JP5362019B2 - 波の伝搬を用いた検査方法及び検査装置 - Google Patents
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Description
本発明は波の伝搬を用いた検査方法及び検査装置に関する。
より詳細には、本発明は、
（ａ）変換器ｉの集合体によって（すなわち、変換器の集合体のすべてまたは一部によって）散乱性の媒質中に入射波を発信する複数回の発信（ａ１）と、各入射波の媒質での反射波を表す信号を当該変換器の集合体によって（すなわち、変換器の集合体のすべてまたは一部によって）捕捉する複数回の受信（ａ２）と、を含む測定ステップと、
（ｂ）捕捉した信号を処理する処理ステップと、
を含む、波の伝搬を用いた検査方法に関する。
（ａ）変換器ｉの集合体によって（すなわち、変換器の集合体のすべてまたは一部によって）散乱性の媒質中に入射波を発信する複数回の発信（ａ１）と、各入射波の媒質での反射波を表す信号を当該変換器の集合体によって（すなわち、変換器の集合体のすべてまたは一部によって）捕捉する複数回の受信（ａ２）と、を含む測定ステップと、
（ｂ）捕捉した信号を処理する処理ステップと、
を含む、波の伝搬を用いた検査方法に関する。
上述の変換器は、電気信号を波（波の種類は問わない）に変換することができるあらゆる装置であってよいことに留意されたい。
上述の処理ステップは、例えば、媒質の特性パラメータを測定すること、及び／または、媒質の特異点を検出すること、及び／または、媒質の画像を生成すること、及び／または、媒質のパルス応答を特定した後に（例えば、通信、治療、その他の目的で）媒質の所定の場所に信号を集束させること、を可能にする。
この種の方法は、医療用イメージング、治療、材料の非破壊検査、地震学、地中イメージングなどの目的で、例えば、ソナー、レーダー、エコー検査、適応光学イメージングシステムのような検出システム及びイメージングシステムにおいて、特に利用可能である。
これら既知の方法は、特に媒質の不均質性によって媒質に収差が生じる場合、その実施に大きな困難を伴う。これは、その場合、発信においても受信においても、波を効率的に集束させることが難しいためである。
イメージングされる媒質の不均質性によってもたらされる歪みを補正する方法は、すでに様々なものが提案されている。そのうちのいくつかは、歪み補正を可能にする集束ゾーン内の輝点（反射体）の利用に基づくものである。特に、プラダ（Prada）ほか「反復時間反転法：パルス反射モードにおける自動集束のための解決法として（The iterative time reversal process： A solution to self-focusing in the pulse echo mode）」、米国音響学会会報（J．Acoust．Soc．Am．）、第90巻、1119〜1129頁、1991年を参照のこと。
しかし、残念ながら、より一般的なケースではこうした輝点は設けられない。そのため、媒質によって後方散乱された波のコヒーレンス性を利用する方法が、マラート（Mallart）ほか「パルス反射測定におけるヴァン・シッタート・ゼルニケ（van Cittert−Zernike）の定理（The van Cittert−Zernike theorem in pulse echo measurements）」、米国音響学会会報、第90巻、第5号、2718〜2727頁、1991年によって開発されているが、ロバスト性の欠如が産業レベルでの実施を妨げてきた。
本発明は、特に上記の欠点を抑制することを目的とする。
そこで、本発明では、処理ステップで、同一のアイソプラナティックゾーンZI(r0)に属する点rkにそれぞれがほぼ由来する複数組ｋの反射信号Bk(i, t)であって、前記アイソプラナティックゾーンZI(r0)は前記複数組ｋの信号に共通し、それ自体は前記媒質の点r0と関連しており、各前記点rkは前記媒質に拘わらず互いに異なることもあれば、前記媒質がランダム運動をする散乱体を含むときは点r0と同一視されることもある、複数組ｋの反射信号Bk(i, t)を考え、
前記各点rkが互いに異なるときに、前記複数組ｋの反射信号Bk(i, t)のタイミング調整を行い、補正信号B0k(i, t)＝Bk(i, t−Gi(rk))（値Gi(rk)は、前記変換器ｉに信号ek(i, t)＝e0(i, t+Gi(rk)）を発信させたときに入射波がほぼ前記点rkに集束する遅延。信号e0(i, t)は基準信号であって、前記変換器ｉに前記基準信号e0(i, t)を発信させたときに入射波がほぼ前記点r0に集束する基準信号）を取得し、
前記信号B0k(i, t)＝Bk(i, t−Gi(rk))同士の位相を合わせ（各点rkがr0と同一視されるときは、Gi(rk)＝0となり、従ってB0k(i, t)＝Bk(i, t)となることに留意されたい）、それらを平均化することによって、平均信号Bf(i, t)（値ckは各々の前記信号B0kの位相合わせを可能にする遅延。Akは重み係数（場合によっては、すべての係数Akが１でありうる））を得る。
前記各点rkが互いに異なるときに、前記複数組ｋの反射信号Bk(i, t)のタイミング調整を行い、補正信号B0k(i, t)＝Bk(i, t−Gi(rk))（値Gi(rk)は、前記変換器ｉに信号ek(i, t)＝e0(i, t+Gi(rk)）を発信させたときに入射波がほぼ前記点rkに集束する遅延。信号e0(i, t)は基準信号であって、前記変換器ｉに前記基準信号e0(i, t)を発信させたときに入射波がほぼ前記点r0に集束する基準信号）を取得し、
