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JP6022088B2 - 不規則な測定時のｓａｆｔ法による解析を改良する方法及び装置 - Google Patents

不規則な測定時のｓａｆｔ法による解析を改良する方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、独立請求項の上位概念に基づく被検体超音波検査方法及び装置に関する。
被検体の非破壊検査用として、様々な超音波検査方法が公知である。超音波を用いる非破壊検査においては、欠陥個所の良好な特定と分離を行うための解析技術として、SAFT法（Synthetic Aperture Focusing Technique、開口合成法）が公知である。この検査は従来の超音波検査と同様に行われるが、そのデータは修正せずに記録される。その後の測定データ解析において、ボクセル（Voxel）とも称される各小体積要素に対する複数の測定信号から、合計振幅値が求められる。この超音波検査は、例えば超音波パルスを送信し、対応するエコー信号を受信するよう構成されたプローブを手動で動かす際に、上記SAFT法による解析を利用して行うことができる。このようなSAFT法を利用した検査については、例えば独国特許出願公開第１０２０１３２００９７４．７号明細書に記載されている。
いわゆるフェーズド・アレイ・プローブを使用することで、被検体を機械的にだけでなく、電子的にもスキャンすることができる。即ち、プローブのアクティブ領域を電子的に移動させることで、規定のラスタ内で複数回測定することができる。固定プローブの場合、同一の電子スキャンにより取り込んだデータを、SAFT法により解析して評価することができる。この機能は、正確な送受信位置や、再構成の時点における入射角及び集束度が判明していれば、プローブを動かさない場合でも、また電子スキャン中にプローブを動かす場合でも有効である。
本発明の課題は、上記SAFT法による解析を利用した、特にハンドガイド式のプローブによる被検体の超音波検査を改良することである。特に、プローブを手動で自由にガイドする際に起こるアーチファクト又はSAFT法による評価時の測定エラーを効果的に低減するか、又は除去することを本発明の課題とする。
上記課題は、独立請求項記載の方法及び従属請求項記載の装置により解決される。
本発明による被検体の超音波検査方法は、以下のステップを有する。
・被検体表面に沿って被検体を動かし、プローブを用いて被検体に超音波パルスを送信するステップ。
・送信された超音波パルスに対応する各エコー信号を、プローブで受信するステップ。
・データ処理装置で、受信したエコー信号の振幅値を重畳及び平均化処理して、被検体の所定の検査領域の像を形成するステップ。
言い換えれば、本発明による被検体の超音波検査方法は、SAFT法による解析に必要なステップを有する上に、更に、超音波信号の送信時に及び／又はその超音波信号に対応するエコー信号の受信時に検出装置でプローブの各位置を検出し、そのプローブの各検出位置を被検体の検査領域の像を形成する際に考慮するステップを有する。
本発明の第１の観点によれば、以下の動作を行う。
・被検体表面に沿ってプローブを手動で自由にガイドして動かし、プローブを用いて被検体に超音波パルスを送信し、送信された超音波パルスに対応する各エコー信号をプローブで受信して、複数の部分領域からなる測定面内を測定する。
・データ処理装置で、受信したエコー信号の振幅値の重畳及び平均化処理に基づいて被検体の所定の検査領域の像を形成する。
・検出装置でプローブの各測定位置を検出する。
・被検体の検査領域の像を形成する際に、検出されたプローブの各測定位置を考慮する。
・データ処理装置で、測定面内で検出された各測定位置に関する不規則性を検出するための評価パラメータを求める。
・検出された各測定位置に対応する、像（５）を形成するための各受信エコー信号を、データ処理装置で、上記評価パラメータを用いて、上記不規則性が解消されるように重み付けする。
本発明の第２の観点では、下記の構成を有する被検体の超音波検査装置を提案する。
