JP2023549818A - 物体の合成開口超音波撮像のためのシステムおよび方法 - Google Patents

物体の合成開口超音波撮像のためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

物体のモデルを組み込むビーム形成器を使用する合成開口超音波撮像のための技術、システム、およびデバイスが開示される。いくつかの態様において、システムは、物体とシステムの合成開口を形成する物体において音響信号を送信および／または受信するためのトランスデューサのアレイと、（ｉ）物体のモデルに対するトランスデューサの位置、向き、および／または幾何学的形状の関数として物体をコヒーレントにビーム形成する物体ビーム形成ユニットと、（ｉｉ）音響エコーをビーム形成することから導出された物体に関する空間情報を含むビーム形成出力信号を生成する、データ処理ユニットと、データ処理ユニットによって決定された、アレイの座標系に対する物体の位置、向き、幾何学的形状、および／または表面特性の表現に基づいて、データを処理し、物体の画像を生成するデータ処理ユニットとを含む。【選択図】図１Ｅ

Description

＜関連出願の相互参照＞
この特許文献は、２０２０年１１月１３日に出願された「Systems and METHODS FOR TOMOGRAPHIC SYNTHETIC APERTURE ULTRASOUND IMAGING of AN OBJECT PRODUCING SURFACE Reflections」と題する米国仮特許出願方法６３／１１３，５３６号の優先権および利益を主張する。前述の特許出願の全内容は、この特許文献の開示の一部として参照により援用される。
＜技術分野＞
この特許文献は、多次元音響画像形成に関する。
＜背景＞
音響イメージングは、医用イメージングを含む様々な用途において、媒体を通って進む音波の特性および音波エネルギーと媒体との間の相互作用を利用して、媒体または媒体の領域の画像を得る、撮像モダリティである。
点散乱体の従来の撮像と比較して、複数の空間的に分離された送信器、受信器、および／または送信器および受信器（すなわち、トランシーバ）から構成される開口を使用する、全体としての物体の画像を生成するためのデバイス、システム、および方法が開示される。その結果、物体からの音響散乱は物体との合成開口を効果的に作成し、物体ビーム形成器および物体を位置特定する最適化方法と組み合わされる。いくつかの実装形態において、開示されるシステム、デバイス、および方法は、物体の表面上の特定の点または領域を識別することができ、物体上の特定の点または領域間の距離および角度を互いに対して、および／またはトランスデューサアレイに対して測定することを可能にする、精密な物体特徴検出器およびロケータを提供する。いくつかの実装形態において開示されるシステム、デバイス、および方法は、システムの基準フレームに対する物体全体の位置および配向を提供する。
いくつかの実施形態において、撮像開口は、合成開口撮像および反射断層撮影の標準的な手順にしたがって、対象物が多くの方向から超音波照射され、戻りエコーが多くの方向から受信されるように、撮像対象物を部分的または完全に囲む断層撮影開口を形成する。しかしながら、物体の３Ｄ画像を断層撮影的に形成する代わりに、例えば、物体は従来の方法で生成された物体の２つ以上の２Ｄ断面ビーム形成画像から再構成され、開示するシステム、デバイス、および方法は、物体ビーム形成器と組み合わされた合成開口反射断層撮影法、および物体を３次元に位置特定する最適化方法にしたがって、送受信方法を使用して物体の画像を形成する。
いくつかの実施形態において、断層合成開口音響撮像システムは以下を有する：（ｉ）物体と合成開口を形成するように音響信号を送信、受信、および／または送受信するように動作可能なトランスデューサ素子のアレイ；（ｉｉ）（ａ）物体のアレイの幾何学的形状、位置、向きと物体のモデルの関数として、物体の１つまたは複数の領域上にコヒーレントに位置特定し、（ｂ）すべての入力の関数である１つまたは複数のビーム形成出力信号を生成する、ビーム形成器を生成する物体ビーム形成器ユニット；（ｉｉｉ）例えば物体の描画が可視化され、基準のアレイまたは任意の外部フレームの基準のフレームにおいて有用になり、物体とアレイとの間の相対移動を更新および可視化するように動作可能となるように、位置特定した物体を表示する表示ユニット。いくつかの実施形態において、例えば、断層合成開口音響イメージングシステムは、１つまたは複数の物体の面上の１つまたは複数の領域を位置特定するように構成することができ、２つ以上の領域間の距離および角度を測定するための手段を提供することができる。
いくつかの態様において、断層合成開口音響撮像システムは以下を備える：音響撮像システムとの合成開口を形成する物体において音響信号を送信、受信、および／または送受信するように動作可能なトランスデューサ素子のアレイであって、音響信号は送信音響信号および物体から戻される受信音響エコーを含む、トランスデューサ素子のアレイ；１つ以上のプロセッサおよび１つ以上のメモリを備えた物体ビーム形成器ユニットであって、（ｉ）物体のモデルに対するトランスデューサ素子のアレイの位置、向き、および／または幾何学形状の関数として、物体の１つまたは複数の領域に対して物体をビーム形成し、物体のモデルは物体を表す情報を含み、（ｉｉ）音響エコーをビーム形成することから派生した、物体の１つ以上の領域についての空間情報を含むビーム形成済出力信号を、デジタルフォーマットで生成する、ように構成された物体ビーム形成器ユニット；プロセッサとメモリを備え、物体ビーム形成器ユニットおよびトランスデューサ素子のアレイと通信し、１つまたは複数のトランスデューサ素子のアレイを最適化して、位置、向き、幾何学的形状、または物理的特性のセットのうちの１つまたは複数を決定するように構成された、データ処理ユニット；データ処理ユニットによって決定された、トランスデューサ素子のアレイの座標系に対する、位置、向き、幾何学的形状、または物理的特性のうちの１つまたは複数の描画に基づいて、オブジェクトの画像を生成するように動作可能な表示ユニット。
本技術（例Ｂ３６）によるいくつかの実施形態において、断層合成開口撮像のための方法は以下を有する：物体における変換された音響波形の送信に基づいて合成開口を形成し、物体から戻された音響エコーを受信することにより、トランスデューサ素子のアレイのトランスデューサ素子によって物体においておよび物体から音響信号を送信および受信するステップ；物体の１つまたは複数の領域から戻された受信された戻り音響エコーのエコーサンプルを使用して物体をビーム形成して、１つまたは複数のビーム形成された出力信号を生成するステップであって、１つまたは複数のビーム形成された出力信号はビーム形成のための１つまたは複数の入力の関数であり、ビーム形成のための１つまたは複数の入力は物体を表す情報を含む、ステップ；１つまたは複数のビーム形成された出力信号を最適化して、物体の位置、配向、ジオメトリ、または物理的特性のうちの１つまたは複数を決定するステップ；物体の位置、配向、ジオメトリ、または物理的特性の描画に基づいて物体の画像を生成するステップ。
レシーバとしても動作するトランスミッタ素子と、別個のレシーバ素子とを備える合成開口の単純な例を示す。
合成開口を用いて作成された仮想素子の概念を示す。
図１Ａと比較した物体の位置の変化の関数として、物体の表面上の空間サンプリングの概念を示す。
物体の表面上の「Ａ」～「Ｆ」とラベル付けされた６つの空間的に分離された散乱領域をサンプリングする、送信器および受信器の両方として動作する３つの素子を含む、合成開口の概念を図示する。
本技術による断層合成開口超音波システムの例示的な実施形態を示す図を示す。
本技術による、例示的な断層合成開口超音波システムのトランスデューサ素子のアレイの例示的な実施形態を示す図である。 本技術による、例示的な断層合成開口超音波システムのトランスデューサ素子のアレイの例示的な実施形態を示す図である。 本技術による、例示的な断層合成開口超音波システムのトランスデューサ素子のアレイの例示的な実施形態を示す図である。
本技術による、トランスデューサ素子の例示的なアレイのトランスデューサアレイセグメントの例示的な実施形態を示す図を示す。
本技術による、超音波信号を送受信した合成開口を介して物体表面をビーム形成する方法の実施例を示す図である。
本技術による例示的な物体ビーム形成器技術の数値シミュレーションを使用する例示的な実装形態で使用されるジオメトリを示すプロットを示す。
時間（マイクロ秒）の垂直軸とエコー指数の水平軸における、シミュレートされた受信エコーを示すプロットを示す。
例示的な実装形態における回転および並進のための例示的な物体ビーム形成器の出力を示すデータプロットを示す。
回転および並進の大きさの範囲について、図５に示される例示的な物体ビーム形成器の出力の正規化された積分パワーを示すデータプロットを示す。
本技術による断層合成開口物体撮像システムの別の例示的な実施形態の図を示す。
本技術による、物体全体をビームフォーミングすることによる物体の断層合成開口撮像のための方法の例示的な実施形態を示す図を示す。
図７に示される断層合成開口物体撮像システム上で動作可能であり、図８Ａの方法に基づく、フロントエンドハードウェアおよびソフトウェアモジュールの例示的な実施形態を示す、データおよび可変フロー図を示す。
図７に示され、図８Ａの方法に基づき、図８Ｂの実施形態に続く、断層撮影合成開口物体撮像システム上で動作可能なバックエンドハードウェアおよびソフトウェアモジュールの例示的な実施形態を示す別のデータおよび可変フロー図を示す。
図７に示される断層合成開口物体撮像システム上で動作可能であり、図８Ａの方法に基づき、図８Ｃの実施形態に続く、バックエンドハードウェアおよびソフトウェアモジュールの例示的な実施形態の図８Ｃと同様の別図を示す。
本技術による、例示的な物体ビーム形成器において使用される例示的なフルアレイジオメトリおよび４×４スパースアレイジオメトリを示す図を示す。
図９に関連して説明したものと同様に、例示的な物体ビーム形成器において使用される球体オブジェクトモデルを示す図を示す。
図９に関連して説明したものと同様に、例示的な物体ビーム形成器において使用される複合オブジェクトモデルを示す図を示す。
例示的な球体オブジェクトの固有STA RFエコーを示すデータプロットを示す。
例示的な複合オブジェクトの固有STA RFエコーを示すデータプロットを示す。
１００回の試行について、ＳＡＯＩ推定およびロボット測定された球体オブジェクトのＸ、Ｙ、およびＺ位置の例を示すプロットを示す。
１００回の試行について、ＳＡＯＩ推定およびロボット測定された復号オブジェクトのＸ、Ｙ、およびＺ位置の例を示すプロットを示す。
１００回の試行について、ＳＡＯＩ推定およびロボット測定された復号オブジェクトのＥＡＸ、ＥＡＹ、およびＥＡＺ角度の例を示すプロットを示す。
この特許文献に開示されている音響イメージング技術は、医学的診断用途のための音響イメージングを含む様々なイメージング用途、および、音響イメージング情報を使用して、手術システムにガイダンスを提供し、標的手術領域を位置特定し、手術を実行するイメージング誘導手術システムのために使用されるイメージング誘導手術システムに使用することができる。開示する音響イメージング技術は、動物および人間の内部構造および機能の観察およびイメージングを含む高周波音響イメージングのために使用できる。高周波音波は、異なる周波数、例えば、１～２０ＭＨｚ、またはさらに高い周波数であってもよく、しばしば超音波と呼ばれる。不適切な空間分解能、コントラスト分解能、および画像信号対雑音比を含むいくつかの要因は、超音波撮像において望ましい画質よりも低くなる可能性があり、これは、多くの臨床的適応症またはアプリケーションのために使用することを制限する可能性がある。開示する音響イメージング技術は、超音波画像品質を改善するために断層撮影および／または合成開口イメージング技術を使用するために実施することができる。
様々な物体の撮像において、画像形成は、例えば音響的、電磁的等の何らかの手段によって複数のボクセルを調査することによって達成され、各ボクセル内の１つ以上の測定された量からの情報を取得できる。情報は１つ以上の次元を有する空間分布として提示することができ、その結果、物体が可視化され、インテリジェント手段によって検出可能な画像が得られる。このようにして、従来の医療用超音波撮像システムは例えば、複数の音波を用いてボクセル内の散乱体を調査し、複数の受信されたエコーを処理して、調査された散乱体に関する情報を、典型的には物体の２Ｄまたは３Ｄ画像の形態で要約する結果として、ボクセル内に含まれる振幅および位相情報を利用する。提示されたシステムおよび方法は、従来の撮像技術とは異なる方法で、撮像対象に対して適用される。
オブジェクト全体の画像形成のために、オブジェクトに関する空間的および時間的情報は、個別に定式化される課題として構築される。例えば、１組の問い合わせから、撮像システムは、対象物および問い合わせの方法に関する知識を使用して、対象物が空間内に存在するかどうかおよびどこに存在するかを決定することができる。音響撮像においては、例えば、以下を利用する合成開口撮像手法を使用して、空間内の物体を撮像するように、問題を定式化してもよい：（ｉ）物体の観測における送信器および受信器素子の既知のトランスデューサアレイジオメトリ、（ｉｉ）撮像される物体の既知のモデル、（ｉｉｉ）アレイ内の送信器および受信器のいくつかの組み合わせによって送信および受信される波形、（ｉｖ）受信エコー波形を処理して、物体を同時に検出し、物体自体のモデルを使用して物体の位置（例えば、デカルト座標）および向き（例えば、オイラー角）を特定する、（ｖ）画像の形態で物体の代表的なモデルを表示する。
空間内の物体を音響的に撮像する現代のアプローチにおいては、受信エコーのプロセスは、ある点を中心とする空間内のボクセルに関するコヒーレントな情報を要約するビーム形成器において生じ、物体は多くのボクセルから構成される画像内のアレイに対して相対的に可視化される。この様式で対象物を撮像することの欠点の１つは、対象物を可視化するために必要とされる高度のコヒーレンスを有する音波を対象物が散乱しない可能性があることであり、これは各ボクセルが、対象物によって散乱されるコヒーレント情報の合計と典型的には関連しない、空間内の点に関するコヒーレント情報を特定するからである。
課題は、物体の表面または体積からの散乱が観察可能な方向にないことである。例えば、集束ビームを使用する従来の実ビーム撮像においては、入射波形が方向づけおよび集束されて特定の方向から物体（例えば、物体の表面）に到着し、散乱波形は物体（例えば、表面）からの鏡面反射または他の散乱にしたがって、特定の方向または方向に戻されるが、散乱波形の方向または方向には受信器または受信器が存在しない場合がある。このように、物体の撮像は、同一場所に配置された受信器に対して真っ直ぐ戻る透過波形の成分のモノスタティック散乱または散乱のみに依存する。合成送信開口動作モードにおいては、光源は非集束または弱集束であり、したがって、散乱波形はある範囲の入射方向（たとえば、発散波面によって生成される）から物体上の多くの点に入射し、それによって、多くの方向の多くの点から散乱波形を生成するので、散乱波形が受信器に到達する可能性がはるかに高い。したがって、物体の撮像はモノスタティック散乱およびバイスタティック散乱の両方に依存し、バイスタティック散乱は、送信器と同じ場所に配置されていない１つまたは複数の受信器に向かって送信波形を散乱させる。さらなる課題は、物体（例えば、表面）が例えば、散乱波形を分散および／または位相シフトさせる、粗さ、テクスチャ、多孔性、減衰、吸収、層、不均一性、異質性などに起因する、複雑な散乱特性を示し得ることである。したがって、表面の位置、配向、または散乱特性にかかわらず、高解像度表面画像を生成するための新しい手法が必要とされる。
物体を撮像する本願記載の方法、すなわち、空間的に分離され非集束の光源および受信器からのモノスタティック散乱およびバイスタティック散乱の両方を用いる方法において、本願方法は、反射断層撮影（反射率撮像、反射率断層撮影、合成集束、および回折断層撮影としても知られる）の１形態として見ることができる。従来の反射断層撮影法においては、撮像される領域は通常、内側に向けられた、すなわち、ほぼ円の中心に向けられた送信器および受信器を有する円形開口によって囲まれる。開口内の物体については、物体の断面が撮像される。空間的に制限された送信器および受信器のセットの場合、小径の開口は、合成的にはるかに大きい開口を生成するために、機械的に（例えば、円に沿って）走査される。物理的に大きな開口（例えば、円形開口）であるが、限られた数の電気的送信器および受信器を有する場合、大きな開口内のサブ開口は例えば、限られた数の送信器および受信器を多重化して、開口全体に及ぶ複数のサブ開口を動作させることによって、電子走査によって置き換えられる機械的走査を除いて、同じ原理で動作することができる。結果として得られる断層撮影的に生成された受信エコーはいくつかの方法で処理され得るが、２つの主要な従来の方法は以下である：（ｉ）平面に限定された空間内の遅延和ビーム形成点、（ｉｉ）受信エコーに基づいて物体の構造および／または形状を決定する逆問題を、たとえばフィルタ逆投影またはラドン変換逆変換などの方法を使用して解くこと。この方法を用いた画像形成の重要な課題は、開口の仰角方向、すなわち結像面の法線方向の回折によって生じる。散乱体によって戻される撮像面の外側のローブエネルギーは、画質を劣化させる画像面内のアーチファクトを生成し得る。面内での画像形成のためには面外からの散乱エネルギーは望ましくないが、散乱エネルギーを生成する物体の知識はそのエネルギーを抑制するのに有用である。さらに進めると、物体の知識は、物体から反射および散乱されたすべてのコヒーレントエネルギーの重ね合わせ（例えば、合計）を考慮するとき、その物体を撮像するのに有用である。対象物の断層イメージングのための、特に音響イメージングのための、新しい技術が必要とされている。
物体を用いて形成された断層合成開口を用いて物体を再構成する第３方法のためのシステム、装置、および方法が開示される。受信されたエコーに対して物体の既知のまたはパラメータ的に定義されたモデルをマッチングすることに基づいて、撮像開口に対して物体を検出および位置特定するために、受信されたエコーがコヒーレントにビーム形成され、処理される。いくつかの実施形態において、オブジェクトの合成開口撮像のための開示するシステム、デバイス、および方法は、合成開口送信および受信パターンで取得されたエコーをビーム形成するための技術を含み、以下を用いる：（ｉ）システムのメモリに記憶された既存のモデル、またはリアルタイムで生成され、および／またはリアルタイムで更新されたモデル（例えば、パラメトリックオブジェクトモデル）である、物理オブジェクト（オブジェクトモデル）のモデルに基づく、バイスタティック散乱（例えば、典型的なモノスタティック散乱とは対照的なもの）または結合されたバイスタティックおよびモノスタティック散乱、（ｉｉ）システムのメモリに記憶された既存のモデル、またはリアルタイムで生成され、および／またはリアルタイムで更新されたモデル（例えば、パラメトリックアレイモデル）である、アレイ（アレイモデル）のモデル。
ここで、物理的物体のモデル（物体モデル）とは、ユークリッド空間における任意の３次元物体の表面（表面散乱）または体積（体積散乱）からの散乱の任意の可能な数学的および／または数値的定義を指す。本明細書で説明される開示される実施形態およびその例示的な実装形態は主にオブジェクトモデルのための表面散乱を指すが、これは本技術の基礎をなす概念の理解を容易にするためであり、本技術による開示される実施形態はオブジェクトモデルのための体積散乱または他の散乱（たとえば、内部反射、共振）を使用することも含み得ることが理解される。オブジェクトは、オブジェクト全体、すなわち、例えば、一般性を失うことなく、１つのオブジェクト、球として定義され得る。オブジェクトは、部分的な全体オブジェクト、すなわち、例えば、一般性を失うことなく、球の半球として定義され得る。オブジェクトはまた、全体または部分オブジェクトの複数のサブ領域、すなわち、例えば一般性を失うことなく、６つの側面から構成されるキューブを含む複数の散乱領域から構成される１つのオブジェクトとして定義されてもよい。複数の散乱領域から構成されるオブジェクトモデルは、オブジェクトモデルの数学的定義を近似することができ、またはオブジェクトの測定値を近似することができる。
散乱領域は、平坦である必要のない平面の一般化である表面であってもよく、すなわち、その曲率はゼロである必要はない。例えば、散乱表面は、一般性を失うことなく、無限平面であってもよい。散乱面は例えば、一般性を失うことなく、三角形の空間内に任意に制約されてもよい。計算を容易にするために、散乱表面は例えば、一般性を失うことなく要約することができ、三角形は、点、単位法線ベクトル、および面積として表すことができる。このようにして、複数の散乱面からなるオブジェクトモデルを、点、単位法線ベクトル、および領域のリストとしてまとめることができる。
いくつかの例示的な実装形態において、オブジェクトモデルは例えば、一般性を失うことなく、パラメトリックに定義することができ、球形オブジェクトは半径および３Ｄ位置座標にしたがってパラメトリックに定義される。このようにして、オブジェクトモデルは可変であるが、例えば、一般性を失うことなく、球体の特定のタイプの形状に制約され得る。
ここで、開口のモデル（開口モデル、アレイモデル）とは、音波を送信し音波を受信するように動作可能な物理的開口を正確に、近似的に、パラメトリックに、および／または機能的に表す、任意の可能な数学的および／または数値的定義を指す。いくつかの実装形態において、例えば、開口はより大きいアレイ（例えば、トランスデューサのアレイ）内に幾何学的に配置された複数の別個のトランスデューサ素子から構成され得る。いくつかの実装形態において、たとえば、素子自体はパラメータ的に定義されてもよく（たとえば、可変面積を有する正方形素子）、および／またはアレイジオメトリはパラメータ的に定義されてもよい（たとえば、可変半径を有する円形アレイ）。
開示されるシステム、デバイス、および方法は、例えば空間内の点の従来の撮像（例えば、ビームフォーミング）とは対照的に、物体のモデルを使用して、物理物体から受信される合成開口エコーをビーム形成することにより、物体の画像を生成する。開示される合成開口オブジェクトビーム形成技術のいくつかの例においては、合成開口システムについての情報と組み合わされたオブジェクトの領域（例えば、表面）からのバイスタティック散乱またはバイスタティック散乱とモノスタティック散乱との組み合わせが、例えば、オブジェクトのジオメトリの知識およびシステムのトランスデューサ素子のパラメータの知識を使用して、オブジェクトを撮像するための新しい種類の合成開口を生成することによって、オブジェクトと撮像システムの有効開口を生成するためにシステムによって処理される。
例えば、撮像される物体と音響撮像システムのアレイの有効開口を生成する本開示の技術を概念的に示すために、（例えば、カメラの開口のように）有限開口の観点から、光学的反射物体がどのように見えるかを考える。開口の観点から、物体は開口の横方向に反転した画像（例えば、カメラのミラー反射）を反射する。例えば、反射画像は開口の（横方向に反転された）歪んだコピー（例えば、ファンハウスミラーのようなもの）であってもよく、または開口の（横方向に反転された）正確なコピー（例えば、フラットミラーのようなもの）であってもよい。いずれの場合も、開口によって観察される反射は物体、開口、およびそれらの相対的な向きの関数であるので、開口はここでは物体に対して不可分にリンクされる。実用的な例は、自動車を運転するときの古典的な死角サイドミラー問題である。主運転者が自分のサイドビューミラーで他の運転者の目を見ることができない場合、他の運転者は主運転者の死角にいる。他の運転者の２つの眼球（すなわち、２つのカメラの結像開口）がそれらのミラー（すなわち、物体）および主運転者の２つの眼球（すなわち、２つの異なるカメラの第２の結像開口）と共に合成開口を形成するかのように考える場合、この例ではミラーが光の伝播を介して各結像開口に対して不可分にリンクされ、ミラーの位置、配向、形状、サイズ、曲率、表面特性などはいずれかの開口によって見られる応答（すなわち、画像）に対して影響を及ぼす。この概念的な例を続けると、ドライバ／サイドビューミラー／ドライバの課題はバイスタティック合成開口の例であり、ミラーは２対の眼球の開口、すなわち物理的開口の一部になることによって、効果的により大きな開口を生成し、物体、すなわちサイドビューミラーとの合成開口になる。
開示される合成開口オブジェクトビームフォーミング技術は、空間内の複数の点を撮像することに基づく物体の実開口撮像または他の合成開口撮像モダリティのいくつかの実装とは異なり、位置情報を超える点位置の知識は、物体についての情報を含まず、（点からのモノスタティック散乱またはバイスタティック散乱に対して影響を与え得る）物体についての先験的情報を含まない。この特許文献における開示するシステム、デバイス、および方法は、画像形成における物体および開口の知識を使用して、開口内の素子の物理的範囲および物理的数よりも効果的に大きく、より効果的に素子を含み得る合成開口を実現するように設計される。
いくつかの実装形態において、開示される撮像技術は、たとえばデカルト格子または他の空間サンプリング上に画像を形成するためのビームフォーミング点とは対照的に、ビーム形成器の一体部分としてオブジェクトモデルを使用してオブジェクトをビームフォーミングし、次いで、相関ベースの調整、点クラウド記録、および機械学習アルゴリズムを含むが、これらに限定されない記録アルゴリズムを使用して、オブジェクトの空間情報をオブジェクトのモデルとマッチングして、画像内のオブジェクトを検出し、空間的に記録する。重要なのは、開示する技術はオブジェクトを直接検出し記録することができ、一方、過去の技術は記録アルゴリズムを使用して画像内のオブジェクトを間接的に検出し、記録することである。
空間における物体の画像形成に対する開示するアプローチにおいては、物体自体がビーム形成される。すなわち、オブジェクトから受信されたエコーがビーム形成器内のオブジェクトのモデルとのコヒーレンスを達成し、かつ、オブジェクトが位置および配向において同時に特定されるとき、トランスデューサ素子のアレイに対する位置および配向におけるオブジェクトの表現は、ビームフォーミングされたオブジェクトの視覚化のための画像として表示することができる。物体のモデルは例えば、限定されるものではないが、物理的特性（例えば、密度、体積弾性率、音響インピーダンスなど）、点表面（例えば、トポロジー、ジオメトリ）、および／または体積特徴（例えば、材料分布、内部層、中空など）を含む、超音波照射される物体を表す任意の情報を含む。このアプローチは、逆問題と呼ばれる問題のクラスに関連する問題に対処し、例えば、一連の観測から、それらを生成した因果因子を計算する。例えば、送信波形の反射から測定された（すなわち、観測された）波形のセットから、波形を反射したオブジェクト（すなわち、因果因子）を計算する。しかし、この問題は正確には逆問題ではない。なぜなら、オブジェクトモデルは先験的な量であり、すなわち、因果因子が知られているからである。一方、逆問題における解は、観測結果を引き起こしたオブジェクトを決定することである。より正確には、提案された課題に対する解決策は、アレイのモデル、物体のモデル、アレイモデルと物体モデルとを関連付ける空間変換、および音波の伝搬と回折によって制約される時間領域エコーの高次元空間におけるフィッティング最適化課題である。
物体撮像および位置特定の提案する問題は、空間フィルタリング問題の文脈で見ることもできる。ビーム形成器の機能は、トランスデューサアレイに対する空間内の特定の位置または点に対応する情報を位置特定するためにエコーを空間的にフィルタリングすることである。空間内のポイント（すなわち、ポイント空間フィルタ）において情報を位置特定するための空間フィルタリングの代わりに、空間フィルタリングを適用して、空間内のオブジェクト（例えば、オブジェクト空間フィルタ）についての情報を位置特定することができる。ここで、空間フィルタは、（ｉ）物体モデル、（ｉｉ）回折の物理原理、（ｉｉｉ）散乱の物理原理、（ｉｖ）音波伝搬の物理原理、および／または（ｖ）電気機械変換の物理原理から導出される、物体モデル、その位置、その配向、アレイモデル、アレイモデルの位置、アレイモデルの配向、および／または透過パラメータおよび／または散乱パラメータの関数である。本開示全体にわたって点空間フィルタからオブジェクト空間フィルタを区別するために、オブジェクト空間フィルタは、以降、物体ビーム形成器と呼ばれる。
オブジェクト空間フィルタ（物体ビーム形成器）はまた、一致フィルタのタイプと見なされてもよく、それによって、トランスデューサ素子のアレイのモデル（すなわち、アレイモデル）および物理オブジェクトのモデル（すなわち、オブジェクトモデル）の試行相対位置および向きが、物体ビーム形成器に含まれ、物理アレイおよび物理オブジェクトの真の相対位置および向きと一致するとき、物体ビーム形成器の出力が最大化され、物理オブジェクトがマッチングおよび検出される。
いくつかの実施形態において、物体からのエコーをビーム形成し、その画像を生成するように構成された音響イメージングシステムであって、音響イメージングシステムは、トランスデューサアレイ、送信器および受信器回路、物体のモデルおよびトランスデューサアレイのモデルを組み込んだ物体ビーム形成器モジュールを含むデータ処理デバイス、物体フィッティング課題に対する最適解を見つけるための処理モジュール、合成開口送信および受信を順序付けるための制御モジュール、を備える。いくつかの実施形態において、音響イメージングシステムは任意選択で、既知の座標系または基準座標系（例えば、アレイモデルの座標系）に関して対象物の画像を視覚化するためのディスプレイデバイスを有する。
いくつかの実施形態において、音響撮像システムを使用して、物理的オブジェクトからエコーをビームフォーミングし、オブジェクトの画像を生成するための方法は、均一変換行列、または任意の等価な一連の空間変換を使用して、送信器および受信器座標に対して適用される位置および向きの最適化を通して、アレイのモデルを操作するステップを有し、オブジェクトモデル参照フレームにおいて適用される操作、例えば、回転および／または並進は、前記アレイモデルおよびオブジェクトモデルを利用して、物体ビーム形成器の出力を最適化する。同様に、機能的に等価な実施形態は、均一変換行列または任意の等価な一連の空間変換を使用して、オブジェクトモデル座標に対して適用される位置および向きの最適化を通してオブジェクトのモデル（アレイのモデルに代えて）を操作するステップを有し、基準のアレイモデルフレームにおいて適用される操作、例えば回転および／または並進は、前記アレイモデルおよびオブジェクトモデルを利用して物体ビーム形成器の出力を最適化する。例えば、パラメータの共通のセットは、アレイモデル基準フレームまたはオブジェクトモデル基準フレームのいずれかから見ることができる、アレイモデルおよびオブジェクトモデルの相対的な位置および向きを含む。
図１Ａ～図１Ｄは、本技術による断層合成開口撮像および物体ビーム形成技術の例示的な実装を示す図を示す。
図１Ａは、２つ以上の次元への一般性を失うことなく、１つの次元において２つの空間的に分離されたトランスデューサ素子についての、開示するシステムおよび方法によって実施可能な例示的な合成開口の概念を図示する。この例において、素子１は送信器と受信器の両方であり、素子２は受信器としてのみ動作している。両方の素子は球面波面を放射する点源／受信器であると仮定され、したがって、矢印として示されるレイトレーシングは、代表的な散乱経路を示す。図示の１次元物体表面については、素子１上の送信により、素子１上の散乱領域Ａからの受信エコーと、素子２上の散乱領域Ｂからの受信エコーとをもたらす。素子１で受信されるエコーはモノスタティック散乱の結果であり、素子２で受信されるエコーはバイスタティック散乱の結果である。素子２上での受信によって生成される開口は、素子１上でのみの送信および受信によって生成される開口と比較してはるかに大きいことが示されている。このようにして、合成開口が形成される。合成開口をさらに拡張するために、例えば、撮像される物体を囲むかまたは部分的に囲むために、より多くの送信器および／または受信器素子が追加されてもよい。ここで、例えば、合成開口の利点は、比較的大きな開口が比較的少ないトランスデューサ素子から形成され得ることである。
図１Ｂは、素子１と２との間に仮想素子の生成を使用するプロセスを追加することによって、図１Ａに示される同じハードウェアを使用する合成開口感知動作を図示する。この動作は、素子１と２とによって生成されるバイスタティックサンプリングと比較して、垂直入射で散乱領域Ｂをモノスタティックにサンプリングする。散乱が入射角に依存しないと仮定すると、例えば、散乱領域Ｂからの情報は、モノスタティックサンプリングとバイスタティックサンプリングとでほぼ同じである。このようにして、素子１上で送信し、素子１および２上で受信することからなる合成開口は、あたかも素子１上で送信および受信し、続いて仮想素子１－２の位置の素子上で送信および受信するのと実質的に同じサイズである。別の言い方をすれば、素子２上で受信することによって生成される開口は、送信素子から受信素子までの距離の一部、この場合はちょうど半分だけ物理的に拡張される。
図１Ｃは、図１Ｂに示されるジオメトリと比較して物体表面を単純に１０度回転することによる、物体表面上の散乱領域ＡおよびＢの位置の変化と、図１Ｂに示される素子１と２との間の距離の半分ではなくなった仮想素子位置の結果として生じる変化とを示す。このように、素子１上で送信し、素子１および２上で受信することによって生成される有効合成開口は、物体の形状、位置、および向きに対して不可分に結び付けられ、結果として得られる合成開口は物体で形成されると言われる。合成開口のいくつかの定義は一般に、ターゲットから独立していると考えられるが、例えば、本技術によれば、ビーム形成器と組み合わされた合成開口は、物体の表面と一致しても一致しなくてもよい空間内の点にコヒーレントエネルギーを位置特定するように動作可能である。開示する技術によれば、ビーム形成器と組み合わされた合成開口は、物体の表面から散乱されたコヒーレントエネルギーにしたがって物体を検出し、位置特定するように動作可能である。
