JP6408297B2 - Beam forming method, measurement imaging apparatus, and communication apparatus - Google Patents
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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 beam forming method for performing beam forming using an arbitrary wave coming from a measurement target. Furthermore, the present invention relates to a measurement imaging apparatus and a communication apparatus that use 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 captures an image of a measurement object based on an electromagnetic wave, light, dynamic vibration, sound wave, or arbitrary wave such as a heat wave coming from the measurement object, or temperature or displacement in the measurement object. The present invention relates to a digital beam forming method in an imaging apparatus for nondestructively measuring the physical quantity, composition, structure, or the like. There are various measurement objects such as organic substances, inorganic substances, solids, liquids, gases, objects that follow rheology, living creatures, astronomical objects, the earth, and the environment, 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。 The present invention can be applied to nondestructive inspection, diagnosis, resource exploration, material and structure generation and manufacturing, various physical and chemical repairs and treatment monitoring, clarified functions and physical properties, etc. Relatedly, in such cases, accuracy may be required under conditions that are not invasive, minimally invasive, noninvasive, and the like, without causing great disturbance to the measurement target. Ideally, the measurement object 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。 In addition, treatment or repair may be performed on the measurement target by the action of the wave itself, and the situation may be observed by performing beam forming on the response from the measurement target at that time. Also, beam forming is performed in satellite communication, radar, sonar, etc. to realize an informationally safe environment under energy saving, and accurate communication is performed. Beam forming has also been applied to ad hoc communication devices and mobile communications. When the measurement target is dynamic, real-time characteristics are required, and beam forming 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 a wave such as an electromagnetic wave, light, dynamic vibration, sound wave, or heat wave, the behavior as a wave varies depending on the frequency, bandwidth, intensity, or mode. Many types of transducers of various types of waves have been developed so far, and imaging using transmitted waves, reflected waves, refracted waves, scattered waves (forward scattered waves, back scattered waves, etc.) of these waves has been 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 non-destructive inspection, medical care, and sonar. Also in the radar, electromagnetic waves (radio waves, FM waves, microwaves, terahertz waves, infrared rays, visible light, ultraviolet rays, radiation such as X-rays, etc.) having an appropriate frequency according to the measurement object are used. The same applies to other waves, and each wave behaves differently depending on the frequency.Therefore, different sensing and communication are performed according to the measurement object, medium, and frequency band. , 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 multiple times, or using a plurality of transducers arranged in advance in an array. . It is well known that aperture surface synthesis processing is performed when observing the earth, land, ocean, and weather with satellite or airplane radar. Beam forming is often aimed at obtaining a high spatial resolution and a high contrast in a region of interest or a point of interest by providing appropriate directivity particularly when imaging a measurement target.
結果として、計測対象から発生する波動に作用することにより、インピーダンスの空間的な変化により生じる反射や透過、各種散乱(レーリー散乱、ミー散乱、その他)、減衰、又は、それらの周波数分散等を観測でき、計測対象が何であるかは元より、計測対象の内部や表面の構造や組成を観測できる。計測対象が様々な空間分解能で観測されることもある。構造や組成のレベル(例えば、個体レベル、分子レベル、原子レベル、核レベル等)で、特性評価(characterization)することができる。 As a result, by acting on the wave generated from the measurement object, reflection and transmission, various scattering (Rayleigh scattering, Mie scattering, etc.), attenuation, or frequency dispersion due to spatial changes in impedance are observed. It is possible to observe the structure and composition of the inside and surface of the measurement object based on what the measurement object is. The measurement object may be observed with various spatial resolutions. It can be characterized at the level of structure or composition (eg, individual level, molecular level, atomic level, nuclear level, etc.).
高精度な高分解能イメージングを目的に、古くから信号の圧縮技術が使用され、代表的なものにチャープ波技術や符号化圧縮技術が使用されている。ISAR(inverse synthetic aperture radar:逆合成開口レーダー)等のように、観測された波動にビーム特性の反転(inversion)を施して超解像を行うこともあるが(開口面合成時とは限らない)、積極的に分解能を低下させることもある。それらにおいて、特異値分解や正則化(regularization)は有効である。 For the purpose of high-accuracy high-resolution imaging, signal compression techniques have been used for a long time, and chirp wave techniques and coding compression techniques have been used as representative ones. 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 (not always during aperture synthesis). ), And may actively reduce resolution. Among them, singular value decomposition and regularization 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 when a plurality of signals are separated, for example, when a received signal is separated into received signals corresponding to transmission signals having different transmission positions. Waves coming from different directions may be separated, and signal sources may be identified and separated. In such a case, the place which relies on the matched filter with high signal detection ability is great. However, while it is possible to acquire signal energy, when obtaining the movement, displacement, distortion, etc. of the measurement object accompanied by deformation, the spatial resolution is lowered, and the measurement accuracy is lowered. 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 the imaging using the above-described wave, the distribution of amplitude data obtained through orthogonal detection, envelope detection, or square detection is usually displayed as a gray image or a color image in one, two, or three dimensions. Often resulting in a morphological image. Functional observation is also possible. For example, in Doppler measurement using these 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、マイクロ波や遠赤外線を使用した場合には、計測対象の温度分布を観測することもできる。それらの計測された物理量は、形態学的画像に重畳して表示されることもある。画像計測の分野では、検波を通じてインコヒーレントにした信号を用いて動きの観測が行われることも良く知られている(相互相関処理やオプティカルフロー等)。医用超音波やソナーにおいては、物理的に生成されるハーモニックや和音や差音を用いたイメージングも行われる。特に、計測対象が動的である場合には、ビームフォーミング処理に実時間性が求められる。 In addition, for example, in the field of medical ultrasound, there is a useful technique that can detect a moving tissue although there is no information on the displacement direction, as in power Doppler. In addition, when microwaves or far infrared rays are used, the temperature distribution of the measurement target can also be observed. These measured physical quantities may be displayed 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 characteristics are 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。 In satellite communications, radar, sonar, etc., beam forming is performed to realize an informationally safe environment under energy saving, and accurate communication is performed. Beam forming 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 generation source, and a specific position. In communication, information may be transmitted from a transmitter to a receiver on a wave, and the purpose may be achieved by itself, or the receiver may return the result of the communication to the transmitter, Of course, there is a case of responding to the request, but of course the example of communication is not limited to this. Real-time characteristics are required when the content of information is dynamic depending on the communication target and observation target, and beam forming in that case is required to be completed in a short time.
この様な中で、本願の第1の発明者(願書に最初に記載されている発明者である炭親良)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。本願の第1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 first inventor of the present application (the charcoal good friend, the inventor first described in the application), for example, for differential diagnosis of cancerous lesions, sclerosis and the like in human tissues. Development of ultrasonic imaging technique. The first inventor of the present application performs high resolution and high efficiency of HIFU (High Intensity Focus Ultrasound) treatment as well as high resolution of echo imaging and high precision measurement imaging of tissue displacement. And imaging them based on the reception of echoes during intense ultrasound radiation. Such imaging is based on performing high-speed and appropriate beam forming, and high-speed and appropriate detection methods, tissue displacement measurement methods, shear wave propagation measurement methods, and the like have been reported in the past.
医用超音波画像診断装置は、デジタル化されてから20年以上経った。より古くには、単一開口の変換素子を用いて機械走査をし、その後、複数の変換素子やそれらから成るアレイ型デバイスを用いた電子スキャンが行われ、信号処理を行う装置が、アナログ装置からデジタル装置へと推移した。実の所、古典的な開口面合成処理そのものは、衛星や飛行機に搭載されているレーダーにおいて使用される様になった当時より、デジタルビームフォーミングであったわけであるが、受信信号の強度が弱いことを理由に、医用超音波において使用されることは稀であった。 More than 20 years have passed since the medical ultrasonic diagnostic imaging apparatus was digitized. In older cases, a device that performs mechanical scanning using a single aperture conversion element and then performs electronic scanning using a plurality of conversion elements and an array type device composed of them is an analog device. To digital equipment. In fact, the classic aperture synthesis process itself was digital beamforming from the time it was used in radar 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、本願の第1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、同じく本願の第1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 first inventor of the present application has 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 multi-directional steering (deflection) image signal at the same frame rate as that of a normal electronic scan, and by performing coherent addition thereof, lateral modulation imaging (depth direction and It has a horizontal carrier frequency orthogonal to this, and has a higher spatial resolution than normal imaging. Furthermore, by using together the multidimensional autocorrelation method invented by the first inventor of the present application, the displacement vector distribution can be measured in real time. In addition, when incoherent addition is performed, it is also possible to reduce speckles (normally, transmission beams are generated in different directions to reduce speckles, but according to the multidirectional aperture synthesis method, High frame rate). Outside the field of ultrasound, digitization is progressing in sensing devices that use radiation such as microwaves, terahertz waves, X-rays, other electromagnetic waves, vibration waves including sound, and heat waves for nondestructive inspection. It 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 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) of those waves generated by the transducer. Scattered waves or backscattered waves). On the other hand, in passive beamforming, for example, the temperature distribution measurement based on the above-mentioned microwave observation and the case of observing the electrical activity source due to the brain magnetic field of living creatures are self-divergent. A transmitted wave, a reflected wave, a refracted 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 a target. There are many other examples that correspond to these, but as an example different from them, recently, we have called living organisms as measurement objects, called photoacoustics, irradiating measurement objects with lasers, and frequency-dependent 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 differentiated as a result of beam forming.
デジタル装置は、アナログ装置に比べ、処理時間を多く要するが、計算処理能力が格段に向上し、且つ、小型化されたことや、データ記憶媒体を含めて安価になったこと、高次計算処理を施すことが容易で自由度が高いこと等、利点が多い。実際のところ、デジタル装置といっても、センシング装置においては、特に、センサーによって信号を受信した後の高速なアナログ処理は極めて重要であり、比較的に近傍においてAD変換(Analogue-to-Digital conversion)された後のデジタル処理と合わせて、適切に実現されるものである。 A digital device requires more processing time than an analog device, but its computational processing capability has been greatly improved, and it has been downsized, including data storage media, has become inexpensive, and higher-order calculation processing There are many advantages such as being easy to apply and having a high degree of freedom. In fact, even in digital devices, high-speed analog processing after receiving a signal by a sensor is extremely important in sensing devices, and AD conversion (analogue-to-digital conversion) is relatively close. It can be appropriately realized in combination with the digital processing after.
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 a digital apparatus, transmission beam forming is performed by analog processing or digital processing, and reception beam forming is performed by digital processing. Therefore, in the present application, the digital beamformer means that the reception beamforming is always performed by digital processing.
計測対象からの波動を、複数の変換素子やそれらから成るアレイ型デバイス、又は、1つ以上の変換素子の機械走査を通じて受信した後、いわゆる開口面合成処理であるDAS(Delay and Summation:整相加算)処理が行われる。送信においては、複数の素子を駆動して送信ビームフォーミングが行われることがあるし、1素子送信に基づく古典的な開口面合成が行われることもあるが、受信ビームフォーミングにおいては、共通して、DAS処理が行われる。 After receiving a wave from a measurement object through a plurality of transducer elements, an array type device composed of them, or mechanical scanning of one or more transducer elements, DAS (Delay and Summation) is a so-called aperture plane synthesis process. Addition) processing is performed. In transmission, transmission beam forming may be performed by driving a plurality of elements, and classical aperture synthesis based on single element transmission may be performed. However, in reception beam forming, , 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, transmission beam forming is performed by analog processing or digital processing. On the other hand, in receive beamforming, a received signal is generated by receiving a wave by each element in the array or at a different position, and the analog received signal is output after level adjustment or analog filtering by analog amplification or attenuation. A / D conversion into a digital reception signal is performed, and the digital reception signal is stored in a memory. After that, devices and computers with general-purpose computing power, PLD (Programmable Logic Device), FPGA (Field-Programmable Gate Array), DSP (Digital Signal Processor), Digital processing is performed on the stored received signal using a GPU (Graphical Processing Unit), a microprocessor, or a dedicated computer, a dedicated digital circuit, or a dedicated device. The
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。 Devices that perform these digital processes may include analog devices, AD converters, memories, and the like. Devices and computers with computing power may be multi-core. As a result, at the time of reception, dynamic focusing, which is almost impossible with an analog device, can be easily performed. Parallel processing is also performed. In order to increase the speed of analog processing and digital processing, a transmission line (for example, a stacked circuit) and a broadband wireless path are important.
ダイナミックフォーカシングは、生成されるイメージ信号のレンジ方向や計測対象の奥行き方向(深さ方向)の空間分解能を向上させる。一方、送信のダイナミックフォーカシングは、1素子送信による古典的な開口面合成のときのみにおいて可能である。送信波のエネルギーを確保するべく、1素子送信による開口面合成ではなく、複数素子駆動による固定焦点位置の送信ビームフォーミングが行われることも多い。 Dynamic focusing improves the spatial resolution in the range direction of the generated image signal and the depth direction (depth direction) of the measurement target. On the other hand, the dynamic focusing of transmission is possible only in the case of classic aperture synthesis by single-element transmission. In order to secure the energy of the transmission wave, transmission beam forming at a fixed focal position by multiple element driving is often performed instead of aperture plane synthesis by single element transmission.
本願の第1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、本願の第1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 first inventor of the present application invented high-frame-rate echo imaging that transmits a wave whose wavefront broadens in the horizontal direction, such as a plane wave, and interrogate a wide range in one transmission. Further, the first inventor of the present application coherently adds (superimposes) a plurality of waves of this kind having different steering (deflection) angles, and performs lateral modulation or widening in the lateral direction (high resolution in the lateral direction). In particular, when the above-described multidimensional autocorrelation method is realized, blood flow in the carotid artery where shear wave propagation or blood flow is fast, or in the heart chamber where complicated flow occurs Invented measuring blood flow etc. as a multidimensional displacement vector. The same applies when multidirectional aperture synthesis is performed and when transmission beamforming is performed. In addition, a plurality of waves having different carrier frequencies may be generated and overlapped to realize a wide band in the axial direction (high resolution in the axial direction).
アクティブビームフォーミングの場合にはこの様な処理が行われるが、パッシブビームフォーミングにおいては送信器を使用しない。この様に、デジタルビームフォーマーは、通常、送信器(アクティブビームフォーミングの場合)と、受信器と、DAS処理デバイスとから成り、それらのデバイスを組み上げて実現されるが、最近では、それらを小型にパッケージングしたものが安価に入手できる様になった。 Such processing is performed in the case of active beam forming, but a transmitter is not used in passive beam forming. In this way, a digital beamformer usually consists of a transmitter (in the case of active beamforming), a receiver, and a DAS processing device, and is realized by assembling these devices. Small packages are now available at low cost.
このDAS処理には、整相のために、空間領域において補間近似処理を交えて受信信号に高速にディレイを掛けるものと、膨大な時間を要するが周波数領域において複素指数関数を乗ずる位相回転処理によりナイキスト(Nyquist)定理に基づいてディレイを高精度に掛けるもの(本願の第1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 process uses a phase delay process that multiplies a complex exponential function in the frequency domain, which requires a huge amount of time but delays the received signal at high speed by interpolating approximation processing in the spatial domain for phasing. There is one that delays with high accuracy based on the Nyquist theorem (the first invention of the first inventor of the present application), and the received signals are added in the spatial domain after phasing (phasing addition). In a digital device, as a trigger signal for digital sampling (AD conversion) of an analog reception signal, for example, a command signal generated by a control unit may be used so that a transmitter generates a transmission signal to an element to be driven. .
また、1つのビームフォーミングにおいて複数の素子を送信ディレイを掛けて駆動する場合に、予め送信ユニットに搭載され、操作者が選択できる送信フォーカス位置やステアリング方向等を実現するアナログ又はデジタルの送信ディレイパターンを使用することがある。さらに、受信デジタル処理においては、最初に駆動する素子のための指令信号、最後に駆動する素子のための指令信号、又は、別の素子を駆動するための指令信号をトリガー信号として使用し、それらの信号に対してサンプリングを開始してデジタルディレイを掛けることがある。それらの指令信号は、1フレーム分のビームフォーミングを開始するための指令信号を基に生成されることがある。 Also, when driving multiple elements with transmission delay in one beamforming, analog or digital transmission delay patterns that are mounted in advance in the transmission unit and that enable the operator to select the transmission focus position, steering direction, etc. May be used. Furthermore, 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 a trigger signal. Sampling may be started and a digital delay may be applied. These command signals may be generated based on a command signal for starting beam forming 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。 When the digital delay is performed in the transmission delay, unlike the analog delay, an error determined by the clock frequency for generating the digital control signal is inevitably generated. Therefore, the analog delay is better for the transmission delay. In addition, if a digital delay is applied in reception to realize reception dynamic focusing, an error is caused by the above-described interpolation approximation processing. Therefore, the sampling frequency of the AD converter is increased sufficiently at a cost, or the above-described high There was no choice but to apply low-speed beam forming 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 case of the former with interpolation approximation processing, the phasing addition may simply add echo signals from the position including the coordinate position of the signal value to be generated, bi-linear or multi-dimensional polynomial The accuracy may be improved by interpolation using the above. The former is much faster than the latter, which uses a complex exponential function, but the accuracy is low. The latter is highly accurate but extremely slow. This phasing addition is often performed under the assumption that the wave propagation velocity is known or assumed to be constant within the region of interest. On the other hand, the propagation velocity is measured and phase aberration correction is performed. Before or after beamforming, for example, the cross-correlation function between adjacent beam signals or between beam signals at different angles is evaluated to evaluate the phase. Aberration can be determined (if the propagation velocity is uniform, it becomes an interferometry).
開口素子が1次元空間において分布又はアレイを成している場合に比べ、開口素子が2次元又は3次元に分布している場合や、開口素子が2次元又は3次元のアレイを構成している場合には、ビームフォーミングにさらに多くの処理を行う必要があり、多数のプロセッサーを搭載して並列処理を行うこと等が行われている。干渉の少ない離れた位置におけるビームフォーミングや、ステアリング角度の異なる複数の方向への送信ビームフォーミング、単一の送信ビームフォーミングが、並列受信処理されることもある。 Compared to the case where the aperture elements are distributed or arrayed in a one-dimensional space, the aperture elements are distributed in two dimensions or three dimensions, or the aperture elements constitute a two-dimensional or three-dimensional array. In some cases, it is necessary to perform more processing for beam forming, and a large number of processors are installed to perform parallel processing. In some cases, parallel reception processing is performed for beam forming at a remote position with little interference, transmission beam forming in a plurality of directions with different steering angles, and single transmission beam forming.
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. It is desirable that communication be performed. It is also possible to separate the interfering waves 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第1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第1の発明者は報告している。また、本願の第1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 first inventor of the present application similar to the above-described multidirectional aperture surface synthesis processing, it is possible to perform multidirectional reception beamforming for one transmission beamforming and improve the frame rate. . In addition, apodization may be important in beam forming. For example, each of transmission and reception apodization may be performed to reduce side lobes, but this has a trade-off relationship with lateral resolution and should be appropriately performed. On the other hand, a simple beam former that does not perform apodization is often used with an emphasis on spatial resolution. However, the first inventor of the present application reports that in order to obtain a lateral resolution while suppressing side lobes during steering, appropriate apodization is necessary. Further, in the past invention of the first inventor of the present application, there is one that removes 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、本願の第1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。本願の第1の発明者は、同非線形処理に基づく高精度な組織変位(ベクトル)計測も発明した。 In addition, contrast agents (for example, microbubbles in medical ultrasound imaging) may be used to apply the nonlinear characteristics of waves in the subject. The first inventor of the present application, including application of these, Realizes high-intensity waves and high-harmonic waves (broadband transmission), and non-linear processing on received coherent signals and coherent signals after phasing addition. Invented high-contrast imaging by suppressing resolution and side lobes. The first inventor of the present application also invented highly accurate tissue displacement (vector) measurement based on the nonlinear processing.
また、仮想源を用いたイメージング信号の生成も可能である。仮想源については、過去に物理開口の手前に仮想源を設置するものや送信焦点位置に仮想源を設置するものが報告されている。さらに、本願の第1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, there have been reports in the past of installing a virtual source before the physical aperture and installing a virtual source at the transmission focal position. Further, the first inventor of the present application may install not only a virtual source but also a detector at an arbitrary position without using a focal point, and a physical source or detector of a wave with an appropriate scatterer or diffraction grating. It is reported that it can be installed at any position. It is possible to increase the 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、自乗検波したものが使用されるが、本願の第1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 an imaging form, orthogonal detection, envelope detection, or square detection is used. However, the first inventor of the present application also actively displays the wave itself as a color image or a gray image. Emphasis is placed on display including phase information. As described above, development of multi-dimensional devices using various waves is under progress 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 some digital beam forming using fast Fourier transform disclosed so far, and one of them is analog processing (Fourier transform is an analytical solution of classical monostatic aperture synthesis ( Digitize (see Non-Patent Document 1), and exactly perform classical aperture synthesis at high speed and with high accuracy through Fast Fourier Transform (see Non-Patent Document 2). In this process, interpolation approximation is not required, but in the case of steering (deflection) or multi-static aperture synthesis (generally, reception using the element or a plurality of peripheral elements in one-element 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、波数マッチングを補間近似を通じて行うものである。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 other digital beam forming disclosed requires interpolation approximation processing and has low accuracy. For example, a method of performing wave number matching through fast Fourier transform including the case of steering in plane wave transmission is disclosed (see Non-Patent Document 3-5), but in this case, the aperture shape of the array is not flat. In some cases, when calculating or displaying an image (when the array opening is an arc (see Non-Patent Document 6)), an interpolation approximation process is required, and the accuracy is low. Although the thing using the fast Fourier transformation at the time of plane wave transmission is disclosed also in patent documents 1-4, all perform wave number matching through interpolation approximation. By the wave number matching by the interpolation approximation, the multi-dimensional spectrum is obtained with the angular vector wave vector coordinate system at equal intervals, and the fast inverse Fourier transform is performed, so that 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。 Recent Non-Patent Document 5 discloses that wave number matching is Fourier-transformed with respect to non-uniform sampling signals, but this is also based on interpolation approximation processing. As mentioned above, digital beam forming has a long history, but when the most important is the real-time performance (calculation speed) until the image is displayed, interpolation approximation is often performed, providing the best accuracy. I don't mean. In addition, the most general fixed focus processing known to perform DAS processing, steering at that time, and the like are not disclosed even by a processing method performed through digital fast Fourier transform.
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。 There is also a report on the migration method (see, for example, Non-Patent Document 7), which also requires interpolation approximation in wave number matching. In order to obtain accuracy in processing involving these interpolation approximations, it is usually necessary to perform oversampling sufficiently by increasing the sampling frequency of the AD converter.
先に説明したように、受信ダイナミックフォーカシングを実現するべく受信においてデジタルディレイを掛けると、上記の補間近似処理によれば誤差を生じるので、コストをかけてAD変換器のサンプリング周波数を十分に高くするか、上記の高精度なデジタルディレイ(位相回転処理)を掛けて低速ビームフォーミングとするしかなかった。 As described above, if a digital delay is applied in reception to realize reception dynamic focusing, an error is generated according to the above-described interpolation approximation processing. Therefore, the sampling frequency of the AD converter is sufficiently increased at a high cost. Alternatively, the above-described high-precision digital delay (phase rotation processing) was applied to achieve low-speed beam forming.
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, reflected waves, transmitted waves, scattered waves (forward) are targeted for vibration waves (mechanical waves) including electromagnetic waves, sound waves (compression waves), shear waves, surface waves, etc., or heat waves. Scattered or backscattered waves, etc.), refracted waves, surface waves, shock waves, or methods of digital beamforming for those waves generated from self-emanating wave sources are disclosed. As described above, the present invention is limited to monostatic type aperture surface synthesis that does not include steering, plane wave transmission that includes steering, and the migration method. Other than the monostatic aperture plane synthesis, digital beam forming could not be performed without requiring interpolation approximation. Therefore, the 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 transmission or reception transducer array device having an arbitrary aperture shape (sometimes used for both transmission and reception, or transmission and reception may be related to different waves) or passive When only receiving transducers are used in beam forming, no interpolation approximation is required, regardless of whether transmission or reception focusing or steering is used, even if the coordinate system of the transmitted and received beams is different from the coordinate system for image display. In addition, it is desired to perform arbitrary beam forming 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。 In the case of active beamforming, transmit and receive transducer array devices with arbitrary aperture shapes (transducers may be used for both transmit and receive) are used. In the case of passive beamforming, only a receiving transducer array device having an arbitrary aperture shape is used. In those cases, it is desired to realize arbitrary beam forming at high speed and with high accuracy by digital processing. It is desired that virtually any focusing and any steering (deflection) be performed using 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 beam forming with phasing addition, linear or non-linear signal processing is performed on a plurality of beams in which at least one of wave parameters such as frequency, bandwidth, pulse shape, beam shape in each direction is different, A beam having a different value for at least one of those wave parameters may be generated (frequency modulation, wide band, multi-focus, etc.). In such beam forming, focusing is performed. 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。 The wave propagation speed is determined by the physical properties of the medium under physical conditions. Therefore, when the aperture element forms a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multidimensional array to perform imaging in a multidimensional space, it is a one-dimensional case. Compared to, a lot of beam forming will be performed, and the number of processing data used for one beam forming will increase, so it will take a lot of time, but acquiring the high speed of beam forming, It is desirable to use a device that processes these beam formings in a 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。 Up to now, digital beam forming through Fourier transform has been disclosed through interpolation approximation in a Cartesian coordinate system mainly using a one-dimensional or two-dimensional linear array transducer. Even when the coordinate system between the reception and the result (image) display is different, it is desirable to perform digital beam forming 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。 A method disclosed for a case where the aperture shape of the array is not flat (for example, when the array aperture is an arc) also performs interpolation approximation. As a typical example, when a convex transducer is used, or when electronic or mechanical sector scan or IVUS (intravascular ultrasound) scan is performed, transmission and reception are performed in an arbitrary coordinate system such as a polar coordinate system. It is desired to obtain a signal that is directly beamformed in an arbitrary image display system (arbitrary coordinate system) such as a Cartesian coordinate system without processing the digital signal obtained from the wave and 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, memory and AD converters have become very inexpensive, but without oversampling, sampling waves based on the Nyquist theorem, it takes time to perform DAS processing that does not require interpolation approximation. It is desired that the corresponding beam forming can be performed at high speed. Proper implementation of apodization can also be important.
これらの課題を解決した結果として、実時間又は短時間に得られるイメージ信号の空間分解能やコントラスト(サイドローブが抑圧される効果を含む)が高く、また、得られた信号から対象の動き(変位)や変形、又は、温度等を計測するに至っては、高精度な計測を実現することが望まれる。例えば、医用超音波の分野では、近年、エコー信号にドプラ法を適用して組織変位や速さを計測した後、これに時空間微分を施して加速度や歪等を求めて画像化する様になった。時空間微分は、高周波数の計測誤差を増幅してSN比(SNR: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 motion (displacement) of the object is obtained from the obtained signal. ), Deformation, or temperature, etc., it is desired to realize highly accurate measurement. For example, in the field of medical ultrasound, in recent years, the Doppler method has been applied to echo signals to measure tissue displacement and speed, and then subjected to spatiotemporal differentiation to obtain acceleration and strain, etc. became. Spatio-temporal differentiation is a process that amplifies high-frequency measurement errors and degrades the signal-to-noise ratio (SNR), so it is necessary to realize highly accurate displacement measurement using a phase. Conventionally, high-precision beamforming that realizes this has been dynamic focusing based on so-called DAS processing. A three-dimensional imaging apparatus using a two-dimensional array or a three-dimensional array also tends to become widespread. In this way, it is desired to achieve arbitrary beam forming including dynamic focusing at high speed and with high accuracy without interpolation approximation.
