dependence of volume change. Nuclear The chemical shift of the air resonance frequency (Larmor frequency) is used. When light such as OCT is used, the temperature dependency of light (refractive index etc.) is used. The temperature (change) distribution can be observed by using properties, etc., and the therapeutic effect can be monitored. In addition, the thermophysical properties (distribution) can be reconstructed from the observed temperature (distribution) data, Estimation (Determine the heat source based on the inverse problem, or observe the heating and heating waves by sensing and find the autocorrelation function to understand the shape of the heat source and estimate the power of the heat source in consideration of the transmission power and tissue properties Or the shape data can be used for the inverse problem, and the distribution of the wavelength and the propagation velocity of the wave can be observed using the above 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 can also receive at the time of HIFU transmission, the receiver can process and use the echo signal generated by the HIFU transmission, and if reception is impossible, transmit the ultrasonic wave for observation to obtain the reception signal. It can be. Either can be used for imaging. Calculate phase aberration (caused by temperature dependence of sound speed, inhomogeneity of sound speed, wave directivity, etc.) using at least one of the received signals, and correct phase aberration for HIFU treatment or observation imaging May be performed to improve the positioning accuracy of the treatment position. HIFU beam and treatment parameters may be determined sequentially by optimization based on observation results and prediction results (a variety of linear and non-linear optimization methods can be used. In Patent Documents 45 and 46, an apodization function is optimized in order to achieve a desired sound pressure shape (point spread function) and its distribution. Linear or non-linear programming is also valid. In some cases, the temperature distribution and the amount of exposure, or the tissue properties such as the (viscosity) elasticity and the tissue pressure are optimized for optimization. At that time, typical data, measured values, or models of the heat receiving characteristics and denaturing characteristics of the treated tissue may be used. The present invention provides an HIFU irradiation power, irradiation intensity, continuous irradiation time, irradiation interval, irradiation position (focus position) based on the above observation, prediction, or optimization realized by making full use of the signal processing described in the present application. Regarding the position), the irradiation shape (apodization), or the HIFU administration interval, this includes electronically or mechanically controlling the HIFU treatment to realize the minimum-invasive treatment. Therapy control itself may be controlled manually by the clinician based on observations, predictions, or optimization results for lesions marked by the clinician or lesions diagnosed mechanically. Yes, it may be controlled automatically mechanically, but in the latter case it is necessary to always allow the clinician to change the course of treatment and switch to manual control mode We need to be able to do that. Switching from manual mode to automatic mode may also be effective. In each case, lesion tracking is important. (It is clear that cross-correlation-based processes such as cross-correlation and cross-spectral phase gradient methods are robust to changes in ultrasound images (noise sources) caused by heating. It is). The interface may be realized mainly by a PC and peripheral devices, or may be realized as a dedicated device.
This is one of the means to realize Theranosis, has extremely high spatial resolution not only for treatment but also for diagnosis, and minimizes invasiveness under the differentiation of diseased tissue, nerve, blood (tube), lymph, and niche. Achieve optimal treatment that is limited to Application to microsurgery is also important. In addition to early detailed diagnosis, one device can simultaneously diagnose multiple or multiple organs (brain, liver, kidney, breast, prostate, uterus, heart, eyes, thyroid, blood vessels, skin, etc.) in multiples Integrated diagnostic imaging that allows for early and precise HIFU treatment, even under the same parameters (mechanical and thermophysical quantities, tissue viscoelasticity and thermophysical properties, or markers, etc.) Diagnostic imaging and monitoring of therapeutic effects, as well as follow-up after treatment are possible, making diagnosis and treatment both minimally invasive, simple and fast, and therefore cheaper than other techniques. Medical services that can be performed can be realized. With the development of medical technology adapted to the super-aging society, it is a medical technology that will open up new clinical styles (diagnosis and treatment in a short time, medical examination, etc.) and will be useful for a long time in the future. These means are effective not only in HIFU but also in radiation therapy, heavy ion beam therapy, and optical therapy. It is also effective to use drugs (including those that respond to irradiation waves) and contrast agents in combination. Further, the waves for observation are not limited to ultrasonic waves, and various sensing waves such as MRI, OCT, and X-ray can be used (many other waves are described). In these waves, the wave parameters and beam forming parameters may be similarly optimized in order to realize a desired point spread function (wave shape) and its distribution (for example, Patent Document 12, Non-Patent Document 45). And 46 etc.). A point spread function with high spatial resolution and small side lobe (high contrast can be realized), a point spread function that can realize high-precision displacement measurement, their distribution, and the like can be realized. These waves are sometimes fused and integrated. Similar observations may be effective not only in medical applications but also in cases where diagnosis, restoration, creation, etc. are performed in material engineering.
-Elucidation of the function of human and animal brain tissue: In the cultured neural network, the learning and recognition processes, the effects of drug administration, etc. are observed in situ, heart and brain blood vessels (viscoelasticity), blood flow ( High-precision simultaneous observation of fluids and microflows can be performed. In addition, in conjunction with this, it becomes possible to develop external stimulation tools and processing techniques for those tissues and cells.
(Ii) Application to environment and industrial biotechnology, energy saving and environmental conservation (recycling, observation of air, soil, water, etc.). Acoustic properties of various gases (optical pulse, optical microphone), gases containing various dusts (flow observation by terahertz), etc.
(Iii) Development of new synthetic theories such as equivalent media and function substitution (material engineering).

次に、上記の(1)〜(4)[特許文献8〜10等]、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る技術であり、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(本願の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層以上の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層目以上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) [Patent Documents 8 to 10 and the like], other inverse analysis, and the means of fusion / integration of (5) are listed. Technology related to information science and statistical mathematics, including back analysis. Basically, it aims to exceed the normal measurement limit. For example, the following processing is effective.
(A) Inverse analysis: In wave sensing,
・ Uses equalizers and sparse modeling of the system including the observation target (identification, reduction of dimensions, generation of coarse sampling data based on downsampling (the effect of regularization in inverse analysis), band compression in Fourier beam forming, etc.) Faster and more stable, data compression.
When performing inverse in measurement / reconstruction by optimization (weighted least squares, Bayesian estimation, maximum likelihood estimation (with or without MAP), singular value decomposition, linear / nonlinear programming, convex projection, etc.)・ Inverse analysis of Sabatt's law, such as integration type inverse problem such as obtaining current density (vector distribution) data and current (distribution) from magnetic field (vector distribution) data, and physical property reconstruction (linear or nonlinear differential inverse) Problem: Stabilization of the solution by optimizing the reference area (initial value) and the 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 of the solution by unbiased regularization when performing inverse analysis (The inventors of the present application were the world's first time-variant regularizations that depended on the accuracy of measurement data in the past. By using parameters and setting large regularization parameters to stabilize the observation target as much as possible and reduce the variance, the world's first in silico standard may be realized. In the past, displacement (vector) observation and (viscosity) Implemented by reconstructing shear modulus).
・ Establish an error model (variation and variance) of the sensing signal directly observed in addition to each observation target (strain tensor, temperature, current density vector, each physical property, etc.) and improve the accuracy (displacement (vector) in the past) When estimating a measurement error, a stationary process is assumed locally in space and time, and Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) and Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB) are used. For a priori or a posteriori, the regularization parameter is used in proportion to the variance (thus, it may be spatiotemporally variable). For each equation, the reciprocal of the variation or the reciprocal of the variance is used to weight the reliability (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), and the above signals (source ) High resolution. The maximum likelihood estimation and the like have been used for a long time in image processing. For example, a point spread function that can be variously estimated by, for example, obtaining an autocorrelation function is used (for example, Non-Patent Documents 31 to 34). There are various other methods.
-Analog or digital linear or nonlinear processing of wave signals, generation and utilization of new waves due to linear or non-linear phenomena in the propagation process (within or outside the observation target), multiple waves with single or different parameters, Includes cases where objects with different observed quantities (physical quantities or chemical quantities) are targets.
・ Signal (source) separation and feature analysis (Independent Component Analysis ICA, Principal Component Analysis PCA, MUSIC, application of the above regularization, 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 (rather than simply exceeding the limit of accuracy by a single observation by simply over-determined systemization (addition averaging or least squares), Exceed by high-precision multiplexing of common information and separation of independent information: In signal processing and image processing, in particular, MRI (electromagnetic wave) and ultrasonic wave (mechanical wave), ultrasonic wave 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 demultiplexing by new integration and fusion of sound waves (longitudinal waves) and shear waves (horizontal waves), In order to dramatically improve accuracy,
-ICA (In the past, if the ultrasonic echo signal (random signal) of human tissue was processed and subjected to precise spatio-temporal matching of multiple data (phase rotation without approximation processing in digital signal) and then processed, common information Extraction ability exceeds the averaging and separation of independent components is improved.
・ Neural network (deep integrated learning and integrated judgment / recognition): An approach for integrated learning / integrated recognition of multiple neural networks of three or more layers with heterogeneous feature vectors (information) as input (beyond the third layer of the recognition layer) Connect multiple neural networks with each other, train each neural network to a certain extent without learning deeply with the closed data of each feature vector (information), combine them, and use the closed data of all feature vectors (information) Learning speed is much faster than learning from closed data of all feature vectors (information) using a connection network from the beginning, and the learning rate is dramatically improved.) Applied to handwritten digit recognition, the recognition rate is dramatically improved compared to the case where only a single feature vector (information) is used In the integrated analysis, the weight distribution of the newly trained single neural network, the weight distribution of the network in the case of using the connected network from the beginning of learning and the network weight distribution in the case of deep learning by being connected after some learning as described above For example, it is effective to visualize the weight distribution or to perform ICA or PCA processing on the weight distribution to interpret the common component and the independent component. The recognition target is encoded and learned by encoding the type of (e.g., using an independent code), or the same or different observation data related to the recognition target, the related observation data, or the related recognition target (for example, Diseases and lesions), desired objectives and goals, new physical properties and functions (creation and synthesis by in silico and their use, and cases where it is difficult to make devices and comparisons) In the case of simple, inexpensive, etc., it may be operated in conjunction with other dedicated devices). In addition to back projection type, Hopfield type (learning and recognition of associative memory) can be implemented in the same way The same can be used when performing optimization or processing (in silico processing) described in this specification in addition to other models and neural networks.
-For phenomena with different stochastic processes (for example, ultrasonic Rayleigh scattering and normal distribution of observation noise, etc.), multiplex common components and separate independent components, transition to stochastic processes with different stochastic processes (stochastic models, Changes in random variables, etc.).
Also,
(C) Big data processing:
・ When handling big data such as a lot of sensing data (spatio-temporal), high-speed and high-precision Fourier beam forming and parallel processing are performed at the time of sensing in order to realize high-speed calculation in pursuit of real time.
Data mining (including the above-described statistical processing and correlation processing, extraction of feature amounts by ICA, PCA, neural network, etc.).
Also,
(D) Improvement of observed signal SN ratio: For example, generally observed terahertz signals, SQUID signals, light, etc. have a low SN ratio, and can be learned from analog processing of correlation in OCT, digitized, and processed by ICA. High-precision technology based on signal processing (signals are real-time signals or complex signals) such as MUSIC, Wiener filter, matched filter, correlation processing, and signal detection.
In the present invention, the above processing and the like are performed, but the purpose 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 (equipment, platform) and computers, and (5) fusion / integration (information science, statistical mathematics, etc.) using them Innovative technology that integrates and integrates non-destructive inspection of physical quantities, stoichiometric quantities and physical properties in physics, chemistry, and biochemistry in real time in an integrated and integrated manner (Measurement / analysis method), innovative measurement (inspection and diagnosis), repair (repair, treatment, regeneration), manufacturing (material growth and three-dimensional culture of tissue), and application (synthesis, etc.) in various fields. Creation of functions and physical properties). This research concept enables the detection of physical quantities and material states, their changes, latent factors, etc., which were not captured until now, and also enables various observations of the actual operation and functioning of the measurement target. Is the promotion of human health through medical and life sciences, the development of new technologies through the development of materials (including synthetics), food engineering (such as control of freshness and quality), highly efficient energy development and resource exploration, energy saving, Assessment and environmental protection (Earth and celestial bodies), weather forecasts (weather forecasts, rainfall, gas convection, ocean currents, etc.), security, satellites, radar, sonar, international standards (may be the first standard in silico) It has a tremendous ripple effect both economically and socially, including in the industrial world and social infrastructure. The techniques developed will always be basic technologies that contribute to the creation of science and technology innovation, new industries, and social contributions.

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。
本願の発明者は、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 beamforming, the received signal stored in a memory or a storage device (storage medium) in order to generate a one-frame image signal by frequency-dividing the spectrum, In some cases, a plurality of processed waves are obtained in a situation where the spectrum is divided in the frequency domain represented after the matching. In some cases, the image is divided into angular spectra and each is processed. In any case, the processing may be performed by limiting the band of the signal component. Even when a plurality of waves overlap, the spectrum may be frequency-divided similarly. The frequency division of these spectra corresponds to the generation of physically simulated waves having new wave parameters (frequency, band, propagation direction, etc.). The divided spectra may be processed in parallel. The superposition process is also a process for generating a new wave parameter, but may be a process in which angular spectra are superimposed in the spatial domain and overlapped, or a spectrum may be superimposed before inverse Fourier transform. However, if necessary, the angular spectra after Fourier transform may be superimposed, or the signals after inverse Fourier transform may be superimposed. By applying the reversibility of the Fourier transform (Fourier transform and inverse Fourier transform), the generated signal is returned to the signal before receiving beamforming (or before transmitting and receiving beamforming in the case of aperture plane synthesis), and the other beamforming is performed. (For example, different steering angles for transmission or reception, a plurality of waves having different steering angles for one transmission, etc.).
As super-resolution processing, spectrum weighting processing (not so-called mere inverse filtering or deconvolution, but processing of performing such processing and filtering to have a desired point spread function can be performed collectively) , Non-linear processing, and imaging of the instantaneous phase excluding phase rotation are described. In addition to the Fourier beam forming, the 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, it is possible to perform high-speed imaging as described above. It is effective to generate a plurality of waves with different steering angles for transmission or reception, superimpose them, and apply a super-resolution process to them after widening the bandwidth in the lateral direction, because these effects can be enhanced. It is. Superposition of plane waves, etc., realizes a case where uniform focusing is performed regardless of the depth position with respect to the phase, and based on the above-mentioned spectrum weighting processing, for example, when performing apodization using a Gaussian function. It is effective to compensate for the spectral intensity by targeting high-resolution imaging using aperture plane 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 object subjected to the focusing and the synthesis of the aperture surface is subjected to the overlapping process. It is important to adjust the steering angle to be superimposed. When the angle difference is small, the band is not widened by merely looking at the spectrum intensity relatively in the lateral direction (the band is not broadened because the spectrum intensity is relatively low). However, if there is a certain SN ratio in the band, especially at the time of the aperture plane synthesis processing), if a certain degree of angular difference is provided, the band is broadened in a situation where the spectrum intensity is high. For a band having a relatively low spectrum intensity when the angle difference is small, for example, the spectrum weighting process is effective. Since the signal strength is low due to the superposition of those having different phases, it is necessary to perform double-precision calculation processing (such as beamforming and super-resolution processing) as necessary. On the other hand, when there is a certain angle difference, a wideband signal can be easily obtained with a small number of waves or beams. In those cases, it is also effective to normalize the wave energy and superimpose them. Similarly, the other two super-resolutions are also effective. Of course, a superposition process in which waves having different focus positions and ultrasonic frequencies are superposed is also effective as a super-resolution method. The results obtained by applying super-resolution to each wave can also be superimposed, but the processing performed by superimposition is less processing and more effective. Phase compensation in the superposition (compensating for inhomogeneities in wave propagation velocity) is important.
The inventor of the present application has proposed a method of observing a displacement vector (strain tensor) of an observation target based on an ultrasonic echo method (that is, a reflection method) or a transmission method, such as a cross-spectral phase gradient method or a multidimensional autocorrelation method. (And 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 realize an over-determined system by extending the lateral modulation method to use more waves or using spectral frequency division. The regularization (a priori or a posteriori, cross-validation method) and the weighted least squares 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 the variation is used, a local stationary process can be assumed, or Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) or Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB) can be used. It has been found that the estimated variation can also be used (discussed below). Furthermore, by applying the displacement vector (strain 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 obtained by a reflection method or a transmission method. For example, a plurality of wave signal frames that are continuous in time (for example, an ultrasonic rf echo data frame) or an image frame obtained therefrom may be subjected to the phase matching implemented in the present invention, or a motion based on a Markov model. And the use of signal separation such as the superposition processing and ICA processing of the present invention, and fusing statistically (multiplexing and separation, etc.), and various super-resolution (for example, Patent Document 38) can be effectively applied. Fusion processing after super-resolution is also possible. As the phase matching performed in these, block matching is also effective, but as described above, particularly, highly accurate phase matching based on phase rotation is effective.
Also, so-called Compressed sensing may be performed. Similarly, it may be performed in the DAS processing. Like the three super-resolutions described above, the super-resolution may be applied to the superposition of a plurality of waves. Although the above three super-resolutions require less computation, a combination 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)
本願の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に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 performed in the present invention will be summarized. The method DII of the present invention and the like are also included. In addition, although processing of a real-time signal and an analysis signal is described below, other processing may be performed on a signal that has been subjected to various processing described in this specification.
-DAS processing performed by a normal digital diagnostic device (method D1)
In order to perform reception dynamic focusing, in reading out a reception signal stored in the memory of each channel after AD (Analog-to-Digital) conversion processing, it is determined by a distance between each reception element position of each channel and each point of interest. The stored signal is read from the memory at the address indicating the time of digital reception (ie, Delay). Then, those signals within the effective aperture width are added (Summation). According to this method, an error is determined in the delay depending on the sampling frequency of the received signal. Therefore, it is natural that sampling is performed based on the Nyquist theorem, but sampling is performed at as high a frequency as possible. It has the feature of being fast. The signal to be processed may be an analysis signal other than the digital actual signal after the AD conversion processing. In addition, the calculation may be performed using a general-purpose CPU in addition to the dedicated circuit, and an embodiment of a calculation protocol will be described below. The sampled time or space coordinates (integer value) may be considered as an index of an array in which a digital signal is stored in a program, or may be considered as an address of a memory in which a digital signal is stored. ).
For example, in the DAS processing at the interest point A or at the sampling position i = I closest to the interest point A and represented by an integer value, the real signal or the analysis signal
r (I) (DAS1)
If the signal from the point of interest A received by another receiving element that is added to the received signal r ′ 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, an outgoing Alternatively, when performing beamforming for transmission, the difference in propagation distance at that time is included), and when the sampling interval is represented as sampx by distance, Δi = nint (Δx / sampx) (where nint ( x) represents a rounded integer function), or Δi = inta (Δx / sampx) (where inta (x) represents a rounded-up integer function), or Δi = intd (Δx / sampx) (where, a real signal or an analytic signal represented using an integer value Δi calculated using a function or calculation for converting an argument x to an integer (eg, intd (x) represents a round-down integer function).
r '(I + Δi) (DAS1')
Is added. It is desirable that the integer value Δi is such that Δi × sampx is closest to the analog value Δx (nint is good in the above), and the calculation method is not limited to these. The digital signal received by the receiving element within the effective aperture width at each position is subjected to this processing and added. The same description can be made using time instead of distance under the assumption that the propagation speed is constant.
Alternatively, there are various interpolation processing methods for digital signal values, and using these, the signal value at the position of Δx may be obtained by interpolation approximation (bilinear interpolation, higher-order interpolation, Lagrange's method, spline interpolation, etc. However, not limited to these, various interpolation approximations can be performed).
DAS processing with high accuracy of method D1 (method D2)
In performing the DAS processing based on the method D1, in order to improve the delay processing accuracy, the analysis signal a (t) of the reception signal calculated based on the Hilbert transform is multiplied by a complex exponential function, and the phase rotation is performed. applying a Delay to perform by, with the accuracy of the short time in t 0 than the sampling time interval Sampt, adds processing.
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. The expression (DAS2) approximates the signal at the time (position) moved by the 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, which is the nearest integer to the point of interest A and is represented by an integer value, for the sampling time (position) t, for the sampling time (position) t, the analog value Delay value Δt (reflection method In such a case, when performing beam forming of the forward path or transmission, such as synthesis of an aperture surface, using Δi (for example, Δi = nint (Δt / sampt)) calculated based on the delay at that time (including the delay). It is desirable to use the analytic signal a (t) (= a ((I + Δi) × sampt)) of the represented sampling time (position) I + Δi. That is, it is desirable to use the signal of the sampling time (position) t closest to the ideal analog time (position) T = I × sampt + Δt. Therefore, when T> t, the formula uses the positive value t 0 = Tt = Δt−Δi × sampt, and when T <t, the formula uses the negative value t 0 = Tt. The digital signal received by the receiving element within the effective aperture width at each position is subjected to this processing and added.
Although the accuracy is higher than that of the method D1, the approximation process is performed using the frequency ω 0 (t) of the sampled time (position). Affected by frequency modulation such as attenuation and scattering. As in the method D1, the higher the sampling frequency, the better. It has high speed.
By the way, when the sampling signal is represented not by time but by discrete positions x (= i × sampx, i is an integer of 0 to N−1), the equation (DAS2) expresses the wave number k 0 (= ω 0 / c = 2πf 0 / c = 2π / λ) (where c is the propagation speed of the wave, f 0 is one of the nominal frequency, the center of gravity (center) frequency, and the instantaneous frequency, and λ is the wavelength)
a (x + x 0 ) = a (x) exp [jk 0 (x) x 0 ] (DAS2 ')
It is expressed as Similarly, in the DAS process at the sampling point i = I, which is the nearest point 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, When performing beam forming of the forward path or transmission, such as synthesis of an aperture plane, a Δi (for example, Δi = nint (Δx / sampx)) calculated based on the propagation distance difference at that time is used. It is desirable to use the analytic signal a (x) (= a ((I + Δi) × sampx)) of the sampling position I + Δi expressed as 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 formula uses a positive value x 0 = X−x = Δx−Δi × sampx, and when X <x, the formula uses a negative value x 0 = X−x.
Alternatively, in each of the expressions (DAS2) and (DAS2 ′), the phase rotation is performed on the digital signal at the sampling time (position) t and the position x that are closest to the ideal analog time (position) T and the ideal analog position X. Rather than multiplying, each receiving element position within an effective aperture width when each sampling position i (i representing x = i × sampx) of each beam or each wave to be generated is considered as each point of interest A, The delay Δt and the distance difference Δx with respect to the point A are used as discrete (digital) data Δt (i) and Δx (i) represented for each point of interest i, and reception within the effective aperture width of each position is performed. The analysis signal a (i) of each digital reception 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 processing which improved method D2 (method DII)
Although the method D2 is an approximation process using the frequency and the wave number of the sampling position in the analysis signal, the method DII of the present invention similarly enables high-speed calculation without using the frequency and the wave number of the sampling position.
Center-of-gravity (center) frequency also obtained as the center of gravity of the amplitude spectrum S (i) (the spectrum of the non-positive frequency is zero) in the frequency domain (analog value obtained at the frequency coordinate i represented by an integer value in the discrete Fourier transform)
M 0 = ΣiS (i) / ΣS (i) (DASII1)
However, the amplitude spectrum S (i) (where i = 0 to N−1) is the product of the product of the Fourier transform of the digital spatial signal r (x) (where the sampling position is x = i × sampx) and its conjugate. Calculated by square root. The addition range of Σ in the equation is i = 0 to N / 2.
Therefore, the wave number k 0 is
k 0 = (2πM 0 ) / (N × sampx) (DASII2)
It is. Here, the analysis signal a (x) is
a (x) = A (x) exp {jk 0 (x) x}
= A (x) exp {jk 0 (x) × (i × sampx)} (DASII3)
Try to express.
Based on this, when each sampling position i (i representing x = i × sampx) of each beam or each wave to be generated is considered as each point of interest A, each receiving element position within the effective aperture width becomes each point of interest. The distance difference Δx with respect to A is used as discrete (digital) data Δx (i) represented for each point of interest i, and the digital reception signal of each digital reception signal received by the receiving element within the effective aperture width at each position is used. Multiply the analytic signal a (i) 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)
Is calculated. As the DAS-processed signal advances in the positive direction of x, an effect is obtained in which the direction orthogonal thereto is strongly increased in bandwidth (higher resolution). Note that i (= 0 to N) in the expression (DASII4) is replaced by
Ni (i = 0 to N-1) (DASII5)
May be used for calculation. In this case, as the DAS-processed signal returns to the negative direction of x, an effect is obtained in which a direction orthogonal to the direction is strongly increased in bandwidth (higher resolution). If Δx is made constant without depending on the point of interest i, it means that invariant frequency modulation is applied in the i direction. In other words, this process applies frequency modulation to 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 multiplied and added. Similarly, when the signal is represented as a digital time signal r (t) instead of a digital spatial signal, the analytic signal a (i) represented using the instantaneous frequency ω 0 (i) is also as follows. 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 ')
Is calculated. Others are the same.
It is also effective to apply a desired frequency modulation to a specific position or to apply a spatially uniform frequency modulation. When the modulation wavelength applied to the signal at the position x and the 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 ')
Is obtained. Similarly, it can be applied to discrete signals.
The superposition of unmodulated waves and modulated waves is also effective in increasing the bandwidth (improving the resolution) and increasing the accuracy of observations using phase (such as displacement observation).
・ Theoretically most accurate DAS processing (Method D3)
In the method invented in the past by the inventor of the present application (Patent Document 6, Non-Patent Document 15), the spectrum A (ω) of the local signal including the signal at the point of interest is multiplied by a complex exponential function in the frequency domain. Delay is performed by rotating the phase of the local signal.
A '(ω) = A (ω) exp [jωt 0 ]
This is an interpolation process that satisfies the sampling theorem, and has the highest accuracy in theory, but requires calculation time.
・ Fourier beam forming (Method D4)
This is beamforming which is the basis of the present invention. This is a method for performing digital wave number mapping in a multidimensional frequency domain of a received signal, and performs a fast Fourier transform to calculate an accuracy equivalent to that of the method D3 at a much higher speed. As a feature different from other reported Fourier imaging methods, an interpolation approximation process is not required in the digital wave number mapping, but it is also possible to perform an interpolation approximation process in order to further increase the speed. However, in that case, it is required to increase the sampling frequency in order to reduce artifacts and decrease in accuracy.
In these beamforming processes, the analytic signal is not always processed, and the calculation time for reducing the received signal to the analytic signal may be omitted to shorten the calculation time. However, in the process of multiplying the complex exponential function in space-time, although it is not theoretically correct and includes errors, imaging of the ultrasonic signal itself and various types of imaging (elastic imaging, etc. And many others) may be practical.
In addition, the respective delay processes in these DAS processes (methods D1 to D3) are performed not only in the DAS process but also in other beamforming such as Fourier beamforming, adaptive beamforming, and minimum variance, and the signal described in the present application. This is useful when shifting signals such as phase aberration correction, motion compensation, phase matching, positioning, and position correction in time coordinates, space coordinates, and space-time coordinates. Further, the present invention is not limited to those described in the present application. As in the case of the one-dimensional analysis signal, the multi-dimensional analysis signal at the position (x, y, z) or the 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 case of three dimensions,
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)
× exp [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. Here, (ω1 0 , ω2 0 , ω3 0 ) is the nominal angular frequency, the center of gravity (center) angular frequency, and the 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 on a multidimensional signal of a combination of the position (x, y, z) or the time (t1, t2, t3). In other words, in the digital signal, discrete coordinates (which require high precision) are used by 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 the wave number in each direction at each position. In this case, a high sampling frequency is desirable), and analog shifting can be performed. As in the case of the one-dimensional case, the accuracy can be improved as compared with the method D1 (corresponding to signal block matching or fragment matching in the spatiotemporal domain), and other methods (phase matching based on phase rotation in the frequency domain of the method D3) And the calculation speed is high as compared with the method (Fourier beam forming of method D4). It is suitable when a high calculation speed is required.
The modulation in the method DII can be applied to the multidimensional analysis signal at the position (x, y, z) or the time (t1, t2, t3) as in the case of the one-dimensional analysis signal.
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 case of three dimensions,
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 ')
Is obtained. Here, (kx 0 ′, ky 0 ′, kz 0 ′) is a modulation wavelength in each direction applied to the multidimensional signal at each position (x, y, z), and is (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 having spatial and temporal coordinates. The application is not limited to the DAS processing including the one-dimensional case.
Other delay processing can also be performed on multidimensional signals, and can be performed on multidimensional signals.

波動信号において、軸方向(物理開口の正面方向)に加えてこれに直交する横方向及び/又はエレベーション方向を含めたフーリエ変換は、それぞれ、2次元と3次元のアンギュラースペクトルとして知られている(図20の2次元スペクトルの説明図を参照)。このアンギュラースペクトルを応用し、本発明では、以下の如く、センサーに使用される開口素子の回折現象(特性)や回折限界を評価することが可能となる。1つの物理開口を対象とすることもあるし、少なくとも2つ以上の開口から成る様々な形状や1〜3次元のアレイを対象にでき、また、それらの物理開口そのものの形状も様々である。
まず、1開口素子からの送信の下で、同開口素子又は周囲の少なくとも2つ以上の開口素子(アレイ素子群)で受信を行った場合においては、その送信開口素子の回折現象(特性)や回折限界を確認することができる(一般的に、同一の開口素子において、送信と受信の回折特性や回折限界は同一であると考えられる)。受信開口素子又は受信開口素子群をステップ状又は連続的にメカニカルに移動させて計測対象を走査しながら送信を行う処理を繰り返し行い、疑似的に2つ以上の開口素子を実現することもある(受信開口素子の大きさや受信開口素子群の物理的な素子ピッチよりも短い間隔(ステップ)で移動させて受信信号を得たりすることもある)。受信開口素子そのものや受信開口素子群からなるアレイ形状や次元も、様々なものがあり、限定されるもので無いが、一般的に、アレイ形状はフラットな形状であるものが使用され、また、送信開口素子が送信開口素子群からなるアレイを構成する場合には、それと同一形状のものが使用されることもある。1開口素子から送信された波動の空間的な拡がりを鑑み、極力に洩れなく、その透過波又は反射波を受信する必要が有り、従って、受信開口素子(群)と送信開口素子(群)との正面方向が平行な方向に対向する様にすることが望ましく、また、そのときの受信開口素子の数は可能な限り多い方が、又は、受信有効開口幅は可能な限り広い方が、精度良く回折現象(特性)を評価できる。透過波を使用する場合の送信源と受信源との間の媒体は、反射や散乱や減衰などの外乱の少ないものを使用することが望ましい。反射波(散乱体)を使用する場合には、反射信号が得られる範囲で大きさが極力に小さい反射体(散乱体)を1個又は複数個、又は、反射体(散乱体)のランダムな分布を伝搬媒体として使用できる。散乱体は、球体であったり、これに限られず、また、確率統計学的に評価する場合にはランダムな形状であることもある。これらにおいては、受信信号に対し、必要に応じ、媒体の減衰特性データを基に、伝搬間における信号の劣化を補正することがある。また、媒体の伝搬速度の不均質性に対し、本願に記載の位相収差補正等を施して対処することもある。受信の開口素子は、送信の開口素子と等しいもの(送信と受信の回折現象(特性)が同一であると考えることもできる)を使用しても良いし、また、比較して、各方向に広帯域で感度の高いものが使用されることがある(観測可能な送信開口素子の回折現象(特性)の帯域は、受信開口素子又は受信開口素子群及び回路の帯域で定まる)。専用のハイドロフォンが使用されることもある。透過波又は反射波を用いた場合において、直接には送受信分の回折現象(特性)や回折限界が観測される。線形システムの仮定の下で、送信と受信との開口素子が異なる(回折現象(特性)が異なる)場合には、送受信分の回折現象(特性)は、送信と受信の各々の回折現象(特性)の周波数応答(各周波数又は波長の逆数のスペクトル(A+jB)と(C+jD))の積(AC−BD+jAD+jBC)又はそれらの回折現象(特性)の畳み込み積分(コンボリューション)としてモデリングできる。この場合に、受信開口素子や受信開口素子群の回折現象(特性)(C+jD)を周波数領域又は時空間領域において本願に記載等のデコンボリューションや逆フィルタリング(周波数領域において周波数応答(C+jD)で除したり、時空間領域において連立方程式を解いたり、それらにおいて最適化や超解像を実施することがある)を施して分離し、送信開口素子の回折現象(特性)や回折限界を評価することができる。便宜上や、又は、送信開口素子よりも広帯域である場合や、特に、受信開口素子又は受信開口素子群の帯域特性がフラットである場合には、直接に観測される送受信分の回折現象(特性)を送信開口素子の回折現象(特性)として用いたり、それより送信開口素子の回折限界を評価したりすることもある。送信と受信との開口素子が同一の場合には、線形システムの仮定の下で、送受信分の回折現象(特性)は、送信と受信の同一の回折現象(特性)の周波数応答(A+jB)の積(A−B+2jAB)又はその畳み込み積分として観測でき、さらには、周波数領域又は時空間領域において連立方程式を解き(同様に最適化や超解像が施されることがある)、送信分(又は受信分)のみの回折現象(特性)や回折限界も評価できる。これらにおいて、厳密には、回折現象(特性)や回折限界は送信される波動の強度や受信される波動の強度に依存して変化するため、それらの強度に依存した観測が必要である。必ずしも線形システムとして扱われるとは限らず、別のモデルが用いられることがある。これらの処理の下で、横方向及び/又はエレベーション方向のスペクトル、又は、軸方向を含む多次元スペクトルにおいて、直流(周波数領域の原点)からスペクトルの存在する方向を見た角度方向の周波数座標軸において、時空間における同一の角度方向の波動がその周波数軸上で確認されるスペクトル分布(その周波数の信号の重ね合わせ)を持つことを示しており(証明は非特許文献30にある)、フーリエ変換(スペクトル解析)を通じ、時空間的な波動伝搬の広がりを含め、回折現象(特性)や回折限界(特に横方向又はエレベーション方向のスペクトルの拡がり)を評価できるわけである(多次元信号が2次元信号である場合の図20を参照)。本発明においては、シミュレーションを通じて回折現象(特性)を予測して用いたり等、素子開口を設計(形状や構造だけでなく材料の選定を含む)することに連動して実施することもある(試行錯誤的に実施することもあるが、ロジック的に実施されることは無論、最適化法に基づいて、センサーアレイのパラメータやビームフォーミングパラメータや波動パラメータなどと共に決定されることもある)。
また、受信の回折現象(特性)や回折限界を直接的に評価することもある。送信の回折現象(特性)とは別に厳密に受信の回折現象(特性)を観測する必要がある場合や、その逆の場合も然りである。上記の処理における送信と受信を逆に実施すれば良く、1受信開口素子に対し、複数の送信開口素子を用い、受信した信号を送信位置に対応して、横方向及び/又はエレベーション方向に並べ、多次元信号を生成して同様に処理すれば良い。この場合には、送信開口素子は可能な限り各方向に広帯域であることが望ましく、できるだけ小さい開口面積の送信開口素子が用いられることがあり、また、送信開口素子の大きさや送信開口素子群の物理的な素子ピッチよりも短い間隔(ステップ)で移動させて受信信号を得たりすることもある)。フーリエ変換(スペクトル解析)を用いた本発明の回折現象(特性)や回折限界を評価する装置及び方法はこれまでに開示されていない。
さらに、この装置又は方法を用い、横方向又はエレベーション方向の素子ピッチを決めることができる。例えば、超音波の分野では、近年において、シングルクリスタルや複合PZTやPVDFやCMUT(Capacitive Micro-machined Ultrasound Transducer)等を始めとして、各方向に関して飛躍的に広帯域化されている。デジタル装置において、軸方向のサンプリング間隔はナイキスト定理により定められるものであるが、横方向の素子ピッチについては方式として決めるものが無かった。横方向又はエレベーション方向に十分な短い間隔で受信又は送信を行って獲得した受信信号を軸方向を含む多次元フーリエ変換、若しくは、ある軸方向の時空間位置に注目する場合には、その位置において横方向及び/又はエレベーション方向のフーリエ変換を行い、多次元信号の横方向の最高周波数又は波長の逆数の最高値(±fm)を求めれば良い。ナイキスト定理に基づき、fmの2倍の逆数以下、又は、fmの逆数の1/2倍以下の短い素子ピッチを実現すれば良い。上記の通り、横方向及び/又はエレベーション方向のスペクトル、又は、軸方向を含む多次元スペクトルにおいて、直流(周波数領域の原点)からスペクトルの存在する方向を見た角度方向の周波数座標軸において、時空間における同一の角度方向の波動がその周波数軸上で確認されるスペクトル分布(その周波数の信号の重ね合わせ)を持つことを示しており(証明は非特許文献30にある)、フーリエ変換(スペクトル解析)を通じ、時空間的な波動伝搬の広がりを含め、回折現象(特性)や回折限界を評価できるわけである。上記と同様に、試行錯誤的に実施することもあるし、ロジック的に実施されることは無論、最適化法に基づいて、他のセンサーやセンサーアレイのパラメータやビームフォーミングパラメータや波動パラメータなどと共に決定されることもある。アレイを一体型のセンサーに組み込んで使用することもあるが、素子の大きさよりも短い素子ピッチが必要であると明らかになった場合には、メカニカルスキャンは有用である。アレイ素子を小さくに加工したり、それらを実装したりする技術も重要になる。
例えば、現行の超音波画像診断装置では、軸方向の波動の伝搬を重視して、横方向のエイリアシング(±fmを超えてしまう場合)は無視して処理していることもあり、エイリアシングを生じている場合には、画像化された領域内の各位置において、エイリアシング分に関して横方向に反転された信号が画像化されている。最近では、ステアリング波動を検波した後にコンパウンディングして表示することが多く行われており、ステアリングした場合には尚更に問題となる(重ね合わせにより、ある意味では、問題は低減されているが)。また、ドプラにおいてはエイリアシングの生じていない軸方向のみの速度や変位を算出して応用しているのが現状である。本願に記載されているように、次世代の横方向変位観測や変位ベクトル等の観測においては、送信及び受信の各開口素子又は開口素子群(アレイ)の生成する生信号の横方向のエイリアシングを回避し、開口素子の広帯域性を十二分に生かして高周波化(高精度化)及び高空間分解能化することはもとより、イメージングにおいては、横方向やエレベーション方向にアーチファクトの無い、全方向に広帯域なイメージングを行うことは今後に向けて重要である。他の波動を対象とする場合も然り、送信や受信の開口素子又は開口素子群(アレイ)の回折特性を逆フィルタリング又は超解像されたものがビームフォーミングされて、イメージングや変位等の動態観測に用いられることもある。
ビームフォーミング後の波動においてもアンギュラースペクトルは応用されたり、以下に記載の発明を含め、本願では多用される。また、特に本願に記載の補間近似無しのフーリエビームフォーミングや解析信号に複素指数関数を乗じて用いるDAS処理においては、AD変換の解像度を向上させることも重要である(現在は12bitが主流)。
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 the wave signal, the Fourier transform including not only the axial direction (the front direction of the physical aperture) but also the transverse direction and / or the elevation direction orthogonal thereto is known as a two-dimensional and three-dimensional angular spectrum, respectively. (See the illustration of the two-dimensional spectrum in FIG. 20). Applying this angular spectrum, the present invention makes it possible to evaluate the diffraction phenomena (characteristics) and the diffraction limit of the aperture element used in the sensor as described below. One physical aperture may be targeted, various shapes composed of at least two or more apertures, or a one-dimensional array may be targeted, and the physical apertures themselves may also have various shapes.
First, in the case where reception is performed by the same aperture element or at least two or more aperture elements (array element group) around the aperture element under transmission from one aperture element, diffraction phenomena (characteristics) of the transmission aperture element and The diffraction limit can be confirmed (in general, it is considered that the same aperture element has the same diffraction characteristics and the same diffraction limit for transmission and reception). A process of transmitting the receiving aperture element or the group of the receiving aperture elements mechanically and stepwise or continuously while scanning the object to be measured may be repeated to realize two or more aperture elements in a pseudo manner ( The received signal may be obtained by moving at a smaller interval (step) than the size of the receiving aperture element or the physical element pitch of the receiving aperture element group). The array shape and dimensions of the receiving aperture element itself and the group of receiving aperture elements are also various and are not limited, but generally, those having a flat array shape are used. When the transmission aperture elements form an array composed of transmission aperture element groups, the same shape may be used in some cases. In consideration of the spatial spread of the wave transmitted from the one-aperture element, it is necessary to receive the transmitted wave or the reflected wave without leaking as much as possible. Therefore, the reception aperture element (group) and the transmission aperture element (group) It is desirable that the front directions of the antennas face each other in a parallel direction, and that the number of receiving aperture elements at that time is as large as possible, or that the effective receiving aperture width is as wide as possible. The diffraction phenomenon (characteristics) can be evaluated well. When a transmitted wave is used, it is desirable to use a medium having little disturbance such as reflection, scattering, and attenuation as a medium between a transmission source and a reception source. When a reflected wave (scatterer) is used, one or more reflectors (scatterers) whose size is as small as possible within a range where a reflected signal can be obtained, or a random number of reflectors (scatterers) are used. The distribution can be used as a propagation medium. The scatterer is not limited to a sphere or a sphere, and may have a random shape when probabilistically evaluated. In these cases, the deterioration of a signal during propagation may be corrected for a received signal based on attenuation characteristic data of a medium as necessary. In addition, non-uniformity of the propagation speed of the medium may be dealt with by performing the phase aberration correction described in the present application. The aperture element for reception may be the same as the aperture element for transmission (the diffraction phenomena (characteristics) of transmission and reception may be considered to be the same), or may be compared in each direction. In some cases, a high-bandwidth and highly sensitive one is used (the band of the diffraction phenomenon (characteristic) of the observable transmission aperture element is determined by the reception aperture element or the group of the reception aperture element and the circuit). A dedicated hydrophone may be used. When a transmitted wave or a reflected wave is used, a diffraction phenomenon (characteristic) and a diffraction limit for transmission and reception are directly observed. Under the assumption of a linear system, if the aperture elements for transmission and reception are different (diffraction phenomena (characteristics are different)), the diffraction phenomena (characteristics) for transmission and reception are the diffraction phenomena (characteristics) for each of transmission and reception. ) Can be modeled as the product (AC−BD + jAD + jBC) of the frequency response (the spectrum (A + jB) and (C + jD) of the reciprocal of each frequency or wavelength) or the convolution of the diffraction phenomena (characteristics). In this case, the diffraction phenomenon (characteristics) (C + jD) of the receiving aperture element or the group of receiving aperture elements is divided by deconvolution or inverse filtering (frequency response (C + jD) in the frequency domain) as described in the present application in the frequency domain or the spatiotemporal domain. Or solve simultaneous equations in the spatio-temporal domain, or perform optimization or super-resolution on them) to separate them and evaluate the diffraction phenomena (characteristics) and diffraction limit of the transmitting aperture element. Can be. For convenience, or when the bandwidth is wider than the transmission aperture element, or particularly when the bandwidth characteristics of the reception aperture element or the group of reception aperture elements are flat, the diffraction phenomenon (characteristic) corresponding to the transmission / reception directly observed. May be used as a diffraction phenomenon (characteristics) of the transmission aperture element, or the diffraction limit of the transmission aperture element may be evaluated based on this. If the transmitting and receiving aperture elements are the same, under the assumption of a linear system, the diffraction phenomena (characteristics) for transmission and reception are the same as the frequency response (A + jB) of the same diffraction phenomena (characteristics) for transmission and reception. It can be observed as the product (A 2 −B 2 + 2jAB) or its convolution integral, and further, it solves simultaneous equations in the frequency domain or the spatio-temporal domain (similarly, optimization and super-resolution may be applied) and transmission It is also possible to evaluate the diffraction phenomena (characteristics) and diffraction limit of only the minute (or the amount of reception). Strictly speaking, the diffraction phenomena (characteristics) and the diffraction limit change depending on the intensity of the transmitted wave and the intensity of the received wave, so that observation depending on those intensities is required. It is not always treated as a linear system, and another model may be used. Under these processes, in the horizontal and / or elevation direction spectrum or in the multi-dimensional spectrum including the axial direction, the frequency coordinate axis in the angular direction as viewed from the direct current (origin of the frequency domain) where the spectrum exists. Shows that a wave in the same angular direction in space-time has a spectral distribution (superposition of signals of that frequency) confirmed on its frequency axis (the proof is in Non-Patent Document 30). Through transformation (spectral analysis), it is possible to evaluate the diffraction phenomenon (characteristics) and the diffraction limit (particularly, the spread of the spectrum in the lateral or elevation direction), including the spread of spatiotemporal wave propagation (multi-dimensional signal (See FIG. 20 for a two-dimensional signal.) In the present invention, there may be a case where the diffraction phenomenon (characteristics) is predicted and used through simulation, and the operation is performed in conjunction with the design of the element aperture (including the selection of the material as well as the shape and structure) (trial operation). It may be performed by mistake, but of course, by logic, it may be determined based on an optimization method together with sensor array parameters, beamforming parameters, wave parameters, etc.).
Further, the diffraction phenomena (characteristics) and the diffraction limit of the reception may be directly evaluated. The same applies to the case where it is necessary to observe the diffraction phenomenon (characteristics) of reception strictly separately from the diffraction phenomenon (characteristics) of transmission, and vice versa. The transmission and reception in the above process may be performed in reverse, and a plurality of transmission aperture elements are used for one reception aperture element, and the received signal is transmitted in the horizontal direction and / or the elevation direction according to the transmission position. It is sufficient to arrange them, generate a multidimensional signal, and perform the same processing. In this case, it is desirable that the transmission aperture element has as wide a band as possible in each direction, and a transmission aperture element having an aperture area as small as possible may be used. The received signal may be obtained by moving at intervals (steps) shorter than the physical element pitch.) An apparatus and a method for evaluating a diffraction phenomenon (characteristics) and a diffraction limit of the present invention using Fourier transform (spectral analysis) have not been disclosed so far.
Further, the device pitch in the lateral direction or the elevation direction can be determined by using this apparatus or method. For example, in the field of ultrasonic waves, in recent years, the bandwidth has been dramatically increased in each direction, including single crystal, composite PZT, PVDF, and CMUT (Capacitive Micro-machined Ultrasound Transducer). In digital devices, the sampling interval in the axial direction is determined by the Nyquist theorem, but there is no method for determining the element pitch in the horizontal direction. The received signal obtained by performing reception or transmission at a sufficiently short interval in the horizontal direction or the elevation direction is multidimensional Fourier transform including the axial direction, or when focusing on the spatiotemporal position in a certain axial direction, its position , A Fourier transform in the horizontal direction and / or the elevation direction may be performed to obtain the maximum value (± fm) of the reciprocal of the maximum frequency or wavelength in the horizontal direction of the multidimensional signal. Based on the Nyquist theorem, a short element pitch of not more than twice the reciprocal of fm or not more than 1/2 the reciprocal of fm may be realized. As described above, in the spectrum in the lateral direction and / or the elevation direction, or in the multi-dimensional spectrum including the axial direction, the frequency coordinate axis in the angular direction when the direction in which the spectrum exists is viewed from the direct current (origin of the frequency domain). It shows that waves in the same angular direction in space have a spectral distribution (superposition of signals of that frequency) confirmed on its frequency axis (the proof is in Non-Patent Document 30), and the Fourier transform (spectrum) Analysis), it is possible to evaluate diffraction phenomena (characteristics) and diffraction limits, including the spread of spatiotemporal wave propagation. Similar to the above, it may be performed by trial and error, and of course, it is not performed logically, based on the optimization method, together with other sensors and sensor array parameters, beamforming parameters, wave parameters, etc. May be determined. Although the array may be used with an integrated sensor, mechanical scanning is useful if it becomes apparent that a smaller element pitch is required than the element size. Techniques for processing array elements into smaller ones and mounting them are also important.
For example, in the current ultrasonic diagnostic imaging apparatus, the processing of the axial wave is emphasized and the horizontal aliasing (when exceeding ± fm) is ignored, and the processing may be performed. In this case, at each position in the imaged area, a signal that is inverted in the horizontal direction with respect to the aliasing is imaged. Recently, compounding and displaying the steering wave after detecting it has been performed in many cases, and the problem is further increased when steering is performed (although the problem is reduced in some sense by superposition). . At present, Doppler calculates and applies velocity and displacement only in the axial direction where aliasing does not occur. As described in the present application, in the next-generation lateral displacement observation and the observation of the displacement vector, etc., the horizontal aliasing of the raw signal generated by each transmitting or receiving aperture element or aperture element group (array) is performed. In addition to avoiding and making full use of the aperture element's wide bandwidth, high frequency (high precision) and high spatial resolution can be achieved, as well as imaging, in all directions without artifacts in the horizontal direction and elevation direction. Performing broadband imaging is important for the future. Even if other waves are targeted, the diffraction characteristics of the transmitting or receiving aperture element or the aperture element group (array) are inverse-filtered or super-resolution and beam-formed, and dynamics such as imaging and displacement are performed. Sometimes used for observation.
The angular spectrum is applied to the wave after the beam forming, and is frequently used in the present invention, including the invention described below. In particular, in Fourier beamforming without interpolation approximation and in DAS processing using an analytic signal multiplied by a complex exponential function described in the present application, it is also important to improve the resolution of AD conversion (currently, 12 bits is the mainstream).
In addition, the beam forming method according to another aspect of the present invention provides 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 (each element is independently driven and has independent transmit or receive channels that can independently receive signals) in adjacent or distant locations (not necessarily at equal intervals) 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 to transmit or transmit a wave having a greater strength than transmission or reception using one element. Includes use for reception beamforming. For example, in the 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 the wave of transmission and reception becomes weak. 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 reduced). Even when the frequency is increased by reducing the element thickness, for example, in the case of using ultrasonic waves such as PVDF having a lower transmission intensity than PZT or the like, the strength of the wave is weakened. It is effective in such a case. That is, it is possible to increase the intensity of the transmission or reception wave, and to improve the SN ratio of the reception signal received by the reception transducer. For example, it is effective when performing classical aperture synthesis (monostatic or multistatic). In the scanning in this case, the effective aperture width can be shifted by the distance of the physical element interval (one element at a time), or can be shifted by the distance of an arbitrary number of elements. Yes, and the distance to be shifted during scanning may be variable. In a multi-dimensional array transducer, scanning may be performed at different numbers of elements or at different distance intervals in each dimension direction. The combination of adjacent or distant elements considered as one aperture may change during the scan. Further, there is a case where the effective aperture width is changed during scanning as is performed by ordinary beam forming. The process itself can be performed in various types of array type transducers, and the processing itself is not limited to digital devices, but also a fusion device with analog devices and digital devices (for example, a transmission circuit including a transmission delay and transmission apodization is an analog circuit). In some cases. In this processing, the number of elements regarded as one element for transmission or reception, their positions (combinations), the effective aperture width for transmission or reception, and the distance for shifting the effective aperture width for transmission or reception are added to the above beamforming parameters. If necessary, the above wave parameters are used, and if necessary, a plurality of waves or beams are generated by using a plurality of effective apertures together (simultaneous transmission or different objects at the same time phase). (Transmitted at time), and various applications described in the present invention may be similarly performed. In transmission or reception in classical aperture synthesis or ordinary beam forming, a plurality of aperture elements regarded as one aperture may be simultaneously used 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 having a large physical aperture or a transducer having a single aperture (the position of transmission or reception changes digitally or analogly), In some cases, beamforming is performed on what is transmitted or received spatially densely or sparsely compared to the width of the opening.

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。   In the simultaneous driving of a plurality of elements, the same effect may be obtained by adding the reception signals of those elements even during reception by one element or a plurality of elements in one element driving. Also, the same effect may be obtained by performing the same processing when receiving by one element or a plurality of elements in simultaneous driving of a plurality of elements. Also, when performing transmission beam forming by driving the element group within the effective aperture width, transmission may be simultaneously performed from a plurality of elements in various combinations existing within the effective aperture width. Transmission may be 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。
本願の発明者が特許文献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。波動の屈折を評価することも可能である。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 modes as described above is equivalent to increasing the width of the transmission elements and the pitch of the transmission elements, and a grating lobe occurs. As described above, the width of the transmitting element may be large, and the pitch of the transmitting element may be smaller than the element width. In some cases, the element width or pitch is physically large (signals may be collected more densely than the width or pitch distance of the element by mechanical scanning). These depend on the carrier frequency of the wave and the steering angle (including 0 °) (the direction in which the grating lobe occurs can also be estimated by geometric calculation). In addition, side lobes are generated from the aperture element in the first place. Usually, beamforming is performed by optimizing the width and pitch of the element, the element shape, the carrier frequency of the wave, the steering angle, the apodization, and the like so as to reduce these artifacts (artifacts). In practice, the transmission and reception sensitivities are different, but often considered the same. Grating lobes and side lobes also occur in reception alone, and may occur in both transmission and reception.However, what is generated in transmission and reception may differ by using different elements or combinations of different elements. is there.
As disclosed in Patent Literature 7 and Non-Patent Literature 19 by the inventor of the present application, it is possible to separate waves having different steering angles in the frequency domain (see also paragraph 0623). From the center of gravity 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. It is also possible to evaluate the wave refraction. This method can also be used to separate or remove these grating lobes and side lobes from the main lobe. Normally, the spectra of grating lobes and side lobes are separated in the frequency space, and it is easy to specify or separate them (extract only the spectrum of interest or reduce the spectrum of other bands to zero). Good).

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。   As a matter of fact, these grating lobes and side lobes can be used as they are or processed positively to realize lateral modulation, and can be applied to various applications such as wave imaging and displacement (vector) observation. it can. Normally, the lateral modulation refers to the situation where the waves intersect, but it may be applied separately (and simultaneously weighted) to each steered wave. In these, for example, it is possible to detect the separated wave and convert it into an incoherent signal for imaging, or to superimpose (compound) these incoherent signals for imaging to reduce speckle. Also, a new coherent signal may be synthesized by dividing (or weighting) a spectrum into a certain band while keeping 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 wave, or to superimpose and image each wave. In addition, each of the coherent signals generated by these processes is used for displacement observation, or used simultaneously to solve simultaneous equations and over-determined systems for the same displacement and displacement vector components. Sometimes. Some waves corresponding to grating lobes and side lobes have a steering angle larger than the steering angle set by beamforming, in which case, if the horizontal frequency does not cause grating or side lobes, As compared with the above, the measurement accuracy of the lateral displacement (Non-Patent Document 19) and the displacement vector is improved. Some steering wheels have a steering angle larger than or substantially equal to the steering angle set by beamforming, and may be used in combination with them. A plurality of grating lobes and side lobes are generated, but the higher the frequency in the horizontal direction, the weaker the signal strength is. Instead, it is used as a wave component together with a low frequency component in the horizontal direction. As in the case of normal steering beamforming, the higher the frequency in the lateral direction, the lower the frequency in the frontal direction. In addition, the accuracy of measuring 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。   Using a plurality of waves generated in these processes, a displacement vector moving in an arbitrary direction in a digital signal unit (a displacement vector using a multidimensional autocorrelation method, a multidimensional auto Doppler method, etc. (Non-patent Document 13)). In the method of solving simultaneous equations relating to the components, the displacement in one direction is measured with high accuracy in the past invention of the inventor of the present application) (more equations are derived than the number of required displacement components, and overdetermined. In an (over-determined) type system, a highly accurate result is obtained in a state of high frequency and wide band due to the least squares method, the average value of the calculation result, and the overlap of the waves (Patent Document 5). From each generated wave, an equation is derived one by one. The normal Doppler method may be applied to one wave. Each individual wave may be an overlap of the waves, or the spectrum may be a frequency-divided or processed spectrum. It is preferable that each wave has a high frequency, a wave from which a low-frequency spectrum is removed is used, and if a high spatial resolution is also required, it is preferable that the wave has a wide band (Non-patent document). Reference 14). A window that can weight the spectrum may be used for the division and processing. From the displacement (vector), a strain (tensor), a strain rate (tensor), a speed (vector), and an acceleration (vector) can be obtained by partial differential processing using a differential filter relating to space or time. These can be used to determine the (viscosity) shear modulus, viscosity, average normal stress, density, and the like. In addition, as a method of measuring a displacement (vector), a multidimensional cross-spectral phase gradient method (one of block matching methods, Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.) Reference) and a digital demodulation method (Patent Document 7), and similarly, measurement of distortion and the like is possible. Further, by using these, it is also possible to measure the propagation of shear waves and low-frequency vibration waves. (Viscous) Shear modulus, shear wave propagation speed, propagation direction, shear wave displacement, frequency, phase, vibration amplitude, vibration speed, vibration acceleration, etc. 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)。   To improve the accuracy of the displacement measurement, the inventor of the present application invented regularization in the past. In order to determine the regularization parameter of the punishment term, for example, a posteriori estimates and uses the variation of the measured displacement (vector) under a (local) stationary process (Patent Document 6). The inventors have invented the use of Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB, for example, the variation shown in Non-Patent Document 16) using the characteristics of waves or beams (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 one-way velocity measurement method (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 of the equations when the Doppler equations derived as described above are to be simultaneously established. , And those with low reliability are set low). That is, at each position in the region of interest, the values thereof are obtained from each of the above-mentioned waves or beams, and the Doppler equations derived from each of the corresponding waves or beams at each position are weighted to calculate the simultaneous equations. solve. Weighted Least Squares Solusion (WLSQS) can be determined 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、
但し、uは関心点又は関心点を含む局所領域の未知変位ベクトル又はその分布、bはフレーム間に生じた関心点又は関心点に関する局所領域の位相変化又はその分布を表すベクトル、Aは対応して並べられた各関心点又は各関心点に関する局所領域の周波数成分又はその分布からなるマトリクスであり、Aとbの成分は、時間方向や空間方向に移動平均処理されていることがある。また、デモジュレーションされている場合には、搬送周波数を持つ2方向又は1方向の変位成分のみを未知とする状態のドプラ方程式が連立された状態にある。
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。
The system of Doppler equations derived above is
Here, u is an unknown displacement vector of an interest point or a local area including the interest point or its distribution, b is a vector representing the phase change of the interest point or the local area related to the interest point generated between frames or its distribution, and A is a corresponding vector. It is a matrix composed of frequency components or distributions of the interest points or local regions related to the interest points arranged in a row, and the components of A and b may be subjected to moving average processing in the time direction or the spatial direction. In the case where demodulation is performed, the Doppler equations in a state where only displacement components in two directions or one direction having a carrier frequency are unknown are in a simultaneous state.
Is expressed by using the variation itself or the reciprocal of ZZLB, weighting the matrix itself, or its power, or the matrix W representing its distribution, to solve.

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)であるときは、
但し、Axp、Ayp、Azp(p=1〜N)は、x、y、z方向の周波数成分であり、式(A1)又は式(A2)のマトリクスAの成分であり、また、bp(p=1〜N)は、フレーム間の位相変化であり、同式のベクトルbの成分であり、Wpは式(A2)のマトリクスWの対角成分である。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)を用いる場合と、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った場合とにおいては、連立された方程式の全てにWpが掛かる(即ち、1つのpにおいて、複数の方程式が連立され、それらの全てにWpが掛かる)。
In particular, focusing on one point of interest or local region, one Doppler equation (or multiple, ie, cross-spectral phase gradient method) derived from one of the waves or beams p (= 1-N) Is used, the number of simultaneous equations for the phase spectrum in the signal band with respect to the cross spectrum obtained in the local region is calculated, and the block is based on the multidimensional autocorrelation method and the multidimensional Doppler method. When matching is performed, the reciprocal value Wp of the ZZLB calculated at the point of interest or the local region is given by the number of simultaneous equations that hold at the position in the local region. Since it is the reciprocal of the ZZLB of the displacement in the beam direction, for example, when the unknown displacement of the point of interest or the local region is a three-dimensional vector u = (Ux, Uy, Uz) T ,
Here, Axp, Ayp, and Azp (p = 1 to N) are frequency components in the x, y, and z directions, are components of the matrix A of the formula (A1) or (A2), and bp (p = 1 to N) is a phase change between frames and is a component of the vector b of the same formula, and Wp is a diagonal component of the matrix W of the formula (A2). In the case where the cross-spectral phase gradient method (one of the block matching methods) is used and the case where block matching is performed based on the multidimensional autocorrelation method or the multidimensional Doppler method, Wp is applied to all of the simultaneous equations. (I.e., in one p, a plurality of equations are systematized, and all of them are multiplied by Wp).

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、B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)
但し、ρはフレーム間で局所クロススペクトルを求めた際の相関値、又は、移動平均幅の長さにて局所に求められた相関値である。
との結合(Combined)SN比
である。
For example, when Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) holds according to ZZLB described in Non-Patent Document 16, the variance that is the square of the Cramer-Rao Lower Bound is:
Here, T is a moving average width for obtaining a frequency or a phase change in the case of the multidimensional autocorrelation method or the multidimensional Doppler method. When performing block matching, it is the length of the local area of the displacement measurement in the beam direction. (If T is the same in simultaneous beams or equations, it is not necessary to use the variable T and use 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 SNRe, which is the SN ratio of the echo, and SNRρ, which is the correlation SN ratio (for displacement and deformation of the object). The signal ratio to the noise component caused by the decrease in the correlation due to the accompanying waveform distortion)
Here, ρ is a correlation value obtained when a local cross spectrum is obtained between frames, or a correlation value obtained locally using the length of the moving average width.
S / N ratio with Combined
It is.

従って、ばらつきは、例えば、特許文献17に記載の通り、T、f0b、B、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、B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。
式(S1)及び式(S2)中のS(fb)は、式(S1)において生のスペクトルとfb = 1を用いて計算される全エネルギーを用いて生のスペクトルを除し、全エネルギーが1となるように正規化されたものである。若しくは、式(S1)及び式(S2)において、S(fb)として生のスペクトルを用い、各々の計算結果を上記の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)。多次元受信信号の場合において、ビーム方向の周波数軸と直交する2軸(即ち、3次元)又は1軸方向(2次元)も含めて計算されることもあり、例えば、受信信号が3次元の場合には、次式が用いられる。
Therefore, the variation may be estimated by measuring and using T, f 0b , B b , SNRc, SNRe, SNRρ, and ρ as described in Patent Document 17, for example. Arbitrary constants or typical values may be used without measurement. As described in Non-Patent Document 19, f 0b may be obtained by calculating the instantaneous frequency or the first moment (centroid, that is, a weighted average value), and B b is the second central moment. It can be estimated by finding the square root.
S (fb) in the equations (S1) and (S2) is obtained by dividing the raw spectrum by using the raw spectrum and the total energy calculated using fb = 1 in the equation (S1). It is normalized so as to be 1. Alternatively, in Expressions (S1) and (S2), a raw spectrum may be used as S (fb), and each calculation result may be divided by the total energy, and the latter has a smaller amount of calculation. B b obtained by the equation (S2) may be used after being converted so as to represent a Rectangular bandwidth based on an actual transmitted or received pulse shape or spectrum shape (the following second-order central moment is expressed as follows). The same applies to the case where it is used.) In the case of a multidimensional reception signal, the calculation may include two axes orthogonal to the frequency axis in the beam direction (ie, three dimensions) or one axis direction (two dimensions). In this case, the following equation is used.

同様に、式(S1')及び式(S2')中のスペクトルは、エネルギーが1となるよう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 expressions (S1 ′) and (S2 ′) are normalized so that the energy becomes 1. Alternatively, similarly, a raw spectrum may be used in the equations (S1 ′) and (S2 ′), and each calculation result may be divided by the total energy, and the latter has a smaller amount of calculation. B b obtained by the equation (S2 ′) may be used after being converted to represent a rectangular bandwidth based on the actual transmitted or received pulse shape or spectrum shape (the following second-order central moment). The same applies to the case of using.
On the other hand, the SN ratio SNRe of an echo can be statistically estimated by repeatedly collecting echoes for an object or a calibration phantom. In some cases, a typical value is determined a priori based on the target, its state, measurement experience, and the like. On the other hand, the correlation SN ratio SNRρ can be estimated using the correlation value ρ locally evaluated at each point of interest. These methods are not limited to these. In addition, when any of the values is missing and the variation cannot be estimated absolutely, a typical value can be used.However, when a regularization parameter is set, it is expressed in a possible range. Multiplied by the undetermined proportionality constant, and the result obtained while changing the proportionality constant may provide the best situation result (for regularization, for example, Patent Document 6, Non-Patent Document 17, 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、
と表されるとき、ドプラ角周波数ωの平均と分散は、各々、
と表され、パルス繰り返し周期I内でビーム方向の速度が一定であるとすると、近似的に
パルス繰り返し周期Iが短いとすると、近似的に
と求められる。ちなみに、R(0)はWiener-Khinchine theoremに基づいて、信号のエネルギー又はパワースペクトルの積分から求めても良い。
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。
When the variation (used in power Doppler) derived by the one-dimensional autocorrelation method (Non-Patent Document 20), which is a one-way velocity measurement method, is applied, the autocorrelation function is slow. At -time-axis τ,
Where the mean and variance of the Doppler angular frequency ω are
When the speed in the beam direction is constant within the pulse repetition period I, approximately
If the pulse repetition period I is short, approximately
Is required. Incidentally, R (0) may be obtained from the integral of the energy or power spectrum of the signal based on the Wiener-Khinchine theorem.
Although the above autocorrelation function was not represented using spatial coordinates, it was processed using signals of a one-dimensional local region in the beam direction at the point of interest, 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, for example, see Non-Patent Documents 13 and 19 in detail.) In the two-dimensional or three-dimensional local area, the beam direction does not need to be on the orthogonal coordinate axes (including not only the Cartesian coordinate system but also the curvilinear coordinate system) of the local area, and the average and dispersion obtained are calculated based on the local area. Are the average and dispersion of the speed in the beam direction.
Therefore, each of the average and the variance of the displacement in the beam direction can be obtained by multiplying each of the formulas (AUTO2) or (AUTO2 ') and (AUTO3) or (AUTO3') by I and I square. Here, the weighted measurement of the displacement using the variation of the displacement has been described. However, the Doppler equations of the velocity and the acceleration may be derived, and each of the variations 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、
や、ZZLBとは別の方法が用いられる場合において、ビーム方向変位のばらつきが直接的に推定されずに変位ベクトルの各成分のばらつきが推定される場合には、以下の如く推定できる。つまり、それらの変位成分の計測誤差の確率過程が独立である仮定の下で、ビーム方向変位への誤差の伝搬を考えれば良い。例えば、3次元変位ベクトルの変位の平均値とばらつきの各々が、(mx,σx)、(my,σy)、(mz,σz)と推定されたとき、ビーム方向の変位の平均値mbeamとばらつきσbeamの各々は、以下の如く推定できる。
Here, when the first moment and the second center moment in the beam direction are not directly estimated but are estimated in each direction (for example, when the signal is three-dimensional), the x-axis direction The first moment f 0x and the second center moment Bx are
Alternatively, when a method different from ZZLB is used and the variation of each component of the displacement vector is estimated without directly estimating the variation of the beam direction displacement, the following estimation can be performed. In other words, propagation of the error to the beam direction displacement may be considered under the assumption that the stochastic process of the measurement error of those displacement components is independent. For example, when the average value and the variation of the displacement of the three-dimensional displacement vector are estimated to be (mx, σx), (my, σy), (mz, σz), the average value m beam of the displacement in the beam direction and Each of the variations σ beam can be estimated as follows.

また、式(A4)〜式(A6)に記載のパラメータ(T、f0b、B、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、
と推定できる。
Further, parameters described in equation (A4) ~ formula (A6) (T, f 0b , B b, SNRc, SNRe, SNRρ) is given for each of a plurality of directions, the average f 0x in each direction of displacement, f 0y , f 0z and variation σ CRLBx, σ CRLBy, σ CRLBz are each when estimation variance sigma CRLB beam direction of displacement, according to equation (A8),
Can be estimated.

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)。
The case where the unknown displacement of the position of interest is a two-dimensional vector u = (Ux, Uy) is derived in the same manner (when the unknown displacement is one and the displacement U in one direction or the displacement U in the beam direction). Is used as the estimated value itself).

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。   When a displacement is to be obtained for each point of interest or a local region related to the point of interest, the equation (A2) that is established by simultaneously establishing the weighted Doppler equations (A3) (p = 1 to N) established at that position is solved. The number N of waves or beams (ie, the number of equations) must be equal to or greater than the number of unknown displacement components. However, when performing the above block matching, as described above, a plurality of equations (A3) are satisfied from one wave or beam p. Therefore, the measurement may be performed with a smaller number of waves or beams as compared with the case where another displacement measurement method is used.

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)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)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。
At the same time, when regularization is also performed, all equations (A3) that are satisfied in a plurality of points of interest in the region of interest or a local region related to the point of interest are simultaneously established, and the unknown vector u is a displacement component distribution. Equation (A2) is obtained, and a regularized weighted least squares solution may be obtained (RWLSQS). At this time, variation or ZZLB may be used as a regularization parameter (a value proportional to the variation, a value proportional to a power, etc.). The regularization is described in detail in, for example, Patent Document 6. The variation in the displacement in the propagation direction or the beam direction of each wave described above may be used as a regularization parameter of the displacement in all directions, and the variation in the displacement in each direction estimated for each wave or beam may be different. May be used as a regularization parameter for displacement in the direction of. For example, as a distribution of unknown three-dimensional displacement vectors (Ux, Uy, Uz) T , an unknown vector having Ux, Uy, Uz, which are distributions of displacement components Ux, Uy, Uz in the x, y, and z directions, as partial vectors. When u = (Ux, Uy, Uz) T is determined, a matrix W having a beam direction displacement Wp (p = 1 to N) as a diagonal component, or a displacement Wpx, Wpy, in each direction. When matrices Wx, Wy, and Wz each having Wpz (p = 1 to N) as a diagonal component are used, the least squared error energy E (u) and its solution u are expressed as follows.

