(57)【要約】【課題】波を用いたホログラフィ法による被測定物の立体画像を取得するための機器を提供すること。【解決手段】被測定物から到来する波を検出する検出器と、該検出器から出力される第１の信号を位相検波又は周波数変換して第２の信号として出力する信号処理手段と、を備えたものを検出単位とし、複数の該検出単位と、複数の該検出単位から出力される第２の信号の選択器と、該選択された第２の信号のデジタル変換器と、該選択及び該デジタル変換を複数の該検出単位に対して行いデジタル画素データを取得する手段と、該デジタル画素データ取得を１回又は複数回繰り返すことにより時系列デジタル画素データを取得する手段と、該時系列デジタル画素データに対する数値処理であって、該被測定物の特定の場所からの該到来波を該特定の場所以外からの該到来波よりも強め合う干渉をする演算手段と、該演算手段を複数の該特定の場所に対して行う画像化手段と、を備えることを特徴とする波画像化装置。【選択図】図４
2020157030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物から到来する波を検出する検出器と、該検出器から出力される第１の信号を位相検波又は周波数変換して第２の信号として出力する信号処理手段と、を備えたものを検出単位とし、
複数の該検出単位と、
複数の該検出単位から出力される第２の信号の選択器と、
該選択された第２の信号のデジタル変換器と、
該選択及び該デジタル変換を複数の該検出単位に対して行いデジタル画素データを取得する手段と、
該デジタル画素データ取得を１回又は複数回繰り返すことにより時系列デジタル画素データを取得する手段と、
該時系列デジタル画素データに対する数値処理であって、該被測定物の特定の場所からの該到来波を該特定の場所以外からの該到来波よりも強め合う干渉をする演算手段と、
該演算手段を複数の該特定の場所に対して行う画像化手段と、
を備えることを特徴とする波画像化装置。
【請求項２】
前記信号処理手段が前記位相検波器を備え、
該位相検波が前記到来波の一つ又は二つの位相における振幅を求めるものであることを特徴とする請求項１記載の波画像化装置。
【請求項３】
前記信号処理手段が前記周波数変換器を備え、
前記時系列デジタル画素データに対する数値処理が前記到来波の一つ又は二つの位相における振幅を求める演算を行うものであることを特徴とする請求項１又は２記載の波画像化装置。
【請求項４】
前記被測定物に前記波を投射する波投射手段を備え、
前記検出器が前記被測定物からの反射波又は透過波又は散乱波を検出するものであることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の波画像化装置。
【請求項５】
前記投射波が一つ又は複数の周波数の波から成り、
前記被測定物の運動により生じた周波数の前記到来波を前記検出器で検出することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の波画像化装置。
【請求項６】
前記投射波が一つ又は複数の周波数の波から成り、
前記被測定物の非線形効果により生じた周波数の前記到来波を前記検出器で検出することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の波画像化装置。
【請求項７】
前記到来波が光又は電磁波であることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の波画像化装置。
【請求項８】
前記到来波が弾性波であることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の波画像化装置。
【請求項９】
前記投射波が弾性波であることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の波画像化装置。
【請求項１０】
前記投射波が光又は電磁波であることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の波画像化装置。
【請求項１１】
既知の前記被測定物からの前記到来波の前記一つ又は二つの位相における振幅を、
未知の前記被測定物からの前記到来波の前記一つ又は二つの位相における振幅の補正として用いる手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載の波画像化装置。
【請求項１２】
前記波投射が前記画像化と並行して同時に行われるものであって、
前記波投射器と前記複数の検出単位が異なる場所にあることを特徴とする請求項１乃至１１いずれかに記載の波画像化装置。
【請求項１３】
前記波投射がパルス波を投射するものであって、該パルス波が投射されてから前記検出器に到来するまでの時間を測定可能な手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１２いずれかに記載の波画像化装置。
【請求項１４】
前記第１の信号を入力する信号入力手段と、該第１の信号に対する前記信号処理手段と、を備えたものを信号処理単位とし、
