JP5850640B2 - 被検体情報取得装置及び被検体情報取得方法 - Google Patents
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Description
受信した際に、ある方向に関する感度を固定した状態で信号電力を最小化するように処理する手法である。適応型信号処理では、受信した信号ごとにその処理パラメーターを適応的に変化させる。このような適応型信号処理は空間解像度、特に方位方向の解像度を向上させる効果がある。
非特許文献1、非特許文献2で記載されているように、CMP法を超音波受信信号に適用する際には相関の高い干渉波の影響を抑制するため空間平均法を用いる。ここで空間平均法とは、受信信号から相関行列を求めた後に、部分行列を抽出しそれらを平均した部分相関行列を用いて適応型処理を実施する手法である。
まず受信信号から相関マトリクスを算出するところまでを説明する。複数の素子によって受信された信号に対してヒルベルト変換を実施し受信信号を複素表現にする。ここでk番目の素子からの受信信号を処理して得られた信号のsサンプル目をxk[s]として、sサンプル目の入力ベクトルX[s]を以下の式(1)のように定義する。なお、ここでMは総変換素子数である。またTは転置行列である。
ノイズ成分と所望波とが相関性を有する場合は成立しない。具体的には所望波と相関性を有するノイズ成分が受信された場合、所望波の方向に感度1だが、ノイズ成分の方向にも逆位相で感度を有する指向性の受信パターンを形成してしまう。これは、出力される信号を最小化するためにノイズ成分を逆位相で所望波に加算することで、出力信号を0に近づけようとするためである。
この相関抑圧ファクタξが小さければ相関性干渉波の影響を大きく抑圧することができる。
受信信号のうち何サンプル目を用いるかによって、変換素子の位置からの距離を定め、さらにステアリングベクトルによって注目する方向を規定できるため、上記に記載した処理によって被検体内の注目位置(距離と方向)を規定することが可能となる。この複素ウェイトや複素ウェイトを用いた場合の電力は、注目位置からの信号に対して感度を1にし、それ以外の位置から到達する信号を抑圧した場合のウェイトや電力である。つまり、CMP法では注目位置からの信号を選択的に抽出することが可能で、その結果として空間分解能を向上することが出来る。
なお、逆行列を直接求めずに、空間平均相関行列に対するQR分解と後退代入処理によっても算出可能である。
算出し、前記相関算出部が算出した相関データには、相関行列の対角成分にある要素と、前記対角成分の要素から1列以上おきに離れた位置にある要素と、のみが含まれることを特徴とする被検体情報取得装置である。
本発明の超音波画像装置は、被検体に超音波を送信し、反射した超音波エコーを取得する装置を含む。さらに、被検体に光(電磁波)を照射することにより被検体内で発生した音響波を受信して、被検体情報を画像データとして取得する光音響効果を利用した装置を含む。したがって本発明の超音波画像装置は、被検体情報取得装置とも呼べる。被検体が生体である場合、被検体情報取得装置は生体情報取得装置とも呼べる。ここで音響波とは、典型的には超音波であり、音波、超音波、光音響波、光超音波と呼ばれる弾性波を含む。
ヒルベルト変換によって複素表現に変換された複数のデジタル信号のうち、相関データを算出するために平均化する時間分だけのデータを切り出す(ステップS2)。
切り出されたデータを用いて相関算出回路102を用いて相関データを算出する(ステップS3)。
ここでは例えば9素子分の複素表現されたデジタル信号が入力されたとする。図4の相関行列001は、縦と横とに記述した信号(x1〜x9、x*1〜x*9)同士の相関を求めたものである。このように9素子分の信号を用いることで9×9の相関行列001を
作成することが可能であるが、本発明の相関算出回路では図4のうち色を付けて示した位置の要素のみを対象として乗算を行う。この乗算を行う対象となる要素の位置は、相関行列001の対角成分の位置と、対角成分の位置から1列以上おきに離れた位置と、である。ここで、対角要素は入力された信号の自己相関を意味する。また、対角成分の位置から1列以上おいて離れた位置のx1とx*3、x2とx*4、の組み合わせのような要素は、相関算出回路へ入力された信号のうち(相関算出回路への入力信号のうち)の少なくとも1つ以上離れた入力信号同士の相関を意味する。
要素平均回路104は、抽出された要素を平均化して平均相関行列を算出する(ステップS5)。これらの働きにより平均相関行列が出力される。
図4の部分行列401は5個形成される。図5においては、それらの5個の部分行列を501から505で示している。図5(a)〜(e)はそれぞれ部分行列501〜505に対応する。この部分行列の中の色を付けて示した要素を用い、それぞれの部分行列を平均化することで平均相関行列を算出する。先ほど述べたように、各部分行列の中では、入力された信号のうち少なくとも1つ以上離れた信号同士の相関を用いていることが分かる。
このような処理を行った場合、最終的に得られる平均相関行列は、3×3のサイズを有することになる。
