JP3222653B2 - 超音波分散圧縮送受信方法及び超音波分散圧縮送受信装置 - Google Patents

超音波分散圧縮送受信方法及び超音波分散圧縮送受信装置

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康人 竹内
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は超音波分散圧縮送受信方
法及び超音波分散圧縮送受信装置の改良に関し、更に詳
しくはFMチャープ信号を用いた超音波分散圧縮送受信
方法及び超音波分散圧縮送受信装置に関する。
【0002】
【従来の技術】医用超音波装置とは一種の極短距離ソナ
ーであり、ターゲット(観測対象物:この場合被検体の
腹腔内)の損失性分散性の大きな音響学的性質と、診断
上の要求による映像系の空間分解能への要求に従って、
音響信号系の比帯域幅は非常に大きく(すなわち、イン
パルスレスポンスを非常に重視し)、また系のダイナミ
ックレンジへの要求も常に限界値を行っている。
【0003】また、ターゲットの生体軟部組織のエコー
源としての性質はポイントターゲットとは裏腹の全てが
クラッタのようなエコー源であり、スペックル性を基本
とし、卓越した硬いエコーは骨などの特例以外には存在
しない。
【0004】むしろ、組織実質部の砂を撒いたようなス
ペックルエコーの領域の中に僅かに性質の異なる部分が
識別できるとか、液体で満たされた管腔臓器の中身が本
当に透明か、なにかエコーを発する異物があるか、等が
大変重要な課題である。それ故に、一切のゴーストやス
プリアスレスポンスを極度に嫌う。すなわち、本質的に
ハイファイでクリーンであることが必須の条件である。
【0005】この様な観測系ないし信号系への要求は、
オーディオシステムや資源探査用の合成開口レーダにお
ける事情にも似ているともいえるが、大きく異なる点も
ある。すなわち、リアルタイム性と安全性が要求される
点である。リアルタイム性とは、動体即時観測、すなわ
ち動いている臓器の遅滞ない観測(ドプラシフト観測な
ども含めて)要求されることである。また生体組織への
安全性の確保は医療器械としては本質的に重要な課題で
ある。
【0006】すなわち、安全性と送信電力の両者を確保
しつつ装置の探査能力を向上させるために、大振幅の単
発パルスのパルスエコーシステムや単一周波数のCWシ
ステムに代えて、時間帯域幅積(TB積)が1よりはる
かに大きいスペクトラム拡散方式を用いた分散圧縮送受
信が有効である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】医用超音波装置のエコ
ー探査において以上のような事情に即して採用可能な分
散化信号として、FMチャープ信号がある。そして、メ
インローブの鋭さや形状は各々の事情による面があると
しても、一般に、送波信号のそれ自身の方式原理上のタ
イムサイドローブが大略−60dB程度以下であること
は最低限必要である。これは生体組織内のエコー源のレ
ベル分布に由来し、その分布範囲そのものである。
【0008】ゴーレイコード等の相補系列を位相変調の
コード信号として時分割的に用いる場合には、タイムサ
イドローブは各コードの受信相関処理の後で結果を一次
結合することで完全に消去され、静止ターゲットに対し
てはほぼ理想的な結果が得られる。しかしこの方式はド
プラシフトのあるターゲットには本質的に脆弱で、応用
可能な場面には制約がある。
【0009】また、ビンのシフト数のある特定の値のみ
に関して相補性を呈する系もあるが、システムが同期シ
ステムではなく、エコー源が至る所に分布しているスペ
ックル性の強いものであるので、メインローブ以外の一
切の不所望レスポンスは字義通りゴースト発生源とな
る。
【0010】図7は全長が50波長程度のアポダイゼー
ション無しのリニアFMチャープ信号の波形の一例を示
す波形図、図8は図7の波形の受波結果と元の波形とで
相互相関により得られた結果を示す特性図である。な
お、これらの図で横軸はサンプル番号であり、縦軸は信
号レベル[dB]を表している。また、以下の波形図や特性
図でも同様である。
【0011】これら図7,図8から分かるように、アポ
ダイゼーション無しのチャープ信号による相互相関のサ
イドローブは高々−30dB程度に留まる。従って、医
用超音波装置では実用に耐えない。
【0012】図9はコサイン自乗修飾のアポダイゼーシ
ョンチャープ信号の波形を示す波形図、図10は図9の
波形の受波結果と元の波形とで相互相関により得られた
結果を示す特性図である。このようにコサイン自乗修飾
のアポダイゼーションチャープ信号を用いることによ
り、サイドローブは−60dB程度になる。
【0013】しかし、媒質固有の伝播非線形性ないし周
波数依存性の減衰,システムの電子回路の歪み,A/D
変換の量子化の粗さ等の如く、タイムサイドローブを悪
