JP7175489B2 - BEAMFORMING METHOD, MEASUREMENT IMAGING DEVICE, AND COMMUNICATION DEVICE - Google Patents

BEAMFORMING METHOD, MEASUREMENT IMAGING DEVICE, AND COMMUNICATION DEVICE Download PDF

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特許法第30条第2項適用 電子情報通信学会技術研究報告、信学技報、超音波(Ultrasonics)Vol.116、No.61、US2016-12-US2016-18、p.25-30、US2016-16(平成28年5月16日発行、発行者:一般社団法人電子情報通信学会)にて発表。 電子情報通信学会技術研究報告、信学技報、超音波(Ultrasonics)Vol.116、No.190、US2016-38-US2016-43、p.1-6、US2016-38(平成28年8月18日発行、発行者:一般社団法人電子情報通信学会)にて発表。 電子情報通信学会技術研究報告、信学技報、超音波(Ultrasonics)Vol.117、No.227、US2017-56-US2017-63、p.11-16、US2017-58(平成29年9月28日発行、発行者:一般社団法人電子情報通信学会)にて発表。Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law IEICE Technical Research Report, IEICE Technical Report, Ultrasonics Vol. 116, No. 61, US2016-12-US2016-18, p. 25-30, US2016-16 (published on May 16, 2016, published by: The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers). IEICE Technical Research Report, IEICE Technical Report, Ultrasonics Vol. 116, No. 190, US2016-38-US2016-43, p. 1-6, US2016-38 (issued on August 18, 2016, published by: The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers). IEICE Technical Research Report, IEICE Technical Report, Ultrasonics Vol. 117, No. 227, US2017-56-US2017-63, p. 11-16, US2017-58 (published on September 28, 2017, published by The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers).

本発明は、計測対象から到来する任意波動を用いてビームフォーミングを行うビームフォーミング方法に関する。さらに、本発明は、そのようなビームフォーミング方法を使用する計測イメージング装置及び通信装置に関する。 The present invention relates to a beamforming method for beamforming using arbitrary waves arriving from a measurement object. Furthermore, the present invention relates to metrology imaging and communication devices using such beamforming methods.

特に、本発明は、計測対象から到来する電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動に基づいて、計測対象を撮像したり、又は、計測対象における温度や変位等の物理量や組成、又は、構造等を非破壊で計測するイメージング装置におけるデジタルビームフォーミング方法に関する。計測対象は、有機物、無機物、固体、液体、気体、レオロジーに従うもの、生き物、天体、地球、環境等、様々であり、応用範囲は極めて広い。 In particular, the present invention captures an image of a measurement target based on arbitrary waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, or heat waves arriving from the measurement target, or measures the temperature, displacement, etc. of the measurement target. It relates to a digital beam forming method in an imaging device for non-destructively measuring the physical quantity, composition, structure, etc. of Objects to be measured include organic substances, inorganic substances, solids, liquids, gases, rheological objects, living creatures, celestial bodies, the earth, the environment, etc., and the range of applications is extremely wide.

本発明は、非破壊的検査、診断、資源探査、材料や構造物の生成や製造、物理的又は化学的な様々な修復や治療のモニタリング、明らかにした機能や物性等を応用すること等に関連し、それらにおいては、計測対象に大きな擾乱を来さず、非侵襲的、低侵襲的、非観血的である条件等が課された中で、精度が求められることがある。理想的には、計測対象は原位置でのありのままの状態(in situ)において観測されることが望ましい。 The present invention is applicable to non-destructive inspection, diagnosis, resource exploration, generation and manufacture of materials and structures, monitoring of various physical or chemical repairs and treatments, and application of clarified functions and physical properties. In relation to these, there are cases where accuracy is required under conditions such as non-invasiveness, minimally invasiveness, and non-invasiveness, which do not cause great disturbance to the measurement object. Ideally, the object to be measured should be observed in situ.

また、波動そのものの作用により計測対象に治療や修復を実施することもあり、その際の計測対象からの応答に対してビームフォーミングを実施してその状況が観測されることもある。また、衛星通信、レーダー、ソナー等においてビームフォーミングを実施し、省エネの下で情報的に安全な環境を実現し、正確な通信が行われている。アドホックな通信機器やモバイル通信においても、ビームフォーミングが応用されるに至っている。計測対象が動的である場合には実時間性が求められ、ビームフォーミングを短時間に完了することが求められる。 In addition, the action of the waves itself may be used to treat or repair the object to be measured, and the response from the object to be measured at that time may be beam-formed to observe the situation. In addition, beamforming is implemented in satellite communications, radar, sonar, etc. to realize an informationally safe environment under energy saving, and accurate communications are being carried out. Beamforming has come to be applied to ad-hoc communication equipment and mobile communication as well. When the object to be measured is dynamic, real-time performance is required, and beamforming is required to be completed in a short time.

電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の波動においては、その周波数、帯域幅、強度、又は、モードにより、波動としての挙動が異なる。これまでに多くの各種波動のトランスデューサが開発され、それらの波動の透過波、反射波、屈折波、又は、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)等を用いるイメージングが行われている。 Waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, and heat waves behave differently depending on their frequency, bandwidth, intensity, or mode. Many types of wave transducers have been developed so far, and imaging is performed using transmitted waves, reflected waves, refracted waves, or scattered waves (forward scattered waves, backward scattered waves, etc.) of these waves.

例えば、非破壊検査や医療やソナーにおいて、音波の中でも高い周波数を有する超音波が使用されることは良く知られている。また、レーダーにおいても、計測対象に合わせて適切な周波数の電磁波(ラジオ波、FM波、マイクロ波、テラヘルツ波、赤外線、可視光、紫外線、又は、X線等の放射線等)が使用される。他の波動においても同様であり、各波動は周波数により振る舞いが異なるがため、名称を別とし、計測対象や媒体、周波数帯域に合わせ、様々なセンシングや通信が行われている(電磁波であれば、偏波も使用できる)。 For example, it is well known that ultrasound, which has a high frequency among sound waves, is used in non-destructive inspection, medical treatment, and sonar. Radar also uses electromagnetic waves (radio waves such as radio waves, FM waves, microwaves, terahertz waves, infrared rays, visible light, ultraviolet rays, X-rays, etc.) of appropriate frequencies according to the object to be measured. The same is true for other waves, and each wave behaves differently depending on its frequency. , polarization can also be used).

それらの応用では、トランスデューサで計測対象を機械的に走査したり、同一のトランスデューサを複数回使用したり、予めアレイ状に並べられた複数のトランスデューサを使用してビームフォーミング処理が行われることが多い。地球や陸地、海洋、天候を、衛星や飛行機のレーダーによって観測する場合において、開口面合成処理が行われること等は良く知られている。ビームフォーミングは、特に、計測対象をイメージングする場合において、適切な指向性を持たせ、関心領域や関心点において、高い空間分解能と高いコントラストを得ることを目的とすることが多い。 These applications often involve mechanically scanning the object to be measured with a transducer, using the same transducer multiple times, or using multiple pre-arrayed transducers for beamforming. . It is well known that aperture synthesis processing is performed when the earth, land, oceans, and weather are observed by satellites and airplane radars. Beamforming is often aimed at providing appropriate directivity and obtaining high spatial resolution and high contrast in a region of interest or a point of interest, particularly when imaging a measurement target.

結果として、計測対象から発生する波動に作用することにより、インピーダンスの空間的な変化により生じる反射や透過、各種散乱(レーリー散乱、ミー散乱、その他)、減衰、又は、それらの周波数分散等を観測でき、計測対象が何であるかは元より、計測対象の内部や表面の構造や組成を観測できる。計測対象が様々な空間分解能で観測されることもある。構造や組成のレベル(例えば、個体レベル、分子レベル、原子レベル、核レベル等)で、特性評価(characterization)することができる。 As a result, by acting on the waves generated from the measurement object, we can observe reflection, transmission, various scattering (Rayleigh scattering, Mie scattering, etc.), attenuation, or their frequency dispersion caused by spatial changes in impedance. It is possible to observe not only what the measurement target is, but also the structure and composition of the interior and surface of the measurement target. The measurement target may be observed at various spatial resolutions. Characterization can be at the level of structure or composition (eg, individual level, molecular level, atomic level, nuclear level, etc.).

高精度な高分解能イメージングを目的に、古くから信号の圧縮技術が使用され、代表的なものにチャープ波技術や符号化圧縮技術が使用されている。ISAR(inverse synthetic aperture radar:逆合成開口レーダー)等のように、観測された波動にビーム特性の反転(inversion)を施して超解像を行うこともあるが(開口面合成時とは限らない)、積極的に分解能を低下させることもある。それらにおいて、特異値分解や正則化(regularization)、ウィーナーフィルタ等は有効である。 For the purpose of high-precision high-resolution imaging, signal compression techniques have been used for a long time, and chirp wave techniques and encoding compression techniques are typically used. In some cases, such as ISAR (inverse synthetic aperture radar), super-resolution is performed by inverting the beam characteristics of the observed wave motion (not necessarily during aperture synthesis). ), which may actively reduce the resolution. Among them, singular value decomposition, regularization, Wiener filter, etc. are effective.

その他、符号化技術は、例えば、受信信号を送信位置の異なる送信信号に対応する受信信号に分離する場合等のように、複数の信号を分離する場合においても使用される。異なる方向から到来する波動を分離することもあり、また、信号源を特定したり分離したりすることもある。そのような場合において、信号検出能の高いマッチドフィルタに頼るところは多大である。しかしながら、信号エネルギーを獲得できる反面、変形を伴う計測対象の動きや、変位、歪等を求める場合には、空間分解能が低くなり、それらの計測精度は低下する。波動や信号の分離においては、周波数や帯域、又は、多次元スペクトルの利用も有用である。 Coding techniques are also used to separate multiple signals, such as separating a received signal into received signals corresponding to transmitted signals at different transmission locations. Waves coming from different directions may be separated, and the source of the signal may be identified and separated. In such cases, there is a great deal of reliance on matched filters with high signal detectability. However, although the signal energy can be obtained, the spatial resolution becomes low and the measurement accuracy decreases when the movement, displacement, strain, etc. of the object to be measured that accompanies deformation are to be obtained. The use of frequencies, bands, or multidimensional spectra is also useful in separating waves and signals.

上記の波動を用いるイメージングにおいては、通常、直交検波や包絡線検波、又は、二乗検波を通じて得られる振幅データの分布が、グレー画像やカラー画像として、1次元、2次元、又は、3次元で表示され、形態学的な画像となることも多い。また、機能的な観測も可能であり、例えば、それらの波動を使用するドプラ計測においては、生のコヒーレント信号が処理される(超音波ドプラ、レーダードプラ、レーザードプラ等)。 In imaging using the above waves, the distribution of amplitude data usually obtained through quadrature detection, envelope detection, or square law detection is displayed in one, two, or three dimensions as a gray image or color image. and often become morphological images. Functional observations are also possible, eg in Doppler measurements using these waves, where raw coherent signals are processed (ultrasound Doppler, radar Doppler, laser Doppler, etc.).

その他、例えば、医用超音波の分野では、パワードプラのように、変位方向の情報は無いが、動きのある組織を検出できる有用な技術もある。また、マイクロ波やテラヘルツ波、又は遠赤外線を使用した場合には、計測対象の温度分布を観測することもできる。それらの計測された物理量は、形態学的画像に重畳して表示されることもある。画像計測の分野では、検波を通じてインコヒーレントにした信号を用いて動きの観測が行われることも良く知られている(相互相関処理やオプティカルフロー等)。医用超音波やソナーにおいては、物理的に生成されるハーモニックや和音や差音を用いたイメージングも行われる。特に、計測対象が動的である場合には、ビームフォーミング処理に実時間性が求められる。 In addition, for example, in the field of medical ultrasound, there is also a useful technique such as power Doppler that can detect moving tissue without information on the direction of displacement. Moreover, when microwaves, terahertz waves, or far infrared rays are used, the temperature distribution of the measurement target can also be observed. These measured physical quantities may be superimposed and displayed on the morphological image. In the field of image metrology, it is also well known that motion observations are made using signals made incoherent through detection (cross-correlation processing, optical flow, etc.). In medical ultrasound and sonar, imaging using physically generated harmonics, chords, and difference tones is also performed. In particular, when the object to be measured is dynamic, the beamforming process is required to be real-time.

また、衛星通信、レーダー、ソナー等においても、ビームフォーミングを実施し、省エネの下で情報的に安全な環境を実現し、正確な通信が行われている。アドホックな通信機器やモバイル通信においても、ビームフォーミングが応用されるに至っている。特定者や特定の信号発生源、特定位置との通信にも有効である。通信においては、送信側から受信側に情報を波動に載せて送り、それだけで目的を達することもあるし、受信側が送信側にその通信の結果を応答したり、また、その送信された情報に対して応答したりすることもあるが、無論、通信の例はこの限りではない。通信対象や観察対象に応じて、情報の内容が動的である場合には実時間性が求められ、その場合におけるビームフォーミングは短時間に完了することが求められる。 Satellite communications, radar, sonar, etc. also implement beamforming to realize an informationally safe environment under energy conservation, and accurate communications are being carried out. Beamforming has come to be applied to ad-hoc communication equipment and mobile communication as well. It is also effective for communication with a specific person, a specific signal source, or a specific position. In communication, information is sent from the transmitting side to the receiving side in waves, and the purpose may be achieved by itself. Of course, the example of communication is not limited to this. When the content of information is dynamic according to communication targets and observation targets, real-time performance is required, and beamforming in this case is required to be completed in a short period of time.

この様な中で、本願の発明者は、例えば、ヒト組織の癌病変や硬化症等の病変を鑑別診断するための超音波イメージング技法の開発をしている。本願の発明者は、エコーイメージングの高分解能化や組織変位の高精度計測イメージング等と共に、HIFU(High Intensity Focus Ultrasound:高強度焦点超音波)治療の高分解能化や高効率化を行っており、強力超音波放射時のエコーの受信に基づくそれらのイメージングも行っている。それらのイメージングは、高速で適切なビームフォーミングを行うことを基礎としており、高速で適切な検波方法や組織変位計測方法、ずり波伝搬計測法等を過去に報告している。 Under such circumstances, the inventor of the present application is developing an ultrasonic imaging technique for differential diagnosis of lesions such as cancer lesions and sclerosis in human tissues. The inventor of the present application has improved the resolution and efficiency of HIFU (High Intensity Focus Ultrasound) treatment, along with the improvement of echo imaging resolution and high-precision measurement imaging of tissue displacement. We are also imaging them based on the reception of echoes during intense ultrasound radiation. These imaging techniques are based on high-speed and appropriate beamforming, and we have previously reported on high-speed and appropriate detection methods, tissue displacement measurement methods, and shear wave propagation measurement methods.

医用超音波画像診断装置は、デジタル化されてから20年以上経った。より古くには、単一開口の変換素子を用いて機械走査をし、その後、複数の変換素子やそれらから成るアレイ型デバイスを用いた電子スキャンが行われ、信号処理を行う装置が、アナログ装置からデジタル装置へと推移した。実の所、古典的な開口面合成処理そのものは、衛星や飛行機に搭載されているレーダーにおいて使用される様になった当時より、デジタルビームフォーミングであったわけであるが、受信信号の強度が弱いことを理由に、医用超音波において使用されることは稀であった。 More than 20 years have passed since medical ultrasound diagnostic imaging equipment was digitized. Earlier, mechanical scanning was performed using a single aperture transducer element, followed by electronic scanning using multiple transducer elements or arrays of these transducers, and signal processing devices were known as analog devices. to digital equipment. In fact, the classical aperture synthesis process itself has been digital beamforming since it was first used in radars mounted on satellites and airplanes, but the strength of the received signal is weak. For this reason, it has been rarely used in medical ultrasound.

これに対し、近年、本願の発明者は、多方向開口面合成法を発明し、開口面合成用の受信エコーデータから多方向にビームフォーミングを行うことを発明した。結果的に、通常の電子スキャンによるフレームレートと同一のフレームレートで多方向のステアリング(偏向)イメージ信号を得ることが可能となり、これをコヒーレント加算することにより、横方向変調イメージング(深さ方向とこれに直交する横方向のキャリア周波数を持ち、さらに、通常のイメージングに比べて高空間分解能)が可能となった。さらには、同じく本願の発明者が発明した多次元自己相関法を併用することにより、変位ベクトル分布の実時間計測が可能となった。また、インコヒーレント加算した場合には、スペックルを低減することも可能である(通常は、異なる方向に送信ビームを生成してスペックルが低減されるが、多方向開口面合成法によれば、高フレームレートを実現できる)。超音波の分野以外においても、マイクロ波、テラヘルツ波、X線等の放射線、その他の電磁波、音を含む振動波、熱波等の波動を非破壊検査に使用するセンシング装置において、デジタル化が進められている。 On the other hand, in recent years, the inventor of the present application has invented a multidirectional aperture synthesis method, and performed beamforming in multiple directions from received echo data for aperture synthesis. As a result, it is possible to obtain multi-directional steering (deflection) image signals at the same frame rate as that of normal electronic scanning. It has a transverse carrier frequency that is orthogonal to this, and a higher spatial resolution than normal imaging is possible. Furthermore, real-time measurement of the displacement vector distribution has become possible by using the multidimensional autocorrelation method, which was also invented by the inventor of the present application. In addition, in the case of incoherent addition, it is also possible to reduce speckle (usually, transmission beams are generated in different directions to reduce speckle, but according to the multidirectional aperture synthesis method, , which can achieve high frame rates). In addition to the field of ultrasonic waves, digitization is progressing in sensing devices that use microwaves, terahertz waves, radiation such as X-rays, other electromagnetic waves, vibration waves including sound, and waves such as heat waves for non-destructive inspection. It is

例えば、それらのセンシング装置における開口面合成は、アクティブなビームフォーミングであり、処理対象となる波動は、トランスデューサによって生成されたそれらの波動の透過波や反射波、屈折波、又は、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)である。一方、パッシブなビームフォーミングにおいては、例えば、上記のマイクロ波観測に基づく温度分布計測や生き物の脳磁場による電気的な活動源を観測する場合がそうであるように、計測対象となる自己発散的(self-emanating)な信号源から発せられた波動を基とする透過波や反射波、屈折波、又は、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)が対象となる。それらに該当する例は他に数多く存在するが、それらとは別の例として、最近では、生物を計測対象として、光音響(photoacoustic)と称し、計測対象にレーザー照射を行い、周波数依存性のある熱吸収によって体積変化を生じさせ、これを音源とする超音波を生じさせ、ビームフォーミングの結果として、末梢血管の鑑別を行うことも行われている。 For example, aperture synthesis in these sensing devices is active beamforming, and the waves to be processed are transmitted, reflected, refracted, or scattered waves (forward scattered waves or backscattered waves, etc.). On the other hand, in passive beamforming, for example, the temperature distribution measurement based on the above-mentioned microwave observation and the electrical activity source by the brain magnetic field of living things are observed. Transmitted waves, reflected waves, refracted waves, or scattered waves (forward scattered waves, backward scattered waves, etc.) based on waves emitted from a (self-emanating) signal source are targeted. There are many other examples that correspond to these, but as another example, recently, a living organism is used as a measurement object, called photoacoustic, laser irradiation is performed on the measurement object, and frequency-dependent A volume change is caused by a certain amount of heat absorption, an ultrasonic wave is generated using this as a sound source, and peripheral blood vessels are discriminated as a result of beam forming.

デジタル装置は、アナログ装置に比べ、処理時間を多く要するが、計算処理能力が格段に向上し、且つ、小型化されたことや、データ記憶媒体を含めて安価になったこと、高次計算処理を施すことが容易で自由度が高いこと等、利点が多い。実際のところ、デジタル装置といっても、センシング装置においては、特に、センサーによって信号を受信した後の高速なアナログ処理は極めて重要であり、比較的に近傍においてAD変換(Analogue-to-Digital conversion)された後のデジタル処理と合わせて、適切に実現されるものである。 Compared to analog devices, digital devices require more processing time, but their computational processing capabilities have improved dramatically, they have become smaller, they have become cheaper, including data storage media. There are many advantages such as easy application and high degree of freedom. In fact, even though it is a digital device, high-speed analog processing after receiving a signal by a sensor is extremely important, especially in a sensing device. ), it is appropriately realized in combination with the digital processing after being processed.

アナログ装置においては、送信と受信のビームフォーミングはアナログ処理によって行われる。一方、デジタル装置においては、送信ビームフォーミングはアナログ処理又はデジタル処理によって行われ、受信ビームフォーミングはデジタル処理によって行われる。従って、本願において、デジタルビームフォーマーとは、受信ビームフォーミングを必ずデジタル処理によって行うものをいう。 In analog devices, transmit and receive beamforming is performed by analog processing. On the other hand, in a digital device, transmit beamforming is done by analog or digital processing, and receive beamforming is done by digital processing. Therefore, in the present application, a digital beamformer means one that necessarily performs reception beamforming by digital processing.

計測対象からの波動を、複数の変換素子やそれらから成るアレイ型デバイス、又は、1つ以上の変換素子の機械走査を通じて受信した後、いわゆる開口面合成処理であるDAS(Delay and Summation:整相加算)処理が行われる。送信においては、複数の素子を駆動して送信ビームフォーミングが行われることがあるし、1素子送信に基づく古典的な開口面合成が行われることもあるが、受信ビームフォーミングにおいては、共通して、DAS処理が行われる。 After receiving the waves from the object to be measured through a plurality of conversion elements, an array device composed of them, or mechanical scanning of one or more conversion elements, DAS (Delay and Summation), which is a so-called aperture synthesis process, is performed. addition) processing is performed. In transmission, transmission beamforming may be performed by driving a plurality of elements, and classical aperture synthesis based on single-element transmission may be performed. , DAS processing is performed.

つまり、送信ビームフォーミングは、アナログ処理又はデジタル処理により行われる。一方、受信ビームフォーミングにおいては、アレイ内の各素子又は異なる位置の素子により波動を受信して受信信号が生成され、アナログ的な増幅又は減衰によるレベル調整やアナログフィルタリング等の後にアナログの受信信号がデジタルの受信信号にAD変換され、デジタルの受信信号がメモリに格納される。その後、汎用の計算処理能力を備えるデバイスや計算機、PLD(Programmable Logic Device:プログラム可能論理デバイス)、FPGA(Field-Programmable Gate Array:書き換え可能ゲートアレイ)、DSP(Digital Signal Processor:デジタル信号プロセッサー)、GPU(Graphical Processing Unit:グラフィック処理ユニット)、若しくは、マイクロプロセッサ等、又は、専用の計算機や専用のデジタル回路、若しくは、専用デバイス等を用いて、格納された受信信号に対してデジタル処理が施される。 That is, transmit beamforming is performed by analog processing or digital processing. On the other hand, in receive beamforming, waves are received by each element in the array or elements at different positions to generate received signals, and after level adjustment by analog amplification or attenuation, analog filtering, etc., analog received signals are generated. A/D conversion is performed to a digital received signal, and the digital received signal is stored in a memory. After that, devices and calculators with general-purpose calculation processing capabilities, PLDs (Programmable Logic Devices), FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays), DSPs (Digital Signal Processors), A GPU (Graphical Processing Unit), or a microprocessor, or a dedicated computer, a dedicated digital circuit, or a dedicated device is used to perform digital processing on the stored received signal. be.

これらのデジタル処理を行うデバイスが、それらのアナログデバイスやAD変換器、メモリ等を備えていることもある。計算能力を持つデバイスや計算機がマルチコアである場合もある。これより、受信時において、アナログ装置ではほぼ不可能であるダイナミックフォーカシングを容易に実施できる様になった。並列処理も行われる。アナログ処理とデジタル処理とを高速化するに当たり、伝送線路(例えば、積層された回路等)や広帯域な無線路は重要である。 These digital processing devices may also include these analog devices, AD converters, memories, and the like. Devices and computers with computing power may be multi-core. This makes it possible to easily perform dynamic focusing during reception, which is almost impossible with analog devices. Parallel processing is also performed. Transmission lines (for example, laminated circuits) and broadband radio paths are important for increasing the speed of analog processing and digital processing.

ダイナミックフォーカシングは、生成されるイメージ信号のレンジ方向や計測対象の奥行き方向(深さ方向)の空間分解能を向上させる。一方、送信のダイナミックフォーカシングは、1素子送信による古典的な開口面合成のときのみにおいて可能である。送信波のエネルギーを確保するべく、1素子送信による開口面合成ではなく、複数素子駆動による固定焦点位置の送信ビームフォーミングが行われることも多い。 Dynamic focusing improves the spatial resolution in the range direction of the generated image signal and in the depth direction (depth direction) of the object to be measured. On the other hand, dynamic focusing of the transmission is possible only when classical aperture synthesis with one-element transmission. In order to secure the energy of the transmission wave, instead of aperture synthesis by single-element transmission, transmission beamforming at a fixed focal position by driving multiple elements is often performed.

本願の発明者は、平面波等の波面が横方向に広く拡がる波を送波し、一度の送信において広い範囲の領域を調査(interrogate)する高フレームレートのエコーイメージングを発明した。さらに、本願の発明者は、異なるステアリング(偏向)角度を持つこの種の波を複数個、コヒーレント加算(重ね合わせ)し、横方向変調や横方向の広帯域化(横方向の高分解能化)を実現しており、特に、上記の多次元自己相関法を実現した場合には、ずり波伝搬や血流の速い頸動脈内の血流、又は、複雑な流れをする心腔内の血流等を、多次元の変位ベクトルとして計測することを発明した。多方向開口面合成を行った場合も、送信ビームフォーミングを行った場合も、同様である。また、複数の異なる搬送周波数を持つ波動が生成されて重ね合わせされて、軸方向の広帯域化(軸方向の高分解能化)が実現されることがある。 The inventors of the present application have invented high frame rate echo imaging that transmits a wave with a wide lateral wavefront, such as a plane wave, and interrogates a large area in a single transmission. Furthermore, the inventors of the present application coherently add (superimpose) a plurality of waves of this kind with different steering (deflection) angles to achieve lateral modulation and lateral broadband (high lateral resolution). In particular, when the above-mentioned multidimensional autocorrelation method is realized, shear wave propagation, blood flow in the carotid artery with fast blood flow, blood flow in the heart chamber with complicated flow, etc. is measured as a multi-dimensional displacement vector. This is the same when multidirectional aperture synthesis is performed and when transmission beamforming is performed. In addition, waves having different carrier frequencies are generated and superimposed to achieve axial broadband (high resolution in the axial direction).

アクティブビームフォーミングの場合にはこの様な処理が行われるが、パッシブビームフォーミングにおいては送信器を使用しない。この様に、デジタルビームフォーマーは、通常、送信器(アクティブビームフォーミングの場合)と、受信器と、DAS処理デバイスとから成り、それらのデバイスを組み上げて実現されるが、最近では、それらを小型にパッケージングしたものが安価に入手できる様になった。 Such processing is performed in the case of active beamforming, but the transmitter is not used in passive beamforming. Thus, a digital beamformer usually consists of a transmitter (in the case of active beamforming), a receiver, and a DAS processing device, and is realized by assembling these devices. Small packages are now available at low cost.

このDAS処理には、整相のために、空間領域において補間近似処理を交えて受信信号に高速にディレイを掛けるものと、膨大な時間を要するが周波数領域において複素指数関数を乗ずる位相回転処理によりナイキスト(Nyquist)定理に基づいてディレイを高精度に掛けるもの(本願の発明者の過去の発明、特許文献6、非特許文献15等)とがあり、整相後に空間領域において受信信号を加算する(整相加算)。デジタル装置においては、アナログ受信信号のデジタルサンプリング(AD変換)のトリガー信号として、例えば、駆動する素子への送信信号を送信器が生成するために制御ユニットが発生する指令信号を使用することがある。 In this DAS processing, for phasing, interpolation approximation processing is mixed in the spatial domain to apply a delay to the received signal at high speed. There is a method that applies a delay with high accuracy based on the Nyquist theorem (past inventions of the inventor of the present application , Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc. ), and adds received signals in the spatial domain after phasing. (phased addition). In a digital device, a command signal generated by a control unit may be used as a trigger signal for digital sampling (AD conversion) of an analog received signal, e.g. .

また、1つのビームフォーミングにおいて複数の素子を、送信ディレイを掛けて駆動する場合に、予め送信ユニットに搭載され、操作者が選択できる送信フォーカス位置やステアリング方向等を実現するアナログ又はデジタルの送信ディレイパターンを使用することがある。さらに、受信デジタル処理においては、最初に駆動する素子のための指令信号、最後に駆動する素子のための指令信号、又は、別の素子を駆動するための指令信号をトリガー信号として使用し、それらの信号に対してサンプリングを開始してデジタルディレイを掛けることがある。それらの指令信号は、1フレーム分のビームフォーミングを開始するための指令信号を基に生成されることがある。 Also, when driving multiple elements with a transmission delay in one beamforming, an analog or digital transmission delay that is installed in the transmission unit in advance and realizes the transmission focus position, steering direction, etc. that can be selected by the operator. You may use patterns. Further, in the receiving digital processing, the command signal for the first driven element, the last driven element, or the command signal for driving another element is used as a trigger signal, In some cases, sampling is started for the signal of , and a digital delay is applied. These command signals may be generated based on a command signal for starting beamforming for one frame.

送信ディレイにおいてデジタルディレイを実施すると、アナログディレイと異なり、デジタル制御信号を発生するクロック周波数で決まる誤差を必ず生じるので、送信ディレイはアナログディレイの方が良い。また、受信ダイナミックフォーカシングを実現するべく受信においてデジタルディレイを掛けると、上記の補間近似処理によれば誤差を生じるので、コストをかけてAD変換器のサンプリング周波数を十分に高くするか、上記の高精度なデジタルディレイ(位相回転処理)を掛けて低速ビームフォーミングとするしかなかった。 If a digital delay is implemented in the transmission delay, unlike an analog delay, an error determined by the clock frequency for generating the digital control signal will inevitably occur, so the analog delay is better for the transmission delay. In addition, if a digital delay is applied in reception to realize reception dynamic focusing, an error occurs in the above-described interpolation approximation process. There was no choice but to apply a precise digital delay (phase rotation processing) and use low-speed beamforming.

整相加算は、補間近似処理を伴う前者の場合には、生成する信号値の座標位置を含む位置からのエコー信号を単純に加算することもあるし、バイリニア(bi-linear)や多次元多項式等を用いる補間によって精度を向上させることもある。前者は、複素指数関数を使用する後者に比べて、格段に高速であるが、精度は低い。後者は、精度が高いが至極低速である。この整相加算は、波動の伝搬速度が既知であるか、又は、仮定の下で行われ、関心領域内で一定と仮定されることも多い。一方、伝搬速度を計測し、位相収差補正を行うことも行われており、ビームフォーミング前又は後において、例えば、隣接するビーム信号間や異なる角度のビーム信号間の相互相関関数を評価して位相収差を求めることができる(伝搬速度が均質であれば、干渉分析(interferometry)となる)。 In the former case involving interpolation approximation, phasing addition may simply add echo signals from positions containing the coordinate positions of the signal values to be generated, or may be bilinear (bi-linear) or multi-dimensional polynomial Accuracy may be improved by interpolation using . The former is much faster but less accurate than the latter, which uses complex exponentials. The latter is highly accurate but extremely slow. This phased summation is performed under the assumption that the propagation velocity of the wave is known or assumed, and is often assumed to be constant within the region of interest. On the other hand, the propagation velocity is also measured and the phase aberration is corrected. Aberrations can be determined (if the velocity of propagation is homogeneous, then interferometry).

開口素子が1次元空間において分布又はアレイを成している場合に比べ、開口素子が2次元又は3次元に分布している場合や、開口素子が2次元又は3次元のアレイを構成している場合には、ビームフォーミングにさらに多くの処理を行う必要があり、多数のプロセッサーを搭載して並列処理を行うこと等が行われている。干渉の少ない離れた位置におけるビームフォーミングや、ステアリング角度の異なる複数の方向への送信ビームフォーミング、単一の送信ビームフォーミングが、並列受信処理されることもある。 A two-dimensional or three-dimensional distribution of the aperture elements, or a two-dimensional or three-dimensional array of the aperture elements, as compared to a distribution or array of the aperture elements in one-dimensional space. In some cases, it is necessary to perform more processing for beamforming, and many processors are installed to perform parallel processing. Beamforming at distant locations with little interference, transmission beamforming in multiple directions with different steering angles, and single transmission beamforming may be processed in parallel reception.

通信の制御の面においては、通信データの種類やデータ量、又は、媒体の特性を反映して、適切に波動が生成されることが必要であり、それらの観測の下で、最適化された通信が行われることが望ましい。アナログデバイスを用いるか、アナログ又はデジタル信号処理により、干渉の生じている波を分離することも行われる。伝搬方向、符号化、周波数、及び/又は、帯域幅の制御された波動は重要である。 In terms of communication control, it is necessary to properly generate waves that reflect the type and amount of communication data, or the characteristics of the medium. It is desirable that communication takes place. Interfering waves can also be separated using analog devices or by analog or digital signal processing. Controlled waves of propagation direction, coding, frequency and/or bandwidth are important.

上記の多方向開口面合成処理に類する本願の発明者の別の発明として、1つの送信ビームフォーミングに対して多方向の受信ビームフォーミングを行い、フレームレートを向上させることが可能である。また、ビームフォーミングにおいて、アポダイゼーションが重要となる場合がある。例えば、サイドローブを低減するべく、送信と受信のアポダイゼーションの各々が実施されることがあるが、これは、横方向分解能とトレードオフになる関係があり、適切に実施されるべきものである。一方、空間分解能を重視して、アポダイゼーションを行わないシンプルなビームフォーマが使用されることも多い。しかしながら、ステアリング時にサイドローブを抑圧しつつ横方向分解能も得るためには、適切なアポダイゼーションが必要であることを本願の発明者は報告している。また、本願の発明者の過去の発明には、周波数領域においてサイドローブを除去するものもある。 As another invention similar to the multidirectional aperture plane synthesis processing described above, it is possible to improve the frame rate by performing multidirectional reception beamforming for one transmission beamforming. Also, in beamforming, apodization may be important. For example, transmit and receive apodization may each be implemented to reduce sidelobes, but this trades off lateral resolution and should be implemented appropriately. On the other hand, a simple beamformer without apodization is often used, emphasizing spatial resolution. However, the inventors of the present application report that appropriate apodization is necessary to suppress side lobes and obtain lateral resolution during steering. Also, some of the past inventions of the inventor of the present application remove side lobes in the frequency domain.

その他、対象における波動の非線形特性を応用するべく、造影剤(例えば、医用超音波イメージングではマイクロバブル)が使用されることがあり、これらを応用することを含め、本願の発明者は、積極的に高強度を有する波動や高調波を含む波動を照射すること(広帯域送信)や、受信コヒーレント信号や整相加算後のコヒーレント信号に対して非線形処理を施すことを実現し、高空間分解能且つサイドローブを抑圧することによる高コントラストのイメージングを発明した。本願の発明者は、同非線形処理に基づく高精度な組織変位(ベクトル)計測も発明した。 In addition, contrast agents (for example, microbubbles in medical ultrasound imaging) may be used in order to apply the nonlinear characteristics of waves in an object. irradiating high-intensity waves and waves containing harmonics (broadband transmission), and applying nonlinear processing to received coherent signals and coherent signals after phasing and addition, realizing high spatial resolution and side Invented high-contrast imaging by suppressing lobes. The inventors of the present application also invented highly accurate tissue displacement (vector) measurement based on the same nonlinear processing.

また、仮想源を用いたイメージング信号の生成も可能である。仮想源については、過去に物理開口の手前に仮想源を設置するものや送信焦点位置に仮想源を設置するものが報告されている。さらに、本願の発明者は、仮想源のみならず検出器を、焦点を使用せずに任意位置に設置することや、波動の物理的な源や検出器を適切な散乱体や回折格子の任意位置に設置できること等を報告している。高分空間解能化や視野領域(FOV:Field of Vision)を広くすることが可能である。 It is also possible to generate imaging signals using virtual sources. As for the virtual source, there have been reports in the past that a virtual source is installed in front of a physical aperture and that a virtual source is installed at the transmission focal position. Furthermore, the inventors of the present application have found that the detector as well as the virtual source can be placed at arbitrary positions without the use of a focal point, or that the physical sources and detectors of the waves can be placed in any suitable scatterer or diffraction grating. It is reported that it can be installed in the position. It is possible to increase spatial resolution and widen the field of vision (FOV).

イメージング形態としては、直交検波や包絡線検波、二乗検波したものが使用されるが、本願の発明者は、波打ちそのものをカラー画像又はグレー画像として表示することも積極的に行っており、位相情報を含む表示を重視している。このように、様々な目的の下で、様々な波動を用いた多次元装置の開発が進められている。 Quadrature detection, envelope detection, and square-law detection are used as imaging forms, but the inventors of the present application actively display waviness itself as a color image or a gray image, and phase information is used. Emphasis is placed on displays that include Thus, multidimensional devices using various waves are being developed for various purposes.

これまでに開示されている高速フーリエ変換を用いたデジタルビームフォーミングが幾つかあるが、その内の1つは、古典的なモノスタティック型開口面合成の解析解であるフーリエ変換を通じて行うアナログ処理(非特許文献1を参照)をデジタル化し、まさに、古典的な開口面合成を、高速フーリエ変換を通じて高速に且つ高精度に実施するものである(非特許文献2を参照)。この処理においては、補間近似を要さないが、ステアリング(偏向)する場合や、マルチスタティック型開口面合成(一般的には、1素子送信においてその素子や周辺の複数素子を用いた受信)のデジタル処理は開示されていない。 There are several methods of digital beamforming using fast Fourier transforms that have been disclosed so far, one of which is analog processing ( Non-Patent Document 1) is digitized, and exactly classical aperture plane synthesis is performed at high speed and with high accuracy through fast Fourier transform (see Non-Patent Document 2). In this processing, interpolation approximation is not required. No digital processing is disclosed.

また、その他に開示されているデジタルビームフォーミングは、近傍位置のサンプリングデータを用いたり(段落0197)、バイリニアや多次元多項式等を用いる従来の補間近似処理を要するものであり、精度が低かった。例えば、平面波送波においてステアリングを行う場合を含み、高速フーリエ変換を通じた波数マッチングを行う方法が開示されているが(非特許文献3-5を参照)、その場合とアレイの開口形状がフラットでない場合とにおいて計算や画像表示する際(アレイ開口が円弧である場合(非特許文献6を参照))には、従来の補間近似処理を要し、精度が低かった。平面波送波時の高速フーリエ変換を用いたものは、特許文献1-4にも開示されているが、いずれも、従来の補間近似を通じて波数マッチングを行うものであった但し、それらの補間近似による波数マッチングにより、角(angular)スペクトルの波数ベクトル座標系を等間隔にして多次元スペクトルを求め、高速逆フーリエ変換を実施することにより、高速にビームフォーミングを完了できるという利点はある In addition, digital beamforming disclosed elsewhere requires conventional interpolation approximation processing using sampling data of nearby positions (paragraph 0197), bilinear, multidimensional polynomial, etc., and accuracy is low. . For example, a method of performing wave number matching through fast Fourier transform, including steering in plane wave transmission, has been disclosed (see Non-Patent Documents 3-5), but in that case the aperture shape of the array is not flat. When performing calculations and displaying images (when the array aperture is an arc (see Non-Patent Document 6)), conventional interpolation approximation processing is required and accuracy is low . Techniques using the fast Fourier transform during transmission of plane waves are also disclosed in Patent Documents 1 to 4, but all of them perform wave number matching through conventional interpolation approximation. However, by wavenumber matching by interpolation approximation, the wavenumber vector coordinate system of the angular spectrum is equally spaced to obtain a multidimensional spectrum, and by performing a fast inverse Fourier transform, beamforming can be completed at high speed. There are advantages .

最近の非特許文献5には、波数マッチングを非等間隔サンプリング信号に対してフーリエ変換することが開示されているが、やはり、これも従来の補間近似処理に基づく。上記の通り、デジタルビームフォーミングは既に長い歴史を持つが、画像を表示するまでの実時間性(計算速度)を最も重視する場合には、従来の補間近似を行うことが多く、最良の精度を提供しているわけではなかった。その他、DAS処理を行うことで知られる最も一般的(popular)な固定フォーカス処理及びその際のステアリング等に関しては、デジタル高速フーリエ変換を通じて行う処理方法すら開示されていない。 A recent non-patent document 5 discloses wave number matching to Fourier transform for non-equidistant sampling signals, which is also based on conventional interpolation approximation. As mentioned above, digital beamforming already has a long history, but when real-time performance (computation speed) until displaying an image is most important, conventional interpolation approximation is often used, and the best accuracy is achieved. did not provide it. In addition, regarding the most popular fixed focus processing known to perform DAS processing and steering at that time, even a processing method through digital fast Fourier transform is not disclosed.

また、マイグレーション法の報告もあるが(例えば、非特許文献7を参照)、これも波数マッチングにおいて従来の補間近似を要していた。 There is also a report on a migration method (see, for example, Non-Patent Document 7), which also requires conventional interpolation approximation in wave number matching .

米国特許第5,720,708号明細書U.S. Pat. No. 5,720,708 米国特許第6,685,641号明細書U.S. Pat. No. 6,685,641 米国特許第7,957,609号明細書U.S. Pat. No. 7,957,609 米国特許出願公開第2009/0036772号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2009/0036772 米国特許第8,211,019号明細書U.S. Pat. No. 8,211,019 米国特許第7,775,980号明細書U.S. Pat. No. 7,775,980 米国特許出願公開第2011/0172538号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2011/0172538 特許第5441292号公報Japanese Patent No. 5441292 米国特許第9,326,748号明細書U.S. Pat. No. 9,326,748 米国特許第7,690,838号明細書U.S. Pat. No. 7,690,838 米国特許第9,084,559号明細書U.S. Pat. No. 9,084,559

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Katsaggelos, "Iterative maximum likelihood displacement field estimation in quantum-limited image sequence," IEEE Trans. Image Processing, vol. 4, no. 6, pp. 743-751, 1995C. L. Chan, A. K. Katsaggelos, "Iterative maximum likelihood displacement field estimation in quantum-limited image sequence," IEEE Trans. Image Processing, vol. 4, no. 6, pp. 743-751, 1995 J. C. Brailean, A. K. Katsaggelos, "Simultaneous recursive displacement estimation and restoration of noisy-blurred image sequences," IEEE Trans. Image Processing, vol. 4, no. 9, pp. 1236-1251, 1995J. C. Brailean, A. K. Katsaggelos, "Simultaneous recursive displacement estimation and restoration of noisy-blurred image sequences," IEEE Trans. Image Processing, vol. 4, no. 9, pp. 1236-1251, 1995 Y.-L. You, M. Kaveh, "Blind Image restoration by anisotropic regularization," IEEE Trans. Image Processing, vol. 8, no. 3, pp. 396-407, 1999Y.-L. You, M. Kaveh, "Blind Image restoration by anisotropic regularization," IEEE Trans. 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Mersereau, "A regularized iterative image restoration algorithm," IEEE Trans Signal Processing, vol. 39, pp. 914-929, 1991A. K. Katsaggelos, J. Biemond, R. W. Schafer, R. M. Mersereau, "A regularized iterative image restoration algorithm," IEEE Trans Signal Processing, vol. 39, pp. 914-929, 1991

先に説明したように、受信ダイナミックフォーカシングを実現するべく受信においてデジタルディレイを掛けると、上記の補間近似処理によれば誤差を生じるので、コストをかけてAD変換器のサンプリング周波数を十分に高くするか、上記の高精度なデジタルディレイ(位相回転処理)を掛けて低速ビームフォーミングとするしかなかった。 As described above, if a digital delay is applied in reception to achieve reception dynamic focusing, an error occurs in the interpolation approximation process described above. Alternatively, there was no choice but to apply the above-mentioned high-precision digital delay (phase rotation processing) and use low-speed beamforming.

これまでに、電磁波や、音波(圧縮波)やずり波、表面波等を含む振動波(力学的波)、又は、熱波等の波動を対象として、反射波や透過波、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)、屈折波、表面波、衝撃波、又は、自己発散的(self-emanating)な波動源から発生するそれらの波動に関するデジタルビームフォーミングの方法が開示されているのは、上記の通り、ステアリングを含まないモノスタティック型開口面合成とステアリングを含む平面波送波、及び、マイグレーション法のみに限られていた。また、そのモノスタティック型開口面合成以外は、補間近似を必要とせずにはデジタルビームフォーミングを実施できなかった。従って、その精度が低かった。 So far, we have studied electromagnetic waves, vibrational waves (mechanical waves) including sound waves (compression waves), shear waves, surface waves, etc., and waves such as heat waves. Disclosed is a method of digital beamforming for waves such as scattered or backscattered waves, refracted waves, surface waves, shock waves, or those originating from a self-emanating wave source: As mentioned above, it is limited to monostatic aperture synthesis without steering, plane wave transmission with steering, and migration method. Also, other than its monostatic aperture synthesis, digital beamforming could not be implemented without the need for interpolation approximations. Therefore, its accuracy was low.

これに対し、任意開口形状を有する送信又は受信トランスデューサアレイデバイス(送信と受信の両方に使用されることもあるし、送信と受信が異なる波動に関するものであることもある)を用いる場合や、パッシブなビームフォーミングにおいて受信トランスデューサのみを用いる場合においては、送信又は受信のフォーカシングやステアリングの有無に依らず、送受信ビームの座標系と画像表示する座標系が異なる場合においても、従来の補間近似を要さずに、任意のビームフォーミングを高速に且つ高精度に実施することが望まれる。 In contrast, when using a transmitting or receiving transducer array device with an arbitrary aperture shape (which may be used for both transmitting and receiving, or the transmitting and receiving may be on different waves), or when using passive When only the receiving transducer is used in such beamforming, conventional interpolation approximation is required regardless of the presence or absence of focusing or steering of transmission or reception, even if the coordinate system of the transmitted and received beams and the coordinate system for image display are different. It is desired to perform arbitrary beamforming at high speed and with high precision without using

アクティブなビームフォーミングの場合には、任意開口形状を有する送信と受信トランスデューサアレイデバイス(トランスデューサは送信と受信の両方に使用されることもある)が使用される。また、パッシブなビームフォーミングの場合には、任意開口形状を有する受信トランスデューサアレイデバイスのみが使用される。それらの場合に、デジタル処理によって、任意のビームフォーミングを高速に且つ高精度に実現することが望まれる。実質的に、任意のフォーカシング及び任意のステアリング(偏向)を、任意開口形状を有するトランスデューサアレイデバイスを用いて実施することが望まれる。 In the case of active beamforming, transmit and receive transducer array devices (transducers may be used for both transmit and receive) with arbitrary aperture shapes are used. Also, for passive beamforming, only receive transducer array devices with arbitrary aperture shapes are used. In these cases, digital processing is desired to realize arbitrary beamforming at high speed and with high accuracy. It is desired to perform virtually arbitrary focusing and steering (deflection) with a transducer array device having an arbitrary aperture shape.

整相加算を行ったビームフォーミングの後に、各方向の周波数、帯域幅、パルス形状、ビーム形状等の波動パラメータの内の少なくとも1つが異なる複数のビームに線形又は非線形の信号処理が施されて、それらの波動パラメータの内の少なくとも1つに関して新たに別の値を持つビームが生成される(周波数変調や広帯域化されたもの、マルチフォーカス等様々)こともあるが、この様なビームフォーミングにおいて、フォーカシングとステアリング(偏向)、アポダイゼーションは、通常は、精度の低い従来の補間近似処理を含むDAS処理に基づいて、任意開口形状を有するトランスデューサアレイデバイスを用いて実施されていた。後述の通り、媒体における線形又は非線形の現象により、それらの波動パラメータの内、少なくとも1つに関して新たに別の値を持つビームが生成され、活用されることもある。 After beamforming with phasing and addition, linear or nonlinear signal processing is applied to a plurality of beams in which at least one of wave parameters such as frequency, bandwidth, pulse shape, beam shape, etc. in each direction is different, A beam with a new value for at least one of these wave parameters may be generated (frequency modulated, broadband, multifocus, etc.) , but in such beamforming , focusing and steering (deflection), and apodization have been performed using transducer array devices with arbitrary aperture shapes, usually based on DAS processes involving less accurate conventional interpolation approximations . As will be described later , linear or nonlinear phenomena in the medium may generate and exploit beams with new and different values for at least one of their wave parameters.

波動の伝搬速度は物理的な条件下における媒体の物性で決まるため、開口素子が2次元又は3次元分布や多次元アレイを構成して多次元空間のイメージングを行う場合には、1次元の場合に比べ、数多くのビームフォーミングを実施することとなり、また、1つのビームフォーミングに使用する処理データ数も増加するので、膨大な時間を要することとなるが、ビームフォーミングの高速性を獲得して、これらのビームフォーミングをいわゆる実時間で処理する装置や短時間で結果表示できる装置を使用することが望まれる。 Since the wave propagation velocity is determined by the physical properties of the medium under physical conditions, when the aperture element configures a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multi-dimensional array to perform imaging in a multi-dimensional space, the one-dimensional case Compared to , a lot of beamforming is performed, and the number of processing data used for one beamforming also increases, so it takes a huge amount of time. It is desirable to use a device that processes these beamforming processes in real time or a device that can display results in a short period of time.

また、これまで、フーリエ変換を通じたデジタルビームフォーミングに関しては、主として1次元又は2次元のリニアアレイ型トランスデューサを用いた際のデカルト座標系において従来の補間近似を通じて行われるものが開示されているが、送信時や受信時と結果(画像)表示との座標系が異なる場合においても、従来の補間近似を行うことなく、デジタルビームフォーミングを行うことが望まれる。 Also, until now, regarding digital beamforming through Fourier transform, it has been disclosed that it is performed through conventional interpolation approximation in a Cartesian coordinate system when using a one-dimensional or two-dimensional linear array type transducer. It is desirable to perform digital beamforming without performing conventional interpolation approximation even when the coordinate system at the time of transmission or reception is different from that of the result (image) display.

アレイの開口形状がフラットでない場合に関して開示されている方法(例えば、アレイ開口が円弧である場合)も、従来の補間近似を行うものであった。典型的な例として、コンベックス型トランスデューサを使用する場合や、電子又はメカニカルなセクタスキャンやIVUS(intravascular ultrasound:血管内超音波検査)のスキャンを行う場合には、極座標系等の任意座標系において送受信した波動から得られたデジタル信号を処理し、従来の補間近似を行うことなく、デカルト座標系等の任意の画像表示系(任意座標系)において直接的にビームフォーミングされた信号を得ることが望まれる。 The methods disclosed for cases where the array aperture shape is not flat (eg, where the array aperture is an arc) also provided conventional interpolation approximations . As a typical example, when using a convex transducer, or when performing electronic or mechanical sector scanning or IVUS (intravascular ultrasound) scanning, transmission and reception are performed in an arbitrary coordinate system such as a polar coordinate system. It would be desirable to process the digital signal obtained from the waves and obtain the beamformed signal directly in an arbitrary image display system (arbitrary coordinate system), such as the Cartesian coordinate system, without conventional interpolation approximation. be

近年、メモリやAD変換器は非常に安価なものになったが、オーバーサンプリングすることもなく、ナイキスト定理に基づいて波動をサンプリングすることにより、補間近似を行わない場合の時間を要するDAS処理に該当する高精度のビームフォーミングを高速に行えることが望まれる。アポダイゼーションを適切に実施することも重要になることがある。 In recent years, memory and AD converters have become very inexpensive, but by sampling waves based on the Nyquist theorem without oversampling, DAS processing that takes time when interpolation approximation is not performed It is desirable to be able to perform the corresponding high-precision beamforming at high speed. Proper execution of apodization can also be important.

これらの課題を解決した結果として、実時間又は短時間に得られるイメージ信号の空間分解能やコントラスト(サイドローブが抑圧される効果を含む)が高く、また、得られた信号から対象の動き(変位)や変形、又は、温度等を計測するに至っては、高精度な計測を実現することが望まれる。例えば、医用超音波の分野では、近年、エコー信号にドプラ法を適用して組織変位や速さを計測した後、これに時空間微分を施して加速度や歪等を求めて画像化する様になった。時空間微分は、高周波数の計測誤差を増幅してSN比(Signal-to-Noise Ratio)を劣化させる処理であるため、位相を用いた高精度な変位計測を実現する必要があり、従来において、これを実現する高精度なビームフォーミングは、従来のDAS処理(周波数領域における位相回転処理により得られる整相信号を加算する近似計算を含まない処理、特許文献6、非特許文献15等)に基づくダイナミックフォーカシングのみであった。2次元アレイや3次元アレイを用いた3次元イメージング装置も普及していく傾向にあるので、この様に、ダイナミックフォーカシングを含む任意のビームフォーミングを、従来の補間近似を行うことなく、高速に且つ高精度に成し遂げることが望まれる。 As a result of solving these problems, the spatial resolution and contrast of image signals obtained in real time or in a short time (including the effect of suppressing side lobes) are high, and the movement (displacement) of the object from the obtained signals is improved. ), deformation, temperature, etc., it is desired to realize highly accurate measurement. For example, in the field of medical ultrasound, in recent years, after applying the Doppler method to echo signals to measure tissue displacement and velocity, this is subjected to spatio-temporal differentiation to obtain acceleration, strain, etc., and image it. became. Since spatio-temporal differentiation is a process that amplifies high-frequency measurement errors and degrades the SN ratio (Signal-to-Noise Ratio), it is necessary to achieve highly accurate displacement measurement using phase. , The high-precision beamforming that realizes this is based on conventional DAS processing (processing that does not include approximate calculation for adding phasing signals obtained by phase rotation processing in the frequency domain, Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.) Based on dynamic focusing only . Three-dimensional imaging apparatuses using two-dimensional arrays and three-dimensional arrays are also becoming popular, so arbitrary beamforming including dynamic focusing can be performed at high speed and without conventional interpolation approximation. It is desirable to achieve this with high precision.

本願の発明者は、最近において、偏向平面波送波による高速ビームフォーミング(関心領域内の送受信が高速)に基づいて、比較的に早い動きをする組織変位やずり波伝搬の高精度な計測法を実現したが、この様なフォーカシングを行わない場合においても、高速に且つ補間近似を要さずに高精度にビームフォーミングを行うことが望まれる。ステアリング角度を変えながら高速ビームフォーミングを行ってコヒーレント加算することにより、通常のフォーカシングビームを用いた走査と比べ、ほぼ同程度の高画質(空間分解能とコントラスト)を高速で得ることが可能にもなる。高速ビームフォーミングは、多次元アレイを用いた多次元イメージングにも有効である。 The inventor of the present application has recently developed a highly accurate measurement method for relatively fast-moving tissue displacement and shear wave propagation based on high-speed beamforming (high-speed transmission and reception within the region of interest) using polarized plane wave transmission. However, even when such focusing is not performed, it is desirable to perform high-speed beamforming with high accuracy without interpolation approximation. By performing high-speed beamforming while changing the steering angle and performing coherent summation, it is possible to obtain almost the same high image quality (spatial resolution and contrast) at high speed as compared to scanning using a normal focusing beam. . Fast beamforming is also effective for multidimensional imaging using multidimensional arrays.

また、これまでに開示されていない、1素子ずつの駆動による走査に基づく古典的な開口面合成(モノスタティック型)におけるステアリングやマルチスタティック型開口面合成を、高速に且つ補間近似を要さずに高精度に実施することが望まれる。また、いわゆるマイグレーション処理を用いた場合でも、同様に任意座標系において補間近似を施さずに任意ビームフォーミングを高速に且つ高精度に処理することが望まれる。その他に実現が望まれるビームフォーミングの具体的な例は、本明細書の他の部分に記載されている通りであり、それらのビームフォーミングも、同様に、高速に且つ高精度に実施できることが望まれる。 In addition, steering in classical aperture plane synthesis (monostatic type) based on scanning by driving one element at a time and multi-static aperture plane synthesis, which has not been disclosed so far, can be performed at high speed and without interpolation approximation. It is desirable to carry out with a high degree of accuracy. Also, even when so-called migration processing is used, it is desirable to process arbitrary beamforming at high speed and with high accuracy without performing interpolation approximation in an arbitrary coordinate system. Other specific examples of beamforming that are desired to be implemented are as described elsewhere in this specification, and it is desired that such beamforming be similarly performed with high speed and high accuracy. be

そこで、本発明の目的の1つは、デジタルビームフォーマーとしてデジタル演算機能を備えるものを使用し、従来の近似計算を行うことなく、任意のビームフォーミングを高速且つ高精度に行うことである。これにより、非線形処理を用いた超解像等を含む以下に記載の波動の様々な応用が実施可能になる。応用には、その他、画像化や変位計測、温度計測等、様々なものがあり、それらの応用を高速に実施することを可能にするべく、非特許文献13にて開示されている多次元フーリエ変換を用いた高精度且つ高速なヒルベルト変換処理(受信多次元信号に多次元フーリエ変換を実施して、周波数領域においてスペクトルの零詰めを通じ、3次元の場合にオークタント(Orctant)スペクトル、2次元の場合にクァドラント(Quadrant)スペクトルを生成し、多次元逆フーリエ変換を実施する方法)よりもさらに高速又は計算の簡単な処理を実現することである。 Accordingly, one of the objects of the present invention is to use a digital beamformer having a digital operation function and perform arbitrary beamforming at high speed and with high accuracy without performing conventional approximate calculation. This enables various applications of waves described below, including super-resolution using non-linear processing. There are various other applications such as imaging, displacement measurement, and temperature measurement. High-precision and high-speed Hilbert transform processing using a transform (a multidimensional Fourier transform is performed on the received multidimensional signal, and through zero padding of the spectrum in the frequency domain, an octant spectrum in the case of three dimensions, and an octant spectrum in the case of two dimensions). It is to realize a process that is faster or computationally simpler than the method of generating a quadrant spectrum and performing a multi-dimensional inverse Fourier transform in the case of .

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものである。本発明の1つの観点に係る計測イメージング装置は、受信開口素子アレイによって定まる直交座標系において、任意方向に位置する波動源から計測対象に向けて任意の波動が送信される場合に、前記計測対象のイメージ信号を生成する計測イメージング装置であって、(1)前記計測対象から到来する波動を受信して、受信信号をそれぞれ生成する複数の受信開口素子と、(2)前記受信信号、前記受信信号の直交検波信号、前記受信信号のIQ信号(同相信号及び直交位相信号)、前記受信信号の解析信号の内の1つの信号に、(a)ビームフォーミング処理を適用する所望の時点の近傍のサンプリング点における選択された単一の角周波数と、前記所望の時点と前記サンプリング点との間の時間差との積を指数部分に有する複素指数関数の乗算に基づく位相回転、又は、(b)ビームフォーミング処理を適用する所望の空間的位置の近傍の空間的サンプリング位置における選択された単一の角波数と、前記所望の空間的位置と前記空間的サンプリング位置との間の距離との積を指数部分に有する複素指数関数の乗算に基づく位相回転を少なくとも施すことにより、前記所望の時点又は空間的位置における信号を補間近似によって求め、前記複数の受信開口素子について求められた複数の信号を用いて整相加算処理を行い、前記複数の受信開口素子の正面方向との間で零度又は非零度の偏角又は仰角及び方位角で表されるステアリング角度を成す送信分又は受信分のステアリングを行うことを含む送信分又は受信分のビームフォーミング処理を施すことにより、少なくとも2つの方向を座標軸とする所望の座標系において前記イメージ信号を生成する信号処理部とを具備する。ここで、波数とは、波動の空間周波数であり、正弦波の波数は、波長の逆数又はその2π倍として定義され、後者は、特に角波数(かくはすう)と呼ばれる。また、ステアリング角度は、2次元直交座標系においては偏角で表され、3次元直交座標系においては仰角及び方位角で表される。 The present invention has been made to solve at least part of the above problems. A measurement imaging apparatus according to one aspect of the present invention is configured such that, in a rectangular coordinate system defined by a receiving aperture element array, when arbitrary waves are transmitted from a wave source located in an arbitrary direction toward a measurement target, (1) a plurality of reception aperture elements that receive waves arriving from the object to be measured and generate respective reception signals; (2) the reception signals ; (a) applying beamforming processing to one of a quadrature detection signal of a received signal, an IQ signal (in-phase signal and quadrature signal) of the received signal, and an analysis signal of the received signal; phase rotation based on multiplication of a complex exponential function whose exponent part is the product of a selected single angular frequency at a sampling instant near the instant of and the time difference between said desired instant and said sampling instant or (b) a selected single angular wavenumber at a spatial sampling location near a desired spatial location to which the beamforming process is applied, and between said desired spatial location and said spatial sampling location. obtaining the signal at the desired point in time or spatial position by interpolation approximation by applying at least a phase rotation based on multiplication of a complex exponential function having in the exponent part the product of the distance and the distance of the plurality of receive aperture elements, phasing and addition processing is performed using a plurality of signals, and a transmission component or a signal processing unit that generates the image signal in a desired coordinate system having coordinate axes in at least two directions by performing beamforming processing for transmission or reception including steering for reception. Here, the wavenumber is the spatial frequency of the wave motion, and the wavenumber of a sine wave is defined as the reciprocal of the wavelength or its 2π times, the latter being particularly called the angular wavenumber. Also, the steering angle is represented by a declination angle in a two-dimensional orthogonal coordinate system, and represented by an elevation angle and an azimuth angle in a three-dimensional orthogonal coordinate system.

また、本発明の他の観点に係るビームフォーミング方法は、平坦な受信開口素子アレイの開口の向きによって定まる軸方向y及びこれに直交する横方向xの座標を用いるデカルト直交座標系において、任意方向に位置する波動源から計測対象物に向けて任意の波動が送信され、計測対象物から到来する波動が、軸方向と成す偏向角度(偏角)θが零度又は非零度である方向に送信又は受信されたものとして処理され、さらに、計測対象物から到来する同波動が、軸方向と成す偏向角度(偏角)φが零度又は非零度である方向に受信ダイナミックフォーカシングされる場合において、計測対象物から到来する波動を少なくとも1つの受信開口素子によって受信して、受信信号を生成するステップ(a)と、ステップ(a)において生成される受信信号に対して、少なくともフーリエ変換及び波数マッチングを行うことによって、ビームフォーミング処理を行うステップ(b)とを具備し、ステップ(b)が、受信信号に対して波数領域又は周波数領域における補間近似処理を含む波数マッチングを行わずに、受信信号を軸方向yに関してフーリエ変換したものに波動の波数kと波動の搬送周波数ωを用いて表される波数k(=ω/c)及び虚数単位iを用いて表される複素指数関数(101)を掛けることにより横方向xに関する波数マッチングを行い、

Figure 0007175489000001
さらに、その積を、軸方向yに関して分解能を持たせるべく横方向xに関してフーリエ変換し、得られた演算結果に、横方向xに行われた波数マッチングの効果を除いて実施できる複素指数関数(102)を掛けると同時に、複素指数関数(103)を掛けることにより軸方向に関する波数マッチングを行い、ここで、横方向の波数がkと表され、
Figure 0007175489000002
Figure 0007175489000003
補間近似処理を行うことなく波数マッチングを行うことによって、直接的にデカルト座標系においてイメージ信号を生成することを含む。
また、本発明の他の観点に係るビームフォーミング方法は、フーリエビームフォーミングやDAS処理等他、様々なビームフォーミングにおいて、アレイ型開口素子群(各々の素子が独立に駆動され、また、独立に受信信号を得ることのできる、独立した送信又は受信のチャンネルを持つ)において、隣接する又は離れた位置の素子に同一の送信又は受信の遅延や送信又は受信のアポダイゼーションを施して1つの開口として使用することにより、1素子を用いた送信又は受信よりも強さの大きい波動を送信又は受信のビームフォーミングに使用することを含む。 Further, a beamforming method according to another aspect of the present invention is a Cartesian orthogonal coordinate system using coordinates of an axial direction y determined by the orientation of apertures of a flat receive aperture element array and a lateral direction x perpendicular to the axial direction y. Arbitrary waves are transmitted from the wave source located at to the object to be measured, and the waves coming from the object to be measured are transmitted in a direction where the deflection angle (deviation angle) θ formed with the axial direction is zero degrees or non-zero degrees, or processed as received, and furthermore, when the same wave arriving from the measurement object is received and dynamically focused in a direction in which the deflection angle (deviation angle) φ formed with the axial direction is zero or non-zero degrees, the measurement object Step (a) of receiving waves coming from an object by at least one receive aperture element to generate a received signal; and performing at least Fourier transform and wave number matching on the received signal generated in step (a). and step (b) of performing beamforming processing, wherein step (b) is performed on the received signal without performing wavenumber matching including interpolation approximation processing in the wavenumber domain or the frequency domain on the received signal. The complex exponential function ( 101 ) to perform wave number matching in the horizontal direction x,
Figure 0007175489000001
Furthermore, the product is subjected to Fourier transform in the horizontal direction x to provide resolution in the axial direction y, and the obtained operation result is a complex exponential function ( 102) and simultaneously multiply by the complex exponential function (103) to perform wavenumber matching in the axial direction, where the transverse wavenumber is denoted as kx,
Figure 0007175489000002
Figure 0007175489000003
It involves generating an image signal in the Cartesian coordinate system directly by wavenumber matching without interpolation approximation.
In addition, a beamforming method according to another aspect of the present invention is an array aperture element group (each element is independently driven and independently received) in various beamforming such as Fourier beamforming and DAS processing. have independent transmit or receive channels from which the signal can be obtained, using the same transmit or receive delays and transmit or receive apodizations in adjacent or distant elements as a single aperture By this we mean the use of waves for transmit or receive beamforming with greater intensity than transmit or receive with a single element.

本発明は、任意の直交座標系において任意のビームフォーミングを高速に且つ高精度に行う装置及び方法を含む。課題を解決するために、電磁波や、音波(圧縮波)やずり波、表面波等を含む振動波(力学的波)、又は、熱波等の波動を対象として、反射波や透過波、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)、屈折波、表面波、衝撃波、自己発散的(self-emanating)な波動源から発生するそれらの波動、移動体から発せられる波動、又は、未知の波源から到来する波動等の観測される波動に対し、適切に設定されたデジタル信号処理アルゴリズム(実装されるデジタル回路又はソフトウェアにおける)、又は、アナログ又はデジタルのハードウェアが用いられる。 The present invention includes an apparatus and method for performing arbitrary beamforming in an arbitrary Cartesian coordinate system at high speed and with high accuracy. In order to solve the problem, we target electromagnetic waves, oscillating waves (mechanical waves) including sound waves (compression waves), shear waves, surface waves, etc., or waves such as heat waves, reflected waves, transmitted waves, scattering Waves (such as forward scattered waves or backscattered waves), refracted waves, surface waves, shock waves, those waves emanating from self-emanating wave sources, waves emanating from moving bodies, or unknown wave sources Appropriately configured digital signal processing algorithms (in digital circuitry or software implementations) or analog or digital hardware are used for the observed waves, such as those coming from .

ハードウェアウェアの構成は、各波動装置の通常のデジタルビームフォーマーの整相加算デバイスを搭載したものに、さらに、デジタル波動信号処理を実施するための演算機能を備える装置を含んでも良く、本発明のソフトウェアを実装するか、又は、その演算を実現するデジタル回路を構成して使用しても良い。その他に必要なデバイスとしては、最低限、通常に使用されるトランスデューサや送信器、受信器、及び、受信信号の格納デバイス等を設ければ良く、後に詳述する通りである。高調波の波動も処理される。仮想源や仮想受信器を用いたビームフォーミングも行われる。同時に複数のビームを生成するべく、並列処理も行われる。 The hardware configuration may include a device equipped with an ordinary digital beamformer phasing and summing device of each wave device, and a device having an arithmetic function for performing digital wave signal processing. Alternatively, a digital circuit that implements the calculation may be constructed and used. Other necessary devices include, at a minimum, generally used transducers, transmitters, receivers, received signal storage devices, and the like, which will be described in detail later. Harmonic waves are also processed. Beamforming with virtual sources and virtual receivers is also performed. Parallel processing is also performed to generate multiple beams at the same time.

また、本発明において、高速且つ高精度な処理を実現するためには、上記のアナログ的な増幅又は減衰によるレベル調整やアナログフィルタリング等のアナログデバイスの他、アナログ信号処理デバイス(駆動信号の波形の特徴を強調したり減弱させたり等、波形を変えるための線形素子や特に非線形素子)の有効的な応用、また、上記の如く、汎用の計算処理能力を備えるデバイスや計算機、PLD(Programmable Logic Device)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、DSP(Digital Signal Processor)、GPU(Graphical Processing Unit)、又は、マイクロプロセッサ等が使用されることもあるが、専用の計算機や専用のデジタル回路、又は、専用デバイスを用いて、格納された信号に対してデジタル処理が施されることもある。 Further, in the present invention, in order to realize high-speed and high-precision processing, in addition to analog devices such as analog filtering and level adjustment by analog amplification or attenuation, analog signal processing devices (for driving signal waveforms, etc.) Efficient application of linear elements (especially nonlinear elements) for changing waveforms such as emphasizing or attenuating features, and devices, computers, and PLDs (Programmable Logic Devices) with general-purpose computing power as described above. ), FPGA (Field-Programmable Gate Array), DSP (Digital Signal Processor), GPU (Graphical Processing Unit), or microprocessors, etc. may be used, but dedicated computers, dedicated digital circuits, or Digital processing may also be performed on the stored signals using dedicated devices.

それらのアナログデバイスや、AD変換器、メモリ、及び、デジタル信号処理(マルチコア等)を行うデバイスが高性能であることは重要であるが、デバイス間の通信回数や通信線路容量、配線、若しくは、広帯域な無線通信も重要である。特に、本発明においては、それらの機能デバイスが1つのチップや基板に適切に装着される場合(脱着可能な場合)の他に、1つのチップや基板にそれらの機能デバイスが直接的に実装されること(積層を含む)が望ましい。並列処理も重要である。デバイスが脱着不可能なものであると、計算機が制御ユニットも兼ねる場合に、通常のプログラム制御の下で得られるセキュリティに比べて格段に高いセキュリティ性能を獲得することができる。その反面、現行の法律では処理内容の開示が求められることが増えるであろう。 It is important that these analog devices, AD converters, memories, and devices that perform digital signal processing (multi-core, etc.) have high performance. Broadband wireless communication is also important. In particular, in the present invention, in addition to the case where those functional devices are appropriately mounted on one chip or substrate (the case where they are detachable), those functional devices are directly mounted on one chip or substrate. (including lamination) is desirable. Parallel processing is also important. If the device is non-detachable, when the computer also serves as the control unit, it is possible to obtain much higher security performance than that obtained under normal program control. On the other hand, current legislation will likely require more disclosure of what is being processed.

本発明の1つの観点によれば、デジタルビームフォーマーとしてデジタル演算機能を備えるものを使用し、任意のビームフォーミングを、従来法と比べて、高速に、且つ、高精度に行うこと可能となる。本発明は、曲座標系を含む任意の直交座標系において任意のビームフォーミングを高速に且つ高精度に実現することを含む。超音波等の波動のパラメータやビームフォーミングパラメータの異なる複数のビームや波動が生成される場合には、受信トランスデューサにて受信された受信エコー信号が重ね合わされていても、一度にビームフォーミングされることもある。
従来のビームフォーミングを含む如何なるビームフォーミングも本発明を用いて実現できる。特に、本発明によれば、開口素子が2次元又は3次元分布や多次元のアレイを構成している場合には多くの処理時間を要するという問題をさらに効果的に解決し、ビームフォーミングの高速性はさらに有効となる。無論、従来のDAS処理が使用されることもある。
According to one aspect of the present invention, it is possible to use a digital beamformer with a digital operation function and perform arbitrary beamforming at a higher speed and with a higher degree of accuracy than with conventional methods. becomes. The present invention includes realizing fast and highly accurate arbitrary beamforming in arbitrary orthogonal coordinate systems, including curvilinear coordinate systems. When multiple beams or waves with different wave parameters or beamforming parameters such as ultrasonic waves are generated, even if the received echo signals received by the receiving transducer are superimposed, beamforming may be performed at once. There is also
Any beamforming, including conventional beamforming, can be implemented using the present invention . In particular , according to the present invention, the problem of requiring a long processing time when aperture elements constitute a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multi-dimensional array can be effectively solved, and beamforming can be performed. The high speed of is even more effective. Of course, conventional DAS processing may also be used.

即ち、本発明によれば、任意開口形状を有する送信又は受信トランスデューサアレイデバイス(送信と受信の両方に使用されることもある)又はセンサーアレイデバイスを用い、任意のビームフォーミングを、高速に且つ高精度にデジタル処理によって実現できる。実質的に、任意のフォーカシングと任意のステアリング(偏向)、任意のアポダイゼーションを、任意開口形状を有するアレイデバイスを用いて実施できる。 That is, according to the present invention, a transmitting or receiving transducer array device (sometimes used for both transmission and reception) or a sensor array device with an arbitrary aperture shape can be used to perform arbitrary beamforming at high speed and high efficiency. Precision can be realized by digital processing. Virtually any focusing, any steering (deflection), any apodization can be performed with an array device having any aperture shape.

例えば、医用超音波画像の分野では、リニア型トランスデューサによるデカルト座標系の他、コンベ型やセクタスキャン、又は、IVUS(intravascular ultrasound)において、極座標系を用いて物理的に送信と受信とデジタル化を行うものが一般的(popular)であり、観測対象によって使い分けられる。例えば、胸骨の隙間から心臓の動態を観測する場合においては、通常、セクタスキャンが行われる。また、アレイ型開口形状やそうでなくPVDF(polyvinylidene fluoride:ポリフッ化ビニリデン)ベースのトランスデューサにおいては、開口が変形可能である場合もある。つまり、本発明によれば、任意座標系において送受信した波動から得られたデジタル信号を処理し、画像表示系等の任意座標系において直接的にビームフォーミングされた信号を得ることができる。高周波超音波を生成できるPVDFと低周波ではあるが大きなパワーを持つ超音波を生成できるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)との複合型のトランスデューサが広帯域用又は複数の搬送周波数を同時に生成できるトランスデューサとして使用されることもある。複数の異なる超音波を生成するものとしては、素子そのものの大きさ、素子間隔、又は、素子の厚みの異なるものがアレイ状に並んでいたり、様々に構成されたアレイが積層を成している場合も有る。 For example, in the field of medical ultrasound imaging, in addition to Cartesian coordinate systems with linear transducers, conveyor and sector scans, or IVUS (intravascular ultrasound), physically transmit, receive, and digitize using polar coordinate systems. What you do is popular, and it is used properly depending on the observation target. For example, sector scanning is usually performed when observing the dynamics of the heart through the sternum gap. Also, in array-type aperture geometries or otherwise in PVDF (polyvinylidene fluoride)-based transducers, the apertures may be deformable. In other words, according to the present invention, it is possible to process digital signals obtained from waves transmitted and received in an arbitrary coordinate system, and obtain signals directly beamformed in an arbitrary coordinate system such as an image display system. A composite transducer of PVDF that can generate high-frequency ultrasonic waves and PZT (lead zirconate titanate) that can generate low-frequency but high-power ultrasonic waves is used as a transducer for broadband or that can generate multiple carrier frequencies at the same time. sometimes used. For generating a plurality of different ultrasonic waves, elements with different sizes, element intervals, or element thicknesses are arranged in an array, or variously configured arrays are stacked. There are cases.

マルチスタティック開口面合成においては、送信位置に対して複数個存在する受信位置の内の同一位置において受信したエコー信号から成るエコーデータフレームを受信素子の数だけ生成し、各々のエコーデータフレームにモノスタティック型の開口面合成処理を施し、それらの処理結果を重ね合わせる。それにより、受信開口のチャンネル数と等しい回数の開口面合成処理でエコーデータを生成できるので、マルチスタティック型の処理方法として知られる低空間分解能イメージ信号を生成して重ね合わせて高空間分解能イメージ信号を生成する方法よりも高速である。 In the multi-static aperture synthesis, echo data frames composed of echo signals received at the same position among a plurality of reception positions that exist with respect to a transmission position are generated by the number of reception elements , and each echo data frame is Monostatic aperture synthesis processing is performed and the processing results are superimposed . As a result, echo data can be generated by aperture plane synthesis processing the number of times equal to the number of channels of the reception aperture. Faster than methods that generate signals.

また、本発明によるこのマルチスタティック処理を基礎とし、一般的(popular)な送信固定フォーカス時におけるダイナミック受信やステアリングを高速に且つ高精度に実施できる Also, based on this multi-static processing according to the present invention, dynamic reception and steering at the time of popular transmission fixed focus can be performed at high speed and with high accuracy .

また、座標系に関してであるが、本発明では、例えば、コンベックスやセクタスキャン、又は、IVUSの信号処理において、極座標系において送受信したエコーデータに基づいて、高精度に且つ高速に、表示系のデカルト座標系において直接的にエコーデータを生成することができる。 Regarding the coordinate system, in the present invention, for example, in the signal processing of convex, sector scan, or IVUS, based on the echo data transmitted and received in the polar coordinate system, the Echo data can be generated directly in the Cartesian coordinate system.

た、本発明によれば、仮想源を用いた高SN比且つ高分解能なイメージングも高速に行える。さらに、本発明によれば、線形処理や非線形処理の下で行われるビームの周波数変調や広帯域化、マルチフォーカス、並列処理、仮想源や仮想受信器等も、デジタル処理の下、高速に高精度に実現できる。本発明は、計算量を必要とするビームフォーミングの最適化においても有用である。 Further , according to the present invention, imaging with a high SN ratio and high resolution using a virtual source can be performed at high speed. Furthermore, according to the present invention, beam frequency modulation, broadband, multi-focus, parallel processing, virtual sources, virtual receivers, etc. performed under linear processing or non-linear processing can be performed at high speed and with high precision under digital processing. can be realized. The present invention is also useful in beamforming optimization, which requires computational complexity.

また、本発明のビームフォーミングの他、フーリエビームフォーミングや従来のDAS処理等様々なビームフォーミングにおいて、アレイ型開口素子群(各々の素子が独立に駆動され、また、独立に受信信号を得ることのできる、独立した送信又は受信のチャンネルを持つ)において、隣接する又は離れた位置の素子に同一の送信又は受信の遅延や送信又は受信のアポダイゼーションを施して1つの開口として使用することにより、1素子を用いた送信又は受信よりも強さの大きい波動を送信又は受信のビームフォーミングに使用することを含む。例えば、1次元アレイ型トランスデューサにおいて、軸方向や横方向の空間分解能を向上させるべく、素子幅や素子間隔を短くした場合には、送信や受信の波動の強さは弱くなる(本発明者は、素子ピッチ0.1mm付近又はそれ以下において高精度な変位ベクトル観測を実現している)。また、2次元アレイやさらに高次元のアレイを使用する場合も然りである(次元数の方向の素子幅や素子間隔が短くなる)。素子厚を薄くして周波数を高くする場合や例えば超音波においてはPZT等に比べて送信強度の弱いPVDF等を用いる場合等でも波動の強さは弱くなる。この様な場合に有効となる。ちなみに、素子ピッチが粗いと素子アレイ方向(元よりデジタル空間)にエイリアシングを生じた信号を受信してビームフォーミングを行うこととなるため、受信生信号の角スペクトル又はビームフォーミング後の信号において、折り返した帯域の信号をフィルタリングして除去する。上記の如くに素子幅を小さくして素子ピッチを短くすると、角スペクトルで確認できる通り横方向には広帯域となり、ビームフォーミングにより横方向に広帯域な信号を生成できるが、エイリアシングを生じる場合には同様に処理する必要がある。これらの処理は、全てのビームフォーミング処理の場合において必要となる。受信生信号の角スぺクトルの信号帯域内にてビームフォーミング信号を生成できるため、その素子アレイを用いて実現できるステアリング角度を確認できる。 In addition to the beamforming of the present invention , in various beamforming such as Fourier beamforming and conventional DAS processing, an array type aperture element group (each element is independently driven and independently obtains a received signal) 1 by applying the same transmission or reception delay and transmission or reception apodization to adjacent or distant elements and using them as one aperture. This includes using beamforming for transmission or reception with waves that are stronger than the transmission or reception with the elements. For example, in a one-dimensional array type transducer, if the element width and element spacing are shortened in order to improve the spatial resolution in the axial and lateral directions, the intensity of transmitted and received waves will weaken (the present inventor , high-precision displacement vector observation is realized at an element pitch of 0.1 mm or less). This is also the case when using a two-dimensional array or a higher-dimensional array (the element width and the element spacing in the dimensional direction are shortened). Even when the thickness of the element is reduced to increase the frequency, or when using PVDF or the like, which has a lower transmission strength than PZT or the like in ultrasonic waves, the strength of the wave becomes weak. It is effective in such a case. By the way, if the element pitch is coarse, signals with aliasing in the element array direction (originally digital space) will be received and beamforming will be performed, so the angular spectrum of the received raw signal or the signal after beamforming Filters out the signal in the selected band. If the element width is reduced and the element pitch is shortened as described above, the band becomes wide in the horizontal direction as can be confirmed by the angular spectrum, and a signal with a wide band in the horizontal direction can be generated by beamforming. need to be processed. These processes are necessary in the case of all beamforming processes. Since beamforming signals can be generated within the signal band of the angular spectrum of the received raw signal, the steering angle achievable with the element array can be ascertained.

以上述べたように、本発明によれば、電磁波や、音波(圧縮波)やずり波、衝撃波、表面波等を含む振動波(力学的波)、又は、熱波等の波動を対象として、送信又は受信のフォーカシングや送信又は受信のステアリング、及び、送信又は受信のアポダイゼーションの有無に依らず、送受信の座標系とビームフォーミングされた信号を生成する座標系が異なる場合においても、任意のビームフォーミングをデジタル処理に基づいて高精度に且つ高速に実施することができる。 As described above, according to the present invention, electromagnetic waves, vibration waves (mechanical waves) including sound waves (compression waves), shear waves, shock waves, surface waves, etc., or waves such as heat waves, Arbitrary beamforming, with or without transmit or receive focusing, transmit or receive steering, and transmit or receive apodization, even if the transmit and receive coordinate systems and the coordinate systems that generate the beamformed signals are different. can be performed with high accuracy and speed based on digital processing.

それにより、ビームフォーミングされた信号を画像表示する際のフレームレートが向上するだけでなく、画質に関して高い空間分解能と高いコントラストを得ることができ、さらに、ビームフォーミングされた信号を用いて変位や変形、又は、温度等を計測すれば、計測精度も向上する。処理の高速性は、多次元アレイを用いた多次元イメージングにおいて絶大な効果を奏する。本発明は、デジタル演算において近似計算を含むものの、精度の低い従来の補間近似を含むDAS処理と比べて高精度なビームフォーミングを成し遂げることができるので、容易に想到できるものではない。
また、発明の他の観点によれば、(偏)微分処理又は(高速)フーリエ変換を用いた新しいヒルベルト変換により、高速に、波動の画像化や変位(ベクトル)計測、温度計測等の様々な応用が実施可能となる(前者の方が後者よりも高速である)。1つ1つの時相において、超音波等の波動のパラメータやビームフォーミングパラメータの異なる複数のビームや波動が生成される場合には、受信トランスデューサにて受信する受信信号が増えてビームフォーミングやヒルベルト変換を実施する回数が増えるため、その様な場合に有効である。ビームフォーミングされた複数の信号が重ね合わされて、一度にヒルベルト変換されることもあり、その場合にも有効である。物理開口素子が2次元又は3次元分布や多次元のアレイを構成している場合には、多くの処理時間を要するという問題をさらに効果的に解決し、ヒルベルト変換の高速性はさらに有効となる。
This not only improves the frame rate when displaying images of beamformed signals, but also provides high spatial resolution and high contrast in terms of image quality, as well as displacement and deformation using beamformed signals. Or, if the temperature or the like is measured, the measurement accuracy is also improved. High-speed processing is extremely effective in multidimensional imaging using multidimensional arrays. Although the present invention includes approximation calculations in digital operations , it is not easy to come up with because it can achieve highly accurate beamforming compared to DAS processing that includes conventional interpolation approximations with low accuracy .
In addition, according to another aspect of the invention, a new Hilbert transform using (partial) differential processing or (fast) Fourier transform enables high-speed imaging of waves, displacement (vector) measurement, temperature measurement, etc. The application becomes viable (the former is faster than the latter). When multiple beams or waves with different wave parameters or beam forming parameters such as ultrasonic waves are generated in each time phase, the number of received signals received by the receiving transducer increases and beam forming or Hilbert transform is performed. is effective in such cases because the number of times that Multiple beamformed signals may be superimposed and Hilbert transformed at once, which is also useful. When the physical aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multi-dimensional array, the problem of requiring a long processing time can be effectively solved, and the high-speed Hilbert transform becomes even more effective. .

本発明の第1の実施形態に係る計測イメージング装置又は通信装置の構成例を示す代表的なブロック図。1 is a representative block diagram showing a configuration example of a measurement imaging device or communication device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 図1に示す装置本体の構成例を詳しく示す代表的なブロック図。FIG. 2 is a representative block diagram showing in detail a configuration example of the apparatus body shown in FIG. 1; 送信トランスデューサにおける複数の送信開口素子の配置例を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing an arrangement example of a plurality of transmission aperture elements in a transmission transducer; 整相加算器を搭載する受信ユニット又は受信装置の構成とその周辺装置を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a receiving unit or receiving device equipped with a phasing adder and its peripheral devices; 偏向平面波の送波の模式図。Schematic diagram of transmission of polarized plane waves. 偏向平面波送波時のデジタル信号処理を示すフローチャート。4 is a flow chart showing digital signal processing during polarized plane wave transmission. 極座標(r,θ)において角度θ方向に広い波を半径r方向に送波する場合(円筒波送波)の模式図。FIG. 4 is a schematic diagram of a case where a wide wave is transmitted in the direction of the angle θ in the polar coordinates (r, θ) in the direction of the radius r (cylindrical wave transmission). 任意の開口形状の物理開口の後方に設置された仮想源を用いて極座標系(r,θ)の角度θ方向に広い波を半径r方向に送波する場合(円筒波送波)の模式図。Schematic diagram of the case of transmitting a wide wave in the direction of the angle θ in the polar coordinate system (r, θ) in the direction of the radius r (cylindrical wave transmission) using a virtual source installed behind a physical aperture with an arbitrary shape. . 任意の開口形状の物理開口の位置、又は、その後方又は前方に別の開口又は波を生成する場合の模式図。Schematic diagram of the position of a physical aperture with an arbitrary aperture shape, or the generation of another aperture or wave behind or in front of it. モノスタティック型開口面合成の模式図。Schematic diagram of monostatic aperture synthesis. モノスタティック型開口面合成におけるステアリングにより生成されるスペクトルの模式図(θはステアリング角度)。Schematic diagram of spectra generated by steering in monostatic aperture synthesis (θ is the steering angle). マルチスタティック型開口面合成の模式図。Schematic diagram of multi-static aperture plane synthesis. リニア型アレイを用いた固定フォーカシングの模式図。Schematic of fixed focusing using a linear array. 円筒波送波時のデジタル信号処理を示すフローチャート。4 is a flowchart showing digital signal processing during cylindrical wave transmission. コンベックス型アレイを用いた固定フォーカシングの模式図。Schematic diagram of fixed focusing using a convex array. 偏向平面波を送信した場合のマイグレーション処理を示すフローチャート。4 is a flowchart showing migration processing when polarized plane waves are transmitted. リニア型の1次元アレイ型トランスデューサを用いた場合に、ステアリングを実施しないときの位相収差補正の例を説明するための模式図。FIG. 5 is a schematic diagram for explaining an example of phase aberration correction when a linear one-dimensional array transducer is used and steering is not performed; リニア型の1次元アレイ型トランスデューサを用いた場合に、ステアリングを実施するときの位相収差補正の例を説明するための模式図。FIG. 5 is a schematic diagram for explaining an example of phase aberration correction when steering is performed using a linear one-dimensional array transducer; 2次元アレイ型トランスデューサを用いた場合に、ステアリングを実施するときの位相収差補正の例を説明するための模式図。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining an example of phase aberration correction when steering is performed using a two-dimensional array transducer; 2次元の場合に、処理対象の次のフレーム内に設けられる探索領域を関心点又は関心点を含む局所領域の変位ベクトルの推定値を用いて移動させて行う動き補償の模式図。FIG. 10 is a schematic diagram of motion compensation performed by moving a search area provided in the next frame to be processed in the case of two-dimensional using an estimated value of a displacement vector of a point of interest or a local area containing the point of interest. ヤコビ演算を用いたフーリエ変換による信号処理の一例を示すフローチャート。4 is a flowchart showing an example of signal processing by Fourier transform using Jacobian operation; シミュレーションにおいて用いられた数値ファントムを示す図。FIG. 4 shows a numerical phantom used in the simulation; シミュレーションにおいて用いられた送信パルスの音圧波形を示す図。FIG. 4 is a diagram showing sound pressure waveforms of transmission pulses used in the simulation; 偏向平面波送波において方法(1)を用いて得られた画像を示す図。Fig. 3 shows an image obtained using method (1) in polarized plane wave transmission; 偏向平面波送波において方法(1)を用いて得られた画像を示す図。Fig. 3 shows an image obtained using method (1) in polarized plane wave transmission; 偏向平面波送波において方法(1)を用いて得られた偏向角度と誤差を設定角度に対して示す図。FIG. 4 shows deflection angles and errors obtained using method (1) in polarized plane wave transmission versus set angles; 偏向平面波送波において方法(1)を用いて得られた偏向角度の誤差を示す図。FIG. 4 shows the deflection angle error obtained using method (1) in polarized plane wave transmission. 偏向平面波送波において方法(1)をコンパウンド法と共に用いて得られた画像を示す図。FIG. 4 shows an image obtained using method (1) with the compound method in polarized plane wave transmission. 偏向平面波送波において方法(1)を用いて実現された点拡がり関数を示す図。FIG. 4 shows the point spread function realized using method (1) in polarized plane wave transmission; 偏向平面波送波において方法(6)のマイグレーション法を用いて得られた画像を示す図。FIG. 11 shows an image obtained using the migration method of method (6) in polarized plane wave transmission. 方法(2)のモノスタティック型開口面合成により得られた画像を示す図。FIG. 10 is a diagram showing an image obtained by monostatic aperture plane synthesis of method (2); 方法(3)のマルチスタティック型開口面合成により得られた画像を示す図。FIG. 10 is a diagram showing an image obtained by multi-static aperture plane synthesis of method (3); 方法(3)のマルチスタティック型開口面合成により実現された点拡がり関数を示す図。FIG. 10 is a diagram showing a point spread function realized by multi-static aperture synthesis of method (3); 方法(4)の固定フォーカシング送信により得られた画像を示す図。Fig. 10 shows an image obtained by fixed focusing transmission of method (4); コンベックス型アレイを用いた円筒波送波において方法(5-1)により得られた画像、及び、リニア型アレイを用いた円筒波送波において方法(5-1')により得られた画像を示す図。Shows an image obtained by method (5-1) in cylindrical wave transmission using a convex array and an image obtained by method (5-1') in cylindrical wave transmission using a linear array. figure. コンベックス型アレイと方法(5-2)の固定フォーカシング送信により得られた画像を示す図。FIG. 10 is a diagram showing an image obtained by fixed focusing transmission of convex array and method (5-2). 2次元の場合の2ステアリングビームの例と、それらの重ね合わせの横方向変調を示す図。Fig. 2 shows an example of two steering beams in the two-dimensional case and the lateral modulation of their superposition; 3次元の場合の4ステアリングビームの例と、それらの重ね合わせの横方向変調を示す図。Fig. 4 shows an example of 4 steering beams in the 3D case and the lateral modulation of their superposition; 本発明の第3の実施形態に係るイメージング装置の構成例を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram showing a configuration example of an imaging apparatus according to a third embodiment of the present invention; 本発明の第4の実施形態及びその変形に係るイメージング装置の構成例を示すブロック図。The block diagram which shows the structural example of the imaging device which concerns on the 4th Embodiment of this invention, and its modification. 複数のトランスデューサの配置例を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing an arrangement example of a plurality of transducers; 1次元トランスデューサアレイを用いた場合における波動の形態を説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining the form of waves when using a one-dimensional transducer array; 2次元計測の場合の空間領域及び周波数領域におけるビーム方向や波動の到来方向の角度とスペクトルの重心を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the beam direction, the angle of arrival direction of waves, and the center of gravity of the spectrum in the spatial domain and the frequency domain in the case of two-dimensional measurement. 横方向変調法に用いる2つの偏向ビームを2次元空間において示す図。FIG. 2 shows in two-dimensional space two deflected beams used for the lateral modulation method; 2次元の横方向変調時のデモジュレーションにより、深さ方向の帯域2Aの2次元スペクトルにおいて折り返しが生じたときに、周波数座標軸を読み替えて処理する例を示す図。FIG. 11 is a diagram showing an example of processing by rereading the frequency coordinate axis when aliasing occurs in the two-dimensional spectrum of the band 2A in the depth direction due to demodulation during two-dimensional horizontal modulation. 2次元の横方向変調時のデモジュレーションにより、横方向の帯域2Bの2次元スペクトルにおいて折り返しが生じたときに、周波数座標軸を読み替えて処理する例を示す図。FIG. 10 is a diagram showing an example of processing by rereading the frequency coordinate axis when aliasing occurs in the two-dimensional spectrum of the horizontal band 2B due to demodulation during two-dimensional horizontal modulation. 本発明の一実施形態によるエコー信号のスペクトルの変化を示す図。FIG. 4 is a diagram showing changes in the spectrum of echo signals according to an embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態によるエコー信号の自己相関関数の変化を示す図。FIG. 4 shows changes in the autocorrelation function of an echo signal according to one embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態によるエコー信号の自己相関関数の変化を示す図。FIG. 4 shows changes in the autocorrelation function of an echo signal according to one embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態によるエコー信号の自己相関関数の変化を示す図。FIG. 4 shows changes in the autocorrelation function of an echo signal according to one embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態によるBモードエコー画像の変化を示す図。FIG. 10 is a diagram showing changes in a B-mode echo image according to one embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態によるBモードエコー画像の変化を示す図。FIG. 10 is a diagram showing changes in a B-mode echo image according to one embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態によるBモードエコー画像の変化を示す図。FIG. 10 is a diagram showing changes in a B-mode echo image according to one embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態によって寒天ファントムにおいて計測された変位ベクトル、歪テンソル、及び、相対的ずり弾性率の画像を示す図。FIG. 2 shows images of displacement vector, strain tensor, and relative shear modulus measured in an agar phantom according to one embodiment of the present invention. 凹型HIFUアプリケータを用いた際の本発明の一実施形態による音圧変化を示す図。FIG. 10 illustrates sound pressure variation according to one embodiment of the present invention when using a concave HIFU applicator;

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同じ構成要素には同じ符号を用いて、重複する説明を省略する。本発明に係る装置は、計測イメージング装置として使用することもできるし、通信装置として使用することもできる。以下においては、主として、波動が超音波等の音波であるときには音圧又は粒子速度、力学的な波として圧縮波(縦波)又はずり波、衝撃波、表面波等を対象とするときには応力波又は歪波、電磁波を対象とするときには電界又は磁場、熱波を対象とするときには温度又は熱束の透過波や屈折波、反射波、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)のイメージ信号を生成する場合について説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code|symbol is used for the same component and the overlapping description is abbreviate|omitted. The device according to the invention can be used as a metrology imaging device as well as a communication device. In the following, when waves are sound waves such as ultrasonic waves, sound pressure or particle velocity, and when mechanical waves are compression waves (longitudinal waves) or shear waves, shock waves, surface waves, etc., stress waves or Image signals of electric field or magnetic field when targeting distorted waves and electromagnetic waves, and image signals of transmitted waves, refracted waves, reflected waves, and scattered waves (forward scattered waves, backscattered waves, etc.) of temperature or heat flux when targeting heat waves. A case of generation will be described.

<<第1の実施形態>>
まず、本発明の第1の実施形態に係る計測イメージング装置又は通信装置の構成を説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る計測イメージング装置又は通信装置の構成例を示す代表的なブロック図である。図1に示すように、本実施形態に係る計測イメージング装置(又は通信装置)は、送信手段である送信トランスデューサ(又はアプリケータ)10と、受信手段である受信トランスデューサ(又は受信センサー)20と、装置本体30と、入力装置40と、出力装置(又は表示装置)50と、外部記憶装置60とを備えている。
<<First Embodiment>>
First, the configuration of the measurement imaging apparatus or communication apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a representative block diagram showing a configuration example of a measurement imaging device or communication device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the measurement imaging device (or communication device) according to the present embodiment includes a transmitting transducer (or applicator) 10 as transmitting means, a receiving transducer (or receiving sensor) 20 as receiving means, It comprises a device body 30 , an input device 40 , an output device (or display device) 50 and an external storage device 60 .

図2は、図1に示す装置本体の構成例を詳しく示す代表的なブロック図である。装置本体30は、主として、送信ユニット31と、受信ユニット32と、デジタル信号処理ユニット33と、制御ユニット34とを備えている。ここで、受信ユニット32がデジタル信号処理ユニット33を含んでも良い。なお、図1及び図2は、適度に簡略化したブロック図であり、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の詳細は以下の通りである。一例として、上記の装置間や装置本体30内のユニット間や各ユニット内においては、有線技術又は無線技術を基礎として適切に通信が行われるものであり、離れた場所に設置されても良い。装置本体30とは、それらの様な複数のユニットから構成されるものであり、便宜上、その様に呼ぶ。 FIG. 2 is a representative block diagram showing in detail a configuration example of the apparatus main body shown in FIG. The device body 30 mainly includes a transmission unit 31, a reception unit 32, a digital signal processing unit 33, and a control unit . Here, the receiving unit 32 may include the digital signal processing unit 33 . 1 and 2 are moderately simplified block diagrams, and the present embodiment is not limited to these, and the details of the present embodiment are as follows. As an example, communication between the above-described devices, between units in the device main body 30, and within each unit is performed appropriately based on wired technology or wireless technology, and they may be installed at remote locations. The device main body 30 is composed of a plurality of such units, and is so called for convenience.

<送信トランスデユーサ>
図2に示す送信トランスデューサ(又はアプリケータ)10は、装置本体30内の送信ユニット31から供給される駆動信号により波動を発生して送信する。本実施形態においては、送信トランスデューサ10の複数の送信開口素子10aがアレイを構成している。
<Transmitting Transducer>
The transmission transducer (or applicator) 10 shown in FIG. 2 generates and transmits waves by driving signals supplied from a transmission unit 31 in the device main body 30 . In this embodiment, a plurality of transmit aperture elements 10a of the transmit transducer 10 form an array.

図3は、送信トランスデューサにおける複数の送信開口素子の配置例を示す模式図である。図3(a1)は、1次元アレイ状に密に配列化された複数の送信開口素子10aを示しており、図3(b1)は、1次元状に疎に存在する複数の送信開口素子10aを示している。図3(a2)は、2次元アレイ状に密に配列化された複数の送信開口素子10aを示しており、図3(b2)は、2次元状に疎に存在する複数の送信開口素子10aを示している。図3(a3)は、3次元アレイ状に密に配列化された複数の送信開口素子10aを示しており、図3(b3)は、3次元状に疎に存在する複数の送信開口素子10aを示している。 FIG. 3 is a schematic diagram showing an arrangement example of a plurality of transmission aperture elements in a transmission transducer. 3(a1) shows a plurality of transmission aperture elements 10a densely arranged in a one-dimensional array, and FIG. 3(b1) shows a plurality of transmission aperture elements 10a sparsely arranged in a one-dimensional array. is shown. FIG. 3(a2) shows a plurality of transmission aperture elements 10a densely arranged in a two-dimensional array, and FIG. 3(b2) shows a plurality of transmission aperture elements 10a sparsely arranged in two dimensions. is shown. FIG. 3(a3) shows a plurality of transmission aperture elements 10a densely arranged in a three-dimensional array, and FIG. 3(b3) shows a plurality of transmission aperture elements 10a sparsely arranged is shown.

各々の送信開口素子10aは、矩形、円形、六角形、又は、その他の開口形状を有しており、また、フラット、凹型、凸型と様々であり、アレイは、1次元、2次元、又は、3次元状のものがある。1つの送信開口素子10aの指向性は、生成する波動の周波数や帯域幅、及び、その送信開口素子10aの開口の形状で決まり、通常、2次元以上の空間で表されるが、少なくとも直交する2方向に指向性を持つ様にいわゆる開口が直交する2方向を向いているものを1素子と勘定することがあるし、直交する3方向に指向性を持つ様にいわゆる開口が直交する3方向に向いているものを1素子と勘定することもある。独立した3方向より多くの方向に指向性を持つ様に開口が3方向より多くの方向を向いている開口をもつ素子も存在する。それらが位置により異なり、混在することもある。 Each transmit aperture element 10a has a rectangular, circular, hexagonal, or other aperture shape, and may also be flat, concave, convex, and the array may be one-dimensional, two-dimensional, or , and three-dimensional ones. The directivity of one transmission aperture element 10a is determined by the frequency and bandwidth of the wave to be generated and the shape of the aperture of the transmission aperture element 10a. In order to have directivity in two directions, so-called apertures facing two orthogonal directions may be counted as one element, and so-called apertures in three orthogonal directions may be counted as one element so as to have directivity in three orthogonal directions. In some cases, the one suitable for the above is counted as one element. There are also elements with apertures oriented in more than three directions such that they are directional in more than three independent directions. They differ depending on the position and may be mixed.

送信開口素子10aは、空間的に密又は疎(離れた位置)に存在する場合があるが、特段、1次元~3次元のアレイ型と区別することなく、本実施形態を説明する。開口素子アレイは、リニア型(素子の並びがフラット)、コンベックス(凸型の円弧状の並び)、フォーカス型(凹型の円弧状の並び)、円形型(例えば、医用超音波等でIVUSに使用される)、球状、凸型又は凹型の球殻状、その他の形状で凸型又は凹型に並ぶもの等、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察対象に対して、様々な様態が取られ、これらに限られるものではない。これらの開口素子アレイを適切に駆動して、上記の平面波等の波面が横方向に広く拡がる波の送波やステアリング、開口面合成や固定送信フォーカス等が行われ、1つのビームや生成された波面を持つ送信波が実現される。 The transmission aperture elements 10a may exist spatially densely or sparsely (separate positions), but this embodiment will be described without particular distinction from one-dimensional to three-dimensional array types. Aperture element arrays can be linear (flat arrangement of elements), convex (convex arc-shaped arrangement), focused (concave arc-shaped arrangement), or circular (e.g., used for IVUS in medical ultrasound, etc.). ), a spherical shape, a convex or concave spherical shell shape, and other shapes arranged in a convex or concave shape. , but not limited to these. By appropriately driving these aperture element arrays, transmission and steering of waves such as plane waves whose wavefront spreads widely in the horizontal direction, aperture synthesis, fixed transmission focus, etc. are performed, and one beam or generated A transmitted wave with a wavefront is realized.

電子走査に関しては、後に詳述する通り、1つの送信ビーム又は波面を持つ送信波を生成するべく、図2に示す送信ユニット31が備える複数の送信チャンネルが生成する独立した駆動信号により、その駆動信号の数と同じ数の送信開口素子10aを独立に駆動できる。1つの送信ビーム又は波面を持つ送信波を生成するために使用される送信開口素子アレイを、送信有効開口とも称する。また、全開口素子を纏めて称する物理開口素子アレイと区別し、この同時に駆動される送信開口素子10aにより実現される送信開口を、送信サブ開口素子アレイ、又は、単に送信サブ開口とも称することがある。 Regarding electronic scanning, as will be described in detail later, in order to generate one transmission beam or transmission wave having a wavefront, the driving is performed by independent drive signals generated by a plurality of transmission channels provided in the transmission unit 31 shown in FIG. As many transmit aperture elements 10a as there are signals can be driven independently. A transmit aperture element array used to generate a transmit wave with one transmit beam or wavefront is also referred to as a transmit effective aperture. In addition, to distinguish from the physical aperture element array, which collectively refers to all aperture elements, the transmission aperture realized by the simultaneously driven transmission aperture elements 10a can also be referred to as a transmission sub-aperture element array, or simply as a transmission sub-aperture. be.

波動を伝搬させる対象(通信対象)が広い場合や関心領域全体を一度に観察するべく、物理開口素子アレイにある全開口素子数の送信チャンネル数を備え、常時、それらの全てを使用することもあるが、装置を安価にするべく、電子的に送信チャンネルをスイッチングして送信サブ開口素子アレイを推移させたり(電子走査)、又は、物理開口素子アレイを機械走査すること(機械的走査)により、最小限の送信チャンネル数を用いて関心領域全体に波動が送信されることもある。波動を伝搬させる対象(通信対象)が広い場合や観察対象のサイズが大きい場合には、電子走査と機械走査とが共に実施されることもある。 When the object to propagate waves (communication object) is wide or to observe the entire region of interest at once, it is possible to have as many transmission channels as the total number of aperture elements in the physical aperture element array and use all of them at all times. However, in order to reduce the cost of the device, electronically switching the transmit channel to shift the transmit sub-aperture element array (electronic scanning) or by mechanically scanning the physical aperture element array (mechanical scanning) , the waves may be transmitted over the entire region of interest using a minimal number of transmission channels. Electronic scanning and mechanical scanning may be performed together when the target to propagate waves (communication target) is wide or when the size of the observation target is large.

セクタスキャンが行われる場合には、空間的に固定された上記の様な型の開口素子アレイが電子的に駆動されて走査される(電子走査)、又は、開口素子アレイそのものが機械的に走査される(機械走査)、又は、両者が共に実施されることがある。古典的な開口面合成では、開口素子アレイの1素子毎に電子的に駆動する電子走査、又は、1開口素子の機械走査を通じ、異なる位置において送信して送信開口アレイを構成するため、電子走査においては、送信ユニット31が、物理開口アレイの素子数だけの送信チャンネル数を備えることがあるが、スイッチングデバイスを使用するとその送信チャンネル数を減じることができ、機械走査と同様に必ず少なくとも1チャンネルを必要とする。偏波を送信する場合には、少なくとも、一度に駆動する素子数に偏波の数だけ乗じたチャンネル数が、送信ユニット31に必要である。 When sector scanning is performed, a spatially fixed aperture element array of the type described above is electronically driven and scanned (electronic scanning), or the aperture element array itself is mechanically scanned. (mechanical scanning), or both may be performed together. Classical aperture plane synthesis uses electronic scanning to electronically drive each element of an aperture element array, or mechanical scanning of one aperture element to transmit at different locations to construct a transmit aperture array. , the transmission unit 31 may have the number of transmission channels equal to the number of elements of the physical aperture array, but the number of transmission channels can be reduced by using a switching device. need. When transmitting polarized waves, the transmission unit 31 requires at least the number of channels that is obtained by multiplying the number of elements to be driven at one time by the number of polarized waves.

<受信トランスデューサ>
図2に示す受信トランスデューサ(又は受信センサー)20は、送信トランスデューサ10を兼ねることもあるが、送信トランスデューサ10とは別に使用されて受信専用のアレイ型センサーであっても良い。従って、受信トランスデューサ20は、送信トランスデューサ10とは別の位置に設定されることもある。また、受信トランスデューサ20が送信トランスデューサ10の生成する波動とは異なる波動を感知するものであることもある。その様な受信トランスデューサ20が送信トランスデューサ10と同一の位置に設置されたり、一体を成している場合もある。
<Receive Transducer>
The receiving transducer (or receiving sensor) 20 shown in FIG. 2 may also serve as the transmitting transducer 10, but may be an array type sensor used separately from the transmitting transducer 10 and dedicated to receiving. Therefore, the receiving transducer 20 may be set at a different position than the transmitting transducer 10. FIG. Also, the receiving transducer 20 may be sensitive to waves different from those generated by the transmitting transducer 10 . Such receiving transducers 20 may be co-located or integral with the transmitting transducers 10 .

本実施形態における受信トランスデューサ20は、送信トランスデューサ10と同様に、少なくとも1つ以上の受信開口素子20aがアレイを構成しており、各素子が受信した信号は、独立な状態で、装置本体30内の受信ユニット32(図2)に伝送される。送信開口素子10aと同様に、受信開口素子20aは、矩形、円形、六角形、又は、その他の開口形状を有しており、また、フラット、凹型、凸型と様々であり、アレイは、1次元、2次元、又は、3次元状のものがある。1つの受信開口素子20aの指向性は、受信する波動の周波数や帯域幅、及び、その受信開口素子20aの開口の形状で決まり、複数の開口を備えるものを1素子と勘定することもある。1素子における開口の数が位置により異なり、混在することもある。また、受信開口素子20aが空間的に密又は疎(離れた位置)に存在する場合もあり、ここでは、アレイ型と区別しない(図3の送信アレイの例を参照)。 In the receiving transducer 20 in this embodiment, as in the transmitting transducer 10, at least one or more receiving aperture elements 20a form an array. is transmitted to the receiving unit 32 (FIG. 2). Similar to the transmit aperture element 10a, the receive aperture element 20a may have rectangular, circular, hexagonal, or other aperture shapes, and may vary from flat, concave, or convex, and the array may be one It can be dimensional, two-dimensional, or three-dimensional. The directivity of one reception aperture element 20a is determined by the frequency and bandwidth of the wave to be received and the shape of the aperture of the reception aperture element 20a. The number of apertures in one element differs depending on the position and may be mixed. Moreover, there are cases where the reception aperture elements 20a are spatially dense or sparse (separate positions), and are not distinguished from the array type here (see the example of the transmission array in FIG. 3).

開口素子アレイは、送信トランスデューサ10のそれと同様に、リニア型(素子の並びがフラット)、コンベックス(凸型の円弧状の並び)、フォーカス型(凹型の円弧状の並び)、円形型(例えば、医用超音波等でIVUSに使用される)、球状、凸型又は凹型の球殻状、その他の形で凸型又は凹型に並ぶもの等、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察対象に対して、様々な様態が取られ、これらに限られるものではない。これらの開口素子アレイを用いて波動を受信して、上記の平面波等の波面が横方向に広く拡がる波の受波やステアリング、開口面合成や固定受信フォーカスやダイナミックフォーカス等が行われ、1つのビームや生成された波面を持つ受信波が実現される。 Similar to that of the transmitting transducer 10, the aperture element array may be of a linear type (an array of elements is flat), a convex type (an array of convex arcuate elements), a focus type (an array of concave arcuate elements), or a circular type (for example, (used for IVUS in medical ultrasound, etc.), spherical, convex or concave spherical shells, and other shapes arranged in a convex or concave shape. Various aspects are taken and are not limited to these. Wave motion is received using these aperture element arrays, and wave reception and steering, aperture synthesis, fixed reception focus, dynamic focus, etc. of waves such as the above-mentioned plane waves whose wavefront spreads widely in the horizontal direction are performed. A received wave with a beam or generated wavefront is realized.

トランスデューサ開口(素子)は、空間的に密でなく、疎(離れた位置)に存在する場合もあり、また、計測対象を機械的に走査して送信又は受信を行うこともあり、一般的にアレイ型と称さないトランスデューサを用いる場合においても同様に受信信号が処理されることがあるが、本願においては、それらを特段に区別することなく、アレイ型デバイスを使用する場合について重点的に述べながら本発明を説明する。例えば、陸地の離れた位置に、レーダー開口がある場合に、各レーダーがアレイを構成している場合もあれば、そうでない場合もある。 Transducer apertures (elements) are not spatially dense, and may exist sparsely (separate positions). Received signals may be processed in the same way when using a transducer that is not called an array type. The present invention will be described. For example, each radar may or may not form an array if there are radar apertures at remote locations on land.

衛星や飛行機に搭載のレーダーのみならず、トランスデューサで計測対象を機械走査することがあり、そのような場合においても、トランスデューサがアレイを構成している場合もあれば、そうでない場合もあり、空間的に連続的に高密度に、若しくは、離れた位置において空間的に疎に、信号を送信又は受信することもある。従って、古典的な開口面合成(1開口素子による送信)だけでなく、送信ビームフォーミングを行いながら、信号を受信することもある。開口素子が1次元状に存在することもあるし、2次元又は3次元空間において存在することもある。また、電子的な走査を行いながら機械的な走査を行うこともある。 In addition to radars mounted on satellites and airplanes, transducers may be used to mechanically scan the measurement target. Signals may be transmitted or received continuously densely, or spatially sparsely at distant locations. Therefore, in addition to classical aperture plane synthesis (transmission by a single aperture element), signals may be received while performing transmission beamforming. Aperture elements may exist in one dimension, or in two-dimensional or three-dimensional space. Alternatively, mechanical scanning may be performed while electronic scanning is being performed.

電子走査に関しては、後に詳述する通り、1つの受信ビーム又は生成された波面を持つ受信波を実現するべく、受信ユニット32が備える受信チャンネル数の独立した受信信号を開口素子において一度に受信することができる(受信有効開口が決まる)。受信有効開口は、送信有効開口と異なることもある。全開口素子を纏めて称する物理開口素子アレイと区別し、この同時に使用される受信開口素子20aにより実現される受信開口を受信サブ開口素子アレイ、又は、単に受信サブ開口とも称することがある。 Regarding electronic scanning, as will be described in detail later, in order to realize one receive beam or a receive wave having a generated wavefront, receive signals that are independent of the number of receive channels provided in the receive unit 32 are received by the aperture element at once. (determines the effective receive aperture). The receive effective aperture may differ from the transmit effective aperture. To distinguish from the physical aperture element array, which collectively refers to all aperture elements, the reception aperture realized by the reception aperture element 20a used at the same time may also be referred to as a reception sub-aperture element array or simply a reception sub-aperture.

波動を伝搬させる対象(通信対象)が広い場合や関心領域全体を一度に観察するべく、物理開口素子アレイに設けられた全開口素子数の受信チャンネル数を受信ユニット32が備え、常時、それらの全てを使用することもあるが、装置を安価にするべく、電子的に受信チャンネルをスイッチングして受信サブ開口素子アレイを推移させたり(電子走査)、又は、物理開口素子アレイを機械走査すること(機械的走査)により、最小限の受信チャンネル数を用いて関心領域全体から到来する波動が受信されることもある。 When an object (communication object) to propagate waves is wide or to observe the entire region of interest at once, the receiving unit 32 is provided with the number of reception channels equal to the total number of aperture elements provided in the physical aperture element array. To make the system cheaper, electronically switching the receive channels to shift the receive sub-aperture element array (electronic scanning) or mechanically scanning the physical aperture element array may be used, although all may be used. With (mechanical scanning) waves coming from the entire region of interest may be received using a minimal number of receive channels.

波動を伝搬させる対象(通信対象)が広い場合や観察対象のサイズが大きい場合には、電子走査と機械走査とが共に実施されることもある。セクタスキャンが行われる場合には、空間的に固定された上記の様な型の開口素子アレイが電子的に駆動されて、送信と受信を交互に繰り返しながら走査されたり(電子走査)、又は、開口素子アレイそのものが機械的に走査されたり(機械走査)、又は、両者が共に実施されることがある。また、古典的な開口面合成においては、送信に関し、上記の通り、開口素子アレイの1素子毎に電子的に駆動する電子走査、又は、1開口素子の機械走査を通じて、異なる位置において送信して送信開口アレイを構成するため、電子走査においては物理開口アレイの素子数だけの送信チャンネル数を送信ユニット31が備えることがあるが、スイッチングデバイスを使用することにより機械走査と同様に必ず少なくとも1チャンネルを必要とする。 Electronic scanning and mechanical scanning may be performed together when the target to propagate waves (communication target) is wide or when the size of the observation target is large. When sector scanning is performed, a spatially fixed aperture element array of the type described above is electronically driven and scanned with alternating transmission and reception (electronic scanning), or The aperture element array itself may be mechanically scanned (mechanical scanning), or both may be performed together. Also, in classical aperture plane synthesis, transmission is performed at different positions through electronic scanning, which electronically drives each element of the aperture element array, or mechanical scanning of one aperture element, as described above. In electronic scanning, the transmission unit 31 may have as many transmission channels as the number of elements in the physical aperture array in order to construct a transmission aperture array. need.

一方、その際の受信に関しては、アクティブな送信素子と同一の素子のみで受信する型のモノスタティック型では、受信ユニット32が受信チャンネルを送信チャンネルと同様に備えれば良い。また、アクティブな送信素子を含む周囲の複数の素子で受信を行うことの多いマルチスタティック型では、電子走査では物理開口アレイの素子数だけの受信チャンネル数を受信ユニット32が備えることがあるが、スイッチングデバイスを使用することにより、電子走査と機械走査の両者において、少なくとも受信有効開口の素子数だけの受信チャンネル数を受信ユニット32が備えれば良い。偏波を受信する場合には、少なくとも、受信素子数に偏波の数だけ乗じたチャンネル数が受信ユニット32に必要である。 On the other hand, regarding the reception at that time, in the monostatic type in which only the same element as the active transmission element receives signals, the reception unit 32 may be provided with a reception channel in the same manner as the transmission channel. In addition, in a multi-static type in which reception is often performed by a plurality of surrounding elements including an active transmission element, the reception unit 32 may have the number of reception channels equal to the number of elements of the physical aperture array in electronic scanning. By using switching devices, the receiving unit 32 needs to have at least as many receiving channels as the number of elements in the effective receiving aperture for both electronic scanning and mechanical scanning. When receiving polarized waves, the receiving unit 32 requires at least the number of channels obtained by multiplying the number of receiving elements by the number of polarized waves.

<トランスデューサの具体例>
トランスデューサ10又は20としては、電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動を生成又は受信できる様々なものがある。例えば、トランスデューサ10は、任意波動を計測対象に送信すると共に、計測対象内において反射された反射波や後方散乱された散乱波等を受信できることがある(トランスデューサ20を兼ねる)。例えば、任意波動が超音波である場合に、駆動信号に従って超音波を送信すると共に、超音波を受信して受信信号を生成する超音波トランスデューサを用いることができる。応用に合わせて、超音波素子(PZT(Pb(lead) zirconate titanate:チタン酸ジルコン酸鉛)や高分子圧電素子等)は異なり、トランスデューサの構造が異なることは良く知られている。
<Specific example of transducer>
There are various transducers 10 or 20 that can generate or receive arbitrary waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, or heat waves. For example, the transducer 10 may be capable of transmitting arbitrary waves to the measurement target and receiving reflected waves reflected within the measurement target, scattered waves backscattered, and the like (also serving as the transducer 20). For example, when the arbitrary wave is an ultrasonic wave, it is possible to use an ultrasonic transducer that transmits the ultrasonic wave according to the drive signal and receives the ultrasonic wave to generate a reception signal. It is well known that ultrasonic elements (PZT (Pb(lead) zirconate titanate: lead zirconate titanate), polymeric piezoelectric element, etc.) are different and the structure of the transducer is different depending on the application.

医療応用において、血流計測では歴史的に狭帯域の超音波を使用することが行われてきたが、本願の発明者は、近年において実用化された軟組織の変位や歪(静的な場合を含む)、ずり波伝搬(速度)の計測の場合を含め、(エコー)イメージング用の広帯域トランスデューサを使用することを世界に先駆けて実現してきた。HIFU治療も然りで、連続波が使用されることもあるが、本願の発明者は、高分解能な治療を実現すべく、高周波型や広帯域型のデバイスを用いたアプリケータの開発も行っている。強力超音波を使用する場合には、加熱効果を来さない範囲で組織を刺激し、上記の如く計測対象内に力源を生成することもあり、(エコー)イメージング用のトランスデューサが使用されることもある。加熱治療や力源生成、そして、(エコー)イメージングが同時に行われることもある。その他の波動源やトランスデューサにおいても然りである。 In medical applications, narrow-band ultrasound has historically been used to measure blood flow, but the inventors of the present application have found that the displacement and strain of soft tissue (in static cases), which has been put into practical use in recent years ), and the use of broadband transducers for (echo) imaging, including the measurement of shear wave propagation (velocity). The same is true for HIFU treatment, and continuous waves are sometimes used, but the inventors of the present application have also developed applicators using high-frequency or broadband devices in order to achieve high-resolution treatment. there is When using high-intensity ultrasound, the tissue is stimulated in a range that does not cause a heating effect, and a force source may be generated in the measurement object as described above, and a transducer for (echo) imaging is used. Sometimes. Heat therapy, force generation and (echo) imaging may be performed simultaneously. The same is true for other wave sources and transducers.

デジタル信号処理ユニット33において、力源は、時間的に又は空間的に、複数個を対象内に生成でき、ずり波の重ね合わせにより、ずり波の伝搬方向を制御することができ、(粘)ずり弾性率やその伝搬速度の非等方性を計測することができる。ほぼ同時に生成されたずり波は物理的に重なっているため、超音波の変位計計測を通じたずり波の観測後、スペクトル解析の下で、ずり波が分離されることがある。また、物理的に重なっていない場合には、各々の力源が生成したずり波を、超音波信号を解析して観測し、その結果を重ね合わせ、伝搬方向、伝搬速度、伝搬方向の(粘)ずり弾性率(特許文献11等)が求められることもあるが、各々の力源が生成されたときの超音波信号を重ね合わせて解析し、ずり波の重ね合わせを観測してそれらが求められることもある。熱源を生成して熱波や熱物性を観測する場合も同様である。以下、他にも様々な処理が行われる。 In the digital signal processing unit 33, the force sources can be temporally or spatially generated in multiples within the object, and by superposition of shear waves, the direction of propagation of the shear waves can be controlled, (viscosity) The anisotropy of the shear modulus and its propagation velocity can be measured. Nearly simultaneously generated shear waves are physically superimposed, so the shear waves can be separated under spectral analysis after observation of the shear waves through ultrasonic displacement measurement. In addition, when the shear waves generated by each force source are not physically overlapped, the ultrasonic signals are analyzed and observed, and the results are superimposed to determine the propagation direction, propagation velocity, and (viscosity) of the propagation direction. ) Shear elastic modulus (Patent Document 11, etc.) may be obtained, but by superimposing and analyzing the ultrasonic signals when each force source is generated, observing the superposition of shear waves, they can be obtained Sometimes it is done. The same is true when generating heat sources and observing heat waves and thermophysical properties. Various other processes are performed below.

熱源や力源、音圧の形状は、送受信のアポダイゼーションや遅延(ディレイ)、放射強度で調整でき、それらを生成したときの透過波又は反射波を検出して、それらを最適化することにより、所望する熱源や力源、音圧を実現することができる。ハイドロホンを用いて信号が高感度にそれらの形状が観測されることもあるし、検出器で捉えた信号に関して自己相関関数を求め、その形状が推定されることもあり(特許文献11等)、これらの処理を基に、線形又は非線形の最適化が行われる。ずり波や熱波の伝搬方向が最適化されることもある。それらの各々の場合には、力学的特性や熱物性の推定結果が用いられることが望ましい。 The shape of the heat source, power source, and sound pressure can be adjusted by transmitting and receiving apodization, delay, and radiation intensity. A desired heat source, force source, and sound pressure can be realized. In some cases, the shape of the signal is observed with high sensitivity using a hydrophone, and in other cases, the shape is estimated by obtaining an autocorrelation function for the signal captured by the detector (Patent Document 11, etc.). , a linear or non-linear optimization is performed based on these processes. The direction of propagation of shear waves and thermal waves may also be optimized. In each of these cases, it is desirable to use the results of estimating mechanical properties and thermophysical properties.

例えば、凹型アプリケータが使用される場合には、焦点位置に高強度の超音波を収束させることができ、横方向に広帯域となる。しかし、音圧形状は焦点位置から足を引く様な分布を成すため、反射波又は透過波を受信した後に求めたスペクトルを加工(フィルタリングや重み付け等)することにより、音圧形状を楕円形に加工することができる(特許文献7)。波動又はビームの各方向のスペクトル成分は、周波数領域において同じ方向にスペクトルとして確認されることを応用すれば良い。その結果、イメージングの質が向上したり、変位計測の精度が向上する。 For example, if a concave applicator is used, high intensity ultrasound can be focused at the focal point and is laterally broadband. However, since the sound pressure shape has a distribution that pulls a foot away from the focal position, the sound pressure shape can be made elliptical by processing (filtering, weighting, etc.) the spectrum obtained after receiving the reflected or transmitted wave. It can be processed (Patent Document 7). It may be applied that the spectral components in each direction of the wave or beam are confirmed as spectra in the same direction in the frequency domain. As a result, the quality of imaging is improved and the accuracy of displacement measurement is improved.

波動パラメータやビームフォーミングパラメータとして、送信フォーカシング有りの場合のフォーカス位置、送信フォーカシング無しの場合の平面波や円筒波や球面波等、偏向角度(偏向無しの零度の時を含む)、アポダーゼーション有り又は無し、Fナンバー、送信超音波周波数又は送信帯域、受信周波数又は受信帯域、パルス形状、ビーム形状が異なる等が異なる複数の波動やビームの送信又は受信を行った場合の受信信号を重ね合わせ、一回の送信と受信による波動生成やビームフォーミングでは生成できない新しい特徴を持つ波動又はビームを生成する場合(例えば、波動又はビームを交差させて重ね合わせて横方向変調や広帯域化させた場合、マルチフォーカス等の場合)においても、同処理を施して同効果が得られることがある。尚、重ね合わせは、同時刻に実時間において行われることもあるし、対象の同一の時相において異なる時刻において受信されたものに関して行われることもある。各々が受信ビームフォーミングされて重ね合わせされることもあるし、受信ビームフォーミングの行われていないものが重ね合されて受信ビームフォーミングされることもある。 Wave parameters and beamforming parameters such as focus position with transmission focusing, plane wave, cylindrical wave, spherical wave without transmission focusing, deflection angle (including zero degree without deflection), with apodization or None, F-number, transmission ultrasonic frequency or transmission band, reception frequency or reception band, pulse shape, beam shape, etc. When multiple waves and beams are transmitted or received, the received signals are superimposed and When generating waves or beams with new characteristics that cannot be generated by wave generation by multiple transmission and reception or beamforming etc.), the same effect may be obtained by applying the same treatment. Note that the superimposition may be done in real time at the same time, or with respect to what was received at different times in the same phase of interest. Each of them may be subjected to receive beamforming and superimposed, or those which have not undergone receive beamforming may be superimposed and receive beamformed.

単独の波動又はビーム、又は、それらの複数の波動又はビームの重ね合わせから得られた受信信号が、周波数領域において重み付けされて広帯域化され、超解像が行われることがある(高分解能化)。いわゆる逆フィルタリングやデコンボリューションである。段落0009に記載の方法等が併用されることもあり、観測された波動に、ビーム特性の反転(inversion)として周波数応答の共役又は逆数が施されることがある。また、観測された波動の共役又は周波数応答の共役が施されることがある(これらは、検波処理であり、前者により包絡線の二乗が得られ、後者により自己スペクトラム、即ち、自己相関関数が得られる)。ビームフォーミング(開口面合成を含む)されたものに超解像が施されることもあるし、受信ビームフォーミング前又はビームフォーミングが全く行われていないもの(開口面合成用送受信信号)に超解像処理を施した上でビームフォーミングが行われることがある。 A received signal obtained from a single wave or beam, or a superposition of multiple waves or beams thereof, may be weighted and broadband in the frequency domain to perform super-resolution (high resolution). . This is so-called inverse filtering or deconvolution. A method such as that described in paragraph 0009 may also be used, and the observed wave may be subjected to the conjugate or inverse of the frequency response as an inversion of the beam properties. Conjugation of the observed wave or conjugation of the frequency response may also be applied (these are detection processes, the former yielding the squared envelope, the latter yielding the autospectrum, i.e. the autocorrelation function can get). In some cases, super-resolution is applied to beamformed (including aperture plane synthesis), and super-resolution is applied to data before reception beamforming or without beamforming at all (transmission and reception signals for aperture plane synthesis). Beamforming may be performed after performing image processing.

また、変位(ベクトル)計測においては、変位成分を高精度化させるためには、その変位成分方向の周波数を高くすればよい。高分解能化も要する場合には広帯域化する必要がある。例えば、低周波スペクトルを捨てて高周波化し、変位計測を高精度化させることができる。計算量も低減できる。複数の波動又はビームを物理的に生成する場合や、信号処理によりスペクトルを分割して複数の波動又はビームを生成することもあり、over-determinedシステムを構成して、高精度な変位計測等が行われることもある(ビームフォーミング前の角スペクトルを分割すると各々にビームフォーミングを行うこととなり、ビームフォーミング後に分割した方が良いことが多い)。イメージングには、包絡線検波や二乗検波、絶対値検波が施されるが、検波後の複数の波動又はビームを重ね合わせることにより、スペックルを低減でき、鏡面反射を強調させることができる。 Further, in the displacement (vector) measurement, in order to increase the accuracy of the displacement component, the frequency in the direction of the displacement component should be increased. If high resolution is also required, it is necessary to widen the band. For example, the low frequency spectrum can be discarded and the frequency can be increased to improve the accuracy of displacement measurement. The amount of calculation can also be reduced. In the case of physically generating multiple waves or beams, or by dividing the spectrum by signal processing, multiple waves or beams may be generated. It may be done (dividing the angular spectrum before beamforming results in beamforming for each, so it is often better to divide after beamforming). Envelope detection, square-law detection, and absolute value detection are applied to the imaging. Speckle can be reduced and specular reflection can be emphasized by superimposing a plurality of waves or beams after detection.

尚、これらの処理は、超音波を用いるときや医療においてのみならず、電磁波が使用される場合や様々な分野においても、同様に実施可能である。例えば、超音波を用いて可聴音波を観測する(つまり、ドプラ効果)、電磁波や光を用いて音波や熱波を観測する、又、それらを用いて地震波を観測すること等が可能であり、連動して、関連する物性(分布)を観測することも可能である。 These treatments can be performed not only when ultrasonic waves are used and in medical care, but also when electromagnetic waves are used and in various other fields. For example, it is possible to observe audible sound waves using ultrasound (that is, the Doppler effect), to observe sound waves and heat waves using electromagnetic waves and light, and to observe seismic waves using them. It is also possible to observe related physical properties (distribution) in conjunction.

トランスデューサには接触型と非接触型があり、その都度、整合材を介す(超音波の場合には、ジェルや水等)、又は、予め整合材がトランスデューサに組み込んであるもの(超音波の場合には、整合層)を使用し、計測体対象に対して各波動のインピーダンスマッチングが適切に行われている状態で使用される。パワーや搬送周波数、帯域(広帯域又は狭帯域化、軸方向の空間分解能を決める)、波形の形状、素子の大きさ(横方向の空間分解能を決める)、指向性等が、開口素子レベルとアレイ性能の両面において設計されたものが使用される(詳細は略)。超音波トランスデューサとして、PZTやPVDFが積層されて、送信音響パワーと広帯域性の両者を兼ね備えたもの等、複合的なものもある。 There are two types of transducers: contact type and non-contact type. In some cases, a matching layer is used, and each wave is appropriately impedance-matched with respect to the object to be measured. Power, carrier frequency, bandwidth (broadband or narrowband, determines spatial resolution in the axial direction), waveform shape, element size (determines spatial resolution in the lateral direction), directivity, etc. Those designed for both performance are used (details omitted). As an ultrasonic transducer, there is also a composite one, such as one in which PZT or PVDF is laminated and which has both transmission acoustic power and broadband characteristics.

駆動信号によって強制振動させる場合においては、その駆動信号により、生成される超音波の周波数や帯域が調整されたり、符号化されることもある(受信に関しては、トランスデューサの帯域内の信号に対して、アナログ又はデジタルのフィルタを用いて帯域を選択することもある)。周波数や感度等の特性の異なる開口素子が並べられている場合もある。医療用超音波トランスデューサは、元より、それらは、ハンディーであり、使い勝手がよいものであったが、最近では、ノンケーブル型のトランスデューサが、ハンディーサイズの装置本体と共に使用される様になった。周波数の低い音(例えば、可聴音)であれば、スピーカーやマイクロフォンがある。他の波動のトランスデューサも同様な観点で実現されることがあるが、その限りではない。 In the case of forced vibration by a drive signal, the frequency and band of the generated ultrasonic waves may be adjusted or coded by the drive signal (for reception, the signal within the band of the transducer , analog or digital filters may be used to select the band). In some cases, aperture elements having different characteristics such as frequency and sensitivity are arranged. Medical ultrasonic transducers were originally handy and easy to use, but recently, non-cable type transducers have come to be used together with handy-sized device bodies. For low frequency sounds (eg, audible sounds), there are speakers and microphones. Other wave transducers may be implemented in a similar manner, but are not limited to this.

あるいは、トランスデューサ10として、任意波動を生成する送信用トランスデューサと、トランスデューサ20として、任意波動を受信する受信用トランスデューサ(センサー)とが用いられても良い。その場合に、送信用トランスデューサは、任意波動を計測対象に送信すると共に、センサーは、計測対象内において反射された反射波又は後方散乱された散乱波、又は、計測対象内を透過した透過波や屈折波、前方散乱等を受信することができる。 Alternatively, the transducer 10 may be a transmitting transducer that generates arbitrary waves, and the transducer 20 may be a receiving transducer (sensor) that receives arbitrary waves. In that case, the transmitting transducer transmits arbitrary waves to the measurement object, and the sensor transmits reflected waves or backscattered scattered waves in the measurement object, or transmitted waves or waves transmitted through the measurement object. Refraction waves, forward scatter, etc. can be received.

例えば、任意波動が熱波である場合に、太陽光や照明、生体内の代謝等の故意に生じさせることのない熱源が使用されることもあるが、赤外加温器やヒータ―等の比較的定常なものや、また、駆動信号に従って制御されることが多い加熱用の超音波を送信する超音波トランスデューサ(計測対象内に力源を生成することもある)や電磁波トランスデューサ、レーザー等も使用される。また、熱波を受信して受信信号を生成する赤外線センサー、焦電センサー、マイクロ波やテラヘルツ波の検出器、光ファイバー等の温度センサー、超音波トランスデューサ(超音波の音速や体積変化等の温度依存性を用いて温度変化を検出)、又は、核磁気共鳴信号検出器(核磁気共鳴のケミカルシフトを用いて温度を検出)を用いることができる。各波動に関し、適切に受信できるトランスデューサが使用される。 For example, if the arbitrary wave is a heat wave, a heat source that is not intentionally generated such as sunlight, lighting, or metabolism in the body may be used, but an infrared warmer, heater, etc. Relatively steady ones, ultrasonic transducers that transmit ultrasonic waves for heating that are often controlled according to drive signals (sometimes generate a force source in the measurement target), electromagnetic wave transducers, lasers, etc. used. In addition, infrared sensors that receive heat waves and generate reception signals, pyroelectric sensors, microwave and terahertz wave detectors, temperature sensors such as optical fibers, ultrasonic transducers (temperature-dependent ultrasonic sound velocity, volume change, etc.) A nuclear magnetic resonance signal detector (detects temperature using chemical shift of nuclear magnetic resonance) can be used. For each wave, a suitable receiving transducer is used.

光学デジタルカメラやマンモグラフィーには、CCD(電荷結合素子)技術が使用されており、集積回路とセンサー本体とが一体となっている場合がある。また、超音波2次元アレイにおいても、同技術が応用されており、実時間の3次元イメージングが可能になっている。X線の検出には、シンチレータとフォトカプラの組み合わせが使用されるが、波動として観測できる様になって久しい。高周波信号をデジタル信号として取り込むに当たり、前処理にアナログ的に検波又は変調を行い、低周波数にしてAD変換してメモリや記憶装置(記憶媒体)に格納することは有効である。時には、デジタル検波されることもある。これらが、送信器や受信器と共に、チップや基板によって一体化されることがある。 Optical digital cameras and mammography use CCD (charge-coupled device) technology, and may integrate an integrated circuit with the sensor body. The same technology is also applied to the ultrasonic two-dimensional array, enabling real-time three-dimensional imaging. A combination of a scintillator and a photocoupler is used to detect X-rays, and it has long been possible to observe them as waves. When capturing a high-frequency signal as a digital signal, it is effective to detect or modulate it in an analog manner as preprocessing, convert it to a low frequency, and store it in a memory or storage device (storage medium). Sometimes it is also digitally detected. These may be integrated by a chip or substrate along with transmitters and receivers.

その他、例えば、陸地の離れた位置にレーダーがある場合等の様に、各開口がアレイを構成している場合もあるし、その限りではない場合もある。開口が機械的に走査されて、広い指向性が得られることもある。開口が、空間的に連続的に高密度に、また、離れた位置において空間的に疎に、また、等間隔に等の、ある規則性の下に、また、物理的な制約下において変則的に、設置されることもある。その他、海洋中や建物、又は、屋内等のように、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察位置に対して位置が固定されている場合もある。それらは波動の送信又は受信の専用開口であることがある。また、各開口が両者を兼ねることもあるが、自ら送信した波動の応答を受信するのみとは限らず、他の開口の送信した波動を受信することもある。医療や生物の観察においては、光音響(Photoacoustic)と称されて、レーザー照射により生成される超音波が観測されることもある(複数の波動のトランスデューサが一体化されていることもある)。本発明によれば、超音波診断装置とOCTの併用によるPhotoacousticsを、例えば、動脈と静脈の区別のみならず、各々における血流速度の計測を行うこともできる(超解像を実施することもできる)。また、病変に親和性のある磁性体を造影剤として静脈注射し、患部に超音波等の振動を与え、電磁波を観測することもできる。電波を使用して様々な移動体と通信することもある。 Alternatively, the apertures may or may not form an array, for example, when the radar is located at a remote location on land. Apertures may also be mechanically scanned to obtain wide directivity. Apertures are spatially continuous and dense, spatially sparse at distant positions, evenly spaced, etc., under a certain regularity and irregularly under physical constraints It is sometimes installed in In addition, there are cases where the position is fixed with respect to an object to propagate waves (communication object) or an observation position, such as in the ocean, a building, or indoors. They may be dedicated apertures for wave transmission or reception. In addition, although each aperture may serve both functions, it is not limited to receiving only responses to waves transmitted by itself, but may also receive waves transmitted by other apertures. In medical care and observation of living organisms, ultrasonic waves generated by laser irradiation, called photoacoustic, are sometimes observed (in some cases, multiple wave transducers are integrated). According to the present invention, photoacoustics using a combination of an ultrasonic diagnostic apparatus and OCT can be used, for example, not only to distinguish between arteries and veins, but also to measure blood flow velocities in each (super-resolution can also be performed). can). It is also possible to intravenously inject a magnetic material that has an affinity for lesions as a contrast agent, apply vibrations such as ultrasonic waves to the affected area, and observe electromagnetic waves. Radio waves may also be used to communicate with various mobile objects.

地震波(地震計)や脳磁(SQUIDアレイ)、脳波、心電、神経回路網(電極アレイ)、電波(アンテナ)、レーダー等のパッシブな観測に使用されるトランスデューサ(アレイ)にも、様々なものがあり、波動源の観測に使用されることがある。到来する波動の伝搬方向を多次元スペクトル解析に基づいて求めたり(本願の発明者の過去の業績)、さらに、本願発明の装置においては、異なる位置に備えられた複数のトランスデューサ又は受信有効開口を使用して、伝搬時間に関する情報が得られない場合(通常、複数位置において波動が観測された時間から波動源の位置等を割り出す)においても、幾何学的に波動源の位置等を割り出すことが可能である。波動がパルス波やバースト波ではなく、連続波でも観測できる。如何なる処理を通じてでも、波動の到来方向がわかった場合において、その方向に、各種ビームをステアリング及びフォーカシングを行い、詳細に観測することも行える。それらの処理において、常に、可能性の高い方向を重点的に、ステアリング角度を変えながら受信ビームフォーミングを行って、得られる像又は結像、空間分解能、コントラスト、信号強度等を観測する、又は、多次元スペクトル解析を通じ、波源の方向を特定することもできる。従って、本願発明の装置で使用されるトランスデューサには、ステアリングにも使用され、電子走査、機械走査、又は、両走査を行う機構が備えられている場合もある。 Various transducers (arrays) used for passive observation such as seismic waves (seismographs), brain magnetoencephalography (SQUID arrays), electroencephalograms, electrocardiograms, neural networks (electrode arrays), radio waves (antennas), radars, etc. There is a thing, and it is sometimes used for the observation of the wave source. The propagation direction of incoming waves can be obtained based on multidimensional spectrum analysis (past achievements of the inventor of the present application). It is possible to determine the position of the wave source geometrically even when information about the propagation time cannot be obtained (usually, the position of the wave source is determined from the time when the wave was observed at multiple positions). It is possible. Waves can be observed not only as pulse waves and burst waves but also as continuous waves. Through any process, if the direction of arrival of the wave is known, various beams can be steered and focused in that direction for detailed observation. In those processes, receive beamforming is performed while changing the steering angle, always emphasizing the most likely direction, and the obtained image or imaging, spatial resolution, contrast, signal strength, etc. are observed, or Through multidimensional spectral analysis, the direction of the wave source can also be determined. Accordingly, the transducers used in the apparatus of the present invention may also be used for steering and may be equipped with mechanisms for electronic scanning, mechanical scanning, or both.

本願発明の有効性を実証できるトランスデューサとして、比較的に身近である典型的なトランスデューサや、特殊なものを幾つか列挙したが、本願発明において使用されるものとしては、応用を含めて、それらに限られるものではなく、電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動を生成又は受信できる様々なものを使用できる。 As transducers that can demonstrate the effectiveness of the present invention, relatively familiar typical transducers and some special transducers have been listed. Anything that can generate or receive arbitrary waves such as, but not limited to, electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, or heat waves can be used.

<ビームフォーミング>
同時、又は、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察対象の状態が同一又は略同一である同時相、又は、別の時刻若しくは別の時相において、各開口において、1つ以上のビームフォーミング、又は、送信若しくは受信が行われることもある。また、同様にして、開口の1つの組み合わせで、1つ以上のビームフォーミング、又は、送信若しくは受信が行われることもある。また、同様にして、開口の複数の組み合わせの各々が、1つ以上のビームフォーミング、又は、送信若しくは受信を行うこともある。また、それらにおいて、ビームフォーミングや受信の結果が複数得られる場合を含め、それらを用いた線形又は非線形の演算を通じて新たなデータが生成されることもある。処理される受信信号が、元々より重なっているときと重ねて処理するときがある。
<Beamforming>
One or more beamforming at each aperture at the same time, or at the same phase when the state of the target to propagate waves (communication target) or the observation target is the same or substantially the same, or at another time or another time phase , or may be transmitted or received. Also, in a similar manner, one or more beamformings or transmissions or receptions may be performed in one combination of apertures. Similarly, each of the multiple combinations of apertures may also perform one or more beamforming or transmission or reception. In addition, new data may be generated through linear or non-linear calculations using them, including cases in which multiple results of beamforming or reception are obtained. There are times when the received signals to be processed are overlapped from the beginning, and there are times when the signals are overlapped.

また、例えば、衛星や飛行機に搭載のレーダー等の様に空間的に移動するものにおいては、搭載される開口がアレイを構成している場合もあれば、そうでない場合もあり、また、機械走査されて広い指向性が得られることもあり、また、空間的に連続的に高密度に、若しくは、離れた位置において空間的に疎に、若しくは、等間隔である等のとある規則性の下、若しくは、必要に応じて変則的に、送信と受信が行われることもある。移動物体は、その他に、車や船、電車、潜水艦、移動ロボット等、様々である。その他、流通されるもの等、生き物等、規則的又は無作為に移動するものである場合もある。そのような場合には、移動可能な通信機が使用される。RFID(Radio Frequency Identification)タグやICカード等が使用されることもある。 In addition, for example, in a device such as a satellite or a radar mounted on an airplane that moves spatially, the mounted aperture may or may not form an array. In some cases, a wide directivity can be obtained by using the Alternatively, transmission and reception may be performed irregularly as necessary. There are various moving objects such as cars, ships, trains, submarines, and mobile robots. In addition, it may be something that moves regularly or randomly, such as a living thing, such as a distributed thing. In such cases, mobile communicators are used. An RFID (Radio Frequency Identification) tag, an IC card, or the like may be used.

その際には、古典的な開口面合成(1開口素子毎の送信に基づく開口面合成)が行われるだけでなく、送信ビームフォーミングを生成しながら、受信ビームフォーミングが行われることもある。また、電子走査を行いながら機械走査が規則的に又は変則的に行われることもあり、空間的に広い範囲に適切に波動を伝搬させたり(通信)、空間的に広い範囲が適切に観察されることもある。無論、多次元アレイを使用することにより、電子走査のみで、空間的に広い範囲に適切に波動を伝搬させたり(通信)、空間的に広い範囲が適切に観察されることもある(物理開口が大きくなるだけでなく、多方向のステアリングも可能になる)。 At that time, not only is classical aperture synthesis (aperture synthesis based on transmission for each aperture element) performed, but reception beamforming may also be performed while generating transmission beamforming. In addition, mechanical scanning may be performed regularly or irregularly while electronic scanning is performed, so that waves can be appropriately propagated over a wide spatial range (communication), and a wide spatial range can be appropriately observed. sometimes Of course, by using a multi-dimensional array, it is possible to appropriately propagate waves over a wide spatial range (communication) or observe a wide spatial range (physical aperture) only by electronic scanning. not only is the

搭載される開口は、波動の送信と受信のための両開口を兼ねることもあるが、自ら送信した波動の応答を受信するのみとは限らず、他の任意の開口の送信した波動を受信することもある。また、複数の移動物体が開口を備えている場合もあり、同時、又は、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察対象の状態が同一又は略同一である同時相、又は、別の時刻若しくは別の時相において、各開口において1つ以上のビームフォーミング、又は、送信若しくは受信が行われることもある。 Mounted apertures may also serve as both apertures for transmitting and receiving waves, but they are not limited to receiving responses to the waves they themselves have sent, they can also receive waves sent by other arbitrary apertures. Sometimes. In some cases, a plurality of moving objects may have openings, or at the same time, or at different times or phases when the state of the object to propagate waves (communication object) or the observation object is the same or substantially the same. In other phases, one or more beamformings or transmissions or receptions may be performed at each aperture.

また、同様にして、開口の1つの組み合わせで1つ以上のビームフォーミング、又は、送信若しくは受信が行われることもある。さらに、同様にして、開口の複数の組み合わせの各々が1つ以上のビームフォーミング、又は、送信若しくは受信を行うこともある。また、それらにおいて、ビームフォーミングや受信の結果が、複数得られる場合を含め、それらを用いた線形又は非線形の演算を通じて新たなデータが生成されることもある。上記において、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察対象に対して、移動物体の開口と固定された開口の組み合わせが使用されることもある。 Also, more than one beamforming or transmission or reception may be performed in one combination of apertures in a similar manner. Further, in a similar manner, each of multiple combinations of apertures may perform one or more beamforming or transmission or reception. In addition, new data may be generated through linear or non-linear operations using beamforming or reception results, including cases in which multiple results are obtained. In the above, a combination of an aperture of a moving object and a fixed aperture may be used for an object to propagate waves (communication object) or an observation object.

この様に、本実施形態では、複数の送信開口素子10aと複数の受信開口素子20aとが存在し(1つの開口素子が、送信開口素子10aと受信開口素子20aとを兼ねることもある)、アクティブにビームフォーミングが行われる。このアクティブビームフォーミングにおいて、任意のビームフォーミングを、高速にデジタル処理によって実現することができる。また、実質的に、任意のフォーカシングと任意のステアリングとを、任意開口形状を有するトランスデューサアレイデバイスを用いて実施することができる。 Thus, in this embodiment, there are a plurality of transmission aperture elements 10a and a plurality of reception aperture elements 20a (one aperture element may serve as both the transmission aperture element 10a and the reception aperture element 20a), Beamforming is actively performed. In this active beamforming , arbitrary beamforming can be realized by digital processing at high speed. Also, virtually arbitrary focusing and arbitrary steering can be performed with a transducer array device having an arbitrary aperture shape.

送信は、各開口素子の方向を重視するために、一般的に、物理開口素子アレイの形状で決まる直交座標系において行われるが(仮想音源は別途説明する)、本発明の特徴は、最終的な表示座標系において直接的に波動を表す信号を生成するべく、受信デジタルビームフォーミングを行うことが中心であり、派生的に、送信ビームフォーミングにおける座標系において受信デジタルビームフォーミングを行うことにもある。また、仮想源や仮想受信器等が使用されることもあり、物理開口素子アレイの場合と同様にビームフォーミングが行われる。 Transmission is generally performed in an orthogonal coordinate system determined by the shape of the physical aperture element array (virtual sound sources will be described separately) in order to emphasize the direction of each aperture element. In order to generate a signal that directly expresses waves in a display coordinate system , reception digital beamforming is mainly performed. be. Also, virtual sources, virtual receivers, etc. may be used, and beamforming is performed in the same manner as in the case of physical aperture element arrays.

<送信ユニット>
次に、装置本体30が備える送信ユニット31(図2)について説明する。送信ユニット31は、複数の送信チャンネルの送信器31aを含んでいる。1つのビームフォーミングを行うに当たり使用する開口素子に異なる駆動信号を送るための回線数が送信チャンネル数である。例えば、下記の如く、この送信チャンネルの形態は様々なものがある。各送信開口素子10aにおいて生成される波動の周波数、帯域幅、波形、及び、指向性は、送信開口素子10aと送信ユニット31とで決まる。
<Sending unit>
Next, the transmission unit 31 (FIG. 2) provided in the device body 30 will be described. The transmission unit 31 includes a plurality of transmission channel transmitters 31a. The number of transmission channels is the number of lines for sending different drive signals to the aperture elements used for one beamforming. For example, there are various forms of this transmission channel, as described below. The frequency, bandwidth, waveform and directivity of waves generated in each transmission aperture element 10 a are determined by the transmission aperture element 10 a and the transmission unit 31 .

インパルス信号を送信開口素子10aに印加すると、送信開口素子10aの形状(厚みや開口の大きさや形)と材料(超音波素子の代表的なものにシングルクリスタル)とで決まる波動が生成されるが、送信ユニット31において生成されて周波数と帯域幅、波形(符号化されていることもある)を持つ駆動信号で送信開口素子10aを強制的に励起することにより、生成される波動の周波数、帯域幅、波形、指向性が調整される。その生成される駆動信号の特性は、制御ユニット34による制御の下でパラメータとして設定される。使用されるトランスデューサを制御ユニット34が認識して、推奨する設定が自動的に行われることもあるが、入力装置40を用いた設定又は調整も可能である。 When an impulse signal is applied to the transmission aperture element 10a, a wave motion determined by the shape (thickness, size and shape of the aperture) and material (a typical ultrasonic element is a single crystal) of the transmission aperture element 10a is generated. , the frequency and bandwidth of the waves generated by forcibly exciting the transmission aperture element 10a with a driving signal having a frequency, bandwidth and waveform (which may be encoded) generated in the transmission unit 31. Width, waveform and directivity are adjusted. The characteristics of the generated drive signal are set as parameters under control by the control unit 34 . The control unit 34 may recognize which transducer is used and the recommended settings may be made automatically, but settings or adjustments using the input device 40 are also possible.

通常、1つのビームフォーミングを行うに当たり、異なるディレイを掛けた駆動信号により複数の開口素子を駆動するために、送信ユニット31はアナログ又はデジタルのディレイパターンを搭載しており、操作者が入力装置40を用いて選択できる送信フォーカス位置やステアリング方向等を実現するディレイパターンが使用されることがある。それらのパターンがプログラマブルであり、目的に応じて、使用するパターンや選択可能なパターンがCD-ROM、フロッピーディスク、又は、MO等の様々な媒体を通じてインストールされることもある。プログラムを起動して入力装置40よりインターラクティブにパターンを選択できる場合もあるし、ディレイ(パターン)値を直接に入力したり、その他、データの記録されたファイルを読み込ませて設定する場合等、様々な場合がある。特に、アナログディレイの場合に、使用するディレイ値がアナログ的又はデジタル的に変更される場合もあるし、ディレイ回路又はパターンそのものが別のものに付け替えられるか別に切り替えられることもある。 Normally, when performing one beamforming, the transmission unit 31 is equipped with an analog or digital delay pattern in order to drive a plurality of aperture elements with drive signals with different delays. A delay pattern may be used that implements a transmit focus position, steering direction, etc. that can be selected using the . These patterns are programmable, and depending on the purpose, patterns to be used and patterns that can be selected may be installed through various media such as CD-ROM, floppy disk, or MO. In some cases, a program can be activated and a pattern can be interactively selected from the input device 40. In some cases, a delay (pattern) value can be directly entered, or in other cases, a file in which data is recorded can be read and set. There are cases. Particularly in the case of analog delay, the delay value to be used may be changed analogously or digitally, and the delay circuit or pattern itself may be replaced or switched.

装置本体30(図2)において、制御ユニット34から複数チャンネルの送信器31aに、対応する送信開口素子10aを駆動する駆動信号(符号化されている場合がある)を生成させる指令信号が伝送される。それらの指令信号は、1フレーム分のビームフォーミングを開始するための指令信号を基に生成されることがある。送信ディレイがデジタルである場合に、例えば、最初に駆動する送信開口素子のための送信器31aに送られる指令信号をトリガーとしてデジタルディレイが掛けられ、各送信器31aに指令信号が送られることがある。デジタルディレイにはデジタル回路のディレイデバイスが使用されることもある。 In the device main body 30 (FIG. 2), a command signal for generating a drive signal (which may be encoded) for driving the corresponding transmission aperture element 10a is transmitted from the control unit 34 to the multi-channel transmitter 31a. be. These command signals may be generated based on a command signal for starting beamforming for one frame. When the transmission delay is digital, for example, a command signal sent to the transmitter 31a for the transmission aperture element to be driven first may be used as a trigger to apply a digital delay, and the command signal may be sent to each transmitter 31a. be. A digital circuit delay device is sometimes used for digital delay.

また、最初に駆動する素子のために送信器31aにおいて生成された駆動信号そのものにアナログディレイが掛けられ、各開口素子に伝送されることもある。同期を必要としないアナログディレイが使用されるこの場合においては、送信器31aは少なくとも1機で複数の送信開口素子10aを駆動できる。従って、送信アナログディレイは、送信器31aの前後又は内部、又は、制御ユニット34内に設けられ、一方、送信デジタルディレイは、送信器31aの内部又は前、又は、制御ユニット34内に設けられることがある。 Further, the drive signal itself generated in the transmitter 31a for the element to be driven first may be multiplied by an analog delay and transmitted to each aperture element. In this case where an analog delay that does not require synchronization is used, at least one transmitter 31a can drive a plurality of transmit aperture elements 10a. Therefore, the transmission analog delay is provided before, after or within the transmitter 31a or within the control unit 34, while the transmission digital delay is provided within or before the transmitter 31a or within the control unit 34. There is

アナログ回路若しくはアナログデバイス、又は、デジタル回路若しくはデジタルデバイスの切り替えにより、パターンが選択されることもあるが、それらのディレイデバイスのディレイが、制御ユニット34による制御の下で変更される場合もあるし、インストールや入力設定等を通じてプログラマブルであることもある。また、制御ユニット34内にディレイデバイスが設けられていることもある。さらに、制御ユニット34が以下の如く計算機等により構成されている場合には、ソフト制御の下でディレイの掛けられた指令信号が制御ユニット34から直接に出力されることもある。 A pattern may be selected by switching an analog circuit or analog device, or a digital circuit or digital device, and the delay of those delay devices may be changed under the control of the control unit 34. , may be programmable through installation, input settings, etc. A delay device may also be provided within the control unit 34 . Furthermore, when the control unit 34 is composed of a computer or the like as described below, the command signal with the delay applied may be output directly from the control unit 34 under software control.

制御ユニット34やデジタルディレイは、汎用の計算処理能力を備えるデバイスや計算機、PLD(Programmable Logic Device)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、DSP(Digital Signal Processor)、GPU(Graphical Processing Unit)、若しくは、マイクロプロセッサ等、又は、専用のデジタル回路、若しくは、専用デバイスであっても良い。それらは高性能(マルチコア等)であることが望ましく、アナログデバイスや、AD変換器32b、メモリ32c、及び/又は、送信又は受信ビームフォーミング処理を行うデジタル信号処理ユニット33をも担うことがある。 The control unit 34 and the digital delay are devices or computers with general-purpose computing power, PLDs (Programmable Logic Devices), FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays), DSPs (Digital Signal Processors), GPUs (Graphical Processing Units), or , a microprocessor, etc., or a dedicated digital circuit, or a dedicated device. They are preferably high performance (multi-core, etc.) and may also carry analog devices, AD converters 32b, memory 32c, and/or digital signal processing units 33 that perform transmit or receive beamforming operations.

また、デバイス間の通信回数や通信線路容量、配線、若しくは、広帯域な無線通信は重要であり、特に、本発明においては、それらの機能デバイスが1つのチップや基板に適切に装着される場合(脱着可能な場合)がある。その他に、1つのチップや基板にそれらが直接的に実装されること(積層を含む)もある。並列処理が行われることもある。デバイスが脱着不可能なものであると、計算機が制御ユニット34も兼ねるときにおいて、通常のプログラム制御の下で得られるセキュリティに比べて格段に高いセキュリティ性能を獲得することもできる。その反面、現行の法律では処理内容の開示が求められることが増えるであろう。 In addition, the number of times of communication between devices, communication line capacity, wiring, or broadband wireless communication are important. if it is removable). Alternatively, they may be directly mounted (including lamination) on a single chip or substrate. Parallel processing may also occur. If the device is non-detachable, when the computer also serves as the control unit 34, it is possible to obtain much higher security performance than that obtained under normal program control. On the other hand, current legislation will likely require more disclosure of what is being processed.

制御ソフトウェアやディレイ値が直接にコーディング又は入力されるものやインストールされるものもある。デジタルディレイの掛け方はこれらに限られない。送信ディレイにおいてこのデジタルディレイを実施すると、アナログディレイとは異なり、デジタル制御信号を発生するためのクロック周波数で決まる誤差を必ず生じるので、精度の点では送信ディレイはアナログディレイの方が良い。基本的には、コストをかけて高クロック周波数を使用して誤差を低減する。一方、アナログディレイはアナログ的に変更可能であるし、デジタル制御可能なプログラマブルにすることも可能である。しかしながら、デジタルディレイに比べて自由度が低く、コストを下げる場合においては、アナログ回路として搭載されたディレイパターンを切り替えて使用することもある。 In some, control software and delay values are directly coded or entered, or installed. The way of applying the digital delay is not limited to these. If this digital delay is implemented in the transmission delay, unlike the analog delay, an error determined by the clock frequency for generating the digital control signal will always occur. Basically, using a high clock frequency at the cost of reducing the error. On the other hand, the analog delay can be changed in an analog manner, or it can be made digitally controllable and programmable. However, the degree of freedom is lower than that of the digital delay, and in the case of cost reduction, the delay pattern mounted as an analog circuit may be switched and used.

尚、送信アポダイゼーションは、開口素子の駆動信号のエネルギーや時間的に変化する波形(符号化されていることもある)の振幅の時間変化によって行われる。開口素子の駆動信号の波動への変換効率(変換能)の校正データに基づいて、駆動信号が調節される。別の目的で、校正することだけを目的に駆動信号の調節が実施されることもある。制御ユニット34から送信器31aに送られる指令信号は、送信器31aが生成する駆動信号の波形や位相の情報を時系列として表すものであっても良いし、送信器31aが認識して所定の駆動信号を生成できる符号化されたものであっても良いし、有効開口内の駆動する各開口素子の位置に対して所定の駆動信号を生成する送信器31aに単に送信の指令を下すものであっても良い。 The transmission apodization is performed by the energy of the drive signal for the aperture element and the time change of the amplitude of the waveform (which may be encoded) that changes with time. The drive signal is adjusted based on the calibration data of the conversion efficiency (capacity) of the drive signal to waves of the aperture element. For other purposes, adjustment of the drive signal may be performed for the sole purpose of calibration. The command signal sent from the control unit 34 to the transmitter 31a may represent information on the waveform and phase of the driving signal generated by the transmitter 31a in time series, or may be recognized by the transmitter 31a and specified. It may be a coded signal capable of generating a drive signal, or it may simply issue a transmission command to the transmitter 31a that generates a predetermined drive signal for the position of each aperture element to be driven within the effective aperture. It can be.

また、ディレイと同様に、有効開口内の駆動する各開口素子の位置に対して所定の駆動信号を生成する様に送信器31aがプログラマブルであることがあり、様々な形態を取り得る。駆動信号の生成には、電源や増幅器が使用されるが、電力又はエネルギー供給量の異なる電源や増幅度の異なる増幅器が、切り換えられて使用されたり、1つの駆動信号を生成するために同時に使用されたり、また、送信ディレイパターンと同様に上記の如く直接的に設定されたりプログラマブルであることがある。ディレイとアポダーゼーションは、送信ユニット内において、同じか異なる階層レベルにおいて同じか異なる形態で実現されたものが実施されうるものである。 Also, like the delay, the transmitter 31a may be programmable to produce a predetermined drive signal for the position of each aperture element to be driven within the active aperture, and may take a variety of forms. Power supplies and amplifiers are used to generate drive signals, and power supplies with different amounts of power or energy to be supplied and amplifiers with different amplification levels may be switched and used, or may be used simultaneously to generate one drive signal. or may be directly set or programmable as described above, similar to the transmit delay pattern. Delay and apodization can be implemented in the same or different forms at the same or different levels of hierarchy within a transmission unit.

送信有効開口内の開口素子を駆動するための送信チャンネルは、シフトレジスタやマルチプレクサ等のスイッチングデバイスを通じて切り替えられ、別の位置の有効開口が使用されてビームフォーミングを行いながら関心領域が走査されることがある。また、ディレイ素子のディレイ値が可変であるものがあるし、ディレイパターン(ディレイ素子群)が切り換えられることもある。さらに、1つの有効開口において複数方向へのステアリングが行われることもあるし、適宜、開口位置や有効開口幅を変えながら、さらには、複数方向にステアリングが行われることもある。 The transmission channels for driving the aperture elements within the effective transmission aperture are switched through switching devices such as shift registers and multiplexers, and the effective aperture at another position is used to scan the region of interest while performing beamforming. There is Also, the delay value of the delay element may be variable, and the delay pattern (delay element group) may be switched. Further, steering may be performed in multiple directions in one effective opening, and steering may be performed in multiple directions while appropriately changing the opening position and effective opening width.

高圧信号をスイッチングする場合においては、専用のスイッチングデバイスが使用される。また、アポダイゼーション素子のアポダイゼーション値が送信時間方向や開口素子のアレイ方向に可変であるものがあるし、アポダイゼーションパターン(アポダイゼーション素子群)が切り換えられることもあり、開口位置やレンジ方向、又は、ステアリング方向に依存してビーム形状が調整されることがある。詳細には、アポダイゼーション値が零の送信素子はアクティブではなくオフであることを意味し、アポダイゼーションは有効素子のスイッチをも担い、有効開口幅をも決め得るものである(開口素子アレイ方向のアポダイゼーションの関数が矩形(rectangular)窓であればスイッチはオンであり、一定値でないときは重みの掛かったオンである)。 In the case of switching high voltage signals, dedicated switching devices are used. In addition, the apodization value of the apodization element may be variable in the transmission time direction or the array direction of the aperture element, and the apodization pattern (apodization element group) may be switched, and the aperture position, range direction, or steering direction may be changed. The beam shape may be adjusted depending on the Specifically, a transmit element with an apodization value of zero is not active, meaning it is off, and the apodization is also responsible for switching the active elements and can also determine the effective aperture width (apodization in the aperture element array direction). function is a rectangular window, the switch is on, otherwise it is weighted on).

また、ディレイパターンやアポダイゼーションパターンに関し、装置本体30が複数のパターンを備える場合や、プログラマブルである場合があり、送信対象からの応答や次に説明する受信ユニット32によるビームフォーミングの結果に基づいて、後に説明する装置本体30内のデジタル信号処理ユニット33(図2)において、伝搬過程の媒体における波動の減衰や散乱(前方散乱又は後方散乱等)、透過、反射、屈折、又は、音速の周波数分散や空間分布等が計算され、各開口から送信する波動のディレイや強度、ビームや波面のステアリング方向、アポダイゼーションパターン等が最適化されることがある。 In addition, regarding the delay pattern and the apodization pattern, the device body 30 may have a plurality of patterns or may be programmable. In the digital signal processing unit 33 (FIG. 2) in the device main body 30, which will be described later, attenuation and scattering (forward scattering or backscattering, etc.), transmission, reflection, refraction, or frequency dispersion of sound speed in the medium during the propagation process and spatial distribution are calculated, and the delay and intensity of the wave transmitted from each aperture, the steering direction of the beam and wavefront, the apodization pattern, etc. may be optimized.

尚、古典的な開口面合成には、1開口素子による送信において行われるモノスタティック型とマルチスタティック型とがあり、アクティブな送信開口素子10aが、上記の如くして、スイッチング又はアポダイゼーションの下で切り替えられる。全送信素子が送信器31aを含む送信チャンネルを備えている場合もある。開口面合成においては、十分な強度又はエネルギーの波動を生成する必要があり、送信アポダイゼーション関数そのものが必ずしも重要であるとは限らない。実質的には、通常、開口面合成は、整相加算器において受信アポダイゼーションと同時に実施されるし、本発明においては、デジタル信号処理ユニット33において、受信アポダイゼーションと同時に実施されることが多い。以上、本実施形態の代表的な送信ユニットについて説明したが、送信ビームフォーミングの可能なものであれば、任意のものを使用でき、記載されている限りではない。 It should be noted that classical aperture synthesis includes a monostatic type and a multistatic type performed in transmission by a single aperture element, where the active transmit aperture element 10a is, as described above, under switching or apodization. can be switched. In some cases, all transmitting elements have a transmitting channel including transmitter 31a. Aperture synthesis requires generation of waves of sufficient intensity or energy, and the transmit apodization function itself is not necessarily important. Substantially, aperture synthesis is typically performed simultaneously with receive apodization in the phasing adder, and in the present invention is often performed simultaneously with receive apodization in digital signal processing unit 33 . The representative transmission units of this embodiment have been described above, but any unit can be used as long as transmission beamforming is possible, and the description is not limited to this.

<受信ユニット及びデジタル信号処理ユニット>
次に、装置本体30が備える受信ユニット32及びデジタル信号処理ユニット33(図2)について説明する。受信ユニット32は、複数の受信チャンネルの受信器32aと、AD変換器32bと、メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cとを含んでいる。各受信開口素子において生成される受信信号の周波数、帯域幅、波形、指向性は、受信開口素子20aと受信ユニット32で決まる。波動が受信開口に到来すると、受信開口素子20aの形状(厚みや開口の大きさや形)と材料(超音波素子の代表的なものにシングルクリスタル)とで決まる受信信号が生成されるが、受信ユニット32におけるフィルタリング処理(アナログ増幅器が兼ねることもある)により生成される受信信号の周波数と帯域幅、指向性が調整される。その生成される受信信号は、制御ユニット34による制御の下で設定されるフィルタのパラメータ(周波数や帯域幅等の周波数特性)に基づいて実質的に調整される。使用されるトランスデューサを制御ユニット34が認識して、推奨する設定が自動的に行われることもあるが、入力装置40を用いた設定又は調整も可能である。
<Receiving unit and digital signal processing unit>
Next, the receiving unit 32 and the digital signal processing unit 33 (FIG. 2) provided in the device body 30 will be described. The receiving unit 32 includes a plurality of receiving channel receivers 32a, an AD converter 32b, and a memory (or storage device or medium) 32c. The frequency, bandwidth, waveform, and directivity of the received signal generated in each reception aperture element are determined by the reception aperture element 20 a and the reception unit 32 . When waves arrive at the reception aperture, a reception signal is generated that is determined by the shape (thickness, size and shape of the aperture) and material (a typical ultrasonic element is a single crystal) of the reception aperture element 20a. The frequency, bandwidth and directivity of the received signal generated by filtering in unit 32 (which may also be done by an analog amplifier) are adjusted. The generated received signal is substantially adjusted based on the filter parameters (frequency characteristics such as frequency and bandwidth) set under control by the control unit 34 . The control unit 34 may recognize which transducer is used and the recommended settings may be made automatically, but settings or adjustments using the input device 40 are also possible.

通常のデジタル受信ユニット又はデジタル受信装置は、この様な機能を備え、さらに、整相加算機能を備える。即ち、デジタル受信ユニット又はデジタル受信装置におけるDAS処理は、複数の受信信号に整相処理を施して、整相処理が施された複数の受信信号を加算するものである。整相処理としては、複数の受信開口の受信チャンネルにおいて受信信号をAD変換して、基本的には読み書きを高速に行えるメモリ、記憶装置、又は、記憶媒体等に格納し、関心領域内の各関心位置に関して整相するべく、格納先から読み出した受信信号に空間領域において補間近似処理を交えて高速にディレイを掛けるものと、多くの時間を要するが、格納先から読み出した受信信号に周波数領域において複素指数関数を乗ずる位相回転によりナイキスト(Nyquist)定理に基づいてディレイを高精度に掛けるもの(本願の発明者の過去の発明、特許文献6、非特許文献15等)とがある。また、格納先においては、各受信開口の受信信号が受信ディレイに応じた位置に格納される場合もあり、それらの受信信号を読み出して加算したり、又は、それらに上記の処理をさらに施して加算することもある。 A typical digital receiving unit or digital receiving device has such a function and also has a delay-and-sum function. That is, the DAS processing in a digital receiving unit or a digital receiving apparatus is to apply phasing processing to a plurality of received signals and add the plurality of phasing-processed received signals. As the phasing process, the received signals are AD-converted in the reception channels of a plurality of reception apertures, basically stored in a memory, a storage device, or a storage medium that can be read and written at high speed, and each in the region of interest In order to phasing with respect to the position of interest, the received signal read from the storage destination is subjected to interpolation approximation processing in the spatial domain and a high-speed delay is applied. (past inventions of the present inventor, patent document 6, non-patent document 15, etc.). In addition, in the storage destination, the received signals of each reception aperture may be stored at positions according to the reception delay, and these received signals may be read out and added, or may be further subjected to the above processing. It may be added.

図4は、整相加算処理を実現する整相加算器を搭載する受信ユニット又は受信装置の典型的な構成とその周辺装置を示すブロック図である。図4に示す受信ユニット(又は受信装置)35は、複数の受信チャンネルの受信器35aと、AD変換器35bと、メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)35cとに加えて、整相加算処理を行う整相加算器35dと、生成されたイメージ信号をデジタル信号処理する他データ生成部35eとを備えている。例えば、他データ生成部35eは、画像表示データを生成したり、高次の計算により、例えば、ドプラ(Doppler)法に基づいて変位を計算したり、温度を計算したり等、対象に対して解析を行う。 FIG. 4 is a block diagram showing a typical configuration of a receiving unit or receiving apparatus equipped with a phasing adder that realizes phasing addition processing, and its peripheral devices. The receiving unit (or receiving device) 35 shown in FIG. 4 includes a receiver 35a for a plurality of receiving channels, an AD converter 35b, a memory (or storage device or storage medium) 35c, and performs phasing and addition processing. A phasing adder 35d for performing digital signal processing, and a data generating unit 35e for performing digital signal processing on the generated image signal. For example, the other data generation unit 35e generates image display data, calculates displacement based on the Doppler method, calculates temperature, etc., for the object by high-order calculation. do the analysis.