・被検体表面に沿って、複数の部分領域からなる測定面内を手動で自由に動かすことができ、かつ、被検体に超音波パルスを送信し、送信された超音波パルスに対応する各エコー信号を受信して測定を行うプローブと、
・プローブの各測定位置を検出する検出装置と、
・受信エコー信号の振幅値の重畳及び平均化処理に基づき、被検体の所定の検査領域の像を形成するデータ処理装置とを有し、
・上記データ処理装置は、被検体の検査領域の像を形成する際に、検出されたプローブの各測定位置を考慮し、
・その際上記データ処理装置は、測定面内の検出された各測定位置に関する不規則性を検出するための少なくとも１つの評価パラメータを用いて、検出された各測定位置に対応する、像形成のための各受信エコー信号を、上記不規則性が解消されるように重み付けする。
本発明によれば、ハンドガイド式のプローブは正確にガイドされず、また測定は変動ラスタ内若しくは歪んだ軌道に沿って行われるため、アーチファクトが生じることが分かっている。アーチファクトを減少させるには、各測定点に対するエコー信号を、SAFT法による解析に直接使用すべきではない。エコー信号は、測定面上の測定点の密度や分布に応じて、再構成される各ボクセルに対する測定面の全ての部分、若しくは被検体の検査領域の全ての部分がなるべく均一に寄与するように選択及び／又は重み付けされるべきである。その際前提となるのは、測定の度に確実な位置情報を提供することである。
本発明により、ハンドガイド式のプローブを用いた検査時におけるSAFT法による評価が改善される。また、アーチファクトを効果的に減少させ、SAFT法による解析結果のＳＮ比を効果的に向上させることができる。更に、プローブのハンドガイドではなくカップリング変動等に起因する不規則性を解消することもできる。
その他の有利な構成は、従属請求項に記載の通りである。
本発明の有利な構成によれば、局所的な測定密度を評価パラメータとして求めることができ、局所的な測定密度が相対的に大きい測定位置のエコー信号を、相対的に小さく重み付けすることができる。
本発明のさらなる有利な構成によれば、上記局所的な測定密度を、測定面の単位面積ごとに、又は測定面の少なくとも１本の走査線の単位長ごとに、検出された測定位置の各個数から求めることができる。
本発明のさらなる有利な構成によれば、測定位置のエコー信号を、局所的な測定密度に反比例するように重み付けすることができる。
本発明のさらなる有利な構成によれば、上記局所的な測定密度を、所定の第１半径内で検出した１つの測定位置と他の全ての検出した測定位置との間の全ての距離の逆数を合計することで求めることができる。
本発明のさらなる有利な構成によれば、重み付けは、局所的な測定密度が相対的に大きい測定位置のエコー信号がゼロで重み付けされるように行うことができる。
本発明のさらなる有利な構成によれば、上記エコー信号をゼロで重み付けした測定位置を中心とする所定の第２半径内で、局所的な測定密度を再計算することができる。
本発明のさらなる有利な構成によれば、上記ゼロで重み付けした測定位置を繰り返し削除して、所定の最小測定密度を下回らない範囲内で局所的な測定密度を再計算することができる。
本発明のさらなる有利な構成によれば、測定面の全ての部分領域が評価パラメータとして均等に寄与することを可能とし、また測定位置のエコー信号を、なるべく均一に像の形成に寄与するように重み付けすることができる。
本発明のさらなる有利な構成によれば、プローブの各測定位置の検出を、超音波信号の送信時に及び／又はその超音波信号に対応するエコー信号の受信時に行うことができる。
以下、本発明を図面に基づき詳細に説明する。
本発明による装置の実施例を示す。 検査実施時における、操作面上のプローブ動作の一例を示す。 本発明による方法の実施例を示す。
図１に示す本発明装置の第１実施例によれば、検査を行っている間、被検体１の表面２上のプローブ３の位置を測定する。この時各位置の測定は、比較的短い時間間隔で、かつ被検体１の検査のために送信された超音波パルスに対応する規定の基準時間で行われる。この位置測定は、検出装置９を用いて、超音波パルスを送信する度に行うのが好ましい。更にこの位置測定は、送信された超音波パルスに対応するエコー信号を受信する度に行ってもよい。