化させる要因は他にも多数存在する。このため、送受信
のための信号設計において要求仕様の−60dBにごく
近いサイドローブにしか抑えられられないとすると、そ
れらの他の要因による悪化に対して配分できる資源がな
く、系全体としては実務上要求仕様を満たすことができ
ない。すなわち、タイムサイドローブはすべからく最小
限であることが強く望まれる。
【0014】本発明は上記の点に鑑みてなされたもの
で、その目的は、FMチャープ信号を用いてタイムサイ
ドローブの良い超音波分散圧縮送受信方法及び超音波分
散圧縮送受信装置を実現することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】前記の課題は、コサイン
自乗波形のアポダイゼーションを課したチャープ信号に
対してガウシアン分布のアポダイゼーションを課した二
重アポダイゼーションチャープ信号を送波信号として生
成し、送波信号を超音波としてターゲットに照射し、前
記ターゲットの反射波を受信して受信信号として出力
し、受信した信号波形と送波信号の信号波形との相互相
関を相関結果として求めることにより圧縮復調出力を得
ることを特徴とする超音波分散圧縮送受信方法により達
成される。
【0016】また、超音波分散圧縮送受信装置におい
て、コサイン自乗波形のアポダイゼーションを課したチ
ャープ信号に対してガウシアン分布のアポダイゼーショ
ンを課した二重アポダイゼーションチャープ信号を送波
信号として生成する送波信号生成手段と、送波信号を超
音波としてターゲットに照射し、反射波を受信して受信
信号として出力する送受波手段と、受信信号の信号波形
と送波信号の信号波形との相互相関を相関結果として求
めることにより圧縮復調出力を得る受信信号処理手段と
を備えたことを特徴とする超音波分散圧縮送受信装置に
よって解決される。
【0017】
【作用】この超音波分散圧縮送受信方法及び超音波分散
圧縮送受信装置において、コサイン自乗波形のアポダイ
ゼーションを課したチャープ信号に対してガウシアン分
布のアポダイゼーションを課した二重アポダイゼーショ
ンチャープ信号を送受波し、この受信信号の信号波形と
送波信号の信号波形との相互相関を相関結果として求め
ることにより圧縮復調出力を得るようにすることで、チ
ャープ信号を用いてタイムサイドローブの良い超音波分
散圧縮送受信が実現される。
【0018】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図1は本発明の一実施例を実現するための
超音波分散圧縮送受信装置の構成を分散圧縮送受信を行
う部分を中心に示す構成図である。図2は図1に示した
超音波分散圧縮送受信装置の主要部分を示す構成図であ
る。
【0019】まず、チャープ信号を用いた分散圧縮送受
信について図1及び図2を参照して説明を行う。コード
生成部11は図外の制御部等からの指示を受けて所定の
コードを生成する。本実施例では、上下周波数比2:1
程の、全長50波長程度のコサイン自乗振幅修飾したリ
ニアチャープ信号を発生し、更にこれをガウシアン分布
のアポダイゼーションを課した信号のコードを生成す
る。このガウシアン分布のアポダイゼーションとして
は、中心からの距離の自乗に応じたガウシアン分布など
を用いることができる。
【0020】そして、このようにして生成された送波信
号はD/A変換器12によりディジタル信号からアナロ
グ信号に変換され、アンプ13で増幅されて送受波器2
1から被検体に向けて送波される。
【0021】そして、被検体からの反射波を送受波器2
1で受信し、アンプ31で増幅し、A/D変換器32で
ディジタル信号に変換する。そして、受信信号処理部3
3において、送波信号と受信信号との相互相関処理を行
って、それぞれの相関結果を得る。このようにして得ら
れた相関結果を参照して図外の表示装置に表示を行う。
【0022】相互相関処理については、更に詳しく説明
する。A/D変換器32でディジタル変換された受信波
形は、受信波形一時記憶部33aに一時的に記憶されて
相関器33cの一方の入力に供給される。また、見本波
形生成部33bにはコード生成部11から波形発生のた
めのコードが通知されており、送波信号と同じ波形の見
本波形(本実施例では、二重アポダイゼーションチャー
プ信号)が生成される。そして、この見本波形が相関器
33cの他方の入力に供給される。相関器33cでは、
受信波形と見本波形との間で相互相関処理が行われる。
また、積分器33dにおいて積分処理が行われる。以上
のように二重アポダイゼーションチャープ信号について
相互相関処理(デチャープ処理)を行い、得られた相関
結果を表示用一時記憶部33eに記憶する。
【0023】このように構成した結果、本件出願の発明
者が実験を行って得られた結果によれば、図3に示す二
重アポダイゼーションチャープ信号を用いて、図4のよ
うな特性の結果を得ることができた。図3の信号は一例