本願の第1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 first inventor of the present application has developed high-accuracy of tissue displacement and shear wave propagation that move relatively quickly based on high-speed beam forming by deflection plane wave transmission (transmission and reception within a region of interest is high-speed). Although the measurement method has been realized, even when such focusing is not performed, it is desired to perform beam forming with high accuracy at high speed without requiring interpolation approximation. By performing high-speed beam forming while changing the steering angle and performing coherent addition, it is possible to obtain almost the same high image quality (spatial resolution and contrast) at high speed compared to 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 multistatic aperture synthesis in classical aperture synthesis (monostatic type) based on scanning by driving one element at a time, which has not been disclosed so far, do not require interpolation approximation at high speed. It is desirable to carry out with high accuracy. In addition, even when so-called migration processing is used, it is desirable to process arbitrary beam forming at high speed and with high accuracy without performing interpolation approximation in an arbitrary coordinate system. Other specific examples of beam forming that are desired to be realized are as described in other parts of the present specification, and it is desirable that these beam forming can be performed at high speed and with high accuracy as well. It is.
そこで、本発明の1つの目的は、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。 Therefore, one object of the present invention is to use a digital beam former having a digital calculation function and perform arbitrary beam forming at high speed and high accuracy without performing approximate calculation.
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、前記計測対象物から到来する波動を平面波として受信処理する際に、平面波の受信方向と軸方向とが成す零度又は非零度の偏向角度が偏角θで表される場合において、前記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、前記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、前記受信信号を軸方向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(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、
また、本発明の第2の観点に係るビームフォーミング方法は、機械走査又は電子走査を行う受信有効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、前記受信有効開口素子アレイの位置に零のy座標を有するデカルト直交座標系において、送信及び受信のダイナミックフォーカシングが施されたビームを生成するモノ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であって、軸方向と其のビーム方向とが成す零度又は非零度の偏向角度が偏角θで表される場合において、送信開口素子から計測対象物に向けて波動を送信するステップ(a')と、前記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1つずつによって受信して、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を行うことによって、零度又は非零度の偏角θを有するモノスタティック型の開口面合成処理を行うステップ(b)とを具備し、ステップ(a')が、前記波動が、前記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、又は、前記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となる様に、前記受信信号を生成する受信開口素子と同一のx座標を有し、さらに、零のy座標を有する、前記複数の受信開口素子を兼ね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、前記複数の受信開口素子と対向する位置にある複数の送信開口素子の1つずつから波動を送信することを含み、ステップ(b)が、軸方向y及び横方向xの波数をそれぞれky及びkxとする波数領域(kx,ky)において、前記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、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,k0)に対し、波数ベクトル(sk0sinθ,sk0cosθ)を多次元スペクトルの重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ために、前記受信信号を軸方向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(301)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、
以上のビームフォーミング方法は、3次元の場合にも容易に適用できる。さらに、本発明の1つの観点に係る装置は、計測対象物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つの受信開口と、生成された受信信号に対し、本発明のいずれかの観点に係るビームフォーミング方法を施してイメージ信号を生成する演算を行うデジタル信号処理部とを具備する The above beam forming method can be easily applied to a three-dimensional case. Furthermore, an apparatus according to one aspect of the present invention receives at least one reception aperture that receives a wave coming from a measurement object and generates a reception signal, and the generated reception signal is any of the present invention. A digital signal processing unit that performs an operation of generating an image signal by performing the beamforming method according to the above aspect
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 the proper implementation of fast Fourier transform, complex exponential function multiplication, and Jacobi calculation, without performing the approximate calculation required in normal digital processing, An apparatus and a method for performing arbitrary beam forming at high speed and high accuracy in an arbitrary orthogonal coordinate system are included. In order to solve the problem, reflected waves, transmitted waves, and scattered waves are targeted for waves such as electromagnetic waves, vibration waves (mechanical waves) including sound waves (compression waves), shear waves, surface waves, etc., or heat waves. Waves (such as forward scattered waves or back scattered waves), refracted waves, surface waves, shock waves, those generated from self-emanating wave sources, waves emitted from moving objects, or unknown wave sources Appropriately set digital signal processing algorithms (in the implemented digital circuit or software) and analog or digital hardware are used for 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 normal digital beamformer phasing addition device of each wave device, and further a device having an arithmetic function for performing digital wave signal processing. May be implemented, or a digital circuit that realizes 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, as described in detail later. Harmonic waves are also processed. Beam forming using a virtual source and a virtual receiver is also performed. Parallel processing is also performed to generate multiple beams simultaneously.
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。 In the present invention, in order to realize high-speed and high-precision processing, in addition to the analog device such as level adjustment or analog filtering by the above-described analog amplification or attenuation, an analog signal processing device (the waveform of the drive signal) Effective application of linear elements and especially non-linear elements for changing waveforms, such as emphasizing and diminishing features, as well as devices and computers with general-purpose calculation processing capabilities as described above, PLD (Programmable Logic Device) ), FPGA (Field-Programmable Gate Array), DSP (Digital Signal Processor), GPU (Graphical Processing Unit), or microprocessor may be used, but a dedicated computer or dedicated digital circuit, or Digital processing may be performed on the stored signal 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 these analog devices, AD converters, memories, and devices that perform digital signal processing (multi-core, etc.) have high performance, but the number of communication between devices, communication line capacity, wiring, or Broadband wireless communication is also important. In particular, in the present invention, in addition to the case where these functional devices are appropriately mounted on one chip or substrate (when detachable), the functional devices are directly mounted on one chip or substrate. (Including lamination) is desirable. Parallel processing is also important. If the device is non-detachable, when the computer doubles as a control unit, it is possible to obtain much higher security performance than that obtained under normal program control. On the other hand, the current law will require more 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 beam former having a digital calculation function can be used, and arbitrary beam forming can be performed at high speed and high accuracy without performing approximate calculation through fast Fourier transform. It becomes 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 arithmetic, and can perform any beamforming at high speed in any orthogonal coordinate system including a curved coordinate system. In addition, it can be 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。 Any beamforming including conventional beamforming can be realized by using a DAS (Delay and Summation) process. However, according to the present invention, when a physical aperture forms a one-dimensional array, a general-purpose PC (personal computer) is used. ), The calculation speed is significantly faster than 100 times. When the aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution or a multi-dimensional array, the problem of requiring a lot of processing time can be solved more effectively, and the high speed of beam forming 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 an arbitrary beam forming can be interpolated at high speed. It can be realized by digital processing with high accuracy without performing it. Virtually any focusing, any steering (deflection), any apodization can be performed with an array device having any aperture shape.
例えば、医用超音波画像の分野では、リニア型トランスデューサによるデカルト座標系の他、コンベ型やセクタスキャン、又は、IVUS(intravascular ultrasound)において、極座標系を用いて物理的に送信と受信とデジタル化を行うものが一般的(popular)であり、観測対象によって使い分けられる。例えば、胸骨の隙間から心臓の動態を観測する場合においては、通常、セクタスキャンが行われる。また、アレイ型開口形状やそうでなくPVDF(polyvinylidene fluoride:ポリフッ化ビニリデン)ベースのトランスデューサにおいては、開口が変形可能である場合もある。つまり、本発明によれば、任意座標系において送受信した波動から得られたデジタル信号を処理し、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 ultrasonic imaging, in addition to the Cartesian coordinate system using linear transducers, in the convex type, sector scan, or IVUS (intravascular ultrasound), physical transmission, reception, and digitization are performed using a polar coordinate system. What is to be done is popular and can be used according to the observation target. For example, when observing the dynamics of the heart from the gap between the sternum, a sector scan is usually performed. In addition, in the case of an array-type opening shape or a PVDF (polyvinylidene fluoride) based transducer, the opening may be deformable. 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 signal directly beamformed in an arbitrary coordinate system such as an image display system is obtained without 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 synthesis, echo data frames composed of echo signals received at the same position among a plurality of reception positions with respect to the transmission position are generated by the number of receiving elements, and each echo is generated in the frequency domain. The data frame is subjected to monostatic type aperture surface synthesis processing according to the present invention, and the result of superimposing these processing results is subjected to inverse Fourier transform. As a result, echo data can be generated by aperture surface synthesis processing equal to the number of channels of the reception aperture, so low spatial resolution image signals are generated and superimposed by DAS, which is known as a multistatic processing method, and high spatial resolution is achieved. 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 accomplished by performing an 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。 As for the coordinate system, the present invention is based on performing a Jacobi operation in the Fourier transform. For example, in the convex, sector scan, or IVUS signal processing, echo data transmitted / received in the polar coordinate system is used. Based on this, echo data can be generated directly 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 when so-called migration processing is used, arbitrary beam forming 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-SNR and high-resolution imaging using a virtual source can be performed at high speed. Furthermore, according to the present invention, the frequency modulation and widening of the beam performed under linear processing and non-linear processing, multi-focus, parallel processing, virtual source and virtual receiver, etc. are also highly accurate at high speed under digital processing. Can be realized. The present invention is also useful in the optimization of beam forming that requires a calculation amount.
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, for electromagnetic waves, vibration waves (mechanical waves) including acoustic waves (compression waves), shear waves, shock waves, surface waves, etc., or waves such as heat waves, Arbitrary beamforming, regardless of transmission / reception focusing, transmission / reception steering, and transmission / reception apodization, even when the coordinate system for transmitting and receiving and the coordinate system for generating the beamformed signal are different 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 the beamformed signal as an image, but also provides high spatial resolution and high contrast in terms of image quality, and also uses the beamformed signal for displacement and deformation. Alternatively, if the temperature or the like is measured, the measurement accuracy can be improved. The high speed of processing has a great effect in multidimensional imaging using a multidimensional array. The present invention relates to a mathematical algorithm related to wave propagation, is a result of deriving a solution through digital computation but not including approximate calculation, and cannot be easily conceived.
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 code | symbol is used for the same component and the overlapping description is abbreviate | omitted. The apparatus according to the present invention can be used as a measurement imaging apparatus or a communication apparatus. In the following, mainly when the wave is a sound wave such as an ultrasonic wave, the sound pressure or the particle velocity, and as a mechanical wave, a compression wave (longitudinal wave) or a shear wave, a shock wave, a surface wave, a stress wave or When distorted waves and electromagnetic waves are targeted, image signals of electric or magnetic fields, and when heat waves are targeted, transmitted signals of temperature or heat flux, refracted waves, reflected waves, scattered waves (forward scattered waves, backward scattered waves, etc.) The case of generating 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及び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及び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及び通信装置は、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, configurations of the measurement imaging apparatus and the communication apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a representative block diagram illustrating a configuration example of a measurement imaging apparatus and a communication apparatus according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the measurement imaging apparatus and communication apparatus according to the present embodiment include a transmission transducer (or applicator) 10, a reception transducer (or reception sensor) 20, an apparatus body 30, an input device 40, An output device (or display device) 50 and an external storage device 60 are provided.
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、適度に簡略したブロック図であり、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の詳細は以下の通りである。一例として、上記の装置間や装置本体30内のユニット間や各ユニット内においては、有線技術又は無線技術を基礎として適切に通信が行われるものであり、離れた場所に設置されても良い。装置本体30とは、それらの様な複数のユニットから構成されるものであり、便宜上、その様に呼ぶ。 FIG. 2 is a representative block diagram showing in detail the configuration example of the apparatus main body shown in FIG. The apparatus main 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 a digital signal processing unit 33. 1 and 2 are appropriately simplified block diagrams, and the present embodiment is not limited to these, and details of the present embodiment are as follows. As an example, communication is appropriately performed between the devices described above, between the units in the device main body 30, and within each unit based on wired technology or wireless technology, and may be installed at a remote location. The apparatus 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。
<Transmission transducer>
The transmission transducer (or applicator) 10 shown in FIG. 2 generates a wave by a drive signal supplied from the transmission unit 31 in the apparatus main body 30 and transmits it. In the present embodiment, the plurality of transmission aperture elements 10a of the transmission 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 illustrating an arrangement example of a plurality of transmission aperture elements in the 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 arranged in a one-dimensional shape. Is shown. FIG. 3 (a2) shows a plurality of transmission aperture elements 10a that are densely arranged in a two-dimensional array, and FIG. 3 (b2) shows a plurality of transmission aperture elements 10a that are sparsely arranged in two dimensions. Is shown. FIG. 3 (a3) shows a plurality of transmission aperture elements 10a densely arranged in a three-dimensional array, and FIG. 3 (b3) shows a plurality of transmission aperture elements 10a sparsely arranged in a three-dimensional shape. 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 transmission aperture element 10a has a rectangular, circular, hexagonal, or other aperture shape, and may be flat, concave, or convex, and the array may 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 space or more, but at least orthogonal. A so-called opening that faces two directions orthogonal to each other so as to have directivity in two directions may be counted as one element, and three directions that so-called openings cross so as to have directivity in three directions orthogonal to each other. There is also a case where the one suitable for the device is counted as one element. There is also an element having an opening in which the opening is directed in more directions than three directions so as to have directivity in more directions 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。 Although the transmission aperture elements 10a may exist spatially densely or sparsely (separated positions), the present embodiment will be described without being particularly distinguished from a one-dimensional to three-dimensional array type. Aperture element array is used for IVUS in linear type (element arrangement is flat), convex (convex arc arrangement), focus type (concave arc arrangement), circular type (for example, medical ultrasound) ), Spherical, convex or concave spherical shells, and other shapes that are arranged in a convex or concave shape, various aspects can be taken for objects (communication objects) that propagate waves and observation objects. However, it is not limited to these. By appropriately driving these aperture element arrays, wave transmission, steering, aperture synthesis, fixed transmission focus, etc., in which the wavefront of the plane wave or the like spreads in the horizontal direction are performed, and one beam or generated A transmission wave having a wavefront is realized.
電子走査に関しては、後に詳述する通り、1つの送信ビーム又は波面を持つ送信波を生成するべく、図2に示す送信ユニット31が備える複数の送信チャンネルが生成する独立した駆動信号により、その駆動信号の数と同じ数の送信開口素子10aを独立に駆動できる。1つの送信ビーム又は波面を持つ送信波を生成するために使用される送信開口素子アレイを、送信有効開口とも称する。また、全開口素子を纏めて称する物理開口素子アレイと区別し、この同時に駆動される送信開口素子10aにより実現される送信開口を、送信サブ開口素子アレイ、又は、単に送信サブ開口とも称することがある。 Regarding electronic scanning, as described in detail later, in order to generate a transmission wave having one transmission beam or wavefront, the 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. A transmit aperture element array used to generate a transmit wave having one transmit beam or wavefront is also referred to as a transmit effective aperture. Further, it is distinguished from a physical aperture element array that collectively refers to all aperture elements, and the transmission aperture realized by the transmission aperture element 10a that is 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 order to observe the entire region of interest at once when the wave propagation object (communication object) is wide, the number of transmission channels of the total number of aperture elements in the physical aperture element array is provided, and all of them can be used at all times. However, in order to reduce the cost of the apparatus, the transmission channel is electronically switched to shift the transmission sub-aperture element array (electronic scanning), or the physical aperture element array is mechanically scanned (mechanical scanning). A wave may be transmitted throughout the region of interest using a minimum number of transmission channels. When a wave propagation target (communication target) is wide or an observation target is large in size, 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 sector scanning is performed, a spatially fixed aperture element array of the above type is electronically driven and scanned (electronic scanning), or the aperture element array itself is mechanically scanned. (Mechanical scanning) or both may be performed together. In classic aperture plane synthesis, electronic scanning is performed electronically for each element of an aperture element array, or mechanical transmission of one aperture element is used to transmit at different positions to form a transmission aperture array. In this case, the transmission unit 31 may have the number of transmission channels corresponding to the number of elements of the physical aperture array. However, if a switching device is used, the number of transmission channels can be reduced. Need. When transmitting polarized waves, the transmission unit 31 needs to have at least the number of channels obtained by multiplying the number of elements driven at one time by the number of polarized waves.
<受信トランスデューサ>
図2に示す受信トランスデューサ(又は受信センサー)20は、送信トランスデューサ10を兼ねることもあるが、送信トランスデューサ10とは別に使用されて受信専用のアレイ型センサーであっても良い。従って、受信トランスデューサ20は、送信トランスデューサ10とは別の位置に設定されることもある。また、受信トランスデューサ20が送信トランスデューサ10の生成する波動とは異なる波動を感知するものであることもある。その様な受信トランスデューサ20が送信トランスデューサ10と同一の位置に設置されたり、一体を成している場合もある。
<Receiving transducer>
The reception transducer (or reception sensor) 20 shown in FIG. 2 may also serve as the transmission transducer 10, but may be an array type sensor dedicated to reception that is used separately from the transmission transducer 10. Accordingly, the receiving transducer 20 may be set at a position different from that of the transmitting transducer 10. 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.
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)。 As in the case of the transmission transducer 10, the reception transducer 20 in the present embodiment includes at least one reception aperture element 20 a constituting an array, and signals received by the respective elements are in an independent state in the apparatus main body 30. To the receiving unit 32 (FIG. 2). Similar to the transmission aperture element 10a, the reception aperture element 20a has a rectangular, circular, hexagonal, or other aperture shape, and may be flat, concave, or convex. There are dimensions, two dimensions, or three dimensions. The directivity of one reception aperture element 20a is determined by the frequency and bandwidth of the wave to be received and the shape of the aperture of the reception aperture element 20a, and an element 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. Further, there are cases where the reception aperture elements 20a are spatially dense or sparse (separate positions), and are not distinguished from the array type here (see the example of the transmission array in FIG. 3).
開口素子アレイは、送信トランスデューサ10のそれと同様に、リニア型(素子の並びがフラット)、コンベックス(凸型の円弧状の並び)、フォーカス型(凹型の円弧状の並び)、円形型(例えば、医用超音波等でIVUSに使用される)、球状、凸型又は凹型の球殻状、その他の形で凸型又は凹型に並ぶもの等、波動を伝搬させる対象(通信対象)や観察対象に対して、様々な様態が取られ、これらに限られるものではない。これらの開口素子アレイを用いて波動を受信して、上記の平面波等の波面が横方向に広く拡がる波の受波やステアリング、開口面合成や固定受信フォーカスやダイナミックフォーカス等が行われ、1つのビームや生成された波面を持つ受信波が実現される。 Similar to that of the transmission transducer 10, the aperture element array is linear type (element arrangement is flat), convex (convex arc arrangement), focus type (concave arc arrangement), circular type (for example, For objects that propagate waves (communication objects) and observation objects such as spherical, convex or concave spherical shells, and other shapes that are aligned in a convex or concave shape. However, various aspects are taken, and the present invention is not limited to these. Waves are received using these aperture element arrays, and wave reception, steering, aperture synthesis, fixed reception focus, dynamic focus, etc., in which the wavefront of the plane wave or the like spreads widely in the lateral direction, is 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) are not spatially dense and may exist in sparse (remote positions), and the measurement target may be mechanically scanned and transmitted or received. In the case of using a transducer that is not referred to as an array type, the received signal may be processed in the same manner. However, in this application, the case where an array type device is used is described without particular distinction. The present invention will be described. For example, when there is a radar aperture at a remote location on land, each radar may or may not constitute an array.
衛星や飛行機に搭載のレーダーのみならず、トランスデューサで計測対象を機械走査することがあり、そのような場合においても、トランスデューサがアレイを構成している場合もあれば、そうでない場合もあり、空間的に連続的に高密度に、若しくは、離れた位置において空間的に疎に、信号を送信又は受信することもある。従って、古典的な開口面合成(1開口素子による送信)だけでなく、送信ビームフォーミングを行いながら、信号を受信することもある。開口素子が1次元状に存在することもあるし、2次元又は3次元空間において存在することもある。また、電子的な走査を行いながら機械的な走査を行うこともある。 In addition to radar mounted on satellites and airplanes, the object to be measured may be mechanically scanned by a transducer. Even in such a case, the transducer may or may not form an array. The signal may be transmitted or received continuously in high density or spatially sparsely in remote locations. Therefore, in addition to classical aperture plane synthesis (transmission by a single aperture element), signals may be received while performing transmit beamforming. The aperture element may exist in a one-dimensional form, or may exist in a two-dimensional or three-dimensional space. In addition, mechanical scanning may be performed while performing electronic 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 in detail later, in order to realize a reception wave having one reception beam or a generated wavefront, independent reception signals of the number of reception channels included in the reception unit 32 are received at a time at the aperture element. (The reception effective aperture is determined). The reception effective aperture may be different from the transmission effective aperture. It is distinguished from a physical aperture element array that collectively refers to all aperture elements, 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 as 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 order to observe the entire region of interest at a time when the wave propagation object (communication object) is wide, the receiving unit 32 includes the number of reception channels of the total number of aperture elements provided in the physical aperture element array. All may be used, but in order to reduce the cost of the device, the receiving channel is electronically switched to shift the receiving sub-aperture array (electronic scanning), or the physical aperture element array is mechanically scanned. (Mechanical scanning) may receive waves coming from the entire region of interest using a minimum number of received 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 a wave propagation target (communication target) is wide or an observation target is large in size, both electronic scanning and mechanical scanning may be performed. When a sector scan is performed, a spatially fixed aperture element array of the above type is electronically driven to scan while repeating transmission and reception (electronic scanning), or The aperture element array itself may be mechanically scanned (mechanical scanning) or both may be performed together. Also, in the classic aperture plane synthesis, 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 as described above. In order to constitute the transmission aperture array, the transmission unit 31 may have as many transmission channels as the number of elements of the physical aperture array in electronic scanning. However, at least one channel is always required by using a switching device as in the case of mechanical 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 case of the monostatic type in which reception is performed only by the same element as the active transmission element, the reception unit 32 may be provided with the reception channel in the same manner as the transmission channel. Further, in the multi-static type in which reception is often performed by a plurality of surrounding elements including active transmission elements, the reception unit 32 may have the number of reception channels corresponding to the number of elements of the physical aperture array in electronic scanning. By using the switching device, it is only necessary that the receiving unit 32 has at least the number of reception channels equal to the number of elements of the reception effective aperture in both electronic scanning and mechanical scanning. When receiving polarized waves, the receiving unit 32 needs at least the number of channels obtained by multiplying the number of receiving elements by the number of polarized waves.
<トランスデューサの具体例>
トランスデューサ10又は20としては、電磁波、光、力学的な振動、音波、又は、熱波等の任意波動を生成又は受信できる様々なものがある。例えば、トランスデューサ10は、任意波動を計測対象に送信すると共に、計測対象内において反射された反射波や後方散乱された散乱波等を受信できることがある(トランスデューサ20を兼ねる)。例えば、任意波動が超音波である場合に、駆動信号に従って超音波を送信すると共に、超音波を受信して受信信号を生成する超音波トランスデューサを用いることができる。応用に合わせて、超音波素子(PZT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 examples of transducer>
There are various transducers 10 or 20 that can generate or receive electromagnetic waves, light, dynamic vibrations, sound waves, or arbitrary waves such as heat waves. For example, the transducer 10 may transmit an arbitrary wave to the measurement target and receive a reflected wave reflected in the measurement target, a backscattered wave, or the like (also serves as the transducer 20). For example, when an arbitrary wave is an ultrasonic wave, an ultrasonic transducer that transmits an ultrasonic wave according to a drive signal and receives the ultrasonic wave to generate a reception signal can be used. It is well known that the ultrasonic elements (PZT, polymer piezoelectric elements, etc.) are different and the structure of the transducer is different depending on the application.
医療応用において、血流計測では歴史的に狭帯域の超音波を使用することが行われてきたが、本願の第一の発明者は、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、本願の第一の発明者は、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、前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, blood flow measurement has historically used narrow-band ultrasound, but the first inventor of the present application has discovered the displacement and strain of soft tissue that has been put into practical use in recent years (static Including the measurement of shear wave propagation (velocity), the use of a broadband transducer for (echo) imaging has been realized for the first time in the world. As with HIFU treatment, continuous wave may be used, but the first inventor of the present application has also developed an applicator using a broadband device in order to realize high-resolution treatment. Yes. When intense ultrasound is used, tissue is stimulated within a range that does not produce a heating effect, and a force source may be generated in the measurement target as described above. 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.
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, an alignment material is used (in the case of ultrasonic waves, gel, water, etc.), or an alignment material is previously incorporated in the transducer (ultrasonic wave). In this case, the 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 include power, carrier frequency, bandwidth (determines broadband or narrow bandwidth, axial spatial resolution), waveform shape, element size (determines lateral spatial resolution), directivity, etc. Those designed in both aspects of performance are used (details omitted). As ultrasonic transducers, there are composite ones such as those in which PZT and PVDF are laminated and have both transmission acoustic power and broadband characteristics.
駆動信号によって強制振動させる場合においては、その駆動信号により、生成される超音波の周波数や帯域が調整されたり、符号化されることもある(受信に関しては、トランスデューサの帯域内の信号に対して、アナログ又はデジタルのフィルタを用いて帯域を選択することもある)。周波数や感度等の特性の異なる開口素子が並べられている場合もある。医療用超音波トランスデューサは、元より、それらは、ハンディーであり、使い勝手がよいものであったが、最近では、ノンケーブル型のトランスデューサが、ハンディーサイズの装置本体と共に使用される様になった。周波数の低い音(例えば、可聴音)であれば、スピーカーやマイクロフォンがある。他の波動のトランスデューサも同様な観点で実現されることがあるが、その限りではない。 In the case of forced oscillation by the drive signal, the frequency and band of the generated ultrasonic wave may be adjusted or encoded by the drive signal (with respect to reception, the signal in the transducer band Or band selection using analog or digital filters). In some cases, aperture elements having different characteristics such as frequency and sensitivity are arranged. Medical ultrasonic transducers were originally handy and easy to use, but recently, non-cable type transducers have been used with handy size device bodies. If the sound has a low frequency (for example, an audible sound), there are a speaker and a microphone. Other wave transducers may be realized from a similar point of view, but are not limited thereto.
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 transmission transducer that generates an arbitrary wave, and the transducer 20 may be a reception transducer (sensor) that receives the arbitrary wave. In that case, the transmitting transducer transmits an arbitrary wave to the measurement target, and the sensor reflects the reflected wave or the back-scattered wave reflected in the measurement target, or the transmitted wave transmitted through the measurement target or the like. Refractive waves, forward scattering, 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 is not intentionally generated such as sunlight, lighting, or metabolism in the living body may be used, but an infrared heater, heater, etc. Ultra-sound transducers that transmit heating ultrasonic waves that are often controlled according to drive signals (sometimes generating a force source in the measurement target), electromagnetic wave transducers, lasers, etc. used. Infrared sensors that receive heat waves and generate received signals, pyroelectric sensors, microwave and terahertz wave detectors, temperature sensors such as optical fibers, and ultrasonic transducers (temperature dependence such as ultrasonic sound velocity and volume change) The temperature change can be detected by using a magnetic property) or a nuclear magnetic resonance signal detector (temperature can be detected by using a chemical shift of nuclear magnetic resonance). For each wave, a transducer that can receive properly is used.
