JPH05322862A - 超音波顕微鏡における信号処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 原波形を極力歪ませることなく、短時間で信
号に重畳されたリップルやランダムノイズを除去する。 【構成】 データ反転・合成手段８により超音波探触子
２を走査して得られた測定データの並びかたを反転させ
て反転データを作成し、データ反転・合成手段８により
これら測定データおよび反転データを交互に少なくとも
３つ並べて合成データを作成し、波形処理手段９により
この合成データをフーリエ変換したデータに信号処理を
行なってからさらに逆フーリエ変換して処理済データを
得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波顕微鏡により例
えばＶ(ｚ)曲線や画像データを得た後、これらＶ(ｚ)曲
線や画像データ上のリップルやランダムノイズを高精度
で除去するための信号処理方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】既知のごとく、超音波顕微鏡は超音波探
触子から送信される集束超音波ビームを被検体に照射
し、超音波探触子を走査機構で走査してその集束超音波
ビームの焦点位置を２次元的にあるいは被検体の垂直方
向に移動させ、この被検体からの反射波を超音波探触子
で受信して電気信号に変換し、この受信信号を２次元画
像に表示して超音波顕微鏡像を得たり、あるいは垂直方
向の強度変化曲線（Ｖ(ｚ)曲線）を得るものである。

【０００３】超音波顕微鏡像は、集束超音波ビームの焦
点位置近傍にある被検体の弾性的性質の差異などを示す
ものである。また、Ｖ(ｚ)曲線は、被検体に励起される
弾性表面波と被検体から直接反射される直接反射波との
干渉波として得られ、したがってこのＶ(ｚ)曲線は被検
体の超音波伝播速度や伝播減衰を反映したものとなる。

【０００４】ただしこのＶ(ｚ)曲線は、超音波探触子の
形状および動作周波数により決定される基準信号曲線
が、弾性表面波と直接反射波との干渉波に重畳したもの
であるため、被検体の超音波伝播速度等を測定するため
には、Ｖ(ｚ)曲線からこの基準信号曲線を差し引いて干
渉波成分のみを取り出した後、この干渉波成分にＦＦＴ
（高速フーリエ変換）を施して周波数平面上で各種信号
処理を行なう（例えば特開昭５９−２０６７５８号公報
参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現実の
Ｖ(ｚ)曲線には、音響レンズ内の多重反射波と被検体か
らの直接反射波との干渉によるリップル（高周波成分）
やランダムノイズも重畳されてしまうため、これらリッ
プルやランダムノイズが超音波伝播速度の測定誤差にな
るおそれがある。したがって、Ｖ(ｚ)曲線から基準信号
曲線を差し引く前に、リップルやランダムノイズの影響
を除去する前処理を行う必要がある。

【０００６】Ｖ(ｚ)曲線上の不要なリップルやランダム
ノイズを除去する従来の方法としては、移動平均法が最
も一般的であった（例えば山中一司「超音波顕微鏡によ
る材料の機械的性質の研究」機械技術研究所報告第１４
１号、第１３頁〜第１４頁（１９８７年））。移動平均
法とは、対象となるデータ点およびその近傍の数点につ
いての平均値を算出し、これを新たにデータ点の値とす
る作業を各データ点について行なう方法である。

【０００７】図３、図７〜図１１に基づいて、移動平均
法によるＶ(ｚ)曲線上のリップルやランダムノイズを除
去する手順を説明する。図３は、超音波顕微鏡により測
定したままの前処理が行なわれていないＶ(ｚ)曲線を示
す図であり、特定周期を有する曲線の上に細かいノイズ
状の波形（リップル、ランダムノイズ）が重畳している
ことが理解できる。図７〜図１１は、この図３の信号に
対して順に移動平均化処理を１回〜５回行なった結果を
示す図である。ここに、データ点は全部で１０００点、
移動平均はデータ点の左右にそれぞれ２点、計５点につ
いて行なった。移動平均化処理の回数の増加により徐々
にＶ(ｚ)曲線の高周波成分、すなわちリップル等が除去
できていることが理解できる。

