JP5637725B2 - 音響波イメージング装置 - Google Patents
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Description
像再構成技術が研究されている。
アダプティブアンテナ技術は、複数の受信素子からなるアレーアンテナを前提とした技術であり、CMP法の具体的計算は、概略次の通りである。
また、n個の複素数の重みを、w[k](k=1,2,…,n)とする。
この時、アレーアンテナの出力s[t]は、式(1)で表わすことができる。
CHW=1 … 式(6)
ここで、変数の右肩の「H」は複素共役転置行列を意味する。したがって、式(6)を拘
束条件として、式(3)の受信電力Pを最小にする重みベクトルWminを計算し、計算さ
れた重みベクトルWminを式(1)に代入すれば、CMP法に基づくアレーアンテナ受信
信号を計算することが出来る。実際に計算すると、重みベクトルWminは式(7)のよう
に得られる。
[1]入力信号x[k,t]を用いて式(5)の相関行列Aを計算する。
[2]拘束ベクトルCと相関行列Aを用いて式(7)の重み係数ベクトルWminを計算
する。
[3]重み係数ベクトルWminと入力信号x[k,t]を用いて式(2)の受信信号を
計算する。
最小電力Pminを受信信号とすれば良い。このようにすれば、妨害波の影響を最小限にしてSN比の良好な受信信号が得られる。
第1の課題は、アレーアンテナで受信された所望波が無限遠から到来する平面波であるのに対して、超音波のエコー信号は近距離からの球面波であり、しかもエコー信号の発生位置が時間とともに遠方に変化することである。この課題に対応するため、非特許文献1ではCMP法の計算の前に、各受信素子の受信信号の位相を揃えるための整相遅延処理を行っている。
CMP法は相関行列の逆行列計算処理を含むため、もともと計算量の多い方式である。このCMP法を超音波エコー信号処理に適用するためには、前述のように非常に短い周期でCMP法の計算を繰り返す必要があり、アレーアンテナの場合と比較しても計算量が膨大になる。
で繰り返し実行することができる。
しかし、非特許文献1は、この逆行列計算を含むCMP法の膨大な計算を実用的な商用に必要な速度と装置規模で実現する方法について、何も開示していない。
図1は従来の音響波イメージング装置の構成例を示す図である。ここで示したのは超音波を用いた超音波イメージング装置であるが、音響波が超音波領域であるかどうかは技術の本質に影響しない。図において、超音波探触子1には複数の超音波送受信素子が配列されている。送信信号処理回路2は情報処理部であるCPUの指示により送信信号3を発生し、スイッチ回路4を介して超音波送受信素子群5を駆動し、パルス状の超音波ビーム6を送信する。
図2は、本実施例の音響波イメージング装置の構成を示す図である。CMP法を適用する音響波イメージング装置は、従来の装置と比較して整相遅延回路8からCPUまでの間の受信信号処理回路部分が異なっている。この異なった回路部分は、整相遅延回路8によ
って到着時刻の揃えられた受信信号(つまり位相の揃えられた受信信号)に対して、式(8)で示した拘束付最小電力値Pminを実時間で計算する回路群である。
算し、相関行列データを取得する計算回路である。相関行列の各要素は、式(5)から容易
にわかるように、各信号間の積と一定時間間隔内の累積加算で計算できる。従って、要素ごとに乗算回路と累積加算回路とを組み合わせれば容易に実時間計算が可能である。そのため、複素相関行列計算回路22は、累積処理される時間間隔Tmごとに一つの相関行列を、A[1],A[2],A[3],… というように、順次出力することができる。
なお、整相遅延回路は本発明の整相部に当たる。複素信号化回路は本発明の複素信号化部に当たる。複素相関行列計算回路は本発明の複素相関行列計算部に当たる。拘束付電力計算回路は本発明の電力計算部に当たる。また、情報処理部であるCPUは計算した電力に基づき画像データ作成を行うため、本発明の画像作成部の機能を担っていると言える。
フィルタは、偶数番係数が“0”となるフィルタで実現できる。
るディジタル信号x[k,t];(t=0,1,2,…) を、シフトしながら保持する
シフトレジスタである。また、31a,31b,31c,… はFIRフィルタの係数を
記憶するレジスタであり、32a,32b,32c,… は係数と入力信号を乗算する乗
算回路、34は加算回路である。前述のごとく、実現すべきFIRフィルタの係数は中心から偶数番目の係数が“0”であるから、“0”の係数部分を除いた入力信号と係数との乗算結果を加算することで、出力信号の虚数部分Im[x[k,t]]を計算することができる。実数部の出力Re[x[k,t]]は、フィルタによって虚数部の計算が遅延した量だけ入力信号を遅延して出力する。このようにすれば、実数の系列として入力される入力信号x[k,t]を、新たな複素信号x[k,t]に変換して出力することができる。