電力算出回路106は、演算された逆行列を用いて電力を算出する(ステップS7)。この算出は、以下の式(11)に従って行われる。これらの働きにより、適応型信号処理を用いて算出した電力Poutが出力される。なお、aはステアリングベクトルである。
での逆行列演算に必要な処理規模の抑制比率としてプロットしたグラフである。なお、このグラフにおいては本発明を用いない場合の空間平均相関行列のサイズが入力信号数の半分になるように部分行列サイズを設定している。また、部分行列を平均化する数が等しくなるよう、本発明による平均相関行列のサイズを設定している。
士の相関を用いて適応型信号処理を行う場合、逆行列演算の処理規模を低減することが可能であることが分かる。このように本発明は入力されるデジタル信号数に関わらず処理規模低減の効果が得られる。
さらに信号処理回路は、設定した全ての注目位置の処理が終了したかどうか判断する(ステップS9)。
設定した全ての注目位置の処理が終了した場合は(S9=Y)、処理完了として、次の受信信号の入力を待つ。全ての注目位置の処理が終了していない場合は(S9=N)、次のデータを切り出して再度同じ処理を繰り返す。これらの処理によって得られた電力を注目位置ごとにならべて電力分布として生成し表示処理系に出力する。表示処理系でlog圧縮や各種画像フィルタなどによる画像処理(エッジ強調、スムージングなど)を行い、画像データを画像表示装置に表示する。
算出すれば、処理を行うことが可能である。
また、ここでは逆行列を求めたが、平均相関行列に対してQR分解を行い、その後で後退代入処理を実施する場合でも同様の効果と結果とを得ることができる。
ここではCMP法を例にとって説明を行ったが、本発明を用いれば処理規模の大きい逆行列演算や固有値展開に入力する行列のサイズを縮小することが出来る。従って、逆行列演算を用いるCMP法だけでなく、固有値展開を必要とするその他の適応型信号処理(例えばMUSIC法やESPRIT法)においても同様の効果を得ることが出来る。
ことで処理規模を低減しているが、部分行列の抽出は相関行列001内の連続した位置で実施している。そのため本発明による平均相関行列の相関抑圧ファクタは、部分行列内部の要素を全て用いて算出を行う空間平均相関行列と変わりなく、相関性干渉波による影響を抑制することができる。
本実施例では、超音波の送受信を行い、受信した信号に整相処理を実施した後、適応型信号処理を実施する装置について述べる。
まず、超音波送信動作について説明する。
システム制御部701から送信回路702に送信方向に応じた情報が入力される。送信回路702では、探触子703の複数の変換素子704の配列に応じた遅延時間を算出し、電圧波形(送信信号)を出力する。この電圧波形は複数の変換素子704で超音波に変換され、被検体内に超音波が送信される。
被検体内の音響インピーダンス分布に応じて反射された超音波は変換素子704で電気信号(受信信号)に変換された後、受信回路705に入力される。受信回路705はシステム制御部701から指定されたゲインにより電気信号を増幅する。受信回路705はま
た、電気信号をAD変換回路によってデジタルデータに変換する。
このように整相処理した信号を用いることで、一般的な超音波装置で用いられる比帯域で70%以上の広帯域な受信信号に対しても安定して適応型信号処理を用いることが可能であり、より空間分解能を向上させることができる。
ここで32素子分の信号が入力された場合を想定し、相関算出回路で2つおいて離れた入力信号同士の相関データを算出する場合の処理について図8を用いて述べる。
これは本発明を適用せずにそのまま空間平均法を用いて算出した空間平均相関行列のサイズが16×16になることと比べると、逆行列演算に必要な処理規模は約20分の1(≒(6/16)^3)に抑制されている。なお、ここでは説明のために32素子分の入力があるとして述べたが、入力信号数に関わらず本発明の効果は得られる。
め、すべてが1のベクトルをステアリングベクトルとして用いる。
このような処理を送信方向内で注目位置を移動させながら継続して実施し、さらに送信方向を変化させて同様の処理を繰り返すことで被検体内の情報を注目位置ごとの電力を示す電力分布として生成し取得する。
本実施例では超音波の送信に対する反射信号に対して本発明を適用したが、光音響効果を用いた光照射によって発生する超音波(光音響波)に対しても同様の処理が可能であり、同様の効果が得られる。すなわち、装置構成として光源を設け、光源から照射された電磁波(光)を吸収した被検体から放出された光音響波に対して、本発明の処理を行うことができる。
本実施例では整相処理した信号に対してヒルベルト変換を実施したが、ヒルベルト変換した信号に対して整相処理しても、本発明の効果を得ることができる。
本実施例では、入力信号間での移動平均によって求めた移動平均信号を用いる超音波画像装置について述べる。特に、上記実施例と違う部分に注目して説明を行う。
図11は本実施例にかかる超音波画像装置のシステム概略図である。移動平均回路709が含まれていることが本図より分かる。移動平均回路は本発明の移動平均処理部に相当する。