光学デジタルカメラやマンモグラフィーには、CCD(電荷結合素子)技術が使用されており、集積回路とセンサー本体とが一体となっている場合がある。また、超音波2次元アレイにおいても、同技術が応用されており、実時間の3次元イメージングが可能になっている。X線の検出には、シンチレータとフォトカプラの組み合わせが使用されるが、波動として観測できる様になって久しい。高周波信号をデジタル信号として取り込むに当たり、前処理にアナログ的に検波又は変調を行い、低周波数にしてAD変換してメモリや記憶装置(記憶媒体)に格納することは有効である。時には、デジタル検波されることもある。これらが、送信器や受信器と共に、チップや基板によって一体化されることがある。 Optical digital cameras and mammography use CCD (charge coupled device) technology, and an integrated circuit and a sensor body may be integrated. The same technology is also applied to an ultrasonic two-dimensional array, and real-time three-dimensional imaging is possible. A combination of scintillator and photocoupler is used for X-ray detection, but it has been a long time since it can be observed as a wave. In capturing a high-frequency signal as a digital signal, it is effective to perform analog detection or modulation for pre-processing, and to perform AD conversion at a low frequency and store it in a memory or a storage device (storage medium). Sometimes digital detection is performed. These may be integrated by a chip or a substrate together with a transmitter and a receiver.
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)し、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ある(本願の第一の発明者の過去の発明)。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, for example, each aperture may form an array, such as when a radar is located at a remote location on land, and there are cases where the aperture is not limited thereto. The aperture may be scanned mechanically to obtain a wide directivity. Openings are irregular in a spatially continuous high density, spatially sparse at distant locations, at regular intervals, etc., and under physical constraints In some cases, it is installed. In addition, the position may be fixed with respect to the object (communication object) to propagate the wave and the observation position, such as in the ocean, in a building, or indoors. They may be dedicated openings for wave transmission or reception. In addition, each opening may serve as both, but it does not necessarily receive a response of a wave transmitted by itself, and may receive a wave transmitted by another opening. In medical and biological observations, it is called photoacoustic, and ultrasonic waves generated by laser irradiation may be observed (multiple wave transducers may be integrated). In some cases, a magnetic substance having an affinity for a lesion is injected intravenously as a contrast medium, and vibrations such as ultrasonic waves are applied to the affected area to observe electromagnetic waves (the past invention of the first inventor of the present application). It may communicate with various mobile objects using radio waves.
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(本願の第一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 (seismic meters), magnetoencephalograms (SQUID arrays), brain waves, neural networks (electrode arrays), radio waves (antennas), radars, etc. It may be used for observation of wave sources. The propagation direction of the arriving wave is obtained based on multidimensional spectral analysis (the past achievements of the first inventor of the present application), and in the device of the present invention, a plurality of transducers or receptions provided at different positions Even when the information about the propagation time cannot be obtained using the effective aperture (usually, the position of the wave source is determined from the time when the wave is observed at a plurality of positions), the position of the wave source is geometrically determined. It is possible to determine. Waves can be observed with continuous waves instead of pulse waves and burst waves. Through any process, when the direction of arrival of the wave is known, various beams can be steered and focused in that direction for detailed observation. In those processes, receive beamforming is always performed while changing the steering angle, focusing on the likely direction, and the resulting image or imaging, spatial resolution, contrast, signal strength, etc. are observed, or The direction of the wave source can also be specified through multidimensional spectral analysis. Therefore, the transducer used in the apparatus of the present invention is also used for steering and may be provided with a mechanism for performing 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 typical transducers that are relatively familiar and special ones are listed, but those used in the present invention include those including applications. The present invention is not limited, and various types that can generate or receive electromagnetic waves, light, dynamic vibrations, sound waves, or arbitrary waves such as 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。
<Beam forming>
One or more beam forming at each aperture at the same time, or at the same time or at the same time, or at the same time or in the same state of the object to be propagated (communication object) or observation object Alternatively, transmission or reception may be performed. Similarly, one or more beamforming or transmission or reception may be performed with one combination of apertures. Similarly, each of a plurality of combinations of apertures may perform one or more beamforming, transmission, or reception. In these cases, new data may be generated through linear or non-linear calculations using them, including cases where a plurality of beamforming and reception results are obtained.
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。 Also, for example, in the case of a spatially moving object such as a radar mounted on a satellite or an airplane, the mounted aperture may or may not constitute an array, and mechanical scanning may be performed. In some cases, wide directivity can be obtained, and the regularity such as spatially continuous high density, spatially sparseness at a distant position, or equidistant spacing. Alternatively, transmission and reception may be performed irregularly as necessary. There are various other moving objects such as cars, ships, trains, submarines, and mobile robots. In addition, there are cases where things such as distributed items, creatures, etc. move regularly or randomly. In such a case, a movable communication device is used. An RFID (Radio Frequency Identification) tag, an IC card, or the like may be used.
その際には、古典的な開口面合成(1開口素子毎の送信に基づく開口面合成)が行われるだけでなく、送信ビームフォーミングを生成しながら、受信ビームフォーミングが行われることもある。また、電子走査を行いながら機械走査が規則的に又は変則的に行われることもあり、空間的に広い範囲に適切に波動を伝搬させたり(通信)、空間的に広い範囲が適切に観察されることもある。無論、多次元アレイを使用することにより、電子走査のみで、空間的に広い範囲に適切に波動を伝搬させたり(通信)、空間的に広い範囲が適切に観察されることもある(物理開口が大きくなるだけでなく、多方向のステアリングも可能になる)。 At that time, not only classical aperture synthesis (aperture synthesis based on transmission for each aperture element) is performed, but reception beamforming may be performed while generating transmission beamforming. In addition, mechanical scanning may be performed regularly or irregularly while electronic scanning is performed. Waves are propagated appropriately over a wide spatial range (communication), and a wide spatial range is appropriately observed. Sometimes. Of course, by using a multi-dimensional array, waves can be appropriately propagated over a wide spatial range (communication) only by electronic scanning, or a wide spatial range can be appropriately observed (physical aperture). Not only increases but also allows multi-directional steering).
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 serve as both apertures for wave transmission and reception, but not only receive the response of the wave transmitted by itself, but also receive the wave transmitted by any other aperture Sometimes. In addition, a plurality of moving objects may have openings, and at the same time, a simultaneous phase in which the wave propagation target (communication target) and the state of the observation target are the same or substantially the same, or another time or In another time phase, one or more beamforming, or transmission or reception may occur 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。 Similarly, one or more beamforming, transmission, or reception may be performed with one combination of apertures. Further, similarly, each of a plurality of combinations of apertures may perform one or more beam forming, transmission, or reception. Also, in these cases, new data may be generated through linear or non-linear calculations using them, including cases where a plurality of beamforming and 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) for propagating a wave or an observation object.
この様に、本実施形態では、複数の送信開口素子10aと複数の受信開口素子20aとが存在し(1つの開口素子が、送信開口素子10aと受信開口素子20aとを兼ねることもある)、アクティブにビームフォーミングが行われる。このアクティブビームフォーミングにおいて、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 serve as both the transmission aperture element 10a and the reception aperture element 20a). Beam forming is actively performed. In this active beamforming, arbitrary beamforming can be realized by digital processing without performing high-speed interpolation approximation through fast Fourier transform. Also, virtually any focusing and any steering can be implemented using a transducer array device having any 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。 The transmission is generally performed in an orthogonal coordinate system determined by the shape of the physical aperture element array in order to place importance on the direction of each aperture element (virtual sound source will be described separately). In order to generate a signal directly representing a wave in a simple display coordinate system, it is mainly to perform reception digital beam forming without performing interpolation approximation processing. There is also forming.
<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。
<Transmission unit>
Next, the transmission unit 31 (FIG. 2) provided in the apparatus main 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, as described below, there are various forms of this transmission channel. The frequency, bandwidth, waveform, and directivity of the wave generated in each transmission aperture element 10 a are determined by the transmission aperture element 10 a and the transmission unit 31.
インパルス信号を送信開口素子10aに印加すると、送信開口素子10aの形状(厚みや開口の大きさや形)と材料(超音波素子の代表的なものにシングルクリスタル)とで決まる波動が生成されるが、送信ユニット31において生成されて周波数と帯域幅、波形(符号化されていることもある)を持つ駆動信号で送信開口素子10aを強制的に励起することにより、生成される波動の周波数、帯域幅、波形、指向性が調整される。その生成される駆動信号の特性は、制御ユニット34による制御の下でパラメータとして設定される。使用されるトランスデューサを制御ユニット34が認識して、推奨する設定が自動的に行われることもあるが、入力装置40を用いた設定又は調整も可能である。 When an impulse signal is applied to the transmission aperture element 10a, a wave determined by the shape (thickness and size and shape of the aperture) of the transmission aperture element 10a and the material (single crystal as a typical ultrasonic element) is generated. The frequency and band of a wave generated by forcibly exciting the transmission aperture element 10a with a drive signal generated in the transmission unit 31 and having a frequency, a bandwidth, and a waveform (which may be encoded) 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. Although the control unit 34 recognizes the transducer to be used and the recommended setting may be automatically performed, the 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(登録商標)ディスク、又は、MO等の様々な媒体を通じてインストールされることもある。プログラムを起動して入力装置40よりインターラクティブにパターンを選択できる場合もあるし、ディレイ(パターン)値を直接に入力したり、その他、データの記録されたファイルを読み込ませて設定する場合等、様々な場合がある。特に、アナログディレイの場合に、使用するディレイ値がアナログ的又はデジタル的に変更される場合もあるし、ディレイ回路又はパターンそのものが別のものに付け替えられるか別に切り替えられることもある。 Normally, in order to drive a plurality of aperture elements with drive signals multiplied by different delays when performing one beam forming, the transmission unit 31 is equipped with an analog or digital delay pattern, and an operator can input the input device 40. A delay pattern that realizes a transmission focus position, a steering direction, and the like that can be selected using the. 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 (registered trademark) disk, or an MO depending on the purpose. In some cases, a program can be started and a pattern can be selected interactively from the input device 40, a delay (pattern) value can be directly input, or a file in which data is recorded can be read and set. There are cases. In particular, in the case of an analog delay, the delay value to be used may be changed in an analog or digital manner, or the delay circuit or the pattern itself may be replaced with another one or switched.
装置本体30(図2)において、制御ユニット34から複数チャンネルの送信器31aに、対応する送信開口素子10aを駆動する駆動信号(符号化されている場合がある)を生成させる指令信号が伝送される。それらの指令信号は、1フレーム分のビームフォーミングを開始するための指令信号を基に生成されることがある。送信ディレイがデジタルである場合に、例えば、最初に駆動する送信開口素子のための送信器31aに送られる指令信号をトリガーとしてデジタルディレイが掛けられ、各送信器31aに指令信号が送られることがある。デジタルディレイにはデジタル回路のディレイデバイスが使用されることもある。 In the apparatus main body 30 (FIG. 2), a command signal for generating a drive signal (which may be encoded) for driving the corresponding transmission aperture element 10a is transmitted from the control unit 34 to the transmitter 31a of a plurality of channels. The These command signals may be generated based on a command signal for starting beam forming for one frame. When the transmission delay is digital, for example, a digital delay is applied with a command signal sent to the transmitter 31a for the transmission aperture element to be driven first as a trigger, and the command signal is 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。 In addition, an analog delay may be applied to the drive signal itself generated in the transmitter 31a for the element to be driven first, 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 transmission aperture elements 10a with at least one device. Therefore, the transmission analog delay is provided before and after or inside the transmitter 31a or in the control unit 34, while the transmission digital delay is provided in 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。 A pattern may be selected by switching between an analog circuit or an analog device, or a digital circuit or a digital device, but 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, and the like. In addition, 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 and 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, etc., or a dedicated digital circuit or a dedicated device. They are desirably high performance (such as multi-core) and may also be responsible for analog devices, AD converter 32b, memory 32c, and / or digital signal processing unit 33 that performs transmit or receive beamforming processing.
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 communication between devices, communication line capacity, wiring, or broadband wireless communication is important. In particular, in the present invention, when these functional devices are appropriately mounted on one chip or substrate ( Detachable). In addition, they may be directly mounted on one 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 security obtained under normal program control. On the other hand, the current law will require more 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 coded or input directly, and some are installed. The method of applying the digital delay is not limited to these. When this digital delay is performed in the transmission delay, unlike the analog delay, an error determined by the clock frequency for generating the digital control signal is inevitably generated. Therefore, in terms of accuracy, the transmission delay is preferably the analog delay. Basically, a high clock frequency is used at a cost to reduce errors. On the other hand, the analog delay can be changed in an analog manner, or can be made digitally programmable. However, the degree of freedom is lower than that of a digital delay, and when the cost is reduced, a 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。 Note that the transmission apodization is performed by changing the energy of the driving signal of the aperture element and the time change of the amplitude of a waveform (which may be encoded) that changes with time. The drive signal is adjusted based on the calibration data of the conversion efficiency (convertibility) of the drive signal of the aperture element into the wave. For other purposes, adjustments to 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 the predetermined signal. It may be an encoded signal that can generate a drive signal, or it simply gives 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. There 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。 Similarly to 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 can take various forms. A power supply or an amplifier is used to generate a drive signal, but power supplies with different power or energy supply amounts or amplifiers with different amplification levels are switched and used simultaneously to generate one drive signal. In addition, as with the transmission delay pattern, it may be set directly or programmable as described above. The delay and the apodization can be implemented in the same or different forms at the same or different hierarchical levels in the transmission unit.
送信有効開口内の開口素子を駆動するための送信チャンネルは、シフトレジスタやマルチプレクサ等のスイッチングデバイスを通じて切り替えられ、別の位置の有効開口が使用されてビームフォーミングを行いながら関心領域が走査されることがある。また、ディレイ素子のディレイ値が可変であるものがあるし、ディレイパターン(ディレイ素子群)が切り換えられることもある。さらに、1つの有効開口において複数方向へのステアリングが行われることもあるし、適宜、開口位置や有効開口幅を変えながら、さらには、複数方向にステアリングが行われることもある。 The transmission 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 region of interest is scanned while performing beam forming using the effective aperture at another position. There is. Some delay elements have variable delay values, and delay patterns (delay element groups) may be switched. Further, steering in a plurality of directions may be performed at one effective opening, and further 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)。 In the case of switching a high voltage signal, a dedicated switching device is used. In some cases, the apodization value of the apodization element is variable in the transmission time direction and 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 Depending on the beam shape, the beam shape may be adjusted. Specifically, it means that a transmitting element with zero apodization value is not active and is off, and apodization can also act as a switch for the effective element and can determine the effective aperture width (apodization in the direction of the aperture element array). If the function is a rectangular window, the switch is on. If it is not a constant value, the switch is 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。 Further, regarding the delay pattern and the apodization pattern, the apparatus main body 30 may be provided with a plurality of patterns or may be programmable. Based on the response from the transmission target and the result of beam forming by the receiving unit 32 described below, In the digital signal processing unit 33 (FIG. 2) in the apparatus main body 30 to be described later, wave attenuation and scattering (forward scattering, back scattering, etc.), transmission, reflection, refraction, or sound velocity frequency dispersion in a propagation medium. And spatial distribution may be calculated, and the delay and intensity of the wave transmitted from each aperture, the steering direction of the beam and wavefront, the apodization pattern, etc. may be optimized.
尚、古典的な開口面合成には、1開口素子による送信において行われるモノスタティック型とマルチスタティック型とがあり、アクティブな送信開口素子10aが、上記の如くして、スイッチング又はアポダイゼーションの下で切り替えられる。全送信素子が送信器31aを含む送信チャンネルを備えている場合もある。開口面合成においては、十分な強度又はエネルギーの波動を生成する必要があり、送信アポダイゼーション関数そのものが必ずしも重要であるとは限らない。実質的には、通常、開口面合成は、整相加算器において受信アポダイゼーションと同時に実施されるし、本発明においては、デジタル信号処理ユニット33において、受信アポダイゼーションと同時に実施されることが多い。以上、本実施形態の代表的な送信ユニットについて説明したが、送信ビームフォーミングの可能なものであれば、任意のものを使用でき、記載されている限りではない。 In addition, in the classical aperture plane synthesis, there are a monostatic type and a multistatic type performed in transmission by a single aperture element, and the active transmission aperture element 10a is subjected to switching or apodization as described above. Can be switched. In some cases, all transmission elements have a transmission channel including the transmitter 31a. In aperture plane synthesis, it is necessary to generate a wave of sufficient intensity or energy, and the transmission apodization function itself is not necessarily important. In practice, the aperture plane synthesis is usually performed simultaneously with reception apodization in the phasing adder, and in the present invention, it is often performed simultaneously with reception apodization in the digital signal processing unit 33. The representative transmission unit of the present embodiment has been described above. However, 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。
<Receiving unit and digital signal processing unit>
Next, the receiving unit 32 and the digital signal processing unit 33 (FIG. 2) included in the apparatus main body 30 will be described. The reception unit 32 includes a receiver 32a of 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 in each reception aperture element are determined by the reception aperture element 20a and the reception unit 32. When the wave arrives at the reception aperture, a reception signal is generated which is determined by the shape (thickness or size and shape of the aperture) of the reception aperture element 20a and the material (single crystal as a typical ultrasonic element). The frequency, bandwidth, and directivity of the received signal generated by the filtering process in the unit 32 (which may also serve as an analog amplifier) are adjusted. The generated reception signal is substantially adjusted based on filter parameters (frequency characteristics such as frequency and bandwidth) set under the control of the control unit 34. Although the control unit 34 recognizes the transducer to be used and the recommended setting may be automatically performed, the 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(本願の第1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 digital receiving apparatus has such a function, and further has a phasing addition function. That is, the DAS process in the digital reception unit or the digital reception apparatus performs a phasing process on a plurality of reception signals and adds the plurality of reception signals subjected to the phasing process. As the phasing process, the received signals are AD-converted in the reception channels of a plurality of reception apertures, and are basically stored in a memory, a storage device, a storage medium, or the like that can be read and written at high speed. It takes a lot of time to delay the reception signal read from the storage destination by interpolating approximation processing in the spatial domain in order to adjust the phase of interest, but it takes a lot of time. , The delay is applied with high accuracy based on the Nyquist theorem by phase rotation multiplied by a complex exponential function (the first invention of the present inventor of the present application). In addition, at the storage destination, the reception signals of the respective reception openings may be stored at positions corresponding to the reception delay, and these reception signals are read out and added, or the above processing is further performed on them. May be added.
図4は、整相加算処理を実現する整相加算器を搭載する受信ユニット又は受信装置の典型的な構成とその周辺装置を示すブロック図である。図4に示す受信ユニット(又は受信装置)35は、複数の受信チャンネルの受信器35aと、AD変換器35bと、メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)35cとに加えて、整相加算処理を行う整相加算器35dと、生成されたイメージ信号をデジタル信号処理する他データ生成部35eとを備えている。例えば、他データ生成部35eは、画像表示データを生成したり、高次の計算により、例えば、ドプラ(Doppler)法に基づいて変位を計算したり、温度を計算したり等、対象に対して解析を行う。 FIG. 4 is a block diagram showing a typical configuration of a receiving unit or a receiving apparatus equipped with a phasing adder that realizes a phasing addition process 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, an AD converter 35b, and a memory (or storage device or storage medium) 35c of a plurality of receiving channels. A phasing adder 35d to perform and another data generation unit 35e for digitally processing the generated image signal are provided. For example, the other data generation unit 35e generates image display data, calculates a displacement based on the Doppler method, calculates a temperature, and the like by a high-order calculation. Perform analysis.
この整相加算処理を関心領域内の各位置において実施することにより、ダイナミックフォーカシングが行われる。本来、ダイナミックフォーカシングは、有効開口において受信したレンジ方向において使う用語(term)であったが、実のところ、本発明によって実施される受信デジタルビームフォーミングにおいては、その限りではない。図2に示す本発明の実施形態における受信ユニット32は、整相加算(DAS)処理を行う演算過程がその名称の表す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。 By performing this phasing addition process at each position in the region of interest, dynamic focusing is performed. Originally, dynamic focusing was a term used in the range direction received at the effective aperture, but in fact, it is not limited to the reception digital beamforming performed by the present invention. The receiving unit 32 in the embodiment of the present invention shown in FIG. 2 is a high-precision digital that does not require high-speed and approximation processing that is different from the above-described calculation processing represented by its name in the calculation process for performing phasing addition (DAS) 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。 A normal phasing adder can be similarly realized by the digital signal processing unit 33 in the embodiment of the present invention. In particular, the feature of the receiving unit 32 in the embodiment of the present invention is high speed and high accuracy. In order to realize the processing, normally, the received signal generated in the receiving aperture element 20a is level-adjusted or analog-filtered by analog amplification or attenuation (programmable and 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), the advantage of analog signal processing being faster than digital signal processing is linear or particularly non-linear as required Through the effective use of devices that perform analog signal processing and through those processing The resulting signal is AD converted and stored in the fast memory (or storage device or storage medium) 32c of reading and writing digital signal obtained as a result.
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。 Further, as the digital signal processing unit 33 to be mounted, a device or a computer having general-purpose calculation processing capability, a PLD (Programmable Logic Device), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), a DSP (Digital Signal Processor), a GPU (Graphical Processing). Unit) or a microprocessor or the like, 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. Applied.
それらのアナログデバイスや、AD変換器32b、メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32c、及び、デジタル信号処理ユニット33(マルチコア等)を担うデバイスが高性能であることは重要であるが、デバイス間の通信回数や通信線路容量、配線、若しくは、広帯域な無線通信は重要であり、特に、本発明においては、それらの機能デバイスが1つのチップや基板に適切に装着される場合(脱着可能な場合)があり、その他に、1つのチップや基板にそれらが直接的に実装されること(積層を含む)もある。並列処理が行われることもある。 It is important that these analog devices, AD converter 32b, memory (or storage device or storage medium) 32c, and device responsible for digital signal processing unit 33 (multicore, etc.) have high performance. The number of communications, communication line capacity, wiring, or broadband wireless communication is important. In particular, in the present invention, when these functional devices are properly mounted on a single chip or substrate (when removable) In addition, they may be directly mounted on a single chip or substrate (including stacked layers). 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, it is possible to obtain much higher security performance than the security obtained under normal program control when the computer also serves as the control unit 34. On the other hand, the current law will require more disclosure of processing details. The digital signal processing unit 33 may also serve as a control unit 34 that sends command signals to other units 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 implemented in the present invention, a trigger signal (that is, starting AD conversion) that causes the AD converter 32b to start sampling (AD conversion) of the reception signal generated in the reception transducer (or reception sensor) 20 is performed. The acquisition start command signal (starting to store the digital signal in the memory (or storage device or storage medium) 32c) is the same as the trigger signal used in the normal receiving unit. For example, any command signal generated by the control unit 34 may be used so that the transmitter 31a generates a transmission signal to the transmission aperture element 10a to be driven. When 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. AD conversion may be started by applying a digital delay.
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やフロッピー(登録商標)ディスク、又は、MO等の様々な媒体を通じてインストールされることもある。プログラムを起動して入力装置40からインターラクティブに選択できる場合もあるし、数値を直接に入力したり、その他、データの記録されたファイルを読み込ませて設定する場合等、様々な場合がある。その数は、ディップスイッチ等を使用して定めることも可能である。受信ディレイのパターンの数が大きいことが必要とされない場合には、受信信号に対して搭載されたアナログディレイパターンを掛けたものがAD変換されることもある。 These command signals may be generated based on a command signal for starting beam forming for one frame. In other words, the number of occurrences of the transmission trigger signal is counted, and the hardware or the number that has reached a predetermined number or a programmable parameter such as input and set from the input device 40 or the like as appropriate is reached. When confirmed in the control program, a command signal may be generated that initiates the generation of a new frame. The number may be installed through various media such as a CD-ROM, floppy (registered trademark) disk, or MO as well as other parameters. There are cases where the program can be started and interactively selected from the input device 40, and there are various cases such as inputting a numerical value directly, or reading and setting a file in which data is recorded. The number can also be determined using a dip switch or the like. When the number of reception delay patterns is not required to be large, a signal obtained by multiplying a received signal by an 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、本願の第1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、本願の第1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 high-speed reception dynamic focusing, it is usual to use a product based on the Nyquist theorem by applying a product of a complex exponential function to a signal in the frequency domain which is the past invention of the first inventor of the present application. When a high-speed reception digital delay is applied, an error determined by the AD conversion sampling interval is generated. Therefore, the sampling frequency of the AD converter 32b is sufficiently increased or a high-precision digital delay (phase rotation is performed). The only thing that could be done was low-speed beamforming. On the other hand, according to the present invention, if the received signal is digitally sampled in synchronism as described above, high-speed received digital beamforming can be performed without causing such an approximation error. Such reception digital beam forming is much faster than the method of calculating the product of complex exponential functions in the frequency domain, which is the past invention of the first 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, normally, the number of channels for transmitting a signal received by the reception aperture element 20a used for performing one beamforming to the reception unit 32 is the number of reception 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 in the plurality of reception aperture elements 20a when performing normal beam forming once, the reception unit 32 is equipped with an analog or digital delay pattern as described above. A delay pattern that realizes a reception focus position, a steering direction, or the like that can be selected by the operator using the input device 40 may be used.
それらのパターンがプログラマブルであり、目的に応じて、使用するパターンや選択可能なパターンがCD−ROMやフロッピー(登録商標)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 patterns to be used and selectable patterns may be installed through various media such as a CD-ROM, a floppy (registered trademark) disk, or an MO depending on the purpose. In some cases, a program can be started and a pattern can be selected interactively from the input device 40, a delay (pattern) value can be directly input, or a file in which data is recorded can be read and set. There are cases. In particular, in the case of analog delay, the delay value to be used may be changed 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 signal stored in the memory (or storage device or storage medium) 32c of each reception channel is read and phased (added). In the apparatus of this embodiment, the digital signal processing unit 33 delays the digital reception signal, passes the digital reception signal through the delay device of the digital circuit, or the AD converter 32b and the memory (or storage device or It is possible to apply a delay to the command signal to start loading from the control unit 34 for turning on the storage medium 32c. Therefore, the digital delay can be applied at an arbitrary position or in the control unit 34 as long as it is after the inside of the AD converter 32b.
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 an analog delay, a delay can be applied at an arbitrary position or in the control unit 34 as long as a reception signal is generated in the reception aperture element 20a. When the analog delay pattern is used, the receiver 32a can receive the reception signals of a plurality of aperture elements with at least one device. Therefore, in the storage destination of the reception signal, the reception signal of each reception opening 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 described later (the digital signal processing unit 33 may also 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。 A pattern may be selected by switching between an analog circuit or an analog device, or a digital circuit or a digital device. In addition, the delays of these delay devices may be programmable under the control of the control unit 34, or may be programmable through installation, input settings, or the like. Further, a delay device may be provided in the control unit 34. When the control unit 34 is configured by a computer or the like as described above, a command signal delayed by software control is controlled. 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 general-purpose calculation processing capability, a PLD, FPGA, DSP, GPU, or a microprocessor, or a dedicated digital circuit or a dedicated device. They are desirably high performance (such as multi-core) and may also be responsible for analog devices, AD converter 32b, memory 32c, and / or digital signal processing unit 33 that performs transmit or receive beamforming processing.