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。
In addition, the variation or ZZLB may be subjected to an averaging process with respect to the measurement result of the displacement component obtained by simultaneously selecting the selected Doppler equations, and may be used for weighting in that case. The weighted average is calculated by using the reciprocal Wp (p = 1 to N) of the variation in the beam direction or the reciprocal (Wpx, Wpy, Wpz) (p = 1 to N) of the variation in the displacement in each direction. May be required.

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。   The variation may be obtained based on an ensemble average under a non-stationary process other than the steady process or ZZLB, may be obtained using a calibration phantom, or may be obtained from the measurement target itself. As described above, the regularization parameter and the weighted matrix can be determined. However, there may be a case where a typical value is determined a priori based on an object, its state, measurement experience, and the like. Also, this is not a limitation.

このように、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21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21(a)は、並進の動き補償を示しており、図21(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21(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(Δ12)(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(Δ123)(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21(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21(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)、
3次元の場合には、例えば、x=rsinθcosφ、y=rcosθ及びz=rsinθsinφのとき、ヤコビ行列は(27)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)、
を得て(極座標系の原点は特異点)、関心点又は関心点を含む局所領域の信号とフレームNe内の同一位置の信号にて同様に直接に計算される極座標系のフーリエ変換(スペクトル)から求まる局所クロススペクトルの位相の勾配(クロススペクトル位相勾配法、非特許文献15)や多次元自己相関法等の変位ベクトル計測法から推定される動径方向と極角、仰角、方位角の変位ベクトル成分を用いて極座標系のフーリエ空間でそのフレームNe内の探索領域又は関心領域の信号の極座標系のフーリエ変換(スペクトル)に複素指数関数を乗ずる位相回転を施すことにより、動き補償を施して位相マッチングすれば良い。例えば、2次元の場合に局所信号の変位ベクトルが(Δrθ)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F(kr,kθ)に複素指数関数exp{i(krΔr+ kθΔθ)}を乗じて探索領域を変位ベクトルと逆の方向に(−Δr,−Δθ)だけ移動させ、3次元の場合に局所信号の変位ベクトルが(Δrθφ)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F(kr,kθ,kφ)に複素指数関数exp{i(krΔr+ kθΔθ+kφΔφ)}を乗じて探索領域を変位ベクトルと逆の方向に(−Δr,−Δθ,−Δφ)だけ移動させる。つまり、これを逆フーリエ変換したものから同一位置にて位相マッチングされたデカルト座標系又は極座標系で表された局所信号が得られる。即ち、2次元の場合には、k=ksinθ'及びk=kcosθ'であるから、各々、
であり、3次元の場合には、k=ksinθ'cosφ'、k=kcosθ'及びk=ksinθ'sinφ'であるから、各々、
である。
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。このよう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22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。動径方向の変位を零として回転方向の変位のみを未知変数として求めれば良い。動径方向の変位が微小である場合にはそれを無視して零と仮定して回転方向の変位のみを推定することもある。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に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)。
また、上記の通り、ヤコビ演算を通じたフーリエ変換又は逆フーリエ変換により、空間領域と周波数領域の直交座標系を変えたり、同領域における座標系を変えることを補間近似処理なしに実施することは様々な計測イメージングにおいて有用である(高精度である)。例えば、変位ベクトルや変位を計測する方法として、多次元クロススペクトル位相勾配法や多次元相互相関法や多次元自己相関法や多次元ドプラ法やそれらを1次元化した方法が有用であるが、相互相関法を除く方法を用いる場合には、スペクトルを求める際のフーリエ変換又は解析信号を求める際の逆フーリエ変換においてヤコビ演算を通じて座標系を変えて、計測結果を得ることが可能であるし、相互相関法を用いる場合には、空間領域においてヤコビ演算を用いた上記の方法で座標系を変えて計測結果を得ることができる。温度観測や様々な物性の観測に有用となる。
As described above, the weight value and the regularization parameter can be set with high accuracy in a state having a spatial resolution. However, when the deformation is small or the amount of calculation is reduced, an area wider than the point of interest or the local area ( 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 of the distances in the propagation direction and the depth of the observation target) is estimated, and the variation is estimated. It may be set globally and processed. The phase matching method (Patent Literature 6, Non-Patent Literature 15) invented in the past by the inventor of the present application is required to enable the measurement itself and to increase the measurement accuracy. For the conversion, the stretching method reported elsewhere is useful.
FIG. 21 shows motion compensation (phase matching) performed in the two-dimensional case by moving a search area provided in the next frame to be processed using an estimated value of a displacement vector of a point of interest or a local area including the point of interest. 21A is a schematic diagram of FIG. 21A. FIG. 21A illustrates translational motion compensation, and FIG. 21B illustrates 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 a translation process in phase matching (Non-Patent Documents 13 and 15), for example, each interest point or each interest point is determined 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. 21 (a)) that includes the location of that point of interest or the local region containing the point of interest in the next frame (referred to as frame Ne). . Similarly to the phase rotation of the one-dimensional signal in the method D3 in paragraph 0384, the spectrum is multiplied by a complex exponential function. For example, in the case of two-dimensional, the displacement vector of the local signal is (Δ 1 , Δ 2 ) (1 and 2 are two-dimensional When it is estimated to represent the axis of the 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 area. 2 )} to shift the search area in the direction opposite to the displacement vector by (−Δ 1 , −Δ 2 ), and in the three-dimensional case, the displacement vector of the local signal is (Δ 1 , Δ 2 , Δ 3 ) (Where 1, 2 and 3 represent axes of a three-dimensional Cartesian coordinate system), a complex three-dimensional spectrum A (k 1 , k 2 , k 3 ) of the wave signal in the search area is obtained. Multiply the exponential function exp {i (k 1 Δ 1 + k 2 Δ 2 + k 3 Δ 3 )} to shift the search area by (−Δ 1 , −Δ 2 , −Δ 3 ) in the direction opposite to the displacement vector (Patent Document 6, Non-patent Document 15 etc.). That is, when the spectrum after the multiplication is subjected to the inverse Fourier transform, a local (spatio-temporal) spatial signal represented by a Cartesian coordinate system phase-matched (shifted) at the same position is obtained. Incidentally, when the local region is shifted in the direction of the displacement vector, exp {−i (k 1 Δ 1 + k 2 Δ 2 )} or exp {−i in which the sign of the core of the complex exponential function is inverted in each case. (k 1 Δ 1 + k 2 Δ 2 + k 3 Δ 3 )}. However, in digital signal processing, as described later, the cyclicity of the digital signal becomes a problem, Should be shifted.
When rotation processing is performed in phase matching, similar to translational phase matching (see Non-Patent Documents 13 and 15, FIG. 21A), for example, a Cartesian coordinate system using a linear array probe Search for each point of interest or each local region containing each point of interest in any orthogonal coordinate system, such as the frame of interest, including the position of that point of interest or the local region containing the point of interest in the next frame (referred to as frame Ne) The Fourier transform (ie, spectrum) of the signal of the region or region of interest (see FIG. 21 (b)) in the polar coordinate system (the center of the polar coordinate system is at each point of interest or a position within or outside the region of interest) is described herein. It is obtained directly without approximation through the Jacobi operation implemented in the book.
That is, in the two-dimensional case, for example, when x = rsinθ and y = rcosθ, the Jacobian matrix becomes the inverse of the Fourier transform expressed by the equation (22) (the inverse function theorem).
In the three-dimensional case, for example, when x = rsinθcosφ, y = rcosθ, and z = rsinθsinφ, the Jacobian matrix is the inverse of the Fourier transform expressed by the equation (27) (the inverse function theorem).
(The origin of the polar coordinate system is a singular point), and the Fourier transform (spectrum) of the polar coordinate system is also calculated directly by the signal of the interest point or the local area including the interest point and the signal of the same position in the frame Ne. Displacement of the radial direction, polar angle, elevation angle, and azimuth angle estimated from the displacement vector measurement method such as the gradient of the phase of the local cross spectrum (cross spectrum phase gradient method, Non-Patent Document 15) or multidimensional autocorrelation method obtained from The motion compensation is performed by performing a phase rotation of multiplying the Fourier transform (spectrum) of the signal of the search region or the region of interest in the frame Ne by a complex exponential function in the Fourier space of the frame Ne in the polar coordinate system using the vector component. What is necessary is just to perform phase matching. For example, when the displacement vector of the local signal is estimated to be (Δ r , Δ θ ) in the two-dimensional case, a complex exponential function exp is added to the two-dimensional spectrum F (k r , k θ ) of the wave signal in the search area. {i (k r Δ r + k θ Δ θ)} obtained by multiplying by search area displacement vector in the opposite direction to (-Δ r,θ) is moved by the displacement vector of the local signal in the case of a three-dimensional There (Δ r, Δ θ, Δ φ) when it is estimated that the 3-dimensional spectrum F of the wave signal of the search area (k r, k θ, k φ) to a complex exponential function exp {i (k r Δ r + k θ Δ θ + k φ Δ φ)} obtained by multiplying by search area displacement vector in the opposite direction to (-Δ r, -Δ θ, -Δ φ) is moved by. That is, a local signal represented by a Cartesian coordinate system or a polar coordinate system which is phase-matched at the same position is obtained from the result of inverse Fourier transform of the signal. That is, in the case of two dimensions, because it is k x = k r sinθ 'and k y = k r cosθ', respectively,
And in the case of three dimensions, k x = k r sinθ'cosφ ' , k y = k r cosθ' because it is and k z = k r sinθ'sinφ ', respectively,
It is.
The local area and the search area are often set at the center of interest, but the latter can efficiently provide the search area in the direction of tissue displacement when the direction is given a priori. The same is true for the purpose of phase aberration correction and motion compensation. In the case of using a multidimensional autocorrelation method other than the cross spectrum phase gradient method, for example, the (analysis) signal of each frame may be obtained in a polar coordinate system, and similarly, a Fourier transform using a Jacobi operation may be performed. good. In this way, rotational phase matching can be performed with high accuracy, as with translational phase matching. By the above-mentioned Fourier transform using the Jacobi operation, a digital signal or a discrete Fourier transform (discrete spectrum) represented in an arbitrary rectangular coordinate system, such as when a sector scan or a convex type probe is used, is not approximated. Directly to another arbitrary Cartesian coordinate system (even if it is a different Cartesian coordinate system such as Cartesian Cartesian coordinate system or various curved Cartesian coordinate systems, the origin is different or rotated, or the same Cartesian coordinate system It is possible to re-express the expression by using the phase rotation described in paragraphs 0026, 0132, 0214, etc., which has high accuracy. It takes time to calculate). FIG. 22 is a flowchart showing an example of signal processing by Fourier transform using Jacobi operation, but the above signal processing is not limited to this.
In the phase matching, first, translation phase matching is performed on a signal represented by each rectangular coordinate system, and then rotation phase matching is often performed, but this is not a limitation. It may be performed alternately or in reverse order. Further, as described in Non-Patent Documents 13 and 15, each phase matching may be repeatedly performed (the repetition is terminated when the corrected displacement becomes smaller than a preset threshold). In some cases, expansion and contraction processing is performed.
Note that the local region and the search region are not necessarily rectangular, but may have another shape such as a circle (data is stored in a rectangular array, for example, a square or rectangle, a cube or a rectangular parallelepiped array). In such a case, the array of positions corresponding to the area outside the area such as a real circle or a sphere may be padded with zeros). The search area must be appropriately larger than the local area so that the signal circulating in the search area does not appear in the region of interest due to the phase rotation by multiplying by the complex exponential function in the frequency domain. Only the amount increases, and it is appropriately determined a priori from the magnitude of the displacement vector of the observation target). Incidentally, when there is no displacement in the radial direction and only the displacement in the rotational direction is observed, the size of the search area may be the same as the local area. The displacement in the radial direction may be set to zero, and only the displacement in the rotation direction may be obtained as an unknown variable. When the displacement in the radial direction is minute, it may be ignored and assumed to be zero, and only the displacement in the rotation direction may be estimated. Also, the search area may be provided in the previous frame. Further, in order to shorten the processing time, phase matching may be performed by discrete shifting of a digital signal, instead of phase matching multiplied by a complex exponential function. In this case, it is not always necessary to perform motion compensation on the search area, and phase matching may be performed by directly searching (block matching) the local area in the search area of another frame.
The phase matching is performed by a DAS process described in paragraph 0384 (an interpolation process of the method D1 or a process of performing a phase rotation on the analytic signal in the spatiotemporal domain of the method D2) in addition to the phase rotation process in the frequency domain of the polar coordinate system. As in the case of shifting a multi-dimensional signal based on the delay processing of shifting through a multi-dimensional analysis, a multi-dimensional analysis signal represented by a polar coordinate system is processed to perform phase matching (shifting or rotation in a radial direction). Processing). The phase rotation processing in the frequency domain of the polar coordinate system is based on the delay processing of the method D3. These processes can also be used for the DAS process in the polar coordinate system, and can be performed at the time of other beam forming such as Fourier beam forming, adaptive beam forming, and minimum variance in the polar coordinate system. This is useful when signals such as motion compensation, phase matching (including a new processing method), positioning, and position correction are shifted or rotated in the radial direction in time coordinates, space coordinates, or 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 three dimensions,
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. Here, (k r , k θ , k φ ) is the wave number in each direction at each position (r, θ, φ). That is, in a digital signal, analog shifting can be performed in a discrete polar coordinate system (preferably a high sampling frequency when high accuracy is required) by using a wave number in each direction at each position. . As in the case of the one-dimensional case, the accuracy can be higher than that of the method D1 (corresponding to signal block matching or fragment matching in the spatiotemporal domain), and the accuracy is lower than the other methods (methods D3 and D4). But the calculation speed is fast. It is suitable when a high calculation speed is required.
It should be noted that in these processes, the point spread function is simultaneously shifted in the radial and rotational directions together with the observation target itself (it can be a source of error in phase matching). Further, these processes may be performed on a signal having no carrier frequency (for example, image processing).
In addition, as described above, there are various ways to change the orthogonal coordinate system between the space domain and the frequency domain or to change the coordinate system in the same domain without the interpolation approximation process by the Fourier transform or the inverse Fourier transform through the Jacobi operation. It is useful in accurate measurement imaging (high accuracy). For example, as a method of measuring a displacement vector and a displacement, a multidimensional cross-spectral phase gradient method, a multidimensional cross-correlation method, a multidimensional autocorrelation method, a multidimensional Doppler method, and a method of making them one-dimensional are useful. When using a method other than the cross-correlation method, it is possible to obtain a measurement result by changing the coordinate system through a Jacobi operation in Fourier transform when obtaining a spectrum or inverse Fourier transform when obtaining an analytic signal, When the cross-correlation method is used, a measurement result can be obtained by changing the coordinate system by the above-described method using the Jacobi operation in the spatial domain. It is useful for temperature observation and observation of various physical properties.

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。
Further, a Wiener filter can be applied as Wp. In the spatio-temporal domain, after directly weighting the signal itself, imaging or displacement measurement of the signal is performed. The signal is a signal r (x, y, z) before or after detection.

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 an object or a calibration phantom. For example, a variation can be used, and the estimation may be performed locally using an averaging or as an ensemble average, assuming a steady process. In some cases, a typical value is determined a priori based on the target, its state, measurement experience, and the like. Also, this is not a limitation. In addition, when performing envelope detection, square detection, and absolute value detection to detect the signal r (x, y, z) for imaging, Expression (A12) and Expression (A13) are multiplied at each position. Sometimes. Also, weighting can be performed in the same manner when a self spectrum is obtained by obtaining a power spectrum by multiplying a conjugate of the analysis signal by the analysis signal. The pre-processing of the signal before using the auto-correlation method or the Doppler method, which is a displacement measurement method using the analysis signal, or the cross-spectral phase gradient method or the cross-correlation method (the analysis signal may not be used), etc. 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 the equations (A12) and (A13), r (x, y) respectively And n (x, y), and r (x) and n (x). Further, in each beam or a region of interest obtained by scanning with each beam, Expression (A12) or Expression (A13) may be obtained and used globally. Similarly to Expressions (A12) and (A13), Expressions (A4) to (A6) may also be used directly 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、
但し、PWpn(ωx,ωy,ωz)とPWps(ωx,ωy,ωz)は、各々、ノイズと信号のパワースペクトラムであり、PWps(ωx,ωy,ωz)には代わりにクロススペクトルの大きさの二乗(||Hp(ωx,ωy,ωz)||2)が使用されることがある。qは任意の正値である。
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-spectral 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, for each wave or beam, 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. , ωy, ωz), the gradient (three-dimensional unknown displacement vector) of the phase spectrum θ (ωx, ωy, ωz) is obtained using the least squares method.
However, PWpn (ωx, ωy, ωz) and PWps (ωx, ωy, ωz) are noise and signal power spectra, respectively, and PWps (ωx, ωy, ωz) is replaced by The square (|| Hp (ωx, ωy, ωz) || 2 ) may be used. q is an arbitrary positive value.
Is performed, and the least squares are applied. For example, expressions (1) to (14 ′) of Patent Document 6 describe a case where the square of the magnitude of the cross spectrum (|| Hp (ωx, ωy, ωz) || 2 ) itself is used for weighting. However, Wp (ωx, ωy, ωz) may be used in place of the weight (as described above, the dispersion in the beam direction and ZZLB may be used separately). is there). Note that the least squares are evaluated for each of the N waves or beams for p = 1 to N and are least squared at each point of interest at once.

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。   The noise power spectrum PWpn (ωx, ωy, ωz) can be statistically estimated by repeatedly collecting echoes for the target object or the calibration phantom. In some cases, a typical value is determined a priori based on the target, its state, measurement experience, and the like. Also, this is not a limitation.

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 formulas (A12) and (A13), and the formulas (A12 ′) and (A13 ′) PWpn (ωx, ωy, ωz) / PWps (ωx, ωy, ωz) is the reciprocal of the SN ratio SNRe of the above-mentioned echo, 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. Further, in a state where there is a spatial resolution, or in a region of interest obtained by scanning each beam or each beam, Expressions (A12 ′) and (A13 ′) are obtained globally, and Expressions (A12) and (A12) are obtained. Like Expressions (A13) and (A4) to (A6), they may be used directly for echo weighting (imaging or displacement measurement). When detecting the signal r (x, y, z) for imaging (envelope detection, square detection, absolute value detection, etc.), Expression (A12) or Expression (A13) may be used. However, in that case, the square norm of the first spectrum Hp (ωx, ωy, ωz) in the equation (however, the spectrum of the local signal or the signal covering the region of interest) may not be used. The same applies to the case where the conjugate of the local spectrum Hp (ωx, ωy, ωz) is multiplied by the spectrum Hp (ωx, ωy, ωz) to obtain a power spectrum to obtain an autocorrelation function signal.

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) or the unknown displacement is U (one) in the beam direction, H (ωx, ωy, ωz) in the equations (A12 ′) and (A13 ′). ), Weights similarly expressed using respective Wiener filters for the cross spectrums H (ωx, ωy) and H (ωx) between the signals before and after the 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。   Furthermore, when regularization is performed, similarly, the regularization parameter may be set using the above-described variation or the like in accordance with Equations (10) and (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 the cross-spectrum phase gradient method or other block matching method is used, displacement vectors in two or more directions can be obtained using one wave or beam alone, and one wave or beam can be used alone. Even so, an over-determined system can be configured.

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 any of the above displacement measurements, it is possible to perform the measurement without using an over-determined system. In such a case, the above-described 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(この場合に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。
本位相マッチングの計算は、信号の次元において同次元の周波数成分を用いて処理されるが、未知変位が同一の次元を持つ場合に限られない(coarse推定は同次元の推定が行われる)。例えば、本願の発明者により特許文献11や非特許文献19において開示された、生成されたビーム方向を各関心点で算出して同ビーム方向の変位を求めることに基づく高精度な1方向変位の観測方法又は装置において、例えば、特許文献11の図12の2次元信号において導出される、生成されたビーム方向を各関心点で算出して同ビーム方向の変位を求めるための方程式(A)、又は、何かしらの方法により未知変位の方向が特定されてその方向の変位を求めるための方程式(A')においても、多次元のcoarseな推定結果の分の位相を同様にそれらの式中のフレーム間の位相差Δθに加える位相マッチングを施した上で解き、直接にビーム方向又は特定方向の未知変位(1方向変位)が求められることがある。この処理は、様々な特定方向の変位を算出する場合に応用でき、例えば、体表と平行な方向に走行する頸動脈や頸静脈等の血管内の血流の観測において、極力に血流方向に近い方向の偏向ビームを生成して応用できることが開示されており、ビームを血流方向に向けるべくセンサー(探触子)の物理開口の向きを機械的に調整することを要した旧来のドプラ観測よりも簡便な計測手技を実現できるとして実用化されている(生信号のrf画像やBモード画像や他のモダリティーの画像等を見ながら、極端には、探触子のアレイ素子の並ぶ方向を血流方向に合わせて観測できるし、また、探触子の物理開口や偏向ビームに対して血流方向を定めることのできる専用のセンサーや画像処理や信号処理を備えている場合がある)。探触子が広帯域化されて良い偏向ビームを生成できる様になったことは重要である。特許文献11においては、3次元信号の場合に関しても開示されている。この処理は、1つの偏向角度(開口面の正面方向の偏向角度0°の場合を含む)のビーム又は波動が生成された場合(様々な物理開口形状のセンサーを用いた際に開口形状そのものやビームフォーミング計算処理を通じてフォーカスされている場合もあれば、平面波や発散波等や仮想源や様々な物理開口形状のセンサーが使用されてフォーカスされていない場合等もある)のみならず、2つ以上の異なる偏向角度を持つ複数のビームが生成される場合において特定された方向の未知変位に関するOver-determinedシステムを構成する場合においても有効である(つまり、式(A')に該当する式を連立する)。超音波の医用応用だけでなく、様々な物理波動(電磁波や熱波等)を用いた様々な観測においても有用である。
The displacement is obtained from at least two signals. When the displacement is large in the displacement (displacement of the point of interest or a local area including the point of interest), the instantaneous phase (multidimensional or One-dimensional auto-correlation 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 inverted. As described above, phase matching (spatial shifting or phase rotation multiplied by a complex exponential function) may be performed instead of unwrapping the phase of the object. (C. Sumi et al, World Congress of Ultrasound in Medicine and Biology, Sapporo, 1994). In paragraph 0405, the shifting process in the radial direction and the rotation direction in the polar coordinate system by the same process has also been described. Also, various shifting processes that can be used for the delay process of the DAS process described in paragraphs 0384 and 0405 are effective. A cross-correlation-based multi-dimensional or one-dimensional cross-correlation method (in which case block matching is effective) or a cross-spectral phase gradient method (processing with a coarse sampling interval) that enables estimation of a large displacement. Perform coarse estimation to perform phase matching (it may be iteratively processed), and then perform Fine estimation using those methods (it may be iteratively processed as well, In the cross-spectral phase gradient method, the sampling interval may be returned to the original value for processing. As described above, it may 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 in order to stabilize its estimation, it is obtained by multiplying the imaginary part / real part of the complex autofunction by the inverse tangent function based on Euler's formula. Whether the instantaneous phase is subjected to moving average processing in time or space (method Ai), or the moving average is similarly applied to the complex self-function, and the imaginary part / real part is similarly multiplied by the inverse tangent function to calculate the phase. Can be used (method Aii). In the case of the Doppler method, the instantaneous phase or the difference obtained by multiplying the imaginary part / real part of the analytic signal by the inverse tangent function is used to stabilize the estimation using the instantaneous phase difference of the analytic signal itself. Similarly, moving average processing can be performed (method D). The cross spectrum phase gradient method uses the phase of the cross spectrum of the local signal (method C).
Of these, coarse displacement is estimated using the cross-correlation method and phase matching (spatial shifting) is performed. When processing is performed based on method Ai and method D, spatial displacement is not considered. Because the moving average of time or space is applied to the instantaneous phase that may have a continuous distribution, the displacement is not obtained correctly (errors occur, and the final result of phase matching is a discontinuous displacement distribution turn into). Therefore, after phase matching (spatial shifting), for example, in three-dimensional observation, the instantaneous frequency is (fx, fy, fz), and the unknown displacement to be updated for the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) Is (ux, uy, uz), and the instantaneous phase that may have a spatially discontinuous distribution before moving average processing is θ, the equation was expressed as fx ux + fy uy + fz uz = θ In this case, using the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) for the phase θ, calculate θ ′ = θ + fx dx0 + fy dy0 + fz dz0 to obtain the coarse estimation result (dx0, dy0, After applying phase matching (corresponding to phase rotation) to add the phase of dz0) and performing moving average processing to obtain θ '', solve fx dx + fy dy + fz dz = θ '' The estimation result of the unknown displacement (dx, dy, dz) can be obtained directly (a new phase matching). In these calculations, the instantaneous frequency (fx, fy, fz) may be subjected to moving average processing or may not be moving averaged. By this phase matching, it is possible to avoid adding an estimated value (ux, uy, uz) that cannot be obtained correctly to a coarse estimation result (dx0, dy0, dz0). In addition, the moving average of the instantaneous phase θ ′ after phase matching is not used, and the estimation result of the unknown displacement (dx, dy, dz) can be directly obtained 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 observation and one-dimensional observation.
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 is performed based on the method Aii, a spatially discontinuous distribution is obtained. The moving average of the time or space is not applied to the instantaneous phase that may be performing, and there is no problem even if the moving averaged instantaneous phase has a spatially discontinuous distribution. . That is, for example, in the case of three-dimensional observation, when processing is performed based on the method Aii, a coarse estimation result is obtained for the moving averaged instantaneous phase θ ″ obtained after phase matching (spatial shifting). Phase matching that calculates θ '''=θ''+ fx dx0 + fy dy0 + fz dz0 using (dx0, dy0, dz0) and adds the phase of the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) (Corresponding to phase rotation) to obtain θ '''', and solve the fx dx + fy dy + fz dz = θ '''' to directly estimate the unknown displacement (dx, dy, dz). The displacement amount (ux to be updated by solving the equation fx ux + fy uy + fz uz = θ '' using θ '' instead of θ '''' as in the past (a new phase matching) , uy, uz), and adds it to the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0), the estimation result is obtained. In these calculations, the frequency (fx, fy, fz) may be subjected to moving average processing or may not be subjected to moving average. The same applies to two-dimensional observation and one-dimensional observation.
Further, when processing is performed based on Method D, similarly, when coarse displacement is estimated using the cross-correlation method and phase matching (spatial shifting) is performed, the phase characteristic (frequency Characteristics) may have a spatially discontinuous distribution, but the moving average is not applied to the distribution, and this is not a problem. (In each local region, the phase frequency characteristics become discontinuous.) Is not). The equations relating to the displacement may typically be set up simultaneously at the center of gravity frequency or frequencies near the center of gravity (in the case of one-dimensional, two-dimensional, three-dimensional, at least one, two, three (It is necessary to set the frequency) and may be set to be over-determined in the signal band. Even in this case, after phase matching (spatial shifting), for example, in three-dimensional observation, the frequency in the signal band is (Fx, Fy, Fz) and the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) If the unknown displacement to be updated is (ux, uy, uz) and the phase of the cross spectrum of the same frequency is α, and the equation is expressed as Fx ux + Fy uy + Fz uz = α, the phase α On the other hand, using 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) and obtaining α ′, the estimation result of the unknown displacement (dx, dy, dz) can be obtained directly by solving Fx dx + Fy dy + Fz dz = α ′. Estimated value of displacement (ux, uy, uz) to be updated by solving the equation Fx ux + Fy uy + Fz uz = α using α instead of α ′ (this is a new phase matching) And convert it to a coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) Calculated to be estimated result is obtained. The same applies to two-dimensional observation and one-dimensional observation.
The calculation of this phase matching is processed using the same-dimensional frequency component in the signal dimension, but is not limited to the case where the unknown displacement has the same dimension (coarse estimation is performed with the same dimension). For example, a highly accurate one-way displacement based on calculating the generated beam direction at each point of interest and calculating the displacement in the same beam direction, disclosed in Patent Document 11 and Non-Patent Document 19 by the inventor of the present application. In the observation method or apparatus, for example, an equation (A) for calculating a generated beam direction at each point of interest and obtaining a displacement in the same beam direction, which is derived from the two-dimensional signal in FIG. Alternatively, in the equation (A ') for determining the direction of the unknown displacement by any method and calculating the displacement in that direction, the phase of the multidimensional coarse estimation result is similarly set to the frame in those equations. In some cases, an unknown displacement (one-direction displacement) in the beam direction or a specific direction is directly obtained by solving after performing phase matching to be added to the phase difference Δθ between them. This processing can be applied when calculating displacements in various specific directions. For example, in observing blood flow in a blood vessel such as a carotid artery or a jugular vein running in a direction parallel to the body surface, the blood flow direction is minimized. It has been disclosed that a polarized beam can be generated and applied in a direction close to that of a conventional Doppler, which required mechanical adjustment of the orientation of a physical aperture of a sensor (probe) to direct the beam in the direction of blood flow. It has been put into practical use as a measurement technique that is simpler than observation. (In extreme cases, the direction in which the array elements of the probes are lined up while looking at rf images of raw signals, B-mode images, images of other modalities, etc.) (It may be equipped with a special sensor that can determine the blood flow direction with respect to the physical aperture of the probe and the deflected beam, image processing, and signal processing.) . It is important that the probe can be broadened to generate a good deflection beam. Patent Document 11 also discloses a case of a three-dimensional signal. This processing is performed when a beam or a wave having one deflection angle (including a case where the deflection angle is 0 ° in the front direction of the opening surface) is generated (when the sensor having various physical opening shapes is used, the opening shape itself or (In some cases, the beam is focused through the beamforming calculation process, in other cases, the beam is not focused by using a plane wave, a divergent wave, a virtual source, or a sensor having various physical aperture shapes.) This is also effective when constructing an over-determined system for unknown displacement in a specified direction when a plurality of beams having different deflection angles are generated (that is, the equations corresponding to equation (A ′) are simultaneously established). Do). It is useful not only for medical applications of ultrasonic waves but also for various observations using various physical waves (such as electromagnetic waves and heat waves).

変位ベクトルや1方向の変位(上記の装置や方法に限らない)を観測するにあたり、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、
であり、尤度関数は、
従って、対数尤度Lは、式(LM3)に対数を掛けた
を得る。
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、
波動信号において直流を含まない場合には、式(LM9)の代わりに式(LM9')の如く、平均値を零として計算することもある。ボケ画像の復元や超解像においては共分散行列の計算には時間を要することが多いので注意が必要である。
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に、点拡がり関数の時空間不変(spatially invariant)を仮定できる場合に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
但し、p(θ|D)はθのa posteriori確率密度関数(最尤推定)の式(LM3)であり、
はDの確率密度関数(prior:事前確立)である。
を最大化して実施できる。Dが変位ベクトルの分布を表す場合には、Dは多方向の変位成分の分布から成り、正則化において各方向の変位成分の分布が異なる正則化パラメータを用いて同時に正則化されるのと同様に、各方向の変位成分の分布においてCD及びE[D]の成分が求められて用いられる。このMAP推定は、重み付き最小二乗法としてコスト関数
を最小化することと等価であり、解は、
但し、Pは正則化オペレーターであり、λはハイパー正則化パラメータである。
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やその偶数のn乗ノルム)等が使用されることもあり、この場合に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。若しくは、変則的に、(MAP02)式において、Dの代わりにPDを用い、PDに関する事前確立prior(p(PD))として用いることもできる。ここで、Pは、上記のG又はGTG又はそれらの偶数n乗ノルムであり、CDの代わりにCPD(PDの共分散行列)が同様に求められて用いられることもある。これらにおいて、E[D]やE[PD]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(計算量を低減できる)。
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(Oがランダムである場合にはE[O]=0として計算量を低減でき、理論的に零ベクトルで無くとも、同目的にて、便宜上、零ベクトルとして計算することがある)、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。事前確立(prior)において、同様に勾配作用素Gを用いることもある。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。
但し、*は共役を表し、ここでは各行列やベクトルで表される空間分布の周波数応答を同一の文字を用いて表している。同文献には、通常のウィーナーフィルタよりも正則化が有効である結果が報告されている。本発明においては、本願に記載のウィーナーフィルタの応用(変則型を含む)や時空間的にvariantな正則化(正則化パラメータが時空間的にvariant)が行われる。また、上記の如くに整形フィルタが施されることがある。
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には、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)。
In observing the displacement vector and the displacement in one direction (not limited to the above-described apparatus and method), a plurality of waves having different wave forms and beam forming parameters generated at the same position (in addition to those physically generated, Derives one equation from each one of the following: a pseudo wave generated by superimposing waves having different waves and beamforming parameters, and a pseudo wave generated by frequency-dividing a spectrum. The same number of equations as the unknown displacement component may be combined, or more than the same number of equations may be combined to realize an over-determined system, or equations derived at different positions may be solved simultaneously, and those equations may be solved. May be processed by performing the above-described phase matching that makes the spatial distribution of the phases continuous.
In particular, when performing the optimization processing (paragraph 0402, paragraph 0403, etc.) and other optimization processing described in the present application in order to increase the accuracy and stabilization of displacement measurement (estimation), all displacement measurement methods are used. Should be processed after the above-described phase matching for making the spatial distribution of the phase continuous. First, assuming a local stationary process with respect to the phase of the complex autocorrelation function and the instantaneous phase difference of the analytic signal and the phase of the local cross spectrum, local or temporal local average or variance, or covariance is estimated. If the phase includes the above error, an error occurs. For example, the case where the maximum likelihood estimation is performed is applicable (may be performed together with the Maximum a posteriori (MAP)). Normal equations or over-determined equations at the point of interest
And the likelihood function is
Therefore, the log likelihood L is obtained by multiplying the equation (LM3) by the logarithm.
Get.
Incidentally, as the super-resolution, a matrix F representing a blur function (considered as a point spread function of a linear space-time invariant system or a linear space-time variable system), a vector O representing an original image (target), and a vector B representing a blur image, When FO = B is solved using and maximum likelihood estimation is performed, similarly,
When a direct current is not included in the wave signal, the calculation may be performed with the average value set to zero as in Expression (LM9 ′) instead of Expression (LM9). It should be noted that the restoration of the blurred image and the super-resolution often require time to calculate the covariance matrix.
The processing in the spatio-temporal domain is effective in the case of a spatio-temporal variant. The point spread function at each position at a distance from the physical aperture plane is averaged over a plurality of point spread functions (one-dimensional autocorrelation function or multidimensional autocorrelation function in the depth direction or the horizontal direction) estimated at the same distance position. It is effective to perform estimation (see Non-Patent Documents 35 and 36). A point spread function estimated at a position of interest without averaging may be used. For processing in these spatiotemporal domains, for example, a conjugate gradient method or the like can be used. When the maximum likelihood estimation is performed, a MAP (Maximum a posteriori described later, for example, Non-Patent Document 42) is effective, but a method using the 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 spatiotemporal domain or to multiply its 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 (spatially invariant) can be assumed, devolution will be performed, but considering the calculation speed, the processing is described in the present application. It is better to perform an inverse filtering process in the frequency domain. In that case, the point spread function may be averaged and used in a region considered to be space-time invariant. This applies to the case of classical aperture synthesis where the spatial resolution is almost uniform, or the case where dynamic reception is performed by performing plane wave transmission.However, even when the spatio-temporal variation occurs when the focus beam is generated, the spatio-temporal invariance is assumed. The same processing may be performed in the frequency domain. Similarly, for the processing result, it is effective to convolve a point spread function desired as shaping filtering in the spatio-temporal domain or to multiply its frequency response in the frequency domain.
Further, a variance is estimated from a displacement measurement result in a posteiori, and a regularization parameter is determined so as to be proportional to the variance (regularization, Non-Patent Document 18). When the least squares method is performed, an error occurs when the displacement measurement result includes an error due to the phase error.
Further, those statistics are implemented in an equation relating to the displacement (ux, uy, uz) to be updated for the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0). Therefore, the variation (used in the power Doppler) derived by the one-dimensional auto-correlation method (Non-patent document 20) which is a one-way velocity measurement method, and the multi-dimensional auto Variations derived for 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 above-described phase matching that makes the spatial distribution of phases continuous in all displacement measurement methods. During the phase matching, the moving average processing or optimization must not be performed on the displacement (residual displacement) itself to be updated or the corresponding phase data. In addition, even if this new phase matching is not necessary, there are cases where a plurality of estimation results are obtained by using several types of optimization methods, or a final result is obtained by integrating or judging them. There are some good things to do if you do.
Here, MAP estimation that is effective in maximum likelihood estimation will be described, and further, similarity with regularization will be described (Non-Patent Document 42).
The MAP estimation of D in equation (LM1) is a posteriori probability density function of D
Here, p (θ | D) is an equation (LM3) of the a posteriori probability density function (maximum likelihood estimation) of θ,
Is the probability density function of D (prior: pre-established).
Can be maximized. When D represents the distribution of the displacement vector, D consists of the distribution of displacement components in multiple directions, similar to the case where the distribution of the displacement components in each direction is regularized simultaneously using different regularization parameters in regularization. Next, CD and E [D] components are obtained and used in the distribution of displacement components in each direction. This MAP estimation is performed using a cost function as a weighted least squares method.
Is equivalent to minimizing and the solution is
Where P is a regularization operator and λ is a hyper regularization parameter.
Will be solved. A unit matrix can be used as the regularization operator P. In this case, the regularization parameter λ can be used 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 (a Laplacian operator G T G using a gradient operator G or its even n-th norm) or the like may be used. The band frequency error is effectively suppressed, but high frequency components may be lost (but can also be used for blurred image restoration and super-resolution). Multiple regularization operators may be used simultaneously. Instead of the derived equation (REG1), for convenience, a typical value is used as λ as a regularization parameter, 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 equation (LM1), In some cases, it is determined to be proportional to the variance (the effect of regularization increases when the regularization parameter is increased). Furthermore, weighted least squares method using the weight matrix W of the formula (A2) is the W T W is obtained using the inverse of the variance of D (variation is small precision high expression of D is emphasized weight To increase).
Due to the similarity between the formula (MAP2) and the formula (REG1), it is also effective to use a mixture of both formulas. Alternatively, in the (MAP02) equation, PD may be used in place of D and used as a pre-established prior (p (PD)) for PD. Here, P is a said G or G T G or their even-n th power norm, (covariance matrix of the PD) C PD instead of C D is sometimes is used is determined in the same manner. In these, even if E [D] and E [PD] are not zero vectors, they may be calculated as zero vectors for convenience (the amount of calculation can be reduced).
In addition, in the restoration and super-resolution of the blurred image, when the maximum likelihood estimation is performed in the above-described system FO = B, the equations (LM7) to (LM9) are solved, and similarly to the above displacement measurement, MAP estimation (If O is random, the calculation amount can be reduced by setting E [O] = 0. Even if it is not a zero vector theoretically, it can be calculated as a zero vector for the same purpose for convenience. Yes), it is also possible to use the EM algorithm, and it is also effective to perform processing in the frequency domain as a space-time invariant system. The gradient operator G may be used in the prior establishment similarly. As in the case of the above displacement measurement, it is also effective to regularize and stabilize the system in the spatio-temporal domain and solve it (Non-Patent Document 43). Is possible.
Here, * represents conjugate, and here, the frequency response of the spatial distribution represented by each matrix or vector is represented using the same character. The document reports that regularization is more effective than a normal Wiener filter. In the present invention, application (including anomalous type) of the Wiener filter described in the present application and spatio-temporal variant regularization (regularization parameter is spatio-temporal variant) are performed. Also, a shaping filter may be applied as described above.
This regularization is at the cost of lowering the spatial resolution when the SN ratio of the received signal is low, between signals with different ultrasonic parameters or beamforming parameters, or between sensing signals that are physically different. Also, such a smoothing process may be useful.
Other than that, for example, optimization can be similarly performed in the inverse analysis shown in paragraph 0377 and various other inverse analysis (when the system is represented by Ax = b). In addition to maximum likelihood estimation, MAP, and regularization, Bayesian estimation can be similarly performed, and various other effective methods can be applied. By the way, when a vector such as a displacement vector or a current density vector is to be observed, 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。
このように、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 different waves generated at the same position and a plurality of waves themselves having beamforming parameters (including physically generated waves and pseudo waves generated by frequency-dividing a spectrum). ) And pseudo waves generated by superimposing those waves (broadband and high resolution by coherent addition), or phase aberration correction at the time of their beam forming process (high accuracy by applying displacement measurement method) It is also effective in high-precision phase matching based on phase aberration measurement), in which signal separation by ICA (Independent Component Analysis) processing (which has a multiplexing effect more effective than averaging) and super-resolution by non-linear processing It is also effective for etc. 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 when the observation target is clearly displaced or continuously acquired It is also effective to correct the phase aberration during and after beamforming and to perform super-resolution during and after beamforming on received signals in a plurality of frames that are frequently performed (super-resolution due to superimposed waves). Image processing, superimposition of super-resolution results, etc.). It is also effective to process these between different sensing signals such as MRI, ultrasound, X-ray CT, OCT, and terahertz. In such a process using a plurality of frame data, a large displacement or deformation of the observation target, particularly a signal loss due to spontaneous displacement of the observation target under non-control (for example, when the observation target is one-dimensional or two-dimensional or three-dimensional) Since the accuracy of phase matching between a plurality of frame data is reduced due to a physical action such as departure from the dimensional region of interest) or heating (treatment) or a chemical action such as chemotherapy, the displacement measurement (shifting) described in the present application is performed. Although optimization such as regularization and maximum likelihood estimation in (including processing) is effective, the new phase matching is also useful in those cases. Speckle signals may be processed, or specular signals may be processed. Edge extraction, enhancement, and feature points (for example, tissue structure such as blood vessel bifurcation position when viewing a human) may be performed as necessary. Obtained displacement tracking and the like are effective. Alternatively, depending on the signal, it may be effective to perform smoothing in the above regularization or to perform processing after performing envelope detection.
As described above, in addition to the phase matching in displacement measurement and the like, the new main phase matching processing includes the DAS processing (methods D1 to D3) described in paragraph 0384, and other phase matching such as Fourier beam forming, adaptive beam forming, and minimum variance. Estimation of Delay in beamforming (phase aberration correction), and shifting of signals in time coordinates, space coordinates, and space-time coordinates such as phase aberration correction, motion compensation, alignment, and position correction during beamforming described in paragraph 0372 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)。インドシアニングリーン(ICG)蛍光イメージングの有用性はよく知られており、血管造影や血流、微小循環、vascularity、リンパ管、リンパ流、センチネルリンパ節、肝区域等の観測に広く用いられているが、光吸収が強く、Photoacousticsの造影剤としても使用でき、同様にそれらの観測に使用できる。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(加温や加熱治療の他、Photoacousticsにおける光照射による温度上昇を含む)、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。例えば、簡単なビームフォーミング処理として、段落0098等に記載の通り、観測された波動の周波数応答にその共役を施し(例えば、3次元と2次元と1次元の信号のそれぞれの周波数応答S(ω1,ω2,ω3)とS(ω1,ω2)とS(ω1)に対して、周波数領域における自己スペクトラムS(ω1,ω2,ω3)S*(ω1,ω2,ω3)とS(ω1,ω2)S*(ω1,ω2)とS(ω1)S*(ω1))、それを逆フーリエ変換して求まる時空間領域における自己相関関数が得られる(時空間領域において畳み込み積分を用いて直接に自己相関関数を求めても良いが、信号長が短いときにのみ高速で有効)。つまり、通常の自己相関信号を正規化して最大値を1とすること無く計算すると、関心領域内の各関心点における点拡がり関数(音圧形状)が求まり、それらを関心領域内で重ね合わせることにより、関心領域内のビームフォーミングを成し遂げることができる。この共役積は、信号検出におけるマッチドフィルタの効果が有り、高精度な結果を齎す。光超音波は、超音波送信時に受信される超音波に比べて強度が小さくてSN比が低いことが多い。また、超音波アレイが多次元アレイ(2次元又は3次元)である場合には、送信される波動と受信信号の強度は小さくてSN比が低くなる。その他の様々な波動においても有効となる。様々なビームフォーミング(開口面合成を含む)が行われたものに処理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)に処理が施されることもある。ちなみに、特許文献11には、関心点における超音波やずり波や熱波等の任意の波動の点拡がり関数やそれらの源を推定することが可能であることが開示されている。推定される点拡がり関数から波長を推定でき(波動の伝搬方向のfast-time-axisや横方向の空間座標を含む空間座標系において推定される)、周波数をslow-time-axis方向の信号処理により推定でき、様々な波動の伝搬速度を推定できることが開示されている。
また、変位計測や温度計測等において、多次元クロススペクトル位相勾配法や多次元相互相関法、多次元自己相関法や多次元ドプラ法やそれらの1次元方法や、デモジュレーション法等が用いられるが、それらのビームフォーミング(開口面合成を含む)が行われたものに処理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)に処理が施されることもある。これらの変位計測法は、上記のビームフォーミング処理を兼ね備えているため、高精度であり、有効である。光超音波だけでなく、通常の透過又はエコーの超音波や、他の波動においても有効である。光超音波信号は、通常の透過又はエコーの超音波信号に比べてSN比が低くなる傾向が有り、また、光超音波信号や超音波信号の強度が周囲の信号強度に比べて極度に大きいものを含む場合を含め、多次元スペクトル位相勾配法や多次元ドプラ法を用いたcoarseな計測結果において突発的な計測エラーを生じることが有り、その様な場合には、メディアンフィルタや低域通過型フィルタを掛けて除去したり低減したりした上で位相マッチングを行い、fineな計測を行うことは有効である。他の波動においても同様である。透過又はエコーの超音波信号と光超音波信号の各々を用いて得られた観測結果に平均処理を実施したり、本発明に記載等の方法で評価される信頼度やどちらを重視するか等を用いた重みづけ平均を実施したりして、その結果を表示することがある。また、超音波信号と光超音波信号の各々から導出される方程式を連立して最小二乗法により求めたり、同じく信頼度やどちらを重視するか等を用いて重み付き最小二乗法を施したり、正則化や最尤推定やベイズ推定や本発明に記載の方法等の最適化を施して求めたりすることもある。A priori又はa posterioriの最適化が可能である。また、透過又はエコーの超音波信号と光超音波信号とを重ね合わせた状態で処理されることもあり、同じく信頼度やどちらを重視するか等を用いて各々の信号の強度(又は増幅度)を調整しながら画像を得ることもある(装置の表示器にグラフィカルインターフェースが備わっていたり、又は、つまみなどのハードウェア的な調整のデバイスがコンソールに備わっていたりすることがある)。これらの処理は、信号がデジタル化された後にハードウェア上で信号処理されることもあるし、計算処理においてソフトウェアにて信号処理されることもある。また、アナログディレイ(遅延線等)やアンプを用いて、アナログ処理されることもある。
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。この様に、超音波装置にさらに光源を備えることにより実現される光超音波装置は、様々な応用を齎す。光超音波を通じて得られる様々な画像は、透過又はエコーの超音波画像上に重畳して表示される(一方が色付けされて他方のグレースケール画像上に同時に表示され、透けて両者が同時に表示されることもある)。従って、少なくとも超音波照射と光照射とを交互に繰り返し実施し、各々において超音波を受信して処理することとなる。光超音波は、超音波送信時に受信される超音波に比べて強度が小さくてSN比が低いことが多い。また、超音波アレイが多次元アレイ(2次元又は3次元)の場合には、送信される波動と受信信号の強度は小さくてSN比が低くなる。これらにおいて、SN比を向上させるべく、対象の同時相において複数回の超音波又は光超音波を受信した上で加算平均を行うことは有効である。これらの場合には、超音波照射と光照射とが単純に交互に繰り返し実施されることもあるし、各々を連続して実施しながら繰り返し実施されることもあるし、対象の同時相の下で、又は、その仮定の下で、デジタル化された後にハードウェア上で加算平均されることもあるし、計算処理においてソフトウェアにて加算平均されることもある。また、アナログディレイ(遅延線等)を用いて、アナログ処理されることもある。変則的に光超音波のみのイメージングを行うこともあり、超音波装置が送信器を備えていない場合もある。
例えば、図2に示す送信ユニット31及び受信ユニット32が、各時相における受信信号に対して、関心領域内の各関心点において大きさを正規化しない局所の自己相関関数を求めて関心領域内で重ね合わせて波動データ信号を生成し、デジタル信号処理ユニット33が、各時相における波動データ信号を画像化するか、又は、変位ベクトル又は変位成分を算出する。ここで、自己相関信号を求める各時相における受信信号が、各時相において複数の受信信号を重ね合わせたものであっても良い。
In addition, there are various techniques for detecting and imaging the movement of the target based on the observed wave motion.For example, in the field of medical ultrasound, regarding the displacement and deformation of blood flow and tissue, based on the average velocity and dispersion, etc. , Speed information, presence / absence of motion, complexity, and the like. In some cases, measurement imaging is performed in a state in which a contrast medium (microbubble) is actively used and the intensity of wave from blood in a blood vessel or a heart cavity is enhanced. It may be useful not only for morphological observation but also for functional measurement. A typical example of the self-emanating type contrast agent is a radioisotope used in PET (positron emission tomography), and observation is performed based on a count of the number of occurrences. This is a passive device of the second embodiment, which is of a target type. For example, a magnetic substance (which may have an affinity for a target such as a cancer lesion) is injected intravenously, and a dynamic substance is added thereto. A magnetic field may be generated by applying vibration. Therefore, it is stimulated dynamically by the transmitting transducer as the transmitting means, and the electromagnetic wave is observed as the response by the receiving transducer as the receiving means. Further, the photoacoustic and the like described above are also possible. For example, a typical PET imaging agents in which 18 FDG (18 F- fluorodeoxyglucose, labeled positron glucose) ingests the glucose more than cancer cells are normal cells (3 to 20 fold) It is used for the early detection of cancer targeting the whole body by applying its properties. By applying Photoacoustics (photoacoustics) to this, it is possible to detect the cancer early by receiving ultrasound (the integration mechanism by metabolic trapping 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, stays in the cell without entering the glycolysis system.) Sometimes it is used together with PET, but sometimes the ultrasound examination is done separately from PET. The processing itself is based on receiving beamforming for incoming ultrasonic waves (transmitted waves) using a trigger based on the timing of laser irradiation. The positron is released from the positron-emitting nuclide (positron nuclide) by β-decay, attracts the electron, couples with it after moving a few mm, and disappears. At that time, two photons ( Although the spatial resolution is low by observing γ-rays (that is, annihilation radiation), there is an advantage that, in a part where the generated ultrasonic waves can be observed, high-resolution observation can be performed. It is also suitable for early detection, and it is also possible to observe the presence or absence of disease by the presence or absence of accumulation, and to observe the degree from the intensity of the photoacoustic signal to judge the degree of malignancy or progression ( In malignant tumor cells, glucose metabolism is enhanced and highly accumulated). In addition to the D-type glucose present in the body, "Integrated function physiology course at Hirosaki University Graduate School of Medicine outside the field of photo-ultrasonics that applies the characteristic of cancer lesions specifically taking up L-type to fluorescent L-glucose One course) The use of L-type glucose is also effective after learning the results of Katsuya Yamada's research group (oral or ingestion). In addition, for example, the brain has the highest glucose metabolism in the human body, and Alzheimer's disease has metabolic abnormalities from an early stage. In the myocardium, glucose metabolism is enhanced (positive) when ischemia progresses, but glucose metabolism is not performed when necrosis occurs. Photoacoustic can also be used for those observations. In the case of the brain, the head may be cranulated. When targeting diseases of deep organs in the abdomen, laser irradiation or laser irradiation near the disease may be performed, such as by laparotomy or using a laparoscopic (laparoscopic) catheter. Ultrasonic detection may be performed. In many of these applications, the light absorption frequency characteristics of the contrast agent have been clarified and known, and the frequency dispersion of the irradiation laser and the generated ultrasonic signal may be actively used (ie, Observe the ultrasonic waves generated at the time of laser irradiation in a wide band or a specific band in a wide band as described below, or sometimes pay attention to a specific ultrasonic frequency band, or the ultrasonic waves generated at the time of laser irradiation in a different band. Observing sound waves in a wide band, focusing on a specific ultrasonic frequency band at that time, or superimposing the observed ultrasonic signals to artificially realize broadband laser irradiation, Ultrasonic sensors having the same characteristics in a wide band or a specific band may be arranged in a one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional array, or may have different band characteristics. May be similarly arranged in an array (eg, locally continuous, alternately, or periodically), or the light source and the ultrasonic sensor may have separate bodies. (In some cases, light sources and ultrasonic sensors are replaced and they are installed at the same location for observation.) In addition, imaging is not always performed, and quantification based on numerical values is performed. In some cases, only general observations are made. As described above, the glucose concentration is used as an observation target, and the present invention can be applied to blood sugar level observation and imaging. Further, the PET imaging agent, in addition to sugar, oxygen, water, those labeled amino acids, nucleic acids, a positron-emitting nuclide to neurotransmitters such as (11 C-methionine, 11 C-acetate, 11 C-choline, 11 C-methyl spiperone, 13 N-ammonia, 15 O-water, 15 O-oxygen gas, 18 F-fluorodover, etc.) have been put into practical use, and they have been developed separately such as those developed for Photoacoustics. It can also be used for various contrast agents. In these photoacoustics, Doppler measurement (including vector measurement) may be performed on blood, urine, and body fluid, depending on whether a contrast agent is used or not, and soft tissue or hard tissue may be used. In some cases, the displacement and deformation of organs, viscoelasticity, and thermodynamic properties may be observed (including not only diagnosis and examination but also various treatments). The usefulness of indocyanine green (ICG) fluorescence imaging is well known, and is widely used for angiography and observation of blood flow, microcirculation, vascularity, lymph vessels, lymph flow, sentinel lymph nodes, liver segment, etc. However, it has strong light absorption and can be used as a contrast agent for Photoacoustics, and can be used for their observation as well. In the case of exposure to radiation, it is necessary to prevent the exposure and to reduce the exposure to a safe value or less, as usual. Contrast agents may also have a therapeutic effect. Conversely, a therapeutic agent may have the effect of a contrast agent.
Various contrast agents may be used at the same time, but they may not be used at the same time. Ultrasonic sensors with broadband reception characteristics are actively used, and the broadband Photoacoustics signal can be used at one time. In some cases, a frequency band is selected by filtering (analog or digital) and used for the above application (including imaging of a photoacoustics signal itself). The observation result of the above application using the Photoacoustics signal of each frequency or frequency band may be superimposed or averaged and used. 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 shading to give a resolution. Further, an observation result at each observed frequency or frequency band may be imaged and displayed in a superimposed manner. In this case, different colors may be assigned to the observed results of the respective frequencies or frequency bands, or the numerical value of the observation data to be displayed with shading may be given a resolution. Understand which contrast agent or observation target substance is responsible for the Photoacoustics signal in each frequency band. (It is also important to actually measure the dispersion of optical ultrasonic waves. Absorbance data from 400 nm to 25 μm of related substances are abundant and helpful), Photoacoustics signals in the frequency band matching their targets may be used positively, but not necessarily. It is useful (that is, a case where a plurality of markers are mixed, such as a case where at least one originally exists in the observation target, a case where at least one is taken from outside the observation target, and a case where both exist together, For example, when there is no marker without being conscious of the marker, light having a bandwidth in which a Photoacoustics signal is generated is emitted in those cases). Images may be formed as described above, and displacement and temperature observations (including heating and heat treatment, as well as temperature rise due to light irradiation in Photoacoustics) described in this application, and other inverse analysis (observation) ) May be used. Furthermore, as described in the present application, spectrum analysis (analog or digital filtering), signal processing such as ICA (including cases where phase aberration correction is performed and not performed), and other image processing (eg, deterministic or probability statistics) Using a specific image pattern as an index) to separate signals from different markers. It is also effective to use the difference in signal strength or spectrum size (effective value) itself. This can be the marker analysis itself. In that case, the signals when the contrast agent is used and when it is not used may be targeted. Similarly, an image may be formed as described above, or the separated signal may be used for observation of displacement and temperature described in the present application, or for inverse analysis (observation) using them. In addition, for example, when imaging a fluid in a medium having a stationary or slow displacement such as a blood flow or observing the movement thereof, a photoacoustics signal itself or an ultrasonic wave (echo) which may be used in combination. Direct separation using Doppler observations in signals, using clutter rejection filters and differences in signal strength used in normal blood flow Doppler observations, or specifying and separating blood flow positions (regions) Is also useful. Of course, this processing is also effective in the case where the frequency and band of the irradiation light are set appropriately for the target fluid for observation, and the OCT or other frequency or band with or without frequency or band is matched. It is also useful to perform the processing in combination with Doppler observation using an optical device (light pulse or electromagnetic wave pulse). Importantly, a detailed evaluation of the medium surrounding the separated fluid is also possible (displacement, temperature, back analysis, etc.). These are also useful methods for cognitive analysis / analysis and synthesis (theory).
For these Photoacoustics signals (received signals), in addition to a known beamforming method, various beamforming methods and signal processing described in this specification are used. Thus, applications include imaging of the Photoacoustics signal itself, as described above. As the detection processing, a method described in this specification is used in addition to a known method. For example, as a simple beamforming process, as described in paragraph 0098 and the like, the conjugate is applied to the frequency response of the observed wave (for example, the frequency response S (ω1 of each of the three-dimensional, two-dimensional, and one-dimensional signals) , ω2, ω3), S (ω1, ω2) and S (ω1), the self-spectrum in the frequency domain S (ω1, ω2, ω3) S * (ω1, ω2, ω3) and S (ω1, ω2) S * (ω1, ω2) and S (ω1) S * (ω1)), and the autocorrelation function in the spatio-temporal domain obtained by inverse Fourier transform is obtained. A correlation function may be obtained, but it is effective only when the signal length is short. That is, if the normal auto-correlation signal is normalized and calculated without setting the maximum value to 1, a point spread function (sound pressure shape) at each point of interest in the region of interest is obtained, and these are superimposed in the region of interest. Thus, beamforming in the region of interest can be achieved. This conjugate product has the effect of a matched filter in signal detection, and gives a highly accurate result. Optical ultrasonic waves often have lower intensity and a lower SN ratio than ultrasonic waves received at the time of ultrasonic transmission. When the ultrasonic array is a multidimensional array (two-dimensional or three-dimensional), the intensity of the transmitted wave and the received signal is small, and the SN ratio is low. It is also effective in other various waves. Processing may be performed on a beam that has been subjected to various beamforming (including aperture synthesis), or may be performed before or after receiving beamforming (a transmission / reception signal for aperture synthesis). Processing may be applied. Incidentally, Patent Literature 11 discloses that it is possible to estimate a point spread function of an arbitrary wave such as an ultrasonic wave, a shear wave, and a heat wave at a point of interest and a source thereof. The wavelength can be estimated from the estimated point spread function (estimated in the spatial coordinate system including the fast-time-axis in the wave propagation direction and the spatial coordinate in the lateral direction), and the signal processing in the slow-time-axis direction It is disclosed that the propagation speed of various waves can be estimated.
In displacement measurement, temperature measurement, and the like, a multidimensional cross-spectral phase gradient method, a multidimensional cross-correlation method, a multidimensional autocorrelation method, a multidimensional Doppler method, a one-dimensional method thereof, a demodulation method, and the like are used. In some cases, the beamforming (including aperture synthesis) may be processed, or the beamforming may be performed before or after receiving beamforming (transmission / reception signal for aperture synthesis). May be processed. These displacement measurement methods are highly accurate and effective because they also have the above-mentioned beam forming process. The present invention is effective not only for optical ultrasonic waves but also for ordinary transmitted or echo ultrasonic waves and other waves. An optical ultrasonic signal tends to have a lower SN ratio than an ordinary transmitted or echo ultrasonic signal, and the intensity of the optical ultrasonic signal or the ultrasonic signal is extremely large compared to the surrounding signal intensity. In some cases, sudden measurement errors may occur in coarse measurement results using the multi-dimensional spectral phase gradient method or multi-dimensional Doppler method, including cases in which a median filter or low-pass It is effective to perform fine matching by performing phase matching after removing or reducing by applying a type filter. The same applies to other waves. Average processing is performed on the observation results obtained using each of the transmitted or echo ultrasonic signal and the optical ultrasonic signal, and the reliability evaluated by the method described in the present invention or which one is to be emphasized, etc. Or the result may be displayed by performing weighted averaging using. In addition, the equations derived from each of the ultrasonic signal and the optical ultrasonic signal are simultaneously obtained by the least square method, or the weighted least square method is performed using the reliability or which one is more important, It may be obtained by performing optimization such as regularization, maximum likelihood estimation, Bayesian estimation, and the method described in the present invention. A priori or a posteriori optimization is possible. In addition, the transmission or echo ultrasonic signal and the optical ultrasonic signal may be processed in a superimposed state. Similarly, the strength (or amplification degree) of each signal is determined by using the reliability or which one is important. ) May be obtained while adjusting the image (the display of the apparatus may have a graphical interface, or the console may have a hardware adjustment device such as a knob). In these processes, the signal may be processed on hardware after the signal is digitized, or may be processed by software in the calculation process. Analog processing may be performed using an analog delay (delay line or the like) or an amplifier.
Various signal processing methods such as the ICA described in this specification can be used for signal separation. For example, the spectrum can be divided, divided after beamforming, and the angular spectrum before beamforming can be used. May be divided. When dividing the angular spectrum, various beamforming such as DAS processing can be performed in addition to Fourier beamforming. In superposition, coherent addition or incoherent addition is performed. In particular, by using the beam forming method or the signal processing described in this specification, a weak signal can be processed without leaking, and detailed observation can be performed with high accuracy. Basically, the Photoacousics signal has a wide band, so it can not only realize high-resolution observation (including the above applications etc.), but also can be applied as a microscope. The ultrasonic sensor unit uses a handy type Photoacoustics microscope. It can also be achieved. In this case, the above-described application and the like are performed. The light may be irradiated to a wide area such as a plane wave, a spherical wave, or a cylindrical wave at one time, or may be scanned by a light beam (mechanical scanning or electronic scanning). The latter is better than the former. High resolution observation is possible.
In addition, when the reception characteristics of the ultrasonic sensor are narrow bands, each Photoacoustics signal received using a plurality of ultrasonic sensors having different reception bands may be used as described above, and may be used in combination. Sometimes.
These observed photoacoustic signals are similarly processed instead of ultrasonic echoes, subjected to various signal processing (including inverse analysis) described herein, and applied in various ways. For example, it is not limited to these, such as Doppler observation, mechanical reconstruction, and thermodynamic reconstruction based on temperature observation. As described above, the optical ultrasonic device realized by further providing the ultrasonic device with the light source has various applications. Various images obtained through optical ultrasound are displayed superimposed on the transmission or echo ultrasound image (one is colored and displayed simultaneously on the other grayscale image, and both are displayed simultaneously through the transparency) Sometimes). Therefore, at least the ultrasonic irradiation and the light irradiation are alternately and repeatedly performed, and each receives and processes the ultrasonic waves. Optical ultrasonic waves often have lower intensity and a lower SN ratio than ultrasonic waves received at the time of ultrasonic transmission. When the ultrasonic array is a multidimensional array (two-dimensional or three-dimensional), the intensity of the transmitted wave and the received signal is small, and the SN ratio is low. In these cases, it is effective to perform averaging after receiving a plurality of ultrasonic waves or optical ultrasonic waves in the target simultaneous phase in order to improve the SN ratio. In these cases, the ultrasonic irradiation and the light irradiation may be performed simply and alternately repeatedly, may be repeatedly performed while continuously performing each of them, or may be performed under the simultaneous phase of the object. , Or under the assumption, they may be digitally digitized and then averaged on hardware, or they may be arithmetically averaged by software in the calculation process. Analog processing may be performed using an analog delay (delay line or the like). In some cases, imaging of only optical ultrasonic waves is performed, and in other cases, the ultrasonic apparatus does not include a transmitter.
For example, the transmitting unit 31 and the receiving unit 32 shown in FIG. 2 calculate a local autocorrelation function that does not normalize the magnitude at each point of interest in the region of interest with respect to the received signal in each time phase, and To generate a wave data signal, and the digital signal processing unit 33 images the wave data signal in each time phase or calculates a displacement vector or a displacement component. Here, the received signal in each time phase for obtaining the autocorrelation signal may be a superposition of a plurality of received signals in each time phase.

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 and analyzed after the last inverse Fourier transform, or separated from the original. Can be detected before and after Fourier transform (Non-Patent Document 1), and an image representing the intensity distribution of each wave is formed, or an incoherent signal obtained by the detection is superimposed. Emphasizing deterministic signals (eg, reflected and specular signals) and reducing stochastic signals (eg, scattered and speckle signals) The effective change is effectively depicted (past invention of the present inventor).

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 having overlapping waves is detected and its intensity distribution is imaged. In addition, a coherent signal that has not been detected may be imaged to undulate itself, or an image of a phase distribution obtained together with an image of the signal intensity (amplitude) may be presented. A single wave may be similarly imaged.

表示方法は、グレースケール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。   The display method is generally grayscale image or color image (popular). In this case, if quantitativeness is required, numerical values corresponding to the displayed brightness and color are displayed as bars. There is also. 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 video, videos may be displayed frozen, they may be displayed in real time, or processed offline and displayed There is also. The wave data or image data stored in the storage device (or storage medium) may be read and displayed. The change over time of an arbitrary numerical value 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、回折波、表面波、又は、波動源(回折源として扱われることもある)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(微分型逆問題)。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、透過波や反射波や屈折波や回折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 target using microwaves, infrared rays, or signals in the terahertz band. The wave transmitted to the radiating object is modulated and detected (the passive type device according to the second embodiment also measures the target temperature distribution from the radiated wave itself). May be done). 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 to observe the temperature distribution on the surface of an object ( In some cases, it is considered that the temperature is restricted only by the surface of the object.) If microwaves or terahertz are used, the temperature distribution inside the object can be observed. Based on these observed physical and chemical quantities, higher-order processing such as an inverse problem approach is performed, and the viscoelasticity, elasticity, viscosity (Patent Document 9), and thermophysical properties (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, back scattering, etc.), transmission, reflection, refraction, diffraction waves, A surface wave, a wave source (sometimes treated as a diffraction source), or the like may be obtained including frequency dispersion. Patent Literatures 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 (differential inverse problem). 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, observation of the viscoelastic modulus, as well as the temperature and thermophysical properties of inflamed areas during cancer lesions and heating / heating treatment, and after such treatment and surgery. And monitoring may be performed. In addition, body temperature observation (morning, noon, night, metabolism, growth, aging, before and after eating, before and after smoking, load on the peripheral system, including electrophysiological nerve control), exercise load on various organs, etc. Then, it may be observed. It is not limited to medical applications, and other organic and inorganic substances, as well as those composed of a mixture of substances, may be observed, and various observations and monitoring are linked in diagnosis, restoration, application, etc. May be implemented. Terahertz can be used not only for measurement but also for imaging of transmitted waves, reflected waves, refracted waves, diffracted waves, etc., as well as other waves, and can be applied to Doppler measurement and the like. Characteristically, it can be applied to observation of inorganic substances as well as X-rays. Other waves may be used for observing organic and inorganic substances, but can be used simultaneously with other waves to perform 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。   The measured physical quantities such as displacement and temperature may be displayed as an image in the same manner, but may also be displayed while being superimposed on a morphological image obtained at the same time. Images representing these distributions are 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 video, videos may be displayed frozen, they may be displayed in real time, or processed offline and displayed There is also. The wave data or image data stored in the storage device (or storage medium) may be read and displayed. The change over time of an arbitrary numerical value 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, from another device, additional information about the wave to be observed may be provided through the input device, and observation data of other physical quantities or chemical quantities may be provided. In the digital signal processing unit, , Data mining, independent signal separation (independent component analysis), principal component analysis, code, multidimensional spectrum analysis, signal separation by MIMO, SIMO, MUSIC, signal separation based on object identification by parametric method, Super-resolution or a higher-order processing such as ISAR (Inverse synthetic aperture) that may use these methods in combination may be performed. In other words, super-resolution may be applied to the beam-formed (including the aperture synthesis), or to the beam-forming (or aperture-synthesis transmission / reception signal) before or after the reception beam-forming at all. Beam forming may be performed after performing super-resolution processing, and 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-type device according to the second embodiment, and will be described in detail. However, unlike the passive device, the active-type device according to the present embodiment has It is very different to be able to specify the position of interest in the received signal to transmit and scan, and if transmission focus or multi-focus is performed, the state and function of those focus positions, the wave source If there is any information on the wave source, it modulates and demodulates the wave with high resolution and understands it. Also, plane wave (flat array), cylindrical wave (ring array), spherical wave (spherical shell array) By using waves similar to the above, it is also possible to capture them at a high frame rate and at high speed.