検出若しくは測定されたプローブ３の各位置に従って、プローブ３の各現在位置を、有利には超音波パルスの送信毎に求め、再構成されるボクセルと実際の測定位置との間の距離を求めるSAFT法による解析の際に使用する。
本発明による被検体超音波検査方法及び装置は、SAFT法による解析を利用して、特にハンドガイド式のプローブ３を用いる場合に適用される。その際、プローブ３は被検体表面２に沿って手動で動かせることが好ましい。特に本発明方法によるプローブ３は、被検体表面２上を自由にガイドさせることができる。本方法により、被検体１内部の欠陥個所を格段に良好に特定できるようになる。その際、個々の欠陥個所同士がより明確に区別され、手動による検査、特にハンドガイドによる検査の際のＳＮ比が向上する。これにより、被検体１の検査領域の像５を形成する際に、点群表示、即ち近接する個々の点表示の分解能が向上し、特に、小さな欠陥個所を良好に検出できるようになる。これらの点表示はSAFT法による解析を行わない場合には分解不可能であり、より大きな表示として評価されてしまう。ここで言う小さな欠陥個所とは、超音波パルスの使用波長に比例して小さくなる寸法を有する欠陥のことである。さらに、本発明の方法によって得られる検査結果５は、被検体の３次元ディジタルモデルを参照することによって、とりわけ直観的に解釈することができる。
測定した位置と方向並びに各基準時間から、各超音波パルス時点におけるプローブ３の現在位置及び方向を算出し、それらを、再構成される各ボクセルと測定位置との間の距離を求めるいわゆるSAFT法による解析の際に使用することができる。その際、プローブ３の検出位置及び方向に基づき、超音波信号の送信時にプローブ開口幅の中心位置を求め、これを被検体１の検査領域の像形成の際に考慮することができる。開口幅とは、ここではプローブ３の有効送信面若しくは有効受信面となる部分を指す。各測定位置とプローブ３の位置との間の空間的なずれは、検出されたプローブ方向情報に基づいて算出することができる。
本装置の有利な構成においては、この検出装置９は光学式動きセンサを有していても良い。このセンサはプローブ３に取り付けられ、ある基準点に対する各相対位置を検出できる。基準点とは、例えば、超音波検査を始める際にプローブ３が置かれている位置を指す。その際この検出装置９は、図示しない別の光学式動きセンサを有することが好ましい。この光学式動きセンサは、他方の光学式動きセンサから所定の距離を置いてプローブ３に取り付けられており、基準点に対する各相対位置を検出できる。
本装置の更なる有利な構成においては、この検出装置９は、プローブ３に付加した複数の光学的なマーキングを検出してプローブ３の位置及び方向を求める画像検出装置を有している。
被検体１に用いる超音波検査装置を、概略斜視図に示す。本装置は、被検体表面２に沿って手持ちで動かせるプローブ３を有しており、これを用いて被検体１に超音波パルスを送信し、また送信された超音波パルスに対応する各エコー信号を受信できる。本装置は更にデータ処理装置７を有しており、これにより被検体１の検査領域の像５を、受信したエコー信号の振幅値の重畳及び平均化処理に基づいて形成できる。即ち、この被検体１の超音波検査装置は、被検体１の超音波検査の枠内においていわゆるSAFT法（Syntetic Aperture Focusing Technique）による解析を行うように構成されている。
図１に示すデータ処理装置７は、受信したエコー信号の振幅値の重畳及び平均化処理に基づいて被検体１の所定の検査領域の像５を形成し、この被検体１の検査領域の像５を形成する際に、検出されたプローブ３の各測定位置を考慮する。上記データ処理装置７は、測定面内の検出された各測定位置に関する不規則性を検出するための少なくとも１つの評価パラメータを用いて、検出された各測定位置に対応する、像５を形成するための各受信エコー信号を、上記不規則性が解消されるように重み付けする。プローブ３は、規定の測定面１１内で被検体１を測定する。この測定面１１は、例えば長方形の平面である。
