JP6696782B2 - Beamforming method, measurement imaging device, and communication device - Google Patents
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Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
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 that performs beamforming using arbitrary waves coming from a measurement target. Furthermore, the invention relates to a metrology imaging device and a communication device using such a beamforming method.
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 is based on an arbitrary wave such as an electromagnetic wave, light, mechanical vibration, sound wave, or heat wave that comes from a measurement target, images the measurement target, or temperature or displacement in the measurement target. The present invention relates to a digital beam forming method in an imaging apparatus for nondestructively measuring a physical quantity, a composition, a structure, or the like. There are various objects to be measured, such as organic substances, inorganic substances, solids, liquids, gases, objects according to rheology, living things, astronomical objects, the earth, the environment, etc., and the application range 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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applied to non-destructive inspection, diagnosis, resource exploration, generation and manufacturing of materials and structures, monitoring of various physical or chemical repairs and treatments, application of revealed functions and physical properties, etc. Relevantly, in those cases, accuracy may be required under conditions such as non-invasive, minimally invasive, non-invasive that do not cause a large disturbance to the measurement target. Ideally, the object to be measured should be observed in situ, 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。 Further, the measurement object may be treated or repaired by the action of the wave itself, and the situation may be observed by performing beamforming on the response from the measurement object at that time. In addition, beamforming is performed in satellite communication, radar, sonar, etc. to realize an energy-saving, information-safe environment, and accurate communication is performed. Beamforming has also been applied to ad-hoc communication devices and mobile communications. When the measurement target is dynamic, real-time property 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。 In the case of waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, or heat waves, the behavior as waves differs depending on the frequency, bandwidth, intensity, or mode. Many kinds of wave transducers have been developed so far, and imaging using a transmitted wave, a reflected wave, a refracted wave, a scattered wave (a forward scattered wave, a back scattered wave, or the like) of those waves is performed.
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 ultrasonic waves having a high frequency among sound waves are used in nondestructive inspection, medical treatment, and sonar. Also in the radar, electromagnetic waves having appropriate frequencies (radio waves, FM waves, microwaves, terahertz waves, infrared rays, visible light, ultraviolet rays, radiation such as X-rays, etc.) are used according to the measurement target. The same is true for other waves, and since each wave behaves differently depending on frequency, different names are used, and various sensing and communication are performed according to the measurement target, medium, and frequency band (if electromagnetic waves are used, , 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。 In those applications, a beam forming process is often performed by mechanically scanning a measurement target with a transducer, using the same transducer a plurality of times, or using a plurality of transducers arranged in an array in advance. .. It is well known that aperture surface synthesis processing is performed when observing the earth, land, ocean, and weather with satellite or airplane radar. In many cases, beamforming has a purpose to provide appropriate directivity and obtain 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 observing the waves generated from the measurement target, we observe reflections and transmissions caused by spatial changes in impedance, various types of scattering (Rayleigh scattering, Mie scattering, etc.), attenuation, or their frequency dispersion. It is possible to observe the structure and composition of the inside and the surface of the measurement target, as well as what the measurement target is. The measurement target may be observed with various spatial resolutions. Characterization can be done at the structure or composition level (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-accuracy and high-resolution imaging, a signal compression technique has been used for a long time, and a typical one is a chirp wave technique or a coding compression technique. In some cases, such as ISAR (inverse synthetic aperture radar), the observed wave is subjected to inversion of the beam characteristics to perform super-resolution, but this is not always the case during aperture surface synthesis. ), There is also a case where the resolution is positively reduced. 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。 In addition, the encoding technique is also used in the case of separating a plurality of signals, for example, in the case of separating a received signal into a received signal corresponding to a transmitted signal having a different transmission position. It may separate waves coming from different directions, and may also identify and separate sources. In such a case, there is a great deal of reliance on a matched filter having high signal detection capability. However, while the signal energy can be obtained, when the movement of the measurement target accompanied by the deformation, the displacement, the strain, and the like are obtained, the spatial resolution becomes low, and the measurement accuracy thereof decreases. In separating waves and signals, it is also useful to use frequencies, bands, or multidimensional spectra.
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-mentioned waves, the distribution of amplitude data normally obtained through quadrature detection, envelope detection, or square detection is displayed as a gray image or color image in one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional display. It often becomes a morphological image. In addition, functional observation is also possible, for example, in Doppler measurement using those waves, raw coherent signals are processed (ultrasonic 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 ultrasonic waves, there is also a useful technique capable of detecting a moving tissue although there is no information on the displacement direction, unlike power Doppler. When microwaves, terahertz waves, or far infrared rays are used, the temperature distribution of the measurement target can be observed. The measured physical quantities may be displayed by being superimposed on the morphological image. In the field of image measurement, it is well known that motion is observed using a signal 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 measurement target is dynamic, real-time property is required for the beam forming process.
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。 Also, in satellite communication, radar, sonar, etc., beamforming is performed to realize an information-safe environment while saving energy, and accurate communication is performed. Beamforming has also been applied to ad-hoc communication devices and mobile communications. It is also effective for communication with a specific person, a specific signal source, or a specific position. In communication, information may be sent in waves from the sender to the receiver, and the purpose alone may be achieved, or the receiver may respond to the sender with the results of the communication, or It may respond to the request, but of course, this is not the only example of communication. Depending on the communication target or the observation target, real-time property is required when the information content is dynamic, and in that case, beamforming is required to be completed in a short 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 differentially diagnosing a lesion such as a cancer lesion or sclerosis of human tissue. The inventor of the present application is performing high resolution and high efficiency of HIFU (High Intensity Focus Ultrasound) treatment together with high resolution of echo imaging and high precision measurement imaging of tissue displacement. Their imaging is also based on the reception of echoes during intense ultrasonic radiation. These imagings are based on performing high-speed and appropriate beamforming, and have previously reported high-speed and appropriate detection methods, tissue displacement measurement methods, shear wave propagation measurement methods, and the like.
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。 The medical ultrasonic diagnostic imaging apparatus has been digitalized for more than 20 years. In older times, a device that performs mechanical scanning using a single-aperture conversion element, and then electronic scanning using a plurality of conversion elements and an array-type device composed of them, and performs signal processing is an analog device. To digital devices. Actually, the classical aperture synthesis processing itself was digital beamforming from the time when it was used in the radars mounted on satellites and airplanes, but the received signal strength was weak. For that reason, it was 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 invented a multidirectional aperture plane synthesis method and invented beamforming in multiple directions from received echo data for aperture plane synthesis. As a result, it is possible to obtain a steering (deflection) image signal in multiple directions at the same frame rate as that of a normal electronic scan, and by performing coherent addition of these signals, lateral modulation imaging (depth direction It has a carrier frequency in the transverse direction, which is orthogonal to this, and it has become possible to achieve higher spatial resolution compared to ordinary imaging. Furthermore, by using the multidimensional autocorrelation method also invented by the inventor of the present application, it is possible to measure the displacement vector distribution in real time. In addition, in the case of incoherent addition, it is possible to reduce the speckle (usually, the transmission beam is generated in different directions to reduce the speckle, but according to the multidirectional aperture plane synthesis method, , High frame rates can be achieved). 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 nondestructive inspection. Has been.
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 surface synthesis in these sensing devices is active beamforming, and the waves to be processed are transmitted waves, reflected waves, refracted waves, or scattered waves (forward wave) of those waves generated by a transducer. Scattered waves or backscattered waves). On the other hand, in passive beamforming, for example, as in the case of observing temperature distribution based on the above microwave observation and observing the electrical activity source by the brain magnetic field of the living thing, self-divergence A transmission wave, a reflection wave, a refraction wave, or a scattered wave (a forward scattered wave, a back scattered wave, or the like) based on a wave emitted from a (self-emanating) signal source is targeted. There are many other examples that correspond to them, but as another example, recently, biological organisms are called photoacoustic, which is used as a measurement target. It has also been performed that a volume change is caused by a certain heat absorption, an ultrasonic wave is generated using this as a sound source, and peripheral blood vessels are identified as a result of beamforming.
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。 Digital devices require more processing time than analog devices, but their computing power has been significantly improved, and they have been downsized, are cheaper including data storage media, and have higher-order computations. There are many advantages such as easy application and high degree of freedom. In fact, even in the case of a digital device, particularly in a sensing device, high-speed analog processing after a signal is received by a sensor is extremely important, and AD conversion (Analogue-to-Digital conversion) is relatively close. It is properly realized in combination with the digital processing after being performed.
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 an analog device, transmission and reception beamforming are performed by analog processing. On the other hand, in the digital apparatus, transmission beamforming is performed by analog processing or digital processing, and reception beamforming is performed by digital processing. Therefore, in the present application, the digital beam former refers to one that performs reception beam forming by digital processing without fail.
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 waves from a measurement target through a plurality of conversion elements, an array type device composed of them, or mechanical scanning of one or more conversion elements, so-called aperture plane synthesis processing, DAS (Delay and Summation: phasing) Processing is performed. In transmission, a plurality of elements may be driven to perform transmission beamforming, and classical aperture plane synthesis based on single element transmission may be performed. However, in reception beamforming, common , 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, the transmission beamforming is performed by analog processing or digital processing. On the other hand, in receive beamforming, a wave is received by each element in the array or an element at a different position to generate a receive signal, and the analog receive signal is generated after level adjustment by analog amplification or attenuation and analog filtering. AD conversion is performed on the digital received signal, and the digital received signal is stored in the memory. After that, a device or computer equipped with general-purpose calculation processing power, PLD (Programmable Logic Device), FPGA (Field-Programmable Gate Array: rewritable gate array), DSP (Digital Signal Processor: Digital Signal Processor), A stored signal is digitally processed by using a GPU (Graphical Processing Unit), a microprocessor, a dedicated computer, a dedicated digital circuit, a dedicated device, or the like. It
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。 A device that performs these digital processes may include an analog device, an AD converter, a memory, or the like. In some cases, the computing device or computer has multi-core. As a result, at the time of reception, it becomes possible to easily carry out dynamic focusing, which is almost impossible with an analog device. Parallel processing is also performed. A transmission line (for example, a laminated circuit or the like) or a wideband wireless path is important in accelerating 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。 The dynamic focusing improves the spatial resolution of the generated image signal in the range direction and the depth direction (depth direction) of the measurement target. On the other hand, transmission dynamic focusing is possible only in classical aperture plane synthesis by single element transmission. In order to secure the energy of the transmission wave, transmission beamforming at a fixed focus position by driving a plurality of elements is often performed instead of aperture plane synthesis by single element transmission.
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 inventor of the present application has invented high frame rate echo imaging in which a wave such as a plane wave having a wide wavefront in the lateral direction is transmitted and a wide range of areas is interrogate in one transmission. Further, the inventor of the present application performs coherent addition (superposition) of a plurality of waves of this type having different steering (deflection) angles to perform lateral modulation and lateral band broadening (horizontal lateral high resolution). In particular, when the above-mentioned multidimensional autocorrelation method is realized, blood flow in the carotid artery with shear wave propagation and fast blood flow, or blood flow in the heart chamber with complicated flow, etc. Was invented to measure as a multidimensional displacement vector. The same applies when multi-directional aperture plane synthesis is performed and when transmission beam forming is performed. In addition, a wave having a plurality of different carrier frequencies may be generated and superposed on each other to realize a wide band in the axial direction (higher 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 a process 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 those devices. A small package is 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)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。 This DAS processing is performed by interpolating approximation processing in the spatial domain to delay the received signal at high speed for phasing, and by phase rotation processing that takes a huge amount of time but multiplies the complex exponential function in the frequency domain. There is one that applies a delay with high accuracy based on the Nyquist theorem (a past invention of the inventor of the present application), and adds received signals in the spatial domain after phasing (phasing 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 reception signal, for example, for a transmitter to generate a transmission signal to a driving element. ..
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。 In addition, when a plurality of elements are driven by transmission delay in one beamforming, an analog or digital transmission delay that is mounted in advance in the transmission unit and realizes a transmission focus position, steering direction, etc. that can be selected by the operator. May use patterns. Further, in the reception digital processing, 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 as the trigger signal, and There is a case where sampling is started for the signal of and the digital delay is applied. These command signals may be generated based on command signals 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 performed in the transmission delay, an error determined by the clock frequency for generating the digital control signal is inevitably generated unlike the analog delay. Therefore, the transmission delay is preferably the analog delay. Further, if a digital delay is applied in the reception to realize the reception dynamic focusing, an error occurs due to the above-mentioned interpolation approximation processing. Therefore, it is necessary to increase the sampling frequency of the AD converter at a high cost or to increase the above-mentioned high frequency. There was no choice but to perform low-speed beamforming by applying an accurate digital delay (phase rotation processing).
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 processing, phasing addition may simply add echo signals from a position including the coordinate position of the generated signal value, or bi-linear or multi-dimensional polynomial The accuracy may be improved by interpolation using, for example. The former is significantly faster but less accurate than the latter, which uses complex exponentials. The latter is highly accurate but extremely slow. This phasing addition is performed under the assumption that the wave propagation velocity is known, or is assumed to be constant in the region of interest in many cases. On the other hand, it is also performed to measure the propagation velocity and correct the phase aberration. For example, before or after beam forming, the phase is evaluated by evaluating a cross-correlation function between adjacent beam signals or beam signals at different angles. Aberration can be obtained (if the propagation velocity is uniform, then interference analysis is performed).
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。 Compared with the case where the aperture elements are distributed or arrayed in a one-dimensional space, the aperture elements are distributed two-dimensionally or three-dimensionally, or the aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional array. In this case, it is necessary to perform more processing for beamforming, and many processors are mounted to perform parallel processing. Beam forming at a distant position with less interference, transmission beam forming in a plurality of directions with different steering angles, and single transmission beam forming may be processed in parallel.
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 for waves to be generated appropriately, reflecting the type and amount of communication data, or the characteristics of the medium, and optimized under these observations. Communication is desirable. Separation of interfering waves is also performed 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 of the inventor of the present application, which is similar to the above-described multidirectional aperture plane synthesis processing, it is possible to perform multidirectional receive beamforming for one transmit beamforming to improve the frame rate. Also, apodization may be important in beamforming. For example, each of transmission and reception apodization may be performed in order to reduce side lobes, which has a trade-off with lateral resolution and should be performed appropriately. On the other hand, with emphasis on spatial resolution, a simple beam former that does not perform apodization is often used. However, the inventor of the present application has reported that appropriate apodization is necessary to obtain lateral resolution while suppressing side lobes during steering. In addition, 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 ultrasonic imaging) may be used to apply the nonlinear characteristics of waves in a target, and the inventor of the present application is actively involved in applying these. It is possible to irradiate waves with high intensity or waves containing harmonics (broadband transmission) and to perform nonlinear processing on received coherent signals or coherent signals after phasing and addition, and high spatial resolution and side Invented high contrast imaging by suppressing lobes. The inventor of the present application also invented a highly accurate tissue displacement (vector) measurement based on the non-linear 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 an imaging signal using a virtual source. As for the virtual source, it has been reported in the past that the virtual source is installed in front of the physical aperture and the virtual source is installed at the transmission focus position. Further, the inventor of the present application has set up not only a virtual source but also a detector at an arbitrary position without using a focus, and a physical source or detector of a wave may be an arbitrary scatterer or diffraction grating. It reports that it can be installed in the position. It is possible to realize high resolution 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。 As the imaging form, quadrature detection, envelope detection, or square detection is used, but the inventor of the present application is also actively displaying the corrugation itself as a color image or a gray image, and the phase information We emphasize display including. As described above, development of multidimensional devices using various waves is being promoted 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 digital beamformings using the fast Fourier transform disclosed so far, and one of them is an analog processing (Fourier transform) which is an analytical solution of classical monostatic aperture synthesis. Non-Patent Document 1) is digitized, and exactly the classical aperture plane synthesis is performed at high speed and high accuracy through Fast Fourier Transform (see Non-Patent Document 2). In this processing, interpolation approximation is not required, but in the case of steering (deflection) or multi-static type aperture plane synthesis (generally, reception by using one element or a plurality of peripheral elements in transmission). Digital processing is not disclosed.
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、全て補間近似処理を要するものであり、精度が低い。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、補間近似処理を要し、精度が低い。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、補間近似を通じて波数マッチングを行うものである。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。 All of the other digital beam forming methods disclosed require an interpolation approximation process and have low accuracy. For example, there is disclosed a method of performing wave number matching through fast Fourier transform including steering in plane wave transmission (see Non-Patent Document 3-5), but in that case and the array shape of the array is not flat. In cases where calculation and image display are performed (when the array aperture is a circular arc (see Non-Patent Document 6)), interpolation approximation processing is required and accuracy is low. The method using the fast Fourier transform at the time of transmitting a plane wave is also disclosed in Patent Documents 1-4, but all of them perform wave number matching through interpolation approximation. By performing wave number matching by the interpolation approximation, the wave number vector coordinate system of the angular spectrum is set at equal intervals to obtain a multidimensional spectrum, and fast inverse Fourier transform is performed, whereby the beam forming can be completed at high speed.
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、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い。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。 Recently, Non-Patent Document 5 discloses performing Fourier transform on wave number matching for non-equidistant sampling signals, but again, this is also based on interpolation approximation processing. As mentioned above, digital beamforming has a long history, but when the real time (computation speed) before displaying an image is the most important, interpolation approximation is often performed and it provides the best accuracy. It does not mean that In addition, regarding the most popular (fixed) fixed focus processing known to perform the DAS processing and the steering at that time, the processing method performed through the 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補間近似を要する。これらの補間近似を伴う処理において精度を得るためには、通常、AD変換器のサンプリング周波数を高くして十二分にオーバーサンプリングする必要がある。 Further, although there is a report on the migration method (for example, refer to Non-Patent Document 7), this also requires interpolation approximation in wave number matching. In order to obtain accuracy in the processing involving these interpolation approximations, it is usually necessary to increase the sampling frequency of the AD converter and oversample sufficiently.
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 the reception in order to realize the reception dynamic focusing, an error occurs due to the above-described interpolation approximation processing, so that the sampling frequency of the AD converter is increased sufficiently at a high cost. Or, the above-mentioned high-precision digital delay (phase rotation processing) must be applied to achieve 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る。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。 Up to now, the target waves are electromagnetic waves, vibration waves (mechanical waves) including sound waves (compression waves), shear waves, surface waves, etc., or waves such as heat waves. (Scattered or backscattered waves, etc.), refracted waves, surface waves, shock waves, or methods of digital beamforming for those waves originating from a self-emanating wave source are disclosed. As described above, it is limited to the monostatic type aperture plane synthesis that does not include steering, the plane wave transmission that includes steering, and the migration method. Further, except for the monostatic type aperture plane synthesis, digital beam forming could not be performed without the need for interpolation approximation. 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、補間近似を一切要さずに、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。 On the other hand, when using a transmitting or receiving transducer array device having an arbitrary aperture shape (which may be used for both transmission and reception, or transmission and reception may be related to different waves), or a passive When only the receiving transducer is used in beam forming, no interpolation approximation is required even if the coordinate system of the transmit / receive beam and the coordinate system of the image display are different, regardless of the presence or absence of transmission or reception focusing or steering. Moreover, it is desired to perform arbitrary beamforming at high speed and with high accuracy.
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。 For active beamforming, transmit and receive transducer array devices with arbitrary aperture shapes (transducers may be used for both transmission and reception) are used. Also, in the case of passive beamforming, only receive transducer array devices with arbitrary aperture shapes are used. In these cases, it is desired to realize arbitrary beamforming at high speed and with high accuracy by digital processing. Virtually any focusing and any steering is desired to be performed 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)こともあり、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、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る。 After beamforming after phasing addition, linear or non-linear signal processing is applied to a plurality of beams having different wave parameters such as frequency in each direction, bandwidth, pulse shape, and beam shape. A beam having a new value for at least one of those wave parameters may be newly generated (frequency modulation, broadband, multi-focus, etc.), and focusing is performed in such beam forming. Steering (deflection) and apodization are performed using a transducer array device having an arbitrary aperture shape based on DAS processing.
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 propagation velocity of waves is determined by the physical properties of the medium under physical conditions, if the aperture element forms a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multidimensional array for imaging in a multidimensional space, it is a one-dimensional case. Compared to the above, a large number of beamformings are performed, and the number of processing data used for one beamforming also increases, which requires a huge amount of time, but the high speed of beamforming is obtained, It is desired to use a device that processes these beamformings in so-called real time or a device that can display the results in a short 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、一切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。 Further, up to now, regarding digital beam forming through Fourier transform, what is performed through interpolation approximation in a Cartesian coordinate system mainly when using a one-dimensional or two-dimensional linear array transducer is disclosed. Even when the coordinate system at the time of reception and the coordinate system of the result (image) display are different, it is desired to perform digital beamforming without performing any interpolation approximation.
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、補間近似を行うものである。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、補間近似することなく、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 method disclosed regarding the case where the array aperture shape is not flat (for example, when the array aperture is a circular arc) also performs interpolation approximation. As a typical example, when a convex type transducer is used, or when electronic or mechanical sector scanning or IVUS (intravascular ultrasound) scanning is performed, transmission and reception are performed in an arbitrary coordinate system such as a polar coordinate system. It is desired to process the digital signal obtained from the wave motion and obtain the beam-formed signal directly in an arbitrary image display system (arbitrary coordinate system) such as a Cartesian coordinate system without performing interpolation approximation.
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, memories and AD converters have become very inexpensive, but by sampling the waves based on the Nyquist theorem without oversampling, it is possible to perform time-consuming DAS processing when interpolation approximation is not performed. It is desired that the corresponding beamforming can be performed at high speed. Proper 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、いわゆるDAS処理に基づくダイナミックフォーカシングであった。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。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、補間近似することなく、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 (including the effect of suppressing side lobes) of the image signal obtained in real time or in a short time are high, and the movement of the target (displacement) is obtained from the obtained signal. ), Deformation, or measurement of temperature or the like, it is desired to realize highly accurate measurement. For example, in the field of medical ultrasonic waves, in recent years, Doppler method is applied to echo signals to measure tissue displacement and speed, and then spatiotemporal differentiation is applied to this to obtain acceleration, strain, etc. to form an image. became. Spatial-temporal differentiation is a process that amplifies a high-frequency measurement error and deteriorates the SN ratio (Signal-to-Noise Ratio). Therefore, it is necessary to realize a highly accurate displacement measurement using a phase. The high-precision beamforming that achieves this is dynamic focusing based on so-called DAS processing. A three-dimensional imaging device using a two-dimensional array or a three-dimensional array also tends to become popular. As described above, it is desired to achieve arbitrary beam forming including dynamic focusing at high speed and with high accuracy without performing interpolation approximation.
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。 Recently, the inventor of the present application has proposed a highly accurate measurement method for relatively fast moving tissue displacement and shear wave propagation based on high-speed beamforming (high-speed transmission / reception in a region of interest) by polarized plane wave transmission. Although realized, it is desired to perform beamforming at high speed and with high accuracy without requiring interpolation approximation even when such focusing is not performed. By performing high-speed beam forming while changing the steering angle and performing coherent addition, it is also possible to obtain almost the same high image quality (spatial resolution and contrast) at high speed as compared with scanning using a normal focusing beam. .. High-speed beamforming is also effective for multidimensional imaging using a multidimensional array.
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 and multi-static type aperture plane synthesis in the classical aperture plane synthesis (monostatic type) based on scanning by driving one element at a time, which has not been disclosed so far, can be performed at high speed without requiring interpolation approximation. It is desirable to implement it with high accuracy. Further, even when so-called migration processing is used, it is desired to perform 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 realized are as described in other portions of the present specification, and it is desirable that those beamforming can be similarly performed at high speed and with high accuracy. Be done.
そこで、本発明の第1の目的は、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、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。 Therefore, a first object of the present invention is to use a digital beam former having a digital operation function and perform arbitrary beam forming at high speed and with high accuracy without performing approximate calculation. This enables various applications of the wave motion described below, including super-resolution using non-linear processing.
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。本発明の第1の観点に係るビームフォーミング方法は、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において用いられるビームフォーミング方法であって、前記計測対象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、前記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又は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行い、第1の方向及び第2の方向又は第3の方向を座標軸とする所望の直交座標系においてイメージ信号を生成するステップ(b)とを具備し、ステップ(b)が、前記受信信号に対して多次元フーリエ変換を施して得られる波数領域又は周波数領域における角スペクトルに対して直接的に補間近似処理を施すことなく波数マッチングを行うために、(b1)前記ステアリング角度の偏角又は仰角が零度である場合に、前記受信信号に対して前記第1の方向にフーリエ変換を施し、前記第2の方向又は前記第3の方向にフーリエ変換を施した後に、前記第1の方向の空間座標と波動の波数又は搬送周波数とを含む指数部分を有する複素指数関数を乗じることにより、前記角スペクトルを波数空間又は周波数空間においてシフティングすることを含み、(b2)前記ステアリング角度の偏角又は仰角が非零度である場合に、前記受信信号に対して前記第1の方向にフーリエ変換を施した後に、前記第2の方向又は前記第3の方向の空間座標と波動の波数又は搬送周波数とを含む指数部分を有する複素指数関数を乗じ、前記第2の方向又は前記第3の方向にフーリエ変換を施した後に、前記第1の方向の空間座標と波動の波数又は搬送周波数とを含む指数部分を有する複素指数関数を乗じることにより、前記角スペクトルを波数空間又は周波数空間においてシフティングすることを含む。
本発明の第2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、前記計測対象から到来する波動を受信して、受信信号を生成する少なくとも1つの受信開口素子と、前記受信開口素子によっ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、前記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又は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行い、第1の方向及び第2の方向又は第3の方向を座標軸とする所望の直交座標系においてイメージ信号を生成する信号処理部とを具備し、前記信号処理部が、前記受信信号に対して多次元フーリエ変換を施して得られる波数領域又は周波数領域における角スペクトルに対して直接的に補間近似処理を施すことなく波数マッチングを行うために、前記ステアリング角度の偏角又は仰角が零度である場合に、前記受信信号に対して前記第1の方向にフーリエ変換を施し、前記第2の方向又は前記第3の方向にフーリエ変換を施した後に、前記第1の方向の空間座標と波動の波数又は搬送周波数とを含む指数部分を有する複素指数関数を乗じることにより、前記角スペクトルを波数空間又は周波数空間においてシフティングし、前記ステアリング角度の偏角又は仰角が非零度である場合に、前記受信信号に対して前記第1の方向にフーリエ変換を施した後に、前記第2の方向又は前記第3の方向の空間座標と波動の波数又は搬送周波数とを含む指数部分を有する複素指数関数を乗じ、前記第2の方向又は前記第3の方向にフーリエ変換を施した後に、前記第1の方向の空間座標と波動の波数又は搬送周波数とを含む指数部分を有する複素指数関数を乗じることにより、前記角スペクトルを波数空間又は周波数空間においてシフティングする。
本発明の第3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ω0を用いて表される波数k0(=ω0/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、
A measurement imaging apparatus according to a second aspect of the present invention provides the measurement when an arbitrary wave is transmitted from a wave source located in an arbitrary direction to a measurement target in a rectangular coordinate system defined by a receiving aperture element array. A measurement imaging apparatus for generating an image signal of an object, comprising: at least one reception aperture element for receiving a wave coming from the measurement object to generate a reception signal; and a reception signal generated by the reception aperture element. On the other hand, by performing at least Fourier transform and wave number matching, a transmission component or a reception component that forms a steering angle represented by a declination angle or elevation angle or azimuth angle of zero degree or non-zero degree with the front direction of the reception aperture element. There line beamforming processing of the transmission component or reception component comprises performing a steering, the first direction and the second direction or the third signal to generate an image signal in a desired orthogonal coordinate system with the direction of the coordinate axis of the A signal processing unit, wherein the signal processing unit performs wave number without directly performing interpolation approximation processing on an angular spectrum in a wave number domain or a frequency domain obtained by performing a multidimensional Fourier transform on the received signal. In order to perform matching, when the declination or elevation of the steering angle is zero degrees, the received signal is subjected to Fourier transform in the first direction, and then in the second direction or the third direction. After applying a Fourier transform, the angular spectrum is shifted in wavenumber space or frequency space by multiplying by a complex exponential function having an exponential part containing the spatial coordinates in the first direction and the wavenumber or carrier frequency of the wave. When the declination or elevation of the steering angle is non-zero, after performing Fourier transform on the received signal in the first direction, the spatial coordinates of the second direction or the third direction And a wavenumber or carrier frequency of the wave, and a complex exponential function having an exponential part, and Fourier transform is performed in the second direction or the third direction. Then, the spatial coordinates of the first direction and the wave The angular spectrum is shifted in wavenumber space or frequency space by multiplying by a complex exponential function having an exponential part containing the wavenumber or carrier frequency .
A beamforming method according to a third aspect of the present invention is directed to an arbitrary direction in a Cartesian Cartesian coordinate system that uses coordinates in an axial direction y defined by the orientation of an aperture of a flat receiving aperture element array and a lateral direction x orthogonal thereto. Arbitrary waves are transmitted from the located wave source toward the measurement target, and the waves coming from the measurement target are transmitted or received in the direction in which the deflection angle (deflection angle) θ that forms the axial direction is zero degrees or non-zero degrees. In the case where the same wave coming from the measurement target is further subjected to dynamic reception focusing in the direction in which the deflection angle (declination angle) φ formed with the axial direction is zero degree or non-zero degree, the measurement target is measured. (A) receiving a wave arriving from the device by at least one receiving 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 (b) performing a beam forming process according to the step (b), wherein the step (b) does not perform wave number matching including interpolation approximation processing in the wave number domain or the frequency domain on the received signal, The wave number k 0 (= ω 0 / c) represented by using the wave number k of the wave and the carrier frequency ω 0 of the wave in the Fourier transform with respect to y, and the complex exponential function represented by the imaginary unit i (101) The wave number matching in the lateral direction x is performed by multiplying by
本発明は、高速フーリエ変換や複素指数関数の乗算、及び、ヤコビ(Jacobi)演算を適切に実施することを基礎として、通常のデジタル処理を行う場合において必要とされる近似計算を行うことなく、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)及びアナログやデジタルのハードウェアが用いられる。 The present invention is based on performing fast Fourier transform or multiplication of complex exponential function, and Jacobi operation appropriately, without performing approximation calculation required when performing normal digital processing, An apparatus and a method for performing arbitrary beam forming in an arbitrary orthogonal coordinate system at high speed and with high accuracy are included. In order to solve the problem, the reflected wave, the transmitted wave, and the scattered wave are targeted for the waves such as electromagnetic waves, vibration waves (mechanical waves) including sound waves (compression waves), shear waves, surface waves, etc., or heat waves. Waves (forward scattered wave or back scattered wave, etc.), refraction waves, surface waves, shock waves, those waves generated from self-emanating wave sources, waves emitted from moving bodies, or unknown wave sources An appropriately set digital signal processing algorithm (in the implemented digital circuit or software) and analog or digital hardware is 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 a phasing addition device of a normal digital beam former of each wave device, and further include a device having an arithmetic function for performing digital wave signal processing. The software may be installed, or a digital circuit for realizing the calculation may be configured and used. As other necessary devices, at least a normally used transducer, transmitter, receiver, storage device for received signals, and the like may be provided, which will be described in detail later. Harmonic waves are also processed. Beamforming using virtual sources and 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 level adjustment by analog amplification or attenuation and analog filtering described above, analog signal processing devices (driving signal waveform Effective application of linear elements and especially non-linear elements for changing waveforms such as emphasizing and attenuating features, and devices, computers, PLDs (Programmable Logic Device) equipped with general-purpose computational processing capacity as described above. ), An FPGA (Field-Programmable Gate Array), a DSP (Digital Signal Processor), a GPU (Graphical Processing Unit), a microprocessor, or the like may be used, but a dedicated computer or a dedicated digital circuit, or The stored signal may be digitally processed using a dedicated device.
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 those analog devices, AD converters, memories, and devices that perform digital signal processing (multicore, etc.) have high performance, but the number of communications between devices, communication line capacity, wiring, or Broadband wireless communication is also important. Particularly, in the present invention, in addition to the case where the functional devices are properly mounted on one chip or the substrate (when they are removable), the functional devices are directly mounted on the one chip or the substrate. (Including lamination) is desirable. Parallel processing is also important. When the device is non-detachable, when the computer also serves as the control unit, it is possible to obtain a significantly higher security performance than the security obtained under normal program control. On the other hand, current legislation will increasingly require disclosure of processing details.
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、高速フーリエ変換を通じて、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が可能となる。後に詳細に説明する通り、本発明は、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、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補間近似なしに高精度に実現するものである。 According to one aspect of the present invention, a digital beamformer having a digital operation function is used, and arbitrary beamforming can be performed at high speed and high accuracy through fast Fourier transform without performing approximate calculation. It will be possible. As will be described in detail later, the present invention is based on the proper use of multiplication of complex exponential functions and Jacobi operation, and enables high-speed arbitrary beamforming in arbitrary Cartesian coordinate systems including curved coordinate systems. In addition, it is realized with high accuracy without interpolation approximation.
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DAS(Delay and Summation)処理を用いて実現できるが、本発明によれば、物理開口が1次元アレイを構成している場合に、汎用のPC(パーソナルコンピュータ)を使用したときに計算速度は100倍以上にも優位に高速になる。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。 Although any beam forming including conventional beam forming can be realized by using DAS (Delay and Summation) processing, according to the present invention, when a physical aperture constitutes a one-dimensional array, a general-purpose PC (personal computer) is used. ), The calculation speed is significantly faster than 100 times faster. When the aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multi-dimensional array, the problem that a lot of processing time is required can be more effectively solved, and the high speed of beamforming becomes more effective.
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、高速に補間近似を行わずに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 transmission or reception transducer array device (which may be used for both transmission and reception) or a sensor array device having an arbitrary aperture shape is used, and any beamforming is approximated at high speed. It can be realized by digital processing with high accuracy without performing. Substantially any focusing and 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、補間近似することなく、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。 For example, in the field of medical ultrasound images, in addition to a Cartesian coordinate system using a linear transducer, in a convex type, a sector scan, or IVUS (intravascular ultrasound), physical transmission, reception, and digitization are performed using a polar coordinate system. What is done is popular and is used properly according to the observation target. For example, when observing the dynamics of the heart through the sternum gap, a sector scan is usually performed. Further, in the case of an array type opening shape or a transducer based on PVDF (polyvinylidene fluoride), the opening may be deformable in some cases. That is, according to the present invention, a digital signal obtained from a wave transmitted and received in an arbitrary coordinate system is processed, and a beam-formed signal is directly obtained in an arbitrary coordinate system such as an image display system without performing interpolation approximation. be able to.
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、周波数領域において、各々のエコーデータフレームに本発明による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たものを逆フーリエ変換する。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DASにより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 multi-static aperture plane synthesis, echo data frames composed of echo signals received at the same position among multiple reception positions with respect to the transmission position are generated by the number of reception elements, and each echo in the frequency domain is generated. The data frame is subjected to monostatic aperture plane synthesis processing according to the present invention, and the result of these processings superimposed is subjected to inverse Fourier transform. As a result, since echo data can be generated by the same number of aperture plane combining processes as the number of channels of the receiving aperture, a low spatial resolution image signal is generated by the DAS known as a multi-static type processing method and superposed to obtain high spatial resolution. It is faster than the method of generating an image signal.
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。いずれも、複素指数関数の乗算を用いた適切な位相回転処理を実施することにより、成し遂げることができる。 Further, based on the multi-static processing according to the present invention, dynamic reception and steering at the time of general transmission fixed focus can be performed at high speed and with high accuracy. Either can be achieved by performing the appropriate phase rotation process using complex exponential multiplication.
また、座標系に関してであるが、本発明ではフーリエ変換においてヤコビ(Jacobi)演算を行うことを基礎とし、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、補間近似なしに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。 Further, regarding the coordinate system, the present invention is based on performing Jacobi operation in the Fourier transform, for example, in the signal processing of convex or sector scan, or IVUS, to echo data transmitted and received in the polar coordinate system. Based on this, the echo data can be directly generated in the Cartesian coordinate system of the display system with high accuracy and high speed without interpolation approximation.
本発明によれば、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できる。また、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。 According to the present invention, even if so-called migration processing is used, arbitrary beamforming can be processed at high speed and with high accuracy without performing interpolation approximation in an arbitrary coordinate system. Further, according to the present invention, high SN ratio and high resolution imaging using a virtual source can be performed at high speed. Further, according to the present invention, the frequency modulation and widening of the beam performed under linear processing or non-linear processing, multi-focus, parallel processing, virtual sources and virtual receivers, etc. can be performed at high speed with high accuracy under digital processing. Can be realized. The present invention is also useful in beamforming optimization that requires a large amount of calculation.
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補間近似を行うことなく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 are targeted, Arbitrary beamforming even when the coordinate system of transmission and reception is different from the coordinate system of generating a beamformed signal, regardless of the focusing of transmission or reception, steering of transmission or reception, and the presence or absence of apodization of transmission or reception. Can be performed with high accuracy and high speed without performing interpolation approximation 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、波動伝搬に関する数理的なアルゴリズムに関するものであり、デジタル演算を通じ、しかし、近似計算を含まない解を導出した成果そのものであり、容易に想到できるものではない。 This not only improves the frame rate when displaying an image of the beamformed signal, but also provides high spatial resolution and high contrast in terms of image quality. Furthermore, the beamformed signal is used for displacement and deformation. Or, if the temperature or the like is measured, the measurement accuracy is also improved. The high-speed processing has a great effect in multidimensional imaging using a multidimensional array. The present invention relates to a mathematical algorithm related to wave propagation, and is the result itself of deriving a solution that does not include approximation calculation through digital calculation, but is not easily conceivable.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same components will be denoted by the same reference numerals and redundant description will be omitted. The device according to the present invention can be used as a measurement imaging device or a communication device. In the following, the sound pressure or particle velocity is mainly used when the wave is a sound wave such as an ultrasonic wave, the compression wave (longitudinal wave) or shear wave as a mechanical wave, the shock wave, the surface wave, etc. When distorted waves and electromagnetic waves are targeted, electric field or magnetic field, and when thermal waves are targeted, image signals such as transmitted or refracted waves of temperature or heat flux, reflected waves, and scattered waves (forward scattered waves or backscattered waves) are displayed. The 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、送信トランスデューサ(又はアプリケータ)10と、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 the communication apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a typical block diagram showing a configuration example of a measurement imaging apparatus or a communication apparatus according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the measurement imaging apparatus (or communication apparatus) according to the present embodiment includes a transmission transducer (or applicator) 10, a reception transducer (or reception sensor) 20, a device body 30, and 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 typical 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 34. Here, the receiving unit 32 may include the digital signal processing unit 33. 1 and 2 are appropriately 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, appropriate communication is performed between the above-mentioned devices, between units within the device main body 30 and within each unit, based on a wired or wireless technology, and may be installed at distant locations. The device main body 30 is composed of a plurality of such units, and is referred to as such 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。
<Transmit Transducer>
The transmission transducer (or applicator) 10 shown in FIG. 2 generates a wave by the drive signal supplied from the transmission unit 31 in the apparatus body 30, and transmits the wave. In the present embodiment, the plurality of transmitting aperture elements 10a of the transmitting 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. FIG. 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 present in one dimension. 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 present in a two-dimensional array. 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 present in a three-dimensional array. 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 transmitting aperture element 10a has a rectangular, circular, hexagonal, or other aperture shape, and can be flat, concave, convex, and the array can be one-dimensional, two-dimensional, or There are three-dimensional ones. The directivity of one transmission aperture element 10a is determined by the frequency and bandwidth of the generated wave and the shape of the aperture of the transmission aperture element 10a, and is usually expressed in a two-dimensional or more space, but at least orthogonal. One element may be counted as having two directions in which so-called openings are orthogonal to each other so as to have directivity in two directions, and three directions in which so-called openings are orthogonal so as to have directivity in three orthogonal directions. The one that is suitable for may be counted as one element. There is also an element having openings in which the openings are oriented in more than three directions so as to have directivity 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 (at distant positions), but this embodiment will be described without being particularly distinguished from the one-dimensional to three-dimensional array type. Aperture element array is used in IVUS for linear type (element arrangement is flat), convex (convex arc shape arrangement), focus type (concave arc shape arrangement), circular type (for example, medical ultrasonic wave). ), Spherical, convex or concave spherical shell shape, and other shapes arranged in a convex or concave shape, and various modes are taken for the object (communication object) and the observation object that propagate the wave. , But not limited to these. By appropriately driving these aperture element arrays, transmission and steering of waves in which the wavefront of the plane wave or the like broadens in the lateral direction, aperture synthesis, fixed transmission focus, etc. are performed, and one beam or generated beam is 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。 As for electronic scanning, as will be described later in detail, in order to generate one transmission beam or a transmission wave having a wavefront, its driving is performed by independent drive signals generated by a plurality of transmission channels included in the transmission unit 31 shown in FIG. The same number of transmission aperture elements 10a as the number of signals can be driven independently. The transmit aperture element array used to generate the transmit wave with one transmit beam or wavefront is also referred to as the transmit effective aperture. In addition, the full aperture element is distinguished from the physical aperture element array collectively referred to, and the transmission aperture realized by the transmission aperture element 10a driven simultaneously is also referred to as a transmission sub aperture element array or simply a transmission sub aperture. is there.
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。 In the case where the wave propagation target (communication target) is wide, or in order to observe the entire region of interest at once, the number of transmission channels is equal to the total number of aperture elements in the physical aperture element array, and all of them can be used at all times. However, in order to reduce the cost of the device, it is possible to electronically switch the transmission channel to shift the transmission sub-aperture element array (electronic scanning) or mechanically scan the physical aperture element array (mechanical scanning). , Waves may be transmitted over the region of interest using a minimum number of transmission channels. When the target (communication target) for propagating the wave is wide or the size of the observation target is large, both electronic scanning and mechanical scanning may be performed.
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 a sector scan is performed, a spatially fixed aperture element array of the type described above is electronically driven for scanning (electronic scanning), or the aperture element array itself is mechanically scanned. (Machine scanning), or both may be performed together. In classical aperture plane synthesis, electronic scanning is performed electronically for each element of the aperture element array, or mechanical scanning of one aperture element is performed to transmit at different positions to form a transmission aperture array. In the above, the transmission unit 31 may have the number of transmission channels equal to the number of elements of the physical aperture array. However, the number of transmission channels can be reduced by using a switching device, and at least one channel is always required like the mechanical scanning. Need. When transmitting polarized waves, at least the number of channels obtained by multiplying the number of elements driven at one time by the number of polarized waves is required for the transmission unit 31.
<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。
<Reception transducer>
The receiving transducer (or receiving sensor) 20 shown in FIG. 2 may also serve as the transmitting transducer 10, but it may be an array-type sensor that is used separately from the transmitting transducer 10 and is dedicated to reception. Therefore, the receiving transducer 20 may be set at a position different from that of the transmitting transducer 10. Further, the receiving transducer 20 may sense a wave different from the wave generated by the transmitting transducer 10. Such a receiving transducer 20 may be installed at the same position as the transmitting transducer 10 or may be integrated with it.
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)。 Like the transmitting transducer 10, the receiving transducer 20 in the present embodiment has at least one or more receiving aperture elements 20a forming an array, and the signals received by the respective elements are independently stored in the device body 30. Is transmitted to the receiving unit 32 (FIG. 2). Like the transmit aperture element 10a, the receive aperture element 20a has a rectangular, circular, hexagonal, or other aperture shape, and can be flat, concave, convex, or an array of 1 There are three-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional shapes. The directivity of one reception aperture element 20a is determined by the frequency and bandwidth of the received wave and the shape of the aperture of the reception aperture element 20a, and one having a plurality of apertures may be counted as one element. The number of openings in one element varies depending on the position and may be mixed. In addition, the receiving aperture elements 20a may exist spatially densely or sparsely (positions distant from each other), and are not distinguished from the array type here (see the example of the transmitting 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。 The aperture element array is similar to that of the transmission transducer 10, and is linear (element arrangement is flat), convex (convex arc arrangement), focus type (concave arc arrangement), circular (for example, For the object (communication target) or the observation target that propagates the wave, such as medical ultrasonic waves used in IVUS), spherical, convex or concave spherical shell shape, and other things arranged in a convex or concave shape Therefore, various aspects are taken, and the present invention is not limited to these. Waves are received by using these aperture element arrays, and reception and steering of waves in which the wavefront of the above-mentioned plane wave widely spreads in the lateral direction, aperture plane synthesis, fixed reception focus, dynamic focus, etc. are performed. Received waves with beams and generated wavefronts are 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) may not be spatially dense and may be sparse (distant positions), or may be mechanically scanned to transmit or receive a measurement target. The received signal may be processed in the same manner even when a transducer not called an array type is used, but in the present application, the case where an array type device is used will be emphasized without making a particular distinction between them. The present invention will be described. For example, each radar may or may not form an array when there are radar openings 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。 Not only the radar installed on satellites and airplanes, but also the transducer may mechanically scan the measurement target. In some cases, the signal is transmitted or received continuously continuously with high density, or spatially sparsely at distant positions. Therefore, in addition to classical aperture plane synthesis (transmission by a single aperture element), a signal may be received while performing transmission beamforming. The aperture element may exist in one dimension, or may exist in a two-dimensional or three-dimensional space. In addition, mechanical scanning may be performed while electronically scanning.
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 later in detail, in order to realize one reception beam or a reception wave having a generated wavefront, the reception unit 32 receives the reception signals independent of the number of reception channels at one time in the aperture element. It is possible (the effective reception aperture is determined). The receive effective aperture may be different than the transmit effective aperture. The full aperture element may be distinguished from a physical aperture element array collectively referred to, and the reception aperture realized by the reception aperture element 20a used at the same time may 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。 In the case where a wave propagation target (communication target) is wide or in order to observe the entire region of interest at one time, the receiving unit 32 is provided with the number of receiving channels of the total number of aperture elements provided in the physical aperture element array, and these are always All may be used, but to make the device inexpensive, electronically switching the receive channel to transition the receive sub-aperture array (electronic scanning) or mechanically scanning the physical aperture array. The (mechanical scan) may also receive the incoming waves from the entire region of interest with a minimum 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。 When the target (communication target) for propagating the wave is wide or the size of the observation target is large, both electronic scanning and mechanical scanning may be performed. When a sector scan is performed, a spatially fixed aperture element array of the type described above is electronically driven, and scanning is performed by alternately repeating transmission and reception (electronic scanning), or The aperture element array itself may be mechanically scanned (mechanical scanning), or both may be performed together. Further, in the classical aperture plane composition, regarding transmission, as described above, transmission is performed at different positions through electronic scanning that is electronically driven for each element of the aperture element array or mechanical scanning of one aperture element. In order to configure the transmission aperture array, the transmission unit 31 may have the same number of transmission channels as the number of elements of the physical aperture array in electronic scanning. 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 is used for reception, the reception unit 32 may have the reception channel similarly to the transmission channel. Further, 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 same number of reception channels as the number of elements of the physical aperture array in electronic scanning. By using the switching device, it is sufficient that the receiving unit 32 has at least as many receiving channels as there are elements of the receiving effective aperture in both electronic scanning and mechanical scanning. When receiving polarized waves, at least the number of channels obtained by multiplying the number of receiving elements by the number of polarized waves is required for the receiving unit 32.
<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 an arbitrary wave to the measurement target and receiving a reflected wave reflected in the measurement target, a backscattered scattered wave, or 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 an ultrasonic wave according to a drive signal and receives the ultrasonic wave to generate a reception signal. It is well known that the ultrasonic element (PZT (Pb (lead) zirconate titanate), polymer piezoelectric element, etc.) is 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 ultrasonic waves have historically been used in blood flow measurement, but the inventor of the present application has found that the soft tissue displacement and strain (in the static case Including the case) and shear wave propagation (velocity) measurement, we have been the first in the world to use a wideband transducer for (echo) imaging. HIFU treatment is also the same, and continuous waves are sometimes used, but the inventor of the present application has also developed an applicator using a high-frequency type or broadband type device in order to realize high-resolution treatment. There is. When high-intensity ultrasonic waves are used, the tissue may be stimulated in a range that does not produce a heating effect, and a force source may be generated in the measurement target as described above, and a transducer for (echo) imaging is used. Sometimes. Heat treatment, force source generation, and (echo) imaging may be performed simultaneously. The same applies to 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, a plurality of force sources can be generated in the object temporally or spatially, and the propagation direction of shear waves can be controlled by superposing shear waves. It is possible to measure the anisotropy of shear modulus and its propagation velocity. Since the shear waves generated almost at the same time are physically overlapped, the shear waves may be separated under the spectral analysis after the shear waves are observed through ultrasonic displacement meter measurement. If they do not physically overlap, the shear waves generated by the respective force sources are observed by analyzing the ultrasonic signals, and the results are superposed to determine the propagation direction, propagation velocity, and propagation direction (viscosity). ) The shear modulus may be obtained, but it may also be obtained by observing the superposition of shear waves by superposing and analyzing the ultrasonic signals when the respective force sources are generated. The same applies when a heat source is generated and heat waves and thermophysical properties are observed. Hereinafter, various other processes are performed.
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、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、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 heat source, force source, sound pressure can be adjusted by apodization of transmission and reception, delay (delay), radiation intensity, and by detecting transmitted waves or reflected waves when they are generated and optimizing them It is possible to realize a desired heat source, power source, and sound pressure. The shape of the signal may be observed with high sensitivity using a hydrophone, or the shape may be estimated by obtaining the autocorrelation function for the signal captured by the detector. Then, linear or non-linear optimization is performed. The propagation directions of shear waves and heat waves may be optimized. In each case, it is desirable to use the estimation results of 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, when a concave applicator is used, it is possible to focus high-intensity ultrasonic waves on the focal position, and a wide band is formed in the lateral direction. However, since the sound pressure shape has a distribution that draws a foot from the focus position, the spectrum obtained after receiving the reflected wave or the transmitted wave is processed (filtering, weighting, etc.) to make the sound pressure shape an ellipse. It can be processed (Patent Document 7). It may be applied that the spectrum components in each direction of the wave or beam are confirmed as a spectrum 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。 As wave parameters and beamforming parameters, focus position with transmission focusing, plane wave, cylindrical wave and 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, different pulse shapes, different beam shapes, etc. To generate a wave or beam with new characteristics that cannot be generated by wave generation or beam forming by single transmission and reception (for example, when the waves or beams are crossed and overlapped to each other for lateral modulation or broadband, multi-focus) In the above case), the same effect may be obtained by performing the same process. The superposition may be performed at the same time in real time, or may be performed with respect to those received at different times in the same time phase of interest. Each of them may be subjected to reception beamforming and overlapped with each other, or may be subjected to reception beamforming after being overlapped with each other.