図１Ｄは、送信および受信の両方のために動作可能な３つの空間的に分離されたトランシーバ素子による完全送信合成開口の例を図示する。完全合成送信開口においては例えば、送信イベントがトランシーバ素子１上で発生し、その後、３つすべてのトランシーバ素子上での受信が続き、トランシーバ素子２上での送信が続き、３つすべてのトランシーバ素子上での受信が続き、最後に、トランシーバ素子３上での送信が続き、３つすべてのトランシーバ素子上での受信が続く。このようにして、Ａ、Ｃ、およびＦとラベル付けされた物体表面上の３つのモノスタティック散乱領域がサンプリングされ、Ｂ、Ｄ、およびＥとラベル付けされた物体表面上の３つのバイスタティック散乱領域がサンプリングされる。同様に、物体表面の固有のサンプルの数は、送信器および／または受信器の数を増やすことによって増やすことができる。
さらに、図１Ｄの例に示されるように、領域Ａ～Ｆは無数の無限小の散乱点から構成され、各散乱点は音響回折を通して、各送信のために３つのトランシーバ素子の各々によって受信されるエコーに対する成分を寄与する。このようにして、散乱領域Ａを含む５つの位置について図示される、すべてのそのような経路が考慮されるとき、散乱経路の劇的な増倍が生じる。領域Ａについて図示される散乱経路ごとに、入射角が０度から逸脱することにつれてエコー強度が減少することを、グレースケール経路の減少する階調が示している。したがって、物体を撮像するための本開示方法において考慮されるのは、物体モデルのジオメトリによって記述される散乱経路と組み合わされた、分離された送信器、受信器、および／または送信器および受信器からなる合成開口によって生成されるモノスタティック散乱および／またはバイスタティック散乱である。この例においては、散乱領域ごとに物体表面の５つのサンプルが与えられると、散乱経路の数はこの単純な１次元物体表面に対して６から３０に増加する。等価な２次元物体表面は散乱領域当たり２５個のサンプルで表すことができ、その結果、３つの空間的に分離された物理的素子からなる合成開口のための１５０個の散乱経路が得られる。したがって、開示する合成開口技術は、以下の例示的な実施形態において説明および図示されるように、物体ビーム形成器技術と統合される。
この特許文献に開示されている例において、「合成開口」および「合成開口アレイ」および「合成開口技術」などの使用は、以下を意味する：（ｉ）合成開口技術にしたがって動作可能な物理開口および／または物理アレイ（例えば、合成送信開口撮像、非集束送信、非集束受信を含むが、これらに限定されない）、および／または、（ｉｉ）合成開口技術にしたがって作成された物理的開口および／または物理アレイから導出可能な任意の仮想開口および／または仮想アレイ、および／または、（ｉｉｉ）物理開口および／または物理アレイに対して適用された合成開口技術にしたがってオブジェクトとともに作成された任意の仮想開口および／または仮想アレイ、および、（ｉｖ）合成開口技術にしたがって物理的および／または仮想開口およびアレイによって作成されたオブジェクトに対する任意の空間サンプリング。
いくつかの実施形態において、物体ビーム形成器は、コンピューティングデバイスのハードウェアおよび／またはソフトウェアモジュールとして実装することができ、コンピューティングデバイスは、アレイモデル座標およびオブジェクトのモデルに基づいて表面散乱にしたがってエコー遅延および重みを計算するためにコンピュータプロセッサおよびメモリによって実行可能な命令を備え、遅延および重み付けされたエコーに対して適用される線形および非線形演算のいくつかの組み合わせは、物体ビーム形成器への出力として１つまたは複数のビームフォーミングされたエコーを生成する。
物体ビーム形成器の出力は、計算装置によって処理され、ビーム形成器エコーのパワーを時間窓内に統合することができ、その持続時間は、音響イメージングシステムの双方向インパルス応答の持続時間に比例する。コンピューティングデバイス上で実装可能なデータ処理ユニット（例えば、コンピュータプロセッサおよびメモリを含む）は例えば、データ処理ユニットのメモリに記憶された最適化アルゴリズムを使用して、ビームフォーミングされたエコーパワーを最大化するためにパラメータを変化させることによって、物体ビーム形成器内で利用されるアレイ座標の位置および配向を決定するように構成することができる。
アレイの最適化された位置および向きは、アレイの基準のフレーム内にオブジェクトの表示を生成するために使用することができ、これにより例えば、コンピューティングデバイスまたはコンピューティングデバイスのユーザインターフェースのディスプレイコンポーネントと通信するディスプレイユニット上でオブジェクトが視覚化される。加えて、オブジェクトのモデルと共にオブジェクトの位置および向きも、使用のために表示または出力され得る。例えば、合成開口ビーム形成オブジェクト撮像（合成開口オブジェクト撮像（ＳＡＯＩ）とも呼ばれる）のための開示するシステムおよび方法のいくつかの実装形態において、オブジェクトの表面の特定の点または領域に関連する位置および／または配向データは例えば、合成開口または実開口として動作可能なトランスデューサアレイの基準フレームに対して正確に識別することができる。物体の表面の１つまたは複数の点または領域の識別された位置および／または向きは、基準フレーム内の周期的な位置および／または向きの更新を用いて実装することができる。
様々な実装形態において、開示されるシステムおよび方法は主に、物体の表面からの鏡面反射が達成されるように、有意なインピーダンス差を有する物体を撮像することを意図している。例えば、システムおよび方法は、周囲の硬質または軟質物質からの検出および識別を補助する反射および／または散乱特徴を用いて、任意の種類の組織の撮像および／または埋め込み可能な物体の撮像に対して適用できる。例えば、アレイおよび物体は、物体の基準フレーム内の特定の方向に散乱するように設計された特定の物体の鏡面反射面をアレイが十分に利用するように、共同設計することができる。
非散乱反射および鏡面散乱としても知られる鏡面反射に加えて、拡散反射（例えば、ランバート反射）および非鏡面散乱としても知られる散乱反射も存在する。主に、（ａ）波長に対する対象物のサイズ、および（ｂ）波長に対する対象物の表面上の特徴のサイズに依存して、様々な程度の散乱および非散乱音響反射が対象物に対して可能である。波長よりもはるかに小さい物体はレイリー散乱を示し、そのような物体の集合からの散乱波は、位相のランダムな集合とともに空間内の点に到達する。波長のオーダーの物体はミー散乱を生じ、これは物体の表面上の位相変動に起因する散乱波における干渉効果を引き起こす。開示する技術は、波長以上の物体、および波長以上の表面特徴を有するそのような物体へ主に適用されるが、一般性を失うことなく、開示するシステム、デバイス、および方法は、散乱されていない音響反射と散乱された音響反射の両方を生成する物体に対して適用され得る。両方のタイプの散乱波、鏡面波および拡散波の一般的な用語は以後、一方または他方が具体的に例えば鏡面反射と呼ばれない限り、反射および散乱として交換可能に用いられる。
図１Ｅは、本技術による合成開口超音波システム１５０の例示的な実施形態を示す。システム１５０は、複数の音響トランスデューサデバイス１５１（例えば、物体１６１に対して３次元空間に配置された図１Ｅのプロット１５７において８点として示される位置）から構成される合成開口アレイを含み、これは、送信トランスデューサ、受信トランスデューサ、および／または（音響信号を送信および受信するように構成された）送受信トランスデューサまたは音響トランシーバとして構成され得る。複数の音響トランスデューサデバイス１５１の各音響トランスデューサデバイスは、異なる送信または受信音響トランスデューサ素子のアレイマトリクスを有することができ、音響トランスデューサデバイス１５１の集合は、物体１６１の撮像を改善するための合成開口アレイとして送信器－受信器ユニットを形成するように実装できる。システム１５０は、合成開口アレイに対してインターフェース接続された送信器－受信器ユニット１５２を有し、送信器－受信器ユニット１５２は、特定のアレイ素子上で送信された波形を生成および駆動し、特定の素子上でエコーを受信し、信号をデジタル領域に変換するように構成される。音響トランスデューサデバイス１５１は、対象物に対して空間的に既知の位置に配置され、合成開口アレイ内で互いに対して特定の相対位置に配置されて、音響波を対象物に向け、撮像のために対象物から音響信号を受信する。用途に応じて、音響トランスデューサデバイス１５１はいくつかの撮像システム設計において固定位置にあってもよく、他の撮像システム設計においては合成開口アレイ内のそれらの位置および相対位置が調整されることを可能にするために１つまたは複数の作動アームまたはフレーム上に配置してもよい。様々な運動アクチュエータおよび回転デバイスを使用することができる。
図１Ｆ～図１Ｈは、対象物１６１を撮像するための、トランスデューサアレイセグメントを有することができる例示的な合成開口超音波システム１５０の音響トランスデューサデバイス１５１のアレイの例示的な実施形態を示す図である。これらの例において、各音響トランスデューサデバイス１５１は音響送信または受信または送受信音響トランスデューサ素子の２次元アレイを含む。オブジェクト１６１は、少なくとも３つの決定可能な自由度を有する任意のオブジェクトとすることができる。
図１Ｆは、物体１６１を囲む立方体の８つの点に沿って配置された、８つの強固に接続されたトランスデューサアレイセグメント１５１Ｆ１、１５１Ｆ２、…、１５１Ｆ８を有する音響トランスデューサデバイス１５１Ｆのアレイの例示的な実施形態を示し、各トランスデューサアレイセグメントは、物体１６１に対して向けられる。音響トランスデューサデバイス１５１Ｆのアレイは、トランスデューサアレイセグメント１５１Ｆ１、１５１Ｆ２、…、１５１Ｆ８をそれぞれ送受信ユニット１５２に対して電気的に接続する接続構造１９２Ｆ１、１９２Ｆ２、…、１９２Ｆ８を有する。いくつかの実施形態において例えば、接続構造１９２Ｆ１、１９２Ｆ２、…、１９２Ｆ８は、剛性フレーム、ハウジング、またはケーシングを有し、これにより、それぞれのトランスデューサアレイセグメント１５１Ｆ１、１５１Ｆ２、…、１５１Ｆ８は１９２Ｆ１、１９２Ｆ２、…、１９２Ｆ８に対して移動しなくてもよい。音響トランスデューサデバイス１５１Ｆのアレイは、任意選択で、トランスデューサアレイセグメント１５１Ｆ１、１５１Ｆ２、…、１５１Ｆ８のうちの少なくともいくつかを堅固に結合する堅固な構造１９１Ｆを有することができる。いくつかの実施形態において、例えば、音響トランスデューサデバイス１５１Ｆのアレイは、トランスデューサアレイセグメント１５１Ｆ１、１５１Ｆ２、１５１Ｆ８の一部または全部の３次元位置を別のトランスデューサアレイセグメントに対しておよび／または物体１６１に対して移動させることができる位置決めシステム（例えば、電動ステッパなど）を有することができる。例示的な実装形態において、たとえば、音響トランスデューサデバイス１５１Ｆのアレイに対する物体および配向、ならびにトランスデューサアレイセグメント１５１Ｆ１、１５１Ｆ２、・・・１５１Ｆ８の再配置に応じて、音響トランスデューサデバイス１５１Ｆのアレイは、システム１５０によって使用されて、（たとえば、図１Ｆに示されるように）楕円体の６自由度を決定することができる。システム１５０のそのような実装の間、送信および／または受信のために選択された個々のトランスデューサ素子の数、トランスデューサアレイセグメント１５１Ｆ１、１５１Ｆ２、…、１５１Ｆ８の幾何学的形状、向きなどは、基準フレームに関してシステム１５０にとって既知である。トランスデューサデバイス１５１Ｆの例示的なアレイのいくつかの実装形態において、たとえば、機能的に、セグメント１５１Ｆ１、１５１Ｆ２、・・・１５１Ｆ３の各々からの１つの単一のアレイ素子は、点源および受信器によって表すことができる。
図１Ｇは、物体１６１を囲む３つの点に沿って配置された、３つの強固に接続されたトランスデューサアレイセグメント１５１Ｇ１、１５１Ｇ２、１５１Ｇ３を有する音響トランスデューサデバイス１５１Ｇのアレイの例示的な実施形態を示す。各トランスデューサアレイセグメントは、３つの強固に接続されたトランスデューサアレイセグメント１５１Ｇ１、１５１Ｇ２、１５１Ｇ３が３つの異なる方向で物体１６１に面するように、物体１６１に対して向けられる。例示的な実装形態において、たとえば、音響トランスデューサデバイス１５１Ｇのアレイに対する物体および配向、ならびにトランスデューサアレイセグメント１５１Ｇ１、１５１Ｇ２、１５１Ｇ３の再配置に依拠して、音響トランスデューサデバイス１５１Ｇのアレイはシステム１５０によって使用され、（たとえば、図１Ｇに示されるように）球形物体の少なくとも３つの自由度と、他のタイプの物体（たとえば、立方体、楕円体など）の６つの自由度とを決定することが可能である。
図１Ｈは、物体１６１（例えば、この例では立方体物体）を囲む、それぞれ３つの垂直平面ｘｙ、ｘｚ、およびｙｚに沿って配列された、３つの強固に接続されたトランスデューサアレイセグメント１５１Ｈ１、１５１Ｈ２、１５１Ｈ３を有する音響トランスデューサデバイス１５１Ｈのアレイの例示的な実施形態を示す。各トランスデューサアレイセグメントは物体１６１に対して向けられる。例示的な実装形態において、たとえば、音響トランスデューサデバイス１５１Ｈのアレイに対する物体および配向、ならびにトランスデューサアレイセグメント１５１Ｈ１、１５１Ｈ２、１５１Ｈ３の再配置に依拠して、音響トランスデューサデバイス１５１Ｈのアレイはシステム１５０によって使用され、たとえば、３つの直交する面を指すアレイセグメントを伴う立方体の場合、６自由度を決定することが可能である。
いくつかの実施形態において、例えば、図１Ｆ、図１Ｇ、および図１Ｈの例における、異なる音響トランスデューサデバイス１５１を接続および保持するための１つまたは複数の剛性線材または枠体は、１つまたは複数の調整可能な線材または枠体、または剛性線材または枠体とアクチュエータとの組み合わせによって置き換えることができ、これにより、異なる形状の異なる対象物を収容するために、それらの位置および相対位置を調整することを可能にする。そのような設計において、対象物に対する空間内の位置および音響トランスデューサデバイス１５１の特定の相対位置は、それらの位置および向きが所望の位置に調整され固定されると、既知となる。
例示的な実装形態において、たとえば、トランスデューサデバイス１５１Ｆ、１５１Ｇ、および１５１Ｈの例示的なアレイは、１つまたは複数のサブアレイにわたるトランスデューサ素子の様々な組み合わせを備える様々なアレイセグメントを有し、これを利用して、例えば１つまたは複数の複合音響波形（たとえば、超音波ビーム）を生成するためのコード化音響波形を含む、対象１６１において送信されるべき様々な音響波形を生成することができる。
図１Ｉは、トランスデューサセグメント１５１Ｉのアレイとして図に示される、トランスデューサデバイス１５１Ｆ、１５１Ｇ、および１５１Ｈの例示的アレイのトランスデューサアレイセグメントの非限定的な例を示す図である。この例において、トランスデューサセグメント１５１Ｉのアレイは、４つのトランスデューサセグメント（例えば、トランスデューサセグメント１、２、３、および４）に配置された６４個の個々のトランスデューサ素子を含む。図は４つのトランスデューサセグメントを空間的に近位に示しているが、４つのトランスデューサセグメントは空間的に分離されて配置されてもよく、例えば、図１Ｆ、図１Ｇ、および図１Ｈのように、別個の、強固に接続されたトランスデューサセグメントを有してもよいことが理解される。図１Ｉのこの例において、（たとえば、４つのトランスデューサセグメントのうちの１つまたは複数のなかのトランスデューサ素子を含む）６４個の個々のトランスデューサ素子のうちのいずれかを備える１つまたは複数のサブアレイは、（たとえば、個々のコード化音響波形を含む）個々の音響波形を（たとえば、連続的に、同時に、またはランダムに）送信することができる。サブアレイは、１つのトランスデューサセグメント内または複数のトランスデューサセグメント間の個々のトランスデューサ素子の組み合わせを含むことができる。例えば、サブアレイ１はトランスデューサセグメント１のトランスデューサ素子２、３、６、７、１０、１１、１４および１５と、トランスデューサセグメント３のトランスデューサ素子２および３とを含み；サブアレイ２はトランスデューサセグメント２のトランスデューサ素子１、２、３、５、６、７、９、１０および１１を含み；サブアレイ３はトランスデューサセグメント３のトランスデューサ素子９、１０、１１、１２、１３、１４、１５および１６と、トランスデューサセグメント４のトランスデューサ素子９および１３とを含み；サブアレイ４はトランスデューサセグメント４のトランスデューサ素子５、６、７、９、１０、１１、１３、１４および１５を含む。サブアレイの構成は、いくつかの実施形態において送信器－受信器ユニット１５２に含まれ得るスイッチング素子（例えば、マルチプレクサユニットなど）を使用して生成され得る。
図１Ｅを再び参照すると、システム１５０は、１つまたは複数のメモリデバイス、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と通信する１つまたは複数のプロセッサを備えるコンピューティングデバイス上に実装される物体ビーム形成器ユニット１５４を有する。発信器－受信器ユニット１５２の出力は、物体ビーム形成器ユニット１５４に対して伝達される。物体ビーム形成器ユニット１５４は、アレイ配置に関する情報と共に画像化される物体（物体モデル１５５として示されている）のモデルを利用して、物体ビーム形成器ユニット１５４内に収容されている、物体ビーム形成器内のコヒーレントな組み合わせに先立ってエコー遅延および重み計算を決定するように構成されている。
システム１５０は、物体ビーム形成器ユニットおよび送信器－受信器ユニットと通信するプロセッサおよびメモリを備えるデータ処理および制御ユニット１５６（例えば、データ処理ユニットと呼ばれることもある）を有する。いくつかの実施形態において、物体ビーム形成器ユニット１５４は、データ処理および制御ユニット１５６と同じコンピューティングデバイス上に構成され、他の実施形態において、物体ビーム形成器ユニット１５４は、データ処理および制御ユニット１５６を備えるコンピューティングデバイスと通信する別個のコンピューティングデバイス上に構成される。データ処理および制御ユニット１５６は、アレイモデル１５３として示される、物体モデルに対するアレイジオメトリの位置および配向を記述するパラメータを、物体ビーム形成器出力が最大化されるように調整するように構成される（以下で詳細に説明する）。データ処理および制御ユニット１５６は、音響信号の送信および受信を順序付けるために、送信器－受信器ユニット１５２を制御するように構成される。
開示されるシステムおよび方法のいくつかの実装形態において、たとえば、データ処理および制御ユニット１５６が、物体ビーム形成器ユニット１５４においてビーム形成された受信合成開口エコーのセットと、オブジェクトのモデルと、アレイのモデルと、および／またはモデルに対するアレイの位置および向きとの間の一致を判定したとき、オブジェクトが検出される。いくつかの実装形態において、たとえば、一致が達成されるかどうかの決定は、一致を求める最適化プロセスの１つまたは複数の入力および／または出力（たとえば、変数）または１つまたは複数の入力および／または出力の変化（たとえば、反復間の異なる変化）を、１つまたは複数のしきい値と比較することによって決定される。１つまたは複数の閾値の値を決定することは、経験的データ、シミュレートされたデータ、モンテカルロ法、摂動理論、および／または、閾値を決定するためのいくつかの統計的方法もしくは検出理論方法（たとえば、限定されないが、統計的仮説検定、ｔ検定、バイナリ分類器の受信器動作特性、ベイズ仮説検定などを含む）に基づくことができる。最適化プロセスの１つまたは複数の可変入力および／または出力（たとえば、しきい値よりも大きいまたは小さい入力または出力）に必要な１つまたは複数のしきい値および条件は、本明細書では検出条件と呼ばれることがある。数値最適化の場合、例えば、そのような条件は公差（例えば、閾値）または停止条件（例えば、閾値を超えて最適化プロセスが停止したとき）と呼ばれる。ここで、検出条件および停止条件とは、最適化処理の入力および／または出力に対して適用される条件に基づいてオブジェクトを検出するための同じ条件を指す。例えば、数値最適化を含む開示する方法およびシステムの実装形態において、最適化プロセスのコアとなるのは、目的関数を最大化または最小化する解を探索することを担うアルゴリズムである。本明細書で言及される最適化アルゴリズムは、ソルバまたはオプティマイザとしても知られている。また、解を見つけることを担う特定のアルゴリズムは、ソルバまたはオプティマイザと呼ばれることがある。多くのタイプのオプティマイザが存在し、それらは、線形または非線形オプティマイザのいずれかとして大まかに分類される。本技術によるいくつかの実施形態において、非線形オプティマイザを使用して、一致が見つかるまで、すなわち、１つまたは複数の検出条件が満たされるまで、変化するパラメータのセットを解く。最適化プロセスについては、後述する。
いくつかの実施形態において、システム１５０はユーザインターフェース（ＵＩ）および表示ユニット１５８を有し、これにより、システム１５０へのユーザ入力を容易にし、オブジェクトビーム形成ユニット１５４および送信器－受信器ユニット１５２と連動して動作するデータ処理および制御ユニット１５６によって生成された、オブジェクトの位置および／または配向を含むがこれらに限定されないオブジェクトを記述するパラメータにしたがって、生成された出力１５９（例えば、物理的オブジェクトの画像）を提示する。
システム１５０のいくつかの実施形態において例えば、送信器－受信器ユニット１５２は、物体を囲む複数のトランスデューサ素子位置のアレイを動作させるように構成され、疎開口（スパース開口）、すなわち、大きい空隙を有する開口領域と、素子間の大きい物理的分離の１つまたは複数のインスタンスとを生成するように動作可能であり、この分離は典型的には１つの波長よりも大きい。
図１Ｅの例において、スパース開口を生成するために８つのトランスデューサ素子位置がある。立方体として示される８つのトランスデューサ素子の正確な幾何学的配置は必要ではないが、複数のトランスデューサ素子が物体を完全にまたは少なくとも部分的に囲み、素子が概ね物体に対して向いていること、例えば、アレイ素子の表面法線ベクトルが物体上の少なくとも１つの表面法線方向と平行であることが必要である。このようにして、開口ははるかに大きい開口として効果的に機能し得るが、物体を完全に囲む開口と比較して、非常に少ない素子（例えば、疎な開口）で機能し得る。
図１Ｅに示されるアレイモデル１５３の例において、例えば、アレイ素子の表面法線（各素子位置から発する矢印として示される）が少なくとも１つの表面法線と平行であるとき、モノスタティック散乱、すなわち、透過素子に直接戻る反射が予想される。バイスタティック散乱は、１つの素子からの透過が第２素子の方向に反射されるときに生じる。モノスタティック反射またはバイスタティック反射が発生する物体上の点または領域は、物体の表面上に反射サンプリング位置を生成する。物体の形状に応じて、物体の決定可能な位置および／または空間における決定可能な配向を決定するために、物体の少なくとも３～６つの完全固有のモノスタティックまたはバイスタティック反射サンプルが著しく分離して存在しなければならないので、素子の総数は重要である。バイスタティックサンプルとモノスタティックサンプルとを重複させることが可能であり、したがって、サンプリングの冗長性にもかかわらず、対象物の形状に応じて、対象物の少なくとも３～６個の有効固有サンプルが生成されるように、素子間の著しい分離またはかなりの数のモノスタティックサンプルおよびバイスタティックサンプルの必要性がある。例えば、球状物体は決定可能な位置を有するが、決定不可能な向きを有し、したがって、物体の位置を決定するために少なくとも３つの固有のサンプルを必要とする。他のタイプの物体は例えば、右シリンダ、無限シリンダ、円錐、および楕円体を含むが、これらに限定されない、決定可能な自由度および決定不可能な自由度の両方を有する。決定可能な位置および向きの両方を有する任意のオブジェクトに対する一般的な要件として、例えば、オブジェクトの位置および向きを決定するために、オブジェクトの少なくとも６つの固有のサンプルが必要とされる。例外としては、６つ未満のサンプルから決定可能な位置および配向を有する、例えば、立方体、矩形状プリズム、四面体、および右角錐が挙げられるが、これらに限定されない。
図１Ｅのシステム１５０の例示的な実施形態によって示される例示的な構成において、少なくとも８つのモノスタティックサンプル、すなわち、素子インデックスｉ上での送信、および同じ素子インデックスｉ上での受信がある。ｊがｉに等しくないようなバイスタティックサンプルの数、すなわち、素子インデックスｉ上での送信および素子インデックスｊ上での受信は、アレイに対する対象物の位置および向きおよび対象物の形状に依存し、これにしたがって、素子インデックスｉ上での送信が素子インデックスｊへの反射を生成する。言い換えると、８素子アレイの場合、対象物の２８個のバイスタティックサンプルがあるが、反射が不可能であるので、バイスタティックサンプルのいくつかは無関係である。
図１Ｅに示されるように、トランスデューサ素子は送信器－受信器ユニット１５２の送信器デバイスおよび／または受信器デバイスに対して接続され、送信器－受信器ユニットは８つの素子すべてにわたって多重化される少なくとも１つの送信器チャネルおよび少なくとも１つの受信器チャネルを有する。いくつかの実施形態において、例えば、送信器／受信器ユニット１５２は、多重化が必要とされないように、８つの送信器チャネルおよび８つの受信器チャネルを有する。いくつかの実装形態においてたとえば、送信器／受信器ユニット１５２は、アナログ増幅器またはデジタル増幅器を使用してトランスデューサを駆動して、少なくとも１％の分数帯域幅を有するが好ましくは５０％を超える帯域幅を有する非集束音響波形を作成する。波形は、低時間帯域幅または高時間帯域幅積、例えば、低時間帯域幅積を有するガウス形状波形、または高時間帯域幅積を有する線形周波数変調チャープ波形などの符号化波形を有することができる。ここで、素子からターゲットまでの最も近い距離に応じて、長い持続時間の波形はそれ自体の上に折り畳まれてもよく、すなわち、波形の最初からの第１のエコーが受信されたときに、それは送信中であってもよい。ここで、持続時間は、送信が受信と重複しないように、すなわち、媒体中の波形の物理的長さが、アレイ素子から物体までおよび受信素子に戻る最短往復距離未満となるように、短くされなければならない。
システム１５０の様々な実施形態において例えば、送信器－受信器ユニット１５２のトランスデューサ素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、静電容量式微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）、圧電微細加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）、または電気エネルギーを機械エネルギーに変換する任意の他の圧電材料もしくはデバイス、およびその逆であってもよい。送信器－受信器ユニット１５２内の送信器チャネルは、電気波形でトランスデューサを駆動し、音響波形を生成するように動作可能である。送信器－受信器ユニット内の受信器チャネルは、必要な回路を使用して送信器から保護され、この回路は、ダイオードエキスパンダおよびリミッタ、高電圧スイッチ、変圧器、およびダイプレクサを含むがこれらに限定されない。受信器チャネルは受信されたエコー信号を増幅およびフィルタリングするように動作可能であるが、アナログドメインにおけるマイクロビームフォーミングまたはビームフォーミングなどの他の動作を実行することもでき、アナログサンプリングおよび加算は複数のチャネルからのアナログ信号を結合するために使用される。
送信器－受信器ユニット１５２は、限定はしないが、パワー増幅器、ＲＦ増幅器、可変利得増幅器、ダイプレクサ、マルチプレクサ、デジタル－アナログ変換器、アナログ－デジタル変換器、ミキサ、復調器、検出器、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、ＲＦ変圧器、アナログフィルタ、デジタルフィルタ、イーサネット回路、ＰＣＩ回路、デジタルバッファ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ、通信構成素子、アナログバス、デジタルバス、スイッチ、およびパワーエレクトロニクスを含む回路および電子構成素子を有することができる。送信器－受信器ユニット１５２の回路および電子構成素子は、システム１５０のトランスデューサ素子およびデータ処理ユニットに対して通信可能に結合される。
いくつかの実装形態において、たとえば、有効であるが弱いエコーが雑音から識別可能であるように、ナイキストサンプリング定理および量子化ビット深度を満たすのに十分に高いサンプリングレート、最高周波数成分の少なくとも２倍を使用して、受信エコー信号が増幅され、デジタル信号に変換される。いくつかの実装形態においてたとえば、ナイキストサンプリング定理の満足度を保証するために、アナログアンチエイリアシングフィルタをデジタル変換の前に用いることができる。
いくつかの実装形態においてたとえば、送受信器ユニット１５２はデータ処理および制御ユニット１５６からシーケンス情報を受信する。データ処理および制御ユニット１５６内の制御ユニットは、どの素子を送信すべきか、およびどの受信器を受信しデジタル信号に変換すべきかについての情報を通信する。どの素子が使用されるかに加えて、シーケンシング情報はまた、タイミング情報、例えば、送信遅延および受信遅延を含む。たとえば、送信は定義された遅延の後に素子１上で実施され、第２の送信は定義された遅延の後に素子２上で実施される。受信時に、素子１上のアナログ－デジタル（ＡＤＣ）変換は、規定された遅延の後に、同様に素子２について開始する。
システム１５０のいくつかの実施形態において例えば、トランスデューサ素子のアレイはそれぞれ、仮想送信器および／または仮想受信器として動作するように、トランスデューサ素子の集合を有してもよく、これは合成開口テクノロジーに関して上述した仮想開口および仮想アレイとは異なっている。この場合、各素子上の遅延は送信ビーム形成器を介して独立して制御可能でなければならず、これにより仮想ソース点を容易にし、および／または受信ビーム形成器を介して、波面がそれぞれ発信および／または観測されるように見える仮想受信器点を容易にしなければならない。仮想素子は例えば２つ以上の物理素子から構成されるので、全体的な信号対雑音比が送信および受信のための単一の素子を使用することと比較して改善されるように、送信時の送信エネルギーおよび受信時の利得を増加させるためには、有用である。たとえば、機能的に、システム１５０は、追加の信号およびＡＤＣチャネルを収容するために、受信器および物体ビーム形成器ユニット１５４内より複雑ではあるが、単一の素子ソースおよび受信器で動作するのと同じ方法で仮想ソースおよび受信器とともに動作する。
システム１５０のいくつかの実施形態において、例えば、仮想源の位相中心または有効位置は、アレイの背後にあり、したがって、点源に近似する発散送信波面を生成する。いくつかの実施形態において、アレイの背後の仮想送信器と同様の動作に続いて、あたかもアレイの背後の点に到達するようにエコーをデジタルビームフォーミングすることによって、仮想受信器が形成され得る。いくつかの実施形態において、例えば、仮想源の位相中心または有効位置はアレイの前にあり、したがって、前記位相中心または発信点を越えて発散するとともに点源を近似する音響源を生成する。いくつかの実施形態において、アレイの前の仮想送信器と同様の動作に続いて、あたかもアレイの前の点に到達するようにエコーをデジタルビームフォーミングすることによって、仮想受信器が形成され得る。
システム１５０のいくつかの実施形態において、例えば、複数の素子から構成される仮想受信器は、マイクロビーム形成器を使用してアナログ領域でビームフォーミングされ、これにより、仮想受信器から１つまたは複数のビームフォーミングされた信号を生成し、したがって、例えば、各仮想受信器を収容するために追加の受信器チャネルを設けることによる複雑さを除去することができる。例えば、６４個の素子から構成される仮想受信器と、同じ仮想受信器点に集束する８個の８対１マイクロビーム形成器のバンクとを考えると、結果として生じる８個のマイクロビームフォーミングされた信号は、６４個のチャネルの代わりに８個の受信器チャネル（例えば、アナログフィルタ、ＡＤＣなどから構成される）のみを必要とする。得られたマイクロビームフォーミングされた信号は、物理的受信器からのエコーが処理されるのと同じ方法で、物体ビーム形成器によって処理することができる。
システム１５０のいくつかの実施形態において例えば、アレイ素子はそれぞれ、集束送信器として動作する素子の集合を有することができ、その結果、集束ビームは空間内の１つまたは複数の焦点で送信され、その焦点は物体上の点に対応しても対応しなくてもよいが、集束に起因して物体の限定された領域を超音波照射する。集束送信は、不要な物体または障害物からの干渉を制限し、送信エネルギーを増加させ、したがって、受信エコーの信号対雑音比を改善するのに有用である。仮想送信器の場合と同様に、集束送信器のための各素子上の遅延は、空間内のビームを任意に集束させるために独立して制御可能でなければならない。また、仮想受信器の場合のように、受信されたエコーは１つまたは複数の方向からのエコーをさらに位置特定するためにビームフォーミングすることができ、受信焦点はオブジェクト上の点に対応しても対応しなくてもよい。