図２に測定面１１の実施例を示す。この測定面１１上には、各測定位置Ｍが描かれている。各測定点又は測定線は、ここでは蛇行した走査線に沿って描かれている。この線に沿って、プローブのハンドガイドによる動きが読み取れる。図中、囲みの部分領域若しくは面において、測定及び測定位置Ｍの重なりが見られる。このように測定位置Ｍの分布が簡単に分かり、密度値を評価することができる。これにより、ローカルなショット密度とも称される局所的な測定密度が示される。高過ぎるショット密度に起因する不規則性を補償すべく、局所的な測定密度が大きい測定位置Ｍのエコー信号は、測定密度が平均以下の測定位置Ｍのエコー信号に比べ、考慮の度合が小さくなるようにする。これにより、例えばその領域又は部分領域Ｇ０からのエコー信号をゼロで重み付けして、像形成のために完全に除去することができる。部分領域Ｇｋの相対的な局所的測定密度は確かに大きいものの、部分領域Ｇ０におけるほどではないので、例えばその領域の像形成用のエコー信号を弱め、１００％未満に重み付けすることが好ましい。その重み付け係数は、経験的又は数学的に正確に選定することができる。
図３は、本発明の方法の一実施例を示す。被検体を超音波検査するために、例えば以下のステップを実行することができる。ステップＳ１では、被検体表面に沿ってプローブを例えば手持ちで動かしながら、プローブを用いて超音波パルスを被検体に送信し、送信された超音波パルスに対応するエコー信号をプローブで受信して、複数の部分領域からなる測定面内を測定する。ステップＳ３では、データ処理装置による、受信エコー信号の振幅値の重畳及び平均化処理に基づく被検体の所定の検査領域の像形成を、被検体の検査領域の像形成の際に検出された被検体の各測定位置を考慮して行う。その際プローブの各測定位置は、ステップＳ２で検出装置を用いて検出する。第４のステップＳ４では、データ処理装置により、測定面内で検出された各測定位置に関する不規則性を検出するための評価パラメータを用いて、検出された各測定位置に対応する、像形成のための各受信エコー信号を、これらの不規則性が補償されるように重み付けする。
以上詳述した被検体１の超音波検査装置及び方法により、公知のSAFT法を、プローブを手動でガイドする場合にも確実に適用することができる。その際は上述したように、被検体１を超音波検査している間、プローブ３の位置及び方向を検出し、それらを被検体１の検査領域の像５を形成する際に考慮する。

Claims (14)

  1. 被検体（１）を超音波検査するための方法であって、
    ・被検体表面（２）に沿ってプローブ（３）を、手持ちで動かし、前記プローブ（３）を用いて前記被検体（１）に超音波パルスを送信し、送信された超音波パルスに対応する各エコー信号を前記プローブ（３）で受信して、複数の部分領域からなる測定面（１１）内を測定するステップと、
    ・データ処理装置（７）で、受信したエコー信号の振幅値の重畳及び平均化処理に基づいて前記被検体（１）の所定の検査領域の像（５）を形成するステップと、
    ・検出装置（９）で前記プローブ（３）の各測定位置（Ｍ）を検出するステップと、
    ・前記被検体（１）の検査領域の像（５）を形成する際に、検出された前記プローブ（３）の各測定位置を考慮するステップと、
    を有する、方法において、
    ・前記データ処理装置（７）で、測定面内で検出された各測定位置に関する不規則性を検出するための評価パラメータを求めるステップと、
    ・検出された各測定位置に対応する、像（５）を形成するための各受信エコー信号を、前記データ処理装置（７）で、前記評価パラメータを用いて、前記不規則性が解消されるように重み付けするステップと、
    を有し、
    局所的な測定密度を評価パラメータとして求め、局所的な測定密度が相対的に大きい測定位置のエコー信号を、ゼロで重み付けし、
    前記エコー信号をゼロで重み付けした測定位置を中心とする所定の第２半径内で、前記局所的な測定密度を再計算する、
    方法。
  2. 前記局所的な測定密度を、前記測定面の単位面ごとに、又は前記測定面の少なくとも１本の走査線の単位長ごとに、検出された測定位置の各個数から求めることを特徴とする、
    請求項１記載の方法。
  3. 前記局所的な測定密度を、所定の第１半径内で検出した１つの測定位置と他の全ての検出した測定位置との間の全ての距離の全ての逆数を合計することで求めることを特徴とする、
    請求項１又は２記載の方法。