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 communication between devices, communication line capacity, wiring, or broadband wireless communication is important. In particular, in the present invention, when these functional devices are appropriately mounted on one chip or substrate ( Detachable). In addition, they may be directly mounted on one 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 security obtained under normal program control. On the other hand, the current law will require more disclosure of processing details. Some control software and delay values are directly coded or input, and others are installed. The method of applying the digital delay is not limited to these.
本実施形態においては、装置本体30の制御ユニット34(図2)から送られてくる上記のトリガー信号を基に、AD変換の開始を指令するトリガー信号(指令信号)が、各受信チャンネルのAD変換器32bに供給される。この指令信号に従って、各チャンネルの受信アナログ信号のAD変換及びデジタル化された信号のメモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cへの格納が開始される。送信ユニット31、受信ユニット32、及び、デジタル信号処理ユニット33は、1フレーム分の受信信号が全て格納されるまで、制御ユニット34による制御の下で、送信開口位置や送信有効開口幅、又は、送信ステアリング方向等を変えながら、さらに、波動やビームを送信する毎に受信開口位置や受信有効開口幅、又は、受信ステアリング方向等を変えながら、送信からデジタル信号を格納するまでの処理を繰り返し行い、1フレーム分の受信信号が格納される毎に、その受信信号群に対して本発明において使用されるデジタルの波動信号処理方法、即ち、デジタルビームフォーミング方法を施してコヒーレントな信号を生成する。 In the present embodiment, a trigger signal (command signal) for instructing the start of AD conversion based on the trigger signal sent from the control unit 34 (FIG. 2) of the apparatus body 30 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 controlled by the control unit 34 until the reception signal for one frame is completely stored, or the transmission aperture position, the transmission effective aperture width, or While changing the transmission steering direction, etc., every time a wave or beam is transmitted, the process from transmission to storing the digital signal is repeated while changing the reception aperture position, reception effective aperture width, or reception steering direction. Each time a received signal for one frame is stored, a digital wave signal processing method used in the present invention, that is, a digital beam forming method is applied to the received signal group 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 above-mentioned analog or digital delay, it is not necessarily used as a delay for beam forming, and it saves memory, a storage device, or a storage medium. In order to effectively use the data and shorten the access time, it may be 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. The reception delay in beam forming is always digital wave signal processing performed by the digital signal processing unit 33, and in the present invention, the significance of saving and shortening of access time is significant. In addition, when performing classic aperture synthesis without performing physical beam forming at the time of transmission, the transmission delay is multiplied at the same timing as the reception delay in the digital wave signal processing.
以上のことから、本発明において、受信ユニット32は、必ず、各受信チャンネルにおいて、独立した、アナログ又はデジタルのディレイ、受信器32a、AD変換器32b、及び、メモリ(又は記憶装置又は記憶媒体)32cを備え、必要に応じて、アナログ的な増幅又は減衰によるレベル調整やアナログフィルタ、その他のアナログ演算デバイスを備えるものである。即ち、本発明の装置において、受信ディレイによってこのデジタルディレイを実施するに当たり、ビームフォーミングのためのディレイを掛けない限りは、アナログディレイと同じく、クロック周波数に依存する様な誤差は生じない。 From the above, in the present invention, the receiving unit 32 always has an independent analog or digital delay, receiver 32a, AD converter 32b, and memory (or storage device or 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 this digital delay is performed by the reception delay, an error that depends on the clock frequency does not occur as in the case of the analog delay unless a delay for beam forming 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 that depends on the clock frequency always occurs in the digital delay of transmission, so it is necessary to reduce the error by using a high clock frequency at a high cost, but that is not necessary in the digital delay of reception. . If a digital delay is used for the reception delay, the accuracy is not lowered and the freedom of setting the delay pattern is high. If an analog delay is used for the transmission delay, the accuracy is high and the clock frequency can be lowered. The analog delay can be changed in an analog manner or can be made digitally programmable. 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 used by switching or may be used by replacing it with an appropriate one. When a high degree of freedom is required for setting 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, a coherent signal generated by the beam forming itself of the present invention is referred to as an image signal. The reception effective aperture elements and their positions are controlled in the same manner as the transmission effective aperture elements (described later). The digital beam forming is not always performed every time a reception signal for one frame is stored. For example, the digital beam forming is input from the input device 40 or the like as appropriate, for example, an effective aperture width or a predetermined number other than that. The number of hardware channels, such as the number of hardware signals that are set, may be set at every timing when a number of received signals that may be programmable parameters are stored (there are various input means as described above). In addition, an image signal generated by partial beamforming may be combined into an image signal of one frame.
その場合に、走査方向に連続した位置において処理される受信信号がオーバーラップしたものであることがあり、それらの受信信号を合成する際には、単なる重ね合わせが行われる場合(周波数領域で重ね合わせされて逆フーリエ変換されることもある)や、適切に重み付けされて重ね合わせされる場合もあれば、単に接続される場合もある。格納された受信信号の数は、受信信号の取り込みのためのトリガー信号(制御ユニット34から届く指令信号)をカウントしてハードウェア又は制御プログラム内で確認することができるし、上記の通り、1フレーム毎に制御ユニット34が生成する1フレームのデジタル波動信号処理を開始させる指令信号を同様にして確認することができ、適切に1フレームのイメージ信号が連続的に生成される。 In that case, the received signals processed at consecutive positions in the scanning direction may be overlapped. When these received signals are combined, simple overlaying (overlapping in the frequency domain) is performed. May be combined and inverse Fourier transformed), suitably weighted and superimposed, or simply connected. The number of stored reception signals can be confirmed in hardware or a control program by counting a trigger signal (command signal received from the control unit 34) for receiving the reception signal. The command signal for starting the digital wave signal processing of one frame generated by the control unit 34 for each frame can be confirmed in the same manner, and the image signal of one frame is appropriately generated continuously.
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、本願の第1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 frame rate that can be achieved depends on the form of beam forming to be performed, and is basically determined by the wave propagation speed. However, in actual applications, it is the time required to digitally calculate one frame of image signal. Determined. Therefore, it is useful to perform the process of generating the image signal partially by parallel processing. In addition, as described above, the multi-directional aperture synthesis developed in the past by the first inventor of the present application, generating a reception beam in a plurality of positions and a reception beam in a plurality of directions for one transmission beam, It is useful to perform multi-focusing, and it is useful to perform parallel processing in order to implement them at high speed. In any case, on the basis of performing the above transmission and reception, a reception signal for beam forming for one frame or a part thereof may be stored, and digital wave signal processing in 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 may be processed offline.
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。 The reception apodization weights the reception signal in the reception channel of each aperture element and may be variable with respect to the range direction. It is not impossible to make it variable in analog, but it is easy to make it digitally variable. In a normal receiving unit, when performing phasing addition, it is carried out at each position, each range position, etc. and is often variable, but in the apparatus according to the present invention, it is carried out by the digital signal processing unit 33. become. On the other hand, although it is rare that non-variable apodization is performed, in that case, apodization is performed when performing level adjustment by analog amplification or attenuation on the reception signal generated by the aperture element.
アポダイゼーションとは別の意味であるが、開口素子の駆動信号の波動への変換効率(変換能)の校正データに基づいて、少なくともレベル校正が行われることもあるし、レベル校正と同時にアポダイゼーションも行われることがある。それらの処理を目的にすることもあるし、受信アナログ信号の波形のダイナミックレンジを非線形的に拡大したり圧縮することもあり、各受信チャンネルにおいて、非線形素子等、他のアナログデバイスが使用されることもある。それらの増幅器等を含み、使用されるアナログデバイスがプログラマブルであることもあり、その設定方法は、様々な形態を取り得る。他のパラメータと同様に、各種入力装置を使用して直接的に設定されることもある。通常、ディレイとアポダーゼーションは、受信ユニット32内において、同じか異なる階層レベルにおいて同じか異なる形態で実現されたものが実施されるものであるが、通常は整相加算器において、本発明においてはデジタル信号処理ユニット33において、自由度高く実施され得るものである。 Although it has a different meaning from apodization, at least level calibration may be performed based on calibration data of the conversion efficiency (conversion capability) of the driving signal of the aperture element into a wave, and apodization is also performed at the same time as level calibration. May be. The processing may be aimed at, or the dynamic range of the waveform of the received analog signal may be nonlinearly expanded or compressed, and other analog devices such as nonlinear elements are used in each reception channel. Sometimes. The analog devices used, including those 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. Usually, the delay and the apodization are implemented in the receiving unit 32 in the same or different hierarchical levels in the same or different forms, but usually in a phasing adder, in the present invention. Can be implemented in the digital signal processing unit 33 with a high degree of freedom.
受信有効開口内の各開口素子の受信チャンネルは、シフトレジスタやマルチプレクサ等のスイッチングデバイスを通じて切り替えられ、別の位置の有効開口が使用されてビームフォーミングを行いながら関心領域が走査されることがある。また、ディレイ素子のディレイ値が可変であることがあるし、ディレイパターン(ディレイ素子群)が切り換えられることもある。さらに、1つの有効開口において複数方向へのステアリングが行われることもあるし、適宜、開口位置や有効開口幅を変えながら、さらには、複数方向へステアリングも行われることもあり、単にメモリ、記憶装置、又は、記憶媒体を節約してアクセス時間を短縮することもある。頻繁に使用するデータを、適宜、読み書きの容易な小規模なメモリに格納する効果も大きい。 The reception channel of each aperture element in the reception effective aperture is switched through a switching device such as a shift register or a multiplexer, and the region of interest may be scanned while performing beam forming using the effective aperture at another position. Further, the delay value of the delay element may be variable, and the delay pattern (delay element group) may be switched. Further, steering in a plurality of directions may be performed at one effective opening, and steering may be performed in a plurality of directions while changing the opening position and effective opening width as appropriate. The access time may be shortened by saving the device or the storage medium. The effect of storing frequently used data in a small memory that is easy to read and write as appropriate 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 the shortening of the access time are significant. The apodization element group constituting the apodization pattern may be switched. The beam shape may be adjusted depending on the opening position, the range direction, and the steering direction. In detail, it means that the receiving element with zero apodization value is not active but is off, and the apodization also serves as a switch for the effective element and can determine the effective aperture width (apodization in the direction of the aperture element array). If the function is a rectangular window, the switch is on. If it is not a constant value, the switch is on). Therefore, the apodization element is of 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, propagation is performed in the digital signal processing unit 33 in the apparatus main body 30 based on the response from the transmission target or the result of beam forming. Wave attenuation and scattering (forward scattering, backscattering, etc.), transmission, reflection, refraction, or sound velocity frequency dispersion and spatial distribution in the process medium are calculated and transmitted from each aperture and received at each aperture Delay, intensity, beam or wavefront steering direction, or apodization pattern 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 classical aperture plane synthesis, all receiving elements may have a receiving channel including the receiver 32a. In general, aperture synthesis is performed simultaneously with reception apodization in the phasing adder. In the present invention, aperture synthesis may be performed simultaneously with 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、フロッピー(登録商標)ディスク、又は、MO等の様々な媒体を通じてインストールされることもある。 In addition, the ultrasonic frequency and bandwidth as parameters in the transmission unit 31 and the reception unit 32, code, delay pattern, apodization pattern, analog device for signal processing, effective aperture width, focus position, steering direction, and The number of transmissions and receptions required for performing beamforming is transmitted to each functional device in the unit through various media such as a CD-ROM, DVD, floppy (registered trademark) disk, or MO. Sometimes installed.
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, the program can be started to select them interactively from the input device 40, or numerical values can be directly input, they can be selected on the operation panel of the input device 40, or other files in which data is recorded can be selected. There are various cases, such as when reading and setting. It is also possible to define them using a dip switch or the like. It may be due to unit replacement or switching. In addition, when a measurement target is selected or a transducer to be used is attached to the apparatus, the apparatus may be recognized and automatically operate under recommended parameters. Subsequent adjustments are possible. In addition, if a functional device of a normal receiving unit is mounted, an image image obtained by using the apparatus of the present invention and an image image obtained by processing including interpolation interpolation through normal phasing addition as appropriate. Can be compared.
<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(登録商標)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, for setting various parameter values as described above. Examples of the input device 40 include, but are not limited to, a keyboard, a mouse, a button, a panel switch, a touch command screen, a foot switch, or a trackball. Install or upgrade the operating system (OS) and device software from general-purpose memory, USB memory, hard disk, flexible disk, CD-ROM, DVD-ROM, floppy disk, or MO storage media And various parameter values may be set or updated. The input device 40 includes various devices that can read data from the storage medium, or the input device 40 includes 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, the input device 40 can be a so-called man-machine interface, but is not necessarily controlled by a human. As described above, parameter values, data, or control signals are received from other devices through various standards and connectors, or are received through wired or wireless communication (that is, communication devices having at least a reception function). The effect is obtained, and the present invention is not limited to the above example. A dedicated or regular network may be used.
それらの入力されたデータは、装置内部又は外部のメモリ、記憶装置、又は、記憶媒体に格納され、装置内の機能デバイスは、その格納されたデータを参照して動作する。あるいは、装置内の機能デバイスが専用のメモリを搭載している場合には、それにデータが書き込まれて動作設定がソフト的に決められるか、若しくは更新され、又は、ハード的に設定されるか、若しくは変更されることもある。装置内の計算機能が動作して、入力されたデータを基に、時に装置のリソースを勘案し、最適化された設定パラメータが算出されて使用されることもある。動作するモードが指令によって定められることもある。また、計測対象の波動(波動の種類や特徴、強度、周波数、帯域幅、又は、符号等)や、伝搬する対象や媒体(伝搬速度、波動に関わる物性値、減衰、前方散乱、後方散乱、透過、反射、屈折等、又は、それらの周波数分散等)に関する付加情報が与えられ、適切に受信信号がアナログ処理又はデジタル処理されることもある。 The input data is stored in a memory, a storage device, or a storage medium inside or outside the apparatus, and functional devices in the apparatus operate with reference to the stored data. Alternatively, when the functional device in the apparatus is equipped with a dedicated memory, data is written to it and the operation setting is determined by software, updated, or hardware is set, Or it may be changed. In some cases, the calculation function in the apparatus operates, and optimized setting parameters are calculated and used based on the input data, sometimes taking into account the resources of the apparatus. The operating mode may be determined by a command. In addition, the wave to be measured (wave type and characteristics, intensity, frequency, bandwidth, sign, etc.), the object to be propagated and the medium (propagation speed, physical property value related to the wave, attenuation, forward scattering, backscattering, Additional information regarding transmission, reflection, refraction, etc., or their frequency dispersion, etc.) may be provided and the received signal may be appropriately analog or digitally processed.
<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 (scan converted) into an image display or moving image or still image format by calculation processing, but a graphic accelerator may be used. A luminance image (gray image) or a color image may be displayed, and the meaning represented by the luminance or color may be displayed on a scale (bar) or logo. In addition, the result may be displayed as a bird's eye view or a graph, and the method of displaying 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 as a logo or a character together with each operation mode. In addition, supplementary information and various data related to the measurement target input from the operator or another device may be displayed. In addition, the display device may be used to display a GUI (Graphical User Interface) used when setting each parameter value or pattern using the input device 40, and uses a touch command screen. This is also used when an arbitrary position or range of an image to be rendered is designated and displayed in an enlarged manner or various numerical values are displayed, and may serve as one end of the input device 40.
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 device using a CRT, a liquid crystal, or an LED are used. However, the display device is not limited to such as a dedicated three-dimensional display device. Also, the output data is not necessarily used by human being directly interpreted or interpreted, but 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 object 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). Or another device may apply the output data.
1つの装置が複数種類の波動を受信してイメージ信号を生成し、データマイニングや統合(fusion)等が行われることもあるし、別の装置を使用してその種の処理が行われることもある。生成されたイメージ信号の特徴(強度、周波数、帯域幅、又は、符号等)が解析されることもある。このように、本実施形態に係る装置で得られたデータは、他装置において使用されることがあり、実質的に、少なくとも送信機能を持つ通信機器も出力装置50の1つとなることがある。専用又は通常のネットワークが使用されることもある。 One device may receive a plurality of types of waves to generate image signals, and data mining and fusion may be performed, or another device may be used to perform that type of processing. is there. The characteristics (intensity, frequency, bandwidth, code, etc.) of the generated image signal may be analyzed. As described above, data obtained by the apparatus according to the present embodiment may be used in another apparatus, and a communication device having at least a transmission function may be one of the output apparatuses 50 in practice. 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。
<Storage 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 that also becomes the output device 50. Here, they are distinguished from display devices as “storage devices”. An external storage device 60 is also shown in FIG. When storing an image signal, an operation mode, a setting parameter value, supplementary information about an object input from an operator or another device, or various data may be stored together with the image signal. As the storage device, general-purpose or special memory, USB memory, hard disk, flexible disk, CD-R (W), DVD-R (W), video recorder, image data capturing device, or the like is used. The device is not limited to them. The storage device is appropriately used in accordance with the application, including the amount of data to be stored and the time for writing and reading.
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。 Although image signals and other data stored in the past may be read out from the storage device and played back, the main point is that the storage device is important for storing the OS, device software, or setting parameters. It is. Each functional device may have a dedicated storage device. A removable storage device may be used in other devices.
装置本体30は、記憶装置に格納されたイメージ信号を読み出して高次のデジタル信号処理を施し、イメージ信号の再合成(線形処理や非線形処理による周波数変調や広帯域化、又は、マルチフォーカス等々)、イメージ信号の画像処理(超解像や強調、平滑化、分離、抽出、又は、CG化等)、対象の変位や変形、又は、その他の様々な時間変化等々、各種の計測を行い、イメージや計測結果を出力することもあり、それらが表示装置に表示されることもある。 The apparatus 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 or broadening by linear processing or non-linear processing, multi-focus, etc.), Perform various measurements such as image processing of image signals (super-resolution, enhancement, smoothing, separation, extraction, CG conversion, etc.), displacement and deformation of the object, and other various temporal changes, etc. Measurement results may be output and 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。 The stored measurement results include wave attenuation and scattering (forward scattering, backscattering, etc.), transmission, reflection, and refraction, which are read out and optimized for various parameters that generate image signals. In some cases, it is used for storage and stored in a storage device. 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 apparatus. The control unit 34 is composed of various computers, a dedicated digital circuit, and the like, and may also serve as the digital signal processing unit 33. Basically, the control unit 34 performs wave transmission / reception and wave digital signal processing based on various control programs and various data read from the storage device in response to various requests input via the input device 40. The transmission unit 31, the reception 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 there may be a case where only a fixed operation can be realized including switching the operation by switching. When a computer is used as the control unit 34, the degree of freedom is high, including when upgrading. The basics of the control unit 34 are the number of transmission and reception aperture elements (the number of each channel), the number of beams to be generated, the number of frames (some operations will continue unless specified and stopped), the frame rate, etc. In response to this, the transmission unit 31 and the reception unit 32 are provided with repetition frequency, transmission / reception position information, and the like to perform scanning control and image signal generation control. Also controls. In addition, various interfaces are provided, and various devices may be used in conjunction with each other.
本実施形態に係る装置は、一般的なネットワークやセンサーネットワーク等のデバイスの1つとして使用されることがあり、ネットワークシステムの制御装置により制御されることがあり、また、ネットワークデバイスを制御する制御装置として使用されることもあり、ローカルに構成されたネットワークを制御する制御装置となることもある。そのためのインターフェースが備えられていることもある。 The apparatus according to the present embodiment may be used as one of devices such as a general network and a sensor network, and may be controlled by a control device of the network system, and control for controlling the network device. It may be used as a device or a control device that controls a locally configured network. An interface for this purpose 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。
<Beam forming method>
Next, useful high-speed through digital Fourier transform in the case of using a plurality of transmission / reception aperture elements (including those in the form of an array) implemented in the digital signal processing unit 33 of the apparatus main body 30 shown in FIG. A digital beam forming method will be described. In digital signal processing, intermediate data generated in the calculation process or data to be used repeatedly may be stored in a storage device or a built-in memory as appropriate, and when generating a plurality of image signals in the same phase. However, the storage device is used efficiently. Small-sized memory may come 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. In the case where the digital signal processing unit 33 is a computer, various languages can be used and the assembler is useful. In particular, when the computer is operated under a high-level language program such as C language or Fortran. In some cases, optimization and parallel processing are performed at the time of compilation to realize high-speed computation. A general-purpose one such as Matlab, various control software, a graphic interface, or the like 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。 In the following, as an example, a 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 beam forming methods that can be used in the present embodiment are the following methods (1) to (7). In the method (7), in addition to various beam forming methods, the digital signal processing unit 33 generates the beam forming method. Disclose representative observation data.
方法(1)は、送信方向を偏向(ステアリング)する場合を含む平面波の送波及び/又は受信時の受信ビームフォーミングにおいて、フーリエ空間における波数マッチングを行うに当り、これまで必要とされてきた補間近似処理を要さない方法である。方法(1)は、偏向を実施した場合の波数マッチングにおいて、深さ方向と横方向とにおける波数マッチングを、偏向角度の余弦と正弦に関する複素指数関数を分けて受信信号に掛けることによって行う発明を含み、古典的なモノスタティック型の開口面合成と同様に計測結果が高精度化される。さらに、方法(2)として、モノスタティック型開口面合成による偏向ダイナミックフォーカシングの高速デジタル処理を開示する。 Method (1) is an interpolation that has been required so far in performing wave number matching in Fourier space in plane beam transmission and / or reception beamforming at the time of reception including the case where the transmission direction is deflected (steered). This method does not require approximation processing. Method (1) is an invention in which wave number matching in the depth direction and the transverse direction is performed by dividing a complex exponential function related to the cosine and sine of the deflection angle and multiplying the received signal by the wave number matching in the case of performing deflection. In addition, the measurement results are improved in accuracy as in the case of the classical monostatic type aperture plane synthesis. Furthermore, as a method (2), high-speed digital processing of deflection dynamic focusing by monostatic aperture surface synthesis is disclosed.
さらに、方法(3)として、マルチスタティック型開口面合成の高速デジタル処理を開示する。偏向を行うデジタルモノスタティック型開口面合成は、生成されるイメージ信号の多次元スペクトルの重心(中心)又は瞬時周波数が、偏向角度と搬送周波数とを用いて理想的に表されるもの(後述の通り、波数ベクトルが搬送周波数に偏向角度の正弦と余弦をかけたものを成分とする)となる様に、方法(1)と同様に波数マッチングを行うことにより、補間近似を要さずに高精度に実現できる。一方、マルチスタティック型開口面合成は、送信位置に対して複数個存在する受信位置の同一位置において受信したエコー信号を含むエコーデータフレームを受信素子の数だけ生成し、周波数領域において、各々のエコーデータフレームに上記のモノスタティック型のデジタル開口面合成処理を施し、それらの処理結果を重ね合わせたものを逆フーリエ変換して高精度に実現する。結果的に、方法(3)は、受信開口のチャンネル数と等しい回数のデジタル開口面合成処理でエコーデータを生成でき、いわゆる低空間分解能イメージ信号フレームを生成して重ね合わせて高空間分解能イメージ信号フレームを生成する従来のDAS(Delay and Summation)法よりも格段に高速である。 Furthermore, as a method (3), a high-speed digital process of multistatic aperture surface synthesis is disclosed. In the digital monostatic type aperture surface synthesis that performs deflection, the centroid (center) or instantaneous frequency of the multidimensional spectrum of the generated image signal is ideally expressed using the deflection angle and the carrier frequency (described later). As in the method (1), the wave number matching is performed so that the wave vector becomes the component of the carrier frequency multiplied by the sine and cosine of the deflection angle. Can be realized with accuracy. On the other hand, multi-static aperture surface synthesis generates echo data frames including echo signals received at the same position of a plurality of reception positions with respect to the transmission position, as many as the number of receiving elements, and each echo is generated in the frequency domain. The data frame is subjected to the above-mentioned monostatic type digital aperture synthesis processing, and the result of superimposing these processing results is subjected to inverse Fourier transform to achieve high accuracy. As a result, in the method (3), echo data can be generated by digital aperture plane synthesis processing equal to the number of channels of the reception aperture, and so-called low spatial resolution image signal frames are generated and superimposed to generate a high spatial resolution image signal. This is much faster than the conventional DAS (Delay and Summation) method for generating a frame.
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(本願の第1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。 Incidentally, in the DAS method, phasing is realized by delaying the received signal at high speed with interpolation approximation processing in the spatial domain, and by delaying in the frequency domain with high accuracy ( The first inventor of the present application has a past performance), 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 at the time of fixed transmission focus with high accuracy based on the beam forming of the method (1) and the method (3) is disclosed. As method (5), echo data transmitted / received in the polar coordinate system is processed through Jacobi calculation for high precision display without interpolation approximation processing, for convex, sector scan, or IVUS applications. Disclose 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 a method (6), it is disclosed that migration processing can be performed with high accuracy and high speed without performing interpolation approximation processing in the same manner using the present invention. All the beam forming processes of the method (1) to the method (5) can be performed based on the migration process. Finally, as a method (7), an application based on these beamforming is disclosed. With these, it is possible to demonstrate that any beam forming 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 deflected plane wave. Plane wave transmission is a method of emitting a plane wave by radiating ultrasonic waves simultaneously from all elements in a linear array type transducer. When the wave number is k and a plane wave of the wave vector represented by the equation (0) is transmitted (x is the scanning direction, y is the depth direction), the position of the reception effective aperture element array is set to zero in the y coordinate. And the sound pressure field at the position (x, y) is expressed 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、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 transmission and reception in reverse, arbitrary transmission beamforming (for example, deflection plane wave, deflected fixed focusing beam, undeflected wave or beam, etc.) was performed on the measurement object. In this case, it is possible to realize a situation in which a wave coming from the measurement object is received as a plane wave having a deflection angle θ. This idea has not been disclosed so far. In this way, it is possible to receive a wave at the same or different steering angle θ (zero or non-zero) when transmitting an arbitrary beam or arbitrary wave with an arbitrary steering angle (zero or non-zero). . Furthermore, an arbitrary wave source, an arbitrary transmit effective aperture array (for example, an aperture having the same shape as the receive effective aperture array or having an aperture in an arbitrary direction different from the receive effective aperture array, or existing at a different position) Alternatively, reception beam forming can be performed in a coordinate system defined by the reception aperture for any wave transmitted from the same physical aperture but from an effective aperture at a different position.
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。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。 Based on the above theory, the calculation method disclosed by J.-y. Lu et al. (Non-Patent Documents 3 and 4) first performs fast two-dimensional Fourier transform on the received signal with respect to time and space, and R (k x , k) is calculated, and then wave number matching is performed using equation (7) to perform high-speed two-dimensional inverse Fourier transform. Wave number matching is performed through linear interpolation approximation or approximation with the nearest neighbor data itself, and it is required to oversample the received signal in order to obtain accuracy.