前記信号B0k(i, t)＝Bk(i, t−Gi(rk))同士の位相を合わせ（各点rkがr0と同一視されるときは、Gi(rk)＝0となり、従ってB0k(i, t)＝Bk(i, t)となることに留意されたい）、それらを平均化することによって、平均信号Bf(i, t)（値ckは各々の前記信号B0kの位相合わせを可能にする遅延。Akは重み係数（場合によっては、すべての係数Akが１でありうる））を得る。
この構成により、媒質の収差に起因する、空間的にコヒーレントでない捕捉信号の変動をなくすことが可能となり、それによって、きわめて収差の大きい媒質（例えば、超音波イメージングまたは超音波治療における頭蓋や、腹部の超音波イメージングまたは超音波治療の場合の脂肪層及び筋肉層）であっても、媒質の不均質性によって生じる歪みを生じないようにすることができる。
本発明による方法は、既存のシステムにおいても実施が容易であり、また、きわめてロバスト性の高いことがわかっている。
反射信号Bk(i, t)は、必ずしも物理的に反射された信号に限られず、また必ずしも物理的に点rkに由来する信号に限らず、実際、これらの信号は以下のいずれかのものであってよい。
−各点rkにそれぞれ集束する入射波から物理的に捕捉される信号。この場合、信号は実際に物理的に反射されたものであり、実際に物理的に点rkに由来するものである。
−各点rkに集束しない入射波から合成された信号。この場合、合成された信号は、点rkから物理的に反射されたものではなく、点rkから物理的に反射されたならば得られたあろう信号を再現したものとなる。
−各点rkにそれぞれ集束する入射波から物理的に捕捉される信号。この場合、信号は実際に物理的に反射されたものであり、実際に物理的に点rkに由来するものである。
−各点rkに集束しない入射波から合成された信号。この場合、合成された信号は、点rkから物理的に反射されたものではなく、点rkから物理的に反射されたならば得られたあろう信号を再現したものとなる。
本発明による方法の様々な実施態様では、さらに、場合によって以下の構成の一つ及び／または他の一つを利用することができる。
−前記各組ｋの信号は前記点rkに集束する発信ｋに対応し、前記各発信ｋの際に信号ek(i, t)＝e0(i, t+Gi(rk))が発信される。
−前記遅延Gi(rk)は、前記変換器ｉに信号ek(i, t)＝e0(i, t+Gi(rk))を発信させるとき、前記媒質が均質であると仮定した場合に前記入射波が前記点rkに集束する遅延である。
−前記基準信号e0(i, t)は、前記媒質が均質であるとみなして決定される。
−前記遅延ckは前記信号B0k(i, t)を前記信号e0(i, t)と比較することによって計算される。
−前記遅延ckは前記各信号B0k(i, t)を互いに比較することによって計算される。
−前記測定ステップ及び前記処理ステップは、同一のアイソプラナティックゾーンZI(r0)に対する複数回にわたる連続した反復ｊによって行われ、その反復ごとに平均信号Bfj(i, t)が得られ、初回反復１に続く新たな各前記反復ｊの前記発信（ａ１）に使用される前記信号e0(i, t)は、ステップj−1で決定された前記平均信号Bfj-1(i, t)の時間反転Bfj-1(i, -t)の推定値をもとに決定される。
−前記時間反転の前記推定値は、前記時間反転Bfj-1(i, -t)の波面をもとに決定される。
−前記初回反復ｊ＝1の前記基準信号e0(i, t)は、前記媒質が均質であるとみなして決定される。
−前記遅延Gi(rk)は0であり、前記媒質がランダム運動をする散乱体を含んでいるとき、すべての前記点rkは前記点r0と同一視される。
−前記反射信号Bk(i, t)は、前記測定ステップで行われる前記発信及び前記受信をもとに、合成手法によって形成される。
−前記媒質の相異なる点r0に関連する複数の平均信号Bf(i, t)が決定され、前記複数の平均信号Bf(i, t)が、前記媒質の画像の形成に利用される。
−前記平均信号Bf(i, t)は、前記媒質に固有のパラメータの計算に利用される。
−前記パラメータは前記波の伝搬速度である。
−前記波は、超音波、力学的な波及び電磁波の中から選択される。
−前記波は、超音波、（超音波以外の）力学的な波及び電磁波の中から選択される。
−前記各組ｋの信号は前記点rkに集束する発信ｋに対応し、前記各発信ｋの際に信号ek(i, t)＝e0(i, t+Gi(rk))が発信される。
−前記遅延Gi(rk)は、前記変換器ｉに信号ek(i, t)＝e0(i, t+Gi(rk))を発信させるとき、前記媒質が均質であると仮定した場合に前記入射波が前記点rkに集束する遅延である。
−前記基準信号e0(i, t)は、前記媒質が均質であるとみなして決定される。
−前記遅延ckは前記信号B0k(i, t)を前記信号e0(i, t)と比較することによって計算される。
−前記遅延ckは前記各信号B0k(i, t)を互いに比較することによって計算される。
