JP2020502517A - 超音波探査により信号を取得するための方法、対応するコンピュータプログラムおよび超音波探査装置 - Google Patents

Abstract

超音波探査にて信号を取得する為の本方法（２００）は、Ｌ個の放射変換器（１０８１，…，１０８Ｎ）及びＮ個の受信変換器（１０８１，…，１０８Ｎ）を、Ｍ回連続放射の夫々に、Ｎ個の測定信号を同時受信する為に制御する事（２０８）と、Ｎ×Ｍのサイズを有する超音波時間信号の行列を得る事（２１０）と、を含む。Ｌ×Ｍ’のサイズを有する、連続放射を符号化する為の初期行列（［ＭＣ’］）は、完全にＭより大きい連続初期放射数Ｍ’に予め定義される（２０２）。音場の計算は、Ｍ’回の初期放射の夫々に実行される（２０４）。Ｌ×Ｍのサイズを有する縮小符号化行列（［ＭＣ］）は、Ｍ’回の音場の計算に適用される選択基準に基づき、前記初期符号化行列のＭ’−Ｍ個の列の除外により得られる（２０６）。Ｍ回連続放射に対するＬ個の放射変換器の制御（２０８）は前記縮小符号化行列を用い符号化される。

Description

本発明は、例えば、イメージングまたは適応的かつ選択的なフォーカシングを実行するために、超音波探査により信号を取得するための方法に関する。また、対応するコンピュータプログラムおよび超音波探査装置に関する。

本発明は、特には超音波による非破壊検査の分野に適用され、超音波信号の取得は、構造内の欠陥を検出および／または表示することを可能にするが、あらゆるタイプの超音波エコー画像の検出またはイメージングにも、特に人間または動物の体の関心の領域の検査のための医療分野に、適用することができる。

より詳細には、
関心の領域に向かう超音波ウェーブのＭ回の連続放射のためのＬ個の放射トランスデューサを制御し、
特には関心の領域内での問題の放射の反射により引き起こされるエコーを測定して、Ｎ個の測定信号を、Ｍ回の連続放射ごとに、同時にかつ所定の時間にわたって受信するように、Ｎ個の受信トランスデューサを制御し、
Ｎ×Ｍのサイズを有する、超音波時間信号の行列［ＭＲ（ｔ）］であって、この行列の各係数ＭＲ_ｉ，ｊ（ｔ）が、ｊ番目の放射により引き起こされて、ｉ番目の受信トランスデューサにより受信された測定信号を表す、という行列［ＭＲ（ｔ）］を取得する、
という方式において動作する、超音波信号を取得するための方法に関する。

そのような取得は、一般的に、多素子センサを有する探査装置を用いて、行われるし、各トランスデューサは、エミッタおよびレシーバの両方であり、これら２つのモード間の切り替えは、電気的に制御され得る。センサは、探査されるべき物体と接触して、または、ある距離に配置され得るが、後者の場合では、探査されるべき対象への超音波ウェーブの伝達を確実にするために、水没させなければならない。このセンサは、剛性要素または可撓性要素を有する、ライナー（１Ｄ）またはマトリックス（２Ｄ）であり得る。

そして、この種の取得により得られた時間信号の行列［ＭＲ（ｔ）］は、特には、検査された関心の領域の画像を提供するために、または、検査された関心の領域における構造的欠陥を示すパラメータの抽出のために、処理を受けられ得る。プロセッサの現在の計算キャパシティを考慮すると、この処理は、リアルタイム処理のために、制御機器に搭載され得る。

実際には、関心の領域に向けての超音波ウェーブのＭ回の連続放射のためのＬ個の放射トランスデューサの制御は、符号化行列［ＭＣ］、この行列の各係数ＭＣ_ｉ，ｊはｊ番目の放射時におけるｉ番目の放射トランスデューサによる放射に対する一般的な励起時間信号ｅ（ｔ）に適用される増倍率を表すが、を用いて符号化され得る。遅延則は、連続放射にさらに適用され得る。

［ＭＣ］が単位行列で、遅延則が適用されていない場合、予め定義された超音波取得は、ＦＭＣ（“Ｆｕｌｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃａｐｔｕｒｅ”から）の取得とみなされる。それは、第１の放射トランスデューサを励起することによる超音波ウェーブの放射と、Ｎ個の受信トランスデューサ全てでこの放射のエコーを受信することと、そして、それらを連続的に励起するために、放射トランスデューサ全てへ電気的に切り替えることと、から構成される。放射および受信の機能を実行するのが同じトランスデューサであるとき、［Ｋ（ｔ）］として知られ、Ｎ×Ｎのサイズを有する、音波時間信号の行列［ＭＲ（ｔ）］が得られる。

イメージングにおいては、行列［Ｋ（ｔ）］の係数を形成する超音波時間信号が、関心の領域にわたって、最適な解像度を有する画像を得ることを可能にする「トータルフォーカシングメソッド」タイプの合成フォーカシングを実行するために、用いられる。しかし、強い電気的または構造的ノイズの存在下においては、トータルフォーカシングメソッドによる再構成は、従来のエコー画像法と比較して、より低品質の画像を提供し得る。実際、後者においては、所定の遅延則の適用により、与えられた点に焦点を合わせるように、全てのトランスデューサが同時に放射する。しかし、合成フォーカシングによる再構成をその後実行するために、一般的に実施されるＦＭＣ取得方法によれば、各放射は、伝達されるエネルギーと、検査される部分への波の侵入の深さと、を制限する単一のトランスデューサにより、実行される。最後に、これは、エコー信号の振幅が電気的または構造的ノイズのレベルに匹敵し得るため、それ事態が信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の劣化であることを明らかにする。超音波ウェーブの減衰が大きい場合（粘弾性減衰、または媒体内の不均一性による拡散による減衰）、ＳＮＲのこの劣化はさらに大きくなり、見込まれる欠陥の検出および特徴付けを困難にする。