【０００８】しかし、この移動平均法は基本的に波形平
滑化処理の一種であり、移動平均処理を重ねることによ
り波形がなまる、すなわち波形の山や谷が徐々に低くな
って原波形が歪んでしまう。例えば、上述の図７〜図１
１に示すように、移動平均処理を重ねることにより、横
軸Ｚ＝-25〜-75[μｍ]の間の振幅は原波形に比較して徐
々に小さくなっている。加えて、平均化点数が少ないと
一回の移動平均処理による平滑化の効果が小さいので、
何度も移動平均処理を行なう必要が生じて前処理工程に
時間を要するし、平均化点数を多くすれば処理回数が少
なくて十分な平滑化が行なえるが、今度は原波形が大き
く歪んでしまい、平均化点数の設定が困難である。

【０００９】Ｖ(ｚ)曲線上の不要なリップルやランダム
ノイズを除去する他の方法としては周波数領域法も知ら
れている。これは、Ｖ(ｚ)曲線をフーリエ変換して周波
数平面上で高周波成分をフィルタリングで除去し、さら
に逆フーリエ変換して高周波成分が除去された波形を得
るものである。

【００１０】図１２および図１３により、周波数領域法
によるＶ(ｚ)曲線上のリップルやランダムノイズを除去
する手順を説明する。図１２は、図３に示す高周波成分
を含むＶ(ｚ)曲線にＦＦＴを施した結果を示す図であ
り、図１３は、図１２に範囲Ｒで示す周波数領域にのみ
矩形フィルタ（ローパスフィルタ）を乗算してこれ以外
の周波数領域のデータを濾波したものに逆ＦＦＴを施し
た結果を示す図である。図１２に示すように、図３の高
周波成分の大半は周波数0.5[1/μｍ]の領域に集中して
いるため、この高周波成分を除去するような矩形フィル
タを乗算することにより、図１３に示すように、図３の
高周波成分を除去することができ、しかも原波形に対す
る歪も小さいことが理解できる。

【００１１】しかしながら、この周波数領域法にあって
は、ＦＦＴ、逆ＦＦＴのアルゴリズム的制約により最終
的に得られるＶ(ｚ)曲線の始端、終端近傍の波形（図１
３に領域Ａ、Ｂで示す）が波打ってしまい、原波形と異
なる波形が得られるおそれがある。これは、フーリエ変
換そのものが基本的に−∞〜∞のデータを対象にしてい
るのに対して、ＦＦＴのアルゴリズムは２ⁿ点（５１
２、１０２４、２０４８点など）のデータを単位として
このデータが周期的に連続するものと仮定して疑似的に
−∞〜∞間で連続するデータを作り上げているので、２
ⁿ点に満たない点数のデータについては、図１４に示す
ようにダミーデータとして“０”データをその両端に追
加していた。したがって、この原データとダミーデータ
との間に段差をもったデータが見掛け上生じ、このデー
タの段差の存在により逆ＦＦＴ後の原データの始端、終
端近傍の波形が波打ってしまう。

【００１２】本発明の目的は、原波形を極力歪ませるこ
となく、短時間で信号に重畳されたリップルやランダム
ノイズを除去することの可能な超音波顕微鏡における信
号処理方法および装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１に対
応付けて説明すると、本発明のうち請求項１の発明は、
超音波探触子２を走査して得られた測定データの並びか
たを反転させて反転データを作成し、この反転データと
前記測定データとを交互に少なくとも３つ接続して合成
データを作成し、前記合成データをフーリエ変換したデ
ータに信号処理を行ない、さらに逆フーリエ変換して処
理済データを得ることにより上述の目的を達成してい
る。また、請求項２の発明は、超音波探触子２を走査し
て得られた測定データの並びかたを反転させて反転デー
タを作成するデータ反転手段８と、前記測定データおよ
び反転データを交互に少なくとも３つ並べて合成データ
を作成するデータ合成手段８と、前記合成データをフー
リエ変換したデータに信号処理を行ない、さらに逆フー
リエ変換して処理済データを得る波形処理手段９とを備
えたものである。