らわかるように、j行i列の要素とi行j列の要素が互いに複素共役の関係にあるので、対角要素を含む10個の上三角要素のみを計算すれば十分である。
列計算回路22から並列に出力されている。そのため、空間平均化処理は、図6(b)の左上の回路のように、必要な行列要素a[0,0],a[1,1],a[2,2],a[3
,3]を選択し、加算回路56によって加算し、加算結果を出力レジスタ57にセットするだけで良い。図6(b)において左側の回路群は対角要素を計算するための回路例である。対角要素に対しては、逆行列が存在することを保証して逆行列計算を安定化させるために、微小正数εも併せて加算するようする。図6(b)の右側は対角要素を除く要素の
計算回路例である。空間平均化処理を行った場合には、空間平均化処理の結果を新しい複素相関行列として、以降の処理に使用する。
最小受信電力Pminを計算する処理である。
式(9)に示すのは、連立一次方程式の解Yを計算するステップである。
AY=C … 式(9)
するQR分解処理と、上三角行列を係数とする連立一次方程式を解く後退代入処理のステップとに分割することが出来る。
本実施例では、図8のQR分解基本計算回路70aを、高速計算に適したパイプライン方式の計算回路として構成した場合について説明する。図10は、このようなQR分解基本計算回路70aを説明するための図である。パイプライン方式の回路は、図のように、縦列に配列されたレジスタ81a1,81a2,81a3,…,81an と計算回路8
2a1,82a2,82a3,…,82an から構成される。そして、入力レジスタ8
1aにセットされたデータは基本クロックに従って次段のレジスタ81a2,81a3,… に次々とシフトされる。シフトされたデータは、シフトされるごとに計算回路82a
1,82a2,82a3,…,82an によって少しずつ計算処理が施され、最終段の
レジスタ81anに到着した時点では、入力データは最終結果に変換される。
トル回転計算を高速処理する必要がある。ベクトル回転計算は一般に平方根や乗算を含む複雑な計算である。そこで、CORDICアルゴリズムとして知られているアルゴリズムを使用すると、このベクトル回転計算をシフト演算と加減算からなる簡単な整数型計算の繰り返しとして実行でき、前記のパイプライン方式の回路でも容易に実現できる。そのた
め、パイプライン方式の回路で実現したCORDICアルゴリズムをQR分解処理の基本回路として使用すれば、回路の高速化と小型化を容易に両立させることができる。
すなわち、相関行列A[1],A[2],A[3]の計算において、計算データの間に合うものを優先してパイプライン計算回路の入力レジスタ81a1に設定するようにすれば、パイプライン計算回路の稼働率を向上させることが出来る。並行計算する相関行列の数を適切に選べば、基本計算を平均1クロックに近い時間で実行するように構成できるので、この回路方式で回路のさらなる小型化と高速化を両立させることが可能になる。
パイプライン回路の稼働率は86%程度までに向上し、8個の相関行列のQR分解に必要な処理時間は960クロック程度に収まる。
ロックなので、前述の回路を3回路実装して並列駆動すれば相関行列1個あたりのQR分解時間を40クロックとすることができ、5MHz以上の計算周期が実現できる。
回路計算回路62aによって並行して計算される。計算された結果は係数記憶回路63aに係数行列92a1,92a2,… として記憶され、後退代入計算回路64aは複数の
係数行列92a1,92a2,… に関する後退代入計算を並行的に実行する。
記憶する記憶回路である。62a,62b,… はそれぞれ記憶回路23a,23b,… に記憶された複数の相関行列を並行してQR分解するQR分解回路である。93は各QR分解回路から順次出力される係数行列を係数記憶回路63a,63b,… に振り分けて
記憶する分配回路である。64a,64b,… はそれぞれ係数記憶回路63a,63b
,… に記憶された複数の係数行列を並行して後退代入計算を行う後退代入計算回路であ
る。65aは後退代入計算回路から順次出力される連立一次方程式の解ベクトルYと予め定められた拘束ベクトルとの内積を計算する積和計算回路である。66aは積和計算回路の出力をLOG変換してCPUに転送するLOG変換回路である。
本実施例では、上記実施例とは拘束付電力計算回路の構成が異なる音響波イメージング装置について説明する。図13は、本実施例の拘束付電力計算回路の構成を示す図である。拘束付最小電力計算は、前述のようにQR分解、後退代入、積和計算、LOG変換に分割して構成することが出来る。分割化された各回路のうち、QR分解が最も計算量が多く、後退代入計算回路がそれに次ぎ、積和計算、LOG変換回路は比較的計算量が少ない。そこで、全体の回路量を減らすために、後段の計算量の少ない計算をCPUに分担させるようにしている。