ＳＮＲの劣化についてのこの問題に対する部分的な解決策は、超音波、強誘電体、および周波数制御についてのＩＥＥＥトランザクション、ｖｏｌ．４２、Ｎｏ．３（１９９５年５月）、ページ４２９−４４２にて発表され、“Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｆｏｒ ｓｍａｌｌ ｓｃａｌｅ ｓｙｓｔｅｍｓ”とタイトルづけられた、Ｋａｒａｍａｎなどによる論文において提供されている。

それは、各放射ごとに、一つのトランスデューサではなく、複数の隣接するトランスデューサを使用することを伴う。センサから一定の距離に位置する仮想ソースにより放射されるであろうものに近い球面超音波ウェーブを媒体に伝達するために、使用される放射トランスデューサに対して遅延則が適用される。このようにして仮想ソースから放射された超音波ウェーブは、そのエネルギーがこのソースを形成する放射トランスデューサの数の平方根に比例するため、より強い。発生したノイズが主に無相関の電気ノイズであったならば、ＳＮＲはそれだけ改善される。対応する符号化行列［ＭＣ］は、その各列に複数の非ゼロな係数を備え、各放射において同時に使用される隣接トランスデューサの数と、任意に適用される遅延則と、を正確に定義する。

しかし、非常に大きなノイズを有する検査部品の場合には、合成トータルフォーカシングにより最終的に得られる画像の品質の改善は、より限定的であり、ＳＮＲの増加はより少なく、検出に対する影響は期待されるほどポジティブではない。

この解決法は、前述の問題を部分的には補償するが、それを消去しない。実際、ＳＮＲの増加は、各仮想ソースを形成するトランスデューサの数の平方根に比例し、この数は、センサのトランスデューサの総数Ｎよりも、はるかに少ない。

また、仮想ソースによって放射することは、物体の境界上における多重反射と、モード変換と、を含む幾何学的エコーまたは複雑なエコーなどといった、寄生エコーにより実質的に引き起こされる再構成アーチファクトにより引き起こされ得る問題が消去されることを、可能にするわけではない。

ＳＮＲの劣化というこの問題に対する別の解決策が、２０１６年９月１８日から２１日にかけてトゥール（フランス）で開催されたＩＥＥＥ 国際超音波シンポジウムにて発表され、“Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ ｉｎ ｈｉｇｈｌｙ ａｔｔｅｎｕａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ Ｗｈａｌｓｈ−Ｈａｄａｍａｒｄ ｃｏｄｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｒｅｖｅｒｓａｌ ｏｐｅｒａｔｏｒ”とタイトルづけられた、Ｌｏｐｅｚ Ｖｉｌｌａｖｅｒｄｅなどによる論文により、提供されている。それは、Ｈ_Ｎと付けられたアダマール行列［ＭＣ］を用いて、または、このアダマール行列（Ｈ_Ｎ ^＋および／またはＨ_Ｎ ^-）に起因する行列を用いて、放射を符号化することから成る。このタイプの放射符号化では、復号化後の［Ｋ（ｔ）］と同等の時間信号の行列［ＭＲ（ｔ）］が改善されたＳＮＲで得られることが実証されている。しかし、以前の解決策よりもはるかに優れたＳＮＲを得るために、符号化行列Ｈ_Ｎ ^＋およびＨ_Ｎ ^-を用いた放射においてトランスデューサが用いられている場合は、例えば２Ｎ−１といった、一般に大多数の連続放射が課せられる。

したがって、前述の問題および制約の少なくとも一部を克服することを可能にする超音波信号を取得するための方法を提供することが望ましいと思われる。

したがって、超音波探査により信号を取得するための方法であって、
関心の領域へのＭ回の超音波ウェーブの連続放射のためのＬ個の放射トランスデューサを制御するステップと、
特には関心の領域で問題の放射の反射により引き起こされるエコーを測定して、Ｎ個の測定信号を、Ｍ回の連続放射ごとに、同時にかつ所定の時間にわたって受信するように、Ｎ個の受信トランスデューサを制御するステップと、
Ｎ×Ｍのサイズを有する超音波時間信号の行列［ＭＲ（ｔ）］、この行列の各係数ＭＲ_ｉ，ｊ（ｔ）は、ｊ番目の放射により引き起こされ、ｉ番目の受信トランスデューサにより受信された測定信号を表す、を得るステップと、
を備える方法が提案される。
それに伴い、
Ｌ×Ｍ’のサイズを有する、連続放射を符号化するための初期行列［ＭＣ’］、この行列の各係数ＭＣ’_ｉ，ｊはｊ番目の放射時におけるｉ番目の放射トランスデューサによるその放射に対する共通の励起時間信号ｅ（ｔ）に適用される増倍率を表している、は、完全にＭよりも大きい、連続初期放射の数Ｍ’に対して予め定義されており、
Ｍ’回の連続初期放射ごとに、アコースティックフィールドについての計算が実行され、
Ｌ×Ｍのサイズを有する、縮小された符号化行列［ＭＣ］は、Ｍ’回のアコースティックフィールドの計算に適用される選択基準に基づき消去されたＭ’−Ｍ回の初期放射に対応するＭ’−Ｍ個の列を除外することにより、初期符号化行列［ＭＣ’］から得られ、
関心の領域に向かう超音波ウェーブのＭ回の連続放射に対する、Ｌ個の放射トランスデューサの制御は、共通の励起時間信号ｅ（ｔ）に適用される縮小された符号化行列［ＭＣ］を用いて、符号化される。

このようにして、上記で示されたものの一つ、または、別のもの、特には、意図された用途と、計画された後の処理と、に応じた、満足のいくＳＮＲを保証する符号化行列、であり得る符号化行列［ＭＣ’］から開始して、本発明は、関連する基準に基づき１つ以上の放射を消去することにより、それがアコースティックフィールドの計算に関連しているので、放射の数を減らすことを可能にする。この動作方式は、行列［ＭＲ（ｔ）］のＳＮＲに対するこの減少の影響を可能な限り制限することにより、放射の数を減少させることを特に可能にする。