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)。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、すなわち、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 a plurality of those waves or beams may be weighted in the frequency domain to be broadened and super-resolution may be performed (higher resolution). . The method described in paragraph 0009 may be used together, and the observed wave may be subjected to the conjugate or reciprocal of the frequency response as an inversion of the beam characteristic. In addition, the conjugate of the observed wave or the conjugate of the frequency response may be applied (these are detection processes, and the square of the envelope is obtained by the former, and the self spectrum, that is, the autocorrelation function is obtained by the latter. can get). Super-resolution may be applied to the beam-formed (including aperture plane synthesis), or super-resolution to reception beamforming or no beamforming (transmission / reception signal for aperture plane synthesis). Beam forming 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。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、スッペクルを低減でき、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 improve the accuracy of the displacement component, the frequency in the displacement component direction may be increased. If high resolution is also required, it is necessary to widen the band. For example, the displacement measurement can be performed with high accuracy by discarding the low frequency spectrum and increasing the frequency. 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 to generate multiple waves or beams, an over-determined system can be configured to perform highly accurate displacement measurement, etc. Sometimes it is done. Envelope detection, square detection, and absolute value detection are performed for imaging, but by overlapping a plurality of waves or beams after detection, speckle can be reduced and specular reflection can be emphasized.
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。 It should be noted that these treatments can be carried out not only when using ultrasonic waves and medical treatment, but also when electromagnetic waves are used and in various fields. For example, it is possible to observe audible sound waves using ultrasonic waves (that is, the Doppler effect), observe sound waves and heat waves using electromagnetic waves or light, and observe seismic waves using them. In conjunction with this, it is also possible to observe related physical properties (distribution).
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, each time through a matching material (in the case of ultrasonic waves, gel, water, etc.), or one in which the matching material is built in the transducer in advance (for ultrasonic waves. In this case, a matching layer) is used and the impedance matching of each wave is appropriately performed on the object to be measured. Aperture element level and array such as power and carrier frequency, band (wide band or narrow band, determines axial spatial resolution), waveform shape, element size (determines lateral spatial resolution), directivity, etc. The one designed for both performance is used (details are omitted). As an ultrasonic transducer, there is also a composite ultrasonic transducer in which PZT and PVDF are laminated to have both transmission acoustic power and wide band property.
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。 When forced vibration is generated by a drive signal, the drive signal may adjust or encode the frequency or band of the generated ultrasonic wave (with respect to reception, for signals within the band of the transducer). , Bands may be selected using analog or digital filters). In some cases, aperture elements having different characteristics such as frequency and sensitivity are arranged. Originally, medical ultrasonic transducers were handy and easy to use, but recently, a non-cable type transducer has been used together with a handy-sized device body. If the sound has a low frequency (for example, audible sound), there is a speaker or a microphone. Other wave transducers may, but need not, be implemented from similar perspectives.
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 an arbitrary wave, and the transducer 20 may be a receiving transducer (sensor) that receives the arbitrary wave. In that case, the transmitting transducer transmits an arbitrary wave to the measurement target, and the sensor, the reflected wave or the backscattered scattered wave reflected in the measurement target, or the transmitted wave transmitted through the measurement target, Refractive 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, when an arbitrary wave is a heat wave, a heat source that does not intentionally generate sunlight, lighting, metabolism in the living body, etc. may be used, but an infrared warmer, a heater, etc. There are also relatively steady ones, ultrasonic transducers that transmit ultrasonic waves for heating that are often controlled according to drive signals (sometimes a force source is generated in the measurement target), electromagnetic wave transducers, lasers, etc. used. In addition, infrared sensors that receive heat waves and generate received signals, pyroelectric sensors, microwave and terahertz wave detectors, temperature sensors such as optical fibers, ultrasonic transducers (temperature dependence of ultrasonic sound velocity and volume change, etc. A change in temperature can be detected by using the property) or a nuclear magnetic resonance signal detector (the temperature can be detected by using a chemical shift of nuclear magnetic resonance). For each wave, a transducer is used that can receive it properly.
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。 CCD (charge coupled device) technology is used for optical digital cameras and mammography, and an integrated circuit and a sensor body may be integrated. The same technique is also applied to an ultrasonic two-dimensional array, which enables real-time three-dimensional imaging. A combination of a scintillator and a photocoupler is used to detect X-rays, but it has long been possible to observe them as waves. In capturing a high-frequency signal as a digital signal, it is effective to perform analog pre-processing for detection or modulation, reduce the frequency, perform AD conversion, and store in a memory or a storage device (storage medium). Sometimes digital detection is performed. These may be integrated with a transmitter or a receiver by a chip or a substrate.
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。 In addition, each aperture may form an array, for example, when the radar is located at a position distant from the land, and it may not be the case. The aperture may be mechanically scanned to provide a wide directivity. Apertures are spatially continuous, dense, spatially sparse at distant locations, even with regularity, such as evenly spaced, and irregular under physical constraints In some cases, it is installed. In addition, the position may be fixed with respect to the target (communication target) and the observation position where the wave is propagated, such as in the ocean, a building, or indoors. They may be dedicated openings for the transmission or reception of waves. Further, although each opening may serve as both, it may not only receive the response of the wave transmitted by itself, but may also receive the wave transmitted by another opening. In medical and biological observation, it is also called photoacoustic, and an ultrasonic wave generated by laser irradiation may be observed (a plurality of wave transducers may be integrated). According to the present invention, Photoacoustics by the combined use of the ultrasonic diagnostic apparatus and OCT, for example, not only the distinction between arteries and veins, it is also possible to measure the blood flow velocity in each (it is also possible to perform super-resolution it can). Alternatively, a magnetic substance having an affinity for the lesion may be intravenously injected as a contrast agent, and vibration such as ultrasonic waves may be applied to the affected area to observe electromagnetic waves. It may use radio waves to communicate with various mobile units.
地震波(地震計)や脳磁(SQUIDアレイ)、脳波、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。 There are various transducers (arrays) used for passive observation such as seismic waves (seismometers), magnetoencephalography (SQUID array), brain waves, neural network (electrode array), radio waves (antenna), radar, etc. , It may be used to observe the wave source. The propagation direction of the incoming wave is obtained based on multidimensional spectrum analysis (past achievements of the inventor of the present application), and further, in the device of the present invention, a plurality of transducers or receiving effective apertures provided at different positions are provided. Even when the information about the propagation time cannot be obtained by using it (generally, the position of the wave source is calculated from the time when the wave is observed at multiple positions), the position of the wave source can be calculated geometrically. It is possible. Waves can be observed as continuous waves instead of pulse waves or burst waves. Through any processing, when the arrival direction of the wave is known, various beams can be steered and focused in that direction for detailed observation. In those processes, always receiving the beamforming while changing the steering angle, observing the obtained image or image, the spatial resolution, the contrast, the signal strength, or the like, with emphasis on the highly probable direction, or It is also possible to identify the direction of the wave source through multidimensional spectral analysis. Therefore, the transducer used in the device of the present invention may be equipped with a mechanism that is also used for steering and performs electronic scanning, mechanical scanning, or both scanning.
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, some of the typical transducers and special ones that are relatively familiar to us are enumerated. It is not limited, and various ones capable of generating or receiving arbitrary waves such as 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>
Simultaneously, or at the same time, when the state of the object (communication object) or the observation object to propagate the wave is the same or substantially the same, or at different times or different time phases, one or more beam forming at each aperture. Alternatively, transmission or reception may be performed. Further, similarly, one or more beamforming, or transmission or reception may be performed with one combination of apertures. Similarly, each of the plurality of combinations of apertures may perform one or more beamforming, or transmission or reception. Further, in these cases, new data may be generated through linear or non-linear calculation using them, including the case where a plurality of beamforming or reception results are obtained. The received signals to be processed may be overlapped or originally 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。 Further, for example, in a spatially movable object such as a radar mounted on a satellite or an airplane, the mounted aperture may or may not form an array, and the mechanical scanning In some cases, a wide directivity may be obtained, and a certain regularity such as spatially continuous and high density, spatially sparse at distant positions, or evenly spaced. 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 is distributed, living things, etc. that move regularly or randomly. 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)。 In that case, not only classical aperture plane synthesis (aperture plane synthesis based on transmission for each aperture element) is performed, but also receive beamforming may be performed while generating transmit beamforming. Moreover, mechanical scanning may be performed regularly or irregularly while performing electronic scanning, so that waves are appropriately propagated in a spatially wide range (communication), or a spatially wide range is appropriately observed. Sometimes Of course, by using a multi-dimensional array, the wave may be appropriately propagated in a spatially wide area (communication) or the spatially wide area may be appropriately observed only by electronic scanning (physical aperture). Not only becomes larger, but also multi-directional steering is possible).
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。 The mounted aperture may double as both the aperture for transmitting and receiving the wave, but it does not only receive the response of the wave transmitted by itself, but also receives the wave transmitted by any other aperture. Sometimes. In addition, a plurality of moving objects may be provided with an opening, and simultaneously, or a simultaneous phase in which the states of the target (communication target) and the observation target for propagating the waves are the same or substantially the same, or at different times or In another phase, there may be more than one beamforming or transmission or reception 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。 Further, similarly, one or more beamforming, or transmission or reception may be performed with one combination of apertures. Further, similarly, each of the plurality of combinations of apertures may perform one or more beamforming, or transmission or reception. In addition, in these cases, new data may be generated through linear or non-linear calculation using them, including the case where a plurality of beamforming or reception 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 (communication object) or an observation object for propagating waves.
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、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 the present embodiment, there are a plurality of transmission aperture elements 10a and a plurality of reception aperture elements 20a (one aperture element may also serve as 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 without performing interpolation approximation at high speed through fast Fourier transform. In addition, substantially any focusing and any steering can be performed using 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、補間近似処理を行うことな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。 The transmission is generally performed in an orthogonal coordinate system determined by the shape of the physical aperture element array in order to emphasize the direction of each aperture element (a virtual sound source will be described separately). In order to generate a signal that directly represents a wave in a different display coordinate system, the main focus is to perform reception digital beamforming without performing interpolation approximation processing. Sometimes forming is also done. In addition, since a virtual source or a virtual receiver may be used, beamforming is performed as in the case of the physical aperture element array.
<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) included 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 performing one beamforming. For example, there are various forms of this transmission channel as described below. The frequency, bandwidth, waveform, and directivity of the wave generated in each transmission aperture element 10a are determined by the transmission aperture element 10a 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 transmitting aperture element 10a, a wave is generated which is determined by the shape (thickness, size and shape of the aperture) and material (a single crystal is a typical ultrasonic element) of the transmitting aperture element 10a. , The frequency and band of the wave generated by forcibly exciting the transmission aperture element 10a with a drive signal having a frequency, a bandwidth, and a waveform (which may be encoded) generated in the transmission unit 31. The width, waveform, and directivity are adjusted. The characteristics of the generated drive signal are set as parameters under the control of the control unit 34. The control unit 34 may recognize the transducer to be used, and the recommended setting may be automatically performed, but setting or adjustment using the input device 40 is 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。 Usually, in performing one beam forming, the transmission unit 31 is equipped with an analog or digital delay pattern in order to drive a plurality of aperture elements by drive signals with different delays. In some cases, a delay pattern that realizes a transmission focus position, a steering direction, and the like that can be selected using is used. These patterns are programmable, and the patterns to be used and selectable patterns may be installed through various media such as a CD-ROM, a floppy disk, or an MO depending on the purpose. In some cases, a program may be started to interactively select a pattern from the input device 40, or a delay (pattern) value may be directly input, or a file in which data is recorded may be read and set. There is a case. Particularly, in the case of an analog delay, the delay value used may be changed in an analog or digital manner, or the delay circuit or pattern itself may be replaced with another one or switched separately.
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 body 30 (FIG. 2), a command signal for generating a drive signal (which may be encoded) for driving the corresponding transmission aperture element 10 a is transmitted from the control unit 34 to the multi-channel transmitter 31 a. It These command signals may be generated based on command signals for starting beamforming for one frame. When the transmission delay is digital, for example, a digital delay may be applied using the command signal sent to the transmitter 31a for the first transmitting aperture element to be driven as a trigger, and the command signal may be sent to each transmitter 31a. is there. A digital circuit delay device may be used for the 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 subjected to analog delay and transmitted to each aperture element. In this case, where an analog delay that does not require synchronization is used, the transmitter 31a can drive a plurality of transmitting aperture elements 10a with at least one transmitter. Therefore, the transmission analog delay may be provided before or after or inside the transmitter 31a or in the control unit 34, while the transmission digital delay may be provided inside or before the transmitter 31a or in 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。 The pattern may be selected by switching the analog circuit or the analog device, or the digital circuit or the digital device, and the delay of these delay devices may be changed under the control of the control unit 34. It may be programmable through installation, input settings, etc. Also, a delay device may be provided in the control unit 34. Further, when the control unit 34 is configured by a computer or the like as described below, a command signal delayed by software control may be directly output from the control 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(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 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, a dedicated digital circuit, or a dedicated device. They are preferably of high performance (multi-core etc.) and may also be responsible for analog devices, AD converters 32b, memories 32c and / or digital signal processing units 33 for performing transmit or receive beamforming processes.
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 is important. In particular, in the present invention, when those functional devices are properly mounted on one chip or substrate ( If removable, there is). In addition, they may be directly mounted on a single chip or substrate (including stacking). Parallel processing may be performed. 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 the security obtained under normal program control. On the other hand, current legislation will increasingly require disclosure of processing details.
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。 Some control software and delay values are directly coded or entered or installed. How to apply the digital delay is not limited to these. When this digital delay is performed in the transmission delay, an error determined by the clock frequency for generating the digital control signal is inevitably generated unlike the analog delay. Therefore, from the viewpoint of accuracy, the transmission delay is preferably the analog delay. Basically, it uses costs and uses high clock frequencies to reduce errors. On the other hand, the analog delay can be changed in an analog manner or can be programmable so that it can be digitally controlled. However, when the degree of freedom is lower than that of the digital delay and the cost is reduced, 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 temporal change of the amplitude of the time-varying waveform (which may be encoded). The drive signal is adjusted based on the calibration data of the conversion efficiency (conversion ability) of the drive signal of the aperture element to the wave. For other purposes, adjustment of the drive signal may be performed solely for calibration purposes. The command signal sent from the control unit 34 to the transmitter 31a may represent the waveform and phase information of the drive signal generated by the transmitter 31a as a time series, or the transmitter 31a recognizes and outputs a predetermined signal. It may be encoded so as to generate a drive signal, or 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 may 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。 Further, like the delay, the transmitter 31a may be programmable so as to generate a predetermined drive signal for the position of each aperture element to be driven within the effective aperture, and various forms are possible. A power supply and an amplifier are used to generate a drive signal, but power supplies with different amounts of power or energy supply and amplifiers with different amplification levels are used by switching or used simultaneously to generate one drive signal. In some cases, like the transmission delay pattern, it is directly set as described above or is programmable. The delays and apodizations can be implemented in the transmission unit in the same or different form at the same or different hierarchical levels.
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 channel for driving the aperture element in the transmission effective aperture is switched through a switching device such as a shift register or a multiplexer, and the effective aperture at another position is used to scan the region of interest while performing beamforming. There is. Some delay elements have variable delay values, and the delay pattern (delay element group) may be switched. Further, steering may be performed in a plurality of directions in one effective opening, or steering may be performed in a plurality of directions while appropriately changing the opening position and the 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)。 When switching a high voltage signal, a dedicated switching device is 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 Specifically, it means that a transmitting element with an apodization value of zero is inactive and is off. Apodization also serves as a switch for the effective element and can also determine the effective aperture width (apodization in the aperture element array direction). If the function is a rectangular window, the switch is on, if it is not a constant value, 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。 Regarding the delay pattern and the apodization pattern, the device body 30 may be provided with a plurality of patterns or may be programmable, and based on the response from the transmission target and the beamforming result by the receiving unit 32 described below, In the digital signal processing unit 33 (FIG. 2) in the device body 30 which will be described later, attenuation or scattering of waves (forward scattering or backscattering), transmission, reflection, refraction, or frequency dispersion of sound velocity in the medium in the propagation process. In some cases, the delay and intensity of the wave transmitted from each aperture, the steering direction of the beam or 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。 Note that there are a monostatic type and a multistatic type that are used in the transmission by the one-aperture element in the classical aperture plane synthesis, and the active transmission aperture element 10a operates under the switching or apodization as described above. Can be switched. In some cases, all transmitting elements have a transmitting channel including the transmitter 31a. In aperture plane synthesis, it is necessary to generate waves of sufficient intensity or energy, and the transmission apodization function itself is not always important. Substantially, aperture plane synthesis is usually performed at the same time as reception apodization in the phasing adder, and in the present invention, it is often performed at the digital signal processing unit 33 at the same time as reception apodization. The representative transmission unit of the present embodiment has been described above, but any transmission unit that can perform transmission beamforming can be used and is not limited to the description.
<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。
<Reception unit and digital signal processing unit>
Next, the receiving unit 32 and the digital signal processing unit 33 (FIG. 2) included in the device body 30 will be described. The reception unit 32 includes a receiver 32a for a plurality of reception channels, an AD converter 32b, and a memory (or storage device or storage medium) 32c. The frequency, bandwidth, waveform, and directivity of the reception signal generated by each reception aperture element are determined by the reception aperture element 20a and the reception unit 32. When a wave arrives at the reception aperture, a reception signal determined by the shape (thickness, size and shape of the aperture) of the reception aperture element 20a and the material (single crystal as a typical ultrasonic element) is generated. The frequency, bandwidth, and directivity of the received signal generated by the filtering process (which may also serve as an analog amplifier) in the unit 32 are adjusted. The generated reception signal is substantially adjusted based on the parameters (frequency characteristics such as frequency and bandwidth) of the filter set under the control of the control unit 34. The control unit 34 may recognize the transducer to be used, and the recommended setting may be automatically performed, but setting or adjustment using the input device 40 is 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)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 normal digital receiving unit or a digital receiving apparatus has such a function and further has a phasing addition function. That is, the DAS processing in the digital receiving unit or the digital receiving apparatus is to perform a phasing process on a plurality of received signals and add the plurality of received signals subjected to the phasing process. As the phasing process, the reception signals are AD-converted in the reception channels of the plurality of reception apertures and basically stored in a memory, a storage device, a storage medium or the like that can perform high-speed reading and writing, and It takes a lot of time to delay the received signal read from the storage destination by interpolation approximation processing in the spatial domain in order to perform phasing with respect to the position of interest. In (1), there is a method of multiplying a delay with high accuracy based on the Nyquist theorem by phase rotation by multiplying a complex exponential function (past invention of the inventor of the present application). In addition, in the storage destination, the reception signals of the respective reception openings may be stored at positions corresponding to the reception delays, and these reception signals are read and added, or they are further subjected to the above processing. Sometimes 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 implements phasing addition processing and its peripheral devices. The receiving unit (or receiving device) 35 shown in FIG. 4 performs a phasing addition process in addition to a receiver 35a for a plurality of receiving channels, an AD converter 35b, and a memory (or storage device or storage medium) 35c. It includes a phasing adder 35d that performs the phasing adder and another data generation unit 35e that digitally processes 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 by high-order calculation, and calculates the temperature with respect to the target. Analyze.
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上記の演算処理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を行うものである。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。 Dynamic focusing is performed by performing this phasing addition process at each position in the region of interest. Originally, dynamic focusing was the term used in the direction of the range received at the effective aperture, but in fact it is not the case in the receive digital beamforming implemented by the present invention. The receiving unit 32 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 2 has a high-accuracy digital processing in which a calculation process for performing phasing addition (DAS) processing is different from the above-mentioned calculation processing represented by its name and does not require approximation processing. Beam forming is performed. 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.
通常の整相加算器も本発明の実施形態におけるデジタル信号処理ユニット33によって同様に実現することが可能であるが、特に、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。 An ordinary phasing adder can be similarly realized by the digital signal processing unit 33 in the embodiment of the present invention, but in particular, the characteristic of the receiving unit 32 in the embodiment of the present invention is high speed and high accuracy. In order to realize the processing, the reception signal normally generated in the reception aperture element 20a is level-adjusted by analog amplification or attenuation and analog filtering (programmable, which operates under the frequency characteristics and parameters set through the control unit 34). In addition to ensuring signal strength and reducing noise using analog devices, such as analog signal processing, the advantage that analog signal processing is faster than digital signal processing allows linear or especially non-linear A high-speed memory (or a storage device or a storage medium) that includes effectively using a device that performs analog signal processing, AD-converts a signal obtained through those processes, and reads and writes the resulting digital signal. 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。 As the mounted digital signal processing unit 33, a device or computer having general-purpose calculation processing capability, PLD (Programmable Logic Device), FPGA (Field-Programmable Gate Array), DSP (Digital Signal Processor), GPU (Graphical Processing) Unit), a microprocessor, or the like is used, or a dedicated computer, a dedicated digital circuit, or a dedicated device is used, and the digital wave signal processing of the present invention is performed on the stored digital signal. Is given.
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 those analog devices, the AD converter 32b, the memory (or storage device or storage medium) 32c, and the devices that are responsible for the digital signal processing unit 33 (multicore, etc.) have high performance. The number of communications, communication line capacity, wiring, or broadband wireless communication is important. Especially, in the present invention, when these functional devices are properly mounted on one chip or substrate (when removable, ), And may be directly mounted on one chip or substrate (including stacking). Parallel processing may be performed.
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。 When 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 the security obtained under normal program control. On the other hand, current legislation will increasingly require disclosure of processing details. Further, the digital signal processing unit 33 may also serve as the control unit 34 that sends a command signal to another unit and controls them.
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, the trigger signal (that is, the AD conversion is started by which the AD converter 32b starts sampling (AD conversion) of the received signal generated in the receiving transducer (or receiving sensor) 20) The acquisition start command signal for starting the storage of the digital signal in the memory (or the storage device or the storage medium) 32c is similar to the trigger signal used in a normal receiving unit. For example, one of the command signals generated by the control unit 34 may be used so that the transmitter 31a generates a transmission signal to the transmitting aperture element 10a to be driven. In the case of receiving a wave, a command signal for the element to be driven first, a command signal for the element to be driven last, or a command signal for driving another element is used. The AD conversion may be started by applying the 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 command signals for starting beamforming for one frame. That is, the number of times the transmission trigger signal is generated is counted, and it is determined that the predetermined number or the number that may be a programmable parameter that is appropriately input by the input device 40 or the like is set by hardware or When confirmed in the control program, a command signal may be generated to start the generation of a new frame. Like the other parameters, the number may be installed through various media such as a CD-ROM, a floppy disk, or MO. There are various cases in which a program can be activated to interactively select from the input device 40, a numerical value can be directly input, or a file in which data is recorded is read and set. The number can be determined by using a DIP switch or the like. If it is not required that the number of reception delay patterns is large, a product obtained by multiplying the received signal by the installed analog delay pattern may be AD-converted.
高速に受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(位相回転処理)による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。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に比べ、格段に高速でもある。 In order to realize reception dynamic focusing at a high speed, the product of the complex exponential function is applied to the signal in the frequency domain which is the past invention of the inventor of the present application, and the normal high speed is achieved without using the method based on the Nyquist theorem. When the reception digital delay is applied, an error determined by the sampling interval of the AD conversion is generated. Therefore, it is necessary to increase the sampling frequency of the AD converter 32b at a sufficiently high cost, or by using a highly accurate digital delay (phase rotation processing). There was no choice but to perform slow beamforming. On the other hand, according to the present invention, if the received signal is digitally sampled in synchronization as described above, high-speed received digital beamforming can be performed without causing such an approximation error. Such reception digital beamforming is also significantly faster than the method of calculating the product of complex exponential functions in the frequency domain, which is the past invention of the inventor of the present application.
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, usually, the number of lines for sending the signal received by the receiving aperture element 20a used for performing one beam forming to the receiving unit 32 is the number of receiving channels. 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 receiving aperture elements 20a in performing the normal beamforming once, the receiving unit 32 is equipped with the analog or digital delay pattern as described above. A delay pattern that realizes a reception focus position, a steering direction, and the like that the operator can select 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 the patterns to be used or selectable may be installed through various media such as a CD-ROM, a floppy disk, or an MO depending on the purpose. In some cases, a program may be started to interactively select a pattern from the input device 40, or a delay (pattern) value may be directly input, or a file in which data is recorded may be read and set. There is a case. Particularly in the case of an analog delay, the delay value used may be changed in an analog or digital manner, or the delay circuit or pattern itself may be replaced with another one or switched separately. 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。 When 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 the present embodiment, the digital signal processing unit 33 delays the digital received signal, passes the digital received signal through a delay device of a digital circuit, or AD converter 32b and a memory (or a storage device or It is possible to delay the fetch start command signal 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.
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 after the reception aperture element 20a has generated a reception signal or in the control unit 34. When the analog delay pattern is used, at least one receiver 32a can receive the reception signals of the plurality of aperture elements. Therefore, in the storage destination of the reception signal, the reception 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. The digital signal processing unit 33 may perform digital wave signal processing, which will be described later, (the digital signal processing unit 33 may also be able to perform normal phasing addition 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。 The pattern may be selected by switching the analog circuit or the analog device or the digital circuit or the digital device. Further, the delay of those delay devices may be changed under the control of the control unit 34, or may be programmable through installation, input setting, or the like. Further, since the control unit 34 may be provided with a delay device, when the control unit 34 is configured by a computer or the like as described above, the command signal delayed is 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 a device or a computer having a general-purpose calculation processing capability, a PLD, an FPGA, a DSP, a GPU, a microprocessor, or the like, a dedicated digital circuit, or a dedicated device. They are preferably of high performance (multi-core etc.) and may also be responsible for analog devices, AD converters 32b, memories 32c and / or digital signal processing units 33 for performing transmit or receive beamforming processes.
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 is important. In particular, in the present invention, when those functional devices are properly mounted on one chip or substrate ( If removable, there is). In addition, they may be directly mounted on a single chip or substrate (including stacking). Parallel processing may be performed. 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 the security obtained under normal program control. On the other hand, current legislation will increasingly require disclosure of processing details. Some control software and delay values are directly coded or input, and some 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, based on the above trigger signal sent from the control unit 34 (FIG. 2) of the apparatus body 30, the trigger signal (command signal) for instructing the start of AD conversion is the AD of each reception channel. It is supplied to the converter 32b. In accordance with 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 are under the control of the control unit 34 until the reception signals for one frame are all stored, the transmission aperture position, the transmission effective aperture width, or While changing the transmission steering direction, etc., the processing from transmission to storing the digital signal is repeated while changing the reception aperture position, the reception effective aperture width, or the reception steering direction etc. each time a wave or beam is transmitted. Every 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 beam forming 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、必ず、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 according to the present invention is equipped with the analog or digital delay described above, it is not always used as a delay for beamforming, and a memory, a storage device, or a storage medium is saved. In some cases, it is used to delay the timing of starting AD conversion of received signals and storing them in the memory (or storage device or storage medium) 32c in order to make effective use of them and shorten access time. The reception delay in beamforming is always mainly performed by 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 beamforming at the time of transmission (for example, a physical process using a computer or a dedicated device, which is different from that performed in soft beamforming using a computer or a dedicated device, etc. When performing classical aperture plane synthesis without performing processing such as focusing, steering, and apodization that may be performed at the time of reception or at the time of reception, the transmission delay is the same as the reception delay in digital wave signal processing. You can hang at the timing.
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, according to the present invention, the receiving unit 32 is always provided with an independent analog or digital delay, a receiver 32a, an AD converter 32b, and a memory (or a storage device or a storage medium) in each reception channel. 32c and, if necessary, level adjustment by analog amplification or attenuation, an analog filter, and other analog arithmetic devices. That is, in the apparatus of the present invention, when the digital delay is performed by the reception delay, an error that depends on the clock frequency does not occur as in the analog delay unless a delay for beamforming is applied.
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, an error determined by the clock frequency is always generated in the transmission digital delay, so it is necessary to use a high clock frequency to reduce the error at a high cost, but the reception digital delay does not need to do so. . If a digital delay is used as the reception delay, the accuracy is not lowered and the degree of freedom in setting the delay pattern is high. If an analog delay is used as the transmission delay, the accuracy is good and the clock frequency can be lowered. The analog delay can be changed in an analog manner or can be programmable so that it can be digitally controlled. However, the analog delay has a lower degree of freedom than the digital delay, and when the cost is reduced, the delay pattern mounted as an analog circuit may be switched or used by being replaced with an appropriate one. When a high degree of freedom is required to set the transmission delay pattern, it is necessary to operate the digital delay with 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(後述)。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。 Hereinafter, the coherent signal generated by the beam forming itself of the present invention will be referred to as an image signal. The reception effective aperture elements and their positions are controlled similarly to the transmission effective aperture elements (described later). It should be noted that this digital beam forming is not always performed every time a received signal for one frame is stored. For example, the effective aperture width, a predetermined number other than that, or an appropriate input from the input device 40 or the like. It may be performed at each timing when a number of channels of hardware such as those set by the above or a number of received signals which may be a programmable parameter are stored (there are various input means as described above). Further, the image signals generated by the 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 that are processed at consecutive positions in the scanning direction may overlap, and when these received signals are combined, simple superposition is performed (overlapping in the frequency domain). In some cases, they may be combined and inverse Fourier transformed), in some cases appropriately weighted and superimposed, or in some cases simply connected. The number of stored reception signals can be confirmed in the hardware or the control program by counting the trigger signal (command signal that arrives from the control unit 34) for capturing the reception signal. The command signal for starting the one-frame digital wave signal processing generated by the control unit 34 for each frame can be similarly confirmed, and the one-frame image signal is appropriately continuously generated.
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 beamforming mode to be implemented, and basically depends on the wave propagation velocity, but in actual applications, it is the time required to digitally calculate one frame image signal. Decided. Therefore, it is useful to carry out the above-mentioned processing for partially generating the image signal by parallel processing. Further, as described above, the inventor of the present application has developed a multi-directional aperture plane synthesis, generates a reception beam at a plurality of positions and a reception beam in a plurality of directions with respect to one transmission beam, and performs multi-focusing. It is useful to do, and to do them at high speed, it is useful to do parallel processing. In either case, a reception signal for beamforming for one frame or a part thereof may be stored based on the above transmission and reception, and the digital wave signal processing according to the present invention described in detail later may be performed. In addition, when the image signal cannot be generated in real time, the frame rate may be lowered or the processing may be performed 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。 It should be noted that the reception apodization weights the reception signal in the reception channel of each aperture element, and may be variable in the range direction. It is not impossible to make it analog, but it is easy to make it digitally variable. In a normal receiving unit, when performing phasing addition, it is often performed at each position, each range position, etc. and is variable, but in the device of the present invention, it is performed in the digital signal processing unit 33. become. On the other hand, although it is rare that non-variable apodization is performed, in that case, the apodization is performed when the received signal generated by the aperture element is level-adjusted by analog amplification or attenuation.
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 it has a different meaning from apodization, at least the level calibration may be performed based on the calibration data of the conversion efficiency (conversion ability) of the drive signal of the aperture element to the wave, and at the same time as the level calibration, the apodization is also performed. There are times when you are told. It may be used for such processing, or may nonlinearly expand or compress the dynamic range of the waveform of the received analog signal, and other analog devices such as nonlinear elements are used in each reception channel. Sometimes. The analog device used including these amplifiers and the like may be programmable, and the setting method may take various forms. Like other parameters, it may be set directly using various input devices. Normally, the delay and the apodization are implemented in the receiving unit 32 in the same or different form at the same or different hierarchical levels, but usually in a phasing adder, in the present invention. Can be implemented with a high degree of freedom in the digital signal processing unit 33.
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 receive effective aperture may be switched through a switching device such as a shift register or multiplexer, and the effective aperture at another position may be used to scan the region of interest while beamforming. Further, 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 a plurality of directions in one effective opening, and steering may be performed in a plurality of directions while appropriately changing the opening position and the effective opening width. Access time may be shortened by saving the device or the storage medium. The effect of storing frequently used data in a small-sized memory that is easy to read and write is also great.
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 saving and shortening of access time are significant. The apodization element group forming the apodization pattern may be switched. The beam shape may be adjusted depending on the opening position, the range direction, and the steering direction. Specifically, it means that the receiving element with an apodization value of zero is inactive and is off, and apodization also serves as a switch for the effective element and can also determine the effective aperture width (apodization in the aperture element array direction). If the function is a rectangular window, the switch is on, if it is not a constant value, it is weighted on). Therefore, the apodization element is at 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、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。 In addition, when the delay pattern or the apodization pattern includes a plurality of patterns or is programmable, the digital signal processing unit 33 in the device body 30 propagates the propagation based on the response from the transmission target and the result of beamforming. Wave attenuation and scattering (forward scattering, back scattering, etc.), transmission, reflection, refraction, or frequency dispersion and spatial distribution of sound velocity calculated in the medium of the process are calculated and transmitted from each aperture and received at each aperture. Delay, intensity, steering direction of beam or wavefront, apodization pattern, etc. may be optimized.
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。 In the classical aperture plane synthesis, all the receiving elements may have a receiving channel including the receiver 32a. Normally, aperture plane synthesis is performed at the same time as reception apodization in the phasing adder, and in the present invention, aperture plane synthesis may be performed at the same time as reception 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。 Further, ultrasonic frequency and bandwidth as parameters in the transmission unit 31 and the reception unit 32, codes, delay patterns, apodization patterns, analog devices for signal processing, effective aperture width, focus position, steering direction, and , The number of times of transmission and reception required for performing beamforming are installed in each functional device in the unit through various media such as a CD-ROM, a DVD, a floppy disk, or an 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, you can start the program and select them interactively from the input device 40, you can directly enter numerical values, select them on the operation panel of the input device 40, or you can select other files in which data is recorded. There are various cases, such as reading and setting. It is also possible to set them using a dip switch or the like. It may be due to replacement or switching of units. In addition, when measuring objects are selected or the transducers to be used are mounted on the device, the devices may be recognized and the device may automatically operate under the recommended parameters. Subsequent adjustments are possible. Further, when 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 a process including an interpolation approximation, which is performed through ordinary phasing addition, as appropriate. It is possible to compare
<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 various devices such as a keyboard, a mouse, a button, a panel switch, a touch command screen, a foot switch, and a trackball, but is not limited to them. Various parameters, such as general-purpose memory, USB memory, hard disk, flexible disk, CD-ROM, DVD-ROM, floppy disk, or MO, to install or upgrade the operating system (OS) and device software. It may set or update the value. The input device 40 is provided with various devices that can read data from a storage medium, or the input device 40 is provided with an interface and various devices are mounted 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 for setting parameters of various operation modes of the device according to the present embodiment, but also for controlling and switching the operation modes. When the operator is a human, those input devices 40 are also so-called man-machine interfaces, but are not necessarily controlled by humans. As described above, the parameter value, data, or control signal is received from another device through various standards and connectors, or is received through wired or wireless communication (that is, a communication device having at least a receiving function), and the same. It is not limited to the above example because the effect can be obtained. Dedicated or regular networks 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。 The input data are stored in a memory, a storage device, or a storage medium inside or outside the apparatus, and the functional device in the apparatus operates by referring to the stored data. Alternatively, when the functional device in the apparatus has a dedicated memory, data is written in the device and the operation setting is determined by software, updated, or set by hardware. Or it may be changed. In some cases, the calculation function in the device operates and, based on the input data, the resource of the device is taken into consideration, and the optimized setting parameter is calculated and used. The operating mode may be determined by a command. In addition, the wave to be measured (the type and characteristics of the wave, intensity, frequency, bandwidth, or code), and the object or medium that propagates (propagation velocity, physical property values related to the wave, attenuation, forward scattering, back scattering, In some cases, additional information regarding transmission, reflection, refraction, etc., or frequency dispersion thereof, etc. is given, and the received signal may be appropriately processed in analog or digital.
<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 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, images, and the like. Used to display. The image signal is converted into an image display or a moving image or still image format (scan conversion) by a calculation process, but a graphic accelerator may be used. A brightness image (gray image) or a color image may be displayed, and the meaning of brightness or color may be displayed on a scale (bar) or logo. In addition, the result may be displayed in a bird's-eye view or a graph, and the display method of the result is not limited to them.
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 operating may be appropriately displayed simultaneously as a logo or characters together with each operation mode. In addition, supplemental information and various data regarding the measurement target input from the operator or another device may be displayed. The display device may also be used to display a GUI (Graphical User Interface) used when setting each parameter value or pattern using the input device 40, or using a touch command screen. The input device 40 may also be used to specify an arbitrary position and an arbitrary range of an image to be displayed by enlarging the image and 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 a CRT, a liquid crystal, or a device using an LED are used, but other than that, a dedicated three-dimensional display device or the like is used, and the display device is not limited thereto. In addition, the output data is not limited to being directly interpreted and interpreted by humans, and the device body (computer) understands the output data based on predetermined calibration data and calculation and displays the result. In some cases (for example, understanding the composition and structure of the measurement target from the spectrum analysis of the received signal), the output data is output to another device and interpreted by the other device, and the same device (for example, a robot) Alternatively, 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。 One device may receive a plurality of types of waves and generate an image signal for data mining, fusion, or the like, or another device may be used to perform such a process. is there. The characteristics (intensity, frequency, bandwidth, code, etc.) of the generated image signal may be analyzed. As described above, the data obtained by the device according to the present embodiment may be used by another device, and substantially, the communication device having at least the transmission function may be one of the output devices 50. A dedicated or regular network may 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。
<Memory device>
The generated image signal and various results (numerical values, images, etc.) measured based on the image signal are stored in a memory, a storage device, or a storage medium inside or outside the device which also serves as the output device 50. Here, they are referred to as a “storage device” and distinguished from the display device. An external storage device 60 is also shown in FIG. When the image signal is stored, the operation mode, the setting parameter value, the supplementary information regarding the target input from the operator or another device, or various data may be stored together with the image signal. As the storage device, a general-purpose or special memory, a USB memory, a hard disk, a flexible disk, a CD-R (W), a DVD-R (W), a video recorder, an image data capturing device, or the like is used. The device is not limited to them. The storage device is appropriately used according to its application, including the amount of data to be stored, writing and reading 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。 The image signal or other data stored in the past may be read out from the storage device and reproduced, but the main part is that the storage device is important for storing the OS, device software, or setting parameters. Is. Each functional device may have a dedicated storage device. The removable storage device may be used by 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, and re-synthesizes the image signal (frequency modulation by a linear process or non-linear process, wide band, multi-focus, etc.), Image processing (super-resolution, enhancement, smoothing, separation, extraction, CG conversion, etc.) of the image signal, displacement and deformation of the object, and other various temporal changes, etc. The measurement results may be output and 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。 Also, the stored measurement results include wave attenuation and scattering (forward scattering and back scattering, etc.), transmission, reflection, and refraction, which are read out and optimized for various parameters that generate an image signal. It is also used for computerization and may be stored in a storage device for use. The optimization is performed by a calculation function 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>
The 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 function 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 via the input device 40. The transmitter unit 31, the receiver unit 32, and the digital signal processing unit 33 are controlled so as 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。 When the control unit 34 is configured by a dedicated digital circuit, the parameter may be variable, but only a fixed operation may be realized in some cases, including the case of switching to switch the operation. When a computer is used as the control unit 34, the degree of freedom is high, including when performing a version upgrade. The basis of the control unit 34 is the number of aperture elements for transmission and reception (number of channels for each), the number of beams to be generated, the number of frames (some continue operation unless stopped without specifying), frame rate, etc. According to the above, by providing the transmission unit 31 and the reception unit 32 with the repetition frequency, the transmission / reception position information, and the like, the scanning control and the image signal generation control are performed. Also controls. In addition, various interfaces may be 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 and a sensor network, may be controlled by a control device of a network system, and may control a network device. It may be used as a device or may be a control device for controlling a locally configured network. An interface for that may be provided.
<ビームフォーミング方法>
次に、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。
<Beamforming method>
Next, a useful high-speed operation through digital Fourier transform in the case of using a plurality of transmission / reception aperture elements (including arrayed elements), which is performed in the digital signal processing unit 33 of the apparatus body 30 shown in FIG. A digital beam forming method will be described. In digital signal processing, intermediate 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, and when multiple image signals are generated in the same phase. Also, the storage device is used efficiently. Sometimes small size memory comes in handy.
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 a still image on the output device 50 such as a display device, or may be stored in the 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 the assembler is useful, but especially when the computer is operated under a high-level language program such as C language or Fortran. In some cases, optimization and parallel processing may be performed at the time of compilation to realize high-speed calculation. A general-purpose one such as a matlab (MatLab), various control software, or one having a graphic interface may be used, or a special one 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。 Hereinafter, as an example, the beam forming method used in the apparatus of the present invention will be described through the case where the wave is an ultrasonic wave. The beamforming methods that can be used in the present embodiment are the following methods (1) to (7). In method (7), in addition to various beamforming methods, the method is generated in the digital signal processing unit 33. The representative observation data will be disclosed.
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。 The method (1) has been required until now in performing wave number matching in the Fourier space in plane wave transmission and / or reception beam forming at the time of reception, including the case where the transmission direction is deflected (steering). This is a method that does not require approximation processing. The method (1) performs wave number matching in the case of performing deflection by performing wave number matching in the depth direction and the lateral direction by dividing the complex exponential function regarding the cosine and the sine of the deflection angle and multiplying the received signal. Including this, the measurement results are highly accurate as in the classical monostatic type aperture plane synthesis. Further, as the method (2), high-speed digital processing of deflection dynamic focusing by monostatic aperture plane synthesis will be 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。 Further, as the method (3), high-speed digital processing of multi-static type aperture plane synthesis will be disclosed. In the digital monostatic type aperture plane synthesis for deflection, the centroid (center) or the instantaneous frequency of the multidimensional spectrum of the generated image signal is ideally expressed by using the deflection angle and the carrier frequency (described later). As described above, the wave number matching is performed in the same manner as in method (1) so that the wave vector becomes the carrier frequency multiplied by the sine of the deflection angle and the cosine. Can be realized with precision. On the other hand, the multi-static type aperture plane synthesis generates echo data frames containing echo signals received at the same position of multiple reception positions with respect to the transmission position by the number of reception elements, and in the frequency domain, each echo data frame is generated. The above-mentioned monostatic digital aperture plane synthesis processing is applied to the data frame, and the result of superimposing the processing results is inversely Fourier transformed to achieve high accuracy. As a result, the method (3) can generate echo data by the number of digital aperture plane synthesis processes equal to the number of channels of the receiving aperture, generate a so-called low spatial resolution image signal frame, and superimpose it on the high spatial resolution image signal. It is significantly faster than the conventional DAS (Delay and Summation) method for 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、高速であるが精度が低く、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 applied to the received signal at high speed by interpolating and approximating it in the spatial domain, and phasing is implemented with high accuracy in the frequency domain ( The past results of the inventor of the present application), and the received signals are summed in the spatial domain. The former has high speed but low accuracy, and the latter has high accuracy but extremely low speed.
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 a method (4), a method of performing digital dynamic focus reception with high accuracy during transmission fixed focus is disclosed based on the beamforming of the methods (1) and (3). As the method (5), for the application to convex or sector scan or IVUS, the echo data transmitted and received in the polar coordinate system is also processed through the Jacobi operation and displayed with high accuracy without interpolation approximation processing. It is disclosed that 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。 Further, as the method (6), it is disclosed that even in the migration process, the present invention can be used to perform the process with high accuracy and at high speed without performing the interpolation approximation process. All the beam forming processes of the methods (1) to (5) can be performed based on the migration process. Finally, method (7) discloses these beamforming-based applications. These demonstrate that any 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。
FIG. 5 is a schematic diagram of transmission of a polarized plane wave. The plane wave transmission is a method in which all elements in a linear array type transducer simultaneously emit ultrasonic waves to emit plane waves. When the wave number is k and a plane wave having a wave number vector represented by the equation (0) is transmitted (x is the scanning direction, y is the depth direction, and the position of the receiving effective aperture element array is zero in the y coordinate. In the Cartesian Cartesian coordinate system), the sound pressure field at the position (x, y) is represented by the equation (1).
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。
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。
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。
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。
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。
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。 Considering transmit and receive in reverse, arbitrary transmit beamforming (eg, deflection plane wave, deflected fixed focusing beam, steering dynamic focusing based on aperture synthesis, undeflected wave or beam, etc.) It is possible to realize a situation in which the wave arriving from the measurement target is received as a plane wave having a deflection angle θ (including a case of zero degree) when the measurement is performed on the measurement target. This idea has not been disclosed so far. Considering in this way, it is possible to receive waves at the same or different steering angles θ (zero degrees or non-zero degrees) when transmitting any beam or any wave at any steering angle (zero degrees or non-zero degrees). . Further, any wave source, any transmitting effective aperture array (for example, an aperture having the same shape as the receiving effective aperture array or an arbitrary shape different from the receiving effective aperture array, and having an aperture in any direction, or existing at another position) , Or an arbitrary wave transmitted from an effective aperture at the same physical aperture but at a different position), the reception beamforming can be performed in the coordinate system defined by the reception 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。 Incidentally, when the plane wave is transmitted, the steering is physically performed at the deflection angle α (including the case of zero degree), and the steering of the deflection angle θ (including the case of zero degree) of the method (1) is performed by software. Then, the plane wave is steered at the deflection angle (α + θ) (the transmission deflection angle finally generated is the average thereof). It can be considered that the soft steering (deflection angle θ) reinforces the physical transmission steering (deflection angle α) or realizes the pure plane wave transmission steering softly. It can be considered that the 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、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。 In the method (1), the plane wave is steered at the physical deflection angle α, the soft deflection angle θ, or the both deflection angles α + θ at the time of transmission, and the dynamic focusing is performed at the steering angle φ at the time of reception. In this case, the soft steering described in the 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, it can be considered that the soft steering (deflection angle θ) reinforces the physical transmission steering (deflection angle α) or realizes purely plane wave transmission steering by software. In addition to the reception dynamic focusing (including the case where the deflection angle φ is zero degrees), it can be considered that the reception steering is performed by a plane wave in software.
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, soft transmission and reception can be considered in reverse. Even if the soft deflection plane wave transmission (including the case where the deflection angle is 0 degree) and the reception deflection dynamic focusing (including the case where the deflection angle is 0 degree) are interchanged, the processing is the same (equivalent). It is also possible to interpret that the signal generated by the transmission beamforming is physically received by the deflection plane wave (including the case where the deflection angle is zero degree) and beamformed. Normally, it is not rational to physically perform the transmission dynamic focusing with or without the deflection, but it can be interpreted as being physically received by the polarization 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。 Also, use this method to perform arbitrary transmit beamforming (eg, deflection plane wave, deflected fixed focusing beam, steering dynamic focusing based on aperture plane synthesis, undeflected wave or beam, and many others). it can. That is, it is possible to handle an arbitrary wave or beam (for example, the above example) physically generated by beamforming by the same process using a plane wave for transmission. That is, reception beamforming (dynamic focusing or the like) can be performed regardless of any transmission. It can also be processed at once when a plurality of transmissions are made. Further, in addition to the transmission deflection angle (including the case where the steering angle is zero), it is possible to perform the steering of the plane wave or the dynamic focusing (including the case where the steering angle is zero) in the transmission or the reception by software. (The finally generated deflection angle is the average of the transmission deflection angle and the reception deflection angle). Further, as described above, transmission and reception can be considered in reverse, and various combinations of beamforming are possible. Beamforming is performed in each of transmission and reception, and plane wave processing may be performed for both transmission and reception in terms of software. The same applies to three-dimensional beam forming using a two-dimensional array 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0352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0190〜0194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。 J.-y. calculation method disclosed by Lu et al. (Non-Patent Documents 3 and 4) is based on the above theory, first, fast two-dimensional Fourier transform of the received signal with respect to time and space, R (k x , k) is calculated, and then wave number matching is performed by Expression (7), and fast two-dimensional inverse Fourier transform is performed (also described in paragraph 0352). Wave number matching is performed through linear interpolation approximation or approximation with the nearest data itself, and it is necessary to oversample the received signal in order to obtain accuracy. Higher-order interpolation approximation may be performed, or the sinc function may be used. In the case of three dimensions, the fast three-dimensional Fourier transform and the fast three-dimensional inverse Fourier transform are similarly used. One feature of the present invention is that the wave number matching is performed without interpolation approximation. However, when it is applied to various beam forming as described in paragraphs 0190 to 0194, interpolation approximation processing is performed to perform high-speed approximation. Another feature is that a solution may be required.
(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。
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)。
次に、ステップS12において、偏向のための波数kx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。
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。
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。
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。
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。
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kx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。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。 Here, the order of the integration of the wave number k (or frequency) and the spatial frequency kx can be exchanged. Therefore, even if the wave number k components of the angular spectrum are added together in step S16 and the inverse Fourier transform (IFFT) is performed on the wave number k x in the lateral direction in step S17, an image signal is obtained in step S18. In this case, the calculation can be performed by one inverse Fourier transform, and the calculation is faster. The same applies to the other methods (1) to (6). The matching of the wave numbers for deflection is performed by the equations (11) and (14). Unlike the method of matching wave numbers through interpolation approximation in the frequency domain (Non-Patent Documents 3 and 4), the present invention does not perform approximation processing, and therefore can be calculated with high accuracy. Physically and mathematically, the wave number matching can be performed at the first Fourier transform, and the wave number matching can be performed at the last inverse Fourier transform. The same applies to the 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'(kx,k,kz)に対して、
波数マッチングにおいて補間近似処理をしない場合、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、
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 the signal component within the band determined by the transmission signal or within the band determined in consideration of the SN ratio of the reception signal is the calculation target. For example, when generating the analytic signal based on the equation (10), only the signal within the required 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 wave number matching, but by oversampling the echo signal in the depth direction and the lateral direction, there is an effect of being robust against noise that is mixed. is there. The same applies to the 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(段落0206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、段落0206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。 Further, in the formulas (13) to (15), the formula (C22), and the formula (C23), by determining the position coordinate and range in the depth y direction to be calculated, the interval between the coordinates, and the like, an arbitrary depth position and It is possible to generate an image signal in an arbitrary range in the depth direction or at an arbitrary interval or an arbitrary density in the depth direction without performing an interpolation approximation process (regardless of the presence or absence of downsampling described in paragraph 0206). , Up-sampling can be performed, and the down-sampling is effective in a range where the Nyquist theorem is satisfied, provided that a high-frequency signal component is intentionally subjected to out-of-band processing (filtering out). Regardless of the presence or absence of downsampling, downsampling is possible within the range where the Nyquist theorem is satisfied). Further, in the inverse Fourier transform in the lateral direction such as Expression (17), by defining the position coordinate and the range in the lateral x direction to be calculated (as necessary, the complex exponential function of the past invention of the inventor of the present application can be calculated). Analog phase shifting is performed by phase rotation using multiplication), an image signal in an arbitrary lateral position or an arbitrary lateral range can be generated without performing interpolation approximation processing. In the conversion, narrow the band in the horizontal direction (spatial low density) excluding the frequency coordinates of the high frequency band, or widen the band in the horizontal direction by zero-filling the angular spectrum (spatial high density). Through, through, it is possible to generate an image signal having an arbitrary interval and an arbitrary density in the horizontal direction without performing 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)。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、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 way, the image signal can be generated at any desired position, range, interval, and density. That is, it is possible to generate the image signal at an interval shorter than the sampling interval of the reception signal and shorter than the interval of the reception aperture element. It is also possible to make the intervals of the image signals coarse in each direction (however, the Nyquist theorem must be satisfied). In order to improve accuracy when performing wave number matching through interpolation approximation according to equations (7) and (8), or equations (7 ′) and (8 ′), the amount of calculation increases, but at the cost of It should be processed under proper oversampling. In that case, it should be noted that the number of data of the Fourier transform is increased unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process is not performed. The same applies to the 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。 In a convex transducer, sector scan, or IVUS, when transmitting or receiving in the radial direction r of polar coordinates to generate a wide wave (cylindrical wave) in the direction of angle θ (FIG. 7), or in other aperture shapes, When performing the same beamforming (cylindrical wave) using a virtual source installed at the rear (see FIGS. 8A to 8C, Patent Document 7 and Non-Patent Document 8), in the above method, The Cartesian coordinates (x, y) may be read as polar coordinates (r, θ) for processing, and an image signal can be generated at the polar coordinates (r, θ). The same applies to spherical waves in a spherical coordinate system. Further, as shown in FIGS. 8B (d) to 8 (f), transmission or reception at an arbitrary distance position is performed by using the physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or the physical aperture having an arbitrary aperture shape. Alternatively, both plane waves may be generated and beamforming may be performed in the same manner. It is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that distance position, and setting the distance position to zero corresponds to the case where the linear aperture array is virtually used. The distance positions can be set not only in front of the physical aperture but also in the rear, and a virtual linear aperture array (or plane wave) can be generated at those positions. The 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 in the case of transmitting or receiving a wide wave in the angle θ direction in the radial direction in the polar coordinates (r, θ) (cylindrical wave transmission). FIG. 7A shows a cylindrical wave transmission using a convex aperture element array, and FIG. 7B shows a cylindrical wave transmission using a sector aperture element array. (C) shows cylindrical wave transmission using an IVUS (circular type) aperture element array. It should be noted that FIG. 7B shows an arcuate opening, but a flat opening may be used to perform the sector scan. Also, these apertures may be used to generate a focus beam.