  4. 測定位置のエコー信号を、前記局所的な測定密度に反比例するように重み付けすることを特徴とする、
    請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
  5. 前記ゼロで重み付けした測定位置を繰り返し削除し、所定の最小測定密度を下回らない範囲内で局所的な測定密度を再計算することを特徴とする、
    請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
  6. 測定面の全ての部分領域が評価パラメータとして均等に寄与するようにし、また測定位置のエコー信号を、均一に像（５）の形成に寄与するように重み付けすることを特徴とする、
    請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
  7. プローブ（１６）の各測定位置の検出を、超音波信号の送信時に及び／又は該超音波信号に対応するエコー信号の受信時に行うことを特徴とする、
    請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
  8. 被検体（１）を超音波検査するための装置であって、
    ・被検体表面（２）に沿って、複数の部分領域からなる測定面内を、手持ちで動かすことができ、かつ、被検体（１）に超音波パルスを送信し、送信した超音波パルスに対応する各エコー信号を受信することで測定を行うプローブ（３）と、
    ・前記プローブ（３）の各測定位置を検出する検出装置と、
    ・前記受信したエコー信号の振幅値の重畳及び平均化処理に基づき、前記被検体（１）の所定の検査領域の像（５）を形成し、前記被検体（１）の検査領域の像（５）を形成する際に、検出された前記プローブ（３）の各測定位置を考慮するデータ処理装置（７）と、
    を有する、装置において、
    前記データ処理装置（７）は、前記測定面内の検出された各測定位置に関する不規則性を検出するための少なくとも１つの評価パラメータを用いて、検出された各測定位置に対応する、像（５）を形成するための各受信エコー信号を、上記不規則性が解消されるように重み付けし、
    前記データ処理装置（７）は、局所的な測定密度を評価パラメータとして求め、局所的な測定密度が相対的に大きい測定位置のエコー信号を、ゼロで重み付けし、
    前記データ処理装置（７）は、前記エコー信号をゼロで重み付けした測定位置を中心とする所定の第２半径内で、前記局所的な測定密度を再計算する、
    装置。
  9. 前記データ処理装置（７）は、前記局所的な測定密度を、前記測定面の単位面ごとに、又は前記測定面の少なくとも１本の走査線の単位長ごとに、検出された測定位置の各個数から求めることを特徴とする、
    請求項８記載の装置。
  10. 前記データ処理装置（７）は、前記局所的な測定密度を、所定の第１半径内で検出した１つの測定位置と他の全ての検出した測定位置との間の全ての距離の全ての逆数を合計することで求めることを特徴とする、
    請求項８又は９記載の装置。
  11. 前記データ処理装置（７）は、測定位置のエコー信号を、前記局所的な測定密度に反比例するように重み付けすることを特徴とする、
    請求項８乃至１０のいずれか１項記載の装置。
  12. 前記データ処理装置（７）は、前記ゼロで重み付けした測定位置を除去し、所定の最低測定密度を下回らない範囲内で前記局所的な測定密度を再計算することを特徴とする、
    請求項８乃至１１のいずれか１項記載の装置。
  13. 前記データ処理装置（７）は、測定面の全ての部分領域が評価パラメータとして均等に寄与するようにし、また測定位置のエコー信号を、均一に像（５）の形成に寄与するように重み付けすることを特徴とする、
    請求項８乃至１２のいずれか１項記載の装置。
  14. 前記検出装置は、前記プローブ（１６）の各測定位置を、超音波信号の送信時に及び／又は該超音波信号に対応するエコー信号の受信時に検出することを特徴とする、
    請求項８乃至１３のいずれか１項記載の装置。
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