いくつかの実装形態においてたとえば、送信器／受信器ユニット１５２はまた、アナログおよび／またはデジタルフィルタを有することができ、たとえば、各ＡＤＣは変換の前にバンドパスまたはローパスアナログアンチエイリアシングフィルタを統合することができる。各ＡＤＣはまた、出力のためのデジタルフィルタを統合することができ、または送信器／受信器ユニット１５２はそのようなデジタルフィルタを組み込むことができる。
いくつかの実装形態において、たとえば、送信器／受信器ユニット１５２はデジタル変換の前に、アナログ領域中の信号をダウンコンバートまたは復調することができる。例えば、受信波形の中心周波数におけるアナログ復調の場合、２つのＡＤＣチャネルは同相および直交（ＩＱ）信号を同時にサンプリングすることができ、または１つのＡＤＣチャネルはＩＱ信号のインターリーブされたサンプリング、例えば、同相サンプルと、それに続く直交サンプルと、それに続く同相サンプルなどを実行することができる。同相サンプルと直交サンプルとの間の遅延は例えば、デジタル補間器または固定遅延オールパスフィルタを使用して補償できる。アナログ復調は広帯域エコーのサンプリングレートを低減するために有用であり、したがって、記憶を必要とするサンプルの数およびビーム形成器に対して転送されるデータの量を低減する。
いくつかの実装形態においてたとえば、類似の結果を達成するために、アナログＩＱ復調の代わりにデジタルＩＱ復調を使用することができ、復調周波数および帯域幅を同調することが可能であるという追加の利点を有する。復調周波数および帯域幅を調整することは、周波数および深度に依存する減衰を補償するために有用であり、これはエコー深度の関数として中心周波数および帯域幅を効果的に低減する。
いくつかの実装形態において、ＩＱ復調の代わりに、たとえば、広帯域信号のコヒーレントＩＱプロセスのためのより正確な技術は以下のように、解析信号を取得するために、デジタル領域への変換後の信号に対してヒルベルト変換を適用することを含む：
Figure 2023549818000002
いくつかの実装形態においてたとえば、結果として生じるデジタルエコー信号はたとえば、ＩＱ形式またはリアルオンリー形式のいずれかで、物体ビーム形成器ユニット１５４に対して転送され、そこで、それらはビームフォーミングのためにランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）内に記憶される。いくつかの実装形態においてたとえば、物体ビーム形成器ユニット１５４はオブジェクトビームフォーミングに加えて仮想受信器をビームフォーミングするように構成可能である。
オブジェクトのモデルは最初に、例えば、記憶システム内のファイルを読み取ることによって、またはコンピュータ支援デザイン（ＣＡＤ）ソフトウェアから転送されることによって、またはコンピュータプログラムを使用して数学的モデルから生成されることによって、またはオブジェクトを撮像しその画像をモデルに変換する外部手段から生成されることによって、データプロセッシングユニット１５６に対してロードされる。例えば、物体のモデルは、複雑な反射率を有する三角形、四角形、六面体などの単純な凸多角形から構成することができる。例えば、オブジェクトのモデルは頂点のリストおよび面のリストを含むドローネー三角測量モデルから構成することができ、各面は頂点のリストへの３つのインデックスを含む。モデル内の最大素子の最大寸法は１波長以下であるべきであるが、好ましくは１／２波長以下であり、波長は物体を囲む媒体の音速を送信波の中心周波数で割ったものに対応する。また、多角形の面は、円または外接円上にあることにより、全ての面の全ての外接円の直径が全ての面にわたって等しいかまたはほぼ等しく、最大外接円直径が１波長であり、好ましくは１／２波長以下であるようにすることが好ましい。三角形および四辺形モデルは、これらの幾何学的形状に存在する非常に効率的な光線追跡アルゴリズムがあるので、好ましい。いくつかの実装形態においてたとえば、面の中心位置が計算され、モデルとともに記憶され、その位置は典型的には面のすべての頂点にわたる平均座標を計算することによって見出されるが、中心位置計算のための他の方法も可能である。さらに、各表面の単位表面法線ベクトルも計算され、モデルと共に記憶される。さらに、各頂点の頂点法線が計算され、モデルと共に記憶され得る。計算されモデルと共に記憶され得る他の量は例えば、効率的な光線追跡に有用であるプリュッカー座標、および低コントラストオブジェクトにおける複素表面反射率を含む。
いくつかの実施形態において、データ処理ユニット１５６は、１つまたは複数のコンピュータ、例えば、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、インターネットを介して互いにデータ通信するコンピュータデバイスのネットワーク（例えば、「クラウド」）、またはスマートフォン、タブレット、もしくはウェアラブルコンピューティング／通信デバイスを含むがこれらに限定されない他のコンピューティングデバイス上に配置することができる。いくつかの実施形態において、データ処理ユニットは、送信器／受信器ユニット１５２および／または物体ビーム形成器ユニット１５４も含むデバイス構造（たとえば、筐体）内に配置できる。送信器－受信器ユニット１５２は、デジタルインターフェースを介してデータ処理ユニットと通信することができ、デジタルインターフェースは例えば、ＵＳＢ、ＦｉｒｅＷｉｒｅ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、ＰＣＩ、ＩＥＥＥ １３９４ Ｓｅｒｉａｌ、Ｗｉ－Ｆｉ、Ｆｉｂｅｒ Ｃｈａｎｎｅｌ、光ファイバ、無線バス、シリアルバス、またはパラレルバスを含むがこれらに限定されない任意のインターフェースまたはインターフェースの集合である。
いくつかの実施形態においてデータ処理ユニット１５６は、プログラマブル処理ユニットおよび記憶デバイスを有することができ、これは例えば以下のコンポーネントを含みがこれらに限らない：１つまたは複数のプロセッサ、シリアルプロセッサ、パラレルプロセッサ、演算コプロセッサ、汎用グラフィカル処理ユニット（ＧＰＵ）、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、ＤＳＰ、不揮発性メモリ、ＲＡＭ、デジタルバッファ、記憶デバイス、ハードドライブ、ＵＳＢ、ＦｉｒｅＷｉｒｅ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）、ＰＣＩ、ＩＥＥＥ １３９４シリアル、Ｗｉ－Ｆｉ、ファイバチャネル、光ファイバ、ワイヤレスバス、シリアルバス、外部ディスプレイアダプタ、外部ディスプレイドライバ、パラレルバス、通信構成素子、およびパワーエレクトロニクス。
いくつかの実施形態において、例えば、システム１５０はまた、ＵＩおよびディスプレイデバイス１５８を有することができ、これは例えば以下を含む：モニタ、スピーカ、または視覚、音声、または触覚出力の組み合わせを生成する他のデバイス。たとえば、いくつかの実施形態において、ＵＩおよびディスプレイデバイス１５８は、データ処理ユニットがコンピュータ上に配置されるとき、たとえば、単一のユニット内に、または外部ディスプレイへのケーブル配線を通して別々に、データ処理ユニットとともに組み込むことができる。
様々な実施形態において、データ処理および制御ユニット１５６は、データを処理するための１つまたは複数のプロセッサと、データを記憶するためにプロセッサと通信する１つまたは複数のメモリとを含む。例えば、プロセッサは、中央処理ユニット（ＣＰＵ）またはマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）を含むことができる。たとえば、メモリは、プロセッサによって実行されたときに、情報、コマンド、および／またはデータ、情報処理およびデータを受信すること、ならびに情報／データを別のエンティティ（たとえば、外部デバイス）に送信または提供することなど、様々な動作を実行するようにデータ処理および制御ユニット１５６を構成する、プロセッサ実行可能コードを含むことができる。データ処理および制御ユニット１５６の様々な機能をサポートするために、メモリは、命令、ソフトウェア、値、画像、およびプロセッサによって処理または参照される他のデータなどの他の情報およびデータを記憶することができる。様々なタイプのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）デバイス、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）デバイス、フラッシュメモリデバイス、および他の適切な記憶媒体を使用して、メモリの記憶機能を実装することができる。メモリは、データ処理および制御ユニット１５６およびシステムの他のユニットのデータおよび情報を記憶することができる。例えば、メモリはシステム上で動作するためのソフトウェアパラメータおよびプログラムと同様に、システムユニットパラメータおよびハードウェア制約を記憶することができる。この例において、データ処理および制御ユニット１５６は、データ処理および制御ユニット１５６のシステムの他のユニットへの通信接続を可能にすることができる入出力（Ｉ／Ｏ）ユニットを有する。たとえば、Ｉ／Ｏユニットは、典型的なデータ通信規格と互換性のある様々なタイプの有線またはワイヤレスインターフェースを使用して、他のデバイスまたはシステムと通信するためにデータ処理および制御ユニット１５６を提供することができる。通信規格は例えば以下を含むが、これらに限定されない：ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、ＩＥＥＥ １３９４（ＦｉｒｅＷｉｒｅ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＩＥＥＥ ８０２．１１１、ワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）、ワイヤレスパーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）、ワイヤレスワイドエリアネットワーク（ＷＷＡＮ）、ＷｉＭＡＸ、ＩＥＥＥ ８０２．１６(Worldwide Interoperability For Microwave Access(WiMAX))、３Ｇ／４Ｇ／ＬＴＥ／５Ｇセルラー通信方法、パラレルインターフェース。Ｉ／Ｏユニットはまた、外部インターフェース（例えば、外部デバイス）、データストレージのソース、またはディスプレイデバイス（例えば、ＵＩおよびディスプレイデバイス１５８）へのデータ処理および制御ユニット１５６の通信接続性を提供することができる。データ処理および制御ユニット１５６のＩ／Ｏユニットはまた、他の外部インターフェース、データ記憶源、および／または視覚または音声表示デバイスなどとインターフェース接続し、データおよび情報を取り出し、転送することができる。このデータと情報は、プロセッサによって処理され、メモリ内に記憶され、またはシステム１５０の出力ユニット（たとえば、ＵＩおよび表示デバイス１５８）上に提示することができる。
物体ビーム形成器ユニット１５４は、データ処理および制御ユニット１５６によって物体ビーム形成器ユニット１５４に提供されるオブジェクトについての新しい情報に基づいて、オブジェクトの新しいモデルを生成するか、またはオブジェクトの新しいモデルもしくは既存のモデルを修正するための、オブジェクトおよび／またはオブジェクトの所定のモデルを表すコードおよび／または座標リストおよび／またはベクトル情報を含むソフトウェアを含む。いくつかの実施形態において物体ビーム形成器ユニット１５４は、データ処理および制御ユニット１５６のデータ処理モジュールであり、物体ビーム形成器ユニット１５４は例えば、データ処理および制御ユニット１５６のハードウェアを利用し、このハードウェアは、データ処理および制御ユニット１５６の１つまたは複数のプロセッサおよび１つまたは複数のメモリを含むが、これらに限定されない。さらに、いくつかの実施形態において、物体ビーム形成器ユニット１５４は、データ処理および制御ユニット１５６のものとは別個の１つまたは複数のメモリユニットに結合された１つまたは複数のプロセッサを有する。
いくつかの実装形態においてたとえば、ビーム形成の前に、オブジェクトのモデルは、データ処理および制御ユニット１５６から物体ビーム形成器ユニット１５４内のアドレス指定可能ＲＡＭユニットにロードされる。また、ビーム形成の前に、トランスデューサアレイ素子位置および法線ベクトルは、データ処理および制御ユニット１５６から物体ビーム形成器ユニット１５４にロードされる。トランスデューサアレイ素子およびアレイ法線ベクトルの位置は、図１Ｅの例においてアレイモデル１５３の下に示されるように、それ自体の基準フレームにおけるモデルとしてデータ処理および制御ユニット１５６に記憶される。データ処理および制御ユニット１５６から物体ビーム形成器ユニット１５４に通信されるトランスデューサアレイ素子およびアレイ法線ベクトルの位置は、回転成分および並進成分からなる変換を適用することによって変更される。並進成分は３次元、すなわち、ｘ、ｙ、およびｚにおけるデカルト座標として表される。回転成分はｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の周りの角度による連続的な回転によって、様々な連続的な次数、例えば、ｘｙｚ、ｙｚｘ、ｚｘｙ、ｘｚｙ、ｚｙｘ、ｙｘｚにおいて決定され、別名、Ｔａｉｔ－Ｂｒｙａｎ角度として知られる。
３×３回転行列の例は、以下のように計算される：
Figure 2023549818000003
 式中、Ｒは、ヨー角、ピッチ角、およびロール角がそれぞれα、β、およびγである回転を表す。より形式的にはそれは固有回転であり、そのＴａｉｔ－Ｂｒｙａｎ角はそれぞれ軸ｚ、ｙ、ｘの周りでα、β、γである。３×３の回転行列成分を計算する他の方法には、オイラー角、軸角表現、ロドリゲスの回転数式、クォータニオンなどがある。回転および並進は、以下のようにアレイモデル座標に対して適用される：
ＡＣ’＝ＲＡＣ＋ｈ
ＡＣ’は座標の変換されたセットであり、Ｒは３×３回転行列であり、ＡＣは配列座標の入力セットであり、ｈは３×１並進ベクトルである。配列素子の法線ベクトルＡｎ’も以下のように変換される：
Ａｎ’＝ＲＡｎ
Ａｎ’は変換された配列の法線の集合である。変換された座標および法線は、重みおよび遅延計算のためにビーム形成器ユニットに対して通信される。回転および並進は以下のように、数学的に等価な４×４の剛体均質変換とＴして定式化することもできる：
Figure 2023549818000004
 ｈ１はｘ並進であり、ｈ２はｙ並進であり、ｈ３はｚ並進であり、
Figure 2023549818000005
Ｔは、例えば４×Ｎ行列として配置された座標の組に対して並進および回動変換を実行する効率的なやり方であり、Ｐの４番目の行は以下のように全てを含む：
Ｐ’＝ＴＰ
Ｐ’は座標の変換された集合である。Ｐの４番目の行をゼロに設定するだけで変換は省略される。このような動作は、キネマティクスおよびコンピュータグラフィックスの分野で理解されている。
図２は、本技術による、合成開口送信および受信超音波信号を介して物体表面をビームフォーミングするための物体ビーム形成器方法の例示的な実装形態の図を示す。システム１５０のいくつかの例示的な実施形態において、オブジェクトをビームフォーミングするためのアルゴリズムは、物体ビーム形成器ユニット１５４内で実行され、物体ビーム形成器の例示的な数学的演算のセットを備える。図２はまた、物体ビーム形成器ユニットによって実装可能な、アルゴリズムによって特定のパラメータを計算するための例示的な式を示す。このパラメータは、鏡面散乱重みパラメータ、指向性重みパラメータ、および散乱遅延パラメータ（以下にも示す）を含む。
Figure 2023549818000006
物体ビーム形成器のいくつかの実装形態において、物体ビーム形成器は、送信器と受信器との組み合わせごとに、加算の前にエコーにたいして適用される遅延および重みを決定するいくつかの量を計算するように構成される。図２の例において、物体ビーム形成器内に記憶されたオブジェクトモデルのジオメトリは、単一の三角形の面について示されている。オブジェクトが複数のそのような三角形の面から構成されてもよく、各面が示されている面のように処理されてもよいことが理解される。
同様に、図２において、単一の送信器および単一の受信器ロケーションの幾何学的構成も示されている。同じ幾何学的構成が、トランスデューサアレイを備える送信器および／または受信器の複数の対に対して適用可能であり、異なる物理的または仮想位置を占める送信器および受信器に限定されないことが理解される。また、単一の送信器または単一の受信器の描写は、図示の位置および向きに配置された単一の送信器または受信器から導出されるかのように、単一のエコーを生成するためにビーム形成される１つまたは複数のトランスデューサ素子から構成され得ることも理解されたい。
特に、物体ビーム形成器内で使用される送信器および受信器のジオメトリは、トランスデューサアレイのモデルに対して適用される変換に基づいており、変換は制御可能であり、オブジェクトモデルの基準フレームにおいてモデルを操作する。対照的に、等価変換をオブジェクトモデルに対して適用することができ、オブジェクトモデルはアレイモデルの基準フレーム内の空間内で操作することができるが、アレイモデルとは対照的に、変換をオブジェクトモデルに対して適用する現在のコンピューティングデバイスに対する計算上の要求は、典型的にははるかに重要であり、リアルタイム動作を不可能にすることがある。両方法が同等であることを理解して、前者の方法を仮定する。変換された座標は、データ処理ユニット１５６によって決定された変換にしたがって、物体ビーム形成器ユニット１５４またはデータ処理ユニット１５６内で計算される。
図２に示すように、各送信器位置について、物体ビーム形成器は送信器位置からモデル上の１つまたは複数の面上の位置までの距離（ｄｔ）を計算するように構成される。同様に、各受信器位置について、物体ビーム形成器は、受信器位置からモデル上の１つまたは複数の面上の位置までの距離（ｄｒ）を計算するように構成される。ここで、送信器位置は、送信トランスデューサ素子の既知の位置、および／または、位相中心位置などの音響送信パラメータによって知られるトランスデューサ素子によって送信される音響信号の既知の位置である；同様に、受信器位置は、受信トランスデューサ素子の既知の位置、および／または、音響パラメータによって知られるトランスデューサ素子によって受信される音響エコーの既知の位置である。距離計算のための面位置は面中心位置であってもよく、または、例えば、送信器または受信器から多角形上の交点までの光線追跡によって決定されるような異なる位置であってもよい。面位置はまた、例えば、モデルの局所的な曲率に基づいて補間された面位置を解くために、隣接する頂点、面法線ベクトル、および頂点法線ベクトルの組み合わせから決定されてもよい。
この例の目的のために、変数ｃで示される、物体を取り囲む媒体のグローバル平均音速が仮定される。したがって、送信器からモデル上の点までの受信器までの遅延τは、ラウンドトリップ経路ｄｔ＋ｄｒを、下記式にしたがって中速で除算することによって計算される：
Figure 2023549818000007
Figure 2023549818000008
Figure 2023549818000009
Figure 2023549818000010
Figure 2023549818000011
 式中、ｑｔは上記ｐと同様のべき乗項であり、典型的には、所与の素子の指向性に応じて１の値を有する。上記の定義において、送信指向性は、送信器法線ベクトルと入射ベクトルとの間の角度のコサインと数学的に等価であり、平面波源のための第１のレイリー－ソマーフェルド解におけるｃｏｓ（θ）傾斜係数と一致する。
Figure 2023549818000012
 式中、ｑｒは上記ｐと同様のべき乗項であり、典型的には、所与の素子の指向性に応じて１の値を有する。上記の定義において、受信器指向性は、受信器法線ベクトルと受信ベクトルとの間の角度のコサインと数学的に等価であり、平面波源のための第１のレイリー－ソマーフェルド解におけるｃｏｓ（θ）傾斜係数と一致する。
Figure 2023549818000013
例えば、素子の法線からの角度の関数として場の大きさの測定値を多項式フィッティングすることにより、解析式および／または送信素子および受信素子の測定された指向性パターンに基づき、素子指向性ｗｄｔとｗｄｒのより正確な表現も可能である。
いくつかの実施形態において、例えば、所与の面の領域を考慮するために、他の重み係数も含めることができる。多角形エッジ長、多角形領域、または外接円直径に関して、オブジェクトモデルがどのくらい均一にメッシュ化されるかの結果として、すべての面がほぼ同じ領域を有する場合、いくつかの面からの寄与は、他のものよりも無視できるほど高いかまたは低いので、領域重み付け項を省略することができる。
含まれ得る他の重み係数の例は、複素反射率項ｗｒを含むことができ、複素反射率項は実および複素散乱挙動を一緒にまとめる。この挙動は、周波数および入射角に依存し得るが、音速、密度、音響インピーダンス、圧縮性、減衰、表面テクスチャ、表面または表面下の不均一性、および複数の層を含むとともにこれらに限定されない、物体の物理的パラメータにも依存し得る。複素反射率項は、以下の形態をとることができる：
ｗｒ＝α＋ｊβ
αは反射率の実数成分、βは反射率の複素数成分、ｊは単位虚数である。αとβは両方とも、他の量、例えば、周波数、入射角などに対する複素依存性を有し得ることが理解される。ここでｗｒは、光学におけるランベルトの余弦の法則に類似した拡散散乱の効果を含むことができる。
含まれ得る他の重み付け係数の例は、周波数依存および距離依存減衰ならびに１／ｒ振幅拡散損失を補償する補償重みｗｃを含むことができる（点源を仮定する）。例えば、ｗｃは最長の伝搬路については高い値が割り当てられ、最短の伝搬路については低い値が割り当てられる。このようにして、最長の伝搬経路に対応する補償されたエコーは、最短の伝搬経路からのエコーと比較して、同様の振幅を有する。
次いで、所与の送信器、受信器、およびモデル面についての全体的な複素重みｗは、以下のように求められる：
ｗ＝ｗｓｗｄｔｒｗｒｗｃ
物体ビーム形成器のいくつかの実装形態において、物体ビーム形成器は以下の式にしたがって、複数の送信器位置、受信器位置、およびモデル点に対応するエコーサンプルの合計を計算するように構成される：
Figure 2023549818000014
 ｆ（ｔ，ＭＡ，Ｔ，ＭＯ）はビームフォーミングされた信号である。ｔは時間である。ＭＡはＮＴＸ個のアクティブな送信器の座標およびＮＲＸ個のアクティブな受信器の座標を含む様々なパラメータからなるアレイモデルである。Ｔはアクティブな送信器および受信器の位置に対して適用される均一変換行列であり、３つの並進距離および６つの自由度を含む３つの回転角の関数である。ＭＯはＮＭＰ個のモデル点位置を含む様々なパラメータからなるオブジェクトモデルである。ｉはアクティブな送信器インデックスである。ｊはアクティブな受信器インデックスである。ｋはモデル点インデックスである。ｗｉｊｋ（ＭＡ，Ｔ，ＭＯ）は全体的な複素ビーム形成器重みである。ｓｉｊ（ｔ）は記憶された合成開口エコー信号である。τｉｊｋ（ＭＡ，Ｔ，ＭＯ）は計算されたビーム形成器遅延である。
上記の例示的な物体ビーム形成器実装形態において、物体ビーム形成器は、例えば合成開口点ビームフォーミングなどの従来の合成開口超音波画像形成で使用される遅延和ビーム形成器と数学的に比較することができ。例えば、より従来の一般化された合成開口点ビーム形成器は、以下の数学的形式をとることができる：
Figure 2023549818000015
 ｔは時間である。ＩＰは１つまたは複数の画像点を表す。ＭＡはアレイのモデルである。ｗｉｊ（ＭＡ，ＩＰ）は重みの２Ｄアレイであり、画像点およびアレイモデルの関数であってもなくてもよい。τｉｊ（ＭＡ，ＩＰ）はアレイからの所与の画像点へのおよびそこからの往復遅延である。従来のビーム形成器において、重みは所与のアレイに対して固定され得る；例えば、アポダイゼーション関数ｗｉｊ（ＭＡ）は、空間内のすべてのビームフォーミングされた点に対して同じ値であるように選択された重みの２Ｄアレイ（例えば、ｗｉｊ（ＭＡ）は所与のアレイモデルに対して一定である）であり、または重みは可変２Ｄアレイであり、例えば、アレイモデルに対する空間内の所与の点の関数、例えば、動的アポダイゼーション関数ｗｉｊ（ＭＡ，ＩＰ）である。多くの可能なアポダイゼーション機能が可能である。従来のイメージングで使用される従来の遅延和ビーム形成器とは対照的に、開示される物体ビーム形成器技術は、（ｉ）重みが、アレイモデル、オブジェクトモデル、およびそれらの相対的配向、例えばｗｉｊｋ（ＭＡ，T，ＭＯ）の関数としてどのように計算されるか、および（ｉｉ）エコーがオブジェクトモデル、例えば、モデル点に対する第３の総和にわたってどのように総和されるかによって、主に従来のポイントビーム形成器とは区別されることが示される。例えば、ｆ（ｔ，ＭＡ，T，ＭＯ）、ｆｃｏｎｖ（ｔ，ＭＡ，ＩＰ）、およびその他の同様の数学的定式化は、ビーム形成器と見なすことができる。開示する物体ビーム形成器は厳密にはポイントビーム形成器ではないが、例えば、いくつかの実装形態において、ＮＭＰ＝１（すなわち、第３の総和を除去する）、ＭＯ＝ＩＰ、ｗｉｊｋ（ＭＡ，T，ＭＯ）をｗｉｊ（ＭＡ，ＩＰ）として再定義、および、τｉｊｋ（ＭＡ，T，ＭＯ）をτｉｊ（ＭＡ，ＩＰ）として再定義することによって、物体ビーム形成器をポイントビーム形成器として再定義することが可能である。
物体ビーム形成器のいくつかの実装形態において、物体ビーム形成器は、ルックアップテーブルに基づいて、ビームフォーミングされた信号の全体的な複素ビーム形成器重みおよび／または他の変数およびパラメータを決定するように構成される。
いくつかの実装形態において、トランスデューサ素子のアレイはＮ個のトランスデューサ素子を含み、そのうちの少なくともいくつかは完全合成送信開口動作において送信および受信の両方に使用される（すなわち、ＮＴＸ＝ＮＲＸ、ｉ＝ｊは同じ素子を指す）。ソース対とレシーバ対との間の音響相反性の特性に起因して、各相互バイスタティック送信器と受信器のペア、すなわち、ｉ≠ｊ、例えば、（ｉ，ｊ）＝（１，２）および（ｉ，ｊ）＝（２，１）となるように（ｉ，ｊ）および（ｊ，ｉ）を満たすペアに対して、重みおよび遅延を１回だけ計算することが必要である。数学的には、物体ビーム形成器が以下のように変更されてもよい：
Figure 2023549818000016
 ｉ≠ｊにおいてａｉｊ＝２、ｉ＝ｊにおいてａｉｊ＝１である。同等に、相互関係の原理にしたがって、物体ビーム形成器はまた、以下のように修正され得る：
Figure 2023549818000017
いくつかの実装形態においてたとえば、モノスタティックエコーまたはモノスタティックエコーのサブセット（たとえば、上記のｉ＝ｊのうちの少なくともいくつか）および／またはバイスタティックエコーまたはバイスタティックエコーのサブセット（たとえば、上記のｉ≠ｊのうちの少なくともいくつか）は、物体ビーム形成器内で合計され得る。
実装例において、例えば、物体ビーム形成器出力は、時間ドメインウインドウ関数と乗算することができる。例えば、
Figure 2023549818000018
 Ｌは時間領域におけるウィンドウ長である。時間領域ウィンドウ関数は、望ましくないエコー成分をｔ＝０から抑制するために使用できる。他のウィンドウ関数を使用することもでき、例えばＨａｍｍｉｎｇ、Ｂｌａｃｋｍａｎ、Ｎｕｔｔａｌｌ、Ｇａｕｓｓｉａｎ、Ｔｕｋｅｙ、Ｋａｉｓｅｒ、Ｐａｒｚｅｎ、Ｗｅｌｃｈ、Ｓｌｅｐｉａｎ、ｕｌｔｒａｓｐｈｅｒｉｃａｌ、ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ、flat top、ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ、ｓｉｎｅ、およびｒｅｃｔａｎｃを含むが、これらに限定されない。
送信された波形は、空間的に符号化され、時間的に符号化され、または空間的および時間的に符号化され得る。エコーｓｉｊ（ｔ）は、ビームフォーミングの前に復号されると仮定される。ここでは、時間変数ｔが例えばｔ＝ｎｄｔのようにサンプリングされ、ｎは整数であり、ｄｔ＝１／ｆｓであり、ｆｓは記憶されたエコーサンプルのサンプリングレートであると暗黙的に仮定される。量τｉｊｋ（ＭＡ，Ｔ，ＭＯ）がｄｔの整数倍にならない場合、ビーム形成器ユニットは、効率的な補間アルゴリズムおよび広帯域ビーム形成器の任意の数の方法を使用して、隣接するサンプルからのフラクショナル遅延値を補間するように構成することができる。上に示した総和は、重み付き遅延和ビーム形成器を含む１実施形態に過ぎない。関数ｆ（ｔ，ＭＡ，Ｔ，ＭＯ）は、インコヒーレントなエコーエネルギーが抑制されるように、線形動作と非線形動作との他の組み合わせによって得ることができる。
ビーム形成器ユニットの出力はデータ処理ユニットに対して転送され、そこで、目的関数を最小化するために、最適化プロセスの目的関数において使用され、最適化プロセスにおいて、最適化ユニットは、変換Ｔを決定する６つの自由度の各々を変化させる。目的関数ｇ（ｔ）の１例を以下に示す：
Figure 2023549818000019
 ｔ１は開始時刻であり、ｔ２は終了時刻である。上述した時間窓を組み込んだ目的関数ｇ（ｔ）の別の例を以下に示す：
Figure 2023549818000020
 オプティマイザの目標は、以下のようにｇ（ＭＡ，Ｔ，ＭＯ）を最大化することである：
Figure 2023549818000021
 ｔ１～ｔ２の範囲の時間ウインドウにわたるビーム形成器出力の積分パワーは、Ｔに対応する６つの自由度の各々と、最適な変換ＴＯＰＴを見つけるためのオブジェクトモデル変数ＭＡのセットと、最適オブジェクトモデル変数ＭＯ ＯＰＴとを変化させることによって、最大化される。時間窓持続時間Δｔ＝ｔ２－ｔ１は、受信されたエコーの中心周波数および帯域幅に逆依存する。例えば、以下のように、ガウス振幅変調正弦波パルスｐ（ｔ）を用いてモデル化された波形送信について：
Figure 2023549818000022
 ｂｗは－６ｄＢの２方向部分帯域幅比、すなわち、帯域幅を対称スペクトルの中心周波数で割ったものであり、ｆｃは中心周波数であり、－６ｄＢの大きさのカットオフ時間は以下で与えられる：
Figure 2023549818000023
ここで、Δｔ＝ｔ２－ｔ１＝ｔｃ －６ｄＢ－（－ｔｃ －６ｄＢ）＝２ｔｃ －６ｄＢであり、これは、中心周波数および部分帯域幅に反比例する。ビームフォーミングされたエコーパワーが積分されるウィンドウを増加または制限するために、他の大きさのカットオフおよびカットオフ時間が使用され得るが、上記の解析式は、どのようにして積分のウィンドウ持続時間および限界が周波数および帯域幅の関数として変化しなければならないかについてのガイダンスを与えることが理解される。
説明されるように、さらなる例示的な実装が実施された。物体ビーム形成器の動作の数値シミュレーションを実施し、５つの素子を含む疎な合成開口を用いて、２５の散乱位置を含む単純な物体上に位置特定するその能力を実証した。散乱体の幾何学的配置およびアレイ素子の位置を図３に示す。
図３は、点ターゲットとしてモデル化されたオブジェクト散乱体位置（「ｘ」記号でマークされる）と、点ソースおよび受信器としてモデル化されたアレイ素子位置とからなる例示的な物体ビーム形成器技術の数値シミュレーションを使用する、例示的な実装形態で使用されるジオメトリを示すプロットを示す。物体ビーム形成器内で使用されるアレイ素子位置は、’ｏ’記号でマークされ、’＋’記号でマークされた真の配列素子位置の変換されたバージョンである。変換された座標は、ベクトル［１ １ １］の周りの真のアレイ素子位置を０～１０度の範囲の角度だけ回転させ、その後、回転された座標をベクトル［１ －１ １］の方向に０～１０ミリメートルの範囲の大きさだけ並進させることによって得られる。真の位置からの距離の増加は、グレースケールで符号化される。
Figure 2023549818000024
エコーは例えば、以下の式によって与えられる圧力ソースについての時間領域における近似レイリー積分公式を使用して、数値的に計算される：
Figure 2023549818000025
 ｐ（ｘ，ｔ）は空間および時刻ｔにおける位置ベクトルｘにおける音圧波形である。ｃ０は媒体音速である。ｐｓ（ｘ，ｔ）は音源の表面圧力成分である。Ａは領域の積分である。｜｜ｘ－ｘ’｜｜はベクトルｘ－ｘ’のユークリッド長である。ｃｏｓ（φ）はベクトルｘ－ｘ’とソースの表面法線との間の角度（上で示されたｃｏｓ（θ）指向性に等しい）によって与えられる偏角項である。相互性、均一媒質、および１次Ｂｏｒｎ近似（すなわち、多重散乱なし）を仮定すると、パルス－エコー場ｐｐｅ（ｘ，ｔ）は、以下によって近似され得る：
ｐｐｅ（ｘ，ｔ）＝ｐｔ（ｘ，ｔ）＊ｔｐｒ（ｘ，ｔ）
ｐｔ（ｘ，ｔ）は散乱体における場である。ｐｒ（ｘ，ｔ）は散乱体におけるソースからの受信器における場である。演算子＊ｔは、時間領域における畳み込みを表す。点源、受信器、および点散乱体の集合の場合、個々の散乱体のパルス－エコー応答は、例えば指向性および散乱振幅重み付けに基づいて、各組み合わせに対して対応する重み付けを加えられる。送信器および受信器の単位法線ベクトルを知ることにより、送信器および受信器応答の指向性（例えば、ｃｏｓ（θ）項）は、上述のように（例：wdtr）、送信器、受信器、および散乱体位置の各組み合わせに対して容易に含まれる。同様に、散乱単位法線ベクトルを知ることにより、散乱波の指向性は、上述のように（例えば、ｗｓ）、容易に含まれる。一般性を失うことなく、例えば、周波数および深さ依存減衰は、シミュレーションにおいて無視される。