−前記測定ステップ及び前記処理ステップは、同一のアイソプラナティックゾーンZI(r0)に対する複数回にわたる連続した反復ｊによって行われ、その反復ごとに平均信号Bfj(i, t)が得られ、初回反復１に続く新たな各前記反復ｊの前記発信（ａ１）に使用される前記信号e0(i, t)は、ステップj−1で決定された前記平均信号Bfj-1(i, t)の時間反転Bfj-1(i, -t)の推定値をもとに決定される。
−前記時間反転の前記推定値は、前記時間反転Bfj-1(i, -t)の波面をもとに決定される。
−前記初回反復ｊ＝1の前記基準信号e0(i, t)は、前記媒質が均質であるとみなして決定される。
−前記遅延Gi(rk)は0であり、前記媒質がランダム運動をする散乱体を含んでいるとき、すべての前記点rkは前記点r0と同一視される。
−前記反射信号Bk(i, t)は、前記測定ステップで行われる前記発信及び前記受信をもとに、合成手法によって形成される。
−前記媒質の相異なる点r0に関連する複数の平均信号Bf(i, t)が決定され、前記複数の平均信号Bf(i, t)が、前記媒質の画像の形成に利用される。
−前記平均信号Bf(i, t)は、前記媒質に固有のパラメータの計算に利用される。
−前記パラメータは前記波の伝搬速度である。
−前記波は、超音波、力学的な波及び電磁波の中から選択される。
−前記波は、超音波、（超音波以外の）力学的な波及び電磁波の中から選択される。
また、本発明はさらに、上に定義したような検査方法を実施するための装置であって、散乱性の媒質（１）中に入射波を発信し、前記入射波が前記媒質（１）で反射された反射波を表す信号を捕捉するようにされた変換器ｉの集合体（３）と、
前記変換器ｉの集合体（３）に前記媒質（１）中に前記入射波を発信させる複数回の発信（ａ１）と、前記各入射波が前記媒質で反射された反射波を表す前記信号を捕捉する複数回の受信（ａ２）と、を含む少なくとも１回の測定を前記変換器の集合体（３）に行わせるようにされた制御手段（５）と、
さらに、同一のアイソプラナティックゾーンZI(r0)に属する点rkにそれぞれがほぼ由来する複数組ｋの反射信号Bk(i, t)であって、前記アイソプラナティックゾーンZI(r0)は前記複数組ｋの信号に共通し、それ自体は前記媒質の点r0と関連しており、各前記点rkは前記媒質に拘わらず互いに異なることもあれば、前記媒質がランダム運動をする散乱体を含むときは点r0と同一視されることもある、複数組ｋの反射信号Bk(i, t)を考える処理ステップ（ｂ）を行うようにされた処理手段（５）と、を備え、
前記処理手段（５）は、
前記各点rkが互いに異なるときに、前記複数組ｋの反射信号Bk(i, t)のタイミング調整を行い、補正信号B0k(i, t)＝Bk(i, t−Gi(rk))（値Gi(rk)は、前記変換器ｉに信号ek(i, t)＝e0(i, t+Gi(rk)）を発信させたときに入射波がほぼ前記点rkに集束する遅延。信号e0(i, t)は基準信号であって、前記変換器ｉに前記基準信号e0(i, t)を発信させたときに入射波がほぼ前記点r0に集束する基準信号）を取得するようにされ、さらに、
前記信号B0k(i, t)＝Bk(i, t−Gi(rk))同士の位相を合わせ、それらを平均化することによって、平均信号
前記変換器ｉの集合体（３）に前記媒質（１）中に前記入射波を発信させる複数回の発信（ａ１）と、前記各入射波が前記媒質で反射された反射波を表す前記信号を捕捉する複数回の受信（ａ２）と、を含む少なくとも１回の測定を前記変換器の集合体（３）に行わせるようにされた制御手段（５）と、
さらに、同一のアイソプラナティックゾーンZI(r0)に属する点rkにそれぞれがほぼ由来する複数組ｋの反射信号Bk(i, t)であって、前記アイソプラナティックゾーンZI(r0)は前記複数組ｋの信号に共通し、それ自体は前記媒質の点r0と関連しており、各前記点rkは前記媒質に拘わらず互いに異なることもあれば、前記媒質がランダム運動をする散乱体を含むときは点r0と同一視されることもある、複数組ｋの反射信号Bk(i, t)を考える処理ステップ（ｂ）を行うようにされた処理手段（５）と、を備え、
前記処理手段（５）は、
前記各点rkが互いに異なるときに、前記複数組ｋの反射信号Bk(i, t)のタイミング調整を行い、補正信号B0k(i, t)＝Bk(i, t−Gi(rk))（値Gi(rk)は、前記変換器ｉに信号ek(i, t)＝e0(i, t+Gi(rk)）を発信させたときに入射波がほぼ前記点rkに集束する遅延。信号e0(i, t)は基準信号であって、前記変換器ｉに前記基準信号e0(i, t)を発信させたときに入射波がほぼ前記点r0に集束する基準信号）を取得するようにされ、さらに、
前記信号B0k(i, t)＝Bk(i, t−Gi(rk))同士の位相を合わせ、それらを平均化することによって、平均信号
（値ckは各々の前記信号B0kの位相合わせを可能にする遅延。Akは重み係数）を得るようにされている、装置も目的とする。
本発明のその他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して非限定的な例として示すいくつかの実施態様についての以下の説明の中で明らかになるであろう。
各図において、同じ符号はそれぞれ同一または類似の要素を指している。
図１に、波の発信及び受信によって媒質１を検査するようにされた装置の例を示す。以下では、当該の波が圧縮超音波（例えば、周波数が2〜4MHzのもの）である場合について、さらに具体的に本発明の説明を行う。ただし、本発明は、例えば、圧縮超音波以外の力学的な波、電磁波、その他、あらゆる種類の波にも適用可能であることに留意されたい。