オプション的には、超音波時間信号の行列［ＭＲ（ｔ）］は、以下の方式における行列積により算出される復号行列［ＭＲ’（ｔ）］を得るために、復号される。

“Ｔ”は行列転置の記号である。

このようにして、Ｎ×Ｌのサイズを有する行列が、従来のＦＭＣタイプの取得により得られた時間信号の行列とともに同じ処理が可能であるものに基づき、得られる。

また、オプション的には、Ｍ’回の連続初期放射ごとに実行されるアコースティックフィールドの計算は、初期符号化行列［ＭＣ’］のインデックスｍ’を有する各列に対して、以下の方式において定義された、簡略化されたフィールドモデルＥ_ｍ’（ｆ，θ）の計算を備える。

ｆは、時間周波数であり、
θは、Ｌ個の放射トランスデューサの軸が整列しているときの、放射トランスデューサについての主平面または軸の法線に対する角度であり、
ｓ_l（ｆ）は、ｌ番目の放射トランスデューサの伝達関数であり、
Ｄ_ｌ（ｆ，θ）は、超音波ウェーブの放射媒体内のｌ番目の放射トランスデューサの指向性関数であり、
ｅは、指数関数であり、
ｊは、ｊ^２＝−１といった複素数であり、
ｋは、ｋ＝２πｆ／ｃにより定義される波数であり、ｃは、問題の放射媒体内の超音波ウェーブの速度であり、
ｄは要素間の幅で、すなわち、二つの隣接するトランスデューサ間の距離に追加される放射トランスデューサの共通の幅である。

また、オプション的には、Ｍ’回の連続初期放射ごとに実行されるアコースティックフィールドの計算は、以下の方式における簡略化されたフィールドモデルＥ_ｍ’（ｆ，θ）それぞれに基づく積分されたフィールド値Ａ_ｍ’（θ）の計算をさらに備える。

ｆ_ｍｉｎおよびｆ_ｍａｘはそれぞれ、共通の励起時間信号ｅ（ｔ）の帯域幅の最小および最大周波数である。

また、オプション的には、アコースティックフィールドのＭ’回の計算に適用される選択基準は、それ以下においてはアコースティックフィールドの寄与が無視できると見なされる振幅閾値を備える。

また、オプション的には、初期放射を生成する初期符号化行列［ＭＣ’］の各列であって、それについてのアコースティックフィールドの計算が振幅閾値より大きいまたは等しい値を提供しない各列は、消去される。

また、オプション的には、Ｍ’回のアコースティックフィールドの計算に適用される選択基準は、所定の角度セクタの外側のアコースティックフィールドについてのいずれの寄与も除外することを伴う角度閾値処理をさらに備える。

また、オプション的には、初期符号化行列［ＭＣ’］は、アダマール行列であるか、または、アダマール行列から得られる。

通信ネットワークからダウンロードされ得る、および／または、コンピュータにより読み取り可能な媒体に記録されている、および／または、プロセッサにより実行され得る、コンピュータプログラムであって、プログラムがコンピュータにおいて実行されると、本発明に係る信号を取得するための方法についてのステップの実行のための命令を備えるコンピュータプログラムもまた提案されている。

コンピュータにおいて実行されると、本発明に係る信号を取得するための方法のステップの実行のための命令を備えており、通信ネットワークからダウンロードされ得る、および／または、コンピュータにより読み取り可能な媒体に記録されている、および／または、プロセッサにより実行され得る、コンピュータプログラムもまた提案される。

複数の超音波放射トランスデューサおよび複数の超音波受信トランスデューサを備えるプローブと、
本発明に係る、信号を取得するための方法を実施するように設計された、トランスデューサを制御するためおよび処理するための手段と、
を備える超音波探査装置もまた提案される。

本発明は、例として単に与えられ、添付の図面を参照してなされる、以下の説明を介してよりよく理解されるであろう。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波探査装置の全体構成を概略的に示す。 図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃは、図１のそれのような探査装置により実行された三つの符号化された放射にそれぞれ対応する、三つのアコースティックフィールドの例を示す。 図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃは、図１のそれのような探査装置により実行される三つの符号化された放射にそれぞれ対応する、三つのアコースティックフィールドの計算例を示す。 図４は、具体的には図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃの計算を用いた、アコースティックフィールドの計算の他の例を示す。 図５は、図４の計算の結果に対して実行された閾値処理の効果を示す。 図６は、符号化された放射を除外する目的で、図５の結果に対して実行された二値化の効果を示す。 図７は、比較試験のための実験設備を概略的に示す。 図８は、図７の実験設備において、本発明に係る探査装置を用いて、または、用いずに、得られた比較試験の結果を示す。 図９Ａ、９Ｂおよび９Ｃは、図７の実験設備において、本発明に係る探査装置を用いた、または、用いないでの、取得により得られた時間信号に対する合成トータルフォーカシングにより得られた三つの画像を示す。 図１０は、図１の装置により実施された超音波信号を取得するための方法のステップを示す。

図１を参照すると、物体１０２を探査するための、本発明の一実施形態に係る装置１００は、ケース１０６を有する超音波プローブ１０４を備え、ケース１０６はプローブ１０４に取り付けられた基準フレームとして用いられる変形不可能な構造要素であり、その中には、Ｎ個の固定または移動可能なトランスデューサ１０８_１、…、１０８_Ｎが、例えば直線状に、または、格子状に、配置される。

物体１０２は、例えば、非破壊検査により検査することが望まれる機械的部分、または、医学的状況では、非侵襲的に検査することが望まれる人体部分である。図１の実施形態では、物体１０２は、水１１０のような液体に浸されており、プローブ１０４は、水１１０がそれらを分けるように、物体１０２から一定の距離に維持される。しかし、他の同等の実施形態においては、プローブ１０４は、物体１０２と直接接触していてもよい。

トランスデューサ１０８_１，…，１０８_Ｎは、汎用の符号Ｃにより識別される制御信号に応答して物体１０２の方向に、図１の点線矢印で示されている互いに平行な主要方向に、および、図の主平面内に、超音波ウェーブを放射するように設計されている。