受信された合成開口エコーをシミュレートするために、例えば、図３にそれぞれ「＋」でマークされているように、真のアレイ素子位置が使用される。合成送信開口撮像によれば、各ソースは別々に励起され、各受信器のエコーは、図３にそれぞれ「ｘ」でマークされたすべての点散乱体からのすべての散乱事象の重ね合わせによってシミュレートされる。このようにして、各送信イベントは５つの可能な受信器に対応する５つの受信エコーをもたらし、それはすべてのソースについて繰り返され、ソースおよび受信器の各可能な組み合わせについて２５個のエコーを含む完全な合成送信開口データセットをもたらす。
図４は、垂直スケールでの時間（マイクロ秒）と、水平スケールでのエコー指数とを有する、シミュレートされた受信エコーを示すプロットを示す。エコーの振幅は、－０．３８～０．３８の範囲の図示のグレースケールで符号化される。振幅単位は、１パスカルのピーク圧力ソースに対する圧力の単位である。図４のエコーは２５個のエコーに対応する完全合成開口データセットにしたがって編成され、エコーインデックス１～５はソースインデックス１での送信から生じ、エコーインデックス６～１０はソースインデックス２での送信から生じ、以下同様である。このデータセットは５（ｉ－１）＋ｊによるエコーインデックス付けを用いた上記の式ｓｉｊ（ｔ）と等価であり、ｉはソースインデックスであり、ｊはレシーバインデックスであり、ｉおよびｊは、セット１、２、３、４、および５にわたる整数である。
物体ビーム形成器遅延τｉｊｋ（ＭＡ，Ｔ，ＭＯ）は、アレイとオブジェクトとの間の回転および並進オフセットに対する物体ビーム形成器の感度を示すために、オブジェクト散乱体位置座標（インデックスｋ）に対する真のアレイ素子位置座標の様々な回転角度および並進について、上記の方法にしたがって計算される。ここで、変換Ｔは、真のアレイ素子位置座標に対して適用される、回転に続く並進を含む均質な変換を表す。シミュレーションにおいて、図３に示す真のアレイ素子位置座標がアレイモデルとして機能するが、アレイモデルは任意の基準フレームで表すこともできる。同様に、図３に示されるオブジェクト位置座標はオブジェクトモデルとしても機能するが、オブジェクトモデルは任意の基準フレームで表すこともできる。重要なのは、この問題のための物体ビーム形成器遅延の数は５×５×２５＝６２５であり、これは、２５をはるかに超え、または同じ開口を使用して空間内の点をビームフォーミングするための合成開口遅延項の数である。このようにして、上述のように、合成開口は、物体と共に形成される。ここで、ビーム形成器へのオブジェクトモデルの組み込みは、コヒーレント検出に必要なコヒーレンス条件の空間ダイバーシティを大幅に増加させることも分かる。
シミュレーションにおいて、均質な変換Ｔは、０～１０°の範囲の角度によるベクトル［１ １ １］の周りの回転と、それに続く０～１０ミリメートルの範囲の並進振幅によるベクトル［１ －１ １］の方向の並進とを含む。図３は、物体ビーム形成器で使用されるアレイ位置座標の範囲を示し、それぞれが「ｏ」でマークされ、黒から白へのグレースケールシェーディングを用いて、真のアレイ素子位置座標からの距離が増加することを示す。
上述のように鏡面散乱素子指向性にしたがって計算されるｓｉｊ（ｔ）、ｗｉｊｋ（ＭＡ，Ｔ，ＭＯ）、およびτｉｊｋ（ＭＡ，Ｔ，ＭＯ）が与えられると、物体ビーム形成器加算は変換Ｔの関数として実行され、０．１度の回転および０．１ｍｍの並進の大きさの増分で、すなわち、回転および並進の両方が、Ｔのそれぞれの値に対して生じる。
図５は、例示的な物体ビーム形成器の出力、すなわち、上記で与えられた量ｆ（ｔ，ＭＡ，Ｔ，ＭＯ）に対応する出力を示すデータプロットを示す。プロットは、図３に示される真のアレイ素子位置の、それぞれ０度および０ミリメートルに等しい回転および並進について、ならびに図３に示される真のアレイ素子位置の、それぞれ１度および１ミリメートルに等しい回転および並進についてのものである。振幅単位は任意の単位である。ゼロ回転および並進についてビーム形成器オブジェクトエコーの振幅（音圧単位、Ｐａ）は、１度および１ミリメートルの回転および並進についてのエコーよりもはるかに大きいことに留意されたい。図示されるようなビーム形成された物体エコーは－２．３２～２．３２マイクロ秒の時間範囲にわたって計算され、これは送信されたガウスパルスの－６０ｄＢ包絡線レベルにほぼ対応する。
オブジェクトを検出し、オブジェクトの位置および向きを決定する方法として上述したように、ビーム形成器オブジェクトエコーのパワーは、上述したようにｇ（ＭＡ，Ｔ，ＭＯ）にしたがって時間窓にわたって積分されてもよい。１つのそのような時間窓は、垂直線としてプロットされている対応する時間ｔ１およびｔ２とともに、図５に示されている。ここで、ｔ１＝－ｔｃ －６ｄＢおよびｔ２＝ｔｃ －６ｄＢは、ｔｃ －６ｄＢについて上述の計算式にしたがって計算され、シミュレーションにおいてガウスパルスパラメータが用いられる。ｔ１とｔ２は例えば、±ｔｃ ー１２ｄＢなどの他の値であってもよく、または、ｔ＝０において中心に置かれた積分ウィンドウを生成する他の任意の値でもよいことが理解される。
図６は、それぞれ［１ １ １］の周りにおける０～１０度およびベクトル［１ －１ １］の方向における０～１０ミリメートルの回転および並進の大きさの範囲について、物体ビーム形成器（２つの例示的な位置について図５に示す）の出力の正規化された積分パワーを示すデータプロットを示す。パワーは、０回転および０並進に対して得られたパワーによって正規化される。
図６のプロットは、Ｔ０がゼロ回転および並進の場合に対応する（例えば、Ｔ０が４×４識別行列に等しい）、ｇ（ＭＡ，Ｔ０，ＭＯ）によって正規化されたｇ（ＭＡ，Ｔ，ＭＯ）を示す。プロットは、変換値を増加させる関数としてビーム形成された物体のエコーパワーの急速な減少を示し、したがって、物体をコヒーレントに検出し、位置を特定する方法の感度を実証する。例えば、適切にシードされたオプティマイザは物体の位置および配向を同時に検出し位置特定するために、図６に示されるピークを見つけることができる。半値点は約０．３５度／ミリメートルであり、これは１．５ｍｍの波長（＜λ／４．３）よりもはるかに小さいので、アレイと物体との間の相対移動に対するこの技術の極めて高い感度を示し、この例では波長のごく一部であることに留意されたい。対象物を波長よりもはるかに小さい波長に位置特定する能力が与えられると、合成開口物体ビーム形成器は、超解像撮像方法として見ることができる。
例えば、一般性を失うことなく、点源／受信器および点散乱体の仮定は、より大きな回折開口およびターゲットに対して保持されることが期待され、これらは、典型的には高速計算を容易にするために、点源／受信器のグループおよび点散乱体のグループとして近似される。また、例えば、一般性を失うことなく、物体ビーム形成器は任意に選択された回転および並進の軌道の１つの可能なセットについて実証されるが、他の任意の回転および／または並進の大きさおよび方向についても同様の結果が予想される。また、例えば、一般性を失うことなく、アレイモデルを表すソース／レシーバ位置の任意に選択されたセットのうち１つの可能なセットについて、物体ビーム形成器が実証される；しかしながら、特に、アレイがオブジェクトを囲むかまたは部分的に囲む場合、他のアレイジオメトリについても、より良好ではないにしても同様の結果が予想される。また、例えば、一般性を失うことなく、オブジェクトモデルを表す散乱体の任意のセットのうち１つの可能なセットについて物体ビーム形成器が実証されるが、より多くの点および異なる幾何学的形状についてはより良好ではないにしても同様の結果が期待される。
オプティマイザの例示的な実施形態は、限定はしないが、以下を含むことができる：Ｇａｕｓｓ－Ｎｅｗｔｏｎ方法、Ｎｅｌｄｅｒ－Ｍｅａｄ方法、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ－Ｍａｒｑｕａｒｄｔアルゴリズム、逐次モンテカルロ方法、粒子フィルタ方法、遺伝的アルゴリズム、内部点方法、グリッド探索方法、およびペナルティ方法を含む、任意のタイプの非線形オプティマイザ。オプティマイザの停止条件を満たすことによって実行可能な解が見つかると（例えば、オブジェクトが検出されると）、解を使用して、オブジェクトから取得された次のエコーのセットのための最適化をシードし制約することができ、これにより、次の解が前の解に非常に近い可能性があるので、例えば、オブジェクトがアレイに対してわずかに移動する場合、最適化プロセスをはるかに速くすることができる。
以下のように時間窓にわたって最大値を見つけることを含む、他の非線形目的関数も可能である：
Figure 2023549818000026
いくつかの実装形態においてたとえば、断層合成開口音響撮像のための開示するシステムおよび方法は、物体を擬似コヒーレントにビームフォーミングすることができる。擬似コヒーレントオブジェクトビームフォーミングのそのような実装形態において、たとえば、システム１５０は、オブジェクトモデルのビームフォーム領域を別々にコヒーレントに物体ビーム形成し、次いで、目的関数内の各領域からの信号をインコヒーレントに結合するように構成される。例えば、複数の非交差および／または交差するが強固に接続された領域から構成されるオブジェクトモデルＭＯが与えられると、各領域は、それ自体の関連オブジェクトモデル領域ＭＯ ｍを有することができる。ｍは特定のオブジェクトモデル領域の整数インデックスであり、これによりＭＯは以下のように定義することができる：
ＭＯ＝Ｕｍ－１ ＮＭＯ ｍ
Ｕは和演算子であり、Ｎは領域の数である。各領域は例えば、上記の表記法を用いて別々にビームフォーミングされたオブジェクトであってもよく、モデル領域ＭＯ ｍに対する物体ビーム形成器出力はｆ（ｔ，ＭＡ，Ｔ，ＭＯ ｍ）で与えられる。結果として得られる目的関数は例えば、ｆ（ｔ，ＭＡ，Ｔ，ＭＯ ｍ）の任意の線形および／または非線形の組み合わせであり得る。いくつかの実装形態において、目的関数は以下のように定義され得る：
Figure 2023549818000027
 各オブジェクトモデル領域ＭＯ ｍは、コヒーレントにビームフォーミングされ、物体ビーム形成器パワーは積分され、モデル領域の少なくとも一部または全部は、最終的な総和とインコヒーレントに結合される。この目的関数定式化の結果は、モデルの異なる領域からの物体ビーム形成エコー間の破壊的干渉がインコヒーレント加算により防止されることであり、これは最適解の周りの極大値の数の減少により最適化プロセスを助けることができる。多領域物体の基本的な例は、球間の剛体接続によって正三角形に配置された等しい半径を有する３つの球からなる３体物体である。物体は３つの領域に自然に分割され、各領域は３つの球のうちの１つに対応する（球の剛性支持構造を無視する）。
いくつかの実装形態において、オブジェクトモデルＭＯは、２つ以上の非交差および／または交差領域、および場合によっては非接続領域（たとえば、ランダムにサンプリングされた）から構成され、各領域は以下のように定義されるように、それ自体の関連オブジェクトモデル領域ＭＯ ｍを有することができる。ｍは特定オブジェクトモデル領域の整数インデックスであり、これによりＭＯは以下のように定義できる：
ＭＯ＝Ｕｍ－１ ＮＭＯ ｍ
Ｕは和演算子であり、Ｎは領域の数である。
コヒーレントまたは擬似コヒーレントオブジェクトビームフォーミングの実装形態において、たとえば、オプティマイザは初期推定を用いてシードされる。初期推定はいくつかの方法で決定することができ、たとえば、オブジェクトが外部測定値または観測値に基づいて、アレイに対してどこに近似的にあるかについての先験的知識によって決定できる。ランダムシード値は、他のものよりも著しく良好な最適化結果を得るまで、例えば、最適化の終了時により低い最小値を与えるまで、テストすることができる。シード値はまた、プロセスを高速化するために制約される、可能な向きおよび位置の範囲にわたってグリッド探索を使用して、テストできる。
オプティマイザがＴＯＰＴを決定すると、変換は、オブジェクトモデルの参照フレーム内の配列の位置を表す。アレイの参照フレーム内にオブジェクトモデルを表示するために、オブジェクトモデルの頂点は、ＴＯＰＴの逆数ＴＯＰＴ －１によって変換されなければならない。これは以下に示すような、回転成分ＲＯＰＴ －１＝ＲＯＰＴ Ｔ（Ｒ転置）およびその後の平行移動成分－ＲＯＰＴ ＴｈＯＰＴと、数学的に等価でなければならない：
Figure 2023549818000028
変換およびモデルは例えば、図１Ｅに示されるように、ＵＩおよび表示ユニット１５８に対して転送することができ、これは、モデルに対して変換を実行し、アレイに対してモデルを表示する。
Figure 2023549818000029
いくつかの実装形態においてたとえば、物体ビーム形成器は、オブジェクトモデルのジオメトリを変更できるオブジェクトモデルパラメータＭＯを無視し、アレイのジオメトリを変更できるアレイモデルパラメータＭＡを無視するように構成することができる；しかしながら、そのようなパラメータを変更することは、目的関数ｇ（ＭＡ，Ｔ，ＭＯ）に対して同様の効果を有することが予想される。例えば、オブジェクトモデルのスケールを変化させることによって、例えば、モデル座標に対して各次元における一定のスケール係数を乗算することによって、オプティマイザは、スケール係数の最適値を決定することができる。別の例として、オブジェクトモデルが球体である場合、球体の半径は半径の最適値を決定するために、オプティマイザによって変更され得る。いくつかの実装形態においてたとえば、モデルパラメータの最適化（すなわち、ＭＯおよび／またはＭＡ）は、変換Ｔの最適化と同時に実行される。他の実装形態ではたとえば、モデルパラメータ（すなわち、ＭＯおよび／またはＭＡ）および変換Ｔの最適化は、独立して実行される。
いくつかの実装形態においてたとえば、ＭＯ、ＭＡ、Ｔに加えて、音響特性に関する他のパラメータも、変化および最適化することができる。例えば以下であるが、これらに限らない：グローバル音響媒体音速、各送信器および受信器に局所的な音響媒体音速、グローバル音響媒体減衰、各送信器および受信器に局所的な音響媒体減衰、グローバル媒体音響インピーダンス、および各送信器および受信器に局所的な音響インピーダンス、対象物の音響インピーダンス、各送信器および受信器に局所的な対象物の音響インピーダンス、トランスデューサアレイの音響インピーダンス。例えば、そのようなパラメータは、以下のように物体ビーム形成器内に集中され得る：
Figure 2023549818000030
 パラメータのセットＺは例えば、音速、減衰、音響インピーダンスなど、物体ビーム形成器出力に影響を及ぼす追加の音響パラメータを示す。本明細書ではトランスデューサアレイ自体（例えば、整合層、レンズ材料など）、トランスデューサアレイと物体との間の媒体（例えば、水または他の結合媒体）、および物体自体を含む音響媒体（例えば、鋼製の他の材料）に関する音響特性は、音響特性と呼ばれる。
媒体音速を最適化するために物体ビーム形成器を使用する場合、例えば、オプティマイザは音速の初期推定値、例えば、１５００ｍ／ｓでシードすることができ、または音速は空間的に分離された送信器と受信器との間のピッチキャッチ測定値から推定することができ、推定値は、オプティマイザをシードするために使用することができる。オブジェクトモデルの正確なまたは非常に良好な近似が先験的に知られており、アレイの幾何学的形状が先験的に知られている場合、最適化された音速を使用して、オブジェクトの周りの従来の合成開口または実開口撮像を改善することができる。
いくつかの実装形態においてたとえば、アレイの幾何学的形状に関連する点、法線ベクトルなどに加えて、アレイモデルＭＡを含む他のパラメータを、変更および最適化することができる。このパラメータは例えば以下を含むがこれらに限らない：アレイ素子位置、アレイ素子法線方向、アレイ素子寸法、アレイ素子形状、およびアレイ素子位置まわりのアレイ素子回転。例えば、拡張されたパラメータセットＭＡの１つのそのような適用は、正確に知られているオブジェクトジオメトリ、オブジェクトプロパティ、および媒体プロパティの下で所与のアレイを較正するプロセスのためのものである。
いくつかの実装形態においてたとえば、オブジェクトのジオメトリに関連する、点、法線ベクトル、領域、曲率、領域などに加えて、オブジェクトモデルＭＯを含む他のパラメータを、変更および最適化することができる。このパラメータは例えば以下を含むがこれらに限らない：剛体変換、非剛体変換、アフィン変換、斜視変換、非均一変換、オブジェクトの統計モデル、オブジェクトの数学モデル（たとえば、分析モデル）、オブジェクトの数値モデル（たとえば、多項式適合）。
いくつかの実装形態において、たとえば、物体ビーム形成器出力に影響を及ぼす他のパラメータは、パラメータＭＡ、Ｔ、ＭＯ、Ｚが上記に含まれているのと同じ方法で含まれ得る。例えば以下を含むが、これらに限定されない：トランスデューサの電気特性に関するパラメータ、トランスデューサの時間領域インパルス応答に関するパラメータ、トランスデューサの空間インパルス応答に関するパラメータ、送信された波形の中心周波数に関するパラメータ、送信された波形の帯域幅に関するパラメータ、送信された波形の遅延に関するパラメータ。
開示される物体撮像システムのいくつかの実施形態において、合成開口アレイジオメトリは、所与の物体に対して事前に最適化され、その結果、物体の位置および配向に対する小径の摂動が物体ビーム形成器出力における最大の変化を生成し、すなわち、小径の並進および／または回転変位に対する感度を最適化する。
開示される物体撮像システムのいくつかの実施形態において、合成開口レイジオメトリは、所与の物体に対してあらかじめ最適化され、これにより、物体の表面上の空間サンプリングの冗長性が最小限に抑えられ、すなわち、空間サンプルが物体にわたってほぼ均一に分布する。例えば、球状物体のアレイ形状は、理想的には球状である。同様に、例えば、円筒形物体のアレイ形状は、理想的には円筒形である。
開示される物体撮像システムのいくつかの実施形態において、合成開口アレイジオメトリは、オプティマイザによって解かれる未知数と少なくとも同じ数の空間サンプルを提供する。
図７は、合成開口物体撮像システム７００またはシステム７００と呼ばれる、本技術による合成開口物体撮像システムの例示的な実施形態の図を示す。合成開口オブジェクト撮像システム７００は、システム７００の送信器／受信器ユニット７５２と通信する合成開口アレイユニット７５０を含むハードウェアおよびソフトウェアサブシステムを有し、送信器／受信器ユニット７５２は、システム７００の処理および制御ユニット７５６および物体ビーム形成器ユニット７５４と通信する。いくつかの実施形態において例えば、システム７００は任意選択で、処理および制御ユニットと通信するユーザインターフェースおよび表示ユニットを有する。いくつかの実施形態において、例えば、システム７００は上述のような開示する技術を実施するように動作可能であり、および／または図１Ｅに示されるシステム１５０に関連して論じられた特徴を含む。
図８Ａは、本技術による、物体全体をビームフォーミングすることによる物体の断層合成開口撮像のための方法８００の例示的な実施形態を示す図を示す。方法８００は、物体における変換された音響波形の送信および物体からの戻り音響エコーの受信に基づいて、合成開口を形成する物体において音響信号を送信、受信、および／または送信および受信する工程８１０を含む。工程８１０のいくつかの実施形態において、送信された音響波形は複合波形として形成することができ、複合波形はさらに、空間的に符号化することができ、時間的に符号化することができ、または空間的および時間的に符号化することができる。工程８１０のいくつかの実施形態において、送信された音響波形が空間的に符号化されるか、時間的に符号化されるか、または空間的および時間的に符号化されるとき、工程８１０は符号化された受信波形の復号を含み得る。
方法８００は、オブジェクトの１つまたは複数の領域から返された音響エコーのエコーサンプルを使用してオブジェクトをビームフォーミングして、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号を生成する工程８１５を有する。たとえば、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号は、ビームフォーミングのための１つまたは複数の入力の関数であり、ビームフォーミングのための１つまたは複数の入力はオブジェクトを表す情報を含む。工程８１５のいくつかの実装形態において、オブジェクトは、物理オブジェクトの１つまたは複数の領域から返された音響エコーの遅延および重み付けされたエコーサンプルをコヒーレントに組み合わせる（たとえば、加算および／または乗算する）ことによってビームフォーミングされ、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号を生成する。工程８１５のいくつかの実装形態において、工程８１５は、上述の実および複素無線周波数（ＲＦ）サンプル波形ｓｉｊ（ｔ－τｉｊｋ（ＭＡ，Ｔ，ＭＯ））を含む遅延エコーサンプル、および、上述のｗｉｊｋ（ＭＡ，Ｔ，ＭＯ）を含む重み係数を生成するステップを有し、これらは以下に対応する：（ｉ）アレイモデルＭＡを少なくとも部分的に含む、トランスデューサアレイの複数の送信器位置（インデックスｉ）および受信器位置（インデックスｊ）、（ｉｉ）オブジェクトモデルＭＯを少なくとも部分的に含む、オブジェクトモデルの複数の点（インデックスｋ）、および／または、（ｉｉｉ）モデルに対するアレイの相対位置および向きに関する変換Ｔの属性。いくつかの非限定的な実施形態において、例えば、物体ビーム形成器出力サンプルを生成するための工程８１５は、上記パラメータとともに次式によって計算される遅延および重み付けされたエコーサンプルの合計を含む：
Figure 2023549818000031
 たとえば、工程８１５において生成される１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号は、図８Ｃおよび図８Ｄに関して以下で説明する、ビームフォーミング工程のための１つまたは複数の入力の関数である。方法８００の実装形態において、オブジェクトをビームフォーミングするための工程８１５は、デジタルフォーマットで１つまたは複数のコヒーレントにビームフォーミングされた出力信号（たとえば、１つまたは複数のオブジェクトビームフォーミングされたエコー）を生成することを含む。方法８００の実装形態において、オブジェクトをビームフォーミングするための工程８１５は、デジタルフォーマットで１つまたは複数の擬似コヒーレントにビームフォーミングされた出力信号（たとえば、１つまたは複数のオブジェクトビームフォーミングされたエコー）を生成することを含む。
方法８００は、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号を最適化して、オブジェクトの位置、向き、幾何学的形状、および／または物理的特性または物理的特性のセット（のうちの１つまたは複数）を決定する工程８２０を有する。物理的特性または一連の物理的特性の例は、密度、体積弾性率、音響的特性、例えば音響インピーダンス、表面反射、体積または内部反射、音響吸収など、または対象物の他の物理的特性を含むが、これらに限定されない。工程８２０のいくつかの実施形態において、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号の最適化から物体の位置、向き、幾何学的形状、および／または物理的特性を決定することは、以下を含む：１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号に基づく１つまたは複数のスカラ出力を生成するステップ；物体の位置、向き、幾何学的特性、または物理的特性のうちの少なくともいくつかの関数として、１つまたは複数のスカラ出力を最適化するステップ；オプティマイザを用いて、最適化の入力および出力の値または変更に基づいて、検出条件と比較して、１つまたは複数の目的関数の最適化の程度を決定することによって、物体を検出するステップ。
方法８００は、オブジェクトの最適化された位置、向き、幾何学的特性、および／または特性（例えば、表面特性、体積特性、および／または音響特性を含む物理的特性）の表現に基づいて、オブジェクトの画像を生成する工程８４０を有する。
たとえば、方法８００のいくつかの実施形態において、工程８２０は、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号に基づく１つまたは複数のスカラ出力を生成するための工程８２１を有することができる。工程８２１のいくつかの実装形態において、たとえば、１つまたは複数のスカラ出力は、上記で説明したように、送信パルスの中心周波数および帯域幅によって決定される時間ウィンドウにわたって、１つまたは複数のコヒーレントビームフォーミングされた出力信号のパワーを合計することによって生成される。図８Ｃおよび８Ｄに関してさらに詳細に論じられるように、１つまたは複数のスカラ出力は、１つまたは複数の目的関数の出力に対応することができる。ビーム形成プロセス８１５への１つまたは複数の入力（たとえば、オブジェクト、アレイ、ならびにそれらの相対位置および向き、音響特性を記述するパラメータ）は、１つまたは複数の目的関数の独立変数である。
方法８００のいくつかの実施形態において、工程８２０は、トランスデューサアレイの位置、向き、または幾何学的形状のうちの少なくともいくつか、および／または、物体の位置、向き、１つまたは複数の幾何学的特性、および／または物理的特性（例えば、表面または体積特性）、および／または物体の音響特性のうちの少なくともいくつかの関数として、１つまたは複数のスカラ出力を最適化するための工程８２５を含むことができる。例えば、工程８２５は、オプティマイザ（すなわち、最適化アルゴリズム）を使用して１つまたは複数の目的関数を最適化して、１つまたは複数のオプティマイザ出力を生成する。いくつかの例示的な実装形態において、工程８２５において生成される１つまたは複数のオプティマイザ出力は、オブジェクトパラメータのノルム、アレイパラメータのノルム、１つまたは複数の最適性尺度、１つまたは複数の実現可能性尺度、１つまたは複数の残差、および／またはステップサイズ情報を含むが、これらに限定されない。工程８２５の実装形態において、たとえば、１つまたは複数のスカラ出力は、トランスデューサ素子のアレイおよび／または物体のモデルに関連するパラメータを変化させること、および／または、物体を空間内のアレイに関連付ける変換、および／または音響特性によって最適化される。このようにして、１つまたは複数のスカラ出力は、トランスデューサ素子のアレイおよび／または物体のモデルに関連するパラメータ、および／または物体を空間内のアレイに関連する変換、および／または音響特性に関連するパラメータ、すなわち、オプティマイザ（すなわち、最適化アルゴリズム）によって最適化される目的関数（たとえば、工程８２１において）を形成すること、の関数である。１つまたは複数の最適化されたパラメータは以下を含むが、これらに限定されない：（ｉ）目的関数の少なくとも１つの出力、すなわち、少なくとも１つの従属変数、例えば、統合されたオブジェクトビームフォーミングされたエコーパワーなど、および／または、（ｉｉ）目的関数の少なくとも１つの出力、すなわち、少なくとも１つの独立変数、例えば、オブジェクトの位置および向きを記述するパラメータ、オブジェクトのジオメトリを記述するパラメータ、オブジェクトのプロパティを記述するパラメータ、アレイの位置および向きを記述するパラメータ、アレイのジオメトリを記述するパラメータ、および／または音響特性を記述するパラメータを含むが、これらに限らない。
方法８００のいくつかの実装形態において、工程８２５は、工程８１５において生成され、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号の１つまたは複数の属性を最適化するためにトランスデューサアレイの様々な属性およびオブジェクトモデルの属性を変化させることに応じて工程８２１においてさらに精緻化された、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号に基づいて、オブジェクトの位置、配向、１つまたは複数の幾何学的特性、および／または１つまたは複数の物理的特性および／またはオブジェクトの１つまたは複数の音響的特性を決定する。
方法８００のいくつかの実施形態において、工程８２０は、検出条件または停止条件（例えば、１つまたは複数の閾値）に対する（例えばこれらと比較した）オプティマイザの入出力の（ｉ）値、および／または、（ｉｉ）変化に基づいて、１つまたは複数の目的関数（例えば、工程８２１）の最適化の程度を決定することによって、オブジェクトを検出する工程８３０を含むことができる。いくつかの実装形態において、工程８３０は、１つまたは複数のスカラ出力をしきい値と比較することによってオブジェクトを検出し、たとえば、総積算パワーの値が満たされる。いくつかの実装形態において、決定された最適化の程度は、最適化された変数（たとえば、オブジェクトパラメータ、オブジェクト位置、オブジェクト配向）がしきい値（たとえば、検出条件または停止条件）を満たすという検出決定に基づくことができる。いくつかの実装形態において、決定された最適化の程度は、最適化器の２回以上の反復間の最適化された変数（たとえば、オブジェクトパラメータ、オブジェクト位置、オブジェクト向き）の変化が閾値（たとえば、検出条件または停止条件）を満たすという検出決定に基づくことができる。いくつかの実装形態において、オブジェクトを検出することは、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号内に含まれるパワーを最大化することによって、トランスデューサ素子のアレイ（たとえば、トランスデューサ、受信器、および／またはトランシーバ）の形状、位置、および／または配向、ならびにオブジェクトモデル上の１つまたは複数の領域（たとえば、１つまたは複数の異なる点のセット）の位置および／または配向の関数として、オブジェクトの１つまたは複数の領域を位置特定することを含み得る。このようにして、工程８３０は例えば、図８Ｃに関してさらに詳細に論じられるように、１つまたは複数の最適化されたパラメータおよび１つまたは複数の最適化されたパラメータに対して適用される最適化基準に基づいて、物体の位置、向き、幾何学的特性、および／または物理的特性、および／または物体の音響的特性のうちの少なくともいくつかを決定することによって、物体を検出する。
いくつかの実装形態においてたとえば、工程８３０は、最適化器の入力および／または出力における反復間の絶対値および／または変更に基づいて最適化の程度を決定することによって、オブジェクトを検出する。例えば、オプティマイザは解を探索し、解を精緻化する（例えば、目的関数を最大化する）ときに反復しなければならない。たとえば、入力は（たとえば、工程８２１からの）１つまたは複数の目的関数の１つまたは複数のスカラ出力から構成することができ、出力はオブジェクトモデル上の１つまたは複数の領域（たとえば、点の１つまたは複数の異なるセットまたは重複セット）の配列および／または幾何学的形状、位置、および／または配向の幾何学的形状、位置、および／または配向から構成することができる。
工程８３０のいくつかの実装形態において、１つまたは複数の入力を最適化する工程において、１つまたは複数の入力の値が１つまたは複数のそれぞれの絶対しきい値を超え、それにより最適化の程度を満たす場合、工程８３０はオブジェクトが検出されたことをシグナリングし得る。いくつかの実装形態において、１つまたは複数の入力を最適化する工程において、最適化アルゴリズムの２回以上の反復間の１つまたは複数の入力の値の差分変化が１つまたは複数のそれぞれの閾値を下回り、それにより最適化の程度を満たす場合、工程８３０はオブジェクトが検出されたことをシグナリングし得る。いくつかの実装形態において、１つまたは複数の入力を最適化するプロセスにおいて、オブジェクトは、１つまたは複数の閾値を超える１つまたは複数の入力の組み合わせ、および／または１つまたは複数の閾値を下回る１つまたは複数の入力の差分変化によって検出され得る。
最適化アルゴリズムの出力は一般に未知であり、例えば、最初はオブジェクトがアレイに対して未知の位置および向きを有するので、最適化アルゴリズムからの１つまたは複数の出力の絶対値に基づく検出閾値は例えば、最適化された位置および向きが合理的な限界内にあることを可能な限り検証することを除いて、一般に、検出のために考慮されない。例えば、最適化された位置および向きが合理的な限界の外にある場合、物体を検出することができない。したがって、工程８３０のいくつかの実装形態において、１つまたは複数の出力を最適化する工程において、１つまたは複数の出力の値が１つまたは複数の範囲または限界の外にあり、したがって、最適化の程度を満たさない場合、工程８３０は物体が検出されないという決定をシグナリングし得る。
工程８３０のいくつかの実装形態において、１つまたは複数の出力を最適化する工程において、最適化アルゴリズムの２つ以上の反復間の１つまたは複数の出力の値の差分変化が１つまたは複数のそれぞれの閾値を下回り、したがって最適化の程度を満たす場合、工程８３０は物体が検出されたという判定をシグナリングし得る。例えば、オプティマイザのアレイ位置出力のノルム（例えば、ベクトル長）が指定された量未満だけ変化する場合、最適化アルゴリズムは収束し、オブジェクトが検出される。
工程８３０のいくつかの実装形態において、ベクトルのスカラ測度を生成するためにベクトル上で動作するノルムまたは関数は、すべてのオプティマイザ出力変数（たとえば、ユークリッドノルムまたは多次元ベクトルの長さ）またはオプティマイザ出力変数の１つまたは複数のサブセット（たとえば、配列位置が１つのサブセットであり、配列方向が別のサブセットであるなど）にわたって計算され得る。１つまたは複数のノルムは、オプティマイザの２つ以上の出力の関数として複合ノルムまたはスカラ値を計算するために、正規化および／または線形または非線形に結合され得る。工程８３０の前述の実装形態によれば、限定はしないが、最適化の程度を決定するために、オプティマイザの出力の代わりに１つまたは複数のノルムを置き換えることができ、限定はしないが、別個の検出条件をオプティマイザの出力として１つまたは複数のノルムに関連付けることができる。ベクトルノルムは例えば、目的関数が多数の独立変数を含む場合、最適化器収束尺度として使用することができる。
