JP5028041B2

JP5028041B2 - ビームフォーミング装置及び方法

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Publication number: JP5028041B2
Application number: JP2006193506A
Authority: JP
Inventors: 親良炭
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: US7868824B2; JP2008018111A; US20080048911A1

Description

本発明は、レーダー、ソナー、超音波診断装置等において、電磁波、光、音波、超音波等のビームフォーミングを行うために用いられるビームフォーミング装置及びビームフォーミング方法に関する。

レーダー、ソナー、超音波診断装置等を用いて、物体や生物内部の状態（特性の分布等）や、物体の分布、環境測定等の様々な測定が行われる。エコー法や透過法等様々な形態のものが存在するが、通常、ビームフォーミングが行われ、適切な測定を行うことを心がける。ドプラ法等により様々な動き（速度、変位、歪、加速度、歪率等）を測定する際にも同様である。また、エネルギーを印加することにより、治療や修復をしたり、変性を生じさせたりする際にもビームフォーミングが行われる。

図４に、通常のビームフォーミング装置の構成例を示す。このビームフォーミング装置は、送信ユニット１０１と、受信ユニット１０２と、アポダイゼーションユニット１０４及び１０４'と、加算ユニット１０５とを有している。また、送信ユニット１０１はディレイユニット１０３を含み、受信ユニット１０２はディレイユニット１０３'を含んでいる。なお、ディレイユニットは、送信ユニットや受信ユニットの外部に用いられることもある。また、これらのユニットの順序が逆になることもあり、二つ以上のユニットが一つのユニットとして実現されることもある。送信信号の強度、周波数、帯域、波形は、送信ユニット１０１で決まり、また、受信信号のノイズのリダクションや増幅は、受信ユニット１０２で行われる（強度が決定される）。波形もフィルタリング等により変更される場合がある。また、アポダイゼーションユニット１０４及び１０４'により、送信信号又は受信信号の強度及び波形が変更されることがある。

これらのユニットのチャンネル数だけのアレイ素子の信号を扱うことが可能であり（実際の加算数は加算ユニット１０５で決まる）、送信系においては、複数の信号を、ディレイユニット１０３によって遅延時間の調節を行った上で送信することにより、また、受信系においては、複数の受信信号を、ディレイユニット１０３'によって遅延時間の調節を行った上で加算することによって、フォーカシング（図５の（Ａ）に示す）や偏向（図５の（Ｂ）に示す）等の各種のビームフォーミングが行われる。

関連する従来技術として、下記の特許文献１には、受信ビームフォーマにおいて、受信時の動的収束（ダイナミック・フォーカシング）のための遅延制御及び振幅制御の機能を集積回路チップ上で具現化することが開示されている。各々のチップは、遅延及び振幅を時間の関数として算出することに関連する全ての複雑さをチップから除去するように設計される。これらのデータは、汎用目的コンピュータ上で予め計算され、これにより、遅延機能及び振幅機能を容易に変化させることができる。チップ自体が、時間遅延制御及び振幅制御を具現化した構造を含んでいる。
特開２００１−１０４３０７号公報（第１頁、図１）

しかしながら、動きの測定精度、治療、又は、画像の空間分解能やコントラスト等に関して最良なものを実現するためには、最良の点拡がり関数を決定した上で、その設計した点拡がり関数を実現できる送信処理と受信処理を行うビームフォーミングを実現する必要がある。現在のところ、その様なビームフォーミングを実現する装置は無く、通常は、磁場や音響のフィールドを理論的に解析し、若しくは、数値計算により計算して、ビームフォーミングを設計するが、結局のところ、経験に基づいて上記パラメータを変えながらビームフォーミング装置の調節が行われる。従って、常に最良のビームフォーミングが行われているという確証は得られない。また、時空間的（空間的または時間的）に一様な点拡がり関数を実現する必要がある場合や、任意の点拡がり関数を実現する必要がある場合等もある。