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 a case where a wide wave is transmitted in the radius r direction in the angle θ direction of the polar coordinate system (r, θ) by using a virtual source installed behind a physical aperture having an arbitrary aperture shape (cylindrical wave transmission ) Is a schematic view. FIG. 8A (a) shows a cylindrical wave transmission using the linear aperture element array, and FIG. 8A (b) shows a cylindrical wave transmission using the convex aperture element array. (C) shows cylindrical wave transmission using another arbitrary aperture element array. The reception may be performed in the same manner. 8B (d) to 8 (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. (In the figure, when the convex type aperture element array is physically used). When the distance position is set to zero, it virtually corresponds to the case where a linear aperture array is used (FIG. 8B (d)). The distance positions can be set not only in the rear (FIG. 8B (e)) of the physical aperture but also in the front (FIG. 8B (f)), and a virtual linear aperture array (or plane wave) is generated at those positions. You can also do it. The reception may be performed in the same manner. FIG. 8B (g) is a special case, for example, in the case where a linear array type transducer is physically used, a case where a cylindrical wave is generated using a virtual source behind the physical aperture is applied, and an arbitrary distance position It is a schematic diagram in the case of generating a plane wave or a linear array type transducer virtually expanded in the lateral direction. The reception may be performed in the same manner. The virtual linear array transducer may be used as a virtual receiver instead of a virtual source, or may 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 similarly, the result is obtained in 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 of the features of the present invention, the present method (1) is used for these, and steering having a steering angle also at the coordinate position of these polar coordinate systems (r, θ) It is possible to generate a beam, which is also the case when the following methods (2) to (4) and (6) are used, in which Cartesian coordinates (x, y) are changed to polar coordinates (r, θ). Should be replaced with "" and processed. However, when these beamformings are 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, and the phase rotation due to the product of the complex exponential functions in the frequency domain is performed. The strict interpolation processing used is performed over time, or the interpolation approximation processing is performed as a short-time processing with an approximation error. 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。 Further, in those cases where beam forming is performed in a polar coordinate system, displacement measurement can be performed, for example, displacement component in the radius r direction or angle θ direction can be measured, or displacement components in both directions can be measured. The 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 the measurement, it is necessary to perform the interpolation process. The strict interpolation processing used is performed over time, or the interpolation approximation processing is performed as a short-time processing with an approximation error. 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 result of the displacement measurement, strain, strain velocity (tensor), velocity (vector), acceleration (vector) are obtained by partial differential processing using a differential filter, and further, mechanical characteristics (for example, bulk modulus or The shear elastic modulus (for example, Non-Patent Document 7), the elastic modulus tensor of an anisotropic medium, and the like, temperature, and the like may be obtained through calculation. When performing the interpolation approximation, it is often possible to reduce the calculation time by performing the approximation process and performing those calculations in the Cartesian coordinate system, but the calculation is performed in the polar coordinate system to obtain the result, and the interpolation approximation It is better to display by doing so, and the propagation of error can be reduced. That is, the only error that occurs in the process after the displacement measurement is the interpolation approximation when obtaining the final display data (a plurality of display data may be 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、変位計測およ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, it is also possible to express the echo signal in the Cartesian coordinate system and perform displacement measurement and a series of measurement through the interpolation processing. Although an error occurs when the approximation process is performed in the interpolation process, the amount of calculation required for the whole is small. 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。 Further, with respect to 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, in the case of a convex type transducer, a sector scan, or IVUS, etc., when a wide wave is transmitted or received (cylindrical wave) in the radius r direction in the angle θ direction in polar coordinates (r, θ) (FIG. 7). And, using a virtual source installed behind a physical aperture of arbitrary aperture shape, transmit a wide wave in the radius r direction in the angle θ direction of the same polar coordinate system (r, θ) as in FIG. 7 (cylindrical wave). 8A (see FIGS. 8A to 8C), the method of directly generating the image signal in Cartesian coordinates is the method (5) and the methods (5-1) and (5-1 '), respectively. ) Etc. Further, by using the physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or the physical aperture having an arbitrary aperture shape, transmission or reception or a plane wave of both is generated at an arbitrary distance position, and similarly, a beam is generated. Forming may be performed and an image signal may be generated in the Cartesian coordinate system (see FIGS. 8B (d) to 8 (f)). It is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that distance position, and setting the distance position to zero corresponds to the case where the linear aperture array is virtually used. The distance positions can be set in front of the physical aperture as well as behind the physical aperture, and virtual linear aperture arrays (or plane waves) can be generated at those positions. The 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, the beamforming method will be described as method (5), method (5-1), and (5-1 '). In these cases, echo signal imaging, displacement measurement, and the like can be consistently performed in the same Cartesian coordinate system. The same applies to the polar coordinate system. In such a case, it is also possible to convert the echo signal and the measured value 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. Transmission 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, with respect to any of the above, similar processing can be performed for any orthogonal coordinate system other than the polar coordinate system. Further, as described above, the virtual source and the virtual receiver are not always installed behind the physical aperture, and may be installed in front of the aperture. This can be done (Patent Document 7, Non-Patent Document 8). As described above, the present invention is not limited to the above. Further, in wave number matching in these beam forming processes, an interpolation approximation process may be performed to obtain an approximate solution at high speed. In addition, any of them may be similarly processed in the 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 the methods (1) to (7), the apodization processing of transmission or reception, or both of the reception signals is linear processing, and therefore can be performed at various timings. That is, it can be performed by hardware at the time of reception, or at various timings after reception by software. As described above, it may be physically apodized during transmission (the same applies below).
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。 Incidentally, as a matter of course, when receiving a transmitted wave instead of an echo signal for beamforming, the coordinate y is half the round trip distance (expressed as ct / 2 using the propagation time t). Rather, it is the distance (ct) from the aperture element in the coordinate system determined by the receiving 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. There are monostatic type and multistatic type in aperture plane composition.
Method (2): Monostatic type aperture plane synthesis FIG. 9 is a schematic diagram of monostatic type aperture plane synthesis. Monostatic aperture plane synthesis is one in which one element of the array emits an ultrasonic wave and the element itself receives an echo. Also in the aperture plane synthesis, the echo signal (image signal) can be calculated by performing the wave number matching in 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)。
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ω0を用いて表される波数k0(=ω0/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。
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。
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。
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。
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'(kx,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はあり、その場合、F(kx',ky')が2次元逆フーリエ変換される。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 expressed by the equations (7) and (8). It is possible to realize a situation in which each of the wave number matchings of Expression (18b) and Expression (18c) is performed without performing interpolation approximation. In contrast, there is be performed by performing the interpolation approximation process beamforming fast, in which case, F (k x ', k y') are two-dimensional inverse Fourier transform. In the formulas (18b) and (18c), the approximation process including the approximate wave number matching process corresponding to the formula (18a) when the deflection angle is set to zero is not disclosed in the prior art document.
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ky、kx、及び、kzとする波数領域(kx,ky,kz)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 performing three-dimensional wave digital signal processing using the two-dimensional aperture element array, for example, the axial direction y (y of the position of the reception effective aperture element array is determined by the direction of the aperture of the flat reception aperture element array). Zero or non-zero deflection between the direction and axis of the beam produced in a Cartesian Cartesian coordinate system (x, y, z) using the coordinates (zero) and the transverse x and z coordinates orthogonal thereto. When the angle is expressed by using the elevation angle θ and the azimuth angle φ , the Fourier transform performs a three-dimensional Fourier transform with respect to the depth y direction and the lateral directions x and z (the wave number in the axial direction y and the lateral directions x and z is calculated. Considering wave number regions (k x , k y , k z ) respectively defined as k y , k x , and k z ), as in the case of performing the above two-dimensional wave digital signal processing, the following processing is performed. It
まず、波動の搬送周波数ω0を用いて表される波数k0(=ω0/c)を有する波数ベクトル(0,k 0 ,0)に対し、波数ベクトル(sk0sinθcosφ,sk0cosθ,sk0sinθsinφ)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k0、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、
これにより、受信信号の3次元フーリエ変換R'(kx,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。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、F(kx',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。
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)=(θt,φ t)と(θr,φ r)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、φ t、θr、及び、φ r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。
これにより、受信信号の3次元フーリエ変換R'(kx,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。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、F(kx',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。
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。
The aperture plane synthesis can generate arbitrary beamforming using the echo signals collected for aperture plane synthesis (not only in the monostatic method of the present method (2) but also in the multistatic method of the method (3)). However, an image signal can be generated by subjecting those data to the processing described in methods (1) and (4) to (7)). Also in the plane wave processing of the method (1), the aperture plane synthesis processing can be performed by using the reference sign. That is, it is possible to obtain a signal for aperture plane synthesis by decoding the coded received signal during plane wave transmission.
Further, as described in the method (1), it is possible to perform steering in the dynamic focusing. In the method (1), steering is physically performed at the deflection angle α (including the case of zero degree) at the time of transmitting the plane wave, and the steering of the deflection angle θ (including the case of zero degree) of the method (1) is performed. If applied, it can be interpreted that the plane wave is steered at the steering angle (α + θ) (the steering angle finally generated is the average thereof). Therefore, in the method (1), when the plane wave is steered at the deflection angle α or θ or α + θ at the time of transmission and the dynamic focusing is performed at the steering angle φ (including the case of zero degree) at the time of reception, The reception steering described in the method (2) may be performed, and the steering angle finally generated is the average of the transmission deflection angle and the reception deflection angle. Note that this soft plane wave steering (deflection angle θ) reinforces the physical transmission steering (deflection angle α) as described in method (1), or purely plane wave transmission steering can be performed softly. In addition to the reception dynamic focusing (including the case where the deflection angle φ is zero degrees), it can be considered that the reception steering is performed by a plane wave in software.
すなわち、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。
また、3次元の場合、すなわち、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(θ1 ,φ 1)にてステアリングして偏向角度(θ2,φ 2)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)、(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。
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。 The processing is the same even if the soft transmission and reception beamforming are interchanged, and it is as described in the method (1) that it is equivalent to the interchanged beamforming. That is, even in these cases, the soft transmission and reception beamforming can be considered in reverse, and any physical transmission beamforming (eg, deflection plane wave, deflected fixed focusing beam, aperture plane) Various combinations of beam forming are possible in terms of software, such as steering dynamic focusing based on composition, undeflected waves and beams, and others). In addition to the steering angle (including zero) of any physically generated wave or beam (eg, the examples above), soft-wave steering (steering) of plane waves or dynamic focusing in transmission or reception. The angle can be zero (including zero). This soft plane wave steering can be thought of as, among other things, augmenting the physical transmit steering, or purely steering any physically transmitted wave or beam, or receiving dynamic focusing. In addition to the case where the angle φ is zero degrees, it can be considered that the reception steering is performed by software. The same applies to three-dimensional beamforming using a two-dimensional array. Besides, it is as described in the method (1).
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'(kx,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(kx',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。
In the case of two dimensions, the wave number matching of equation (18b) or equation (18c) is interpolated and approximated together with equations (7) and (8) for the two-dimensional Fourier transform R ′ (k x , k) of the received signal. performed expression (F 44)] through, F (k x ', k y') are two-dimensional inverse Fourier transform. This approximation process is also not disclosed in the prior art document.
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とにおいて、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、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。 Further, in the case of a convex type transducer, a sector scan, or IVUS, etc., when a wide wave is transmitted or received (cylindrical wave) in the radius r direction in the polar angle (r, θ) in the angle θ direction (FIG. 7), When transmitting a wide wave in the radius r direction (cylindrical wave) in the angle θ direction of 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 to 8C) and echo signals collected for aperture plane synthesis in the polar coordinate system, the Cartesian coordinates (x, y) are changed to polar coordinates (in the same manner as the method (1). The image signal can be generated in the Cartesian coordinate system (x, y) and the polar coordinate (r, θ) by replacing it with r, θ). Further, a plane wave of transmission or reception may be generated at an arbitrary distance position using the physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or a physical aperture having an arbitrary aperture shape, and beamforming may be performed in the same manner (FIG. 8B (d)-(f)). It is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that distance position, and setting the distance position to zero corresponds to the case where the linear aperture array is virtually used. The distance positions can be set in front of the physical aperture as well as behind the physical aperture, and virtual linear aperture arrays (or plane waves) can be generated at those positions. The 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 applies when other transmission beam forming is performed or when they are performed in the spherical coordinate system. On the other hand, similarly, in the case of using a convex type transducer, a sector scan, IVUS, or the like, or in the case of using a virtual source installed behind a physical aperture having an arbitrary aperture shape, according to the method (5), An image signal can be generated in Cartesian coordinates. Further, a plane wave of transmission or reception may be generated at an arbitrary distance position using the physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or a physical aperture having an arbitrary aperture shape, and beamforming may be performed in the same manner (FIG. 8B (d)-(f)). It is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that distance position, and setting the distance position to zero corresponds to the case where the linear aperture array is virtually used. The distance positions can be set in front of the physical aperture as well as behind the physical aperture, and virtual linear aperture arrays (or plane waves) can be generated at those positions. The 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, and the like can be consistently performed in the same Cartesian coordinate system. The same applies to the polar coordinate system. In these, similarly to the method (1), the same processing can be performed in an arbitrary rectangular coordinate system or by converting to an arbitrary rectangular coordinate system. In these, transmission focusing may be performed. Further, as described above, the virtual source and the virtual receiver are not always installed behind the physical aperture, and may be installed in front of the aperture. This can be done (Patent Document 7, Non-Patent Document 8). As described above, the present invention is not limited to the above. Further, in wave number matching in these beam forming processes, an interpolation approximation process may be 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、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。 Further, the apodization processing of transmission, reception, or both of the reception signals can be performed at various timings because it is a linear processing (hardware at the time of reception, or softly after reception). As described above, it may be physically apodized at the time of transmission. In the case where the wave number matching is performed through interpolation approximation using the equations (7) and (7 ′), in order to improve the accuracy, the amount of calculation is increased, but the processing is performed under appropriate oversampling. There is a need. In that case, it should be noted that the number of data of the Fourier transform is increased unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process is not performed. These processes are performed in the same manner as the method (1), and are also performed in the 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): Multi-Static Open Area Synthesis FIG. 11 is a schematic diagram of multi-static open area synthesis. The multi-static type aperture plane synthesis is a method in which an ultrasonic wave is emitted from one element of an array and echoes are received by a plurality of elements around the element. A low resolution image signal is obtained for each radiation, and a high resolution image signal is generated by superimposing a plurality of 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、専用の高速逆フーリエ変換を実施してもよい。 As described above, usually, the conventional method is to generate a low-resolution echo signal from the echo signal received for each radiation of each element and superimpose them. On the other hand, in the present invention, a signal group consisting of signals having the same transmission / reception position relationship is set as one set, and digital monostatic type aperture plane synthesis is performed for each set to obtain a plurality by the method (3). The low-resolution image signals obtained are overlaid to complete the process. In practice, the overlay, which is a linear process, can be performed in the frequency domain before the inverse Fourier transform process in the lateral direction, which is faster, and the lateral alignment for performing the overlay is also At the time of superimposing, a complex exponential function for performing a horizontal shifting process is applied to rotate the phase in the horizontal direction, thereby performing at high speed, and an image signal can be generated without performing interpolation approximation. As the inverse Fourier transform, the fast inverse Fourier transform may be performed once. In addition, when performing the inverse Fourier transform in the horizontal direction to generate each low-resolution echo signal, at the same time, the phase is rotated in the horizontal direction by multiplying by the complex exponential function for performing the shifting process in the horizontal direction. It can also be overlapped in the area. In that case, a dedicated fast inverse 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)。
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 degree), multi-static aperture plane synthesis that generates a beam subjected to at least reception dynamic focusing (when s = 2, transmission dynamic focusing can also be realized) is performed. As a beam forming method to be performed, a wave is transmitted from each of the plurality of transmitting aperture elements in the transmitting effective aperture element array, and the wave arriving from the measurement object is transmitted by at least one of the plurality of receiving aperture elements at different positions. It receives and generates a reception signal (even if it is one, it can be processed by the device of the present invention), and the transmission aperture element is one in which the wave is generated by at least reflection or backscattering in the measurement object. (S = 2), or at least that which is generated by transmission, forward scattering, or refraction in the measurement object (s = 1) regardless of the x coordinate of the reception aperture element that generates the reception signal. Of any of a plurality of transmitting aperture elements that have an arbitrary x coordinate and a y coordinate of zero and that also serve as any of the receiving aperture elements in the array of receiving effective aperture elements, or that are different from any of the receiving aperture elements. One by one, or one by one of a plurality of transmitting aperture elements in the transmitting effective aperture element array having a constant non-zero y-coordinate and facing the receiving effective aperture element array (s = When 1, the y-coordinates of the transmission position and the reception position may be considered as opposites).
すなわち、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 applied to each of the monostatic type aperture plane synthesis data groups generated by the same combination of the positions of the transmitting element and the receiving element. It may be applied and similarly processed. The same applies when the steering angles for transmission and reception are different. However, even when the deflection angle is non-zero, when applying the program of the monostatic type aperture plane synthesizing process, as in the case where the deflection angle is zero degree, the distance y (coordinate y) of the point of interest is s = 2, the conversion distance represented by formula (20a) is used, and when s = 1, the conversion distance represented by formula (20b) is used. Therefore, similarly to the methods (1) and (2), in the program capable of deflecting, the deflection angle may be set to zero degree or non-zero degree and the processing may be performed.
In addition, the transmission can be performed when the plane wave of the method (1) is transmitted, and also when the 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。
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)。
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。 In addition, the transmission can be performed when the plane wave of the method (1) is transmitted, or when any 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。 Alternatively, as another method, transmission and reception are performed for each reception signal group obtained by arranging reception signals having the same distances Δx and Δz in the horizontal x-coordinate and z-coordinate between the transmission position and the reception position. When the y coordinate of the aperture element is zero (s = 2), the elevation aperture θ and the azimuth angle φ , the y coordinate of the interest point including the aperture positions of the transmission and reception, and the transmission aperture represented by the distances Δx and Δz. Half the distance of the straight line connecting 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 position and the receiving position may be considered conversely. Between the transmitting aperture element and the interest point and the receiving aperture element expressed by using the elevation angle θ and the azimuth angle φ , the y coordinate of the interest point, the y coordinate of the transmission aperture element, and the distances Δx and Δz. Using the distance of, correct each of the image signals obtained by setting the deflection angle in the above-mentioned monostatic aperture plane synthesis in the frequency domain, and superimpose them to perform interpolation approximation processing. Image signals can be generated without Although the spatial resolution in the depth direction is reduced, a large steering angle can be generated.
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。 Further, in order to generate an image signal representing the propagation of an unknown wave source or a 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 transmission aperture element, Beamforming is good. It is also effective to observe while changing the y coordinate by trial and error. For example, effects such as image formation, high spatial resolution, high signal strength, and high contrast may be obtained, and a series of processing is automatically performed using these as criteria. 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 described later, the information about the wave source position or the transmission aperture element may be given a position with respect to the reception aperture element, a direction or distance of an existing position, a direction of the aperture, or a propagation direction of the generated wave. Moreover, the time when the wave is generated may be given by an arbitrary wave source. It may be observed by other devices, or the received signal itself or the wave propagating faster than it may be emitted and transmitted from the wave source.
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, the centroid (center) frequency or the instantaneous frequency of the multidimensional spectrum is obtained, and from this, the direction in which the wave source exists or the propagation direction of the wave is obtained, and the deflection angle for transmission or reception is adjusted to obtain the beam. Forming may also take place. For the beamformed image signal, the centroid (center) frequency or the instantaneous frequency of the multidimensional spectrum is obtained, and from this, the direction in which the wave source exists or the propagation direction of the wave is obtained, and the deflection angle of transmission or reception is determined. May be adjusted to perform beamforming. It is also possible to perform these processes in a plurality of reception apertures or reception effective apertures to geometrically determine the position or direction in which the wave source exists. These processes are useful and may be applied to other beamforming.
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、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0209〜0220等と、方法(2)の段落0238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 described in the method (2) of monostatic type aperture plane synthesis, also in the multistatic type aperture plane synthesis of the method (3), arbitrary beamforming can be generated by using the echo signals collected for aperture plane synthesis. (Actually, an image signal can be generated even if those data are subjected to the processes described in methods (1) and (4) to (7)). It may be effective that the amount of data is abundant as compared with the monostatic type, but the amount of calculation increases. Also in the plane wave processing of the method (1), the aperture plane synthesizing processing can be performed by using the sign. Further, in the case of a convex type transducer, a sector scan, or IVUS, etc., when a wide wave is transmitted or received (cylindrical wave) in the radius r direction in the polar angle (r, θ) in the angle θ direction (FIG. 7), When transmitting a wide wave in the radius r direction (cylindrical wave) in the angle θ direction of 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 to 8C) and echo signals collected for aperture plane synthesis in the polar coordinate system, the Cartesian coordinates (x, y) are changed to polar coordinates (in the same manner as the method (1). The image signal can be generated in the Cartesian coordinate system (x, y) and the polar coordinate (r, θ) by replacing it with r, θ). The same applies when other transmission beam forming is performed or when they are performed in the spherical coordinate system. On the other hand, similarly, in the convex type transducer, sector scan, IVUS, or the like, the image signal can be directly generated in Cartesian coordinates according to the method (5). In that case, echo signal imaging, displacement measurement, and the like can be consistently performed in the same Cartesian coordinate system. In these, similarly to the method (1), the same processing can be performed in an arbitrary rectangular coordinate system or by converting to an arbitrary rectangular coordinate system. In addition, beamforming described in paragraphs 0209 to 0220 and the like of method (1) and paragraph 0238 and the like 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). Further, the present invention is not limited to this (hereinafter, the same).
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。 Further, as described above, although the spatial resolution in the depth direction is lowered, it is possible to perform deflection by another method in order to generate a large steering angle. Even in that case, the transmission beam forming and the reception beam forming are performed. The case where the steering angles are different can be similarly processed. 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 in the case of the transmission type, the distance between the transmission aperture element and the reception element.
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。 Basically, any steering in the method (3) is performed by software. Also, apodization may or may not be performed during transmission. Further, since the reception apodization process is also a linear process, it can be performed at various timings (hardware or software). It can be easily implemented at an appropriate timing by taking into account the amount of calculation that depends on the effective aperture width that determines the number of For example, each set may be weighted to initiate the generation of the low resolution echo signal, or the generated low resolution signal may 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、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、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0241、0245、0248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 applying the monostatic aperture plane synthesis of the method (2), wave number matching may be performed at high speed through the above-described interpolation approximation. In the interpolation approximation, linear interpolation approximation or approximation by the nearest data itself may be performed, high-order interpolation approximation may be performed, or sinc function may be used. In order to improve the accuracy of wave number matching through the interpolation approximation, it is necessary to perform processing under appropriate oversampling at the cost of increased calculation amount. In that case, it should be noted that the number of data of the Fourier transform is increased unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process is not performed.
Further, in the horizontal alignment for performing superposition described in paragraphs 0241, 0245, and 0248, a complex exponential function for performing horizontal shifting processing is applied to rotate the phase in the horizontal direction. Alternatively, spatial shifting may be performed through interpolation approximation to achieve faster processing. In the interpolation approximation, linear interpolation approximation or approximation by the nearest data itself may be performed, high-order interpolation approximation may be performed, or 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 cost 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. The fixed focusing is a method of setting one point as a focus point and delaying each element so that the ultrasonic waves reach the focus point at the same time. A part or all of the physical aperture of the array type transducer is received as an effective aperture, and the measurement target is scanned. Of course, sometimes steering is performed. The steering angles of transmission and reception 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。
The fixed focusing is performed by method (1): beam forming during plane wave transmission, or method (3): multi-static aperture plane synthesis, or method (1) plane wave transmission beam forming and method. This is performed by a method that combines the reception dynamic focusing of (2) or method (3). In that case, there are the following three methods.
(I) Image signal generation processing is performed once for each received signal obtained in the effective aperture width.
(Ii) A so-called normal low-resolution image signal is generated using the reception signal for each transmission, and they are superimposed.
(Iii) Similar to the multi-static type aperture plane synthesis, those having the same transmission / reception positional relationship are set as a set to generate image signals and superpose them.
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0209〜0220等と、方法(2)の段落0238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。 When transmitting and receiving in the radius r direction of polar coordinates in a convex type transducer or sector scan or IVUS, or when performing beamforming using a virtual source installed at the rear in an arbitrary aperture shape, Cartesian coordinates ( It is only necessary to replace (x, y) with polar coordinates (r, θ) for processing, and an image signal can be generated at polar coordinates (r, θ). As mentioned above, interpolation approximation may be required after the generation of the image. The same applies to transmission and reception using the spherical coordinate system. There is a report (Non-Patent Document 6) of a process that is performed with an approximation process when the transmission focus is performed, and similarly, the result is obtained in the polar coordinates (r, θ). The inventors of the present application have proposed a method of directly generating an image signal in a Cartesian coordinate system as a result of beam forming of transmission or reception in those polar coordinate systems, spherical coordinate systems, and arbitrary orthogonal curved coordinate systems (5). , (5-1), (5-1 '), and (5-2) have also been invented. In that case, the imaging of the transmission signal, the reflection signal, the scattering signal, the attenuation signal, and the like, the displacement measurement, and the like can be consistently performed in the same Cartesian coordinate system. In these, similarly to the method (1), the same processing can be performed in an arbitrary rectangular coordinate system or by converting to an arbitrary rectangular coordinate system. In addition, beamforming described in paragraphs 0209 to 0220 and the like of method (1) and paragraph 0238 and the like 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). Further, the present invention is not limited to this (hereinafter, the same). Further, although the deflection can be performed as described above, it is possible to process the case where the physical transmission beamforming and the soft reception beamforming have different deflection angles. It is also possible to softly perform transmission steering. In that case, the deflection angle may be different from other deflection angles. It is also possible to physically perform beamforming upon reception. Transmission and reception can be interpreted in reverse. It may be apodized at the time of transmission, or may be subjected to reception apodization processing on the received signal (hardware at the time of reception, or softly after reception). When performing apodization by software, it is performed according to the method (1) or the method (3). The apodization is performed in the same manner when the method of combining the beam forming of plane wave transmission and the receiving dynamic focusing of the method (2) or the method (3) is used.
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0107、0110、0363、0365、0366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、0362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 processing of the method (4) using the method (1) of performing the plane wave processing can theoretically and practically perform arbitrary physical transmission or reception beamforming. By performing the processing as described above, various combinations of beamforming can be performed (for example, physical beamforming using a computer or a dedicated device, etc., which is different from that performed in soft beamforming using a computer or a dedicated device). It is possible to perform plane wave transmission and reception processing for each or both of those that involve processing such as focusing, steering, apodization, etc. that may be performed during transmission and reception, or, as described above, reverse transmission and reception. Can be processed by catching). For example, regarding simultaneous transmission of a plurality of beams as described in paragraphs 0107, 0110, 0363, 0365, 0366, etc., these beams may or may not interfere with each other with or without physical deflection. Including the case, or when performing their focus beamforming at different timings in the target simultaneous phase, or in the case where both received signals are mixed, physical focus (sub-aperture width, distance and depth, The same process (4) is effective regardless of whether the physical transmission deflection angles are the same or different, and in particular, (i A high frame rate is realized by using the method of performing the image signal generation processing once for the superposition of the received signals obtained in the effective aperture width. In the method (4), it is not always necessary to perform beamforming at a position where the waves do not interfere with each other (described in paragraphs 0030 and 0362), and even if the waves interfere, such as when overlapping sub-apertures are used at the same time. A high frame rate can be realized by processing. At this time, if the soft transmission deflection angle and the reception deflection angle applied to the plurality of focus beams to be implemented are the same, the above processing may be performed. In addition, even in the case of performing multiple times of focusing such as focusing at a plurality of positions or transmission dynamic focusing in the target simultaneous phase, the same processing can be performed for superimposing received signals. With respect to the received signal group received in the target simultaneous phase, if the received signals are in a state in which the times are aligned based on the position and timing of the transmission element, this processing can be performed on all of them.
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。 In addition, in the case where a soft deflection angle or a reception deflection angle to be applied to a plurality of focus beams is different, it is divided into the same ones, and the same processing is applied to each of the same ones to obtain the final result. It suffices to perform superposition in the frequency domain to obtain it. A plurality of deflected receive beams (including a deflection angle of 0 °) may be generated for one physical transmission beam (with or without deflection), and are similarly processed. Even when a plurality of different physical deflections are performed, they may be divided into the same one to obtain the respective processing results, or may be processed without being divided. When divided, superposition may be performed 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(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0368)。 When transmitting physically in multiple directions, software-specific transmission and reception deflection may be applied to each transmission deflection angle. In that case, should the transmission beams be separated in the frequency domain? , Or independent component analysis (as a reference, there are many references including Te-Won Lee, Independent Component Analysis: Theory and Applications, Springer, 1998 etc. which are relatively old books) May be processed. Analog devices may also be used. As an example, it is possible to set a soft transmission or reception deflection angle that is the same as each physical deflection angle. Signal separation is also described elsewhere (eg, paragraph 0368).
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 it has been described here that the present method is performed for various fixed focusing processes, the present method is not limited to these, and can be used when other transmission beamforming is performed. Focusing (multi-focus that realizes multiple different focus positions with respect to the effective aperture) or not, deflection (multiple steerings with different deflection angles) or not, apodization (including different positions) Also, in the case of performing a plurality of transmissions or receptions with different wave or ultrasonic parameters such as none, F number, different transmission ultrasonic frequency or transmission band, different reception frequency or reception band, different pulse shape, different beam shape, etc. , Which can be processed in the same manner and which has a new feature that cannot be generated by one fixed beamforming. For example, it is known that a plurality of focuses can be obtained by superimposing and a wide band (high resolution) can be achieved in both the depth direction and the lateral direction, but these processes can be performed at high speed. When a so-called pulse inversion method (radiating pulses having different polarities as ultrasonic parameters) is used in order to obtain harmonics, received signals are superposed and similarly processed at high speed. Of course, it is also possible to superimpose received signals after performing beamforming. The received signals of two or more beams may be superposed.
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。 The above-mentioned processing may be applied to the simultaneous reception beamforming on the basis that the above-mentioned transmission and reception are considered in reverse. Further, 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。 When the processing is divided into a plurality of beamformings, the processing may be performed in parallel. It may be divided into a plurality of beamformings depending on various waves such as the above-mentioned deflection angle, ultrasonic parameters, the position of the region of interest, and the like. For example, one received signal may be used for multiple purposes such as for imaging, measurement, and treatment, and a large amount of information, such as a transmitted signal, a reflected signal, a scattered signal, or an attenuated signal, which has high accuracy and high resolution, is beamed. There is a case where a signal that is generated by forming and is subjected to post-processing such as filtering is generated to meet a purpose, but appropriate beam forming is performed according to a 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。
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、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 addition to arbitrary beams such as fixed focus beams, beamforming during transmission of arbitrary waves (including waves that have not been beamformed), superposition processing during transmission of multiple beams or waves, and simultaneous multiple beams It is possible to perform processing when transmitting waves or waves. In other words, reception beamforming (dynamic focusing, etc.) can be performed at one time regardless of any single or multiple transmissions. A plurality of beamformings may be performed by using the multi-directional aperture plane synthesis method, and in that case, the beamformings are similarly performed at high speed. The present invention is not limited to these.
Note that one of the features of the present invention is that the interpolation approximation processing is not performed in the wave number matching, but in the present method (4) applying the method described in the above methods (1) to (3). In the same manner as in methods (1) to (3), interpolation approximation processing may be performed in wave number matching, and approximate wave number matching described in them may be performed to perform high-speed beam forming. There is. In order to perform highly accurate approximate wave number matching, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the cost of an increased calculation amount. In that case, it should be noted that the number of data of the Fourier transform is increased unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process 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 In method (5), ultrasonic cylindrical waves (a part of) are transmitted or received in a two-dimensional polar coordinate system (r, θ) such as convex array, sector scan, IVUS, etc. This is a method of generating an image signal in the Cartesian coordinate system in the case (see FIG. 7). The methods (1) to (4) and (6) can be carried out.
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。
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。
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。
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。
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。
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。 Further, for example, in step S25, the frequency components k of the angular spectra are added together, and in step S26, the inverse Fourier transform (IFFT) is performed on the horizontal wave number kx, so that an image signal is obtained in step S27. A pure two-dimensional inverse Fourier transform may be performed.
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, according to the method (1), the wave number matching in the x direction and the y direction may be performed and the spatial resolution may be obtained according to the equations (9a) to (9c) using the deflection angle θ. As will be described later, when the calculation is performed in the polar coordinate system (r, θ), the 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 performed, soft steering for transmission or reception, or transmission / reception can be performed, or a combination of physical steering and soft steering can be performed. 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、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 when obtaining an image signal of Cartesian coordinate system (x, y) from a signal of polar coordinate system (r, θ). Beam forming is performed. Similar to the plane wave transmission in the linear array type transducer, the cylindrical wave can be deflected in the polar coordinate system. The same processing can be performed when the steering angles of the transmit beam forming and the receive beam forming are different. You can also apply soft steering. Apodization can be performed similarly. In the case of a cylindrical wave, the above-mentioned transmission is simultaneously performed and received 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-mentioned processing may be performed by superimposing the received data by performing the above-mentioned transmission at different times, although it is a time phase. In the z-axis direction, it may be focused by an analog device (lens), and arbitrary processing can be performed by the digital signal processing of the present invention. The same calculation can be performed when the wave propagation direction is in the center direction (for example, useful for HIFU treatment, various imaging by a circular-based array transducer surrounding an object, CT, etc.). Of course, there may be reception-only beamforming in them, and they are similarly processed. 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). , θ) can generate an image signal as described above, and interpolation approximation is performed in the subsequent processing. In these, steering can be performed similarly. The methods (2) to (4) and (6) can be similarly carried out.
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。ステアリングおよびアポダイゼーションも同様に行われることがある。 Further, when the received signal is represented 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, which is the opposite of the equation (22). After all, it is also possible to generate the image signal in the polar coordinate system (r, θ), or use each method to generate the image signal in the Cartesian coordinate system (x, y). Steering and apodization may occur 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 8 (f), the physical aperture element array represented by the polar coordinate system as described above or the physical aperture having an arbitrary aperture shape is used to transmit or receive at an arbitrary distance position. , Or both plane waves may be generated and beamforming may be performed in the same manner, and an image signal is generated in a Cartesian coordinate system or a polar coordinate system, or an orthogonal curved coordinate system set according to the physical aperture shape. Sometimes. It is equivalent to generating a virtual linear aperture array (or plane wave) at that distance position, and setting the distance position to zero corresponds to the case where the linear aperture array is virtually used. The distance positions can be set in front of the physical aperture as well as behind the physical aperture, and virtual linear aperture arrays (or plane waves) can 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. When only those plane waves are transmitted or only received, other beamforming may be performed on the basis of the case of transmitting and receiving cylindrical waves, respectively.
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 aperture array of other arbitrary shape When transmitting wave from arbitrary aperture shape such as linear array type transducer as well as circular aperture array, A case where a part of the cylindrical wave is generated using the installed virtual source (see FIGS. 8A (a) to 8 (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, a complex exponential function is added to Fourier transform for the received signal transmitted / received in each element and stored in the memory or the like. Multiply the response of the wave generated from the virtual source into 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, the received signal can be represented as a digital signal with polar coordinates (r, θ), and the Cartesian coordinates (x, y) in method (1) can be replaced with polar coordinates (r, θ) to perform processing. 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 the received signals acquired for multi-static aperture plane synthesis, it is necessary to use the received signals transmitted by each element, received by surrounding elements, and stored in the memory. For example, the Fourier transform is multiplied by the complex exponential function, and the response of the wave generated from the virtual source is used as the digital received signal represented by polar coordinates (r, θ), and the multi-static aperture plane synthesis of method (3) is performed. it can. As another processing, according to the method (5), or by superimposing the digital received signals on each receiving element and then using the method (5-1), the (x, y) coordinate system is directly used. An image signal can be generated at. Similarly, it is also possible to superimpose the digital received signals on each receiving element and then perform the process of replacing the Cartesian coordinates (x, y) of method (1) with polar coordinates (r, θ). It is also possible to generate an image signal at (r, θ). Of course, the multistatic processing of the method (3) can also be performed in the polar coordinate system (r, θ) without overlapping.
(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 these processes, in order to omit the process of rewriting the signal received by the physical aperture array into the digital signal of the polar coordinate system (r, θ), the sampling is performed from the original in the polar coordinate system (r, θ). In some cases, a transmission or reception delay pattern is used to transmit and receive sampling 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 the method (3) based on the method (5). Similarly, the received signal is represented as a digital signal with polar coordinates (r, θ), and the Cartesian coordinates (x, y) in methods (1) to (3) are replaced with polar coordinates (r, θ). It is also possible 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, when a part of the cylindrical wave is generated by using a virtual source installed in the rear in an arbitrary opening shape (see FIGS. 8A (a) to 8 (c)), (i) to (i) above. In iii), the Fourier transform of the received signal received by each element and stored in the memory or the like is multiplied by a complex exponential function to represent the received signal as a digital signal of Cartesian coordinates (x, y) (however, time is (Required) or interpolation approximation is performed, and conversely to the equation (22) in the method (5-1), f (x, y) is Fourier-transformed with respect to the radius r and the angle θ, and processed. It is also possible to generate the image signal in the system (r, θ), or use each method to generate the image signal in the Cartesian coordinate system (x, y). An image signal can be generated in the same manner even in an orthogonal curved coordinate system (curved coordinate system) set according to the opening 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 to (i) to (iv), various beamforming and the like described in the 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)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。 As described in the method (1) and the like, a virtual source (Fig. 8A (Fig. 8A (Fig. 8A ( When a cylindrical wave is transmitted (using a transmission delay) using (a) to (c)), each element is coded and transmitted as in the case of plane wave transmission, and the received reception is performed. By decoding the signals to generate a received signal group for aperture plane synthesis, the above process can directly generate an image signal in any Cartesian coordinate system such as Cartesian coordinate system or polar coordinate system. it can. In addition, a virtual receiver may be set instead of the virtual source, and the virtual receiver may double as a 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 (shown in FIG. 8A (Fig. 8A ( When a cylindrical wave is transmitted (using a transmission delay) using (a) to (c)), the following can be performed using the above method.
(A) The method (1) itself is directly applied to the received signal represented by the Cartesian coordinate system (x, y) obtained by the linear array transducer or mechanical scan, and imaged in the Cartesian coordinate system. Get the signal.
(B) The signal received at each receiving position by a linear array transducer or mechanical scan is multiplied by a complex exponential function to the frequency response obtained by the (fast) Fourier transform in the y direction, and spatially in the y direction. In the polar coordinate system (r, θ) that shifts and uses the virtual source as the origin, correct it to position coordinates in the radius r direction under θ determined by the receiving position, and apply method (5) or method (5-1). , An image signal is obtained in the Cartesian coordinate system (x, y) or the polar coordinate system (r, θ). Approximate spatial shifting by zero padding of signal values in the r coordinate system may be performed instead of spatial shifting using a complex exponential function, but to improve accuracy, appropriate oversampling It is necessary to take into account that a high sampling rate AD converter and many memories are required, and the number of data increases before Fourier transform.
(C) The method (5) or the method (5-1) is applied to a signal received in an arbitrary aperture shape different from the linear array transducer or the pseudo linear array aperture by the mechanical scanning, and the Cartesian method is similarly performed. An image signal can be similarly generated in the coordinate system (x, y), the polar coordinate system (r, θ), or the orthogonal curve coordinate system (curved coordinate system) set according to the aperture shape.
(D) A virtual receiver may be used instead of the virtual source, or the 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, by using another type of transducer or another mechanical scan, a convex type or sector type transducer as shown in FIG. The image signal when () is used can be generated in the Cartesian coordinate system (x, y), the polar coordinate system (r, θ), or the orthogonal curvilinear coordinate system (curved coordinate system) set according to the aperture shape. .
In addition, conversely, when a linear type transducer is virtually used by using a physically different type transducer (for example, FIGS. 8B (d) to (f) in the case of physically using a convex type transducer). ), When the virtual source or virtual receiver is at the position of the physical aperture or behind or in front of the physical aperture) in the same manner, the Cartesian coordinate system (x, y) or polar coordinate system (r, θ), and can be generated in an orthogonal curve coordinate system (curved coordinate system) set according to the opening shape.
As a special case, for example, when a linear array type transducer is physically used, a case where a cylindrical wave is generated by using a virtual source or a virtual receiver behind the physical aperture is applied, and a horizontal wave is generated at an arbitrary distance position. An image signal in the case of generating a plane wave spreading in a direction or a virtually linear array type transducer (FIG. 8B (g)) can also be generated.
In these, the transmitted or received wave generated may be steered or the aperture may be virtually 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 type array. Also in the convex array, fixed focusing can be performed as shown in FIG. Each of FIGS. 14A and 14B is a schematic view when the position of fixed focusing is equidistant from each effective aperture and when it is set to an arbitrary distance position from the convex type array, as an example. Similar to the case of the linear array type (method (4)), the image signal can be generated by the same calculation process as that of the cylindrical wave transmission. That is, there are the following three methods based on the processing of the method (1) or the method (3).
(I) Image signal generation processing is performed once for each of the received signals obtained in the effective aperture width.
(Ii) A so-called normal low-resolution image signal is generated using the reception signal for each transmission, and they are superimposed.
(Iii) Similar to the multi-static type aperture plane synthesis, those having the same transmission / reception positional relationship are set as a set to generate image signals and superpose them.
As described above, the image signal can be directly generated in the Cartesian coordinate system, but it is also possible that the method (4) is carried out using the coordinate axes of the polar coordinate system to generate the image signal in the polar coordinate system. Deflection and apodization can be carried out as well. The z-axis direction can be processed in the same manner as (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。ステアリングおよ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。 When the received signal is represented 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, and finally processed in the polar coordinate system (r , θ), or each method can be used to generate an image signal in the Cartesian coordinate system (x, y). Steering, apodization, and z-axis processing may be performed in the same manner.
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。 Even when steering is performed, the wave number matching in the x direction and the y direction may be performed and the spatial resolution may be obtained according to the method (4). As will be described later, when the calculation is performed in the polar coordinate system (r, θ), the 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 performed, soft steering for transmission or reception, or transmission / reception can be performed, or a combination of physical steering and soft steering can be performed. 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。 When a virtual source or a virtual receiver is used, a virtual aperture is realized at the position or before or after using the physical aperture described in the method (5-1 '). Transmit fixed focusing can be performed. For example, a linear array transducer may be virtually realized. In addition, a transducer having an arbitrary aperture shape may be realized. The image signal is generated in a Cartesian coordinate system, a polar coordinate system, or an orthogonal curved coordinate system set according to the physical aperture shape. Physical steering can be performed, soft steering for transmission or reception, or transmission / reception can be performed, or a combination of physical steering and soft steering can be performed. There are like other methods such as method (1). In these, the transmitted or received wave generated may be steered or the aperture may be virtually 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 beam forming of the methods (1) to (4) can be performed, but the present invention is not limited to them, and the same effect can be obtained by adapting to any beam forming. In particular, when the method (4) is used, reception beamforming can be performed on any transmission beam or wave in addition to the transmission fixed focus beam. Needless to say, the beam forming of a batch reception signal at the time of simultaneous transmission of a plurality of different beams or waves or superposition of reception signals for each transmission can be similarly performed.
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、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 at the time of reception in a spherical coordinate system When a spherical nucleus-shaped wave aperture element array is used, three-dimensional digital wave signal processing is performed. If the element array is so, the reception of the wave is performed in the spherical coordinate system (r, θ, φ ), so the received signal of the wave received is represented as f (r, θ, φ ). Also in this case, various beamforming can be performed through the Jacobi calculation 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。
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、θ、及び、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。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 curve coordinate system when transmitting or receiving in Cartesian coordinate system Inversely to the above series of methods, reception obtained by performing transmission or reception in Cartesian coordinate system An image signal represented by a two-dimensional polar coordinate system or a spherical coordinate system can be directly obtained from the signal without performing interpolation approximation, and can be realized by the same calculation, for example, when the received signal is f (x, y, z), the Fourier transform in the r , θ , and φ directions is performed , and the received signal is decomposed into a circular wave or a spherical wave corresponding to a plane wave in the Cartesian coordinate system through the Jacobian operation. These methods may also be used to vary the FOV (eg, may be wider), using the Jacobi operation to generate image signals in any Cartesian coordinate system as well. It is also possible to generate an image signal in any Cartesian coordinate system when transmitting or receiving in any coordinate system, as in any other method described in the method (5). And waves can be processed, steering can be performed as well, and virtual sources and receivers can be used.
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、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。 Note that one of the features of the method (5) is that beam forming is performed in an arbitrary coordinate system without performing interpolation approximation processing in wave number matching. However, the method (1) is applied by applying the method (1). -When performing the beam forming described in the method (4), the method (6), and the method (7) in an arbitrary coordinate system, interpolation approximation processing may be performed in wave number matching, which is described in each of them. Approximate wave number matching may be performed and beam forming may be performed at high speed. In order to perform highly accurate approximate wave number matching, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the cost of an increased calculation amount. In that case, it should be noted that the number of data of the Fourier transform is increased unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process 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, it is possible to perform the migration processing without performing the interpolation approximation processing in the wave number matching. The migration equation (the following equation (M6 ′)) itself is well known, and the derivation of the equation is also well known, so the derivation of the equation will be 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 a normal migration process based on one-element reception by one-element transmission (that is, corresponds to a non-deflecting process using transmission / reception data for monostatic aperture plane synthesis of method (2)). As a basis, in the case of plane wave transmission and / or reception with and without steering (processing corresponding to method (1)), a wave is generated from any transmission aperture element for any one of the same positions. 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 that in the case of the normal migration, the propagation velocity and the coordinates of the target position are reread (the following formula (M1 )), The method of calculating the value represented by the same form (Formula (M6)) is disclosed.
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 the other methods (2) to (5) are not disclosed in Non-Patent Document 12 (when steering is performed in the method (2), they are not disclosed). Further, in calculating the formula (M6 ′), conventionally, interpolation approximation has been performed when performing wave number matching (formulas (M4) and (M4 ′)), but in the device of the present invention, Wave number matching is performed with high accuracy without performing interpolation approximation (formula (M7) and formula (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。
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。
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))。
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 in which the non-biasing process using the transmission / reception data for monostatic aperture plane synthesis of the method (2) is performed. It can be processed. For example, the calculation procedure of migration when transmitting a polarized plane wave (including 0 °) in the 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 a migration process when a polarized plane wave is transmitted. When the received signal is represented as r (x, y, t), the received signal at the aperture element array position is represented 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)。
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次元スぺクトルの各々を式(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 be used, but a general method is as follows. First, in step S31, the received signal is detected at the time t at the horizontal coordinate x. Fast Fourier Transform (FFT) is performed to obtain the spectrum of the analytic signal. Then, at each frequency coordinate within the band k, the fast Fourier transform in the horizontal direction x may be performed (faster than calculating each of the two-dimensional spectra according to the equation (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)。
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 will be represented as R ″ (k x , 0, k) here. By the way, even if it is programmed to perform trimming, it is possible to process the case of transmitting a plane wave without steering (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。
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。
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) calculated in the case of the method (including the method (1)) other than the normal migration (when there is no steering of the method (2)), Or, for the above R (k x , 0, k) calculated in normal migration, through interpolation approximation (using bi-linear interpolation using the angular spectrum closest to the frequency coordinate, etc.) , And the wave number matching represented by the formula (M4) or the formula (M4 ′) is performed, respectively.
However, when the interpolation approximation is not performed in the wave number matching of the equations (M4) and (M4 ′), the wave number in the depth direction represented by the proviso in each equation is used. The wave number in each depth direction is obtained by dividing the angular frequency ω by the propagation velocity c by 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。
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kx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。
非特許文献12には、式中においてySを用いる式(M6)は開示されておらず、yS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, and discloses that y is used instead of y S for calculation, and the coordinates are corrected after the calculation. .. The correction of the coordinates is performed without approximation by performing approximation processing or by taking time based on multiplication of a complex exponential function, which is a past invention of the inventor of the present application. Formula (M6) can be used even 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kx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。
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kx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kx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。
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。
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0202又は0203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0203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0352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0352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0195参照、式は段落0352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0352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0352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。
If the same result is obtained without multiplying the formula (M9) without the approximation process, the formula (M6) or the formula (M7) is calculated by using the following formula (N4) instead of the formula (M4). good.
The equation of the wave number in the depth direction expressed in this equation is similar to the equation (13) in the method (1), but in the method (1), kx in the equations (13) to (15) is used. When the same result is obtained when (-zero) is used without using -ksinθ of -ksinθ, paragraph 0202 or paragraph 0202 or Equation (16) may be multiplied by equation (M9) before performing the processing described in 0203. However, the deflection of the plane wave realized by the method (6) is realized only by approximation calculation. Therefore, when the equation (N4) and the equation (M7) are used in the method (6), Is highly accurate without any approximation processing, but the accuracy is reduced by using the formula (M9) in the method (1). Further, when the final inverse Fourier transform is performed by the two-dimensional fast inverse Fourier transform (as will be described later, the three-dimensional fast inverse Fourier transform in the case of three-dimensional), if these processes are performed, the calculation speed becomes Method (6) speeds up, but method (1) slows down (the processing described in paragraph 0203 is high speed).
Further, in each of these modified methods (1) and (6), when performing interpolation approximation processing in wave number matching and obtaining the same result using equations (M9) and (N4), , The equation of the interpolation approximation changes correspondingly (described in paragraphs (352) and (B)).