媒質１は対象となっている波にとって散乱的であり、特に、媒質１は、媒質１中に発信された波を反射することができるランダムに分散した散乱体(diffuseurs)２を含んでいる。
対象の媒質１は、例えば人体の一部であってよく、散乱体は、特には、媒質１中にあって解像されない小粒子であってよい（こうした散乱体のエコー検査からは、「スペックル」と呼ばれる画像が生じる）。もちろん、検査対象の媒質１はそれ以外のもの、例えば、非破壊検査の一環として構造の検査が望まれる工業製品の一部であってもよい。
媒質１はさらに、本例にあっては収差発生層２を含んでいる。このような収差発生層の例として挙げられるのは、脳の超音波イメージングの場合にあっては頭蓋であり、腹部の超音波イメージングの場合にあっては脂肪層及び筋肉層であるが、より一般的には、媒質１のその他の部分に対して不均質ないかなる層であってもよい。
図１に示す検査装置は、変換器４の集合体３を有している。集合体３は、例えば超音波圧電変換器の直線的なネットワークであり、従来は、媒質１（より具体的には、本例にあっては収差発生層(la couche aberratrice)２）と接する剛体の棒材の形を取ることができる。図示した例では、この棒材はx軸に沿って延び、媒質１を平面（x, z）内で検査することができる。ここで、zはxと直交し媒質１の深さ方向に延びている。
変換器のネットワーク３はN個の変換器を備えている。Nは、例えば１００〜５００の範囲の数であってよい。例えば、それぞれの幅が約０．３９mmの１００個程度の変換器４を備えた棒材を使用することができる。本実施形態の変換器４は、電気信号を圧縮超音波に変換し、またはその逆を行うことができる超音波変換器であることを理解されたい。しかし、本特許において、変換器は、より一般的には、電気信号をいかなる性質のものであれ波（力学的な波、電磁波、光波等）に変換し、またその逆を行うことができるあらゆる装置をいうものとする。
ネットワーク３の各変換器４は、例えばデジタル信号処理手段を含む中央ユニット５（ＵＣ）によって個別に制御することが可能である。この中央ユニット５は、例えば媒質１の画像を画面６に表示するようにされている。
媒質１を検査するために、中央ユニット５は変換器４に電気信号を送信し、その電気信号が上記の変換器によって、媒質１中に発信される波（この場合は圧縮超音波）へと変換され、その波が、媒質中に含まれる散乱体によって部分的に反射される。すると、散乱波（すなわちエコー）の一部が変換器４の方に戻り、変換器４はそれを捕捉して受信電気信号に変換し、次いでその電気信号が中央ユニット５によって処理される。
本発明による方法は、媒質１の各調査対象点r0に向けて、その点の方向またはその近傍に集束するｎ個からなる一群の入射波を発信することによって、収差発生層２による作用を補正しようとするものである。ただし、ｎは、好ましくは５より大、例えば５〜２０、特に１０〜１５の範囲の整数である。
図２は、媒質１の点r0の方向に集束する第１の入射波e0(x, z, t)の発信を模式化したものである。この入射波は、基準信号に円筒遅延則(loi de retard cylindrique)を適用することによって決まる信号e0(i, t)をネットワーク３の各変換器ｉに発信させることによって生成される。この遅延則は、従来、先験的に収差がないものと（これまでのあらゆるエコー検査がそうであるように、誤って）仮定して、各変換器ｉと集束点r0の間の進行差を補償するように決められている。
しかし、収差発生層２によってもたらされる不均質性によって集束の質は著しく低下し、それによって、図２に示すように、収差発生層２通過後の波面は大きく変形する。とりわけ、集束スポットの二次ローブのレベルは大きくなる。集束点r0では、波は２つの項、すなわち、集束点r0における集束信号f0(x, z, t)（すなわち、収差発生層がない場合に得られるはずの信号）と、二次ローブ（集束の「欠陥」）に相当する信号s0(x, z, t)、の和に分解することができる。
図３に示すように、変換器ネットワークで受信される後方散乱信号は、式：B0(x, t)＝Bf0(x, z, t)+Bs0(x, z, t)で表すことができる。ここで、Bf0(x, t)は集束信号の後方散乱に相当し、Bs0(x, t)は集束の低下を表すローブの後方散乱に相当する。
ヴァン・シッタート・ゼルニケの定理［特に、R．マラート及びM．フィンク「パルス反射測定におけるヴァン・シッタート・ゼルニケの定理」(The van Cittert−Zernike theorem in pulse echo measurements)、（米国音響学会会報、第90巻、第5号、2718〜2727頁、1991年）参照］によれば、空間にランダムに分布した散乱体群によって後方散乱する信号の空間コヒーレンスは散乱源の大きさに反比例し、集束スポット（小さな散乱源に相当する）によって後方散乱する信号はコヒーレントな信号となり、ローブ（広がりのある散乱源をなす）によって後方散乱する信号は非コヒーレントな信号となる。