工程８３０のいくつかの実施態様において、ノルムは、スカラ測度を生成する最適化された出力のベクトルに対して適用される任意の関数を含むことができ、この関数は、限定しないが以下を含む：ユークリッドノルム（Ｌ2ノルム、ｌ2ノルム、２ノルム、または正方形ノルムとも呼ばれる）、マンハッタンノルム（１ノルム、マンハッタン距離、ｌ１ノルム、またはタクシーノルムとも呼ばれる）、ｐノルム、最高ノルム、コンポジットノルム、非対称ノルム、マハラノビス距離。
図８Ｂは、開示する技術のオブジェクト撮像システムの例示的な実施形態によるフロントエンドサブシステム８５０の例示的な実施形態を示す図であり、ハードウェアおよびソフトウェアで実行可能な異なる機能サブシステム間の、図８Ａに示された方法８００による通信におけるデータフローおよび例示的な変数を示す。
たとえば、図８Ｂは、送信器８５３Ａによって生成および制御され、たとえば、図８Ａに示されるプロセス８１０にしたがって、トランスデューサ素子８５２のアレイによって変換される、送信された音響波形によって（たとえば、音響波をサポートする媒体を通して）音響的に照会される物理オブジェクト８５１を示す。いくつかの実施形態において、トランスデューサ素子のアレイ８５２は、連続配置、不連続配置、対称配置、非対称配置、１つもしくは複数のトランスデューサセグメントもしくはサブアレイ、またはその他の配置に編成された、トランスデューサ素子の配置を含む。いくつかの実施形態において例えば、トランスデューサ素子８５２のアレイは、単一の音響プローブユニットまたはデバイス内に含まれ、いくつかの実施形態において例えば、トランスデューサ素子８５２のアレイは複数の音響プローブユニットまたはデバイス内に含まれる。また、工程８１０によれば、返されたエコー（例えば、反射エコーおよび／または散乱エコー）はトランスデューサ素子８５２のアレイによって変換され、受信器８５３Ｂによって処理（例えば、増幅、サンプリング、および／またはフィルタリング）され、受信器は例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの非一時的コンピュータ可読媒体を含む１つまたは複数のメモリユニット（例えば、図８Ｂの図にＲＦエコーメモリ８５５として示される）にデジタル複素無線周波数（ＲＦ）サンプルを記憶する。送信器８５３Ａによる波形の生成に関連するタイミング、多重化、およびパラメータは、シーケンサユニット８５４によって制御され、シーケンサユニットはまた、受信器８５３Ｂとの協調およびタイムベース参照通信を実施し、これにより、送信および受信がコヒーレントであるように、たとえば、受信がデジタルクロックまたはタイマにしたがって送信後の確定的で既知の期間の後に実施されるようにする。このようにして、ＲＦエコーメモリ８５５に記憶された実数または複素または直交デジタルサンプルは、コヒーレントな送信および受信にしたがって、既知のタイミング、例えば、タイムスタンプおよびサンプルレートを有する。
図８Ｃは、開示される技術のオブジェクト撮像システムの例示的な実施形態によるバックエンドサブシステム８６０の例示的な実施形態を示す図を示し、ハードウェアおよびソフトウェアで実行可能であり、図８Ａに示される方法８００を含む、開示される方法を実装するように動作可能な、異なる機能サブシステム間の通信におけるデータフローおよび例示的な変数を記述する。
図８Ｃは図８Ｂの続きを示し、ここで、処理およびサンプリングされた音響エコーは上述のように、メモリに記憶可能なエコーサンプル（例えば、デジタル複素ＲＦサンプル）として、データとして物体ビーム形成器８６１に対して渡され、例えば、上述の方法８００の少なくともいくつかのプロセスを実装する、本技術によるオブジェクトビームフォーミングアルゴリズムによって処理することができる。
たとえば、図８Ａに関して説明した工程８１５～８３０のいくつかの実装形態において、ビームフォーミングされた出力信号（たとえば、非スカラ波形を表すデジタル信号）は、最適化可能な（スカラ）量（たとえば、統合オブジェクトビームフォーミングされたエコーパワー）を生成するために、目的関数８６２に対して渡すことができる。例えば、最適化可能な（スカラ）量は、オプティマイザ８６３（例えば、物体ビーム形成器ユニットおよび／またはデータ処理ユニットによって実行可能なオプティマイザアルゴリズム）によって使用され、これにより、アレイモデル、オブジェクトモデル、およびそれらの相対的な位置および向きを記述する変数を変更することができる。例えば、オプティマイザ８６３によって生成されたアレイモデル、オブジェクトモデル、およびそれらの相対的な位置および向き（例えば、４×４変換）を記述する変数は、アレイモデルおよびオブジェクトモデル生成器８６４に対して渡すことができ、同生成器は、アレイモデルおよび／またはオブジェクトモデルの修正のためのアルゴリズムとして具現化することができる。そのような実装形態において、オブジェクトを再ビーム形成するために、すなわち、物体ビーム形成プロセスを反復的に繰り返すために、新しいまたは修正されたアレイモデルおよび／または新しいまたは修正されたオブジェクトモデルを物体ビーム形成器８６１に対して渡すことができる。結果として得られるビームフォーミングされた出力信号、例えば、最適化されたまたは最適化されていない出力信号は、目的関数８６２およびオプティマイザ８６３を再び通過することができる。図８Ａの工程８１５～８３０によれば、オプティマイザの出力は、オブジェクトが検出されたか否かを記述しているオブジェクト検出条件（例えば、閾値、公差、停止条件、オプティマイザ収束基準）に基づいて決定するオブジェクト検出器８６５に対して渡すことができる。オブジェクトが検出された場合、検出されたオブジェクトの表現およびオブジェクトパラメータは、上述のプロセス８４０にしたがって、オブジェクトおよびパラメータ表示モジュール８６６（例えば、ユーザインターフェースおよび表示ユニット）において表示され得る。
図８Ｄは、図８Ａの方法を含む、開示する方法を実施するように動作可能な、開示する技術のオブジェクト撮像システムの例示的な実施形態によるバックエンドサブシステム８６０Ｄの例示的な実施形態の別の図を示す。図８Ｄの例示的なバックエンドサブシステム８６０Ｄの図は、図８Ｃに示されるバックエンドサブシステム８６０のいくつかの実装形態のさらなる詳細を提供する。
（図８Ｄの）図に示すように、図８Ａに関して説明した工程８１５～８３０のいくつかの実装形態において、ビームフォーミングされた出力信号を生成するために、複数の入力を物体ビーム形成器８６１に対して与えることができる。例えば、シーケンサ８５４は、シーケンシングパラメータ（例えば、タイミング情報、エコー情報、取得ステータス、またはその他）を、例えば、ユーザからの入力および／または自動入力、例えば、スキャン開始、再スキャン、スキャン停止、および／または送信器パワー、受信器ゲインなどの他のパラメータなどのコマンドを利用するシーケンシングアルゴリズムに基づいて提供する。また、たとえば、物体ビーム形成器８６１はたとえば、ＲＦエコーメモリ８５５（図８Ｂに示される）からエコー情報を受信し、同情報は合成開口エコーを含み、例えば複素ＲＦサンプル、分析ＲＦサンプル、ＩＱ復調ＲＦサンプル、直交ＲＦサンプル、および／または他のエコーサンプルを含む。ビームフォーミングされた出力信号（たとえば、複素エコーサンプルのベクトルであり、デジタル的に表すことができる、オブジェクトビームフォーミングされたエコー）はたとえば、目的関数パラメータ（例：積分限界、フィルタ係数、重み、しきい値など）に基づいて、目的関数８６２に対して渡すことにより、最適化可能な（スカラ）量（たとえば、積分されたオブジェクトビームフォーミングされたエコーパワー、最大振幅、または他のもの）を生成することができる。例えば、最適化可能な（スカラ）量は、オプティマイザ８６３（例えば、物体ビーム形成器ユニットおよび／またはデータ処理ユニットによって実行可能なオプティマイザアルゴリズム）によって使用され、アレイモデル、オブジェクトモデル、およびそれらの相対的な位置および向き（例えば、４×４変換）を記述する変数を変更することができる。最適化された変数および／または最適化された出力は、オプティマイザ８６３によって、例えば、初期推測結果（第１の出力など）、制約、最大反復、最大目的関数評価、最小／最大ステップサイズ、検索グリッド、その他のパラメータを含む、オプティマイザパラメータを使用して決定される。例えば、オプティマイザ８６３によって生成された、アレイモデルおよびオブジェクトモデルを記述する変数、例えば、変数アレイの位置および向きは、アレイおよびオブジェクトモデル生成器８６４に対して渡すことができる。アレイおよびオブジェクトモデル生成器８６４は、アレイモデルおよび／またはオブジェクトモデルの修正のためのアルゴリズムとして具現化することができる。そのような実装形態において、新しいまたは修正されたアレイモデルおよび／または新しいまたは修正されたオブジェクトモデルは、オブジェクト工程フォーマ８６１に対して渡されて、オブジェクトを再ビームフォーミングする、すなわち、物体ビームフォーミングプロセスを反復的に繰り返すことができる。結果として得られるビームフォーミングされた出力信号、例えば、最適化されたまたは最適化されていない出力信号は、目的関数８６２およびオプティマイザ８６３を再び通過することができる。図８Ａの工程８１５～８２５によれば、オプティマイザの出力は、オブジェクト検出器８６５に対して渡すことができる。同検出器は、オブジェクトが検出されたかどうかを、オブジェクト検出条件（例えば、停止条件、公差、および／または閾値）に基づいて決定する。オブジェクトが検出された場合、検出されたオブジェクトの表現およびオブジェクトパラメータは、上述のプロセス８４０にしたがって、物体およびパラメータ表示モジュール８６６（例えば、ユーザインターフェースおよび表示ユニット）において表示できる。また、オブジェクト検出器８６５は、最適化された変数（例えば、オブジェクトパラメータ、オブジェクト位置および向き情報）を物体およびパラメータ表示モジュール８６６に対して提供して、画像を生成することができる。生成された画像はオブジェクトモデルの更新または修正にも使用することができ、たとえば、基準のアレイフレーム内のオブジェクトジオメトリ（たとえば、三角形の表面、面、頂点、法線、領域、テクスチャ、および／またはレンダリング）および／またはアレイジオメトリ情報を、オブジェクトおよびオブジェクトパラメータ表示モジュール８６６からアレイおよびオブジェクトモデル生成器８６４に対して提供することができる。
図１、図７、および図８Ａ～図８Ｄに示され、および／または本特許開示全体にわたって論じられるような、合成開口音響撮像システムの実施形態の例示的な特徴は、以下を含むことができる。
いくつかの実施形態において、例えば、物体とは異なる音響インピーダンスを有する媒体内に含まれる物体の散乱特性を撮像するための音響撮像システムは、以下を備える：（ｉ）システムの合成開口を形成することによって音響信号を送信、受信、および／または送受信するように動作可能なトランスデューサ素子のアレイ；（ｉｉ）トランスデューサ素子のアレイに対して結合され、アレイの選択された送信トランスデューサ素子によって変換および送信される送信音響波形（例えば、デジタル信号）を生成および／または処理するように構成され、受信された音響エコー（選択された受信トランスデューサ素子において受信された）を音響リターンエコー波形を表すデジタル信号に変換するように構成された、送信器および受信器回路；（ｉｉｉ）物体のモデルを記憶および／または生成し、アレイジオメトリおよび物体モデルジオメトリに基づいて遅延および重みを計算し、計算された遅延および重みにしたがって受信エコーをビームフォーミングすることから導出されるデジタル信号を生成するように動作可能な、デジタルビーム形成器ユニット；（ｉｖ）送信および受信シーケンシングを制御するように構成され、ビーム形成器によって生成されたデジタル信号に基づいて表面特性を決定するためにビーム形成器ユニットを制御するように構成された、システムのデータ処理および制御ユニットとして動作するプロセッサおよびメモリを備えるデータ処理ユニット；（ｖ）データ処理ユニットによって決定された位置、向き、および表面特性の表現に基づいてオブジェクトの画像を生成するように動作可能な表示ユニット。
物体の表面反射特性を撮像するための音響撮像システムのいくつかの実施形態において、例えば、デジタルビーム形成器ユニットは、以下のように構成される：モデル上の点を指す各送信器位置から決定された遅延を計算する；各受信器位置に戻すように構成され、入射ベクトル、反射ベクトル、受信ベクトル、トランスデューサ法線ベクトル、物体面法線ベクトル、および／または複素反射率に関連する物体に関する事前情報にしたがって、鏡面散乱、音響場指向性、および複素反射率の重みを計算する；遅延および重み付けエコーを合計して単一のビームフォーミングされたエコーを生成する前に、計算された遅延および計算された重みを記憶されたエコーに対して適用する。
いくつかの実施形態において、１つまたは複数のビームフォーミングされたエコーは、追加の分析およびフィルタリングを用いて処理される。これは、限定はしないがいかを含む：有限インパルス応答フィルタ、無限インパルス応答フィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、整合フィルタ、自己相関、相互相関、エンベロープ検出、復調、ウィナーフィルタ、非線形フィルタ、因果的フィルタ、非因果的フィルタ、デジタルフィルタ、周波数領域フィルタ、時間領域フィルタ、主成分分析、ウェーブレット分析、フーリエ変換、フィルタバンク、時間－周波数分析、周期定常分析、特異値分解、固有値分解、インタレース分解、偶数／奇数分解、適応フィルタ、補間器、デコンボリューションフィルタ、逆フィルタ、ニューラルネットワーク。
物体の反射特性を撮像するための音響撮像システムのいくつかの実施形態において、例えば、データ処理ユニットは、時間窓にわたってビーム形成器エコーパワーを統合し、時間窓にわたって前記統合ビーム形成器エコーパワーを最大化するためにビーム形成器への入力としてアレイ素子位置および法線ベクトルに対して適用される変換を最適化するように構成される。
物体の反射特性を撮像するための音響撮像システムのいくつかの実施形態において例えば、表示ユニットは、最適化された変換の逆数にしたがって、アレイの基準フレーム内の物体を可視化するように構成される。
本システムのいくつかの実施形態において、例えば、トランスデューサ素子のアレイは、１つ以上のトランスミッタトランスデューサ素子と、空間的に分離された、例えば、物体に隣接して配置された１つ以上のレシーバトランスデューサ素子とを含む。いくつかの実施形態においてたとえば、１つまたは複数の送信器トランスデューサ素子および１つまたは複数の受信器トランスデューサ素子は、物体を完全にまたは少なくとも部分的に囲む。
システムのいくつかの実施形態において例えば、トランスデューサ素子のアレイは、対象物の少なくとも３つのモノスタティック反射サンプルおよび少なくとも３つのバイスタティック反射サンプルを生成する少なくとも３つのトランスデューサ素子を有し、その結果、サンプルは対象物の表面上で著しく分離される。
システムのいくつかの実施形態において、例えば、トランスデューサ素子のアレイは、サンプルが対象物の表面上で著しく分離されるように、対象物の少なくとも６つの独立したモノスタティックまたはバイスタティック反射サンプルを生成するように構成されたアレイジオメトリを含む。
本システムのいくつかの実施形態において例えば、オブジェクトのモデルは、１つの音響波長分解能以下の面でオブジェクトを近似する頂点および面を有する。いくつかの実施形態において例えば、面は１／２音響波長分解能以下である。
システムのいくつかの実施形態において例えば、物体のモデルは、最大１波長音響分解能で物体を近似する各点に対応する点および表面法線ベクトルを含む。いくつかの実施形態において例えば、各点に対応する点および表面法線ベクトルは、１／２未満の音響波長分解能で物体を近似する。
システムのいくつかの実施形態において例えば、点および表面法線ベクトルに加えて、オブジェクトモデルは、点における表面の主曲率および副曲率に関連する表面曲率パラメータからも構成される。
システムのいくつかの実施形態において例えば、オブジェクトモデルは、面および面の法線から構成される。
システムのいくつかの実施形態において例えば、オブジェクトモデルは、頂点および頂点法線から構成される。
システムのいくつかの実施形態において例えば、オブジェクトモデルは、面および面の法線と、頂点および頂点法線との両方から構成される。
システムのいくつかの実施形態において、ビーム形成器内で使用されるオブジェクト点および法線は、オブジェクト全体を表す点および法線のサブセットである。
システムのいくつかの実施形態において、例えば、ビーム形成器ユニットは、トランスデューサ素子１からモデル上の面または点まで、およびトランスデューサ素子１に戻る、第１の時間遅延を計算するように構成される。
システムのいくつかの実施形態において、例えば、ビーム形成器ユニットは、トランスデューサ素子１からモデル上の面または点まで、およびトランスデューサ素子２に戻る、の第２の時間遅延を計算するように構成される。
システムのいくつかの実施形態において例えば、ビーム形成器ユニットは、トランスデューサ素子１の法線ベクトル、トランスデューサ素子１からモデル上の面または点への入射ベクトル、モデル上の面または点からの反射ベクトル、およびモデル上の点または面からトランスデューサ素子１への受信ベクトルに基づいて、第１の重み係数を計算するように構成される。
システムのいくつかの実施形態において例えば、ビーム形成器ユニットは、トランスデューサ素子１の法線ベクトル、トランスデューサ素子１からモデル上の面または点への入射ベクトル、モデル上の面または点からの反射ベクトル、モデル上の点または面からトランスデューサ素子２への受信ベクトル、およびトランスデューサ素子２の法線ベクトルに基づいて、第２の重み係数を計算するように構成される。
本システムのいくつかの実施形態において例えば、送信はアレイのトランスデューサ素子１上で発生し、その後の受信はトランスデューサ素子１およびアレイのトランスデューサ素子２上で発生し、トランスデューサ素子１上で受信されたエコーは第１の遅延にしたがって遅延および重み付けされ、トランスデューサ素子２上で受信されたエコーは第２の遅延および第２の重み付け係数にしたがって遅延および重み付けされ、遅延および重み付けされたエコーの両方がビーム形成器内で一緒に合計され、単一のビームフォーミングされたエコー出力信号をもたらす。
本システムのいくつかの実施形態において、例えば、送信はアレイのトランスデューサ素子１上で発生し、遅延の後、送信はアレイのトランスデューサ素子２上で発生し、その結果、遅延は、トランスデューサ素子１から物体上の最も近い点までおよびトランスデューサ素子２に戻るラウンドトリップ時間よりも実質的に短い。
システムのいくつかの実施形態において例えば、モデル上の複数の面または点について決定された複数の重み付けされたエコーおよび遅延されたエコーはそれぞれ、単一のビームフォーミングされたエコー出力信号に寄与する。
システムのいくつかの実施形態において、例えば、アレイの複数のトランスデューサ素子の座標およびそれらの対応する法線ベクトルは、受信されたエコーの中心周波数および帯域幅に反比例する時間窓持続時間にわたって前記ビーム形成器単一エコー信号の積分パワーを最大化するために、最適化アルゴリズムによって決定された均質な変換を適用することによって変更される。
システムのいくつかの実施形態において例えば、ビーム形成器ユニット内で使用されるオブジェクトのモデルまたはオブジェクトの等価表現は、最適化された変換の逆を使用してその座標を変換することによって、アレイの座標系に対してディスプレイ上に提示される。
システムのいくつかの実施形態において、例えば、物体の音響インピーダンスは、周囲媒体と著しく異なり、これにより、複数の送信器位置および受信器位置から観察可能なモノスタティックおよびバイスタティック鏡面反射を生成する。
システムのいくつかの実施形態において、例えば、システムは、個々の遅延を有するアレイのトランスデューサ素子のグループ上で送信イベントが発生するように動作し、これにより、送信が空間内の単一の点から発生するように見えるようにすることができる。
システムのいくつかの実施形態において例えば、システムは、アレイのトランスデューサ素子のグループ上で受信イベントが発生するように動作可能であり、各グループは、受信器が空間内の単一の点に位置しているかのように単一のエコーを生成するように、別々にビームフォーミングされる。
システムのいくつかの実施形態において例えば、システムは、送信される波形の中心周波数が実質的に５ＭＨｚ未満であるように動作可能である。
システムのいくつかの実施形態において例えば、送信された波形の中心周波数は、アレイの位置および配向に対する最適化の感度を低減することによって、アレイの位置および配向の前記最適化を支援するように動作可能なトランスデューサの帯域幅にわたって調整可能である。
システムのいくつかの実施形態において、例えば、送信される波形の帯域幅は、アレイの位置および配向に対する最適化の感度を低減することによって、アレイの位置および配向の前記最適化を支援するように動作可能なトランスデューサの帯域幅にわたって、例えば、１０％～１００％で調整可能である。
システムのいくつかの実施形態においてたとえば、システムは、送信された波形の中心周波数および／または帯域幅が物体の空間的位置特定を改善するために増加され得るように動作可能である。
システムのいくつかの実施形態において、たとえば、システムは、特定の送信された波形または波形のタイプを送信して、オブジェクトの空間的位置特定を改善し、エコーの信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善し、および／または、干渉源を拒絶することができるように動作可能である。干渉源はたとえば、周波数変調波形、位相変調波形、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）波形、直接シーケンス拡散スペクトル（ＤＳＳＳ）変調波形、擬似ランダム雑音波形、擬似ランダムバイナリシーケンス波形、最大長シーケンス波形、バイナリコード化波形、相補波形、任意のコード化シーケンス波形、レンジ圧縮可能波形、任意の波形などである。
システムのいくつかの実施形態において、複数の異なる波形は、異なるソースから同時に送信される。例えば、直交波形、符号化波形、ならびに異なる周波数および／または帯域幅および／または時間帯域幅の積および／または持続時間を有する波形である。
システムのいくつかの実施形態において、複数の異なる波形は、異なる時間に異なるソースから送信される。例えば、直交波形、符号化波形、ならびに異なる周波数および／または帯域幅および／または時間帯域幅の積および／または持続時間を有する波形である。
システムのいくつかの実施形態において、複数の異なる波形は、異なる時間に同じソースから送信される。例えば、直交波形、符号化波形、ならびに異なる周波数および／または帯域幅および／または時間帯域幅の積および／または持続時間を有する波形である。
システムのいくつかの実施形態において、例えば、アレイに対する物体の移動が表示ユニット上で視覚化され得るように、物体がリアルタイムで繰り返し位置特定される。
本システムのいくつかの実施形態において例えば、物体撮像装置によって生成された物体の位置および配向座標は、別個のシステムによる使用のために通信される。
本システムのいくつかの実施形態において、物体撮像装置出力は、物体検出の品質の推定値を含む。
システムのいくつかの実施形態において、物体撮像装置は、複数の物体をビーム形成するように動作可能である。
システムのいくつかの実施形態において、物体撮像装置は、物体の特定の特徴をビーム形成するように動作可能である。
本システムのいくつかの実施形態において、物体撮像装置は、２つ以上の物体の特定の特徴をビーム形成するように動作可能である。
本システムのいくつかの実施形態において、物体撮像装置は、物体の複数の特徴を位置付けるように動作可能であり、その結果、特徴間の距離および角度が定量化される。
本システムのいくつかの実施形態において、物体撮像装置は、複数の物体上に特徴を位置特定するように動作可能であり、その結果、特徴間の距離および角度が決定される。
本技術によるビーム形成された物体撮像技術を実施するために使用することができる、合成開口音響撮像のための合成開口システムおよび方法のさらなる例は、米国特許第９，８４４，３５９号に記載されており、これは、あらゆる目的のために本特許文書の開示の一部として参照により組み込まれる。例えば、図１Ｅ、図７、図８Ｂ、図８Ｃ、および／または図８Ｄのシステムを含むがこれらに限定されない、本明細書に記載される合成開口物体撮像システムおよびサブシステムの例示的な実施形態のいずれも、米国特許第９，８４４，３５９号に記載されるデバイス、システム、および方法の、構造的特徴および／または機能的特徴を含む１つまたは複数の特徴を含み、および／または使用することができる。
開示するＳＡＯＩ技術の例示的な実施形態からのさらなる考察および例示的なデータ
開示する合成開口物体撮像（ＳＡＯＩ）システムおよび画像形成のための方法、空間サンプリング要件、および空間分解能の実施からの新しい利点および利益は、音響撮像における従来の制限が開示するＳＡＯＩ技術に対して適用されないので、深いものであると想定される。規則的にサンプリングされた平面アレイを利用する従来の合成開口撮像は、明確に定義されている。そのような合成開口アレイの遠視野空間応答は、送信および受信アレイの畳み込みのフーリエ変換として近似され得る。空間応答（例えば、方位角または仰角における応答）は典型的には、ビーム特性、例えば、メインローブ幅、サイドローブ高さ、被写界深度、フレネル距離などに関して特徴付けられる。送信開口または受信開口のいずれかに対して適用されるアポダイゼーション関数、例えばウィンドウは、ビーム特性を修正する。送信周波数、帯域幅、および波形形状も、ビーム形状パラメータを変更する。送信および／または受信に対して適用される遅延をそのような開口に集束させることは、遠距離場応答を近距離場にもたらすのに役立ち、これもビーム形状パラメータを修正する。例えば、ビーム幅は典型的には、波長×ｆ値に比例して定義され、ここで、ｆ値は焦点距離を有効開口サイズ（例えば、合成開口の場合、物理的開口サイズよりも大きくてもよい）で割ったものとして定義される。このような開口の素子間隔は、高度の集束およびビームステアリングが考慮されるときにも重要である。例えばアレイピッチを規定する少なくとも１つの半波長サンプリング要件は、ビームが所与のアレイについても特徴付けられるグレーティングローブを回避するように集束されかつステアリングされるときに重要である。
開示するＳＡＯＩシステムおよび方法は、アレイピッチピッチに関するこれらのまたは同様の制限を受けない。格子ローブエネルギーは有限体積を有する物体に対してほとんど常にインコヒーレントであり、すなわち、格子ローブエネルギーは、有限体積を有する任意の物体が有さなければならない少なくともいくつかの凸状および有限サイズに起因して、物体自体から離れた観察不可能な方向および／または複数方向に、他の場所で散乱される場合があるからである。この特徴は例えば、まばらな合成開口、より少ないチャネルカウント、および対象物を撮像するための安価なシステムを可能にするので、極めて有用である。さらに、疎開口は規則的にサンプリングされる必要はなく、これはビームフォーミング工程におけるグレーティングローブエネルギーをさらに抑制するのに役立つ。さらに、不規則にサンプリングされた表面としてモデル化されたオブジェクトで形成された疎開口は、ビーム形成プロセスにおけるグレーティングローブエネルギーをさらに抑制するように働く。
従来の合成開口撮像において、空間グリッドにわたってエコーがコヒーレントにビーム形成され、画像が形成されるとき、送信および受信の両方でビーム特性を定義する因子のすべてが、空間内の点散乱体の外観に影響を及ぼし、たとえば、空間応答は点広がり関数（ＰＳＦ）として特徴付けられる。例えば、合成開口エコーが点散乱体についてビーム形成されるとき、ビーム形成エコーが包絡線検出され、すべての位相情報を除去し、包絡線のピーク値が散乱体のピークまたは範囲の範囲にかかわらず空間内の散乱体の所与の位置について記憶されるとき、ＰＳＦはインコヒーレントである場合がある。次いで、得られたインコヒーレントな場の大きさは例えば、点散乱位置の格子上にマッピングされて、ビームプロットまたはビームパターンを形成し、これらはしばしば、所与のアレイについて測定および／またはシミュレーションされて、その性能を特徴付ける。
従来の合成開口撮像において、例えば、合成開口エコーがビームフォーミングされず、それらが時間領域エコーとして残されるとき、ＰＳＦはコヒーレントであり得る。このようにして、すべての空間的および時間的情報が保持されるので、ＰＳＦは、すべての送信器－受信器ペアについて非常に異なり得る点散乱体の空間的－時間的応答を表す。言い換えれば、上述のようにビームフォーミングされ、非コヒーレントに要約されたビーム応答と比較して、所与の開口の空間時間応答内にはるかに多くの情報が存在する。最新の撮像システムはそのようなコヒーレント情報を利用して、解像度、スペックル低減、およびコントラストに関して、例えば、既知の空間－時間応答のセットについて複数の位相コヒーレント波面を合成することによって、撮像性能を改善する。これは、位相インコヒーレント成分（例えば、サイドローブおよびグレーティングローブに対応する）を低減し、位相コヒーレント情報（例えば、メインローブに対応する）を強調する効果を有する。
開示するＳＡＯＩシステムおよび方法は、物体が点目標になる限定的な場合を除いて、厳密にはＰＳＦを有しておらず、これは有限の体積を有する物体にとって不可能である。点散乱体のセットとして近似された物体（以下の拡張された議論を参照）を考慮し、各散乱体寄与に対するＰＳＦは所与の送信器と受信器のペアに対して合計される（線形音響および重ね合わせを仮定）；結果として得られる量もはやＰＳＦではなく、その代わりに、物体拡散関数（ＯＳＦ）は、その量を記述するためのより適切な用語である。このように、合成開口内の各送信器／受信器ペアのＯＳＦは、所与のオブジェクトのそのペアのＰＳＦの合計である。したがって、所与の合成開口レイについての結果として生じるＯＳＦは、開口内のすべての送受信ペアに対応するＯＳＦの集合である。所与の合成開口についての１つの可能なＯＳＦは、それぞれが異なる送信素子に対応するすべての受信された合成開口エコーのセットとして定義することができ、たとえば、物体からの合成送信開口（ＳＴＡ）エコーのセットは、開口についてのＯＳＦである。ＯＳＦの別の可能な定義は、１つまたは複数の送信素子および１つまたは複数の受信素子から形成されるすべての可能な合成開口エコーを含むことができる。ＯＳＦのさらに別の可能な定義は、物体上の１つまたは複数の点のすべての可能な組み合わせ、および１つまたは複数の送信素子のすべての可能な組み合わせ、および１つまたは複数の受信素子のすべての可能な組み合わせから形成されるすべての可能な合成開口エコーを含むことができる。可能な組み合わせの数は事実上無限である。この開示するＳＡＯＩ技術は、広範囲におよび多大な影響を有すると考えられる撮像システムを説明するための新規な方法を提供する。
開示するＳＡＯＩシステムおよび方法は、アレイの１つまたは複数の素子からオブジェクトへの、およびアレイの１つまたは複数の素子へ戻る空間時間応答を利用することができ、この空間時間応答はＯＳＦである。例えば、ＯＳＦは、物体の形状、物体の物理的特性、媒体の物理的特性、送受信アレイ素子に対するその向き、送受信素子の形状、サイズ、および幾何学的形状、ならびに音波の回折および伝播に依存する。
オブジェクト拡散関数（ＯＳＦ）定義は、開示する合成開口オブジェクト撮像システムおよび方法の空間分解能を定量化するために使用され得る。空間分解能は、正確な定義に依存する撮像システムの主観的特性である。１つの一般的に使用される定義は、半値全幅（ＦＷＨＭ）または－６ｄＢの大きさの幅、または同等に－３ｄＢのパワー幅である。上述のように、従来の撮像システムの回折限界空間分解能は、ｆ値倍波長に比例する。例えば、上述のコヒーレントＰＳＦを使用して測定される時空間分解能は、送信パルス長（または符号化波形の圧縮パルス長）に比例するものとして定義されることが多く、これは比帯域幅で除算された波長に比例する。開示するＳＡＯＩシステムのｆ値は、合成開口が物体で形成されるので、定義することが困難である。例えば、（議論のために）ｆ値に対する物体の影響を無視すると、開口が物体を囲んでいる場合、物体上の点に対する有効ｆ値は非常に小さくなり、従来の意味での物体上の点（例えば、ＰＳＦ）の非常に高い回折限界空間分解能を可能にする。このように、開示するＳＡＯＩシステムおよび方法は、本質的に断層撮影として見ることができ、断層撮影システムは、高い空間分解能を達成することが知られている。さらに進めると、物体で作られた開口の拡張を考慮することによって、より多くの開口が各点に見えるので、バイスタティック反射を通して物体上の点をより多くの開口が照会する。結果として得られるより大きな有効開口は有効ｆ値をさらに減少させ、従来の意味での物体上の点（例えば、ＰＳＦ）の回折限界空間分解能を増加させる。従来の意味での物体上の点の回折限界分解能は、断層撮影開口を使用する波長よりもはるかに小さくなり得ると見ることは困難ではない。