この整相加算処理を関心領域内の各位置において実施することにより、ダイナミックフォーカシングが行われる。本来、ダイナミックフォーカシングは、有効開口において受信したレンジ方向において使う用語(term)であったが、実のところ、本発明によって実施される受信デジタルビームフォーミングにおいては、その限りではない。図2に示す本発明の実施形態における受信ユニット32は、整相加算(DAS)処理を行う演算過程がその名称の表す本発明の高精度の近似計算を含む演算処理や、従来の低精度の近似計算を含む演算処理や、それらとは異なる高速且つ近似処理を必要としない高精度なデジタルビームフォーミング(フーリエビームフォーミング等)を行うこともあるまた、受信ユニット32は、周波数領域における位相回転処理(特許文献6、非特許文献15等)を行うこともある。従って、本発明の実施形態においては、図4に示す整相加算器35dの代わりに、図2に示すデジタル信号処理ユニット33が用いられる。デジタル信号処理ユニット33においては、イメージ信号を基に上記の様な他のデータが生成されることもある。例えば、デジタル信号処理ユニット33は、トランスデューサ20等の受信手段によって生成される受信信号に対してビームフォーミング処理を行って横方向変調を実施することにより、多次元受信信号を生成すると共に、生成された多次元受信信号に対してヒルベルト変換処理を行う。 Dynamic focusing is performed by performing this phasing and addition process at each position within the region of interest. Originally, dynamic focusing was a term used in the receive range direction at the effective aperture, but in fact the receive digital beamforming implemented by the present invention is not so limited. The receiving unit 32 in the embodiment of the present invention shown in FIG. Arithmetic processing including approximation calculation, and high-speed digital beamforming (Fourier beamforming, etc.) that does not require approximation processing and which is different from them, may also be performed. The receiving unit 32 may also perform phase rotation processing in the frequency domain (Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.). Therefore, in the embodiment of the present invention, the digital signal processing unit 33 shown in FIG. 2 is used instead of the phasing adder 35d shown in FIG. In the digital signal processing unit 33, other data as described above may be generated based on the image signal. For example, the digital signal processing unit 33 performs beamforming and lateral modulation on the received signal generated by the receiving means such as the transducer 20 to generate the multidimensional received signal and the generated multidimensional received signal. Hilbert transform processing is performed on the multidimensional received signal.

に、本発明の実施形態における受信ユニット32の特徴は、高速且つ高精度な処理を実現するべく、通常は受信開口素子20aにおいて生成される受信信号をアナログ的な増幅又は減衰によるレベル調整やアナログフィルタリング(プグラマブルであり、制御ユニット34を通じて設定される周波数特性やパラメータ下で動作する)等のアナログデバイスを使用して信号強度の確保やノイズの低減を行うことに加え、アナログ信号処理がデジタル信号処理よりも高速である利点を生かして、必要に応じて線形又は特に非線形のアナログ信号処理を行うデバイスを有効的に使用することを含み、それらの処理を通じて得られた信号をAD変換し、その結果として得られるデジタル信号を読み書きの高速なメモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cに格納する。 In particular , a feature of the receiving unit 32 in the embodiment of the present invention is that, in order to realize high-speed and high-precision processing, the reception signal normally generated by the reception aperture element 20a is level-adjusted by analog amplification or attenuation. In addition to ensuring signal strength and noise reduction using analog devices such as analog filtering (which is programmable and operates under the frequency characteristics and parameters set through the control unit 34), analog signal processing is digital Utilizing the advantage of being faster than signal processing, including effectively using a device that performs linear or particularly nonlinear analog signal processing as necessary, A/D converts the signal obtained through those processes, The resulting digital signal is stored in a fast read/write memory (or storage device or medium) 32c.

また、搭載されるデジタル信号処理ユニット33として、汎用の計算処理能力を備えるデバイスや計算機、PLD(Programmable Logic Device)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、DSP(Digital Signal Processor)、GPU(Graphical Processing Unit)、若しくは、マイクロプロセッサ等が使用され、又は、専用の計算機や専用のデジタル回路、若しくは、専用デバイスが使用されて、格納されているデジタル信号に対して本発明のデジタルの波動信号処理が施される。 In addition, as the digital signal processing unit 33 to be mounted, a device or calculator having general-purpose calculation processing capability, PLD (Programmable Logic Device), FPGA (Field-Programmable Gate Array), DSP (Digital Signal Processor), GPU (Graphical Processing Unit), or a microprocessor or the like is used, or a dedicated computer, a dedicated digital circuit, or a dedicated device is used to perform the digital wave signal processing of the present invention on the stored digital signal applied.

それらのアナログデバイスや、AD変換器32b、メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32c、及び、デジタル信号処理ユニット33(マルチコア等)を担うデバイスが高性能であることは重要であるが、デバイス間の通信回数や通信線路容量、配線、若しくは、広帯域な無線通信は重要であり、特に、本発明においては、それらの機能デバイスが1つのチップや基板に適切に装着される場合(脱着可能な場合)があり、その他に、1つのチップや基板にそれらが直接的に実装されること(積層を含む)もある。並列処理が行われることもある。 It is important that these analog devices, AD converter 32b, memory (or storage device or storage medium) 32c, and digital signal processing unit 33 (multi-core etc.) have high performance. communication frequency, communication line capacity, wiring, or broadband wireless communication are important. ), and also their direct mounting (including stacking) on a single chip or substrate. Parallel processing may also occur.

デバイスが脱着不可能なものであると、計算機が制御ユニット34も兼ねるときにおいて通常のプログラム制御の下で得られるセキュリティに比べて格段に高いセキュリティ性能を獲得することもできる。その反面、現行の法律では処理内容の開示が求められることが増えるであろう。また、そのデジタル信号処理ユニット33が、他ユニットに指令信号を送りそれらを制御する制御ユニット34を兼ねることもある。 If the device is non-detachable, it is possible to obtain much higher security performance than security obtained under normal program control when the computer also serves as the control unit 34 . On the other hand, current legislation will likely require more disclosure of what is being processed. The digital signal processing unit 33 may also serve as a control unit 34 for sending command signals to and controlling other units.

本発明に実施される受信ユニット32において、受信トランスデューサ(又は受信センサー)20において生成される受信信号のサンプリング(AD変換)をAD変換器32bに開始させるトリガー信号(即ち、AD変換を開始してメモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cにデジタル信号を格納することを開始する取り込み開始の指令信号)は、通常の受信ユニットにおいて用いられるトリガー信号と同様である。例えば、駆動する送信開口素子10aへの送信信号を送信器31aが生成する様に制御ユニット34が発生するいずれかの指令信号が使用されることがあり、有効開口の複数の受信開口素子20aにおいて受波する場合においては、最初に駆動する素子のための指令信号か、最後に駆動する素子のための指令信号か、又は、別の素子を駆動するための指令信号が使用され、適宜、所定のデジタルディレイを掛けてAD変換が開始されることもある。 In the receiving unit 32 embodied in the present invention, a trigger signal that causes the AD converter 32b to start sampling (AD conversion) of the received signal generated in the receiving transducer (or receiving sensor) 20 (i.e., starting AD conversion) The command signal to start capturing the digital signal to start storing the digital signal in the memory (or storage device or storage medium) 32c) is similar to the trigger signal used in a normal receiving unit. For example, any command signal generated by the control unit 34 may be used such that the transmitter 31a generates a transmit signal to the transmit aperture elements 10a to be driven, and at the multiple receive aperture elements 20a of the effective aperture: In the case of receiving waves, the command signal for the element to be driven first, the command signal for the element to be driven last, or the command signal for driving another element is used. A/D conversion may be started with a digital delay of .

それらの指令信号は、1フレーム分のビームフォーミングを開始するための指令信号を基に生成されることがある。つまり、送信トリガー信号の発生回数をカウントし、所定の数、又は、適宜、入力装置40等から入力されて設定される等のプログラマブルなパラメータであることのある数に達したことがハードウェア又は制御プログラムにおいて確認されると、新しいフレームの生成を開始する指令信号が発生されることがある。その数は、他パラメータと同様に、CD-ROMやフロッピ―ディスク、又は、MO等の様々な媒体を通じてインストールされることもある。プログラムを起動して入力装置40からインターラクティブに選択できる場合もあるし、数値を直接に入力したり、その他、データの記録されたファイルを読み込ませて設定する場合等、様々な場合がある。その数は、ディップスイッチ等を使用して定めることも可能である。受信ディレイのパターンの数が大きいことが必要とされない場合には、受信信号に対して搭載されたアナログディレイパターンを掛けたものがAD変換されることもある。 These command signals may be generated based on a command signal for starting beamforming for one frame. In other words, the number of occurrences of the transmission trigger signal is counted, and the hardware or hardware that reaches a predetermined number or a number that may be a programmable parameter that is appropriately set by input from the input device 40 or the like Upon confirmation in the control program, a command signal may be generated to initiate generation of a new frame. The number, as well as other parameters, may be installed through various media such as CD-ROM, floppy disk, or MO. There are various cases, such as starting a program and interactively selecting from the input device 40, directly inputting numerical values, and setting by reading a file in which data is recorded. The number can also be determined using DIP switches or the like. If a large number of reception delay patterns is not required, the received signal multiplied by the built-in analog delay pattern may be AD-converted.

信ダイナミックフォーカシングを実現するべく、本願の発明者の過去の発明である周波数領域において信号に複素指数関数の積を施してナイキスト(Nyquist)定理に基づく方法を使用せずに通常の高速な受信デジタルディレイを掛けると、AD変換のサンプリング間隔で決まる誤差を生じるため、コストをかけてAD変換器32bのサンプリング周波数を十分に高くするか、又は、高精度なデジタルディレイ(周波数領域における位相回転処理)によるその低速ビームフォーミングを行うしかなかった。これに対し、本発明によれば、上記の如く、受信信号を同期してデジタルサンプリングすれば、その種の近似誤差を大きく生じることなく、しかも、高速な受信デジタルビームフォーミングを実施することができる。つまり、そのような受信デジタルビームフォーミングは、本願の発明者の過去の発明である周波数領域において複素指数関数の積を演算する方法やフーリエビームフォーミングに比べ、格段に高速である。 In order to realize reception dynamic focusing, a conventional high-speed reception is achieved without using a method based on the Nyquist theorem by applying a product of a complex exponential function to a signal in the frequency domain, which is a past invention of the inventor of the present application. When digital delay is applied, an error occurs that is determined by the sampling interval of AD conversion. ) had to perform its slow beamforming. On the other hand, according to the present invention, as described above, if the received signal is synchronously digitally sampled, such kind of approximation error does not occur significantly , and high-speed reception digital beamforming can be performed. . In other words, such receive digital beamforming is much faster than Fourier beamforming and the method of calculating the product of complex exponential functions in the frequency domain, which is a past invention of the present inventor.

本発明においても、通常においても、1つのビームフォーミングを行うに当たり使用する受信開口素子20aにおいて受波した信号を受信ユニット32に送るための回線数が受信チャンネル数である。その点で、受信ユニット32は以下の通りであり、受信チャンネルの形態も様々なものがある。即ち、通常のビームフォーミングを1回行うに当たり、複数の受信開口素子20aにおいて生成される信号に異なるディレイを掛けるべく、受信ユニット32は、上記の如くアナログ又はデジタルのディレイパターンを搭載しており、操作者が入力装置40を用いて選択できる受信フォーカス位置やステアリング方向等を実現するディレイパターンが使用されることがある。 In the present invention as well as in the ordinary case, the number of reception channels is the number of lines for sending the signals received by the reception aperture element 20a used for one beamforming to the reception unit 32. FIG. In that respect, the receiving unit 32 is as follows, and there are various types of receiving channels. That is, in order to apply different delays to the signals generated by the plurality of reception aperture elements 20a when normal beamforming is performed once, the reception unit 32 is equipped with an analog or digital delay pattern as described above. A delay pattern that realizes a reception focus position, a steering direction, and the like that can be selected by the operator using the input device 40 may be used.

それらのパターンがプログラマブルであり、目的に応じて、使用するパターンや選択可能なパターンがCD-ROMやフロッピ―ディスク、又は、MO等の様々な媒体を通じてインストールされることもある。プログラムを起動して入力装置40よりインターラクティブにパターンを選択できる場合もあるし、ディレイ(パターン)値を直接に入力したり、その他、データの記録されたファイルを読み込ませて設定する場合等、様々な場合がある。特に、アナログディレイの場合には、使用するディレイ値がアナログ的に、又は、デジタル的に変更される場合もあるし、ディレイ回路又はパターンそのものが別のものに付け替えられるか、又は、別に切り替えられることもある。 These patterns are programmable, and depending on the purpose, patterns to be used and patterns that can be selected may be installed through various media such as CD-ROM, floppy disk, or MO. In some cases, a program can be activated and a pattern can be interactively selected from the input device 40. In some cases, a delay (pattern) value can be directly entered, or in other cases, a file in which data is recorded can be read and set. There are cases. In particular, in the case of analog delay, the delay value to be used may be changed analogously or digitally, and the delay circuit or pattern itself may be replaced or switched to another one. Sometimes.

また、受信ディレイがデジタルである場合には、各受信チャンネルのメモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cに格納されている受信信号が読み出されて整相(加算)される。本実施形態の装置においては、デジタル信号処理ユニット33においてデジタル受信信号にディレイを掛けるか、デジタル回路のディレイデバイスにデジタル受信信号を通過させるか、又は、AD変換器32b及びメモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cをオンにするための制御ユニット34からの取り込み開始の指令信号にディレイを掛けることができる。従って、デジタルディレイは、AD変換器32bの内部以降であれば任意位置において、又は、制御ユニット34において掛けることができる。 If the reception delay is digital, the reception signals stored in the memory (or storage device or storage medium) 32c of each reception channel are read out and phased (added). In the apparatus of this embodiment, the digital signal processing unit 33 delays the digital received signal, the digital received signal is passed through a delay device of the digital circuit, or the AD converter 32b and the memory (or storage device or A delay can be applied to the command signal to start capturing from the control unit 34 for turning on the storage medium 32c. Therefore, the digital delay can be applied at any position after the inside of the AD converter 32b or in the control unit 34. FIG.

また、アナログディレイの場合には、受信開口素子20aにおいて受信信号を生成した後であれば任意の位置において、又は、制御ユニット34においてディレイを掛けることができる。アナログディレイパターンが使用される場合には、受信器32aは少なくとも1機で複数の開口素子の受信信号を受信できる。従って、受信信号の格納先には、各受信開口の受信信号が受信ディレイに応じた位置に格納されている場合があるし、受信ディレイが全く掛けられていないこともあり、それらを読み出して、デジタル信号処理ユニット33において後述のデジタル波動信号処理が実施されることがある(デジタル信号処理ユニット33は、通常の整相加算処理も実施できることがある)。 In the case of analog delay, the delay can be applied at any position or in the control unit 34 after the reception signal is generated in the reception aperture element 20a. When an analog delay pattern is used, at least one receiver 32a can receive the received signals of a plurality of aperture elements. Therefore, in the storage destination of the received signal, the received signal of each reception aperture may be stored at a position corresponding to the reception delay, or the reception delay may not be applied at all. Digital wave signal processing, which will be described later, may be performed in the digital signal processing unit 33 (the digital signal processing unit 33 may also be able to perform normal phasing and summing processing).

アナログ回路若しくはアナログデバイス、又は、デジタル回路若しくはデジタルデバイスの切り替えにより、パターンが選択されることもある。また、それらのディレイデバイスのディレイが、制御ユニット34による制御の下で変更される場合や、インストールや入力設定等を通じてプログラマブルであることもある。さらに、制御ユニット34内にディレイデバイスが設けられていることもあり、制御ユニット34が上記の如く計算機等により構成されている場合には、ソフト制御の下でディレイの掛けられた指令信号が制御ユニット34より直接に出力されることもある。 Patterns may be selected by switching analog circuits or devices, or digital circuits or devices. Also, the delays of those delay devices may be changed under the control of the control unit 34, or may be programmable through installation, input settings, or the like. Furthermore, since a delay device is provided in the control unit 34, if the control unit 34 is composed of a computer or the like as described above, the delayed command signal can be controlled under software control. It may be output directly from the unit 34.

制御ユニット34やデジタルディレイは、汎用の計算処理能力を備えるデバイスや計算機、PLD、FPGA、DSP、GPU、若しくは、マイクロプロセッサ等、又は、専用のデジタル回路、若しくは、専用デバイスであっても良い。それらは高性能(マルチコア等)であることが望ましく、アナログデバイスや、AD変換器32b、メモリ32c、及び/又は、送信又は受信ビームフォーミング処理を行うデジタル信号処理ユニット33をも担うことがある。 The control unit 34 and the digital delay may be devices or computers with general-purpose computing capabilities, PLDs, FPGAs, DSPs, GPUs, microprocessors, or the like, or dedicated digital circuits or dedicated devices. They are preferably high performance (multi-core, etc.) and may also carry analog devices, AD converters 32b, memory 32c, and/or digital signal processing units 33 that perform transmit or receive beamforming operations.

また、デバイス間の通信回数や通信線路容量、配線、若しくは、広帯域な無線通信は重要であり、特に、本発明においては、それらの機能デバイスが1つのチップや基板に適切に装着される場合(脱着可能な場合)がある。その他に、1つのチップや基板にそれらが直接的に実装されること(積層を含む)もある。並列処理が行われることもある。デバイスが脱着不可能なものであると、計算機が制御ユニット34も兼ねるときにおいて、通常のプログラム制御の下で得られるセキュリティに比べて格段に高いセキュリティ性能を獲得することもできる。その反面、現行の法律では処理内容の開示が求められることが増えるであろう。制御ソフトウェアやディレイ値が、直接にコーディング又は入力されるものや、インストールされるものもある。デジタルディレイの掛け方はこれらに限られない。 In addition, the number of times of communication between devices, communication line capacity, wiring, or broadband wireless communication are important. if it is removable). Alternatively, they may be directly mounted (including lamination) on a single chip or substrate. Parallel processing may also occur. If the device is non-detachable, when the computer also serves as the control unit 34, it is possible to obtain much higher security performance than that obtained under normal program control. On the other hand, current legislation will likely require more disclosure of what is being processed. Some control software and delay values are directly coded or entered, others are installed. How to apply the digital delay is not limited to these.

本実施形態においては、装置本体30の制御ユニット34(図2)から送られてくる上記のトリガー信号を基に、AD変換の開始を指令するトリガー信号(指令信号)が、各受信チャンネルのAD変換器32bに供給される。この指令信号に従って、各チャンネルの受信アナログ信号のAD変換及びデジタル化された信号のメモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cへの格納が開始される。送信ユニット31、受信ユニット32、及び、デジタル信号処理ユニット33は、1フレーム分の受信信号が全て格納されるまで、制御ユニット34による制御の下で、送信開口位置や送信有効開口幅、又は、送信ステアリング方向等を変えながら、さらに、波動やビームを送信する毎に受信開口位置や受信有効開口幅、又は、受信ステアリング方向等を変えながら、送信からデジタル信号を格納するまでの処理を繰り返し行い、1フレーム分の受信信号が格納される毎に、その受信信号群に対して本発明において使用されるデジタルの波動信号処理方法、即ち、デジタルビームフォーミング方法を施してコヒーレントな信号を生成する。 In the present embodiment, a trigger signal (command signal) instructing the start of AD conversion based on the trigger signal sent from the control unit 34 (FIG. 2) of the device main body 30 is the AD signal of each reception channel. It is supplied to converter 32b. According to this command signal, AD conversion of the received analog signal of each channel and storage of the digitized signal in the memory (or storage device or storage medium) 32c are started. The transmission unit 31, the reception unit 32, and the digital signal processing unit 33, under the control of the control unit 34, change the transmission aperture position, the effective transmission aperture width, or While changing the transmission steering direction, etc., the processing from transmission to digital signal storage is repeated while changing the reception aperture position, reception effective aperture width, reception steering direction, etc. each time a wave or beam is transmitted. , each time one frame of received signals is stored, the received signal group is subjected to the digital wave signal processing method used in the present invention, that is, the digital beamforming method to generate a coherent signal.

従って、本発明における装置が上記のアナログやデジタルのディレイを搭載しているとしても、必ずしも、ビームフォーミングのためのディレイとして使用されるとは限らず、メモリ、記憶装置、又は、記憶媒体を節約して有効に利用すると共にアクセス時間を短縮するべく、受信信号のAD変換及びそれらのメモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cへの格納を開始するタイミングを遅らせるために使用される場合もある。ビームフォーミングにおける受信ディレイは、デジタル信号処理ユニット33で実施されるデジタル波動信号処理が主であり、本発明において、その節約とアクセス時間の短縮化の意味は大きい。また、送信時に物理的なビームフォーミング(例えば、計算機や専用デバイス等を用いたソフト的なビームフォーミングにおいて行うものとは別の、計算機や専用デバイス等を用いた物理的な処理であって、送信時又は受信時のそのときにおいて行うことのあるフォーカシングやステアリング、アポダイゼーション等の処理)を行わない古典的な開口面合成を行う場合には、送信ディレイは、デジタル波動信号処理において受信ディレイと同一のタイミングで掛けられる。 Therefore, even if the device in the present invention is equipped with the above analog or digital delay, it is not necessarily used as a delay for beamforming, and memory, storage device, or storage medium can be saved. In some cases, it is used to delay the timing of starting the AD conversion of the received signals and their storage in the memory (or storage device or storage medium) 32c, in order to effectively utilize them and shorten the access time. The reception delay in beamforming is mainly due to the digital wave signal processing performed by the digital signal processing unit 33, and the saving and shortening of the access time are significant in the present invention. In addition, physical processing using a computer, dedicated device, etc., which is different from physical beamforming at the time of transmission (for example, software beamforming using a computer, dedicated device, etc.) In the case of classical aperture synthesis without focusing, steering, apodization, etc., which may be performed at the time or at the time of reception, the transmit delay is the same as the receive delay in digital wave signal processing. Can be hung in time.

以上のことから、本発明において、受信ユニット32は、必ず、各受信チャンネルにおいて、独立した、アナログ又はデジタルのディレイ、受信器32a、AD変換器32b、及び、メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cを備え、必要に応じて、アナログ的な増幅又は減衰によるレベル調整やアナログフィルタ、その他のアナログ演算デバイスを備えるものである。即ち、本発明の装置において、受信ディレイによってこのデジタルディレイを実施するに当たり、ビームフォーミングのためのディレイを掛けない限りは、アナログディレイと同じく、クロック周波数に依存する様な誤差は生じない。 From the above, in the present invention, the receiving unit 32 must include an independent analog or digital delay, receiver 32a, AD converter 32b, and memory (or storage device or storage medium) for each receiving channel. 32c, and if necessary, level adjustment by analog amplification or attenuation, analog filters, and other analog arithmetic devices. That is, in the apparatus of the present invention, when the reception delay is used to implement this digital delay, unless a delay for beamforming is applied, an error that depends on the clock frequency does not occur as in the analog delay.

つまり、送信のデジタルディレイではクロック周波数で決まる誤差を必ず生じるため、コストをかけて高クロック周波数を使用して誤差を低減する必要があるが、受信のデジタルディレイではその様なことは必要がない。受信ディレイにデジタルディレイを使用すると、精度を低下させることなく、また、ディレイパターンの設定の自由度も高く、送信ディレイにアナログディレイを使用すると、精度が良く、クロック周波数を低くできる。アナログディレイは、アナログ的に変更可能であるし、デジタル制御可能なプログラマブルにすることも可能である。しかしながら、アナログディレイは、デジタルディレイに比べて自由度が低く、コストを下げる場合においては、アナログ回路として搭載されたディレイパターンを切り替えて使用するか、適切なものに付け替えて使用することもある。送信ディレイパターンの設定に高い自由度を要する場合には、高クロックでデジタルディレイを稼働させることが必要となる。 In other words, digital delay for transmission inevitably causes an error determined by the clock frequency, so it is necessary to reduce the error by using a high clock frequency at a cost, but digital delay for reception does not require such a thing. . Using a digital delay for the reception delay does not lower the accuracy, and the degree of freedom in setting the delay pattern is high. Using an analog delay for the transmission delay improves the accuracy and allows the clock frequency to be lowered. The analog delay can be analog changeable or can be digitally controllable and programmable. However, the analog delay has a lower degree of freedom than the digital delay, and in order to reduce the cost, the delay pattern installed as an analog circuit may be switched or used by replacing it with an appropriate one. If a high degree of freedom is required for setting the transmission delay pattern, it is necessary to operate the digital delay at a high clock.

以下において、本発明のビームフォーミングそのものにより生成されるコヒーレント信号をイメージ信号と称する。受信有効開口素子やそれらの位置は、送信有効開口素子と同様に制御される(詳細については後述する)。尚、このデジタルビームフォーミングは、1フレーム分の受信信号が格納される毎に行われるとは限らず、例えば、有効開口幅やそれ以外の所定数、又は、適宜、入力装置40等から入力されて設定される等のハードウェアのチャンネル数かプログラマブルなパラメータであることのある数の受信信号が格納されたタイミング毎に行われることもある(上記の様に様々な入力手段がある)。また、部分的にビームフォーミングされて生成されるイメージ信号を合成して、1フレームのイメージ信号とすることもある。 Below, the coherent signal generated by the beamforming itself of the present invention is referred to as an image signal. The reception effective aperture elements and their positions are controlled in the same manner as the transmission effective aperture elements (details will be described later). Note that this digital beamforming is not necessarily performed every time one frame of received signals is stored. It may also be done every time the number of received signals is stored, which may be the number of channels of the hardware, such as set by the hardware, or a programmable parameter (there are various input means as described above). In addition, image signals generated by partial beamforming may be combined to form an image signal of one frame.

その場合に、走査方向に連続した位置において処理される受信信号がオーバーラップしたものであることがあり、それらの受信信号を合成する際には、単なる重ね合わせが行われる場合(周波数領域で重ね合わせされて逆フーリエ変換されることもある)や、適切に重み付けされて重ね合わせされる場合もあれば、単に接続される場合もある。格納された受信信号の数は、受信信号の取り込みのためのトリガー信号(制御ユニット34から届く指令信号)をカウントしてハードウェア又は制御プログラム内で確認することができるし、上記の通り、1フレーム毎に制御ユニット34が生成する1フレームのデジタル波動信号処理を開始させる指令信号を同様にして確認することができ、適切に1フレームのイメージ信号が連続的に生成される。 In that case, the received signals processed at successive positions in the scanning direction may be overlapping, and when synthesizing those received signals, if simple superposition is performed (overlapping in the frequency domain). combined and inverse Fourier transformed), appropriately weighted and superimposed, or simply connected. The number of received signals stored can be confirmed in the hardware or control program by counting trigger signals (command signals arriving from the control unit 34) for capturing received signals. The command signal for starting the digital wave signal processing of one frame generated by the control unit 34 for each frame can be confirmed in the same manner, and the image signal of one frame is continuously generated appropriately.

実現できる最高のフレームレートは、実施するビームフォーミング形態に依存し、基本的に、波動の伝搬速度で決まるが、実際の応用上においては、1フレームのイメージ信号をデジタル計算するのに要する時間で決まる。従って、上記の部分的にイメージ信号を生成する処理を並列処理により実施することは有用である。また、上記の如く、本願の発明者が過去に開発した多方向開口面合成や、1つの送信ビームに対して複数位置における受信ビームや複数方向の受信ビームを生成すること、また、マルチフォーカスを実施することは有用であり、それらを高速に実施するために、並列処理を行うことは有用である。いずれも、上記の送信と受信を行うことを基礎として、1フレーム分又は部分的にビームフォーミングするための受信信号を格納し、後に詳述する本発明におけるデジタル波動信号処理を実施すれば良い。また、実時間でイメージ信号を生成できない場合には、フレームレートを下げる場合もあるし、オフラインで処理されることもある。 The maximum achievable frame rate depends on the form of beamforming to be performed, and is basically determined by the wave propagation speed. Determined. Therefore, it is useful to carry out the process of partially generating the image signal by parallel processing. In addition, as described above, multi-directional aperture synthesis developed in the past by the inventor of the present application, generation of reception beams at multiple positions and reception beams in multiple directions for one transmission beam, and multi-focusing are also possible. It is useful to implement them, and in order to implement them quickly, it is useful to do parallel processing. In any case, on the basis of the above transmission and reception, one frame or a portion of received signals for beamforming may be stored, and the digital wave signal processing of the present invention, which will be described in detail later, may be performed. Also, if the image signal cannot be generated in real time, the frame rate may be reduced, or the image signal may be processed off-line.

尚、受信アポダイゼーションは、各開口素子の受信チャンネルにおいて受信信号に対して重み付けを行うものであり、レンジ方向に関して可変であることがある。アナログ的に可変にすることも不可能ではないが、デジタル的に可変にすることは容易である。通常の受信ユニットにおいては、整相加算を行う際に、各位置や各レンジ位置等において実施され、可変であることが多いが、本発明における装置では、デジタル信号処理ユニット33において実施されることになる。一方、可変でないアポダイゼーションが実施されることは稀であるが、その場合には、開口素子によって生成した受信信号にアナログ的な増幅又は減衰によるレベル調整を行う際にアポダイゼーションが行われる。 Note that the reception apodization weights the reception signal in the reception channel of each aperture element, and may be variable with respect to the range direction. It is not impossible to make it analogue variable, but it is easy to make it digitally variable. In a normal receiving unit, phasing and addition are performed at each position, each range position, etc., and are often variable. become. On the other hand, non-variable apodization is rarely implemented, but in that case, apodization is performed when level adjustment is performed by analog amplification or attenuation of the received signal generated by the aperture element.

アポダイゼーションとは別の意味であるが、開口素子の駆動信号の波動への変換効率(変換能)の校正データに基づいて、少なくともレベル校正が行われることもあるし、レベル校正と同時にアポダイゼーションも行われることがある。それらの処理を目的にすることもあるし、受信アナログ信号の波形のダイナミックレンジを非線形的に拡大したり圧縮することもあり、各受信チャンネルにおいて、非線形素子等、他のアナログデバイスが使用されることもある。それらの増幅器等を含み、使用されるアナログデバイスがプログラマブルであることもあり、その設定方法は、様々な形態を取り得る。他のパラメータと同様に、各種入力装置を使用して直接的に設定されることもある。通常、ディレイとアポダーゼーションは、受信ユニット32内において、同じか異なる階層レベルにおいて同じか異なる形態で実現されたものが実施されるものであるが、通常は整相加算器において、本発明においてはデジタル信号処理ユニット33において、自由度高く実施され得るものである。 Although apodization has a different meaning, at least level calibration may be performed based on the calibration data of the conversion efficiency (conversion ability) of the drive signal to the wave of the aperture element, and apodization may be performed at the same time as the level calibration. sometimes be In some cases, the purpose is to process them, and in other cases, to non-linearly expand or compress the dynamic range of the waveform of the received analog signal, and other analog devices such as non-linear elements are used in each receive channel. Sometimes. Since the analog devices used, including those amplifiers and the like, are programmable, the setting method can take various forms. Like other parameters, it may be set directly using various input devices. Typically, delay and apodization are implemented in the same or different implementations in the same or different hierarchical levels within the receiving unit 32, but typically in the phasing adder. can be implemented in the digital signal processing unit 33 with a high degree of freedom.

受信有効開口内の各開口素子の受信チャンネルは、シフトレジスタやマルチプレクサ等のスイッチングデバイスを通じて切り替えられ、別の位置の有効開口が使用されてビームフォーミングを行いながら関心領域が走査されることがある。また、ディレイ素子のディレイ値が可変であることがあるし、ディレイパターン(ディレイ素子群)が切り換えられることもある。さらに、1つの有効開口において複数方向へのステアリングが行われることもあるし、適宜、開口位置や有効開口幅を変えながら、さらには、複数方向へステアリングも行われることもあり、単にメモリ、記憶装置、又は、記憶媒体を節約してアクセス時間を短縮することもある。頻繁に使用するデータを、適宜、読み書きの容易な小規模なメモリに格納する効果も大きい。 The receive channel of each aperture element within the effective receive aperture may be switched through a switching device such as a shift register or multiplexer such that a different position of the effective aperture may be used to scan the region of interest while performing beamforming. Also, the delay value of the delay element may be variable, and the delay pattern (delay element group) may be switched. Furthermore, steering in multiple directions may be performed in one effective aperture, and steering may be performed in multiple directions while appropriately changing the aperture position and effective aperture width. Access time may be reduced by conserving equipment or storage media. It is also highly effective to store frequently used data appropriately in a small memory that is easy to read and write.

本発明において、その節約とアクセス時間の短縮化の意味は大きい。アポダイゼーションパターンを構成するアポダイゼーション素子群が切り換えられることもある。開口位置やレンジ方向、ステアリング方向に依存してビーム形状が調整されることもある。詳細には、アポダイゼーション値が零の受信素子はアクティブではなくオフであることを意味し、アポダイゼーションは有効素子のスイッチをも担い、有効開口幅をも決め得るものである(開口素子アレイ方向のアポダイゼーションの関数が矩形(rectangular)窓であればスイッチはオンであり、一定値でないときは重みの掛かったオンである)。従って、アポダイゼーション素子は、スイッチと同レベルのものである。 In the present invention, the savings and access time reduction are significant. The groups of apodization elements that make up the apodization pattern may also be switched. The beam shape may be adjusted depending on the aperture position, range direction, and steering direction. Specifically, a receiving element with an apodization value of zero means that it is not active but off, and the apodization also serves as a switch for the active elements and can also determine the effective aperture width (apodization in the direction of the aperture element array). function is a rectangular window, the switch is on, otherwise it is weighted on). Therefore, the apodization element is on the same level as the switch.

また、ディレイパターンやアポダイゼーションパターンが、複数のパターンを備える場合や、プログラマブルである場合に、送信対象からの応答やビームフォーミングの結果に基づいて、装置本体30内のデジタル信号処理ユニット33において、伝搬過程の媒体における波動の減衰や散乱(前方散乱や後方散乱等)、透過、反射、屈折、インピーダンス、又は、音速の周波数分散や空間分布等が計算され、各開口から送信して各開口において受信する波動のディレイや強度、ビームや波面のステアリング方向、又は、アポダイゼーションパターン等が、最適化されることがある。それらの媒体の特性の周波数特性は、パルス波等の送信波動に対して受信波動の瞬時周波数や瞬時位相を用いる代わりに、送信波動の周波数応答で受信波動の周波数応答を各周波数において除することによっても求まり、それに逆フーリエ変換を施して媒体の特性の時空間分布を求めることは有効である。その際、段落0363や段落0371に記載した通り、観測装置(デバイス)内において生じる波形歪分を補正した上で処理することは有効である。除算を用いる超解像の場合と同様に、小さいスペクトル成分で除するとノイズを増強してしまって大きなエラーを生じるため、正則化やウィーナーフィルタ等は有効である。最尤推定も有効であり、MAP(maximum a posteriori)を併用することもある。また、それらを統合・融合することもある。同一箇所のエコーを複数回取得してそれらの処理を行うこともある。また、別の超解像に類似して、周波数応答で除する代わりに周波数応答の共役の乗算が有効であることもある。それらの超解像を含む様々な超解像も本願明細書中に記載されている。上記の瞬時周波数や瞬時位相を用いる場合やその他の様々なイメージング(例えば、基本的な通常のエコーイメージング等の反射法や透過法等も含む)を行う場合にも、観測装置(デバイス)内において生じる波形歪分を補正した上で処理することは有効である。
また、送信波動の周波数応答の代わりに、同一の送信波動を参照物質(簡単なものは不規則な散乱体分布等の媒体の伝搬特性が均質なものや代表位置に設けられた反射体や散乱体等、その他、手の込んだものとしては、周波数依存性のある伝搬速度やインピーダンス、散乱、減衰等、均質な媒体の伝搬中に媒体の特性により生じる波動スペクトルの変化の蓄積を相殺できる様に不均質にしたもの等)に施して得られる受信波動の周波数応答で除したり、最尤推定したり、その周波数応答の共役を掛けることも有効であり、参照物質に対する相対的な特性が求まる(線形システムの応用である)。
上記の計算は、関心領域全体を対象として一度に実施されることもあるし、波動そのものの伝搬特性により表される点拡がり関数の空間的な不均質性に応じて局所的に、又は、局所毎に実施されることもある(前者は計算が簡単である)。後者の局所処理は超解像処理において前例(非特許文献35、36)が有り、参照物質(散乱体の不規則な分布や代表位置の散乱体)を対象にして局所に観測された点拡がり関数の周波数応答を用いて除する事例も有る。その他の超解像処理においても、関心領域全体を対象として一度に実施することや局所毎に実施することは同様に有効である。
In addition, when the delay pattern and the apodization pattern have a plurality of patterns or are programmable, the digital signal processing unit 33 in the device main body 30 performs propagation based on the response from the transmission target and the result of beamforming. Attenuation and scattering (forward scattering, backscattering, etc.), transmission, reflection, refraction, impedance, or frequency dispersion and spatial distribution of sound velocity in the process medium are calculated, transmitted from each aperture, and received at each aperture. The delay or intensity of the waves to be applied, the steering direction of the beam or wavefront, or the apodization pattern, etc., may be optimized. For the frequency characteristics of the characteristics of these media, instead of using the instantaneous frequency and instantaneous phase of the received wave for the transmitted wave such as a pulse wave, divide the frequency response of the received wave by the frequency response of the transmitted wave at each frequency. It is effective to obtain the spatio-temporal distribution of the characteristics of the medium by subjecting it to the inverse Fourier transform. At that time, as described in paragraphs 0363 and 0371, it is effective to correct the waveform distortion generated in the observation device (device) before processing. As in the case of super-resolution using division, regularization, a Wiener filter, etc. are effective because division by a small spectral component increases noise and causes a large error. Maximum likelihood estimation is also effective, and MAP (maximum a posteriori) may be used together. In addition, they may be integrated and fused. Echoes at the same location may be acquired multiple times and processed. Also, analogous to other super-resolution, it may be useful to multiply the conjugate of the frequency response instead of dividing by the frequency response. Various super-resolutions are also described herein, including those super-resolutions. When using the above instantaneous frequency and instantaneous phase, and when performing various other imaging (for example, including reflection method and transmission method such as basic ordinary echo imaging), in observation equipment (device) It is effective to correct the generated waveform distortion before processing.
In addition, instead of the frequency response of the transmitted wave, the same transmitted wave is used as a reference material (a simple one is a medium with homogeneous propagation characteristics such as an irregular scatterer distribution, or a reflector or scattering object provided at a representative position). Others, such as the body, are more elaborate, such as frequency-dependent propagation velocity, impedance, scattering, attenuation, etc., to offset the accumulation of changes in the wave spectrum caused by the properties of the medium during propagation in a homogeneous medium. It is also effective to divide by the frequency response of the received wave obtained by applying it to a non-homogeneous material, perform maximum likelihood estimation, or multiply the conjugate of the frequency response. (which is an application of linear systems).
The above calculations may be performed over the entire region of interest at once, locally depending on the spatial inhomogeneity of the point spread function represented by the propagation properties of the wave itself, or locally (the former is easier to compute). The latter local processing has a precedent in super-resolution processing (Non-Patent Documents 35, 36), and the point spread observed locally for the reference material (irregular distribution of scatterers and scatterers at representative positions) There is also the case of division using the frequency response of the function. In other super-resolution processing, it is similarly effective to perform the entire region of interest at once or to perform it locally.

尚、古典的な開口面合成においては、全受信素子が受信器32aを含む受信チャンネルを備えている場合もある。通常、開口面合成は、整相加算器において受信アポダイゼーションと同時に実施されるし、本発明においては、デジタル信号処理ユニット33において、開口面合成が受信アポダイゼーションと同時に実施されることもある。 It should be noted that in classical aperture synthesis, all receive elements may have a receive channel including receiver 32a. Typically, aperture synthesis is performed simultaneously with receive apodization in the phasing adder, and in the present invention, aperture synthesis may be performed simultaneously with receive apodization in the digital signal processing unit 33 .

また、上記の送信ユニット31や受信ユニット32においてパラメータとなる超音波周波数や帯域幅、符号、ディレイパターン、アポダイゼーションパターン、信号処理を目的としたアナログデバイス、有効開口幅、フォーカス位置、ステアリング方向、及び、ビームフォーミングを実施する上で必要とする送信と受信の各々の回数等は、ユニット内の各機能デバイスにCD-ROMやDVD、フロッピ―ディスク、又は、MO等の様々な媒体を通じてインストールされることもある。 In addition, the ultrasonic frequency, bandwidth, code, delay pattern, apodization pattern, analog device for signal processing, effective aperture width, focus position, steering direction, and , the number of transmissions and receptions required to perform beamforming, etc. are installed in each functional device in the unit through various media such as CD-ROM, DVD, floppy disk, or MO. Sometimes.

プログラムを起動して入力装置40からインターラクティブにそれらを選択できる場合もあるし、数値を直接に入力したり、入力装置40の操作パネルでそれらを選択したり、その他、データが記録されたファイルを読み込ませて設定する場合等、様々な場合がある。ディップスイッチ等を使用してそれらを定めることも可能である。ユニットの取り換えや切り替えによる場合もある。また、計測対象を選択したり、使用するトランスデューサを装置に装着すると、それらを認識して、推奨されたパラメータの下で装置が自動的に動作することもある。その後の調整も可能である。また、通常の受信ユニットの機能デバイスを搭載しておくと、適宜、本発明の装置を使用して得られるイメージ画像と、通常の整相加算を通じた特に補間近似を含む処理により得られるイメージ画像とを比較することが可能である。 In some cases, it is possible to start a program and interactively select them from the input device 40, directly input numerical values, select them on the operation panel of the input device 40, or download a file in which data is recorded. There are various cases such as loading and setting. It is also possible to define them using DIP switches or the like. It may also be due to replacement or switching of units. In addition, when a measurement target is selected or a transducer to be used is attached to the device, the device may automatically operate under the recommended parameters by recognizing them. Subsequent adjustments are also possible. In addition, if a functional device of an ordinary receiving unit is installed, an image image obtained by using the apparatus of the present invention and an image image obtained by processing including interpolating approximation through ordinary phasing and addition as appropriate. It is possible to compare with

<入力装置>
入力装置40は、例えば、上記の如く各種パラメータ値を設定するために使用される。入力装置40そのものとしては、キーボード、マウス、ボタン、パネルスイッチ、タッチコマンドスクリーン、フットスイッチ、又は、トラックボール等の様々なものがあり、それらに限られるものではない。汎用メモリ、USBメモリ、ハードディスク、フレキシブルディスク、CD-ROM、DVD-ROM、フロッピーディスク、又は、MO等の記憶媒体からオペレーションシステム(OS)やデバイスソフトウェアをインストールしたり、バージョンアップしたり、各種パラメータ値を設定したり、更新したりすることもある。記憶媒体からデータを読み取れる各種デバイスを入力装置40が備えているか、又は、入力装置40がインターフェースを備えて、各種デバイスが必要に応じて装着して使用される。
<Input device>
The input device 40 is used, for example, to set various parameter values as described above. The input device 40 itself includes, but is not limited to, keyboards, mice, buttons, panel switches, touch command screens, foot switches, trackballs, and the like. General-purpose memory, USB memory, hard disk, flexible disk, CD-ROM, DVD-ROM, floppy disk, or operating system (OS) and device software can be installed from storage media such as MO, version upgrade, various parameters It may also set or update a value. The input device 40 is provided with various devices capable of reading data from a storage medium, or the input device 40 is provided with an interface, and various devices are attached and used as necessary.

入力装置40は、本実施形態に係る装置の各種動作モードのパラメータを設定するだけでなく、動作モードの制御や切り替えにも使用される。操作者がヒトである場合には、それらの入力装置40は、いわゆる、マン・マシン・インターフェースにもなるが、必ずしもヒトにより制御されるとは限らない。上記の如く、パラメータ値やデータ、又は、制御信号を、他装置から各種規格及びコネクタを通じて受信して、あるいは、有線又は無線通信(即ち、少なくとも受信機能を持つ通信機器)を通じて受信して、同効果が得られること等もあり、上記の例に限られるものでもない。専用か通常のネットワークが使用されることもある。 The input device 40 is used not only to set parameters for various operation modes of the apparatus according to this embodiment, but also to control and switch operation modes. When the operator is a human, these input devices 40 also serve as a so-called man-machine interface, but are not necessarily controlled by a human. As described above, parameter values, data, or control signals are received from other devices through various standards and connectors, or received through wired or wireless communication (that is, communication equipment having at least a reception function), It is not limited to the above example because it is possible to obtain an effect. A dedicated or regular network may be used.

それらの入力されたデータは、装置内部又は外部のメモリ、記憶装置、又は、記憶媒体に格納され、装置内の機能デバイスは、その格納されたデータを参照して動作する。あるいは、装置内の機能デバイスが専用のメモリを搭載している場合には、それにデータが書き込まれて動作設定がソフト的に決められるか、若しくは更新され、又は、ハード的に設定されるか、若しくは変更されることもある。装置内の計算機能が動作して、入力されたデータを基に、時に装置のリソースを勘案し、最適化された設定パラメータが算出されて使用されることもある。動作するモードが指令によって定められることもある。また、計測対象の波動(波動の種類や特徴、強度、周波数、帯域幅、又は、符号等)や、伝搬する対象や媒体(伝搬速度、波動に関わる物性値、減衰、前方散乱、後方散乱、透過、反射、屈折等、又は、それらの周波数分散等)に関する付加情報が与えられ、適切に受信信号がアナログ処理又はデジタル処理されることもある。 These input data are stored in a memory, storage device, or storage medium inside or outside the device, and the functional devices in the device operate with reference to the stored data. Alternatively, if the functional device in the device is equipped with a dedicated memory, data is written into it to determine or update the operation setting by software, or set by hardware, or may be changed. A calculation function within the device may operate to calculate and use optimized setting parameters based on the input data, sometimes taking into consideration the resources of the device. The mode of operation may be defined by directives. In addition, waves to be measured (types and characteristics of waves, intensity, frequency, bandwidth, or sign, etc.), objects and media to be propagated (propagation velocity, physical properties related to waves, attenuation, forward scattering, backscattering, Additional information (transmission, reflection, refraction, etc., or their frequency dispersion, etc.) may be provided to analog or digitally process the received signal as appropriate.

<出力装置>
出力装置50として代表的なものは表示装置であるが、表示装置は、生成されたイメージ信号を表示するだけでなく、その他、イメージ信号を基に計測された様々な結果を数値やイメージ等として表示するのに使用される。イメージ信号は、計算処理により画像表示又は動画又は静止画のフォーマットに変換(スキャンコンバート)されるが、グラフィックアクセレータが使用されることもある。輝度画像(グレー画像)又はカラー画像が表示され、輝度やカラーの表す意味が目盛り(bar)やロゴ表示されることがある。その他、結果は、鳥瞰図で表示されたり、グラフ表示されることもあるし、結果の表示方法はそれらに限られない。
<Output device>
A typical example of the output device 50 is a display device. The display device not only displays the generated image signal, but also displays various results measured based on the image signal as numerical values and images. used to display. The image signal is converted (scan-converted) into an image display or moving or still image format by computational processing, sometimes using a graphics accelerator. A luminance image (gray image) or a color image may be displayed, and the meaning of luminance or color may be indicated by a scale (bar) or a logo. In addition, the results may be displayed in a bird's-eye view or as a graph, and the method of displaying the results is not limited to these.

結果が表示される際には、各動作モードと共に、その動作モードが稼働している際の各種パラメータ値やパターン(名)が適切にロゴ又は文字として同時に表示されることもある。また、操作者又は他の装置から入力される計測対象に関する補足情報や各種のデータが表示されることもある。また、表示装置は、入力装置40を用いて各パラメータ値やパターンを設定する際に使用されるGUI(Graphical User Interface)を表示するために使用されることもあり、また、タッチコマンドスクリーンを使用することにより描出されるイメージの任意位置や任意範囲を指定して拡大表示させたり、各種の数値を表示させたりする際にも使用されて、入力装置40の一端を担うこともある。 When the result is displayed, various parameter values and patterns (names) when the operation mode is in operation may be appropriately displayed simultaneously as logos or characters together with each operation mode. Supplementary information and various types of data regarding the object to be measured, which are input from the operator or other devices, may also be displayed. In addition, the display device may be used to display a GUI (Graphical User Interface) used when setting each parameter value and pattern using the input device 40, and a touch command screen may be used. It is also used to specify an arbitrary position or an arbitrary range of an image drawn by , to enlarge the display, or to display various numerical values.

表示装置としては、CRT、液晶、又は、LEDを用いたもの等の様々なものが使用されるが、その他、専用の3次元表示装置等が使用される等、それらに限られない。また、出力データは、直接的にヒトが解釈や読影して使用するものとは限らず、装置本体(計算機)が所定の校正データや計算に基づいて出力データを理解してその結果を表示することもあるし(例えば、受信信号のスペクトル解析から計測対象の組成や構造を理解する等)、出力データが他装置に出力されて他装置で解釈され、さらには同装置(例えば、ロボット等)又は別の装置が出力データを応用することもある。 As the display device, various devices such as those using CRT, liquid crystal, or LED are used, but the display device is not limited to them, such as a dedicated three-dimensional display device or the like. In addition, the output data is not necessarily directly interpreted or interpreted by humans, and the main body of the device (computer) understands the output data based on predetermined calibration data and calculations and displays the results. (For example, understanding the composition and structure of the object to be measured from the spectrum analysis of the received signal, etc.), the output data is output to another device and interpreted by another device, and the same device (for example, a robot, etc.) Or another device may apply the output data.

1つの装置が複数種類の波動を受信してイメージ信号を生成し、データマイニングや統合(fusion)等が行われることもあるし、別の装置を使用してその種の処理が行われることもある。生成されたイメージ信号の特徴(強度、周波数、帯域幅、又は、符号等)が解析されることもある。このように、本実施形態に係る装置で得られたデータは、他装置において使用されることがあり、実質的に、少なくとも送信機能を持つ通信機器も出力装置50の1つとなることがある。専用又は通常のネットワークが使用されることもある。 A single device may receive multiple types of waves and generate an image signal for data mining, fusion, etc., or another device may be used for such processing. be. The characteristics of the generated image signal (such as intensity, frequency, bandwidth or sign) may also be analyzed. In this way, data obtained by the device according to the present embodiment may be used in other devices, and substantially a communication device having at least a transmission function may also be one of the output devices 50 . A dedicated or regular network may also be used.

<記憶装置>
生成されたイメージ信号やイメージ信号を基に計測された様々な結果(数値やイメージ等)は、出力装置50にもなる装置内部又は外部のメモリ、記憶装置、又は、記憶媒体に格納される。ここでは、それらを「記憶装置」として、表示装置から区別する。図2等には、外部記憶装置60も示されている。イメージ信号を格納する際には、動作モードや設定パラメータ値、操作者又は他の装置から入力される対象に関する補足情報、又は、各種のデータが、イメージ信号と共に格納されることがある。記憶装置としては、汎用又は特殊なメモリ、USBメモリ、ハードディスク、フレキシブルディスク、CD-R(W)、DVD-R(W)、ビデオレコーダ、又は、画像データ取り込み装置等が使用されるが、記憶装置はそれらに限られない。記憶装置は、格納するデータ量や書き込みや読み出し時間等を含め、その応用に合わせて適切に使用される。
<Storage device>
The generated image signals and various results (numerical values, images, etc.) measured based on the image signals are stored in a memory, storage device, or storage medium inside or outside the device, which also serves as the output device 50 . Here, they are referred to as "storage devices" to distinguish them from display devices. The external storage device 60 is also shown in FIG. 2 and the like. When the image signal is stored, operation modes, setting parameter values, supplemental information about the object input from the operator or other devices, or various data may be stored with the image signal. General-purpose or special memory, USB memory, hard disk, flexible disk, CD-R (W), DVD-R (W), video recorder, or image data capture device, etc., are used as the storage device. Devices are not limited to them. A storage device is used appropriately for its application, including the amount of data to be stored, write and read times, and the like.

過去に格納したイメージ信号やその他のデータを記憶装置から読み出して再生することもあるが、主たるところとしては、記憶装置は、OSやデバイスソフトウェア、又は、設定パラメータが格納されるためのものとして重要である。各機能デバイスが専用の記憶装置を備えていることもある。脱着できる記憶装置は、他の装置で使用されることもある。 Image signals and other data stored in the past may be read out from the storage device and reproduced, but the main point is that the storage device is important for storing the OS, device software, or setting parameters. is. Each functional device may also have its own storage device. Removable storage devices may also be used in other devices.

装置本体30は、記憶装置に格納されたイメージ信号を読み出して高次のデジタル信号処理を施し、イメージ信号の再合成(線形処理や非線形処理による周波数変調や広帯域化、又は、マルチフォーカス等々)、イメージ信号の画像処理(超解像や強調、平滑化、分離、抽出、又は、CG化等)、対象の変位や変形、又は、その他の様々な時間変化等々、各種の計測を行い、イメージや計測結果を出力することもあり、それらが表示装置に表示されることもある。 The device main body 30 reads out the image signal stored in the storage device, performs high-order digital signal processing, resynthesizes the image signal (frequency modulation by linear processing or non-linear processing, broadband, multi-focus, etc.), Image processing of image signals (super-resolution, enhancement, smoothing, separation, extraction, or CG conversion, etc.), displacement and deformation of the object, or other various temporal changes, etc. The measurement results may be output, and they may be displayed on the display device.

また、それらの格納される計測結果には、波動の減衰や散乱(前方散乱や後方散乱等)、透過、反射、屈折が含まれ、それらが読み出され、イメージ信号を生成する各種パラメータの最適化に使用され、記憶装置に格納されて使用されることもある。最適化は、制御ユニット34又はデジタル信号処理ユニット33に備えられる計算機能により行われる。 In addition, the stored measurement results include wave attenuation, scattering (forward scattering, backscattering, etc.), transmission, reflection, and refraction. It may be stored in a storage device and used. Optimization is performed by computational functions provided in the control unit 34 or the digital signal processing unit 33 .

<制御ユニット>
制御ユニット34は、装置全体の動作を制御する。制御ユニット34は、各種計算機や専用デジタル回路等で構成され、デジタル信号処理ユニット33を兼ねることもある。基本的には、制御ユニット34は、入力装置40を介して入力された各種要求に応じて、記憶装置から読み込んだ各種制御プログラムや各種データに基づき、波動の送受信及び波動デジタル信号処理を行ってイメージ信号を生成するように、送信ユニット31、受信ユニット32、及び、デジタル信号処理ユニット33を制御する。
<Control unit>
A control unit 34 controls the operation of the entire device. The control unit 34 is composed of various computers, dedicated digital circuits, etc., and may also serve as the digital signal processing unit 33 . Basically, the control unit 34 performs wave transmission/reception and wave digital signal processing based on various control programs and various data read from the storage device in response to various requests input through the input device 40. It controls the transmitting unit 31, the receiving unit 32 and the digital signal processing unit 33 to generate an image signal.

制御ユニット34が専用のデジタル回路で構成されている場合には、パラメータは可変であることもあるが、スイッチングして動作を切り替える場合を含め、決まった動作のみを実現できる場合がある。制御ユニット34として計算機を使用する場合には、バージョンアップを行う場合等を含めて、自由度が高い。制御ユニット34の基本は、送信と受信の開口素子数(各々のチャンネル数)や生成するビーム数、フレーム数(指定せずに停止させない限り動作を継続するものもある)、及び、フレームレート等に応じて、送信ユニット31及び受信ユニット32に繰り返し周波数や送受信位置情報等を提供することで、走査制御とイメージ信号の生成制御を行うことにあるが、上記の各種動作を実現させるべく、そのための制御も行う。また、様々なインターフェースが備えられ、様々なデバイスが連動して使用されることもある。 If the control unit 34 is composed of a dedicated digital circuit, the parameters may be variable, but in some cases only fixed operations can be realized, including the case of switching the operation. When a computer is used as the control unit 34, the degree of freedom is high, including the case of version upgrade. The basics of the control unit 34 are the number of aperture elements for transmission and reception (the number of each channel), the number of beams to be generated, the number of frames (some of them continue to operate unless they are stopped without being specified), the frame rate, etc. In order to realize the various operations described above, scanning control and image signal generation control are performed by providing the transmitting unit 31 and the receiving unit 32 with the repetition frequency, transmission/reception position information, and the like. also controls the In addition, various interfaces are provided, and various devices may be used in conjunction with each other.

本実施形態に係る装置は、一般的なネットワークやセンサーネットワーク等のデバイスの1つとして使用されることがあり、ネットワークシステムの制御装置により制御されることがあり、また、ネットワークデバイスを制御する制御装置として使用されることもあり、ローカルに構成されたネットワークを制御する制御装置となることもある。そのためのインターフェースが備えられていることもある。 The device according to the present embodiment may be used as one of devices such as a general network or sensor network, may be controlled by a network system control device, or may be a control device for controlling network devices. It may be used as a device, or it may be a controller that controls a locally configured network. There may be an interface for that purpose.

<ビームフォーミング方法>
まず、図2に示す装置本体30のデジタル信号処理ユニット33において実施される、複数の送受信開口素子(アレイ状になったものを含む)を使用する場合のデジタルフーリエ変換を通じた有用な高速なデジタルビームフォーミング方法について説明する。デジタル信号処理においては、適宜、計算過程において生成される途中データや繰り返し使用するデータが記憶装置や備え付けのメモリに格納されることがあり、また、同時相において複数のイメージ信号を生成する場合においても、記憶装置が効率良く使用される。小規模サイズのメモリが重宝することもある。
<Beam forming method>
First , a useful high-speed digital A beamforming method will be described. In digital signal processing, interim data generated in the calculation process and data to be used repeatedly may be stored in a storage device or a built-in memory as appropriate. Also, storage is used efficiently. Sometimes a small size memory is useful.

生成されたイメージ信号は、表示装置等の出力装置50に動画又は静止画として表示されたり、ハードディスク等の記録媒体を使用する外部記憶装置60に格納されることもある。尚、デジタル信号処理ユニット33が計算機である場合において、様々な言語を使用でき、アセンブラは有用であるが、特に、C言語やフォートラン(Fortran)等の高級言語プログラムの下で計算機を動作させる場合においては、コンパイル時に最適化や並列処理化を施して、高速な演算を実現することもある。マトラブ(MatLab)や各種の制御ソフトウェア、グラフィックインターフェースを備えたもの等、汎用性のものが使用されることもあるし、特殊なものが使用されることもある。 The generated image signal may be displayed as a moving image or still image on an output device 50 such as a display device, or may be stored in an external storage device 60 using a recording medium such as a hard disk. When the digital signal processing unit 33 is a computer, various languages can be used and an assembler is useful. In some cases, optimization and parallel processing are performed at compile time to achieve high-speed operations. A general-purpose device such as MatLab, various control software, or a device with a graphic interface may be used, or a special device may be used.

以下においては、一例として、波動が超音波である場合を通じて、本願発明の装置において使用されるビームフォーミング方法について説明する。本実施形態において使用され得るビームフォーミング方法は、次の方法(1)~(7)であり、方法(7)においては、各種のビームフォーミング法に加えて、デジタル信号処理ユニット33において生成される代表的な観測データについて開示する。 In the following, as an example, the beamforming method used in the apparatus of the present invention is described through the case where the waves are ultrasound. The beamforming methods that can be used in this embodiment are the following methods (1) to (7). In method (7), in addition to various beamforming methods, Disclose representative observation data.

方法(1)は、送信方向を偏向(ステアリング)する場合を含む平面波の送波及び/又は受信時の受信ビームフォーミングにおいて、フーリエ空間における波数マッチングを行うに当り、これまで必要とされてきた補間近似処理を要さない方法である。方法(1)は、偏向を実施した場合の波数マッチングにおいて、深さ方向と横方向とにおける波数マッチングを、偏向角度の余弦と正弦に関する複素指数関数を分けて受信信号に掛けることによって行う発明を含み、古典的なモノスタティック型の開口面合成と同様に計測結果が高精度化される。さらに、方法(2)として、モノスタティック型開口面合成による偏向ダイナミックフォーカシングの高速デジタル処理を開示する。 Method (1) performs wave number matching in Fourier space in planar wave transmission and/or receive beamforming during reception, including when the direction of transmission is steered. This method does not require approximation processing. Method (1) is an invention in which wavenumber matching in the depth direction and in the lateral direction is performed by dividing a complex exponential function relating to the cosine and sine of the deflection angle and multiplying the received signal by wavenumber matching when deflection is performed. Including, the accuracy of the measurement results is improved in the same way as with classical monostatic aperture synthesis. Furthermore, as method (2), high-speed digital processing of deflection dynamic focusing by monostatic aperture plane synthesis is disclosed.

さらに、方法(3)として、マルチスタティック型開口面合成の高速デジタル処理を開示する。偏向を行うデジタルモノスタティック型開口面合成は、生成されるイメージ信号の多次元スペクトルの重心(中心)又は瞬時周波数が、偏向角度と搬送周波数とを用いて理想的に表されるもの(後述の通り、波数ベクトルが搬送周波数に偏向角度の正弦と余弦をかけたものを成分とする)となる様に、方法(1)と同様に波数マッチングを行うことにより、補間近似を要さずに高精度に実現できる。一方、マルチスタティック型開口面合成は、送信位置に対して複数個存在する受信位置の同一位置において受信したエコー信号を含むエコーデータフレームを受信素子の数だけ生成し、周波数領域において、各々のエコーデータフレームに上記のモノスタティック型のデジタル開口面合成処理を施し、それらの処理結果を重ね合わせたものを逆フーリエ変換して高精度に実現する。結果的に、方法(3)は、受信開口のチャンネル数と等しい回数のデジタル開口面合成処理でエコーデータを生成でき、いわゆる低空間分解能イメージ信号フレームを生成して重ね合わせて高空間分解能イメージ信号フレームを生成する従来のDAS(Delay and Summation)法よりも格段に高速である。 Furthermore, as method (3), high-speed digital processing of multi-static aperture plane synthesis is disclosed. In digital monostatic aperture synthesis with deflection, the center of gravity (center) or instantaneous frequency of the multidimensional spectrum of the generated image signal is ideally expressed using the deflection angle and the carrier frequency (described later). As shown in the figure, wavenumber matching is performed in the same manner as in method (1) so that the wavenumber vector has components obtained by multiplying the sine and cosine of the deflection angle by the carrier frequency. can be achieved with precision. On the other hand, in the multi-static aperture plane synthesis, echo data frames containing echo signals received at the same position among a plurality of reception positions with respect to the transmission position are generated by the number of reception elements, and in the frequency domain, each echo The data frame is subjected to the above-described monostatic digital aperture plane synthesis processing, and the superimposed processing results are subjected to inverse Fourier transform to achieve high accuracy. As a result, method (3) can generate echo data by digital aperture plane synthesis processing the number of times equal to the number of channels of the receive aperture, generate so-called low spatial resolution image signal frames and superimpose them to obtain high spatial resolution image signals. It is much faster than the conventional DAS (Delay and Summation) method of generating frames.

ちなみに、DAS法には、整相を空間領域において補間近似処理を交えて受信信号に高速に遅延(delay)を掛けるものと、周波数領域において遅延(delay)を高精度に掛けて実現するもの(本願の発明者の過去の実績)とがあり、空間領域において受信信号を加算(summation)する。前者は、高速であるが従来法では精度が低く、後に詳述する本発明は精度が高い(段落0384)。後者は、精度が高いが至極低速である。 By the way, in the DAS method, phasing is interpolated and approximated in the spatial domain and the received signal is delayed at high speed, and in the frequency domain the delay is applied with high accuracy ( The past work of the inventors of the present application), which summates the received signals in the spatial domain. The former is fast, but the conventional method has low accuracy, and the present invention, which will be detailed later, has high accuracy (paragraph 0384). The latter is highly accurate but extremely slow.

方法(4)として、方法(1)や方法(3)のビームフォーミングを基礎として、送信固定フォーカス時におけるデジタルダイナミックフォーカス受信を高精度に行う方法を開示する。方法(5)として、コンベックスやセクタスキャン、又は、IVUSへの応用のために、極座標系において送受信したエコーデータに関してもヤコビ(Jacobi)演算を通じた処理を行い、補間近似処理なしに高精度に表示系のデカルト(Cartesian)座標系において直接的にエコーデータを生成できることを開示する。 As method (4), based on the beamforming of method (1) and method (3), a method of performing digital dynamic focus reception with high accuracy during transmission fixed focus is disclosed. As method (5), for application to convex, sector scan, or IVUS, echo data transmitted and received in the polar coordinate system is also processed through Jacobi arithmetic, and displayed with high accuracy without interpolation approximation processing. We disclose that the echo data can be generated directly in the Cartesian coordinate system of the system.

また、方法(6)として、マイグレーション処理においても、本発明を用いて同様に補間近似処理を施さずに高精度に且つ高速に処理できることを開示する。方法(1)~方法(5)の全てのビームフォーミング処理をマイグレーション処理に基づいて実施できる。最後に、方法(7)として、これらのビームフォーミングを基礎とする応用について開示する。これらにより、フォーカシングとステアリングを基礎とする任意のビームフォーミングを実施できるこことを実証できる。 Also, as a method (6), it is disclosed that the present invention can be used for migration processing as well, with high precision and high speed processing without performing interpolation approximation processing. All beamforming processes of methods (1) to (5) can be performed based on the migration process. Finally, as method (7), these beamforming-based applications are disclosed. These demonstrate that arbitrary beamforming based on focusing and steering can be performed.

方法(1):平面波送信及び/又は平面波受信のビームフォーミング
(i)平面波送波時のエコー信号(イメージ信号)
図5は、偏向平面波の送波の模式図である。平面波送波とは、リニアアレイ型トランスデューサにおいて全ての素子で同時に超音波を放射し、平面波を放射する方法である。波数がkであり、式(0)によって表される波数ベクトルの平面波を送波したときに(xは走査方向、yは深さ方向であり、受信有効開口素子アレイの位置をy座標の零とするデカルト直交座標系において)、位置(x,y)の音圧場は、式(1)によって表される。

Figure 0007175489000004
Figure 0007175489000005
Method (1): Beamforming for plane wave transmission and/or plane wave reception (i) Echo signal (image signal) during plane wave transmission
FIG. 5 is a schematic diagram of transmission of polarized plane waves. Plane wave transmission is a method in which all elements of a linear array transducer simultaneously radiate ultrasonic waves to radiate plane waves. When the wave number is k and a plane wave with a wave vector represented by equation (0) is transmitted (x is the scanning direction, y is the depth direction, and the position of the reception effective aperture element array is the zero of the y coordinate, ), the sound pressure field at position (x,y) is given by equation (1).
Figure 0007175489000004
Figure 0007175489000005

ここで、A(k)は、送波したパルスの周波数スペクトルであり、式(2)の関係がある。

Figure 0007175489000006
Here, A(k) is the frequency spectrum of the transmitted pulse, and has the relationship of Equation (2).
Figure 0007175489000006

深さy = yiに反射係数f(x,yi)の散乱体があるとき、この散乱体からのエコー信号は、式(3)によって表される。

Figure 0007175489000007
この式の角スペクトルは、式(4)によって表される。
Figure 0007175489000008
When there is a scatterer with reflection coefficient f(x, y i ) at depth y=y i , the echo signal from this scatterer is expressed by Equation (3).
Figure 0007175489000007
The angular spectrum of this equation is represented by equation (4).
Figure 0007175489000008

探触子の周波数応答をT(k)とすると、角スペクトルの原理に基づき、深さy = yiからのエコー信号の開口面(y = 0)における角スペクトルは、式(5)によって表される。

Figure 0007175489000009
If the frequency response of the probe is T(k), based on the principle of the angular spectrum, the angular spectrum at the aperture plane (y = 0) of the echo signal from the depth y = y i is expressed by Equation (5). be done.
Figure 0007175489000009

従って、それぞれの深さからの角スペクトルを加算することにより、式(6)によって表されるエコー信号の角スペクトルが得られる。

Figure 0007175489000010
Therefore, by adding the angular spectra from each depth, we obtain the angular spectrum of the echo signal represented by equation (6).
Figure 0007175489000010

よって、式(7)及び式(8)として波数マッチングを行うことにより、この逆フーリエ変換により、エコー信号(イメージ信号)は、式(9)として表せる。

Figure 0007175489000011
Figure 0007175489000012
Therefore, by performing wavenumber matching using equations (7) and (8), the echo signal (image signal) can be expressed as equation (9) by this inverse Fourier transform.
Figure 0007175489000011
Figure 0007175489000012

送信と受信とを逆に考えると、任意の送信ビームフォーミング(例えば、偏向平面波、偏向された固定フォーカシングビーム、開口面合成に基づくステアリングダイナミックフォーカシング、偏向していない波やビーム等、他に様々)を計測対象物に対して行った場合に、計測対象物から到来した波動を偏向角度θ(零度である場合を含む)の平面波として受波した状況を実現できる。この考え方は、これまでに開示されていない。この様に考えると、任意のステアリング角度(零度又は非零度)の任意のビームや任意の波の送信時に、同一又は異なるステアリング角度θ(零度又は非零度)で波動を受信することが可能である。さらに、任意の波動源や、任意の送信有効開口アレイ(例えば、受信有効開口アレイと同一又は受信有効開口アレイとは別の任意形状で任意方向の開口を持つもの、別の位置に存在するもの、又は、同一の物理開口にはあるが異なる位置の有効開口等)から送信される任意の波動を対象にして、受信開口で定める座標系において受信ビームフォーミングを行うことができる。 Thinking of transmit and receive in reverse, any transmit beamforming (e.g. polarized plane waves, polarized fixed focusing beams, steering dynamic focusing based on aperture synthesis, unpolarized waves and beams, and many others) is performed on the object to be measured, a situation can be realized in which waves arriving from the object to be measured are received as plane waves with a deflection angle θ (including the case of zero degrees). This concept has not been previously disclosed. Considering this way, it is possible to receive waves at the same or different steering angles θ (zero degrees or non-zero degrees) when transmitting arbitrary beams or waves with arbitrary steering angles (zero degrees or non-zero degrees). . In addition, any wave source, any transmission effective aperture array (for example, the same as the reception effective aperture array or different from the reception effective aperture array, having an arbitrary shape and arbitrary direction aperture, or existing at another position) , or an arbitrary wave transmitted from the same physical aperture but at a different position, such as an effective aperture), receive beamforming can be performed in the coordinate system defined by the receive aperture.

尚、平面波の送信時に偏向角度α(零度である場合を含む)にて物理的にステアリングを行って、方法(1)の偏向角度θ(零度である場合を含む)のステアリングをソフト的に施すと、偏向角度(α+θ)(最終的に生成される送信偏向角度はその平均)にて平面波をステアリングしたものとなる。このソフト的なステアリング(偏向角度θ)は、物理的な送信ステアリング(偏向角度α)を補強したり、純粋に平面波送波のステアリングをソフト的に実現するものであると考えることもできるし、平面波で受信ステアリングを行ったものと考えることもできる。 It should be noted that the deflection angle .alpha. , the plane wave is steered by the deflection angle (α+θ) (the final generated transmit deflection angle is the average). This soft steering (deflection angle θ) can be considered to reinforce the physical transmission steering (deflection angle α), or to realize purely steering of plane wave transmission in software. It can also be considered that reception steering is performed by a plane wave.

また、方法(1)において、送信時に、物理的な偏向角度α、又は、ソフト的な偏向角度θ、又は、両偏向角度α+θにて平面波をステアリングし、受信時にステアリング角度φにてダイナミックフォーカシングする場合には、方法(2)に記載のソフト的なステアリングを行えばよく、後述する(最終的に生成される偏向角度は送信偏向角度と受信偏向角度の平均である)。この場合に、そのソフト的なステアリング(偏向角度θ)は、物理的な送信ステアリング(偏向角度α)を補強したり、純粋に平面波送波のステアリングをソフト的に実現するものと考えることもできるし、受信ダイナミックフォーカシング(偏向角度φが零度である場合を含む)に加えてソフト的に平面波で受信ステアリングを行ったものと考えることもできる。 Also, in method (1), the plane wave is steered at a physical deflection angle α, a soft deflection angle θ, or both deflection angles α+θ during transmission, and is dynamically focused at a steering angle φ during reception. In this case, the soft steering described in method (2) may be performed, which will be described later (the deflection angle finally generated is the average of the transmission deflection angle and the reception deflection angle). In this case, the soft steering (deflection angle θ) can be considered to reinforce the physical transmission steering (deflection angle α), or to implement the pure steering of plane wave transmission in a soft manner. However, in addition to receive dynamic focusing (including the case where the deflection angle φ is 0 degrees), it can be considered that receive steering is performed using plane waves in a software manner.

これらの場合において、ソフト的な送信と受信とを逆に考えることができる。ソフト的な偏向平面波送信(偏向角度が零度である場合を含む)と受信偏向ダイナミックフォーカシング(偏向角度が零度である場合を含む)を入れ替えても処理は同一(等価)である。送信ビームフォーミングされて生成された信号を、物理的に偏向平面波(偏向角度が零度である場合を含む)で受波してビームフォーミングされたものと解釈することも可能である。通常、偏向有り無しに関わらず、物理的に送信ダイナミックフォーカシングを行うことは合理的ではないが、物理的に偏向平面波で受波したものとして解釈することもできる。 In these cases, software transmission and reception can be reversed. The processing is the same (equivalent) even if the soft polarized plane wave transmission (including the case where the deflection angle is 0 degrees) and reception deflection dynamic focusing (including the case where the deflection angle is 0 degrees) are exchanged. It is also possible to interpret a signal generated by transmission beamforming as being received by a physically polarized plane wave (including the case where the deflection angle is zero degrees) and beamformed. Normally, it is not rational to physically perform transmission dynamic focusing regardless of the presence or absence of deflection, but it can also be interpreted as physically receiving a polarized plane wave.

また、本法を用いて、任意の送信ビームフォーミング(例えば、偏向平面波、偏向された固定フォーカシングビーム、開口面合成に基づくステアリングダイナミックフォーカシング、偏向していない波やビーム等、他に様々)を実施できる。つまり、送信に平面波を用いた同処理により、物理的にビームフォーミングして生成された任意の波又はビーム(例えば、上記の例等)を扱うことが可能である。つまり、如何なる送信を行った場合でも、受信ビームフォーミング(ダイナミックフォーカシング等)を行える。それも、複数の送信を行った場合において、一度に処理できる。また、送信偏向角度(零度である場合を含む)に加えて、ソフト的に、送信又は受信における、平面波又はダイナミックフォーカシングのステアリング(ステアリング角度は零度である場合を含む)を施すことが可能である(最終的に生成される偏向角度は送信偏向角度と受信偏向角度の平均である)。また、上記の如く、送信と受信を逆に考えることも可能であり、様々な組み合わせのビームフォーミングが可能である。送信と受信の各々においてビームフォーミングを行い、ソフト的に、送受信共に平面波処理されることもある。後述の2次元アレイを用いた3次元ビームフォーミングにおいても同様である。 The method can also be used to perform arbitrary transmit beamforming (e.g. polarized plane waves, polarized fixed focusing beams, steering dynamic focusing based on aperture synthesis, unpolarized waves and beams, and many others). can. That is, the same process using plane waves for transmission can handle any wave or beam (such as the example above) generated by physical beamforming. That is, reception beamforming (dynamic focusing, etc.) can be performed regardless of the transmission. It can also be processed at once when multiple transmissions are performed. Also, in addition to the transmission deflection angle (including the case where it is zero degrees), it is possible to apply steering of plane waves or dynamic focusing (including the case where the steering angle is zero degrees) in transmission or reception in software. (The final generated deflection angle is the average of the transmit deflection angle and the receive deflection angle). Moreover, as described above, it is also possible to reverse transmission and reception, and various combinations of beamforming are possible. In some cases, beamforming is performed in each of transmission and reception, and plane wave processing is performed on both transmission and reception in terms of software. The same applies to three-dimensional beamforming using a two-dimensional array, which will be described later.

J.-y. Luらによって開示されている計算方法(非特許文献3、4)は、上記の理論に基づき、まず、受信信号を時間と空間に関して高速2次元フーリエ変換し、R(kx,k)を計算し、次に、式(7)により波数マッチングを行い、高速2次元逆フーリエ変換を行う(段落0354にも記載してある)。波数マッチングは、線形補間近似や最も近傍のデータそのもので近似することを通じて行われており、精度を得るために受信信号をオーバーサンプリングすることが求められる。高次の補間近似が行われることもあるし、sinc関数が用いられることもある。3次元の場合には、同様にして、高速3次元フーリエ変換と高速3次元逆フーリエ変換が用いられる。本発明は、波数マッチングを補間近似することなく行うことを1つの特徴としているが、段落0192~0196に記載の如くに様々なビームフォーミングに応用する場合において、補間近似処理を行って高速に近似解を求めることがあることも特徴としている。 The calculation method disclosed by J.-y. Lu et al. (Non-Patent Documents 3 and 4) is based on the above theory. , k), then perform wavenumber matching according to equation (7) and fast two-dimensional inverse Fourier transform (also described in paragraph 0354). Wavenumber matching is performed through linear interpolation approximation or approximation with the closest data itself, and requires oversampling of the received signal for accuracy. A higher order interpolation approximation may be performed, or a sinc function may be used. In the three-dimensional case, similarly, the fast three-dimensional Fourier transform and the fast three-dimensional inverse Fourier transform are used. One feature of the present invention is that wave number matching is performed without interpolation approximation. It is also characterized by the fact that it sometimes asks for a solution.

(ii)本発明による平面波の送信及び/又は受信時のエコー信号(イメージ信号)の計算手順
以下に、偏向角度θを有する平面波を送信及び/又は受信する場合について説明する。本発明において、波数のマッチングは、受信信号を空間(横方向)に関してフーリエ変換する前段階で、複素指数関数(式(9a))を掛けて、まず横方向に実施し、深さy方向に関しては、深さy方向に分解能を持たせるべく上記の横方向のマッチング処理を除いた複素指数関数(式(9b))を掛けると同時に、複素指数関数(式(9c))を掛けて行われる。無論、偏向角度θは、非零度だけでなく、零度のときでも使用できる。この処理は、先行技術文献には開示されていない。

Figure 0007175489000013
Figure 0007175489000014
Figure 0007175489000015
(ii) Echo Signal (Image Signal) Calculation Procedure During Transmission and/or Reception of Plane Waves According to the Present Invention A case of transmitting and/or receiving a plane wave having a deflection angle θ will be described below. In the present invention, wavenumber matching is performed in the horizontal direction by multiplying the received signal by a complex exponential function (equation (9a)) before Fourier transforming the received signal in the space (horizontal direction), and then in the depth y direction. is multiplied by the complex exponential function (equation (9b)) excluding the matching process in the horizontal direction to provide resolution in the depth y direction, and at the same time, by the complex exponential function (equation (9c)). . Of course, the deflection angle θ can be used not only at non-zero degrees but also at zero degrees. This process is not disclosed in the prior art documents.
Figure 0007175489000013
Figure 0007175489000014
Figure 0007175489000015

図6は、偏向平面波送波時のデジタル信号処理を示すフローチャートである。計算手順は以下の通りである。まず、ステップS11において、式(10)に示すように、受信信号を時間tに関してフーリエ変換する(FFTがよい)。

Figure 0007175489000016
但し、ωが角周波数(角振動数)、cが音速であるときに、波数k=ω/cである。これより、解析信号を得る。ここでは、上記の説明に合わせて、フーリエ変換として複素指数関数の核の符号が正である処理を示しているが、通常のフーリエ変換と同様に複素指数関数の核の符号を負として計算することも可能である。いずれにせよ、後に計算する逆フーリエ変換においては、必ず符号がフーリエ変換時とは逆の複素指数関数が使用される(即ち、最初と最後の変換処理は複素指数関数の核の符号が逆であればよく、最初に一般的に言う逆フーリエ変換を実施して最後に一般的に言うフーリエ変換を実施でき、順序は逆でも良い)。他の方法(2)~(7)においても、同様である。 FIG. 6 is a flow chart showing digital signal processing during polarized plane wave transmission. The calculation procedure is as follows. First, in step S11, as shown in equation (10), the received signal is Fourier transformed with respect to time t (FFT is preferred).
Figure 0007175489000016
However, when ω is the angular frequency (angular frequency) and c is the speed of sound, the wavenumber k=ω/c. From this, an analytic signal is obtained. Here, in line with the above explanation, the processing in which the sign of the core of the complex exponential function is positive is shown as the Fourier transform. is also possible. In any case, in the inverse Fourier transform to be calculated later, a complex exponential function whose sign is opposite to that used in the Fourier transform is always used (i.e., the sign of the core of the complex exponential function is opposite in the first and last transform processes). It suffices to perform the general inverse Fourier transform first and the general Fourier transform last, and the order may be reversed). The same applies to other methods (2) to (7).

次に、ステップS12において、偏向のための波数kに対してマッチング処理を施し、式(10)に式(11)を掛け、ステップS13において、受信信号を横方向xに関してフーリエ変換(FFTがよい)することにより、式(12)が得られる。尚、時間tに関する高速フーリエ変換の結果(10)と複素指数関数(11)の積の計算には、直接に計算結果を生成する専用の高速フーリエ変換が有用である。

Figure 0007175489000017
Figure 0007175489000018
ちなみに、式(12)の結果は、直接に計算することでも得られる。 Next, in step S12, matching processing is performed on the wavenumber kx for deflection, and equation (10) is multiplied by equation (11). good) yields equation (12). It should be noted that the product of the fast Fourier transform result (10) and the complex exponential function (11) with respect to time t is computed using a dedicated fast Fourier transform that directly produces the computational result.
Figure 0007175489000017
Figure 0007175489000018
Incidentally, the result of Equation (12) can also be obtained by direct calculation.

この2回のフーリエ変換により、受信信号は平面波成分に分解される。各平面波が任意の深さyに作る角スペクトルは、上記の通り、式(13)を掛けて位相をずらすことで求められる。

Figure 0007175489000019
These two Fourier transformations decompose the received signal into plane wave components. The angular spectrum formed by each plane wave at an arbitrary depth y can be obtained by multiplying the equation (13) and shifting the phase, as described above.
Figure 0007175489000019

さらに、ステップS14において、式(14)を同時に掛けることで波数kyに対してマッチング処理を同時に行う。

Figure 0007175489000020
Furthermore, in step S14, the matching process is simultaneously performed for the wavenumber ky by multiplying the equation (14) at the same time.
Figure 0007175489000020

ステップS15において、各深さyの角スペクトルを計算する。つまり、式(15)を掛けることにより、式(16)が得られる。

Figure 0007175489000021
Figure 0007175489000022
In step S15, the angular spectrum for each depth y is calculated. That is, formula (16) is obtained by multiplying formula (15).
Figure 0007175489000021
Figure 0007175489000022

各平面波成分が深さyに作る音圧場は、これを横方向xに関して逆フーリエ変換(IFFT)することにより、式(17)として求まる。

Figure 0007175489000023
これを複数の波数k成分(又は、周波数成分)を足し合わせることにより、イメージ信号が得られる。
ここで、波数k(又は、周波数)と空間周波数kxの積分は、順序を入れ替えることができる。従って、ステップS16において角スペクトルの波数k成分を足し合わせ、ステップS17において横方向の波数kに関して逆フーリエ変換(IFFT)を行っても、ステップS18においてイメージ信号が得られる。この場合には、1回の逆フーリエ変換で計算ができ、計算がより高速である。他の方法(1)~(6)についても同様である。偏向のための波数のマッチングは、式(11)及び式(14)によって行われる。周波数領域において補間近似を通じて波数マッチングする方法(非特許文献3、4)と異なり、本発明は、近似処理を行わないため、高精度に計算できる。 The sound pressure field created by each plane wave component at depth y is obtained as Equation (17) by inverse Fourier transform (IFFT) of this in the horizontal direction x.
Figure 0007175489000023
An image signal is obtained by adding up a plurality of wave number k components (or frequency components).
Here, the order of integration of wavenumber k (or frequency) and spatial frequency kx can be exchanged. Therefore, even if the wavenumber k components of the angular spectrum are added in step S16 and the inverse Fourier transform (IFFT) is performed on the horizontal wavenumber kx in step S17, an image signal can be obtained in step S18. In this case, calculation can be performed with one inverse Fourier transform, and the calculation is faster. The same applies to other methods (1) to (6). Wavenumber matching for deflection is performed by equations (11) and (14). Unlike the method of wavenumber matching through interpolation approximation in the frequency domain (Non-Patent Documents 3 and 4), the present invention does not perform approximation processing, so calculation can be performed with high accuracy.

また、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である。他の方法(1)~(6)についても同様である。段落0199に記載の通り、上記の説明に合わせて、フーリエ変換として複素指数関数の核の符号が正である処理を示すが、通常のフーリエ変換と同様に複素指数関数の核の符号を負として計算することも可能である。いずれにせよ、後に計算する逆フーリエ変換においては、必ずその符号が最初のフーリエ変換時とは逆の複素指数関数が使用される(即ち、最初と最後の変換処理は複素指数関数の核の符号が逆であればよく、最初に一般的に言う逆フーリエ変換を実施して最後に一般的に言うフーリエ変換を実施でき、順序は逆でも良い)。まず、最初のフーリエ変換において波数マッチングを共に行う場合には、式(8)を実現すべく、受信信号r(x,y)(ここでは、式(10)と異なり、波動の伝搬時間tの変わりに深さ距離yを用いている)に対して、横方向xのフーリエ変換を式(12)の如くに行うべく式(11)を用いると共に、深さ方向yのフーリエ変換に式(13)と式(14)を用いて表される式(15)を用い、但し、2方向に同時に波数マッチングを施すため、式(15)においてksinθの補正は必要無く、

Figure 0007175489000024
である(一般的に言う逆フーリエ変換を施した結果である)。尚、偏向角度θが0度のときには、まず、横方向xには1次元フーリエ変換を施せば良く、高速フーリエ変換が有効である(上式の如くに計算して行く場合には、一般的に言う逆フーリエ変換を施すことになる)。そして、計算されたR'(kx,y)に対して深さ方向yにフーリエ変換すると共に波数マッチングするべく、
Figure 0007175489000025
と1次元処理できる。式(16')に従って各R'(kx,ky)を計算するよりも高速である。そして、最後に、式(16')又は式(16'')にx方向とy方向の2次元逆フーリエ変換を施し、イメージ信号f(x,y)が求まる。x方向とy方向の各々に1次元逆フーリエ変換を施しても良く、高速逆フーリエ変換が有効である(上式の如くに計算した場合には、一般的に言う2次元フーリエ変換を施すことになる)。
また、逆に最後の逆フーリエ変換において波数マッチングを共に行う場合には、まず、受信信号r(x,y)に対して2次元フーリエ変換を施してR(kx,k)を得て、最後の逆フーリエ変換において式(8)を実現すべく、横方向xの逆フーリエ変換において式(11)を用いると共に、深さ方向yの逆フーリエ変換に式(13)と式(14)を用いて表される式(15)を用い、但し、2方向に同時に波数マッチングを施すため、式(15)においてksinθの補正は必要無く、イメージ信号は、
Figure 0007175489000026
と求まる。尚、偏向角度θが0度のときは、まず、深さ方向yに逆フーリエ変換すると共に波数マッチングするべく、
Figure 0007175489000027
と1次元処理し、次に、横方向xに1次元逆フーリエ変換を施せば良く、高速逆フーリエ変換が有効である。式(16''')に従って各f(x,y)を計算するよりも高速である。
また、これらにおいて、波数マッチングの内、式(11)と式(14)の分は、代わりに、それらの複素指数関数を用いて時空間信号にて乗算するkxとkyに関する周波数変調を施して加算しても良い。この場合には、まず、横方向xに1次元の変換を施せば良く、高速変換が有効であり、次に式(13)を用いた1次元処理により深さ方向yの変換と共に波数マッチングを施せば良く、高速化できる。
3次元の場合も同様であり、3次元フーリエ変換と3次元逆フーリエ変換を行えば良い。他の方法(1)~(6)についても同様である。 Physically and mathematically, wave number matching can be performed during the first Fourier transform, and wave number matching can be performed during the final inverse Fourier transform. The same applies to other methods (1) to (6). As described in paragraph 0199, in accordance with the above description, the processing in which the core of the complex exponential function is positive as the Fourier transform is shown, but the core of the complex exponential function is negative as in the ordinary Fourier transform. It is also possible to calculate In any case, the inverse Fourier transform to be calculated later always uses a complex exponential function whose sign is the opposite of that used in the first Fourier transform (that is, the first and last transform processes have the sign of the core of the complex exponential function. can be reversed, the general inverse Fourier transform can be performed first, and the general Fourier transform can be performed last, and the order can be reversed). First, when performing wave number matching in the first Fourier transform, the received signal r(x, y) (here, unlike the equation (10), the propagation time t of the wave is (13 ) and equation (14), but since wave number matching is performed simultaneously in two directions, there is no need to correct ksin θ in equation (15),
Figure 0007175489000024
(This is the result of applying the so-called inverse Fourier transform). When the deflection angle .theta. ). Then, in order to Fourier transform the calculated R'(kx, y) in the depth direction y and wavenumber matching,
Figure 0007175489000025
can be processed one-dimensionally. It is faster than calculating each R'(kx,ky) according to equation (16'). Finally, a two-dimensional inverse Fourier transform is applied to the equation (16') or (16'') in the x and y directions to obtain the image signal f(x,y). A one-dimensional inverse Fourier transform may be applied to each of the x direction and the y direction, and a fast inverse Fourier transform is effective. become).
Conversely, when wave number matching is also performed in the last inverse Fourier transform, first, the received signal r(x, y) is subjected to a two-dimensional Fourier transform to obtain R(kx, k), and finally In order to realize equation (8) in the inverse Fourier transform of , equation (11) is used in the inverse Fourier transform in the horizontal direction x, and equations (13) and (14) are used in the inverse Fourier transform in the depth direction y. However, since wave number matching is performed simultaneously in two directions, there is no need to correct ksin θ in Equation (15), and the image signal is given by
Figure 0007175489000026
Asked. When the deflection angle θ is 0 degrees, first, in order to perform inverse Fourier transform in the depth direction y and wave number matching,
Figure 0007175489000027
and one-dimensional processing, and then one-dimensional inverse Fourier transform in the horizontal direction x, and fast inverse Fourier transform is effective. It is faster than computing each f(x,y) according to equation (16''').
Also, in these, among the wave number matching, the parts of equations (11) and (14) are instead frequency-modulated with respect to kx and ky that are multiplied by the spatio-temporal signal using their complex exponential functions. You can add. In this case, it suffices to first perform one-dimensional conversion in the horizontal direction x, and high-speed conversion is effective. It's good if you apply it, and you can speed it up.
The same is true for three-dimensional data, and a three-dimensional Fourier transform and a three-dimensional inverse Fourier transform may be performed. The same applies to other methods (1) to (6).

また、2次元開口素子アレイを用いて、任意方向に位置する波動源から計測対象物に向けて任意の波動が送信されて、計測対象物から到来する波動を平面波として受信して3次元の波動デジタル信号処理を行う場合には、例えば、平坦な受信開口素子アレイの開口の向きによって定まる軸方向y及びこれに直交する横方向x及びzの座標を用いるデカルト直交座標系(x,y,z)において、平面波として受信する方向と軸方向とが成す零度又は非零度の偏向角度が仰角θ及び方位角φを用いて表される場合において、フーリエ変換は深さy方向と横方向xとzに関する3次元フーリエ変換が行われるが、上記の2次元の波動デジタル信号処理を行う場合と同様に、受信信号の3次元フーリエ変換R'(k,k,kz)に対して、

Figure 0007175489000028
と表される波数マッチングが以下の如くに補間近似せずに行われる。尚、2次元の場合と同様に、段落0192~0196に記載の如くに様々なビームフォーミングに応用するに当たり、波数マッチングを式(7')と式(8')に従って補間近似処理を行って高速に行うことはあり、その場合には、F(k',ky',kz')が3次元逆フーリエ変換される。 In addition, by using a two-dimensional aperture element array, arbitrary waves are transmitted from a wave source located in an arbitrary direction toward a measurement target, and the waves arriving from the measurement target are received as plane waves to generate three-dimensional waves. When performing digital signal processing, for example, a Cartesian Cartesian coordinate system (x, y, z ), when the zero or non-zero deflection angle formed by the direction of reception as a plane wave and the axial direction is expressed using the elevation angle θ and the azimuth angle φ, the Fourier transform is obtained in the depth y direction and the lateral directions x and z is performed, the three-dimensional Fourier transform R′(k x ,k,k z ) of the received signal is given by
Figure 0007175489000028
is performed without interpolation approximation as follows. As in the two-dimensional case, when applying various beamforming as described in paragraphs 0192 to 0196, wave number matching is performed by interpolation approximation according to equations (7′) and (8′) to perform high-speed , in which case F(k x ', k y ', k z ') is subjected to a three-dimensional inverse Fourier transform.

波数マッチングにおいて補間近似処理をしない場合には、まず、受信信号を軸方向yに関してフーリエ変換したものに波動の波数k及び虚数単位iを用いて表される複素指数関数(C21)を掛けることにより横方向x及びzに関する波数マッチングを行い、

Figure 0007175489000029
さらに、その積を、軸方向yに関して分解能を持たせるべく横方向x及びzに関してフーリエ変換して得られた角スペクトルに、横方向x及びzに行われた波数マッチングの効果を除いて実施できる複素指数関数(C22)を掛けると同時に、複素指数関数(C23)を掛けることにより軸方向に関する波数マッチングを行い、ここで、横方向の波数がk及びkzで表され、
Figure 0007175489000030
Figure 0007175489000031
補間近似処理を行うことなく波数マッチングを行うことによって、直接的にデカルト座標系においてイメージ信号を生成することができる。即ち、各平面波成分が深さyに作る音圧場は、これを横方向xとzに関する2次元逆フーリエ変換(IFFT)を行い、複数の波数k成分(又は、周波数成分)を足し合わせることにより、イメージ信号を得る。無論、偏向角度が零度(即ち、仰角θ及び方位角φが零度)やいずれかの少なくとも1つの角度が零度のときにも使用できる。 When interpolation approximation processing is not performed in wave number matching, first, the received signal obtained by Fourier transforming in the axial direction y is multiplied by a complex exponential function (C21) expressed using wave number k and imaginary unit i. perform wavenumber matching in the lateral directions x and z;
Figure 0007175489000029
Further, the product can be performed on the resulting angular spectrum by Fourier transforming it in the transverse directions x and z to provide resolution in the axial direction y, excluding the effects of wavenumber matching performed in the transverse directions x and z. Axial wavenumber matching is performed by multiplying by a complex exponential function (C22) and simultaneously by a complex exponential function (C23), where the transverse wavenumbers are represented by kx and kz ,
Figure 0007175489000030
Figure 0007175489000031
Image signals can be generated directly in the Cartesian coordinate system by wavenumber matching without interpolation approximation. That is, the sound pressure field created by each plane wave component at depth y is obtained by performing a two-dimensional inverse Fourier transform (IFFT) on this with respect to the horizontal directions x and z, and summing up a plurality of wave number k components (or frequency components). to obtain an image signal. Of course, it can also be used when the deflection angle is zero degrees (that is, the elevation angle .theta. and the azimuth angle .phi.

尚、上記の計算においては、送信信号で決まる帯域か、受信信号のSN比を勘案して定められる帯域内の信号成分のみが計算対象となる。例えば、式(10)を基に解析信号を生成する際に、必要な帯域内の信号だけが生成されて格納されることがある(ダウンサンプリングに該当する)。本発明の方法又は装置においては、波数マッチングを行う際に補間近似処理を行わないが、エコー信号を深さ方向や横方向にオーバーサンプリングすることによって、混入するノイズに対して頑強となる効果がある。他の方法(1)~(6)でも同様である。 In the above calculation, only signal components within a band determined by the transmission signal or a band determined by considering the SN ratio of the received signal are subject to calculation. For example, when generating an analytic signal based on equation (10), only signals within a necessary band may be generated and stored (corresponding to downsampling). In the method or apparatus of the present invention, interpolation approximation processing is not performed when performing wavenumber matching, but by oversampling echo signals in the depth direction and lateral direction, the effect of becoming robust against mixed noise is obtained. be. The same applies to other methods (1) to (6).

また、式(13)~(15)や式(C22)、式(C23)において、計算する深さy方向の位置座標や範囲、その座標の間隔等を定めることにより、任意の深さ位置や任意の深さ方向の範囲の、又は、深さ方向に任意の間隔や任意の密度の、イメージ信号を補間近似処理を行うことなく生成できる(前段落に記載のダウンサンプリングの有無に関係なしに、アップサンプリングでき、そのダウンサンプリングは、ナイキスト定理が満足される範囲で有効である。但し、故意に、高周波の信号成分を帯域外処理(フィルタリングアウト)することはある。また、前段落に記載のダウンサンプリングの有無に関係なしに、ナイキスト定理が満足される範囲ではダウンサンプリングも可能である)。また、式(17)等の横方向の逆フーリエ変換において、計算する横x方向の位置座標や範囲を定めることにより(必要に応じて、本願の発明者の過去の発明である複素指数関数の乗算を用いた位相回転によるアナログ的な空間のシフティングを施す)、任意の横方向の位置や任意の横方向の範囲のイメージ信号を補間近似処理を行うことなく生成でき、また、同逆フーリエ変換において、高周波帯域の周波数座標を除いて横方向に狭帯域化させたり(空間的に低密度化)、角スペクトルの零詰め処理によって横方向に広帯域化させること(空間的に高密度化)を通じて、横方向に任意の間隔や任意の密度のイメージ信号を、補間近似を行うことなく生成できる。 In addition, by setting the position coordinates and range in the depth y direction to be calculated, the interval of the coordinates, etc., in formulas (13) to (15), formula (C22), and formula (C23), an arbitrary depth position and Image signals with arbitrary depth ranges, arbitrary depth intervals, and arbitrary densities can be generated without interpolation approximation (with or without downsampling as described in the previous paragraph). can be up-sampled, and the down-sampling is effective as long as the Nyquist theorem is satisfied.However, high-frequency signal components may be intentionally processed out of band (filtered out).Also, as described in the previous paragraph Downsampling is possible as long as the Nyquist theorem is satisfied, regardless of the presence or absence of downsampling of . In addition, in the horizontal inverse Fourier transform such as Equation (17), by determining the position coordinates and range in the horizontal x direction to be calculated (if necessary, the complex exponential function, which is a past invention of the inventor of the present application, analog-like spatial shifting by phase rotation using multiplication), image signals at arbitrary horizontal positions and arbitrary horizontal ranges can be generated without performing interpolation approximation processing, and the same inverse Fourier processing can be used. In the transformation, horizontal band narrowing (spatial densification) by excluding the frequency coordinates of the high frequency band, or horizontal band widening by zero stuffing of the angular spectrum (spatial densification) can generate image signals with arbitrary horizontal intervals and arbitrary densities without interpolation approximation.

この様にして、所望する任意の位置や範囲、間隔、密度で、イメージ信号を生成できる。つまり、受信信号のサンプリング間隔よりも短く、また、受信開口素子の間隔よりもピッチの短い間隔で、イメージ信号を生成することもできる。また、各々の方向に関して、イメージ信号の間隔を粗くすることもできる(但し、ナイキスト(Nyquist)定理は満足されなければいけない)。また、2次元の場合(段落0205)と同様に、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である。ステアリングしない場合には、同様に、波数マッチングを伴う変換処理において、最初に横方向のx方向又はz方向に変換処理を実施し、最後に深さ方向yの変換処理を実施でき、高速化できる。また、これらにおいて、波数マッチングの内、式(C21)と式(C23)の分は、代わりに、それらの複素指数関数を用いて時空間信号にて乗算する周波数変調を施して加算しても良い。この場合には、まず、横方向のx又はz方向に1次元の変換を施せば良く、高速変換が有効であり、次に式(C22)を用いて深さ方向yの変換を行うと共に波数マッチングを施せば良く、高速化できる。尚、式(7)と(8)、又は、式(7')と(8')に従って波数マッチングを補間近似を通じて行う場合に高精度化するためには、計算量が増えることを代償に、適切なオーバーサンプリングの下で処理する必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。他の方法(1)~(6)においても同様である。 In this manner, image signals can be generated at any desired location, extent, spacing, or density. That is, it is also possible to generate image signals at intervals shorter than the sampling interval of the received signal and at intervals shorter than the interval of the reception aperture elements. Also, the image signals can be coarsely spaced in each direction (provided that the Nyquist theorem is satisfied). In addition, as in the two-dimensional case (paragraph 0205), physically and mathematically, wavenumber matching can be performed during the first Fourier transform, and wavenumber matching can be performed during the final inverse Fourier transform. It is possible. In the case of no steering, similarly, in the conversion process involving wave number matching, the conversion process is first performed in the horizontal direction x or z direction, and finally the depth direction y can be performed, thus speeding up. . In these, among the wave number matching, the parts of the equations (C21) and (C23) may be added after performing frequency modulation by multiplying by the spatio-temporal signal using their complex exponential functions instead. good. In this case, first, one-dimensional transformation in the horizontal x or z direction is effective, and high-speed transformation is effective. It is sufficient if matching is performed, and the speed can be increased. In addition, in order to improve accuracy when wave number matching is performed through interpolation approximation according to equations (7) and (8), or equations (7′) and (8′), at the expense of an increase in the amount of calculation, It should be processed under proper oversampling. In that case, it should be noted that the number of data for Fourier transform increases, unlike the case where signals at arbitrary positions can be selectively generated when interpolation approximation processing is not performed. The same applies to other methods (1) to (6).

コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUSにおいて、極座標の半径r方向に送信又は受信をして角度θ方向に広い波(円筒波)を生成する場合(図7)や、他の開口形状において、後方に設置する仮想源を用いて同ビームフォーミング(円筒波)を行う場合(図8A(a)~(c)を参照、特許文献7や非特許文献8等)には、上記の方法において、デカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えて処理をすれば良く、極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することができる。球座標系における球面波に関しても同様である。また、図8B(d)~(f)に示すが、上記の様な極座標系で表される物理開口素子アレイや任意の開口形状の物理開口を用いて、任意距離位置において、送信又は受信、又は、両者の平面波を生成し、同様にしてビームフォーミングを行うこともある。その距離位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成したことと等価であり、その距離位置を零とすると、仮想的に、リニア型開口アレイを用いた場合に該当する。距離位置は、物理開口の前方以外に、後方にも設定でき、それらの位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成することもできる。仮想的なリニア型開口アレイは、仮想源ではなく、仮想受信器として使用されることもあるし、仮想源を兼ねることもある。 When generating a wide wave (cylindrical wave) in the angle θ direction by transmitting or receiving in the radial r direction of the polar coordinates in the convex transducer, sector scan, or IVUS (Fig. 7), or in other aperture shapes, When performing the same beamforming (cylindrical wave) using a virtual source installed behind (see FIGS. 8A (a) to (c), Patent Document 7, Non-Patent Document 8, etc.), in the above method, Cartesian coordinates (x, y) can be converted to polar coordinates (r, θ) for processing, and image signals can be generated in polar coordinates (r, θ). The same is true for spherical waves in a spherical coordinate system. In addition, as shown in FIGS. 8B (d) to (f), using a physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or a physical aperture with an arbitrary aperture shape, transmission or reception, Alternatively, both plane waves may be generated and beamforming may be performed in the same manner. This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that distance position, and if the distance position is set to zero, it corresponds to the use of a virtual linear aperture array. Distance positions can be set behind the physical aperture as well as in front, and a virtual linear aperture array (or plane wave) can be generated at those positions. A virtual linear aperture array may be used as a virtual receiver instead of a virtual source, or may also serve as a virtual source.

図7は、極座標(r,θ)において角度θ方向に広い波を半径r方向に送波又は受波する場合(円筒波送波)の模式図である。図7(a)は、コンベックス型開口素子アレイを用いた円筒波送波を示しており、図7(b)は、セクタ型開口素子アレイを用いた円筒波送波を示しており、図7(c)は、IVUS(円形型)開口素子アレイを用いた円筒波送波を示している。尚、図7(b)には、開口が円弧状のものが示されている、開口が平坦なものが使用されてセクタスキャンが行われることもある。また、これらの開口を使用されて、フォーカスビームが生成されることもある。 FIG. 7 is a schematic diagram of a case of transmitting or receiving a wide wave in the direction of the angle θ in the polar coordinates (r, θ) in the direction of the radius r (transmission of cylindrical wave). FIG. 7(a) shows cylindrical wave transmission using a convex aperture element array, FIG. 7(b) shows cylindrical wave transmission using a sector aperture element array, and FIG. (c) shows cylindrical wave transmission using an IVUS (circular) aperture element array. It should be noted that sector scanning may be performed using a flat aperture, which is shown in FIG. 7(b) with an arcuate aperture. These apertures may also be used to generate focused beams.

図8Aは、任意の開口形状の物理開口の後方に設置された仮想源を用いて極座標系(r,θ)の角度θ方向に広い波を半径r方向に送波する場合(円筒波送波)の模式図である。図8A(a)は、リニア型開口素子アレイを用いた円筒波送波を示しており、図8A(b)は、コンベックス型開口素子アレイを用いた円筒波送波を示しており、図8A(c)は、その他の任意開口素子アレイを用いた円筒波送波を示している。受波が同様に行われることもある。また、図8B(d)~(f)は、極座標系で表される物理開口素子アレイや任意の開口形状の物理開口を用いて、任意距離位置において、送信平面波を生成する場合を示している(図中はコンベックス型開口素子アレイを物理的に用いた場合)。その距離位置を零とすると、仮想的に、リニア型開口アレイを用いた場合に該当する(図8B(d))。距離位置は、物理開口の後方(図8B(e))以外に、前方(図8B(f))にも設定でき、それらの位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成することもできる。受波が同様に行われることもある。図8B(g)は、特殊な場合として、例えば、リニアアレイ型トランスデューサを物理的に用いる場合において、物理開口後方の仮想源を用いて円筒波を生成する場合を応用し、任意距離位置に、横方向に拡がった、平面波、又は、仮想的にリニアアレイ型トランスデューサを生成した場合の模式図である。受波が同様に行われることもある。仮想的なリニアアレイ型トランスデューサは、仮想源ではなく、仮想受信器として使用されることもあるし、仮想源を兼ねることもある。 FIG. 8A shows the case where a wide wave is transmitted in the direction of the angle θ in the polar coordinate system (r, θ) using a virtual source installed behind a physical aperture of arbitrary shape (cylindrical wave transmission ) is a schematic diagram. FIG. 8A(a) shows cylindrical wave transmission using a linear aperture element array, and FIG. 8A(b) shows cylindrical wave transmission using a convex aperture element array. (c) shows cylindrical wave transmission using another arbitrary aperture element array. Receiving may be done in a similar way. Also, FIGS. 8B(d) to (f) show a case where a transmission plane wave is generated at an arbitrary distance position using a physical aperture element array represented by a polar coordinate system or a physical aperture having an arbitrary aperture shape. (The figure shows the case where a convex aperture element array is physically used). Assuming that the distance position is zero, it virtually corresponds to the case of using a linear aperture array (FIG. 8B(d)). The distance position can be set not only behind the physical aperture (FIG. 8B (e)) but also in front (FIG. 8B (f)), and a virtual linear aperture array (or plane wave) is generated at those positions. You can also Receiving may be done in a similar way. FIG. 8B (g) is a special case, for example, in the case of physically using a linear array type transducer, applying the case of generating a cylindrical wave using a virtual source behind the physical aperture, at an arbitrary distance position, FIG. 10 is a schematic diagram of generating a plane wave or a virtual linear array type transducer that spreads in the lateral direction; Receiving may be done in a similar way. A virtual linear array transducer may be used as a virtual receiver rather than a virtual source, or may also serve as a virtual source.

送信フォーカスする場合には、非特許文献6に報告があり、同様に、極座標(r,θ)において結果が得られる。例えば、広いFOVが得られる効果がある。非特許文献6とは別の方法として、本発明の1つの特徴として、本方法(1)をこれらに用い、さらに、これらの極座標系(r,θ)の座標位置においてもステアリング角度を持つステアリングビームを生成することが可能であり、以下の方法(2)~(4)及び(6)を用いる場合にも同様であり、それらにおいて、デカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えて処理をすればよい。但し、これらのビームフォーミングを行った場合には、表示系のデカルト座標系の座標位置における信号値を得るべく、補間処理を行う必要が有り、周波数領域における複素指数関数の積による位相の回転を用いた厳密な補間処理を、時間をかけて行うか、又は、近似誤差を伴うが短時間の処理として補間近似処理が施される。球座標においても同様である。 In the case of transmission focusing, there is a report in Non-Patent Document 6, and results are similarly obtained in the polar coordinates (r, θ). For example, there is an effect that a wide FOV can be obtained. As a method different from Non-Patent Document 6, as one feature of the present invention, this method (1) is used for these, and furthermore, a steering angle having a steering angle is also used at the coordinate positions of these polar coordinate systems (r, θ). It is possible to generate beams, as well as using methods (2)-(4) and (6) below, in which Cartesian coordinates (x, y) are converted to polar coordinates (r, θ) should be read and processed. However, when such beamforming is performed, it is necessary to perform interpolation processing in order to obtain the signal value at the coordinate position of the Cartesian coordinate system of the display system. Strict interpolation processing is performed over a long period of time, or interpolation approximation processing is performed as short-time processing with approximation errors. The same applies to spherical coordinates.

また、極座標系においてビームフォーミングを行うこれらの場合において、変位計測を行うこともでき、例えば、半径r方向又は角度θ方向の変位成分の計測を行うことができ、若しくは、両方向の変位成分から成る変位ベクトルを計測することができる。但し、計測後に表示系のデカルト座標系の座標位置における計測結果を得るべく、補間処理を行う必要が有り、エコー信号の補間時と同様に、周波数領域における複素指数関数の積による位相の回転を用いた厳密な補間処理を、時間をかけて行うか、又は、近似誤差を伴うが短時間の処理として補間近似処理が施される。球座標系においても同様である。 In addition, in these cases of beamforming in a polar coordinate system, displacement measurements can also be made, for example displacement components in the direction of radius r or angle θ can be measured, or displacement components in both directions can be measured. A displacement vector can be measured. However, in order to obtain the measurement result at the coordinate position of the Cartesian coordinate system of the display system after measurement, it is necessary to perform interpolation processing. Strict interpolation processing using the method is performed over a long period of time, or interpolation approximation processing is performed as short-time processing with approximation errors. The same applies to the spherical coordinate system.

変位計測の結果から、微分フィルタを用いた偏微分処理により、歪や歪速度(テンソル)、速度(ベクトル)、加速度(ベクトル)が求められ、さらに、力学的な特性(例えば、体積弾性率やずり弾性率(例えば、非特許文献7)、その他、非等方性媒体の弾性率テンソル等)、温度等が演算を通じて求められることがある。補間近似を実施する場合には、近似処理を施してデカルト座標系でそれらの計算を行うと計算時間を短縮化できることが多いが、極座標系において演算を実施して結果を得、それを補間近似して表示すると良く、誤差の伝搬を小さくできる。つまり、変位計測後の処理過程において生じる誤差としては、最後の表示データを得る際の補間近似のみとなる(同一の変位データから複数の表示データを得る場合はある)。 From the results of displacement measurement, strain, strain rate (tensor), velocity (vector), and acceleration (vector) are obtained by partial differential processing using a differential filter, and furthermore, mechanical properties (such as bulk modulus and The shear modulus (for example, Non-Patent Document 7), other elastic modulus tensor of an anisotropic medium, etc.), temperature, etc. may be obtained through calculation. When performing interpolation approximation, it is often possible to shorten the calculation time by performing approximation processing and performing these calculations in the Cartesian coordinate system. It is better to display it as In other words, the only error that occurs in the process after displacement measurement is interpolation approximation when obtaining the final display data (there are cases where a plurality of display data are obtained from the same displacement data).

尚、上記の如く、補間処理を通じて、エコー信号をデカルト座標系にて表し、変位計測及び一連の計測を実施することもできる。補間処理において近似処理を行うと誤差を生じるが、全体に要する演算量は少なくて済む。その他のエコー信号の処理に基づく計測を行う場合においても、上記の如く、処理できる。2次元アレイを用いた3次元ビームフォーミングにおいても同様である。 It should be noted that, as described above, the echo signals can also be represented in a Cartesian coordinate system and the displacement measurement and series of measurements can be performed through the interpolation process. If approximation processing is performed in interpolation processing, an error will occur, but the amount of calculation required for the whole process is small. Even when performing measurement based on processing of other echo signals, the processing can be performed as described above. The same applies to three-dimensional beamforming using a two-dimensional array.

また、上記のいずれに関しても、極座標系以外の任意の直交座標系を対象として、同様な処理が可能である。 In addition, regarding any of the above, similar processing can be performed for any orthogonal coordinate system other than the polar coordinate system.

一方、同じく、コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUS等において、極座標(r,θ)において角度θ方向に広い波を半径r方向に送波又は受波(円筒波)する場合(図7)と、任意の開口形状の物理開口の後方に設置された仮想源を用いて図7と同一の極座標系(r,θ)の角度θ方向に広い波を半径r方向に送波(円筒波)する場合(図8A(a)~(c)を参照)とにおいて、直接にデカルト座標においてイメージ信号を生成する方法は、それぞれ、方法(5)及び方法(5-1)、(5-1')等として説明される。また、上記の様な極座標系で表される物理開口素子アレイや任意の開口形状の物理開口を用いて、任意距離位置において、送信又は受信、又は、両者の平面波を生成し、同様にしてビームフォーミングを行うこともあり、デカルト座標系において、イメージ信号が生成されることがある(図8B(d)~(f)を参照)。その距離位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成したことと等価であり、その距離位置を零とすると、仮想的に、リニア型開口アレイを用いた場合に該当する。距離位置は、物理開口の後方以外に、前方にも設定でき、それらの位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成することもできる。仮想的なリニア型開口アレイは、仮想源ではなく、仮想受信器として使用されることもあるし、仮想源を兼ねることもある。同様に、ビームフォーミング方法は、方法(5)及び方法(5-1)、(5-1')等として説明される。これらの場合には、エコー信号のイメージング及び変位計測等を、一貫して、同一のデカルト座標系において実施できる。極座標系においても同様である。この様な場合において、エコー信号や計測値をデカルト座標系から極座標系に補間処理を通じて変換することも同様に可能である。2次元アレイを用いた3次元ビームフォーミングにおいても同様である。送信フォーカシングが行われることもある。 On the other hand, similarly, when transmitting or receiving (cylindrical waves) a wide wave in the direction of the angle θ in the polar coordinates (r, θ) in the direction of the radius r in a convex transducer, sector scan, IVUS, etc. (Fig. 7) Then, using a virtual source installed behind a physical aperture with an arbitrary aperture shape, a wide wave in the direction of angle θ in the same polar coordinate system (r, θ) as in FIG. 7 is transmitted in the direction of radius r (cylindrical wave) (see FIGS. 8A(a)-(c)), the methods for generating image signals directly in Cartesian coordinates are method (5) and method (5-1), (5-1′), respectively. ) etc. Further, using a physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or a physical aperture having an arbitrary aperture shape, plane waves for transmission or reception, or both are generated at an arbitrary distance position, and similarly beams are generated. Forming may also be performed, and an image signal may be generated in the Cartesian coordinate system (see FIGS. 8B(d)-(f)). This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that distance position, and if the distance position is set to zero, it corresponds to the use of a virtual linear aperture array. Distance positions can also be set in front of the physical aperture in addition to behind it, and virtual linear aperture arrays (or plane waves) can also be generated at those positions. A virtual linear aperture array may be used as a virtual receiver instead of a virtual source, or may also serve as a virtual source. Similarly, beamforming methods are described as method (5) and methods (5-1), (5-1′), and so on. In these cases, echo signal imaging, displacement measurement, etc. can be performed consistently in the same Cartesian coordinate system. The same applies to the polar coordinate system. In such a case, it is equally possible to convert the echo signals and measurements from the Cartesian coordinate system to the polar coordinate system through interpolation processing. The same applies to three-dimensional beamforming using a two-dimensional array. Transmit focusing may also be performed.

また、上記のいずれに関しても、極座標系以外の任意の直交座標系を対象として、同様な処理が可能である。また、仮想源や仮想受信器は、上記の通り、物理開口の後方に設置されるとは限らず、開口の前方に設置されることもあり、物理開口の形状に依らずに、任意に設置されうるものである(特許文献7、非特許文献8)。このように、本発明は、上記に限られるものではない。また、これらのビームフォーミングにおける波数マッチングにおいて、補間近似処理を行って、高速に近似解を求めることもある。また、いずれも、本方法(1)~(7)において、同様にして、処理されることがある。 Further, in any of the above, similar processing can be performed for any orthogonal coordinate system other than the polar coordinate system. In addition, as described above, the virtual source and the virtual receiver are not necessarily installed behind the physical opening, but may be installed in front of the opening. (Patent Document 7, Non-Patent Document 8). Thus, the present invention is not limited to the above. Also, in the wavenumber matching in these beamformings, an interpolation approximation process is sometimes performed to obtain an approximate solution at high speed. Also, any of them may be processed in the same way in the present methods (1) to (7).

また、本方法(1)~(7)においては、受信信号に対し、送信又は受信、又は、両方のアポダーゼーション処理は、線形処理であるがゆえに様々なタイミングで実施できる。つまり、受信時にハード的に行うか、又は、受信後においてソフト的に様々なタイミングで実施できる。送信時に物理的にアポダイゼーションされることがあることは上記の通りである(以下、同様)。 In addition, in methods (1) to (7) of the present invention, the apodization processing for transmission, reception, or both of the received signals can be performed at various timings because of linear processing. That is, it can be performed by hardware at the time of reception, or by software at various timings after reception. As described above, physical apodization may occur during transmission (the same shall apply hereinafter).

尚、当然のことであるが、エコー信号ではなく、透過波を受信してビームフォーミングする場合には、座標yは、往復距離の半分(伝搬時間tを用いてct/2と表される)ではなく、受信開口素子アレイで決まる座標系において、開口素子からの距離(ct)である。 As a matter of course, when beamforming is performed by receiving a transmitted wave instead of an echo signal, the coordinate y is half the round-trip distance (expressed as ct/2 using the propagation time t). is the distance (ct) from the aperture element in the coordinate system determined by the receive aperture element array.

次に、開口面合成を行う場合について説明する。開口面合成にはモノスタティック型とマルチスタティック型がある。
方法(2):モノスタティック型開口面合成
図9は、モノスタティック型開口面合成の模式図である。モノスタティック型開口面合成は、アレイの1つの素子から超音波を放射し、その素子自身でエコーを受信するものである。開口面合成においても、図6の手順で波数マッチングを行うことにより、エコー信号(イメージ信号)を計算できる。
Next, a case of performing aperture plane synthesis will be described. Aperture synthesis includes monostatic and multistatic types.
Method (2): Monostatic Aperture Synthesis FIG. 9 is a schematic diagram of monostatic aperture synthesis. Monostatic aperture synthesis radiates ultrasonic waves from one element of the array and receives echoes at that element itself. Also in aperture plane synthesis, an echo signal (image signal) can be calculated by performing wave number matching according to the procedure of FIG.

モノスタティック型開口面合成では送受信を同一の素子で行うため、送信時の散乱体への音の伝播経路と、受信時の散乱体の反射音の伝播経路は同じである。よって、受信有効開口素子アレイの位置を軸方向y座標の零とするデカルト直交座標系において、ステアリングを実施しないとき(θが零度)は、式(18a)に示すように、波数kを2倍とし(反射波のとき、s=2、以下、同様)、式(7)と式(8)で表される波数のマッチングを行う。透過波の場合には波数2kではなく、kを用いる(s=1、以下、同様)。

Figure 0007175489000032
In monostatic aperture synthesis, since transmission and reception are performed by the same element, the propagation path of sound to the scatterer during transmission and the propagation path of the reflected sound from the scatterer during reception are the same. Therefore, in a Cartesian orthogonal coordinate system in which the position of the reception effective aperture element array is zero in the axial direction y coordinate, when steering is not performed (θ is zero degrees), the wave number k is doubled as shown in equation (18a). (in the case of reflected waves, s=2, and so on), and matching of the wavenumbers represented by equations (7) and (8) is performed. In the case of a transmitted wave, the wavenumber k is used instead of the wavenumber 2k (s=1, and so on).
Figure 0007175489000032

また、ステアリング角度θが非零度のときは、超音波信号の搬送周波数ωを用いて表される波数k(=ω/c)を持つ波数ベクトル(0,k0)に対し、波数ベクトル(sk0sinθ,sk0cosθ)を多次元スペクトルの重心(中心)又は瞬時周波数として持つイメージ信号を生成するべくスペクトルのシフティングを行うビームフォーミングを行う(図10参照)。即ち、式(7)と式(8)において、式(18b)と表される波数マッチングを行う。

Figure 0007175489000033
When the steering angle θ is non-zero, the wavenumber vector (0, k 0 ) having the wavenumber k 0 (=ω 0 /c) expressed using the carrier frequency ω 0 of the ultrasonic signal is In order to generate an image signal having the vector (sk 0 sin θ, sk 0 cos θ) as the centroid (center) of the multi-dimensional spectrum or the instantaneous frequency, beamforming is performed to shift the spectrum (see FIG. 10). That is, wave number matching represented by Equation (18b) is performed in Equations (7) and (8).
Figure 0007175489000033

信号処理は、方法(1)と同様に行われ、特に、波数マッチングは、受信信号を空間(横方向)に関してフーリエ変換する前段階において、複素指数関数(式(9a))の代わりに超音波信号の搬送周波数ω0を用いて表される複素指数関数(式(19a))を掛けて、まず横方向に実施し、深さy方向に関しては、深さy方向に分解能を持たせるべく、複素指数関数(式(9b))の代わりに横方向のマッチング処理(式(19a))を除いた複素指数関数(式(19b))を掛けると同時に、複素指数関数(式(9c))の代わりに複素指数関数(式(19c))を掛けて行われる。無論、偏向角度が零度のときにも使用できる。この処理は、先行技術文献には開示されていない。

Figure 0007175489000034
Figure 0007175489000035
Figure 0007175489000036
The signal processing is performed in the same manner as in method (1), and in particular, the wave number matching is performed by applying ultrasonic wave Multiplying by a complex exponential function (equation (19a)) expressed using the carrier frequency ω 0 of the signal is first performed in the horizontal direction, and with respect to the depth y direction, in order to have a resolution in the depth y direction, Instead of the complex exponential function (equation (9b)), the complex exponential function (equation (19a)) is multiplied by the complex exponential function (equation (19b)) excluding the horizontal matching process (equation (19a)), and at the same time, the complex exponential function (equation (9c)) Instead, it is multiplied by a complex exponential function (equation (19c)). Of course, it can also be used when the deflection angle is zero degrees. This process is not disclosed in the prior art documents.
Figure 0007175489000034
Figure 0007175489000035
Figure 0007175489000036

また、例えば、エコー法(反射法)においては、送信ビームと受信ビームの偏向角度が異なる場合があり、その場合においては、送信ビームと受信ビームの各々の偏向角度をθtとθrとすると、式(7)と式(8)において、s=2の下で、式(18c)と表される波数マッチングを行う。

Figure 0007175489000037
Further, for example, in the echo method (reflection method), the deflection angles of the transmission beam and the reception beam may differ. , in equations (7) and (8), under s=2, perform wave number matching represented by equation (18c).
Figure 0007175489000037

信号処理は、上記の送信ビームと受信ビームの偏向角度が等しい場合と同様に行われ、特に、波数マッチングは、受信信号を空間(横方向)に関してフーリエ変換する前段階において、複素指数関数(式(19a))の代わりに超音波信号の搬送周波数ω0を用いて表される複素指数関数(式(19d))を掛けて、まず横方向に実施し、深さy方向に関しては、深さy方向に分解能を持たせるべく、複素指数関数(式(19b))の代わりに横方向のマッチング処理(式(19d))を除いた複素指数関数(式(19e))を掛けると同時に、複素指数関数(式(19c))の代わりに複素指数関数(式(19f))を掛けて行われる。無論、偏向角度θtやθrが零度のときにも使用できる。この処理も、先行技術文献には開示されていない。

Figure 0007175489000038
Figure 0007175489000039
Figure 0007175489000040
Signal processing is performed in the same manner as in the above case where the deflection angles of the transmission beam and the reception beam are equal. In particular, the wave number matching is performed using a complex exponential function (formula (19a)) instead of (19a)) by a complex exponential function (equation (19d)) expressed using the carrier frequency ω of the ultrasonic signal, first in the lateral direction, and in the depth y direction, the depth In order to provide resolution in the y direction, the complex exponential function (equation (19b)) is multiplied by the complex exponential function (equation (19d)) excluding the horizontal matching process (equation (19d)). The complex exponential function (formula (19f)) is multiplied instead of the exponential function (formula (19c)). Of course, it can also be used when the deflection angles θ t and θ r are zero degrees. This process is also not disclosed in the prior art documents.
Figure 0007175489000038
Figure 0007175489000039
Figure 0007175489000040

式(19a)~(19c)と、式(19d)~(19f)とにより、受信信号の2次元フーリエ変換R'(k,k)に対し、式(7)と(8)の如くに、式(18b)と式(18c)の波数マッチングの各々を補間近似せずに行った状況を実現できる。これに対し、補間近似処理を行ってビームフォーミングを高速に行うことがあり、その場合には、F(k',ky')が2次元逆フーリエ変換される。また、方法(1)と同様に、式(18a)~式(18c)に関し、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である(段落0205と段落0210)。但し、これらの場合に、ステアリング時においても、波数マッチングを伴う変換処理においては、最初にx方向に1次元変換処理を実施し、その次にy方向の1次元変換処理(x方向の波数マッピング後の処理であるため、式(19b)や式(19e)を使用)を実施でき、高速化できる。また、波数マッチングの内、式(19a)と式(19c)、式(19d)と式(19f)の分は、代わりに、それらの複素指数関数を用いて時空間信号にて乗算するkxとkyに関する周波数変調を実施しても良い。その他、式(18b)と式(18c)において、偏向角度を零度とした場合の式(18a)に対応する近似的な波数マッチング処理を含め、これらの近似処理も先行技術文献には開示されていない。 From the equations (19a) to (19c) and the equations (19d) to (19f), the two-dimensional Fourier transform R'(k x ,k) of the received signal is given by the equations (7) and (8) , (18b) and (18c) without interpolation approximation. On the other hand, interpolation approximation processing may be performed to perform beamforming at high speed, in which case F(k x ', k y ') is subjected to a two-dimensional inverse Fourier transform. In addition, as in method (1), regarding equations (18a) to (18c), it is possible physically and mathematically to perform wave number matching at the time of the first Fourier transform, and finally inverse Fourier transform. Wavenumber matching can sometimes be performed (paragraphs 0205 and 0210). However, in these cases, even during steering, in transform processing involving wave number matching, first one-dimensional transform processing is performed in the x direction, and then one-dimensional transform processing in the y direction (wave number mapping in the x direction). (19b) and (19e)) can be implemented and the processing speed can be increased. Also, in the wave number matching, the parts of Eqs. (19a) and (19c), Eqs. (19d) and (19f) are replaced by kx and Frequency modulation on ky may be implemented. In addition, these approximation processes, including the approximate wave number matching process corresponding to Eq. (18a) when the deflection angle is set to zero degrees in Eqs. (18b) and (18c), are not disclosed in the prior art document. do not have.

また、2次元開口素子アレイを用いて3次元の波動デジタル信号処理を行う場合には、例えば、平坦な受信開口素子アレイの開口の向きによって定まる軸方向y(受信有効開口素子アレイの位置のy座標を零とする)及びこれに直交する横方向x及びzの座標を用いるデカルト直交座標系(x,y,z)において、生成されるビームの方向と軸とが成す零度又は非零度の偏向角度が仰角θ及び方位角φを用いて表される場合において、フーリエ変換は深さy方向と横方向xとzに関する3次元フーリエ変換を行い(軸方向y及び横方向x及びzの波数をそれぞれk、k、及び、kzとする波数領域(k,k,k)を考える)、上記の2次元の波動デジタル信号処理を行う場合と同様に、以下の如く処理される。 Further, when three-dimensional wave digital signal processing is performed using a two-dimensional aperture element array, for example, the axial direction y determined by the direction of the aperture of the flat reception aperture element array (y of the position of the reception effective aperture element array the zero or non-zero degree deflection of the generated beam direction and axis in a Cartesian Cartesian coordinate system (x, y, z) using transverse x and z coordinates) and transverse x and z coordinates. In cases where angles are expressed in terms of elevation angle θ and azimuth angle φ, the Fourier transform is a three-dimensional Fourier transform with respect to depth y and lateral x and z (wavenumbers in axial y and lateral x and z are Consider wavenumber domains ( kx , ky , kz ) with k y , k x , and k z , respectively), and are processed as follows in the same manner as the two-dimensional wave digital signal processing described above. be.

まず、波動の搬送周波数ωを用いて表される波数k(=ω/c)を有する波数ベクトル(0,k,0)に対し、波数ベクトル(sksinθcosφ,skcosθ,sksinθsinφ)を多次元スペクトルの重心(中心)又は瞬時周波数とするイメージ信号を生成するべくスペクトルのシフティングを伴う送信及び受信のダイナミックフォーカシングを行うべく、受信信号を軸方向yに関してフーリエ変換したものに、送信開口素子のy座標が零のときに値が2であり送信開口素子のy座標が非零のときに値が1であるパラメータs、波動の重心(中心)周波数k、及び、虚数単位iを用いて表される複素指数関数(C41)を掛けることにより、横方向x及びzに関する波数マッチングを行い、

Figure 0007175489000041
さらに、その積を、軸方向yに関して分解能を持たせるべく横方向x及びzに関してフーリエ変換して得られる角スペクトルに、横方向x及びzに行われた波数マッチングの効果を除いて実施できる複素指数関数(C42)を掛けると同時に、複素指数関数(C43)を掛けることにより軸方向に関する波数マッチングを行い、
Figure 0007175489000042
Figure 0007175489000043
補間近似処理を行うことなく波数マッチングを行うことによって、直接的にデカルト座標系においてイメージ信号を生成することができる。即ち、各平面波成分が深さyに作る音圧場は、これを横方向xとzに関する2次元逆フーリエ変換を行い、複数の周波数k成分を足し合わせることにより、イメージ信号を得る。無論、偏向角度が零度(即ち、仰角θ及び方位角φが零度)やいずれかの少なくとも1つの角度が零度のときも計算できる。 First, for a wave vector (0, k 0 , 0) having a wave number k 0 (=ω 0 /c) expressed using a wave carrier frequency ω 0 , a wave vector (sk 0 sin θ cos φ, sk 0 cos θ, The received signal was Fourier-transformed with respect to the axial direction y to perform dynamic focusing of transmission and reception with spectral shifting to generate an image signal with the centroid (center) or instantaneous frequency of the multidimensional spectrum at sk 0 sin θ sin φ). a parameter s whose value is 2 when the y-coordinate of the transmit aperture element is zero and whose value is 1 when the y-coordinate of the transmit aperture element is non-zero; , by a complex exponential function (C41) expressed with the imaginary unit i, performing wavenumber matching in the lateral directions x and z,
Figure 0007175489000041
Further, the product is Fourier-transformed in the lateral directions x and z to provide resolution in the axial direction y, and the resulting angular spectrum is converted to a complex spectrum that can be implemented without the effects of wavenumber matching performed in the lateral directions x and z. Wave number matching in the axial direction is performed by multiplying the exponential function (C42) and the complex exponential function (C43) at the same time,
Figure 0007175489000042
Figure 0007175489000043
Image signals can be generated directly in the Cartesian coordinate system by wavenumber matching without interpolation approximation. That is, the sound pressure field created by each plane wave component at depth y is subjected to a two-dimensional inverse Fourier transform in the horizontal directions x and z, and an image signal is obtained by adding a plurality of frequency k components. Of course, the calculation can also be performed when the deflection angle is zero degrees (that is, the elevation angle θ and azimuth angle φ are zero degrees) or at least one of the angles is zero degrees.

これにより、受信信号の3次元フーリエ変換R'(k,k,kz)に対し、式(7')と(8')の如くに、以下の波数マッチング(式(C44))を行った状況を実現できる。また、2次元の場合と同様に、式(C44)に関し、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である(段落0229)。ステアリング時においても、波数マッチングを伴う変換処理においては、最初にx方向又はz方向に1次元変換処理を実施し、最後にy方向の1次元変換処理(x方向とz方向の波数マッピング後の処理であるため、式(C42)と式(C43)を使用)を実施でき、高速化できる。また、波数マッチングの内、式(C41)と式(C43)の分は、代わりに、それらの複素指数関数を用いて時空間信号にて乗算する周波数変調を実施しても良い(各々、kxとkz、kyの周波数変調)。上記は、この波数マッチングを補間近似せずに行うものであるが、式(C44)に従って、補間近似処理を行って高速に行うことはあり、その場合には、F(k',ky',kz')が3次元逆フーリエ変換される。この処理も、先行技術文献には開示されていない。

Figure 0007175489000044
As a result, the following wavenumber matching (formula (C44)) is performed as in formulas (7') and (8') for the three-dimensional Fourier transform R'(k x ,k,k z ) of the received signal. situation can be realized. Also, as in the two-dimensional case, regarding Eq. (C44), both physically and mathematically, wavenumber matching can be performed during the first Fourier transform, and wavenumber matching can be performed during the final inverse Fourier transform. It is also possible (paragraph 0229). Even during steering, in transform processing involving wave number matching, first one-dimensional transform processing is performed in the x direction or z direction, and finally one-dimensional transform processing in the y direction (after wave number mapping in the x and z directions). (C42) and (C43)) can be implemented and the speed can be increased. Also, among the wave number matching, the parts of the equations (C41) and (C43) may instead perform frequency modulation by multiplying by the spatio-temporal signal using their complex exponential functions (each, kx and kz, ky frequency modulation). In the above, this wave number matching is performed without interpolation approximation, but interpolation approximation processing may be performed according to equation ( C44 ) at high speed. ',k z ') is subjected to a three-dimensional inverse Fourier transform. This process is also not disclosed in the prior art documents.
Figure 0007175489000044

また、例えば、エコー法(反射法)においては、送信ビームと受信ビームの偏向角度が異なる場合があり、その場合において、各々の偏向角度が、(仰角,方位角)=(θtt)と(θrr)を用いて表されるとすると、信号処理は、s=2の下で、上記の送信ビームと受信ビームの偏向角度が等しい場合と同様に行われ、特に、波数マッチングは、受信信号を空間(横方向)に関してフーリエ変換する前段階において、複素指数関数(式(C41))の代わりに超音波信号の搬送周波数ω0を用いて表される複素指数関数(式(D41))を掛けて、まず横方向に実施し、深さy方向に関しては、深さy方向に分解能を持たせるべく、複素指数関数(式(C42))の代わりに横方向のマッチング処理(式(D41))を除いた複素指数関数(式(D42))を掛けると同時に、複素指数関数(式(C43))の代わりに複素指数関数(式(D43))を掛けて行われる。無論、送信ビームと受信ビームの偏向角度が零度(即ち、θt、φt、θr、及び、φrが零度)のときにも使用できる。この処理も、先行技術文献には開示されていない。

Figure 0007175489000045
Figure 0007175489000046
Figure 0007175489000047
尚、送信と受信の両ビームフォーミングがソフト的に行われる開口面合成において、それらの送信と受信を入れ替えてビームフォーミングしても同処理である。 Further, for example, in the echo method (reflection method), the deflection angles of the transmission beam and the reception beam may differ. ) and (θ r , φ r ), the signal processing is performed under s=2 in the same manner as in the above case where the deflection angles of the transmit and receive beams are equal, and in particular, Wave number matching is a complex exponential function expressed using the carrier frequency ω 0 of the ultrasonic signal instead of the complex exponential function (Equation (C41)) in the stage prior to spatially (horizontally) Fourier transforming the received signal ( Equation (D41)) is first performed in the horizontal direction, and for the depth y direction, horizontal matching is performed instead of the complex exponential function (Equation (C42)) in order to have resolution in the depth y direction. The complex exponential function (formula (D42)) excluding the processing (formula (D41)) is multiplied, and the complex exponential function (formula (C43)) is replaced by the complex exponential function (formula (D43)). . Of course, it can also be used when the deflection angles of the transmit and receive beams are zero degrees (ie, θ t , φ t , θ r , and φ r are zero degrees). This process is also not disclosed in the prior art documents.
Figure 0007175489000045
Figure 0007175489000046
Figure 0007175489000047
In aperture synthesis in which beamforming for both transmission and reception is performed by software, the same processing is performed even if the beamforming is performed by switching the transmission and reception.

これにより、受信信号の3次元フーリエ変換R'(k,k,kz)に対し、式(7')と(8')の如くに、以下の波数マッチング(式(D44))を行った状況を実現できる。また、同様に、式(D44)に関し、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である(段落0232)。ステアリング時においても、波数マッチングを伴う変換処理においては、最初にx方向又はz方向に1次元変換処理を実施し、最後にy方向の1次元変換処理(x方向とz方向の波数マッピング後の処理であるため、式(D42)と式(D43)を使用)を実施でき、高速化できる。また、波数マッチングの内、式(D41)と式(D43)の分は、代わりに、それらの複素指数関数を用いて時空間信号にて乗算する周波数変調を実施しても良い(各々、kxとkz、kyの周波数変調)。上記は、この波数マッチングを補間近似せずに行うものであるが、式(D44)に従って、補間近似処理を行って高速に行うことはあり、その場合には、F(k',ky',kz')が3次元逆フーリエ変換される。この処理も、先行技術文献には開示されていない。

Figure 0007175489000048
As a result, the following wavenumber matching (formula (D44)) is performed as in formulas (7') and (8') for the three-dimensional Fourier transform R'(k x ,k,k z ) of the received signal. situation can be realized. Similarly, regarding equation (D44), physically and mathematically, wavenumber matching can be performed during the first Fourier transform, and wavenumber matching can be performed during the final inverse Fourier transform. (Paragraph 0232). Even during steering, in transform processing involving wave number matching, first one-dimensional transform processing is performed in the x direction or z direction, and finally one-dimensional transform processing in the y direction (after wave number mapping in the x and z directions). (D42) and (D43)) can be implemented and the speed can be increased. Also, among the wave number matching, the parts of the equations (D41) and (D43) may instead perform frequency modulation by multiplying by the spatio-temporal signal using their complex exponential functions (each, kx and kz, ky frequency modulation). In the above, this wave number matching is performed without interpolation approximation, but interpolation approximation processing may be performed according to the formula (D44) at high speed. In that case, F(k x ', ky ',k z ') is subjected to a three-dimensional inverse Fourier transform. This process is also not disclosed in the prior art documents.
Figure 0007175489000048

開口面合成は、開口面合成用に収集したエコー信号(本方法(2)のモノスタティックだけでなく、方法(3)のマルチスタティックにおいても)を用いて任意のビームフォーミングを生成できる(実のところ、それらのデータに方法(1)や(4)~(7)に記載の処理を施してもイメージ信号は生成できる)。方法(1)の平面波の処理においても、符号を用いることで、開口面合成処理を施すことができる。つまり、コーディングした平面波送波時の受信信号に対してデコーディングして開口面合成用の信号を得ることができる。
また、方法(1)において記載した通り、ダイナミックフォーカシングにおいて、ステアリングを行うことも可能である。方法(1)において、平面波の送信時に偏向角度α(零度である場合を含む)にて物理的にステアリングを行って、方法(1)の偏向角度θ(零度である場合を含む)のステアリングを施すと、ステアリング角度(α+θ)(最終的に生成されるステアリング角度はその平均)にて平面波をステアリングしたものと解釈できる。従って、方法(1)において、送信時に偏向角度α、又は、θ、又は、α+θにて平面波をステアリングし、受信時にステアリング角度φ(零度である場合を含む)にてダイナミックフォーカシングする場合には、本法(2)に記載の受信ステアリングを行えばよく、最終的に生成されるステアリング角度は送信偏向角度と受信偏向角度の平均である。尚、このソフト的な平面波のステアリング(偏向角度θ)は、方法(1)において記載した通り、物理的な送信ステアリング(偏向角度α)を補強したり、純粋に平面波送波のステアリングをソフト的に実現するものと考えることもできるし、受信ダイナミックフォーカシング(偏向角度φが零度である場合を含む)に加えてソフト的に平面波で受信ステアリングを行ったものと考えることもできる。
Aperture plane synthesis can generate arbitrary beamforming using echo signals collected for aperture plane synthesis (not only in monostatic method (2), but also in multistatic method (3)). By the way, the image signal can be generated by performing the processing described in methods (1) and (4) to (7) on those data). In the plane wave processing of method (1) as well, the aperture plane synthesis processing can be performed by using the code. In other words, a signal for aperture plane synthesis can be obtained by decoding the coded received signal at the time of plane wave transmission.
Steering can also be performed in dynamic focusing, as described in method (1). In method (1), physical steering is performed at the deflection angle α (including the case of zero degrees) when transmitting the plane wave, and the steering of the deflection angle θ (including the case of zero degrees) in method (1) is performed. can be interpreted as steering the plane wave at a steering angle (α+θ) (the final generated steering angle is the average). Therefore, in method (1), if a plane wave is steered at a deflection angle α, θ, or α+θ during transmission and dynamically focused at a steering angle φ (including zero degrees) during reception, The reception steering described in method (2) may be performed, and the finally generated steering angle is the average of the transmission deflection angle and the reception deflection angle. As described in method (1), this soft plane wave steering (deflection angle θ) reinforces the physical transmission steering (deflection angle α), or purely replaces the pure plane wave transmission steering in software. Alternatively, it can be considered that receiving dynamic focusing (including the case where the deflection angle φ is 0 degrees) and receiving steering using a plane wave are performed softly.

即ち、2次元の場合には、(9a)と(19a)、(9b)と(19b)、(9c)と(19c)を各々にて組み合わせた、(F41)、(F42)、(F43)を使用して同様に処理すれば良い。

Figure 0007175489000049
Figure 0007175489000050
Figure 0007175489000051
That is, in the two-dimensional case, (F41), (F42), and (F43) are combinations of (9a) and (19a), (9b) and (19b), and (9c) and (19c) respectively. can be used to do the same.
Figure 0007175489000049
Figure 0007175489000050
Figure 0007175489000051

また、3次元の場合、即ち、物理的に平面波を仰角αと方位角βの偏向角度(α,β)でステアリング送波したとき、又は、いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合において、ソフト的に、平面波を偏向角度(θ11)にてステアリングして偏向角度(θ22)にてステアリングダイナミックフォーカシングを行う場合(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)には、(C21)と(C41)、(C22)と(C42)、(C23)と(C43)を各々にて組み合わせた(G41)、(G42)、(G43)を使用して同様に処理すれば良く、最終的に送信偏向角度と受信偏向角度の平均の偏向角度を生成できる。

Figure 0007175489000052
Figure 0007175489000053
Figure 0007175489000054
In the case of three dimensions, that is, when a plane wave is physically steered at the deflection angles (α, β) of the elevation angle α and the azimuth angle β, or when at least one angle is zero degrees , when the plane wave is steered at the deflection angles (θ 1 , φ 1 ) and the steering dynamic focusing is performed at the deflection angles (θ 2 , φ 2 ) (at least one angle is zero degree (including cases) use (G41), (G42), and (G43), which are combinations of (C21) and (C41), (C22) and (C42), and (C23) and (C43) respectively. , and the average deflection angle of the transmission deflection angle and the reception deflection angle can be finally generated.
Figure 0007175489000052
Figure 0007175489000053
Figure 0007175489000054

ソフト的な送信と受信のビームフォーミングは入れ替えても処理は同じであり、入れ替えたビームフォーミングを行ったものと等価であることは方法(1)にて触れた通りである。つまり、これらの場合においても、ソフト的な送信と受信のビームフォーミングを逆に考えることができ、また、任意の物理的な送信ビームフォーミング(例えば、偏向平面波、偏向された固定フォーカシングビーム、開口面合成に基づくステアリングダイナミックフォーカシング、偏向していない波やビーム等、他に様々)において、ソフト的に、様々な組み合わせのビームフォーミングが可能である。物理的に生成した任意の波又はビーム(例えば、上記の例等)のステアリング角度(零度である場合を含む)に加えて、ソフト的に、送信又は受信における、平面波又はダイナミックフォーカシングのステアリング(ステアリング角度は零度であるを含む)を施すことが可能である。このソフト的な平面波のステアリングは、特に、物理的な送信ステアリングを補強したり、物理的に送信された任意の波動又はビームを純粋にステアリングさせるものと考えることもできるし、受信ダイナミックフォーカシング(偏向角度φが零度である場合を含む)に加えてソフト的に受信ステアリングを行ったものと考えることもできる。2次元アレイを用いた3次元ビームフォーミングにおいても同様である。その他にも、方法(1)に記載した通りである。 As mentioned in method (1), the processing is the same even if the software-based transmission and reception beamforming are exchanged, and is equivalent to the exchanged beamforming. In other words, even in these cases, soft transmit and receive beamforming can be considered inversely, and any physical transmit beamforming (e.g., polarized plane wave, polarized fixed focused beam, aperture plane In software, various combinations of beamforming are possible in synthesis-based steering dynamic focusing, unpolarized waves and beams, and many others). In addition to the steering angle (including zero degrees) of any physically generated wave or beam (such as the example above), soft steering of plane waves or dynamic focusing in transmission or reception (steering angle is zero degrees). This soft plane wave steering, among other things, can be thought of as augmenting physical transmit steering, purely steering any physically transmitted wave or beam, or receive dynamic focusing. In addition to the case where the angle φ is zero degrees, it can also be considered that reception steering is performed by software. The same applies to three-dimensional beamforming using a two-dimensional array. In addition, it is as having described in the method (1).

また、方法(1)と方法(2)と同様に、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である。ステアリングに依存して、波数マッチングを伴う変換処理においては、変換処理を方向に分けて1次元処理でき、高速化できる。また、波数マッチングの内、式(F41)と式(F43)、式(G41)と式(G43)の分は、代わりに、それらの複素指数関数を用いて時空間信号にて乗算する周波数変調を実施しても良い(各々、kxとkz、kyの周波数変調)。
2次元の場合の式(F41)、(F42)、(F43)と、3次元の場合の式(G41)、(G42)、(G43)とを用いたビームフォーミングにおける波数マッチングを補間近似を通じて行い、高速に結果を得ることもある。
2次元の場合には、受信信号の2次元フーリエ変換R'(k,k)に対し、式(7)と(8)と共に、式(18b)又は式(18c)の波数マッチングを補間近似を通じて行い(式(F44))、F(k',ky')が2次元逆フーリエ変換される。この近似処理も先行技術文献には開示されていない。

Figure 0007175489000055
また、3次元の場合には、受信信号の3次元フーリエ変換R'(k,k,kz)に対し、式(7')と(8')と共に、式(C44)又は式(D44)の波数マッチングを補間近似を通じて行い(式(G44))、F(k',ky',kz')が3次元逆フーリエ変換される。この処理も、先行技術文献には開示されていない。
Figure 0007175489000056
In addition, as in methods (1) and (2), physically and mathematically, wavenumber matching can be performed during the first Fourier transform, and wavenumber matching can be performed during the final inverse Fourier transform. is also possible. Depending on the steering, in transform processing involving wavenumber matching, the transform processing can be divided into directions and one-dimensional processing can be performed, thereby speeding up the processing. Also, among the wave number matching, the parts of the equations (F41) and (F43) and the equations (G41) and (G43) are instead frequency modulated by multiplying by the spatio-temporal signal using their complex exponential functions. (frequency modulation of kx, kz and ky, respectively).
Wavenumber matching in beamforming using equations (F41), (F42), and (F43) for two dimensions and equations (G41), (G42), and (G43) for three dimensions is performed through interpolation approximation. , you can get results quickly.
In the two-dimensional case, for the two-dimensional Fourier transform R′(k x ,k) of the received signal, interpolate the wave number matching of Eq. (18b) or Eq. (18c) along with Eqs. (Equation (F44)), and F(k x ', k y ') is two-dimensionally inverse Fourier transformed. This approximation process is also not disclosed in the prior art document.
Figure 0007175489000055
In the case of three dimensions, for the three-dimensional Fourier transform R'(k x ,k,k z ) of the received signal, the following equation (C44) or (D44) ) is performed through interpolation approximation (equation (G44)), and F(k x ', ky ', k z ') is subjected to a three-dimensional inverse Fourier transform. This process is also not disclosed in the prior art documents.
Figure 0007175489000056

また、コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUS等において、極座標(r,θ)において角度θ方向に広い波を半径r方向に送波又は受波(円筒波)する場合(図7)や、任意の開口形状の物理開口の後方に設置された仮想源を用いて図7と同一の極座標系(r,θ)の角度θ方向に広い波を半径r方向に送波(円筒波)する場合(図8A(a)~(c)を参照)や、その極座標系において開口面合成用に収集したエコー信号に対して、方法(1)と同様に、デカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えて処理をすれば良く、デカルト座標系(x,y)や極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することができる。また、上記の様な極座標系で表される物理開口素子アレイや任意の開口形状の物理開口を用いて任意距離位置において送信又は受信の平面波を生成し、同様にビームフォーミングすることもある(図8B(d)~(f)を参照)。その距離位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成したことと等価であり、その距離位置を零とすると、仮想的に、リニア型開口アレイを用いた場合に該当する。距離位置は、物理開口の後方以外に、前方にも設定でき、それらの位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成することもできる。仮想的なリニア型開口アレイは、仮想源ではなく、仮想受信器として使用されることもあるし、仮想源を兼ねることもある。他の送信ビームフォーミングを行った場合や、それらを球座標系において実施した場合においても同様である。一方、同じく、コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUS等を用いた場合や、任意の開口形状の物理開口の後方に設置された仮想源を用いた場合において、方法(5)に従って、直接にデカルト座標においてイメージ信号を生成することができる。また、上記の様な極座標系で表される物理開口素子アレイや任意の開口形状の物理開口を用いて任意距離位置において送信又は受信の平面波を生成し、同様にビームフォーミングすることもある(図8B(d)~(f)を参照)。その距離位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成したことと等価であり、その距離位置を零とすると、仮想的に、リニア型開口アレイを用いた場合に該当する。距離位置は、物理開口の後方以外に、前方にも設定でき、それらの位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成することもできる。仮想的なリニア型開口アレイは、仮想源ではなく、仮想受信器として使用されることもあるし、仮想源を兼ねることもある。これらの場合には、エコー信号のイメージング及び変位計測等を、一貫して、同一のデカルト座標系において実施できる。極座標系においても同様である。これらにおいて、方法(1)と同様に、任意の直交座標系において、又は、任意の直交座標系に変換して、同様に処理できる。これらにおいて、送信フォーカシングが行われることもある。また、仮想源や仮想受信器は、上記の通り、物理開口の後方に設置されるとは限らず、開口の前方に設置されることもあり、物理開口の形状に依らずに、任意に設置されうるものである(特許文献7、非特許文献8)。このように、本発明は、上記に限られるものではない。また、これらのビームフォーミングにおける波数マッチングにおいて、補間近似処理を行って、高速に近似解を求めることもある。 Also, in a convex transducer, sector scan, IVUS, etc., when transmitting or receiving a wide wave in the direction of the angle θ in the polar coordinate (r, θ) in the direction of the radius r (cylindrical wave) ( FIG. 7 ), When transmitting a wide wave (cylindrical wave) in the direction of the angle θ in the same polar coordinate system (r, θ) as in FIG. 7 using a virtual source installed behind a physical aperture of arbitrary shape (see FIGS. 8A(a)-(c)) and echo signals collected for aperture plane synthesis in the polar coordinate system, Cartesian coordinates (x, y) are converted to polar coordinates ( r, .theta.), and an image signal can be generated in the Cartesian coordinate system (x, y) or polar coordinates (r, .theta.). In addition, a physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or a physical aperture having an arbitrary aperture shape may be used to generate a plane wave for transmission or reception at an arbitrary distance position, and beam forming may be performed in the same way (Fig. 8B(d)-(f)). This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that distance position, and if the distance position is set to zero, it corresponds to the use of a virtual linear aperture array. Distance positions can also be set in front of the physical aperture in addition to behind it, and virtual linear aperture arrays (or plane waves) can also be generated at those positions. A virtual linear aperture array may be used as a virtual receiver instead of a virtual source, or may also serve as a virtual source. The same is true when other transmit beamforming is performed and when they are performed in a spherical coordinate system. On the other hand, similarly, when using a convex transducer, sector scan, IVUS, etc., or when using a virtual source installed behind a physical aperture with an arbitrary aperture shape, directly according to method (5) An image signal can be generated in Cartesian coordinates. In addition, a physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or a physical aperture having an arbitrary aperture shape may be used to generate a plane wave for transmission or reception at an arbitrary distance position, and beam forming may be performed in the same way (Fig. 8B(d)-(f)). This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that distance position, and if the distance position is set to zero, it corresponds to the use of a virtual linear aperture array. Distance positions can also be set in front of the physical aperture in addition to behind it, and virtual linear aperture arrays (or plane waves) can also be generated at those positions. A virtual linear aperture array may be used as a virtual receiver instead of a virtual source, or may also serve as a virtual source. In these cases, echo signal imaging, displacement measurement, etc. can be performed consistently in the same Cartesian coordinate system. The same applies to the polar coordinate system. In these, similarly to the method (1), it can be similarly processed in an arbitrary orthogonal coordinate system or converted into an arbitrary orthogonal coordinate system. In these, transmission focusing may be performed. In addition, as described above, the virtual source and the virtual receiver are not necessarily installed behind the physical opening, but may be installed in front of the opening. (Patent Document 7, Non-Patent Document 8). Thus, the present invention is not limited to the above. Also, in the wavenumber matching in these beamformings, an interpolation approximation process is sometimes performed to obtain an approximate solution at high speed.

また、受信信号に対し、送信又は受信、又は、両方のアポダーゼーション処理は、線形処理であるがゆえに様々なタイミングで実施できる(受信時にハード的に、又は、受信後にソフト的に)。送信時に物理的にアポダイゼーションされることがあることは上記の通りである。尚、式(7)や式(7')を用いて波数マッチングを補間近似を通じて行う場合において高精度化する場合には、計算量が増えることを代償に、適切なオーバーサンプリングの下で処理する必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。これらの処理は、方法(1)と同様に行え、他の方法(3)~(7)においても同様にして行われる。 In addition, the apodization process for transmission or reception or both of the received signals can be performed at various timings (by hardware during reception or by software after reception) because of linear processing. As described above, physical apodization may occur during transmission. It should be noted that in the case of performing wave number matching through interpolation approximation using Equation (7) or Equation (7′), in order to increase the accuracy, processing is performed under appropriate oversampling at the expense of an increase in the amount of calculation. There is a need. In that case, it should be noted that the number of data for Fourier transform increases unlike the case where signals at arbitrary positions can be selectively generated when interpolation approximation processing is not performed. These processes are performed in the same manner as in method (1), and are performed in the same manner in other methods (3) to (7).

方法(3):マルチスタティック型開口面合成
図11は、マルチスタティック型開口面合成の模式図である。マルチスタティック型開口面合成は、アレイの1素子から超音波を放射し、エコーをその素子周辺の複数の素子で受信する方法である。1回の放射ごとに低分解能イメージ信号が得られ、複数に得られる低分解能イメージ信号を重ね合わせることにより高分解能のイメージ信号を生成する。この低分解能エコー信号を生成するべく、本発明を用いることもある。
Method (3): Multistatic Aperture Synthesis FIG. 11 is a schematic diagram of multistatic aperture synthesis. Multi-static aperture plane synthesis is a method in which ultrasonic waves are emitted from one element of an array and echoes are received by a plurality of elements around that element. A low-resolution image signal is obtained for each irradiation, and a high-resolution image signal is generated by superimposing a plurality of obtained low-resolution image signals. The present invention may be used to generate this low resolution echo signal.

上記の通り、通常は、各素子の放射毎に受信したエコー信号から低分解能エコー信号を生成し、それらを重ね合わせるのが従来の方法である。これに対し、本発明では、送受信位置の関係が同一の信号から成る信号群を1つのセットとして、1セット毎にデジタルのモノスタティック型開口面合成を施し、本方法(3)により複数に得られるそれらの低分解能イメージ信号を重ね合わせて処理を終える。実際には、線形処理である重ね合わせは横方向の逆フーリエ変換処理の前の周波数領域において実施でき、その方が高速であり、また、その重ね合わせを行うための横方向の位置合わせも、重ね合わせする際に、横方向のシフティング処理を行うための複素指数関数を掛けて横方向に位相を回転させることにより高速に行い、補間近似することなく、イメージ信号を生成できる。逆フーリエ変換は、高速逆フーリエ変換を1度実施すればよい。また、各々の低分解能エコー信号を生成するべく、横方向の逆フーリエ変換を施す際に、同時に横方向のシフティング処理を行うための複素指数関数を掛けて横方向に位相を回転させ、空間領域で重ね合わせることもできる。その場合には、専用の高速逆フーリエ変換を実施してもよい。 As mentioned above, the conventional method is usually to generate low-resolution echo signals from the echo signals received for each emission of each element and superimpose them. On the other hand, in the present invention, a signal group consisting of signals having the same relationship of transmission and reception positions is treated as one set, digital monostatic aperture plane synthesis is performed for each set, and a plurality of signals are obtained by the present method (3). Finish the process by superimposing those low-resolution image signals. In practice, the superposition, which is a linear process, can be performed in the frequency domain before the horizontal inverse Fourier transform, which is faster, and the lateral alignment for the superposition is also When superimposing, by multiplying the complex exponential function for horizontal shifting processing and rotating the phase in the horizontal direction, the image signal can be generated at high speed without interpolation approximation. For the inverse Fourier transform, fast inverse Fourier transform should be performed once. Further, in order to generate each low-resolution echo signal, when applying the horizontal inverse Fourier transform, at the same time, a complex exponential function for performing horizontal shifting processing is applied to rotate the phase in the horizontal direction, and the spatial It is also possible to superimpose in regions. In that case, a dedicated inverse fast Fourier transform may be implemented.

但し、重要なことは、モノスタティック型開口面合成処理のプログラムを応用するに当たり、s=2の時、y=0の受信位置とy=0の送信位置のx方向の距離をΔxとすると、関心点の距離y(座標y)に対し、Δxだけ離れた位置で受信するまでの伝播経路の換算距離y'を計算して使用することであり、偏向角度が零度の時は、式(20a)によって表される換算距離を計算することである。また、s=1の時、y座標y=0の受信位置と非零y座標y=Yの送信位置のx方向の距離をΔxとすると、関心点の距離y(座標y)に対し、偏向角度が零度の時は、式(20b)によって表される換算距離を計算することである(送信位置と受信位置のy座標は逆に考えても良い)。

Figure 0007175489000057
Figure 0007175489000058
However, what is important is that when s=2 and the distance in the x direction between the reception position at y=0 and the transmission position at y=0 is .DELTA.x when applying a program for monostatic aperture plane synthesis processing, For the distance y (coordinate y) of the point of interest, it is to calculate and use the converted distance y' of the propagation path to receive the signal at a position separated by Δx. ) is to calculate the reduced distance represented by When s=1, let Δx be the distance in the x direction between the receiving position at y coordinate y=0 and the transmitting position at non-zero y coordinate y=Y. When the angle is 0 degrees, it is to calculate the converted distance represented by equation (20b) (the y-coordinates of the transmitting position and the receiving position may be reversed).
Figure 0007175489000057
Figure 0007175489000058

偏向角度がθ(零度を含む)の場合には、少なくとも受信のダイナミックフォーカシング(s=2のときは、送信のダイナミックフォーカシングも実現できる)が施されたビームを生成するマルチスタティックな開口面合成を行うビームフォーミング方法として、送信有効開口素子アレイ内の複数の送信開口素子の1つずつから波動を送信し、計測対象物から到来する波動を、異なる位置における複数の受信開口素子の少なくとも1つによって受信して受信信号を生成し(1つである場合も、本願発明の装置では処理可能である)、その送信開口素子は、波動が、計測対象物における少なくとも反射若しくは後方散乱によって生成されたもの(s=2)、又は、計測対象物における少なくとも透過、前方散乱、若しくは、屈折により生成されたもの(s=1)となる様に、受信信号を生成する受信開口素子のx座標に寄らずに任意のx座標を有し、さらに、零のy座標を有する、受信有効開口素子アレイ内のいずれかの受信開口素子を兼ねるか、又は、いずれの受信開口素子とも異なる複数の送信開口素子の1つずつ、又は、非零の一定のy座標を有する、受信有効開口素子アレイと対向する位置にある送信有効開口素子アレイ内の複数の送信開口素子の1つずつのことである(s=1のとき、送信位置と受信位置のy座標は逆に考えても良い)。 When the deflection angle is θ (including zero degrees), multi-static aperture synthesis is performed to generate a beam subjected to at least reception dynamic focusing (when s=2, transmission dynamic focusing can also be achieved). As a beamforming method, waves are transmitted from each of a plurality of transmission aperture elements in a transmission effective aperture element array, and waves arriving from a measurement object are formed by at least one of a plurality of reception aperture elements at different positions. Receive and generate a received signal (even if there is one, it can be processed by the apparatus of the present invention), the transmitting aperture element is such that the wave motion is generated by at least reflection or backscattering in the object to be measured. (s=2), or at least those produced by transmission, forward scattering, or refraction in the measurement object (s=1), regardless of the x-coordinate of the receive aperture element that produces the receive signal. , and a y coordinate of zero, which doubles as any receive aperture element in the receive effective aperture element array or is different from any receive aperture element. One by one, or one by one of a plurality of transmit aperture elements in the transmit effective aperture element array opposite to the receive effective aperture element array having a non-zero constant y-coordinate (s= When 1, the y-coordinates of the transmission position and the reception position may be reversed).

即ち、ステアリングを行う場合には、上記の送信素子と受信素子との位置が同一の組み合わせより生成されるモノスタティック型開口面合成用データ群の各々に、方法(2)に記載のステアリング処理を施し、同様に処理すれば良い。送信と受信のステアリング角度が異なる場合も同様である。但し、偏向角度が非零度の時も、モノスタティック型開口面合成処理のプログラムを応用するに当たり、上記の偏向角度が零度の時と同様に、関心点の距離y(座標y)に対し、s=2の時は式(20a)、s=1の時は式(20b)によって表される換算距離を用いる。従って、方法(1)や(2)と同様に、偏向可能なプログラムにおいて、偏向角度を零度又は非零度に設定して、処理すれば良い。
また、送信には、方法(1)の平面波を送波した場合も処理できるし、その他、固定フォーカシング等の任意の送信ビームフォーミングを行った場合も処理できる。
That is, when steering is performed, the steering process described in method (2) is performed on each of the data groups for monostatic aperture plane synthesis generated by combining the transmitting elements and receiving elements at the same positions. and treat in the same way. The same is true if the steering angles for transmission and reception are different. However, even when the deflection angle is non-zero degrees, when applying the program for monostatic aperture plane synthesis processing, s =2 uses the conversion distance expressed by the formula (20a), and when s=1, the conversion distance expressed by the formula (20b) is used. Therefore, in the same way as methods (1) and (2), the deflection angle may be set to zero degrees or non-zero degrees in a deflectable program for processing.
For transmission, processing can be performed when plane waves are transmitted according to method (1), and processing can also be performed when arbitrary transmission beamforming such as fixed focusing is performed.

また、別の方法として、送信位置と受信位置との間の横方向座標における距離Δxが等しい受信信号を並べて得られる受信信号群の各々に対して、送信と受信の開口素子のy座標が零(s=2)のときに、偏角θと送信と受信の開口の位置を含む関心点のy座標と距離Δxとを用いて表される送信開口素子と関心点と受信開口素子との間を結ぶ直線距離の半分の距離(式(20c))、又は、送信開口素子のy座標が非零(s=1、送信位置と受信位置のy座標は逆に考えても良い)のときに、偏角θと関心点のy座標と送信開口素子のy=Y座標と距離Δxとを用いて表される送信開口素子と関心点と受信開口素子との間の距離(式(20d))を用いて、上記のモノスタティック開口面合成において偏向角度を設定して得られるイメージ信号の各々を周波数領域において横方向の位置に関して補正し、それらを重ね合わせて補間近似処理を行うことなくイメージ信号を生成することができる。深さ方向の空間分解能は低下するが、大きなステアリング角度を生成できる。

Figure 0007175489000059
Figure 0007175489000060
As another method, the y-coordinates of the transmission and reception aperture elements are set to zero for each of a received signal group obtained by arranging received signals having the same distance Δx in the horizontal coordinate between the transmission position and the reception position. between the transmit aperture element, the point of interest, and the receive aperture element, expressed using the y-coordinate of the point of interest, including the deflection angle θ and the positions of the transmit and receive apertures, and the distance Δx, when (s=2) (20c)), or when the y-coordinate of the transmission aperture element is non-zero (s = 1, the y-coordinates of the transmission position and the reception position may be reversed) , the distance between the transmitting aperture element, the point of interest, and the receiving aperture element expressed using the argument θ, the y coordinate of the point of interest, the y=Y coordinate of the transmitting aperture element, and the distance Δx (equation (20d)) is used to correct each of the image signals obtained by setting the deflection angle in the above monostatic aperture plane synthesis with respect to the horizontal position in the frequency domain, and superimpose them to obtain an image signal without interpolation approximation processing. can be generated. Large steering angles can be generated at the expense of spatial resolution in the depth direction.
Figure 0007175489000059
Figure 0007175489000060

また、2次元開口素子アレイを用いて3次元の波動デジタル信号処理を行う場合には、例えば、平坦な受信開口素子アレイの開口の向きによって定まる軸方向y及びこれに直交する横方向x及びzの座標を用いるデカルト直交座標系において、同様に処理することができ、生成されるビーム方向と軸方向とが成す零度又は非零度の偏向角度が仰角θ及び方位角φを用いて表される場合において、送信有効開口素子アレイ内の複数の送信開口素子の1つずつから波動を送信し、計測対象物から到来する波動を、異なる位置における複数の受信開口素子の少なくとも1つによって受信して受信信号を生成し、その送信開口素子は、波動が、計測対象物における少なくとも反射若しくは後方散乱によって生成されたもの(s=2)、又は、計測対象物における少なくとも透過、前方散乱、若しくは、屈折により生成されたもの(s=1)となる様に、受信信号を生成する受信開口素子のx座標及びz座標に寄らずに任意のx座標及びz座標を有し、さらに、零のy座標を有する、受信有効開口素子アレイ内のいずれかの受信開口素子を兼ねるか、又は、いずれの受信開口素子とも異なる複数の送信開口素子の1つずつ、又は、非零の一定のy座標を有する、受信有効開口素子アレイと対向する位置にある送信有効開口素子アレイ内の複数の送信開口素子の1つずつのことである(s=1のとき、送信位置と受信位置のy座標は逆に考えても良い)。偏向角度が零度(ステアリング無し)の時も、非零度(ステアリング有り)の時も、上記の1次元開口素子アレイを用いた2次元の波動デジタル信号処理と同様に、送信素子と受信素子との位置が同一の組み合わせより生成されるモノスタティック型開口面合成用データ群の各々に、方法(2)に記載のステアリング有り又は無しの処理を施し、同様に処理すれば良い。送信と受信のステアリング角度が異なる場合も同様である。但し、重要なことは、偏向角度が零度(ステアリング無し)の時も非零度(ステアリング有り)の時も、モノスタティック型開口面合成処理のプログラムを応用するに当たり、s=2の時は、y=0の受信位置とy=0の送信位置のx方向(横方向)の距離をΔx、z方向(エレベーション方向)の距離をΔzとすると、2方向にΔxとΔzだけ離れた位置で受信するまでの伝播経路の換算距離y'を計算して使用することであり、式(20e)によって表される換算距離を計算することである。また、s=1の時は、y座標y=0の受信位置と非零y座標y=Yの送信位置のx方向の距離をΔx、z方向の距離をΔzとすると、式(20f)によって表される換算距離を計算することである(送信位置と受信位置のy座標は逆に考えても良い)。

Figure 0007175489000061
Figure 0007175489000062
Further, when performing three-dimensional wave digital signal processing using a two-dimensional aperture element array, for example, the axial direction y determined by the orientation of the aperture of the flat receiving aperture element array and the lateral directions x and z can be similarly treated in a Cartesian Cartesian coordinate system using the coordinates of , where the zero or non-zero deflection angle between the generated beam direction and the axial direction is expressed in terms of elevation angle θ and azimuth angle φ in which waves are transmitted from each of the plurality of transmission aperture elements in the transmission effective aperture element array, and waves coming from the measurement object are received by at least one of the plurality of reception aperture elements at different positions. The transmit aperture element produces a signal, the wave generated by at least reflection or backscattering in the measurement object (s=2), or by at least transmission, forward scattering, or refraction in the measurement object. has any x- and z-coordinates independent of the x- and z-coordinates of the receive aperture element generating the received signal, and a y-coordinate of zero, such that s=1. each one of a plurality of transmit aperture elements that doubles as any receive aperture element in the receive effective aperture element array or is different from any receive aperture element, or has a non-zero constant y-coordinate; Each of a plurality of transmission aperture elements in the transmission effective aperture element array located opposite to the reception effective aperture element array (when s=1, the y-coordinates of the transmission position and the reception position are reversed). may be used). When the deflection angle is zero degrees (no steering) or non-zero degrees (with steering), similar to the two-dimensional wave digital signal processing using the above one-dimensional aperture element array, the transmission element and the reception element Each data group for monostatic aperture plane synthesis generated from a combination of the same positions may be subjected to the processing with or without steering described in method (2), and the same processing may be performed. The same is true if the steering angles for transmission and reception are different. However, what is important is that when s = 2, y If Δx is the distance in the x direction (horizontal direction) and Δz is the distance in the z direction (elevation direction) between the reception position of =0 and the transmission position of y = 0, the reception is at positions separated by Δx and Δz in two directions. is to calculate and use the reduced distance y' of the propagation path to , and to calculate the reduced distance represented by equation (20e). When s=1, the distance in the x direction between the receiving position at y coordinate y=0 and the transmitting position at non-zero y coordinate y=Y is Δx, and the distance in the z direction is Δz. Calculating the scaled distance represented (the y-coordinates of the transmitting and receiving positions may be reversed).
Figure 0007175489000061
Figure 0007175489000062

また、送信には、方法(1)の平面波を送波した場合も処理できるし、その他、固定フォーカシング等の任意の送信ビームフォーミングを行った場合も処理できる。 For transmission, processing can be performed when plane waves are transmitted according to method (1), and processing can also be performed when arbitrary transmission beamforming such as fixed focusing is performed.