媒質１に含まれる散乱体の位置が変換器のネットワーク３による２回の超音波の発射の間にランダムに変化すると（例えば、媒質１が一定の流動性をもつ生体媒質、または血液のように流動する流体媒質であるとき）、第１の入射波e0(x, z, t)と同じ波形の新たな入射波ei(x, z, t)が続いて発信されると、後方散乱信号B1(x, t)＝Bf1(x, t)+Bs1(x, t)が新たに生成される。
そこで、標的点r0に向かって集束するn発の入射波e0(x, z, t)、e1(X, z, t)、・・・ek(x, z, t)、・・・en-1(x, z, t)を含む一群の発信を行い、次いで、図５に示すように、それぞれの後方散乱信号B0(x, z, t)、B1(x, z, t)、・・・Bk(x, z, t)、・・・Bn-1(x, z, t)（これらは、上述のｎ回の発信群に対応する同じ受信群を形成する）を平均化することができる。この平均計算の際に、信号のコヒーレントな部分は強め合うように加算されるが、非コヒーレントな部分は弱め合うように合計され、平均計算の際に最終的に消去される。
上述の平均が、重み係数Akを用いた加重平均であってよいことに留意されたい。
実際には、ネットワーク３の各変換器ｉによって捕捉される連続した後方散乱信号Bfk(i, t)の平均化は、各回の発射ｋ後に行う。各変換器ｉについて平均化によって得られた信号Bf(i, t)は、上述のコヒーレントな信号Bfを表している。
このプロセスを、媒質１中の複数の標的点r0について繰り返すことができる。従って、イメージングの適用例では、イメージングの対象ゾーン全体をカバーする標的点r0のマトリクスについて、このプロセスを繰り返すことができる。
媒質１の各点r0について平均化によって計算されたコヒーレントな信号Bf(i, t)は、次いで、媒質１の画像を形成するために、または、（例えば、治療その他の目的で）媒質の特定の点に正確に集束する波を後から発信できるようにするために、さらには、媒質のパラメータ（例えば、関係する波、特に本明細書で説明する具体例においては圧縮超音波の伝搬速度）を計算するために、従来のように使用することができる。
上に説明した方法は、次の２つの面でさらに完全なものとすることができる。
−ゾーン平均化 (moyennage de zone)：大半の適用例では、媒質は変化せず、ランダムな媒質についての様々な時間的態様を得ることはできない。その場合、ランダムな媒質の様々な空間的態様を利用してゾーン平均化を行うことができる。この空間的態様は、同じ一群の発信に属する様々な発信の入射波を、その一群の発信の標的点r0を囲む「アイソプラナティックゾーン」と呼ばれる小ゾーン内に位置する複数の点に順次集束させることによって得られる。
−整相 (rephasage)：特に媒質が変化するときは、同じ一群の発信に属する波fk(x, z, t)とfk'(x, z, t)の位相がずれる。従って、捕捉された信号を、平均化の前に同位相に戻すことが好ましい。
−ゾーン平均化 (moyennage de zone)：大半の適用例では、媒質は変化せず、ランダムな媒質についての様々な時間的態様を得ることはできない。その場合、ランダムな媒質の様々な空間的態様を利用してゾーン平均化を行うことができる。この空間的態様は、同じ一群の発信に属する様々な発信の入射波を、その一群の発信の標的点r0を囲む「アイソプラナティックゾーン」と呼ばれる小ゾーン内に位置する複数の点に順次集束させることによって得られる。
−整相 (rephasage)：特に媒質が変化するときは、同じ一群の発信に属する波fk(x, z, t)とfk'(x, z, t)の位相がずれる。従って、捕捉された信号を、平均化の前に同位相に戻すことが好ましい。
ゾーン平均化
静的な媒質内にあっては、点r0に正確に集束する入射波を用いたときに、（媒質１の同一点r0に対応する）同じ一群の受信において、後方散乱信号の様々なランダムな態様を得ることはできない。
静的な媒質内にあっては、点r0に正確に集束する入射波を用いたときに、（媒質１の同一点r0に対応する）同じ一群の受信において、後方散乱信号の様々なランダムな態様を得ることはできない。
この問題を解決し、検査対象の標的点r0のそれぞれについて上述の平均信号Bf(i, t)を決定できるようにするために、関係する標的集束点r0(x0, z0)の周囲にあり、かつ関係する標的点r0(x0, z0)を取り囲む小ゾーンZI(r0)内にある媒質の様々な点rkに、入射波を集束させる。
アイソプラナティックゾーンと呼ばれるこの小ゾーンZI(r0)は、r0に集束する入射波に対して単に角度を付けるだけで（すなわち、各変換器４に遅延を与えることで）入射波を効率的にrkに集束させることができる種類のものである。より具体的には、アイソプラナティックゾーンZI(r0)は、そのゾーンのあらゆる点から発する後方散乱波の波面が、アイソプラナティックゾーンの当該各点間の隔たりに伴う波長の約４分の１の範囲内でのタイミングのずれを除き、同一であるということをもって定義することができる。
いうまでもなく、同じ一群の発信に属するすべての入射波を正確に同じ点r0に集束させる上述のケースにおいては、それらすべての入射波がその点r0に関連付けられたアイソプラナティックゾーンZI(r0)内に集束することが理解されよう。