上記は、さらに追加のステップをとることができる。所与の物体－開口システムのＯＳＦを１つの向きで考慮し、合成開口エコーのみが観察可能であり、例えば、物体－開口システムのＯＳＦは、ＯＳＦ0として定義される合成開口データセットである。ここで、同じ物体－開口システムについて測定されるが、物体と開口との間の小径の６ＤｏＦ摂動（例えば、変位）を伴う第２のＯＳＦを考慮し、これをＯＳＦ（ｄ）と呼ぶ。ＯＳＦ（ｄ）はＯＳＦ（０）とは異なり、どれだけ異なるかは多くの要因に依存し、この要因は以下を含む：開口および物体のすべての態様、波長、帯域幅、ならびにＯＳＦ（０）およびＯＳＦ（ｄ）の関数として差がどのように定量化されるか、たとえば、類似性を定量化するためのＯＳＦ（０）およびＯＳＦ（ｄ）の線形および／または非線形の組み合わせ、相互相関、合計など。空間分解能の１つの定義は、１つまたは複数の空間次元における摂動ｄについて｜Ｓ（ＯＳＦ（０），ＯＳＦ（ｄ））｜＝０．５のように２ｄとして定式化できる。エコー振幅の単位でスカラ値を返す関数Ｓは、合成開口エコーの２つのセット間の類似性を決定する。結果として得られる２ｄの値は、干渉計が非常に小さい変位を解像することができるのと同じように、実質的に物体を包囲する開口を使用して、波長に対して少なくとも１つの半波長で非常に小さくすることができる。
開示するＳＡＯＩシステムおよび方法は、アレイから物体まで、およびアレイに戻るすべての可能な往復経路を考慮するマルチパス音響干渉計と見なすことができ、これにより、開示する合成開口物体撮像システムおよび方法を、小さな変位に対して極めて敏感にし、空間内の物体を位置特定する。図６に示される例示的な結果は例えば、非断層撮影開口の小さな変位に対する潜在的な感度を示す。
いくつかの実装形態において、たとえば、ＳＡＯＩシステムの例示的な実施形態の物体ビーム形成器は上記の関数Ｓと同様の方法で機能し、たとえば、測定されたコヒーレントＯＳＦは入力（たとえば、合成開口エコー）であり、アレイのモデルは入力（たとえば、アレイモデル）であり、オブジェクトのモデルは入力（たとえば、オブジェクトモデル）であり、媒体は入力（たとえば、音速、通常は一定と仮定される）であり、オブジェクトに対するアレイの相対的配向は入力（たとえば、上記のようなｄまたは６ＤｏＦ座標または４×４変換行列）であり、ｄの関数としての出力（たとえば、オブジェクトビームフォーミングエコー）は出力（すなわち、積分オブジェクトビームフォーミングエコーパワー）の何らかの尺度を最大化するために計算される。このようにして、物体ビーム形成器は、物体撮像システムの空間分解能を推定するために使用され得る。例えば、既知の位置（例えば、ＯＳＦ）にある物体から記録された合成開口エコーのセットが与えられると、物体（またはアレイ）の、既知の位置から１つの方向への変位に対する物体ビーム形成器の応答は、その方向における空間分解能（例えば、１／２最大パワーを達成するために必要な変位）の測定値を与える。空間分解能のこの測定の例は、シミュレートされた課題（やはり断層撮影開口ではない）の約半波長で図６に示される結果のピーク幅から導出され得る。
物体ビーム形成器に関する上述の議論および説明において、物体ビーム形成器が合成開口観測値を問題のモデルと一致させようと試みるという明確なケースがなされている。一般性を失うことなく、例えば、これは、合成開口を使用する物体検出および位置特定課題の１つの可能な定式化に過ぎず、例えば、最尤推定理論または他の推定および／または検出理論の枠内で、他の定式化が可能である。しかしながら、代替数式の基礎、原理、および目標は依然として同じであり、そのような数式は、物体を検出し位置特定するための手段として、物体を用いて形成される合成開口の新規なコンセプトを逸脱することはできない。
物体の音響送信／受信応答は例えば、物体およびアレイを点ターゲット、点源、および点受信器の集合として表す、物体およびトランスデューサ素子のアレイを近似することによってシミュレートされ得る。このようにして、物体は空間的にサンプリングされる。理想的には、オブジェクトおよびアレイの空間サンプルは、最良の近似を生成するために、無限に小さい。計算上の考慮事項は、空間サンプルが有限であり、シミュレーションおよび実験に基づいておよそ１波長のオーダーであることを必要とするが、厳密な要件は所与のオブジェクトおよびアレイジオメトリについて定義することが困難である。いくつかの例示的な実装形態において、Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｓｏｍｍｅｒｆｅｌｄ積分の数値積分は（たとえば、高速近接場法を使用して）開口の近接場に正確に収束させることができ、または物体の空間インパルス応答を計算するために空間インパルス応答方法を適用することができ、次いで、それは時間領域送信／受信応答と畳み込みされ得る。同様に、オブジェクトをビームフォーミングするとき、オブジェクトの同様の空間サンプリング要件が適用され、例えば、オブジェクトからのエコーを正確にシミュレートするための空間サンプリング要件も、オブジェクトからのエコーを物体ビーム形成するために必要とされる。したがって、開示するＳＡＯＩシステムおよび方法のための空間サンプリング要件は、概ね以下のように定義される：（ｉ）アレイ、物体、およびそれらの関係を記述する１つまたは複数の未知のパラメータを決定するために適切な数の空間サンプルを達成すること、すなわち、少なくとも未知数が必要とされるのと同じ数の独立した測定を達成する、（ｉｉ）例えば、物体の送信／受信応答を近似するための確立された数値的方法にしたがって、離散化された計算的に実行可能な散乱プロセスを用いてアナログ散乱プロセスを近似するために、物体自体の適切な空間サンプリングを保証する。
概念実証実験を含む例示的な実装を、開示するＳＡＯＩ方法の特定の態様、特徴、および能力を実証するために実施した。以下に説明する実施例において、ＳＡＯＩ法の例示的な実装を使用して、３次元空間内の２つの異なる物体の位置を特定し、第１の物体は３自由度を有し、第２の物体は６自由度を有し、これは市販の超音波撮像ハードウェアおよび市販のコンピューティングプラットフォームを使用して実行された。例示的な実施態様で使用されるハードウェアは以下を含む：Verasonics Vantage ２５６リサーチ超音波システム（Ｖｅｒａｓｏｎｉｃｓ、ＩｎｃＫｉｒｋｌａｎｄ、ＷＡ）を、Ｖｅｒｍｏｎ ３ＭＨｚ ３２×３２マトリクスアレイプローブ（Ｖｅｒａｓｏｎｉｃｓ、ＩｎｃＫｉｒｋｌａｎｄ、ＷＡ）にインターフェース接続し、Verasonics UTA １０２４－ＭＵＸアダプタ（Ｖｅｒａｓｏｎｉｃｓ、ＩｎｃＫｉｒｋｌａｎｄ、ＷＡ）、１ ＵＲ１０ロボットアーム(Universal Robots A/S, オーデンセ、Ｄｅｎｍａｒｋ）、およびNVIDIA Quadro P６２０ GPU(NVIDIA Corp、Santa Clara, CA)を含むDell Precision Tower 7920 workstation (Dell, Inc., Round Rock, TX)。
ロボットアームは、温度監視蒸留水で満たされた５０ガロンの水槽内で対象物を操作するようにプログラムされた。音響エネルギーは、タンクの側面上の薄いＴＰＸプラスチック音響窓を通して結合され、物体に向けられた。プローブは、カスタムホルダを使用して音響窓に対して静止状態に保持された。Ａｑｕａｓｏｎｉｃ １００カップリングゲル(Parker Laboratories、Ｉｎｃ、Ｆａｉｒｆｉｅｌｄ、ＮＹ）をプローブに適用して、ＴＰＸ窓への音響カップリングを提供した。ソフトウェアは、MATLAB（登録商標） vR２０１９ｂ(ＭａｔｈＷｏｒｋｓ、Ｉｎｃ．、Ｎａｔｉｃｋ、ＭＡ）、Microsoft Visual Studio Community ２０１９(Microsoft Corp、Ｒｅｄｍｏｎｄ、ＷＡ）、およびCUDA v１０．１ GPU（NVIDIA Corp、Santa Clara、ＣＡ）で書かれ、データ取得および処理を調整するためにＷｉｎｄｏｗｓ １０オペレーティングシステム(Microsoft Corp、Ｒｅｄｍｏｎｄ、WA)環境で実行された。
マトリクスアレイプローブは、公称３ＭＨｚの中心周波数、公称５０％のフラクショナル帯域幅３２×３２アレイの素子（例えば、合計１０２４の素子）を含み、８×３２の素子の４つのサブアレイ（例えば、２５６の素子の４つのサブアレイ）においてアドレス指定可能である。アレイの素子ピッチは０．３ｍｍ×０．３ｍｍ（例えば、ｃ＝１５００ｍ／ｓで０．６波長、したがって、略フェーズドアレイ）であり、３つの不活性行が仰角にあり、アレイ開口サイズを仰角１０．５ｍｍおよび方位角９．６ｍｍにする。
超音波システムは図９に示されるように、３２×３２グリッド内の４×４グリッド上にまばらに配置された素子を有する１６の素子において、３０ボルトのピークツーピークで広帯域単一サイクルパルスを送信するようにプログラムされ、素子位置は「ｏ」でプロットされ、予備開口位置は「ｘ」でプロットされ、また、１～１６の番号も付けられる。
図９は、例示的な物体ビーム形成器において使用される例示的なフルアレイジオメトリおよび４×４スパースアレイジオメトリを示す。
エコーは、送信ごとに一度に２５６個の素子上で受信され、すべての１０２４個の受信素子上の受信をカバーするために送信素子ごとに４つの送信を必要とした。４対１多重化は、超音波システム上の２５６個の送信／受信チャネルに全ての１０２４個の素子をインターフェースするＵＴＡ１０２４－ＭＵＸアダプタによって可能にした。全体で、６．４１ｋＨｚのパルス繰返し周波数（ＰＲＦ）で、１６素子スパース開口を有する完全合成送信（ＳＴＡ）開口を形成するために、６４回の送信が必要であった。
受信されたエコーは、３５．７１４３ＭＨｚでの１４ビットＡＤＣサンプリングの前に５ＭＨｚに帯域制限され、２３タップローパスフィルタ（４．８８５ＭＨｚでの－３ｄＢ点）でＦＩＲフィルタリングされ、３～１１．９０４８ＭＨｚの係数で間引きされ、４ｘ４スパース開口用の完全ＳＴＡを含む２５６エコーによって１０２４個の１６ビット符号付き整数サンプルの２Ｄアレイとして記憶される前に、４１タップバンドパスフィルタ（１．４８８ＭＨｚおよび４．４６４ＭＨｚでの－３ｄＢ点）でＦＩＲフィルタリングされた。送信素子に対応する受信エコーのみが処理のために保持され、その結果、完全なＳＴＡ取得ごとに２５６個の総エコーが得られた。
データおよび工程の量を減らすために、（上述のように）冗長な逆エコーを直接合計し、４×４スパース開口のための完全な一意のＳＴＡデータセットを含む１３６エコーだけ、１０２４の符号付き整数サンプルの２Ｄアレイをもたらした。ビームフォーミングの前に、エコーは浮動小数点に変換され、３５．７１４３ＭＨｚの元のサンプルレートを復元するために、係数３だけアップサンプリングされた。
（ｉ）直径６．３５ｍｍの鋼球、および（ｉｉ）直径約５ｃｍのスパイラル上に配置された直径６．３５ｍｍの鋼球８個を含む複合物体の２つの物体を調べた。試験用の１つの超音波プローブのみが利用可能であるので、複合物体は複数の球体から構成された。複数の球は、異なる物体の周りの複数の有利な点から方向付けられた複数のプローブを使用して効果的にシミュレートし、例えば、プローブの面を見ると、８つの独立した球は、異なるタイプの物体を取り囲む８つのプローブが８つの異なる方向から物体上の８つの独立した位置を観察するかのように、観察可能である。両方の物体は、船舶用エポキシ樹脂で定位置に接着された公称直径６．３５ｍｍの鋼軸受を受容するために、直径６．３５ｍｍのカップを頂部に有するポストを有するプラスチック構造体を３Ｄ印刷することによって構築された。
球体オブジェクトは図１０に示されるように、５，８０４個の三角形および２，９０４頂点からなる三角形の表面としてモデル化された。三角形の平均エッジ長は０．２１４８ｍｍ(標準偏差０．０２２６ｍｍ）であり、これは約０．２５ｍｍの半波長値未満である。三角形はほぼ等辺である。同様に、複合オブジェクトは図１１に示されるように、２３，２３２個の頂点および４６，４３２個の三角形を使用してモデル化された８個の球としてモデル化される。オブジェクトは、頂点、隣接する面から平均化された頂点法線、および隣接する面から平均化された正規化された有効頂点領域を含むアレイでＧＰＵに格納された。さらに、４×４変換行列によって修正された４×４スパースアレイ素子位置も、ＧＰＵ上に記憶された。
図１０は、例示的な物体ビーム形成器において使用される球体オブジェクトモデルを示す図を示す。
図１１は、例示的な物体ビーム形成器において使用される複合オブジェクトモデルを示す図を示す。
対象物をロボットアームに機械的に固定し、タンク内に降ろした。各オブジェクトモデルの座標系によって決定される各オブジェクトの有効中心位置は、ロボットツール基準フレームの原点にあるようにプログラムされた。例えば、球体モデルの中心位置は（ｘ，ｙ，ｚ）座標（０，０，０）にあり、したがって、適切なオフセットが、ロボットのエンドエフェクタ位置に対して追加されて、ツール中心位置を球体の中心に中心合わせした。ロボットツール位置の座標は、物体の１００個の無作為に選択された独立した位置、例えば、球体物体の１００個の無作為なＸＹＺ位置および複合物体の１００個の無作為な６ＤｏＦ位置（例えば、ＸＹＺおよび３つのオイラー角）に対するＲＦ超音波エコーと共に記録された。複合オブジェクトについて、ランダムに生成されたＥＡＸおよびＥＡＹ角度は、整合性の追加のチェックとして同じ値に設定された。ロボット内の制御システムの性質により、指令された位置と実際の位置の両方が生成される。実際の位置はロボットアーム上の６つの関節それぞれの位置エンコーダの関数であり、したがって、空間内の物体の位置の測定値である。これは試行で測定位置として使用されるロボットの実際の位置であり、これはこの実証の範囲外の多くの要因に応じて、指令位置とわずかに異なり得る。
図１２Ａおよび１２Ｂは、それぞれ、球体および８つの球体複合オブジェクトについて記録された４×４スパースアレイの完全な一意のSTA RFエコーの例を示す。表示のために、モノスタティックエコーは２回加算されたバイスタティックエコーと同様の振幅を維持するために２回加算され、最初の３００個のサンプルは送信パルス干渉を省略するためにブランクアウトされ、示されるように、サイズ３０７２個のサンプル×１３６個のエコーのアレイ（例えば、３５．７１４３ＭＨｚのサンプルレート）を得た。グレースケールは、スケーリングされたＡＤＣ単位で－５００～５００の範囲のエコーの振幅を示す（例えば、単位受信アポダイゼーションの最大範囲は－１６３８４～＋１６３８２である）。図１２Ａにおいて、鋼球の表面からのエコーがサンプル範囲２１００～２１６０付近で観察され、これは２２．７５℃のタンク温度で１４９１ｍ／ｓの推定音速に対して４３．８～４５．１ｍｍの深さ範囲に対応する。同様に、図１２Ｂにおいて、複合物体の表面からのエコーは、２０．０℃のタンク温度で１４８２ｍ／ｓの推定音速に対して３６．１ｍｍの深さに対応するサンプル範囲１７４０付近で開始して観察される。球体オブジェクトと比較して、複合オブジェクトのエコーがどれだけ複雑であるかに注意する。
ＧＰＵのために符号化された物体ビーム形成器関数におけるオブジェクトモデル、アレイモデル、およびＲＦエコーを使用して、３５．７１４３ＭＨｚ、例えば、０．０２８マイクロ秒の増分で－０．３０８～０．３０８マイクロ秒の２３サンプルに及ぶ時間窓にわたる積分オブジェクトビームフォーミングされたエコーパワーに基づいて目的関数を定式化し、スカラ値を得た。物体ビーム形成器内で、出力に影響を及ぼすパラメータは、４の鏡面指数値（たとえば、ｐ＝４）、１の送信指向性指数値（たとえば、ｑｔ＝１）、および１の受信指向性指数値（たとえば、ｑｒ＝１）を含む。物体の各試行位置について、モンテカルロオプティマイザ、例えば、球のＸＹＺ位置、および複素物体のＸＹＺおよび３つのオイラー角から構成される６ ＤｏＦ位置を使用するために、物体の位置を解いた。ロボット枠体における測定されたロボットツール位置を、アレイ枠体におけるＳＡＯＩ推定位置に関連付ける最小２乗平均平方根誤差（ＬＲＭＳＥ）変換を、周知のＫａｂｓｃｈアルゴリズムを用いて推定し、解釈を容易にするために、物体およびロボットの座標をアレイフレームに対して報告する。
図１３は、ＳＡＯＩ推定位置が「ｘ」としてプロットされ、ロボット位置が「ｏ」としてプロットされた、球体オブジェクトの１００回の位置試行の例示的な結果を示す。最初の試験から各寸法で約±５ｍｍの試験範囲に留意されたい。複合物体の誤差の統計的解析を表１に示す。位置誤差はほぼゼロ平均であり、ＲＭＳ値は、データ収集中の音速において０．４９４ｍｍの波長値よりも実質的に小さいことに留意されたい。ロボット枠体をアレイ枠体に関連付ける推定変換のＲＭＳ誤差は０．１６ｍｍである。ロボット座標は、内部的に、タンク内の物体のツール中心位置から１メートル以上離れた、ロボットの基部における座標系を参照することに留意されたい。ロボットが±０．１ｍｍの要求される位置再現性を有するので、参照測定装置（例えば、ＦａｒｏＡｒｍ）を用いた非常に注意深い測定により、ロボットが重大な誤差源であり得ることを決定できる。
Figure 2023549818000032
複合物体の１００位置試行の結果例を、ＸＹＺ位置については図１４Ａに、Ｅｕｌｅｒ角ＥＡＸ、ＥＡＹ、ＥＡＺについては図１４Ｂに示し、ＳＡＯＩ位置を「ｘ」としてプロットし、ロボット位置を「ｏ」としてプロットする。試験された範囲は、第１の試験からの各寸法において約±８ｍｍおよび±５度であることに留意されたい。複合オブジェクトの誤差の統計分析を表２に示す。
ロボット測定値および２自由度にわたるＳＡＯＩ推定位置の一貫性をチェックするために、例えば、試行において等しく設定されたＥＡＹおよびＥＡＺ座標を、ロボットおよび推定位置について比較した。言い換えれば、ＥＡＹとＥＡＺとの間のＲＭＳ誤差を、ロボットおよびＳＡＯＩ測定位置について比較し、結果を表３に要約する。ロボットのＲＭＳ誤差は、ＳＡＯＩ誤差の約６０％を占め、少なくともＥＡＹおよびＥＡＺについてであることに留意されたい。
Figure 2023549818000033
この例示的な実装形態において、単一の球体オブジェクトよりも重大ではあるが、６つの未知の自由度を解くことの著しく大きな複雑さを考慮すると、誤差は妥当である。いくつかの要因が誤差に寄与している可能性があり、これは以下を含むがこれらに限定されない：複雑な物体のツール中心位置を定義する際の誤差、ロボットの再現性誤差、複数のエコーの重ね合わせ、６ＤｏＦパラメータ空間における多くの近くの極大値の存在、複雑な物体内の球の配置の不正確さ。それにもかかわらず、約５０ｍｍのサイズに及ぶ複雑な物体は、広範囲の位置および角度に対して約３５ｍｍの距離に位置特定することに成功した。この例の結果は、１６個の素子のみから構成され、１０ｍｍ×１０ｍｍ未満に及ぶ、比較的小径の４×４のスパース開口を考慮すると、特に印象的である。例示的なＳＡＯＩ方法の実装における変形例は、性能を改善するために使用され得る。
Figure 2023549818000034
例
本技術（例Ａ１）によるいくつかの実施形態において、断層合成開口音響撮像システムは、物体との音響撮像システムの合成開口を形成する物体において音響信号を送受信するように動作可能なトランスデューサ素子のアレイを有し、音響信号は物体から戻される送信音響信号および受信音響エコーを含み、システムは以下を備える：１つ以上のプロセッサと１つ以上のメモリを備える物体ビーム形成器ユニットであって、（ｉ）物体のモデルに対するトランスデューサ素子のアレイの位置、向き、および／または幾何学的形状の関数として物体の１つまたは複数の領域に対して物体をコヒーレントにビーム形成し（例：物体モデルは物体の表面を表す情報を有する）、（ｉｉ）音響エコーをビーム形成することから導出される物体の１つまたは複数の領域に関する空間情報を含むデジタル形式の１つまたは複数のビーム形成出力信号を生成するように構成されている、物体ビーム形成器ユニット；プロセッサとメモリを備え、物体ビーム形成器ユニットおよびトランスデューサ素子アレイと接続されたデータ処理ユニットであって、（ｉ）１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号を処理して、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号に関連する少なくとも１つのスカラ出力を生成し、（ｉｉ）少なくとも１つのスカラ出力を処理して、トランスデューサ素子のアレイおよび／またはオブジェクトのモデルに関連する最適化されたパラメータを生成し、（ｉｉｉ）更新された１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号を生成するトランスデューサ素子のアレイおよび／またはオブジェクトのモデルに関連する最適化されたパラメータで更新されたオブジェクトを再ビームフォーミングするように、物体ビーム形成器に命令し、（ｉｖ）（ａ）少なくとも１つのスカラ出力を閾値と比較すること、（ｂ）少なくとも１つのスカラ出力の差分変化を閾値と比較すること、および／または（ｃ）最適化されたパラメータのうちの少なくとも１つおよび／または最適化されたパラメータの差分変化を閾値と比較すること、によってオブジェクトを検出するように構成された物体ビーム形成器ユニット； データ処理ユニットによって決定されたアレイの座標系に対するオブジェクトの位置、向き、幾何学的形状、および／または表面特性の表現に基づいてオブジェクトの画像を生成するように動作可能な表示ユニット。
実施例Ａ２は、実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、トランスデューサ素子のアレイに結合された送受信回路を備え、送受信回路は以下のように構成されている：（ｉ）アレイの１つまたは複数の選択された送信トランスデューサ素子によって１つまたは複数の音響波形として変換および送信されるデジタル信号として送信音響波形を生成および／または処理し、（ｉｉ）アレイの１つまたは複数の選択された受信トランスデューサ素子で受信された音響エコーを音響リターンエコー波形を表すデジタル信号に変換する。
実施例Ａ３は例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットによって生成される少なくとも１つのスカラ出力は、積分パワー、ピークパワー、ピーク振幅、ピーク振幅、二乗平均二乗振幅、二乗平均二乗大きさ、平均振幅、平均大きさ、ピーク対ピーク振幅、ピーク自己相関大きさ、ピーク自己相関振幅、スペクトル帯域幅、またはスペクトル中心周波数のうちの１つまたは複数から導出されるビームフォーミングされたエコーの定量値を含む。
実施例Ａ４は実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを含む。データ処理ユニットによって生成された少なくとも１つのスカラ出力は、（ｉ）平均絶対差、平均Ｅｕｃｌｉｄ距離、平均編集距離、ピーク交差相関大きさ、ピーク交差相関振幅、ピーク畳み込み大きさ、ピーク畳み込み振幅、ピークコヒーレンス、およびピーク振幅二乗コヒーレンスのうち１つ以上を使用して、物体から戻った受信音響エコーを格納されたエコーとマッチングすることによって導出されたビーム形成エコーの定量値を含む；格納されたエコーは以下のうち１つ以上から導出される：物体からの較正されたビーム形成エコー、物体からの測定されたエコー、測定された送信インパルス応答、測定された受信インパルス応答、送信／受信インパルス応答、システムインパルス応答、送信された波形、自身と畳み込んだ送信波形、フィルタリングされた送信波形、フィルタリングされた送信波形、分析的送信波形、ウィンドウ送信波形、復調された送信波形、数学的に定義された送信波形、または数学的に定義されたシステムインパルス応答。
実施例Ａ５は例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットは、少なくとも１つのスカラ出力を閾値と比較し、１つまたは複数の閾値を満たすように１つまたは複数の最適化されたパラメータの収束に基づいて、オブジェクトを検出するように構成される。
実施例Ａ６は例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは以下のように構成される：（ｉ）トランスデューサ素子のアレイのジオメトリとオブジェクトのモデルとに基づいて遅延および重みを計算し、（ｉｉ）計算された遅延および重みにしたがって音響エコーをビームフォーミングすることから導出される生成された１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号に対応するデジタル信号を生成する。
実施例Ａ７は例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットまたは物体ビーム形成器ユニットは、２つ以上の反復を含む最適化を生成して、１つのスカラ出力のうちの２つ以上の最適なものが選択され得るように、アレイおよび／またはオブジェクトを記述する２つ以上のパラメータセットに対応するオブジェクトの２つ以上のビームフォーミングされたエコーに対応する１つのスカラ出力のうちの２つ以上を生成するように構成される。
実施例Ａ８は実施例Ａ７および／または実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、オブジェクトは、アレイおよび／またはオブジェクトを記述するパラメータの２つ以上のセットに対応するオブジェクトの２つ以上の再ビーム形成されたエコーに対応する１つのスカラ出力のうちの２つ以上において、最適化が閾値を下回る有意な変化を生成するときに検出される。
実施例Ａ９は実施例Ａ７および／または実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、オブジェクトは、２つ以上の組のパラメータおよび／またはオブジェクトの２つ以上の再ビーム形成されたエコーに対応するアレイおよび／またはオブジェクトを記述する２つ以上の組のパラメータの関数における閾値未満の有意でない変化を、最適化が生成するときに検出される。
実施例Ａ１０は実施例Ａ９および／または実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、パラメータの２つ以上のセットに対して適用される関数は、ユークリッドノルム、マンハッタンノルム、ｐ－ノルム、最大ノルム、複合ノルム、非対称ノルム、およびマハラノビス距離のうちの１つ以上を含む。
実施例Ａ１１は実施例Ａ９および／または実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、同じ関数が、２つ以上のパラメータセットを表す２つ以上のスカラ量を生成する２つ以上のパラメータセットに対して適用される。
例Ａ１２は例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器は、オブジェクトを再ビームフォーミングするために合成開口エコーの同じセットを使用する。
例Ａ１３は例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器は、合成開口エコーの部分的に更新されたセットを使用して、オブジェクトを再ビームフォーミングする。
例Ａ１４は例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器は、合成開口エコーの完全に更新されたセットを使用して、オブジェクトを再ビームフォーミングする。
例Ａ１５は例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、オブジェクトのモデルを記憶するように構成される。
例Ａ１６は例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットはオブジェクトのモデルを生成し、および／またはオブジェクトのモデルを修正するように構成される。
例Ａ１７は例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、トランスデューサ素子のアレイのジオメトリを記憶するように構成される。
実施例Ａ１８は実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、トランスデューサ素子のアレイのジオメトリを生成し、および／またはジオメトリを修正するように構成される。
実施例Ａ１９は例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、ディスプレイユニットはディスプレイスクリーンを含み、ディスプレイスクリーン上にオブジェクトを視覚的に表示するように構成され、オブジェクトの表現はトランスデューサ素子のアレイの基準の枠体において、または外部基準の枠体において使用可能にされ、その結果、オブジェクトの視覚的表示はオブジェクトとトランスデューサ素子のアレイとの間の相対移動を更新および視覚化するように動作可能である。
実施例Ａ２０は例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは以下のように構成される：（ｉ）各送信器位置から物体モデル上の点および各受信器位置に戻る過程から決定された遅延を計算する、（ｉｉ）入射ベクトル、反射ベクトル、受信ベクトル、トランスデューサ法線ベクトル、オブジェクト面法線ベクトル、および／または複素反射率に関するオブジェクトについての先験的情報にしたがって、鏡面散乱、音響場指向性、および複素反射率のうちの１つまたは複数の重みを計算する、
（ｉｉｉ）計算された遅延および計算された重みを記憶されたエコーに対して適用して、遅延および重み付けされたエコーを合計し、単一のビームフォーミングされたエコーを生成する。
実施例Ａ２１は例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットは、時間ウィンドウにわたってビームフォーミングされたエコーパワーを積分し、時間ウィンドウにわたって統合されたビーム形成器エコーパワーを最大化するために、ビーム形成器への入力としてトランスデューサ素子位置および法線ベクトルに対して適用される変換を最適化するように構成される。
実施例Ａ２２は実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、表示ユニットは、最適化された変換の逆数にしたがって、アレイの基準フレーム内のオブジェクトを視覚化するように構成される。
実施例Ａ２３は実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、トランスデューサ素子のアレイは、物体に対して空間的に分離された１つ以上のトランスミッタトランスデューサ素子および１つ以上のレシーバトランスデューサ素子を含む。
実施例Ａ２４は実施例Ａ２３および／または実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、１つ以上の送信器トランスデューサ素子および１つ以上の受信器トランスデューサ素子は、物体を完全にまたは少なくとも部分的に取り囲む。
実施例Ａ２５は実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、トランスデューサ素子のアレイは、反射サンプルが物体の表面上で著しく分離されるように、物体のモノスタティック反射サンプルおよびバイスタティック反射サンプルを含む少なくとも３つの反射サンプルを生成するように構成された少なくとも３つのトランスデューサ素子を含む。
実施例Ａ２６は実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、トランスデューサ素子のアレイは、物体の表面上で反射サンプルが著しく分離されるように、物体の少なくとも３つのモノスタティック反射サンプルおよび少なくとも３つのバイスタティック反射サンプルを生成するように構成された少なくとも３つのトランスデューサ素子を含む。
実施例Ａ２７は例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、オブジェクトのモデルは、複数の頂点と、物体を１つ以下の音響波長分解能を有する面に近似する複数の面とを含む。
実施例Ａ２８は実施例Ａ２７および／または実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、面は１／２音響波長分解能以下である。
実施例Ａ２９は実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、物体のモデルは、複数の点と、少なくとも１波長音響分解能内で物体を近似する各点に対応する複数の表面法線ベクトルとを含む。
実施例Ａ３０は実施例Ａ２９および／または実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムを有し、各点に対応する複数の点および複数の表面法線ベクトルは、１／２未満の音響波長分解能内で物体を近似する。
実施例Ａ３１は実施例Ａ１～Ａ３０のいずれかのシステムを有し、１つ以上の音響波形は、２つ以上の個々の符号化波形を含む１つ以上の複合波形を含む。
本技術によるいくつかの実施形態（例Ａ３２）によれば、断層合成開口画像形成のための方法は以下を有する：物体において変換された音響波形の送信および物体から戻る音響エコーを受信することに基づき合成開口を形成することにより、トランスデューサ素子とトランスデューサアレイによって、物体においておよび物体から、音響信号を送受信するステップ；物体の１つ以上の領域から戻って１つ以上のビーム形成出力信号を形成する受信戻りエコーの遅延および重み付けされたエコーサンプルをコヒーレント加算することにより、物体をビーム形成するステップであって、ステップ１つ以上のビーム形成出力信号はビーム形成のための１つ以上の入力の関数である、ステップ；物体の位置、方位、幾何学的特性、または表面特性の少なくとも一部の関数として、１つ以上のスカラ出力を最適化するステップ；オプティマイザを用いて、検出条件に対する最適化の入出力の値または変化に基づき１つ以上の目的関数の最適化程度を判定することにより、物体を検出するステップ；オブジェクトの位置、方向、および幾何学的特性、および／または表面特性の表現に基づいて、オブジェクトの画像を生成するステップ。
実施例Ａ３３は例Ａ３２～Ａ３９のいずれかの方法を含み、オブジェクトをビームフォーミングすることは、オブジェクトのモデルに対するトランスデューサ素子のアレイの位置、向き、および幾何学的形状の少なくとも一部の関数として、オブジェクトの１つ以上の領域に対応する遅延および重みを計算することを含む。