そこで、上記従来技術の問題点に鑑み、本発明の目的は、測定の目的のために最良の点拡がり関数を設計又は選定した後に、その点拡がり関数に最も近い点拡がり関数を実現するビームフォーミングを実現することであり、そのための概念及びパラメータの計算（設定）方法と、それを実装したビームフォーミング装置とを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点によるビームフォーミング装置は、複数の送信信号を生成し、送信ビームフォーミングのために送信信号にそれぞれの遅延を加えて、複数の素子を含むトランスデューサアレイに送信信号を供給する送信部と、送信信号の振幅又は波形を制御する第１のアポダイゼーション部と、トランスデューサアレイから複数の受信信号を受けて、受信信号を増幅又はフィルタリングし、受信信号にそれぞれの遅延を加える受信部と、受信信号の振幅又は波形を制御する第２のアポダイゼーション部と、ビームフォーミングのために受信信号を互いに加算する加算部と、任意位置におけるビームの広がりを表す点拡がり関数を算出又は計測し、（ｉ）線形法、非線形法、線形法と正則化法との組合せ、及び、非線形法と正則化法との組合せの内から選択された最適化法と、（ii）線形計画法との内の少なくとも１つを用いて、算出又は計測された点拡がり関数と所望の点拡がり関数との間の誤差の自乗を最小化することにより、トランスデューサアレイ、送信部、受信部、第１及び第２のアポダイゼーション部、及び、加算部の内の少なくとも１つにおいて用いられる複数のアレイパラメータ及び複数のビームフォーミングパラメータの内の少なくとも１つを得る計算処理部とを具備する。また、当該装置には、計算されたパラメータを出力する出力装置が備えられることもある。さらに、表示装置が備えられ、実際に実現された点拡がり関数又はハイドロホン等を用いて測定された点拡がり関数が表示されることもある。

また、本発明の１つの観点によるビームフォーミング方法は、複数の送信信号を生成し、送信ビームフォーミングのために送信信号にそれぞれの遅延を加えて、複数の素子を含むトランスデューサアレイに送信信号を供給するステップ（ａ）と、送信信号の振幅又は波形を制御するステップ（ｂ）と、トランスデューサアレイから複数の受信信号を受けて、受信信号を増幅又はフィルタリングし、受信信号にそれぞれの遅延を加えるステップ（ｃ）と、受信信号の振幅又は波形を制御するステップ（ｄ）と、ビームフォーミングのために受信信号を互いに加算するステップ（ｅ）と、任意位置におけるビームの広がりを表す点拡がり関数を算出又は計測し、（ｉ）線形法、非線形法、線形法と正則化法との組合せ、及び、非線形法と正則化法との組合せの内から選択された最適化法と、（ii）線形計画法との内の少なくとも１つを用いて、算出又は計測された点拡がり関数と所望の点拡がり関数との間の誤差の自乗を最小化することにより、ステップ（ａ）〜（ｅ）の少なくとも１つにおいて用いられる複数のアレイパラメータ及び複数のビームフォーミングパラメータの内の少なくとも１つを得るステップ（ｆ）とを具備する。

上記のように構成した本発明によれば、所望の点拡がり関数を実現する最適なアレイパラメータ又はビームフォーミングパラメータを得ることができ、そのパラメータを用いた最適なビームフォーミングを実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るビームフォーミング装置の構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係るビームフォーミング装置は、超音波診断装置に適応されるものであり、送信ユニット１と、受信ユニット２と、アポダイゼーションユニット４及び４'と、加算ユニット５と、信号処理ユニット１０とを有しており、送信ユニット１はディレイユニット３を含み、受信ユニット２はディレイユニット３'を含んでいる。

送信ユニット１は、１つ又は複数のパルサー等の信号発生器を含んでおり、この信号発生器によって発生された信号が、送信ビームフォーミングのためにディレイユニット３の複数のチャンネルによって遅延されて、複数の送信信号が生成される。これらの送信信号は、アポダイゼーションユニット４において振幅又は波形が制御された後、例えば、外部の超音波用探触子（図示せず）に供給される。超音波用探触子に含まれている複数の超音波トランスデューサから送信される超音波が空間において合成されることにより、送信ビームフォーミングが行われる。

一方、受信ユニット２には、超音波用探触子に含まれている複数の超音波トランスデューサから複数の受信信号が供給され、これらの受信信号がプリアンプによって増幅され、フィルタによってノイズのフィルタリングが施された後、受信ビームフォーミングのためにディレイユニット３'の複数のチャンネルによって遅延される。これらの受信信号は、アポダイゼーションユニット４'に供給されて振幅又は波形が制御された後、加算ユニット５において加算されることにより、受信ビームフォーミングが行われる。信号処理ユニット１０は、加算ユニット５から供給される信号に対して、Ａ／Ｄ変換処理や、ディジタル・スキャン・コンバータによる走査線変換処理等を施すことにより、画像データ等の測定結果を生成する。