(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 integration of the wave number k (or frequency) and the spatial frequency kx can be changed in order. Therefore, adding the wavenumber k component of the angular spectrum in step S16, even if the inverse Fourier transform with respect to the transverse direction of the wave number k x a (IFFT) in step S17, the image signal is obtained in step S18. In this case, 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 wave number matching for deflection is performed by the equations (11) and (14). Unlike the method of performing wave number matching through interpolation approximation in the frequency domain (Non-Patent Documents 3 and 4), the present invention does not perform approximation processing, and therefore can calculate with high accuracy. Physically and mathematically, wave number matching can be performed at the first Fourier transform, and 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偏向角度θの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、前記の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。 Also, using a two-dimensional aperture element array, an arbitrary wave is transmitted from a wave source located in an arbitrary direction toward the measurement object, and a wave arriving from the measurement object is received as a plane wave having a deflection angle θ. When performing three-dimensional wave digital signal processing, for example, a Cartesian orthogonal coordinate system (x , y, z), when the zero-degree or non-zero-degree deflection angle formed by the plane wave receiving direction and the axial direction is expressed by using the elevation angle θ and the azimuth angle φ , the Fourier transform is transverse to the depth y direction. A three-dimensional Fourier transform is performed with respect to the directions x and z, and the following processing is performed as in the case of performing the two-dimensional wave digital signal processing.
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 signal components within the band determined by the transmission signal or within the band determined in consideration of the SN ratio of the reception signal are to be calculated. For example, when generating an analysis signal based on Expression (10), only a signal within a necessary band may be generated and stored (corresponding to downsampling). In the method or apparatus of the present invention, interpolation approximation processing is not performed when performing wave number matching, but by oversampling the echo signal in the depth direction or in the lateral direction, an effect that is robust against mixed noise is obtained. is there. The same applies to the other methods (1) to (6).
また、式(13)〜(15)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。また、式(17)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、本願の第1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), by determining the position coordinate and range in the depth y direction to be calculated, the interval between the coordinates, etc., the arbitrary depth position or the range in the arbitrary depth direction, or It is possible to generate an image signal having an arbitrary interval or an arbitrary density in the depth direction without performing an interpolation approximation process. Further, in the inverse Fourier transform in the horizontal direction of the equation (17), by determining the position coordinates and the range in the horizontal x direction to be calculated (if necessary, the complex exponent which is the past invention of the first inventor of the present application) Analog space shifting by phase rotation using function multiplication), image signals in any horizontal position or any horizontal range can be generated without performing interpolation approximation processing. In the inverse Fourier transform, the band is narrowed in the horizontal direction except for the frequency coordinates of the high frequency band (spatial density is reduced), or is widened in the horizontal direction by zero padding of the angular spectrum (spatial density is high). ), It is possible to generate image signals having arbitrary intervals and arbitrary densities 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)。他の方法(1)〜(6)においても同様である。 In this way, an image signal can be generated at any desired position, range, interval, and density. That is, the image signal can be generated at an interval shorter than the sampling interval of the received signal and at a pitch shorter than the interval between the receiving aperture elements. It is also possible to coarsen the image signal spacing in each direction (however, the Nyquist theorem must be satisfied). 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8)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。 In convex transducers, sector scans, or IVUS, when transmitting or receiving in the radius r direction of polar coordinates to generate a wide wave (cylindrical wave) in the angle θ direction (FIG. 7), or in other aperture shapes, When performing the same beam forming (cylindrical wave) using a virtual source installed at the rear (Fig. 8), in the above method, the Cartesian coordinates (x, y) are replaced with polar coordinates (r, θ) and processing is performed. The image signal can be generated at polar coordinates (r, θ). The same applies to spherical waves in a spherical coordinate system.
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。 FIG. 7 is a schematic diagram of a case where a wide wave in the direction of the angle θ in polar coordinates (r, θ) is transmitted or received in the direction of the radius r (cylindrical wave transmission). 7A shows a cylindrical wave transmission using a convex aperture element array, and FIG. 7B shows a cylindrical wave transmission using a sector type aperture element array. (C) shows a cylindrical wave transmission using an IVUS (circular type) aperture element array.
図8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8(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8(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8(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。 FIG. 8 shows a case where a wide wave is transmitted in the direction of the angle r of the polar coordinate system (r, θ) in the radius r direction using a virtual source installed behind a physical aperture having an arbitrary aperture shape (cylindrical wave transmission). ). 8A shows a cylindrical wave transmission using a linear aperture element array, and FIG. 8B shows a cylindrical wave transmission using a convex aperture element array. (C) has shown the cylindrical wave transmission using the other arbitrary aperture element array.
送信フォーカスする場合は、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)を用いて、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 focus, there is a report in Non-Patent Document 6, and similarly, a result is obtained in polar coordinates (r, θ). For example, there is an effect that a wide FOV can be obtained. As a feature different from Non-Patent Document 6, one feature of the present invention is that the present method (1) is used to generate a steering beam having a steering angle even in the coordinate positions of these polar coordinate systems (r, θ). The same applies when the following methods (2) to (4) and (6) are used, in which the Cartesian coordinates (x, y) are replaced with polar coordinates (r, θ). What is necessary is just to process. However, when performing these beam forming operations, it is necessary to perform interpolation processing to obtain signal values at the coordinate positions of the Cartesian coordinate system of the display system, and use phase rotation by product of complex exponential functions in the frequency domain. The exact interpolation processing that has been performed 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。 In these cases where beam forming is performed in the polar coordinate system, displacement measurement can also be performed. For example, a displacement component in the radius r direction or the angle θ direction can be measured, or the displacement component in both directions can be measured. A displacement vector can be measured. However, in order to obtain the measurement result at the coordinate position of the Cartesian coordinate system of the display system after measurement, it is necessary to perform interpolation processing. The exact interpolation process used is performed over time, or the interpolation approximation process is performed as a short-time process 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、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 displacement measurement, strain, strain velocity (tensor), velocity (vector), acceleration (vector) are obtained by partial differential processing using a differential filter. Furthermore, mechanical characteristics (for example, bulk modulus, The shear modulus, other elastic modulus tensors of anisotropic media, etc.), temperature, etc. may be obtained through computation. When interpolation approximation is performed, it is often possible to shorten the calculation time by performing approximation processing and performing the calculation in the Cartesian coordinate system. However, calculation is performed in the polar coordinate system, and the result is obtained by interpolation approximation. Display, and the propagation of error can be reduced. That is, the error that occurs in the process after displacement measurement is only interpolation approximation when obtaining the last display data (a plurality of display data may be obtained from the same displacement data).
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8)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(5−1)及び(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。
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。
On the other hand, similarly, in a convex transducer, sector scan, or IVUS, a wide wave in the direction of angle θ in polar coordinates (r, θ) is transmitted or received in the direction of radius r (cylindrical wave) (FIG. 7). Then, using a virtual source installed behind a physical aperture of an arbitrary aperture shape, a wide wave in the direction of the angle θ of the same polar coordinate system (r, θ) as in FIG. In this case (FIG. 8), the method of directly generating an image signal in Cartesian coordinates will be described as methods (5-1) and (5-1 ′), respectively. In these cases, echo signal imaging, displacement measurement, and the like can be performed consistently in the same Cartesian coordinate system. The same applies to the polar coordinate system.
Further, in the present methods (1) to (7), transmission, reception, or both apodization processes for a received signal can be performed at various timings because they are linear processes. That is, it can be performed in hardware at the time of reception, or can be performed at various timings in software after reception.
尚、当然のことであるが、エコー信号ではなく、透過波を受信してビームフォーミングする場合には、座標yは、往復距離の半分(伝搬時間tを用いてct/2と表される)ではなく、受信開口素子アレイで決まる座標系において、開口素子からの距離(ct)である。 As a matter of course, when beam forming is performed by receiving a transmitted wave instead of an echo signal, the coordinate y is half of the round trip distance (expressed as ct / 2 using the propagation time t). Instead, it is the distance (ct) from the aperture element in the coordinate system determined by the reception 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 where aperture surface synthesis is performed will be described. There are monostatic type and multistatic type for aperture plane synthesis.
Method (2): Monostatic Type Opening Surface Synthesis FIG. 9 is a schematic diagram of monostatic type opening surface synthesis. In the monostatic type aperture plane synthesis, an ultrasonic wave is emitted from one element of the array, and an echo is received by the element itself. Also in aperture synthesis, echo signals (image signals) can be calculated by performing wave number matching according to the procedure of FIG.
モノスタティック型開口面合成では送受信を同一の素子で行うため、送信時の散乱体への音の伝播経路と、受信時の散乱体の反射音の伝播経路は同じである。よって、受信有効開口素子アレイの位置を軸方向y座標の零とするデカルト直交座標系において、ステアリングを実施しないとき(θが零度)は、式(18a)に示すように、波数kを2倍とし(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。
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)、前記の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, in the case of performing three-dimensional wave digital signal processing using a two-dimensional aperture element array, for example, the axial direction y determined by the aperture direction of a flat receive aperture element array (the y of the position of the receive effective aperture element array) In Cartesian Cartesian coordinate system (x, y, z) using the coordinates of x and z in the transverse direction orthogonal to this) and zero or non-zero deflection formed by the direction and axis of the generated beam In the case where the angle is expressed using the elevation angle θ and the azimuth angle φ , the Fourier transform performs a three-dimensional Fourier transform on the depth y direction and the lateral directions x and z (the wave numbers in the axial direction y and the lateral directions x and z are calculated). The wave number regions (k x , k y , k z ) are considered as k y , k x , and k z , respectively. Similarly to the case of performing the two-dimensional wave digital signal processing, the following processing is performed. The
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、
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。
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。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8)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。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)。 Aperture synthesis can generate arbitrary beamforming using echo signals collected for aperture synthesis (not only in the monostatic method of this method (2) but also in the multistatic method of method (3)). However, an image signal can be generated even if the processing described in the methods (1) and (4) to (7) is performed on the data. In the plane wave processing of the method (1), the aperture plane synthesis processing can be performed by using a code. Further, in a convex transducer, sector scan, IVUS, or the like, when a wide wave is transmitted or received (cylindrical wave) in the angle θ direction in polar coordinates (r, θ) in the radius r direction (FIG. 7), When a wide wave is transmitted in the direction of the angle θ of the polar coordinate system (r, θ) in the same polar coordinate system (r, θ) as in FIG. (Fig. 8) and echo signals collected for aperture plane synthesis in the polar coordinate system, the Cartesian coordinates (x, y) are replaced with polar coordinates (r, θ) as in method (1). The image signal can be generated in a Cartesian coordinate system (x, y) or polar coordinates (r, θ). The same applies when other transmission beamforming is performed or when they are performed in a spherical coordinate system. In addition, since apodization processing for transmission, reception, or both for the received signal is linear processing, it can be performed at various timings (hardware at the time of reception or software after reception).
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。
Method (3): Multistatic Type Aperture Synthesis FIG. 11 is a schematic diagram of multistatic type aperture synthesis. Multistatic aperture surface synthesis is a method in which ultrasonic waves are emitted from one element of an array and echoes are received by a plurality of elements around 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 obtained.
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。 As described above, it is a conventional method to generate a low resolution echo signal from echo signals received for each element radiation and superimpose them. On the other hand, in the present invention, a signal group composed of signals having the same transmission / reception position relationship is set as one set, and digital monostatic aperture synthesis is performed for each set, and a plurality of values are obtained by this method (3). The processing is finished by superimposing these low resolution image signals. In practice, superposition that is a linear process can be performed in the frequency domain before the inverse Fourier transform process, which is faster, and the horizontal alignment for the superposition is also superposed. In this case, the image signal can be generated without performing interpolation approximation at high speed by multiplying the complex exponential function for performing the shifting process in the horizontal direction and rotating the phase in the horizontal direction.
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、受信位置と送信位置の距離をΔxとすると、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(20)によって表される換算距離を計算することである。
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。 When the deflection angle is θ (including zero degree), multi-static aperture synthesis is performed to generate a beam that has been subjected to at least dynamic reception focusing (when s = 2, transmission dynamic focusing can also be realized). As a beam forming method to be performed, a wave is transmitted from each of a plurality of transmission aperture elements in a transmission effective aperture element array, and a wave arriving from a measurement object is transmitted by at least one of a plurality of reception aperture elements at different positions. Receives and generates a received signal (can be processed by the device of the present invention even if there is only one), and the transmission aperture element has a wave generated by at least reflection or backscattering in the measurement object (S = 2), or generated by at least transmission, forward scattering, or refraction in the measurement object (S = 1) of the receiving effective aperture element array having an arbitrary x coordinate without depending on the x coordinate of the receiving aperture element generating the received signal and further having a zero y coordinate. A position opposite to the reception effective aperture element array, each serving as one of the reception aperture elements, or one of a plurality of transmission aperture elements different from any of the reception aperture elements, or having a non-zero constant y coordinate Each of the plurality of transmission aperture elements in the transmission effective aperture element array in FIG.
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、送信開口素子のy座標が零のときに、送信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(20))、又は、送信開口素子のy座標が非零のときに、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。 For each received signal group obtained by arranging the received signal the distance Δx is equal in the horizontal direction coordinate between the receiving position and transmitting position, when the y coordinate of the transmission aperture element is zero, the position of the transmit aperture The distance (equation ( 20 )) of a straight line connecting the transmission aperture element, the interest point, and the reception aperture element expressed by using the y coordinate of the interest point and the distance Δx, or the transmission aperture element when the y-coordinate is nonzero, distance between Seki y coordinates and transmission aperture element of the centroid point y = Y-coordinate and the distance Δx and transmission aperture element and the point of interest and receive aperture element represented using using the above each of the image signal obtained by setting the deflection angle in the monostatic synthetic aperture corrected for lateral position in the frequency domain, the image signal without performing the interpolation approximation process by superimposing them Can produce
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。 Also, when performing three-dimensional wave digital signal processing using a two-dimensional aperture element array, for example, an axial direction y determined by the orientation of the aperture of a flat receiving aperture element array and lateral directions x and z orthogonal thereto In a Cartesian Cartesian coordinate system using the coordinates of, the same processing can be performed, and the zero or non-zero deflection angle formed by the generated beam direction and axial direction is expressed using the elevation angle θ and the azimuth angle φ , A wave is transmitted from each of the plurality of transmission aperture elements in the transmission effective aperture element array, and a wave arriving from the measurement target is received and received by at least one of the plurality of reception aperture elements at different positions. The transmission aperture element generates a signal whose wave is generated by at least reflection or backscattering on the measurement object (s = 2), or the measurement object Any x-coordinate and z-coordinate without depending on the x-coordinate and z-coordinate of the receiving aperture element that generates the received signal so that it is generated at least by transmission, forward scattering, or refraction (s = 1). One of the plurality of transmit aperture elements in the receive effective aperture element array, or one of a plurality of transmit aperture elements different from any of the receive aperture elements, Each of a plurality of transmit aperture elements in the transmit effective aperture element array having a non-zero constant y coordinate and positioned opposite the receive effective aperture element array.
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、送信開口素子のy座標が零のときに、送信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座標が非零のときに、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、前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。 When the y coordinate of the transmission aperture element is zero for each of the reception signal groups obtained by arranging the reception signals having the same distances Δx and Δz in the lateral x coordinate and the z coordinate between the transmission position and the reception position, , half the distance of a straight line distance connecting the transmission aperture element and interest points represented with the y coordinate of the point of interest comprising a transmit aperture position and distance and Δx and Δz and the received aperture element, or transmission aperture when the y coordinate of the element is non-zero, between the transmission aperture element and the point of interest and receive aperture element represented by using the y-coordinate and the distance Δx and Δz y-coordinate and the transmission aperture element Seki center point Using the distance, each of the image signals obtained by setting the deflection angle in the above-described monostatic type aperture plane synthesis is corrected with respect to the position in the horizontal direction in the frequency domain, and they are overlapped without performing interpolation approximation processing. Generate image signal Kill.
また、未知の波動源又はそれが生成する波動の伝搬を表すイメージ信号を生成するべく(いわゆる、パッシブモード)、推定される未知波動源のy座標を送信開口素子のy座標に設定して、ビームフォーミングを行うと良い。試行錯誤的にy座標を変えながら、観測してみることも有効である。例えば、結像されるとか、空間分解能が高くなるとか、信号強度が強くなる、コントラストが増加するとか等の効果が得られるとよく、これらを判定基準として、一連の処理を自動的に行うことも可能である。 Also, in order to generate an image signal representing the propagation of an unknown wave source or the wave it generates (so-called passive mode), the y coordinate of the estimated unknown wave source is set to the y coordinate of the transmission aperture element, It is good to perform beam forming. It is also effective to make observations while changing the y coordinate by trial and error. For example, effects such as image formation, increased spatial resolution, increased signal intensity, increased contrast, etc. should 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 described below, as information on the wave source location or transmit aperture element, the position relative to the receiving aperture element, direction or distance of the position at which the direction of the opening, or, it is Ru Oh propagation direction of the wave to be generated is given. In addition, the time at which a wave is generated by an arbitrary wave source may be given. It may be observed by other devices, and the received signal itself or a wave propagating at a higher speed 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。 Obtain the center of gravity (center) frequency or instantaneous frequency of the multi-dimensional spectrum for the received signal, determine the direction in which the wave source exists or the propagation direction of the wave from this, adjust the deflection angle for transmission or reception, and adjust the beam Forming may be performed. In addition, the center-of-gravity (center) frequency or instantaneous frequency of the multi-dimensional spectrum is obtained from the beam-formed image signal, and the direction in which the wave source exists or the propagation direction of the wave is obtained from this, and the deflection angle of transmission or reception is obtained. The beam forming may be performed by adjusting. These processes can be performed 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 beam forming.
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8)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。 As described in the method (2) for monostatic aperture synthesis, in the method (3) for multistatic aperture synthesis, an arbitrary beamforming can be generated using echo signals collected for aperture synthesis. (Actually, an image signal can be generated even if the processing described in the methods (1) and (4) to (7) is performed on these data). Although it may be effective that the amount of data is abundant compared to the monostatic type, the amount of calculation increases. In the plane wave processing of the method (1), the aperture plane synthesis processing can be performed by using a code. Further, in a convex transducer, sector scan, IVUS, or the like, when a wide wave is transmitted or received (cylindrical wave) in the angle θ direction in polar coordinates (r, θ) in the radius r direction (FIG. 7), When a wide wave is transmitted in the direction of the angle θ of the polar coordinate system (r, θ) in the same polar coordinate system (r, θ) as in FIG. (Fig. 8) and echo signals collected for aperture plane synthesis in the polar coordinate system, the Cartesian coordinates (x, y) are replaced with polar coordinates (r, θ) as in method (1). The image signal can be generated in a Cartesian coordinate system (x, y) or polar coordinates (r, θ). The same applies when other transmission beamforming is performed or when they are performed in a spherical coordinate system.
また、上記の如く、偏向することが可能であるが、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も同様に処理できる。送信開口素子と受信開口素子との距離、送信ステアリング角度と受信ステアリング角度、透過型の場合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。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。 Further, as described above, the deflection can be performed, but the same processing can be performed when the steering angles of the transmission beam forming and the reception beam forming are different. The conversion distance may be calculated using the 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. In addition, apodization may or may not be performed at the time of transmission. In addition, since the reception apodization process is also a linear process, it can be performed at various timings (hardware or software). In consideration of the amount of calculation that depends on the effective aperture width and the like that determines the number of the above, it can be easily implemented at an appropriate timing. For example, each set for initiating generation of a low resolution echo signal can be weighted or apodized in the frequency domain or spatial domain to the generated low resolution signal.
方法(4):固定フォーカシング
図12は、リニア型アレイを用いた固定フォーカシングの模式図である。固定フォーカシングとは、1点をフォーカス点とし、フォーカス点に同時に超音波が到達する様に、各素子に遅延を与える方法である。アレイ型トランスデューサの物理開口の一部又は全てを有効開口として受信して、計測対象が走査される。無論、ステアリングを行うこともある。送信と受信のステアリング角度が異なることもある。
Method (4): Fixed Focusing FIG. 12 is a schematic diagram of fixed focusing using a linear array. Fixed focusing is a method in which each element is delayed so that one point is a focus point and ultrasonic waves reach the focus point simultaneously. 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, steering may be performed. The transmission and reception steering angles may be different.
固定フォーカシングは、イメージ信号の生成を、方法(1):平面波受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。
In the fixed focusing, the image signal is generated by the method (1): beam forming at the time of receiving a plane wave, or the method (3): multi-static aperture plane synthesis. In that case, there are the following three methods.
(I) Each received signal obtained in the effective aperture width is subjected to one image signal generation process on the superposition.
(Ii) A so-called normal low-resolution image signal is generated using the received signal for each transmission, and they are superimposed.
(Iii) Similar to the multi-static aperture plane synthesis, image signals are generated by setting the same transmission / reception positional relationship as a set, and then superimposed.
コンベックス型トランスデューサやセクタスキャン、又は、IVUSにおいて極座標の半径r方向に送信及び受信を行う場合や、任意の開口形状において後方に設置する仮想源を用いてビームフォーミングを行う場合には、デカルト座標(x,y)を極座標(r,θ)に読み替えて処理をすれば良く、極座標(r,θ)においてイメージ信号を生成することができる。そのイメージの生成後に補間近似を必要とすることがあることは前記の通りである。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。本願の第1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(5−1)、(5−1')、及び、(5−2)も発明した。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。 When performing transmission and reception in the radius r direction of polar coordinates in convex transducers, sector scans, or IVUS, or when performing beamforming using a virtual source placed behind in an arbitrary aperture shape, Cartesian coordinates ( Processing may be performed by replacing x, y) with polar coordinates (r, θ), and an image signal can be generated at polar coordinates (r, θ). As described above, an interpolation approximation may be required after the image is generated. The same applies to transmission and reception using a spherical coordinate system. There is a report (Non-Patent Document 6) of processing performed with approximation processing when transmission focus is performed, and similarly, a result is obtained in polar coordinates (r, θ). The first inventor of the present application is a method for directly generating an image signal in a Cartesian coordinate system as a result of beam forming for transmission or reception in their polar coordinate system, spherical coordinate system, or arbitrary orthogonal curve coordinate system. (5-1), (5-1 ') and (5-2) were also invented. Apodization may be performed at the time of transmission, or reception apodization processing may be performed on the received signal (hardware at the time of reception or software after reception). When apodization is performed in software, it is performed according to method (1) or method (3).
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)。
Method (5): Image signal generation in a polar coordinate system Method (5) transmits or receives (part of) an ultrasonic cylindrical wave in a two-dimensional polar coordinate system (r, θ) such as convex array, sector scan, or IVUS. This is a method of generating an image signal in a Cartesian coordinate system in the case (see FIG. 7).
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、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。
例えば、ステップS24において、各深さyの角スペクトルが計算される。さらに、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。 For example, in step S24, an angular spectrum for each depth y is calculated. Further, the frequency component k of the angular spectrum is added in step S25, and an inverse Fourier transform (IFFT) is performed on the horizontal wave number kx in step S26, whereby an image signal is obtained in step S27.
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。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。 This method does not require interpolation processing for wave number matching and coordinate system conversion to obtain image signal of Cartesian coordinate system (x, y) from polar coordinate system (r, θ) signal, and it is fast and highly accurate. Beam forming is performed. Similar to the plane wave transmission in a linear array transducer, a cylindrical wave can be deflected in a polar coordinate system. Apodization can be performed similarly. In the case of a cylindrical wave, at the 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)) Although it is a time phase, the above processing may be performed by superimposing the received transmissions at different times. The z-axis direction may be focused by an analog device (lens), or 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 various imaging or CT using a circular-based array transducer surrounding a HIFU treatment or an object). Of course, reception-only beamforming may be performed in them, and the same processing is performed. 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), the image signal can be generated as described above, and interpolation approximation is performed in the subsequent processing. In these, similarly, steering can be performed.
方法(5−1'):仮想源と他の任意形状の開口アレイを用いたイメージ信号生成
円形開口アレイだけでなく、リニアアレイ型トランスデューサ等の任意開口形状から波動を送信する場合において、後方に設置された仮想源を用いて円筒波の一部を生成する場合(図8)について説明する。
Method (5-1 ′): Image signal generation using virtual source and other arbitrary shape aperture array 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 a cylindrical wave is generated using the installed virtual source (FIG. 8) 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(5−1)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 the received signal acquired for monostatic aperture plane synthesis is used, if necessary for the received signal transmitted and received in each element and stored in a memory or the like, a complex exponential function is applied to the Fourier transform. Multiplying the response of the wave emitted from the virtual source into a digital received signal represented by polar coordinates (r, θ), and then using method (5-1), directly (x, y) Image signals can be generated in the coordinate system. Similarly, the received signal can be represented as a digital signal of polar coordinates (r, θ), and the process of replacing the Cartesian coordinates (x, y) in method (1) with polar coordinates (r, θ) can be performed. An image signal can also be generated at (r, θ). Of course, 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、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) In addition, when using the received signal acquired for multi-static aperture plane synthesis, there is a need for the received signal transmitted in each element and received by the surrounding elements and stored in the memory etc. For example, multiply the Fourier transform by the complex exponential function, and use the response of the wave emitted from the virtual source as the digital received signal represented by polar coordinates (r, θ), and implement the multistatic aperture plane synthesis method (3) it can. As another process, the digital reception signal is superimposed on each reception element, and then the method (5-1) is used to directly generate the image signal in the (x, y) coordinate system. Similarly, it is possible to superimpose the digital reception signal at each receiving element, and then to perform the processing in which the Cartesian coordinates (x, y) in method (1) are read as polar coordinates (r, θ). An image signal can also be generated at (r, θ). Of course, the multi-static processing of the method (3) can be performed in the polar coordinate system (r, θ) without superposition.
(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(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 originally performed in the polar coordinate system (r, θ). A transmission or reception delay pattern may be used to transmit and receive samples from each aperture element. Based on the method (5-1), the method (2), and the method (3), an image signal can be directly generated in the (x, y) coordinate system. Similarly, the received signal is represented as a digital signal of polar coordinates (r, θ), and the processing in which the Cartesian coordinates (x, y) in methods (1) to (3) are replaced with polar coordinates (r, θ) is performed. 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8)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し(但し、時間を要する)、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。
(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。
(iv) Similarly, in the case of generating a part of a cylindrical wave using a virtual source installed at the rear in an arbitrary aperture shape (FIG. 8), it is received by each element in the above (i) to (iii). The received signal is represented as a digital signal in Cartesian coordinates (x, y) by multiplying the Fourier transform of the received signal stored in the memory or the like by a complex exponential function (however, time is required), and method (5-1) On the contrary, f (x, y) is Fourier-transformed with respect to the radius r and the angle θ and processed to generate an image signal in the polar coordinate system (r, θ). Alternatively, each method can be used to generate an image signal in a Cartesian coordinate system (x, y).
In (i) to (iv), various beam forming operations described in the method (5-1) can be performed.
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。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。
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。
Method (5-2): Image Signal Generation at Fixed Focus FIG. 14 is a schematic diagram of fixed focusing using a convex array. Also in the convex array, fixed focusing can be performed as shown in FIG. As in the case of the linear array type (method (4)), an image signal can be generated by the same calculation process as that for cylindrical wave transmission. That is, there are the following three methods based on the processing of method (1) or method (3).