実施例Ａ３４は実施例Ａ３２～Ａ３９のいずれかの方法を含み、１つまたは複数のスカラ出力は、トランスデューサ素子のアレイの位置、向き、または幾何学的形状の少なくとも一部の関数として最適化される。
実施例Ａ３５は例Ａ３２～Ａ３９のいずれかの方法を含み、生成された１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号は、オブジェクトの１つまたは複数の領域からの遅延および重み付けされたエコーサンプルをコヒーレントに合計することから導出されたオブジェクトの１つまたは複数の領域についての空間情報を含む。
例Ａ３６は例Ａ３２～Ａ３９のいずれかの方法を含み、オブジェクトの位置、向き、ジオメトリ、または表面特性のうちの少なくともいくつかを決定するステップは、以下を有する：１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号に関連付けられた少なくとも１つのスカラ出力を生成するステップ；少なくとも１つのスカラ出力を処理して、トランスデューサ素子のアレイを定義し、および／またはオブジェクトのモデルを定義する最適化されたパラメータのセットを生成するステップ。
実施例Ａ３７は例Ａ３２～Ａ３９のいずれかの方法を含み、実施例Ａ３７は、トランスデューサアレイのトランスミッタ位置およびレシーバ位置、オブジェクトのモデルの点、トランスデューサアレイの属性、オブジェクトのモデルの属性、に対応するエコーサンプルの遅延エコーサンプルおよび重み付け係数を生成するステップを有し、生成された遅延エコーサンプルおよびエコーサンプルの重み付け係数は、オブジェクトの１つまたは複数の領域からの遅延および重み付けエコーサンプルをコヒーレントに合計する際に使用される。
実施例Ａ３８は例Ａ３２～Ａ３９のいずれかの方法を含み、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号は、１つまたは複数のスカラ出力を最適化する関数として、受信されたエコーサンプルの同じセット、受信されたエコーサンプルの部分的に新しいセット、または受信されたエコーサンプルの完全に新しいセットから繰り返し生成される。
実施例Ａ３９は、実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムによって実施される、実施例Ａ３２～Ａ３８のいずれかの方法を含む。
本技術（例Ａ４０）によるいくつかの実施形態において、断層合成開口音響イメージングのための方法は以下を有する：物体との間で音響信号を送受信して音響イメージングシステムの合成開口を形成するステップであって、音響信号は、送信音響信号および物体から戻る受信音響エコーを含む、ステップ；物体のモデルに対するトランスデューサ素子のアレイの位置、向き、および／または幾何学的形状の関数として、物体の１つまたは複数の領域に対して物体をコヒーレントにビーム形成するステップ；音響エコーをビーム形成することから導出された物体の１つまたは複数の領域に関する空間情報を含むデジタルフォーマットで、１つまたは複数のビーム形成出力信号を生成するステップ；１つまたは複数のビーム形成出力信号を処理して、１つまたは複数のビーム形成出力信号に関連する少なくとも１つのスカラ出力を生成し、少なくとも１つのスカラ出力を処理して最適化パラメータを生成するステップであって、最適化パラメータは、（ｉ）音響イメージングシステムのトランスデューサ素子のアレイおよび／または（ｉｉ）物体のモデルに関連する、ステップ；トランスデューサ素子アレイおよび／または物体モデルに関連する更新された最適化パラメータによって物体を再ビーム形成して、１つ以上の更新されたビーム形成出力信号を生成し、（ｉ）少なくとも１つのスカラ出力を閾値と比較する、（ｉｉ）少なくとも１つのスカラ出力の微分変化を閾値と比較する、および／または（ｉｉｉ）最適化されたパラメータのうちの少なくとも１つおよび／または最適化されたパラメータのうちの少なくとも１つの微分変化を閾値と比較することにより、物体を検出するステップ；アレイの座標系に対するオブジェクトの位置、向き、ジオメトリ、および／または表面特性の表現に基づいてオブジェクトの画像を生成するステップ。
実施例Ａ４１は実施例Ａ４０～Ａ４２のいずれかの方法を含み、請求項３２～３８のいずれか１項に記載の方法をさらに含む。
実施例Ａ４２は、実施例Ａ１～Ａ３１のいずれかのシステムによって実施される、実施例Ａ４０～Ａ４１のいずれかの方法を含む。
本技術（例Ｂ１）によるいくつかの実施形態において、断層合成開口音響撮像システムは以下を備える：音響撮像システムとの合成開口を形成する物体において音響信号を送信、受信、および／または送受信するように動作可能なトランスデューサ素子のアレイであって、音響信号は送信音響信号および物体から戻される受信音響エコーを含む、トランスデューサ素子のアレイ；１つ以上のプロセッサと１つ以上のメモリを備え、（ｉ）物体のモデルに対するトランスデューサ素子のアレイの位置、向き、および／または幾何学的形状の関数として、物体の１つまたは複数の領域に対して物体をビーム形成し、物体のモデルは物体を表す情報を含む；（ｉｉ）音響エコーをビーム形成することから得られる物体の１つまたは複数の領域に関する空間情報を含むデジタル形式の１つまたは複数のビーム形成出力信号を生成する；ように構成された物体ビーム形成器；物体ビーム形成ユニットおよびトランスデューサ素子アレイと通信するプロセッサおよびメモリを備え、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号を最適化して、位置、向き、幾何学的形状、または物理的特性のセットのうちの１つまたは複数を決定するように構成されたデータ処理ユニット；データ処理ユニットによって決定された、トランスデューサ素子のアレイの座標系に対する位置、向き、幾何学的形状、または物理的特性のセットのうちの１つまたは複数の表現に基づいて、オブジェクトの画像を生成するように動作可能なディスプレイユニット。いくつかの例示的な実施形態において、物体ビーム形成器ユニットはデータ処理ユニットから独立したハードウェアユニットであり、一方、いくつかの実施形態において物体ビーム形成器ユニットはソフトウェアモジュールであり、物体ビーム形成器ユニットの１つまたは複数のプロセッサおよび１つまたは複数のメモリはそれぞれ、データ処理ユニットのプロセッサおよびメモリである。
実施例Ｂ２は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、システムは、トランスデューサ素子のアレイに結合されたた送信器および受信器回路を有し、送信器および受信器回路は、（ｉ）アレイの１つまたは複数の選択された送信トランスデューサ素子によって１つまたは複数の音響波形として変換および送信されるデジタル信号として送信音響波形を生成および／または処理し、（ｉｉ）アレイの１つまたは複数の選択された受信トランスデューサ素子で受信された音響エコーを、音響リターンエコー波形を表すデジタル信号に変換するように構成されている。
実施例Ｂ３は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、（ｉ）トランスデューサ素子のアレイのジオメトリとオブジェクトのモデルとに基づいて遅延および重みを計算し、（ｉｉ）計算された遅延および重みにしたがって音響エコーをビームフォーミングすることから導出される生成された１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号に対応するデジタル信号を生成するように構成される。
実施例Ｂ４は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットは、以下によって、物体ビーム形成器ユニットによって生成される１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号を最適化するように構成されている：（ｉ）１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号を処理して、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号に関連する少なくとも１つのスカラ出力を生成する；（ｉｉ）少なくとも１つのスカラ出力を処理して、トランスデューサ素子のアレイおよび／またはオブジェクトのモデルに関連する最適化されたパラメータを生成する；（ｉｉｉ）更新された１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号を生成するトランスデューサ素子のアレイおよび／またはオブジェクトのモデルに関連する更新された最適化パラメータでオブジェクトを再ビームフォーミングするように物体ビーム形成器ユニットに命令する；（ｉｖ）（ａ）少なくとも１つのスカラ出力を閾値と比較すること、（ｂ）少なくとも１つのスカラ出力の差分変化を閾値と比較すること、および／または（ｃ）少なくとも１つの最適化されたパラメータおよび／または少なくとも１つの最適化パラメータの差分変化を閾値と比較すること、によってオブジェクトを検出する；
実施例Ｂ５は実施例Ｂ４または実施例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットは、少なくとも１つのスカラ出力を閾値と比較し、１つ以上の閾値を満たす１つ以上の最適化されたパラメータの収束に基づいて、オブジェクトを検出するように構成される。
実施例Ｂ６は実施例Ｂ４または実施例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、最適化パラメータは、オプティマイザ出力、ステップサイズ、最適性測度、または残差のうちの１つ以上を含む。
実施例Ｂ７は例Ｂ４または例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットによって生成される少なくとも１つのスカラ出力は、積分パワー、ピークパワー、ピーク振幅、ピーク大きさ、二乗平均二乗振幅、二乗平均二乗大きさ、平均振幅、平均大きさ、ピーク対ピーク振幅、ピーク自己相関大きさ、ピーク自己相関振幅、スペクトル帯域幅、またはスペクトル中心周波数のうちの１つまたは複数から導出されるビームフォーミングされたエコーの定量値を含む。
実施例Ｂ８は例Ｂ４または例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットによって生成される少なくとも１つのスカラ出力は、以下のうちいずれか１つ以上を用いて、物体から戻る受信音響エコーを記憶した音響エコーとマッチングすることによって導出されるビーム形成エコーの定量値を含む：（ｉ）平均絶対差、平均ユークリッド距離、平均編集距離、ピーク相互相関大きさ、ピーク相互相関振幅、ピーク畳み込み大きさ、ピーク畳み込み振幅、ピークコヒーレンス、ピーク大きさ二乗コヒーレンス；記憶したエコーは、以下のうちいずれか１つ以上から導出される：物体からの校正したビーム形成エコー、物体からの測定エコー、測定した送信インパルス応答、測定した受信インパルス応答、送信／受信波形を自身と畳み込みしたもの、フィルタ処理された送信波形、分析的送信波形、ウィンドウ処理された送信波形、復調された送信波形、数学的に定義された送信波形、または数学的に定義されたシステムインパルス応答。
実施例Ｂ９は例Ｂ４または例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットまたは物体ビーム形成器ユニットは、１つのスカラ出力のうちの２つ以上の最適値が選択され得るように、トランスデューサ素子および／またはオブジェクトのアレイを記述する２つ以上のパラメータセットに対応するオブジェクトの２つ以上のビームフォーミングされたエコーに対応する１つのスカラ出力のうちの２つ以上を生成するための２つ以上の反復を含む最適化を生成するように構成される。
実施例Ｂ１０は実施例Ｂ９または実施例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、トランスデューサ素子および／または物体のアレイを記述するパラメータの２つ以上のセットに対応する物体の２つ以上の再ビーム形成されたエコーに対応する１つのスカラ出力のうちの２つ以上において、最適化が閾値を下回る有意でない変化を生成するとき、物体が検出される。
実施例Ｂ１１は実施例Ｂ９または実施例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、最適化が２つ以上の組のパラメータおよび／またはトランスデューサ素子のアレイおよび／またはオブジェクトの２つ以上の再ビーム形成されたエコーに対応するオブジェクトを記述する２つ以上の組のパラメータの関数における閾値未満の有意でない変化を生成するとき、物体が検出される。
実施例Ｂ１２は例Ｂ１１または例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、パラメータの２つ以上のセットに対して適用される関数は、ユークリッドノルム、マンハッタンノルム、ｐ－ノルム、最大ノルム、複合ノルム、非対称ノルム、およびマハラノビス距離のうちの１つ以上を含む。
実施例Ｂ１３は実施例Ｂ１１または実施例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、同じ関数が、２つ以上のパラメータセットに対して適用され、２つ以上のパラメータセットを表す２つ以上のスカラ量を生成する。
実施例Ｂ１４は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、オブジェクトモデルの複数の領域の各領域を別々にコヒーレントオブジェクトビームフォーミングすることによって、オブジェクトをオブジェクトの複数の領域に対してコヒーレントにビームフォーミングし、その後、コヒーレントに物体ビームフォーミングされた各領域から得られる信号を目的関数においてコヒーレントに結合するように構成される。
実施例Ｂ１５は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、オブジェクトモデルの複数の領域の各領域を別々にコヒーレントオブジェクトビームフォーミングすることによって、オブジェクトをオブジェクトの複数の領域に対してコヒーレントにビームフォーミングし、その後、コヒーレントオブジェクトビームフォーミングされた各領域から得られる信号を、目的関数においてインコヒーレントに結合するように構成される。
実施例Ｂ１６は実施例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、物体の物理的特性のセットは、物体の１つ以上の表面特性、１つ以上の体積特性、または１つ以上の表面特性および１つ以上の体積特性の両方を含む。
実施例Ｂ１７は実施例Ｂ１６または実施例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、物体の物理的特性のセットは、物体の密度、体積弾性率、または音響特性を含む。
実施例Ｂ１８は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、同じセットの合成開口エコーを使用して、オブジェクトを再ビームフォーミングするように構成される。
実施例Ｂ１９は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、合成開口エコーの部分的に更新されたセットを使用して、オブジェクトを再ビームフォーミングするように構成される。
実施例Ｂ２０は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、合成開口エコーの完全に更新されたセットを使用して、オブジェクトを再ビームフォーミングするように構成される。
実施例Ｂ２１は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、オブジェクトのモデルを記憶するように構成される。
実施例Ｂ２２は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、オブジェクトのモデルを生成するか、オブジェクトのモデルを修正するか、またはオブジェクトのモデルを生成し修正するように構成される。
実施例Ｂ２３は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、トランスデューサ素子のアレイのジオメトリを記憶するように構成される。
実施例Ｂ２４は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、トランスデューサ素子のアレイのジオメトリについての情報を生成し、トランスデューサ素子のアレイのジオメトリについての情報を修正し、またはトランスデューサ素子のアレイのジオメトリについての情報を生成して修正するように構成される。
実施例Ｂ２５は実施例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、表示ユニットは表示画面を含み、表示画面上にオブジェクトの視覚的表示を提示するように構成され、オブジェクトの描画はトランスデューサ素子のアレイの基準のフレームまたは外部基準のフレームにおいて使用可能にされ、これにより、オブジェクトの視覚的表示はオブジェクトとトランスデューサ素子のアレイとの間の相対移動を更新および視覚化するように動作可能である。
実施例Ｂ２６は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは以下のように構成されている：（ｉ）各送信器位置からオブジェクトのモデル上の点までおよび各受信器位置に戻る過程で決定された遅延を計算する；（ｉｉ）入射ベクトル、反射ベクトル、受信ベクトル、トランスデューサ法線ベクトル、オブジェクト面法線ベクトル、および／または複素反射率に関するオブジェクトについての先験的情報にしたがって、鏡面散乱、音響場指向性、減衰、拡散損失、および複素反射率のうちの１つまたは複数についての重みを計算する；（ｉｉｉ）遅延および重み付けされたエコーを組み合わせる前に、計算された遅延および計算された重みを記憶されたエコーに対して適用して、１つまたは複数のビームフォーミングされたエコーを生成する。
実施例Ｂ２７は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットは、時間ウィンドウにわたってビームフォーミングされたエコーパワーを積分し、ビーム形成器への入力としてトランスデューサ素子位置および法線ベクトルに対して適用される変換を最適化して、時間ウィンドウにわたって積分されたビーム形成器エコーパワーを最大化するように構成される。
実施例Ｂ２８は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、表示ユニットは、最適化された変換の逆数にしたがって、トランスデューサ素子のアレイの基準フレーム内のオブジェクトを視覚化するように構成される。
実施例Ｂ２９は実施例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、トランスデューサ素子のアレイは、物体に対して空間的に分離された１つ以上のトランスミッタトランスデューサ素子および１つ以上のレシーバトランスデューサ素子を含む。
実施例Ｂ３０は実施例Ｂ２９または実施例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、１つ以上の送信器トランスデューサ素子および１つ以上の受信器トランスデューサ素子は、物体を完全にまたは少なくとも部分的に取り囲む。
実施例Ｂ３１は実施例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、トランスデューサ素子のアレイは、反射サンプルが物体の表面上で著しく分離されるように、物体のモノスタティック反射サンプルおよびバイスタティック反射サンプルを含む少なくとも３つの反射サンプルを生成するように構成された少なくとも３つのトランスデューサ素子を含む。
実施例Ｂ３２は実施例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、トランスデューサ素子のアレイは、反射サンプルが物体の表面上で著しく分離されるように、物体の少なくとも３つのモノスタティック反射サンプルおよび少なくとも３つのバイスタティック反射サンプルを生成するように構成された少なくとも３つのトランスデューサ素子を含む。
実施例Ｂ３３は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、オブジェクトのモデルは、複数の頂点と、１つの音響波長分解能以下の面を有するように物体を近似する複数の面とを含む。
実施例Ｂ３４は例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、物体のモデルは、複数の点と、少なくとも１つの音響波長分解能内で物体を近似する各点に対応する複数の表面法線ベクトルとを含む。
実施例Ｂ３５は実施例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムを有し、１つ以上の音響波形は、２つ以上の個々の符号化波形を含む１つ以上の複合波形を含む。
本技術（例Ｂ３６）によるいくつかの実施形態において、断層合成開口撮像のための方法は以下を有する：トランスデューサ素子のアレイのトランスデューサ素子によって、物体における変換された音響波形の送信に基づいて合成開口を形成し、物体から戻された音響エコーを受信することによって、物体においておよび物体から音響信号を送信および受信するステップ；物体の１つまたは複数の領域から戻された受信戻り音響エコーのエコーサンプルを使用して物体をビーム形成して、１つまたは複数のビーム形成された出力信号を生成するステップであって、１つまたは複数のビーム形成された出力信号はビーム形成のための１つまたは複数の入力の関数であり、ビーム形成のための１つまたは複数の入力は物体を表す情報を含む、ステップ；１つまたは複数のビーム形成された出力信号を最適化して、物体の位置、配向、ジオメトリ、または物理的特性のセットのうちの１つまたは複数を決定するステップ；物体の位置、配向、形状、または物理的特性セットのうち１つ以上の描画に基づき物体の画像を生成するステップ。
実施例Ｂ３７は例Ｂ３６～Ｂ４５のいずれかの方法を含み、オブジェクトの位置、向き、幾何学的形状、または物理的特性のセットのうちの１つまたは複数は、以下によって決定される：１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号に基づき１つまたは複数のスカラ出力を生成する；オブジェクトの位置、向き、幾何学的特性、または物理的特性のうちの少なくともいくつかの関数として１つまたは複数のスカラ出力を最適化する；最適化の入力および出力の値または変更に基づいて、最適化器を使用して、検出条件と比較して、１つまたは複数の目的関数の最適化の度合いを決定することによってオブジェクトを検出する。
実施例Ｂ３８は実施例３７の方法または実施例Ｂ３６～Ｂ４５のいずれかを含み、１つ以上のスカラ出力は、トランスデューサ素子のアレイの位置、向き、または幾何学的形状の少なくとも一部の関数として最適化される。
実施例Ｂ３９は例Ｂ３６～Ｂ４５のいずれかの方法を含み、オブジェクトの位置、向き、ジオメトリ、または物理的特性のセットのうちの１つまたは複数を決定するステップは、以下を有する：１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号に関連する少なくとも１つのスカラ出力を生成する；少なくとも１つのスカラ出力を処理して、トランスデューサ素子のアレイを定義しおよび／またはオブジェクトのモデルを定義する最適化されたパラメータのセットを生成する。
実施例Ｂ４０は例Ｂ３６～Ｂ４５のいずれかの方法を含み、物体の物理的特性のセットは、物体の１つ以上の表面特性、１つ以上の体積特性、または１つ以上の表面特性および１つ以上の体積特性の両方を含む。
実施例Ｂ４１は例Ｂ３６～Ｂ４５のいずれかの方法を含み、オブジェクトをビームフォーミングすることは、オブジェクトのモデルに対するトランスデューサ素子のアレイの位置、向き、および幾何学的形状の少なくとも一部の関数として、オブジェクトの１つまたは複数の領域に対応する遅延および重みを計算することを含む。
実施例Ｂ４２は実施例４１または実施例Ｂ３６～Ｂ４５のいずれかの方法を含み、生成された１つ以上のビームフォーミングされた出力信号は、物体の１つ以上の領域からの遅延および重み付けされたエコーサンプルをコヒーレントに合計することから導出された、または物体の１つ以上の領域からの遅延および重み付けされたエコーサンプルをコヒーレントに乗算することから導出された、物体の１つ以上の領域についての空間情報を含む。
実施例Ｂ４３は例Ｂ３６～Ｂ４５のいずれかの方法を含み、例Ｂ４３は、アレイのトランスデューサ素子のトランスデューサ位置およびレシーバ位置、アレイのトランスデューサ素子の属性、オブジェクトのモデルの点、オブジェクトのモデルの属性、に対応するエコーサンプルの遅延エコーサンプルおよび重み付け係数を生成するステップを有し、生成された遅延エコーサンプルおよびエコーサンプルの重み付け係数は、オブジェクトの１つまたは複数の領域からの遅延および重み付けされたエコーサンプルをコヒーレントに組み合わせる（たとえば、加算および／または乗算する）際に使用される。
実施例Ｂ４４は例Ｂ３６～Ｂ４５のいずれかの方法を含み、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号は、１つまたは複数のスカラ出力を最適化する関数として、受信されたエコーサンプルの同じセット、受信されたエコーサンプルの部分的に新しいセット、または受信されたエコーサンプルの完全に新しいセットから繰り返し生成される。
実施例Ｂ４５は実施例Ｂ３６～Ｂ４５のいずれかの方法を含み、この方法は、実施例Ｂ１～Ｂ３５のいずれかのシステムによって実施される。
本技術（例Ｃ１）によるいくつかの実施形態は以下を備える：対象物体の周りの異なる位置にある異なる音響トランスデューサデバイスのアレイであって、対象物体との音響撮像システムの合成開口を達成するために対象物体において音響信号を送受信するように構成され、前記音響信号は送信音響信号および前記対象物体から戻される受信音響エコーを含む、音響トランスデューサデバイスのアレイ；前記異なる音響トランスデューサデバイスアレイと接続され、プロセッサおよびメモリを備えるコンピューティングデバイスであって、前記コンピューティングデバイスは物体ビーム形成ユニットを備え、前記物体ビーム形成ユニットは、（ｉ）前記対象物体のモデルに対するトランスデューサ素子のアレイの位置、配向、および／または幾何学的形状の関数として、前記対象物体の１つまたは複数の領域に対する受信音響エコーの少なくともいくつかを少なくとも組み合わせることによって前記対象物体をビーム形成し、前記対象物体のモデルは前記対象物体を表す情報を含み、（ｉｉ）ビーム形成から導出された前記対象物体の１つまたは複数の領域に関する空間情報を含む１つまたは複数のビーム形成出力信号を生成する、ように構成されている；前記コンピューティングデバイスは物体ビーム形成器ユニットとデータ通信するデータ処理ユニットを備え、前記データ処理ユニットは、（ｉ）１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号を最適化して、位置、向き、幾何学的形状、または物理的特性のセットのうちの１つまたは複数を決定し、（ｉｉ）データ処理ユニットによって決定されたトランスデューサ素子のアレイの座標系に対する位置、向き、幾何学的形状、または物理的特性のセットのうちの１つまたは複数の表現に基づいて、オブジェクトの画像を生成するように構成されている。
実施例Ｃ２は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、トランスデューサ素子のアレイに結合された送信器および受信器回路を備え、前記送信器および受信器回路は、（ｉ）アレイの１つまたは複数の選択された送信トランスデューサ素子によって１つまたは複数の音響波形として変換および送信されるデジタル信号として送信音響波形を生成および／または処理し、（ｉｉ）アレイの１つまたは複数の選択された受信トランスデューサ素子で受信された音響エコーを音響リターンエコー波形を表すデジタル信号に変換するように構成されている。
例Ｃ３は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは以下のように構成される：（ｉ）トランスデューサ素子のアレイのジオメトリとオブジェクトのモデルとに基づいて遅延および重みを計算し、（ｉｉ）計算された遅延および重みにしたがって音響エコーをビームフォーミングすることから導出される生成された１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号に対応するデジタル信号を生成する。
実施例Ｃ４は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットは、物体ビーム形成器によって生成された１つ以上のビーム形成出力信号を以下によって最適化するように構成されている：（ｉ）１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号を処理して、１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号に関連する少なくとも１つのスカラ出力を生成する；（ｉｉ）少なくとも１つのスカラ出力を処理して、トランスデューサ素子のアレイおよび／またはオブジェクトのモデルに関連する最適化されたパラメータを生成する；（ｉｉｉ）更新された１つまたは複数のビームフォーミングされた出力信号を生成するトランスデューサ素子のアレイおよび／またはオブジェクトのモデルに関連する更新された最適化パラメータでオブジェクトを再ビームフォーミングするように物体ビーム形成器に対して指示する；（ｉｖ）（ａ）少なくとも１つのスカラ出力を閾値と比較する、（ｂ）少なくとも１つのスカラ出力の差分変更を閾値と比較する、および／または（ｃ）少なくとも１つの最適化パラメータおよび／または少なくとも１つの最適化パラメータの差分変化を閾値と比較すること、によって物体を検出する。
実施例Ｃ５は実施例Ｃ４または実施例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットは、少なくとも１つのスカラ出力を閾値と比較し、１つ以上の閾値を満たすように１つ以上の最適化されたパラメータが収束したことに基づいて、オブジェクトを検出するように構成される。
実施例Ｃ６は実施例Ｃ４または実施例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、最適化パラメータは、オプティマイザ出力、ステップサイズ、最適性測度、または残差のうちの１つ以上を含む。
実施例Ｃ７は例Ｃ４または例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットによって生成される少なくとも１つのスカラ出力は、以下のうちの１つまたは複数から導出されるビームフォーミングされたエコーの定量値を含む：積分パワー、ピークパワー、ピーク振幅、ピーク大きさ、二乗平均二乗振幅、二乗平均二乗大きさ、平均振幅、平均大きさ、ピーク対ピーク振幅、ピーク自己相関大きさ、ピーク自己相関振幅、スペクトル帯域幅、またはスペクトル中心周波数。
実施例Ｃ８は実施例Ｃ４または実施例Ｃ１－Ｃ３５のいずれかのシステムを含む。前記データ処理ユニットによって生成された少なくとも１つのスカラ出力は、以下のうち１つ以上を用いて、物体から戻る受信音響エコーを記憶したエコーとマッチングすることによって導出されたビーム形成エコーの定量値を含む：（ｉ）平均絶対差、平均ユークリッド距離、平均編集距離、ピーク相互相関大きさ、ピーク相互相関振幅、ピーク畳み込み大きさ、ピーク畳み込み振幅、ピークコヒーレンス、およびピーク振幅二乗コヒーレンス；前記格納されたエコーは、以下のうち１つ以上から導かれる：物体からの較正されたビーム断面エコー、物体からの測定されたエコー、測定された送信インパルス応答、測定された受信インパルス応答、送信／受信インパルス応答、システムインパルス応答、送信された波形、送信波形を自身と畳み込んだもの、フィルタリングされた送信波形、分析的送信波形、ウィンドウ送信波形、復調された送信波形、数学的に定義された送信波形、または数学的に定義されたシステムインパルス応答。
実施例Ｃ９は例Ｃ４または例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットまたは物体ビーム形成器は、１つのスカラ出力のうちの２つ以上の最適値が選択され得るように、トランスデューサ素子のアレイおよび／またはオブジェクトを記述するパラメータの２つ以上のセットに対応するオブジェクトの２つ以上のビームフォーミングされたエコーに対応する１つのスカラ出力のうちの２つ以上を生成するための２つ以上の反復を含む最適化を生成するように構成される。
実施例Ｃ１０は実施例Ｃ９または実施例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、トランスデューサ素子および／またはオブジェクトのアレイを記述するパラメータの２つ以上のセットに対応するオブジェクトの２つ以上の再ビーム形成されたエコーに対応する１つのスカラ出力のうちの２つ以上において、閾値未満の有意でない変化を最適化が生成するとき、物体が検出される。
実施例Ｃ１１は実施例Ｃ９または実施例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、２つ以上の組のパラメータおよび／またはトランスデューサ素子のアレイおよび／またはオブジェクトの２つ以上の再ビーム形成されたエコーに対応するオブジェクトを記述する２つ以上の組のパラメータの関数における閾値未満の有意でない変化を最適化が生成するとき、物体が検出される。