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 performing communication, the position of the communication destination can be narrowed down from the transmitting transducer, and energy saving and communication security can be improved. In performing observation, there is a high degree of freedom in configuring a measurement system. Further, in the processing based on such a system theory, it is easy to identify a point spread function to be generated and to adjust it according to the purpose. It is possible to use a plurality of transmitting transducers and receiving transducers (which may also serve as transmitting transducers), and the waves to be transmitted and received may be of the same type or different, In some cases, a plurality of device bodies dedicated to a plurality of transducers operating in synchronization may be used in plurality, or a passive type device according to the second embodiment may be used in combination. May be connected to another device including a device for controlling the network through a dedicated or ordinary network, or the device 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 devices for manufacturing materials and structures, devices for treatment and restoration, and devices to be applied (robots, etc.) may operate in conjunction with each other, but are not limited to them. . Note that the measurement and higher-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 by 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、本実施形態に係る計測イメージング装置において、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。   When a received signal received and stored in a memory or a storage device (storage medium) includes a harmonic component generated in an object or a medium, a fundamental wave or a harmonic wave may be generated before performing beamforming processing. In some cases, a wave (only the second harmonic or a plurality of higher harmonics may be handled without ignoring higher-order components) may be separated and subjected to beamforming processing (ordinary phasing addition). However, separation may occur after beamforming is performed. Some of the separation methods separate the spectrum in the frequency domain, but the bands may overlap, and so-called pulse inversion method in medical ultrasound generates waves with opposite polarities in the simultaneous phase. In the measurement imaging apparatus according to the present embodiment, when the received signals for each transmission are superimposed before or after beamforming, the second harmonic component can be extracted and the fundamental wave can 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、本実施形態に係る計測イメージング装置では、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 separation method using a polynomial is also known. In the measurement imaging apparatus according to the present embodiment, one-dimensional processing of the wave propagation direction, or when the wave is modulated in the lateral direction or the wave propagation direction is strictly determined. Can be subjected to multidimensional processing in consideration of the change at each position, and can be performed before or after beamforming. However, when performing beamforming after separation, when performing beamforming for each of a fundamental wave and a harmonic, each beamforming process is performed, so that calculation time is required. Processing may be performed, but separation after beamforming 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, when performing beamforming, the wave generated and transmitted from any transmission aperture element with respect to the reception signal received by each reception aperture element. Components are separated by signal detection based on a matched filter to perform not only dynamic focusing of reception but also dynamic focusing of transmission, which is widely known. This is effective in high-speed transmission by plane wave transmission, and is also effective in the case of performing a focus beam or steering.

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、回折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。   In the case of transmitting a plurality of waves or beams at the same time, for example, the waves having the plurality of different frequencies and the plurality of different propagation directions are transmitted as coded, and the received signal is transmitted. May be similarly decoded to separate them into received signals generated by their respective waves and transmitted beams, thereby improving the separation performance. This is effective, for example, in the case where the propagation directions are the same due to waves, refraction, reflection, transmission, scattering, diffraction, etc., whose bands overlap. It is based on the basic idea of encoding the waves to be separated with another code. In some cases, encoding is simply performed 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 are also being developed. However, as the number of elements used increases, the code length increases, the energy of the signal increases, and it is important to use this effectively, but on the other hand, if the target or medium is deformed, for example, the accuracy will increase. Is known to be unsuitable due to a decrease in the chirp signal, and a similar 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。本実施形態に係る計測イメージング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。近々の新しい応用としては、自動運転による宅配サービスが考えられる。高齢化と人口減少に伴い、特に、宅配業務は無人化されることが期待される。タグを用いた物品管理は周知であり、応用範囲が広く深い分野であるが、同様にタグを用い、受け取り時における物品輸送車からの物品の搬出や、集荷時における物品輸送車への物品の搬入の自動化も必要である。また、セキュリティ(物理的な安全性だけでなく個人情報等に関する機密性を含む)のためには、物品の搬出及び/又は搬入の際における宅配会社や発送人からのネットワークを介したタグや暗証番号の発行は有効である。これらの読み取りにおいて、自動化されたビームフォーミングが行われることがある。車内の物品の出し口までの移動や入れ口から適切な格納場所までの移動も自動化することが望ましい。搬送や集荷の経路も考慮される必要が有る。この間も自動化されたビームフォーミングが行われ、物品輸送車内の状況が監視されることがある。適切な格納場所を要する配達物品としては、例えば、生ものや精密機械、薬剤等が該当する。その際には、搬送タグに記載されている物品内容、又は、予め登録されている物品内容を確認すべく、梱包されている物品をリモートセンシングにより判定し、安全を確認した上で適切に搬出又は搬入することが望ましい。判定は、車に搭載されている計算機をベースにして自動的に実施されることもあるし、通信により判別センター等に観測データ(画像等)が送られて同じく自動的に行われることもあるが、高い安全性や信頼性が求められる場合にはヒトによる判定が行われる。爆発物や危険を伴う薬物の搬送を拒否する機能も必要である。また、一度の搬送量は減るが、車の代わりに、無人飛行機、無人ヘリコプター、小型ヘリコプター、又は、ドローン等の移動体が使用されることもある。集荷の際には、集荷場所に到着する前に、現在の位置や所要時間等を適宜知らせたり、又は、集荷場所に到着した際に、電話やeメールやインターネット等を通じて到着を自動的に知らせる機能を搭載していることが望ましい。通常、移動体に関する情報は、全て判別センター又は中央局において管理される。移動体が、自らの、又は、外部から通信により与えられる、環境の観測や天候の観測や混雑状況等の結果に基づいて管理・制御されたり、IoTやスマートな通信と連携したシステム(社会)に組み込まれることもある。上記の判別センター又は中央局が独立している場合もあるし、共に組み込まれることもある。また、移動体が自発的に行動パターンを決め、上記判別センター又は中央局はその行動を管理・監視することを中心に担う場合もある。それらの管理・監視は、移動体が発する信号(情報)をセンシング(又は、受信)して行われることもあるが、移動体外に備えられる様々なセンシング機構が通信により信号(情報)を与えることもある(例えば、衛星や他の移動体、経路内の固定センサー等)。搬送対象がヒトであることもある(健康者の他、高齢者、子供、病人や身体障害者等)。搬送先が特殊な機関である場合もある(病院等)。病院の救急の受け入れ態勢なども実時間で管理されていると、救急な搬送の効率や信頼性も向上する(有人の場合も含む)。その場合に、搬送中の自動又はヒトを介したセンシングに基づく基礎診断が行われ、病院が早い段階で状況を把握できることは有効である。マンパワーに替って、ロボットが活躍することもある。物品やヒトの搬入・搬出に関し、完全な自動化が求められることもあるが、倫理面や技術的限界により、マンパワーを要することもある。宅配サービスの依頼等は、電話やeメールやインターネットを通じて短時間に行えることが望ましい。本発明による様々なビームフォーミングやセンシングは、この他にも様々な形態で活用される。   In communication, a wave transmitted from each transmitting aperture element is encoded with information and coded, and then transmitted (for beam forming, for example, a plane wave, a cylindrical wave, or a spherical wave is used). Focusing may be spread over multiple locations or multiple locations may be used to ensure accuracy at those locations, as well as secure or communicate with local or specific objects and save energy. ), The received signal is subjected to beamforming and then decoded. The application of the coding in the measurement imaging apparatus according to the present embodiment is not limited to them, but these processes are performed in a digital signal processing unit (there is also a built-in memory type), a memory, and a storage device (storage medium). Done. A new application in the near future is a home delivery service by autonomous driving. As the population ages and the population declines, it is expected that home delivery services will be unmanned. Article management using tags is well known and has a wide range of applications and is a deep field, but similarly, tags are used to carry goods out of goods transport vehicles at the time of receipt, and to transport goods to goods transport vehicles at the time of collection. It is necessary to automate the loading. For security (including not only physical security but also confidentiality regarding personal information, etc.), tags and passwords from a courier company or a sender via a network at the time of unloading and / or loading of goods are provided. Issuing a number is valid. In these readings, automated beamforming may be performed. It is also desirable to automate the movement of the articles in the vehicle to the exit and the movement from the entrance to an appropriate storage location. Transportation and collection routes also need to be considered. During this time, automated beam forming is performed, and the situation inside the goods transport vehicle may be monitored. Delivery items requiring an appropriate storage location include, for example, raw items, precision machines, drugs, and the like. In that case, to check the contents of the goods written on the transport tag or the contents of the goods registered in advance, the packed goods are judged by remote sensing, and after safety is confirmed, the goods are properly unloaded. Or it is desirable to carry in. The determination may be automatically performed based on a computer mounted on the vehicle, or may be performed automatically by sending observation data (images and the like) to a determination center or the like through communication. However, when high safety and reliability are required, human judgment is performed. A function to refuse to transport explosives and dangerous drugs is also required. In addition, although the amount of transportation at one time is reduced, a mobile body such as an unmanned airplane, an unmanned helicopter, a small helicopter, or a drone may be used instead of a car. At the time of collection, inform the current location and required time before arriving at the collection location, or automatically notify the arrival via telephone, e-mail, Internet, etc. when arriving at the collection location It is desirable to have a function. Normally, all information about a mobile is managed in a discrimination center or a central office. A system in which a mobile body is managed and controlled based on the results of environmental observation, weather observation, congestion status, and the like, which are provided by the own or external communication, or in cooperation with IoT or smart communication (society). It is sometimes incorporated into. The above-mentioned discrimination center or central office may be independent or may be incorporated together. In some cases, the mobile body spontaneously determines an action pattern, and the discrimination center or the central office plays a central role in managing and monitoring the action. In some cases, such management and monitoring are performed by sensing (or receiving) a signal (information) emitted by the mobile unit, but various sensing mechanisms provided outside the mobile unit provide the signal (information) by communication. There are also (eg, satellites and other mobiles, fixed sensors in the path, etc.). The transport target may be a human (healthy, elderly, child, sick, disabled, etc.). The transport destination may be a special institution (a hospital or the like). If the hospital's emergency reception system is managed in real time, the efficiency and reliability of emergency transportation will be improved (including manned cases). In this case, it is effective that the basic diagnosis based on the automatic or human sensing during transportation is performed and the hospital can grasp the situation at an early stage. Instead of manpower, robots can be active. Full automation is required for loading and unloading goods and people, but manpower may be required due to ethical or technological limitations. It is desirable that a home delivery service request or the like can be made in a short time through telephone, e-mail, or the Internet. Various beam forming and sensing according to the present invention can be utilized in various other forms.

本実施形態に係る計測イメージング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、波動に関するデータや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、回折、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、上記の波動パラメータ(周波数や帯域幅等)やビームフォーミングやセンサーのパラメータ(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(例えば、特許文献12や非特許文献45と46等)。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、回折波、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。   Physical quantity (displacement, velocity, acceleration, strain, strain rate, etc., size, direction, temperature, etc.), chemical quantity, or additional information observed by the measurement imaging apparatus according to the present embodiment or provided by another source In addition, data relating to waves and viscoelastic modulus and elastic modulus, viscosity, thermophysical properties, Electrical properties (conductivity and dielectric constant), magnetic permeability, wave propagation speed (light speed, sound speed, etc.), attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, diffraction, surface waves, wave sources, materials, structures, or their The above wave parameters (frequency, bandwidth, etc.), beamforming and sensor parameters (transmission intensity, transmission and reception apodization, transmission and reception, etc.) based on frequency dispersion, etc., constantly, appropriately, or at fixed time intervals. of Array, steering angle, transmission and reception time intervals (scan rate), frame rate, number of scanning lines, number, shape, size, direction and position of effective apertures, shape, size and orientation of aperture elements, physical aperture The orientation or the polarization mode may be optimized (for example, Patent Document 12 and Non-Patent Documents 45 and 46). It has, for example, a spatially uniform quality (spatial resolution, contrast, scan rate, etc.) and a certain target (based on shape, material, structure, motion characteristics, temperature, humidity, etc.) Scattered waves (forward or backward scattered waves), transmitted waves, and reflections with high quality (spatial resolution, contrast, scan rate, etc.) at the specified position and related positions according to the movement, composition, and structure of the target Optimized beamforming is performed, such as appropriately capturing waves, refracted waves, diffracted waves, or surface waves, or primarily observing from a wide direction.

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。本実施形態に係る計測イメージング装置は、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 propagation speed of a wave is determined by the physical properties of the medium, but the physical properties vary depending on environmental conditions such as pressure, temperature, and humidity.In addition, the physical properties are often inhomogeneous in the medium. It is. The propagation speed may be measured in real time, and the propagation speed may be obtained from the observed environmental conditions based on calibration data for the environmental conditions. The measurement imaging 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 itself of each channel or the delay dedicated to correction during transmission. Thus, the phase aberration can be corrected. After reception, the digital signal unit can be corrected by multiplication of a complex exponential function in the frequency domain in order to correct the inhomogeneity of the propagation speed in the transmission and / or reception propagation path. Alternatively, in the calculation of the above-mentioned Fourier transform and inverse Fourier transform, it is also possible to directly make a correction. The reliability of the measured propagation velocity is based on the fact that an imaging signal is generated for the measurement object itself, a reference object that exists in the vicinity of the measurement object, or a reference object that is installed, and the imaging state, spatial resolution, signal intensity, contrast, etc. It can be confirmed as an index, and it may be adjusted further based on this. In the second embodiment, which is a passive mode described later, phase correction of transmission and / or reception may be performed after reception.

波動は、減衰や散乱、透過、反射、回折、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、本実施形態に係る計測イメージング装置では、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, diffraction, refraction, and the like. Basically, the strength of the wave decreases with the propagation distance. Therefore, in the measurement imaging apparatus according to the present embodiment, for example, based on Lambert's law, a function of performing attenuation correction on a signal before or after beam forming is mounted, or an operator receives a signal from an input device. A function that can adjust the attenuation correction at each position and each distance may be provided, but as described above, it may be provided with a function of performing an optimal correction before or after the beam forming process according to the target. is there. In these processes, although the degree of freedom is low, an emphasis is placed on high-speed processing, and instead of digital processing, analog processing by analog devices or circuits may be performed.

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, the superposition and the spectral frequency division are linear processing. However, after generating or after generating the wave by the beam forming in the above methods (1) to (6), a non-linear processing is performed, and another processing is performed. Generating a signal having wave parameters is performed. In the process of beamforming, when the received signal is an analog signal, it is based on analog signal processing using an analog circuit (diode, transistor, amplifier, dedicated nonlinear circuit, etc.), and when the received signal is a digital signal, it is digital using a digital signal processing unit. A power operation, a multiplication operation, or other non-linear processing may be performed on the received signal based on the signal processing. In the frequency domain, the spectrum may be subjected to non-linear processing.

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)処理を本発明の計測イメージング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 invention of the present inventor, may be performed in the frequency domain in the measurement imaging apparatus of the present invention. Calculation of a product such as exponentiation or multiplication in the spatiotemporal domain can be calculated by convolution in the frequency domain. For signals that have been made higher in frequency, wider in frequency, simulated higher harmonics, and steered waves, it is possible to obtain signals detected in at least all directions from at least one arbitrary direction. Image can be generated, and the displacement vector can be measured using a normal one-way 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)。また、所望する波動(点拡がり関数やその分布)を生成するべく、それらのパラメータや仮想源や仮想受信器(散乱体や回折格子等)の位置や形状や大きさや分布等を線形的又は非線形的に最適化することがある(仮想音源や仮想受信器の回折特性や指向性や散乱特性等を実験又はシミュレーション又は理論を通じて得、所望の点拡がり関数を実現するべく、それらの位置や形状や大きさや分布等を最適化できる)。   It is also possible to generate an imaging signal using a virtual source. As for the virtual source, it has been reported in the past that a virtual source was installed before the physical aperture and that a virtual source was installed at the transmission focal position. It has been reported that can be installed at an arbitrary position, that a physical source of wave motion and a detector can be installed at an arbitrary position of an appropriate scatterer or diffraction grating (Patent Document 7 and Non-Patent Document 8). The invention can also be implemented in those virtual sources and virtual detectors, as described above. It is possible to increase the spatial resolution and widen the field of view (FOV). Also, when performing transmission or reception, or transmission / reception beamforming on a reception signal obtained by transmission using one or more apertures (when beamforming is not performed, transmission / reception for aperture synthesis). , A plurality of wave parameters, a plurality of beamforming parameters, and a plurality of transducer parameters (element shape, size, arrangement, number, effective aperture width, element material, and the like). By doing so, a plurality of beams or waves having different characteristics can be generated (including obtaining a plurality of beams or waves from the same received signal), and an over-determined system can be configured. Similarly, an over-determined system can be configured by changing the position and distribution (shape, size, etc.) Kill. Also in this case, a plurality of beams or waves having different characteristics may be generated from the same received signal. The features of the over-determining system, such as high SN ratio and high resolution by their coherent superposition and speckle reduction by 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 plurality of transducer parameters may be different (e.g., electro-electronic or mechanical). Change the steering angle physically or softly). In addition, in order to generate a desired wave (point spread function and its distribution), the parameters, positions, shapes, sizes, and distributions of virtual sources and virtual receivers (scatterers, diffraction gratings, and the like) are linearly or non-linearly. (The diffraction characteristics, directivity, scattering characteristics, etc. of the virtual sound source and the virtual receiver are obtained through experiments, simulations, or theories, and their positions, shapes, and so on are realized in order to realize the desired point spread function.) The size and distribution can be optimized).

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。
By an arbitrary wave source, a wave is generated by rotating a coordinate system determined by a receiving aperture element array around an arbitrary position, or by spatially shifting a coordinate system (for example, the axis and the horizontal coordinate of the transmitting aperture). , And is different from that determined by the receiving aperture), beamforming may be performed after correcting the coordinates of the received signal. For example, when it is desired to directly generate an imaging signal in a state where the above-described two-dimensional Cartesian coordinate system (x, y) is rotated by θ around the origin, an analysis signal obtained by the first time-direction Fourier transform Is calculated by multiplying by the equation (29), and the rotation of the wave vector (kx, √ (k 2 -kx 2 )) and the coordinates (x, y) and the calculation of the Jacobian The image signal can be generated at high speed without losing the high speed achieved by the present invention.

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. Substantially, correction for transmission may be performed with s = 1. Spatial shifting can also be performed in the frequency domain by multiplying by a complex exponential function. Additional wave vector (kx, √ (k 2 -kx 2)) and the coordinate (x, y) method of performing the calculation of rotation and Jacobian of the transmission beam forming with the conversion of the coordinate system determined by the receive aperture array (S = 1), and under that condition, 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(穴)、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 device according to the present embodiment, the same applies to the passive device according to the second embodiment described later, but as an analog device, in addition, it may be incorporated in a transducer or a device body. Lenses and reflectors (mirrors), scatterers, deflectors, polarizers, polarizers, absorbers (attenuators), multipliers, conjugators, phase delay devices, adders, differentiators, integrators, matching devices, A special device such as a filter (space or time, frequency), a diffraction grating (hole), a spectroscope, a collimator, a splitter, a directional coupler, or a nonlinear medium or a wave amplifier may be used in combination. In addition, in the case of light, polarization filters, ND filters, shields, optical waveguides, optical fibers, optical Kerr effect devices, nonlinear optical fibers, optical mixing optical fibers, modulation optical fibers, optical confinement devices, optical memories, dispersion shifts Optical node technology, optical cross-connect (OXC), optical coding, etc. using optical fibers, bandpass filters, time inverters, optical masks, etc. An optical add-drop multiplexer (OADM), an optical multiplexing / demultiplexing device, 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 controlled either with the device, either artificially or spontaneously, or equally optimally under the above-mentioned scheme. In the frequency domain, the spectrum may be subjected to non-linear processing.

また、その様な組み合わせの下で、本発明に係る計測イメージング装置は、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、本願の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、本発明に係る計測イメージング装置は、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。本発明の計測イメージング装置は、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。   Further, under such a combination, the measurement imaging apparatus according to the present invention is also used in an ordinary apparatus using waves. Examples of medical devices include an ultrasonic diagnostic device (reflection / echo method and transmission type), X-ray CT (contrast agent that enhances the attenuation effect is sometimes used), X-ray radiography, Angiography, mammography, MRI (Magnetic resonance Imaging, a contrast agent is sometimes used), OCT (Optical Coherent Tomography), PET (Positron Emission Tomography, corresponding to the second embodiment), SPECT (Single Photon Emission Computed) Tomography), endoscope (also available in capsule type), laparoscope, catheter equipped with various sensing functions, terahertz imaging device, various microscopes, various radiation therapy devices (chemotherapy may be used in combination to enhance the therapeutic effect ), SQUID meter, electroencephalograph, electrocardiograph, HIFU (High Intensity Focus Ultrasound) and the like. Above all, a nuclear magnetic resonance imaging apparatus is a digital apparatus from the beginning, and its application range is extremely wide, including its capabilities. For example, using the electromagnetic wave observation and the inverse problem that the inventor of the present application is working on, the current distribution and the reconstruction of electrical properties (measurement), the observation of the propagation of displacement and mechanical waves, the reconstruction of mechanical characteristics (measurement), The present invention can be applied to all of observation of a temperature distribution and a heat wave, and reconstruction (measurement) of thermophysical properties (Patent Documents 8 to 10). Patent Documents 8 to 10 disclose a method capable of reconstructing a 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. Observed physical quantities are surface waves (electromagnetic waves, elastic waves, heat waves, etc.) and physical quantities at boundaries, and their physical properties may be similarly reconstructed based on the observations. When terahertz is used, the electric field can be observed, and the current density, electrical properties, and the like can be observed. Doppler observations using terahertz are 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, approaches using ultrasonic waves or the like are also being performed, and the same is true. As another approach, for example, in OCT, it is possible to measure the absorption spectrum and perform imaging of, for example, basal cell carcinoma of the skin, oxygen and glucose concentrations in blood based on infrared spectroscopy. become. Although application to ordinary Near InfraRed (NIR) is also possible, its distribution can be grasped with higher spatial resolution as compared with so-called NIR-based reconstruction. In these, photoacoustic imaging may be performed by using an ultrasonic sensor device (a microscope is also possible) in combination with the OCT or laser device, and the application is not limited thereto. In some cases, laser and OCT devices are used to capture and image tissue fluctuations with high sensitivity without mechanical stimulation (observation of surface waves such as Doppler observation and its application). There is also). In addition, the response to any (mechanical) stimulus including the one caused by laser light may be an object of imaging (including observation using dynamic light generated by using light, etc.). In other imaging, a chemical sensor or the like may be used. The combination of the waves is not limited to these, and another sensor such as a chemical sensor may be used in addition to the physical sensor. Further, the measurement and imaging apparatus according to the present invention is also used in various radars, sonars, optical systems, and the like. The wave is not limited to a pulse wave or a burst wave, and a continuous wave may be used. Further, digital processing having a high degree of freedom may be realized and used by a dedicated analog circuit having a fast operation time, and vice versa. Various devices exist in each field such as the field of resource exploration, nondestructive inspection, and communication, and the device according to the present invention is used in those fields. The measurement and imaging apparatus of the present invention can be used as an apparatus and in an operation mode (for example, an imaging mode, a Doppler mode, a measurement mode, a communication mode, and the like) in an ordinary apparatus. It is not limited to things.

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。
In the case where a plurality of fixed focusing beams, multi-focusing, and other arbitrary beams and waves, such as plane waves, are simultaneously transmitted physically at the same time, a high frame rate can be obtained if the beam can be transmitted to a region of interest at a time in a wide range. realizable. The same effective aperture may be transmitted simultaneously in a plurality of directions, or different effective apertures may be simultaneously transmitted in the same direction or different directions. In addition to cases where such steering angles and focus positions are the same or different, ultrasonic frequencies and bandwidths (beam directions and propagation directions of waves, directions orthogonal to them), pulse shapes, wave numbers, aperture shapes and apodizations. The beamforming parameters such as the beam shape due to the above, and the same or different transducer parameters such as the element shape, size, and arrangement status may be transmitted simultaneously.
In physical multiple transmission, when those parameters are different, the following can be considered as a typical case.
(A1) A case where the same soft steering is applied to all.
(A2) A case where a plurality of different soft steerings are performed (for example, a case where the same steering is softly performed for each different transmission steering angle).
When the parameters are the same, the following can be considered as a typical case.
(B1) When soft steering is performed.
(B2) When a plurality of soft steerings are performed.
However, they may be implemented in combination. So-called adaptive beamforming may be performed due to obstacles in the propagation process and the effects of scattering and attenuation (including those depending on frequency). At that time, if the same combination of soft transmission and reception steering and apodization is implemented, they are processed at once in a state where they are superimposed. When the combinations include different ones, each of the combinations to be performed is processed at once in a state where the same combination is superimposed on each other, and is superimposed before the final inverse Fourier transform.
In the cases of (A1) and (B1), one soft process can be performed on the received echo signal received as a superposition of the echo signals for each transmission ultrasonic wave.
In the case of (A2), the signals are classified into echo signals to be subjected to the same processing in software, are superimposed on those to which the same soft steering is performed, and the software processing is performed once for each. Superimpose them before the inverse Fourier transform of. It should be noted that the above-described various methods may be used for signal separation, and the present invention is not limited to these methods.
In the case of (B2), a plurality of different soft processes are performed on all the superimposed angular spectra, and the superimposed angular spectra are superimposed before the final inverse Fourier transform.
In the case where the beams and waves are not transmitted physically at the same time, if the time phase of the object is the same, or if a plurality of transmissions and receptions are performed under the assumption, It may be processed according to the case of transmission. Also, when the same combination of soft transmission and reception steering and apodization is performed, they are superimposed and processed at once, and when the combination includes different ones, it is performed. Combinations are superimposed on each other, each processed at once, and superimposed before the final inverse Fourier transform. Simultaneously transmitted and not simultaneously transmitted may be processed similarly under the same conditions or assumptions described above. These parameters in physical transmission may be known in advance, or beams and waves may be analyzed and used. This also applies to a passive type described later.
By performing simultaneous or non-simultaneous transmission of multiple beams and waves, high frame rate and focusing of the same or multiple locations can be realized.Based on the same processing including superposition processing, beams and waves with new parameters can be created. In addition, it is possible to generate a beam or wave having a new parameter with the frequency division processing of the spectrum. May be used separately (for example, measurement of a displacement in a generated beam direction or a propagation direction of a wave or measurement of a displacement vector). The superimposed state, the spectrum-frequency-divided state, and the separated state may be subjected to broadband based on non-linear or linear processing described later. In addition, superposition or spectral frequency division, separation, non-linear or linear processing, or the like may be used for displacement measurement or the like. Each of them may be detected and imaged, or the detected ones may be superimposed and imaged (eg, speckle can be reduced). The application is not limited to these, but is various as described above, and is not limited to them.

<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 result>
Hereinafter, a result of confirming the feasibility of the above beam forming methods (1) to (7) by simulation mainly when the wave is an ultrasonic wave (monostatic aperture during plane wave transmission or steering) will be described. Surface synthesis, multi-static aperture synthesis, image signal generation by fixed focusing, image signal generation in Cartesian coordinate system during transmission / reception in polar coordinate system, and result of migration method).

図23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. 23 is a diagram illustrating a numerical phantom used in the simulation. Here, a numerical phantom including five point scatterers that are present at an interval of 2.5 mm at a depth of 30 mm in an anechoic and unattenuated medium is used. 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24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 synthesis, a one-dimensional linear array transducer (128 elements, element width 0.1 mm, gap 0.025 mm, thickness in the slice direction 5 mm) was used. For 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. For transmission and reception in the polar coordinate system, a convex transducer (128 elements, element width 0.1 mm, gap 0.025 mm, thickness in the slice direction 5 mm, radius of curvature 30 mm) was used. 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 surface, and is hereinafter represented as “θ”.

(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25A(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25Bに示す。これらは、同一角度で受信を行った結果である。図25A及び図25B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25A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25B(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25B(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25A(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 Deflected Plane Wave FIG. 25A (respectively (a) to (d)) shows a simulation result when a deflection plane wave having a deflection angle θ = 0 °, 5 °, 10 °, and 15 ° is transmitted. . FIG. 25B 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. 25A and 25B, 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. 25A, a formed echo image is obtained, and it can be confirmed that the image is deflected. In each case, in the frequency domain, downsampling is performed from 100 MHz to 10 MHz (paragraphs 0208 and 0209), and image signals are generated at intervals corresponding to the sampling frequency of 25 MHz (the same applies to other cases).
On the other hand, when the deflection angle is θ = 0 °, interpolation approximation is performed in wave number matching, and FIG. 25B (e) shows that the sampling frequencies are 100 MHz (left) and 25 MHz (right) when the spectrum is replaced with a nearby spectrum. FIG. 25B (f) shows the results when the sampling frequency is 100 MHz (left) and 25 MHz (right) when the linear interpolation approximation is applied to the spectrum. Although the image was more stable when the sampling frequency was high and the linear interpolation approximation was performed, it did not reach the level in FIG. 25A (a) where the interpolation approximation was not performed. A non-zero deflection angle resulted in a more unstable result.

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26及び図27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)。   FIGS. 26 and 27 show the results 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 a random value of -1 to 1. Regardless of the set deflection angle, an error of 0.5 to 0.8 degrees was confirmed. The error is dependent on the position of the scatterer with respect to the generated waves. Increasing the number of scatterers improves accuracy (abbreviated).

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28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29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29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29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. 28 shows the 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. 29 is a diagram in which the horizontal distribution of the point spread function estimated from the generated image signal is plotted. In FIG. 29, the horizontal axis represents a position [mm] in the horizontal direction (Lateral x), and the vertical axis represents a relative value of brightness. As shown in FIG. 29, it can be confirmed that the resolution increases as the number of superpositions increases.

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30に示す。偏向角度は、図25A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 (method (6) is applied to beam forming when transmitting the same plane wave)
FIG. 30 shows a result of generating an image signal by the migration method according to the present invention. The deflection angles were θ = 0 °, 5 °, 10 °, and 15 ° as in FIG. 25A. In the wave number matching, the result of the 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31に示す。図25Aと同様に、偏向角度をθ=0°、5°、10°、15°とした。図31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 aperture synthesis The simulation result at the time of deflection by the monostatic aperture synthesis of the method (2) is shown in FIG. As in FIG. 25A, the deflection angles were set to θ = 0 °, 5 °, 10 °, and 15 °. As shown in FIG. 31, it can be confirmed that the 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32に示す。図32(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32(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32(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32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33に示す。図32及び図33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) Multi-Static Aperture Synthesis The simulation result by the multi-static aperture synthesis of method (3) is shown in FIG. FIG. 32 (a) shows a low-resolution image generated using only received signals (ie, one set) with the receiving element equal to the transmitting element (ie, the same as the monostatic type). FIG. 32B shows a result obtained by superimposing a total of 33 sets of results obtained by using 16 elements on the left and right in addition to the element at the transmission position. 32 (c) and (d) show the result of overlapping 65 sets (32 elements on the left and right sides of the transmitting element) and the result of overlapping 129 sets (64 elements on the left and right sides of the transmitting element), respectively. As shown in FIG. 32, it can be confirmed that an image has been formed. FIG. 33 shows the results of plotting the point spread functions. 32 and 33, it can be confirmed that the side lobes are suppressed as the number of superimpositions increases, and that the resolution is high.

(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34に示す。ここでは、方法(1)を用いた。図34(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34(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34(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34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 The result of fixed focusing transmission is shown in FIG. Here, the method (1) was used. FIG. 34A shows the result of superimposing the echo signals received at the respective effective transmission apertures and performing a single echo signal generation process. FIG. 34B shows the result of generating and superimposing low-resolution echo signals for each effective aperture width. FIG. 34 (c) shows the result of generating and superimposing echo signals with sets having the same positional relationship in transmission and reception as in the multi-static aperture plane synthesis. As shown in FIG. 34, an image is formed in each case, and there is no particular difference. Method (1) is faster and more effective than the other two methods. In addition, the result of the method (1) indicates that the reception beam forming is possible even if the reception signal obtained when the plural or all the beams are ideally transmitted at the same time is used (for the transmission beam having the interference). It can also process received signals and achieve high frame rates). This processing is not limited to the fixed focusing transmission, and can be performed at the time of transmitting a plurality of waves of all types (including a combination of different waves). In other words, the plurality of waves may include those subjected to different transmission beamforming, include the case with and without beamforming, or include different types of waves (electromagnetic wave, mechanical wave, heat wave, etc.). However, there may be cases in which processing such as non-linear processing or detection processing, super-resolution or adaptive beam forming, minimum variance processing, or signal separation is performed. These processes may be performed during beamforming. Of course, the received signals for each transmission may be superimposed. Interpolation approximation processing may be performed also 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35(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35(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35(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35(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35(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 The echo signal when cylindrical waves are transmitted by simultaneously radiating ultrasonic waves from all elements of the convex array is referred to as frequency. FIG. 35A shows the result of processing in the region. As a matter of fact, as described in (5-1 ′), a plane wave or a virtual linear array is generated at a position with a depth of 30 mm in transmission and reception. As shown in FIG. 35A, it can be confirmed that the scatterer is imaged.
(5-1 ') Cylindrical Wave Transmission Using Linear Array Next, an echo signal when a cylindrical wave is transmitted using the linear array and a virtual sound source (FIG. 8A (a)) set at a position behind the linear array. The result of generating is shown. FIG. 35 (b) shows the result of using the method (1) described in the method (5-1 ′) with the virtual sound source positioned at a position 30 mm behind, and FIG. The results obtained by using the method (2) described in the method (5-1 ′) with the position 60 mm behind are shown. It can be confirmed that the scatterer is imaged.
In addition, when a linear array transducer is used, the method (1) described in the method (5-1 ′) is used, and a case where a cylindrical wave is generated using a virtual source at a position 30 mm behind the physical aperture is applied. FIG. 35 (d) shows the result of a case where a plane wave or virtually a linear array type transducer 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36(a)及び(b)に示す。図36(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36(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36(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 FIGS. 36 (a) and 36 (b) show the results of processing the received signal when the fixed focusing is performed at a distance of 30 mm from each element using the convex array (FIG. 14 (a)). FIG. 36 (a) shows the result of superimposing the received signals obtained at each effective transmission aperture and performing one echo signal generation process, and FIG. 36 (b) shows the low resolution for each transmission. It shows the result of generating and superimposing images. Similar to the multi-static aperture synthesis, the result of generating and superimposing echo signals with the same positional relationship in transmission and reception as a set is omitted, but these three operations are almost the same as in (4). Results. FIG. 36 (c) shows the result of performing one echo signal generation process on the reception signal when the fixed focusing is performed at the depth of 30 mm (FIG. 14 (b)). The scatterer was well imaged.
These results are obtained in the same manner as in (4), and show that reception beamforming is possible even with the use of reception signals when multiple or all beams are ideally transmitted simultaneously. (It can also process received signals for transmitting beams with interference, and achieve high frame rates). This processing is not limited to the fixed focusing transmission, and can be performed at the time of transmitting a plurality of waves of all types (including a combination of different waves). In other words, a plurality of waves may include those subjected to different transmission beamforming, include cases with and without beamforming, or include different types of waves (electromagnetic waves, mechanical waves, heat waves, etc.). In some cases, processed data such as nonlinear processing or detection processing, super-resolution or adaptive beamforming, minimum variance processing, or signal separation may be included. These processes may be performed during beamforming. Of course, the received signals for each transmission may be superimposed. Interpolation approximation processing may be performed also 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 beamforming using the digital Fourier transform according to the present invention performed in the above simulation is based on the use of the complex exponential function multiplication and the Jacobi operation, and is based on the arbitrary beamforming process in the arbitrary orthogonal coordinate system. It has been demonstrated that it can be realized with high accuracy without interpolation approximation. Although any beamforming can be realized by using the DAS (Delay and Summation) method, the beamforming according to the present invention is accelerated by a difference between wave number matching and a transverse Fourier transform. When a PC is used, the computation time is significantly faster by a factor of 100 or more. When the aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution, a two-dimensional or three-dimensional array, the above method may be further multi-dimensional, and more processing may be performed than in the one-dimensional case. It solves the problem of cost, and its high speed is more effective. In addition, an embodiment has been described in which superposition and the like at the time of plane wave transmission with different deflection angles are effective. It is possible to obtain a high resolution and an effect of suppressing side lobes and increasing a contrast at a 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 an arbitrary array-type aperture surface shape. It was confirmed that it could be realized with high accuracy. The time for obtaining a higher-order measurement result such as displacement measurement based on the generated image signal is also shortened, and the effect of improving the measurement accuracy is obtained. In the present invention, as described in the methods (1) to (7), interpolation approximation processing may be performed in arbitrary beamforming wave number matching, and beamforming may be performed at higher speed. In order to perform approximate approximate wave number matching, it is necessary to appropriately oversample a received signal at the cost of an increase in the amount of calculation. In such a case, it is necessary to pay attention to an increase in the number of data of the Fourier transform, unlike a case where a signal at an arbitrary position can be selectively generated without performing the interpolation approximation processing.

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。   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 above. The fact that the beamforming of the methods (1) to (7) was possible proves that arbitrary beamforming based on focusing and steering can be performed in an arbitrary orthogonal coordinate system, and the apparatus of the present invention is used. The beamforming and applications that can be realized by using are not limited to those described above.

<<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の構成を説明する。図1は、第1の実施形態に係る計測イメージング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の実施形態に係る計測イメージング装置は、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, a configuration of a measurement imaging apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a typical block diagram showing a configuration example when the measurement and imaging apparatus according to the first embodiment is of an active type, and FIG. 2 is a typical block diagram showing a configuration example of the apparatus main body in detail. Although FIG. 1 is a diagram, in the second embodiment, a passive-type device is used. Therefore, the measurement and imaging device according to the second embodiment does not include at least a transmitting transducer in FIG. It does not have a wired or wireless path for sending a drive signal from the control unit to the transmitting 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-type device according to the first embodiment, a detailed configuration example of the device and the unit has been described with reference to FIGS. 1 and 2 as a representative configuration. The passive-type devices, in which the transmitting and receiving transducer array devices (the transducers may be used for both transmitting and receiving), need to be used. Do not use

つまり、第2の実施形態に係る計測イメージング装置の基本構成は、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。   That is, the basic configuration of the measurement imaging apparatus according to the second embodiment includes a receiving transducer (or receiving sensor) 20 as a receiving unit, an apparatus main body 30, an input device 40, and an output device (or display device) 50. , An external storage device 60. The device 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. Further, the device main body 30 may include a transmission unit 31. The description of these components in the first embodiment also applies 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 place. The apparatus main body 30 is composed of a plurality of such units, and is referred to as such for convenience. Further, similarly to the first embodiment, reception may be performed by mechanically scanning the reception transducer 20. Generally, the same processing may be performed even when not called an array type.

しかしながら、第2の実施形態に係る計測イメージング装置は、第1の実施形態に係る計測イメージング装置とは異なり、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, the measurement imaging apparatus according to the second embodiment is different from the measurement imaging apparatus according to the first embodiment in that, as described in detail below, an arbitrary The control unit senses the timing signal generated by receiving the wave of the observation target arriving from the wave source itself or through another process through wired or wireless communication, and captures the data of the receiving unit. (AD conversion in each reception channel and writing to the memory) may be used as a trigger signal for starting.

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、本実施形態に係る計測イメージング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 in which the control unit senses a timing signal indicating 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 the receiving transducer) of the measurement imaging apparatus according to the present embodiment is used. The received signal itself received by the receiving aperture element 20a of the sensor 20 is used, or a timing signal received by a dedicated receiving device that may be provided in the device 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 receiving aperture element 20a (there may be all elements, but the element at the end or the center may be used sparsely in the physical aperture) or a dedicated receiving device (at least a plurality of receiving channels). Is detected continuously over time, and, for example, through various input means as described above, information on the signal strength, frequency, band, code, etc. of the received signal is obtained. Is set in the control unit 34 itself (built-in memory) or in an analog determination circuit (in this case, it is not variable either in software or hardware, but is fixed in hardware). Alternatively, the sensing of the timing at which the wave is generated is performed by converting the signal received by the receiving aperture element 20a or the dedicated receiving device into a threshold value, a value, or a characteristic of the wave to be observed recorded in a memory or a storage device (storage medium). Based on collation with discrimination data in a database or the like.

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。   When the received signal is determined in an analog manner, the signal is determined by a dedicated analog circuit provided, and only when the signal is determined to be an observation target signal, a trigger signal for capturing data is generated. The data is converted and stored in a memory or a storage device (storage medium), and may be subjected to a beamforming process.

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 and temporally A / D converted and stored in a memory or a storage device (storage medium). ), At a predetermined time interval (set through an input device or the like), the stored signal is read out by the digital signal processing unit 33 and discriminated based on the comparison with the same discrimination data to determine that the signal is an observation target signal. Only when it is performed, 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 or the storage device (storage medium) is finite, the signal of the wave to be observed was not observed within a predetermined time (set through an input device or the like) when digitally discriminating. In such a case, the address of the memory is initialized. Although it is not efficient in terms of energy saving, beam forming may be performed at any time, and a wave signal may be determined using the same determination data based on an image signal of which accuracy has been increased by the beam forming. The processing is the same when the normal communication wave is the 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 a different position from a unit of another device, for example, a position near a wave source to be measured, or a position having a good reception environment for the timing signal. Yes, a wave that propagates faster than a wave received at the receiving aperture (a wave that becomes a timing signal) is used, and the timing signal may be transmitted to a control unit in the device main body via the dedicated receiving device. . 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 a received signal (AD conversion and storage in a memory, a storage device, or a storage medium) and beamforming are performed.

また、本発明の計測イメージング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、本発明の計測イメージング装置だけでなく、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。   Further, after the measurement imaging apparatus of the present invention receives a wave, a timing signal at which the wave is generated may arrive. That is, the propagation speed may be slow or such a mechanism may be used, but as a result it may be. In order to cope with such a case, the reception signal is always taken in continuously, the reception signal stored in the memory or the storage device (storage medium) is read back in time, and the beam forming is performed. . In this case, information on the wave obtained by another observer or an observation device is added as additional information to the timing signal at a relay station or the like, and the timing signal to which the additional information is added is transmitted to the dedicated reception signal. The information including the additional information is read by the device, and may be used not only in the measurement and imaging device of the present invention but also in other devices. The line used is not limited to a dedicated line, and an ordinary network may be used. Similar timing signals may be used even when a normal communication wave is an observation target. The additional information may be transmitted in a wave or a signal different from 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、本発明の計測イメージング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 (wave serving as a timing signal) before, during, or after the generation is generated. The dedicated receiving device and the dedicated line may be similarly installed and used. In this case, information about the wave to be observed may be added to the wave serving as the timing signal, and information about the wave obtained by another observer or an observation device may be added and transmitted by a relay station or the like. Then, the information including the additional information is read by the dedicated receiving device, and may be used by the measurement imaging device of the present invention or another device. The line used is not limited to a dedicated line, and an ordinary network may be used. Similar timing signals may be used even when a normal communication wave is an observation target. The additional information may be transmitted in a wave or a signal different from 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 a timing signal or reading additional information are used. However, any observer or any observation device (observation target) can be used. Any active or passive observation device or similar observation device related to a wave, such as a sign that the wave is generated, generated simultaneously with the wave, or generated after the generation of the wave Any active or passive observation device or similar observation device relating to the above phenomenon or wave motion) is used. In an irregular manner, only the dedicated receiving device receives the timing signal, and the reading of the additional information itself may be performed by the digital signal processing unit via the dedicated device or a control unit in the device main 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 of the present invention itself is used as a sensing device, the additional information may be similarly read by the digital signal processing unit 33. The timing signal may be generated by the provided sensing device. When and when, or where, or when and where, the wave is not known, the efficiency of the data capturing operation and the beam forming process, power saving, memory and storage devices It is important for saving (storage media). Data acquisition and beamforming 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 device may operate at a high clock frequency and 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 established in the apparatus 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。アクティブの場合と同様に回折源として扱われることもある。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、回折等、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 observation target is the wave itself generated by the self-emanating wave source, and the characteristics (strength, type of source, etc.) and position of the wave source, time when the wave source was activated, etc. May be observed. It may be treated as a diffraction source as in the case of active. Further, similarly to the case where the device is of the active type, the distribution of the target temperature (distribution), displacement, velocity, acceleration, strain, strain rate, or the like may be obtained from the spectrum of the wave. In addition, the characteristics of the medium during the propagation process (propagation velocity, physical properties related to waves, attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, diffraction, etc., or their frequency dispersion, etc.) are observed, and the structure of the observation target and the medium, The composition etc. may be clarified. For example, radioactive materials (such as isotopes in PET), materials with non-zero thermodynamic temperatures, seismic sources, neural activity, astronomical observations, weather, incoming objects, moving objects, telecommunications equipment including mobile communication equipment, physical Alternatively, an object that responds to a chemical stimulus, an electric source, a magnetic source, a radiation source, various energy sources, or the like is 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計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で、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、特許文献8> 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、特許文献9> 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、特許文献9> 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、特許文献10> 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、位相収差補正の下で、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)。
Fusion and data mining of measurement results may be performed through multiphysics or multichemistry using a plurality of different types of wave receiving transducers and sensors. Of course, they may be observed by a single transducer or sensor (e.g., in medical ultrasound imaging, the strain and blood flow that represent tissue deformation, and the related tissue properties may be selectively observed). Simultaneously, images are superimposed using different colors, etc. on the echo image, or optical ultrasonic waves of different markers are simultaneously imaged using different colors, etc. in a wide band, depending on the magnitude of physical quantities and physical property values and the direction of physical quantities. To display images in different colors, or to change the color depth for imaging, etc.). Multi-functional and multi-physical functions, or those that affect the surroundings in a different way, etc. In addition, the behavior of the whole (in the case of humans, the whole body) or local behavior of the object is also newly or in detail understood. For example, various neural controls (such as body temperature, blood flow, metabolism, etc.) that are performed in a living body for a short time or a long time, and effects that are given to a living body for a short time or a long time (radiation Observation of radiation exposure, nutrition intake, etc. can be used to develop artificial organs and cultured tissues, their hybrids, drugs, or supplements, etc. that contribute to prolonging life and extending life, and to monitor their operation.
It is important for advanced nations, including Japan, to enter an aging society. Therefore, it is important to improve QOL and reduce medical expenses. Increasing numbers of cancerous lesions such as human liver cancer, pancreatic cancer, kidney cancer, thyroid cancer, prostate cancer, and breast cancer (more than 1.5 million people in Japan, one in two people and one in three people die) And uterine fibroids, brain disease (brain tumor and bleeding, cerebral infarction, about 1.3 million or more), ischemic heart disease (myocardial infarction and angina, more than 1.7 million), arteriosclerosis and thrombosis (one in four) For many diseases of adult diseases such as deaths), dyslipidemia (more than 2.06 million), diabetes (more than 10 million), attention is paid to nerve, blood flow, and lymph networks in the connection of these organs and diseases. However, the present invention opens up innovative integrated diagnostic imaging systems and techniques and clinical styles (including screening) that can perform early non-invasive differential diagnosis with high accuracy, convenience, and low cost.
Most cancer metastases are spread to lymph nodes where lymph flow collects (lymphatic metastasis), as well as to places where blood flow is abundant, such as the lungs, liver, brain, and bones (hematological metastasis). . At present, when a swelling or lumps are diagnosed, the spread (stage) and general condition of the lymphatic species are diagnosed. Also, through the bloodstream, for example, pancreatic cancer is in the liver, peritoneum, etc., breast cancer is in the liver, lung, brain, etc., gastric cancer is in the lungs, liver, kidney, pancreas, etc., and lung cancer is in the liver, kidney, brain, etc. Colorectal cancer is known to metastasize to organs such as the liver, lungs, and brain. Since metastatic cancer has characteristics of a primary cancer, it is important to identify the primary cancer in order to perform appropriate treatment. Of course, for example, it is also important to catch the hepatitis, viral chronic hepatitis, cirrhosis, and the like (the mechanism of occurrence itself), as in the case of primary hepatocellular carcinoma. In addition, there is much blood flow in the nutritional arteries and advanced cancer tumors around early cancer tumors, and poor blood flow increases the possibility of prostate disease or uterine fibroids.High blood pressure increases the possibility of arteriosclerosis. And hyperlipidemia, high blood sugar viscosity, 1.2 to 1.3 times the probability of getting cancer with or without a history of diabetes, and the risk of developing ischemic heart disease in the diabetic group is 3 times, Dyslipidemia (20-50% of diabetes mellitus) and their acceleration of arteriosclerosis, increase in blood flow due to temperature rise by heating (perfusion), kidney regulates the number of red blood cells (oxygen amount) and blood pressure It is important that the present invention to simultaneously observe the pathological state, neural control, and hemodynamics of various tissues in situ with high precision in real time with high accuracy. It is also desirable for blood clots to have improved measurement accuracy of hemodynamics after surgery and in a normal life of a 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), (optical) ultrasonic device, OCT (optical interference A new high-precision and simple real-time three-dimensional device based on the mathematical inverse problem of three basic physics (electromagnetics, mechanics, and heat) (described in paragraph 0377 etc.) using a single device or a fusion device Using in vivo diagnostic imaging techniques, early integrated imaging techniques (related simultaneous observation and fusion imaging by simultaneous multiple observations of the same or multiple organs) of the properties of related organs and tissues can be performed, and cancer and brain -Highly focused ultrasound (HIFU), electromagnetic coagulation, chemotherapy, pharmacy, and various types of radiation therapy as a means of minimally invasive treatment of heart disease Breakthrough fusion with can be performed early treatment of highly accurate and inexpensive early differential diagnosis and minimally invasive. Innovative clinical styles that allow for short-term early diagnosis followed by heat treatment in the shortest time are pioneered.
(1) <Electromagnetics-based, Patent Literature 8> Imaging of current density vector and electrical properties using MRI and SQUID: Three-dimensional distribution of current density vector and electrical properties (conductivity and dielectric constant) based on magnetic field measurement Visualize the cranial nerve network by imaging (superimposed and displayed on diffusion imaging of MRI). Inverse problems of Biot-Savart's law and differential inverse problems using observed current density vectors, respectively. For example, perfusion (blood flow) control can be monitored in fusion with the HIFU heat treatment described in (6) below.
(2) <Mechanical base, Patent Document 9> Imaging of blood flow vector, blood pressure, and shear viscosity using MRI, (optical) ultrasound, and OCT: MRI is based on distribution imaging of hydrogen, carbon, phosphorus, and the like. In addition, in the case of ultrasound echo method and optical ultrasound (under the discrimination between arteries and veins, or when using D-type glucose or L-type glucose that is specifically taken up in a recently reported cancer as a contrast agent, In the case of using LDL, HDL cholesterol and triglyceride as markers as sugars due to diabetes or dyslipidemia as markers), a three-dimensional flow velocity vector of blood flow and a three-dimensional distribution of a strain rate tensor are imaged using a multi-dimensional Doppler method ( Unlike ordinary Doppler, it is possible to observe vectors in any direction just by pointing the sensor at the target), and based on the differential inverse problem based on the observed velocity data Pressure and heart cavity pressure and shear viscosity, the 3-dimensional distribution of density imaging. MRI is for intracranial blood flow, ultrasound echo is for intracardiac and abdominal organs (liver, pancreas, kidney, prostate, uterus), and body tissue (breast, thyroid, eyes, skin) Blood flow, optical ultrasound, and OCT are used to monitor blood flow in open organs, eyes, and skin (observe the eye in connection with diabetes). Finally observed the blood flow network. Diagnosis of ischemic heart disease (myocardial infarction and angina pectoris), cerebral disease (brain tumor, cerebral hemorrhage, cerebral infarction), arteriosclerosis, thrombosis with a focus on dyslipidemia and blood sugar by quantifying blood pressure, chamber pressure and viscosity. Simultaneous observation of soft tissue in (3) was performed in integrated imaging in (5). Alternatively, perfusion (blood flow) in the HIFU heat treatment in (6) is monitored.
(3) <Mechanical base, Patent Document 9> Imaging of mechanical dynamics and shear (visco) elasticity of soft tissue using MRI, (optical) ultrasound, and OCT: Ultrasonic echo method and optical ultrasonic (focusing on soft tissue components) Or the novel observation of broadband observation of irradiation light and optical ultrasonic waves without a contrast agent or marker)), using the same multidimensional Doppler method as in (2), the three-dimensional displacement vector and strain tensor of soft tissue. Of the internal pressure (tissue pressure and intraocular pressure), shear (visco) elasticity (hardness), density, and force source (radiation pressure, etc.) based on the differential inverse problem from the observed displacement data. In situ imaging of three-dimensional distribution of HIFU). MRI is for intracranial brain tissue and lymph network, ultrasonic echo is for heart tissue (heart muscle and valves) and abdominal organs (liver, pancreas, kidney, prostate, uterus), and body surface tissue (breast, thyroid, eyes, skin) , Lymph network, optical ultrasound and OCT diagnose the pathology (tissue properties) of open organs, eyes and skin. Simultaneous observation of blood flow in (2) was performed in integrated imaging in (5). Alternatively, the effect (degeneration such as tissue coagulation) of the HIFU heat treatment of (6) is monitored.
(4) <Thermobase, Patent Document 10> Imaging of temperature and thermophysical properties of soft tissue using MRI, (optical) ultrasound, and OCT: To monitor metabolism and (6) HIFU heat treatment, so-called MRI In addition to the observation using the chemical shift of the Larmor frequency and the temperature dependence of the sound speed and volume of (optical) ultrasonic waves, the three-dimensional temperature distribution using the temperature dependence of the shear (viscosity) elasticity using (3) Conducted in situ observations and conducted practical observations that were robust to tissue displacement. Further, based on the differential inverse problem, imaging the thermophysical properties (thermal conductivity, heat capacity, thermal diffusivity), perfusion (the blood flow observation of (2) can be applied), and the three-dimensional distribution of the heat source (HIFU) , (6) applied to heat treatment planning in HIFU heat treatment.
(5) <Integrated imaging> Simultaneous multi-observation of multiple organs by (1) to (4): Based on three-dimensional imaging of tissue properties of electromagnetism, mechanics, and thermology, focusing on networks of nerves, blood flow and perfusion Integrated imaging diagnosis for simultaneous observation of multiple organs from multiple angles. Simple and quick diagnosis.
(6) <Integration of integrated imaging and treatment> (5) HIFU heating treatment control using integrated imaging (automatic treatment): In order to complete treatment in a short time with minimal invasiveness, blood flow data of (2) and ( Using the temperature and thermophysical observation data in 4) and the HIFU heat source database in a temperature distribution calculation simulator to predict the temperature distribution, and (3) using the monitoring data of the therapeutic effect (denaturation) by shear (visco) elasticity imaging. Controls the focus (heating) position, beam shape, beam intensity, irradiation time, and irradiation interval of the HIFU beam under phase aberration correction using an updated automatic heating treatment plan. The accuracy, reliability and safety of the treatment are improved, and the HIFU applicator can be installed in the vicinity without obstacles such as bones, so that it is possible to treat organ cancers other than prostate cancer and uterine fibroids which are widely spread.
It is desirable that the therapeutic means be minimally invasive, and is not limited to these as described above. The present invention is a technique which is simple, inexpensive and provides a high QOL to an aging society, thereby widespread medical examinations leading to prevention and early detection, and also implements a short-term treatment means (ideally at the same time). It is a promising candidate for a possible technology (Theranosis). The above-mentioned imaging and treatment are performed from the surface of the body, during surgery (directly or through an organ during opening), during laparoscopic surgery, during oral and nasal passages, portal, and vaginal Can also be implemented.
It also includes alternatives to various sensors of living things, supplements to them, or cases where new sensors are provided. When targeting living things, there are occasions where it is required to be small and wearable, or to be in a form or material that is easily adapted to living things. The processing content is also various.For example, when multiple compression waves and shear waves arrive at the same time as a dynamic wave, an analog dedicated device is used using the mode, frequency, band, code, propagation direction, etc. Alternatively, beamforming may be performed after separating waves using a digital signal processing unit as in the first embodiment. When there are a plurality of wave sources of electromagnetic waves, a plurality of electromagnetic waves having different characteristics may be superimposed on each other, and may be separated similarly. Alternatively, even when a plurality of waves arrive due to the phasing addition effect by beamforming, a highly accurate image signal may be generated (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 beamforming is performed, signals may be separated based on the same processing. In order to obtain the effect of the phasing addition, it is necessary to determine the arrival direction of the wave and the position of the wave source. Steering may be performed in that direction and focusing may be performed on the position. In reception, in addition to dynamic focusing, fixed focusing is also useful. To find them, the center of gravity (center) frequency, instantaneous frequency, and band of the multidimensional spectrum of the wave received by the receiving aperture element array, so-called MIMO, SIMO, MUSIC, independent component analysis, code, or various parametric methods, etc. Is sometimes used. The same processing may be performed after performing beamforming, but in addition, waves may be observed using geometric information, especially after performing beamforming at multiple positions. . The processing method is not limited to these, and may be performed 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、本発明の計測イメージング装置においては、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 the arriving wave is obtained based on a multidimensional spectrum analysis of the received signal (the past work of the inventor of the present application). Further, in the measurement and imaging apparatus of the present invention, a plurality of When information on the propagation time cannot be obtained using the transducer or the receiving effective aperture of the wave (usually, the position or distance of the wave source is determined from the time when the wave is observed at a plurality of positions), It is possible to determine the location and distance of the source. Waves can be observed not only as pulse waves or burst waves but also as continuous waves. Through any processing, when the arrival direction of the wave is known, the received beam can be steered and focused in that direction (monostatic or multistatic aperture plane synthesis) to observe in detail. If necessary, transmission beamforming may be performed by using the active type according to the first embodiment. In those processes, always, with emphasis on the likely direction, perform reception beamforming while changing the steering angle, and observe the obtained image or image, spatial resolution, contrast, signal strength, or Through multi-dimensional spectral analysis, the direction of the wave source can also be specified. 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。   In some cases, the resolution of an image signal is increased by super-resolution. Also described in paragraphs 0009 and 0425. In some cases, it is easy to measure the size, strength, position, and the like of a wave source, a scattering object in a measurement object or a medium, and a reflector. Although the band is always limited by the physically generated wave field, a typical super-resolution is to widen the band by inverse filtering and restore them as an original signal source or signal. is there. Also, waves are usually affected by frequency-dependent attenuation, may be out of focus, the source of the wave may be a moving object, and disturbance may occur in the intervening medium. . In order to correct these, super-resolution may be performed. As described in paragraph 0383, it is sometimes useful not only to broaden the bandwidth but also to apply a further filtering so as to have a desired point spread function. Implementation in the domain or spatiotemporal domain 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 while performing transmission and / or reception required to generate one image signal, and may need to perform motion compensation. In many cases, the point spread function is unknown, and in such a case, blind deconvolution may be performed including the case where the above-described signal separation processing (particularly, blind separation) is used together. The method described in paragraph 0425 is known. In addition, there are various other methods such as the maximum likelihood method (for example, Non-Patent Documents 39-41). It is desirable to evaluate the point spread function by some method such as finding an autocorrelation function, and ideally to obtain a coherent point spread function.However, the spectrum distribution shape and bandwidth including those obtained from incoherent signals are desirable. Even if is obtained, inverse filtering is possible. 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)と同一になるように、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 observation is desired, for example, it is preferable to evaluate the point spread function and store it as a database when observation is possible. One effective method of performing inverse filtering is to weight the observed spectrum so that it is the same as the spectral distribution (of course, the spectral intensity distribution) of the signal distribution such as the desired point spread function or echo distribution. Is possible. The desired point spread function and the spectral distribution of the signal distribution such as the echo distribution may be set through analysis, simulation, optimization, etc., and perform beamforming under ideal parameters for the measurement target. , It can be done with a single measurement, ensemble averaging can be performed under multiple measurements, or averaging under the assumption of local stationary processes ( For example, it may be obtained in a similar manner using a phantom (calibration phantom) of an object to be measured, which has been performed for a long time, for example, non-patent documents 35 and 36). In some cases, the one-dimensional point spread function in the direction of wave propagation or in the direction perpendicular to the wave is estimated by obtaining a one-dimensional autocorrelation function. However, the multidimensional point spread function is estimated by obtaining a multidimensional autocorrelation function. (See Non-Patent Documents 8 and 14). Each is equivalent to a one-dimensional spectrum or a multidimensional spectrum in the propagation direction or the orthogonal direction (that is, self-spectrum). These are used when evaluating the wavelength of a wave, the shape of a force source, and the spatial resolution of a wave (Patent Document 11 and the like), and are used for super-resolution. For example, fixed focusing or aperture plane synthesis (Non-Patent Document 15) is performed using a power function type apodization to obtain a desired high-resolution point spread function or a signal distribution such as an echo distribution, and a plane wave capable of high-speed transmission and reception. The resolution of a low-resolution signal (Non-Patent Document 15) obtained by performing transmission using Gaussian apodization may be increased. The latter is suitable for high-precision measurement of high-speed motion 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 performed on the angular spectrum before wave number matching or the spectrum after wave number matching. That is, super-resolution can be performed using an angular spectrum or spectrum of a signal distribution such as a desired point spread function or an echo distribution or an angular spectrum or spectrum of a received signal. In the weighting, care must be taken when dividing by a zero value or a small spectrum, and in particular, it is not effective to amplify various noises included in the received signal. ), Singular value decomposition (discard small singular values and spectra, and do not use signal components of the 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。   In the process of the methods (1) to (7) in the digital wave signal processing, inverse filtering can be performed. The resolution of an image signal is increased, and an effect may be obtained also in terms of quantitativeness (numerical value). However, the same effect may be obtained when displayed as an image. The effect of restoring a blurred image or focusing can be obtained. Inverse filtering is sometimes performed on an incoherent signal, and is effective when performed in the state of a coherent signal. In particular, spatial change of a physical property distribution can be understood. Super-resolution may be applied to the superimposed one or the one whose spectrum is frequency-divided. Applications of super-resolution are 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。   Also, a new super-resolution can be implemented. One is based on the non-linear processing described later, and the other is an imaging of 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
であり、t=0は、t軸方向の基準位置、即ち、波動源の位置(t=0)を表し、δθ(t)は、位置座標tにおいて反射や散乱により生じる位相変化を表す。
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 is
Where t = 0 represents a reference position in the t-axis direction, that is, the position of the wave source (t = 0), and δθ (t) represents a phase change caused by reflection or scattering at the position coordinate t.
Then, the instantaneous angular frequency ω (t) in the propagation direction t, the instantaneous phase θ (t), and the like are obtained, and imaging is performed. The propagation direction t may be directed to the front without steering, or may have a deflection angle by steering. When the region of interest is three-dimensional, it is two-dimensional or one-dimensional. Sometimes. As described in Non-Patent Document 19, the propagation direction of a wave or a beam can be measured with a spatial resolution (using the center of gravity or the instantaneous frequency of the spectrum), and at the same time, the frequency in that direction can also 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 linearly set in the steering direction (angle) of the wave or beam set at the time of transmission or in the generated wave or beam, but similarly, in the steering direction (angle) estimated globally. Can be taken. In order to simplify the processing, a nominal frequency or a frequency in that direction which is simultaneously estimated globally can be used. Performing integration in the propagation direction estimated in a state having spatial resolution involves interpolation processing of a frequency distribution and 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、
を生成し、式(30−1)と式(31)の二乗の和の平方根によっても求まる(特許文献7や非特許文献14)。後者は、特にデジタル信号処理に適している。
Incidentally, A (s) is the amplitude, and represents the reflection intensity and the scattering intensity at the position coordinate t = s. For example, it is obtained by envelope detection (square root of the sum of squares of IQ signals) through quadrature detection of Expression (30-1). Alternatively, through the Hilbert transform using the Fourier transform,
Is also obtained by the square root of the sum of the squares of the equations (30-1) and (31) (Patent Document 7 and Non-Patent Document 14). The latter is particularly suitable for digital signal processing.

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、
と表せる。
Using Equation (30) and Equation (31), a complex analysis signal (Patent Document 6 or Non-Patent Document 7) is displayed,
Can be expressed as

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)、
であると仮定すると、その位置座標t=s+Δsにおける信号は、
と表されて、式(32)と式(35)との共役積を求めると、式(33)と式(34)の仮定の下で、
と表され、従って、位置座標t=sにおける瞬時周波数は、
と推定される。
First, to find the instantaneous phase θ (s), an instantaneous angular frequency is found. As a conventional means, it is assumed that the instantaneous frequency at the next sampling position coordinate t = s + Δs is equal and the instantaneous phase is not equal at the position coordinate t = s by the method described in Patent Document 6 or Non-Patent Document 7 ( δθ (t) is a phase change (that is, random) determined by random scattering intensity and reflectance, and greatly changes randomly with respect to t);
Assuming that the signal at the position coordinate t = s + Δs is
When the conjugate product of Expression (32) and Expression (35) is obtained, under the assumption of Expression (33) and Expression (34),
Thus, the instantaneous frequency at the position coordinate t = s is
It is estimated to be.

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
と、式(37)そのものに施される場合
とがあるが、変位(ベクトル)計測には、式(38−1)の方が精度が高いことが確認されている。
As described in Patent Literature 6 and Non-Patent Literature 7, noise is actually mixed into the signal r (s), and the signal r (s) is estimated under the assumptions of Expressions (33) and (34). , S-axis direction or two or one direction orthogonal to the s-axis direction, the moving average processing is performed, and the accuracy may be improved. This moving average processing is performed on equation (36) and is obtained according to equation (37).
Is applied to equation (37) itself
Equation (38-1) has been confirmed to have higher accuracy in displacement (vector) measurement.

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、
を乗算することにより、瞬時位相θ(s)がランダムな散乱強度や反射率で決まる位相変化の積算値(即ち、ランダム)である仮定の下で、その推定値
が得られる。
The instantaneous frequency at which the moving average has been applied may be used to detect the instantaneous frequency at each coordinate. The estimated value of the instantaneous frequency is unbiased, and in the case of digital signal processing,
Is multiplied by the assumption that the instantaneous phase θ (s) is an integrated value of phase change determined by random scattering intensity and reflectance (that is, random),
Is obtained.

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。   The center of gravity obtained from the first moment of the spectrum (center of gravity, that is, a weighted average value) instead of performing the moving average on the instantaneous frequencies obtained by the equations (38-1) and (38-2). The 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。   In the expression representing the observation signal, t = 0 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 be set to t ′ = 0 (wave source position). In this case, θ ′ (s) obtained as a distribution of the position coordinates t = s Is an estimated value of the instantaneous phase (Equation (30-2)) itself represented by an integral value of a phase change caused by reflection or scattering. The instantaneous frequency is averaged, and the obtained θ ′ (s) 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(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、
として式(39)を用いることとなる。若しくは、t'= s'(非零、しかし、sとは等しくない)として、式(39)を用いる場合も有り、その場合には、推定値θ'(s)には、以下のバイアスエラーが生じることになる。
Further, due to the influence of the moving average processing and the influence of the window length when obtaining the spectrum, the instantaneous frequency is obtained from the wave source position (t = 0) to t = s ′ (non-zero, not equal to s). Otherwise, assuming that t ′ = 0, using the nominal angular frequency or the previously measured / estimated angular frequency ω 0 ,
Equation (39) is used as Alternatively, equation (39) may be used as t ′ = s ′ (non-zero, but not equal to s), in which case the estimated value θ ′ (s) has the following bias error: Will occur.

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、
として求まる。式(36)に対して、ω(s)Δsを核とする複素指数関数との共役積を求めても良い。尚、上記の式(34)、(36)、(43)等において、位相の引き算を前方差分を用いて求める場合を記載したが、その代わりに、後方差分を行うことも可能である。また、式(37)、式(38−1)、式(38−2)において、位相の微分の計算を上記の位相の差分をサンプリング間隔で割る近似で行ったが、高域遮断周波数を持つ微分フィルタを用いて微分処理を行うこともある。また、式(39)の瞬時周波数の推定値の積分には、台形則を初めとする公知の様々な積分演算を実施できる。
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(グレースケール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 amount of change in the instantaneous phase at sampling Δs intervals, based on Expressions (30-2) and (34), the bias does not pose a problem. The estimation result is
Is obtained as The conjugate product of Expression (36) and a complex exponential function having ω (s) Δs as a core may be obtained. In the above equations (34), (36), (43) and the like, the case where the subtraction of the phase is obtained by using the forward difference is described, but instead, the backward difference can be performed. In Expressions (37), (38-1), and (38-2), the calculation of the phase differential was performed by approximation of dividing the above-described phase difference by the sampling interval. Differentiation processing may be performed using a differentiation filter. For integration of the estimated value of the instantaneous frequency in Expression (39), various well-known integration operations including a trapezoidal rule can be performed.
In order to obtain the estimation result of the instantaneous phase (Equation (30-2)) not including the phase rotation represented by Equation (40), the imaginary number of the analytic signal represented by Equation (32) is obtained regardless of the above. Arctan (inverse tangent function) is applied to the part / real part to obtain the cosine angle (ie, instantaneous phase including phase rotation) in equation (30-1). In equation (42), s ′ = s The subtraction can also be made directly using the moving average of the instantaneous frequency or the phase rotation determined by the integral operation of the first moment of the spectrum. However, since the direct operation 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 the phase rotation is monotonically increasing, unwrapping may be performed by adding 2π to an integer m when the arctan result is negative. Here, m is the number of times that the result of arctan observed in the beam direction or wave propagation direction is negative. As in the above case, the equation (41) may be used, or a bias error represented by the equation (42) may occur. Also, in order to estimate Δθ (s), which is the amount of change in the instantaneous phase of the sampling interval Δs that does not include the bias error, the phase rotation estimated at a position separated by Δs is not included separately from Expression (43). The difference between the instantaneous phase and the estimated value can be calculated directly by subtraction.
The image related to the phase represented using Expression (40) or Expression (43) has a wide band, and is a type of super-resolution. The phases themselves can be displayed, can be displayed by multiplying by a cosine or sine function, or can be displayed by weighting 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 equation (40) is obtained is the same as that of the envelope signal. Therefore, square detection or absolute value detection, ideally, it is desirable to form an image as it is without destroying the undulation (sign and phase of the signal value) (a grayscale image or a color image can be displayed). 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, it becomes an image showing the influence of frequency modulation due to attenuation and scattering (similarly, gray and color display is possible).