また、別の方法として、送信位置と受信位置との間の横方向のx座標及びz座標における距離Δx及びΔzが等しい受信信号を並べて得られる受信信号群の各々に対して、送信と受信の開口素子のy座標が零(s=2)のときに、仰角θ及び方位角φと送信と受信の開口位置を含む関心点のy座標と距離Δx及びΔzとを用いて表される送信開口素子と関心点と受信開口素子との間を結ぶ直線距離の半分の距離、又は、送信開口素子のy座標が非零(s=1、送信位置と受信位置のy座標は逆に考えても良い)のときに、仰角θ及び方位角φと関心点のy座標と送信開口素子のy座標と距離Δx及びΔzとを用いて表される送信開口素子と関心点と受信開口素子との間の距離を用いて、上記のモノスタティック型開口面合成において偏向角度を設定して得られるイメージ信号の各々を周波数領域において横方向の位置に関して補正し、それらを重ね合わせて補間近似処理を行うことなくイメージ信号を生成できる。深さ方向の空間分解能は低下するが、大きなステアリング角度を生成できる。 As another method, for each of a received signal group obtained by arranging received signals having equal distances Δx and Δz in the horizontal x-coordinate and z-coordinate between the transmission position and the reception position, Transmit aperture expressed using the y-coordinate of the point of interest, including the elevation angle θ and azimuth angle φ, transmit and receive aperture positions, and the distances Δx and Δz when the y-coordinate of the aperture element is zero (s=2) Half the linear distance between the element, the point of interest, and the receiving aperture element, or the y-coordinate of the transmitting aperture element is non-zero (s=1, the y-coordinates of the transmitting and receiving positions are and azimuth angle φ, the y coordinates of the point of interest and the y coordinates of the transmit aperture element, and the distances Δx and Δz between the transmit aperture element, the point of interest, and the receive aperture element when each of the image signals obtained by setting the deflection angle in the above-mentioned monostatic aperture plane synthesis is corrected with respect to the horizontal position in the frequency domain using the distance of image signal can be generated without Large steering angles can be generated at the expense of spatial resolution in the depth direction.

また、未知の波動源又はそれが生成する波動の伝搬を表すイメージ信号を生成するべく(いわゆる、パッシブモード)、推定される未知波動源のy座標を送信開口素子のy座標に設定して、ビームフォーミングを行うと良い。試行錯誤的にy座標を変えながら、観測してみることも有効である。例えば、結像されるとか、空間分解能が高くなるとか、信号強度が強くなる、コントラストが増加するとか等の効果が得られるとよく、これらを判定基準として、一連の処理を自動的に行うことも可能である。 Also, in order to generate an image signal representing the propagation of the unknown wave source or the wave generated by it (so-called passive mode), the y-coordinate of the estimated unknown wave source is set to the y-coordinate of the transmitting aperture element, Beamforming is good. It is also effective to observe while changing the y-coordinate by trial and error. For example, it is preferable to obtain effects such as imaging, higher spatial resolution, stronger signal intensity, and higher contrast. Using these as criteria, a series of processes can be automatically performed. is also possible.

後述の通り、波動源位置又は送信開口素子に関する情報として、受信開口素子に対する位置、存在する位置の方向若しくは距離、開口の方向、又は、生成される波動の伝搬方向が与えられることがある。また、任意の波動源によって波動が生成された時刻が与えられることもある。他装置によって観測されることもあるし、波動源から、その受信信号そのものか、それよりも高速に伝搬する波動が発せられて伝えられること等がある。 As will be explained later, the information about the wave source position or transmit aperture element may be given the position relative to the receive aperture element, the direction or distance of the position to be located, the direction of the aperture, or the direction of propagation of the generated wave. Also, the time at which the wave was generated by any wave source may be given. It may be observed by other devices, or it may be transmitted from the source of the received signal itself or from a wave propagating at a higher speed.

受信信号に対して、多次元スペクトルの重心(中心)周波数又は瞬時周波数を求め、こりより、波動源の存在する方向又は波動の伝搬方向を求め、送信又は受信の偏向角度を調整して、ビームフォーミングが行われることもある。また、ビームフォーミングされたイメージ信号に対して、多次元スペクトルの重心(中心)周波数又は瞬時周波数を求め、これより、波動源の存在する方向又は波動の伝搬方向を求め、送信又は受信の偏向角度を調整して、ビームフォーミングが行われることがある。これらの処理を複数の受信開口又は受信有効開口において実施し、幾何学的に波動源の存在する位置又は方向を求めることもできる。これらの処理は有用であり、他のビームフォーミングに応用されることもある。 For the received signal, find the centroid (central) frequency or instantaneous frequency of the multidimensional spectrum, find the direction in which the wave source exists or the propagation direction of the wave, adjust the deflection angle of transmission or reception, and obtain the beam Forming may also be performed. In addition, for the beamformed image signal, the centroid (central) frequency or instantaneous frequency of the multidimensional spectrum is obtained, and from this, the direction in which the wave source exists or the wave propagation direction is obtained, and the deflection angle of transmission or reception is adjusted to perform beamforming. These processes can be performed at a plurality of reception apertures or effective reception apertures to geometrically determine the position or direction of the wave source. These processes are useful and may have other beamforming applications.

方法(2)のモノスタティック型開口面合成において説明した通り、本方法(3)のマルチスタティック型開口面合成においても、開口面合成用に収集したエコー信号を用いて任意のビームフォーミングを生成できる(実のところ、それらのデータに方法(1)や(4)~(7)に記載の処理を施してもイメージ信号は生成できる)。モノスタティック型に比べてデータ量が豊富であることが有効であることがあるが、計算量は増大する。方法(1)の平面波の処理においても、符号を用いることで、開口面合成処理を施すことができる。また、コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUS等において、極座標(r,θ)において角度θ方向に広い波を半径r方向に送波又は受波(円筒波)する場合(図7)や、任意の開口形状の物理開口の後方に設置された仮想源を用いて図7と同一の極座標系(r,θ)の角度θ方向に広い波を半径r方向に送波(円筒波)する場合(図8A(a)~(c)を参照)や、その極座標系において開口面合成用に収集したエコー信号に対して、方法(1)と同様に、デカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えて処理をすれば良く、デカルト座標系(x,y)や極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することができる。他の送信ビームフォーミングを行った場合や、それらを球座標系において実施した場合においても同様である。一方、同じく、コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUS等において、方法(5)に従って、直接にデカルト座標においてイメージ信号を生成することができる。その場合には、エコー信号のイメージング及び変位計測等を、一貫して、同一のデカルト座標系において実施できる。これらにおいて、方法(1)と同様に、任意の直交座標系において、又は、任意の直交座標系に変換して、同様に処理できる。その他、方法(1)の段落0211~0222等と、方法(2)の段落0240等に記載のビームフォーミングを同様にして行うことができ、例えば、仮想源や仮想受信機等を、物理開口の形状に依らずに、任意に設置できる(特許文献7、非特許文献8)。また、本発明は、その限りでは無い(以下、同様)。 As explained in method (2) for monostatic aperture plane synthesis, in multistatic aperture plane synthesis for method (3) as well, arbitrary beamforming can be generated using echo signals collected for aperture plane synthesis. (Actually, image signals can also be generated by performing the processing described in methods (1) and (4) to (7) on those data). It may be effective to have a large amount of data compared to the monostatic type, but the amount of calculation increases. In the plane wave processing of the method (1) as well, the aperture plane synthesis processing can be performed by using the code. Also, in a convex transducer, sector scan, IVUS, etc., when transmitting or receiving a wide wave in the direction of the angle θ in the polar coordinate (r, θ) in the direction of the radius r (cylindrical wave) ( FIG. 7 ), When transmitting a wide wave (cylindrical wave) in the direction of the angle θ in the same polar coordinate system (r, θ) as in FIG. 7 using a virtual source installed behind a physical aperture of arbitrary shape (see FIGS. 8A(a)-(c)) and echo signals collected for aperture plane synthesis in the polar coordinate system, Cartesian coordinates (x, y) are converted to polar coordinates ( r, .theta.), and an image signal can be generated in the Cartesian coordinate system (x, y) or polar coordinates (r, .theta.). The same is true when other transmit beamforming is performed and when they are performed in a spherical coordinate system. On the other hand, it is also possible to generate image signals in Cartesian coordinates directly according to method (5), such as in convex transducers, sector scans, or IVUS. In that case, echo signal imaging, displacement measurement, etc. can be performed consistently in the same Cartesian coordinate system. In these, similarly to the method (1), it can be similarly processed in an arbitrary orthogonal coordinate system or converted into an arbitrary orthogonal coordinate system. In addition, the beamforming described in paragraphs 0211 to 0222 of method (1) and paragraph 0240 of method (2) can be performed in the same manner. It can be installed arbitrarily regardless of the shape (Patent Document 7, Non-Patent Document 8). Moreover, the present invention is not limited to this (the same shall apply hereinafter).

また、上記の如く、深さ方向の空間分解能は低下するが、大きなステアリング角度を生成するべく、別の方法として偏向することが可能であるが、その場合にも、送信ビームフォーミングと受信ビームフォーミングのステアリング角度が異なる場合を同様に処理できる。送信開口素子と受信開口素子との横方向の距離、送信ステアリング角度と受信ステアリング角度、及び、透過型の場合には送信開口素子と受信素子との距離も用いて換算距離を計算すればよい。 Also, as noted above, it is possible to alternately deflect to produce large steering angles at the expense of spatial resolution in the depth direction. different steering angles can be handled in the same way. The converted distance may be calculated using the lateral distance between the transmission aperture element and the reception aperture element, the transmission steering angle and the reception steering angle, and the distance between the transmission aperture element and the reception element in the case of a transmissive type.

方法(3)におけるいずれのステアリングも、基本的には、ソフト的に実施するものである。また、送信時にアポダーゼーションを実施することもあるし、実施しないこともある。また、受信アポダーゼーション処理も線形処理であるがゆえに様々なタイミングで実施できるが(ハード的に、又は、ソフト的に)、ソフト的に実施する場合には、例えば、生成する低分解能エコー信号の数を決める有効開口幅等に依存する計算量を加味して適切なタイミングで容易に実施可能である。例えば、低分解能エコー信号の生成を開始するための各セットを重み付けするか、又は、生成された低分解能信号に周波数領域又は空間領域においてアポダーゼーションできる。 Any steering in method (3) is essentially a software implementation. Also, apodization may or may not be performed at the time of transmission. In addition, since the reception apodization process is also a linear process, it can be performed at various timings (in terms of hardware or software). This can be easily performed at an appropriate timing in consideration of the amount of calculation that depends on the effective aperture width and the like that determine the number of . For example, each set can be weighted to initiate the generation of low-resolution echo signals, or the low-resolution signals generated can be apodized in the frequency or spatial domain.

また、方法(2)のモノスタティック開口面合成を応用するに当たり、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である。また、波数マッチングを上記の補間近似を通じて高速に行うことがある。補間近似には、線形補間近似や最も近傍のデータそのもので近似することが行われることもあるし、高次の補間近似が行われることもあるし、sinc関数が用いられることもある。その補間近似を通じた波数マッチングを高精度化する場合には、計算量が増えることを代償に、適切なオーバーサンプリングの下で処理する必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。
また、段落0243、0247、0250に記載されている、重ね合わせを行うための横方向の位置合わせにおいて、横方向のシフティング処理を行うための複素指数関数を掛けて横方向に位相を回転させる代わりに、より高速な処理を実現するべく、補間近似を通じて空間的なシフティング処理が行われることもある。補間近似には、線形補間近似や最も近傍のデータそのもので近似することが行われることもあるし、高次の補間近似が行われることもあるし、sinc関数が用いられることもある。この場合においても、その補間近似の精度を向上させる場合には、計算量が増えることを代償として、適切なオーバーサンプリングの下で処理する必要がある。
In addition, in applying the monostatic aperture plane synthesis of method (2), it is possible physically and mathematically to perform wavenumber matching during the first Fourier transform, and to perform wavenumber matching during the final inverse Fourier transform. It is also possible to Also, wavenumber matching may be performed at high speed through the interpolation approximation described above. Interpolation approximation may be linear interpolation approximation or approximation using the nearest data itself, high-order interpolation approximation may be performed, or a sinc function may be used. To improve the accuracy of wavenumber matching through interpolation approximation, it is necessary to perform processing under appropriate oversampling at the expense of an increase in the amount of calculation. In that case, it should be noted that the number of data for Fourier transform increases, unlike the case where signals at arbitrary positions can be selectively generated when interpolation approximation processing is not performed.
In addition, in the horizontal alignment for superimposition described in paragraphs 0243, 0247, and 0250, the phase is rotated in the horizontal direction by multiplying by a complex exponential function for performing horizontal shifting processing. Alternatively, spatial shifting operations may be performed through interpolation approximations to achieve faster processing. Interpolation approximation may be linear interpolation approximation or approximation using the nearest data itself, high-order interpolation approximation may be performed, or a sinc function may be used. Even in this case, in order to improve the accuracy of the interpolation approximation, it is necessary to perform processing under appropriate oversampling at the expense of an increase in the amount of calculation.

方法(4):固定フォーカシング
図12は、リニア型アレイを用いた固定フォーカシングの模式図である。固定フォーカシングとは、1点をフォーカス点とし、フォーカス点に同時に超音波が到達する様に、各素子に遅延を与える方法である。アレイ型トランスデューサの物理開口の一部又は全てを有効開口として受信して、計測対象が走査される。無論、ステアリングを行うこともある。送信と受信のステアリング角度が異なることもある。
Method (4): Fixed Focusing FIG. 12 is a schematic diagram of fixed focusing using a linear array. Fixed focusing is a method in which one point is set as a focus point and a delay is given to each element so that ultrasonic waves reach the focus point at the same time. A measurement target is scanned by receiving part or all of the physical aperture of the array type transducer as an effective aperture. Of course, steering may also be performed. The transmit and receive steering angles may be different.

固定フォーカシングは、イメージ信号の生成を、方法(1):平面波送信時のビームフォーミング、又は、方法(3):マルチスタティック型開口面合成、又は、方法(1)の平面波送信のビームフォーミングと方法(2)又は方法(3)の受信ダイナミックフォーカシングを組み合わせた方法により行う。その場合に、以下の3通りの方法がある。
(i)有効開口幅において得られた各受信信号を重ね合わせに対して、1回のイメージ信号生成処理を施す。
(ii)1回の送信毎の受信信号を用いていわゆる通常の低分解能イメージ信号を生成して、それらを重ね合わせる。
(iii)マルチスタティック型開口面合成と同様に、送受信の位置関係が同じものをセットにしてイメージ信号を生成して、それらを重ね合わせる。
Fixed focusing is the generation of an image signal, method (1): beamforming during plane wave transmission, or method (3): multi-static aperture synthesis, or beamforming and method for plane wave transmission of method (1). (2) or a method combining the receiving dynamic focusing of method (3). In that case, there are the following three methods.
(i) One image signal generating process is performed on each superimposed received signal obtained in the effective aperture width.
(ii) Generate a so-called normal low-resolution image signal using the received signal for each transmission and superimpose them.
(iii) Similar to multi-static aperture plane synthesis, a set of signals having the same positional relationship for transmission and reception is used to generate image signals, which are superimposed.

コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUSにおいて極座標の半径r方向に送信及び受信を行う場合や、任意の開口形状において後方に設置する仮想源を用いてビームフォーミングを行う場合には、デカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えて処理をすれば良く、極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することができる。そのイメージの生成後に補間近似を必要とすることがあることは上記の通りである。球座標系を使用する送信と受信においても同様である。送信フォーカスする場合に近似処理を交えて行う処理の報告(非特許文献6)があり、同様に、極座標(r,θ)において結果が得られる。本願の発明者は、それらの極座標系や球座標系、また、任意の直交曲線座標系における送信又は受信のビームフォーミングの結果として、デカルト座標系において直接的にイメージ信号を生成する方法(5)、(5-1)、(5-1')、及び、(5-2)も発明した。その場合には、透過信号や反射信号、散乱信号、減衰信号等のイメージング及び変位計測等を、一貫して、同一のデカルト座標系において実施できる。これらにおいて、方法(1)と同様に、任意の直交座標系において、又は、任意の直交座標系に変換して、同様に処理できる。その他、方法(1)の段落0211~0222等と、方法(2)の段落0240等に記載のビームフォーミングを同様にして行うことができ、例えば、仮想源や仮想受信機等を、物理開口の形状に依らずに、任意に設置できる(特許文献7、非特許文献8)。また、本発明は、その限りでは無い(以下、同様)。また、上記の如く、偏向することが可能であるが、物理的な送信ビームフォーミングとソフト的な受信ビームフォーミングの偏向角度が異なる場合も処理できる。ソフト的に送信ステアリングを施すこともできる。その場合に、偏向角度が他の偏向角度と異なる場合もある。受信時に物理的にビームフォーミングすることもできる。送信と受信を逆に解釈することもできる。送信時にアポダイゼーションされることもあるし、受信信号に対し、受信アポダーゼーション処理を行うこともある(受信時にハード的に、又は、受信後にソフト的に)。アポダイゼーションをソフト的に実施する場合には、方法(1)又は方法(3)に従って行う。平面波送信のビームフォーミングと方法(2)又は方法(3)の受信ダイナミックフォーカシングを組み合わせた方法を用いた場合も、同様にアポダイゼーションが行われる。 Cartesian coordinates ( x, y) can be converted to polar coordinates (r, θ) for processing, and an image signal can be generated at the polar coordinates (r, θ). As noted above, an interpolation approximation may be required after the image is generated. The same is true for transmission and reception using a spherical coordinate system. There is a report (Non-Patent Document 6) of processing that includes approximation processing in the case of transmission focusing, and similarly results are obtained in polar coordinates (r, θ). The inventors of the present application have proposed a method (5) for generating image signals directly in the Cartesian coordinate system as a result of transmit or receive beamforming in their polar or spherical coordinate system, or any Cartesian curvilinear coordinate system. , (5-1), (5-1′), and (5-2) were also invented. In that case, imaging of transmitted signals, reflected signals, scattered signals, attenuation signals, displacement measurements, etc., can be performed consistently in the same Cartesian coordinate system. In these, similarly to the method (1), it can be similarly processed in an arbitrary orthogonal coordinate system or converted into an arbitrary orthogonal coordinate system. In addition, the beamforming described in paragraphs 0211 to 0222 of method (1) and paragraph 0240 of method (2) can be performed in the same manner. It can be installed arbitrarily regardless of the shape (Patent Document 7, Non-Patent Document 8). Moreover, the present invention is not limited to this (the same shall apply hereinafter). In addition, although deflection is possible as described above, it is also possible to handle the case where the deflection angles of physical transmission beamforming and soft reception beamforming are different. Transmit steering can also be applied in software. In that case, the deflection angle may differ from other deflection angles. It is also possible to physically beamform when receiving. Sending and receiving can also be interpreted inversely. Apodization may be performed during transmission, and reception apodization processing may be performed on the received signal (by hardware during reception or by software after reception). When apodization is performed by software, it is performed according to method (1) or method (3). Apodization is also performed in a similar manner when using a method combining beamforming for plane wave transmission and reception dynamic focusing of method (2) or method (3).

尚、平面波処理を行う方法(1)を用いる方法(4)の如何なる処理も、理論的に、そして、実際に、任意の物理的送信、又は、受信のビームフォーミングを行うことが可能であり、上記の如く処理すると、様々な組み合わせのビームフォーミングを実施できる(例えば、計算機や専用デバイス等を用いたソフト的なビームフォーミングにおいて行うものとは別の、計算機や専用デバイス等を用いた物理的な送信時と受信時のそれらのときにおいて行うことのあるフォーカシングやステアリング、アポダイゼーション等の処理を伴うものの各々又は両者を平面波送信と受信処理することができる。又は、上記の如く、送信と受信を逆に捉えて処理できる)。例えば、段落0109、0112、0365、0367、0368等に記載の、複数ビームの同時送信に関し、それらの複数のビームが、物理的に偏向有り又は無しにおいて、それらのビームが干渉する場合や干渉しない場合を含み、又は、対象の同時相において異なるタイミングでそれらのフォーカスビームフォーミングを行った場合、又は、それらの両受信信号が混在する場合において、物理的フォーカス(サブ開口幅、距離や深さ、位置等)が同一であるか異なるかに依らず、また、物理的な送信偏向角度が同一であるか異なるかに依らず、方法(4)の上記の処理は有効であり、特に、(i)の有効開口幅において得られた各受信信号の重ね合わせに対して1回のイメージ信号生成処理を施す方法を用いれば、高フレームレートを実現するものである。方法(4)においては、必ずしも波動が干渉しない位置(段落0030、0364等に記載)でビームフォーミングを行う必要は無く、オーバーラップするサブ開口を同時に用いる場合等、波動が干渉する場合でも、同処理で高フレームレートを実現できる。その際、実施する複数のフォーカスビームに施すソフト的な送信偏向角度と受信偏向角度との各々が同一であれば、上記の処理を行えば良い。その他、対象の同時相において、複数位置のフォーカシングや送信ダイナミックフォーカシングを行う場合等の複数回の送信を行う場合においても、受信信号の重ね合わせに同様に処理できる。対象の同時相において受信した受信信号群に関し、送信素子の位置やタイミングを基に時間が揃えられた状態の受信信号の重ね合わせであれば、その全てに本処理を施すことができる。 It should be noted that any process of method (4) using method (1) with plane wave processing is theoretically and practically capable of beamforming any physical transmit or receive; By processing as described above, various combinations of beamforming can be performed (for example, physical beamforming using a computer, a dedicated device, etc., which is different from soft beamforming performed using a computer, a dedicated device, etc.) Each or both of the transmit and receive processes, including focusing, steering, apodization, etc., which may occur at those times, can be processed as plane wave transmit and receive, or as described above, transmit and receive can be reversed. can be captured and processed). For simultaneous transmission of multiple beams, e.g., as described in paragraphs 0109, 0112, 0365, 0367, 0368, etc., the multiple beams may or may not interfere with each other, with or without physical deflection. physical focus (sub-aperture width, distance or depth, position, etc.) are the same or different, and regardless of whether the physical transmission deflection angles are the same or different, the above processing of method (4) is valid, in particular, (i ), a high frame rate can be achieved by using a method in which one image signal generating process is applied to superposition of received signals obtained at the effective aperture width of . In method (4), it is not necessary to perform beamforming at positions where waves do not interfere (described in paragraphs 0030, 0364, etc.). A high frame rate can be achieved in processing. In this case, if the soft transmission deflection angles and the reception deflection angles applied to the plurality of focus beams to be executed are the same, the above processing may be performed. In addition, even in the case of performing multiple transmissions such as focusing at multiple positions or transmission dynamic focusing at the same phase of the target, the received signals can be superimposed in the same manner. This processing can be applied to all of the reception signals received in the same phase of interest, if the reception signals are superimposed in a state where the times are aligned based on the position and timing of the transmitting element.

また、複数のフォーカスビームに施すソフト的な送信偏向角度と受信偏向角度とのいずれかが異なるものを含む場合には、同一のものに分け、同一のもの毎に同処理を施し、最終結果を求めるべく周波数領域における重ね合わせを施せば良い。1つの物理的な送信ビーム(偏向有り、又は、無し)に対して、複数の偏向受信ビーム(偏向角度0°も含む)を生成することもあり、同様に、処理される。異なる複数の物理的な偏向が行われる場合も、同一のものに分けて、各々の処理結果を得る場合があるし、分けずに、処理することもある。分けた場合には、空間領域又は周波数領域で重ね合わせが行われることがある。 If any of the soft transmission deflection angles and the reception deflection angles applied to a plurality of focus beams is different, they are divided into identical ones, the same processing is applied to each identical one, and the final result is obtained. It suffices to perform superposition in the frequency domain in order to obtain it. For one physical transmit beam (with or without deflection), multiple polarized receive beams (including 0° deflection angle) may be generated and similarly processed. Even when a plurality of different physical deflections are performed, they may be divided into the same ones to obtain respective processing results, or they may be processed without division. If separated, the superposition may be done in the spatial domain or the frequency domain.

物理的に多方向に送信した場合には、各々の送信偏向角度に対してソフト的に固有の送信と受信の偏向を施すことがあり、その場合には、送信ビームを周波数領域で分離するか、又は、独立成分分析(ICA:参考文献としては、比較的に古書であるTe-Won Lee, Independent Component Analysis: Theory and Applications, Springer, 1998等を初め多くの文献がある)等の分離処理を施し、処理することがある。アナログデバイスが使用されることもある。例として、各々の物理的な偏向角度と同一にソフト的な送信や受信の偏向角度を設定することがある。信号分離には、他にも記載してある(例えば、段落0370)。 When physically transmitting in multiple directions, a unique transmission and reception deflection may be applied to each transmission deflection angle in terms of software. Alternatively, separation processing such as independent component analysis (ICA: there are many references, including Te-Won Lee, Independent Component Analysis: Theory and Applications, Springer, 1998, which is a relatively old book). may be applied and processed. Analog devices may also be used. An example is to set the soft transmit and receive deflection angles to be the same as their respective physical deflection angles. Signal separation is described elsewhere (eg, paragraph 0370).

ここでは、様々な固定フォーカシング処理を対象として、本法を実施することを記載したが、本法は、これらに限られず、他の送信ビームフォーミングが実施された場合にも使用できる。フォーカシング有り(有効開口に対して異なるフォーカス位置を複数個実現するマルチフォーカス)又は無し、偏向有り(異なる偏向角度を持つ複数のステアリング)又は無し、アポダーゼーション有り(位置毎に異なる場合を含む)又は無し、Fナンバー、送信超音波周波数又は送信帯域が異なる、受信周波数又は受信帯域、パルス形状が異なる、ビーム形状が異なる等、波動や超音波パラメータの異なる複数の送信又は受信を行う場合においても、同様に処理でき、それらを固定した1つのビームフォーミングでは生成できない新しい特徴を持ったビームフォーミングを実施できる。例えば、重ね合わせにより、複数のフォーカスを獲得することや、深さ方向にも横方向にも広帯域化(高分解能化)できることは公知であるが、これらの処理を高速に実施できる。高調波を得るべく、いわゆるパルス・インバージョン(Pulse inversion)法(超音波パラメータとして極性が異なるパルスを放射する)等を用いる場合には、受信信号を重ね合わせ、同様に、高速に処理できる。無論、ビームフォーミングを行った後に、受信信号を重ね合わせることもできる。2つ以上の複数のビームの受信信号を重ね合わせることもある。 Although the method is described herein as being implemented for various fixed focusing operations, the method is not limited to these and can be used when other transmit beamforming is implemented. With or without focusing (multi-focus that realizes multiple different focus positions with respect to the effective aperture), with or without deflection (multiple steering with different deflection angles), with apodization (including different cases for each position) Or none, even when performing multiple transmissions or receptions with different waves and ultrasonic parameters such as different F numbers, different transmission ultrasonic frequencies or transmission bands, different reception frequencies or reception bands, different pulse shapes, different beam shapes, etc. , can be similarly processed, and beamforming can be performed with new features that cannot be generated by a single beamforming with them fixed. For example, it is well known that superimposition can obtain multiple focal points and broaden the bandwidth (higher resolution) both in the depth direction and in the lateral direction, and these processes can be performed at high speed. If, for example, the so-called pulse inversion method (radiating pulses with different polarities as ultrasound parameters) is used to obtain harmonics, the received signals can be superimposed and likewise processed at high speed. Of course, the received signals can also be superimposed after performing beamforming. The received signals of two or more beams may be superimposed.

上記の送信と受信を逆に考えることを基礎として、上記の処理を同時受信ビームフォーミングに施すこともある。また、上記の処理を送受信の両方に施すこともある。 On the basis of the transmission and reception reversed above, the above process may also be applied to simultaneous receive beamforming. Also, the above processing may be applied to both transmission and reception.

尚、複数のビームフォーミングに分けて処理される場合には、並列処理されることがある。上記の偏向角度等の各種の波動や超音波パラメータや関心領域の位置等で、複数のビームフォーミングに分けられることがある。イメージングや計測、治療等、1つの受信信号が多目的に使用されることがあり、情報量の多い、例えば、高精度、高分解能である、透過信号や反射信号、散乱信号、減衰信号等をビームフォーミングにより生成してフィルタリング等の後処理により目的に合わせた信号が生成されることもあるが、目的に合わせて、適切なビームフォーミングが行われ、それらが並列処理されることもある。 In addition, when processing is divided into a plurality of beamformings, parallel processing may be performed. It may be divided into a plurality of beam formings according to various waves such as the above deflection angle, ultrasonic parameters, the position of the region of interest, and the like. A single received signal may be used for multiple purposes, such as imaging, measurement, and therapy. Signals may be generated by forming and post-processing such as filtering may be used to generate a signal suitable for the purpose, but appropriate beamforming may be performed according to the purpose and they may be processed in parallel.

固定フォーカスビーム等の任意のビームの他、任意の波(ビームフォーミングされていない波を含む)の送信時のビームフォーミング、複数のビームや波の送信時の重ね合わせ処理、及び、同時の複数ビームや波の送信時の処理を実施できる。つまり、単数又は複数の如何なる送信が行われた場合においても、受信ビームフォーミング(ダイナミックフォーカシング等)を一度に行える。複数のビームフォーミングは、多方向開口面合成法を用いて行われる場合もあり、その場合も同様にして高速に行われる。また、本発明は、それらの限りでは無い。
また、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である。尚、本発明の特徴の1つには、波数マッチングにおいて、補間近似処理を行わないことにあるが、上記の方法(1)~(3)に記載の方法を応用する本方法(4)でも、方法(1)~(3)の場合と同様に波数マッチングにおいて補間近似処理を行うことがあり、それらに記載されている近似的な波数マッチングが行われて、高速にビームフォーミングが行われることがある。高精度に近似的な波数マッチングを行うには、計算量が増えることを代償として、受信信号を適切にオーバーサンプリングする必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。
Beamforming when transmitting arbitrary waves (including non-beamformed waves) in addition to arbitrary beams such as fixed focus beams, superposition processing when transmitting multiple beams and waves, and simultaneous multiple beams and processing when transmitting waves. That is, receive beamforming (dynamic focusing, etc.) can be performed at once for any single or multiple transmissions. Multiple beamforming may be performed using multi-directional aperture synthesis, which is also fast. Moreover, the present invention is not limited to them.
Physically and mathematically, wave number matching can be performed during the first Fourier transform, and wave number matching can be performed during the final inverse Fourier transform. One of the features of the present invention is that no interpolation approximation is performed in wave number matching. , Interpolation approximation processing may be performed in wavenumber matching as in methods (1) to (3), and approximate wavenumber matching described therein is performed to perform high-speed beamforming. There is In order to perform approximate wavenumber matching with high accuracy, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the expense of an increase in the amount of calculation. In that case, it should be noted that the number of data for Fourier transform increases, unlike the case where signals at arbitrary positions can be selectively generated when interpolation approximation processing is not performed.

方法(5):極座標系におけるイメージ信号生成
方法(5)は、コンベックスアレイやセクタスキャン、IVUS等の2次元極座標系(r,θ)で超音波円筒波(の一部)を送信又は受信した場合のデカルト座標系におけるイメージ信号の生成法である(図7を参照)。方法(1)~(4)、(6)を実施できる。
Method (5): Image signal generation in polar coordinate system Method (5) transmits or receives (a part of) an ultrasonic cylindrical wave in a two-dimensional polar coordinate system (r, θ) such as a convex array, sector scan, or IVUS. Fig. 7 is a method of generating an image signal in the Cartesian coordinate system for the case (see Fig. 7). Methods (1)-(4) and (6) can be implemented.

以下に、フーリエ変換の極座標表示について説明する。2次元フーリエ変換は、式(22)によって表される。

Figure 0007175489000063
極座標系における受信エコー信号は、f(r,θ)と表されるので、式(23)が成立する。
Figure 0007175489000064
従って、ヤコビ(Jacobi)演算を通じて、式(24)が得られる。この様にして、極座標系において表される波動をデカルト座標系において平面波成分(kx,ky)に分解できる。任意の直交曲線座標において表される波動も同様に、デカルト座標系において平面波成分(kx,ky)に分解できる。
Figure 0007175489000065
Polar coordinate representation of the Fourier transform will be described below. A two-dimensional Fourier transform is represented by Equation (22).
Figure 0007175489000063
Since the received echo signal in the polar coordinate system is expressed as f(r, θ), Equation (23) holds.
Figure 0007175489000064
Therefore, equation (24) is obtained through Jacobi arithmetic. In this way, a wave represented in a polar coordinate system can be decomposed into plane wave components (k x , k y ) in a Cartesian coordinate system. A wave represented in arbitrary Cartesian curvilinear coordinates can likewise be decomposed into plane wave components (k x , k y ) in the Cartesian coordinate system.
Figure 0007175489000065

方法(5-1):円筒波送波又は受信のイメージ信号生成
図13は、円筒波送波時のデジタル信号処理を示すフローチャートである。式(24)より、開口上の角度θ方向のフーリエ変換は、式(25)によって表される。

Figure 0007175489000066
ここで、rはコンベックス探触子の曲率半径であり、x0とy0はコンベックス探触子のアレイ素子位置を表すx軸とy軸の座標である。ステップS21において、受信信号を時間tに関してフーリエ変換し、ステップS22において、受信信号を角度θに関してフーリエ変換(FFT)することにより、極座標系において受信した信号をデカルト座標系において平面波成分(kx,ky)に分解できる。 Method (5-1): Image Signal Generation for Cylindrical Wave Transmission or Reception FIG. 13 is a flow chart showing digital signal processing during cylindrical wave transmission. From Equation (24), Fourier transform in the direction of angle θ on the aperture is expressed by Equation (25).
Figure 0007175489000066
Here, r 0 is the radius of curvature of the convex probe, and x 0 and y 0 are the x-axis and y-axis coordinates representing the array element positions of the convex probe. In step S21, the received signal is Fourier transformed with respect to time t, and in step S22, the received signal is Fourier transformed (FFT) with respect to angle θ, thereby transforming the signal received in the polar coordinate system into the plane wave components (k x , ) in the Cartesian coordinate system. k y ).

従って、例えば、これに、式(26)によって表される波数マッチングを施し(ステップS23)、空間(x,y)に関して逆フーリエ変換することにより、イメージ信号を生成することができる。

Figure 0007175489000067
Therefore, for example, an image signal can be generated by subjecting this to wave number matching represented by equation (26) (step S23) and inverse Fourier transform with respect to the space (x, y).
Figure 0007175489000067

さらに、ステップS24において、2次元スペクトルに以下の複素指数関数を掛け、各深さyの角スペクトルが計算される。

Figure 0007175489000068
若しくは、ステップ23とステップ24とを逆にして演算しても良い。 Further, in step S24, the two-dimensional spectrum is multiplied by the following complex exponential function to calculate the angular spectrum at each depth y.
Figure 0007175489000068
Alternatively, the calculation may be performed by reversing steps 23 and 24 .

若しくは、式(26a)と式(26b)を用いずに、方法(5)に順当に従い、以下の複素指数関数を掛け、波数マッチングを行うと共に、各深さ位置yの角スペクトルを求めても良い。

Figure 0007175489000069
Alternatively, without using equations (26a) and (26b), according to method (5), multiply by the following complex exponential function, perform wavenumber matching, and obtain the angular spectrum at each depth position y good.
Figure 0007175489000069

さらに、例えば、ステップS25において角スペクトルの周波数成分kを足し合わせ、ステップS26において横方向の波数kxに関して逆フーリエ変換(IFFT)を行うことにより、ステップS27においてイメージ信号が得られる。純粋に2次元逆フーリエ変換を施しても良い。 Furthermore, for example, the image signal is obtained in step S27 by summing the frequency components k of the angular spectrum in step S25 and performing an inverse Fourier transform (IFFT) on the horizontal wavenumber kx in step S26. A pure two-dimensional inverse Fourier transform may be applied.

尚、ステアリングを行う場合には、方法(1)に従い、偏向角度θを用いた式(9a)~(9c)に従って、x方向及びy方向の波数マッチングを行うと共に空間分解能を得れば良い。尚、後に記載の通り、極座標系(r,θ)にて計算を行う場合においては、極座標系においてステアリング角度(半径方向と成す角度)を設け、同様にして、ステアリングすることもできる。物理的なステアリングを実施することもできるし、送信又は受信、又は、送受信のソフト的なステアリングを実施することもできるし、物理的なステアリングとソフト的なステアリングを組み合わせて実施することも可能であるのは、方法(1)等、他の方法の如くである。 When steering is performed, wave number matching in the x and y directions and spatial resolution can be obtained in accordance with method (1) and equations (9a) to (9c) using the deflection angle θ. As will be described later, when calculation is performed in the polar coordinate system (r, θ), a steering angle (angle formed with the radial direction) can be set in the polar coordinate system and steering can be performed in the same manner. Physical steering can be implemented, transmission or reception, or soft steering of transmission and reception can be implemented, or a combination of physical steering and soft steering can be implemented. There are like other methods, such as method (1).

この方法は、極座標系(r,θ)の信号からデカルト座標系(x,y)のイメージ信号を得るに当り、波数マッチングと座標系の変換に補間処理を要さず、高速かつ高精度なビームフォーミングを行うものである。リニアアレイ型トランスデューサにおける平面波送波と同様に、円筒波を極座標系において偏向することもできる。送信ビームフォーミングと受信ビームフォーミングのステアリング角度が異なる場合等も同様に処理できる。ソフト的なステアリングを施すこともできる。アポダイゼーションも同様に実施できる。円筒波の場合には、2次元極座標系と直交するz軸方向の異なる位置(即ち、円筒座標系(r,θ,z)におけるz軸)において、上記の送信を同時に行って受信するか、同一の時相ではあるが異なる時刻に上記の送信を行って受信したものを重ね合わせ、上記の処理を行うこともある。z軸方向には、アナログデバイス(レンズ)により、フォーカスされている場合もあるし、本願発明のデジタル信号処理により、任意の処理を行うことも可能である。波動の伝搬方向が中心方向にある場合も同様に計算できる(例えば、HIFU治療や対象物を囲む円形ベースのアレイトランスデューサによる各種イメージングやCT等に有用である)。無論、それらにおいて、受信のみのビームフォーミングが行われることもあり、同様に処理される。尚、極座標(r,θ)にて表される受信信号に対し、方法(1)のデカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えた処理を行うこともでき、極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成できることは上記の通りであり、その後の処理にて、補間近似を行うことになる。これらにおいて、同様に、ステアリングを行うこともできる。方法(2)~(4)、(6)も同様に実施できる。 This method does not require interpolation processing for wave number matching and coordinate system conversion in obtaining image signals in the Cartesian coordinate system (x, y) from signals in the polar coordinate system (r, θ), and is fast and highly accurate. It performs beamforming. Similar to plane wave transmission in linear array transducers, cylindrical waves can also be deflected in a polar coordinate system. The same processing can be applied to the case where the steering angles of transmission beamforming and reception beamforming are different. Soft steering can also be applied. Apodization can be performed as well. In the case of cylindrical waves, at different positions in the z-axis direction orthogonal to the two-dimensional polar coordinate system (that is, the z-axis in the cylindrical coordinate system (r, θ, z)), the above transmission is performed simultaneously and received, In some cases, the above transmissions are performed in the same time phase but at different times, and the received signals are superimposed and the above processing is performed. The z-axis direction may be focused by an analog device (lens), and arbitrary processing may be performed by the digital signal processing of the present invention. It can be similarly calculated when the wave propagation direction is in the central direction (useful for, for example, HIFU treatment, various imaging with a circular-based array transducer surrounding the object, CT, etc.). Of course, receive-only beamforming may also occur in them and is handled similarly. It should be noted that the received signal represented by polar coordinates (r, θ) can be processed by replacing the Cartesian coordinates (x, y) in method (1) with polar coordinates (r, θ). , .theta.) can be generated as described above, and interpolation approximation will be performed in subsequent processing. In these, steering can be performed as well. Methods (2) to (4) and (6) can also be carried out in the same manner.

また、受信信号がデカルト座標(x,y)のデジタル信号として表されるとき、式(22)とは逆に、f(x,y)を半径rと角度θに関してフーリエ変換して処理をし、結局のところ、極座標系(r,θ)においてイメージ信号を生成するか、又は、各方法を用いて、デカルト座標系(x,y)においてイメージ信号を生成することもできる。ステアリング及びアポダイゼーションも同様に行われることがある。 Also, when the received signal is expressed as a digital signal of Cartesian coordinates (x, y), f(x, y) is Fourier transformed with respect to the radius r and the angle θ to be processed, contrary to Equation (22). , it turns out that the image signal is generated in the polar coordinate system (r, θ), or each method can also be used to generate the image signal in the Cartesian coordinate system (x, y). Steering and apodization may be performed as well.

また、図8B(d)~(f)に示すように、上記の様な極座標系で表される物理開口素子アレイや任意の開口形状の物理開口を用いて、任意距離位置において、送信又は受信、又は、両者の平面波を生成し、同様にしてビームフォーミングを行うこともあり、デカルト座標系又は極座標系、又は、物理開口形状に合わせて設定される直交曲座標系において、イメージ信号が生成されることがある。その距離位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成したことと等価であり、その距離位置を零とすると、仮想的に、リニア型開口アレイを用いた場合に該当する。距離位置は、物理開口の後方以外に、前方にも設定でき、それらの位置に、仮想的なリニア型開口アレイ(又は、平面波)を生成することもできる。平面波はステアリングされたり、仮想的リニア型開口が傾けられる(仮想的にメカニカルステアリングされる)こともある。無論、必要に応じて、物理的な開口はメカニカルステアリングされる。それらの平面波を送信するのみ、又は、受信するのみの場合には、各々、円筒波を送信及び受信する場合を基礎とし、時として、他のビームフォーミングが行われることもある。 Further, as shown in FIGS. 8B(d) to (f), using a physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or a physical aperture having an arbitrary aperture shape, transmission or reception can be performed at an arbitrary distance position. Alternatively, both plane waves may be generated and beamforming may be performed in the same way, and the image signal is generated in a Cartesian or polar coordinate system, or in a Cartesian polar coordinate system set to match the physical aperture shape. There is something. This is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that distance position, and if the distance position is set to zero, it corresponds to the use of a virtual linear aperture array. Distance positions can also be set in front of the physical aperture in addition to behind it, and virtual linear aperture arrays (or plane waves) can also be generated at those positions. The plane wave may be steered or the virtual linear aperture may be tilted (virtually mechanically steered). Of course, the physical aperture is mechanically steered if desired. Their transmit-only or receive-only cases are based on the case of transmit and receive cylindrical waves, respectively, and sometimes other beamforming may also be performed.

方法(5-1'):仮想源と他の任意形状の開口アレイを用いたイメージ信号生成
円形開口アレイだけでなく、リニアアレイ型トランスデューサ等の任意開口形状から波動を送信する場合において、後方に設置された仮想源を用いて円筒波の一部を生成する場合(図8A(a)~(c)を参照)について説明する。
Method (5-1'): Image signal generation using virtual source and other arbitrary shape aperture array The case of generating a portion of a cylindrical wave using an installed virtual source (see FIGS. 8A(a)-(c)) will be described.

(i)モノスタティック開口面合成用に取得した受信信号を用いる場合には、各素子において送受信してメモリ等に格納された受信信号に対して、必要があれば、フーリエ変換に複素指数関数を乗算し、仮想源から発せられた波動の応答を極座標(r,θ)にて表されるデジタル受信信号とし、その上で、方法(5)に従う、又は、方法(5-1)を用いれば、直接的に(x,y)座標系においてイメージ信号を生成できる。また、同じく、受信した信号を極座標(r,θ)のデジタル信号として表し、方法(1)のデカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えた処理を行うこともでき、極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することもできる。無論、方法(2)のモノスタティック処理も極座標系(r,θ)において可能である。 (i) When using the received signal acquired for monostatic aperture plane synthesis, if necessary, the complex exponential function is applied to the Fourier transform of the received signal transmitted and received by each element and stored in a memory or the like. Multiply and take the wave response emitted from the virtual source as a digital received signal represented by polar coordinates (r, θ), and then follow method (5) or use method (5-1) , can directly generate an image signal in the (x,y) coordinate system. Similarly, it is also possible to express the received signal as a digital signal of polar coordinates (r, θ), and perform processing by replacing the Cartesian coordinates (x, y) in method (1) with polar coordinates (r, θ). It is also possible to generate an image signal at (r, θ). Of course, the monostatic processing of method (2) is also possible in the polar coordinate system (r, θ).

(ii)また、マルチスタティック開口面合成用に取得した受信信号を用いる場合には、各素子において送信して周囲の素子で受信してメモリ等に格納された受信信号に対して、必要があれば、フーリエ変換に複素指数関数を乗算し、仮想源から発せられた波動の応答を極座標(r,θ)にて表されるデジタル受信信号とし、方法(3)のマルチスタティック開口面合成を実施できる。別の処理としては、方法(5)に従う、又は、そのデジタル受信信号を各受信素子において重ね合わせ、その上で、方法(5-1)を用いれば、直接的に(x,y)座標系においてイメージ信号を生成できる。また、同じく、そのデジタル受信信号を各受信素子において重ね合わせ、その上で、方法(1)のデカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えた処理を行うこともでき、極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することもできる。無論、重ね合わせせずに、方法(3)のマルチスタティック処理も極座標系(r,θ)において実施できる。 (ii) When using received signals acquired for multi-static aperture plane synthesis, the received signals transmitted by each element, received by surrounding elements, and stored in a memory or the like may be processed, if necessary. For example, the Fourier transform is multiplied by a complex exponential function, the wave response emitted from the virtual source is taken as a digital received signal represented by polar coordinates (r, θ), and the multi-static aperture plane synthesis of method (3) is performed. can. As another process, according to method (5), or superimpose the digital received signals in each receiving element, and then use method (5-1) directly (x, y) coordinate system can generate an image signal at Similarly, the digital received signals can be superimposed in each receiving element, and then processed by replacing the Cartesian coordinates (x, y) in method (1) with polar coordinates (r, θ). It is also possible to generate an image signal at (r, θ). Of course, without superposition, the multistatic processing of method (3) can also be performed in the polar coordinate system (r, θ).

(iii)これらの処理において、物理開口アレイによって受信した信号を極座標系(r,θ)のデジタル信号に書き換える処理を省くために、元よりサンプリングが極座標系(r,θ)において行われる様に送信又は受信のディレイパターンを用いて、各開口素子より送信し、受信サンプリングされることがある。そして、方法(5-1)や、方法(5)に基づく方法(2)や方法(3)に基づき、直接的に(x,y)座標系においてイメージ信号を生成できる。また、同じく、受信した信号を極座標(r,θ)のデジタル信号として表し、方法(1)~(3)のデカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えた処理を行うこともでき、極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することもできる。 (iii) In order to eliminate the process of rewriting the signals received by the physical aperture array into digital signals in the polar coordinate system (r, θ) in these processes, the sampling is originally performed in the polar coordinate system (r, θ). A transmit or receive delay pattern may be used to transmit and receive sample from each aperture element. Then, the image signal can be directly generated in the (x, y) coordinate system based on the method (5-1) or the method (2) or (3) based on the method (5). Similarly, the received signal is represented as a digital signal of polar coordinates (r, θ), and the Cartesian coordinates (x, y) in methods (1) to (3) are converted to polar coordinates (r, θ). can also be used to generate an image signal in polar coordinates (r, θ).

(iv)また、同じく、任意開口形状において後方に設置された仮想源を用いて円筒波の一部を生成する場合(図8A(a)~(c)を参照)の上記(i)~(iii)において、各素子によって受信してメモリ等に格納された受信信号のフーリエ変換に複素指数関数を乗算して、受信信号をデカルト座標(x,y)のデジタル信号として表す(但し、時間を要する)か補間近似を行い、方法(5-1)における式(22)とは逆に、f(x,y)を半径rと角度θに関してフーリエ変換して処理をし、結局のところ、極座標系(r,θ)においてイメージ信号を生成するか、又は、各方法を用いて、デカルト座標系(x,y)においてイメージ信号を生成することもできる。開口形状に合わせて設定された直交曲線座標系(曲座標系)においても、同様にして、イメージ信号を生成できる。 (iv) Similarly, in the case of generating a part of a cylindrical wave using a virtual source installed behind an arbitrary aperture shape (see FIGS. 8A (a) to (c)), the above (i) to ( In iii), the Fourier transform of the received signal received by each element and stored in a memory or the like is multiplied by a complex exponential function to express the received signal as a digital signal of Cartesian coordinates (x, y) (however, time necessary) or interpolation approximation, and inversely to formula (22) in method (5-1), f(x, y) is Fourier-transformed with respect to radius r and angle θ, and finally, polar coordinates Either the image signal is generated in the system (r, θ), or each method can be used to generate the image signal in the Cartesian coordinate system (x, y). An image signal can also be generated in a similar manner in an orthogonal curvilinear coordinate system (curvilinear coordinate system) set in accordance with the aperture shape.

(i)~(iv)において、その他、方法(5-1)に記載した様々なビームフォーミング等を実施できる。 In addition, in (i) to (iv), various beamforming and the like described in method (5-1) can be performed.

尚、方法(1)等に記載されている通り、任意の開口(リニアアレイ型トランスデューサの開口やその他、メカニカルスキャンにより得られる疑似的なアレイ開口)の後方に設定された仮想源(図8A(a)~(c)を参照)を用いて円筒波を送信する場合(送信ディレイを用いる)には、平面波送信の場合と同様に各素子にてコーディングを施して送信し、そして、受信された受信信号をデコーディングして開口面合成用の受信信号群を生成し、上記の処理により、直接的に、デカルト座標系や極座標系等の任意の直交曲線座標系において、イメージ信号を生成することができる。また、仮想源ではなく、仮想受信器が設定されることもあるし、仮想受信器が仮想源を兼ねることもある。 Incidentally, as described in method (1), etc., a virtual source (Fig. 8A ( a) to (c)) is used to transmit a cylindrical wave (using a transmission delay), each element is coded and transmitted in the same manner as in the case of plane wave transmission, and then received Decoding the received signal to generate a received signal group for aperture plane synthesis, and directly generating an image signal in an arbitrary orthogonal curvilinear coordinate system such as a Cartesian coordinate system or a polar coordinate system by the above processing. can be done. Also, a virtual receiver may be set instead of the virtual source, and the virtual receiver may also serve as the virtual source.

また、方法(1)等に記載されている、任意の同開口(リニアアレイ型トランスデューサの開口やその他、メカニカルスキャンにより得られる疑似的なアレイ開口)の後方に設定された仮想源(図8A(a)~(c)を参照)を用いて円筒波を送信した場合(送信ディレイを用いる)において、上記の方法を用いて以下のことが可能である。
(A)リニアアレイ型トランスデューサやメカニカルスキャンにより得られたデカルト座標系(x,y)で表されている受信信号に対して、直接的に方法(1)そのものを施し、デカルト座標系にてイメージ信号を得る。
(B)リニアアレイ型トランスデューサやメカニカルスキャンにより、各受信位置にて受信された信号に対して、y方向の(高速)フーリエ変換により求まる周波数応答に複素指数関数を乗じてy方向に空間的にシフティングし、仮想源を原点とする極座標系(r,θ)において、受信位置で決まるθの下で半径r方向の位置座標に補正し、方法(5)又は方法(5-1)を施し、デカルト座標系(x,y)又は極座標系(r,θ)にてイメージ信号を得る。複素指数関数を用いた空間的なシフティングではなく、r座標系における信号値の零詰めによる近似的な空間シフティングが行われることもあるが、精度を向上させる場合には、適切にオーバーサンプリングを行う必要があり、高サンプリングレートのAD変換器や多くのメモリが必要とされ、フーリエ変換前においてはデータ数が増加することに注意する必要がある。
(C)リニアアレイ型トランスデューサやメカニカルスキャンによる疑似のリニアアレイ開口とは別の任意開口形状において受信された信号に対し、方法(5)又は方法(5-1)を施し、同様にして、デカルト座標系(x,y)、又は、極座標系(r,θ)、開口形状に合わせて設定された直交曲線座標系(曲座標系)においても、同様にして、イメージ信号を生成できる。
(D)仮想源ではなく、仮想受信器が使用されることもあるし、仮想受信器が仮想源を兼ねることもある。
In addition, a virtual source (Fig. 8A ( a) to (c)) is used to transmit a cylindrical wave (using a transmission delay), the above method can be used to:
(A) Method (1) is directly applied to the received signal represented by the Cartesian coordinate system (x, y) obtained by the linear array type transducer or mechanical scanning, and the image is imaged in the Cartesian coordinate system. get the signal.
(B) Multiplying the frequency response obtained by the (fast) Fourier transform in the y direction for the signal received at each receiving position by a linear array type transducer or mechanical scanning, and multiplying the complex exponential function in the y direction Shifting, in the polar coordinate system (r, θ) with the virtual source as the origin, corrected to the position coordinate in the radial r direction under θ determined by the reception position, and applying method (5) or method (5-1) , Cartesian coordinates (x, y) or polar coordinates (r, θ). Instead of spatial shifting using a complex exponential function, approximate spatial shifting by zero padding of signal values in the r coordinate system is sometimes performed. , requiring a high sampling rate AD converter and a large amount of memory, and it should be noted that the number of data increases before the Fourier transform.
(C) Applying method (5) or method (5-1) to signals received in an arbitrary aperture shape other than a linear array transducer or a pseudo linear array aperture by mechanical scanning, and similarly Cartesian An image signal can be similarly generated in a coordinate system (x, y), a polar coordinate system (r, θ), or an orthogonal curvilinear coordinate system (curvature coordinate system) set in accordance with the shape of the aperture.
(D) A virtual receiver may be used instead of a virtual source, and a virtual receiver may double as a virtual source.

これらの方法(5-1')の結果として、例えば、別の型のトランスデューサや別のメカニカルスキャンを用いて、図7に示される様なコンベックス型やセクタ型トランスデューサ(対応するメカニカルスキャンの図は略)を用いた場合のイメージ信号を、デカルト座標系(x,y)、又は、極座標系(r,θ)、開口形状に合わせて設定された直交曲線座標系(曲座標系)において生成できる。
この他、逆に、物理的に別の型のトランスデューサを用いて、リニア型トランスデューサを仮想的に用いた場合(例えば、物理的にコンベックス型トランスデューサを用いた場合の図8B(d)~(f)を参照、仮想源又は仮想受信器が物理開口の位置又は後方、又は、前方にある場合)のイメージ信号を、同様にして、デカルト座標系(x,y)、又は、極座標系(r,θ)、開口形状に合わせて設定された直交曲線座標系(曲座標系)において生成することもできる。
また、特殊な場合として、例えば、リニアアレイ型トランスデューサを物理的に用いる場合において、物理開口後方の仮想源又は仮想受信器を用いて円筒波を生成する場合を応用し、任意距離位置に、横方向に拡がった、平面波、又は、仮想的にリニアアレイ型トランスデューサを生成した場合(図8B(g))のイメージ信号も生成できる。
これらにおいて、生成される送信又は受信する波動はステアリングされたり、仮想的に開口が傾けられる(仮想的にメカニカルステアリングされる)こともある。無論、必要に応じて、物理的な開口はメカニカルステアリングされる。
As a result of these methods (5-1'), for example, using another type of transducer or another mechanical scan, a convex or sector type transducer as shown in FIG. ) can be generated in the Cartesian coordinate system (x, y), the polar coordinate system (r, θ), or the orthogonal curvilinear coordinate system (curvilinear coordinate system) set according to the shape of the aperture. .
In addition, conversely, when a linear type transducer is virtually used by using a physically different type transducer (for example, when a physically convex type transducer is used, FIG. 8B (d) to (f) ), if the virtual source or virtual receiver is located at or behind or in front of the physical aperture), similarly in the Cartesian coordinate system (x, y) or in the polar coordinate system (r, θ) can also be generated in an orthogonal curvilinear coordinate system (curvilinear coordinate system) set in accordance with the shape of the opening.
As a special case, for example, in the case of physically using a linear array type transducer, a case of generating a cylindrical wave using a virtual source or a virtual receiver behind the physical aperture is applied, and lateral It is also possible to generate an image signal in the case of generating a plane wave or a virtual linear array type transducer (FIG. 8B(g)) spread out in a direction.
In these, the generated transmit or receive waves may be steered or virtually aperture tilted (virtually mechanically steered). Of course, the physical aperture is mechanically steered if desired.

方法(5-2):固定フォーカス時のイメージ信号生成
図14は、コンベックス型アレイを用いた固定フォーカシングの模式図である。コンベックスアレイにおいても、図14に示すように固定フォーカシングを行うことができる。図14(a)及び(b)の各々は、例として、固定フォーカシングの位置が、各有効開口から等距離の場合と、コンベックス型アレイから任意距離位置に設定された場合の模式図である。リニアアレイ型のとき(方法(4))と同様に、円筒波送波時と同じ計算処理でイメージ信号を生成することができる。即ち、方法(1)又は方法(3)の処理を基礎として、以下の3通りの方法がある。
(i)有効開口幅において得られた各受信信号を重ね合わせに対して1回のイメージ信号生成処理を施す。
(ii)1回の送信毎の受信信号を用いていわゆる通常の低分解能イメージ信号を生成して、それらを重ね合わせる。
(iii)マルチスタティック型開口面合成と同様に、送受信の位置関係が同じものをセットにしてイメージ信号を生成して、それらを重ね合わせる。
上記の如くして、デカルト座標系において直接にイメージ信号を生成できるが、極座標系の座標軸を用いて方法(4)を実施し、極座標系においてイメージ信号を生成できることも然りである。同様に偏向やアポダーゼーションも実施できる。z軸方向に関しては、(5-1)と同様に処理できる。
Method (5-2): Image Signal Generation at Fixed Focus FIG. 14 is a schematic diagram of fixed focusing using a convex array. Fixed focusing can also be achieved in convex arrays as shown in FIG. FIGS. 14A and 14B are schematic diagrams of fixed focusing positions set at equal distances from each effective aperture and at arbitrary distances from the convex array, respectively. As in the case of the linear array type (method (4)), the image signal can be generated by the same calculation processing as in the case of cylindrical wave transmission. That is, based on the processing of method (1) or method (3), there are the following three methods.
(i) Each received signal obtained in the effective aperture width is subjected to image signal generation processing once with respect to superimposition.
(ii) Generate a so-called normal low-resolution image signal using the received signal for each transmission and superimpose them.
(iii) Similar to multi-static aperture plane synthesis, a set of signals having the same positional relationship for transmission and reception is used to generate image signals, which are superimposed.
Although the image signal can be generated directly in the Cartesian coordinate system as described above, it is also possible to implement method (4) using the coordinate axes of the polar coordinate system to generate the image signal in the polar coordinate system. Deflection and apodization can be performed as well. The z-axis direction can be processed in the same manner as in (5-1).

また、受信信号がデカルト座標(x,y)のデジタル信号として表されるとき、f(x,y)を半径rと角度θに関してフーリエ変換して処理をし、結局のところ、極座標系(r,θ)においてイメージ信号を生成するか、又は、各方法を用いて、デカルト座標系(x,y)においてイメージ信号を生成することもできる。ステアリング及びアポダイゼーション、z軸方向の処理も同様に行われることがある。 Also, when the received signal is represented as a digital signal with Cartesian coordinates (x, y), f(x, y) is processed by Fourier transform with respect to radius r and angle θ, ultimately resulting in a polar coordinate system (r , θ), or each method can also be used to generate image signals in the Cartesian coordinate system (x,y). Steering and apodization, z-axis processing may be performed as well.

尚、ステアリングを行う場合も、方法(4)に従って、x方向及びy方向の波数マッチングを行うと共に空間分解能を得れば良い。尚、後に記載の通り、極座標系(r,θ)にて計算を行う場合においては、極座標系においてステアリング角度(半径方向と成す角度)を設け、同様にして、ステアリングすることもできる。物理的なステアリングを実施することもできるし、送信又は受信、又は、送受信のソフト的なステアリングを実施することもできるし、物理的なステアリングとソフト的なステアリングを組み合わせて実施することも可能であるのは、方法(1)等、他の方法の如くである。 When steering is performed, wave number matching in the x and y directions and spatial resolution may be obtained according to the method (4). As will be described later, when calculation is performed in the polar coordinate system (r, θ), a steering angle (angle formed with the radial direction) can be provided in the polar coordinate system and steering can be performed in the same manner. Physical steering can be implemented, transmission or reception, or soft steering of transmission and reception can be implemented, or a combination of physical steering and soft steering can be implemented. There are like other methods, such as method (1).

また、仮想源や仮想受信器を用いる場合には、方法(5―1')にて記載されている物理的な開口等を用いて仮想的な開口をその位置又は前後に実現し、上記の送信固定フォーカシングを行うことができる。例えば、リニア型アレイトランスデューサを仮想的に実現することがある。その他、任意の開口形状のトランスデューサを実現することもある。デカルト座標系又は極座標系、又は、物理開口形状に合わせて設定される直交曲座標系において、イメージ信号が生成される。物理的なステアリングを実施することもできるし、送信又は受信、又は、送受信のソフト的なステアリングを実施することもできるし、物理的なステアリングとソフト的なステアリングを組み合わせて実施することも可能であるのは、方法(1)等、他の方法の如くである。これらにおいて、生成される送信又は受信する波動はステアリングされたり、仮想的に開口が傾けられる(仮想的にメカニカルステアリングされる)こともある。無論、必要に応じて、物理的な開口はメカニカルステアリングされる。 In addition, when using a virtual source or a virtual receiver, a virtual aperture is realized using the physical aperture described in method (5-1') or the like at that position or before and after the above. Transmit fixed focusing can be done. For example, a linear array transducer may be virtually implemented. Others may implement transducers with arbitrary aperture shapes. Image signals are generated in a Cartesian or polar coordinate system, or in a Cartesian Cartesian coordinate system set to match the physical aperture geometry. Physical steering can be implemented, transmission or reception, or soft steering of transmission and reception can be implemented, or a combination of physical steering and soft steering can be implemented. There are like other methods, such as method (1). In these, the generated transmitted or received waves may be steered or virtually aperture tilted (virtually mechanically steered). Of course, the physical aperture is mechanically steered if desired.

以上の如くして、方法(1)~(4)のビームフォーミングを実施できるが、それらに限られずに、任意のビームフォーミングに適応させて、同効果を得ることができる。特に、方法(4)を用いる場合には、送信固定フォーカスビームの他に、如何なる送信ビーム又は波動を対象としても受信ビームフォーミングを実施できる。無論、複数の異なるビーム又は波動の同時送信時における一括受信信号や各々の送信に対する受信信号の重ね合わせのビームフォーミングも同様に実施できる。 As described above, the beamforming of methods (1) to (4) can be performed, but the same effect can be obtained by adapting to arbitrary beamforming without being limited to them. In particular, when method (4) is used, receive beamforming can be performed for any transmit beam or wave in addition to the transmit fixed focus beam. Of course, beamforming of the collective received signal and the superimposition of the received signal for each transmission during simultaneous transmission of multiple different beams or waves can be performed as well.

方法(5-3):球座標系における受信時のイメージ信号生成
球核状の波動開口素子アレイを使用する場合には、3次元のデジタル波動信号処理を行うこととなるが、例えば、受信開口素子アレイがそうである場合に、波動の受信は、球座標系(r,θ,φ)において行われるため、受信された波動の受信信号はf(r,θ,φ)と表される。この場合も、ヤコビ(Jacobi)演算を通じて、2次元の極座標系(r,θ)の場合と同様に、様々なビームフォーミングを実施できる。
Method (5-3): Image signal generation during reception in a spherical coordinate system When using a spherical core-shaped wave aperture element array, three-dimensional digital wave signal processing is performed. If the element array is so, the reception of the wave takes place in the spherical coordinate system (r, θ, φ), so the received signal of the received wave is denoted f(r, θ, φ). In this case as well, various beamforming can be performed through Jacobi operations, as in the case of the two-dimensional polar coordinate system (r, θ).

具体的には、受信された波動をデカルト座標系(x,y,z)において平面波に分解するべく受信信号f(r,θ,φ)に対して行う3次元フーリエ変換により、デカルト座標系(x,y,z)の波数領域又は周波数領域(kx,ky,kz)において表される式(27)を、x=rsinθcosφ、y=rcosθ及びz=rsinθsinφを用いたヤコビ(Jacobi)演算により、式(28)のように計算し、補間近似処理を行うことなく直接的にデカルト座標系においてイメージ信号を生成することができる。無論、方法(1)~(4)、(6)のビームフォーミングを実施できるが、それらに限られず、任意のビームフォーミングに適応して使用し、同効果が得られる。特に、方法(4)を用いる場合には、2次元の場合と同様に、送信固定フォーカスビームの他に、全ての送信ビーム又は波動を対象として受信ビームフォーミングを実施できる。無論、複数の異なるビーム又は波動の同時送信時における一括受信信号や各々の送信に対する受信信号の重ね合わせのビームフォーミングも同様に実施できる。また、仮想源や仮想受信器を用いる場合やステアリングを行う場合等も、全て、2次元の場合と同様に実施することができ、デカルト座標系又は球座標系、又は、物理開口形状に合わせて設定される直交曲座標系において、イメージ信号を生成できる。

Figure 0007175489000070
Figure 0007175489000071
Specifically, a three-dimensional Fourier transform is performed on the received signal f(r, θ, φ) to decompose the received wave into plane waves in the Cartesian coordinate system (x, y, z), and the Cartesian coordinate system ( (27) expressed in the wavenumber domain or the frequency domain (kx, ky, kz) of x , y , z ) is replaced by Jacobi By calculation, it is possible to calculate as in Equation (28) and directly generate an image signal in the Cartesian coordinate system without performing an interpolation approximation process. Of course, the beamforming of methods (1) to (4) and (6) can be performed, but the method is not limited to them, and any beamforming can be adapted and used to obtain the same effect. In particular, when method (4) is used, reception beamforming can be performed for all transmission beams or waves in addition to the transmission fixed focus beam, as in the two-dimensional case. Of course, beamforming of collectively received signals and superimposition of received signals for each transmission during simultaneous transmission of multiple different beams or waves can be performed as well. In addition, the use of virtual sources and virtual receivers, steering, etc., can all be implemented in the same way as in the two-dimensional case, using a Cartesian coordinate system or a spherical coordinate system, or in accordance with the physical aperture shape. An image signal can be generated in a set orthogonal polar coordinate system.
Figure 0007175489000070
Figure 0007175489000071

方法(5"): デカルト座標系にて送信又は受信した場合の任意直交曲線座標系におけるイメージ信号生成
上記の一連の方法とは逆に、デカルト座標系において、送信又は受信を行って得られる受信信号から、補間近似を行うことなく2次元極座標系又は球座標系によって表されるイメージ信号を直接的に得ることも可能であり、同様な計算により実現できる。例えば、受信信号がf(x,y,z)と表されるときに、rとθ、φ方向にフーリエ変換して、デカルト座標系における平面波に該当する円形波や球面波に受信信号を分解する計算を、ヤコビ演算を通じて行えばよい。これらの方法は、FOVを変える場合にも使用されることがある(例えば、広くできる場合もある)。Jacobi演算を用いて、同様に、任意の直交座標系においてイメージ信号を生成できるし、任意の座標系にて送信又は受信した場合においても同様に任意の直交座標系においてイメージ信号を生成することができる(直交デカルト座標系や様々な曲線直交座標系等の異なる直交座標系であったり、原点が異なったり回転していたり、同一の直交座標系であっても原点位置が異なったり、回転していたりする場合を含む)。方法(5)に記載の他の方法と同様に、如何なる送信ビームや波動も処理でき、ステアリングも同様に実施でき、さらに、仮想源や仮想受信器も用いることができる。
Method (5"): Image signal generation in arbitrary orthogonal curvilinear coordinate system when transmitting or receiving in Cartesian coordinate system. An image signal represented by a two-dimensional polar coordinate system or a spherical coordinate system can be obtained directly from the signal without interpolation approximation, and can be realized by similar calculations.For example, if the received signal is f(x, y, z), Fourier transform is performed in the r, θ, and φ directions, and the received signal is decomposed into circular waves and spherical waves, which correspond to plane waves in the Cartesian coordinate system, through Jacobian arithmetic. Good, these methods may also be used to vary the FOV (e.g., it may be widened) Jacobian arithmetic can be used to similarly generate image signals in any Cartesian coordinate system. , the image signal can be generated in any Cartesian coordinate system as well, even when transmitted or received in any coordinate system (different Cartesian coordinate systems, such as the Cartesian coordinate system and various curvilinear Cartesian coordinate systems). (including the case where the origin is different or rotated, and even if it is the same orthogonal coordinate system, the origin position is different or rotated).Similarly to the other methods described in method (5), Any transmit beam or wave can be processed, steering can be performed as well, and even virtual sources and virtual receivers can be used.

また、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である。尚、方法(5)の特徴の1つは、波数マッチングにおいて補間近似処理を行うことなく、任意の座標系においてビームフォーミングを行うことにあるが、方法(5)を応用して方法(1)~方法(4)、方法(6)、方法(7)に記載のビームフォーミングを任意の座標系において実施するに当たり、波数マッチングにおいて補間近似処理を行うことがあり、それらの各々に記載されている近似的な波数マッチングが行われて、高速にビームフォーミングが行われることがある。高精度に近似的な波数マッチングを行うには、計算量が増えることを代償として、受信信号を適切にオーバーサンプリングする必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。 Physically and mathematically, wave number matching can be performed during the first Fourier transform, and wave number matching can be performed during the final inverse Fourier transform. One of the features of method (5) is that beamforming is performed in an arbitrary coordinate system without performing interpolation approximation in wavenumber matching. ~ When the beamforming described in method (4), method (6), and method (7) is performed in an arbitrary coordinate system, interpolation approximation processing may be performed in wave number matching, and each of them is described Approximate wavenumber matching may be performed to perform beamforming at high speed. In order to perform approximate wavenumber matching with high accuracy, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the expense of an increase in the amount of calculation. In that case, it should be noted that the number of data for Fourier transform increases unlike the case where signals at arbitrary positions can be selectively generated when interpolation approximation processing is not performed.

方法(6):マイグレーション法
マイグレーション処理においても、本発明の装置においては、波数マッチングにおいて補間近似処理を行うことなく処理することが可能である。マイグレーションの式(以下の式(M6'))そのものは、良く知られており、式の導出も良く知られているので、式の導出については、ここでは割愛する。
Method (6): Migration Method In the apparatus of the present invention, migration processing can also be performed without performing interpolation approximation processing in wave number matching. The migration formula (formula (M6') below) itself is well known, and the derivation of the formula is also well known, so the derivation of the formula is omitted here.

非特許文献12には、1素子送信による1素子受信を基礎とする通常のマイグレーション処理(即ち、方法(2)のモノスタティック型開口面合成用の送受信データを用いた偏向しない処理に該当)を基礎として、ステアリング無しと有りの場合の平面波送波及び/又は受信の場合(方法(1)に該当する処理)において、任意の同一の位置を対象として、任意の送信開口素子から波動が生成されてその送信開口素子を兼ねる受信開口素子によって波動を受信するまでの時間である伝搬時間がその通常のマイグレーションの場合と異なることから、伝搬速度とその対象位置の座標を読み替え(以下の式(M1))、同一の形(式(M6))で表される値を計算する方法が開示されている。 Non-Patent Document 12 describes normal migration processing based on one-element reception by one-element transmission (that is, corresponding to undeflected processing using transmission/reception data for monostatic aperture plane synthesis in method (2)). As a basis, in the case of plane wave transmission and/or reception without and with steering (processing corresponding to method (1)), waves are generated from any transmit aperture element targeting any same position. Since the propagation time, which is the time until the wave is received by the reception aperture element that also serves as the transmission aperture element, is different from the case of normal migration, the propagation velocity and the coordinates of the target position are replaced (the following formula (M1 )), a method is disclosed to calculate the value expressed in the same form (Equation (M6)).

しかしながら、他の方法(2)~(5)の処理に関しては、非特許文献12に開示されていない(方法(2)においてステアリングを行う場合は、開示されていない)。さらに、式(M6')を計算する上で、従来は、波数マッチングを行う際に補間近似が行われてきた(式(M4)及び式(M4'))が、本発明の装置においては、補間近似をせずに高精度に波数マッチングが行われる(式(M7)及び式(M7'))。 However, the processes of other methods (2) to (5) are not disclosed in Non-Patent Document 12 (not disclosed when steering is performed in method (2)). Furthermore, in calculating the formula (M6'), conventionally, interpolation approximation has been performed when performing wave number matching (formula (M4) and formula (M4')), but in the apparatus of the present invention, Wavenumber matching is performed with high accuracy without interpolation approximation (equation (M7) and equation (M7')).

横方向をx軸、深さ方向をy軸とする2次元座標をとり、時間の座標をtとする。具体的には、その通常のマイグレーションでは、任意開口素子位置(x,0)と任意位置(xs,ys)の間を波動が往復するのに要する伝搬時間は、式(M0)によって表される。

Figure 0007175489000072
Two-dimensional coordinates are taken with the horizontal direction as the x-axis and the depth direction as the y-axis, and the time coordinate is t. Specifically, in its normal migration, the propagation time required for a wave to make a round trip between arbitrary aperture element position (x,0) and arbitrary position (x s , y s ) is given by equation (M0) be done.
Figure 0007175489000072

これに対し、ステアリング角度がθ(0°を含む)の平面波送波においては、伝搬時間は、式(M0')によって表される。

Figure 0007175489000073
On the other hand, in a plane wave transmission with a steering angle θ (including 0°), the propagation time is given by equation (M0′).
Figure 0007175489000073

従って、方法(1)の偏向平面波送波時にマイグレーション法に基づいて行う計算においては、搬速度cと対象の位置を表す座標系(xs,ys)の各々を式(M1)と読み替えて、通常のマイグレーションの式が計算される(式(M4)及び式(M5))。

Figure 0007175489000074
Therefore, in the calculation based on the migration method when the polarized plane wave is transmitted in method (1), each of the carrier velocity c and the coordinate system (x s , y s ) representing the position of the object is replaced with the formula (M1). , the usual migration equations are calculated (equations (M4) and (M5)).
Figure 0007175489000074

纏めれば、方法(1)~(5)の内で、方法(2)のモノスタティック型開口面合成用の送受信データを用いた偏向しない処理を行う通常のマイグレーション以外は、全て同様にしてマイグレーション処理できる。例えば、方法(1)の偏向平面波送波時(0°も含む)のマイグレーションの計算手順を主として説明する。 In summary, among the methods (1) to (5), migration is performed in the same manner except for the normal migration that performs undeflected processing using the transmission/reception data for monostatic aperture synthesis in method (2). can be processed. For example, the calculation procedure of the migration when transmitting a polarized plane wave (including 0°) in method (1) will be mainly described.

図15は、偏向平面波を送信した場合のマイグレーション処理を示すフローチャートである。受信信号が、r(x,y,t)と表されるとき、開口素子アレイ位置における受信信号は、r(x,y=0,t)と表される。 FIG. 15 is a flowchart showing migration processing when a polarized plane wave is transmitted. When the received signal is denoted as r(x,y,t), the received signal at the aperture element array position is denoted as r(x,y=0,t).

まず、式(M2)に示すように、受信信号を時間tと横方向xに関する2次元フーリエ変換する(2次元高速フーリエ変換が良い)。

Figure 0007175489000075
ここで、k=ω/cであり、波数kと角周波数(角振動数)ωは比例定数1/cで関係付けられ、1対1対応であり、kの代わりにωを用いて表したり計算できる。 First, as shown in equation (M2), the received signal is subjected to two-dimensional Fourier transform with respect to time t and horizontal direction x (two-dimensional fast Fourier transform is preferable).
Figure 0007175489000075
Here, k=ω/c, the wave number k and the angular frequency (angular frequency) ω are related by a proportionality constant 1/c, and have a one-to-one correspondence, and are expressed by using ω instead of k. can be calculated.

上記のように、特殊な2次元高速フーリエ変換法を使用することもできるが、一般的(popular)な方法としては、まず、ステップS31において、受信信号に対し、横方向座標xにおいて、時間tに関する高速フーリエ変換(FFT)を行って解析信号のスペクトルを得る。その上で、帯域k内の各周波数座標において、横方向xに関する高速フーリエ変換を行えば良い(2次元スペクトルの各々を式(M2)に従って計算するよりは高速である)。 As described above, a special two-dimensional fast Fourier transform method can also be used, but as a popular method, first, in step S31, for the received signal, at the horizontal coordinate x, at time t A Fast Fourier Transform (FFT) is performed on to obtain the spectrum of the analytic signal. Then, at each frequency coordinate within band k, a fast Fourier transform in the horizontal direction x may be performed (this is faster than calculating each two-dimensional spectrum according to formula (M2)).

平面波を偏向送波しない場合には、上記の計算で良いが、偏向する場合には、トリミングをせねばならず、そのためには、ステップS32において、トリミングのために、上記の時間tに関する高速フーリエ変換後のR'(x,0,k)に複素指数関数(M3)を掛ける(方法(1)における複素指数関数(11)と同様に、時間tに関する高速フーリエ変換と複素指数関数の掛け算の演算は一度に直接に計算することもできるし、そのような計算が可能な専用の高速フーリエ変換も有用である)。

Figure 0007175489000076
If the plane wave is not transmitted with deflection, the above calculation is sufficient, but if it is deflected, trimming must be performed. Multiply the transformed R'(x,0,k) by the complex exponential function (M3). The operations can be computed directly at once, or dedicated Fast Fourier Transforms capable of such computations are also useful).
Figure 0007175489000076

その上で、ステップS33において、受信信号に対し、横方向xに関して高速フーリエ変換(FFT)が施される。その結果を、ここでは、R''(kx,0,k)と表すことにする。ちなみに、トリミングを行える様にプログラムされていても、偏向せずに平面波を送波する場合(ステアリング角度0°)を処理できる。 Then, in step S33, the received signal is subjected to fast Fourier transform (FFT) in the horizontal direction x. The result is represented here as R''(k x ,0,k). By the way, even if the program is programmed to perform trimming, it is possible to process the case where a plane wave is transmitted without being deflected (steering angle 0°).

通常は、次に、波数マッチング(又は、マッピング)が行われる。ビームフォーミングが、通常のマイグレーション(方法(2)のステアリング無しのとき)以外の方法(1)~(5)の場合には、伝搬速度cと座標系(xs,ys)を上記の式(M1)の如く、各々のビームフォーミングのための伝搬速度(E1)と座標系(E2)に読み替えて処理することになる。

Figure 0007175489000077
Figure 0007175489000078
Wavenumber matching (or mapping) is then typically performed. In the case of beamforming methods (1) to (5) other than normal migration (method (2) without steering), propagation velocity c and coordinate system (x s , y s ) are expressed by the above equation Like (M1), the propagation velocity (E1) and the coordinate system (E2) for each beam forming are read and processed.
Figure 0007175489000077
Figure 0007175489000078

通常のマイグレーション(方法(2)のステアリング無しのとき)以外の方法(方法(1)を含む)の場合において計算された2次元フーリエ変換R''(kx,0,k)に対して、又は、通常のマイグレーションにおいて計算された上記のR(kx,0,k)に対して、補間近似(周波数座標の最も近い所の角スペクトルを使用する、バイリニア(bi-linear)補間等)を通じて、それぞれ、式(M4)又は式(M4')で表される波数マッチングが行われる。

Figure 0007175489000079
Figure 0007175489000080
但し、受信信号が反射信号の場合には、s = 2であり、透過信号の場合には、s = 1である。
但し、式(M4)と式(M4')の波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、各々の式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合における各々の深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度cと式(E1)にて除したものである。以下、同様である。 For the two-dimensional Fourier transform R''(k x ,0,k) computed in the case of methods (including method (1)) other than the normal migration (without steering in method (2)), Or, for R(k x ,0,k) computed above in the normal migration, through an interpolation approximation (such as bi-linear interpolation using the nearest angular spectrum of frequency coordinates): , wavenumber matching represented by equation (M4) or equation (M4′) is performed.
Figure 0007175489000079
Figure 0007175489000080
However, s=2 if the received signal is a reflected signal, and s=1 if it is a transmitted signal.
However, when interpolation approximation is not performed in the wave number matching of formulas (M4) and (M4'), the wave number in the depth direction indicated by the proviso in each formula is used. Each wavenumber in the depth direction is obtained by dividing the angular frequency ω by the propagation velocity c and the equation (E1). The same applies hereinafter.

このように波数マッチングが施されて、次の関数(M4'')が求められる。

Figure 0007175489000081
さらに、関数(M4'')を用いて、次の式(M5)又は式(M5')が求められる。
Figure 0007175489000082
Figure 0007175489000083
Wavenumber matching is performed in this way to obtain the following function (M4'').
Figure 0007175489000081
Furthermore, the following formula (M5) or formula (M5') is obtained using the function (M4'').
Figure 0007175489000082
Figure 0007175489000083

式(M5)又は(M5')に対して、式(M6)又は式(M6')によって表されるように、波数k及び波数(E3)に関する2次元逆フーリエ変換を施すことにより、イメージ信号f(x,y)が生成される。

Figure 0007175489000084
Figure 0007175489000085
Figure 0007175489000086
式(M6)及び式(M6')の計算における2次元逆フーリエ変換は、高速2次元逆フーリエ変換(IFFT)を施せば良く、特殊な高速2次元逆フーリエ変換を使用することもできるが、一般的(popular)な方法としては、式(M6)及び式(M6')の各々において、まず、信号帯域内の一方の波数kに対し、他方の波数(E3)に関する高速逆フーリエ変換を行い、その上で、生成された空間座標yの各座標に対し、(信号帯域内の)波数kに関する高速逆フーリエ変換を行えば良い(2次元のイメージ信号の各々を式(M6)又は式(M6')に従って計算するよりは高速である)。 Image A signal f(x,y) is generated.
Figure 0007175489000084
Figure 0007175489000085
Figure 0007175489000086
The two-dimensional inverse Fourier transform in the calculation of formulas (M6) and (M6') may be performed by fast two-dimensional inverse Fourier transform (IFFT), and a special fast two-dimensional inverse Fourier transform may be used. As a popular method, in each of the equations (M6) and (M6′), first, one wavenumber kx in the signal band is subjected to an inverse fast Fourier transform with respect to the other wavenumber (E3) and then perform an inverse fast Fourier transform with respect to the wavenumber kx (within the signal band) for each coordinate of the generated spatial coordinate y (each of the two-dimensional image signals is expressed by the equation (M6) or faster than calculating according to equation (M6')).

非特許文献12には、式中においてyを用いる式(M6)は開示されておらず、yでなくyを用いて計算し、計算後に、座標の補正を行うことが開示されている。座標の補正は、近似処理を行うか、本願の発明者の過去の発明である複素指数関数の乗算に基づく時間を掛けて近似処理せずに行う。式(M6)は、偏向角度が0°の時にも使用することができる。 Non-Patent Document 12 does not disclose the formula (M6) using y S in the formula, but discloses that calculation is performed using y instead of y S , and the coordinates are corrected after the calculation. . Coordinates are corrected by approximation or without approximation by multiplying with time based on complex exponential function multiplication, which is a past invention of the present inventor. Equation (M6) can also be used when the deflection angle is 0°.

本発明の装置においては、波数マッチングを2次元逆フーリエ変換と共に、又は、深さ方向の逆フーリエ変換と共に、補間近似することなく実施する。つまり、通常のマイグレーション法(方法(2)のステアリング無しのとき)以外の方法(方法(1)を含む)の場合において計算された2次元フーリエ変換R''(kx,0,k)に対して、又は、通常のマイグレーション法において計算された上記のR(kx,0,k)に対して、式(M7)又は式(M7')によって表されるように、まず、帯域内のそれぞれのkに対してkに関する積分を行って、深さ方向の波数(E3)の波数マッチングと逆フーリエ変換(IFFT)とを同時に行い(ステップS34)、その後に、横(x)方向の高速逆フーリエ変換を行う。

Figure 0007175489000087
Figure 0007175489000088
非特許文献12には、式中においてyを用いる式(M7)は開示されていない。式(M7)は、偏向角度が0°のときにも使用できる。方法(1)~(6)と同様、スペクトルの周波数k成分を足し合わせた上で、横方向の波数kに関する逆フーリエ変換(IFFT)を行い、1回の逆フーリエ変換で計算ができ、計算が高速である。 In the apparatus of the present invention, wave number matching is performed together with a two-dimensional inverse Fourier transform, or together with a depth direction inverse Fourier transform, without interpolation approximation. In other words, the two-dimensional Fourier transform R''(k x ,0,k) calculated in the case of methods (including method (1)) other than the normal migration method (when no steering in method (2)) is , or for the above R(k x ,0,k) calculated in the normal migration method, first, in-band For each kx, integration with respect to k is performed, and wavenumber matching of the wavenumber (E3) in the depth direction and inverse Fourier transform (IFFT) are performed simultaneously (step S34). Performs an inverse fast Fourier transform.
Figure 0007175489000087
Figure 0007175489000088
Non-Patent Document 12 does not disclose the formula (M7) using y S in the formula. Equation (M7) can also be used when the deflection angle is 0°. As in methods (1) to (6), after summing the frequency k components of the spectrum, inverse Fourier transform (IFFT) is performed on the horizontal wavenumber kx, and calculation can be performed with one inverse Fourier transform. Computation is fast.

さらに、通常のマイグレーション(方法(2)のステアリング無しのときと対応する処理)と異なる場合には、式(M6)や式(M7)を計算する過程において、横(x)方向の位置の補正を行うことができる。例えば、方法(1)の偏向平面波を送波したときは、まず、ステップS34において、上記の如く、波数(E3)に関する計算を行い、ステップS35において、位置補正のために、各々の結果として求まる関数(M8)に対して、複素指数関数(M9)を掛け、その後、ステップS36において、横方向の波数kに関する高速逆フーリエ変換(IFFT)を行う。あるいは、横方向の波数kに関する逆フーリエ変換の複素指数関数と共に式(M9)を掛けて計算するか、それ専用の高速逆フーリエ変換を実施しても良い。式(M9)は、偏向角度が0°のときにも使用できる。以上により、ステップS37において、イメージ信号f(x,y)が生成される。

Figure 0007175489000089
Figure 0007175489000090
纏めると、式(M6)、式(M7)、又は、式(M7')を使用して、新しい処理を行うことができ、補間近似による誤差を除き、高速に、イメージ信号f(x,y)を生成できる。 Furthermore, when different from normal migration (processing corresponding to method (2) without steering), in the process of calculating equations (M6) and (M7), correction of the position in the lateral (x) direction It can be performed. For example, when the polarized plane wave of method (1) is transmitted, first, in step S34, the wave number (E3) is calculated as described above, and in step S35, each result is obtained for position correction. The function (M8) is multiplied by the complex exponential function (M9), and then, in step S36, an inverse fast Fourier transform (IFFT) is performed on the transverse wavenumber kx . Alternatively, it may be calculated by multiplying the complex exponential function of the inverse Fourier transform with respect to the transverse wavenumber kx by the formula (M9), or a dedicated fast inverse Fourier transform may be performed. Equation (M9) can also be used when the deflection angle is 0°. As described above, the image signal f(x,y) is generated in step S37.
Figure 0007175489000089
Figure 0007175489000090
In summary, using equation (M6), equation (M7), or equation (M7′), new processing can be performed to remove errors due to interpolation approximation, and at high speed, image signal f(x,y ) can be generated.

尚、式(M9)を乗じずに近似処理無しに同結果を得る場合には、式(M4)に代わる次式(N4)を用いて、式(M6)又は式(M7)を計算すれば良い。

Figure 0007175489000091
即ち、波数マッチングにおいて、補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合における深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度(E1)にて除したものである。
この式中に表される深さ方向の波数の式は、方法(1)における式(13)に類似しているが、方法(1)において、式(13)~式(15)中のkx-ksinθの-ksinθを用いずに(零として)計算した場合に同じ結果を得る場合には、方法(6)において式(M9)を乗じて逆フーリエ変換を行う場合と同様に、段落0204に記載の処理を行う前に、式(16)に式(M9)を乗じれば良い。但し、方法(6)で実現される平面波の偏向は、あくまで、近似計算の下で実現されるものであり、従って、方法(6)において式(N4)と式(M7)を用いた場合には全くに近似処理無しにて高精度化されるが、方法(1)において式(M9)を用いると精度は低下する。また、最後の逆フーリエ変換を2次元高速逆フーリエ変換で実施する場合(後述の通り、3次元の場合には3次元高速逆フーリエ変換)には、それらの処理を行うと、計算速度は、方法(6)では高速化されるが、方法(1)では遅くなる(段落0204に記載の処理は高速である)。
また、これらの改変された方法(1)や方法(6)の各々において、波数マッチングにおいて補間近似処理を行う場合において、式(M9)と(N4)とを用いて同じ結果を得る場合には、補間近似の式は対応して変化する(段落0354の(A)と(B)の各々に記載)。
また、これらの改変された方法(1)や方法(6)の各々において、波数マッチングにおいて補間近似処理を行う場合において、上記の式(11)と(M3)とを用いる場合(偏向角度データθを用いる)と、式(11)と(M3)とを用いない場合(偏向角度θを零とする)とにおいて同結果を得る場合も、補間近似の式は対応して変化する(用いない場合を段落0354の(A')と(B')の各々に記載)。
平面波送波を用いる場合のビームフォーミングは、本願明細書に記載の通り、様々なビームフォーミングに応用されるが、それらの応用において本段落に記載の処理が代わりに使用されることもある。注意すべきこととして、方法(6)を応用して送信フォーカシングされたもの等の任意の送信ビームフォーミングが行われたものに対して受信ダイナミックフォーカシングを行う場合には、後述の通り、角周波数ωと換算伝搬速度(E1)とを用いて表される波数(式(M13))を用いて表される(M3'')を式(M3)の代わりに用いるため、補間近似式中の-ksinθtの波数kには、代わりに式(M13)を使用する必要がある。
方法(1)と方法(6)との各々において、本段落に記載の方法が組み合わされて実施されることもある。例えば、方法(1)にて補間近似を行うJ.-y. Luらの方法(段落0197参照、式は段落0354の(C')に記載)と同様に、方法(6)において、波数マッチングを全て補間近似を通じて行い、最初の2次元フーリエ変換と最後の2次元逆フーリエ変換を高速2次元フーリエ変換で実施することが可能である(段落0354の(D')に記載。後述の通り、3次元の場合には3次元高速フーリエ変換)。これらの各々において、式(11)を用いる場合(偏向角度データθを用いる)と式(M3)を用いる場合もある(段落0354の(C)と(D)の各々に記載)。無論、偏向しない場合にも使用できる。
上記の通り、方法(1)と方法(6)とを基礎とする平面波送波は、様々なビームフォーミングに応用される。 In addition, if the same result is obtained without multiplying the formula (M9) and without the approximation process, the following formula (N4) instead of the formula (M4) is used to calculate the formula (M6) or the formula (M7). good.
Figure 0007175489000091
That is, in wavenumber matching, when interpolation approximation is not performed, the wavenumber in the depth direction indicated by the proviso in the formula is used. It is divided by the speed (E1).
The depth-direction wavenumber equation expressed in this equation is similar to equation (13) in method (1), but in method (1), kx If the same result is obtained when calculating without using -ksin θ of -ksin θ (as zero), in the same way as in the case of multiplying formula (M9) and performing inverse Fourier transform in method (6), paragraph 0204 Equation (16) may be multiplied by Equation (M9) before performing the described processing. However, the deflection of the plane wave realized by method (6) is only realized under approximation calculation. is highly accurate without any approximation processing, but the accuracy decreases when using equation (M9) in method (1). Also, when the final inverse Fourier transform is performed by a two-dimensional inverse fast Fourier transform (as described later, in the case of three dimensions, a three-dimensional inverse fast Fourier transform), the calculation speed is Method (6) speeds up, but method (1) slows down (the process described in paragraph 0204 is fast).
Also, in each of these modified methods (1) and (6), when interpolation approximation processing is performed in wave number matching, if the same result is obtained using equations (M9) and (N4) , the formula for the interpolation approximation changes correspondingly (described in paragraph 0354 (A) and (B), respectively).
Further, in each of these modified methods (1) and (6), when performing interpolation approximation processing in wave number matching, when using the above equations (11) and (M3) (deflection angle data θ ) and without using equations (11) and (M3) (with the deflection angle θ set to zero), the equation for interpolation approximation changes correspondingly (without using in each of (A') and (B') of paragraph 0354).
Beamforming with plane wave transmission has various beamforming applications, as described herein, in which the processing described in this paragraph may be used instead. It should be noted that when receiving dynamic focusing is performed on an object subjected to arbitrary transmission beamforming such as one subjected to transmission focusing by applying method (6), as will be described later, the angular frequency ω and the converted propagation velocity (E1) is used instead of the wavenumber (formula (M13)) (M3'') expressed by the formula (M3). For wavenumber k of t , equation (M13) should be used instead.
In each of method (1) and method (6), the methods described in this paragraph may be combined and implemented. For example, in method (6), wavenumber matching are all performed through interpolation approximation, and the first two-dimensional Fourier transform and the final two-dimensional inverse Fourier transform can be performed with the fast two-dimensional Fourier transform (described in paragraph 0354 (D'). As described below, 3D Fast Fourier Transform for the 3D case). In each of these, equation (11) may be used (using the deflection angle data θ) and equation (M3) may be used (described in paragraph 0354 (C) and (D), respectively). Of course, it can also be used when it is not deflected.
As described above, plane wave transmission based on methods (1) and (6) has various beamforming applications.

ここでは、マイグレーション法を用いて、方法(1)のステアリング有りと無しの平面波送波時のビームフォーミングを波数マッチングにおいて補間近似無しに高速に実施することを主として説明したが、本発明の他の方法(2)(ステアリングを行う場合を含むモノスタティック開口面合成法)、方法(3)(ステアリング有り又は無しのマルチスタティック法)、方法(4)(ステアリング有り又は無しの送信固定フォーカス)、及び、方法(5)(極座標系や任意の直交曲線座標系におけるビームフォーミング)の各々において記載されている全てのビームフォーミングを同様に実施できる。送信と受信において、偏向角度が異なる場合も同様に処理できる。アポダイゼーションも同様に行われることがある。 Here, using the migration method, it was mainly described that the beamforming at the time of plane wave transmission with and without steering in method (1) is performed at high speed without interpolation approximation in wave number matching, but other methods of the present invention Method (2) (monostatic aperture synthesis with steering), Method (3) (multistatic with or without steering), Method (4) (transmit fixed focus with or without steering), and , method (5) (beamforming in a polar coordinate system or any orthogonal curvilinear coordinate system), respectively, can be performed similarly. Even if the deflection angles are different in transmission and reception, it can be processed in the same way. Apodization may be done as well.

3次元の場合も同様に処理できる。2次元開口素子アレイを用いて得られる受信信号が、r(x,y,z,t)と表されるとき、開口素子アレイ位置(y=0)における受信信号は、r(x,y=0,z,t)と表される。 A three-dimensional case can be similarly processed. When the received signal obtained using the two-dimensional aperture element array is represented by r(x, y, z, t), the received signal at the aperture element array position (y=0) is r(x, y= 0,z,t).

まず、式(M'2)に示すように、受信信号を時間tと横方向xとエレベーション方向zに関する3次元フーリエ変換する(3次元高速フーリエ変換が良い)。

Figure 0007175489000092
ここで、k=ω/cである。 First, as shown in equation (M'2), the received signal is subjected to three-dimensional Fourier transform with respect to time t, horizontal direction x, and elevation direction z (three-dimensional fast Fourier transform is preferable).
Figure 0007175489000092
where k=ω/c.

一般的には、受信信号に対し、各位置座標(x,0,z)において、時間tに関する高速フーリエ変換(FFT)を行って解析信号のスペクトルR(x,0,z,k)が得られる。その上で、帯域k内の各周波数座標において、横方向xとエレベーション方向zに関する高速フーリエ変換を行い、R(kx,0,kz,k)が得られる(3次元スペクトルの各々を式(M'2)に従って計算するよりは高速である)。 In general, the received signal is subjected to fast Fourier transform (FFT) with respect to time t at each position coordinate (x, 0, z) to obtain the spectrum R (x, 0, z, k) of the analytic signal. be done. Then, at each frequency coordinate within the band k, a fast Fourier transform is performed in the horizontal direction x and the elevation direction z to obtain R(k x ,0,k z ,k) (each of the three-dimensional spectra is faster than calculating according to equation (M'2)).

平面波を偏向送波しない場合には、上記の計算で良いが、平面波として送信する方向と軸方向とが成す零度又は非零度の偏向角度が仰角θ及び方位角φを用いて表される場合には、トリミングをせねばならず、そのために、上記の時間tに関する高速フーリエ変換後のR'(x,0,z,k)に複素指数関数(M'3)を掛ける(時間tに関する高速フーリエ変換と複素指数関数の掛け算の演算は一度に直接に計算することもできるし、そのような計算が可能な専用の高速フーリエ変換も有用である)。

Figure 0007175489000093
When the plane wave is not transmitted with deflection, the above calculation is sufficient. must be trimmed by multiplying the above R'(x,0,z,k) after the fast Fourier transform for time t by a complex exponential function (M'3) (Fast Fourier transform for time t The transform and complex exponential multiplication operations can be computed directly at once, or a dedicated Fast Fourier Transform capable of such computation is useful).
Figure 0007175489000093

その上で、受信信号に対し、横方向xに関して高速フーリエ変換(FFT)が施される。その結果を、R''(kx,0,z,k)とする。ちなみに、トリミングを行える様にプログラムされていても、偏向せずに平面波を送波する場合(ステアリング角度0°)を処理できる。 Then, a fast Fourier transform (FFT) is applied to the received signal in the horizontal direction x. Let the result be R''(k x ,0,z,k). By the way, even if the program is programmed to perform trimming, it is possible to process the case where a plane wave is transmitted without being deflected (steering angle 0°).

次に、波数マッチング(又は、マッピング)を行う。ビームフォーミングが、通常のマイグレーション(方法(2)のステアリング無しのとき)以外の方法(1)~(5)の場合には、伝搬速度cと座標系(xs,ys,zs)を各々のビームフォーミングのための伝搬速度(E'1)と座標系(E'2)に読み替えて処理する。

Figure 0007175489000094
Figure 0007175489000095
Next, wave number matching (or mapping) is performed. In the case of beamforming methods (1) to (5) other than normal migration (method (2) without steering), the propagation velocity c and the coordinate system (x s , y s , z s ) are The propagation velocity (E'1) and the coordinate system (E'2) for each beam forming are read and processed.
Figure 0007175489000094
Figure 0007175489000095

通常のマイグレーション(方法(2)のステアリング無しのとき)以外の方法(方法(1)を含む)の場合において計算された3次元フーリエ変換R''(kx,0,z,k)に対して、又は、通常のマイグレーションにおいて計算された上記のR(kx,0,z,k)に対して、補間近似(周波数座標の最も近い所の角スペクトルを使用する、バイリニア(bi-linear)補間等)を通じて、それぞれ、式(M'4)又は式(M'4')で表される波数マッチングが行われる。

Figure 0007175489000096
Figure 0007175489000097
但し、受信信号が反射信号の場合には、s = 2であり、透過信号の場合には、s = 1である。
但し、式(M'4)と式(M'4')の波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、各々の式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合における各々の深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度cと式(E'1)にて除したものである。以下、同様である。 For the three-dimensional Fourier transform R''(k x ,0,z,k) computed in the case of methods (including method (1)) other than the normal migration (without steering in method (2)) or for R(k x ,0,z,k) above computed in the normal migration, an interpolation approximation (using the angular spectrum nearest the frequency coordinate, bi-linear interpolation, etc.), the wave number matching represented by equation (M′4) or equation (M′4′), respectively, is performed.
Figure 0007175489000096
Figure 0007175489000097
However, s=2 if the received signal is a reflected signal, and s=1 if it is a transmitted signal.
However, when interpolation approximation is not performed in the wavenumber matching of formulas (M'4) and (M'4'), the wavenumbers in the depth direction indicated by the proviso in each formula are used, but interpolation approximation is obtained by dividing the angular frequency ω by the propagation velocity c and the equation (E′1). The same applies hereinafter.

このように波数マッチングが施されて、次の関数(M'4'')が求められる。

Figure 0007175489000098
さらに、関数(M'4'')を用いて、次の式(M'5)又は式(M'5')が求められる。
Figure 0007175489000099
Figure 0007175489000100
Wavenumber matching is performed in this way to obtain the following function (M'4'').
Figure 0007175489000098
Furthermore, using the function (M'4''), the following formula (M'5) or formula (M'5') is obtained.
Figure 0007175489000099
Figure 0007175489000100

式(M'5)又は(M'5')に対して、式(M'6)又は式(M'6')によって表されるように、波数k及びkz、3次元の場合の波数(E'3)に関する3次元逆フーリエ変換を施すことにより、イメージ信号f(x,y,z)が生成される。

Figure 0007175489000101
Figure 0007175489000102
Figure 0007175489000103
For equation (M'5) or (M'5'), the wavenumbers k x and k z , for the three-dimensional case, as expressed by equation (M'6) or (M'6'). An image signal f(x,y,z) is generated by performing a three-dimensional inverse Fourier transform on the wavenumber (E'3).
Figure 0007175489000101
Figure 0007175489000102
Figure 0007175489000103

式(M'6)及び式(M'6')の計算における3次元逆フーリエ変換は、高速3次元逆フーリエ変換(IFFT)を施せば良く、特殊な高速3次元逆フーリエ変換を使用することもできるが、一般的(popular)な方法としては、式(M'6)及び式(M'6')の各々において、まず、信号帯域内の二方の波数kとkzに対し、もう一方の波数(E'3)に関する高速逆フーリエ変換を行い、その上で、生成された空間座標yの各座標に対し、(信号帯域内の)波数kとkzに関する高速逆フーリエ変換を行えば良い(3次元のイメージ信号の各々を式(M'6)又は式(M'6')に従って計算するよりは高速である)。 The three-dimensional inverse Fourier transform in the calculation of the formulas (M'6) and (M'6') may be performed by performing a fast three-dimensional inverse Fourier transform (IFFT), and using a special fast three-dimensional inverse Fourier transform. However, as a popular method, in each of the equations (M'6) and (M'6'), first, for the two wavenumbers k x and k z in the signal band, Perform an inverse fast Fourier transform with respect to the other wavenumber (E′3), and then for each coordinate of the generated spatial coordinate y, with respect to wavenumbers k x and k z (within the signal band) (which is faster than calculating each of the three-dimensional image signals according to equation (M'6) or (M'6')).

本発明の装置においては、波数マッチングを3次元逆フーリエ変換と共に、又は、深さ方向の逆フーリエ変換と共に、補間近似することなく実施する。つまり、通常のマイグレーション法(方法(2)のステアリング無しのとき)以外の方法(方法(1)を含む)の場合において計算された3次元フーリエ変換R''(kx,0, kz,k)に対して、又は、通常のマイグレーション法において計算された上記のR(kx,0, kz,k)に対して、式(M'7)又は式(M'7')によって表されるように、まず、帯域内のそれぞれの(k,kz)対してkに関する積分を行って、深さ方向の波数(E'3)の波数マッチングと逆フーリエ変換(IFFT)とを同時に行い、その後に、横(x)方向とエレベーション(z)方向の高速逆フーリエ変換を行う。

Figure 0007175489000104
Figure 0007175489000105
In the apparatus of the present invention, wavenumber matching is performed together with a three-dimensional inverse Fourier transform or together with a depthwise inverse Fourier transform without interpolation approximation. That is, the three-dimensional Fourier transform R''(k x ,0, k z , k), or for the above R (k x ,0, k z ,k) calculated in the normal migration method, expressed by formula (M'7) or formula (M'7') First, for each (k x , k z ) in the band, the integration with respect to k is performed, and wavenumber matching and inverse Fourier transform (IFFT) of the wavenumber in the depth direction (E′3) are performed as shown in simultaneously, followed by an inverse fast Fourier transform in the lateral (x) and elevation (z) directions.
Figure 0007175489000104
Figure 0007175489000105

非特許文献12には、式中においてyを用いる式(M'6)や(M'7)は開示されていない。両式は、偏向角度が0°のときにも使用できる。方法(1)~(6)と同様、スペクトルの周波数k成分を足し合わせた上で、横方向とエレベーション方向の波数kとkzに関する逆フーリエ変換(IFFT)を行い、1度の逆フーリエ変換で計算ができ、計算が高速である。 Non-Patent Document 12 does not disclose formulas (M'6) and (M'7) using yS in the formulas. Both equations can also be used when the deflection angle is 0°. As in methods (1) to (6), after summing the frequency k components of the spectrum, inverse Fourier transform (IFFT) is performed on the wavenumbers k x and k z in the horizontal and elevation directions, and the inverse of 1 degree is obtained. It can be calculated by Fourier transform, and the calculation is fast.

さらに、通常のマイグレーション(方法(2)のステアリング無しのときと対応する処理)と異なる場合には、式(M'6)や式(M'7)を計算する過程において、横(x)方向とエレベーション方向(z)の位置の補正を行うことができる。例えば、方法(1)の偏向平面波を送波したときは、まず、上記の如く、波数(E'3)に関する計算を行い、位置補正のために、各々の結果として求まる関数(M'8)に対して、複素指数関数を掛け、その後、横方向とエレベーション方向の波数kとkzに関する高速逆フーリエ変換(IFFT)を行う。

Figure 0007175489000106
纏めると、式(M'6)、式(M'6')、式(M'7)、又は、式(M'7')を使用して、新しい処理を行うことができ、補間近似による誤差を除き、高速に、イメージ信号f(x,y,z)を生成できる。 Furthermore, when different from normal migration (processing corresponding to method (2) without steering), in the process of calculating equations (M'6) and (M'7), horizontal (x) direction and the position in the elevation direction (z) can be corrected. For example, when the polarized plane wave of method (1) is transmitted, first, as described above, the calculation regarding the wave number (E'3) is performed, and for position correction, the function (M'8) obtained as a result of each is multiplied by a complex exponential function, followed by an inverse fast Fourier transform (IFFT) with respect to the transverse and elevational wavenumbers kx and kz.
Figure 0007175489000106
In summary, the new process can be performed using Eq. An image signal f(x, y, z) can be generated at high speed by removing errors.

尚、2次元の場合の式(M9)に該当する複素指数関数を乗じずに近似処理無しに同結果を得る場合には、式(M'4)の代わりに、次式(N'4)を用いて、式(M6)又は式(M7)を計算すれば良い。

Figure 0007175489000107
即ち、波数マッチングにおいて、補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合における深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度(E'1)にて除したものである。
この式中に表される深さ方向の波数の式は、方法(1)における式(C22)に類似しているが、方法(1)において、式(C22)と式(C23)中のkx-ksinθcosφとkz-ksinθsinφの-ksinθcosφと-ksinθsinφを用いずに(零として)計算した場合に同じ結果を得る場合には、方法(6)において2次元の場合の式(M9)に該当する複素指数関数を乗じて逆フーリエ変換を行う場合と同様に、段落0207に記載の処理を行う中で乗じれば良い。但し、方法(6)で実現される平面波の偏向は、あくまで、近似計算の下で実現されるものであり、従って、2次元の場合と同様に、方法(6)において式(N'4)と式(M7)を用いた場合には全くに近似処理無しにて高精度化されるが、方法(1)において2次元の場合の式(M9)に該当する複素指数関数を用いると精度は低下する。また、最後の逆フーリエ変換を3次元高速逆フーリエ変換で実施する場合には、それらの処理を行うと、2次元の場合と同様に、計算速度は、方法(6)では高速化されるが、方法(1)では遅くなる(段落0204に記載の処理は高速である)。
また、これらの改変された方法(1)や方法(6)の各々において、波数マッチングにおいて補間近似処理を行う場合において、2次元の場合の式(M9)に該当する複素指数関数と式(N'4)とを用いて同じ結果を得る場合には、2次元の場合と同様に、補間近似の式は対応して変化する(段落0354の(A)と(B)の各々に記載)。
また、これらの改変された方法(1)や方法(6)の各々において、波数マッチングにおいて補間近似処理を行う場合において、上記の式(C21)と(M'3)とを用いる場合(偏向角度データθとφを用いる)と、式(C21)と(M'3)とを用いない場合(全ての偏向角度θとφを零とする)とにおいて同結果を得る場合も、2次元の場合と同様に、補間近似の式は対応して変化する(用いない場合を段落0354の(A')と(B')の各々に記載)。
平面波送波を用いる場合のビームフォーミングは、本願明細書に記載の通り、様々なビームフォーミングに応用されるが、それらの応用において本段落に記載の処理が代わりに使用されることもある。2次元の場合と同様にして注意すべきこととして、方法(6)を応用して送信フォーカシングされたもの等の任意の送信ビームフォーミングが行われたものに対して受信ダイナミックフォーカシングを行う場合には、後述の通り、角周波数ωと換算伝搬速度(E'1)とを用いて表される波数(式(M'13))を用いて表される(M'3'')を式(M'3)の代わりに用いるため、補間近似式中の-ksinθ1(cosφ1x+sinφ1z)の波数kには、代わりに式(M'13)を使用する必要がある。
方法(1)と方法(6)との各々において、本段落に記載の方法が組み合わされて実施されることもある。例えば、方法(1)にて補間近似を行うJ.-y. Luらの方法(段落0197参照、式は段落0354の(C')に記載)と同様に、方法(6)において、波数マッチングを全て補間近似を通じて行い、最初の3次元フーリエ変換と最後の3次元逆フーリエ変換を高速フーリエ変換で実施することが可能である(段落0354の(D')に記載)。これらの各々において、式(C21)を用いる場合(偏向角度データθを用いる)と式(M'3)を用いる場合もある(段落0354の(C')と(D')の各々に記載)。無論、偏向しない場合にも使用できる。
上記の通り、方法(1)と方法(6)とを基礎とする平面波送波は、様々なビームフォーミングに応用される。 In addition, if the same result is obtained without approximation processing without multiplying the complex exponential function corresponding to the two-dimensional expression (M9), the following expression (N'4) can be used instead of the expression (M'4). can be used to calculate formula (M6) or formula (M7).
Figure 0007175489000107
That is, in wavenumber matching, when interpolation approximation is not performed, the wavenumber in the depth direction indicated by the proviso in the formula is used. It is divided by the velocity (E'1).
The depth-direction wavenumber equation expressed in this equation is similar to equation (C22) in method (1), but in method (1), equation (C22) and kx If the same result is obtained without using -ksinθcosφ and -ksinθsinφ of -ksinθcosφ and kz-ksinθsinφ (as zero), the complex As in the case of performing inverse Fourier transform by multiplying by an exponential function, the multiplication may be performed while performing the processing described in paragraph 0207. However, the deflection of the plane wave realized in method (6) is only realized under approximation calculation, and therefore, in method (6), equation (N'4) and (M7) are used, the accuracy is improved without any approximation, but if the complex exponential function corresponding to the two-dimensional case (M9) is used in method (1), the accuracy is descend. Also, when the final inverse Fourier transform is performed by a three-dimensional fast inverse Fourier transform, these processes speed up the computation in method (6) as in the two-dimensional case, but , method (1) is slow (the process described in paragraph 0204 is fast).
Further, in each of these modified methods (1) and (6), when interpolation approximation is performed in wave number matching, the complex exponential function corresponding to the two-dimensional case (M9) and the expression (N '4) to obtain the same result, as in the two-dimensional case, the formula for the interpolation approximation changes correspondingly (described in paragraphs 0354 (A) and (B), respectively).
Further, in each of these modified methods (1) and (6), when performing interpolation approximation processing in wavenumber matching, when using the above equations (C21) and (M'3) (deflection angle Data θ and φ are used) and equations (C21) and (M′3) are not used (all deflection angles θ and φ are set to zero). Similarly, the formula for interpolation approximation changes correspondingly (cases not used are described in (A') and (B') of paragraph 0354, respectively).
Beamforming with plane wave transmission has various beamforming applications, as described herein, in which the processing described in this paragraph may be used instead. As in the two-dimensional case, it should be noted that when receiving dynamic focusing is performed on an object subjected to arbitrary transmission beamforming, such as one subjected to transmission focusing by applying method (6), , As will be described later, (M′3″) represented using the wave number (equation (M′13)) represented using the angular frequency ω and the reduced propagation velocity (E′1) is expressed by the equation (M Since it is used instead of '3), it is necessary to use the equation (M'13) instead for the wave number k of -ksin θ 1 (cosφ 1 x+sin φ 1 z) in the interpolation approximation.
In each of method (1) and method (6), the methods described in this paragraph may be combined and implemented. For example, in method (6), wavenumber matching can all be done through an interpolation approximation, and the first 3D Fourier transform and the final 3D inverse Fourier transform can be performed with the Fast Fourier Transform (described in paragraph 0354 (D')). In each of these, there are cases where formula (C21) is used (using deflection angle data θ) and formula (M'3) is sometimes used (described in each of (C') and (D') in paragraph 0354) . Of course, it can also be used when it is not deflected.
As described above, plane wave transmission based on methods (1) and (6) has various beamforming applications.

このマイグレーション法においても、方法(2)や方法(3)の方法と同様にして、波数マッチングにおいて補間近似処理を行わずに、モノスタティックやマルチスタティックの開口面合成を実施できる。 In this migration method, similarly to the method (2) and method (3), monostatic and multistatic aperture plane synthesis can be performed without performing interpolation approximation processing in wave number matching.

モノスタティック開口面合成の場合には、ソフト的な送信偏向角度と受信角度の各々をθtとθrとすると、式(M3)の代わりに、超音波角周波数ω0と伝搬速度cを用いて表される波数

Figure 0007175489000108
を用いて表される
Figure 0007175489000109
を同様に用い、通常のマイグレーション処理の波数マッチングにおいて補間処理を要しない場合の式(M7')において、
Figure 0007175489000110
但し、受信信号が反射信号の場合には、s = 2であり、透過信号の場合には、s = 1である。
とすれば良い。 In the case of monostatic aperture plane synthesis, if the soft transmission deflection angle and reception angle are θt and θr, instead of Equation (M3), the ultrasonic angular frequency ω 0 and propagation velocity c are used to express wave number
Figure 0007175489000108
is represented using
Figure 0007175489000109
is used in the same way, and in the equation (M7') when interpolation processing is not required in wavenumber matching for normal migration processing,
Figure 0007175489000110
However, s=2 if the received signal is a reflected signal, and s=1 if it is a transmitted signal.
and should be.

また、3次元の場合において、送信ビームと受信ビームの偏向角度の各々が、(仰角,方位角)=(θtt)と(θrr)を用いて表されるとすると、波数マッチングは、方法(2)と同様に、超音波信号の搬送周波数ω0を用いて表される複素指数関数(式(D41))を掛けて、まず横方向に実施し、深さy方向に関しては、深さy方向に分解能を持たせるべく、横方向のマッチング処理(式(D41))を除いた複素指数関数(式(D42))を掛けると同時に、複素指数関数(式(D43))を掛けて行われる。即ち、2次元の場合の式(M3')の代わりに式(D41)を用い、式(M11)の代わりに式(D42)と式(D43)の積を用いる。 Also, in the three-dimensional case, if the deflection angles of the transmission beam and the reception beam are expressed using (elevation angle, azimuth angle)=(θ t , φ t ) and (θ r , φ r ), , wave number matching is performed first in the horizontal direction by multiplying by a complex exponential function (equation (D41)) expressed using the carrier frequency ω of the ultrasonic signal, as in method ( 2 ), and then in the depth y Regarding the direction, in order to provide resolution in the depth y direction, the complex exponential function (formula (D42)) excluding the horizontal matching process (formula (D41)) is multiplied, and at the same time, the complex exponential function (formula (D43 )). That is, the expression (D41) is used instead of the expression (M3′) for the two-dimensional case, and the product of the expression (D42) and the expression (D43) is used instead of the expression (M11).

この様に、方法(2)とこれに基づく方法(3)に該当する本発明におけるマイグレーション処理は、方法(2)と方法(3)と等価である。 Thus, the migration processing in the present invention corresponding to method (2) and method (3) based thereon is equivalent to method (2) and method (3).

これらの場合にも、通常のマイグレーション処理と同様に、波数マッチングにおいて補間処理を行って高速逆フーリエ変換を実施することは可能であり、その場合には、方法(2)とこれに基づく方法(3)とは等価ではなく、式(M3')を用いた上記の処理等の後、補間処理を共なう波数マッチングである式(M4')の代わりに、式(M11)に基づいて、

Figure 0007175489000111
但し、受信信号が反射信号の場合には、s = 2であり、透過信号の場合には、s = 1である。また、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものである。以下、同様である。
と表される式(M4'')を求め、(M4''')の同kyを用いて表される式(M5')の2次元逆フーリエ変換(式(M6'))を実施するか、又は、式(M4')の代わりに、
Figure 0007175489000112
但し、受信信号が反射信号の場合には、s = 2であり、透過信号の場合には、s = 1である。また、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものである。以下、同様である。
と表される補間処理を共なう波数マッチングを行って式(M4'')を求め、(M4'''')の同kyを用いて表される式(M5')に、
Figure 0007175489000113
を乗算したものの2次元逆フーリエ変換(式(M6')に該当)を実施すれば良い。 In these cases as well, it is possible to perform fast inverse Fourier transform by performing interpolation processing in wave number matching, as in normal migration processing. 3), instead of equation (M4′), which is wavenumber matching with interpolation after the above processing using equation (M3′), etc., based on equation (M11),
Figure 0007175489000111
However, if the received signal is a reflected signal, s=2, and if it is a transmitted signal, s=1. When interpolation approximation is not used in wavenumber matching, the wavenumber in the depth direction indicated by the proviso in the formula is used. It is divided by c. The same applies hereinafter.
and perform the two-dimensional inverse Fourier transform (formula (M6')) of formula (M5') expressed using the same ky of (M4''') , or instead of formula (M4′),
Figure 0007175489000112
However, if the received signal is a reflected signal, s=2, and if it is a transmitted signal, s=1. When interpolation approximation is not used in wavenumber matching, the wavenumber in the depth direction indicated by the proviso in the formula is used. It is divided by c. The same applies hereinafter.
Equation (M4'') is obtained by performing wavenumber matching accompanied by interpolation processing represented by, and Equation (M5') represented by using the same ky of (M4'''') is:
Figure 0007175489000113
is multiplied by two-dimensional inverse Fourier transform (corresponding to formula (M6')).

また、この場合も、マルチスタティック開口面合成は、方法(2)を応用して方法(3)を実現したときと全くに同様にして、方法(2)の代わりに、このマイグレーション法よるモノスタティック開口面合成法を応用して実現できる。 Also in this case, multi-static aperture synthesis is performed in exactly the same manner as when method (2) is applied to realize method (3), instead of method (2), monostatic aperture synthesis by this migration method is performed. It can be realized by applying the aperture synthesis method.

3次元の場合も同様に処理できる。つまり、3次元の場合の式(M'3')を用いた処理等の後、補間処理を共なう波数マッチングである式(M'4')の代わりに、式(D42)と式(D43)の積(2次元の時の(M11)に該当)に基づいて、

Figure 0007175489000114
但し、受信信号が反射信号の場合には、s = 2であり、透過信号の場合には、s = 1である。また、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものである。以下、同様である。
と表される式(M'4'')を求め、(M'4''')の同kyを用いて表される式(M'5')の3次元逆フーリエ変換(式(M'6'))を実施するか、又は、式(M'4')の代わりに、
Figure 0007175489000115
但し、受信信号が反射信号の場合には、s = 2であり、透過信号の場合には、s = 1である。また、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものである。以下、同様である。
と表される補間処理を共なう波数マッチングを行って式(M'4'')を求め、(M'4'''')の同kyを用いて表される式(M'5')に、
Figure 0007175489000116
を乗算したものの3次元逆フーリエ変換(式(M'6')に該当)を実施すれば良い。 A three-dimensional case can be similarly processed. That is, after the processing using the equation (M'3') in the case of three dimensions, instead of the equation (M'4'), which is wave number matching with interpolation processing, the equation (D42) and the equation ( D43) (corresponding to (M11) in two dimensions),
Figure 0007175489000114
However, s=2 if the received signal is a reflected signal, and s=1 if it is a transmitted signal. When interpolation approximation is not used in wavenumber matching, the wavenumber in the depth direction indicated by the proviso in the formula is used. It is divided by c. The same applies hereinafter.
and the three-dimensional inverse Fourier transform of the formula (M'5') expressed using the same ky of (M'4''') (formula (M' 6′)) or instead of formula (M′4′)
Figure 0007175489000115
However, s=2 if the received signal is a reflected signal, and s=1 if it is a transmitted signal. When interpolation approximation is not used in wavenumber matching, the wavenumber in the depth direction indicated by the proviso in the formula is used. It is divided by c. The same applies hereinafter.
Equation (M'4'') is obtained by performing wavenumber matching accompanied by interpolation processing represented as, and equation (M'5') represented using the same ky of (M'4'''') ) to
Figure 0007175489000116
is multiplied by the three-dimensional inverse Fourier transform (corresponding to formula (M'6')).

この場合も、マルチスタティック開口面合成は、方法(2)を応用して方法(3)を実現したときと全くに同様にして、方法(2)の代わりに、このマイグレーション法よるモノスタティック開口面合成法を応用して実現できる。 In this case as well, multi-static aperture synthesis is performed in exactly the same manner as when method (2) is applied to realize method (3), instead of method (2), monostatic aperture plane synthesis by this migration method is performed. It can be realized by applying a synthesis method.

これらのマイグレーション法に基づき、方法(2)と(3)に記載の全てのビームフォーミングを同様に実施できる。 Based on these migration methods, all beamforming described in methods (2) and (3) can be performed as well.

また、方法(1)に該当する上記平面波送信時のマイグレーション処理(式(M7)等)を用いて、波数マッチングにおいて補間近似を行うことなく、方法(4)の固定フォーカスビーム等の任意のビームの他、任意の波(ビームフォーミングされていない波を含む)の送信時のビームフォーミング、複数のビームや波の送信時の重ね合わせ処理、同時の複数ビームや波の送信時の処理を実施できる。複数のビームフォーミングが行われることは、多方向開口面合成法を用いて行われる場合もあり、その場合も同様にして高速に行われる。また、それらの限りでは無い。それらの場合においては、方法(1)を用いたときと同様にして、方法(2)との組み合わせとして、任意の送信ビームフォーミングに対して受信の偏向ダイナミックフォーカシングを実施できる。 In addition, using the migration processing (equation (M7), etc.) at the time of plane wave transmission corresponding to method (1), without performing interpolation approximation in wavenumber matching, an arbitrary beam such as a fixed focus beam of method (4) In addition, beamforming when transmitting arbitrary waves (including waves that have not been beamformed), superposition processing when transmitting multiple beams and waves, and processing when transmitting multiple beams and waves at the same time can be performed. . Multiple beamforming may be performed using a multi-directional aperture synthesis method, which is similarly fast. Moreover, it is not limited to them. In those cases, receive polarized dynamic focusing can be implemented for arbitrary transmit beamforming in combination with method (2) in the same manner as with method (1).

フォーカスビームの物理的な送信偏向角度がAであるときに、ソフト的な送信偏向角度と受信角度の各々をθ(=θt)とθrとすると、式(M3)の代わりに、角周波数ωと換算伝搬速度(E1)を用いて表される波数

Figure 0007175489000117
を用いて表される
Figure 0007175489000118
を同様に用い、また、平面波の物理的な送信偏向角度がAであるときに、ソフト的な送信偏向角度と受信角度の各々をθ(=θt)とθrとすると、式(M3)の代わりに、
Figure 0007175489000119
を同様に用い、式(M7)において、
Figure 0007175489000120
とすれば良い。 When the physical transmission deflection angle of the focused beam is A, and the soft transmission deflection angle and reception angle are θ (= θt) and θr respectively, instead of equation (M3), angular frequency ω and Wavenumber expressed using reduced propagation velocity (E1)
Figure 0007175489000117
is represented using
Figure 0007175489000118
is used in the same way, and when the physical transmission deflection angle of the plane wave is A, and the software transmission deflection angle and reception angle are θ (= θt) and θr respectively, instead of equation (M3), to the
Figure 0007175489000119
is similarly used, and in equation (M7),
Figure 0007175489000120
and should be.

また、3次元の場合も同様に処理できる。フォーカスビームの物理的な送信偏向角度が仰角Aと方位角Bで表されるとき(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)に、ソフト的な送信偏向角度(仰角θ1と方位角φ1)にてステアリングして偏向角度(仰角θ2,方位角φ2)にてステアリングダイナミックフォーカシングを行う場合(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)には、式(M'3)の代わりに、角周波数ωと換算伝搬速度(E'1)を用いて表される波数

Figure 0007175489000121
を用いて表される
Figure 0007175489000122
を同様に用い、また、平面波の物理的な送信偏向角度が仰角Aと方位角Bで表されるとき(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)、ソフト的な送信偏向角度(仰角θ1と方位角φ1)にてステアリングして偏向角度(仰角θ2,方位角φ2)にてステアリングダイナミックフォーカシングを行う場合(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)には、式(M'3)の代わりに、
Figure 0007175489000123
を同様に用い、式(M'7)において、
Figure 0007175489000124
とすれば良い。 Also, the three-dimensional case can be similarly processed. When the physical transmit deflection angles of the focused beam are represented by the elevation angle A and the azimuth angle B (including the case where at least one angle is zero degrees), the soft transmit deflection angles (elevation angles θ 1 and When steering at the azimuth angle φ 1 ) and performing steering dynamic focusing at the deflection angles (elevation angle θ 2 , azimuth angle φ 2 ) (including the case where at least one of the angles is zero degrees), the formula Wavenumber expressed using angular frequency ω and reduced propagation velocity (E'1) instead of (M'3)
Figure 0007175489000121
is represented using
Figure 0007175489000122
is similarly used, and when the physical transmission deflection angles of the plane wave are represented by the elevation angle A and the azimuth angle B (including the case where at least one of the angles is zero degrees), the soft transmission deflection angle When steering is performed at (elevation angle θ 1 and azimuth angle φ 1 ) and steering dynamic focusing is performed at deflection angles (elevation angle θ 2 , azimuth angle φ 2 ) (including the case where at least one angle is zero ), instead of the formula (M'3),
Figure 0007175489000123
is similarly used, and in formula (M'7),
Figure 0007175489000124
and should be.

この場合にも、通常のマイグレーション処理と同様に、波数マッチングにおいて補間処理を行って高速逆フーリエ変換を実施することは可能であり、その場合には、補間処理を共なう波数マッチングである式(M4)の代わりに、式(M11''')に基づいて、

Figure 0007175489000125
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E1)にて除したものである。以下、同様である。
と表される式(M4'')を求め、(M4''''')の同kyを用いて表される式(M5)の2次元逆フーリエ変換(式(M6))を実施するか、又は、式(M4)の代わりに、
Figure 0007175489000126
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E1)にて除したものである。以下、同様である。
と表される補間処理を共なう波数マッチングを行って式(M4'')を求め、(M4'''''')の同kyを用いて表される式(M5)に、
Figure 0007175489000127
を乗算したものの2次元逆フーリエ変換(式(M6)に該当)を実施すれば良い。 In this case as well, as in normal migration processing, it is possible to perform fast inverse Fourier transform by performing interpolation processing in wavenumber matching. Instead of (M4), based on formula (M11'''),
Figure 0007175489000125
However, when interpolation approximation is not used in wavenumber matching, the wavenumber in the depth direction indicated by the proviso in the formula is used. It is divided by the velocity (E1). The same applies hereinafter.
and perform the two-dimensional inverse Fourier transform (formula (M6)) of formula (M5) expressed using the same ky of (M4'''') , or instead of formula (M4),
Figure 0007175489000126
However, when interpolation approximation is not used in wavenumber matching, the wavenumber in the depth direction indicated by the proviso in the formula is used. It is divided by the velocity (E1). The same applies hereinafter.
Equation (M4'') is obtained by performing wavenumber matching accompanied by interpolation processing represented by, and Equation (M5) represented by using the same ky of (M4'''''') is
Figure 0007175489000127
is multiplied by two-dimensional inverse Fourier transform (corresponding to formula (M6)).

尚、上記において、式(M3'')と(M3''')を入れ替えて各々を処理すると、ソフト的な送信ステアリングを行った場合(θtが非零の場合)に結像位置がずれるエラーを生じる。また、これらの処理において、超音波周波数に対応する波数である式(M10)の代わりに、超音波角周波数ω0と換算伝搬速度(E1)を用いて表される波数

Figure 0007175489000128
を用いると、ソフト的な受信ステアリングを行った場合(θrが非零の場合)には、生成される偏向角度が式(M10)を用いた時よりも大きく生成される誤差(偏向角度20°を実現する際に、1、2°程度)を生じるが、結像は得られる。 In the above, if the equations (M3'') and (M3''') are interchanged and each is processed, the error that the imaging position shifts when soft transmission steering is performed (when θt is non-zero) is produces Further, in these processes, the wavenumber expressed using the ultrasonic angular frequency ω 0 and the converted propagation velocity (E1) instead of the equation (M10), which is the wavenumber corresponding to the ultrasonic frequency
Figure 0007175489000128
(M10) produces a larger error (deflection angle 20° is about 1 or 2 degrees), but imaging is obtained.

また、3次元の場合も同様に処理できる。つまり、3次元の場合の式(M'3'')を用いた処理等の後、補間処理を共なう波数マッチングである式(M'4)の代わりに、式(M'11''')に基づいて、

Figure 0007175489000129
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E'1)にて除したものである。以下、同様である。
と表される式(M'4'')を求め、(M'4''''')の同kyを用いて表される式(M'5)の3次元逆フーリエ変換(式(M'6))を実施するか、又は、式(M'4)の代わりに、
Figure 0007175489000130
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E'1)にて除したものである。以下、同様である。
と表される補間処理を共なう波数マッチングを行って式(M'4'')を求め、(M'4'''''')の同kyを用いて表される式(M'5)に、
Figure 0007175489000131
を乗算したものの2次元逆フーリエ変換(式(M'6)に該当)を実施すれば良い。 Also, three-dimensional images can be processed in the same way. That is, after the processing using the equation (M'3'') in the case of three dimensions, instead of the equation (M'4), which is wave number matching with interpolation processing, the equation (M'11''')On the basis of,
Figure 0007175489000129
However, when interpolation approximation is not used in wavenumber matching, the wavenumber in the depth direction shown in the proviso in the formula is used. It is divided by the velocity (E'1). The same applies hereinafter.
and the three-dimensional inverse Fourier transform of the equation (M'5) expressed using the same ky of (M'4''''') (Equation (M '6)), or instead of formula (M'4),
Figure 0007175489000130
However, when interpolation approximation is not used in wavenumber matching, the wavenumber in the depth direction shown in the proviso in the formula is used. It is divided by the velocity (E'1). The same applies hereinafter.
Equation (M'4'') is obtained by performing wave number matching accompanied by interpolation processing represented by, and equation (M' 5) to
Figure 0007175489000131
is multiplied by two-dimensional inverse Fourier transform (corresponding to formula (M'6)).

尚、上記において、式(M'3'')と(M'3''')を入れ替えて各々を処理すると、ソフト的な送信ステアリングを行った場合(偏向角度が非零の場合)に結像位置がずれるエラーを生じる。また、これらの処理において、超音波周波数に対応する波数である式(M'10)の代わりに、超音波角周波数ω0と換算伝搬速度(E'1)を用いて表される波数

Figure 0007175489000132
を用いると、ソフト的な受信ステアリングを行った場合(偏向角度が非零の場合)には、生成される偏向角度が式(M'10)を用いた時よりも大きく生成される誤差を生じるが、結像は得られる。 In the above, if the equations (M'3'') and (M'3''') are interchanged and each is processed, the result will be This causes an image position error. Further, in these processes, the wavenumber expressed using the ultrasonic angular frequency ω 0 and the converted propagation velocity (E′1) instead of the equation (M′10), which is the wavenumber corresponding to the ultrasonic frequency
Figure 0007175489000132
using (M'10) produces an error that produces a larger deflection angle than when using equation (M'10) in the case of soft receive steering (non-zero deflection angle). but imaging is obtained.

また、この場合に、段落0316に記載の式(N4)に基づくマイグレーション方法を用いる場合には、フォーカスビームの物理的な送信偏向角度がAであるときに、ソフト的な送信偏向角度と受信角度の各々をθ(=θt)とθrとすると、式(M3)の代わりに、角周波数ωと換算伝搬速度(E1)を用いて表される波数(M13)を用いて表される(M3'')を同様に用い、また、平面波の物理的な送信偏向角度がAであるときに、ソフト的な送信偏向角度と受信角度の各々をθ(=θt)とθrとすると、式(M3)の代わりに、(M3''')を同様に用い、式(M6)又は(M7)において、式(N4)の代わりに、次式(N4')を同様に用いれば良い。

Figure 0007175489000133
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用され、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E1)にて除したものである。以下、同様である。 Also, in this case, when using the migration method based on the formula (N4) described in paragraph 0316, when the physical transmission deflection angle of the focus beam is A, the soft transmission deflection angle and reception angle are θ (= θt) and θr respectively, the wave number (M13) expressed using the angular frequency ω and the converted propagation velocity (E1) is used instead of the equation (M3) (M3'') is similarly used, and when the physical transmission deflection angle of the plane wave is A, and the software transmission deflection angle and reception angle are θ (=θt) and θr respectively, the equation (M3) is (M3''') may be similarly used instead of , and the following formula (N4') may be similarly used instead of Formula (N4) in Formula (M6) or (M7).
Figure 0007175489000133
However, when interpolation approximation is not performed in wavenumber matching, the wavenumber in the depth direction indicated by the proviso in the formula is used, and the wavenumber in the depth direction when interpolation approximation is performed is obtained by converting the angular frequency ω into the converted propagation velocity ( E1). The same applies hereinafter.

また、3次元の場合(段落0331に記載の式(N'4)に基づくマイグレーション方法を用いる場合)も同様に処理できる。フォーカスビームの物理的な送信偏向角度が仰角Aと方位角Bで表されるとき(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)に、ソフト的な送信偏向角度(仰角θ1と方位角φ1)にてステアリングして偏向角度(仰角θ2,方位角φ2)にてステアリングダイナミックフォーカシングを行う場合(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)には、式(M'3)の代わりに、角周波数ωと換算伝搬速度(E'1)を用いて表される波数(M'13)を用いて表される式(M'3'')を同様に用い、また、平面波の物理的な送信偏向角度が仰角Aと方位角Bで表されるとき(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)、ソフト的な送信偏向角度(仰角θ1と方位角φ1)にてステアリングして偏向角度(仰角θ2,方位角φ2)にてステアリングダイナミックフォーカシングを行う場合(いずれかの少なくとも1つの角度が零度である場合を含む)には、式(M'3)の代わりに、式(M'3''')を同様に用い、式(M'6)又は(M'7)において、式(N'4)の代わりに、次式(N'4')を同様に用いれば良い。

Figure 0007175489000134
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用され、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E'1)にて除したものである。以下、同様である。 Also, the case of three dimensions (when using the migration method based on the formula (N'4) described in paragraph 0331) can be similarly processed. When the physical transmit deflection angles of the focused beam are represented by the elevation angle A and the azimuth angle B (including the case where at least one angle is zero degrees), the soft transmit deflection angles (elevation angles θ1 and When steering at the azimuth angle φ 1 ) and performing steering dynamic focusing at the deflection angles (elevation angle θ 2 , azimuth angle φ 2 ) (including the case where at least one of the angles is zero degrees), the formula Instead of (M'3), the equation (M'3'') expressed using the wave number (M'13) expressed using the angular frequency ω and the reduced propagation velocity (E'1) is similarly Also, when the physical transmission deflection angle of the plane wave is represented by the elevation angle A and the azimuth angle B (including the case where at least one angle is zero degrees), the soft transmission deflection angle (elevation angle θ 1 and azimuth angle φ 1 ) to perform steering dynamic focusing at deflection angles (elevation angle θ 2 , azimuth angle φ 2 ) (including the case where at least one angle is zero) , in place of formula (M'3), similarly use formula (M'3'''), and in formula (M'6) or (M'7), instead of formula (N'4), Equation (N'4') may be used similarly.
Figure 0007175489000134
However, when interpolation approximation is not performed in wavenumber matching, the wavenumber in the depth direction indicated by the proviso in the formula is used, and the wavenumber in the depth direction when interpolation approximation is performed is obtained by converting the angular frequency ω into the converted propagation velocity ( E'1). The same applies hereinafter.

この様に、これらのマイグレーション法に基づくビームフォーミングも、段落0316や0331に記載の方法と同様にして、波数マッチングにおいて補間近似処理を行う、又は、行わずに実施できる。 In this way, beamforming based on these migration methods can also be performed with or without interpolation approximation processing in wavenumber matching in the same manner as the methods described in paragraphs 0316 and 0331.

また、方法(1)に関して段落0316や0331に記載されている処理を、方法(1)と方法(2)の組み合わせ(段落0235~0238に記載の方法(1)において受信偏向ダイナミックフォーカシングを行う場合)においても同様に実施できる。つまり、2次元の場合において、式(F42)と式(F43)中の偏向角度θを零として計算した場合に同じ結果を得る場合には、方法(6)において式(M9)を乗じて逆フーリエ変換を行う場合と同様に、段落0204に記載の処理を行う前に、式(16)に該当する式に式(M9)を乗じれば良い。また、3次元の場合において、式(G22)と式(G23)中の全ての偏向角度θとφを零として計算した場合に同じ結果を得る場合には、方法(6)において2次元の場合の式(M9)に該当する複素指数関数を乗じて逆フーリエ変換を行う場合と同様に、段落0207に記載の処理を行う中で乗じれば良い。
これらのビームフォーミングにおいても、段落0316や段落0331に記載の通り、波数マッチングにおいて補間処理を行う、又は、行わずに実施できる。他、同段落に記載の通りである。
In addition, the processing described in paragraphs 0316 and 0331 with respect to method (1) may be combined with method (1) and method (2) (method (1) described in paragraphs 0235 to 0238 when receiving deflection dynamic focusing is performed. ) can be implemented in the same way. That is, in the two-dimensional case, if the same result is obtained when the deflection angle θ in the formula (F42) and the formula (F43) is set to zero, then in the method (6), the formula (M9) is multiplied and the inverse As in the case of Fourier transform, the formula corresponding to formula (16) may be multiplied by formula (M9) before the process described in paragraph 0204 is performed. In the three-dimensional case, if the same result is obtained when all the deflection angles θ and φ in the equations (G22) and (G23) are set to zero, then in the two-dimensional case in method (6) (M9) is multiplied by the complex exponential function corresponding to the inverse Fourier transform.
In these beamformings, as described in paragraphs 0316 and 0331, interpolation processing can be performed in wavenumber matching, or it can be performed without performing it. Others are as described in the same paragraph.

これらのマイグレーション法に基づき、方法(4)に記載の全てのビームフォーミングを同様に実施できる。 Based on these migration methods, all beamforming described in method (4) can be performed as well.

また、方法(5)に記載の如く、極座標系等のデカルト座標系以外の直交座標系において送受信を行った場合も、全くに同様にして、式(M6)、式(M6')、式(M7)、式(M7')にヤコビ演算を施したものを計算して上記のビームフォーミングを実施して、デカルト座標系において直接的に結果を得ることができる。また、3次元の場合も、全くに同様にして、式(M'6)、式(M'6')、式(M'7)、式(M'7')にヤコビ演算を施して同様に処理できる。その他にも、方法(5)に記載の全てのビームフォーミングを同様に実施できる。 Also, as described in method (5), when transmission and reception are performed in an orthogonal coordinate system other than the Cartesian coordinate system such as the polar coordinate system, the equations (M6), (M6'), and ( M7), the Jacobian version of equation (M7′) can be computed to perform the beamforming described above to obtain the result directly in the Cartesian coordinate system. Also, in the case of three dimensions, the Jacobi operation is applied to the equations (M'6), (M'6'), (M'7), and (M'7') in exactly the same way, can be processed. In addition, all beamforming described in method (5) can be performed similarly.

尚、本発明の目的の1つは、フーリエ変換を基礎として、高速に且つ高精度なビームフォーミングを実現することにあるが、上記の方法(1)~(6)を用いた補間近似を行わない処理は、いずれも、様々な形の補間近似を交えた処理に改変して使用することが可能であり、精度は低下するものの、高速化して使用されることがある。横方向、エレベーション方向、深さ方向の3方向の内の、少なくとも1方向又は2方向、全3方向の波数マッチングを近似して行うか、また、複素指数関数の乗算を用いるか等において、方法を改変して使用することが可能である。近似を多く行うと高速化できるが、精度は低下する。これまでの説明において、既に説明済みのものもある。本段落では、2次元と3次元の各々の場合に関し、段落0316と0331に記載した(A)、(A')、(B)、(B')、(C)、(C')、(D)、(D')の8つの場合について、補間近似式を示す。
例えば、方法(6)のマイグレーション法にて平面波のステアリングを行う場合も同様に処理でき、全方向の波数マッチングを補間近似する((D')に該当)と、方法(1)にて補間近似処理を行うJ.-y. Luらの方法(段落0197参照、(C')に該当)と同様に、マイグレーションを用いた場合において計算は最速となる。しかし、精度はマイグレーションの中で最も低い。一方、J.-y. Luらの方法(段落0197参照、(C')に該当)において、例えば、フーリエ変換前に横方向の波数マッチングのみを行うと高精度化されるが、計算速度は低下する((C)に該当)。他、(A)、(A')、(B)、(B')の場合も含め、以下に2次元の場合(段落0316)の補間処理(式)を示す(3次元の場合(段落0331)も同様に表され、略)。尚、(A)、(A')、(C)、(C')に関しては、式(7)と(8)に従って表してある。また、(B')及び(D')においては、横方向に関する逆フーリエ変換は、kxではなく、kx'に関して行われる。

Figure 0007175489000135
波数マッチングにおいて補間近似を行う場合の深さ方向の波数kyは、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものであるが、補間近似しない場合に上記の如く処理できる。
Figure 0007175489000136
波数マッチングにおいて補間近似を行う場合の深さ方向の波数kyは、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものであるが、補間近似しない場合に上記の如く処理できる。
Figure 0007175489000137
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E1)にて除したものである。
Figure 0007175489000138
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E1)にて除したものである。
Figure 0007175489000139
波数マッチングにおいて補間近似を行う場合の深さ方向の波数kyは、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものであるが、補間近似しない場合に上記の如く処理できる。
Figure 0007175489000140
波数マッチングにおいて補間近似を行う場合の深さ方向の波数kyは、角周波数ωを伝搬速度cにて除したものであるが、本発明の1つである、補間近似しない場合には、方法(1)に従って、上記の如く処理できる。
Figure 0007175489000141
但し、本発明の1つである、波数マッチングにおいて補間近似しない場合(方法(6)の1つ)には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E1)にて除したものである。
Figure 0007175489000142
但し、波数マッチングにおいて補間近似しない場合には、式中の但し書きに表される深さ方向の波数が使用されるが、補間近似を行う場合の深さ方向の波数は、角周波数ωを換算伝搬速度(E1)にて除したものである。
これらにおいても、受信ビームフォーミングにおいて、方法(2)が併用されることがある。
最初の多次元フーリエ変換と多次元逆フーリエ変換を高速に実施することは重要であり、適切に各種の高速フーリエ変換アルゴリズムを使用できる。また、物理的にも、数学的にも、最初のフーリエ変換時に波数マッチングを行うこともできるし、最後の逆フーリエ変換時に波数マッチングを行うことも可能である。また、本明細書に記載されているビームフォーミング(方法(1)~方法(6)等)以外のものも全て、同様に、補間近似処理無し又はその近似処理を通じた処理により実現できる。補間近似処理を行う場合において高精度化するべく、サンプリング周波数を高くすることがあるが、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。但し、補間近似処理を行わない場合も、適度にオーバーサンプリングを行い、信号を高SN比化して処理する状況を実現することは重要である。
この様な中で、マイグレーション処理に基づいた場合(方法(6))においても、方法(1)~(5)に記載のビームフォーミング(複数の異なるビーム又は波動の同時送信時における一括受信信号や各々の送信に対する受信信号の重ね合わせのビームフォーミングや、仮想源や仮想受信機を用いる場合等を含む)を、補間近似を行う場合と、行わない場合とにおいて、実施できる。 One of the objects of the present invention is to realize high-speed and high-precision beamforming based on the Fourier transform. Any processing that does not have an approximation can be used after being modified into a processing that includes various forms of interpolation approximation, and although the accuracy is reduced, it may be used at an increased speed. Whether wave number matching in at least one direction, two directions, or all three directions out of the three directions of the lateral direction, the elevation direction, and the depth direction is performed by approximation, or multiplication of a complex exponential function is used, etc. Modifications of the method can be used. More approximations can speed things up, but reduce accuracy. In the explanation so far, some have already been explained. In this paragraph, (A), (A'), (B), (B'), (C), (C'), ( Approximate interpolation formulas are shown for the eight cases D) and (D').
For example, the same process can be performed when steering a plane wave by the migration method of method (6). Similar to J.-y. Lu et al.'s method of processing (see paragraph 0197, corresponding to (C')), the computation is fastest when migration is used. However, the accuracy is the lowest among migrations. On the other hand, in the method of J.-y. Lu et al. (see paragraph 0197, corresponding to (C')), for example, if only horizontal wavenumber matching is performed before the Fourier transform, the accuracy is improved, but the calculation speed is (corresponding to (C)). Including the cases of (A), (A'), (B), and (B'), the interpolation processing (formula) for the two-dimensional case (paragraph 0316) is shown below (for the three-dimensional case (paragraph 0331 ) are similarly represented and abbreviated). Incidentally, (A), (A'), (C), and (C') are represented according to equations (7) and (8). Also, in (B') and (D'), the inverse Fourier transform in the horizontal direction is performed on kx' instead of kx.
Figure 0007175489000135
The wave number k y in the depth direction when interpolation approximation is performed in wave number matching is obtained by dividing the angular frequency ω by the propagation velocity c, but can be processed as described above when interpolation approximation is not performed.
Figure 0007175489000136
The wave number k y in the depth direction when interpolation approximation is performed in wave number matching is obtained by dividing the angular frequency ω by the propagation velocity c, but can be processed as described above when interpolation approximation is not performed.
Figure 0007175489000137
However, when interpolation approximation is not used in wavenumber matching, the wavenumber in the depth direction shown in the proviso in the formula is used. It is divided by the speed (E1).
Figure 0007175489000138
However, when interpolation approximation is not used in wavenumber matching, the wavenumber in the depth direction shown in the proviso in the formula is used. It is divided by the speed (E1).
Figure 0007175489000139
The wave number k y in the depth direction when interpolation approximation is performed in wave number matching is obtained by dividing the angular frequency ω by the propagation velocity c, but can be processed as described above when interpolation approximation is not performed.
Figure 0007175489000140
The wave number ky in the depth direction when interpolation approximation is performed in wave number matching is obtained by dividing the angular frequency ω by the propagation velocity c. According to (1), it can be processed as described above.
Figure 0007175489000141
However, when interpolation approximation is not performed in wave number matching, which is one of the present invention (one of method (6)), the wave number in the depth direction expressed in the proviso in the formula is used, but interpolation approximation is obtained by dividing the angular frequency ω by the converted propagation velocity (E1).
Figure 0007175489000142
However, when interpolation approximation is not used in wavenumber matching, the wavenumber in the depth direction shown in the proviso in the formula is used. It is divided by the speed (E1).
In these cases, the method (2) may also be used in reception beamforming.
A fast implementation of the initial multidimensional Fourier transform and the multidimensional inverse Fourier transform is important, and various fast Fourier transform algorithms can be used as appropriate. Physically and mathematically, wave number matching can be performed during the first Fourier transform, and wave number matching can be performed during the final inverse Fourier transform. In addition, all of the beamforming methods other than the beamforming described in this specification (Methods (1) to (6), etc.) can be similarly realized without interpolation approximation processing or with processing through such approximation processing. When performing interpolation approximation processing, the sampling frequency may be increased in order to improve accuracy. It is necessary to pay attention to this. However, even if interpolation approximation processing is not performed, it is important to implement a situation in which signals are processed with a high SN ratio by appropriately oversampling.
Under such circumstances, even in the case based on migration processing (method (6)), the beamforming described in methods (1) to (5) (batch reception signals at the time of simultaneous transmission of multiple different beams or waves, beamforming of the superposition of the received signals on each transmit, using virtual sources and virtual receivers, etc.) can be implemented with and without interpolation approximation.

方法(7):その他
尚、上記の方法(1)~(6)は、主として、1次元アレイを用いた場合について説明したが、2次元アレイ又は3次元アレイの場合には、上記の如くして、各々において、他の1つ又は他の2つの軸方向に、横方向に関して行った処理を同様に施せば良い。これらは、直交曲座標系を含む全ての直交座標系で実施できる。即ち、単純に、上記の方法(1)~(6)を、より高次の次元に拡張すれば良い。また、方法(1)~(6)及びここに記載する方法(7)の処理中において、横方向又は縦方向の直流成分や低周波成分が生成されることがあり、その場合には、最後の逆フーリエ変換前の段階でスペクトルの零詰め処理を行うと良い。デジタル信号処理を開始するに当たり、前処理として、直流を切るべく、アナログ処理又はデジタル処理が行われるが、角スペクトルにおいてスペクトルが零詰めされることもある。
また、デジタルフーリエ変換を行う場合に、有限な空間領域における処理前の生信号や処理後のイメージ信号の分布の周期性(即ち、巡回性)を仮定するため、関心領域の上部と下部の境界等(主として、物理開口素子アレイの面と平行な方向の境界やいわゆる横方向やエレベーション方向に走行する境界等)やそれら以外の側面や縦方向の境界等(主として、物理開口素子アレイの面と直交する方向の境界やいわゆる軸方向に走行する境界等)を中心として、処理前の生信号成分や処理後のイメージ信号が巡回して現れることが問題となることがある。
反射波を対象とする場合と、透過波を対象とする場合との両方において、送信開口面から伝搬して離れるにつれ、拡散や減衰、散乱、反射の現象により信号強度は小さくなるため、関心領域がその様な生信号を持つ場合には、それらの関心領域の上部と下部の境界等(主として、物理開口素子アレイの面と平行な方向の境界やいわゆる横方向やエレベーション方向に走行する境界等)において生じるその現象(アーチファクト)は問題とならないことがあるが、上部や下部において生信号の強度が小さくないときには、問題となる。透過波を対象として受信開口が送信開口と異なる場合には、受信開口位置における信号強度が問題となることがある。その様な場合には、その生信号の関心領域に、その関心領域の上部から送信開口面の方へ近づく方向(長さ方向)に零信号の領域(厳密には、上部と下部の距離の長さを持つ領域)を加えるか、その関心領域の下部より送信開口面から離れる方向(長さ方向)に零信号の領域(厳密には、上部と下部の距離の長さを持つ領域)を加え、関心領域を送信開口や受信開口から離れる方向(長さ方向)に広げて処理した後に、その加えた領域にて求められたイメージ信号を捨てるか、それでもその生信号は不連続な状態を持つため、代わりに生信号に長さ方向のいわゆる窓を掛けて処理して窓の裾付近にて求められたイメージ信号は重視しないこともある。
一方、それら以外の側面や縦方向の境界等(主として、物理開口素子アレイの面と直交する方向の境界やいわゆる軸方向に走行する境界等)においては、異なる空間位置を表す生信号を用いてイメージ信号を合成することとなり、また、その生信号は強度が強いことが多く、殆どの場合において、同現象(アーチファクト)が問題となる。その様な場合には、その生信号の関心領域に、その関心領域の側面や縦方向の境界の対となる2つの境界の内の少なくとも1つから関心領域の外へ離れる方向(幅方向)に零信号の領域(厳密には、送信又は受信の有効開口幅の大きい方の幅を持つ領域)を加え、関心領域を横方向に広げて処理した後に加えた領域にて求められたイメージ信号を捨てるか、それでも、その生信号は不連続な状態を持つため、代わりに生信号にいわゆる幅方向の窓を掛けて処理して窓の裾付近にて求められたイメージ信号は重視しないことがある。3次元の場合、窓は横方向とエレベーション方向の多次元であり、いわゆる分離型窓又は非分離型窓である。ステアリングをしなかった場合も問題となるが、ステアリング処理をした場合にはその処理が必要になることが多い。
上記のそれらの処理を同時に行うことが有用となる場合もある。窓を用いる場合に、窓は多次元であり、いわゆる分離型窓又は非分離型窓である。また、それらの処理をせずに求められたイメージ信号において、巡回して現れたイメージ信号が存在する場合には、そのイメージ信号の領域を関心領域から外すこともある。
Method (7): Others Although the above methods (1) to (6) have mainly been described for the case of using a one-dimensional array, the same applies to a two-dimensional array or a three-dimensional array as described above. , and in each case, the other one or two other axial directions may be similarly treated as for the transverse direction. These can be implemented in any Cartesian coordinate system, including the Cartesian Cartesian coordinate system. That is, simply extend the above methods (1) to (6) to higher dimensions. In addition, during the processing of methods (1) to (6) and method (7) described herein, horizontal or vertical DC components and low frequency components may be generated. It is preferable to zero-fill the spectrum before the inverse Fourier transform of . At the start of digital signal processing, analog processing or digital processing is performed as preprocessing to cut direct current, and the spectrum may be zero-padded in the angular spectrum.
In addition, when performing a digital Fourier transform, the distribution of the raw signal before processing and the image signal after processing in a finite spatial region is assumed to be periodic (that is, cyclic), so that the upper and lower boundaries of the region of interest etc. (mainly boundaries parallel to the surface of the physical aperture element array, boundaries running in the so-called horizontal and elevation directions, etc.) and other side and vertical boundaries, etc. (mainly the surfaces of the physical aperture element array It may be a problem that the unprocessed raw signal component and the processed image signal appear circulating around a boundary in a direction perpendicular to the .
In both the case of targeting reflected waves and the case of targeting transmitted waves, the signal intensity decreases as it propagates away from the transmission aperture plane due to phenomena such as diffusion, attenuation, scattering, and reflection. have such raw signals, the upper and lower boundaries of those regions of interest (mainly the boundaries parallel to the plane of the physical aperture element array and the so-called boundaries running in the lateral and elevational directions). etc.) may not be a problem, but it is a problem when the intensity of the raw signal is not small at the top or bottom. If the receive aperture is different from the transmit aperture for transmitted waves, the signal strength at the receive aperture position may become a problem. In such a case, a region of zero signal (strictly speaking, the distance between the top and the bottom) is placed in the region of interest of the raw signal in the direction (longitudinal direction) approaching from the top of the region of interest toward the transmit aperture plane. or add a region of zero signal (strictly, a region with the length of the top and bottom distance) in the direction away from the transmit aperture plane (longitudinal direction) from the bottom of the region of interest. In addition, after the region of interest is expanded in the direction away from the transmit aperture and the receive aperture (longitudinal direction) and processed, the image signal obtained in the added region is discarded, or the raw signal is still discontinuous. Therefore, instead, the raw signal is multiplied by a so-called window in the longitudinal direction and processed, and the image signal obtained near the bottom of the window may not be emphasized.
On the other hand, at other side surfaces and vertical boundaries (mainly, boundaries perpendicular to the surface of the physical aperture element array and boundaries running in the so-called axial direction), raw signals representing different spatial positions are used. The same phenomenon (artifact) is a problem in most cases because the image signal is synthesized and the raw signal is often strong. In such a case, a region of interest in the raw signal may have a direction away from the region of interest (width direction) from at least one of the two paired boundaries of the lateral and vertical boundaries of the region of interest. The image signal obtained in the area added after adding the area of zero signal (strictly speaking, the area with the larger width of the effective aperture width for transmission or reception), expanding the area of interest in the horizontal direction and processing it However, since the raw signal has a discontinuous state, it can be processed by multiplying the raw signal by a so-called window in the width direction, and the image signal obtained near the bottom of the window is not emphasized. be. In the three-dimensional case, the windows are multidimensional in lateral and elevational directions, so-called segregated or non-isolated windows. This is also a problem when steering is not performed, but when steering is performed, it is often necessary to do so.
In some cases it may be useful to perform those processes described above at the same time. When windows are used, they are multi-dimensional, so-called separable or non-isolated windows. In addition, if there is an image signal that appears cyclically in the image signal obtained without these processes, the region of the image signal may be excluded from the region of interest.

また、非特許文献9等にある他のフーリエ変換を用いたビームフォーミングにおいても、方法(1)~(7)の中で開示した方法を用いることも可能であり、同効果を得ることができる。
例えば、非特許文献9の2.4節には、波動方程式の一般解(グリーン関数)を用いて任意のビームや波動を計算する方法が開示されている。そこでは、解析的に計算する例として、球面波や円筒波、平面波が扱われている。グリーン関数を用いる特徴として、求める信号は、周波数領域において、分母に、

Figure 0007175489000143
を持つ。その方法を用いて、円筒座標系や球座標系、他の如何なる直交座標系においても、グリーン関数を用いて演算可能である。
つまり、方法(1)~(7)の中で開示した方法又は数式(波数マッチングにおいて補間近似を行わない場合と行う場合)において、求める信号のスペクトルが、分母に式(GR1)又は(GR2)を持つ状況において演算すれば良い。方法(1)~(7)に記載の方法や数式は、その他の様々な方法やビームフォーミングに応用できる。
また、グリーン関数を用いるこれらの場合において、点源を考えることができることから、物理開口の前後に設定される仮想源(特許文献7や非特許文献8)を表すのに適している。その場合に、次段落にて述べる物理開口(素子)の実際の放射パターンに対する処理は重要である。 In addition, the methods disclosed in methods (1) to (7) can also be used in beamforming using other Fourier transforms in Non-Patent Document 9, etc., and the same effect can be obtained. .
For example, Section 2.4 of Non-Patent Document 9 discloses a method of calculating an arbitrary beam or wave using a general solution (Green's function) of the wave equation. There, spherical waves, cylindrical waves, and plane waves are treated as examples of analytical calculations. As a feature of using the Green's function, the desired signal in the frequency domain is
Figure 0007175489000143
have. Using that method, it is possible to operate with Green's functions in cylindrical, spherical, or any other Cartesian coordinate system.
That is, in the methods or formulas disclosed in methods (1) to (7) (when interpolation approximation is not performed in wave number matching and when interpolation approximation is performed), the spectrum of the signal to be sought is expressed by formula (GR1) or (GR2) in the denominator. The calculation should be performed in the situation where The methods and formulas described in methods (1) to (7) can be applied to various other methods and beamforming.
In addition, in these cases using the Green's function, point sources can be considered, which makes them suitable for representing virtual sources (Patent Document 7 and Non-Patent Document 8) set before and after the physical aperture. In that case, the treatment of the actual radiation pattern of the physical apertures (elements) described in the next paragraph is important.

また、本方法(1)~(7)は、例えば、非特許文献9の3.2節に記載のある開口(素子)の放射パターンを加味した演算を応用することができる。その際には、物理的又はソフト的なアポダイゼーションにより、適切に信号強度が補正されて、信号処理されることもある。本明細書に数多く記載されている通り、例えば、ISAR(観測対象の動きを応用することもある)や非線形処理、アダプティブビームフォーミング(非特許文献10)等を始めとし、その他、様々な処理を施し、高分解能化(特に、伝搬方向と直交する方向)やサイドローブを抑圧することによる高コントラスト化が行われることがある。非特許文献11等にあるコヒーレントファクター等も適用できる。また、それらに限られるものでも無く、アポダイゼーション(複素信号を用いてディレイを兼ねることもある)が適切に行われる。尚、アポダイゼーションは、伝搬方向のみならず走査方向にも可変である場合を含む。 In addition, the methods (1) to (7) can be applied with the computation taking into account the radiation pattern of the aperture (element) described in Section 3.2 of Non-Patent Document 9, for example. In that case, signal processing may be performed by appropriately correcting the signal intensity by physical or soft apodization. As many described in this specification, for example, ISAR (sometimes applying the movement of the observed object), nonlinear processing, adaptive beamforming (Non-Patent Document 10), etc., and various other processing In some cases, high resolution (especially in the direction orthogonal to the propagation direction) and high contrast by suppressing side lobes are achieved. A coherent factor or the like described in Non-Patent Document 11 or the like can also be applied. In addition, it is not limited to them, and apodization (a complex signal may also be used as a delay) is appropriately performed. Note that the apodization may be variable not only in the propagation direction but also in the scanning direction.

また、方法(1)~(7)は、様々な位置の送信又は受信の開口を用いた場合やその他の様々なビームフォーミングを行う場合にも用いることができる。例えば、非特許文献9に、豊富に、例が提示されている。例えば、7.3節にあるGeophysical Imaging(例えば、式7.9~式7.12の形に注目)や、いわゆるX線CT(Computed Tomography)等の記載があり、これらの他、天体観測等にも、本方法(1)~(7)を使用できる。非特許文献9の7.2節に記載のある透過イメージングの場合に開示されている図7.3及び式7.5~式7.9も注目に値する。これらにおいて、波数マッチング等を含め、補間近似処理を行うことなく、処理できる(それらにおいて、補間近似処理を行うことはある)。 Methods (1)-(7) can also be used with transmit or receive apertures at different locations and with various other beamformings. For example, Non-Patent Document 9 presents a wealth of examples. For example, there are descriptions of Geophysical Imaging (for example, pay attention to the forms of Equations 7.9 to 7.12) and so-called X-ray CT (Computed Tomography) in Section 7.3. This method (1) to (7) can also be used for Also worth noting is Fig. 7.3 and Eqs. In these, processing including wavenumber matching can be performed without performing interpolation approximation processing (there are cases where interpolation approximation processing is performed).

また、本方法(1)~(7)は、所定のバイプレーンやマルチプルプレーン、所望する任意方向に拡がるプレーン若しくは断層面(それらにおいて、プレーンや断層面等の平坦とは限らず、曲面であることもある)、又は、面では無く線上(線は直線又は曲線)のイメージ信号を、選択的に、直接的に、生成できる特徴を持つ。例えば、3次元又は2次元のイメージ信号を基に像を提示することができる中で、それらのイメージ信号を基に像を提示することもあるし、単独に、それらの像を提示することも可能である。また、信号処理において、補間近似を通じて、それらのイメージ信号や像が提示されることもある。また、それらにおいて、イメージ信号や像を基に計測された変位や歪、温度等、計測データが、単独に表示されることもあるし、それらの像に重畳されて表示されることもある。 In addition, the methods (1) to (7) are applied to a predetermined biplane, multiple planes, planes or tomographic planes extending in any desired direction (they are not necessarily flat such as planes or tomographic planes, but curved surfaces). It has the characteristic of being able to selectively and directly generate an image signal on a line rather than on a plane (a line is a straight line or a curve). For example, while images can be presented based on three-dimensional or two-dimensional image signals, images may be presented based on those image signals, or those images may be presented independently. It is possible. Also, in signal processing, these image signals and images are sometimes presented through interpolation approximation. Moreover, in them, measurement data such as displacement, strain, and temperature measured based on image signals and images may be displayed alone or may be displayed superimposed on those images.

本明細書にて複数回、記載している通り、アポダイゼーションは、様々な方法で決められて実施されうるものである。非特許文献10等に記載されている様々なアダプティブビームフォーミングやミニマム バリアンス ビームフォーミング、Capon法等々がある。これらにおいて、共分散行列を正則化する際、正則化の程度を調整するパラメータ(正則化パラメータ)は、各位置の信号のSN比等に基づき、各位置に適切に決めることのできるものであり、空間的に異形(variant)にして処理することが可能である。また、変則的に、正則化オペレーターに単位行列を用いるのではなく、勾配作用素やラプラシアン等々の他の正定値のオペレーターを使用することも可能である。イメージ信号を高分解能化(特に、伝搬方向と直交する方向)することができ、サイドローブを抑圧することによる高コントラスト化を行うことも可能である。また、独立成分分析(独立信号分離)においても、同様にして共分散行列を正則化することは有効である。これらの正則化法はこれまでに開示されていない。若しくは、両処理において、特異値分解や固有値分解に基づき、ランクを下げて、処理を安定化することも行われている。ビームフォーミングにおける他の方法でも同様に、これらの処理は有効である。他に記載している通り、MIMO(Multiple-input and Multiple-output:送信側及び受信側において複数のアンテナを組み合わせて送受信信号の帯域を広げる無線通信技術)やSIMO(Single-input and Multiple-output:送信側において1つのアンテナを用い、受信側において複数のアンテナを用いて受信信号の帯域を広げる無線通信技術)を用いることも有効である。また、本願発明者は、以前より、包絡線検波の他に絶対値検波や冪乗検波を好んで使用しているが、非特許文献11等にあるコヒーレンスファクターは有効である。絶対値検波や冪乗検波は、波動の波打ちを可視化する場合に有効である。絶対値を取ったり、冪乗を施すと、特に次数が高い場合に、高い周波数成分を持つこととなるが、波動の振幅そのものに輝度を割り当てたり、カラーを割り当てて表示することもある(これらは、バイアスを加える検波と捉えることもできる)。非特許文献10には、他の様々なアダプティブビームフォーミングが記載されているし、本明細書にも、MUSIC(Multiple Signal Classification:受信信号の相関行列の固有値又は固有ベクトルを用いる無線通信技術)等々の様々な処理を記載してある。また、有効な処理はその限りでは無く、他にも様々なものがある。この様な様々な処理を、ビームフォーミングの前処理、処理中、処理後に行うことができ、アポダイゼーションのレベルで実施することも可能である。その際には、相関処理を基礎とした時空間的な位置合わせを施した上で処理することは極めて有効である(詳細については後述する)。 As described multiple times herein, apodization can be determined and performed in a variety of ways. There are various adaptive beamforming, minimum variance beamforming, Capon method, etc. described in Non-Patent Document 10 and the like. In these, when regularizing the covariance matrix, the parameter for adjusting the degree of regularization (regularization parameter) can be appropriately determined for each position based on the SN ratio of the signal at each position. , can be spatially variant and processed. Alternatively, instead of using the identity matrix for the regularization operator, it is also possible to use other positive definite operators such as the gradient operator, the Laplacian, and so on. It is possible to increase the resolution of the image signal (especially in the direction orthogonal to the propagation direction), and it is also possible to increase the contrast by suppressing side lobes. Also in independent component analysis (independent signal separation), it is effective to regularize the covariance matrix in the same manner. These regularization methods have not been previously disclosed. Alternatively, both processes are stabilized by lowering the rank based on singular value decomposition or eigenvalue decomposition. These processes are also effective in other beamforming methods. As described elsewhere, MIMO (Multiple-input and Multiple-output: a wireless communication technology that combines multiple antennas on the transmitting side and the receiving side to widen the band of transmitted and received signals) and SIMO (Single-input and Multiple-output) : a wireless communication technology in which one antenna is used on the transmitting side and a plurality of antennas are used on the receiving side to widen the band of the received signal). Further, the inventor of the present application prefers to use absolute value detection and power-law detection in addition to envelope detection. Absolute value detection and power detection are effective in visualizing rippling of waves. If the absolute value is taken or raised to a power, especially if the order is high, it will have a high frequency component. can also be regarded as biased detection). Non-Patent Document 10 describes various other adaptive beamforming, and this specification also describes MUSIC (Multiple Signal Classification: wireless communication technology using eigenvalues or eigenvectors of correlation matrix of received signals), etc. Various processes are described. Also, effective processing is not limited to that, and there are various other processing. Such various treatments may be performed before, during, or after beamforming, and may be performed at the level of apodization. In that case, it is extremely effective to perform spatio-temporal alignment based on correlation processing before processing (details will be described later).

また、本発明においては、特に、rfデータを取得した時間方向(距離方向)に積分処理(演算)を行い、信号のSN比を向上させることがある。この積分処理も、アナログ処理(いわゆる積分器)やデジタル処理(積分器又は積分演算)により行われる。 In addition, in the present invention, integration processing (calculation) may be performed particularly in the time direction (distance direction) in which the rf data is acquired to improve the signal-to-noise ratio of the signal. This integral processing is also performed by analog processing (so-called integrator) or digital processing (integrator or integral calculation).

また、上記においては、アポダーゼーション処理には演算量が少なく容易である重み値との積を計算することについて説明したが、本発明はこの限りではなく、線形システムにおいて空間領域と周波数領域とにおける積と畳み込み積分とが双対の関係に基づき、畳み込み積分が行われることがある。それぞれの深さ位置毎において、又は、それぞれの開口素子からの等距離毎において、適切にアポダーゼーションすることが可能である。 Also, in the above description, the calculation of the product with the weight value, which is easy to perform with a small amount of calculation for the apodization process, has been described. Convolution may be performed based on the dual relationship between the product in and the convolution integral. Appropriate apodization is possible at each depth position or at every equal distance from each aperture element.