本実施例では、拘束付最小電力の計算手順が上記実施例とは異なる場合について説明する。図14は、拘束付最小電力を式(8)によって直接計算するのではなく、一旦式(7)で最適重みベクトルWminを計算し、計算された重みベクトルWminと入力信号ベクトルXとの内積として拘束付最小電力を計算する場合の装置の例である。この場合、拘束付電力計算回路24a,24b,… は、最適重みベクトルWminと複素入力信号との内積
を計算するために、複素信号化回路21から出力される複素入力信号94を、各拘束付電力計算回路に入力するようにしている。
れる。
Y=A−1C … 式(14)
従って、図の様に遅延回路95aで時刻調整された複素入力信号(X)94とYとの内積を積和計算回路96aで計算するようにすれば、拘束付最小電力計算式である式(15)の分子が計算できる。
本実施例では、音響波イメージング装置において、受信する音響波が光音響波である場合について説明する。図16は光音響信号の処理にCMP法を適用する光音響イメージング装置の実施例である。図において、光源101はCPUからの指示により被検体内部に電磁波を照射する。被検体内部に存在する検査対象物質はそれぞれ照射された電磁波を吸収し、熱膨張によって一斉に光音響波を発生する。音響波受信素子群106は到達した音響波を電気信号に変換し、選択回路105を通して整相遅延回路8へと送信する。
この信号は、走査線104方向に音響波ビームを送信して得たエコー信号を整相遅延した信号と全く同等なので、エコー信号を受信した時と全く同様な図16の回路構成によって、CMP法を用いた光音響信号強度波形を計算することが出来る。従って、走査線の位置を移動させながら電磁波の照射と光音響波の受信を繰り返せば、被検体内部全面の光音響画像を作成することが出来る。
P=WHAW … 式(16)
本発明は、式(6)の拘束条件の下に式(16)の電力を最小化する解を求めるものであれば
全く同様に適用可能である。
Claims (7)
- 被検体から放出された音響波を受信し受信信号に変換する複数の音響波受信素子と、
前記複数の音響波受信素子から取得される複数の受信信号の位相を揃える整相部と、
前記整相部から取得される位相が揃えられた受信信号をそれぞれ複素信号化し、複数の複素信号を取得する複素信号化部と、
前記複数の複素信号の相関行列を計算する相関行列計算部と、
前記相関行列と、予め定められた拘束ベクトルと、を用いて、前記受信信号の拘束付最小電力を計算する電力計算部と、
を有し、
前記相関行列計算部は、所定の周期で前記相関行列を計算して前記電力計算部に順次出力するものであり、
前記電力計算部は、並列的に複数個配置された、一対の記憶回路と拘束付電力計算回路とからなり、前記相関行列は、各記憶回路に順次入力され、
各拘束付電力計算回路は、それぞれ対応する前記記憶回路に入力された前記相関行列と前記予め定められた拘束ベクトルとを用いて前記拘束付最小電力の計算を行い、同一の前記記憶回路に次の相関行列が入力されるまでに前記拘束付最小電力の計算結果を出力することを特徴とする音響波イメージング装置。 - 前記相関行列計算部が相関行列を計算する周期をTm、前記電力計算部が相関行列の入力を受けてから拘束付最小電力を計算して出力するまでの時間をTp、前記電力計算部が並行的に計算を行う数をNとすると、N≧Tp/Tmである
ことを特徴とする請求項1に記載の音響波イメージング装置。 - 前記相関行列計算部は、5MHz以上の周期で前記相関行列の計算を行う
ことを特徴とする請求項1に記載の音響波イメージング装置。 - 前記電力計算部は、拘束付最小電力を計算する際に、QR分解処理および後退代入処理を行うものである
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の音響波イメージング装置。 - 前記電力計算部は、前記相関行列と、予め定められた拘束ベクトルから、前記複数の複素信号のそれぞれに適用する重みベクトルを求め、当該重みベクトルと前記複素信号を用いて、前記受信信号の拘束付最小電力を計算するものである
ことを特徴とする請求項1に記載の音響波イメージング装置。 - 前記音響波は、前記音響波受信素子が送信した音響波が前記被検体内部で反射したものである
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の音響波イメージング装置。 - 前記音響波は、光源から照射された光を前記被検体が吸収したときに発生する光音響波である
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の音響波イメージング装置。
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