複数の該信号処理単位と、
複数の該信号処理単位から出力される前記第２の信号の前記選択器と、
を同一基板上に作成した集積回路として備えることを特徴とする請求項１乃至１３いずれかに記載の波画像化装置。
【請求項１５】
複数の前記検出器が前記集積回路と同一の基板上に作成されていることを特徴とする請求項１乃至１４いずれかに記載の波画像化装置。
【請求項１６】
液体と前記被測定物を容器に入れ、前記波投射器及び前記複数の検出単位を移動させながら該被測定物の部分又は全体の画像化を行う手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１５いずれかに記載の波画像化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、波による画像化装置に関するものである。特に対象物を人体とし、波として超音波を用いた場合には短時間に非侵襲で人体内部の立体画像化を行うものである。
【背景技術】
【０００２】  波とは、空間や物体の振動が空間や物体中を定まった速さで伝搬する物理現象である。例えば、電磁場の振動は電磁波として空間や物体中を伝搬する。気体、液体及び固体などの物体に振動する力を加えると、この振動は弾性波として物体内部を伝搬する。波は物体の情報を運びながら伝搬するため、物体の非侵襲な計測や画像化法として多様な分野に用いられている。電磁波の一種である光を例にすれば、視覚やカメラなど画像計測に極めて有効な手法であるだけでなく、ホログラフィに例を見るように立体像の取得もできることは周知の事実である。【０００３】  しかし波のこのような利用は光以外の分野ではそれほど進んではいない。例えば、弾性波はコンクリート中を強く散乱されずに何メートルも伝搬する。しかし、弾性波を用いたコンクリート内部の立体画像計測技術は確立しておらず、崩落事故が絶えない。【０００４】  従来、光以外の波の利用は、パルス波を被測定物に向けて投射し、被測定物からの反射波が検出されるまでに要した時間と波の伝搬速度から被測定物までの距離を求める深さ方向の１次元計測が主流である。この方法はパルスエコー法と呼ばれ、電磁波のマイクロ波を用いたレーダー探知法、医療分野では超音波エコー法が実用化されている。【０００５】  しかしながら、例えば超音波エコー法は、パルス波を投射した方向における１次元計測なので、立体画像を得るためには投射する方向をスキャンする必要がある。スキャン法には、機械的に投射器の向きを変える方法と波の干渉性を利用したフェーズドアレイ法があるが、どのような方法を用いても原理的に計測に時間がかかるという欠点がある。例えば、人体の超音波エコー法では、音速が１５００ｍ／ｓ程度なので、一回のパルス波投射から反射波計測までに０．１から１ｍｓ程度かかり、３次元立体像を得るためには多数の方向にパルス波を投射する必要があるため、１秒以上の計測時間が必要になる。投射パルス波を同時に複数の方角に投射しても、計測に必要な時間を劇的に減少させことはできない。【０００６】  光を用いた立体画像取得としてパルスエコー法とは異なる原理のホログラフィ法が知られている。ホログラフィ法は波の干渉性を最大限に活用し、波を投射及び検出する方向に対するスキャンを行う事無く、全方位を一度に検出する。この手法を超音波に適用すれば医療上有益なので様々な試みがなされているが、いずれも実用化に至っていない。実用化できない原因は高画素数の２次元波検出器が無いことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１４３１４１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】社団法人  日本電子機械工業会編  「改定医用超音波機器ハンドブック」コロナ社  １９９６年
【０００９】
【非特許文献２】永井啓之亮著  「超音波ホログラフィ」日刊工業新聞社  １９８９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  解決しようとする問題点は、安価、非侵襲、短時間で立体画像を得る原理的にあらゆる物体に適用できる一般的手段がない点である。これは波を用いたホログラフィ法により解決するが、そのために必要な高画素数化が可能な２次元波検出法が無いことが課題である。解決できれば、人体内部の画像化の改善等に役立つ。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  被測定物から到来する波を検出する検出器と、該検出器から出力される第１の信号を位相検波又は周波数変換して第２の信号として出力する信号処理手段と、を備えたものを検出単位とし、
複数の該検出単位と、
複数の該検出単位から出力される第２の信号の選択器と、
該選択された第２の信号のデジタル変換器と、
該選択及び該デジタル変換を複数の該検出単位に対して行いデジタル画素データを取得する手段と、
該デジタル画素データ取得を１回又は複数回繰り返すことにより時系列デジタル画素データを取得する手段と、
該時系列デジタル画素データに対する数値処理であって、該被測定物の特定の場所からの該到来波を該特定の場所以外からの該到来波よりも強め合う干渉をする演算手段と、