Further, in each of these modified methods (1) and (6), when the interpolation approximation processing is performed in wave number matching, the above equations (11) and (M3) are used (deflection angle data θ , And the case where the formulas (11) and (M3) are not used (deflection angle θ is set to zero), the formula of interpolation approximation changes correspondingly (when not used). Is described in paragraphs (352) (A ′) and (B ′)).
Beamforming using plane wave transmission has various beamforming applications, as described herein, but in those applications, the processes 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 transmission focusing by applying the method (6), the angular frequency ω is Since (M3 ″) represented by using the wave number [Equation (M13)] represented by and the converted propagation velocity (E1) is used instead of Equation (M3), -ksinθ in the interpolation approximation expression is used. For wave number k of t , it is necessary to use the equation (M13) instead.
In each of the method (1) and the method (6), the methods described in this paragraph may be combined and performed. For example, similar to the method of J.-y. Lu et al. (See paragraph 0195, the formula is described in paragraph (C ′) of paragraph 0352) of performing interpolation approximation in the method (1), the wave number matching is performed in the method (6). Is performed through interpolation approximation, and the first two-dimensional Fourier transform and the last two-dimensional inverse Fourier transform can be performed by the fast two-dimensional Fourier transform (described in paragraph 0352 (D ′). 3D fast Fourier transform in the case of 3D). In each of these, there are cases where the formula (11) is used (deflection angle data θ is used) and the formula (M3) is used (described in paragraphs (C) and (D) of paragraph 0352). Of course, it can also be used when there is no deflection.
As described above, the plane wave transmission based on the method (1) and the method (6) is applied to various beam forming.
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, the migration method is mainly used to perform the beam forming at the time of transmitting the plane wave with and without the steering in the method (1) at high speed without interpolation approximation in the wave number matching. Method (2) (monostatic aperture plane synthesis method including steering), method (3) (multistatic method with or without steering), method (4) (transmission fixed focus with or without steering), and All beamformings described in each of the methods (5) (beamforming in polar coordinate system or arbitrary orthogonal curvilinear coordinate system) can be similarly performed. The same processing can be performed when the deflection angle is different between transmission and reception. Apodization may occur 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 processed similarly. When the received signal obtained using the two-dimensional aperture element array is expressed as r (x, y, z, t), the received signal at the aperture element array position (y = 0) is r (x, y = It is expressed as 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)。
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次元スぺクトルの各々を式(M'2)に従って計算するよりは高速である)。 Generally, 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, the fast Fourier transform in the horizontal direction x and the elevation direction z is performed to obtain R (k x , 0, k z , k) (of the three-dimensional spectrum It is faster than computing each 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)。
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, the received signal is subjected to a fast Fourier transform (FFT) in the horizontal direction x. The result is R ″ (k x , 0, z, k). By the way, even if it is programmed to perform trimming, it is possible to process the case of transmitting a plane wave without steering (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。
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。
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) calculated in the case of methods (including method (1)) other than normal migration (when steering is not included in method (2)) Or, for the above R (k x , 0, z, k) calculated in normal migration, interpolation approximation (using the angular spectrum closest to the frequency coordinate, bi-linear) The wave number matching represented by the formula (M′4) or the formula (M′4 ′) is performed through interpolation, etc., respectively.
However, when interpolation approximation is not performed in the wave number matching of the equations (M′4) and (M′4 ′), the wave numbers in the depth direction represented by the proviso in each equation are used, but the interpolation approximation is performed. Each wave number in the depth direction in the case of performing is obtained by dividing the angular frequency ω by the propagation velocity c by 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。
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kx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。
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kx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kx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)。 For the three-dimensional inverse Fourier transform in the calculation of the formula (M'6) and the formula (M'6 '), a fast three-dimensional inverse Fourier transform (IFFT) may be applied, and a special fast three-dimensional inverse Fourier transform should be used. However, as a popular method, in each of the formulas (M′6) and (M′6 ′), first, for two wave numbers k x and k z in the signal band, A fast inverse Fourier transform for the other wave number (E′3) is performed, and then, for each coordinate of the generated spatial coordinates y, a fast inverse Fourier transform for the wave numbers k x and k z (in the signal band) is performed. (It is faster than calculating each of the three-dimensional image signals according to the formula (M′6) or the formula (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(kx,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。
非特許文献12には、式中においてyS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kx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 the formulas (M′6) and (M′7) using y S in the formulas. Both equations can be used even when the deflection angle is 0 °. Similar to the methods (1) to (6), the frequency k components of the spectrum are added together, and then the inverse Fourier transform (IFFT) is performed on the wave numbers k x and k z in the lateral direction and the elevation direction, and the inverse of one degree is performed. 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kxとkzに関する高速逆フーリエ変換(IFFT)を行う。
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。
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0205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0203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0352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0352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(cosφ 1x+sinφ 1z)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0195参照、式は段落0352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0352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0352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。
When the same result is obtained without multiplying the complex exponential function corresponding to the equation (M9) in the two-dimensional case without the approximation process, the following equation (N'4) is used instead of the equation (M'4). Equation (M6) or Equation (M7) may be calculated using.
The equation of the wave number in the depth direction represented in this equation is similar to the equation (C22) in the method (1), but in the method (1), kx in the equation (C22) and the equation (C23) is used. without using the -Ksinshitacos phi and -Ksinshitasin phi of -Ksinshitacos phi and kz-ksinθsin φ (as zero) in the case of obtaining the same result when calculation method of the two-dimensional case (6) the formula (M9) As in the case of performing the inverse Fourier transform by multiplying by the complex exponential function corresponding to, the multiplication may be performed during the processing described in paragraph 0205. However, the deflection of the plane wave realized by the method (6) is realized only by approximation calculation. Therefore, as in the two-dimensional case, the equation (N′4) in the method (6) is used. When using the formula (M7) and the formula (M7), the accuracy is improved without any approximation processing. However, when the complex exponential function corresponding to the formula (M9) in the two-dimensional case is used in the method (1), the accuracy is improved. descend. In addition, when the final inverse Fourier transform is performed by the three-dimensional fast inverse Fourier transform, the processing speed is increased by the method (6) as in the two-dimensional case, if the processes are performed. , Method (1) is slower (the processing described in paragraph 0203 is faster).
Further, in each of these modified methods (1) and (6), when performing the interpolation approximation processing in the wave number matching, the complex exponential function and the expression (N) corresponding to the expression (M9) in the case of two dimensions are used. When the same result is obtained by using '4), the equation of the interpolation approximation changes correspondingly as in the two-dimensional case (described in paragraphs (352) and (B)).
Further, in each of these modified methods (1) and (6), when the above-mentioned formulas (C21) and (M'3) are used in the case of performing interpolation approximation processing in wave number matching (deflection angle In the case of using the data θ and φ ) and the case of not using the equations (C21) and (M′3) (setting all the deflection angles θ and φ to be zero), the case of two-dimensional Similarly, the equation of the interpolation approximation changes correspondingly (when not used, it is described in each of paragraphs (A ') and (B') in paragraph 0352).
Beamforming using plane wave transmission has various beamforming applications, as described herein, but in those applications, the processes described in this paragraph may be used instead. As in the case of the two-dimensional case, it should be noted that in the case where the receiving dynamic focusing is performed on an object subjected to arbitrary transmission beamforming such as transmission focusing by applying the method (6). As will be described later, (M′3 ″) represented by using the wave number [Equation (M′13)] represented by using the angular frequency ω and the converted propagation velocity (E′1) is represented by the equation (M Since it is used instead of '3), for the wave number k of -ksin θ 1 (cos φ 1 x + sin φ 1 z) in the interpolation approximation formula, it is necessary to use the formula (M'13) instead.
In each of the method (1) and the method (6), the methods described in this paragraph may be combined and performed. For example, similar to the method of J.-y. Lu et al. (See paragraph 0195, the formula is described in paragraph (C ′) of paragraph 0352) of performing interpolation approximation in the method (1), the wave number matching is performed in the method (6). Can be performed through interpolation approximation, and the first three-dimensional Fourier transform and the final three-dimensional inverse Fourier transform can be performed by the fast Fourier transform (described in paragraph 0352 (D ′)). In each of these, there are cases where the formula (C21) is used (deflection angle data θ is used) and the formula (M′3) is used (described in paragraphs (C ′) and (D ′) of paragraph 0352). . Of course, it can also be used when there is no deflection.
As described above, the plane wave transmission based on the method (1) and the method (6) is applied to various beam forming.
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。 Also in this migration method, similarly to the methods (2) and (3), monostatic or 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、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
とすれば良い。
In the case of the monostatic aperture plane synthesis, when the soft transmission deflection angle and the reception angle are represented by θt and θr, the ultrasonic angular frequency ω 0 and the propagation velocity c are used instead of the formula (M3). Wave number
It should be done.
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)=(θt,φ t)と(θr,φ r)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。すなわち、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。 Further, in the three-dimensional case, it is assumed that each of the deflection angles of the transmission beam and the reception beam is expressed by using (elevation angle, azimuth angle) = (θ t , φ t ) and (θ r , φ r ). , The wave number matching is performed in the lateral direction first by multiplying by the complex exponential function (equation (D41)) represented by using the carrier frequency ω 0 of the ultrasonic signal, as in the method (2). Regarding the direction, in order to have a resolution in the depth y direction, the complex exponential function (equation (D42)) excluding the lateral matching processing (equation (D41)) is multiplied, and at the same time, the complex exponential function (equation (D43) )) Is done. That is, the formula (D41) is used instead of the formula (M3 ′) in the case of two dimensions, and the product of the formula (D42) and the formula (D43) is used instead of the formula (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。 As described above, the migration process in the present invention corresponding to the method (2) and the method (3) based on the method (2) is equivalent to the methods (2) and (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、
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、
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、
Whether to implement the two-dimensional inverse Fourier transform [Equation (M6 ′)] of Equation (M5 ′) represented by using the same ky of (M4 ′ ″) , Or instead of the formula (M4 ′),
The equation (M4 ″) is obtained by performing wave number matching involving the interpolation processing represented by, and the equation (M5 ′) represented using the same ky of (M4 ″ ″)
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, the multistatic aperture plane synthesis is performed in exactly the same manner as the method (3) is realized by applying the method (2), and the monostatic method using the migration method is used instead of the method (2). It can be realized by applying the aperture plane 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、
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、
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、
The equation (M'4 '') represented by the following equation is obtained, and the three-dimensional inverse Fourier transform of the equation (M'5 ') represented by the same ky of (M'4''') [the equation (M ' 6 ')], or instead of formula (M'4'),
The equation (M'4 '') is obtained by performing wave number matching involving the interpolation process represented by, and the equation (M'5 ') represented by the same ky of (M'4'''') is obtained. ),
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, the multi-static aperture plane synthesis is performed in exactly the same way as when the method (3) is realized by applying the method (2), and instead of the method (2), a monostatic aperture plane by the migration method is used. It can be realized by applying a synthetic 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 the beamformings described in the methods (2) and (3) can be similarly performed.
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。 Further, by using the migration process [equation (M7), etc.] at the time of transmitting the plane wave corresponding to the method (1), any beam such as the fixed focus beam of the method (4) can be used without performing interpolation approximation in the wave number matching. In addition, you can perform beamforming when transmitting arbitrary waves (including waves that have not been beamformed), superposition processing when transmitting multiple beams or waves, and processing when transmitting multiple beams or waves at the same time. . The plurality of beam forming operations may be performed by using the multi-directional aperture plane synthesis method, and in that case as well, it is similarly performed at high speed. Nor are they limited. In those cases, as in the case of using the method (1), as a combination with the method (2), the deflection dynamic focusing of reception can be performed for arbitrary transmission beamforming.
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
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φ 1)にてステアリングして偏向角度(仰角θ2,方位角φ 2)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)、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
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、
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、
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、
Instead of equation (M4), which is wave number matching with interpolation processing, based on equation (M11 ′ ″),
Is the expression (M4 ″) represented by the above expression obtained, and the two-dimensional inverse Fourier transform [Expression (M6)] of the expression (M5) represented by the same ky of (M4 ′ ″ ″)? , Or instead of formula (M4),
The equation (M4 '') is obtained by performing wave number matching involving the interpolation processing represented by, and the equation (M5) represented by using the same ky of (M4 '''''')
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
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、
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、
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、
And the three-dimensional inverse Fourier transform [Equation (M'4 ″) of Equation (M′5) represented by the same ky of (M′4 ′ ″ ″) is obtained. '6)] or instead of formula (M'4),
The equation (M′4 ″) is obtained by performing wave number matching involving the interpolation process represented by the equation (M′4 ″ ″ ″) and the equation (M′4 ′) represented by the same ky. 5),
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
また、この場合に、段落0314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。
また、3次元の場合(段落0329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φ 1)にてステアリングして偏向角度(仰角θ2,方位角φ 2)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)、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φ 1)にてステアリングして偏向角度(仰角θ2,方位角φ 2)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)、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。
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0314や0329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 in the same manner as the method described in paragraphs 0314 and 0329, with or without interpolation approximation processing in wave number matching.
また、方法(1)に関して段落0314や0329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0233〜0236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、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0202又は0203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、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0205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0314や0329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, when the processing described in paragraphs 0314 and 0329 for method (1) is combined with method (1) and method (2) (reception deflection dynamic focusing is performed in method (1) described in paragraphs 0233 to 0236). ) Can be similarly implemented. That is, in the two-dimensional case, when the same result is obtained when the deflection angle θ in the formulas (F42) and (F43) is calculated as zero, the formula (M9) is multiplied in the method (6) to calculate the inverse Fourier transform. Similar to the case of performing the conversion, the expression corresponding to the expression (16) may be multiplied by the expression (M9) before performing the processing described in paragraph 0202 or 0203. In the case of three dimensions, when the same result is obtained when all the deflection angles θ and φ in equations (G22) and (G23) are calculated as zero, the two-dimensional case in method (6) is used. As in the case of performing the inverse Fourier transform by multiplying the complex exponential function corresponding to the equation (M9), the multiplication may be performed while performing the processing described in paragraph 0205.
Also in these beam forming, as described in paragraphs 0314 and 0329, the interpolation processing may be performed or not performed in the wave number matching. 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 the method (4) can be similarly performed.
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。 Further, as described in the method (5), when transmission and reception are performed in a rectangular coordinate system other than the Cartesian coordinate system such as the polar coordinate system, the equation (M6), the equation (M6 ′), the equation ( It is possible to obtain the result directly in the Cartesian coordinate system by calculating the result obtained by performing the Jacobian operation on M7) and the equation (M7 ′) and performing the above-mentioned beam forming. Also in the case of three dimensions, the Jacobian operation is applied to the formula (M'6), the formula (M'6 '), the formula (M'7), and the formula (M'7') in exactly the same manner. Can be processed. Besides, all the beamforming described in the method (5) can be similarly performed.
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0314と0329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0195参照、(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0195参照、(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0314)の補間処理(式)を示す(3次元の場合(段落0329)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')および(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。
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、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。
It is to be noted that one of the objects of the present invention is to realize high-speed and high-precision beamforming on the basis of Fourier transform. However, interpolation approximation using the above methods (1) to (6) is performed. Any of the non-existing processes can be used by modifying it into a process in which various forms of interpolation approximation are mixed, and the accuracy may be reduced, but the speed may be increased. In the three directions of the lateral direction, the elevation direction, and the depth direction, at least one direction, two directions, or all three directions are approximated by wave number matching, or whether multiplication of a complex exponential function is used. The method can be modified and used. If many approximations are performed, the speed can be increased, but the accuracy is reduced. Some of the above explanations have already been given. In this paragraph, (A), (A '), (B), (B'), (C), (C '), ( Interpolation approximation formulas are shown for the eight cases of D) and (D ').
For example, when the plane wave steering is performed by the migration method of the method (6), the same processing can be performed, and when the wave number matching in all directions is approximated by interpolation (corresponding to (D ')), the interpolation approximation by the method (1) is performed. Similar to the method of J.-y. Lu et al. (See paragraph 0195, which corresponds to (C ′)) for processing, the calculation is the fastest when migration is used. However, the accuracy is the lowest in the migration. On the other hand, in the method of J.-y. Lu et al. (See paragraph 0195, corresponding to (C ′)), for example, if only the wave number matching in the lateral direction is performed before the Fourier transform, the accuracy is improved, but the calculation speed is higher. It falls (corresponds to (C)). Including the cases of (A), (A ′), (B), and (B ′), the interpolation process (expression) in the case of two dimensions (paragraph 0314) is shown below (in the case of three dimensions (paragraph 0329). ) Is also represented in the same way, omitted). Note that (A), (A '), (C), and (C') are represented according to the equations (7) and (8). In addition, in (B ′) and (D ′), the inverse Fourier transform in the horizontal direction is performed on kx ′ instead of kx.
Also in these cases, the method (2) may be used together in the reception beamforming.
It is important to perform the initial multidimensional Fourier transform and the multidimensional inverse Fourier transform at high speed, and various fast Fourier transform algorithms can be used appropriately. In addition, all of the methods other than the beamforming [method (1) to method (6), etc.] described in the present specification can be realized by the processing without interpolation approximation processing or through the approximation processing. When performing interpolation approximation processing, the sampling frequency may be increased to improve accuracy, but unlike the case where a signal at an arbitrary position can be generated when interpolation approximation processing is not performed, the number of Fourier transform data increases. Things need attention. However, even when the interpolation approximation processing is not performed, it is important to appropriately perform oversampling to realize a situation in which the signal is processed with a high SN ratio.
In such a case, also in the case of using the migration process [method (6)], the beam forming (collective reception signal at the time of simultaneous transmission of a plurality of different beams or waves) described in methods (1) to (5) Beamforming for superimposing received signals for each transmission, including the case of using a virtual source or a virtual receiver) can be performed with or 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ぺクトルが零詰めされることもある。
Method (7): Others In the above methods (1) to (6), the case where a one-dimensional array is mainly used has been described. Then, in each of the other one or the other two axial directions, the processing performed in the lateral direction may be similarly performed. These can be implemented in all Cartesian coordinate systems, including Cartesian curved coordinate systems. That is, it is sufficient to simply extend the above methods (1) to (6) to higher dimensions. Further, during the processing of the methods (1) to (6) and the method (7) described here, a horizontal direction or a vertical direction DC component or a low frequency component may be generated. It is advisable to perform the zero padding processing of the spectrum before the inverse Fourier transform of. Before starting the digital signal processing, analog processing or digital processing is performed as a pre-processing to turn off the direct current, but the spectrum may be zero-filled in the angular spectrum.
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、
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、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。
Further, also in beamforming using other Fourier transforms in Non-Patent Document 9 or the like, the method disclosed in the methods (1) to (7) can be used, 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 function) of the wave equation. There, spherical waves, cylindrical waves, and plane waves are treated as examples of analytical calculation. As a feature of using the Green's function, the signal to be obtained has a denominator in the frequency domain as
That is, in the method or the formulas disclosed in the methods (1) to (7) (when interpolation approximation is not performed in wave number matching and when it is performed), the spectrum of the signal to be obtained has the denominator as the formula (GR1) or (GR2). Should be calculated in the situation that The methods and mathematical expressions described in the methods (1) to (7) can be applied to various other methods and beamforming.
Further, in these cases using the Green's function, since a point source can be considered, it is suitable to represent a virtual source (Patent Document 7 or Non-Patent Document 8) set before and after the physical aperture. In that case, the processing for the actual radiation pattern of the physical aperture (element) 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。 Further, the methods (1) to (7) can be applied, for example, to the calculation in consideration of the radiation pattern of the aperture (element) described in Section 3.2 of Non-Patent Document 9. In that case, the signal strength may be appropriately corrected and signal processed by physical or soft apodization. As described in many cases in this specification, for example, ISAR, non-linear processing, adaptive beamforming (Non-Patent Document 10), and various other processing are performed to improve resolution (particularly, orthogonal to the propagation direction). Direction) and side lobes may be suppressed to increase the contrast. The coherent factor and the like in Non-Patent Document 11 and the like can also be applied. Further, the apodization (which may also serve as a delay by using a complex signal) is appropriately performed without being limited thereto. The apodization includes a case where the apodization is 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)。 The methods (1) to (7) can also be used when transmitting or receiving apertures at various positions are used or when various other beamformings are performed. For example, Non-Patent Document 9 provides abundant examples. For example, there are descriptions of Geophysical Imaging (for example, pay attention to the form of formula 7.9 to formula 7.12) and so-called X-ray CT (Computed Tomography) in Section 7.3. Also, the present methods (1) to (7) can be used. Also noteworthy is FIG. 7.3 and equations 7.5-7.9 disclosed in the case of certain transmission imaging described in Section 7.2 of Non-Patent Document 9. In these, processing including wave number matching and the like can be performed without performing the interpolation approximation processing (in those cases, the interpolation approximation processing may be 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 present methods (1) to (7) are predetermined biplanes, multiple planes, planes or tomographic planes that spread in a desired arbitrary direction (in these, planes or tomographic planes are not necessarily flat, but curved surfaces). In some cases) or on a line (a line is a straight line or a curved line) rather than a surface, the image signal can be selectively and directly generated. For example, while an image can be presented on the basis of a three-dimensional or two-dimensional image signal, the image may be presented on the basis of those image signals, or the image may be presented on its own. It is possible. Further, in signal processing, those image signals and images may be presented through interpolation approximation. Further, in those cases, the measurement data such as the displacement, strain, temperature, etc. measured based on the image signal or the image may be displayed individually, or may be displayed by being superimposed on these 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。 As described multiple times herein, apodization can be determined and performed in various ways. There are various adaptive beamforming, minimum variance beamforming, Capon method, etc. described in Non-Patent Document 10 and the like. In these, when the covariance matrix is regularized, 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 processed spatially as a variant. Alternatively, instead of using an identity matrix for the regularization operator, it is also possible to use other positive definite operators such as gradient operators and Laplacians. It is possible to increase the resolution of the image signal (in particular, the direction orthogonal to the propagation direction), and it is also possible to increase the contrast by suppressing the 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 disclosed so far. Alternatively, in both processes, the process is also stabilized by lowering the rank based on singular value decomposition or eigenvalue decomposition. These processes are similarly effective in other methods in beamforming. As described elsewhere, MIMO (Multiple-input and Multiple-output: wireless communication technology that combines a plurality of antennas on the transmitting side and the receiving side to expand the band of transmitted and received signals) and SIMO (Single-input and Multiple-output) : It is also effective to use one antenna on the transmission side and use a plurality of antennas on the reception side to expand the band of the received signal. Further, the inventor of the present application has long preferd to use absolute value detection or power-law detection in addition to envelope detection, but the coherence factor in Non-Patent Document 11 or the like is effective. Absolute value detection and exponentiation detection are effective in visualizing wave undulations. If you take an absolute value or apply exponentiation, it will have a high frequency component, especially if the order is high, but you may assign brightness to the amplitude of the wave itself or assign it to color (these Can also be considered as a 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 signal) and the like. Various processes are described. The effective processing is not limited to that, and there are various other types. Such various treatments can be performed before, during, and after the beam forming treatment, and can also be performed at the apodization level. In that case, it is extremely effective to perform the processing after performing the spatiotemporal alignment based on the correlation processing.
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。 Further, in the present invention, in particular, the SN ratio of the signal may be improved by performing integration processing (calculation) in the time direction (distance direction) in which the rf data is acquired. This integration processing is also performed by analog processing (so-called integrator) or digital processing (integrator or integration 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。 Further, in the above description, the calculation of the product with the weight value, which is easy to perform in the apodization process and has a small amount of calculation, has been described. Convolutional integration may be performed based on a dual relationship between the product at and the convolutional integration. Appropriate apodization is possible at each depth position or at equal distances 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、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がある。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。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。位置補正に関しては、段落0369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0663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)。
The above-described lateral modulation signal (image signal) and the lateral broadband are obtained by the process of superposing the multi-directional deflected beams and plane waves generated by the apparatus according to the present embodiment using the methods (1) to (6). In some cases, a signal (image signal) that has been converted into high resolution in the horizontal direction is generated. Similar to the case of single transmission, physical or soft steering, or both steering may be performed in each, and the same steering may be applied to all of them. Although the reception beamforming is mainly described as being performed by software, the reception beamforming using the reception delay or the reception apodization may be physically performed alone or in combination as occasion demands. On the other hand, although transmission beam forming is described mainly as being physically performed, a high frame rate can be obtained 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 (multi-directional aperture surface synthesis is also possible, plane waves, cylindrical waves, spherical waves, etc. are coded and transmitted, and decoding is performed for aperture surface synthesis. It is also possible to do). As described above, in terms of software, it is possible to consider and implement transmission and reception in reverse. Compared to the focus beam, the plane wave reaches a deeper position (the echo is also obtained from a deeper position), but the SN ratio as a wave or beam is compared when the displacement is measured. And low. In the first place, the resolution in the horizontal direction is also low in comparison. On the other hand, when plane waves in multiple directions are superposed, almost the same lateral resolution can be obtained regardless of the position. On the other hand, when using the focus beam, it is effective to intersect the beams in multiple directions at the focus position, but in order to obtain high lateral resolution at multiple positions, multi-focusing is required. Will be done. In any case, it is possible to achieve high-speed beamforming with respect to a received signal when a plurality of waves or beams are transmitted at the same time, or a signal obtained by superimposing received signals transmitted at different times even in the same phase. .. In addition, a plurality of waves having different carrier frequencies may be used to generate a signal (image signal) having a wide band in the axial direction and a high resolution in the axial direction. In those cases, the bands may be broadened so that the spectra overlap with each other to improve the resolution. These plural beams may be simultaneously generated in parallel, and the measurement targets may be generated at the same time phase but at different times. Multi-directional waves may be generated by the above multi-directional aperture plane synthesis.
When the deflection angle is increased, the image forming positions of the reflector and the strong scatterer may be spatially displaced. For example, when the deflection angle is transmitted to the front of the aperture element by changing the deflection angle in increments (for example, 1 °) up to ± 45 ° and the beamformed signals are superimposed, the plane wave is opened in the front direction. The case of surface synthesis can be simulated, and a band corresponding to a deflection angle of ± 45 ° cannot be obtained in the lateral direction (signals are canceled during superposition). It is natural to consider the case where the beam forming in the front direction is decomposed into a plane wave as an angular spectrum. When widening the band in the horizontal direction by superposition in the space-time or frequency space, not only in the case of polarized plane wave transmission, but also in the case of performing other polarized beam forming, it is necessary to select a spectrum whose spectrum does not overlap in the frequency space. It is necessary to superimpose them, but there is a cause that the image forming position is spatially displaced. Therefore, when superimposing signals with large deflection angles, at the time of transmission at the time of beamforming, or at least one of the reception signal before reception beamforming, during reception beamforming, and after beamforming, It may be necessary to correct the position of the signal. When performing super-resolution (spectral processing or nonlinear processing of superposition, or superposition of spectral processing or nonlinear processing, etc.) in combination when performing super-resolution by spectral processing or nonlinear processing of these signals, The effect (positional error, etc.) that the positional deviation has on the result becomes remarkable, and such positional correction may be important. In addition to this, the frequency dependency of the converted propagation velocity is also a factor that causes the positional deviation, and the same problem may occur when signals with different frequencies are superposed, and may be similarly processed. The position correction is also described in paragraph 0369 and the like. Various signal processing techniques such as motion compensation and phase aberration correction can be used. The signal strength correction is also described in paragraph 0663 and the like. Regarding the beamforming component and the speckle component of the weak scattering signal, unlike these decisive signals, a virtual sound source and a virtual receiver assuming a scatterer invented by the inventor of the present application (Patent Document 7, As confirmed by experiments using Non-Patent Document 8, it can be used for imaging and displacement measurement without performing position correction processing (for example, for displacement measurement, combined use of plane wave transmission and Gaussian apodization is effective. , A power type apodization such as a square function is effective at the time of focusing, and the latter has high resolution even in single beam forming).
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。 Further, it is different in order to form multi-focus (including not only normal multi-focus in which the transmission focus is formed at a plurality of positions in the beam propagation direction, but also including transmission focus at an arbitrary plurality of positions including the lateral direction). A process of transmitting a plurality of waves focused on a position and performing reception beamforming may be performed. Further, a process of generating a reception beam at a plurality of positions or a reception beam in a plurality of directions may be performed on one transmission beam. In addition, beamforming may be performed based on transmission in a plurality of directions with different steering angles. In addition, beam forming may be performed at a distant position where there is little interference, or beam forming may be performed at each part divided within one frame on the basis of performing transmission and reception. In some cases, parallel beam forming, such as parallel processing, is performed, and in each case, the results are overlapped at each position in the region of interest where a plurality of beam forming results are obtained. The method (4) itself has a characteristic that it is possible to process a received signal of an interfering wave as long as the wave propagates in the region of interest, and by utilizing this, a high frame rate can be realized. (Method (4) is capable of receive beamforming for any transmit beam or wave, single or multiple transmissions). In addition, beam forming may be performed using appropriate signal components after performing various signal separation processes. Depending on the degree of interference, the waves outside the region of interest may be processed without being eliminated.
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 opening for transmitting or receiving the wave may be a dedicated opening for each, but since it may serve as both, it does not always receive the response of the wave sent by itself, but it was sent from another opening. Waves may also be received and the resulting beamforming results may be overlaid, including when processed in parallel. In summary, the above-mentioned superimposition is simultaneous or simultaneous phase in which the states of the object (communication target) and the observation target for propagating the waves are the same or substantially the same, or different time, or different time. In one phase, there may be more than one beamforming or transmission or reception at each aperture, and likewise one combination of apertures may have more than one beamforming or transmission or reception. Sometimes it is done. Similarly, each of the plurality of combinations of apertures may perform one or more beamforming, or transmission or reception. In addition, in those cases, when a plurality of beamforming or transmission or reception results are obtained, new data may be generated through the calculation 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 processing is linear processing, it is possible to superpose a plurality of complex spectrum signals having the same frequency in the frequency domain in the calculation process of the above methods (1) to (6). The inverse Fourier transform of the superposed complex spectra may be performed at a time, and in the case of superposing as described above in the spatial domain after the generation of a plurality of beamformed waves, the inverse Fourier transform of the number of superposed waves can be performed. Processing can be completed faster than needed. Although not limited to this, incoming waves, etc., may be processed in a single direction or a plurality of directions, for example, those superimposed in the state of angular spectra. As the process itself, it is good to superimpose a plurality of waves in the spatial domain and perform Fourier transform to obtain the superposed angular spectrum (the Fourier transform is effective only once). It may be possible to confirm the location 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)。 Further, in the above, in the case of transmitting a plurality of beam-formed waves (at least with a predetermined transmission delay and sometimes with transmission apodization) (methods (1) to (6), In methods (2) and (3) other than aperture plane synthesis, the first excited aperture element in the effective aperture array of each transmitted wave when physically transmitting at the same time. Are excited at the same time), and the respective received signals are stored in the memory or the storage device (storage medium) in an overlapped state, so it is sufficient to perform the generation processing of the image signal of one frame according to each method. (In some cases, one frame is divided and each part is processed in parallel.)
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 described above in which beamforming is performed a plurality of times at different times, it is possible to grasp the timing of transmission from the first excited aperture element in the effective aperture array in the channel of each reception aperture element. In the apparatus according to the embodiment, the digital signal processing unit may appropriately superpose a plurality of received signals so as to obtain the same signal as a received signal when a plurality of waves are transmitted at the same time, and perform the same processing ( In this case as well, parallel processing may be performed in which one frame is divided and each part is processed). In these cases, in effect, the first Fourier transform only needs to be done once (there may be processing divided in each part).
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、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(すなわち、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, the beamforming can be completed at a higher speed in the beamforming except the aperture plane combination (methods (2) and (3)). However, the received signals for aperture plane synthesis collected for the methods (2) and (3) are subjected to transmission beamforming (transmission delay or transmission apodization is applied if necessary) and superimposed. And may be processed in the same way. By the way, if the reception signals are superposed without applying the transmission delay, in this case, the reception signal when the plane wave is transmitted without steering can be generated. Even in the aperture plane synthesis processing, the division parallel processing may be performed to increase the speed. In particular, when performing multi-directional aperture plane synthesis, which is the past invention of the inventor of the present application, one time phase is used. In the apparatus or method of the present invention, it is possible to generate beams in a plurality of directions from the signals collected in the above, and under the deflection angle in each direction, the same angle obtained by one Fourier transform is obtained. The calculation is performed using the spectral data, and finally the multidimensional spectra obtained by superimposing the multidimensional spectra obtained for each deflection angle are not performed multiple times, and the multidimensional spectra are superposed one time. It is possible to generate a final image signal at high speed by Fourier transform (sometimes performing division processing). However, even if fixed focusing of reception or other beam forming is performed by passive processing even by aperture plane synthesis, as described above, for superimposed reception signals (that is, one angular spectrum), For example, it is effective to perform processing in a single direction or a plurality of 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)。 Further, in the case where the superposition of a plurality of waves obtained in these processes is obtained, for example, if the propagation direction, the frequency, or the band is different, it is also effective to process the spectrum separately. In addition, encoding, MIMO, SIMO, MUSIC, independent signal separation (independent component analysis), principal component analysis, code, or a parametric method can be used for separation in the digital signal unit. The superimposing process may be effective in other cases (for example, the SN ratio is improved by using a plurality of signals obtained in the same phase).
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、二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およ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、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、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。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 effective, for example, in separating a specular reflection signal and a scatter signal. In contrast to a signal including the specular reflection signal, an independent scatter signal is generated between two or more frames. When the processing is performed by realizing the state that the signal has or the state in which the independent scattering signal is mixed, the specular reflection signal that commonly exists can be effectively separated. This is useful for automating the detection / separation (removal) of high-intensity signals from blood vessels, etc., and the identification (detection) of the blood flow region when measuring tissue displacement such as blood flow. is there. In addition, it is also useful for detecting and extracting boundaries such as organs and tumors, and can similarly detect (specify) specular reflection (tissue), separate (remove), and identify (detect) the range of characteristic regions. . At the same time, it is also possible to separate the mixed independent scattered signals, and rather than detect the corresponding signals from each of the sums (that is, the arithmetic mean) and differences of the signals between frames, independent component analysis (independent Component separation) has higher detection ability for specular reflection signals and separation ability for mixed signals. The ability of them is higher when they are processed after detection (envelope detection, square detection, absolute value detection, etc.). This is not limited to visual confirmation, but can be quantitatively and quantitatively evaluated for confirmation or confirmation. In addition, by applying measurement of displacement, strain, etc., performing motion compensation (translation, rotation, expansion / contraction) with respect to translation, rotation, deformation, etc., and performing alignment and processing, their capabilities are improved (( When displacement measurement based on cross-correlation is performed with a simulation of 3 MHz frequency, even if the specular reflectance distribution of 0.1 to 0.5 when the standard deviation of the scattered signal is 1.0, even if the scattered signal of similar intensity is mixed, Motion compensation is required.) Processing with spatial resolution is desirable. It is more accurate to measure displacement etc. before detection, but it may be performed after detection. When high-precision displacement measurement is performed using, block matching (phase matching) in the spatiotemporal domain, which may be performed through oversampling or upsampling, or movement by phase matching based on phase rotation in the frequency domain. Compensation is useful: a separate signal can be used with a medical ultrasound transducer by tilting the transducer to pick up the specular signal at the same position from another angle, or using a different sub-aperture based on the steering process. Alternatively, it is also effective to shift the scan plane and collect signals including specular reflection signals from the same specular reflection signal source (series of the same structure and composition) (measurement technique). It is also possible to positively apply motion (scan plane is shifted or signals from other tissues are mixed) and deformation (possibly including noise), and as mentioned above, signals including specular reflection signals. Similarly, when using ultrasonic waves (sonar, etc.) or electromagnetic waves other than medical ultrasonic waves, the movements of sensors, signal sources, and detectors (camera shakes, disturbances of their holders, etc.) are similarly detected. It is sufficient to collect and process reflected or transmitted waves by applying wave or beam steering, target movement or deformation. Occasionally, the generated analog or digital (including software-like noise) noise is mixed in. Note that these processes are not only for separating specular reflection signals and scattered signals, but also for common signals between signals. It can also be used to obtain the same effect for signals and mixed signals, and the application range is not limited to this. Homogeneous propagation velocity, medium disturbances and condition changes (eg pressure and temperature changes, etc.) Depending on the change in the propagation velocity, etc., the signal may be processed in pure signal analysis. Although the frame signal was described, it may be applied to the beam-formed (including aperture plane synthesis), or before the reception beam forming or without beam forming (transmission / reception signal for aperture plane synthesis). Beam forming may be performed after the treatment. That is, it may be performed before, during, or after beamforming. In each case, super resolution may be used together. The motion compensation process described above is effective not only for correcting the spatiotemporal shift, but also for correcting the shift when the signals at the time of transmitting the focusing beam or the plane wave are compared and referenced (for example, in super-resolution). . In addition, the above-described motion compensation processing, which may be performed before or during beamforming, may also serve as a delay (delay) processing in the DAS processing. Also, detection (absolute value detection, square detection, envelope detection, etc.) and high resolution through linear or non-linear processing, which will be described in detail later, are similarly applied to the beamformed (including aperture plane synthesis). In some cases, the beam forming may be performed before the reception beam forming or after the beam forming is not performed at all (a transmission / reception signal for aperture plane synthesis). That is, it may be performed before, during, or after beamforming. When widening the band in these processes, if necessary, oversampling or upsampling is performed in the space-time, or the band is widened by zeroing the spectrum in the frequency domain (inverse Fourier transform is performed. For example, the result of oversampling or upsampling is obtained).
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。 Signal separation is performed by frequency operation and power band expansion (when the order is greater than 1) or frequency band narrowing (when the order is less than 1) by power calculation, and then the frequency domain In, there is a case where it is performed with high accuracy. Restoration of the signal after separation may be performed simply by using the reciprocal power of the power order used.
一方で、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、一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、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った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、他の二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(音速の不均質性を補償すること)は重要である。
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。
ここで、本発明において実施されることのあるDAS処理の例を幾つか纏めておく。
・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超音波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(すなわち、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。
・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]
ここで、ω0(t)は、超音波公称周波数、または、重心(中心)周波数、瞬時周波数の内のいずれかである。方法D1よりも精度が高いが、サンプリグされた位置の周波数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。
・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、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。
On the other hand, in the methods (1) to (6), the spectrum is frequency-divided and the received signal stored in the memory or the storage device (storage medium) to generate the image signal of one frame is displayed after the wave number matching. It is also possible to obtain a plurality of processed waves in a situation where the spectrum is divided in the frequency domain. In some cases, the angular spectrum is divided and each is processed. In either case, the band of the signal component may be limited for processing. Even if a plurality of waves overlap, the spectrum may be frequency-divided in the same manner. The frequency division of these spectra corresponds to the generation of physically pseudo waves having new wave parameters (frequency, band, propagation direction, etc.). The divided spectra may be processed in parallel. The superposition process is also a process of generating new wave parameters, but it may be superposed in the spatial domain and the angular spectra may be superposed, or the spectra may be superposed before the inverse Fourier transform. However, if necessary, the angular spectra after the Fourier transform may be superposed, or the signals after the inverse Fourier transform may be superposed. Applying the reversibility of Fourier transform (Fourier transform and inverse Fourier transform), the generated signal is returned to the signal before receiving beamforming (before transmitting and receiving beamforming in case of aperture synthesis), and other beamforming is performed. It may be performed (for example, different steering angles for transmission or reception, a plurality of waves with different steering angles for one transmission, etc.).
As super-resolution processing, we will describe spectral weighting processing, non-linear processing, and imaging of instantaneous phase excluding phase rotation, but in addition to this Fourier beamforming, it may be processed under DAS processing. .. For example, as described above, high-speed imaging is possible when transmitting a wave widely spread in the lateral direction such as a plane wave, a circular wave, a cylindrical wave, and a spherical wave. As described above, it is possible to enhance their effects by generating and superimposing a plurality of waves with different steering angles for transmission or reception, superimposing them on a wide band in the lateral direction, and then performing super-resolution processing on them. It is valid. The superposition of plane waves, etc. is realized when focusing is performed without depending on the depth position in terms of phase, and based on the above-mentioned spectrum weighting processing, for example, in the case of performing apodization using a Gaussian function, a rectangular wave is used. It is effective to target high-resolution imaging using aperture surface synthesis based on apodization using a power function and to compensate for its spectral intensity. So to speak, the superposition corresponds to calculating the inverse of the calculation of the Angular spectrum based on plane wave separation in Fourier imaging. In some cases, focus and aperture plane synthesis may be performed on each other. It is important to adjust the steering angle to be overlapped, and if the angle difference is small, the band is not widened only by looking at the spectral intensity relatively in the lateral direction (the relatively low spectral intensity is not widebanded. There is a SN ratio of the band, especially when the aperture plane synthesis process is performed), but if they are overlapped with a certain angle difference, the band is broadened in the situation where there is spectral intensity. For the band having a relatively low spectral intensity when the angle difference is small, for example, the weighting process of the spectrum is effective. Since the signals having different phases are superposed, the signal strength is low, and therefore it is necessary to perform double-precision calculation processing (beamforming, super-resolution processing, etc.) as necessary. On the other hand, if there is a certain angle difference, a wide band signal can be easily obtained with a small number of waves or beams. In them, it is also effective to normalize and superimpose wave energy. Similarly, the other two super-resolutions are also effective. Of course, a superposition process in which waves with different focus positions and ultrasonic frequencies are superposed is also effective as a super-resolution method. Although it is possible to superimpose the results obtained by subjecting each wave to super-resolution, the amount of processing is smaller and the effect is higher when the superposition is performed. Phase compensation (compensating for inhomogeneity of sound velocity) in superposition is important.
Also, so-called compressed sensing may be performed. Similarly, it may be performed in the DAS process. Similar to the above three super-resolutions, it may be applied to superposition of a plurality of waves. The above three super-resolutions require less computation, but combinations of them, including Compressed Sensing, may be processed.
Here, some examples of DAS processing that may be performed in the present invention will be summarized.
-DAS processing (method D1) performed by a normal digital diagnostic device
In order to perform reception dynamic focusing, when reading the ultrasonic signal stored in the memory of each channel after AD (Analogue-to-Digital) conversion processing, the distance between each receiving element position of each channel and each point of interest is measured. The stored signal is read (ie, Delay) from the memory at the address that means the time of digital reception. Then, those signals within the effective aperture width are added (Summation). According to this method, since an error occurs in Delay depending on the sampling frequency of the received signal, it is natural to perform sampling based on the Nyquist theorem, but sampling should be performed at a high frequency as much as possible. It has the characteristic of being fast.
・ High-precision DAS processing of method D1 (method D2)
While performing DAS processing based on method D1, in order to improve the accuracy of Delay processing, the complex exponential function is applied to the analytic signal a (t) of the received signal calculated based on the Hilbert transform, and the phase rotation is performed. By performing the delay, the accuracy of the time t 0 shorter than the sampling time interval is obtained, and the addition processing is performed.
a (tt 0 ) = a (t) exp [-jω 0 (t) t 0 ]
Here, ω 0 (t) is either the ultrasonic nominal frequency, the center of gravity (center) frequency, or the instantaneous frequency. Although it is more accurate than the method D1, it is an approximation process using the frequency ω 0 (t) at the sampled position. It is affected by frequency modulation such as attenuation and scattering. As with method D1, a higher sampling frequency is better. It has high speed.
The theoretically most accurate DAS process (method D3)
This is a method that the present inventor has invented in the past, but the spectrum A (ω) of the local signal including the signal at the point of interest is multiplied by a complex exponential function in the frequency domain, and the phase of the local signal is rotated to perform Delay. ..
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 calculation time.
・ Fourier beam forming (method D4)
This is beamforming, which is the basis of the present invention. This is a method of performing digital wave number mapping in the multidimensional frequency domain of the received signal, and can perform fast Fourier transform to calculate the accuracy equivalent to that of method D3 at a significantly high speed. As a feature different from the other commonly reported Fourier imaging methods, interpolation approximation processing is not required in the digital wave number mapping, but interpolation near processing can be performed in order to achieve higher speed. However, in that case, it is required to increase the sampling frequency in order to reduce the deterioration of the accuracy caused by the artifact.
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。 A displacement vector (multidimensional autocorrelation method, multidimensional auto Doppler method, etc. (Non-Patent Document 13)) that moves in an arbitrary direction is used in a digital signal unit by using a plurality of waves generated in these processes. A method of solving simultaneous equations regarding components is used to measure the displacement in one direction with high accuracy by the inventors of the present application's past invention) (derivation of more equations than the required number of displacement components and overdetermination) In an (over-determined) system, an accurate result can be obtained in a state where the least squares method, the average value of calculation results, and waves overlap each other and the frequency is high and the band is wide, for example. An equation is derived one by one from each wave generated. Ordinary Doppler method may be applied to one wave. Each wave may be a superposition of waves, or may be a spectrum that is frequency-divided or a spectrum is processed. It is desirable that each wave has a high frequency, a low frequency spectrum may be removed, and a wide band is desirable when high spatial resolution is also required (Non-patent Document 1). Reference 14). A window capable of weighting the spectrum may be used for the division and processing. From the displacement (vector), strain (tensor), strain velocity (tensor), velocity (vector), and acceleration (vector) are obtained by partial differential processing using a differential filter with respect to space or time. These can be used to determine the (viscous) shear modulus, viscosity, average normal stress, density, etc. In addition to this, as a method for measuring the displacement (vector), a multi-dimensional cross spectrum phase gradient method (one of block matching methods, Patent Document 6 and Non-Patent Document 15), which is the past invention of the inventor of the present application, is used. There is also a digital demodulation method (Patent Document 7), and similarly, distortion and the like can be measured. Further, by using these, it is possible to measure the propagation of shear waves and waves of low frequency vibration. (Viscosity) Shear elastic 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 obtained as a distribution.
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)。 In order to improve the accuracy of this displacement measurement, the inventor of the present application invented that the regularization is performed in the past. In order to determine the regularization parameter of the punishment term, for example, in a posteriori, the variation of the measured displacement (vector) is estimated and used under a (local) steady process (Patent Document 6), or in a priori, The inventors invented using Ziv-Zakai Lower Bound (ZZLB, for example, the variation shown in Non-Patent Document 16) by using the characteristics of waves or beams (for example, Non-Patent Documents 17 and 18).
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使用する(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)。すなわち、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 are used for weighting in order to adjust the reliability of each equation when the Doppler equations derived as described above are simultaneous (the high reliability is heavy, The one with low reliability is set low). That is, at each position in the region of interest, their values are obtained from each of the above-mentioned waves or beams, and the Doppler equations derived from the corresponding waves or beams at each position are weighted to obtain simultaneous equations. solve. Using the least squares method, Weighted Least Squares Solution (WLSQS) can be obtained in 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、
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。
When it is expressed as follows, the reciprocal of variability or ZZLB is used and weighted using itself or its power or a matrix W representing its distribution.
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、すなわち、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)Tであるときは、
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、
との結合(Combined)SN比
Combined SN ratio
従って、ばらつきは、例えば、特許文献17に記載の通り、T、f0b、Bb、SNRc、SNRe、SNRρ、ρを計測して用い、推定すれば良い。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、Bb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。
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)。 On the other hand, the SN ratio SNRe of the echo can be statistically estimated by repeatedly collecting the echo for the object or the calibration phantom. In some cases, a typical value is used a priori based on the object, its state, measurement experience, and the like. On the other hand, the correlation SN ratio SNRρ can be estimated using the correlation value ρ locally evaluated at each interest point. The methods for obtaining these are not limited to these. In addition, if either value is lacking and the variation cannot be estimated absolutely, the typical value can be used, but when setting the regularization parameter, it is expressed in the possible range. The variation may be multiplied by an undetermined proportional constant, and the best situation result may be obtained from the good or bad results obtained by changing the proportional constant (for regularization, for example, Patent Document 6, Non-Patent Document 17 or 18).
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、
また、式(A4)〜式(A6)に記載のパラメータ(T、f0b、Bb、SNRc、SNRe、SNRρ)が各方向毎に与えられ、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、
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)。
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(すなわち、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 the displacement is obtained for each point of interest or each of the local regions related to the point of interest, the equation (A2) that is established by simultaneous establishment of the weighted Doppler equations (A3) [p = 1 to N] that hold at that position is solved. 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, the measurement may be performed with a smaller number of waves or beams as compared with the case of using another displacement measurement method.
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)T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)T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。
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。
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 an ensemble average under a non-steady process, may be obtained using a calibration phantom, or may be obtained from the measurement target itself. As described above, the regularization parameter and the weighted matrix are determined, but in some cases, a typical value may be a priori determined based on the object, its state, measurement experience, and the like. Also, this is not the case.
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、局所領域よりも広い領域(例えば、関心領域全体等)を対象とし、ばらつきを推定し、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。 As described above, the weight value and the regularization parameter can be set with high accuracy in the state of having a spatial resolution, but when the deformation is small or the calculation amount is reduced, a region larger than the local region (for example, In some cases, the variation is estimated for the entire region), and the waves or beams are globally set and processed. The phase matching method (Patent Document 6 and Non-Patent Document 15) invented in the past by the inventor of the present application is required to enable the measurement itself and to improve the measurement accuracy. The expansion and contraction methods that have been reported elsewhere are useful for chemical conversion.
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。
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。 The noise signal n (x, y, z) can be statistically estimated by repeatedly collecting echoes on an object or a calibration phantom. For example, variation can be used, and a case where a steady process is assumed is locally used for the estimation by an addition average, or an estimation is performed with an ensemble average. In some cases, a typical value is used a priori based on the object, its state, measurement experience, and the like. Also, this is not the case. When envelope detection, square detection, or absolute value detection is performed to detect the signal r (x, y, z) for imaging, the formula (A12) or the formula (A13) is applied at each position. Sometimes. Also, when the conjugate of the analytic signal is multiplied by the analytic signal to obtain the power spectrum and the self function is obtained, the weighting can be similarly performed. It should be noted that it is also possible to use the auto-correlation method and the Doppler method, which are displacement measurement methods that use analytic signals, as well as the pre-processing of signals before using the cross-spectral phase gradient method or cross-correlation method (the analytic signals may not be used). Can be used.
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, r (x, y) instead of r (x, y, z) and n (x, y, z) in the formula (A12) and the formula (A13), respectively. And n (x, y), and r (x) and n (x) can be similarly processed. Further, in each beam or in a region of interest obtained by scanning with each beam, the formula (A12) or the formula (A13) may be globally obtained and used. Instead of equation (A12) or equation (A13), equations (A4) to (A6) may also be directly used 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ぺクトラム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、
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。
Further, in particular, when the multidimensional cross spectrum phase gradient method (Patent Document 6, Non-Patent Document 15) is used, the Wiener filter can be applied not only in the spatiotemporal domain but also in the frequency domain. As described above, for each wave or beam, the frequency range of cross spectrum Hp (ωx, ωy, ωz) [p = 1 to N] between signals before and after deformation or displacement acquired under the same conditions ( In obtaining the gradient (three-dimensional unknown displacement vector) of the phase spectrum θ (ωx, ωy, ωz) in ωx, ωy, ωz) using the least squares method,
The least squares are obtained by weighting represented by For example, in formulas (1) to (14 ′) of Patent Document 6, a description is given when 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 (variation of displacement in the beam direction and ZZLB may be used as described above). is there). It should be noted that the least-squares is evaluated for each of the N waves or beams with p = 1 to N and is least-squared at each interest location at 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 power spectrum PWpn (ωx, ωy, ωz) of noise can be statistically estimated by repeatedly collecting echoes on an object or a calibration phantom. In some cases, a typical value is used a priori based on the object, its state, measurement experience, and the like. Also, this is not the case.