(I) Each received signal obtained in the effective aperture width is subjected to one image signal generation process for superposition.
(Ii) A so-called normal low-resolution image signal is generated using the received signal for each transmission, and they are superimposed.
(Iii) Similar to the multi-static aperture plane synthesis, image signals are generated by setting the same transmission / reception positional relationship as a set, and then superimposed.
As described above, the image signal can be directly generated in the Cartesian coordinate system. However, the method (4) can be performed using the coordinate axes of the polar coordinate system to generate the image signal in the polar coordinate system. Similarly, deflection and apodization can be performed. The z-axis direction can be processed in the same manner as (5-1).
As described above, the beam forming of the methods (1) to (4) can be performed. However, the present invention is not limited thereto, and the same effect can be obtained by adapting to any beam forming.
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 core wave aperture element array is used, three-dimensional digital wave signal processing is performed. When the element array is used, the wave is received in the spherical coordinate system (r, θ, φ ), and thus the received signal of the received wave is expressed as f (r, θ, φ ). In this case as well, 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)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。
方法(5"): デカルト座標系にて送信又は受信した場合の任意直交曲線座標系におけるイメージ信号生成
上記の一連の方法とは逆に、デカルト座標系において、送信又は受信を行って得られる受信信号から、補間近似を行うことなく2次元極座標系又は球座標系によって表されるイメージ信号を直接的に得ることも可能であり、同様な計算により実現できる。例えば、受信信号がf(x,y,z)と表されるときに、rとθ、φ方向にフーリエ変換して、デカルト座標系における平面波に該当する円形波や球面波に受信信号を分解する計算をヤコビ演算を通じて行えばよい。これらの方法は、FOVを変える場合にも使用されることがある(例えば、広くできる場合もある)。
Method (5 "): Image signal generation in an arbitrary orthogonal curve coordinate system when transmitted or received in a Cartesian coordinate system In contrast to the above-described series of methods, reception obtained by transmitting or receiving in a 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 a similar calculation, for example, if the received signal is f (x, y, z), a Fourier transform in the r, θ, and φ directions and a calculation to decompose the received signal into a circular wave or a spherical wave corresponding to a plane wave in a Cartesian coordinate system may be performed through a Jacobian operation. These methods may also be used when changing the FOV (eg, can be broad).
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 Also in the migration process, the apparatus of the present invention can perform the processing without performing the interpolation approximation process 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 is omitted here.
非特許文献7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)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 7 is based on normal migration processing based on 1-element reception based on 1-element transmission (that is, processing that does not deflect using transmission / reception data for monostatic aperture surface synthesis in method (2)). In the case of plane wave transmission and / or reception with and without steering (processing corresponding to method (1)), a wave is generated from an arbitrary transmission aperture element for any identical position. Since the propagation time, which is the time until the wave is received by the reception aperture element that also serves as the transmission aperture element, is different from that in the case of the normal migration, the propagation speed and the coordinates of the target position are reread (the following formula (M1)) , A method of calculating a 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7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 processing of the other methods (2) to (5) is not disclosed in Non-Patent Document 7 (when steering is performed in method (2), it is not disclosed). Furthermore, in calculating the equation (M6 ′), conventionally, interpolation approximation has been performed when performing wave number matching (equation (M4) and equation (M4 ′)). In the apparatus 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 normal migration that performs non-deflecting processing using transmission / reception data for monostatic aperture surface synthesis in method (2). It can be processed. For example, the calculation procedure of migration during deflection plane wave transmission (including 0 °) in method (1) will be mainly described.
図15は、偏向平面波を送信した場合のマイグレーション処理を示すフローチャートである。受信信号が、r(x,y,t)と表されるとき、開口素子アレイ位置における受信信号は、r(x,y=0,t)と表される。 FIG. 15 is a flowchart showing migration processing when a deflected 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 also be used. As a general method, first, in step S31, a time t The spectrum of the analytic signal is obtained by performing a fast Fourier transform (FFT) on. In addition, fast Fourier transform in the horizontal direction x may be performed at each frequency coordinate in the band k (faster than calculating each two-dimensional spectrum 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、偏向する場合に対応するには、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。 In step S33, the received signal is subjected to fast Fourier transform (FFT) in the horizontal direction x. Here, the result is expressed as R ″ (k x , 0, k). By the way, even if it is programmed so that trimming can be performed, a case where a plane wave is transmitted without deflection (steering angle 0 °) can be processed.
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。
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7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、本願の第1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 7 does not disclose a formula (M6) that uses y S in the formula, but discloses that calculation is performed using y instead of y S , and correction of coordinates is performed after the calculation. . The correction of the coordinates is performed without approximation processing by performing approximation processing or by multiplying the time based on the multiplication of the complex exponential function which is the past invention of the first inventor of the present application. Equation (M6) can also be used when the deflection angle is 0 °.
本発明の装置においては、波数マッチングを2次元逆フーリエ変換と共に、又は、深さ方向の逆フーリエ変換と共に、補間近似することなく実施する。つまり、通常のマイグレーション法(方法(2)のステアリング無しのとき)以外の方法(方法(1)を含む)の場合において計算された2次元フーリエ変換R''(kx,0,k)に対して、又は、通常のマイグレーション法において計算された上記のR(kx,0,k)に対して、式(M7)又は式(M7')によって表されるように、まず、帯域内のそれぞれのkxに対して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(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E(3)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。
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。 Here, the description has mainly been given of performing the beam forming at the time of plane wave transmission with and without steering in the method (1) at high speed without interpolation approximation in wave number matching using the migration method. Method (2) (monostatic aperture synthesis method including the case of steering), method (3) (multistatic method with or without steering), method (4) (transmission fixed focus with or without steering), and All the beam forming described in each of the methods (5) (Beam forming in a polar coordinate system or an arbitrary orthogonal coordinate system) can be similarly performed. The same processing can be performed when the deflection angle differs between transmission and reception.
方法(7):その他
尚、上記の方法(1)〜(6)は、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、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。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。
Method (7): Others Although the above methods (1) to (6) have been described with respect to the case of using a one-dimensional array, in the case of a two-dimensional array or a three-dimensional array, One or the other two axial directions may be similarly processed in the horizontal direction. That is, the above methods (1) to (6) may be simply extended to higher order dimensions.
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, calculation of a product with a weight value that has a small amount of calculation and is easy for apodization processing has been described. However, the present invention is not limited to this, and in a linear system, a spatial domain and a frequency domain are calculated. Convolution integration may be performed based on the dual relationship between the product and the convolution integration in. It is possible to appropriately apodize 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。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は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。 By using the methods (1) to (6) to superimpose multidirectional deflected beams and plane waves generated by the apparatus according to the present embodiment, the above-described lateral modulation signal (image signal) and a wide band in the lateral direction are used. In some cases, a signal (image signal) having a high resolution in the horizontal direction is generated. In addition, a plurality of waves having different carrier frequencies may be used to generate a signal (image signal) having a wide bandwidth in the axial direction and a high resolution in the axial direction. In these cases, the spectrum may be widened to increase the resolution so that the spectra overlap. The plurality of beams may be generated in parallel at the same time, and the measurement target has the same time phase, but may be generated at different times. Multidirectional waves may be generated by the multidirectional aperture plane synthesis described above.
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。 Further, it is different to form a multi-focus (including not only a normal multi-focus that forms a transmission focus at a plurality of positions in the beam propagation direction but also a transmission focus at a plurality of arbitrary positions including the horizontal direction). There may be a case where a plurality of waves focused on the position are transmitted to perform reception beam forming. In addition, processing for generating reception beams at a plurality of positions and reception beams in a plurality of directions may be performed on one transmission beam. In addition, beam forming based on transmission in a plurality of directions with different steering angles may be performed. In addition, there is a case where beam forming is performed at a position where there is little interference, and beam forming is performed at each part divided within one frame on the basis of performing transmission and reception. In some cases, parallel beamforming is performed, such as processing in parallel, and in each case, processing is performed to superimpose the results at each position in the region of interest from which a plurality of beamforming results are obtained.
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 wave transmission / reception apertures may be dedicated apertures, but they may also serve as both, and not only receive the response of the wave transmitted by themselves, but are transmitted from other apertures. Waves may be received and again the generated beamforming results may be superimposed, including when processed in parallel. In summary, the above superposition is performed at the same time, at the same time, or at the same time or at the same time when the state of the object to be propagated (communication object) or the observation object is the same or substantially the same. In phase, one or more beamforming or transmission or reception may occur at each aperture, and similarly one or more beamforming or transmission or reception may be performed with one combination of apertures. Sometimes done. Similarly, each of a plurality of combinations of apertures may perform one or more beamforming, transmission, or reception. Also, in these cases, when a plurality of beamforming or transmission or reception results are obtained, new data may be generated through the calculation of the superposition thereof.
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 these superposition processes are linear processes, a plurality of complex spectrum signals having the same frequency in the frequency domain can be superposed in the calculation process of the above methods (1) to (6). In this case, it is only necessary to perform inverse Fourier transform on the superimposed complex spectrum at one time. Processing can be completed faster than necessary. Although not limited to this, such as an incoming wave, what is superimposed in the state of an angular spectrum may be processed in a single direction or a plurality of directions, for example. As the processing itself, it is preferable to perform a Fourier transform by superimposing a plurality of waves in a spatial domain, and obtain a superposed angular spectrum (the effect of performing the Fourier transform only once). In some cases, the position of the object can be confirmed.
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)。 In the above, when transmitting a plurality of beam-formed waves (at least, a predetermined transmission delay is applied and a transmission apodization may be applied) (among methods (1) to (6)) In methods (2) and (3) other than the aperture plane synthesis), the first excited aperture element in the effective aperture array for each wave transmitted when physically transmitted simultaneously Since each received signal is stored in a memory or a storage device (storage medium) in an overlapped state, the image signal generation process for one frame may be performed according to each method. (Parallel processing may be performed in which one frame is divided and processed in each part).
これに対し、ビームフォーミングを異なる時刻で複数回行う上記の別の場合においては、各受信開口素子のチャンネルにおいて、有効開口アレイ内の最初に励起される開口素子から送信されるタイミングを把握できる本実施形態に係る装置においては、デジタル信号処理ユニットにおいて、同時に複数の波動を送信したときの受信信号と同じ信号を得るべく複数の受信信号を適切に重ね合わせて、同様に処理することもできる(この場合も、1フレームを分割してそれぞれの部分で処理する並列処理を行うことがある)。これらの場合においては、実質的に、最初のフーリエ変換は1回で済む(それぞれの部分で分割して処理する場合はある)。 On the other hand, in the above-mentioned another case where beam forming is performed a plurality of times at different times, in the channel of each receiving aperture element, the timing transmitted from the aperture element that is excited first in the effective aperture array can be grasped. In the apparatus according to the embodiment, in the digital signal processing unit, a plurality of received signals can be appropriately overlapped and processed in the same manner to obtain the same signal as the received signal when a plurality of waves are transmitted simultaneously ( In this case as well, parallel processing may be performed in which one frame is divided and processed in each part). In these cases, the first Fourier transform is substantially one time (there may be divided and processed in each part).
この様なアクティブの場合は、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、本願の第一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、一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、異なる複数方向に処理を行うことは有効である。 In such an active state, beam forming can be completed at a higher speed in beam forming excluding aperture plane synthesis (methods (2) and (3)). However, the aperture-synthesized received signals collected for the methods (2) and (3) are subjected to transmission beamforming (transmission delay or transmission apodization is applied as necessary) and superimposed as necessary. May be processed in the same way. By the way, if the received signals are superimposed without applying a transmission delay, in this case, a received signal when a plane wave is transmitted without steering can be generated. Even in the aperture plane synthesis process, division parallel processing may be performed to increase the speed. A multi-directional beam can be generated from signals collected in one time phase, and when processed in the apparatus or method of the present invention, obtained by a single Fourier transform under the deflection angle in each direction. Calculations using the same angular spectrum data are performed, and finally, the multidimensional spectra obtained for each deflection angle are overlapped without performing multiple inverse Fourier transforms, and the multidimensional spectra are superimposed. A final image signal can be generated at a high speed by performing inverse Fourier transform times (division processing may be performed). However, in the case of performing passive processing even in fixed focusing of reception or other beam forming, whether for aperture synthesis, as described above, with respect to the superimposed received signal (that is, one angular spectrum), for example, It is effective to perform processing in a single direction or in 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(Multiple-input and Multiple-output:送信側及び受信側において複数のアンテナを組み合わせて送受信信号の帯域を広げる無線通信技術)、SIMO(Single-input and Multiple-output:送信側において1つのアンテナを用い、受信側において複数のアンテナを用いて受信信号の帯域を広げる無線通信技術)、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)、独立信号分離、符号、又は、パラメトリックな方法等を用いてデジタル信号ユニットにおいて分離することができる。尚、重ね合わせ処理は、それら以外においても有効となることがある(例えば、同時相において複数個得られた信号を用いることにより、SN比が向上する等)。 In addition, in the case where a superposition of a plurality of waves obtained in these processes is obtained, it is also effective to separate the spectrum if the propagation direction, frequency, or band is different, for example. In addition, encoding, MIMO (Multiple-input and Multiple-output: a wireless communication technology for expanding the band of transmission and reception signals by combining a plurality of antennas on the transmission side and reception side), and SIMO (Single-input and Multiple-output: (Wireless communication technology that uses one antenna on the transmitting side and uses multiple antennas on the receiving side to widen the band of received signals), MUSIC (Multiple Signal Classification: Wireless communication technology that uses eigenvalues or eigenvectors of the correlation matrix of received signals) Separation in the digital signal unit using independent signal separation, sign, or parametric methods, etc. Can. Note that the overlay 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).
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。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。 On the other hand, in the methods (1) to (6), after the wave number matching is performed on the received signal stored in the memory or the storage device (storage medium) to frequency-divide the spectrum and generate the image signal of one frame. In some cases, a plurality of waves processed in a situation where the spectrum is divided in the frequency domain to be processed is obtained. Even when a plurality of waves overlap, the spectrum may be frequency-divided. This corresponds to the generation of a physically pseudo wave having new wave parameters (frequency, band, propagation direction, etc.) by frequency division of these spectra.
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、本願の第1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)。単一の波動そのものにドプラ法を施して変位が計測されることもある。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。 Using a plurality of waves generated in these processes, the digital signal unit uses a displacement vector that moves in an arbitrary direction (such as a multidimensional autocorrelation method or a multidimensional self-Doppler method to solve simultaneous equations related to the displacement vector component). In this way, the first inventor's past invention of the present application or a normal one-direction displacement is measured with high accuracy (more equations than the number of displacement components to be obtained are derived and overdetermined (over- In a determined system, the least squares method, the average value of the calculation results, and high-precision and high-precision results are obtained in a state where the waves overlap and have a high frequency and a wide band). Displacement may be measured by applying the Doppler method to a single wave itself. From the displacement (vector), strain (tensor), strain velocity (tensor), velocity (vector), and acceleration (vector) are obtained by partial differentiation using a differential filter related to space or time.
尚、観測された波動を基に対象の動きを検出、イメージする様々な技法もあり、例えば、医用超音波の分野では、血流や組織の変位や変形に関して、平均速度や分散等を基に、速度情報、動きの有無、複雑さ等を表示できるものがある。積極的に造影剤(マイクロバブル)が使用され、血管内や心腔内の血液からの波動の強度を増強した状態で計測イメージングが行われることもある。形態学的な観測だけでなく、機能計測にも有効となることがある。自己発散(self-emanating)型の造影剤には、PET(陽電子放射型断層撮影法)で使用される放射性同位体が典型的な例であり、発生数のカウントに基づく観測が行われる。これは第2の実施形態のパッシブな装置で対象となるタイプのものであるが、例えば、磁性体(癌病変等のターゲットに親和性があることがある)を静脈注射し、そこに力学的振動を加えて磁場を発生させることもある(本願の第1の発明者の過去の発明)。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)等の例もある。 There are various techniques to detect and image the movement of the target based on the observed waves. For example, in the field of medical ultrasound, based on the average velocity and dispersion of blood flow and tissue displacement and deformation. Some of them can display speed information, presence / absence of movement, complexity, and the like. A contrast agent (microbubble) is actively used, and measurement imaging may be performed in a state where the intensity of the wave from blood in the blood vessel or the heart chamber is increased. It may be useful not only for morphological observation but also for functional measurement. As a self-emanating contrast agent, a radioisotope used in PET (Positron Emission Tomography) is a typical example, and observation based on a count of the number of occurrences is performed. This is the target type 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 then mechanically there. There is also a case where a magnetic field is generated by applying vibration (the past invention of the first inventor of the present application). Accordingly, the transmission transducer is dynamically stimulated, and as a response, the electromagnetic wave is observed by the reception transducer. There are also examples such as the above-mentioned photoacoustic.
また、波動を最後の逆フーリエ変換前に分離して検波(自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(本願の第1の発明者の過去の発明)。 In addition, the wave is separated before the last inverse Fourier transform and detected (square detection, envelope detection, etc.), separated after the last inverse Fourier transform and then detected, or separated from the original Can be detected before and after Fourier transform (Non-Patent Document 1), and imaging representing the intensity distribution of each wave is performed, or incoherent signals resulting from the detection are superimposed. Emphasize deterministic signals (eg reflected or specular signals), reduce stochastic signals (eg scattered or speckle signals), and space in the structure of objects and media The change is effectively depicted (the past invention of the first 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, a coherent signal with overlapping waves is detected and its intensity distribution is imaged. In addition, a non-detected coherent signal may be imaged to image the wave itself, or an image of a phase distribution obtained together with an image of signal strength (amplitude) may be presented. A single wave may be similarly imaged.
表示方法は、グレー画像やカラー画像が一般的(popular)であるが、その際に、定量性が求められる場合には、表示されている輝度や色に対応する数値がバー表示されることもある。その他、鳥瞰図等で表示されることもあり、CGを併用して表示されることもある。それらは静止画又は動画として表示されることがあるし、動画はフリーズして表示されることもあるし、それらが実時間で表示されることもあるし、オフラインで処理されて表示されることもある。記憶装置(又は記憶媒体)に格納されている波動データ又は画像データが読みだされて表示されることもある。任意数値の経時的な変化がグラフとして表示されることもある。 Gray images and color images are popular (popular). If quantitativeness is required, numerical values corresponding to the displayed brightness and color may be displayed as bars. is there. In addition, it may be displayed as 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 processed and displayed offline. There is also. Wave data or image data stored in a storage device (or storage medium) may be read out and displayed. An arbitrary numerical change with time may be displayed as a graph.
その他、例えば、マイクロ波や赤外線、又は、テラヘルツ帯域の信号を使用して、計測対象の温度分布を観測すること等も可能である。輻射しているものに送波した波動が変調を受け、これを検出する(尚、第2の実施形態に係るパッシブ型の装置においても、輻射される波動そのものから対象の温度分布の計測が行われることもある)。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。 In addition, for example, it is also possible to observe the temperature distribution of the measurement object using a microwave, an infrared ray, or a terahertz band signal. The wave transmitted to the radiating object is modulated and detected (the passive device according to the second embodiment also measures the temperature distribution of the target from the radiated wave itself. Sometimes). Based on these observed physical and chemical quantities, high-order processing such as an inverse problem approach is performed, and viscoelastic modulus, elastic modulus, viscosity, thermal properties, and electrical properties (conductivity and dielectric constant). , Permeability, wave propagation speed (light speed, sound speed, etc.), attenuation, scattering (forward scattering, backscattering, etc.), transmission, reflection, refraction, or wave source may be required including frequency dispersion. .
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。 Physical quantities such as measured displacement and temperature may be displayed in the same manner, but may be displayed superimposed on the morphological image obtained at the same time. An image representing these distributions is often required to be quantitative, and numerical values corresponding to the displayed luminance and color may be displayed as bars. In addition, it may be displayed in a bird's eye view or the like, or may 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 processed and displayed offline. There is also. Wave data or image data stored in a storage device (or storage medium) may be read out and displayed. An arbitrary numerical change with time may be displayed as a graph.
また、他装置から、入力装置を通じて観察対象である波動に関する付加情報が提供されることがあり、また、他物理量や化学量の観測データが提供されることもあり、デジタル信号処理ユニットにおいて、上記の処理の他に、データマイニングや独立信号分離、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。 Further, additional information on the wave to be observed may be provided from another device through the input device, and observation data of other physical quantities or chemical amounts may be provided. In the digital signal processing unit, In addition to the above processing, data mining, independent signal separation, code, multidimensional spectral analysis, signal separation by MIMO, SIMO, MUSIC, signal separation based on object identification by parametric methods, these methods may be used in combination Super-resolution or higher-order processing such as ISAR (Inverse synthetic aperture) may be performed.
第2の実施形態に係るパッシブ型の装置においても、これらの処理が行われるので、そこで詳述することにするが、パッシブ装置の場合と異なり、本実施形態に係るアクティブ型の装置では、波動を送信して走査するため、受波した受信信号において関心のある位置を特定できることが大きく異なり、また、送信フォーカス又はマルチフォーカスを行えば、それらのフォーカス位置の状態や機能、そこに波動源があれば波動源に関する情報で高分解能に波動を変調して復調してそれらを理解し、また、平面波(フラットなアレイ)や円筒波(リング状のアレイ)、球面波(球殻状のアレイ)に類する波動を使用すれば、高いフレームレートで高速にそれらを捉えることも可能である。 These processes are also performed in the passive device according to the second embodiment, and will be described in detail there. However, unlike the passive device, the active device according to the present embodiment has a wave motion. The position of interest can be specified in the received signal that is received is greatly different, and if transmission focus or multifocus is performed, the state and function of those focus positions, and the wave source there If there is any information about the wave source, it modulates and demodulates the waves with high resolution and understands them. Also, plane waves (flat arrays), cylindrical waves (ring-shaped arrays), spherical waves (spherical shell-shaped arrays) It is possible to capture them at a high frame rate and at high speed by using similar waves.
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。 In communication, the position of the communication destination can be narrowed down from the transmission transducer, and energy saving and communication security can be improved. In performing the observation, the degree of freedom is high in configuring the measurement system. Further, in the processing based on these system theories, 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 transmitting and receiving transducers (sometimes serving as transmitting transducers), and the waves to be transmitted and received may be the same or different. As mentioned above, a plurality of device bodies dedicated to a plurality of transducers operating in synchronization may be used, or a passive device according to the second embodiment may be used together. It may be connected to other devices including a device for controlling the network through a dedicated or normal network, or the device main 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 such as materials and structures manufacturing devices, treatment and repair devices, and applied devices (robots, etc.) may operate in conjunction with each other, but are not limited thereto. . In addition, measurement and high-order calculation processing using these waves may be performed by another device using wave data stored in a removable storage device (storage medium). Data may be stored in the same type of storage device (storage medium) and used in another device.
尚、受信してメモリ又は記憶装置(記憶媒体)に格納されている受信信号において、対象や媒体において生成される高調波成分を含んでいる場合に、ビームフォーミング処理を行う前に基本波や高調波(第2高調波だけのときもあればさらに高次の成分を無視することなく複数の高調波を扱うときもある)を分離してビームフォーミング処理(通常の整相加算)することもあるし、ビームフォーミングが実施された後に分離されることがある。その分離方法には、周波数領域において、スペクトルを分離するものがあるが、帯域が重なることがあり、いわゆる、医用超音波ではパルスインバージョン法と呼ばれる同時相において極性が逆の波動を生成し、本実施形態に係る装置において、各々の送信に対する受信信号をビームフォーミング前又は後で重ね合わせすると、第2次高調波成分を抽出できると共に、基本波も得ることができる。 Note that if the received signal received and stored in the memory or storage device (storage medium) contains harmonic components generated in the target or medium, the fundamental wave or harmonics before the beamforming process is performed. A beam forming process (normal phasing addition) may be performed by separating a wave (sometimes only the second harmonic and sometimes dealing with multiple harmonics without ignoring higher-order components) However, it may be separated after beamforming is performed. In the separation method, there is one that separates the spectrum in the frequency domain, but there are cases where bands overlap, and so-called medical ultrasonic waves generate waves with opposite polarities in the simultaneous phase called the pulse inversion method In the apparatus according to the present embodiment, when the received signals for each transmission are superimposed before or after beamforming, the second harmonic component can be extracted and the fundamental wave can also be obtained.
その他、多項式を用いて分離する方法も知られており、本実施形態に係る装置では、波動伝搬方向の1次元処理、もしくは横方向に変調されている場合や波動の伝搬方向が厳密には各位置において変化することを加味して多次元処理することが可能であり、ビームフォーミングの前又は後において実施できる。但し、分離してからビームフォーミングを行う場合において、基本波や高調波の各々のビームフォーミングを行う場合には、各々のビームフォーミング処理を行うことになるので、計算時間を要し、従って、並列処理が行われることもあるが、ビームフォーミング後の分離の方が、処理が高速である。 In addition, a method of separating using a polynomial is also known. In the apparatus according to the present embodiment, one-dimensional processing of the wave propagation direction, or when the wave is modulated in the lateral direction, It is possible to perform multidimensional processing taking into account changes in position and can be performed before or after beamforming. However, in the case of performing beam forming after separation, when performing beam forming of each of the fundamental wave and the harmonic wave, each beam forming process is performed. Although processing may be performed, separation after beam forming is faster.
一方、各送信開口から送信される波動が符号化されているときは、ビームフォーミングを行うに当たり、各受信開口素子によって受信した受信信号に対して、どの送信開口素子から送信されて生成された波動成分であるかをマッチドフィルタに基づく信号検出により分離し、受信のダイナミックフォーカシングだけでなく送信のダイナミックフォーカシングをも行うことがあり、これは広く知られている。これは、平面波送波による高速送信においても有効であるし、フォーカスビームやステアリングを行っている場合においても有効である。 On the other hand, when the wave transmitted from each transmission aperture is encoded, the wave generated from which transmission aperture element is generated with respect to the reception signal received by each reception aperture element when performing beamforming. The components are separated by signal detection based on a matched filter, and not only dynamic focusing for reception but also dynamic focusing for transmission may be performed, which is widely known. This is effective for high-speed transmission by plane wave transmission, and is also effective when a focus beam or steering is performed.
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。 When transmitting a plurality of waves or beams at the same time, for example, the above-mentioned plurality of waves having different frequencies and a plurality of different propagation directions are transmitted as encoded signals, and received signals May be decoded in the same manner and separated 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, scattering, or the like. This is based on the basic idea of encoding the separated waves with another 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 a matched filter can be obtained. Codes suitable for the target and medium have also been developed. However, as the number of elements used increases, the code length increases and the signal energy increases. It is important to make effective use of this, but on the other hand, for example, if the target or medium is deformed, the accuracy is increased. Is known to be unsuitable due to a decrease in the frequency, and the same problem occurs in chirp signal compression.