該演算手段を複数の該特定の場所に対して行う画像化手段と、
を備えることを特徴とする波画像化装置。【００１２】  前記信号処理手段が前記位相検波器を備え、
該位相検波が前記到来波の一つ又は二つの位相における振幅を求めるものであることを特徴とする請求項１記載の波画像化装置。【００１３】  前記信号処理手段が前記周波数変換器を備え、
前記時系列デジタル画素データに対する数値処理が前記到来波の一つ又は二つの位相における振幅を求める演算を行うものであることを特徴とする請求項１又は２記載の波画像化装置。【００１４】  前記被測定物に前記波を投射する波投射手段を備え、
前記検出器が前記被測定物からの反射波又は透過波又は散乱波を検出するものであることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の波画像化装置。【００１５】  前記投射波が一つ又は複数の周波数の波から成り、
前記被測定物の運動により生じた周波数の前記到来波を前記検出器で検出することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の波画像化装置。【００１６】  前記投射波が一つ又は複数の周波数の波から成り、
前記被測定物の非線形効果により生じた周波数の前記到来波を前記検出器で検出することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の波画像化装置。【００１７】  前記到来波が光又は電磁波であることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の波画像化装置。【００１８】  前記到来波が弾性波であることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の波画像化装置。【００１９】  前記投射波が弾性波であることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の波画像化装置。【００２０】  前記投射波が光又は電磁波であることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の波画像化装置。【００２１】  既知の前記被測定物からの前記到来波の前記一つ又は二つの位相における振幅を、
未知の前記被測定物からの前記到来波の前記一つ又は二つの位相における振幅の補正として用いる手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載の波画像化装置。【００２２】  前記波投射が前記画像化と並行して同時に行われるものであって、
前記波投射器と前記複数の検出単位が異なる場所にあることを特徴とする請求項１乃至１１いずれかに記載の波画像化装置。【００２３】  前記波投射がパルス波を投射するものであって、該パルス波が投射されてから前記検出器に到来するまでの時間を測定可能な手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１２いずれかに記載の波画像化装置。【００２４】  前記第１の信号を入力する信号入力手段と、該第１の信号に対する前記信号処理手段と、を備えたものを信号処理単位とし、
複数の該信号処理単位と、
複数の該信号処理単位から出力される前記第２の信号の前記選択器と、
を同一基板上に作成した集積回路として備えることを特徴とする請求項１乃至１３いずれかに記載の波画像化装置。【００２５】  複数の前記検出器が前記集積回路と同一の基板上に作成されていることを特徴とする請求項１乃至１４いずれかに記載の波画像化装置。【００２６】  液体と前記被測定物を容器に入れ、前記波投射器及び前記複数の検出単位を移動させながら該被測定物の部分又は全体の画像化を行う手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１５いずれかに記載の波画像化装置。
【発明の効果】
【００２７】  本発明を用いれば、超音波のように電子機器が対応できる周波数の波、又は光のように電子機器が対応できる周波数に変換できる波に対して、低い尖頭強度で安全に短時間で立体画像の計測を行うことができる。例えば超音波を用いて安全に人体内部の立体画像を動画で取得できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は本発明を用いた超音波画像化装置の全体図である。
【図２】図２は本発明で用いる２次元超音波検出器の例を示す図である。
【図３】図３は超音波画像化理論のための座標系を示す図である。
【図４】図４は位相検波を信号処理手段として備える超音波画像化装置の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図５】図５は周波数変換を信号処理手段として備える超音波画像化装置の実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【図６】図６は実施例２において、補正なしで点波源を観測し画像化した例である。