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 the formulas (A12) and (A13), the formula (A12 ′) and the formula (A13 ′) PWpn (ωx, ωy, ωz) / PWps (ωx, ωy, ωz) is the reciprocal of the echo SN ratio SNRe, or the combined SN of SNRe and SNRρ that is the correlated SN ratio. It may be set based on the reciprocal of the ratio. Further, in a state where there is a spatial resolution, or in each beam or in a region of interest obtained by scanning with each beam, the formula (A12 ′) or the formula (A13 ′) is globally obtained, and the formula (A12) or Like the formulas (A13) and (A4) to (A6), it may be directly used for echo weighting (imaging or displacement measurement). Further, when the signal r (x, y, z) is detected (envelope detection, square detection, absolute value detection, etc.) for imaging, the expression (A12) or the expression (A13) may be used. However, in that case, the square norm of the first spectrum Hp (ωx, ωy, ωz) [however, the spectrum of the local signal or the signal extending to the region of interest] in the equation does not have to be used. The same applies to the case where the conjugate of the local spectrum Hp (ωx, ωy, ωz) is multiplied by the spectrum Hp (ωx, ωy, ωz) to obtain the power spectrum and the autocorrelation function signal is obtained.
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ぺクトラム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。 When the unknown displacement is the two-dimensional vector u = (Ux, Uy) or the unknown displacement is U (one) in the beam direction, H (ωx, ωy, ωz in Equation (A12 ′) and Equation (A13 ′) ), The weights similarly expressed by using the respective Wiener filters for the cross-spectrum H (ωx, ωy) and H (ωx) between the signals before and after the deformation or displacement can be used.
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。 Further, when performing regularization, the above-described variation and the like may be used to set the regularization parameter in the same manner according to Equation (10) and Equation (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 another block matching method, it is possible to obtain displacement vectors in two or more directions by using one wave or beam independently, and one wave or beam is used independently. Even so, an over-determined system can 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、その場合にも、上記の重み付けや正則化が行われることもある。 Further, in any of the above displacement measurements, it is possible to perform the measurement without using the over-determined system, and in that case, the above weighting or regularization may be performed.
尚、観測された波動を基に対象の動きを検出、又は、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photocoustic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)。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、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( 11 C−メチオニン、 11 C−酢酸、 11 C−コリン、 11 C−メチルスピペロン、13N−アンモニア、15O−水、15O−酸素ガス、18F−フルオロドーパ等)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。 There are also various techniques for detecting or imaging the movement of an object based on the observed wave motion.For example, in the field of medical ultrasound, the average velocity and dispersion of blood flow and tissue displacement and deformation can be determined. There are some that can display speed information, presence / absence of movement, complexity, and the like. In some cases, a contrast agent (microbubble) is actively used, and measurement imaging is performed in a state in which the intensity of waves from blood in blood vessels or heart chambers is enhanced. It may be effective not only for morphological observation but also for functional measurement. Radioisotopes used in PET (positron emission tomography) are typical examples of self-emanating contrast agents, and observation based on counting the number of occurrences is performed. This is a target device of the passive device of the second embodiment. For example, a magnetic substance (which may have an affinity for a target such as a cancer lesion) is intravenously injected, and the mechanical force is applied to the device. Vibration may be applied to generate a magnetic field. Therefore, the transmitting transducer is mechanically stimulated, and as a response, electromagnetic waves are observed by the receiving transducer. Further, the above-mentioned photoacoustic and the like are also possible. For example, 18 FDG is a typical PET imaging agent (18 F- fluorodeoxyglucose, label the positron-emitting nuclide in glucose) are ingested glucose more than cancer cells are normal cells (3 to 20 fold) It is used for the early detection of cancer in the whole body by applying this property, and by applying photoacoustics (photoacoustic) to this, it is possible to detect cancer early by receiving ultrasonic waves (accumulation mechanism by metabolic trapping There is, like glucose, is taken up by the cell membrane via the glucose transporter of the cell membrane and metabolized by the enzyme hexokinase, but unlike glucose, it remains in the cell without proceeding to the glycolysis system.) It may be used in combination with PET, but ultrasonic examination may be performed separately from PET. The processing itself is based on the reception beam forming for an incoming ultrasonic wave (transmitted wave) using a trigger based on the timing of laser irradiation. Positrons are emitted from positron-emitting nuclides (positron nuclides) by β + decay, attract each other, and combine with the electrons after a few mm to disappear, and at that time, two photons emitted in almost opposite directions ( γ-rays, Chi immediately, such as by observing the annihilation radiation), but the spatial resolution is low, in the region that can be observed ultrasonic waves are generated, as compared, there is an advantage that can be observed with high resolution. It is also suitable for early detection, and it is also possible to observe the presence or absence of disease depending on the presence or absence of accumulation, and to determine the degree of malignancy or progression by observing the extent of the disease from the intensity of the photocoustic signal ( Glucose metabolism is increased in malignant tumor cells, resulting in high accumulation). In addition, for example, the brain has the most glucose metabolism in the human body, and Alzheimer-type dementia is accompanied by metabolic abnormality from an early stage. Further, in the myocardium, glucose metabolism is enhanced when ischemia progresses (positive), but glucose metabolism is not performed when necrosis occurs. Photoacoustic can be used for those observations. May is craniotomy in the case of the brain, when the target disease abdominal deep organs, abdominal or, such as using a laparoscope (Haraanakyo) and catheters, Ya laser irradiation in the vicinity of the disease Ultrasonic detection may also be performed. In these applications, in many of them the light absorption frequency characteristic of the contrast agent has become known are elucidated, sometimes the frequency dispersion of the ultrasonic signal generated illumination laser 及 beauty is actively used, Further, imaging is not always performed, and only quantitative observation based on numerical values may be performed. As described above, the glucose concentration is an observation target, and can be applied to blood glucose level observation and imaging. Further, the PET imaging agent, in addition to sugar, oxygen, which water, amino acids, nucleic acids, a positron emission nuclide to neurotransmitters such as labeled (11 C - methionine, 11 C - acetate, 11 C - choline, 11 C - methyl spiperone, 13 N-ammonia, 15 O-water, 15 O-oxygen gas, 18 F- Furuorodo Pas etc.) have been put into practical use, such as those developed for them and Photoacoustics, separately developed It can also be used for various contrast agents. In these photoacoustics, Doppler measurement (including vector measurement) may be performed on blood, urine, and body fluids with and without the use of contrast agents, and soft and hard tissues may be measured. In some cases, displacement and deformation of organs, viscoelasticity, and thermodynamic characteristics are also observed.
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.), or after the last inverse Fourier transform is separated and detected, or is separated from the original. Can be detected before and after Fourier transform (Non-Patent Document 1), and an image showing the intensity distribution of each wave can be imaged, or those that have become incoherent signals by detection can be superimposed. , Enhances deterministic signals (eg, reflection signals or specular signals) and reduces stochastic signals (eg, scatter signals or speckle signals) to reduce the space of the structure of the object or medium. Change is effectively visualized (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 overlapping waves are detected and their intensity distribution is imaged. In addition, a coherent signal that has not been detected may be imaged to image the corrugation itself, or an image of a phase distribution obtained together with an image of signal intensity (amplitude) may be presented. It may be imaged similarly for a single wave.
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。 The display method is generally gray image or color image (popular), but at that time, if quantitativeness is required, a numerical value corresponding to the displayed brightness or color may be displayed as a bar. is there. In addition, it may be displayed in a bird's-eye view or the like, and may also be displayed in combination with CG. 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. The wave data or image data stored in the storage device (or storage medium) may be read and displayed. The change over time of arbitrary numerical values 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、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(前方散乱や後方散乱等)、透過、反射、屈折、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。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 also possible to observe the temperature distribution of the measurement target by using a signal in the microwave, infrared ray, or terahertz band. The wave transmitted to the radiating object is modulated and detected (the passive type device according to the second embodiment also measures the temperature distribution of the target from the radiated wave itself). Sometimes it will be). As with other waves, spatial resolution can be obtained by using pulse waves, burst waves, or beamforming instead of continuous waves, and infrared rays are mainly used when observing the temperature distribution on the surface of the target ( It may be considered that only the surface of the target is considered), and microwaves or terahertz can also be used to observe the temperature distribution inside the target. On the basis of these observed physical and chemical quantities, higher-order processing such as an inverse problem approach is performed, and the viscoelastic modulus, elastic modulus, viscosity, thermophysical properties, and electrical properties (conductivity and dielectric constant) , Magnetic permeability, wave propagation velocity (light velocity, sound velocity, etc.), attenuation, scattering (forward scattering, backward scattering, etc.), transmission, reflection, refraction, or wave source may be obtained including frequency dispersion. .. In medical applications, including the use of ultrasound and MRI, observation of viscoelasticity in addition to the temperature and thermophysical properties of the inflamed part after cancer lesions and heating / heat treatment, and those treatments and surgery. And monitoring may be performed. In addition, body temperature observation (morning, day, night, metabolism, growth, aging, before and after eating, smoking, including peripheral system load, electrophysiological nerve control, etc.), exercise load in various organs, etc. Then, it may be observed. It is not limited to medical applications, but other organic and inorganic substances, as well as those composed by mixing, may be the target of observation, and various observations and monitoring are linked in diagnosis, repair, application, etc. May be implemented. The application of terahertz can be applied not only to those measurements but also to other waves such as transmitted waves and reflected waves, and can be applied to Doppler measurement and the like. Characteristically, it can be applied to the observation of inorganics as well as X-rays. Other waves may be used for observing organisms and inorganics, but it is also possible to use them 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。 The measured physical quantities such as displacement and temperature may also be displayed as an image in the same manner, but may also be displayed by being superimposed on a morphological image obtained at the same time. An image showing these distributions is often required to have a quantitative property, and a numerical value corresponding to the displayed brightness or color may be displayed as a bar. In addition, it may be displayed in a bird's-eye view or the like, or may be displayed together with CG. 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. The wave data or image data stored in the storage device (or storage medium) may be read and displayed. The change over time of arbitrary numerical values 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。 Further, other devices may provide additional information regarding the wave to be observed through the input device, and may also provide observation data of other physical quantities or chemical quantities. In addition to processing, data mining, independent signal separation (independent component analysis), principal component analysis, sign, multidimensional spectrum analysis, signal separation by MIMO, SIMO, MUSIC, signal separation based on object identification by parametric method, In some cases, high resolution processing such as super-resolution or ISAR (Inverse synthetic aperture), which may use these methods together, is performed. In other words, the beam-formed (including aperture plane synthesis) may be subjected to super-resolution, or it may be used before reception beam forming or when no beam forming is performed (aperture plane synthesis transmit / receive signal). Although beam forming may be performed after performing super-resolution processing, in each case, those 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。 Since these processes are performed also in the passive type device according to the second embodiment, a detailed description will be given there. However, unlike the case of the passive device, in the active type device according to the present embodiment, Since it is transmitted and scanned, the position of interest can be specified in the received signal that is received is greatly different, and if transmission focus or multi-focus is performed, the state and function of those focus positions and the wave source If there is information about the wave source, it modulates and demodulates the wave with high resolution to understand them, and also a plane wave (flat array), a cylindrical wave (ring array), a spherical wave (spherical shell array). It is also possible to catch them at a high frame rate at high speed by using waves similar to.
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, the position of the communication destination can be narrowed down from the transmitting transducer to save energy and improve communication security. The observation system has a high degree of freedom in constructing the measurement system. Further, in the processing based on those system theory, it is easy to identify the point spread function to be generated and adjust it according to the purpose. It is possible to use multiple transmitters and receivers (which may also serve as transmitters), and the waves to be transmitted and received may or may not be of the same type. As a result, a plurality of device main bodies dedicated to a plurality of transducers that operate in synchronization may be used, or a passive device according to the second embodiment may be used in combination, and It may be connected to another device including a device that controls the device via a dedicated or ordinary network, or the device body 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, devices for manufacturing materials and structures, devices for treatment and repair, devices to which they are applied (robots, etc.) may operate in conjunction, but are not limited to these. . It should be noted that measurement using these waves and high-order calculation processing may be carried out by another device using the wave data stored in a removable storage device (storage medium). Data may be stored in a storage device (storage medium) of the same type and used by 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。 When the received signal received and stored in the memory or the storage device (storage medium) contains the harmonic component generated in the target or medium, the fundamental wave or the harmonic wave is generated before the beamforming process. In some cases, the beam (only the second harmonic may be used, or a plurality of higher harmonics may be used without ignoring higher-order components) may be separated for beamforming processing (normal phasing addition). However, it may be separated after the beam forming is performed. Although there is a method of separating the spectrum in the frequency domain as the separation method, the bands may overlap, and so-called pulse inversion method in so-called medical ultrasound produces waves with opposite polarities in the simultaneous phase. In the device according to the present embodiment, when the received signals for each transmission are superposed 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 method of separating using a polynomial is also known. In the device according to the present embodiment, one-dimensional processing in the wave propagation direction, or when the wave is modulated in the lateral direction, or the propagation direction of the wave is strictly different. It is possible to perform multidimensional processing in consideration of the change in position, and it can be performed before or after beamforming. However, in the case of performing beamforming after separation, when performing beamforming of each of the fundamental wave and the harmonics, each beamforming process needs to be performed, which requires a calculation time, and therefore parallelism is required. Although processing may be performed, separation is faster after beamforming.
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 encoded, the wave generated by which transmission aperture element is transmitted is generated for the reception signal received by each reception aperture element when performing beamforming. It is well known that the components may be separated by signal detection based on a matched filter to perform not only the dynamic focusing of reception but also the dynamic focusing of transmission. This is effective for high-speed transmission by plane wave transmission, and is also effective when performing a focus beam or 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。 Further, in the case of simultaneously transmitting a plurality of waves or beams, for example, waves having a plurality of different frequencies or a plurality of different propagation directions described above are transmitted as encoded signals, and the received signal is received. May be improved in the same way by separating them into received signals generated by their respective waves and transmission beams. This is effective, for example, in the case where the propagation directions are the same due to waves with overlapping bands, refraction, reflection, transmission, and scattering. It is based on the basic idea of encoding separate waves with a different code. It may be simply encoded 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。 In these, simultaneous equations can be solved, but the processing is fast and the effect of the matched filter can be obtained. Code suitable for the target and medium has also been developed. However, as the number of elements used increases, the code length increases and the signal energy increases, making effective use of this important, but on the other hand, for example, when the target or medium is deformed, the accuracy Is known to be unsuitable due to a decrease in the noise, and a similar problem occurs in the 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, the wave transmitted from each transmission aperture element is coded with information to be transmitted and transmitted (as the beamforming, for example, a plane wave, a cylindrical wave, or a spherical wave is used. In some cases, the focus may be in multiple positions, the accuracy at those positions is guaranteed, and security may be ensured to communicate locally or with a specific target, or energy may be saved. ), The received signal is beamformed and then decoded. Applications of encoding in the device according to the present embodiment are not limited to those, but these processes are performed in a digital signal processing unit (also having a memory built-in type), a memory, or a storage device (storage medium). ..
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、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、又は、屈折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, a physical quantity (displacement, velocity, acceleration, strain, size or direction of strain rate, temperature, etc.), chemical quantity, or additional information observed by the device according to the present embodiment or provided by others. In addition, viscoelasticity and elastic modulus related to waves, viscosity, thermophysical properties, electrical properties (conductivity and permittivity), transparency, etc. Constant or appropriate or fixed time based on magnetic susceptibility, wave propagation velocity (speed of light or sound, etc.), attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, wave source, material, structure, or frequency dispersion thereof. Beamforming parameters such as transmit intensity, transmit / receive apodization, transmit / receive delay, steering angle, transmit / receive time interval (scan rate), frame rate, number of scan lines, number of effective apertures, etc. The shape, size, orientation and position, shape, size and orientation of the aperture element, orientation of the physical aperture, polarization mode, etc.) may be optimized. This allows, for example, spatially uniform qualities (spatial resolution, contrast, scan rate, etc.), and certain targets to be detected (based on shape, material, structure, motion characteristics, temperature, humidity, etc.). High quality (spatial resolution, contrast, scan rate, etc.) at the selected position and its related position, scattered wave (forward scattered wave or back scattered wave), transmitted wave, reflection according to the movement, composition and structure of the object. Optimized beamforming is performed such that a wave or a refracted wave is appropriately captured or is observed from a wide direction in a focused manner.
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 propagation velocity of waves 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, and the physical properties are often inhomogeneous in the medium. Is. The propagation velocity may be measured in real time, or the propagation velocity can be obtained from the observed environmental condition based on the calibration data for the environmental condition. The apparatus according to the present embodiment further includes a phase aberration correction unit that corrects the non-uniformity of the propagation velocity, and substantially adjusts the transmission delay itself of each channel or the delay dedicated to correction at the time of transmission. Phase aberration can be corrected. Further, after the reception, in order to correct the inhomogeneity of the propagation velocity in the transmission path of the transmission and / or the reception, the digital signal unit can be corrected by the multiplication of the complex exponential function in the frequency domain. Alternatively, it is also possible to directly correct the above-mentioned calculation of the Fourier transform and the inverse Fourier transform. The reliability of the measured propagation velocity is calculated by generating an imaging signal for the measurement target itself or a reference object that is present in the vicinity of the measurement target or installed, and measures the imaging state, spatial resolution, signal intensity, contrast, etc. It can be confirmed as an index and may be further adjusted based on this. Also in the passive second embodiment described below, phase aberration correction of transmission and / or reception 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。 Waves propagate and spread while being affected by attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, etc., and basically, the strength of the wave becomes weaker with the propagation distance. Therefore, in the device according to the present embodiment, for example, based on the Lambert's law, a function for performing attenuation correction on a signal before or after beamforming is installed, The correction may be provided at each position or each distance, but as described above, it may be provided with the function of performing the optimal correction before or after the beam forming process in accordance with the object. In these processes, although the degree of freedom is low, the high speed of the process is emphasized, and the analog process by the analog device or circuit may be performed instead of the digital process.
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 the spectral frequency division are linear processing, but after the generation of the wave by the beam forming of the above methods (1) to (6) or after the generation of the wave, a non-linear processing is performed, and another A signal with wave parameters is generated. In the beamforming process, when the received signal is an analog signal, it is based on analog signal processing using an analog circuit (diode, transistor, amplifier, dedicated non-linear circuit, etc.), and when it is a digital signal, a digital signal processing unit is used. Based on the signal processing, the received signal may be subjected to exponentiation operation, multiplication operation, or other non-linear processing. Non-linear processing may be performed on 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 performed in the frequency domain in the apparatus of the present invention. The products such as exponentiation and multiplication in the space-time domain can be calculated by convolution in the frequency domain. Regarding the frequency of a signal, widening the band, simulating harmonics, and steering wave, it is possible to obtain a signal that is detected from at least any one direction to all directions. For example, the resulting wave In some cases, it is possible to generate an image of, and it is possible to measure the displacement vector by using a normal one-direction displacement measuring method.
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 an imaging signal using a virtual source. As for the virtual source, it has been reported in the past that the virtual source is installed in front of the physical aperture and the virtual source is installed at the transmission focal point position. Has been reported to be installed at an arbitrary position, and a physical source of wave motion and a detector can be installed at an arbitrary position of 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). Further, in the case of performing beam forming of transmission or reception, or transmission / reception with respect to a reception signal obtained by transmission using one or more apertures (transmission / reception for aperture plane synthesis when beam forming is performed or not) , At least one of a plurality of wave parameters, a plurality of beam forming parameters, and a plurality of transducer parameters (element shape and size, arrangement, number, effective aperture width, element material, etc.) are different from each other. By doing so, multiple beams or waves with different characteristics can be generated (including obtaining multiple beams or waves from the same received signal), and an over-determined system can be configured. Similarly, an over-determined system can be constructed by changing the position and distribution (shape, size, etc.) of the. Also in this case, a plurality of beams or waves having different characteristics may be generated from the same received signal. In some cases, the characteristics of the over-determining system, such as high SN ratio and high resolution by coherent superposition of them and speckle reduction by incoherent superposition of them through detection, are effective for imaging. In addition, the effect of improving the accuracy of various measurements such as displacement measurement and temperature measurement can be obtained. At least one of the plurality of wave parameters, the plurality of beam forming parameters, and the plurality of transducer parameters together with the virtual source or the virtual receiver may be different (eg, electrical or electronic or mechanical). To change the steering angle physically or softly).
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。
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 a reflected wave, s = 2, and in the case of a transmitted wave, s = 1. Substantially, if the correction is for the transmission amount, s = 1 may be performed. Spatial shifting can also be performed in the frequency domain by multiplication with a complex exponential function. The method of rotating the wave number vector (kx, √ (k 2 -kx 2 )) and the coordinates (x, y) and calculating the Jacobian is as follows: (S = 1) is performed, and in that situation, the reception beamforming (s = 1) is performed and the speed is low.
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 the present 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 a device main body. Lens and reflector (mirror), scatterer, deflector, polarizer, polarizer, absorber (attenuator), multiplier, conjugator, phase delay device, adder, differentiator, integrator, matching device, Special devices such as filters (space or time, frequency), diffraction gratings, spectroscopes, collimators, splitters, directional couplers or nonlinear media, wave amplifiers may be used in combination. In addition, in the case of targeting light, a polarization filter, an ND filter, a shield, an optical waveguide, an optical fiber, an optical Kerr effect device, a nonlinear optical fiber, a light mixing optical fiber, a modulation optical fiber, an optical confinement device, an optical memory, a dispersion shift. Optical node technology, optical cross connect (OXC), optical fiber, band pass filter, time inverting device, optical mask, etc., and optical control (wavelength conversion / switching / routing) of them. An optical add / drop multiplexer (OADM), an optical multiplexer / demultiplexer, or an optical switch element is used, and the device itself may be an optical transmission network or an optical network. Not limited to this. In beamforming, they are controlled with the device, either artificially or naturally, or likewise optimally under the mechanism as described above. Non-linear processing may be performed on 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。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いる。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。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 a combination, the device according to the present invention is also used in a conventional device using waves. Examples of medical devices include ultrasonic diagnostic devices (including reflection / echo method and transmission type), X-ray CT (a contrast agent that enhances the attenuation effect may be used), X-ray X-ray, Angiography, mammography, MRI (Magnetic resonance Imaging, a contrast medium may be used), OCT (Optical Coherent Tomography), PET (Positron Emission Tomography, corresponding to the second embodiment), SPECT (Single Photon Emission Computed) Tomography), endoscope (also capsule type), laparoscope, catheter equipped with various sensing functions, terahertz imaging device, various microscopes, various radiotherapy devices (chemotherapy may be used together to enhance the therapeutic effect) ), An SQUID meter, an electroencephalograph, an electrocardiogram meter, and a HIFU (High Intensity Focus Ultrasound). Among them, the nuclear magnetic resonance imaging apparatus is originally a digital apparatus, and its application range is extremely wide, including its capability. For example, when using the electromagnetic wave observation and the inverse problem that the present inventor is working on, current distribution and electrical property reconstruction (measurement), observation of displacement and mechanical wave propagation, mechanical property reconstruction (measurement), temperature It can also be applied to all observations of distribution and heat waves, and reconstruction (measurement) of thermophysical properties. In addition to the nuclear magnetic resonance imaging system, we are also working on ultrasonic waves. As another approach, for example, in OCT, absorption spectra can be measured, and based on infrared spectroscopy, for example, basal cell carcinoma of the skin and oxygen and glucose concentrations in blood can be imaged. become. Although it can be applied to normal Near InfraRed (NIR), its distribution can be captured with a higher spatial resolution as compared with so-called NIR-based reconstruction. Further, in those cases, an ultrasonic sensor device (a microscope is also possible) is used in combination with an OCT or a laser device to perform photoacoustic imaging, and the application is not limited to them. Further, a laser or an OCT apparatus may be used to capture a tissue fluctuation with high sensitivity when no mechanical stimulus is applied, for imaging. In addition, the response to any (mechanical) stimulus, including that caused by laser light, may be the target of imaging (including observation using dynamic light generated using light). In other imaging, a chemical sensor etc. may be used. The combination of waves is not limited to these, and other sensors such as a chemical sensor may be used together with the physical sensor. The device according to the present invention is also used in various radars, sonars, optical system devices, and the like. Waves are not limited to pulse waves and burst waves, and continuous waves may be used. In addition, digital processing with a high degree of freedom may be realized and used by a dedicated analog circuit with a short operating time, and vice versa. There are various devices in various fields such as resource exploration, nondestructive inspection, and communication fields, and the device according to the present invention is also used in these fields. The device of the present invention can be used as a device in an ordinary device with respect to an operation mode (for example, 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、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 the above mentioned fixed focusing beams, multi-focusing, and other arbitrary beams and waves such as plane waves are physically transmitted at the same time, it is possible to achieve a high frame rate if they can be transmitted to a wide range at once in a region of interest. .. In some cases, the same effective aperture may simultaneously transmit in a plurality of directions, and in other cases, different effective apertures may simultaneously transmit in the same direction or different directions. In addition to such cases where the steering angle and focus position are the same or different, ultrasonic frequency and bandwidth (beam direction, wave propagation direction, direction orthogonal to them), pulse shape, wave number, aperture shape and apodization In some cases, beam forming parameters such as a beam shape depending on the like, and transducer parameters such as an element shape and a size and an array condition may be the same or different at the same time.
The following can be considered as a representative case when the parameters are different in the physical multiple transmission.
(A1) When the same soft steering is applied to all of them.
(A2) When a plurality of different soft steering wheels are applied (for example, when the same steering wheel is softly applied for different transmission steering angles).
When the parameters are the same, the following can be considered as a typical case.
(B1) When soft steering is applied.
(B2) When performing a plurality of soft steering.
However, they may be implemented in combination. In some cases, so-called adaptive beamforming is performed due to obstacles in the propagation process and influences of scattering and attenuation (including a case depending on frequency). At that time, when the same combination of soft transmission and reception steering or apodization is implemented, they are processed at a time in a superposed state. When the combinations include different combinations, each combination is processed at a time in the state where the same combination is superimposed for each combination, and they are superimposed before the final inverse Fourier transform.
In the cases of (A1) and (B1), the received echo signal received as a superposition of the echo signals for the respective transmitted ultrasonic waves can be subjected to one soft processing.
In the case of (A2), it is classified into echo signals to be subjected to the same processing in terms of software, superposed for each subject to the same soft steering, and subjected to the soft processing once for each, and finally. Superimpose them before the inverse Fourier transform of. It should be noted that signal separation may be performed by using the various methods described above, and is not limited to these.
In the case of (B2), a plurality of different soft processes are applied to all the overlapping angular spectra, and they are overlapped before the final inverse Fourier transform.
In the case where those beams and waves are not transmitted physically at the same time, if the target time phases are the same or if multiple transmissions and receptions are performed under that assumption, the above simultaneous It may be processed according to the case of transmission. In addition, when the same combination of soft transmission and reception steering or apodization is implemented, they are superposed and processed at one time, and when different combinations are included, they are implemented. The combinations are superposed for each identical one, each processed at once, and superposed before the final inverse Fourier transform. Those that are transmitted at the same time and those that are not transmitted at the same time may be processed similarly under the same conditions or assumptions described above. Incidentally, those parameters in the physical transmission may be known in advance, or the beam or wave may be analyzed and used. This is true even in the case of the passive type described later.
By performing simultaneous or non-simultaneous transmission of multiple beams and waves, it is possible to realize high frame rate and focusing at the same or multiple points. Also, based on the same process including overlay processing, beams and waves with new parameters can be generated. It can be generated (for example, high resolution by widening the band), and also with frequency division processing of the spectrum, it is also possible to generate beams and waves with new parameters, and the beams and waves generated by them can be used as parameters. In some cases, each of them is used after being separated into different ones (for example, displacement measurement and displacement vector measurement in the generated beam direction and wave propagation direction). Bandwidth may be applied to the superposed state, the spectrum frequency-divided one, and the separated one based on the nonlinear or linear processing described later. In addition, superposition or spectral frequency division, separation, or non-linear or linear processing may be used for displacement measurement or the like. Each of them may be detected and imaged, or they may be superimposed and imaged (for example, speckle can be reduced). The applications are not limited to these, and are various as described above, and are not limited to those.
<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>
The following mainly shows the results of confirming the feasibility of the above beamforming methods (1) to (7) by simulation when the wave is an ultrasonic wave (a monostatic type aperture during plane wave transmission or steering). Surface synthesis, multi-static aperture plane synthesis, generation of image signal by fixed focusing, generation of image signal in Cartesian coordinate system during transmission and reception in polar coordinate system, and result of migration method).
図16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20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. 16 is a diagram showing a numerical phantom used in the simulation. Here, a numerical phantom including five point scatterers existing at 2.5 mm intervals at a depth of 30 mm in an echoless and non-attenuating medium was treated. Field II (see Non-Patent Document 20) was used to generate the echo signal. Here, the depth direction is the z axis and the lateral 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17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 type transducer (128 elements, element width 0.1 mm, gap 0.025 mm, slice direction thickness 5 mm) was used for plane wave transmission, migration method, and monostatic type aperture plane synthesis. In fixed focusing and multi-static type aperture plane synthesis, a one-dimensional linear array type transducer (256 elements, element width 0.1 mm, gap 0.025 mm, slice direction thickness 5 mm, effective aperture width 33 to 129 elements) was used. A convex type transducer (128 elements, element width 0.1 mm, gap 0.025 mm, slice direction thickness 5 mm, curvature radius 30 mm) was used for transmission and reception in the polar coordinate system. The center frequency of the radiated ultrasonic pulse is 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 will be represented as “θ” in the following.
(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18A(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18Bに示す。これらは、同一角度で受信を行った結果である。図18A及び図18B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18A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0206、0207)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18B(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18B(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18A(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 deflection plane wave FIG. 18A (respectively (a) to (d)) shows simulation results when deflection plane waves with deflection angles θ = 0 °, 5 °, 10 °, and 15 ° were transmitted. . Further, FIG. 18B 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 reception at the same angle. 18A and 18B, 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. 18A, a focused echo image is obtained, and it can also be confirmed that the image is deflected. Both are results of down-sampling (paragraphs 0206 and 0207) from 100 MHz to 10 MHz in the frequency domain and generating image signals at intervals corresponding to a sampling frequency of 25 MHz (the same applies to others).
On the other hand, when the deflection angle is θ = 0 °, interpolation approximation is performed in wave number matching, and FIG. 18B (e) shows sampling frequencies of 100 MHz (left) and 25 MHz (right) when replaced with a spectrum in the vicinity. 18B (f) shows the results when the sampling frequencies are 100 MHz (left) and 25 MHz (right) when linear interpolation approximation is applied to the spectrum. Although the image was more stable when the sampling frequency was high and the linear interpolation approximation was performed, the image did not reach that in FIG. 18A (a) when the interpolation approximation was not performed. When the deflection angle was set to non-zero, the result was further unstable.
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19及び図20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)。 The results of calculating the obtained deflection angle from the spectrum of the generated image signal are shown in FIGS. 19 and 20. For this evaluation, the number of scatterers in the numerical phantom was increased, and 300 scatterers were randomly arranged at a depth of 0 to 40 mm. The reflection coefficient of each scatterer was a random value of -1 to 1. An error of 0.5 to 0.8 degrees was confirmed regardless of the set deflection angle. The error depends on the position of the scatterer with respect to the generated wave. The accuracy increases as the number of scatterers increases (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21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22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22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22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. 21 shows the result of superimposing a plurality of images obtained at different deflection angles. The deflection angles are set at 1 ° intervals, and 1 wave (0 °), 11 waves (-5 ° to 5 °), 21 waves (-10 ° to 10 °), 41 waves (-20 ° to 20 °). Overlaid each. FIG. 22 is a diagram in which the lateral distribution of the point spread function estimated from the generated image signal is plotted. In FIG. 22, the horizontal axis represents the position [mm] in the horizontal direction (Lateral x), and the vertical axis represents the relative value of the brightness (Brightness). As shown in FIG. 22, 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23に示す。偏向角度は、図18A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 [Method (6) is applied to beamforming when transmitting the same polarized plane wave]
The result of generating the image signal by the migration method according to the present invention is shown in FIG. The deflection angles were θ = 0 °, 5 °, 10 °, and 15 °, as in FIG. 18A. In the wave number matching, the result when interpolation approximation is omitted is omitted, but the image is unstable.
(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24に示す。図18Aと同様に、偏向角度をθ=0°、5°、10°、15°とした。図24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 Type Aperture Surface Synthesis FIG. 24 shows the simulation result during deflection by the method (2) monostatic type aperture surface synthesis. As in FIG. 18A, the deflection angles were set to θ = 0 °, 5 °, 10 °, 15 °. As shown in FIG. 24, it can be confirmed that an image is formed and the image is 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25に示す。図25(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25(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25(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25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26に示す。図25及び図26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) Synthesis of Multi-Static Aperture Surface A simulation result by the method of (3) multi-static aperture surface synthesis is shown in FIG. FIG. 25A shows a low resolution image generated by using only the received signals (that is, one set) with the receiving element equal to the transmitting element (that is, the same as the monostatic type). FIG. 25B shows a result of superposing results of a total of 33 sets in which 16 elements on the right and left sides are used for reception in addition to the element at the transmission position. 25 (c) and 25 (d) show the result of overlapping 65 sets (32 elements on the left and right of the transmission element) and the result of overlapping 129 sets (64 elements on the left and right of the transmission element), respectively. As shown in FIG. 25, it can be confirmed that an image has been formed. FIG. 26 shows the result of plotting each point spread function. From FIG. 25 and FIG. 26, it can be confirmed that the larger the number of overlapping, the more the side lobes are suppressed and that 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27に示す。ここでは、方法(1)を用いた。図27(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27(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27(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27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 The result of fixed focusing transmission is shown in FIG. Here, the method (1) was used. FIG. 27A shows the result of superimposing the echo signals received at each transmission effective aperture and performing the echo signal generation process once. FIG. 27B shows the result of generating low-resolution echo signals for each effective aperture width and superimposing them. FIG. 27 (c) shows the result of superimposing the echo signals by using the same positional relationship for transmission and reception as a set, as in the multistatic aperture plane synthesis. As shown in FIG. 27, an image is formed in any of them, and no particular difference is seen. The method (1) is faster and more effective than the other two methods. Further, the result of the method (1) shows that the reception beam forming is possible even by using a reception signal when ideally transmitting a plurality of beams or all beams simultaneously (for a transmission beam having interference) It can also process received signals and achieve high frame rates). This processing can be performed not only in fixed focusing transmission but also in multiple transmission of all types of waves (including a combination of different waves). That is, there are cases where a plurality of waves include those with different transmission beam forming, cases with and without beam forming, and cases with different kinds of waves (electromagnetic waves, mechanical waves, thermal waves, etc.). However, it may include those processed such as nonlinear processing, detection processing, super-resolution or adaptive beamforming, minimum variance processing, or signal separation. These processes may be performed during beam forming. Of course, the received signals for each transmission may also be superposed. Interpolation approximation processing may also be performed in the 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28(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28(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28(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28(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28(d)に示す。
(5) Image signal generation in Cartesian coordinate system for transmission / reception in polar coordinate system (5-1) Cylindrical wave transmission Ultrasonic waves are simultaneously radiated from all the elements of the convex array and the echo signal when transmitting a cylindrical wave The result of processing in the area is shown in FIG. As a matter of fact, as described in (5-1 '), a plane wave or a virtual linear array is generated at a depth of 30 mm in transmission and reception. As shown in FIG. 28A, it can be confirmed that the scatterer is imaged.
(5-1 ') Cylindrical Wave Transmission Using Linear Array Next, an echo signal when a cylindrical wave is transmitted using the linear array and a virtual sound source (FIG. 8A (a)) set at a position behind the linear array. The result of generating is shown. FIG. 28 (b) shows the result of using the method (1) described in the method (5-1 ′) with the virtual sound source positioned 30 mm rearward, and FIG. 28 (c) shows the virtual sound source. The result of using the method (2) described in the method (5-1 ') at a position of 60 mm rearward is shown. It can be confirmed that the scatterer is imaged.
Further, in the case of using the 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. 28 (d) shows the result of the case where a plane wave or a linear array type transducer virtually expanded in the lateral direction is generated at a distance position of 30 mm (FIG. 8B (g)).
(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29(a)及び29(b)に示す。図29(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29(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29(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 FIGS. 29 (a) and 29 (b) show the results of processing the received signal when fixed focusing (FIG. 14 (a)) at a distance of 30 mm from each element using the convex array. . FIG. 29 (a) shows the result of superimposing the received signals obtained at the respective effective transmission apertures and performing one echo signal generation process, and FIG. 29 (b) shows the low resolution for each transmission. The result of having generated and superposed the images is shown. Similar to the multi-static aperture plane synthesis, the result of generating and superimposing echo signals with the same positional relationship for transmission and reception as a set is omitted, but these three operations are almost the same as in (4). The result of. Further, FIG. 29C shows the result of performing echo signal generation processing once on the received signal when fixed focusing (FIG. 14B) at a depth of 30 mm. The scatterers were well imaged.
These results are obtained in the same manner as (4), and it is shown that the reception beam forming is possible even if the reception signals when ideally transmitting a plurality of or all beams simultaneously are used. (Received signals for interfering transmission beams can also be processed, and high frame rates can be achieved). This processing is not limited to these fixed focusing transmissions, but can be performed when multiple types of waves of all types are transmitted (including combinations of different waves). That is, there are cases where a plurality of waves include those with different transmission beam forming, cases with and without beam forming, and cases with different kinds of waves (electromagnetic waves, mechanical waves, thermal waves, etc.). In some cases, it may include those processed such as non-linear processing, detection processing, super-resolution or adaptive beamforming, minimum variance processing, or signal separation. These processes may be performed during beam forming. Of course, the received signals for each transmission may also be superposed. Interpolation approximation processing may also be performed in the 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 executed in the above simulation is based on the proper use of multiplication of complex exponential functions and Jacobi operation, and performs arbitrary beamforming processing in an arbitrary orthogonal coordinate system. It was proved that it can be realized with high accuracy without interpolation approximation. Although any beamforming can be realized by using the DAS (Delay and Summation) method, the beamforming according to the present invention is speeded up by the difference between the wave number matching and the Fourier transform in the lateral direction, and when the one-dimensional array is used, a general-purpose beamforming is performed. When using a PC, the calculation time is significantly faster than 100 times. When the aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution, a two-dimensional or three-dimensional array, the above method may be made more multidimensional, and more processing than in the one-dimensional case may be performed. It solves the problem of cost, and its high speed becomes more effective. Further, an example in which superposition and the like when transmitting plane waves with different deflection angles is effective is also described. It is possible to obtain an effect that the resolution is increased, the side lobes are suppressed, the contrast is increased, and the like 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、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 was confirmed that arbitrary focus (including no focus) and steering can be performed in an arbitrary array type aperture surface shape, and the arbitrary beamforming processing in an arbitrary rectangular coordinate system can be performed at high speed and without interpolation approximation. It was confirmed that it could be realized with accuracy. The time required to obtain a high-order measurement result such as displacement measurement based on the generated image signal is shortened, and the measurement accuracy is improved. In the present invention, as described in methods (1) to (7), interpolation approximation processing may be performed in wave number matching of arbitrary beam forming, and beam forming may be performed at higher speed. In order to perform highly accurate approximate wave number matching, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the cost of an increased calculation amount. In that case, it should be noted that the number of data of the Fourier transform is increased unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process 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。 The example in which the typical transducer, the reception sensor, the transmission unit and the reception unit, the control unit, the output device, and the external storage device according to the first embodiment are used has been described above. The possibility of beamforming of the methods (1) to (7) proves that arbitrary beamforming based on focusing and steering can be performed in an arbitrary Cartesian coordinate system, and the apparatus of the present invention can be used. The beamforming and the application that can be realized by using are not limited to those described in the other.
<<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 the 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 exemplary embodiment is an active type, and FIG. 2 is a representative block diagram showing a configuration example of the device body in detail. However, in the second embodiment, a passive type device is used, and therefore the device according to the second embodiment does not include at least a transducer for transmission in FIG. It does not have 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 device according to the first embodiment, detailed configuration examples of the device and the unit have been described with reference to FIGS. 1 and 2 as a representative configuration, but the active device has an arbitrary opening shape. However, the passive type device is a device for transmitting and receiving a transducer array device of arbitrary aperture shape, while the transducer device array device (the transducer may be used for both transmission and reception) is always used. Not used.
つまり、第2の実施形態に係る装置の基本構成は、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 is a receiving transducer (or receiving sensor) 20, a device body 30, an input device 40, an output device (or display device) 50, and an external storage device 60. Equipped with. The device body 30 mainly includes a reception unit 32, a digital signal processing unit 33, a control unit 34, and a storage unit (memory or storage device or storage medium) not shown. Further, 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。 Similar to the first embodiment, each of these devices and each unit in the device main body 30 can be installed at distant places. The device main body 30 is composed of a plurality of such units, and is referred to as such for convenience. Further, similarly to the first embodiment, the reception transducer 20 may be mechanically scanned to perform reception. The same processing may be performed even when not generally called an array type.
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, the device according to the second embodiment, unlike the device according to the first embodiment, comes from an arbitrary wave source, as will be described in detail below, in order to sense the timing at which the wave is generated. The control unit senses the timing signal generated by receiving the wave itself of the observed object itself or generating the timing signal through another process through wired or wireless communication, and captures the data of the receiving unit (each receiving channel It may be used as a trigger signal for starting 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。 As a method for the control unit to detect a timing signal indicating the timing at which the wave is generated, the receiving transducer (or receiving sensor) of the device according to the present embodiment is used when the wave itself coming from the wave source is used as the timing signal. The reception signal itself received by the reception aperture element 20a of 20 is used, or the timing signal received by a dedicated reception device that may be included 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 receiving aperture element 20a (all the elements may be used, but the elements or the like at the end or the central position may be sparsely used in the physical aperture) or a dedicated receiving device (at least a plurality of receiving channels are used). The information received about the signal strength, the frequency, the band, or the code of the received signal is continuously detected through the various input means as described above. However, it is set to the control unit 34 itself (internal memory) or the analog determination circuit (in this case, it is not variable in terms of software or hardware, but may be fixed in terms of hardware). Alternatively, the detection of the timing at which the wave is generated is performed by detecting the signal received by the receiving aperture element 20a or the dedicated receiving device in the memory or the storage device (storage medium), and determining the characteristics of the wave or the wave to be observed. It is based on matching with discrimination data such as a database regarding
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 discriminated in an analog manner, it is discriminated by a dedicated analog circuit provided, and only when it is discriminated that the signal is an observation target, a trigger signal for data acquisition is generated and the received signal is AD. The converted beam may be stored in a memory or a storage device (storage medium), and a beam forming process 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 a received signal is digitally discriminated, the received signal is continuously AD-converted in time and stored in a memory or a storage device (storage medium), either constantly or at any time (when a command is issued through an input device, etc.). ), At a predetermined time interval (such as set through an input device), the stored signal is read by the digital signal processing unit 33, and the digital signal processing unit 33 discriminates based on the collation with the discrimination data, and judges that the signal is an observation target signal. The beam forming process may be performed only in the case where the beam forming process is performed.
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 the memory and the storage device (storage medium) is finite, in the case of digital determination, the wave signal of the observation target was not observed within the predetermined time (such as setting through the input device). In this case, the memory address is initialized. In addition, although it is not efficient from the viewpoint of energy saving, beam forming may be performed at any time, and the wave signal may be discriminated using the discrimination data based on the image signal whose accuracy is increased by the beam forming. The process is the same even when a normal wave for communication purposes is an observation target.
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。 Further, the dedicated receiving device may be installed at a position apart from the units of other devices, for example, at a position near the wave source to be measured or a position where the timing signal reception environment is good. Yes, a wave that propagates at a higher speed than the wave received at the receiving aperture (a wave that becomes a timing signal) is used, and the timing signal may be transmitted to the control unit in the apparatus main body via the dedicated receiving device. .. A dedicated line (wired or wireless) that may use a relay station may be used. In this case, the reception signal is captured (AD conversion and stored in a memory, a storage device or a storage medium) and beam forming is performed using the timing signal as a trigger signal.
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 in which the wave is generated may arrive after the device of the present invention receives the wave. That is, the propagation speed may be slow, or such a mechanism may be used, but it may result in such a situation. In order to deal with such a case, the reception signal is always continuously captured, the reception signal stored in the memory or the storage device (storage medium) is read back in time, and the beam forming is performed. . In that case, the information regarding the wave obtained by another observer or the observation device is added to the timing signal as additional information at the relay station, etc., and the timing signal with the additional information is transmitted for exclusive reception. Information including additional information may be read by the device and used not only in the device of the present invention but also in other devices. The line used is not limited to a dedicated line, and a normal network may be used. A similar timing signal may be used even when a wave for normal communication is an observation target. The additional information may be conveyed in a wave or signal different 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。 In addition to the generation of the wave to be observed, a wave that propagates faster or slower than the wave received by the receiving aperture element before, during, or after the generation (wave serving as a timing signal) is the wave source. In some cases, the dedicated receiving device and the dedicated line are similarly installed and used. In that case, the information about the wave of the observation target may be added to the wave serving as the timing signal, and the information about the wave obtained by another observer or observation device is added by the relay station or the like and transmitted. The information including the additional information may be read by the dedicated receiving device and used by the device of the present invention or another device. The line used is not limited to a dedicated line, and a normal network may be used. A similar timing signal may be used even when a wave for normal communication is an observation target. The additional information may be conveyed in a wave or signal different 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, but any observer or any observing device (observation target Any active or passive observing device or similar observing device related to wave motion, which is a sign that the wave motion is generated, is generated simultaneously with the wave motion, or is different after the wave motion is generated. Any active type or passive type observing device or a similar observing device regarding the phenomenon or wave) is used. Anomalously, the dedicated receiving device may only receive the timing signal, and the reading of the additional information itself may be performed by the digital signal processing unit via the control unit in the dedicated device or the device body.
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。 Even when the active or passive device itself of the present invention is used as the sensing device, the additional information may be read by the digital signal processing unit 33 as well. The timing signal may be generated by a sensing device provided. If you do not know when, where, when, or when the wave is generated, the efficiency of the data acquisition operation and the beamforming process, the power saving, the memory and the storage device are improved. It is important to save (storage medium). 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 able to synchronize and the device may operate at high clock frequencies and high sampling frequencies based on the digital reception of the waves of interest. The same applies when the timing signal is an analog signal, but when the timing signal is a digital signal, synchronization may be taken in the device main body.
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 observation target is the wave itself generated by the self-emanating wave source, and the characteristics of the wave source (strength, what kind of source it is, etc.), position, time when the wave source is active, etc. May be observed. Further, as in the case where the device is an active type, the distribution of the target temperature (distribution), displacement, velocity, acceleration, strain, or strain velocity 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) are observed, and the observation target, structure and composition of the medium, etc. May be revealed. For example, radioactive materials (isotopes in PET, etc.), materials with non-zero thermodynamic temperature, seismic sources, neural activity, astronomical observation, weather, arrivals, moving objects, communication equipment including mobile communication equipment, physical Alternatively, an object that reacts to a chemical stimulus, an electric source, a magnetic source, a radiation source, various energy sources, or the like is observed, and the observation target is 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。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。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、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)。 Multiple different types of wave receiving transducers and sensors may be used for multi-physics or multi-genomics for fusion of measurement results and data mining. For things that function based on multiple functions and many physical properties, or things that affect the surroundings in a different way, etc. It is also performed to observe the behavior of the subject (whole body in the case of human) or local behavior newly or in detail. For example, various nerve controls (body temperature, blood flow, metabolism, etc.) that are performed in an organism for a short period of time or for a long period of time, and an effect exerted on the organism for a short period of time or a long period (radiation) It can be used to monitor artificial movements, nutrition intake, etc., and to develop artificial organs and cultured tissues that contribute to prolonging life and prolonging life, their hybrids, drugs, supplements, and their actions. It includes alternatives to various sensors that living organisms have, supplements to them, and cases where new sensors are provided. When targeting organisms, there are cases where it is required to be miniaturized and wearable, and to have a form and material that are easily familiar to the organisms. The processing contents are also various. For example, when a plurality of compression waves or shear waves arrive at the same time as mechanical waves, a dedicated analog device is used by using the mode, frequency, band, code, propagation direction, etc. Alternatively, the beamforming may be performed after separating the waves using the digital signal processing unit as in the first embodiment. When there are a plurality of wave sources of electromagnetic waves, a plurality of electromagnetic waves having different characteristics may be superposed and similarly separated. Alternatively, due to the phasing addition effect of beamforming, a highly accurate image signal may be generated even when a plurality of waves arrive (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, after the beam forming is performed, the signals may be separated based on the same process. In order to obtain the effect of phasing addition, it is necessary to find the arrival direction of the wave and the position of the wave source, and steering in that direction or focusing to that position may be required. Fixed focusing is also useful in reception in addition to dynamic focusing. In order to obtain them, the center of gravity (center) frequency and the instantaneous frequency and band of the multidimensional spectrum of the wave received by the receiving aperture element array, so-called MIMO, SIMO, MUSIC, independent component analysis, code, or various parametric methods, etc. Is sometimes used. The same process may be performed after performing beamforming, but in addition, in particular, after performing beamforming at multiple positions, the wave may be observed using geometric information. . The processing method is not limited to these, and may be performed 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 propagation direction of an incoming wave is obtained based on multidimensional spectrum analysis of a received signal (past achievements of the inventor of the present application), and further, in the device of the present invention, a plurality of transducers provided at different positions are provided. Or even when the information about the propagation time cannot be obtained by using the reception effective aperture (usually, the position and distance of the wave source are calculated from the time when the wave is observed at multiple positions), the wave source is geometrically determined. It is possible to determine the position and distance. Waves can be observed not only in pulse waves or burst waves but also in continuous waves. Through any processing, when the arrival direction of the wave is known, the reception beam can be steered and focused in that direction (monostatic type or multistatic type aperture plane synthesis) and can be observed in detail. If necessary, transmission beamforming may also be performed by making the active type of the first embodiment. In those processes, always receiving the beamforming while changing the steering angle, observing the obtained image or image, the spatial resolution, the contrast, the signal strength, or the like, with emphasis on the highly probable direction, or It is also possible to identify the direction of the wave source through multidimensional spectral analysis. 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、0404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。 The super resolution may increase the resolution of the image signal. It is also described in paragraphs 0009 and 0404. In some cases, it is easy to measure the size, intensity, position, etc. of the wave source, scattering in the measurement target or medium, and the reflector. The band is always limited by the physically generated wave field, but typical super-resolution is to broaden the band by inverse filtering and restore them as the original signal source or signal. is there. In addition, waves are usually affected by frequency-dependent attenuation, may not be in focus, the wave source may be a moving body, and the intervening medium may be disturbed. . Super-resolution may be performed to correct these.