トランスデューサ１０８_１，…，１０８_Ｎは、物体１０２上および内において反射する超音波ウェーブの波のエコーを検出するように、そして、汎用の符号Ｓにより識別され、これらのエコーに対応する、測定信号を提供するように、さらに設計されている。こうして、図１の非限定的な例において、Ｎ個のトランスデューサ１０８_１，…，１０８_Ｎは、放射と受信の両方の機能を実行するが、エミッタとは異なるレシーバもまた、本発明の原理に準拠しているならば、相違する独立の場合において、設けられ得る。さらに、実際には、エミッタの数ＬはレシーバＮの数と異なり得る。

探査装置１００は、プローブ１０４のトランスデューサ１０８_１，…，１０８_Ｎの制御のための、および、測定信号Ｓの処理のための、電子回路１１２をさらに備える。この電子回路１１２は、制御信号Ｃをそれに送信するために、および、測定信号Ｓを受信するために、プローブ１０４に接続されている。電子回路１１２は、例えばコンピュータのものである。それは、プローブ１０４に制御信号Ｃを送信し、プローブ１０４から測定信号Ｓを受信するように設計されたマイクロプロセッサなどのような中央処理ユニット１１４と、コンピュータプログラム１１８が記録されるメモリと、を有する。

コンピュータプログラム１１８は、Ｌ×Ｍ’のサイズを有する、問題の非限定的な例においてはＮ×Ｍ’のサイズを有するとも言える、初期符号化行列［ＭＣ’］を用いてＭ’回の連続初期放射を定義するための命令１２０を、まず初めに、備える。この行列の各係数ＭＣ’_ｉ，ｊは、ｊ番目の放射時におけるｉ番目の放射トランスデューサによるその放射に対する、全てのトランスデューサ１０８_１，…，１０８_Ｎ，に共通の励起時間信号ｅ（ｔ）に適用される増倍率を表す。この増倍率は、問題のｊ番目の初期放射に適用される遅延則の遅延を含むことができる。初期符号化行列［ＭＣ’］は、メモリに記録された初期符号化行列のセットから命令１２０を用いて選択され、命令１２０などを用いてマンマシンインターフェースを介して定義されて、予め定められ得るし、メモリに記録され得る。

上に示されたように、初期符号化行列［ＭＣ’］は、ＦＭＣ取得に準拠した、Ｍ’＝Ｌ＝Ｎ回の連続初期放射に対する単位行列であり得る。また、それは、前述のＫａｒａｍａｎなどによる論文に教示されているように、遅延則を含む非ゼロ係数がその主要対角線の周囲に配置されているという、取得に準拠したＭ’＜Ｌ＝Ｎ回の連続初期放射に対する行列でもあり得る。

また、それは、Ｌｏｐｅｚ Ｖｉｌｌａｖｅｒｄｅなどによる前述の記事のＩＩ．Ａ章において教示されているように、取得に準拠したＭ’＝Ｌ＝Ｎ回の連続初期放射に対するアダマール平方行列Ｈ_Ｎでもあり得る。この場合、数Ｎは、２のべき乗でなければならない。

また、それは、Ｌｏｐｅｚ Ｖｉｌｌａｖｅｒｄｅなどによる前述の記事のＩＩＩ．Ｂ章において教示されているように、取得に準拠したＭ’回の連続初期放射に対する、アダマール行列から得られた行列でもあり得る。例えば、これは、Ｍ’＝２Ｌ−１＝２Ｎ−１の連続初期放射に対する行列Ｈ_Ｎからもたらされる二つの行列Ｈ_Ｎ ^＋およびＨ_Ｎ ⁻の水平方向の連結であり得る。

Ｊ_ＮはＮ×Ｎのサイズを有する行列であり、その全ての係数が１である。これは、単に、Ｍ’＝Ｌ＝Ｎ回の連続初期放射に対する行列Ｈ_Ｎ ^＋でもあり得る。

当業者にとっては、具体的な使用目的に応じて、他の初期符号化行列［ＭＣ’］も可能である。

コンピュータプログラム１１８は、初期符号化行列［ＭＣ’］において定義されたＭ’回の連続初期放射のそれぞれに対するアコースティックフィールドの計算を実行するための命令１２２をさらに備える。このアコースティックフィールドは、トランスデューサ自体に、特に、それらが設計されている材料に、それらのサイズに、それらの位置に、音波が放射される媒体に、依存する。

図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、デカルト座標および振幅スペクトルにおける、所定の符号化された放射に応答して得られるアコースティックフィールドの例を示す。これらの三つの例において、トランスデューサ１０８_１，…，１０８_Ｎは、整列しており、それらはエミッタおよびレシーバであり、Ｎ＝６４であり、初期符号化行列［ＭＣ’］はアダマール行列Ｈ_６４である。より詳しくは、図２Ａは、１の係数のみからなる、行列Ｈ_６４の１番目の列により符号化された１番目の初期放射を用いて、デカルト座標において得られるアコースティックフィールドを示す。したがって、得られたアコースティックフィールドは、トランスデューサに垂直な方向に進む平面波についてのものである。図２Ｂは、行列Ｈ_６４の３番目の列により符号化された３番目の初期放射を用いて得られたアコースティックフィールドを示す。図２Ｃは、行列Ｈ_６４の１７番目の列により符号化された１７番目の初期放射を用いて得られたアコースティックフィールドを示す。

その分野の一般的な知識があれば、アコースティックフィールドの計算を実行することは、当業者の手の届く範囲内にあるが、計算時間を短縮することを目的とした、特に独創的な計算が以下に提供される。それは、以下の方式において、初期符号化行列［ＭＣ’］のインデックスｍ’を有する各列に対して定義された、簡略化されたフィールドモデルＥ_ｍ’（ｆ，θ）を提案することを伴う。