【図７】図７は実施例２において、点波源を観測し画像補正を行った例である。
【図８】図８は実施例２において、広げた手を観測し、画像補正を行い画像化した例である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】  本発明は電子機器で扱うことが可能な周波数のあらゆる波、例えば電磁波や弾性波、又は電子機器で扱う周波数に変換できる波、例えば光に適用可能であるが、想定している主な用途が超音波による人体計測なので、これを例に説明する。
【００３０】  本発明の画像化原理は、ホログラフィ法もしくは合成開口法として知られており、パルスエコー法とは原理が全く異なる。ホログラフィ法の画像化法は、光を用いた視覚による画像化と似ている。暗闇で物を見るためには、懐中電灯のような光源で被測定物に光を投射し、被測定物から散乱された光を眼球内のレンズで網膜に結像し被測定物の像を取得する。この画像化の特徴は、投射光は連続光であること、画像化している間も光を被測定物に投射していること、光投射器と画像化を行う眼球とは別な場所にあること、レンズにより焦点を合わせた場所の結像ができること、光の到来方向に対するスキャンをしないで一回の目視（計測）で画像が得られること、画像化に要する時間は被測定物の大きさを光速で除算した程度であること等である。超音波も光と同様に波であるから、同じ理屈で画像化ができ、同じ特徴が本発明にある。
【００３１】  人体はそのままでは内部にほとんど超音波は無く、光の例えでは暗闇である。懐中電灯に相当する超音波投射器で体内に超音波を投射すると、体内の様々な組織が超音波を散乱する。この散乱された超音波は体内を伝搬するので、体表に設置した超音波レンズで到来超音波を結像し、レンズの結像面で超音波の強度分布を測定すれば、視覚と同様に体内画像を得ることができる。このような手法で画像化を行った例も過去にはあるが、超音波の場合には更に優れた方法がある。
【００３２】  医用超音波の周波数は５ＭＨｚ程度であり、電子機器を用いた信号処理が可能である。このため、結像レンズは不要であり、結像レンズの位置に２次元超音波検出器を置き到来超音波を検出して、得られた電気信号をＡＤ（Ａｎａｌｏｇ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ）変換の後、コンピュータによる数値処理により結像させれば、レンズを用いた場合と同様の画像化ができる。この方法の特徴は数値処理であらゆる場所に焦点を合わせることができるため、１回の計測データをもとに、広がりのある人体内の全ての場所に対して焦点を合わせた数値処理が可能であり、これを基に３次元立体像を構成できるという点である。
【００３３】  また、連続超音波を用いるため尖頭強度が低く人体に対する安全性が高く、波の到来方向に対するスキャンの必要が無いので短時間で立体画像の取得ができる。この手法は超音波ホログラフィ法と呼ばれている。
【００３４】  図１に２次元超音波検出器を用いた人体（被測定物）の超音波画像化装置の全体図を示し、図２に超音波検出器を並べた２次元超音波検出器の例を示す。この例では、縦に４個、横に４個、計１６個の超音波検出器を平面上に正方格子状に並べているが、平面上である必要もないし規則正しく並べる必要もなく、他の超音波検出器による超音波の散乱が無視できるような位置に多数並び、各超音波検出器の位置が分かっていることが必要である。
【００３５】  本明細書では、従来からある１個の超音波センサを「超音波検出器」もしくは「画素」とよび、超音波検出器に位相検波や周波数変換などの信号処理手段を付加したものを「検出単位」と呼び、図２に示すように超音波検出器又は検出単位が複数並んだものを「２次元超音波検出器」と呼ぶことにする。また、画素数とは２次元超音波検出器に含まれる超音波検出器の数のことである。
【００３６】  超音波ホログラフィ法は波の干渉性を最大限に活用した優れた計測法であるが、２次元超音波検出器の信号処理に大きな技術的問題点がある。鮮明な画像を得るためには画素数は１万以上必要であり、２次元超音波検出器内の個々の超音波検出器からは人体計測の場合、周波数５ＭＨｚ程度の電気信号が出力される。これを全てＡＤ変換して信号処理することは現実的でない。
【００３７】  このため、従来の超音波ホログラフィ法ではレンズ面の位置に水平水面を作りレーザー光の干渉計測で液面変位を測定する方法や、音波で屈折率が変化する物質を用いて光で超音波を計測する方法などが行われていた。しかし、光による超音波計測は感度が低く実用に耐えない。よく知られていることであるが、超音波を直接電気信号に変換することが最も感度の高い計測方法である。
【００３８】  本発明の画像化法の最も重要な点は、超音波検出器から出力される信号の信号処理に関する技術であり、これを用いると１００万画素からの信号でも処理が可能となる。到来超音波の周波数は５ＭＨｚ程度であるが、立体画像計測に必要な情報が含まれる信号の周波数帯域幅は遥かに狭い。このため、周波数変換して信号の周波数を下げるか位相検波することで必要なＡＤ変換速度を激減させることができる。