一方、ここで取り上げるように複数の点rkに集束するケースでは、同じ一群の発信に属するｎ回の発信はそれぞれ、アイソプラナティックゾーンZI(r0)のr0及びその他の点rkの、合計ｎ個（ｎは、好ましくは５より大であり、例えば５〜２０、特には、前述の例のように１０〜１５であってよい）の点に集束する。ネットワーク３の変換器１によって発信される信号ek(i, t)は、ek(i, t)＝e0(i, t+Gi(rk))の形で表すことができる。ここで、Gi(rk)は、入射波がほぼrkに集束するように変換器ｉの信号に加えられる、上述の基準信号e0(i, t)（e0(i, t)はr0に集束できる信号）に対する遅延である。この遅延Gi(rk)は、例えば、媒質１が均質であるとして決定することができる。
アイソプラナティックゾーンZI(r0)への各回の入射波の発射の間、点r0(x0, z0)に集束させたときの後方散乱信号は、前述のようにB0(x, t)＝Bf0(x, t)+Bs0(x, t)である。
それに対して、アイソプラナティックゾーンZI(r0)に属するr0と異なる点rk（この点は、例えば、r0と同じ深さz0にある場合、rk(x0＋Δx, z0)の座標をもつ）に入射波を集束させるときには、x方向にランダムに配置された散乱体の異なるゾーンを考えることになるため、後方散乱の異なる態様、Bk(x, t)＝Bfk(x＋Δx, t)+Bsk(x＋Δx, t) が得られる。
この一群のｎ回の発信から、前述のケースと同様に、アイソプラナティックゾーンZI(r0)に対応する一群のｎ回の受信を得る。このｎ回の受信によってｉ＊ｎ個の捕捉された信号Bk(i, t)がもたらされる。
これらの信号は、わずかに異なる点rkに入射波が集束することによって生じた位相のずれを補正するため、まず相互にタイミング調整される。そのために、補正された信号B0k(i, t)＝Bk(i, t−Gi(rk))を計算する。この式は、常に同じ点r0に集束される上述のケースでも正しいことに留意されたい。なぜなら、その場合はrk＝r0、Gi(rk)＝0、及びB0k(i, t)＝Bk(i, t)となるためである。
最後に、補正された信号B0k(i, t)の位相を合わせ、その平均化を行って平均信号Bf(i, t)を得る。ここで、値ckは各々の信号B0kの位相合わせを可能にする遅延であり、Akは重み係数（場合により、すべて１）である。整相を可能にする遅延ckは、以下に「整相」の部分で説明するようにして決定される。
上に説明したように、このプロセスを、媒質１の検査対象ゾーン全体がカバーされるように、複数の標的点r0について繰り返すことができる。
整相
散乱体の異なる２つの態様（すなわち、散乱体の異なる２つのランダムな状態）に対応する同じ一群内の異なる２回の発射に由来する２つの後方散乱信号Bk(x, z, t)とBk'(x, z, t)の間では、コヒーレントな信号Bfk(x, z, t)とBfk'(x, z, t)はほぼ同じであるが、タイミング調整後であっても両者の間には位相差がある可能性がある。これは、例えば、２回の発射の間で媒質が変化するからであり、または、単純に、媒質の不均質性を考えると、２つの異なる点への集束後に２つの後方散乱信号をタイミング調整によって完全に整相することはできないという理由による。
散乱体の異なる２つの態様（すなわち、散乱体の異なる２つのランダムな状態）に対応する同じ一群内の異なる２回の発射に由来する２つの後方散乱信号Bk(x, z, t)とBk'(x, z, t)の間では、コヒーレントな信号Bfk(x, z, t)とBfk'(x, z, t)はほぼ同じであるが、タイミング調整後であっても両者の間には位相差がある可能性がある。これは、例えば、２回の発射の間で媒質が変化するからであり、または、単純に、媒質の不均質性を考えると、２つの異なる点への集束後に２つの後方散乱信号をタイミング調整によって完全に整相することはできないという理由による。
従って、平均化の前に信号を整相することが有益である。この整相操作は様々な方法で行うことができ、特に、後方散乱信号同士の比較による方法及び基準信号e0との比較による方法が可能である。
信号同士の比較に関しては、B0kとB0k'の間、例えばB0kとB00の間の時間的相関関係を計算することができる。Ck(τ)はτ＝ckで最大値を取るが、この値ckはB0k(i, t)とB00(i, t)の間の位相差であり、すべての信号B0kを互いに整相するために、この位相差が、各補正信号B0k(i, t)に適用されなければならない。
基準信号e0との比較に関しては、例えば、時間反転波B0k(i, -t)とe0(i, t)の間の時間的相関関係C(τ)を計算することができる。この式はτ＝ckで最大値を取るが、この値ckは、すべての信号B0k(i, t)を互いに整相するためにそれぞれの補正信号B0k(i, t)に適用される遅延である。
反復的手順
媒質１の各標的点r0に対応するコヒーレントな信号Bf(i, t)が得られると、最初の集束よりも良好な集束度で点r0に集束する新たな発信を形成することが可能になる。この新たな信号は、信号Bf(i, t)を時間的に反転させることによって得ることができる。この場合、e0(i, t)＝Bf(i, -t)を、これがr0に集束する信号であることから、基準信号とする。
媒質１の各標的点r0に対応するコヒーレントな信号Bf(i, t)が得られると、最初の集束よりも良好な集束度で点r0に集束する新たな発信を形成することが可能になる。この新たな信号は、信号Bf(i, t)を時間的に反転させることによって得ることができる。この場合、e0(i, t)＝Bf(i, -t)を、これがr0に集束する信号であることから、基準信号とする。