方法(1)~(6)を用いて本実施形態に係る装置によって生成される多方向の偏向ビームや平面波を重ね合わせる処理により、上記の横方向変調信号(イメージ信号)や、横方向に広帯域化されて横方向に高分解能化された信号(イメージ信号)が生成されることがある。単独送信の場合と同様にして、物理的又はソフト的、又は、両者のステアリングが各々において行われることがあるし、全てに、同一のそれらのステアリングが施される場合も有る。受信ビームフォーミングはソフト的に行うことを中心に記載したが、必要に応じて、受信ディレイや受信アポダイゼーションを用いた受信ビームフォーミングを、物理的に、単独又は併用して実施することもある。一方、送信ビームフォーミングは物理的に実施することを中心に記載したが、例えば、平面波を送信したり、複数のビームや波動を送信する等して、高速フレームレートを得ることができる一方、開口面合成を行うべく、一素子ずつに送信を行うこともある(多方向開口面合成を行うことも可能であり、平面波や円筒波、球面波等をコーディング送信し、デコーディングして開口面合成を行うことも可能である)。ソフト的には送信と受信を逆に考えることや実施することが可能であることも上記の通りである。平面波はフォーカスビームに比べ、より深い位置まで波が到達する(エコーも比較して深い位置から得られる)が、変位を計測すること等を目的とした場合の波動又はビームとしてのSN比は比較して低い。そもそも横方向の分解能も比較して低い。一方、多方向の平面波を重ね合わせた場合には、位置に依らず、ほぼ等しい横方向分解能が得られる。これに対し、フォーカスビームを使用する場合には、フォーカス位置において複数方向のビームを交差させることは有効であるが、高い横方向分解能を複数に位置で得ようとする場合には、マルチフォーカシングを行うこととなる。何れにせよ、複数の波動又はビームを同時送信した場合の受信信号や、対象が同時相でも異なる時間に送信して受信されたものを重ね合わせたものに関して、高速にビームフォーミングを成し遂げることができる。また、搬送周波数の異なる波動を複数個使用して、軸方向に広帯域化されて軸方向に高分解能化された信号(イメージ信号)が生成されることもある。それらの場合に、スペクトルが重なる様に広帯域化されて高分解能化されることがある。これらの複数のビームも同時に並列的に生成されることがあるし、計測対象が同一の時相であるが、異なる時刻に生成されることもある。多方向の波動は、上記の多方向開口面合成によって生成されることもある。
尚、偏向角度を大きくした場合に、反射体や強散乱体の結像位置が空間的にずれることがある。例えば、偏向角度を開口素子正面に対して、平面波を、偏向角度を小刻み(例えば、1°ずつ)に±45°まで変化させて送信してビームフォーミングした信号を重ね合わせると、正面方向に開口面合成した場合を模擬でき、横方向には偏向角度±45°に相当する帯域までは得られない(重ね合わせ時に信号が相殺される)。正面方向のビームフォーミングを角スペクトルとして平面波に分解した場合を考えると当然のことである。時空間又は周波数空間における重ね合わせによる横方向の広帯域化を行う場合には、偏向平面波送信の場合に限らず、他の偏向ビームフォーミングを行った場合も、スペクトルが周波数空間にて重ならないものを重ね合わせる必要があるが、そこに、その結像位置が空間的にずれる原因を見出せる。つまり、位相収差として、媒体の音速の空間的な不均質性(温度や圧にも依存)や特にステアリング角度の大きいステアリング時には開口の指向性によって焦点取りや伝搬方向の制御にエラーを生じる。従って、偏向角度の大きい信号を重ね合わせる場合には、ビームフォーミングの際の送信時、又は、受信ビームフォーミング前の受信信号、受信ビームフォーミング中、ビームフォーミング後のいずれか少なくとも1つの時点にて、信号の位置補正を行う必要を生じることがある(位相収差補正)。これらの信号のスペクトル加工や非線形処理による超解像を行う場合において、重ね合わせ処理(重ね合わせのスペクトル加工や非線形処理、又は、スペクトル加工や非線形処理の重ね合わせ等)を併用する場合には、位置のずれが結果に齎す影響(位置の誤差等)は顕著となり、その様な位置補正は重要となることが有る。この他、換算伝搬速度の周波数依存性等も位置ずれを齎す要因であり、また、異なる周波数の信号を重ね合わせる場合においても同問題を生じることがあり、同様に処理されることがある。また、デバイスにおける周波数依存性のある位相遅延や位相変化等(例えば、センサーにおける位相変化や回路内のアンプにおける位相遅延等)により波形歪を生じることもあり、同様に受信信号に対して位相を補正して波形を整形することがある(周波数領域において周波数毎に複素指数関数を乗算して各々の信号成分の位相を回転させるデジタル信号のアナログ的なシフティングを行うことは有効である)。予めデバイスにおいて生じる位相変化を求めておいて、所望の波形を有する波動を発生させたり、観測位置又は受信位置において所望の波形を生成することを目標にしてセンサーを適切に電気的に駆動することもある。それにより、観測対象の観測が高精度化される(位相を用いる様々な観測や、周波数依存性のある伝搬速度、散乱、又は、減衰等の観測等)。受信デバイスにおいて生じる分のみ補正されることもある。上記の他の位置ずれを生じさせるものに対しても同様に処理されることがある。位置補正に関しては、段落0371等にも記載してある。動き補償や位相収差補正の様々な信号処理技術を使用できる。また、信号強度補正については、段落0689等にも記載してある。尚、弱散乱信号のビームフォーミング成分やスペックル成分に関しては、それらの決定的な信号とは異なり、本願の発明者が発明した散乱体等を想定した仮想音源や仮想受信器(特許文献7、非特許文献8)を用いた実験を通じて確認されている通り、位置補正処理を行うこと無く、イメージングや変位計測に使用できる(例えば、変位計測には平面波送信とガウス型アポダイゼーションの併用が有効であり、フォーカシング時には2乗関数等の冪乗型アポダイゼーションが有効であり、後者は、単独ビームフォーミングにおいても高分解能である)。
By superimposing the multidirectional polarized beams and plane waves generated by the apparatus according to the present embodiment using methods (1) to (6), the above laterally modulated signal (image signal) and laterally broadband In some cases, a signal (image signal) having a high resolution in the horizontal direction is generated. As with single transmissions, physical or soft steering or both may be performed on each, or they may all be subject to the same steering. Although reception beamforming is mainly performed by software, if necessary, reception beamforming using reception delay or reception apodization may be physically performed singly or in combination. On the other hand, although transmission beamforming is mainly described as being physically implemented, it is possible to obtain a high-speed frame rate by, for example, transmitting a plane wave or transmitting a plurality of beams or waves. In order to perform surface synthesis, transmission may be performed for each element (it is also possible to perform multi-directional aperture synthesis. Plane waves, cylindrical waves, spherical waves, etc. are transmitted by coding, and decoded to perform aperture synthesis. can also be done). In terms of software, it is possible to conceive and implement transmission and reception in reverse, as described above. A plane wave reaches a deeper position than a focused beam (an echo can also be obtained from a deeper position), but the SN ratio as a wave or beam for the purpose of measuring displacement is comparable. and low. In the first place, the lateral resolution is also relatively low. On the other hand, when plane waves in multiple directions are superimposed, substantially the same horizontal resolution is obtained regardless of the position. On the other hand, when using a focus beam, it is effective to cross beams in multiple directions at the focus position. It will be done. In any case, high-speed beamforming can be achieved with respect to the received signal when multiple waves or beams are transmitted simultaneously, or the superposition of the received signals transmitted at different times even if the target is in the same phase. . Also, a plurality of waves with different carrier frequencies may be used to generate a signal (image signal) that is axially broadened in band and axially high in resolution. In these cases, the bands may be widened so that the spectra overlap to achieve high resolution. These multiple beams may also be generated in parallel at the same time, and may be generated at different times even though the measurement targets are in the same time phase. Multi-directional waves may also be generated by the multi-directional aperture synthesis described above.
Incidentally, when the deflection angle is increased, the imaging positions of the reflector and the strong scatterer may be spatially displaced. For example, when the deflection angle is changed in small steps (for example, by 1°) up to ±45°, a plane wave is transmitted with respect to the front of the aperture element, and beam-formed signals are superimposed to form an aperture in the front direction. The case of surface synthesis can be simulated, and a band corresponding to a deflection angle of ±45° in the lateral direction cannot be obtained (signals are canceled during superposition). It is natural to consider the case where beam forming in the front direction is decomposed into plane waves as an angular spectrum. In the case of lateral band broadening by overlapping in space-time or frequency space, not only in the case of polarized plane wave transmission, but also in the case of other polarized beamforming, the spectrum must not overlap in frequency space. Although it is necessary to superimpose them, the cause of the spatial deviation of the imaging positions can be found there. In other words, as phase aberration, spatial inhomogeneity of the sound velocity of the medium (depending on temperature and pressure) and the directivity of the aperture, especially during steering with a large steering angle, cause errors in focusing and control of the propagation direction. Therefore, when superimposing signals with a large deflection angle, at least one of the time of transmission during beamforming, the received signal before reception beamforming, during reception beamforming, and after beamforming, It may be necessary to correct the position of the signal (phase aberration correction). When super-resolution is performed by spectral processing or nonlinear processing of these signals, when superimposition processing (spectral processing or nonlinear processing of superposition, or superposition of spectral processing or nonlinear processing, etc.) is used together, Such position corrections can be important, as the effects of positional deviations on results (positional errors, etc.) can be significant. In addition, the frequency dependence of the converted propagation velocity and the like are also factors that cause misalignment, and the same problem may occur when signals of different frequencies are superimposed, and may be processed in the same way. In addition, waveform distortion may occur due to frequency-dependent phase delays and phase changes in devices (for example, phase changes in sensors and phase delays in amplifiers in circuits). It may be corrected to shape the waveform (it is effective to perform analog-like shifting of the digital signal that rotates the phase of each signal component by multiplying it by a complex exponential function frequency by frequency in the frequency domain). Obtaining the phase change that occurs in the device in advance to generate a wave having a desired waveform, or appropriately electrically driving the sensor with the goal of generating a desired waveform at the observation position or reception position. There is also As a result, the observation of the observation target can be made with high accuracy (various observations using phase, observations of frequency-dependent propagation velocity, scattering, attenuation, etc.). Only the amount that occurs at the receiving device may be corrected. Other misregistrations mentioned above may also be processed in the same way. Position correction is also described in paragraph 0371 and the like. Various signal processing techniques for motion compensation and phase aberration correction can be used. Further, the signal strength correction is also described in paragraph 0689 and the like. Regarding the beamforming component and the speckle component of the weakly scattered signal, unlike those deterministic signals, the virtual sound source and virtual receiver assuming a scattering object invented by the inventor of the present application (Patent Document 7, Non-Patent Document 8), it can be used for imaging and displacement measurement without performing position correction processing (for example, it is effective to combine plane wave transmission and Gaussian apodization for displacement measurement). , a power-type apodization such as a square function is effective during focusing, and the latter has a high resolution even in single beamforming).

また、マルチフォーカス(ビーム伝搬方向の複数個所に送信フォーカスを形成する通常のマルチフォーカスに限らず、横方向を含めて、任意の複数の位置に送信フォーカスを取ることを含む)を形成するべく異なる位置にフォーカスした波動を複数個送波して受信ビームフォーミングを行う処理が行われることがある。また、1つの送信ビームに対して複数位置における受信ビームや複数方向の受信ビームを生成する処理が行われることがある。また、ステアリング角度の異なる複数方向への送信に基づくビームフォーミングが行われることがある。他には、干渉の少ない離れた位置におけるビームフォーミングや、送信と受信を行うことを基礎として1フレーム内にて分割されたそれぞれの部分においてビームフォーミングを行うことがあり、それらの複数のビームフォーミングを並列に処理すること等の並列ビームフォーミングを行い、各々において、複数のビームフォーミングの結果が得られた関心領域内の各位置においてそれらの結果を重ね合わせる処理が行われることがある。方法(4)そのものは、関心領域内を伝搬した波動であれば、干渉した波動の受信信号に対しても処理が可能であるという特徴を有し、これを生かして、高フレームレートを実現できるものである(方法(4)は、如何なる送信ビームや波動、単数又は複数の送信に対しても受信ビームフォーミングが可能である)。また、各種信号分離処理を施した上で、適切な信号成分を用いてビームフォーミングが行われることもある。干渉の程度に依存して、関心領域外の波動を除くことなく、処理することもある。 In addition, multi-focusing (not limited to normal multi-focusing in which transmission focuses are formed at multiple locations in the beam propagation direction, including lateral direction, including taking transmission focus at arbitrary multiple positions) A process of performing reception beamforming by transmitting a plurality of waves focused on a position may be performed. Further, processing for generating reception beams at a plurality of positions and reception beams in a plurality of directions may be performed for one transmission beam. Also, beamforming based on transmission in multiple directions with different steering angles may be performed. Others include beamforming at distant locations with little interference, and beamforming in each divided portion within a frame on the basis of transmitting and receiving, and multiple beamforming thereof. may be performed by performing parallel beamforming, such as by processing in parallel, each superimposing the results at each location in the region of interest where multiple beamforming results were obtained. Method (4) itself has the feature that it is possible to process received signals of interfering waves as long as the waves propagate within the region of interest, and by taking advantage of this, a high frame rate can be achieved. (Method (4) allows receive beamforming for any transmit beam or wave, single or multiple transmissions). Also, beam forming may be performed using appropriate signal components after performing various signal separation processes. Depending on the degree of interference, waves outside the region of interest may be processed without being removed.

その他、波動の送信又は受信の開口は各々の専用開口であることがあるが、両者を兼ねることもあり、自ら送信した波動の応答を受信するのみとは限らず、他の開口より送信された波動を受信することもあり、やはり、並列処理される場合を含み、生成されたビームフォーミングの結果が重ね合わせされることがある。纏めてみれば、上記の重ね合わせは、同時、又は、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察対象の状態が同一又は略同一である同時相、又は、別の時刻、又は、別の時相において、各開口において1つ以上のビームフォーミング、又は、送信又は受信が行われることもあり、また、同様にして、開口の1つの組み合わせで1つ以上のビームフォーミング、又は、送信又は受信が行われることもある。また、同様にして、開口の複数の組み合わせの各々が1つ以上のビームフォーミング、又は、送信又は受信を行うこともある。また、それらにおいて、ビームフォーミング、又は、送信又は受信の結果が複数得られる場合において、それらの重ね合わせの演算を通じて新たなデータが生成されることがある。 In addition, the aperture for transmitting or receiving waves may be a dedicated aperture for each, but it may also serve as both. Waves may also be received, and the beamforming results generated may also be superimposed, including when processed in parallel. In summary, the above superposition can be performed at the same time, or at the same time when the state of the target (communication target) or the observed target is the same or substantially the same, or at a different time, or at a different time. There may be one or more beamformings or transmissions or receptions at each aperture in a phase, and similarly one or more beamformings or transmissions or receptions at one combination of apertures. It is sometimes done. Similarly, each of multiple combinations of apertures may perform one or more beamforming or transmission or reception. In addition, when multiple results of beamforming or transmission or reception are obtained in them, new data may be generated through computation of their superposition.

それらの重ね合わせ処理は、線形処理であるため、上記の方法(1)~(6)の計算過程において、周波数領域で同一の周波数を持つ複数の複素スペクトル信号を重ね合わせることもでき、その場合には、重ね合わされた複素スペクトルを一度に逆フーリエ変換すれば良く、複数のビームフォーミングされた波動の生成後に空間領域で上記の如く重ね合わせる場合に、重ね合わせる波動の数だけの逆フーリエ変換を必要とするよりも、高速に処理を完了することができる。到来波等、これに限られないが、角スペクトルの状態で重ね合わされたものが、例えば、単一の方向や複数の方向に処理されることもある。処理そのものとしては、複数の波動を空間領域で重ね合わせてフーリエ変換を行い、重ね合わされた角スペクトルを求めると良い(フーリエ変換は一度で済む効果がある)。対象物の存在する位置等を確認できることがある。 Since the superposition process is a linear process, in the calculation process of the above methods (1) to (6), it is possible to superimpose a plurality of complex spectral signals having the same frequency in the frequency domain, in which case In order to do so, it suffices to inverse Fourier transform the superimposed complex spectra at once, and when superimposing as described above in the spatial domain after generating a plurality of beamformed waves, inverse Fourier transforms are performed as many times as the number of waves to be superimposed. You can complete the process faster than you need to. Incoming waves, such as, but not limited to, superimposed angular spectra may be processed, for example, in a single direction or in multiple directions. As for the processing itself, it is preferable to superimpose a plurality of waves in the spatial domain, perform Fourier transform, and obtain the superimposed angular spectrum (there is an effect that only one Fourier transform is required). In some cases, it is possible to confirm the position of the target object.

また、上記において、複数のビームフォーミングされた(少なくとも、所定の送信ディレイが掛けられ、さらに、送信アポダイゼーションが掛けられることもある)波動を送信する場合(方法(1)~(6)の内、方法(2)及び(3)の開口面合成は除く別の方法)においては、物理的に同時に送信を行った場合に(送信される各波動の有効開口アレイ内の最初に励起される開口素子が同一時刻に励起される)、それぞれの受信信号は重なった状態でメモリ又は記憶装置(記憶媒体)に格納されているので、各方法に従って、1つのフレームのイメージ信号の生成処理を施せばよい(1フレームを分割してそれぞれの部分で処理する並列処理を行うことはある)。 Also, in the above, when transmitting a plurality of beamformed waves (at least, a predetermined transmission delay is applied, and a transmission apodization may be applied) (methods (1) to (6), In methods (2) and (3), which excludes aperture synthesis, the first excited aperture element in the effective aperture array for each wave to be transmitted (the first excited aperture element are excited at the same time), and the respective received signals are stored in a memory or storage device (storage medium) in an overlapping state. (Parallel processing may be performed by dividing one frame and processing each part).

これに対し、ビームフォーミングを異なる時刻で複数回行う上記の別の場合においては、各受信開口素子のチャンネルにおいて、有効開口アレイ内の最初に励起される開口素子から送信されるタイミングを把握できる本実施形態に係る装置においては、デジタル信号処理ユニットにおいて、同時に複数の波動を送信したときの受信信号と同じ信号を得るべく複数の受信信号を適切に重ね合わせて、同様に処理することもできる(この場合も、1フレームを分割してそれぞれの部分で処理する並列処理を行うことがある)。これらの場合においては、実質的に、最初のフーリエ変換は1回で済む(それぞれの部分で分割して処理する場合はある)。 On the other hand, in the other case where beamforming is performed a plurality of times at different times, the timing of transmission from the first excited aperture element in the effective aperture array can be grasped in the channel of each reception aperture element. In the device according to the embodiment, in the digital signal processing unit, a plurality of received signals can be appropriately overlapped to obtain the same signal as the received signal when a plurality of waves are transmitted at the same time, and processed in the same way ( Also in this case, parallel processing may be performed by dividing one frame and processing each portion). In these cases, substantially only one initial Fourier transform is required (there are cases where each part is divided and processed).

この様なアクティブの場合には、開口面合成(方法(2)及び(3))を除くビームフォーミングにおいて、さらに、高速にビームフォーミングを完了できる。但し、方法(2)及び(3)用に収集された開口面合成用受信信号に必要に応じて送信のビームフォーミング(必要に応じて送信ディレイ又は送信アポダイゼーションが掛けられる)が施されて重ね合わせた上で処理され、同様に処理されることがある。ちなみに、送信ディレイをかけずに、受信信号を重ね合わせると、この場合には、ステアリングせずに平面波送波したときの受信信号を生成できる。開口面合成処理においても、分割並列処理を行って、高速化されることがあるが、特に、本願の発明者の過去の発明である多方向開口面合成を行う場合には、1つの時相において収集された信号から、複数方向のビームを生成でき、本願発明の装置又は方法において処理する場合においては、各方向の偏向角度の下で、1回のフーリエ変換にて得られた同一の角スペクトルデータを用いた計算を行い、最終的に、各々の偏向角度に関して得られた多次元スペクトルの逆フーリエ変換を複数回実施することなく、それらの多次元スペクトルを重ね合わせて、1回の逆フーリエ変換により高速に最終的なイメージ信号を生成することができる(分割処理を行うことはある)。しかし、開口面合成にせよ、受信の固定フォーカシングや他のビームフォーミングにおいても、パッシブな処理に行う場合には、上記の通り、重ね合わされた受信信号(即ち、1つの角スペクトル)に対して、例えば、単一方向又は複数の異なる方向に処理を行うことは有効である。 In such an active case, beamforming can be completed at a higher speed in beamforming other than aperture synthesis (methods (2) and (3)). However, the received signals for aperture synthesis collected for methods (2) and (3) are subjected to beamforming for transmission (transmission delay or transmission apodization is applied as necessary) and superimposed. and may be treated in the same way. By the way, if the received signals are superimposed without applying a transmission delay, in this case, a received signal can be generated when a plane wave is transmitted without steering. Also in aperture plane synthesis processing, division parallel processing may be performed to increase the speed. Beams in multiple directions can be generated from the signals collected in, and when processed by the apparatus or method of the present invention, the same angle obtained by a single Fourier transform under the deflection angle in each direction Calculations are performed using the spectral data, and finally, without performing multiple inverse Fourier transforms of the multidimensional spectra obtained for each deflection angle, the multidimensional spectra are superimposed to yield a single inverse A final image signal can be generated at high speed by Fourier transform (in some cases, division processing is performed). However, whether it is aperture synthesis, fixed focusing of reception, or other beamforming, when performing passive processing, as described above, for the superimposed received signal (that is, one angular spectrum), For example, it is useful to operate in a single direction or in multiple different directions.

また、これらの処理において得られ複数の波動の重ね合わせが得られる場合においては、例えば、伝搬方向や周波数、又は、帯域が異なるものであれば、スペクトルを分離して処理することも有効であり、その他に、符号化、MIMO、SIMO、MUSIC、独立信号分離(独立成分分析)、主成分分析、符号、又は、パラメトリックな方法等を用いてデジタル信号ユニットにおいて分離することができる。尚、重ね合わせ処理は、それら以外においても有効となることがある(例えば、同時相において複数個得られた信号を用いることにより、SN比が向上する等)。 In addition, when a plurality of waves obtained by these processes can be superimposed, for example, if the propagation direction, frequency, or band are different, it is effective to separate the spectrum and process it. , and others can be separated in digital signal units using coding, MIMO, SIMO, MUSIC, independent signal separation (independent component analysis), principal component analysis, code, or parametric methods. Note that the superposition process may be effective in other cases (for example, using a plurality of signals obtained in the same phase improves the SN ratio, etc.).

独立信号分離(独立成分分析)は、例えば、鏡面反射信号と散乱信号を分離するのに有効であり、同鏡面反射信号を含むものに対し、2つ以上のフレーム間において、独立した散乱信号を持つ状態か、独立した散乱信号が混入した状態を実現して処理を行うと、共通して存在する鏡面反射信号を効果的に分離することができる。血流等の組織変位を計測する場合の血管等からの高強度の信号を検出・分離(除去)したり、血流領域の範囲を特定(検出)したりすることを自動化するために有用である。他にも、臓器や腫瘍等の境界の検出や抽出に有用であり、同様に、鏡面反射(組織)の検出、分離(除去)、特徴的な領域の範囲を特定(検出)することができる。同時に、混入した独立した散乱信号を分離することも可能であり、フレーム間の信号の和(つまり、加算平均)や差の各々からそれらに該当する信号を検出するよりも、独立成分分析(独立成分分離)を用いた方が、鏡面反射信号の検出能及び混入信号の分離能が高い。検波(包絡線検波、二乗検波、絶対値検波等)した上で処理した方が、それらの能力は高い。このことは、視覚的に確認できるに留まらず、決定的又は確率統計的に定量的に評価して確認できる。また、変位や歪等の計測を応用し、並進、回転、変形等に関して動き補償(並進、回転、伸縮)を施して、位置合わせを行って処理すると、それらの能力が向上する(例えば、3MHz周波数のシミュレーションで、相互相関ベースの変位計測を行った場合には、散乱信号の標準偏差が1.0のときに0.1~0.5の鏡面反射率分布も、同程度の強度の散乱信号が混入しても動き補償できる)。空間分解能のある処理が望ましい。尚、変位等の計測は、検波前に行った方が精度が高いが、検波後において行われることもある。また、検波前において各種計測方法を用いて高精度に変位計測を行った場合には、オーバーサンプリング又はアップサンプリングを通じて行われることのある時空間領域におけるブロックマッチング(位相マッチング)、又は、周波数領域における位相回転に基づく位相マッチングによる動き補償は有効である。独立した信号は、医用超音波トランスデューサであれば、トランスデューサを傾けて別の角度から同一位置の鏡面反射信号を拾うとか、ステアリング処理に基づいて別のサブ開口を用いて信号を拾えばよく、また、スキャン面をずらして同一の鏡面反射信号源(同一の構造や組成の連なり)からの鏡面反射信号を含む信号を収集することも有効である(計測手技)。対象の動き(スキャン面がずれるとか他組織からの信号が混入する)や変形(ノイズを含んだ状態と考えられる)を積極的に応用することも可能であり、上記の如く、鏡面反射信号を含む信号を収集すれば良い。また、医用超音波以外の超音波(ソナー等)や電磁波を使用する場合においても同様にして、センサーや信号源、検出器の動き(手ぶれやそれらの保持器の擾乱等を含む)、波動又はビームのステアリング、対象の動きや変形を応用して、反射波又は透過波を収集して処理すれば良い。回路において生じるノイズが混入して効果を齎したり、積極的に発生させたアナログ又はデジタル(プログラムによるソフト的なものを含む)のノイズを混入させることもある。尚、これらの処理は、鏡面反射信号と散乱信号の分離にのみならず、信号間に有る共通信号と混入信号において、同効果を得るために使用することもでき、応用範囲はこれに限られるものではない。信号の時空間のずれは変位や歪によるものとも限らず、開口の指向性(特にステアリング時)や、媒体そのものの持つ不均質な伝搬速度や媒体の擾乱や条件変化(例えば、圧や温度変化等々)に伴う伝搬速度の変化等にもより、また、純粋に信号解析において処理されることがある。また、デバイスにおける周波数依存性のある位相遅延や位相変化等(例えば、センサーにおける位相変化や回路内のアンプにおける位相遅延等)により波形歪を生じることもあり、同様に受信信号に対して位相を補正して波形を整形することがある(周波数領域において周波数毎に複素指数関数を乗算して各々の信号成分の位相を回転させることは有効である)。予めデバイスにおいて生じる位相変化を求めておいて、所望の波形を有する波動を発生させたり、観測位置又は受信位置において所望の波形を生成することを目標にしてセンサーを適切に電気的に駆動することもある。それにより、観測対象の観測が高精度化される(位相を用いる様々な観測や、周波数依存性のある伝搬速度、散乱、又は、減衰等の観測等)。受信デバイスにおいて生じる分のみ補正されることもある。上記の他の位置ずれを生じさせるものに対しても同様に処理されることがある。フレーム信号について述べたが、ビームフォーミング(開口面合成を含む)されたものに施されることもあるし、受信ビームフォーミング前又はビームフォーミングが全く行われていないもの(開口面合成用送受信信号)に処理を施した上でビームフォーミングが行われることがある。つまり、ビームフォーミングの前、中、後の少なくともいずれかにおいて行われることがある。各々の場合において、超解像が併用されることがある。上記の動き補償処理は、時空間のずれを補正する他、例えば、フォーカシングビームや平面波の送信時の信号を比較参照した時(例えば、超解像において)のずれ等の補正にも有効である。また、ビームフォーミング前又はビームフォーミング中において行われることのある上記の動き補償処理は、DAS処理におけるDelay(ディレイ:遅延)処理を兼ねることがある。また、検波(絶対値検波、二乗検波、包絡線検波等々)や後に詳述する線形又は非線形処理を通じた高分解能化も、同様に、ビームフォーミング(開口面合成を含む)されたものに施されることもあるし、受信ビームフォーミング前又はビームフォーミングが全く行われていないもの(開口面合成用送受信信号)に処理を施した上でビームフォーミングが行われることがある。つまり、ビームフォーミングの前、中、後の少なくともいずれかにおいて行われることがある。それらの処理において広帯域化を行う場合には、必要に応じて、時空間においてオーバーサンプリング又はアップサンプリングが行われるか、周波数領域においてスペクトルの零詰めを通じた広帯域化が行われる(逆フーリエ変換を行えば、オーバーサンプリング又はアップサンプリングの結果が得られる)。 Independent signal separation (independent component analysis) is useful, for example, to separate the specular and scattered signals, for those containing the same specular signal, between two or more frames, independent scattered signals. By realizing and processing a state with or mixed with independent scattering signals, the commonly existing specular reflection signals can be effectively separated. It is useful for automating the detection and separation (removal) of high-intensity signals from blood vessels, etc., and the identification (detection) of the range of blood flow regions when measuring tissue displacement such as blood flow. be. In addition, it is useful for detecting and extracting boundaries of organs, tumors, etc. Similarly, specular reflection (tissue) can be detected, separated (removed), and the range of characteristic regions can be specified (detected). . At the same time, it is also possible to separate the mixed independent scatter signals, rather than detecting their respective signals from each of the sums (i.e., averaging) or differences of signals between frames, independent component analysis (independent component analysis) Detectability of the specular reflection signal and separation ability of the mixed-in signal are higher when using the component separation. Those capabilities are higher if they are processed after being detected (envelope detection, square-law detection, absolute value detection, etc.). This can be confirmed not only visually, but also quantitatively evaluated in a definitive or probabilistic manner. In addition, by applying the measurement of displacement, strain, etc., performing motion compensation (translation, rotation, expansion and contraction) with respect to translation, rotation, deformation, etc., and performing processing by performing alignment, these capabilities are improved (for example, 3 MHz In the frequency simulation, when the cross-correlation-based displacement measurement is performed, the specular reflectance distribution of 0.1 to 0.5 when the standard deviation of the scattering signal is 1.0 can be obtained even if the scattering signal of the same intensity is mixed. motion compensation). Processing with spatial resolution is desirable. It should be noted that the measurement of the displacement or the like is more accurate if it is performed before the wave detection, but it may be performed after the wave detection. Also, when performing highly accurate displacement measurement using various measurement methods before detection, block matching (phase matching) in the spatio-temporal domain that may be performed through oversampling or upsampling, or in the frequency domain Motion compensation by phase matching based on phase rotation is effective. An independent signal can be obtained by tilting the transducer to pick up the specular signal at the same position from another angle, or picking up the signal using a different sub-aperture based on the steering process, if it is a medical ultrasound transducer, and It is also effective to shift the scan plane and collect signals including specular reflection signals from the same specular reflection signal source (sequence of the same structure and composition) (measurement technique). It is also possible to actively apply the movement of the object (scanning plane shifts or signals from other tissues are mixed) and deformation (considered to be a state containing noise), and as described above, the specular reflection signal It is sufficient to collect signals containing Similarly, when using ultrasonic waves (such as sonar) or electromagnetic waves other than medical ultrasonic waves, movements of sensors, signal sources, detectors (including camera shake and disturbance of their holders), waves or Beam steering, object motion and deformation may be applied to collect and process reflected or transmitted waves. Noise generated in the circuit may be mixed in to bring about effects, or intentionally generated analog or digital noise (including software noise by a program) may be mixed in. These processes can be used not only to separate the specular reflection signal and the scattering signal, but also to obtain the same effect on the common signal and the mixed signal between the signals, and the range of application is limited to this. not a thing The spatio-temporal deviation of the signal is not necessarily due to displacement or distortion, but also the directivity of the aperture (especially during steering), the inhomogeneous propagation speed of the medium itself, the disturbance of the medium, and changes in conditions (e.g., pressure and temperature changes). etc.) may also be processed purely in signal analysis. In addition, waveform distortion may occur due to frequency-dependent phase delays and phase changes in devices (for example, phase changes in sensors and phase delays in amplifiers in circuits). The correction may shape the waveform (it is useful to rotate the phase of each signal component by multiplying it by a complex exponential function frequency by frequency in the frequency domain). Obtaining the phase change occurring in the device in advance to generate a wave having a desired waveform, or appropriately electrically driving the sensor with the goal of generating a desired waveform at the observation position or receiving position. There is also As a result, the observation of the observation target can be made with high accuracy (various observations using phase, observations of frequency-dependent propagation velocity, scattering, attenuation, etc.). Only the amount that occurs at the receiving device may be corrected. Other misregistrations mentioned above may also be processed in the same way. Although the frame signal has been described, it may be applied to beamforming (including aperture synthesis), or before reception beamforming or without beamforming at all (transmission and reception signal for aperture synthesis) Beamforming may be performed after processing the That is, it may occur before, during, and/or after beamforming. In each case, super-resolution may be used in combination. In addition to correcting spatio-temporal shifts, the motion compensation process described above is also effective in correcting shifts when comparing and referring to signals when transmitting focusing beams or plane waves (for example, in super-resolution). . Further, the above motion compensation processing that may be performed before or during beamforming may also serve as delay processing in DAS processing. In addition, detection (absolute value detection, square-law detection, envelope detection, etc.) and high resolution through linear or nonlinear processing, which will be described in detail later, are also applied to the beamformed (including aperture synthesis). In some cases, beamforming is performed before receiving beamforming or after performing processing on a signal (transmit/receive signal for aperture plane synthesis) for which beamforming has not been performed at all. That is, it may occur before, during, and/or after beamforming. When band widening is performed in these processes, oversampling or upsampling is performed in the space and time, or band widening is performed by zero-filling the spectrum in the frequency domain (inverse Fourier transform is performed) as necessary. For example, oversampling or upsampling results are obtained).

尚、上記の位置補正や位相収差補正には、相関ベースの方法として、相互相関法を使用できるし、様々な変位計測法を応用できる。1次元信号として処理されることもあるし、多次元信号として処理されることもある。例えば、(多次元)クロススペクトル位相勾配法、(多次元)自己相関法、(多次元)ドプラ法等がある。クロススペクトル位相勾配法や自己相関法等、相互相関法と同様にマッチドフィルタの効果があると、上記の如く波動信号に含まれるノイズに頑強となる。上記の如く、これらの変位計測法を位相収差計測に応用する際に(反復)位相マッチング法(時空間におけるシフト又は周波数空間における位相回転)を用いることは有効である。ここに、これらを応用したアレイ型開口を用いたビームフォーミングにおける位相収差と有効開口幅の自動的な決定方法の例を示す。下記の如くに、局所信号間(例えば、超音波の場合には、局所エコー信号や局所透過超音波信号)の相関値による判別やビームフォーミングにおける遅延時間(時間差)の推定エラーの発生そのものを検出することによって自動的に有効開口幅を決めてビームフォーミングを行うことができる。その場合に反復位相マッチング法が有効である。例えば、上記の如く、ステアリング角度の異なるビームフォーミングにおいてコヒーレントなコンパウンディング(重ね合わせ)を行う場合に応用すると、結像が得られ、コントラスの増加や高分解能化の効果も得られる。その他、上記の如く、MIMO、SIMO、MUSIC、独立信号分離(独立成分分析)、主成分分析、パラメトリックな方法等、また、アダプティブビームフォーミング、ミニマム・バリアンス・ビームフォーミング、Capon法等(非特許文献10)にも応用できる。これらが高精度化されるだけでなく、計算量を低減できる。適応性そのものは計測対象における反射特性、散乱特性、又は、減衰特性に依存するものであり、空間分解能があることが望ましい。 For the position correction and phase aberration correction described above, a cross-correlation method can be used as a correlation-based method, and various displacement measurement methods can be applied. It may be processed as a one-dimensional signal, or it may be processed as a multi-dimensional signal. For example, there are (multidimensional) cross-spectral phase gradient method, (multidimensional) autocorrelation method, (multidimensional) Doppler method, and the like. Similar to the cross-correlation method such as the cross-spectrum phase gradient method and the autocorrelation method, if the matched filter has an effect, it becomes robust against noise contained in the wave signal as described above. As mentioned above, it is advantageous to use (iterative) phase matching methods (shifts in space-time or phase rotations in frequency space) when applying these displacement measurement methods to phase aberration measurements. Here, an example of a method for automatically determining phase aberration and effective aperture width in beam forming using an array type aperture applying these will be shown. As shown below, discrimination based on the correlation value between local signals (for example, local echo signals and local transmitted ultrasound signals in the case of ultrasound) and detection of occurrence of delay time (time difference) estimation error itself in beamforming By doing so, it is possible to automatically determine the effective aperture width and perform beam forming. In that case, the iterative phase matching method is effective. For example, as described above, if it is applied to coherent compounding in beamforming with different steering angles, imaging can be obtained, and effects such as increased contrast and higher resolution can be obtained. In addition, as described above, MIMO, SIMO, MUSIC, independent signal separation (independent component analysis), principal component analysis, parametric methods, etc., adaptive beamforming, minimum variance beamforming, Capon method, etc. (non-patent literature 10) can also be applied. Not only are these highly accurate, but the amount of calculation can be reduced. The adaptability itself depends on the reflection characteristics, scattering characteristics, or attenuation characteristics of the measurement object, and it is desirable to have spatial resolution.

少なくとも受信ビームフォーミングを行っていない受信信号を対象として説明する(上記の通り、受信ビームフォーミングを行ったものに処理を施すこともある)。送信ビームフォーミングとしては、固定フォーカスビームフォーミングや、平面波や球面波等の波動の伝搬方向と交わる方向に広く拡がった波動等が対象となる(これらに限られるものでは無い)。後者は、高速フレームレートを実現することは上記の通りである。また、送信ビームフォーミングを行っていない場合には、いわゆる古典的な開口面合成に本法を用いることとなり、モノスタティック型とマルチスタティック型の両者において有効となる可能性がある。 At least received signals that have not been subjected to receive beamforming will be described (as described above, signals subjected to receive beamforming may also be processed). Examples of transmission beamforming include fixed-focus beamforming, plane waves, spherical waves, and other waves that spread widely in a direction intersecting the propagation direction of the waves (but not limited to these). The latter achieves a high frame rate as described above. Moreover, when transmission beamforming is not performed, this method is used for so-called classical aperture synthesis, and may be effective in both monostatic and multistatic types.

それらの信号において、関心領域内にて注目する位置からの信号を含む局所信号を受信した受信位置(ビームフォーミングを行う位置)に対し、その周辺の各位置にて受信された信号系列の中に存在する相関性の最も高い局所信号及びその受信時間を探し求める(図16~図18を参照)。そのための探索領域を、相関性の高い局所信号を含むように設定する。周波数領域における複素指数関数を乗ずることによる高精度な位相回転は探索領域内の信号に施され、巡回して現れる信号が位相収差を求めるために窓で切り出される局所信号の領域内(局所領域)に現れない様に、探索領域は、適切に局所領域よりも大きく設定する(闇雲に大きくすると計算量が増えるだけであり、また、局所領域を必ずしも中央に設定する必要もなく、先験的に見積もられる位相収差の大きさと符号から適切に決める)。局所信号間の位相収差がΔtと推定された場合には、探索領域の信号を-Δtだけシフトして位相収差を補正すべく、探索領域の信号のスペクトルA(ω)にexp{iωΔt}を乗じ、逆フーリエ変換すればよい(特許文献6、非特許文献15等)。計算時間を要することになるが、この処理を同一のペアーの信号に繰り返し施すと、徐々に局所信号間の相関性が高くなり、最終的に高精度な位相収差の推定を成し遂げることができる(反復位相マッチングは、特許文献6や非特許文献15等に詳しい)。
図16は、リニア型の1次元アレイ型トランスデューサを用いた場合に、ステアリングを実施しないときの位相収差補正の例を説明するための模式図である。また、図17は、リニア型の1次元アレイ型トランスデューサを用いた場合に、ステアリングを実施するときの位相収差補正の例を説明するための模式図である。図16(a)及び図16(b)は、別のパラメータを用いて得られた受信信号群を示しており、図17(a)及び図17(b)は、別のパラメータを用いて得られた受信信号群を示している。図16(a)及び図17(a)に示すように、ビームフォーミングを行う関心点Aを含む受信信号群から成るフレーム内においてのみ処理を実施する場合と、図16(b)及び図17(b)に示すように、波動のパラメータやビームフォーミングパラメータの異なる受信信号群(フレーム)を得て、各々、図16(a)及び図17(a)中に示される関心点Aにおける受信信号との位相収差補正を実施する場合とがある。それらの図には、送信又は受信の異なるステアリング角度にて得た複数のフレームを処理する場合を示してある。
図18は、2次元アレイ型トランスデューサを用いた場合に、ステアリングを実施するときの位相収差補正の例を説明するための模式図である。図18(a)及び図18(b)は、別のパラメータを用いて得られた受信信号群を示している。このトランスデューサはリニア型のものであるが、1次元アレイ型と同様に2次元アレイ型トランスデューサにも様々なものがあり、アレイが弧を描いているトランスデューサやセクタスキャンすることを基本として使用されるトランスデューサもある(リニア型以外のトランスデューサにおいても、素子開口面の向いている方向で決まる軸方向に対してステアリングすることがある)。受信後にメモリに格納されるデジタル信号が処理対象であるため、相互相関処理そのものを施した場合には、相関性の高い局所信号は信号の受信時間はサンプリング間隔で評価することになるが、本発明者はナイキスト定理に基づいてデジタル信号のアナログ評価が可能なクロススペクトラム位相勾配法を報告しており、例えばこの方法を使用できる。また、他の変位計測方法を適用して位相収差補正に使用できることは上記の通りであるが、受信信号のSN比が高い場合には、窓を用いた処理(特許文献6や非特許文献15の反復位相マッチングの場合には、窓は矩形窓で良いことが多く、特に反復回数の最終時には矩形窓が使用されていることが望ましい)や移動平均等の局所推定を行う必要は無く、図に示してある関心点Aの受信信号(瞬時データ)を用いた推定も可能である。また、本処理において言う処理対象の受信信号は、既に送信又は受信のビームフォーミングが実施されたものを言う場合もある。
このクロススペクトル位相勾配法は、局所信号間の時間差が大きいと位相スペクトルが反転するため、アンラッピングを行う必要を生じる。そこで、まずはアンラッピングの効果を含む、相互相関法そのものを用いたいわゆるCoarse推定及び位相マッチング(空間シフト)を行い、その後にクロススペクトラム位相勾配法を用いるFine推定を行う。このFine推定においては、位相マッチングとして複素指数関数を用いた位相回転を行い、繰り返し相関値を向上させながら高精度化させることができる(処理対象はデジタル信号であるが、アナログ的に位相をマッチングできる)。このアプローチは、我々が変位計測法として確立した位相マッチング法に基づく(特許文献6、非特許文献15等)。計算速度は、相互相関法に比べてクロススペクトル位相勾配法の方が高速であり、従って、アンラッピングを伴うクロススペクトル位相勾配法も有効ではある(基本的には関心点と素子位置の距離の差で決まるアンラッピングを行えば良く、任意の方向へ移動する場合の変位の観測時に比べて容易である)。この反復位相マッチングにおいては、窓長を徐々に短くしていき、最終的に高分解能な結果を得ることも可能である。想定される伝搬速度にて物理的に決まる、対応する信号の存在しうる範囲をCoarseに探索し、その後にFine推定を行うことができ、Coarse推定を必要とせずに、Fine推定のみ、それもアンラッピング処理を要さない場合も有る。
有効開口幅は、開口アレイ内のビームフォーミングを行う各素子位置の関心点Aに関し、その関心点Aから離れる方向(図16や図17:1次元アレイの場合には左右、(図18:2次元の場合には周囲方向)の位置にて受信された受信信号に上記の処理を実施していき、マッチング処理後の(i)局所信号間の内積によって求まる相関値が設定した閾値を下回る手前までと、(ii)求められた局所信号との時間差が予め設定された閾値よりも大きくなる手前までとして自動的に決めることができる(処理を実施して行く間に推定値が不連続に大きく変化することもあり、エラーを検出すると考えられる場合がある)。
自らのフレーム内の受信信号のみにてビームフォーミングを行う場合に本処理を実施することも有効であるが、例えば、高速フレームレートを実現する平面波送信の場合において、単独送信の場合には生成される波動は横方向には狭帯域となるため、上記の如くステアリング角度の異なる複数のステアリング送信を行ってコヒーレントなコンパウンディング処理(広帯域化)を行うにあたって本処理を実施することも有効である。フォーカシングビームフォーミングにおいても広帯域化の効果が得られ、無論、有効である。ステアリング角度とは別のビームフォーミングパラメータや波動のパラメータの異なるビームフォーミングを行った際の受信信号も同様に処理対象となる(図16や図17を参照)。上記の処理を受信信号フレームの各位置Aにおいて送信ステアリング角度と同一又は異なる受信ステアリング角度の下で同処理を実施してコンパウンドできるが、送信や受信のステアリング角度が大きく異なるものをコンパウンディングすると結像されない場合がある。そこで、生成する波動の送信ステアリング角度を定めた上で、それと同一又は異なる受信ステアリング角度を1つ定め、その送信ステアリング角度の受信信号フレーム内にのみ設定する各位置Aに対し、自分自身の受信信号フレームのみならず(コンパウンディングしないときはこのフレームのみの処理を実施)、他の送信ステアリング角度の受信信号フレームを含めて同処理を施す。精度まで追求する場合には、極力、開口の指向性の強い方向に送信と受信のステアリング方向を定めるべきである(つまり、開口面の正面方向)。さらに、送信と受信のステアリング角度の異なる組み合わせにて生成してコンパウンディングすることも可能であるが、送信や受信のステアリング角度が大きく異なるものを含むと結像されない場合がある。
尚、コンパウンディングに関しては、例えば、正面方向や任意方向の1つの送信ステアリング角度に対して、複数の異なる受信ステアリング角度にて複数の信号を生成することや開口面合成データを用いて多方向に送信や受信のステアリングを行い、コンパウンディングすることも報告しており、これを上記の複数の異なる方向の送信ステアリング時に応用することも可能である。
本処理において、局所信号の長さ(窓長)は、適切に設定する必要がある(反復マッチングを行う場合には最初の窓長のこと)。短い方が高い相関値が得られて局所信号の推定結果(つまり、位相収差の推定値)の空間分解能は高いが、類似した別の信号を検出してしまうことがある。窓長が長いと相関値は低くなり、信号を探しきれないこととなる(例えば、ヒト軟組織の寒天グラファイトファントムにて公称周波数7.5MHzの超音波の平面波送信をしたときに、エコー信号を30MHzにてサンプリングしたときは64ポイントと128ポイントは適切であったが、32ポイントや256ポイントは不適切であった)。変位や変位ベクトルを観測する場合と同様である。上記の通り、その様に適切な窓長にて位相マッチングを行うことが良く、反復位相マッチングを行う場合に、繰り返して位相をマッチングする間、徐々に窓長を短くしていくことは有効である(最終的に高分解能な結果が得られる)。開口面合成等の場合において位相マッチングの回数が数回では結像されなかった散乱信号が反復回数を重ねて結像される場合があり、反復位相マッチングは有効である。高精度な上記の位相収差補正又は反復処理は、計算時間を要することとなるが、精密検査に適している。医用超音波では実時間性が重視されるが、上記の処理は、斬新な医用超音波精密検査法となる可能性がある。反復位相マッチングは、その実施回数に上限値を設けることもできるし、位相収差の推定値の更新値が予め設定した値よりも小さくなったり、十分に小さくなったら終了し、これを上記の(i)又は(ii)の条件が満足される間は、横方向の次の位置の受信信号を対象として同処理を実施して行く。計算時間を短縮化するべく次の位置の位相収差の初期値に得られた推定結果を使用することも有効である。1次元アレイ型の場合には、点Aを中心とて左右に処理を実施して行くことが可能である(上記の(i)又は(ii)の処理により求まる有効開口幅は各位置Aを中心として必ずしも左右対称にはならない)。2次アレイ型の場合には、点Aを中心として周囲方向に処理を実施して行くことが可能である。若しくは、予め点Aを含む最大の有効開口幅を決めておき、端から位相収差の推定を実施して行き、条件(i)の相関値が予め決めた値より大きいことや(ii)の位相収差の推定値そのものを基に有効開口幅を決定することも可能である。何れにせよ、位相収差の推定結果が得られる毎に、その位相収差補正を施した局所信号(ディレイの掛けられた局所信号)が求まるので、最終的な推定を終えた際に、その都度、加算処理を実施して行くのが効率が良い(つまり、位相収差を用いたDAS処理)。また、その際に独立信号分離(独立成分分析)や主成分分析を行って、参照信号と同成分を持つ信号(上記の和(加算平均)よりも精度の良い信号)と異なる成分を持つ信号(上記の減算よりも精度の良い信号)とに分離し、前者の信号成分に関して加算処理を実施することは有用である。前者と後者の信号成分の判別は、参照信号との相関を計算し、相関値の高い方の信号を前者とし、相関値の低い方の信号を後者とすれば良い。後者の信号成分に関しても、加算処理を実施して使用することもある。そして、関心領域内の深さ方向や横方向の別の位置Aに関して同様に位相収差補正を行うことができる。位相収差の推定のみが目的の場合には、加算処理は不要である。また、各関心点Aにおいて推定された有効開口幅内の位相収差補正が施された信号群に対して一度に独立信号分離を施して、全てに共通する信号成分(相関値の最も高い信号)とそれ以外の信号成分とに分け、前者をDAS処理の結果として用いても良い。
また、送信又は受信の波動パラメータやビームフォーミングパラメータの異なる信号が重なっている場合には、そのままの信号において位相収差の推定や位相収差補正が施されることがあるが、例えば、周波数領域において分離したり、他の処理により分離し、その上で、分離された各々の信号において位相収差の推定や位相収差補正が実施されることがある(例えば、各ステアリング角度の信号において処理を実施できる)。また、同様に重なった信号や重なっていない信号に対して周波数領域においてスペクトルを分割し、新しい波動を生成した上で、位相収差の推定や位相収差補正が実施されることがある。周波数領域で信号を分離した場合には、波動パラメーややビームフォーミングパラメータを実現でき、例えば、疑似的に様々な方向にステアリングした波動や、新しい波動やビームの形状等を生成できる(この限りでは無い)。各々において位相収差補正の施された信号が重ね合わされることがある。
フレーム単独における処理において像のコントラスト及び空間分解能が位相収差補正無しの像に比べて高くなることが確認されており、また、上記の如くに複数フレームに処理を施してコンパウンディングする(重ね合わせる)とさらに効果があることが確認されている。このコンパウンディングは生の信号に対してコヒーレント処理するものであるが、検波(包絡線検波や二乗検波、絶対値検波等々)を施した上で重ね合わせて(インコヒーレントコンパウンディング)スペックルを低減して、鏡面反射信号などの決定的信号や強散乱信号を強調してコントラストやCNR(Contrast-to-noise ratio)の向上した像を生成する場合にも有効である。
(多次元)自己相関法や(多次元)ドプラ法等の別の方法を用いる場合も相互相関法をCoarse推定に用い、位相のアンラッピング処理無しにそれらをFine推定に使用できる。クロススペクトル位相勾配法と同様に単独で使用されることもあるし、アンラッピングを行うこともある。上記の如くに推定される有効開口幅や位相収差は、ミニマム・バリアンス・ビームフォーミングや独立成分分析、主成分分析、非線形処理による超解像(非線形処理を施して加算処理を行う、加算処理を施した後に非線形処理を施す)等の上記の応用を含めて様々な応用に使用できる。尚、方法(i)又は(ii)を基に各距離位置における平均的な有効開口幅をデータベース化し、位相収差補正無しで使用することも可能である。上記処理は、受動的な第2の実施形態でも同様である。
In those signals, in the signal sequence received at each position around the reception position (position where beamforming is performed) that received the local signal including the signal from the position of interest in the region of interest Find the highest correlated local signal present and its time of reception (see FIGS. 16-18). A search area for that purpose is set so as to include highly correlated local signals. High-precision phase rotation by multiplying the complex exponential function in the frequency domain is applied to the signal in the search area, and the cyclically appearing signal is cut out with a window to obtain the phase aberration. The search area should be appropriately set larger than the local area so that it does not appear in . appropriately determined from the magnitude and sign of the estimated phase aberration). If the phase aberration between the local signals is estimated to be Δt, exp{iωΔt} is added to the spectrum A(ω) of the signal in the search area to correct the phase aberration by shifting the signal in the search area by −Δt. multiplication and inverse Fourier transform (Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.). Although computation time is required, if this process is repeatedly applied to the same pair of signals, the correlation between the local signals gradually increases, and finally a highly accurate estimation of the phase aberration can be achieved ( The iterative phase matching is detailed in Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.).
FIG. 16 is a schematic diagram for explaining an example of phase aberration correction when a linear one-dimensional array transducer is used and steering is not performed. FIG. 17 is a schematic diagram for explaining an example of phase aberration correction when steering is performed when a linear one-dimensional array transducer is used. 16(a) and 16(b) show received signal groups obtained using different parameters, and FIGS. 17(a) and 17(b) show received signals obtained using different parameters. 2 shows a group of received signals. As shown in FIGS. 16(a) and 17(a), when processing is performed only within a frame consisting of a group of received signals including a point of interest A for which beamforming is performed, FIGS. As shown in b), received signal groups (frames) with different wave parameters and beamforming parameters are obtained, and the received signals at the point of interest A shown in FIGS. phase aberration correction. The figures illustrate the processing of multiple frames obtained at different transmit or receive steering angles.
FIG. 18 is a schematic diagram for explaining an example of phase aberration correction when steering is performed when a two-dimensional array type transducer is used. FIGS. 18(a) and 18(b) show received signal groups obtained using different parameters. This transducer is of the linear type, but there are various types of two-dimensional array type transducers as well as the one-dimensional array type, and it is basically used for transducers with arcs and for sector scanning. Some transducers (even non-linear transducers may steer about an axial direction determined by the direction in which the element aperture faces). Since the digital signal stored in the memory after reception is to be processed, if the cross-correlation processing itself is applied, the reception time of the highly correlated local signal will be evaluated at the sampling interval. The inventor has reported a cross-spectrum phase gradient method capable of analog evaluation of digital signals based on the Nyquist theorem, and this method can be used, for example. As described above, other displacement measurement methods can be applied to correct the phase aberration. In the case of iterative phase matching, the window is often a rectangular window, and it is especially desirable that a rectangular window is used at the end of the iteration), and there is no need to perform local estimation such as moving average, as shown in Fig. Estimation using the received signal (instantaneous data) of the interest point A shown in is also possible. In addition, the received signal to be processed referred to in this process may refer to a signal that has already undergone beamforming for transmission or reception.
This cross-spectrum phase-gradient method requires unwrapping because the phase spectrum is inverted when the time difference between the local signals is large. Therefore, so-called coarse estimation and phase matching (spatial shift) using the cross-correlation method itself including the unwrapping effect are first performed, and then fine estimation using the cross-spectrum phase gradient method is performed. In this fine estimation, phase rotation using a complex exponential function is performed as phase matching, and it is possible to improve accuracy while repeatedly improving the correlation value. can). This approach is based on the phase matching method established by us as a displacement measurement method (Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.). The calculation speed of the cross-spectrum phase gradient method is faster than that of the cross-correlation method, so the cross-spectrum phase gradient method with unwrapping is also effective It suffices to perform unwrapping determined by the difference, which is easier than when observing displacement when moving in an arbitrary direction). In this iterative phase matching, it is also possible to gradually shorten the window length and finally obtain a high-resolution result. It is possible to coarsely search the range where the corresponding signal can exist, which is physically determined by the assumed propagation speed, and then perform fine estimation. In some cases, unwrapping is not required.
The effective aperture width is the direction away from the interest point A of each element position for beamforming in the aperture array (FIGS. 16 and 17: left and right in the case of a one-dimensional array, In the case of dimension, the above processing is performed on the received signal received at the position of (in the peripheral direction), and after the matching processing (i) before the correlation value obtained by the inner product between the local signals falls below the set threshold and (ii) before the time difference between the local signal and the obtained local signal becomes larger than a preset threshold (the estimated value increases discontinuously during the process). may change and may be considered to detect errors).
It is also effective to perform this processing when performing beamforming only with the received signal within its own frame. Since the wave motion has a narrow band in the horizontal direction, it is effective to perform this processing when performing coherent compounding processing (broadband) by performing a plurality of steering transmissions with different steering angles as described above. The effect of widening the band is also obtained in focusing beam forming, which is of course effective. Received signals obtained by performing beamforming with different beamforming parameters and wave parameters other than the steering angle are similarly processed (see FIGS. 16 and 17). The above processing can be performed and compounded at each position A of the received signal frame under a reception steering angle that is the same as or different from the transmission steering angle. may not be imaged. Therefore, after determining the transmission steering angle of the wave to be generated, one reception steering angle that is the same as or different from it is determined, and for each position A that is set only within the reception signal frame of that transmission steering angle, the own reception The same processing is performed not only on the signal frame (only this frame is processed when compounding is not performed), but also on the received signal frames of other transmission steering angles. When pursuing accuracy, the steering direction of transmission and reception should be determined in the direction of the aperture with strong directivity (that is, the front direction of the aperture). Furthermore, it is possible to generate and compound with different combinations of steering angles for transmission and reception, but if the steering angles for transmission and reception are greatly different, images may not be formed.
Regarding compounding, for example, for one transmission steering angle in the front direction or an arbitrary direction, multiple signals are generated at multiple different reception steering angles, or multiple directions are generated using synthetic aperture plane data. We also report steering and compounding of transmit and receive, which can be applied to transmit steering in multiple different directions as described above.
In this process, the length of the local signal (window length) must be appropriately set (this is the initial window length when performing iterative matching). The shorter the distance, the higher the correlation value obtained, and the higher the spatial resolution of the local signal estimation result (that is, the phase aberration estimation value), but there are cases where another similar signal is detected. If the window length is long, the correlation value becomes low, and the signal cannot be found (for example, when ultrasonic plane waves with a nominal frequency of 7.5 MHz are transmitted through a graphite agar phantom of human soft tissue, echo signals are transmitted at a frequency of 30 MHz). 64 and 128 points were appropriate, but 32 and 256 points were inappropriate). It is similar to observing displacements and displacement vectors. As described above, it is preferable to perform phase matching with an appropriate window length, and when performing iterative phase matching, it is effective to gradually shorten the window length while repeatedly performing phase matching. Yes (ultimately high-resolution results are obtained). Iterative phase matching is effective in the case of aperture plane synthesis and the like, in which scattered signals that are not imaged by phase matching several times are imaged by repeating the number of times. The highly accurate phase aberration correction or iterative processing described above requires computation time, but is suitable for precision inspection. Although medical ultrasound emphasizes real-time, the above processing has the potential to be a novel medical ultrasound work-up method. The iterative phase matching can be performed with an upper limit value, and is terminated when the updated value of the estimated value of the phase aberration becomes smaller than a preset value or becomes sufficiently small, and the above ( While the condition i) or (ii) is satisfied, the same processing is performed on the received signal at the next position in the horizontal direction. It is also effective to use the obtained estimation result for the initial value of the phase aberration at the next position in order to shorten the calculation time. In the case of a one-dimensional array type, it is possible to carry out the processing left and right with the point A as the center (the effective aperture width obtained by the above processing (i) or (ii) is obtained by not necessarily symmetrical about the center). In the case of the secondary array type, it is possible to perform the processing in the circumferential direction with the point A as the center. Alternatively, the maximum effective aperture width including the point A is determined in advance, the phase aberration is estimated from the end, and the correlation value of condition (i) is larger than the predetermined value and the phase aberration of (ii) is determined. It is also possible to determine the effective aperture width based on the aberration estimate itself. In any case, each time the estimation result of the phase aberration is obtained, the phase aberration-corrected local signal (delayed local signal) is obtained. It is efficient to perform addition processing (that is, DAS processing using phase aberration). In addition, at that time, independent signal separation (independent component analysis) and principal component analysis are performed, and signals with different components from signals with the same components as the reference signal (signals with higher accuracy than the above sum (additional average)) (a signal that is more accurate than the above subtraction) and performing an addition process on the former signal component. To discriminate between the former and the latter signal components, the correlation with the reference signal is calculated, and the signal with the higher correlation value is regarded as the former, and the signal with the lower correlation value is regarded as the latter. The latter signal component may also be used after being subjected to addition processing. Then, phase aberration correction can be similarly performed for another position A in the depth direction and the lateral direction within the region of interest. If the purpose is only to estimate the phase aberration, the addition process is unnecessary. In addition, independent signal separation is performed once on the signal group subjected to phase aberration correction within the effective aperture width estimated at each point of interest A, and a signal component common to all (signal with the highest correlation value) and other signal components, and the former may be used as the result of DAS processing.
In addition, when signals with different wave parameters or beamforming parameters for transmission or reception overlap, phase aberration estimation and phase aberration correction may be applied to the signals as they are. Alternatively, they may be separated by other processing, and then phase aberration estimation and phase aberration correction may be performed on each separated signal (for example, processing may be performed on each steering angle signal). . Similarly, the spectrum of overlapping signals and non-overlapping signals may be divided in the frequency domain to generate new waves, and then phase aberration estimation and phase aberration correction may be performed. When the signal is separated in the frequency domain, wave parameters and beamforming parameters can be realized, for example, pseudo-steered waves in various directions, new waves and beam shapes, etc. can be generated (but not limited to this) ). Signals with phase aberration correction in each may be superimposed.
It has been confirmed that the image contrast and spatial resolution are higher in the processing of individual frames than in the image without phase aberration correction, and multiple frames are processed and compounded as described above. has been confirmed to be even more effective. This compounding performs coherent processing on the raw signal, but after performing detection (envelope detection, square law detection, absolute value detection, etc.), superimposes (incoherent compounding) to reduce speckle It is also effective in generating an image with improved contrast and CNR (Contrast-to-noise ratio) by emphasizing a decisive signal such as a specular reflection signal or a strongly scattered signal.
If other methods such as the (multi-dimensional) autocorrelation method or the (multi-dimensional) Doppler method are used, the cross-correlation method can be used for the coarse estimation and can be used for the fine estimation without phase unwrapping. It may be used alone like the cross-spectral phase gradient method, or it may be unwrapped. The effective aperture width and phase aberration estimated as described above are super-resolution by minimum variance beamforming, independent component analysis, principal component analysis, and nonlinear processing (nonlinear processing is performed and addition processing is performed. It can be used for various applications including the above applications such as applying non-linear processing after applying. It is also possible to create a database of the average effective aperture width at each distance position based on method (i) or (ii) and use it without phase aberration correction. The above process is the same for the passive second embodiment.

信号分離は、若しくは、冪乗演算による高周波化且つ広帯域化(次数が1より大きいとき)、又は、低周波化且つ狭帯域化(次数が1より小さいとき)処理を行った上で、周波数領域において、高精度に行われることがある。分離後の信号の復元も使用した冪乗次数の逆数乗をすればよく、容易である。 The signal separation is performed by increasing the frequency and widening the band (when the order is greater than 1) or by reducing the frequency and narrowing the band (when the order is less than 1) by exponentiation, and then the frequency domain can be performed with high accuracy. Restoration of the signal after separation is also easy by multiplying the reciprocal of the exponentiation order used.

上記の位相収差補正は、その他にも様々な場合に効果を齎す。観測量(物理量や化学量等)が異なる場合や、同一の観測量でもその観測量に影響を与えることのある条件やパラメータが異なる場合等、様々な観測データ(間)においても、位相収差補正を施したり、位相収差補正を施した上で、本明細書に記載の様々な処理を施すことがある。例えば、超音波(エコー)とOCTのそのもの同士やそれらを用いて得られた観測データを融合・統合するにあたり、OCTデータより特徴的な位置の精度を得、超音波(エコー)の位相収差補正を行うこともある(光と音の物性は異なるが、特に共通してそれらが変化する位置や散乱の生じる位置を使用でき、マッチング処理そのものがコヒーレント信号同士において行われることもあるし、検波して得られるインコヒーレント信号同士や画像データ同士において行われることもある)。マッチング後において、コヒーレント信号又はインコヒーレント信号(又は画像データ)に対し、後述の通り、ICA等の他に機会学習や深層学習、ニューラルネットワーク(バックプロパーゲ―ション型やホップフィールド型等、又は、これらをベースとして変形されたモデル等、その他のモデル)、又は、その他の処理が実施されることがある。
本発明者は、主として医用イメージングやリモートセンシング(様々なタイプのレーダー、地上レーダー、地球外レーダー、星や衛星、飛行機に搭載、気象観測、様々な地球観測、環境や資源探査、宇宙・天体観測、ソナー他)、非破壊検査(構造学、マテリアル研究、物性や機能、生命を含む)等の分野における様々な波動応用において開発して来た、画期的な多次元デジタル信号処理技術(エレクトロニクスを含む)と逆解析・逆問題、統計処理(数理を基礎)を含む情報処理を基礎とし、計測技術と高度情報処理の融合に取り組んでいる。特に、ヒト生体組織(顕微鏡を含む)、バイオ、マテリアル、構造物、環境等の分野における総合的な応用を行うことができ、社会と経済の変革を齎す様な革新的な科学技術を創出することが可能となる。例えば、観測結果を数値で得たり、グラフ化したり、イメージングしたり、可視化したり、医療やライフサイエンス(人類の健康促進等、ヒト組織検査、生成、治療、加工、応用、(小)動物、組織、細胞、薬等)、マテリアル(エレクトリック、サーマル、エラスティシティー、複合材料等)の開発、環境観測(気体や液体、固体)、エネルギー開発、安全保障(監視やモニタリング、移動物体の観測)、様々な高精度観測(大きいものや小さいもの、短時間や長時間の現象、遠方や近距離に位置するものを対象にすることができ、また、世界初のin silico計測標準が実現される可能性を含む)など、極めて広範な応用が可能となる電磁気と力学、熱の3つの基礎物理学や他現象(生物学や化学、生化学等の様々な現象が連動して生じるもの、その他にも様々な現象)における物理量や化学量と物性に関する革新的な非破壊検査技法を実現でき、それらの様々な分野の計測(検査や診断)、修復(修理や治療、再生)、製造(材料の成長や組織の3次元培養)、応用(新しい機能や物性の創出などを含む)を可能にする。それにより、これまで観測できなかった対象内の基礎物理量や化学量、物性の時空間分布のin situ計測が可能になったり、観測用に条件を整えることなく観測できる様になる。例えば、稼働中のデバイスや生き物・細胞を自然の条件下にて観測したり、材料の成長過程の条件下にてその過程を観測することが可能になる。さらに、それらの多様な同時観測・解析技術と最先端の情報科学や統計数理等の高度な融合によって、様々な潜在要因(メカニズム)や新現象、新原理等が詳細に解明され、新しい物性や機能の創出や合成、修復に寄与できる。単独の観測による精度の限界を単にover-determinedシステム化(加算平均や最小二乗化)して超えるのでは無く、例えば、下記のインテリジェントな統合・融合技術(高精度な共通情報の多重化と、独立情報の分離、独立な信号源の分離)により飛躍的に超えることが可能になる(共通情報の多重化と、独立情報、独立な信号源の分離能を高精度化すべく、精密デジタル信号処理を交えたICAの新しい応用、機械学習やディープラーニング、ニューラルネットワークの新しい応用として統合学習と統合認識等)。無論、必要に応じて、解体したり、ヒトにおいては開頭や開腹、腹腔鏡、内視鏡、経口・経鼻穴(カメラ)、カプセル(型カメラ)、穿刺針を用いてセンサーを観測対象の近傍に備えて観測することもある。また、位相収差補正が、全く実施されないか、又は、精密に実施されない(例えば、相互相関法を用いる場合等であるが、サンプリング間隔は短い方が良い)こともある。ここで言う信号源は、物理的な信号源そのものである場合もあるし、反射源や散乱源である場合もある。特に受信信号が多重反射や多重散乱の信号を含む場合等、異なる位置や時間に観測対象の信号が含まれると考えられる場合には、積極的に異なる位置(時間)の信号を直接にICA等の処理を施すことは有効であり、位置をずらしながら処理する等、それらの処理が信号検出処理を兼ねることがある(検出された信号の精度や信頼度の指標には相関値を使用できる)。これにより、多重反射や多重散乱の信号を分離できる。
The phase aberration correction described above is also effective in various other cases. Phase aberration correction is possible even for various observation data (between), such as when the observed quantity (physical quantity, chemical quantity, etc.) is different, or when the conditions and parameters that affect the same observed quantity are different. may be applied, or phase aberration correction may be applied prior to various processing described herein. For example, when fusing and integrating ultrasound (echo) and OCT and observation data obtained by using them, it is possible to obtain characteristic positional accuracy from OCT data and correct the phase aberration of ultrasound (echo). (Although the physical properties of light and sound are different, the position where they change and the position where scattering occurs can be used in common, and the matching process itself may be performed between coherent signals, or detection may be performed. It is sometimes performed between incoherent signals or between image data obtained by the method). After matching, for coherent signals or incoherent signals (or image data), as described later, in addition to ICA, machine learning, deep learning, neural networks (back propagation type, Hopfield type, etc., or Other models such as modified models based on these) or other processing may be performed.
The present inventor is mainly involved in medical imaging and remote sensing (various types of radars, terrestrial radars, extraterrestrial radars, stars and satellites, airborne, meteorological observations, various earth observations, environmental and resource exploration, space and astronomical observations). , sonar, etc.), non-destructive inspection (structural science, material research, physical properties and functions, including life), and other breakthrough multidimensional digital signal processing technology (electronics Based on information processing including inverse analysis/inverse problem, statistical processing (based on mathematics), we are working on the fusion of measurement technology and advanced information processing. In particular, we will create innovative science and technology that can be applied comprehensively in the fields of human tissue (including microscopy), bio, materials, structures, and the environment, and bring about social and economic transformation. becomes possible. For example, observation results can be obtained numerically, graphed, imaged, visualized, medical and life sciences (human health promotion, etc., human tissue examination, generation, treatment, processing, application, (small) animals, tissues, cells, drugs, etc.), development of materials (electric, thermal, elasticity, composite materials, etc.), environmental observation (gases, liquids, solids), energy development, security (surveillance and monitoring, observation of moving objects) , various high-precision observations (large and small objects, short-term and long-term phenomena, distant and short-range objects), and the world's first in silico measurement standard can be realized. Three basic physics of electromagnetism, mechanics, and heat that can be applied to a wide range of applications, and other phenomena (biology, chemistry, biochemistry, etc.) Innovative non-destructive inspection techniques for physical quantities, chemical quantities and physical properties in various phenomena) can be realized, and measurement (inspection and diagnosis), repair (repair, treatment, regeneration), manufacturing (materials growth and three-dimensional tissue culture) and applications (including the creation of new functions and physical properties). This will enable in situ measurement of basic physical quantities, chemical quantities, and spatio-temporal distributions of physical properties in objects that could not be observed so far, and it will be possible to observe without preparing observation conditions. For example, it will be possible to observe working devices, living organisms, and cells under natural conditions, and to observe the growth process of materials under conditions. In addition, various latent factors (mechanisms), new phenomena, new principles, etc. can be elucidated in detail through the advanced fusion of these diverse simultaneous observation and analysis technologies, cutting-edge information science and statistical mathematics, etc., and new physical properties and It can contribute to the creation, synthesis, and restoration of functions. Rather than simply over-determined systemization (additional averaging and least squares) to exceed the accuracy limit of single observations, for example, the following intelligent integration and fusion technology (multiplexing of high-precision common information and Separation of independent information, separation of independent signal sources) can dramatically exceed new applications of ICA, machine learning and deep learning, and new applications of neural networks such as integrated learning and integrated recognition). Of course, if necessary, the sensor can be dismantled, and in humans, craniotomy, laparotomy, laparoscope, endoscope, oral/nasal hole (camera), capsule (type camera), puncture needle can be used to observe the sensor. It may be observed in preparation for the vicinity. Also, phase aberration correction may not be performed at all, or may not be performed precisely (for example, when using the cross-correlation method, the shorter the sampling interval, the better). The signal source mentioned here may be the physical signal source itself, or may be a reflection source or a scattering source. In particular, when the received signal includes signals of multiple reflections or multiple scattering, etc., when it is thought that the signals to be observed are included at different positions and times, the signals at different positions (time) are actively used for ICA, etc. It is effective to apply the processing of , and such processing may also serve as signal detection processing, such as processing while shifting the position (correlation value can be used as an index of the accuracy and reliability of the detected signal) . As a result, signals of multiple reflection and multiple scattering can be separated.

例えば、段落0380に記載の通り、観測対象内の電磁気学、力学、熱学における物理量の分布の波動センシング(逆解析を含む)によるin situイメージングを実現し、それらの観測に基づいた、関連する物性分布の再構成(逆解析)を実現できる。現象の源も再構成できる。また、一方の物理量とそれらの再構成を用いて別の物理量を求めることもできる。エネルギーを求めて観測することもできる。高精度観測を実現すべく、3次元や2次元の多次元観測が望ましい場合がある。例えば、
(1)電流密度(ベクトル)分布計測に基づく電気物性(導電率と誘電率とを共に、又は、どちらか1つ)分布や電流源又は電圧源の分布、電位分布の再構成(イメージング)、又は、電位分布計測に基づく電気物性や電流密度(ベクトル)、電流源の再構成等
(2)変位(速度、加速度)ベクトルや歪(率)テンソルの分布計測に基づく力学物性(ずり弾性率、粘ずり弾性率、圧縮性(ポアソン比)や非圧縮性、粘性、密度等)分布や力源分布の再構成(イメージング)、平均垂直応力(内圧)分布も同時又は別に観測、慣性力ベクトルや応力テンソルの分布を観測等
(3)音波伝搬計測に基づく音響物性(体積弾性率、粘弾性、密度、静圧、比熱等)分布や音源分布、音圧、粒子変位・速度の分布の再構成(イメージング)等
(4)温度分布計測に基づく熱物性(熱伝導率と熱容量、熱拡散率、灌流、対流)分布や熱源分布、熱束分布の再構成(イメージング)等
がある。各波動の媒体となる観測対象内のそれらの観測を、核磁気共鳴イメージング(MRI:Magnetic Resonance Imaging)やSQUID(Superconducting Quantum Interference Device)(観測波動は磁場)、テラヘルツ(電界)、その他、直流(波動では無い)や、電力、ラジオ波、マイクロ波、赤外線、可視光、紫外線、放射線、宇宙線等の電磁波、光パルスやレーザーを用いたドプラ効果による音圧分布観測、OCT(Optical Coherent Tomography)、光マイクロフォン(発明者:園田義人氏)、超音波エコー(音波)の装置(モダリティー)、その他を基礎として実現できる(本発明者の特許多数)。(1)~(4)の物性分布の再構成は、1つの物理量の分布から相対的な物性分布を再構成するものであり、多くの逆解析(X線CTや電気インピーダンスCT等)が観測対象の境界位置において観測される物理量から対象内を観測するために積分方程式を解くのに対し偏微分方程式又は常微分方程式(波動方程式や拡散方程式等の支配方程式に構成方程式を代入したもの)を解くこととなるため、積分型に対して微分型の逆問題・逆解析と称している。関心領域内の適切な位置(参照領域)に物性の参照値(実測値や典型値等)が与えられれば絶対的な分布が求まる。値が一定と考えられる領域を参照領域として、参照値として単位大きさの値を設定した場合には、相対的な値の分布が求まる。無論、それらの積分型の逆問題が使用されることもある。
いずれにせよ、未知分布(ベクトルx)に関する方程式Ax=bが成立する(未知数と式の数が等しい場合もあれば、Over-determinedであったり、fewer-determinedであったりする場合もある)。未知分布xは、線形の方程式の場合は求めたい分布そのものである場合が多く、非線形問題の場合には、繰り返し推定して推定結果を更新して行くことが多いので、その更新すべき量の分布Δxであることが多い。無論、その限りではない。非線形問題の場合には、行列A又はベクトルbが未知分布xに依存することとなり、繰り返し推定を行う各ステップにて推定されている未知分布xを用いて求められるA(x)又はb(x)が使用されて、そのステップにおけるΔxが求められる。そして、xがΔx分だけ更新される。これを、Δxの大きさ(ノルム)が所定の値よりも小さくなったら収束したものと判断して繰り返し推定を終了する。
For example, as described in paragraph 0380, in situ imaging by wave sensing (including inverse analysis) of the distribution of physical quantities in electromagnetics, mechanics, and thermology in the observation object is realized, and based on those observations, related Reconstruction (inverse analysis) of physical property distribution can be realized. The source of the phenomenon can also be reconstructed. Also, one physical quantity and its reconstruction can be used to obtain another physical quantity. It is also possible to obtain and observe energy. In some cases, three-dimensional or two-dimensional multidimensional observations are desirable in order to achieve high-precision observations. for example,
(1) electrical properties based on current density (vector) distribution measurement (both conductivity and dielectric constant, or either one) distribution, current source or voltage source distribution, electric potential distribution reconstruction (imaging), Or electrical properties based on potential distribution measurement, current density (vector), current source reconstruction, etc. (2) Mechanical properties based on distribution measurement of displacement (velocity, acceleration) vector and strain (rate) tensor (shear modulus Viscosity modulus, compressibility (Poisson's ratio) and incompressibility, viscosity, density, etc.) distribution, reconstruction of force source distribution (imaging), mean vertical stress (internal pressure) distribution are simultaneously or separately observed, inertial force vector and Observation of stress tensor distribution, etc. (3) Reconstruction of acoustic properties (bulk modulus, viscoelasticity, density, static pressure, specific heat, etc.) distribution, sound source distribution, sound pressure, particle displacement/velocity distribution based on sound wave propagation measurement (Imaging), etc. (4) Thermophysical properties (thermal conductivity and heat capacity, thermal diffusivity, perfusion, convection) distribution, heat source distribution, and heat flux distribution reconstruction (imaging) based on temperature distribution measurement. Those observations in the observation target that is the medium of each wave are performed by nuclear magnetic resonance imaging (MRI: Magnetic Resonance Imaging), SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) (observation wave is magnetic field), terahertz (electric field), direct current ( waves), electromagnetic waves such as electric power, radio waves, microwaves, infrared rays, visible light, ultraviolet rays, radiation, cosmic rays, sound pressure distribution observation by Doppler effect using optical pulses and lasers, OCT (Optical Coherent Tomography) , an optical microphone (inventor: Mr. Yoshihito Sonoda), an ultrasonic echo (sound wave) device (modality), and others (many patents of the inventor). The reconstruction of the physical property distribution of (1) to (4) is to reconstruct the relative physical property distribution from the distribution of one physical quantity, and many inverse analyzes (X-ray CT, electrical impedance CT, etc.) are observed. In order to observe the inside of the object from the physical quantity observed at the boundary position of the object, the integral equation is solved, whereas the partial differential equation or ordinary differential equation (the one in which the constitutive equation is substituted into the governing equation such as the wave equation or the diffusion equation) Since it is to be solved, it is called differential type inverse problem / inverse analysis as opposed to integral type. An absolute distribution can be obtained by giving a physical property reference value (measured value, typical value, etc.) to an appropriate position (reference region) within the region of interest. If a region with a constant value is used as a reference region and a unit size value is set as the reference value, a relative value distribution can be obtained. Of course, their integral inverse problems may also be used.
In any case, the equation Ax=b for the unknown distribution (vector x) holds (the number of unknowns and equations may be equal, over-determined, or less-determined). In the case of linear equations, the unknown distribution x is often the distribution that we want to find. It is often the distribution Δx. Of course, it is not limited to that. In the case of nonlinear problems, the matrix A or vector b depends on the unknown distribution x, and A(x) or b(x ) is used to find Δx at that step. Then, x is updated by Δx. When the magnitude (norm) of Δx becomes smaller than a predetermined value, it is determined that convergence has occurred, and the repeated estimation is terminated.

さらに、それらの電磁波と音波センシングと逆問題の融合・統合を行うことができる。医用画像においては、これまでに、X線CT(形態情報)やMRI(形態と機能情報)、PET(機能情報)の融合装置が実用化されて来た。その様な中で、超音波(縦波)とずり現象(横波)の他、様々な波動の各々の特徴を生かし、例えば、斬新にMRIと超音波、超音波とテラヘルツやOCT、レーザー等、電磁波と力学波動、その他に熱波との融合も行える。
例えば、(1)~(4)の融合と統合の応用(以下において、(5)とする)には、段落0380に記載の通りに様々である。例えば、ライフサイエンスの分野では、機能や物性の新しい計測に基づいて、効率の高い培養(特に3次元培養)やその制御、病変の発生メカニズムの解明などに寄与できる(有機と無機の同時観測等)。iPs細胞が注目される中、例えば、培養心筋細胞が自然に活動しているin situ状態で運動力学的にも電気現象としても同時にactivityを観測できる(新しい観測の多重化、融合も可能)。また、稼動中の電気電子回路もin situのままに観測できる(デバイスの機能や接合の検査)。また、各種機能マテリアルの成長や動作の過程や各種デバイス開発においても、in situのまま物理量と物性を観測し(例えば、圧電PZT素子や高分子膜PVDF等の超音波素子において、多角的に、同時に、電気機械のエネルギー変換効率や電気インピーダンス、振動モード、熱現象を観測、その他、小型化、高速化、エネルギー効率化(消エネ化))、新しい機能の創出や合成にも寄与できる(電気材料、弾性体、熱材料等)。その他、段落0380に記載の通り様々な分野にて有効な観測を実施する。
それらの逆解析と融合において、情報科学や統計数理は有効である。段落0381に記載の通り、信号処理において実施して来た様々な最適化、最尤推定、ベイズ推定、EM(Expectation-Maximization)、偏微分作用素を正則化項とするunbiasな正則化(過去に世界初の時空間的にvariantな正則化を実施、均質なマテリアルを対象とした絶対的又は相対的な物性再構成において正則化パラメータを大きく設定して可能な限り安定化させてばらつきを小さくすると世界初のin silico標準を実現できる可能性有り)、特異値分解、等価器やスパースモデリング、ICAやMUSICによる信号(源)分離や特徴量解析、新しい超解像(in silico高調波イメージング等を特許出願)、変位(ベクトル)計測誤差の評価においては定常過程を仮定したりCramer-Rao Lower Bound(CRLB)やZiv-Zakai Lower Bound(ZZLB)を使用したりして来た(a prioriやa posterioriな正則化にも応用)。各観測対象の誤差モデルを確立して、それらに応用することも可能である。また、異種情報(上記の異なる観測量や異なる条件下やパラメータにおける観測量等を含む)の統合と融合には、KL情報量、最尤法、相互情報量最小/最大化、エントロピー最小化を用いる他、特に共通情報の多重化と独立情報の分離能を向上させるべく、上記の様な精密なデジタル信号処理を交えた新しいICAの応用(複数のデジタル信号の時空間の精密なマッチング(デジタル信号において近似処理無しにアナログ的に位相回転等)を施した上で処理すると、共通情報の抽出能が加算平均を上回ることや独立成分の分離能が向上)やニューラルネットワークを用いた新しいディープな統合学習や統合判断(認識、複数の3層ニューラルネットワークを統合・分析するアプローチ、病変の鑑別診断・認識等(斬新に病変の種類を符号化、医療診断に限らず様々な認識対象を符号化できる)、画像間や別の臨床データ、所望する目的・目標や新しい機能へのマッピング等、同じく医療応用に限られない)等を行える。確率過程の異なる現象同士の統合と融合も有効である(例えば、正規分布に従うノイズとレーリー分布に従う超音波散乱信号を多重化又は分離、複数の異なる確率過程の事象を混在させる等)。テラヘルツ信号やSQUID信号はSN比が低く、同様にしてICA(加算平均を超える)やMUSICを用いた信号処理による高精度化も有効である。また、3次元空間や時空間におけるセンシングデータ等がビッグデータである場合には、実時間性(高速演算)を追求して、センシング時に精密且つ高速なフーリエビームフォーミング(データ圧縮を含む)や並列処理を実施することもある。無論、いわゆるデータマイニングも有効である。無論、通常の様々な圧縮技術も効果がある。
Furthermore, it is possible to fuse and integrate those electromagnetic wave and sound wave sensing and inverse problems. In the field of medical imaging, devices combining X-ray CT (morphological information), MRI (morphological and functional information), and PET (functional information) have been put to practical use. Under such circumstances, in addition to ultrasonic waves (longitudinal waves) and shear phenomena (transverse waves), we will make use of the characteristics of various waves, such as MRI and ultrasonic waves, ultrasonic waves and terahertz, OCT, laser, etc. It can also fuse with electromagnetic waves, mechanical waves, and heat waves.
For example, there are various applications of fusion and integration of (1) to (4) (hereinafter referred to as (5)) as described in paragraph 0380. For example, in the field of life sciences, new measurements of functions and physical properties can contribute to highly efficient culture (especially three-dimensional culture), its control, and elucidation of the mechanism of lesion development (simultaneous observation of organic and inorganic substances, etc.). ). While iPs cells are attracting attention, for example, it is possible to simultaneously observe the activity of both kinetic and electrical phenomena in the in situ state where cultured cardiomyocytes are naturally active (multiplexing and fusion of new observations are also possible). In addition, electrical and electronic circuits in operation can be observed in situ (device function and junction inspection). In addition, in the process of growth and operation of various functional materials and in the development of various devices, physical quantities and physical properties are observed in situ (for example, ultrasonic elements such as piezoelectric PZT elements and polymer film PVDF). At the same time, the energy conversion efficiency, electrical impedance, vibration mode, and thermal phenomena of electrical machines can be observed. materials, elastic bodies, thermal materials, etc.). In addition, effective observations are made in various fields as described in paragraph 0380.
Information science and statistical mathematics are effective in their reverse analysis and fusion. As described in paragraph 0381, various optimizations that have been performed in signal processing, maximum likelihood estimation, Bayesian estimation, EM (Expectation-Maximization), unbias regularization with a partial differential operator as a regularization term (in the past Implementing the world's first spatio-temporal variant regularization, setting a large regularization parameter in absolute or relative physical property reconstruction for homogeneous materials to stabilize as much as possible and reduce variability It is possible to realize the world's first in silico standard), singular value decomposition, equalizer and sparse modeling, signal (source) separation and feature value analysis by ICA and MUSIC, new super resolution (in silico harmonic imaging, etc.) patent application), and in the evaluation of the displacement (vector) measurement error, we have assumed a stationary process and used the Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) and Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB) (a priori and a Also applied to posteriori regularization). It is also possible to establish an error model for each observable and apply it to them. In addition, for the integration and fusion of heterogeneous information (including the above-mentioned different observables, observables under different conditions and parameters, etc.), KL information, maximum likelihood method, mutual information minimization/maximization, and entropy minimization are used. In addition, in order to improve the multiplexing of common information and the ability to separate independent information, new ICA applications (precise spatio-temporal matching of multiple digital signals (digital If the signal is processed after applying analog phase rotation, etc. without approximation processing, the ability to extract common information exceeds that of arithmetic averaging, the ability to separate independent components is improved), and new deep techniques using neural networks Integrated learning and integrated judgment (recognition, approach to integrate and analyze multiple three-layer neural networks, differential diagnosis and recognition of lesions, etc. (innovative encoding of lesion types, encoding of various recognition targets not limited to medical diagnosis possible), mapping between images or other clinical data, desired objectives/goals, new functions, etc. (also not limited to medical applications). Integration and fusion of phenomena with different stochastic processes are also effective (for example, multiplexing or separating noise following a normal distribution and ultrasonic scattering signals following a Rayleigh distribution, mixing a plurality of different stochastic processes, etc.). Terahertz signals and SQUID signals have a low S/N ratio, and similarly, it is effective to improve accuracy by signal processing using ICA (exceeding averaging) and MUSIC. In addition, when sensing data in three-dimensional space or space-time is big data, in pursuit of real-time performance (high-speed calculation), precise and high-speed Fourier beamforming (including data compression) and parallel processing are required during sensing. Processing may also be performed. Of course, so-called data mining is also effective. Of course, various conventional compression techniques are also effective.

この様な並行又は統合・融合して開発される新しい観測技術は、将来的に、各観測対象の革新的な非破壊検査技法としての地位を築き、そして、様々な分野に新しい展望(新しい工学等)を拓き、科学の発展を躍進させるものと考えられる。また、基礎的な物性(特に、分布定数)の国際計測標準にも貢献しうるものでもあり(正則化を用いる等の初のin silico国際標準となる可能性を秘める)、産業面において絶大な効果を齎す(計算機の有効桁数並みの精度を実現)。上記のin situリモートセンシング応用(アプローチ)は、これらに留まらず、他分野への波及効果は計り知れず、上記の如くに様々な分野や融合・統合分野、社会へ還元できる。 In the future, new observation techniques that are developed in parallel or integrated and merged will establish a position as an innovative non-destructive inspection technique for each observation target, and will open new prospects (new engineering) in various fields. etc.), and is considered to be a breakthrough in the development of science. In addition, it can also contribute to international measurement standards for basic physical properties (especially distribution constants) (it has the potential to become the first in silico international standard that uses regularization, etc.), and is of great industrial importance. effect (achieving precision equivalent to the number of significant digits of a computer). The above-mentioned in situ remote sensing application (approach) is not limited to these, and the ripple effect to other fields is immeasurable, and as described above, it can be returned to various fields, fusion/integration fields, and society.

上記の(1)~(4)によって実現される応用の例を箇条書きで以下に列挙しておく。応用はこれらに限られるものでは無い。また、物性値(熱伝導率や電気導電率)の分布の再構成から観測対象の厚みの変化の分布を高精度に観測できたりして、みかけの観測が有効となる場合も有るし、必ずしも分布では無く、値が少なくとも1つ観測されることもある。
(1)電流密度(ベクトル)分布計測に基づく電気物性(導電率と誘電率とを共に、又は、どちらか1つ)分布や電流源又は電圧源の分布、電位分布の再構成(イメージング)、又は、電位分布計測に基づく電気物性や電流密度(ベクトル)、電流源の分布の再構成等。
プラットフォーム:MRI、テラヘルツ、SQUID、電極アレイ(脳波図・心電図計等他)や静電型電位センサーアレイ等他。
観測対象:MRIや電極アレイ、静電型電位センサーアレイはヒトや動物(マウス等)の神経回路網、電気回路網、電気材料(抵抗体や誘電体)、電流場や電界場、電位場;テラヘルツは電気回路や電気材料(抵抗体や誘電体)、圧電素子(PZT、PVDF)等;SQUIDはそれら全て等。MRIやSQUIDが使用される場合に、電流密度ベクトルの分布はビオ・サバートの法則の逆問題(積分型逆問題)を解いて求められる。
(2)変位(速度、加速度)ベクトルや歪(率)テンソルの分布計測に基づく力学物性(ずり弾性率、粘ずり弾性率、圧縮性(ポアソン比等)や非圧縮性、粘性、密度等)分布や力源分布の再構成(イメージング)、平均垂直応力(内圧)分布も同時又は別に観測、慣性力ベクトルや応力テンソルの分布を観測等。
プラットフォーム:MRI、テラヘルツ、超音波、OCT、レーザー、光パルス等他。
観測対象: ヒトや動物(マウス等)の軟組織(脳腫瘍、肝癌や乳癌等の癌病変、硬化症等の血管疾患モデル、心臓や血管、血流を含む血行動態、特に、MRIは、超音波やOCTで観測の困難な頭蓋内の癌病変モデル);テラヘルツは同じく動物の病変モデル、歯や骨の疾患、無機固形物の圧電体(PZTやPVDF等)、その他、PVDFやゴム等の変形・粘弾性、薬や金属(導体や磁性体)等の粉体(トレーサー)を含む液体(血液を含む)や気体等の流体、粉塵を含む気体や廃液等。
(3)音波伝搬計測に基づく音響物性(体積弾性率、粘弾性率、密度、静圧、比熱等)分布や音源分布、音圧や粒子変位・速度の分布の再構成イメージング等。
プラットフォーム:光パルス、光マイクロフォン、レーザー、MRI、超音波、OCT等他。
観測対象:上記の有機系の観測対象に加え、気体(ヘリウム、酸素、空気等)や液体(純液、混合液、水、食塩水、薬を含む液体や血液等)、固体(無機系を含む)。特殊な環境(室内、屋外、高度、山、深度、海、狭いところ等)等。
(4)温度分布計測に基づく熱物性(熱伝導率と熱容量、熱拡散率、灌流、対流)分布や熱源分布、熱束分布の再構成イメージング等。
プラットフォーム:MRI、テラヘルツ、超音波、光ファイバー、焦電センサー等他。
観測対象: 熱材料、無機固形物の圧電体(テラヘルツ)等、動物(マウス等)の神経回路網における灌流効果、代謝、上記癌病変や炎症、心臓や血管、血液(灌流)モデル、圧電素子やPVDF、気体や液体の対流等。
(1)~(4)に加えて、(5)として、(1)~(4)や他の逆解析を融合・統合したものやデータマイニングしたもの。例えば、以下のものが該当する。
(i)同一又は異なる装置を用いた(1)~(4)による、同一対象の同時の又は多角的な観測、同一の事象(現象)に関連する複数の対象を同時に又は多角的に観測。
・医療におけるin situ観測(健康診断や検診、人間ドッグ、疾患の診断、各種治療におけるモニタリングにおいて、同一の臓器や組織、病変を同時又は多角的に観測、1つの疾患又は併発した疾患、又は、独立した複数の疾患、関連する臓器や組織を同時に又は多角的に観測、これらを少ない種類の装置(ハードウェア)で実施可能)。
・再生医療やライフサイエンスにおけるin situ観測(効率の高い培養、特に、3次元培養やその制御、病変の発生メカニズムを解明。有機と無機の同時観測等)。
・培養心筋細胞(iPs細胞等)が自然に活動しているin situ状態で運動力学的にも電気現象としても同時に観測(activity等)、新しい観測の多重化・高精度化、融合も可能。
・ヒトやマウスの病変(脳腫瘍や肝癌、乳癌)モデルや心筋、血管、心腔内や血管中の血液(薬を含む)の(粘)弾性(血行動態を含む)と熱特性(や温度)の同時観測。
・力学や電磁誘導によるドラッグ・デリバリーの超音波やテラヘルツ観測、新薬の開発。
・ヒトや動物の神経回路網や代謝を対象として、電気活動と熱生成(温度)、血液の灌流効果の同時観測。
・ヒト癌病変やパーキンソン病の低侵襲的温熱治療(HIFU:High Intensity Focus Ultrasound等を用いた加温又は加熱)において、MRIや超音波により患部の治療効果(温度上昇や粘弾性の変化等の変性)と灌流そのもの、灌流の神経回路網制御を同時観測し、治療を実時間に多角的にモニタリングして治療能を向上:医療において、診断のみならず、正常な部位を侵すことなく、安全且つ効率良く異常な部位のみを治療(修復)する。
・統合医療(総合診断、治療、外科術、物理・化学療法、投薬等)、Theranosis(本発明者は、過去に超音波エコー法に基づく組織ずり弾性率の再構成法を開発し、肝癌の診断と加熱治療の前中後を一貫してその同一の指標の下でモニタリングすることに成功しており、Theranosisの1つの成功例と考える)、治療後の炎症により粘弾性率が変化(血流も同時観測)。
・導電率と熱伝導率に関するヴィーデマン―フランツの法則を確認し、高精度又は安価な技法を提供(例えばSQUID計を使わずに赤外線カメラを使用する等)。
・合成問題(複合材料等)において所望する特性をターゲットとして、材料や構造、生成過程等を最適化処理。
・圧電PZT素子や高分子膜PVDF等の超音波素子において、多角的に、同時に、電気機械のエネルギー変換効率や電気インピーダンス、振動モード、熱現象を観測、新しい機能の創出や合成にも寄与する(電気材料、ゴム等の弾性体、熱材料等)。
・In silicoの統合判断によるロボットの自発的動作。
・比較的に安価に(例えば、1台等の少ない装置で多用できる)従来の大規模な施設でも実現されていない新しい計測を実現。
・例えば、医療において超音波エコー法、MRI、OCT、レーザー、又は、光パルスを用い、観測組織の変位(ベクトル)や変形等の分布を観測して(粘)ずり弾性率等の物性の分布を再構成し、本来のそれら画像とそれらの観測結果を融合して病変の診断・鑑別を行い(様々な融合・統合処理の他、画像においては単に透かして重畳して同時に複数の観測データを表示することも有り)、何かしらの治療(外科術や物理・化学療法)を実施する場合に、その治療効果(主として、変性)までも同一の指標(観測される物性)を用いて診断、即ち、治療前中後において診断とモニタリング、経過を観測することは有効であるし、また、特に加熱・加温治療においては、超音波の音速や体積変化の温度依存性を用いたり、MRIにおいては核磁気共鳴周波数(ラーモアの周波数)のケミカルシフトを用いたり、OCT等の光を用いる場合においては光(屈折率等)の温度依存性を用いたり、観測される(粘)ずり弾性率の温度依存性等を用いたりして温度(変化)分布を観測することができて治療効果をモニタリングできるし、その他に観測された温度(分布)データから熱物性(分布)の再構成を行い、熱源の推定(逆問題に基づいて熱源を求める、又は、加熱・加温波動をセンシングによって観測して自己相関関数を求めれば熱源の形状を把握でき、送信パワーや組織物性を鑑みて熱源のパワーを推定、又は、形状データを逆問題に活用すること可能、上記自己相関関数を用いてその波動の波長や伝搬速度の分布も観測できる)(特許文献11)を行って、加熱・加温によって生じる温度分布を推定・予測可能となり、それらの観測をしながら統合判断し、逐次、加熱・加温計画を立てて、minimum-invasive治療を実現できる。受信器がHIFU送信時の受信も可能であれば、HIFU送信により生じるエコー信号を処理して使用できるし、受信が不可能な場合には、観測用の超音波を送信して受信信号を得ることも有る。いずれもイメージングに使用できる。それらの内のいずれか少なくとも1つの受信信号を用いて位相収差(音速の温度依存性や音速の不均質性、波動の指向性等が原因)を算出し、HIFU治療や観測イメージングに位相収差補正を施し、治療位置の位置決め精度を向上させることもある。観測結果と予測結果とに基づいて、逐次、HIFUビームや治療のパラメータが最適化によって決定されることもある(線形や非線形型の様々な最適化法を使用できる)。線形又は非線形の計画法も有効である。所望する温度分布や被爆量、又は、(粘)弾性率等の組織物性や組織圧を目標にして最適化されることがある。その際には、治療組織の受熱特性や変性特性の典型データや実測値、又は、モデルが使用されることがある。本発明は、本願に記載の信号処理を駆使して実現される上記の観測や予測、又は、最適化に基づいて、HIFUの照射パワー、照射強度、連続照射時間、照射間隔、照射位置(焦点位置)、照射形状(アポダイゼーション)、又は、HIFU実施間隔等に関し、HIFU治療を電子制御又は機械制御して、Minimum-invasive治療を実現することを含む。治療制御そのものは、臨床医がマークした病変や機械的に診断された病変に対し、臨床医が観測結果や予測結果、又は、最適化の結果を基に判断をしつつマニュアル制御されることもあるし、機械的に自動的に制御されることもあるが、後者の場合には、常に臨床医が治療方針を変更したりすることを可能にしておく必要があるし、マニュアル制御モードへ切り替えることを可能にしておく必要がある。マニュアルモードから自動モードへの切り替えも有効となることがある。いずれの場合にも、病変のトラッキングは重要である(相互相関法やクロススペクトル位相勾配法等の相互相関ベースの処理が加熱により生じる超音波画像の変化(ノイズ源)に頑強であることを明らかにしてある)。インターフェースは、PC及び周辺機器を中心として実現されることもあるし、専用機として実現されることもある。
この手段は、Theranosisを実現するための1つの手段であり、治療はもとより診断に関して極めて高い空間分解能を有し、病変組織、神経、血(管)、リンパ、ニッチの鑑別下で侵襲性を最小限に留めた最適な処置を実現する。マイクロサージェリーへの応用も重要である。早期の精密診断に加えて、1台の装置で単一又は複数の臓器(脳、肝臓、腎臓、乳房、前立腺、子宮、心臓、眼、甲状腺、血管、皮膚等)の疾患を同時にマルチに診ることのできる統合診断イメージングを可能とし、早期の精密なHIFU治療、それも、それらを同一の指標(力学や熱学の物理量、組織粘ずり弾性や熱物性、又は、マーカー等)の下で、診断イメージングと治療効果のモニタリング、さらには、治療後の経過観察が可能であり、診断と治療を共に、低侵襲的に、そして、簡便且つ短時間に、それゆえ他の技法に比べて安価に実施できる医療を実現できる。超高齢化社会に適合した医療技術の開発の下で、新しい臨床スタイル(短時間の診断と治療、検診等)を拓くと共に、将来の長くに渡り有用となる医療技術である。これらの手段は、HIFUだけでなく、放射線治療や重粒子線治療においても同様に有効である。薬剤を含め、それらの併用も有効である。また、観測するための波動は超音波に限られず、MRIやOCT、X線等、様々なセンシング波動を使用できる(他にも多数記載してある)。これらが融合・統合されて用いられることもある。また、医療応用だけでなく、診断や修復、創生等をマテリアル工学において実施する場合にも、同様な観測が有効であることがある。
・ヒトや動物の脳組織の機能の解明:培養神経回路網においては学習や認識の過程、薬の投与の効果等を電気的in situ観測、心臓や脳の血管(粘弾性)、血流(流体)、マイクロフロー等の高精度な同時観測を行うことができ、その他、連動して、それらの組織や細胞への外的な刺激ツールや加工技術の開発が可能になる。
(ii)環境や産業バイオ、省エネや環境保全への応用(リサイクル、空気や土壌、水等の観測)。様々な気体の音響物性(光パルス、光マイクロフォン)、様々な粉塵を含む気体(テラヘルツによる流れ観測)等。
(iii)等価媒体や機能代替等の新しい合成理論の展開(マテリアル工学)。
Examples of applications realized by the above (1) to (4) are itemized below. Applications are not limited to these. In addition, the distribution of changes in the thickness of the object to be observed can be observed with high accuracy from the reconstruction of the distribution of physical properties (thermal conductivity and electrical conductivity). At least one value may be observed without being a distribution.
(1) electrical properties based on current density (vector) distribution measurement (both conductivity and dielectric constant, or either one) distribution, current source or voltage source distribution, electric potential distribution reconstruction (imaging), Alternatively, electrical properties, current density (vector), and current source distribution reconstruction based on potential distribution measurement.
Platform: MRI, terahertz, SQUID, electrode array (electroencephalogram, electrocardiogram, etc.), electrostatic potential sensor array, etc.
Observation target: MRI, electrode arrays, and electrostatic potential sensor arrays are human and animal (mouse, etc.) neural networks, electrical networks, electrical materials (resistors and dielectrics), current fields, electric fields, and potential fields; Terahertz is electric circuits, electric materials (resistors and dielectrics), piezoelectric elements (PZT, PVDF), etc.; SQUID is all of them. When MRI or SQUID is used, the current density vector distribution can be found by solving the inverse problem of the Biot-Sabbat law (integral inverse problem).
(2) Mechanical physical properties (shear modulus, viscous modulus, compressibility (Poisson's ratio, etc.) and incompressibility, viscosity, density, etc.) based on distribution measurements of displacement (velocity, acceleration) vectors and strain (rate) tensors Reconstruction of distribution and force source distribution (imaging), simultaneous or separate observation of average vertical stress (internal pressure) distribution, observation of inertial force vector and stress tensor distribution, etc.
Platform: MRI, terahertz, ultrasound, OCT, laser, optical pulse, etc.
Observation target: Human and animal (mouse, etc.) soft tissue (brain tumor, cancer lesions such as liver cancer and breast cancer, vascular disease models such as sclerosis, heart and blood vessels, hemodynamics including blood flow, especially MRI Intracranial cancer lesion models that are difficult to observe with OCT); Viscoelasticity, liquids (including blood) containing powders (tracers) such as drugs and metals (conductors and magnetic substances), fluids such as gases, gases including dust, waste liquids, etc.
(3) Reconstruction imaging of acoustic properties (bulk modulus, viscoelastic modulus, density, static pressure, specific heat, etc.) distribution, sound source distribution, sound pressure, particle displacement/velocity distribution, etc. based on sound wave propagation measurement.
Platform: optical pulse, optical microphone, laser, MRI, ultrasound, OCT, etc.
Observation targets: In addition to the above organic observation targets, gases (helium, oxygen, air, etc.), liquids (pure liquids, mixed liquids, water, saline solutions, liquids containing drugs, blood, etc.), solids (inorganic systems, etc.) include). Special environments (indoors, outdoors, high altitudes, mountains, depths, oceans, narrow spaces, etc.), etc.
(4) Thermophysical property (thermal conductivity, heat capacity, thermal diffusivity, perfusion, convection) distribution, heat source distribution, reconstruction imaging of heat flux distribution, etc. based on temperature distribution measurement.
Platform: MRI, terahertz, ultrasound, optical fiber, pyroelectric sensor, etc.
Observation target: Thermal materials, inorganic solid piezoelectric materials (terahertz), etc., perfusion effects in neural networks of animals (mice, etc.), metabolism, cancer lesions and inflammation mentioned above, heart and blood vessels, blood (perfusion) models, piezoelectric elements , PVDF, gas and liquid convection, etc.
In addition to (1) to (4), as (5), (1) to (4) and other reverse analyses are merged and integrated, or data mined. For example:
(i) Simultaneous or multilateral observation of the same object, or simultaneous or multilateral observation of multiple objects related to the same event (phenomenon) by (1) to (4) using the same or different equipment.
・In situ observation in medical care (health checkup, medical checkup, medical examination, diagnosis of disease, monitoring in various treatments, simultaneous or multilateral observation of the same organ, tissue, lesion, single disease or concurrent disease, or Multiple independent diseases, related organs and tissues can be observed simultaneously or multilaterally, and these can be implemented with a small number of types of equipment (hardware).
・In situ observation in regenerative medicine and life science (highly efficient culture, especially 3D culture and its control, elucidation of the mechanism of lesion development, simultaneous observation of organic and inorganic substances, etc.).
・It is possible to simultaneously observe both kinetic and electrical phenomena (activity, etc.) in the in situ state where cultured cardiomyocytes (iPs cells, etc.) are naturally active, and to multiplex, improve accuracy, and fuse new observations.
・(Visco)elasticity (including hemodynamics) and thermal properties (and temperature) of blood (including drugs) in human and mouse models of lesions (brain tumor, liver cancer, breast cancer), myocardium, blood vessels, heart chambers, and blood vessels Simultaneous observation of
・Ultrasound and terahertz observation of drug delivery by dynamics and electromagnetic induction, development of new drugs.
・Simultaneous observation of electrical activity, heat generation (temperature), and blood perfusion effects in neural networks and metabolism in humans and animals.
・In minimally invasive hyperthermia treatment (HIFU: Heating or heating using High Intensity Focus Ultrasound, etc.) for human cancer lesions and Parkinson's disease, therapeutic effects (temperature rise, viscoelasticity change, etc.) of the affected area by MRI and ultrasound Simultaneous observation of denaturation), perfusion itself, and neural network control of perfusion, real-time multifaceted monitoring of treatment to improve therapeutic performance And to efficiently treat (repair) only the abnormal site.
・Integrated medicine (comprehensive diagnosis, treatment, surgery, physical/chemotherapy, medication, etc.), theranosis We have succeeded in consistently monitoring under the same index before, during, and after diagnosis and heat treatment, which is considered a successful example of theranosis), and changes in viscoelastic modulus due to inflammation after treatment (blood Simultaneous observation of current).
・Confirm the Wiedemann-Franz law for conductivity and thermal conductivity, and provide high-precision or low-cost techniques (for example, use an infrared camera instead of a SQUID meter).
・Optimization processing of materials, structures, production processes, etc., targeting desired characteristics in synthesis problems (composite materials, etc.).
・Contribute to the creation and synthesis of new functions by observing the energy conversion efficiency, electrical impedance, vibration mode, and thermal phenomena of electric machines at the same time in ultrasonic devices such as piezoelectric PZT devices and polymer film PVDF. (Electrical materials, elastic bodies such as rubber, thermal materials, etc.).
・Spontaneous movement of the robot by in silico integrated judgment.
・Relatively inexpensive (for example, a small number of devices, such as one, can be used for many purposes).
・For example, in the medical field, the distribution of physical properties such as (visco) shear elastic modulus is observed by observing the distribution of displacement (vector) and deformation of the observed tissue using ultrasonic echo method, MRI, OCT, laser, or light pulse are reconstructed, and the original images and their observation results are fused to diagnose and differentiate lesions (in addition to various fusion and integration processes, in images, multiple observation data are simply superimposed by watermarking at the same time). When performing some kind of treatment (surgery or physical/chemotherapy), even the therapeutic effect (mainly degeneration) is diagnosed using the same index (observed physical properties), i.e. , It is effective to diagnose, monitor, and observe the progress before, during, and after treatment. Using the chemical shift of the nuclear magnetic resonance frequency (Larmor's frequency), using the temperature dependence of light (refractive index, etc.) when using light such as OCT, and the temperature of the observed (visco) shear elastic modulus It is possible to observe the temperature (change) distribution using dependence, etc., and monitor the treatment effect. Estimation of the heat source (by obtaining the heat source based on the inverse problem, or by observing the heating / warming wave by sensing and obtaining the autocorrelation function, the shape of the heat source can be grasped, and the power of the heat source can be calculated in consideration of the transmission power and tissue physical properties It is possible to estimate or utilize the shape data for the inverse problem, and the distribution of the wavelength and propagation velocity of the wave can also be observed using the above autocorrelation function) (Patent Document 11), which is generated by heating It is possible to estimate and predict the temperature distribution, make an integrated judgment while observing them, and sequentially create a heating and heating plan to realize minimum-invasive treatment. If the receiver is capable of receiving during HIFU transmission, it can process and use the echo signal generated by HIFU transmission, and if reception is not possible, it can obtain a received signal by transmitting ultrasonic waves for observation. There is also a thing. Both can be used for imaging. Phase aberration (caused by temperature dependence of sound speed, inhomogeneity of sound speed, wave directionality, etc.) is calculated using at least one of the received signals, and phase aberration correction is applied to HIFU treatment and observation imaging. may be applied to improve the positioning accuracy of the treatment position. Based on observations and predictions, iterative HIFU beam and treatment parameters may be determined by optimization (various linear and non-linear optimization methods can be used). Linear or non-linear programming methods are also valid. It may be optimized by targeting a desired temperature distribution, exposure dose, tissue physical properties such as (visco)elastic modulus, and tissue pressure. At that time, typical data, measured values, or models of the heat-receiving properties and degenerative properties of the tissue to be treated may be used. The present invention is based on the above observations and predictions realized by making full use of the signal processing described in the present application, or optimization, HIFU irradiation power, irradiation intensity, continuous irradiation time, irradiation interval, irradiation position (focus position), irradiation shape (apodization), or HIFU interval, etc., electronically or mechanically controlling HIFU treatment to achieve Minimum-invasive treatment. Treatment control itself may be manually controlled, with the clinician making decisions based on observations, predictions, or optimization results for clinician-marked lesions or mechanically diagnosed lesions. In some cases, it may be controlled automatically mechanically, but in the latter case, it is necessary to always allow the clinician to change the treatment strategy and switch to manual control mode. need to make it possible. Switching from manual mode to automatic mode may also be useful. In either case, lesion tracking is important (cross-correlation-based processes such as cross-correlation and cross-spectral phase-gradient have been shown to be robust to changes in ultrasound images caused by heating (noise sources). ). The interface may be realized mainly by a PC and peripheral devices, or may be realized as a dedicated machine.
This method is one of the means to realize theranosis, has extremely high spatial resolution for diagnosis as well as treatment, and minimizes invasiveness under the differentiation of diseased tissue, nerves, blood (vascular), lymph, and niche. Realize the best possible treatment. Application to microsurgery is also important. In addition to early accurate diagnosis, a single device can be used to simultaneously diagnose diseases of a single or multiple organs (brain, liver, kidney, breast, prostate, uterus, heart, eye, thyroid, blood vessel, skin, etc.). It enables integrated diagnostic imaging that can be performed, and early and precise HIFU treatment, even under the same index (mechanical and thermodynamic physical quantities, tissue viscoelasticity and thermophysical properties, or markers, etc.) Diagnostic imaging and monitoring of therapeutic effects, as well as follow-up after treatment, are possible. We can realize the medical care that can be implemented. Under the development of medical technology suitable for the super-aging society, it is a medical technology that will be useful for a long time in the future while opening up a new clinical style (short-time diagnosis and treatment, examination, etc.). These means are effective not only in HIFU but also in radiotherapy and heavy ion radiotherapy. Combinations thereof, including drugs, are also effective. Also, waves for observation are not limited to ultrasonic waves, and various sensing waves such as MRI, OCT, and X-rays can be used (many others are described). These are sometimes used in combination and integration. In addition to medical applications, similar observations may be effective when performing diagnosis, repair, creation, etc. in material engineering.
・Elucidation of the functions of human and animal brain tissue: In cultured neural networks, the processes of learning and cognition, the effects of drug administration, etc. can be studied by electrical in situ observation, blood vessels in the heart and brain (viscoelasticity), and blood flow ( Fluids), microflows, etc. can be simultaneously observed with high precision, and in conjunction with these, external stimulus tools and processing techniques for those tissues and cells can be developed.
(ii) Application to the environment, industrial biotechnology, energy conservation, and environmental conservation (recycling, observation of air, soil, water, etc.). Acoustic physical properties of various gases (optical pulse, optical microphone), gases containing various dust particles (flow observation by terahertz), etc.
(iii) Development of new synthetic theories such as equivalent media and functional substitution (Materials Engineering).

次に、上記の(1)~(4)、その他の逆解析、(5)の融合・統合の手段を箇条書きしておく。情報科学と統計数理に関連す技術であり、逆解析を含む。基本的には通常の計測限界を超えることを目的としている。例えば、以下の処理は有効である。
(A)逆解析:波動センシングにおいて、
・観測対象を含むシステムの等価器やスパースモデリング(同定や低次元化、ダウンサンプリングに基づく粗いサンプリングデータ化(逆解析においては正則化の効果がある)、フーリエビームフォーミング等における帯域圧縮)を用いた高速化や安定化、データ圧縮。
・最適化(重み付き最小自乗化、ベイズ推定、最尤推定(MAP有り又は無し)、特異値分解法、線形・非線形計画法、凸射影等)による計測・再構成において逆を施す際(ビオ・サバートの法則の逆解析において磁場(ベクトル分布)データから電流密度(ベクトル分布)データや電流(分布)を求める等の積分型逆問題)や物性再構成(線形型又は非線形型の微分型逆問題:偏微分方程式を用いた初期値問題)における参照領域(初期値)や積分型逆問題(インピーダンスCT等に類する非線形型逆問題等)の最適化等による解の安定化。
・逆解析を施す際のunbiasな正則化による解の一意的な存在化とアダプティブな安定化(本発明者は過去に世界初の計測データの精度に依存した時空間的にvariantな正則化パラメータを使用、正則化パラメータを大きく設定して可能な限り観測対象を安定化させてばらつきを小さくすると世界初のin silico標準を実現できる可能性有り、過去に変位(ベクトル)観測や(粘)ずり弾性率再構成等にて実施)。
・各観測対象(歪テンソル、温度、電流密度ベクトル、各物性等)に加えて直接に観測されるセンシング信号の誤差モデル(ばらつきや分散)を確立して高精度化(過去に 変位(ベクトル)計測誤差の評価において時空間的に局所において定常過程を仮定したり、Cramer-Rao Lower Bound(CRLB)やZiv-Zakai Lower Bound(ZZLB)を使用、具体的にはシステムに正則化を施す際のa prioriやa posterioriに正則化パラメータを分散に比例する様に使用したり(従って、時空間的に可変にすることがある)、変位ベクトル成分や様々な観測対象の時空間分布に関する連立方程式の各方程式にばらつきの逆数や分散の逆数を用いて信頼度の重み付けに使用(重み付き最小二乗化)、正則化と重み付けを同時に実施することも有り。
・超解像(高分解能化、世界初のin silicoハーモニック生成イメージングや瞬時位相イメージング、公知のInverse synthetic apertureや逆フィルタリング)や新しいMinimum varianceビームフォーミング(位相収差補正が有効)、上記の信号(源)の高い分離能等。最尤推定等は、画像処理においては古くより用いられ、例えば、自己相関関数を求める等して様々に推定の可能な点拡がり関数が使用される(例えば、非特許文献31~34等)。その他にも様々な方法がある。
・波動信号のアナログ又はデジタルの線形処理又は非線形処理、伝搬過程(観測対象内又は外)における線形現象や非線形現象による新しい波動の生成と活用、単一又は異なるパラメータを持つ複数の波動が対象、観測量(物理量や化学量)が異なるもの同士が対象である場合を含む。
・信号(源)分離や特徴量解析(独立成分分析ICAや主成分分析PCA、MUSIC、上記の正則化の応用や特異値分解、機械学習、ニューラルネットワーク、ディープラーニング等)
これらに限られるものでは無い。
また、
(B)異種情報の統合と融合、同一情報の多重化と独立情報の分離(単独の観測による精度の限界を単にover-determinedシステム化(加算平均や最小二乗化)して超えるのでは無く、高精度な共通情報の多重化と独立情報の分離により超える:信号処理や画像処理において、特にMRI(電磁波)と超音波(力学波)、超音波とテラヘルツ(有機と無機の同時観測)、超音波(縦波)とずり波(横波)等の新しい統合・融合による多重化と分離等に、KL情報量、最尤推定法、相互情報量最小/最大化、エントロピー最小化等を用いる他、飛躍的に精度を向上させるべく、斬新に、
・ICA(過去にヒト組織の超音波エコー信号(ランダム信号)を対象にして複数データの時空間の精密なマッチング(デジタル信号において近似処理無しの位相回転)を施した上で処理すると、共通情報の抽出能が加算平均を上回ることや独立成分の分離能が向上。
・ニューラルネットワーク(ディープな統合学習や統合判断・認識):異種特徴ベクトル(情報)を入力とする複数の3層ニューラルネットワークを統合学習・統合認識するアプローチ(認識層の3層目にて複数のニューラルネットワークを結合、各々のニューラルネットワークを各特徴ベクトル(情報)のクローズデータでディープに学習さぜず、ある程度学習させた上で結合させ、全特徴ベクトル(情報)のクローズデータを用いて学習させると、最初から結合ネットワークを用いて全特徴ベクトル(情報)のクローズデータを用いて学習させるよりも学習速度が飛躍的に高速化され、認識率も飛躍的に向上)を提案し、手書き数字認識に応用し、単一の特徴ベクトル(情報)のみを用いた場合に比べて認識率が飛躍的に向上、統合分析には、斬新に、学習済みの単独ニューラルネットワーク、学習開始当初から結合ネットワークを用いた場合と上記の通りにある程度の学習後に結合させてディープに学習させた場合のネットワークの重み分布を比較、例えば、重み分布を可視化したり、重み分布にICAやPCA処理を施して共通成分と独立成分を解釈することは有効であり、病変の鑑別診断・認識等においては斬新に対象の疾患や病変の種類を符号化(独立した符号を用いる)する等して認識対象を符号化して学習させたり、また、認識対象に関する同種又は異種の観測データや関連する観測データ又は関連する認識対象(例えば、疾患や病変)、所望する目的や目標、新しい物性や機能(in silicoによる創成や合成及びその活用、デバイス化が困難な場合や比較して簡易で安価な場合等には他専用デバイスと連動して稼働させることも有る)等へのマッピング等、バックプロジェクション型の他にホップフィールド型(連想記憶の学習や認識)、同様に実施可能等の他モデル、ニューラルネットワーク以外に最適化や他本明細書に記載の処理(in silico処理)等を行う場合も同様に使用可。
・確率過程の異なる現象同士を対象(例えば、超音波レーリー散乱や観測ノイズの正規分布等)として、共通成分の多重化と独立成分の分離、確率過程の異なる確率過程への遷移(確率モデル、確率変数等の変化)を解明。
また、
(C)ビッグデータ処理:
・多くのセンシングデータ(時空間)等のビッグデータを扱う場合に実時間性を追求して高速演算を実現するべく、センシング時に高速且つ高精度なフーリエビームフォーミングや並列処理等を実施。
・データマイニング(上記の統計処理や相関処理、ICA、PCA、ニューラルネットワーク等による特徴量の抽出を含む)。
また、
(D)観測信号SN比の向上:例えば、一般的に観測されるテラヘルツ信号やSQUID信号、光等はSN比が低く、OCTにおける相関のアナログ処理に習ったり、デジタル化して処理したり、ICA(加算平均を超える)やMUSIC、Wienerフィルタ、マッチドフィルタ、相関処理、信号検出等の信号処理(信号は実時間信号又は複素信号)に基づく高精度化技術。
本発明においては上記の処理等が実施されるが、本発明の目的及び処理手段はこれらに限られるものでは無い。
Next, the above (1) to (4), other reverse analysis, and the fusion/integration means of (5) will be itemized. Techniques related to information science and statistical mathematics, including inverse analysis. Basically, it is intended to exceed the normal measurement limits. For example, the following processing is valid.
(A) Inverse analysis: In wave sensing,
・Using equalizers and sparse modeling of systems including observation targets (identification, dimensional reduction, rough sampling data conversion based on downsampling (regularization effect in inverse analysis, band compression in Fourier beamforming, etc.) It was faster, stabilized, and data compressed.
・ When performing inverse in measurement / reconstruction by optimization (weighted least squares, Bayesian estimation, maximum likelihood estimation (with or without MAP), singular value decomposition method, linear / nonlinear programming method, convex projection, etc.)・Integral inverse problem such as obtaining current density (vector distribution) data and current (distribution) from magnetic field (vector distribution) data in inverse analysis of Sabert's law) and physical property reconstruction (linear or nonlinear differential inverse problem) Problem: Stabilization of solutions by optimizing reference regions (initial values) and integral inverse problems (nonlinear inverse problems similar to impedance CT, etc.) in initial value problems using partial differential equations.
・Unique existence of solutions and adaptive stabilization by unbiased regularization when performing inverse analysis , there is a possibility that the world's first in silico standard can be realized by setting a large regularization parameter to stabilize the observation target as much as possible and reduce the variation. (implemented by modulus reconstruction, etc.).
・In addition to each observation target (strain tensor, temperature, current density vector, physical properties, etc.), an error model (variation and variance) of directly observed sensing signals is established to improve accuracy (in the past displacement (vector) In the evaluation of measurement errors, we assume a stationary process locally spatio-temporally, use Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) and Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB), specifically when regularizing the system For a priori and a posteriori, regularization parameters are used so that they are proportional to the variance (thus, they can be spatiotemporally variable). The reciprocal of the variance and the reciprocal of the variance are used for each equation to weight the reliability (weighted least squares), and regularization and weighting can be performed at the same time.
・Super-resolution (higher resolution, the world's first in silico harmonic generation imaging, instantaneous phase imaging, well-known inverse synthetic aperture and inverse filtering), new minimum variance beamforming (phase aberration correction is effective), the above signal (source ), etc. Maximum likelihood estimation and the like have long been used in image processing, and for example, point spread functions that can be estimated in various ways, such as obtaining an autocorrelation function, are used (eg, Non-Patent Documents 31 to 34, etc.). There are various other methods.
・Analog or digital linear or non-linear processing of wave signals, generation and utilization of new waves by linear or non-linear phenomena in the propagation process (inside or outside the observation object), multiple waves with single or different parameters, This includes cases where objects with different observable quantities (physical quantities or chemical quantities) are the targets.
・Signal (source) separation and feature value analysis (independent component analysis ICA, principal component analysis PCA, MUSIC, application of the above regularization, singular value decomposition, machine learning, neural network, deep learning, etc.)
It is not limited to these.
again,
(B) Integration and fusion of different types of information, multiplexing of the same information and separation of independent information High-precision multiplexing of common information and separation of independent information: In signal processing and image processing, especially MRI (electromagnetic waves) and ultrasound (mechanical waves), ultrasound and terahertz (simultaneous observation of organic and inorganic), ultrasound In addition to using KL information, maximum likelihood estimation, mutual information minimization/maximization, entropy minimization, etc. for multiplexing and separation by new integration and fusion of sound waves (longitudinal waves) and shear waves (transverse waves), etc. In order to dramatically improve accuracy,
・ ICA (Past ultrasound echo signals (random signals) of human tissues were subjected to precise spatio-temporal matching of multiple data (phase rotation without approximation processing in digital signals) and then processed, common information The extraction ability of the
・Neural network (deep integrated learning and integrated judgment/recognition): An approach for integrated learning/integrated recognition of multiple three-layer neural networks with heterogeneous feature vectors (information) as input (multiple Connect neural networks, do not deep learn each neural network with closed data of each feature vector (information), let them learn to some extent and then combine them, and make them learn using closed data of all feature vectors (information) , the learning speed is dramatically faster than learning using closed data of all feature vectors (information) using a connection network from the beginning, and the recognition rate is also dramatically improved). The recognition rate is dramatically improved compared to the case where only a single feature vector (information) is used. For the integrated analysis, a novel single neural network that has already been trained and a joint network are used from the beginning of learning. Compare the weight distribution of the network when using it and when combining it after a certain amount of learning as described above and deep learning. It is effective to interpret independent components as . learning, observational data of the same or different types related to the recognition target, related observational data, or related recognition targets (e.g., diseases and lesions), desired purposes and goals, new physical properties and functions (created and synthesized by in silico and its utilization, and if it is difficult to make it into a device or if it is relatively simple and inexpensive, it may be operated in conjunction with other dedicated devices), etc.) (Learning and recognition of associative memory), other models that can be similarly implemented, optimization other than neural networks, and other processing described in this specification (in silico processing) can be similarly used.
・For phenomena with different stochastic processes (e.g., ultrasonic Rayleigh scattering, normal distribution of observation noise, etc.), multiplexing of common components, separation of independent components, and transition to different stochastic processes (stochastic models, changes in random variables, etc.).
again,
(C) Big data processing:
・High-speed and high-precision Fourier beamforming and parallel processing are implemented during sensing in order to achieve high-speed calculations in pursuit of real-time performance when handling big data such as large amounts of sensing data (spatio-temporal).
・Data mining (including the above-mentioned statistical processing, correlation processing, extraction of feature values by ICA, PCA, neural networks, etc.).
again,
(D) Improvement of observed signal SN ratio: For example, commonly observed terahertz signals, SQUID signals, light, etc. have low SN ratios, and can be processed by learning analog processing of correlation in OCT, digitizing and processing, ICA (exceeding averaging), MUSIC, Wiener filter, matched filter, correlation processing, signal processing such as signal detection (signal is real-time signal or complex signal).
Although the above processing and the like are performed in the present invention, the object and processing means of the present invention are not limited to these.

ハードウェア(装置、プラットフォーム)や計算機を使用して実施される計測/逆解析(イメージング)の(1)~(4)やそれらを用いる(5)融合・統合(情報科学や統計数理等)は、電磁気と力学、熱に関する基礎物理、その他の物理や化学、生化学における物理量と化学量、物性の分布の非破壊検査を融合的・統合的にin situにて実時間で実現する革新的技術(計測・解析手法)となり、様々な分野において革新的な計測(検査や診断)、修復(修理や治療、再生)、製造(材料の成長や組織の3次元培養)、応用(合成等による新しい機能や物性の創出等)を拓く。これまでは捉えられなかった物理量・物質状態、その変化、潜在要因等を検出、その他、測定対象が実際に動作・機能している状況を多角的に観測すること等を可能にする本発明は、医療やライフサイエンスによる人類の健康促進、マテリアル(合成を含む)の開発による新しい工学の開拓、食品工学(鮮度や品質の管理等など)、高効率なエネルギー開発や資源探査、省エネ、環境アセスメントや環境保全(地球や天体も)、気象予測(天候予測、雨量、気体対流、海流等)、安全保障、衛星やレーダー、ソナー、国際標準(in silicoによる初の標準となる可能性有り)等、様々な分野に波及し、産業界や社会インフラを含め、経済的にも社会的にもその波及効果は絶大である。開発される技法は必ずや科学技術イノベーションの創出、新産業創出、社会貢献に寄与する基礎技術となる。 (1) to (4) of measurement/inverse analysis (imaging) performed using hardware (equipment, platform) and computers, and (5) fusion and integration (information science, statistical mathematics, etc.) using them , electromagnetism and mechanics, basic physics related to heat, other physics and chemistry, physical quantity and chemical quantity in biochemistry, non-destructive inspection of physical property distribution integrated and integrated in situ Innovative technology that realizes in real time (measurement and analysis method), and innovative measurement (testing and diagnosis), restoration (repair, treatment, regeneration), manufacturing (material growth and three-dimensional culture of tissue), application (new innovation by synthesis, etc.) in various fields creation of functions and physical properties, etc.). The present invention makes it possible to detect physical quantities, material states, their changes, latent factors, etc., which have not been captured so far, and to observe the situation in which the object to be measured is actually operating and functioning from various angles. , promotion of human health through medicine and life sciences, development of new engineering through the development of materials (including synthesis), food engineering (freshness and quality control, etc.), highly efficient energy development and resource exploration, energy conservation, environmental assessment , environmental conservation (including earth and celestial bodies), weather forecasting (weather forecasting, rainfall, gas convection, ocean currents, etc.), security, satellites, radar, sonar, international standards (potentially becoming the first in silico standard), etc. , has spread to various fields, and its ripple effects are enormous both economically and socially, including the industrial world and social infrastructure. The techniques developed will inevitably become basic technologies that contribute to the creation of scientific and technological innovation, the creation of new industries, and social contribution.

一方で、ビームフォーミングに関する方法(1)~(6)において、スペクトルを周波数分割して、1フレームのイメージ信号を生成するべくメモリ又は記憶装置(記憶媒体)に格納した受信信号に対して、波数マッチング後に表される周波数領域においてスペクトルが分割された状況で処理された波動を複数個得ることが行われることもある。角スペクトルの状態で分割され、各々が処理されることもある。何れにおいても、信号成分の帯域を限定して処理すれば良い。複数の波動が重なっている場合においても、スペクトルを同様に周波数分割することもある。これらのスペクトルの周波数分割により、新たな波動パラメータ(周波数や帯域、伝搬方向等)を持つ物理的には疑似の波動が生成されたことに該当する。分割されたそれらのスペクトルが並列処理されることもある。重ね合わせ処理も新たな波動パラメータを生成する処理であるが、空間領域で重ね合わされて角スペクトルが重なったものである場合もあるし、逆フーリエ変換前にスペクトルが重ね合わせされる場合もある。しかし、必要があれば、フーリエ変換後の角スペクトルを重ね合わせる、又は、逆フーリエ変換後の信号を重ね合わせることもある。尚、フーリエ変換の可逆性(フーリエ変換と逆フーリエ変換)を応用し、生成された信号から受信ビームフォーミング前(開口面合成の場合には送受信ビームフォーミング前)の信号に戻し、他のビームフォーミングが行われることもある(例えば、送信又は受信のステアリング角度が別のものや、1つの送信に対してステアリング角度の異なる複数の波動等)。
超解像処理として、以下に、スペクトルの重み付け処理(いわゆる単なる逆フィルタリングやデコンボリューションでは無く、それらの処理を施した上で所望する点拡がり関数を持つ様にフィルタリングする処理を一括して行える)、非線形処理、位相回転を除いた瞬時位相のイメージングを記載するが、本フーリエビームフォーミングの他に、DAS処理の下で処理されることもある。例えば、平面波や円形波、円筒波、球面波等の横方向に広く拡がる波の送信時においては、高速イメージングが可能であることは上記の通りであるが、他の場合を含めて、上記の如く送信又は受信のステアリング角度の異なる波動を複数個生成して重ね合せし、横方向に広帯域化した上でそれらの超解像処理を施すことは、それらの効果を増強させることができて有効である。平面波等の重ね合わせは、位相に関しては深さ位置に依らない一様なフォーカシングを行った場合を実現し、上記のスペクトルの重み付け処理に基づく、例えば、ガウス関数を用いたアポダイゼーションを行った場合において、矩形波や冪乗関数を用いたアポダーゼーションに基づく開口面合成を用いた高分解能イメージングをターゲットとしてそのスペクトル強度に補償することは有効である。いわば、その重ね合せは、フーリエイメージングにおける平面波分離に基づくAngularスペクトルの計算の逆を計算していることに該当する。フォーカスや開口面合成を行ったものが重ね合せ処理されることもある。重ね合わせするステアリング角度を調整することは重要であり、角度差が小さいと横方向にスペクトル強度を相対的に見ただけでは広帯域化されていない(その相対的にスペクトル強度の低い広帯域化されなかった帯域のSN比はある、特に開口面合成処理時)が、ある程度の角度差を設けて重ねるとスペクトル強度がある状況にて広帯域化される。角度差の小さいときのその相対的にスペクトル強度の低い帯域については、例えば、そのスペクトルの重み付け処理は有効である。位相の異なるものの重ね合わせであるために、信号の強度は低いので、必要に応じて、倍精度の計算処理(ビームフォーミングや超解像処理等)を行う必要がある。一方、ある程度の角度差がある場合には、少ない波動又はビームで容易に広帯域な信号が得られる。それらにおいて、波動のエネルギーを正規化して重ね合わせることも有効である。同様にして、他の2つの超解像も有効となる。無論、フォーカス位置や超音波周波数の異なる波動を重ね合わせて行う重ね合せ処理も超解像の方法として有効である。各々の波動に超解像を施して得られる結果を重ね合せることもできるが、重ね合せして処理した方が処理量が少なく、効果も高い。重ね合せにおける位相補償(波動の伝搬速度の不均質性を補償すること)は重要である。
本発明者は、これまでに超音波エコー法(即ち、反射法)や透過法に基づき観測対象の変位ベクトル(歪テンソル)を観測する方法としてクロススペクトル位相勾配法や多次元自己相関法等を報告している(他にも多数)。超音波以外の波動を用いる場合にも使用できる。それらの技法を用いた際の計測精度を向上させるべく、横方向変調法を拡張してさらに多くの波動を使用したり、スペクトル周波数分割を用いることにより、over-determinedシステムを実現することは有効であり、正則化(a prioriまたはa posteriori、cross-validation法)や重み付き最小二乗法(a prioriまたはa posteriori)は有効である。最尤推定(例えば、非特許文献37等)も有効である(MAP有り又は無し)。それらを融合・統合、混合して実施することも有効である。ばらつきを用いる場合には、局所定常過程を仮定したり、Cramer-Rao Lower Bound(CRLB)やZiv-Zakai Lower Bound(ZZLB)等を用いることができ、いわゆる通常の自己相関法(1次元)にて推定されるばらつきも使用できることを見出してある(後に記載)。さらに、それらの変位ベクトル(歪テンソル)観測を応用して、反射法や透過法にて取得される波動信号より得られる画像(例えば、超音波エコー画像等)を高分解能化できる。例えば、時間的に連続する等の複数の波動信号フレーム(例えば、超音波rfエコーデータフレーム)やそれより得られる画像フレームに本発明で実施する位相マッチングを施したり、また、マルコフモデルに基づく動きの予測を用いたりして、本発明の重ね合わせ処理やICA処理等の信号分離を応用する等、確率統計学的に融合し(多重化と分離等)、様々な超解像(例えば、非特許文献38等)を効果的に施せる。超解像後の融合処理も可能である。これらにおいて実施する位相マッチングとしては、ブロックマッチングも有効であるが、上記の通り、特に位相回転に基づく高精度な位相マッチングが有効である。
また、いわゆるCompressedセンシングが行われることもある。同様にして、DAS処理において行われることもある。上記の3つの超解像と同様に、複数の波動の重ね合わせに対して施されることもある。上記の3つの超解像の方が計算量が少なくて済むが、Compressedセンシングを含め、それらの組み合せが処理されることもある。
On the other hand, in the beamforming methods (1) to (6), the received signal stored in a memory or storage device (storage medium) in order to frequency-divide the spectrum and generate an image signal of one frame, the wavenumber Obtaining a plurality of processed waves in a situation where the spectrum is split in the frequency domain represented after matching may also be done. Angular spectrum states may be split and each processed. In either case, the band of the signal component should be limited for processing. Even when multiple waves overlap, the spectrum may be frequency-divided as well. It corresponds to the generation of physically pseudo waves with new wave parameters (frequency, band, direction of propagation, etc.) by frequency division of these spectra. Those split spectra may be processed in parallel. The superposition process is also a process to generate new wave parameters, but it may be superposed in the spatial domain and the angular spectra may be superimposed, or the spectra may be superimposed before the inverse Fourier transform. However, if necessary, the angular spectrum after Fourier transform or the signal after inverse Fourier transform may be superimposed. By applying the reversibility of the Fourier transform (Fourier transform and inverse Fourier transform), the generated signal is restored to the signal before reception beamforming (or before transmission/reception beamforming in the case of aperture synthesis), and other beamforming is performed. (e.g., different steering angles for transmission or reception, multiple waves with different steering angles for one transmission, etc.).
As super-resolution processing, spectral weighting processing (not so-called simple inverse filtering or deconvolution, but filtering to have a desired point spread function after performing these processing can be performed collectively) , non-linear processing, and instantaneous phase imaging excluding phase rotation are described, but may also be processed under DAS processing in addition to the present Fourier beamforming. For example, as described above, high-speed imaging is possible when transmitting waves that spread widely in the lateral direction, such as plane waves, circular waves, cylindrical waves, and spherical waves. It is effective to generate a plurality of waves with different steering angles for transmission or reception, superimpose them, broaden the band in the horizontal direction, and then perform super-resolution processing on them to enhance their effects. is. The superposition of plane waves etc. realizes the case where uniform focusing is performed regardless of the depth position with respect to the phase, and the apodization based on the weighting process of the above spectrum, for example, using a Gaussian function is performed. It is effective to compensate for the spectral intensity by targeting high-resolution imaging using aperture plane synthesis based on apodization using square waves or power functions. In other words, the superposition corresponds to calculating the inverse of the calculation of the Angular spectrum based on plane wave separation in Fourier imaging. Images that have undergone focus or aperture synthesis may be superimposed. It is important to adjust the steering angle to be superimposed, and if the angle difference is small, the spectral intensity is not broadened just by looking at the spectral intensity relatively in the lateral direction. Although there is an SN ratio in the same band (especially at the time of aperture plane synthesis processing), if a certain degree of angle difference is provided and overlapped, the band will be widened in a situation where there is spectral intensity. For a band with relatively low spectral intensity when the angle difference is small, for example, the spectral weighting process is effective. Since the signals are superimposed with different phases, the intensity of the signal is low, so it is necessary to perform double-precision calculation processing (beam forming, super-resolution processing, etc.) as necessary. On the other hand, when there is a certain degree of angular difference, a broadband signal can be easily obtained with a small number of waves or beams. In them, it is also effective to normalize and superimpose the wave energy. Similarly, the other two super-resolutions are also effective. Of course, superimposition processing in which waves with different focus positions and ultrasonic frequencies are superimposed is also effective as a super-resolution method. It is also possible to superimpose the results obtained by applying super-resolution to each wave, but superimposing and processing requires less processing and is more effective. Phase compensation (compensating for inhomogeneity of wave propagation velocity) in superposition is important.
The present inventors have so far used the cross-spectral phase gradient method, the multidimensional autocorrelation method, etc. as methods for observing the displacement vector (strain tensor) of the observation target based on the ultrasonic echo method (that is, the reflection method) and the transmission method. reported (and many others). It can also be used when waves other than ultrasonic waves are used. To improve the measurement accuracy when using these techniques, it is useful to extend the transverse modulation method to use more waves or to use spectral frequency division to achieve over-determined systems. , and regularization (a priori or a posteriori, cross-validation method) and weighted least squares (a priori or a posteriori) are effective. Maximum likelihood estimation (for example, Non-Patent Document 37, etc.) is also effective (with or without MAP). It is also effective to fuse, integrate, and mix them. When using variation, a locally stationary process can be assumed, Cramer-Rao Lower Bound (CRLB), Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB), etc. can be used. We have found that the variability estimated by Furthermore, by applying these displacement vector (strain tensor) observations, it is possible to improve the resolution of images (for example, ultrasonic echo images, etc.) obtained from wave signals obtained by the reflection method or the transmission method. For example, a plurality of temporally consecutive wave signal frames (e.g., ultrasound rf echo data frames) and image frames obtained therefrom are subjected to phase matching performed in the present invention, and motion based on a Markov model is performed. Using the prediction of the present invention, applying signal separation such as superimposition processing and ICA processing of the present invention, stochastic fusion (multiplexing and separation, etc.), various super-resolution (for example, non- Patent document 38 etc.) can be applied effectively. Fusion processing after super-resolution is also possible. Block matching is effective as the phase matching performed in these methods, but as described above, highly accurate phase matching based on phase rotation is particularly effective.
Also, so-called compressed sensing may be performed. Similarly, it may be done in DAS processing. Similar to the above three super-resolution, it may be applied to the superposition of multiple waves. Although the above three super-resolution methods are less computationally intensive, combinations of them are sometimes processed, including compressed sensing.

次に、本発明において実施されることのあるDAS処理について説明するこのDAS処理は、本発明の方法D2や方法DII等も含んでいる。また、下記においては実時間信号や解析信号の処理を記載しているが、その他に本明細書に記載の様々な処理を施した信号にそれらの処理を施すこともある。
・通常のデジタル診断装置にて行われるDAS処理(方法D1)
受信ダイナミックフォーカシングを行うべく、AD(Analogue-to-Digital)変換処理後の各チャンネルのメモリに格納されている受信信号の読み出しにおいて、各チャンネルの各受信素子位置と各関心点との距離で決まるデジタル受信の時刻を意味するアドレスのメモリからその格納されている信号を読み出す(即ち、Delay)。そして、有効開口幅内のそれらの信号を加算する(Summation)。この方法によると、Delayにおいて受信信号のサンプリング周波数で決まる誤差を生じるため、ナイキスト定理に基づいてサンプリングすることは当然であるが、極力、高い周波数でサンプリングする。高速である特徴を持つ。尚、処理される信号は、AD変換処理後のデジタル実信号の他に解析信号であることもある。また、演算は専用回路の他に汎用のCPUを用いて行うこともあり、以下には計算のプロトコルの実施例も示す。サンプリングされた時間や空間座標(整数値)は、プログラム上ではデジタル信号の格納された配列のインデックスと考えても良いし、デジタル信号の格納されたメモリのアドレスと考えても良い(以下、同様)。
例えば、関心点A、又は、関心点Aに最も近い、整数値であらわされるサンプリング位置i=IにおけるDAS処理において、実信号又は解析信号
r(I) (DAS1)
に加算される別の受信素子にて受信された関心点Aからの信号が受信信号r’中に伝搬距離がΔxだけ長い位置に存在するとすると(反射法の場合に、開口面合成など、往路又は送信のビームフォーミングを行う場合には、その際の伝搬距離の差の分も含む)、サンプリング間隔が距離でsampxと表される場合に、Δi=nint(Δx/sampx)(但し、nint(x)は四捨五入整数化関数を表す)、又は、Δi=inta(Δx/sampx)(但し、inta(x)は切り上げ整数化関数を表す)、又は、Δi=intd(Δx/sampx)(但し、intd(x)は切り下げ整数化関数を表す)等の引数xを整数化する関数又は計算を用いて算出される整数値Δiを用いて表される実信号又は解析信号
r’(I+Δi) (DAS1’)
が加算される。整数値Δiは、Δi×sampxがアナログ値Δxに最も近くなるものであることが望ましく(上記の中ではnintが良い)、計算方法はこれらに限られるものではない。各位置の有効開口幅内の受信素子にて受信されたデジタル信号に本処理を施して加算する。伝搬速度が一定である仮定の下で、距離ではなく時間を用いても同様に説明できる。
若しくは、デジタル信号値の様々な補間処理法があるが、それらを用いて、Δxの位置における信号値を補間近似して求めても良い(バイリニア補間、高次補間、ラグランジュの方法、スプライン補間等、これらに限らず、様々な補間近似を実施できる)。
・方法D1を高精度化したDAS処理(方法D2)
方法D1に基づいてDAS処理を行う中で、Delay処理を高精度化するために、Hilbert変換に基づいて計算される受信信号の解析信号a(t)に対し、複素指数関数を掛け、位相回転を行うDelayを掛けることにより、サンプリング時間間隔samptよりも短い時間内t0の精度を得て、加算処理する。
a(t+t0)=a(t)exp[jω0(t)t0] (DAS2)
ここで、jは虚数単位であり、t=i×sampt(iは0~N-1の整数値)の関係が成立し、ω0(t)は、サンプリング時間(位置)tにおける公称角周波数、重心(中心)角周波数、及び、瞬時角周波数の内のいずれかである。式(DAS2)は、サンプリング時間(位置)tに対してサンプリング座標系の正の方向にアナログ量t0だけ移動した時間(位置)の信号を近似計算するものであるが、関心点A、又は、関心点Aに最も近い、整数値で表されるサンプリング位置i=IにおけるDAS処理においては、方法D1と同様に、サンプリング時間(位置)tについて、施すアナログ量のDelay値Δt(反射法の場合に、開口面合成など、往路又は送信のビームフォーミングを行う場合には、その際のDelay分も含む)を基に算出されるΔi(例えば、Δi=nint(Δt/sampt))を用いて表されるサンプリング時間(位置)I+Δiの解析信号a(t)(=a((I+Δi)×sampt))が使用されることが望ましい。即ち、理想的なアナログ時間(位置)T=I×sampt+Δtに最も近いサンプリング時間(位置)tの信号が使用されることが望ましい。従って、T>tのときは、正値t0=T-t=Δt-Δi×samptを用いる式であり、T<tのときは、負値t0=T-tを用いる式である。各位置の有効開口幅内の受信素子にて受信されたデジタル信号に本処理を施して加算する。
方法D1よりも精度が高いが、サンプリグされた時間(位置)の周波数ω0(t)を用いたあくまでも近似処理である。減衰や散乱等の周波数変調の影響を受ける。方法D1と同様に、サンプリング周波数は高い方が良い。高速性を備えている。
ちなみに、時間ではなく明に離散位置x(=i×sampx、iは0~N-1の整数値)でサンプリング信号が表される場合に、式(DAS2)は、波数k0(=ω0/c=2πf0/c=2π/λ)(但し、cは波動の伝搬速度、f0は公称周波数、重心(中心)周波数、及び、瞬時周波数のいずれか、λは波長)を用いて、
a(x+x0)=a(x)exp[jk0(x)x0] (DAS2’)
と表される。同じく、関心点A、又は、関心点Aに最も近い、整数値であらわされるサンプリング位置i=IにおけるDAS処理においては、離散位置xについて、施すアナログ量の距離差Δx(反射法の場合に、開口面合成など、往路又は送信のビームフォーミングを行う場合には、その際の伝搬距離の差の分も含む)を基に算出されるΔi(例えば、Δi=nint(Δx/sampx))を用いて表されるサンプリング位置I+Δiの解析信号a(x)(=a((I+Δi)×sampx))が使用されることが望ましい。即ち、理想的なアナログ位置X=I×sampx+Δxに最も近いサンプリング位置xの信号が使用されることが望ましい。従って、X>xのときは、正値x0=X-x=Δx-Δi×sampxを用いる式であり、X<xのときは、負値x0=X-xを用いる式である。
若しくは、式(DAS2)と(DAS2’)の各々において、理想的なアナログ時間(位置)Tと理想的なアナログ位置Xに最も近いサンプリング時間(位置)tと位置xのデジタル信号に位相回転を掛けるのではなく、生成する各ビーム又は各波動の各サンプリング位置i(x=i×sampxを表すi)を各関心点Aと考えた際の有効開口幅内の各受信素子位置がその各関心点Aに対して持つ前記DelayΔtと前記距離差Δxを各関心点iに対して表される離散(デジタル)データΔt(i)とΔx(i)として用い、各位置の有効開口幅内の受信素子で受信された各デジタル受信信号の解析信号a(i)に対して、以下の如くに複素指数関数を掛け、
a(i)exp[jω0(i)Δt(i)] (DAS2’’)
a(i)exp[jk0(i)Δx(i)] (DAS2’’’)
加算する。
・方法D2を改良したDAS処理(方法DII)
方法D2は、解析信号においてサンプリング位置の周波数や波数を用いた近似処理であるが、方法DIIなる本発明は、サンプリング位置の周波数や波数を用いずに同様に高速計算を可能にする。
周波数領域において振幅スペクトルS(i)(非正周波数のスペクトルは零)の重心としても求まる重心(中心)周波数(離散フーリエ変換における整数値で表される周波数座標iにおいて求まったアナログ値)
M0=ΣiS(i)/ΣS(i) (DASII1)
但し、振幅スペクトルS(i)(但し、i=0~N-1)は、デジタル空間信号r(x)(但し、サンプリング位置はx=i×sampx)のフーリエ変換とその共役との積の平方根により求まる。式中のΣの加算範囲はi=0~N/2である。
従って、波数k0は、
k0=(2πM0)/(N×sampx) (DASII2)
である。ここで、解析信号a(x)を
a(x)=A(x)exp{jk0(x)x}
=A(x)exp{jk0(x)×(i×sampx)} (DASII3)
と表してみる。
これに基づき、生成する各ビーム又は各波動の各サンプリング位置i(x=i×sampxを表すi)を各関心点Aと考えた際の前記有効開口幅内の各受信素子位置が各関心点Aに対して持つ距離差Δxを各関心点iに対して表される離散(デジタル)データΔx(i)として用い、各位置の有効開口幅内の受信素子で受信された各デジタル受信信号の解析信号a(i)に対して、以下の如くに複素指数関数を掛け、
a(i)exp{j(2πΔx(i)/sampx)/(N×sampx)×(i×sampx)}
=a(i)exp{j(2πΔx(i))/(N×sampx)×i} (DASII4)
と演算する。DAS処理された信号が、xの正方向に進むに連れて、それと直交する方向が強く広帯域化(高分解能化)される効果が得られる。尚、式(DASII4)中のi(=0~N)は、代わりに、
N-i (i=0~N-1) (DASII5)
を用いて計算しても良い。その場合には、DAS処理された信号が、xの負方向に戻るに連れて、それと直交する方向が強く広帯域化(高分解能化)される効果が得られる。Δxを関心点iに依存せずに一定にすると、i方向に不変な周波数変調を掛けることを表す。つまり、本処理は、各関心点iに対して有効開口幅内の各受信素子位置における受信信号に周波数変調
M0+Δx(i)/sampx (DASII6)
を掛け、加算する処理である。信号がデジタル空間信号では無くデジタル時間信号r(t)として表される場合も、同様に、瞬時周波数ω0(i)を用いて表されるその解析信号a(i)に対して以下の如くに複素指数関数を掛け、
a(i)exp{j(2πΔt(i)/sampt)/(N×sampt)×(i×sampt)}
=a(i)exp{j(2πΔt(i))/(N×sampt)×i} (DASII4’)
と演算する。他も同様である。
特定の位置に所望の周波数変調を掛けたり、空間的に一様に周波数変調を施すことも有効である。位置xと時刻tの信号に施す変調波長をk0’、変調周波数をω0’すると、
a’(x)=a(x)exp[jk0’(x)x] (DASII7)
a’(t)=a(t)exp[jω0’(t)t] (DASII7’)
と求まる。同様に離散信号に施せる。
未変調の波動や変調した波動を重ね合わせすることも、広帯域化(高分解能化)や位相を用いる観測(変位観測等)の高精度化に有効である。
・理論的に最も高精度なDAS処理(方法D3)
本発明者が過去に発明した方法(特許文献6、非特許文献15)であるが、関心点位置の信号を含む局所信号のスペクトルA(ω)に周波数領域において複素指数関数を掛け、その局所信号の位相を回転させてDelayを行う。
A’(ω)=A(ω)exp[jωt0]
サンプリング定理を満足する補間処理であり、理論的には最も精度が高いが、計算時間を要する。
・フーリエビームフォーミング(方法D4)
本発明の根幹たるビームフォーミングである。受信信号の多次元周波数領域において、デジタル波数マッピングを行う方法であり、高速フーリエ変換を行い、方法D3と同等の精度を格段に高速に計算できる。他に報告されている通常のフーリエイメージング法と異なる特徴として、そのデジタル波数マッピングにおいて補間近似処理を要さないが、より高速化するべく、補間近処理を行うことも可能である。但し、その場合には、アーチファクトを生じ、その精度の低下を低減するべく、サンプリング周波数を高くすることが求められる。
これらのビームフォーミング処理において、必ずしも解析信号を処理するとは限らず、受信信号を解析信号にする計算を省いて計算時間を短縮化することがある。但し、時空間において複素指数関数を乗ずる処理においては、理論的に正しくは無く誤差を含むものであるが、超音波信号そのもののイメージングや、それを応用して実施される各種のイメージング(弾性イメージング等、その他多数)が実用的であることもある。
また、これらのDAS処理(方法D1~D3)における各々のDelay処理は、DAS処理においてだけでなく、フーリエビームフォーミングやアダプティブビームフォーミングやミニマムバリアンス等の他のビームフォーミング時や、本願に記載の信号の位相収差補正や動き補償、位相マッチング、位置合わせ、位置補正等の信号を時間座標や空間座標や時空間座標においてシフティングする場合に有用である。また、本願に記載のものに限られない。1次元解析信号の場合と同様に、位置(x,y,z)又は時刻(t1,t2,t3)の多次元解析信号に処理を施すこともできる。例えば、方法D2においては、
2次元の場合に、
a(t1+t10, t2+t20)=a(t1,t2)exp[j{ω10(t1,t2)t10+ω20(t1,t2)t20}]
(2DAS2)
a(x+x0, y+y0)=a(x,y)exp[j{kx0(x,y)x0+ky0(x,y)y0}] (2DAS2’)
3次元の場合に、
a(t1+t10, t2+t20, t3+t30)=a(t1,t2,t3)
×exp[j{ω10(t1,t2,t3)t10+ω20(t1,t2,t3)t20+ω30(t1,t2,t3)t30}]
(3DAS2)
a(x+x0, y+y0, z+z0)=a(x,y,z)
×exp[j{kx0(x,y,z)x0+ky0(x,y,z)y0+kz0(x,y,z)z0}] (3DAS2’)
と計算できる。但し、(ω10,ω20,ω30)は、各時刻(t1,t2,t3)における各時間方向の公称角周波数、重心(中心)角周波数、及び、瞬時角周波数であり、(kx0,ky0,kz0)は、各位置(x,y,z)における各方向の波数である。位置(x,y,z)又は時刻(t1,t2,t3)の組み合わせの多次元信号においても同様にシフティングできる。つまり、デジタル信号において、各時刻における各時間方向の公称角周波数、重心(中心)角周波数、及び、瞬時角周波数又は各位置における各方向の波数を用いて、離散座標(高い精度を必要とする場合は高サンプリング周波数であることが望ましい)においてアナログ的なシフティングを施すことができる。1次元の場合と同様に、方法D1(時空間領域における信号のブロックマッチング又は断片のマッチングに該当)に比べて精度を高くでき、その他の方法(方法D3の周波数領域における位相回転に基づく位相マッチングや方法D4のフーリエビームフォーミング)に比べると精度が低いが計算速度は速い。高速な計算速度を必要とする場合に適している。
方法DIIにおける変調も、1次元解析信号の場合と同様に、位置(x,y,z)又は時刻(t1,t2,t3)の多次元解析信号に施すことができる。
例えば、2次元の場合に、
a’(x,y)=a(x,y)exp[j{kx0’(x,y)x+ ky0’(x,y)y}] (2DASII7)
a’(t1,t2)=a(t1,t2)exp[j{ω10’(t1,t2)t1+ω20’(t1,t2)t2}] (2DASII7’)
3次元の場合に、
a’(x,y,z)=a(x,y,z)exp[j{kx0’(x,y,z)x+ ky0’(x,y,z)y+ kz0’(x,y,z)z}]
(3DASII7)
a’(t1,t2,t3)=a(t1,t2,t3)exp[j{ω10’(t1,t2,t3)t1+ω20’(t1,t2,t3)t2+ω30’(t1,t2,t3)t3}]
(3DASII7’)
と求まる。但し、(kx0’,ky0’,kz0’)は各位置(x,y,z)において多次元信号に施す各方向の変調波長であり、(ω10’,ω20’,ω30’)は各時刻(t1,t2,t3)において多次元信号に施す各時間方向の変調周波数である。空間座標と時間座標を持つ多次元信号にも同様に施せる。1次元の場合を含め、応用はDAS処理に限らない。
他のDelay処理も多次元処理が可能で、多次元信号に施すことができる。
Next , DAS processing that may be implemented in the present invention will be described . This DAS processing also includes method D2, method DII, etc. of the present invention. In addition, although processing of real-time signals and analytic signals is described below, such processing may be applied to signals that have undergone various other processing described in this specification.
・DAS processing (Method D1) performed in a normal digital diagnostic device
In order to perform reception dynamic focusing, readout of reception signals stored in the memory of each channel after AD (Analog-to-Digital) conversion processing is determined by the distance between each receiving element position of each channel and each point of interest. The stored signal is read out from the memory whose address means the time of digital reception (that is, Delay). Then, those signals within the effective aperture width are added (summation). According to this method, an error determined by the sampling frequency of the received signal occurs in the delay. Therefore, although sampling is naturally performed based on the Nyquist theorem, sampling is performed at a frequency as high as possible. It is characterized by high speed. The signal to be processed may be an analytic signal in addition to the digital real signal after AD conversion processing. In addition, calculations may be performed using a general-purpose CPU as well as a dedicated circuit, and an example of a calculation protocol will be shown below. The sampled time and space coordinates (integer values) can be considered as the index of the array in which the digital signal is stored, or as the address of the memory in which the digital signal is stored (the same applies hereinafter). ).
For example, in DAS processing at the point of interest A or the sampling position i=I nearest to the point of interest A, represented by an integer value, the real or analytic signal
r(I) (DAS1)
If the signal from the point of interest A received by another receiving element is added to the received signal r' at a position longer by Δx in the propagation distance (in the case of the reflection method, aperture synthesis, etc., the forward path Or when performing beamforming for transmission, including the difference in propagation distance at that time), and when the sampling interval is expressed as sampx in distance, Δi = nint (Δx / sampx) (however, nint ( x) represents a rounded integer function), or Δi = inta (Δx/sampx) (where inta(x) represents a round-up integer function), or Δi = intd (Δx/sampx) (where intd(x) represents a rounding down integer function), a real signal or an analytic signal expressed using an integer value Δi calculated using a function or calculation that integerizes the argument x
r'(I+Δi) (DAS1')
is added. The integer value Δi is desirably such that Δi×sampx is closest to the analog value Δx (nint is preferable among the above), and the calculation method is not limited to these. The digital signals received by the receiving elements within the effective aperture width at each position are subjected to this processing and added. Under the assumption that the propagation speed is constant, a similar explanation can be given using time instead of distance.
Alternatively, there are various interpolation processing methods for digital signal values, and using them, the signal value at the position of Δx may be obtained by interpolation approximation (bilinear interpolation, high-order interpolation, Lagrangian method, spline interpolation, etc.). , and various interpolation approximations can be implemented).
・DAS processing (Method D2) with improved accuracy of Method D1
While performing DAS processing based on method D1, in order to improve the accuracy of the delay processing, the analytic signal a(t) of the received signal calculated based on the Hilbert transform is multiplied by a complex exponential function, and phase rotation is performed. By multiplying by Delay, the accuracy of t 0 is obtained within a time shorter than the sampling time interval sapt, and addition processing is performed.
a(t+ t0 )=a(t)exp[ jω0 (t) t0 ] (DAS2)
where j is an imaginary unit, the relationship t=i×sampt (i is an integer value from 0 to N-1) holds, and ω 0 (t) is the nominal angular frequency at sampling time (position) t , centroid (center) angular frequency, and instantaneous angular frequency. Equation (DAS2) approximates the signal at the time (position) shifted by an analog amount t0 in the positive direction of the sampling coordinate system with respect to the sampling time (position) t, but the point of interest A, or , the DAS processing at the sampling position i=I, which is expressed by an integer value and is closest to the point of interest A, similarly to method D1, the delay value Δt of the applied analog quantity (the reflection method In this case, when performing forward or transmission beamforming such as aperture synthesis, Δi (for example, Δi = nint (Δt / sampt)) calculated based on the delay at that time) The analytic signal a(t) (=a((I+Δi)×sampt)) of the represented sampling time (position) I+Δi is preferably used. That is, it is desirable to use the signal with the sampling time (position) t closest to the ideal analog time (position) T=I×sampt+Δt. Therefore, when T>t, the equation uses the positive value t 0 =Tt=Δt−Δi×sampt, and when T<t, the equation uses the negative value t 0 =Tt. The digital signals received by the receiving elements within the effective aperture width at each position are subjected to this processing and added.
Although the accuracy is higher than the method D1, it is strictly an approximation using the sampled time (position) frequency ω 0 (t). Affected by frequency modulation such as attenuation and scattering. Similar to method D1, the higher the sampling frequency, the better. It has high speed.
By the way, when the sampling signal is clearly represented by discrete positions x (=i×sampx, i is an integer value from 0 to N-1) instead of time, the formula (DAS2) is expressed by wave number k 0 (=ω 0 /c = 2πf 0 /c = 2π/λ) (where c is the propagation speed of the wave, f 0 is the nominal frequency, the center of gravity (center) frequency, or the instantaneous frequency, λ is the wavelength) using
a( x +x0)=a(x)exp[ jk0 ( x )x0] (DAS2')
is represented. Similarly, in the DAS processing at the point of interest A or at the sampling position i=I, which is represented by an integer value and is closest to the point of interest A, the analog distance difference Δx (in the case of the reflection method, When performing forward path or transmission beamforming such as aperture synthesis, use Δi (for example, Δi = nint (Δx / sampx)) calculated based on the difference in propagation distance at that time) Preferably, the analytic signal a(x) at the sampling position I+Δi (=a((I+Δi)×sampx)) is used. That is, it is desirable to use the signal at the sampling position x that is closest to the ideal analog position X=I*sampx+Δx. Therefore, when X>x, the equation uses a positive value x 0 =X-x=Δx-Δi×sampx, and when X<x, the equation uses a negative value x 0 =X-x.
Alternatively, in each of the equations (DAS2) and (DAS2'), the phase rotation is applied to the digital signal at the sampling time (position) t and position x closest to the ideal analog time (position) T and ideal analog position X. Instead of multiplying, each receiving element position within the effective aperture width when considering each sampling position i (i representing x=i×sampx) of each beam or wave to be generated as each point of interest A is Using the delay Δt and the distance difference Δx with respect to point A as discrete (digital) data Δt(i) and Δx(i) represented for each point of interest i, reception within the effective aperture width of each position Multiply the analytic signal a(i) of each digital received signal received by the element by a complex exponential function as follows,
a(i)exp[ jω0 (i)Δt(i)] (DAS2'')
a(i)exp[ jk0 (i)Δx(i)] (DAS2''')
to add.
・DAS processing (Method DII), which is an improvement of Method D2
Method D2 is an approximation process using the frequencies and wavenumbers of the sampling positions in the analytic signal, but the method DII of the present invention enables high-speed calculations without using the frequencies and wavenumbers of the sampling positions.
Centroid (central) frequency (analog value obtained at frequency coordinate i represented by an integer value in the discrete Fourier transform) that can also be obtained as the centroid of the amplitude spectrum S(i) (spectrum of non-positive frequencies is zero) in the frequency domain
M0 = ΣiS(i)/ΣS(i) (DASII1)
However, the amplitude spectrum S(i) (where i=0 to N-1) is the product of the Fourier transform of the digital spatial signal r(x) (where the sampling position is x=i×sampx) and its conjugate. Calculated by square root. The addition range of Σ in the formula is i=0 to N/2.
Therefore, the wavenumber k 0 is
k 0 =(2πM 0 )/(N×sampx) (DASII2)
is. where the analytic signal a(x) is
a(x)=A(x)exp{jk 0 (x)x}
=A(x)exp{ jk0 (x)×(i×sampx)} (DASII3)
I will try to express it.
Based on this, each receiving element position within the effective aperture width when each sampling position i (i representing x = i × sampx) of each beam or wave to be generated is considered as each interest point A is each interest point Using the distance difference Δx with respect to A as discrete (digital) data Δx(i) represented for each point of interest i, Multiply the analytic signal a(i) by a complex exponential function as follows,
a(i)exp{j(2πΔx(i)/sampx)/(N×sampx)×(i×sampx)}
=a(i)exp{j(2πΔx(i))/(N×sampx)×i} (DASII4)
and calculate. As the DAS-processed signal advances in the positive direction of x, an effect is obtained in which the direction orthogonal thereto is strongly broadened (higher resolution). Note that i (= 0 to N) in formula (DASII4) is instead
Ni (i=0 to N-1) (DASII5)
can be calculated using In that case, as the DAS-processed signal returns to the negative direction of x, the direction orthogonal thereto is strongly broadened (higher resolution). If Δx is constant independent of the interest point i, it means applying an invariant frequency modulation in the i direction. In other words, this processing applies frequency modulation to the received signal at each receiving element position within the effective aperture width for each point of interest i.
M0 + Δx(i)/ sampx (DASII6)
It is a process of multiplying and adding. If the signal is represented as a digital time signal r(t) instead of a digital spatial signal, similarly for its analytic signal a(i) represented using the instantaneous frequency ω 0 (i): is multiplied by a complex exponential function,
a(i)exp{j(2πΔt(i)/sampt)/(N×sampt)×(i×sampt)}
=a(i)exp{j(2πΔt(i))/(N×sampt)×i} (DASII4')
and calculate. The same is true for others.
It is also effective to apply a desired frequency modulation to a specific position or apply spatially uniform frequency modulation. If k 0 ' is the modulation wavelength applied to the signal at position x and time t, and ω 0 ' is the modulation frequency, then
a'(x)=a(x)exp[jk 0 '(x)x] (DASII7)
a'(t)=a(t)exp[ jω0 '(t)t] (DASII7')
Asked. It can be applied to discrete signals as well.
Superimposing unmodulated waves and modulated waves is also effective for broadening the bandwidth (increasing resolution) and increasing the accuracy of phase-based observations (displacement observations, etc.).
・Theoretically the most accurate DAS processing (Method D3)
In the method invented by the present inventor in the past (Patent Document 6, Non-Patent Document 15), the spectrum A(ω) of the local signal including the signal at the position of the interest point is multiplied by a complex exponential function in the frequency domain, and the local Delay by rotating the phase of the signal.
A'(ω)=A(ω)exp[jωt 0 ]
This is an interpolation process that satisfies the sampling theorem and is theoretically the most accurate, but requires a long calculation time.
・Fourier beamforming (Method D4)
It is the beamforming that is the basis of the present invention. This method performs digital wavenumber mapping in the multidimensional frequency domain of the received signal, performs fast Fourier transform, and can perform calculations with an accuracy equivalent to that of method D3 at much higher speed. As a feature different from other reported ordinary Fourier imaging methods, the digital wavenumber mapping does not require interpolation approximation processing, but it is possible to perform interpolation approximation processing in order to speed up the mapping. However, in that case, it is required to increase the sampling frequency in order to reduce the occurrence of artifacts and the decrease in accuracy.
In these beamforming processes, the analytic signal is not necessarily processed, and the calculation time may be shortened by omitting the calculation for converting the received signal into the analytic signal. However, in the process of multiplying the complex exponential function in space and time, although it is theoretically incorrect and contains errors, imaging of the ultrasonic signal itself and various imaging (elasticity imaging, etc.) and many others) may be practical.
In addition, each delay processing in these DAS processing (methods D1 to D3) is not only in DAS processing, but also in other beamforming such as Fourier beamforming, adaptive beamforming, minimum variance, etc., and the signal described in this application It is useful for shifting signals for phase aberration correction, motion compensation, phase matching, alignment, position correction, etc. in terms of time coordinates, space coordinates, and spatio-temporal coordinates. Moreover, it is not limited to what is described in the present application. As with one-dimensional analytic signals, multi-dimensional analytic signals at position (x,y,z) or time (t1,t2,t3) can also be processed. For example, in method D2,
In the two-dimensional case,
a(t1+t1 0 , t2+t2 0 )=a(t1,t2)exp[j{ω1 0 (t1,t2)t1 0 +ω2 0 (t1,t2)t2 0 }]
(2 DAS2)
a( x +x0, y+y0) = a(x,y)exp[j{ kx0 (x,y)x0 + ky0 ( x ,y)y0 } ] (2DAS2')
In the case of three dimensions,
a(t1+t1 0 , t2+t2 0 , t3+t3 0 )=a(t1,t2,t3)
×exp[j{ω1 0 (t1,t2,t3)t1 0 +ω2 0 (t1,t2,t3)t2 0 +ω3 0 (t1,t2,t3)t3 0 }]
(3DAS2)
a(x+ x0 , y+ y0 , z+ z0 )=a(x,y,z)
×exp[j{ kx0 (x,y,z)x0+ ky0 (x,y,z)y0 + kz0 ( x ,y,z) z0 }] (3DAS2')
can be calculated as However, (ω1 0 , ω2 0 , ω3 0 ) are the nominal angular frequency, centroid (center) angular frequency, and instantaneous angular frequency in each time direction at each time (t1, t2, t3), and (kx 0 , ky 0 , kz 0 ) are the wave numbers in each direction at each position (x, y, z). Shifting can be done in the same way for multidimensional signals of combinations of positions (x, y, z) or times (t1, t2, t3). In other words, in the digital signal, discrete coordinates (requiring high precision A high sampling frequency is desirable in some cases), analog shifting can be applied. As in the one-dimensional case, it can be more accurate than method D1 (which corresponds to block matching or fragment matching of the signal in the spatio-temporal domain), and the other method (phase matching based on phase rotation in the frequency domain of method D3 and Fourier beamforming of method D4), but the calculation speed is fast. Suitable for applications requiring high computational speed.
The modulation in method DII can also be applied to the multidimensional analytic signal at position (x,y,z) or time (t1,t2,t3) as for the one-dimensional analytic signal.
For example, in the two-dimensional case,
a'(x,y)=a(x,y)exp[j{kx 0 '(x,y)x+ ky 0 '(x,y)y}] (2DASII7)
a'(t1,t2)=a(t1,t2)exp[j{ω1 0 '(t1,t2)t1+ω2 0 '(t1,t2)t2}] (2DASII7')
In the case of three dimensions,
a'(x,y,z)=a(x,y,z)exp[j{kx 0 '(x,y,z)x+ ky 0 '(x,y,z)y+ kz 0 '(x, y,z)z}]
(3DASII7)
a'(t1,t2,t3)=a(t1,t2,t3)exp[j{ω1 0 '(t1,t2,t3)t1+ω2 0 '(t1,t2,t3)t2+ω3 0 '( t1,t2,t3)t3}]
(3DASII7')
Asked. However, (kx 0 ', ky 0 ', kz 0 ') are the modulation wavelengths in each direction applied to the multidimensional signal at each position (x, y, z), and (ω1 0 ', ω2 0 ', ω3 0 ') is the modulation frequency in each time direction applied to the multidimensional signal at each time (t1, t2, t3). Multidimensional signals with spatial and temporal coordinates can be similarly applied. Applications are not limited to DAS processing, including the one-dimensional case.
Other delay processing is also capable of multidimensional processing and can be applied to multidimensional signals.