【００３９】  次に、被測定物から到来波が生じる機構、データ取得法や計測器の構成、データの数値処理による画像化法等、本発明について説明する。
【００４０】  超音波を被測定物に投射すると、被測定物には様々な現象が生じ被測定物から新たな超音波が生じる。最も多いのは被測定物の表面や内部構造物の界面での反射や被測定物内部の微粒子からの散乱である。反射面や微粒子が静止している時には到来超音波の周波数は投射超音波と同じ周波数となる。反射面や微粒子が動いている時には、ドップラー効果により到来超音波の周波数は投射超音波の周波数からシフトする。周波数シフトから、反射面や微粒子の運動速度が分かる。
【００４１】  また、物体には非線形効果と呼ばれる効果がある。例えば、弾性体では弾性に関するフックの法則が適用できないような場合で、物体に印加した応力と物体の変位に比例関係がない場合である。この性質は、物体の硬さや表面か内部かなどで決まる。非線形効果の検出は、例えば投射超音波の２倍の周波数の到来超音波を受信する、又は、投射超音波を異なる二つの周波数の波として被測定物に投射し、両周波数の和もしくは差の周波数の到来超音波を受信する方法等がある。非線形効果の計測により、組織の硬さの識別や、輪郭を強調した計測ができる。また、多重散乱や乱反射の影響を避けることもできる。
【００４２】  次に、画像化の原理について述べる。画像化は到来超音波で行うので、到来超音波のみを考慮する。図３は、解析を行うための座標系である。被測定物はｚ＞０の領域にあり、２次元超音波検出器はｚ＝０のｘｙ面上にあるとする。投射超音波と被測定物の相互作用の結果として生じた周波数ｆ波長λの超音波が、被測定物の場所（ｘ、ｙ、ｚ）から強度Ｓ（ｘ、ｙ、ｚ）で放射され、放射された超音波の一部が２次元超音波検出器で到来超音波として検出されるとする。
【００４３】  超音波検出器のｘ及びｙ座標を（Ｘ、Ｙ）とすると、超音波検出器上での到来超音波の振幅Ｇ（Ｘ、Ｙ、ｔ）は、実部が実際の波となるような複素数で表すと、数１となる。ただし、ｉは虚数単位、波数ｋ＝２π／λ、角周波数ω＝２πｆである。
【００４４】
【数１】
2020157030.tif 000003
【００４５】  ここで、Ｒは数２で表され、超音波の放射点と超音波検出器までの距離である。
【００４６】
【数２】
2020157030.tif 000004
【００４７】  Ｓ（ｘ、ｙ、ｚ）を復元するためには、数３の演算をすればよい。
【００４８】
【数３】
2020157030.tif 000005
【００４９】  ここで、２次元超音波検出器の検出面全体（超音波受信面）に渡る積分で生じる２次元超音波検出器の面積に比例する比例定数は重要では無いので、例えば１に規格化されていると仮定した。この積分は、実際には超音波検出器からの信号を足し合わせるのであり、これにより被測定物の特定の場所（ｘ、ｙ、ｚ）からの到来超音波のみが強め合う干渉で大きくなり、一方で、それ以外の場所からの到来超音波は位相がそろわず超音波の干渉性により打ち消される。これが本明細で述べる特定の場所に焦点を合わせる結像法の原理である。特定の場所は数値的に任意に決められるので、Ｇ（Ｘ、Ｙ、ｔ）を一回取得すれば、数３を用いることで任意の場所におけるＳ（ｘ、ｙ、ｚ）が求まり、これにより３次元立体像を求めることができる。また、原理的には、Ｇ（Ｘ、Ｙ、ｔ）の一回の取得時間は、立体画像を取得する範囲内を超音波が伝搬する時間程度（人体では１ｍｓ程度）であり、このことから３次元立体像の動画が計測可能であることが分かる。
【００５０】  しかしながら、人体の計測においてはｆ＝５ＭＨｚ（ω＝２πｆ）程度であり、Ｇ（Ｘ、Ｙ、ｔ）の計測には、超音波検出器１個につき最低でも毎秒５０Ｍ程度でサンプリングするＡＤ変換器が必要である。このため、画素数が多い場合には信号処理およびコストの点で実現できない。
【００５１】  実施例１及び図４に示す位相検波を信号処理手段とした画像化装置の理論について述べる。角周波数ωの到来超音波の検出を行うためには、数４に示すようにＧ（Ｘ、Ｙ、ｔ）とｅｘｐ（ｉωｔ）の積を計測時間に渡り平均化＜＞すればよい。この平均化は電子回路による低域通過フィルターで実現できる。この値の時間変化は遅いので、超音波検出器１個あたりに必要なＡＤ変換速度を劇的に下げることができ、多数の出力を選択器で選び、１個または少数のＡＤ変換器でデジタル変換することによりＡ（Ｘ、Ｙ）を現実的なコストで取得できる。
【００５２】
【数４】
2020157030.tif 000006
【００５３】  また、Ａ（Ｘ、Ｙ）から、数５を用いてＳ（ｘ、ｙ、ｚ）が求まる。
【００５４】
【数５】
2020157030.tif 000007
【００５５】  位相検波とは、「交流信号の特定の位相における振幅」を求めることである。したがって、数４は角周波数ωの位相検波である。図４に示す数４に従った電子回路による位相検波では数６及び数７の２成分が電気信号として得られる。ただし、Ｒｅ、Ｉｍはそれぞれ複素数の実部と虚部を表す。
【００５６】
【数６】
2020157030.tif 000008
【００５７】
【数７】
2020157030.tif 000009