次いで、上述の測定（発信／受信）ステップ及び受信信号処理ステップを、アイソプラナティックゾーンZI(r0)ごとに反復し（連続した複数回の反復ｊ）、各反復のたびに平均信号Bfj(i, t)（すなわち、反復ｊについて計算された前述の平均信号Bf）を得ることができる。ただし、初回反復（ｊ＝１）に続く新たな各反復ｊの発信（ａ１）のために使用される信号e0(i, t)は、ステップｊ−１で決定された平均信号Bfj-1(i, t)の時間反転Bfj-1(i, -t)の推定値から決定される。
数回、一般には３〜４回にわたる反復の後に、Bf(i, t)は安定した値に収斂する。
サンプリングされた信号について調べるだけにせよ、この反復的プロセスでは、一般に、反復ｊ−１から反復ｊに移る際の時間反転Bfj-1(i, -t)の単純な近似が求められることに留意されたい。
こうした近似は、場合によっては、単に時間反転波Bfj-1(i, -t)の波面であってよい。従って、パルス発振器型の変換器４だけを設ける場合、Bf(x, -t)は単純な遅延則及び振幅則によって近似することができる。ここで、A(x)は振幅則、r(t)は遅延則、P(t)はそれぞれの経路における同一パルスの形状である。
合成信号の利用
上述のすべての変形例において、場合により、１つまたは複数の点rkに集束しない入射波を発信することが可能である。その場合、測定ステップで行われる発信及び受信から従来の合成手法によって（例えば、集束しない入射波からの捕捉信号を線形に組み合わせることにより）、反射波Bk(i, t)を、rkに集束する波の発信後にその信号Bk(i, t)が捕捉されたかのように帰納的に形成することが可能である。合成された信号Bk(i, t)は、その後、上に説明したように扱うことができる。
上述のすべての変形例において、場合により、１つまたは複数の点rkに集束しない入射波を発信することが可能である。その場合、測定ステップで行われる発信及び受信から従来の合成手法によって（例えば、集束しない入射波からの捕捉信号を線形に組み合わせることにより）、反射波Bk(i, t)を、rkに集束する波の発信後にその信号Bk(i, t)が捕捉されたかのように帰納的に形成することが可能である。合成された信号Bk(i, t)は、その後、上に説明したように扱うことができる。
エコー検査イメージングにおける収差補正への適用
図７，８はそれぞれ、波長よりもはるかに小さい多くの微小散乱体（寒天の粉）を含むゼラチン塊からなる媒質１の、２つのエコー検査画像を示したものである。厚さ３ｍｍの不規則な形状の収差発生媒質が変換器のネットワークと媒質との間に配置されている。この収差発生媒質は超音波ビームに大きな位相変化（＞２π）を生じさせる。
図７，８はそれぞれ、波長よりもはるかに小さい多くの微小散乱体（寒天の粉）を含むゼラチン塊からなる媒質１の、２つのエコー検査画像を示したものである。厚さ３ｍｍの不規則な形状の収差発生媒質が変換器のネットワークと媒質との間に配置されている。この収差発生媒質は超音波ビームに大きな位相変化（＞２π）を生じさせる。
図７には、従来のエコー検査技法（経路形成）によって得られた画像を示しているが、細部を見分けることは全くできない。図７には、本発明による方法を反復的に実施し、３〜４回の反復の後に得られた画像を示している。平均化によって得られたコヒーレントな信号は媒質のグリーン関数を表しており、はるかに高品質の画像を得ることができる。そして、標準画像では見ることができなかった無反射ゾーン７を、この補正画像でははっきりと見て取ることができる。
均質な、または層状の媒質中における波の平均伝搬速度の計算への適用
波の伝搬速度がわかっていない均質な媒質を考える。本発明の手法によって得られた後方散乱波のコヒーレントな寄与分を利用して、その速度を計算することができる。均質な媒質中では、点r0から生じる後方散乱信号のコヒーレントな部分は次式に対応する。波の伝搬速度ｃは、平均化された捕捉信号Bf(i, t)を伝搬モデルに基づき解析曲線に対応させることによって推定することができる。この適用法は、層状の不均質な媒質の場合にも容易に拡張することができる。
波の伝搬速度がわかっていない均質な媒質を考える。本発明の手法によって得られた後方散乱波のコヒーレントな寄与分を利用して、その速度を計算することができる。均質な媒質中では、点r0から生じる後方散乱信号のコヒーレントな部分は次式に対応する。波の伝搬速度ｃは、平均化された捕捉信号Bf(i, t)を伝搬モデルに基づき解析曲線に対応させることによって推定することができる。この適用法は、層状の不均質な媒質の場合にも容易に拡張することができる。
Claims (16)
- （ａ）変換器ｉの集合体（３）によって散乱性の媒質（１）中に入射波を発信する複数回の発信（ａ１）と、前記各入射波の前記媒質（１）での反射波を表す信号を前記変換器の集合体によって捕捉する複数回の受信（ａ２）と、を含む測定ステップと、
（ｂ）捕捉した前記信号を処理する処理ステップと、
を含む、波の伝搬を用いた検査方法において、