このビームフォーミング装置においては、送信ユニット１における送信信号の強度、周波数、帯域、波形と、受信ユニット２における受信信号のノイズのフィルタリング、増幅度（強度）、波形と、加算ユニット５における信号の加算数と、アポダイゼーションユニット４及び４'におけるアポダイゼーションの形状（伝搬方向及びアレイ方向）と、ディレイユニット３及び３'におけるディレイ形状（伝搬方向及びアレイ方向）とを含むビームフォーミングパラメータの内の少なくとも一つが、所望の点拡がり関数が実現される様に所定の最適化処理により決定され、これらのパラメータが用いられる。

従って、当該ビームフォーミング装置は、点拡がり関数を入力する（若しくは、予め設定されている候補から選択する）点拡がり関数入力ユニット６、及び、パラメータを計算する計算処理ユニット７を具備している。計算処理ユニット７は、計算されたパラメータを、送信ユニット１、受信ユニット２、アポダイゼーションユニット４及び４'、又は、加算ユニット５に供給することにより、所望の点拡がり関数が実現される様にする。

ここで、計算されたパラメータ等のデータを出力する出力装置８が備えられることもある。出力装置８としては、メモリ、ハードディスク、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ等を用いることができる。また、表示装置９が備えられ、実際に実現された点拡がり関数又は測定された点拡がり関数が表示されることもある。表示装置９としては、ＣＲＴ、液晶、又は、ＬＥＤを用いたもの等が使用され、点拡がり関数が計測の結果と共に表示されることがある。計算処理ユニット７は、ディジタル回路で構成しても良いし、ＣＰＵとプログラムで構成しても良い。計算処理ユニット７においては、後で詳しく説明する（１）式を最小化するパラメータが算出される。

本出願において、２種類のビームフォーミングパラメータの計算方法の基本原理を示すが、いずれも、（１）式を最小化することによりパラメータを決定するものであり、計算するパラメータによってその最小化が線形計算又は非線形計算により実現される。

次に、図２のフローチャートを参照しながら、本発明の第１の実施形態に係るビームフォーミング方法において用いられるパラメータ計算方法について説明する。
まず、ステップＳ１において、実現する点拡がり関数ｐ(x,y,z,t)を決める。ここで、ｘ、ｙ、ｚは空間座標、ｔは時間座標である。なお、点拡がり関数が時間座標を含まない場合もある。

点拡がり関数としては、例えば、ある測定対象に関して、最良の点拡がり関数が、
p(x,y,z)=Aexp(-x²/2σ_x ²)cosω_xx×exp(-y²/2σ_y ²)cosω_yy×exp(-z²/2σ_z ²)cosω_zz
の様に数式によって表される場合（この例において、A、σ_x、σ_y、σ_z、ω_x、ω_y、ω_zのいずれかが、本発明に寄ることなく実現されることもある）や、直接的には数式によって表されない場合（すなわち、時空間的な分布データである場合）がある。

ステップＳ２において、設定するパラメータ（a,b,c …）を選択する。パラメータは、上記の通り、送信ユニットにおける送信信号の強度、周波数、帯域、波形、受信ユニットにおける受信信号のノイズのフィルタリング、増幅度（強度）、波形、加算ユニットにおける信号の加算数、アポダイゼーションユニットにおけるアポダイゼーションの形状（伝搬方向及びアレイ方向）、ディレイユニットにおけるディレイ形状（伝搬方向及びアレイ方向）等である。

ステップＳ３において、点拡がり関数p(x,y,z,t)を、これらのパラメータの推定値を用いて、場を数値計算及び／又は近似することにより評価する。無論、汎用（又は市販）の計算プログラムを使用することもできる。求められた点拡がり関数を、p'(x,y,z,t；a,b,c …)とする。また、点拡がり関数は、パラメータを用いて、理論に基づいて場を解析的に表す、若しくは、計算することもある。その際には、媒体の均質性や無限媒体である等の様々な近似を行うことがある。また、点拡がり関数は、パラメータを設定または実現して、実際に測定されることもある。その際には、標準物(液体や気体や固体)を用いる場合と測定対象そのものを用いる場合とがある。ハイドロホンにより、直接的に点拡がり関数が測定される場合と、公知の計算方法を用いて測定された場から点拡がり関数を求めることもある。