また、上記の(1)~(6)、(7)に記載のフーリエビームフォーミングやDAS処理等他、全てのビームフォーミングにおいて、アレイ型開口素子群(各々の素子が独立に駆動され、また、独立に受信信号を得ることのできる、独立した送信又は受信のチャンネルを持つ)において、隣接する又は離れた位置(等間隔とは限らない)の少なくとも2つ以上の素子に同一の送信又は受信の遅延や送信又は受信のアポダイゼーションを施して1つの開口として使用することにより、1素子を用いた送信又は受信よりも強さの大きい波動を送信又は受信のビームフォーミングに使用することがある。例えば、1次元アレイ型トランスデューサにおいて、軸方向や横方向の空間分解能を向上させるべく、素子幅や素子間隔を短くした場合に、送信や受信の波動の強さは弱くなる。また、2次元アレイやさらに高次元のアレイを使用する場合にも然りである(次元数の方向の素子幅や素子間隔が短くなる)。素子厚を薄くして周波数を高くする場合や例えば超音波においてはPZT等に比べて送信強度の弱いPVDF等を用いる場合等でも波動の強さは弱くなる。この様な場合に有効となる。つまり、送信又は受信の波動の強度を大きくして、受信トランスデューサにて受信される受信信号のSN比を向上させることができる。例えば、古典的な開口面合成(モノスタティックやマルチスタティック)を行う場合に効果がある。この場合の走査(スキャン)は、有効開口幅を物理的な素子間隔(1素子ずつ)の距離でずらしていくことも可能であるし、任意の素子数の間隔の距離でずらしていくこともできるし、走査の間にずらす距離を可変にすることもある。多次元アレイ型トランスデューサにおいては次元の各方向で異なる素子数や異なる距離間隔で走査していくこともある。上記の1つの開口と見なす隣接する又は離れた位置の素子の組み合わせを、走査の間に変化させることもある。また、通常のビームフォーミングにて行われている通り、走査の間に有効開口幅を変化させる場合も有る。様々な型のアレイ型トランスデューサにおいて実施可能であり、この処理そのものは、デジタル装置のみならず、アナログ装置やデジタル装置との融合装置(例えば、送信ディレイや送信アポダイゼーション等を含む送信回路はアナログ回路)において実施されることもある。本処理における、送信又は受信の1つの素子として見なす素子の数やそれらの位置(組み合わせ)や送信又は受信の有効開口幅、送信又は受信の有効開口幅をずらす距離を上記のビームフォーミングパラメータに加え、必要に応じては上記の波動のパラメータも使用し、また、必要に応じて複数の有効開口を共に使用して複数の波動やビームを生成し(同時送信又は対象が同一の時相において異なる時間に送信)、同様にして本発明に記載の様々な応用を行うこともある。古典的な開口面合成や通常のビームフォーミングにおける送信又は受信において、少なくとも1つの有効開口幅内にて、1つの開口と見なす複数の開口素子を複数箇所にて同時に使用することもある。物理開口の幅の大きいアレイ素子や単一開口を持つトランスデューサを用いて強い強度の波動で観測対象を機械的に走査(送信又は受信の位置がデジタル的又はアナログ的に変化)する際に、物理開口の幅に比べて空間的に密に又は疎に送信又は受信したものにビームフォーミングを施すこともある。 In addition , in all beamforming such as Fourier beamforming and DAS processing described in (1) to (6) and (7) above, an array aperture element group (each element is independently driven and , having independent transmission or reception channels that can independently obtain received signals, the same transmission or reception to at least two or more elements in adjacent or separated positions (not necessarily equidistant) By applying a delay and apodization for transmission or reception and using it as one aperture, waves with greater strength than transmission or reception using one element may be used for beamforming for transmission or reception. For example, in a one-dimensional array transducer, if the element width and element spacing are shortened in order to improve the spatial resolution in the axial direction and lateral direction, the intensity of transmitted and received waves will be weakened. This is also the case when using a two-dimensional array or a higher-dimensional array (the element width and element spacing in the direction of the number of dimensions become shorter). Even when the thickness of the element is reduced to increase the frequency, or when using PVDF or the like, which has a lower transmission strength than PZT or the like in ultrasonic waves, the strength of the wave becomes weak. It is effective in such a case. That is, it is possible to increase the strength of the transmitted or received wave and improve the SN ratio of the received signal received by the receiving transducer. For example, it is effective when performing classical aperture plane synthesis (monostatic or multistatic). In this case, scanning can be performed by shifting the effective aperture width by a physical element interval (one element at a time), or by an arbitrary number of element intervals. Alternatively, the distance to be shifted between scans may be variable. Multi-dimensional array transducers may scan with different numbers of elements and different distance intervals in each dimension. The combination of adjacent or spaced-apart elements that are considered one aperture may be varied during scanning. Also, the effective aperture width may be changed during scanning, as is done in normal beamforming. It can be implemented in various types of array-type transducers, and the processing itself can be performed not only in digital devices, but also in analog devices and fusion devices with digital devices (e.g., transmission circuits including transmission delay, transmission apodization, etc. are analog circuits). It may also be implemented in In this process, the number of elements regarded as one element for transmission or reception, their positions (combinations), the effective aperture width for transmission or reception, and the distance to shift the effective aperture width for transmission or reception are added to the above beamforming parameters. , optionally also using the above wave parameters, and optionally using multiple effective apertures together to generate multiple waves or beams (simultaneous transmission or different targets in the same phase). time), and may similarly perform various applications described in the present invention. In transmission or reception in classical aperture plane synthesis or normal beamforming, multiple aperture elements regarded as one aperture may be used simultaneously at multiple locations within at least one effective aperture width. Physics When mechanically scanning (transmitting or receiving position changes digitally or analogously) an observation target with strong waves using a transducer with a wide aperture or a transducer with a single aperture, physical Beamforming may be applied to transmitted or received spatially dense or sparse relative to the width of the aperture.

この複数素子の同時駆動は、一素子駆動における一素子又は複数素子による受信時においても、それらの素子の受信信号を加えて、同効果を得ることもある。また、複数素子の同時駆動における一素子又は複数素子による受信時においても同様に処理して同効果を得ることもある。また、有効開口幅内の素子群の駆動による送信ビームフォーミングを行う場合においても、その有効開口幅内に存在する様々な組み合わせの複数素子から同時に送信することもある。複数の有効開口幅から同時に送信することもある。 In this simultaneous drive of multiple elements, even during reception by one element or multiple elements in single-element driving, the reception signals of those elements may be added to obtain the same effect. In addition, the same effect may be obtained by processing in the same manner at the time of reception by a single element or a plurality of elements in simultaneous drive of a plurality of elements. Also, when performing transmission beamforming by driving a group of elements within the effective aperture width, there are cases where multiple elements in various combinations within the effective aperture width transmit simultaneously. Transmission may be performed simultaneously from multiple effective aperture widths.

上記の如く様々な様態にて複数素子の同時送信を実施することは、送信素子の幅や送信素子のピッチを大きくすることと等価であり、グレーティングローブが生じる。上記の如く、送信素子の幅は大きくして、送信素子のピッチは素子幅よりも小さいこともある。また、物理的に素子幅やピッチが大きい場合もある(メカニカルスキャンして素子の幅やピッチの距離よりも密に信号を収集することもある)。これらは、波動の搬送周波数やステアリング角度(0°を含む)に依存する(幾何学的な計算によりグレーティングローブの生じる方向を見積ることもできる)。また、そもそも開口素子からはサイドローブが生じる。通常、これらは偽像(アーチファクト)の原因となるため低減するべく、素子の幅やピッチ、素子形状、波動の搬送周波数、ステアリング角度、アポダイゼーション等が最適化されてビームフォーミングは実施されている。実際には、送信と受信の感度は異なるが、同じに考えることも多い。受信のみにおいても同様にグレーティングローブやサイドローブは生じ、送信と受信の両者で生じることもあるが、送信と受信で生成されるものは、異なる素子又は異なる素子の組み合わせを用いることで異なることもある。
本発明者が特許文献7や非特許文献19にて開示している通り、周波数領域においてステアリング角度の異なる波動を分離することが可能である(段落0623も参照)。スペクトルの重心やそのスペクトルに対応する解析信号の瞬時周波数から、波動の伝搬方向や実際に生じたステアリング角度を推定できる。この方法は、それらのグレーティングローブやサイドローブをメインローブから分離する場合や除去する場合にも使用できる。通常、グレーティングローブやサイドローブのスペクトルは周波数空間において離れており、それらを特定することや分離することは容易である(注目するスペクトルのみ抽出するか、又は、他の帯域のスペクトルを零にすれば良い)。
Simultaneous transmission of a plurality of elements in various manners as described above is equivalent to increasing the width of the transmitting elements and the pitch of the transmitting elements, resulting in grating lobes. As noted above, the width of the transmit elements may be large and the pitch of the transmit elements may be less than the element width. In some cases, the element width and pitch are physically large (in some cases, signals are collected more densely than the distance of the element width and pitch by mechanical scanning). These depend on the carrier frequency of the wave and the steering angle (including 0°) (geometric calculations can also be used to estimate the direction of the grating lobes). Moreover, side lobes are generated from the aperture element in the first place. Since these usually cause artifacts, beamforming is performed by optimizing the element width, pitch, element shape, wave carrier frequency, steering angle, apodization, etc., in order to reduce them. In practice, the sensitivities of transmission and reception are different, but they are often considered the same. Grating lobes and side lobes occur in reception alone as well, and can occur in both transmission and reception, but what is produced in transmission and reception can be different using different elements or combinations of elements. be.
As disclosed by the present inventor in Patent Document 7 and Non-Patent Document 19, it is possible to separate waves with different steering angles in the frequency domain (see also paragraph 0623). From the center of gravity of the spectrum and the instantaneous frequency of the analytic signal corresponding to the spectrum, the wave propagation direction and the actually generated steering angle can be estimated. This method can also be used to separate or remove these grating lobes and side lobes from the main lobe. Usually, the spectra of grating lobes and side lobes are separated in frequency space, and it is easy to identify and separate them (by extracting only the spectrum of interest or by zeroing the spectra of other bands). better).

実のところ、これらのグレーティングローブやサイドローブは、横方向変調を実現するべく、そのままで又は加工して積極的に使用でき、波動のイメージングや変位(ベクトル)観測等、様々に応用することができる。通常、横方向変調は波動が交差している状況のものを言うが、ステアリングされた各々の波動に分離されて応用されることもある(同時に重み付けされることもある)。これらにおいて、例えば、分離された波動を検波してインコヒーレント信号にしてイメージングしたり、それらのインコヒーレント信号を重ね合わせ(コンパウンディング)してイメージングし、スペックルを低減したりできる。また、コヒーレント信号のままにおいてスペクトルをある帯域で分割(又は重み付け)して新しいコヒーレント信号を合成することもある。ステアリング角度などのパラメータの異なる波動を1つ以上生成し、各々を検波してイメージングしたり、重ね合わせてイメージングすることもできる。また、これらの処理により生成されたコヒーレント信号の各々が変位の観測に用いられたり、同時に使用されて同一の変位や変位ベクトル成分に関する連立方程式や過剰決定(over-determined)的なシステムが解かれることもある。グレーティングローブやサイドローブに対応する波動には、ビームフォーミングにて設定したステアリング角度よりも大きいステアリング角度を持つものが有り、その場合には、横方向の周波数がグレーティングやサイドローブを生じない場合に比べて高くなり、横方向の変位(非特許文献19)や変位ベクトルの計測精度が向上する。ビームフォーミングにて設定したステアリング角度よりも大きい又は略同じステアリング角度を持つものが有り、これらと併用されることもある。尚、グレーティングローブやサイドローブは複数生成されるが、横方向に周波数の高いほど信号強度は弱く、信号のSN比が低い点で捨てるべく周波数領域でスペクトルを零にするか、単独では使用せずに横方向に周波数の低いものと共に波動の成分として使用する。通常のステアリングビームフォーミングと同様に、横方向の周波数が高いと正面方向の周波数は低くなるが、変位ベクトルを観測する場合においては横方向変位の計測精度が向上する効果がその低周波化に勝り、正面方向変位の計測精度も向上することがある。 In fact, these grating lobes and side lobes can be actively used as they are or modified to realize transverse modulation, and can be applied to various applications such as wave imaging and displacement (vector) observation. can. Transverse modulation usually refers to the crossed wave situation, but may also be applied separately to each steered wave (sometimes weighted at the same time). In these, for example, separated waves can be detected and converted into incoherent signals for imaging, or these incoherent signals can be superimposed (compounded) for imaging to reduce speckle. Alternatively, the spectrum of the coherent signal may be divided (or weighted) in certain bands to synthesize a new coherent signal. It is also possible to generate one or more waves with different parameters such as steering angles and detect and image each of them, or superimpose them for imaging. Also, each of the coherent signals generated by these processes can be used to observe displacement, or used simultaneously to solve simultaneous equations or over-determined systems for the same displacement or displacement vector components. Sometimes. Some of the waves corresponding to grating lobes and side lobes have steering angles larger than the steering angle set by beamforming. The measurement accuracy of lateral displacement (Non-Patent Document 19) and displacement vector is improved. There is a steering angle that is larger than or substantially the same as the steering angle set by beamforming, and it is sometimes used in combination with these. A plurality of grating lobes and side lobes are generated, but the higher the frequency in the horizontal direction, the weaker the signal strength. It is used as a component of the wave motion along with the low frequency one in the horizontal direction. As with normal steering beamforming, the higher the lateral frequency, the lower the frontal frequency. However, when observing the displacement vector, the effect of improving the measurement accuracy of lateral displacement outweighs the effect of lowering the frequency. , the measurement accuracy of the displacement in the front direction may also be improved.

これらの処理において生成される複数の波動を用い、デジタル信号ユニットにおいて、任意方向に移動する変位ベクトル(多次元自己相関法や多次元自己ドプラ法等(非特許文献13)を使用して変位ベクトル成分に関する連立方程式を解くという方法で、本願の発明者の過去の発明)や通常の1方向の変位が高精度に計測される(求める変位成分の数よりも多くの方程式を導出し、過剰決定(over-determined)的なシステムにおいて、最小二乗法や計算結果の平均値、波動が重なって高周波且つ広帯域である状態で精度の高い結果を得る等、特許文献5)。生成される波動ひとつひとつから、方程式が1つずつ導出される。1つの波動に通常のドプラ法が施されることもある。ひとつひとつの波動は、波動が重なったものであることもあるし、スペクトルが周波数分割又はスペクトルが加工されたものであることもある。ひとつひとつの波動は、高周波数であることが望ましく、低周波スペクトルを除去したものが使用されることもあり、また、高空間分解能も必要とされる場合には広帯域であることが望ましい(非特許文献14)。その分割と加工には、スペクトルを重み付けできる窓が使用されることもある。変位(ベクトル)からは、空間又は時間に関する微分フィルタを用いた偏微分処理により、歪(テンソル)、歪速度(テンソル)、速度(ベクトル)、加速度(ベクトル)が得られる。これらは、(粘)ずり弾性率や粘性、平均垂直応力、密度等を求めるために使用できる。この他に、変位(ベクトル)を計測する方法として、本願の発明者の過去の発明である、多次元クロススペクトル位相勾配法(ブロックマッチング法の1つ、特許文献6や非特許文献15等を参照)やデジタルデモジュレーション法(特許文献7)があり、同様に、歪等の計測も可能である。また、これらを用いると、ずり波や低周波振動の波の伝搬を計測することもできる。(粘)ずり弾性率、ずり波の伝搬速度、伝搬方向、ずり波の変位、周波数、位相、振動振幅、振動速度、振動加速度等を計測できる。これらは、分布としても求めることができる。 Using a plurality of waves generated in these processes, a displacement vector that moves in an arbitrary direction (multidimensional autocorrelation method, multidimensional self-Doppler method, etc. (Non-Patent Document 13) is used in the digital signal unit. In the method of solving simultaneous equations related to the components, the present inventor's past invention) and ordinary displacement in one direction can be measured with high accuracy (deriving more equations than the number of displacement components to be obtained, In a (over-determined) system, the method of least squares, the average value of the calculation results, and the overlap of waves to obtain highly accurate results in a high frequency and wide band state, etc. Patent Document 5). One equation is derived from each generated wave. A single wave may be subjected to normal Doppler techniques. Each wave may be a superposition of waves, or the spectrum may be frequency-divided or spectrum-processed. Each wave preferably has a high frequency, may be used with the low frequency spectrum removed, and is preferably broadband if high spatial resolution is also required (non-patented Reference 14). The division and processing may use windows that allow the spectrum to be weighted. Strain (tensor), strain rate (tensor), velocity (vector), and acceleration (vector) are obtained from the displacement (vector) by partial differential processing using a spatial or temporal differential filter. These can be used to determine (visco)shear modulus, viscosity, mean normal stress, density, and the like. In addition, as a method of measuring displacement (vector), a multidimensional cross-spectrum phase gradient method (one of the block matching methods, Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.), which is a past invention of the inventor of the present application, is used. See) and the digital demodulation method (Patent Document 7), and it is also possible to measure distortion and the like. They can also be used to measure the propagation of shear waves and low-frequency vibration waves. (Visco)shear modulus, shear wave propagation velocity, propagation direction, shear wave displacement, frequency, phase, vibration amplitude, vibration velocity, vibration acceleration, etc. can be measured. These can also be determined as distributions.

この変位計測を高精度化するために、本願の発明者は過去に正則化を施すことを発明した。処罰項の正則化パラメータを決めるべく、例えば、a posterioriに、計測された変位(ベクトル)のばらつきを(局所)定常過程の下で推定して用いる(特許文献6)ことや、a prioriに、波動又はビームの特性等を用いて、Ziv-Zakai Lower Bound(ZZLB、例えば、非特許文献16に表されるばらつき)を用いること等を発明した(例えば、非特許文献17、18)。1方向の速度計測法である1次元自己相関法(非特許文献20)にて導出されているばらつきを応用することも可能である(パワードプラにて使用されている)。 In order to improve the accuracy of this displacement measurement, the inventor of the present application invented regularization in the past. In order to determine the regularization parameter of the penalty term, for example, a posteriori, the variation of the measured displacement (vector) is estimated and used under a (local) stationary process (Patent Document 6), or a priori, Using the characteristics of waves or beams, etc., we have invented the use of Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB, for example, the variation expressed in Non-Patent Document 16) (for example, Non-Patent Documents 17 and 18). It is also possible to apply the variation derived by the one-dimensional autocorrelation method (Non-Patent Document 20), which is a velocity measurement method in one direction (used in power Doppler).

本発明では、これらのばらつきやZZLBを、上記の如く導出されるドプラ方程式を連立する際に、各方程式の信頼度を調節するべく、重み付けするためにも使用できる(信頼度が高いものは重く、信頼度の低いものは低く設定する)。即ち、関心領域内の各位置において、上記のひとつひとつの波動又はビームからそれらの値を求め、その各位置において対応する各波動又は各ビームから導出されるドプラ方程式の各々を重み付けして連立方程式を解く。最小二乗法を用いて、Weighted Least Squares Solusion(WLSQS)を、a posteriori又はa prioriに求めることができる。 In the present invention, these variations and ZZLB can also be used for weighting in order to adjust the reliability of each equation when combining the Doppler equations derived as described above (high reliability is heavy , set low for those with low confidence). That is, at each location in the region of interest, obtain their values from each of the above waves or beams, and weight each of the Doppler equations derived from the corresponding waves or beams at each location to form a system of equations solve. Using the method of least squares, the Weighted Least Squares Solution (WLSQS) can be determined a posteriori or a priori.

上記の導出されるドプラ方程式の連立方程式が、

Figure 0007175489000144
但し、uは関心点又は関心点を含む局所領域の未知変位ベクトル又はその分布、bはフレーム間に生じた関心点又は関心点に関する局所領域の位相変化又はその分布を表すベクトル、Aは対応して並べられた各関心点又は各関心点に関する局所領域の周波数成分又はその分布からなるマトリクスであり、Aとbの成分は、時間方向や空間方向に移動平均処理されていることがある。また、デモジュレーションされている場合には、搬送周波数を持つ2方向又は1方向の変位成分のみを未知とする状態のドプラ方程式が連立された状態にある。
と表されるとき、ばらつきやZZLBの逆数を用いて、そのもの、又は、そのべき乗、又は、その分布を表すマトリクスWを用いて重み付けして解く。
Figure 0007175489000145
The system of Doppler equations derived above is
Figure 0007175489000144
However, u is the unknown displacement vector of the point of interest or the local area containing the point of interest or its distribution, b is the point of interest occurring between frames or the phase change of the local area about the point of interest or its distribution, and A is the corresponding It is a matrix consisting of frequency components or their distributions in local regions related to each interest point or each interest point arranged in a matrix, and the components A and b may be subjected to moving average processing in the temporal direction and the spatial direction. In the case of demodulation, Doppler equations in which only displacement components in two directions or one direction with a carrier frequency are unknown are in a simultaneous state.
is weighted and solved using the variation or the reciprocal of ZZLB, or its exponentiation, or the matrix W representing its distribution.
Figure 0007175489000145

詳細には、1つの関心点又は局所領域に注目すると、波動又はビームp(=1~N)の内の1つから導出されたドプラ方程式1つ(又は、複数、即ち、クロススペクトル位相勾配法を用いた場合には、局所領域で求められるクロススペクトラムに対して信号帯域内の位相スペクトラムに関して成立する式を連立した式の数、また、多次元自己相関法や多次元ドプラ法に基づいてブロックマッチングを行う場合には、局所領域内の位置において成立する式を連立した式の数)に対し、その関心点又は局所領域で計算されたZZLBの逆数値Wpはその関心点又は局所領域におけるそのビーム方向の変位のZZLBの逆数であるから、例えば、その関心点又は局所領域の未知変位が3次元ベクトルu = (Ux,Uy,Uz)であるときは、

Figure 0007175489000146
但し、Axp、Ayp、Azp(p=1~N)は、x、y、z方向の周波数成分であり、式(A1)又は式(A2)のマトリクスAの成分であり、また、bp(p=1~N)は、フレーム間の位相変化であり、同式のベクトルbの成分であり、Wpは式(A2)のマトリクスWの対角成分である。クロススペクトル位相勾配法(ブロックマッチング法の1つ)を用いる場合と、多次元自己相関法や多次元ドプラ法に基づいてブロックマッチングを行った場合とにおいては、連立された方程式の全てにWpが掛かる(即ち、1つのpにおいて、複数の方程式が連立され、それらの全てにWpが掛かる)。 Specifically, focusing on one point of interest or local region, one (or more) Doppler equations derived from one of the waves or beams p (= 1 to N), i.e., the cross-spectral phase gradient method is used, the number of simultaneous equations that hold for the phase spectrum in the signal band for the cross spectrum obtained in the local area, and the block based on the multidimensional autocorrelation method and the multidimensional Doppler method In the case of matching, the number of simultaneous equations that hold at the position in the local region), the inverse value Wp of ZZLB calculated at the point of interest or the local region is the Since it is the reciprocal of ZZLB of the displacement in the beam direction, for example, if the unknown displacement of the point of interest or local region is the 3-dimensional vector u = (Ux,Uy,Uz) T ,
Figure 0007175489000146
where Axp, Ayp, and Azp (p=1 to N) are frequency components in the x, y, and z directions, the components of matrix A in formula (A1) or formula (A2), and bp(p = 1 to N) are the phase changes between frames and are the components of the vector b in the equation, and Wp is the diagonal component of the matrix W in equation (A2). In the case of using the cross-spectral phase gradient method (one of the block matching methods) and in the case of performing block matching based on the multidimensional autocorrelation method or the multidimensional Doppler method, all of the simultaneous equations have Wp Multiply (ie, at one p, multiple equations are simultaneously multiplied, all of which are multiplied by Wp).

例えば、非特許文献16に記載のZZLBに従って、Cramer-Rao Lower Bound (CRLB)が成立するとき、その二乗である分散は、

Figure 0007175489000147

但し、Tは多次元自己相関法や多次元ドプラ法のときは周波数や位相変化を求める際の移動平均幅であり、多次元クロススペクトラム位相勾配法や多次元自己相関法、多次元ドプラ法にてブロックマッチングを行うときは変位計測の局所領域のビーム方向の長さであり(連立するビーム又は式においてTが同一の場合には、変数Tを使用する必要はなく、1等の任意定数で良い)、また、f0bはビーム方向の超音波周波数、Bはビーム方向のRectangular帯域幅であり、SNRcはエコーのSN比であるSNReと相関SN比であるSNRρ(変位や対象の変形に伴って波形が歪むことにより相関性が低下して生じるノイズ成分に対する信号比)
Figure 0007175489000148
但し、ρはフレーム間で局所クロススペクトルを求めた際の相関値、又は、移動平均幅の長さにて局所に求められた相関値である。
との結合(Combined)SN比
Figure 0007175489000149
である。 For example, according to ZZLB described in Non-Patent Document 16, when Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) holds, its square variance is
Figure 0007175489000147

However, T is the moving average width when obtaining frequency and phase changes in the case of the multidimensional autocorrelation method and the multidimensional Doppler method. When block matching is performed by using good), f 0b is the ultrasonic frequency in the beam direction, Bb is the rectangular bandwidth in the beam direction, and SNRc is the echo SN ratio SNRe and the correlation SN ratio SNRρ (depending on displacement and deformation of the object). (Signal ratio to the noise component that is generated due to the deterioration of the correlation due to waveform distortion)
Figure 0007175489000148
Here, ρ is a correlation value obtained when the local cross spectrum is obtained between frames, or a correlation value obtained locally based on the length of the moving average width.
Combined SN ratio with
Figure 0007175489000149
is.

従って、ばらつきは、例えば、特許文献17に記載の通り、T、f0b、B、SNRc、SNRe、SNRρ、ρを計測して用い、推定すれば良い。計測せずに任意の定数や典型値が使用されることもある。f0bは、非特許文献19に記載されている通り、瞬時周波数又は第1次モーメント(重心、つまり、重み付きの平均値)を求めれば良く、また、Bは第2次の中心モーメントの平方根を求めれば推定できる。

Figure 0007175489000150
式(S1)及び式(S2)中のS(fb)は、式(S1)において生のスペクトルとfb = 1を用いて計算される全エネルギーを用いて生のスペクトルを除し、全エネルギーが1となる様に正規化されたものである。若しくは、式(S1)及び式(S2)において、S(fb)として生のスペクトルを用い、各々の計算結果を上記の全エネルギーで除してもよく、後者の方が計算量が少ない。式(S2)で求まるBbは、実際の送信又は受信したパルス形状又はスペクトル形状を基にRectangular帯域幅を表す様に換算して使用されることもある(以下の第2次の中心モーメントを用いる場合も同様である)。多次元受信信号の場合において、ビーム方向の周波数軸と直交する2軸(即ち、3次元)又は1軸方向(2次元)も含めて計算されることもあり、例えば、受信信号が3次元の場合には、次式が用いられる。
Figure 0007175489000151
Therefore, the variation can be estimated by measuring and using T, f 0b , B b , SNRc, SNRe, SNRρ, ρ as described in Patent Document 17, for example. Arbitrary constants and typical values may be used without measurements. As described in Non-Patent Document 19, f 0b can be obtained by obtaining the instantaneous frequency or the first moment (the center of gravity, that is, the weighted average value), and B b is the second central moment It can be estimated by taking the square root.
Figure 0007175489000150
S(fb) in equations (S1) and (S2) divides the raw spectrum using the total energy calculated using the raw spectrum and fb = 1 in equation (S1), and the total energy is It is normalized to be 1. Alternatively, in equations (S1) and (S2), the raw spectrum may be used as S(fb) and each calculation result may be divided by the above total energy, the latter being less computational. B b determined by the formula (S2) may be converted to represent a rectangular bandwidth based on the actual transmitted or received pulse shape or spectrum shape (the following second-order central moment is The same is true when using In the case of a multidimensional received signal, the calculation may include two axes (that is, three dimensions) or one axis (two dimensions) orthogonal to the frequency axis of the beam direction. , the following formula is used:
Figure 0007175489000151

同様に、式(S1')及び式(S2')中のスペクトルは、エネルギーが1となる様に正規化されたものである。若しくは、同様に、式(S1')及び式(S2')において生のスペクトルを用い、各々の計算結果を全エネルギーで除してもよく、後者の方が計算量が少ない。式(S2')で求まるBbは、実際の送信又は受信したパルス形状又はスペクトル形状を基にRectangular帯域幅を表す様に換算して使用されることもある(以下の第2次の中心モーメントを用いる場合も同様である)。
一方、エコーのSN比SNRe、は、対象物又は校正ファントムを対象として繰り返しエコーを収集して統計的に推定することができる。対象やその状態、計測の経験等に基づき、先験的に典型値を用いて決めてしまう場合もある。一方、相関SN比SNRρは各関心点において局所的に評価される相関値ρを用いて推定できる。これらの求め方は、これらに限られるものでは無い。また、いずれかの値が欠如して、ばらつきを絶対的には推定できない場合には、典型値を用いたりすることもできるが、正則化パラメータを設定する場合には、可能な範囲で表されたばらつきに未定の比例定数を掛け、この比例定数を変えながら得られる結果の良し悪しから最良の状況の結果が得られることもある(正則化について、例えば、特許文献6、非特許文献17や18)。
Similarly, the spectra in formulas (S1′) and (S2′) are normalized to have unity energy. Alternatively, similarly, the raw spectra may be used in equations (S1′) and (S2′) and each calculated result divided by the total energy, the latter being less computationally demanding. B b obtained by the formula (S2′) may be converted to represent the rectangular bandwidth based on the actual transmitted or received pulse shape or spectrum shape (the following second central moment is used).
On the other hand, the echo signal-to-noise ratio, SNRe, can be statistically estimated by repeatedly collecting echoes for an object or calibration phantom. In some cases, a typical value is used a priori and determined based on the object, its state, experience of measurement, and the like. On the other hand, the correlation signal-to-noise ratio SNR ρ can be estimated using the correlation value ρ that is evaluated locally at each point of interest. These methods of obtaining are not limited to these. Also, if any value is missing and the variation cannot be estimated absolutely, a typical value can be used, but when setting the regularization parameter, it is expressed within the possible range. It is possible to obtain the best results from the results obtained while changing this constant of proportionality by multiplying the variability obtained by an undetermined constant of proportionality (Regarding regularization, for example, Patent Document 6, Non-Patent Document 17, 18).

また、1方向の速度計測法である1次元自己相関法(非特許文献20)にて導出されているばらつき(パワードプラにて使用されている)を応用する場合には、自己相関関数がslow-time-axis τにおいて、

Figure 0007175489000152
と表されるとき、ドプラ角周波数ωの平均と分散は、各々、
Figure 0007175489000153
と表され、パルス繰り返し周期I内でビーム方向の速度が一定であるとすると、近似的に
Figure 0007175489000154
パルス繰り返し周期Iが短いとすると、近似的に
Figure 0007175489000155
と求められる。ちなみに、R(0)はWiener-Khinchine theoremに基づいて、信号のエネルギー又はパワースペクトルの積分から求めても良い。
尚、上記の自己相関関数は空間座標を用いて表さなかったが、関心点におけるビーム方向の1次元局所領域や関心点を含む2次元局所領域又は3次元局所領域の信号を用いて処理しても良い(1次元や2次元又は3次元の移動平均処理を含めても良く、例えば、非特許文献13や19に詳しい)。その2次元又は3次元の局所領域において、ビーム方向がそれらの局所領域の直交座標軸(デカルト座標系だけで無く、曲線座標系を含む)である必要は無く、求まる平均とばらつきは、その局所領域のビーム方向の速度の平均とばらつきである。
従って、ビーム方向の変位の平均と分散の各々は、式(AUTO2)又は(AUTO2')と(AUTO3)又は(AUTO3')のそれぞれに、IとIの二乗を掛けて求められる。ここでは、変位のばらつきを用いた変位の重み付き計測を示したが、速度や加速度のドプラ方程式を導出して各々のばらつきを重みにしてそれらを計測しても良い。 Also, when applying the variation (used in power Doppler) derived by the one-dimensional autocorrelation method (Non-Patent Document 20), which is a unidirectional velocity measurement method, the autocorrelation function is slow At -time-axis τ,
Figure 0007175489000152
, the mean and variance of the Doppler angular frequency ω are, respectively,
Figure 0007175489000153
Assuming that the velocity in the beam direction is constant within the pulse repetition period I, approximately
Figure 0007175489000154
Assuming that the pulse repetition period I is short, approximately
Figure 0007175489000155
is asked. Incidentally, R(0) may be obtained from integration of signal energy or power spectrum based on the Wiener-Khinchine theorem.
Although the above autocorrelation function was not expressed using spatial coordinates, it was processed using signals of a one-dimensional local area in the beam direction at the point of interest, a two-dimensional local area including the point of interest, or a three-dimensional local area. (One-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional moving average processing may be included, for example, see Non-Patent Documents 13 and 19 for details). In the two-dimensional or three-dimensional local region, the beam directions need not be the Cartesian coordinate axes of those local regions (including not only Cartesian coordinate systems but also curvilinear coordinate systems), and the averages and variances found are the local region are the mean and variation of the velocity in the beam direction of .
Therefore, each of the mean and variance of the displacement in the beam direction is obtained by multiplying the equations (AUTO2) or (AUTO2') and (AUTO3) or (AUTO3') by I and I squared, respectively. Although weighted measurement of displacement using displacement variation is shown here, Doppler equations of velocity and acceleration may be derived and each variation may be weighted to measure them.

ここで、ビーム方向の第1次モーメントや第2次の中心モーメントが直接的に推定されずに各方向のそれらが推定される場合(例えば、信号が3次元の場合)において、x軸方向の第1次モーメントf0xと第2次の中心モーメントBxは、

Figure 0007175489000156
や、ZZLBとは別の方法が用いられる場合において、ビーム方向変位のばらつきが直接的に推定されずに変位ベクトルの各成分のばらつきが推定される場合には、以下の如く推定できる。つまり、それらの変位成分の計測誤差の確率過程が独立である仮定の下で、ビーム方向変位への誤差の伝搬を考えれば良い。例えば、3次元変位ベクトルの変位の平均値とばらつきの各々が、(mx,σx)、(my,σy)、(mz,σz)と推定されたとき、ビーム方向の変位の平均値mbeamとばらつきσbeamの各々は、以下の如く推定できる。
Figure 0007175489000157
Here, when the first-order moment and the second-order central moment in the beam direction are not directly estimated but are estimated in each direction (for example, when the signal is three-dimensional), the x-axis direction The first-order moment f 0x and the second-order central moment Bx are
Figure 0007175489000156
Alternatively, when a method other than ZZLB is used and the dispersion of each component of the displacement vector is estimated instead of directly estimating the dispersion of the beam direction displacement, the estimation can be made as follows. In other words, under the assumption that the stochastic processes of the measurement errors of these displacement components are independent, the error propagation to the beam direction displacement should be considered. For example, when each of the average value and variation of the displacement of the three-dimensional displacement vector is estimated as (mx, σx), (my, σy), and (mz, σz), the average value of the displacement in the beam direction m beam and Each of the variations σ beam can be estimated as follows.
Figure 0007175489000157

また、式(A4)~式(A6)に記載のパラメータ(T、f0b、B、SNRc、SNRe、SNRρ)が複数の方向毎に与えられ、各方向の変位の平均f0x、f0y、f0zとばらつきσCRLBx、σCRLBy、σCRLBzが、各々、推定されたときは、ビーム方向の変位のばらつきσCRLBは、式(A8)に従って、

Figure 0007175489000158
と推定できる。 Further, the parameters (T, f 0b , B b , SNRc, SNRe, SNRρ) described in formulas (A4) to (A6) are given for each of a plurality of directions, and the average displacements f 0x and f 0y in each direction are given. , f 0z and the variations σ CRLBx , σ CRLBy , and σ CRLBz are respectively estimated, the variation σ CRLB of the displacement in the beam direction is obtained according to equation (A8) as follows:
Figure 0007175489000158
can be estimated.

関心位置の未知変位が2次元ベクトルu = (Ux,Uy)である場合も同様に導出される(未知変位が1つであり、とある一方向の変位Uやビーム方向の変位Uである場合には、得られる推定値そのものが使用される)。

Figure 0007175489000159
It is similarly derived when the unknown displacement of the position of interest is a two-dimensional vector u = (Ux, Uy) (when there is one unknown displacement and it is a displacement U in a certain direction or a displacement U in the beam direction uses the exact estimate obtained).
Figure 0007175489000159

関心点又は関心点に関する局所領域の個々において変位を求める場合には、その位置において成立する重み付きドプラ方程式(A3)(p=1~N)を連立して成立する式(A2)を解く。波動又はビームの数(即ち、式の数)Nは、未知変位成分の数以上である必要がある。但し、上記のブロックマッチングを行う場合には、上記の如く、1つの波動又はビームpから方程式(A3)の複数個が成立する。従って、他の変位計測法を用いる場合に比べて、少ない波動又はビームの数で計測が行われることもある。 When obtaining the displacement at the point of interest or at each of the local regions related to the point of interest, the weighted Doppler equations (A3) (p=1 to N) at that position are combined to solve the equation (A2). The number of waves or beams (ie the number of equations) N must be greater than or equal to the number of unknown displacement components. However, when the above block matching is performed, a plurality of equations (A3) are established from one wave or beam p as described above. Therefore, measurements may be made with fewer waves or beams than when using other displacement measurement methods.

また、同時に、正則化も施す場合には、関心領域内の複数箇所の関心点又は関心点に関する局所領域にて成立する式(A3)を全て連立し、未知ベクトルuが変位成分分布であるときの式(A2)を得、正則化された重み付き最小二乗解が求められることもある(Regularized Weighted Least Squares Solusion:RWLSQS)。その際の正則化パラメータに、ばらつきやZZLBが使用されることがある(ばらつきに比例する値、べき乗に比例する値等)。正則化については、例えば、特許文献6等に詳しい。上記ひとつひとつの波動の伝搬方向やビーム方向の変位のばらつきが全ての方向の変位の正則化パラメータに使用されることがあるし、ひとつひとつの波動やビームにおいて推定された各方向の変位のばらつきが各々の方向の変位の正則化パラメータに使用されることもある。例えば、未知3次元変位ベクトル(Ux,Uy,Uz)の分布として、x、y、z方向の各変位成分Ux、Uy、Uzの分布であるUx、Uy、Uzを部分ベクトルとする未知ベクトルu= (Ux,Uy,Uz)を求める場合において、ビーム方向の変位のばらつきWp(p=1~N)を対角成分に持つマトリクスW、又は、各方向の変位のばらつきWpx、Wpy、Wpz(p=1~N)の各々を対角成分に持つマトリクスWx、Wy、Wzを用いると、最小二乗化される誤差エネルギーE(u)とその解uは、以下の如く表される。

Figure 0007175489000160
Figure 0007175489000161
At the same time, when regularization is also applied, all the equations (A3) that are established at multiple points of interest in the region of interest or local regions related to the points of interest are simultaneous, and when the unknown vector u is a displacement component distribution (A2), and a Regularized Weighted Least Squares Solution (RWLSQS) may be obtained. Variation and ZZLB may be used as a regularization parameter at that time (a value proportional to variation, a value proportional to a power, etc.). Regularization is detailed in Patent Document 6, for example. The displacement variability in the direction of propagation of each individual wave or beam may be used as a regularization parameter for the displacement in all directions, and the variability in the displacement in each direction estimated for each wave or beam may be may also be used as a regularization parameter for displacements in the direction of . For example, as a distribution of an unknown three-dimensional displacement vector (Ux, Uy, Uz) T , an unknown vector whose partial vectors are Ux, Uy, and Uz, which are distributions of displacement components Ux, Uy, and Uz in the x, y, and z directions u=(Ux, Uy, Uz) When obtaining T , a matrix W having a diagonal component of the displacement variation Wp (p=1 to N) in the beam direction, or a displacement variation Wpx, Wpy in each direction, Using matrices Wx, Wy, and Wz having Wpz (p=1 to N) as diagonal components, the least-squared error energy E(u) and its solution u are expressed as follows.
Figure 0007175489000160
Figure 0007175489000161

また、ばらつきやZZLBは、選択されたドプラ方程式を連立して求まる変位成分の計測結果に関して平均処理を施す場合もあり、その場合の重み付けに使用されることもある。ビーム方向の変位のばらつきの逆数Wp(p=1~N)、又は、各方向の変位のばらつきの逆数(Wpx,Wpy,Wpz)(p=1~N)を用いて、重み付きの平均が求められることがある。

Figure 0007175489000162
Variation and ZZLB may be subjected to averaging of measurement results of displacement components obtained by simultaneous selected Doppler equations, and may be used for weighting in that case. Using the reciprocal of the displacement variation in the beam direction Wp (p=1 to N) or the reciprocal of the displacement variation in each direction (Wpx, Wpy, Wpz) (p=1 to N), the weighted average is may be requested.
Figure 0007175489000162

尚、ばらつきは、定常過程やZZLB以外に、非定常過程の下でアンサンブル平均に基づいて求められることもあり、校正ファントムを用いて求められることもあるし、計測対象そのものから求めることもある。以上の様にして、正則化パラメータや重み付きマトリクスは決められるが、その他、対象やその状態、計測の経験等に基づき、先験的に典型値を用いて決めてしまう場合もある。また、この限りでは無い。 In addition to the steady process and ZZLB, the variation may be obtained based on the ensemble average under a non-stationary process, may be obtained using a calibration phantom, or may be obtained from the measurement object itself. Regularization parameters and weighted matrices are determined in the manner described above, but there are also cases where typical values are a priori determined based on the subject, its state, measurement experience, and the like. Moreover, it is not limited to this.

この様に、重み値や正則化パラメータは、空間分解能を持つ状態で高精度に設定できるが、変形が小さい場合や、計算量を低減する場合には、関心点や局所領域よりも広い領域(例えば、関心領域全体や、例えば、伝搬方向距離や観測対象内の深さ毎に設けられる部分領域等の関心領域内の部分領域)を対象とし、ばらつきを推定し、また、波動又はビーム毎に大局的に設定されて処理されることもある。計測そのものを可能にせしめるためと計測精度の高精度化には、本願の発明者が過去に発明した位相マッチング法(特許文献6、非特許文献15)が必要とされるが、計測の高精度化には他に報告のある伸縮法等が有用である。
図19は、2次元の場合に、処理対象の次のフレーム内に設けられる探索領域を関心点又は関心点を含む局所領域の変位ベクトルの推定値を用いて移動させて行う動き補償(位相マッチング)の模式図であり、図19(a)は、並進の動き補償を示しており、図19(b)は、回転を含む動き補償を示している。3次元の場合には、3次元空間にて3次元又は2次元の局所領域や探索領域を用いて同様に処理される。
位相マッチングにおいて並進処理を行う場合(非特許文献13と15)には、例えば、リニアアレイ型探触子を用いたデカルト座標系等の任意の直交座標系において、各関心点又は各関心点を含む各局所領域に対し、次のフレーム(フレームNeと称す)内のその関心点又は関心点を含む局所領域の位置を含む探索領域又は関心領域(図19(a)を参照)の信号を用いる。段落0384の方法D3の1次元信号の位相回転と同様に複素指数関数をスペクトルに乗じ、例えば、2次元の場合に局所信号の変位ベクトルが(Δ12)(1と2は2次元直交デカルト座標系の軸を表す)と推定された場合には、探索領域の波動信号の2次元スペクトルA(k1,k2)に複素指数関数exp{i(k1Δ1+k2Δ2)}を乗じて探索領域を変位ベクトルと逆の方向に(-Δ1,-Δ2)だけシフトさせ、3次元の場合に局所信号の変位ベクトルが(Δ123)(1と2と3は、3次元直交デカルト座標系の軸を表す)と推定された場合には、探索領域の波動信号の3次元のスペクトルA(k1,k2,k3)に複素指数関数exp{i(k1Δ1+k2Δ2+k3Δ3)}を乗じて探索領域を変位ベクトルと逆の方向に(-Δ1,-Δ2,-Δ3)だけシフトさせる(特許文献6、非特許文献15等)。即ち、その乗算後のスペクトルに逆フーリエ変換を施すと、同一位置にて位相マッチング(シフト)されたデカルト座標系で表された局所(時)空間信号が得られる。ちなみに、局所領域を変位ベクトル方向にシフトさせる場合には、各々において、複素指数関数の核の符号を反転させたexp{-i(k1Δ1+k2Δ2)}又はexp{-i(k1Δ1+k2Δ2+k3Δ3)}を乗ずれば良いが、デジタル信号処理においては、後述の通り、デジタル信号の巡回性が問題となるため、探索領域の波動信号をシフトさせるべきである。
位相マッチングにおいて回転処理を行う場合には、並進の位相マッチングと同様にして(非特許文献13と15、図19(a)を参照)、例えば、リニアアレイ型探触子を用いたデカルト座標系等の任意の直交座標系において、各関心点又は各関心点を含む各局所領域に対し、次のフレーム(フレームNeと称す)内のその関心点又は関心点を含む局所領域の位置を含む探索領域又は関心領域(図19(b)を参照)の信号の極座標系(極座標系の中心は各関心点又は関心領域内又は関心領域外の位置)のフーリエ変換(即ち、スペクトル)を、本明細書にて実施しているヤコビ演算を通じて近似処理せずに直接に得る。
即ち、2次元の場合には、例えば、x=rsinθ及びy=rcosθのとき、ヤコビ行列は(22)式で表されるフーリエ変換の場合の逆になるから(逆関数の定理)、

Figure 0007175489000163
3次元の場合には、例えば、x=rsinθcosφ、y=rcosθ及びz=rsinθsinφのとき、ヤコビ行列は(27)式で表されるフーリエ変換の場合の逆になるから(逆関数の定理)、
Figure 0007175489000164
を得て(極座標系の原点は特異点)、関心点又は関心点を含む局所領域の信号とフレームNe内の同一位置の信号にて同様に直接に計算される極座標系のフーリエ変換(スペクトル)から求まる局所クロススペクトルの位相の勾配(クロススペクトル位相勾配法、非特許文献15)や多次元自己相関法等の変位ベクトル計測法から推定される動径方向と極角、仰角、方位角の変位ベクトル成分を用いて極座標系のフーリエ空間で其のフレームNe内の探索領域又は関心領域の信号の極座標系のフーリエ変換(スペクトル)に複素指数関数を乗ずる位相回転を施すことにより、動き補償を施して位相マッチングすれば良い。例えば、2次元の場合に局所信号の変位ベクトルが(Δrθ)と推定された場合には、探索領域の波動信号の2次元スペクトルF(kr,kθ)に複素指数関数exp{i(krΔr+ kθΔθ)}を乗じて探索領域を変位ベクトルと逆の方向に(-Δr,-Δθ)だけ移動させ、3次元の場合に局所信号の変位ベクトルが(Δrθφ)と推定された場合には、探索領域の波動信号の3次元のスペクトルF(kr,kθ,kφ)に複素指数関数exp{i(krΔr+ kθΔθ+kφΔφ)}を乗じて探索領域を変位ベクトルと逆の方向に(-Δr,-Δθ,-Δφ)だけ移動させる。つまり、これを逆フーリエ変換したものから同一位置にて位相マッチングされたデカルト座標系又は極座標系で表された局所信号が得られる。即ち、2次元の場合には、k=ksinθ'及びk=kcosθ'であるから、各々、
Figure 0007175489000165
であり、3次元の場合には、k=ksinθ'cosφ'、k=kcosθ'及びk=ksinθ'sinφ'であるから、各々、
Figure 0007175489000166
である。
局所領域や探索領域は、関心点を中央にて設定することが多いが、後者は、組織変位の方向が先験的に与えられる場合に効率良くその方向に探索領域を設けることができる。位相収差補正や動き補償を目的とする場合も同様である。クロススペクトル位相勾配法以外の、例えば、多次元自己相関法等を用いる場合には、各フレームの(解析)信号を極座標系で求めれば良く、同様にヤコビ演算を用いたフーリエ変換を実施すれば良い。この様にして回転の位相マッチングも並進の位相マッチングと同様に高精度に実施できる。上記のヤコビ演算を用いたフーリエ変換により、セクタスキャンやコンベックス型探触子を用いた場合等、任意の直交座標系において表されるデジタル信号や離散フーリエ変換(離散スペクトル)を近似処理せずに直接に別の任意の直交座標系(直交デカルト座標系や様々な曲線直交座標系等の異なる直交座標系であったり、原点が異なったり回転していたり、同一の直交座標系であっても原点位置が異なったり、回転していたりする場合を含む)にて表し直すことが可能である(段落0026や段落0132、0214等に記載の位相回転を用いた厳密な補間近似も精度が高いが、計算に時間を要する)。図20は、ヤコビ演算を用いたフーリエ変換による信号処理の一例を示すフローチャートであるが、上記の信号処理はこの限りでは無い。
位相マッチングは、各直交座標系で表される信号に対し、まずは並進の位相マッチングを行った上で、回転の位相マッチングを行うことが多いが、その限りでは無い。交互に実施することもあるし、逆の順に実施することもある。また、非特許文献13や15にある通り、各々の位相マッチングを繰り返し実施することがある(修正変位量が予め設定した閾値よりも小さくなったら繰り返しを終了する)。伸縮の処理を交えることもある。
尚、局所領域や探索領域は必ずしも矩形では無く、円形等の他の形をしていることがある(データが矩形状の配列、例えば、正方形や長方形、立方体や直方体の配列に格納されている場合には、実寸の円形や球等の領域外に該当する位置の配列には零詰めされることがある)。周波数領域における複素指数関数を乗ずることによる位相回転によって探索領域内にて巡回した信号が関心領域内に現れない様に、探索領域は適切に局所領域よりも大きい必要がある(闇雲に大きくすると計算量が増えるだけであり、先験的に観測対象の変位ベクトルの大きさから適切に決める)。ちなみに、動径方向の変位が無く、観測対象が回転方向の変位のみの場合には、探索領域の大きさは局所領域と同一で良い。また、探索領域が前のフレーム内に設けられることもある。また、処理時間を短縮化するべく、複素指数関数を乗ずる位相マッチングでは無く、デジタル信号の離散的なシフティングによって位相マッチングを行うこともある。この場合には、必ずしも探索領域に動き補償を施す必要は無く、局所領域を別のフレームの探索領域内にて直接に探索(ブロックマッチング)して位相マッチングを行っても良い。
尚、位相マッチングは、極座標系の周波数領域における上記の位相回転処理の他に、段落0384に記載のDAS処理(方法D1の補間処理又は方法D2の時空間領域において解析信号に位相回転を施す処理を通じたシフティング)のDelay処理を基礎として多次元信号をシフティングする場合と同様に、極座標系で表される多次元解析信号に対して処理して位相マッチング(動径方向のシフティングや回転処理)できる。上記の極座標系の周波数領域における位相回転処理は、方法D3のDelay処理に基づく。これらの処理は、極座標系におけるDAS処理にも使用でき、極座標系におけるフーリエビームフォーミングやアダプティブビームフォーミングやミニマムバリアンス等の他のビームフォーミング時にも実施でき、また、本願に記載の信号の位相収差補正や動き補償、位相マッチング(新しい処理方法を含む)、位置合わせ、位置補正等の信号を、時間座標や空間座標や時空間座標において動径方向のシフティングや回転する場合に有用である。
例えば、2次元の場合には、
f(r+r0, θ+θ0)=f(r,θ)exp[j{kr(r,θ)r0+kθ(r,θ)θ0}] (2DASr)
3次元の場合には、
f(r+r0, θ+θ0, φ+φ0)=f(r,θ,φ)
×exp[j{kr(r,θ,φ)r0+kθ(r,θ,φ)θ0+kφ(r,θ,φ)φ0}] (3DASr)
と計算できる。但し、(kr,kθ,kφ)は各位置(r,θ,φ)における各方向の波数である。つまり、デジタル信号において、各位置における各方向の波数を用いて、離散極座標系(高い精度を必要とする場合は高サンプリング周波数であることが望ましい)においてアナログ的なシフティングを施すことができる。1次元の場合と同様に、方法D1(時空間領域における信号のブロックマッチング又は断片のマッチングに該当)に比べて精度を高くでき、その他の方法(方法D3や方法D4)に比べると精度が低いが計算速度は速い。高速な計算速度を必要とする場合に適している。
尚、これらの処理は、観測対象そのものと共に、点拡がり関数も同時に動径方向や回転方向にシフティングさせることになることに注意が必要である(位相マッチングの誤差源となり得る)。また、これらの処理は、キャリア周波数を持たない信号において実施されることもある(例えば、画像処理等)。 In this way, weight values and regularization parameters can be set with high accuracy while maintaining spatial resolution. For example, the entire region of interest or, for example, a partial region within the region of interest, such as a propagation direction distance or a partial region provided for each depth in the observation target), estimates the variation, and for each wave or beam It may also be set and processed globally. In order to make the measurement itself possible and to improve the measurement accuracy, the phase matching method invented in the past by the inventor of the present application (Patent Document 6, Non-Patent Document 15) is required. Other reported stretching methods are useful for the conversion.
FIG. 19 shows motion compensation (phase matching) performed by moving a search area provided in the next frame to be processed in the two-dimensional case using the point of interest or an estimated displacement vector of a local area containing the point of interest. ), where FIG. 19(a) shows translational motion compensation and FIG. 19(b) shows motion compensation including rotation. The three-dimensional case is similarly processed using three-dimensional or two-dimensional local regions and search regions in a three-dimensional space.
When performing translation processing in phase matching (Non-Patent Documents 13 and 15), for example, in an arbitrary orthogonal coordinate system such as a Cartesian coordinate system using a linear array probe, each interest point or each interest point For each local region containing . The spectrum is multiplied by the complex exponential function in the same manner as the phase rotation of the one-dimensional signal in method D3 of paragraph 0384, for example, the displacement vector of the local signal is (Δ 1 , Δ 2 ) (1 and 2 are two-dimensional represents the axes of a Cartesian coordinate system), then the two-dimensional spectrum A(k 1 ,k 2 ) of the wave signal in the search area has the complex exponential function exp{i(k 1 Δ 1 +k 2 Δ 2 )} to shift the search area by (−Δ 1 ,−Δ 2 ) in the direction opposite to the displacement vector, so that the displacement vector of the local signal is (Δ 123 ) in the case of three dimensions. ( 1 , 2 and 3 represent the axes of a three -dimensional Cartesian coordinate system), then the complex Multiply the exponential function exp{i(k 1 Δ 1 +k 2 Δ 2 +k 3 Δ 3 )} to shift the search area by (-Δ 1 ,-Δ 2 ,-Δ 3 ) in the direction opposite to the displacement vector (Patent Document 6, Non-Patent Document 15, etc.). That is, when the inverse Fourier transform is applied to the multiplied spectrum, a local (spatio-) spatial signal expressed in a Cartesian coordinate system phase-matched (shifted) at the same position is obtained. Incidentally, when shifting the local region in the direction of the displacement vector, exp{-i(k 1 Δ 1 +k 2 Δ 2 )} or exp{-i (k 1 Δ 1 +k 2 Δ 2 +k 3 Δ 3 )} can be multiplied, but in digital signal processing, as will be described later, the cyclic nature of the digital signal is a problem, so the wave signal in the search area should be shifted.
When performing rotation processing in phase matching, similar to translational phase matching (see Non-Patent Documents 13 and 15, FIG. 19A), for example, a Cartesian coordinate system using a linear array probe For each point of interest or each local region containing each point of interest in any Cartesian coordinate system such as The Fourier transform (i.e., the spectrum) of the polar coordinate system (the center of the polar coordinate system is each point of interest or location within or outside the region of interest) of the signal of the region or region of interest (see FIG. 19(b)) is described herein. It is directly obtained without approximation through the Jacobian operation implemented in the book.
That is, in the two-dimensional case, for example, when x = rsin θ and y = rcos θ, the Jacobian matrix is the inverse of the Fourier transform represented by equation (22) (inverse function theorem).
Figure 0007175489000163
In the case of three dimensions, for example, when x = rsin θcos φ, y = rcos θ, and z = rsin θsin φ, the Jacobian matrix is the inverse of the Fourier transform represented by equation (27) (inverse function theorem).
Figure 0007175489000164
(the origin of the polar coordinate system is the singular point), and the Fourier transform (spectrum) Radial direction, polar angle, elevation angle, and azimuth angle estimated from displacement vector measurement methods such as local cross spectrum phase gradient method (cross spectrum phase gradient method, Non-Patent Document 15) and multidimensional autocorrelation method Motion compensation is performed by applying a phase rotation that multiplies a complex exponential function to the polar coordinate system Fourier transform (spectrum) of the signal in the search area or the region of interest in the frame Ne in the polar coordinate system Fourier space using the vector component. phase matching. For example, when the displacement vector of the local signal is estimated to be (Δ rθ ) in the two-dimensional case , the complex exponential function exp By multiplying {i(k r Δ r + k θ Δ θ )}, the search area is moved by (−Δ r ,−Δ θ ) in the direction opposite to the displacement vector, and the displacement vector of the local signal is is estimated to be (Δ rθφ ), the complex exponential function exp { i (k r Δ r + k θ Δ θ +k φ Δ φ )} to move the search area by (−Δ r ,−Δ θ ,−Δ φ ) in the direction opposite to the displacement vector. In other words, the inverse Fourier transform of this provides a local signal expressed in a Cartesian coordinate system or a polar coordinate system phase-matched at the same position. That is, in the two-dimensional case, k x =k r sin θ' and k y =k r cos θ', so that
Figure 0007175489000165
and in the three-dimensional case, k x =k r sin θ'cos φ', k y =k r cos θ' and k z =k r sin θ'sin φ', so that
Figure 0007175489000166
is.
Local regions and search regions are often set with the point of interest at the center, but the latter can efficiently set the search region in the direction of tissue displacement when the direction is given a priori. The same is true when aiming at phase aberration correction or motion compensation. In the case of using, for example, a multidimensional autocorrelation method other than the cross-spectrum phase gradient method, the (analytical) signal of each frame may be obtained in a polar coordinate system, and a Fourier transform using the Jacobi operation may be performed. good. In this manner, rotational phase matching can be performed with high accuracy as well as translational phase matching. Without approximating digital signals and discrete Fourier transforms (discrete spectra) expressed in any orthogonal coordinate system, such as when sector scans and convex probes are used, by Fourier transform using the above Jacobian operation Any other Cartesian coordinate system directly (different Cartesian coordinate systems, such as Cartesian Cartesian or various curvilinear Cartesian coordinate systems, different or rotated origins, or even the same Cartesian coordinate system) (including cases where the position is different or rotated) can be re-expressed by calculation takes time). FIG. 20 is a flow chart showing an example of signal processing by Fourier transform using Jacobi operation, but the above signal processing is not limited to this.
In phase matching, it is often the case that translational phase matching is first performed on signals expressed in each orthogonal coordinate system, and then rotational phase matching is performed, but this is not the only option. They may be performed alternately or in the reverse order. Further, as described in Non-Patent Documents 13 and 15, each phase matching may be repeatedly performed (repetition is terminated when the corrected displacement amount becomes smaller than a preset threshold value). In some cases, the process of expansion and contraction is mixed.
Note that the local area and search area are not necessarily rectangular, and may have other shapes such as circles (data is stored in a rectangular array, such as a square, rectangle, cube, or rectangular parallelepiped array). In some cases, arrays of positions that fall outside the real-size circle, sphere, etc. may be zero-padded). The search area must be appropriately larger than the local area so that the signal circulated within the search area due to phase rotation by multiplying the complex exponential function in the frequency domain does not appear in the area of interest. It only increases the amount, and is appropriately determined a priori from the magnitude of the displacement vector of the observed object). Incidentally, when there is no displacement in the radial direction and the object to be observed is only displacement in the rotational direction, the size of the search area may be the same as that of the local area. Also, the search area may be provided in the previous frame. Moreover, in order to shorten the processing time, phase matching may be performed by discrete shifting of a digital signal instead of phase matching by multiplying a complex exponential function. In this case, it is not always necessary to apply motion compensation to the search area, and phase matching may be performed by directly searching (block matching) the local area within the search area of another frame.
In addition to the above-described phase rotation processing in the frequency domain of the polar coordinate system, the phase matching includes the DAS processing described in paragraph 0384 (the interpolation processing of method D1 or the processing of phase-rotating the analytic signal in the spatio-temporal domain of method D2. As in the case of shifting a multidimensional signal based on the delay processing of the shifting through the polar coordinate system, the multidimensional analytic signal represented by the polar coordinate system is processed and phase matching (radial shifting and rotation processing). The above phase rotation processing in the frequency domain of the polar coordinate system is based on the delay processing of method D3. These processes can also be used for DAS processing in the polar coordinate system, and can be performed during other beamforming such as Fourier beamforming, adaptive beamforming, minimum variance, etc. in the polar coordinate system, and the phase aberration correction of the signals described herein , motion compensation, phase matching (including novel processing methods), alignment, position correction, etc., for radial shifting and rotation in temporal, spatial, and spatio-temporal coordinates.
For example, in the two-dimensional case,
f(r+ r0 , θ+ θ0 )=f(r,θ)exp[j{kr( r , θ ) r0 +kθ(r,θ)θ0 } ] (2DASr)
In the case of three dimensions,
f(r+r 0 , θ+θ 0 , φ+φ 0 )=f(r, θ, φ)
×exp[j{kr( r , θ ,φ) r0 +kθ(r,θ, φ )θ0+ (r,θ,φ)φ0 } ] (3DASr)
can be calculated as However, (k r , k θ , k φ ) are wave numbers in each direction at each position (r, θ, φ). In other words, in a digital signal, analog shifting can be applied in a discrete polar coordinate system (preferably with a high sampling frequency if high accuracy is required) using the wavenumber in each direction at each position. As in the one-dimensional case, it can be more accurate than method D1 (which corresponds to block matching or fragment matching of signals in the spatio-temporal domain), but less accurate than other methods (methods D3 and D4). but the calculation speed is fast. Suitable for applications requiring high computational speed.
It should be noted that these processes shift the point spread function as well as the observation target itself in the radial direction and the rotational direction at the same time (which can be a source of error in phase matching). These processes may also be performed on signals that do not have a carrier frequency (eg, image processing, etc.).

また、Wpとして、ウィーナーフィルタを応用することもできる。時空間領域において、信号そのものに直接的に重み付けを施した上で、信号のイメージング又は変位計測を行う。信号は検波前又は検波後の信号r(x,y,z)である。

Figure 0007175489000167
A Wiener filter can also be applied as Wp. In the spatio-temporal domain, the signal itself is directly weighted before imaging or displacement measurement. The signal is the signal r(x,y,z) before or after detection.
Figure 0007175489000167

尚、ノイズ信号n(x,y,z)は、対象物又は校正ファントムを対象として繰り返しエコーを収集して統計的に推定することができる。例えば、ばらつきを用いることができ、定常過程を仮定して局所的に加算平均で推定する場合やアンサンブル平均で推定することもある。対象やその状態、計測の経験等に基づき、先験的に典型値を用いて決めてしまう場合もある。また、この限りでは無い。また、イメージングのために信号r(x,y,z)を検波するべく、包絡線検波、二乗検波、絶対値検波を行うときに、式(A12)や式(A13)を各位置にて掛けることもある。また、解析信号の共役を解析信号に掛けてパワースペクトルを求めて自己関数を求める場合にも同様にして重み付けすることができる。尚、解析信号を用いる変位計測法である自己相関法やドプラ法、その他、クロススペクトラム位相勾配法や相互相関法(解析信号を使用しない場合もある)等を用いる前の信号の前処理としても使用できる。 It should be noted that the noise signal n(x,y,z) can be statistically estimated by repeatedly collecting echoes of an object or calibration phantom. For example, variation can be used, and estimation may be performed locally by averaging or by ensemble averaging assuming a stationary process. In some cases, a typical value is a priori determined based on the subject, its state, experience of measurement, and the like. Moreover, it is not limited to this. In order to detect the signal r(x, y, z) for imaging, the equations (A12) and (A13) are multiplied at each position when performing envelope detection, square-law detection, and absolute value detection. Sometimes. Also, weighting can be performed in the same way when the analytic signal is multiplied by the conjugate of the analytic signal to obtain the power spectrum and obtain the self function. In addition, it can also be used as a signal preprocessing before using the autocorrelation method and Doppler method, which are displacement measurement methods using analytic signals, as well as the cross spectrum phase gradient method and cross-correlation method (in some cases, analytic signals are not used). Available.

信号が2次元又は1次元の場合も、式(A12)や式(A13)のr(x,y,z)とn(x,y,z)の代わりに、各々、r(x,y)とn(x,y)、r(x)とn(x)を用いて同様に処理できる。また、各々のビーム又は各々のビームで走査して得られた関心領域において、大局的に式(A12)や式(A13)が求められて使用されることもある。式(A12)や式(A13)の代わりに、式(A4)~式(A6)も同様に、直接的にエコーの重み付けに使用されることがある。 When the signal is two-dimensional or one-dimensional, instead of r(x, y, z) and n(x, y, z) in equations (A12) and (A13), respectively, r(x, y) and n(x,y), r(x) and n(x). Also, in the region of interest obtained by scanning with each beam or each beam, equations (A12) and (A13) may be obtained and used globally. Instead of equations (A12) and (A13), equations (A4) to (A6) may also be used directly for echo weighting.

また、特に、多次元クロススペクトル位相勾配法(特許文献6、非特許文献15)を用いる場合には、時空間領域のみならず、周波数領域においてもウィーナーフィルタを応用することができる。上記の通り、ひとつひとつの波動又はビームに関し、同一の条件下で取得される変形又は変位の前後の信号間のクロススペクトラムHp(ωx,ωy,ωz)(p = 1~N)の周波数領域(ωx,ωy,ωz)における位相スペクトラムθ(ωx,ωy,ωz)の勾配(3次元未知変位ベクトル)を、最小二乗法を用いて求めるに当たり、

Figure 0007175489000168
但し、PWpn(ωx,ωy,ωz)とPWps(ωx,ωy,ωz)は、各々、ノイズと信号のパワースペクトラムであり、PWps(ωx,ωy,ωz)には代わりにクロススペクトルの大きさの二乗(||Hp(ωx,ωy,ωz)||2)が使用されることがある。qは任意の正値である。
と表される重み付けを行って最小二乗化する。例えば、特許文献6の式(1)~(14')には、重み付けにクロススペクトルの大きさの二乗(||Hp(ωx,ωy,ωz)||2)そのものが使用された場合の記載があるが、その重みの代わりにWp(ωx,ωy,ωz)が使用されることがあるわけである(別にビーム方向の変位のばらつきやZZLBが使用されることが有ることは上記の通りである)。尚、最小二乗化は、p=1~NのN個の波動又はビームの各々に関して評価されて、各関心位置において一度に最小二乗化される。 In particular, when using the multidimensional cross-spectral phase gradient method (Patent Document 6, Non-Patent Document 15), the Wiener filter can be applied not only in the spatio-temporal domain but also in the frequency domain. As described above, for each wave or beam, the frequency domain (ωx , ωy, ωz) using the method of least squares,
Figure 0007175489000168
where PWpn(ωx,ωy,ωz) and PWps(ωx,ωy,ωz) are the power spectrums of the noise and signal, respectively, and PWps(ωx,ωy,ωz) is instead the magnitude of the cross spectrum The square (||Hp(ωx,ωy,ωz)|| 2 ) may be used. q is any positive value.
The least-squares are obtained by weighting expressed as . For example, the equations (1) to (14′) of Patent Document 6 describe the case where the square of the magnitude of the cross spectrum (||Hp(ωx, ωy, ωz)|| 2 ) itself is used for weighting. However, Wp(ωx, ωy, ωz) may be used instead of the weight (as mentioned above, the variation in displacement in the beam direction and ZZLB may also be used. be). Note that the least-squares is evaluated for each of N waves or beams, p=1 to N, and least-squared at each location of interest once.

尚、ノイズのパワースペクトラムPWpn(ωx,ωy,ωz)は、対象物又は校正ファントムを対象として繰り返しエコーを収集して統計的に推定することができる。対象やその状態、計測の経験等に基づき、先験的に典型値を用いて決めてしまう場合もある。また、この限りでは無い。 The noise power spectrum PWpn(.omega.x, .omega.y, .omega.z) can be statistically estimated by repeatedly collecting echoes from an object or calibration phantom. In some cases, a typical value is a priori determined based on the subject, its state, experience of measurement, and the like. Moreover, it is not limited to this.

その他、式(A12)や(A13)の中にて表されるn(x,y,z)/r(x,y,z)や、式(A12')や式(A13')の中にて表されるPWpn(ωx,ωy,ωz)/PWps(ωx,ωy,ωz)は、上記のエコーのSN比SNReの逆数、又は、SNReと相関SN比であるSNRρとの結合(Combined)SN比の逆数を基に設定されることもある。また、空間分解能が有る状態か、各々のビーム又は各々のビームで走査して得られた関心領域において、大局的に式(A12')や式(A13')が求められ、式(A12)や式(A13)、式(A4)~式(A6)と同様に、直接的にエコーの重み付けに使用されることがある(イメージング又は変位計測)。また、イメージングのために信号r(x,y,z)を検波(包絡線検波、二乗検波、絶対値検波等)する際に、式(A12)や式(A13)が使用されることがあるが、その場合には、式中の最初のスペクトルHp(ωx,ωy,ωz)(但し、局所信号又は関心領域に及ぶ信号のスペクトル)の二乗ノルムは使用しなくても良い。また、局所スペクトルHp(ωx,ωy,ωz)の共役をスペクトルHp(ωx,ωy,ωz)に掛けてパワースペクトルを求めて自己相関関数信号を求める場合も同様である。 In addition, n(x, y, z)/r(x, y, z) represented in formulas (A12) and (A13), and PWpn(ωx,ωy,ωz)/PWps(ωx,ωy,ωz) is the reciprocal of the echo SN ratio SNRe, or the combined SN of SNRe and the correlation SN ratio SNRρ It may also be set based on the reciprocal of the ratio. Further, in a state with spatial resolution, in a region of interest obtained by scanning with each beam or with each beam, equations (A12') and (A13') are obtained globally, and equations (A12) and Similar to Eqs. (A13), Eqs. (A4)-(A6), it may be used directly for echo weighting (imaging or displacement measurement). Also, when detecting the signal r(x, y, z) for imaging (envelope detection, square-law detection, absolute value detection, etc.), formula (A12) and formula (A13) may be used. However, in that case, the square norm of the first spectrum Hp(ωx, ωy, ωz) (where the spectrum of the local signal or the signal covering the region of interest) in the equation need not be used. The same applies to obtaining an autocorrelation function signal by multiplying the spectrum Hp(ωx, ωy, ωz) by the conjugate of the local spectrum Hp(ωx, ωy, ωz) to obtain the power spectrum.

未知変位が2次元ベクトルu = (Ux,Uy)や未知変位がビーム方向のU(1つ)である場合には、式(A12')と式(A13')においてH(ωx,ωy,ωz)の代わりに、同じく、変形又は変位前後の信号間のクロススペクトラムH(ωx,ωy)とH(ωx)に関する各々のウィーナーフィルタを用いて同様に表される重みを用いることができる。 If the unknown displacement is a two-dimensional vector u = (Ux, Uy) or the unknown displacement is U (one) in the beam direction, H(ωx, ωy, ωz ), we can also use weights that are similarly expressed using respective Wiener filters on the cross-spectrum H(ωx, ωy) and H(ωx) between the signals before and after deformation or displacement.

さらに、正則化を施す場合には、式(10)や式(10')に従い、同様に、上記のばらつき等が使用されて正則化パラメータが設定されることがある。 Furthermore, when regularization is performed, the regularization parameter may be set using the above-described variations and the like in accordance with equations (10) and (10′).

クロススペクトラム位相勾配法や他のブロックマッチング法を用いる場合には、単独に1つの波動又はビームを用いて2方向以上の変位ベクトルを求めることもでき、また、単独に1つの波動又はビームが使用されても、over-determinedシステムを構成することができる。 When using the cross spectrum phase gradient method or other block matching method, it is possible to obtain displacement vectors in two or more directions using one wave or beam alone, and one wave or beam can be used alone. However, over-determined systems can still be constructed.

また、上記のいずれの変位計測を行う場合でも、over-determinedシステムにせずに計測を行うことも可能であり、その場合においても、上記の重み付けや正則化が行われることもある。 Moreover, when performing any of the above displacement measurements, it is also possible to perform measurement without using an over-determined system, and even in that case, the above weighting and regularization may be performed.

変位は少なくとも2つの信号間から求まるわけだが、上記の変位(関心点又は関心点を含む局所領域の変位)計測において変位が大きいときに、変位に関する方程式中の位相である瞬時位相(多次元又は1次元の自己相関法や多次元又は1次元のドプラ法、非特許文献13)や局所位相(多次元又は1次元のクロススペクトル位相勾配法、非特許文献15)が反転することがあり、それらの位相をアンラッピングする代わりに位相マッチング(空間的なシフティング又は複素指数関数を乗ずる位相回転)を行うことがあることは、既に説明した通りである(そもそも組織の変位や歪の観測を可能にした画期的な処理方法でもある、例えば、C. Sumi et al, World Congress of Ultrasound in Medicine and Biology, 札幌, 1994年)。段落0405においては、同処理による極座標系における動径方向と回転方向のシフティング処理も説明した。また、段落0384や段落0405に記載のDAS処理のDelay処理に使用できる様々なシフティング処理も有効である。大きな変位の推定を可能とする相互相関ベースの多次元又は1次元の相互相関法(この場合はブロックマッチングが有効である)やクロススペクトル位相勾配法(サンプリング間隔を粗くして処理する)を用いてcoarseな推定を実施して位相マッチングを行い(反復して処理することがある)、その上でそれらの方法を用いてFineな推定を行う(同様に反復して処理することがあり、クロススペクトル位相勾配法においてはサンプリング間隔を元に戻して処理しても良い)。位相収差補正にも使用されることがあることは、既に説明した通りである。
これらをベースとして変形して様々な処理を実施できる(例えば、特許文献7に記載のデモジュレーション法等)。基本的には、自己相関法は複素自己相関関数の位相を用い、その推定を安定化させるべく、オイラーの公式に基づいて複素自己関数の虚部/実部に正接の逆関数を掛けて求まる瞬時位相に時間又は空間の移動平均処理を施すか(方法Ai)、複素自己関数に同様に移動平均を施した上でその虚部/実部に同様に正接の逆関数を掛けて求まる位相を用いる(方法Aii)ことができる。ドプラ法の場合には、解析信号そのものの瞬時位相の差を用い、その推定を安定化させるべく、解析信号の虚部/実部に正接の逆関数を掛けて求まる瞬時位相又はその差に、同様に移動平均処理を施すことができる(方法D)。クロススペクトル位相勾配法は、局所信号のクロススペクトルの位相を用いる(方法C)。
これらの内で、coarseな変位を相互相関法を用いて推定して位相マッチング(空間的なシフティング)を行う場合に、方法Aiと方法Dをベースとして処理する場合には、空間的に不連続な分布をしていることのある瞬時位相に時間又は空間の移動平均を施すことになるので、変位が正しく求まらない(エラーを生じ、位相マッチングの最終結果が不連続な変位分布となってしまう)。そこで、位相マッチング(空間的なシフティング)後に、例えば、3次元観測において、瞬時周波数を(fx,fy,fz)、coarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)に対して更新すべき未知変位を(ux,uy,uz)、移動平均処理前の空間的に不連続な分布をしていることのある瞬時位相をθとして、方程式がfx ux+fy uy+fz uz=θと表された場合には、その位相θに対してcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)を用いてθ'=θ+fx dx0+fy dy0+fz dz0を計算してcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)の分の位相を加える位相マッチング(位相回転に該当)を施した上で移動平均処理を施してθ''を得ることにより、fx dx+fy dy+fz dz=θ''を解いて直接的に未知変位(dx,dy,dz)の推定結果を求めることができる(新しい位相マッチングである)。それらの計算において、瞬時周波数(fx,fy,fz)は、移動平均処理されていることもあるし、移動平均されていないこともある。この位相マッチングにより、正しく求まらない(ux,uy,uz)の推定値をcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)に加算することを回避できる。また、位相マッチング後の瞬時位相θ'を移動平均せず、θ''では無く、θ'を用いて方程式を解いて直接的に未知変位(dx,dy,dz)の推定結果を求めることも有り、coarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)に更新すべき変位量(ux,uy,uz)の推定値を加算した結果と同一の結果が得られる。2次元観測や1次元観測の場合も同様である。
一方、同様にcoarseな変位を相互相関法を用いて推定して位相マッチング(空間的なシフティング)を実施した場合に、方法Aiiをベースとして処理する場合には、空間的に不連続な分布をしていることのある瞬時位相に時間又は空間の移動平均を施すことは無く、移動平均された瞬時位相が空間的に不連続な分布を成していることになっても問題とはならない。即ち、例えば、3次元観測の場合に、方法Aiiをベースとして処理する場合には、位相マッチング(空間的なシフティング)後において求まる移動平均された瞬時位相θ''に対してcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)を用いてθ'''=θ''+fx dx0+fy dy0+fz dz0を計算してcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)の分の位相を加える位相マッチング(位相回転に該当)を施してθ'''を得ることにより、fx dx+fy dy+fz dz=θ'''を解いて直接的に未知変位(dx,dy,dz)の推定結果が求まるし(新しい位相マッチングである)、従来の通りにθ'''では無く、θ''を用いて方程式fx ux+fy uy+fz uz=θ''を解いて更新すべき変位量(ux,uy,uz)の推定値を得て、それをcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)に加算しても推定結果が求まる。それらの計算において、周波数(fx,fy,fz)は、移動平均処理されていることもあるし、移動平均されていないこともある。2次元観測や1次元観測の場合も同様である。
また、方法Dをベースとして処理する場合には、同様にcoarseな変位を相互相関法を用いて推定して位相マッチング(空間的なシフティング)を実施した場合に、クロススペクトルの位相特性(周波数特性)が空間的に不連続な分布をしていることはあるが、その分布に移動平均を施すことは無く、問題とはならない(各局所領域において、位相の周波数特性が不連続になることは無い)。変位に関する方程式は、代表的に重心周波数やその近傍の周波数において立てて連立しても良いし(1次元、2次元、3次元の場合には、それぞれ、少なくとも、1つ、2つ、3つの周波数において立てる必要が有る)、信号帯域内において過剰(over-determined)に立てて連立しても良い。この場合でも、位相マッチング(空間的なシフティング)後において、例えば、3次元観測において、信号帯域内の周波数を(Fx,Fy,Fz)、coarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)に対して更新すべき未知変位を(ux,uy,uz)、同周波数のクロススペクトルの位相をαとして、方程式がFx ux+Fy uy+Fz uz=αと表された場合には、その位相αに対してcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)を用いてα'=α+Fx dx0+Fy dy0+Fz dz0と計算してcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)の分の位相を加える位相マッチング(位相回転に該当)を施してα'を得ることにより、Fx dx+Fy dy+Fz dz=α'を解いて直接的に未知変位(dx,dy,dz)の推定結果が求まるし(新しい位相マッチングである)、従来の通りにα'では無く、αを用いて方程式Fx ux+Fy uy+Fz uz=αを解いて更新すべき変位量(ux,uy,uz)の推定値を得て、それをcoarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)に加算しても推定結果が求まる。2次元観測や1次元観測の場合も同様である。
Displacement can be obtained from at least two signals, but when the displacement is large in the above displacement measurement (displacement of the point of interest or the local region containing the point of interest), the instantaneous phase (multidimensional or One-dimensional autocorrelation method, multi-dimensional or one-dimensional Doppler method, Non-Patent Document 13) and local phase (multi-dimensional or one-dimensional cross-spectral phase gradient method, Non-Patent Document 15) may be inverted. As already explained, phase matching (spatial shifting or phase rotation by multiplying a complex exponential function) may be performed instead of unwrapping the phase of the It is also an epoch-making treatment method that makes it possible, for example, C. Sumi et al, World Congress of Ultrasound in Medicine and Biology, Sapporo, 1994). In paragraph 0405, the shifting process in the radial direction and the rotational direction in the polar coordinate system by the same process has also been described. Also, various shifting processes that can be used for delay processing of DAS processing described in paragraphs 0384 and 0405 are also effective. Using cross-correlation-based multidimensional or one-dimensional cross-correlation methods (block matching is effective in this case) or cross-spectral phase-gradient methods (processing with coarse sampling intervals) that allow estimation of large displacements Coarse estimation is performed for phase matching (sometimes iteratively processed), and then fine estimation is performed using those methods (similarly iteratively processed, cross In the spectral phase gradient method, the sampling interval may be returned to the original value). As already explained, it may also be used for phase aberration correction.
Various processing can be performed by modifying these as a base (for example, the demodulation method described in Patent Document 7, etc.). Basically, the autocorrelation method uses the phase of the complex autocorrelation function, and to stabilize the estimate, it is obtained by multiplying the imaginary part/real part of the complex autocorrelation function by the inverse of the tangent according to Euler's formula. Either subject the instantaneous phase to moving average processing in time or space (Method Ai), or perform the same moving average on the complex autofunction and then multiply the imaginary part/real part by the inverse function of the tangent to obtain the phase. (Method Aii). In the case of the Doppler method, the instantaneous phase difference of the analytic signal itself is used, and in order to stabilize the estimation, the instantaneous phase obtained by multiplying the imaginary part/real part of the analytic signal by the inverse function of the tangent, or the difference thereof, Similarly, moving average processing can be performed (Method D). The cross-spectral phase gradient method uses the phase of the cross-spectrum of the local signal (Method C).
Among these, when coarse displacement is estimated using the cross-correlation method and phase matching (spatial shifting) is performed, when processing based on method Ai and method D, spatially inconsistent Since the instantaneous phase, which may have a continuous distribution, is subjected to moving average in time or space, the displacement cannot be obtained correctly (error occurs, and the final result of phase matching is a discontinuous displacement distribution. turn into). Therefore, after phase matching (spatial shifting), for example, in three-dimensional observation, the instantaneous frequency is (fx, fy, fz), and the unknown displacement to be updated with respect to the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) (ux, uy, uz), and the instantaneous phase before moving average processing, which may have a spatially discontinuous distribution, is θ. θ'=θ+fx dx0+fy dy0+fz dz0 is calculated using coarse estimation results (dx0, dy0, dz0) for the phase θ, and coarse estimation results (dx0, dy0, dz0) phase matching (corresponding to phase rotation) and moving average processing to obtain θ'', then solve fx dx+fy dy+fz dz=θ'' It is possible to obtain the estimation result of the unknown displacement (dx, dy, dz) directly (this is a new phase matching). In those calculations, the instantaneous frequencies (fx, fy, fz) may or may not be moving averaged. By this phase matching, it is possible to avoid adding incorrect estimated values of (ux, uy, uz) to coarse estimation results (dx0, dy0, dz0). It is also possible to solve the equation using θ' instead of θ'' without moving average of the instantaneous phase θ' after phase matching to obtain the estimation result of the unknown displacement (dx, dy, dz) directly. Yes, the result is the same as the result of adding the estimated value of the displacement amount (ux, uy, uz) to be updated to the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0). The same applies to two-dimensional observation and one-dimensional observation.
On the other hand, when similarly coarse displacement is estimated using the cross-correlation method and phase matching (spatial shifting) is performed, when processing based on method Aii, a spatially discontinuous distribution There is no problem even if the moving averaged instantaneous phase has a spatially discontinuous distribution. . That is, for example, in the case of three-dimensional observation, when processing based on method Aii, a coarse estimation result is obtained with respect to the moving averaged instantaneous phase θ'' obtained after phase matching (spatial shifting). Phase matching that calculates θ'''=θ''+fx dx0+fy dy0+fz dz0 using (dx0,dy0,dz0) and adds phase for coarse estimation result (dx0,dy0,dz0) (corresponding to phase rotation) to obtain θ''', by solving fx dx+fy dy+fz dz=θ''', the estimation result of the unknown displacement (dx, dy, dz) is obtained directly (This is a new phase matching), and the displacement to be updated (ux , uy, uz) and add it to the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) to obtain the estimation result. In those calculations, the frequencies (fx, fy, fz) may or may not be moving averaged. The same applies to two-dimensional observation and one-dimensional observation.
In the case of processing based on method D, the cross-spectrum phase characteristics (frequency characteristic) may have a spatially discontinuous distribution, but there is no moving average applied to that distribution, so there is no problem (in each local region, the phase frequency characteristic becomes discontinuous there is no). Displacement equations may typically be set up simultaneously at the centroid frequency or frequencies in the vicinity thereof (in the case of one-dimensional, two-dimensional, and three-dimensional equations, at least one, two, and three frequency), or over-determined within the signal band. Even in this case, after phase matching (spatial shifting), for example, in three-dimensional observation, the frequencies in the signal band are (Fx, Fy, Fz), and the coarse estimation results (dx0, dy0, dz0) are If the unknown displacement to be updated is (ux, uy, uz) and the phase of the cross spectrum at the same frequency is α, the equation is expressed as Fx ux+Fy uy+Fz uz=α. On the other hand, using the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0), calculate α'=α+Fx dx0+Fy dy0+Fz dz0 and add the phase for the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) By applying phase matching (corresponding to phase rotation) to obtain α', the estimation result of the unknown displacement (dx, dy, dz) can be obtained directly by solving Fx dx + Fy dy + Fz dz = α'. (new phase matching), instead of α' as before, solve the equation Fx ux+Fy uy+Fz uz=α using α to estimate the displacement (ux,uy,uz) to be updated and adding it to the coarse estimation result (dx0, dy0, dz0) also yields the estimation result. The same applies to two-dimensional observation and one-dimensional observation.

同一位置において生成された異なる波動やビームフォーミングのパラメータを持つ複数の波動(物理的に生成されたものの他、異なる波動やビームフォーミングのパラメータを持つ波動が重ね合されて生成された疑似波動や、スペクトルを周波数分割して生成された疑似波動等を含む)の1つ1つから1つの方程式を導出して未知変位成分と同数の方程式を連立したり同数以上の数の方程式を連立してover-determinedシステムを実現したり、異なる位置において導出される方程式を連立して解くことがあり、それらの方程式を立てる際には、それらの位相の空間分布を連続にする上記の位相マッチングを施して処理しても良い。
特に変位計測(推定)を高精度化したり安定化させるべく、本願に記載の最適化処理(段落0402や段落0403、その他)や他の最適化処理を実施する場合には、全ての変位計測法において位相の空間分布を連続にする上記の位相マッチングを施した上で処理すべきである。まず、上記の複素自己相関関数の位相や解析信号の瞬時位相の差や局所クロススペクトルの位相に関して局所の定常過程を仮定して時間又は空間的な局所平均や分散、又は、共分散を推定して使用する場合には、位相が上記のエラーを含んでいるとエラーを生じる。例えば、最尤推定を行う場合が該当する(Maximum a posteriori(MAP)と共に実施されることがある)。関心点においてノーマルな連立方程式又は過剰な方程式(over-determinedシステム)が、

Figure 0007175489000169
Figure 0007175489000170
であり、尤度関数は、
Figure 0007175489000171
従って、対数尤度Lは、式(LM3)に対数を掛けた
Figure 0007175489000172
を得る。
ちなみに、超解像として、ボケ関数(線形時空間不変システム又は線形時空間変システムの点拡がり関数と考える)を表す行列Fと原像(ターゲット)を表すベクトルOとボケ画像を表すベクトルBとを用いてFO = Bを解く場合に、最尤推定を行う場合には、同様に、
Figure 0007175489000173
波動信号において直流を含まない場合には、式(LM9)の代わりに式(LM9')の如く、平均値を零として計算することもある。ボケ画像の復元や超解像においては共分散行列の計算には時間を要することが多いので注意が必要である。
この時空間領域における処理は時空間変(spatially variant)な場合に有効である。物理開口面からの各距離の位置における点拡がり関数を同距離の位置において推定される複数の点拡がり関数(深さ方向又は横方向の1次元自己相関関数又は多次元自己相関関数)を平均化して推定することは有効である(非特許文献35及び36)。平均処理をせずに関心位置において推定された点拡がり関数を用いることもある。これらの時空間領域における処理には、例えば共役勾配法等を使用できる。この最尤推定を施した場合には、後述のMAP(Maximum a posteriori、例えば、非特許文献42)が有効であるが、EMアルゴリズムを用いた方法(非特許文献31)も報告されている。これらの処理結果には、整形フィルタリングとして所望する点拡がり関数を時空間領域にてコンボリューションしたり、周波数領域においてその周波数応答を乗ずることも有効である。
時空間領域における処理の場合、点拡がり関数の時空間不変(spatially invariant)を仮定できる場合はデコボリューションを実施することになるが、計算速度を考えると、その処理は、本願に記載の周波数領域における逆フィルタリング処理を実施した方が良い。その場合に、点拡がり関数は時空間不変と考えられる領域における平均化されて用いられることがある。空間分解能がほぼ一様となる古典的な開口面合成や平面波送信を行って受信ダイナミックフォーカシングした場合等が該当するが、フォーカスビームを生成した場合の時空間変の場合でも、時空間不変を仮定して周波数領域において同処理を行うことがある。同様に、処理結果には、整形フィルタリングとして所望する点拡がり関数を時空間領域においてコンボリューションしたり、周波数領域においてその周波数応答を乗ずることも有効である。
また、a posteioriに変位の計測結果から分散を推定して正則化パラメータをそれに比例する様に決めたり(正則化、非特許文献18)、その逆数を重み(方程式の信頼度)とする重み付き最小二乗法を実施する場合には、位相の上記エラーにより変位の計測結果がエラーを含んでいるとエラーを生じる。
さらに、それらの統計量は、coarseな推定結果(dx0,dy0,dz0)に対して更新すべき変位量(ux,uy,uz)に関する方程式に実施されることになる。従って、1方向の速度計測法である1次元自己相関法(非特許文献20)にて導出されているばらつき(パワードプラにて使用されている)や、これを基に本願にて多次元自己相関法に関して導出されているばらつきや、Ziv-Zakai Lower Bound(ZZLB)は、a prioriであり、変位計測に関して定常過程を仮定していないが、同じくエラーを生じる。この種の最適化処理を実施する場合は全ての変位計測法において位相の空間分布を連続にする上記の位相マッチングを施した上で処理する必要がある。位相マッチング中において更新すべき変位(残差変位)そのものやその分の位相データに移動平均処理や最適化を施してはいけない。また、この新しい位相マッチングは、その必要が無くとも、数種類の最適化法を用いて複数の推定結果を得たり、それらを統合又は判断して最終的な結果を得ることも有り、計算量が増えるがその様にしておくと良いことがある。
ここで、最尤推定において有効なMAP推定について記載し、さらに、正則化との類似性について述べる(非特許文献42)。
式(LM1)におけるDのMAP推定は、Dのa posteriori確率密度関数
Figure 0007175489000174
但し、p(θ|D)はθのa posteriori確率密度関数(最尤推定)の式(LM3)であり、
Figure 0007175489000175
はDの確率密度関数である。
を最大化して実施できる。このMAP推定は、重み付き最小二乗法としてコスト関数
Figure 0007175489000176
を最小化することと等価であり、解は、
Figure 0007175489000177
Figure 0007175489000178
但し、Pは正則化オペレーターであり、λはハイパー正則化パラメータである。
を解くこととなる。正則化オペレーターPとしては単位行列を用いることができ、この場合の正則化パラメータλは空間的に可変(variable)に使用することが可能である(非特許文献17)。この正則化オペレーターは全帯域の通過型フィルタであるので、Dの結果は真値に比べて小さくなることがある。別の正則化オペレーターPとして、高域通過型フィルタや微分フィルタ(勾配作用素Gを用いたラプラシアン作用素GTGやそのn乗ノルム)等が使用されることもあり、この場合は高域周波数のエラーが効果的に抑圧されるが、高周波成分は失われることがある(しかし、ボケ画像の復元や超解像にも使用できる)。複数の正則化オペレーターを同時に使用することもある。導出される式(REG1)の通りではなく、便宜上、λを正則化パラメータとして典型値を用いたり、新しい位相マッチング時のθの分散や式(LM1)の左辺と右辺の差の分散、Dの分散に比例する様に定める場合もある(正則化パラメータを大きくすると正則化の効果が増す)。また、式(A2)の重み行列Wを用いた重み付き最小二乗法は、WTWにDの分散の逆数を用いたものである(Dのばらつきが小さく精度が高い式は重視して重みを大きくする)。
式(MAP2)と式(REG1)との類似性から、両式を混ぜて使用することも有効である。これらにおいて、E[D]が零ベクトルで無くとも、便宜上、零ベクトルとして計算することもある。
尚、ボケ画像の復元や超解像においては、上記のシステムFO=Bにおいて最尤推定を施すと、式(LM7)~(LM9)を解くことと成り、また、上記の変位計測と同様にMAP推定を行ったり、EMアルゴリズムを用いることも可能であり、また、時空間不変システムとして周波数領域において処理することも有効である。上記の変位計測の場合と同様に時空間領域のシステムを正則化して安定化して解くことも有効である(非特許文献43)が、同文献にて公開されている周波数領域における処理によって高速処理が可能である。
Figure 0007175489000179
但し、*は共役を表し、ここでは各行列やベクトルで表される空間分布の周波数応答を同一の文字を用いて表している。同文献には、通常のウィーナーフィルタよりも正則化が有効である結果が報告されいる。本発明においては本願に記載のウィーナーフィルタの応用(変則型を含む)や時空間的にvariantな正則化(正則化パラメータが時空間的にvariant)が行われる。また、上記の如くに整形フィルタが施されることがある。
この正則化は、受信信号のSN比が低い場合や、超音波パラメータやビームフォーミングパラメータが異なる信号間や、物理的に異なるセンシング信号間の処理等においては、空間分解能が低下することを代償としても、この様な平滑化処理が有用となる可能性がある。
その他として、例えば、段落0377に示した逆解析や他の様々な逆解析(システムがAx=bと表される場合)においても同様に最適化することが可能である。最尤推定やMAP、正則化以外にも、ベイズ推定を同様に実施できるし、その他にも様々な有効な方法を施すことができる。ちなみに、変位ベクトルや電流密度ベクトル等のベクトルが観測対象の場合は各方向成分に関して別の正則化パラメータや別の正則化オペレーターが使用されることがある(非特許文献17)。 Multiple waves with different waves and beamforming parameters generated at the same position (in addition to physically generated waves, pseudo-waves generated by superimposing waves with different waves and beamforming parameters, (including pseudo-waves generated by frequency-dividing the spectrum) are derived one by one, and the same number of equations as the unknown displacement components are simultaneous, or the same number or more of the equations are simultaneously over -Determined systems may be realized, or equations derived at different positions may be solved simultaneously. may be processed.
In particular, when performing the optimization processing described in this application (paragraph 0402, paragraph 0403, etc.) or other optimization processing in order to increase the accuracy or stabilize the displacement measurement (estimation), all displacement measurement methods should be processed after applying the above-described phase matching that makes the spatial distribution of the phase continuous. First, assuming a local stationary process for the phase of the complex autocorrelation function, the instantaneous phase difference of the analytic signal, and the phase of the local cross spectrum, estimate the temporal or spatial local mean, variance, or covariance. When used with , an error will occur if the phase contains the above error. This is the case, for example, when performing maximum likelihood estimation (sometimes implemented with Maximum a posteriori (MAP)). A normal system of equations or an over-determined system of equations at the point of interest is
Figure 0007175489000169
Figure 0007175489000170
and the likelihood function is
Figure 0007175489000171
Therefore, the log-likelihood L is obtained by multiplying equation (LM3) by the logarithm
Figure 0007175489000172
get
By the way, as super-resolution, the matrix F representing the blur function (considered as a linear spatio-temporal invariant system or the point spread function of a linear spatio-temporal varying system), the vector O representing the original image (target), and the vector B representing the blurred image Similarly, when solving FO = B using
Figure 0007175489000173
If the wave signal does not contain direct current, the mean value may be calculated as zero, as in formula (LM9') instead of formula (LM9). It should be noted that it often takes time to calculate the covariance matrix in restoration of blurred images and super-resolution.
Processing in this spatio-temporal domain is effective in spatially variant cases. The point spread function at each distance from the physical aperture plane is averaged from multiple point spread functions (one-dimensional autocorrelation function or multi-dimensional autocorrelation function in the depth direction or lateral direction) estimated at the same distance position. It is effective to estimate by A point spread function estimated at the location of interest without averaging may also be used. A conjugate gradient method, for example, can be used for processing in these spatio-temporal domains. When this maximum likelihood estimation is performed, MAP (Maximum a posteriori, for example, Non-Patent Document 42) described later is effective, but a method using the EM algorithm (Non-Patent Document 31) has also been reported. For these processing results, it is also effective to convolve a desired point spread function as shaping filtering in the spatio-temporal domain, or to multiply it by its frequency response in the frequency domain.
For processing in the spatio-temporal domain, if one can assume spatially invariant of the point spread function, then decovolution will be performed, but given the computational speed, the processing can be performed in the frequency domain as described herein. It is better to perform the inverse filtering process in . In that case, the point spread function may be used after averaging over a region that is considered to be spatio-temporal invariant. This applies to the classical aperture plane synthesis where the spatial resolution is almost uniform, and the case of receiving dynamic focusing by performing plane wave transmission. The same processing may be performed in the frequency domain. Similarly, it is effective to convolve the processing result with a desired point spread function as shaping filtering in the spatio-temporal domain, or to multiply it by its frequency response in the frequency domain.
In addition, the variance is estimated from the displacement measurement results a posteiori and the regularization parameter is determined to be proportional to it (regularization, Non-Patent Document 18), or the reciprocal is weighted (reliability of the equation). When performing the least-squares method, an error occurs if the displacement measurement result contains an error due to the phase error.
Further, those statistics will be implemented into the equations for the displacements (ux, uy, uz) to be updated for the coarse estimation results (dx0, dy0, dz0). Therefore, based on the variation (used in power Doppler) derived by the one-dimensional autocorrelation method (Non-Patent Document 20), which is a unidirectional velocity measurement method, the multidimensional self The scatter derived for the correlation method, or the Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB), is a priori and does not assume a stationary process for the displacement measurement, but it also gives rise to errors. When performing this type of optimization processing, it is necessary to perform the above-described phase matching that makes the spatial distribution of the phase continuous in all displacement measurement methods. During phase matching, the displacement (residual displacement) itself to be updated and the corresponding phase data should not be subjected to moving average processing or optimization. In addition, even if this new phase matching is not necessary, it is possible to obtain multiple estimation results using several types of optimization methods, and to obtain the final result by integrating or judging them, so the amount of calculation is large. Although it will increase, it is good to keep it that way.
Here, we describe MAP estimation, which is effective in maximum likelihood estimation, and describe its similarity to regularization (Non-Patent Document 42).
The MAP estimation of D in equation (LM1) is a posteriori probability density function of D
Figure 0007175489000174
However, p(θ|D) is the formula (LM3) of the a posteriori probability density function (maximum likelihood estimation) of θ,
Figure 0007175489000175
is the probability density function of D.
can be implemented by maximizing This MAP estimation is performed as a weighted least squares method with the cost function
Figure 0007175489000176
is equivalent to minimizing , and the solution is
Figure 0007175489000177
Figure 0007175489000178
where P is the regularization operator and λ is the hyper-regularization parameter.
will be solved. A unit matrix can be used as the regularization operator P, and the regularization parameter λ in this case can be spatially variable (Non-Patent Document 17). Since this regularization operator is a full-pass filter, the result of D can be small compared to the true value. As another regularization operator P, a high-pass filter or a differential filter (Laplacian operator G T G using the gradient operator G or its n-th power norm) may be used. Errors are effectively suppressed, but high frequency components can be lost (but it can also be used for blurry image restoration and super-resolution). Multiple regularization operators may be used simultaneously. Instead of the derived formula (REG1), for convenience, we use a typical value for λ as a regularization parameter, the variance of θ at the time of new phase matching, the variance of the difference between the left side and the right side of formula (LM1), and the value of D In some cases, it is determined to be proportional to the variance (increasing the regularization parameter increases the regularization effect). In addition, the weighted least squares method using the weight matrix W of formula (A2) uses the reciprocal of the variance of D for W T W. ).
Due to the similarity between formula (MAP2) and formula (REG1), it is also effective to use a mixture of both formulas. In these, even if E[D] is not a zero vector, it may be calculated as a zero vector for convenience.
In addition, in the restoration of blurred images and super-resolution, if the maximum likelihood estimation is performed in the above system FO = B, the equations (LM7) to (LM9) can be solved, and similarly to the above displacement measurement It is also possible to perform MAP estimation or use the EM algorithm, and it is also effective to process in the frequency domain as a spatio-temporal invariant system. As in the case of displacement measurement above, it is also effective to regularize and stabilize the system in the spatio-temporal domain (Non-Patent Document 43). is possible.
Figure 0007175489000179
However, * represents a conjugate, and here, the frequency response of the spatial distribution represented by each matrix or vector is represented using the same character. The same document reports the result that regularization is more effective than the usual Wiener filter. In the present invention, the application of the Wiener filter described in the present application (including an irregular type) and spatio-temporal variant regularization (the regularization parameter is spatio-temporally variant) are performed. Also, a shaping filter may be applied as described above.
This regularization comes at the cost of lower spatial resolution when the signal-to-noise ratio of the received signal is low, between signals with different ultrasound parameters or beamforming parameters, or between physically different sensing signals. may also benefit from such smoothing.
In addition, for example, the inverse analysis shown in paragraph 0377 and various other inverse analyzes (where the system is expressed as Ax=b) can be similarly optimized. In addition to maximum likelihood estimation, MAP, and regularization, Bayesian estimation can be performed similarly, and various other effective methods can be applied. Incidentally, when a vector such as a displacement vector or a current density vector is to be observed, another regularization parameter or another regularization operator may be used for each directional component (Non-Patent Document 17).

新しい本位相マッチング処理は、同一位置において生成された異なる波動やビームフォーミングのパラメータを持つ複数の波動そのもの(物理的に生成されたものの他、スペクトルを周波数分割して生成された疑似波動等を含む)やそれらの波動が重ね合されて生成された疑似波動そのもの(コヒーレント加算による広帯域化・高分解能化)、又は、それらのビームフォーミング処理時における位相収差補正(変位計測法を応用した高精度な位相収差計測に基づく高精度な位相マッチング)においても有効であり、それらにおけるICA(Independent Component Analysis)処理による信号分離(加算平均よりも効果的な多重化効果がある)や非線形処理による超解像等にも有効である。それらの位相収差補正において組織変位のある場合には動き補償も同時に行うことが可能であり、観測対象が明に変位している場合に受信される単一フレーム内の受信信号や連続して取得されることの多い複数フレーム内の受信信号において、ビームフォーミング中やビームフォーミング後に位相収差補正を行い、ビームフォーミング中やビームフォーミング後に超解像を行うことも有効である(重ねた波動に超解像を施したり、超解像の結果を重ねたりする処理等)。また、これらをMRIや超音波、X線CT、OCT、テラヘルツ等の異なるセンシング信号間において処理することも有効である。その様な複数のフレームデータを用いた処理において、観測対象の大変位や変形、特に非制御下における自発的な観測対象の変位における信号の欠落(例えば、観測対象が1次元又は2次元又は3次元の関心領域内から外れる)や加熱(治療)等の物理的作用や化学療法等の化学作用により複数のフレームデータ間の位相マッチングの精度は低下するため、本願に記載の変位計測(シフティング処理を含む)における正則化や最尤推定等の最適化は有効であるが、それらの場合においても新しい位相マッチングは有用となる。スペックル信号を処理することもあるし、スペキュラー信号を処理することもあり、必要に応じて、エッジ抽出や強調、特徴点(例えば、ヒトを観る場合には血管分岐位置等の組織構造)を得て行う変位トラッキング等は有効である。または、信号によっては上記の正則化において積極的に平滑化したり、包絡線検波を施した上で処理を行うことが有効であることもある。
この様に、新しい本位相マッチング処理は、変位計測等における位相マッチングの他、段落0384に記載のDAS処理(方法D1~D3)、その他、フーリエビームフォーミングやアダプティブビームフォーミングやミニマムバリアンス等の他のビームフォーミングにおけるDelayの推定(位相収差補正)や、段落0372に記載のビームフォーミング中における位相収差補正、動き補償、位置合わせ、位置補正等の時間座標や空間座標や時空間座標において信号のシフティング量を推定する場合に有用である。
This new phase-matching process can generate different waves at the same position and multiple waves with beamforming parameters (including physically generated waves and pseudo-waves generated by frequency-dividing the spectrum). ), pseudo waves generated by superimposing those waves (broadband and high resolution by coherent addition), or phase aberration correction during beamforming processing (high precision by applying displacement measurement method It is also effective in high-precision phase matching based on phase aberration measurement), and signal separation by ICA (Independent Component Analysis) processing (which has a more effective multiplexing effect than averaging) and super-resolution by nonlinear processing etc. is also effective. When there is tissue displacement in their phase aberration correction, motion compensation can also be performed at the same time. It is also effective to perform phase aberration correction during or after beamforming, and to perform super-resolution during or after beamforming for received signals in multiple frames, which are often used in multiple frames. processing such as applying an image, superimposing the results of super-resolution, etc.). It is also effective to process these between different sensing signals such as MRI, ultrasound, X-ray CT, OCT, and terahertz. In such processing using multiple frame data, there is a lack of signal in large displacements and deformations of the observed object, especially in uncontrolled spontaneous displacement of the observed object (for example, when the observed object is one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional). Because the accuracy of phase matching between multiple frame data decreases due to physical effects such as heating (treatment) and chemical effects such as chemotherapy, the displacement measurement described in this application (shifting optimization such as regularization and maximum likelihood estimation are effective, but the new phase matching is also useful in these cases. Sometimes speckle signals are processed, sometimes specular signals are processed, and edge extraction, enhancement, and feature points (for example, tissue structures such as blood vessel bifurcation positions when observing humans) are processed as necessary. Displacement tracking, etc., which are obtained and performed, are effective. Alternatively, depending on the signal, it may be effective to positively smooth the signal in the above regularization, or perform processing after performing envelope detection.
In this way, the new phase matching processing includes phase matching in displacement measurement, etc., DAS processing (methods D1 to D3) described in paragraph 0384, and other methods such as Fourier beam forming, adaptive beam forming, and minimum variance. Delay estimation (phase aberration correction) in beamforming, phase aberration correction, motion compensation, alignment, position correction, etc. during beamforming described in paragraph 0372 Signal shifting in time coordinates, space coordinates, and spatiotemporal coordinates Useful for estimating quantities.

尚、観測された波動を基に対象の動きを検出、イメージする様々な技法もあり、例えば、医用超音波の分野では、血流や組織の変位や変形に関して、平均速度や分散等を基に、速度情報、動きの有無、複雑さ等を表示できるものがある。積極的に造影剤(マイクロバブル)が使用され、血管内や心腔内の血液からの波動の強度を増強した状態で計測イメージングが行われることもある。形態学的な観測だけでなく、機能計測にも有効となることがある。自己発散(self-emanating)型の造影剤には、PET(陽電子放射型断層撮影法)で使用される放射性同位体が典型的な例であり、発生数のカウントに基づく観測が行われる。これは第2の実施形態のパッシブな装置で対象となるタイプのものであるが、例えば、磁性体(癌病変等のターゲットに親和性があることがある)を静脈注射し、そこに力学的振動を加えて磁場を発生させることもある。従って、送信手段である送信トランスデューサにより力学的に刺激し、その応答として電磁波を、受信手段である受信トランスデューサで観測することになる。また、上記の光音響(photoacoustic)等も可能である。例えば、代表的なPET造影剤である18FDG(18F-フルオロデオキシグルコース、グルコースにポジトロン放出核種を標識)は、癌細胞が正常な細胞よりも多く(3から20倍)のブドウ糖を摂取する性質を応用し、全身を対象として癌の早期発見に使用されているが、これにPhotoacoustics(光音響)を応用し、超音波を受信して癌を早期発見できる(メタボリックトラッピングによる集積機序が有り、グルコースと同様に細胞膜のグルコーストランスポータを介して細胞膜に取り込まれ、酵素ヘキソキナーゼにより代謝されるが、グルコースと異なり、解糖系に進まずに細胞内に留まる。)。PETと併用されることもあるが、超音波検査がPETとは別に行われることもある。処理そのものは、レーザー照射のタイミングに基づくトリガーを用いた到来超音波(透過波)に対する受信ビームフォーミングを基本とする。陽電子がβ?崩壊により陽電子放出核種(ポジトロン核種)から放出され、電子と引き寄せ合い、数mm移動後に電子と結合して消滅し、その際に、ほぼ正反対方向に放出される2本の光子(γ線、即ち、消滅放射線)を観測すること等により空間分解能は低いが、生成される超音波を観測できる部位においては、比較して、高分解能に観測できるという利点がある。早期発見にも適しているし、集積の有無によって疾患の有無を観測したり、その他、その程度をphotoacoustic信号の強度から観測して、悪性度や進行度等を判断することも可能である(悪性腫瘍細胞では糖代謝が亢進しており、高集積)。体内に存在するD型グルコースの他、『癌病変がL型を特異的に取り込む特性を蛍光Lグルコースに応用する光超音波の分野外の弘前大学大学院医学研究科統合機能生理学講座(旧生理学第一講座)山田勝也の研究グループの成果(経口又は注射による摂取)』に習って、L型グルコースの使用も有効である。その他、例えば、脳は人体で最も糖代謝が盛んであり、アルツハイマー型認知症は早期から代謝異常を伴う。また、心筋は、虚血が進行すると糖代謝が亢進する(陽性)が、壊死すると糖代謝は行われない。それらの観測にもPhotoacousticを使用できる。脳の場合には開頭することがあり、腹部の深部臓器の疾患を対象とする場合には、開腹したり、腹腔鏡(腹穴鏡)やカテーテル等を用いる等、疾患の近傍でレーザー照射や超音波の検出が行われることもある。これらの応用において、造影剤の光吸収周波数特性が明らかにされて公知となっているものが多い中、照射レーザー及び生成される超音波信号の周波数分散が積極的に用いられることもあり(即ち、広帯域又は特定の帯域のレーザー照射時に発生する超音波を下記の如くに広帯域に観測する、又は、特定の超音波周波数帯域に注目することも有り、又は、異なる帯域のレーザー照射時に発生する超音波を広帯域に観測したり、その際の特定の超音波周波数帯域に注目したり、観測された超音波信号を重ね合わせて広帯域なレーザー照射を疑似的に実現したりすることがあり、光源や超音波センサーが広帯域又は特定の帯域の同一の特性を持つものが1次元、2次元、又は、3次元のアレイ状に並んでいる場合も有れば、異なる帯域特性を持つものが同様にアレイ状に並んでいる場合(例えば、局所的に連続して、又は、交互に、又は、周期的に)も有るし、光源と超音波センサーが別のbodyを持つこともあるし一体化されていることもあるし、光源や超音波センサーを取り換えてそれらを同一箇所に設置して観測することもある)、また、必ずしもイメージングが行われるとは限らず、数値に基づく定量的な観測のみが行われることもある。前記の通り、グルコース濃度を観測対象とし、血糖値の観測やイメージングにも応用できる。また、PET造影剤には、糖分の他に、酸素、水、アミノ酸、核酸、神経伝達物質等にポジトロン放出核種を標識したもの(11C-メチオニン、11C-酢酸、11C-コリン、11C-メチルスピペロン、13N-アンモニア、15O-水、15O-酸素ガス、18F-フルオロドーバ等)が実用化されており、それらやPhotoacoustics用に開発されたもの等、別に開発される各種造影剤にも使用できる。これらのPhotoacousticsにおいては、造影剤を使用する場合と使用しない場合とにおいて、血液や尿、体液を対象にしてドプラ計測(ベクトル計測を含む)が行われることもあるし、また、軟組織や硬組織を含めて臓器の変位や変形、粘弾性や熱力学的特性が観測されることもある(診断や検査だけでなく様々な治療を含む)。放射線を被爆する場合には、通常の通り、被爆を防いだり、被爆量を安全値以下にする必要がある。造影剤が治療の効果も持つこともある。逆に言えば、治療薬が造影剤の効果を持つこともある。
様々な造影剤が同時に使用されることもあるが、使用されない場合も有り、超音波センサーは、広帯域な受信特性を持つものが積極的に使用されて一度に広帯域なPhotoacoustics信号が上記の応用等に用いられることがあるし、フィルタリング(アナログ又はデジタル)によって周波数帯域を選択して上記の応用(Photoacoustics信号そのもののイメージングも含む)等に用いられることがある。各々の周波数又は周波数帯域のPhotoacoustics信号を用いた上記の応用の観測結果を、重ね合わせたり平均化して使用することもある。画像化する場合には、表示する観測データの数値の大きさに色を割り当てたり、同一の色の中でも濃淡を付けて表示して解像度を持たせることがある。また、観測された各々の周波数又は周波数帯域における観測結果を画像化して、重畳して表示することがある。その場合に、観測された各々の周波数又は周波数帯域の観測結果に異なる色を割り当てたり、さらに、濃淡を付けて表示する観測データの数値の大きさに解像度を持たせることがある。各周波数帯域のPhotoacoustics信号がどの造影剤又は観測対象の物質によるものであるかを理解してあったり(光超音波の分散を実測することも重要であるが、例えば、ヒト組織やヒト病変組織、それらに関連する物質の400nmから25μmにおける吸光度データは豊富であり参考になる)、それらのターゲットに合う周波数帯域のPhotoacoustics信号が積極的に用いられることもあるが、必ずしもそうでは無く用いることも有用である(即ち、観測対象内に元より少なくとも1つ存在するものや観測対象外から少なくとも1つ取り込んだもの、それらが共に存在する場合等の複数のマーカーが混在している場合や、特段にマーカーを意識せずにマーカー無しとする場合等、それらにおいてPhotoacoustics信号が生成される帯域幅を持つ光を照射する)。上記の通りに画像化することがあるし、本願に記載の変位や温度の観測、その他、それらを用いる逆解析(観測)に用いられることもある。さらに、本願に記載の通り、スペクトル解析(アナログ又はデジタルフィルタリング)やICA等の信号処理(位相収差補正を行う場合と行わない場合とを含む)、その他、画像処理(例えば、決定的又は確率統計的な画像パターンを指標とする)を用いて異なるマーカーからの信号に分離して使用することもある。信号強度又はスペクトルの大きさ(実効値)そのものの違いを使用することも有効である。マーカーの分析そのものとなることもある。その場合には、造影剤使用時と未使用時の信号を対象とすることもある。同様に、上記の通りに画像化することがあるし、分離された信号が本願に記載の変位や温度の観測、その他、それらを用いる逆解析(観測)に用いられることもある。また、例えば、血流等の静止または速度の遅い変位をしている媒体中の流体を画像したりそれらの動きを観測する場合には、Photoacoustics信号そのもの又は併用することのある超音波(エコー)信号においてドプラ観測を用い、通常の血流ドプラ観測にて使用されるクラッターリジェクションフィルタや信号強度の違いを使用して直接に分離したり、血流位置(領域)を特定して分離することも有用である。無論、照射光の周波数や帯域をターゲットの流体に適切に設定して観測する場合においても本処理は有効であり、また、周波数や帯域を合わせた、又は、周波数を合せていないOCTや他の光学装置(光パルスや電磁波パルス)を用いたドプラ観測を併用して処理することも有用である。重要なことに、分離された流体の周囲の媒体に関しても詳細な評価が可能になる(変位や温度、逆解析等)。これらは、連生解析・分析、合成(論)における有用な方法ともなる。
それらのPhotoacoustics信号(受信信号)には、公知のビームフォーミング法の他、本明細書に記載の様々なビームフォーミング法や信号処理が用いられる。従って、応用には、上記の通りPhotoacoustics信号そのもののイメージングも含む。検波処理は、公知の方法の他、本明細書に記載の方法が使用される。信号の分離には、本明細書に記載のICA等の様々な信号処理法が使用できるが、例えば、スペクトルを分割したりすることができ、ビームフォーミング後に分割したり、ビームフォーミング前の角スペクトルを分割しても良い。角スペクトルを分割する場合には、フーリエビームフォーミングの他、DAS処理等の様々なビームフォーミングを行うことができる。重ね合わせにおいては、コヒーレント加算又はインコヒーレント加算が行われる。特に、本明細書に記載のビームフォーミング法や信号処理を用いると、微弱信号を漏らさずに処理でき、高精度に詳細な観測が可能である。基本的にPhotoacousics信号は広帯域であるため、高分解能な観測(上記の応用等を含む)を実現できるだけでなく、顕微鏡として応用することも可能であり、超音波センサー部がハンディー型のPhotoacoustics顕微鏡を実現することもできる。この場合においても上記の応用等が行われる。尚、光の照射は平面波や球面波や円筒波等、一度に広い範囲に照射する場合と、光ビームの走査(メカニカル走査又は電子走査)を行うことがあり、前者に比べて後者の方が高分解能な観測が可能である。
また、超音波センサーの受信特性が狭帯域である場合には、その受信帯域の異なる複数個の超音波センサーを用いて受信された各々のPhotoacoustics信号を上記の如くに用いることがあるし、併用することもある。
これらの観測される光音響信号を超音波エコーの代わりに同様に処理し、本明細書に記載の様々な信号処理(逆解析を含む)が施され、様々に応用される。例えば、ドプラ観測や力学再構成、温度観測に基づく熱学再構成等、これらに限られない。
There are also various techniques for detecting and imaging the movement of an object based on the observed wave motion. , speed information, presence or absence of motion, complexity, etc. In some cases, a contrast medium (microbubbles) is actively used to enhance the intensity of waves from blood in blood vessels and heart chambers, and measurement imaging is performed. It may be effective not only for morphological observation but also for functional measurement. A typical example of a self-emanating contrast agent is a radioisotope used in PET (Positron Emission Tomography), and observation is performed based on counting the number of occurrences. This is the type targeted by the passive device of the second embodiment. Vibration can also be applied to generate a magnetic field. Therefore, it is mechanically stimulated by the transmitting transducer, which is the transmitting means, and the electromagnetic waves in response are observed by the receiving transducer, which is the receiving means. Photoacoustic, etc., as described above, are also possible. For example, 18 FDG ( 18 F-fluorodeoxyglucose, glucose labeled with a positron-emitting nuclide), a representative PET contrast agent, shows that cancer cells take up more glucose (3 to 20 times) than normal cells. It is used for the early detection of cancer in the whole body by applying its properties, but by applying photoacoustics to this, it is possible to receive ultrasonic waves and detect cancer at an early stage (the accumulation mechanism by metabolic trapping is Like glucose, it is taken up into the cell membrane via the glucose transporter in the cell membrane and metabolized by the enzyme hexokinase, but unlike glucose, it remains in the cell without proceeding to glycolysis). Sometimes it is used in conjunction with PET, but sometimes ultrasound is done separately from PET. The processing itself is based on receive beamforming for incoming ultrasonic waves (transmitted waves) using triggers based on the timing of laser irradiation. A positron is emitted from a positron-emitting nuclide (positron nuclide) by β? Although the spatial resolution is low due to the observation of gamma rays (ie, annihilation radiation), there is the advantage that the generated ultrasonic waves can be observed at a relatively high resolution. It is also suitable for early detection, and it is possible to observe the presence or absence of disease based on the presence or absence of accumulation, and to judge the degree of malignancy and progression by observing the degree of disease from the intensity of the photoacoustic signal ( Glucose metabolism is accelerated in malignant tumor cells, resulting in high accumulation). In addition to the D-type glucose present in the body, "Applying the characteristic that cancer lesions specifically take up L-type glucose to fluorescent L-glucose", the Hirosaki University Graduate School of Medicine Integrative Functional Physiology Course (former Physiology Department) outside the field of photoultrasonics One lecture) The use of L-glucose is also effective, following the results of Katsuya Yamada's research group (oral or injection intake). In addition, for example, the brain is the most active in sugar metabolism in the human body, and Alzheimer's dementia is accompanied by metabolic abnormalities from an early stage. In addition, when ischemia progresses, myocardial glucose metabolism is enhanced (positive), but when necrosis occurs, glucose metabolism does not occur. Photoacoustic can also be used for those observations. In the case of the brain, the craniotomy may be performed, and when targeting the disease of the deep organs of the abdomen, laparotomy, laparoscope (laparoscopy), catheter, etc. may be used in the vicinity of the disease, such as laser irradiation and Ultrasound detection may also be performed. In many of these applications, the light absorption frequency characteristics of the contrast agent have been clarified and are publicly known. , Observe the ultrasonic waves generated during broadband or specific band laser irradiation in a wide band as follows, or focus on a specific ultrasonic frequency band, or It is possible to observe sound waves in a wide band, focus on a specific ultrasonic frequency band at that time, and simulate broadband laser irradiation by superimposing the observed ultrasonic signals. The ultrasonic sensors may be arranged in a one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional array with the same broadband or specific band characteristics, or with different band characteristics in a similar array. They may be arranged in a pattern (for example, locally continuously, alternately, or periodically), and the light source and ultrasonic sensor may have separate bodies or may be integrated. (Sometimes the light source and ultrasonic sensor are replaced and they are installed in the same place), and imaging is not always performed, and only quantitative observation based on numerical values is possible. It is sometimes done. As described above, the observation target is the glucose concentration, and it can be applied to the observation and imaging of the blood sugar level. In addition to sugars, PET contrast agents include oxygen, water, amino acids, nucleic acids, neurotransmitters labeled with positron-emitting nuclides ( 11 C-methionine, 11 C-acetic acid, 11 C-choline, 11 C-choline, 11 C-methylspiperone, 13 N-ammonia, 15 O-water, 15 O-oxygen gas, 18 F-fluorodova, etc.) have been put to practical use, and those developed for photoacoustics have been developed separately. It can also be used for various contrast agents. In these photoacoustics, Doppler measurements (including vector measurements) may be performed on blood, urine, and body fluids with and without contrast agents, and soft and hard tissue Displacement, deformation, viscoelasticity, and thermodynamic properties of organs, including , may be observed (including not only diagnosis and examination but also various treatments). When exposed to radiation, as usual, it is necessary to prevent exposure or reduce the exposure dose to a safe value or less. Contrast agents may also have therapeutic effects. Conversely, a therapeutic agent may have the effect of a contrast agent.
Various contrast agents may be used at the same time, but there are also cases where they are not used. Ultrasonic sensors with broadband reception characteristics are actively used, and broadband photoacoustics signals are output at once for the above applications, etc. , or by filtering (analog or digital) to select a frequency band for the above applications (including imaging of the Photoacoustics signal itself). Observations of the above applications using Photoacoustics signals for each frequency or frequency band may be superimposed or averaged. In the case of imaging, a color may be assigned to the magnitude of the numerical value of the observation data to be displayed, or shading may be added even within the same color to provide resolution. In addition, observation results in each observed frequency or frequency band may be imaged and displayed in a superimposed manner. In that case, different colors may be assigned to the observation results of each observed frequency or frequency band, and resolution may be given to the numerical values of the observation data displayed with shading. It is important to understand which contrast agent or substance to be observed is responsible for the photoacoustics signal in each frequency band (it is also important to measure the dispersion of photoacoustic waves, but for example, human tissue or human diseased tissue , Absorbance data from 400 nm to 25 μm of related substances are abundant and useful), and photoacoustics signals in the frequency band that match those targets are sometimes actively used, but not necessarily. It is useful (that is, when multiple markers are mixed, such as at least one originally existing in the observation target, at least one taken in from outside the observation target, and when they exist together, especially irradiating light with a bandwidth in which a Photoacoustics signal is generated at them, such as when there are no markers without being aware of the markers). It may be imaged as described above, or may be used for observation of displacement and temperature described in this application, and other inverse analysis (observation) using them. Further, as described herein, spectral analysis (analog or digital filtering), signal processing such as ICA (with or without phase aberration correction), and other image processing (e.g., deterministic or stochastic In some cases, the signals from the different markers are separated and used by using a standard image pattern as an index. It is also effective to use the difference in signal strength or spectrum magnitude (rms value) itself. It can also be the analysis of the marker itself. In that case, the signal when a contrast agent is used and when it is not used may be targeted. Similarly, it may be imaged as described above, and the separated signals may be used for displacement and temperature observations, as described herein, and other inverse analyzes (observations) using them. In addition, for example, when imaging fluid in a medium that is stationary or moving slowly, such as blood flow, or observing their movement, the photoacoustics signal itself or ultrasonic waves (echoes) that may be used in combination Using Doppler observation on the signal, it is possible to separate directly using the clutter rejection filter and signal intensity difference used in normal blood flow Doppler observation, or to separate by specifying the blood flow position (area). is also useful. Of course, this processing is effective even when observing by appropriately setting the frequency and band of the irradiation light to the target fluid. It is also useful to use Doppler observation using an optical device (optical pulse or electromagnetic wave pulse) for processing. Importantly, it also allows a detailed evaluation of the medium surrounding the separated fluid (displacement, temperature, inverse analysis, etc.). These are useful methods for continuous analysis/analysis and synthesis (theory).
For these photoacoustics signals (received signals), well-known beamforming methods as well as various beamforming methods and signal processing described herein are used. Applications therefore include imaging of the Photoacoustics signal itself, as described above. For detection processing, the method described in this specification is used in addition to the known method. Various signal processing techniques can be used to separate the signals, such as ICA as described herein, but for example, the spectrum can be split, split after beamforming, or angular spectrum before beamforming. may be divided. When dividing the angular spectrum, in addition to Fourier beamforming, various beamforming such as DAS processing can be performed. In superposition, coherent addition or incoherent addition is performed. In particular, by using the beamforming method and signal processing described in this specification, weak signals can be processed without leakage, and detailed observation can be performed with high accuracy. Photoacoustics signals are basically broadband, so it is possible not only to realize high-resolution observation (including the above applications), but also to apply it as a microscope. It can also be realized. In this case as well, the above application and the like are performed. In addition, the light irradiation can be performed by irradiating a wide range at once, such as plane waves, spherical waves, or cylindrical waves, or by scanning the light beam (mechanical scanning or electronic scanning), and the latter is better than the former. High-resolution observation is possible.
In addition, when the reception characteristics of the ultrasonic sensors are narrowband, each photoacoustics signal received by using a plurality of ultrasonic sensors with different reception bands may be used as described above, or may be used in combination. sometimes.
These observed photoacoustic signals are similarly processed instead of ultrasonic echoes, subjected to various signal processing (including inverse analysis) described herein, and variously applied. For example, Doppler observation, dynamic reconstruction, thermodynamic reconstruction based on temperature observation, etc. are not limited to these.

また、波動を最後の逆フーリエ変換前に分離して検波(二乗検波や包絡線検波等)するか、最後の逆フーリエ変換後に分離して同検波するか、又は、元より分離されているものをフーリエ変換前後で検波すること(非特許文献1)が可能であり、各々の波動の強度分布を表す画像化を行うか、又は、それらの検波によりインコヒーレント信号になったものを重ね合わせて、決定的(deterministic)な信号(例えば、反射信号やスペキュラー信号)を強調し、確率的(stochastic)な信号(例えば、散乱信号やスペックル信号)を低減して、対象や媒体の構造の空間的な変化を効果的に描出することが行われる(本願の発明者の過去の発明)。 In addition, the wave is separated before the final inverse Fourier transform and detected (square detection, envelope detection, etc.), separated after the final inverse Fourier transform and detected simultaneously, or separated from the beginning can be detected before and after the Fourier transform (Non-Patent Document 1), and the intensity distribution of each wave can be visualized, or the incoherent signals obtained by the detection can be superimposed. , which emphasizes deterministic signals (e.g., reflected and specular signals) and reduces stochastic signals (e.g., scattered and speckle signals) to provide a spatial representation of structures in objects and media. (Past invention of the inventor of the present application).

波動が重なっているコヒーレント信号を検波し、その強度分布の画像化を行うこともある。また、検波していないコヒーレント信号を画像化して、波打ちそのものを画像化することもあるし、信号の強度(振幅)の画像と共に得られる位相分布の画像を提示することも可能である。単一の波動に関しても同様に画像されることがある。 In some cases, coherent signals with superimposed waves are detected and their intensity distributions are imaged. In addition, it is also possible to image the undetected coherent signal and image the waving itself, or to present the image of the phase distribution obtained together with the image of the intensity (amplitude) of the signal. A single wave may be similarly imaged.

表示方法は、グレー画像やカラー画像が一般的(popular)であるが、その際に、定量性が求められる場合には、表示されている輝度や色に対応する数値がバー表示されることもある。その他、鳥瞰図等で表示されることもあり、CGを併用して表示されることもある。それらは静止画又は動画として表示されることがあるし、動画はフリーズして表示されることもあるし、それらが実時間で表示されることもあるし、オフラインで処理されて表示されることもある。記憶装置(又は記憶媒体)に格納されている波動データ又は画像データが読みだされて表示されることもある。任意数値の経時的な変化がグラフとして表示されることもある。 Gray images and color images are the most popular display methods, but when quantification is required at that time, numerical values corresponding to the displayed brightness and color may be displayed as bars. be. In addition, it may be displayed as a bird's-eye view or the like, and may be displayed using CG together. They may be displayed as still images or videos, videos may be displayed frozen, they may be displayed in real-time, or they may be processed and displayed offline. There is also Wave data or image data stored in a storage device (or storage medium) may be read and displayed. Any numerical value over time may be displayed as a graph.

その他、例えば、マイクロ波や赤外線、又は、テラヘルツ帯域の信号を使用して、計測対象の温度分布を観測すること等も可能である。輻射しているものに送波した波動が変調を受け、これを検出する(尚、第2の実施形態に係るパッシブ型の装置においても、輻射される波動そのものから対象の温度分布の計測が行われることもある)。他の波動と同様、連続波でなく、パルス波やバースト波、ビームフォーミングを用いると空間分解能を得ることができ、赤外線は、主として対象の表面の温度分布を観測する場合に使用されるが(対象の表面のみに制約されると考える場合も有る)、マイクロ波やテラヘルツを用いると、対象の内部の温度分布をも観測することができる。これらの観測された物理量や化学量を基に、逆問題的なアプローチ等の高次の処理が実施されて、粘弾性率や弾性率、粘性(特許文献9)、熱物性(特許文献10)、電気物性(導電率や誘電率、特許文献8)、透磁率、波動の伝搬速度(光速や音速等)、減衰、散乱(前方散乱や後方散乱等)、透過、反射、屈折、表面波、又は、波動源等が、周波数分散を含めて求められることがある。特許文献8~10には、関心領域内の1つの物理量(観測量)からその物理量に関連する物性の分布を再構成できる方法が開示されている。また、直接的にセンサーによってセンシングされた波動そのものから直接的に物性分布が評価されることもある。医療応用においては、超音波やMRIを使用する場合を含め、癌病変や加温・加熱治療中、それらの治療や外科術の後の炎症部分の温度や熱物性に加え、粘弾性率の観測やモニタリングが行われることもある。また、体温観測(朝、昼、夜、代謝、成長、老化、食前後、喫煙前後、末梢系への負荷、電気生理的な神経制御を含む等)、様々な臓器における運動負荷等も、同様にして、観測されることがある。医療応用に限られるものでも無く、他の有機体や無機体、混合して構成されるものが観測対象となることもあり、診断、修復、応用等において、様々な観測やモニタリングが連動して実施されることがある。テラヘルツの応用は、それらの計測のみならず、他の波動と同様に、透過波や反射波等のイメーングに使用でき、ドプラ計測等にも応用できる。特徴的に、X線と同様、無機物の観測にも応用できる。他の波動も有機体と無機物の観測に使用されることもるが、他の波動と同時に使用して、Fusionすることも可能である。 In addition, for example, it is possible to observe the temperature distribution of the measurement target using microwaves, infrared rays, or signals in the terahertz band. The waves transmitted to the radiating object are modulated and detected (even in the passive type apparatus according to the second embodiment, the temperature distribution of the target is measured from the radiated waves themselves. sometimes called). Spatial resolution can be obtained by using pulse waves, burst waves, and beamforming, instead of continuous waves, as with other wave motions. Some people think that it is limited only to the surface of the object), but if microwaves and terahertz are used, the temperature distribution inside the object can also be observed. Based on these observed physical quantities and chemical quantities, high-order processing such as an inverse problem approach is performed to obtain viscoelastic modulus, elastic modulus, viscosity (Patent Document 9), , electrical properties (conductivity and permittivity, Patent Document 8), magnetic permeability, wave propagation speed (light speed, sound speed, etc.), attenuation, scattering (forward scattering, backscattering, etc.), transmission, reflection, refraction, surface waves, Alternatively, wave sources and the like may be sought including frequency dispersion. Patent Documents 8 to 10 disclose a method capable of reconstructing the distribution of physical properties related to one physical quantity (observed quantity) within a region of interest. In addition, the distribution of physical properties may be evaluated directly from the waves themselves that are directly sensed by sensors. In medical applications, including the use of ultrasound and MRI, observation of viscoelastic modulus in addition to temperature and thermophysical properties of cancerous lesions, inflamed areas during heating/heat treatment, after such treatment and surgery. and monitoring may be carried out. In addition, body temperature observation (morning, noon, night, metabolism, growth, aging, before and after eating, before and after smoking, load on the peripheral system, including electrophysiological nerve control, etc.), exercise load on various organs, etc. can be observed. It is not limited to medical applications, and other organic and inorganic substances, or mixtures of them, can be observed. may be implemented. The application of terahertz can be applied not only to these measurements, but also to imaging of transmitted waves, reflected waves, etc., as well as other wave motions, and can also be applied to Doppler measurements and the like. Characteristically, it can also be applied to observation of inorganic substances, like X-rays. Other waves can also be used to observe organic and inorganic matter, but they can also be used simultaneously with other waves for fusion.

計測された変位や温度等の物理量も、同様に画像表示されることがあるが、同時に得られる形態学的画像に重畳されて表示されることもある。これらの分布を表す画像には定量性が求められることが多く、表示されている輝度や色に対応する数値がバー表示されることもある。その他、鳥瞰図等で表示されることもあるし、CGが併用されて表示されることもある。それらは静止画又は動画として表示されることがあるし、動画はフリーズして表示されることもあるし、それらが実時間で表示されることもあるし、オフラインで処理されて表示されることもある。記憶装置(又は記憶媒体)に格納されている波動データ又は画像データが読みだされて表示されることもある。任意数値の経時的な変化がグラフとして表示されることもある。 Measured physical quantities such as displacement and temperature may also be displayed as images in a similar manner, and may also be displayed superimposed on the morphological image obtained at the same time. Images representing these distributions are often required to be quantitative, and numerical values corresponding to displayed brightness and color are sometimes displayed as bars. In addition, it may be displayed as a bird's-eye view or the like, or may be displayed using CG together. They may be displayed as still images or videos, videos may be displayed frozen, they may be displayed in real-time, or they may be processed and displayed offline. There is also Wave data or image data stored in a storage device (or storage medium) may be read and displayed. Any numerical value over time may be displayed as a graph.

また、他装置から、入力装置を通じて観察対象である波動に関する付加情報が提供されることがあり、また、他物理量や化学量の観測データが提供されることもあり、デジタル信号処理ユニットにおいて、上記の処理の他に、データマイニングや独立信号分離(独立成分分析)、主成分分析、符号、多次元スペクトル解析、MIMO、SIMO、MUSICによる信号分離、パラメトリックな方法による対象の同定に基づく信号分離、これらの方法を併用することのある超解像、又は、ISAR(Inverse synthetic aperture)等の高次の処理が行われることがある。つまり、ビームフォーミング(開口面合成を含む)されたものに超解像が施されることもあるし、受信ビームフォーミング前又はビームフォーミングが全く行われていないもの(開口面合成用送受信信号)に超解像処理を施した上でビームフォーミングが行われることがあるが、各々の場合において、それらの方法が併用されることがある。 In addition, additional information on waves to be observed may be provided from other devices through input devices, and observation data of other physical and chemical quantities may be provided. In addition to processing, data mining, independent signal separation (independent component analysis), principal component analysis, code, multidimensional spectrum analysis, signal separation by MIMO, SIMO, MUSIC, signal separation based on identification of objects by parametric methods, High-order processing such as super-resolution or ISAR (Inverse synthetic aperture), which may use these methods together, may be performed. In other words, super-resolution may be applied to beamformed (including aperture plane synthesis), and before reception beamforming or without beamforming at all (transmission and reception signals for aperture plane synthesis) Beamforming may be performed after performing super-resolution processing, and in each case, these methods may be used together.

第2の実施形態に係るパッシブ型の装置においても、これらの処理が行われるので、そこで詳述することにするが、パッシブ装置の場合と異なり、本実施形態に係るアクティブ型の装置では、波動を送信して走査するため、受波した受信信号において関心のある位置を特定できることが大きく異なり、また、送信フォーカス又はマルチフォーカスを行えば、それらのフォーカス位置の状態や機能、そこに波動源があれば波動源に関する情報で高分解能に波動を変調して復調してそれらを理解し、また、平面波(フラットなアレイ)や円筒波(リング状のアレイ)、球面波(球殻状のアレイ)に類する波動を使用すれば、高いフレームレートで高速にそれらを捉えることも可能である。 These processes are also performed in the passive device according to the second embodiment, and will be described in detail there. is transmitted and scanned, it is greatly different that the position of interest can be specified in the received signal. If there is, we can understand them by modulating and demodulating waves with information about the wave source with high resolution, and also plane waves (flat array), cylindrical waves (ring-shaped array), spherical waves (spherical shell-shaped array) If you use a wave similar to , it is possible to capture them at high frame rates and at high speed.

通信を行う上では、送信トランスデューサから、通信先の位置を絞って、省エネと通信のセキュリティを向上させることができる。観察を行うに当たっては、計測系を構成する上で自由度が高い。また、それらのシステム論に基づく処理においては、生成する点拡がり関数を同定したり、また、目的に合わせて調整したりすることも容易である。送信トランスデューサや受信トランスデューサ(送信トランスデューサを兼ねることもある)の各々を複数使用することも可能であるし、送信と受信の対象となる波動が同種の物であることも異なることもあるし、時として、同期して稼働する複数のトランスデューサ専用の装置本体が複数台使用することもあるし、また、第2の実施形態に係るパッシブ型の装置が併用されることもあるし、それらが、それらを制御する装置を含む他の装置と、専用又は通常のネットワークを通じて結ばれていることもあるし、装置本体がネットワークの制御機能を有することがある。 When performing communication, it is possible to narrow down the position of the communication destination from the transmission transducer, thereby improving energy saving and communication security. When performing observation, there is a high degree of freedom in constructing the measurement system. In addition, in the processing based on those system theory, it is easy to identify the point spread function to be generated and to adjust it according to the purpose. It is also possible to use multiple transmitting transducers and receiving transducers (sometimes also serving as transmitting transducers), and the waves to be transmitted and received may be the same or different, and sometimes As such, a plurality of device main bodies dedicated to a plurality of transducers that operate in synchronization may be used, or a passive type device according to the second embodiment may be used in combination. may be connected to other devices, including a device that controls the , through a dedicated or normal network, and the device itself may have a network control function.

各種観測データを基に、材料や構造物の製造する装置、治療や修復するための装置、応用する装置(ロボット等)などの装置が連動して稼働することもあるが、それらに限られない。尚、これらの波動を用いた計測や高次の計算処理は、脱着可能な記憶装置(記憶媒体)に格納された波動データ等を用いて、別装置で実施されることもあるし、それらのデータが同タイプの記憶装置(記憶媒体)に格納されて、別の装置で使用されることもある。 Based on various observation data, equipment such as equipment for manufacturing materials and structures, equipment for treatment and repair, equipment for application (robots, etc.) may operate in conjunction, but it is not limited to these. . Measurements and high-level calculations using these waves may be carried out by separate devices using wave data stored in removable storage devices (storage media). Data may also be stored in the same type of storage device (storage medium) and used in another device.

尚、受信してメモリ又は記憶装置(記憶媒体)に格納されている受信信号において、対象や媒体において生成される高調波成分を含んでいる場合に、ビームフォーミング処理を行う前に基本波や高調波(第2高調波だけのときもあればさらに高次の成分を無視することなく複数の高調波を扱うときもある)を分離してビームフォーミング処理(通常の整相加算)することもあるし、ビームフォーミングが実施された後に分離されることがある。その分離方法には、周波数領域において、スペクトルを分離するものがあるが、帯域が重なることがあり、いわゆる、医用超音波ではパルス・インバージョン法と呼ばれる同時相において極性が逆の波動を生成し、本実施形態に係る装置において、各々の送信に対する受信信号をビームフォーミング前又は後で重ね合わせすると、第2次高調波成分を抽出できると共に、基本波も得ることができる。 If the received signal received and stored in a memory or storage device (storage medium) contains harmonic components generated in the object or medium, the fundamental wave and the harmonic components are Waves (sometimes only the second harmonic, sometimes multiple harmonics without ignoring higher-order components) are separated and beamforming processing (normal phased addition) is sometimes performed. and may be separated after beamforming is performed. There is a separation method that separates the spectrum in the frequency domain, but the bands may overlap, and in the so-called pulse inversion method in medical ultrasound, waves with opposite polarities are generated in the same phase. In the device according to this embodiment, if the received signals for each transmission are superimposed before or after beamforming, the second harmonic component can be extracted and the fundamental wave can also be obtained.

その他、多項式を用いて分離する方法も知られており、本実施形態に係る装置では、波動伝搬方向の1次元処理、もしくは横方向に変調されている場合や波動の伝搬方向が厳密には各位置において変化することを加味して多次元処理することが可能であり、ビームフォーミングの前又は後において実施できる。但し、分離してからビームフォーミングを行う場合において、基本波や高調波の各々のビームフォーミングを行う場合には、各々のビームフォーミング処理を行うことになるので、計算時間を要し、従って、並列処理が行われることもあるが、ビームフォーミング後の分離の方が、処理が高速である。 In addition, a separation method using a polynomial is also known, and in the apparatus according to this embodiment, one-dimensional processing in the wave propagation direction, or when the wave is modulated in the lateral direction, and strictly speaking, the wave propagation direction is different Multi-dimensional processing can take into account changes in position and can be done before or after beamforming. However, in the case of performing beamforming after separation, when beamforming is performed for each of the fundamental wave and harmonics, each beamforming process is performed, which requires computation time. Processing may be performed, but separation after beamforming is faster.

一方、各送信開口から送信される波動が符号化されているときは、ビームフォーミングを行うに当たり、各受信開口素子によって受信した受信信号に対して、どの送信開口素子から送信されて生成された波動成分であるかをマッチドフィルタに基づく信号検出により分離し、受信のダイナミックフォーカシングだけでなく送信のダイナミックフォーカシングをも行うことがあり、これは広く知られている。これは、平面波送波による高速送信においても有効であるし、フォーカスビームやステアリングを行っている場合においても有効である。 On the other hand, when the wave transmitted from each transmission aperture is coded, when beamforming is performed, the wave generated by transmission from which transmission aperture element corresponds to the received signal received by each reception aperture element. It is widely known that the components are separated by signal detection based on matched filters to perform not only reception dynamic focusing but also transmission dynamic focusing. This is also effective in high-speed transmission by plane wave transmission, and is also effective in focusing beams and steering.

また、複数の波動又はビームを同時に送信する場合において、例えば、上記の複数の異なる周波数や複数の異なる伝搬方向を持つ波動等を、各々を符号化(coding)したものとして送波し、受信信号を同様に復号化(decoding)して、それらの各々の波動や送信ビームにより生じた受信信号に分離することにより、分離能を向上させることがある。これは、例えば、帯域が重なる波動や屈折や反射、透過、散乱等により伝搬方向が同一となる場合等において効果がある。分離する波を別のコード(code)で符号化する基本的な考え方に基づく。物理的なパラメータが同一である下で単純に符号化することもある。 In addition, when transmitting a plurality of waves or beams at the same time, for example, waves having a plurality of different frequencies and a plurality of different propagation directions are coded and transmitted, and the received signal are similarly decoded to separate the received signals produced by their respective waves or transmit beams, thereby improving resolution. This is effective, for example, when the propagation directions are the same due to waves with overlapping bands, refraction, reflection, transmission, scattering, or the like. Based on the basic idea of encoding the separating waves with a different code. It may simply be coded under the same physical parameters.

これらにおいて、連立方程式を解くことも可能であるが、処理が高速であり、マッチドフィルタの効果も得られる。対象や媒体に適したコード(code)も開発されている。しかしながら、使用する素子数が増えると、コード長が長くなり、信号のエネルギーは大きくなり、これを有効利用することは重要であるが、その反面、例えば、対象や媒体が変形する場合には精度が低下して適さなないこと等が知られており、チャープ信号圧縮においても同様の問題を生じる。 Although it is possible to solve simultaneous equations in these methods, the processing speed is high and the effect of the matched filter is also obtained. Codes have also been developed that are suitable for the subject and medium. However, as the number of elements used increases, the code length becomes longer and the energy of the signal becomes larger, and it is important to make effective use of this. is known to be unsuitable due to a decrease in , and similar problems arise in chirp signal compression.

通信においては、各送信開口素子から送信される波動に情報を符号化したもので符号化(coding)して送波し(ビームフォーミングとしては、例えば、平面波や円筒波、又は、球面波を使用して広く伝える場合や、複数位置であることのあるフォーカシングを行い、それらの位置における精度を保証し、また、局所又は特定の対象と通信するべくセキュリティを確保したり、省エネ化することもある)、受信信号に対してビームフォーミングを行った上で復号化(decoding)される。本実施形態に係る装置における符号化の応用は、それらに限られるものではないが、デジタル信号処理ユニット(メモリ内臓型もある)やメモリや記憶装置(記憶媒体)において、これらの処理が行われる。 In communication, waves transmitted from each transmission aperture element are coded with information encoded and transmitted (for example, plane waves, cylindrical waves, or spherical waves are used for beamforming). Focusing, which may be in multiple locations, to ensure accuracy at those locations, and may also ensure security or save energy in order to communicate with local or specific targets. ), beamforming is performed on the received signal, and decoding is performed. Applications of encoding in the apparatus according to the present embodiment are not limited to these, but these processes are performed in a digital signal processing unit (some include memory-embedded units), memory, and storage devices (storage media). .

また、本実施形態に係る装置により観測される、又は、他より提供される、物理量(変位、速度、加速度、歪、歪速度等の大きさや方向、温度等)や化学量、又は、付加情報、また、逆問題的なアプローチ(特許文献8~10)等の上記の高次の処理が実施されて得られる、波動に関連する粘弾性率や弾性率、粘性、熱物性、電気物性(導電率や誘電率)、透磁率、波動の伝搬速度(光速や音速等)、減衰、散乱、透過、反射、屈折、表面波、波動源、材料、構造、又は、それらの周波数分散等を基に、常時又は適宜、又は、決まった時間間隔で、ビームフォーミングパラメータ(送信強度、送信と受信のアポダイゼーション、送信と受信のディレイ、ステアリング角度、送信と受信の各々の時間間隔(スキャンレート)、フレームレート、走査線数、有効開口の数や形状と大きさと向きと位置、開口素子の形状や大きさや向き、物理開口の向き、又は、偏波モード等)が最適化されることがある。それにより、例えば、空間的に一様なクオリティー(空間分解能やコントラスト、スキャンレート等)を持つ、また、あるターゲットが(形や材料、構造、動きの特徴、温度、湿度等に基づいて)検出された位置やそれに関連する位置に高いクオリティー(空間分解能やコントラスト、スキャンレート等)を持つ、対象の動きや組成、構造に合わせて散乱波(前方散乱波又は後方散乱波)や透過波、反射波、屈折波、又は、表面波を適切に捉えたり、重点的に広い方向から観測する等、最適化ビームフォーミングが行われる。 In addition, physical quantities (displacement, velocity, acceleration, strain, strain rate and other magnitudes and directions, temperature, etc.), chemical quantities, or additional information observed by the device according to the present embodiment or provided by others , In addition, the viscoelastic modulus, elastic modulus, viscosity, thermophysical properties, electrical properties (conductivity Permeability, wave propagation velocity (light speed, sound speed, etc.), attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, surface wave, wave source, material, structure, or their frequency dispersion, etc. beamforming parameters (transmission intensity, transmission and reception apodization, transmission and reception delay, steering angle, time interval between each transmission and reception (scan rate), frame rate) , the number of scan lines, the number, shape, size, orientation and position of the effective aperture, the shape, size and orientation of the aperture element, the orientation of the physical aperture, or the polarization mode, etc.) may be optimized. Thereby, for example, certain targets can be detected (based on shape, material, structure, motion characteristics, temperature, humidity, etc.) with uniform spatial quality (spatial resolution, contrast, scan rate, etc.) Scattered waves (forward or backscattered waves), transmitted waves, reflected waves, depending on the movement, composition and structure of the object, with high quality (spatial resolution, contrast, scan rate, etc.) at the detected and related positions Optimized beamforming is performed, such as properly capturing waves, refracted waves, or surface waves, and focusing on wide-angle observations.

波動の伝搬速度は媒体の物性で決まるが、その物性は圧や温度、湿度等の環境条件によって変化し、また、媒体中で物性が不均質であることも多く、従って、伝搬速度は不均質である。伝搬速度は実時間で計測されることもあり、また、環境条件に対する校正データに基づき、観測される環境条件より、伝搬速度を求めることもできる。本実施形態に係る装置は、伝搬速度の不均質性を補正する位相収差補正ユニットをさらに備えており、実質的に、送信時に上記の各チャンネルの送信ディレイそのものか補正専用のディレイを調節して位相収差補正を行える。また、受信後においては、その送信及び/又は受信の伝搬経路における伝搬速度の不均質性を補正するべく、上記デジタル信号ユニットにおいて、周波数領域における複素指数関数の乗算による補正が可能である。若しくは、上記のフーリエ変換と逆フーリエ変換の計算において、直接に補正を施すことも可能である。計測された伝搬速度の信頼性は、計測対象そのものか、計測対象の近傍に存在するか設置した参照物を対象としてイメージング信号を生成し、結像の状態、空間分解能、信号強度、コントラスト等を指標として確認でき、これを基に、さらに、調整されることもある。後述のパッシブである第2の実施形態においても、受信後に、送信及び/又は受信の位相収差補正が行われることがある。 The wave propagation velocity is determined by the physical properties of the medium, but the physical properties change depending on the environmental conditions such as pressure, temperature, and humidity. is. The propagation velocity may be measured in real time, or the propagation velocity may be determined from observed environmental conditions based on calibration data for environmental conditions. The apparatus according to this embodiment further includes a phase aberration correction unit that corrects the non-uniformity of the propagation velocity. Phase aberration correction can be performed. Also, after reception, correction by complex exponential multiplication in the frequency domain is possible in the digital signal unit to correct for propagation velocity inhomogeneities in the transmission and/or reception propagation paths. Alternatively, correction can be applied directly in the calculation of the Fourier transform and the inverse Fourier transform. The reliability of the measured propagation velocity is determined by generating an imaging signal for the target object itself or a reference object that exists or is installed near the target object, and evaluates the state of imaging, spatial resolution, signal strength, contrast, etc. It can be confirmed as an index, and may be further adjusted based on this. Also in the passive second embodiment described later, transmission and/or reception phase aberration correction may be performed after reception.

波動は、減衰や散乱、透過、反射、屈折等の影響を受けながら伝搬して拡がるものであり、基本的には、伝搬距離にも伴い、波動の強度は弱くなる。従って、本実施形態に係る装置では、例えば、ランバートの法則に基づいて、ビームフォーミングの前又は後の信号に対して減衰の補正を行う機能が搭載されていたり、操作者が入力装置より減衰の補正を各位置や各距離において調整できる機能が備えられていることがあるが、上記の如く、対象に適応して最適な補正をビームフォーミング処理の前又は後において行う機能を備えることもある。これらの処理において、自由度は低いが、処理の高速性を重視して、デジタル処理ではなく、アナログデバイスや回路によるアナログ処理が行われることがある。 A wave propagates and expands while being affected by attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, etc. Basically, the intensity of the wave weakens with the propagation distance. Therefore, the apparatus according to the present embodiment is equipped with a function of correcting the attenuation of the signal before or after beamforming based on Lambert's law, or the operator can input attenuation from the input device. A function may be provided to adjust the correction at each position or distance, and as described above, a function may be provided to perform the optimum correction before or after the beamforming process by adapting to the object. In these processes, although the degree of freedom is low, there are cases where analog processing is performed by analog devices or circuits instead of digital processing, emphasizing high-speed processing.

上記の処理において、重ね合わせとスペクトル周波数分割は、線形処理であったが、上記の方法(1)~(6)のビームフォーミングによる波動の生成又は生成後において、非線形の処理を施し、別の波動パラメータを持つ信号を生成することが行われる。ビームフォーミングの過程において、受信信号がアナログ信号であるときにはアナログ回路(ダイオードやトランジスタ、増幅器、専用非線形回路等)を用いたアナログ信号処理に基づき、デジタル信号であるときにはデジタル信号処理ユニットを用いたデジタル信号処理に基づき、受信信号にべき乗演算や乗算演算、その他の非線形処理が施されることがある。周波数領域において、スペクトルに対して非線形処理が施されることもある。 In the above processing, the superposition and spectral frequency division were linear processing, but nonlinear processing is performed after generation of waves by beamforming in the above methods (1) to (6). Generating a signal having a wave parameter is performed. In the beamforming process, when the received signal is an analog signal, it is based on analog signal processing using analog circuits (diodes, transistors, amplifiers, dedicated nonlinear circuits, etc.), and when it is a digital signal, it is digital using a digital signal processing unit. Based on the signal processing, the received signal may undergo exponentiation, multiplication, or other non-linear processing. Non-linear processing may be applied to the spectrum in the frequency domain.

その他、DASの変形として、本願の発明者の発明であるDAM(Delay and Multiplication)処理を本発明の装置において周波数領域において実施することがある。時空間領域におけるべき乗や乗算等の積の計算は、周波数領域では畳み込み積分で計算できる。信号を高周波化したり、広帯域化したり、高調波を模擬したり、ステアリングされた波動に関しては、少なくとも任意の1方向から全方向に検波した信号を得ることができ、例えば、その結果として得られる波動の画像を生成できるし、通常の1方向の変位計測法を用いて、変位ベクトルの計測が可能であることがある。 In addition, as a modification of DAS, DAM (Delay and Multiplication) processing, which is the invention of the inventor of the present application, may be implemented in the frequency domain in the device of the present invention. Calculation of products such as exponentiation and multiplication in the spatio-temporal domain can be performed by convolution integral in the frequency domain. Signals can be frequency-enhanced, broadbanded, harmonically simulated, and steered waves can be omnidirectionally detected from at least one direction, e.g., the resulting wave images can be generated and it may be possible to measure displacement vectors using conventional unidirectional displacement measurement techniques.

また、仮想源を用いたイメージング信号の生成も可能である。仮想源については、過去に物理開口の手前に仮想源を設置するものや送信焦点位置に仮想源を設置するものが報告されており、また、本願の発明者は、仮想源のみならず検出器を任意位置に設置することや、波動の物理的な源や検出器を適切な散乱体や回折格子の任意位置に設置できること等を報告しており(特許文献7、非特許文献8)、本発明は、上記の如く、それらの仮想源や仮想検出器においても実施できる。高空間分解能化や視野領域(FOV)を広くすることが可能である。また、1素子以上の開口を用いた送信(ビームフォーミングした場合としていない場合、開口面合成用送受信)により得られた受信信号に対して、送信又は受信、又は、送受信のビームフォーミングを行う場合において、複数の波動パラメータ、複数のビームフォーミングパラメータ、及び、複数のトランスデューサのパラメータ(素子の形や大きさ、配置、数、有効開口幅、素子材料等々)の内の少なくとも1つのパラメータを異なるものとすることにより、異なる特徴を持ったビーム又は波動を複数個生成でき(同一の受信信号から複数個得ることも含む)、優決定(over-determined)システムを構成できるが、仮想源や仮想受信器の位置や、分布(形状や大きさ等)を変えることによっても、同様に、優決定(over-determined)システムを構成できる。この場合も、同一の受信信号から、異なる特徴を持った複数個のビーム又は波動が生成されることがある。優決定システムの特徴である、それらのコヒーレントな重ね合わせによる高SN比化及び高分解能化や、それらの検波を通じたインコヒーレントな重ね合わせによるスペックル低減等は、イメージングに有効である場合もあるし、また、変位計測や温度計測等の各種計測の精度を向上させる効果が得られる。仮想源や仮想受信器と共に、複数の波動パラメータ、複数のビームフォーミングパラメータ、及び、複数のトランスデューサのパラメータの内の少なくとも1つのパラメータを異なるものとすることもある(例えば、電気電子工学的又はメカニカルに物理的に、又は、ソフト的に、ステアリング角度を変える等)。 It is also possible to generate imaging signals using virtual sources. Regarding the virtual source, there have been reports in the past that a virtual source is installed in front of the physical aperture and that a virtual source is installed at the transmission focal position. can be installed at any position, and the physical source and detector of wave motion can be installed at any position on an appropriate scatterer or diffraction grating (Patent Document 7, Non-Patent Document 8). The invention can also be implemented in those virtual sources and virtual detectors, as described above. It is possible to increase the spatial resolution and widen the field of view (FOV). In addition, when transmitting or receiving a received signal obtained by transmission using an aperture of one or more elements (with or without beamforming, transmission and reception for aperture plane synthesis), or performing beamforming for transmission and reception , a plurality of wave parameters, a plurality of beamforming parameters, and a plurality of transducer parameters (element shape, size, arrangement, number, effective aperture width, element material, etc.). By doing so, it is possible to generate multiple beams or waves with different characteristics (including obtaining multiple beams from the same received signal) and configure an over-determined system. By changing the position and distribution (shape, size, etc.) of , it is possible to construct an over-determined system as well. Again, the same received signal may generate multiple beams or waves with different characteristics. The high SN ratio and high resolution due to coherent superposition of these, which are the characteristics of overdetermined systems, and the reduction of speckle due to incoherent superposition through their detection may be effective in imaging. Also, the effect of improving the accuracy of various measurements such as displacement measurement and temperature measurement can be obtained. At least one of wave parameters, beamforming parameters, and transducer parameters may be different (e.g., electro-electronic or mechanical physically or software to change the steering angle, etc.).

任意の波動源によって、波動が、受信開口素子アレイで決まる座標系を任意位置を中心として回転させたり、空間的にシフティングして表される座標系(例えば、送信開口の軸と横の座標で決まる座標であり、受信開口で決まるものとは異なる)において生成される場合に、受信信号に座標の補正をかけた上で、ビームフォーミングが行われることがある。例えば、上記の2次元のデカルト座標系(x,y)を原点を中心としてθだけ回転させた状態においてイメージング信号を直接に生成したい場合には、最初の時間方向のフーリエ変換により得られる解析信号に対して、式(29)を乗じて計算を進めればよく、波数ベクトル(kx,√(k2-kx2))及び座標(x,y)の回転とヤコビアンの計算を行うよりも、本発明により達成される高速性を失うことなく、高速にイメージ信号を生成できる。

Figure 0007175489000180
An arbitrary wave source causes waves to be represented by rotating or spatially shifting the coordinate system determined by the receive aperture element array around an arbitrary position (e.g., the axis and lateral coordinates of the transmit aperture). are different from those determined by the reception aperture), the received signal may be subjected to coordinate correction before beam forming. For example, when it is desired to directly generate an imaging signal in a state in which the two-dimensional Cartesian coordinate system (x, y) is rotated by θ around the origin, the analytic signal obtained by the first Fourier transform in the time direction is can be calculated by multiplying the equation (29), rather than calculating the rotation of the wave vector (kx, √(k 2 -kx 2 )) and the coordinates (x, y) and the Jacobian, Image signals can be generated at high speed without losing the high speed achieved by the present invention.
Figure 0007175489000180

但し、反射波の場合には、s=2であり、透過波の場合には、s=1である。実質的に、送信分の補正であれば、s=1によって実施すればよい。空間的なシフティング(並進)も周波数領域において、複素指数関数を掛けて実施できる。上記の波数ベクトル(kx,√(k2-kx2))及び座標(x,y)の回転とヤコビアンの計算を行う方法は、受信開口素子アレイで決まる座標系への変換を伴う送信ビームフォーミング(s=1)を行うものであり、その状況の下で、受信ビームフォーミング(s=1)は行われ、低速である。 However, in the case of the reflected wave, s=2, and in the case of the transmitted wave, s=1. Substantially, correction for transmission may be performed with s=1. Spatial shifting (translation) can also be performed in the frequency domain by multiplying by a complex exponential function. The above method of rotating the wavevector (kx, √(k 2 -kx 2 )) and coordinates (x, y) and calculating the Jacobian is similar to the transmit beamforming with transformation to the coordinate system determined by the receive aperture element array. (s=1), under which circumstances receive beamforming (s=1) is performed and is slow.

本実施形態に係るアクティブ型の装置においては、後に説明する第2の実施形態に係るパッシブ型の装置においても同様であるが、アナログデバイスとして、その他、トランスデューサや装置本体に組み込まれることもある、レンズや反射体(鏡)、散乱体、偏向器、偏光器、偏波器、吸収体(減衰器)、乗算器、共役器、位相遅延デバイス、加算器、微分器、積分器、整合器、フィルタ(空間又は時間、周波数)、回折格子、分光器、コリメータ、スプリッター、方向性結合器、又は、非線形媒体、波動の増幅器等の特殊なデバイスが併用されることがある。この他、光を対象とする場合には、偏光フィルタ、NDフィルタ、遮蔽物、光導波路、光ファイバー、光カー効果デバイス、非線形光ファイバー、光混合光ファイバー、変調用光ファイバー、光閉じ込めデバイス、光メモリ、分散シフト光ファイバー、バンドパスフィルタ、時間の反転器、又は、光学的マスク等による符号化等、また、それらを光制御(波長変換・スイッチング・ルーチング)するべく、光ノード技術、光クロスコネクト(OXC)、光分岐挿入多重(OADM)、光多重・分離装置、又は、光スイッチ素子が使用され、デバイスそのものが光伝達網や光ネットワークであることもある。この限りでは無い。ビームフォーミングにおいて、それらは、装置と共に、人義的に、又は、自然に、又は、上記の様な仕組みの下で同様に最適に、制御されるものである。周波数領域において、スペクトルに対して非線形処理が施されることもある。 In the active type device according to this embodiment, the same applies to the passive type device according to the second embodiment described later, but as an analog device, it may be incorporated in a transducer or device main body. Lenses, reflectors (mirrors), scatterers, deflectors, polarizers, polarizers, absorbers (attenuators), multipliers, conjugators, phase delay devices, adders, differentiators, integrators, matchers, Special devices such as filters (space or time, frequency), diffraction gratings, spectroscopes, collimators, splitters, directional couplers, nonlinear media, wave amplifiers, etc. may be used together. In addition, when targeting light, polarizing filters, ND filters, shields, optical waveguides, optical fibers, optical Kerr effect devices, nonlinear optical fibers, optical mixing optical fibers, optical fibers for modulation, optical confinement devices, optical memory, dispersion shift Encoding by optical fiber, bandpass filter, time inverter, or optical mask, etc., and optical node technology, optical cross-connect (OXC), optical control (wavelength conversion, switching, routing) for them Optical add-drop multiplexers (OADMs), optical multiplexers/demultiplexers, or optical switch elements may be used, and the devices themselves may be optical transport networks or optical networks. This is not the case. In beamforming, they are to be controlled artificially, naturally, or equally optimally under the scheme as described above, together with the device. Non-linear processing may be applied to the spectrum in the frequency domain.

また、その様な組み合わせの下で、本発明に係る装置は、波動を用いる通常の装置においても使用される。医療用の装置としては、例えば、超音波診断装置(反射・エコー法と透過型等がある)、X線CT(減衰効果を増強する造影剤が使用されることがある)、X線レントゲン、アンギオグラフィー、マンモグラフィー、MRI(Magnetic resonance Imaging、造影剤が使用されることがある)、OCT(Optical Coherent Tomography)、PET(Positron Emission Tomography、第2の実施形態に該当)、SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography)、内視鏡(カプセル型もある)、腹腔鏡、各種センシング機能を装備したカテーテル、テラヘルツイメージング装置、各種顕微鏡、各種放射線治療装置(治療効果増進のために化学療法を併用することがある)、SQUID計、脳波計、心電図計、及び、HIFU(High Intensity Focus Ultrasound)等が該当する。中でも、核磁気共鳴画像装置は、元よりデジタル装置であり、その素質(capability)を含め、応用範囲は非常に広い。例えば、本願発明者が取り組んでいる電磁波観測や逆問題までを使用すると、電流分布や電気物性再構成(計測)、変位や力学波の伝搬の観測、力学的特性の再構成(計測)、温度分布や熱波の観測、及び、熱物性の再構成(計測)の全てに応用することもできる(特許文献8~10)。特許文献8~10には、1次元、2次元、又は、3次元の関心領域内の1つの物理量(観測量)からその物理量に関連する物性の分布を再構成できる方法が開示されている。観測物理量が表面波(電磁波や弾性波、熱波等)や境界の物理量であり、その観測に基づいて同様にそれらの物性が再構成されることもある。テラヘルツを用いた場合には電界の観測が可能であり、電流密度や電気物性等の観測が可能である。テラヘルツを用いたドプラ観測も重要となる。また、直接的にセンサーによってセンシングされた波動そのものから直接的に物性分布が評価されることもある。これらに関しては、核磁気共鳴画像装置の他に、超音波等を用いた取り組みも行っており、同様である。また、他の取り組みとしては、例えば、OCTにおいては、吸収スペクトルの計測を行い、赤外分光法に基づき、例えば、皮膚の基底細胞癌、血液中の酸素やグルコース濃度のイメージングを行うことが可能になる。通常のNear InfraRed(NIR)への応用も可能であるが、いわゆるNIRに基づく再構成に比べて高空間分解能にその分布を捉えることが可能になる。また、それらにおいて、OCTやレーザー装置に超音波センサー装置(顕微鏡も可)を併用し、フォトアコースティックイメージングを行うこともあるし、応用は、それらに限られない。また、レーザーやOCT装置を使用して、力学的な刺激を与えない場合の組織のゆらぎを高感度に捉えてイメージングすることもある(ドプラ観測等、表面波の観測とその応用がなされることもある)。また、レーザー光によるもの等を含むあらゆる(力学的な)刺激に対する応答が、イメージングの対象とされることがある(光を用いて生じさせた動態の光を用いた観測等を含む)。その他のイメージングにおいては、化学センサー等が使用されることもある。波動の組み合わせに関しては、これらに限られるものでは無く、また、物理センサーの他に、化学センサー等の別のセンサーが併用されることもある。また、本発明に係る装置は、各種のレーダー、ソナー、及び、光学系装置等においても使用される。波動は、パルス波やバースト波に限らず、連続波が使用されることもある。また、自由度の高いデジタル処理を動作時間の速い専用のアナログ回路によって実現して使用することもあり、その逆もある。資源探査や非破壊検査、通信の分野等、各分野において各種の装置が存在し、それらにおいても、本発明に係る装置は使用される。本願発明の装置は、装置として、また、動作モード(例えば、イメージングモード、ドプラモード、計測モード、通信モード等)に関して、通常の装置において使用されうるものであり、また、それらや上記のものに限られるものではない。 Under such combination, the device according to the invention can also be used in conventional devices using waves. Examples of medical equipment include ultrasonic diagnostic equipment (reflection/echo method, transmission type, etc.), X-ray CT (in some cases, a contrast agent that enhances the attenuation effect is used), X-ray X-ray, Angiography, Mammography, MRI (Magnetic Resonance Imaging, contrast agents may be used), OCT (Optical Coherent Tomography), PET (Positron Emission Tomography, corresponding to the second embodiment), SPECT (Single Photon Emission Computed) tomography), endoscopes (capsule types are also available), laparoscopes, catheters equipped with various sensing functions, terahertz imaging devices, various microscopes, various radiotherapy devices (chemotherapy may be used in combination to enhance therapeutic effects) ), a SQUID meter, an electroencephalograph, an electrocardiograph, and HIFU (High Intensity Focus Ultrasound). Among them, a nuclear magnetic resonance imaging apparatus is originally a digital apparatus, and has a very wide range of applications including its capabilities. For example, using the electromagnetic wave observation and inverse problem that the inventor of the present application is working on, it is possible to reconstruct current distribution and electrical properties (measurement), observe displacement and mechanical wave propagation, reconstruct mechanical properties (measurement), temperature It can also be applied to all of observation of distribution and heat waves, and reconstruction (measurement) of thermophysical properties (Patent Documents 8 to 10). Patent Documents 8 to 10 disclose a method that can reconstruct the distribution of physical properties related to one physical quantity (observed quantity) in a one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional region of interest. Observed physical quantities are surface waves (electromagnetic waves, elastic waves, thermal waves, etc.) and boundary physical quantities, and their physical properties can be similarly reconstructed based on the observations. When terahertz is used, it is possible to observe an electric field, and it is possible to observe current density, electric physical properties, and the like. Doppler observation using terahertz is also important. In addition, the distribution of physical properties may be evaluated directly from the waves themselves that are directly sensed by sensors. In regard to these, in addition to nuclear magnetic resonance imaging, efforts are being made to use ultrasonic waves, etc., and the same is true. In addition, as other efforts, for example, in OCT, it is possible to measure absorption spectra and image basal cell carcinoma of the skin, oxygen and glucose concentration in blood, etc. based on infrared spectroscopy. become. Although application to normal Near InfraRed (NIR) is also possible, it is possible to capture the distribution with higher spatial resolution than reconstruction based on so-called NIR. In these methods, an ultrasonic sensor device (a microscope is also possible) may be used in combination with an OCT or laser device to perform photoacoustic imaging, and applications are not limited thereto. In addition, lasers and OCT equipment may be used to capture and image tissue fluctuations in the absence of mechanical stimulation with high sensitivity (observation and application of surface waves such as Doppler observation). there is also). In addition, the response to any (mechanical) stimulus, including that caused by laser light, may be the object of imaging (including observation of dynamics generated using light, etc.). In other imaging, chemical sensors and the like may be used. Combinations of waves are not limited to these, and other sensors such as chemical sensors may be used in addition to physical sensors. Devices according to the present invention are also used in various radars, sonars, optical devices, and the like. Waves are not limited to pulse waves and burst waves, and continuous waves may also be used. In addition, digital processing with a high degree of freedom may be realized and used by a dedicated analog circuit with a fast operating time, and vice versa. Various devices exist in various fields such as resource exploration, non-destructive inspection, and communication, and the device according to the present invention is also used in these fields. The device of the present invention can be used in conventional devices as a device and in terms of modes of operation (e.g., imaging mode, Doppler mode, measurement mode, communication mode, etc.) It is not limited.