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。
それらの信号自身に対して移動平均処理が行われない場合もある。ω(s)は、上記の計算の他、例えば、以下の如く推定することができる。式(30−1')をさらに微分し、上記の条件や仮定、処理の下で、さらには、ω(s)の空間微分も小さい場合やその仮定をし、以下の様に近似する。
その際に、それらの信号自身に対して移動平均処理は行われない場合もある。式(30−1'')を式(30−1)で割り、−1を乗じれば、ω2(s)を推定できる。しかし、ω2(s)のその推定結果が負値となることがあり、偏微分方向sを含む多次元において、又は、その偏微分方向sの近傍の正値に置き換えられたり、近傍の正値のみを使用して補間近似したり、メディアンフィルタが掛けられたり、移動平均処理されたり、これらの組み合わせが施されることがある。メディアンフィルタは、特に、突発的に生じる大きな推定エラーを除去できる効果がある。また、正値に対して平方根を施して得られるω(s)に、メディアンフィルタや移動平均処理が施されることもある。これらの処理を通じて、ω(s)が求められることがある。式(30−1')をω(s)で除して−1を乗じることにより、式(30−1)の解析信号の虚数成分が得られる(つまり、解析信号が求まる)。この2階微分は、式(30―1)に微分フィルタや差分近似を2回施して求めても良いし、2階の微分フィルタや2階の差分近似(いわゆる中央差分を用いて、1、−2、1を乗じて加算したものをそれらの位置の距離の二乗で除する)を施して得ても良い。この他、微分には、例えば、アナログ回路にてオペアンプを使用した微分フィルタを使用しても良いし、デジタル回路又はデジタル信号処理において、微分フィルタや差分近似に基づく微分計算をしても良い。これらの微分処理は一種の高域通過型フィルタリングであるため、高域遮断周波数を設けて処理したり、微分処理の結果に対して移動平均処理を施すことがある。また、上記の瞬時周波数ω(s)には、計算を簡単にするべく、代わりに、公称周波数や大局的に推定される周波数(スペクトルの第1次モーメント等)を使用することもできる。本検波処理は、他の検波処理よりも格段に高速である。この処理は、r(s)の包絡線イメージング(解析信号の大きさを求めれば良い)や、変位や速度、加速度、歪、歪率、温度等の計測にも使用できる。(高速)フーリエ変換を施した場合と変位の計測精度は略同じであるが、エコー画像は深部において比較して高強度となることを経験している。本ヒルベルト変換法は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(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。これらの計測を行う場合には、複数の波動やビームを用いたり、スペクトルの周波数分割等を通じて得られた複数の疑似の波動やビームを用いて、それらの各々から導出されるドプラ方程式を連立して連立方程式を得ることがある(over-determinedシステムであることがある)が、その場合に、式(30−1)は、それらの各々の波動やビーム、又は、疑似の波動やビームを表し、各々の解析信号が同様にして求められて使用される。また、受信信号が多次元受信信号であり、搬送周波数が複数の直交座標軸方向に存在する場合(横方向変調やステアリングを実施した場合)においても、同様に瞬時位相を推定できる(詳細については後述する)。
Although the above-mentioned Hilbert transform is described as being performed based on a (high-speed) Fourier transform (Non-Patent Document 13), it is needless to say that the original Hilbert transform may be calculated. When noise is mixed in the signal, the accuracy is reduced. However, a differential process is performed on the target real-time signal to generate a signal whose phase is advanced by 90 °, and the signal is multiplied by −1 to obtain an imaginary number. It is also possible to calculate the component (for the part multiplied by the angular frequency by the differential processing, the phase obtained by applying the inverse function of the cosine or sine signal to the original real-time signal is used to calculate the phase at the neighboring position (phase ) (The forward difference, the backward difference, the center difference, etc., multiplied by 1 and −1, or added or subtracted) and divided by the distance between those positions (difference approximation). And a differential filter may be applied instead of the difference approximation).
For example, when differentiating the arbitrary signal represented by the equation (30-1), the spatial differential (spatial (s) -like change) of the amplitude A (s) is compared with the instantaneous frequency ω (s). By making a moving average in the multidimensional including the partial differential direction or in the partial differential direction with respect to the expression (30-1) or its differential result, Approximates
In some cases, the moving average processing is not performed on the signals themselves. ω (s) can be estimated as follows in addition to the above calculation. Expression (30-1 ′) is further differentiated, and under the above conditions, assumptions, and processing, and when the spatial differentiation of ω (s) is small or assumed, the approximation is as follows.
At that time, the moving average processing may not be performed on the signals themselves. By dividing equation (30-1 ″) by equation (30-1) and multiplying by −1, ω 2 (s) can be estimated. However, the estimation result of ω 2 (s) may be a negative value, and it is replaced with a positive value in the multidimensional including the partial differential direction s, or in the vicinity of the partial differential direction s, or a positive value in the vicinity. Interpolation approximation using only values, median filtering, moving average processing, or a combination thereof may be performed. The median filter is particularly effective in removing a sudden large estimation error. Further, ω (s) obtained by applying a square root to a positive value may be subjected to a median filter or a moving average process. Through these processes, ω (s) may be obtained. By dividing equation (30-1 ′) by ω (s) and multiplying by −1, the imaginary component of the analysis signal of equation (30-1) is obtained (that is, the analysis signal is obtained). The second-order differentiation may be obtained by applying a differential filter or a difference approximation twice to Equation (30-1), or a second-order differential filter or a second-order difference approximation (using a so-called central difference, -2, which is multiplied and added and divided by the square of the distance between those positions). In addition, for the differentiation, for example, a differential filter using an operational amplifier in an analog circuit may be used, or in a digital circuit or digital signal processing, differential calculation based on a differential filter or difference approximation may be performed. Since these differentiating processes are a kind of high-pass filtering, processing may be performed by providing a high-frequency cutoff frequency, or moving average processing may be performed on the result of the differentiating process. In addition, for the above-mentioned instantaneous frequency ω (s), a nominal frequency or a globally estimated frequency (such as the first moment of the spectrum) can be used instead for simplifying the calculation. This detection processing is much faster than other detection processing. This processing can also be used for envelope imaging of r (s) (the magnitude of an analysis signal may be obtained) and measurement of displacement, velocity, acceleration, strain, strain rate, temperature, and the like. Although the measurement accuracy of the displacement is almost the same as that obtained by performing the (high-speed) Fourier transform, the echo image is experienced to have a higher intensity in a deep part. The Hilbert transform method is faster than the Hilbert transform using Fourier transform (Non-Patent Document 13), and a plurality of beams and waves having different wave parameters and beam forming parameters are generated in each time phase. In such a case, the number of reception signals received by the reception transducer increases and the number of times of performing beam forming or Hilbert transform increases, which is effective in such a case. The Hilbert transform may be performed at once by regarding a signal obtained by superimposing a plurality of beamformed signals as one beamformed signal. In this case, the present invention is also effective (the instantaneous frequency obtained by differentiation is: This is the composite frequency in the differential direction of the superposition of those beams and waves.) The instantaneous phase imaging described above may also be performed on superimposed composite waves. When performing these measurements, multiple Doppler equations derived from each of them are used by using multiple waves and beams, or using multiple pseudo waves and beams obtained through frequency division of spectrum. (Which may be an over-determined system), in which case equation (30-1) describes each of those waves or beams, or pseudo waves or beams. , And each analysis signal is obtained and used in the same manner. Also, when the received signal is a multidimensional received signal and the carrier frequency exists in a plurality of orthogonal coordinate axis directions (when lateral modulation or steering is performed), the instantaneous phase can be similarly estimated (the details will be described later). Do).

図37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38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38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、軸方向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37と図38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、2次元又は3次元の横方向変調時のそれぞれにおいて、観測を実施する直交座標系の軸方向又はそれに直交する横方向の軸(それぞれ、軸座標軸と横座標軸)に対して、又は、軸座標軸とそれと直交する横方向を含む面に対して対称(つまり、軸方向に対して全ての波動が対称)になるように波動を偏向(ステアリング)して交差させる(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し、他に記載の通り、非対称のままに処理することもある)。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、つまり、開口の正面方向に対して0°のステアリング角度を持つ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37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38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
とすると、これより、各方向(t1,t2,t3)の瞬時角周波数(ω1(t1,t2,t3), ω2(t1,t2,t3), ω3(t1,t2,t3))と、瞬時位相θ(t1,t2,t3)等を求めてイメージングする。関心領域が2次元のときは、
と表される。以下の3次元の時と同様に処理される。
FIG. 37 is a diagram illustrating an example of two steering beams in a two-dimensional case and a lateral modulation of their superposition. FIG. 38 is a diagram illustrating an example of four steering beams in a three-dimensional case and a lateral modulation of their superposition (in the case of three steering beams, one of the steering beams shown in FIG. 38). It is possible to use three steering beams among the above, and it is also possible to generate three steering beams which are all symmetrical with respect to the axial direction, but the drawing is omitted). Although FIGS. 37 and 38 show linear one-dimensional and two-dimensional array apertures, array apertures of other arbitrary shapes can be used, and the coordinate system is also arbitrary rectangular coordinates. The system can be used. Whatever the shape of the array aperture type or rectangular coordinate system is used, in the two-dimensional or three-dimensional lateral modulation, respectively, the axial direction of the rectangular coordinate system in which observation is performed or the horizontal axis orthogonal thereto. (Waves are symmetrical with respect to the axis coordinate axis and the abscissa axis, respectively) or with respect to the plane including the axis coordinate axis and the transverse direction orthogonal thereto (that is, all waves are symmetrical with respect to the axial direction). Deflection (steering) intersects (if not symmetric, the coordinate system may be translated or rotated to make it symmetrical, or may be processed asymmetrically as described elsewhere). Here, although referred to as a steering beam, it can be applied to any wave that has been steered (the steering beam may include an unsteered one, that is, a steering beam having a steering angle of 0 ° with respect to the front direction of the opening). In the case of lateral modulation, for example, in the case of two-dimensional modulation, as shown in FIG. 37, processing is performed in a state where two cross waves generated by steering are superimposed and a state where they are not superimposed. Similarly, in the three-dimensional case, as shown in FIG. 38, processing is performed in a state where three or four cross waves generated by steering are superimposed and in a state where they are not superimposed. The same applies when steering is performed and processing is performed as a multidimensional received signal. As described in Non-Patent Document 19, the propagation direction of a wave or a beam can be measured with a spatial resolution (using the center of gravity or the instantaneous frequency of the spectrum), and at the same time, the frequency in that direction can also 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. In the case of the above-mentioned one-dimensional signal, as an example, the integration path is estimated in the steering direction (angle) of the wave or beam set at the time of transmission, or the generated wave or beam, similarly, but globally. Although it is described that the steering direction (angle) to be taken is linear, the integration path can be theoretically arbitrarily taken in that dimensional space in this multidimensional case. However, when actually calculating the integral, it is important to set the integration path in a state suitable for the coordinate system in which the beamforming is performed, such as those that draw straight lines and arcs and those that connect them. Often used. In addition, in order to simplify the processing, a nominal frequency or a frequency that is simultaneously estimated globally can be used (projected onto an integration path). Performing integration in the propagation direction estimated in a state having spatial resolution involves interpolation processing of a frequency distribution and is not impossible but not practical. Now, the signal in the region of interest
From this, the instantaneous angular frequencies (ω 1 (t 1 , t 2 , t 3 ), ω 2 (t 1 , t 2 , t 3 ), ω in each direction (t 1 , t 2 , t 3 ) 3 (t 1 , t 2 , t 3 )) and the instantaneous phase θ (t 1 , t 2 , t 3 ) are obtained and imaging is performed. When the region of interest is two-dimensional,
It is expressed as Processing is performed in the same manner as in the following three-dimensional case.

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、
を生成し、式(30'−1)と式(31')の二乗の和の平方根によっても求まる(特許文献7や非特許文献14)。後者は、特にデジタル信号処理に適している。
Incidentally, A (s 1 , s 2 , s 3 ) is an amplitude, and represents the reflection intensity or the scattering intensity at the position coordinates (s 1 , s 2 , s 3 ). For example, it is obtained by envelope detection (square root of the sum of squares of the IQ signal) through quadrature detection of Expression (30′-1). Alternatively, through the Hilbert transform using the Fourier transform,
Is also obtained by the square root of the sum of the squares of the equations (30′-1) and (31 ′) (Patent Document 7 and Non-Patent Document 14). The latter is particularly suitable for digital signal processing.

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、
と表せる。
Using Equation (30 ′) and Equation (31 ′), a complex analytic signal (Patent Document 6 or Non-Patent Document 7) is displayed,
Can be expressed as

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)、
であると仮定すると、その位置座標(s1+Δs1,s2,s3)における信号は、
と表されて、式(32')と式(35')との共役積を求めると、式(33')と式(34')の仮定の下で、
と表され、従って、位置座標(s1,s2,s3)におけるs1方向の瞬時周波数ω1(s1,s2,s3)は、
と推定される。
First, an instantaneous angular frequency is obtained to obtain the instantaneous phase θ (s 1 , s 2 , s 3 ). The usual practice, the method described in Patent Document 6 and Non-Patent Document 7, in the position coordinates (s 1, s 2, s 3), for example, t 1 the direction of the next sampling position coordinates (s 1 + Δs 1, Assuming that the instantaneous frequencies at s 2 , s 3 ) are equal and the instantaneous phases are not equal (δθ (t 1 , t 2 , t 3 ) is a phase change determined by random scattering intensity or reflectance (ie, random ), And randomly changes greatly with respect to (t 1 , t 2 , t 3 )),
, The signal at that location coordinate (s 1 + Δs 1 , s 2 , s 3 ) is
When the conjugate product of Expression (32 ′) and Expression (35 ′) is obtained, under the assumption of Expression (33 ′) and Expression (34 ′),
Is expressed as, Accordingly, the position coordinates (s 1, s 2, s 3) s 1 direction instantaneous frequency omega 1 in (s 1, s 2, s 3) are
It is estimated to be.

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
及び、ω1(s1,s2,s3)そのものに施される場合
があるが、変位(ベクトル)計測には、式(38'―1)の方が精度が高いことが確認されている。s2やs3の方向の瞬時周波数もR2(s1,s2,s3)やR3(s1,s2,s3)を求めることを通じて同様に求められる。
As described in Patent Literature 6 and Non-Patent Literature 7, noise is actually mixed in the signal r (s 1 , s 2 , s 3 ), and Equation (33 ′) and Equation (34 ′) Assuming that the moving average process is performed in the s 1 axis direction and in two directions or one direction orthogonal to the s 1 axis direction, the accuracy may be improved. This moving average processing is performed on equation (36 ′) and is obtained according to equation (37 ′).
And ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) itself
However, it has been confirmed that Equation (38′-1) has higher accuracy in displacement (vector) measurement. direction of the instantaneous frequency of s 2 and s 3 are also determined in the same manner through obtaining the R 2 (s 1, s 2 , s 3) and R 3 (s 1, s 2 , s 3).

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、
を乗算することにより、瞬時位相θ(s1,s2,s3)がランダムな散乱強度や反射率で決まる位相変化の積算値(即ち、ランダム)である仮定の下で、その推定値
が得られる。
The instantaneous frequency at which the moving average has been applied may be used to detect the instantaneous frequency at each coordinate. The instantaneous frequency estimate is unbiased, and in the case of digital signal processing,
Is multiplied by the assumption that the instantaneous phase θ (s 1 , s 2 , s 3 ) is an integrated value of phase change determined by random scattering intensity and reflectance (ie, random),
Is obtained.

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。   It should be noted that instead of performing a moving average on the instantaneous frequencies obtained by Expressions (38′-1) and (38′-2), the first moment (centroid, that is, a weighted average value) of the spectrum is used. The obtained center-of-gravity frequency (× 2π) may be used. The equation of the center of gravity in the x-axis direction on one axis of the three-dimensional orthogonal coordinate system is shown in 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 observation signal is an arbitrary line from the starting point 0 where the position where the instantaneous phase is zero is regarded as the reference position to the point of interest (s 1 , s 2 , s 3 ). 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 be set to 0 (wave source position). In this 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 the estimated value of The instantaneous frequency is averaged, and the obtained θ ′ (s 1 , s 2 , s 3 ) 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(ω010203)を用いて、
として式(39')を用いることとなる。若しくは、積分路c'の始点を(t1,t2,t3)=(s1',s2',s3')(波動源位置0ではなく、(s1,s2,s3)とも等しくない)として、式(39')を用いる場合も有り、その場合に、推定値θ'(s1,s2,s3)には、以下のバイアスエラーが生じることになる。
Also, due to the influence of the moving average processing and the influence of the window length when obtaining the spectrum, the instantaneous frequency is shifted from the wave source position 0 by (t 1 , t 2 , t 3 ) = (s 1 ′, s 2 ′, s 3 ′) ) (Not the wave source position, but not equal to (s 1 , s 2 , s 3 )), the starting point of the integration path c ′ is set to 0 and the nominal angular frequency or measured / estimated in advance. Using angular frequencies (ω 01 , ω 02 , ω 03 ) in each direction,
Equation (39 ′) is used as Alternatively, the starting point of the integration path c ′ is (t 1 , t 2 , t 3 ) = (s 1 ′, s 2 ′, s 3 ′) (not the wave source position 0 but (s 1 , s 2 , s 3) ) Is also used), there is a case where equation (39 ′) is used. In this case, the following bias error occurs in the estimated value θ ′ (s 1 , s 2 , s 3 ).

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、
として求まる。式(36')に対して、ω1(s1,s2,s3)Δs1を核とする複素指数関数との共役積を求めても良い。その他、t2やt3の方向の位相変化の推定値Δθ2'(s1,s2,s3)Δθ3'(s1,s2,s3)も各方向のサンプリング間隔Δs2とΔs3にて求めることができる。尚、上記の式(34')、(36')、(43')等において、位相の引き算を前方差分を用いて求める場合を記載したが、その代わりに、後方差分を行うことも可能である。また、式(37')、式(38'−1)、式(38'−2)において、位相の微分の計算を上記の位相の差分をサンプリング間隔で割る近似で行ったが、高域遮断周波数を持つ微分フィルタを用いて微分処理を行うこともある。また、式(39')の瞬時周波数の推定値の積分には、台形則を初めとする公知の様々な積分演算を実施できる。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)中の余弦の核(即ち、位相回転を含む瞬時位相)を求め、式(42')において(s1',s2',s3')=(s1,s2,s3)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、t1方向のサンプリング間隔Δs1の瞬時位相の変化量であるΔθ1(s1,s2,s3)を推定するべく、式(43')とは別に、t1方向にΔs1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。同様にして、t2やt3の方向のサンプリング間隔Δs2とΔs3の瞬時位相の変化量の推定値Δθ2'(s1,s2,s3)Δθ3'(s1,s2,s3)も求めることができる。
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(グレースケール画像やカラー画像で表示できる)。
However, for example, based on the equation (30'-2) and equation (34 '), [Delta] [theta] 1 is a variation of the instantaneous phase of t 1 axially sampling Delta] s 1 interval (s 1, s 2, s 3) The bias does not matter when estimating. The estimation result is
Is obtained as The conjugate product of Expression (36 ′) and a complex exponential function having ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) Δs 1 as a core may be obtained. In addition, the estimated value of the phase change Δθ 2 ′ (s 1 , s 2 , s 3 ) Δθ 3 ′ (s 1 , s 2 , s 3 ) in the direction of t 2 or t 3 is also the sampling interval Δs 2 in each direction. Δs 3 can be obtained. In the above formulas (34 '), (36'), (43 '), etc., the case where the subtraction of the phase is obtained by using the forward difference is described, but instead, the backward difference may be performed. is there. In Expressions (37 '), (38'-1), and (38'-2), the differential of the phase was calculated by the above-mentioned approximation of dividing the phase difference by the sampling interval. Differentiation processing may be performed using a differential filter having a frequency. For integration of the estimated value of the instantaneous frequency in Expression (39 ′), various known integration operations including a trapezoidal rule can be performed. In order to obtain the estimation result of the instantaneous phase (Equation (30′-2)) not including the phase rotation expressed by Equation (40 ′), the analysis expressed by Equation (32 ′) is performed regardless of the above. Arctan (inverse tangent function) is applied to the imaginary part / real part of the signal to obtain the cosine nucleus (ie, the instantaneous phase including the phase rotation) in equation (30′-1). (s 1 ′, s 2 ′, s 3 ′) = (s 1 , s 2 , s 3 ) and directly using the phase rotation obtained by the moving average of the instantaneous frequency or the integral operation of the first moment of the spectrum It can also be subtracted. However, since the direct operation 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 the phase rotation is monotonically increasing, unwrapping may be performed by adding 2π to an integer m when the arctan result is negative. Here, m is the number of times that the result of arctan observed in the beam direction or wave propagation direction is negative. As in the above case, the equation (41 ′) may be used, or a bias error represented by the equation (42 ′) may occur. Further, in order to estimate Δθ 1 (s 1 , s 2 , s 3 ), which is the instantaneous phase change amount of the sampling interval Δs 1 in the t 1 direction, which does not include the bias error, separately from the equation (43 ′), the difference between the estimated value of the instantaneous phase without the estimated phase rotation at t 1 direction Delta] s 1 only separated position can also be calculated by directly subtraction. Similarly, the estimated value Δθ 2 ′ (s 1 , s 2 , s 3 ) Δθ 3 ′ (s 1 , s 2 ) of the instantaneous phase change amount of the sampling intervals Δs 2 and Δs 3 in the directions of t 2 and t 3. , s 3 ) can also be obtained.
The image related to the phase represented using Expression (40 ′) or Expression (43 ′) has a wide band, and is a type of super-resolution. The phases themselves can be displayed, can be displayed by multiplying by a cosine or sine function, or can be displayed by weighting with an envelope. Incidentally, the square root of the sum of the squares of each 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, square detection or absolute value detection, ideally, it is desirable to form an image as it is without destroying the undulation (sign and phase of the signal value) (a grayscale image or a color image can be displayed).

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37や図38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。
それらの信号自身に対して移動平均処理が行われない場合もある。例えば、横方向変調の場合には、方向に依ってはその方向の瞬時周波数が他の方向の瞬時周波数よりも低いことが有り、その様な場合には、偏微分の方向をその方向に取ることも可能であるが、ステアリングした方向であるとすると、信号のサンプリング間隔が粗いことが有り、近似計算を行うに当たり注意を要する。ω1(s1,s2,s3)は、上記の計算の他、例えば、以下の如く推定することができる。式(30'−1')を同一方向にさらに偏微分し、上記の条件や仮定、処理の下で、さらには、ω1(s1,s2,s3)の空間微分も小さい場合やその仮定をし、以下の様に近似する。
その際に、それらの信号自身に対して移動平均処理は行われない場合もある。式(30'−1'')を式(30'−1)で割り、-1を乗じれば、ω1 2(s1,s2,s3)を推定できる。しかし、ω1 2(s1,s2,s3)のその推定結果が負値となることがあり、偏微分方向を含む多次元において、又は、その偏微分方向s1の近傍の正値に置き換えられたり、近傍の正値のみを使用して補間近似したり、メディアンフィルタが掛けられたり、移動平均処理されたり、これらの組み合わせが施されることがある。メディアンフィルタは、特に、突発的に生じる大きな推定エラーを除去できる効果がある。また、正値に対して平方根を施して得られるω1(s1,s2,s3)に、メディアンフィルタや移動平均処理が施されることもある。これらの処理を通じて、ω1(s1,s2,s3)が求められることがある。式(30'−1')をω1(s1,s2,s3)で除して-1を乗じることにより、式(30'−1)の解析信号の虚数成分が得られる(つまり、解析信号が求まる)。この2階微分は、式(30'−1)に微分フィルタや差分近似を2回施して求めても良いし、2階の微分フィルタや2階の差分近似(いわゆる中央差分)を施して得ても良い。s1以外のs2やs3の各々の方向に偏微分した場合も、同様にして、ω2(s1,s2,s3)とω3(s1,s2,s3)が求まり、解析信号が求まるが、上記の通り、偏微分の方向を適切に選ぶことが望ましい。例えば、2次元の場合において、±20°のステアリング角度のステアリングビームを用いた場合では、偏微分の処理の方向を深さ方向とした場合と横方向にした場合との結果に大きな違いが無いケースを経験しているが、画像化において、多次元(高速)フーリエ変換を通じたヒルベルト変換(非特許文献13)と比較すると異なり、本近似処理を用いると比較して深部のエコー強度が強く求まることがある。一方、その様な場合でも、変位ベクトル計測の精度は殆どに同じであることを経験している。この他、微分には、例えば、アナログ回路にてオペアンプを使用した微分フィルタを使用しても良いし、デジタル回路又はデジタル信号処理において、微分フィルタや差分近似に基づく微分計算をしても良い。これらの微分処理は一種の高域通過型フィルタリングであるため、高域遮断周波数を設けて処理したり、微分処理の結果に対して移動平均処理を施すことがある。また、上記のω1(s1,s2,s3)等の瞬時周波数には、計算を簡単にするべく、代わりに、公称周波数や大局的に推定される周波数(スペクトルの第1次モーメント等)を使用することもできる。本検波処理は、他の検波処理よりも格段に高速である。この処理は、r(s1,s2,s3)の包絡線イメージング(解析信号の大きさを求めれば良い)や、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)、歪率(テンソル)等の計測にも使用できる。ベクトルやテンソルの計測を行う場合には、複数の波動やビームを用いたり、スペクトルの周波数分割等を通じて得られた複数の疑似の波動やビームを用い、それらの各々から導出されるドプラ方程式を連立して連立方程式を得る(横方向変調やover-determinedシステムであることがある)が、その場合に、式(30'−1)は、それらの各々の波動やビーム、疑似の波動やビームを表し、各々の解析信号が同様にして求められて使用される。その他、同様にして、温度等の計測に使用されることもある。
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。
Note that the above Hilbert transform is performed based on a multidimensional (high-speed) Fourier transform (Non-Patent Document 13, even if cross beams and cross waves overlap in space, they are not overlapped and are separated. However, as will be confirmed later, the former process can perform a Fourier transform on all the received signals at once, reducing the amount of calculation, and processing the separated signals positively after superimposing them. However, the calculation of the original Hilbert transform may be applied similarly to the one-dimensional case.
Also, if noise is mixed in the signal, the accuracy is reduced. However, similar to the one-dimensional case, the differential processing is performed on the target real-time signal to generate a signal whose phase is advanced by 90 °. It is also possible to calculate the imaginary component by multiplying by -1 (the part multiplied by the angular frequency by the differential processing is calculated 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.) with the same calculation result (phase) at the position of, and correct by dividing by the distance of those positions (difference approximation). Instead, a differential filter may be applied). However, the method described in this paragraph is limited to the case where the lateral modulation is performed and the steered waves do not overlap as shown in FIG. 37 and FIG. 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 performing the partial differential processing with respect to any signal expressed by formula (30'-1), etc., subjected to partial differentiation with respect to one direction of the s 1 of s 3. The spatial partial derivative (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 ) and ω 3 (s 1 , s 2 , s 3 ), and make assumptions about them. By performing a moving average in the multidimensional including or in the partial differential direction, the following approximation is obtained. For example, when the partial differentiation in s 1 direction is as follows.
In some cases, the moving average processing is not performed on the signals themselves. For example, in the case of lateral modulation, the instantaneous frequency in that direction may be lower than the instantaneous frequency in other directions depending on the direction. In such a case, the direction of partial differentiation is taken in that direction. However, if the steering direction is used, the sampling interval of the signal may be coarse, so that caution is required in performing the approximate calculation. ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) can be estimated as follows in addition to the above calculation. The equation (30′-1 ′) is further partially differentiated in the same direction, and under the above conditions, assumptions, and processing, furthermore, when the spatial differentiation of ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) is small, Given that assumption, we approximate as follows:
At that time, the moving average processing may not be performed on the signals themselves. Equation (30'-1 '') divided by formula (30'-1), be multiplied by -1, can be estimated ω 1 2 (s 1, s 2, s 3). However, the estimation result of ω 1 2 (s 1 , s 2 , s 3 ) may be a negative value, and a positive value in multidimensional including the partial differential direction or in the vicinity of the partial differential direction s 1 , Interpolation approximation using only nearby positive values, median filtering, moving average processing, or a combination of these. The median filter is particularly effective in removing a sudden large estimation error. A median filter or a moving average process may be applied to ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) obtained by applying a square root to a positive value. Through these processes, ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) may be obtained. By dividing equation (30′-1 ′) by ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) and multiplying by −1, the imaginary component of the analytic signal of equation (30′−1) is obtained (that is, , An analysis signal is obtained). The second derivative may be obtained by applying a differential filter or difference approximation twice to equation (30′-1), or by applying a second order differential filter or second order difference approximation (so-called central difference). May be. Similarly, when partial differentiation is performed in each direction of s 2 and s 3 other than s 1 , ω 2 (s 1 , s 2 , s 3 ) and ω 3 (s 1 , s 2 , s 3 ) are As a result, it is desirable to appropriately select the direction of the partial differentiation, as described above. For example, in the case of a two-dimensional case, when a steering beam with a steering angle of ± 20 ° is used, there is no significant difference between the case where the direction of the partial differentiation processing is set to the depth direction and the case where the direction is set to the horizontal direction. Although we have experienced the case, in imaging, unlike the Hilbert transform (Non-Patent Document 13) through a multidimensional (fast) Fourier transform (Non-Patent Document 13), the echo intensity in the deep part is strongly obtained compared with the use of this approximation processing Sometimes. On the other hand, even in such a case, we have experienced that the accuracy of displacement vector measurement is almost the same. In addition, for the differentiation, for example, a differential filter using an operational amplifier in an analog circuit may be used, or in a digital circuit or digital signal processing, differential calculation based on a differential filter or difference approximation may be performed. Since these differentiating processes are a kind of high-pass filtering, processing may be performed by providing a high-frequency cutoff frequency, or moving average processing may be performed on the result of the differentiating process. In order to simplify the calculation, the instantaneous frequency such as ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) is replaced with a nominal frequency or a frequency estimated globally (first moment of spectrum). Etc.) can also be used. This detection processing is much faster than other detection processing. This processing includes the envelope imaging of r (s 1 , s 2 , s 3 ) (the magnitude of the analysis signal may be obtained), displacement (vector), velocity (vector), acceleration (vector), and distortion (tensor). ), Distortion rate (tensor) and the like. When measuring vectors and tensors, use multiple waves and beams, or use multiple pseudo waves and beams obtained through frequency division of the spectrum, and combine Doppler equations derived from each of them. (Which may be a lateral modulation or an over-determined system), in which case equation (30'-1) describes each of those waves and beams, and the simulated waves and beams. And each analysis signal is determined and used in a similar manner. In addition, it may be used for measuring temperature and the like in the same manner.
This Hilbert transform method is faster than the Hilbert transform using multidimensional Fourier transform (Non-Patent Document 13), and generates a plurality of beams and waves having different wave parameters and beam forming parameters in each time phase. (However, if the steering direction is the same or the steering direction is not necessarily symmetrical with respect to the axis), the number of reception signals received by the reception transducer increases, and beam forming or Hilbert transform is performed. This is effective in such a case because the number of times of execution increases. The Hilbert transform may be performed at once by regarding a signal obtained by superimposing a plurality of beam-formed signals as one beam-formed signal (Equation (30′-1)). (The instantaneous frequency obtained by partial differentiation is a composite frequency in the partial differential direction of the superposition of those beams and waves.) The instantaneous phase imaging described above may also be performed on superimposed composite waves. In the case where the physical aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multidimensional array, the problem that a large amount of processing time is required is more effectively solved, and the high-speed Hilbert transform is 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37、3次元の場合には図38)。以下に、2次元又は3次元の横方向変調時のそれぞれにおいて、観測を実施する直交座標系の軸方向又はそれに直交する横方向の軸(それぞれ、軸座標軸と横座標軸)に対して、又は、軸座標軸とそれと直交する横方向を含む面に対して対称(つまり、軸方向に対して全ての波動が対称)になるように波動を偏向(ステアリング)して交差させた場合の処理を示す。
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、
と表される場合に、s1に関する1階偏微分及び2階偏微分を求めると、
であり、(30A−1)及び(30A−3)より、上記と同様に、瞬時角周波数ω1(s1,s2)が求まり、(30A−2)より、
が求まる。ここで、(30A−1)では、s1とs2の方向の余弦関数の初期値は省略している。また、(30A−2)をs2に関して偏微分すると、
であり、(30A−1)をs2に関する1階偏微分及び2階偏微分を求めて同様にして求まる瞬時角周波数ω2(s1,s2)と、上記にて求めた瞬時角周波数ω1(s1,s2)とを用いて、
が求まる。(30A−6)を求めるためには、(30A−1)をs2の次にs1で偏微分しても良く、その場合には、(30A−4)の代わりに、
も求まる。(30A−1)、(30A−4)、(30A−6)、(30A−7)の加算や減算により、解析信号
又は、
と、
又は、
とを求め、それらの2つの独立な解析信号に多次元自己相関法や多次元ドプラ法(非特許文献13)、デモジュレーション法(特許文献7)等の変位計測法を施して変位ベクトルを求めることができ、また、各々の包絡線検波も得られ、それらの各々が画像化されることがある。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)。検波は包絡線検波に限らず、二乗検波等の他の検波処理を施すことが可能であり、解析信号の実数成分及び/又は虚数成分を使用でき、それらの各々を画像化に使用できるし、複数求まる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)。
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、
の何れかとして表されることもあり、(30A−1)に施した同じ手順で解析信号やover-determinedシステムを求めて用いることができる。尚、(30A−1')、(30A−1'') 、(30A−1''') においては、(30A−1)と同様に、s1とs2の方向の余弦関数や正弦関数の初期値は省略している。
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、
と表される場合に、2次元の場合と同様に偏微分処理を通じて、解析信号
と、これと独立な解析信号を合せ、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。ここで、(30B−1)においてs1とs2とs3の方向の余弦関数の初期値は省略している。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。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)。複数の検波信号を2次元の場合と同様に偏微分方向の順番を変えて同一の式で表される解析信号を複数個求めることもでき、それらを用いて、over-determinedシステムを実現して、変位計測や画像化が行われることもある(スペックルの低減効果もある)。
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、
の何れかで表されることもあり、同様に、3つ又は4つの解析信号、偏微分処理を施す方向の順番を変えた場合の信号を求め、使用することができる。但し、(30B−1')、(30B−1'') 、(30B−1''')、(30B−1'''')、(30B−1''''')、(30B−1'''''')、(30B−1''''''')においては、(30B−1)と同様に、s1とs2とs3の方向の余弦関数や正弦関数の初期値は省略している。
但し、各波動が異なる搬送周波数を持つ場合(搬送周波数の異なるセンサーを用いた場合や駆動周波数を異なるものとした場合など)や伝搬中における周波数変調等により実際には対称に生成されなかった場合(つまり、厳密には波動は対称に生成されないために高精度化する場合)等においては、3次元又は2次元の横方向変調時のそれぞれにおいて、座標系(s1,s2) と(s1,s2,s3)が直交座標系となる様に、全ての波動そのものの瞬時周波数、又は、全ての波動そのものの局所又は大局的な重心周波数(すなわち、3次元の場合には√(ω1(s1,s2,s3)2+ω2(s1,s2,s3)2+ω3(s1,s2,s3)2)、2次元の場合には√(ω1(s1,s2)2+ω2(s1,s2)2)と計算できる)が等しくなる様にいずれか1つの波動信号の周波数と等しくなる様に他の波動信号の各々の周波数を正規化するための比値を用いて瞬時位相(すなわち、3次元の場合にはθ=ω1(s1,s2,s3)s1+ω2(s1,s2,s3)s2+ω3(s1,s2,s3)s3、2次元の場合にはθ=ω1(s1,s2)s1+ω2(s1,s2)s2と表される)を正規化し、それらの座標系を直交座標系として実現することが必要である(厳密に横方向変調を実現するために、その必要があることは段落0640にて確認できる)。正規化は様々な方法があり、これに限られるものでは無いが、正規化の目標とした1つの波動信号の位相情報を破壊してはいけない。
その後の一つの処理方法としては、座標軸s1やs2やs3やそれらの座標軸の内の少なくとも1つを含む面を実際に生成された複数の波動の対称軸や対称面として処理すべく観測された波動信号を補間してそれらの直交座標系において表し(波動を対称にすべく座標系を並進や回転させ)、上記の偏微分に基づく計算を行ってそれらの直交座標系において解析信号を得て、最後に、観測を行った直交座標系に補間し直すことが考えられるが、補間によって近似を行うと、計算は高速ではあるが精度は低下し、また、近似無しに複素指数関数を乗ずる信号のシフティングを行うと、精度は得られるが処理に時間を要することとなる。そこで、別の方法として、それらの補間処理を行うことなく、観測した直交座標系の座標軸で上記の偏微分に基づく近似計算を行っても良い。但し、その間に偏微分を通じて近似的に算出される周波数は、観測した直交座標系の座標軸方向の周波数では無く、実際に生成された対称軸や対称面を表す対称軸からなる直交座標系の座標軸方向の周波数の近似値を観測した直交座標系の対応する座標軸に投影したものである。それらの直交座標系間の角度(回転角度)は求まるため、それらの近似値を観測した直交座標系における周波数の近似値に補正することは可能である。また、センサーの指向性にバイアスがある場合や、障害物等がある場合において故意に波動を開口面の正面方向に対称に生成しなかった場合でも同様に処理でき、この場合においても精度を得る場合には横方向変調において直交座標系を実現するべく、上記の瞬時周波数又は重心周波数に関する正規化処理(瞬時位相の処理)は有効である。
しかしながら、上記の正規化を行う場合には、波動の周波数を求めるべくフーリエ変換を行うことになるため、スペクトルの零詰めを行って単一のクァドラント又は単一のオークタントのスペクトルを逆フーリエ変換して直接的に各波動の解析信号を生成することが望ましい。
In addition, the echo signal itself that is subjected to lateral modulation by superimposing cross beams or crossing waves can be directly processed as follows (FIG. 37 in the case of two dimensions and FIG. 37 in the case of three dimensions). 38). In the following, at the time of two-dimensional or three-dimensional lateral modulation, respectively, with respect to the axial direction of the orthogonal coordinate system for performing observation or the horizontal axis (or the horizontal coordinate axis and the horizontal coordinate axis, respectively) orthogonal thereto, or The processing when the waves are deflected (steered) and crossed so as to be symmetrical with respect to the plane including the axis coordinate axis and the transverse direction orthogonal thereto (ie, all the waves are symmetrical with respect to the axial direction) is shown.
In the two-dimensional case, the echo signal itself that has been subjected to lateral modulation by superimposing two cross waves can be directly processed as follows. The echo signal is
When the first and second partial derivatives of s 1 are obtained,
From (30A-1) and (30A-3), the instantaneous angular frequency ω 1 (s 1 , s 2 ) is obtained in the same manner as described above, and from (30A-2),
Is found. Here, it is omitted (30A-1) in the initial value of the cosine function of the direction of the s 1 and s 2. Further, when partial differentiation with respect to s 2 a (30A-2),
And the instantaneous angular frequency ω 2 (s 1 , s 2 ) obtained by calculating the first-order partial derivative and the second-order partial derivative of (30A-1) with respect to s 2 in the same manner, and the instantaneous angular frequency obtained above Using ω 1 (s 1 , s 2 ),
Is found. To determine the (30A-6) may be partially differentiated by s 1 the (30A-1) in the next s 2, in this case, instead of (30A-4),
Is also found. The analysis signal is obtained by adding or subtracting (30A-1), (30A-4), (30A-6), and (30A-7).
Or
When,
Or
And the two independent analysis signals are subjected to a displacement measurement method such as a multidimensional autocorrelation method, a multidimensional Doppler method (Non-Patent Document 13), a demodulation method (Patent Document 7), or the like to obtain a displacement vector. And each of the envelope detections may also be obtained, each of which may be imaged. A plurality of envelope detection results obtained may be superimposed and used for imaging (there is an effect of reducing speckle). Detection is not limited to envelope detection, it is possible to perform other detection processing such as square detection, can use the real component and / or imaginary component of the analysis signal, each of them can be used for imaging, A plurality of detection results obtained may be superimposed and used for imaging (there is a speckle reduction effect).
Since the actual calculation result of (30A-6) is different when the order of partial differentiation is reversed, two (30A-6) are obtained in such a manner, and (30A-8), (30A-8 ′) , (30A-9) and (30A-9 ′), the analysis signals represented by the same equation may be superimposed and averaged (displacement measurement or imaging). Further, an over-determined system for unknown displacement vector components may be realized (displacement measurement and imaging). A plurality of envelope detection results obtained may be superimposed and used for imaging (there is an effect of reducing speckle).
In addition, the echo signal itself subjected to lateral modulation by overlapping the cross beams is as follows:
In some cases, an analysis signal or an over-determined system can be obtained and used according to the same procedure performed in (30A-1). Incidentally, in (30A-1 ′), (30A-1 ″), and (30A-1 ″), similarly to (30A-1), the cosine function and the sine function in the directions of s 1 and s 2 are used. The initial value of is omitted.
In the three-dimensional case, the echo signal itself subjected to lateral modulation by superimposing three or four cross waves is:
, The analytic signal is obtained through partial differentiation as in the two-dimensional case.
And the analytic signal independent of this, the total number of crossing waves (3 or 4) can be obtained, and at least 3 of them are simultaneously set, or all are 3 An over-determined system can be obtained simultaneously. Here it is omitted the initial value of the cosine function of the direction of the s 1 and s 2 and s 3 in (30B-1). As in the two-dimensional case, three-dimensional echo imaging is also possible. Each signal may be imaged through detection such as envelope detection or square detection. Further, an image may be formed by superimposition (there is also an effect of reducing speckle). It is also possible to change the order of partial differential directions for multiple detection signals in the same way as in the two-dimensional case, to obtain multiple analysis signals represented by the same equation, and use them to realize an over-determined system. In some cases, displacement measurement or imaging may be performed (there is also an effect of reducing speckle).
In addition, the echo signal itself subjected to lateral modulation by overlapping the cross beams is as follows:
Similarly, three or four analytic signals, and signals obtained by changing the order of the directions in which partial differential processing is performed can be obtained and used. However, (30B-1 '), (30B-1''),(30B-1''''),(30B-1''''),(30B-1'''''), (30B- 1 '''''') , (30B-1 ' in the''''''), (30B-1) and similarly, the cosine function and sine function in the direction of the s 1 and s 2 and s 3 Initial values are omitted.
However, when each wave has a different carrier frequency (when using a sensor with a different carrier frequency or a different driving frequency, etc.) or when it is not actually generated symmetrically due to frequency modulation during propagation, etc. (In other words, when the wave is not precisely generated because it is not generated symmetrically), the coordinate systems (s 1 , s 2 ) and (s 1 , s 2 , s 3 ) in the rectangular coordinate system, the instantaneous frequency of all waves themselves, or the local or global center of gravity frequency of all waves themselves (that is, √ ( ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) 2 + ω 2 (s 1 , s 2 , s 3 ) 2 + ω 3 (s 1 , s 2 , s 3 ) 2 ) 、 2 (ω 1 (s 1 , s 2 ) 2 + ω 2 (s 1 , s 2 ) 2 ) can be calculated to be equal to any other wave signal so as to be equal to the frequency of any one wave signal. The instantaneous phase (that is, θ = ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) s 1 + ω 2 (s 1 , s 2 , s 3 ) s 2 + ω 3 (s 1 , s 2 , s 3 ) s 3 , and in the case of two dimensions θ = ω 1 (s 1 , s 2 ) s 1 + ω 2 (s 1 , s 2 ) s 2 ) and their coordinate systems need to be implemented as Cartesian coordinate systems (in order to achieve strictly lateral modulation, this is necessary in paragraph 0640). Can be confirmed). There are various methods for normalization, and the method is not limited to this. However, the phase information of one wave signal targeted for normalization must not be destroyed.
The subsequent one processing method, to process the coordinate axes s 1 and s 2 and s 3 or more axes of symmetry and the plane of symmetry of the wave that is actually generated a surface including at least one of those axes The observed wave signals are interpolated and represented in their Cartesian coordinate system (translation and rotation of the coordinate system in order to make the wave symmetric), the calculation based on the above partial differentiation is performed, and the analytic signal is produced in those Cartesian coordinate systems. Finally, it is conceivable to re-interpolate to the orthogonal coordinate system where the observation was made, but when approximation is performed by interpolation, the calculation is fast but the accuracy decreases, and the complex exponential function without approximation , The accuracy is obtained but the processing takes time. Therefore, as another method, an approximate calculation based on the above-described partial differentiation may be performed on the observed coordinate axes of the orthogonal coordinate system without performing the interpolation processing. However, the frequency approximately calculated through partial differentiation during that time is not the frequency in the coordinate axis direction of the observed rectangular coordinate system, but the coordinate axis of the rectangular coordinate system consisting of the actually generated symmetry axis and the symmetry axis representing the plane of symmetry. This is the projection of the approximate value of the frequency in the direction onto the corresponding coordinate axis of the observed rectangular coordinate system. Since the angle (rotation angle) between these rectangular coordinate systems is obtained, it is possible to correct those approximate values to approximate frequency values in the observed rectangular coordinate system. In addition, when the directivity of the sensor has a bias or there is an obstacle or the like, even if the wave is intentionally not generated symmetrically in the front direction of the opening surface, the same processing can be performed, and in this case, accuracy can be obtained. In such a case, the above-described normalization processing (processing of the instantaneous phase) regarding the instantaneous frequency or the center-of-gravity frequency is effective to realize the orthogonal coordinate system in the lateral modulation.
However, when performing the above-described normalization, a Fourier transform is performed to obtain the frequency of the wave, so that the spectrum of a single quadrant or a single actant is subjected to an inverse Fourier transform by zero-filling the spectrum. It is desirable to directly generate an analysis signal of each wave.

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37、3次元の場合には図38)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、
及び、
を得て、さらに、(30C−1)又は(30C−2)に対し、虚数項のcos関数の座標(即ち、s2とs1)に関して同様に処理を施し、
を得る。これらの(30C−1)、(30C−2)、(30C−3)の実数項(それらにおいて、共通)と虚数項より、解析信号(30A−8)、(30A−8')、(30A−9)、(30A−9')を求めることができ、上記の如くこれらの4式の内の独立な2つを求めて、多次元自己相関法や多次元ドプラ法(非特許文献13)、デモジュレーション法(特許文献7)を用いて、変位ベクトルを求めることができる。また、それらの独立した2式の内の各々の包絡線検波や二乗検波等の検波の結果も得られる(スペックルの低減効果もある)。計算量に関して、トータルの1次元フーリエ変換又は1次元逆フーリエ変換の回数は、非特許文献13にて報告した2次元フーリエ変換を実施する方法の回数と同じである(計6方向の回数)。
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、
及び、
として表される場合には、各々に1次元フーリエ変換と1次元逆フーリエ変換を2方向の回数ずつ(即ち、2次元フーリエ変換と2次元逆フーリエ変換を1回ずつ)施すこととなり、計8方向の回数の変換処理が必要となる。非特許文献13や上記の通りに、分離されている受信信号は重ね合わせし、また、同時に複数の波動を受信した場合の方が計算量が少ない。3次元の場合も同様である(1次元変換処理を、交差波が3つのときは計18方向の回数、交差波が4つのときは計24方向の回数;3次元変換処理としては、各々、6回と8回)。
Further, in the lateral modulation by superposition of cross waves (FIG. 37 in the case of two dimensions, FIG. 38 in the case of three dimensions), a Hilbert transform using a multidimensional (fast) Fourier transform (Non-patent Document 13) Unlike the partial differential processing described in the preceding paragraph, it is also possible to realize a Hilbert transform by performing a one-dimensional (high-speed) Fourier transform.
In the case of 2-dimensional and a two-dimensional echo signal crossing wave are overlapped is represented as (30A-1), performs a one-dimensional (Fast) Fourier transform for each of s 1 and s 2, each half-band After the (negative band) spectrum is zero-filled, one-dimensional inverse Fourier transform is performed,
as well as,
The obtained, further, (30C-1) or relative (30C-2), subjected to the same processing with respect to the cos function of the imaginary term coordinates (i.e., s 2 and s 1),
Get. From these real terms (30C-1), (30C-2), and (30C-3) real terms (common to them) and imaginary terms, analytic signals (30A-8), (30A-8 '), (30A -9) and (30A-9 ') can be obtained, and as described above, two independent ones of these four equations are obtained to obtain a multidimensional autocorrelation method or a multidimensional Doppler method (Non-patent Document 13). , The displacement vector can be obtained using the demodulation method (Patent Document 7). Further, detection results such as envelope detection and square detection of each of the two independent equations can be obtained (there is also an effect of reducing speckle). Regarding the amount of calculation, the total number of times of one-dimensional Fourier transform or one-dimensional inverse Fourier transform is the same as the number of times of performing the two-dimensional Fourier transform reported in Non-Patent Document 13 (total number of times in six directions).
Also, in the three-dimensional case, if the echo signal of the lateral modulation in which three or four cross waves are overlapped is expressed as (30B-1), the one-dimensional Fourier transform is performed similarly to the two-dimensional case. Through the one-dimensional inverse Fourier transform, the analytic signal (30B-2) and the analytic signal independent of the analytic signal (30B-2) can be combined to determine the total number (three or four) of the crossing waves, and at least three of them are simultaneous. Or, since there are three unknown displacement components, all of them are simultaneously obtained to obtain an over-determined system. As in 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 as in the method using the three-dimensional Fourier transform reported in Non-Patent Document 13 will be performed. When there are four waves, the number of times is 15 directions).
In these cases, the displacement vector is measured in the same manner. Further, each signal may be imaged through detection such as envelope detection or square detection. Further, an image may be formed by superimposition (there is also an effect of reducing speckle). Even in the case of an over-determined system, displacement measurement and imaging may be performed similarly (there is also an effect of reducing speckle).
As described above, a new high-speed Hilbert transform method relating to the signal itself in which the cross waves are overlapped and subjected to the lateral modulation has been described.The overlapped cross waves are the case where the waves are transmitted at the same time or the received signal for each transmission. It is a stack. On the other hand, when the cross waves described above are separated (that is, a signal obtained by processing a received signal when each is transmitted or a received signal that is simultaneously transmitted and separated), For example, in the case of two dimensions, when two crossing waves do not overlap, two independent wave signals ((30A-8) or (30A-8 ') and (30A-9) or (30A-9') Real signal)
as well as,
In this case, the one-dimensional Fourier transform and the one-dimensional inverse Fourier transform are applied to each of the two times (i.e., the two-dimensional Fourier transform and the two-dimensional inverse Fourier transform are performed once each). A conversion process for the number of directions is required. As described in Non-Patent Document 13 and above, the amount of calculation is smaller when the separated reception signals are superimposed and a plurality of waves are received simultaneously. The same applies to the case of three-dimensional conversion (the one-dimensional conversion processing is performed in a total of 18 directions when three cross waves are used, and in a total of 24 directions when four cross waves are used). 6 and 8 times).

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, an image mainly representing a signal intensity, a phase, and a phase change determined by reflection and scattering is obtained. On the other hand, when the obtained instantaneous frequency is imaged, it becomes an image representing the influence of frequency modulation due to attenuation and scattering (similarly, gray and color display can be performed). In addition, the existence of the instantaneous phase degrades any measurement accuracy, even if it is a minute displacement, when the above-described tissue displacement measurement method based on the Doppler method or the classical measurement method is independently performed. However, the inventor of the present application has developed a phase matching method between frames to overcome this (for example, Non-Patent Document 15). Other methods of expanding and contracting the signal representing tissue deformation that are reported may be effective, but the former phase matching method is intended for high intensity and random signals in measurement of tissue displacement and strain. Indispensable for measurement (translation and rotation are possible). Normally, blood flow is measured using a narrow-band signal. However, according to this method, high-resolution measurement can be performed, and high-precision viscosity measurement and the like are developed. Measurement of multidimensional vectors and tensors is also possible. Also in the blood flow measurement, a detailed examination can be performed by performing a process of 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。   In addition, the above-mentioned envelope detection is a routine means to be performed on the generated image signal.However, in the frequency domain, an operation based on an angular spectrum or a conjugate product of the spectra, These calculations on wavenumber (frequency) components are also useful (one of the non-linear processes in the present invention). In addition, in addition to the above, square detection, absolute value detection, and the like may be performed for amplitude detection. It is to be noted that the spectrum obtained from the image signal obtained by performing the beam forming (i.e., focusing and deflection realized by applying delay and apodization) is a spectrum, but the beam forming is further performed. If so, what has been Fourier transformed in the axial direction and in at least one lateral direction is an angular spectrum. That is, after the image signal is generated, the beam forming process may be further performed. In addition, those that have undergone super-resolution processing, including this processing and other processing (spectral weighting processing, nonlinear processing on signals, inverse filtering, etc., described in detail later), are used for the above coherent addition. Or may be used for the incoherent addition described above. The target of addition is a signal obtained by subjecting different or identical signals (before or after beamforming) to other processing, or raw signals thereof. Coherent addition is suitable for widening the band (higher resolution) and increasing the SN ratio, while incoherent addition is suitable for reducing speckle and increasing the SN ratio. The reduction of speckles may be accompanied by a decrease in spatial resolution, but processing with super-resolution may bring about a result with high spatial resolution without any problem. Basically, incoherent addition is performed on a signal that has been subjected to some kind of detection (including power detection) to a positive value. However, detection processing other than the above-described envelope detection is performed by detection. This is a process in which coherence remains in the signal (at least, the vibration of the wave is known). Although envelope detection is also useful, such detection with remaining coherence is particularly useful as detection processing that does not impair spatial resolution. In contrast, according to the envelope detection, the spatial resolution may be easily reduced.

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、波動源(回折)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、回折、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。本実施形態に係る計測イメージング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。本実施形態に係る計測イメージング装置は、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 device. In addition, the wave (type and characteristics of wave, intensity, frequency, bandwidth, or code, wave source (diffraction), etc.) of the observation target and a medium that propagates (propagation speed, physical property values related to the wave, attenuation, scattering, transmission, etc.) , Reflection, refraction, diffraction, or their frequency dispersion), and the received signal may be appropriately processed in an analog or digital manner. The characteristics (intensity, frequency, bandwidth, sign, etc.) of the generated image signal may be analyzed. The data obtained by the measurement imaging apparatus according to the present embodiment may be used in another apparatus. The measurement imaging apparatus according to the present embodiment may be used as one of network devices, may be controlled by a control device of a network system, and may be used as a control device for controlling a network device. In some cases, it may be a control device for controlling 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 type device according to the present embodiment is used as an active type device, the transmitting transducer (or applicator) 10 is connected to the transmitting unit 31 of the device main body 30, and the transmitter 31a is a trigger signal by an analog device. In this case, the control unit 34 generates and applies a trigger signal. Alternatively, if there is a mode in which the transmitter 31a operates in a digital device according to an external clock signal, any one of the devices in the device main body 30 is used. A mechanism may be provided to either supply a clock signal from the control unit 34 or to operate the apparatus main body 30 with the clock signal of the transmitter 31a. When the transmitter 31a is a digital device, the transmission and reception clock signals are synchronized by any 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 and sampling frequency are 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 beamforming can be realized by digital processing without performing interpolation approximation at high speed through fast Fourier transform. Virtually any focusing and any steering (deflection) can be performed using a transducer array device of any aperture shape. In the present invention, as described in the methods (1) to (7), interpolation approximation processing may be performed in arbitrary beamforming wave number matching, and beamforming may be performed at higher speed. In order to perform approximate approximate wave number matching, it is necessary to appropriately oversample a received signal at the cost of an increase in the amount of calculation. In such a case, it is necessary to pay attention to an increase in the number of data of the Fourier transform, unlike a case where a signal at an arbitrary position can be selectively generated without performing the interpolation approximation processing. The second embodiment can be used as a device and with respect to operation modes (eg, imaging mode, Doppler mode, measurement mode, communication mode, etc.) in a normal device, 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, vibration waves (mechanical waves) including electromagnetic waves, sound waves (compression waves), shear waves, shock waves, surface waves, and the like, or waves (heat waves, (Including Guided waves), the transmission / reception focusing system, transmission / reception steering, transmission / reception apodization, and the coordinate system for transmission / reception are different from the coordinate system for generating the beamformed signal. In any case, any 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 image of the beamformed signal is improved, but also a high spatial resolution and high contrast can be obtained with respect to the image quality, and further, the displacement and deformation using the beamformed signal, or If the temperature or the like is measured, the measurement accuracy is improved. In the present invention, as described in the methods (1) to (7), interpolation approximation processing may be performed in arbitrary beamforming wave number matching, and beamforming may be performed at higher speed. In order to perform approximate approximate wave number matching, it is necessary to appropriately oversample a received signal at the cost of an increase in the amount of calculation. In such a case, it is necessary to pay attention to an increase in the number of data of the Fourier transform, unlike a case where a signal at an arbitrary position can be selectively generated without performing the interpolation approximation processing. High-speed beamforming in the situation where superposition of waves or beams subjected to high-speed beamforming and spectral frequency division, and where received signals of unreceived beamforming are superimposed or spectral frequency division are used, realizes various applications. I do. The application of the present invention is not limited to this. The high processing speed has a great effect in multidimensional imaging using a multidimensional array. It is desirable that the Fourier transform or the inverse Fourier transform process performed in the above-described calculation algorithm includes a dedicated fast Fourier transform or a fast inverse Fourier transform, and that the fast Fourier transform be performed. In addition, the present invention is not limited to the above embodiments, and many modifications can be made by those having ordinary knowledge in the technical field within the technical idea of the present invention.

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。本願の発明者は、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、省エネの下で、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。
The object to be measured is various, such as an organic substance, an inorganic substance, a solid, a liquid, a gas, a substance that follows rheology, a living thing, a celestial body, the earth, the environment, and the like. Non-destructive inspection (as a recent topic, inspection of metals and plastics (especially Fiber-Reinforced Plastics using carbon fiber or glass fiber, etc.) by ultrasonic waves which is cheap and simple is active. Has proposed ultrasonic observation of rubber, which is conventionally considered to have strong ultrasonic attenuation), diagnostics, resource exploration, creation and manufacture of materials and structures, and various physical and chemical repairs and treatments. It contributes to monitoring, application of clarified functions and physical properties, etc., in which non-invasive, minimally invasive, non-invasive conditions that do not cause significant disturbance to the measured object are imposed. Accuracy may be required in the air. In some cases, an object can be ideally observed in situ. For example, when a three-dimensional wave can be observed, a three-dimensional displacement vector can be Doppler-observed. In the case of a normal Doppler, it is necessary to direct the wave propagation direction to the displacement direction of the observation target, but the sensor is directed to the observation target. The movement in any direction can be observed only by using (e.g., ultrasonic echo method). The measurement procedure is also simplified. For example, when the eyelids are open, the ultrasonic echo method is used when passing through or closing the water, and when the eyelids are open, the eyeball distortion tensor, distortion rate tensor, shear wave using OCT are used. 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, heart cavity pressure, blood pressure, etc. by ultrasonic Doppler observation of blood flow vectors in the heart cavity, blood vessels, fundus and retina. In addition, not only light but also ultrasound can be applied to various biometrics including fingerprint identification (authentication) and iris authentication (including functional observations such as dynamics and temperature, and various physical properties observations). In some cases, observation can be performed in situ while the observation target is operating. For example, the distribution of electrical properties such as conductivity and dielectric constant of a neural network or an electric / electronic circuit operating using the mathematical inverse problem can be reconstructed by observing the current density vector distribution based on the magnetic field distribution observation. Observing the temperature distribution to reconstruct the distribution of thermophysical properties, or the internal strain tensors and strains of the tires of running cars, rubber pipes of flowing fluid, and rubber of electric wires carrying current Reconstruction of the distribution of viscoelastic modulus and internal pressure by ultrasonic Doppler observation of the rate tensor, reconstructing the distribution of thermophysical properties, heat generation and perfusion by observing the temperature inside them, The viscoelasticity and the tissue pressure can be reconstructed by observing the muscle motion vector in the same manner. Further, during the generation and growth of the material, the generation and growth process can be monitored without changing the physical conditions and the like for observation. Paragraph 0094 describes a method of observing elastic waves for observing anisotropy of elastic modulus (ultrasonic waves, MRI, OCT, etc. can be used for the observation), Isotropy can also be observed by observing waves (various electromagnetic waves, mechanical waves, heat waves, etc.) related to each physical property. In other words, the position and number of sources, the directivity, etc. are adjusted to observe the overlap of waves to be observed (electromagnetic waves, light, radiation, audible sound waves, ultrasonic waves, elastic waves, heat waves), and to observe each wave Can be observed and superimposed to control the propagation direction. Alternatively, it is also possible to generate and observe a plurality of purely independent waves by adjusting the position, number, directivity, etc. of the source 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 a device (medium, source, etc.) that realizes various surface waves and guided waves. Here, the observation target is described as a wave, but a static or pseudo-static field (strain tensor distribution, potential distribution, current density vector distribution, temperature distribution, etc.) may be the observation target. In some cases, we observe static fields and reconstruct static physical properties.
When the S / N ratio of a wave directly sensed for observing the wave or the field is low, the superposition and the averaging of the waves are effective. For example, when observing the current density vector by observing the brain magnetic field of a human or animal (it is very weak and often buried in the surrounding magnetic field) with a SQUID meter, visual, auditory, somatosensory In some cases, the distribution of the current density vector is reconstructed by superimposing (averaging) the evoked brain magnetic fields, thereby obtaining the accuracy and reconstructing the distribution of the electrical properties. The distribution of electrical properties may be reconstructed by observing the current density vector distribution for each trigger and superimposing them (by averaging). Also, when targeting suddenly occurring ones such as epilepsy, they may be reconstructed after superimposing observation magnetic fields or integrating observation time series. In addition, in the terahertz observation (electric field observation), averaging is performed to improve the SN ratio, but the electrical properties may be reconstructed based on the superimposed ones. When signal components of a plurality of events are included in superposition (averaging) and integration, their accumulation can be observed simultaneously, and random signal components are suppressed. It is also possible to carry out their reconstruction on such superimposed signals, for example by visualizing the running structure of the neural network used during observation by means of current density vectors and distribution reconstruction of electrical properties. Or be done.
The frequency dispersion of physical properties may be reconstructed by changing the frequency of a wave or realizing and observing a broadband wave.
In addition, the 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, beamforming is performed in satellite communication, radar, sonar, etc., thereby realizing an informationally safe environment while saving energy, and enabling accurate communication. The present invention is also effective in ordinary communication including an ad hoc communication device and mobile. It can also be applied to sensor networks. When the target is dynamic, real-time performance is required. However, according to the present invention, digital beamforming can be completed in a short time, at high speed, and with high accuracy.

<<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(回折波)そのものやそれらの波動の透過波、反射波、屈折波、回折波、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 >>
2. Description of the Related Art Waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, and heat waves have different behaviors depending on the frequency, bandwidth, intensity, or mode. Many transducers for various waves have been developed so far, and imaging using these waves (diffraction waves) themselves, transmitted waves, reflected waves, refracted waves, diffracted waves, or scattered waves has been performed. I have. For example, it is well known that non-destructive inspection, medical treatment, and sonar use ultrasonic waves having a high frequency among sound waves. In addition, an electromagnetic wave (microwave, terahertz wave, infrared ray, visible light, radiation such as X-ray, or the like) having an appropriate frequency according to the observation target is also used in the radar. 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、グレースケール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 such waves, distribution of amplitude data obtained through orthogonal detection, envelope detection, or square detection is usually displayed in one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional as a grayscale image or a color image. You. In Doppler measurement using those waves, a raw coherent signal is 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 sounds is also performed.

この様な中で、本願の発明者は、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、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 differentially diagnosing cancerous lesions and sclerosis in human tissues. The inventor of the present application has performed high resolution and high efficiency of HIFU (High Intensity Focus Ultrasound) treatment, together with high resolution of echo imaging and high precision measurement imaging of tissue displacement, and the like. Their imaging is also based on the reception of echoes during intense ultrasonic radiation. Such imaging is based on performing appropriate beamforming, and requires an appropriate detection method and a tissue displacement measurement method.

例えば、本願の発明者は、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。本願の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 proposed beamforming methods such as a transverse modulation method using cross beams, a spectrum frequency division method, a method using many cross beams, and an over-determined system method. In addition, in particular, quadrature detection and envelope detection, as well as square detection, etc., as a method for detecting a multidimensional received signal, and multidimensional autocorrelation, multidimensional Doppler, multidimensional cross spectrum phase gradient as a displacement vector measuring method. And a technique for reconstructing and imaging (viscosity) shear modulus distribution and thermophysical property distribution based on displacement and strain measurement (Non-patent Documents 13 and 30). See). Some of them are already in clinical use. A recent report by the inventor of the present application is ITEC (International Tissue Elasticity Conference), IEEE Trans. on UFFC, Ultrasound Study Group, and Acoustic Imaging Study Group.

本願の発明者は、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 inventors of the present application have focused on non-linear imaging. In medical ultrasound, nonlinear imaging (so-called harmonic imaging) based on the result of a physical action in the propagation process of ultrasound is currently performed. In the following, the application of non-linear ultrasound to diagnosis and treatment will be particularly described.

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 based on harmonics generated during propagation due to a high propagation velocity of a wave component having a high sound pressure intensity (usually explained as having a large bulk modulus for a high sound pressure). This is to image wave components. In this harmonic imaging, a contrast agent (ultrasonic contrast agent) may be used to enhance a nonlinear effect in ultrasonic wave 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の発明者が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。   Its effectiveness has been recognized in clinical practice, such as the ability to perform blood flow imaging of capillaries, and has 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 will be made on multidimensional vector measurement realized by the inventor of the present application in such a case. In Non-Patent Document 23, a so-called pulse inversion method is used, and separation from a 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)。   Tissue imaging has a history of preceding blood flow imaging. At first, harmonics were separated by filtering (see Non-Patent Document 24). Separated by version method. When the transmission signal has a wide band, the band of the fundamental wave and the harmonic wave is covered, so that the filtering method has a limit. In addition, there is a report that a multidimensional polynomial composed of a power term is separated into a fundamental wave and a harmonic represented by each dimension term based on the least square method (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 have been reports of applying harmonic components and chords to ultrasonic microscopes (see Non-Patent Document 26) and radiation pressure imaging (see Non-Patent Document 27). Further, the nonlinear propagation and the heat absorption are closely related to each other, and the HIFU is used by focusing high-intensity ultrasonic waves at a focal position including a case where cavitation occurs (Non-Patent Document 28). Etc.). Also, when energy (or mode) is converted from an ultrasonic wave to a shear wave (for example, when a sound wave is obliquely incident on a boundary where the acoustic impedance between soft tissue and bone greatly changes or when shear occurs due to scattering). In (2), the generated high-frequency shear wave is easily absorbed by 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。本願の発明者は、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、本願の発明者は、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。本願の発明者は、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。   Contrast agents used for enhancing non-linear effects in HIFU treatment (see Non-Patent Document 29, etc.) are also considered effective in these respects. The inventor of the present application first described the effect of coagulating blood to occlude the feeding artery 17 years ago in the world regarding the treatment of cancer lesions. I have. Recently, an applicator having a frequency band similar to that of a probe for clinical diagnosis has become available at low cost, but the inventors of the present application have thought that it is necessary to develop a dedicated contrast agent I have. The inventor of the present application considers at least both the fragile property and the fragile property as attractive properties. It is.

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、屈折波、散乱波、又は、回折波が、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。   A wave is affected by attenuation during its propagation, and thus the energy of the wave decreases as the propagation distance increases. In addition, the spreading wave is also affected by the spreading. In such a situation, transmitted, reflected, refracted, scattered, or diffracted waves reflect changes in impedance, the presence of reflectors or scatterers, and are used for their imaging and Doppler measurements. You. In such maging, it is desirable that the signal contains high-frequency components and has a wide band as much as possible or within a required range, and the same is true for 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, usually, high frequency signal components are strongly affected by attenuation, and as the propagation distance increases, their energy is lost, the signal is reduced in frequency, and the band becomes narrower. That is, imaging at a position far from the signal source is affected by a decrease in signal-to-noise ratio (SN ratio) and a decrease in spatial resolution. In Doppler measurement, the accuracy decreases. Reducing their effects due to damping 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 more accurate Doppler measurement can be performed. A high-frequency signal may simply be generated. Normally, the effect of attenuation is strong against high-frequency components. For example, in a microscope that is easily affected by attenuation, it is preferable that observation can be performed at a high frequency as deep as possible. In addition, low frequency imaging or measurement using low frequency signals may be possible. Further, a low-frequency signal that cannot be realized by a single signal source may be generated. For example, a deep part of the object can be deformed at a low frequency. In medical ultrasound imaging, nuclear magnetic resonance imaging, OCT, and laser applications, multiple sources are used to deform deep tissue at low frequencies (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, vibration is applied from multiple directions to generate a vibration wave with a frequency lower than that frequency, or a plurality of ultrasonic beams are crossed at their focal positions, etc., and a low-frequency force source is realized there. To generate low-frequency vibration waves, the generated vibration waves may be ultrasonic waves (longitudinal waves), and the generated vibration waves may be shear waves (transverse waves). In some cases, it may be observed by ultrasonic waves. It may be possible to adjust the propagation direction of the generated waves. If these signals can be realized theoretically or on the basis of calculation, the generated waves may also be controlled. Furthermore, a detection method that can be easily implemented in a short time is also important in place of the normal orthogonal detection, envelope detection, and square detection.