ｆは、例えばＭＨｚで表される、時間周波数であり、
θは、トランスデューサが整列しているときの、トランスデューサの主平面または軸の法線に対する角度であり、
図示された例では、Ｌ＝Ｎであり、
ｓ_ｌ（ｆ）は、例えば中心周波数の周囲でガウス信号の形状をとる、トランスデューサ１０８_ｌの伝達関数であり、
Ｄ_ｌ（ｆ，θ）は、例えば、２０１４年９月に、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ ｖｏｌｕｍｅ ５４，Ｎｏ．７，ページ１８４２−１８５０において発表され、“Ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ａｒｒａｙ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｐｅｒ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ ｎｏｎ−ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ”とタイトルづけられた、Ｆａｎなどによる論文において、式（７）として教示されているように、超音波ウェーブの放射媒体におけるトランスデューサ１０８_ｌの指向性関数であり、
ｅは指数関数であり、
ｊは、ｊ^２＝−１といったような複素数であり、
ｋは、ｋ＝２πｆ／ｃにより定義される波数であり、ｃは、問題の放射媒体における超音波ウェーブの速度であり、
ｄは、要素間の幅で、すなわち、二つの隣接するトランスデューサ間の距離に追加されるトランスデューサの共通の幅である。

図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃは、予め定められた符号化された放射への応答において得られた、簡略化されたアコースティックフィールドの計算の例を示す。これらの三つの例においては、トランスデューサ１０８_１，…，１０８_Ｎは、整列しており、それらはエミッタおよびレシーバであり、Ｎ＝６４であり、初期符号化行列［ＭＣ’］はアダマール行列Ｈ_６４である。さらに、要素間の幅ｄは０．６ｍｍに等しく、速度ｃは２．３ｍｍ／μｓに等しく、関数ｓ_ｌ（ｆ）は、−６ｄＢで６０％の帯域幅で５ＭＨｚで中心周波数を有するガウス信号の形をとるように選択され、関数Ｄ_ｌ（ｆ，θ）は、前述のＦｒａｎなどによる論文の教示に従って、０．５ｍｍのトランスデューサの共通幅に対して、定義される。より詳細には、図３Ａは、行列Ｈ_６４の１番目の列に対して得られたアコースティックフィールドの計算結果を示すものであって、０から１０ＭＨｚまで変化する周波数ｆが、二次元基準フレームの横座標軸に示されており、−９０から＋９０度まで変化する角度θが、この二次元基準フレームの縦座標軸上に示されており、ｆとθの可能なバリエーションの内側に位置する二次元基準フレームの各点は、この点において計算されたアコースティックフィールドの振幅の絶対値に応じて、グレースケールにおいて、そして任意の単位において、示さている。同様に、図３Ｂは、行列Ｈ_６４の４番目の列に対して得られたアコースティックフィールドの計算結果を示す。同様に、図３Ｃは、行列Ｈ_６４の１６番目の列に対して得られたアコースティックフィールドの計算結果を示す。

オプション的だが、有利なことに、命令１２２は、励起時間信号ｅ（ｔ）の周波数帯域幅にわたって結果を積分することにより、先行するＭ’個のアコースティックフィールドの計算を続ける。この帯域幅の最小周波数および最大周波数は、それぞれ、ｆ_ｍｉｎおよびｆ_ｍａｘと示されている。こうして、このことは、以下の方式において、初期符号化行列［ＭＣ’］のインデックスｍ’を有する各列に対して定義された、θのみに依存する積分されたフィールド値Ａ_ｍ’（θ）を与える。

図４の線図は、このようにして、二次元基準フレームの横座標軸上において１番目からＭ’番目（図示された例においてはＭ’＝Ｎ＝６４）まで変動する、連続初期放射の関数として、そして、この二次元基準フレームの縦座標軸上において−９０から＋９０度まで変化する、角度θの可能な値の関数として、この積分されたアコースティックフィールド値における変動を示す。より正確には、図４の線図は、以下の値に基づいて、ｍ’およびθの可能な変動の内側に位置する二次元基準フレームの各点のグレイレベルを計算することにより、この積分された値を対数値において示す。

実際には、Ａ_１（０）は、ｍ’およびθの関数として、Ａ_ｍ’（θ）が有することができる最大値であることに留意されたい。

コンピュータプログラム１１８は、初期符号化行列［ＭＣ’］のＭ’−Ｍ個の列（Ｍ＜Ｍ’）を除外するための命令１２４をさらに備え、この／これらの除外された列は、命令１２２により実行されたアコースティックフィールドのＭ’回の計算に適用された選択基準に基づき除外されたＭ’−Ｍ回の初期放射に対応する。これらの命令は、Ｌ×Ｍのサイズを有し、初期符号化行列［ＭＣ’］の除外されていない列のみを備え、このように選択されたＭ回の放射を定義する、縮小された符号化行列［ＭＣ］を得ることを可能にする。

図５および６は、選択基準の非限定的な例の適用を示す。図５は、特に、それより低いとアコースティックフィールドの寄与が無視されると考えられる図４の対数値ＡＬＯＧ_ｍ’（θ）への、振幅閾値ＴＨの適用を示す。この閾値ＴＨは、例えば、放射の全体にわたる、かつ、全ての角度θに対するＡ_ｍ’（θ）が達する最大振幅の５％に、または、対数尺度において−２６ｄＢに、設定される。オプション的には、この振幅閾値ＴＨは、所定の角度セクタの外側のアコースティックフィールドについてのいずれの寄与も除外することを伴う角度閾値処理により、達成され得る。そうは言うものの、図４および５の例では、角度セクタ［−３０°；＋３０°］を超えたところに、−２６ｄＢを超える対数値ＡＬＯＧ_ｍ’（θ）がないので、そのような角度閾値処理は潜在的であることが見受けられる。図６は、その値の二値化の後に、図５を繰り返します。閾値処理後に非ゼロである全てのＡ_ｍ’（θ）の値は、黒で示されており、他のものは白で示される。このように、図６において、全ての角度θに対応する複数の値Ａ_ｍ’（θ）は閾値ＴＨよりも小さいので、すなわち二値化後はゼロと言え、特定の初期放射は、全体として無視できる寄与であると考えられ得る。この例において、これらは、インデックスｍ’＝６、１４、１８、２２、２４、２６、３０、３２、３４、３８、４２、４６、４８、５４、５６、６２、および６４を有する放射である。このように、選択基準は、縮小された符号化行列［ＭＣ］を得るために、初期符号化行列［ＭＣ’］内の対応する列を除外することを伴う。図示された例において、初期符号化行列［ＭＣ’］＝Ｈ_６４のインデックスｍ’＝６、１４、１８、２２、２４、２６、３０、３２、３４、３８、４２、４６、４８、５４、５６、６２、および６４を有する１７個の列は、こうして、Ｍ＝４７個の列の縮小された符号化行列［ＭＣ］を得るために、除外される。こうして、連続放射の数は、受信時におけるＳＮＲの実質的な劣化なしで、２６％をわずかに超えるだけ、減らされる。