上記の複数の固定フォーカシングビームやマルチフォーカシング、その他、平面波等の、任意のビームや波動を同時に物理的に送信した場合には、関心領域に対して広い範囲に一度に送信できると高フレームレートを実現できる。同一の有効開口から複数方向に同時に送信される場合もあれば、異なる有効開口から同一方向又は異なる方向に同時に送信される場合もある。その様なステアリング角度やフォーカス位置等がそれらにおいて同一又は異なる場合の他、超音波周波数や帯域幅(ビーム方向や波動の伝搬方向、それらと直交する方向)、パルス形状、波数、開口形状やアポダイゼーション等によるビーム形状等のビームフォーミングパラメータや、素子形状や大きさ、配列状況等のトランスデューサのパラメータが同一又は異なるものが同時に送信されることもある。
物理的な複数送信において、それらのパラメータが異なるときに、以下を代表的な場合として考えることができる。
(A1)全てに同一のソフト的なステアリングを施す場合。
(A2)異なる複数のソフト的なステアリングを施す場合(例えば、異なる送信ステアリング角度毎に同一のステアリングをソフト的に施す場合等)。
また、それらのパラメータが同一であるときに、以下を代表的な場合として考えることができる。
(B1)ソフト的なステアリングを施す場合。
(B2)複数のソフト的なステアリングを施す場合。
ただし、それらを複合して実施することもある。伝搬過程における障害物や、散乱や減衰の影響(周波数に依存する場合を含む)により、いわゆる、アダプティブビームフォーミングが行われることもある。その際に、ソフト的な送信と受信のステアリングやアポダイゼーションの組み合わせとして同一のものが実施される場合には、それらが重ね合わせされた状態において一度に処理される。また、組み合わせが異なるものを含む場合には、実施される組み合わせが同一のもの毎に重ね合わせされた状態において各々が一度に処理され、最後の逆フーリエ変換前に重ね合わせされる。
(A1)及び(B1)の場合には、各送信超音波に対するエコー信号の重ね合せとして受信される受信エコー信号に対して、1回のソフト的な処理を施せる。
(A2)の場合には、ソフト的に同一の処理を施すエコー信号に分類し、同一のソフト的なステアリングを施すもの毎に重ね合わせ、各々にそのソフト的な処理を1回ずつ施し、最後の逆フーリエ変換の前に、それらを重ね合わせる。尚、信号の分離は、上記の各種方法を使用すれば良く、また、それらに限られるものでは無い。
(B2)の場合には、全ての重ね合わせの角スペクトルに対して複数の異なるソフト的な処理を施し、最後の逆フーリエ変換の前に、それらを重ね合わせる。
また、それらのビームや波動が物理的に同時には送信されない場合において、対象の時相が同一であるか、又は、その仮定の下で、複数の送受信が行われた場合には、上記の同時送信の場合に従って処理されることがある。また、ソフト的な送信と受信のステアリングやアポダイゼーションの組み合わせが同一のものが実施される場合には、それらが重ね合わせされて一度に処理され、組み合わせが異なるものを含む場合には、実施される組み合わせが同一のもの毎に重ね合わせされて各々が一度に処理され、最後の逆フーリエ変換前に重ね合わせされる。同時送信されたものと同時には送信されなかったものとが、上記の同条件又は仮定の下で、同様に処理されることもある。尚、物理送信におけるそれらのパラメータは、予め既知である場合もあるし、ビームや波動が解析されて、使用されることがある。尚、後述のパッシブ型の場合においても、然りである。
複数のビームや波動の同時又は同時では無い送信を行うことにより、高フレームレートや同一又は複数箇所のフォーカシングを実現できる他、重ね合わせ処理を含む同処理に基づき、新しいパラメータを持つビームや波動を生成でき(例えば、広帯域化による高分解能化等)、また、スペクトルの周波数分割処理も交えて、同じく、新しいパラメータを持つビームや波動を生成でき、また、それらによって生成されたビームや波動をパラメータの異なるものに分離して、各々が使用される場合もある(例えば、生成されたビーム方向や波動の伝搬方向の変位の計測や変位ベクトル計測)。重ね合わせされた状態のものやスペクトル周波数分割されたもの、分離されたものに後述の非線形又は線形処理に基づく広帯域化が行われることもある。また、重ね合わせやスペクトル周波数分割されたもの、分離されたもの、非線形や線形処理の施されたもの等が、変位計測等に使用されることがある。それらの各々が検波されてイメージングされることもあるし、検波されたそれらが重ね合されてイメージングされることもある(例えば、スペックルを低減できる)。応用は、これらに限られず、上記の如く多様であり、また、それらに限られるものでは無い。
When arbitrary beams and waves such as multiple fixed focusing beams, multifocusing, and other plane waves are physically transmitted at the same time, high frame rates can be achieved if they can be transmitted over a wide area at once to the region of interest. realizable. In some cases, the signals are simultaneously transmitted in multiple directions from the same effective aperture, and in other cases, the signals are simultaneously transmitted in the same direction or different directions from different effective apertures. Such steering angles, focus positions, etc. may be the same or different in them, as well as ultrasonic frequency, bandwidth (beam direction, wave propagation direction, direction orthogonal to them), pulse shape, wave number, aperture shape and apodization. The same or different beam forming parameters such as beam shape, etc., and transducer parameters such as element shape, size, and arrangement may be transmitted at the same time.
In physical multiple transmission, when those parameters are different, the following can be considered as typical cases.
(A1) When applying the same soft steering to all.
(A2) When a plurality of different soft steerings are applied (for example, when the same steering is softly applied for each different transmission steering angle).
Also, when those parameters are the same, the following can be considered as representative cases.
(B1) When soft steering is applied.
(B2) When applying a plurality of soft steerings.
However, they may be implemented in combination. Obstacles in the propagation process and the effects of scattering and attenuation (including frequency-dependent cases) may lead to so-called adaptive beamforming. At that time, when the same combination of soft transmit and receive steering and apodization is performed, they are processed at once in a superimposed state. Also, if the combinations include different ones, each combination is processed once in a superimposed state for each identical combination to be performed, and superimposed before the final inverse Fourier transform.
In the cases of (A1) and (B1), one soft processing can be applied to the received echo signal received as a superposition of echo signals for each transmitted ultrasonic wave.
In the case of (A2), the echo signals are classified into echo signals to be subjected to the same processing in terms of software, each echo signal subjected to the same steering in terms of software is superimposed, each is subjected to the same software processing once, and finally. superimpose them before the inverse Fourier transform of . It should be noted that the signal separation may be performed using the various methods described above, and is not limited to them.
In case (B2), we apply different soft treatments to all superposed angular spectra and superimpose them before the final inverse Fourier transform.
In addition, when the beams and waves are not physically transmitted at the same time, the time phase of the target is the same, or under the assumption that multiple transmissions are performed, the above simultaneous It may be processed according to the transmission case. Also, when the same combination of soft transmit and receive steering and apodization is performed, they are superimposed and processed at once, and when different combinations are included, they are performed. Identical combinations are superimposed, each processed at once, and superimposed before the final inverse Fourier transform. Simultaneously transmitted and non-simultaneously transmitted may be treated similarly under the same conditions or assumptions above. These parameters in physical transmission may be known in advance, or beams and waves may be analyzed and used. This is also true in the case of the passive type, which will be described later.
By transmitting multiple beams and waves simultaneously or not, high frame rates and focusing on the same or multiple points can be realized. can be generated (for example, high resolution by widening the bandwidth), and also by frequency division processing of the spectrum, similarly, beams and waves with new parameters can be generated, and the beams and waves generated by them can be used as parameters may be used separately (for example, to measure the displacement in the direction of the generated beam or the propagation direction of the wave, or to measure the displacement vector). Band widening based on non-linear or linear processing, which will be described later, may be performed on the superimposed state, spectral frequency division, or separation. In addition, superposition, spectral frequency division, separation, non-linear or linear processing, etc. may be used for displacement measurement or the like. Each of them may be detected and imaged, or the detected ones may be superimposed and imaged (eg, to reduce speckle). Applications are not limited to these, and are diverse as described above, and are not limited to these.

<シミュレーション結果>
以下、主として、波動が超音波である場合に、上記のビームフォーミング方法(1)~(7)について、実行可能性をシミュレーションによって確認した結果を示す(平面波送波やステアリング時のモノスタティック型開口面合成、マルチスタティック型開口面合成、固定フォーカシングによるイメージ信号の生成、極座標系における送受信時のデカルト座標系におけるイメージ信号生成に加え、マイグレーション法の結果)。
<Simulation result>
In the following, the feasibility of the above beamforming methods (1) to (7) will be confirmed by simulation when the waves are mainly ultrasonic waves (plane wave transmission and monostatic aperture during steering). Image signal generation by surface synthesis, multi-static aperture surface synthesis, fixed focusing, image signal generation in the Cartesian coordinate system during transmission and reception in the polar coordinate system, and the result of the migration method).

図21は、シミュレーションにおいて用いられた数値ファントムを示す図である。ここでは、無エコー且つ無減衰媒体中において深さ30mmに2.5mm間隔で存在する5個の点散乱体を含む数値ファントムを扱った。エコー信号の生成には、Field II(非特許文献21を参照)を用いた。ここでは、深さ方向をz軸、横方向をx軸としている。 FIG. 21 is a diagram showing a numerical phantom used in the simulation. Here, we dealt with a numerical phantom containing five point scatterers existing at 2.5 mm intervals at a depth of 30 mm in an anechoic and non-attenuating medium. Field II (see Non-Patent Document 21) was used to generate echo signals. Here, the depth direction is the z-axis, and the horizontal direction is the x-axis.

平面波送波とマイグレーション法、モノスタティック型開口面合成では、1次元リニアアレイ型トランスデューサ(128素子、素子幅0.1mm、間隙0.025mm、スライス方向の厚み5mm)を用いた。固定フォーカシングとマルチスタティック型開口面合成では、1次元リニアアレイ型トランスデューサ(256素子、素子幅0.1mm、間隙0.025mm、スライス方向の厚み5mm、有効開口幅33~129素子)を用いた。極座標系における送受信には、コンベックス型トランスデューサ(128素子、素子幅0.1mm、間隙0.025mm、スライス方向の厚み5mm、曲率半径30mm)を用いた。放射する超音波パルスの中心周波数は3MHzとし、その音圧波形を図22に示す。偏向角度は、正面の深さ方向に対して定義し、以下においては、「θ」と表すことにする。 A one-dimensional linear array transducer (128 elements, element width of 0.1 mm, gap of 0.025 mm, thickness in the slice direction of 5 mm) was used in plane wave transmission, migration method, and monostatic aperture synthesis. A one-dimensional linear array type transducer (256 elements, element width of 0.1 mm, gap of 0.025 mm, thickness in the slice direction of 5 mm, effective aperture width of 33 to 129 elements) was used for fixed focusing and multi-static aperture plane synthesis. A convex transducer (128 elements, element width of 0.1 mm, gap of 0.025 mm, thickness in the slice direction of 5 mm, radius of curvature of 30 mm) was used for transmission and reception in the polar coordinate system. The center frequency of the emitted ultrasonic pulse is set to 3 MHz, and its sound pressure waveform is shown in FIG. The deflection angle is defined with respect to the depth direction of the front surface, and is hereinafter represented as "θ".

(1)偏向平面波の送波
偏向角度θ=0°、5°、10°、15°の偏向平面波を送波したときのシミュレーション結果を図23A(各々、(a)~(d))に示す。また、偏向角度がθ=0°のときに波数マッチングにおいて補間近似を行ったときのシミュレーション結果を図23Bに示す。これらは、同一角度で受信を行った結果である。図23A及び図23Bにおいて、横軸は、横方向(Lateral x)の位置[mm]を表しており、縦軸は、深さ(Depth)z[mm]を表している。図23Aに示すように、結像したエコー画像が得られ、さらに、偏向されたことも確認できる。いずれも、周波数領域において、100MHzから10MHzにダウンサンプリング(段落0208、0209)し、サンプリング周波数25MHzに該当する間隔でイメージ信号を生成した結果である(他も同様)。
一方、偏向角度がθ=0°のときに波数マッチングにおいて補間近似を行い、図23B(e)は、近傍のスペクトルに置き換えた場合において、サンプリング周波数が100MHz(左)と25MHz(右)であるときの結果を示し、図23B(f)は、スペクトルに線形補間近似を施した場合において、サンプリング周波数が100MHz(左)と25MHz(右)であるときの結果を示す。サンプリング周波数が高く、線形補間近似を行った方が像は安定したが、補間近似を行わなかった場合の図23A(a)には及ばなかった。偏向角度を非零度にすると、さらに、不安定な結果となった。
(1) Transmission of polarized plane waves Simulation results when transmitting polarized plane waves with deflection angles θ = 0°, 5°, 10°, and 15° are shown in Fig. 23A ((a) to (d), respectively). . FIG. 23B shows a simulation result when interpolation approximation is performed in wave number matching when the deflection angle is θ=0°. These are the results of receiving at the same angle. In FIGS. 23A and 23B, the horizontal axis represents the position [mm] in the horizontal direction (Lateral x), and the vertical axis represents the depth (Depth) z [mm]. As shown in FIG. 23A, a focused echo image is obtained and can be confirmed to be deflected. Both are the results of down-sampling from 100 MHz to 10 MHz in the frequency domain (paragraphs 0208 and 0209) and generating image signals at intervals corresponding to the sampling frequency of 25 MHz (same for others).
On the other hand, when the deflection angle is θ = 0°, interpolation approximation is performed in wave number matching, and Fig. 23B (e) shows sampling frequencies of 100 MHz (left) and 25 MHz (right) when the spectrum is replaced with the neighboring spectrum. FIG. 23B(f) shows the result when the sampling frequency is 100 MHz (left) and 25 MHz (right) when linear interpolation approximation is applied to the spectrum. The image was more stable when the sampling frequency was higher and linear interpolation approximation was performed, but it was not as good as FIG. 23A(a) when interpolation approximation was not performed. A non-zero deflection angle gave even more unstable results.

生成されたイメージ信号のスペクトルより、得られた偏向角度を算出した結果を図24及び図25に示す。この評価のために、数値ファントム内の散乱体を増やし、0~40mmの深さにランダムに300個の散乱体を配置した。各散乱体の反射係数は-1~1のランダム値にした。設定した偏向角度に寄らず、0.5~0.8度の誤差が確認された。誤差は、生成された波動に対しての散乱体の位置に依存したものである。散乱体を多くすると精度は向上する(略)。 24 and 25 show the results of calculating the obtained deflection angle from the spectrum of the generated image signal. For this evaluation, the number of scatterers in the numerical phantom was increased, and 300 scatterers were randomly placed at depths from 0 to 40 mm. The reflection coefficient of each scatterer was a random value between -1 and 1. An error of 0.5 to 0.8 degrees was confirmed regardless of the set deflection angle. The error is dependent on the scatterer's position relative to the generated wave. Accuracy improves with more scatterers (omitted).

異なる偏向角度で得られた画像を複数重ね合わせた結果を図26に示す。偏向角度は1°間隔で設定し、1波(0°)、11波(-5°~5°)、21波(-10°~10°)、41波(-20°~20°)をそれぞれ重ね合わせた。図27は、生成されたイメージ信号から推定された点拡がり関数の横方向の分布をプロットした図である。図27において、横軸は横方向(Lateral x)の位置[mm]を表しており、縦軸は輝度(Brightness)の相対値を表している。図27に示すように、重ね合わせの数が多いほど分解能が向上することを確認できる。 FIG. 26 shows the result of superimposing a plurality of images obtained at different deflection angles. Deflection angles are set at intervals of 1°, 1 wave (0°), 11 waves (-5° to 5°), 21 waves (-10° to 10°), 41 waves (-20° to 20°). superimposed on each other. FIG. 27 plots the lateral distribution of the point spread function estimated from the generated image signal. In FIG. 27, the horizontal axis represents the position [mm] in the horizontal direction (Lateral x), and the vertical axis represents the relative value of brightness. As shown in FIG. 27, it can be confirmed that the resolution improves as the number of superpositions increases.

マイグレーション法(方法(6)を同偏向平面波送波時のビームフォーミングに応用)
本発明によるマイグレーション法でイメージ信号を生成した結果を図28に示す。偏向角度は、図23Aと同様に、θ=0°、5°、10°、15°とした。波数マッチングにおいて、補間近似した場合の結果は略すが、像は不安定であった。
Migration method (applying method (6) to beamforming when transmitting a plane wave with the same polarization)
FIG. 28 shows the result of generating an image signal by the migration method according to the present invention. The deflection angles were set to θ=0°, 5°, 10°, and 15° as in FIG. 23A. In the wavenumber matching, the image was unstable when interpolation approximation was applied.

(2)偏向モノスタティック型開口面合成
方法(2)のモノスタティック型開口面合成による偏向時のシミュレーション結果を図29に示す。図23Aと同様に、偏向角度をθ=0°、5°、10°、15°とした。図29に示すように、結像し、偏向されていることを確認できる。
(2) Deflection Monostatic Synthesis of Aperture Planes FIG. 29 shows simulation results of deflection by monostatic aperture plane synthesis of method (2). Similar to FIG. 23A, the deflection angles were set to θ=0°, 5°, 10°, and 15°. As shown in FIG. 29, it can be confirmed that an image is formed and deflected.

(3)マルチスタティック型開口面合成
方法(3)のマルチスタティック型開口面合成によるシミュレーション結果を図30に示す。図30(a)は、受信素子を送信素子と等しくして受信した信号のみ(即ち、1セット)を用いて生成された低分解能画像を示す(つまり、モノスタティック型と同じ)。図30(b)は、送信位置の素子に加えて左右16素子を受信に用いた合計33セットの結果を重ね合わせた結果を示す。図30(c)及び(d)は、それぞれ、65セット(送信素子の左右32素子)を重ね合わせた結果、及び、129セット(送信素子の左右64素子)を重ね合わせた結果を示す。図30に示すように、結像されたことを確認できる。また、それぞれの点拡がり関数をプロットした結果を図31に示す。図30及び図31より、重ね合わせた数が多いほどサイドローブが抑圧されており、高分解能であることも確認できる。
(3) Multistatic Aperture Synthesis FIG. 30 shows the results of simulation by multistatic aperture synthesis of method (3). FIG. 30(a) shows a low resolution image generated using only the received signals (ie one set) with the receiving elements equal to the transmitting elements (ie same as monostatic). FIG. 30(b) shows the result of superimposing the results of a total of 33 sets using the left and right 16 elements for reception in addition to the element at the transmission position. FIGS. 30(c) and (d) respectively show the result of superimposing 65 sets (32 left and right transmitting elements) and the result of superimposing 129 sets (64 left and right transmitting elements). As shown in FIG. 30, it can be confirmed that an image has been formed. FIG. 31 shows the results of plotting the respective point spread functions. From FIGS. 30 and 31, it can be confirmed that the side lobe is suppressed as the number of overlaps increases, and the resolution is high.

(4)固定フォーカシング
固定フォーカシング送信の結果を図32に示す。ここでは、方法(1)を用いた。図32(a)は、各送信有効開口において受信したエコー信号を重ね合わせ、1回のエコー信号の生成処理を施した結果を示す。図32(b)は、それぞれの有効開口幅毎に低分解能なエコー信号を生成して重ね合わせた結果を示す。図32(c)は、マルチスタティック開口面合成と同様に送受信で同じ位置関係のものをセットとしてエコー信号を生成して重ね合わせた結果を示す。図32に示すように、いずれにおいても結像され、特に違いは見られない。方法(1)は、他の2つの方法に比べ、演算が高速であり、有効である。また、方法(1)の結果は、理想的に複数又は全てのビームを同時に送信した際の受信信号を用いても、受信ビームフォーミングが可能であることを示している(干渉のある送信ビームに対する受信信号も処理でき、高速フレームレートを実現できる)。この処理は、固定フォーカシング送信に限らず、全ての種類の波動の複数送信(異なる波動の組み合せも含む)時においても、実施できる。つまり、複数の波動が異なる送信ビームフォーミングの施されたものを含む場合や、ビームフォーミング有りと無しとを含む場合や、種類の異なる波動(電磁波や力学波、熱波等)を含む場合もあるし、非線形処理や検波処理、超解像やアダプティブビームフォーミング、ミニマムバリアンス処理、又は、信号分離等々、加工の施されたものを含む場合もある。ビームフォーミング中において、それらの処理が行われることもある。無論、各々の送信に対する受信信号が重ね合わせ処理されることもある。これらの場合の波数マッチングにおいても、補間近似処理が行われることがある。
(4) Fixed Focusing FIG. 32 shows the result of fixed focusing transmission. Here, method (1) was used. FIG. 32(a) shows the result of superimposing the echo signals received at each transmission effective aperture and performing one echo signal generation process. FIG. 32(b) shows the result of generating low-resolution echo signals for each effective aperture width and superimposing them. FIG. 32(c) shows the result of generating and superimposing echo signals by using a set of signals having the same positional relationship for transmission and reception as in the case of multi-static aperture plane synthesis. As shown in FIG. 32, images are formed in either case, and there is no particular difference. Method (1) is computationally faster and more efficient than the other two methods. In addition, the results of method (1) show that reception beamforming is possible even when ideally received signals are used when multiple or all beams are simultaneously transmitted (for transmission beams with interference It can also process received signals and achieve high-speed frame rates). This processing is not limited to fixed focusing transmission, and can be performed during multiple transmissions of all kinds of waves (including combinations of different waves). In other words, there are cases where multiple waves include those with different transmission beamforming, cases with and without beamforming, and cases with different types of waves (electromagnetic waves, mechanical waves, heat waves, etc.). However, in some cases, processed data such as non-linear processing, detection processing, super-resolution processing, adaptive beam forming, minimum variance processing, signal separation, and the like are included. These processes may be performed during beamforming. Of course, the received signals for each transmission may also be superimposed. Interpolation approximation processing may also be performed in wave number matching in these cases.

(5)極座標系における送受信のデカルト座標系におけるイメージ信号の生成
(5-1)円筒波送波
コンベックスアレイの全素子から超音波を同時に放射して円筒波を送波したときのエコー信号を周波数領域で処理した結果を図33(a)に示す。実際のところ、(5-1')内に記載した通り、送信と受信において、深さ30mmの位置に平面波又は仮想的なリニアアレイを生成している。図33(a)に示すように、散乱体が結像されたことを確認できる。
(5-1')リニアアレイを用いた円筒波送波
次に、リニアアレイとその後方の位置に設定した仮想音源(図8A(a))を用いて円筒波を送波したときのエコー信号を生成した結果を示す。図33(b)は、仮想音源を後方30mmの位置にして方法(5-1')内に記載の方法(1)を用いた結果を示しており、図33(c)は、仮想音源を後方60mmの位置にして方法(5-1')内に記載の方法(2)を用いた結果を示している。散乱体が結像されたことを確認できる。
また、リニアアレイ型トランスデューサを用いる場合において、方法(5-1')内に記載の方法(1)を用い、物理開口後方30mmの位置の仮想源を用いて円筒波を生成する場合を応用し、30mmの距離位置に、横方向に拡がった、平面波、又は、仮想的にリニアアレイ型トランスデューサを生成した場合(図8B(g))の結果を図33(d)に示す。
(5) Generation of image signals in the Cartesian coordinate system of transmission and reception in the polar coordinate system (5-1) Transmission of cylindrical waves Simultaneously radiating ultrasonic waves from all elements of the convex array and transmitting the cylindrical waves FIG. 33(a) shows the result of processing by region. Actually, as described in (5-1′), plane waves or virtual linear arrays are generated at a depth of 30 mm for transmission and reception. As shown in FIG. 33(a), it can be confirmed that the scatterer is imaged.
(5-1') Cylindrical wave transmission using a linear array Next, an echo signal when a cylindrical wave is transmitted using a linear array and a virtual sound source (Fig. 8A (a)) set at a position behind it shows the result of generating FIG. 33(b) shows the result of using the method (1) described in the method (5-1′) with the virtual sound source positioned 30 mm behind, and FIG. It shows the result of using the method (2) described in the method (5-1′) at a position 60 mm behind. It can be confirmed that the scatterer is imaged.
In addition, in the case of using a linear array type transducer, the method (1) described in the method (5-1′) is used to generate a cylindrical wave using a virtual source located 30 mm behind the physical aperture. 33(d) shows the result of generating a laterally spread plane wave or a virtual linear array type transducer (FIG. 8B(g)) at a distance of 30 mm.

(5-2)固定フォーカシング
コンベックスアレイを用いて、各素子から距離30mmを固定フォーカシング(図14(a))した際の受信信号を処理した結果を図34(a)及び29(b)に示す。図34(a)は、各有効送信開口において得られる受信信号を重ね合わせ、1回のエコー信号生成処理を施した結果を示しており、図34(b)は、それぞれの送信毎に低分解能画像を生成して重ね合わせた結果を示している。マルチスタティック開口面合成と同様に送受信で同じ位置関係のものをセットとしてエコー信号を生成して重ね合わせた結果は略すが、これらの3つの演算は、(4)のときと同様に、ほぼ同一の結果を齎した。また、図34(c)は、深さ30mmを固定フォーカシング(図14(b))した際の受信信号に1回のエコー信号生成処理を施した結果を示している。散乱体は良好に結像された。
これらの結果は、(4)と同様に得られたものであり、理想的に複数又は全てのビームを同時に送信した際の受信信号を用いても、受信ビームフォーミングが可能であることを示している(干渉のある送信ビームに対する受信信号も処理でき、高速フレームレートを実現できる)。この処理は、これらの固定フォーカシング送信に限らず、全ての種類の波動の複数送信(異なる波動の組み合せも含む)時においても、実施できる。つまり、複数の波動が異なる送信ビームフォーミングの施されたものを含む場合や、ビームフォーミング有りと無しを含む場合や、種類の異なる波動(電磁波や力学波、熱波等)を含む場合もあるし、非線形処理や検波処理、超解像やアダプティブビームフォーミング、ミニマムバリアンス処理、又は、信号分離等々、加工の施されたものを含む場合もある。ビームフォーミング中において、それらの処理が行われることもある。無論、各々の送信に対する受信信号が重ね合わせ処理されることもある。これらの場合の波数マッチングにおいても、補間近似処理が行われることがある。
(5-2) Fixed Focusing Using a convex array, fixed focusing is performed at a distance of 30 mm from each element (FIG. 14(a)). The results of processing received signals are shown in FIGS. 34(a) and 29(b). . FIG. 34(a) shows the result of superimposing received signals obtained at each effective transmission aperture and performing one echo signal generation process, and FIG. The results of generating and superimposing images are shown. Similar to the multi-static aperture plane synthesis, echo signals are generated with the same positional relationship for transmission and reception as a set, and the result of superimposition is omitted, but these three calculations are almost the same as in (4). brought about the result of Also, FIG. 34(c) shows the result of performing one echo signal generation process on the received signal when fixed focusing is performed at a depth of 30 mm (FIG. 14(b)). The scatterers were well imaged.
These results were obtained in the same manner as in (4), and indicate that reception beamforming is possible even when ideally received signals are used when multiple or all beams are simultaneously transmitted. (It can also process received signals for transmit beams with interference and achieve high frame rates). This processing is not limited to these fixed focusing transmissions, and can be performed during multiple transmissions of all kinds of waves (including combinations of different waves). In other words, there are cases where multiple waves include those with different transmission beamforming, cases with and without beamforming, and cases with different types of waves (electromagnetic waves, mechanical waves, heat waves, etc.). , non-linear processing, detection processing, super-resolution, adaptive beam forming, minimum variance processing, signal separation, and other processing may be included. These processes may be performed during beamforming. Of course, the received signals for each transmission may also be superimposed. Interpolation approximation processing may also be performed in wave number matching in these cases.

以上のシミュレーションにおいて実施した本発明によるデジタルフーリエ変換を用いたビームフォーミングは、複素指数関数の乗算とヤコビ(Jacobi)演算を適切に使用することを基礎として、任意直交座標系における任意ビームフォーミング処理を補間近似なしに高精度に実現できることを実証した。いずれのビームフォーミングもDAS(Delay and Summation)法を用いて実現できるが、本発明によるビームフォーミングは、波数マッチングと横方向のフーリエ変換の違いにより高速化され、1次元アレイのときに、汎用のPCを使用した場合には、計算時間が100倍以上にも優位に高速である。開口素子が2次元又は3次元分布、2次元又は3次元のアレイを構成している場合には、上記の方法をさらに多次元化すれば良く、1次元の場合に比べてさらに多くの処理を要するという問題を解決し、その高速性はさらに有効となる。また、偏向角度の異なる平面波送波時の重ね合わせ等が有効になる実施例も記載した。高分解能化され、また、サイドローブが抑圧されて高コントラスト化される効果等を高速に得られる。 The beamforming using the digital Fourier transform according to the present invention performed in the above simulation is based on the appropriate use of multiplication of complex exponential functions and Jacobi arithmetic, and arbitrary beamforming processing in an arbitrary orthogonal coordinate system is performed. We have demonstrated that it can be realized with high accuracy without interpolation approximation. Both beamforming can be realized using the DAS (Delay and Summation) method. If a PC is used, the calculation time is significantly faster by a factor of 100 or more. If the aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution, two-dimensional or three-dimensional array, then the above method can be made multi-dimensional, requiring even more processing than the one-dimensional case. It solves the problem of requiring more, and its high speed becomes even more effective. Also, an embodiment has been described in which superimposition and the like are effective when plane waves are transmitted with different deflection angles. It is possible to obtain effects such as high resolution and suppression of side lobes and high contrast at high speed.

上記の例において、任意のアレイ型開口面形状において、任意のフォーカス(フォーカスなしを含む)とステアリングを実施できることが確認され、任意直交座標系における任意ビームフォーミング処理を補間近似なしに高速に且つ高精度に実現できることが確認された。生成されるイメージ信号を基礎とした変位計測等の高次の計測結果を得る時間も短縮化され、その計測精度が向上する効果も得られる。尚、本発明においては、方法(1)~(7)に記載の如く、任意のビームフォーミングの波数マッチングにおいて補間近似処理を行うことがあり、より高速にビームフォーミングが行われることがある。高精度に近似的な波数マッチングを行うには、計算量が増えることを代償として、受信信号を適切にオーバーサンプリングする必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。 In the above example, it is confirmed that arbitrary focus (including no focus) and steering can be performed in arbitrary array-type aperture shapes, and arbitrary beamforming processing in arbitrary orthogonal coordinate systems can be performed at high speed and without interpolation approximation. It was confirmed that this can be achieved with accuracy. The time required to obtain high-order measurement results such as displacement measurement based on the generated image signal is also shortened, and the effect of improving the measurement accuracy is also obtained. In the present invention, as described in methods (1) to (7), interpolation approximation processing may be performed in arbitrary beamforming wave number matching, and beamforming may be performed at a higher speed. In order to perform approximate wavenumber matching with high accuracy, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the expense of an increase in the amount of calculation. In that case, it should be noted that the number of data for Fourier transform increases unlike the case where signals at arbitrary positions can be selectively generated when interpolation approximation processing is not performed.

以上、第1の実施形態における代表的なトランスデューサ、受信センサー、送信ユニットと受信ユニット、制御ユニット、出力装置、及び、外部記憶装置等を使用した例を説明した。方法(1)~(7)のビームフォーミングが可能であったことは、任意直交座標系において、フォーカシングとステアリングを基礎とする任意のビームフォーミングを実施できることを実証したことになり、本発明の装置を使用して実現できるビームフォーミングや応用はその他に記載されたものを含めてもその限りではない。 An example using the representative transducer, receiving sensor, transmitting unit and receiving unit, control unit, output device, external storage device, etc. in the first embodiment has been described above. The fact that the beamforming of methods (1) to (7) was possible means that it is possible to perform arbitrary beamforming based on focusing and steering in an arbitrary orthogonal coordinate system. Beamforming and applications that can be realized using , including but not limited to those otherwise described.

<<第2の実施形態>>
次に、本発明の第2の実施形態に係る計測イメージング装置又は通信装置の構成を説明する。図1は、第1の実施形態に係る装置がアクティブ型であるときの構成例を示す代表的なブロック図であり、図2は、その装置本体の構成例を詳しく示す代表的なブロック図であるが、第2の実施形態では、パッシブ型の装置が使用され、従って、第2の実施形態に係る装置は、図1において、少なくとも、送信用のトランスデューサは備えず、さらに、制御ユニットから送信トランスデューサに駆動信号を送るための有線又は無線の経路を備えていないものである。
<<Second Embodiment>>
Next, the configuration of the measurement imaging apparatus or communication apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a representative block diagram showing a configuration example when the device according to the first embodiment is of the active type, and FIG. 2 is a representative block diagram showing in detail a configuration example of the device main body. However, in the second embodiment, a passive device is used, so the device according to the second embodiment does not comprise at least a transmitting transducer in FIG. It does not provide a wired or wireless path for sending drive signals to the transducer.

第1の実施形態に係るアクティブ型の装置の場合には、図1及び図2を代表的な構成として、詳細な装置やユニットの構成例を説明したが、アクティブ型の装置は、任意開口形状の送信と受信トランスデューサアレイデバイス(トランスデューサは送信と受信の両方に使用されることもある)を必ず用いるものであるのに対し、パッシブ型の装置は、それらにおいて、任意開口形状の送信トランスデューサアレイデバイスを使用しない。 In the case of the active type device according to the first embodiment, detailed configuration examples of the device and units have been described with reference to FIGS. 1 and 2 as representative configurations. Passive devices use arbitrary aperture shape transmitting transducer array devices in them, whereas passive devices necessarily use transmitting and receiving transducer array devices (a transducer may be used for both transmitting and receiving). Do not use

つまり、第2の実施形態に係る装置の基本構成は、受信手段である受信トランスデューサ(又は受信センサー)20と、装置本体30と、入力装置40と、出力装置(又は表示装置)50と、外部記憶装置60とを備える。装置本体30は、主として、受信ユニット32と、デジタル信号処理ユニット33と、制御ユニット34と、図示しない記憶ユニット(メモリ又は記憶装置又は記憶媒体)とを備える。さらに、装置本体30は、送信ユニット31を備えても良い。これらの構成要素についての第1の実施形態における説明は、第2の実施形態にも適用される。 That is, the basic configuration of the device according to the second embodiment includes a receiving transducer (or receiving sensor) 20 as a receiving means, a device body 30, an input device 40, an output device (or display device) 50, and an external and a storage device 60 . The device body 30 mainly includes a receiving unit 32, a digital signal processing unit 33, a control unit 34, and a storage unit (memory, storage device, or storage medium) not shown. Furthermore, the device body 30 may include a transmission unit 31 . The description of these components in the first embodiment also applies to the second embodiment.

第1の実施形態と同様に、これらの各装置や装置本体30内の各ユニットは、離れた場所に設置され得るものである。装置本体30とは、それらの様な複数のユニットから構成されるものであり、便宜上、その様に呼ぶ。また、第1の実施形態と同様に、受信トランスデューサ20を機械的に走査して受信を行うこともある。一般的にアレイ型と称さない場合においても同様に処理されることがある。 As in the first embodiment, each of these devices and each unit in the device main body 30 can be installed at a remote location. The device main body 30 is composed of a plurality of such units, and is so called for convenience. Further, as in the first embodiment, reception may be performed by mechanically scanning the receiving transducer 20 . Even if it is not generally called an array type, it may be processed in the same way.

しかしながら、第2の実施形態に係る装置は、第1の実施形態に係る装置とは異なり、波動が生成されたタイミングを感知するべく、以下に詳細に説明するが如くに、任意波動源から到来した観察対象の波動そのものを受波してタイミング信号を生成するか、別の過程を経て生成されるタイミング信号を有線又は無線通信を通じて制御ユニットが感知し、受信ユニットのデータの取り込み(各受信チャンネルにおけるAD変換とメモリへの書き込み)を開始するためのトリガー信号として使用されることがある。 However, unlike the device of the first embodiment, the device of the second embodiment is designed to sense when the waves are generated, as will be explained in detail below, from arbitrary wave sources. A timing signal is generated by receiving the wave itself of the object to be observed, or a timing signal generated through another process is sensed by the control unit through wired or wireless communication, and the data of the receiving unit is captured (each receiving channel AD conversion and writing to memory).

波動が生成されたタイミングを知らせるタイミング信号を制御ユニットが感知する方法として、波動源から到来する波動そのものがタイミング信号として使用される場合に、本実施形態に係る装置の受信トランスデューサ(又は受信センサー)20の受信開口素子20aにより受信される受信信号そのものが使用されるか、又は、装置本体30に備えられることもある専用受信装置によって受信されるタイミング信号が使用される。 The receiving transducer (or receiving sensor) of the device according to the present invention, when the wave itself coming from the wave source is used as the timing signal as a way for the control unit to sense the timing signal that tells when the wave is generated. Either the received signal itself received by the receive aperture element 20a of 20 is used, or a timing signal received by a dedicated receiver that may be provided in the device body 30 is used.

この場合に、受信開口素子20a(全素子の場合もあるが、物理開口において、端部又は中央位置にある素子等が疎らに使用されることもある)又は専用受信装置(受信チャンネルが少なくとも複数であることがある)によって受信される信号が、時間的に継続的に検出され、例えば、上記の様な各種の入力手段を通じて、受信信号の信号強度や周波数、帯域、又は、符号等に関する情報が、制御ユニット34そのもの(内臓メモリ)やアナログ判定回路(この場合には、ソフト的にもハード的にも可変でなく、ハード的に固定のものもある)に設定される。あるいは、波動が生成されるタイミングの感知は、受信開口素子20a又は専用受信装置によって受信される信号を、メモリ又は記憶装置(記憶媒体)に記録された、閾値や値、観察対象の波動の特徴に関するデータベース等の判別データと照合することに基づく。 In this case, the reception aperture element 20a (all elements may be used, but in the physical aperture, elements at the end or central position may be sparsely used) or a dedicated reception device (at least a plurality of reception channels may be used). ) is continuously detected in time, and information about the signal strength, frequency, band, or code of the received signal is obtained, for example, through various input means as described above. is set in the control unit 34 itself (built-in memory) or analog judgment circuit (in this case, it is not variable in terms of software or hardware, and may be fixed in terms of hardware). Alternatively, the sensing of the timing at which waves are generated can be obtained by translating the signal received by the receive aperture element 20a or a dedicated receiver into a threshold or value recorded in a memory or storage device (storage medium), a characteristic of the wave to be observed. Based on matching with discrimination data such as a database related to.

受信信号をアナログ的に判別する場合には、備えられる専用のアナログ回路によって判別をし、観察対象の信号と判断された場合においてのみ、データ取り込みのためのトリガー信号が生成され、受信信号がAD変換されてメモリや記憶装置(記憶媒体)に格納され、ビームフォーミング処理が行われることがある。 When the received signal is determined in an analog manner, a dedicated analog circuit is provided for determination, and only when the signal is determined to be the object of observation, a trigger signal for data acquisition is generated, It may be converted and stored in a memory or storage device (storage medium), and beam forming processing may be performed.

受信信号をデジタル的に判別する場合には、受信信号が時間的に継続的にAD変換されてメモリや記憶装置(記憶媒体)に格納され、常時又は随時(入力装置を通じて指令があった際等)、所定の時間間隔(入力装置を通じて設定される等)において、その格納された信号をデジタル信号処理ユニット33が読み出して同判別データとの照合を基に判別をし、観察対象の信号と判断された場合においてのみ、ビームフォーミング処理を行うことがある。 When the received signal is digitally discriminated, the received signal is AD-converted continuously over time and stored in a memory or a storage device (storage medium), and is always or at any time (when a command is given through an input device, etc.). ), at a predetermined time interval (set through an input device, etc.), the digital signal processing unit 33 reads out the stored signal, compares it with the same discrimination data, discriminates it, and determines it as the signal to be observed. Beamforming processing may be performed only when

メモリや記憶装置(記憶媒体)の記憶容量は有限であるため、デジタル的に判別する場合において、所定(入力装置を通じて設定される等)の時間内に観察対象の波動の信号が観測されなかった場合には、メモリのアドレスが初期化される様になっている。また、省エネの点では効率的でないが、随時、ビームフォーミングを行い、ビームフォーミングによって精度の高くなったイメージ信号を基に、同判別データを使用して、波動信号を判別することもある。通常の通信目的の波動が観察対象である場合においても、処理は同様である。 Since the storage capacity of memory and storage devices (storage media) is finite, in the case of digital discrimination, the wave signal of the observation target was not observed within a predetermined time (set through an input device, etc.) In this case, the memory address is initialized. In addition, although it is not efficient in terms of energy saving, beam forming may be performed as needed, and wave signals may be discriminated using the same discriminant data based on image signals whose accuracy has been improved by beam forming. The process is similar when waves for normal communication purposes are observed.

また、専用受信装置は、他の装置のユニットとは離れた、例えば、計測対象である波動源近くの位置や、そのタイミング信号の受信環境の良い位置等の別の位置に設置されることもあり、受信開口で受波する波動よりも高速に伝搬する波動(タイミング信号となる波動)が使用され、その専用受信装置を介して装置本体内の制御ユニットにそのタイミング信号が伝えられることがある。中継局を使用することのある専用の回線(有線又は無線)が使用されることもある。この場合には、そのタイミング信号をトリガー信号として、受信信号の取り込み(AD変換とメモリや記憶装置や記憶媒体への格納)とビームフォーミングとを行う。 In addition, the dedicated receiver may be installed in another location away from the units of other devices, such as a location near the wave source to be measured or a location with a good reception environment for the timing signal. In some cases, a wave that propagates faster than the wave received by the reception aperture (a wave that becomes a timing signal) is used, and the timing signal is transmitted to the control unit in the main body of the device via the dedicated receiver. . Dedicated lines (wired or wireless) that may use relay stations may also be used. In this case, the timing signal is used as a trigger signal to capture the received signal (AD conversion and storage in a memory, storage device, or storage medium) and beam forming.

また、本発明の装置が波動を受波した後に、波動が生成されたタイミング信号が届くこともある。つまり、伝搬速度が遅い、若しくは、その様な仕組みが使用されることもあるが、結果的にその様になることもある。その様な場合に対応するためには、常時、継続的に受信信号の取り込みを行って、メモリや記憶装置(記憶媒体)に格納されている受信信号を時間を遡って読み出し、ビームフォーミングを行う。その場合に、タイミング信号には、他の観察者や観察装置により得られた波動に関する情報が中継局等において付加情報として付加されて、付加情報が付加されたタイミング信号が伝送されて、専用受信装置によって付加情報を含む情報が読み取られ、本発明の装置だけでなく、他の装置において使用されることもある。尚、使用される回線は、専用の回線には限られず、通常のネットワークが使用されることもある。通常の通信目的の波動が観察対象である場合においても、同様なタイミング信号が使用されることもある。付加情報がタイミング信号とは別の波動又は信号で伝えられることもある。 Also, the timing signal from which the wave was generated may arrive after the device of the present invention receives the wave. In other words, the propagation speed is slow, or such a mechanism may be used, and it may be so as a result. In order to cope with such a case, the reception signal is continuously captured at all times, and the reception signal stored in the memory or storage device (storage medium) is read back in time and beamforming is performed. . In this case, information about waves obtained by other observers or observation devices is added to the timing signal as additional information at a relay station or the like, and the timing signal with the additional information is transmitted and dedicated reception is performed. Information including additional information may be read by the device and used in other devices as well as the device of the present invention. The line used is not limited to a dedicated line, and a normal network may be used. Similar timing signals may also be used when waves for normal communication purposes are to be observed. Additional information may be conveyed in a wave or signal separate from the timing signal.

また、観察対象の波動の生成と共に、その生成前か、生成時、又は、生成後に、受信開口素子で受波する波動よりも高速又は低速に伝搬する波動(タイミング信号となる波動)が波動源において生成されて、その専用受信装置や専用回線が同様に設置されて使用されることもある。その場合に、タイミング信号となる波動には、観察対象の波動に関する情報が付加されることがあるし、他の観察者や観察装置により得られた波動に関する情報が中継局等によって付加されて伝送され、専用受信装置によって付加情報を含む情報が読み取られ、本発明の装置や他の装置によって使用されることもある。尚、使用される回線は、専用の回線には限られず、通常のネットワークが使用されることもある。通常の通信目的の波動が観察対象である場合においても、同様なタイミング信号が使用されることもある。付加情報がタイミング信号とは別の波動又は信号で伝えられることもある。 Also, along with the generation of the wave to be observed, the wave that propagates at a higher speed or slower than the wave received by the receiving aperture element before, during, or after the generation (the wave that becomes the timing signal) is the wave source. , and their dedicated receivers and dedicated lines may be installed and used as well. In that case, information about the wave to be observed may be added to the wave that becomes the timing signal, and information about the wave obtained by another observer or observation device may be added by a relay station and transmitted. and the information, including additional information, may be read by dedicated receivers and used by the apparatus of the present invention and other devices. The line used is not limited to a dedicated line, and a normal network may be used. Similar timing signals may also be used when waves for normal communication purposes are to be observed. Additional information may be conveyed in a wave or signal separate from the timing signal.

これらの専用受信装置としては、タイミング信号を感知する、又は、付加情報を読み取ることのできる専用感知装置が使用されるわけであるが、任意の観察者、又は、任意の観察装置(観察対象の波動に関する任意のアクティブ型又はパッシブ型の観察装置又はそれに類する観測装置等、その他、その波動が生成される予兆となる、又は、その波動に伴って同時に生成される、又は、波動生成後の別の現象や波動に関する任意のアクティブ型又はパッシブ型の観察装置又はそれに類する観測装置等)が使用される。変則的に、専用受信装置がタイミング信号を受信するのみで、付加情報の読み取りそのものは、専用装置又は装置本体内の制御ユニットを介してデジタル信号処理ユニットで行われることもある。 As these dedicated receiving devices, dedicated sensing devices capable of sensing timing signals or reading additional information are used. Any active or passive observer or similar observer of waves, or any other device that is a precursor to the wave's production, or is produced simultaneously with the wave's production, or separates after the wave's production. Any active or passive observer or similar observer of the phenomenon or wave of Alternately, the dedicated receiving device may only receive the timing signal, and the reading of the additional information itself may be performed by a digital signal processing unit via a dedicated device or a control unit within the device itself.

本発明のアクティブ型又はパッシブ型の装置そのものが感知装置として使用される場合においても、同様に、デジタル信号処理ユニット33によって付加情報が読み取られることがある。備えられる感知装置によりタイミング信号が生成される場合もある。いつ何時に、又は、何処で、又は、いつ何時に何処で、波動が生成されるか分からない場合において、データの取り込み動作及びビームフォーミング処理の高効率化や、電力の節約、メモリや記憶装置(記憶媒体)の節約に重要である。制御ユニット34の持つクロック信号を基に、データの取り込みとビームフォーミングが行われる。波動源がデジタルである場合には、同期が取れる方が良く、観察対象の波動のディジタル受信を基礎として、高クロック周波数及び高サンプリング周波数で装置が稼働することがある。タイミング信号がアナログ信号である場合も同様であるが、タイミング信号がデジタル信号である場合には、装置本体で同期が取られることがある。 Additional information may also be read by the digital signal processing unit 33 when the active or passive device of the present invention itself is used as a sensing device. Timing signals may also be generated by provided sensing devices. Efficiency of data acquisition operation and beamforming process, power saving, memory and storage devices when it is not known when, where, or when and where the wave will be generated It is important for saving (storage media). Data acquisition and beamforming are performed based on the clock signal of the control unit 34 . If the wave source is digital, it is better to be synchronous, and based on the digital reception of the wave to be observed, the device may run at high clock and sampling frequencies. The same is true when the timing signal is an analog signal, but when the timing signal is a digital signal, the apparatus itself may synchronize.

観察対象は、自己発散的(self-emanating)な波動源によって生成された波動そのものであり、波動源の特徴(強さやどの種の源であるか等)や位置、波動源として活動した時刻等が観測されることがある。また、装置がアクティブ型であるときと同様に、波動のスペクトルから対象の温度(分布)や変位、速度、加速度、歪、又は、歪速度等の分布が求められることがある。また、伝搬過程における媒体の特性(伝搬速度、波動に関わる物性値、減衰、散乱、透過、反射、屈折等、又は、それらの周波数分散等)が観測され、観測対象や媒体の構造や組成等が明らかにされることもある。例えば、放射性物質(PETにおける同位体等々)、非零の熱力学的温度を持つ物質、地震源、神経活動、天体観測、天候、到来物、移動物体、移動通信機器を含む通信機器、物理的又は化学的な刺激に対して反応するもの、電気源、磁気源、放射源、又は、各種エネルギー源等が観測され、観測対象はこれらに限られない。 The object of observation is the wave itself generated by a self-emanating wave source, and the characteristics of the wave source (strength, type of source, etc.), position, time of activity as a wave source, etc. is sometimes observed. In addition, in the same way as when the device is of the active type, the distribution of temperature (distribution), displacement, velocity, acceleration, strain, strain rate, etc. of the object may be obtained from the wave spectrum. In addition, the characteristics of the medium in the propagation process (propagation velocity, physical properties related to waves, attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, etc., or their frequency dispersion, etc.) can be observed, and the structure and composition of the observation target and medium is sometimes revealed. For example, radioactive materials (such as isotopes in PET), materials with non-zero thermodynamic temperatures, seismic sources, neural activity, astronomical observations, weather, incoming objects, moving objects, communication equipment including mobile communication equipment, physical Alternatively, objects that react to chemical stimuli, electric sources, magnetic sources, radiation sources, various energy sources, etc. are observed, and observation targets are not limited to these.

複数の異なる種類の波動の受信トランスデューサや受信センサーを使用して、マルチフィジックス又はマルチケノミクスを通じ、計測結果の統合(Fusion)やデータマイニングが行われることもる。無論、単一のトランスデューサやセンサーによって、それらが観測されることもある(例えば、医用超音波イメージングにおいて、組織の変形を表す歪と血流、また、これらに関連する組織物性が、選択的に同時にエコー画像上に異なる色等を用いて重畳してイメージングされたり、広帯域にて異なるマーカーの光超音波を同時に異なる色等を用いてイメージングする等、物理量や物性値の大きさや物理量の方向によっても色を変えて表示したり色の濃さを変えてイメージングする等)。多機能や多くの物性に基づいて機能するもの、又は、周囲に対して別の様態にて影響を与えるもの等に対し、対象の全体(ヒトの場合には全身)や局所の挙動を多面的に観測し、新たに、若しくは、詳細に、対象の全体(ヒトの場合には全身)や局所の挙動を理解することも行われる。例えば、生物において短時間に、又は、長時間に渡って行われる様々な神経制御(体温、血流量、代謝等々)、生物への短時間の、又は、長時間に渡って与えられる影響(放射線被爆、栄養摂取)等を観測し、長寿化や延命に寄与する人工臓器や培養組織、それらのハイブリット、薬、又は、サプリメント等の開発や、それらの動作のモニタリングに使用できる。
日本国を始め先進国は高齢社会を迎え、従って、QOLを向上させ、且つ、医療費を低減することは重要である。増加を辿るヒト肝癌や膵臓癌、腎臓癌、甲状腺癌、前立腺癌、乳癌等の癌病変(日本において150万人以上、国民の2人に1人は患い、3人に1人の死亡原因)や子宮筋腫、脳疾患(脳腫瘍や脳出血、脳梗塞、約130万人以上)、虚血性心疾患(心筋梗塞や狭心症、170万人以上)、動脈硬化・血栓(4人に1人の死亡原因)、脂質異常症(206万人以上)、糖尿病等(1,000万人以上)の成人病の多疾患に対し、それら臓器・疾患の連関において神経と血流、リンパのネットワークに注目し、本発明は、早期の非侵襲的鑑別診断を高精度且つ簡便に、そして安価に実施できる革新的な統合画像診断システムおよび技法と臨床スタイル(検診を含む)を拓ける。
癌転移の多くは、リンパ液の流れが集まるリンパ節への転移(リンパ行性転移)の他、肺や肝臓、脳、骨など血液の流れが豊富な場所への転移(血行性転移)である。現在、リンパ種に関しては、まずその腫れやしこりが診断された場合には、広がり(病期)や全身状態が診断される。また、血流を介し、例えば、膵臓癌は肝臓や腹膜等に、乳癌は肝臓や肺、脳等に、胃癌は肺や、肝臓、腎臓、膵臓等に、肺癌は肝臓や腎臓、脳等に、大腸がんは肝臓や肺、脳等に、臓器間で転移して行くことが知られている。転移癌は原発性癌の特徴を持つため、適切な治療を行うべく、原発性癌を特定することが肝要である。無論、例えば、原発性肝細胞癌の場合の様にその原因となる肝炎やウィルス性慢性肝炎や肝硬変等(発生機序そのもの)を捉えることも重要である。また、早期癌腫瘍周辺の栄養動脈や進行癌腫瘍内血流が多いことや、血流量が乏しいと前立腺疾患や子宮筋腫の可能性が大、血圧が高いと動脈硬化の可能性が大、血栓や高脂血、血糖の粘性が大、糖尿病既往の有無で癌になる確率が1.2倍~1.3倍、糖尿病群で虚血性心疾患発症リスクが3倍、相互に悪化する糖尿病と脂質異常症(糖尿病の20~50%)とそれらが動脈硬化を促進すること、加熱による温度上昇により血流量が増えること(灌流)、腎臓が赤血球の数(酸素量)や血圧の調整をしていること等が明らかになっており、それらの様々な組織の病態と神経制御、血行動態を同時に実時間にて高精度にin situ観測する本発明は重要である。また、血栓に関しては術後や心臓ペースメーカ使用者(福祉)の普段の生活における血行動態の観測精度が向上することも望ましい。
例えば、神経と血流、リンパのネットワークに注目する上記アプローチの下、具体的にはMRI(核磁気共鳴イメージング)やSQUID(超電導量子干渉装置)、(光)超音波装置、OCT(光干渉断層装置)の単体装置又は融合装置を用い、3つの基礎物理学である電磁気学・力学・熱学の数理逆問題(段落0377等に記載)に基づく新しい高精度且つ簡便な実時間3次元in vivo画像診断技を用いて、それらの関連臓器・組織の性状の早期統合イメージング技法(同一または複数臓器の同時多観測による関連性のある同時観測や融合イメージング)を実施でき、さらに、癌と脳・心疾患の低侵襲的治療手段として強力集束超音波治療(HIFU:High Intensity Focus Ultrasound)や、電磁加熱凝固治療、化学療法、薬学療法、各種放射線治療等との画期的な融合を行え、高精度且つ安価な早期鑑別診断と低侵襲の早期治療を実施できる。短時間の早期診断に続いて加熱治療を最短時間で実施できる革新的な臨床スタイルが拓かれる。
(1)<電磁気学ベース>MRIとSQUIDを用いた電流密度ベクトルと電気物性のイメージング: 磁場計測に基づいて電流密度ベクトルと電気物性(導電率と誘電率)の3次元分布をイメージングして脳神経ネットワークを可視化(MRIの拡散イメージングに重畳表示)。各々、ビオ・サバールの法則の逆問題と観測された電流密度ベクトルを用いた微分型逆問題。例えば、下記(6)のHIFU加熱治療との融合においては灌流(血流)制御をモニタリングできる。
(2)<力学ベース>MRIと(光)超音波、OCTを用いた血流ベクトルと血圧、ずり粘性のイメージング: MRIにおいては、水素と炭素、リン等の分布イメージングを元に、また、超音波エコー法と光超音波の場合(動脈と静脈の鑑別の下や、D型グルコースや最近に報告のある癌に特異的に取り込まれるL型グルコースを造影剤として使用する場合、糖尿病による糖分や脂質異常症によるLDLとHDLコレステロールと中性脂肪をマーカーとする場合)において、多次元ドプラ法を用いて血流の3次元流速ベクトルと歪率テンソルの3次元分布をイメージングし(通常のドプラとは異なり、センサを対象に向けるだけで任意方向のベクトルの観測が可能)、さらに観測された流速データから微分型逆問題に基づいて血圧や心腔圧とずり粘性、密度の3次元分布をイメージング。MRIは、頭蓋内の脳内血流、超音波エコー法は、心腔内や腹部臓器(肝臓や膵臓、腎臓、前立腺、子宮)内、体表組織(乳房や甲状腺、眼、皮膚)内の血流、光超音波やOCTは、開体中の臓器や眼、皮膚内の血流の観測に使用(糖尿病に関連して眼を観測)。最終的に血流ネットワークを観測。血圧や心腔圧、粘性の定量化により、脂質異常症と血糖に着眼した虚血性心疾患(心筋梗塞や狭心症)、脳疾患(脳腫瘍や脳出血、脳梗塞)、動脈硬化、血栓の診断。(5)の統合イメージングにおいて(3)の軟組織の同時観測を実施。又は、(6)のHIFU加熱治療における灌流(血流)をモニタリング。
(3)<力学ベース>MRIと(光)超音波、OCTを用いた軟組織の力学動態とずり(粘)弾性のイメージング: 超音波エコー法と光超音波(軟組織成分に着目したり、斬新に造影剤無しやマーカー無しに照射光や光超音波の広帯域観測を実施)の場合にて、(2)と同一の多次元ドプラ法を用いて軟組織の3次元変位ベクトルと歪テンソルの3次元分布をイメージング、さらに、観測された変位データから微分型逆問題に基づいて体内圧(組織圧や眼圧)とずり(粘)弾性(硬さ)、密度、力源(放射圧やHIFU)の3次元分布をin situイメージング。MRIは頭蓋内脳組織やリンパネットワーク、超音波エコー法は心臓組織(心筋や各弁)や腹部臓器(肝臓や膵臓、腎臓、前立腺、子宮)、体表組織(乳房や甲状腺、眼、皮膚)、リンパネットワーク、光超音波やOCTは開体中の臓器や眼、皮膚の病態(組織性状)を診断。(5)の統合イメージングにおいて(2)の血流の同時観測を実施。又は、(6)のHIFU加熱治療の効果(組織凝固などの変性)をモニタリング。
(4)<熱学ベース>MRIと(光)超音波、OCTを用いた軟組織の温度と熱物性のイメージング: 代謝や(6)のHIFU加熱治療をモニタリングするべく、いわゆるMRIのラーモアー周波数のケミカルシフトや(光)超音波の音速と体積の温度依存性を用いた観測の他に(3)を用いたずり(粘)弾性率の温度依存性を用いた3次元温度分布のin situ観測を実施し、組織変位に頑強で実用的な観測を実施。さらに微分型逆問題に基づいて熱物性(熱伝導率や熱容量、熱拡散率)や灌流((2)の血流観測を応用することも可)、熱源(HIFU)の3次元分布をイメージングし、(6)のHIFU加熱治療における加熱治療計画に応用。
(5)<統合イメージング>(1)~(4)による多臓器の同時多観測: 電磁気学と力学と熱学の組織物性の3次元イメージングに基づいて神経と血流・灌流のネットワークを中心に多臓器を多面的に同時観測する統合イメージング診断。簡便性を備え、短時間診断を実施。
(6)<統合イメージングと治療の融合>(5)の統合イメージングを用いたHIFU加熱治療制御(自動治療): 低侵襲に短時間で治療を完了すべく、(2)の血流データと(4)の温度と熱物性の観測データとHIFU熱源データベースを温度分布計算シミュレータにかけて温度分布の予測を行い、(3)のずり(粘)弾性イメージングによる治療効果(変性)のモニタリングデータも活用する逐次更新型の自動加熱治療計画を使用、位相収差補正の下、HIFUビームの焦点(加熱)位置、ビーム形状、ビーム強度、照射時間、照射間隔を制御。治療の精度や信頼性、安全性を向上させ、骨等の障害物が無くHIFUアプリケータを近傍に設置出来て広く普及している前立腺癌と子宮筋腫以外の臓器癌の治療が可能である。
治療手段は低侵襲的であるものが望ましく、上記の通りこれらに限られるものでは無い。本発明は、高齢社会に簡便にて安価であり高QOLを齎す技法であり、これにより予防および早期発見に繋がる検診が普及し、さらに短時間の治療手段も実施(理想的には同時に実施)できる技術の有力候補である(Theranosis)。上記のイメージング及び治療は、体表から施す他、外科術中(開体中に臓器に直接に施したり臓器を介して施す)や腹腔鏡術中、経口や経鼻穴、経門、経膣時においても実施できる。
また、生物の持つ様々なセンサーの代替となるものやそれらを補足するもの、又は、新たなセンサーを備える場合を含む。生物を対象とする場合には、小型化されてウェラブルであることや生物に馴染みやすい形態や素材が求められることもある。処理内容も様々であり、例えば、力学的な波動として、同時に複数の圧縮波やずり波などが到来した場合に、モードや周波数、帯域、符号、伝搬方向等を用いてアナログの専用デバイスを使用するか、又は、デジタル信号処理ユニットを使用して、第1の実施形態と同様に波動を分離した上で、ビームフォーミングが行われることがある。電磁波の波動源が複数存在する場合には、それらの特徴が異なる複数の電磁波が重畳している場合があり、同様に、分離されることがある。若しくは、ビームフォーミングによる整相加算効果により、複数の波動が到来する場合においても、精度の高いイメージ信号が生成される場合がある(例えば、媒体が散乱媒体である場合等)。
Fusion of measurements and data mining may also be done through multiphysics or multichemomics using multiple different types of wave receiving transducers or receiving sensors. Of course, they can also be observed by a single transducer or sensor (e.g., in medical ultrasound imaging, strain and blood flow, which represent tissue deformation, and their related tissue properties can be selectively At the same time, different colors are superimposed on the echo image, and different markers in a wide band are imaged with different colors at the same time. display with different colors, or image with different color densities, etc.). For those that function based on multiple functions or many physical properties, or those that affect the surroundings in different ways, multifaceted behavior of the whole (whole body in the case of humans) and local behavior It is also done to understand the whole (whole body in the case of humans) and local behavior of the object newly or in detail. For example, various neural controls (body temperature, blood flow, metabolism, etc.) that are performed in a short time or over a long time in living things, short-term or long-term effects on living things (radiation It can be used for the development of artificial organs, cultured tissues, their hybrids, medicines, supplements, etc. that contribute to longevity and life extension, and for monitoring their actions.
Japan and other developed countries are facing an aging society, so it is important to improve QOL and reduce medical expenses. Cancer lesions such as human liver cancer, pancreatic cancer, kidney cancer, thyroid cancer, prostate cancer, breast cancer, etc. are increasing (more than 1.5 million people in Japan, 1 out of 2 people are affected, and 1 out of 3 people are the cause of death) and uterine fibroids, brain diseases (brain tumor, cerebral hemorrhage, cerebral infarction, more than 1.3 million people), ischemic heart disease (myocardial infarction, angina pectoris, more than 1.7 million people), arteriosclerosis/thrombosis (1 in 4 people) Cause of death), dyslipidemia (over 2.06 million people), diabetes (more than 10 million people), and other adult-onset diseases. However, the present invention opens up innovative integrated diagnostic imaging systems and techniques and clinical styles (including screening) that enable early non-invasive differential diagnosis to be performed with high accuracy, convenience, and low cost.
Most of cancer metastases are metastasis to lymph nodes where lymph flow gathers (lymphatic metastasis), and metastasis to places with abundant blood flow such as lung, liver, brain, and bones (hematogenous metastasis). . Currently, regarding lymphoma, when the swelling or lump is first diagnosed, the spread (disease stage) and general condition are diagnosed. In addition, through the bloodstream, for example, pancreatic cancer to the liver, peritoneum, etc., breast cancer to the liver, lung, brain, etc., gastric cancer to the lung, liver, kidney, pancreas, etc., lung cancer to the liver, kidney, brain, etc. It is known that colorectal cancer metastasizes between organs such as the liver, lungs, and brain. Because metastatic cancer has the characteristics of the primary cancer, it is imperative to identify the primary cancer for appropriate treatment. Of course, it is also important to understand the hepatitis, chronic viral hepatitis, liver cirrhosis, etc. (the mechanism of development itself) that cause it, for example, as in the case of primary hepatocellular carcinoma. In addition, there is a high possibility of prostate disease and uterine fibroids if there is a large amount of blood flow in the feeding arteries around early cancer tumors and advanced cancer tumors, and blood flow is poor. and hyperlipidemia, blood sugar viscosity is high, the risk of developing cancer is 1.2 to 1.3 times higher with or without a history of diabetes, and the risk of developing ischemic heart disease is three times higher in the diabetic group. Dyslipidemia (20-50% of diabetes mellitus) and their promotion of arteriosclerosis, increase in blood flow due to increased temperature due to heating (perfusion), and kidney regulation of red blood cell count (oxygen content) and blood pressure. Therefore, the present invention is important for in situ observation of pathological conditions, neural control, and hemodynamics of these various tissues simultaneously in real time and with high accuracy. As for thrombosis, it is also desirable to improve the accuracy of observation of hemodynamics after surgery and in the daily life of cardiac pacemaker users (welfare).
For example, under the above approach that focuses on the network of nerves, blood flow, and lymph, specifically MRI (magnetic resonance imaging), SQUID (superconducting quantum interference device), (optical) ultrasound device, OCT (optical coherence tomography) A new high-precision and simple real-time three-dimensional in vivo system based on the mathematical inverse problem of three basic physics, electromagnetics, mechanics, and thermodynamics (described in paragraph 0377, etc.) Using diagnostic imaging techniques, it is possible to implement early integrated imaging techniques for the properties of those related organs and tissues (related simultaneous observation and fusion imaging by simultaneous multi-observation of the same or multiple organs). As a minimally invasive treatment for heart disease, it can be combined with HIFU (High Intensity Focus Ultrasound), electromagnetic heat coagulation treatment, chemotherapy, pharmacological therapy, and various radiotherapy. Accurate and inexpensive early differential diagnosis and minimally invasive early treatment can be performed. It opens up an innovative clinical style that allows rapid early diagnosis followed by heat treatment in the shortest possible time.
(1) <Electromagnetism-based> Imaging of current density vectors and electrical properties using MRI and SQUID: Based on magnetic field measurement, imaging of current density vectors and three-dimensional distribution of electrical properties (conductivity and permittivity) in cranial nerves. Visualize the network (superimposed on MRI diffusion imaging). The inverse problem of the Biot-Savart law and the differential inverse problem using the observed current density vector, respectively. For example, perfusion (blood flow) control can be monitored in fusion with HIFU heating treatment in (6) below.
(2) <Mechanics-based> Imaging of blood flow vector, blood pressure, and shear viscosity using MRI, (light) ultrasound, and OCT: In MRI, based on distribution imaging of hydrogen, carbon, phosphorus, etc., In the case of sonic echo method and photoacoustic ultrasound (under the distinction between arteries and veins, when using D-glucose or L-glucose, which is specifically taken up by cancer as reported recently, as a contrast agent, sugar due to diabetes, When LDL, HDL cholesterol and neutral fat due to dyslipidemia are used as markers), the three-dimensional distribution of the three-dimensional flow velocity vector and strain rate tensor of the blood flow is imaged using the multidimensional Doppler method (normal Doppler and Unlike , it is possible to observe vectors in any direction just by pointing the sensor at the target), and based on the differential inverse problem from the observed flow velocity data, the three-dimensional distribution of blood pressure, intracardiac pressure, shear viscosity, and density is imaged. MRI is intracranial cerebral blood flow, ultrasound echo method is intracardiac, abdominal organs (liver, pancreas, kidney, prostate, uterus), body surface tissues (breast, thyroid, eye, skin) Blood flow, optical ultrasound, and OCT are used to monitor blood flow in open body organs, eyes, and skin (eye monitoring in connection with diabetes). Finally observed the blood flow network. Diagnosis of ischemic heart disease (myocardial infarction, angina pectoris), brain disease (brain tumor, cerebral hemorrhage, cerebral infarction), arteriosclerosis, and thrombosis, focusing on dyslipidemia and blood sugar, by quantifying blood pressure, intracardiac pressure, and viscosity. Simultaneous observation of (3) soft tissue is performed in (5) integrated imaging. Or monitoring perfusion (blood flow) in HIFU heat treatment of (6).
(3) <Mechanics-based> Imaging of soft tissue dynamics and shear (visco)elasticity using MRI, (optical) ultrasound, and OCT: Ultrasound echo method and optical ultrasound (focusing on soft tissue components, innovative In the case of broadband observation of irradiated light and photoacoustic waves without contrast agents or markers), using the same multidimensional Doppler method as in (2), the three-dimensional distribution of the three-dimensional displacement vector and strain tensor of the soft tissue Furthermore, based on the differential inverse problem from the observed displacement data, the three factors of body pressure (tissue pressure and intraocular pressure), shear (visco)elasticity (hardness), density, and force source (radiation pressure and HIFU) In situ imaging of dimensional distribution. MRI is intracranial brain tissue and lymphatic network, ultrasound echo method is heart tissue (myocardium and each valve), abdominal organs (liver, pancreas, kidney, prostate, uterus), body surface tissue (breast, thyroid, eye, skin) , Lymphatic network, photoacoustic ultrasound, and OCT diagnose pathological conditions (tissue properties) of organs, eyes, and skin in an open body. Simultaneous observation of blood flow of (2) is performed in integrated imaging of (5). Alternatively, monitoring the effect of (6) HIFU heat treatment (denaturation such as tissue coagulation).
(4) <Thermology-based> Imaging of soft tissue temperature and thermophysical properties using MRI, (light) ultrasound, and OCT: In order to monitor metabolism and (6) HIFU heat treatment, so-called MRI Larmor frequency chemical In addition to observations using temperature dependence of sound velocity and volume of (optical) ultrasonic waves, in situ observation of three-dimensional temperature distribution using temperature dependence of shear (visco)elastic modulus using (3). We conducted robust and practical observations on tissue displacement. Furthermore, based on the differential inverse problem, thermophysical properties (thermal conductivity, heat capacity, thermal diffusivity), perfusion (blood flow observation in (2) can be applied), and 3D distribution of heat source (HIFU) are imaged. , (6) for heat treatment planning in HIFU heat treatment.
(5) <Integrated Imaging> Simultaneous multi-observation of multiple organs by (1)-(4): Based on three-dimensional imaging of tissue physical properties of electromagnetism, mechanics and thermology, focusing on the network of nerves and blood flow/perfusion Integrated imaging diagnosis that simultaneously observes multiple organs from multiple perspectives. It is easy to use and performs diagnosis in a short time.
(6) <Fusion of integrated imaging and treatment> HIFU heating treatment control (automatic treatment) using integrated imaging in (5): In order to complete treatment in a short time in a minimally invasive manner, blood flow data in (2) and ( 4) Observation data of temperature and thermophysical properties and HIFU heat source database are applied to a temperature distribution calculation simulator to predict temperature distribution, and monitoring data of treatment effect (denaturation) by shear (visco)elastic imaging of (3) is also utilized. Using an updated automated heating treatment plan, controlling the focal (heating) position of the HIFU beam, beam shape, beam intensity, exposure time, and exposure interval under phase aberration correction. The accuracy, reliability, and safety of treatment are improved, and the HIFU applicator can be installed in the vicinity without obstacles such as bones, making it possible to treat widely spread organ cancers other than prostate cancer and uterine fibroids.
It is desirable that the treatment means be minimally invasive, and as described above, the treatment is not limited to these. The present invention is a technique that is simple, inexpensive, and brings about a high quality of life in an aging society. (Theranosis). The above imaging and treatment can be performed not only from the body surface, but also during surgery (directly to the organ or through the organ while the body is open), during laparoscopic surgery, orally, through the nostrils, through the portal, and through the vagina. can also be implemented.
It also includes those that substitute for various sensors that living things have, those that supplement them, or those that have new sensors. In the case of living organisms, it may be necessary to make them compact and wearable, or to use shapes and materials that are familiar to living organisms. There are various processing contents, for example, when multiple compression waves and shear waves arrive at the same time as dynamic waves, analog dedicated devices are used using modes, frequencies, bands, signs, propagation directions, etc. Alternatively, a digital signal processing unit may be used to separate the waves as in the first embodiment before beamforming. When there are multiple wave sources of electromagnetic waves, multiple electromagnetic waves with different characteristics may be superimposed and separated. Alternatively, due to the phasing and addition effect of beamforming, even when a plurality of waves arrive, a highly accurate image signal may be generated (for example, when the medium is a scattering medium).

無論、ビームフォーミングが行われた後に、同処理に基づいて信号が分離されることもある。整相加算の効果を得るためには、波動の到来方向や、波動源の位置を求めることが必要であり、その方向にステアリングしたり、その位置にフォーカシングしたりすることがある。受信において、ダイナミックフォーカシングの他に、固定のフォーカシングも有用である。それらを求めるために、受信開口素子アレイによって受信した波動の多次元スペクトルの重心(中心)周波数や瞬時周波数、帯域、いわゆるMIMO、SIMO、MUSIC、独立成分分析、符号、又は、各種パラメトリックな方法等が使用されることもある。ビームフォーミングを行った上で同処理が行われることもあるが、その他に、特に、複数位置においてビームフォーミングを行った上で、幾何学的な情報を使用して波動が観測されることもある。処理方法は、これらに限られるものではなく、例えば、逆問題的アプローチの下で実施されること等もある。 Of course, signals may be separated based on the same processing after beamforming is performed. In order to obtain the effect of phasing and addition, it is necessary to obtain the wave arrival direction and the position of the wave source. In reception, besides dynamic focusing, fixed focusing is also useful. In order to obtain them, the centroid (center) frequency and instantaneous frequency of the multidimensional spectrum of the wave received by the reception aperture element array, the band, so-called MIMO, SIMO, MUSIC, independent component analysis, code, or various parametric methods, etc. is sometimes used. In some cases, the same processing is performed after beamforming, but in other cases, waves are observed using geometric information, especially after beamforming at multiple positions. . The processing method is not limited to these, and may be implemented under an inverse problem approach, for example.

例えば、到来する波動の伝搬方向を受信信号の多次元スペクトル解析に基づいて求めたり(本願の発明者の過去の業績)、さらに、本願発明の装置においては、異なる位置に備えられた複数のトランスデューサ又は受信有効開口を使用して、伝搬時間に関する情報が得られない場合(通常、複数位置において波動が観測された時間から波動源の位置や距離を割り出す)においても、幾何学的に波動源の位置や距離を割り出すことが可能である。波動がパルス波やバースト波ではなく連続波でも観測できる。如何なる処理を通じてでも、波動の到来方向が分かった場合において、その方向に、受信ビームをステアリング及びフォーカシングを行い(モノスタティック型やマルチスタティック型の開口面合成)、詳細に観測することも行える。必要に応じ、第1の実施形態のアクティブ型にして、送信ビームフォーミングも行うことがある。それらの処理において、常に、可能性の高い方向を重点的に、ステアリング角度を変えながら受信ビームフォーミングを行って、得られる像又は結像、空間分解能、コントラスト、信号強度等を観測する、又は、多次元スペクトル解析を通じ、波源の方向を特定することもできる。自動制御されることもある。 For example, the direction of propagation of incoming waves can be obtained based on multidimensional spectrum analysis of received signals (past achievements of the inventor of the present application). Alternatively, even if no information about the propagation time is obtained using the effective reception aperture (usually, the position and distance of the wave source are determined from the time when the wave was observed at multiple positions), the wave source can be geometrically determined. It is possible to calculate the position and distance. Waves can be observed not only as pulse waves and burst waves but also as continuous waves. If the arrival direction of the wave is known through any processing, it is also possible to steer and focus the receive beam in that direction (monostatic or multistatic aperture synthesis) and observe it in detail. If necessary, the active type of the first embodiment may be used to perform transmission beam forming. In those processes, receive beamforming is performed while changing the steering angle, always emphasizing the most likely direction, and the obtained image or imaging, spatial resolution, contrast, signal strength, etc. are observed, or Through multidimensional spectral analysis, the direction of the wave source can also be determined. It may be automatically controlled.

超解像により、イメージ信号の高分解能化を行うことがある。段落0009、0425にも記載がある。波動源や、計測対象や媒体内の散乱や反射体の大きさや強度、位置等の計測が容易になることがある。物理的に生成される波動場により帯域は必ず制限されるが、代表的な超解像は、これを逆フィルタリングにより広帯域化して、オリジナル(original)の信号源又は信号としてそれらを復元するものである。また、通常、波動は周波数依存性のある減衰の影響を受けたり、焦点の合っていない場合もあるし、波動源が移動体であることもあるし、介在する媒体に擾乱を生じることもある。これらを補正するべく、超解像が実施されることもある。段落0383に記載の通り、単なる広帯域化だけでなく、所望する点拡がり関数を持つ様にさらにフィルタリングを施すことが有用であることもあり、様々な超解像において、そのフィルタリングを逆フィルタリングと共に周波数領域又は時空間領域において実施することは本発明の特徴の1つである。 Super-resolution may increase the resolution of an image signal. There is also a description in paragraphs 0009 and 0425. It may be easier to measure the size, intensity, position, etc. of the wave source, the object to be measured, the scattering in the medium, and the reflector. Although the band is necessarily limited by the physically generated wave field, typical super-resolution is to widen the band by inverse filtering and restore them as the original signal source or signal. be. Also, waves are usually subject to frequency-dependent attenuation, can be unfocused, and the source of the wave can be a moving object, or it can create disturbances in the intervening medium. . Super-resolution is sometimes implemented to correct these. As described in paragraph 0383, it may be useful to apply more filtering to have the desired point spread function, rather than just broadening the bandwidth, and in various super-resolution, this filtering can be combined with inverse filtering to frequency Implementation in the domain or spatio-temporal domain is a feature of the invention.

また、1つのイメージ信号を生成するために必要とする送信及び/又は受信を行っている間に計測対象等が移動することがあり、動き補償を行う必要があることがある。点拡がり関数が未知であることが多く、その場合には、上記の信号分離処理(特に、ブラインド・セパレーション)を併用する場合も含めて、ブラインド・デコンボリューションが行われることがある。段落0425に記載の方法等が知られている。その他、最尤法等、他にも様々である(例えば、非特許文献39-41等)。自己相関関数を求める等の何かしらの方法で、点拡がり関数を評価し、理想的にはコヒーレントな点拡がり関数を得ることが望ましいが、インコヒーレント信号から求められる場合を含めてスペクトル分布形状や帯域が求まっても逆フィルタリングは可能である。この様な場合においても、所望する点拡がり関数を持つ様にフィルタリングを共に実施することは有用である。 In addition, the object to be measured may move during the transmission and/or reception required to generate one image signal, and motion compensation may be required. In many cases, the point spread function is unknown, and in such cases, blind deconvolution may be performed, including the case where the above signal separation processing (particularly, blind separation) is also used. The method described in paragraph 0425 and the like are known. In addition, there are various other methods such as the maximum likelihood method (for example, Non-Patent Documents 39 to 41, etc.). It is desirable to evaluate the point spread function by some method such as obtaining an autocorrelation function, and ideally obtain a coherent point spread function. is obtained, inverse filtering is possible. Even in such cases, it is useful to perform the filtering together to have the desired point spread function.

観測したいときに、点拡がり関数を求めることができない場合には、例えば、観測できるときに点拡がり関数を評価してデータベースとして保有しておくと良い。逆フィルタリングを行う1つの有効な方法としては、所望する点拡がり関数やエコー分布等の信号分布のスペクトル分布(無論、スペクトル強度の分布)と同一になる様に、観測されたスペクトルを重み付けることが可能である。所望する点拡がり関数やエコー分布等の信号分布のスペクトル分布は、解析的又はシミュレーション、最適化等を通じて設定される場合があるし、計測対象に対して理想的なパラメータの下でビームフォーミングを行い、それも、一度の計測で済ませることがあるし、複数回の計測の下でアンサンブル平均が施されることもあるし、局所の定常過程の仮定の下に加算平均されることもあるし(古くから行われている、例えば、非特許文献35、36)、また、計測対象物のファントム(校正用ファントム)を用いて同様にして求められることもある。波動の伝搬方向やそれと直交する方向の1次元の点拡がり関数を1次元自己相関関数を求めて推定することもあるが、多次元の点拡がり関数を多次元自己相関関数を求めて推定することもある(非特許文献8、14)。各々、伝搬方向や直交方向の1次元スペクトル、多次元スペクトルと等価である(即ち、自己スペクトル)。これらが、波動の波長や力源の形状、波動の空間分解能を評価する際に使用されたり(特許文献11等)、超解像に使用される。例えば、冪乗関数型のアポダイゼーションを用いて固定フォーカシング又は開口面合成(非特許文献15)を行って所望する高分解能な点拡がり関数又はエコー分布等の信号分布を得、高速送受信の可能な平面波送信をガウス型アポダイゼーションを用いて行って得られる低分解能信号(非特許文献15)を高分解能化することがある。後者は高速な動きやずり波伝搬の高精度な計測に適しており、その計測と高分解能な超音波イメージングを同時に実現できる。若しくは、信号そのもののパワースペクトルを用いて、inversionすることも可能である。波数マッチング前の角スペクトルか、波数マッチング後のスペクトルに、それらの処理を施すことができる。即ち、所望する点拡がり関数やエコー分布等の信号分布の角スペクトル若しくはスペクトル又は受信信号の角スペクトル若しくはスペクトルを用いて、超解像を施すことができる。尚、重み付けにおいて、零値や小さいスペクトルで割る場合には、注意が必要であり、特に、受信信号に含まれる各種のノイズを増幅することは有効ではなく、上記の如く、正則化(高周波成分の過度な増幅を抑圧する)やウィーナーフィルタ(信号雑音比の低い周波数成分の増幅を抑える)、特異値分解(小さい特異値やスペクトルを捨てて、対応する周波数の信号成分は使用しない)、最尤推定(MAP有り又は無し)等が有効である。 If the point spread function cannot be obtained when observation is desired, for example, the point spread function should be evaluated and stored as a database when observation is possible. One effective method of inverse filtering is to weight the observed spectrum so that it is identical to the desired point spread function, echo distribution, or other spectral distribution of the signal distribution (of course, the distribution of spectral intensity). is possible. Spectral distribution of signal distribution such as desired point spread function and echo distribution may be set analytically or through simulation, optimization, etc., and beamforming is performed under ideal parameters for the measurement target. , it may be done with a single measurement, ensemble averaging may be performed under multiple measurements, or addition averaging may be performed under the assumption of a local stationary process ( It is also found in a similar manner using a phantom (calibration phantom) of the object to be measured (for example, Non-Patent Documents 35 and 36), which has been performed for a long time. A one-dimensional point spread function in the wave propagation direction or in a direction orthogonal to it may be estimated by obtaining a one-dimensional autocorrelation function, but a multidimensional point spread function may be estimated by obtaining a multidimensional autocorrelation function. There is also (Non-Patent Documents 8 and 14). They are equivalent to one-dimensional and multi-dimensional spectra in the propagation direction and orthogonal direction, respectively (ie, self-spectrum). These are used when evaluating the wavelength of wave motion, the shape of the force source, and the spatial resolution of wave motion (Patent Document 11, etc.), and are used for super-resolution. For example, fixed focusing or aperture synthesis (Non-Patent Document 15) is performed using a power function type apodization to obtain a desired high-resolution point spread function or signal distribution such as an echo distribution, and a plane wave capable of high-speed transmission and reception. A low-resolution signal (Non-Patent Document 15) obtained by transmission using Gaussian apodization may be increased in resolution. The latter is suitable for high-precision measurement of high-speed motion and shear wave propagation, and can realize both measurement and high-resolution ultrasound imaging at the same time. Alternatively, inversion can be performed using the power spectrum of the signal itself. The angular spectrum before wavenumber matching or the spectrum after wavenumber matching can be subjected to these processes. That is, super-resolution can be performed using the angular spectrum or spectrum of a signal distribution such as a desired point spread function or echo distribution, or the angular spectrum or spectrum of a received signal. In weighting, when dividing by a zero value or a small spectrum, it is necessary to be careful. In particular, it is not effective to amplify various noises contained in the received signal. ), Wiener filter (suppresses amplification of frequency components with low signal-to-noise ratio), singular value decomposition (throw away small singular values and spectra and do not use signal components with corresponding frequencies), Likelihood estimation (with or without MAP) is effective.

上記のデジタル波動信号処理における方法(1)~(7)の過程においても、逆フィルタリングを行うことが可能である。イメージ信号が高分解能化され、定量性(数値)に関しても効果が得られることもあるが、画像として表示した場合においても同効果が得られることがある。ボケ画像が復元されたり、ピントが合ったりする効果が得られる。逆フィルタリングは、インコヒーレント信号に対して実施されることもあるし、コヒーレント信号の状態で施されると効果的であり、特に、物性分布の空間的な変化等を理解できることがある。重ね合わせされているものやスペクトルが周波数分割されているものに超解像が施されることもある。超解像の応用は、これらに限られない。 Inverse filtering can also be performed in the processes of methods (1) to (7) in the above digital wave signal processing. The resolution of the image signal is increased, and the quantitative (numerical value) effect may also be obtained, and the same effect may be obtained even when displayed as an image. You can get the effect of restoring a blurred image or bringing it into focus. Inverse filtering may be performed on an incoherent signal, and when performed on a coherent signal, it is effective. In particular, spatial changes in physical property distribution may be understood. Super-resolution may also be applied to superimposed or frequency-divided spectra. Applications of super-resolution are not limited to these.

また、新しい超解像を実施することもできる。1つは後述の非線形処理に基づくものであり、もう1つは、ここに記載する瞬時位相をイメージングするものである。 New super-resolution can also be implemented. One is based on the non-linear processing described below and the other is based on instantaneous phase imaging as described here.

いま、単独の波動又はビームを用いて得られた関心領域内の伝搬方向(座標軸t)の位置座標sの信号を

Figure 0007175489000181
であり、t=0は、t軸方向の基準位置、即ち、波動源の位置(t=0)を表し、δθ(t)は、位置座標tにおいて反射や散乱により生じる位相変化を表す。
とすると、これより、伝搬方向tの瞬時角周波数ω(t)と、瞬時位相θ(t)等を求めてイメージングする。伝搬方向tは、ステアリングせずに正面方向を向いている場合もあるし、ステアリングして偏向角度を持つ場合もあり、関心領域が3次元であるときも、又、2次元、1次元であるときもある。非特許文献19にある通り、波動又はビームの伝搬方向を空間分解能を持つ状態で計測でき(スペクトルの重心や瞬時周波数を用いる)、同時に、その方向の周波数も計測でき、後の示される周波数の空間積分処理において設定される積分路の方向(接線方向)の周波数を高精度に求めて計算できる。例えば、積分路は、送信時に設定した波動又はビームのステアリング方向(角度)、又は、生成された波動又はビームにおいて、同様に、但し、大局的に推定されるステアリング方向(角度)に直線状に取ることができる。尚、処理を簡単に済ませるべく、公称周波数や同時に大局的に推定されるその方向の周波数を使用することもできる。空間分解能を持つ状態で推定される伝搬方向に積分を行うことは、周波数分布の補間処理を伴い、不可能ではないが、実用的ではない。 Now let the signal at the position coordinate s in the propagation direction (coordinate axis t) in the region of interest obtained using a single wave or beam be
Figure 0007175489000181
where t=0 represents the reference position in the t-axis direction, that is, the position of the wave source (t=0), and δθ(t) represents the phase change caused by reflection or scattering at the position coordinate t.
Then, from this, the instantaneous angular frequency ω(t) in the propagation direction t, the instantaneous phase θ(t), etc. are obtained and imaged. Propagation direction t can be straight forward without steering, or can be steered to have a deflection angle. Sometimes. As described in Non-Patent Document 19, the propagation direction of waves or beams can be measured with spatial resolution (using the center of gravity of the spectrum and the instantaneous frequency), and at the same time, the frequency in that direction can also be measured. The frequency in the direction (tangential direction) of the integration path set in the spatial integration process can be obtained and calculated with high accuracy. For example, the integration path may be linearly aligned with the steering direction (angle) of the wave or beam set at the time of transmission, or in the generated wave or beam as well, but with a globally estimated steering direction (angle). can take. It should be noted that for ease of processing, the nominal frequency and, at the same time, the globally estimated frequency in that direction can be used. Integrating in the estimated propagation direction with spatial resolution involves interpolating the frequency distribution, which is not impossible, but not practical.

ちなみに、A(s)は振幅であり、位置座標t=sにおける反射強度や散乱強度を表す。例えば、式(30-1)の直交検波を通じた包絡線検波(IQ信号の二乗の和の平方根)により求まる。もしくは、フーリ変換を用いたヒルベルト変換を通じて、

Figure 0007175489000182
を生成し、式(30-1)と式(31)の二乗の和の平方根によっても求まる(特許文献7や非特許文献14)。後者は、特にデジタル信号処理に適している。 Incidentally, A(s) is the amplitude and represents the reflection intensity or scattering intensity at the position coordinate t=s. For example, it can be obtained by envelope detection (square root of sum of squares of IQ signals) through quadrature detection of equation (30-1). Or, through the Hilbert transform using the Fourier transform,
Figure 0007175489000182
is also obtained by the square root of the sum of the squares of the equations (30-1) and (31) (Patent Document 7 and Non-Patent Document 14). The latter is particularly suitable for digital signal processing.

式(30)と式(31)を用いて、複素解析信号(特許文献6や非特許文献7)で表示し、

Figure 0007175489000183
と表せる。 Expressed as a complex analytic signal (Patent Document 6 and Non-Patent Document 7) using Equations (30) and (31),
Figure 0007175489000183
can be expressed as

瞬時位相θ(s)を求めるべく、まず、瞬時角周波数を求める。常套手段としては、特許文献6や非特許文献7に記載の方法で、位置座標t=sにおいて、次のサンプリング位置座標t=s+Δsにおける瞬時周波数が等しく、瞬時位相は等しくないことを想定し(δθ(t)は、ランダムな散乱強度や反射率で決まる位相変化(即ち、ランダム)であり、tに対してランダム的に大きく変化する)、

Figure 0007175489000184
であると仮定すると、その位置座標t=s+Δsにおける信号は、
Figure 0007175489000185
と表されて、式(32)と式(35)との共役積を求めると、式(33)と式(34)の仮定の下で、
Figure 0007175489000186
と表され、従って、位置座標t=sにおける瞬時周波数は、
Figure 0007175489000187
と推定される。 To obtain the instantaneous phase θ(s), first, the instantaneous angular frequency is obtained. As a conventional means, the method described in Patent Document 6 and Non-Patent Document 7 assumes that the instantaneous frequencies at the next sampling position coordinate t = s + Δs are equal and the instantaneous phases are not equal at the position coordinate t = s ( δθ(t) is a phase change (that is, random) determined by random scattering intensity and reflectance, and varies greatly randomly with respect to t),
Figure 0007175489000184
, the signal at its position coordinate t=s+Δs is
Figure 0007175489000185
When the conjugate product of equations (32) and (35) is obtained, under the assumptions of equations (33) and (34),
Figure 0007175489000186
and therefore the instantaneous frequency at the position coordinate t=s is
Figure 0007175489000187
It is estimated to be.

特許文献6や非特許文献7に記載されている通り、実際には、信号r(s)にはノイズが混入するし、式(33)や式(34)の仮定の下で推定することとして、s軸方向やこれと直交する2方向又は1方向に含めて移動平均処理が施され、高精度化されることがある。この移動平均処理は、式(36)に対して施されて式(37)に従って求められる場合

Figure 0007175489000188
と、式(37)そのものに施される場合
Figure 0007175489000189
とがあるが、変位(ベクトル)計測には、式(38-1)の方が精度が高いことが確認されている。 As described in Patent Document 6 and Non-Patent Document 7, noise is actually mixed in the signal r(s), and estimation under the assumptions of equations (33) and (34) , s-axis direction and two or one direction orthogonal thereto, moving average processing may be performed to improve accuracy. If this moving average process is applied to equation (36) and determined according to equation (37)
Figure 0007175489000188
and when applied to equation (37) itself
Figure 0007175489000189
However, it has been confirmed that formula (38-1) has higher accuracy for displacement (vector) measurement.

これらの移動平均の施された瞬時周波数を用いて、各位座標において、瞬時周波数に関して検波すれば良い。瞬時周波数の推定値はアンバイアスであり、デジタル信号処理の場合には、式(32)に対して、

Figure 0007175489000190
を乗算することにより、瞬時位相θ(s)がランダムな散乱強度や反射率で決まる位相変化の積算値(即ち、ランダム)である仮定の下で、その推定値
Figure 0007175489000191
が得られる。 Using these moving-averaged instantaneous frequencies, the instantaneous frequencies may be detected at each coordinate. The estimate of the instantaneous frequency is unbiased, and for digital signal processing, for equation (32),
Figure 0007175489000190
By multiplying the estimated value
Figure 0007175489000191
is obtained.

尚、式(38-1)と式(38-2)により求められる瞬時周波数に移動平均を施したものの代わりに、スペクトルの第1次モーメント(重心、つまり、重み付きの平均値)より求まる重心周波数(×2π)を用いても良い。式は、式(S1)に示してある。 Instead of the moving average of the instantaneous frequencies obtained by equations (38-1) and (38-2), A frequency (×2π) may be used. The formula is shown in formula (S1).

上記の観測信号を表す式中のt = 0は、t軸方向の基準位置、即ち、波動源位置を表す。これに対し、式(39)中の基準位置t = t'も、t'= 0(波動源位置)とすることがあり、その場合に位置座標t=sの分布として求まるθ'(s)は、反射や散乱により生じる位相変化の積分値で表される瞬時位相(式(30-2))そのものの推定値である。瞬時周波数は平均化されたものであり、求まるθ'(s)はその状況で求められた推定値である。 t=0 in the above equation representing the observed signal represents the reference position in the t-axis direction, that is, the wave source position. On the other hand, the reference position t = t' in equation (39) may also be set to t' = 0 (wave source position). is an estimated value of the instantaneous phase itself (equation (30-2)) represented by the integrated value of the phase change caused by reflection and scattering. The instantaneous frequencies are averaged and the resulting θ'(s) is an estimate determined in that situation.

また、移動平均処理の影響やスペクトルを求める際の窓長の影響で、瞬時周波数が波動源位置(t=0)からt=s'(非零であり、sとも等しくない)まで求まらない場合には、t'=0として、公称角周波数又は予め測定/推定した角周波数ω0を用いて、

Figure 0007175489000192
として式(39)を用いることとなる。若しくは、t'= s'(非零、しかし、sとは等しくない)として、式(39)を用いる場合も有り、その場合には、推定値θ'(s)には、以下のバイアスエラーが生じることになる。
Figure 0007175489000193
In addition, due to the influence of moving average processing and the influence of the window length when obtaining the spectrum, the instantaneous frequency cannot be obtained from the wave source position (t = 0) to t = s' (nonzero and not equal to s). If not, with t′=0 and with the nominal angular frequency or the previously measured/estimated angular frequency ω 0 ,
Figure 0007175489000192
Equation (39) is used as Alternatively, Equation (39) may be used with t'=s' (non-zero but not equal to s), in which case the estimate θ'(s) has a bias error of will occur.
Figure 0007175489000193

しかし、式(30-2)と式(34)に基づき、サンプリングΔs間隔での瞬時位相の変化量であるΔθ(s)を推定する場合には、そのバイアスは問題とならない。推定結果は、

Figure 0007175489000194
として求まる。式(36)に対して、ω(s)Δsを核とする複素指数関数との共役積を求めても良い。尚、上記の式(34)、(36)、(43)等において、位相の引き算を前方差分を用いて求める場合を記載したが、その代わりに、後方差分を行うことも可能である。また、式(37)、式(38-1)、式(38-2)において、位相の微分の計算を上記の位相の差分をサンプリング間隔で割る近似で行ったが、高域遮断周波数を持つ微分フィルタを用いて微分処理を行うこともある。また、式(39)の瞬時周波数の推定値の積分には、台形則を初めとする公知の様々な積分演算を実施できる。
尚、式(40)で表される位相回転を含まない瞬時位相(式(30-2))の推定結果を得るべく、上記に依らずに、式(32)で表される解析信号の虚数部/実数部にarctan(正接の逆関数)を施して、式(30-1)中の余弦の角(即ち、位相回転を含む瞬時位相)を求め、式(42)においてs'=sとして瞬時周波数の移動平均又はスペクトルの第1次モーメントの積分演算により求まる位相回転を用いて直接的に減算することもできる。但し、arctanの直接の演算結果は、-π~πの結果となるため、その結果をアンラッピングした上で減算処理を行う必要がある。位相回転を含む瞬時位相は単調増加であるため、アンラッピングは、arctanの結果が負のときに2πを整数m倍したものを足せば良い。但し、mはビーム方向又は波動の伝搬方向に観測されたarctanの結果が負となった回数である。尚、上記の場合と同様に、式(41)を使用する場合もあるし、式(42)により表されるバイアスエラーを生じることもある。また、バイアスエラーを含まないサンプリング間隔Δsの瞬時位相の変化量であるΔθ(s)を推定するべく、式(43)とは別に、Δsだけ隔てた位置にて推定された位相回転を含まない瞬時位相の推定値との差を直接的に引き算により計算することもできる。
式(40)又は式(43)を用いて表される位相に関する画像は広帯域化されており、超解像の一種である。それらの位相そのものを表示することもできるし、余弦や正弦関数を掛けて表示することもできるし、さらに、包絡線で重み付けして表示することもできる。ちなみに、式(40)の位相を求めた複素解析信号の実部と虚部の各々の二乗の和の平方根は、包絡線信号と同一である。従って、二乗検波や絶対値検波、理想的には波打ち(信号値の符号、位相)を壊さずにそのままに画像化すると良い(グレー画像やカラー画像で表示できる)。主として、反射や散乱で決まる信号強度と位相や位相変化を表す画像となる。一方、求められた瞬時周波数を画像化すると、減衰や散乱による周波数変調の影響などを表す画像となる(同じく、グレーやカラー表示できる)。 However, the bias does not matter when estimating Δθ(s), which is the amount of change in the instantaneous phase at sampling intervals Δs, based on equations (30-2) and (34). The estimated result is
Figure 0007175489000194
is obtained as A conjugate product with a complex exponential function with ω(s)Δs as a kernel may be obtained for Equation (36). In the above equations (34), (36), (43), etc., the phase subtraction is obtained using the forward difference, but it is also possible to use the backward difference instead. In equations (37), (38-1), and (38-2), the phase differentiation is calculated by approximation by dividing the phase difference by the sampling interval. Differential processing may be performed using a differential filter. In addition, various known integration operations such as the trapezoidal rule can be implemented for the integration of the estimated value of the instantaneous frequency in Equation (39).
In order to obtain the estimation result of the instantaneous phase (equation (30-2)) that does not include the phase rotation represented by equation (40), instead of relying on the above, the imaginary number of the analytic signal represented by equation (32) Apply arctan (inverse function of tangent) to the part/real part to obtain the cosine angle (that is, instantaneous phase including phase rotation) in equation (30-1), and set s'=s in equation (42) It is also possible to perform direct subtraction using the moving average of the instantaneous frequency or the phase rotation obtained by integrating the first moment of the spectrum. However, since the direct operation result of arctan is -π to π, the result must be unwrapped before subtraction processing. Since the instantaneous phase including the phase rotation is monotonically increasing, unwrapping can be done by adding 2π multiplied by an integer m when the result of arctan is negative. where m is the number of times the arctan result observed in the beam direction or wave propagation direction is negative. It should be noted that, as in the above case, equation (41) may be used, and the bias error represented by equation (42) may occur. In addition, in order to estimate Δθ(s), which is the amount of change in the instantaneous phase at the sampling interval Δs that does not include the bias error, in addition to Equation (43), the phase rotation estimated at the position separated by Δs is not included. The difference from the instantaneous phase estimate can also be calculated directly by subtraction.
The phase-related image expressed using Equation (40) or Equation (43) is band-widened and is a kind of super-resolution. These phases can be displayed as they are, multiplied by a cosine or sine function, or weighted with an envelope. Incidentally, the square root of the sum of the squares of the real part and the imaginary part of the complex analytic signal whose phase is obtained in Equation (40) is the same as the envelope signal. Therefore, square-law detection, absolute value detection, and ideally imaging without destroying waviness (sign and phase of signal values) (can be displayed as a gray image or a color image). The image mainly represents the signal intensity, phase, and phase change determined by reflection and scattering. On the other hand, when the obtained instantaneous frequency is visualized, it becomes an image that expresses the effects of frequency modulation due to attenuation and scattering (similarly, it can be displayed in gray or color).

尚、上記のヒルベルト変換は、(高速)フーリエ変換に基づいて行うこと(非特許文献13)を記載したが、無論、本来のヒルベルト変換の計算をしても良い。また、信号にノイズが混入している場合には精度が低下するが、対象の実時間信号に対して微分処理を施して、位相が90°進んだ信号を生成し、-1を乗じて虚数成分を計算することもできる(微分処理によって角周波数が乗ざれた分は、元の実時間信号に対して余弦又は正弦信号の逆関数を施して求まる位相を近隣の位置における同計算結果(位相)との差分(いわゆる前方差分、後方差分、中心差分等を用いて1と-1を乗じて加算、又は、引き算)を計算してそれらの位置の距離で割ったもの(差分近似)で補正すればよく、差分近似ではなく、微分フィルタが施されることもある)。
例えば、式(30-1)で表される任意の信号に関して微分処理を施す場合には、振幅A(s)の空間微分(空間(s)的な変化)が瞬時周波数ω(s)に比べて小さい場合やその仮定をし、また、式(30-1)又はその微分の結果に関して、偏微分方向を含む多次元において、又は、その偏微分方向に移動平均を施すことにより、以下の様に近似する。

Figure 0007175489000195
それらの信号自身に対して移動平均処理が行われない場合もある。ω(s)は、上記の計算の他、例えば、以下の如く推定することができる。式(30-1')をさらに微分し、上記の条件や仮定、処理の下、さらには、ω(s)の空間微分も小さい場合やその仮定をし、以下の様に近似する。
Figure 0007175489000196
その際に、それらの信号自身に対して移動平均処理は行われない場合もある。式(30-1'')を式(30-1)で割り、-1を乗じれば、ω2(s)を推定できる。しかし、ω2(s)のその推定結果が負値となることがあり、偏微分方向sを含む多次元において、又は、その偏微分方向sの近傍の正値に置き換えられたり、近傍の正値のみを使用して補間近似したり、メディアンフィルタが掛けられたり、移動平均処理されたり、これらの組み合わせが施されることがある。メディアンフィルタは、特に、突発的に生じる大きな推定エラーを除去できる効果がある。また、正値に対して平方根を施して得られるω(s)に、メディアンフィルタや移動平均処理が施されることもある。これらの処理を通じて、ω(s)が求められることがある。式(30-1')をω(s)で除して-1を乗じることにより、式(30-1)の解析信号の虚数成分が得られる(つまり、解析信号が求まる)。この2階微分は、式(30―1)に微分フィルタや差分近似を2回施して求めても良いし、2階の微分フィルタや2階の差分近似(いわゆる中央差分を用いて、1、-2、1を乗じて加算したものをそれらの位置の距離の二乗で除する)を施して得ても良い。この他、微分には、例えば、アナログ回路にてオペアンプを使用した微分フィルタを使用しても良いし、デジタル回路又はデジタル信号処理において、微分フィルタや差分近似に基づく微分計算をしても良い。これらの微分処理は一種の高域通過型フィルタリングであるため、高域遮断周波数を設けて処理したり、微分処理の結果に対して移動平均処理を施すことがある。また、上記の瞬時周波数ω(s)には、計算を簡単にするべく、代わりに、公称周波数や大局的に推定される周波数(スペクトルの第1次モーメント等)を使用することもできる。本検波処理は、他の検波処理よりも格段に高速である。この処理は、r(s)の包絡線イメージング(解析信号の大きさを求めれば良い)や、変位や速度、加速度、歪、歪率、温度等の計測にも使用できる。(高速)フーリエ変換を施した場合と変位の計測精度は略同じであるが、エコー画像は深部において比較して高強度となることを経験している。本ヒルベルト変換法はフーリエ変換を用いたヒルベルト変換(非特許文献13)よりも高速であり、1つ1つの時相において、波動のパラメータやビームフォーミングパラメータの異なる複数のビームや波動が生成される場合には、受信トランスデューサにて受信する受信信号が増えてビームフォーミングやヒルベルト変換を実施する回数が増えるため、その様な場合に有効である。ビームフォーミングされた複数の信号を重ね合わせたものをビームフォーミングされた1つの信号と見なして一度に本ヒルベルト変換を実施することもあり、その場合にも有効である(微分により求まる瞬時周波数は、それらのビームや波動の重ね合わせの微分方向の合成周波数である)。上記の瞬時位相イメージングも同様に重ね合わされた合成波動において実施されることがある。これらの計測を行う場合には、複数の波動やビームを用いたり、スペクトルの周波数分割等を通じて得られた複数の疑似の波動やビームを用いて、それらの各々から導出されるドプラ方程式を連立して連立方程式を得ることがある(over-determinedシステムであることがある)が、その場合に、式(30-1)は、それらの各々の波動やビーム、又は、疑似の波動やビームを表し、各々の解析信号が同様にして求められて使用される。また、受信信号が多次元受信信号であり、搬送周波数が複数の直交座標軸方向に存在する場合(横方向変調やステアリングを実施した場合)においても、同様に瞬時位相を推定できる(詳細については後述する)。 Although it has been described that the above Hilbert transform is performed based on the (fast) Fourier transform (Non-Patent Document 13), the original Hilbert transform may of course be calculated. Also, if the signal contains noise, the accuracy will drop, but the real-time signal of interest is subjected to differentiation processing to generate a signal with a 90° phase lead, which is then multiplied by -1 to obtain an imaginary number. It is also possible to calculate the component (the amount multiplied by the angular frequency by differentiation processing is the phase obtained by applying the inverse function of the cosine or sine signal to the original real-time signal, and the same calculation result (phase ) (forward difference, backward difference, central difference, etc., multiplied by 1 and -1 and added or subtracted) and divided by the distance of those positions (difference approximation). (In some cases, differential filtering is applied instead of differential approximation).
For example, when differential processing is applied to an arbitrary signal represented by equation (30-1), the spatial differential (spatial (s) change) of the amplitude A(s) is compared to the instantaneous frequency ω(s). is small or assumed to be small, and for the result of formula (30-1) or its differentiation, by applying a moving average in multiple dimensions including the direction of partial differentiation or in the direction of partial differentiation, the following approximates
Figure 0007175489000195
Moving average processing may not be performed on those signals themselves. In addition to the above calculation, ω(s) can be estimated, for example, as follows. Equation (30-1') is further differentiated, and under the above conditions, assumptions, and processing, and furthermore, when the spatial differentiation of ω(s) is also small or assumed, the following approximation is obtained.
Figure 0007175489000196
At that time, moving average processing may not be performed on those signals themselves. ω 2 (s) can be estimated by dividing equation (30-1'') by equation (30-1) and multiplying by -1. However, the estimated result of ω 2 (s) may be negative, and in multiple dimensions including the partial differential direction s, or replaced by positive values in the neighborhood of the partial differential direction s, or by positive values in the neighborhood Interpolation approximation using only values, median filtering, moving average processing, or a combination of these may be applied. The median filter is particularly effective in removing large estimation errors that occur suddenly. Also, ω(s) obtained by taking the square root of a positive value may be subjected to median filtering or moving average processing. Through these processes, ω(s) may be obtained. By dividing equation (30-1′) by ω(s) and multiplying by −1, the imaginary component of the analytic signal of equation (30-1) is obtained (that is, the analytic signal is obtained). This second derivative may be obtained by applying a differential filter or difference approximation to the equation (30-1) twice, or using a second differential filter or second difference approximation (so-called central difference), 1, −2, divide by the square of the distance between those positions). In addition, for differentiation, for example, a differential filter using an operational amplifier in an analog circuit may be used, or differential calculation based on a differential filter or differential approximation may be performed in a digital circuit or digital signal processing. Since these differentiation processes are a kind of high-pass filtering, they may be processed with a high cut-off frequency or a moving average process may be applied to the results of differentiation processes. Also, for the above instantaneous frequency ω(s), instead, a nominal frequency or a globally estimated frequency (such as the first moment of the spectrum) can be used to simplify the calculations. This detection process is significantly faster than other detection processes. This process can also be used for envelope imaging of r(s) (the magnitude of the analytic signal can be obtained), and measurement of displacement, velocity, acceleration, strain, distortion rate, temperature, and the like. Although the measurement accuracy of the displacement is almost the same as when the (fast) Fourier transform is applied, we have experienced that the echo image has a higher intensity in comparison with the deep part. This Hilbert transform method is faster than the Hilbert transform using the Fourier transform (Non-Patent Document 13), and in each time phase, multiple beams and waves with different wave parameters and beamforming parameters are generated. In some cases, the number of reception signals received by the receiving transducer increases and the number of beamforming and Hilbert transforms increases, so this is effective in such a case. A plurality of beamformed signals superimposed is regarded as one beamformed signal, and this Hilbert transform may be performed at once. is the composite frequency in the differential direction of the superposition of those beams and waves). Instantaneous phase imaging as described above may also be performed on superimposed synthetic waves. When performing these measurements, multiple waves or beams are used, or multiple pseudo waves or beams obtained through frequency division of the spectrum are used, and the Doppler equations derived from each of these are used simultaneously. (which may be an over-determined system), in which case equation (30-1) represents their respective waves or beams, or quasi-waves or beams , each analytic signal is similarly determined and used. In addition, even if the received signal is a multidimensional received signal and the carrier frequencies exist in a plurality of orthogonal coordinate axis directions (when lateral modulation or steering is performed), the instantaneous phase can be similarly estimated (details will be described later). do).

図35は、2次元の場合の2ステアリングビームの例と、それらの重ね合わせの横方向変調を示す図である。また、図36は、3次元の場合の4ステアリングビームの例と、それらの重ね合わせの横方向変調を示す図である(3つのステアリングビームの場合には、図36に示されているいずれかの内の3つのステアリングビームを使用することが可能であるし、その他、軸に対して全てが対称な3つのステアリングビームを生成しても良いが、その図は略)。また、図35と図36には、リニア型の1次元と2次元のアレイ開口が示されているが、他の任意形状のアレイ型開口を使用することもでき、座標系も任意の直交座標系を使用できる。いずれの形状のアレイ開口型や直交座標系が使用される場合でも、空間的に軸や軸を交差する軸とする空間的に4象限を区切る平面に対称なステアリングビームが使用される(対称でない場合には、対称にすべく座標系を並進や回転させることもある)。ここで、ステアリングビームと称したが、ステアリングされた任意の波動に適用できる(ステアリングされていないものを含むこともある)。横方向変調の場合に、例えば2次元の場合には、図35に示すように、ステアリングにより生成された2つの交差波動を重ね合わせていない状態と重ね合わせた状態にて処理される。3次元の場合も同様に、図36に示すように、ステアリングにより生成された3つ又は4つの交差波動を重ね合わせていない状態と重ね合わせた状態にて処理される。ステアリングを実施した場合も多次元受信信号として処理する場合には同様である。非特許文献19にある通り、波動又はビームの伝搬方向を空間分解能を持つ状態で計測でき(スペクトルの重心や瞬時周波数を用いる)、同時に、その方向の周波数も計測でき、後の示される周波数の空間積分処理において設定される積分路の方向(接線方向)の周波数を高精度に求めて計算できる。上記の1次元信号の場合においては、例として、積分路を、送信時に設定した波動又はビームのステアリング方向(角度)、又は、生成された波動又はビームにおいて、同様に、但し、大局的に推定されるステアリング方向(角度)に直線状に取ることを記載したが、この多次元の場合に、積分路はその次元空間において理論的には任意に取れる。しかし、実際に積分の計算を行う上では、積分路をビームフォーミングの行われた座標系に適した状態で設定することは重要であり、直線や弧を描くものやそれらを連結したもの等が使用されることが多い。また、処理を簡単に済ませるべく、公称周波数や同時に大局的に推定される周波数を使用することもできる(積分路に投影する)。空間分解能を持つ状態で推定される伝搬方向に積分を行うことは、周波数分布の補間処理を伴い、不可能ではないが、実用的ではない。いま、関心領域内の信号を

Figure 0007175489000197
とすると、これより、各方向(t1,t2,t3)の瞬時角周波数(ω1(t1,t2,t3), ω2(t1,t2,t3), ω3(t1,t2,t3))と、瞬時位相θ(t1,t2,t3)等を求めてイメージングする。関心領域が2次元のときは、
Figure 0007175489000198
と表される。以下の3次元の時と同様に処理される。 FIG. 35 shows an example of two steering beams in the two-dimensional case and the lateral modulation of their superposition. FIG. 36 also shows an example of four steering beams in the three-dimensional case and the lateral modulation of their superposition (in the case of three steering beams, either It is also possible to use three steering beams out of the three, or alternatively three steering beams that are all symmetrical about the axis may be generated (not shown). Also, although linear one-dimensional and two-dimensional array apertures are shown in FIGS. 35 and 36, other arbitrary shaped array apertures may be used, and the coordinate system may be any Cartesian coordinate system. system can be used. Whichever shape of array aperture or Cartesian coordinate system is used, a steering beam that is spatially symmetrical about the four spatially quadrant planes with axes intersecting the axes (not symmetrical) is used. In some cases, the coordinate system may be translated or rotated to achieve symmetry). Although referred to as a steering beam here, it can be applied to any steered wave (including non-steered ones). In the case of lateral modulation, for example in two dimensions, the two cross waves generated by the steering are processed in non-superimposed and superimposed states, as shown in FIG. In the three-dimensional case, as shown in FIG. 36, three or four crossing waves generated by steering are processed in non-superimposed and superimposed states. The same applies when steering is performed and processed as a multidimensional received signal. As described in Non-Patent Document 19, the propagation direction of waves or beams can be measured with spatial resolution (using the center of gravity of the spectrum and the instantaneous frequency), and at the same time, the frequency in that direction can also be measured. The frequency in the direction (tangential direction) of the integration path set in the spatial integration process can be obtained and calculated with high accuracy. In the case of the above one-dimensional signal, for example, the integration path can be similarly, but globally estimated In this multi-dimensional case, the integration path can theoretically be taken arbitrarily in the dimensional space. However, when actually calculating the integral, it is important to set the integration path in a state suitable for the coordinate system in which beamforming is performed. often used. It is also possible to use the nominal frequency and at the same time a globally estimated frequency (projected onto the integration path) for ease of processing. Integrating in the estimated propagation direction with spatial resolution involves interpolating the frequency distribution, which is not impossible, but not practical. Now let's define the signal in the region of interest as
Figure 0007175489000197
, the instantaneous angular frequencies ( ω1 ( t1 ,t2 , t3), ω2 ( t1 , t2 , t3), ω 3 (t 1 , t 2 , t 3 )) and the instantaneous phase θ(t 1 , t 2 , t 3 ), etc. are obtained and imaged. When the region of interest is two-dimensional,
Figure 0007175489000198
is represented. It is processed in the same way as the 3D case below.

ちなみに、A(s1,s2,s3)は振幅であり、位置座標(s1,s2,s3)における反射強度や散乱強度を表す。例えば、式(30'-1)の直交検波を通じた包絡線検波(IQ信号の二乗の和の平方根)により求まる。もしくは、フーリ変換を用いたヒルベルト変換を通じて、

Figure 0007175489000199
を生成し、式(30'-1)と式(31')の二乗の和の平方根によっても求まる(特許文献7や非特許文献14)。後者は、特にデジタル信号処理に適している。 Incidentally, A(s 1 , s 2 , s 3 ) is the amplitude and represents the reflection intensity and scattering intensity at the position coordinates (s 1 , s 2 , s 3 ). For example, it can be obtained by envelope detection (square root of sum of squares of IQ signals) through quadrature detection of equation (30'-1). Or, through the Hilbert transform using the Fourier transform,
Figure 0007175489000199
is also obtained by the square root of the sum of the squares of the equations (30′-1) and (31′) (Patent Document 7 and Non-Patent Document 14). The latter is particularly suitable for digital signal processing.

式(30')と式(31')を用いて、複素解析信号(特許文献6や非特許文献7)で表示し、

Figure 0007175489000200
と表せる。 Using the equations (30′) and (31′), expressed as a complex analytic signal (Patent Document 6 and Non-Patent Document 7),
Figure 0007175489000200
can be expressed as

瞬時位相θ(s1,s2,s3)を求めるべく、まず、瞬時角周波数を求める。常套手段としては、特許文献6や非特許文献7に記載の方法で、位置座標(s1,s2,s3)において、例えば、t1方向の次のサンプリング位置座標(s1+Δs1,s2,s3)における瞬時周波数が等しく、瞬時位相は等しくないことを想定し(δθ(t1,t2,t3)は、ランダムな散乱強度や反射率で決まる位相変化(即ち、ランダム)であり、(t1,t2,t3)に対してランダム的に大きく変化する)、

Figure 0007175489000201
であると仮定すると、その位置座標(s1+Δs1,s2,s3)における信号は、
Figure 0007175489000202
と表されて、式(32')と式(35')との共役積を求めると、式(33')と式(34')の仮定の下で、
Figure 0007175489000203
と表され、従って、位置座標(s1,s2,s3)におけるs1方向の瞬時周波数ω1(s1,s2,s3)は、
Figure 0007175489000204
と推定される。 To obtain the instantaneous phase θ(s 1 , s 2 , s 3 ), first, the instantaneous angular frequency is obtained. As a conventional means, at the position coordinates (s 1 , s 2 , s 3 ), for example, the next sampling position coordinates (s 1 + Δs 1 , s 2 , s 3 ) are assumed to have equal instantaneous frequencies and unequal instantaneous phases (δθ(t 1 , t 2 , t 3 ) are phase changes determined by random scattering intensity and reflectance (i.e., random ), which varies greatly randomly with respect to (t 1 ,t 2 ,t 3 )),
Figure 0007175489000201
, the signal at its position coordinates (s 1 +Δs 1 ,s 2 ,s 3 ) is
Figure 0007175489000202
When the conjugate product of equations (32′) and (35′) is obtained, under the assumptions of equations (33′) and (34′),
Figure 0007175489000203
Therefore, the instantaneous frequency ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) in the s 1 direction at the position coordinates (s 1 , s 2 , s 3 ) is
Figure 0007175489000204
It is estimated to be.

特許文献6や非特許文献7に記載されている通り、実際には、信号r(s1,s2,s3)にはノイズが混入するし、式(33')や式(34')の仮定の下で推定することとして、s1軸方向やこれと直交する2方向又は1方向を含めて移動平均処理が施され、高精度化されることがある。この移動平均処理は、式(36')に対して施されて式(37')に従って求められる場合

Figure 0007175489000205
及び、ω1(s1,s2,s3)そのものに施される場合
Figure 0007175489000206
があるが、変位(ベクトル)計測には、式(38'―1)の方が精度が高いことが確認されている。s2やs3の方向の瞬時周波数もR2(s1,s2,s3)やR3(s1,s2,s3)を求めることを通じて同様に求められる。 As described in Patent Document 6 and Non-Patent Document 7, in reality, noise is mixed in the signal r(s 1 , s 2 , s 3 ), and equations (33′) and (34′) As an estimation under the assumption of , moving average processing including the s1 axis direction and two or one direction orthogonal thereto may be performed to improve accuracy. If this moving average process is applied to equation (36') and determined according to equation (37')
Figure 0007175489000205
and when applied to ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) itself
Figure 0007175489000206
However, it has been confirmed that formula (38'-1) has higher accuracy for displacement (vector) measurement. The instantaneous frequencies in the directions of s2 and s3 are similarly obtained through obtaining R2 ( s1 , s2 , s3 ) and R3 ( s1 , s2 , s3 ).

これらの移動平均の施された瞬時周波数を用いて、各位座標において、瞬時周波数に関して検波すれば良い。瞬時周波数の推定値はアンバイアスであり、デジタル信号処理の場合には、式(32')に対して、

Figure 0007175489000207
を乗算することにより、瞬時位相θ(s1,s2,s3)がランダムな散乱強度や反射率で決まる位相変化の積算値(即ち、ランダム)である仮定の下で、その推定値
Figure 0007175489000208
が得られる。 Using these moving-averaged instantaneous frequencies, the instantaneous frequencies may be detected at each coordinate. The instantaneous frequency estimate is unbiased, and for digital signal processing, for equation (32′),
Figure 0007175489000207
By multiplying the estimated value
Figure 0007175489000208
is obtained.

尚、式(38'-1)と式(38'-2)により求められる瞬時周波数に移動平均を施したものの代わりに、スペクトルの第1次モーメント(重心、つまり、重み付きの平均値)より求まる重心周波数(×2π)を用いても良い。3次元の直交座標系の1つの軸、x軸方向の重心の式は、式(S1'')に示してある。他の方向も同様に求まり、2次元においても求まる。 In addition, instead of the moving average of the instantaneous frequencies obtained by the equations (38'-1) and (38'-2), the first moment of the spectrum (the center of gravity, that is, the weighted average value) is The obtained center-of-gravity frequency (×2π) may be used. The formula for the center of gravity in the x-axis direction, one axis of the three-dimensional orthogonal coordinate system, is shown in formula (S1''). Other directions are found in the same way, and also in two dimensions.

上記の観測信号を表す式の積分路cは、瞬時位相を零とする位置を基準位置と考える始点0から関心点(s1,s2,s3)までの任意の線路である。0は、波動源の位置を表す。これに対し、式(39')中の積分路c'の始点も0(波動源位置)とすることがあり、その場合に位置座標(t1,t2,t3)=(s1,s2,s3)の分布として求まるθ'(s1,s2,s3)は、反射や散乱により生じる位相変化の積分値で表される瞬時位相(式(30'-2))そのものの推定値である。瞬時周波数は平均化されたものであり、求まるθ'(s1,s2,s3)はその状況で求められた推定値である。 The integration path c in the expression representing the above observation signal is an arbitrary line from the starting point 0 to the interest point ( s1, s2 , s3), where the position where the instantaneous phase is zero is regarded as the reference position. 0 represents the position of the wave source. On the other hand, the starting point of the integration path c ' in equation ( 39') may also be 0 (wave source position). θ' (s 1 , s 2 , s 3 ) obtained as the distribution of s 2 , s 3 ) is the instantaneous phase (equation (30'-2)) represented by the integral value of the phase change caused by reflection and scattering. is an estimate of The instantaneous frequencies are averaged, and the resulting θ'(s 1 ,s 2 ,s 3 ) is the estimated value obtained in that situation.

また、移動平均処理の影響やスペクトルを求める際の窓長の影響で、瞬時周波数が波動源位置0から(t1,t2,t3)=(s1',s2',s3')(波動源位置ではなく、(s1,s2,s3)とも等しくない)まで求まらない場合には、積分路c'の始点を0として、公称角周波数又は予め測定/推定した各方向の角周波数(ω010203)を用いて、

Figure 0007175489000209
として式(39')を用いることとなる。若しくは、積分路c'の始点を(t1,t2,t3)=(s1',s2',s3')(波動源位置0ではなく、(s1,s2,s3)とも等しくない)として、式(39')を用いる場合も有り、その場合に、推定値θ'(s1,s2,s3)には、以下のバイアスエラーが生じることになる。
Figure 0007175489000210
In addition, due to the influence of the moving average process and the influence of the window length when obtaining the spectrum, the instantaneous frequency changes from the wave source position 0 to (t 1 , t 2 , t 3 ) = (s 1 ', s 2 ', s 3 ' ) (not the wave source position and not equal to (s 1 , s 2 , s 3 )), the starting point of the integration path c' is set to 0, and the nominal angular frequency or the previously measured/estimated Using the angular frequencies (ω 01 , ω 02 , ω 03 ) in each direction,
Figure 0007175489000209
Equation (39′) is used as Alternatively, the starting point of the integration path c' is (t 1 ,t 2 ,t 3 )=(s 1 ',s 2 ',s 3 ') (not the wave source position 0, but (s 1 ,s 2 ,s 3 ) is not equal to )), in which case the following bias error will occur in the estimated value θ'(s 1 , s 2 , s 3 ).
Figure 0007175489000210

しかし、例えば、式(30'-2)と式(34')に基づき、サンプリングΔs1間隔でt1軸方向の瞬時位相の変化量であるΔθ1(s1,s2,s3)を推定する場合には、そのバイアスは問題とならない。推定結果は、

Figure 0007175489000211
として求まる。式(36')に対して、ω1(s1,s2,s3)Δs1を核とする複素指数関数との共役積を求めても良い。その他、t2やt3の方向の位相変化の推定値Δθ2'(s1,s2,s3)Δθ3'(s1,s2,s3)も各方向のサンプリング間隔Δs2とΔs3にて求めることができる。尚、上記の式(34')、(36')、(43')等において、位相の引き算を前方差分を用いて求める場合を記載したが、その代わりに、後方差分を行うことも可能である。また、式(37')、式(38'-1)、式(38'-2)において、位相の微分の計算を上記の位相の差分をサンプリング間隔で割る近似で行ったが、高域遮断周波数を持つ微分フィルタを用いて微分処理を行うこともある。また、式(39')の瞬時周波数の推定値の積分には、台形則を初めとする公知の様々な積分演算を実施できる。尚、式(40')で表される位相回転を含まない瞬時位相(式(30'-2))の推定結果を得るべく、上記に依らずに、式(32')で表される解析信号の虚数部/実数部にarctan(正接の逆関数)を施して、式(30'-1)中の余弦の核(即ち、位相回転を含む瞬時位相)を求め、式(42')において(s1',s2',s3')=(s1,s2,s3)として瞬時周波数の移動平均又はスペクトルの第1次モーメントの積分演算により求まる位相回転を用いて直接的に減算することもできる。但し、arctanの直接の演算結果は、-π~πの結果となるため、その結果をアンラッピングした上で減算処理を行う必要がある。位相回転を含む瞬時位相は単調増加であるため、アンラッピングは、arctanの結果が負のときに2πを整数m倍したものを足せば良い。但し、mはビーム方向又は波動の伝搬方向に観測されたarctanの結果が負となった回数である。尚、上記の場合と同様に、式(41')を使用する場合もあるし、式(42')により表されるバイアスエラーを生じることもある。また、バイアスエラーを含まない、t1方向のサンプリング間隔Δs1の瞬時位相の変化量であるΔθ1(s1,s2,s3)を推定するべく、式(43')とは別に、t1方向にΔs1だけ隔てた位置にて推定された位相回転を含まない瞬時位相の推定値との差を直接的に引き算により計算することもできる。同様にして、t2やt3の方向のサンプリング間隔Δs2とΔs3の瞬時位相の変化量の推定値Δθ2'(s1,s2,s3)Δθ3'(s1,s2,s3)も求めることができる。
式(40')又は式(43')を用いて表される位相に関する画像は広帯域化されており、超解像の一種である。それらの位相そのものを表示することもできるし、余弦や正弦関数を掛けて表示することもできるし、さらに、包絡線で重み付けして表示することもできる。ちなみに、式(40')の位相を求めた複素解析信号の実部と虚部の各々の二乗の和の平方根は、包絡線信号と同一である。従って、二乗検波や絶対値検波、理想的には波打ち(信号値の符号、位相)を壊さずにそのままに画像化すると良い(グレー画像やカラー画像で表示できる)。 However, for example, based on equations (30′-2) and (34′), Δθ 1 (s 1 , s 2 , s 3 ), which is the amount of change in the instantaneous phase in the t 1 -axis direction at sampling intervals Δs 1 , is When estimating, the bias does not matter. The estimated result is
Figure 0007175489000211
is obtained as A conjugate product with a complex exponential function having ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 )Δs 1 as a kernel may be obtained for equation (36′). In addition, the estimated values Δθ 2 '(s 1 , s 2 , s 3 ) Δθ 3 '(s 1 , s 2 , s 3 ) of the phase change in the directions of t 2 and t 3 are also the sampling intervals Δs 2 and It can be obtained by Δs3 . In the above equations (34′), (36′), (43′), etc., the case of obtaining the phase subtraction using the forward difference has been described, but it is also possible to perform the backward difference instead. be. In equations (37'), (38'-1), and (38'-2), the phase differentiation is calculated by approximation by dividing the phase difference by the sampling interval. Differential processing may be performed using a differential filter having a frequency. In addition, various known integration operations such as the trapezoidal rule can be implemented for the integration of the estimated value of the instantaneous frequency of Equation (39'). In order to obtain the estimation result of the instantaneous phase (equation (30'-2)) that does not include the phase rotation represented by equation (40'), the analysis represented by equation (32') is performed without depending on the above. Apply arctan (inverse tangent function) to the imaginary part/real part of the signal to obtain the cosine kernel (that is, the instantaneous phase including the phase rotation) in equation (30'-1), and in equation (42') (s 1 ', s 2 ', s 3 ') = (s 1 , s 2 , s 3 ) directly using the phase rotation obtained by the moving average of the instantaneous frequency or the integral operation of the first moment of the spectrum You can also subtract. However, since the direct operation result of arctan is -π to π, the result must be unwrapped before subtraction processing. Since the instantaneous phase including the phase rotation is monotonically increasing, unwrapping can be done by adding 2π multiplied by an integer m when the result of arctan is negative. where m is the number of negative arctan results observed in the beam direction or wave propagation direction. It should be noted that, as in the above case, the equation (41') may be used, and the bias error represented by the equation (42') may occur. In addition, in order to estimate Δθ 1 (s 1 , s 2 , s 3 ), which is the amount of change in the instantaneous phase at the sampling interval Δs 1 in the t 1 direction and does not include the bias error, in addition to Equation (43′), It is also possible to calculate the difference from the estimated value of the instantaneous phase not including the phase rotation estimated at the position separated by Δs 1 in the t 1 direction by direct subtraction. Similarly, the estimated values Δθ 2 '(s 1 ,s 2 ,s 3 ) Δθ 3 ' ( s 1 , s 2 ,s 3 ) can also be obtained.
The phase-related image expressed using Equation (40′) or Equation (43′) is band-widened and is a kind of super-resolution. These phases can be displayed as they are, multiplied by a cosine or sine function, or weighted with an envelope. Incidentally, the square root of the sum of the squares of the real part and the imaginary part of the complex analytic signal for which the phase of Equation (40') is obtained is the same as the envelope signal. Therefore, square-law detection, absolute value detection, and ideally imaging without destroying waviness (sign and phase of signal values) (can be displayed as a gray image or a color image).

尚、上記のヒルベルト変換は、多次元(高速)フーリエ変換に基づいて行うこと(非特許文献13、交差ビームや交差波動が空間において重なっていても重なっておらずに分離された状態にあっても処理できるが、後に確認する通り、前者の処理の方が全ての受信信号を一度にフーリエ変換できて計算量が少なくて済み、分離された状態の信号は積極的に重ね合わせた上で処理されることがある)を記載したが、無論、1次元のときと同様に、本来のヒルベルト変換の計算を応用しても良い。
また、信号にノイズが混入している場合には精度が低下するが、1次元のときと同様に、対象の実時間信号に対して微分処理を施して、位相が90°進んだ信号を生成し、-1を乗じて虚数成分を計算することもできる(微分処理によって角周波数が乗ざれた分は、元の実時間信号に対して余弦又は正弦信号の逆関数を施して求まる位相を近隣の位置における同計算結果(位相)との差分(いわゆる前方差分、後方差分、中心差分等)を計算してそれらの位置の距離で割ったもの(差分近似)で補正すればよく、差分近似ではなく、微分フィルタが施されることもある)。但し、本段落に記載されている方法は、横方向変調が実施されている場合には、図35や図36に示される通り、ステアリングされた波動が重ね合わさっていない場合に限られる。単独のステアリングされた波動を単独に処理する場合も処理可能である(本段落)。重なっている場合の1つの処理方法を本段落中の最後に、その他の2つの処理方法は次段落以降にて記載する。
例えば、式(30'-1)等で表される任意の信号に関して偏微分処理を施す場合には、s1からs3の内の1つの方向に関して偏微分を施す。振幅A(s1,s2,s3)の空間偏微分(空間的な変化)がその偏微分方向の瞬時周波数ω1(s1,s2,s3)又はω2(s1,s2,s3)、ω3(s1,s2,s3)に比べて小さい場合やその仮定をし、また、式(30'-1)又はその偏微分の結果に関して、偏微分方向を含む多次元において、又は、その偏微分方向に移動平均を施すことにより、以下の様に近似する。例えば、s1方向に偏微分した場合には以下の通りである。

Figure 0007175489000212
それらの信号自身に対して移動平均処理が行われない場合もある。例えば、横方向変調の場合には、方向に依ってはその方向の瞬時周波数が他の方向の瞬時周波数よりも低いことが有り、その様な場合には、偏微分の方向をその方向に取ることも可能であるが、ステアリングした方向であるとすると、信号のサンプリング間隔が粗いことが有り、近似計算を行うに当たり注意を要する。ω1(s1,s2,s3)は、上記の計算の他、例えば、以下の如く推定することができる。式(30'-1')を同一方向にさらに偏微分し、上記の条件や仮定、処理の下、さらには、ω1(s1,s2,s3)の空間微分も小さい場合やその仮定をし、以下の様に近似する。
Figure 0007175489000213
その際に、それらの信号自身に対して移動平均処理は行われない場合もある。式(30'-1'')を式(30'-1)で割り、-1を乗じれば、ω1 2(s1,s2,s3)を推定できる。しかし、ω1 2(s1,s2,s3)のその推定結果が負値となることがあり、偏微分方向を含む多次元において、又は、その偏微分方向s1の近傍の正値に置き換えられたり、近傍の正値のみを使用して補間近似したり、メディアンフィルタが掛けられたり、移動平均処理されたり、これらの組み合わせが施されることがある。メディアンフィルタは、特に、突発的に生じる大きな推定エラーを除去できる効果がある。また、正値に対して平方根を施して得られるω1(s1,s2,s3)に、メディアンフィルタや移動平均処理が施されることもある。これらの処理を通じて、ω1(s1,s2,s3)が求められることがある。式(30'-1')をω1(s1,s2,s3)で除して-1を乗じることにより、式(30'-1)の解析信号の虚数成分が得られる(つまり、解析信号が求まる)。この2階微分は、式(30'―1)に微分フィルタや差分近似を2回施して求めても良いし、2階の微分フィルタや2階の差分近似(いわゆる中央差分)を施して得ても良い。s1以外のs2やs3の各々の方向に偏微分した場合も、同様にして、ω2(s1,s2,s3)とω3(s1,s2,s3)が求まり、解析信号が求まるが、上記の通り、偏微分の方向を適切に選ぶことが望ましい。例えば、2次元の場合において、±20°のステアリング角度のステアリングビームを用いた場合では、偏微分の処理の方向を深さ方向とした場合と横方向にした場合との結果に大きな違いが無いケースを経験しているが、画像化において、多次元(高速)フーリエ変換を通じたヒルベルト変換(非特許文献13)と比較すると異なり、本近似処理を用いると比較して深部のエコー強度が強く求まることがある。一方、その様な場合でも、変位ベクトル計測の精度は殆どに同じであることを経験している。この他、微分には、例えば、アナログ回路にてオペアンプを使用した微分フィルタを使用しても良いし、デジタル回路又はデジタル信号処理において、微分フィルタや差分近似に基づく微分計算をしても良い。これらの微分処理は一種の高域通過型フィルタリングであるため、高域遮断周波数を設けて処理したり、微分処理の結果に対して移動平均処理を施すことがある。また、上記のω1(s1,s2,s3)等の瞬時周波数には、計算を簡単にするべく、代わりに、公称周波数や大局的に推定される周波数(スペクトルの第1次モーメント等)を使用することもできる。本検波処理は、他の検波処理よりも格段に高速である。この処理は、r(s1,s2,s3)の包絡線イメージング(解析信号の大きさを求めれば良い)や、変位(ベクトル)や速度(ベクトル)、加速度(ベクトル)、歪(テンソル)、歪率(テンソル)等の計測にも使用できる。ベクトルやテンソルの計測を行う場合には、複数の波動やビームを用いたり、スペクトルの周波数分割等を通じて得られた複数の疑似の波動やビームを用い、それらの各々から導出されるドプラ方程式を連立して連立方程式を得る(横方向変調やover-determinedシステムであることがある)が、その場合に、式(30'-1)は、それらの各々の波動やビーム、疑似の波動やビームを表し、各々の解析信号が同様にして求められて使用される。その他、同様にして、温度等の計測に使用されることもある。
本ヒルベルト変換法は多次元フーリエ変換を用いたヒルベルト変換(非特許文献13)よりも高速であり、1つ1つの時相において、波動のパラメータやビームフォーミングパラメータの異なる複数のビームや波動が生成される場合(但し、ステアリング方向が同一であったりするし、ステアリング方向が軸に対して対称であるとも限らない)には、受信トランスデューサにて受信する受信信号が増えてビームフォーミングやヒルベルト変換を実施する回数が増えるため、その様な場合に有効である。ビームフォーミングされた複数の信号を重ね合わせたものをビームフォーミングされた1つの信号(式(30'-1))と見なして一度に本ヒルベルト変換を実施することもあり、その場合にも有効である(偏微分により求まる瞬時周波数は、それらのビームや波動の重ね合わせの偏微分方向の合成周波数である)。上記の瞬時位相イメージングも同様に重ね合わされた合成波動において実施されることがある。物理開口素子が2次元又は3次元分布や多次元のアレイを構成している場合において、多くの処理時間を要するという問題をさらに効果的に解決し、本ヒルベルト変換の高速性は有効となる。 In addition, the above Hilbert transform should be performed based on the multidimensional (fast) Fourier transform (Non-Patent Document 13, even if the cross beams and cross waves overlap in space, they are separated without overlapping. can also be processed, but as will be confirmed later, the former process can perform the Fourier transform of all received signals at once, requiring less computation, and the separated signals are actively superimposed before being processed. However, the original Hilbert transform calculation may be applied as in the one-dimensional case.
In addition, although the accuracy decreases when noise is mixed in the signal, a signal whose phase is advanced by 90° is generated by performing differentiation processing on the real-time signal of interest, as in the one-dimensional case. can also be multiplied by -1 to calculate the imaginary component (the amount multiplied by the angular frequency through differentiation processing is the phase obtained by multiplying the original real-time signal by the inverse function of the cosine or sine signal). The difference (so-called forward difference, backward difference, central difference, etc.) from the same calculation result (phase) at the position of is calculated and corrected by dividing it by the distance of those positions (difference approximation).In difference approximation, may be applied with a differential filter). However, the method described in this paragraph is limited to cases where the steered waves are not superimposed, as shown in FIGS. 35 and 36, when lateral modulation is being performed. It is also possible to process a single steered wave alone (this paragraph). One processing method for overlapping cases is described at the end of this paragraph, and the other two processing methods are described in the following paragraphs.
For example, when performing partial differentiation processing on an arbitrary signal represented by equation (30'-1) or the like, partial differentiation is performed on one direction from s1 to s3. The spatial partial derivative (spatial change) of the amplitude A ( s1,s2 , s3) is the instantaneous frequency ω1 ( s1,s2 , s3 ) or ω2 ( s1 ,s 2 , s 3 ) and ω 3 (s 1 , s 2 , s 3 ), and ω 3 (s 1 , s 2 , s 3 ), or assuming the same. The following approximation is obtained by applying a moving average in multiple dimensions including or in the direction of partial differentiation. For example, partial differentiation in the s1 direction is as follows.
Figure 0007175489000212
Moving average processing may not be performed on those signals themselves. For example, in the case of transverse modulation, depending on the direction, the instantaneous frequency in that direction may be lower than the instantaneous frequency in other directions, in which case the direction of the partial derivative is taken in that direction. However, if it is in the steered direction, the sampling interval of the signal may be rough, and care must be taken in performing approximate calculations. ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) can be estimated as follows, for example, in addition to the above calculation. (30'-1') is further partially differentiated in the same direction, and under the above conditions, assumptions, and processing, furthermore, when the spatial derivative of ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) is also small, or We make an assumption and approximate it as follows.
Figure 0007175489000213
At that time, moving average processing may not be performed on those signals themselves. ω 1 2 (s 1 , s 2 , s 3 ) can be estimated by dividing equation (30'-1'') by equation (30'-1) and multiplying by -1. However, the estimated result of ω 1 2 (s 1 , s 2 , s 3 ) may be negative, and positive values in multiple dimensions including the partial differential direction or near the partial differential direction s 1 , interpolation approximation using only nearby positive values, median filtering, moving average processing, or a combination of these. The median filter is particularly effective in removing large estimation errors that occur suddenly. Also, ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) obtained by square rooting positive values may be subjected to median filtering or moving average processing. ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) may be obtained through these processes. Dividing equation (30′-1′) by ω 1 (s 1 ,s 2 ,s 3 ) and multiplying by −1 gives the imaginary component of the analytic signal of equation (30′-1) (that is, , the analytic signal is obtained). This second derivative may be obtained by applying a differential filter or difference approximation to Equation (30′-1) twice, or by applying a second differential filter or second order difference approximation (so-called central difference). can be Similarly, when partial differentiation is performed in each direction of s2 and s3 other than s1, ω2 ( s1, s2 , s3 ) and ω3 ( s1 , s2 , s3 ) are Although the analytic signal is obtained, it is desirable to appropriately select the direction of partial differentiation as described above. For example, in the two-dimensional case, when a steering beam with a steering angle of ±20° is used, there is no significant difference in the results between the depth direction and the horizontal direction of partial differentiation processing. I have experienced a case, but in imaging, unlike Hilbert transform (Non-Patent Document 13) through multidimensional (fast) Fourier transform, deep echo intensity can be obtained strongly compared to using this approximation process. Sometimes. On the other hand, we have experienced that the accuracy of the displacement vector measurement is almost the same even in such a case. In addition, for differentiation, for example, a differential filter using an operational amplifier in an analog circuit may be used, or differential calculation based on a differential filter or differential approximation may be performed in a digital circuit or digital signal processing. Since these differentiation processes are a kind of high-pass filtering, they may be processed with a high cut-off frequency or a moving average process may be applied to the results of differentiation processes. Also, for the instantaneous frequencies such as ω 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) above, instead of the nominal frequency or the globally estimated frequency (first moment of the spectrum etc.) can also be used. This detection process is significantly faster than other detection processes. This processing includes envelope imaging of r(s 1 , s 2 , s 3 ) (the magnitude of the analytic signal can be obtained), displacement (vector), velocity (vector), acceleration (vector), strain (tensor ), distortion factor (tensor), etc. When measuring vectors and tensors, multiple waves and beams are used, and multiple pseudo waves and beams obtained through spectral frequency division are used, and Doppler equations derived from each of them are simultaneously generated. to obtain a system of equations (which may be a transversely modulated or over-determined system), where Eq. , and each analytic signal is similarly determined and used. In addition, it may also be used to measure temperature and the like in the same way.
This Hilbert transform method is faster than the Hilbert transform using the multidimensional Fourier transform (Non-Patent Document 13), and in each time phase, multiple beams and waves with different wave parameters and beamforming parameters are generated. (However, the steering direction may be the same, and the steering direction may not be symmetrical with respect to the axis), the received signal received by the receiving transducer increases and beamforming and Hilbert transform are performed. It is effective in such a case because the number of times of execution increases. A plurality of beamformed signals superimposed may be regarded as one beamformed signal (equation (30′-1)) and the Hilbert transform may be performed at once. (The instantaneous frequency obtained by partial differentiation is the synthesized frequency in the direction of partial differentiation of the superposition of those beams and waves). Instantaneous phase imaging as described above may also be performed on superimposed synthetic waves. In the case where the physical aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multi-dimensional array, the problem of requiring a long processing time can be effectively solved, and the high-speed Hilbert transform is effective.

また、交差ビーム又は交差する波動を重ねて横方向変調の施されたエコー信号そのものに関しては、以下の如くに直接的に処理できる(2次元の場合には図35、3次元の場合には図36)。
2次元の場合において、2つの交差波動を重ねて横方向変調の施されたエコー信号そのものに関しては、以下の如くに直接的に処理できる。そのエコー信号が、

Figure 0007175489000214
と表される場合に、s1に関する1階偏微分及び2階偏微分を求めると、
Figure 0007175489000215
であり、(30A-1)及び(30A-3)より、上記と同様に、瞬時角周波数ω1(s1,s2)が求まり、(30A-2)より、
Figure 0007175489000216
が求まる。ここで、(30A-1)では、s1とs2の方向の余弦関数の初期値は省略している。また、(30A-2)をs2に関して偏微分すると、
Figure 0007175489000217
であり、(30A-1)をs2に関する1階偏微分及び2階偏微分を求めて同様にして求まる瞬時角周波数ω2(s1,s2)と、上記にて求めた瞬時角周波数ω1(s1,s2)とを用いて、
Figure 0007175489000218
が求まる。(30A-6)を求めるためには、(30A-1)をs2の次にs1で偏微分しても良く、その場合には、(30A-4)の代わりに、
Figure 0007175489000219
も求まる。(30A-1)、(30A-4)、(30A-6)、(30A-7)の加算や減算により、解析信号
Figure 0007175489000220
又は、
Figure 0007175489000221
と、
Figure 0007175489000222
又は、
Figure 0007175489000223
とを求め、それらの2つの独立な解析信号に多次元自己相関法や多次元ドプラ法(非特許文献13)、デモジュレーション法(特許文献7)等の変位計測法を施して変位ベクトルを求めることができ、また、各々の包絡線検波も得られ、それらの各々が画像化されることがある。複数求まる包絡線検波の結果は重ね合わせて画像化に使用しても良い(スペックルの低減効果がある)。検波は包絡線検波に限らず、二乗検波等の他の検波処理を施すことが可能であり、解析信号の実数成分及び/又は虚数成分を使用でき、それらの各々を画像化に使用できるし、複数求まる検波の結果は重ね合わせて画像化に使用しても良い(スペックルの低減効果がある)。
実際の(30A-6)の計算結果は、偏微分の順番を逆にすると異なるため、(30A-6)をその様にして2つ求めて、(30A-8)、(30A-8')、(30A-9)、(30A-9')中にて使用し、同一の式で表される解析信号は重ね合わせて平均化して使用しても良い(変位計測や画像化)。また、未知変位ベクトル成分に関するover-determinedシステムを実現しても良い(変位計測や画像化)。複数求まる包絡線検波の結果は重ね合わせて画像化に使用しても良い(スペックルの低減効果がある)。
また、交差ビームを重ねて横方向変調の施されたエコー信号そのものは、以下の如くに、
Figure 0007175489000224
の何れかとして表されることもあり、(30A-1)に施した同じ手順で解析信号やover-determinedシステムを求めて用いることができる。尚、(30A-1')、(30A-1'') 、(30A-1''') においては、(30A-1)と同様に、s1とs2の方向の余弦関数や正弦関数の初期値は省略している。
また、3次元の場合において、3つ又は4つの交差波動を重ねて横方向変調の施されたエコー信号そのものが、
Figure 0007175489000225
と表される場合に、2次元の場合と同様に偏微分処理を通じて、解析信号
Figure 0007175489000226
と、これと独立な解析信号を合せ、交差波動の総数(3つ又は4つ)だけ求めることができ、その内の少なくとも3つを連立するか、未知変位成分は3つであるため全てを連立してover-determinedシステムが得られる。ここで、(30B-1)においてs1とs2とs3の方向の余弦関数の初期値は省略している。2次元の場合と同様に、3次元エコーイメージングも可能である。包絡線検波や二乗検波等の検波を通じて各々の信号が画像化されることがある。また、重ね合わせて画像化されることもある(スペックルの低減効果もある)。複数の検波信号を2次元の場合と同様に偏微分方向の順番を変えて同一の式で表される解析信号を複数個求めることもでき、それらを用いて、over-determinedシステムを実現して、変位計測や画像化が行われることもある(スペックルの低減効果もある)。
また、交差ビームを重ねて横方向変調の施されたエコー信号そのものは、以下の如くに、
Figure 0007175489000227
の何れかで表されることもあり、同様に、3つ又は4つの解析信号、偏微分処理を施す方向の順番を変えた場合の信号を求め、使用することができる。但し、(30B-1')、(30B-1'') 、(30B-1''')、(30B-1'''')、(30B-1''''')、(30B-1'''''')、(30B-1''''''')においては、(30B-1)と同様に、s1とs2とs3の方向の余弦関数や正弦関数の初期値は省略している。 Further, the echo signal itself, which has undergone lateral modulation by superimposing crossing beams or crossing waves, can be directly processed as follows (Fig. 35 for two dimensions, Fig. 35 for three dimensions) 36).
In the two-dimensional case, the echo signal itself, which has been laterally modulated by overlapping two cross waves, can be directly processed as follows. The echo signal is
Figure 0007175489000214
When obtaining the first and second partial derivatives with respect to s 1 ,
Figure 0007175489000215
From (30A-1) and (30A-3), the instantaneous angular frequency ω 1 (s 1 , s 2 ) is obtained in the same manner as above, and from (30A-2),
Figure 0007175489000216
is sought. Here, in (30A- 1 ), the initial values of the cosine functions in the directions of s1 and s2 are omitted. Also, when (30A- 2 ) is partially differentiated with respect to s2,
Figure 0007175489000217
The instantaneous angular frequency ω 2 (s 1 , s 2 ) obtained in the same manner by obtaining the first and second partial differentials of (30A-1) with respect to s 2 and the instantaneous angular frequency obtained above Using ω 1 (s 1 , s 2 ) and
Figure 0007175489000218
is sought. To obtain (30A-6), (30A - 1 ) may be partially differentiated by s2 and then by s1, in which case instead of (30A-4),
Figure 0007175489000219
is also sought. The analytic signal is
Figure 0007175489000220
or
Figure 0007175489000221
When,
Figure 0007175489000222
or
Figure 0007175489000223
are obtained, and displacement measurement methods such as the multidimensional autocorrelation method, the multidimensional Doppler method (Non-Patent Document 13), and the demodulation method (Patent Document 7) are applied to these two independent analytic signals to obtain the displacement vector. can also be obtained and each of them can be imaged. A plurality of envelope detection results obtained may be superimposed and used for imaging (there is a speckle reduction effect). Detection is not limited to envelope detection, other detection processing such as square law detection can be applied, real and/or imaginary components of the analytic signal can be used, each of which can be used for imaging, A plurality of detection results obtained may be superimposed and used for imaging (there is a speckle reduction effect).
Since the actual calculation result of (30A-6) is different if the order of partial differentiation is reversed, two (30A-6) are obtained in that way, (30A-8), (30A-8') , (30A-9), and (30A-9'), and the analytic signals expressed by the same formula may be superimposed and averaged for use (displacement measurement and imaging). Also, an over-determined system for unknown displacement vector components may be implemented (displacement measurement and imaging). A plurality of envelope detection results obtained may be superimposed and used for imaging (there is a speckle reduction effect).
Also, the echo signal itself, which has been laterally modulated by superimposing the crossing beams, is as follows:
Figure 0007175489000224
and can be used to obtain the analytic signal and the over-determined system by the same procedure applied to (30A-1). In (30A-1'), (30A-1'') and (30A - 1 '''), the cosine function and sine function The initial value of is omitted.
Also, in the case of three dimensions, the echo signal itself, which has been laterally modulated by superimposing three or four crossing waves, is
Figure 0007175489000225
, the analytic signal
Figure 0007175489000226
and independent analytic signals can be combined to obtain the total number of crossing waves (three or four). Together, an over-determined system is obtained. Here, the initial values of the cosine functions in the directions of s 1 , s 2 and s 3 are omitted in (30B-1). As in the two-dimensional case, three-dimensional echo imaging is also possible. Each signal may be imaged through detection such as envelope detection or square law detection. In addition, they may be superimposed and imaged (there is also the effect of reducing speckle). A plurality of analytic signals expressed by the same equation can be obtained by changing the order of the partial differential direction of a plurality of detected signals in the same manner as in the two-dimensional case. , displacement measurement and imaging may be performed (there is also a speckle reduction effect).
Also, the echo signal itself, which has been laterally modulated by superimposing the crossing beams, is as follows:
Figure 0007175489000227
Similarly, it is possible to obtain and use three or four analytic signals and signals obtained by changing the order of the directions in which partial differential processing is performed. However, (30B-1'), (30B-1''), (30B-1'''), (30B-1''''), (30B-1'''''), (30B- 1'''''') and (30B-1''''''), similar to (30B - 1 ), the cosine and sine functions in the directions of s1 , s2 and s3 Initial values are omitted.

また、交差波の重ね合わせによる横方向変調(2次元の場合には図35、3次元の場合には図36)において、多次元(高速)フーリエ変換を用いたヒルベルト変換(非特許文献13)や前段落の偏微分処理とは異なり、1次元(高速)フーリエ変換を施してヒルベルト変換を実現することも可能である。
2次元の場合に、交差波が重なった2次元エコー信号が(30A-1)と表されるとすると、s1とs2の各々に関する1次元(高速)フーリエ変換を行い、各々の半帯域(負帯域)のスペクトルを零詰めした上で1次元逆フーリエ変換し、

Figure 0007175489000228
及び、
Figure 0007175489000229
を得て、さらに、(30C-1)又は(30C-2)に対し、虚数項のcos関数の座標(即ち、s2とs1)に関して同様に処理を施し、
Figure 0007175489000230
を得る。これらの(30C-1)、(30C-2)、(30C-3)の実数項(それらにおいて、共通)と虚数項より、解析信号(30A-8)、(30A-8')、(30A-9)、(30A-9')を求めることができ、上記の如くこれらの4式の内の独立な2つを求めて、多次元自己相関法や多次元ドプラ法(非特許文献13)、デモジュレーション法(特許文献7)を用いて、変位ベクトルを求めることができる。また、それらの独立した2式の内の各々の包絡線検波や二乗検波等の検波の結果も得られる(スペックルの低減効果もある)。計算量に関して、トータルの1次元フーリエ変換又は1次元逆フーリエ変換の回数は、非特許文献13にて報告した2次元フーリエ変換を実施する方法の回数と同じである(計6方向の回数)。
また、3次元の場合に、3つ又は4つの交差波が重なった横方向変調のエコー信号が、(30B-1)と表わされるとすると、2次元の場合と同様に、1次元フーリエ変換と1次元逆フーリエ変換を通じて、解析信号(30B-2)とこれと独立な解析信号を合せて交差波動の総数(3つ又は4つ)だけ求めることができ、その内の少なくとも3つを連立するか、未知変位成分は3つであるため全てを連立してover-determinedシステムが得られる。2次元の場合と同様に、3次元エコーイメージングも可能である。非特許文献13にて報告した3次元フーリエ変換を用いる方法と同一回数の1次元フーリエ変換と1次元逆フーリエ変換を実施することになる(交差波が3つのときは計12方向の回数、交差波が4つのときは計15方向の回数)。
これらの場合においても、同様に変位ベクトルの計測が行われる。また、包絡線検波や二乗検波等の検波を通じて各々の信号が画像化されることがある。また、重ね合わせて画像化されることもある(スペックルの低減効果もある)。over-determinedシステムである場合にも、同様に変位計測や画像化が行われることがある(スペックルの低減効果もある)。
以上、交差波が重なって横方向変調が実施された信号そのものに関する新しい高速なヒルベルト変換法を記載したが、その重なった交差波とは、同時に波動を送信した場合や各々の送信に対する受信信号を重ねたものである。これに対し、その前に記載した交差波が分離されている場合(即ち、各々が送信された際の受信信号や同時に送信された際の受信信号が処理されて分離された信号)には、例えば、2次元の場合に2つの交差波が重なっていないときに独立な2つの波動信号((30A-8)又は(30A-8')と(30A-9)又は(30A-9')の実信号)が、
Figure 0007175489000231
及び、
Figure 0007175489000232
として表される場合には、各々に1次元フーリエ変換と1次元逆フーリエ変換を2方向の回数ずつ(即ち、2次元フーリエ変換と2次元逆フーリエ変換を1回ずつ)施すこととなり、計8方向の回数の変換処理が必要となる。非特許文献13や上記の通りに、分離されている受信信号は重ね合わせし、また、同時に複数の波動を受信した場合の方が計算量が少ない。3次元の場合も同様である(1次元変換処理を、交差波が3つのときは計18方向の回数、交差波が4つのときは計24方向の回数;3次元変換処理としては、各々、6回と8回)。 In addition, in the lateral modulation (FIG. 35 for two dimensions, FIG. 36 for three dimensions) by superposition of crossing waves, Hilbert transform using multidimensional (fast) Fourier transform (Non-Patent Document 13) , and the partial differential processing in the previous paragraph, it is also possible to implement the Hilbert transform by applying a one-dimensional (fast) Fourier transform.
In the two-dimensional case, if a two-dimensional echo signal with superimposed crossing waves is expressed as (30A-1), a one-dimensional (fast) Fourier transform is performed on each of s1 and s2, and each halfband is After zero-filling the spectrum of (negative band), one-dimensional inverse Fourier transform is performed,
Figure 0007175489000228
as well as,
Figure 0007175489000229
Further, (30C-1) or (30C-2) is similarly processed with respect to the cosine function coordinates of the imaginary term (that is, s 2 and s 1 ),
Figure 0007175489000230
get From these (30C-1), (30C-2), (30C-3) real terms (common among them) and imaginary terms, the analytic signals (30A-8), (30A-8'), (30A -9), (30A-9') can be obtained, and as described above, independent two of these four equations are obtained, and the multidimensional autocorrelation method and the multidimensional Doppler method (Non-Patent Document 13) , the displacement vector can be determined using the demodulation method (Patent Document 7). In addition, the results of detection such as envelope detection and square-law detection for each of these two independent equations can also be obtained (there is also a speckle reduction effect). In terms of computational complexity, the number of total one-dimensional Fourier transforms or one-dimensional inverse Fourier transforms is the same as the number of methods for performing two-dimensional Fourier transforms reported in Non-Patent Document 13 (6 directions in total).
Also, in the case of three dimensions, if the laterally modulated echo signal in which three or four intersecting waves are superimposed is represented by (30B-1), one-dimensional Fourier transform and Through one-dimensional inverse Fourier transform, the total number of crossing waves (3 or 4) can be obtained by combining the analytic signal (30B-2) and the independent analytic signal, and at least three of them can be simultaneously Or, since there are three unknown displacement components, an over-determined system can be obtained by combining all of them. As in the two-dimensional case, three-dimensional echo imaging is also possible. One-dimensional Fourier transform and one-dimensional inverse Fourier transform are performed the same number of times as the method using the three-dimensional Fourier transform reported in Non-Patent Document 13 (when there are three crossing waves, a total of 12 When there are 4 waves, the number of times in a total of 15 directions).
In these cases, displacement vectors are similarly measured. Further, each signal may be imaged through detection such as envelope detection and square-law detection. In addition, they may be superimposed and imaged (there is also the effect of reducing speckle). In the case of an over-determined system, displacement measurement and imaging may also be performed in the same way (with the effect of reducing speckle).
So far, we have described a new high-speed Hilbert transform method for the signal itself in which cross-waves are superimposed and laterally modulated. It is layered. On the other hand, if the previously described crossing waves are separated (i.e., the signals received when each was transmitted or the received signals when transmitted simultaneously were processed and separated), For example, two independent wave signals ((30A-8) or (30A-8') and (30A-9) or (30A-9') when two crossing waves do not overlap in the two-dimensional case) real signal) is
Figure 0007175489000231
as well as,
Figure 0007175489000232
, each is subjected to a one-dimensional Fourier transform and a one-dimensional inverse Fourier transform twice in two directions (that is, a two-dimensional Fourier transform and a two-dimensional inverse Fourier transform once each), for a total of 8 Direction conversion processing is required for the number of times. As described in Non-Patent Document 13 and above, the amount of calculation is smaller when the separated received signals are superimposed and when a plurality of waves are received at the same time. The same applies to the three-dimensional case (one-dimensional conversion processing is performed a total of 18 times in 18 directions when there are 3 crossing waves, and a total of 24 directions when there are 4 crossing waves; 6 and 8 times).

本法を用いた場合には、主として、反射や散乱で決まる信号強度と位相や位相変化を表す画像となる。一方、求められた瞬時周波数を画像化すると、減衰や散乱による周波数変調の影響などを表す画像となる(同じく、グレーやカラー表示できる)。尚、上記の瞬時位相の存在は、ドプラ法に基づく上記の組織変位計測法や古典的な計測方法を単独に実施した場合には、微小変位といえども、何れの計測精度をも劣化させるものであったが、本願の発明者はフレーム間の位相マッチング法を開発してこれを克服した(例えば、非特許文献15)。他に報告のある組織変形を表す信号を伸縮させる方法も有効であることがあるが、前者の位相マッチング法は、組織変位や歪の計測等における高強度且つランダムな信号を対象とした場合の計測には欠かせない(並進と回転が可能)。通常、血流は狭帯域信号を用いて計測されるが、本方法によれば高分解能計測が可能となり、高精度な粘性計測等を拓くものである。多次元ベクトルやテンソルの計測も可能である。血流計測にも、位相マッチングを施す処理を実施して精密検査を実施できる。 When this method is used, the image mainly represents the signal intensity, phase, and phase change determined by reflection and scattering. On the other hand, when the obtained instantaneous frequency is imaged, it becomes an image that shows the effects of frequency modulation due to attenuation and scattering (similarly, it can be displayed in gray or color). It should be noted that the existence of the above instantaneous phase deteriorates the measurement accuracy of any of the above tissue displacement measurement methods based on the Doppler method or the classical measurement method, even if the displacement is very small. However, the inventors of the present application have overcome this by developing a phase matching method between frames (for example, Non-Patent Document 15). Other reported methods of expanding and contracting signals representing tissue deformation are also effective, but the former phase matching method is not suitable for high-intensity and random signals in tissue displacement and strain measurement. Essential for measurement (translation and rotation are possible). Normally, blood flow is measured using a narrow band signal, but this method enables high-resolution measurement and opens the way to high-precision viscosity measurement. It is also possible to measure multidimensional vectors and tensors. Blood flow measurement can also be subjected to a detailed examination by performing phase matching processing.

また、上記の包絡線検波は、生成されたイメージ信号に対して行うのが常套的手段であるが、周波数領域において、角スペクトル又はスペクトルの共役積による演算や、それも、加算処理前の各波数(周波数)成分に関するそれらの演算も有用である(本発明における非線形処理の1つ)。また、振幅の検波のために、上記の他に、二乗検波や絶対値検波等を施すこともある。尚、ビームフォーミング(即ち、ディレイやアポダイゼーションが掛けられ実現されるフォーカスや偏向)が行われて得られたイメージ信号からフーリエ変換を通じて得られるものはスペクトルであるが、さらに、ビームフォーミングを施すに至った場合には、軸方向と少なくとも1つの横方向にフーリエ変換されたものは、角スペクトルである。即ち、イメージ信号が生成された後に、さらに、ビームフォーミング処理が施されることがある。また、本処理や他の処理(後に詳細に記したスペクトルの重み加工や信号への非線形処理、逆フィルタリング等、その他)を含め、超解像処理の施されたものが上記のコヒーレント加算に使用されることがあるし、上記のインコヒーレント加算に使用されることもある。加算の対象は、異なる、又は、同一の信号(それらはビームフォーミング前又は後)に他の処理の施された信号、又は、それらの生信号等が対象となる。コヒーレント加算は、広帯域化(高分解能化)や高SN比化に適している一方で、インコヒーレント加算は、スペックルの低減や高SN比化に適している。スペックルの低減においては、空間分解能の低下を伴うこともあるが、超解像を交えた処理は、それが問題とならずに、高空間分解能な結果を齎すことがある。インコヒーレント加算は、基本的には、何かしらの検波(冪乗検波を含む)が施されて正値にされたものに対して施されるわけだが、上記の包絡検波以外の検波処理は、検波信号にコヒーレンス性が残る処理である(少なくとも、波の振動がわかる)。包絡線検波も有用であるが、この様なコヒーレンス性の残る検波は、特に、空間分解能を損じない検波処理として有用である。これと比較して、包絡線検波によれば、空間分解能が低下しやすいことがある。 The above envelope detection is conventionally performed on the generated image signal. Their operation in terms of wavenumber (frequency) components is also useful (one of the nonlinear processes in the present invention). In addition to the above, square-law detection, absolute value detection, or the like may be applied for amplitude detection. It should be noted that what is obtained through Fourier transform from an image signal obtained by beamforming (that is, focus and deflection achieved by applying delay and apodization) is a spectrum. If so, the axial and at least one lateral Fourier transform is the angular spectrum. That is, beamforming processing may be further performed after the image signal is generated. In addition, super-resolution processing including this processing and other processing (spectrum weighting, nonlinear processing of signals, inverse filtering, etc., which will be described in detail later) is used for the above coherent addition and may be used for the incoherent addition described above. Objects of addition are different or same signals (before or after beamforming) subjected to other processing, raw signals thereof, or the like. Coherent addition is suitable for widening the bandwidth (high resolution) and increasing the SN ratio, while incoherent addition is suitable for reducing speckle and increasing the SN ratio. The reduction of speckle may be accompanied by a decrease in spatial resolution, but processing with super-resolution does not pose a problem and may bring about a result of high spatial resolution. Incoherent addition is basically applied to the values that have been subjected to some kind of detection (including power detection) and converted to positive values. It is a process that leaves coherence in the signal (at least you can see the wave oscillations). Envelope detection is also useful, but detection with such coherence is particularly useful as detection processing without impairing spatial resolution. In comparison, envelope detection tends to reduce the spatial resolution.

動作するモードが装置に入力される指令(信号)によって定められることもある。また、観察対象の波動(波動の種類や特徴、強度、周波数、帯域幅、又は、符号等)や伝搬する媒体(伝搬速度、波動に関わる物性値、減衰、散乱、透過、反射、屈折、又は、それらの周波数分散等)に関する付加情報が与えられ、適切に受信信号がアナログ処理又はデジタル処理されることもある。生成されたイメージ信号の特徴(強度、周波数、帯域幅、又は、符号等)が解析されることもある。本実施形態に係る装置で得られたデータは、他の装置において使用されることがある。本実施形態に係る装置は、ネットワークデバイスの1つとして使用されることがあり、ネットワークシステムの制御装置により制御されることがあり、また、ネットワークデバイスを制御する制御装置として使用されることもあり、ローカルに構成されたネットワークを制御する制御装置となることもある。 The mode of operation may be determined by commands (signals) input to the device. In addition, waves to be observed (types and characteristics of waves, intensity, frequency, bandwidth, or sign, etc.), propagating media (propagation velocity, physical properties related to waves, attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, or , their frequency dispersion, etc.) may be provided, and the received signals may be analog or digitally processed as appropriate. The characteristics of the generated image signal (such as intensity, frequency, bandwidth or sign) may also be analyzed. The data obtained by the device according to this embodiment may be used in other devices. The apparatus according to the present embodiment may be used as one of network devices, may be controlled by a network system control device, or may be used as a control device for controlling network devices. , may also be a controller that controls a locally configured network.

本実施形態に係るパッシブ型の装置をアクティブ型の装置として使用する場合においては、送信トランスデューサ(又はアプリケータ)10を装置本体30の送信ユニット31に接続し、送信器31aがアナログ装置でトリガー信号の入力端子を持つ場合には、制御ユニット34によってトリガー信号を生成して印加するか、又は、送信器31aがデジタル装置で外部クロック信号に従って動作するモードがあれば、装置本体30内のいずれかから、又は、制御ユニット34からクロック信号を与えるか、又は、装置本体30が送信器31aのクロック信号で動作するかのいずれかの機構が設けられることがある。送信器31aがデジタル装置である場合においては、これらの内のいずれかの機構により、送信と受信のクロック信号が同期される。このことは、複数回の送信に基づいて、1つのイメージ信号を生成する場合に重要となる。同期を取れない場合には、クロック周波数やサンプリング周波数が高い状況において、誤差が低減されることがある。 When the passive device according to this embodiment is used as an active device, the transmission transducer (or applicator) 10 is connected to the transmission unit 31 of the device main body 30, and the transmitter 31a is an analog device, and the trigger signal , the trigger signal is generated and applied by the control unit 34, or if there is a mode in which the transmitter 31a is a digital device and operates according to an external clock signal, either in the device main body 30 or from the control unit 34, or the device body 30 operates with the clock signal of the transmitter 31a. If the transmitter 31a is a digital device, one of these mechanisms synchronizes the transmit and receive clock signals. This is important when generating an image signal based on multiple transmissions. In the absence of synchronization, errors may be reduced in situations where the clock frequency or sampling frequency is high.

以上により、高速フーリエ変換を通じて、任意のビームフォーミングを、高速に補間近似を行わずにデジタル処理によって実現できる。実質的に、任意のフォーカシングと任意のステアリング(偏向)を、任意開口形状のトランスデューサアレイデバイスを用いて実施できる。尚、本発明においては、方法(1)~(7)に記載の如く、任意のビームフォーミングの波数マッチングにおいて補間近似処理を行うことがあり、より高速にビームフォーミングが行われることがある。高精度に近似的な波数マッチングを行うには、計算量が増えることを代償として、受信信号を適切にオーバーサンプリングする必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。第2の実施形態は、装置として、また、動作モード(例えば、イメージングモード、ドプラモード、計測モード、通信モード等)に関して、通常の装置において使用され得るものであり、また、それらや上記のものに限られるものではない。 As described above, arbitrary beamforming can be realized by digital processing through fast Fourier transform without performing interpolation approximation at high speed. Virtually arbitrary focusing and arbitrary steering (deflection) can be performed with transducer array devices of arbitrary aperture shape. In the present invention, as described in methods (1) to (7), interpolation approximation processing may be performed in arbitrary beamforming wavenumber matching, and beamforming may be performed at a higher speed. In order to perform approximate wavenumber matching with high accuracy, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the expense of an increase in the amount of calculation. In that case, it should be noted that the number of data for Fourier transform increases, unlike the case where signals at arbitrary positions can be selectively generated when interpolation approximation processing is not performed. The second embodiment can be used in conventional devices as a device and in terms of modes of operation (e.g., imaging mode, Doppler mode, measurement mode, communication mode, etc.), and those and those described above. is not limited to

以上の第1及び第2の実施形態において、電磁波や、音波(圧縮波)やずり波、衝撃波、表面波等を含む振動波(力学的波)、又は、熱波等の波動(表面波やGuided waves等を含む)を対象として、送信又は受信のフォーカシングや送信又は受信のステアリング、送信又は受信のアポダイゼーションの有無に依らず、送受信の座標系とビームフォーミングされた信号を生成する座標系が異なる場合を含め、任意のビームフォーミングをデジタル処理に基づいて補間近似を行うことなく高精度に且つ高速に実施できる。ビームフォーミングされた信号を画像表示する際のフレームレートが向上するだけでなく、画質に関して高い空間分解能と高いコントラストを得ることができ、さらに、ビームフォーミングされた信号を用いて変位や変形、又は、温度等を計測すれば、計測精度も向上する。尚、本発明においては、方法(1)~(7)に記載の如く、任意のビームフォーミングの波数マッチングにおいて補間近似処理を行うことがあり、より高速にビームフォーミングが行われることがある。高精度に近似的な波数マッチングを行うには、計算量が増えることを代償として、受信信号を適切にオーバーサンプリングする必要がある。その場合には、補間近似処理を行わない場合に任意位置の信号を選択的に生成できるのとは異なり、フーリ変換のデータ数が増えることには注意が必要である。高速にビームフォーミングされた波動又はビームの重ね合わせ処理やスペクトル周波数分割、また、未受信ビームフォーミングの受信信号が重ね合わせされたりやスペクトル周波数分割されている状況における高速ビームフォーミングは様々な応用を実現する。本発明の応用は、この限りではない。処理の高速性は、多次元アレイを用いた多次元イメージングにおいて絶大な効果を奏する。尚、上記の計算アルゴリズムにおいて実施するフーリエ変換又は逆フーリエ変換処理には、専用の高速フーリエ変換又は高速逆フーリエ変換を実施することを含め、高速フーリエ変換を実施することが望ましい。また、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。 In the above first and second embodiments, electromagnetic waves, vibration waves (mechanical waves) including sound waves (compression waves), shear waves, shock waves, surface waves, etc., or waves such as thermal waves (surface waves, (including guided waves, etc.), regardless of the presence or absence of transmission or reception focusing, transmission or reception steering, or transmission or reception apodization, the coordinate system for transmitting and receiving is different from the coordinate system for generating beamformed signals. Including cases, arbitrary beamforming can be performed with high precision and at high speed without performing interpolation approximation based on digital processing. In addition to improving the frame rate when displaying images of beamformed signals, high spatial resolution and high contrast can be obtained in terms of image quality, and furthermore, beamformed signals can be used to perform displacement, deformation, or Measurement accuracy can be improved by measuring temperature and the like. In the present invention, as described in methods (1) to (7), interpolation approximation processing may be performed in arbitrary beamforming wavenumber matching, and beamforming may be performed at a higher speed. In order to perform approximate wavenumber matching with high accuracy, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the expense of an increase in the amount of calculation. In that case, it should be noted that the number of data for Fourier transform increases, unlike the case where signals at arbitrary positions can be selectively generated when interpolation approximation processing is not performed. Superposition processing and spectral frequency division of fast beamformed waves or beams, and fast beamforming in situations where received signals of unreceived beamforming are superimposed or spectrally frequency-divided enable various applications. do. The application of the present invention is not limited to this. High-speed processing is extremely effective in multidimensional imaging using multidimensional arrays. It should be noted that the Fourier transform or inverse Fourier transform processing performed in the above calculation algorithm preferably includes performing a dedicated fast Fourier transform or inverse fast Fourier transform. Moreover, the present invention is not limited to the above embodiments, and many modifications can be made within the technical concept of the present invention by those skilled in the art.