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0404に記載の方法等が知られている。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。 In addition, the measurement target or the like may move during the transmission and / or reception required to generate one image signal, and it may be necessary to perform motion compensation. In many cases, the point spread function is unknown. In that case, blind deconvolution may be performed, including the case where the above signal separation processing (in particular, blind separation) is also used. The method described in paragraph 0404 and the like are known. It is desirable to evaluate the point spread function by some method and ideally obtain a coherent point spread function. It is possible.
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、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。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)等が有効である。 When the point spread function cannot be obtained when the observation is desired, for example, the point spread function may be evaluated and stored as a database when the observation is possible. One effective method of performing inverse filtering is to weight the observed spectrum so that it becomes the same as the desired spectral distribution of the signal distribution such as the point spread function or echo distribution (of course, the spectral intensity distribution). Is possible. Spectral distribution of desired signal distribution such as point spread function and echo distribution may be set through analytical or simulation, optimization, etc., and beam forming is performed under ideal parameters for the measurement target. , That may be done only once, or ensemble averaging may be performed under multiple measurements, and the measurement target phantom (calibration phantom) may be used in the same way. It may be required. For example, fixed focusing or aperture plane synthesis (Non-Patent Document 15) is performed using a power function apodization to obtain a desired high-resolution point spread function or a signal distribution such as an echo distribution, and a plane wave capable of high-speed transmission / reception. A low resolution signal (Non-Patent Document 15) obtained by performing transmission using Gaussian apodization may have a high resolution. The latter is suitable for high-accuracy measurement of high-speed motion and shear wave propagation, and it is possible to simultaneously realize that measurement and high-resolution ultrasonic imaging. Alternatively, it is possible to perform inversion using the power spectrum of the signal itself. These processes can be applied to the angular spectrum before wave number matching or the spectrum after wave number matching. That is, super-resolution can be performed using a desired point spread function, an angular spectrum or spectrum of a signal distribution such as an echo distribution, or an angular spectrum or spectrum of a received signal. In addition, in weighting, care must be taken when dividing by zero value or small spectrum, in particular, it is not effective to amplify various noises included in the received signal, and as described above, regularization (high frequency components Is suppressed), Wiener filter (suppresses the amplification of frequency components with low signal to noise ratio), singular value decomposition (discards small singular values or spectra, and does not use the signal component of the corresponding frequency). It is valid.
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 effect may be obtained in terms of quantitativeness (numerical value), but the same effect may be obtained even when displayed as an image. The effect that the blurred image is restored and the image is in focus can be obtained. The inverse filtering may be performed on the incoherent signal, or is effective when applied in the state of the coherent signal, and in particular, it may be possible to understand the spatial change of the physical property distribution and the like. In some cases, super-resolution is applied to those that are superposed and those whose spectrum is frequency-divided. 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。 Also, a new super-resolution can be implemented. One is based on the non-linear processing described below, and the other is to image the instantaneous phase 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
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, the signal of the position coordinate s in the propagation direction (coordinate axis t) in the region of interest obtained using a single wave or beam
Then, from this, the instantaneous angular frequency ω (t) in the propagation direction t, the instantaneous phase θ (t), and the like are obtained and imaging is performed. The propagation direction t may be directed in the front direction without steering, or may be steered to have a deflection angle, and is two-dimensional or one-dimensional even when the region of interest is three-dimensional. Sometimes. As described in Non-Patent Document 19, the propagation direction of a wave or beam can be measured with a spatial resolution (using the center of gravity of the spectrum or the instantaneous frequency), and at the same time, the frequency in that direction can also be measured. The frequency in the direction of the integration path (tangential direction) set in the spatial integration process can be calculated with high accuracy. For example, the integration path is linear in the steering direction (angle) of the wave or beam set at the time of transmission, or in the generated wave or beam similarly, but in the steering direction (angle) estimated globally. Can be taken. In addition, in order to simplify the processing, it is possible to use the nominal frequency or the frequency in that direction which is globally estimated at the same time. It is not impossible to perform the integration in the propagation direction estimated in the state having the spatial resolution, because it involves the interpolation processing of the frequency distribution, but it is 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、
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、
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(すなわち、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)、
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
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、
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。 It should be noted that instead of the instantaneous frequency obtained by the equations (38-1) and (38-2) being subjected to the moving average, the center of gravity obtained from the first moment of the spectrum (center of gravity, that is, weighted average value) The frequency (× 2π) may be used. The equation is shown in equation (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、すなわち、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。 In the equation representing the observation signal, t = 0 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 the equation (39) may also be set to t '= 0 (wave source position), and in that case, θ' (s) obtained as a distribution of position coordinates t = s Is an estimated value of the instantaneous phase [Equation (30-2)] itself represented by the integrated value of the phase change caused by reflection or scattering. The instantaneous frequency is an averaged value, and the obtained θ ′ (s) 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(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、
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、
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(すなわち、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、上記のヒルベルト変換は、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、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)と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。
In order to obtain the estimation result of the instantaneous phase [Expression (30-2)] that does not include the phase rotation expressed by Expression (40), the imaginary number of the analytic signal expressed by Expression (32) Arctan (inverse function of tangent) is applied to the part / real part to find the angle of the cosine (that is, the instantaneous phase including the phase rotation) in formula (30-1), and s' = s in formula (42) It is also possible to directly subtract by using the moving average of the instantaneous frequency or the phase rotation obtained by the integral calculation of the first moment of the spectrum. However, since the direct calculation result of arctan is a result of −π to π, it is necessary to perform the subtraction processing after unwrapping the result. Since the instantaneous phase including phase rotation is monotonically increasing, unwrapping may be performed by adding 2π times an integer m when the arctan result is negative. Here, m is the number of times the result of arctan observed in the beam direction or the wave propagation direction becomes negative. Like the above case, the equation (41) may be used in some cases, and the bias error represented by the equation (42) may occur. Further, 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 a bias error, the phase rotation estimated at a position separated by Δs is not included, apart from the equation (43). It is also possible to directly calculate the difference from the estimated value of the instantaneous phase by subtraction.
The image related to the phase represented by the formula (40) or the formula (43) has a wide band and is a kind of super-resolution. The phases themselves can be displayed, multiplied by a cosine or a sine function, and further weighted by an envelope. By the way, 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 Expression (40) is obtained is the same as that of the envelope signal. Therefore, it is preferable to image as it is without destroying the square detection, the absolute value detection, or ideally the waviness (the sign and the phase of the signal value) (a gray image or a color image can be displayed). The image mainly represents the signal intensity determined by reflection and scattering and the phase and phase change. On the other hand, if the obtained instantaneous frequency is imaged, it becomes an image showing the influence of attenuation and the like (similarly, gray and color can be displayed). Although it has been described that the Hilbert transform is performed based on the Fourier transform (Non-Patent Document 13), it goes without saying that the original Hilbert transform may be calculated. Also, if noise is mixed in the signal, the accuracy decreases, but the target real-time signal is differentiated to generate a signal with a 90 ° phase advance, and it is multiplied by -1 to calculate the imaginary component. It is also possible to calculate (the angular frequency multiplied by the differential process is the same calculation result (phase) at the neighboring position as the phase obtained by applying the inverse function of the cosine or sine signal to the original real-time signal. And the difference (so-called forward difference, backward difference, central difference, etc., multiplied by 1 and -1 to add or subtract) are calculated and divided by the distance between those positions (difference approximation). It is sufficient, and a differential filter may be applied instead of the difference approximation).
For example, when a differentiating process is performed on an arbitrary signal represented by the equation (30-1), a spatial derivative (a spatial (s) -like change) of the amplitude A (s) is smaller than the instantaneous frequency ω (s). By making a case and its assumptions, and regarding the result of the expression (30-1) and its derivative, by applying a moving average in the multidimensional including the partial derivative direction or in the partial derivative direction, the following approximation is made. To do.
また、信号が多次元信号であり、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)も同様に瞬時位相を推定できる。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、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
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、
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、
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(すなわち、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)、
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
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、
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 instantaneous frequency obtained by the equations (38'-1) and (38'-2), the first moment of the spectrum (center of gravity, that is, the weighted average value) is used. You may use the gravity center frequency (* 2 (pi)) calculated | required. The formula of the center of gravity in the x-axis direction, which is one axis of the three-dimensional Cartesian coordinate system, is shown in formula (S1 ″). The other directions are similarly obtained, and are also obtained 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 integral path c of the expression representing the observation signal is an arbitrary line from the starting point 0 to the point of interest (s 1 , s 2 , s 3 ) which considers the position where the instantaneous phase is zero 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 the equation (39 ') may be 0 (wave source position), and in that case, position coordinates (t 1 , t 2 , t 3 ) = (s 1 , s 2, s 3) of obtained as distribution θ '(s 1, 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 themselves Is an estimated value of. The instantaneous frequency is averaged, and the obtained 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(ω01,ω02,ω03)を用いて、
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、
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)。尚、上記のヒルベルト変換は、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、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)。
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、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)と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は以下の通りである。
本法を用いた場合は、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。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。
However, for example, based on Equations (30′-2) and (34 ′), Δθ 1 (s 1 , s 2 , s 3 ) that is the amount of change in the instantaneous phase in the t 1 axis direction at sampling Δs 1 intervals is calculated. The bias does not matter when estimating. The estimation result is
The image relating to the phase represented by the formula (40 ′) or the formula (43 ′) has a wide band and is a kind of super-resolution. The phases themselves can be displayed, multiplied by a cosine or a sine function, and further weighted by an envelope. By the way, 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, it is preferable to image as it is without destroying the square detection, the absolute value detection, or ideally the waviness (the sign and the phase of the signal value) (a gray image or a color image can be displayed). Although it has been described that the above Hilbert transform is performed based on Fourier transform (Non-Patent Document 13), it goes without saying that the calculation of the original Hilbert transform may be applied as in the case of one dimension. Also, if noise is mixed in the signal, the accuracy will decrease, but as in the one-dimensional case, the target real-time signal is differentiated to generate a signal with a 90 ° phase advance. , -1 can also be used to calculate the imaginary number component (the angular frequency multiplied by the differential process is the phase obtained by applying the inverse function of the cosine or sine signal to the original real-time signal The difference with the same calculation result (phase) at the position (so-called front difference, rear difference, center difference, etc.) should be calculated and then corrected by dividing by the distance of those positions (difference approximation), not difference approximation. , Sometimes a differential filter is applied).
For example, when the partial differentiation process is performed on an arbitrary signal represented by the equation (30′-1) or the like, the partial differentiation is performed in one direction from s 1 to s 3 . Amplitude A (s 1, s 2, s 3) spatial partial derivative (spatial variation) of instantaneous frequency omega 1 of the partial derivative direction (s 1, s 2, s 3) or ω 2 (s 1, s 2 , s 3 ), ω 3 (s 1 ,, s 2 ,, s 3 ), which is smaller than or assumed, and the partial differential direction with respect to the formula (30′-1) and the partial differential result thereof. By performing a moving average in the included multi-dimension or in the partial differential direction, the approximation is performed as follows. For example, when partial differentiation is performed in the s 1 direction, it is as follows.
When this method is used, the image mainly represents the signal intensity and phase or phase change determined by reflection or scattering. On the other hand, if the obtained instantaneous frequency is imaged, it becomes an image showing the influence of attenuation and the like (similarly, gray and color can be displayed). The presence of the above-mentioned instantaneous phase deteriorates any measurement accuracy, even if it is a minute displacement, when the above-mentioned tissue displacement measurement method based on the Doppler method or the classical measurement method is independently performed. However, the inventor of the present application has overcome this by developing a phase matching method between frames (for example, Non-Patent Document 15). Although other methods of expanding and contracting signals that represent tissue deformation have also been reported, the former phase matching method is used for high-strength and random signals in measuring tissue displacement and strain. Indispensable for measurement. Normally, blood flow is measured using a narrow band signal, but this method enables high resolution measurement and opens up highly accurate viscosity measurement and the like. It is also possible to measure multidimensional vectors and tensors.
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、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。 Further, the envelope detection is usually performed on the generated image signal, but in the frequency domain, the calculation by the angular spectrum or the conjugate product of the spectrum, which is also performed before the addition processing, is performed. Those operations related to wave number (frequency) components are also useful (one of the nonlinear processes in the present invention). In addition to the above, square detection, absolute value detection, or the like may be performed for amplitude detection. It is to be noted that what is obtained by Fourier transform from an image signal obtained by performing beamforming (that is, focusing and deflection realized by applying delay or apodization) is a spectrum, but further beamforming is performed. If so, the Fourier transform in the axial direction and in at least one lateral direction is an angular spectrum. That is, after the image signal is generated, the beam forming process may be further performed. Also, what has undergone super-resolution processing including this processing and other processing (spectral weighting, nonlinear processing on signals, inverse filtering, etc., which will be described in detail later) is used for the above coherent addition. Or in the above incoherent addition. The targets of addition are different or the same signals (they are before or after beamforming) and subjected to other processing, or the raw signals thereof. The coherent addition is suitable for wide band (higher resolution) and higher SN ratio, while the incoherent addition is suitable for reduction of speckle and higher SN ratio. In the reduction of speckles, the spatial resolution may be lowered, but the processing with super-resolution may give a high spatial resolution result without that being a problem. Basically, incoherent addition is performed on a value that has been positively detected by some kind of detection (including power-law detection), but the detection processing other than envelope detection described above This is a process in which coherence remains in the signal (at least the vibration of the wave is known). Envelope detection is also useful, but such detection with residual coherence is particularly useful as detection processing that does not impair spatial resolution. Compared with this, according to the envelope detection, the spatial resolution may be easily deteriorated.
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 operating mode may be determined by a command (signal) input to the device. In addition, the wave of the observation target (type and characteristics of wave, intensity, frequency, bandwidth, code, etc.) and propagating medium (propagation velocity, physical property value related to wave, attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, or , Their frequency dispersion, etc.), and the received signal may be appropriately analog-processed or digital-processed. The characteristics (intensity, frequency, bandwidth, code, etc.) of the generated image signal may be analyzed. The data obtained by the device according to the present 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 the control apparatus of the network system, and may be used as a control apparatus for controlling the network device. It may also be a control device 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 the present embodiment is used as an active device, the transmission transducer (or applicator) 10 is connected to the transmission unit 31 of the device body 30, and the transmitter 31a is an analog device and a trigger signal. If there is a mode in which the trigger signal is generated and applied by the control unit 34, or if the transmitter 31a is a digital device and operates according to an external clock signal, either in the device main body 30 Or a mechanism for providing a clock signal from the control unit 34 or operating the device main body 30 with the clock signal of the transmitter 31a may be provided. When transmitter 31a is a digital device, any of these mechanisms synchronize the transmit and receive clock signals. This is important when generating one image signal based on multiple transmissions. If synchronization cannot be achieved, the error may be reduced in a situation where the clock frequency and sampling frequency are 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、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 any focusing and any steering can be performed with any aperture shaped transducer array device. In the present invention, as described in methods (1) to (7), interpolation approximation processing may be performed in wave number matching of arbitrary beam forming, and beam forming may be performed at higher speed. In order to perform highly accurate approximate wave number matching, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the cost of an increased calculation amount. In that case, it should be noted that the number of data of the Fourier transform is increased unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process is not performed. The second embodiment can be used in an ordinary apparatus as an apparatus and with respect to an operation mode (for example, an imaging mode, a Doppler mode, a measurement mode, a communication mode, etc.), and those or the above. It 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、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 first and second embodiments described above, targeting electromagnetic waves, vibration waves (mechanical waves) including sound waves (compression waves), shear waves, shock waves, surface waves, or waves such as heat waves, Regardless of whether transmission or reception is focused, transmission or reception is steered, or transmission or reception is apodized, any beamforming is performed digitally, including the case where the coordinate system for transmission and reception is different from the coordinate system for generating the beamformed signal. It can be performed with high accuracy and high speed without performing interpolation approximation based on the processing. Not only the frame rate at the time of image display of the beamformed signal is improved, but also high spatial resolution and high contrast can be obtained in terms of image quality. Furthermore, displacement or deformation using the beamformed signal, or, If the temperature or the like is measured, the measurement accuracy will be improved. In the present invention, as described in methods (1) to (7), interpolation approximation processing may be performed in wave number matching of arbitrary beam forming, and beam forming may be performed at higher speed. In order to perform highly accurate approximate wave number matching, it is necessary to appropriately oversample the received signal at the cost of an increased calculation amount. In that case, it should be noted that the number of data of the Fourier transform is increased unlike the case where the signal at an arbitrary position can be selectively generated when the interpolation approximation process is not performed. Superposition of waves or beams that have been beamformed at high speed or spectral frequency division, or high-speed beamforming in situations where received signals of unreceived beamforming are superposed or spectral frequency division realizes various applications. To do. The application of the present invention is not limited to this. The high-speed processing has a great effect in multidimensional imaging using a multidimensional array. It should be noted that it is desirable to perform the fast Fourier transform including the dedicated fast Fourier transform or fast inverse Fourier transform in the Fourier transform or inverse Fourier transform processing performed in the above calculation algorithm. Further, the present invention is not limited to the above embodiments, and many modifications can be made within the technical idea of the present invention by a person having ordinary knowledge 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、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。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。 There are various objects to be measured, such as organic substances, inorganic substances, solids, liquids, gases, objects according to rheology, living things, astronomical objects, the earth, the environment, etc., and the application range is extremely wide. Contribute to non-destructive inspection, diagnosis, resource exploration, generation and manufacturing of materials and structures, monitoring of various physical and chemical restorations and treatments, application of revealed functions and physical properties, etc. In, there is a case where accuracy is required under conditions of non-invasive, minimally invasive and non-invasive without causing a large disturbance to the object to be measured. Ideally, the object may be observed in situ, in situ. In addition, the subject may be treated or repaired by the action of the wave itself, and the situation may be observed by performing beamforming on the response from the subject at that time. In addition, beamforming is performed in satellite communication, radar, sonar, etc. to save energy, realize an information-safe environment, and enable accurate communication. The present invention is also effective in normal communication including ad hoc communication devices and mobiles. It can also be applied to sensor networks. When the object is dynamic, real-time property is required, but according to the present invention, it is possible to complete the digital beam forming in a short 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 >>
In the case of waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, or heat waves, the behavior as waves differs depending on the frequency, bandwidth, intensity, or mode. Many kinds of various wave transducers have been developed so far, and imaging using a transmitted wave, a reflected wave, or a scattered wave of these waves is performed. For example, it is well known that ultrasonic waves having a high frequency among acoustic waves are used in nondestructive inspection, medical treatment, and sonar. Also in the radar, electromagnetic waves (microwaves, terahertz waves, infrared rays, visible light, radiation such as X-rays, etc.) having an appropriate frequency are used according to the observation target. The same applies to 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 those waves, the distribution of amplitude data obtained through quadrature detection, envelope detection, or square detection is usually displayed as a gray image or a color image in one dimension, two dimensions, or three dimensions. .. Further, in the Doppler measurement using those waves, raw coherent signals are processed (ultrasonic Doppler, radar Doppler, laser Doppler, etc.). Further, in the field of image measurement, it is well known that motion is observed using a signal 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 ultrasonic imaging technique for differentially diagnosing cancer lesions or sclerosis lesions in human tissues. The inventor of the present application is performing high resolution and high efficiency of HIFU (High Intensity Focus Ultrasound) treatment together with high resolution of echo imaging and high precision measurement imaging of tissue displacement. They are also imaging them based on the reception of echoes during ultrasonic radiation. Such imaging is based on performing appropriate beamforming, and requires an appropriate detection method and tissue displacement measurement method.
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29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 inventor of the present application, as a beamforming method, a lateral modulation method using a cross beam, a spectral frequency division method, a method using many cross beams, an over-determined system method, and the like, , In particular, as square wave detection in addition to quadrature detection and envelope detection as a detection method for multidimensional signals, and as a displacement vector measurement method, multidimensional autocorrelation method, multidimensional Doppler method, multidimensional cross spectrum phase gradient method, In addition, the inventors have devised a phase matching method, etc., and have reported a technique for reconstructing and imaging a (viscous) shear elastic modulus distribution and a thermophysical property distribution based on displacement and strain measurement (see Non-Patent Documents 13 and 29). ). Some of them are already in clinical use. Recent reports by the inventor of the present application include ITEC (International Tissue Elasticity Conference), IEEE Trans. on UFFC, Ultrasonics Study Group, Acoustic Imaging Study Group, etc.
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 connection, the inventor of the present application focuses on nonlinear imaging. Non-linear imaging (so-called harmonic imaging) based on the result of physical action in the propagation process of ultrasonic waves is currently performed in medical ultrasonic waves. In the following, in particular, the application of nonlinear ultrasound to diagnosis and treatment will be described.
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 a technique in which harmonics generated during propagation are caused by the large propagation velocity of a wave component with high sound pressure intensity (which is usually explained by the large bulk elastic modulus for high intensity sound pressure). It is for imaging the wave component. In this harmonic imaging, a contrast agent (ultrasonic contrast agent) may be used in order to enhance a nonlinear effect in ultrasonic wave 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21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22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。 It has already a long history that its effectiveness has been clinically recognized, such as the capability of blood flow imaging of capillaries (see Non-Patent Document 21). Doppler measurement using a non-linear component (harmonic component) is also possible, and in the near future, we will report the multi-dimensional vector measurement realized by the inventor of the present application. In Non-Patent Document 22, the 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23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24を参照)。 Further, tissue imaging has a history of being preceded by blood flow imaging, and at first, harmonics were separated by filtering (see Non-Patent Document 23), but now, the pulse in Separated by the version method. When the transmitted signal has a wide band, the band of the fundamental wave and the harmonic wave is covered, so that the filtering method has a limit. In addition, there is a report that a multidimensional polynomial consisting of power terms is separated into a fundamental wave and a harmonic represented by each dimensional term based on the method of least squares (see Non-Patent Document 24).
最近では、超音波顕微鏡(非特許文献25を参照)や、放射圧イメージング(非特許文献26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27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 have been reports of applying harmonic components and chords in ultrasonic microscopes (see Non-Patent Document 25) and radiation pressure imaging (see Non-Patent Document 26). Further, since the nonlinear propagation and the heat absorption are deeply related to each other, the HIFU is used by concentrating high-intensity ultrasonic waves at the focal position, including the case of causing cavitation (Non-Patent Document 27). Etc.). Also, when energy (or mode) is converted from ultrasonic waves to shear waves (for example, when sound waves obliquely enter the boundary where the acoustic impedance between soft tissue and bone changes significantly or when shear causes shear). The generated high frequency shear wave is easily absorbed by the tissue during propagation in the vicinity of the generation position (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28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。 The contrast agent used for the purpose of enhancing the non-linear effect in HIFU treatment (see Non-Patent Document 28, etc.) is considered effective also in these respects. Regarding the treatment of cancer lesions, the inventor of the present application was the first in the world to mention about the effect of coagulating blood to occlude the feeding artery 17 years ago, and it is believed that this effect can also be obtained. .. Recently, an applicator having a frequency band similar to that of a probe for clinical diagnosis has become available at low cost, but the present inventor believes that it is necessary to develop a dedicated contrast agent. .. The inventor of the present application considers at least the fragile characteristic and the fragile characteristic to be both attractive, but recently, it is possible to use the same characteristic for diagnosis or a mixture of several kinds. is there.
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 during propagation, and thus the energy of the wave becomes smaller as the propagation distance increases. In addition, the diffusing wave is also affected by diffusing. In such a case, the transmitted wave, the reflected wave, or the scattered wave reflects the change in impedance, the presence of the reflector or the scatterer, and is used for imaging or Doppler measurement of them. In those imagings, it is desirable that the signal contains high frequency components and has a wide band as much as possible or within a required range, and the same is true in the Doppler measurement.
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。 However, normally, high-frequency signal components are strongly affected by attenuation, their energy is lost, the frequency of the signal is lowered, and the band becomes narrower as the propagation distance increases. That is, the imaging at a position far from the signal source is affected by a low signal-to-noise ratio (SN ratio) and a low spatial resolution. In Doppler measurement, the accuracy is reduced. Reducing their effects due to damping is extremely important in the 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)。 In addition, if a high-frequency signal that cannot be realized with a single signal source can be generated, higher resolution imaging and highly accurate Doppler measurement will be possible. It may be possible to simply generate a high-frequency signal. In general, the influence of attenuation is strong on high-frequency components, and for example, in a microscope susceptible to the influence of attenuation, it is preferable to be able to observe as deep as possible at a high frequency. In addition, low frequency imaging or measurement using low frequency signals may be possible. Further, it may be possible to generate a low-frequency signal that cannot be realized by a single signal source. For example, the deep part of the object can be deformed at low frequencies. In medical ultrasound images, nuclear magnetic resonance images, OCT, and laser applications, deep tissue is deformed at low frequencies using a plurality of signal sources (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 a vibration wave of a lower frequency than that frequency, or multiple ultrasonic beams are crossed at their focal positions etc. to realize a low-frequency force source there. May generate low-frequency vibration waves, and these generated vibration waves may be ultrasonic waves (longitudinal waves), and those generated vibration waves may be shear waves (transverse waves). In some cases, it may be observed by ultrasonic waves. It may be possible to adjust the propagation directions of the generated waves. If these signals can be realized theoretically or on a computational basis, it may also be possible to control the waves generated. Furthermore, a detection method that can be easily implemented in a short time, which is an alternative to the normal quadrature detection, envelope detection, and square detection, is also important.
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, a second object of the present invention is to enhance a high frequency component having a relatively weak intensity or a lost high frequency component in an arbitrary wave propagating from the inside of 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 performing or newly generating. Further, the imaging device enhances or simulates the non-linear effect in the measurement target, newly generates it when there is no non-linear effect in the measurement target, or virtually realizes imaging. May be. A third object of the present invention is to generate a high frequency signal that cannot be realized by a single wave source. Further, a fourth object of the present invention is to realize a detection method that can be easily implemented in a short 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 an aspect of the present invention performs (i) nonlinear processing on an arbitrary wave propagating from within a measurement target using an nonlinear device at an arbitrary position of a propagation path. And then receiving by the transducer to generate a reception signal, (ii) processing of receiving by the transducer to generate an analog reception signal and subjecting the analog reception signal to analog nonlinear processing, and (iii) a transducer A non-linear reception processing unit that generates at least one of the processes of receiving an analog reception signal to generate an analog reception signal, digitally sampling the analog reception signal, and performing digital non-linear processing on the digital reception signal; An image signal generation unit that generates an image signal representing an image to be measured based on a 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 non-linear processing on a signal having a frequency at which the influence of attenuation does not pose a problem in arbitrary waves propagating from the inside of the measurement object, the strength is generally relatively weak. It is possible to enhance the spatial resolution and measurement accuracy by enhancing or newly generating the high frequency component and the lost high frequency component. In addition, waves coming from signal sources of arbitrary waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibration, sound waves, or heat waves, and transmitted waves, reflected waves, or scattered waves of waves emitted from those signal sources. The non-linear effect in the measurement target can be enhanced by the effect of multiplication or exponentiation during wave propagation, and the processing including analog operation and digital operation of the coherent signal obtained by detecting the signal. 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 a coherent signal or Doppler measurement, compared to imaging using the original signal, high-resolution imaging was realized using a wideband signal containing high-frequency components, and the original signal was used. It is possible to realize highly accurate measurement of displacement, velocity, acceleration, strain, or strain rate as compared with Doppler measurement. Further, the same processing is applied to the same problem for the incoherent signal. As the hardware, a normal device can be used. Of course, analog processing (circuit) is faster than digital processing (circuit). A computer or a device having an arithmetic function (FPGA, DSP, or the like) can be used in the case of performing calculations including higher-order calculations and in that the degree of freedom is wide.
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 influence of attenuation in the wave propagation process, and it is also possible to generate high-frequency components that cannot be realized with a single signal source, which enables 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. When a plurality of 100 MHz ultrasonic transducers are used, it is possible to physically generate ultrasonic waves as many times as high, and it is possible to realize a high frequency that cannot be generated by an ordinary transducer. Further, it may be possible to simply generate a high frequency signal. According to the present invention, such a high frequency can be realized by calculation. Therefore, it is possible to generate high-frequency waves and signals that cannot be physically realized. Similarly, low-frequency imaging and measurement using low-frequency signals can be realized. It is also possible to generate low frequency signals that cannot be physically realized with a single signal source. It is also possible to realize these signals theoretically or on the basis of arithmetic and control the generated waves.
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 having a frequency higher than a frequency determined by a sound source, and the ultrasonic wave is robust against attenuation. Therefore, an ultrasonic microscope capable of higher-resolution imaging and higher-precision Doppler measurement than usual can be realized. Also, low frequency imaging and measurement using low frequency signals can be performed. When measuring the deformability of the tissue, for example, the deep part of the target can be deformed at a low frequency. In medical ultrasound images, nuclear magnetic resonance images, OCT, laser applications, etc., deep tissue is deformed at low frequencies using multiple signal sources. The same applies to other imaging devices and Doppler devices. In addition, effects such as heating, heating, cooling, freezing, welding, heat treatment, cleaning, or repair are improved, and high resolution at that time is possible. Similar effects can be obtained with 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。 Further, in the technical aspect of signal processing, the processing of quadrature detection and envelope detection can be facilitated. For example, when the present invention is applied to a deflected beam or a deflected wave, an IQ signal obtained by orthogonal detection with respect to all coordinate axes can be obtained, so that envelope detection becomes easy. Further, when the present invention is applied to a cross beam, an IQ signal obtained by orthogonal detection on each coordinate axis can be obtained, and therefore displacement vector, velocity vector, acceleration vector, strain tensor, Alternatively, the distortion factor tensor can be measured. Of course, in imaging, square detection can be performed as the 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。 Transducer of waves arriving from signal sources of arbitrary waves such as electromagnetic waves, light, mechanical vibration, sound waves, or heat waves, and transmitted waves, reflected waves, or scattered waves of waves emitted from these signal sources. Imaging and Doppler measurement using a coherent signal obtained by detection are widely performed in radar, sonar, non-destructive inspection, diagnosis, etc., using appropriate frequencies for each medium. Further, the wave motion generated from the signal source is also applied to heating, heating, cooling, freezing, welding, heat treatment, cleaning, repair, and the like. Further, in recent years, image measurement of movements and the like 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30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. 30 is a block diagram showing a configuration example of an imaging device according to the third embodiment of the present invention. This imaging device, based on an arbitrary wave such as electromagnetic waves, light, mechanical vibrations, sound waves, or heat waves coming from a measurement target, images the measurement target, or a physical quantity such as displacement in the measurement target. It is a non-destructive measuring device.
図30に示すように、イメージング装置は、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. 30, the imaging device includes at least one transducer 110 and an imaging device body 120. The 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 an arbitrary wave to the measurement target 1 and receive a reflected wave or a scattered wave reflected in the measurement target 1. For example, when the arbitrary wave is an ultrasonic wave, it is possible to use an ultrasonic transducer that transmits an ultrasonic wave according to a drive signal and receives the ultrasonic wave to generate a reception signal. It is well known that the ultrasonic element (PZT, polymer piezoelectric element, etc.) is different and the structure of the transducer is different 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。 Although narrow band ultrasonic waves have historically been used for blood flow measurement, the present inventor has found that in recent years, soft tissue displacements and strains (including static cases), shear waves, which have been put to practical use in recent years, have been used. We have pioneered the use of broadband transducers for (echo) imaging, including in the case of propagation (velocity) measurements. The same applies to HIFU treatment, and continuous waves are sometimes used, but the inventor of the present application is developing using a broadband device in order to realize high-resolution treatment. When high-intensity ultrasonic waves are used, the tissue may be stimulated within a range that does not produce a heating effect and a force source may be generated in the measurement target 1 as described above, and a transducer for (echo) imaging is used. Sometimes Heat treatment, force source generation, and (echo) imaging may be performed simultaneously. The same applies to other wave sources and transducers. There are contact type and non-contact type transducers, and impedance matching of each wave is appropriately performed and used.
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, as the transducer 110, a transmitting transducer that generates an arbitrary wave and a receiving transducer (sensor) that receives the arbitrary wave may be used. In that case, the transmitting transducer transmits an arbitrary wave to the measurement target 1, and the sensor transmits the reflected wave or the scattered wave reflected in the measurement target 1 or the transmission transmitted through the measurement target 1. Can receive waves, etc.
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, when an arbitrary wave is a heat wave, a heat source that does not intentionally generate sunlight, lighting, metabolism in the living body, etc. may be used, but an infrared warmer, a heater, etc. Relatively stationary ones, ultrasonic transducers that transmit ultrasonic waves for heating that are often controlled according to drive signals (sometimes a force source is generated in the measurement target 1), electromagnetic wave transducers, lasers, etc. Also used. In addition, infrared sensors that receive heat waves and generate received signals, pyroelectric sensors, microwave and terahertz wave detectors, temperature sensors such as optical fibers, ultrasonic transducers (temperature dependence of ultrasonic sound velocity and volume change, etc. A change in temperature can be detected by using the property) or a nuclear magnetic resonance signal detector (the temperature can be detected by using a chemical shift of nuclear magnetic resonance). For each wave, a transducer is used that can receive it properly.
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 a wave including a harmonic when actively generating the wave according to the drive signal. For example, the transducer 110 produces a wave according to the non-linear characteristics of the wave source or the circuitry of the transmitter 121 that drives it. Further, the transducer 110 may have one transmission surface or reception surface, or may have a plurality of transmission surfaces or reception surfaces. A non-linear device 111 that performs non-linear processing on the generated arbitrary wave may be provided on the transmission surface of the transducer 110. On the receiving surface of the transducer 110, a non-linear device 111 that performs non-linear processing on arbitrary waves propagating from the inside of the measurement target 1 may be provided. The non-linear device 111 does not necessarily have to be in contact with the transmission surface or the reception surface of the transducer 110, and may be provided at any position in the propagation path of any wave.
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。 Further, a working device 112 such as a filter (spectrometer or the like), a shield, an amplifier, or an attenuator may be provided between the measurement target 1 and the transmission surface or the reception surface of the transducer 110. When the non-linear device 111 is used, the working device 112 may be provided on both front and rear sides of the non-linear device 111. The transducer 110, non-linear device 111, and working device 112 may be separate or may be integral in combination.
図30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)。 In FIG. 30, the case where the wave source is provided in the measurement target 1 is also shown, or it may be directly controllable by the control unit 133. In addition, a wave generated by the transducer 110 may be concentrated using a lens or the like, or focus transmission may be performed using a plurality of transducers 110 to generate a wave source (dynamic wave or Using a heat wave source, or a mechanical wave or electromagnetic wave, to generate a new electromagnetic wave for a magnetic substance, which may be a contrast agent, or to create a physical action or physical property between waves. Including the case of controlling the strength and propagation direction of the wave by the stimulus).
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, there may be a wave source in the measurement target 1 (for example, the electrical activity of the brain or the heart becomes the current source, and the heart becomes the power source). Further, there are cases where the wave source can be controlled, cases where the wave source cannot be controlled, and the measurement target 1 is sometimes observed in situ, or the wave source itself is an imaging target or measurement target. Sometimes. Alternatively, originally, such a wave source may exist outside the measurement target 1, and may be treated in the same manner and become the measurement target. In some cases, the nonlinear device 111 or the acting device 112 may be appropriately provided between the wave source and the measurement target 1.
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 order to obtain a non-linear effect in the measurement target 1 or to positively enhance the non-linear effect in the measurement target 1 in at least a part of the measurement target 1, a contrast agent (non-linear enhancement) such as microbubbles is used. Agent 1a may be injected. As the contrast agent 1a, there is a case where an agent having an affinity for the target lesion, fluid, or the like in the measurement target 1 is used. As described above, a wave that is generated by a plurality of wave sources may arrive at the transducer that receives the wave.
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 drive signal from the imaging device body 120 and / or outputs a reception signal to the imaging device body 120 by wire or wirelessly. In the case of wireless, a wireless receiver and / or a wireless transmitter are provided in the transducer 110, and a wireless transmitter and a wireless receiver are also provided in the imaging device main 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 adjusting unit 123, a non-linear element 124, a filter / gain adjusting unit 125, a detector 126, and an AD (Analogue-Analog- A to-digital converter 127 and a storage device 128 may be included. Further, in Part B, the imaging apparatus main body 120 includes a reception beam former 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 be included. The control unit 133 controls each unit of the imaging device main 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30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。 When a plurality of transducers 110 are used, part A having the same number of channels as the number of transducers 110 may be provided. The case where those transducers 110 form an array will be described later. As shown in FIG. 30, when the multi-channel part A is provided, the reception signal output from the storage device 128 of the multi-channel part A may be supplied to the reception beamformer 129 of the part B. . Alternatively, each part B may be connected in series to each part A and processed independently, and in that case, the received signal output from the storage device 128 of the part A of each channel is the same for each channel. To the receive beamformer 129 of Part B of FIG. It should be noted that the plurality of transducers 110 may be related to different different types of waves, in which case the nonlinear effects of different types of waves may be observed at the same time, and not the nonlinear effects of the same wave. May observe nonlinear effects between different types 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, the transmitter 121 to the detector 126 may be configured by analog circuits, or at least part of them may be configured by digital circuits. Further, in Part B, the reception beam former 129 to the control unit 133 may be configured by a digital circuit, or a central processing unit (CPU) and software for causing the CPU to perform various processes are recorded. It may be configured with a recording medium. A hard disk, flexible disk, MO, MT, CD-ROM, DVD-ROM, or the like can be used as the recording medium. Note that at least a part of the reception beam former 129 to the control unit 133 may be configured by an analog circuit.
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 the trigger signal supplied from the control unit 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, a 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 may be fixed 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 causes the transducer 110 to generate an arbitrary wave by applying the generated drive signal to the transducer 110. For example, the transmitter 121 includes a drive signal amplifier (which can also serve as apodization) in order to adjust the intensity of the transmitted wave and the intensity of the generated harmonic wave, and the delay time set by the control unit 133 is set. An element may be further included. A drive signal including harmonics may be generated and used. Various waves are generated and used, such as a chirp wave, when apodization or forced vibration is performed instead of resonance. When the drive signals generated by the transmitters 121 of a plurality of channels are applied to the plurality of transducers 110, focusing and steering of the transmission beam and transmission of a plane wave can be performed by setting the delay time by the control unit 133. (A plane wave is a narrow band wave in the direction orthogonal to the propagating direction, and it is effective when the band is widened).
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。 Further, the transmitter 121 may further include a non-linear element (an analog device such as a transistor, a diode or a non-linear circuit, or a digital device such as a non-linear calculator) in which the non-linear effect is similarly set. A frequency, a carrier frequency, a bandwidth, an apodization, a delay, and a non-linear effect that are prepared in advance may be set, but the operator may control them via the control unit 133, and In some cases, the computing unit 130 adaptively determines and controls them according to the observation situation.
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 frequency and carrier frequency, bandwidth, apodization, delay element, and non-linear element of the transmitter of each channel are controlled, but set to those patterns prepared in advance. In some cases, the operator may control those patterns via the control unit 133, and in the arithmetic unit 130, those patterns may be adaptively determined and set according to the observation situation. is there.
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 includes, for example, an amplifier that amplifies a received signal or an attenuator (which may also function as an apodization or a filter) that attenuates the received signal, and may further include a delay element whose delay time is set by the control unit 133. Further, the receiver 122 may further include a non-linear element that produces a non-linear effect (an analog device such as a transistor, a diode, or a non-linear circuit, or a digital device such as a non-linear calculator). They may be configured similar to those of transmitter 121, including when receiving waves by multiple transducers 110. The receiver 122 amplifies the reception signal generated by the transducer 110 that has received the arbitrary wave, and outputs the amplified reception signal to the filter / gain adjustment unit 123 and the 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 adjusting unit 123 includes a filter that limits the frequency band of the received signal, or an amplifier or an attenuator that adjusts the gain of the received signal. The filter / gain adjusting unit 123 adjusts the frequency band or gain of the received signal and outputs the received signal to the non-linear 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 non-linear element 124 includes, for example, an analog device such as a transistor, a diode, or a non-linear circuit, and subjects the received signal to analog non-linear processing. This non-linear processing may be a power operation on at least one frequency component signal included in the received signal, or a multiplication operation on 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 adjustment unit 125 includes a filter that limits the frequency band of the reception signal, or an amplifier or an attenuator that adjusts the gain of the reception signal. The filter / gain adjusting unit 125 adjusts the frequency band or gain of the received signal and outputs the received signal to the detector 126 and the 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 adjusting units 123 and 125 and the non-linear element 124 may be set to those prepared in advance by the control unit 133, but the operator controls them via the control unit 133. In some cases, the calculation unit 130 may adaptively determine and control them according to the observation situation. When a plurality of transducers 110 are driven, they are independently controlled in each channel, but in some cases they may be set in a prepared pattern or the operator may control those patterns via the control unit 133. May be controlled, and the calculation unit 130 may adaptively determine and set those patterns in accordance with 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。 The detector 126 generates an analog image signal by performing envelope detection processing, square detection processing, or the like on the reception signal when reception beamforming is not performed, for example. Further, displacement measurement may be performed through quadrature detection. The analog display device 135 displays the 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。 The AD converter 127 selects the reception signal output from the filter / gain adjustment unit 125 when analog non-linear processing is performed on the reception signal, and the receiver 122 when the analog non-linear processing is not performed on the reception signal. Select the received signal output from. The AD converter 127 converts an analog reception signal into a digital reception signal by digitally sampling the analog reception signal. The digital reception signal obtained by the AD converter 127 is output to the storage device 128. The storage device 128 is composed of, for example, a memory such as a RAM 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 reception signal stored in the storage device 128 is supplied to the reception beamformer 129. While the signal is being processed by the reception beam former 129, the signal being processed may be temporarily stored in the storage device 128 or the external storage device 140, and those signals are read out as needed. When a single or a plurality of transducers 110 are used, the reception beamformer 129 may perform separation of harmonics by a pulse inversion method, a polynomial fitting method, or the like (the same processing is performed in the arithmetic unit 130. Sometimes it will be).
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。 Further, when a plurality of transducers 110 are used, the reception beamformer 129 performs a reception beamforming process on the reception signals supplied from the storage devices 128 of a plurality of channels. 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 to perform phasing processing, and then adds or multiplies the reception signals to combine the reception signals, To generate a new received signal.
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, when the receiver 122 includes a delay element, the receivers 122 of a plurality of channels may delay each reception signal according to the delay time set by the control unit 133. The reception beamformer 129 synthesizes the reception signals by performing addition or multiplication operations on the reception signals of a plurality of channels. The reception beamformer 129 may perform apodization during reception beamforming.
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29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 apparatus main body 120 to obtain the spectrum of the received signal, filtering or beam or wave characteristics (frequency, carrier frequency, bandwidth) based on spectrum processing. , Frequency in any direction, carrier frequency, bandwidth in any direction, waveform, beam shape, steering direction, propagation direction, etc.) may be adjusted. By performing spectral frequency division (see Non-Patent Document 29), a plurality of received signals (corresponding to a plurality of different pseudo beamformings) can be obtained from a single received signal, and further non-linear processing can be performed on them. is there. These processes may be performed on the signal that has been subjected to the non-linear process.
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 device, the plurality of wave signals (those that have undergone the non-linear effect or those that have not undergone the non-linear effect) generated using a single or a plurality of transducers are stored in the storage device 128 or the external storage device 140, In the reception beam former 129 or the arithmetic unit 130, the results are read and arithmetic operations of addition (superposition, linear processing) and multiplication (non-linear processing) are performed, which may be used for imaging and various measurements. In that case, the phasing process is appropriately performed.
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 calculation unit 130 mainly performs digital nonlinear processing on the digital reception signal output from the reception beamformer 129. This non-linear processing may be a power calculation for at least one frequency component signal included in the received signal, or a multiplication calculation for a plurality of frequency component signals included in the received signal. As described above, the arithmetic unit 130 may also serve as the reception beam former 129. Including that case, while the signal is being processed, the signal being processed may be temporarily stored in the storage device 128 or the external storage device 140, and those signals are read 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 working device 112, and the receiver 122 to the arithmetic unit 130 perform nonlinear processing on an arbitrary wave propagating from within the measurement target 1 or a received signal obtained by receiving the arbitrary wave. It constitutes a non-linear reception processing unit. In the non-linear reception processing unit, at least one of the non-linear device 111, the non-linear element 124, and the calculation unit 130 converts an arbitrary wave propagating from the measurement target 1 or a received signal obtained by receiving the arbitrary wave. Non-linear processing is applied to it. In other cases, a non-linear effect 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 non-linear reception processing unit performs (i) non-linear processing on the arbitrary wave propagating from the inside of the measurement target 1 using the non-linear device 111 at an arbitrary position of the propagation path, and then receives it by the transducer 110. You may perform the process which produces | generates a received signal. The nonlinear reception processing unit (ii) receives an arbitrary wave propagating from the inside of the measurement target 1 by the transducer 110 to generate an analog reception signal, and converts the analog reception signal into an analog non-linear signal, for example. A process for performing analog non-linear processing may be performed using the element 124. Further, the nonlinear reception processing unit is obtained by (iii) receiving an analog received signal by the transducer 110 for an arbitrary wave propagating from the inside of the measurement target 1 and digitally sampling the analog received signal. The digital received signal may be subjected to digital non-linear processing using, for example, the digital arithmetic unit 130. In other cases, a non-linear effect 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 generation unit 131 and the measurement unit 132 select the reception signal output from the calculation unit 130 when performing the digital nonlinear processing on the reception signal, and receive when the reception signal is not subjected to the digital nonlinear processing. The received signal output from the beam former 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 generation unit 131 generates an image signal representing the image of the measurement target 1 based on the reception signal obtained by the nonlinear reception processing unit. Alternatively, the image signal generation unit 131 may generate an image signal based on the received signal obtained by the non-linear processing and the received signal not subjected to the non-linear processing. Further, the image signal generation unit 131 may generate an image signal representing the image of the measurement target 1 by selectively using the received signal obtained when the non-linear processing is not performed. For example, the image signal generation unit 131 generates an image signal by performing envelope detection processing, square 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 generation unit 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 the displacement or the like in the measurement target 1 using at least one of the plurality of signals obtained by the non-linear processing. For example, when observing the propagation of a mechanical or electromagnetic wave, the measurement unit 132 measures the particle displacement or particle velocity caused by any 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 may be separated in advance, or measurement may be performed through a process of separating the waves by 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, when observing thermodynamic wave propagation, the measuring unit 132 uses an infrared sensor, a pyroelectric sensor, a microwave or terahertz wave detector, a temperature sensor such as an optical fiber, or an ultrasonic transducer (ultrasonic transducer) when observing thermodynamic wave propagation. Temperature changes are detected using the temperature dependence of sound velocity and volume changes of sound waves), or heat waves are measured using a nuclear magnetic resonance signal detector (temperature is detected using the chemical shift of nuclear magnetic resonance) You may. In that case, the image signal generation unit 131 generates an image signal representing thermodynamic wave propagation based on the heat wave measured by the measurement unit 132. The image signal generated by the image signal generation unit 131 and the measurement data obtained by the measurement unit 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 non-linear reception processing unit obtains the result of the exponentiation operation by the non-linear processing with respect to the arbitrary wave propagating from the measurement target 1, or the non-linear processing is the exponentiation operation, so As a result of the chord, the difference tone, and the overtone, a reception signal whose frequency is higher or lower than that of the reception signal obtained when the non-linear processing is not performed may be obtained. Further, the non-linear processing may be a multiplication operation. The non-linear processing may be high-order non-linear processing, and the effect thereof may mainly result in a power operation or a multiplication operation.
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, the received signal has a wider band than the received signal obtained when the non-linear processing is not performed when the arbitrary wave has a plurality of different frequency components. Alternatively, the higher-frequency received signal becomes a higher-frequency, higher spatial resolution, lower sidelobe, or higher-contrast harmonic signal than the received signal obtained when non-linear processing is not performed. . Alternatively, the low-frequency received signal becomes a signal in a band including direct current obtained by substantially orthogonally detecting a harmonic signal. The image signal generation unit 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by the non-linear 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 the inside of the measurement target 1 may be transmitted in the measurement target 1 in a propagation direction, a steering angle, a frequency, a carrier frequency, a pulse shape, a beam shape, a frequency or a carrier frequency in any direction, Alternatively, when at least one of the bandwidths is different, the non-linear reception processing unit performs at least one of the processes (i) to (iii) on a plurality of arbitrary waves that overlap and arrive. Is also good. The image signal generation unit 131 generates an image signal based on the reception signal obtained by the nonlinear reception processing unit.
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, the non-linear reception processing unit passes the plurality of arbitrary waves to at least one of the analog delay device and the analog storage device as the acting device 112 before the reception of the plurality of arbitrary waves, so that a plurality of arbitrary waves are transmitted. The waves may be overlapped at each position in the measurement target 1. 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 non-linear reception processing unit obtains the result of the power operation by the non-linear processing with respect to the superposition of a plurality of arbitrary waves propagating from the measurement target 1, or the non-linear processing is the power operation, Based on a plurality of arbitrary waves, as a result of chords, difference tones, and overtones, a reception signal whose frequency is higher or lower than that of the reception signal obtained when the non-linear processing is not performed may be obtained. This also provides the same effect as above. The image signal generation unit 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by the nonlinear reception processing unit.
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 the inside of the measurement target 1 are propagated within the measurement target 1 in a propagation direction, a steering angle, a frequency, a carrier frequency, a pulse shape, a beam shape, and a frequency or a carrier in any direction. In the case where at least one of the frequencies or the 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 overlap and arrive. The received signal may be separated into a plurality of signals at any time after reception of the plurality of arbitrary waves by using an analog or digital device or based on analog or digital signal processing. The image signal generation unit 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 processing unit. In the non-linear operation, the multiplication effect is obtained. Further, after the analog or digital aberration correction is performed, these signals may be added again to obtain the 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 the inside of the measurement target 1 are propagated within the measurement target 1 in a propagation direction, a steering angle, a frequency, a carrier frequency, a pulse shape, a beam shape, and a frequency or a carrier in any direction. Non-overlapping incoming waves, non-overlapping waves that have been blocked using the working device 112, and devices (analog or digital), if at least one of the frequencies or bandwidths is different. 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 by using analog or digital signal processing. .. The image signal generation unit 131 generates an image signal based on the reception signal obtained by the nonlinear reception processing unit.
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, the non-linear reception processing unit passes the plurality of arbitrary waves to at least one of the analog delay device and the analog storage device as the acting device 112 before the reception of the plurality of arbitrary waves, so that a plurality of arbitrary waves are transmitted. The waves may be overlapped at each position in the measurement target 1. 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 allows the analog reception signal to pass through at least one of the analog delay device and the analog storage device, or delays the digital reception signal by a digital operation, or a digital reception signal. May be passed through a digital storage device so that a plurality of arbitrary waves overlap each other at each position in the measurement target 1.
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 non-linear reception processing unit obtains the result of the power operation by the non-linear processing for each of the plurality of arbitrary waves propagating from the inside of the measurement object 1, or the non-linear processing is the power operation, As a result of the chord, the difference tone, and the overtone, the received signal whose frequency is higher or lower than that obtained when the non-linear processing is not performed may be obtained based on each of the arbitrary waves . This also provides the same effect as above. The image signal generation unit 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by the nonlinear reception processing unit.