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計測イメージング装置を提供することである。また、計測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。   In view of the above, a second object of the present invention is to enhance a high-frequency component having a relatively weak intensity or a high-frequency component which is generally lost in an arbitrary wave propagating from within a measurement target. It is an object of the present invention to provide a measurement imaging apparatus capable of improving spatial resolution and measurement accuracy by performing measurement or newly generating the measurement resolution. In addition, the measurement imaging device enhances or simulates a non-linear effect in the measurement target, newly generates the non-linear effect when there is no non-linear effect in the measurement target, or virtually realizes imaging by realizing the non-linear effect. You may go. A third object of the present invention is to generate a high-frequency signal that cannot be realized by a single wave source. Further, a fourth object of the present invention is to realize a detection method that can be easily performed in a short time.

上記課題を解決するため、本発明の1つの観点に係る計測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-mentioned problems, a measurement imaging apparatus according to one aspect of the present invention performs (i) non-linear processing using a non-linear device at an arbitrary position on a propagation path for an arbitrary wave propagating from within a measurement target. (Ii) receiving the transducer to generate a received signal, generating an analog received signal by the transducer, and performing analog non-linear processing on the analog received signal; and (iii) A non-linear reception processing unit that performs at least one of processing for performing digital non-linear processing on a digital reception signal obtained by digitally sampling the analog reception signal, generating an analog reception signal received by the transducer, An image signal representing an image to be measured is generated based on a reception signal obtained by the non-linear reception processing unit. And an image signal generator for.

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そのものやその波動の透過波、反射波、屈折波、散乱波、又は回折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。波動源(回折源)そのものに関しても然りである。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。これらをイメージングできる。   According to one aspect of the present invention, by performing nonlinear processing on a signal having a frequency at which the influence of attenuation does not matter in an arbitrary wave propagating from the inside of a measurement target, the intensity is generally relatively low. By enhancing or newly generating a high-frequency component or a lost high-frequency component, it is possible to improve the spatial resolution and the measurement accuracy. In addition, electromagnetic waves, light, mechanical vibration, sound waves, or waves arriving from a signal source of an arbitrary wave such as a heat wave, the wave itself emitted from those signal sources, the transmitted wave of the wave, the reflected wave, A coherent signal obtained by detecting a refracted wave, a scattered wave, or a diffracted wave by a transducer is subjected to multiplication and exponentiation effects during wave propagation, and a process including an analog operation and a digital operation thereof. Non-linear effects can be enhanced. The same is true for the wave source (diffraction source) itself. Alternatively, a similar effect can be simulated, newly generated, or virtually realized. These can be imaged.

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 using coherent signals and Doppler measurement, high-resolution imaging using a wideband signal including high-frequency components is realized compared to imaging using the original signal. Measurement of displacement, velocity, acceleration, strain, or distortion rate with higher accuracy than Doppler measurement can be realized. Also, the same processing is performed on the incoherent signal for the same problem. An ordinary device can be used as hardware. Of course, analog processing (circuit) is faster than digital processing (circuit). A computer or a device having an arithmetic function (such as an FPGA or a DSP) can be used in the case of performing calculations including higher-order calculations and in that the degree of freedom is wide.

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 possible to generate a high-frequency component that is robust to the influence of attenuation in the wave propagation process and cannot be realized by a single signal source, and enables high-resolution imaging and high-accuracy 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, ultrasonic waves that are physically as many as the number of ultrasonic transducers can be generated, and a high frequency that cannot be generated by a normal transducer can be realized. Further, a signal of a high frequency may be simply generated. According to the present invention, such a high frequency can be realized by calculation. Therefore, high-frequency waves and signals that cannot be physically realized can be generated. Similarly, low-frequency imaging and measurement using low-frequency signals can be realized. It is also possible to generate a low-frequency signal that cannot be physically realized by a single signal source. These signals can also be realized theoretically or on an arithmetic basis 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, a high-frequency ultrasonic wave (signal) of several hundred MHz is applied to generate an ultrasonic wave having a frequency higher than a frequency determined by a sound source, and the ultrasonic wave is robust against attenuation. Therefore, it is possible to realize an ultrasonic microscope capable of performing higher-resolution imaging and higher-accuracy Doppler measurement than usual. In addition, low-frequency imaging and measurement using low-frequency signals can be performed. In the case of measuring the deformability of a tissue, for example, a deep part of a target can be deformed at a low frequency. In medical ultrasound images, nuclear magnetic resonance images, OCT, laser applications, and the like, a plurality of signal sources are used to deform deep tissue at a low frequency. 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 are also 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 the technical aspect of signal processing, the processing of quadrature detection and envelope detection can be facilitated. For example, when the present invention is applied to a deflected beam or a deflected wave, an IQ signal obtained by quadrature detection with respect to all coordinate axes is obtained, so that envelope detection becomes easy. Further, when the present invention is applied to the cross beam, an IQ signal orthogonally detected in each coordinate axis can be obtained. Therefore, only by performing normal Doppler signal processing in each direction, a displacement vector, a velocity vector, an acceleration vector, a strain tensor, Alternatively, the strain tensor can be measured. Of course, in imaging, square detection may be performed as the 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、屈折波、散乱波、又は、回折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。   Electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, or waves arriving from arbitrary wave signal sources such as heat waves, and transmitted waves, reflected waves, refracted waves, scattered waves, of waves emitted from those signal sources, Alternatively, imaging and Doppler measurement using coherent signals obtained by detecting diffracted waves with transducers are widely performed using appropriate frequencies for each medium in radar, sonar, nondestructive inspection, diagnosis, etc. Have been done. 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 aspects, and the applicability and market potential of the present invention are very high.

図39は、本発明の第3の実施形態に係る計測イメージング装置の構成例を示すブロック図である。この計測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. 39 is a block diagram illustrating a configuration example of a measurement imaging apparatus according to the third embodiment of the present invention. This measurement imaging apparatus captures an image of a measurement target based on an arbitrary wave such as an electromagnetic wave, light, mechanical vibration, sound wave, or heat wave arriving from the measurement target, or a physical quantity such as displacement in the measurement target. Is a non-destructive measurement device.

図39に示すように、計測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. 39, the measurement imaging apparatus includes at least one transducer 110 that is both a transmitting unit and a receiving unit, and an imaging device main body 120. The transducer 110 may be capable of generating and receiving an arbitrary wave such as an electromagnetic wave, light, a mechanical vibration, a sound wave, or a heat wave. In this case, the transducer 110 can transmit an arbitrary wave to the measurement target 1 and receive a reflected wave or a scattered wave reflected in the measurement target 1. For example, when the 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 ultrasonic elements (PZT, polymer piezoelectric elements, etc.) are different depending on the application, and the structure of the transducer is different.

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、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, narrow-band ultrasonic waves have been used in blood flow measurement. However, the present inventor has proposed the use of soft tissue displacement and strain (including static cases) and shear which have been put into practical use in recent years. The use of broadband transducers for (echo) imaging, including the measurement of wave propagation (velocity), has been pioneered in the world. As with HIFU treatment, continuous waves may be used. However, the present inventor has been developing using a broadband device in order to achieve high-resolution treatment. When using high-intensity ultrasonic waves, a tissue is stimulated within a range that does not cause a heating effect, and a power source may be generated in the measurement target 1 as described above. Therefore, a transducer for (echo) imaging is used. Sometimes. Heat treatment, force source generation, and (echo) imaging may be performed simultaneously. The same is true for other wave sources and transducers. Transducers are classified into a contact type and a non-contact type, and impedance matching of each wave is appropriately performed before use.

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屈折された屈折波又は散乱された散乱波又は回折された回折波、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 transmitting transducer that generates an arbitrary wave and a receiving transducer (sensor) that receives the arbitrary wave may be used. In that case, the transmitting transducer transmits an arbitrary wave to the measurement target 1, and the sensor determines whether the reflected wave or refracted refracted wave or scattered scattered wave or diffracted diffraction wave is reflected in the measurement target 1. A wave or a transmitted wave transmitted through the measurement target 1 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 the arbitrary wave is a heat wave, a heat source that is not intentionally generated, such as sunlight, lighting, or metabolism in a living body, may be used, but an infrared heater, a heater, or the like may be used. An ultrasonic transducer (which may generate a force source in the measurement object 1), an electromagnetic transducer, a laser, etc. which transmit a comparatively stationary or heating ultrasonic wave which is often controlled according to a drive signal. Is also used. In addition, 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-dependent such as sound speed and volume change of ultrasonic waves) A nuclear magnetic resonance signal detector (detecting a temperature using a chemical shift of nuclear magnetic resonance) can be used. For each wave, an appropriately receivable transducer 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 actively generating a wave according to the drive signal, the transducer 110 may actively generate a wave including a harmonic. For example, the transducer 110 generates a wave according to the nonlinear characteristics of the wave source or the circuit of the transmitter 121 driving the wave source. Further, the transducer 110 may have one transmitting surface or receiving surface, or may have a plurality of transmitting surfaces or receiving surfaces. A non-linear device 111 for performing non-linear processing on the generated arbitrary wave may be provided on the transmission surface of the transducer 110. A non-linear device 111 that performs non-linear processing on an arbitrary wave propagating from inside the measurement target 1 may be provided on the receiving surface of the transducer 110. The nonlinear device 111 does not necessarily need to be in contact with the transmission surface or the reception surface of the transducer 110, and may be provided at an arbitrary position on a 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 front and rear sides of the nonlinear device 111. The transducer 110, the non-linear device 111, and the working device 112 may be separated or integrated in a combination.

図39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. 39 also shows a case in which a wave source is provided in the measurement target 1, or it may be directly controllable by the control unit 133. In addition, the wave generated by the transducer 110 may be concentrated using a lens or the like, or a focus may be transmitted using a plurality of transducers 110 to generate a wave source (such as a mechanical wave or the like). Using a heat wave source, or a mechanical wave or an electromagnetic wave, for example, to generate a new electromagnetic wave for a magnetic substance or the like that may be a contrast agent, or to create a physical action or physical property between waves. (Including the case where the wave intensity and the propagation direction are controlled by the stimulus).

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 target 1 from the beginning (for example, the electrical activity of the brain and heart becomes a current source, and the heart becomes a power source). In addition, there are cases where the wave source can be controlled, cases where the wave source cannot be controlled, cases where the measurement target 1 is observed in situ, or those wave sources themselves which are the imaging target or the measurement target. Sometimes. Alternatively, such a wave source may exist outside of the measurement target 1 from the beginning, and may be treated in the same manner and become a measurement target. The nonlinear device 111 and the action device 112 may be appropriately provided between such a 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。このように、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 in a part of the measurement object 1, a contrast agent such as a microbubble (non-linear enhancement) is used. Agent 1a may be injected. As the contrast medium 1a, a substance having an affinity for a lesion, a fluid, or the like in the measurement target 1, in particular, may be used. Thus, 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 wirelessly, and / or outputs a reception signal to the imaging apparatus main body 120. In the case of wireless communication, 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, and an AD (Analog- to-digital) converter 127 and storage device 128. In part B, the imaging apparatus main body 120 includes a reception beam former 129, an operation unit 130, an image signal generation unit 131, a measurement unit 132, a control unit 133, a display device 134, 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39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. A case where the transducers 110 form an array will be described later. As shown in FIG. 39, when a part A of a plurality of channels is provided, a reception signal output from the storage device 128 of the part A of a plurality of channels may be supplied to the reception beamformer 129 of the part B. . Alternatively, each part B may be connected to each part A in cascade and processed independently. In this case, the received signal output from the storage device 128 of the part A of each channel is Is supplied to the reception beamformer 129 of the part B of FIG. Note that the plurality of transducers 110 may relate to different different types of waves, and in that case, the non-linear effects of different types of waves may be observed at the same time. You 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 an analog circuit, or at least a part thereof may be configured by a digital circuit. In Part B, the reception beam former 129 to the control unit 133 may be constituted by digital circuits, or may record a central processing unit (CPU) and software for causing the CPU to perform various processes. It may be constituted by a recording medium. As the recording medium, a hard disk, a flexible disk, an MO, an MT, a CD-ROM, a DVD-ROM, or the like can be used. Note that at least a part of the reception beam former 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 according to 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 timing or delay time of the trigger signal 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 (which can also serve as apodization) in order to adjust the intensity of the transmitted wave and the intensity of the generated harmonic, and the control unit 133 sets the delay time. An element may be further included. A drive signal including harmonics may be generated and used. When performing apodization or forced vibration instead of resonance, various waves are generated and used, such as generating a chirp wave. When the drive signals generated by the transmitters 121 of a plurality of channels are applied to the plurality of transducers 110, focusing and steering of a transmission beam and transmission of a plane wave can be performed by setting a delay time by the control unit 133. (A plane wave is a wave having a narrow band in a direction orthogonal to the propagation direction, and is effective when the band is widened).

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) for which a non-linear effect is similarly set. In some cases, the frequency and the carrier frequency, the bandwidth, the apodization, the delay, and the non-linear effect prepared in advance are set, but they may be controlled by the operator via the control unit 133. They may be adaptively determined and controlled by the arithmetic unit 130 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 transmitter frequency, carrier frequency, bandwidth, apodization, delay element, and nonlinear element of each channel are controlled, but are set to those patterns prepared in advance. In some cases, those patterns may be controlled by the operator via the control unit 133, and the arithmetic unit 130 may adaptively determine and set those patterns in accordance with 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 can attenuate the received signal (which can also serve as apodization and 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 (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) that generates a non-linear effect. They may be configured similarly to those of the transmitter 121, including when waves are received by multiple transducers 110. The receiver 122 amplifies a 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 received signal, or an amplifier or an attenuator that adjusts the gain of the received signal. Filter / gain adjustment section 123 adjusts the frequency band or gain of the received signal, and outputs the received signal to 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 an analog nonlinear process on a 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。   Filter / gain adjustment section 125 includes a filter for limiting the frequency band of the received signal, or an amplifier or attenuator for adjusting the gain of the received signal. The filter / gain adjuster 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 adjustment units 123 and 125 and the non-linear 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 some cases, these may be adaptively determined and controlled by the arithmetic unit 130 according to the observation situation. When a plurality of transducers 110 are driven, they are independently controlled in each channel. However, in some cases, the patterns are set in advance in a prepared pattern. May be controlled, and the arithmetic unit 130 may adaptively determine and set those patterns according to the observation situation.

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 received signal to generate an analog image signal. Also, displacement measurement may be performed through orthogonal detection. The analog display device 135 displays an image of the measurement target 1 or the wave source based on the image signal or the measurement result generated by the detector 126.

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 the analog nonlinear processing on the reception signal, and selects the receiver 122 when not performing the analog nonlinear processing on the reception signal. Select the received signal output from. The AD converter 127 converts an analog reception signal into a digital reception signal by digital sampling. The 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 received 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 beamformer 129. Note that while the signal is processed by the reception beamformer 129, the signal 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. In the case where a single or a plurality of transducers 110 are used, the reception beamformer 129 may separate harmonics by a pulse inversion method, a polynomial fitting method, or the like (the same processing is performed in the calculation unit 130). May be done).

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 beam former 129 performs a reception beam forming process on the reception signals supplied from the storage devices 128 of a plurality of channels. For example, the reception beamformer 129 delays the reception signals of a plurality of channels in accordance with the delay time set by the control unit 133, performs phasing processing, and then performs addition or multiplication operation to synthesize the reception signals, thereby obtaining a focus. To generate a new received signal.

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 receivers 122 of a plurality of channels may delay each received signal according to a delay time set by the control unit 133. The reception beamformer 129 combines reception signals by performing addition or multiplication operation on reception signals of a plurality of channels. At the time of reception beamforming, the reception beamformer 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, by mounting a (multidimensional) fast Fourier transformer on the imaging apparatus main body 120 to obtain the spectrum of the received signal, filtering and beam or wave characteristics (frequency, carrier frequency, bandwidth, etc.) can be performed based on the spectrum processing. , A frequency in any direction, a carrier frequency, a bandwidth in any direction, a waveform, a beam shape, a steering direction, a propagation direction, or the like. It is possible to obtain a plurality of received signals (corresponding to a plurality of different beamformings) from a single received signal by spectral frequency division (see Non-Patent Document 30), and to further perform nonlinear processing on these signals. is there. These processes may be performed on a signal that has been subjected to nonlinear processing.

この計測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 measurement imaging apparatus, the plurality of wave signals (ones subjected to the non-linear effect or not) which are generated using a single or a plurality of transducers are stored in the storage device 128 or the external storage device 140. In the reception beamformer 129 or the operation unit 130, the results are read out, and addition (superposition, linear processing) and multiplication (non-linear processing) are calculated, and this calculation is sometimes used for imaging and various measurements. In that case, the 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 calculation unit 130 mainly performs digital nonlinear processing on the digital reception signal output from the reception beam former 129. This nonlinear 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. As described above, the calculation unit 130 may also serve as the reception beam former 129. Including that case, while the signals are being processed, the signals being processed may be temporarily stored in the storage device 128 or the external storage device 140, and those signals are read out as needed.

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 within the measurement target 1 or a received signal obtained by receiving the arbitrary wave. And a non-linear reception processing unit to be applied. 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 converts an arbitrary wave propagating from within the measurement target 1 or a received signal obtained by receiving the arbitrary wave. Non-linear processing is performed on the data. In other cases, a non-linear 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 with respect to the arbitrary wave propagating from the inside of the measurement target 1 and receives the arbitrary wave by the transducer 110. Processing for generating a reception signal may be performed. In addition, the nonlinear reception processing unit generates (ii) an analog reception signal that is received by the transducer 110 for an arbitrary wave propagating from within the measurement target 1 and converts the arbitrary reception signal into, for example, an analog nonlinear signal. A process of performing an analog nonlinear process using the element 124 may be performed. Further, the nonlinear reception processing unit is obtained by (iii) generating an analog reception signal by receiving the arbitrary wave propagating from inside the measurement target 1 by the transducer 110 and digitally sampling the analog reception signal. The digital received signal may be subjected to digital non-linear processing using, for example, the digital operation unit 130. In other cases, a non-linear 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 perform reception when not performing digital nonlinear processing on the reception signal. A received 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 a reception signal obtained by the non-linear reception processing unit. Alternatively, the image signal generation unit 131 may generate an image signal based on a reception signal that has not been subjected to the non-linear processing, together with a reception signal obtained by the 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 the non-linear processing is not performed. For example, the image signal generation unit 131 generates an image signal by performing an envelope detection process, a square detection process, or the like 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 the non-linear processing. For example, when observing the propagation of a mechanical or electromagnetic wave, the measuring unit 132 measures a particle displacement or a particle velocity caused by an arbitrary 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 the wave propagation based on the particle displacement or the particle velocity measured by the measurement unit 132. When a plurality of waves arrive, the measurement may be performed in advance by separating the waves, or through a process of separating the waves by 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 a thermodynamic wave, the measuring unit 132 may use an infrared sensor, a pyroelectric sensor, a microwave or terahertz wave detector, a temperature sensor such as an optical fiber, an ultrasonic transducer (ultrasonic) as the transducer 110. Measuring heat wave using temperature dependency such as sound speed and volume change of sound wave) or nuclear magnetic resonance signal detector (detecting temperature using chemical shift of nuclear magnetic resonance) You may. In that case, the image signal generation unit 131 generates an image signal representing the propagation of a thermodynamic wave 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 exponentiation operation by the non-linear processing on the arbitrary wave propagating from within the measurement target 1, or based on the arbitrary wave by the non-linear processing being the exponentiation operation As a result of the chord, the difference sound, and the overtone, a received signal whose frequency is increased or decreased as compared with the reception signal obtained when the non-linear processing is not performed may be obtained. Further, the non-linear processing may be a multiplication operation. The non-linear processing may be a higher-order non-linear processing, and from the effect thereof, mainly obtaining a result of a power operation or a multiplication operation may be performed.

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。   Accordingly, when the arbitrary wave has a plurality of different frequency components, the received signal has a wider band than the received signal obtained when the nonlinear processing is not performed. Or, a higher-frequency received signal becomes a higher-frequency, higher-spatial-resolution, lower-sidelobe, or higher-contrast harmonic signal compared to a received signal obtained when no nonlinear processing is performed. . Alternatively, the received signal whose frequency has been reduced becomes a signal in a band including direct current obtained by performing substantially orthogonal detection of the harmonic signal. The image signal generator 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by the non-linear 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 the inside of the measurement target 1 are transmitted in the measurement target 1 in a propagation direction, a steering angle, a frequency, a carrier frequency, a pulse shape, a beam shape, a frequency or a carrier frequency in any direction, Alternatively, when at least one of the bandwidths is different, the non-linear reception processing unit performs at least one of the processes (i) to (iii) on a plurality of arbitrary waves arriving in an overlapping manner. Is also good. The image signal generation unit 131 generates an image signal based on a reception signal obtained by the non-linear 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ようにしても良い。いわゆる収差補正である。   Here, before receiving the plurality of arbitrary waves, the non-linear reception processing unit allows the plurality of arbitrary waves to pass through at least one of the analog delay device and the analog storage device serving as the operation device 112, thereby providing a plurality of arbitrary waves. The waves may overlap at each position in the measurement target 1. This is a 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。   Further, the nonlinear reception processing unit obtains a result of a power operation by a non-linear process with respect to a superposition of a plurality of arbitrary waves propagating from within the measurement target 1, or the non-linear process is a power operation, Based on a plurality of arbitrary waves, as a result of the chord, the difference sound, and the overtone, a reception signal whose frequency has been increased or decreased as compared with the reception signal obtained when the non-linear processing is not performed may be obtained. This also provides the same effect as described above. The image signal generation section 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by the non-linear reception processing section.

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 the inside of the measurement target 1 may cause the propagation direction, the steering angle, the frequency, the carrier frequency, the pulse shape, the beam shape, and the frequency or the carrier in any direction within the measurement target 1. When at least one of the frequency or the bandwidth is different, the nonlinear reception processing unit performs at least one of the processes (i) to (iii) for a plurality of arbitrary waves that overlap with each other. At the same time, the received signal may be separated into a plurality of signals using an analog or digital device or based on analog or digital signal processing at an arbitrary time after receiving a plurality of arbitrary waves. The image signal generator 131 generates an image signal representing the image of the measurement target based on at least one of the plurality of signals separated by the non-linear reception processing unit. In the non-linear operation, a multiplication effect is obtained. Also, after analog or digital aberration correction is performed, those signals may be added again to obtain a power-up 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 the inside of the measurement target 1 are transmitted in the measurement target 1 by a propagation direction, a steering angle, a frequency, a carrier frequency, a pulse shape, a beam shape, and a frequency or a carrier in any direction. Waves that arrive non-overlapping when at least one of the frequencies or bandwidths are different, waves that are shielded and non-overlapping using the working device 112, and devices (analog or digital) or 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 by using analog or digital signal processing. . The image signal generation unit 131 generates an image signal based on a reception signal obtained by the non-linear 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ようにしても良い。いわゆる収差補正である。   Here, before receiving the plurality of arbitrary waves, the non-linear reception processing unit allows the plurality of arbitrary waves to pass through at least one of the analog delay device and the analog storage device serving as the operation device 112, thereby providing a plurality of arbitrary waves. The waves may overlap at each position in the measurement target 1. This is a 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ようにするようにしても良い。   Alternatively, the non-linear reception processing section allows the analog reception signal to pass through at least one of the analog delay device and the analog storage device, or delays the digital reception signal by digital operation, or May be passed through a digital storage device so that a plurality of arbitrary waves overlap at each position in the measurement target 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 a result of a power operation 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 operation, Based on each of the arbitrary waves, a chord and a difference sound, and as a result of the overtone, a reception signal whose frequency has been increased or decreased as compared with the reception signal obtained when the non-linear processing is not performed may be obtained. . This also provides the same effect as described above. The image signal generation section 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by the non-linear reception processing section.

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 nonlinear reception processing unit obtains a result of a multiplication operation by nonlinear processing for each of a plurality of arbitrary waves propagating from within the measurement target 1, or a plurality of arbitrary Based on the wave, a received signal having a higher frequency or a lower frequency than a received signal obtained when the non-linear processing is not performed may be obtained as a result of a chord and a difference sound or an overtone.

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。   Accordingly, when a plurality of arbitrary waves have a plurality of different frequency components, the received signal has a wider band than a received signal obtained when the nonlinear processing is not performed. Alternatively, the high-frequency or low-frequency reception signal has higher spatial resolution, lower side lobes, or higher contrast than the reception signal obtained when the non-linear processing is not performed. 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 at least one other direction. The image signal generator 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by the non-linear 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 an arbitrary detection process on at least one of a plurality of signals obtained by the non-linear process, or performs an arbitrary detection process on a signal obtained by superimposing a plurality of signals. Alternatively, an image signal may be generated by performing an arbitrary detection process on a plurality of signals and superimposing 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40は、本発明の第4の実施形態及びその変形に係る計測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計測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40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。
<< 4th Embodiment >>
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 40 is a block diagram illustrating a configuration example of a measurement imaging apparatus according to the fourth embodiment of the present invention and its modification. The measurement imaging apparatus according to the fourth embodiment and its modification is an apparatus that drives a plurality of transducers 110 or a transducer array to generate a wave, or receives a wave from them to perform imaging (FIG. 40). Shows a transducer array). As the components, those having the same performance as the components in the third embodiment can be used.

図40(a)に示す第4の実施形態に係る計測イメージング装置においては、図39に示す第3の実施形態に係る計測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 measurement imaging apparatus according to the fourth embodiment shown in FIG. 40A, as in the case where a plurality of transducers 110 or transducer arrays are used in the measurement imaging apparatus according to the third embodiment shown in FIG. A plurality of transducers 110 or elements are 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39)は不要となる。   An addition processing unit adds (linear processing) to the analog received signal which is output from the plurality of transducers 110 or the transducer array and is phased using the delay element in the receiver 122 or is not phased. ), Or the multiplication processing section performs multiplication (non-linear processing, a Hall effect element or the like is used) analog processing. Thus, the reception beam forming is performed, so that the reception beam former 129 (FIG. 39) is unnecessary in the 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40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。   Then, the digital reception signal obtained through the AD converter 127 is stored in the storage device 128. The part B of the imaging apparatus main body 120a controls each unit by the control unit 133 based on the received signal in order to obtain all the nonlinear effects that can be realized by the third embodiment. Similarly, imaging and measurement imaging are performed. In FIG. 40, 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。   In the fourth embodiment as well, similarly to the transmitter and the receiver in the third embodiment, a delay can be given to the drive signal or the received signal of each transducer, and focusing or steering of transmission or reception can be performed. Processing can also be performed. In the fourth embodiment, 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, one AD converter 127 and one storage device 128 are used. The device can be simplified because it can be provided.

一方、図40(b)に示す第4の実施形態の変形に係る計測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40(b)に示す計測イメージング装置は、図40(a)に示す計測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 measurement imaging apparatus according to the modification of the fourth embodiment shown in FIG. 40B, in the part A ″ of the imaging apparatus main body 120b, the transmission delay element 121a and the reception delay element 122a include the transmitter 121 and the transmission delay element 122a. It is provided outside the receiver 122. The measurement imaging apparatus shown in FIG. 40 (b) is different from the measurement imaging apparatus shown in FIG. 40 (a) in that the reception delay element 122a performs phasing or an unphased analog reception signal. Then, the addition processing unit performs analog processing of addition (linear processing), or the multiplication processing unit performs analog processing of multiplication (nonlinear processing), and then receives the data at the receiver 122. Therefore, since only one transmitter 121 and one receiver 122 need to be provided, the device can be significantly simplified, and the same non-linear effect as in the third embodiment can be obtained.

図39に示す第3の実施形態に係る計測イメージング装置、図40(a)に示す第4の実施形態に係る計測イメージング装置、及び、図40(b)に示す第4の実施形態の変形に係る計測イメージング装置、又は、その他の型の計測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。同一の計測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。   The measurement imaging apparatus according to the third embodiment shown in FIG. 39, the measurement imaging apparatus according to the fourth embodiment shown in FIG. 40A, and the modifications of the fourth embodiment shown in FIG. Such metrology imaging devices, or other types of metrology imaging devices, and their components may be used simultaneously. For example, each of the coherent or incoherent image signals and measurement results obtained using a plurality of types of devices can be displayed, can be displayed side by side at the same time, or can be superimposed or multiplied. Things can also be displayed. Basically, signals obtained from received signals at the same time or the same phase can be targeted. Even in the same measurement 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 at 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 computer or a computing unit). .

本発明の第1又は第4の実施形態に係る計測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 measurement imaging apparatus according to the first or fourth embodiment of the present invention uses a non-linear analog signal, a digital computer, a computer, or a similar device (FPGA, DSP, etc.) of various devices to convert a signal into a nonlinear signal. Based on performing calculations. As will be described in detail later, the non-linear operation mainly focuses on obtaining the effects of exponentiation and multiplication, but the operation itself is not limited to this, and may be a higher-order calculation having other non-linear characteristics. These effects can be extracted and separated through polynomial fitting, spectral analysis, pulse inversion, numerical calculations, or signal processing. Non-linear operations may be performed not only on signals but also on waves, and before reception, waves are extracted using devices (time or space, or filters or spectrometers at those frequencies). And can be separated. Dedicated devices may be available.

上記のように、この計測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, this measurement 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 calculation unit 130, If necessary, a data storage device (memory, hard disk, photograph, CD-RW, or other recording medium), a display device, and the like are provided. The general-purpose devices can be assembled and configured, and the nonlinear processing of the present invention can be performed on an existing device that does not include the nonlinear device 111, the nonlinear element 124, the arithmetic unit 130, or another nonlinear device. Non-linear processing can also be performed by adding devices to perform.

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, or a coded wave such as a phase modulation is used, and imaging or measurement having a spatial resolution can be performed. is there. However, when measurement is possible without requiring spatial resolution, the present invention is not limited to this, 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 the conversion characteristic of the transducer 110 from the electric signal (drive signal) to the wave, and an appropriately designed device and drive 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, and in the case of sound waves, electric sources are used as sound sources. An acoustic transducer, a vibrator or the like 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. As described above, in the present embodiment, the transducer 110 that generates various 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 a typical transducer when targeting the above-mentioned various waves, and a transducer which is not usually used because of having a nonlinear characteristic can be positively used. Normally, in an ultrasonic element, when a high pressure is applied, an ultrasonic wave including harmonics is generated by a non-linear phenomenon, but harmonic imaging is performed by a pulse inversion method to extract a non-linear component generated in the medium. In some cases, only the signal in the fundamental band is used without filtering out the 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 the present embodiment, the nonlinear wave may be actively generated and used. That is, when a non-linear characteristic appears at the time of transmission, the transmitted wave contains harmonics. In the present invention, this may be effectively applied. On the other hand, a wave that does not include a non-linear component is generated to search for a non-linear phenomenon in a 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 also occur in a higher harmonic. When the transmitted wave originally contains harmonics or when there are a plurality of intersecting waves (frequency, carrier frequency, pulse shape, beam shape, or frequency or carrier frequency viewed in each direction, or bandwidth) May be different, that is, the wave parameters other than the propagation direction and the steering angle are different), as described later, including the pulse inversion method, the spatiotemporal filtering, the spectral filtering, or the polynomial fitting for the received signal. The present invention may be implemented after separation by analog processing or digital processing such as signal processing or the like, or the present invention may be implemented without separation. In the propagation process, a barrier such as an obstacle, a filter device, or a spectroscope (time or space or those frequencies) or a physical stimulus is applied to change the refractive index of the medium (optical Using a switch) or the like, the waves may be received in a state where the waves are separated in advance. If the source of each wave can be controlled, each wave may be generated independently and observed.

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, the wave including a non-linear component can be measured by using a device that causes a nonlinear phenomenon directly to the wave. May be propagated. It is also possible to use a device that causes a non-linear phenomenon after or during propagation in the measurement object. Waves or signals may be combined or mixed to provide a multiplication effect.

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, regarding light, (i) a nonlinear optical element (for example, an optical harmonic generation device used for wavelength conversion of laser light into a short wavelength region, etc.), (ii) an optical mixing device, and (iii) optical parametric generation Devices that generate optical parametric effects such as stimulated Raman scattering, coherent Raman scattering, stimulated Brillouin scattering, stimulated Compton scattering, or four-wave mixing; (iv) multiphoton transitions such as ordinary Raman scattering (spontaneous emission Raman scattering) , A device that causes a nonlinear refractive index change, a device that causes an electric field-dependent refractive index change, and the like. Couplers and optical fibers can also be used effectively. It is suitable for multi-point observation (multi-channel) and 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、回折格子、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。   The use of light relates to a wide range of fields, such as optoelectronics, non-linear optical effects, or laser engineering for generating, controlling, or measuring light. Normally used optical devices can be used as the working device 112 and the non-linear device 111, and those realized specifically may be used. These include optical amplifiers (such as photon multi-tubes), absorbers (attenuators), reflectors, mirrors, scatterers, diffraction gratings, collimators, (variable focus) lenses, deflectors, polarizers, polarizing filters, and ND filters. , Deflection beam splitter (separation), shield, optical waveguide (using photonics crystal, etc.), optical fiber, optical Kerr effect device, nonlinear optical fiber, optical mixing optical fiber, modulation optical fiber, optical confinement device, optical memory, coupler (Coupler), directional coupler, distributor, mixer / distributor, spectrometer, dispersion-shifted optical fiber, bandpass filter, phase conjugator (such as by degenerate four-wave mixing or photorefractive effect), and optical control of ferroelectric semiconductor Switches, phase delay devices, phase correction devices, time inverters, optical switches, or optical The coding due disk, etc., some when used alone, sometimes in combination. Also, this is not a limitation. Under optical control (wavelength conversion / switching / routing), optical node technology, optical cross connect (OXC), optical add / drop multiplexing (OADM), optical multiplexing / demultiplexing device, or optical switch element is used, and the device itself 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) as described herein can be used. Optical signal processing includes temporal and spatial filters, correlation operations and matched filter processing, signal extraction, heterodyne and superheterodyne (AD can be obtained and demodulated by demodulating low-frequency signals), and homodyne. Vessels 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 non-linear media include carbon disulfide, sodium vapor, semiconductors such as silicon and gallium arsenide, quantum wells, and organic dyes such as fluorescein and erythrosine. In the case of a crystal such as barium titanate, there is 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, microwave, terahertz wave, 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 a vibration system and an electromagnetic system are useful. Also, non-linear devices can be used. Various materials exhibiting nonlinearity in heat conduction include alumina and zirconia synthesis, solder, and layered cobalt oxide. Heat acts on optical devices and can create non-linearities, making it possible to broadly consider their applications.

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。   The transducer 110 has a contact type and a non-contact type with respect to the measurement target, but an impedance matching device for each wave may be required as an action device. In a measurement space, a matching device may be used between devices in a measurement space, as is the case between devices in an apparatus or in an electric circuit. 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 often observed on a gantry, but an array type or a mechanical scan type (elements or element arrays move mechanically through a matching material such as water in a housing) Is often realized and used, and it can be easily installed on the sample (the direction can be freely determined, etc.). It is also possible to directly observe in situ or in vivo without cutting out (in vitro). Many ultrasonic microscopes have a fixed type in which the focal position is determined by a lens or the like. This is a particularly good method when such an element or an element array is used. Therefore, the mechanical scan is not limited to the horizontal direction or the elevation direction, and may be movable in the propagation direction. An antenna is used for RF waves, and an electrolyte gel and an electrode, or a SQUID meter or the like is used for observation of a biological tissue potential or a magnetic field, depending on the size of the measurement target. In some cases, a smaller one is used (such as a microscope). The weak signal may not have the nonlinearity, and in such a case, the nonlinearity may be generated in a pseudo manner or a virtual manner. If the nonlinear signal is too weak to be observed, the nonlinearity may be 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。このように、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. As described above, the nonlinear device can perform a nonlinear operation on a wave itself by using a nonlinear device at an arbitrary position, not only for a signal after reception, including performing a higher frequency or a wider 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 a wave, the present invention may be applied to a case where a wave source cannot be controlled. The present invention may be applied by using various methods or devices to obtain the signal source position and arrival direction, the signal source intensity, the signal source size and distribution, or the present invention is applied to obtain the signal source and wave In some cases, the location and direction of arrival of the source may be required. At that time, they may be obtained by separating waves and signals, the source and the direction of arrival of the signals and waves may be obtained, and then the waves and signals may be separated, and both are obtained at the same time Sometimes. When the wave source and the direction of arrival are determined, the accuracy of reception beamforming is improved. The signal is subjected to signal processing such as analog processing or digital processing, and a time or space, or a filter or a spectroscope of 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 receiving a wave transmitted through a medium including an object to be measured by a transducer, the transducer used for transmission may be used for reception (a reflected signal may be observed). On the other hand, a transducer different from the transducer used for transmission may be used for reception. In this case, when the transmitting transducer and the receiving transducer are located near each other (when a reflected signal is observed) or when the transmitting transducer and the receiving transducer are located at different positions (for example, a transmitted wave or a refracted wave is observed). 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 used in a closely adjacent state in an array (one-dimensional array or two-dimensional array, three-dimensional array). In some cases, a sparse array or a sparse array is used at the same time. There are various types of openings (circular, rectangular, flat, concave, convex, etc.), and their directivities are various. Some elements are integrated with openings in a plurality of directions, and some have multi-directional directivity at the same position. In addition to scalar measurement such as electric potential, pressure, or temperature, there is also one that performs vector measurement such as electromagnetic wave or electric field vector. Some are polarized. Needless to say, even with respect to the same wave, the materials and structures of the elements are various. There are also various arrangements using them, and for example, there is one in which openings are oriented in multiple directions.

図41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41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. 41 is a schematic diagram illustrating an example of the arrangement of a plurality of transducers. 41, (a1) shows a plurality of transducers 110 densely arranged in a one-dimensional array, and (b1) shows a plurality of transducers 110 sparsely arranged in a one-dimensional shape. . (A2) shows a plurality of transducers 110 densely arranged in a two-dimensional array, and (b2) shows a plurality of transducers 110 sparsely arranged in a two-dimensional shape. (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、本実施形態に係る計測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 aperture of the transducer, but may be adjusted by the above-described drive signal. Further, the measurement imaging apparatus according to the present embodiment includes a mechanical scanning device having a maximum of six degrees of freedom (three degrees of freedom in three directions of translation and three directions of rotation), and the mechanical scanning device includes at least one transducer 110 or at least one degree of freedom. By mechanically moving the transducer array in at least one direction, scanning of the measurement target 1, adjustment of the focus 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 as many drive signals as the number of transducers 110 to be driven. Alternatively, by using a group of delay elements to generate a plurality of drive signals from a limited number of generated signals, a desired beamforming (forming a focus 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。   Conventional analog or digital beamformers can also be used. In some cases, the above beamforming (including only at the time of reception) is performed in parallel to improve real-time performance 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。   At the same time, a plurality of transducers 110 may be driven to perform a plurality of beamformings simultaneously. Alternatively, the beamforming may be performed a plurality of times at different times using different transducers 110 within the time allowed to receive the signals in the same phase, including the case where the transmitter 121 is switched and used. In some cases, the same transducer is subjected to mechanical scanning to perform beamforming a plurality of 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 beam forming, a classical aperture synthesis may be performed including a case where a mechanical scan is performed, and a normal delay-and-summation or a delay multiplication (Delay-multiplication) according to the present invention is performed. -and-Multiplication) (all are monostatic or multistatic). At the time of transmission, a plane wave may be generated without performing focusing, and in that case, a wide area can be observed at once in a short time. At that time, a plane wave may be steered. The 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 wave of a narrow band in a direction orthogonal to the direction of propagation, and is effective when the band is widened.

図42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42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. 42 is a diagram for explaining the form of a wave when a one-dimensional transducer array is used. In FIG. 42, (a) shows the focusing of a wave, and a wave beam narrowed to a focus position determined by the setting of a delay time is formed at the time of transmission or reception. (B) shows the steering of the wave, and a wave beam deflected in a direction determined by the setting of the 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 wave of a narrow band in a direction orthogonal to the direction of propagation, 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ようにすることがある。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ようにすることもある。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。   Before the 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 a plurality of waves overlap at each position in the measurement target 1. is there. Also, passing an analog signal obtained after reception by the transducer 110 through at least one of an analog delay device and an analog storage device, or delaying a digitally sampled digital signal obtained after reception by digital operation, Alternatively, a plurality of waves may be caused to overlap at each position in the measurement target through passage through a digital storage device. The so-called phase aberration correction may be performed as described above, or may be performed in connection with the phasing of the beam forming. There are various devices. For example, in light, an optical fiber also serves as a delay line, and an optical confinement device also serves as 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, a signal subject to a strong nonlinear phenomenon may be observed as a result of propagating through the measurement object, but a non-linear component may not be obtained. Generally, when the intensity of the wave is strong, the nonlinear phenomenon is easily observed, and when the intensity is weak, the nonlinear phenomenon is hard to be observed. 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 separation of signals, analog devices of various waves (time or space, or filters or spectrometers of those frequencies, etc.) may be used, and based on signal processing, analog processing or digital processing ( Decoding process for the above coding, process of obtaining the center of gravity of spectrum through spectrum analysis, process of obtaining analysis signal to obtain instantaneous frequency, MIMO, SIMO, MUSIC, or independent signal separation process. is there. In the passive case, using various methods or devices, signal source position and direction of arrival, signal source intensity, signal source size and distribution may be processed, and the present invention has been implemented. Later, the signal source position and the direction of arrival may be determined. At the same time as beamforming, the position and arrival direction of the signal source, the intensity of the signal source, and the size and distribution of the signal source may be obtained. As will be described later in detail, the signal may be accurately separated in a situation represented by a harmonic by performing a non-linear process. Specifically, after performing a high frequency and wide band (when the order is greater than 1) by a power operation, or a low frequency and narrow band (when the order is less than 1) processing, in the frequency domain May be performed with high accuracy. Restoration of the signal after separation may be performed simply by raising it to the reciprocal power of the power order used.

図43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43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。その様に独立した周波数座標軸の瞬時周波数又は局所又は大局的なスペクトルの重心を成分とするベクトルを、本発明においては、瞬時周波数ベクトル又は重心周波数ベクトルと称して用いることが有り、3次元計測の場合には、(fx,fy,fz)と表される。空間領域において、波動の信号は2次元又は3次元のデカルト直交座標系又は極座標系又は直交曲線座標系で表され、それぞれの直交座標系におけるフーリエ変換により求まるスペクトルはその座標軸の周波数座標から成る、周波数領域の2次元又は3次元のデカルト直交座標系又は極座標系又は直交曲線座標系で表され、それらにおいて、瞬時周波数ベクトル又は重心周波数ベクトルが用いられる。また、段落0405に記載のヤコビ演算を通じたフーリエ変換又は逆フーリエ変換により、空間領域と周波数領域の直交座標系を変えたり、同領域における座標系を変えることを補間近似処理なしに実施することは有用である(高精度である)。他にも記載のある通り、波動の到来方向の他、波動源の存在する方向や位置や、生成された波動やビームの伝搬方向や、送信及び/又は受信のステアリング角度等を求めることができる。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。尚、変位ベクトルや変位を計測する方法として、多次元クロススペクトル位相勾配法や多次元相互相関法や多次元自己相関法や多次元ドプラ法やそれらを1次元化した方法が有用であるが、相互相関法を除くその他の方法を用いる場合には、スペクトルを求める際のフーリエ変換又は解析信号を求める際の逆フーリエ変換においてヤコビ演算を通じて座標系を変えて、計測結果を得ることが可能であるし、相互相関法を用いる場合には、空間領域においてヤコビ演算を用いた上記の方法で座標系を変えて計測結果を得ることができる。
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. 43 is a diagram showing angles of beam directions and wave arrival directions in the spatial domain and frequency domain in the case of two-dimensional measurement and the center of gravity of the spectrum. In FIG. 43, (a) 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. (B) shows the center of gravity of the spectrum of beam 1 and beam 2 and the instantaneous frequency (fx, fy) of beam 1 in the frequency domain. In the present invention, such an instantaneous frequency of the independent frequency coordinate axis or a vector having a center of gravity of a local or global spectrum as a component may be referred to as an instantaneous frequency vector or a center of gravity frequency vector. In this case, it is represented as (fx, fy, fz). In the spatial domain, the signal of the wave is represented in a two-dimensional or three-dimensional Cartesian rectangular coordinate system or a polar coordinate system or a rectangular curve coordinate system, and the spectrum obtained by the Fourier transform in each rectangular coordinate system is composed of frequency coordinates of the coordinate axes. It is represented by a two-dimensional or three-dimensional Cartesian or polar or orthogonal curve coordinate system in the frequency domain, in which an instantaneous frequency vector or a centroid frequency vector is used. In addition, it is not possible to change the rectangular coordinate system in the space domain and the frequency domain, or to change the coordinate system in the same domain without the interpolation approximation process by the Fourier transform or the inverse Fourier transform through the Jacobi operation described in paragraph 0405. Useful (high accuracy). As described elsewhere, in addition to the arrival direction of the wave, the direction and position of the wave source, the propagation direction of the generated wave and beam, the steering angle of transmission and / or reception, and the like can be obtained. . The beam 1 or the beam 2 may correspond to the wave of the grating lobe or the side lobe. As a method of measuring the displacement vector and the displacement, a multidimensional cross-spectral phase gradient method, a multidimensional cross-correlation method, a multidimensional autocorrelation method, a multidimensional Doppler method, and a method of making them one-dimensional are useful. When using other methods except the cross-correlation method, it is possible to obtain a measurement result by changing a coordinate system through a Jacobi operation in a Fourier transform for obtaining a spectrum or an inverse Fourier transform for obtaining an analysis signal. However, when the cross-correlation method is used, a measurement result can be obtained by changing the coordinate system in the spatial domain by the above-described method using the Jacobi operation.
By the way, if the element pitch in the array type sensor is coarse, beam forming is performed by receiving a signal in which aliasing has occurred in the element array direction (original digital space). In the signal, the signal in the folded band is removed by filtering. When the element width is reduced and the element pitch is shortened as described above, a wide band in the horizontal direction can be obtained as can be confirmed from the angular spectrum, and a signal having a wide band in the horizontal direction can be generated by beam forming, but the same applies when aliasing occurs. Need to be processed. These processes are required for all beamforming processes. Since a beamforming signal can be generated within the signal band of the angular spectrum of the received raw signal, a steering angle that can be realized 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, beamforming is performed in an analog manner with respect to a wave, or when a plurality of transducers 110 are used, beamforming (focusing or steering) is performed. As described above, beam forming may be performed after signal separation, 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). Also, the present invention can be implemented on those generated signals. The transmitter 121 and the receiver 122 may be an integrated type or a separated type.

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 types of non-linear elements 124, and a diode or a transistor can be used for an electric analog signal after being 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 one that applies a superconducting phenomenon. Also, a nonlinear element of a distributed constant system can be used. An appropriate one is used according to the frequency of the wave (signal). Waves or signals may be appropriately gain-adjusted using various amplifiers or 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 causes non-linear phenomena directly on the wave before receiving at the transducer 110. For example, regarding light, the above-mentioned (i) nonlinear optical element, (ii) light mixing device, (iii) optical parametric effect, (iv) multi-photon transition such as ordinary Raman scattering (spontaneous emission Raman scattering), (v A) a non-linear refractive index change, or (vi) an electric field dependent refractive index change, etc. can be used. For other waves, non-linear devices can be used as well. The non-linear devices may be integrated with the transducer 110, or the non-linear devices may be separately assembled and used. Further, the nonlinear phenomenon itself at the time of converting a wave into 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 is a case where an analog operation (non-linear processing) is performed on the wave itself and a case where an analog operation is performed on a signal after reception. A signal may be subjected to a non-linear operation using a computer, a computer, or a similar device (eg, an FPGA or a DSP).

本発明の一実施形態に係る計測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。   Regarding the measurement imaging apparatus according to one embodiment of the present invention, when it is referred to as an analog type, it means that the operation is performed by analog processing as described above. For example, an analog signal subjected to a non-linear effect is converted into a CRT display or an oscilloscope (analog). Or digital) and recorded on a storage medium such as a photograph (analog or digital) or holography as necessary. Alternatively, the data may be digitized through AD conversion, recorded on 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 it is referred to as a digital type, it includes a case where an analog signal is AD-converted after appropriate analog processing (gain adjustment and filtering) and the signal is stored in a memory or a hard disk as a recording medium. The data is stored in a data storage device (such as the above-mentioned photograph or digital recording medium) as necessary, and is 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, the received signal may include a non-linear phenomenon in the object to be measured.In such a case, the effect can be enhanced by using the above-described analog device or digital device. In a received signal that does not include a non-linear effect, it is possible to newly generate a non-linear effect, simulate the non-linear effect, or virtually realize the non-linear effect. In some cases, a nonlinear effect (harmonic component) generated in the measurement target and a nonlinear component (harmonic component) generated in the signal source are separated from the effect of the nonlinear operation. Exceptionally, the above devices and signal processing may be used to separate the former two non-linear effects (non-linear components), including cases where non-linear operations are not performed.

なお、計測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 of the measurement imaging apparatus, a case where a transducer (transducer) for a wave to be observed is used has been described. For example, propagation of an oscillating wave is optically performed based on laser Doppler or optical image processing. It can be observed, and the propagation of a shear wave that becomes dominant as a low-frequency vibration wave in human tissue can be observed using the Doppler effect of ultrasonic waves, which 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。   Further, it is also possible to optically capture the propagation of sound such as audible sound waves and ultrasonic waves. The optical process is a process for generally processing an electromagnetic wave, and includes radiation such as X-rays. Audible sound waves may be observed using ultrasonic waves. The heat wave can also be observed by using an infrared camera based on radiation, a change in sound speed of a microwave, a terahertz wave, or an ultrasonic wave, a change in a volume of an object, a chemical shift of nuclear magnetic resonance, or an optical fiber. This is based on coherent signal processing or incoherent processing such as image processing. The case where the behavior of the wave of interest can be observed using other waves is not limited to these, and in any case, the measurement result is an analog signal or a digital signal. Therefore, the present invention can be implemented also for those observed waves (signals). In addition to the Doppler effect, it may be interpreted that the physical property of the medium is modulated by the wave of the observation target, and the wave used for sensing is modulated. In these cases, a process of detecting a wave subjected to the Doppler effect or 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 also allow various measurements based on divergence as described in the present specification. Radiation measurement is also important. Various remote sensings are performed using microwaves in addition to temperature distribution measurement. For example, scattering and attenuation are measured, and distributions of raindrops, moisture, air pressure, and the like are measured. Even in such a case, it is effective to obtain a high spatial resolution by various processes such as the beam forming described in the specification of the present application, and in particular, an effect that a desired position can be observed at high speed is obtained. It is possible to obtain an effect that any surface, area, and space can be observed directly and at high speed, without depending on image processing after generating the image.

また、計測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 measurement imaging apparatus, the electromagnetic wave, the vibration including sound, the heat wave, or the nonlinear operation device of the signal corresponding thereto have been described, but the nonlinear effect between different types of physical energies is enhanced. Simulating or simulating a non-linear effect, or virtually realizing a non-linear effect (ie, producing a non-linear effect other than physically, chemically, or biologically). Is not possible), in which case the signals received at different times by simultaneously using the devices for the different types of waves used, or if they are in phase, The present invention can also be implemented on the basis of. That is, the present invention can handle a case where a plurality of types of waves are simultaneously generated and a case where one type of a wave is generated alone.

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 vibrations and heat waves including electromagnetic waves and sounds, if the frequency is different, the dominant behavior differs depending on each measurement object (medium), and the name is different (it may be considered that the type is different). For example, regarding electromagnetic waves, microwaves, terahertz waves, radiation such as X-rays and the like exist, and regarding vibration, when targeting human soft tissues, shear waves do not propagate as waves due to the effect of attenuation in the mega-Hz band. Ultrasonic waves are dominant, but at low frequencies such as 100 Hz, incompressible characteristics 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、反射、屈折、又は、回折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 non-linear effect between waves having different behaviors, simulate the non-linear effect, or virtually realize the non-linear effect. In this case, the present invention can be implemented based on signals received at different times when waves are received by using a plurality of types of wave-related devices at the same time. Of course, there is a limitation that phenomena such as attenuation, scattering, reflection, refraction, or diffraction of the waves have dispersion characteristics and must be appropriately used in consideration of the SN ratio of the received signal. However, the application range of the present invention is very wide, including the ability to physically generate high-frequency components and 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 the case where the nonlinear effect in the measurement object is actively observed, and in the case where the nonlinear processing according to the present invention is actively performed, the two can be switched and used, or both can be used at the same time. In some cases, non-linear effects in the measurement object are clarified through the calculation.

次に、上記の計測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、本願の発明者が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 above measurement imaging apparatus will be described. Generation of harmonics in the ultrasonic wave propagation process is represented by multiplication or exponentiation. In particular, chords and difference tones are represented by multiplication of waves having different propagation directions or different frequencies (see Non-Patent Document 27), and harmonics are generally represented by powers of waves of the same frequency (see Non-Patent Document 27). See Non-Patent Document 25). As a physical phenomenon, it tends to occur when the intensity of the wave is large. The wave distortion has an effect of increasing with the propagation of the high-intensity component, but is more susceptible to attenuation during the propagation than the fundamental wave. On the other hand, when the intensity is not so strong, only superposition (sum or difference) is strongly observed as wave interference, and a lateral modulation method developed by the inventor of the present application is applied to this. (See Non-Patent Documents 13 and 30).

図44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44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. 44 is a diagram showing two deflection beams used in the lateral modulation method in a two-dimensional space. In FIG. 44, the horizontal axis indicates the horizontal position y, and the vertical axis indicates the depth position x. Here, two typical examples are a case where beamforming is performed in an arbitrary direction (direction of the angle θ in the drawing) and a case where lateral modulation is performed using an arbitrary direction as an axis (X axis). For two cases, the effect of the non-linear operation after receiving beamforming is confirmed. This calculation can be easily extended to a three-dimensional space, and it can be confirmed that a similar effect can be obtained in a three-dimensional space. In the following, “λ” is a wavelength corresponding to the center frequency of the ultrasonic wave. Further, the distance x in the depth direction and the distance y in the lateral direction are represented by the time t until the ultrasonic wave transmitted from the origin is reflected at a certain point and returned to the origin, and the ultrasonic wave propagates at time t / 2. Represents distance.

<0>横方向変調:角度θ1及びθ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)
搬送周波数又は瞬時周波数又は局所又は大局的な重心周波数の等しい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 angles θ 1 and θ 2 (simultaneous transmission / reception or superposition of each transmission / reception)
The superposition (addition, or sum) of two RF echo signals having the same carrier frequency or instantaneous frequency or local or global center of gravity frequency is represented 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。直交するXとYの方向に独立した周波数を持つ横方向変調イメージ信号を生成するためには、波動そのものの搬送周波数又は瞬時周波数又は局所又は大局的な重心周波数の等しい2波を生成する必要が有る。但し、変位ベクトル計測においては、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本の交差ビームを同様に生成する必要がある(非特許文献13及び30を参照)。
Here, assuming that the reflection or scattering is equal and A (x, y) = A ′ (x, y), the coordinates consisting of the X axis in the central direction of the propagation direction of the two waves and the Y axis orthogonal thereto. In (X, Y), the superposition of two RF echo signals is represented 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)
As described above, the lateral modulation is realized in the (X, Y) coordinate system. In order to generate a laterally modulated image signal having independent frequencies in the orthogonal X and Y directions, it is necessary to generate two waves having the same carrier frequency or instantaneous frequency of the wave itself or a local or global center of gravity frequency. Yes. However, in the displacement vector measurement, the two waves may have different frequencies. For example, in the following <2> and <3>, non-linear processing is performed on this. In the case of performing lateral modulation in a three-dimensional space, there are two directions for modulation, and therefore it is necessary to similarly 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 the power of one beam or one wave in the θ direction The RF echo signal is represented by the following equation.
A (x, y) cos [2π (2 / λ) (xcosθ + ysinθ)]
In this case, for example, the square is represented 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 baseband signal is obtained at the same time (the envelope signal is also directly obtained). The calculated squared echo signal has a wider bandwidth than the spectrum of the fundamental wave, a shorter pulse length and a shorter beam width, and a higher spatial resolution due to the effect of the product of different frequencies in the band.

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 yet straightforward, for example, when having an RF echo signal frequencies f 1 and f 2 at the position in the depth direction x, the calculation of the square, the square echo signal is expressed by the following equation.
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, squared echo signal includes a DC (frequency 0) will have a signal component of the frequency 2f 1, 2f 2, f 1 + f 2, 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そ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 exponentiation operation, when the wave has a plurality of signal components of different frequencies, the plurality of different frequency signal components compared to the wave received when the nonlinear operation is not performed. It has been broadened in the direction it has, and the harmonics are higher in frequency, higher in spatial resolution, or lower in side lobe, or higher than the waves received when the non-linear operation is not performed. A signal that has obtained at least one effect of contrast enhancement, and a signal (baseband signal) generated in a band including direct current is a signal obtained by substantially quadrature detection of a harmonic, and at least one of these signals obtained through a non-linear operation is obtained. Waves can be imaged based on 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 a higher power is calculated, a signal component having a frequency n times higher than the fundamental wave is obtained by the nth power, and the spatial resolution is further increased. Strictly speaking, the baseband signal is different from a signal obtained by quadrature detection of the second harmonic (ordinary baseband signal), and the calculation result includes a pure DC signal. A high-resolution image can be easily obtained as compared with the echo image. Note that the DC component generated by the non-linear operation is obtained from the intensity of a high frequency, a low frequency, a harmonic, and the like generated at the same time, and the DC component included in the baseband signal is basically excluded. Occasionally, the calculation may be simplified to remove all DC in the baseband signal. By this processing, it may be possible to perform imaging to a deeper portion than in the case where a direct current is included, without performing luminance adjustment 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。   According to the theorem of multiplication or division, harmonic signals and low-frequency signals are represented in various forms (four arithmetic operations of sine and cosine waves), and when necessary, digital Hilbert transform (Non-patent Document 13) See). Measured harmonics can also be used. These are obtained by calculating a nonlinear signal at each position with respect to a wave of an arbitrary intensity. Unlike a nonlinear component that is physically accumulated in the propagation process and is affected by attenuation, a new harmonic or low-frequency signal is obtained. 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 transverse modulation echo signal For example, the square of equation (0) is represented 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 way, a DC (the above-described baseband signal), two signals of the second harmonic detected in different directions, and a laterally modulated signal of the second harmonic are obtained. As in <1>, higher resolution is also performed. The baseband signal 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 signal at the position (x, y) is e 1 ((x, y); (f 0 , f 1 )) and e 2 ((x, y); (f 0 , f 2 )), and when symmetric in the y direction, the squared signal of the superimposed signal is represented 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 squared signal of the superimposed signal has the frequencies (0,0), (2f 0 , 2f 1 ), (2f 0 , 2f 2 ), (2f 0 , 0), (0,2f 1 ), (0,2f 1 ) 0,2f 2 ).

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そ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 exponentiation operation are a harmonic signal of each of the linearly superimposed signals (a signal corresponding to the crossed waves) and a baseband signal (a band of at least one direction including DC). Signal), and when the wave has a plurality of different frequency signal components, the band is broadened in the direction having the plurality of different frequency signal components as compared with the received wave when the nonlinear operation is not performed. Yes, the harmonic is at least one effect of higher frequency, higher spatial resolution, lower side lobe, or higher contrast than the corresponding wave received when the non-linear operation is not performed. The baseband signal is a signal obtained by quadrature detection or substantially quadrature detection of harmonics in each direction or plural directions, and at least one of those signals is obtained. Based on, it is possible to image the wave. If the same processing is performed when the intersecting waves or beams have different frequencies or are not symmetrical with respect to the coordinate axes, chords and difference tones can be obtained 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(又は、面)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 three-dimensional space, lateral modulation requires the generation of at least three crossed beams, as described above, in which case the resulting basebanded signal is similarly approximately harmonic of each beam. In addition to the orthogonally detected signal (a nearby signal including direct current), a signal that is orthogonally detected only in one arbitrary direction or arbitrary two directions is obtained. That is, since the polarity of the frequency in the symmetric direction is opposite to the axis (or plane) to be symmetric, the sum thereof is zero. All waves and beams may be generated symmetrically with respect to the coordinate axis, but not limited thereto. 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 the transverse modulation echo signal For example, since the two waves in the expression (0 ′) can be handled separately, when considering the product, in order to show an easy-to-understand expression, the propagation direction is x If two directions are symmetrical with respect to the axis, θ 1 = −θ 2 , and the multiplication (product) of the two RF echo signals is represented 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) sin θ 1 y]}
As a result, two signals of the second harmonic detected in different directions are obtained. These are the 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 signal at the position (x, y) is e 1 ((x, y); (f 0 , f 1 )) and e 2 ((x, y); (f 0 , f 2 )) and when symmetric in the y-direction, the signal multiplication is represented 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 seen that the multiplication of the signals has signal components of the frequencies (2f 0 , 0), (0,2f 1 ), (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そ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 baseband signal (a signal in a band including DC in at least one direction) with respect to each of the linearly superposed signals (signals corresponding to crossed waves), If the wave has a plurality of different frequency signal components, the band is broadened in the direction having the plurality of different frequency signal components compared to the wave received when the nonlinear operation is not performed, and the baseband signal Are higher harmonics, higher spatial resolution, or lower side lobes, or higher harmonics that have at least one effect of higher contrast than the corresponding waves received when no nonlinear operation is performed. It is a signal obtained by orthogonally detecting a wave signal in each direction or a plurality of directions, and a wave can be imaged based on at least one of the signals. If the same processing is performed when the intersecting waves or beams have different frequencies or are not symmetrical with respect to the coordinate axes, chords and difference tones can be obtained 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(又は、面)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 three-dimensional space, the transverse modulation needs to generate at least three intersecting beams, as described above, in which case the resulting base banded signal is only in any one direction or any two A signal orthogonally detected in the direction is obtained. That is, since the polarity of the frequency in the symmetric direction is opposite to the axis (or plane) to be symmetric, the sum is zero. All waves and beams may be generated symmetrically with respect to the coordinate axis, but not limited thereto. 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, in addition to the case where the propagation direction and steering angle of each beam and wave are different as in the above-mentioned cross beam, other parameters are different, for example, frequency, carrier frequency, pulse shape, beam shape, frequency viewed in each direction Or carrier frequency or bandwidth may be different. In addition, unlike in the case of generating two (two or three) intersecting waves or beams in the two-dimensional case and three (three) in the lateral modulation, 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. Even when a plurality of waves are used, the speed is higher than that of beam forming in normal imaging. Also, when using a focusing beam, high-speed beamforming using the fast Fourier transform can be performed on the superimposed received signal. High-speed processing (interpolation approximation may be performed in wave number matching as described above). It is also effective to perform transmission and reception a plurality of times with the same parameters and to superimpose them (addition averaging) in order to stabilize the nonlinear processing. In addition, the same processing as described above can be performed on a signal received when so-called pulse inversion transmission is performed, and harmonics obtained by superimposing received signals at the time of pulse transmission with different polarities are obtained. And the same processing can be performed before superimposing. When these superpositions (that is, addition) are performed, a harmonic having a frequency that is an even multiple of the frequency of the fundamental wave is obtained. It is also important to use them for imaging (just subtraction of the pulse inversion received signal will mainly yield the third harmonic). When superposition of a harmonic signal is determined using the present invention with respect to a signal which is band-limited by a transducer band or aggressively applying an analog or digital filter during reception, filtering (analog or digital) is performed. ), Or by performing signal processing (analog or digital) with various superpositions or fundamental waves, harmonics can be separated. Further, instead of pulse inversion, a signal having a phase difference other than 180 ° may be transmitted. However, the present invention can be applied to such a case. In other words, even in a beam or wave in which at least one of the parameters is different, the same non-linear effect can be obtained in a superimposed state, a separated state, a non-superimposed state, etc., and is effectively used. Sometimes. It can be understood from the theory or calculation that waves and beams generated by not only linear effects but also non-linear effects can be designed (wave and beam parameters such as the 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。   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 influence of attenuation 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. Further, the present invention is also effective when observation is not possible due to weakness. Furthermore, in displacement measurement, higher frequency is welcomed and phase rotation is faster, so it is expected that high-precision measurement will be possible. However, when high spatial resolution was measured as it was, noise tended 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, the regularization (for example, see Non-Patent Document 18), the weighted least square method through the above-described statistical evaluation, the averaging process, and the like are effective. For example, two signals of the second harmonic detected in different directions obtained in <2> and <3> may be used for displacement measurement in each direction using a normal one-way displacement measurement method. Can be. In order to measure a displacement or a displacement vector generated between different time phases, for a signal having a carrier frequency in only one arbitrary direction, at each point of interest, the change in the instantaneous phase generated between the time phases is determined by the instantaneous frequency and the center-of-gravity frequency. Alternatively, the displacement in that direction can be measured by dividing by a nominal frequency or the like, and further, a displacement vector can be synthesized based on the measurements in different directions. In the past, although the calculation amount required was larger than that of the multidimensional autocorrelation method (see Non-Patent Document 13), the digitalization of the transverse modulation echo signal was performed to realize the displacement vector measurement using the normal one-way displacement measurement method. A demodulation method was devised and reported (a product of a analytic signal and a conjugate product are calculated: see Non-Patent Document 30, etc.). According to the present invention, the transverse modulation echo signal can be demodulated with a small amount of memory and a small amount of calculation at each stage, and the obtained signal is a harmonic signal. In addition, when a plurality of the same waves can be obtained in the same condition, the noise can be averaged after performing the received raw signal or the non-linear processing after the reception, and the received raw signal or It is effective to reduce by performing integration processing after performing non-linear processing after reception. In addition, instead of exponentiation or multiplication, a square norm or inner product can be calculated. In this case, the spatial resolution is determined by the signal length in the calculation. These methods may be effective in imaging other than displacement measurement.