【００１４】

【作用】各測定データ、反転データの始端および終端は
それぞれデータが重複する点であるので、これら測定デ
ータと反転データとを交互に少なくとも３つ並べて作成
された合成データは、データの接続箇所に段差を生じな
い滑らかに連続するデータとなる。

【００１５】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明の信号処理装置が適用される
超音波顕微鏡の一実施例を示すブロック図である。図１
において、パルサ１から出力された電圧パルスは超音波
探触子２の超音波振動子２ａに印加され、この超音波振
動子２ａが励振されて超音波が発生する。この超音波
は、超音波探触子２の音響レンズ２ｂで集束され、超音
波伝播媒体１１を介して被検体１２に向けて照射され
る。被検体１２で反射された超音波は、上述と逆の経路
を辿って超音波振動子２ａに至り、この超音波振動子２
ａによって電気信号に変換され、レシーバ３により受
信、増幅される。受信信号は、ピーク検出器４において
必要な信号にのみゲートがかけられ、かつ、ゲート内の
ピーク値に応じたＤＣ電圧が出力される。このＤＣ電圧
はＡ／Ｄ変換器５によりデジタル値に変換され、マイク
ロコンピュータ６内の不図示のメモリ内に記憶される。

【００１７】マイクロコンピュータ６の指示により走査
制御機構７はＺ軸ステージ１３を駆動し、被検体１２を
その垂直方向（図中−Ｚ方向）に走査する。そして、各
走査点において上述の動作が繰り返され、被検体１２と
超音波探触子２との間の距離を横軸に、そのときの出力
電圧（デジタル値）を縦軸にとった図３に示すようなＶ
(ｚ)曲線データが得られ、このＶ(ｚ)曲線はモニタ１０
上に表示される。

【００１８】データ反転・合成手段８はマイクロコンピ
ュータ６のメモリ内に記憶されたＶ(ｚ)データを順方
向、逆方向に接続して合成データを作成し、逆に、合成
データからもとのＶ(ｚ)データを抽出する作業を行な
う。波形処理手段９は合成データについて上述の周波数
領域法に基づく高周波成分除去処理を行う。高周波成分
が除去されたＶ(ｚ)曲線もモニタ１０上に表示される。

【００１９】次に、図１、図３〜図６および図２のフロ
ーチャートを参照して、本発明による信号処理法方法の
一実施例を説明する。まず、ステップＳ１では被検体１
２のＶ(ｚ)データを測定する。すなわち、上述のように
走査制御機構７およびＺ軸ステージ１３により被検体１
２を図中−Ｚ方向に走査して位置決めしつつ、この位置
決め点においてパルサ１、超音波探触子２およびレシー
バ３により被検体１２からの反射波を受信し、ピーク検
出器４、Ａ／Ｄ変換器５により受信信号のピーク値をデ
ジタル値として得る。そして、被検体１２と探触子２と
の距離を徐々に近づけながら上述の動作を行なって、図
３あるいは図４の(ａ)、(ｃ)の部分に示すような被検体
１２のＶ(ｚ)曲線のデータを得る。このときのＶ(ｚ)デ
ータは、右から左に向かう方向が被検体１２の走査方
向、すなわち−Ｚ方向に一致するように列設されてい
る。Ｖ(ｚ)データは、マイクロコンピュータ６の不図示
のメモリ内に記憶される。

【００２０】次に、ステップＳ２ではデータ反転・合成
手段８によりＶ(ｚ)データの反転データを作成する。反
転データとは、ステップＳ１で得られたＶ(ｚ)データを
右から左に向かう方向がＺ方向に一致するように並べ変
えたデータであり、Ｖ(ｚ)データに対してデータの並ぶ
方向が反転したデータである（図４の(ｂ)、(ｄ)部
分）。