実施例Ｃ１２は例Ｃ１１のシステム、または例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかを含み、パラメータの２つ以上のセットに対して適用される関数は、ユークリッドノルム、マンハッタンノルム、ｐ－ノルム、最大ノルム、複合ノルム、非対称ノルム、およびマハラノビス距離のうちの１つ以上を含む。
実施例Ｃ１３は実施例Ｃ１１のシステムまたは実施例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかを含み、同じ関数が、２つ以上のパラメータセットを表す２つ以上のスカラ量を生成する２つ以上のパラメータセットに対して適用される。
実施例Ｃ１４は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、オブジェクトモデルの複数の領域の各領域を別々にコヒーレントオブジェクトビームフォーミングすることによって、オブジェクトをオブジェクトの複数の領域に対してコヒーレントにビームフォーミングし、その後、コヒーレントにオブジェクトビームフォーミングされた各領域から得られる信号を目的関数においてコヒーレントに結合するように構成される。
実施例Ｃ１５は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、オブジェクトモデルの複数の領域の各領域を別々にコヒーレントオブジェクトビームフォーミングすることによって、オブジェクトをオブジェクトの複数の領域に対してコヒーレントにビームフォーミングし、その後、コヒーレントオブジェクトビームフォーミングされた各領域から得られる信号を、目的関数においてインコヒーレントに結合するように構成される。
実施例Ｃ１６は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、オブジェクトの物理的特性のセットは、オブジェクトの１つ以上の表面特性、１つ以上の体積特性、または１つ以上の表面特性および１つ以上の体積特性の両方を含む。
実施例Ｃ１７は実施例Ｃ１６または実施例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、物体の物理的特性のセットは、物体の密度、体積弾性率、または音響特性を含む。
実施例Ｃ１８は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、オブジェクトを再ビームフォーミングするために合成開口エコーの同じセットを使用するように構成される。
実施例Ｃ１９は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、合成開口エコーの部分的に更新されたセットを使用して、オブジェクトを再ビームフォーミングするように構成される。
実施例Ｃ２０は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、合成開口エコーの完全に更新されたセットを使用して、オブジェクトを再ビームフォーミングするように構成される。
実施例Ｃ２１は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、オブジェクトのモデルを記憶するように構成される。
実施例Ｃ２２は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、オブジェクトのモデルを生成するか、オブジェクトのモデルを修正するか、またはオブジェクトのモデルを生成し、修正するように構成される。
実施例Ｃ２３は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、トランスデューサ素子のアレイのジオメトリを記憶するように構成される。
実施例Ｃ２４は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは、トランスデューサ素子のアレイのジオメトリについての情報を生成し、トランスデューサ素子のアレイのジオメトリについての情報を修正し、またはトランスデューサ素子のアレイのジオメトリについての情報を生成し修正するように構成される。
実施例Ｃ２５は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、表示ユニットは表示スクリーンを含み、表示スクリーン上にオブジェクトの画像の視覚的表示を提示するように構成され、オブジェクトの画像はトランスデューサ素子のアレイの基準のフレーム内または基準の外部フレーム内にレンダリングされ、これにより、オブジェクトの画像の視覚的表示はオブジェクトとトランスデューサ素子のアレイとの間の相対移動を更新および視覚化するように動作可能である。
実施例Ｃ２６は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、物体ビーム形成器ユニットは以下のように構成される：（ｉ）各送信器位置からオブジェクトのモデル上の点までおよび各受信器位置に戻る過程において決定された遅延を計算する；（ｉｉ）入射ベクトル、反射ベクトル、受信ベクトル、トランスデューサ法線ベクトル、オブジェクト面法線ベクトル、および／または複素反射率に関するオブジェクトに関する事前情報にしたがって、鏡面散乱、音響場指向性、減衰、拡散損失、および複素反射率のうちの１つまたは複数の重みを計算する；（ｉｉｉ）遅延および重み付けされたエコーを組み合わせる前に、計算された遅延および計算された重みを記憶されたエコーに対して適用して、１つまたは複数のビームフォーミングされたエコーを生成する。
実施例Ｃ２７は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、データ処理ユニットは、時間ウィンドウにわたってビームフォーミングされたエコーパワーを積分し、時間ウィンドウにわたって積分されたビーム形成器エコーパワーを最大化するために、ビーム形成器への入力としてトランスデューサ素子位置および法線ベクトルに対して適用される変換を最適化するように構成される。
実施例Ｃ２８は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、表示ユニットは、最適化された変換の逆数にしたがって、トランスデューサ素子のアレイの基準フレーム内のオブジェクトを視覚化するように構成される。
実施例Ｃ２９は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、トランスデューサ素子のアレイは、物体に対して空間的に分離された１つ以上のトランスミッタトランスデューサ素子および１つ以上のレシーバトランスデューサ素子を含む。
実施例Ｃ３０は実施例Ｃ２９または実施例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、１つ以上の送信器トランスデューサ素子および１つ以上の受信器トランスデューサ素子は、物体を完全にまたは少なくとも部分的に取り囲む。
実施例Ｃ３１は実施例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、トランスデューサ素子のアレイは、物体の表面上で反射サンプルが著しく分離されるように、物体のモノスタティック反射サンプルおよびバイスタティック反射サンプルを含む少なくとも３つの反射サンプルを生成するように構成された少なくとも３つのトランスデューサ素子を含む。
実施例Ｃ３２は実施例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、トランスデューサ素子のアレイは、物体の表面上で反射サンプルが著しく分離されるように、物体の少なくとも３つのモノスタティック反射サンプルおよび少なくとも３つのバイスタティック反射サンプルを生成するように構成された少なくとも３つのトランスデューサ素子を含む。
実施例Ｃ３３は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、オブジェクトのモデルは、複数の頂点と、１つの音響波長分解能以下の面で物体を近似する複数の面とを含む。
実施例Ｃ３４は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、オブジェクトのモデルは、複数の点と、少なくとも１つの音響波長分解能内でオブジェクトを近似する各点に対応する複数の表面法線ベクトルとを含む。
実施例Ｃ３５は例Ｃ１～Ｃ３５のいずれかのシステムを有し、１つ以上の音響波形は、２つ以上の個々の符号化波形を含む１つ以上の複合波形を含む。
本特許文書に記載される主題および機能的動作の実装は、本明細書に開示される構造およびそれらの構造的等価物を含む、様々なシステム、デジタル電子回路、またはコンピュータソフトウェア、ファームウェア、もしくはハードウェアにおいて、またはそれらのうちの１つもしくは複数の組み合わせにおいて実装され得る。本明細書で説明する主題の実装形態は１つまたは複数のコンピュータプログラム製品、すなわち、データ処理装置による実行のために、またはデータ処理装置の動作を制御するために、有形かつ非一時的なコンピュータ可読媒体上に符号化されたコンピュータプログラム命令の１つまたは複数のモジュールとして実装され得る。コンピュータ可読媒体は、機械可読記憶デバイス、機械可読記憶基板、メモリデバイス、機械可読伝搬信号をもたらす物質の組成、またはそれらのうちの１つまたは複数の組み合わせであり得る。「データ処理ユニット」または「データ処理装置」という用語は、例として、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、または複数のプロセッサもしくはコンピュータを含む、データを処理するためのすべての装置、デバイス、および機械を包含する。装置はハードウェアに加えて、問題のコンピュータプログラムのための実行環境を作成するコード、例えば、プロセッサファームウェア、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステム、またはそれらのうちの１つまたは複数の組み合わせを構成するコードを含むことができる。
コンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、スクリプト、またはコードとしても知られる）はコンパイルまたは解釈された言語を含む、任意の形態のプログラミング言語で書くことができ、スタンドアロンプログラムとして、またはコンピューティング環境での使用に適したモジュール、コンポーネント、サブルーチン、または他のユニットとしてを含む、任意の形態で展開することができる。コンピュータプログラムは、必ずしもファイルシステム内のファイルに対応しない。プログラムは他のプログラムまたはデータ（例えば、マークアップ言語文書に記憶された１つまたは複数のスクリプト）を保持するファイルの一部、プログラム専用の単一ファイル、または複数の協調ファイル（例えば、１つまたは複数のモジュール、サブプログラム、またはコードの一部を記憶するファイル）に記憶することができる。コンピュータプログラムは、１つのコンピュータ上で、または１つのサイトに位置するか、または複数のサイトにわたって分散され、通信ネットワークによって相互接続された複数のコンピュータ上で実行されるように展開することができる。
本明細書で説明されるプロセスおよび論理フローは、入力データ上で動作し、出力を生成することによって機能を実行するために、１つまたは複数のコンピュータプログラムを実行する１つまたは複数のプログラマブルプロセッサによって実行され得る。プロセスおよび論理フローはまた、特殊目的論理回路、例えば、ＦＰＧＡ(フィールドプログラマブルゲートアレイ）またはＡＳＩＣ(特定用途向け集積回路）によって実行することができ、装置はまた、特殊目的論理回路として実装することができる。
コンピュータプログラムの実行に適したプロセッサは、例として、汎用および専用マイクロプロセッサの両方、ならびに任意の種類のデジタルコンピュータの任意の１つまたは複数のプロセッサを含む。一般に、プロセッサは、読み出し専用メモリまたはランダムアクセスメモリまたはその両方から命令およびデータを受信する。コンピュータの必須素子は、命令を実行するためのプロセッサと、命令およびデータを記憶するための１つまたは複数のメモリデバイスである。一般に、コンピュータはまた、データ、例えば、磁気、光磁気ディスク、または光ディスクを記憶するための１つまたは複数の大容量記憶デバイスからデータを受信するか、それらにデータを転送するか、またはそれらの両方を行うように動作可能に結合される。しかしながら、コンピュータは、そのようなデバイスを有する必要はない。コンピュータプログラム命令およびデータを記憶するのに適したコンピュータ可読媒体は例として、半導体メモリデバイス、例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、およびフラッシュメモリデバイスを含む、すべての形態の不揮発性メモリ、媒体、およびメモリデバイスを含む。プロセッサおよびメモリは、専用論理回路によって補足されるか、または専用論理回路に組み込まれ得る。
本明細書は図面と共に、例示的な手段が例示である例示的なものに過ぎないと考えられることが意図される。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は文脈が明らかにそわないことを示さない限り、複数形も含むことが意図される。さらに、「または」の使用は文脈が明らかにそわないことを示さない限り、「および／または」を含むことを意図する。
この特許文献は多くの詳細を含むが、これらは任意の発明の範囲または特許請求され得るもの限定として解釈されるべきではなく、むしろ特定の発明の特定の実施形態に特有であり得る特徴の説明として解釈されるべきである。別々の実施形態の文脈で本特許文献に記載されている特定の特徴は、単一の実施形態において組み合わせて実施することもできる。逆に、単一の実施形態の文脈で説明される様々な特徴は複数の実施形態において別々に、または任意の適切なサブコンビネーションで実装することもできる。さらに、特徴は特定の組み合わせで作用するものとして上述されてもよく、最初にそのように特許請求されたものとしてさえも、特許請求された組み合わせからの１つまたは複数の特徴は場合によっては組み合わせから切り出すことができ、特許請求された組み合わせはサブコンビネーションまたはサブコンビネーションの変形形態を対象とすることができる。
同様に、動作が特定の順序で図面に描かれているが、これは所望の結果を達成するために、そのような動作が示された特定の順序で、または連続的な順序で実行されること、またはすべての図示された動作が実行されることを必要とするものとして理解されるべきではない。さらに、本特許文書に記載される実施形態における様々なシステム構成素子の分離は、すべての実施形態においてそのような分離を必要とするものとして理解されるべきではない。
いくつかの実装形態および例のみが説明され、他の実装形態、拡張形態、および変形形態は、本特許文書に記載および図示されるものに基づいて行うことができる。

Claims (45)

  1. 合成開口音響イメージングシステムであって、
    対象物の周りの異なる位置にある異なる音響トランスデューサデバイスのアレイであって、物体において音響信号を送信、受信、および／または送受信して、前記物体との音響イメージングシステムの合成開口を達成するように構成され、前記音響信号は、送信音響信号および前記物体から返された受信音響エコーを含む、アレイ；
    異なる音響トランスデューサデバイスの前記アレイと通信するコンピューティングデバイスであって、プロセッサとメモリを備え、前記コンピューティングデバイスは物体ビーム形成器ユニットを備え、前記物体ビーム形成器ユニットは、（ｉ）前記物体のモデルに対する前記トランスデューサ素子のアレイの位置、向き、および／または幾何学的形状の関数として、前記物体の１つまたは複数の領域について受信された音響エコーのうち少なくともいくつかを少なくとも組み合わせることによって前記物体をビーム形成するように構成され、前記物体のモデルは前記物体を表す情報を備え、（ｉｉ）前記音響エコーをビーム形成することから導出される前記物体の前記１つまたは複数の領域に関する空間情報を含む１つまたは複数のビーム形成された出力信号を生成する、ように構成されており、前記コンピューティングデバイスは、前記物体ビーム形成器ユニットとデータ通信するデータ処理ユニットを備え、前記データ処理ユニットは、（ｉ）１つまたは複数のビーム形成された出力信号を最適化して、位置、向き、幾何学的形状、または物理的特性のセットのうちの１つまたは複数を決定し、（ｉｉ）前記データ処理ユニットによって決定された、前記トランスデューサ素子のアレイの前記座標系に対する、前記位置、前記向き、前記幾何学的形状、または前記物理的特性のセットのうち１つ以上の処理結果に基づき、前記物体の画像を生成する、ように構成されている、コンピューティングデバイス；
    を備えるシステム。
  2. 前記システムは、前記トランスデューサ素子のアレイに対して結合された送信器および受信器回路を備え、前記送信器および受信器回路は、
    （ｉ）送信前記トランスデューサ素子のアレイのうち１つまたは複数の選択された素子によって、１つまたは複数の音響波形として変換および送信されるデジタル信号として送信音響波形を生成および／または処理し、（ｉｉ）受信トランスデューサ素子のアレイのうち１つまたは複数の選択された素子において受信された前記音響エコーを、音響リターンエコー波形を表すデジタル信号に変換する、
    ように構成されている、
    請求項１記載のシステム。
  3. 前記物体ビーム形成器ユニットは、
    （ｉ）前記トランスデューサ素子のアレイの前記幾何学的形状および前記物体の前記モデルに基づいて遅延および重みを計算し、（ｉｉ）計算された遅延および重みにしたがって前記音響エコーをビーム形成することから導出される、前記生成された１つまたは複数のビーム形成された出力信号に対応するデジタル信号を生成する、
    ように構成されている、
    請求項１記載のシステム。
  4. 前記データ処理ユニットは、前記物体ビーム形成器ユニットによって生成された前記１つまたは複数のビーム形成された出力信号を、
    (ｉ)前記１つまたは複数のビーム形成された出力信号を処理して、前記１つまたは複数のビーム形成された出力信号に関連する少なくとも１つのスカラ出力を生成し、（ｉｉ）前記少なくとも１つのスカラ出力を処理して、前記トランスデューサ素子のアレイおよび／または前記物体の前記モデルに関連する最適化パラメータを生成し、（ｉｉｉ）更新された１つまたは複数のビーム形成された出力信号を生成する前記トランスデューサ素子のアレイおよび／または前記物体の前記モデルに関連する更新された最適化パラメータを用いて前記物体を再ビーム形成するように前記物体ビーム形成器ユニットに対して命令し、（ｉｖ）（ａ）前記少なくとも１つのスカラ出力を閾値と比較する、（ｂ）前記少なくとも１つのスカラ出力の差分変化を閾値と比較する、および／または、（ｃ）前記最適化パラメータのうちの少なくとも１つおよび／または前記最適化パラメータの差分変化を閾値と比較する、ことによって前記物体を検出する、
    ことによって最適化するように構成されている、
    請求項１記載のシステム。
  5. 前記データ処理ユニットは、前記少なくとも１つのスカラ出力を前記閾値と比較すること、および、１つまたは複数の閾値を満たすように１つまたは複数の最適化パラメータが収束したことに基づいて、前記物体を検出するように構成されている、請求項４記載のシステム。
  6. 前記最適化パラメータは、オプティマイザ出力、ステップサイズ、最適性尺度、または残差のうちの１つまたは複数を含む、請求項４記載のシステム。
  7. 前記データ処理ユニットによって生成される前記少なくとも１つのスカラ出力は、
    積分パワー、ピークパワー、ピーク振幅、ピーク信号大きさ、二乗平均二乗振幅、二乗平均二乗信号大きさ、平均振幅、平均信号大きさ、ピークツーピーク振幅、ピーク自己相関信号大きさ、ピーク自己相関振幅、スペクトル帯域幅、スペクトル中心周波数、
    のうちの１つまたは複数から導出されるビーム形成されたエコーの定量値を含む、請求項４記載のシステム。
  8. 前記データ処理ユニットによって生成される少なくとも１つのスカラ出力は、前記物体から戻る前記受信音響エコーを記憶されているエコーとマッチングすることにより導出されるビーム形成エコーの定量値を含み、
    前記定量値は、
    （ｉ）平均絶対差、平均ユークリッド距離、平均編集距離、ピーク相互相関の大きさ、またはピーク相互相関振幅、ピーク畳み込み信号大きさ、ピーク畳み込み振幅、ピークコヒーレンス、およびピーク振幅二乗コヒーレンス、
    のうちの１つまたは複数を使用して導出され、
    前記記憶されているエコーは、
    前記物体からの校正されたビーム形成エコー、前記物体からの測定されたエコー、測定された送信インパルス応答、測定された受信インパルス応答、前記送信／受信インパルス応答、前記システムインパルス応答、前記送信波形、前記送信波形をそれ自体と畳み込んだもの、フィルタ処理された送信波形、分析的送信波形、ウィンドウ化された送信波形、復調された送信波形、数学的に定義された送信波形、数学的に定義されたシステムインパルス応答、
    のうちの１つまたは複数から導出される、
    請求項４記載のシステム。
  9. 前記データ処理ユニットまたは前記物体ビーム形成器ユニットは、２つ以上の反復を含む最適化を生成して、前記トランスデューサ素子のアレイおよび／または前記物体を記述するパラメータの２つ以上のセットに対応する前記物体の２つ以上のビーム形成されたエコーに対応する１つのスカラ出力のうちの２つ以上を生成するように構成され、これにより、１つのスカラ出力のうちの２つ以上のより最適なものが選択される、請求項４記載のシステム。
  10. 前記トランスデューサ素子のアレイおよび／または前記物体を記述するパラメータの２つ以上のセットに対応する、前記物体の２つ以上の再ビーム形成されたエコーに対応する前記１つのスカラ出力のうちの２つ以上において、前記最適化が閾値を下回る有意でない変化を生成するときに、前記物体が検出される、請求項９記載のシステム。
  11. 前記２つ以上のパラメータのセットおよび／または前記物体の２つ以上の再ビーム形成されたエコーに対応する前記トランスデューサ素子のアレイおよび／または前記物体を記述するパラメータの２つ以上のセットの関数において、前記最適化が閾値を下回る有意でない変化を生成するときに、前記物体が検出される、請求項９記載のシステム。
  12. 前記２つ以上のパラメータセットに対して適用される前記関数は、ユークリッドノルム、マンハッタンノルム、ｐ－ノルム、最大ノルム、複合ノルム、非対称ノルム、またはマハラノビス距離のうちの１つ以上を含む、請求項１１記載のシステム。
  13. 同じ関数が、パラメータの２つ以上のセットに対して適用され、パラメータの２つ以上のセットを表す２つ以上のスカラ量を生成する、請求項１１記載のシステム。
  14. 前記物体ビーム形成器ユニットは、前記物体モデルの前記複数の領域の各領域を別々にコヒーレントにオブジェクトビーム形成し、その後、コヒーレントにオブジェクトビーム形成された各領域から得られる信号を目的関数においてコヒーレントに結合することによって、前記物体を前記物体の複数の領域に対してコヒーレントにビーム形成するように構成される、請求項１記載のシステム。
  15. 前記物体ビーム形成器ユニットは、前記物体モデルの前記複数の領域の各領域を別々にコヒーレントにオブジェクトビーム形成し、その後、コヒーレントにオブジェクトビーム形成された各領域から得られる信号を、目的関数においてインコヒーレントに結合することによって、前記物体を前記物体の複数の領域に対してコヒーレントにビーム形成するように構成される、請求項１記載のシステム。
  16. 前記物体の前記物理的特性のセットは、前記物体の１つまたは複数の表面特性、１つまたは複数の体積特性、または、１つまたは複数の表面特性および１つまたは複数の体積特性の両方を含む、請求項１記載のシステム。
  17. 前記物体の前記物理的特性のセットは、前記物体の密度、体積弾性率、または音響特性を含む、請求項１６記載のシステム。
  18. 前記物体ビーム形成器ユニットは、合成開口エコーの同じセットを使用して前記物体を再ビーム形成するように構成される、請求項１記載のシステム。
  19. 前記物体ビーム形成器ユニットは、部分的に更新された合成開口エコーのセットを使用して、前記物体を再ビーム形成するように構成される、請求項１記載のシステム。
  20. 前記物体ビーム形成器ユニットは、完全に更新された合成開口エコーのセットを使用して、前記物体を再ビーム形成するように構成される、請求項１記載のシステム。
  21. 前記物体ビーム形成器ユニットは、前記物体の前記モデルを記憶するように構成される、請求項１記載のシステム。
  22. 前記物体ビーム形成器ユニットは、前記物体の前記モデルを生成する、前記物体の前記モデルを修正する、または、前記物体の前記モデルを生成し修正するように構成される、請求項１記載のシステム。
  23. 前記物体ビーム形成器ユニットは、前記トランスデューサ素子のアレイの前記幾何学的形状を記憶するように構成される、請求項１記載のシステム。
  24. 前記物体ビーム形成器ユニットは、前記トランスデューサ素子のアレイの前記幾何学的形状についての情報を生成し、前記トランスデューサ素子のアレイの前記幾何学的形状についての情報を修正し、または、前記トランスデューサ素子のアレイの前記幾何学的形状についての情報を生成し修正するように構成される、請求項１記載のシステム。
  25. 前記システムはさらに、ディスプレイスクリーンを備えたディスプレイユニットを備え、
    前記表示ユニットは、前記ディスプレイスクリーン上に前記物体の画像の視覚的表示を提示するように構成されており、前記物体の画像は前記トランスデューサ素子のアレイの基準フレーム内または外部基準フレーム内に描画され、これにより、前記物体の画像の前記視覚的表示は、前記物体と前記トランスデューサ素子のアレイとの間の相対移動を更新および視覚化するように動作可能である、
    請求項１記載のシステム。
  26. 前記物体ビーム形成器ユニットは、
    （ｉ）各送信器位置から前記物体のモデル上の点までおよび各受信器位置に戻るまでの過程で決定される遅延を計算する；（ｉｉ）入射ベクトル、反射ベクトル、受信ベクトル、トランスデューサ法線ベクトル、オブジェクト面法線ベクトル、および／または前記複素反射率に関する前記物体についての先験的情報にしたがって、鏡面散乱、音響場指向性、減衰、拡散損失、または複素反射率のうちの１つまたは複数についての重みを計算する；（ｉｉｉ）遅延および重み付けされたエコーを組み合わせる前に、前記計算された遅延および前記計算された重みを記憶されたエコーに対して適用して、１つまたは複数のビーム形成されたエコーを生成する、
    ように構成されている、請求項１記載のシステム。
  27. 前記データ処理ユニットは、時間ウィンドウにわたってビーム形成されたエコーパワーを積分し、前記ビーム形成器への入力としてトランスデューサ素子位置および法線ベクトルに対して適用される変換を最適化して、前記時間ウィンドウにわたって前記積分されたビーム形成器エコーパワーを最大化するように構成される、請求項１記載のシステム。
  28. 前記表示ユニットは、前記最適化された変換の逆数にしたがって、前記トランスデューサ素子のアレイの前記基準フレーム内の前記物体を視覚化するように構成される、請求項１記載のシステム。
  29. 前記トランスデューサ素子のアレイは、前記物体に対して空間的に分離された１つ以上の送信器トランスデューサ素子および１つ以上の受信器トランスデューサ素子を含む、請求項１記載のシステム。
  30. 前記１つまたは複数の送信器トランスデューサ素子および前記１つまたは複数の受信器トランスデューサ素子は、前記物体を完全にまたは少なくとも部分的に取り囲む、請求項２９記載のシステム。
  31. 前記トランスデューサ素子のアレイは、前記物体のモノスタティック反射サンプルおよびバイスタティック反射サンプルを含む少なくとも３つの反射サンプルを生成するように構成された少なくとも３つのトランスデューサ素子を含み、これにより、前記反射サンプルは前記物体の表面上で著しく分離される、請求項１記載のシステム。
  32. 前記トランスデューサ素子のアレイは、前記物体の少なくとも３つのモノスタティック反射サンプルと、前記物体の少なくとも３つのバイスタティック反射サンプルとを生成するように構成された少なくとも３つのトランスデューサ素子を含み、これにより、前記反射サンプルは前記物体の表面上で著しく分離される、請求項１記載のシステム。
  33. 前記物体の前記モデルは、複数の頂点と、１つ以下の音響波長分解能で前記物体を近似する複数の面とを含む、請求項１記載のシステム。
  34. 前記物体の前記モデルは、複数の点と、少なくとも１つの音響波長分解能内で前記物体を近似する各点に対応する複数の表面法線ベクトルとを含む、請求項１記載のシステム。
  35. 前記１つ以上の音響波形は、２つ以上の個々の符号化波形を含む１つ以上の複合波形を含む、請求項１記載のシステム。
  36. 合成開口音響イメージングのための方法であって、
    物体における変換された音響波形の送信および前記物体からの戻り音響エコーの受信に基づいて合成開口を形成することによって、前記物体においておよび前記物体から、トランスデューサ素子のアレイのトランスデューサ素子によって音響信号を送信および受信するステップ；
    前記物体の１つまたは複数の領域から返されて１つまたは複数のビーム形成された出力信号を生成する、前記受信した前記戻り音響エコーのエコーサンプルを使用して、前記物体をビーム形成するステップであって、前記１つまたは複数のビーム形成された出力信号は、前記ビーム形成のための１つまたは複数の入力の関数であり、前記ビーム形成のための前記１つまたは複数の入力は、前記物体を表す情報を含む、ステップ；
    前記１つまたは複数のビーム形成された出力信号を最適化して、前記物体の位置、向き、幾何学的形状、または物理的特性のセットのうちの１つまたは複数を決定するステップ；
    前記物体の位置、向き、幾何学的形状、または物理的特性のセットのうちの１つまたは複数の処理結果に基づいて前記物体の画像を生成するステップ；
    を有する方法。
  37. 前記物体の前記位置、前記向き、前記幾何学的形状、または前記物理的特性のセットのうちの１つまたは複数は、
    前記１つまたは複数のビーム形成された出力信号に基づき１つまたは複数のスカラ出力を生成するステップ；
    前記物体の前記位置、前記向き、前記幾何学的特性、または前記物理的特性のうちの少なくともいくつかの関数として前記１つまたは複数のスカラ出力を最適化するステップ；
    検出条件と比較した最適化の入力および出力の値または変更に基づいて、最適化器を使用して１つまたは複数の目的関数の最適化の程度を決定することによって、前記物体を検出するステップ；
    によって決定される、
    請求項３６記載の方法。
  38. 前記１つまたは複数のスカラ出力は、前記トランスデューサ素子のアレイの位置、向き、または幾何学的形状のうちの少なくともいくつかの関数として最適化される、請求項３７記載の方法。
  39. 前記物体の前記位置、前記向き、前記幾何学的形状、または前記物理的特性のセットのうちの１つまたは複数を決定するステップは、
    前記１つまたは複数のビーム形成された出力信号に関連する少なくとも１つのスカラ出力を生成するステップ、
    前記少なくとも１つのスカラ出力を処理して、前記トランスデューサ素子のアレイを定義しおよび／または前記物体の前記モデルを定義する最適化パラメータのセットを生成するステップ、
    を有する請求項３６記載の方法。
  40. 前記物体の前記物理的特性のセットは、前記物体の１つまたは複数の表面特性、１つまたは複数の体積特性、または、１つまたは複数の表面特性および１つまたは複数の体積特性の両方を含む、請求項３６記載の方法。
  41. 前記物体をビーム形成するステップは、前記物体の前記モデルに対する前記トランスデューサ素子のアレイの位置、向き、およびジオメトリのうちの少なくともいくつかの関数として、前記物体の１つまたは複数の領域に対応する遅延および重みを計算することを含む、請求項３６記載の方法。
  42. 前記生成された１つまたは複数のビーム形成された出力信号は、前記物体の１つまたは複数の領域からの遅延および重み付けされたエコーサンプルをコヒーレントに合計することから導出された、または前記物体の１つまたは複数の領域からの遅延および重み付けされたエコーサンプルをコヒーレントに乗算することから導出された、前記物体の前記１つまたは複数の領域に関する空間情報を含む、請求項４１記載の方法。
  43. 前記方法は、
    前記トランスデューサ素子のアレイの送信器位置およびレシーバ位置、前記トランスデューサ素子のアレイの属性、前記物体の前記モデルの点、および前記物体の前記モデルの属性に対応するエコーサンプルの遅延エコーサンプルおよび重み付け係数を生成するステップを有し、
    前記生成された遅延エコーサンプルおよびエコーサンプルの重み付け係数は、前記物体の１つまたは複数の領域からの遅延および重み付けエコーサンプルをコヒーレントに組み合わせる際に使用される、
    請求項３６記載の方法。
  44. 前記１つまたは複数のビーム形成された出力信号は、１つまたは複数のスカラ出力を最適化する関数として、受信されたエコーサンプルの同じセット、受信されたエコーサンプルの部分的に新しいセット、または受信されたエコーサンプルの完全に新しいセットから繰り返し生成される、請求項３６記載の方法。
  45. 請求項１から３５のいずれか１項記載のシステムによって実施される、請求項３６から４４のいずれか１項記載の方法。
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