コンピュータプログラム１１８は、
物体１０２の関心の領域に向けての、選択された超音波ウェーブのＭ回の連続放射を実行するために、Ｌ＝Ｎ個のトランスデューサ１０８_１，…，１０８_Ｎをエミッタとしてアクティブ化し、
Ｍ回の連続放射それぞれの後に、これらのＮ個のレシーバにより、検査の所望の深さから、所定の時間にわたって、特には関心の領域で問題の放射の反射により引き起こされたエコーを測定して、Ｎ個の測定信号を同時に受信するために、レシーバとしてＮ個のトランスデューサ１０８_１，…，１０８_Ｎをアクティブ化する、
といったように、トランスデューサ１０８_１，…，１０８_Ｎを制御するための信号Ｃを生成するための命令１２６を、さらに備える。

こうして、トランスデューサ１０８_１，…，１０８_Ｎにより送信されたＮ×Ｍ個の測定信号のセットＳは、プローブ１０４により、中央処理ユニット１１４に返送される。

こうして、コンピュータプログラム１１８は、Ｎ×Ｍのサイズを有する超音波の時間信号の行列［ＭＲ（ｔ）］、この行列の各係数ＭＲ_ｉ，ｊ（ｔ）はｊ番目の放射への応答に対するトランスデューサ１０８_ｉにより受信された測定信号を表す、を指示するための命令１２８をさらに備える。

オプション的には、コンピュータプログラム１１８は、行列［ＭＲ（ｔ）］の時間的フィルタリングを実行するための命令１３０をさらに備え、このフィルタリングは、物体２４内の関心の領域から排除された放射の時刻に存在するあらゆる情報も除外することを目的とする。

最後に、コンピュータプログラム１１８は、汎用の符号１３２により示された、行列［ＭＲ（ｔ）］を処理するための命令を備える。命令１３２により実行される処理は、
命令１２４を用いて得られた縮小された符号化行列［ＭＣ］に関するオプション的な符号化と、
例えば特許出願のＷＯ２０１４／００９６７１Ａ１号において教示されたものといったようなノイズ縮小処理と、
ＤＯＲＴ（フランス語の“Ｄｅ’ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｅ ｌ’Ｏｐｅ’ｒａｔｅｕｒ ｄｅ Ｒｅｔｏｕｒｎｅｍｅｎｔ Ｔｅｍｐｏｒｅｌ”から、すなわち、時間反転演算子の分解）型のフィルタリングといった適応的かつ選択的なフォーカシングと、
「トータルフォーカシングメソッド」タイプの合成フォーカシングにより、または、タイプＢスキャン、Ｓスキャンもしくはその他の画像を得るための公知の他の特定の処理により、物体１０２における関心の領域のデジタル画像の再構成と、
を含むことができる。

という復号化により得られた行列［ＭＲ’（ｔ）］は、従来のＦＭＣタイプの取得により得られた時間信号の行列と同じ方法で用いられ得る行列である、ということが、特には証明され得る。一般には、それはＮ×Ｌのサイズを有し、トランスデューサがエミッタでありレシーバであるときは、Ｎ×Ｎのサイズを有する正方と言えることに留意されたい。しかし、それは従来の取得により得られたものよりも、明らかに雑音が少ない。

実験として、先の図の例、つまり、トランスデューサ１０８_１，…，１０８_Ｎが整列しており、Ｌ＝Ｎ＝６４であり、初期符号化行列［ＭＣ’］はアダマール行列Ｈ_６４であり、要素間の幅ｄは０．６ｍｍに等しく、伝搬媒体は、速度ｃが２．３ｍｍ／μｓに等しいようなものであり、関数ｓ_ｌ（ｆ）は、５ＭＨｚで、６０％の帯域幅で、−６ｄＢでの中心周波数を有するガウス信号の形態をとるように選択され、関数Ｄ_ｌ（ｆ，θ）は、前述のＦｒａｎなどによる論文の教示に従って、０．５ｍｍのトランスデューサの共通幅に対して定義されている、という例に対するシミュレーションが実行された。さらに、図７に示すように、検査される媒体は、２５ｍｍの深さに較正孔（ＣＨ）型の３つの人工的な欠陥を備え、それらは互いに２５ｍｍほど離れている。

上で定義されたように選択を実行し、こうして、アダマール行列Ｈ_６４内の６４個から１７個の列を除外することにより、図８の比較結果が得られる。実線で示されている第１の曲線は、復号後に、４７個の列に縮小された符号化行列［ＭＣ］の適用によって得られた信号の２５ｍｍの深さでのデシベルによる振幅を示す。実線で示された曲線の後ろに僅かに見える、破線で示された第２の曲線は、初期符号化行列Ｈ_６４の縮小なしに得られた信号の２５ｍｍの深さでのデシベルによる振幅を示す。この二つの曲線の疑似重ね合わせは、放射されたアコースティックフィールドに大きく寄与しない１７個の列の除外も、結果に対する大きな影響を有しないということを示す。最後に、点線で示されている第３の曲線は、ＦＭＣ取得により得られた信号の２５ｍｍの深さでのデシベルによる振幅を示す。この第３の曲線はアダマール行列による（初期の）符号化についての全ての利点を示している。