均を求める。例えば移動平均の開口サイズが2であり、入力信号を次のように表すものとする。
x1、x2、x3、・・・、xN
すると移動平均信号y1、y2、・・・、yN−1は、以下のように算出される。
y1=1/2×(x1+x2)、y2=1/2×(x2+x3)、・・・、yN−1=1/2×(xN−1+xN)
このような移動平均された信号を相関算出回路の入力信号として用いることで、SN比が高い状態の入力信号を用いて相関データを算出することができるため、さらにSN比の高い画像を得ることができる。
.6分の1(≒(3/5)^3)に抑制されている。なお、ここでは説明のために9素子分の入力があるとして述べたが、入力信号数に関わらず本発明の効果は得られる。
この後の適応型処理回路11以降の処理は先ほどの実施例と同様であるため説明を省略する。
本実施例では、整相処理した信号を移動平均処理し、さらにヒルベルト変換を実施したが、移動平均処理とヒルベルト変換とは交換可能であり、処理の順を入れ替えても同様の効果が得られる。
本実施例では、整相信号を加算し出力する信号加算回路を有する超音波画像装置について述べる。特に、上記実施例と違う部分に注目して説明を行う。
図15は本実施例にかかる超音波画像装置のシステム概略図である。実施例2と比べると移動平均回路709の代わりに信号加算回路1501が含まれていることが分かる。信号加算回路は本発明の信号加算部に相当する。
続いて本実施例の受信動作について説明する。被検体内の音響インピーダンス分布に応じて反射された超音波は変換素子704で電気信号に変換された後、受信回路705に入力される。受信回路705ではシステム制御部701から指定されたゲインにより電気信号を増幅するとともにAD変換回路によってデジタルデータに変換する。
x1、x2、x3、・・・、xN(ただし、Nは2の倍数)
すると加算処理された信号y1、y2、・・・、yN/2は、以下のように算出される。
y1=x1+x2、y2=x3+x4、・・・、yN/2=xN−1+xN
このように信号加算回路1501は、加算処理を行うため、入力された信号よりも出力する信号の数が少ない。
切り出されたデータを入力された相関算出回路102は、1つ以上おいて離れた信号同士の相関を算出し、相関データとして出力する。
このような加算処理を行うことで、相関データの算出数やその後の逆行列演算を行う行列サイズをさらに小さくすることが可能となり、処理規模をさらに抑制することができる。
ある。これらは入力された信号の4つおいて離れた信号同士の相関を意味する。このような演算を切り出されたデータ分繰り返し実施する。
これは本発明を適用せずにそのまま空間平均法を用いて算出した空間平均相関行列のサイズが48×48になることと比べると、逆行列演算に必要な処理規模は約1700分の1(≒(4/48)^3)に抑制されている。
このように本実施例では、加算処理を行うことで、処理規模をさらに抑制し、空間分解能が向上した画像が得られる超音波画像装置を実現できる。
また、実施例2で述べた移動平均回路を信号加算回路1501とヒルベルト変換回路101との間に設置することで、さらにSN比が高い画像を提供できる超音波画像装置を実現できる。
Claims (20)
- 被検体から放出された音響波を受信して電気信号に変換する複数の変換素子と、
前記複数の変換素子から出力される複数の電気信号を用いて相関データを算出する相関算出部と、
前記相関データから複数の部分行列を抽出し平均化して平均相関行列を算出する平均相関算出部と、
前記平均相関行列を用いて適応型信号処理を行い、注目位置ごとの電力を算出して電力分布を生成する適応型信号処理部と、
を有する被検体情報取得装置であって、
前記相関算出部は、前記相関算出部に入力される入力信号のうち、少なくとも1つ以上離れた入力信号同士の相関を求め相関データを算出し、
前記相関算出部が算出した相関データには、相関行列の対角成分にある要素と、前記対角成分の要素から1列以上おきに離れた位置にある要素と、のみが含まれる
ことを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記適応型信号処理部は、前記平均相関行列の逆行列を求めるか、または、前記平均相関行列に対してQR分解および後退代入処理を行うことにより前記電力を求める
ことを特徴とする請求項1に記載の被検体情報取得装置。 - 前記平均相関算出部は、前記相関データの要素のうち、前記複数の部分行列に含まれる要素のみの平均化を行う
ことを特徴とする請求項1または2に記載の被検体情報取得装置。 - 前記複数の電気信号に対して前記被検体内部の注目位置に応じた整相処理を行う整相処理部をさらに有し、
前記相関算出部は、前記整相処理部から出力された電気信号を入力信号として前記相関行列を算出する
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記複数の電気信号に対して移動平均処理を行って移動平均信号を算出する移動平均処
理部をさらに有し、