計測対象は、有機物、無機物、固体、液体、気体、レオロジーに従うもの、生き物、天体、地球、環境等、様々であり、応用範囲は極めて広い。非破壊的検査(最近のトピックとしては、安価且つ簡便な超音波による金属やプラスチック(特に、炭素繊維やガラス繊維等を用いたFiber-Reinforced Plastics)等の検査が盛んである。本発明者は、従来は超音波減衰が強いとされるゴムの超音波観測を提案している)、診断、資源探査、材料や構造物の生成や製造、物理的又は化学的な様々な修復や治療のモニタリング、明らかにした機能や物性等を応用すること等に貢献し、それらにおいては被測定対象に大きな擾乱を来さず、非侵襲的、低侵襲的、非観血的である条件が課された中で精度が求められることがある。理想的に対象を原位置でのありのままの状態(in situ)において観測できる場合がある。例えば、3次元波動を観測できる場合には、3次元変位ベクトルをドプラ観測でき、通常のドプラであると観測対象の変位方向に波動の伝搬方向を向ける必要が有るが、センサーを観測対象に向けるだけで任意方向の動きを観測できる(例えば、超音波エコー法)。計測手技も簡便化される。例えば、瞼を開いているときは水を介したり閉じていたりするときに超音波エコー法を用い、また、瞼を開いているときはOCTを用いて眼球の歪テンソルや歪率テンソル、ずり波伝搬を観測して数理逆問題により眼球の粘弾性率分布や眼圧を再構成できる。また、心腔内や血管内、眼底・網膜の血流ベクトルを超音波ドプラ観測して血液の粘性や心腔圧、血圧を再構成すること等もできる。その他、指紋鑑定(認証)や虹彩認証等を含め、光だけでなく超音波も様々な生体認証に応用できる(動態や温度等の機能観測や様々な物性観測を含む)。また、観測対象が稼働した状態においてin situにて観測できる場合がある。例えば、数理逆問題を用いて稼働している神経回路網や電気電子回路の導電率や誘電率等の電気物性の分布を磁場分布観測に基づいて電流密度ベクトル分布を観測して再構成したり、温度分布を観測して熱物性の分布を再構成したり、走行している車等のタイヤや流体の流れているゴム管や電流の流れている電線のゴム等の内部の歪テンソルや歪率テンソルを超音波ドプラ観測して粘弾性率や内圧の分布を再構成したり、それらの内部の温度を観測して熱物性や発熱、灌流の分布を再構成したり、ヒトの運動中における筋肉の動きベクトルを同様にして観測して粘弾性や組織圧を再構成すること等ができる。また、材料を生成・成長させている間において観測用に物理条件等を変えることなくその生成・成長過程をモニタリングできる。段落0094には、弾性率の非等方性を観測するための弾性波動の観測方法(その観測には超音波やMRI、OCT等を使用できる)を記載したが、他の様々な物性の非等方性も各物性に関わる波動(様々な電磁波、力学的波動、熱波等)を同様に観測して観測できる。つまり、源の位置や数、指向性等を調整して観測対象となる波動(各電磁波や光、放射線、可聴音波、超音波、弾性波、熱波)の重なりを観測したり、各々の波動を観測して重ね合わせたりして、伝搬方向を制御したりできる。又は、源の位置や数、指向性等を調整して純粋に独立した波動を複数個生成して観測し、物性の再構成の精度を向上させることもできる(over-determinedなシステムを生成できる)。例えば、様々な表面波やGuided wavesを実現するデバイス(媒体や源等)の設計に応用できる。ここで、観測対象を波動として記載したが、静的又は疑似的に静的な場(歪テンソル分布、電位分布、電流密度ベクトル分布、温度分布等)を観測対象とすることもあり、その様な場を観測して静的な物性を再構成することもある。
また、それらの波動や場を観測するために直接にセンシングする波動のSN比が低い場合には、その波動の重ね合わせや加算平均は有効である。例えば、ヒトや動物の脳磁場(非常に微弱であり周囲の磁場に埋もれてしまうことが多い)をSQUID計にて観測して電流密度ベクトルを観測する場合には、視覚や聴覚、体性感覚による誘発脳磁場を重ねて(加算平均)して電流密度ベクトルの分布を再構成することにより、その精度を得、電気物性の分布を再構成することもある。各誘発に対して電流密度ベクトル分布を観測して、それらを重ねて(加算平均して)、電気物性の分布を再構成することもある。また、てんかんの様に突発的に生じるものを対象にする場合にも、観測磁場を重ねたり観測時系列を積分した上でそれらの再構成を行うこともある。また、テラヘルツ観測(電界観測)においてSN比を向上させるべく加算平均が実施されるが、その様に重ね合わされたものを基に電気物性が再構成されることもある。重ね合わせ(加算平均)や積分に複数の事象の信号成分を含む場合には、それらの蓄積を同時に観測でき、ランダム性の信号成分は抑圧される。その様に重ね合わされた信号においてもそれらの再構成を実施することは可能であり、例えば、電流密度ベクトルや電気物性の分布再構成により観測の間に使用された神経回路網の走行構造が可視化されたりする。
波動の周波数を変えたり、広帯域な波動を実現して観測することにより、物性の周波数分散を再構成することもある。
また、波動そのものの作用により対象に治療や修復を実施することもあり、その際の対象からの応答に対してビームフォーミングを実施してその状況が観測されることもある。また、衛星通信、レーダー、ソナー等においてビームフォーミングを実施し、省エネの下、情報的に安全な環境を実現し、正確な通信も可能である。アドホックな通信機器やモバイルを含む通常の通信においても、本発明は有効である。また、センサーネットワークにも応用できる。対象が動的である場合には実時間性が求められるが、本発明に依れば、デジタルビームフォーミングを短時間に高速に高精度に完了することが可能である。
Objects to be measured include organic substances, inorganic substances, solids, liquids, gases, rheological objects, living creatures, celestial bodies, the earth, the environment, etc., and the range of applications is extremely wide. Non-destructive inspection (a recent topic is cheap and simple ultrasonic inspection of metals and plastics (especially Fiber-Reinforced Plastics using carbon fiber, glass fiber, etc.), etc.). , proposed ultrasonic observation of rubber, which is considered to have strong ultrasonic attenuation), diagnosis, resource exploration, generation and manufacturing of materials and structures, monitoring of various physical or chemical repairs and treatments. , contributed to the application of the clarified functions and physical properties, etc., in which the conditions that do not cause large disturbance to the measured object, are non-invasive, minimally invasive, and non-invasive were imposed. Sometimes precision is required. Ideally, the object may be observed in situ. For example, if 3D waves can be observed, 3D displacement vectors can be observed by Doppler. In the case of normal Doppler, it is necessary to orient the wave propagation direction in the displacement direction of the observation target, but the sensor should be directed to the observation target. It is possible to observe motion in any direction only by using the ultrasonic echo method (eg, ultrasonic echo method). Measurement techniques are also simplified. For example, when the eyelids are open, the ultrasound echo method is used when the eyelids are open or closed. We can reconstruct the viscoelasticity distribution of the eyeball and the intraocular pressure by observing the propagation and using the mathematical inverse problem. It is also possible to reconstruct blood viscosity, heart chamber pressure, and blood pressure by ultrasonic Doppler observation of blood flow vectors in heart chambers, blood vessels, fundus, and retina. In addition, not only light but also ultrasonic waves can be applied to various biometric authentication, including fingerprint identification (authentication) and iris authentication (including function observation such as dynamics and temperature, and various physical property observations). In addition, in some cases, observations can be made in situ while the observation target is in operation. For example, we can reconstruct the distribution of electrical physical properties such as electrical conductivity and dielectric constant of neural networks and electrical/electronic circuits that are running using mathematical inverse problems by observing the current density vector distribution based on the observation of the magnetic field distribution. , the temperature distribution can be observed to reconstruct the distribution of thermophysical properties, and the internal strain tensor and strain of the tire of a running car, the rubber tube through which a fluid flows, and the rubber of an electric wire through which an electric current flows. Ultrasound Doppler observation of the modulus tensor can be used to reconstruct the distribution of the viscoelastic modulus and internal pressure. Muscle motion vectors can be similarly observed to reconstruct viscoelasticity and tissue pressure. In addition, it is possible to monitor the generation/growth process without changing the physical conditions for observation while the material is being generated/grown. Paragraph 0094 describes an elastic wave observation method for observing the anisotropy of the elastic modulus (the observation can use ultrasound, MRI, OCT, etc.), but various other non-isotropic properties of physical properties are described. Isotropy can also be observed by observing waves related to each physical property (various electromagnetic waves, mechanical waves, heat waves, etc.) in the same way. In other words, by adjusting the position, number, directivity, etc. of the sources, we can observe the overlap of the waves to be observed (each electromagnetic wave, light, radiation, audible sound, ultrasonic wave, elastic wave, heat wave), can be observed and superimposed to control the direction of propagation. Alternatively, by adjusting the position, number, directivity, etc. of the sources, it is possible to generate and observe multiple purely independent waves to improve the accuracy of reconstructing physical properties (generate over-determined systems). ). For example, it can be applied to the design of devices (media, sources, etc.) that realize various surface waves and guided waves. Here, the object of observation is described as wave motion, but static or pseudo-static fields (strain tensor distribution, potential distribution, current density vector distribution, temperature distribution, etc.) may also be the object of observation. In some cases, static physical properties can be reconstructed by observing such fields.
In addition, when the SN ratio of waves to be directly sensed for observing those waves and fields is low, superposition and averaging of the waves are effective. For example, when observing the brain magnetic field of humans and animals (very weak and often buried in the surrounding magnetic field) with a SQUID meter and observing the current density vector, visual, auditory, and somatosensory Accuracy can be obtained by reconstructing the distribution of the current density vector by superimposing (adding and averaging) the induced brain magnetic field, and the distribution of electrical properties can be reconstructed. In some cases, the current density vector distribution is observed for each evoked and superimposed (averaged) to reconstruct the electrical property distribution. Also, in the case of a sudden onset such as epilepsy, the observed magnetic fields are superimposed and the observed time series are integrated to reconstruct them. In terahertz observation (electric field observation), averaging is performed to improve the SN ratio, and electrical properties may be reconstructed based on such superimposition. When signal components of a plurality of events are included in superimposition (additional averaging) or integration, their accumulation can be observed simultaneously, and random signal components are suppressed. It is possible to reconstruct them even in such superimposed signals. For example, the running structure of the neural network used during observation can be visualized by reconstructing the distribution of current density vectors and electrical properties. be done.
The frequency dispersion of physical properties can be reconfigured by changing the wave frequency or by realizing and observing wideband waves.
In addition, the action of the wave itself may be used to treat or repair the target, and beamforming may be performed on the response from the target at that time to observe the situation. In addition, satellite communication, radar, sonar, etc. implement beamforming to realize an informationally safe environment under energy saving, and accurate communication is also possible. The present invention is also effective in normal communications including ad-hoc communication devices and mobiles. It can also be applied to sensor networks. Real-time performance is required when the object is dynamic, but according to the present invention, it is possible to complete digital beamforming in a short period of time at high speed and with high accuracy.

<<第3の実施形態>>
電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の波動においては、その周波数、帯域幅、強度、又は、モードにより、波動としての挙動が異なる。これまでに多くの各種波動のトランスデューサが開発され、それらの波動の透過波、反射波、又は、散乱波等を用いるイメージングが行われている。例えば、非破壊検査や医療やソナーにおいて、音波の中でも高い周波数を有する超音波が使用されることは良く知られている。また、レーダーにおいても、観測対象に合わせて適切な周波数の電磁波(マイクロ波、テラヘルツ波、赤外線、可視光、又は、X線等の放射線等)が使用される。他の波動においても同様である。
<<Third Embodiment>>
Waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, and heat waves behave differently depending on their frequency, bandwidth, intensity, or mode. Many types of wave transducers have been developed so far, and imaging using transmitted waves, reflected waves, scattered waves, or the like of these waves has been performed. For example, it is well known that ultrasound, which has a high frequency among sound waves, is used in non-destructive inspection, medical treatment, and sonar. Radar also uses electromagnetic waves (microwaves, terahertz waves, infrared rays, visible light, radiation such as X-rays, etc.) with appropriate frequencies according to the observation target. The same is true for other waves.

それらの波動を用いるイメージングにおいては、通常、直交検波や包絡線検波や二乗検波を通じて得られる振幅データの分布が、グレー画像やカラー画像として、1次元、2次元、又は、3次元で表示される。また、それらの波動を使用するドプラ計測においては、生のコヒーレント信号が処理される(超音波ドプラ、レーダードプラ、レーザードプラ等)。さらに、画像計測の分野では、検波を通じてインコヒーレントにした信号を用いて動きの観測が行われることも良く知られている(相互相関処理やオプティカルフロー等)。医用超音波やソナーにおいては、物理的に生成されるハーモニックや和音や差音を用いたイメージングも行われる。 In imaging using these waves, the distribution of amplitude data obtained through quadrature detection, envelope detection, or square-law detection is usually displayed as a gray image or color image in one, two, or three dimensions. . Also, in Doppler measurements using these waves, raw coherent signals are processed (ultrasound Doppler, radar Doppler, laser Doppler, etc.). Furthermore, in the field of image measurement, it is also well known that motion observation is performed using signals made incoherent through detection (cross-correlation processing, optical flow, etc.). In medical ultrasound and sonar, imaging using physically generated harmonics, chords, and difference tones is also performed.

この様な中で、本願発明者は、ヒト組織の癌病変や硬化症等の病変を鑑別診断するための超音波イメージング技法の開発をしている。本願発明者は、エコーイメージングの高分解能化や組織変位の高精度計測イメージング等と共に、HIFU(High Intensity Focus Ultrasound:高強度焦点超音波)治療の高分解能化や高効率化を行っており、強力超音波放射時のエコーの受信に基づくそれらのイメージングも行っている。それらのイメージングは、適切なビームフォーミングを行うことを基礎としており、適切な検波方法や組織変位計測方法が必要となる。 Under such circumstances, the inventor of the present application is developing an ultrasound imaging technique for differential diagnosis of cancer lesions, sclerosis, and other lesions in human tissue. The inventor of the present application has been improving the resolution and efficiency of HIFU (High Intensity Focus Ultrasound) treatment along with improving the resolution of echo imaging and highly accurate measurement imaging of tissue displacement. We also perform their imaging based on the reception of echoes during ultrasound emission. These imagings are based on appropriate beamforming, and require appropriate detection methods and tissue displacement measurement methods.

例えば、本願発明者は、ビームフォーミング法として、交差ビームを用いた横方向変調法、スペクトル周波数分割法、多くの交差ビームを使用する方法、及び、優決定(over-determined)システム法等、また、特に多次元受信信号の検波方法として、直交検波や包絡線検波の他に二乗検波等、また、変位ベクトル計測法として、多次元自己相関法、多次元ドプラ法、多次元クロススペクトラム位相勾配法、及び、位相マッチング法等を考案し、その他、変位や歪計測に基づいて(粘)ずり弾性率分布や熱物性分布を再構成イメージングする技法を報告している(非特許文献13及び30を参照)。その中には、既に臨床において使用されているものもある。本願発明者の最近の報告は、ITEC(International Tissue Elasticity Conference)、IEEE Trans.on UFFC、超音波研究会、及び、アコースティックイメージング研究会等に多い。 For example, the inventors of the present application have used beamforming methods such as a lateral modulation method using cross beams, a spectral frequency division method, a method using many cross beams, and an over-determined system method, etc. , In particular, detection methods for multi-dimensional received signals include quadrature detection, envelope detection, and square-law detection. Displacement vector measurement methods include multi-dimensional autocorrelation, multi-dimensional Doppler, and multi-dimensional cross-spectrum phase gradient methods. , and devised a phase matching method, etc., and reported a technique for reconstruction imaging of (visco) shear elastic modulus distribution and thermophysical property distribution based on displacement and strain measurement (see Non-Patent Documents 13 and 30 reference). Some of them are already in clinical use. A recent report by the inventor of the present application is ITEC (International Tissue Elasticity Conference), IEEE Trans. On UFFC, Ultrasonic Study Group, and Acoustic Imaging Study Group.

本願発明者は、これらに関連して、非線形イメージングに注目している。医用超音波においては、現在、超音波の伝搬過程における物理的作用の結果に基づく非線形イメージング(いわゆる、ハーモニックイメージング)が行われている。以下においては、特に、非線形超音波の診断と治療への応用について述べる。 In this regard, the inventors have focused on nonlinear imaging. In medical ultrasound, nonlinear imaging (so-called harmonic imaging) based on the result of physical action in the propagation process of ultrasound is currently performed. In the following, in particular, diagnostic and therapeutic applications of nonlinear ultrasound are discussed.

ハーモニックイメージングは、音圧強度の大きい波成分の伝搬速度が大きい(通常、高強度の音圧に対して体積弾性率が大きいためと説明される)ことを要因として、伝搬中に生成される高調波成分をイメージングするものである。このハーモニックイメージングにおいては、超音波伝搬における非線形効果を増強するべく、コントラスト剤(超音波造影剤)を使用することがある。 Harmonic imaging is based on the fact that wave components with high sound pressure intensities propagate at high velocities (usually explained as having a high bulk modulus for high intensity sound pressures). It is for imaging wave components. Contrast agents (ultrasound contrast agents) may be used in this harmonic imaging to enhance nonlinear effects in ultrasound propagation.

毛細管(Capillary)の血流イメージングが可能であること等、その有効性が臨床において認知されて既に長い歴史がある(非特許文献22を参照)。非線形成分(高調波成分)を用いたドプラ計測も可能であり、近く、この様な場合において本願発明者の実現した多次元ベクトル計測を行った報告を行う。非特許文献23においては、いわゆるパルス・インバージョン法が用いられ、基本波との分離が行われている。 There is already a long history of clinical recognition of its effectiveness, such as the ability to perform blood flow imaging of capillaries (see Non-Patent Document 22). Doppler measurement using non-linear components (harmonic components) is also possible, and in the near future, we will report on multi-dimensional vector measurement realized by the present inventor in such a case. In Non-Patent Document 23, a so-called pulse inversion method is used to separate the fundamental wave.

また、組織イメージングは、血流イメージングに先行して行われた歴史があり、当初は、高調波はフィルタリングにより分離されていたが(非特許文献24を参照)、現在は、上記のパルス・インバージョン法により分離される。送波信号が広帯域である場合には、基本波と高調波の帯域が被るので、フィルタリング法には限界があった。その他、冪乗項からなる多次元乗多項式において、最小自乗法に基づいて、各次元項で表される基本波と高調波に分離する報告がある(非特許文献25を参照)。 In addition, tissue imaging has a history of being performed prior to blood flow imaging. Initially, harmonics were separated by filtering (see Non-Patent Document 24). Separated by the version method. If the transmit signal is broadband, the filtering method is limited because the fundamental and harmonic bands are covered. In addition, there is a report of separating a fundamental wave and harmonics represented by each dimension term based on the method of least squares in a multidimensional multiplicative polynomial consisting of power terms (see Non-Patent Document 25).

最近では、超音波顕微鏡(非特許文献26を参照)や、放射圧イメージング(非特許文献27を参照)において、ハーモニック成分や和音を応用する報告がある。また、その非線形伝搬と熱吸収には深い関わりがあり、HIFUは、キャビテーション(Cavitation)を生じさせる場合を含めて、高強度の超音波を焦点位置に集中させて使用される(非特許文献28等を参照)。また、超音波からずり波にエネルギー(やモード)が変換されるとき(例えば、軟組織と骨間の音響インピーダンスが大きく変化する境界に音波が斜めに入射する場合や散乱によってずりを生じるとき)には、その生成された高周波のずり波が、発生位置近傍内の伝搬中に、組織に吸収され易い(Girke)。 Recently, there are reports of applying harmonic components and chords to ultrasonic microscopes (see Non-Patent Document 26) and radiation pressure imaging (see Non-Patent Document 27). In addition, the nonlinear propagation and heat absorption are closely related, and HIFU is used by concentrating high-intensity ultrasonic waves on the focal position, including the case of causing cavitation (Non-Patent Document 28 etc.). Also, when the energy (or mode) is converted from ultrasonic waves to shear waves (for example, when sound waves are obliquely incident on the boundary where the acoustic impedance between soft tissue and bone changes greatly, or when shear occurs due to scattering) The high-frequency shear waves generated are susceptible to tissue absorption during propagation within the vicinity of the source (Girke).

HIFU治療において非線形効果を増強することを目的に使用されるコントラスト剤(非特許文献29等を参照)は、これらの点においても有効と考える。本願発明者は、癌病変の治療に関し、血液を凝固させて栄養動脈(feeding artery)を閉塞させる効果について17年前に世界に先駆けて言及しており、この効果も得られるものと考えている。最近では、臨床診断用の探触子と同程度の周波数帯域を有するアプリケータを安価に入手できる様になったが、本願発明者は、専用のコントラスト剤を開発する必要があると考えている。本願発明者は、少なくとも壊れやすい特性と壊れにくい特性とを共に魅力的な特性と考えているが、直近では、診断用の同特性のものや幾種類かを混合して使用することが可能である。 Contrast agents used for the purpose of enhancing non-linear effects in HIFU treatment (see Non-Patent Document 29, etc.) are considered effective in these respects as well. 17 years ago, the inventor of the present application was the first in the world to refer to the effect of coagulating blood and occluding feeding arteries in the treatment of cancer lesions, and believes that this effect can also be obtained. . Recently, an applicator with a frequency band similar to that of clinical diagnostic probes has become available at low cost, but the inventor of the present application believes that it is necessary to develop a dedicated contrast agent. . The inventor of the present application considers at least fragile and non-fragile properties to be attractive properties, but in the near future it is possible to use the same properties or a mixture of several types for diagnostic purposes. be.

波動は伝搬する間に減衰の影響を受け、従って、伝搬距離が進むにつれて波動のエネルギーは小さくなる。また、拡散する波動においては、拡散の影響も受ける。この様な中で、透過波、反射波、又は、散乱波が、インピーダンスの変化、反射体、又は、散乱体の存在を反映し、それらのイメージングやドプラ計測に使用される。それらのメージングにおいては、可能な限り、又は、必要とされる範囲内で、信号が高周波数の成分を含み、且つ、広帯域であることが望ましく、また、ドプラ計測においても同様である。 Waves are subject to attenuation while propagating, so the energy of a wave decreases as the propagation distance increases. Diffusing waves are also affected by diffusion. Under such circumstances, transmitted waves, reflected waves, or scattered waves reflect changes in impedance and the presence of reflectors or scatterers, and are used for their imaging and Doppler measurement. In their imaging, it is desirable that the signals contain high frequency components and be broadband to the extent possible or required, as in Doppler measurements.

しかしながら、通常は、高周波数の信号成分は減衰の影響を強く受け、伝搬距離が進むにつれて、そのエネルギーは失われ、信号は低周波化され、そして、狭帯域となって行く。即ち、信号源から遠い位置のイメージングは、信号対雑音比(Signal-to-Noise Ratio:SN比)が低くなり、空間分解能も低くなるような影響を受ける。ドプラ計測においては、その精度が低下する。減衰によるそれらの影響を低減することは、工学的な意味において極めて重要である。 Generally, however, high-frequency signal components are strongly affected by attenuation, and as the propagation distance increases, their energy is lost, the frequency of the signal is lowered, and the band becomes narrower. That is, imaging at locations far from the signal source suffers from lower signal-to-noise ratio (SNR) and lower spatial resolution. In Doppler measurement, its accuracy decreases. Reducing their effects due to attenuation is extremely important in an engineering sense.

また、単一の信号源では実現できない高周波の信号を生成できると、より高分解能なイメージングと高精度なドプラ計測が可能となる。単純に高周波数の信号を生成できても良い。通常、減衰の影響は高周波成分に強く、例えば、減衰の影響を受けやすい顕微鏡では、高い周波数で極力深部まで観測できると良い。また、低周波数のイメージングや低周波数の信号を用いた計測ができても良い。また、単一の信号源では実現できない低周波数の信号を生成できても良い。例えば、対象の深部を低周波数で変形させることができる。医用超音波画像、核磁気共鳴画像、OCT、レーザー応用においては、複数の信号源を用いて深部組織を低周波数で変形させることが行われる(Tissue Elasticity)。 Also, if a high-frequency signal that cannot be realized with a single signal source can be generated, imaging with higher resolution and Doppler measurement with higher precision will be possible. It may be possible to simply generate a high frequency signal. Generally, the influence of attenuation is strong in high-frequency components. For example, with a microscope that is susceptible to the influence of attenuation, it is desirable to be able to observe as deep as possible at a high frequency. Also, low-frequency imaging and measurement using low-frequency signals may be possible. Also, it may be possible to generate a low-frequency signal that cannot be realized with a single signal source. For example, the depth of interest can be deformed at low frequencies. In medical ultrasound imaging, nuclear magnetic resonance imaging, OCT, and laser applications, multiple signal sources are used to deform deep tissue at low frequencies (tissue elasticity).

例えば、多方向から振動を加えてその周波数よりも低周波数の振動波を生成したり、また、複数の超音波ビームをそれらの焦点位置等において交差させ、そこに低周波数の力源を実現して低周波数の振動波を生成させたりし、それらの生成された振動波が超音波(縦波)である場合があるし、また、それらの生成された振動波がずり波(横波)である場合には超音波で観測されることがある。それらの生成される波動の伝搬方向を調整できても良い。これらの信号を理論的に又は演算を基礎として実現できると、生成される波動を制御することもできて良い。さらに、通常の直交検波及び包絡線検波、二乗検波の処理に代わる、短時間に容易に実施できる検波方法も重要である。 For example, vibration is applied from multiple directions to generate vibration waves with a frequency lower than that frequency, or multiple ultrasonic beams are crossed at their focal positions to realize a low-frequency force source there. may generate low-frequency vibration waves, and the vibration waves generated may be ultrasonic waves (longitudinal waves), or the vibration waves generated may be shear waves (transverse waves). In some cases, it may be observed by ultrasound. It may be possible to adjust the direction of propagation of those generated waves. The ability to implement these signals theoretically or on a computational basis may also allow control over the waves generated. Furthermore, a detection method that can be easily implemented in a short period of time is also important in place of normal quadrature detection, envelope detection, and square-law detection.

そこで、上記の点に鑑み、本発明の第2の目的は、計測対象内から伝搬して来る任意波動において一般的に相対的に強度の弱い高周波数の成分や失われた高周波の成分を増強したり新たに生成したりして、空間分解能や計測精度を向上させることが可能なイメージング装置を提供することである。また、イメージング装置は、計測対象内の非線形の効果を増強したり、模擬したり、計測対象内において非線形効果がない場合においては新たに生成したり、又は、仮想的に実現してイメージングを行っても良い。また、本発明の第3の目的は、単一の波動源では実現できない高周波の信号を生成することである。さらに、本発明の第4の目的は、短時間に容易に実施できる検波方法を実現することである。 Therefore, in view of the above points, the second object of the present invention is to enhance high frequency components that are generally relatively weak in intensity and lost high frequency components in arbitrary waves propagating from the measurement object. It is an object of the present invention to provide an imaging apparatus capable of improving spatial resolution and measurement accuracy by generating or newly generating images. In addition, the imaging apparatus enhances or simulates the nonlinear effect in the object to be measured, generates a new nonlinear effect when there is no nonlinear effect in the object to be measured, or virtually realizes and performs imaging. can be A third object of the present invention is to generate a high frequency signal that cannot be realized with a single wave source. A fourth object of the present invention is to realize a detection method that can be easily implemented in a short period of time.

上記課題を解決するため、本発明の1つの観点に係るイメージング装置は、計測対象内から伝搬して来る任意波動に対し、(i)伝搬経路の任意位置において非線形デバイスを用いて非線形処理を施した上でトランスデューサによって受信して受信信号を生成する処理、(ii)トランスデューサによって受信してアナログの受信信号を生成し、アナログの受信信号にアナログの非線形処理を施す処理、及び、(iii)トランスデューサによって受信してアナログの受信信号を生成し、アナログの受信信号をデジタルサンプリングして得られるデジタルの受信信号にデジタルの非線形処理を施す処理の内の少なくとも1つを施す非線形受信処理部と、非線形受信処理部によって得られる受信信号に基づいて、計測対象の画像を表す画像信号を生成する画像信号生成部とを備える。 In order to solve the above problems, an imaging apparatus according to one aspect of the present invention provides (i) nonlinear processing using a nonlinear device at an arbitrary position on a propagation path for arbitrary waves propagating from within a measurement target. (ii) receive by the transducer and generate an analog received signal, and perform analog non-linear processing on the analog received signal; and (iii) transducer a non-linear reception processing unit that performs at least one of the processes of receiving a digital received signal by generating an analog received signal by digitally sampling the analog received signal and performing digital non-linear processing on the digital received signal obtained by digitally sampling the analog received signal; An image signal generation unit that generates an image signal representing an image of a measurement target based on the reception signal obtained by the reception processing unit.

本発明の1つの観点によれば、計測対象内から伝搬して来る任意波動において減衰の影響が問題とならない周波数の信号に対して非線形処理を施すことにより、一般的に相対的に強度の弱い高周波数の成分や失われた高周波数の成分を増強したり新たに生成したりして、空間分解能や計測精度を向上させることが可能となる。また、電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動の信号源より到来した波動や、それらの信号源から発せられた波動の透過波、反射波、又は、散乱波をトランスデューサによって検出して得られるコヒーレント信号に対し、波動伝搬中における乗算や冪乗の効果や、それらのアナログ演算やデジタル演算を含む処理によって、計測対象内の非線形効果を増強することができる。若しくは、同様の効果を模擬したり、新たに生成したり、又は、仮想的に実現することができる。 According to one aspect of the present invention, by performing nonlinear processing on a signal of a frequency in which the influence of attenuation is not a problem in arbitrary waves propagating from the object to be measured, generally relatively weak intensity Spatial resolution and measurement accuracy can be improved by enhancing or newly generating high-frequency components and lost high-frequency components. In addition, waves that arrive from arbitrary wave signal sources such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, or heat waves, and transmitted waves, reflected waves, or scattered waves of waves emitted from those signal sources Multiplication and exponentiation effects during wave propagation, and processing including analog and digital calculations of coherent signals obtained by detecting , by a transducer, can enhance nonlinear effects in the object to be measured. Alternatively, similar effects can be simulated, newly generated, or virtually realized.

例えば、コヒーレント信号を用いたイメージングやドプラ計測において、元の信号を用いたイメージングに比べて、高周波成分を含む広帯域な信号を利用して高分解能イメージングを実現し、また、元の信号を用いたドプラ計測に比べて高精度な変位、速度、加速度、歪、又は、歪率の計測を実現することができる。また、インコヒーレント信号に対しても、同様の課題に対して同様の処理が施される。ハードウェアとしては、通常のデバイスを使用することができる。無論、アナログ処理(回路)の方がデジタル処理(回路)よりも高速である。高次計算を含む計算を行う場合や自由度が広い点において、計算機や演算機能を有するデバイス(FPGAやDSP等)を使用することができる。 For example, in imaging using coherent signals and Doppler measurements, compared to imaging using the original signal, we have achieved high-resolution imaging by using a wideband signal containing high-frequency components, and using the original signal Measurement of displacement, velocity, acceleration, strain, or distortion rate can be realized with higher precision than Doppler measurement. Incoherent signals are also subjected to similar processing for similar problems. As hardware, ordinary devices can be used. Of course, analog processing (circuitry) is faster than digital processing (circuitry). Calculators and devices with arithmetic functions (FPGA, DSP, etc.) can be used when performing calculations including higher-order calculations and in terms of a wide degree of freedom.

特に、波動伝搬過程における減衰の影響に頑強で、単一の信号源では実現できない高周波成分を生成することも可能であり、高分解能なイメージングと、高精度なドプラ計測が可能となる。また、単一の信号源では物理的に実現できない高周波の信号を生成することも可能である。100MHzの超音波トランスデューサを複数台使用すると、物理的にその台数倍の高い超音波を生成でき、通常のトランスデューサでは生成することのできない高周波数を実現できる。また、単純に高周波数の信号を生成できても良い。本発明によれば、そのような高周波数を演算によっても実現することができる。従って、物理的に実現できない高周波な波動や信号も生成することができる。同様にして、低周波数のイメージングや低周波数の信号を用いた計測を実現できる。また、単一の信号源では物理的に実現できない低周波数の信号を生成することも可能である。これらの信号を理論的に又は演算を基礎として実現し、生成される波動を制御することもできる。 In particular, it is robust against the effects of attenuation in the wave propagation process, and can generate high-frequency components that cannot be realized with a single signal source, enabling high-resolution imaging and high-precision Doppler measurement. It is also possible to generate high-frequency signals that cannot be physically realized with a single signal source. If a plurality of 100 MHz ultrasonic transducers are used, it is possible to physically generate ultrasonic waves that are twice as high as the number of ultrasonic transducers, thereby achieving a high frequency that cannot be generated by ordinary transducers. Alternatively, it may be possible to simply generate a high-frequency signal. According to the present invention, such high frequencies can also be realized by computation. Therefore, it is possible to generate high-frequency waves and signals that cannot be physically realized. Similarly, low-frequency imaging and measurements using low-frequency signals can be realized. It is also possible to generate low frequency signals that are physically impossible with a single signal source. These signals can also be implemented theoretically or on a computational basis to control the waves generated.

例えば、超音波顕微鏡において、数百MHzの高周波超音波(信号)を応用して、音源で決まる周波数よりも高い周波数の超音波を生成し、且つ、その超音波が減衰に対して頑強であることから、通常よりも高分解能なイメージングと高精度なドプラ計測が可能な超音波顕微鏡を実現することができる。また、低周波数のイメージングや低周波数の信号を用いた計測もできる。また、組織の変形能を計測する場合においては、例えば、対象の深部を低周波数で変形させることができる。医用超音波画像、核磁気共鳴画像、OCT、レーザー応用等において、複数の信号源を用いて深部組織を低周波数で変形させることが行われる。他のイメージング装置やドプラ装置においても同様である。その他、加温、加熱、冷却、冷凍、溶接、加熱治療、洗浄、又は、修復等の効果も向上し、その際の高分解能化も可能である。各種検波後のインコヒーレント信号においても同様の効果が得られる。 For example, in an ultrasonic microscope, a high-frequency ultrasonic wave (signal) of several hundred MHz is applied to generate an ultrasonic wave with a frequency higher than that determined by the sound source, and the ultrasonic wave is robust against attenuation. Therefore, it is possible to realize an ultrasonic microscope capable of imaging with higher resolution and Doppler measurement with higher accuracy than usual. Also, low-frequency imaging and measurements using low-frequency signals are possible. In addition, when measuring the deformability of tissue, for example, the deep part of the object can be deformed at a low frequency. In medical ultrasound imaging, nuclear magnetic resonance imaging, OCT, laser applications, etc., multiple signal sources are used to deform deep tissue at low frequencies. The same applies to other imaging devices and Doppler devices. In addition, effects such as warming, heating, cooling, freezing, welding, heat treatment, cleaning, or repair are improved, and high resolution is also possible at that time. Similar effects can be obtained for incoherent signals after various detections.

また、信号処理の技術的な面においては、直交検波及び包絡線検波の処理を容易にできる。例えば、偏向ビームや偏向された波動に本発明を適用すると、全座標軸に関して直交検波したIQ信号が得られるので、包絡線検波が容易になる。また、交差ビームに本発明を施すと、各座標軸に直交検波したIQ信号が得られるので、各方向に通常のドプラ信号処理を施すことのみで、変位ベクトル、速度ベクトル、加速度ベクトル、歪テンソル、又は、歪率テンソルの計測が可能となる。無論、画像化において、検波処理として二乗検波を行うこともできる。 In terms of signal processing technology, quadrature detection and envelope detection can be easily performed. For example, if the present invention is applied to a deflected beam or a deflected wave, IQ signals obtained by quadrature detection with respect to all coordinate axes can be obtained, facilitating envelope detection. Further, when the present invention is applied to cross beams, orthogonally detected IQ signals are obtained on each coordinate axis. Alternatively, it becomes possible to measure the strain factor tensor. Of course, in imaging, square-law detection can also be performed as detection processing.

電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動の信号源より到来した波や、それらの信号源より発せられた波動の透過波、反射波、又は、散乱波をトランスデューサによって検出して得られるコヒーレント信号を用いたイメージングやドプラ計測は、レーダー、ソナー、非破壊検査、又は、診断等において、各媒体を対象として適切な周波数を用いて広く行われている。また、信号源より発せられた波動は、加温、加熱、冷却、冷凍、溶接、加熱治療、洗浄、又は、修復等にも応用されている。さらに、最近においては、インコヒーレント信号を用いた動き等の画像計測が行われる様になり、画像処理や信号処理を基礎として様々なイメージングや計測が行われている。本発明は、これら全てにおいて効果を奏するものであり、本発明の利用可能性及び市場可能性は非常に高い。 Waves arriving from signal sources of arbitrary waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, or heat waves, and transmitted waves, reflected waves, or scattered waves emitted from those signal sources are transducers. Imaging and Doppler measurement using coherent signals obtained by detection are widely performed using suitable frequencies for each medium in radar, sonar, non-destructive inspection, diagnosis, and the like. Wave motions emitted from a signal source are also applied to heating, heating, cooling, freezing, welding, heat treatment, cleaning, or repair. Furthermore, in recent years, image measurement such as movement using incoherent signals has come to be performed, and various imaging and measurement are performed based on image processing and signal processing. The present invention is effective in all of these, and the applicability and marketability of the present invention are very high.

図37は、本発明の第3の実施形態に係るイメージング装置の構成例を示すブロック図である。このイメージング装置は、計測対象から到来する電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動に基づいて、計測対象を撮像したり、又は、計測対象における変位等の物理量を非破壊で計測する装置である。 FIG. 37 is a block diagram showing an example configuration of an imaging apparatus according to the third embodiment of the present invention. This imaging device captures an image of an object to be measured based on arbitrary waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, or heat waves coming from the object to be measured, or measures physical quantities such as displacement in the object to be measured. It is a non-destructive measurement device.

図37に示すように、イメージング装置は、送信手段であり受信手段でもある少なくとも1つのトランスデューサ110と、イメージング装置本体120とを含んでいる。トランスデューサ110は、電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動を生成及び受信できるものであっても良い。その場合に、トランスデューサ110は、任意波動を計測対象1に送信すると共に、計測対象1内において反射された反射波又は散乱された散乱波等を受信することができる。例えば、任意波動が超音波である場合に、駆動信号に従って超音波を送信すると共に、超音波を受信して受信信号を生成する超音波トランスデューサを用いることができる。応用に合わせて、超音波素子(PZTや高分子圧電素子等)は異なり、トランスデューサの構造が異なることは良く知られている。 As shown in FIG. 37, the imaging device includes at least one transducer 110 that is both transmitting means and receiving means, and an imaging device body 120 . Transducer 110 may be capable of generating and receiving arbitrary waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, or heat waves. In that case, the transducer 110 can transmit arbitrary waves to the measurement target 1 and receive reflected waves reflected within the measurement target 1 or scattered waves scattered within the measurement target 1 . For example, when the arbitrary wave is an ultrasonic wave, it is possible to use an ultrasonic transducer that transmits the ultrasonic wave according to the drive signal and receives the ultrasonic wave to generate a reception signal. It is well known that there are different ultrasonic elements (PZT, piezoelectric polymer, etc.) and different transducer structures depending on the application.

血流計測では歴史的に狭帯域の超音波を使用することが行われてきたが、本願発明者は、近年において実用化された軟組織の変位や歪(静的な場合を含む)、ずり波伝搬(速度)の計測の場合を含め、(エコー)イメージング用の広帯域トランスデューサを使用することを世界に先駆けて実現してきた。HIFU治療も然りで、連続波が使用されることもあるが、本願発明者は、高分解能な治療を実現すべく、広帯域型のデバイスを用いた開発を行っている。強力超音波を使用する場合には、加熱効果を来さない範囲で組織を刺激し、上記の如く計測対象1内に力源を生成することもあり、(エコー)イメージング用のトランスデューサが使用されることもある。加熱治療や力源生成、そして、(エコー)イメージングが同時に行われることもある。その他の波動源やトランスデューサにおいても然りである。トランスデューサには接触型と非接触型があり、各波動のインピーダンスマッチングが適切に行われて使用される。 Historically, narrow-band ultrasonic waves have been used in blood flow measurement, but the inventors of the present application have found that displacement and strain (including static cases) of soft tissues and shear waves that have been put into practical use in recent years We have been the first in the world to realize the use of broadband transducers for (echo) imaging, including for propagation (velocity) measurements. The same is true for HIFU treatment, and continuous waves are sometimes used, but the inventors of the present application are developing devices using broadband devices in order to achieve high-resolution treatment. When using high-intensity ultrasonic waves, the tissue is stimulated in a range that does not cause a heating effect, and a force source may be generated in the measurement object 1 as described above, and a transducer for (echo) imaging is used. sometimes Heat therapy, force generation and (echo) imaging may be performed simultaneously. The same is true for other wave sources and transducers. There are two types of transducers: contact type and non-contact type, and each wave is properly impedance-matched before use.

あるいは、トランスデューサ110として、任意波動を生成する送信用トランスデューサと、任意波動を受信する受信用トランスデューサ(センサー)とが用いられても良い。その場合に、送信用トランスデューサは、任意波動を計測対象1に送信すると共に、センサーは、計測対象1内において反射された反射波又は散乱された散乱波、又は、計測対象1内を透過した透過波等を受信することができる。 Alternatively, the transducer 110 may be a transmitting transducer that generates arbitrary waves and a receiving transducer (sensor) that receives arbitrary waves. In that case, the transmitting transducer transmits an arbitrary wave to the measurement object 1, and the sensor transmits a reflected wave or a scattered wave reflected in the measurement object 1, or a transmitted wave transmitted through the measurement object 1. Waves, etc. can be received.

例えば、任意波動が熱波である場合に、太陽光や照明、生体内の代謝等の故意に生じさせることのない熱源が使用されることもあるが、赤外加温器やヒータ―等の比較的定常なものや、また、駆動信号に従って制御されることが多い加熱用の超音波を送信する超音波トランスデューサ(計測対象内1に力源を生成することもある)や電磁波トランスデューサ、レーザー等も使用される。また、熱波を受信して受信信号を生成する赤外線センサー、焦電センサー、マイクロ波やテラヘルツ波の検出器、光ファイバー等の温度センサー、超音波トランスデューサ(超音波の音速や体積変化等の温度依存性を用いて温度変化を検出)、又は、核磁気共鳴信号検出器(核磁気共鳴のケミカルシフトを用いて温度を検出)を用いることができる。各波動に関し、適切に受信できるトランスデューサが使用される。 For example, if the arbitrary wave is a heat wave, a heat source that is not intentionally generated such as sunlight, lighting, or metabolism in the body may be used, but an infrared warmer, heater, etc. Ultrasonic transducers that transmit ultrasonic waves for heating that are relatively stationary and often controlled according to drive signals (sometimes generate a force source within the measurement object 1), electromagnetic transducers, lasers, etc. is also used. In addition, infrared sensors that receive heat waves and generate reception signals, pyroelectric sensors, microwave and terahertz wave detectors, temperature sensors such as optical fibers, ultrasonic transducers (temperature-dependent ultrasonic sound velocity, volume change, etc.) A nuclear magnetic resonance signal detector (detects temperature using chemical shift of nuclear magnetic resonance) can be used. For each wave, a suitable receiving transducer is used.

トランスデューサ110は、駆動信号に従って能動的に波動を生成する際に、積極的に高調波を含む波動を生成しても良い。例えば、トランスデューサ110は、波動源又はそれを駆動する送信器121の回路の非線形特性に従って波動を生成する。また、トランスデューサ110は、1つの送信面又は受信面を有しても良く、複数の送信面又は受信面を有しても良い。トランスデューサ110の送信面には、生成された任意波動に対して非線形処理を施す非線形デバイス111が設けられても良い。トランスデューサ110の受信面には、計測対象1内から伝搬して来る任意波動に対して非線形処理を施す非線形デバイス111が設けられても良い。非線形デバイス111は、必ずしもトランスデューサ110の送信面や受信面に接している必要はなく、任意波動の伝搬経路の任意位置に設けられても良い。 The transducer 110 may actively generate waves including harmonics when actively generating waves according to the drive signal. For example, the transducer 110 produces waves according to the non-linear characteristics of the wave source or the circuitry of the transmitter 121 that drives it. Also, transducer 110 may have a single transmit or receive surface, or multiple transmit or receive surfaces. A transmission surface of the transducer 110 may be provided with a nonlinear device 111 that performs nonlinear processing on the generated arbitrary wave. A receiving surface of the transducer 110 may be provided with a nonlinear device 111 that performs nonlinear processing on arbitrary waves propagating from within the object 1 to be measured. The nonlinear device 111 does not necessarily have to be in contact with the transmitting surface or receiving surface of the transducer 110, and may be provided at any position along the arbitrary wave propagation path.

また、計測対象1とトランスデューサ110の送信面又は受信面との間に、フィルタ(分光器等)、遮蔽物、増幅器、又は、減衰器等の作用デバイス112が設けられても良い。非線形デバイス111を用いる場合に、作用デバイス112は、非線形デバイス111の前後両側に設けられても良い。トランスデューサ110、非線形デバイス111、及び、作用デバイス112は、分離されている場合と、組み合わせにおいて一体となっている場合とがある。 Also, between the object 1 to be measured and the transmitting or receiving surface of the transducer 110, a working device 112 such as a filter (such as a spectrometer), a shield, an amplifier or an attenuator may be provided. When using the nonlinear device 111 , the working device 112 may be provided on both front and rear sides of the nonlinear device 111 . Transducer 110, nonlinear device 111, and working device 112 may be separate or integral in combination.

図37においては、波動源が計測対象1内に設けられる場合も示しており、又は、それが制御部133によって直接的に制御可能である場合がある。また、トランスデューサ110によって生成した波動をレンズ等を用いて集中させたり、又は、複数のトランスデューサ110を用いてフォーカス送信等を行って、波動源を生じさせたりすることがある(力学的な波や熱波の源、又は、力学的な波や電磁波を用いて、例えば造影剤であることのある磁性体等を対象として新たに電磁波を生成したり、又は、波動間の物理的作用や物性への刺激により波動の強さや伝搬方向を制御する場合等を含む)。 FIG. 37 also shows the case where the wave source is provided within the object 1 to be measured, or it may be directly controllable by the controller 133 . In addition, the wave motion generated by the transducer 110 may be concentrated using a lens or the like, or a plurality of transducers 110 may be used to perform focus transmission or the like to generate a wave motion source (mechanical wave or Sources of heat waves, or using mechanical waves or electromagnetic waves to generate new electromagnetic waves, such as magnetic materials that may be contrast agents, or to the physical effects and properties between waves (including the case of controlling the strength and propagation direction of waves by stimulating the waves).

無論、計測対象1内に、元より、波動源があることがある(例えば、脳や心臓の電気活動は電流源、心臓は力源となる)。また、波動源を制御可能な場合もあれば、波動源を制御できない場合もあり、計測対象1をin situの状態で観測することもあり、又は、それらの波動源そのものがイメージング対象や計測対象であることもある。あるいは、元より、その様な波動源が、計測対象1外に存在することもあり、同様に扱われ、計測対象となることもある。その様な波動源と計測対象1との間に、非線形デバイス111や作用デバイス112が適切に設けられる場合もある。 Of course, the measurement object 1 may originally have a wave source (for example, the electrical activity of the brain and heart is a current source, and the heart is a force source). In addition, there are cases where the wave source is controllable, there are cases where the wave source cannot be controlled, there are cases where the measurement target 1 is observed in situ, or those wave sources themselves are the imaging target or the measurement target. Sometimes it is. Alternatively, such a wave source may originally exist outside the measurement target 1, and may be treated in the same way and become a measurement target. A nonlinear device 111 or an action device 112 may be appropriately provided between such a wave source and the object 1 to be measured.

さらに、計測対象1内の少なくとも一部に、計測対象1内において非線形効果を得たり、又は、計測対象1内の非線形効果を積極的に増強するために、微小気泡等の造影剤(非線形増強剤)1aが注入されても良い。造影剤1aとしては、計測対象1内の特にターゲットとする病変や流体等に対して親和性を有するものが使用されることがある。この様に、波動を受信するトランスデューサには、複数の波動源により生成された波動が到来することがある。 Furthermore, in at least a part of the measurement object 1, a contrast medium such as microbubbles (nonlinear enhancement Agent) 1a may be injected. As the contrast medium 1a, a medium having an affinity for a target lesion, fluid, or the like in the measurement object 1 may be used. Thus, a transducer receiving waves may receive waves generated by multiple wave sources.

トランスデューサ110は、有線又は無線によって、イメージング装置本体120から駆動信号を供給され、及び/又は、イメージング装置本体120に受信信号を出力する。無線による場合には、トランスデューサ110内に無線受信器及び/又は無線送信器が設けられ、イメージング装置本体120内にも無線送信器及び無線受信器が設けられる。 The transducer 110 is supplied with a driving signal from the imaging apparatus main body 120 and/or outputs a reception signal to the imaging apparatus main body 120 by wire or wirelessly. In the case of wireless, a wireless receiver and/or wireless transmitter is provided within the transducer 110 and a wireless transmitter and wireless receiver are also provided within the imaging apparatus body 120 .

イメージング装置本体120は、パートAにおいて、送信器121と、受信器122と、フィルタ/ゲイン調整部123と、非線形素子124と、フィルタ/ゲイン調整部125と、検波器126と、AD(Analogue-to-digital)変換器127と、記憶装置128とを含んでも良い。また、イメージング装置本体120は、パートBにおいて、受信ビームフォーマ129と、演算部130と、画像信号生成部131と、計測部132と、制御部133と、表示装置134と、アナログ表示装置135とを含んでも良い。制御部133は、イメージング装置本体120の各部を制御する。 In Part A, the imaging apparatus main body 120 includes a transmitter 121, a receiver 122, a filter/gain adjustment section 123, a nonlinear element 124, a filter/gain adjustment section 125, a detector 126, and an AD (Analog- to-digital converter 127 and storage device 128 . In Part B, the imaging apparatus main body 120 includes a reception beamformer 129, a calculation unit 130, an image signal generation unit 131, a measurement unit 132, a control unit 133, a display device 134, and an analog display device 135. may contain The control unit 133 controls each unit of the imaging apparatus body 120 .

複数のトランスデューサ110が用いられる場合には、トランスデューサ110の数と同じチャンネル数のパートAが設けられるようにしても良い。後に、それらのトランスデューサ110がアレイを構成する場合についても説明する。図37に示すように、複数チャンネルのパートAが設けられる場合には、複数チャンネルのパートAの記憶装置128から出力される受信信号が、パートBの受信ビームフォーマ129に供給されることもある。あるいは、各々のパートAに縦続的にそれぞれのパートBが接続されて独立に処理されることもあり、その場合には、各チャンネルのパートAの記憶装置128から出力される受信信号が各チャンネルのパートBの受信ビームフォーマ129に供給される。なお、複数のトランスデューサ110は、異なる別の種類の波動に関するものであることがあり、その場合には、異なる種類の波動の非線形効果を同時に観測することがあるし、同一波動における非線形効果ではなくて異なる種類の波動間の非線形効果を観測することがある。 If multiple transducers 110 are used, there may be as many Part A channels as there are transducers 110 . A case in which these transducers 110 form an array will also be described later. As shown in FIG. 37, when a multi-channel part A is provided, the received signal output from the multi-channel part A storage device 128 may be supplied to the part B receive beamformer 129. . Alternatively, each part B may be connected in cascade to each part A and processed independently, in which case the received signal output from each channel's part A storage device 128 is stored in each channel. is supplied to the receive beamformer 129 of Part B of the . It should be noted that multiple transducers 110 may be associated with different types of waves, in which case nonlinear effects of different types of waves may be observed simultaneously, and nonlinear effects in the same wave may be observed at the same time. We sometimes observe nonlinear effects between different kinds of waves.

パートAにおいて、送信器121~検波器126は、アナログ回路によって構成されても良いし、それらの少なくとも一部は、デジタル回路で構成される場合もある。また、パートBにおいて、受信ビームフォーマ129~制御部133は、デジタル回路によって構成されても良いし、又は、中央演算装置(CPU)と、CPUに各種の処理を行わせるためのソフトウェアを記録した記録媒体とによって構成されても良い。記録媒体としては、ハードディスク、フレキシブルディスク、MO、MT、CD-ROM、又は、DVD-ROM等を用いることができる。なお、受信ビームフォーマ129~制御部133の少なくとも一部は、アナログ回路で構成される場合もある。 In Part A, transmitter 121 to detector 126 may be configured by analog circuits, or at least some of them may be configured by digital circuits. In Part B, the receiving beamformer 129 to the control unit 133 may be configured by digital circuits, or a central processing unit (CPU) and software for causing the CPU to perform various processes are recorded. It may be configured by a recording medium. A hard disk, flexible disk, MO, MT, CD-ROM, DVD-ROM, or the like can be used as the recording medium. At least part of the reception beamformer 129 to the control unit 133 may be composed of analog circuits.

送信器121は、制御部133から供給されるトリガー信号に従って駆動信号を生成するパルサー等の信号発生器を含んでいる。制御部133により、周波数やキャリア周波数、帯域幅、送信信号強度(アポダイゼーション)、又は、パルス波やバースト波等の波形や形状が制御されることがある。制御部133は、トリガー信号のタイミング又は遅延時間をチャンネル毎に設定しても良い。あるいは、制御部133から出力されるトリガー信号のタイミングを全てのチャンネルについて一定にしておき、送信器121が、制御部133によって設定された遅延時間に従ってトリガー信号を遅延させる遅延素子をさらに含んでも良い。 The transmitter 121 includes a signal generator such as a pulser that generates a drive signal according to a trigger signal supplied from the controller 133 . The control unit 133 may control the frequency, carrier frequency, bandwidth, transmission signal strength (apodization), or the waveform or shape of a pulse wave, burst wave, or the like. The control unit 133 may set the timing or delay time of the trigger signal for each channel. Alternatively, the timing of the trigger signal output from the control unit 133 is kept constant for all channels, and the transmitter 121 may further include a delay element that delays the trigger signal according to the delay time set by the control unit 133. .

送信器121は、生成した駆動信号をトランスデューサ110に印加することにより、トランスデューサ110に任意波動を生成させる。例えば、送信器121は、送信される波動の強度や生成される高調波の強度を調整するべく、駆動信号の増幅器(アポダイゼーションを兼ね得る)を含み、制御部133によって遅延時間が設定される遅延素子をさらに含んでも良い。高調波を含む駆動信号が生成されて使用されることもある。共振ではなく、アポダイゼーションを行う、又は、強制振動させる場合に、チャープ波を生成する等、様々な波が生成されて使用される。複数チャンネルの送信器121によって生成された駆動信号を複数のトランスデューサ110に印加する場合には、制御部133による遅延時間の設定によって、送信ビームのフォーカシングやステアリング、及び、平面波の送信が可能である(平面波は、伝搬する方向と直交する方向には狭帯域の波であり、広帯域化されると効果的である)。 The transmitter 121 applies the generated drive signal to the transducer 110 to cause the transducer 110 to generate arbitrary waves. For example, the transmitter 121 includes a drive signal amplifier (which may also serve as apodization) in order to adjust the intensity of transmitted waves and the intensity of generated harmonics, and a delay time set by the control unit 133 . Further elements may be included. A drive signal containing harmonics may also be generated and used. Various waves are generated and used, such as generating a chirp wave when apodization is performed instead of resonance or when forced vibration is applied. When the driving signals generated by the multi-channel transmitter 121 are applied to the plurality of transducers 110, the setting of the delay time by the control unit 133 enables focusing and steering of the transmission beam and transmission of plane waves. (A plane wave is a narrow-band wave in the direction perpendicular to the direction of propagation, and is effectively broadband).

また、送信器121は、非線形効果が同様に設定される非線形素子(トランジスタやダイオードや非線形回路等のアナログデバイス、又は、非線形演算器等のデジタルデバイス)をさらに含んでも良い。予め用意されている周波数やキャリア周波数、帯域幅、アポダイゼーション、遅延、及び、非線形効果が設定される場合があるが、操作者により制御部133を介してそれらが制御されることもあり、また、演算部130において観測状況に合わせてそれらがアダプティブに決定されて制御されることもある。 In addition, the transmitter 121 may further include nonlinear elements (analog devices such as transistors, diodes, and nonlinear circuits, or digital devices such as nonlinear arithmetic units) in which nonlinear effects are similarly set. Pre-prepared frequencies, carrier frequencies, bandwidths, apodizations, delays, and non-linear effects may be set, but may be controlled by the operator via the control unit 133, and They may be adaptively determined and controlled in accordance with the observation situation in the computing unit 130 .

複数のトランスデューサ110を駆動する場合には、各チャンネルの送信器の周波数やキャリア周波数、帯域幅、アポダイゼーション、遅延素子、及び、非線形素子が制御されるが、予め用意されているそれらのパターンに設定される場合もあれば、操作者により制御部133を介してそれらのパターンが制御されることもあり、演算部130において観測状況に合わせてそれらのパターンがアダプティブに決定されて設定されることもある。 When driving a plurality of transducers 110, the transmitter frequency, carrier frequency, bandwidth, apodization, delay element, and nonlinear element of each channel are controlled, and these patterns are set in advance. In some cases, the pattern may be controlled by the operator via the control unit 133, and the pattern may be adaptively determined and set in the calculation unit 130 according to the observation situation. be.

受信器122は、例えば、受信信号を増幅する増幅器又は減衰させる減衰器(アポダイゼーションやフィルタを兼ね得る)を含み、制御部133によって遅延時間が設定される遅延素子をさらに含んでも良い。また、受信器122は、非線形効果を生む非線形素子(トランジスタやダイオードや非線形回路等のアナログデバイス、又は、非線形演算器等のデジタルデバイス)をさらに含んでも良い。複数のトランスデューサ110によって波動を受信する場合を含め、送信器121のそれらと同様に、それらは設定されることがある。受信器122は、任意波動を受信したトランスデューサ110によって生成される受信信号を増幅して、増幅された受信信号を、フィルタ/ゲイン調整部123及びAD変換器127に出力する。 The receiver 122 may include, for example, an amplifier that amplifies the received signal or an attenuator that attenuates the received signal (which can also serve as an apodization or filter), and may further include a delay element whose delay time is set by the controller 133 . The receiver 122 may further include nonlinear elements (analog devices such as transistors, diodes, and nonlinear circuits, or digital devices such as nonlinear computing units) that produce nonlinear effects. They may be configured similar to those of transmitter 121, including when waves are received by multiple transducers 110. FIG. The receiver 122 amplifies the received signal generated by the transducer 110 that has received the arbitrary wave and outputs the amplified received signal to the filter/gain adjuster 123 and AD converter 127 .

フィルタ/ゲイン調整部123は、受信信号の周波数帯域を制限するフィルタ、又は、受信信号のゲインを調整する増幅器若しくは減衰器を含んでいる。フィルタ/ゲイン調整部123は、受信信号の周波数帯域又はゲインを調整し、その受信信号を非線形素子124に出力する。 The filter/gain adjuster 123 includes a filter that limits the frequency band of the received signal, or an amplifier or attenuator that adjusts the gain of the received signal. Filter/gain adjustment section 123 adjusts the frequency band or gain of the received signal and outputs the received signal to nonlinear element 124 .

非線形素子124は、例えば、トランジスタやダイオードや非線形回路等のアナログデバイスを含み、受信信号にアナログの非線形処理を施す。この非線形処理は、受信信号に含まれている少なくとも1つの周波数成分信号に対する冪乗演算であっても良いし、受信信号に含まれている複数の周波数成分信号に対する乗算演算であっても良い(ホール効果素子等を使用できる)。 The nonlinear element 124 includes, for example, analog devices such as transistors, diodes, and nonlinear circuits, and applies analog nonlinear processing to the received signal. This nonlinear processing may be a power operation for at least one frequency component signal included in the received signal, or may be a multiplication operation for a plurality of frequency component signals included in the received signal ( Hall effect elements, etc. can be used).

フィルタ/ゲイン調整部125は、受信信号の周波数帯域を制限するフィルタ、又は、受信信号のゲインを調整する増幅器若しくは減衰器を含んでいる。フィルタ/ゲイン調整部125は、受信信号の周波数帯域又はゲインを調整し、その受信信号を検波器126及びAD変換器127に出力する。 The filter/gain adjuster 125 includes a filter that limits the frequency band of the received signal, or an amplifier or attenuator that adjusts the gain of the received signal. Filter/gain adjustment section 125 adjusts the frequency band or gain of the received signal and outputs the received signal to detector 126 and AD converter 127 .

上記のフィルタ/ゲイン調整部123及び125と非線形素子124とは、制御部133により、予め用意されているものに設定される場合があるが、操作者により制御部133を介してそれらが制御されることもあり、また、演算部130において観測状況に合わせてアダプティブにそれらが決定されて制御されることもある。複数のトランスデューサ110を駆動する場合には、それらは各チャンネルにおいて独立に制御されるが、予め用意されているパターンに設定される場合もあれば、操作者により制御部133を介してそれらのパターンが制御されることもあり、演算部130において観測状況に合わせてアダプティブにそれらのパターンが決定されて設定されることもある。 The filter/gain adjustment units 123 and 125 and the nonlinear element 124 may be set to those prepared in advance by the control unit 133, but they are controlled by the operator via the control unit 133. In addition, they may be adaptively determined and controlled in the calculation unit 130 according to the observation situation. When driving a plurality of transducers 110, they are independently controlled in each channel. may be controlled, and these patterns may be adaptively determined and set in the calculation unit 130 according to the observation situation.

検波器126は、例えば、受信ビームフォーミングを行わない場合に、受信信号に包絡線検波処理又は二乗検波処理等を施すことにより、アナログの画像信号を生成する。また、直交検波を通じて、変位計測が行われることがある。アナログ表示装置135は、検波器126によって生成された画像信号や計測結果に基づいて、計測対象1又は波動源の画像を表示する。 For example, the detector 126 generates an analog image signal by performing envelope detection processing, square-law detection processing, or the like on the received signal when reception beamforming is not performed. Also, displacement measurement may be performed through quadrature detection. The analog display device 135 displays an image of the measurement target 1 or the wave source based on the image signal generated by the detector 126 and the measurement result.

AD変換器127は、受信信号にアナログの非線形処理を施す場合に、フィルタ/ゲイン調整部125から出力される受信信号を選択し、受信信号にアナログの非線形処理を施さない場合に、受信器122から出力される受信信号を選択する。AD変換器127は、アナログの受信信号をデジタルサンプリングすることにより、デジタルの受信信号に変換する。AD変換器127によって得られるデジタルの受信信号は、記憶装置128に出力される。記憶装置128は、例えば、RAM等のメモリによって構成され、受信信号を記憶する。 AD converter 127 selects the received signal output from filter/gain adjustment section 125 when analog nonlinear processing is applied to the received signal, and receiver 122 selects the received signal output from the The AD converter 127 digitally samples the analog received signal to convert it into a digital received signal. A digital received signal obtained by the AD converter 127 is output to the storage device 128 . The storage device 128 is configured by a memory such as RAM, for example, and stores the received signal.

記憶装置128に記憶された受信信号は、受信ビームフォーマ129に供給される。なお、受信ビームフォーマ129によって信号が処理される間、一時的に、処理中の信号を記憶装置128又は外部記憶装置140に格納することがあり、それらの信号は必要に応じて読み出される。単一又は複数のトランスデューサ110が用いられる場合において、受信ビームフォーマ129において、パルス・インバージョン法や多項式フィッティング法等による高調波の分離等が行われることがある(演算部130において同処理が行われることもある)。 The received signals stored in storage device 128 are provided to receive beamformer 129 . It should be noted that while the signals are being processed by the receive beamformer 129, the signals being processed may be temporarily stored in the storage device 128 or the external storage device 140 and read out as needed. When a single or a plurality of transducers 110 are used, the receive beamformer 129 may separate harmonics by a pulse inversion method, a polynomial fitting method, or the like (the same processing is performed in the calculation unit 130). sometimes called).

また、複数のトランスデューサ110が用いられる場合に、受信ビームフォーマ129は、複数チャンネルの記憶装置128から供給される受信信号に対して、受信ビームフォーミング処理を施す。例えば、受信ビームフォーマ129は、制御部133によって設定される遅延時間に従って複数チャンネルの受信信号を遅延させて整相処理した後に、加算又は乗算の演算を施すことによって受信信号を合成して、焦点が絞り込まれた新たな受信信号を生成する。 Also, when multiple transducers 110 are used, the receive beamformer 129 performs receive beamforming processing on the received signals supplied from the multi-channel storage device 128 . For example, the reception beamformer 129 delays the reception signals of a plurality of channels according to the delay time set by the control unit 133 and performs phasing processing, and then performs addition or multiplication operations to synthesize the reception signals and focus them. generates a new received signal in which is narrowed down.

あるいは、受信器122が遅延素子を含む場合には、複数チャンネルの受信器122が、制御部133によって設定される遅延時間に従ってそれぞれの受信信号を遅延させても良い。受信ビームフォーマ129は、複数チャンネルの受信信号に加算又は乗算の演算を施すことによって受信信号を合成する。受信ビームフォーミングの際に、受信ビームフォーマ129は、アポダイゼーションを行っても良い。 Alternatively, if the receiver 122 includes a delay element, the multiple channel receiver 122 may delay each received signal according to the delay time set by the controller 133 . The receive beamformer 129 synthesizes received signals by adding or multiplying the received signals of multiple channels. During receive beamforming, the receive beamformer 129 may perform apodization.

その他、(多次元)高速フーリエ変換器をイメージング装置本体120に搭載して受信信号のスペクトルを得ることにより、スペクトルの処理に基づいて、フィルタリングやビーム又は波動の特性(周波数やキャリア周波数、帯域幅、いずれかの方向における周波数やキャリア周波数、いずれかの方向における帯域幅、波形、ビーム形状、ステアリング方向、又は、伝搬方向等)を調整しても良い。スペクトル周波数分割(非特許文献30を参照)により、単一の受信信号から複数の受信信号(疑似の複数の異なるビームフォーミングに対応)を得る等して、さらに、これらに非線形処理を施すことがある。非線形処理が施された信号に対して、これらの処理が行われることもある。 In addition, by mounting a (multi-dimensional) fast Fourier transformer on the imaging device main body 120 and obtaining the spectrum of the received signal, filtering and beam or wave characteristics (frequency, carrier frequency, bandwidth , frequency or carrier frequency in any direction, bandwidth in any direction, waveform, beam shape, steering direction or direction of propagation, etc.). By spectral frequency division (see Non-Patent Document 30), it is possible to obtain multiple received signals (corresponding to pseudo multiple different beamforming) from a single received signal, and to perform nonlinear processing on these. be. These processes are sometimes performed on signals that have undergone nonlinear processing.

このイメージング装置においては、単一又は複数のトランスデューサを用いて生成された上記の複数の波動信号(非線形効果を受けたもの又は受けていないもの)が記憶装置128又は外部記憶装置140に格納され、受信ビームフォーマ129又は演算部130において、それらの結果を読み出して加算(重ね合わせ、線形処理)や乗算(非線形処理)の演算が行われ、これがイメージングや各種計測に使用されることもある。その場合には、適切に整相処理が施される。 In this imaging apparatus, the plurality of wave signals (with or without nonlinear effects) generated using a single or multiple transducers are stored in the storage device 128 or the external storage device 140, The reception beamformer 129 or the calculation unit 130 reads the results and performs addition (superposition, linear processing) and multiplication (nonlinear processing) calculations, which may be used for imaging and various measurements. In that case, phasing processing is performed appropriately.

演算部130は、主として、受信ビームフォーマ129から出力されるデジタルの受信信号にデジタルの非線形処理を施す。この非線形処理は、受信信号に含まれている少なくとも1つの周波数成分信号に対する冪乗演算であっても良いし、受信信号に含まれている複数の周波数成分信号に対する乗算演算であっても良い。なお、演算部130が受信ビームフォーマ129を兼ねることがあることは上記の通りである。その場合を含め、信号が処理される間、一時的に、処理中の信号を記憶装置128又は外部記憶装置140に格納することがあり、それらの信号は必要に応じて読み出される。 The arithmetic unit 130 mainly performs digital non-linear processing on the digital reception signal output from the reception beamformer 129 . This nonlinear processing may be an exponentiation operation on at least one frequency component signal included in the received signal, or may be a multiplication operation on a plurality of frequency component signals included in the received signal. As described above, the calculation unit 130 may also serve as the reception beamformer 129 . In any event, while the signals are being processed, the signals being processed may be temporarily stored in storage device 128 or external storage device 140 and read out as needed.

ここで、トランスデューサ110~作用デバイス112、及び、受信器122~演算部130は、計測対象1内から伝搬して来る任意波動又はその任意波動を受信して得られる受信信号に対して非線形処理を施す非線形受信処理部を構成している。非線形受信処理部において、非線形デバイス111、非線形素子124、及び、演算部130の内の少なくとも1つが、計測対象1内から伝搬して来る任意波動又はその任意波動を受信して得られる受信信号に対して非線形処理を施す。その他において、非線形効果を得ることがあることは上記の通りである。 Here, the transducer 110 to the action device 112 and the receiver 122 to the calculation unit 130 perform nonlinear processing on the received signal obtained by receiving the arbitrary wave propagating from the measurement object 1 or the arbitrary wave. It constitutes a non-linear reception processing unit that applies In the nonlinear reception processing unit, at least one of the nonlinear device 111, the nonlinear element 124, and the arithmetic unit 130 receives an arbitrary wave propagating from the measurement object 1 or a received signal obtained by receiving the arbitrary wave. Non-linear processing is applied to the In addition, nonlinear effects may be obtained as described above.

即ち、非線形受信処理部は、計測対象1内から伝搬して来る任意波動に対し、(i)伝搬経路の任意位置において非線形デバイス111を用いて非線形処理を施した上でトランスデューサ110によって受信して受信信号を生成する処理を施しても良い。また、非線形受信処理部は、計測対象1内から伝搬して来る任意波動に対し、(ii)トランスデューサ110によって受信してアナログの受信信号を生成し、アナログの受信信号に、例えば、アナログの非線形素子124を用いてアナログの非線形処理を施す処理を施しても良い。また、非線形受信処理部は、計測対象1内から伝搬して来る任意波動に対し、(iii)トランスデューサ110によって受信してアナログの受信信号を生成し、アナログの受信信号をデジタルサンプリングして得られるデジタルの受信信号に、例えば、デジタルの演算部130を用いてデジタルの非線形処理を施しても良い。その他において、非線形効果を得ることがあることは上記の通りである。 That is, the nonlinear reception processing unit (i) performs nonlinear processing using the nonlinear device 111 at an arbitrary position on the propagation path with respect to the arbitrary wave propagating from the object 1 to be measured, and then receives the wave by the transducer 110. A process of generating a received signal may be performed. In addition, the nonlinear reception processing unit (ii) receives the arbitrary wave propagating from the object 1 to be measured by the transducer 110 to generate an analog reception signal, and converts the analog reception signal into, for example, an analog nonlinear An analog non-linear processing may be performed using the element 124 . In addition, the nonlinear reception processing unit (iii) receives the arbitrary wave propagating from the object 1 to be measured by the transducer 110, generates an analog reception signal, and digitally samples the analog reception signal. A digital received signal may be subjected to digital non-linear processing using, for example, the digital computing unit 130 . In addition, nonlinear effects may be obtained as described above.

画像信号生成部131及び計測部132は、受信信号にデジタルの非線形処理を施す場合に、演算部130から出力される受信信号を選択し、受信信号にデジタルの非線形処理を施さない場合に、受信ビームフォーマ129から出力される受信信号を選択する。 The image signal generating unit 131 and the measuring unit 132 select the received signal output from the arithmetic unit 130 when performing digital nonlinear processing on the received signal, and select the received signal when not performing digital nonlinear processing on the received signal. A received signal output from the beamformer 129 is selected.

画像信号生成部131は、非線形受信処理部によって得られる受信信号に基づいて、計測対象1の画像を表す画像信号を生成する。あるいは、画像信号生成部131は、非線形処理によって得られる受信信号と共に、非線形処理が施されていない受信信号に基づいて画像信号を生成しても良い。また、画像信号生成部131は、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号を選択的に用いて、計測対象1の画像を表す画像信号を生成しても良い。例えば、画像信号生成部131は、受信信号に包絡線検波処理又は二乗検波処理等を施すことにより、画像信号を生成する。表示装置134は、画像信号生成部131によって生成された画像信号に基づいて、計測対象1の画像を表す画像信号を生成する。 The image signal generator 131 generates an image signal representing the image of the measurement target 1 based on the received signal obtained by the nonlinear reception processor. Alternatively, the image signal generator 131 may generate an image signal based on a received signal obtained by nonlinear processing as well as a received signal that has not undergone nonlinear processing. Further, the image signal generator 131 may generate an image signal representing the image of the measurement target 1 by selectively using the received signal obtained when nonlinear processing is not performed. For example, the image signal generator 131 generates an image signal by performing envelope detection processing, square-law detection processing, or the like on the received signal. The display device 134 generates an image signal representing the image of the measurement target 1 based on the image signal generated by the image signal generating section 131 .

計測部132は、非線形処理によって得られる複数の信号の内の少なくとも1つを用いて計測対象1内の変位等を計測する。例えば、計測部132は、力学的又は電磁的波の伝搬を観測するにあたり、自らの波動又は別の波動の任意の波動伝搬によって生じる粒子変位又は粒子速度を計測された変位に基づいて計測する。その場合に、画像信号生成部131は、計測部132によって計測された粒子変位又は粒子速度に基づいて、波動伝搬を表す画像信号を生成する。複数の波動が到来する場合においては、予め波動を分離しておくか、又は、受信後にアナログ処理又はデジタル処理により分離する処理を通じて計測が行われることがある。 The measurement unit 132 measures displacement or the like in the measurement target 1 using at least one of the plurality of signals obtained by nonlinear processing. For example, in observing the propagation of a mechanical or electromagnetic wave, the measurement unit 132 measures the particle displacement or particle velocity caused by arbitrary wave propagation of its own wave or another wave based on the measured displacement. In that case, the image signal generation unit 131 generates an image signal representing wave propagation based on the particle displacement or particle velocity measured by the measurement unit 132 . When a plurality of waves arrive, the waves are separated in advance, or the measurement is performed through analog processing or digital processing after reception.

あるいは、計測部132は、熱力学的な波動の伝搬を観測するにあたり、トランスデューサ110として、赤外線センサーや焦電センサー、マイクロ波やテラヘルツ波の検出器、光ファイバー等の温度センサー、超音波トランスデューサ(超音波の音速や体積変化等の温度依存性を用いて温度変化を検出)、又は、核磁気共鳴信号検出器(核磁気共鳴のケミカルシフトを用いて温度を検出)とを用いて熱波を計測しても良い。その場合に、画像信号生成部131は、計測部132によって計測された熱波に基づいて、熱力学的な波動の伝搬を表す画像信号を生成する。画像信号生成部131によって生成された画像信号、及び、計測部132によって得られた計測データは、外部記憶装置140に格納することが可能である。 Alternatively, in observing the propagation of thermodynamic waves, the measurement unit 132 may use, as the transducer 110, an infrared sensor, a pyroelectric sensor, a microwave or terahertz wave detector, a temperature sensor such as an optical fiber, an ultrasonic transducer (ultrasonic transducer). Temperature changes are detected using the temperature dependence of sound velocity and volume changes, etc.), or heat waves are measured using a nuclear magnetic resonance signal detector (temperature is detected using the chemical shift of nuclear magnetic resonance). You can In that case, the image signal generation unit 131 generates an image signal representing thermodynamic wave propagation based on the heat waves measured by the measurement unit 132 . The image signal generated by the image signal generating section 131 and the measurement data obtained by the measuring section 132 can be stored in the external storage device 140 .

以上において、非線形受信処理部は、計測対象1内から伝搬して来る任意波動に対する非線形処理によって冪乗演算の結果を得るか、又は、非線形処理が冪乗演算であることにより、任意波動に基づいて、和音及び差音、及び、倍音の結果として、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて高周波化又は低周波化された受信信号を得るようにしても良い。また、非線形処理は、乗算演算であっても良い。非線形処理は、高次の非線形処理でも良く、その効果から、主として冪乗演算や乗算演算の結果を得ることが行われることがある。 In the above, the nonlinear reception processing unit obtains the result of the exponentiation operation by the nonlinear processing for the arbitrary wave propagating from the object 1 to be measured, or obtains the result of the exponentiation operation based on the arbitrary wave by the nonlinear processing being the exponentiation operation. As a result of chords, difference tones, and overtones, a received signal having a higher frequency or a lower frequency than the received signal obtained without non-linear processing may be obtained. Also, the non-linear processing may be a multiplication operation. The non-linear processing may be a high-order non-linear processing, and due to its effect, the results of power operations and multiplication operations are often obtained.

これにより、受信信号は、任意波動が複数の異なる周波数成分を有する場合に、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて広帯域化されたものとなる。又は、高周波化された受信信号が、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて、高周波化、高空間分解能化、低サイドローブ化、又は、高コントラスト化された高調波信号となる。又は、低周波化された受信信号が、高調波信号を略直交検波して得られる直流を含む帯域の信号となる。画像信号生成部131は、非線形処理によって得られる少なくとも1つの信号に基づいて画像信号を生成する。 As a result, when the arbitrary wave has a plurality of different frequency components, the received signal has a wider band than the received signal obtained without nonlinear processing. Alternatively, the high-frequency received signal becomes a harmonic signal with higher frequency, higher spatial resolution, lower sidelobes, or higher contrast than the received signal obtained when nonlinear processing is not performed. . Alternatively, the frequency-lowered received signal becomes a signal in a band including direct current obtained by substantially quadrature detection of the harmonic signal. The image signal generator 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by nonlinear processing.

あるいは、計測対象1内から伝搬して来る複数の任意波動が、計測対象1内において、伝搬方向、ステアリング角度、周波数、キャリア周波数、パルス形状、ビーム形状、いずれかの方向における周波数やキャリア周波数、又は、帯域幅の内の少なくとも1つが異なる場合において、重なって到来する複数の任意波動に対し、非線形受信処理部が、上記(i)~(iii)の処理の内の少なくとも1つを施しても良い。画像信号生成部131は、非線形受信処理部によって得られる受信信号に基づいて画像信号を生成する。 Alternatively, a plurality of arbitrary waves propagating from within the object 1 to be measured are propagated in the direction of propagation, steering angle, frequency, carrier frequency, pulse shape, beam shape, frequency in any direction, carrier frequency, Alternatively, when at least one of the bandwidths is different, the nonlinear reception processing unit performs at least one of the above processes (i) to (iii) on a plurality of arbitrary waves that arrive overlappingly. Also good. The image signal generator 131 generates an image signal based on the reception signal obtained by the nonlinear reception processor.

ここで、非線形受信処理部が、複数の任意波動の受信前において、複数の任意波動を作用デバイス112としてのアナログ遅延デバイス及びアナログ記憶デバイスの内の少なくとも1つに通過させることにより、複数の任意波動が計測対象1内の各位置において重なったものとなる様にしても良い。いわゆる収差補正である。 Here, before receiving the plurality of arbitrary waves, the nonlinear reception processing unit passes the plurality of arbitrary waves through at least one of an analog delay device and an analog storage device as the working device 112, thereby obtaining a plurality of arbitrary waves. Wave motions may overlap at each position within the object 1 to be measured. This is so-called aberration correction.

また、非線形受信処理部が、計測対象1内から伝搬して来る複数の任意波動の重ね合わせに対する非線形処理によって冪乗演算の結果を得るか、又は、非線形処理が冪乗演算であることにより、複数の任意波動に基づいて、和音及び差音、及び、倍音の結果として、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて高周波化又は低周波化された受信信号を得ても良い。これによっても、上記と同様の効果が得られる。画像信号生成部131は、非線形受信処理部によって得られる少なくとも1つの信号に基づいて画像信号を生成する。 In addition, the nonlinear reception processing unit obtains the result of the exponentiation operation by the nonlinear processing of the superimposition of a plurality of arbitrary waves propagating from within the measurement object 1, or the nonlinear processing is the exponentiation operation, Based on a plurality of arbitrary waves, as a result of chords, difference tones, and overtones, a received signal having a higher frequency or a lower frequency than the received signal obtained without nonlinear processing may be obtained. Also by this, the same effect as the above can be obtained. The image signal generator 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by the nonlinear reception processor.

あるいは、計測対象1内から伝搬して来る複数の任意波動が、計測対象1内において、伝搬方向、ステアリング角度、周波数、キャリア周波数、パルス形状、ビーム形状、及び、いずれかの方向における周波数やキャリア周波数、又は、帯域幅の内の少なくとも1つが異なる場合において、重なって到来する複数の任意波動に対し、非線形受信処理部が、上記(i)~(iii)の処理の内の少なくとも1つを施すと共に、複数の任意波動の受信後の任意の時点において、アナログ又はデジタルのデバイスを用いて、又は、アナログ又はデジタルの信号処理に基づいて、受信信号を複数の信号に分離しても良い。画像信号生成部131は、非線形受信処理部によって分離された複数の信号の内の少なくとも1つに基づいて、上記計測対象の画像を表す画像信号を生成する。非線形演算では、乗算効果を得ることが行われる。また、アナログ又はデジタルの収差補正が行われた上で、それらの信号が再度加算されて、冪乗効果を得ることもある。 Alternatively, a plurality of arbitrary waves propagating from within the measurement target 1 are transmitted in the measurement target 1 in the propagation direction, steering angle, frequency, carrier frequency, pulse shape, beam shape, and frequency or carrier in any direction. When at least one of the frequencies or bandwidths is different, the nonlinear reception processing unit performs at least one of the above processes (i) to (iii) for a plurality of arbitrary waves that arrive at the same time. At any time after receiving multiple random waves, the received signal may be separated into multiple signals using analog or digital devices or based on analog or digital signal processing. The image signal generator 131 generates an image signal representing the image of the measurement target based on at least one of the plurality of signals separated by the nonlinear reception processor. Non-linear operations are performed to obtain multiplicative effects. Also, analog or digital aberration correction may be performed and then the signals added again to obtain a power effect.

あるいは、計測対象1内から伝搬して来る複数の任意波動が、計測対象1内において、伝搬方向、ステアリング角度、周波数、キャリア周波数、パルス形状、ビーム形状、及び、いずれかの方向における周波数やキャリア周波数、又は、帯域幅の内の少なくとも1つが異なる場合において、重ならずに到来する波動、作用デバイス112を用いて遮蔽して重ならない様にされた波動、及び、デバイス(アナログ又はデジタル)やアナログ又はデジタルの信号処理を用いて分離された波動の内の少なくとも1つの波動に対し、非線形受信処理部が、上記(i)~(iii)の処理の内の少なくとも1つを施しても良い。画像信号生成部131は、非線形受信処理部によって得られる受信信号に基づいて画像信号を生成する。 Alternatively, a plurality of arbitrary waves propagating from within the measurement target 1 are transmitted in the measurement target 1 in the propagation direction, steering angle, frequency, carrier frequency, pulse shape, beam shape, and frequency or carrier in any direction. Waves that arrive non-overlapping, waves that are shielded from non-overlapping using working devices 112, and devices (analog or digital) or The nonlinear reception processing unit may perform at least one of the above processes (i) to (iii) on at least one of the waves separated using analog or digital signal processing. . The image signal generator 131 generates an image signal based on the reception signal obtained by the nonlinear reception processor.

ここで、非線形受信処理部が、複数の任意波動の受信前において、複数の任意波動を作用デバイス112としてのアナログ遅延デバイス及びアナログ記憶デバイスの内の少なくとも1つに通過させることにより、複数の任意波動が計測対象1内の各位置において重なったものとなる様にしても良い。いわゆる収差補正である。 Here, before receiving the plurality of arbitrary waves, the nonlinear reception processing unit passes the plurality of arbitrary waves through at least one of an analog delay device and an analog storage device as the working device 112, thereby obtaining a plurality of arbitrary waves. Wave motions may be superimposed at each position within the object 1 to be measured. This is so-called aberration correction.

あるいは、非線形受信処理部が、アナログの受信信号をアナログ遅延デバイス及びアナログ記憶デバイスの内の少なくとも1つに通過させ、又は、デジタルの受信信号にデジタル演算によりディレイを掛け、若しくは、デジタルの受信信号をデジタル記憶デバイスに通過させることにより、複数の任意波動が計測対象1内の各位置において重なったもとなる様にするようにしても良い。 Alternatively, the non-linear reception processing unit passes the analog received signal through at least one of an analog delay device and an analog storage device, delays the digital received signal by digital calculation, or delays the digital received signal is passed through a digital storage device, a plurality of arbitrary waves may be superimposed at each position within the object 1 to be measured.

また、非線形受信処理部が、計測対象1内から伝搬して来る複数の任意波動の各々に対する非線形処理によって冪乗演算の結果を得るか、又は、非線形処理が冪乗演算であることにより、複数の任意波動の各々に基づいて、和音及び差音、及び、倍音の結果として、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて高周波化又は低周波化された受信信号を得ても良い。これによっても、上記と同様の効果が得られる。画像信号生成部131は、非線形受信処理部によって得られる少なくとも1つの信号に基づいて画像信号を生成する。 In addition, the nonlinear reception processing unit obtains the result of the exponentiation operation by nonlinear processing for each of the plurality of arbitrary waves propagating from the object 1 to be measured, or the nonlinear processing is exponentiation operation, whereby the plural As a result of chords, difference tones, and overtones based on each of the arbitrary waves, a received signal having a higher frequency or a lower frequency than the received signal obtained without nonlinear processing may be obtained. . Also by this, the same effect as the above can be obtained. The image signal generator 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by the nonlinear reception processor.

あるいは、非線形受信処理部が、計測対象1内から伝搬して来る複数の任意波動の各々に対する非線形処理によって乗算演算の結果を得るか、又は、非線形処理が乗算演算であることにより、複数の任意波動に基づいて、和音及び差音、又は、倍音の結果として、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて高周波化又は低周波化された受信信号を得ても良い。 Alternatively, the nonlinear reception processing unit obtains the result of the multiplication operation by performing nonlinear processing on each of the plurality of arbitrary waves propagating from inside the measurement object 1, or the nonlinear processing is a multiplication operation, whereby the plurality of arbitrary waves are obtained. Based on the waves, chords and differences or overtones may result in a received signal that is higher or lower in frequency than the received signal obtained without non-linear processing.

これにより、受信信号は、複数の任意波動が複数の異なる周波数成分を有する場合に、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて広帯域化されたものとなる。又は、高周波化又は低周波化された受信信号が、非線形処理を施さない場合に得られる受信信号に比べて、高空間分解能化、低サイドローブ化、又は、高コントラスト化され、少なくとも任意の1方向に略直交検波されて直流を含み、別の少なくとも1方向には高調波の周波数を含む帯域の信号となる。画像信号生成部131は、非線形処理によって得られる少なくとも1つの信号に基づいて画像信号を生成する。 As a result, when a plurality of arbitrary waves have a plurality of different frequency components, the received signal has a wider band than the received signal obtained without nonlinear processing. Alternatively, the high-frequency or low-frequency received signal has higher spatial resolution, lower sidelobes, or higher contrast than the received signal obtained when nonlinear processing is not performed, and at least any one Approximately quadrature detection is performed in one direction, resulting in a signal in a band containing direct current and harmonic frequencies in at least one other direction. The image signal generator 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by nonlinear processing.

以上において、画像信号生成部131は、非線形処理によって得られる複数の信号の内の少なくとも1つに任意の検波処理を施し、又は、複数の信号を重ね合わせたものに任意の検波処理を施し、又は、複数の信号に任意の検波処理を施した上で複数の信号を重ね合わせることにより、画像信号を生成しても良い。 In the above, the image signal generation unit 131 performs arbitrary detection processing on at least one of the plurality of signals obtained by nonlinear processing, or performs arbitrary detection processing on a superimposition of a plurality of signals, Alternatively, an image signal may be generated by superimposing a plurality of signals after performing arbitrary detection processing on the plurality of signals.

<<第4の実施形態>>
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。図38は、本発明の第4の実施形態及びその変形に係るイメージング装置の構成例を示すブロック図である。第4の実施形態及びその変形に係るイメージング装置は、複数のトランスデューサ110又はトランスデューサアレイを駆動して波動を生成するか、又は、それらにより波動を受信してイメージングを行う装置であり(図38にはトランスデューサアレイを示す)、構成要素としては、第3の実施形態における構成要素と同じ性能を有するものを使用できる。
<<Fourth Embodiment>>
Next, a fourth embodiment of the invention will be described. FIG. 38 is a block diagram showing a configuration example of an imaging apparatus according to the fourth embodiment of the present invention and modifications thereof. The imaging apparatus according to the fourth embodiment and its modification is an apparatus that drives a plurality of transducers 110 or a transducer array to generate waves or receives waves by them to perform imaging (see FIG. 38 indicates a transducer array), and the components can be those having the same performance as the components in the third embodiment.

図38(a)に示す第4の実施形態に係るイメージング装置においては、図37に示す第3の実施形態に係るイメージング装置において複数のトランスデューサ110又はトランスデューサアレイを使用する場合と同様に、複数のトランスデューサ110又は素子が複数の送信器121又は受信器122にそれぞれ接続されている。ただし、イメージング装置本体120aにおいて、1つのパートA'内に複数の送信器121又は受信器122が設けられている。 In the imaging apparatus according to the fourth embodiment shown in FIG. 38(a), as in the case of using a plurality of transducers 110 or transducer arrays in the imaging apparatus according to the third embodiment shown in FIG. A transducer 110 or element is connected to a plurality of transmitters 121 or receivers 122, respectively. However, in the imaging apparatus main body 120a, a plurality of transmitters 121 or receivers 122 are provided in one part A'.

複数のトランスデューサ110又はトランスデューサアレイから出力され、受信器122内の遅延素子を使用して整相されるか、又は、未整相のアナログの受信信号に対して、加算処理部が加算(線形処理)のアナログ処理を施し、又は、乗算処理部が乗算(非線形処理、ホール効果素子等が使用される)のアナログ処理を施す。これにより、受信ビームフォーミングが行われるので、パートBにおいて、受信ビームフォーマ129(図37)は不要となる。 A summing unit sums (linearly ), or the multiplication unit performs analog processing of multiplication (non-linear processing, Hall effect elements, etc. are used). As a result, receive beamforming is performed, so in Part B, the receive beamformer 129 (FIG. 37) is not required.

その上で、AD変換器127を通じて得られたデジタルの受信信号が、記憶装置128に格納される。イメージング装置本体120aのパートBは、その受信信号に基づいて、第3の実施形態によって実現できる全ての非線形効果をも得るべく、制御部133が各部を制御することにより、第3の実施形態と同様にイメージングや計測イメージングを行う。なお、図38においては、制御部133から受信器122等への配線は省略されている。 A digital received signal obtained through the AD converter 127 is then stored in the storage device 128 . The part B of the imaging apparatus main body 120a is controlled by the control unit 133 to obtain all the nonlinear effects that can be achieved by the third embodiment based on the received signal, thereby achieving the same as the third embodiment. Similarly, imaging and measurement imaging are performed. Note that wiring from the control unit 133 to the receiver 122 and the like is omitted in FIG.

第4の実施形態においても、第3の実施形態における送信器や受信器と同様に、各トランスデューサの駆動信号又は受信信号に対して遅延を与えることができ、送信又は受信のフォーカシングやステアリング等の処理を施すことも可能である。第4の実施形態においては、チャンネル数と同じ数のAD変換器127及び記憶装置128が必要とされる第3の実施形態と比べて、1つのAD変換器127と1つの記憶装置128とを設ければ良いので、装置を簡単化できる。 In the fourth embodiment, similarly to the transmitter and receiver in the third embodiment, it is possible to give a delay to the driving signal or the receiving signal of each transducer, and to perform focusing and steering for transmission or reception. Processing is also possible. In the fourth embodiment, one AD converter 127 and one storage device 128 are required compared to the third embodiment which requires the same number of AD converters 127 and storage devices 128 as the number of channels. Since it is only necessary to provide them, the device can be simplified.

一方、図38(b)に示す第4の実施形態の変形に係るイメージング装置においては、イメージング装置本体120bのパートA''において、送信遅延素子121a及び受信遅延素子122aが、送信器121及び受信器122の外部に設けられている。図38(b)に示すイメージング装置は、図38(a)に示すイメージング装置とは異なり、受信遅延素子122aにおいて整相されるか、又は、未整相のアナログの受信信号に対して、加算処理部が加算(線形処理)のアナログ処理を施し、又は、乗算処理部が乗算(非線形処理)のアナログ処理を施した後に受信器122で受信する。従って、1つの送信器121と1つの受信器122とを設ければ良いので、装置を格段に簡単化でき、第3の実施形態におけるのと同じ非線形効果を得ることもできる。 On the other hand, in the imaging apparatus according to the modification of the fourth embodiment shown in FIG. It is provided outside the vessel 122 . Unlike the imaging device shown in FIG. 38(a), the imaging device shown in FIG. The signal is received by the receiver 122 after the processing unit performs addition (linear processing) analog processing, or the multiplication processing unit performs multiplication (nonlinear processing) analog processing. Therefore, since it is sufficient to provide one transmitter 121 and one receiver 122, the device can be greatly simplified, and the same nonlinear effect as in the third embodiment can be obtained.

図37に示す第3の実施形態に係るイメージング装置、図38(a)に示す第4の実施形態に係るイメージング装置、及び、図38(b)に示す第4の実施形態の変形に係るイメージング装置、又は、その他の型のイメージング装置や、それらの構成要素を同時に使用することもできる。例えば、複数の型の装置を用いて得られたコヒーレント又はインコヒーレントの画像信号や計測結果の各々を表示することもできるし、同時に並べて表示することもできるし、それらを重畳したものや乗算したものを表示することもできる。基本的には、同一の時刻又は同一の時相の受信信号より得られたものを対象とすることができる。同一のイメージング装置においても、同一の時刻又は同一の時相において受信された信号を用いて、複数の画像信号や計測結果が得られる場合において同処理が行われることもある。対象となる信号は、整相後のアナログ信号又はデジタル信号であり、その加算や乗算は、アナログ処理(ホール効果素子等を使用)又はデジタル処理(計算機や演算器等を使用)により実施される。 The imaging apparatus according to the third embodiment shown in FIG. 37, the imaging apparatus according to the fourth embodiment shown in FIG. 38(a), and the imaging apparatus according to the modification of the fourth embodiment shown in FIG. 38(b) Devices or other types of imaging devices or components thereof may also be used simultaneously. For example, coherent or incoherent image signals and measurements obtained using multiple types of equipment can be individually displayed, displayed side by side at the same time, superimposed or multiplied. You can also display things. Basically, those obtained from received signals at the same time or the same time phase can be targeted. Even in the same imaging apparatus, the same processing may be performed when a plurality of image signals or measurement results are obtained using signals received at the same time or at the same time phase. The target signal is an analog signal or a digital signal after phase adjustment, and the addition or multiplication is performed by analog processing (using a Hall effect element, etc.) or digital processing (using a calculator, arithmetic unit, etc.). .

本発明の第1又は第4の実施形態に係るイメージング装置は、各種デバイスのアナログ演算器、デジタル演算器、計算機、又は、これに類するデバイス(FPGAやDSP等)を用いて、信号に非線形計算を施すことを基礎とする。後に詳述する通り、非線形演算は、冪乗や乗算の効果を得ることが中心であるが、演算そのものは、この限りではなく、他の非線形特性を有する高次の計算であることもある。多項式フィッティング、スペクトル解析、パルス・インバージョン法、数値計算、又は、信号処理等を通じ、それらの効果を抽出したり、分離することができる。信号に対してだけでなく、波動に対しても非線形演算を施すことがあるし、受信前において、波動をデバイス(時間又は空間、又は、それらの周波数のフィルタや分光器等)を用いて抽出したり、分離することもできる。専用デバイスを使用できる可能性がある。 The imaging apparatus according to the first or fourth embodiment of the present invention uses analog calculators, digital calculators, calculators of various devices, or similar devices (FPGA, DSP, etc.) to perform nonlinear calculation on signals. on the basis of As will be described in detail later, non-linear operations are mainly to obtain the effects of exponentiation and multiplication, but the operations themselves are not limited to this, and may be higher-order calculations having other non-linear characteristics. These effects can be extracted or isolated through polynomial fitting, spectral analysis, pulse inversion techniques, numerical calculations, or signal processing. Non-linear calculations may be applied not only to signals but also to waves, and before reception, waves are extracted using devices (time or space, or their frequency filters, spectroscopes, etc.) or can be separated. A dedicated device may be available.

上記のように、このイメージング装置は、任意波動用のトランスデューサ110、送信器121、及び、受信器122を備えると共に、非線形デバイス111、非線形素子124、又は、演算部130を備えるものであり、必要に応じて、データ記憶装置(メモリ、ハードディスク、写真、CD-RW、又は、その他の記録媒体)や表示装置等を備える。汎用のそれらの各デバイスを組み上げて構成することもできるし、非線形デバイス111、非線形素子124、演算部130、又は、その他の非線形デバイスを搭載していない既存の装置に、本発明の非線形処理を行うデバイスを加えて、非線形処理を実施することもできる。 As described above, this imaging apparatus includes the arbitrary wave transducer 110, the transmitter 121, and the receiver 122, and also includes the nonlinear device 111, the nonlinear element 124, or the arithmetic unit 130. Data storage devices (memory, hard disk, photo, CD-RW, or other recording media), display devices, etc. are provided according to the requirements. The nonlinear processing of the present invention can be applied to an existing device that does not have the nonlinear device 111, the nonlinear element 124, the arithmetic unit 130, or other nonlinear devices. Non-linear processing can also be implemented in addition to devices that do.

波動源となる送信器121又はトランスデューサ110から送信される波動としては、パルス波、バースト波、又は、位相変調等のコーディングされた波動等が使用されて、空間分解能を有するイメージングや計測が可能である。ただし、空間分解能を必要とせずに計測が可能である場合には、この限りでは無く、連続波が使用されることもある。 Waves transmitted from the transmitter 121 or the transducer 110, which serves as a wave source, may be pulse waves, burst waves, or coded waves such as phase-modulated waves, enabling imaging and measurement with spatial resolution. be. However, when measurement is possible without requiring spatial resolution, this is not the case and continuous waves may be used.

生成される波動は、トランスデューサ110における電気信号(駆動信号)から波動への変換特性で決まり、適切に設計されたデバイス及び駆動信号が使用される。例えば、光波の場合には様々な光源(コヒーレント又はインコヒーレント、発光ダイオード(LED)、光混合LED、(可変波長)レーザー、又は、光発振器等)が使用され、音波の場合には音源として電気音響変換器や振動子等が使用される。また、振動波の場合にはアクチュエータベースの振動源が使用され、熱波の場合には熱源等が使用される。このように、本実施形態においては、各種の波動を生成するトランスデューサ110が使用可能である。 The waves generated are determined by the conversion characteristics of the electrical signal (drive signal) to waves in the transducer 110, and appropriately designed devices and drive signals are used. For example, in the case of light waves, various light sources (coherent or incoherent, light emitting diodes (LEDs), light-mixing LEDs, (tunable wavelength) lasers, or optical oscillators, etc.) are used, and in the case of sound waves, an electrical source is used as the source. Acoustic transducers, vibrators, etc. are used. In the case of vibration waves, an actuator-based vibration source is used, and in the case of thermal waves, a heat source or the like is used. Thus, in this embodiment, transducers 110 that generate various waves can be used.

使用されるトランスデューサ110は、上記の各種波動を対象とするにあたり、代表的なトランスデューサを含み、また、非線形特性を有するゆえに通常では使用されないトランスデューサを積極的に使用することも可能である。通常、超音波素子においては、高圧をかけると非線形現象により高調波を含む超音波が生成されるが、パルス・インバージョン法により、媒体内で生じた非線形成分を抽出するハーモニックイメージングが行われているし、高調波成分をフィルタリングして除いて基本波帯域の信号のみを使用する場合もある。 The transducers 110 to be used include representative transducers for the various waves described above, and it is also possible to positively use transducers that are not normally used due to their nonlinear characteristics. Normally, when a high pressure is applied to an ultrasonic element, ultrasonic waves containing harmonics are generated due to nonlinear phenomena. Harmonic imaging, which extracts the nonlinear components generated in the medium, is performed by the pulse inversion method. In other cases, the harmonic content is filtered out and only the fundamental band signal is used.

本実施形態においても、非線形波動を積極的に生成させて使用することがある。即ち、送信時に非線形特性が現れる場合には、送信波動が高調波を含む状態にあるが、本発明においては、これを有効的に応用することがある。一方、非線形成分を含まない波動を生成して、計測対象物内の非線形現象を探ることも行われる。 Also in this embodiment, nonlinear waves may be positively generated and used. That is, when a nonlinear characteristic appears during transmission, the transmission wave includes harmonics, and this may be effectively applied in the present invention. On the other hand, a wave that does not contain nonlinear components is also generated to search for nonlinear phenomena in the object to be measured.

また、非線形成分を有する波動においては、高調波にも非線形現象を生じることがある。送波した波動が元より高調波を含む場合や交差する複数の波が存在する場合(周波数やキャリア周波数、パルス形状、ビーム形状、又は、各方向に見た周波数やキャリア周波数、又は、帯域幅も異なる場合がある、即ち、伝搬方向やステアリング角度以外の波動パラメータが異なる)には、後述の通り、受信信号についてパルス・インバージョン法、時空間フィルタリング、スペクトルフィルタリング、若しくは、多項式フィッティングを含めてアナログ処理により、又は、それらや信号処理等のデジタル処理により、分離を図った上で本発明が実施されることもあるし、分離が行われずに本発明が実施されることもある。また、伝搬過程に、障害物等の遮蔽物、フィルタデバイス、又は、分光器(時間又は空間、又は、それらの周波数のもの)、物理的な刺激を与えて媒質の屈折率を変化させる(光学スイッチ)等を使用して、波動を予め分離した状態で各々を受信することもある。各々の波動の源を制御できる場合には、各波動を独立に生成させ、各々を観測することもある。 Moreover, in waves having nonlinear components, nonlinear phenomena may also occur in harmonics. If the transmitted wave originally contains harmonics or if there are multiple intersecting waves (frequency, carrier frequency, pulse shape, beam shape, or frequency seen in each direction, carrier frequency, or bandwidth (i.e., wave parameters other than propagation direction and steering angle are different), as described below, include pulse inversion, spatio-temporal filtering, spectral filtering, or polynomial fitting for the received signal. The present invention may be implemented after separation is achieved by analog processing or digital processing such as signal processing, or the present invention may be implemented without separation. In addition, in the propagation process, shielding objects such as obstacles, filter devices, spectroscopes (time or space, or those of their frequencies), physical stimuli are applied to change the refractive index of the medium (optical In some cases, the waves are separated in advance by using a switch, etc., and each wave is received. If the source of each wave can be controlled, each wave can be generated independently and each can be observed.

また、トランスデューサ110において波動を生成した後に、波動が計測対象物に伝搬する前において、波動に対して直接的に非線形現象を生じさせるデバイスを使用することにより、非線形成分を含む波動を計測対象物に伝搬させることもある。また、計測対象内の伝搬後又は伝搬中において、非線形現象を生じさせるデバイスを使用することも可能である。波動又は信号を結合させたり、又は、混合(mix)する等して乗算効果を得ることもある。 In addition, after the wave is generated in the transducer 110 and before the wave propagates to the object to be measured, by using a device that directly causes a nonlinear phenomenon in the wave, the wave containing the nonlinear component can be transferred to the object to be measured. may be propagated to It is also possible to use devices that induce non-linear phenomena after or during propagation in the measurement object. Waves or signals may also be combined, mixed, etc. to obtain a multiplicative effect.

例えば、光に関しては、(i)非線形光学素子(例えば、レーザー光の短波長領域への波長変換等に使用される光高調波発生デバイス)、(ii)光混合デバイス、(iii)光パラメトリック発生、誘導ラマン散乱、コヒーレントラマン散乱、誘導ブリュアン散乱、誘導コンプトン散乱、又は、四光波混合等の光パラメトリック効果を生じさせるデバイス、(iv)通常のラマン散乱(自然放出ラマン散乱)等の多光子遷移を生じさせるデバイス、(v)非線形屈折率変化を生じさせるデバイス、及び、(vi)電場依存屈折率変化を生じさせるデバイス等を使用することができる。カプラや光ファイバー等も有効に使用できる。多点観測(多チャネル)もできるし、信号処理を行う上でも適している。 For example, with regard to light, (i) nonlinear optical elements (for example, optical harmonic generation devices used for wavelength conversion of laser light to a short wavelength region, etc.), (ii) optical mixing devices, and (iii) optical parametric generation , stimulated Raman scattering, coherent Raman scattering, stimulated Brillouin scattering, stimulated Compton scattering, or devices that produce optical parametric effects such as four-wave mixing; (iv) multiphoton transitions such as ordinary Raman scattering (spontaneous emission Raman scattering) (v) a device that produces a nonlinear refractive index change; and (vi) a device that produces an electric field dependent refractive index change. Couplers, optical fibers, etc. can also be used effectively. Multi-point observation (multi-channel) is also possible, and it is also suitable for signal processing.

光を使用する場合には、光の発生、制御、又は、測定等についての光エレクトロニクス、非線形光学効果、又は、レーザー工学等の幅広い分野に関連する。通常に使用される光デバイスは、作用デバイス112や非線形デバイス111として使用でき、専用に実現されたものが使用されることもある。これらには、光増幅器(フォトンマルチチューブ等)、吸収体(減衰材)、反射体、鏡、散乱体、コリメータ、(焦点可変)レンズ、偏向器、偏光器、偏光フィルタ、NDフィルタ、偏向ビームスプリッタ―(分離)、遮蔽物、光導波路(フォトニクス結晶を使用したもの等)、光ファイバー、光カー効果デバイス、非線形光ファイバー、光混合光ファイバー、変調用光ファイバー、光閉じ込めデバイス、光メモリ、結合器(カップラ)、方向結合器、分配器、混合分配器、分光器、分散シフト光ファイバー、バンドパスフィルタ、位相共役器(縮退4光波混合やフォトリフラクティブ効果によるもの等)、強誘電半導体の光制御によるスイッチ、位相遅延デバイス、位相補正デバイス、時間の反転器、光スイッチ、又は、光学的マスク等による符号化等を、単独で使用する場合もあれば、併用することもある。また、この限りではない。光制御(波長変換・スイッチング・ルーチング)の下で、光ノード技術、光クロスコネクト(OXC)、光分岐挿入多重(OADM)、光多重・分離装置、又は、光スイッチ素子が使用され、デバイスそのものが光伝達網や光ネットワークを構成している場合もあり、光信号処理が行われることがある。 When using light, it relates to a wide range of fields such as optoelectronics, nonlinear optical effects, or laser engineering for the generation, control, or measurement of light. Commonly used optical devices can be used as the working device 112 and the non-linear device 111, and sometimes dedicated implementations are used. These include optical amplifiers (photon multitube, etc.), absorbers (attenuating materials), reflectors, mirrors, scatterers, collimators, (variable focus) lenses, deflectors, polarizers, polarizing filters, ND filters, polarized beams Splitters (separation), shields, optical waveguides (using photonic crystals, etc.), optical fibers, optical Kerr effect devices, nonlinear optical fibers, optical mixing optical fibers, optical fibers for modulation, optical confinement devices, optical memories, couplers , directional coupler, distributor, mixer/distributor, spectrometer, dispersion-shifted optical fiber, bandpass filter, phase conjugator (by degenerate four-wave mixing, photorefractive effect, etc.), switch by optical control of ferroelectric semiconductor, phase Delay devices, phase correction devices, time inverters, optical switches, encoding by optical masks, etc. may be used alone or in combination. Moreover, it is not limited to this. Under optical control (wavelength conversion/switching/routing), optical node technology, optical cross-connect (OXC), optical add/drop multiplexing (OADM), optical multiplexer/demultiplexer, or optical switch element is used, and the device itself constitutes an optical transmission network or an optical network, and optical signal processing may be performed.

検出には、CCDカメラ、光ダイオード、混合型の光ダイオード、又は、本願明細書に記載の仮想源(波動源としても)を使用することもできる。光信号処理には、時間や空間フィルタ、相関演算やマッチドフィルタ処理、信号抽出、ヘテロダインやスーパーヘテロダイン(低周波信号を得てAD、復調させることもできる)、及び、ホモダイン等があり、電磁波検出器が使用される場合もある。 A CCD camera, a photodiode, a mixed photodiode, or a virtual source (also as a wave source) as described herein can also be used for detection. Optical signal processing includes temporal and spatial filters, correlation calculation and matched filter processing, signal extraction, heterodyne and superheterodyne (which can also be used for AD and demodulation by obtaining low-frequency signals), homodyne, etc., and electromagnetic wave detection. utensils are sometimes used.

また、特に非線形媒質に関して例を揚げると、二硫化炭素、ナトリウム蒸気、シリコンやガリウムヒ素などの半導体、量子井戸、及び、フルオレセインやエリトロシンなどの有機色素等があり、多種多様である。またチタン酸バリウムなどの結晶では、外部からポンプ波を供給することなく4光波混合を行わせる自己ポンプもある。 Examples of nonlinear media in particular include carbon disulfide, sodium vapor, semiconductors such as silicon and gallium arsenide, quantum wells, and organic dyes such as fluorescein and erythrosine. Crystals such as barium titanate also have self-pumping that allows four-wave mixing to occur without supplying pump waves from the outside.

可視光線、赤外線、マイクロ波やテラヘルツ波、及び、放射線等の他の波動に関しても、各々の汎用デバイスを使用できるが、専用デバイスを実現して使用されることもある。SAWのみならず、振動系と電磁系との関係を有するデバイス等も重宝する。また、非線形デバイスも使用することができる。熱伝導において非線形性を提示するものに、アルミナとジルコニア合成、はんだ、及び、層状コバルト酸化物等様々なものがある。熱は光デバイスに作用し、非線形性を生み出すこともあり、それらの応用を広く考えることも可能になる。 For other waves such as visible light, infrared rays, microwaves, terahertz waves, and radiation, each general-purpose device can be used, but a dedicated device may be realized and used. Not only SAWs, but also devices that have a relationship between a vibration system and an electromagnetic system are useful. Non-linear devices can also be used. Alumina and zirconia composites, solders, and layered cobalt oxides, among others, exhibit nonlinearities in heat conduction. Heat can also act on optical devices and produce nonlinearities, making it possible to consider their applications broadly.

なお、トランスデューサ110は、計測対象に対して、接触型と非接触型があるが、作用デバイスとして、各波動のインピーダンスマッチングデバイスが必要であることがある。装置内のデバイス間や電気回路内においても然りであるが、計測空間において、各デバイス間にマッチングデバイスが使用されることがある。例えば、超音波によって生体組織を観測する場合には、ジェル又は水がマッチング材として使用される。超音波顕微鏡においては、通常、架台の上にて試料を観測することが多いが、アレイ型やメカニカルスキャン型(ハウジングされた中で水等のマッチング材を介して素子又は素子アレイがメカニカルに移動してスキャンする場合等)のものが実現されて使用されることもあり、試料に対して設置が容易であったり(方向を自由に決めることができる等)、ハンディー型にして試料として対象を切り出す(in vitro)ことなく、直接にin situ又はin vivoの状態で観測することを可能にすることもできる。超音波顕微鏡では、焦点位置がレンズ等で決まる固定型のものも多く、特に、その様な素子又は素子アレイが使用される場合に良い方法である。従って、メカニカルスキャンは横方向やエレベーション方向に限られず、伝搬方向にも可動である場合もある。RF波に対しては、アンテナが使用されるし、生体組織電位や磁場の各々の観測には、電解質ジェルと電極、又は、SQUID計等が使用されるが、計測対象の大きさに合わせて、小型化されたものが使用されることがある(顕微鏡など)。微弱な信号は、非線形性を持たない場合があり、その様な場合には、非線形性を疑似的に生成したり、仮想的に生成したりすることがある。非線形信号が微弱で観測できない場合には、非線形性を増強することも行われる。 The transducer 110 can be of a contact type or a non-contact type with respect to the object to be measured, and an impedance matching device for each wave may be required as a working device. Matching devices are sometimes used between devices in the measurement space, as well as between devices in an apparatus and in an electric circuit. For example, gel or water is used as a matching material when observing living tissue with ultrasound. In ultrasonic microscopes, samples are usually observed on a stand, but array type and mechanical scan type (elements or element arrays move mechanically through a matching material such as water in a housing) , etc.) have been realized and used. It is also possible to directly observe in situ or in vivo conditions without excision (in vitro). Many ultrasonic microscopes are of a fixed type in which the focal position is determined by a lens or the like, and this method is particularly good when such an element or element array is used. Therefore, mechanical scanning is not limited to lateral and elevational directions, and may also be movable in the propagation direction. An antenna is used for RF waves, and an electrolyte gel and electrodes or a SQUID meter is used for each observation of biological tissue potential and magnetic field. , a miniaturized version is sometimes used (e.g., a microscope). A weak signal may not have non-linearity, and in such cases, non-linearity may be generated artificially or virtually. If the nonlinear signal is too weak to be observed, then enhancement of the nonlinearity is also performed.

非線形デバイスが送信器121又はトランスデューサ110と一体化されている場合もあり、また、非線形デバイスを別個に組み上げて使用する場合もある。この様に、非線形デバイスは、高周波化や広帯域化等を行うことを含め、受信後の信号に対してだけでなく、任意位置において非線形デバイスを用いることにより、波動そのものに非線形演算を施すことができる。 Non-linear devices may be integrated with transmitter 121 or transducer 110, or non-linear devices may be assembled and used separately. In this way, non-linear devices can perform non-linear calculations not only on received signals, but also on waves themselves by using non-linear devices at arbitrary positions, including increasing the frequency and bandwidth. can.

また、受動的に波動を観測する場合において、波動源を制御できない場合を含めて、本発明が適用されることもある。各種方法又はデバイスを用いて、信号源位置や到来方向、信号源の強度、信号源の大きさや分布を求めて本発明が適用されることもあるし、本発明が適用されて信号源や波動源の位置や到来方向が求められる場合もある。その際、それらは波動や信号を分離して求められることがあるし、信号や波動の源や到来方向が求められた上で波動や信号が分離されることもあるし、両者が同時に求められることもある。波動源や到来方向が求まると、受信ビームフォーミングの精度が向上する。信号にはアナログ処理又はデジタル処理等の信号処理が施され、波動には、時間又は空間、又は、それらの周波数のフィルタや分光器等を使用できる。 In addition, the present invention may be applied to the case of passively observing waves, including the case where the wave source cannot be controlled. Various methods or devices may be used to determine the signal source position, direction of arrival, intensity of the signal source, size and distribution of the signal source, and the present invention may be applied. In some cases, the position of the source and the direction of arrival are also required. At that time, they may be obtained by separating waves and signals, or after obtaining the sources and directions of arrival of signals and waves, waves and signals may be separated, or both may be obtained at the same time. Sometimes. Once the wave source and direction of arrival are determined, the accuracy of receive beamforming improves. The signal is subjected to signal processing such as analog processing or digital processing, and the wave can be time or space, or a filter or spectroscope for those frequencies can be used.

計測対象物を含む媒体を伝搬した波動をトランスデューサにおいて受信するに当たり、送信に使用されたトランスデューサが受信にも使用される場合(反射信号を観測する場合)がある。一方、送信に使用されたトランスデューサとは別のトランスデューサが受信に使用されることもある。その場合に、送信トランスデューサと受信トランスデューサとが近傍位置にある場合(反射信号を観測する場合)や、送信トランスデューサと受信トランスデューサとが異なる位置にある場合(例えば、透過波や屈折波等を観測する場合)もある。 When a transducer receives a wave propagating through a medium including an object to be measured, the transducer used for transmission may also be used for reception (when observing a reflected signal). On the other hand, a different transducer may be used for reception than the one used for transmission. In that case, when the transmitting transducer and the receiving transducer are in close proximity (when observing a reflected signal), or when the transmitting transducer and the receiving transducer are in different positions (for example, when observing a transmitted wave or a refracted wave) In some cases.

また、トランスデューサ110は単一開口のものが使用されることもあるし、複数のトランスデューサ110を密に隣接した状態でアレイ状(1次元アレイ又は2次元アレイ、3次元アレイ)に並べて使用することもあるし、スパース配列、若しくは、離れた位置に設置されたものが同時に使用されることもある。開口の形状には様々なものがあり(円形、矩形、平型、凹型、及び、凸型等など)、それらの指向性は様々である。複数方向に開口を有する状態で一体となっている素子もあり、同一位置で多方向の指向性を有するものもある。電位や圧、又は、温度等のスカラー計測の他、電磁波や電界ベクトル等のベクトル計測を行うものもある。偏波するものもある。無論、同一の波動に関しても、素子の材料や構造は多様である。また、それらを用いた配置も様々であり、例えば、多方向に開口が向いているもの等もある。 Also, the transducer 110 may have a single aperture, or a plurality of transducers 110 may be arranged in an array (one-dimensional array, two-dimensional array, or three-dimensional array) in close proximity. There are also sparse arrays, or ones placed at distant positions, that are used at the same time. There are various shapes of openings (circular, rectangular, flat, concave, convex, etc.), and their directivity is various. Some elements are integrated with openings in a plurality of directions, and some have multidirectional directivity at the same position. In addition to scalar measurements such as potential, pressure, or temperature, there are also those that perform vector measurements such as electromagnetic waves and electric field vectors. Some are polarized. Of course, even for the same wave, the materials and structures of the elements are diverse. In addition, there are various arrangements using them, and for example, there are those with openings facing in multiple directions.

図39は、複数のトランスデューサの配置例を示す模式図である。図39において、(a1)は、1次元アレイ状に密に配列化された複数のトランスデューサ110を示しており、(b1)は、1次元状に疎に存在する複数のトランスデューサ110を示している。(a2)は、2次元アレイ状に密に配列化された複数のトランスデューサ110を示しており、(b2)は、2次元状に疎に存在する複数のトランスデューサ110を示している。(a3)は、3次元アレイ状に密に配列化された複数のトランスデューサ110を示しており、(b3)は、3次元状に疎に存在する複数のトランスデューサ110を示している。 FIG. 39 is a schematic diagram showing an arrangement example of a plurality of transducers. In FIG. 39, (a1) shows a plurality of transducers 110 densely arranged in a one-dimensional array, and (b1) shows a plurality of transducers 110 sparsely present in one dimension. . (a2) shows a plurality of transducers 110 arranged densely in a two-dimensional array, and (b2) shows a plurality of transducers 110 that exist sparsely in a two-dimensional array. (a3) shows a plurality of transducers 110 densely arranged in a three-dimensional array, and (b3) shows a plurality of transducers 110 sparsely present in three dimensions.

トランスデューサの開口部においてレンズ等を用いてアナログ的にビームが生成されたり、又は、調整されたりすることがあるが、上記の駆動信号によって調整されることもある。また、本実施形態に係るイメージング装置は、最大で6自由度(並進3方向及び回転3方向の自由度)を有する機械走査デバイスを備え、機械走査デバイスが少なくとも1つのトランスデューサ110又は少なくとも1つのトランスデューサアレイを少なくとも1つの方向に機械的に移動させることにより、計測対象1の走査や焦点位置の調整やステアリングが行われることがある。 The beam may be generated or conditioned analogously using lenses or the like at the aperture of the transducer, but may also be conditioned by the drive signals described above. Also, the imaging apparatus according to this embodiment comprises a mechanical scanning device having at most six degrees of freedom (three translational and three rotational degrees of freedom), wherein the mechanical scanning device comprises at least one transducer 110 or at least one transducer. By mechanically moving the array in at least one direction, the object 1 may be scanned, focused and steered.

一方、複数のトランスデューサ110を使用する場合には、駆動するトランスデューサ110の数と等しい数の駆動信号を生成すべく、トランスデューサ110の数と等しいチャンネル数の送信器121が設けられる。又は、遅延素子群を使用して、限られた数の生成信号から複数の駆動信号を生成することにより、所望のビームフォーミング(所望する位置に焦点を形成する、又は、所望する方向にステアリングする)が行われることがある。 On the other hand, when multiple transducers 110 are used, transmitters 121 are provided with a number of channels equal to the number of transducers 110 to generate a number of drive signals equal to the number of transducers 110 to be driven. Alternatively, a group of delay elements can be used to generate multiple drive signals from a limited number of generated signals for desired beamforming (focusing at a desired position or steering in a desired direction). ) may be performed.

通常のアナログ又はデジタルのビームフォーマを使用することもできる。上記のビームフォーミング(受信時のみの場合を含む)を並列処理的に行って、計測対象を走査する際の実時間性を向上させることがある。 Ordinary analog or digital beamformers can also be used. The above-mentioned beamforming (including the case of reception only) may be performed in parallel to improve real-time performance when scanning the measurement target.

また、同一時刻において、複数のトランスデューサ110を駆動して、複数のビームフォーミングを同時に行うこともある。あるいは、送信器121を切り替えて使用する場合を含めて、同時相の信号を受信することが許される時間内において、異なる時刻に異なるトランスデューサ110を用いてビームフォーミングが複数回行われることもある。同一のトランスデューサに機械走査を施し、複数回のビームフォーミングが行われることがある。 Also, at the same time, a plurality of transducers 110 may be driven to simultaneously perform a plurality of beamformings. Alternatively, beamforming may be performed multiple times using different transducers 110 at different times within a time period during which signals in the same phase are allowed to be received, including when the transmitters 121 are switched. The same transducer may be mechanically scanned and beamformed multiple times.

各ビームフォーミングにおいては、機械走査を行う場合を含めて、古典的な開口面合成が行われることがあり、通常の遅延加算(Delay-and-Summation)、又は、本発明に基づく遅延乗算(Delay-and-Multiplication)が行われる(いずれも、モノスタティック型又はマルチスタティック型)。送信時において、フォーカシングをせずに、平面波が生成されることもあり、その場合には、広い領域を一度に短時間で観測することも可能である。その際に、平面波がステアリングされることもある。波動が平面波として受波されることがあるし、ダイナミックフォーカシングされることもある(送信時にステアリングしている時は、受信時もステアリングした方が良い)。平面波は、伝搬する方向と直交する方向には狭帯域の波であり、広帯域化されると効果的である。 In each beamforming, including the case of mechanical scanning, classical aperture plane synthesis may be performed, either conventional delay-and-summation or delay-multiplication according to the present invention. -and-Multiplication) is performed (either monostatic or multistatic). A plane wave may be generated without focusing at the time of transmission, in which case it is possible to observe a wide area at once in a short time. In doing so, the plane wave may be steered. Waves can be received as plane waves, or they can be dynamically focused (if you steer on transmit, you should also steer on receive). A plane wave is a wave with a narrow band in a direction orthogonal to the direction of propagation, and is effective when broadband.

図40は、1次元トランスデューサアレイを用いた場合における波動の形態を説明するための図である。図40において、(a)は、波動のフォーカシングを示しており、送信時又は受信時において、遅延時間の設定によって定まるフォーカスの位置に絞り込まれた波動ビームが形成される。(b)は、波動のステアリングを示しており、送信時又は受信時において、遅延時間の設定によって定まる方向に偏向された波動ビームが形成される。(c)は、平面波の送信又は受信を示しており、遅延時間の設定によって定まる方向に向けた平面波が形成される。平面波は、伝搬する方向と直交する方向には狭帯域の波であり、広帯域化されると効果的である。 FIG. 40 is a diagram for explaining the form of waves when using a one-dimensional transducer array. In FIG. 40, (a) shows wave focusing, and a wave beam narrowed down to a focus position determined by delay time setting is formed at the time of transmission or reception. (b) shows wave steering, and a wave beam deflected in a direction determined by setting the delay time is formed at the time of transmission or reception. (c) shows transmission or reception of a plane wave, and a plane wave is formed in a direction determined by setting the delay time. A plane wave is a wave with a narrow band in a direction orthogonal to the direction of propagation, and is effective when broadband.

なお、トランスデューサ110による受信前において、波動をアナログ遅延デバイス及びアナログ記憶デバイスの少なくとも1つに通過させることにより、複数の波動が計測対象1内の各位置において重なったものとなる様にすることがある。また、トランスデューサ110による受信後において得られるアナログ信号をアナログ遅延デバイス及びアナログ記憶デバイスの少なくとも1つに通過させたり、又は、受信後に得られるデジタルサンプリングされたデジタル信号にデジタル演算によりディレイを掛けたり、又は、デジタル記憶デバイスに通過させることを通じて、複数の波動が計測対象内の各位置において重なったもとなる様にすることもある。いわゆる位相収差補正を、上記の様に実施したり、上記のビームフォーミングの整相に関連して実施することもある。様々なデバイスがあるが、例えば、光においては、光ファイバーは遅延線にもなるし、光閉じ込めデバイスは遅延デバイスや記憶装置にもなる。 By passing the waves through at least one of an analog delay device and an analog storage device before being received by the transducer 110, a plurality of waves can be superimposed at each position within the measurement object 1. be. Also, the analog signal obtained after reception by the transducer 110 is passed through at least one of an analog delay device and an analog storage device, or the digitally sampled digital signal obtained after reception is delayed by a digital operation, Alternatively, multiple waves may be superimposed at each location within the measurement object through passage through a digital storage device. A so-called phase aberration correction may be implemented as described above or in conjunction with the beamforming phasing described above. There are various devices. For example, in light, an optical fiber can be a delay line, and an optical confinement device can be a delay device or a storage device.

一方、計測対象に関し、計測対象内を伝搬した結果として非線形現象を強く受けた信号を観測することになる場合もあるが、逆に、非線形成分が得られない場合もある。一般に、波動の強度が強いときに非線形現象が観測され易く、強度が弱いときには非線形現象が観測され難い。いずれの場合においても、本発明を実施することができる。受信信号は、適切な信号処理を行う等により、独立した信号に分離されて、本発明が実施されることがある。 On the other hand, regarding the object to be measured, there are cases in which a signal strongly affected by a nonlinear phenomenon is observed as a result of propagation in the object to be measured, but conversely, there are cases in which no nonlinear component is obtained. In general, non-linear phenomena are more likely to be observed when the intensity of waves is high, and are less likely to be observed when the intensity is low. The present invention can be practiced in either case. The received signals may be separated into independent signals, such as by performing appropriate signal processing, to implement the present invention.

信号の分離には、各種波動のアナログデバイス(時間又は空間、又は、それらの周波数のフィルタや分光器等)が使用されることもあり、また、信号処理に基づいて、アナログ処理又はデジタル処理(上記のコーディングに対してデコーディングする処理、スペクトル解析を通じてスペクトルの重心を求める処理、解析信号を求めて瞬時周波数を求める処理、MIMO、SIMO、MUSIC、又は、独立信号分離処理等)されることもある。受動的な場合においては、各種方法又はデバイスを用いて、信号源位置や到来方向、信号源の強度、信号源の大きさや分布を求めて処理されることもあるし、本発明が実施された後に信号源位置や到来方向が求められることがある。ビームフォーミングと同時に信号源位置や到来方向、信号源の強度、信号源の大きさや分布が求められることがある。後に詳述する通り、非線形処理を施して、高調波等にて表した状況において、精度よく信号分離を行うこともある。具体的には、冪乗演算による高周波化且つ広帯域化(次数が1より大きいとき)、又は、低周波化且つ狭帯域化(次数が1より小さいとき)処理を行った上で、周波数領域において、高精度に行われることがある。分離後の信号の復元も使用した冪乗次数の逆数乗すればよく、容易である。 For signal separation, various wave analog devices (time or space, or their frequency filters, spectroscopes, etc.) may be used, and based on signal processing, analog processing or digital processing ( Decoding processing for the above coding, processing to obtain the centroid of the spectrum through spectrum analysis, processing to obtain the analysis signal to obtain the instantaneous frequency, MIMO, SIMO, MUSIC, or independent signal separation processing, etc.) be. In the passive case, various methods or devices may be used to determine and process the source location, direction of arrival, source strength, source magnitude and distribution, and the implementation of the present invention. The signal source position and direction of arrival may be obtained later. The position of the signal source, the direction of arrival, the strength of the signal source, the size and distribution of the signal source are sometimes obtained simultaneously with beamforming. As will be described in detail later, non-linear processing may be applied to accurately separate signals in situations represented by harmonics or the like. Specifically, after performing processing for increasing the frequency and broadening the band (when the degree is greater than 1) or decreasing the frequency and narrowing the band (when the degree is less than 1) by exponentiation, in the frequency domain , may be performed with high precision. Restoration of the signal after separation is also easy by multiplying the reciprocal of the exponentiation order used.

図41は、2次元計測の場合の空間領域及び周波数領域におけるビーム方向や波動の到来方向の角度とスペクトルの重心を示す図である。図41において、(a)は、空間領域において、関心点(x,y)におけるビーム1及びビーム2のビーム方向角度θ1及びθ2を示している。また、(b)は、周波数領域において、ビーム1及びビーム2のスペクトルの重心と、ビーム1の瞬時周波数(fx,fy)とを示している。ビーム1又はビーム2がグレーティングローブやサイドローブの波動に該当する場合もある。
ちなみに、アレイ型センサーにおいて素子ピッチが粗いと素子アレイ方向(元よりデジタル空間)にエイリアシングを生じた信号を受信してビームフォーミングを行うこととなるため、受信生信号の角スペクトルかビームフォーミング後の信号において、折り返した帯域の信号をフィルタリングして除去する。上記の如くに素子幅を小さくして素子ピッチを短くすると、角スペクトルで確認できる通り横方向には広帯域となり、ビームフォーミングにより横方向に広帯域な信号を生成できるが、エイリアシングを生じる場合には同様に処理する必要がある。これらの処理は、全てのビームフォーミング処理の場合において必要となる。受信生信号の角スぺクトルの信号帯域内にてビームフォーミング信号を生成できるため、その素子アレイを用いて実現できるステアリング角度を確認できる。
FIG. 41 is a diagram showing the angle of the beam direction and wave arrival direction and the center of gravity of the spectrum in the spatial domain and the frequency domain in the case of two-dimensional measurement. In FIG. 41, (a) shows the beam direction angles θ1 and θ2 of beam 1 and beam 2 at the point of interest (x,y) in the spatial domain. (b) shows the centroid of the spectra of beam 1 and beam 2 and the instantaneous frequency (fx, fy) of beam 1 in the frequency domain. Beam 1 or beam 2 may correspond to waves of grating lobes or side lobes.
By the way, if the element pitch is coarse in the array type sensor, the signal that causes aliasing in the element array direction (originally digital space) will be received and beamforming will be performed, so the angular spectrum of the received raw signal or after beamforming In the signal, the folded band signal is filtered out. If the element width is reduced and the element pitch is shortened as described above, the band becomes wide in the horizontal direction as can be confirmed by the angular spectrum, and a signal with a wide band in the horizontal direction can be generated by beamforming. need to be processed. These processes are necessary in the case of all beamforming processes. Since beamforming signals can be generated within the signal band of the angular spectrum of the received raw signal, the steering angle achievable with the element array can be ascertained.

基本的には、ビームフォーミングを波動に対してアナログ的に行うか、あるいは、複数のトランスデューサ110を使用する場合においては、ビームフォーミング(フォーカシング又はステアリング)が行われる。上記の通り、信号の分離を行った上で、ビームフォーミングされることもあるが、ビームフォーミング後に信号分離が行われることもある。 Basically, either the beamforming is done analogously to the waves, or if multiple transducers 110 are used, the beamforming (focusing or steering) is done. As described above, beamforming may be performed after signal separation, but signal separation may be performed after beamforming.

また、開口面合成処理を行う場合においては、受信した同一の信号セットから、異なる複数位置のフォーカシング信号や異なる複数方向のステアリング信号を生成できる(Delay-and-Summation、又は、本発明に基づくDelay-and-Multiplication)。また、それらの生成された信号に対して本発明を実施することもできる。送信器121と受信器122とは、一体型であっても良く、分離型であっても良い。 Also, when performing aperture plane synthesis processing, it is possible to generate focusing signals for different positions and steering signals for different directions from the same set of received signals (Delay-and-Summation or Delay-and-Summation based on the present invention). -and-Multiplication). It is also possible to implement the present invention on those generated signals. Transmitter 121 and receiver 122 may be integrated or separated.

非線形素子124には、様々なものがあり、トランスデューサ110において受信した後の電気的なアナログ信号に対しては、ダイオードやトランジスタを使用することができる。その他、超電導現象を応用するもの等を含め、回路によって信号に非線形現象を施す如何なる非線形素子も使用することができる。また、分布定数系の非線形素子を使用することもできる。波動(信号)の周波数に合わせて、適切なものが使用される。各種増幅器や減衰器を用いて、波動又は信号が適切にゲイン調整されることもある。 The non-linear element 124 can be of various types and can be a diode or a transistor for electrical analog signals received at the transducer 110 . In addition, any nonlinear element that applies a nonlinear phenomenon to a signal by a circuit can be used, including those that apply superconductivity. A nonlinear element of a distributed constant system can also be used. An appropriate one is used according to the frequency of the wave (signal). Waves or signals may be appropriately gain adjusted using various amplifiers and attenuators.

非線形演算は、トランスデューサ110において受信する前に、波動に対して直接的に非線形現象を生じさせる非線形デバイスを使用して行われることもある。例えば、光に関しては、上記の(i)非線形光学素子、(ii)光混合デバイス、(iii)光パラメトリック効果、(iv)通常のラマン散乱(自然放出ラマン散乱)等の多光子遷移、(v)非線形屈折率変化、又は、(vi)電場依存屈折率変化等を使用することができる。その他の波動に関しても、同様に、非線形デバイスを使用することができる。それらの非線形デバイスがトランスデューサ110と一体化されている場合もあり、また、非線形デバイスを別個に組み上げて使用されることもある。また、受信時に使用するトランスデューサ110における波動から電気信号への変換時の非線形現象そのものが使用されることもある。 Non-linear operations may also be performed using non-linear devices that induce non-linear phenomena directly on the waves before they are received at transducer 110 . For example, with respect to light, the above (i) nonlinear optical element, (ii) light mixing device, (iii) optical parametric effect, (iv) multiphoton transition such as ordinary Raman scattering (spontaneous emission Raman scattering), (v ) non-linear refractive index change, or (vi) electric field dependent refractive index change, etc. can be used. For other waves, nonlinear devices can be used as well. These nonlinear devices may be integrated with the transducer 110, or they may be assembled separately and used. Also, the nonlinear phenomenon itself at the time of conversion from waves to electrical signals in the transducer 110 used for reception may be used.

以上のいずれの場合においても、波動そのものにアナログ演算(非線形処理)が施される場合と、受信後の信号にアナログ演算が施される場合があるが、信号のAD変換後において、デジタル演算器や計算機、又は、それに類するデバイス(FPGAやDSP等)を用いて信号に非線形演算が施されることもある。 In any of the above cases, there are cases where analog calculation (non-linear processing) is applied to the wave itself, and analog calculation is applied to the received signal. A non-linear operation may be applied to the signal using a computer, a device similar thereto (FPGA, DSP, etc.).

本発明の一実施形態に係るイメージング装置に関し、アナログ型と称した場合には、演算が上記の如くアナログ処理によるものをいい、例えば、非線形効果を受けたアナログ信号をブラウン管ディスプレイやオシロスコープ(アナログ又はデジタル)等の表示機器によって表示し、必要に応じて写真(アナログ又はデジタル)やホログラフィ等の記憶媒体に記録される。あるいは、AD変換を通じてデジタル化されて、必要に応じてメモリ、ハードディスク、又は、CD-RW等のデジタルデータ記憶媒体に記録され、表示機器を用いて表示が行われることもある。 Regarding the imaging apparatus according to one embodiment of the present invention, when it is called an analog type, it means that the calculation is based on analog processing as described above. digital) or the like, and recorded in a storage medium such as a photograph (analog or digital) or holography, if necessary. Alternatively, the data may be digitized through AD conversion, recorded in a digital data storage medium such as a memory, hard disk, or CD-RW as required, and displayed using a display device.

一方、デジタル型と称した場合には、適切なアナログ処理(ゲイン調整やフィルタリング)後にアナログ信号がAD変換され、信号が記録媒体であるメモリやハードディスク等に蓄えられる場合を含み、デジタル非線形演算処理が施され、必要に応じてデータ記憶装置(上記の写真やデジタル記録媒体等)にデータが格納され、表示装置に表示される。 On the other hand, when it is called a digital type, digital non-linear arithmetic processing includes the case where the analog signal is AD converted after appropriate analog processing (gain adjustment and filtering), and the signal is stored in the recording medium such as memory or hard disk. data is stored in a data storage device (such as the above photographs and digital recording media) as required, and displayed on a display device.

上記の構成において、計測対象物内の非線形現象が受信信号に含まれることがあり、その場合には、上記のアナログ装置又はデジタル装置を用いて、その効果を増強することもできるが、非線形成分を含まない受信信号においては、新たに非線形効果を生成したり、非線形効果を模擬したり、又は、仮想的に実現することが可能である。また、計測対象内において生じた非線形効果(高調波成分)と、信号源において生成された非線形成分(高調波成分)と、非線形演算の効果を分離することが行われることがある。例外的に、非線形演算を施さない場合を含み、前2者の非線形効果(非線形成分)を分離するべく、上記のデバイスや信号処理が使用されることもある。 In the above configuration, the received signal may contain nonlinear phenomena in the object to be measured. In such cases, the above analog or digital device can be used to enhance the effect, but the nonlinear component In a received signal that does not contain , it is possible to generate new nonlinear effects, simulate nonlinear effects, or virtually realize them. Further, the nonlinear effect (harmonic component) generated in the measurement object, the nonlinear component (harmonic component) generated in the signal source, and the effect of the nonlinear operation are sometimes separated. Exceptionally, the above devices and signal processing may be used to separate the former two nonlinear effects (nonlinear components), including cases where nonlinear operations are not performed.

なお、イメージング装置に関する上記の説明においては、観測する波動に対する変換器(トランスデューサ)を使用する場合について述べたが、例えば、振動波の伝搬は、レーザードプラや光学画像処理に基づいて光学的に観測することもできるし、ヒト組織において周波数の低い振動波として支配的になるずり波の伝搬は、同じく振動波である超音波のドプラ効果を用いて観測することができる。 In the above explanation of the imaging apparatus, the case of using a transducer for the wave motion to be observed was described. Alternatively, the propagation of shear waves, which predominate as low-frequency oscillatory waves in human tissue, can be observed using the Doppler effect of ultrasound, which is also an oscillatory wave.

また、可聴音波や超音波等の音の伝搬を光学的に捉えることも可能である。光学的処理は、一般的にいう電磁波を処理するものであり、X線等の放射線も含まれる。超音波を用いて可聴音波を観測することもある。熱波に関しては、輻射に基づく赤外線カメラ、マイクロ波やテラヘルツ波や超音波の音速変化や対象の体積変化、核磁気共鳴のケミカルシフト、又は、光ファイバーを使用する等によって観測することもできる。これは、コヒーレント信号処理、又は、画像処理等のインコヒーレント処理による。他の波動を使用して関心のある波動の挙動を観測できる事例は、それらに限られず、いずれにしても計測結果はアナログ信号又はデジタル信号となる。従って、本発明は、それらの観測された波動(信号)に対しても実施することができる。ドプラ効果の他、観測対象の波動により媒体の物性が変調されて、センシングに使用する波動が変調されると解釈されることもある。これらにおいて、ドプラ効果や変調を受けた波動を検波する処理は有用である。特に、電磁波は偏波を応用して容易に様々な方向に伝搬する波動を観測することができると共に、容易に様々な方向に持つ構造を捉えることができる。一方、音波も発散(ダイバージェンス)を基礎として、本願明細書に記載の如く、様々な計測を可能とする。輻射計測も重要である。マイクロ波を用いて、温度分布計測の他に、様々なリモートセンシングが行われるが、例えば、散乱や減衰を測り、雨滴や水分、気圧等の分布が測られている。この様な場合にも、本願明細書に記載のビームフォーミングを始めとする様々な処理により高い空間分解能が得られることは有効であり、特に、所望する位置を高速に観測できる効果が得られる。イメージを生成した後の画像処理に依らずに、任意の面や領域、そして、空間を、直接的に、高速に、観測できる効果が得られる。 It is also possible to optically capture the propagation of sounds such as audible waves and ultrasonic waves. Optical processing generally refers to processing electromagnetic waves, and includes radiation such as X-rays. Ultrasound may also be used to observe audible sound waves. Thermal waves can also be observed by using infrared cameras based on radiation, changes in sound velocity of microwaves, terahertz waves, and ultrasonic waves, volume changes of objects, chemical shifts in nuclear magnetic resonance, or optical fibers. This is due to coherent signal processing or incoherent processing such as image processing. Other waves can be used to observe wave behavior of interest, but are not the only cases where the measurement result is either an analog or digital signal. Therefore, the present invention can also be implemented for those observed waves (signals). In addition to the Doppler effect, it is sometimes interpreted that the physical properties of the medium are modulated by the waves to be observed, which modulates the waves used for sensing. In these, processing for detecting waves subjected to Doppler effect and modulation is useful. In particular, electromagnetic waves can easily observe waves propagating in various directions by applying polarization, and can easily capture structures in various directions. On the other hand, sound waves also allow various measurements based on divergence, as described herein. Radiometric measurements are also important. In addition to temperature distribution measurement, microwaves are used for various remote sensing. For example, scattering and attenuation are measured to measure the distribution of raindrops, moisture, atmospheric pressure, and the like. Even in such a case, it is effective to obtain high spatial resolution by various processes including beamforming described in the specification of the present application, and in particular, the effect of being able to observe a desired position at high speed is obtained. It is possible to obtain the effect of being able to observe an arbitrary surface, area, and space directly and at high speed without relying on image processing after image generation.

また、イメージング装置に関する上記の説明において、電磁波、音を含む振動、熱の波動、又は、それらに該当する信号の非線形演算装置について述べたが、異なる種類の物理エネルギー間の非線形効果を増強したり、非線形効果を模擬したり、又は、非線形効果を仮想的に実現すること(つまり、物理的、又は、化学的、又は、生物学的に、非線形効果を生じる場合以外に、非線形効果を生じない場合を含む)も可能であり、その場合には、使用される複数種類の波動に関するデバイスを同時に使用して波動を受信することにより、又は、同時相であれば異なる時刻において受信された信号を基礎として、本発明を実施することもできる。即ち、本発明は、複数種類の波動が同時に発生している場合と、1種類の波動が単独に発生している場合とを扱うことができる。 In addition, in the above description of the imaging device, non-linear arithmetic devices for electromagnetic waves, vibrations including sound, heat waves, or signals corresponding to them were described, but non-linear effects between different types of physical energy can be enhanced or , simulating a non-linear effect, or virtually realizing a non-linear effect In that case, it is possible to receive waves using devices related to multiple types of waves used at the same time, or to receive signals at different times if they are in phase. As a basis, the invention can also be implemented. That is, the present invention can handle cases in which multiple types of waves are generated simultaneously and cases in which one type of wave is generated independently.

また、電磁波や音を含む振動や熱の波動において、周波数が異なると各計測対象物(媒体)に依って支配的な挙動は異なり、名称が異なる(種類が異なると考えても良い)。例えば、電磁波に関しては、マイクロ波、テラヘルツ波、X線等の放射線等が存在し、振動に関しては、ヒト軟組織を対象とした場合に、メガHz帯域においてずり波は減衰の影響により波動として伝わらず、超音波が支配的であるが、100Hz等の低周波においては非圧縮性の特徴が強く、ずり波が支配的である。 In addition, in vibrations including electromagnetic waves and sound and waves of heat, if the frequencies differ, the dominant behavior differs depending on each measurement object (medium), and the name differs (it may be considered that the type differs). For example, electromagnetic waves include radiation such as microwaves, terahertz waves, and X-rays. As for vibrations, shear waves do not propagate as waves in the megaHz band due to the effects of attenuation in human soft tissue. , ultrasonic waves are dominant, but at low frequencies such as 100 Hz, incompressible features are strong and shear waves are dominant.

本発明は、その様な挙動を異にする波動同士の非線形効果を増強したり、非線形効果を模擬したり、又は、仮想的に実現することも可能である。その場合には、複数種類の波動に関するデバイスを同時に使用して波動を受信したり、又は、同時相であれば異なる時刻において受信された信号を基礎として、本発明を実施することもできる。無論、それらの波動の減衰、散乱、又は、反射等の現象が分散特性を有し、受信信号のSN比を考慮して、適切に使用されなければいけないという限界がある。しかしながら、物理的に高周波成分を生成したり、捉えることのできない高周波成分を生成できることを含め、本発明の応用範囲は非常に広い。 The present invention can enhance the nonlinear effect between waves with different behaviors, simulate the nonlinear effect, or virtually realize it. In that case, the invention can be practiced on the basis of signals received at different times, if they are in phase, using devices related to multiple types of waves at the same time to receive the waves. Of course, phenomena such as attenuation, scattering or reflection of those waves have dispersive characteristics and have limitations that must be used appropriately in consideration of the signal-to-noise ratio of the received signal. However, the scope of application of the present invention is very wide, including the ability to generate high frequency components that cannot be physically captured.

なお、計測対象物内の非線形効果を積極的に観測する場合と、本発明による非線形処理を積極的に施す場合とにおいて、両者を切り替えて使用したり、両者を同時に使用したり、積極的な演算を通じて、計測対象物内の非線形効果を解明することが行われることもある。 It should be noted that when positively observing the nonlinear effect in the object to be measured and when positively performing the nonlinear processing according to the present invention, the two may be used by switching between them, or both may be used simultaneously. Elucidation of non-linear effects within the measurement object may also be performed through computation.

次に、上記のイメージング装置の構成を用いて、本発明を超音波エコー信号に適用した一実施形態について説明する。超音波伝搬過程における高調波の生成は、乗算又は冪乗によって表される。特に、和音や差音は、伝搬する方向又は周波数が異なる波同士の乗算で表され(非特許文献27を参照)、高調波は、一般的に同一周波数の波の冪乗で表される(非特許文献25を参照)。物理現象として、波の強度が大きいときに生じ易い。また、波の歪は、高強度成分に関して伝搬と共に大きくなる効果があるが、伝搬の間に、基本波に比べて減衰の影響を受け易い。一方で、強度がさほど強くない場合には、波の干渉として、重ね合わせ(和又は差)のみが強く観測され、これを応用したものに、本願発明者の開発した横方向変調法がある(非特許文献13及び30等を参照)。 Next, an embodiment in which the present invention is applied to ultrasonic echo signals using the configuration of the imaging apparatus described above will be described. The generation of harmonics in the ultrasound propagation process is represented by multiplication or exponentiation. In particular, chords and difference tones are represented by multiplication of waves with different propagation directions or frequencies (see Non-Patent Document 27), and harmonics are generally represented by powers of waves of the same frequency ( See Non-Patent Document 25). As a physical phenomenon, it tends to occur when the intensity of the wave is high. Wave distortion also has the effect of increasing with propagation for high intensity components, but is more susceptible to attenuation during propagation than the fundamental wave. On the other hand, when the intensity is not so strong, only superposition (sum or difference) is strongly observed as wave interference. See Non-Patent Documents 13 and 30, etc.).

図42は、横方向変調法に用いる2つの偏向ビームを2次元空間において示す図である。図42において、横軸は横方向位置yを示しており、縦軸は深さ方向位置xを示している。ここでは、代表的な例として、任意の1方向(図中における角度θの方向)にビームフォーミングした場合と、任意の1方向を軸(X軸)として横方向変調を行った場合との2つの場合について、受信ビームフォーミング後の非線形演算の効果を確認する。なお、この計算は、容易に3次元空間に拡張でき、3次元空間においても同様の効果が得られることを確認できる。以下において、「λ」は、超音波の重心周波数に対応する波長である。また、深さ方向における距離x及び横方向における距離yは、原点から送信された超音波がある点において反射されて原点に戻るまでの時間をtとして、時間t/2において超音波が伝搬する距離を表している。 FIG. 42 is a diagram showing in two-dimensional space two deflected beams used for the transverse modulation method. In FIG. 42, the horizontal axis indicates the horizontal position y, and the vertical axis indicates the depth direction position x. Here, as a typical example, two cases of beam forming in one arbitrary direction (direction of angle θ in the figure) and lateral modulation with one arbitrary direction as an axis (X axis) are shown. We confirm the effect of nonlinear operations after receive beamforming for two cases. Note that this calculation can be easily extended to a three-dimensional space, and it can be confirmed that a similar effect can be obtained even in a three-dimensional space. In the following, "λ" is the wavelength corresponding to the center-of-gravity frequency of ultrasound. In addition, the distance x in the depth direction and the distance y in the horizontal direction are the time t for the ultrasonic wave transmitted from the origin to be reflected at a certain point and return to the origin, and the ultrasonic wave propagates at time t/2. represents distance.

<0>横方向変調:角度θ1及びθ方向の2つのビーム又は波(平面波等)の重ね合わせ(同時送受信又は各々の送受信の重ね合わせ)
2つのRFエコー信号の重ね合わせ(加算、即ち、和)は、次式によって表される。
A(x、y)cos[2π(2/λ)(xcosθ1+ysinθ1)]
+A’(x、y)cos[2π(2/λ)(xcosθ2+ysinθ2)] ・・・(50’)
<0> Transverse modulation: Superposition of two beams or waves (plane waves, etc.) in the directions of angles θ 1 and θ 2 (simultaneous transmission and reception or superposition of each transmission and reception)
The superposition (addition or summation) of the two RF echo signals is given by the following equation.
A(x,y)cos[2π(2/λ)( xcosθ1ysinθ1 )]
+A'(x,y)cos[2π( 2 /λ)(xcosθ2+ ysinθ2 )] (50')

ここで、反射又は散乱が等しく、A(x、y)=A’(x、y)と仮定すると、2波の伝搬方向の中央の方向のX軸、及び、それと直交するY軸から成る座標(X、Y)において、2つのRFエコー信号の重ね合わせは、次式によって表される。
A(x、y)cos{2π(2/λ)cos[(1/2)(θ2-θ1)X]}
×cos{2π(2/λ)sin[(1/2)(θ2-θ1)Y]} ・・・(50)
このように、(X、Y)座標系において、横方向変調が実現される。2波は異なる周波数でもよい。例えば、以下の<2>や<3>において、これに非線形処理が施される。なお、3次元空間において、横方向変調する場合には、変調する方向が2方向あり、従って、少なくとも3本の交差ビームを生成する必要がある(非特許文献13及び30を参照)。
Here, assuming that reflection or scattering is equal and A(x, y)=A'(x, y), coordinates consisting of the X-axis in the direction of the middle of the propagation directions of the two waves and the Y-axis orthogonal thereto At (X, Y), the superposition of the two RF echo signals is given by
A(x,y)cos{2π(2/λ)cos[(1/2)(θ 2 −θ 1 )X]}
×cos{2π(2/λ)sin[( 1/2 )(θ2 θ1)Y]} (50)
Thus, lateral modulation is achieved in the (X, Y) coordinate system. The two waves may be of different frequencies. For example, in <2> and <3> below, non-linear processing is performed. In three-dimensional space, there are two directions for lateral modulation, and therefore at least three intersecting beams must be generated (see Non-Patent Documents 13 and 30).

<1>θ方向の1ビーム又は1波の冪乗計算
RFエコー信号は、次式によって表される。
A(x,y)cos[2π(2/λ)(xcosθ+ysinθ)]
この場合に、例えば、その二乗は、次式(51)によって表される。
(1/2)A2(x,y)×{1+cos[2π(2・2/λ)(xcosθ+ysinθ)]} ・・・(51)
このように、第2次高調波成分が直流成分と同時に生成され、ベースバンデッド信号も同時に得られる(包絡線信号も直接的に得られる)。計算された二乗エコー信号は、帯域内の異なる周波数同士の積の効果により、基本波のスペクトルよりも帯域幅が広くなり、パルス長とビーム幅が短くなって空間分解能が高い。
<1> Power calculation of one beam or one wave in the θ direction An RF echo signal is expressed by the following equation.
A(x,y)cos[2π(2/λ)(xcosθ+ysinθ)]
In this case, for example, the square is represented by the following equation (51).
(1/2) A2 (x,y)×{1+cos[2π(2 2/λ)(xcosθ+ysinθ)]} (51)
Thus, the second harmonic component is generated at the same time as the DC component, and the basebanded signal is obtained at the same time (the envelope signal is also obtained directly). The calculated squared echo signal has a wider bandwidth than the spectrum of the fundamental wave due to the product of different frequencies within the band, resulting in shorter pulse lengths and beam widths and higher spatial resolution.

さらに分かり易い例として、例えば、深さ方向xの位置におけるRFエコー信号が周波数f1とf2を有するとき、二乗の演算により、二乗エコー信号は、次式で表される。
eI(x;f1,f2)2 =eII(x;0,2f1,2f2,f1+f2,f1-f2)
このように、二乗エコー信号は、直流(周波数0)と、周波数2f1、2f2、f1+f2、f1-f2の信号成分を有することになる。
As a more intelligible example, for example, when the RF echo signal at the position in the depth direction x has frequencies f1 and f2, the squared echo signal is represented by the following equation by squaring.
eI (x;f1, f2 ) 2 = eII ( x ; 0,2f1,2f2 , f1 + f2,f1 - f2)
Thus, the squared echo signal will have DC (frequency 0) and signal components at frequencies 2f 1 , 2f 2 , f 1 +f 2 and f 1 -f 2 .

即ち、冪乗演算により生成されるそれらの信号は、波動が複数の異なる周波数の信号成分を有する場合には非線形演算を施さない場合に受信される波動に比べて其の複数の異なる周波数信号成分を有する方向に関して広帯域化されたものであり、高調波は、非線形演算を施さない場合に受信される波動に比べて、高周波化、又は、高空間分解能化、又は、低サイドローブ化、又は、高コントラスト化の少なくとも1の効果を得た信号であり、直流を含む帯域に生成された信号(ベースバンデッド信号)は高調波を略直交検波した信号であり、非線形演算を通じて得られるこれらの信号の少なくとも1つに基づいて、波動を画像化することができる。 That is, the signals generated by the exponentiation operation have a plurality of different frequency signal components compared to the wave received without the nonlinear operation when the wave has signal components of different frequencies. , and the harmonics are higher in frequency, higher in spatial resolution, or lower in side lobes, or It is a signal that has obtained at least one effect of increasing the contrast, and the signal (base banded signal) generated in the band including DC is a signal obtained by substantially quadrature detection of harmonics. Waves can be imaged based on at least one.

さらに高次の冪乗の計算を行うと、n乗によって基本波のn倍の高周波数の信号成分が得られ、また、空間分解能がさらに高くなる。ベースバンデッド信号は、厳密には、その第2次高調波を直交検波したもの(通常のベースバンド信号)とは異なり、その計算結果は純粋に直流を含むが、その処理の有無に関わらず元のエコー画像に比べて高分解能な画像が簡単に得られる。なお、非線形演算により生じる直流成分は、同時に生成される高周波、低周波、高調波等の強度から求まり、ベースバンデッド信号に含まれるその直流成分は基本的には除く。時に、計算を簡略化して、ベースバンデッド信号の直流を全て除くこともある。この処理により、深さに依存した輝度調整を行うことなく、直流を含む場合に比べ、より深部までイメージングできることがある。 Higher-order exponentiation yields a signal component with a frequency n times as high as that of the fundamental wave by the n-th power, and further enhances the spatial resolution. Strictly speaking, the basebanded signal differs from the quadrature-detected version of its second harmonic (ordinary baseband signal). A high-resolution image can be easily obtained compared to the echo image of Note that the DC component generated by the nonlinear operation is obtained from the strength of the high frequency, low frequency, harmonics, etc. generated at the same time, and the DC component contained in the basebanded signal is basically excluded. Sometimes the computation is simplified to remove all DC in the basebanded signal. This processing may allow deeper imaging without depth-dependent brightness adjustment compared to direct current.

倍角又は分角の定理により、高調波信号や低周波信号は様々な形(正弦波や余弦波の四則演算)で表され、必要なときはデジタル・ヒルベルト(Hilbert)変換(非特許文献13を参照)を通じて計算できる。実測高調波も使用することができる。これらは、任意強度の波に対して、非線形信号を各位置で計算により求めたものであり、伝搬過程において物理的に蓄積されて減衰の影響を受ける非線形成分とは異なり、新しい高調波又は低周波イメージングを実現するものでる。 According to the double-angle or arc-angle theorem, harmonic signals and low-frequency signals are expressed in various forms (four arithmetic operations of sine waves and cosine waves), and when necessary, digital Hilbert transform (see Non-Patent Document 13 (see ). Measured harmonics can also be used. These are calculated nonlinear signals at each position for arbitrary intensity waves, and are new harmonic or low frequency components, unlike nonlinear components that are physically accumulated and subject to attenuation during the propagation process. It realizes frequency imaging.

<2>横方向変調エコー信号の冪乗計算
例えば、式(50)の二乗は、次式(52)によって表される。
A(x、y)2×cos2{2π(2/λ)cos[(1/2)(θ2-θ1)X]}
×cos2{2π(2/λ)sin[(1/2)(θ2-θ1)Y]}
=A(x、y)2×[1+cos{2π(2・2/λ)cos[(1/2)(θ2-θ1)X]}
+cos{2π(2・2/λ)sin[(1/2)(θ2-θ1)Y]}
+cos{2π(2・2/λ)cos[(1/2)(θ2-θ1)X]}
×cos{2π(2・2/λ)sin[(1/2)(θ2-θ1)Y]}] ・・・(52)
このように、直流(上記のベースバンデッド信号)と、異なる一方向には検波された第2次高調波の2つの信号と、第2次高調波の横方向変調信号とが得られる。<1>と同様に、高分解能化も行われる。ベースバンデッド信号や他の高次高調波信号も、<1>と同様に計算できる。
<2> Power Calculation of Laterally Modulated Echo Signal For example, the square of Equation (50) is expressed by Equation (52) below.
A(x,y) 2 ×cos 2 {2π(2/λ)cos[(1/2)(θ 2 −θ 1 )X]}
×cos 2 {2π(2/λ)sin[(1/2)(θ 2 −θ 1 )Y]}
=A(x, y) 2 ×[1+cos{2π(2・2/λ)cos[(1/2)(θ 2 −θ 1 )X]}
+cos{2π(2・2/λ)sin[(1/2)(θ 2 −θ 1 )Y]}
+cos{2π(2・2/λ)cos[(1/2)(θ 2 −θ 1 )X]}
×cos{2π(2 2/λ)sin[( 1/2 )(θ2 θ1)Y]}] (52)
Thus, two signals are obtained: DC (the basebanded signal described above), a second harmonic detected in a different direction, and a laterally modulated signal of the second harmonic. Similar to <1>, high resolution is also performed. Basebanded signals and other high-order harmonic signals can also be calculated in the same manner as <1>.

分かり易い例として、位置(x,y)における交差エコー信号が、e1((x,y);(f0,f1))、及び、e2((x,y);(f0,f2))と表され、y方向に対称であるとき、重ね合わせ信号の二乗信号は、次式によって表される。
[e1((x,y);(f0,f1))+e2((x,y);(f0,f2))]2
=e1((x,y);(f0,f1))2+2 e1((x,y);(f0,f1))e2((x,y);(f0,f2))+e2((x,y);(f0,f2))2
=e1'((x,y);(0,0),(2f0,2f1))+e12'((x,y);(2f0,0),(0,2f1),(0,2f2))
+e2'((x,y);(0,0),(2f0,2f2))
このように、重ね合わせ信号の二乗信号は、周波数(0,0)、(2f0,2f1)、(2f0,2f2)、(2f0,0)、(0,2f1)、(0,2f2)の信号成分を有することを理解することができる。
As a simple example, the cross - echo signals at location (x,y) are e1((x,y);( f0 ,f1)) and e2 ( (x,y);( f0 , f 2 )) and symmetric in the y-direction, the squared signal of the superposition signal is given by:
[ e1 ((x,y);( f0 ,f1)) e2 ( (x,y); ( f0 ,f2))] 2
e1 ((x,y);( f0 ,f1)) 2 2e1 ((x,y);( f0 , f1 ))e2 ( (x,y);( f0 , f 2 )) + e 2 ((x,y);(f 0 ,f 2 )) 2
=e 1 '((x,y);(0,0),(2f 0 ,2f 1 ))+e 12 '((x,y);(2f 0 ,0),(0,2f 1 ), ( 0,2f2 ))
+ e2'((x,y);(0,0), ( 2f0,2f2 ))
Thus, the squared signals of the superposed signals are at frequencies ( 0,0 ), ( 2f0,2f1 ), ( 2f0,2f2 ), ( 2f0,0 ), ( 0,2f1 ) , ( 0,2f 2 ).

即ち、冪乗演算により生成されるそれらの信号は、線形の重ね合わせされた各々の信号(交差した波動に対応する信号)の高調波信号とベースバンデッド信号(少なくとも1方向の直流を含む帯域の信号)であり、波動が複数の異なる周波数の信号成分を有する場合には非線形演算を施さない場合に受信される波動に比べて其の複数の異なる周波数信号成分を有する方向に関して広帯域化されたものであり、高調波は、非線形演算を施さない場合に受信される対応する波動に比べて、高周波化、又は、高空間分解能化、又は、低サイドローブ化、又は、高コントラスト化の少なくとも1の効果を得た信号であり、ベースバンデッド信号は高調波を各方向又は複数方向に直交検波又は略直交検波した信号であり、それらの信号の少なくとも1つに基づいて、波動を画像化することができる。交差する波動やビームが異なる周波数を有する場合や座標軸に対して対称でない場合に同処理が施されると、多次元空間において、和音や差音が得られるが、同様に、それらはイメージングや計測に用いられる。他のパラメータが異なる状況においてもそれらは作用する。 That is, the signals generated by the exponentiation operation are the harmonic signals of each linearly superimposed signal (the signal corresponding to the crossed waves) and the basebanded signal (of a band containing DC in at least one direction). signal), and in the case where the wave has signal components of different frequencies, it is broadened in the direction of the wave that has a plurality of different frequency signal components compared to the wave that is received when non-linear calculation is not performed. and the harmonics are at least one of higher frequency, higher spatial resolution, lower sidelobes, or higher contrast than the corresponding waves received without the nonlinear operation. The basebanded signal is a signal obtained by quadrature detection or substantially quadrature detection of harmonics in each direction or multiple directions, and based on at least one of these signals, the wave can be imaged. can. If the intersecting waves or beams have different frequencies or are not symmetrical with respect to the coordinate axes, the same process can produce chords and difference tones in multi-dimensional space. used for They work even in situations where other parameters are different.

3次元空間においては、横方向変調は、上記の通り、少なくとも3本の交差ビームを生成する必要があるが、この場合には、得られるベースバンデッド信号として、各ビームの高調波を同様にほぼ直交検波した信号(直流を含む近傍の信号)の他、任意の1方向のみ又は任意の2方向に直交検波された信号が得られる。即ち、対称となる軸に対し、対称な方向の周波数の極性が逆であるがため、その和が零になる。全ての波動やビームが座標軸に対して対称に生成されることもあるが、その限りではない。また、周波数や他のパラメータが異なることもある。 In three-dimensional space, lateral modulation must produce at least three crossing beams, as described above, but in this case the resulting basebanded signal is the harmonics of each beam as well as approximately In addition to quadrature-detected signals (neighboring signals including DC), quadrature-detected signals in only one arbitrary direction or in two arbitrary directions can be obtained. That is, since the polarities of the frequencies in the symmetrical direction are opposite to the symmetrical axis, the sum of the frequencies becomes zero. All waves or beams may be generated symmetrically about the coordinate axes, but this is not the case. Also, the frequencies and other parameters may be different.

<3>横方向変調エコー信号の2波の乗算
例えば、式(50’)内の2波は分離して扱えるので、その積を考えるに当たり、分かり易い式を示すために、伝搬方向が、x軸に対して対称な2方向とすると、θ1=-θ2であり、2つのRFエコー信号の乗算(積)は、次式(53)によって表される。
A(x、y)cos[2π(2/λ)(xcosθ1+ysinθ1)]
×A’(x、y)cos[2π(2/λ)(xcosθ1-ysinθ1)]
=A(x、y) A’(x、y)×{cos[2π(2・2/λ)cosθ1x]
+cos[2π(2・2/λ)sinθ1y]} ・・・・(53)
これにより、異なる一方向には検波された第2次高調波の2つの信号が得られる。これらは、式(52)においても得られた信号成分である。
<3> Multiplication of two waves of laterally modulated echo signals For example, since the two waves in the equation (50′) can be treated separately, when considering the product, the propagation direction is x Assuming two directions symmetrical with respect to the axis, θ 1 =−θ 2 , and the multiplication (product) of the two RF echo signals is expressed by the following equation (53).
A(x,y)cos[2π(2/λ)( xcosθ1ysinθ1 )]
×A'(x,y)cos[2π(2/λ)(xcosθ 1 -ysinθ 1 )]
=A(x, y) A'(x, y)×{cos[2π(2・2/λ) cosθ1x ]
+cos[2π(2 2/λ)sinθ 1 y]} (53)
As a result, two signals of second harmonics detected in different directions are obtained. These are the signal components also obtained in equation (52).

分かり易い例として、位置(x,y)における交差エコー信号が、e1((x,y);(f0,f1))、及び、e2((x,y);(f0,f2))と表され、y方向に対称であるとき、信号の乗算は、次式によって表される。
e1((x,y);(f0,f1))×e2((x,y);(f0,f2))
=e12'((x,y);(2f0,0),(0,2f1),(0,2f2))
このように、信号の乗算は、周波数(2f0,0)、(0,2f1)、(0, 2f2)の信号成分を有することを理解することができる。
As a simple example, the cross - echo signals at location (x,y) are e1((x,y);( f0 ,f1)) and e2 ( (x,y);( f0 , f 2 )) and symmetric in the y-direction, the multiplication of the signals is given by
e1((x,y);( f0 , f1 )) × e2 ( (x,y); ( f0 ,f2))
=e 12 '((x,y);(2f 0 ,0),(0,2f 1 ),(0,2f 2 ))
Thus, the multiplication of signals can be seen to have signal components at frequencies (2f 0 ,0), (0,2f 1 ), (0, 2f 2 ).

即ち、乗算演算により生成される信号は、線形の重ね合わせされた各々の信号(交差した波動に対応する信号)に対してベースバンデッド信号(少なくとも1方向の直流を含む帯域の信号)であり、波動が複数の異なる周波数の信号成分を有する場合には非線形演算を施さない場合に受信される波動に比べて其の複数の異なる周波数信号成分を有する方向に関して広帯域化されたものであり、ベースバンデッド信号は、非線形演算を施さない場合に受信される対応する波動に比べて、高周波化、又は、高空間分解能化、又は、低サイドローブ化、又は、高コントラスト化の少なくとも1の効果を得た高調波信号を各方向又は複数方向に直交検波した信号であり、それらの信号の少なくとも1つに基づいて、波動を画像化することができる。交差する波動やビームが異なる周波数を有する場合や座標軸に対して対称でない場合に同処理が施されると、多次元空間において、和音や差音が得られるが、同様に、それらはイメージングや計測に用いられる。他のパラメータが異なる状況においてもそれらは作用する。 That is, the signal generated by the multiplication operation is a basebanded signal (a signal in a band containing DC in at least one direction) for each linearly superimposed signal (signal corresponding to the crossed waves), If the wave has signal components of different frequencies, it is broadened in the direction of the wave that has the different frequency signal components compared to the wave that is received when non-linear calculation is not performed, and is basebanded. The signal has at least one of a higher frequency, a higher spatial resolution, a lower sidelobe, or a higher contrast than the corresponding waves received without the nonlinear operation. It is a signal obtained by quadrature detection of harmonic signals in each direction or multiple directions, and wave motion can be imaged based on at least one of these signals. If the intersecting waves or beams have different frequencies or are not symmetrical with respect to the coordinate axes, the same process can produce chords and difference tones in multi-dimensional space. used for They work even in situations where other parameters are different.

3次元空間においては、横方向変調は、上記の通り、少なくとも3本の交差ビームを生成する必要があるが、この場合には、得られるベースバンデッド信号として、任意の1方向のみ又は任意の2方向に直交検波された信号が得られる。即ち、対称となる軸に対し、対称な方向の周波数の極性が逆であるがため、その和が零になる。全ての波動やビームが座標軸に対して対称に生成されることもあるが、その限りではない。また、周波数や他のパラメータが異なることもある。 In three-dimensional space, lateral modulation must produce at least three crossing beams, as described above, but in this case the resulting basebanded signal can be in any one direction only or in any two directions. A direction quadrature detected signal is obtained. That is, since the polarities of the frequencies in the symmetrical direction are opposite to the symmetrical axis, the sum of the frequencies becomes zero. All waves or beams may be generated symmetrically about the coordinate axes, but this is not the case. Also, the frequencies and other parameters may be different.

なお、上記の交差ビームの様に各ビームや波動の伝搬方向やステアリング角度が異なる場合の他、別のパラメータが異なり、例えば、周波数やキャリア周波数、パルス形状、ビーム形状、各方向に見た周波数やキャリア周波数、又は、帯域幅が異なる場合もある。また、横方向変調時の、2次元の時の2つ、3次元の時の4つ(3つであることもある)の交差する波動やビームを生成する場合とは異なり、各々の次元において、より多くの波動又はビームが使用されることがある。特に、平面波や円筒波、球面波を送信した場合には高速な送受信が可能であり、それらの様に複数の波動を用いても、通常のイメージングの場合のビームフォーミングよりも高速である。また、フォーカシングビームを使用した場合も、高速フーリエ変換を用いた高速ビームフォーミングを重ね合わせされた受信信号に対して施すことを可能にしたので、特に同時に複数のビームを送信した場合を含め、同様に高速に処理が可能である(上記の如く、波数マッチングにおいて、補間近似が行われることもある)。非線形処理の安定化のために同パラメータで送受信を複数回行い、重ね合わせることも有効である(加算平均)。また、いわゆるパルス・インバージョン送信を行った場合に受信された信号に対しても、上記のそれらの同処理が可能であり、極性の異なるパルス送信時の受信信号の重ね合わせにより得られる高調波に対して同処理を施すことや、重ね合わせを行う前にそれらの同処理を行うことが可能である。これらの重ね合わせ(つまり、加算)を行ったときは、基本波の周波数の偶数倍の周波数を持つ高調波が得られるが、加算の代わりに引き算を行うと奇数倍の高調波が得られる。これらをイメージングに用いることも重要である(パルス・インバージョンの受信信号の単なる引き算だけでも主として第3次高調波が得られる)。受信時にトランスデューサの帯域や積極的にアナログやデジタルのフィルタを掛けることにより帯域制限されている信号に対し、本発明を用いて高調波信号の重ね合わせが求まった場合には、フィルタリング(アナログ又はデジタル)を行う、又は、様々な重ね合わせや基本波を交えて信号処理(アナログ又はデジタル)を行うことにより、高調波を分離できる。また、パルス・インバージョンでは無く、180°以外の位相差を持つ信号を送波することもあるが、その様な場合にも応用できる。つまり、パラメータの内の少なくとも1つが異なるビーム又は波動においても、重ね合わさった状態、又は、分離された状態、重ね合わせていない状態等において、同非線形効果を得ることもでき、有効に使用されることがある。理論又は演算を通じ、線形効果のみならず、非線形効果により生成される波動やビームを設計し(伝搬方向等の波動やビームのパラメータ)、そして、制御できることを理解できる。 In addition to the case where the propagation direction and steering angle of each beam and wave are different like the above cross beams, another parameter is different, for example, frequency, carrier frequency, pulse shape, beam shape, frequency seen in each direction , carrier frequency, or bandwidth may be different. Also, in each dimension, unlike creating two (or sometimes three) intersecting waves or beams in 2D or 3D in transverse modulation, , more waves or beams may be used. In particular, when plane waves, cylindrical waves, and spherical waves are transmitted, high-speed transmission and reception are possible. In addition, even when focusing beams are used, it is possible to perform fast beamforming using fast Fourier transforms on the superimposed received signals, especially when multiple beams are transmitted simultaneously. (As mentioned above, interpolation approximation may be performed in wavenumber matching). In order to stabilize the nonlinear processing, it is also effective to transmit and receive multiple times with the same parameters and superimpose them (additional averaging). In addition, the same processing as described above is also possible for signals received when so-called pulse inversion transmission is performed. It is possible to perform the same processing on , or to perform the same processing on them before superimposition. When they are superimposed (that is, added), you get harmonics with frequencies that are even multiples of the frequency of the fundamental, but if you subtract instead of add, you get odd harmonics. Their use in imaging is also important (a mere subtraction of the pulse inversion received signal yields primarily the 3rd harmonic). Filtering (analog or digital ), or signal processing (analog or digital) with various superpositions and fundamentals to separate the harmonics. Also, instead of pulse inversion, signals having a phase difference other than 180° may be transmitted, and the present invention can also be applied in such cases. That is, even in beams or waves in which at least one of the parameters is different, the same nonlinear effect can be obtained in a superimposed state, a separated state, a non-superimposed state, etc., and can be effectively used. Sometimes. Through theory or calculation, it can be understood that waves and beams generated by not only linear effects but also nonlinear effects can be designed (parameters of waves and beams such as direction of propagation) and controlled.