ステップＳ４において、この計算された点拡がり関数p'(x,y,z,t；a,b,c …)と選定した点拡がり関数p(x,y,z,t)との誤差を以下の通り表す。
error(a,b,c, …)＝Σ_R｜p(x,y,z,t)-p'(x,y,z,t；a,b,c …)｜² ・・・（１）
但し、Rは、点拡がり関数の及ぶ範囲である。重み関数を用いてその範囲を定める場合もある。

ステップＳ５において、（１）式を最小化する。前記の通り、関数error(a,b,c,…)は、最小化において線形である場合と非線形である場合とがあり、線形である場合には、通常通り代数方程式を解くこととなり（各種solverを使用可）、非線形である場合には、繰り返し法（Newton Raphson法等）に基づいて場の計算を行いながらパラメータの推定値を更新して最小化することとなる。無論、繰り返し法（Newton Raphson法等）に基づいて場の測定を行いながらパラメータを更新して最小化することもある。

時として、その最小化の安定化に、いわゆる正則化法が用いられて、時空間的な連続性を実現することがあり、複数の位置や複数の時間におけるerror(a,b,c,…)が同時に最小化されることがある。無論、複数位置や複数時間のためのパラメータが同時に求められることもある。線形である場合には、特異値分解が使われることもある。尚、線形である場合も含めて、アポダイゼーションパラメータを繰り返し法を用いて求める場合は、その初期値として、Fraunhofer近似等により得られた結果を用いることがある。
また、前記パラメータは、線形計画法を用いて決定されることもある。

以上が本発明に係るビームフォーミングパラメータの計算方法の基本原理であるが、測定対象（例えば、画像）の空間分解能やコントラストの向上、及び、治療の空間分解能や治療効果の向上、動きの測定精度（空間分解能を含む）の向上等、レーダーやソナーや超音波診断装置等における素子アレイを用いた全ての測定において使用できる。尚、ビームフォーミングパラメータは、アレイの実装パラメータ(アレイ形状や素子形状等)に依存するものであり、これらをビームフォーミングパラメータに含めることもあり、共に設計することやアレイの設計そのものを目的とする場合がある。無論、前記のビームフォーミングパラメータの計算結果であるディレイ形状等をアレイの設計や実装に反映させることにより、前記の繰り返し法や線形計画法を用いて最適化を(繰り返し)行うこともある。

図３は、本発明の第２の実施形態に係るビームフォーミング装置の構成を示すブロック図である。第２の実施形態に係るビームフォーミング装置は、第１の実施形態に係るビームフォーミング装置と同様に、送信ユニット１と、受信ユニット２と、アポダイゼーションユニット４及び４'と、加算ユニット５と、信号処理ユニット１０とを有しており、送信ユニット１はディレイユニット３を含み、受信ユニット２はディレイユニット３'を含んでいる。

このビームフォーミング装置においては、送信ユニット１における送信信号の強度、周波数、帯域、波形と、受信ユニット２における受信信号のノイズのフィルタリング、増幅度（強度）、波形と、加算ユニット５における信号の加算数と、アポダイゼーションユニット４及び４'におけるアポダイゼーションの形状（伝搬方向及びアレイ方向）と、ディレイユニット３及び３'におけるディレイ形状（伝搬方向及びアレイ方向）とを含むビームフォーミングパラメータの内の少なくとも一つが、所望の点拡がり関数が実現される様に前記の最適化処理により決定され、これらのパラメータが用いられるが、これらのパラメータは、点拡がり関数入力ユニット６'及び計算処理ユニット７'を有する別の装置において計算され、この装置には、出力装置８'も備えられている。従って、当該ビームフォーミング装置には、計算結果であるパラメータを入力するための入力ユニット１１が備えられる。また、計算処理ユニット７'には表示装置９'が接続されることもあり、実際に実現された点拡がり関数が表示されることもある。
各部の動作は、第１の実施形態におけるのと同様である。

以上説明したように、本発明によれば、測定対象（例えば、画像）の空間分解能やコントラストの向上及び、治療の空間分解能や治療効果の向上、動きの測定精度（空間分解能を含む）の向上等、レーダーやソナーや超音波診断装置等における素子アレイを用いたビームフォーミングにより、所望の点拡がり関数を最適に実現することができる。