【００５８】  本発明の特徴は、検出器ごとに位相検波器を備え、これを検出単位とし、選択器で検出単位を順次選び、全画素に渡りＡＤ変換を行うことである。位相検波器からは、「到来波の一つ又は二つの位相における振幅」が直接得られるため、これとデジタル画素データ及び数４で定義されるＡ（Ｘ，Ｙ）は同じ物である。
【００５９】  ここでは、角周波数ωの到来超音波を検出するために、角周波数ωの位相検波器を用いる例を説明したが、本計測法は単一周波数の到来超音波計測に留まらない。デジタル画素データＡ（Ｘ，Ｙ）を繰り返し取得することで得られる時系列デジタル画素データ、すなわち時系列でＡ（Ｘ，Ｙ）を取得し、フーリエ変換すれば、角周波数ωを中心とした幅広い周波数範囲の到来超音波の検出が可能である。これにより、例えば被測定物の運動速度で色付けした立体動画が得られる。
【００６０】  数５を用いた画像化法の特徴は、この積分で、全ての超音波検出器からの信号が、場所（ｘ、ｙ、ｚ）からの到来超音波に限り同じ位相で足し合わされ、いわゆる強め合う干渉をして大きな値になり、それ以外の場所では、そのようにならず小さな値となる。実際には、数５の被積分関数における補正因子Ｒは画質に大きな影響を与えない。また他の補正因子、例えば到来超音波の伝搬方向と超音波検出器の指向特性を考慮した因子を追加して画質を向上させることができる。
【００６１】  実施例２及び図５に示す周波数変換を信号処理手段とした画像化装置の理論について述べる。周波数変換では、数８に示すように、角周波数をＷだけずらした振動をかける。
【００６２】
【数８】
2020157030.tif 000010
【００６３】  周波数変換とは計測対象の交流信号に対して振幅や位相関係を保ったまま信号の周波数を変換することである。したがって、数８で示した信号処理は、検出信号を、角周波数ωを中心としたＧ（Ｘ、Ｙ、ｔ）から角周波数Ｗを中心としたＢ（Ｘ、Ｙ、ｔ）へ周波数変換することである。ここで用いたｅｘｐ（ｉ（ω＋Ｗ）ｔ）による掛け算は、電子回路では互いに位相が９０度異なる２台の周波数変換器で実現できる。これは優れた計測方法であるが、実施例２では簡略化して１台の周波数変換器で済ませている。Ｗ＜＜ωとすれば、Ｂ（Ｘ、Ｙ、ｔ）の時間変化はゆっくりとなり、切り替えスイッチを用いて全ての検出単位からの信号を選択し、順次ＡＤ変換することでデジタル画素データを得ることできる。更にこれをしばらく繰り返し、得られた時系列デジタル画素データＢ（Ｘ、Ｙ、ｔ）について数９に示す数値処理を行うことで、Ａ（Ｘ、Ｙ）が求まり、数５によりＳ（ｘ、ｙ、ｚ）を得ることができる。
【００６４】
【数９】
2020157030.tif 000011
【００６５】  ここで＜＞は計測時間に渡る平均であり、数値処理上は角周波数−Ｗによるフーリエ変換である。また、フーリエ変換する際の計測時間を求めたい振動周期の整数倍とすると、精度の高い検出ができる。ここでは、２π／Ｗもしくはこの倍数とすると、この角周波数成分を正確に検出できる。
【００６６】  数９は数値処理による位相検波であり、これにより「到来波の一つ又は二つの位相における振幅」を求めた事になる。
【００６７】  ここでは、角周波数ωの到来超音波を検出するために、駆動角周波数ω＋Ｗで周波数変換し、数値処理として、数９の演算を行う例を説明したが、本計測法は単一周波数の到来超音波計測に留まらない。数９の演算は数値的に行うものであり、Ｗ以外の角周波数でも可能である。このような演算をすることで、角周波数ωを中心とした幅広い周波数範囲の到来超音波の検出が可能となる。これにより、例えば被測定物の運動速度で色付けした立体動画が得られる。
【実施例１】
【００６８】  図４は超音波検出器からの信号を位相検波して、投射超音波と同相成分（ｃｏｓ成分）と９０度ずれた成分（ｓｉｎ成分）を取得する計測系である。この図では検出単位を２個しか描いていないが、実際には画素数個必要である。この計測系の特徴は、信号処理手段として位相検波を備えることで必要なＡＤ変換速度を下げていることである。また、超音波検出器１個ごとに位相検波器を２台備え、各位相検波器は超音波投射器を駆動する信号と同じ周波数で互いに位相が９０度ずれた２つの信号（位相ｃｏｓと位相ｓｉｎ）を用いて駆動する。これにより、到来波の二つの位相における振幅を測定することができる。位相検波の後、周波数フィルターで帯域制限を行い、スイッチで切り替えて順次ＡＤ変換して全ての超音波検出器からの信号をデジタル変換すし、デジタル画素データとする。さらに、デジタル画素データ取得を何回か繰り返し、時系列デジタル画素データを取得する。【００６９】  被測定物の運動により生じたドップラーシフトを計測するには時系列デジタル画素データを周波数解析（フーリエ変換）する方法と、位相検波器を駆動する周波数をドップラーシフトした周波数とする方法がある。また、この図では、ＡＤ変換器を１つ用いた例を示したが、検出単位の選択器とＡＤ変換器を複数用いて並列処理するとデータ取得を高速化できる。
【実施例２】