前記相関算出部は、前記移動平均信号を入力信号として前記相関行列を算出する
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記整相処理部から出力された電気信号に対して移動平均処理を行って移動平均信号を算出する移動平均処理部をさらに有し、
前記相関算出部は、前記移動平均信号を入力信号として前記相関行列を算出する
ことを特徴とする請求項4に記載の被検体情報取得装置。 - 前記移動平均処理部が移動平均処理を行う際の開口サイズをA(Aは2以上の整数)とすると、前記相関算出部は、(A−1)個おいて離れた入力信号同士の相関を求める
ことを特徴とする請求項5または6に記載の被検体情報取得装置。 - 前記複数の電気信号に対して加算処理を行う信号加算部をさらに有し、
前記相関算出部は、前記信号加算部から出力された電気信号を入力信号として前記相関行列を算出する
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記整相処理部から出力された電気信号に対して加算処理を行う信号加算部をさらに有し、
前記相関算出部は、前記信号加算部から出力された電気信号を入力信号として前記相関行列を算出する
ことを特徴とする請求項4に記載の被検体情報取得装置。 - 前記被検体から放出された音響波とは、前記変換素子から出力され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ないし9のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記被検体に電磁波を照射する光源をさらに有し、
前記被検体から放出された音響波とは、前記電磁波を照射された被検体が放出する光音響波である
ことを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 被検体から放出された音響波を受信する複数の変換素子から出力される複数の電気信号を用いて相関データを算出する相関算出ステップと、
前記相関データから複数の部分行列を抽出し平均化して平均相関行列を算出する平均相関算出ステップと、
前記平均相関行列を用いて適応型信号処理を行い、注目位置ごとの電力を算出して電力分布を生成する適応型信号処理ステップと、
を有する被検体情報取得方法であって、
前記相関算出ステップでは、前記相関算出ステップに入力される入力信号のうち、少なくとも1つ以上離れた入力信号同士の相関を求め相関データを算出し、
前記相関算出ステップで算出した相関データには、相関行列の対角成分にある要素と、前記対角成分の要素から1列以上おきに離れた位置にある要素と、のみが含まれる
ことを特徴とする被検体情報取得方法。 - 前記適応型信号処理ステップでは、前記平均相関行列の逆行列を求めるか、または、前記平均相関行列に対してQR分解および後退代入処理を行うことにより前記電力を求めることを特徴とする請求項12に記載の被検体情報取得方法。
- 前記平均相関算出ステップでは、前記相関データの要素のうち、前記複数の部分行列に含まれる要素のみの平均化を行う
ことを特徴とする請求項12または13に記載の被検体情報取得方法。 - 前記複数の電気信号に対して前記被検体内部の注目位置に応じた整相処理を行う整相処理ステップをさらに有し、
前記相関算出ステップでは、前記整相処理ステップにて出力された電気信号を入力信号として前記相関行列を算出する
ことを特徴とする請求項12ないし14のいずれか1項に記載の被検体情報取得方法。 - 前記複数の電気信号に対して移動平均処理を行って移動平均信号を算出する移動平均処理ステップをさらに有し、
前記相関算出ステップでは、前記移動平均信号を入力信号として前記相関行列を算出する
ことを特徴とする請求項12ないし14のいずれか1項に記載の被検体情報取得方法。 - 前記整相処理ステップで出力された電気信号に対して移動平均処理を行って移動平均信号を算出する移動平均処理ステップをさらに有し、
前記相関算出ステップでは、前記移動平均信号を入力信号として前記相関行列を算出する
ことを特徴とする請求項15に記載の被検体情報取得方法。 - 前記移動平均処理ステップで移動平均処理を行う際の開口サイズをA(Aは2以上の整数)とすると、前記相関算出ステップでは、(A−1)個おいて離れた入力信号同士の相関を求める
ことを特徴とする請求項16または17に記載の被検体情報取得方法。 - 前記複数の電気信号に対して加算処理を行う信号加算ステップをさらに有し、
前記相関算出ステップでは、前記信号加算ステップで出力された電気信号を入力信号として前記相関行列を算出する
ことを特徴とする請求項12ないし14のいずれか1項に記載の被検体情報取得方法。 - 前記整相処理ステップで出力された電気信号に対して加算処理を行う信号加算ステップをさらに有し、
前記相関算出ステップでは、前記信号加算ステップで出力された電気信号を入力信号として前記相関行列を算出する
ことを特徴とする請求項15に記載の被検体情報取得方法。
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