通信においては、各送信開口素子から送信される波動に情報を符号化したもので符号化(coding)して送波し(ビームフォーミングとしては、例えば、平面波や円筒波、又は、球面波を使用して広く伝える場合や、複数位置であることのあるフォーカシングを行い、それらの位置における精度を保証し、また、局所又は特定の対象と通信するべくセキュリティを確保したり、省エネ化することもある)、受信信号に対してビームフォーミングを行った上で復号化(decoding)される。本実施形態に係る装置における符号化の応用は、それらに限られるものではないが、デジタル信号処理ユニット(メモリ内臓型もある)やメモリや記憶装置(記憶媒体)において、これらの処理が行われる。 In communication, information is encoded on the wave transmitted from each transmission aperture element, and then coded and transmitted (for example, a plane wave, a cylindrical wave, or a spherical wave is used as beam forming) If the information is widely communicated, focusing may be performed at multiple positions, the accuracy at those positions is guaranteed, and security may be ensured to communicate with local or specific objects, or energy may be saved. ) The received signal is subjected to beam forming and then decoded. The application of encoding in the apparatus according to the present embodiment is not limited thereto, but these processes are performed in a digital signal processing unit (also including 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, physical quantities (size, direction, temperature, etc. of displacement, velocity, acceleration, strain, strain rate, etc.), chemical amounts, or additional information that are observed by the apparatus according to this embodiment or provided by others. In addition, viscoelasticity and elastic modulus, viscosity, thermophysical properties, electrical properties (conductivity and dielectric constant) related to wave, obtained through the above high-order processing such as inverse problem approach, transparency Based on magnetic susceptibility, wave propagation speed (speed of light, sound speed, etc.), attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, wave source, material, structure, or their frequency dispersion, etc. Beamforming parameters (transmission intensity, transmission and reception apodization, transmission and reception delay, steering angle, transmission and reception time intervals (scan rate), frame rate, number of scanning lines, number of effective apertures, etc. shape Magnitude and direction and position, shape and size and direction of the aperture element, the physical opening orientation, or polarization mode, etc.) may be optimized. Thus, for example, spatially uniform quality (spatial resolution, contrast, scan rate, etc.), and certain targets (based on shape, material, structure, motion characteristics, temperature, humidity, etc.) can be detected High-quality (spatial resolution, contrast, scan rate, etc.) at the target position and related positions. Scattered waves (forward scattered waves or backscattered waves), transmitted waves, and reflections according to the movement, composition, and structure of the target. Optimized beamforming is performed, such as appropriately capturing a wave or a refracted wave, or observing from a wide direction.
波動の伝搬速度は媒体の物性で決まるが、その物性は圧や温度、湿度等の環境条件によって変化し、また、媒体中で物性が不均質であることも多く、従って、伝搬速度は不均質である。伝搬速度は実時間で計測されることもあり、また、環境条件に対する校正データに基づき、観測される環境条件より、伝搬速度を求めることもできる。本実施形態に係る装置は、伝搬速度の不均質性を補正する位相収差補正ユニットをさらに備えており、実質的に、送信時に上記の各チャンネルの送信ディレイそのものか補正専用のディレイを調節して位相収差補正を行える。また、受信後においては、その送信及び/又は受信の伝搬経路における伝搬速度の不均質性を補正するべく、上記デジタル信号ユニットにおいて、周波数領域における複素指数関数の乗算による補正が可能である。若しくは、上記のフーリエ変換と逆フーリエ変換の計算において、直接に補正を施すことも可能である。計測された伝搬速度の信頼性は、計測対象そのものか、計測対象の近傍に存在するか設置した参照物を対象としてイメージング信号を生成し、結像の状態、空間分解能、信号強度、コントラスト等を指標として確認でき、これを基に、さらに、調整されることもある。後述のパッシブである第2の実施形態においても、受信後に、送信及び/又は受信の位相収差補正が行われることがある。 The wave propagation speed is determined by the physical properties of the medium, but the physical properties vary depending on the environmental conditions such as pressure, temperature, and humidity, and the physical properties are often inhomogeneous in the medium. It is. The propagation velocity may be measured in real time, and the propagation velocity can be obtained from the observed environmental conditions based on calibration data for the environmental conditions. The apparatus according to the present embodiment further includes a phase aberration correction unit that corrects the inhomogeneity of the propagation velocity, and substantially adjusts the transmission delay of each channel described above or the delay dedicated to correction during transmission. Phase aberration correction can be performed. Further, after reception, the digital signal unit can be corrected by multiplication with a complex exponential function in the digital signal unit in order to correct non-uniformity in propagation speed in the transmission and / or reception propagation path. Alternatively, it is also possible to perform correction directly in the calculation of the Fourier transform and the inverse Fourier transform. The reliability of the measured propagation velocity is determined by generating an imaging signal for the measurement object itself or a reference object that exists in the vicinity of the measurement object, and the imaging state, spatial resolution, signal intensity, contrast, etc. It can be confirmed as an index, and it may be further adjusted based on this. Also in the second embodiment, which will be described later, transmission and / or reception phase aberration correction may be performed after reception.
波動は、減衰や散乱、透過、反射、屈折等の影響を受けながら伝搬して拡がるものであり、基本的には、伝搬距離にも伴い、波動の強度は弱くなる。従って、本実施形態に係る装置では、例えば、ランバートの法則に基づいて、ビームフォーミングの前又は後の信号に対して減衰の補正を行う機能が搭載されていたり、操作者が入力装置より減衰の補正を各位置や各距離において調整できる機能が備えられていることがあるが、上記の如く、対象に適応して最適な補正をビームフォーミング処理の前又は後において行う機能を備えることもある。これらの処理において、自由度は低いが、処理の高速性を重視して、デジタル処理ではなく、アナログデバイスや回路によるアナログ処理が行われることがある。 A wave propagates and spreads under the influence of attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, and the like. Basically, the intensity of the wave decreases with the propagation distance. Therefore, in the apparatus according to the present embodiment, for example, based on Lambert's law, a function for correcting the attenuation of the signal before or after beamforming is installed, or the operator reduces the attenuation from the input apparatus. There is a case where a function capable of adjusting the correction at each position and each distance is provided. However, as described above, there is a case where a function of performing an optimal correction before or after the beam forming process in conformity with an object may be provided. In these processes, although the degree of freedom is low, analog processing by an analog device or a circuit may be performed instead of digital processing with an emphasis on high-speed processing.
上記の処理において、重ね合わせとスペクトル周波数分割は、線形処理であったが、上記の方法(1)〜(6)のビームフォーミングによる波動の生成又は生成後において、非線形の処理を施し、別の波動パラメータを持つ信号を生成することが行われる(本願の第1の発明者の過去の発明)。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。 In the above processing, superposition and spectral frequency division were linear processing. However, after the generation or generation of the wave by the beam forming in the above methods (1) to (6), nonlinear processing is performed, A signal having a wave parameter is generated (past invention of the first inventor of the present application). In the beam forming 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, digital using a digital signal processing unit Based on the signal processing, the received signal may be subjected to a power operation, multiplication operation, or other non-linear processing.
その他、DASの変形として、本願の第1の発明者の過去の発明である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 past invention of the first inventor of the present application, may be performed in the frequency domain in the apparatus of the present invention. Calculation of products such as power and multiplication in the space-time domain can be performed by convolution integration in the frequency domain. For signals that have a higher frequency, a wider band, simulated harmonics, or a steered wave, it is possible to obtain a signal that has been detected from at least one arbitrary direction in all directions. For example, the resulting wave In some cases, a displacement vector can be measured using a normal one-direction displacement measurement 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、本願の第1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を任意位置に設置できること等を報告しており、本発明は、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。 It is also possible to generate an imaging signal using a virtual source. As for the virtual source, there have been reported in the past that the virtual source is installed before the physical aperture and the virtual source is installed at the transmission focal point position. It is reported that detectors can be installed at arbitrary positions, and physical sources of waves and detectors can be installed with appropriate scatterers and diffraction gratings at arbitrary positions. It can also be implemented in virtual detectors. It is possible to increase the spatial resolution and widen the field of view (FOV).
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、前記の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. If the transmission is substantially corrected, it may be carried out with s = 1. Spatial shifting (translation) can also be performed by multiplying a complex exponential function in the frequency domain. The above-described method for calculating the wave vector (kx, √ (k 2 -kx 2 )) and coordinates (x, y) and calculating the Jacobian is a transmission beamforming involving conversion to a coordinate system determined by the receiving aperture element array. (S = 1) is performed, and under the circumstances, 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。 In the active type device according to the present embodiment, the same applies to the passive type device according to the second embodiment to be described later, but as an analog device, it may be incorporated in the transducer or the device body. Lenses and reflectors (mirrors), scatterers, deflectors, polarizers, polarizers, absorbers (attenuators), multipliers, conjugates, phase delay devices, adders, differentiators, integrators, matching devices, Special devices such as filters (space or time, frequency), diffraction gratings, spectrometers, collimators, splitters, directional couplers, or nonlinear media, wave amplifiers may be used in combination. In addition, for light, polarization filter, ND filter, shield, optical waveguide, optical fiber, optical Kerr effect device, nonlinear optical fiber, optical mixing optical fiber, optical fiber for modulation, optical confinement device, optical memory, dispersion shifted optical fiber , Bandpass filters, time inverters, encoding using optical masks, etc., and optical node technology, optical cross-connect (OXC), optical, etc. to control them (wavelength conversion, switching, routing) An 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. This is not the case. In beamforming, they are to be controlled with the device either personally, naturally, or equally optimally under the mechanism described above.
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(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、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)、及び、HIFU(High Intensity Focus Ultrasound)等が該当する。化学センサー等が使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。 Also, under such a combination, the device according to the present invention is also used in a normal device using waves. Examples of medical devices include ultrasonic diagnostic devices (echo method and transmission type), X-ray CT (contrast agents that enhance attenuation effects may be used), X-ray X-rays, and angiography. , Mammography, magnetic resonance imaging (MRI), OCT (Optical Coherent Tomography), PET (Positron Emission Tomography, applicable to the second embodiment), SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) , Endoscopes (also capsule type), laparoscopes, catheters equipped with various sensing functions, various microscopes, various radiotherapy devices (sometimes used in combination with chemotherapy to enhance therapeutic effects), and HIFU ( High Intensity Focus Ultrasound). A chemical sensor or the like may be used. The apparatus according to the present invention is also used in various radars, sonars, optical system apparatuses, and the like. The wave is not limited to a pulse wave or a burst wave, and a continuous wave may be used. Also, digital processing with a high degree of freedom may be realized and used by a dedicated analog circuit with a fast operating time, and vice versa. There are various devices in each field such as resource exploration, non-destructive inspection, and communication, and the device according to the present invention is also used in these devices. The apparatus of the present invention, as a device, also, the operation mode (for example, Imaging mode, Doppler mode, measurement mode, communication mode, etc.) with respect are those can be used in conventional equipment, also those things or the It is not limited to.
<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 results>
The following mainly shows the results of confirming the feasibility of the beam forming methods (1) to (7) by simulation when the wave is ultrasonic waves (plane wave transmission and monostatic opening during steering). In addition to surface synthesis, multi-static aperture surface synthesis, image signal generation by fixed focusing, image signal generation in Cartesian coordinate system during transmission and reception in polar coordinate system, 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8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 an interval of 2.5 mm at a depth of 30 mm in an echo-free and non-attenuating medium was handled. Field II (see Non-Patent Document 8) was used to generate the echo signal. Here, the depth direction is the z-axis and the horizontal direction is the x-axis.
平面波送波とマイグレーション法、モノスタティック型開口面合成では、1次元リニアアレイ型トランスデューサ(128素子、素子幅0.1mm、間隙0.025mm、スライス方向の厚み5mm)を用いた。固定フォーカシングとマルチスタティック型開口面合成では、1次元リニアアレイ型トランスデューサ(256素子、素子幅0.1mm、間隙0.025mm、スライス方向の厚み5mm、有効開口幅33〜129素子)を用いた。極座標系における送受信には、コンベックス型トランスデューサ(128素子、素子幅0.1mm、間隙0.025mm、スライス方向の厚み5mm、曲率半径30mm)を用いた。放射する超音波パルスの中心周波数は3MHzとし、その音圧波形を図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。 In the plane wave transmission, the migration method, and the monostatic aperture surface synthesis, a one-dimensional linear array transducer (128 elements, element width 0.1 mm, gap 0.025 mm, slice direction thickness 5 mm) was used. In fixed focusing and multi-static aperture synthesis, a one-dimensional linear array 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 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 emitted 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, 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18に示す。同一角度で受信を行った結果である。図18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18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。
(1) Transmission of deflection plane wave FIG. 18 shows a simulation result when a deflection plane wave having a deflection angle θ = 0 °, 5 °, 10 °, and 15 ° is transmitted. This is a result of reception at the same angle. In FIG. 18, 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. 18, a focused echo image is obtained, and it can also be confirmed that the image is deflected.
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)。 19 and 20 show the results of calculating the obtained deflection angle from the spectrum of the generated image signal. For this evaluation, the number of scatterers in the numerical phantom was increased, and 300 scatterers were randomly arranged at a depth of 0 to 40 mm. The reflection coefficient of each scatterer was set to 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 relative to the generated wave. Increasing the number of scatterers improves accuracy (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 superposing a plurality of images obtained at different deflection angles. The deflection angle is set at 1 ° intervals, and 1 wave (0 °), 11 waves (−5 ° to 5 °), 21 waves (−10 ° to 10 °), and 41 waves (−20 ° to 20 °) Each was superimposed. FIG. 22 is a diagram in which the distribution in the horizontal direction 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 brightness (Brightness). As shown in FIG. 22, it can be confirmed that the resolution is improved as the number of superpositions is increased.
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18と同様に、θ=0°、5°、10°、15°とした。
Migration method [Apply method (6) to beamforming during plane wave transmission with the same deflection]
FIG. 23 shows the result of generating the image signal by the migration method according to the present invention. The deflection angles were set to θ = 0 °, 5 °, 10 °, and 15 ° as in FIG.
(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18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 Synthesis FIG. 24 shows a simulation result at the time of deflection by monostatic type aperture synthesis of method (2). Similarly to FIG. 18, the deflection angles were set to θ = 0 °, 5 °, 10 °, and 15 °. As shown in FIG. 24, it can be confirmed that an image is formed and deflected.
(3)マルチスタティック型開口面合成
方法(3)のマルチスタティック型開口面合成によるシミュレーション結果を図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) Multistatic Type Aperture Synthesis FIG. 25 shows a simulation result by multistatic type aperture synthesis of method (3). FIG. 25 (a) shows a low resolution image generated using only signals received with the receiving element equal to the transmitting element (ie, one set) (ie, the same as the monostatic type). FIG. 25 (b) shows the result of superposing 33 sets of results in which the left and right 16 elements are used for reception in addition to the elements at the transmission position. FIGS. 25C and 25D show the result of superimposing 65 sets (32 elements on the left and right of the transmitting elements) and the result of overlapping 129 sets (64 elements on the left and right of the transmitting elements), respectively. As shown in FIG. 25, it can be confirmed that the image is formed. Moreover, the result of having plotted each point spread function is shown in FIG. From FIG. 25 and FIG. 26, it can also be confirmed that the side lobe is suppressed as the number of superimposed images increases, and the resolution is high.
(4)固定フォーカシング
固定フォーカシング送信の結果を図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。
(4) Fixed Focusing FIG. 27 shows the result of fixed focusing transmission. Here, method (1) was used. FIG. 27A shows the result of superimposing echo signals received at each transmission effective aperture and performing a single echo signal generation process. FIG. 27B shows a result of generating and superposing low-resolution echo signals for each effective aperture width. FIG. 27 (c) shows the result of generating and superposing echo signals with the same positional relationship in transmission and reception as a set, similar to multi-static aperture plane synthesis. As shown in FIG. 27, images are formed in any case, and no particular difference is seen.
(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に示す。図28に示すように、結像されたことを確認できる。
(5) Generation of image signal in Cartesian coordinate system for transmission and reception in polar coordinate system (5-1) Cylindrical wave transmission Echo signal when transmitting ultrasonic wave from all elements of convex array simultaneously and transmitting cylindrical wave in frequency The result of processing in the area is shown in FIG. As shown in FIG. 28, it can be confirmed that the image is formed.
(5−2)固定フォーカシング
コンベックスアレイを用いて深さ30mmを固定フォーカシングした受信信号を処理した結果を図29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、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す。
(5-2) Fixed Focusing FIG. 29 shows the result of processing a received signal that is fixedly focused at a depth of 30 mm using a convex array. FIG. 29A shows the result of superimposing the received signals obtained at each effective transmission aperture and performing one echo signal generation process, and FIG. 29B shows a low-resolution image for each transmission. The result of generating and overlaying is shown.
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 beam forming using the digital Fourier transform according to the present invention performed in the above simulation is based on the appropriate use of complex exponential multiplication and Jacobi calculation, and arbitrary beam forming processing in an arbitrary orthogonal coordinate system. It was proved that it can be realized with high accuracy without interpolation approximation. Any of the beam forming can be realized by using the DAS (Delay and Summation) method. However, the beam forming according to the present invention is speeded up by the difference between wave number matching and lateral Fourier transform, and can be used for a general purpose in a one-dimensional array. When a PC is used, the calculation time is significantly faster than 100 times. If the aperture elements form a two-dimensional or three-dimensional distribution, or a two-dimensional or three-dimensional array, the above method may be further increased in number of dimensions, and more processing can be performed than in the case of a one-dimensional case. This solves the problem that it requires, and the high speed becomes more effective. In addition, an example in which superposition or the like at the time of plane wave transmission with different deflection angles is effective has been described. The effect of increasing the resolution and increasing the contrast by suppressing the side lobes can be obtained 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。 In the above example, it has been confirmed that arbitrary focus (including no focus) and steering can be performed in any array type aperture surface shape, and arbitrary beam forming processing in an arbitrary orthogonal coordinate system can be performed at high speed without interpolation approximation. It was confirmed that it could be realized with accuracy. The time for obtaining high-order measurement results such as displacement measurement based on the generated image signal is also shortened, and the effect of improving the measurement accuracy is also obtained.
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。 As described above, the example using the representative transducer, the reception sensor, the transmission unit and the reception unit, the control unit, the output device, the external storage device, and the like in the first embodiment has been described. The fact that the beam forming of the methods (1) to (7) was possible proved that arbitrary beam forming based on focusing and steering can be performed in an arbitrary orthogonal coordinate system, and the apparatus of the present invention. The beam forming and applications that can be realized using the above are not limited to those described in the others.
<<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及び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, configurations of a measurement imaging apparatus and a communication apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a representative block diagram showing a configuration example when the device according to the first embodiment is an active type, and FIG. 2 is a representative block diagram showing a detailed configuration example of the device main body. However, in the second embodiment, a passive device is used. Therefore, the device according to the second embodiment does not include at least a transducer for transmission in FIG. 1, and further transmits from the control unit. 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, the detailed configuration example of the device and unit has been described with reference to FIGS. 1 and 2 as a representative configuration. However, the active device has an arbitrary opening shape. The transmission and reception transducer array devices (transducers may be used for both transmission and reception) are necessarily used, while passive devices are used in them in any shape of the transmission transducer array device. Do not use.
つまり、第2の実施形態に係る装置の基本構成は、受信トランスデューサ(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。 In other words, the basic configuration of the apparatus according to the second embodiment includes a receiving transducer (or receiving sensor) 20, an apparatus main body 30, an input apparatus 40, an output apparatus (or display apparatus) 50, and an external storage device 60. Is provided. The apparatus main body 30 mainly includes a receiving 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. Furthermore, the apparatus main body 30 may include a transmission unit 31. The description of these components in the first embodiment is also applied to the second embodiment.
第1の実施形態と同様に、これらの各装置や装置本体30内の各ユニットは、離れた場所に設置され得るものである。装置本体30とは、それらの様な複数のユニットから構成されるものであり、便宜上、その様に呼ぶ。また、第1の実施形態と同様に、受信トランスデューサ20を機械的に走査して受信を行うこともある。一般的にアレイ型と称さない場合においても同様に処理されることがある。 As in the first embodiment, each of these devices and each unit in the device main body 30 can be installed at a remote location. The apparatus main body 30 is composed of a plurality of such units, and is referred to as such for convenience. Similarly to the first embodiment, reception may be performed by mechanically scanning the reception transducer 20. In general, even when not called an array type, the same processing may be performed.
しかしながら、第2の実施形態に係る装置は、第1の実施形態に係る装置とは異なり、波動が生成されたタイミングを感知するべく、以下に詳細に説明するが如くに、任意波動源から到来した観察対象の波動そのものを受波してタイミング信号を生成するか、別の過程を経て生成されるタイミング信号を有線又は無線通信を通じて制御ユニットが感知し、受信ユニットのデータの取り込み(各受信チャンネルにおけるAD変換とメモリへの書き込み)を開始するためのトリガー信号として使用されることがある。 However, unlike the apparatus according to the first embodiment, the apparatus according to the second 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 observed wave itself or generates a timing signal through another process, via wired or wireless communication, and receives the data of each 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 sense a timing signal that informs the timing at which the wave is generated, when the wave itself coming from the wave source is used as the timing signal, the receiving transducer (or receiving sensor) of the apparatus according to the present embodiment The reception signal itself received by the 20 reception aperture elements 20a is used, or a timing signal received by a dedicated reception apparatus that may be provided in the apparatus main body 30 is used.
この場合に、受信開口素子20a(全素子の場合もあるが、物理開口において、端部又は中央位置にある素子等が疎らに使用されることもある)又は専用受信装置(受信チャンネルが少なくとも複数であることがある)によって受信される信号が、時間的に継続的に検出され、例えば、上記の様な各種の入力手段を通じて、受信信号の信号強度や周波数、帯域、又は、符号等に関する情報が、制御ユニット34そのもの(内臓メモリ)やアナログ判定回路(この場合には、ソフト的にもハード的にも可変でなく、ハード的に固定のものもある)に設定される。あるいは、波動が生成されるタイミングの感知は、受信開口素子20a又は専用受信装置によって受信される信号を、メモリ又は記憶装置(記憶媒体)に記録された、閾値や値、観察対象の波動の特徴に関するデータベース等の判別データと照合することに基づく。 In this case, the reception aperture element 20a (may be all elements, but the element or the like at the end or the center position may be used sparsely in the physical aperture) or a dedicated reception device (at least a plurality of reception channels). For example, information on the signal strength, frequency, band, code, etc. of the received signal through various input means as described above is detected. However, it is set to the control unit 34 (built-in memory) or an analog determination circuit (in this case, neither software nor hardware is variable and some hardware is fixed). 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), the threshold value, the value, and the characteristic of the wave to be observed. It is based on collating with discriminating data such as databases.
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。 In the case of discriminating the received signal in an analog manner, the trigger signal for data acquisition is generated only when the received signal is discriminated by a dedicated analog circuit provided, and only when the received signal is determined to be an observation target. There are cases where the beam forming process is performed after being converted and stored in a memory or a storage device (storage medium).
受信信号をデジタル的に判別する場合には、受信信号が時間的に継続的にAD変換されてメモリや記憶装置(記憶媒体)に格納され、常時又は随時(入力装置を通じて指令があった際等)、所定の時間間隔(入力装置を通じて設定される等)において、その格納された信号をデジタル信号処理ユニット33が読み出して同判別データとの照合を基に判別をし、観察対象の信号と判断された場合においてのみ、ビームフォーミング処理を行うことがある。 When the received signal is digitally determined, the received signal is continuously AD-converted in time and stored in a memory or a storage device (storage medium). ) At a predetermined time interval (set through the input device, etc.), the digital signal processing unit 33 reads the stored signal and makes a determination based on the comparison with the determination data, and determines that the signal is an observation target signal. Only in such a case, the beam forming process may be 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 limited, the wave signal to be observed was not observed within a predetermined time (such as set through the input device) when digitally discriminating. In this case, the memory address is initialized. Further, although it is not efficient in terms of energy saving, the wave signal may be discriminated using the discrimination data based on the image signal that has been subjected to beam forming at any time and the accuracy has been improved by the beam forming. The processing is the same 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。 In addition, the dedicated receiving device may be installed at another position away from the units of other devices, for example, near the wave source to be measured, or at a position where the timing signal reception environment is good. There is a case where a wave propagating at a higher speed than a wave received at the receiving aperture (wave which becomes a timing signal) is used, and the timing signal is transmitted to the control unit in the apparatus body via the dedicated receiving apparatus. . A dedicated line (wired or wireless) that may use a relay station may be used. In this case, using the timing signal as a trigger signal, reception of the received signal (AD conversion and storage in a memory, a storage device, or a storage medium) and beam forming are performed.
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。 In addition, after the apparatus of the present invention receives a wave, a timing signal at which the wave is generated may arrive. In other words, the propagation speed is slow or such a mechanism may be used, but as a result, such a case may occur. In order to cope with such a case, the reception signal is constantly taken in, the reception signal stored in the memory or the storage device (storage medium) is read back in time, and beam forming is performed. . In that case, the timing signal is added with additional information on the wave obtained by other observers and observation devices as additional information at the relay station, etc., and the timing signal with additional information added is transmitted for dedicated reception. Information including additional information is read by the device and may be 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 purposes is an observation target. The additional information may be transmitted by a wave or signal other than 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 at a higher or lower speed than the wave received by the receiving aperture element before, during, or after the generation (wave that becomes a timing signal) is a wave source. The dedicated receiving device and the dedicated line may be similarly installed and used. In that case, information about the wave to be observed may be added to the wave that becomes the timing signal, and information about the wave obtained by another observer or observation device is added by the relay station and transmitted. In some cases, information including additional information is read by the dedicated receiving device and used by the device of the present invention or 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 purposes is an observation target. The additional information may be transmitted by a wave or signal other than 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 observation device (observation object to be observed) can be used. Any active-type or passive-type observation device related to a wave or similar observation device, etc., or any other signal that is a precursor to the generation of the wave, is generated simultaneously with the wave, or is generated after the wave is generated Any active or passive observation device or similar observation device relating to the above phenomenon or wave) is used. In an irregular manner, only the timing signal is received by the dedicated receiving device, and the reading of the additional information itself may be performed by the digital signal processing unit via the dedicated device or the control unit in 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。上記の如く、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、観察対象の波動のアナログ受信を基礎として、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 a sensing device, the additional information may be read by the digital signal processing unit 33 in the same manner. As described above, the timing signal may be generated by the sensing device provided. When you don't know when, where, when, when, where, when and where the wave is generated, increase the efficiency of data acquisition and beam forming process, save power, memory and storage This is important for saving (storage media). Data capture and beam forming are performed based on the clock signal of the control unit 34. If the wave source is digital, it is better to synchronize and the device may operate at a high clock frequency and a high sampling frequency on the basis of analog reception of the wave to be observed. The same applies to the case where the timing signal is an analog signal. However, when the timing signal is a digital signal, synchronization may be obtained in the apparatus 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 object of observation is the wave itself generated by a self-emanating wave source, the characteristics of the wave source (strength, what kind of source, etc.), position, time when the wave source was activated, etc. May be observed. Similarly to the case where the apparatus is an active type, the distribution of temperature (distribution), displacement, velocity, acceleration, strain, strain rate, or the like of the target may be obtained from the wave spectrum. In addition, the characteristics of the medium in the propagation process (propagation speed, physical properties related to waves, attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, etc., or their frequency dispersion) are observed, and the structure and composition of the observation target and medium May be revealed. For example, radioactive materials (such as isotopes in PET), materials with non-zero thermodynamic temperatures, seismic sources, neural activity, astronomical observations, weather, arrivals, moving objects, communication devices including mobile communication devices, physical Alternatively, an object that responds to chemical stimulation, an electric source, a magnetic source, a radiation source, or various energy sources are 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。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、第一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 to integrate measurement results (Fusion) and data mining through multi-physics or multi-chemistry. For example, when a plurality of compressed waves or shear waves arrive at the same time as dynamic waves, use an analog dedicated device using the mode, frequency, band, code, propagation direction, etc., or use a digital signal The beam forming may be performed after separating the waves using the processing unit as in the first embodiment. When there are a plurality of electromagnetic wave sources, a plurality of electromagnetic waves having different characteristics may be superimposed and may be separated in the same manner. Alternatively, a high-precision image signal may be generated even when a plurality of waves arrives due to the phasing addition effect by beam forming (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 beam forming is performed, signals may be separated based on the same processing. In order to obtain the effect of phasing addition, it is necessary to determine the arrival direction of the wave and the position of the wave source, and steering in that direction or focusing to the position may be performed. In reception, in addition to dynamic focusing, fixed focusing is also useful. In order to obtain them, the center-of-gravity (center) frequency, instantaneous frequency, band, so-called MIMO, SIMO, MUSIC, independent component analysis, code, various parametric methods, etc. of the wave received by the receiving aperture element array May be used. The same processing may be performed after performing beam forming, but in addition, waves may be observed using geometric information, particularly after performing beam forming at a plurality of positions. . The processing method is not limited to these, and may be implemented under an inverse problem approach, for example.