【００７０】  図５は超音波検出器から出力される信号を周波数変換して、低い周波数に下げた後、周波数フィルタで必要な信号のみ通過させ、選択器で切り替え、ＡＤ変換を行い、数値処理としてフーリエ変換を行い、角周波数ωの到来超音波における互いに９０度ずれた位相の振幅（ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分）を得る計測系である。【００７１】  図５では検出単位を２個しか描いていないが、実際には画素数個必要である。この計測系の特徴は、超音波検出器１個ごとに周波数変換器を備えることであり、周波数を下げることでＡＤ変換に必要な変換速度を下げている。このために、検出目的の到来超音波の角周波数ωから少しずれた周波数の信号（角周波数ω＋Ｗ）を用いて周波数変換する。原理的には、ｃｏｓ成分かｓｉｎ成分のいずれかでも画像化は可能であるが、両者を用いたほうが画質がよい。また、この図では、ＡＤ変換器を１つ用いた例を示したが、検出単位の選択器とＡＤ変換器を複数用いて並列処理するとデータ取得を高速化できる。【００７２】  図５の計測系で試作した超音波画像化装置は、投射超音波も到来超音波も周波数は４０ｋＨｚである。使用した超音波検出器は、空気中で動作し、直径１６ｍｍである。２次元超音波検出器は、縦１６個、横１６個の計２５６個の超音波検出器からなり、超音波受信面の大きさは一辺２５６ｍｍである。投射超音波の周波数ω＝４０ｋＨｚはＤＤＳ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）で生成した。ＡＤ変換器は１個で、周波数変換器の駆動周波数は（ω＋Ｗ）／２π＝４００３３Ｈｚで、これもＤＤＳを用いて生成した。周波数変換された信号の中心周波数はＷ／２π＝３３Ｈｚであり、１周期分のデータ取得において計測時間は３０ｍｓ程度となり、動画の撮影が可能である。周波数変換された２５６個の超音波検出器からの信号は、アナログスイッチで選択してＡＤ変換した。周波数変換器のスイッチング動作に伴いパルス状の雑音が生じるため、ＡＤ変換を周波数変換器のスイッチングに同期させた。このため、ＡＤ変換速度は２×４００３３Ｈｚであり、アナログスイッチで画素１から画素２５６まで切り替えながらＡＤ変換し、次に画素１に戻り画素２５６までというように３０ｍｓの間繰り返しデータを取得することで時系列デジタル画素データを得た。この後、数９の演算を行い、角周波数Ｗ（ここでは１周期となる）のｃｏｓ成分とｓｉｎ成分を複素数の実部と虚部として求めた。【００７３】  超音波の点投射源として１個の超音波投射器を２次元超音波検出器の上４５ｃｍに置き、この高さに焦点を合わせ（数５において、ｚ＝４５ｃｍとした）、画像化した結果を図６に示す。これを見てわかるように、点源となっていない。主な理由は、使用した２５６個の超音波検出器の共振周波数が不揃いなため、信号の位相が不揃いになる事による。１個の超音波投射器からは、球面波で近似できる超音波が超音波検出器に来ているはずなので、この情報をもとにして各超音波検出器の位相と感度の補正を行った。その結果を、図７に示す。高さ４５ｃｍに焦点を合わせ、ｘとｙ方向の表示幅はともに５８ｃｍである。位相と感度の補正により、超音波投射器が点源として観測できるようになった。また、音波の回折に伴う小��なピーク、少数のセンサを用いたことに起因する周辺部のぼけたピークなどが観測され、理論通り機能していることが分かる。【００７４】  図８は、広げた手に超音波を投射し、反射により生じた到来超音波を計測し、画像化した例である。手の位置に焦点を合わせ、数５に従いＳ（ｘ、ｙ、ｚ）（複素数）を求め、その大きさ（複素数の絶対値）を表示した。手のひらや手の指などが見えている。これにより、本発明が実用に耐えることを示した。【００７５】  実施例２では、一つの立体画像を取得するために３０ｍｓの計測時間を要する。このことは、３０ｍｓの時間分解能で被測定物の運動又は位置を測定できることを意味する。また、投射超音波をパルス状にすることで、投射超音波が投射されてから被測定物に散乱されて２次元超音波検出器に到来するまでの時間を３０ｍｓの誤差で測定できる。これは、空気中の音速を３５０ｍ／ｓとすれば、約５ｍ程度の精度で被測定物までの距離を測定できることになる。このとき、被測定物の方向も同時に分かるだけでなく、被測定物が複数あっても、全ての被測定物に対して同時に距離と方向が分かる。計測条件を変えることにより、距離測定精度を向上させることができる。また、投射超音波をパルスとすることで、距離測定以外にも、多重散乱や不要な反射の影響を避け、画質を向上させることができる。
【実施例３】