尚、本願の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(変化)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)](非特許文献13の自己相関法を用いた場合の多次元複素自己相関信号のこと、又は、非特許文献13の多次元ドプラ法における該当する多次元複素信号でも良く、以下においては、「複素自己相関信号」、又は、単に「複素信号」ともいう)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(特許文献7の図8bの如く、独立な2つの単一クォードラントのスペクトルの組み合わせは他にもある)。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)](非特許文献13の自己相関法を用いた場合の多次元複素自己相関信号のこと、又は、非特許文献13の多次元ドプラ法における該当する多次元複素信号でも良く、以下同様)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(同様に、独立な3つ又は4つの単一オークタントのスペクトルの組み合わせは他にもある)。波動信号から自己相関法とドプラ法に基づいて瞬時周波数を推定する方法は非特許文献13に詳しい。自己相関法に基づく場合には、少なくとも2つ以上の異なる時相における複素解析信号(単一のクォードラント又はオークタントのスペクトル)において、関心のある時相の関心位置における信号と次の時相における関心位置における信号(相互相関法やクロススペクトル位相勾配法等を通じてcoarseな位相マッチングが施されている場合が多い)との瞬時位相の差(変化)を求めた上で、さらに、関心のある時相の関心位置における同信号と次の時相における同関心位置に対して瞬時周波数を知りたい方向の先方の位置(例えば、1つ先のサンプリング位置)における信号との瞬時位相の差を求め、それらの瞬時位相の差の差(前方差分に該当)を計算して、次の時相における同関心位置と空間的に先方のその位置との間の距離(1つ先のサンプリング位置の信号を用いた場合には、その方向のサンプリング間隔)で除することは有効である。次の時相の信号の代わりに前の時相の信号を用いて、その関心位置に比べて瞬時周波数を知りたい方向の後方位置の信号を用いても良い(後方差分に該当)。ドプラ法に基づく場合には、各時相の複素解析信号(単一のクォードラント又はオークタントのスペクトル)において、関心位置の瞬時位相と瞬時周波数を知りたい方向の空間的に先方の位置の自分自身の信号の瞬時位相との差を同様に求めて、それらの位置間の距離で除することは有効である。2つの複素信号間の瞬時位相の差は、それらの共役積の虚数を実数で除したものに正接の逆関数を施して求まるし、各々の複素信号の虚数を実数で除したものに直接に正接の逆関数を施して各々の瞬時位相を求め、それらの差を計算しても良い。瞬時周波数の推定値を安定化させるべく、時間方向に移動平均を施したり、空間領域において移動平均を施したり(多次元移動平均は有効である)、時間方向と空間方向に同時に実施することがある(多次元移動平均)。多次元移動平均を施す場合に、2つの複素信号間の共役積の虚数を実数で除したものに正接の逆関数を施すことは、局所の多次元複素信号(一方は共役にしたもの)間の内積の虚数を実数で除したものに正接の逆関数を施すこととなり、各々の複素信号の虚数を実数で除したものに直接に正接の逆関数を施す場合には、求まる瞬時位相の差そのものを多次元移動平均することとなる。移動平均の施し方も非特許文献13に詳しく記載されているが、瞬時周波数の推定方法はこれらに限られるものでは無い。例えば、自己相関法に基づいて瞬時周波数を推定する場合には、2つ以上の時相に関して、関心のある時相の信号における関心位置と次の時相及び/又は前の時相の信号における関心位置との瞬時周波数の差と共に、関心のある時相の信号における関心位置と次の時相及び/又は前の時相の信号におけるその関心位置に対して瞬時周波数を求めたい方向の空間的に先方及び/又は後方の位置との瞬時位相の差を2個以上同様に求め、それらの瞬時位相の差の分布に最小二乗法を施して、切片を持つ1次関数の傾きとして推定しても良い。また、ドプラ法に基づく場合には、各時相の信号において関心位置の瞬時位相と共に、その関心位置に対して空間的に先方及び/又は後方の位置の瞬時位相を2個以上同様に求め、それら瞬時位相の分布に最小二乗法を施して、切片を持つ1次関数の傾きとして推定しても良い。これらの処理において、時間方向に関する移動平均を含めた処理にしても構わない。
例えば、図2に示すデジタル信号処理ユニット33が、3次元の直交座標系の場合に送信ユニット31又は受信ユニット32によって生成される波動を含む零度又は非零度の互いに異なる偏向角度を有する少なくとも3つのステアリングされた波動に対し、又は、2次元の直交座標系の場合に送信ユニット31又は受信ユニット32によって生成される波動を含む零度又は非零度の互いに異なる偏向角度を有する少なくとも2つのステアリングされた波動に対し、少なくとも2つの時相におけるそれぞれのステアリングされた波動で単独に計測対象を走査して生成される波動データ信号に対応する単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルから得られる2つの複素解析信号の積又は共役積の信号のそれぞれが表す、互いに直交する方向に伝搬する新しい波動のそれぞれの瞬時位相の変化、又は、それぞれの瞬時位相の変化を同じく表す、少なくとも2つの時相におけるそれぞれのステアリングされた波動で単独に計測対象を走査して生成される波動データ信号に対応する単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルから得られる波動の瞬時位相の変化を核に有する2つの複素信号の積又は共役積の信号のそれぞれの位相を用いて、2つの複素解析信号又は2つの複素信号の積又は共役積の信号のそれぞれが表す、互いに直交する方向に伝搬する新しい波動のそれぞれの瞬時位相の変化を、互いに直交する方向のそれぞれの瞬時周波数又は対応するスペクトルの重心周波数で除することにより、互いに直交する方向のそれぞれの変位成分を算出して、3次元の直交座標系の場合に3次元変位ベクトルを算出し、2次元の直交座標系の場合に2次元変位ベクトルを算出する。段落0623に記載してある通り、瞬時周波数又は局所又は大局的なスペクトルの重心を周波数成分とする瞬時周波数ベクトル又は重心周波数ベクトル(fx,fy)や(fx,fy,fz)は、波動の伝搬方向を表す(図43や図44を参照)。つまり、上記のステアリング角度の異なる、波動データ信号又はその複素解析信号、又は、少なくとも2つの時相の間に生じた瞬時位相の変化を表す複素自己相関信号又は複素信号の間における積や共役積の信号は、その核が新たに持つ瞬時周波数ベクトル又は重心周波数ベクトルで伝搬方向の表される新しい波動に関するものとなる。非線形処理の場合も同様である。
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そ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(但し、複素解析信号を用いているため、単一のクォードラント又はオークタントのスペクトルである)。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(変化)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(変化)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、元の信号の局所又は大局的なスペクトルの重心(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45及び図46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倍の周波数をそれらの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45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46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45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46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。一方、瞬時周波数を用いる場合には、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において表される瞬時周波数が求まるため、サンプリング周波数で決まる帯域幅の値を用いて補正すれば良い。例えば、積や共役積(デモジュレーション)のスペクトルが、それぞれ、図45と図46に示される状態よりも負の周波数領域において各方向の直流に近いスペクトルを持つ状態になった場合には、直流側から見てマイナスの周波数を持つことになるため、推定される瞬時周波数に帯域幅の値を加算した周波数とすれば良い。重心周波数を用いる場合においても同様に処理でき、推定される重心が直流側から見てマイナスの周波数を持つことになるため、それに帯域幅の値を加算した周波数とすれば良い。ちなみに、複素解析信号として負の周波数の信号を用いた場合には、正の周波数として推定されるため、瞬時周波数を用いる場合も重心周波数を用いる場合も帯域幅の値で減算すれば良い。上記の周波数領域を読み替えて行う補正と等価である。但し、図45及び図46に示される例の様に、隣り合う正と負の最高周波数付近に瞬時周波数を持つ場合には、媒体における散乱や減衰などの周波数変調により正の周波数を持ったり負の周波数を持ってしまうため、帯域幅の値を用いた補正を行うことは困難となる。例えば、7.5MHzの波動を30MHzのサンプリング周波数でサンプリングした場合等が該当する。その様な場合に、複素解析信号として負の周波数の信号を用いたときも同様に帯域幅の値を用いて瞬時周波数を補正することは困難となる。また、スペクトルの分布が正と負の最高周波数を含む場合には、重心周波数を推定できず、帯域幅の値を用いた補正を実施することは出来ない。後に、これらの場合の処理方法について説明する。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(変化)を除すればよい。瞬時周波数を用いる場合には、2次元の場合と同様に帯域幅の値を用いた補正を実施できるが、隣り合う正と負の最高周波数付近に瞬時周波数を持つ場合には、同じく、媒体における散乱や減衰などの周波数変調により周波数が正と負に反転してしまう問題を生じる。また、スペクトルの分布が正と負の最高周波数を含む場合には重心周波数を推定できず、同じく、帯域幅の値を用いた補正を実施することは出来ない。後に、これらの場合の処理方法について説明する。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。
また、受信された各波動の実時間信号や、その複素解析信号や、求まる複素自己相関信号(又は、複素信号)や、それらの積や共役積の信号に対して周波数変調を施し、上記の積や共役積の結果が折り返しを生じない様にするか、又は、積極的に折り返し現象を生じさせた上で、スペクトルの重心周波数を用いる場合には、上記の通りに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、また、重心周波数又は瞬時周波数を用いる場合には、上記の通りに帯域幅の値を加算又は減算して求まる重心周波数又は瞬時周波数に対し、低周波化した場合には変調周波数分を加算し、高周波化した場合には変調周波数分を減算し、補正を施すことも有効である。図45の積によるデモジュレーションの例において、±fmだけ周波数変調を施した例を図47に示す。デモジュレーションされた状態の信号に周波数変調を掛けても良いし、デモジュレーション前の信号において予め周波数変調を掛けて処理しても良い(図47の例は、±fm/2だけ周波数変調した場合に該当)。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。図46の共役積によるデモジュレーションの場合においても同様である。瞬時位相の差(変化)又は其れに相当する位相は、それらの周波数変調された状態において求まるものを用いても良いし、周波数変調を施していない状態において求まるものを用いても良い。従って、各方向の変位はその瞬時位相の差(変化)又は其れに相当する位相を補正後の瞬時周波数又は重心周波数で除すれば求まる。尚、本周波数変調時において重心周波数を用いる場合には、上記の如くに局所にて推定されて瞬時周波数と等価なものとして用いられることもあるし、大局的に推定されたものが使用されることもある。この様にして周波数変調を施す本処理を実施することにより、図45や図46の様に隣り合う正と負の最高周波数付近に瞬時周波数や重心周波数を持ってしまう場合においては、媒体における散乱や減衰などの周波数変調により瞬時周波数が正又は負に反転してしまって帯域幅の値を用いた補正を施せなかったり、また、スペクトルの分布が正と負の最高周波数を含む場合には重心周波数を推定できないという上記問題を克服できる。つまり、隣り合う正と負の最高周波数付近に瞬時周波数や重心周波数を持ってしまう場合及びスペクトルの分布が正と負の最高周波数を含む場合を回避できる。念のためであるが、積や共役積(デモジュレーション)のスペクトルが、周波数変調を通じて高周波化され、負の周波数領域において各方向の直流に近いスペクトルを持つ状態になった場合には、直流側から見てマイナスの周波数を持つことになるため、上記の通り、推定される瞬時周波数に帯域幅の値を加算した周波数とすれば良い。重心周波数を用いる場合においても同様に処理でき、推定される重心が直流側から見てマイナスの周波数を持つことになるため、それに帯域幅の値を加算した周波数とすれば良い。複素解析信号として負の周波数の信号を用いた場合には、正の周波数として推定されるため、瞬時周波数を用いる場合も重心周波数を用いる場合も帯域幅の値で減算すれば良い。上記の周波数領域を読み替えて行う補正と等価であり、重心周波数を用いる場合にはその様に処理しても良い。
尚、周波数変調は、通常において行われる通り、実時間信号に対しては変調周波数に+1又は−1を乗じた周波数の正弦信号又は余弦信号を乗じたり、信号が複素解析信号又は複素自己相関信号(又は、複素信号)として表されている場合には変調周波数に+1又は−1を乗じた周波数を持つ複素指数関数を乗じたり、又、両者の場合においてフーリエ変換を施して得られるスペクトルを変調周波数に+1又は−1を乗じた周波数だけ偏移させて実施できる。重要なことは、最終的には必ず複素解析信号化(単一のクォードラント又はオークタントのスペクトル化)したものを処理することである。周波数変調により高周波化された信号と低周波化された信号の両方が算出される、実時間信号に正弦信号又は余弦信号を乗ずる場合には、その内の1つのみが使用される。この場合には、周波数変調後の低域通過型フィルタ又は高域通過型フィルタを用いたフィルタリングにより得られるそれらの内の一方のみを使用することになるが、信号が広帯域であり変調周波数が小さい場合には、それらの信号が周波数領域において重なってしまうことがあり、フィルタリングにより分離できなくなるため注意が必要である。一方、信号が複素解析信号又は複素自己相関信号(又は、複素信号)であるときに複素指数関数を乗じる場合や、信号が実時間信号である場合を含めて周波数領域において周波数偏移させる場合には、それらの一方のみを求めれば良い。尚、これらの周波数変調は、センサーにて受信信号を出力した後の信号処理部やデータ処理部にて実施でき、デジタル信号処理で実施することもできるし、掛算器や混合器やフィルタを用いたアナログ信号処理で実施することもできる。復調をデジタル信号処理することを前提にして説明したが、全てをアナログ処理にて高速に実施することも可能である。
上記においては、受信信号そのものはサンプリング定理を満足していることを前提に変位ベクトル計測の実施例を説明したが、デモジュレーションにより折り返しを生じる場合に有用なこれらの処理は、受信信号そのものがサンプリング定理を満足していない場合にも有用である。また、その場合においては、デモジュレーション法に限らず、多次元クロススペクトル位相勾配法や、多次元自己相関法や、多次元ドプラ法等の多次元変位ベクトル計測法や、それらの1次元処理(一方向の変位計測法)を用いた場合にも使用できる。それらの計測方法以外においても有用であることがある。
例えば、図2に示すデジタル信号処理ユニット33が、波動データ信号又はその複素解析信号、又は、少なくとも2つの時相の間に生じた瞬時位相の変化を表す複素自己相関信号又は複素信号又はそれらの積又は共役積の信号が折り返し現象を生じている場合において、瞬時位相の変化と瞬時周波数又はスペクトルの重心とを用いて変位ベクトル又は変位を求めるべく、それらの内の何れかの信号から求められる折り返しの生じている瞬時周波数又はスペクトルの重心に対して、同信号のサンプリング周波数で決まる帯域幅の値を加算又は減算する補正を施して用いることによって処理しても良い。
あるいは、デジタル信号処理ユニット33が、波動データ信号又はその複素解析信号、又は、少なくとも2つの時相の間に生じた瞬時位相の変化を表す複素自己相関信号又は複素信号又はそれらの積又は共役積の信号が折り返し現象を生じて、スペクトルが正の最高周波数と負の最高周波数との両方をその帯域内に持つ場合において、瞬時位相の変化と瞬時周波数又はスペクトルの重心とを用いて変位ベクトル又は変位を求めるべく、それらの内の何れかに周波数変調を施すことにより、低周波化して折り返しを生じていないようにするか、又は、高周波化してスペクトルが正の周波数と負の周波数との両方をその帯域内に持たないようにした上で、スペクトルの重心周波数を用いる場合においては、周波数座標の周波数領域を正又は負の半帯域幅の周波数領域に読み替え、重心周波数又は瞬時周波数を用いる場合においては、それらの内の何れかの信号のサンプリング周波数で決まる帯域幅の値を加算又は減算して求まる重心周波数又は瞬時周波数に対し、周波数変調によって低周波化した場合には変調周波数を加算し、高周波化した場合には変調周波数分を減算する補正を施して用いることによって処理しても良い。ここで、データ処理部が行う周波数変調が検波処理であることもある。
The digital demodulation method described in Non-Patent Document 30 invented by the inventor of the present application specifically derives a phase determined only by a displacement component in each direction, and obtains a displacement component in each direction. As described below, for example, when measuring a two-dimensional displacement vector (dx, dy), the instantaneous phase difference (change) between two different time phases at a certain point in the two-dimensional region of interest is determined by two cross beams. Alternatively, the complex autocorrelation signals exp [j (fxdx + fydy)] and exp [j (fxdx-fydy)] (Non-Patent Document 13) using the spectra of two independent single quadrants generated by waves. Multi-dimensional complex auto-correlation signal in the case of using the auto-correlation method of, or a corresponding multi-dimensional complex signal in the multi-dimensional Doppler method of Non-Patent Document 13 may be, in the following, "complex auto-correlation signal", Or simply "complex signal") Since they are expressed as phases, their products and conjugate products are calculated to obtain exp [j (2fxdx)] and exp [j (2fydy)], and the instantaneous phase difference 2fxdx and 2fydy in each direction is calculated as The unknown displacement vector (dx, dy) is obtained by dividing by the instantaneous frequencies 2fx and 2fy in the direction (as shown in FIG. 8B of Patent Document 7, the combination of the spectra of two independent single quadrants is There are others). When measuring the three-dimensional displacement vector (dx, dy, dz), exp [j (fxdx + fydy + fzdz)], exp [j () of the complex autocorrelation signal obtained from four or at least three cross beams or waves. fxdx + fydy-fzdz)], exp [j (fxdx-fydy + fzdz)], exp [j (fxdx-fydy-fzdz)] (a multidimensional complex autocorrelation signal when using the autocorrelation method of Non-Patent Document 13, Alternatively, the corresponding multi-dimensional complex signal in the multi-dimensional Doppler method of Non-Patent Document 13 may be used, and the same shall apply hereinafter. There are other spectral combinations of three or four independent single orctants). A method of estimating an instantaneous frequency from a wave signal based on the autocorrelation method and the Doppler method is described in detail in Non-Patent Document 13. When based on the auto-correlation method, the signal at the position of interest of the time phase of interest and the next time phase of the complex analytic signal (spectrum of a single quadrant or orctant) in at least two or more different time phases. After calculating the instantaneous phase difference (change) from the signal at the position of interest (coarse phase matching is often performed through a cross-correlation method, a cross-spectrum phase gradient method, etc.), The instantaneous phase difference between the same signal at the position of interest in the time phase and the signal at the previous position (for example, the next sampling position) in the direction in which the instantaneous frequency is to be determined for the same position of interest in the next time phase is determined. , The difference between the instantaneous phases (corresponding to the forward difference) is calculated, and the distance (1) between the position of interest in the next time phase and the position spatially ahead is calculated. In the case of using the signal of the previous sampling position, it is effective to divided by the direction of the sampling interval). Instead of the signal of the next time phase, the signal of the previous time phase may be used, and the signal of the rear position in the direction in which the instantaneous frequency is desired to be compared with the position of interest may be used (corresponding to the rear difference). In the case of the Doppler method, in the complex analytic signal of each time phase (the spectrum of a single quadrant or an actant), the position of the position ahead in the direction in which the instantaneous phase and the instantaneous frequency of the position of interest are to be known is determined. It is effective to similarly determine the difference from the instantaneous phase of its own signal and divide by the distance between those positions. The instantaneous phase difference between two complex signals is obtained by applying the inverse tangent function to the imaginary number of their conjugate product divided by the real number, and directly to the imaginary number of each complex signal divided by the real number. An inverse tangent function may be applied to obtain each instantaneous phase, and the difference between them may be calculated. In order to stabilize the estimated value of the instantaneous frequency, a moving average can be applied in the time direction, a moving average can be applied in the spatial domain (multidimensional moving average is effective), and simultaneously performed in the time direction and the spatial direction. Yes (multi-dimensional moving average). When multidimensional moving average is applied, applying the inverse tangent function to the imaginary number of the conjugate product between two complex signals divided by the real number is performed between the local multidimensional complex signals (one of which is conjugate). The tangent inverse function is applied to the imaginary number of the inner product of the complex signal divided by the real number, and the inverse tangent function is applied directly to the imaginary number of each complex signal divided by the real number. This is multidimensional moving average. The method of applying the moving average is also described in detail in Non-Patent Document 13, but the method of estimating the instantaneous frequency is not limited thereto. For example, when estimating the instantaneous frequency based on the autocorrelation method, for two or more time phases, the position of interest in the signal of the time phase of interest and the signal of the next time phase and / or the signal of the previous time phase are used. Along with the difference of the instantaneous frequency from the position of interest, the spatial position in the direction in which the instantaneous frequency is desired to be obtained for the position of interest in the signal of the time phase of interest and the position of interest in the signal of the next time phase and / or the previous time phase. Similarly, two or more instantaneous phase differences from the forward and / or backward positions are similarly obtained, and the least squares method is applied to the distribution of the instantaneous phase difference to estimate the slope of a linear function having an intercept. Is also good. When the Doppler method is used, two or more instantaneous phases at positions ahead and / or behind the position of interest spatially with respect to the position of interest in the signal of each time phase are similarly obtained, The distribution of the instantaneous phases may be subjected to the least-squares method, and may be estimated as the slope of a linear function having an intercept. In these processes, a process including a moving average in the time direction may be performed.
For example, the digital signal processing unit 33 shown in FIG. 2 has at least three different deflection angles of zero degree or non-zero degree including waves generated by the transmission unit 31 or the reception unit 32 in the case of a three-dimensional rectangular coordinate system. At least two steered waves having different zero or non-zero deflection angles for the steered waves or including waves generated by the transmitting unit 31 or the receiving unit 32 in the case of a two-dimensional Cartesian coordinate system. In contrast, two complex analytic signals obtained from the spectrum of a single actant or quadrant corresponding to a wave data signal generated by independently scanning the measurement object with each steered wave in at least two time phases Which are orthogonal to each other, represented by the product or conjugate product signals Change in the instantaneous phase of each new wave propagating in, or waves generated by scanning the object to be measured with each steered wave in at least two time phases, which also represent the changes in each instantaneous phase Two complex analyzes using the respective phases of the product or conjugate product signal of two complex signals having at the nucleus a change in the instantaneous phase of the wave obtained from the spectrum of a single actant or quadrant corresponding to the data signal The change in the instantaneous phase of each of the new waves propagating in mutually orthogonal directions represented by the signal or the signal of the product or conjugate product of the two complex signals, respectively, By dividing by the frequency of the center of gravity, the respective displacement components in directions orthogonal to each other are calculated, and the three-dimensional orthogonal coordinates It calculates the three-dimensional displacement vector in the case of, for calculating the two-dimensional displacement vector in the case of a two-dimensional orthogonal coordinate system. As described in paragraph 0623, the instantaneous frequency or the instantaneous frequency vector or the center-of-gravity frequency vector (fx, fy) or (fx, fy, fz) having the center of gravity of the local or global spectrum as the frequency component is the wave propagation. Indicates the direction (see FIGS. 43 and 44). That is, a product or conjugate product between a wave data signal or a complex analysis signal thereof having different steering angles, or a complex autocorrelation signal or a complex signal representing a change in instantaneous phase occurring between at least two time phases. Are related to a new wave whose propagation direction is represented by the instantaneous frequency vector or the center-of-gravity frequency vector newly possessed by the nucleus. The same applies to non-linear processing.
This digital demodulation method or the non-linear calculation of <2> or <3> is based on a wave having a carrier frequency in each of a symmetry axis of an arbitrary wave intersecting in an arbitrary direction and a direction orthogonal thereto. (Waves detected in one direction or two directions), so that the waves intersect behind them in such a way as to avoid obstacles and obstacles related to those waves, A wave having a carrier frequency in an arbitrary direction that cannot be generated directly through an obstacle or a shield can be generated behind an obstacle or a shield, etc., which is normally difficult behind an obstacle or a shield. Imaging and displacement measurement. 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, the situation is equivalent to realizing a situation where the obstacle or the shield is transparently viewed from the front. Yes, and in that case, the movement of the target in any direction can also be measured. The present imaging and displacement measurement can be performed not only from the front direction of an obstacle or a shield, but also from any direction. In those cases, at least one mirror may be used to generate a reflected wave to observe behind an obstacle or a shield. For example, a wave that is steered from a front direction such as an obstacle or a shield is generated, reflected by a mirror in the steering direction, and the wave may intersect behind the obstacle or the shield, The wave source may exist 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 effects of complex products and complex conjugates, the method of solving the simultaneous equations is not restricted with respect to the combination, and the amount of calculation is small.
In the digital demodulation method or the nonlinear calculation of <2> or <3>, the bandwidth is widened in advance based on the Nyquist theorem in order to generate twice the instantaneous frequency in each direction. It is necessary to perform beamforming beforehand, to interpolate the number of beams in space, or to broaden the band other than the signal spectrum in the frequency domain to zero (data interpolation). That is, the aliasing phenomenon may not occur (however, since a complex analytic signal is used, the spectrum is a single quadrant or an acutant). These processes are also a kind of signal separation.
Alternatively, when aliasing occurs in these digital demodulation methods or in the nonlinear calculation of <2> or <3>, the Nyquist theorem is applied to the signal before processing without widening the band. In a satisfied situation, each of those processes is also performed, and the instantaneous phase difference (change) in each direction calculated in that case is 2fxdx, 2fydy, 2fzdz, while the instantaneous frequency in each direction is changed. fx, fy, and fz may be obtained from the original signal and doubled to remove the difference (change) in their instantaneous phases. There is no need for a process for widening the bandwidth, the amount of calculation is small, the speed is high, and the memory is small. It should be noted that the sum of the instantaneous frequencies in each direction estimated for each wave or each beam may be used instead of twice the instantaneous frequency. In those cases, instead of the instantaneous frequency, the center of gravity (centroid frequency or center frequency) of the local or global spectrum of the original signal may be obtained and doubled, or the sum may be obtained in the same manner. . Alternatively, a value twice the nominal frequency or a typical value obtained in advance may be used without calculation. Further, as shown in the schematic diagrams of the spectrum distributions in FIGS. 45 and 46, in a situation where the aliasing phenomenon occurs, the frequency region of the frequency coordinate where the aliasing phenomenon occurs is changed to a positive or negative half-band frequency region. In other words, twice the frequency can be calculated directly from the center of gravity of those spectra (the Nyquist theorem is satisfied for the signal before processing, so it can always be calculated). The spectral distribution may be calculated for an echo signal in a region of interest or a certain region, or may be calculated for an echo signal in a local region including each point of interest by focusing on the point of interest. FIG. 45 shows an example in which the frequency coordinate axis is read and processed when the aliasing phenomenon occurs in the two-dimensional spectrum of the band 2A (−A to A) in the depth direction due to the demodulation during the two-dimensional horizontal modulation. Is shown. FIG. 46 shows an example in which the frequency coordinate axis is read and processed when the aliasing phenomenon occurs in the two-dimensional spectrum of the horizontal band 2B (−B to B) due to the demodulation during the two-dimensional horizontal modulation. Is shown. Although there are a plurality of combinations of independent analysis signals, FIG. 45 shows that in the two analysis signals whose instantaneous (centroid) frequencies are (fx, fy) and (fx, -fy), a folding phenomenon occurs in the depth direction. In this case, an example is shown in which the center of gravity frequency in the depth direction can be calculated as 2fx. Further, FIG. 46 shows that, for two analysis signals whose instantaneous (center of gravity) frequencies are (fx, fy) and (fx, -fy), when the folding phenomenon occurs in the horizontal direction, the center of gravity frequency in the horizontal direction is 2fy. The example which can be calculated is shown. A folding phenomenon may occur simultaneously in the depth direction and the lateral direction. On the other hand, when the instantaneous frequency is used, since the instantaneous frequency expressed in the positive or negative half band in the frequency region of the frequency coordinate where the aliasing phenomenon occurs is determined, the correction is performed using the bandwidth value determined by the sampling frequency. Just do it. For example, if the spectrum of the product or the conjugate product (demodulation) has a spectrum closer to DC in each direction in the negative frequency domain than the states shown in FIGS. Since it has a negative frequency when viewed from the side, the frequency may be a frequency obtained by adding the value of the bandwidth to the estimated instantaneous frequency. The same processing can be performed even when the center of gravity frequency is used. Since the estimated center of gravity has a negative frequency when viewed from the DC side, a frequency obtained by adding a bandwidth value thereto may be used. Incidentally, when a signal having a negative frequency is used as the complex analysis signal, the signal is estimated as a positive frequency. Therefore, in both the case of using the instantaneous frequency and the case of using the center-of-gravity frequency, it is sufficient to subtract the value of the bandwidth. This is equivalent to the correction performed by reading the above frequency domain. However, as shown in the examples shown in FIGS. 45 and 46, when there is an instantaneous frequency near the adjacent positive and negative maximum frequencies, the medium has a positive frequency or a negative frequency due to frequency modulation such as scattering and attenuation in the medium. Therefore, it is difficult to perform the correction using the value of the bandwidth. For example, this corresponds to a case where a 7.5 MHz wave is sampled at a sampling frequency of 30 MHz. In such a case, when a signal of a negative frequency is used as the complex analysis signal, it is similarly difficult to correct the instantaneous frequency using the value of the bandwidth. When the distribution of the spectrum includes the highest positive and negative frequencies, the center-of-gravity frequency cannot be estimated, and correction using the value of the bandwidth cannot be performed. The processing method in these cases will be described later. Similarly, in 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 directly calculated from the center of gravity of the spectrum. Similarly, in a situation where the aliasing phenomenon occurs, the frequency domain of the frequency coordinate where the aliasing phenomenon occurs is similarly replaced with a positive or negative half-band frequency area, and then a half-band frequency area of the zero spectrum is added. It is possible to widen the bandwidth to satisfy the Nyquist theorem and obtain an analysis signal by its inverse Fourier transform. (At this timing, it is also possible to perform the widening and interpolate the signal to calculate the change in the instantaneous frequency and phase. However, the amount of calculation can be reduced as compared with widening or interpolating in advance, but the amount of calculation is larger than those processes that do not widen the band.) Of course, if no aliasing occurs in these digital demodulation methods or in the nonlinear calculation of <2> or <3>, the instant of the double or sum obtained directly without re-reading the frequency coordinate or widening the bandwidth is used. What is necessary is just to remove the difference (change) of those instantaneous phases using a frequency or a center-of-gravity frequency. When the instantaneous frequency is used, the correction using the bandwidth value can be performed in the same manner as in the two-dimensional case. However, when the instantaneous frequency is near the maximum adjacent positive and negative frequencies, the correction is similarly performed on the medium. There is a problem that the frequency is inverted between positive and negative due to frequency modulation such as scattering and attenuation. Further, when the spectrum distribution includes the highest positive and negative frequencies, the center-of-gravity frequency cannot be estimated, and similarly, correction using the value of the bandwidth cannot be performed. The processing method in these cases will be described later. Further, a value twice the nominal frequency or a typical value obtained in advance may be used without calculation. There is no problem in the range up to re-reading the frequency coordinates.However, if the bandwidth is widened by zero-filling the spectrum or interpolation processing, not only will the computational amount increase significantly, but also the accuracy may decrease. It is also useful in these respects. In the case where the band is widened and the case where the band is not widened, regularization processing may be performed as necessary.
Further, frequency modulation is performed on the received real-time signal of each wave, its complex analysis signal, the obtained complex autocorrelation signal (or complex signal), and the product or conjugate product thereof, If the result of the product or the conjugate product does not cause aliasing, or if the aliasing phenomenon is caused positively, and the center of gravity frequency of the spectrum is used, the frequency domain of the frequency coordinate is changed as described above. In the case of reading in the positive or negative half-band frequency region, and when using the center-of-gravity frequency or instantaneous frequency, a low-frequency is used for the center-of-gravity frequency or instantaneous frequency obtained by adding or subtracting the bandwidth value as described above. It is also effective to add the modulation frequency when the frequency is increased, and to subtract the modulation frequency when the frequency is increased. FIG. 47 shows an example in which frequency modulation is performed by ± fm in the example of demodulation by the product in FIG. The signal in the demodulated state may be frequency-modulated, or the signal before demodulation may be pre-frequency-modulated and processed (in the example of FIG. 47, when the frequency is modulated by ± fm / 2). Applicable). Alternatively, a value twice the nominal frequency or a typical value obtained in advance may be used without calculation. The same applies to the case of demodulation by the conjugate product in FIG. As the difference (change) in the instantaneous phase or the phase corresponding to the difference, a value obtained in a state where the frequency is modulated or a value obtained in a state where the frequency modulation is not performed may be used. Therefore, the displacement in each direction can be obtained by dividing the difference (change) in the instantaneous phase or the phase corresponding to the difference by the instantaneous frequency or the center-of-gravity frequency after correction. When using the center-of-gravity frequency at the time of the present frequency modulation, it may be locally estimated as described above and used as an equivalent to the instantaneous frequency, or a globally estimated one may be used. Sometimes. By performing the present process of performing frequency modulation in this manner, when the instantaneous frequency or the center of gravity frequency is near the highest positive and negative frequencies adjacent to each other as shown in FIGS. If the instantaneous frequency is inverted to positive or negative due to frequency modulation such as noise or attenuation and cannot be corrected using the bandwidth value, or if the spectrum distribution includes the highest positive and negative frequencies, the center of gravity The above problem that the frequency cannot be estimated can be overcome. That is, it is possible to avoid the case where the instantaneous frequency or the center of gravity frequency is located near the adjacent positive and negative maximum frequencies and the case where the spectrum distribution includes the positive and negative maximum frequencies. As a precautionary measure, if the spectrum of the product or conjugate product (demodulation) is increased in frequency through frequency modulation and has a spectrum close to DC in each direction in the negative frequency domain, the DC side Therefore, as described above, the frequency may be a frequency obtained by adding the value of the bandwidth to the estimated instantaneous frequency. The same processing can be performed even when the center of gravity frequency is used. Since the estimated center of gravity has a negative frequency when viewed from the DC side, a frequency obtained by adding a bandwidth value thereto may be used. When a signal having a negative frequency is used as the complex analysis signal, the signal is estimated as a positive frequency. Therefore, in both the case of using the instantaneous frequency and the case of using the center-of-gravity frequency, it is sufficient to subtract the value of the bandwidth. This is equivalent to the correction performed by reading the above-mentioned frequency domain, and when the center-of-gravity frequency is used, such processing may be performed.
The frequency modulation is performed as usual, and the real-time signal is multiplied by a sine signal or a cosine signal having a frequency obtained by multiplying the modulation frequency by +1 or −1, or the signal is a complex analysis signal or a complex autocorrelation signal. When expressed as (or a complex signal), the modulation frequency is multiplied by a complex exponential function having a frequency obtained by multiplying the modulation frequency by +1 or -1. In both cases, the spectrum obtained by performing a Fourier transform is modulated. It can be implemented by shifting the frequency by +1 or -1. The important thing is to always process the complex analytic signal (spectralization of a single quadrant or orctant). In the case of multiplying a real-time signal by a sine signal or a cosine signal, in which both a signal whose frequency is increased and a signal whose frequency is reduced by frequency modulation are calculated, only one of them is used. In this case, only one of those obtained by filtering using the low-pass filter or the high-pass filter after frequency modulation will be used, but the signal has a wide band and the modulation frequency is small. In such a case, care must be taken because these signals may overlap in the frequency domain and cannot be separated by filtering. On the other hand, when the signal is a complex analytic signal or a complex autocorrelation signal (or a complex signal) and a complex exponential function is multiplied, or when the signal is a real-time signal and the frequency is shifted in the frequency domain, Need only ask for one of them. These frequency modulations can be performed by the signal processing unit or data processing unit after the reception signal is output by the sensor, can be performed by digital signal processing, and can be performed by using a multiplier, a mixer, or a filter. It can also be implemented by analog signal processing. Although the description has been made on the assumption that the demodulation is performed by digital signal processing, it is also possible to perform all of the demodulation at high speed by analog processing.
In the above description, the embodiment of the displacement vector measurement has been described on the assumption that the received signal itself satisfies the sampling theorem. However, these processes useful in the case where aliasing is caused by demodulation are performed by sampling the received signal itself. It is also useful when you do not satisfy the theorem. In this case, not only the demodulation method, but also a multidimensional displacement vector measuring method such as a multidimensional cross-spectral phase gradient method, a multidimensional autocorrelation method, a multidimensional Doppler method, and a one-dimensional processing thereof ( It can also be used when using one-way displacement measurement. It may be useful other than those measurement methods.
For example, the digital signal processing unit 33 shown in FIG. 2 generates a wave data signal or a complex analysis signal thereof, or a complex autocorrelation signal or a complex signal representing a change in an instantaneous phase occurring between at least two time phases, or a complex signal thereof. When the signal of the product or the conjugate product has an aliasing phenomenon, the displacement vector or the displacement is obtained from any one of the signals to obtain the displacement vector or the displacement using the instantaneous phase change and the instantaneous frequency or the center of gravity of the spectrum. The instantaneous frequency at which the aliasing occurs or the center of gravity of the spectrum may be corrected by adding or subtracting a bandwidth value determined by the sampling frequency of the signal.
Alternatively, the digital signal processing unit 33 generates a wave data signal or a complex analysis signal thereof, or a complex autocorrelation signal or a complex signal representing an instantaneous phase change occurring between at least two time phases, or a product or a conjugate product thereof. In the case where the signal has a folding phenomenon and the spectrum has both the highest positive frequency and the highest negative frequency in the band, the displacement vector or the instantaneous frequency or the center of gravity of the spectrum using the instantaneous frequency change or the instantaneous frequency. Applying frequency modulation to any of them to determine the displacement to reduce the frequency so that no aliasing occurs, or to increase the frequency so that the spectrum has both positive and negative frequencies In the case where the center of gravity of the spectrum is used after having the In the case of using the center-of-gravity frequency or the instantaneous frequency in the frequency domain of the bandwidth, the center-of-gravity frequency or the instantaneous frequency obtained by adding or subtracting the value of the bandwidth determined by the sampling frequency of any of the signals is used. Alternatively, when the frequency is lowered by the frequency modulation, the modulation frequency may be added, and when the frequency is increased, the correction may be performed by subtracting the modulation frequency and used. Here, the frequency modulation performed by the data processing unit may be a detection process.

上記のデモジュレーション法や<2>又は<3>の非線形計算は、以下の如くに改良を行って高精度化することが可能である。例えば、上記の2次元変位ベクトル(dx,dy)を観測する場合において説明する。上記の方法は、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(変化)が、使用される2つの交差するビーム又は波動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と考え、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(特許文献7の図8bや上記と同じく、独立な2つの単一クォードラントのスペクトルの組み合わせは他にもある)。しかし、観測を行う2次元直交座標系において軸座標に対称となるようにステアリングされた2つのビーム又は波動は、実際には対称にならず、それらの2つのビーム又は波動の2方向の周波数の絶対値は、厳密には等しくはない。例えば、使用される開口又は開口アレイ素子の指向性が各開口の正面方向でない場合や、媒体の音速が不均質である場合や、媒体における減衰や散乱による周波数変調の影響のある場合や、デジタル又はアナログのディレイの誤差等が原因となる。上記の方法は、それらの絶対値が等しいという仮定の下で成し遂げられるものであり、実際には誤差を生じる。実のところ、受信実時間信号や複素解析信号や複素自己相関信号(又は、複素信号)の積や共役積は、上記の通り、任意の方向に交差する任意の波動の対称軸とそ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を生成し、上記の仮定は誤差を生じさせる。
図48(a)に示す通り、変位ベクトルを観測する2次元座標系(x,y)において生成された2つの波動1と波動2のそれぞれのステアリング(偏向)角度をθ1と−θ2とし、それぞれの瞬時周波数又は重心周波数を(f1x,f1y)と(f2x,f2y)とする(瞬時周波数ベクトル又は重心周波数ベクトルのことである)。また、図48(b)に示す通り、2次元座標系(x,y)の周波数領域(空間)を(fx,fy)とし、それらの波動のスペクトルを模式的に示す。図48においては、軸方向及び横方向を、それぞれx方向及びy方向としている。ここで、|θ1|>|θ2|のときに通常に多くに観測されるように、2次元関心領域内のとある点において生成されたそれらの周波数の絶対値が|f1y|>|f2y|且つ|f1x|<|f2x|であったとする。この時に、異なる2時相間における瞬時位相の差(変化)が、複素自己相関信号exp[j(f1xdx+f1ydy)]とexp[j(f2xdx+f2ydy)]の位相として表されるため、それらの積と共役積を計算してexp[j{(f1x+f2x)dx+(f1y+f2y)dy}]とexp[j{(f1x−f2x)dx+(f1y−f2y)dy}]を得、f1x=f2x=fxとf1y=−f2y=fyの仮定の下で近似的に表されるexp[j2fxdx]とexp[j2fydy]の位相のそれぞれを2fxと2fyで除する、又は、f1y=−f2y=fyとf1x=f2x=fxのそれぞれの仮定の下で近似的に表されるexp[j{(f1x+f2x)dx}]とexp[j{(f1y−f2y)dy}]の位相のそれぞれをf1x+f2xとf1y−f2yで除することができる。<2>または<3>の非線形処理を通じても、同様に近似的に計算をすることができる。図48(a)と図48(b)に示される2つの波動1と波動2の複素自己相関信号の積と共役積のスペクトルは、図49に模式的に示される。<2>または<3>の非線形処理を通じても、同様にそれらのスペクトルが求まる。従って、それらの仮定をせずに計算されるexp[j{(f1x+f2x)dx+(f1y+f2y)dy}]とexp[j{(f1x−f2x)dx+(f1y−f2y)dy}]の位相αaとαlのそれぞれを、それらの2つの波動を対称に位置させる疑似の軸方向fx'とそれに直交する疑似の横方向fy'のそれぞれの周波数Fa'とFl'とで除することにより、疑似の軸方向fx'とそれに直交する疑似の横方向fy'の周波数座標(fx',fy')にて表される2次元周波数領域(空間)に対応する、図50に模式的に示される空間の2次元直交座標系(x',y')の疑似の軸方向x'とそれに直交する疑似の横方向y'の空間座標軸方向のそれぞれの変位が求まる。つまり、波動1と波動2が対称となるように定義される新しい空間の2次元直交座標系(x',y')において変位ベクトルを観測したことになる。
尚、周波数Fa'とFl'のそれぞれは、(f1x,f1y)と(f2x,f2y)を用いて√(Fax 2+Fay 2)=√{(f1x+f2x)2+(f1y+f2y)2)}と√(Flx 2+Fly 2)=√{(f1x−f2x)2+(f1y−f2y)2)}として計算するか、複素自己相関信号の積と共役積のスペクトルの重心周波数(Fax,Fay)と(Flx,Fly)と又は瞬時周波数(Fax,Fay)と(Flx,Fly)とを求めて用いることにより求まる(瞬時周波数ベクトル又は重心周波数ベクトルの大きさである)。
The above-described demodulation method and the non-linear calculation of <2> or <3> can be improved as follows to increase the accuracy. For example, a case where the two-dimensional displacement vector (dx, dy) is observed will be described. The above method is such that the instantaneous phase difference (change) between two different time phases at a point in the two-dimensional region of interest is determined by two independent single quads generated from the two intersecting beams or waves used. Using the spectrum of the runt (single quadrant), it is considered that the complex autocorrelation signal is expressed as the phase of exp [j (fxdx + fydy)] and exp [j (fxdx−fydy)], and the product and conjugate product of them are calculated. By this, exp [j (2fxdx)] and exp [j (2fydy)] are obtained, and the instantaneous phase difference 2fxdx and 2fydy in each direction is divided by the instantaneous frequencies 2fx and 2fy in each direction to obtain an unknown displacement vector. (dx, dy) (FIG. 8b of Patent Document 7 and the same as above, and there are other combinations of spectra of two independent single quadrants). However, the two beams or waves steered to be symmetrical about the axis in the two-dimensional rectangular coordinate system for observation are not actually symmetrical, and the frequency of the two directions of the two beams or waves is not equal. The absolute values are not exactly equal. For example, when the directivity of the aperture or aperture array element used is not in the front direction of each aperture, when the speed of sound of the medium is non-uniform, when there is the effect of frequency modulation due to attenuation or scattering in the medium, or when digital Or, an error of an analog delay may be caused. The above method is accomplished under the assumption that their absolute values are equal, and in practice introduces errors. In fact, the product or conjugate product of the received real-time signal, complex analytic signal, or complex autocorrelation signal (or complex signal) is, as described above, orthogonal to the symmetry axis of any wave crossing in any direction. Generates a wave with a carrier frequency in each direction and the above assumptions introduce errors.
Figure 48 As shown in (a), 2-dimensional coordinate system to observe the displacement vector (x, y) of each of steering (deflection) angle of the generated two waves 1 and wave 2 and theta 1 and - [theta] 2 in , And the respective instantaneous frequencies or center-of-gravity frequencies are (f 1x , f 1y ) and (f 2x , f 2y ) (the instantaneous frequency vector or the centroid frequency vector). In addition, as shown in FIG. 48B, the frequency domain (space) of the two-dimensional coordinate system (x, y) is set to (fx, fy), and the spectrum of those waves is schematically shown. In FIG. 48, the axial direction and the lateral direction are the x direction and the y direction, respectively. Here, as is usually observed when | θ 1 |> | θ 2 |, the absolute value of those frequencies generated at a certain point in the two-dimensional region of interest is | f 1y |> | f 2y | and | f 1x | <| f 2x | At this time, the difference between the instantaneous phase between the two different time phase (change) are expressed as the phase of the complex autocorrelation signals exp [j (f 1x dx + f 1y dy)] and exp [j (f 2x dx + f 2y dy)] Therefore, by calculating their product and conjugate product exp [j {(f 1x + f 2x) dx + (f 1y + f 2y) dy}] and exp [j {(f 1x -f 2x) dx + (f 1y -f give 2y) dy}], f 1x = f 2x = f x and f 1y = -f 2y = f y exp is approximately expressed under the assumption [j2f x dx] and exp [j2f y dy] the dividing respectively 2f x and 2f y phase, or, f 1y = -f 2y = f y and f 1x = f 2x = f each hypothetical exp represented approximately under x [j The phases of {(f 1x + f 2x ) dx}] and exp [j {(f 1y −f 2y ) dy}] can be divided by f 1x + f 2x and f 1y −f 2y . Through the nonlinear processing of <2> or <3>, the approximate calculation can be similarly performed. The spectrum of the product and conjugate product of the complex autocorrelation signals of the two waves 1 and 2 shown in FIGS. 48A and 48B are schematically shown in FIG. The spectra can be similarly obtained through the nonlinear processing of <2> or <3>. Therefore, exp is calculated without these assumptions [j {(f 1x + f 2x) dx + (f 1y + f 2y) dy}] and exp [j {(f 1x -f 2x) dx + (f 1y -f when phase alpha a and alpha l of 2y) dy}], and their respective frequency F a of the 'pseudo lateral fy that the perpendicular thereto' two wave axial fx pseudo be positioned symmetrically ' By dividing by F l ', it corresponds to a two-dimensional frequency domain (space) represented by frequency coordinates (fx', fy ') in the pseudo axial direction fx' and the pseudo lateral direction fy 'orthogonal thereto. In FIG. 50, the displacements in the quasi-axial direction x ′ of the two-dimensional orthogonal coordinate system (x ′, y ′) of the space schematically shown in FIG. I get it. That is, it means that the displacement vector is observed in the two-dimensional orthogonal coordinate system (x ′, y ′) in a new space defined so that the wave 1 and the wave 2 are symmetric.
Note that the frequencies F a ′ and F l ′ are respectively represented by √ (F ax 2 + F ay 2 ) = √ {(f 1x + f 2x ) using (f 1x , f 1y ) and (f 2x , f 2y ). 2 + (f 1y + f 2y ) 2)} and √ (F lx 2 + F ly 2) = √ {(f 1x -f 2x) 2 + (f 1y -f 2y) 2) or calculated as}, the complex self Determine the center of gravity frequency (F ax , F ay ) and (F lx , F ly ) or the instantaneous frequency (F ax , F ay ) and (F lx , F ly ) of the spectrum of the product of the correlation signal and the conjugate product. (The magnitude of the instantaneous frequency vector or the center-of-gravity frequency vector).

観測を行う2次元直交座標系は(x,y)であるため、2次元直交座標系(x',y')にて求まる変位ベクトル(dx',dy')を2次元直交座標系(x,y)にて表すべく角度補正を行う必要がある。2次元直交座標系(x,y)と(x',y')の角度差(回転角度)θ=(θ1+θ2)/2は、2つの波動のステアリング(偏向)角度θ1=tan−1(f1y/f1x)とθ2=tan−1(f2y/f2x)との平均として求めるか、又は、(f1x,f1y)と(f2x,f2y)を用いてtan-1(Fay/Fax)=tan-1{(f1y+f2y)/(f1x+f2x)}、又は、Flx<0の時に90°+tan-1(Fly/Flx)=90°+ tan-1{(f1y−f2y)/(f1x−f2x)}、又は、Flx>0の時にtan-1(Fly/Flx)=tan-1{(f1y−f2y)/(f1x−f2x)}を計算するか、又は、複素自己相関信号の積と共役積のスペクトルの重心周波数(Fax,Fay)と(Flx,Fly)と又は瞬時周波数(Fax,Fay)と(Flx,Fly)とを求めて同様に計算すれば良い。 Since the two-dimensional rectangular coordinate system for observation is (x, y), the displacement vector (dx ', dy') obtained by the two-dimensional rectangular coordinate system (x ', y') is converted to the two-dimensional rectangular coordinate system (x , y), the angle must be corrected. The angle difference (rotation angle) θ = (θ 1 + θ 2 ) / 2 between the two-dimensional orthogonal coordinate system (x, y) and (x ′, y ′) is the steering (deflection) angle θ 1 = tan of the two waves. −1 (f 1y / f 1x ) and θ 2 = tan −1 (f 2y / f 2x ), or by using (f 1x , f 1y ) and (f 2x , f 2y ) tan -1 ( Fay / Fax ) = tan- 1 {( f1y + f2y ) / ( f1x + f2x )}, or 90 ° + tan- 1 ( Fly / Flx ) when Flx <0. = 90 ° + tan −1 {(f 1y −f 2y ) / (f 1x −f 2x )} or, when F lx > 0, tan −1 (F ly / F lx ) = tan −1 {(f 1y− f 2y ) / (f 1x −f 2x )}, or the center of gravity frequencies (F ax , F ay ) and (F lx , F ly ) of the spectrum of the product of the complex autocorrelation signal and the conjugate product. Or the instantaneous frequencies (F ax , F ay ) and (F lx , F ly ) may be calculated in the same manner.

角度補正には2つの方法が有り、その内の1つは計算された(dx',dy')に回転行列を掛け、観測結果(dx,dy)を得るものである。
若しくは、2次元直交座標系(x',y')にて表される積と共役積の瞬時周波数ベクトル又は重心周波数ベクトル(Fa',0)と(0,Fl')とのそれぞれに同様に回転行列を掛け、
2次元直交座標系(x,y)におけるそれらの瞬時周波数ベクトル又は重心周波数ベクトル(Fax,Fay)と(Flx,Fly)とを求めるか、それぞれ、上記の如くに(f1x,f1y)と(f2x,f2y)を用いて(f1x+f2x,f1y+f2y)と(f1x−f2x,f1y−f2y)として計算するか、複素自己相関信号の積と共役積のスペクトルの重心周波数(Fax,Fay)と(Flx,Fly)と又は瞬時周波数(Fax,Fay)と(Flx,Fly)とを用い、複素指数関数exp[j{(fx1+fx2)dx+(fy1+fy2)dy}]とexp[j{(fx1−fx2)dx+(fy1−fy2)dy}]のそれぞれの位相αaとαlに関する連立方程式
を導出して直接的に(dx,dy)に関して解けば良い。
同観点において、図51(a)に示される如くに波動1と波動2を対称にする軸x'が観測を行う2次元直交座標系(x,y)のx軸と大きく異なる場合においても、同処理を行うことにより、2つの波動を対称に位置させる疑似の軸方向fx'とそれに直交する疑似の横方向fy'の周波数座標からなる2次元周波数領域(空間)に対応する、図51(b)に示される空間の2次元直交座標系(x',y')の疑似の軸方向x'とそれに直交する疑似の横方向y'の空間座標軸方向のそれぞれの変位が求まる。つまり、波動1と波動2が対称となるように定義される新しい空間の2次元直交座標系(x',y')において変位ベクトル(dx',dy')を観測できる。従って、上記の場合と同様に、式(Rot1)を直接に用いたり、式(Rot2−1)と式(Rot2−2)と式(Rot2−3)を用いた角度補正を行えば、観測座標系(x,y)における結果(dx,dy)が得られる。この様な観測は、例えば、ヒト軟組織の超音波観測において骨等の障害物が存在する場合にそれを避けて(対称軸を障害物から逸らして)透過又はエコーの信号を取得して処理する場合に有用である。本願の発明者は、過去より必要に応じてセンサー開口の並ぶ横方向に変調(横方向変調)するだけでなく、必要に応じて所望する方向に横変調を行い、多次元クロススペクトル位相勾配法や多次元自己相関法、多次元ドプラ法等によって変位ベクトルの観測を行ってきたが、本デモジュレーション法も実施可能である。つまり、本デモジュレーション処理によれば、他の変位ベクトル計測法と同様に、観測座標系の座標軸に対称でない波動が生成された場合にも変位ベクトルを観測できる。
また、同様にして、変位ベクトル計測のいずれの方法においても、上記の角度補正の方法を用いて、変位ベクトルそのものを補正するか、周波数を補正して方程式を解き、波動を生成した直交座標系だけでなく別の直交座標系の座標軸方向の変位成分(変位ベクトル)を観測することが可能である。例えば、2次元直交座標系(x,y)において多次元自己相関法又は多次元ドプラ法又は多次元クロススペクトル位相勾配法又は本デモジュレーション法により導出される未知変位ベクトル(dx,dy)に関する連立方程式
但し、添え字「1」と「2」は2つの波動を表し、FxとFyは、それぞれ、それらの波動のx方向とy方向の周波数(瞬時周波数ベクトル又は重心周波数ベクトル成分)を表す。
において、(dx,dy)を求めて式(Rot1)に従って所望する角度θだけ回転させた2次元直交座標系の座標軸方向の変位成分から成る変位ベクトル(dx",dy")を観測できるし、瞬時周波数ベクトル又は重心周波数ベクトル(F1x,F1y)と(F2x,F2y)とのそれぞれを式(Rot2−1)と式(Rot2−2)に従って同角度θだけ回転させて得られる瞬時周波数ベクトル又は重心周波数ベクトル(F1x",F1y")と(F2x",F2y")とを用いて式(Rot2−4)を書き換えた
を解くことにより、直接的に変位ベクトル(dx",dy")を求めることができる。
3次元の場合にも、3つ又は4つの交差するビーム又は波動より生成される独立した3つ又は4つの単一オークタント(single orctant)のスペクトルや3次元回転行列を用いて、同様に上記の処理を実施できる。3次元の場合には、軸とそれと直交する横方向を含む面に対して対称(つまり、軸方向に対して全ての波動が対称)になるように波動を偏向(ステアリング)して交差させることを基本とするが、2次元の場合と同様に精度良く対称とならなかったり、故意に対称にしないことがある。従って、疑似の軸とそれに直交する疑似の横方向を含む面に対して対称(つまり、疑似の軸方向に対して全てが対称)となる波動を用いて同様に処理することとなる。
There are two methods for angle correction, one of which is to multiply the calculated (dx ', dy') by a rotation matrix to obtain the observation result (dx, dy).
Alternatively, the instantaneous frequency vector of the product and the conjugate product represented in the two-dimensional orthogonal coordinate system (x ′, y ′) or the center-of-gravity frequency vector (F a ′, 0) and (0, F l ′) respectively. Similarly, multiply the rotation matrix,
The instantaneous frequency vector or the center-of-gravity frequency vector ( Fax , Fay ) and ( Flx , Fly ) in the two-dimensional orthogonal coordinate system (x, y) are obtained, or ( f1x , f 1y ) and (f 2x , f 2y ) are used to calculate (f 1x + f 2x , f 1y + f 2y ) and (f 1x −f 2x , f 1y −f 2y ), or the product of the complex autocorrelation signal And the center frequency of the spectrum of the conjugate product (F ax , F ay ) and (F lx , F ly ) or the instantaneous frequency (F ax , F ay ) and (F lx , F ly ), and a complex exponential function exp Phases α a and α of [j {(f x1 + f x2 ) dx + (f y1 + f y2 ) dy}] and exp [j {(f x1 −f x2 ) dx + (f y1 −f y2 ) dy}] simultaneous equations for l
Can be derived and directly solved for (dx, dy).
From this viewpoint, as shown in FIG. 51 (a), even when the axis x ′ that symmetrically oscillates the waves 1 and 2 is significantly different from the x-axis of the two-dimensional orthogonal coordinate system (x, y) for observation. By performing the same processing, FIG. 51 (corresponding to a two-dimensional frequency domain (space) composed of frequency coordinates in a pseudo axial direction fx ′ for symmetrically positioning two waves and a pseudo horizontal direction fy ′ orthogonal thereto. Displacements in the pseudo axial direction x 'of the two-dimensional orthogonal coordinate system (x', y ') in the space shown in b) and the pseudo horizontal direction y' orthogonal to the spatial coordinate axis direction are obtained. That is, the displacement vector (dx ', dy') can be observed in the two-dimensional orthogonal coordinate system (x ', y') in a new space defined so that the waves 1 and 2 are symmetric. Therefore, as in the above case, if the equation (Rot1) is directly used or the angle correction is performed using the equations (Rot2-1), (Rot2-2), and (Rot2-3), the observation coordinates The result (dx, dy) in the system (x, y) is obtained. In such observation, for example, when there is an obstacle such as a bone in the ultrasonic observation of human soft tissue, it is processed by avoiding the obstacle (by shifting the symmetry axis away from the obstacle) and acquiring a transmission or echo signal. Useful in cases. The inventor of the present application has performed not only the lateral modulation in which the sensor apertures are arranged (lateral modulation) as necessary, but also the lateral modulation in a desired direction as necessary from the past. Although the displacement vector has been observed by a multi-dimensional autocorrelation method, a multi-dimensional Doppler method, or the like, the present demodulation method can also be implemented. In other words, according to the present demodulation processing, similarly to other displacement vector measurement methods, a displacement vector can be observed even when a wave that is not symmetric with respect to the coordinate axis of the observation coordinate system is generated.
Similarly, in any of the displacement vector measurement methods, the above-described angle correction method is used to correct the displacement vector itself, or to correct the frequency to solve the equation to generate a wave motion. In addition, it is possible to observe a displacement component (displacement vector) in the coordinate axis direction of another orthogonal coordinate system. For example, simultaneous displacements (dx, dy) derived by the multidimensional autocorrelation method, the multidimensional Doppler method, the multidimensional cross spectral phase gradient method, or the present demodulation method in the two-dimensional rectangular coordinate system (x, y). equation
Here, the suffixes “1” and “2” represent two waves, and F x and F y represent the frequencies of the waves in the x and y directions (instantaneous frequency vector or centroid frequency vector component), respectively. .
In (2), a displacement vector (dx ", dy") consisting of a displacement component in a coordinate axis direction of a two-dimensional orthogonal coordinate system rotated by a desired angle θ in accordance with equation (Rot1) by obtaining (dx, dy) can be observed. The instant obtained by rotating the instantaneous frequency vector or the center-of-gravity frequency vector (F 1x , F 1y ) and (F 2x , F 2y ) by the same angle θ according to the equations (Rot2-1) and (Rot2-2). frequency vector or centroid frequency vector (F 1x ", F 1y" ) and (F 2x ", F 2y" ) rewriting the equation (Rot2-4) by using the
By solving, the displacement vector (dx ", dy") can be directly obtained.
In the three-dimensional case as well, using the spectrum of three or four independent orctants or three-dimensional rotation matrices generated from three or four intersecting beams or waves, similarly Can be performed. In the case of three dimensions, the waves are deflected (steered) and intersected so as to be symmetrical with respect to a plane including the axis and the transverse direction orthogonal to the axis (that is, all waves are symmetrical with respect to the axial direction). However, as in the two-dimensional case, the symmetry may not be accurately obtained, or may not be intentionally obtained. Therefore, the same processing is performed using a wave that is symmetrical with respect to a plane including a pseudo axis and a pseudo lateral direction orthogonal thereto (that is, all waves are symmetric with respect to the pseudo axis direction).

ここで、上記の新しいデモジュレーションは、2つのステアリング(偏向)角度が|θ1|>|θ2|である時に通常に多くに観測されるように、2次元関心領域内のとある点において生成されたそれらの周波数の絶対値が|f1y|>|f2y|且つ|f1x|<|f2x|であるものとして説明したが、媒体における減衰や散乱による周波数変調により、|f1y|>|f2y|且つ|f1x|>|f2x|となることも有り得る。また、波動の周波数そのものが異なる場合においても生じる。これらの場合において、上記の新しいデモジュレーション処理で考えた疑似の軸方向x'と横方向y'は直交せず、問題を生じる。即ち、非特許文献30や特許文献7や上記のデモジュレーション処理は、厳密には、2つの波動そのものの瞬時周波数又は局所又は大局的な重心周波数(つまり、瞬時周波数ベクトル又は局所又は大局的な重心周波数ベクトルの大きさ)である√(f1x 2+f1y 2)と√(f2x 2+f2y 2)が完全に等しい場合において座標系(x',y')は直交座標系となり精度が得られるものであり、実のところ、√(f1x 2+f1y 2)と√(f2x 2+f2y 2)が略等しくとも厳密には直交座標系とはならず誤差を生じる(段落0640を参照)。つまり、式(Rot1)の補正は使用できない。一方、この場合でも、式(Rot2−3)は有効であることを後で説明する。図52に、直交しない疑似の軸方向fx'と疑似の横方向fy'を模式的に示す。それらのfx'とfy'と、空間座標において対応するx'とy'とは、波動の対称軸とはならない。
そこで、非特許文献30や特許文献7や上記のデモジュレーション処理の基本的な処理(前処理)として、観測された2つの波動の瞬時周波数又は局所又は大局的な重心周波数である√(f1x 2+f1y 2)と√(f2x 2+f2y 2)が等しくなるように、一方の波動において、観測を行う2次元直交座標系のx方向とy方向の全周波数と共に瞬時位相の差(変化)に同一の定数を乗じて補正する(つまり、複素自己相関関数はその様に補正されたものを使用する)。または、各々の波動の瞬時周波数又は局所又は大局的な重心周波数(即ち、瞬時周波数ベクトル又は局所又は大局的な重心周波数ベクトルの大きさ√(f1x 2+f1y 2)又は√(f2x 2+f2y 2))で各々の波動のx方向とy方向の全周波数と共に瞬時位相の差(変化)を正規化しても良い(つまり、複素指数関数はその様に正規化されたものを使用する)。瞬時周波数又は局所又は大局的な重心周波数がとある値になるように各方向の周波数と瞬時位相の差(変化)を正規化する等、他の同等な処理でも構わない。これをデモジュレーションに関する本願の発明の一つとし、非特許文献30や特許文献7や上記のデモジュレーション処理を実施する。何れも高精度化される。
若しくは、それらの前処理を行わずに、実際に生成された疑似の軸方向x'と横方向y'のそれぞれの角度θaとθlを求め、段落0661に記載の角度補正を行う代わりに、計算されるそれぞれの方向の変位daとdlを用い、観測を行う2次元直交座標系(x,y)における変位ベクトルを求めても良い。軸方向x'と横方向y'は明に直交しないため、各方向の変位は、上記の軸方向x'と横方向y'が略直交する場合や直交する場合に用いた各方向の変位のdx'とdy'とは別の文字のdaとdlを用いて表している。
ここで、θaとθlのそれぞれは、(f1x,f1y)と(f2x,f2y)を用いてtan-1(Fay/Fax)=tan-1{(f1y+f2y)/(f1x+f2x)}とFlx<0の時に180°+tan-1(Fly/Flx)=180°+tan-1{(f1y−f2y)/(f1x−f2x)}又はFlx>0の時にtan-1(Fly/Flx)=tan-1{(f1y−f2y)/(f1x−f2x)}とを計算するか、又は、複素自己相関信号の積と共役積のスペクトルの重心周波数(Fax,Fay)と(Flx,Fly)と又は瞬時周波数(Fax,Fay)と(Flx,Fly)とを求めて同様に計算すれば良い。若しくは、式(demodu0)と式(Synv0)より、
であり、直交座標系(x',y')にて成立する式(Rot2−3)が非直交座標系(x,y)においても成立する。式(Synv1)を解いても構わない。
3次元変位ベクトルの観測においても、非特許文献30や特許文献7や上記のデモジュレーション処理の基本的な処理(前処理)として、同様に、3つ又は4つの波動(波動1〜4)の瞬時周波数又は局所又は大局的な重心周波数(瞬時周波数ベクトル又は局所又は大局的な重心周波数ベクトルの大きさ)である√(f1x 2+f1y 2+f1z 2)と√(f2x 2+f2y 2+f2z 2)と√(f3x 2+f3y 2+f3z 2)と√(f4x 2+f4y 2+f4z 2)とが等しくなるように、2つ又は3つの各々の波動において、観測を行う3次元直交座標系のx方向とy方向とz方向の全周波数と共に瞬時位相の差(変化)に同一の定数を乗じて補正を行う(つまり、複素指数関数は、その様に補正されたものを使用する)。または、各々の波動において、同様に各々の波動の瞬時周波数又は局所又は大局的な重心周波数(即ち、瞬時周波数ベクトル又は局所又は大局的な重心周波数ベクトルの大きさである√(f1x 2+f1y 2+f1z 2)と√(f2x 2+f2y 2+f2z 2)と√(f3x 2+f3y 2+f3z 2)と√(f4x 2+f4y 2+f4z 2))でx方向とy方向とz方向の全周波数と共に瞬時位相の差(変化)を正規化しても良い(つまり、複素指数関数は、その様に正規化されたものを使用する)。瞬時周波数又は局所又は大局的な重心周波数がとある値になるように各方向の周波数と瞬時位相の差(変化)を正規化する等、他の同等な処理でも構わない。若しくは、それらの前処理を行わずに、実際に生成された疑似の軸方向x'と横方向y'とエレベーション方向z'のそれぞれの角度を同様に計算し、段落0661に記載の角度補正を行う代わりに、計算されるそれぞれの方向の変位を用いて、観測を行う3次元直交座標系(x,y,z)における変位ベクトルを求めても良いし(2次元の場合の式(Synv0)の如く)、軸方向x'と横方向y'とエレベーション方向z'の各方向の瞬時位相の差(変化)とそれらの各方向の瞬時周波数ベクトル又は局所又は大局的な重心周波数ベクトルを観測を行う直交座標系において表す瞬時周波数ベクトル又は局所又は大局的な重心周波数ベクトル成分とを用いて求めても良い(2次元の場合の式(Synv1)の如く)。
本実施形態における計測イメージングは、上記の変位ベクトル計測における前処理である波動の直交化を波動そのもののイメージングにも応用できる。段落0641にも記載してある通り、直交する方向に独立した周波数を持つ横方向変調イメージ信号を生成するためには、波動そのものの搬送周波数又は瞬時周波数又は局所又は大局的な重心周波数(つまり、瞬時周波数ベクトル又は局所又は大局的な重心周波数ベクトル)の等しい2波又は3波又は4波を生成する必要が有る。
例えば、図2に示す制御ユニット34が、計測対象の深さ方向、深さ方向に直交する横方向、及び、深さ方向及び横方向に直交するエレベーション方向を3軸とする3次元の直交座標系において、電子的又は機械的に生成される零度又は非零度の互いに異なる偏向角度を有する少なくとも3つのステアリングされた波動を生成し、又は、深さ方向、及び、深さ方向に直交する横方向を2軸とする2次元の直交座標系において、電子的又は機械的に生成される零度又は非零度の互いに異なる偏向角度を有する少なくとも2つのステアリングされた波動を生成して、計測対象を横方向に走査し、少なくとも2つの時相において波動データ信号を生成するように送信ユニット31又は受信ユニット32を制御する。
また、図2に示すデジタル信号処理ユニット33が、少なくとも2つの時相におけるそれぞれのステアリングされた波動で単独に計測対象を走査して生成される波動データ信号に対応する単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルから得られる波動の瞬時位相を核とする複素解析信号又は少なくとも2つの時相の間に生じた瞬時位相の変化を核に有する複素自己相関信号又は複素信号を用いて、3次元の直交座標系の場合に3次元変位ベクトルを算出し、2次元の直交座標系の場合に2次元変位ベクトルを算出するにあたり、単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルに対応する複素解析信号又は複素自己相関信号又は複素信号の瞬時周波数ベクトルの大きさ又はスペクトルの重心周波数ベクトルの大きさが他の複素解析信号又は他の複素自己相関信号又は他の複素信号と同一になるように、他の複素解析信号又は他の複素自己相関信号又は複素信号の瞬時周波数ベクトル成分又は重心周波数ベクトル成分を定数倍する際にそれらの瞬時位相又は瞬時位相の変化も定数倍し、又は、複数の複素解析信号又は複数の複素自己相関信号又は複数の複素信号の瞬時周波数ベクトルの大きさ又は重心周波数ベクトルの大きさを正規化する際に、複数の複素解析信号又は複数の複素自己相関信号又は複数の複素信号の瞬時周波数ベクトル成分又は重心周波数ベクトル成分を正規化すると共にそれらの瞬時位相又は瞬時位相の変化も正規化し、単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルに対応する波動の重ね合わせが3次元の直交座標系又は2次元の直交座標系又はそれらを回転した3次元の直交座標系又は2次元の直交座標系の軸の方向に独立した瞬時周波数又は重心周波数を有するように波動データ信号を処理して、波動の重ね合わせを画像化する。
尚、上記の変位ベクトル計測や波動そのもののイメージングには、上記の複数に生成された波動の他、様々な波動を用いることが可能である。例えば、図2に示す送信ユニット31、受信ユニット32、又は、デジタル信号処理ユニット33が、少なくとも2つの時相の各々において生成される複数の波動の内の少なくとも1つを他の少なくとも1つの波動に同一の組み合わせで重ね合わせて少なくとも1つの新しい波動を生成し、3次元の直交座標系において新しい波動を含む少なくとも3つのステアリングされた波動を用い、又は、2次元の直交座標系において新しい波動を含む少なくとも2つのステアリングされた波動を用いても良い。
あるいは、デジタル信号処理ユニット33が、少なくとも2つの時相の各々において生成される波動の少なくとも1つの単一のオークタント又はクァドラントのスペクトル、又は、複数の波動の同一の重ね合わせを表す少なくとも1つの単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルに対し、周波数領域において同一の分割を行って新しい複数の単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルを生成し、3次元の直交座標系の場合に新しい単一のオークタントのスペクトルによって表される少なくとも1つの波動を含む少なくとも3つの波動を用い、2次元の直交座標系の場合に新しい単一のクァドラントのスペクトルによって表される少なくとも1つの波動を含む少なくとも2つの波動を用いても良い。
あるいは、デジタル信号処理ユニット33が、少なくとも2つの時相の各々において生成される波動の少なくとも1つの単一のオークタント又はクァドラントのスペクトル、又は、複数の波動の同一の重ね合わせを表す少なくとも1つの単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルに対し、周波数領域において同一の分割を行って生成される複数の単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルの内の少なくとも1つの単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルによって表される波動を他の少なくとも1つの波動に同一の組み合わせで重ね合わせて少なくとも1つの新しい波動を生成し、3次元の直交座標系の場合に新しい波動を含む少なくとも3つのステアリングされた波動を用い、2次元の直交座標系の場合に新しい波動を含む少なくとも2つのステアリングされた波動を用いても良い。用いられる波動は、これらに限られるものでは無い。
あるいは、デジタル信号処理ユニット33が、3次元の直交座標系の場合に3次元変位ベクトルを算出し、2次元の直交座標系の場合に2次元変位ベクトルを算出するにあたり、前処理として、2つの複素解析信号又は複素自己相関関数又は2つの複素信号によって表される波動の伝搬方向の瞬時周波数ベクトルの大きさ又はスペクトルの重心周波数ベクトルの大きさが同一になるように1つの複素解析信号又は複素自己相関関数又は複素信号の瞬時周波数ベクトル成分又は重心周波数ベクトル成分を定数倍する際にそれらの瞬時位相又は瞬時位相の変化も同時に定数倍し、又は、2つの複素解析信号又は複素自己相関関数又は複素信号の瞬時周波数ベクトルの大きさ又は重心周波数ベクトルの大きさを正規化する際に2つの複素解析信号又は複素自己相関関数又は複素信号の瞬時周波数ベクトル成分又は重心周波数ベクトル成分を正規化すると共にそれらの瞬時位相又は瞬時位相の変化も同時に正規化して、2つの複素解析信号又は複素自己相関関数又は複素信号の積又は共役積の信号によって表される新しい波動の伝搬方向が直交するようにしても良い。
Here, the above-mentioned new demodulation is performed at a certain point in the two-dimensional region of interest as is usually observed when the two steering (deflection) angles are | θ 1 |> | θ 2 |. Although it has been described that the absolute values of the generated frequencies are | f 1y |> | f 2y | and | f 1x | <| f 2x |, the frequency modulation due to attenuation and scattering in the medium causes | f 1y |> | F 2y | and | f 1x |> | f 2x |. It also occurs when the frequency of the wave itself is different. In these cases, the pseudo axial direction x 'and the lateral direction y' considered in the above-described new demodulation processing are not orthogonal, which causes a problem. That is, Non-Patent Document 30, Patent Document 7, and the above-described demodulation processing strictly perform the instantaneous frequency or local or global center of gravity frequency of two waves themselves (that is, the instantaneous frequency vector or the local or global center of gravity). When √ (f 1x 2 + f 1y 2 ), which is the magnitude of the frequency vector, is completely equal to √ (f 2x 2 + f 2y 2 ), the coordinate system (x ′, y ′) becomes an orthogonal coordinate system and accuracy is obtained. In fact, even if √ (f 1x 2 + f 1y 2 ) and √ (f 2x 2 + f 2y 2 ) are substantially equal, the coordinate system is not strictly a rectangular coordinate system and an error occurs (see paragraph 0640). ). That is, the correction of the expression (Rot1) cannot be used. On the other hand, it will be described later that the equation (Rot2-3) is also valid in this case. FIG. 52 schematically shows a pseudo axial direction fx ′ that is not orthogonal and a pseudo horizontal direction fy ′. These fx 'and fy' and the corresponding x 'and y' in space coordinates do not become the axes of symmetry of the wave.
Therefore, as the basic processing (pre-processing) of Non-Patent Document 30, Patent Document 7, and the above-described demodulation processing, the instantaneous frequency of two observed waves or the local or global center-of-gravity frequency √ (f 1x 2 + f 1y 2 ) and √ (f 2x 2 + f 2y 2 ) so that the instantaneous phase difference (change) in one wave along with all the frequencies in the x and y directions of the two-dimensional Cartesian coordinate system to be observed. ) Is multiplied by the same constant (that is, the complex autocorrelation function uses the corrected one). Alternatively, the instantaneous frequency or local or global centroid frequency of each wave (that is, the magnitude of the instantaneous frequency vector or local or global centroid frequency vector √ (f 1x 2 + f 1y 2 ) or √ (f 2x 2 + f 2y 2 )) may be used to normalize the instantaneous phase difference (change) along with the total frequency of each wave in the x and y directions (that is, use the complex exponential function normalized as such). . Other equivalent processing such as normalizing the difference (change) between the frequency in each direction and the instantaneous phase so that the instantaneous frequency or the local or global center of gravity frequency becomes a certain value may be used. This is regarded as one of the inventions of the present application relating to demodulation, and the above-described demodulation processing is performed in Non-Patent Document 30, Patent Document 7, and the like. In any case, the accuracy is improved.
Or, without their pretreatment actually generated 'and transverse y' axis direction x of pseudo seek each angle theta a and theta l of, instead of the angle correction according to paragraph 0661 , using the calculated the displacement d a and d l in each direction, two-dimensional orthogonal coordinate system for performing observation (x, y) may be obtained displacement vector in. Since the axial direction x 'and the lateral direction y' are not clearly perpendicular, the displacement in each direction is the displacement of each direction used when the axial direction x 'and the lateral direction y' are substantially perpendicular or perpendicular. the dx 'and dy' represent with d a and d l of different character.
Here, θ a and θ l are respectively expressed as tan −1 (F ay / F ax ) = tan −1 {(f 1y + f 2y ) using (f 1x , f 1y ) and (f 2x , f 2y ). ) / (F 1x + f 2x )} and 180 ° + tan −1 (F ly / F lx ) = 180 ° + tan −1 {(f 1y −f 2y ) / (f 1x −f 2x ) when F lx <0 } Or tan -1 (F ly / F lx ) = tan -1 {(f 1y −f 2y ) / (f 1x −f 2x )} when F lx > 0, or the complex autocorrelation Similarly, determine the center-of-gravity frequencies (F ax , F ay ) and (F lx , F ly ) or the instantaneous frequencies (F ax , F ay ) and (F lx , F ly ) of the spectrum of the signal product and the conjugate product. It is good to calculate. Or, from the formula (demodu0) and the formula (Synv0),
The equation (Rot2-3) that is established in the orthogonal coordinate system (x ′, y ′) is also established in the non-orthogonal coordinate system (x, y). Equation (Synv1) may be solved.
In the observation of a three-dimensional displacement vector, three or four waves (waves 1 to 4) are similarly used as basic processing (pre-processing) of Non-Patent Document 30, Patent Document 7, and the above-described demodulation processing. √ (f 1x 2 + f 1y 2 + f 1z 2 ) and √ (f 2x 2 + f 2y 2 ) which are the instantaneous frequency or the local or global centroid frequency (the magnitude of the instantaneous frequency vector or the local or global centroid frequency vector) + F 2z 2 ), √ (f 3x 2 + f 3y 2 + f 3z 2 ) and √ (f 4x 2 + f 4y 2 + f 4z 2 ) are equalized, and observation is performed in each of two or three waves. The instantaneous phase difference (change) is corrected by multiplying the instantaneous phase difference (change) by the same constant together with all the frequencies in the x direction, y direction, and z direction of the three-dimensional rectangular coordinate system (that is, the complex exponential function is corrected so To use). Alternatively, in each wave, the instantaneous frequency or the local or global center-of-gravity frequency of each wave (ie, the magnitude of the instantaneous frequency vector or the local or global center-of-gravity frequency vector √ (f 1x 2 + f 1y 2 + f 1z 2 ), √ (f 2x 2 + f 2y 2 + f 2z 2 ), √ (f 3x 2 + f 3y 2 + f 3z 2 ) and √ (f 4x 2 + f 4y 2 + f 4z 2 )) in the x direction and y The instantaneous phase difference (change) may be normalized along with the total frequency in the direction and the z-direction (that is, the complex exponential function may be so normalized). Other equivalent processing such as normalizing the difference (change) between the frequency in each direction and the instantaneous phase so that the instantaneous frequency or the local or global center of gravity frequency becomes a certain value may be used. Alternatively, without performing the preprocessing, the angles of the pseudo axial direction x ′, the lateral direction y ′, and the elevation direction z ′ that are actually generated are similarly calculated, and the angle correction described in paragraph 0661 is performed. May be used to calculate a displacement vector in the three-dimensional orthogonal coordinate system (x, y, z) for observation using the calculated displacement in each direction, or the equation (Synv0 for two-dimensional case) )), The instantaneous phase difference (change) in each of the axial direction x ′, the lateral direction y ′, and the elevation direction z ′, and the instantaneous frequency vector or the local or global center-of-gravity frequency vector in each of those directions. It may be obtained by using an instantaneous frequency vector or a local or global center-of-gravity frequency vector component expressed in an orthogonal coordinate system for observation (as in a two-dimensional expression (Synv1)).
In the measurement imaging according to the present embodiment, the orthogonalization of the wave, which is the preprocessing in the displacement vector measurement, can be applied to the imaging of the wave itself. As described in paragraph 0641, to generate a transversely modulated image signal having independent frequencies in orthogonal directions, the carrier frequency or instantaneous frequency of the wave itself or the local or global center of gravity frequency (ie, It is necessary to generate two, three or four waves having the same instantaneous frequency vector or local or global center-of-gravity frequency vector.
For example, the control unit 34 shown in FIG. 2 performs three-dimensional orthogonalization in which the depth direction of the measurement target, the horizontal direction orthogonal to the depth direction, and the elevation direction orthogonal to the depth direction and the horizontal direction are three axes. In a coordinate system, generate at least three steered waves having different deflection angles of electronically or mechanically generated zero or non-zero degrees, or a depth direction and a transverse direction orthogonal to the depth direction. In a two-dimensional orthogonal coordinate system having two axes in directions, at least two steered waves having different deflection angles of zero degree or non-zero degree, which are generated electronically or mechanically, are generated to traverse the measurement object. The transmitting unit 31 or the receiving unit 32 is controlled to scan in the direction and generate the wave data signal in at least two time phases.
In addition, the digital signal processing unit 33 shown in FIG. 2 independently scans the measurement target with each of the steered waves in at least two time phases, and scans the measurement target to generate a single actant or quadrant corresponding to a wave data signal generated. Using a complex analytic signal whose core is the instantaneous phase of the wave obtained from the spectrum or a complex autocorrelation signal or a complex signal whose core has a change in instantaneous phase generated between at least two time phases. When calculating a three-dimensional displacement vector in the case of a coordinate system and calculating a two-dimensional displacement vector in the case of a two-dimensional orthogonal coordinate system, a complex analysis signal or a complex autocorrelation corresponding to a spectrum of a single actant or quadrant The magnitude of the instantaneous frequency vector of the signal or complex signal or the magnitude of the centroid frequency vector of the spectrum is Or when the instantaneous frequency vector component or the center-of-gravity frequency vector component of another complex analytic signal or other complex autocorrelation signal or complex signal is multiplied by a constant so as to be the same as another complex autocorrelation signal or another complex signal. The instantaneous phase or the change in the instantaneous phase is also multiplied by a constant, or the magnitude of the instantaneous frequency vector or the magnitude of the centroid frequency vector of a plurality of complex analysis signals, a plurality of complex autocorrelation signals, or a plurality of complex signals is normalized. In doing so, the instantaneous frequency vector component or the center-of-gravity frequency vector component of the plurality of complex analysis signals, the plurality of complex autocorrelation signals, or the plurality of complex signals is normalized, and the instantaneous phase or the change of the instantaneous phase is also normalized. The superposition of the waves corresponding to the spectrum of one actant or quadrant is based on a three-dimensional rectangular coordinate system or two-dimensional rectangular coordinate system or Processing the wave data signals to have an instantaneous frequency or gravity center frequency independent in the direction of the axis of the three-dimensional orthogonal coordinate system or two-dimensional orthogonal coordinate system that is rotated and al, imaging a superposition of waves.
For the displacement vector measurement and the imaging of the wave itself, various waves can be used in addition to the plurality of generated waves. For example, the transmitting unit 31, the receiving unit 32, or the digital signal processing unit 33 shown in FIG. 2 converts at least one of the plurality of waves generated in each of at least two time phases into at least one other wave. Generating at least one new wave in the same combination, using at least three steered waves including the new wave in a three-dimensional Cartesian coordinate system, or using a new wave in a two-dimensional Cartesian coordinate system. At least two steered waves may be used.
Alternatively, the digital signal processing unit 33 comprises at least one single actant or quadrant spectrum of the waves generated in each of the at least two time phases, or at least one representing the same superposition of the waves. The same division in the frequency domain is performed on the spectrum of a single actant or quadrant to generate a new spectrum of a single single actant or quadrant, and a new single spectrum is obtained in the case of a three-dimensional rectangular coordinate system. Using at least three waves including at least one wave represented by the spectrum of the actant and at least two waves including at least one wave represented by the spectrum of a new single quadrant in the case of a two-dimensional rectangular coordinate system; Waves may be used.
Alternatively, the digital signal processing unit 33 comprises at least one single actant or quadrant spectrum of the waves generated in each of the at least two time phases, or at least one representing the same superposition of the waves. Spectrum of at least one single actant or quadrant of a plurality of single actant or quadrant spectra generated by performing the same division in the frequency domain with respect to the spectrum of a single actant or quadrant Is superimposed on at least one other wave in the same combination to generate at least one new wave and at least three steered waves including the new wave in the case of a three-dimensional Cartesian coordinate system. Used for a two-dimensional rectangular coordinate system. Dynamic may be used at least two steered wave including. The waves used are not limited to these.
Alternatively, when the digital signal processing unit 33 calculates a three-dimensional displacement vector in the case of a three-dimensional rectangular coordinate system and calculates a two-dimensional displacement vector in the case of a two-dimensional rectangular coordinate system, two processes are performed as preprocessing. One complex analytic signal or complex signal such that the magnitude of the instantaneous frequency vector in the propagation direction of the wave represented by the complex analytic signal or complex autocorrelation function or the two complex signals or the magnitude of the centroid frequency vector of the spectrum is the same. When the autocorrelation function or the instantaneous frequency vector component or the center-of-gravity frequency vector component of the complex signal is multiplied by a constant, the instantaneous phase or the change in the instantaneous phase is also multiplied by a constant at the same time. When normalizing the magnitude of the instantaneous frequency vector or the centroid frequency vector of the complex signal, two complex analysis signals or A complex autocorrelation function or a complex autocorrelation function or complex signal by normalizing a complex autocorrelation function or an instantaneous frequency vector component or a center-of-gravity frequency vector component of the complex signal and simultaneously normalizing their instantaneous phase or a change in the instantaneous phase. The propagation direction of the new wave represented by the product or conjugate product signal may be orthogonal.