として試用したものであり、この例においては信号生成
式としてFORTRANで書かれたソースプログラムの
一部を用いて表すと,iを1から1024までとして以
下の式のように定義されたものである。 sin(i/3.0+i*i/3600.0)*(0.5+0.5*cos((i-512)*1.22718
5E-02*0.5))*exp(-((abs(i-512)/320.0)**2) 以上のような信号を用いて得られた図4に示した結果で
は、タイムサイドローブは−120dBをクリアしてい
る。
【0024】図5は受信信号側にのみ、やや急峻な双峰
性のバンドパス特性を課した場合の信号波形を示す波形
図である。また、図6は図5の受信波形を用いて相互相
関により得られた特性を示す特性図である。この場合の
特性は、ペデスタルレベルの上昇は見られないが、メイ
ンローブの裾野が広がり出していることが観測された。
【0025】尚、以上の実施例では医用超音波装置を例
にして説明を行ったが、これ以外にも、衛星搭載降雨量
観測用レーダのようにタイムサイドローブの影響を嫌う
装置に応用することも可能である。
【0026】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、コサイン自
乗波形のアポダイゼーションを課したチャープ信号に対
してガウシアン分布のアポダイゼーションを課した二重
アポダイゼーションチャープ信号を送受波し、この受信
信号の信号波形と送波信号の信号波形との相互相関を相
関結果として求めることにより圧縮復調出力を得るよう
にすることで、チャープ信号を用いてタイムサイドロー
ブの良い超音波分散圧縮送受信が実現される。従って、
FMチャープ信号を用いてタイムサイドローブの良い超
音波分散圧縮送受信方法及び超音波分散圧縮送受信装置
を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の超音波分散圧縮送受信装置
の送受信に関する構成の概略を示す構成図である。
【図2】本発明の一実施例の超音波分散圧縮送受信装置
の受信信号処理に関する主要部の構成を示す構成図であ
る。
【図3】本発明の一実施例の分散圧縮送受信による信号
波形を示す波形図である。
【図4】本発明の一実施例の分散圧縮送受信による相互
相関による特性を示す特性図である。
【図5】本発明の一実施例の分散圧縮送受信による波形
の一例を示す波形図である。
【図6】本発明の一実施例の分散圧縮送受信による相互
相関による特性の一例を示す特性図である。
【図7】従来の分散圧縮送受信の送受波信号の波形を示
す波形図である。
【図8】従来の分散圧縮送受信の処理結果の特性を示す
特性図である。
【図9】従来の分散圧縮送受信の送受波信号の波形を示
す波形図である。
【図10】従来の分散圧縮送受信の処理結果の特性を示
す特性図である。
【符号の説明】
11 コード生成部 12 D/A変換器 13 アンプ 21 送受波器 31 アンプ 32 A/D変換器 33 受信信号処理部

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 コサイン自乗波形のアポダイゼーション
    を課したチャープ信号に対してガウシアン分布のアポダ
    イゼーションを課した二重アポダイゼーションチャープ
    信号を送波信号として生成し、 送波信号を超音波としてターゲットに照射し、前記ター
    ゲットの反射波を受信して受信信号として出力し、 受信した信号波形と送波信号の信号波形との相互相関を
    相関結果として求めることにより圧縮復調出力を得るこ
    とを特徴とする超音波分散圧縮送受信方法。
  2. 【請求項2】 超音波分散圧縮送受信装置において、 コサイン自乗波形のアポダイゼーションを課したチャー
    プ信号に対してガウシアン分布のアポダイゼーションを
    課した二重アポダイゼーションチャープ信号を送波信号
    として生成する送波信号生成手段(11)と、 送波信号を超音波としてターゲットに照射し、前記ター
    ゲットの反射波を受信して受信信号として出力する送受
    波手段(21)と、 受信信号の信号波形と送波信号の信号波形との相互相関
    を相関結果として求めることにより圧縮復調出力を得る
    受信信号処理手段(33)とを備えたことを特徴とする
    超音波分散圧縮送受信装置。
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CN106525969A (zh) * 2016-10-27 2017-03-22 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 采用余弦线性扫描信号进行锚杆无损检测的装置及方法

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