例えば、到来する波動の伝搬方向を受信信号の多次元スペクトル解析に基づいて求めたり(本願の第一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、第一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 spectral analysis of the received signal (the past achievements of the first inventor of the present application), and the apparatus of the present invention is provided at different positions. Even when multiple transducers or reception effective apertures are not used to obtain information about propagation time (usually, the position and distance of the wave source are determined from the time at which waves were observed at multiple positions) It is possible to determine the position and distance of the wave source. Waves can be observed with continuous waves instead of pulse waves and burst waves. Through any processing, when the direction of arrival of the wave is known, the received beam can be steered and focused in that direction (monostatic or multistatic aperture synthesis) and observed in detail. If necessary, transmission beam forming may also be performed in the active type of the first embodiment. In those processes, receive beamforming is always performed while changing the steering angle, focusing on the likely direction, and the resulting image or imaging, spatial resolution, contrast, signal strength, etc. are observed, or The direction of the wave source can also be specified 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。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、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 resolution of the image signal may be increased by super-resolution. It may be easy to measure the wave source, the object to be measured, scattering in the medium, the size, intensity, position, etc. of the reflector. Although the band is necessarily limited by the physically generated wave field, the super-resolution is to make the band wider by inverse filtering and restore them as an original signal source or signal. In addition, the wave is usually affected by frequency-dependent attenuation, may not be in focus, the wave source may be a moving object, 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。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 transmission and / or reception necessary for generating one image signal, and it may be necessary to perform motion compensation. In many cases, the point spread function is unknown, and in this case, blind deconvolution may be performed including the case where the above signal separation processing (particularly, blind separation) is used in combination. It is desirable to evaluate the point spread function by some method, and ideally to obtain a coherent point spread function, but even if the spectral distribution shape and band are obtained including the case obtained from the incoherent signal, inverse filtering is still possible 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のスペクトル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。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、正則化や特異値分解等が有効である。 If 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 for performing inverse filtering is to weight the observed spectrum so that it is identical to the desired spectral distribution of the point spread function. Alternatively, inversion can be performed 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 an angular spectrum or spectrum of a desired point spread function or an angular spectrum or spectrum of a received signal. It should be noted that in weighting, care must be taken when dividing by zero value or a small spectrum. In particular, it is not effective to amplify various noises included in the received signal, and regularization, singular value decomposition, etc. are effective. is there.
上記のデジタル波動信号処理(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。超解像の応用は、これらに限られない。 In the process of the digital wave signal processing (1) to (7), inverse filtering can be performed. The resolution of the image signal is increased, and an effect may be obtained in terms of quantitativeness (numerical value), but the same effect may be obtained when displayed as an image. Or blurred image is restored, the effect of focus or Tsu case is obtained. Inverse filtering may be performed on an incoherent signal, or it is effective when performed in the state of a coherent signal, and in particular, a spatial change of a physical property distribution may be understood. The application of super-resolution is not limited to these.
また、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一つ)。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。 In addition, detection is usually performed on the generated image signal, but in the frequency domain, calculation based on an angular spectrum or a conjugate product of the spectrum, and each wave number (frequency) before addition processing is also performed. Those operations on the components are also useful (one of the nonlinear processes in the present invention). Note that what is obtained through Fourier transform from an image signal obtained by beam forming (that is, focus and deflection realized by applying delay or apodization) is a spectrum, but further, beam forming is performed. In this case, the result of Fourier transform in the axial direction and at least one lateral direction is an angular spectrum. That is, after the image signal is generated, beam forming processing may be further performed.
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 apparatus. In addition, the wave to be observed (wave type and characteristics, intensity, frequency, bandwidth, sign, etc.) and propagating medium (propagation velocity, physical property value related to wave, attenuation, scattering, transmission, reflection, refraction, or , Their frequency dispersion, etc.) are given, and the received signal may be appropriately analog processed or digitally processed. The characteristics (intensity, frequency, bandwidth, code, etc.) of the generated image signal may be analyzed. 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 a network system control apparatus, and may be used as a control apparatus that controls the network device. In some cases, the control device 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 is a trigger signal. If the control unit 34 generates and applies a trigger signal, or if the transmitter 31a has a mode in which the transmitter 31a operates in accordance with an external clock signal, any of the devices in the device main body 30 is provided. Or a clock signal from the control unit 34, or a mechanism in which the apparatus main body 30 operates with the clock signal of the transmitter 31a may be provided. In the case where the transmitter 31a is a digital device, the transmission and reception clock signals are synchronized by any one of these mechanisms. This is important when one image signal is generated based on a plurality of transmissions. If synchronization cannot be achieved, errors may be reduced in situations where the clock frequency or sampling frequency is high.
以上により、高速フーリエ変換を通じて、任意のビームフォーミングを、高速に補間近似を行わずにデジタル処理によって実現できる。実質的に、任意のフォーカシングと任意のステアリング(偏向)を、任意開口形状のトランスデューサアレイデバイスを用いて実施できる。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 beam forming can be realized by digital processing without performing high-speed interpolation approximation through fast Fourier transform. Virtually any focusing and any steering (deflection) can be performed using a transducer array device with any aperture shape. 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 and the above-described ones. 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。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。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, for electromagnetic waves, vibration waves (mechanical waves) including acoustic waves (compression waves), shear waves, shock waves, surface waves, etc., or waves such as heat waves, Regardless of transmission / reception focusing, transmission / reception steering, transmission / reception apodization or not, any beamforming is digitally performed, including the case where the coordinate system for transmitting / receiving and the coordinate system for generating the beamformed signal are different. It can be carried out with high accuracy and at high speed without performing interpolation approximation based on the processing. Not only the frame rate when displaying the beam-formed signal is improved, but also high spatial resolution and high contrast can be obtained with respect to image quality, and further, displacement and deformation using the beam-formed signal, or Measuring temperature etc. will improve measurement accuracy. The application of the present invention is not limited to this. The high speed of processing has a great effect in multidimensional imaging using a multidimensional array. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and many modifications can be made within the technical idea of the present invention by those having ordinary knowledge in the technical field.
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 measurement objects such as organic substances, inorganic substances, solids, liquids, gases, objects that follow rheology, living creatures, astronomical objects, the earth, and the environment, and the application range is extremely wide. Contribute to nondestructive testing, diagnosis, resource exploration, material and structure generation and manufacturing, physical and chemical restoration and treatment monitoring, and application of revealed functions and physical properties. However, there is a case where accuracy is required under conditions that are not invasive, minimally invasive, and noninvasive, without causing great disturbance to the measurement target. Ideally, the object may be observed in situ in situ. In addition, treatment or repair may be performed on the target by the action of the wave itself, and the situation may be observed by performing beam forming on the response from the target at that time. Also, beam forming is performed in satellite communication, radar, sonar, etc., and an energy-saving and information-safe environment is realized, and accurate communication is possible. The present invention is also effective in normal communications including ad hoc communication devices and mobile devices. It can also be applied to sensor networks. When the object is dynamic, real-time characteristics are required. However, according to the present invention, digital beam forming can be completed quickly and with high accuracy in a short time.
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。
The present invention, beamforming method for performing beamforming using any wave coming from instrumentation points, and can be utilized in measuring the imaging device and a communication device using such a beam forming method.
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。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。 Generation of wave signals such as radar, sonar, other optical waves, sound waves, heat waves, etc. is often already generated by digital devices, and it is highly aimed at applying the signals. It can be applied in conjunction with signal generation only by providing processing capability for performing the next calculation. The multi-dimensionalization of various devices is also being attempted, and the importance of the present invention will increase. Measurement objects are solid, fluid, rheology, inorganic, organic, creatures, environments, etc., and the measurement range is expected to expand. In the future, miniaturization of each device in the device will further progress, and the calculation stress will be sufficiently high, and it will be possible to incorporate a computer at a lower cost, and many useful devices with real time will be realized. We can expect to go. In addition to the simple wave imaging device, the development of applications through measurement using waves will become more popular and the application range will be broadened. The digitization of various devices is expected to progress further in the future, and at that time, it is considered that the demand for high-precision and high-speed beam forming capable of generating a high-precision signal according to the present invention in real time will increase. After all, in addition to being fast, there is no need to perform the necessary interpolation approximation so far. It is also an effective device for normal communications and sensor networks. The applicability and marketability of digital beamforming according to the present invention based on digital signal processing is much 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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Transmission transducer (or applicator), 10a ... Transmission aperture element, 20 ... Reception transducer (or reception sensor), 20a ... Reception aperture element, 30 ... Apparatus main body, 31 ... Transmission unit, 31a ... Transmitter, 32 ... Reception Unit, 32a ... receiver, 32b ... AD converter, 32c ... memory (or storage device or storage medium), 33 ... digital signal processing unit, 34 ... control unit, 35 ... reception unit (or reception device), 35a ... reception 35b ... AD converter, 35c ... memory (or storage device or storage medium), 35d ... phasing adder, 35e ... other data generator, 40 ... input device, 50 ... output device, 60 ... external storage device
Claims (47)
前記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、
前記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、前記受信信号を軸方向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(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、
Receiving a wave coming from the measurement object by at least one receiving aperture element to generate a received signal;
Performing a beam forming process by performing at least Fourier transform and wave number matching on the reception signal generated in step (a); and
Comprising
Step (b)
The received signal is expressed by using the wave number k and the imaginary unit i of the wave as a result of Fourier transform with respect to the axial direction y without performing wave number matching including interpolation approximation processing in the wave number domain or frequency domain. By multiplying the complex exponential function (101)
前記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、
前記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、前記受信信号を軸方向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(201)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、
Receiving a wave coming from the measurement object by at least one receiving aperture element to generate a received signal;
Performing a beam forming process by performing at least Fourier transform and wave number matching on the reception signal generated in step (a); and
Comprising
Step (b)
The received signal is expressed by using the wave number k and the imaginary unit i of the wave as a result of Fourier transform with respect to the axial direction y without performing wave number matching including interpolation approximation processing in the wave number domain or frequency domain. By multiplying the complex exponential function (201)
送信開口素子から計測対象物に向けて波動を送信するステップ(a')と、
前記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1つずつによって受信して、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を行うことによって、零度又は非零度の偏角θを有するモノスタティック型の開口面合成処理を行うステップ(b)と、
を具備し、
ステップ(a')が、前記波動が、前記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、又は、前記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となる様に、前記受信信号を生成する受信開口素子と同一のx座標を有し、さらに、零のy座標を有する、前記複数の受信開口素子を兼ね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、前記複数の受信開口素子と対向する位置にある複数の送信開口素子の1つずつから波動を送信することを含み、
ステップ(b)が、
軸方向y及び横方向xの波数をそれぞれky及びkxとする波数領域(kx,ky)において、前記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、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,k0)に対し、波数ベクトル(sk0sinθ,sk0cosθ)を多次元スペクトルの重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ために、
前記受信信号を軸方向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(301)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、
Transmitting a wave from the transmission aperture element toward the measurement object (a ′);
Receiving a wave coming from the measurement object by one of a plurality of receiving aperture elements at different positions to generate a received signal;
(B) performing a monostatic type aperture surface synthesis process having a zero or non-zero degree declination θ by performing at least Fourier transform on the reception signal generated in step (a);
Comprising
In step (a ′), the wave is generated by at least reflection or backscattering in the measurement object, or is generated by at least transmission, forward scattering, or refraction in the measurement object. Similarly, each of the plurality of transmission aperture elements having the same x coordinate as the reception aperture element that generates the reception signal and further having the zero y coordinate, and also serving as the plurality of reception aperture elements, or Transmitting a wave from each one of a plurality of transmission aperture elements having a non-zero constant y coordinate and facing the plurality of reception aperture elements;
Step (b)
In the wave number domain (k x , k y ) where the wave numbers in the axial direction y and the lateral direction x are k y and k x , respectively, wave number matching including interpolation approximation processing in the wave number domain or frequency domain is performed on the received signal. Without using the wave vector (sk 0 sinθ, sk 0 cos θ) with respect to the wave vector (0, k 0 ) having the wave number k 0 (= ω 0 / c) expressed using the wave carrier frequency ω 0. In order to perform transmit and receive dynamic focusing with spectral shifting to produce an image signal with a centroid or instantaneous frequency of the multidimensional spectrum,
A parameter s having a value of 2 when the y-coordinate of the transmission aperture element is zero and a value of 1 when the y-coordinate of the transmission aperture element is non-zero. By multiplying the center of gravity frequency k 0 of the wave and the complex exponential function (301) expressed using the imaginary unit i, wave number matching in the lateral direction x is performed,
送信開口素子から計測対象物に向けて波動を送信するステップ(a')と、
前記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1つずつによって受信して、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を行うことによって、零度又は非零度の仰角θ及び方位角φを有するモノスタティック型の開口面合成処理を行うステップ(b)と、
を具備し、
ステップ(a')が、前記波動が、前記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、又は、前記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となる様に、前記受信信号を生成する受信開口素子と同一のx座標及びz座標を有し、さらに、零のy座標を有する、前記複数の受信開口素子を兼ね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、前記複数の受信開口素子と対向する位置にある複数の送信開口素子の1つずつから波動を送信することを含み、
ステップ(b)が、
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)において、前記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、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,k0,0)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ために、
前記受信信号を軸方向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(401)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、
Transmitting a wave from the transmission aperture element toward the measurement object (a ′);
Receiving a wave coming from the measurement object by one of a plurality of receiving aperture elements at different positions to generate a received signal;
(B) performing monostatic aperture plane synthesis processing having an elevation angle θ and an azimuth angle φ of zero or non-zero degrees by performing at least Fourier transform on the reception signal generated in step (a); ,
Comprising
In step (a ′), the wave is generated by at least reflection or backscattering in the measurement object, or is generated by at least transmission, forward scattering, or refraction in the measurement object. Similarly, each of the plurality of transmission aperture elements having the same x coordinate and z coordinate as the reception aperture element that generates the reception signal, and also having the zero y coordinate, and also serving as the plurality of reception aperture elements Or transmitting a wave from each of a plurality of transmission aperture elements having a non-zero constant y coordinate and facing the plurality of reception aperture elements,
Step (b)
In the wave number regions (k x , k y , k z ) where the wave numbers in the axial direction y and the lateral directions x and z are k y , k x , and k z , respectively, the wave number region or the frequency region with respect to the received signal For wave vector (0, k 0 , 0) having wave number k 0 (= ω 0 / c) expressed using wave carrier frequency ω 0 without performing wave number matching including interpolation approximation processing in In order to perform dynamic focusing of transmission and reception with spectrum shifting to generate an image signal having a wave vector (sk 0 sin θ cos φ, sk 0 cos θ, sk 0 sin θ sin φ) as the center of gravity or instantaneous frequency of a multidimensional spectrum,
A parameter s having a value of 2 when the y-coordinate of the transmission aperture element is zero and a value of 1 when the y-coordinate of the transmission aperture element is non-zero. Multiply the complex exponential function (401) expressed using the centroid frequency k 0 of the wave and the imaginary unit i to perform wave number matching in the lateral directions x and z,
送信開口素子から計測対象物内に向けて波動を送信するステップ(a')と、
前記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を行うことによって、零度又は非零度の偏角θ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ステップ(b)と、
を具備し、
ステップ(a')が、前記波動が、前記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、又は、前記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となる様に、前記受信信号を生成する受信開口素子のx座標によらずに任意のx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1つずつ、又は、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1つずつから波動を送信することを含み、
ステップ(b)が、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、送信開口素子のy座標が零のときに、送信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座標と距離Δx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、請求項5に記載のビームフォーミング方法におけ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を含む、ビームフォーミング方法。 In mechanical scanning or Cartesian rectangular coordinate system using the coordinates of the transverse direction x of the axial direction y and perpendicular thereto determined electronic scanning by the direction of the opening of the line the Hare receive effective aperture element array, at least receive dynamic focusing is performed A beam forming method that performs multi-static aperture surface synthesis for generating a beam, and a zero-degree or non-zero degree deflection angle formed by an axial direction and the beam direction is represented by an angle θ,
Transmitting a wave from the transmission aperture element into the measurement object (a ′);
Receiving a wave coming from the measurement object by at least one of a plurality of reception aperture elements at different positions to generate a reception signal;
(B) performing a multi-static aperture surface synthesis process having a zero or non-zero degree deflection angle θ by performing at least Fourier transform on the reception signal generated in step (a);
Comprising
In step (a ′), the wave is generated by at least reflection or backscattering in the measurement object, or is generated by at least transmission, forward scattering, or refraction in the measurement object. Similarly, any reception aperture element in the reception effective aperture element array having an arbitrary x coordinate irrespective of the x coordinate of the reception aperture element that generates the reception signal and further having a zero y coordinate 1 or a plurality of transmission aperture elements different from any of the reception aperture elements, or a transmission effective aperture at a position facing the reception effective aperture element array having a non-zero constant y coordinate. Transmitting a wave from each of a plurality of transmit aperture elements in the element array;
When the y-coordinate of the transmission aperture element is zero for each reception signal group obtained by arranging the reception signals having the same distance Δx in the lateral coordinate between the transmission position and the reception position in step (b), The transmission aperture element represented by using the y-coordinate of the point of interest including the position of the transmission aperture and the distance Δx, and a half distance of a straight line connecting the point of interest and the reception aperture element, or of the transmission aperture element When the y coordinate is non-zero, the distance between the transmission aperture element, the point of interest, and the reception aperture element expressed using the y coordinate of the point of interest, the y coordinate of the transmission aperture element, and the distance Δx is used. Te, each of image signals obtained by setting the deflection angle in the monostatic synthetic aperture in the beam forming method according to claim 5 corrected for lateral position in the frequency domain, interpolation approximation processing by superimposing them And generating an image signal without performing beamforming method.
送信開口素子から計測対象物内に向けて波動を送信するステップ(a')と、
前記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を行うことによって、零度又は非零度の偏向角度である仰角θ及び方位角φ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ステップ(b)と、
を具備し、
ステップ(a')が、前記波動が、前記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、又は、前記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となる様に、前記受信信号を生成する受信開口素子のx座標及びz座標によらずに任意のx座標及びz座標を有し、さらに、零のy座標を有する、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1つずつ、又は、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1つずつから波動を送信することを含み、
ステップ(b)が、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、送信開口素子のy座標が零のときに、送信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座標と距離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、請求項6に記載のビームフォーミング方法におけ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を含む、ビームフォーミング方法。 In mechanical scanning or Cartesian rectangular coordinate system using the coordinates of the transverse direction x and z orthogonal axial y and to determined the electronic scanning by the direction of the opening of the line the Hare receive effective aperture element array, at least receive dynamic focusing of facilities A beam forming method for synthesizing a multi-static aperture plane that generates a focused beam, and a zero or non-zero deflection angle formed by the axial direction and the beam direction is expressed using an elevation angle θ and an azimuth angle φ. When
Transmitting a wave from the transmission aperture element into the measurement object (a ′);
Receiving a wave coming from the measurement object by at least one of a plurality of reception aperture elements at different positions to generate a reception signal;
A step of performing a multistatic type aperture plane synthesis process having an elevation angle θ and an azimuth angle φ, which are deflection angles of zero or non-zero degrees, by performing at least Fourier transform on the reception signal generated in step (a). (B) and
Comprising
In step (a ′), the wave is generated by at least reflection or backscattering in the measurement object, or is generated by at least transmission, forward scattering, or refraction in the measurement object. Similarly, in the reception effective aperture element array, which has an arbitrary x coordinate and z coordinate irrespective of the x coordinate and the z coordinate of the reception aperture element that generates the reception signal, and further has a zero y coordinate. Either one of the plurality of transmission aperture elements that doubles as one of the reception aperture elements, or opposite to the reception effective aperture element array having a non-zero constant y coordinate. Transmitting a wave from each one of a plurality of transmit aperture elements in a transmit effective aperture element array at a location;
For each received signal group obtained by arranging the received signals having the same distances Δx and Δz in the lateral x-coordinate and z-coordinate between the transmitting position and the receiving position in step (b), y of the transmission aperture element is obtained. When the coordinate is zero, the transmission aperture element represented by using the y coordinate of the point of interest including the transmission aperture position and the distances Δx and Δz and half the linear distance connecting the point of interest and the reception aperture element When the distance or the y-coordinate of the transmission aperture element is non-zero, the transmission aperture element represented by using the y-coordinate of the point of interest, the y-coordinate of the transmission aperture element, and the distances Δx and Δz, and the point of interest using the distance between the receiving aperture element, corrected for lateral position in each of the frequency domain of the image signal obtained by setting the deflection angle in the monostatic synthetic aperture in the beam forming method according to claim 6 They were the superimposing includes generating the image signal without performing the interpolation approximation process, beam forming method.
計測対象物から到来する波動を、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によって受信して、各々の受信有効開口アレイによっ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を行うことによって、零度又は非零度の偏角θを有するビームを形成する固定フォーカシング・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、ステップ(a)において生成される受信信号に対して、
(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、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、請求項1又は7に記載のビームフォーミング方法を用いて1回のイメージ信号生成処理を行うことと、
(ii)1回の固定フォーカスビームが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方法を用い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方法を用い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つの処理に基づいて、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を含む、ビームフォーミング方法。 In Cartesian rectangular coordinate system using the coordinates of the transverse direction x of the axial direction y and perpendicular thereto determined by the direction of the opening of the receiving aperture element array to generate an applied beam of transmission focusing fixed by any wave source, In the case where a zero degree or non-zero degree deflection angle formed by the axial direction and the beam direction is expressed by an angle θ,
Waves arriving from the measurement object are received by a plurality of reception effective aperture arrays including a plurality of reception aperture elements at different positions set in the physical aperture, and a reception signal is generated by each reception effective aperture array. Step (a);
Performing a fixed focusing beamforming process for forming a beam having a deviation angle θ of zero degrees or non-zero degrees by performing at least Fourier transform on the reception signal generated in step (a);
Comprising
For step (b), the received signal generated in step (a)
(I) One reception signal composed of superposition of reception signals generated by reception aperture elements at the same position of the plurality of reception effective aperture element arrays, by superimposing reception signals generated by these reception aperture elements. Obtaining a group and performing one image signal generation process using the beamforming method according to claim 1 or 7 ,
(Ii) For each reception signal generated by the plurality of reception effective aperture element arrays each time one fixed focus beam is transmitted, a low-resolution image signal is generated using the beam forming method. Superimposing them,
(Iii) An image signal is generated using the beamforming method as an echo group having the same distance between each transmission aperture element in the effective transmission aperture element array and each reception aperture element in the reception effective aperture element array. And superimposing
A beamforming method including generating an image signal without performing an interpolation approximation process based on any one of the processes.
計測対象物から到来する波動を、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によって受信して、各々の受信有効開口アレイによっ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を行うことによって、零度又は非零度の仰角θ及び方位角φを有するビームを形成する固定フォーカシング・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、ステップ(a)において生成される受信信号に対して、
(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、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、請求項2又は8に記載のビームフォーミング方法を用いて1回のイメージ信号生成処理を行うことと、
(ii)1回の固定フォーカスビームが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方法を用い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)送信有効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方法を用い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つの処理に基づいて、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を含む、ビームフォーミング方法。 In Cartesian rectangular coordinate system using the coordinates of the transverse direction x and z to the axial direction y and perpendicular thereto determined by the direction of the opening of the receiving aperture element array, generating a decorated beam of transmission focusing fixed by any wave source In the case where the deflection angle of zero degree or non-zero degree formed by the axial direction and the beam direction is expressed using the elevation angle θ and the azimuth angle φ,
Waves arriving from the measurement object are received by a plurality of reception effective aperture arrays including a plurality of reception aperture elements at different positions set in the physical aperture, and a reception signal is generated by each reception effective aperture array. Step (a);
Step (b) of performing a fixed focusing and beam forming process for forming a beam having an elevation angle θ and an azimuth angle φ of zero or non-zero degrees by performing at least Fourier transform on the reception signal generated in step (a) )When,
Comprising
For step (b), the received signal generated in step (a)
(I) One reception signal composed of superposition of reception signals generated by reception aperture elements at the same position of the plurality of reception effective aperture element arrays, by superimposing reception signals generated by these reception aperture elements. Obtaining a group and performing one image signal generation process using the beamforming method according to claim 2 or 8 ,
(Ii) For each reception signal generated by the plurality of reception effective aperture element arrays each time one fixed focus beam is transmitted, a low-resolution image signal is generated using the beam forming method. Superimposing them,
(Iii) An image signal is generated using the beamforming method as an echo group having the same distance between each transmission aperture element in the transmission effective aperture element array and each reception aperture element in the reception effective aperture element array. And superimposing
A beamforming method including generating an image signal without performing an interpolation approximation process based on any one of the processes.
前記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、2次元又は3次元フーリエ変換により求まる、前記デカルト直交座標系の波数領域又は周波数領域の(kx,ky)又は(kx,ky,kz)において波動の波数kを用いて表される角スペクトルR"(kx,k)又はR"(kx,k,kz)に対し、式(501)によって表される型の積分を計算するべく、
The wave number domain or frequency domain of the Cartesian Cartesian coordinate system (k x , which is obtained by two-dimensional or three-dimensional Fourier transform without performing wave number matching including interpolation approximation processing in the wave number domain or frequency domain on the received signal. For the angular spectrum R "(k x , k) or R" (k x , k, k z ) expressed using the wave number k of the wave in (k y ) or (k x , k y , k z ), To calculate an integral of the type represented by equation (501),
生成された受信信号に対し、請求項1〜42のいずれか1項に記載のビームフォーミング方法を施してイメージ信号を生成する演算を行うデジタル信号処理部と、
を具備する装置。 At least one receiving aperture element for receiving a wave coming from a measurement object and generating a received signal;
A digital signal processing unit that performs an operation to generate an image signal by performing the beamforming method according to any one of claims 1 to 42 on the generated reception signal;
A device comprising:
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