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 non-linear reception processing unit obtains the result of the multiplication operation by the non-linear processing for each of the plurality of arbitrary waves propagating from the measurement target 1, or the non-linear processing is the multiplication operation, and thus the plurality of arbitrary waves are calculated. Based on the wave, as a result of the chord and difference tones, or overtones, it is possible to obtain a reception signal whose frequency is higher or lower than that of the reception signal obtained when non-linear processing is not performed.
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, the received signal has a wider band than the received signal obtained when the non-linear processing is not performed when the plurality of arbitrary waves have a plurality of different frequency components. Alternatively, the high-frequency or low-frequency received signal has higher spatial resolution, lower side lobes, or higher contrast than the received signal obtained when non-linear processing is not performed, and at least an arbitrary 1 A signal having a band including direct current by being substantially quadrature-detected in one direction and a harmonic frequency in at least another direction. The image signal generation unit 131 generates an image signal based on at least one signal obtained by the non-linear 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 an arbitrary detection process on at least one of the plurality of signals obtained by the non-linear processing, or performs an arbitrary detection process on a combination of the plurality of signals, Alternatively, an image signal may be generated by subjecting a plurality of signals to arbitrary detection processing and then superimposing 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31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31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 present invention will be described. FIG. 31 is a block diagram showing a configuration example of an imaging device according to the fourth embodiment of the present invention and its modification. 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 a wave, or receives a wave by them to perform imaging (see FIG. 31). Indicates a transducer array), and as the constituent element, one having the same performance as the constituent element in the third embodiment can be used.
図31(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30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. 31A, a plurality of transducers 110 or transducer arrays are used as in the imaging apparatus according to the third embodiment shown in FIG. The transducer 110 or element is connected to a plurality of transmitters 121 or receivers 122, respectively. However, in the imaging device 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30)は不要となる。 The addition processing unit adds (linear processing ), Or the multiplication processing unit performs analog processing of multiplication (non-linear processing, Hall effect element or the like is used). As a result, the reception beamforming is performed, so that the reception beamformer 129 (FIG. 30) in Part B is unnecessary.
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31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。 Then, the digital received signal obtained through the AD converter 127 is stored in the storage device 128. The part B of the imaging device main body 120a has the same structure as the third embodiment by controlling the respective parts by the control unit 133 so as to obtain all the nonlinear effects that can be realized by the third embodiment based on the received signal. Similarly, imaging and measurement imaging are performed. Note that, in FIG. 31, wiring from the control unit 133 to the receiver 122 and the like is omitted.
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。 Also in the fourth embodiment, similarly to the transmitter and the receiver in the third embodiment, a delay can be given to the drive signal or the reception signal of each transducer, and the focusing or steering of transmission or reception or the like can be performed. It is also possible to perform processing. In the fourth embodiment, one AD converter 127 and one storage device 128 are provided as compared with the third embodiment in which the same number of AD converters 127 and storage devices 128 as the number of channels are required. Since it is sufficient to provide the device, the device can be simplified.
一方、図31(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31(b)に示すイメージング装置は、図31(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. 31B, in the part A ″ of the imaging apparatus main body 120b, the transmission delay element 121a and the reception delay element 122a have the transmitter 121 and the reception delay element 122a. It is provided outside the container 122. The imaging apparatus shown in FIG. 31 (b) is different from the imaging apparatus shown in FIG. 31 (a) in that it is added to an analog reception signal that is phased or unphased in the reception delay element 122a. The processing unit performs analog processing of addition (linear processing), or the multiplication processing unit performs analog processing of multiplication (nonlinear processing), and then the signal is received by the receiver 122. Therefore, since one transmitter 121 and one receiver 122 may be provided, the device can be significantly simplified and the same non-linear effect as in the third embodiment can be obtained.
図30に示す第3の実施形態に係るイメージング装置、図31(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31(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。 An imaging apparatus according to the third embodiment shown in FIG. 30, an imaging apparatus according to the fourth embodiment shown in FIG. 31 (a), and an imaging according to a modification of the fourth embodiment shown in FIG. 31 (b). The device or other types of imaging devices and their components may also be used simultaneously. For example, it is possible to display each of coherent or incoherent image signals and measurement results obtained using a plurality of types of devices, display them side by side at the same time, superimpose them or multiply them. You can also display things. Basically, it is possible to target signals obtained from reception signals at the same time or the same time phase. Even in the same imaging apparatus, the same process may be performed when a plurality of image signals and measurement results are obtained using signals received at the same time or the same time phase. The target signal is an analog or digital signal after phasing, and its addition and multiplication are performed by analog processing (using a Hall effect element or the like) or digital processing (using a computer or a computing unit). .
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 an analog computing unit, a digital computing unit, a computer of various devices, or a device similar thereto (FPGA, DSP, etc.) to perform nonlinear computation on a signal. It is based on applying. As will be described in detail later, the non-linear operation mainly focuses on obtaining the effects of power and multiplication, but the operation itself is not limited to this and may be a high-order calculation having other non-linear characteristics. These effects can be extracted or separated through polynomial fitting, spectrum analysis, pulse inversion method, numerical calculation, signal processing, or the like. Non-linear operation may be performed not only on the signal but also on the wave, and the wave is extracted using a device (time or space, or a filter or spectroscope of those frequencies) before reception. It can also 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 transducer 110 for arbitrary waves, the transmitter 121, and the receiver 122, and also includes the nonlinear device 111, the nonlinear element 124, or the arithmetic unit 130. According to the above, a data storage device (memory, hard disk, photograph, CD-RW, or other recording medium), a display device, and the like are provided. The general-purpose devices may be assembled and configured, or the non-linear device 111, the non-linear element 124, the arithmetic unit 130, or the existing device not equipped with the non-linear device may be subjected to the non-linear processing of the present invention. Non-linear processing can also be performed by adding a device to perform.
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。 A pulse wave, a burst wave, a coded wave such as phase modulation, or the like is used as a wave transmitted from the transmitter 121 or the transducer 110 which is a wave source, and imaging or measurement with spatial resolution is possible. is there. However, when measurement is possible without requiring spatial resolution, this is not a limitation 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 generated wave is determined by the conversion characteristic of the electric signal (driving signal) into the wave in the transducer 110, and an appropriately designed device and driving signal 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, optical oscillators, etc.) are used, and in the case of sound waves, electrical sources are used as sound sources. An acoustic transducer or vibrator is used. An actuator-based vibration source is used for vibration waves, and a heat source or the like is used for heat waves. As described above, in the present embodiment, the transducer 110 that generates various kinds of 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 transducer 110 used includes a typical transducer in targeting the above-mentioned various waves, and it is also possible to positively use a transducer which is not normally used because it has a non-linear characteristic. Normally, in an ultrasonic element, when a high pressure is applied, an ultrasonic wave containing harmonics is generated by a nonlinear phenomenon, but the pulse inversion method is used to perform harmonic imaging to extract the nonlinear component generated in the medium. In some cases, only the signal in the fundamental wave band is used after filtering out harmonic components.
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, a nonlinear wave may be positively generated and used. That is, when a nonlinear characteristic appears during transmission, the transmitted wave is in a state of containing harmonics, but this may be effectively applied in the present invention. On the other hand, a wave that does not include a non-linear component is generated to search for a non-linear phenomenon in the measurement target.
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)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。 In addition, in a wave having a non-linear component, a non-linear phenomenon may occur in harmonics. When the transmitted wave originally contains harmonics or when there are multiple intersecting waves (frequency or carrier frequency, pulse shape, beam shape, or frequency or carrier frequency seen in each direction, or bandwidth) May be different, that is, the wave parameters other than the propagation direction and the steering angle are different). The present invention may be carried out after separation by processing or by digital processing such as those or signal processing, or the present invention may be carried out without separation. Also, in the propagation process, a shield such as an obstacle, a filter device, or a spectroscope (of time or space, or those frequencies) is given a physical stimulus to change the refractive index of the medium (optical Each of them may be received in a state where the wave is separated in advance by using a switch or the like. When the source of each wave can be controlled, each wave may be generated independently and each wave may 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。 Further, after the wave is generated in the transducer 110 and before the wave propagates to the measurement object, a device that directly causes a nonlinear phenomenon with respect to the wave is used to measure the wave including the nonlinear component. May be propagated to. It is also possible to use a device that causes a non-linear phenomenon after or during propagation in the measurement object. The multiplication effect may be obtained by combining waves or signals, or by mixing them.
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, regarding light, (i) a non-linear optical element (for example, an optical harmonic generation device used for wavelength conversion of laser light into a short wavelength region, etc.), (ii) a light mixing device, (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) Can be used, (v) a device that causes a nonlinear refractive index change, and (vi) a device that causes an electric field-dependent refractive index change. Couplers and optical fibers can also be used effectively. Multi-point observation (multi-channel) is also possible, and it is 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 is relevant to a wide range of fields such as optoelectronics, nonlinear optical effects, or laser engineering for the generation, control, or measurement of light. The commonly used optical device can be used as the working device 112 or the non-linear device 111, and a specially realized optical device may be used. These include optical amplifiers (photon multi-tubes, etc.), absorbers (attenuators), reflectors, mirrors, scatterers, collimators, (focus variable) lenses, deflectors, polarizers, polarization filters, ND filters, deflected beams. Splitter (separation), shield, optical waveguide (using photonic crystal, etc.), optical fiber, optical Kerr effect device, nonlinear optical fiber, optical mixing optical fiber, optical fiber for modulation, optical confinement device, optical memory, coupler (coupler) , Directional coupler, distributor, mixing distributor, spectroscope, dispersion-shifted optical fiber, bandpass filter, phase conjugator (such as degenerate four-wave mixing and photorefractive effect), optical control switch of ferroelectric semiconductor, phase The delay device, the phase correction device, the time reversal device, the optical switch, the encoding by the optical mask, etc. may be used alone or in combination. Also, this is not the case. Under optical control (wavelength conversion / switching / routing), optical node technology, optical cross connect (OXC), optical add / drop multiplexer (OADM), optical multiplexer / demultiplexer, or optical switch element is used, and the device itself May constitute 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。 CCD cameras, photodiodes, mixed photodiodes, or virtual sources (also as wave sources) described herein can be used for detection. Optical signal processing includes time and space filters, correlation calculation and matched filter processing, signal extraction, heterodyne and super-heterodyne (low frequency signals can be AD and demodulated), and homodyne. In some cases, vessels are 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。 Further, in particular, regarding non-linear media, there are various kinds such as carbon disulfide, sodium vapor, semiconductors such as silicon and gallium arsenide, quantum wells, and organic dyes such as fluorescein and erythrosine. Also, for crystals of barium titanate or the like, there is also a self-pump that performs four-wave mixing without supplying a pump wave 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。 Although various general-purpose devices can be used for visible light, infrared light, microwaves, terahertz waves, and other waves such as radiation, a dedicated device may be realized and used. Not only SAW, but also devices that have a relationship between a vibration system and an electromagnetic system are useful. Also, non-linear devices can be used. There are various materials that exhibit non-linearity in heat conduction, such as alumina and zirconia synthesis, solder, and layered cobalt oxide. Heat may act on optical devices and produce non-linearity, which makes it possible to broadly consider their applications.
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。 Although the transducer 110 is of a contact type or a non-contact type with respect to the measurement target, an impedance matching device for each wave may be necessary as an action device. A matching device may be used between the devices in the measurement space, although this is true between the devices in the apparatus and in the electric circuit. For example, gel or water is used as a matching material when observing living tissue by ultrasonic waves. In an ultrasonic microscope, the sample is usually observed on a pedestal in many cases, but an array type or mechanical scan type (an element or element array mechanically moves through a matching material such as water in a housing). In some cases, it can be easily installed on the sample (the direction can be freely determined, etc.), or it can be used as a sample as a handy type. It may also be possible to directly observe in situ or in vivo without cutting out (in vitro). Many ultrasonic microscopes are of a fixed type whose focal position is determined by a lens or the like, which is a good method especially when such an element or element array is used. Therefore, the mechanical scan is not limited to the lateral direction or the elevation direction, and may be movable in the propagation direction. An antenna is used for the RF wave, and an electrolyte gel and an electrode, or a SQUID meter is used for observing each of the biological tissue potential and the magnetic field, depending on the size of the measurement target. , A miniaturized one may be used (such as a microscope). A weak signal may not have non-linearity, and in such a case, non-linearity may be pseudo-generated or virtually generated. When the non-linear signal is weak and cannot be observed, the non-linearity is also enhanced.
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。 The non-linear device may be integrated with the transmitter 121 or the transducer 110, or the non-linear device may be separately assembled and used. As described above, the nonlinear device can perform the nonlinear operation on the wave itself by using the nonlinear device at an arbitrary position as well as on the signal after reception, including performing high frequency and wide band. it 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。 Further, the present invention may be applied to cases where the wave source cannot be controlled when passively observing the waves. The present invention may be applied by obtaining the signal source position and the direction of arrival, the intensity of the signal source, and the size and distribution of the signal source using various methods or devices. In some cases, the location or direction of arrival of the source is required. At that time, they may be obtained by separating the wave and signal, or the wave and signal may be separated after the signal and the source and direction of arrival of the wave are obtained, and both are requested at the same time. Sometimes. When the wave source and the direction of arrival are obtained, the accuracy of the received beamforming is improved. The signal is subjected to signal processing such as analog processing or digital processing, and for the wave motion, a filter or spectroscope of time or space or 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がある(反射信号を観測する場合)。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 containing 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 transducer different from the transducer used for transmission may be used for reception. In that case, when the transmitting transducer and the receiving transducer are in the vicinity position (when observing the reflected signal) or when the transmitting transducer and the receiving transducer are at different positions (for example, observing the transmitted wave or the 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。 The transducer 110 may have a single aperture, or a plurality of transducers 110 may be closely arranged in an array (one-dimensional array or two-dimensional array, three-dimensional array). In some cases, a sparse array or those installed at distant positions are used at the same time. There are various shapes of openings (circular, rectangular, flat, concave, convex, etc.), and their directivities are various. Some elements are integrated with openings in multiple directions, and some have multidirectional directivity at the same position. In addition to scalar measurement of electric potential, pressure, temperature, etc., there is also one that performs vector measurement of electromagnetic waves or electric field vectors. Some are polarized. Of course, even for the same wave, the material and structure of the element are diverse. Further, there are various arrangements using them, for example, there are some in which the openings are oriented in multiple directions.
図32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32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. 32 is a schematic diagram showing an arrangement example of a plurality of transducers. In FIG. 32, (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-dimensional array. . (A2) shows a plurality of transducers 110 densely arranged in a two-dimensional array, and (b2) shows a plurality of transducers 110 sparsely present 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 a three-dimensional array.
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 adjusted in an analog manner by using a lens or the like in the opening of the transducer, but may be adjusted by the above-mentioned drive signal. Further, the imaging apparatus according to the present embodiment includes a mechanical scanning device having a maximum of 6 degrees of freedom (3 degrees of translation and 3 degrees of rotation), and the mechanical scanning device has at least one transducer 110 or at least one transducer. By mechanically moving the array in at least one direction, scanning of the measurement target 1, adjustment of the focus position, and steering may be performed.
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 using a plurality of transducers 110, a transmitter 121 having the same number of channels as the number of transducers 110 is provided in order to generate the same number of drive signals as the number of transducers 110 to be driven. Alternatively, a delay element group is used to generate a plurality of drive signals from a limited number of generation signals, so that a desired beamforming (focusing at a desired position or steering in a desired direction) is performed. ) 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。 A conventional analog or digital beamformer can also be used. The above-mentioned beam forming (including the case of only reception) may be performed in parallel processing to improve the real-time property 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。 In addition, a plurality of transducers 110 may be driven at the same time to perform a plurality of beamformings simultaneously. Alternatively, including the case where the transmitter 121 is switched and used, beam forming may be performed multiple times using different transducers 110 at different times within a time period in which signals of the same phase are allowed to be received. Mechanical scanning may be performed on the same transducer, and beam forming may be performed 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, classical aperture plane synthesis may be performed, including the case of performing mechanical scanning, and ordinary delay addition (Delay-and-Summation) or delay multiplication (Delay) based on the present invention is performed. -and-Multiplication) is performed (both are monostatic type or multistatic type). At the time of transmission, a plane wave may be generated without focusing, and in that case, it is possible to observe a wide area at once in a short time. At that time, a plane wave may be steered. The wave may be received as a plane wave or may be dynamically focused (when steering during transmission, it is better to steer during reception). The plane wave is a narrow band wave in the direction orthogonal to the propagating direction, and it is effective when the band is widened.
図33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33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. 33 is a diagram for explaining the form of waves when a one-dimensional transducer array is used. In FIG. 33, (a) shows focusing of a wave, and at the time of transmission or reception, the wave beam narrowed down to the focus position determined by the setting of the delay time is formed. (B) shows the steering of the wave, and at the time of transmission or reception, the wave beam deflected in the direction determined by the setting of the delay time is formed. (C) shows the transmission or reception of the plane wave, and the plane wave is formed in the direction determined by the setting of the delay time. The plane wave is a narrow band wave in the direction orthogonal to the propagating direction, and it is effective when the band is widened.
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。 Before the reception by the transducer 110, the waves are passed through at least one of the analog delay device and the analog storage device so that the plurality of waves are overlapped at each position in the measurement target 1. is there. In addition, an 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 a digitally sampled digital signal obtained after reception is delayed by digital calculation, Alternatively, a plurality of waves may be overlapped at each position in the measurement target by passing through the digital storage device. So-called phase aberration correction may be performed as described above or in connection with the above-mentioned beamforming phasing. There are various devices. For example, in the case of 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 measurement target, a signal that is strongly affected by a nonlinear phenomenon as a result of propagating in the measurement target may be observed, but conversely, a nonlinear component may not be obtained. Generally, a nonlinear phenomenon is easily observed when the wave intensity is strong, and a nonlinear phenomenon is difficult to be observed when the wave intensity is weak. In any case, the present invention can be implemented. The received signal may be separated into independent signals by performing appropriate signal processing or the like 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。 In order to separate signals, analog devices of various waves (time or space, filters or spectroscopes of those frequencies, etc.) may be used, and analog processing or digital processing (based on signal processing) may be used. Processing for decoding the above coding, processing for obtaining the center of gravity of the spectrum through spectrum analysis, processing for obtaining the instantaneous frequency by obtaining the analysis signal, MIMO, SIMO, MUSIC, or independent signal separation processing) .. In the passive case, various methods or devices may be used to obtain and process the signal source position and direction of arrival, the signal source intensity, the signal source size and distribution, and the present invention has been implemented. The signal source position and direction of arrival may be required later. At the same time as beamforming, the signal source position and direction, the signal source intensity, and the signal source size and distribution may be required. As will be described in detail later, in some cases, non-linear processing is performed to accurately separate signals in the situation represented by harmonics or the like. Specifically, in the frequency domain, after performing high frequency and wide band (when the order is greater than 1) or low frequency and narrow band (when the order is less than 1) processing by exponentiation , It may be performed with high accuracy. Restoration of the signal after separation may be performed by using the reciprocal power of the power order used.
図34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34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。 FIG. 34 is a diagram showing the angle of the beam direction and the arrival direction of the wave 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. 34, (a) shows the beam direction angles θ1 and θ2 of the beam 1 and the beam 2 at the point of interest (x, y) in the spatial domain. Further, (b) shows the center of gravity of the spectra of the beam 1 and the beam 2 and the instantaneous frequency (fx, fy) of the beam 1 in the frequency domain.
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, the beam forming is performed in an analog manner with respect to the wave, or when using a plurality of transducers 110, the beam forming (focusing or steering) is performed. As described above, the signal may be separated and then beamformed, but the signal may be separated after the 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。 Further, in the case of performing aperture plane synthesis processing, it is possible to generate focusing signals at different positions and steering signals in different directions from the same received signal set (Delay-and-Summation, or Delay based on the present invention). -and-Multiplication). The invention may also be implemented on those generated signals. The transmitter 121 and the receiver 122 may be integrated or may be 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。 There are various nonlinear elements 124, and a diode or a transistor can be used for an electrical analog signal after being received by the transducer 110. In addition, any non-linear element that applies a non-linear phenomenon to a signal by a circuit can be used, including one applying a superconducting phenomenon. Further, it is also possible to use a nonlinear element of a distributed constant system. An appropriate one is used according to the frequency of the wave (signal). The gain of the wave or signal may be appropriately 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。 The non-linear operation may be performed using a non-linear device that directly causes the non-linear phenomenon to the wave before it is received at the transducer 110. For example, regarding light, the above-mentioned (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 can be used. Non-linear devices can be used for other waves as well. The non-linear devices may be integrated with the transducer 110, or the non-linear devices may be separately assembled and used. In addition, the non-linear phenomenon itself at the time of converting a wave into an electric signal in the transducer 110 used at the time of 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, the wave itself may be subjected to an analog operation (non-linear processing) or the signal after reception may be subjected to an analog operation. A signal may be subjected to a non-linear operation using a computer, a computer, or a similar device (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 the embodiment of the present invention, when referred to as an analog type, it means that the calculation is performed by analog processing as described above. For example, an analog signal subjected to a nonlinear effect is displayed on a cathode ray tube display or an oscilloscope (analog or analog It is displayed by a display device such as digital) and is recorded in a storage medium such as a photograph (analog or digital) or holography as necessary. Alternatively, it may be digitized through AD conversion, recorded in a memory, a hard disk, or a digital data storage medium such as a CD-RW, if necessary, 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, the term "digital type" includes a case where the analog signal is AD-converted after appropriate analog processing (gain adjustment or filtering) and the signal is stored in a memory or a hard disk as a recording medium. The data is stored in a data storage device (such as the above-mentioned photograph or digital recording medium) as needed, 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、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 include a non-linear phenomenon in the measurement target, and in that case, the effect can be enhanced by using the analog device or the digital device described above, but the non-linear component is included. For a non-received signal, it is possible to newly generate a non-linear effect, simulate the non-linear effect, or virtually realize it. In addition, the non-linear effect (harmonic component) generated in the measurement target and the non-linear component (harmonic component) generated in the signal source may be separated from the effect of the non-linear operation. Exceptionally, the above devices and signal processing may be used to separate the former two non-linear effects (non-linear components), including the case where no non-linear operation is 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 description of the imaging apparatus, the case where a transducer (transducer) for the wave to be observed is used has been described. For example, the propagation of the vibration wave is optically observed based on laser Doppler or optical image processing. The propagation of the shear wave, which becomes dominant as a low-frequency vibration wave in human tissues, can be observed using the Doppler effect of ultrasonic waves, which are also vibration waves.
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 sound waves and ultrasonic waves. The optical treatment generally treats electromagnetic waves and includes radiation such as X-rays. Audible sound waves may be observed using ultrasonic waves. The heat wave can also be observed by an infrared camera based on radiation, a change in sound velocity of microwaves, terahertz waves, and ultrasonic waves, a change in volume of an object, a chemical shift of nuclear magnetic resonance, or the use of an optical fiber. This is based on coherent signal processing or incoherent processing such as image processing. The cases in which the behavior of the wave of interest can be observed using other waves are not limited to those, and in any case, the measurement result is an analog signal or a digital signal. Therefore, the present invention can also be implemented for those observed waves (signals). In addition to the Doppler effect, the physical properties of the medium may be modulated by the wave of the observation target, and the wave used for sensing may be interpreted. In these, the process of detecting the wave that has undergone the Doppler effect or modulation is useful. In particular, electromagnetic waves can be applied to polarized waves to easily observe waves propagating in various directions, and also to easily grasp structures having various directions. On the other hand, sound waves are also based on divergence, which enables various measurements as described in the present specification. Radiation measurement is also important. In addition to temperature distribution measurement, various remote sensing is performed using microwaves. For example, distribution of raindrops, water, atmospheric pressure, etc. is measured by measuring scattering and attenuation. Even in such a case, it is effective to obtain a high spatial resolution by various processes such as beam forming described in the present specification, and in particular, an effect that a desired position can be observed at high speed is obtained. The effect of observing any surface, region, and space directly and at high speed can be obtained without depending on the image processing after the image is generated.
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。 Further, in the above description of the imaging device, the non-linear operation device for electromagnetic waves, vibrations including sound, heat waves, or signals corresponding thereto has been described, but it is possible to enhance the non-linear effect between different types of physical energy. , To simulate non-linear effects, or to virtually realize non-linear effects (that is, to produce non-linear effects except when physically, chemically, or biologically) (Including the case), in which case the signals received at different times can be received by simultaneously using the devices related to the different types of waves used, or if they are simultaneous phases. The invention can also be implemented as a basis. That is, the present invention can handle a case where a plurality of types of waves are simultaneously generated and a case where one type of waves is independently generated.
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。 Further, in vibrations and heat waves including electromagnetic waves and sounds, if the frequency is different, the dominant behavior is different depending on each measurement object (medium), and the name is different (it may be considered that the types are different). For example, regarding electromagnetic waves, radiation such as microwaves, terahertz waves, and X-rays exists, and regarding vibration, when human soft tissue is targeted, shear waves do not propagate as waves in the megaHz band due to the effect of attenuation. The ultrasonic waves are dominant, but at low frequencies such as 100 Hz, the incompressibility is strong, and the shear wave is 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 also enhance the non-linear effect between waves having such different behaviors, simulate the non-linear effect, or virtually realize it. In that case, the present invention can also be implemented based on signals received at different times in the case of simultaneous phases by simultaneously using a plurality of types of wave devices. Of course, phenomena such as attenuation, scattering, or reflection of those waves have dispersion characteristics, and there is a limit that they must be properly used in consideration of the SN ratio of the received signal. However, the application range of the present invention is extremely wide, including that it is possible to physically generate a high frequency component or to generate a high frequency component that cannot be 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。 In addition, in the case of positively observing the non-linear effect in the measurement object and in the case of positively performing the non-linear processing according to the present invention, both can be switched and used, or both can be used simultaneously. Through computation, it may be possible to elucidate non-linear effects within the measurement object.
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26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24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29等を参照)。 Next, an embodiment in which the present invention is applied to an ultrasonic echo signal using the configuration of the above imaging device will be described. The generation of harmonics in the ultrasonic wave propagation process is represented by multiplication or exponentiation. In particular, chords and difference tones are represented by multiplication of waves having different propagation directions or frequencies (see Non-Patent Document 26), and harmonics are generally represented by powers of waves of the same frequency ( See Non-Patent Document 24). As a physical phenomenon, it tends to occur when the intensity of waves is high. Also, the wave distortion has the effect of increasing with propagation for high-intensity components, but during propagation it is more susceptible to attenuation than the fundamental wave. On the other hand, when the intensity is not so strong, only superposition (sum or difference) is strongly observed as the wave interference, and the lateral modulation method developed by the inventor of the present application is applied to this ( See Non-Patent Documents 13 and 29).
図35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35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. 35 is a diagram showing two deflected beams used in the lateral modulation method in a two-dimensional space. In FIG. 35, the horizontal axis represents the horizontal position y and the vertical axis represents the depth position x. Here, as a typical example, there are two cases, that is, beamforming in any one direction (direction of angle θ in the drawing) and lateral modulation with any one direction as an axis (X axis). For two cases, we confirm the effect of the non-linear operation after receiving beamforming. It can be confirmed that this calculation can be easily extended to the three-dimensional space and the same effect can be obtained in the three-dimensional space. In the following, “λ” is a wavelength corresponding to the center of gravity frequency of ultrasonic waves. Further, the distance x in the depth direction and the distance y in the lateral direction are ultrasonic waves propagated at time t / 2, where t is the time until the ultrasonic wave transmitted from the origin is reflected at a certain point and returns to the origin. It represents the distance.
<0>横方向変調:角度θ1及びθ2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> Lateral modulation: Superposition of two beams or waves (plane waves etc.) in the angles θ 1 and θ 2 (simultaneous transmission / reception or superposition of respective transmission / reception)
The superposition (addition, that is, sum) of two RF echo signals is represented by the following equation.
A (x, y) cos [2π (2 / λ) (xcos θ 1 + ysin θ 1 )]
+ A '(x, y) cos [2π (2 / λ) (xcosθ 2 + ysinθ 2)] ··· (5 0')
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29を参照)。
Here, assuming that reflection or scattering is equal and A (x, y) = A '(x, y), a coordinate composed of the X axis in the central direction of the propagation directions of the two waves and the Y axis orthogonal thereto. The superposition of two RF echo signals at (X, Y) is represented by the following equation.
A (x, y) cos {2π (2 / λ) cos [(1/2) (θ 2 −θ 1 )] X}
× cos {2π (2 / λ ) sin [(1/2) (θ 2 -θ 1)] Y} ··· (5 0)
In this way, lateral modulation is realized in the (X, Y) coordinate system. The two waves may have different frequencies. For example, in the following <2> and <3>, this is subjected to non-linear processing. In the case of lateral modulation in a three-dimensional space, there are two modulation directions, and therefore at least three intersecting beams need to be generated (see Non-Patent Documents 13 and 29).
<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 1 beam or 1 wave in θ direction The 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) A 2 (x, y) × {1 + cos [2π (2 ・ 2 / λ) (xcosθ + ysinθ)]} (51)
In this way, the second harmonic component is generated at the same time as the DC component, and the basebanded signal is also obtained (envelope signal is also directly obtained). The calculated squared echo signal has a wider bandwidth than the spectrum of the fundamental wave due to the effect of the product of different frequencies in the band, and has a short pulse length and beam width, resulting in high 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 understandable example, for example, when the RF echo signal at the position in the depth direction x has the frequencies f 1 and f 2 , the squared echo signal is expressed by the following equation by the square calculation.
e I (x; f 1 , f 2 ) 2 = e II (x; 0,2f 1 , 2f 2 , f 1 + f 2 , f 1 -f 2 )
Thus, the squared echo signal has direct current (frequency 0) and signal components of 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, those signals generated by the power calculation have a plurality of different frequency signal components as compared to the received wave when the wave calculation has a plurality of signal components of different frequencies, when the wave calculation has no nonlinear calculation. Is a band widened with respect to the direction having, the higher harmonics, higher spatial resolution, or lower side lobes, or higher than the waves received when non-linear calculation is not performed. A signal that has obtained at least one effect of increasing the contrast, and a signal generated in a band including direct current (basebanded signal) is a signal in which harmonics are substantially quadrature detected. 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。 When a higher-order exponentiation is calculated, a signal component having a high frequency n times that of the fundamental wave is obtained by the n-th power, and the spatial resolution is further increased. Strictly speaking, the basebanded signal is different from a signal obtained by quadrature detection of the second harmonic of the baseband signal (normal baseband signal), and the calculation result thereof includes pure DC, but the original signal is obtained regardless of the processing. A high-resolution image can be easily obtained compared to the echo image of. The DC component generated by the non-linear calculation is obtained from the intensities of high frequency, low frequency, harmonics, etc., which are simultaneously generated, and the DC component contained in the basebanded signal is basically excluded. Sometimes the calculation is simplified to remove all DC in the basebanded signal. By this processing, it may be possible to image a deeper portion as compared with the case where a direct current is included, without performing the brightness adjustment depending on the depth.
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 theorem of double angle or fractional angle, the harmonic signal and the low frequency signal are expressed in various forms (the four arithmetic operations of the sine wave and the cosine wave), and when necessary, the digital Hilbert transform (see Non-Patent Document 13 Can be calculated through Measured harmonics can also be used. These are obtained by calculating a nonlinear signal at each position with respect to a wave of arbitrary intensity.Unlike the nonlinear component that is physically accumulated in the propagation process and affected by attenuation, new harmonics or low It realizes frequency imaging.
<2>横方向変調エコー信号の冪乗計算
例えば、式(0)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> Calculation of Power of Lateral Modulation Echo Signal For example, the square of Expression (0) is expressed by the following Expression (52).
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) (θ 2 −θ 1 )] Y}] (52)
Thus, the direct current (the above-mentioned base banded signal), two signals of the second harmonic detected in one different direction, and the lateral modulation signal of the second harmonic are obtained. Similar to <1>, higher resolution is also performed. Basebanded signals and other high-order harmonic signals can 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 an easy-to-understand example, the cross echo signal at the position (x, y) is e 1 ((x, y); (f 0 , f 1 )), and e 2 ((x, y); (f 0 , f 2 )) and is symmetrical in the y direction, the squared signal of the superposition signal is represented by the following equation.
[e 1 ((x, y); (f 0 , f 1 )) + e 2 ((x, y); (f 0 , f 2 ))] 2
= E 1 ((x, y); (f 0 , f 1 )) 2 +2 e 1 ((x, y); (f 0 , f 1 )) e 2 ((x, y); (f 0 , 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 ), (0,2f 2 ))
+ e 2 '((x, y); (0,0), (2f 0 , 2f 2 ))
Thus, the squared signal of the superimposed signal has frequencies (0,0), (2f 0 , 2f 1 ), (2f 0 , 2f 2 ), (2f 0 , 0), (0,2f 1 ), ( It can be seen that it has a signal component of 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, those signals generated by the power calculation are harmonic signals of linearly superimposed signals (signals corresponding to intersecting waves) and basebanded signals (bandwidths including DC in at least one direction). Signal), and when the wave has a plurality of signal components of different frequencies, the band is broadened in the direction having a plurality of different frequency signal components as compared to the received wave when the non-linear operation is not performed. And the harmonic is at least one of higher frequency, higher spatial resolution, lower sidelobe, or higher contrast than the corresponding wave received when non-linear operation is not performed. A basebanded signal is a signal obtained by effecting, and a baseband signal is a signal obtained by quadrature detection or substantially quadrature detection of harmonics in each direction or a plurality of directions, and it is possible to image a wave based on at least one of those signals. it can. When the same process is applied when the intersecting waves or beams have different frequencies or when they are not symmetrical with respect to the coordinate axes, chords and difference tones can be obtained in a multidimensional space. Used for. They also work 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、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 requires the generation of at least three crossed beams, as described above, but in this case, the resulting basebanded signal is a quadrature detection of harmonics of each beam as well. In addition to the above-mentioned signals (near-current signals including direct current), signals obtained by quadrature detection in only one arbitrary direction or in two arbitrary directions can be obtained. That is, since the polarities of the frequencies in the symmetrical directions are opposite to the symmetrical axis, the sum thereof becomes zero. All waves and beams may be generated symmetrically with respect to the coordinate axes, but this is not the case. Also, the frequency 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、(0')式内の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> Multiplying Two Waves of Lateral Modulation Echo Signal For example, since two waves in the equation (0 ′) can be treated separately, the propagation direction is x If two directions are symmetrical with respect to the axis, θ 1 = −θ 2 , and the multiplication (product) of the two RF echo signals is represented by the following equation (53).
A (x, y) cos [2π (2 / λ) (xcos θ 1 + ysin θ 1 )]
× A '(x, y) cos [2π (2 / λ) (xcos θ 1 −ysin θ 1 )]
= A (x, y) A '(x, y) × {cos [2π (2 ・ 2 / λ) cos θ 1 x]
+ cos [2π (2 ・ 2 / λ) sin θ 1 y]} ・ ・ ・ ・ (53)
As a result, two signals of the second harmonic wave detected in different one directions are obtained. These are the signal components obtained also 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 an easy-to-understand example, the cross echo signal at the position (x, y) is e 1 ((x, y); (f 0 , f 1 )), and e 2 ((x, y); (f 0 , f 2 )) and is symmetrical in the y-direction, the multiplication of the signal is represented by
e 1 ((x, y); (f 0 , f 1 )) × e 2 ((x, y); (f 0 , f 2 ))
= E 12 '((x, y); (2f 0 , 0), (0,2f 1 ), (0,2f 2 ))
Thus, multiplication of signals, the frequency (2f 0, 0), ( 0,2f 1), it can be seen that it has a signal component of the (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 including direct current in at least one direction) for each of the linearly superimposed signals (the signals corresponding to the crossed waves), When a wave has a plurality of signal components of different frequencies, the band is broadened in the direction having the signal component of a plurality of different frequencies as compared with the wave received when the non-linear operation is not performed. The signal has at least one effect of higher frequency, higher spatial resolution, lower sidelobe, or higher contrast than the corresponding wave received when non-linear operation is not performed. It is a signal obtained by orthogonally detecting a harmonic signal in each direction or a plurality of directions, and the wave can be imaged based on at least one of the signals. When the same process is applied when the intersecting waves or beams have different frequencies or when they are not symmetrical with respect to the coordinate axes, chords and difference tones can be obtained in a multidimensional space. Used for. They also work 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、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, the lateral modulation needs to generate at least three crossed beams as described above, but in this case, the obtained basebanded signal is only one arbitrary direction or two arbitrary directions. A quadrature-detected signal is obtained. That is, since the polarities of the frequencies in the symmetrical directions are opposite to the symmetrical axis, the sum thereof becomes zero. All waves and beams may be generated symmetrically with respect to the coordinate axes, but this is not the case. Also, the frequency 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。 It should be noted that, in addition to the case where the propagation direction or steering angle of each beam or wave is different as in the above cross beam, other parameters are different, such as frequency, carrier frequency, pulse shape, beam shape, and frequency seen in each direction. The carrier frequency or bandwidth may be different. Further, unlike the case of generating two (or sometimes three) intersecting waves or beams in the two-dimensional case and the three-dimensional case in the lateral modulation, in each dimension , More waves or beams may be used. Particularly, when a plane wave, a cylindrical wave, or a spherical wave is transmitted, high-speed transmission / reception is possible, and even if a plurality of waves are used like these, it is faster than the beamforming in the case of normal imaging. In addition, even when using a focusing beam, it is possible to perform high-speed beam forming using the fast Fourier transform on the received signals that have been superimposed, so that it is possible to apply the same method, especially when multiple beams are transmitted simultaneously. It can be processed at high speed (as described above, interpolation approximation may be performed in wave number matching). It is also effective to send and receive multiple times with the same parameters and superimpose them to stabilize non-linear processing (additional averaging). Also, the same processing as above is possible for signals received when so-called pulse inversion transmission is performed, and harmonics obtained by superposition of received signals during pulse transmission with different polarities. It is possible to apply the same processing to the above, or to perform the same processing before performing the superposition. When these are superposed (that is, added), a harmonic having a frequency that is an even multiple of the frequency of the fundamental wave is obtained, but if subtraction is performed instead of addition, an odd multiple is obtained. It is also important to use these for imaging (the mere subtraction of the received signal of pulse inversion mainly obtains the third harmonic). When the superposition of harmonic signals is obtained using the present invention for a signal whose band is limited by the band of the transducer at the time of reception or by positively applying an analog or digital filter, filtering (analog or digital) ) Or by performing signal processing (analog or digital) with various superpositions and fundamental waves. Further, instead of pulse inversion, a signal having a phase difference other than 180 ° may be transmitted, but the present invention can also be applied to such a case. That is, even in a beam or wave in which at least one of the parameters is different, the same non-linear effect can be obtained and effectively used in a superposed state, a separated state, a non-superposed state, or the like. Sometimes. It can be understood that the wave or beam generated by not only the linear effect but also the nonlinear effect can be designed (parameter of wave or beam such as propagation direction) and controlled through theory or calculation.
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。 The harmonic signals, chords, difference tones, harmonics, etc. generated by these non-linear operations have the above-mentioned characteristics and improve the image quality of echo imaging. There is also no effect of attenuation that occurs in normal harmonic imaging. The present invention is also effective for interpreting a physically generated nonlinear signal that virtually generates a nonlinear component at each position. The present invention is also effective when it is weak and cannot be observed. Furthermore, in displacement measurement, higher frequency is welcomed, and it is expected that high-precision measurement will be possible because the rotation of the phase will be faster, but in the phantom experiment shown below, the spatial resolution becomes higher. , When the high spatial resolution was measured as it was, the noise tended to increase.
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29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、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) and the weighted least squares method and the averaging process through the above-described statistical evaluation are effective. For example, the two signals of the second harmonics detected in different one directions obtained in <2> and <3> should be used for displacement measurement in each direction by using a normal one-way displacement measurement method. You can In order to measure the displacement or displacement vector generated between different time phases, for the signal having the carrier frequency in only one arbitrary direction, the change in the instantaneous phase generated between the time phases at each of the points of interest is measured as the instantaneous frequency and the center of gravity frequency. , Or it can be divided by the nominal frequency or the like to measure the displacement in that direction, and further, the displacement vector can be synthesized based on the measurement in different directions. In the past, although it requires more calculation than the multidimensional autocorrelation method (see Non-Patent Document 13), in order to realize the displacement vector measurement using the normal one-way displacement measurement method, the digital signal of the laterally modulated echo signal is used. A demodulation method has been devised and reported (computing the product of the analytic signal and the conjugate product: see Non-Patent Document 29, etc.). According to the present invention, a laterally modulated echo signal can be demodulated with a small memory and calculation amount in each stage, and the obtained signal is a harmonic signal. When a plurality of same waves can be acquired in the same condition, noise can be averaged after the received raw signal or after the non-linear processing after the reception, or the received raw signal or It is effective to reduce it by performing non-linear processing after reception and then performing integration processing. Further, instead of power or multiplication, the square norm or inner product can be calculated, and in that case, the spatial resolution is determined by the signal length at the time of the calculation. These methods may be effective in imaging and the like other than displacement measurement.
尚、本願発明者が発明した非特許文献29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expj(fxdx+fydy)とexpj(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、expj(2fxdx)とexpj(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expj(fxdx+fydy+fzdz)、expj(fxdx+fydy−fzdz)、expj(fxdx−fydy+fzdz)、expj(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、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。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、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いも良い。広帯域化して処理をすると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、この点においても、有用である。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 29 invented by the inventor of the present application specifically derives the phase determined only by the displacement component in each direction to obtain the displacement component in each direction. As described below, for example, when measuring a two-dimensional displacement vector (dx, dy), a difference in instantaneous phase between two temporal phases at different points in the two-dimensional region of interest is generated by two intersecting beams or waves. It is expressed as the phase of the complex autocorrelation signals expj (fxdx + fydy) and expj (fxdx−fydy) by using two independent single quadrant spectrums. By calculating expj (2fxdx) and expj (2fydy) and dividing the instantaneous phase difference 2fxdx and 2fydy in each direction by the instantaneous frequencies 2fx and 2fy in each direction, the unknown displacement vector (dx, dy ). Further, in the case of measuring a three-dimensional displacement vector (dx, dy, dz), expj (fxdx + fydy + fzdz), expj (fxdx + fydy−fzdz), of complex autocorrelation signals obtained from four or at least three crossed beams or waves, It can be similarly easily obtained by using four or at least three of expj (fxdx-fydy + fzdz) and expj (fxdx-fydy-fzdz). This digital demodulation method or the non-linear calculation of <2> or <3> has a carrier frequency in each direction of the symmetry axis of any wave intersecting in any direction and the direction orthogonal thereto. Since it generates waves (waves detected in one direction or two directions), avoid waves where obstacles or shields related to those waves exist, and cross waves in that way behind them. This makes it possible to generate waves with a carrier frequency in the arbitrary direction that cannot be generated directly through obstacles or shields behind obstacles or shields, which is usually difficult. It is possible to perform imaging and displacement measurement of the rear of the. For example, when a wave having a carrier frequency in the depth direction and the lateral direction is generated through an obstacle or a shield, it is equivalent to realizing a situation in which the obstacle, the shield, etc. are watermarked from the front direction. Also, at that time, the movement of the target in an arbitrary direction can be measured. The present imaging and displacement measurement can be performed not only from the front direction of the obstacle or the shield, but also from any direction. In those cases, at least one mirror may be used to generate a reflected wave and observe the back of an obstacle or a shield. For example, a wave that is steered from the front direction of an obstacle or a shield may be generated, reflected by a mirror in the steered direction, and the wave may be crossed behind the obstacle or the shield. The wave source may exist in a direction other than the front direction. The steering angle and the carrier frequency can be used in various combinations, but considering that it is necessary to obtain the effect of the complex product or the complex conjugate, the method of solving the simultaneous equations is not restricted in terms of the combination and the amount of calculation is small.
In these digital demodulation methods or in the non-linear calculation of <2> or <3>, a frequency twice as large as the instantaneous frequency in each direction is generated. Therefore, the bandwidth is widened in advance based on the Nyquist theorem. It is necessary to perform beam forming in advance, interpolate the number of beams in space, or to widen the spectrum (data interpolation) in the frequency domain other than the signal spectrum by zero padding. These processes are also a kind of signal separation. Alternatively, in these digital demodulation methods or in the non-linear calculation of <2> or <3>, in a situation where the Nyquist theorem is satisfied for the signal before processing without widening the band in such a manner. , Each of them is also subjected to the same processing, and the difference in the instantaneous phase in each direction calculated in that case is 2fxdx, 2fydy, 2fzdz, while the instantaneous frequency fx, fy, fz in each direction is the original signal. , And multiply them by 2 to remove the difference in their instantaneous phases. There is an effect that a process for widening the band is not required, the amount of calculation is small, the speed is high, and the memory is small. Instead of double the instantaneous frequency described above, the sum of the instantaneous frequencies estimated in each wave or beam in each direction may be used. If the processing is performed in the wide band, the accuracy may be deteriorated, and the processing without the wide band is useful also in this respect. It may be subjected to regularization processing if necessary.
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29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、すなわち、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29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。 In the above, some examples in which the present invention is applied to ultrasonic imaging or ultrasonic measurement have been presented. When the band of the signal component calculated and generated according to the present invention overlaps the band of another signal, they 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 previously reported that the spectrum of the superposed state is treated or divided and processed ( See Non-Patent Document 29). In the present invention, as another method of accurately separating the waves, including the case where the spectra are superposed, in order to obtain the effect of separating them in the frequency space, the non-linear processing is performed on the superposed waves as a power. In a situation where a multiplication operation is performed and the bandwidth is widened to be expressed as a harmonic, it may be separated in the frequency space. On the contrary, a high frequency signal may be lowered in frequency, or a wide band signal may be narrowed in band for display or handling. Performs high frequency and wide band (when the order is greater than 1) or low frequency and narrow band (when the order is less than 1) processing by exponentiation, and then performs with high accuracy in the frequency domain. There are times when you are told. The propagation direction of the wave is the center of gravity of the generated spectrum of the harmonic (direction in the local area, that is, there is spatial resolution, or macroscopic low spatial resolution, or no), or the instantaneous frequency from the analysis signal ( It has a spatial resolution) and can be calculated. In addition, using the order of the exponentiation performed, other parameters of the wave, such as the frequency and bandwidth of the original wave, are back-calculated and can be restored in a separated state (the power order also used to restore the signal after separation). It is easy to multiply it by the reciprocal of. In such cases, the position and direction of arrival of the signal source, the intensity of the signal source, the size and distribution of the signal source can be measured with high accuracy. Further, in the case of generating a signal having a frequency higher than the original signal, it is necessary to widen the calculable bandwidth in advance before performing the calculation. Therefore, the zero padding of the spectrum is effective without the approximation (see Non-Patent Document 29), but the sampling interval may be shortened directly in the space-time based on the interpolation approximation.
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。 In recent years, it has become possible to simulate nonlinear propagation at low cost. Therefore, it is possible to generate the nonlinear signal by applying the nonlinear calculation of the present invention or such a simulation technique to the non-beamforming signal (plane wave or the like) or the echo signal for aperture plane synthesis. Further, based on these, it is also possible to analyze the measured nonlinear signal based on the inverse problem approach (inverse analysis) and apply it 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 ultrasonic waves, as tissue properties of a living body, sound velocity, bulk modulus, acoustic impedance, reflection, Rayleigh scattering, backscattering, multiple scattering, or attenuation is evaluated and applied to diagnosis. Sometimes. For other waves, related phenomena and inverse analysis of physical properties are effective (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 heating, it is necessary to clarify the heat receiving characteristics (for example, the characteristics of sound waves of high-intensity ultrasonic waves, the effect of contrast agents, etc.) and the characteristics of temperature rise of the target. In some cases, it is necessary to understand the situation in advance or in the field. However, in such cases, the calculation including the nonlinear calculation is effective. Further, in therapy, it is useful to evaluate and apply the effect based on the imaging of the nonlinear effect according to the present invention. Alternatively, echo imaging and tissue displacement measurement can be performed by using the present invention on a received signal that has been physically subjected to a nonlinear effect, separated basebanded signals, and a plurality of 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。 The present invention, in addition to ultrasonic waves, electromagnetic waves, light, radiation, mechanical vibration, sound waves other than ultrasonic waves, and non-linear operations such as multiplication and exponentiation for coherent signals of arbitrary waves such as heat waves. The present invention relates to an imaging device that increases the frequency, band, or contrast of a signal by applying the above method. According to the present invention, a harmonic signal can be enhanced, simulated, or newly generated. Further, the harmonic signal can be virtually realized.
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。 Further, it is possible to simultaneously obtain the baseband signal and the detection signal of the harmonic signal in an arbitrary direction with a smaller calculation amount as compared with the normal detection processing. As a result, for example, higher frequency and wider band, higher contrast, or side lobe suppression can be achieved, and nonlinear imaging with a high SN ratio becomes possible. In addition, the displacement vector can be easily measured with a small amount of calculation by using the normal displacement measurement method in one direction. From the viewpoint of generating chords, difference tones, harmonics, etc., high-frequency signals and low-frequency signals cannot be obtained, including cases where the wave or beam frequency or carrier frequency, steering direction, or propagation direction is different. Yes, these may be effectively used for imaging and measurement. Through theory or calculation, not only linear effects but also waves and beams generated by nonlinear effects (wave and beam parameters such as propagation direction) can be designed and controlled.
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, a signal (result display is an image) made incoherent by performing various kinds of detection (including simply taking absolute values of waveforms) on a coherent signal is used to detect motion. It is also well known that observations are made. 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 (increase the resolution). The above-mentioned high-resolution detection signal obtained by the present invention can also be used. The situation in which the data becomes dense due to the increase in bandwidth is suitable for such processing, and the accuracy of motion measurement is also improved. The above method can also be applied to a coherent signal, and broadening the band is effective for improving accuracy. That is, the present invention can be applied to arbitrary coherent signals 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。 In addition, according to the present invention, heating (heating, cooling, freezing, welding, repair, cancer in medical treatment of any object performed by using waves (laser, ultrasonic waves, focused intense ultrasonic waves, etc.) In heating of lesions, cryotherapy, or washing of arbitrary objects (glasses, etc.), enhancing their effects through non-linear phenomena, increasing resolution, and predicting their effects (eg, It is possible to improve the effect through the exponentiation effect at the time of heating using sound waves and the effect of multiplication as well as the addition when enhancing the effect using a cross beam.