デジタル画像が、前述の結果のそれぞれに対し、「トータルフォーカシングメソッド」タイプの合成フォーカシングにより再構成された場合、図９Ａ、９Ｂおよび９Ｃの画像が得られる。より正確には、図９Ａは、従来のＦＭＣ取得に対するトータルフォーカシングにより得られた画像を示す。図９Ｂは、アダマール行列Ｈ_６４により符号化された取得に対するトータルフォーカシングにより得られた画像を示す。図９Ｃは、アダマール行列Ｈ_６４の１７個の前述の列を除外することにより得られる縮小された符号化行列により符号化された取得に対するトータルフォーカシングにより得られた画像を示す。図９Ｂおよび９Ｃの画像は、図９Ａの画像よりも、明らかにノイズが少ない。さらに、図９Ｂおよび９Ｃの画像は、極めて同等な品質であるが、図９Ｃのそれは、疑いなく、より非常に速い取得により得られた（連続放射の数に関して２６％の増加）。

図１０を参照して、図１の装置１００により実施される超音波信号の取得および処理のための方法２００について説明する。

ステップ２０２の間、命令１２０を実行する処理ユニット１１４は、Ｌ×Ｍ’のサイズ、問題の非限定的な例ではＮ×Ｍ’のサイズとも言える、を有する初期符号化行列［ＭＣ’］を用いて、Ｍ’回の連続初期放射を定義する。

ステップ２０４の間、命令１２２を実行する処理ユニット１１４は、例えば、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃおよび４により示された例にしたがって、初期符号化行列［ＭＣ’］において定義された、Ｍ’回の連続初期放射ごとに、アコースティックフィールドの計算を実行する。

ステップ２０６の間、命令１２４を実行する処理ユニット１１４は、初期符号化行列［ＭＣ’］から、Ｍ’−Ｍ個の列（Ｍ＜Ｍ’）を除外し、これまたはこれらの除外された列は、Ｌ×Ｍのサイズを有する、問題の非限定的な例ではＮ×Ｍのサイズを有するとも言える、縮小された符号化行列［ＭＣ］を得るために、命令１２２により実行されたアコースティックフィールドのＭ’回の計算に適用された選択基準に基づき除外されたＭ’−Ｍ回の初期放射に対応する。適用される選択基準は、例えば図５および６に示されるものである。

ステップ２０８の間、命令１２６を実行する処理ユニット１１４は、行列［ＭＲ（ｔ）］の取得のための縮小された符号化行列［ＭＣ］を用いて、トランスデューサ１０８_１，…，１０８_Ｎの放射および受信のシーケンスを制御する。各発射後、Ｎ個のトランスデューサの全てにおいて信号が受信され、デジタル化されて電子回路１１２に送信される。

ステップ２１０の間、命令１２８を実行する処理ユニット１１４は、行列［ＭＲ（ｔ）］、この行列の各係数ＭＲ_ｉ，ｊ（ｔ）はｊ番目の放射に応答してトランスデューサ１０８_ｉにより受信された測定信号を表し、この信号はその後の処理を容易にするためにデジタル化されている、を構築する。

ステップ２１２の間、命令１３０を実行する処理ユニット１１４は、行列［ＭＲ（ｔ）］の時間的フィルタリングを実行し、このフィルタリングは関心の領域から排除された放射の時刻に存在するあらゆる情報も除外することを目的とする。このステップ２０６の目的は、特にイメージ化されるべき欠陥が部品の底部のような強いエコーを発生するインターフェースに近い場合において、後の処理を容易にすることである。それは、特に、邪魔なエコーを発生するインターフェースを排除することにより、イメージ化されるべき領域を欠陥のごく近傍に限定することを可能にする。対象の底部から形成されている亀裂のイメージングにおいて非常に有利である。

最後に、最後のステップ２１４の間、命令１３２を実行する処理ユニット１１４は、上で定義された行列［ＭＲ’（ｔ）］を得るために用いられる縮小された符号化行列［ＭＣ］に係るオプションの復号、ノイズ低減、適応的および選択的フォーカシング、物体１０２における関心の領域のデジタル画像の再構築、などといった上述の処理のうちの一つ以上を実行する。

上記で詳細に説明された取得方法を実施する、上記のような探査装置が、放射の数を減らすことにより、超音波信号の取得を簡略化することを可能にしつつ、得られた時間信号の行列のＳＮＲに対するこの減少の影響をできるだけ限定することは、明らかである。

また、本発明は上記の実施形態に限定されるものではないということが意味される。実際、それらに対するまさに開示された教示に照らして、様々な修正が上述の実施形態へ行われ得ることは、当業者にとって明らかである。

特に、コンピュータプログラムの命令１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、１３０、および１３２の少なくとも一部は、これらの命令の実行中に実行される機能に特化した、マイクロプログラムのまたはマイクロワイヤードの電子回路により、置き換えられ得る。

さらに、図３Ａから図９Ｃの結果および計算は、アダマール行列による放射の符号化を用いて、得られおよび実行されたが、しかし、Ｌｏｐｅｚ Ｖｉｌｌａｖｅｒｄｅなどによる前述の論文のＩＩＩ．Ｂ章に記載されているもののうちの一つ、または、他のような放射の符号化を用いて、類似の結果および計算が、得られおよび実行され得る。初期符号化行列の性質は、決して本発明の原理を変えるものではない。

さらにまた、上記で詳細に説明された実施形態では、Ｌ＝Ｎ＝Ｍ’である。しかし、これら三つのパラメータが一般的に等しいという特別な理由はない。

一般に、以降の特許請求の範囲において用いられる用語は、特許請求の範囲を本明細書に開示された実施形態に限定するものとして解釈されるべきではなく、特許請求の範囲がその式によって網羅することを目的とする全ての均等物を含み、当業者の一般的な知識をここに開示された教示の実施に適用することによる均等物の提供は、当業者の範囲内にある、と解釈されなければならない。

Claims (10)