前記処理ステップで、同一のアイソプラナティックゾーンZI(r0)に属する点rkにそれぞれがほぼ由来する複数組ｋの反射信号であって、前記アイソプラナティックゾーンZI(r0)は前記複数組ｋの信号に共通し、それ自体は前記媒質の点r0と関連しており、各前記点rkは前記媒質に拘わらず互いに異なることもあれば、前記媒質がランダム運動をする散乱体を含むときは点r0と同一視されることもある、複数組ｋの反射信号Bk(i, t)を考え、
前記各点rkが互いに異なるときに、前記複数組ｋの反射信号Bk(i, t)のタイミング調整を行い、補正された信号B0k(i, t)＝Bk(i, t−Gi(rk))（値Gi(rk)は、前記変換器ｉに信号ek(i, t)＝e0(i, t+Gi(rk)）を発信させたときに入射波がほぼ前記点rkに集束する遅延。信号e0(i, t)は基準信号であって、前記変換器ｉに前記基準信号e0(i, t)を発信させたときに入射波がほぼ前記点r0に集束する基準信号）を取得し、
前記信号B0k(i, t)＝Bk(i, t−Gi(rk))同士の位相を合わせ、それらを平均化することによって、平均信号
- 前記各組ｋの信号は前記点rkに集束する発信ｋに対応し、前記各発信ｋの際に信号ek(i, t)＝e0(i, t+Gi(rk))が発信される、請求項１に記載の方法。
- 前記遅延Gi(rk)は、前記変換器ｉに信号ek(i, t)＝e0(i, t+Gi(rk))を発信させるとき、前記媒質が均質であると仮定した場合に前記入射波が前記点rkに集束する遅延である、請求項１に記載の方法。
- 前記基準信号e0(i, t)は、前記媒質が均質であるとみなして決定される、請求項１に記載の方法。
- 前記遅延ckは前記信号B0k(i, t)を前記信号e0(i, t)と比較することによって計算される、請求項１に記載の方法。
- 前記遅延ckは前記各信号B0k(i, t)を互いに比較することによって計算される、請求項１に記載の方法。
- 前記測定ステップ及び前記処理ステップは、同一のアイソプラナティックゾーンZI(r0)に対する複数回にわたる連続した反復ｊによって行われ、その反復ごとに平均信号Bfj(i, t)が得られ、初回反復１に続く新たな各前記反復ｊの前記発信（ａ１）に使用される前記信号e0(i, t)は、ステップj−1で決定された前記平均信号Bfj-1(i, t)の時間反転Bfj-1(i, -t)の推定値をもとに決定される、請求項２に記載の方法。
- 前記時間反転の前記推定値は、前記時間反転Bfj-1(i, -t)の波面をもとに決定される、請求項７に記載の方法。
- 前記初回反復ｊ＝1の前記基準信号e0(i, t)は、前記媒質が均質であるとみなして決定される、請求項７に記載の方法。
- 前記遅延Gi(rk)は0であり、前記媒質がランダム運動をする散乱体を含んでいるとき、すべての前記点rkは前記点r0と同一視される、請求項１に記載の方法。
- 前記反射信号Bk(i, t)は、前記測定ステップで行われる前記発信及び前記受信をもとに、合成手法によって形成される、請求項１に記載の方法。
- 前記媒質の相異なる点r0に関連する複数の平均信号Bf(i, t)が決定され、前記複数の平均信号Bf(i, t)が、前記媒質の画像の形成に利用される、請求項１に記載の方法。
- 前記平均信号Bf(i, t)は、前記媒質に固有のパラメータの計算に利用される、請求項１に記載の方法。
- 前記パラメータは前記波の伝搬速度である、請求項１３に記載の方法。
- 前記波は、超音波、力学的な波及び電磁波の中から選択される、請求項１に記載の方法。
- 請求項１から１５のいずれか１項に記載の検査方法を実施するための装置であって、
散乱性の媒質（１）中に入射波を発信し、前記入射波が前記媒質（１）で反射された反射波を表す信号を捕捉するようにされた変換器ｉの集合体（３）と、
前記変換器ｉの集合体（３）に前記媒質（１）中に前記入射波を発信させる複数回の発信（ａ１）と、前記各入射波が前記媒質で反射された反射波を表す前記信号を捕捉する複数回の受信（ａ２）と、を含む少なくとも１回の測定を前記変換器の集合体（３）に行わせるようにされた制御手段（５）と、
さらに、同一のアイソプラナティックゾーンZI(r0)に属する点rkにそれぞれがほぼ由来する複数組ｋの反射信号Bk(i, t)であって、前記アイソプラナティックゾーンZI(r0)は前記複数組ｋの信号に共通し、それ自体は前記媒質の点r0と関連しており、各前記点rkは前記媒質に拘わらず互いに異なることもあれば、前記媒質がランダム運動をする散乱体を含むときは点r0と同一視されることもある、複数組ｋの反射信号Bk(i, t)を考える処理ステップ（ｂ）を行うようにされた処理手段（５）と、を備え、
前記処理手段（５）は、
前記各点rkが互いに異なるときに、前記複数組ｋの反射信号Bk(i, t)のタイミング調整を行い、補正信号B0k(i, t)＝Bk(i, t−Gi(rk))（値Gi(rk)は、前記変換器ｉに信号ek(i, t)＝e0(i, t+Gi(rk)）を発信させたときに入射波がほぼ前記点rkに集束する遅延。信号e0(i, t)は基準信号であって、前記変換器ｉに前記基準信号e0(i, t)を発信させたときに入射波がほぼ前記点r0に集束する基準信号）を取得するようにされ、さらに、
前記信号B0k(i, t)＝Bk(i, t−Gi(rk))同士の位相を合わせ、それらを平均化することによって、平均信号
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