【００２１】次に、ステップＳ３では、ステップＳ１で
得られたＶ(ｚ)データとステップＳ２で得られた反転デ
ータとを交互に並べて、後述の波形処理が施される合成
データを作成する。具体的には、図４に示すように、Ｖ
(ｚ)データの終端である左側端点（図示例ではＺ＝-250
[μｍ]）と反転データの始端である右側端点（これも図
示例ではＺ＝-250[μｍ]）とが重複するように、またＶ
(ｚ)データの始端である右側端点（図示例ではＺ＝50
[μｍ]）と反転データの終端である左側端点（これも図
示例ではＺ＝50[μｍ]）とが重複するように、Ｖ(ｚ)デ
ータ（図４の(ａ)、(ｃ)部分）と反転データ（図４の
(ｂ)、(ｄ)部分）とを交互に４つ並べて図４に示すよう
な合成データを作成する。つまり、各Ｖ(ｚ)データおよ
び反転データの始端、終端で重複するデータ点において
これらＶ(ｚ)データおよび反転データを接続し、右から
左に向かう方向にデータを並べて図４に示すような合成
データを作成する。

【００２２】次に、ステップＳ４では、波形処理手段９
により合成データに対してＦＦＴ処理演算を行なう。Ｆ
ＦＴの具体的なアルゴリズムは既知であり、ここでは説
明を省略する。ステップＳ５では、ＦＦＴ演算が行なわ
れた合成データ（ＦＦＴ演算結果は図示を省略する）に
対して、周波数平面上においてフィルタリング処理を施
す。具体的には、Ｖ(ｚ)データは比較的低周波成分が優
越し、ローパスフィルタによって高周波成分と弁別可能
であるので、図１２に示す低周波領域Ｒにのみ矩形フィ
ルタ（ローパスフィルタ）を乗算してこれ以外の周波数
領域を濾波する処理を行なう。

【００２３】ステップＳ６では、ステップＳ５において
フィルタリング処理が施されたデータに対して逆ＦＦＴ
処理演算を行なう。図５は、逆ＦＦＴ演算結果を示す図
である。データの始端および終端近傍では上述の理由に
より波形の乱れが生じているが、Ｖ(ｚ)データ（図５の
(ａ)、(ｃ)部分）と反転データ（図５の(ｂ)、(ｄ)部
分）との接続箇所近傍では波形の乱れもなく、高周波成
分もほぼ除去されていることが理解できる。ステップＳ
７では、データ反転・合成手段８によりステップＳ６で
得られた逆ＦＦＴ演算結果からもとのＶ(ｚ)データが抽
出される。具体的には、図５の(ｃ)部分が抽出され、図
６に示すようなデータとされる。以降は、上述の超音波
伝播速度、伝播減衰等を知るための各種信号処理を行な
えばよい。

【００２４】したがって、本実施例においては、Ｖ(ｚ)
データに対してそのデータの並びかたを反転させた反転
データを作成した後、Ｖ(ｚ)データおよび反転データの
データ重複点においてこれらＶ(ｚ)データおよび反転デ
ータを接続して合成データを作成したので、図４に示す
ようにＶ(ｚ)データと反転データの接続箇所に段差が生
じない。したがって、この合成データに対して周波数領
域法に基づく信号処理を行なえば、この接続箇所におい
て波形の乱れを生じることがない。よって、図５の(ｃ)
部分のように、左右両端点がそれぞれ他のデータ（Ｖ
(ｚ)データあるいは反転データ）と接続している部分の
データを抽出すれば、ＦＦＴ、逆ＦＦＴ処理による波形
の乱れの影響を受けないデータを得ることができる。

【００２５】このように、本実施例によれば、短時間で
処理可能な周波数領域法を用いて信号に重畳された高周
波成分を除去することができ、しかも、原波形を極力歪
ませることなく高周波成分を除去することが可能であ
る。