1. 関心の領域（１０２）に向かう超音波ウェーブのＭ回の連続放射のために、Ｌ個の放射トランスデューサ（１０８_１，…，１０８_Ｎ）を制御する（２０８）ステップと、
   特には前記関心の領域内での問題の前記放射の反射により引き起こされるエコーを測定して、Ｎ個の測定信号を、前記Ｍ回の連続放射ごとに、同時にかつ所定の時間にわたって受信するように、Ｎ個の受信トランスデューサ（１０８_１，…，１０８_Ｎ）を制御する（２０８）ステップと、
   Ｎ×Ｍのサイズを有する、超音波時間信号の行列［ＭＲ（ｔ）］であって、この行列の各係数ＭＲ_ｉ，ｊ（ｔ）が、ｊ番目の放射により引き起こされて、ｉ番目の受信トランスデューサにより受信された測定信号を表す、という行列［ＭＲ（ｔ）］を取得する（２１０）ステップと、
   を備え、
   Ｌ×Ｍ’のサイズを有する、前記連続放射を符号化するための初期行列［ＭＣ’］であって、この行列の各係数ＭＣ’_ｉ，ｊがｊ番目の放射時におけるｉ番目の放射トランスデューサによるその放射に対する共通の励起時間信号ｅ（ｔ）に適用される増倍率を表しているという初期行列［ＭＣ’］は、完全にＭよりも大きい連続初期放射の数Ｍ’に対して事前に定義されており（２０２）、
   Ｍ’回の連続初期放射ごとに、アコースティックフィールドについての計算が実行され（２０４）、
   Ｌ×Ｍのサイズを有する、縮小された符号化行列［ＭＣ］は、Ｍ’回のアコースティックフィールドの計算に適用される選択基準に基づき消去されたＭ’−Ｍ回の初期放射に対応するＭ’−Ｍ個の列を除外することにより、初期符号化行列［ＭＣ’］から得られ（２０６）、
   前記関心の領域に向かう超音波ウェーブの前記Ｍ回の連続放射に対する、前記Ｌ個の放射トランスデューサの制御（２０８）は、前記共通の励起時間信号ｅ（ｔ）に適用される前記縮小された符号化行列［ＭＣ］を用いて、符号化される、
   ということを特徴とする、超音波探査により信号を取得するための方法（２００）。
2. 前記超音波時間信号の行列［ＭＲ（ｔ）］は、Ｔが行列転置の記号である、以下の式
   

   

   における行列積により算出される復号行列［ＭＲ’（ｔ）］を得るために、復号される、
   請求項１に記載の、信号を取得するための方法。
3. Ｍ’回の連続初期放射ごとに実行される（２０４）アコースティックフィールドの計算が、前記初期符号化行列［ＭＣ’］のインデックスｍ’を有する各列に対して、次式において定義され、
   

   

   ｆは時間周波数であり、
   θは、Ｌ個の放射トランスデューサ（１０８_１，…，１０８_Ｎ）の軸が整列しているときの、放射トランスデューサについての主平面または軸の法線に対する角度であり、
   ｓ_ｌ（ｆ）はｌ番目の放射トランスデューサの伝達関数であり、
   Ｄ_ｌ（ｆ，θ）は前記超音波ウェーブの放射媒体における前記ｌ番目の放射トランスデューサの指向性関数であり、
   ｅは指数関数であり、
   ｊはｊ^２＝−１といった複素数であり、
   ｋはｋ＝２πｆ／ｃにより定義される波数で、ｃは問題の放射媒体内の前記超音波ウェーブの速度であり、
   ｄは要素間の幅で、すなわち、二つの隣接するトランスデューサ間の距離に追加される放射トランスデューサ（１０８_１，…，１０８_Ｎ）の共通の幅である、
   という簡略化されたフィールドモデルＥ_ｍ’（ｆ，θ）の計算を備える
   請求項１または２に記載の、信号を取得するための方法。
4. 前記Ｍ’回の連続初期放射ごとに実行される（２０４）アコースティックフィールドの計算は、ｆ_ｍｉｎおよびｆ_ｍａｘがそれぞれ、前記共通の励起時間信号ｅ（ｔ）の帯域幅の最小および最大周波数である、以下の式
   

   

   における簡略化されたフィールドモデルＥ_ｍ’（ｆ，θ）それぞれに基づく積分されたフィールド値Ａ_ｍ’（θ）の計算をさらに備える
   請求項３に記載の、信号を取得するための方法。
5. アコースティックフィールドのＭ’回の計算に適用される前記選択基準は、それ以下においてはアコースティックフィールドの寄与が無視できると見なされる、振幅閾値を含む
   請求項１から４のいずれか一項に記載の、信号を取得するための方法。
6. 初期放射を生成する前記初期符号化行列［ＭＣ’］の各列であって、それについてのアコースティックフィールドの計算が前記振幅閾値より大きいまたは等しい値を提供しない各列は、消去される（２０６）
   請求項５に記載の、信号を取得するための方法。
7. Ｍ’回のアコースティックフィールドの計算に適用される前記選択基準は、所定の角度セクタの外側のアコースティックフィールドについてのいずれの寄与も除外することを伴う角度閾値処理をさらに含む
   請求項１から６のいずれか一項に記載の、信号を取得するための方法。
8. 前記初期符号化行列［ＭＣ’］は、アダマール行列であるか、または、アダマール行列から得られる
   請求項１から７のいずれか一項に記載の、信号を取得するための方法。
9. 通信ネットワークからダウンロードされ得る、および／または、コンピュータにより読み取り可能な媒体に記録されている、および／または、プロセッサ（１１４）により実行され得る、コンピュータプログラム（１１８）であって、前記プログラムがコンピュータ（１１２）において実行されると、請求項１から８のいずれか一項に記載の、信号を取得するための方法（２００）のステップを実行するための命令を備えることを特徴とする
   コンピュータプログラム。
10. 複数の超音波放射トランスデューサ（１０８_１，…， １０８_Ｎ）および複数の超音波受信トランスデューサ（１０８_１，…， １０８_Ｎ）を備えるプローブ（１０４）と、
    請求項１から８のいずれか一項に記載の、信号を取得するための方法（２００）を実施するように設計された、トランスデューサを制御するためおよび処理するための手段（１１２）と、
    を備える超音波探査装置（１００）。

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