【００７６】  実用的な医療用画像計測機とするためには、画素数は１２８×１２８以上必要であり、２次元超音波検出器の大きさは、一辺５０ｍｍ程度とする必要がある。このような２次元超音波検出器は、同一基板上に必要な電子回路、例えば位相検波器又は周波数変換器、選択器、ＡＤ変換器等を作成した集積回路を用いる必要がある。また、超音波検出器はＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）などの技術を用い電子回路を作成した集積回路と同一の基板上に作成するか、もしくは、電子回路とは別な基板上に作成し、集積回路と接続するなどの方法が考えられる。これにより、小型で扱いやすく高解像度な画像計測機となる。【００７７】  なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。【００７８】  被測定物の非線形効果やドップラー効果により生じた到来波を検出することで、被測定物の物性や運動速度を知ることができる。【００７９】  人体組織の物性は超音波の周波数により変わる。したがって、複数の周波数の超音波を同時又は順次投射して計測することで、組織の識別が可能になる。本発明では、投射波と到来波の周波数を複数設けることで実現でき、例えば色付けした立体像動画を得ることができ、診断効果を上げることができる。【００８０】  本発明で得た人体の立体動画を、コンピュータを用いた様々な映像技術、例えば仮想現実等と組み合わせたり、人体を水槽等に入れ、全身を自動で計測するなど診断効果を上げるための様々な活用法が考えられる。【００８１】  そもそも人体は物質として見ると不均一であり、画像化した場合に不要な屈折や散乱で像に歪みが生じる。この問題をさけ、歪の少ない立体画像を得るためには、天体観測で発展した補償光学を応用すればよい。ただし、本発明では「到来波の一つ又は二つの位相における振幅」を測定するので、補正手段は異なる。【００８２】  位相検波を用いる場合には、デジタル画素データが「到来波の一つ又は二つの位相における振幅」であり、数４で定義されるＡ（Ｘ、Ｙ）である。まず初めに、既知の物体のデジタル画素データを推定しＡ１（Ｘ、Ｙ）とする。次に実際に既知の物体を測定して得られたデジタル画素データをＡ２（Ｘ、Ｙ）とする。実際に未知の被測定物を測定して得られたデジタル画素データＡ（Ｘ、Ｙ）をＡ（Ｘ、Ｙ）×Ａ１（Ｘ、Ｙ）／Ａ２（Ｘ、Ｙ）として補正し、数５の画像化法に用いる。【００８３】  周波数変換を用いる場合には、「到来波の一つ又は二つの位相における振幅」は、数９で定義されるＡ（Ｘ、Ｙ）であり、後は位相検波の場合と同様である。この補償法で歪の少ない画像を得ることができる。【００８４】  本発明の主たる用途は医療用なので、超音波として人体を対象とした２０ｋＨｚ以上の縦波弾性波を念頭に説明したが、本発明の適用範囲はこれに制限されない。周波数はさらに低くてもよく、横波弾性波にも適用できる。例えば、可聴域の周波数の音波や振動を楽器やコンサートホールに投射し、検出器として可聴域マイクロフォンを用い投射音波及び到来音波の周波数を変えながら測定を行えば、被測定物の音響特性を調べることができる。【００８５】  また、投射波として電磁波を用いれば、レーダーを構築することもできる。従来のフェーズドアレイレーダーと異なり、到来波の方向をスキャンする必要が無く一度にすべての方向の観測ができるため、長時間同じ場所の測定が可能となり、微弱な反射波の検出が容易になる。本発明の結像方法は波の干渉性を用いているため、空間分解能は２次元波検出器の開口数で決まり、２次元波検出器から遠方の距離測定精度は著しく下がる。しかし、パルス波投射を行い反射波が検出されるまでの時間を測定することで、遠距離での距離測定が可能となる。【００８６】  異種波の組み合わせも効果的な計測である。例えば、投射波としてパルス光を用い、例えば光による加熱に伴う膨張で生じた弾性波を到来超音波として観測することもできる。逆に、投射波として超音波を用い、例えば圧電効果などで生じた電磁波を到来波として観測することで、例えば岩石内部の画像化ができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】  本発明の波による画像化装置を用いると、低い尖頭強度で安全に短時間で物体内部や空間の立体画像の計測ができる。特に超音波を用いれば、非侵襲で人体内部の立体画像を撮影することができる。また、電磁波又は超音波を用いることで、暗視装置、地中探索、コンクリートなど構造物検査、魚群探知などの海洋探索など幅広い応用が考えられる。
【符号の説明】
【００８８】１１  超音波投射器
１２  超音波検出器
１３  ２次元超音波検出器
１４  制御装置
１５  数値処理装置
１６  表示装置
１７  位相検波器を備えた検出単位
１８  検出単位の選択器
１９  位相検波器
２０  周波数フィルター（Ｌｏｗ−Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ等）
２１  ＡＤ変換器
２２  コンピュータ
２３  位相検波用の駆動信号、位相ｃｏｓ
２４  位相検波用の駆動信号、位相ｓｉｎ
２５  検出単位の選択制御信号
２６  超音波投射器の駆動信号
２７  周波数変換用の駆動信号
２８  周波数変換器を備えた検出単位
２９  周波数変換器
３０  周波数フィルター（Ｂａｎｄ−Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ等）
Ｓ    被測定物
Ｎ    被測定物の内部構造物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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