本発明は、レーダー、ソナー、超音波診断装置等において、電磁波、光、音波、超音波等のビームフォーミングを行うために用いられるビームフォーミング装置において利用することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係るビームフォーミング装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態に係るビームフォーミング方法において用いられるパラメータ計算方法を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係るビームフォーミング装置の構成を示すブロック図である。従来のビームフォーミング装置の構成を示すブロック図である。ビームフォーミングの例を示す図であり、（Ａ）は、フォーカシングの様子を示し、（Ｂ）は、偏向の様子を示す。

符号の説明

１送信ユニット
２受信ユニット
３、３' ディレイユニット
４、４' アポダイゼーションユニット
５加算ユニット
６、６' 点拡がり関数入力ユニット
７データ処理手段
８、８' データ出力手段
９、９' データ表示手段
１０信号処理ユニット
１１データ入力手段

Claims

複数の送信信号を生成し、送信ビームフォーミングのために送信信号にそれぞれの遅延を加えて、複数の素子を含むトランスデューサアレイに送信信号を供給する送信部と、
送信信号の振幅又は波形を制御する第１のアポダイゼーション部と、
前記トランスデューサアレイから複数の受信信号を受けて、受信信号を増幅又はフィルタリングし、受信信号にそれぞれの遅延を加える受信部と、
受信信号の振幅又は波形を制御する第２のアポダイゼーション部と、
ビームフォーミングのために受信信号を互いに加算する加算部と、
任意位置におけるビームの広がりを表す点拡がり関数を算出又は計測し、（ｉ）線形法、非線形法、線形法と正則化法との組合せ、及び、非線形法と正則化法との組合せの内から選択された最適化法と、（ii）線形計画法との内の少なくとも１つを用いて、算出又は計測された点拡がり関数と所望の点拡がり関数との間の誤差の自乗を最小化することにより、前記トランスデューサアレイ、前記送信部、前記受信部、前記第１及び第２のアポダイゼーション部、及び、前記加算部の内の少なくとも１つにおいて用いられる複数のアレイパラメータ及び複数のビームフォーミングパラメータの内の少なくとも１つを得る計算処理部と、
を具備するビームフォーミング装置。
前記複数のアレイパラメータが、素子のサイズ、素子の形状、及び、使用される素子の数を含み、
前記複数のビームフォーミングパラメータが、送信信号及び受信信号の強度、遅延、周波数、帯域、及び、波形と、信号のアポダイゼーション、フィルタリング、及び、加算数とを含む、
請求項１記載のビームフォーミング装置。
複数の送信信号を生成し、送信ビームフォーミングのために送信信号にそれぞれの遅延を加えて、複数の素子を含むトランスデューサアレイに送信信号を供給するステップ（ａ）と、
送信信号の振幅又は波形を制御するステップ（ｂ）と、
前記トランスデューサアレイから複数の受信信号を受けて、受信信号を増幅又はフィルタリングし、受信信号にそれぞれの遅延を加えるステップ（ｃ）と、
受信信号の振幅又は波形を制御するステップ（ｄ）と、
ビームフォーミングのために受信信号を互いに加算するステップ（ｅ）と、
任意位置におけるビームの広がりを表す点拡がり関数を算出又は計測し、（ｉ）線形法、非線形法、線形法と正則化法との組合せ、及び、非線形法と正則化法との組合せの内から選択された最適化法と、（ii）線形計画法との内の少なくとも１つを用いて、算出又は計測された点拡がり関数と所望の点拡がり関数との間の誤差の自乗を最小化することにより、ステップ（ａ）〜（ｅ）の少なくとも１つにおいて用いられる複数のアレイパラメータ及び複数のビームフォーミングパラメータの内の少なくとも１つを得るステップ（ｆ）と、
を具備するビームフォーミング方法。
前記複数のアレイパラメータが、素子のサイズ、素子の形状、及び、使用される素子の数を含み、
前記複数のビームフォーミングパラメータが、送信信号及び受信信号の強度、遅延、周波数、帯域、及び、波形と、信号のアポダイゼーション、フィルタリング、及び、加算数とを含む、
請求項３記載のビームフォーミング方法。