以上の様に、本発明のデモジュレーション法によれば、上記の様に複数の波動の伝搬方向(偏向方向)が、観測を行う直交座標系の座標軸を対称軸としなかったり複数の波動の周波数が異なる場合等の様々な場合において、変位ベクトルを高精度に観測できる。つまり、多次元自己相関法や多次元ドプラ法や多次元クロススペクトル位相勾配法等と同様に異なる偏向角度や周波数を持つ、未知変位ベクトル成分の数と等しい数の独立した波動を生成して未知変位ベクトルを高精度に観測できる。また、特に横方向に広帯域な波動を生成した場合にそれらの他の計測方法と同様にスペクトルの周波数分割を行い、未知変位ベクトル成分と同数の独立した疑似の波動を生成しても良いし、また、同じく特に横方向に広帯域な波動を生成した場合に横方向の低周波スペクトルを除去して横方向の周波数を高くする処理も有効である(疑似の波動も直接に波動を生成した場合と同様に処理できる)。また、複数の波動を生成したりスペクトルを周波数分割する等の処理を通じて未知変位成分の数よりも多い独立した波動又は疑似の波動を生成し、観測座標系における未知変位ベクトルに関するover-determinedシステムを生成して解くこともできる(疑似の波動も直接に波動を生成した場合と同様に処理できる)。複数の波動を生成したりスペクトルを周波数分割する処理を同時に実施することもある(疑似の波動も直接に波動を生成した場合と同時に同様に処理できる)。波動の広帯域化には、周波数や偏向角度の異なる複数の波動を同時に生成するか、同時相でも異なる時刻に複数の波動を生成してコヒーレント加算(重ね合せ)することは有効である。Over-detrminedシステムにおいては、段落0391や段落0392等の重み付き最小二乗法や本願に記載の様々な最適化法を用いることは有用である。また、それらに限られるものでは無い。それらの最適においては、段落0416に記載の位相マッチングは有効である。その場合、位相マッチングは、観測座標系において得られるCoarseな計測結果を観測座標系における未知の更新変位ベクトルに関するシステムに施しても良いし、同様のCoarseな計測結果から疑似の座標軸方向のCoarseな変位成分を求めて疑似の座標軸方向の更新変位に関するシステムに施しても良い。また、最適化を行わない場合には、古い位相マッチング法(特許文献6や非特許文献15等)に基づいて、同様のCoarseな計測結果を観測座標系においてデモジュレーションにより求まるFineな結果(更新変位ベクトル)に加えても構わないし、同様のCoarseな計測結果から疑似の座標軸方向のCoarseな変位成分を求めて疑似の座標軸方向の更新変位に加えて処理しても良い。他の変形した方法にて処理されることもある。多次元解析信号もフーリエ変換を通じて求める方法(非特許文献13等)の他、段落0506から0508に記載の微分処理を応用したヒルベルト変換の近似処理方法も有用である。複素自己相関信号を用いる場合を中心に説明したが、上記の通り多次元ドプラ法に基づいて導出される複素信号も使用できるし(瞬時周波数や瞬時位相の差の関係を表す)、<2>や<3>の非線形信号処理を行った場合も同様に処理できる。   As described above, according to the demodulation method of the present invention, as described above, the propagation direction (deflection direction) of a plurality of waves does not use the coordinate axis of the rectangular coordinate system for observation as the symmetric axis or the frequency of the plurality of waves. In various cases, such as when the values are different, the displacement vector can be observed with high accuracy. In other words, the same number of independent waves as the number of unknown displacement vector components with different deflection angles and frequencies are generated as in the multidimensional autocorrelation method, multidimensional Doppler method, multidimensional cross spectrum phase gradient method, etc. Displacement vector can be observed with high accuracy. Further, particularly when a wideband wave is generated in the horizontal direction, frequency division of the spectrum may be performed similarly to those other measurement methods, and the same number of independent pseudo waves as the unknown displacement vector components may be generated, It is also effective to remove the low frequency spectrum in the horizontal direction and increase the frequency in the horizontal direction, especially when a wide band wave is generated in the horizontal direction. Can be processed similarly). In addition, through processing such as generating a plurality of waves or dividing the spectrum into frequencies, an independent wave or a pseudo wave that is larger than the number of unknown displacement components is generated, and an over-determined system for the unknown displacement vector in the observation coordinate system is generated. It can also be generated and solved (pseudo waves can be processed in the same way as if they were generated directly). In some cases, a process of generating a plurality of waves or frequency-dividing a spectrum is performed at the same time (a pseudo wave can be processed in the same manner as when a wave is directly generated). To widen the waves, it is effective to generate a plurality of waves having different frequencies and deflection angles at the same time, or to generate a plurality of waves at different times even in the simultaneous phase and to perform coherent addition (superposition). In the over-detrmined system, it is useful to use the weighted least squares method such as paragraph 0391 and paragraph 0392 and various optimization methods described in the present application. The invention is not limited to these. In their optimum, the phase matching described in paragraph 0416 is effective. In this case, the phase matching may be performed by applying a coarse measurement result obtained in the observation coordinate system to a system relating to an unknown updated displacement vector in the observation coordinate system, or from a similar coarse measurement result in the form of a coarse coordinate in a pseudo coordinate axis direction. The displacement component may be obtained and applied to a system relating to the update displacement in the pseudo coordinate axis direction. When optimization is not performed, a similar coarse measurement result is obtained by demodulation in the observation coordinate system based on an old phase matching method (Patent Document 6 and Non-Patent Document 15). Displacement vector) may be added, or a coarse displacement component in the pseudo coordinate axis direction may be obtained from the same coarse measurement result and processed in addition to the update displacement in the pseudo coordinate axis direction. It may be processed in other modified ways. In addition to a method of obtaining a multidimensional analysis signal through Fourier transform (Non-Patent Document 13 and the like), an approximate processing method of Hilbert transform using differential processing described in paragraphs 0506 to 0508 is also useful. Although the case where the complex autocorrelation signal is used has been mainly described, a complex signal derived based on the multidimensional Doppler method can be used as described above (representing the relationship between the instantaneous frequency and the instantaneous phase difference), and <2> The same processing can be performed when the nonlinear signal processing of <3> or <3> is performed.

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。本発明は、他の処理方法と同じく超音波以外の波動にも適用できる。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、本願の発明者は、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. The present invention can be applied to waves other than ultrasonic waves as in other processing methods. If the band of the signal component calculated and generated by the present invention overlaps with the band of another signal, the two cannot be separated in the frequency domain. In that case, the pulse inversion method or the separation of multidimensional terms is used, but the inventor of the present application has previously reported that the spectrum in the superimposed state is handled or divided and processed. (See Non-Patent Document 30). In the present invention, as another method for accurately separating waves, including a case where spectra are superimposed, in order to obtain an effect of separating the waves in a frequency space, a non-linear process is performed on the superposed waves as a nonlinear process. In a situation where a multiplication operation is performed and the band is widened and represented as a harmonic, separation may be performed in a frequency space. Conversely, a high-frequency signal may be reduced in frequency, or a wide-band signal may be narrowed, displayed, or handled. After high-frequency and widening (when the order is greater than 1) or low-frequency and narrowing (when the order is less than 1) by a power operation, processing is performed with high precision in the frequency domain. May be asked. The propagation direction of the wave can be determined from the center of gravity of the generated harmonic spectrum (local direction, that is, with spatial resolution, or macroscopic and low spatial resolution, or no), or from the analysis signal to the instantaneous frequency ( (It has a spatial resolution) and can be calculated. Using the order of the implemented power, other parameters of the wave such as the frequency and bandwidth of the original wave can be calculated back and restored in a separated state (power order using restoration of the separated signal is also used) It is easy to raise to the reciprocal of.). Even in such cases, the position and arrival direction of the signal source, 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. For this reason, the zero-filling of the spectrum is effective without approximation (see Non-Patent Document 30), but the sampling interval may be shortened in space-time directly 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, it is also possible to generate a nonlinear signal by applying the nonlinear calculation of the present invention or such a simulation technique to an unbeam-formed signal (such as a plane wave) or an echo signal for aperture synthesis. Further, based on 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 an ultrasonic wave, a sound velocity, a bulk modulus, an acoustic impedance, a reflection, a Rayleigh scattering, a back scattering, a multiple scattering, or an attenuation is evaluated as a tissue property of a living body, and is applied to a diagnosis. Sometimes. For other waves, 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 or heating, it is necessary to clarify the heat receiving characteristics of the target (for example, the characteristics with respect to the sound pressure of high-intensity ultrasonic waves and the effect of a contrast agent) and the characteristics of temperature rise. In some cases, a comprehensive understanding is required or it is necessary to understand on site. In such a case, the calculation including the nonlinear calculation is effective. In treatment, it is useful to evaluate and apply the effect based on the imaging of the non-linear effect according to the present invention. Alternatively, the present invention can be used to perform echo imaging or tissue displacement measurement on a received signal physically subjected to a nonlinear effect, a separated baseband signal, and a plurality of harmonics.

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計測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。   The present invention is not limited to ultrasonic waves, and includes electromagnetic waves, light, radiation, mechanical vibration, sound waves other than ultrasonic waves, and non-linear operations such as multiplication and exponentiation of coherent signals of arbitrary waves such as heat waves. The present invention relates to a measurement / imaging apparatus for increasing the frequency, increasing the bandwidth, or increasing the contrast of a signal by performing the following. According to the present invention, a harmonic signal can be enhanced, simulated, or newly generated. Further, 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 any direction of a harmonic signal with a smaller amount of calculation than in a normal detection process. As a result, for example, higher frequency and wider band, higher contrast, or suppression of side lobes can be achieved, and nonlinear imaging with a high SN ratio can be performed. Further, the displacement vector can be easily measured with a small amount of calculation by using a normal one-way displacement measurement method. From the viewpoint of generating chords, difference tones, overtones, etc., high-frequency signals and low-frequency signals can be obtained, even when the frequencies of waves, beams, carrier frequencies, steering directions, or propagation directions are different. Yes, these may be used effectively for imaging and metrology. Through theory or calculation, waves and beams generated by not only linear effects but also non-linear effects can be designed (wave and beam parameters such as the propagation direction) and controlled.

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, a coherent signal is subjected to various types of detection (including one that simply takes the absolute value of a waveform, etc.), and an incoherent signal (result display is an image) is used to detect motion. It is well known that observations are made. Cross-correlation processing, optical flow, or a method based on the SAD (Sum and Difference) method may be used. Further, even when the present invention is applied to an incoherent signal, a wider band (higher resolution) can be obtained. The above high-resolution detection signal obtained by the present invention can also be used. The situation where the data density has increased through the increase in bandwidth is suitable for such processing, and the accuracy of motion measurement is also improved. The above method can be applied to a coherent signal, and the widening of the bandwidth is effective for improving the 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 any medical object performed using waves (laser, ultrasonic wave, or focused high intensity ultrasonic wave), cancer in medical treatment In heating or cryotherapy of a lesion or the like, or washing an arbitrary object (such as eyeglasses), the effects can be enhanced through non-linear phenomena, high resolution can be achieved, and the effects can be predicted (for example, strong The effect can be improved through the exponential effect at the time of heating using a sound wave or the effect of multiplication as well as the addition when the effect is enhanced using a cross beam.

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 high-intensity ultrasonic waves, harmonics are generated by the non-linear effect of the tissue, and since it is a high frequency wave, its heat energy has a strong absorption effect, so the heat generation in the tissue can be easily understood and predicted. It is also possible. In this respect, transmitting a high-frequency signal, transmitting a broadband signal, transmitting a harmonic, generating a superimposed beam, or generating a cross beam is effective for treatment. Yes, it is easy to understand and predict. Specifically, a sound field can be simulated, or in a system capable of obtaining a received signal, the sound pressure shape and the point spread function can be estimated based on the evaluation of the autocorrelation function, and can be directly performed. It is also effective to perform a non-linear operation on the fundamental wave signal, as long as the evaluation can be performed on the harmonic 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。   Further, the present invention provides a method for obtaining a nonlinear effect under physical conditions in which a nonlinear effect cannot be physically obtained (for example, when the intensity cannot be increased with respect to a measurement target, or when a high intensity cannot be obtained due to a high frequency). It is also effective. Conversely, for example, during ultrasonic echo imaging, displacement measurement, or treatment, the present invention can be carried out under a condition in which a non-linear effect is enhanced using a contrast agent such as a microbubble. Although the tissue may be targeted in a state where the tissue is permeated, it is also suitable for measurement and imaging of blood in blood vessels and heart chambers. That is, the present invention can enhance, simulate, or generate new nonlinear effects. Further, 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。   Further, when a high-frequency signal that cannot be realized by a single signal source is generated, higher-resolution imaging and higher-accuracy Doppler measurement can be performed. Normally, the effect of attenuation is strong against high-frequency components. For example, in a microscope that is easily affected by attenuation, it is preferable that observation can be performed at a high frequency as deep as possible. For example, when a plurality of 100 MHz ultrasonic transducers are used, ultrasonic waves that are physically as many as the number of ultrasonic transducers can be generated, and a high frequency that cannot be generated by a normal transducer can be realized. In addition, a high-frequency signal (chord) can be simply generated. According to the present invention, such a high frequency can be realized by calculation. Therefore, according to the present invention, high-frequency waves and signals that cannot be physically realized can be generated. Similarly, measurement using low-frequency imaging and low-frequency signals (for example, difference sound) can be realized. It is also possible to generate a low-frequency signal that cannot be physically realized by a single signal source. These signals can also be realized theoretically or on an arithmetic basis 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。   Hereinafter, 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 ultrasonic simulations and agar phantom experiments. The present invention can be applied to any signal other than the ultrasonic echo method (a familiar one such as laser, light wave, OCT, electricity, magnetic field signal, radiation such as X-ray, and heat wave) and between different signals. It is. This applies 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。   Non-Patent Document 30 discloses an agar phantom for aperture surface synthesis echo data (linear array probe, 7.5 MHz) with beamforming in the front direction and horizontal modulation of 3.5 MHz in the horizontal direction. The above <1> to <3> were performed using the respective echo signals at the time of performing the above.

図53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53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53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53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. 53 is a diagram showing a change in the spectrum of an echo signal according to an embodiment of the present invention. In FIG. 53, the horizontal axis indicates the horizontal frequency [MHz], and the vertical axis indicates the depth frequency [MHz]. In FIG. 53, (a1) and (a2) show the spectrum of the original echo signal and the spectrum of the square of the echo signal, respectively, without 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 during the transverse modulation. Each is shown. (C) shows the spectrum of the product of the cross steering beam echo signals. From FIG. 53, the spectrum of each signal derived by the above theory can be confirmed. For each echo signal, the second harmonic spectrum is generated as a result of squaring or multiplication, and its bandwidth is wider than the original spectrum.

図54A〜図54C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54A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54B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54C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。   FIGS. 54A to 54C 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. 54A shows a comparison between the autocorrelation function of the original echo signal and the autocorrelation function of the second harmonic obtained by squaring the echo signal without steering. FIG. 54B shows a comparison between the autocorrelation function of the original transversely modulated echo signal and the autocorrelation function of the second harmonic by squaring the transversely modulated echo signal during the transverse modulation. FIG. 54C shows the autocorrelation function of the transverse component and the depth component for the product of the cross beam echo signals and the square of the transverse modulated 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 depth of 19.1 mm at the center of the region of interest). Although omitted here, if a two-dimensional autocorrelation function is obtained for this two-dimensional echo signal, the two-dimensional distribution of the sound pressure and the point spread function can be estimated. Find a function.

図55〜図57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。   FIG. 55 to FIG. 57 are diagrams illustrating a change in a B-mode echo image according to an embodiment of the present invention. The depth of these echo images is 10.0 mm to 28.1 mm, and the width is 20.7 mm. In the agar phantom, a cylindrical nail (diameter: 10 mm) having a shear modulus of about 3.29 times higher than that of the surroundings exists around a depth of 19 mm.

図55〜図57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。   55 to 57, (a1), (a2), and (a3) show the echo image based on the original echo signal, the echo image based on the baseband signal, and the echo signal in the case without steering. The echo images based on the second harmonic by the square are shown respectively. When there are two images on the left and right, the image on the left is based on envelope detection, and the image on the right 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) show an echo image based on the original horizontal modulation echo signal, an echo image based on the base banded signal, and a horizontal image during the horizontal modulation. An echo image based on the second harmonic by squaring the directionally modulated echo signal, an echo image based on the transverse component of the second harmonic by squaring the transversely modulated echo signal, and an echo image based on the square of the transversely modulated echo signal. Each echo image is shown based on the depth direction component of the second harmonic.

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。   (C1) and (c2) respectively show an echo image based on a lateral component and an echo image based on a depth component of a second harmonic generated by a product of cross beam echo signals. In the case where a plurality of waves exist, detection of superposition of coherent signals has also been reported in the past, but here, the result of superposition of each detected signal is shown.

図53に示すスペクトルの広帯域化に対応して、図54A〜図54C及び図55〜図57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54A〜図54C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55〜図57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 FIGS. 54A to 54C and FIGS. 55 to 57 that the spatial resolution has been 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 spectrum of the extremely low frequency in the depth direction or the horizontal direction is removed by filtering or the like, high or low luminance lines (vertical stripes) running in the vertical direction can be completely removed (illustration shown). Is omitted). From FIG. 54A to FIG. 54C, it can be confirmed that the side lobe has been lowered. Correspondingly, the effect of increasing the contrast can be confirmed from FIGS. 55 to 57 (note the strong scatterers and the like). Since the attenuation of the original echo signal has not been corrected, the image obtained from the processed signal has a shallower signal intensity at a deep position than the original signal image as a result of an increase in contrast due to uncorrection. 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 the 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. Then, the coherent signal is subjected to nonlinear processing, or the coherent signal or the incoherent signal is corrected after the nonlinear processing. The correction processing itself may be performed mainly on the basis of signal strength before or after reception beamforming or after imaging as in the case of 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 that case, an average attenuation coefficient may be used, but the attenuation coefficient at each position on the path of the wave or beam is calculated by the signal processing or inverse analysis in the arithmetic unit 130, and the correction is performed with high accuracy. May be 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 the receiver 122, the amplifier or attenuator in the filter / gain adjustment unit 123 or 125, the amplifier, attenuator or digital processing in the reception beamformer 129, or the analog or digital processing in the arithmetic unit 130. Will be In the transmitter 121, the intensity of the transmitted beam or wave may be adjusted. Further, an amplifier or an attenuator may be used as the action device 112, and the intensity of the wave itself may be adjusted. Care must be taken because the contrast agent 1a greatly affects those decisions.

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、本願の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54C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 transverse modulation echo signal in the above experiment, the transversely detected spectrum and the second harmonic of the two signals of the second harmonic detected in different directions. Because of the overlap of the waves, the inventor of the present application split the spectrum by eye. The result was compared with the result of multiplication (<3>) of two waves of the transverse modulation echo signal in the autocorrelation function (see FIG. 54C). 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58に示す。   In addition to these experiments, displacement vector measurement, strain tensor measurement, and shear modulus reconstruction were performed using a multidimensional autocorrelation method. FIG. 58 shows the results of displacement measurement in each direction using two of the second harmonic signals detected in only one different direction in <3>.

図58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58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. 58 is a diagram showing images 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. 58, the average value and the variation (in parentheses) evaluated at the center of the nail are also shown. Strain variation in the tended to noise is increased as compared to the results obtained by performing the digital demodulation in the same lateral modulated echo data (lateral direction (y) is, 9.52 × 10 from 3.08 × 10 -3 −3 ), the spatial resolution was doubled, and as a result of regularization of the shear modulus reconstruction, the precision was 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-superimposed state. May be superimposed on each other. Further, as described above, non-linear processing may be performed on a raw received signal that has not been subjected to beamforming (such as a case of only transmission beamforming or a case of aperture plane synthesis). A plurality of waves or beams generated under the same wave and beamforming parameters may be processed, but waves and 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
但し、Hp(ωx,ωy,ωz)とG(ωx,ωy,ωz)の各々は、処理対象の信号と目標の信号のスペクトルである。
のノルムに重み付けした
但し、PWpn(ωx,ωy,ωz)とPWps(ωx,ωy,ωz)は、各々、ノイズと信号のパワースペクトラムである。qは任意の正値である。
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-described linear model is effective, and the super-resolution may be used for a plurality of such 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 superimposed state. In some cases, both are mixed and processed. In some cases, noise reduction is performed by superimposing (averaging) under the same parameter. Significantly higher spatial resolution can be achieved for the original signal (including harmonics). Although various super-resolutions are described, for example, as described in paragraph 0363, when inverse filtering is performed using a target point spread function or a spectrum of a signal distribution such as an echo distribution as a target, the description is made in paragraphs 0390 to 0415. As described along with the displacement measurement, weighting can be performed by applying a Wiener filter for imaging the signal itself. Among them, for example, the Wiener filter used in Expression (A12 ′) or Expression (A13 ′) is used. If the underlying weights (excluding the square norm of the first signal spectrum) are used, the inverse filter
However, each of Hp (ωx, ωy, ωz) and G (ωx, ωy, ωz) is the spectrum of the signal to be processed and the target signal.
Weighted the norm of
Here, PWpn (ωx, ωy, ωz) and PWps (ωx, ωy, ωz) are the power spectrum of noise and signal, respectively. q is an arbitrary positive value.
What is necessary is just to process using. In other super-resolution modes in the linear model described above, it is possible to similarly apply a Wiener filter to suppress noise amplification. Without using a Wiener filter, in the case of applying the norm itself (AA1), the signal spectrum Hp (ωx, ωy, ωz) ε norm of (maximum norm or L 2 norm, L 1 norm, etc.) (<1) times The processing of only the spectrum of the frequency having the above-mentioned spectrum may be performed (the spectrum of the other frequencies is set to zero). In these, irregularly, instead of the norm of (AA1), (AA1) itself may be used, and the phase may be matched. In that case, Gp (ωx, ωy, ωz) often has phase information of the measurement target.
In addition, these weighting processes may be performed in blind deconvolution. In addition, a case where whitening is performed by inverse filtering using a separately obtained point spread function or system transfer function, a case where the point spread function or the system transfer function is conjugated, or a case where the conjugate of the formula (AA1) is multiplied is included. These weighting processes are also useful before or after beamforming (in a state of only transmission beamforming or a received signal acquired for aperture synthesis). In particular, regularization may be performed in inverse filtering. Also, 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 above-described non-linear processing may be performed on a signal that has been subjected to super-resolution under such a linear model. Further, higher resolution and higher contrast can be realized. As a result of the super-resolution obtained under the linear model, the original (including the case of harmonics, the same shall apply hereinafter) signals are super-resolved, and those super- The objects to be processed include those that exist and are superimposed, that are super-resolved by superposing a plurality of originals, that are processed by mixing them, and the like. In some cases, there are a plurality of original signals, each of which is super-resolution under a linear model, and is 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, a signal subjected to nonlinear processing may be subjected to super-resolution performed by a linear model. Although the resolution is increased, the contrast may be reduced. As a result of the super-resolution obtained by the non-linear processing, the original (including harmonic) signals are super-resolved, and a plurality of those super-resolution signals are present and superimposed. A processed object, a super-resolution image obtained by superimposing a plurality of originals, a processed image obtained by mixing the original images, and the like are processed. In some cases, 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 applied to each of them 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、波動源や観測対象(組織等)内の散乱体や反射体や回折源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(グレースケール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、通常のグレースケール画像やドプラ画像、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。回折源が対象となることもある。
It should be noted that, when the non-linear processing is performed on a plurality of signals (signals representing a beam or a wave, not limited to a fundamental wave and may be harmonics) at the same position of interest, the directivity of the aperture and the If the strength of the original signal itself before processing is different due to the effects of scattering or attenuation (including the case depending on frequency) on the target, the difference may be emphasized. When generated, it may be noticeable. This difference may be positively imaged or quantitatively confirmed in a spectral image (these frequency characteristics may be emphasized and confirmed in some cases). On the other hand, in order to reduce the difference and perform imaging, before or after the non-linear processing, a process of weighting the energy of a signal or a spectrum of a specific frequency may be performed to perform imaging. The signals may be superimposed and imaged. Note that 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. Of course, regardless of whether or not nonlinear processing is performed, weighting may be performed in the same manner during linear superposition processing.
In addition, the signal intensity becomes weaker in the distance direction due to the influence of attenuation and reflection / scattering in the propagation process. However, for example, the degree of attenuation of a plane wave is weaker than at the time of focusing. When nonlinear processing is performed, the effect is emphasized as the order increases. 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 the detection.
There are various other types of super-resolution, and at least one of the methods may be used in combination, applied to the same or different signals, and coherently added for use. As described above, it may be applied to the superimposed signal. In addition, they may be added incoherently, and speckle may be reduced. As described above, incoherent addition through super-resolution may not reduce the spatial resolution.
In addition, in each of these super-resolution processes, spatially non-uniform addition may be performed depending on the signal intensity, the SN ratio, and the spatial resolution. That is, the parameters of each method may be variable depending on those at each position. As described above, when the spectrum is processed, for example, in the case of the non-linear processing, the order of the power, the number of times of multiplication, and the like are used. In addition, when adding a coherent signal or an incoherent signal, the number of additions, a weight value, and the like are used. Of course, it may be spatially uniform.
As an effect of high contrast by nonlinear processing, scatterers, reflectors, and diffraction sources in a wave source or an observation target (tissue, etc.) may be remarkably well visualized. Is increased, an effect may be obtained in which the difference in signal intensity (luminance when converted to a grayscale image) becomes significant. 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 displayed by being superimposed on a normal grayscale image, a Doppler image, a power Doppler image, a contrast image, or the like. The processing may be performed after the intensity of the signal distribution is corrected. For example, a non-linear process is performed after correcting the signal received from the region of interest (before or after detection) to spatially uniform the intensity, and the scattered intensity distribution and the scattered intensity of a plurality of scatterers, or the reflected intensity distribution, The level of the 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. In addition to the focus beam and aperture plane synthesis, if a plane wave, a spherical wave, or a cylindrical wave is used, the spatial resolution is low, and even in such a case, various super-resolutions including non-linear processing are useful, In particular, when a non-linear process is performed, a scattered wave or a reflected wave may be remarkably visualized at the generation position. For example, when these cross waves are generated, a cross-shaped waveform is displayed as a scattered wave with the cross-shaped waveform highlighted at the scatterer position. Diffraction sources may be of interest.

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, the exponentiation and multiplication of the point spread function when using a concave aperture HIFU applicator (simulation, frequency 5 MHz, aperture diameter 12 mm, focal depth 30 mm) were calculated. . As described above, this type of calculation is effective in considering the heating effect. By collecting experimental data, it is possible to formulate the relationship between sound pressure (point spread function), sound pressure of harmonics, 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59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59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3.8×12.8mm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。このように、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。これより、言うまでもなく基本波と高調波の吸収による発熱を評価することができる。発熱を増強するべく、上記の通り、マイクロバブルを用いたり、また、HIFUそのもので積極的にキャビテーションを生成し、非線形効果を増強し、高調波を積極的に生成することもある。HIFUアプリケータとしては、凹型の他、様々な開口形状のものを使用でき、また、開口がアレイ素子で構成されている場合もあり、各々を独立に駆動して送信ビームフォーミングできる場合もある。適切なアプリケータのパラメータ(構造で決まる送信重心周波数や送信帯域幅や、素子の形状や大きさや数や、アレイの構成や形状等)や波動パラメータ(連続波であるかバースト波であるかパルス波であるかや、連続波の長さやバースト波やパルス波の長さや形状や、ビーム幅やビーム形状や、重心周波数や時空間に対する帯域幅や周波数応答やスペクトル等)や送信ビームフォーミングパラメータ(照射強度やアポダイゼーションやフォーカス位置やステアリング方向や照射時間や照射時間間隔等)の下で、所望するHIFU照射が行われる(最適化されたパラメータが使用されることもある)。
本願の発明者は、治療や修復対象の領域やそれらを含む領域の温度の空間分布や時間変化の観測に基づき、それらの領域の熱物性(熱容量や熱伝導率、又は、熱拡散率)の分布を再構成することを可能としており、その際に灌流や熱源を共に再構成することも可能にしてある(Pennes方程式や拡散方程式等における熱逆問題、特許文献10や非特許文献44や段落0377、0378、0380、0423等参照)。これより、HIFUの治療計画を立てることが可能になる。治療用のHIFU照射毎に、又は、繰り返しの連続照射の前に、強度を弱くしたHIFU照射によって得られる受信信号から温度を測り、それらの再構成を行うこともあるし、治療用のHIFU照射そのものに対する強度の強い受信信号から同様に温度計測と再構成を行うことがある(上記の位相収差補正法により、温度に依存した音速変化により生じる受信信号の位相収差を補正することは重要であるが、深部の部位から浅い部位の方向へ処置していくことも有用である)。温度観測の下で、適宜、又は、逐次、それらの再構成を行い、次に照射する、若しくは、次の繰り返しの連続照射のHIFUのパラメータ(加熱・焦点位置やHIFU圧形状、照射時間等)を決定するものである。
その場合に、例えば、以下の手順に従うことがある。
(1)熱物性分布を再構成し(熱源や灌流の分布を同時に再構成することもある)、所望する温度分布を生成する熱源Qの分布を計算: そのときに観測されている温度分布データを用いると共に、そのときの所望する温度分布を生成するための温度の時間変化率(温度の時間微分に該当、数値計算上は差分近似や時間要素的な補間近似)の分布を設定し、Pennes方程式において熱源Qの分布を求める。Pennes方程式には様々な表記方法があるが、ここでは以下の様に表す。
ρC(dT/dt)= ∇T ・∇k + k∇2T + P + Q (HIFUQ0)
又は、
dT/dt= ∇T ・∇κ + κ∇2T + P + Q (HIFUQ0')
但し、Tは組織の温度、ρは密度、Cは熱容量、kは熱伝導率、κは熱拡散率、Pは灌流項、Qは熱源である。(HIFUQ0')は、(HIFUQ0)を近似して未知物性の数を減らした式(熱容量と熱伝導率を近似的に集約して熱拡散率で表した式)であり、計算量は減るが、精度は低下する。灌流項Pは、末梢血管においてwb・cb(T - Tb)と表され、wbとcbとTbは、各々、血液の灌流係数(血流速度に依存)、血液の比熱、血液の温度である。一般的に、末梢血管にて用いられる式であるが、本願の発明者は、Pそのものを再構成することにより、太い血管による灌流効果も表すことを可能にし、何れの場合においてもwb・cbも再構成することを可能にしている。血流速度を観測して、wbを推定した場合には、cbを推定できる。
ここでは、灌流は、変化なしと仮定する、若しくは、灌流係数は、再構成値を用いたり、観測された血流速度を用いて最新の値に更新する。ちなみに、止血(HIFU照射により血管を閉塞したりクランプを用いる等)した状態における観測温度データを用いるときには灌流項を無視でき、加熱を休止した状態の観測温度分布データを用いるときには熱源の項を無視でき、そのときに必要な熱物性や熱量を少ない計算で再構成することもある。熱源データのみを得たい場合には、短時間のHIFU照射を行って、熱伝達の生じる前の温度の時間変化と熱容量の積を計算して求めても良い。
(2)熱物性の分布と共に再構成される熱源Q0の分布に対し、HIFU装置の設定電力とHIFU強度との校正データ(音響又は光学ベースのハイドロフォン等で生成)を用いて、供給電力Wを決定: そのときのHIFUの吸収係数αは、次の照射までの間に変化しないと仮定したり(一定のままとする場合もある)、組織の種類や状態やHIFU強度Iに対してαに関して予め備えたデータを用い、各関心位置において、
Q0=αI0(I0はQ0を実現するHIFU強度) (HIFUQ1)
より、αのデータを基に直接的に所望するQ0を生成することがある。
若しくは、所望するQを実現するべく、
Q=α'I(α'はQを生成する際の吸収係数、IはQを実現するためのHIFU強度) (HIFUQ2)
とすると、
Q/Q0=(α'I)/(αI0) (HIFUQ3)
α'=αの場合には、Q/Q0=I/I0 (HIFUQ3')
であり、I0に対してIを見積もることができる。HIFU装置の上記校正データに基づいて、I0を実現した供給電力W0に対し、Iを実現するためのWを決定できる。α'=αと仮定した場合には、αに関するデータを要さない。それらの計算においては、高調波生成分の発熱寄与を含む見積もりが行われることを想定したが、その限りでは無い。例えば、基本波であるI0又はIにより生じる高調波成分I0''又はI''を、観測されたそれらとW0又はWの下で参照物質(水やファントム)にて観測された基本波や高調波成分との比較(それらの互いの差や相対値等)により評価し、基本波と高調波の各々のために予め備えられたαやα''(高調波の強度や組織の種類や状態に依存したり、一定のままとする場合もあり、また、α''=α等とすることもある)を(HIFUQ1)から(HIFUQ3')のαやα'の代わりに用い、基本波と高調波の各々の強度とそれらが生成する熱源との関係を表せる状況において、所望するトータルの熱源を生成する供給電力を決定することもある。
尚、それらの受信を可能にする受信機能を設けて、受信信号の多次元自己相関関数を評価すると、生成されたHIFU圧形状(正規化された波の形状)を推定することも可能であり、上記の高調波の音圧形状を推定したり、上記のHIFU照射装置の電力と生成されるHIFU強度との校正データに基づいて、生成されたHIFUを推定することが可能になる。つまり、上記の非線形演算により推定できる、基本波と高調波の音圧波形の関係を使用できる。また、HIFUの受信信号を受信できれば、パルスインバージョン法やフィルタリングにより基本波と高調波とを分離でき、実際に生成されたそれらのHIFU圧形状の精度を向上させることができ、さらに、それらの受信信号の強度を用いて、それらの音圧強度の精度を向上させることもできる。受信センサーは、HIFU照射に対する透過波(脱気水や未脱気の水等が使用される)やエコー(反射板や反射体が焦点位置を代表として様々な位置に設置されることがあるし、反射板においては様々な方向に向けて観測することも有り、また、散乱体が分布を成す媒体に対して観測されることがある)に対して、専用に受信を可能とするものが使用されたり、HIFUアプリケータそのものが受信センサーを兼ねる場合がある(放射圧イメージングに使用される放射圧を扱う場合も同様である)。受信センサーは、圧形状(圧分布)までを観測又は推定する場合には、アレイ型であったり、機械走査を行う必要があるが、焦点位置等の特定の位置における強度を測りたい場合には、必ずしもアレイ型では無く単一開口のものでも良い。受信センサーの受信音圧に対する電圧への変換効率やその帯域や周波数特性に合わせて、受信センサーが波動を受信する手前のいずれかの場所において適切な減衰材等の介在物(散乱特性を有する場合もあるし、有しない場合もある)が使用されたり(減衰材が受信センサーに脱着可能であることもある)、受信後において減衰回路(方向性結合器や減衰域)が使用されて、適切に受信されて使用されたり、センサーや減衰器の周波数特性を用いて補正した上で使用されたりする(全伝搬過程における減衰や散乱による強度の減衰を補正することが望ましく、段落0385に記載の如く、時空間又は周波数領域においてデコンボリューション又は逆フィルタリング等を行う)。つまり、受信信号から音圧や強度を求めるべく、そのための補正(又は校正)データを用意しておく必要が有るが、例えば、下記の実施例においては、直接に音圧や強度までを求める必要が無いこともある(特に、受信信号と観測対象の音圧とが比例の関係のあるレンジであれば、校正データは必要ない)。現在に実用化されているHIFU等の高強度超音波のハイドロフォンはニードル型が多く、観測可能な音圧(又は強度)が低いが(例えば、数百kHzから数十MHzの周波数において、数kPaから十数MPaまで)、光ファイバー型は比較して広帯域で観測可能な音圧(又は強度)が高い(例えば、数kHz〜150MHzにおいて、数MPaから500MPaまで)。従って、観測する音圧(又は強度)や周波数等に関して、それらを相補的又は重ねて(平均処理等)用いることもある。また、ハイドロフォンは、これらに限られず、同様に併用されることがある。また、ハイドロフォンに指向性(回折限界)があることに対して、使用する単一又は複数のハイドロフォンの設置位置を変えたり、高い感度方向(メインローブの方向)を異なる方向に向けて観測したりし、観測信号を補正(デコンボリューションや逆フィルタリング等)したりすることがある。本発明においては、ハイドロフォンを使用すると共に、上記の如くにHIFU照射時の透過波又はエコー信号を上記の受信デバイスを使用して受信を行い、ハイドロフォンにより観測可能な周波数において、音圧(振幅又は実効値)、電力、音の強度、エネルギー、又は、単位面積当たりのエネルギー等に対する、それら受信信号の強度(振幅又は実効値)、電力、又は、エネルギー等に関する校正データを予め得ておくことによって、ハイドロフォンでは観測できない定格外の低い音圧又は高い音圧、低い強度又は高い強度、又は、帯域外の音圧又は強度等を、同受信デバイスで受信した信号を同校正データを用いて校正して観測又は推定することが可能である。尚、その校正データを得るにあたり、極力に観測対象のHIFU信号の周波数特性に近いハイドロフォンを使用することに心掛け、さらに、上記の通り余すことなく波動を受信できる適切な周波数特性を持つ受信センサーや受信回路(つまり、受信デバイス)を使用し、ハイドロフォンの受信信号に対してはハイドロフォンの特性(周波数特性や指向性、つまり、時空間の周波数特性)をデコンボリューション又は逆フィルタリングして補正することが望ましい(受信デバイスに関しても必要が有れば同様に補正する)。その際に、上記の如くに伝搬過程における減衰や散乱による強度の減衰を同様に補正することは有用である。例えば、光ファイバー型はニードル型やカプセル型等に比べて高価であり、代りにHIFU照射時の上記の受信デバイスを備えることにより、その様な観測又は推定が可能となり、重宝することがある。本発明により、実現されている、又は、ユーザーの所有しているハイドロフォンのスペック外にて、様々なHIFUアプリケータや駆動装置を含めた特性を測ることが可能である(HIFU治療において500W/cmから5,000W/cmのHIFU強度が使用されるのに対し、典型的なニードル型の場合では、例えば、約80〜500W/cmより低い強度しか測れないことがある)。これを応用し、単にHIFUアプリケータの特性を測るだけで無く、例えば、上記の加熱治療時における供給電力Wを決めるためのHIFU装置の設定電力と実現したいHIFU強度との校正データを得ることができる。また、実際の治療時のその場において、適宜、同様に校正することも可能である。また、観測する音圧や強度がハイドロフォンの定格を超える場合においては、本発明では、上記の受信センサーと同様に、ハイドロフォンによる波動の受信においても減衰材を備え、観測信号を同様に処理することがある(例えば、減衰材はハイドロフォンによる受信の手前のいずれかの場所において適切に使用でき、ハイドロフォンの受信部分に脱着できることもあり、また、受信後に減衰材の特性を用いて補正したりすることがある)。無論、ハイドロフォン以外の上記受信デバイスを要さない場合もあるし、併用する場合もある。また、ハイドロフォンの帯域外の周波数を持つ場合は、同一又は異なる周波数の波動を生成して混合し(実時間で重ね合わせて、冪乗や乗算の効果を得る)、高周波化又は低周波化したものを観測して評価すれば良い。上記受信デバイスの帯域外の周波数の波動を受信する場合も同様である。尚、ここでは、理解しやすい様に、音圧や強度やエネルギー等に対する、受信信号の大きさや電力やエネルギー等に関する校正について、強度と周波数(帯域)について注目して説明したが、HIFUの他の波動パラメータ(波動の形状や帯域形状等)や送信ビームフォーミングパラメータに注目して校正データを生成し、使用することもある。波動パラメータや送信ビームフォーミングパラメータの内の少なくとも2つが同時に校正されることもある(構造の同一又は異なる複数のアプリケータが使用される場合もある)。また、ここではHIFUや放射圧を観測する場合について詳細に記載したが、観測(測定やイメージング)に用いるセンサーの特性を観測する場合においても、同様にハイドロフォンや受信デバイスを使用して実施できる(ハイドロフォンには高感度の膜型のものもあるが、上記のHIFU用よ同様にニードル型やカプセル型等の型も有り、また、これらに限られない)。また、ここでは波動が超音波の場合に関して記載したが、波動が可聴音波(ハイドロフォンやマイクを使用)や電磁波や熱波である場合も同様である。水を用いる場合には、水中に含まれる気体の量を観測する場合があり、超音波の伝搬特性を測ったり、光超音波のスペクトル解析や伝搬特性が測られて、予め得てある校正データを用いて求められることがある(本例は、媒体の組成の観測例の一つであり、他の物質や分子や原子を対象にして同様に観測されることもある)。
これらの観測を併用したり、又は、別の方法として、Pennes方程式内の熱源に関して、その推定されるHIFU圧形状データを用い、HIFUの強度だけを変数として求めることも有用である(HIFU圧形状にかかる定数を変数とする)。
尚、上記の治療中の治療計画の他、治療を実施する前に、予め計測しておいた熱物性を用いて治療計画を立てることもある。熱物性の典型値を使用することもある。また、上記の再構成において、灌流を熱源と等価的に扱ったり、熱源と結合して1つの変数として処理することもある(計算量が減る)。熱物性の再構成において求める物性やそれらの熱量を含めて複数個存在する場合にMAP推定を行う場合には、力学再構成(特許文献9: 軟組織が弾性体にモデル化される場合、例えば、運動方程式ραi=pδij+2Gεij+Sにおいて、加速度αiと歪テンソルεijの分布を観測し、ずり弾性率Gや密度ρ、平均垂直応力(圧力)p、力源S、慣性項ραi等が再構成対象、また、軟組織が粘弾性体にモデル化される場合(未知粘弾性係数と歪率テンソルの積の項が加わる)や血液が流体にモデル化(ナビエ・ストークス方程式が扱われる)される場合においても、歪率テンソルが観測されて、粘弾性率や粘性が再構成対象となる)の場合と同様、各々の再構成対象が異なる正則化パラメータを用いて同時に正則化されるのと同様に、各々の再構成対象が同時にMAP推定される(有限差分法や有限要素法等の数値計算法により離散化されて段落0417に示される方程式Ax=bにおいて、行列Aの逆を両辺に施して未知ベクトルxを求めるにあたり、未知ベクトルxが複数の未知物性の分布又は未知物理量の分布を含む場合に、xの部分ベクトルとして表される各再構成対象そのもの又は勾配又はラプラシアンの分布の共分散行列と期待値の成分(各々の事前確立priorを表す)は、各再構成対象の分布において、a posterioriにアンサンブル平均処理したり(つまり、複数のサンプルデータを得て処理)、局所の定常過程の仮定の下で最小自乗解や最尤推定の解に加算平均処理を施して推定でき、また、定数ベクトルbの共分散行列はアンサンブル平均又は局所定常過程の仮定の下で加算平均処理を施して推定でき、(LM1)式で表される方程式に対して表される(MAP2)式と同様に解くことができる)。一般的に、温度が50℃より低ければ熱物性や吸収係数αは変化しないとされ、その温度域や適切な温度域ではそれらを一定として再構成分の計算量を減らして(1)と(2)の手順で処置することもあるが、精度の点において、上記の通りに、逐次の再構成を行って治療計画を立てることが望ましい。無論、50℃以上の場合を含め、吸収係数も、適宜、測定又は再構成されて使用されることもある。音波の物性(伝搬速度等)も、同時に、測定又は再構成されて使用されることがある。また、(HIFUQ0)の両辺に照射時間の積分を施し、熱源のその時間積分(1回の照射エネルギー)を実現するべく、照射時間と供給電力を設定することもある。この場合においても、照射毎に逐次、治療計画を立てることが望ましい。
ここで、HIFUによる発熱機序について補足しておくと、音響インピーダンスが変化する位置において、HIFU照射による音波の屈折や反射を生じる際に治療対象がずり現象を生じ、これが熱源ともなる。従って、基本的には上記のHIFUの吸収係数αはこれを含むものとして観測することとなるが、しいて、熱源として別々に計測することもある。ヒト組織においては、特に、焦点近傍に、軟組織と骨、肺(空気)等のインピーダンスが大きく変化する境界があると、そこで発熱しやすく、その組織に影響を与えてしまうことがあり、HIFUを適用する際の制約となる。この様な場合に、HIFUビームフォーミングのために、位相収差補正を行ったり、適切なアポダイゼーションの下でHIFU音圧形状を制御することは有効である。所望するHIFU音圧形状を生成するべく、上記の如くに最適化理論を応用し、HIFUのパラメータ(波動やビームフォーミングやアプリケータのパラメータ)を決定することもある。また、衝撃波の影響としてメカニカルに影響を与えることも有用であり、上記のキャビテーションを生じさせる他、細胞を壊したり薬剤の投入を容易にしたりすることもある。イメージングにおいては安全性が求められ、サーマルインデックスとメカニカルインデックスが用いられることは周知の如くである。
治療効果の確認には、様々なイメージングが有効であることは上記の通りである。例えば、ずり弾性率再構成値(逆問題)を温度観測に応用することも可能であるが、治療効果(組織変性、組織凝固や軟化)の判定にも有用である。その再構成には、組織歪(テンソル)を観測する必要が有る。上記の通り、超音波やMRI、OCT等を用いて観測できるが、光超音波(光音響)信号を用いた変位(ベクトル)観測の下で観測することも可能である。光超音波は、照射超音波によるエコー又は透過波に比べ、組織のタイプに依存して波動の伝搬方向に広帯域となることがあり、高分解能且つ高コントラストとなることがある。その結果、歪観測も高分解能且つ高コントラストとなり、高精度化されることがある。また、逆の場合もある。生成される光超音波の重心周波数も組織のタイプ(隣接する組織のタイプ、組成、構造、形状、大きさ等を含む)に依存して変化する。一方、横方向に関しては、例えば、平行光を照射した場合と平面波の超音波を照射した場合に、組織タイプに依存して、未受信ビームフォーミングの光超音波が照射超音波のエコー又は透過波のそれに比べて横方向に狭帯域となることがあり(例えば、体表において層状構造にある皮膚は狭帯域となり、筋肉等の実質組織や体表に並行して走行する血管内の血液や心腔内等の広い空間に存在する血液においては超音波と同程度となる)、低分解能になる。また、逆の場合もある。
一例として、図60に、ヒトin vivo手首にて得られた光超音波(照射光850nm)と超音波エコー(いずれもビームフォーミング後)の重畳画像を示し、図61に、それらの受信ビームフォーミング前の生の受信信号の2次元点拡がり関数(各組織で2次元自己相関関数として推定。縦は深さ方向の1.2mmに該当、横は横方向の10.1mmに該当するが1/2の縮尺で表示してある。)を示す。点拡がり関数は、光超音波信号の発生源(この場合には、エコー源)と照射した超音波音圧を推定したものである(深さ方向の信号長の逆数が深さ方向の帯域幅に対応、深さ方向の振動周期の逆数が深さ方向の周波数に対応、横方向の幅の逆数が横方向の帯域幅に対応、横方向の振動周期の逆数が横方向の周波数に対応し、深さ方向と横方向の長さが短い程、各方向の空間分解能が高い。他の方向に関しても同様である。音圧分布形状や波形の形状にも注目。)。皮膚(角質、表皮、真皮、皮下)、筋膜、筋肉、静脈、筋肉、動脈、筋肉の層状構造があり、これらは超音波エコー法で描出されるが、光超音波は、メラニンの存在する表皮と血液の存在する静脈と動脈において強く生成される。図60及び図61は、それらにおける結果を示している。生成される光超音波の強度の弱い組織(この例では、皮下組織や血管内の血液)では、光超音波の多重反射や多重散乱によるアーチファクトの影響を受けていた。自己相関関数は、正規化しない場合には、信号強度を含めて推定できる(他の信号に施した場合も同様)。点拡がり関数が一様と考えられる領域では、得られる複数の点拡がり関数の推定結果の平均が提示されることもあるが、ここでは未平均の結果を示す。超音波エコー信号は、深さ方向(異なる組織)に対して、点拡がり関数がほぼ同一である(特に、静脈と動脈において評価された斜め方向に交差する網目状の点拡がり関数は、至極、類似している)。対称的に、光超音波信号においては、特徴的な点拡がり関数が得られ、上記組織タイプに依存している。この様に、自己相関関数を提示することは組織鑑別に有用である。自己相関関数は、自己パワースペクトルと等価であり(ウィーナー・ヒッチンの理論)、視覚的に信号波形を理解するのに有用であるが、パワースペクトルやスペクトル(振幅スペクトルと位相スペクトル)を自己相関法と同様に組織毎に提示することは、帯域幅や重心周波数を高精度に評価することを可能にすると共に、スペクトル形状をも評価することを可能にし、有用である(スペクトルの観測データの例は、ここでは割愛する)。これらの組織で生成された光超音波信号は、超音波エコー信号(公称周波数7MHzの超音波探触子を送信周波数10MHzで駆動、受信は20MHz帯域)の重心周波数よりも低かった。皮膚で生じた光超音波信号は、他組織で生じた光超音波信号よりも、深さ方向に狭帯域であった(血液組織と異なり、直流を含まず、高周波も含まない)。興味深いことに、深部に存在する動脈の方が浅部に存在する静脈よりも帯域が広かった(850nmよりも短波長の700nm付近の光を用い、酸素飽和度に注目した静脈と動脈の鑑別方法は良く知られており、上記帯域又はその従来方法を単独で使用したり、同時に用いることもある)。皮膚や血管壁は、横方向に狭帯域であった。この様に、組織毎に点拡がり関数やパワースペクトルやスペクトルを提示することは、組織の鑑別に有用であり、病変の鑑別に応用することもできる。自己相関関数やスペクトルの信号処理は、信号が1次元のときには1次元処理、2次元のときには2次元処理、3次元のときには3次元処理であることが望ましいが(3次元のときには3次元フーリエ変換により3次元スペクトルが求められ、ウィーナー・ヒッチンの理論を通じて、又は、直接に3次元自己相関関数が求められる)、2次元や3次元の場合にはそれよりも低次元の処理が行われることがある。光超音波生成は、上記の組織タイプに依存し、特異的に空間分解能やコントラスト(光超音波強度の空間変化のダイナミックレンジ)を生成する。これらの分析を深さ方向や横方向だけでなく様々な方向に実施することは有効であり、様々な方向又は特定方向の強度や帯域(又は空間分解能)や重心周波数や波形(包絡線検波前後の波形)やスペクトル形状に関して光超音波や超音波を評価したり、それらの差異を評価することは、組織や病変を鑑別するために有用である。
変位ベクトル観測には、本願に記載の多次元スペクトル位相勾配法や多次元自己相関法が有用であり、同組織において、深さ方向と横方向の変位(省略)や歪テンソル成分を観測できた。図62に、観測された深さ方向の歪のみを示す。多次元クロススペクトル位相勾配法は、マッチドフィルタの効果が得られ、ノイズに対して頑強であり、かなり安定した結果となった。一方、多次元自己相関法は、比較して演算速度が速いが波動信号のSN比が高い場合においてのみ同じく高精度な観測を実現するものであり、比較して不安定であったが、実用的な歪観測が可能であった(実時間観測を実現できるLED照射のCYBERDYNE社のAcousticXを使用、光パルス長35ns、計400μJ/1パルス、通常の光超音波に使用されるレーザー光に比べて光強度が弱く、受信した光超音波信号はアナログ増幅(増幅度106dB)後に計256回加算平均してSN比を向上、フレームレートは16Hz)。加算平均の代わりに、本願に記載のICA処理が施されることもある。軟組織の変形と血流を同時に観測した例もある。共に、組織構造を描出できた。横方向の観測も可能であった(略)。ビームフォーミング法として、本願に記載の受信方向を複数方向に実現する横方向変調法等を用いるとさらに高精度となる。位相収差補正が行われることもある。これらの観測は、造影剤(体内又は体外)や光超音波マテリアルにおいて行われることがある(乳剤、脂肪、ICG、水、糖、他薬剤等)。光超音波は、超音波エコー法や透過法に比べ、信号強度が低く、比較的にアーチファクトは生じにくいが、微弱な信号にも感度の高いこれらの観測を行う場合には注意が必要である。
受信ビームフォーミングを行っても同様である。照射光をフォーカスすることで光超音波を広帯域化でき、隣接組織や対象の大きさや形状の影響は低減できるが、基本的に上記組織タイプに依存する。この様々な方向の強度や帯域(又は空間分解能)や重心周波数や波形(包絡線検波前後の波形、以下、同様)やスペクトル形状に関する光超音波や超音波の評価及び差異を用いて病変が診断されることがある。段落0419の記載に基づき光超音波信号の周波数分散(振幅や位相のスペクトル形状、重心周波数、帯域幅等)や、同じく段落0419に記載に基づき光照射の周波数分散(広帯域光源を使用したり、波長可変型光源を使用したり、複数の光源を使用、文献や実測値として豊富なヒト組織組成成分(タンパク質や脂肪、水、炭水化物、骨、基質等)に関する吸収スペクトルと光超音波の発生に関するデータを鑑み、照射光の強度や周波数を調節して生成される光超音波の強度分散や周波数分散)を観測する場合を含め、光照射の方向(ステアリング)を変えたり、多方向に受信ステアリングを行った場合においても同様である。それらの結果をコヒーレントに重ね合わせて評価することもある。光超音波において本願に記載等の超解像を施し、生成された光超音波源を高空間分解能に評価したり、整形フィルタリングを行って空間的に一様な空間分解能で画像を提示することもある。光照射と超音波照射を同時に実施した際の光超音波信号と超音波エコー信号(透過信号の場合もある)の分離を、ICA処理を通じて行うこともある(同一の対象において重畳されて観測された少なくとも1つの信号と、単独で観測された少なくとも1つの光超音波信号と少なくとも1つの超音波信号とを使用)。コヒーレント光の照射位置や照射領域を限定して、選択的に所望する位置や領域にて光超音波を生成させたり、逆に、一度に広い領域を対象にしたりすることもある(平行光のみならず、発散光も使用できる)。光超音波信号のSN比を向上させるべく、必要に応じて光源の数を増やすことも重要である。また、光の光源からの距離に対する減衰や生成された光超音波の伝搬過程における減衰を加味し、照射光の強度や光超音波信号の強度を補正することもある。この光超音波は、HIFUや放射線、冷却治療、重粒子線治療、光学治療、投薬の治療等の際の温度観測(歪やずり弾性率の温度依存性)にも使用されたり、治療効果の判定に使用されたりもする。光超音波生成の温度依存性も重要な診断指標(温度観測)となり、上記の様々な方向の光超音波信号の強度や波形や重心周波数や帯域(又は空間分解能)やスペクトル形状や、上記の様々な方向の照射光や光超音波信号の周波数分散等を同様に定量的に診断に使用することもある。同時に観測されることの多い照射超音波のエコーや透過波においても同様である。ICG等の造影材(同時に複数種類を用いることもある:例えば、ICGをリンパや神経の造影に用い、マイクロバブルを血管造影に用いる)を対象とした観測も行われ、上記と同様に、様々な観測や診断(組織の鑑別を含む)が行われることがある。光超音波は観測できる深さが制限されるため、体表組織以外の深部臓器を対象とする場合には、開頭や開腹している際や腹腔鏡を用いた場合に実施されることもある。同時に治療装置(アプリケータ)も適切に小型化されたものが同時に使用される。これらの少なくとも1つの機能が装置に備えられて、その機能に関して所望する数値(例えば、光超音波強度や超音波強度等)や関心点や関心領域を実現するためのパラメータ(例えば、照射光や照射超音波の強度や周波数や帯域や照射時間等の波動パラメータ)をマニュアルで設定できたり、装置が自動的にパラメータを定めて自動的に動作することもある。そのためのインターフェースがハード的に備えられることがある(例えば、コンソール上の目盛り付きの可動のつまみやダイヤルや、数値を入力するためのキーボードやマウス、液晶タッチパネル等、これらに限られない)。また、必要な組織特性(光や超音波の減衰特性等)の典型データをデータベースとして備えたり、組織特性を観測してデータとして蓄えたり更新したり、それらや使用している数値を表示できる機能を備えていることがある。
FIG. 59 is a diagram showing a change in sound pressure according to an embodiment of the present invention when a concave HIFU applicator is used. In FIG. 59, (a1) and (a2) show images of the sound pressure based on the original signal and the sound pressure of the squared signal when one aperture is used (the left includes DC, and the right is only harmonics). The image of FIG. (B1) and (b2) show the image of the sound pressure by the original signal and the sound pressure of the multiplied signal (DC on the left) when two apertures are used (the intersection angle is ± 5 ° with respect to the horizontal direction). , And the right image shows only harmonics). The image is obtained by envelope detection, and the image size is 3.8 × 12.8 mm. 2 It is. In the second harmonic component obtained by each of the square and the multiplication, it can be confirmed that the sound pressure is concentrated on a desired region and the contrast is high. In this way, the evaluation of the intensity (Intensity, that is, power) of the fundamental wave and the sound pressure distribution shape of the generated harmonic (second or higher harmonic) can be estimated. In addition, power (Intensity) consumed by harmonics can be evaluated. The same can be evaluated for harmonics actually observed. From this, it is needless to say that heat generation due to absorption of the fundamental wave and the harmonic can be evaluated. As described above, in order to enhance heat generation, microbubbles may be used, or cavities may be actively generated by the HIFU itself, the nonlinear effect may be enhanced, and harmonics may be actively generated. As the HIFU applicator, not only a concave type but also various opening shapes can be used. In some cases, the openings are constituted by array elements, and in some cases, transmission beam forming can be performed by driving each of them independently. Applicator parameters (transmission center-of-gravity frequency and transmission bandwidth determined by the structure, element shape, size and number, array configuration and shape, etc.) and wave parameters (continuous wave or burst wave or pulse) Whether it is a wave, the length of a continuous wave, the length or shape of a burst wave or a pulse wave, a beam width or a beam shape, a bandwidth, a frequency response or a spectrum with respect to a center of gravity frequency or a space-time, or a transmission beamforming parameter ( Desired HIFU irradiation is performed under irradiation intensity, apodization, focus position, steering direction, irradiation time, irradiation time interval, and the like (optimized parameters may be used).
The inventor of the present application, based on the observation of the spatial distribution and time change of the temperature of the region to be treated or repaired or the region including them, based on the thermophysical properties (heat capacity, thermal conductivity, or thermal diffusivity) of those regions. It is possible to reconstruct the distribution, and at this time it is also possible to reconstruct both the perfusion and the heat source (thermal inverse problem in Pennes equation, diffusion equation, etc., Patent Document 10, Non-Patent Document 44, paragraph 0377, 0378, 0380, 0423, etc.). This makes it possible to make a treatment plan for HIFU. At each HIFU irradiation for treatment or before repeated continuous irradiation, the temperature may be measured from a received signal obtained by the HIFU irradiation with reduced intensity, and reconstruction may be performed. In some cases, temperature measurement and reconstruction may be performed in the same manner from a received signal having a strong intensity for itself (it is important to correct the phase aberration of the received signal caused by a temperature-dependent change in sound speed by the above-described phase aberration correction method). However, it is also useful to treat from a deep part to a shallow part). HIFU parameters (heating / focus position, HIFU pressure shape, irradiation time, etc.) for the next irradiation or the next repetitive continuous irradiation are appropriately or sequentially reconstructed under temperature observation, or Is determined.
In that case, for example, the following procedure may be followed.
(1) Reconstruct the thermophysical property distribution (sometimes reconstruct the distribution of heat source and perfusion simultaneously) and calculate the distribution of heat source Q that generates the desired temperature distribution: Temperature distribution data observed at that time And the distribution of the time rate of change of the temperature (corresponding to the time derivative of the temperature, difference approximation and time element interpolation approximation in the numerical calculation) to generate the desired temperature distribution at that time is set, and Pennes is set. The distribution of the heat source Q is found in the equation. There are various notations in the Pennes equation. Here, they are expressed as follows.
ρC (dT / dt) = ∇T ・ ∇k + k∇ Two T + P + Q (HIFUQ0)
Or
dT / dt = ∇T ・ ∇κ + κ∇ Two T + P + Q (HIFUQ0 ')
Where T is the temperature of the tissue, ρ is the density, C is the heat capacity, k is the thermal conductivity, κ is the thermal diffusivity, P is the perfusion term, and Q is the heat source. (HIFUQ0 ′) is an expression that approximates (HIFUQ0) and reduces the number of unknown properties (an expression in which heat capacity and thermal conductivity are approximately aggregated and expressed as a thermal diffusivity), and the amount of calculation is reduced. , Accuracy decreases. The perfusion term P is expressed as wb · cb (T−Tb) in peripheral blood vessels, where wb, cb and Tb are the blood perfusion coefficient (dependent on the blood flow velocity), the specific heat of the blood, and the blood temperature, respectively. . In general, this is a formula used in peripheral blood vessels, but the present inventor has made it possible to express the perfusion effect by a thick blood vessel by reconstructing P itself, and in any case, wb Is also possible to reconfigure. When wb is estimated by observing the blood flow velocity, cb can be estimated.
Here, the perfusion is assumed to have no change, or the perfusion coefficient is updated to the latest value using the reconstructed value or the observed blood flow velocity. By the way, the perfusion term can be ignored when using the observed temperature data in the state of hemostasis (obstruction of the blood vessel by HIFU irradiation or using a clamp, etc.), and the term of the heat source is ignored when using the observed temperature distribution data with the heating stopped. It is possible to reconstruct the required thermophysical properties and calorie with a small calculation. If it is desired to obtain only heat source data, HIFU irradiation may be performed for a short time, and the product of the time change of temperature before heat transfer and the heat capacity may be calculated and obtained.
(2) For the distribution of the heat source Q0 reconstructed together with the distribution of the thermophysical properties, the supply power W is calculated using calibration data (generated by an acoustic or optical-based hydrophone or the like) of the set power of the HIFU device and the HIFU intensity. It is assumed that the absorption coefficient α of the HIFU at that time does not change (it may be kept constant) until the next irradiation, or α is determined with respect to the tissue type and state or the HIFU intensity I. Using the data prepared in advance, at each position of interest,
Q0 = αI0 (I0 is the HIFU strength for realizing Q0) (HIFUQ1)
Thus, the desired Q0 may be directly generated based on the data of α.
Or, to realize the desired Q,
Q = α′I (α ′ is an absorption coefficient for generating Q, I is HIFU intensity for realizing Q) (HIFUQ2)
Then
Q / Q0 = (α'I) / (αI0) (HIFUQ3)
When α '= α, Q / Q0 = I / I0 (HIFUQ3')
And I can be estimated for I0. Based on the above calibration data of the HIFU device, W for realizing I can be determined for the supply power W0 for realizing I0. Assuming that α ′ = α, no data on α is required. In these calculations, it is assumed that the estimation including the heat generation contribution of the harmonic generation is performed, but the present invention is not limited thereto. For example, the harmonic component I0 ″ or I ″ generated by the fundamental wave I0 or I is compared with those observed with the reference material (water or phantom) under W0 or W. It is evaluated by comparison with the wave components (the difference between them and their relative values, etc.), and α and α '' (harmonic intensity, tissue type and state, etc.) prepared for each of the fundamental wave and the harmonic May be kept constant, or α ″ = α, etc.) may be used instead of α and α ′ in (HIFUQ1) to (HIFUQ3 ′), and the fundamental wave In situations where the relationship between the intensity of each of the harmonics and the heat source they generate can be expressed, the power supply that generates the desired total heat source may be determined.
It should be noted that it is also possible to estimate the generated HIFU pressure shape (normalized wave shape) by providing a reception function that enables the reception and evaluating the multidimensional autocorrelation function of the reception signal. It is possible to estimate the sound pressure profile of the above harmonics, or to estimate the generated HIFU based on the calibration data of the power of the HIFU irradiation device and the generated HIFU intensity. That is, the relationship between the sound pressure waveforms of the fundamental wave and the harmonics, which can be estimated by the above-described nonlinear calculation, can be used. In addition, if a HIFU received signal can be received, fundamental waves and harmonics can be separated by the pulse inversion method or filtering, and the accuracy of the actually generated HIFU pressure shapes can be improved. The strength of the sound pressure intensity can also be improved using the strength of the received signal. The receiving sensor may be installed at various positions, such as a transmitted wave (for which degassed water or undegassed water is used) or an echo (reflectors or reflectors are representative of the focal position) for HIFU irradiation. In some cases, reflectors may be observed in various directions, and scatterers may be observed in the distribution medium.) In some cases, the HIFU applicator itself also serves as the receiving sensor (the same applies to the case where the radiation pressure used for radiation pressure imaging is handled). When observing or estimating up to the pressure shape (pressure distribution), the receiving sensor needs to be an array type or need to perform mechanical scanning, but if you want to measure the intensity at a specific position such as the focus position, However, it is not always necessary to use an array type, and a single aperture may be used. In accordance with the conversion efficiency of the receiving sensor to voltage with respect to the received sound pressure, and its band and frequency characteristics, an appropriate material such as an attenuating material (if it has scattering characteristics) at any place before the receiving sensor receives the wave May or may not be used (attenuating material may be removable to the receiving sensor), or after receiving, an attenuation circuit (directional coupler or attenuation area) may be used Or used after being corrected using the frequency characteristics of a sensor or an attenuator. (It is desirable to correct the attenuation in the entire propagation process and the attenuation of the intensity due to scattering. As described above, deconvolution or inverse filtering is performed in the space-time or frequency domain). That is, it is necessary to prepare correction (or calibration) data for obtaining the sound pressure and intensity from the received signal. For example, in the following embodiment, it is necessary to directly obtain the sound pressure and intensity. (There is no need for calibration data, especially if the received signal and the sound pressure of the observation target have a proportional relationship.) Many high-intensity ultrasonic hydrophones, such as HIFU, which are currently in practical use, have many needle types and low observable sound pressure (or intensity) (for example, at frequencies of several hundred kHz to several tens of MHz, several The optical fiber type has a comparatively high sound pressure (or intensity) observable in a wide band (for example, from several MPa to 500 MPa at several kHz to 150 MHz). Therefore, regarding the sound pressure (or intensity), frequency, and the like to be observed, they may be used in a complementary or overlapping manner (such as averaging). The hydrophone is not limited to these, and may be used together. In addition, while the hydrophone has directivity (diffraction limit), change the installation position of one or more hydrophones to be used, or observe the high sensitivity direction (main lobe direction) in different directions. In some cases, the observed signal is corrected (deconvolution, inverse filtering, etc.). In the present invention, while using a hydrophone, a transmitted wave or an echo signal at the time of HIFU irradiation is received using the above-described receiving device as described above, and the sound pressure ( Calibration data relating to the strength (amplitude or effective value), power, or energy of the received signal with respect to the amplitude, effective value, power, sound intensity, energy, or energy per unit area, etc. is obtained in advance. By using the same calibration data, a signal received by the receiving device using a low sound pressure or a high sound pressure that is unobservable with a hydrophone, a low sound pressure or a high sound pressure, a low intensity or a high intensity, or an out-of-band sound pressure or intensity. Can be calibrated and observed or estimated. In order to obtain the calibration data, it is important to use a hydrophone that is as close as possible to the frequency characteristics of the HIFU signal to be observed. And the receiving circuit (that is, the receiving device), and for the received signal of the hydrophone, the characteristics of the hydrophone (frequency characteristics and directivity, that is, the frequency characteristics of space-time) are corrected by deconvolution or inverse filtering. It is desirable to make the same correction for the receiving device if necessary. At this time, it is useful to similarly correct the attenuation in the propagation process and the attenuation of the intensity due to scattering as described above. For example, an optical fiber type is more expensive than a needle type, a capsule type, or the like. Instead, by providing the above-described receiving device at the time of HIFU irradiation, such observation or estimation can be performed, which may be useful. According to the present invention, it is possible to measure characteristics including various HIFU applicators and driving devices outside of the specifications of a hydrophone realized or owned by a user (500 W / HIFU treatment). cm 2 From 5,000W / cm 2 HIFU intensity is used, whereas in the case of a typical needle type, for example, about 80 to 500 W / cm 2 Sometimes only lower intensities can be measured). By applying this, it is possible to not only measure the characteristics of the HIFU applicator but also obtain calibration data of, for example, the set power of the HIFU device for determining the supply power W during the above-mentioned heat treatment and the HIFU intensity to be realized. it can. In addition, it is also possible to appropriately perform calibration in the same place at the time of actual treatment. Further, when the sound pressure or the intensity to be observed exceeds the rating of the hydrophone, in the present invention, similarly to the above-described reception sensor, an attenuation material is provided even in the reception of the wave by the hydrophone, and the observation signal is similarly processed. (E.g., the attenuator may be properly used somewhere before reception by the hydrophone, may be removable on the receiving part of the hydrophone, and may be corrected using the characteristics of the attenuator after reception. Or you can do that). Of course, the receiving device other than the hydrophone may not be required, or may be used together. In addition, when the frequency has a frequency out of the band of the hydrophone, waves of the same or different frequencies are generated and mixed (superimposed in real time to obtain the effect of raising or multiplying) to increase or decrease the frequency. What is necessary is to observe and evaluate what has been done. The same applies to the case where a wave having a frequency outside the band of the receiving device is received. Here, for easy understanding, calibration of sound pressure, intensity, energy, and the like with respect to the magnitude, power, energy, and the like of a received signal has been described with focus on intensity and frequency (band). The calibration data may be generated and used by paying attention to the wave parameters (wave shape, band shape, etc.) and transmission beamforming parameters. At least two of the wave parameters and transmit beamforming parameters may be calibrated at the same time (multiple applicators with the same or different structures may be used). Although the case of observing HIFU and radiation pressure has been described in detail here, the case of observing the characteristics of a sensor used for observation (measurement or imaging) can be similarly performed using a hydrophone or a receiving device. (Some hydrophones have a high-sensitivity membrane type, but like the HIFU, there are needle-type and capsule-type types, as well as, but are not limited to). Although the case where the wave is an ultrasonic wave is described here, the same applies to a case where the wave is an audible sound wave (using a hydrophone or a microphone), an electromagnetic wave, or a heat wave. When water is used, the amount of gas contained in the water may be observed, and the propagation characteristics of the ultrasonic waves may be measured, or the spectral analysis and propagation characteristics of the optical ultrasonic waves may be measured, and calibration data obtained in advance may be used. (This example is one of the observation examples of the composition of the medium, and may be similarly observed for other substances, molecules, and atoms).
It is also useful to use these observations in combination or, alternatively, to use the estimated HIFU pressure profile data for the heat source in the Pennes equation and determine only the HIFU intensity as a variable (HIFU pressure profile). Is a constant).
In addition to the above-described treatment plan during treatment, a treatment plan may be made using thermophysical properties measured in advance before treatment is performed. Typical values of thermophysical properties may be used. In the above reconstruction, the perfusion may be treated equivalently to the heat source, or may be combined with the heat source and processed as one variable (the amount of calculation is reduced). In the case where MAP estimation is performed when there are a plurality of physical properties including the physical properties to be obtained and their calorific values in the reconstruction of thermophysical properties, dynamic reconstruction (Patent Document 9: When soft tissue is modeled as an elastic body, for example, Equation of motion ρα i = Pδ ij + 2Gε ij + S, acceleration α i And strain tensor ε ij The shear modulus G and density ρ, average normal stress (pressure) p, force source S, inertia term ρα i Etc. are to be reconstructed, and when soft tissue is modeled as a viscoelastic body (the term of the product of unknown viscoelastic coefficient and strain rate tensor is added) or blood is modeled as a fluid (Navier-Stokes equation is treated) ), The strain factor tensor is observed, and the viscoelastic modulus and viscosity become reconstruction targets.) As in the case of), each reconstruction target is simultaneously regularized using different regularization parameters. In the same manner as in the above, each reconstruction target is simultaneously MAP-estimated (discrete by a numerical calculation method such as a finite difference method or a finite element method, and in the equation Ax = b shown in paragraph 0417, the inverse of the matrix A is obtained. In obtaining the unknown vector x by applying to both sides, when the unknown vector x includes a distribution of a plurality of unknown physical properties or a distribution of unknown physical quantities, each reconstructed object itself or a gradient or a gradient represented as a partial vector of x is obtained. The covariance matrix of the Prussian distribution and the components of the expected value (representing each prior established prior) are subjected to ensemble averaging for a posteriori in each distribution to be reconstructed (that is, processed by obtaining multiple sample data, ), The solution of the least squares solution or the maximum likelihood estimation can be estimated by applying the averaging process under the assumption of the local stationary process, and the covariance matrix of the constant vector b can be estimated by the ensemble average or the assumption of the local stationary process. , And can be estimated by applying the averaging process, and can be solved in the same way as the equation (MAP2) expressed by the equation expressed by the equation (LM1).) In general, if the temperature is lower than 50 ° C., the thermophysical properties and the absorption coefficient α do not change, and in the temperature range or an appropriate temperature range, they are kept constant, and the amount of calculation of the reconstructed part is reduced to obtain (1) and ( Although treatment may be performed in the procedure of 2), it is desirable to make a treatment plan by performing sequential reconstruction as described above in terms of accuracy. Needless to say, the absorption coefficient including the case of 50 ° C. or higher may be measured or reconstructed as needed. The physical properties (such as the propagation velocity) of the sound wave may be measured or reconstructed at the same time. In addition, the irradiation time may be integrated on both sides of (HIFUQ0), and the irradiation time and the supplied power may be set in order to realize the time integration (one irradiation energy) of the heat source. Even in this case, it is desirable to make a treatment plan for each irradiation.
Here, supplementing the heat generation mechanism by the HIFU, a shearing phenomenon occurs in the treatment target when the acoustic wave is refracted or reflected by the HIFU irradiation at a position where the acoustic impedance changes, which also becomes a heat source. Therefore, basically, the above-mentioned absorption coefficient α of HIFU is observed as including it, but may be separately measured as a heat source. In human tissues, especially when there is a boundary near the focal point where the impedance of soft tissue, bone, lungs (air), etc. changes greatly, heat is easily generated there and the HIFU may be affected. This is a restriction when applying. In such a case, it is effective to correct the phase aberration and control the HIFU sound pressure shape under appropriate apodization for HIFU beamforming. In order to generate a desired HIFU sound pressure shape, the optimization theory may be applied as described above to determine HIFU parameters (wave, beam forming, and applicator parameters). In addition, it is also useful to influence mechanically as the influence of a shock wave, which may cause cavitation as described above, and may also break cells or facilitate the introduction of a drug. It is well known that safety is required in imaging and a thermal index and a mechanical index are used.
As described above, various imagings are effective for confirming the therapeutic effect. For example, the shear modulus reconstructed value (inverse problem) can be applied to temperature observation, but is also useful for judging the therapeutic effect (tissue degeneration, tissue coagulation and softening). For that reconstruction, it is necessary to observe the tissue strain (tensor). As described above, observation can be performed using ultrasonic waves, MRI, OCT, and the like, but observation can be performed under displacement (vector) observation using an optical ultrasonic (photoacoustic) signal. The optical ultrasonic wave may have a wide band in the propagation direction of the wave depending on the type of the tissue, and may have high resolution and high contrast, as compared with the echo or the transmitted wave by the irradiation ultrasonic wave. As a result, distortion observation also has a high resolution and a high contrast, and may be improved in accuracy. The reverse may also be the case. The center-of-gravity frequency of the generated optical ultrasound also varies depending on the type of tissue (including the type, composition, structure, shape, size, and the like of the adjacent tissue). On the other hand, in the lateral direction, for example, when irradiating parallel light and irradiating a plane wave ultrasonic wave, depending on the tissue type, the unreceived beam forming optical ultrasonic wave is an echo or transmitted wave of the irradiated ultrasonic wave. The band may be narrower in the lateral direction than that of the skin (for example, skin in a layered structure on the body surface has a narrow band, and blood and heart in blood vessels running in parallel with parenchymal tissues such as muscles and the body surface). For blood existing in a large space such as an intracavity, it is almost the same as an ultrasonic wave), and the resolution is low. The reverse may also be the case.
As an example, FIG. 60 shows a superimposed image of an optical ultrasonic wave (irradiation light 850 nm) and an ultrasonic echo (both after beamforming) obtained from a human in vivo wrist, and FIG. 61 shows their received beamforming. The two-dimensional point spread function of the previous raw received signal (estimated as a two-dimensional autocorrelation function in each tissue. The vertical corresponds to 1.2 mm in the depth direction, and the horizontal corresponds to 10.1 mm in the horizontal direction, but 1 / 2 is shown at a reduced scale of 2). The point spread function is obtained by estimating the source of the optical ultrasonic signal (in this case, the echo source) and the applied ultrasonic sound pressure (the reciprocal of the signal length in the depth direction is the bandwidth in the depth direction). The reciprocal of the vibration cycle in the depth direction corresponds to the frequency in the depth direction, the reciprocal of the width in the horizontal direction corresponds to the bandwidth in the horizontal direction, and the reciprocal of the vibration cycle in the horizontal direction corresponds to the frequency in the horizontal direction. The shorter the length in the depth direction and the shorter the lateral direction, the higher the spatial resolution in each direction.The same applies to the other directions. Also pay attention to the sound pressure distribution shape and the waveform shape.) There is a layered structure of skin (keratin, epidermis, dermis, subcutaneous), fascia, muscle, vein, muscle, artery, and muscle. These are drawn by ultrasonic echo method, but optical ultrasonic wave has melanin. Strongly produced in veins and arteries where the epidermis and blood are present. FIG. 60 and FIG. 61 show the results. Tissues with low intensity of generated optical ultrasonic waves (subcutaneous tissue and blood in blood vessels in this example) were affected by artifacts due to multiple reflection and multiple scattering of optical ultrasonic waves. If the autocorrelation function is not normalized, the autocorrelation function can be estimated including the signal strength (the same applies to a case where the autocorrelation function is applied to other signals). In an area where the point spread function is considered to be uniform, an average of estimation results of a plurality of obtained point spread functions may be presented, but here, an averaging result is shown. The ultrasonic echo signal has substantially the same point spread function in the depth direction (different tissues) (especially, the mesh-like point spread function intersecting diagonally evaluated in veins and arteries is extremely Similar). In contrast, a characteristic point spread function is obtained in the optical ultrasound signal and depends on the tissue type. Thus, presenting the autocorrelation function is useful for tissue discrimination. The autocorrelation function is equivalent to the autopower spectrum (Wiener-Hitchin's theory) and is useful for visually understanding the signal waveform, but the power spectrum and spectrum (amplitude spectrum and phase spectrum) are autocorrelated. It is useful to present the information for each tissue in the same manner as above, because it is possible to evaluate the bandwidth and the center of gravity frequency with high accuracy, and also to evaluate the spectrum shape. Is omitted here). The optical ultrasonic signals generated by these tissues were lower than the center of gravity frequency of the ultrasonic echo signal (the ultrasonic probe having a nominal frequency of 7 MHz was driven at a transmission frequency of 10 MHz and the reception was in a 20 MHz band). The optical ultrasonic signal generated in the skin had a narrower band in the depth direction than the optical ultrasonic signal generated in other tissues (contrary to blood tissue, it does not include direct current and does not include high frequency). Interestingly, the bandwidth of the deeper arteries was wider than that of the shallow veins (the method of distinguishing between veins and arteries based on oxygen saturation using light near 700 nm, a shorter wavelength than 850 nm). Are well-known, and the above-mentioned band or its conventional method may be used alone or simultaneously.) The skin and blood vessel walls were laterally narrow. Thus, presenting a point spread function, a power spectrum, and a spectrum for each tissue is useful for discriminating a tissue, and can be applied to discrimination of a lesion. The signal processing of the autocorrelation function and the spectrum is preferably one-dimensional processing when the signal is one-dimensional, two-dimensional processing when the signal is two-dimensional, and three-dimensional processing when the signal is three-dimensional (three-dimensional Fourier transform when the signal is three-dimensional). Gives a three-dimensional spectrum, and the Wiener-Hitchin theory or directly obtains a three-dimensional autocorrelation function.) In the case of two-dimensional or three-dimensional, lower-dimensional processing may be performed. is there. The generation of optical ultrasonic waves depends on the above-mentioned tissue type, and specifically generates spatial resolution and contrast (dynamic range of spatial change of optical ultrasonic intensity). It is effective to carry out these analyzes not only in the depth direction and the lateral direction but also in various directions, and the intensity, band (or spatial resolution), center of gravity frequency and waveform (before and after envelope detection) in various directions or specific directions It is useful to evaluate an optical ultrasonic wave or an ultrasonic wave with respect to a waveform or a spectral shape, and to evaluate a difference between them, in order to distinguish a tissue or a lesion.
For the displacement vector observation, the multidimensional spectral phase gradient method and the multidimensional autocorrelation method described in the present application are useful, and in the same tissue, the displacement in the depth direction and the lateral direction (omitted) and the strain tensor component could be observed. . FIG. 62 shows only the observed strain in the depth direction. The multi-dimensional cross-spectral phase gradient method has a matched filter effect, is robust against noise, and has a fairly stable result. On the other hand, the multidimensional autocorrelation method realizes the same high-precision observation only when the operation speed is relatively high but the SN ratio of the wave signal is high. (AcousticX of CYBERDYNE of LED irradiation that can realize real-time observation was used, light pulse length 35 ns, total 400 μJ / 1 pulse, compared with laser light used for ordinary optical ultrasonic waves. The light intensity is weak, and the received optical ultrasonic signal is added and averaged 256 times in total after analog amplification (amplification degree 106 dB) to improve the SN ratio, and the frame rate is 16 Hz. The ICA processing described in the present application may be performed instead of the averaging. In some cases, soft tissue deformation and blood flow were simultaneously observed. In both cases, we were able to depict the organizational structure. Lateral observation was also possible (abbreviated). As the beam forming method, the use of a lateral modulation method or the like for realizing the receiving direction described in the present application in a plurality of directions can further increase the accuracy. Phase aberration correction may be performed. These observations may be made in contrast agents (both inside and outside the body) and in ultrasound materials (emulsions, fats, ICG, water, sugar, other drugs, etc.). Optical ultrasonic waves have lower signal strength and are less likely to cause artifacts than ultrasonic echo or transmission methods, but care must be taken when performing these observations that are sensitive to weak signals. .
The same applies to the case where reception beamforming is performed. Focusing the irradiation light makes it possible to broaden the optical ultrasonic wave and reduce the influence of the size and shape of the adjacent tissue or the target, but basically depends on the above tissue type. Diagnosis of lesions using evaluations and differences of photo-ultrasonic waves and ultrasonic waves related to the intensity, band (or spatial resolution), center-of-gravity frequency, waveform (waveform before and after envelope detection, the same applies hereinafter), and spectral shape in various directions. May be done. Based on the description in paragraph 0419, the frequency dispersion of the optical ultrasonic signal (spectral shape of amplitude and phase, the center of gravity frequency, the bandwidth, etc.) and the frequency dispersion of light irradiation (using a broadband light source, Use of variable wavelength light source or multiple light sources. Absorption spectrum and generation of photo-ultrasonic waves for human tissue composition components (proteins, fats, water, carbohydrates, bone, matrix, etc.) which are abundant in the literature and measured values In consideration of the data, the direction (steering) of light irradiation can be changed, and the reception steering can be performed in multiple directions, including the case where the intensity and frequency of optical ultrasonic waves generated by adjusting the intensity and frequency of irradiation light are observed. The same applies to the case in which In some cases, the results are superimposed coherently and evaluated. Performing super-resolution as described in the present application in optical ultrasound and evaluating the generated optical ultrasound source with high spatial resolution, or performing shaping filtering to present an image with spatially uniform spatial resolution There is also. When the light irradiation and the ultrasonic irradiation are performed simultaneously, the separation of the optical ultrasonic signal and the ultrasonic echo signal (which may be a transmission signal) may be performed through ICA processing. Using at least one signal and at least one optical and at least one ultrasound signal observed alone). The irradiation position or irradiation area of the coherent light is limited to selectively generate an optical ultrasonic wave at a desired position or area, or conversely, a wide area may be targeted at once (only parallel light may be used). However, divergent light can also be used). It is also important to increase the number of light sources as needed in order to improve the SN ratio of the optical ultrasonic signal. Further, the intensity of the irradiation light and the intensity of the optical ultrasonic signal may be corrected in consideration of the attenuation with respect to the distance of the light from the light source and the attenuation in the propagation process of the generated optical ultrasonic wave. This optical ultrasonic wave is also used for temperature observation (temperature dependence of strain and shear elastic modulus) in HIFU, radiation, cooling therapy, heavy ion beam therapy, optical therapy, medication therapy, etc. Sometimes used for judgment. The temperature dependence of the optical ultrasonic wave generation is also an important diagnostic index (temperature observation), and the intensity, waveform, center of gravity frequency, band (or spatial resolution), spectral shape, and spectral shape of the optical ultrasonic signal in various directions described above. Similarly, irradiation light in various directions, frequency dispersion of optical ultrasonic signals, and the like may be used quantitatively for diagnosis. The same applies to echoes and transmitted waves of irradiated ultrasonic waves that are often observed at the same time. Observations on contrast media such as ICG (sometimes using multiple types at the same time: for example, using ICG for lymph and nerve imaging and microbubbles for angiography) are also performed. Observation and diagnosis (including tissue discrimination) may be performed. Since the depth of optical ultrasound that can be observed is limited, it may be performed during craniotomy or laparotomy or when using a laparoscope when targeting deep organs other than body surface tissue . At the same time, an appropriately miniaturized treatment device (applicator) is used at the same time. At least one of these functions is provided in the apparatus, and parameters for realizing a desired numerical value (for example, optical ultrasonic intensity or ultrasonic intensity, etc.) and a point of interest or a region of interest (for example, irradiation light, The wave parameters such as the intensity, frequency, band, and irradiation time of irradiation ultrasonic waves can be manually set, or the device may automatically determine the parameters and operate automatically. An interface for that purpose may be provided in hardware (for example, a movable knob or dial with a scale on a console, a keyboard or a mouse for inputting a numerical value, a liquid crystal touch panel, or the like). In addition, a function to provide typical data of necessary tissue characteristics (such as attenuation characteristics of light and ultrasonic waves) as a database, to observe and store and update tissue characteristics, and to display these and numerical values used May be provided.