これらの非線形演算により生成される高調波信号や和音や差音、又は、倍音等は、上記の特徴を持って、エコーイメージングの画質を向上させる。通常のハーモニックイメージングにおいて生じる減衰の影響もない。本発明は、仮想的に各位置において非線形成分を生成する、物理的に生じた非線形信号を解釈するためにも有効である。また、本発明は、微弱で観測できない場合にも有効である。さらに、変位計測においては、高周波化は歓迎されるものであり、位相の回転が速くなるので、高精度計測が可能となると期待されるが、以下に示すファントム実験では、空間分解能は高くなるが、そのままで高空間分解能を計測すると、雑音が増加する傾向があった。 Harmonic signals, chords, difference tones, overtones, etc. generated by these non-linear operations have the above characteristics and improve the image quality of echo imaging. There is also no attenuation effect that occurs in normal harmonic imaging. The present invention is also useful for interpreting physically induced nonlinear signals that produce a nonlinear component virtually at each location. Moreover, the present invention is effective even when the signal is weak and cannot be observed. Furthermore, in displacement measurement, higher frequencies are welcomed, and the phase rotation becomes faster, so it is expected that high-precision measurement will be possible. , the noise tends to increase when the high spatial resolution is measured as it is.

この様な場合には、正則化(例えば、非特許文献18を参照)や上記の統計評価を通じた重み付け最小二乗法や平均処理等が有効となる。例えば、<2>及び<3>において得られる異なる一方向には検波された第2次高調波の2つの信号は、通常の一方向変位計測法を用いて各方向の変位計測に使用することができる。異なる時相間に生じた変位又は変位ベクトルを計測するべく、任意の1方向にのみキャリア周波数を持つ信号に対し、関心点の各々において、その時相間に生じた瞬時位相の変化を瞬時周波数、重心周波数、又は、公称周波数等で除して、その方向の変位を計測でき、さらには、異なる方向における計測に基づいて、変位ベクトルを合成できる。過去に、多次元自己相関法(非特許文献13を参照)に比べて計算量を要するものの、通常の1方向変位計測法を用いた変位ベクトル計測を実現するべく、横方向変調エコー信号のデジタル復調法を考案して報告した(解析信号の積と共役積を計算する:非特許文献30等を参照)。本発明によれば、各段に少ないメモリと計算量で横方向変調エコー信号を復調でき、しかも、得られる信号は高調波信号である。また、雑音は、同一のコンディションにおいて同波動を複数個取得できる場合には、受信した生信号又は受信後の非線形処理を施した後において加算平均することができるし、また、受信した生信号又は受信後の非線形処理を施した後において積分処理を施す等して、低減することは有効である。また、冪乗や乗算の代わりに、二乗ノルムや内積を計算することもでき、その場合には、その計算の際の信号長さで空間分解能が決まることになる。これらの方法は、変位計測以外のイメージング等においても有効であることがある。 In such a case, regularization (see, for example, Non-Patent Document 18), the weighted least-squares method through the above statistical evaluation, averaging, and the like are effective. For example, the two signals of the second harmonic detected in different one directions obtained in <2> and <3> can be used for displacement measurement in each direction using the usual one-way displacement measurement method. can be done. In order to measure the displacement or displacement vector occurring between different time phases, for a signal having a carrier frequency in only one arbitrary direction, at each point of interest, the instantaneous phase change occurring between the time phases is measured as the instantaneous frequency and the centroid frequency. Or, the displacement in that direction can be measured by dividing by the nominal frequency, etc., and a displacement vector can be synthesized based on the measurements in the different directions. In the past, digital A demodulation method was devised and reported (calculating products and conjugate products of analytic signals: see Non-Patent Document 30, etc.). According to the present invention, transversely modulated echo signals can be demodulated with a small amount of memory and computation in each stage, and the signals obtained are harmonic signals. In addition, noise can be averaged after performing non-linear processing after the received raw signal or the received signal when multiple waves of the same wave can be acquired under the same conditions. It is effective to reduce it by, for example, performing integration processing after performing non-linear processing after reception. Also, instead of exponentiation and multiplication, square norms and inner products can be calculated, in which case the spatial resolution is determined by the signal length during the calculation. These methods may also be effective in imaging other than displacement measurement.

尚、本願発明者が発明した非特許文献30に記載のデジタル復調法は、具体的には、各方向の変位成分のみで決まる位相を導出して、各方向の変位成分を求めるものであり、以下の如く、例えば、2次元変位ベクトル(dx,dy)を計測する場合において、2次元関心領域内のとある点の異なる2時相間における瞬時位相の差が、2つの交差ビーム又は波により生成される独立した2つの単一クォードラント(single quadrant)のスペクトルを用いて、複素自己相関信号exp[j(fxdx+fydy)]とexp[j(fxdx-fydy)]の位相として表されるため、それらの積や共役積を計算することにより、exp[j(2fxdx)]とexp[j(2fydy)]を得、各々の方向の瞬時位相の差2fxdxと2fydyを各方向の瞬時周波数2fxと2fyで除することにより、未知変位ベクトル(dx,dy)を得るというものである。また、3次元変位ベクトル(dx,dy,dz)を計測する場合においては、4つ又は少なくとも3つの交差ビーム又は波より得られる複素自己相関信号のexp[j(fxdx+fydy+fzdz)]、exp[j(fxdx+fydy-fzdz)]、exp[j(fxdx-fydy+fzdz)]、exp[j(fxdx-fydy-fzdz)]の4つ又はその内の少なくとも3つを用いて、同様にして容易に求めることができる。このデジタル復調法、又は、<2>、又は、<3>の非線形計算は、任意の方向に交差する任意の波動の対称軸と其れに直交する方向との各々の方向にキャリア周波数を持つ波動(1方向又は2方向に検波した波動)を生成するものであるので、それらの波動に関する障害物や遮蔽物等が存在する所を避けてその後方にてその様にして波動を交差させることにより、障害物や遮蔽物等の後方に、障害物や遮蔽物等を介しては直接には生成できない任意方向にキャリア周波数を持つ波動を生成でき、通常は困難である障害物や遮蔽物等の後方のイメージングや変位計測を実施できる。例えば、障害物や遮蔽物等を介して深さ方向及び横方向にキャリア周波数を持つ波動を生成した場合には、障害物や遮蔽物等を正面方向から透かした状況を実現したことと等価であり、また、その際には対象の任意方向への動きも計測できる。本イメージング及び変位計測は、障害物や遮蔽物等の正面方向からに限らず、任意方向から実施することが可能である。それらの場合には、少なくとも1つのミラーを用いて、反射波を生成して障害物や遮蔽物等の後方を観測することもある。例えば、障害物や遮蔽物の等の正面方向からステアリングした波動を生成し、そのステアリングした方向にてミラーで反射させて、障害物や遮蔽物の後方にて波動を交差させることもあるし、正面方向以外の方向に波動源が存在することもある。ステアリング角度とキャリア周波数は様々な組合わせで使用できるが、複素積や複素共役の効果を得る必要があることを考えると、連立方程式を解く方法はその組み合わせに関して制約されず、計算量も少ない。
尚、これらのデジタル復調法、又は、<2>、又は、<3>の非線形計算においては、各方向の瞬時周波数の2倍の周波数を生じさせるため、ナイキスト定理に基づいて予め帯域幅を広く取ってビームフォーミングしておくか、空間にてビーム数の補間を行うか、周波数領域において信号スペクトル以外のスペクトルを零詰めによる広帯域化(データ補間)を行う必要がある。つまり、折り返し現象が生じない様にすることがある。これらの処理も、一種の信号分離である。若しくは、これらのデジタル復調法、又は、<2>、又は、<3>の非線形計算において折り返しが生じる場合には、その様に帯域を広くすることなく、処理前の信号に対してナイキスト定理が満足されている状況において、それらの各々の処理を同じく施し、その場合に計算される各々の方向の瞬時位相の差が2fxdx、2fydy、2fzdzであるのに対し、各方向の瞬時周波数fx、fy、fzは元の信号において求め、それらを2倍してそれらの瞬時位相の差を除すればよい。帯域を広くする処理を要さず、計算量も少なく高速であり、メモリが少なくて済む効果がある。尚、上記の瞬時周波数の2倍の代わりに、各波動又は各ビームにおいて推定された各方向の瞬時周波数の和を用いても良い。それらの場合において、瞬時周波数の代わりに、元の信号のスペクトルの重心(重心周波数又は中心周波数)を求めて2倍の値、又は、同様に和を求めて用いていも良い。若しくは、計算して求めることなく、公称周波数や予め求められた典型値等の2倍の値を用いても良い。また、図43及び図44のスペクトル分布の模式図に示される様に、折り返し現象が生じている状況において、折り返し現象が生じている周波数座標の周波数領域を正又は負の半帯域の周波数領域に読み替え、2倍の周波数をスペクトルの重心から直接的に計算することもできる(処理前の信号に対してナイキスト定理は満足されているため、必ず計算できる)。スペクトル分布は、関心領域又はある領域内のエコー信号に関して計算されることもあるし、関心点に注目して各関心点を含む局所領域のエコー信号に関して計算されることもある。図43は、2次元の横方向変調時のデモジュレーションにより、深さ方向の帯域2A(-A~A)の2次元スペクトルにおいて折り返し現象が生じたときに、周波数座標軸を読み替えて処理する例を示している。また、図44は、2次元の横方向変調時のデモジュレーションにより、横方向の帯域2B(-B~B)の2次元スペクトルにおいて折り返し現象が生じたときに、周波数座標軸を読み替えて処理する例を示している。独立な解析信号の組み合わせは複数あるが、図43は、瞬時(重心)周波数が(fx,fy)と(fx,-fy)である2つの解析信号に関し、折り返し現象が深さ方向に生じた場合に、深さ方向の重心周波数を2fxと計算できる例を示している。また、図44は、瞬時(重心)周波数が(fx,fy)と(fx,-fy)である2つの解析信号に関し、折り返し現象が横方向に生じた場合に、横方向の重心周波数を2fyと計算できる例を示している。深さ方向と横方向に同時に折り返し現象を生じることもある。3次元の場合も同様に、折り返し現象が生じている周波数座標の周波数領域を正又は負の半帯域の周波数領域に読み替え、2倍の周波数をスペクトルの重心から直接的に計算すれば良い。また、同じく折り返し現象が生じている状況において、折り返し現象が生じている周波数座標の周波数領域を同様に正又は負の半帯域の周波数領域に読み替えた上で零スペクトルの半帯域の周波数領域を加えてナイキスト定理を満足する様に広帯域化し、その逆フーリエ変換によって解析信号を得ることはできる(このタイミングで、広帯域化や信号の補間を行って瞬時周波数や瞬時位相の変化を計算することもでき、予め広帯域化又は補間しておくよりは計算量を軽減できるが、広帯域化しないそれらの処理に比べると計算量は多い)。無論、これらのデジタル復調法、又は、<2>、又は、<3>の非線形計算において折り返しを生じない場合には、周波数座標を読み替えたり広帯域化せずに直接に求まる2倍又は和の瞬時周波数又は重心周波数を用いてそれらの瞬時位相の差を除すればよい。また、計算して求めることなく、公称周波数や予め求められた典型値等の2倍の値を用いても良い。周波数座標の読み替えまでの範囲では問題を生じないが、スペクトルの零詰めや補間処理により広帯域化すると、計算量が膨大に膨らむだけでなく、精度が低下することがあり、広帯域化せずに処理することは、これらの点においても、有用である。広帯域化した場合及び広帯域化しなかった場合において、必要に応じて、正則化処理されることがある。
The digital demodulation method described in Non-Patent Document 30 invented by the inventor of the present application specifically derives the phase determined only by the displacement component in each direction, and obtains the displacement component in each direction. For example, when measuring a two-dimensional displacement vector (dx, dy), the instantaneous phase difference between two different time phases at a point in a two-dimensional region of interest is generated by two intersecting beams or waves. expressed as the phases of the complex autocorrelation signals exp[j(fxdx+fydy)] and exp[j(fxdx−fydy)] using the spectra of two independent single quadrants that are By calculating the product and conjugate product of , we obtain exp[j(2fxdx)] and exp[j(2fydy)], and the instantaneous phase differences 2fxdx and 2fydy in each direction at the instantaneous frequencies 2fx and 2fy in each direction. By dividing, an unknown displacement vector (dx, dy) is obtained. Also, when measuring a three-dimensional displacement vector (dx, dy, dz), exp[j(fxdx+fydy+fzdz)], exp[j( fxdx + fydy - fzdz)], exp [j (fxdx - fydy + fzdz)], exp [j (fxdx - fydy - fzdz)], or at least three of them, can be easily obtained in the same way . This digital demodulation method or the nonlinear calculation of <2> or <3> has a carrier frequency in each direction of an arbitrary wave symmetry axis crossing an arbitrary direction and a direction orthogonal thereto. Since waves (waves detected in one or two directions) are generated, avoid places where there are obstacles or shields related to those waves and cross the waves in that way behind them. can generate a wave with a carrier frequency in an arbitrary direction behind obstacles and shields, etc., which cannot be generated directly through obstacles and shields. It is possible to perform imaging and displacement measurement of the rear of the For example, when a wave with a carrier frequency is generated in the depth direction and lateral direction through an obstacle or shield, it is equivalent to realizing a situation in which the obstacle or shield is seen through from the front direction. Yes, and at that time, the movement of the target in any direction can also be measured. This imaging and displacement measurement can be performed not only from the front direction of obstacles and shields, but also from any direction. In those cases, at least one mirror may be used to generate reflected waves to observe behind obstacles, shields, and the like. For example, a wave steered from the front direction of an obstacle or shield is generated, reflected by a mirror in the steering direction, and the wave crosses behind the obstacle or shield. A wave source may exist in a direction other than the frontal direction. Various combinations of steering angle and carrier frequency can be used, but given the need to obtain the effects of complex products and complex conjugation, the method of solving the system of equations is not constrained with respect to the combination and is computationally less complex.
In these digital demodulation methods or nonlinear calculations <2> or <3>, in order to generate a frequency that is twice the instantaneous frequency in each direction, the bandwidth is widened in advance based on the Nyquist theorem. It is necessary to perform beamforming on the spectrum, interpolate the number of beams in space, or widen the spectrum (data interpolation) by zero-filling the spectrum other than the signal spectrum in the frequency domain. In other words, it is possible to prevent the folding phenomenon from occurring. These processes are also a kind of signal separation. Alternatively, if aliasing occurs in these digital demodulation methods or the nonlinear calculation of <2> or <3>, the Nyquist theorem can be applied to the signal before processing without widening the band. In the satisfied situation, the same processing for each of them is applied, in which case the instantaneous phase differences in each direction calculated are 2fxdx, 2fydy, 2fzdz, whereas the instantaneous frequencies fx, fy in each direction. , fz in the original signals, multiply them by two and divide their instantaneous phase difference. It does not require processing to widen the bandwidth, has a small amount of calculation, is fast, and has the effect of requiring a small amount of memory. Note that the sum of the instantaneous frequencies in each direction estimated for each wave or each beam may be used instead of twice the instantaneous frequency. In those cases, instead of the instantaneous frequency, the centroid of the spectrum of the original signal (centroid frequency or center frequency) may be obtained and doubled, or similarly summed and used. Alternatively, a value twice the nominal frequency or a pre-determined typical value may be used without calculation. Further, as shown in the schematic diagrams of the spectrum distributions in FIGS. 43 and 44, in a situation where the folding phenomenon occurs, the frequency region of the frequency coordinates where the folding phenomenon occurs is shifted to the positive or negative half-band frequency region. In other words, the doubled frequency can also be calculated directly from the centroid of the spectrum (it can always be calculated because the Nyquist theorem is satisfied for the unprocessed signal). The spectral distribution may be computed for echo signals within a region of interest or region, or may be computed for echo signals in a local region containing each interest point, with attention to points of interest. FIG. 43 shows an example of processing by rereading the frequency coordinate axis when folding occurs in the two-dimensional spectrum of the band 2A (-A to A) in the depth direction due to demodulation during two-dimensional horizontal modulation. showing. FIG. 44 shows an example of processing by rereading the frequency coordinate axis when folding occurs in the two-dimensional spectrum of the horizontal band 2B (-B to B) due to demodulation during two-dimensional horizontal modulation. is shown. Although there are multiple combinations of independent analytic signals, FIG. 43 shows two analytic signals whose instantaneous (center of gravity) frequencies are (fx, fy) and (fx, -fy). In this case, the center-of-gravity frequency in the depth direction can be calculated as 2fx. FIG. 44 shows two analytic signals whose instantaneous (centroid) frequencies are (fx,fy) and (fx,-fy). It shows an example that can be calculated as Folding phenomenon may occur simultaneously in the depth direction and the lateral direction. Similarly, in the three-dimensional case, the frequency domain of the frequency coordinates in which the aliasing phenomenon occurs can be read as the frequency domain of the positive or negative half-band, and the double frequency can be directly calculated from the centroid of the spectrum. In addition, in the same situation where the folding phenomenon occurs, the frequency domain of the frequency coordinates where the folding phenomenon occurs is similarly read as the frequency domain of the positive or negative half-band, and then the frequency domain of the half-band of the zero spectrum is added. It is possible to widen the band so that it satisfies the Nyquist theorem, and obtain the analytic signal by inverse Fourier transform (At this timing, it is also possible to calculate changes in instantaneous frequency and instantaneous phase by widening the band and interpolating the signal. , the amount of calculation can be reduced compared to band widening or interpolation in advance, but the amount of calculation is large compared to those processes without band broadening). Of course, if folding does not occur in these digital demodulation methods or the nonlinear calculation of <2> or <3>, the instant of double or sum that can be obtained directly without rereading the frequency coordinates or broadening the band The frequency or centroid frequency can be used to divide their instantaneous phase difference. Alternatively, a value that is twice the nominal frequency or a pre-determined typical value may be used without calculation. Although there is no problem in the range up to the rereading of the frequency coordinates, if the band is widened by zero padding or interpolation processing of the spectrum, not only the calculation amount will be enormous, but also the accuracy will be lowered. is useful in these respects as well. Regularization processing may be performed as necessary when the band is broadened and when the band is not broadened.

以上においては、超音波イメージング又は超音波計測に本発明を適用した幾つかの例を提示した。本発明によって計算されて生成された信号成分の帯域が他の信号の帯域と重なる場合には、周波数領域では両者を分離することができない。その場合には、パルス・インバージョン法又は多次元項の分離を用いるが、本願発明者は、重畳した状態のスペクトルを扱ったり、分割して処理したりすることを過去に報告している(非特許文献30を参照)。本願発明においては、スペクトルが重畳している場合を含め、波動を精度よく分離する他の方法としては、周波数空間においてそれらが分離される効果を得るべく、重畳した波動に対して非線形処理として冪乗演算を施し、広帯域化されて高調波として表された状況において、周波数空間で分離することがある。また、逆に、高周波信号を低周波化したり、広帯域信号を狭帯域化し、表示したり、扱ったりすることもある。冪乗演算による高周波化且つ広帯域化(次数が1より大きいとき)、又は、低周波化且つ狭帯域化(次数が1より小さいとき)処理を行った上で、周波数領域において、高精度に行われることがある。波動の伝搬方向は、生成された高調波のスペクトルの重心(局所における方向、即ち、空間分解能がある、又は、巨視的で空間分解能が低い、又は、無い)、若しくは、解析信号から瞬時周波数(空間分解能がある)を求めて、計算できる。実施した冪乗の次数を用いて、その他、元の波動の周波数や帯域幅等の波動のパラメータを逆算して求め、分離した状況で復元できる(分離後の信号の復元も使用した冪乗次数の逆数乗すればよく、容易である。)。その様な場合を含め、信号源位置や到来方向、信号源の強度、信号源の大きさや分布も高精度に計測できる。また、元の信号よりも高い周波数の信号を生成する場合において、計算を行うのに先行して、予め、計算可能な帯域幅を広くしておく必要がある。そのために、スペクトルの零詰めは、近似を伴わずに有効であるが(非特許文献30を参照)、時空間において直接的に補間近似に基づいてサンプリング間隔を短くすることもある。 Above, several examples of applying the present invention to ultrasound imaging or ultrasound measurement have been presented. If the band of the signal component calculated and generated by the present invention overlaps the band of another signal, the two cannot be separated in the frequency domain. In that case, the pulse inversion method or the separation of multidimensional terms is used, but the inventor of the present application has reported in the past that the spectrum in the superimposed state is handled or divided and processed ( See Non-Patent Document 30). In the present invention, as another method for accurately separating waves, including the case where spectra are superimposed, in order to obtain the effect of separating them in the frequency space, power In the situation where multiplication is applied and broadbanded and represented as harmonics, they may separate in frequency space. Conversely, a high frequency signal may be reduced in frequency, or a broadband signal may be reduced in frequency to be displayed or handled. High-frequency and wideband (when the order is greater than 1) or low-frequency and narrowband (when the order is less than 1) processing by exponentiation, and then performed with high accuracy in the frequency domain. sometimes be The propagation direction of the wave is determined by the centroid of the spectrum of the generated harmonics (the direction at the local level, i.e., with spatial resolution, or macroscopically with low spatial resolution, or without), or from the analytic signal to the instantaneous frequency ( (with spatial resolution) can be obtained and calculated. Using the order of the implemented exponentiation, other wave parameters such as the frequency and bandwidth of the original wave can be obtained by back calculation, and can be restored in the separated state (the restoration of the signal after separation is also used for the power order can be easily raised to the reciprocal power of ). Including such a case, the signal source position, arrival direction, signal source intensity, signal source size and distribution can be measured with high accuracy. Also, when generating a signal with a frequency higher than that of the original signal, it is necessary to widen the calculable bandwidth in advance before performing the calculation. For this reason, spectral zero padding is effective without approximation (see Non-Patent Document 30), but sampling intervals may be shortened based on interpolation approximation directly in space-time.

近年、非線形伝搬を低コストでシミュレーションすることが可能となった。従って、本発明の非線形計算やその様なシミュレーション技術を未ビームフォーミング信号(平面波等)や開口面合成用エコー信号に対して施して非線形信号を生成することも可能である。また、これらを基礎として、実測された非線形信号を逆問題的アプローチに基づいて解析(逆解析)し、組織診断に応用することも可能である。 Recently, it has become possible to simulate nonlinear propagation at low cost. Therefore, it is also possible to generate a nonlinear signal by applying the nonlinear calculation of the present invention and such a simulation technique to a non-beamforming signal (such as a plane wave) or an echo signal for aperture synthesis. Based on these, it is also possible to analyze (inversely analyze) actually measured nonlinear signals based on an inverse problem approach and apply them to tissue diagnosis.

例えば、超音波を対象とした場合において、生体の組織性状として、音速、体積弾性率、音響インピーダンス、反射、レーリー散乱、後方散乱、多重散乱、又は、減衰等を評価し、診断に応用されることもある。他の波動に関しても、関連する現象や物性値の逆解析が有効となる(光におけるミー散乱、放射線における散乱、又は、コンプトン散乱等)。 For example, in the case of ultrasound, it is applied to diagnoses by evaluating sound velocity, bulk modulus, acoustic impedance, reflection, Rayleigh scattering, backscattering, multiple scattering, or attenuation, etc. as biological tissue properties. Sometimes. Inverse analysis of related phenomena and physical properties is also effective for other waves (Mie scattering in light, scattering in radiation, Compton scattering, etc.).

また、加熱や加温による治療においては、対象の受熱特性(例えば、強力超音波の音圧に対する特性や、造影剤の効果等)や温度上昇の特性を明らかにすることが必要とされ、一般的な理解が求められる場合や現場で理解することが必要になることがあるが、その様な場合においても非線形計算を含む計算が有効になる。また、治療において、本発明による非線形効果のイメージングに基づいて、その効果を評価して応用することは有用である。その他としては、物理的に非線形効果を受けた受信信号や、分離されたベースバンデッド信号や複数の高調波に、本発明を用いて、エコーイメージングや組織変位計測を行うことも可能である。 In addition, in the treatment by heating or warming, it is necessary to clarify the heat receiving characteristics of the target (for example, the characteristics of the sound pressure of high-intensity ultrasound, the effect of contrast agents, etc.) and the characteristics of temperature rise. Calculations including nonlinear calculations are effective even in such cases. Also, in therapy, it is useful to evaluate and apply the effects based on the imaging of nonlinear effects according to the present invention. Alternatively, echo imaging and tissue displacement measurement can be performed using the present invention on received signals that have undergone physical nonlinear effects, separated basebanded signals, and multiple harmonics.

本発明は、超音波の他にも、電磁波、光、放射線、力学的な振動、超音波以外の音波、及び、熱波等の任意波動のコヒーレント信号に対して乗算や冪乗等の非線形演算を施すことにより、信号の高周波化、高帯域化、又は、高コントラスト化を行うイメージング装置に関するものである。本発明によれば、高調波信号を増強したり、模擬したり、新たに生成することができる。さらに、高調波信号を仮想的に実現することもできる。 In addition to ultrasonic waves, the present invention applies nonlinear operations such as multiplication and exponentiation to coherent signals of electromagnetic waves, light, radiation, mechanical vibrations, sound waves other than ultrasonic waves, and arbitrary waves such as heat waves. The present invention relates to an imaging apparatus that increases the frequency, bandwidth, or contrast of a signal by applying . Harmonic signals can be enhanced, simulated, or newly generated according to the present invention. Furthermore, harmonic signals can be realized virtually.

また、通常の検波処理に比べて少ない計算量で、ベースバンド帯域信号と高調波信号の任意方向の検波信号とを同時に得ることもできる。結果的に、例えば、高周波化及び広帯域化、高コントラスト化、又は、サイドローブの抑圧を達成することができ、高SN比の非線形イメージングが可能となる。また、通常の1方向の変位計測法を用いて、少ない計算量で変位ベクトルを容易に計測できる様になる。和音や差音、倍音等を生成するという観点においては、波動やビームの周波数やキャリア周波数、ステアリング方向、又は、伝搬方向等が異なる場合を含めて、高周波信号や低周波信号が得られるわけであり、これらがイメージングや計測に有効に使用されることもある。理論又は演算を通じ、線形効果のみならず、非線形効果により生成される波動やビームを設計し(伝搬方向等の波動やビームのパラメータ)、そして、それらを制御することもできる。 In addition, it is possible to simultaneously obtain a baseband signal and a detection signal in an arbitrary direction of a harmonic signal with a smaller amount of calculation than in normal detection processing. As a result, for example, higher frequency and wider band, higher contrast, or suppression of side lobes can be achieved, enabling nonlinear imaging with a high SN ratio. In addition, it becomes possible to easily measure a displacement vector with a small amount of calculation using a normal unidirectional displacement measurement method. From the viewpoint of generating chords, difference tones, overtones, etc., it is possible to obtain high-frequency and low-frequency signals, including cases where the frequencies of waves and beams, carrier frequencies, steering directions, or propagation directions are different. and they are sometimes used effectively for imaging and metrology. Through theory or computation, it is also possible to design waves and beams (parameters of waves and beams such as direction of propagation) generated by not only linear effects but also nonlinear effects, and to control them.

一方、画像計測の分野では、コヒーレント信号に対して各種の検波(単に波形の絶対値を取るもの等を含む)を施すことによってインコヒーレントにした信号(結果表示は画像)を用いて、動きの観測が行われることもよく知られている。相互相関処理、オプティカルフロー、又は、SAD(Sum and Difference)法に準ずる方法等が使用されることがある。また、インコヒーレント信号に本発明を適用しても、広帯域化(高分解能化)することもできる。本発明により得られる上記の高分解能な検波信号も使用することができる。高帯域化を通じてデータが高密度になった状況はそれらの処理に適しており、動きの計測精度も向上する。なお、上記の方法は、コヒーレント信号に適用させることも可能であり、同広帯域化は、精度を向上させるために有効である。即ち、本発明は、任意のコヒーレント信号及びインコヒーレント信号に適用することが可能である。 On the other hand, in the field of image measurement, various types of detection (including those that simply take the absolute value of the waveform) are applied to the coherent signal to make it incoherent (the result is an image). Observations are also well known. Cross-correlation processing, optical flow, or a method based on the SAD (Sum and Difference) method may be used. Further, even if the present invention is applied to an incoherent signal, it is possible to widen the band (improve the resolution). The above high-resolution detection signal obtained by the present invention can also be used. The situation in which the data has become denser through the increase in bandwidth is suitable for such processing, and the accuracy of motion measurement is also improved. Note that the above method can also be applied to coherent signals, and the widening of the band is effective in improving accuracy. That is, the present invention can be applied to arbitrary coherent and incoherent signals.

その他としては、本発明によれば、波動(レーザー、超音波、又は、焦点型強力超音波等)を用いて行われる任意対象の加温、加熱、冷却、冷凍、溶接、修復、医療における癌病変等の加熱、冷凍治療、又は、任意対象(眼鏡等)の洗浄等において、それらの効果を、非線形現象を通じて増強すること、高分解能にすること、また、その効果の予測(例えば、強力超音波を用いた加熱時のべき乗効果や、交差ビームを用いて効果を増強させる場合の加算だけでなく乗算の効果等)を通じてその効果を向上させることが可能となる。 Among others, according to the present invention, heating, heating, cooling, freezing, welding, repair, cancer in medicine of any object performed using waves (laser, ultrasound, or focused high-intensity ultrasound, etc.) In the heating of lesions, etc., cryotherapy, or cleaning of arbitrary objects (glasses, etc.), their effects can be enhanced through nonlinear phenomena, high resolution, and prediction of their effects (for example, strong ultra It is possible to improve the effect through the exponentiation effect when heating using sound waves, the effect of not only addition but also multiplication when enhancing the effect using cross beams, etc.).

強力超音波を用いた加熱治療等においては、組織の非線形効果により高調波を生成し、高周波であるがゆえ、その熱エネルギーとしての吸収効果が強いので、組織における発熱を簡単に理解し、予測することも可能である。同観点において、高周波信号を送波したり、広帯域信号を送波したり、高調波を送波したり、重畳ビームを生成したり、又は、交差ビームを生成したりすることは治療に有効であり、やはり、その理解と予測が容易に可能である。具体的には、音場をシミュレーションしたり、又は、受信信号を得ることのできるシステムにおいては自己相関関数を評価することを基礎にして音圧形状や点拡がり関数を推定することができ、直接的に高調波信号に関して評価することもできれば、基本波信号に対して非線形演算を施すことも有効である。他の波動に関しても同様である。 In heat treatment using high-intensity ultrasonic waves, harmonics are generated by the nonlinear effect of tissue, and because of the high frequency, the absorption effect as heat energy is strong, so heat generation in tissues can be easily understood and predicted. It is also possible to In the same respect, transmitting high-frequency signals, transmitting broadband signals, transmitting harmonics, generating superimposed beams, or generating cross beams are effective for treatment. Yes, again, it is easy to understand and predict. Specifically, the sound pressure shape and point spread function can be estimated on the basis of simulating the sound field or, in systems where the received signal can be obtained, evaluating the autocorrelation function, directly It is also effective to perform non-linear calculation on the fundamental wave signal, if it is possible to evaluate the harmonic signal. The same is true for other waves.

また、本発明は、物理的に非線形効果が得られない物理的条件下(例えば、計測対象に対して強度を高くできない場合や高周波ゆえに高い強度が得られない場合等)において非線形効果を得ることにも有効である。逆に、例えば、超音波エコーイメージング、変位計測、又は、治療の際に、マイクロバブル等の造影剤を使用して非線形効果を増強した条件下で本発明を実施することもできる。組織に染み渡った状態で組織を対象とすることもあるが、血管や心腔内の血液を対象とした計測やイメージングにも適している。即ち、本発明は、非線形効果を増強することもできるし、模擬したり、新たに生成することができる。さらに、本発明は、非線形効果を仮想的に実現することもできる。上記に記載した如く、非線形効果を評価することも可能である。造影剤は、加熱治療の効果を増強するために使用されることもある。他の波動に関しても同様である。 In addition, the present invention can obtain a nonlinear effect under physical conditions where the nonlinear effect cannot be obtained physically (for example, when the intensity cannot be increased for the object to be measured, or when a high intensity cannot be obtained due to high frequency). is also effective. Conversely, the present invention can also be practiced under conditions in which contrast agents such as microbubbles are used to enhance nonlinear effects, for example, during ultrasound echo imaging, displacement measurement, or therapy. It is suitable for measurement and imaging of blood in blood vessels and heart chambers, although the tissue may be targeted while permeated into the tissue. That is, the present invention can enhance, simulate, or generate nonlinear effects. Furthermore, the present invention can also virtually realize non-linear effects. As described above, it is also possible to evaluate non-linear effects. Contrast agents may also be used to enhance the effect of heat therapy. The same is true for other waves.

また、単一の信号源では実現できない高周波の信号を生成する場合には、より高分解能なイメージングや高精度なドプラ計測が可能となる。通常、減衰の影響は高周波成分に強く、例えば、減衰の影響を受けやすい顕微鏡では、高い周波数で極力深部まで観測できると良い。例えば、100MHzの超音波トランスデューサを複数台使用すると、物理的にその台数倍の高い超音波を生成でき、通常のトランスデューサでは生成することのできない高周波数を実現できる。また、単純には高周波数の信号(和音)を生成できる。本発明によれば、そのような高周波数を演算によっても実現することができる。従って、本発明によれば、物理的に実現できない高周波な波動や信号も生成することができる。同様にして、低周波数のイメージングや低周波数の信号(例えば、差音)を用いた計測を実現することもできる。また、単一の信号源では物理的に実現できない低周波数の信号を生成することも可能である。これらの信号を理論的に又は演算を基礎として実現し、生成される波動を制御することもできる。 In addition, when generating a high-frequency signal that cannot be realized with a single signal source, imaging with higher resolution and Doppler measurement with higher accuracy are possible. Generally, the influence of attenuation is strong in high-frequency components. For example, with a microscope that is susceptible to the influence of attenuation, it is desirable to be able to observe as deep as possible at a high frequency. For example, if a plurality of ultrasonic transducers of 100 MHz are used, it is possible to generate ultrasonic waves that are physically twice as high as the number of ultrasonic transducers, realizing a high frequency that cannot be generated by ordinary transducers. It can also simply generate high-frequency signals (chords). According to the present invention, such high frequencies can also be realized by computation. Therefore, according to the present invention, even high-frequency waves and signals that cannot be physically realized can be generated. Similarly, low-frequency imaging and measurements using low-frequency signals (eg, difference tone) can be realized. It is also possible to generate low frequency signals that are physically impossible with a single signal source. These signals can also be implemented theoretically or on a computational basis to control the waves generated.

以下においては、本発明の効果を立証するために、実験データ、シミュレーション結果、及び、写真等の資料について説明する。これらは、超音波シミュレーションや寒天ファントム実験を通じ、超音波エコーイメージングや計測イメージングを行って本発明の有効性を実証するものである。本発明は、超音波エコー法以外の任意の信号(身近なものでレーザー、光波、OCT、電気、磁場信号、X線等の放射線、及び、熱波等)や異なる信号間にも応用できるものである。これは、生のコヒーレント信号又は信号処理後のインコヒーレント信号において応用される。 In the following, experimental data, simulation results, and materials such as photographs will be described in order to prove the effects of the present invention. These demonstrate the effectiveness of the present invention by conducting ultrasonic echo imaging and measurement imaging through ultrasonic simulations and agar phantom experiments. The present invention can be applied to arbitrary signals other than the ultrasonic echo method (familiar ones such as lasers, light waves, OCT, electricity, magnetic field signals, radiation such as X-rays, heat waves, etc.) and between different signals. is. It has applications in raw coherent signals or incoherent signals after signal processing.

非特許文献30に開示されている寒天ファントムの開口面合成用エコーデータ(リニアアレイ型探触子、7.5MHz)に対し、正面方向のビームフォーミングと、横方向に3.5MHzの横方向変調を行った際のそれぞれのエコー信号を用いて、上記<1>~<3>の処理を行った。 For the echo data for aperture plane synthesis of the agar phantom disclosed in Non-Patent Document 30 (linear array type probe, 7.5 MHz), beam forming in the front direction and lateral modulation of 3.5 MHz in the lateral direction The above <1> to <3> were performed using the respective echo signals obtained when performing the above.

図45は、本発明の一実施形態によるエコー信号のスペクトルの変化を示す図である。図45において、横軸は横方向周波数[MHz]を示しており、縦軸は深さ方向周波数[MHz]を示している。図45において、(a1)及び(a2)は、ステアリング無しの場合において、オリジナルのエコー信号のスペクトル、及び、エコー信号の二乗のスペクトルをそれぞれ示している。(b1)、(b2)、及び、(b3)は、横方向変調時において、オリジナルのエコー信号のスペクトル、1方向ステアリングエコー信号の二乗のスペクトル、及び、横方向変調エコー信号の二乗のスペクトルをそれぞれ示している。(c)は、交差ステアリングビームエコー信号の積のスペクトルを示している。図45から、上記の理論で導出した各信号のスペクトルを確認することができる。いずれのエコー信号においても、二乗又は乗算の結果、第2次高調波のスペクトルが生成され、その帯域幅は元のスペクトルよりも広くなっている。 FIG. 45 is a diagram illustrating changes in the spectrum of echo signals according to one embodiment of the present invention. In FIG. 45, the horizontal axis indicates the horizontal frequency [MHz], and the vertical axis indicates the depth direction frequency [MHz]. In FIG. 45, (a1) and (a2) respectively show the spectrum of the original echo signal and the spectrum of the square of the echo signal without steering. (b1), (b2), and (b3) represent the spectrum of the original echo signal, the squared spectrum of the unidirectional steering echo signal, and the squared spectrum of the transversely modulated echo signal during transverse modulation. each shown. (c) shows the spectrum of the cross-steering beam echo signal product. From FIG. 45, the spectrum of each signal derived by the above theory can be confirmed. In any echo signal, the squaring or multiplication results in a second harmonic spectrum, which has a wider bandwidth than the original spectrum.

図46A~図46Cは、本発明の一実施形態によるエコー信号の自己相関関数の変化を示す図である。ここで、横軸は横方向位置[mm]を示しており、縦軸は正規化された自己相関関数を示している。図46Aは、ステアリング無しの場合において、オリジナルのエコー信号の自己相関関数とエコー信号の二乗による第2次高調波の自己相関関数との比較を示している。図46Bは、横方向変調時において、オリジナルの横方向変調エコー信号の自己相関関数と横方向変調エコー信号の二乗による第2次高調波の自己相関関数との比較を示している。図46Cは、交差ビームエコー信号の積、及び、横方向変調エコー信号の二乗について、横方向成分及び深さ方向成分の自己相関関数を示している。自己相関関数に基づいて、音圧や点拡がり関数の横方向のプロファイルを評価することができる(関心領域の中央の深さ19.1mmの場合)。ここでは省略するが、この2次元エコー信号に対して、2次元の自己相関関数を求めると、音圧や点拡がり関数の2次元分布を推定でき、3次元エコーに対しては3次元自己相関関数を求めると良い。 Figures 46A-46C are diagrams illustrating changes in the autocorrelation function of echo signals according to one embodiment of the present invention. Here, the horizontal axis indicates the horizontal position [mm], and the vertical axis indicates the normalized autocorrelation function. FIG. 46A shows a comparison of the autocorrelation function of the original echo signal and the autocorrelation function of the second harmonic by squaring the echo signal for the non-steering case. FIG. 46B shows a comparison between the autocorrelation function of the original transversely modulated echo signal and the autocorrelation function of the squared second harmonic of the transversely modulated echo signal during transverse modulation. FIG. 46C shows the autocorrelation functions of the lateral and depth components for the product of the cross-beam echo signal and the square of the lateral modulated echo signal. Based on the autocorrelation function, the sound pressure and the lateral profile of the point spread function can be evaluated (for a depth of 19.1 mm in the center of the region of interest). Although omitted here, if a two-dimensional autocorrelation function is obtained for this two-dimensional echo signal, the two-dimensional distribution of the sound pressure and the point spread function can be estimated. I would like to find a function.

図47~図49は、本発明の一実施形態によるBモードエコー画像の変化を示す図である。これらのエコー画像の深さは10.0mm~28.1mm、であり、横幅は20.7mmである。寒天ファントムにおいては、ずり弾性率が周囲に比べて約3.29倍高い円柱状(直径10mm)のつめものが、深さ19mmを中心として存在する。 47-49 are diagrams illustrating changes in B-mode echo images according to one embodiment of the present invention. These echo images have a depth of 10.0 mm to 28.1 mm and a width of 20.7 mm. In the agar phantom, a columnar (diameter 10 mm) clog having a shear modulus about 3.29 times higher than that of the surroundings exists around a depth of 19 mm.

図47~図49において、(a1)、(a2)、及び、(a3)は、ステアリング無しの場合において、オリジナルのエコー信号に基づくエコー画像、ベースバンデッド信号に基づくエコー画像、及び、エコー信号の二乗による第2次高調波に基づくエコー画像をそれぞれ示している。左右に2つの画像がある場合に、左側の画像は包絡線検波によるものであり、右側の画像は二乗検波によるものである。 47 to 49, (a1), (a2), and (a3) are the echo image based on the original echo signal, the echo image based on the basebanded signal, and the echo signal in the case of no steering. Echo images based on second harmonic by squaring are shown respectively. If there are two left and right images, the left image is by envelope detection and the right image is by square law detection.

(b1)、(b2)、(b3)、(b4)、及び、(b5)は、横方向変調時において、オリジナルの横方向変調エコー信号に基づくエコー画像、ベースバンデッド信号に基づくエコー画像、横方向変調エコー信号の二乗による第2次高調波に基づくエコー画像、横方向変調エコー信号の二乗による第2次高調波の横方向成分に基づくエコー画像、及び、横方向変調エコー信号の二乗による第2次高調波の深さ方向成分に基づくエコー画像をそれぞれ示している。 (b1), (b2), (b3), (b4), and (b5) are an echo image based on the original laterally modulated echo signal, an echo image based on the basebanded signal, a lateral An echo image based on the second harmonic by squaring the directionally modulated echo signal, an echo image based on the transverse component of the second harmonic by squaring the transversely modulated echo signal, and a second harmonic by squaring the transversely modulated echo signal. Echo images based on the depth direction component of the second harmonic are shown, respectively.

また、(c1)及び(c2)は、交差ビームエコー信号の積による第2次高調波について、横方向成分に基づくエコー画像、及び、深さ方向成分に基づくエコー画像をそれぞれ示している。複数波が存在する場合については、コヒーレント信号の重ね合わせの検波も過去に報告しているが、ここでは、各々の検波信号の重ね合わせの結果が示されている。 Also, (c1) and (c2) show an echo image based on the lateral component and an echo image based on the depth component, respectively, for the second harmonic generated by the product of cross beam echo signals. Regarding the case where multiple waves exist, the detection of the superposition of coherent signals has also been reported in the past, but here, the result of superposition of each detected signal is shown.

図45に示すスペクトルの広帯域化に対応して、図46A~図46C及び図47~図49から、空間分解能が高くなったことを確認することができる。ここでは、ベースバンデッドされたデータの直流を切っていない。その直流、又は、必要に応じて、深さ方向や横方向の極低周波数のスペクトルをフィルタリング等により除去すると、縦方向に走行する高又は低輝度の線(縦縞)は完全に除去できる(図示は省略する)。図46A~図46Cからは、サイドローブが低くなったことを確認できる。これらに対応して、図47~図49からは、コントラストが大きくなる効果も確認できる(強散乱体等に注目)。元のエコー信号において減衰の補正をしていないので、処理後の信号から得られた画像は、未補正によるコントラストが増大した結果として、元信号の画像に比べて、深い位置の信号強度が浅い位置のそれに比べて極度に低い。 It can be confirmed from FIGS. 46A to 46C and FIGS. 47 to 49 that the spatial resolution has increased in response to the widening of the spectrum shown in FIG. Here we have not cut the direct current of the basebanded data. If the direct current or, if necessary, the spectrum of extremely low frequencies in the depth direction and the horizontal direction are removed by filtering, etc., high or low luminance lines (vertical stripes) running in the vertical direction can be completely removed (Fig. are omitted). It can be confirmed from FIGS. 46A to 46C that the side lobes are lowered. Correspondingly, from FIGS. 47 to 49, the effect of increasing the contrast can also be confirmed (focus on strong scatterers and the like). Since no attenuation correction was applied to the original echo signal, the image resulting from the processed signal has less signal intensity at depth than the image of the original signal as a result of the increased contrast due to the uncorrected signal. Extremely low compared to that of the position.

元信号を用いたイメージングにおいては、いわゆる波動の伝搬過程における減衰の補正はコヒーレント信号又は検波後のインコヒーレント信号に対して施されるが、本装置においては、予め元のコヒーレント信号に補正を施した上でコヒーレント信号に非線形処理が施されたり、又は、非線形処理後にコヒーレント信号又はインコヒーレント信号が補正される。補正処理そのものは、通常の補正と同様に、受信ビームフォーミングの前又は後、又は、画像化後において、主に信号強度を基礎として実施されることがある。ランバート(Lambert)の法則に従って、補正が施されることがある。 In imaging using the original signal, attenuation correction in the so-called wave propagation process is applied to the coherent signal or the incoherent signal after detection. The coherent signal is then subjected to nonlinear processing, or the coherent or incoherent signal is corrected after nonlinear processing. The correction process itself may be performed primarily on a signal strength basis, before or after receive beamforming, or after imaging, as with normal correction. Corrections may be applied according to Lambert's law.

その場合に、平均的な減衰係数が使用されることがあるが、波動又はビームのパス上の各位置における減衰係数が演算部130において信号処理又は逆解析的に算出され、補正が高精度に実施されることもある。即ち、アダプティブに、又は、自動的に行われることがある。若しくは、操作者が、生成された画像を見ながら、制御部133を介して、各深さにおいて所定の範囲で強度の調整を行うこともある。計測対象により、選択できるパターンが用意されている場合もある。 In that case, the average attenuation coefficient may be used, but the attenuation coefficient at each position on the path of the wave or beam is calculated by signal processing or inverse analysis in the calculation unit 130, and the correction can be performed with high accuracy. sometimes implemented. That is, it may be done adaptively or automatically. Alternatively, the operator may adjust the intensity within a predetermined range at each depth via the control unit 133 while viewing the generated image. Selectable patterns may be prepared depending on the object to be measured.

受信器122、フィルタ/ゲイン調整部123若しくは125内の増幅器や減衰器、受信ビームフォーマ129内の増幅器や減衰器若しくはデジタル処理、又は、演算部130におけるアナログ処理若しくはデジタル処理により、ゲイン調整は行われる。送信器121において、送信されるビームや波動の強度が調整されることもある。また、作用デバイス112として、増幅器や減衰器が使用され、波動そのものの強度が調整されることもある。造影剤1aは、それらの決定に大きく影響を与えるので注意を要する。 Gain adjustment is performed by the receiver 122, the amplifier or attenuator in the filter/gain adjustment unit 123 or 125, the amplifier or attenuator in the reception beamformer 129, digital processing, or analog processing or digital processing in the calculation unit 130. will be At transmitter 121, the intensity of the transmitted beam or wave may be adjusted. Also, an amplifier or attenuator may be used as the working device 112 to adjust the intensity of the wave itself. Note that the contrast agent 1a greatly influences these determinations.

上記の実験における横方向変調エコー信号の二乗計算(<2>)において、異なる一方向に検波された第2次高調波の2つの信号の内の横方向に検波されたスペクトルと第2次高調波のそれが重なったため、本願発明者が目見当でスペクトルを分割した。その結果と、横方向変調エコー信号の2波の乗算(<3>)の結果とを、自己相関関数(図46Cを参照)において比較したが、若干、高調波周波数が低くなったこと以外に違いは無かった。 In the square calculation (<2>) of the transversely modulated echo signal in the above experiment, the transversely detected spectrum and the second harmonic of the two signals of the second harmonic detected in a different direction Since the waves overlapped, the inventor split the spectrum by eye. The result and the result of multiplication (<3>) of the two waves of the laterally modulated echo signal were compared in terms of the autocorrelation function (see FIG. 46C). There was no difference.

これらの実験に加えて、多次元自己相関法を用いて、変位ベクトル計測、歪テンソル計測、及び、ずり弾性率再構成を行った。その内の結果として、ここでは、<3>において異なる一方向のみに検波された第2次高調波信号の2つを用いて各方向の変位計測を行った結果を図50に示す。 In addition to these experiments, we performed displacement vector measurements, strain tensor measurements, and shear modulus reconstructions using the multidimensional autocorrelation method. FIG. 50 shows the result of displacement measurement in each direction using two of the second harmonic signals detected only in one different direction in <3>.

図50は、本発明の一実施形態によって寒天ファントムにおいて計測された変位ベクトル、歪テンソル、及び、相対的ずり弾性率の画像を示す図である。図50の一部においては、つめものの中央において評価された平均値とばらつき(括弧内)も示されている。同横方向変調エコーデータにデジタル復調を施した結果に比べて雑音が増加する傾向があったが(横方向(y)における歪のばらつきが、3.08×10-3から9.52×10-3に増加)、空間分解能は2倍に高くなり、ずり弾性率再構成に関して正則化を施した結果では、精度が向上した(3.37から3.23に向上)。 FIG. 50 shows images of the displacement vector, strain tensor, and relative shear modulus measured in an agar phantom according to one embodiment of the present invention. Also shown in part of FIG. 50 are the estimated mean and variance (in parenthesis) in the center of the filling. Compared to the result of applying digital demodulation to the same laterally modulated echo data, there was a tendency for noise to increase (variation in distortion in the lateral direction (y) ranged from 3.08×10 −3 to 9.52×10 −3 ), the spatial resolution is doubled, and regularization on the shear modulus reconstruction results in improved accuracy (from 3.37 to 3.23).

尚、ここでは、結果を省略するが、段落0655に記載した通り、多くの波動やビームを生成して、重ね合わせした状況の下で非線形処理を施すことや、重ね合わせていない状況で非線形処理を施した上で重ね合わせすることがある。また、他に記載した通り、ビームフォーミングの行われていない生の受信信号(送信ビームフォーミングのみの場合や開口面合成の場合等)に対して、非線形処理が施されることがある。波動やビームフォーミングのパラメータが同一の下で生成された複数の波動又はビームが処理されることがあるが、異なるパラメータ下にて生成された波動やビームが処理されることもある。 Although the results are omitted here, as described in paragraph 0655, many waves and beams are generated and non-linear processing is performed under the superimposed state, and non-linear processing is performed in the non-superimposed state. may be superimposed after applying Also, as described elsewhere, non-linear processing may be applied to raw received signals that have not undergone beamforming (such as transmit beamforming only or aperture synthesis). Multiple waves or beams generated under the same wave or beamforming parameters may be processed, but waves or beams generated under different parameters may also be processed.

高分解能化に関しては、上記の線形モデルにおける超解像が有効であり、それらの超解像をこの様な複数の波動やビームに用いることもある。即ち、重ね合わされていない個々の波動又はビームに超解像が施されて重ね合されるか、重ね合わせのされた状態で超解像が施されることもある。両者が混合して処理される場合も有る。同一のパラメータ下において重ね合わせ(加算平均)されてノイズが低減されたものが処理されることもある。オリジナルの信号(高調波である場合を含む)に対して格段に高い空間分解能を実現できる。様々な超解像を記載したが、例えば、段落0363に記載の様に、所望する点拡がり関数やエコー分布等の信号分布のスペクトルをターゲットとして逆フィルタリングする場合には、段落0390~0415に記載の変位計測と共に記載した様に、信号そのもののイメージングのためにウィーナーフィルタを応用して重み付けすることができ、その中でも、例えば、式(A12')や式(A13')にて用いるウィーナーフィルタを基礎とする重み(最初の信号スペクトルの二乗ノルムを除いたもの)を用いた場合には、逆フィルタ

Figure 0007175489000233
但し、Hp(ωx,ωy,ωz)とG(ωx,ωy,ωz)の各々は、処理対象の信号と目標の信号のスペクトルである。
のノルムに重み付けした
Figure 0007175489000234
但し、PWpn(ωx,ωy,ωz)とPWps(ωx,ωy,ωz)は、各々、ノイズと信号のパワースペクトラムである。qは任意の正値である。
を用いて処理すれば良い。上記記載の線形モデルにおける他の超解像においても、同様に、ウィーナーフィルタを応用して、雑音の増幅を抑えることが可能である。ウィーナーフィルタを用いずに、(AA1)のノルムそのものを施す場合に、信号スペクトルHp(ωx,ωy,ωz)のノルム(最大ノルムやL2ノルム、L1ノルム等)のε(<1)倍以上のスペクトルを持つ周波数のスペクトルのみの処理が行われる(他の周波数のスペクトルは零にする)こともある。これらにおいて、変則的に、(AA1)のノルムではなく、(AA1)そのものを用いることもあり、位相まで合わせることもある。その場合に、Gp(ωx,ωy,ωz)は、計測対象の位相情報を持つことが多い。
その他、これらの重み付け処理は、ブラインド・デコンボリューションにおいて実施されることもある。また、別に求められた点拡がり関数やシステム伝達関数を用いて逆フィルタリングして白色化する場合や、それら点拡がり関数やシステム伝達関数の共役や、式(AA1)の共役を掛ける場合を含め、それらをビームフォーミング前又は後(送信ビームフォーミングのみの状態や開口面合成用に収得した受信信号)において実施する場合においても、これらの重み付け処理は有用である。特に、逆フィルタリングにおいては、正則化が施されることもある。また、最尤推定(MAP有り又は無し)等に基づいて実施されることもある。 For higher resolution, super-resolution in the linear model described above is effective, and these super-resolutions are sometimes used for such multiple waves and beams. That is, individual waves or beams that are not superimposed may be super-resolved and superimposed, or super-resolved while being superimposed. In some cases, both are mixed and processed. In some cases, noise is reduced by overlapping (additional averaging) under the same parameters and processed. Significantly higher spatial resolution can be achieved for the original signal (including harmonics). Although various super-resolutions have been described, for example, as described in paragraph 0363, when inverse filtering is performed with the desired point spread function or signal distribution spectrum such as echo distribution as a target, paragraphs 0390 to 0415 As described with the displacement measurement, the Wiener filter can be applied and weighted for the imaging of the signal itself. With the underlying weights (the squared norm of the original signal spectrum removed), the inverse filter
Figure 0007175489000233
where Hp(ωx, ωy, ωz) and G(ωx, ωy, ωz) are the spectra of the signal to be processed and the target signal, respectively.
weighted by the norm of
Figure 0007175489000234
where PWpn(.omega.x, .omega.y, .omega.z) and PWps(.omega.x, .omega.y, .omega.z) are the power spectrums of noise and signal, respectively. q is any positive value.
should be processed using Also in other super-resolution in the linear model described above, it is possible to similarly apply the Wiener filter to suppress noise amplification. When applying the norm of (AA1) itself without using a Wiener filter, ε (< 1 ) times the norm of the signal spectrum Hp (ωx, ωy, ωz) ( maximum norm, L2 norm, L1 norm, etc.) In some cases, only the spectrum of frequencies having the above spectrum is processed (spectra of other frequencies are made zero). In these cases, (AA1) itself may be used irregularly instead of the norm of (AA1), and the phase may also be matched. In that case, Gp(ωx, ωy, ωz) often has the phase information of the measurement target.
Alternatively, these weighting processes may be implemented in blind deconvolution. In addition, when whitening by inverse filtering using a separately obtained point spread function or system transfer function, or when multiplying the conjugate of the point spread function or system transfer function, or the conjugate of formula (AA1), These weighting processes are useful even when they are performed before or after beamforming (transmit beamforming only or received signals acquired for aperture plane synthesis). In particular, regularization may be applied in inverse filtering. It may also be performed based on maximum likelihood estimation (with or without MAP).

この様な線形モデルの下で超解像の施された信号に対して、上記の非線形処理が施されることもある。さらに、高分解能化され、さらに、高コントラスト化も実現できる。線形モデルの下で得られた超解像の結果として、オリジナル(高調波である場合を含む、以下、同様)の信号が超解像されたもの、それらの超解像の施された信号が複数存在して重ね合せされたもの、複数のオリジナルを重ね合わせて超解像されたもの、それらが混合して処理されたもの等が処理対象となる。また、オリジナルの信号が複数個存在し、それらの各々が線形モデルの下で超解像され、各々に非線形処理が施されて重ね合わせされることもある。それらが混合して処理されることもある。 The above-described nonlinear processing may be applied to a signal super-resolved under such a linear model. Furthermore, high resolution and high contrast can be achieved. As a result of the super-resolution obtained under the linear model, the super-resolved original signal (including the case of harmonics, hereinafter the same), and the super-resolved signals are Objects to be processed include those in which a plurality of originals exist and are superimposed, those super-resolved by superimposing a plurality of originals, and those in which they are mixed and processed. Also, there may be a plurality of original signals, each of which is super-resolved under a linear model, subjected to nonlinear processing, and superimposed. They are sometimes mixed and processed.

また、上記の如く、非線形処理された信号に対して、線形モデルで行われる超解像が施されることもある。高分解能化されるが、コントラストは低下することがある。非線形処理により得られた超解像の結果として、オリジナル(高調波である場合を含む)の信号が超解像されたもの、それらの超解像の施された信号が複数存在して重ね合せされたもの、複数のオリジナルを重ね合わせて超解像されたもの、それらが混合して処理されたもの等が処理対象となる。また、オリジナルの信号が複数個存在し、それらの各々が非線形処理により超解像され、各々に線形モデルで行われる超解像が施されて重ね合わせされることもある。それらが混合して処理されることもある。 Also, as described above, the non-linearly processed signal may be subjected to super-resolution performed with a linear model. High resolution is achieved, but contrast may be reduced. As a result of super-resolution obtained by non-linear processing, the original signal (including the case of harmonics) is super-resolved, and multiple super-resolved signals exist and are superimposed The objects to be processed are those that have been superimposed, those that have been super-resolved by superimposing multiple originals, and those that have been mixed and processed. Also, there may be a plurality of original signals, each of which is super-resolved by non-linear processing, super-resolved by a linear model, and superimposed. They are sometimes mixed and processed.

尚、同一の関心位置において、これらの非線形処理を複数の信号(ビーム又は波動を表す信号であり、基本波に限られず、高調波であることもある)に施す場合に、開口の指向性や対象における散乱や減衰(周波数に依存する場合を含む)の影響等により、処理前の元の信号そのものの強度が異なると、その違いが強調されることがあり、特に、高次の高調波を生成すると、顕著となることがある。この違いを積極的にイメージングしたり、若しくは、スペクトル画像において定量的に確認することもある(それらの周波数特性が強調されて確認できる場合が有る)。一方で、その違いを低減してイメージングするべく、非線形処理前又は後において、信号のエネルギー又は特定の周波数のスペクトルを重み付けする処理を行い、イメージングすることがある。それらの複数の信号が重ね合わせされてイメージングされることもある。尚、信号のスペクトル又はエネルギーは、関心位置を含む局所領域において評価されることもあるし、関心領域全体で評価されることもある。無論、非線形処理を施すか否やに関わらず、線形の重ね合わせ処理の際に、同様にして重み付けされることもある。
また、伝搬過程の減衰や反射/散乱の影響により、信号強度は距離方向に弱くなるが、例えば、フォーカシング時に比べ、平面波は減衰の程度が弱い。非線形処理を施すと、次数が高いほど、その影響が強調される。従って、上記の如く、非線形処理の前又は後に、信号強度が補正されることがある(非線形処理を行わない場合も、補正されることがある)。検波の前又は後等において処理される。
尚、超解像としては、他に様々なものがあり、その内の少なくとも1つの方法が併用され、同一又は別の信号に施されて、コヒーレント加算されて、使用されることがある。上記の通り、重ね合わせされた信号に施されることもある。また、それらがインコヒーレント加算されることもあり、スペックルが低減されることもある。超解像を通じたインコヒーレント加算は、上記の通り、空間分解能が低下しない場合がある。
また、それらの超解像の各々の処理において、信号の強度やSN比、空間分解能に依存して、空間的に非一様に加算が施されることがある。即ち、各方法のパラメータが各位置のそれらに依存して可変であることがある。スペクトルを加工する場合には上記の通りであるが、例えば、非線形処理の場合には、冪乗の次数や乗算回数等である。また、コヒーレント信号やインコヒーレント信号の加算を行う場合には、加算数や重み付け値等である。無論、空間的に一様に処理することもある。
尚、非線形処理による高コントラス化の効果として、組織内の散乱体や反射体が際立って良く可視化されることがあり、冪乗の次数や乗算の回数を多くすると、信号強度(グレー画像にしたときは輝度)の高低差が顕著となる効果が得られることがある。例えば、生物組織の壊死後の石灰化を捉えることが容易になったりすることがある。その他、例えば、それらの信号強度に依存してカラーリングし、通常のグレー画像やドプラ画像、パワードプラ画像、又は、造影画像等に重畳して表示することもある。信号分布の強度が補正された上で、処理が施されることもある。例えば、関心領域内から受信した信号(検波前又は後)の強度を空間的に一様にする補正後に非線形処理を施し、散乱強度分布や複数の散乱体の散乱強度、又は、反射強度分布や複数の反射体の反射強度の高低を可視化することがある。反射体や散乱体の数をカウントすることを目的として、処理が施されることもある。フォーカスビームや開口面合成以外に、平面波や球面波、又は、円筒波を用いると、空間分解能は低く、その様な場合においても非線形処理を始めとする様々な超解像は有用であるが、特に、非線形処理を施した場合には、散乱波や反射波がその生成位置において際立って良く可視化されることがある。例えば、それらの交差波を生成した場合には、散乱波としてクロス型の波形が散乱体位置に強調されて表示される。
In the same position of interest, when these nonlinear processes are applied to a plurality of signals (signals representing beams or waves, not limited to fundamental waves and may be harmonics), the aperture directivity and If the intensity of the original signal itself before processing differs due to the effects of scattering and attenuation (including frequency-dependent cases) in the target, the difference may be emphasized, especially higher harmonics. When generated, it can be noticeable. This difference may be positively imaged or quantitatively confirmed in a spectral image (their frequency characteristics may be emphasized and confirmed). On the other hand, in order to image with the difference reduced, before or after the nonlinear processing, processing for weighting the energy of the signal or the spectrum of a specific frequency may be performed for imaging. A plurality of these signals may be superimposed and imaged. It should be noted that the spectrum or energy of the signal may be evaluated in a local region containing the location of interest, or may be evaluated over the entire region of interest. Of course, regardless of whether or not non-linear processing is applied, weighting may be performed in the same manner during linear superimposition processing.
In addition, although the signal strength becomes weaker in the direction of distance due to the effects of attenuation and reflection/scattering during the propagation process, for example, plane waves are attenuated less than during focusing. When non-linear processing is applied, the higher the order, the more the effect is emphasized. Therefore, as described above, signal strength may be corrected before or after non-linear processing (and may also be corrected without non-linear processing). It is processed before or after detection.
There are various other methods of super-resolution, and at least one of them may be used in combination, applied to the same or different signals, coherently added, and used. As noted above, it may also be applied to the superimposed signals. They may also be added incoherently, reducing speckle. Incoherent addition through super-resolution may not reduce spatial resolution, as described above.
Moreover, in each of these super-resolution processes, addition may be performed spatially non-uniformly depending on the signal intensity, SN ratio, and spatial resolution. That is, the parameters of each method may be variable depending on those of each location. In the case of spectrum processing, it is as described above. For example, in the case of non-linear processing, it is the order of exponentiation, the number of multiplications, and the like. In addition, when performing addition of coherent signals and incoherent signals, it is the number of additions, weighting values, and the like. Of course, it may be processed spatially uniformly.
As an effect of increasing the contrast by nonlinear processing, scatterers and reflectors in the tissue can be visualized conspicuously. In some cases, the effect of making the difference in height (in brightness) noticeable may be obtained. For example, it may become easier to capture post-necrotic calcification of biological tissue. In addition, for example, they may be colored depending on their signal strength and displayed superimposed on a normal gray image, Doppler image, power Doppler image, contrast image, or the like. Processing may be performed after the intensity of the signal distribution is corrected. For example, the intensity of the signal received from within the region of interest (before or after detection) is corrected to be spatially uniform, and then subjected to nonlinear processing to obtain the scattering intensity distribution, the scattering intensity of a plurality of scatterers, or the reflection intensity distribution. In some cases, the high and low reflection intensities of multiple reflectors are visualized. Processing may be applied for the purpose of counting the number of reflectors or scatterers. In addition to focused beams and aperture plane synthesis, when plane waves, spherical waves, or cylindrical waves are used, the spatial resolution is low. In particular, when nonlinear processing is performed, scattered waves and reflected waves can be visualized remarkably at their generation positions. For example, when these crossing waves are generated, a cross-shaped waveform is emphasized and displayed at the scatterer position as the scattered wave.

また、凹型開口HIFUアプリケータ(シミュレーション、周波数5MHz、開口直径12mm、焦点深さ30mm)を用いた場合(単一開口と二開口を用いた場合)の点拡がり関数の冪乗や乗算を計算した。上記の通り、この種の計算は、加熱効果の考察に効果的である。実験データを収集することにより、音圧(点拡がり関数)と高調波の音圧、受熱の関係等を定式化することが可能であり、アプリケータや放射音圧(超音波パラメータ)の設計等を通じて加熱治療の高効率化に役立てることができる。他の波動を用いた場合も同様である。 We also calculated the exponentiation and multiplication of the point spread function when using a concave aperture HIFU applicator (simulation, frequency 5 MHz, aperture diameter 12 mm, focal depth 30 mm) (single aperture and dual aperture). . As noted above, this type of calculation is effective in considering heating effects. By collecting experimental data, it is possible to formulate the relationship between sound pressure (point spread function), harmonic sound pressure, heat reception, etc., and design applicators and radiation sound pressure (ultrasonic parameters). Through this, it can be used to improve the efficiency of heat treatment. The same is true when other waves are used.

図51は、凹型HIFUアプリケータを用いた際の本発明の一実施形態による音圧変化を示す図である。図51において、(a1)及び(a2)は、1つの開口の使用時において、オリジナルの信号による音圧の画像、及び、二乗信号の音圧(左は直流を含み、右は高調波のみ)の画像を示している。(b1)及び(b2)は、2つの開口の使用時(交差角度は横方向に対して±5°)において、オリジナルの信号による音圧の画像、及び、乗算信号の音圧(左は直流を含み、右は高調波のみ)の画像をそれぞれ示している。画像は包絡線検波によるものであり、画像サイズは3.8×12.8mmである。二乗と乗算の各々により得られた第2次高調波成分において、その音圧が所望の領域に集中してコントラストが高くなっていることを確認できる。この様に、基本波の強度(Intensity、即ち、電力)の評価や生成される高調波(第2次以上の高調波)の音圧分布形状を推定することができる。また、高調波により消費される電力(Intensity)も評価できる。実際に観測される高調波に関しても同様に評価できる。 FIG. 51 illustrates the sound pressure change according to one embodiment of the invention when using a concave HIFU applicator. In FIG. 51, (a1) and (a2) are images of the sound pressure due to the original signal and the sound pressure of the squared signal (left contains DC, right only harmonics) when using one aperture. shows an image of (b1) and (b2) are images of the sound pressure of the original signal and the sound pressure of the multiplied signal (left: DC , and the image on the right shows only harmonics), respectively. The image is by envelope detection and the image size is 3.8×12.8 mm 2 . In the second harmonic components obtained by squaring and multiplication, it can be confirmed that the sound pressure is concentrated in the desired region and the contrast is high. In this way, it is possible to evaluate the intensity (intensity, that is, power) of the fundamental wave and estimate the sound pressure distribution shape of the generated harmonics (second or higher harmonics). Also, the power (Intensity) consumed by harmonics can be evaluated. The harmonics actually observed can be similarly evaluated.

以上においては、本発明の実施形態に係るイメージング装置に関し、主として、電磁波、音を含む振動、熱の波動、又は、該当する信号の非線形演算装置について述べたが、異なる種類の物理エネルギー間の非線形効果を増強したり、非線形効果を模擬したり、又は、仮想的に実現すること(つまり、物理的、又は、化学的、又は、生物学的に、非線形効果を生じる場合以外に、非線形効果を生じない場合を含む)も可能である。その場合には、使用される波動に関するデバイスを同時に使用して波動を受信したり、又は、同時相であれば異なる時刻において受信された信号を基礎として、本発明を実施することもできる。即ち、本発明は、複数の波動が同時に発生している場合と、波動が単独に発生している場合とを扱うことができる。 In the above, regarding the imaging apparatus according to the embodiments of the present invention, mainly nonlinear operation devices for electromagnetic waves, vibrations including sound, heat waves, or corresponding signals have been described. enhancing effects, simulating non-linear effects, or virtually realizing non-linear effects (that is, non-linear effects other than those that physically, chemically, or biologically produce them (including the case where it does not occur) is also possible. In that case, the wave-related devices used can be used simultaneously to receive waves, or the invention can be implemented on the basis of signals received at different times if they are in phase. That is, the present invention can handle cases where multiple waves occur simultaneously and cases where waves occur singly.

また、電磁波、振動、又は、熱において、周波数が異なると各計測対象物(媒体)に依って支配的な挙動は異なり、名称を異とするのは然りであるが(例えば、電磁波に関しては、マイクロ波、テラヘルツ波、X線等の放射線等、振動に関しては、例えば、ヒト軟組織を対象とした場合に、メガHz帯域においてずり波は減衰の影響により波として伝わらず超音波が支配的であるが、100Hz等の低周波においては非圧縮性の特徴が強くずり波が支配的である)、本発明は、その様な挙動を異とするもの同士の非線形効果を増強したり、非線形効果を模擬したり、又は、仮想的に実現することも可能である。 In addition, in electromagnetic waves, vibrations, or heat, if the frequency is different, the dominant behavior will be different depending on each measurement object (medium), and it is true that the names are different (for example, for electromagnetic waves , microwaves, terahertz waves, radiation such as X-rays, and other vibrations. For example, in the case of human soft tissue, shear waves do not propagate as waves due to the effects of attenuation in the megaHz band, and ultrasonic waves are dominant. However, at low frequencies such as 100 Hz, the incompressible characteristics are strong and the shear wave is dominant), the present invention enhances the nonlinear effect between those with such different behaviors, and the nonlinear effect can be simulated or virtually realized.

その場合には、使用される波動に関するデバイスを同時に使用して波動を受信したり、又は、同時相であれば異なる時刻において受信された信号を基礎として、本発明を実施することもできる。無論、各波の伝搬速度や減衰、散乱、反射等の現象が分散特性を有し、受信信号のSN比を考慮して、適切に使用されなければいけないという限界がある。しかしながら、物理的に生成したり、又は、捉えることのできない高周波信号や低周波信号を生成できることを含め、本発明の応用範囲は非常に広い。 In that case, the wave-related devices used can be used simultaneously to receive waves, or the invention can be implemented on the basis of signals received at different times if they are in phase. Of course, the propagation velocity of each wave, attenuation, scattering, reflection, and other phenomena have dispersion characteristics, and there is a limit that must be used appropriately in consideration of the SN ratio of the received signal. However, the range of applications of the present invention is very broad, including the ability to generate high frequency and low frequency signals that cannot be physically generated or captured.

また、非線形演算や計測対象内の非線形効果を画像化したり、又は、他計測に応用することを記載し、積極的に高調波を計測対象に伝搬させることがあることも記載したが、元の基本波をそれらにおいて積極的に併用することもある。また、優決定(over-determinedシステム)を構成することもできる。基本波も高調波と同様に処理される。 In addition, it is described that the nonlinear operation and the nonlinear effect in the measurement object are imaged, or that it is applied to other measurements, and that harmonics are actively propagated to the measurement object. In some cases, the fundamental wave is actively used together in them. It is also possible to construct over-determined systems. Fundamentals are treated similarly to harmonics.

さらに、非線形演算を通じて得られる複数の信号の内の少なくとも1つに任意検波処理を施したり、又は、基本波を含むことのある複数の信号に任意検波処理を施した上で重ね合わせたり、又は、基本波を含むことのある複数の信号をそのままに重ね合わせたものに任意検波処理を施し、画像化又は変位等のその他の計測が行われることがある。重ね合わせに関し、前者のインコヒーレント加算(インコヒーレントコンパウンディング)はスペックルの低減に有効であり、高周波信号を生成して使用した場合には空間分解能は低下しない。通常のスペックル低減で生じることの多い低空間分解能化が問題とならない。低周波信号を生成して使用した場合には、空間分解能は低下するが有用であることがある。一方、後者のコヒーレント加算(コヒーレントコンパウンディング)は、信号の広帯域化、即ち、高空間分解能化できる。特に、高周波信号を生成して使用した場合には高周波化でき、低周波信号を生成して使用した場合には低周波化できる。結果的に、イメージングを高空間分解能化でき、また、変位やその他の計測を高精度化できる。上記の如く、複数のビームや波動を生成した場合やスペクトルの周波数分割を通じて得られる信号も非線形処理を含むこれらの処理対象に含まれる。 Furthermore, at least one of a plurality of signals obtained through nonlinear arithmetic is subjected to arbitrary detection processing, or multiple signals that may include a fundamental wave are subjected to arbitrary detection processing and then superimposed, or Arbitrary detection processing may be performed on a superimposition of a plurality of signals, which may include a fundamental wave, and imaging or other measurements such as displacement may be performed. Regarding superposition, the former incoherent addition (incoherent compounding) is effective in reducing speckle, and spatial resolution does not decrease when a high-frequency signal is generated and used. Low spatial resolution, which often occurs in normal speckle reduction, does not pose a problem. If a low frequency signal is generated and used, the spatial resolution is reduced but may be useful. On the other hand, the latter coherent addition (coherent compounding) can widen the bandwidth of the signal, that is, increase the spatial resolution. In particular, when a high frequency signal is generated and used, the frequency can be increased, and when a low frequency signal is generated and used, the frequency can be decreased. As a result, imaging can be performed with high spatial resolution, and displacement and other measurements can be performed with high accuracy. As described above, signals obtained by generating a plurality of beams or waves or by frequency division of a spectrum are also included in these processing targets including nonlinear processing.

変位計測は、例えば、上記の通りに応用できる。レーダー、ソナー、その他、環境計測等など、応用範囲は計り知れない。変位の他、例えば、温度を測ることもある。直接に温度センサーを用いて温度センシングを行うこともあれば、波動伝搬特性の温度依存性を検出して、例えば、超音波を用いたときには、温度変化による音速の変化と体積変化を反映した熱歪計測を目的とした信号処理に基づいて温度分布が計測されることもある。核磁気共鳴周波数のケミカルシフトを信号処理に基づいて検出することもある。熱波が観測され、その非線形をイメージングしたり、加熱治療の高効率化に応用することも可能である。 Displacement measurements can be applied, for example, as described above. The range of applications is immeasurable, such as radar, sonar, and environmental measurement. In addition to displacement, for example, temperature may also be measured. Temperature sensors may be used directly for temperature sensing, or the temperature dependence of wave propagation characteristics may be detected. Temperature distribution may also be measured based on signal processing for the purpose of strain measurement. Chemical shifts in nuclear magnetic resonance frequencies may also be detected based on signal processing. It is also possible to observe heat waves, image their nonlinearity, and apply them to improve the efficiency of heat treatment.

なお、計測対象物内の非線形効果を積極的に観測する場合と、本発明による非線形処理を積極的に施した場合とにおいて、両者を切り替えて使用したり、両者を同時に使用したり、積極的な演算を通じて、計測対象物内の非線形効果を解明することが行われることもある。即ち、信号源の非線形性や造影剤、使用するアナログ又はデジタルの非線形演算を駆使することにより、計測対象内の非線形性効果を高精度に計測し、画像化することができる。 It should be noted that the case of positively observing the nonlinear effect in the object to be measured and the case of positively applying the nonlinear processing according to the present invention may be used by switching between the two, using both at the same time, or actively using both. Non-linear effects within the measurement object may also be accounted for through simple computations. That is, by making full use of the nonlinearity of the signal source, the contrast agent, and the analog or digital nonlinear calculations used, the nonlinear effect within the object to be measured can be measured with high accuracy and imaged.

上記のイメージングや計測は、適切なビームフォーミングを行うことを基礎としており、適切な検波方法や組織変位計測法等も重要である。本願発明者は、過去に、特に多次元受信信号の検波方法として、直交検波や包絡線検波の他に二乗検波等、ビームフォーミング法として、交差ビームを用いた横方向変調法(非特許文献13及び30を参照)、スペクトル周波数分割法(非特許文献30を参照)、スペクトルのフィルタリングに依る波動又はビーム形状の調整、多くの交差ビームを使用する方法、及び、優決定(over-determined)システム法等、また、変位ベクトル計測法として、多次元自己相関法、多次元ドプラ法、多次元クロススペクトラム位相勾配法、及び、位相マッチング法等(非特許文献13及び30を参照)を開発しており、その他、変位や歪計測に基づいて(粘)ずり弾性率分布や熱物性分布を再構成イメージングすることもできる。元の波動や信号のみならず、複数の波動や信号の重ね合わせ、又は、非線形効果により生成された波動やビーム(疑似のものを含むことがある)に対し、スペクトル周波数分割においては疑似の波動やビームを生成することができ、スペクトルのフィルタリングにおいては波動やビームの形状を調整することができる。 The above imaging and measurement are based on appropriate beamforming, and appropriate detection methods and tissue displacement measurement methods are also important. In the past, the inventors of the present application have used quadrature detection, envelope detection, square-law detection, and the like as detection methods for multidimensional received signals, and transverse modulation methods using cross beams as beamforming methods (Non-Patent Document 13 and 30), spectral frequency division methods (see Non-Patent Document 30), wave or beam shape tuning by spectral filtering, methods using many intersecting beams, and over-determined systems. Also, as a displacement vector measurement method, we have developed a multidimensional autocorrelation method, a multidimensional Doppler method, a multidimensional cross spectrum phase gradient method, and a phase matching method (see Non-Patent Documents 13 and 30). In addition, reconstruction imaging of (visco)shear elastic modulus distribution and thermophysical property distribution can also be performed based on displacement and strain measurements. Not only the original waves and signals, but also the superposition of multiple waves and signals, or the waves and beams (including pseudo ones) generated by nonlinear effects, pseudo waves in spectral frequency division and beams can be generated, and spectral filtering can adjust the shape of waves and beams.

基本波を含むことのある複数の信号を重ね合わせて得られる信号、又は、基本波を含むことのある複数の信号の内の少なくとも1つを周波数領域においてスペクトル分割やフィルタリングして得られる信号(非特許文献30を参照)、又は、これらの処理を施していない元の信号、又は、これらを併用して、優決定(over-determined)システムを構成し、上記の処理により、画像化すしたり、又は、変位等のその他の計測が行われることもある。 A signal obtained by superimposing multiple signals that may contain a fundamental wave, or a signal obtained by spectrally dividing or filtering at least one of a plurality of signals that may contain a fundamental wave in the frequency domain ( See Non-Patent Document 30), or the original signal that has not been subjected to these processes, or a combination of these to configure an over-determined system, and the above processing, such as imaging , or other measurements such as displacement may be taken.

以上述べたように、本発明は、任意波動の透過波、反射波、又は、散乱波をセンサーによって検出して得られるコヒーレント信号に対し、波動伝搬中における高強度に対する非線形反応や波が重ね合わさる際の乗算や冪乗等の非線形効果(高調波や和音、差音等の生成)を、例えば、アナログ演算又は計算機を用いたデジタル演算を施すことにより得ることにより、元の信号を用いたイメージングに比べて、高周波且つ広帯域、高コントラスト且つ高空間分解能なイメージングを実現する。高周波化ではなく低周波化されたイメージングを行うこともできる。また、同効果の下で、元の信号を用いたドプラ計測に比べ、高空間分解能且つ高精度に、変位、速度、加速度、歪、又は、歪率の計測を実現するものである。 As described above, according to the present invention, a coherent signal obtained by detecting a transmitted wave, a reflected wave, or a scattered wave of an arbitrary wave by a sensor is superimposed with a nonlinear response to high intensity during wave propagation and a wave. Imaging using the original signal by obtaining non-linear effects such as multiplication and exponentiation (generation of harmonics, chords, difference tones, etc.), for example, by performing analog calculations or digital calculations using a computer It realizes high-frequency, wide-band, high-contrast, and high-spatial-resolution imaging. It is also possible to perform low-frequency imaging instead of high-frequency imaging. Also, under the same effect, measurement of displacement, velocity, acceleration, strain, or distortion rate can be realized with higher spatial resolution and higher accuracy than Doppler measurement using the original signal.

その波の重ね合わせとは、物理的に、ビームフォーミング中や、ビームフォーミングされた波、ビームフォーミングされていない波等の間において実現されるものを意味する。波の強度が弱いときは線形則で成立する重ね合わせの理が主として観測されるが、強度が強いときは重ね合わせの他に乗算や冪乗等の非線形の影響を受けた信号(即ち、高調波や和音、差音)が観測され、本発明は、この後者の現象に着目するものである。本発明は、これらの波成分や重ね合わされた波の全てに対して、それらの強度に寄らずに使用できることも特徴とする。無論、基本波と人工的に放射された、又は、伝搬中に生成された高調波成分を含む波にも適用される。伝搬中に生成される高調波の例として、例えば、超音波ハーモニック信号等が挙げられる。 The superposition of the waves means what is physically achieved during beamforming, between beamformed waves, non-beamformed waves, and the like. When the wave intensity is weak, the superposition theory, which is established by the linear law, is mainly observed. waves, chords, and difference tones), and the present invention focuses on this latter phenomenon. The present invention is also characterized by the ability to use all of these wave components and superimposed waves regardless of their strength. Of course, it also applies to waves containing the fundamental wave and harmonic components artificially radiated or generated during propagation. Examples of harmonics generated during propagation include, for example, ultrasonic harmonic signals.

これに対し、本発明は、例えば、ビームフォーミング(アポダイゼーション、遅延処理、若しくは、加算処理からなる物理的なもの、又は、計算によるもの)により生成されたビームや、ビームフォーミングが施されていない波そのもの(平面波や開口面合成用の受信信号群等を含む)、透過波、反射波、又は、散乱波等の任意波動に関し、高強度による非線形効果と、同一方向又は異なる方向に伝搬する複数の波動(同一物理量の同一の波で方向のみ異なる、同一物理量の異なるパラメータを有する波、異なる種類の物理量の波)が重なる場合等により生じる乗算や冪乗等の非線形効果を高精度に計測したり、又は、模擬するべく、例えば、信号をトランスデューサにより検出した後に積極的にアナログ演算器やデジタル演算器を用いて信号にそれらの演算を施すものであり、広帯域化された高調波や和音、差音を得ることができる。また、物理的、又は、化学的、又は、生物学的に、非線形効果を生じる場合以外に、その効果を強調したり、非線形効果を観測できない場合や生じない場合において、非線形効果を生み出すことも可能である。また、複数の検波信号を同時に得ることができる。その他、物理作用を受けて生成されたベースバンデッド信号の応用も本発明に含まれる(受信信号からパルス・インバージョン法やフィルタリング法等により求められた高調波を除去したり、また、上記の演算や計算により推定された信号を応用する等)。 On the other hand, the present invention provides, for example, beams generated by beamforming (apodization, delay processing, or addition processing, either physical or computational), or waves that have not undergone beamforming. Regarding arbitrary waves such as plane waves and received signal groups for aperture plane synthesis, transmitted waves, reflected waves, and scattered waves, nonlinear effects due to high intensity and multiple waves propagating in the same direction or different directions Highly accurate measurement of nonlinear effects such as multiplication and exponentiation that occur when waves (same waves with the same physical quantity but different directions, waves with different parameters with the same physical quantity, waves with different types of physical quantities) overlap, etc. Alternatively, in order to simulate, for example, after the signal is detected by a transducer, the analog calculator or digital calculator is actively used to perform those calculations on the signal, and broadband harmonics, chords, and differences you can get the sound. In addition, physical, chemical, or biological non-linear effects may be emphasized, or non-linear effects may be produced when the non-linear effects cannot be observed or do not occur. It is possible. Also, a plurality of detection signals can be obtained simultaneously. In addition, the application of basebanded signals generated by physical action is also included in the present invention. or apply the signal estimated by calculation).

本願発明者は、過去に、線形則に基づいて交差波(平面波等)や交差ビームを用いた横方向変調法を開示しているが(深さ方向と横方向にキャリア周波数を有する)、本発明によれば、この横方向変調においても冪乗の効果を得ることができ、また、交差波間の乗算効果を得ることもできる。また、通常は、波の強度を強くすることにより、べき乗効果や積の効果を得ることができるが、本発明によれば、その強度に寄らずに、それらの非線形効果を得ることができる。 In the past, the inventor of the present application has disclosed a lateral modulation method using cross waves (such as plane waves) and cross beams based on linear laws (having carrier frequencies in the depth direction and the lateral direction). According to the invention, it is also possible to obtain exponentiation effects in this transverse modulation as well as multiplicative effects between crossing waves. Also, normally, power-law effects and product effects can be obtained by increasing the wave intensity, but according to the present invention, these nonlinear effects can be obtained regardless of the wave intensity.

また、本発明によれば、通常の直交検波や包絡線検波の代わりに少ない計算量で容易に実施できる新しい検波処理によりベースバンデッド信号を得ることができて、エコーイメージングやドプラ計測において、その効果が得られる。但し、その検波信号は、通常にいうベースバンド信号とは異なり、直流を含むので、そのまま使用されるか、あるいは、アナログ処理又はデジタル処理によって直流を除いてから使用される。その他、物理作用を受けて得られるベースバンデッド信号の応用も、本発明に含まれる。なお、演算により生成されるベースバンド帯域の信号もベースバンデッド信号と称す。 In addition, according to the present invention, a basebanded signal can be obtained by a new detection process that can be easily performed with a small amount of calculation instead of normal quadrature detection or envelope detection, and the effect is improved in echo imaging and Doppler measurement. is obtained. However, since the detection signal contains direct current unlike the so-called baseband signal, it is used as it is or after removing the direct current by analog processing or digital processing. In addition, the present invention also includes applications of basebanded signals obtained by physical action. A baseband signal generated by calculation is also referred to as a basebanded signal.

例えば、医用超音波やソナーの分野では、生体内の超音波の伝搬過程における非線形現象(音圧が高い場合には、体積弾性率が高く作用するため、音速が速く、波形が歪み、伝搬過程において蓄積される)により生じるハーモニック(高調波)エコーイメージングと称して臨床応用されているが、物理的に生成されるベースバンデッド信号を応用することは開示されていない。その他の非線形現象により物理的に生成されるベースバンデッド信号を応用することも開示されていない。なお、ベースバンド信号、ベースバンデッド信号、及び、包絡線検波又は二乗検波等のなされたインコヒーレント信号も、本発明の処理対象に含まれる。 For example, in the fields of medical ultrasound and sonar, nonlinear phenomena in the propagation process of ultrasonic waves in the living body It has been clinically applied under the name of harmonic echo imaging caused by the accumulated in the elec- tric field, but the application of physically generated basebanded signals is not disclosed. The application of basebanded signals that are physically generated by other nonlinear phenomena is also not disclosed. Baseband signals, basebanded signals, and incoherent signals subjected to envelope detection or square-law detection are also included in the processing objects of the present invention.

特に、ドプラ計測に関して、本願発明者は、多次元受信信号を使用することにより、波の伝搬方向の変位を計測する通常のドプラ計測とは異なり、任意方向の変位ベクトルや速度ベクトル、加速度ベクトル、歪テンソル、又は、歪率テンソルを高精度に計測することを可能にした。本発明によれば、通常の検波とは異なり、多次元受信信号から任意の1方向に検波した信号(ベースバンデッド信号)を同時に求めることができ、通常の1方向の変位計測法を用いて、少ない計算量で短時間に容易にそれらの計測を行うことも可能である。この場合においても、同時に得られる高調波や上記のベースバンデッド信号を用いたエコーイメージングが可能である。その他、サイドローブの抑圧と、高コントラスト化も可能である。温度計測が行われることも上記の通りである。 In particular, with respect to Doppler measurement, the inventors of the present application use a multidimensional received signal to measure displacement in the direction of wave propagation, unlike normal Doppler measurement. It has made it possible to measure the strain tensor or the strain rate tensor with high accuracy. According to the present invention, unlike normal detection, a signal (basebanded signal) detected in an arbitrary direction from a multidimensional received signal can be obtained simultaneously, and using a normal one-directional displacement measurement method, It is also possible to easily perform these measurements in a short time with a small amount of calculation. Also in this case, echo imaging using the simultaneously obtained harmonics and the base banded signal is possible. In addition, it is possible to suppress side lobes and increase contrast. The temperature measurement is also performed as described above.

基本は、異なる単一周波数の正弦、余弦信号間の乗算を行うと和音と差音を生じること、冪乗計算を施すと信号の周波数が冪乗数だけ倍の高さになること(倍角だけでなく分角も可能)と、複数の周波数成分を有する信号(歪波)においては高周波化されるだけでなく広帯域化されることにある。これに加え、いわゆるサイドローブが抑圧される効果も得られ、コントラストが増加する。これらの効果は、特に強度の強い波動の伝搬中の効果として観測されることが多いが、本発明では、強度に寄らず、任意信号に対してアナログ又はデジタル演算処理を施して非線形効果を増強や模擬したり、又は、新たに生成するものである。仮想的に実現することもできる。空間分解能を有する場合に限らず、連続波においても、同様に、高調波や検波信号を物理的に又は人工的に得ることができる。物理的に生成されるベースバンデッド信号を本発明の下で理解できると、その応用も工学的に有用となる。例えば、変位や変位ベクトル成分の計測が可能であったりする(通常の1次元の変位計測法が使用できる)。また、観測された高調波を用いても変位や変位ベクトル成分の計測が可能であったり(上記の各種の多次元変位ベクトル計測法を使用できる)、優決定(over-determined)システムを構成することもでき、本発明の非線形処理を用いた場合と同様に、イメージング(高SN比化、高分解能化、スペックル低減等)や変位成分計測(高精度化)等に応用できる。これらの場合において、造影剤を積極的に応用して、非線形効果を増強することも有効である。 The basic idea is that multiplication between different single-frequency sine and cosine signals produces chords and difference tones, and exponentiation raises the frequency of a signal by a power factor. Also, a signal (distorted wave) having a plurality of frequency components is not only increased in frequency but also broadened in bandwidth. In addition to this, an effect of suppressing so-called side lobes is obtained, and the contrast is increased. These effects are often observed as effects during propagation of particularly strong waves, but in the present invention, any signal is subjected to analog or digital arithmetic processing to enhance the nonlinear effects, regardless of the strength. or imitate it, or newly generate it. It can also be implemented virtually. Harmonics and detection signals can be obtained physically or artificially, not only in the case of spatial resolution, but also in continuous waves. If a physically generated basebanded signal can be understood under the present invention, its application will also be useful in engineering. For example, it may be possible to measure displacement or displacement vector components (normal one-dimensional displacement measurement methods can be used). In addition, the observed harmonics can be used to measure displacement and displacement vector components (various multidimensional displacement vector measurement methods described above can be used), and constitute over-determined systems. Similarly to the case of using the nonlinear processing of the present invention, it can be applied to imaging (higher SN ratio, higher resolution, speckle reduction, etc.), displacement component measurement (higher accuracy), and the like. In these cases, it is also effective to positively apply a contrast agent to enhance the nonlinear effect.

その他、本発明は、波動(レーザー、超音波、又は、焦点型強力超音波等)を用いて行われる任意対象の加温、加熱、冷却、冷凍、溶接、修復、医療における癌病変等の加熱、冷凍治療、又は、任意対象(眼鏡など)の洗浄等において、それらの効果を、非線形現象を通じて増強することや、高分解能にすることや、また、その効果の予測(例えば、強力超音波を用いた加熱時のべき乗効果や、交差ビームを用いて効果を増強させる場合の加算による高空間分解能化だけでなく乗算の効果としての高周波化と高空間分解能化等)を通じて、その効果を向上させることが可能となる。これらにおいても、連続波が使用されることもあり、同効果が得られる。 Other applications of the present invention include heating, heating, cooling, freezing, welding, repair, and heating of cancerous lesions in medical treatment using waves (laser, ultrasonic waves, or focused high-intensity ultrasonic waves, etc.). , cryotherapy, or cleaning of arbitrary objects (glasses, etc.), enhancing their effects through nonlinear phenomena, making them high resolution, and predicting their effects (e.g., powerful ultrasonic waves The effect is improved through not only the power law effect during heating using cross beams, high spatial resolution by addition when enhancing the effect using cross beams, but also high frequency and high spatial resolution as multiplication effect). becomes possible. Also in these cases, continuous waves are sometimes used, and the same effect can be obtained.

本発明は、物理的に非線形効果の得られない物理的条件下(例えば、計測対象に対して強度を高くできない場合や高周波ゆえに高い強度が得られない場合等)において非線形効果を得ることにも有効であるが、逆に、例えば、超音波エコーイメージング、変位計測、温度計測、又は、治療の際にマイクロバブル等の造影剤を使用して非線形効果を増強した条件下で本発明を実施することも有効である。即ち、本発明は、非線形効果を増強することもできるが、模擬したり、新たに生成したり、仮想的に実現することもできる。また、本発明は、イメージングや変位計測、治療等において、純粋に高分解能化と高精度化、高効率化を目的に実施することもできる。 The present invention can also obtain a nonlinear effect under physical conditions where the nonlinear effect cannot be obtained physically (for example, when the strength of the measurement target cannot be increased or when a high strength cannot be obtained due to high frequency). Effective, but conversely, the present invention is practiced under conditions in which contrast agents such as microbubbles are used during ultrasound echo imaging, displacement measurement, temperature measurement, or therapy to enhance nonlinear effects. is also valid. That is, the present invention can enhance nonlinear effects, but can also be simulated, newly generated, or virtually realized. In addition, the present invention can also be implemented purely for the purpose of improving resolution, precision, and efficiency in imaging, displacement measurement, treatment, and the like.

本発明によれば、ハーモニックイメージングと同様に、高周波化と広帯域化、高コントラスト化、又は、サイドローブを抑圧することができ、高SN比の非線形イメージングが可能となる。その他、メモリや計算を多くに必要とすることなく、アナログ検波又はデジタル検波を同時に行うことができる。 According to the present invention, similarly to harmonic imaging, it is possible to increase the frequency, broaden the band, increase the contrast, or suppress sidelobes, thereby enabling nonlinear imaging with a high SN ratio. Additionally, analog detection or digital detection can be performed simultaneously without requiring much memory or computation.

本発明の有効性は、シミュレーションや寒天ファントム実験を通じて、超音波エコーイメージングや計測イメージングを行って実証されている。本発明は、超音波エコー法以外の任意のコヒーレント信号(身近なものでは、光波、OCT、電気、磁場信号、X線等の放射線、及び、熱波等)や、異なる種類のコヒーレント信号間にも応用できるものである。アナログ処理(例えば、センサーを用いた受信信号のエネルギー検出や非線形素子を用いたエネルギー検出等)又はデジタル処理によってインコヒーレント化されたものを含む信号が、コヒーレント信号と共に処理されることもある。 The effectiveness of the present invention has been demonstrated through simulations and agar phantom experiments by performing ultrasonic echo imaging and measurement imaging. The present invention can be applied to any coherent signal other than the ultrasonic echo method (familiar ones include light waves, OCT, electricity, magnetic field signals, radiation such as X-rays, heat waves, etc.), and between different types of coherent signals can also be applied. Signals, including those made incoherent by analog processing (eg, energy detection of received signals using sensors, energy detection using non-linear elements, etc.) or digital processing, may be processed along with coherent signals.

一方、画像計測の分野では、コヒーレント信号に対して各種の検波(物理現象又は通常の信号処理)を通じてインコヒーレント信号(結果表示は画像)にしたものを用いて動きの観測が行われることも良く知られている(相互相関処理やオプティカルフロー等々様々)。インコヒーレント信号に本法を用いると広帯域化(高分解能化)することもできる。本発明により得られる上記の高分解能な検波信号も使用できる。それらの動きの計測精度も向上する。即ち、本発明は、任意のコヒーレント又はインコヒーレント信号に適用される。 On the other hand, in the field of image measurement, motion observation is often performed using a coherent signal converted to an incoherent signal (result display is an image) through various detections (physical phenomena or normal signal processing). known (cross-correlation processing, optical flow, etc.). If this method is used for incoherent signals, it is also possible to widen the bandwidth (improve the resolution). The above high-resolution detection signal obtained by the present invention can also be used. The measurement accuracy of those movements is also improved. That is, the invention applies to any coherent or incoherent signal.

上記のコヒーレント信号やインコヒーレント信号を用いたイメージングや動き等計測は、上記の例等を含めて様々な分野で行われ、非常に長い歴史があるが、本発明による非線形効果を用いて、高周波又は低周波を含む広帯域な高分解能且つ高コントラストなイメージングを行うことや、高精度に変位等を計測することは、有効且つ有用である。多次元信号処理ならではの工学的効果のあることを含めて有効である。また、治療等の上記の他の応用において、非線形効果のイメージングに基づいてその効果を評価して応用することも有効且つ有用である。 Imaging and motion measurement using the above-mentioned coherent and incoherent signals have been performed in various fields including the above examples, and have a very long history. Alternatively, it is effective and useful to perform wideband, high-resolution and high-contrast imaging including low frequencies, and to measure displacement or the like with high accuracy. It is effective, including the engineering effect unique to multidimensional signal processing. In addition, in other applications such as medical treatment, it is also effective and useful to evaluate and apply the effects based on the imaging of the nonlinear effects.

イメージング装置において、乗算又は冪算を施して高調波成分とベースバンデッド信号(上記の新しい検波信号)を生成し、それらに基づいて画像信号を生成することは、有用であるが、乗算と冪算に限らずに高次の非線形処理を実施した場合においても同効果が得られる。コスト等の兼ね合いで、従来技術と選択的に採用されたり、又は、併用されることがある。 In an imaging device, it is useful to perform multiplication or power calculation to generate harmonic components and a basebanded signal (the new detection signal described above), and to generate an image signal based thereon. The same effect can be obtained not only when high-order nonlinear processing is performed. Depending on the balance of cost and the like, it may be selectively adopted or used in combination with conventional technology.

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。電磁波や、音波(圧縮波)やずり波、表面波等を含む振動波(力学的波)、又は、熱波等の波動を対象として、反射波や透過波、散乱波(前方散乱波又は後方散乱波等)、屈折波、表面波、衝撃波、自己発散的(self-emanating)な波動源から発生するそれらの波動、移動体から発せられる波動、又は、未知の波動源から到来する波動等の観測される波動に対し、変位(ベクトル)計測や温度計測等の適切に設定されたデジタル信号処理アルゴリズム(実装されるデジタル回路又はソフトウェアにおける)、又は、アナログ又はデジタルのハードウェアが用いられる。変位計測法に関する特許文献5~7及び11(センシング波動の伝搬方向をも求めて高精度に対象の変位や粒子変位、媒体変位等を高精度に観測、また、波動の伝搬が観測対象である場合の詳細な高精度観測等)やその他において開示されている様々な計測法は、反射法やエコー法における実施例を中心として開示されることが多いが、透過法等、上記の様々な波動に用いることができ、また、それらに限定されるものでは無い。 The present invention is not limited to the above embodiments, and many modifications are possible within the technical concept of the present invention by those skilled in the art. Targeting electromagnetic waves, vibrational waves (mechanical waves) including sound waves (compression waves), shear waves, surface waves, etc., and waves such as heat waves, reflected waves, transmitted waves, scattered waves (forward scattered waves or backward scattered waves, etc.), refracted waves, surface waves, shock waves, those waves generated from self-emanating wave sources, waves emitted from moving bodies, or waves arriving from unknown wave sources, etc. Appropriately configured digital signal processing algorithms (in digital circuitry or software implementations), such as displacement (vector) measurements, temperature measurements, or analog or digital hardware are used for the observed waves. Patent Documents 5 to 7 and 11 regarding displacement measurement methods (obtaining the propagation direction of the sensing wave with high precision and observing the displacement of the object, the particle displacement, the medium displacement, etc. with high precision, and the propagation of the wave is the object of observation (Detailed high-precision observation of cases, etc.) and other measurement methods are often disclosed centering on examples of the reflection method and the echo method. can be used for, and is not limited to.

本発明は、本発明は、計測対象から到来する任意波動を用いてビームフォーミングを行うビームフォーミング方法、及び、そのようなビームフォーミング方法を使用する計測イメージング装置及び通信装置において利用することが可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in a beamforming method for performing beamforming using arbitrary waves arriving from an object to be measured, and in a measurement imaging device and a communication device using such a beamforming method. be.

レーダーやソナー、その他の光学系波や音波、熱波等の波動の信号の生成は、現在においては、既にデジタル装置によって生成されることが多く、また、その信号を応用することを目的に高次計算を行う処理能力を備えるのみで信号の生成と連動して応用できる。様々な装置の多次元化も図られており、本発明の重要性は増すことになる。計測対象も、固体、流体、レオロジー、無機物、有機物、生き物、環境等、計り知れず、計測範囲も広がっていくものと考えられる。今後は、装置内の各デバイスの小型化がさらに進み、また、計算応力が十二分に高いに計算機をさらに安価に組み込むこともでき、実時間性のある便利な装置が多くに実現されていくものと期待できる。また、単なる波動のイメージング装置としてだけでなく、波動を用いた計測を通じた応用の開発もさらに盛んになり、応用範囲が広範化されるものと考えられる。各種装置のデジタル化は今後にさらに進むものと見込まれ、その際には、本発明による高精度な信号を実時間で生成できる高精度且つ高速なビームフォーミングの需要が増すものと考えられる。何と言っても、処理が高速であることに加え、これまでは必要された補間近似を行う必要が全くない。但し、本発明において、更なる高速性を重視し、必要に応じて、精度が低下するものの、補間近似を伴う処理を行うこともある。通常の通信やセンサーネットワークにも有効な装置である。デジタル信号処理に基づく本発明に係るデジタルビームフォーミングの利用可能性と市場性は十二分に高い。 Wave signals such as radar, sonar, and other optical waves, sound waves, and heat waves are now often generated by digital devices. It can be applied in conjunction with signal generation only by providing the processing ability to perform the following calculation. Multidimensionalization of various devices is also being attempted, and the importance of the present invention will increase. The objects to be measured are solids, fluids, rheology, inorganic substances, organic substances, living things, environments, etc., and the range of measurement is expected to expand immeasurably. In the future, the size of each device in the apparatus will be further reduced, and a computer can be incorporated at a lower cost even if the computational stress is sufficiently high. You can expect a lot. In addition, it is expected that the development of applications through measurement using waves will become more active, and the range of applications will be broadened. Digitization of various devices is expected to progress further in the future, and at that time, it is believed that the demand for high-precision and high-speed beamforming capable of generating high-precision signals in real time according to the present invention will increase. Best of all, in addition to being faster, there is no need to do the interpolation approximations that were required heretofore. However, in the present invention, further high-speed processing is emphasized, and processing involving interpolation approximation may be performed as necessary, although the accuracy is degraded. It is also an effective device for normal communication and sensor networks. The availability and marketability of digital beamforming according to the present invention based on digital signal processing are more than sufficient.

10…送信トランスデューサ(又はアプリケータ)、10a…送信開口素子、20…受信トランスデューサ(又は受信センサー)、20a…受信開口素子、30…装置本体、31…送信ユニット、31a…送信器、32…受信ユニット、32a…受信器、32b…AD変換器、32c…メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)、33…デジタル信号処理ユニット、34…制御ユニット、35…受信ユニット(又は受信装置)、35a…受信器、35b…AD変換器、35c…メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)、35d…整相加算器、35e…他データ生成部、40…入力装置、50…出力装置、60…外部記憶装置、1…計測対象、1a…造影剤、110…トランスデューサ、111…非線形デバイス、112…作用デバイス、120、120a、120b…イメージング装置本体、121…送信器、121a…送信遅延素子、122…受信器、122a…受信遅延素子、123…フィルタ/ゲイン調整部、124…非線形素子、125…フィルタ/ゲイン調整部、126…検波器、127…AD変換器、128…記憶装置、129…受信ビームフォーマ、130…演算部、131…画像信号生成部、132…計測部、133…制御部、134…表示装置、135…アナログ表示装置、140…外部記憶装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Transmission transducer (or applicator), 10a... Transmission aperture element, 20... Reception transducer (or reception sensor), 20a... Reception aperture element, 30... Apparatus main body, 31... Transmission unit, 31a... Transmitter, 32... Reception Unit, 32a... receiver, 32b... AD converter, 32c... memory (or storage device or storage medium), 33... digital signal processing unit, 34... control unit, 35... receiving unit (or receiving device), 35a... reception device, 35b...AD converter, 35c...memory (or storage device or storage medium), 35d...phasing adder, 35e...other data generator, 40...input device, 50...output device, 60...external storage device, Reference Signs List 1 Measurement object 1a Contrast agent 110 Transducer 111 Nonlinear device 112 Working device 120, 120a, 120b Imaging apparatus body 121 Transmitter 121a Transmission delay element 122 Receiver 122a... Reception delay element, 123... Filter/gain adjustment unit, 124... Non-linear element, 125... Filter/gain adjustment unit, 126... Detector, 127... AD converter, 128... Storage device, 129... Reception beamformer, 130 Calculation unit 131 Image signal generation unit 132 Measurement unit 133 Control unit 134 Display device 135 Analog display device 140 External storage device

Claims (46)

受信開口素子アレイによって定まる直交座標系において、任意方向に位置する波動源から計測対象に向けて任意の波動が送信される場合に、前記計測対象のイメージ信号を生成する計測イメージング装置であって、
前記計測対象から到来する波動を受信して、受信信号をそれぞれ生成する複数の受信開口素子と、
前記受信信号、前記受信信号の直交検波信号、前記受信信号のIQ信号(同相信号及び直交位相信号)、前記受信信号の解析信号の内の1つの信号に、(a)ビームフォーミング処理を適用する所望の時点の近傍のサンプリング点における選択された単一の角周波数と、前記所望の時点と前記サンプリング点との間の時間差との積を指数部分に有する複素指数関数の乗算に基づく位相回転、又は、(b)ビームフォーミング処理を適用する所望の空間的位置の近傍の空間的サンプリング位置における選択された単一の角波数と、前記所望の空間的位置と前記空間的サンプリング位置との間の距離との積を指数部分に有する複素指数関数の乗算に基づく位相回転を少なくとも施すことにより、前記所望の時点又は空間的位置における信号を補間近似によって求め、前記複数の受信開口素子について求められた複数の信号を用いて整相加算処理を行い、前記複数の受信開口素子の正面方向との間で零度又は非零度の偏角又は仰角及び方位角で表されるステアリング角度を成す送信分又は受信分のステアリングを行うことを含む送信分又は受信分のビームフォーミング処理を施すことにより、少なくとも2つの方向を座標軸とする所望の座標系において前記イメージ信号を生成する信号処理部と、
を具備する計測イメージング装置。
A measurement imaging apparatus for generating an image signal of a measurement target when arbitrary waves are transmitted from a wave source positioned in an arbitrary direction toward the measurement target in a rectangular coordinate system defined by a reception aperture element array,
a plurality of reception aperture elements for receiving waves arriving from the object to be measured and generating respective reception signals;
(a) a beam to one of the received signal , the quadrature detection signal of the received signal, the IQ signal (in-phase signal and quadrature phase signal) of the received signal, and the analysis signal of the received signal; A complex exponential function whose exponent part is the product of a selected single angular frequency at a sampling instant near a desired instant to which the forming process is to be applied and the time difference between said desired instant and said sampling instant . or (b) a selected single angular wavenumber at a spatial sampling location in the vicinity of the desired spatial location to which the beamforming process is applied, and the desired spatial location and the spatial obtaining the signal at the desired time point or spatial position by interpolation approximation by applying at least a phase rotation based on multiplication of a complex exponential function whose exponent part is the product of the distance between the target sampling position and the plurality of Phased addition processing is performed using a plurality of signals obtained for the reception aperture elements, and steering represented by zero or non-zero deflection angles or elevation and azimuth angles with respect to the front direction of the plurality of reception aperture elements. Signal processing for generating the image signal in a desired coordinate system having coordinate axes in at least two directions by applying a transmit or receive component beamforming process including steering an angular transmit or receive component. Department and
A measurement imaging device comprising:
前記複素指数関数の指数部分が、位相収差補正を含む、請求項1に記載の計測イメージング装置。 2. The metrology imaging apparatus of claim 1, wherein the exponential portion of the complex exponential function includes phase aberration correction. 前記信号処理部が、
(i)前記受信信号に対して整相加算処理を行うべく、前記受信信号のサンプリング信号そのものと、前記サンプリング信号に時空間の補間近似処理、又は、前記サンプリング信号のスペクトルの周囲に零スペクトルを加えて広帯域化することによる補間近似処理を施してアップサンプリングしたものとの内の一方を、少なくとも整相加算処理することと、
(ii)前記受信信号に対して整相加算処理を行うべく、前記受信信号のサンプリング方向に対応する周波数で表される局所信号のスペクトルに、(a)角周波数と、ビームフォーミング処理を適用する所望の時点と近傍のサンプリング点との間の時間差との積を指数部分に有し、該指数部分が補正を含むことがある複素指数関数の乗算に基づく位相回転、又は、(b)角波数と、ビームフォーミング処理を適用する所望の空間的位置と近傍の空間的サンプリング位置との間の距離との積を指数部分に有し、該指数部分が補正を含むことがある複素指数関数の乗算に基づく位相回転を施し、前記複数の受信開口素子について複数の局所信号をサンプリング方向に整相したものを、少なくとも加算処理することと、
(iii)前記受信信号に対してフーリエビームフォーミングを行うべく、フーリエ変換又はその後の逆フーリエ変換において波数マッチングを施し、いずれの座標軸方向においても補間近似処理を含まないか、又は、少なくとも1つの座標軸方向において補間近似処理を含む波数マッチングを行うことと、
の内の少なくとも1つに基づいて、前記所望の座標系において前記イメージ信号とは異なる別のイメージ信号を生成する、請求項1又は2に記載の計測イメージング装置。
The signal processing unit is
(i) In order to perform phasing addition processing on the received signal, the sampled signal itself of the received signal and the spatio-temporal interpolation approximation processing on the sampled signal, or a zero spectrum around the spectrum of the sampled signal At least one of the up-sampled ones obtained by performing interpolation approximation processing by broadening the band by adding and performing phasing addition processing,
(ii) In order to perform phasing addition processing on the received signal, the spectrum of the local signal represented by the frequency corresponding to the sampling direction of the received signal is subjected to (a) angular frequency and beamforming processing. A phase rotation based on multiplication of complex exponential functions having in the exponent part the product of the time difference between the desired instant to apply and the time difference between the nearby sampling instant , where the exponent part may contain the correction , or (b ) a complex exponent having in the exponent part the product of the angular wavenumber and the distance between the desired spatial position to which the beamforming process is to be applied and the neighboring spatial sampling position, where the exponent part may contain the correction performing phase rotation based on multiplication of a function, and at least adding a plurality of local signals phased in the sampling direction for the plurality of reception aperture elements;
(iii) performing wavenumber matching in a Fourier transform or a subsequent inverse Fourier transform to perform Fourier beamforming on said received signal, without interpolation approximation in any coordinate axis direction, or at least one coordinate axis; performing wavenumber matching including interpolation approximation in the direction;
3. The metrology imaging apparatus of claim 1 or 2, generating another image signal different from said image signal in said desired coordinate system based on at least one of:
零度又は非零度の偏角又は仰角及び方位角で表されるステアリング角度を成す少なくとも1つのビーム又は少なくとも1つの波動を前記計測対象に向けて送信する少なくとも1つの送信開口素子と、
同一時刻、同一の時相の異なる時刻、又は、略同一の時相において、偏角又は仰角及び方位角が同一であるか、又は、偏角と仰角と方位角との内の少なくとも1つが異なると共に、フォーカス又は位相収差に関連するパラメータを含むその他の波動パラメータ及びビームフォーミングパラメータが同一であるか、若しくは、それらの内の少なくとも1つが異なる複数のビーム又は複数の波動を前記計測対象に向けて送信する少なくとも1つの送信開口素子と、
の内の一方をさらに具備するか、あるいは、前記複数の受信開口素子の内の少なくとも1つが、前記少なくとも1つの送信開口素子を兼ね、前記少なくとも1つの送信開口素子を駆動する送信信号を生成する信号生成部をさらに具備する、請求項1~3のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。
at least one transmit aperture element that transmits at least one beam or at least one wave forming a steering angle expressed in zero or non-zero declination or elevation and azimuth angles toward the measurement target;
At the same time, at different times in the same time phase, or at substantially the same time phase, the declination or elevation and azimuth angles are the same, or at least one of the declination, elevation and azimuth angles is different. In addition, a plurality of beams or a plurality of waves in which other wave parameters and beam forming parameters including parameters related to focus or phase aberration are the same or at least one of which is different are directed toward the measurement target. at least one transmitting aperture element for transmission;
or at least one of said plurality of receive aperture elements doubles as said at least one transmit aperture element and generates a transmit signal that drives said at least one transmit aperture element 4. The measurement imaging apparatus according to claim 1, further comprising a signal generator.
複数の送信開口素子を含む送信開口素子アレイを用いて送信又は受信の開口面合成処理に基づいて有効開口で走査を行う際に、前記信号生成部が、送信強度を強くすべく複数の送信開口素子を1つの送信開口素子として同時に駆動して波動を送信するか、又は、前記信号処理部が、受信強度を強くすべく複数の受信開口素子を1つの受信開口素子として受信信号を合成する、請求項4に記載の計測イメージング装置。 When scanning is performed with an effective aperture based on aperture plane synthesis processing for transmission or reception using a transmission aperture element array including a plurality of transmission aperture elements, the signal generation unit generates a plurality of transmission apertures to increase transmission intensity. The elements are simultaneously driven as one transmission aperture element to transmit waves, or the signal processing unit combines a plurality of reception aperture elements as one reception aperture element to synthesize received signals in order to increase the reception intensity. The measurement imaging apparatus according to claim 4. 1回の送信又は受信において、同一方向又は異なる方向の複数の異なる位置に送信フォーカシングを行うか、又は、複数の異なる方向に送信ビーム又は受信ビームをステアリングする、請求項1~5のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 6. The method of any one of claims 1 to 5, wherein in a single transmission or reception, transmit focusing is performed at multiple different locations in the same or different directions, or steering the transmit beam or receive beam in multiple different directions. 11. The measurement imaging device according to the item. 前記信号処理部が、前記受信信号に対して、1次元フーリエ変換処理、多次元フーリエ変換処理、若しくは、微分処理を施すことを通じてヒルベルト変換を行うか、又は、非線形処理を施して直交検波を行うことにより、前記解析信号を求める、請求項1~6のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 The signal processing unit performs Hilbert transform by performing one-dimensional Fourier transform processing, multi-dimensional Fourier transform processing, or differentiation processing on the received signal, or performs quadrature detection by performing nonlinear processing. The measurement imaging apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the analytic signal is obtained by: 前記信号処理部が、前記イメージ信号を生成する前、生成する間、又は、生成した後に、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号と、散乱、減衰、透過、反射、屈折、インピーダンス、伝搬速度、伝搬方向、ステアリング角度、干渉、位相収差、周波数分散、又は、非線形特性を含み、波動に関する計測データとの内の少なくとも一方を生成し、また、前記位相収差の計測においては、相互相関ベース処理、自己相関処理、ブロックマッチング、又は、時空間又は周波数空間における位相の回転処理に基づき、反復的に行うことがあり最適化を伴うことがある位相マッチングを行い、さらに、前記受信信号、前記イメージ信号、前記加工された別のイメージ信号、又は、前記波動に関する計測データを用いて、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における組成、構造、変位、温度、又は、物理量若しくは化学量若しくは物性を含む再構成を含む計測データを生成することがある、請求項1~7のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 Another image signal processed by performing at least one additional processing before, during, or after the signal processing unit generates the image signal, and scattering, attenuation, transmission, and reflection. , refraction, impedance, velocity of propagation, direction of propagation, steering angle, interference, phase aberration, frequency dispersion, or nonlinear characteristics, and/or measurement data about the wave, and measuring the phase aberration performs phase matching, which may be iterative and may involve optimization, based on cross-correlation-based processing, autocorrelation processing, block matching, or phase rotation processing in space-time or frequency space; and , using the received signal, the image signal, the processed another image signal, or the measurement data about the wave, electromagnetism, mechanics, thermology, biology, or chemical phenomena related to the measurement object A metrology imaging apparatus according to any one of claims 1 to 7, capable of producing metrology data comprising composition, structure, displacement, temperature, or reconstruction comprising physical or chemical quantities or physical properties. 前記信号処理部が、前記計測対象として、(i)縦波、横波、表面波、入射波、反射波、散乱波、屈折波、回折波、干渉波、ガイド波(Guided波)、衝撃波、又は、偏波を含むことがある波動と、(ii)波動源と、(iii)媒体と、(iv)前記計測対象のセンシングのために送信又は受信される波動との内の少なくとも1つをさらに詳細に計測又は分析して新しい情報を得るために、送信又は受信される波動の受信信号、前記イメージ信号、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号、波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データを、時空間領域、波数領域、又は、周波数領域において処理又は加工し、その結果を計測又はイメージングに用いる、請求項1~8のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 (i) longitudinal wave, transverse wave, surface wave, incident wave, reflected wave, scattered wave, refracted wave, diffracted wave, interference wave, guided wave, shock wave, or , a wave that may include polarization, (ii) a wave source, (iii) a medium, and (iv) a wave transmitted or received for sensing of said measurement object. A received signal of transmitted or received waves, the image signal, another image signal processed by at least one additional processing, measurement data about the waves, for detailed measurement or analysis to obtain new information. Or, processing or processing measurement data in electromagnetic, dynamic, thermodynamic, biological, or chemical phenomena related to the measurement object in the spatio-temporal domain, wavenumber domain, or frequency domain, and measuring or The measurement imaging apparatus according to any one of claims 1 to 8, which is used for imaging. 前記波動源から前記計測対象に向けて送信される波動そのものが時空間領域又は周波数領域において少なくとも1つの方向に周波数変調されたものであるか、
あるいは、前記波動源から前記計測対象に向けて送信された波動が前記計測対象において少なくとも1つの方向に周波数変調されるか、
あるいは、前記信号処理部が、前記受信信号、前記イメージ信号、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号、波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データに対して、時空間領域又は周波数領域において少なくとも1つの方向に周波数変調処理を施す、請求項1~9のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。
whether the wave itself transmitted from the wave source toward the measurement object is frequency-modulated in at least one direction in the spatio-temporal domain or the frequency domain;
Alternatively, waves transmitted from the wave source toward the measurement object are frequency-modulated in at least one direction in the measurement object,
Alternatively, the signal processing unit may process the received signal, the image signal, another image signal processed by performing at least one additional processing, measurement data related to waves, or electromagnetism, mechanics, The measurement according to any one of claims 1 to 9, wherein measurement data in thermodynamic, biological, or chemical phenomena are subjected to frequency modulation processing in at least one direction in the spatio-temporal domain or the frequency domain. imaging device.
前記信号処理部が、周波数領域において、前記受信信号、前記イメージ信号、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号、波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データの角スペクトルの帯域からステアリング角度の上限を決め、その際にエイリアシングを生じる場合には、エイリアシングが生じたスペクトル部分をフィルタリングで除去するか、エイリアシングが生じた方向にスペクトルの零詰めを通じた広帯域化を行うか、又は、空間領域においてエイリアシングが生じた方向にオーバーサンプリング若しくはアップサンプリングを行う、請求項1~10のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 The signal processing unit performs, in the frequency domain, the received signal, the image signal, another image signal processed by performing at least one additional processing, measurement data related to waves, or electromagnetics related to the measurement target, Determining the upper limit of the steering angle from the band of the angular spectrum of the measurement data in dynamics, thermodynamics, biology, or chemistry, and filtering out the aliased spectrum part when aliasing occurs at that time or perform band widening through spectral zero stuffing in the direction in which aliasing occurs, or perform oversampling or upsampling in the direction in which aliasing occurs in the spatial domain, according to any one of claims 1 to 10 The metrology imaging device described. 前記受信信号、前記イメージ信号、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号、波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データが、デカルト直交座標系又は極座標系を含む直交座標系において表される場合に、前記信号処理部が、相互相関ベース処理、自己相関処理、ブロックマッチング、又は、時空間又は周波数空間又は位相そのものにおける位相の回転処理を行う際に反復的に行うことがあり、位相収差補正、移動処理、位相マッチング、位置合わせ、位置補正、変位計測、又は、動き補償を含む処理を行うべく、時空間における並進と回転に関し、前記並進若しくは前記回転のみを施すか、前記並進の次に前記回転を施すか、前記回転の後に前記並進を施すか、各々を反復的若しくは交互に施すか、又は、伸縮の処理を交える、請求項1~11のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 the received signal, the image signal, another image signal processed by performing at least one additional processing, measurement data related to waves, or electromagnetics, mechanics, thermology, biology related to the measurement object, or When the measurement data in the chemical phenomenon is expressed in an orthogonal coordinate system including a Cartesian orthogonal coordinate system or a polar coordinate system, the signal processing unit performs cross-correlation-based processing, autocorrelation processing, block matching, or spatio-temporal or It may be iterative to perform phase rotation in frequency space or phase itself, including phase aberration correction, translation processing, phase matching, alignment, position correction, displacement measurement, or motion compensation. In terms of translation and rotation in space-time, whether only the translation or the rotation is applied, the rotation is applied after the translation, the translation is applied after the rotation, or each is applied repeatedly or alternately 12. The measurement imaging apparatus according to any one of claims 1 to 11, which intersects expansion and contraction processing. 前記信号処理部が、前記波動源又は前記計測イメージング装置内のデバイスにおいて位相変化により生じる周波数依存性を有することがある波形歪を含む受信信号に対して波形を補正するか、
あるいは、前記波動源が、予め求めておいた前記波動源又は前記デバイスにおいて生じる周波数依存性を有することがある波形歪を補償する波動を生成するか、
あるいは、前記信号処理部が、それらの波形歪に加えて、前記計測対象において生じる波形歪又は信号強度の減衰も補正する、請求項1~12のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。
wherein the signal processor corrects a waveform for a received signal that includes waveform distortion that may have frequency dependence caused by phase changes in the wave source or devices in the metrology imaging apparatus;
Alternatively, the wave source generates a wave that compensates for waveform distortion that may have frequency dependence occurring in the wave source or device that has been determined in advance, or
Alternatively, the measurement imaging apparatus according to any one of claims 1 to 12, wherein the signal processing unit corrects waveform distortion or attenuation of signal intensity occurring in the measurement target in addition to those waveform distortions.
前記信号処理部が、前記受信信号、ビームフォーミング処理中の受信信号、前記イメージ信号、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号、波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データに対して、
機械学習を含むことがある重ね合わせ又はスペクトルの分割を含むことがある線形処理と、
機械学習を含むことがある乗算又は冪乗の効果を含むことがある非線形処理と、
機械学習を含むことがある増幅又は減衰と、
機械学習を含むことがあるアポダイゼーションと、
機械学習を含むことがあるフィルタリングと、
機械学習を含むことがある、符号化又はチャープ波送信に対する復号化又はマッチドフィルタリング又は相関処理と、
機械学習を含むことがある検波と、
前記復号化、前記マッチドフィルタリング、前記相関処理、ウィーナーフィルタリング、MUSIC(Multiple Signal Classification:受信信号の相関行列の固有値又は固有ベクトルを用いる無線通信技術)、又は、機械学習を含むことがある検出処理と、
前記重ね合わせ、前記復号化、前記マッチドフィルタリング、前記相関処理、MIMO(Multiple-input and Multiple-output:送信側及び受信側において複数のアンテナを組み合わせて送受信信号の帯域を広げる無線通信技術)、SIMO(Single-input and Multiple-output:送信側において1つのアンテナを用い、受信側において複数のアンテナを用いて受信信号の帯域を広げる無線通信技術)、前記MUSIC、正則化又は特異値分解を行うことがある独立成分分析(Independent Component Analysis:ICA)、主成分分析(Principal Component Analysis:PCA)、特異値分解、機械学習、又は、パラメトリックな方法を含むことがある、共通情報の多重化処理又は独立な情報若しくは信号源の分離処理と、
ブロックマッチング、位相処理、又は、機械学習を含み、相互相関ベース処理、自己相関処理、ブロックマッチング、又は、時空間又は周波数空間における位相の回転処理を行う際に反復的に行うことがある、位相収差補正、移動処理、位相マッチング、位置合わせ、位置補正、変位計測、又は、動き補償と、
強調、機械学習、又は、画像計測を含むことがある画像処理と、
単独の観測だけでなく複数の観測の下での過剰システムを用いること、機械学習、正則化、ベイズ推定、MAP(Maximum a posteriori:最大事後確率)推定、最尤推定、ウィーナーフィルタリング、最小二乗法、EM(Expectation-Maximization:期待値最大化)法、特異値分解法、線形又は非線形計画法、又は、凸射影を含むことがある最適化処理と、
コヒーレント信号若しくはインコヒーレント信号における機械学習、逆フィルタリング、逆合成開口レーダー(Inverse Synthetic Aperture Radar:ISAR)、前記最適化処理、マッチドフィルタリング、相関処理、又は、MUSICを含むことがある超解像と、
機械学習、非線形処理、又は、コヒーレンスファクターを用いることを含むことがある高分解能化又は高コントラスト化と、
機械学習を含むことがあるスペックル低減又はノイズ低減と、
機械学習を含むことがあるか、又は、正則化若しくは特異値分解を行うことがある、アダプティブビームフォーミング、ミニマムバリアンスビームフォーミング、カポン(Capon)法、又は、圧縮センシング(Compressed Sensing)と、
機械学習を含むことがある分析又は解析と、
機械学習又は前記最適化処理を含むことがある、電磁気学、力学、熱学、化学、又は、生物学の現象における物理量、化学量、又は、物性の計測若しくは再構成(逆解析又は逆問題)と、
機械学習を含むことがある可視化と、
確率統計処理又は機械学習を含むことがある数理又は情報処理と、
機械学習を含むことがある、特徴抽出、計測対象の等価器の生成、スパースモデリング、データ圧縮、又は、データマイニングと、
機械学習を含むことがある並列処理と、
機械学習を含むことがある、複数の同種又は異種の情報の混合と、
KL(カルバック・ライブラー)情報量、相互情報量、エントロピー、最尤推定、ベイズ推定、又は、EM法を用いたり、機械学習を含むことがある、複数の同種又は異種の情報の統合、融合、数値化、認識、判断、又は、診断と、
の内の少なくとも1つの付加的な処理を行い、周囲のデバイスの制御装置と等価であるか、別装置と通信するか、別装置を制御するか、別装置に制御されるか、又は、ロボット若しくは移動体を含むことがある機能装置に搭載されることがある、請求項1~13のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。
The signal processing unit processes the received signal, the received signal during beamforming processing, the image signal, another image signal processed by performing at least one additional processing, measurement data related to waves, or the measurement target for measured data on electromagnetic, mechanical, thermal, biological, or chemical phenomena relating to
linear processing, which may include superposition or spectral segmentation, which may include machine learning;
non-linear processing, which may include multiplicative or exponentiation effects, which may include machine learning;
amplification or attenuation, which may involve machine learning;
apodization, which may include machine learning;
filtering, which may include machine learning;
encoding or decoding or matched filtering or correlation processing for chirp wave transmissions, which may include machine learning;
detection, which may include machine learning;
detection processing, which may include said decoding, said matched filtering, said correlation processing, Wiener filtering, MUSIC (Multiple Signal Classification: a wireless communication technique using eigenvalues or eigenvectors of a correlation matrix of received signals), or machine learning;
The superimposition, the decoding, the matched filtering, the correlation processing, MIMO (Multiple-input and Multiple-output: wireless communication technology that combines multiple antennas on the transmitting side and the receiving side to widen the band of transmitted and received signals), SIMO (Single-input and Multiple-output: wireless communication technology that uses one antenna on the transmitting side and multiple antennas on the receiving side to widen the band of the received signal), performing the MUSIC, regularization or singular value decomposition Multiplexed processing of common information or independent information or signal source separation processing,
Phase, including block matching, phase processing, or machine learning, which may be iterative in performing cross-correlation-based processing, autocorrelation processing, block matching, or rotation of phase in space-time or frequency space aberration correction, movement processing, phase matching, registration, position correction, displacement measurement, or motion compensation;
image processing, which may include enhancement, machine learning, or image measurement;
Using excess systems under multiple observations as well as single observations, machine learning, regularization, Bayesian estimation, MAP (Maximum a posteriori) estimation, maximum likelihood estimation, Wiener filtering, least squares method , EM (Expectation-Maximization), singular value decomposition, linear or non-linear programming, or convex projection;
machine learning on coherent or incoherent signals, inverse filtering, Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR), said optimization processing, matched filtering, correlation processing, or super-resolution, which may include MUSIC;
resolution enhancement or contrast enhancement, which may include using machine learning, non-linear processing, or coherence factors;
speckle reduction or noise reduction, which may include machine learning;
adaptive beamforming, minimum variance beamforming, Capon method, or compressed sensing, which may involve machine learning or may perform regularization or singular value decomposition;
analysis or analytics, which may include machine learning;
Measurement or reconstruction (inverse analysis or inverse problem) of physical quantities, chemical quantities, or physical properties in electromagnetic, mechanical, thermal, chemical, or biological phenomena, which may involve machine learning or said optimization process When,
visualization, which may include machine learning;
mathematics or information processing, which may include stochastic statistical processing or machine learning;
feature extraction, instrumented equalizer generation, sparse modeling, data compression, or data mining, which may include machine learning;
parallel processing, which may include machine learning;
Mixing multiple homogeneous or heterogeneous information, which may involve machine learning;
Integration and fusion of multiple homogenous or heterogeneous information, which may include KL (Kullback-Leibler) information, mutual information, entropy, maximum likelihood estimation, Bayesian estimation, or EM methods, or may involve machine learning , quantifying, recognizing, judging, or diagnosing,
and performs at least one additional processing of the following: is equivalent to the controller of the surrounding device, communicates with another device, controls another device, is controlled by another device, or is a robot 14. The measurement imaging apparatus according to any one of claims 1 to 13, which may be installed in a functional device which may include a movable body.
前記受信信号、前記イメージ信号、前記加工された別のイメージ信号、前記波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データが、低いSN比を有するか、多重反射又は多重散乱の信号を含むか、又は、スペックル信号を含むときに、前記信号処理部が、相互相関ベース処理、自己相関処理、ブロックマッチング、又は、時空間又は周波数空間における位相の回転処理を行う際に反復的に行うことがあり、位相収差補正、移動処理、位相マッチング、位置合わせ、位置補正、変位計測、動き補償、又は、異なる複数の波動に関するインコヒーレント信号の重ね合わせを含むことがある、前記フィルタリング、前記復号化、前記マッチドフィルタリング、前記相関処理、前記ウィーナーフィルタリング、前記MUSIC、前記検出処理、前記分離処理、又は、前記機械学習を施して信号検出を行う、請求項14に記載の計測イメージング装置。 The received signal, the image signal, the processed separate image signal, the measurement data on the wave motion, or the measurement data on electromagnetic, dynamic, thermodynamic, biological, or chemical phenomena on the measurement object, When the signal processing unit has a low signal-to-noise ratio, contains multiple reflections or multiple scattering signals, or contains speckle signals, the signal processing unit performs cross-correlation-based processing, autocorrelation processing, block matching, or spatio-temporal processing. Or iteratively when performing phase rotation processing in frequency space, phase aberration correction, translation processing, phase matching, alignment, position correction, displacement measurement, motion compensation, or inference for different waves. Signals subjected to said filtering, said decoding, said matched filtering, said correlation processing, said Wiener filtering, said MUSIC, said detection processing, said separation processing, or said machine learning, which may include superposition of coherent signals. 15. The metrology imaging apparatus of claim 14, which performs detection. 前記信号処理部が、
(i)前記受信信号、ビームフォーミング処理中の信号、前記イメージ信号、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号、波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データに対して、1次元信号又は多次元信号の空間位置に関する周波数を求め、その周波数そのものを表示するか、位相回転を除いた位相を求め、その位相そのものを表示するか、余弦関数若しくは正弦関数を掛けて表示するか、又は、さらに前記1次元信号又は前記多次元信号の包絡線で重み付けして表示することと、
(ii)関心領域全体又は局所毎の1次元又は多次元の前記受信信号、前記イメージ信号、前記加工された別のイメージ信号、前記波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データの周波数応答に、各周波数において、関心領域全体又は局所の波動又は波動の特性の1次元又は多次元の周波数応答の共役を乗じて逆フーリエ変換して表示することと、
(iii)関心領域全体又は局所毎の1次元又は多次元の前記受信信号、前記イメージ信号、前記加工された別のイメージ信号、前記波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データの周波数応答を、各周波数において、関心領域全体又は局所毎の波動又は波動の特性の1次元又は多次元の周波数応答で除して媒体の周波数特性を求め、その逆フーリエ変換を表示することと、
(iv)関心領域全体又は局所毎の1次元又は多次元の前記受信信号、前記イメージ信号、前記加工された別のイメージ信号、前記波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データそのものを、関心領域全体又は局所毎の波動又は波動の特性の1次元又は多次元のインパルスレスポンスでデコンボリューションして媒体の特性を求め、その結果を表示することと、
の内の少なくとも1つを行い、前記計測対象から到来する波動、又は、前記波動源若しくは媒体若しくは前記計測対象のセンシングのために送信又は受信される波動の特性の空間分布又は時空間分布を求めて表示するか、又は、超解像を行って表示し、前記波動の周波数特性又はインパルスレスポンスが、別の参照物、前記受信信号、前記イメージ信号、又は、前記加工された別のイメージ信号から得られたものであることがある、請求項1~15のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。
The signal processing unit is
(i) the received signal, the signal during beamforming, the image signal, another image signal processed by at least one additional processing, measurement data related to waves, or electromagnetics related to the measurement object; For measurement data in dynamics, thermology, biology, or chemistry, find the frequency related to the spatial position of the one-dimensional signal or multi-dimensional signal, and display the frequency itself or phase rotation and displaying the phase itself, multiplying it by a cosine function or sine function, or further weighting it with the envelope of the one-dimensional signal or the multi-dimensional signal and displaying it When,
(ii) one-dimensional or multi-dimensional received signal, image signal, processed another image signal, measurement data on the wave, or electromagnetism, dynamics on the measurement object, for the entire region of interest or for each local, Inverse Fourier multiplication of the frequency response of the measured data in a thermodynamic, biological, or chemical phenomenon, at each frequency, by the conjugate of the one-dimensional or multi-dimensional frequency response of the overall or local wave or wave properties of interest converting and displaying;
(iii) one-dimensional or multi-dimensional received signal, image signal, processed another image signal, measurement data related to the wave, or electromagnetics, dynamics related to the measurement target, for the entire region of interest or for each local, The frequency response of the measured data in a thermal, biological, or chemical phenomenon is divided at each frequency by the one-dimensional or multi-dimensional frequency response of the wave or wave characteristics for the entire region of interest or for each locality. obtaining a frequency characteristic and displaying its inverse Fourier transform;
(iv) one-dimensional or multi-dimensional received signal, image signal, processed another image signal, measurement data related to the wave, or electromagnetics, dynamics related to the measurement target, for the entire region of interest or for each local, Deconvolution of measurement data itself in thermodynamic, biological or chemical phenomena with one-dimensional or multi-dimensional impulse responses of waves or wave characteristics for the entire region of interest or for each local area to determine the characteristics of the medium. displaying the results;
to determine the spatial distribution or spatio-temporal distribution of the characteristics of the waves coming from the object to be measured, or the waves transmitted or received for sensing the wave source or medium or the object to be measured. or display with super-resolution, wherein the frequency characteristics or impulse response of the wave is obtained from another reference, the received signal, the image signal, or the processed another image signal A metrology imaging apparatus according to any one of claims 1 to 15, which can be obtained.
前記受信信号、前記イメージ信号、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号、波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データの所望の点拡がり関数若しくはスペクトル強度を、前記計測対象又は参照物に対して理想的なパラメータの下でビームフォーミングを1回行うか、ビームフォーミングを複数回行ってアンサンブル平均を行うか、局所の定常過程の下で加算平均を行って観測するか、又は、解析、シミュレーション、若しくは、最適化により設定し、デコンボリューションの結果にコンボリューション処理を行うか、又は、スペクトル強度を重み付け処理する、請求項1~16のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 the received signal, the image signal, another image signal processed by performing at least one additional processing, measurement data related to waves, or electromagnetics, mechanics, thermology, biology related to the measurement object, or A desired point spread function or spectral intensity of measurement data in a chemical phenomenon is subjected to beamforming under ideal parameters for the measurement target or reference object, or beamforming is performed multiple times and ensemble averaged. or perform averaging under a local stationary process and observe, or set by analysis, simulation, or optimization, and perform convolution processing on the result of deconvolution, or spectral intensity 17. The measurement imaging apparatus according to any one of claims 1 to 16, wherein the weighting process is performed on . 前記受信信号、前記イメージ信号、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号、波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データに対して、1次元の点拡がり関数を1次元自己相関関数を求めて推定するか、又は、多次元の点拡がり関数を多次元自己相関関数を求めて推定すると共に、(i)波動の波長と、(ii)波動の伝搬速度と、(iii)力学波の力源となる放射圧又は衝撃波と、(iv)熱波の熱源となる強力集束超音波(High Intensity Focus Ultrasound:HIFU)治療圧と、(v)自己発散的(self-emanating)な波動源を含む波動源の形状との内の少なくとも1つを推定し、さらに逆解析に応用して前記波動源の強さを推定するか、又は、前記受信信号、前記イメージ信号、前記加工された別のイメージ信号、前記波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データの空間分解能を推定することがある、請求項1~17のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 the received signal, the image signal, another image signal processed by performing at least one additional processing, measurement data related to waves, or electromagnetics, mechanics, thermology, biology related to the measurement object, or Estimate a one-dimensional point spread function by obtaining a one-dimensional autocorrelation function or estimate a multidimensional point spread function by obtaining a multidimensional autocorrelation function for measurement data in a chemical phenomenon, (i) the wavelength of the wave, (ii) the propagation velocity of the wave, (iii) the radiation pressure or shock wave that is the force source of the mechanical wave, and (iv) the high intensity focused ultrasound that is the heat source of the thermal wave. estimating at least one of Ultrasound (HIFU) treatment pressure and (v) the shape of a wave source, including a self-emanating wave source, and applying an inverse analysis to the wave source. estimating the intensity, or measuring data about the received signal, the image signal, the processed another image signal, the wave, or electromagnetics, mechanics, thermology, biology, or 18. The metrology imaging apparatus according to any one of claims 1 to 17, wherein the metrology imaging apparatus is capable of estimating the spatial resolution of metrology data in chemical phenomena. 変位ベクトルをドプラ観測すべく、前記信号処理部が、交差する複数のビーム又は波動の前記受信信号、前記イメージ信号、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号、波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データにデジタルデモジュレーション処理又は非線形処理を施してエイリアシングが生じた場合に、エイリアシングが生じた方向に前記受信信号を広帯域化して処理することなく、エイリアシングが生じた方向の周波数座標の周波数領域を読み替えて直接的に正しく求まるキャリア周波数に基づいてドプラ処理を行う、請求項1~18のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 For Doppler observation of a displacement vector, the signal processing unit processes the received signals of a plurality of intersecting beams or waves, the image signal, another image signal processed by performing at least one additional processing, the wave Aliasing occurs when measurement data or measurement data in electromagnetic, dynamic, thermodynamic, biological, or chemical phenomena related to the measurement object is subjected to digital demodulation processing or nonlinear processing to cause aliasing. Doppler processing is performed based on the carrier frequency directly and correctly obtained by replacing the frequency domain of the frequency coordinates in the direction in which aliasing occurs without broadband processing the received signal in the direction. 1. The measurement imaging device according to claim 1. 前記信号処理部が、前記受信信号、前記イメージ信号、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号、波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データのサイドローブ又はグレーティングローブを除く処理を行うか、あるいは、前記サイドローブ又は前記グレーティングローブを積極的に用いる、請求項1~19のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 The signal processing unit processes the received signal, the image signal, another image signal processed by performing at least one additional processing, measurement data related to waves, or electromagnetics, mechanics, and thermodynamics related to the measurement target , Biology, or performing processing to remove the side lobes or grating lobes of the measurement data in the phenomenon of chemistry, or actively using the side lobes or the grating lobes, any one of claims 1 to 19 4. The measurement imaging device according to . 前記信号処理部が、
(i)前記計測対象のイメージングの精度を向上させるために、前記受信信号、前記イメージ信号、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号、又は、波動に関する計測データそのものから直接的に推定される分散又は共分散又はスペクトルを用いることと、
(ii)前記計測対象の計測又は再構成の精度を向上させるために、実際に計測された前記計測又は前記再構成の結果そのものから直接的に推定される分散又は共分散又はスペクトルを用いるか、あるいは、前記受信信号、前記イメージ信号、又は、前記加工された別のイメージ信号から間接的に推定されるZZLB(Ziv-Zakai Lower Bound:ジブ・ザカイ下方限界)又はパワードプラを含む分散又は共分散又はスペクトルを用いて、時間座標又は空間座標において、最適化処理又は確率統計処理することと、
の内の少なくとも一方を行う、請求項1~20のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。
The signal processing unit is
(i) from the received signal, the image signal, another image signal processed by performing at least one additional processing, or the wave measurement data itself, in order to improve the accuracy of the imaging of the measurement object; using directly estimated variances or covariances or spectra;
(ii) In order to improve the accuracy of the measurement or reconstruction of the measurement target, use the variance or covariance or spectrum directly estimated from the actually measured measurement or reconstruction result itself, Alternatively, variance or covariance including Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB) or power Doppler indirectly estimated from the received signal, the image signal, or the processed separate image signal or optimization or stochastic processing in temporal or spatial coordinates using the spectrum;
The measurement imaging apparatus according to any one of claims 1 to 20, which performs at least one of
前記信号処理部が、計測又は再構成のためにアンバイアスな正則化を行うか、あるいは、計測又は再構成の対象が一定値を持つ場合に正則化パラメータを極めて大きく設定することにより安定化させて高精度化する、請求項1~21のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 The signal processing unit performs unbiased regularization for measurement or reconstruction, or stabilizes by setting a very large regularization parameter when the object of measurement or reconstruction has a constant value. 22. The measurement imaging apparatus according to any one of claims 1 to 21, wherein the accuracy is improved by 受信される波動が、任意の電磁波、任意の力学的波動、及び、任意の熱波の内の少なくとも1つを含む、請求項1~22のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 A metrology imaging apparatus according to any preceding claim, wherein the waves received comprise at least one of any electromagnetic wave, any mechanical wave, and any thermal wave. 受信される波動が、前記計測対象に向けて送信される波動とは物理的に異なる種類の波動である、請求項1~23のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 24. The measurement imaging apparatus according to any one of claims 1 to 23, wherein the wave motion to be received is a type of wave motion physically different from the wave motion to be transmitted toward the object to be measured. 前記信号処理部が、物理的な波動源、物理的な送信開口素子アレイ、物理的な波動源とは別に設定される仮想的な波動源、物理的な送信開口素子アレイとは別に設定される仮想的な送信開口素子アレイ、物理的な受信開口素子アレイ、又は、物理的な受信開口素子アレイとは別に設定される仮想的な受信開口素子アレイに関して前記受信信号を処理する、請求項1~24のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 The signal processing unit includes a physical wave source, a physical transmission aperture element array, a virtual wave source set separately from the physical wave source, and a set separate from the physical transmission aperture element array. Processing the received signal with respect to a virtual transmit aperture element array, a physical receive aperture element array, or a virtual receive aperture element array set separately from the physical receive aperture element array, according to claims 1- 25. The metrology imaging device according to any one of 24. 前記信号処理部が、複数の波動又は計測データを用いてイメージング又は計測の精度を向上させるべく、変位観測を行うか又はマルコフモデルを含むことのあるモデルに基づいて変位を予測して、ブロックマッチング、又は、時空間又は周波数空間における位相の回転処理を行う際に反復的に行うことがあり、位相収差補正、移動処理、位相マッチング、位置合わせ、位置補正、変位計測、又は、動き補償を施して、前記複数の波動又は計測データの位置合わせを行い、前記計測対象から到来する同一又は異なる種類の複数の波動の前記受信信号、前記イメージ信号、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号、波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データにおいて、前記位置合わせを行った上で、同種又は異種の複数の情報の統合又は融合、共通情報の多重化と独立情報若しくは独立な信号源の分離、超解像、又は、画像処理を行うか、あるいは、超解像又は画像処理の後に位置合わせを行うことがある、請求項1~25のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 The signal processing unit performs displacement observations or predicts displacements based on models, which may include Markov models, to improve imaging or measurement accuracy using multiple waves or measurement data, and block matching. Or, it may be performed iteratively when performing phase rotation processing in spatio-temporal or frequency space, and performing phase aberration correction, translation processing, phase matching, registration, position correction, displacement measurement, or motion compensation. Then, the plurality of waves or measurement data are aligned, and the received signals of the plurality of waves of the same or different types coming from the object to be measured, the image signal, and at least one additional process are processed. In another image signal, measurement data related to waves, or measurement data in electromagnetic, dynamic, thermodynamic, biological, or chemical phenomena related to the measurement object, after performing the alignment, the same or different multiplexing of common information and separation of independent information or independent signal sources, super-resolution or image processing, or registration after super-resolution or image processing The metrology imaging apparatus of any one of claims 1-25, wherein 確率過程の異なる複数の事象の統合又は融合の処理として、混在させるか、多重化により高精度化するか、独立した情報に分離するか、又は、機械学習により異なる確率過程への遷移(確率モデル又は確率変数を含む変化)を解析又は分析する、請求項1~26のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 As a process of integrating or fusing multiple events with different stochastic processes, it is possible to mix them, increase the accuracy by multiplexing, separate them into independent information, or transition to different stochastic processes by machine learning (probabilistic model or a change including a random variable). 前記統合又は前記融合の結果に関して解析又は分析するか、又は、異種の複数の教師データと同種又は異種の複数のモデルとを用いる機械学習において、それぞれを単独で学習させた複数のモデル、複数のモデルを結合して同時に学習させたモデル、又は、それぞれを単独である程度に学習させた複数のモデルを結合してさらに学習させた結合モデルの重みデータを解析又は分析する、請求項14、15、26、又は、27に記載の計測イメージング装置。 In machine learning that analyzes or analyzes the result of the integration or the fusion, or uses multiple teaching data of different types and multiple models of the same or different types, multiple models, multiple 14, 15, analyzing or analyzing the weight data of a model in which models are combined and trained at the same time, or a combined model in which a plurality of models each trained to some extent are combined and further trained; 26 or 27, the measurement imaging device. 機械学習、最適化、又は、インシリコ(in silico)処理において、データを符号化して処理するか、計測対象又は認識対象に関する入力データを、別の同種データ、異種データ、関連するデータ、関連する画像、関連する認識対象、数値データ、認識若しくは判断若しくは診断の結果、所望の目的、目標、物性、又は、機能にマッピングを行うか、それらにおける双方向のマッピングを行うか、材料や構造や機能の生成過程を得るか、あるいは、周囲のデバイスとの間のインターフェースを行う、請求項1~28のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 In machine learning, optimization, or in silico processing, data is encoded and processed, or input data for measurement or recognition is transformed into other homogeneous data, heterogeneous data, related data, related images , related recognition objects, numerical data, results of recognition or judgment or diagnosis, desired purposes, goals, physical properties, or functions, or bi-directional mapping in them, or of materials, structures, or functions A metrology imaging apparatus according to any one of claims 1 to 28 for obtaining a generating process or for interfacing with surrounding devices. 病変組織と正常組織との鑑別下で侵襲性を最小限にした外科手術、病変組織の精密な強力集束超音波(High Intensity Focus Ultrasound:HIFU)治療、電磁波加熱凝固治療、放射線治療、重粒子線治療、物理療法、化学療法、ドラッグデリバリー治療、又は、薬学療法を実施すべく、超音波エコー装置、光超音波装置、脳波計、超電導量子干渉装置(Superconducting Quantum Interference Device:SQUID)、MRI(核磁気共鳴撮影)装置、X線装置、テラヘルツ装置、PET(陽電子放射型断層撮影法)装置、核医学イメージング装置、及び、OCT(光干渉断層撮影)装置の内の少なくとも1つの装置、又は、それらの装置の内の複数の装置を統合又は融合して構成された1つの装置を使用して、単一又は複数の臓器の疾患を同時に多面的に又は同一指標の下で診断可能であり、あるいは、治療の前中後においても同じく使用可能であることにより、統合診断イメージングを行うことが可能な、請求項1~29のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 Surgery that minimizes invasiveness under the differentiation between diseased tissue and normal tissue, precise high intensity focused ultrasound (HIFU) treatment of diseased tissue, electromagnetic wave heat coagulation treatment, radiotherapy, heavy ion beam In order to carry out treatment, physical therapy, chemotherapy, drug delivery treatment, or pharmaceutical therapy, ultrasonic echo equipment, optical ultrasonic equipment, electroencephalograph, superconducting quantum interference device (Superconducting Quantum Interference Device: SQUID), MRI (Nuclear at least one of a magnetic resonance imaging) device, an X-ray device, a terahertz device, a PET (positron emission tomography) device, a nuclear medicine imaging device, and an OCT (optical coherence tomography) device, or them It is possible to diagnose diseases of single or multiple organs simultaneously multilaterally or under the same index using one device configured by integrating or fusing multiple devices in the device, or 30. The measurement imaging apparatus according to any one of claims 1 to 29, which can be used before, during, and after treatment to perform integrated diagnostic imaging. 前記計測対象が無機物と有機物とを含む場合に、テラヘルツ波又はX線を用いて無機物を観測し、超音波、光超音波、MRI(核磁気共鳴撮影)波、又は、OCT(光干渉断層撮影)波を用いて有機物を観測し、それらの観測結果を統合又は融合して表示する、請求項1~30のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 When the measurement object includes inorganic matter and organic matter, the inorganic matter is observed using terahertz waves or X-rays, and ultrasonic waves, optical ultrasonic waves, MRI (nuclear magnetic resonance imaging) waves, or OCT (optical coherence tomography) 31.) The measurement imaging apparatus according to any one of claims 1 to 30, which observes organic matter using waves and displays the observation results by integrating or fusing them. 前記信号処理部が、力学的波動である超音波及び光超音波、及び、電磁波であるMRI(核磁気共鳴撮影)波、OCT(光干渉断層撮影)波、レーザー光、マイクロ波、テラヘルツ波、及び、X線の内の少なくとも1つを用いたドプラ計測を行う、請求項1~31のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 The signal processing unit includes ultrasonic waves and optical ultrasonic waves that are mechanical waves, and MRI (magnetic resonance imaging) waves that are electromagnetic waves, OCT (optical coherence tomography) waves, laser light, microwaves, terahertz waves, and a Doppler measurement using at least one of X-rays. 前記信号処理部におけるアナログ又はデジタルの線形処理又は非線形処理によるか、あるいは、前記計測対象内又は外における単一又は異なる波動又はビームフォーミングのパラメータを有する複数の波動又は異なる種類の波動であって線形現象又は非線形現象の影響を受けた波動を受信することにより、新しい波動又はビームフォーミングのパラメータを有する波動を表す信号を生成する、請求項1~32のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 By analog or digital linear processing or non-linear processing in the signal processing unit, or by multiple waves or different types of waves with single or different wave or beamforming parameters inside or outside the measurement object and linear A metrology imaging apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the metrology imaging apparatus receives waves affected by phenomena or non-linear phenomena to produce signals representing waves having new waves or beamforming parameters. 前記波動源又は少なくとも1つの送信開口素子から、フォーカシングされることがある少なくとも1つの波動が送信された場合に、前記信号処理部が、前記受信信号、ビームフォーミング中の受信信号、前記イメージ信号、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号、波動に関する計測データ、又は、前記計測対象に関する電磁気学、力学、熱学、生物学、若しくは、化学の現象における計測データを生成し、相互相関ベース処理、自己相関処理、ブロックマッチング、又は、時空間又は周波数空間における位相の回転処理を行う際に反復的に行うことがあり、さらに、超解像処理の後に重ね合わせ(コンパウンディング)処理を行うか、又は、重ね合わせ処理の後に超解像処理を行い、
前記超解像処理が、線形又は非線形の処理、又は、線形と非線形の処理の組み合わせであり、前記重ね合わせ処理が、コヒーレント信号で行われて高分解能化の効果を有するか、又は、検波後のインコヒーレント信号で行われてスペックル低減の効果を有し、又は、前記非線形の処理が、冪乗の効果を有し、パルスインバージョン送信の下で受信した結果の加算と減算の処理を行うことにより、基本波の偶数次と奇数次の高調波を生成する、請求項1~33のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。
When at least one wave that may be focused is transmitted from the wave source or at least one transmit aperture element, the signal processing unit processes the received signal, the received signal during beamforming, the image signal, Generating another image signal processed by applying at least one additional processing, measurement data on waves, or measurement data on electromagnetic, mechanical, thermal, biological, or chemical phenomena related to the object to be measured. , may be iterative during cross-correlation-based processing, auto-correlation processing, block matching, or phase rotation processing in spatio-temporal or frequency space, and may be super-resolved and then superimposed (compounded). processing), or perform super-resolution processing after superimposition processing,
The super-resolution processing is linear or non-linear processing, or a combination of linear and non-linear processing, and the superimposition processing is performed on a coherent signal to have the effect of increasing the resolution, or after detection has the effect of speckle reduction being performed on an incoherent signal of , or said non-linear processing has the effect of exponentiation, the processing of addition and subtraction of the results received under pulse inversion transmission 34. The metrology imaging apparatus of any one of claims 1 to 33, generating even and odd harmonics of a fundamental wave.
前記信号処理部が、計測された波動を対象として、ドプラ処理又は画像処理に基づいて、計測された波動又は媒体の動態又は状態を観測し、波動の伝搬速度を決める物性又はその等方性若しくは非等方性を観測する場合において、
(i)波動を所望の少なくとも1つの方向に伝搬させて、センシングのための波動を送信又は受信してドプラ観測することと、
(ii)異なる時刻において波動を複数の異なる方向に伝搬させて、それぞれの波動のセンシングのための波動を送信又は受信してドプラ観測した結果を重ね合わせ、新しい方向に伝搬する波動を人工的に生成するか、又は、それぞれの波動のセンシングのための波動を送信又は受信して重ね合わせた上でドプラ観測することと、
(iii)同一時刻において波動を複数の異なる方向に伝搬させて、それらの波動の重ね合わせの波動のセンシングのための波動を送信又は受信してドプラ観測するか、又は、ドプラ観測された少なくとも1つの波動に関して、波数空間又は周波数空間において表されるスペクトルをフィルタリング、分離、若しくは、分割することと、
の内の少なくとも1つに基づいて観測結果を得る、請求項1~34のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。
The signal processing unit observes the measured wave motion or the dynamics or state of the medium based on Doppler processing or image processing for the measured wave motion, and determines the wave propagation velocity. When observing the anisotropy,
(i) propagating the wave in at least one desired direction to transmit or receive the wave for sensing and Doppler observation;
(ii) By propagating waves in multiple different directions at different times, transmitting or receiving waves for sensing each wave, superimposing the results of Doppler observation, and artificially generating waves propagating in new directions. generating or transmitting or receiving and superimposing waves for sensing each wave and observing Doppler;
(iii) Doppler observation by propagating waves in a plurality of different directions at the same time, transmitting or receiving waves for sensing superposition of those waves, or at least one Doppler observation filtering, separating or dividing the spectrum represented in wavenumber space or frequency space with respect to one wave;
35. The metrology imaging apparatus of any one of claims 1-34, wherein observations are obtained based on at least one of:
前記複数の受信開口素子又は前記信号処理部が、放射線、光、又は、マイクロ波を含む電磁波を用いて可聴音波、超音波、圧縮波、ずり波、振動波、地震波、又は、熱波を観測し、あるいは、超音波を用いて可聴音波、圧縮波、又は、ずり波を観測する、請求項1~35のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 The plurality of reception aperture elements or the signal processing unit observes audible sound waves, ultrasonic waves, compression waves, shear waves, vibration waves, seismic waves, or heat waves using electromagnetic waves including radiation, light, or microwaves. 36. A metrology imaging apparatus according to any one of claims 1 to 35 which uses ultrasound to observe audible, compression or shear waves. 前記信号処理部が、マイクロ波又はテラヘルツ波又は赤外線の輻射、ずり弾性率、粘ずり弾性率、核磁気共鳴、超音波、光超音波、及び、光の物性の温度依存性の内の少なくとも1つに基づいて、前記計測対象内部の温度分布のイメージングを行う、請求項1~36のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 at least one of microwave, terahertz wave, or infrared radiation, shear modulus, viscoelastic modulus, nuclear magnetic resonance, ultrasonic waves, optical ultrasonic waves, and temperature dependence of physical properties of light 37. The measurement imaging apparatus according to any one of claims 1 to 36, wherein imaging of the temperature distribution inside said measurement object is performed based on one. 治療対象者であるか、造影剤若しくはマーカーによりマーキングされたか、又は、機械的に診断された治療対象に対し、複数の送信開口素子を含む送信開口素子アレイから少なくとも1つの有限長の高強度焦点超音波(High Intensity Focus Ultrasound:HIFU)を送信して、前記治療対象からの透過又は反射の超音波を受信するか、又は、前記送信開口素子アレイから観測用の少なくとも1つの有限長の超音波を前記治療対象に送信して、前記治療対象からの透過又は反射の超音波を受信することにより受信信号を生成し、
前記信号処理部において、相互相関ベース処理、自己相関処理、ブロックマッチング、又は、時空間又は周波数空間における位相の回転処理を行う際に反復的に行うことがある変位計測の下で前記治療対象をトラッキングしながら、
イメージング又は計測を行うか、音速の空間的な不均質性若しくは温度依存性又は送信波動の指向性を原因として特に送信開口の正面方向と大きく異なる方向にステアリングした際に生じる位相収差を算出し、HIFUの送信の位相収差補正を行って治療位置の精度を向上させるか、あるいは、イメージング又は計測において、相互相関ベース処理、自己相関処理、ブロックマッチング、又は、時空間又は周波数空間における位相の回転処理を行う際に反復的に行うことがある位相収差補正を施して精度を向上させ、HIFU治療装置と融合した、請求項1~37のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。
At least one high-intensity focus of finite length from a transmit aperture element array comprising a plurality of transmit aperture elements to the subject, marked with a contrast agent or marker, or mechanically diagnosed. transmit ultrasound (High Intensity Focus Ultrasound: HIFU) and receive transmitted or reflected ultrasound from the subject, or at least one finite length ultrasound for observation from the transmit aperture element array is transmitted to the treatment target, and a received signal is generated by receiving transmitted or reflected ultrasonic waves from the treatment target,
In the signal processing unit, the treatment target under displacement measurement that may be performed repeatedly when performing cross-correlation-based processing, autocorrelation processing, block matching, or phase rotation processing in spatio-temporal or frequency space while tracking
Perform imaging or measurement, or calculate the phase aberration that occurs when steering in a direction significantly different from the front direction of the transmission aperture due to the spatial inhomogeneity or temperature dependence of the speed of sound or the directivity of the transmission wave, Phase aberration correction of HIFU transmissions to improve treatment location accuracy or cross-correlation-based processing, autocorrelation processing, block matching, or rotation of phase in space-time or frequency space in imaging or metrology. 38. A metrology imaging device according to any one of claims 1 to 37, wherein the metrology imaging device is fused with a HIFU treatment device, applying phase aberration correction, which may be iteratively performed in performing the to improve accuracy.
前記信号処理部が、造影剤若しくはマーカーによりマーキングされたか又は機械的に診断された治療対象を変位計測の下でトラッキングしながら、
前記治療対象とその周囲における軟組織と血流の温度計測のモニタリング下で求められる熱伝導率、熱容量、若しくは、灌流を含む熱物性と熱源との計測データ、又は、高強度焦点超音波(High Intensity Focus Ultrasound:HIFU)のビームフォーミングパラメータに対応付けられた熱源のデータベースを、温度分布計算シミュレータにかけて温度分布の予測を行うか、あるいは、前記温度計測のモニタリングと共に、前記治療対象とその周囲における動態計測のモニタリング下で求められるずり弾性率若しくは粘ずり弾性率を含む力学物性、造影剤、マーカー、治療薬、又は、造影剤若しくはマーカー兼治療薬を用いた計測イメージングに基づいて、前記治療対象における治療効果(凝固を含む変性)とその周囲の組織における非侵襲性のモニタリング診断を行うことにより、
逐次更新型の加熱治療計画を行って、前記位相収差補正の下で、又は、前記位相収差補正無しの下で、HIFUの焦点(照射)位置、アポダイゼーション(照射形状)、照射強度、連続照射時間、照射間隔、及び、実施間隔の内の少なくとも1つを切換可能な自動モード又はマニュアルモードで電子的又は機械的に制御し、HIFU治療装置と融合した、請求項1~38のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。
while the signal processor tracks under displacement measurements a treatment object marked with a contrast agent or marker or mechanically diagnosed;
Thermal conductivity, heat capacity, or thermophysical properties including perfusion and heat source measurement data, or high intensity focused ultrasound (High Intensity Focus Ultrasound: HIFU) heat source database associated with beam forming parameters is subjected to a temperature distribution calculation simulator to predict the temperature distribution, or along with the monitoring of the temperature measurement, dynamic measurement of the treatment target and its surroundings Based on measurement imaging using mechanical properties, contrast agents, markers, therapeutic agents, or contrast agents or markers and therapeutic agents including shear modulus or viscoelastic modulus obtained under the monitoring of By performing non-invasive monitoring diagnostics on effects (degeneration including coagulation) and their surrounding tissue,
Performing an iterative heating treatment plan, with or without phase aberration correction, HIFU focus (irradiation) position, apodization (irradiation shape), irradiation intensity, continuous irradiation time , the irradiation interval, and the implementation interval are electronically or mechanically controlled in a switchable automatic mode or manual mode, and fused with the HIFU therapy device. 3. The measurement imaging device according to .
前記信号処理部が、前記逐次更新型の加熱治療計画として、予測結果と予測結果の下で実施された治療の結果とを比較し、高強度焦点超音波(High Intensity Focus Ultrasound:HIFU)又は別治療のパラメータを線形又は非線形の最適化又は計画法により決定し、その際の比較指標が、組織圧、温度、被爆量、ずり弾性率、又は、粘ずり弾性率を含む組織物性であり、前記治療対象の受熱特性又は変性特性の典型データ、実測値、又は、モデルを参照する治療装置と融合した、請求項39に記載の計測イメージング装置。 The signal processing unit compares the results of the treatment performed under the prediction result and the prediction result as the sequential update type heating treatment plan, High Intensity Focus Ultrasound (HIFU) or another The treatment parameters are determined by linear or non-linear optimization or planning, wherein the comparative index is tissue physical properties including tissue pressure, temperature, exposure dose, shear modulus, or viscous modulus, 40. The metrology imaging device of claim 39, fused with a therapy device that references representative data, actual measurements, or models of heat-receiving or degenerative properties of a treatment subject. ヒト組織に親和性のある磁性体を造影剤として用いるべく、診断部位に超音波、それ以外の力学的波動、又は、電磁波を照射し、病変の検出、診断、又は、治療を行う、請求項1~40のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 Detecting, diagnosing, or treating lesions by irradiating ultrasonic waves, other mechanical waves, or electromagnetic waves to a diagnostic site in order to use a magnetic substance that has affinity for human tissue as a contrast agent. 41. The measurement imaging device according to any one of 1 to 40. 前記計測対象内に存在する、異なる組成若しくは構造若しくは組織、振る舞いの異なるもの、少なくとも1つの造影剤、マーカー、又は、治療薬を分離して観測すべく、光超音波イメージングにおいては、光吸収周波数特性又は照射光に対して生成される光超音波の信号強度又は周波数特性の違いを、その他の波動イメージングにおいては、信号強度又は周波数特性の違いを、決定論的又は確率統計学的に観測して分離する処理、又は、深層学習を含む画像処理若しくは分離処理に基づいて、
(i)前記受信信号、前記イメージ信号、又は、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号そのものを分離することにより、前記異なる組成若しくは構造若しくは組織、前記振る舞いの異なるもの、前記少なくとも1つの造影剤、前記マーカー、又は、前記治療薬の領域、位置、若しくは、境界を特定することと、
(ii)前記受信信号、前記イメージ信号、又は、前記加工された別のイメージ信号から計測される変位、温度、又は、その他の計測データを分離することと、
(iii)前記受信信号、前記イメージ信号、又は、前記加工された別のイメージ信号を分離した上で、変位、温度、又は、その他の計測データを計測することと、
の内の少なくとも1つを行う、請求項1~41のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。
In order to separately observe different compositions or structures or tissues, different behaviors, at least one contrast agent, marker, or therapeutic agent present in the measurement object, in photoacoustic imaging, light absorption frequency Deterministically or stochastically observe the difference in the signal intensity or frequency characteristics of photoacoustic waves generated with respect to the characteristics or irradiated light, and the difference in signal intensity or frequency characteristics in other wave imaging. Based on the process of separating by using, or image processing or separation processing including deep learning,
(i) separating said received signal, said image signal, or another image signal itself processed with at least one additional processing, such that said different composition or structure or texture, said different behavior; , identifying a region, location, or boundary of the at least one contrast agent, marker, or therapeutic agent;
(ii) isolating measured displacement, temperature, or other measurement data from the received signal, the image signal, or the processed further image signal;
(iii) separating the received signal, the image signal, or the processed separate image signal and measuring displacement, temperature, or other measurement data;
42. The metrology imaging apparatus of any one of claims 1-41, performing at least one of:
光超音波イメージングにおいて、同一の広帯域の特性、又は、異なる帯域若しくは周波数の特性を有する複数の光源又は超音波センサーが、1次元、2次元、又は、3次元のアレイ状に並び、その際に、
前記複数の光源又は超音波センサーが、局所的に連続して、又は、交互に、又は、周期的に並ぶか、あるいは、前記信号処理部が、前記受信信号、前記イメージ信号、又は、少なくとも1つの付加的な処理を施して加工された別のイメージ信号に対し、広帯域の観測においては、フィルタリングを施して周波数帯域又は周波数を選択し、特定の帯域又は周波数の観測においては、重ね合わせ処理を施して広帯域化して、イメージング又は計測する対象を選択する、請求項1~42のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。
In photoacoustic imaging, a plurality of light sources or ultrasonic sensors having the same broadband characteristics or different band or frequency characteristics are arranged in a one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional array, ,
The plurality of light sources or ultrasonic sensors are locally continuously, alternately, or periodically arranged; Another image signal processed by applying two additional processes, filtering to select a frequency band or frequency for broadband observation, and superposition processing for observation of a specific band or frequency 43. The measurement imaging apparatus according to any one of claims 1 to 42, which selects an object to be imaged or measured by broadening the band.
少なくとも1つの計測対象を、非接触にイン・サイチュ(in situ)の状態で多角的に観測するか、又は、同時に多角的に観測する、請求項1~43のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 The measurement according to any one of claims 1 to 43, wherein at least one measurement target is observed from multiple angles in a non-contact in situ state, or simultaneously observed from multiple angles. imaging device. 同一の事象若しくは同一時刻における複数の異なるデータ、独立した複数のデータ、複数の異なる周波数成分若しくは複数の異なる帯域成分のデータ、複数の異なる周波数若しくは帯域におけるデータ、又は、複数の異なる計測対象又はマーカーに関するデータを選択し、同時にそれぞれの画像、数値、若しくは、加工された結果を表示するか、グレイ又はカラーを含む異なる色で重畳して画像表示するか、データの大きさ又は方向によって異なる色又は濃さで重畳して画像表示するか、又は、透かして画像表示する、請求項1~44のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 Multiple different data at the same event or at the same time, multiple independent data, data of multiple different frequency components or multiple different band components, data in multiple different frequencies or bands, or multiple different measurement targets or markers and display each image, numerical value, or processed result at the same time; 45. The measurement imaging apparatus according to any one of claims 1 to 44, wherein the image is displayed by superimposing with density or the image is displayed with watermark. 機能、物性、構造、又は、組成に関するデータを生成し、安全保障、環境観測、地球観測、気象観測、資源探査、地震観測、天体・宇宙観測、海中観測、又は、構造物の観測のために、リモートセンシング、非破壊検査、診断、検査、治療、修復、創生、製造、監視、モニタリング、又は、指紋鑑定若しくは指紋認証若しくは虹彩認証を含む生体認証に使用される、請求項1~45のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 Generate data on function, physical properties, structure, or composition for security, environmental observation, earth observation, meteorological observation, resource exploration, seismic observation, astronomical/space observation, underwater observation, or observation of structures , remote sensing, non-destructive testing, diagnosis, inspection, treatment, repair, creation, manufacturing, monitoring, monitoring, or biometric authentication including fingerprint identification or fingerprint authentication or iris authentication. The measurement imaging device according to any one of claims 1 to 3.
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