【００２６】なお、本発明の信号処理方法および装置
は、その細部が上述の一実施例に限定されず、種々の変
形例が可能である。一例として、上述の一実施例では４
つのデータ（Ｖ(ｚ)データ、反転データ）を接続して合
成データを作成していたが、基本的にはデータの始端、
終端の双方が他のデータに接続されているデータを作成
できればよく、したがって、３つ以上のデータを接続す
れば本発明の目的は達成できる。また、実施例ではＶ
(ｚ)データについて高周波成分の除去を行なっていた
が、他のデータ、たとえば被検体を２次元的に走査して
得られる超音波顕微鏡画像データについても本発明の信
号処理装置を使用することが可能である。また、実施例
では逆ＦＦＴ処理後の合成データからＶ(ｚ)データの部
分（図５の(ｃ)部分）を抽出していたが、反転データの
部分（図５の(ｂ)部分）を抽出してそのデータの並びか
たを再度反転させてＶ(ｚ)データを得るようにしてもよ
い。さらに、実施例では始端および終端においてデータ
が重複するように各Ｖ(ｚ)データおよび反転データを接
続していたが、これらデータ間に段差が生じないように
接続できれば本発明の目的は達成できるので、各データ
の始端および終端が連続するように接続してもよく、あ
るいは、これら始端および終端がなめらかに接続される
ようなデータ点を介挿してもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、測定データと反転データとを交互に少なくとも３
つ並べることによりこれら測定データおよび反転データ
の接続箇所に段差のない連続的な合成データを作成し、
この合成データに対してフーリエ変換および各種信号処
理を行なっているので、この接続部分において波形の乱
れを生じることがない。よって、本発明によれば、短時
間で処理可能な周波数領域法を用いて信号に重畳された
高周波成分を除去することができ、しかも、原波形を極
力歪ませることなく高周波成分を除去することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である信号処理装置が適用さ
れる超音波顕微鏡を示すブロック図である。

【図２】本発明の一実施例である超音波顕微鏡における
信号処理方法を説明するためのフローチャートである。

【図３】前処理が施されていないＶ(ｚ)曲線の一例を示
す図である。

【図４】合成データの一例を示す図である。

【図５】周波数領域法による信号処理が施された合成デ
ータの一例を示す図である。

【図６】一実施例の装置により高周波成分が除去された
Ｖ(ｚ)曲線の一例を示す図である。

【図７】従来の移動平均法による高周波成分の除去手順
を示す図であって、移動平均処理が１回行なわれた状態
のＶ(ｚ)曲線を示す図である。

【図８】図７と同様の図であって、移動平均処理が２回
行なわれた状態のＶ(ｚ)曲線を示す図である。

【図９】図７と同様の図であって、移動平均処理が３回
行なわれた状態のＶ(ｚ)曲線を示す図である。

【図１０】図７と同様の図であって、移動平均処理が４
回行なわれた状態のＶ(ｚ)曲線を示す図である。

【図１１】図７と同様の図であって、移動平均処理が５
回行なわれた状態のＶ(ｚ)曲線を示す図である。

【図１２】従来の周波数領域法による高周波成分の除去
手順を示す図であって、図３のデータをそのままフーリ
エ変換した結果を示す図である。

【図１３】周波数領域法によるフィルタリング処理が行
なわれた後のＶ(ｚ)曲線の一例を示す図である。

【図１４】ＦＦＴ処理において疑似的に生じるデータの
段差を示す図である。

【符号の説明】

２ 超音波探触子 ６ マイクロコンピュータ ７ 走査制御機構 ８ データ反転・合成手段 ９ 波形処理手段 １０ モニタ １１ Ｚ軸ステージ １２ 被検体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波探触子を走査して得られた測定デ
   ータの並びかたを反転させて反転データを作成し、 この反転データと前記測定データとを交互に少なくとも
   ３つ接続して合成データを作成し、 前記合成データをフーリエ変換したデータに信号処理を
   行ない、さらに逆フーリエ変換して処理済データを得る
   ことを特徴とする超音波顕微鏡における信号処理方法。
2. 【請求項２】 超音波探触子を走査して得られた測定デ
   ータの並びかたを反転させて反転データを作成するデー
   タ反転手段と、 前記測定データおよび反転データを交互に少なくとも３
   つ接続して合成データを作成するデータ合成手段と、 前記合成データをフーリエ変換したデータに信号処理を
   行ない、さらに逆フーリエ変換して処理済データを得る
   波形処理手段とを備えたことを特徴とする超音波顕微鏡
   における信号処理装置。