以上においては、本発明の実施形態に係る計測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, regarding the measurement imaging apparatus according to the embodiment of the present invention, mainly the electromagnetic wave, the vibration including sound, the heat wave, or the non-linear operation apparatus of the corresponding signal have been described. To enhance the non-linear effect, simulate the non-linear effect, or virtually realize the non-linear effect (ie, physically, chemically, or biologically, except when the non-linear effect occurs). Is also possible). In this case, the present invention can be implemented based on signals received at different times when the waves are used at the same time using the devices related to the used waves. 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 alone.

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 the case of electromagnetic waves, vibrations, or heat, if the frequency is different, the dominant behavior differs depending on each measurement object (medium), and the names should be different (for example, regarding electromagnetic waves, For vibrations such as microwaves, terahertz waves, X-rays, etc., for example, when targeting human soft tissue, shear waves do not propagate as waves due to the effect of attenuation in the megahertz band, and ultrasonic waves are dominant. However, at low frequencies such as 100 Hz, an incompressible feature is strongly dominated by shear waves.) However, the present invention enhances nonlinear effects between those having different behaviors, Can be simulated or virtually realized.

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、屈折、回折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 this case, the present invention can be implemented based on signals received at different times when the waves are used at the same time using the devices related to the used waves. Of course, there is a limit that phenomena such as propagation speed, attenuation, scattering, reflection, refraction, and diffraction of each wave have dispersion characteristics and must be appropriately used in consideration of the SN ratio of a received signal. However, the application range of the present invention is very wide, including being able 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。   It also states that nonlinear calculations and non-linear effects in the object to be measured are imaged, or that it is applied to other measurements, and that harmonics may be actively propagated to the object to be measured. Fundamental waves may be actively used together in them. Also, an over-determined system can be configured. The fundamental wave is processed in the same way as the harmonic.

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。   Furthermore, an arbitrary detection process is performed on at least one of the plurality of signals obtained through the non-linear operation, or a plurality of signals that may include a fundamental wave are subjected to the arbitrary detection process and then superimposed, or In some cases, a signal obtained by superimposing a plurality of signals that may include a fundamental wave as it is is subjected to arbitrary detection processing, and imaging or other measurement such as displacement may be performed. Regarding superposition, the former incoherent addition (incoherent compounding) is effective in reducing speckle, and the spatial resolution does not decrease when a high-frequency signal is generated and used. Low spatial resolution, which often occurs in normal speckle reduction, does not pose a problem. When a low-frequency signal is generated and used, the spatial resolution may be reduced but useful. On the other hand, the latter coherent addition (coherent compounding) can increase the bandwidth of a 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 reduced. As a result, it is possible to increase the spatial resolution of the imaging and to increase the accuracy of the displacement and other measurements. As described above, a case where a plurality of beams and waves are generated, and a signal obtained through frequency division of a spectrum are also included in these processing targets including non-linear 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, for example, as described above. The application range is immeasurable, such as radar, sonar, and environmental measurement. In addition to displacement, for example, temperature may be measured. In some cases, temperature sensing is directly performed using a temperature sensor.In other cases, the temperature dependence of wave propagation characteristics is detected. Temperature distribution may be measured based on signal processing for distortion measurement. The chemical shift of the nuclear magnetic resonance frequency may be detected based on signal processing. A heat wave is observed, and its nonlinearity can be imaged or applied to high-efficiency heat treatment.

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 the case where the nonlinear effect in the measurement object is actively observed, and in the case where the nonlinear processing according to the present invention is actively performed, the two can be switched and used, or both can be used at the same time. In some cases, non-linear effects in the measurement object are clarified through various calculations. That is, by making full use of the nonlinearity of the signal source, the contrast agent, and the analog or digital nonlinear operation to be used, the nonlinearity effect in the measurement target 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。本願の発明者は、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-described imaging and measurement are based on performing appropriate beamforming, and an appropriate detection method, a tissue displacement measurement method, and the like are also important. In the past, the inventors of the present application have proposed a transverse modulation method using a cross beam as a beamforming method in addition to quadrature detection and envelope detection as well as a square detection as a method for detecting a multidimensional reception signal (Non-patent Document 13 and 30), spectral frequency division (see [30]), adjustment of wave or beam shape by spectral filtering, methods using many cross beams, and over-determined. A system method and the like, and a multidimensional autocorrelation method, a multidimensional Doppler method, a multidimensional cross spectrum phase gradient method, a phase matching method, and the like (see Non-Patent Documents 13 and 30) have been developed as displacement vector measuring methods. In addition, (viscosity) shear modulus distribution and thermophysical property distribution can be reconstructed and imaged based on displacement and strain measurement. In addition to the original waves and signals, superimposition of multiple waves and signals, or waves and beams (which may include spurious ones) generated by nonlinear effects, spurious waves in spectral frequency division And a beam can be generated, and the shape of a wave and a beam can be adjusted in spectral filtering.

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 include a fundamental wave, or a signal obtained by spectrally dividing or filtering at least one of a plurality of signals that may include a fundamental wave in a frequency domain ( Non-Patent Document 30), or an original signal that has not been subjected to these processes, or a combination thereof, constitutes an over-determined system, and forms an image by the above process. Or other measurements, such as displacement.

以上述べたように、本発明は、任意波動の透過波、反射波、屈折波、散乱波、又は、回折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 provides a non-linear structure for a high intensity during wave propagation for a coherent signal obtained by detecting a transmitted wave, a reflected wave, a refracted wave, a scattered wave, or a diffracted wave of an arbitrary wave by a sensor. Non-linear effects (generation of harmonics, chords, difference tones, etc.) such as multiplication and exponentiation when reactions and waves are superimposed are obtained by performing, for example, analog computation or digital computation using a computer. As compared with the imaging using the above-mentioned signal, imaging with high frequency, wide band, high contrast and high spatial resolution is realized. It is also possible to perform imaging with a lower frequency instead of a higher frequency. Further, under the same effect, the 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 superposition of the waves means what is physically realized during the beamforming, between the beams subjected to the beamforming, the waves not subjected to the beamforming, and the like. When the wave intensity is weak, the principle of superposition established by the linear rule is mainly observed. Waves, chords, and difference tones) are observed, and the present invention focuses on this latter phenomenon. The present invention is also characterized in that all of these wave components and superimposed waves can be used without depending on their intensities. Of course, it also applies to waves containing harmonic components that are artificially radiated or generated during propagation. Examples of harmonics generated during propagation include, for example, ultrasonic harmonic signals.

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、屈折波、散乱波、又は、回折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, according to the present invention, for example, a beam generated by beamforming (a physical thing including apodization, delay processing, or addition processing, or a calculation result) or a wave not subjected to beamforming is used. With respect to the wave itself (including a plane wave and a group of received signals for synthesizing an aperture surface), a transmitted wave, a reflected wave, a refracted wave, a scattered wave, or a diffracted wave, the same direction or different from the nonlinear effect due to high intensity. Non-linear effects such as multiplication and exponentiation caused by a case where a plurality of waves propagating in a direction (the same wave of the same physical quantity, which differs only in direction, a wave having the same physical quantity but different parameters, and a wave of a different kind of physical quantity) are overlapped. To measure or simulate with high accuracy, for example, after detecting a signal with a transducer, Are those applying operation thereof to the signal using the adder, it is possible to obtain broadband and harmonic or chords, the difference tone. It is also possible to emphasize non-linear effects physically or chemically or biologically, and to produce non-linear effects when non-linear effects cannot be observed or occur. It is possible. Further, a plurality of detection signals can be obtained simultaneously. In addition, the present invention includes an application of a baseband signal generated by a physical action (removal of a harmonic obtained from a received signal by a pulse inversion method, a filtering method, or the like, And applying the signal estimated by calculation).

本願の発明者は、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。   In the past, the inventor of the present application disclosed a transverse modulation method using a cross wave (such as a plane wave) or a cross beam based on a linear rule (having a carrier frequency in the depth direction and the transverse direction). According to the present invention, a power-of-power effect can be obtained in this lateral modulation, and a multiplication effect between cross waves can be obtained. In general, the power effect and the product effect can be obtained by increasing the intensity of the wave. 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。   Further, according to the present invention, a baseband signal can be obtained by a new detection process that can be easily performed with a small amount of calculation instead of the normal quadrature detection and the envelope detection, and the effect is obtained in echo imaging and Doppler measurement. Is obtained. However, the detected signal contains a direct current, unlike a baseband signal, which is usually used. Therefore, the detected signal is used as it is, or is used after removing the direct current by analog processing or digital processing. In addition, the application of the baseband signal obtained by the physical action is also included in the present invention. Note that a signal in the baseband band generated by the calculation is also referred to as 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 fields of medical ultrasonic waves and sonar, nonlinear phenomena in the propagation process of ultrasonic waves in a living body (when the sound pressure is high, the bulk elastic modulus acts high, the sound speed is high, the waveform is distorted, and the propagation process Has been applied clinically, called harmonic echo imaging, but does not disclose the application of physically generated baseband signals. No application of a baseband signal physically generated by other non-linear phenomena is disclosed. It should be noted that a baseband signal, a baseband signal, and an incoherent signal subjected to 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、本願の発明者は、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 Doppler measurement, the inventor of the present application uses a multi-dimensional reception signal, which differs from ordinary Doppler measurement in which displacement in the direction of propagation of a wave is measured. , Strain tensor, or strain rate tensor can be measured with high accuracy. According to the present invention, unlike a normal detection, a signal (base banded signal) detected in an arbitrary direction can be simultaneously obtained from a multidimensional received signal, and a displacement measurement method in a normal one direction can be used. It is also possible to easily measure them in a short time with a small amount of calculation. Also in this case, echo imaging using simultaneously obtained harmonics and the above-described baseband signal is possible. In addition, side lobe suppression and high contrast can be achieved. As described above, the temperature is measured.

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 will produce chords and difference tones, and power calculation will make the frequency of the signal double as high as the power (only double-width And a signal with a plurality of frequency components (distorted waves) is not only increased in frequency but also increased in bandwidth. In addition, the effect of suppressing the so-called side lobe is obtained, and the contrast is increased. Although these effects are often observed as effects during propagation of particularly strong waves, in the present invention, analog or digital arithmetic processing is performed on an arbitrary signal regardless of the intensity to enhance the nonlinear effect. Or simulate or create a new one. It can also be realized virtually. Not only in the case of having the spatial resolution, but also in the case of a continuous wave, a harmonic or a detection signal can be obtained physically or artificially. Once the physically generated baseband signal can be understood under the present invention, its application will be engineeringly useful. For example, a displacement or a displacement vector component can be measured (an ordinary one-dimensional displacement measurement method can be used). In addition, it is possible to measure the displacement and the displacement vector component using the observed harmonics (the various multidimensional displacement vector measurement methods described above can be used), or to constitute an over-determined system. It can also be applied to imaging (higher SN ratio, higher resolution, speckle reduction, etc.) and displacement component measurement (higher accuracy), as in the case of using the non-linear processing of the present invention. In these cases, it is also effective to positively apply a contrast agent to enhance the nonlinear effect.

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 provides heating, heating, cooling, freezing, welding, repairing, heating of any object performed using waves (laser, ultrasonic wave, or focused high-intensity ultrasonic wave, etc.), and heating of cancer lesions and the like in medical treatment. , Cryotherapy, or washing of any object (such as eyeglasses), such as enhancing their effects through non-linear phenomena, achieving high resolution, and predicting the effects (for example, Power effect at the time of heating used, and not only high spatial resolution by addition when adding an effect using a cross beam, but also high frequency and high spatial resolution as the effect of multiplication, etc.). It becomes possible. Also in these, a continuous wave may be used, and the same effect is 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 applicable to obtaining a non-linear effect under physical conditions in which a non-linear effect cannot be physically obtained (for example, when the intensity cannot be increased with respect to a measurement target or when a high intensity cannot be obtained due to a high frequency). Although effective, conversely, for example, the present invention is carried out under conditions in which a non-linear effect is enhanced by using a contrast agent such as microbubbles during ultrasonic echo imaging, displacement measurement, temperature measurement, or treatment. It is also effective. That is, the present invention can enhance the non-linear effect, but can also simulate, newly generate, or virtually realize. Further, the present invention can be implemented for the purpose of purely improving resolution, increasing accuracy, and increasing 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 the harmonic imaging, it is possible to increase the frequency and the bandwidth, to increase the contrast, or to suppress the side lobe, and it is possible to perform nonlinear imaging with a high SN ratio. In addition, analog detection or digital detection can be performed simultaneously without requiring much 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 by performing ultrasonic echo imaging and measurement imaging through simulations and agar phantom experiments. The present invention is applicable to any coherent signal other than the ultrasonic echo method (a familiar one, such as light wave, OCT, electricity, magnetic field signal, radiation such as X-ray, and heat wave), and between different types of coherent signals. Is also applicable. A signal including a signal that has been made incoherent 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, movement is often observed using an incoherent signal (result display is an image) through various detections (physical phenomena or normal signal processing) on the coherent signal. Known (various such as cross-correlation processing and optical flow). When this method is used for an incoherent signal, a wider band (higher resolution) can be obtained. The above-described 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。   The above-mentioned imaging and motion measurement using the coherent signal and the incoherent signal are performed in various fields including the above example and the like, and have a very long history. Alternatively, it is effective and useful to perform wide-band high-resolution and high-contrast imaging including a low frequency, and to measure displacement or the like with high accuracy. It is effective including the engineering effect unique to multidimensional signal processing. 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.

計測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 a measurement imaging apparatus, it is useful to perform multiplication or exponentiation to generate a harmonic component and a baseband signal (the above-described new detection signal) and generate an image signal based on them. The same effect can be obtained not only in the case of calculation but also when a higher-order nonlinear processing is performed. Depending on cost and the like, the conventional technology may be selectively adopted or used together.

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、回折波、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。また、処理の高速化を目的として、デジタル処理の代わりにアナログ処理しても良い。   The present invention is not limited to the above embodiments, and many modifications can be made by those having ordinary knowledge in the technical field within the technical idea of the present invention. Reflection wave, transmission wave, scattered wave (forward scattered wave or backward wave) for waves such as electromagnetic wave, sound wave (compression wave), vibration wave (mechanical wave) including shear wave, surface wave, or heat wave Scattered waves), refracted waves, diffracted waves, surface waves, shock waves, those waves originating from self-emanating wave sources, waves originating from moving objects, or coming from unknown sources Appropriately set digital signal processing algorithms (in implemented digital circuits or software), such as displacement (vector) measurement and temperature measurement, or analog or digital hardware are used for observed waves such as waves Can be Patent Documents 5 to 7 and 11 relating to displacement measurement method (obtain the object displacement, particle displacement, medium displacement, etc. with high accuracy by also determining the propagation direction of the sensing wave, and observe the wave propagation. In many cases, various measurement methods disclosed in detail, such as detailed high-precision observation, etc., are disclosed mainly with respect to embodiments in the reflection method and the echo method. , And is not limited thereto. In addition, analog processing may be performed instead of digital processing for the purpose of speeding up processing.

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。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in a beam forming method for performing beam forming using an arbitrary wave arriving from a measurement target, and in 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、単なる波動の計測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。また、処理の高速化を目的として、デジタル処理の代わりにアナログ処理しても良い。   Radar, sonar, and other optical signals such as optical waves, sound waves, and heat waves are often generated by digital devices at present, and are often used for the purpose of applying the signals. It can be applied in conjunction with signal generation only by having the processing capability to perform the next calculation. Various devices have been made multidimensional, and the importance of the present invention will increase. The measurement target is also immeasurable, such as solid, fluid, rheology, inorganic matter, organic matter, living thing, environment, etc., and it is considered that the measurement range is expanding. In the future, the miniaturization of each device in the device will be further advanced, and the calculation stress will be more than enough, so that the computer can be incorporated at lower cost, and many real-time convenient devices have been realized. We can expect it to go. Further, it is considered that not only a simple wave measurement imaging apparatus but also an application through a measurement using a wave is developed more actively, and an application range is broadened. The digitization of various devices is expected to further advance in the future, and at that time, it is considered that 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 the high speed of the processing, there is no need to perform the interpolation approximation previously required. However, in the present invention, further emphasis is placed on high-speed performance, and if necessary, processing involving interpolation approximation may be performed although the accuracy is reduced. It is an effective device for normal communication and sensor networks. The availability and marketability of the digital beamforming according to the invention based on digital signal processing is more than adequate. In addition, analog processing may be performed instead of digital processing for the purpose of speeding up processing.

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 ... Device 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: Receiving unit (or receiving device), 35a: Reception Device, 35b AD converter, 35c memory (or storage device or storage medium), 35d phasing adder, 35e other data generator, 40 input device, 50 output device, 60 external storage device DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Measurement object, 1a ... Contrast agent, 110 ... Transducer, 111 ... Nonlinear device, 112 ... Working device, 120, 1 0a, 120b: imaging apparatus body, 121: transmitter, 121a: transmission delay element, 122: receiver, 122a: reception delay element, 123: filter / gain adjustment unit, 124: nonlinear element, 125: filter / gain adjustment unit , 126: detector, 127: AD converter, 128: storage device, 129: reception beamformer, 130: operation unit, 131: image signal generation unit, 132: measurement unit, 133: control unit, 134: display device, 135 ... analog display device, 140 ... external storage device

Claims (11)

計測対象を透過し、又は、計測対象によって反射又は屈折又は散乱又は回折した波動を受信して少なくとも1つの受信信号を出力する少なくとも1つのセンサーと、
前記少なくとも1つの受信信号を処理する信号処理部と、
電子的又は機械的に少なくとも1つのステアリングされた波動を生成して、前記計測対象を横方向に走査し、少なくとも2つの時相において波動データ信号を生成するように前記信号処理部を制御する計測制御部と、
前記少なくとも2つの時相において生成される波動データ信号に変位計測法を施して変位ベクトルを算出するデータ処理部と、
を具備し、前記データ処理部が、3次元の直交座標系の場合に前記信号処理部によって生成される前記波動を含む零度又は非零度の互いに異なる偏向角度を有する少なくとも3つのステアリングされた波動に対し、又は、2次元の直交座標系の場合に前記信号処理部によって生成される前記波動を含む零度又は非零度の互いに異なる偏向角度を有する少なくとも2つのステアリングされた波動に対し、前記少なくとも2つの時相におけるそれぞれのステアリングされた波動で単独に前記計測対象を走査して生成される波動データ信号に対応する単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルから得られる2つの複素解析信号の積又は共役積の信号のそれぞれが表す、互いに直交する方向に伝搬する新しい波動のそれぞれの瞬時位相の変化、又は、前記少なくとも2つの時相におけるそれぞれのステアリングされた波動で単独に前記計測対象を走査して生成される波動データ信号に対応する単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルから得られる波動の瞬時位相の変化を核に有する2つの複素信号の積又は共役積の信号のそれぞれの位相を用いて、前記2つの複素解析信号又は前記2つの複素信号の積又は共役積の信号のそれぞれが表す、互いに直交する方向に伝搬する新しい波動の前記それぞれの瞬時位相の変化を、前記互いに直交する方向のそれぞれの瞬時周波数又は対応するスペクトルの重心周波数で除することにより、前記互いに直交する方向のそれぞれの変位成分を算出して、前記3次元の直交座標系の場合に3次元変位ベクトルを算出し、前記2次元の直交座標系の場合に2次元変位ベクトルを算出する、計測イメージング装置。
At least one sensor that transmits a measurement target, or receives a wave reflected, refracted, scattered, or diffracted by the measurement target and outputs at least one reception signal,
A signal processing unit that processes the at least one received signal;
Measurement for electronically or mechanically generating at least one steered wave, scanning the object to be measured in a lateral direction, and controlling the signal processing unit to generate a wave data signal in at least two time phases. A control unit;
A data processing unit that performs a displacement measurement method on the wave data signal generated in the at least two time phases to calculate a displacement vector;
Wherein the data processing unit converts at least three steered waves having different deflection angles of zero degrees or non-zero degrees including the waves generated by the signal processing unit in the case of a three-dimensional rectangular coordinate system. On the other hand, for at least two steered waves having different deflection angles of zero degrees or non-zero degrees including the waves generated by the signal processing unit in the case of a two-dimensional orthogonal coordinate system, The product or conjugate product of two complex analytic signals obtained from the spectrum of a single actant or quadrant corresponding to a wave data signal generated by scanning the measurement object independently with each steered wave in the time phase Change in the instantaneous phase of each of the new waves propagating in mutually orthogonal directions represented by each of the signals Or, the instantaneous phase of a wave obtained from the spectrum of a single orctant or quadrant corresponding to a wave data signal generated by scanning the measurement object independently with each steered wave in the at least two time phases. Using the respective phases of the product or conjugate product signal of the two complex signals having changes in the nucleus, each of the two complex analytic signals or the product or conjugate product signal of the two complex signals represents By dividing the respective instantaneous phase change of the new wave propagating in the orthogonal direction by the respective instantaneous frequency in the orthogonal direction or the centroid frequency of the corresponding spectrum, each displacement in the orthogonal direction is obtained. Calculating a component, calculating a three-dimensional displacement vector in the case of the three-dimensional orthogonal coordinate system, and calculating the two-dimensional orthogonal vector. Calculating a two-dimensional displacement vector when the target system, the measuring imaging device.
計測対象を透過し、又は、計測対象によって反射又は屈折又は散乱又は回折した波動を受信して少なくとも1つの受信信号を出力する少なくとも1つのセンサーと、
前記少なくとも1つの受信信号を処理する信号処理部と、
前記計測対象の深さ方向、深さ方向に直交する横方向、及び、深さ方向及び横方向に直交するエレベーション方向を3軸とする3次元の直交座標系において、電子的又は機械的に生成される零度又は非零度の互いに異なる偏向角度を有する少なくとも3つのステアリングされた波動を生成し、又は、深さ方向、及び、深さ方向に直交する横方向を2軸とする2次元の直交座標系において、電子的又は機械的に生成される零度又は非零度の互いに異なる偏向角度を有する少なくとも2つのステアリングされた波動を生成して、前記計測対象を横方向に走査し、少なくとも2つの時相において波動データ信号を生成するように前記信号処理部を制御する計測制御部と、
前記少なくとも2つの時相において生成される波動データ信号に変位計測法を施して変位ベクトルを算出するデータ処理部と、
を具備し、前記データ処理部が、前記少なくとも2つの時相におけるそれぞれのステアリングされた波動で単独に前記計測対象を走査して生成される波動データ信号に対応する単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルから得られる波動の瞬時位相を核とする複素解析信号又は前記少なくとも2つの時相の間に生じた瞬時位相の変化を核に有する複素自己相関信号又は複素信号を用いて、前記3次元の直交座標系の場合に3次元変位ベクトルを算出し、前記2次元の直交座標系の場合に2次元変位ベクトルを算出するにあたり、前記単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルに対応する複素解析信号又は複素自己相関信号又は複素信号の瞬時周波数ベクトルの大きさ又はスペクトルの重心周波数ベクトルの大きさが他の複素解析信号又は他の複素自己相関信号又は他の複素信号と同一になるように、前記他の複素解析信号又は前記他の複素自己相関信号又は前記他の複素信号の瞬時周波数ベクトル成分又は重心周波数ベクトル成分を定数倍する際にそれらの瞬時位相又は瞬時位相の変化も定数倍し、又は、複数の複素解析信号又は複数の複素自己相関信号又は複数の複素信号の瞬時周波数ベクトルの大きさ又は重心周波数ベクトルの大きさを正規化する際に、前記複数の複素解析信号又は前記複数の複素自己相関信号又は前記複数の複素信号の瞬時周波数ベクトル成分又は重心周波数ベクトル成分を正規化すると共にそれらの瞬時位相又は瞬時位相の変化も正規化し、前記単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルに対応する波動の重ね合わせが前記3次元の直交座標系又は前記2次元の直交座標系又はそれらを回転した3次元の直交座標系又は2次元の直交座標系の軸の方向に独立した瞬時周波数又は重心周波数を有するように前記波動データ信号を処理して、前記波動の重ね合わせを画像化する、計測イメージング装置。
At least one sensor that transmits a measurement target, or receives a wave reflected, refracted, scattered, or diffracted by the measurement target and outputs at least one reception signal,
A signal processing unit that processes the at least one received signal;
In a three-dimensional orthogonal coordinate system having three axes of a depth direction of the measurement object, a horizontal direction orthogonal to the depth direction, and an elevation direction orthogonal to the depth direction and the horizontal direction, electronically or mechanically. Generates at least three steered waves with different zero or non-zero deflection angles to be generated, or two-dimensional orthogonal with two axes in the depth direction and the transverse direction orthogonal to the depth direction. Generating, in a coordinate system, at least two steered waves having different deflection angles, electronically or mechanically, of zero degree or non-zero degree, and scanning the object to be measured laterally; A measurement control unit that controls the signal processing unit to generate a wave data signal in a phase;
A data processing unit that performs a displacement measurement method on the wave data signal generated in the at least two time phases to calculate a displacement vector;
Wherein the data processing unit comprises a single actant or quadrant corresponding to a wave data signal generated by scanning the measurement object independently with each of the steered waves in the at least two time phases. Using a complex analytic signal whose core is the instantaneous phase of the wave obtained from the spectrum or a complex autocorrelation signal or a complex signal whose core has a change in instantaneous phase generated between the at least two time phases, When calculating a three-dimensional displacement vector in the case of a rectangular coordinate system, and calculating a two-dimensional displacement vector in the case of the two-dimensional rectangular coordinate system, a complex analysis signal corresponding to the spectrum of the single actant or quadrant, or If the magnitude of the complex autocorrelation signal or the instantaneous frequency vector of the complex signal or the magnitude of the centroid frequency vector of the spectrum is The instantaneous frequency vector component or the centroid frequency vector of the other complex analytic signal or the other complex autocorrelation signal or the other complex signal so as to be the same as the analysis signal or the other complex autocorrelation signal or the other complex signal. When the components are multiplied by a constant, their instantaneous phase or a change in the instantaneous phase is also multiplied by a constant, or the magnitude or the center of gravity of the instantaneous frequency vector of a plurality of complex analysis signals or a plurality of complex autocorrelation signals or a plurality of complex signals. When normalizing the magnitude of the vector, normalizing instantaneous frequency vector components or centroid frequency vector components of the plurality of complex analysis signals or the plurality of complex autocorrelation signals or the plurality of complex signals and their instantaneous phases Or, the instantaneous phase change is also normalized, and the superposition of the waves corresponding to the spectrum of the single actant or quadrant is the third order. The wave data signal so as to have an instantaneous frequency or a center-of-gravity frequency independent of the direction of the axis of the rectangular coordinate system, the two-dimensional rectangular coordinate system, or the three-dimensional rectangular coordinate system or a two-dimensional rectangular coordinate system obtained by rotating them. A measurement imaging apparatus for processing the image to form an image of the superposition of the waves.
前記信号処理部又は前記データ処理部が、前記少なくとも2つの時相の各々において生成される複数の波動の内の少なくとも1つを他の少なくとも1つの波動に同一の組み合わせで重ね合わせて少なくとも1つの新しい波動を生成し、前記3次元の直交座標系において前記新しい波動を含む少なくとも3つのステアリングされた波動を用い、又は、前記2次元の直交座標系において前記新しい波動を含む少なくとも2つのステアリングされた波動を用いる、請求項1又は2記載の計測イメージング装置。   The signal processing unit or the data processing unit superimposes at least one of a plurality of waves generated in each of the at least two time phases on at least one other wave in the same combination to at least one Generate a new wave and use at least three steered waves including the new wave in the three-dimensional Cartesian coordinate system, or at least two steered waves including the new wave in the two-dimensional Cartesian coordinate system The measurement imaging apparatus according to claim 1, wherein a wave motion is used. 前記データ処理部が、前記少なくとも2つの時相の各々において生成される波動の少なくとも1つの単一のオークタント又はクァドラントのスペクトル、又は、複数の波動の同一の重ね合わせを表す少なくとも1つの単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルに対し、周波数領域において同一の分割を行って新しい複数の単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルを生成し、前記3次元の直交座標系の場合に前記新しい単一のオークタントのスペクトルによって表される少なくとも1つの波動を含む少なくとも3つの波動を用い、前記2次元の直交座標系の場合に前記新しい単一のクァドラントのスペクトルによって表される少なくとも1つの波動を含む少なくとも2つの波動を用いる、請求項1又は2記載の計測イメージング装置。   The data processing unit may include a spectrum of at least one single actant or quadrant of waves generated in each of the at least two phases, or at least one single representation of the same superposition of multiple waves. The same splitting in the frequency domain is performed on the spectrum of the actant or quadrant of a new plurality to generate a spectrum of a new single oractant or quadrant, and in the case of the three-dimensional rectangular coordinate system, the new single Using at least three waves, including at least one wave represented by the spectrum of the actant, and at least including at least one wave represented by the spectrum of the new single quadrant in the case of the two-dimensional rectangular coordinate system. The measurement image according to claim 1 or 2, wherein two waves are used. Grayed apparatus. 前記データ処理部が、前記少なくとも2つの時相の各々において生成される波動の少なくとも1つの単一のオークタント又はクァドラントのスペクトル、又は、複数の波動の同一の重ね合わせを表す少なくとも1つの単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルに対し、周波数領域において同一の分割を行って生成される複数の単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルの内の少なくとも1つの単一のオークタント又はクァドラントのスペクトルによって表される波動を他の少なくとも1つの波動に同一の組み合わせで重ね合わせて少なくとも1つの新しい波動を生成し、前記3次元の直交座標系の場合に前記新しい波動を含む少なくとも3つのステアリングされた波動を用い、前記2次元の直交座標系の場合に前記新しい波動を含む少なくとも2つのステアリングされた波動を用いる、請求項1又は2記載の計測イメージング装置。   The data processing unit may include a spectrum of at least one single actant or quadrant of waves generated in each of the at least two phases, or at least one single representation of the same superposition of multiple waves. Are represented by at least one single actant or quadrant spectrum among a plurality of single actant or quadrant spectra generated by performing the same division in the frequency domain with respect to the spectrum of the actant or quadrant of the present invention. The generated wave is superimposed on at least one other wave in the same combination to generate at least one new wave, and in the case of the three-dimensional rectangular coordinate system, at least three steered waves including the new wave are generated. The two-dimensional Cartesian coordinate system and the new wave Using at least two steered wave containing, measuring imaging apparatus according to claim 1 or 2, wherein. 前記データ処理部が、前記3次元の直交座標系の場合に3次元変位ベクトルを算出し、前記2次元の直交座標系の場合に2次元変位ベクトルを算出するにあたり、前処理として、前記2つの複素解析信号又は複素自己相関関数又は前記2つの複素信号によって表される波動の伝搬方向の瞬時周波数ベクトルの大きさ又はスペクトルの重心周波数ベクトルの大きさが同一になるように1つの複素解析信号又は複素自己相関関数又は複素信号の瞬時周波数ベクトル成分又は重心周波数ベクトル成分を定数倍する際にそれらの瞬時位相又は瞬時位相の変化も同時に定数倍し、又は、前記2つの複素解析信号又は複素自己相関関数又は複素信号の瞬時周波数ベクトルの大きさ又は重心周波数ベクトルの大きさを正規化する際に前記2つの複素解析信号又は複素自己相関関数又は複素信号の瞬時周波数ベクトル成分又は重心周波数ベクトル成分を正規化すると共にそれらの瞬時位相又は瞬時位相の変化も同時に正規化して、前記2つの複素解析信号又は複素自己相関関数又は複素信号の積又は共役積の信号によって表される新しい波動の伝搬方向が直交するようにする、請求項1、3、4又は5に記載の計測イメージング装置。   When the data processing unit calculates a three-dimensional displacement vector in the case of the three-dimensional rectangular coordinate system and calculates a two-dimensional displacement vector in the case of the two-dimensional rectangular coordinate system, the two processings are performed as preprocessing. One complex analysis signal or one such that the magnitude of the instantaneous frequency vector in the propagation direction of the wave represented by the complex analysis signal or the complex autocorrelation function or the two complex signals or the magnitude of the centroid frequency vector of the spectrum is the same. When the complex autocorrelation function or the instantaneous frequency vector component or the center-of-gravity frequency vector component of the complex signal is multiplied by a constant, the instantaneous phase or the change in the instantaneous phase is also simultaneously multiplied by a constant, or the two complex analysis signals or the complex autocorrelation When normalizing the magnitude of the instantaneous frequency vector or the centroid frequency vector of a function or a complex signal, the two complex analysis signals Normalizes the complex autocorrelation function or the instantaneous frequency vector component or the center-of-gravity frequency vector component of the complex signal and simultaneously normalizes the instantaneous phase or the change of the instantaneous phase at the same time, so that the two complex analysis signals or the complex autocorrelation function or The measurement imaging apparatus according to claim 1, wherein the propagation direction of a new wave represented by a product of a complex signal or a signal of a conjugate product is orthogonal. 計測対象を透過し、又は、計測対象によって反射又は屈折又は散乱又は回折した波動を受信して少なくとも1つの受信信号を出力する少なくとも1つのセンサーと、
前記少なくとも1つの受信信号を処理する信号処理部と、
電子的又は機械的に少なくとも1つのステアリングされた波動を生成して、前記計測対象を横方向に走査し、少なくとも2つの時相において波動データ信号を生成するように前記信号処理部を制御する計測制御部と、
前記少なくとも2つの時相において生成される波動データ信号に変位計測法を施して変位ベクトルを算出するデータ処理部と、
を具備し、前記データ処理部が、前記波動データ信号又はその複素解析信号、又は、前記少なくとも2つの時相の間に生じた瞬時位相の変化を表す複素自己相関信号又は複素信号又はそれらの積又は共役積の信号が折り返し現象を生じている場合において、瞬時位相の変化と瞬時周波数又はスペクトルの重心とを用いて変位ベクトル又は変位を求めるべく、それらの内の何れかの信号から求められる折り返しの生じている瞬時周波数又はスペクトルの重心に対して、同信号のサンプリング周波数で決まる帯域幅の値を加算又は減算する補正を施して用いる、計測イメージング装置。
At least one sensor that transmits a measurement target, or receives a wave reflected, refracted, scattered, or diffracted by the measurement target and outputs at least one reception signal,
A signal processing unit that processes the at least one received signal;
Measurement for electronically or mechanically generating at least one steered wave, scanning the object to be measured in a lateral direction, and controlling the signal processing unit to generate a wave data signal in at least two time phases. A control unit;
A data processing unit that performs a displacement measurement method on the wave data signal generated in the at least two time phases to calculate a displacement vector;
Wherein the data processing unit comprises: the wave data signal or a complex analysis signal thereof, or a complex autocorrelation signal or a complex signal representing a change in an instantaneous phase occurring between the at least two time phases, or a product thereof. Or, in the case where the signal of the conjugate product has an aliasing phenomenon, in order to obtain the displacement vector or the displacement using the instantaneous phase change and the instantaneous frequency or the center of the spectrum, the aliasing obtained from any of the signals. A measurement and imaging apparatus, which performs correction for adding or subtracting a bandwidth value determined by the sampling frequency of the same signal to or from the instantaneous frequency or the center of gravity of the spectrum in which the above occurs.
計測対象を透過し、又は、計測対象によって反射又は屈折又は散乱又は回折した波動を受信して少なくとも1つの受信信号を出力する少なくとも1つのセンサーと、
前記少なくとも1つの受信信号を処理する信号処理部と、
電子的又は機械的に少なくとも1つのステアリングされた波動を生成して、前記計測対象を横方向に走査し、少なくとも2つの時相において波動データ信号を生成するように前記信号処理部を制御する計測制御部と、
前記少なくとも2つの時相において生成される波動データ信号に変位計測法を施して変位ベクトルを算出するデータ処理部と、
を具備し、前記データ処理部が、前記波動データ信号又はその複素解析信号、又は、前記少なくとも2つの時相の間に生じた瞬時位相の変化を表す複素自己相関信号又は複素信号又はそれらの積又は共役積の信号が折り返し現象を生じて、スペクトルが正の最高周波数と負の最高周波数との両方をその帯域内に持つ場合において、瞬時位相の変化と瞬時周波数又はスペクトルの重心とを用いて変位ベクトル又は変位を求めるべく、それらの内の何れかに周波数変調を施すことにより、低周波化して折り返しを生じていないようにするか、又は、高周波化してスペクトルが正の周波数と負の周波数との両方をその帯域内に持たないようにした上で、
スペクトルの重心周波数を用いる場合においては、周波数座標の周波数領域を正又は負の半帯域幅の周波数領域に読み替え、重心周波数又は瞬時周波数を用いる場合においては、それらの内の何れかの信号のサンプリング周波数で決まる帯域幅の値を加算又は減算して求まる重心周波数又は瞬時周波数に対し、前記周波数変調によって低周波化した場合には変調周波数を加算し、高周波化した場合には変調周波数分を減算する補正を施して用いる、計測イメージング装置。
At least one sensor that transmits a measurement target, or receives a wave reflected, refracted, scattered, or diffracted by the measurement target and outputs at least one reception signal,
A signal processing unit that processes the at least one received signal;
Measurement for electronically or mechanically generating at least one steered wave, scanning the object to be measured in a lateral direction, and controlling the signal processing unit to generate a wave data signal in at least two time phases. A control unit;
A data processing unit that performs a displacement measurement method on the wave data signal generated in the at least two time phases to calculate a displacement vector;
Wherein the data processing unit comprises: the wave data signal or a complex analysis signal thereof, or a complex autocorrelation signal or a complex signal representing a change in an instantaneous phase occurring between the at least two time phases, or a product thereof. Or, when the signal of the conjugate product causes an aliasing phenomenon and the spectrum has both the highest positive frequency and the highest negative frequency in the band, the instantaneous phase change and the instantaneous frequency or the center of the spectrum are used. To obtain the displacement vector or displacement, frequency modulation is applied to any of them to reduce the frequency so that aliasing does not occur, or to increase the frequency so that the spectrum has positive and negative frequencies. Not to have both in the band,
When the center of gravity frequency of the spectrum is used, the frequency domain of the frequency coordinate is replaced with a positive or negative half bandwidth frequency domain, and when the center of gravity frequency or the instantaneous frequency is used, sampling of any of the signals is performed. To the center-of-gravity frequency or instantaneous frequency obtained by adding or subtracting the value of the bandwidth determined by the frequency, the modulation frequency is added when the frequency is lowered by the frequency modulation, and the modulation frequency is subtracted when the frequency is increased. A measurement imaging apparatus that is used after performing correction.
前記データ処理部が行う周波数変調が検波処理である、請求項8記載の計測イメージング装置。   The measurement imaging apparatus according to claim 8, wherein the frequency modulation performed by the data processing unit is a detection process. 計測対象を透過し、又は、計測対象によって反射又は屈折又は散乱又は回折した波動を受信して少なくとも1つの受信信号を出力する少なくとも1つのセンサーと、
前記少なくとも1つの受信信号を処理する信号処理部と、
電子的又は機械的に少なくとも1つのステアリングされた波動を生成して、前記計測対象を横方向に走査し、少なくとも2つの時相において波動データ信号を生成するように前記信号処理部を制御する計測制御部と、
前記少なくとも2つの時相において生成される波動データ信号に変位計測法を施して変位ベクトルを算出するデータ処理部と、
を具備し、前記信号処理部が、各時相における受信信号に対して、関心領域内の各関心点において大きさを正規化しない局所の自己相関関数を求めて関心領域内で重ね合わせて波動データ信号を生成し、前記データ処理部が、各時相における波動データ信号を画像化するか、又は、変位ベクトル又は変位成分を算出する、計測イメージング装置。
At least one sensor that transmits a measurement target, or receives a wave reflected, refracted, scattered, or diffracted by the measurement target and outputs at least one reception signal,
A signal processing unit that processes the at least one received signal;
Measurement for electronically or mechanically generating at least one steered wave, scanning the object to be measured in a lateral direction, and controlling the signal processing unit to generate a wave data signal in at least two time phases. A control unit;
A data processing unit that performs a displacement measurement method on the wave data signal generated in the at least two time phases to calculate a displacement vector;
The signal processing unit obtains a local autocorrelation function that does not normalize the magnitude at each point of interest in the region of interest with respect to the received signal in each time phase, and superimposes the signal in the region of interest to generate a wave. A measurement imaging apparatus for generating a data signal, wherein the data processing unit forms an image of the wave data signal in each time phase, or calculates a displacement vector or a displacement component.
自己相関信号を求める前記各時相における受信信号が、各時相において複数の受信信号を重ね合わせたものである、請求項10に記載の計測イメージング装置。   The measurement imaging apparatus according to claim 10, wherein the reception signal in each time phase for obtaining an autocorrelation signal is obtained by superimposing a plurality of reception signals in each time phase.
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