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 non-linear effect of the tissue, and since it is a high frequency, its absorption effect as heat energy is strong, so it is easy to understand and predict the heat generation in the tissue. It is also possible to do so. From the same point of view, transmitting a high frequency signal, a broadband signal, a harmonic wave, a superposed beam, or a crossed beam is effective for treatment. Yes, it is still easy to understand and predict. Specifically, the sound pressure shape or the point spread function can be estimated based on the evaluation of the autocorrelation function in a system that can simulate the sound field or obtain the received signal. It is also effective to evaluate the harmonic signal, or to perform a non-linear operation on the fundamental signal. The same applies to 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。 The present invention also obtains a non-linear effect under physical conditions in which no non-linear effect is physically obtained (for example, when intensity cannot be increased with respect to a measurement target or when high intensity cannot be obtained due to high frequency). It is also effective. On the contrary, for example, the present invention can be carried out under a condition in which a non-linear effect is enhanced by using a contrast agent such as microbubbles in ultrasonic echo imaging, displacement measurement, or treatment. The tissue is sometimes permeated into the tissue, but it is also suitable for measurement and imaging of blood in blood vessels or heart chambers. That is, the present invention can enhance the non-linear effect, can be simulated, or can be newly generated. Furthermore, the present invention can virtually realize the nonlinear effect. It is also possible to evaluate non-linear effects, as described above. Contrast agents may also be used to enhance the effects of heat treatment. The same applies to 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。 Further, when a high-frequency signal that cannot be realized by a single signal source is generated, higher resolution imaging and highly accurate Doppler measurement are possible. In general, the influence of attenuation is strong on high-frequency components, and for example, in a microscope susceptible to the influence of attenuation, it is preferable to be able to observe as deep as possible at a high frequency. For example, when 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, and it is possible to realize a high frequency that cannot be generated by a normal transducer. Further, it is possible to simply generate a high frequency signal (chord). According to the present invention, such a high frequency can be realized by calculation. Therefore, according to the present invention, it is possible to generate high-frequency waves and signals that cannot be physically realized. Similarly, low-frequency imaging and measurement using low-frequency signals (for example, a difference tone) can be realized. It is also possible to generate low frequency signals that cannot be physically realized with a single signal source. It is also possible to realize these signals theoretically or on the basis of arithmetic and control the generated waves.
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, in order to prove the effect of the present invention, experimental data, simulation results, and materials such as photographs will be described. These demonstrate the effectiveness of the present invention by performing ultrasonic echo imaging and measurement imaging through ultrasonic simulation and agar phantom experiments. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to arbitrary signals (lasers, light waves, OCT, electricity, magnetic field signals, radiation such as X-rays, heat waves, etc.) other than the ultrasonic echo method and between different signals. Is. This has applications in raw coherent signals or incoherent signals after signal processing.
非特許文献29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。 With respect to the echo data for synthesizing the aperture surface of the agar phantom disclosed in Non-Patent Document 29 (linear array type probe, 7.5 MHz), beam forming in the front direction and lateral modulation of 3.5 MHz in the lateral direction are performed. The processes <1> to <3> were performed using the respective echo signals obtained when the above procedure was performed.
図36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36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36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36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. 36 is a diagram showing changes in the spectrum of the echo signal according to the embodiment of the present invention. In FIG. 36, the horizontal axis represents the horizontal frequency [MHz] and the vertical axis represents the depth frequency [MHz]. In FIG. 36, (a1) and (a2) show the spectrum of the original echo signal and the spectrum of the square of the echo signal, respectively, in the case without steering. (B1), (b2), and (b3) show the spectrum of the original echo signal, the spectrum of the square of the one-way steering echo signal, and the spectrum of the square of the transverse modulation echo signal during lateral modulation. Shown respectively. (C) shows the spectrum of the product of the cross-steering beam echo signals. From FIG. 36, the spectrum of each signal derived by the above theory can be confirmed. In any echo signal, the second harmonic spectrum is generated as a result of square or multiplication, and its bandwidth is wider than the original spectrum.
図37A〜図37C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37A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37B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37C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。 37A to 37C are diagrams showing changes in the autocorrelation function of the echo signal according to the embodiment of the present invention. Here, the horizontal axis represents the horizontal position [mm], and the vertical axis represents the normalized autocorrelation function. FIG. 37A shows a comparison between the autocorrelation function of the original echo signal and the autocorrelation function of the second harmonic of the square of the echo signal without steering. FIG. 37B shows a comparison between the autocorrelation function of the original laterally modulated echo signal and the autocorrelation function of the second harmonic of the squared laterally modulated echo signal during lateral modulation. FIG. 37C shows the autocorrelation functions of the transverse and depth components for the product of the crossed beam echo signals and the square of the transversely modulated echo signal. Based on the autocorrelation function, the lateral profile of the sound pressure or the point spread function can be evaluated (for a central depth of the region of interest of 19.1 mm). 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 and the three-dimensional autocorrelation can be obtained for the three-dimensional echo Find a function.
図38〜図40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。 38 to 40 are diagrams showing changes in the B-mode echo image according to the embodiment of the present invention. The depth of these echo images is 10.0 mm to 28.1 mm, and the width is 20.7 mm. In the agar phantom, a columnar (10 mm in diameter) claw whose shear elastic modulus is about 3.29 times higher than that of the surroundings exists around a depth of 19 mm.
図38〜図40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。 38 to 40, (a1), (a2), and (a3) show the echo image based on the original echo signal, the echo image based on the basebanded signal, and the echo signal without steering. Each of the echo images based on the second harmonic by square is shown. When there are two images on the left and right, the image on the left is from envelope detection and the image on the right is from squared 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) show the echo image based on the original laterally modulated echo signal, the echo image based on the basebanded signal, and the lateral image during lateral modulation. An echo image based on the second harmonic by the square of the directional modulation echo signal, an echo image based on the lateral component of the second harmonic by the square of the lateral modulation echo signal, and a second image by the square of the lateral modulation echo signal. Each echo image based on the depth direction component of the second harmonic is shown.
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。 Further, (c1) and (c2) respectively show an echo image based on the lateral component and an echo image based on the depth component of the second harmonic generated by the product of the crossed beam echo signals. In the case where a plurality of waves are present, detection of superposition of coherent signals has been reported in the past, but here, the results of superposition of detection signals are shown.
図36に示すスペクトルの広帯域化に対応して、図37A〜図37C及び図38〜図40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37A〜図37C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38〜図40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. 37A to 37C and FIGS. 38 to 40 that the spatial resolution is increased in response to the broadening of the spectrum shown in FIG. Here, the DC of the basebanded data is not turned off. By removing the direct current or, if necessary, the extremely low frequency spectrum in the depth direction or the horizontal direction by filtering, the high- or low-intensity lines (vertical stripes) running in the vertical direction can be completely removed. Is omitted). From FIG. 37A to FIG. 37C, it can be confirmed that the side lobe is lowered. Corresponding to these, the effect of increasing the contrast can be confirmed from FIGS. 38 to 40 (note the strong scatterer and the like). Since the attenuation is not corrected in the original echo signal, the image obtained from the processed signal has a shallower signal strength at the deep position as a result of the increase in contrast due to the uncorrected signal. Extremely low compared to that of 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, so-called attenuation correction in the wave propagation process is performed on the coherent signal or the incoherent signal after detection, but in this device, the original coherent signal is corrected in advance. Then, the coherent signal is subjected to non-linear processing, or the coherent signal or the incoherent signal is corrected after the non-linear processing. The correction process itself may be performed mainly on the basis of the signal strength before or after the reception beamforming or after the imaging, as in the case of the normal correction. The correction may be performed 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。すなわち、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, an 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 is performed with high accuracy. It may be implemented. That is, it may be performed adaptively or automatically. Alternatively, the operator may adjust the intensity in a predetermined range at each depth via the control unit 133 while looking at the generated image. In some cases, a selectable pattern is prepared depending on the measurement target.
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。 The gain adjustment is performed by the receiver 122, the amplifier / attenuator in the filter / gain adjustment unit 123 or 125, the amplifier / attenuator in the reception beamformer 129 or digital processing, or the analog processing or digital processing in the arithmetic unit 130. Be seen. In the transmitter 121, the intensity of the transmitted beam or wave may be adjusted. Further, an amplifier or an attenuator may be used as the working device 112 to adjust the intensity of the wave itself. Care should be taken because the contrast agent 1a greatly influences those decisions.
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37C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 laterally modulated echo signal in the above experiment, the laterally detected spectrum and the second harmonic of the two signals of the second harmonic detected in one different direction. Because of the overlap of the waves, the inventor split the spectrum in the eye. The result was compared with the result of multiplication of two waves of the laterally modulated echo signal (<3>) in the autocorrelation function (see FIG. 37C), except that the harmonic frequency was slightly lowered. 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41に示す。 In addition to these experiments, displacement vector measurement, strain tensor measurement, and shear modulus reconstruction were performed using the multidimensional autocorrelation method. As a result thereof, here, FIG. 41 shows the result of displacement measurement in each direction using two second harmonic signals detected in only one different direction in <3>.
図41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41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. 41 is a diagram showing images of the displacement vector, strain tensor, and relative shear elastic modulus measured in the agar phantom according to the embodiment of the present invention. In a part of FIG. 41, the average value and variation (in parentheses) evaluated in the center of the pawl are also shown. Noise tended to increase as compared to the result of digital demodulation of the same laterally modulated echo data (variation in distortion in the lateral direction (y) was 3.08 × 10 −3 to 9.52 × 10 3. -3 ), the spatial resolution is doubled, and the regularization of the shear modulus reconstruction improves the accuracy (improved from 3.37 to 3.23).
尚、ここでは、結果を省略するが、段落0629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 result is omitted here, as described in paragraph 0629, as described in paragraph 0629, a large number of waves and beams are generated and nonlinear processing is performed in a superposed state, and non-linear processing is performed in a non-superposed state. May be overlapped after applying. In addition, as described elsewhere, a non-linear process may be performed on a raw reception signal that has not been subjected to beamforming (such as transmission beamforming only or aperture plane synthesis). A plurality of waves or beams generated under the same wave or beam forming parameters may be processed, but waves or beams generated under different parameters may 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。すなわち、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0361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、段落0373〜0397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
のノルムに重み付けした
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、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。
Regarding the resolution enhancement, the super-resolution in the above linear model is effective, and those super-resolutions may be used for such a plurality of waves and beams. That is, individual waves or beams that are not superposed may be super-resolution-superimposed, or super-resolution may be superposed in the superposed state. In some cases, both may be mixed and processed. In some cases, noise is reduced by superimposing (arithmetic mean) under the same parameter. A significantly higher spatial resolution can be realized for the original signal (including the case of harmonics). Although various super-resolutions have been described, for example, as described in paragraph 0361, when inverse filtering is performed using a spectrum of a signal distribution such as a desired point spread function or echo distribution as a target, the displacements described in paragraphs 0373 to 0397 are described. As described with the measurement, the Wiener filter can be applied and weighted for imaging the signal itself. Among them, for example, based on the Wiener filter used in the formula (A12 ′) or the formula (A13 ′), Inverse filter when using weights (excluding the square norm of the first signal spectrum)
Weighted by the norm of
Can be used for processing. Similarly, in other super-resolutions in the linear model described above, it is possible to suppress the amplification of noise by applying the Wiener filter. When the norm itself of (AA1) is applied without using the Wiener filter, ε (<1) times the norm (maximum norm, L 2 norm, L 1 norm, etc.) of the signal spectrum Hp (ωx, ωy, ωz). In some cases, only the spectrum of the frequency having the above spectrum is processed (the spectrums of other frequencies are set to zero). In these, irregularly, instead of the norm of (AA1), (AA1) itself may be used, and the phase may be adjusted. In that case, Gp (ωx, ωy, ωz) often has the phase information of the measurement target.
In addition, these weighting processes may be performed in blind deconvolution. In addition, including the case where whitening is performed by inverse filtering using the point spread function or the system transfer function obtained separately, the case where the point spread function or the system transfer function is conjugated, and the case where the conjugate of the formula (AA1) is applied, These weighting processes are also useful when they are performed before or after beam forming (a state of only transmitting beam forming or a received signal obtained for aperture plane synthesis). Particularly, in inverse filtering, regularization may be performed.
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 non-linear processing may be performed on the signal subjected to super-resolution under such a linear model. Further, the resolution can be increased and the contrast can be increased. As a result of the super-resolution obtained under the linear model, the original (including the case where it is a harmonic, the same applies below) signals are super-resolved, and those super-resolved signals are The objects to be processed include a plurality of objects existing and superposed, a plurality of originals superposed and super-resolved, and a mixture of these processed. In addition, there may be a plurality of original signals, each of which is super-resolved under a linear model and subjected to non-linear processing to be superimposed. Sometimes they are 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。 In addition, as described above, the non-linearly processed signal may be subjected to super-resolution performed by a linear model. Although the resolution is increased, the contrast may be reduced. As a result of super-resolution obtained by non-linear processing, the original (including the case where it is a harmonic) signal is super-resolved, and multiple super-resolved signals are present and superposed. The processed object is a processed image, a super-resolution image obtained by superimposing a plurality of originals, a mixed image thereof, and the like. In addition, there are cases where a plurality of original signals exist, each of which is super-resolved by non-linear processing, and each of which is subjected to super-resolution performed by a linear model and superposed. Sometimes they are 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、超解像は、他に様々なものがあり、その内の少なくとも一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。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。すなわち、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は上記の通りであるが、例えば、非線形処理の場合は、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 addition, when performing these non-linear processes on a plurality of signals (a signal representing a beam or a wave, which is not limited to a fundamental wave and may be a harmonic wave) at the same position of interest, the directivity of the aperture or If the original signal itself before processing has different intensities due to the influence of scattering or attenuation (including the case where it depends on the frequency) on the target, the difference may be emphasized. Once generated, it can be noticeable. This difference may be positively imaged or may be quantitatively confirmed in the spectral image (in some cases, their frequency characteristics may be emphasized and confirmed). On the other hand, in order to reduce the difference and perform imaging, a process of weighting a signal energy or a spectrum of a specific frequency may be performed before or after the non-linear process to perform imaging. The plurality of signals may be superimposed and imaged. The spectrum or energy of the signal may be evaluated in a local region including the position of interest, or may be evaluated in the entire region of interest. Of course, regardless of whether or not the non-linear processing is performed, the weighting may be similarly performed in the linear superposition processing.
Further, although the signal strength becomes weaker in the distance direction due to the influence of attenuation in the propagation process and reflection / scattering, for example, the degree of attenuation of the plane wave is weaker than that at the time of focusing. When non-linear processing is performed, the higher the order, the more the effect is emphasized. Therefore, as described above, the signal strength may be corrected before or after the non-linear processing (may be corrected even when the non-linear processing is not performed). It is processed before or after the detection.
There are various other types 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. In addition, they may be incoherently added, and speckle may be reduced. Incoherent addition through super-resolution may not reduce the spatial resolution as described above.
Further, in each of those super-resolution processings, spatially non-uniform addition may be performed depending on the signal strength, the SN ratio, and the spatial resolution. That is, the parameters of each method may be variable depending on those at each position. The case of processing the spectrum is as described above. For example, in the case of nonlinear processing, the order of power or the number of multiplications is used. When the coherent signal and the incoherent signal are added, the number of additions, the weighting value, and the like are used. Of course, it may be processed spatially uniformly.
As a result of the high contrast achieved by the non-linear processing, the scatterers and reflectors in the tissue may be visualized remarkably well, and if the power order or the number of multiplications is increased, the signal strength (gray image is displayed). In this case, the effect that the difference in the brightness) becomes remarkable may be obtained. For example, it may be easier to capture post-necrotic calcification of biological tissue. In addition, for example, coloring may be performed depending on those signal intensities, and the images may be displayed by being superimposed on a normal gray image, a Doppler image, a power Doppler image, a contrast image, or the like. The processing may be performed after the intensity of the signal distribution is corrected. For example, nonlinear processing is performed after correction to make the intensity of a signal (before or after detection) received from within the region of interest spatially uniform, and the scattered intensity distribution, the scattered intensity of a plurality of scatterers, or the reflected intensity distribution, The level of the reflection intensity of the plurality of reflectors may be visualized. Processing may be performed for the purpose of counting the number of reflectors and scatterers. If a plane wave, a spherical wave, or a cylindrical wave is used in addition to the focus beam and aperture plane synthesis, the spatial resolution is low, and in such a case, various super-resolutions such as nonlinear processing are useful, In particular, when non-linear processing is performed, scattered waves and reflected waves may be outstandingly visualized at their generation positions. For example, when these cross waves are generated, a cross-type waveform is emphasized and displayed at the scatterer position as a 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。 Also, the power or multiplication of the point spread function was calculated when a concave aperture HIFU applicator (simulation, frequency 5 MHz, aperture diameter 12 mm, focal depth 30 mm) was used (single aperture and two apertures were used). .. As mentioned above, this kind of calculation is effective in considering the heating effect. By collecting experimental data, it is possible to formulate the relationship between sound pressure (point spread function), sound pressure of harmonics, heat reception, etc., design of applicator and radiated sound pressure (ultrasonic parameters), etc. Can be used to improve the efficiency of heat treatment. The same applies when other waves are used.
図42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42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3.8×12.8mm2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、すなわち、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. 42 is a diagram showing changes in sound pressure according to an embodiment of the present invention when a concave HIFU applicator is used. In FIG. 42, (a1) and (a2) show an image of the sound pressure by the original signal and the sound pressure of the square signal (the left includes direct current and the right only harmonics) when one aperture is used. The image of is shown. (B1) and (b2) show the sound pressure image of the original signal and the sound pressure of the multiplication signal (left is DC when the two openings are used (the intersection angle is ± 5 ° with respect to the lateral direction). , And the image on the right shows only harmonics. The image is based on envelope detection, and the image size is 3.8 × 12.8 mm 2 . It can be confirmed that the sound pressure of the second harmonic component obtained by each of the square and the multiplication is concentrated in a desired region and the contrast is increased. In this way, it is possible to evaluate the intensity (Intensity, that is, electric power) of the fundamental wave and to estimate the sound pressure distribution shape of the generated harmonic (second or higher harmonic). In addition, the power consumed by harmonics (Intensity) can also be evaluated. The harmonics that are actually observed can be evaluated in the same manner.
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 embodiment of the present invention, mainly, the non-linear operation device for electromagnetic waves, vibration including sound, heat wave, or a corresponding signal is described. Enhance effect, simulate non-linear effect, or realize virtually (that is, non-linear effect is generated except when physical, chemical, or biological non-linear effect is produced). It is also possible). In that case, the device relating to the wave used can be used simultaneously to receive the wave, 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 a case where a plurality of waves are simultaneously generated and a case where the waves are independently generated.
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。 Also, in electromagnetic waves, vibrations, or heat, if the frequency is different, the dominant behavior differs depending on each measurement object (medium), and it is appropriate to change the name (for example, regarding electromagnetic waves, Regarding vibrations such as microwaves, terahertz waves, and radiation such as X-rays, for example, when human soft tissues are targeted, shear waves do not propagate as waves due to the effect of attenuation in the mega Hz band, and ultrasonic waves are dominant. However, at low frequencies such as 100 Hz, the incompressible characteristic is strong and the shear wave is dominant.) The present invention enhances the non-linear effect between those having different behaviors, or the non-linear 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 device relating to the wave used can be used simultaneously to receive the wave, or the invention can be implemented on the basis of signals received at different times if they are in phase. Of course, phenomena such as the propagation velocity of each wave, attenuation, scattering, and reflection have dispersion characteristics, and there is a limit that it must be used appropriately in consideration of the SN ratio of the received signal. However, the application range of the present invention is extremely wide, including the capability of generating high-frequency signals 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 calculation and the nonlinear effect in the measurement target are imaged, or that they are applied to other measurement, and that the harmonics may be actively propagated to the measurement target. The fundamental wave may be actively used in them. It is also possible to construct an over-determined system. The fundamental wave is processed similarly to the harmonic wave.
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、すなわち、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は高周波化でき、低周波信号を生成して使用した場合は低周波化できる。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。 Further, at least one of the plurality of signals obtained through the non-linear operation is subjected to arbitrary detection processing, or a plurality of signals which may include a fundamental wave is subjected to arbitrary detection processing and then superimposed, or In some cases, an arbitrary detection process may be performed on a plurality of signals, which may include a fundamental wave, that have been superimposed as they are, and other measurements such as imaging or displacement may be performed. Regarding superposition, the former incoherent addition (incoherent compounding) is effective in reducing speckles, and the spatial resolution does not decrease when a high frequency signal is generated and used. The low spatial resolution that often occurs with ordinary speckle reduction does not pose a problem. When a low frequency signal is generated and used, it may be useful although the spatial resolution is lowered. On the other hand, the latter coherent addition (coherent compounding) can widen the band of signals, that is, can improve 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, the imaging can have a high spatial resolution, and the displacement and other measurements can be highly accurate. As described above, signals obtained when a plurality of beams or waves are generated or obtained by frequency division of the spectrum are also included in these processing targets including the non-linear 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。 The displacement measurement can be applied as described above, for example. The range of applications is immeasurable, such as radar, sonar, and environmental measurement. In addition to displacement, temperature may be measured, for example. In some cases, temperature sensing is performed directly using a temperature sensor, or the temperature dependence of wave propagation characteristics is detected.For example, when ultrasonic waves are used, heat that reflects changes in sound velocity and changes in volume due to temperature changes is used. The temperature distribution may be measured based on signal processing for the purpose of strain measurement. The chemical shift of the nuclear magnetic resonance frequency may be detected based on signal processing. A heat wave is observed and its nonlinearity can be imaged and it can be applied to increase 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。 In addition, in the case of actively observing the non-linear effect in the measurement object and in the case of positively performing the non-linear processing according to the present invention, both can be switched and used, or both can be used simultaneously. Through computation, it may be possible to elucidate non-linear effects within the measurement object. That is, by making full use of the non-linearity of the signal source, the contrast agent, and the analog or digital non-linear operation used, the non-linearity effect in the measurement target 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29を参照)、スペクトル周波数分割法(非特許文献29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29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-mentioned imaging and measurement are based on performing appropriate beam forming, and an appropriate detection method and tissue displacement measuring method are also important. In the past, the inventor of the present application has particularly used a lateral modulation method using a crossed beam as a beam forming method such as square detection in addition to quadrature detection and envelope detection as a detection method for a multidimensional signal (Non-Patent Document 13 and 29), spectral frequency division method (see Non-Patent Document 29), adjustment of wave or beam shape by filtering of spectrum, method of using many crossed beams, and over-determined system method. In addition, as a displacement vector measuring method, a multidimensional autocorrelation method, a multidimensional Doppler method, a multidimensional cross spectrum phase gradient method, a phase matching method, etc. have been developed (see Non-Patent Documents 13 and 29). In addition, the (viscous) shear elastic modulus distribution and thermophysical property distribution can be reconstructed and imaged based on displacement and strain measurements. Not only the original wave or signal, but also the wave or beam generated by superposition of multiple waves or signals, or non-linear effects (sometimes including pseudo), a pseudo wave in spectral frequency division Or a beam can be generated, and the wave or beam shape can be adjusted in spectral filtering.
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29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 a plurality of signals that may include a fundamental wave, or a signal that is obtained by spectrally dividing or filtering at least one of the plurality of signals that may include a fundamental wave in the frequency domain ( Non-Patent Document 29), or an original signal that has not been subjected to these processes, or a combination of these signals to form an over-determined system, and image processing is performed by the above process. Or, other measurement such as displacement may be performed.
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 non-linear reaction or wave for high intensity during wave propagation is superposed on a coherent signal obtained by detecting a transmitted wave, a reflected wave, or a scattered wave of an arbitrary wave by a sensor. Imaging using the original signal by obtaining non-linear effects (generation of harmonics, chords, difference sounds, etc.) such as multiplication and exponentiation when performing analog calculation or digital calculation using a computer. In comparison with, it realizes high-frequency and wide-band, high-contrast, and high spatial resolution imaging. It is also possible to perform low-frequency imaging instead of high-frequency imaging. Further, under the same effect, as compared with the Doppler measurement using the original signal, the displacement, velocity, acceleration, strain, or distortion rate can be measured with higher spatial resolution and higher accuracy.
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 waves means what is physically realized during beamforming, between beamformed waves, unbeamformed waves, and the like. When the intensity of the wave is weak, the principle of superposition that is established by the linear law is mainly observed, but when the intensity of the wave is strong, signals other than superposition that are affected by nonlinear effects such as multiplication and exponentiation (that is, harmonics). (Waves, chords, difference tones) are observed, and the present invention focuses on this latter phenomenon. The present invention is also characterized in that it can be used for all of these wave components and superposed waves without depending on their intensities. Of course, it also applies to the fundamental wave and a wave containing a harmonic component artificially radiated or generated during propagation. Examples of harmonics generated during propagation include ultrasonic harmonic signals and the like.
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, according to the present invention, for example, a beam generated by beamforming (physical one including apodization, delay processing, or addition processing, or calculation) or a wave which is not subjected to beamforming is used. With regard to arbitrary waves such as itself (including received signals for plane waves and aperture plane synthesis), transmitted waves, reflected waves, or scattered waves, multiple non-linear effects due to high intensity and a plurality of waves propagating in the same or different directions Highly accurate measurement of non-linear effects such as multiplication and exponentiation caused by overlapping waves (waves of the same physical quantity but different directions, waves of the same physical quantity with different parameters, waves of different types of physical quantities), etc. Or, in order to simulate, for example, after the signal is detected by the transducer, those signals are positively calculated by using the analog calculator or the digital calculator, and the broadband harmonics, chords, and difference You can get the sound. It is also possible to emphasize a physical, chemical, or biological non-linear effect, and to produce a non-linear effect when the non-linear effect cannot be observed or does not occur. It is possible. Moreover, a plurality of detection signals can be obtained at the same time. In addition, the application of a basebanded signal generated by receiving a physical action is also included in the present invention (such as removing harmonics obtained by a pulse inversion method or a filtering method from a received signal, or performing the above calculation). Or applying 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。 The inventor of the present application has previously disclosed a lateral modulation method using a crossing wave (plane wave or the like) or a crossing beam based on a linear law (having carrier frequencies in the depth direction and the lateral direction). According to the invention, it is possible to obtain the effect of exponentiation even in this lateral modulation, and it is also possible to obtain the effect of multiplication between crossed waves. Further, normally, the power effect and the product effect can be obtained by increasing the wave intensity, but according to the present invention, those nonlinear effects can be obtained regardless of the 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。 Further, according to the present invention, a basebanded signal can be obtained by a new detection process that can be easily implemented with a small amount of calculation instead of ordinary quadrature detection or envelope detection, and its effect can be obtained in echo imaging and Doppler measurement. Is obtained. However, the detected signal includes direct current, which is different from the normal baseband signal, and therefore it is used as it is or after the direct current is removed by analog processing or digital processing. Besides, the application of the base banded signal obtained by receiving the physical action is also included in the present invention. A signal in the baseband band generated by calculation is also called 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、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 ultrasonic waves and sonar, nonlinear phenomena in the propagation process of ultrasonic waves in a living body (when the sound pressure is high, the bulk elastic modulus acts high, the sound velocity is fast, the waveform is distorted, and the accumulation occurs in the propagation process. However, the application of a physically generated basebanded signal is not disclosed. Application of a basebanded signal physically generated by other non-linear phenomena is also not disclosed. It should be noted that baseband signals, baseband signals, and incoherent signals such as envelope detection or square-law detection are also included in the processing target of the present invention.
特に、ドプラ計測に関して、本願発明者は、多次元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 regard to Doppler measurement, the present inventor uses a multidimensional signal, which is different from normal Doppler measurement in which displacement in the propagation direction of a wave is measured, and displacement vector, velocity vector, acceleration vector, strain It is possible to measure tensor or distortion tensor with high accuracy. According to the present invention, unlike normal detection, a signal (base banded signal) detected in any one direction from a multidimensional signal can be obtained at the same time. It is also possible to easily perform those measurements in a short time with a calculation amount. Even in this case, echo imaging using the harmonics obtained at the same time and the above-mentioned base banded signal is possible. In addition, it is possible to suppress side lobes and increase the contrast. The temperature is measured 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。 Basically, multiplication of sine and cosine signals of different single frequencies produces chords and difference tones, and when power calculation is performed, the frequency of the signal becomes twice as high as the power factor. It is possible to not only increase the frequency but also widen the band for signals (distorted waves) having a plurality of frequency components. 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, an analog or digital arithmetic process is applied to an arbitrary signal to enhance the nonlinear effect regardless of the strength. Or simulated or newly generated. It can also be realized virtually. Not only in the case of having the spatial resolution, but also in the continuous wave, similarly, the harmonic or the detection signal can be physically or artificially obtained. Understanding the physically generated basebanded signal under the present invention makes its application engineering useful. For example, it may be possible to measure a displacement or a displacement vector component (a normal one-dimensional displacement measuring method can be used). In addition, it is possible to measure displacements and displacement vector components using observed harmonics (the above-mentioned various multidimensional displacement vector measurement methods can be used), and to configure an over-determined system. It can also be applied to imaging (high SN ratio, high resolution, speckle reduction, etc.), displacement component measurement (high accuracy), and the like, as in the case of using the nonlinear processing of the present invention. In these cases, it is also effective to positively apply the contrast agent to enhance the non-linear 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。 In addition, the present invention provides heating, heating, cooling, freezing, welding, repairing, heating of cancer lesions and the like in any object, which is performed by using waves (laser, ultrasonic waves, focused intense ultrasonic waves, etc.). , Cryotherapy, or cleaning of arbitrary objects (glasses, etc.), enhancing their effects through non-linear phenomena, increasing resolution, and predicting their effects (for example, using strong ultrasound The power effect during heating and the high spatial resolution due to addition when enhancing the effect using crossed beams, as well as high frequency and high spatial resolution as the effect of multiplication) It becomes possible. Even in these cases, the continuous wave may be 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 non-linear effect under physical conditions in which no non-linear effect is physically obtained (for example, when the intensity cannot be increased with respect to the measurement target or when high intensity cannot be obtained due to high frequency). Effectively, but conversely, the invention is carried out under conditions in which, for example, ultrasound echo imaging, displacement measurement, temperature measurement, or contrast agents such as microbubbles are used during treatment to enhance the nonlinear effect. It is also effective. That is, the present invention can enhance the non-linear effect, but can also be simulated, newly generated, or virtually realized. Further, the present invention can be carried out in imaging, displacement measurement, treatment, etc. for the purpose of purely achieving high resolution, high accuracy, and high efficiency.
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 the harmonic imaging, it is possible to increase the frequency and bandwidth, increase the contrast, or suppress side lobes, and it is possible to perform nonlinear imaging with a high SN ratio. Besides, analog detection or digital detection can be performed at the same time without requiring a large amount of memory or calculation.
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 verified by performing ultrasonic echo imaging and measurement imaging through simulations and agar phantom experiments. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applicable to arbitrary coherent signals other than the ultrasonic echo method (light waves, OCT, electricity, magnetic field signals, radiation such as X-rays, and heat waves in familiar objects) and different types of coherent signals. Can also be applied. Signals including those that have been made incoherent by analog processing (for example, energy detection of a received signal using a sensor or energy detection using a non-linear element) or digital processing may be processed together with the coherent signal.
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, it is often observed that a coherent signal is converted into an incoherent signal (result display is an image) through various kinds of detection (physical phenomenon or normal signal processing). Known (various such as cross-correlation processing and optical flow). If this method is used for an incoherent signal, a wide band (higher resolution) can be obtained. The 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 coherent signals and incoherent signals have been carried out 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 and the like with high accuracy. It is effective, including the fact that it has the engineering effect of multidimensional signal processing. Further, in the above other applications such as treatment, it is also effective and useful to evaluate and apply the effect based on imaging of the non-linear effect.
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 calculation to generate a harmonic component and a basebanded signal (the above new detection signal) and generate an image signal based on them, but multiplication and calculation The same effect can be obtained not only when the high-order nonlinear processing is performed. Depending on cost and the like, it may be selectively adopted or used in combination with the conventional technique.
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。 The present invention is not limited to the above embodiments, and many modifications can be made within the technical idea of the present invention by a person having ordinary skill in the art.
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 coming from a measurement target, and a measurement imaging device and a communication device using such a beamforming method. is there.
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。 Radar, sonar, and other wave signals such as optical system waves, sound waves, and heat waves are often already generated by digital devices at present, and it is also high-level for the purpose of applying the signals. It can be applied in conjunction with signal generation only with the processing ability to perform the next calculation. Various devices have been made multidimensional, and the importance of the present invention is increased. The objects to be measured are solids, fluids, rheology, inorganic substances, organic substances, living things, the environment, etc. are immeasurable, and the measurement range is expected to expand. In the future, the miniaturization of each device in the equipment will continue to progress, and the computational stress will be much higher, so it will be possible to incorporate a computer at a lower cost, and many convenient and real-time equipment will be realized. You can expect to go. Further, it is considered that not only a mere wave imaging device but also development of applications through measurement using waves becomes more active, and the range of applications is broadened. It is expected that the digitization of various devices will further progress in the future, and in that case, the demand for high-precision and high-speed beamforming capable of generating a high-precision signal according to the present invention in real time will increase. After all, in addition to the fast processing, there is no need to perform the interpolation approximation that has been required up to now. However, in the present invention, further high speed is emphasized, and if necessary, processing involving interpolation approximation may be performed, although accuracy is reduced. It is also an effective device for ordinary communication and sensor networks. The applicability and marketability of the digital beamforming according to the present invention based on digital signal processing are far higher.
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 10 ... Transmitting transducer (or applicator), 10a ... Transmitting aperture element, 20 ... Receiving transducer (or receiving sensor), 20a ... Receiving aperture element, 30 ... Device body, 31 ... Transmitting unit, 31a ... Transmitter, 32 ... Receiving Unit, 32a ... Receiver, 32b ... AD converter, 32c ... Memory (or storage device or storage medium), 33 ... Digital signal processing unit, 34 ... Control unit, 35 ... Reception unit (or reception device), 35a ... Reception 35b ... AD converter, 35c ... Memory (or storage device or storage medium), 35d ... Phasing adder, 35e ... Other data generating section, 40 ... Input device, 50 ... Output device, 60 ... External storage device, 1 ... Object to be measured, 1a ... Contrast agent, 110 ... Transducer, 111 ... Non-linear device, 112 ... Working device, 120, 120a, 120b ... Imaging device main body, 121 ... Transmitter, 121a ... Transmission delay element, 122 ... Receiver, 122a ... Reception delay element, 123 ... Filter / gain adjustment section, 124 ... Non-linear element, 125 ... Filter / gain adjustment section, 126 ... Detector, 127 ... AD converter, 128 ... Storage device, 129 ... Reception beamformer, 130 Computation unit 131 Image signal generation unit 132 Measurement unit 133 Control unit 134 Display device 135 Analog display device 140 External storage device
Claims (73)
前記計測対象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、前記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又は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行い、第1の方向及び第2の方向又は第3の方向を座標軸とする所望の直交座標系においてイメージ信号を生成するステップ(b)と、
を具備し、
ステップ(b)が、前記受信信号に対して多次元フーリエ変換を施して得られる波数領域又は周波数領域における角スペクトルに対して直接的に補間近似処理を施すことなく波数マッチングを行うために、(b1)前記ステアリング角度の偏角又は仰角が零度である場合に、前記受信信号に対して前記第1の方向にフーリエ変換を施し、前記第2の方向又は前記第3の方向にフーリエ変換を施した後に、前記第1の方向の空間座標と波動の波数又は搬送周波数とを含む指数部分を有する複素指数関数を乗じることにより、前記角スペクトルを波数空間又は周波数空間においてシフティングすることを含み、(b2)前記ステアリング角度の偏角又は仰角が非零度である場合に、前記受信信号に対して前記第1の方向にフーリエ変換を施した後に、前記第2の方向又は前記第3の方向の空間座標と波動の波数又は搬送周波数とを含む指数部分を有する複素指数関数を乗じ、前記第2の方向又は前記第3の方向にフーリエ変換を施した後に、前記第1の方向の空間座標と波動の波数又は搬送周波数とを含む指数部分を有する複素指数関数を乗じることにより、前記角スペクトルを波数空間又は周波数空間においてシフティングすることを含む、ビームフォーミング方法。 In an orthogonal coordinate system defined by a receiving aperture element array, a beam used in a measurement imaging apparatus that generates an image signal of the measurement target when an arbitrary wave is transmitted from a wave source located in an arbitrary direction toward the measurement target. A forming method,
(A) receiving a wave coming from the measurement target by at least one receiving aperture element and generating a received signal;
By performing at least Fourier transform and wave number matching on the reception signal generated in step (a), a zero-degree or non-zero degree deviation angle or elevation angle or azimuth angle with respect to the front direction of the reception aperture element. There line beamforming processing of the transmission component or reception component includes performing a transmission content or receive content steering makes the steering angle that is desired to be the first direction and the second direction or the third coordinate axis direction (B) generating an image signal in the Cartesian coordinate system of
Equipped with,
Step (b), in order to perform wave number matching without performing a direct interpolation approximation process on the angular spectrum in the wavenumber domain or the frequency domain obtained by performing multi-dimensional Fourier transform on the received signal, ( b1) When the declination of the steering angle or the elevation angle is zero degrees, the received signal is subjected to Fourier transform in the first direction, and is subjected to Fourier transform in the second direction or the third direction. And then shifting the angular spectrum in wavenumber space or frequency space by multiplying by a complex exponential function having an exponential part comprising spatial coordinates in the first direction and the wavenumber or carrier frequency of the wave , (B2) When the declination of the steering angle or the elevation angle is non-zero, the received signal is subjected to Fourier transform in the first direction, and then in the second direction or the third direction. After multiplying by a complex exponential function having an exponential part including spatial coordinates and the wave number or carrier frequency of the wave, and performing Fourier transform in the second direction or the third direction, the spatial coordinates in the first direction are obtained. A beamforming method comprising shifting the angular spectrum in wavenumber space or frequency space by multiplying by a complex exponential function having an exponential part including the wavenumber of the wave or the carrier frequency .
(i)前記受信信号に対してフーリエ変換を施し、少なくとも1つの直交軸方向において直接的に補間近似処理を施す波数マッチングを行うことと、
(ii)前記受信信号に対して整相加算を行うことと、
の内の少なくとも1つに基づいて、直接的に所望の直交座標系において前記イメージ信号とは異なるイメージ信号を生成することを含む、請求項1に記載のビームフォーミング方法。 Step (b) is
And facilities Fourier transform with respect to (i) before Symbol received signal, and to perform wave number matching is subjected directly interpolation approximation at least one orthogonal axis,
(Ii) performing phasing addition on the received signal,
2. The beamforming method according to claim 1, comprising directly generating an image signal different from the image signal in a desired rectangular coordinate system based on at least one of the above .
前記計測対象から到来する波動を受信して、受信信号を生成する少なくとも1つの受信開口素子と、
前記受信開口素子によっ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、前記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又は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行い、第1の方向及び第2の方向又は第3の方向を座標軸とする所望の直交座標系においてイメージ信号を生成する信号処理部と、
を具備し、
前記信号処理部が、前記受信信号に対して多次元フーリエ変換を施して得られる波数領域又は周波数領域における角スペクトルに対して直接的に補間近似処理を施すことなく波数マッチングを行うために、前記ステアリング角度の偏角又は仰角が零度である場合に、前記受信信号に対して前記第1の方向にフーリエ変換を施し、前記第2の方向又は前記第3の方向にフーリエ変換を施した後に、前記第1の方向の空間座標と波動の波数又は搬送周波数とを含む指数部分を有する複素指数関数を乗じることにより、前記角スペクトルを波数空間又は周波数空間においてシフティングし、前記ステアリング角度の偏角又は仰角が非零度である場合に、前記受信信号に対して前記第1の方向にフーリエ変換を施した後に、前記第2の方向又は前記第3の方向の空間座標と波動の波数又は搬送周波数とを含む指数部分を有する複素指数関数を乗じ、前記第2の方向又は前記第3の方向にフーリエ変換を施した後に、前記第1の方向の空間座標と波動の波数又は搬送周波数とを含む指数部分を有する複素指数関数を乗じることにより、前記角スペクトルを波数空間又は周波数空間においてシフティングする、計測イメージング装置。 In a Cartesian coordinate system defined by the receiving aperture element array, when an arbitrary wave is transmitted from a wave source located in an arbitrary direction toward a measurement target, a measurement imaging device that generates an image signal of the measurement target,
At least one receiving aperture element that receives a wave coming from the measurement target and generates a received signal;
By performing at least Fourier transform and wave number matching with respect to the reception signal generated by the reception aperture element, a zero-degree or non-zero degree deviation angle, an elevation angle, or an azimuth angle is expressed with respect to the front direction of the reception aperture element. There line beamforming processing of the transmission component or reception component includes performing a transmission content or receive content steering makes the steering angle that is desired to be the first direction and the second direction or the third coordinate axis direction A signal processing unit that generates an image signal in the Cartesian coordinate system of
Equipped with,
To the signal processing unit performs a wavenumber matching without applying direct interpolation approximation process on the angular spectrum in the wavenumber domain or the frequency domain obtained by performing multi-dimensional Fourier transform on the received signal, the When the declination or the elevation angle of the steering angle is zero degrees, the received signal is subjected to Fourier transform in the first direction, and after subjected to Fourier transform in the second direction or the third direction, The angular spectrum is shifted in a wave number space or a frequency space by multiplying by a complex exponential function having an exponential part including the spatial coordinate in the first direction and the wave number or carrier frequency of the wave , and the steering angle declination angle is shifted. Alternatively, when the elevation angle is non-zero, after the Fourier transform is performed on the received signal in the first direction, the spatial coordinates in the second direction or the third direction and the wave number or carrier frequency of the wave. After multiplying by a complex exponential function having an exponential part including and performing Fourier transform in the second direction or the third direction, the spatial coordinates in the first direction and the wave number or carrier frequency of the wave are included. A metrology imaging device that shifts the angular spectrum in wavenumber space or frequency space by multiplying by a complex exponential function having an exponential part .
(i)前記受信信号に対してフーリエ変換を施し、少なくとも1つの直交軸方向において直接的に補間近似処理を施す波数マッチングを行うことと、
(ii)前記受信信号に対して整相加算を行うことと、
の内の少なくとも1つに基づいて、直接的に所望の直交座標系において前記イメージ信号とは異なるイメージ信号を生成する、請求項3に記載の計測イメージング装置。 The signal processing unit,
And facilities Fourier transform with respect to (i) before Symbol received signal, and to perform wave number matching is subjected directly interpolation approximation at least one orthogonal axis,
(Ii) performing phasing addition on the received signal,
The measurement imaging apparatus according to claim 3, wherein an image signal different from the image signal is directly generated in a desired rectangular coordinate system based on at least one of the above .
前記少なくとも1つの送信開口素子が、前記到来する波動が、前記計測対象における少なくとも透過、前方散乱、屈折、反射、後方散乱、又は、回折により生成されたものとなるように、任意のx座標又はx座標及びz座標を有し、さらに、零のy座標を有する、前記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内の少なくとも1つであるか、又は、任意のx座標又はx座標及びz座標を有し、さらに、非零の一定のy座標を有する、前記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内の少なくとも1つであり、
前記少なくとも1つの受信開口素子が、少なくとも1つの同一又は異なる送信開口素子から波動が送信される毎に前記計測対象から到来する波動を異なる位置において受信して受信信号を生成する複数の受信開口素子の内の1つであり、
前記信号処理部が、前記複数の受信開口素子によっ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又は整相加算を行うことによって、送信分又は受信分の偏向角度を有するマルチスタティック型の開口面合成処理を行うべく、送信位置と受信位置との間の横方向座標における相対位置Δx又は相対位置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、送信開口素子のy座標が零のときに、送信又は受信の開口の位置を含む関心点のy座標と相対位置Δx又は相対位置Δx及びΔzとを用いて表される送信開口素子と前記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座標が非零のときに、前記関心点のy座標と送信開口素子のy座標と相対位置Δx又は相対位置Δx及びΔzとを用いて表される送信開口素子と前記関心点と受信開口素子との間の距離を用いて、前記送信分又は受信分のビームフォーミング処理に基づいて行われる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横方向の位置に関して補正し、それらを重ね合わせてイメージ信号を生成する、請求項11に記載の計測イメージング装置。 Dynamic of the transmitted or received component in a two-dimensional or three-dimensional Cartesian coordinate system using the coordinate in the axial direction y defined by the array of mechanically scanned or electronically scanned effective aperture elements and the transverse direction x or z orthogonal thereto. A measurement imaging apparatus for performing multi-static aperture plane synthesis for generating a focused beam, wherein a deflection angle of zero degree or non-zero degree formed by the beam direction and the axial direction of the generated transmitted or received beam is polarized. When expressed in angle or elevation and azimuth,
The at least one transmit aperture element has any x-coordinate or so that the incoming wave is generated by at least transmission, forward scatter, refraction, reflection, backscatter, or diffraction at the measurement object. A plurality of transmitting aperture elements having x and z coordinates and further having a y coordinate of zero, which doubles as any of the receiving aperture elements in the receiving effective aperture element array or which is different from any of the receiving aperture elements. At least one of the following, or has an arbitrary x coordinate or x and z coordinates, and further has a non-zero constant y coordinate, at a position facing the reception effective aperture element array. At least one of a plurality of transmit aperture elements in the transmit effective aperture element array,
Wherein the at least one receiving opening elements, a plurality of reception for generating the received signal received at one of the same or different transmission aperture element waves of different positions the wave arrives from the measurement target for each transmitted from the at no less It is one of the aperture element,
The signal processing unit performs at least Fourier transform and wave number matching or phasing addition on the reception signals generated by the plurality of reception aperture elements, and thus has a multi-static type having a deflection angle for transmission or reception. In order to perform the aperture plane synthesis processing of (1), the transmission aperture is set for each of the reception signal groups obtained by arranging the reception signals in which the relative position Δx or the relative positions Δx and Δz in the lateral coordinate between the transmission position and the reception position are equal. When the y-coordinate of the element is zero, the transmitting aperture element represented by the y-coordinate of the interest point including the position of the transmission or reception aperture and the relative position Δx or the relative positions Δx and Δz, the interest point, and the reception point When the distance is half the linear distance connecting the aperture element or the y coordinate of the transmitting aperture element is non-zero, the y coordinate of the point of interest and the y coordinate of the transmitting aperture element and the relative position Δx or relative position Δx. And a distance between the point of interest and the receiving aperture element, which is represented by using Δz and Δz, in monostatic aperture plane synthesis performed based on the beamforming processing of the transmission component or the reception component. The measurement imaging apparatus according to claim 11, wherein each of the image signals obtained by setting the deflection angle is corrected with respect to the position in the lateral direction, and they are superimposed to generate an image signal.
前記少なくとも1つの受信開口素子が、物理開口の中に設定される異なる位置の複数の受信開口素子からなる複数の受信有効開口アレイを構成して、前記計測対象から到来する少なくとも1つのビーム又は波動を受信して受信信号を生成し、
前記信号処理部が、前記複数の受信有効開口素子アレイによっ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又は整相加算を行うことによって、送信及び受信のステアリング角度を有する送信分及び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において、送信波動をフォーカスなしの波動として処理して受信のダイナミックフォーカシング処理を行うか、あるいは、送信分又は受信分の開口面合成処理を行うと共に、前記受信信号に対して、
(i)前記複数の受信有効開口素子アレイの同一位置における受信開口素子によって生成される受信信号を重ね合わせることにより、又は、ビーム又は波動が重なって受信されたものであることにより、それらの受信開口素子によって生成される受信信号の重ね合わせから成る1つの受信信号群を得て、前記ビームフォーミング処理によってイメージ信号生成処理を1回行うことと、
(ii)少なくとも1つの同一又は異なる送信開口素子からビーム又は波動が1回送信される毎に、前記複数の受信有効開口素子アレイによって生成される受信信号の各々に対して、前記ビームフォーミング処理によって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ことと、
(iii)有効送信開口素子アレイ又は有効送信開口素子アレイ内の各送信開口素子と受信有効開口素子アレイ内の各受信開口素子との相対距離が等しいもののエコー群として、前記ビームフォーミング処理によってイメージ信号を生成して、それらを重ね合わせることと、
の内のいずれか1つに基づいてイメージ信号を生成する、請求項3〜18のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 In a two-dimensional or three-dimensional Cartesian coordinate system using the coordinate in the axial direction y determined by the array of receiving aperture elements and the coordinate in the transverse direction x or z orthogonal thereto, at least one generated by at least one arbitrary wave source. In the case where a deflection angle of zero degree or non-zero degree formed by a propagation direction and an axial direction of any wave or at least one arbitrary beam or wave to be transmitted is represented by an argument or an elevation angle and an azimuth angle,
The at least one receiving aperture element constitutes a plurality of receiving effective aperture arrays consisting of a plurality of receiving aperture elements at different positions set in the physical aperture, and at least one beam or wave arriving from the object to be measured. To generate a received signal,
The signal processing unit performs at least Fourier transform and wave number matching or phasing addition on the reception signals generated by the plurality of reception effective aperture element arrays, and thereby the transmission component having the steering angle of transmission and reception and In the beamforming processing of the transmission portion or the reception portion including the steering of the reception portion, the transmission wave is processed as a wave without focus to perform the dynamic focusing processing of the reception, or the aperture surface of the transmission portion or the reception portion is received. While performing the combining process, with respect to the received signal,
(I) reception of received signals by overlapping received signals generated by receiving aperture elements at the same position of the plurality of receiving effective aperture element arrays or by overlapping beams or waves. Obtaining one received signal group consisting of superposition of received signals generated by the aperture element, and performing the image signal generating process once by the beam forming process;
(Ii) The beamforming process is performed on each of the reception signals generated by the plurality of reception effective aperture element arrays each time a beam or a wave is transmitted from at least one identical or different transmission aperture element . Generate low resolution image signals and overlay them,
(Iii) An image signal obtained by the beamforming process as an echo group having an equal relative distance between the effective transmission aperture element array or each transmission aperture element in the effective transmission aperture element array and each reception aperture element in the reception effective aperture element array. And superimpose them,
The measurement imaging apparatus according to any one of claims 3 to 18, which generates an image signal based on any one of the above.
前記信号処理部が、鏡面反射信号と散乱信号とを分離するべく、共通信号として前記鏡面反射信号を含む2つ以上の入力データに混入信号として独立な前記散乱信号又はノイズが混入したものを処理する、請求項46又は47に記載の計測イメージング装置。 The plurality of different wave sources include a reflector that produces a specular reflection signal and a scatterer that produces a scatter signal;
In order to separate the specular reflection signal and the scattered signal, the signal processing unit processes two or more input data including the specular reflected signal as a common signal and the independent scattered signal or noise mixed as a mixed signal. The measurement imaging device according to claim 46 or 47 .
(i)観測対象の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観測対象の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観測対象の波動を人工的に生成し、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)同一時刻において観測対象の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し、又は、ドプラ観測された少なくとも1つの観測対象の波動に関して、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3〜55のいずれか1項に記載の計測イメージング装置。 In the case of observing the isotropic or non-isotropic physical properties or its determines the propagation velocity of the wave to be observed, the signal processing unit,
(I) propagating a wave to be observed in at least one desired direction and transmitting or receiving a wave for sensing to perform Doppler observation;
(Ii) by propagating wave to be observed in a plurality of different directions at different times, overlay the results of measuring Doppler view wave for sensing each of the wave transmitted or received by, propagate in a new direction To artificially generate the wave of the observation target , or to transmit or receive the wave for sensing each wave and superimpose it on Doppler observation,
(Iii) Doppler observation was performed by propagating the waves of the observation target in multiple different directions at the same time, and transmitting or receiving the waves for sensing the superposition of these waves, or performing Doppler observation. Filtering, separating or splitting the spectrum represented in wavenumber space or frequency space with respect to at least one wave of interest;
The measurement imaging apparatus according to any one of claims 3 to 55 , which obtains an observation result based on at least one of the above.
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