(57)【要約】  本発明の目的は、物体（６２）のソフトフィールド断層撮影分析におけるデータ取得のための測定システム（１００）であり、測定システム（１００）は、送信ユニット（６３−ｉ）と、受信ユニット（６５−ｊ）と、測定ユニット（６７−ｊ）と、アライブポイント（「温点」８１）および接地点（「冷点」；８２）を有する励起ユニットと、測定データ取得ユニット（８５）と、制御ユニット（９０）とを備える。本発明による測定システム（１００）の作動状態において、制御ユニット（９０）は、励起ユニットおよび測定データ取得ユニット（８５）に動作可能に接続されて、励起ユニットおよび測定データ取得ユニット（８５）を制御し、励起ユニットは、同時に、その温点（８１）および冷点（８２）を介して１つずつ送信ユニット（６３−ｉ）に接続されて送信ユニット（６３−ｉ）を駆動し、励起ユニットの前記冷点（８２）は、電源接地に対応し、励起ユニットに接続された少なくとも送信ユニット（６３−ｉ）は、調査対象の物体（６２）に１つ１つ結合されて、物体（６２）内に励起場を作り出し、受信ユニット（６５−ｊ）は、調査対象の物体（６２）に１つ１つ結合されて、物体（６２）内に励起場に対する応答を検出し、受信ユニット（６５−ｊ）は、一緒に対で接続されて測定回路を形成し、前記受信ユニット（６５−ｊ）によって検出された応答を測定データによって定量的に特徴付け、測定回路の各々は、前記定量的特徴付けのための少なくとも第１および第２の測定入力を有する測定ユニット（６７−ｊ）を備え、測定回路の前記第１および第２の受信ユニットは、前記測定回路内で測定ユニット（６７−ｊ）の第１および第２の測定入力それぞれに連結され、受信ユニット（６５−ｊ）の各々の電源接地は、前記励起ユニットの冷点に接続され、各々の測定回路の測定ユニット（６７−ｊ）は、測定データ取得ユニット（８５）に接続されて測定データを取得し、基準要素（６４）が、測定回路の１つ内の、励起ユニットの冷点（８１）と冷点（８１）に接続された受信ユニット（６５−ｊ）の１つとの間に挿入される。
2019505772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（６２）のソフトフィールド断層撮影分析におけるデータ取得のための測定システム（１００）であって、送信ユニット（６３−ｉ）と、受信ユニット（６５−ｊ）と、測定ユニット（６７−ｊ）と、アライブポイント（「温点」８１）および接地点（「冷点」８２）を有する励起ユニットと、測定データ取得ユニット（８５）と、制御ユニット（９０）とを備え、前記測定システム（１００）の作動状態において、
前記制御ユニット（９０）は、前記励起ユニットおよび前記測定データ取得ユニット（８５）に動作可能に接続されて、前記励起ユニットおよび前記測定データ取得ユニット（８５）を制御し、
前記励起ユニットは、同時に、その温点（８１）および冷点（８２）を介して１つずつ前記送信ユニット（６３−ｉ）に接続されて、前記送信ユニット（６３−ｉ）を駆動し、前記励起ユニットの前記冷点（８２）は、電源接地に対応し、
前記励起ユニットに接続された少なくとも前記送信ユニット（６３−ｉ）は、調査対象の前記物体（６２）に１つ１つ結合されて、前記物体（６２）内に励起場を作り出し、
前記受信ユニット（６５−ｊ）は、調査対象の前記物体（６２）に１つ１つ結合されて前記物体（６２）内の前記励起場に対する応答を検出し、
前記受信ユニット（６５−ｊ）は、一緒に対に接続されて測定回路を形成し、前記受信ユニット（６５−ｊ）によって検出された前記応答を測定データによって定量的に特徴付け、前記測定回路の各々は、前記定量的特徴付けのために少なくとも第１および第２の測定入力を有する測定ユニット（６７−ｊ）を備え、前記測定回路の前記第１および第２の受信ユニットは、前記測定回路内の前記測定ユニット（６７−ｊ）の前記第１および第２の測定入力それぞれに接続され、前記受信ユニット（６５−ｊ）の各々の電源接地は、前記励起ユニットの前記冷点に接続され、
各測定回路の前記測定ユニット（６７−ｊ）は、前記測定データ取得ユニット（８５）に接続されて前記測定データを取得し、
基準要素（６４）は、前記測定回路の１つ内の、前記励起ユニットの前記冷点（８１）と前記冷点（８１）に接続された前記受信ユニット（６５−ｊ）の１つとの間に挿入されることを特徴とする、測定システム。
【請求項２】
請求項１に記載の測定システム（１００）であって、マルチプレクサ（７０）をさらに備え、前記マルチプレクサ（７０）は、前記励起ユニットと前記励起ユニットによって駆動される前記送信ユニット（６３−ｉ）との間、ならびに前記受信ユニット（６５−ｊ）の各々と前記測定データ取得ユニット（８５）との間に挿入され、前記マルチプレクサ（７０）は、前記励起ユニットに接続された送信ユニット（６３−ｉ）を、任意の対になるように各測定回路を形成する前記受信ユニット（６５−ｊ）に動作可能に接続するように構成されることを特徴とする、測定システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の測定システム（１００）であって、前記基準要素（６４）は、知られているパラメータの要素によって、好ましくは特定のオーミック抵抗を有する要素によって提供されることを特徴とする、測定システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記測定ユニット（６７−ｊ）の前記測定入力は、差動測定入力であることを特徴とする、測定システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記測定ユニット（６７−ｊ）は、高分解能を有する精度測定装置によって、好ましくはロックイン増幅器によって提供されることを特徴とする、測定システム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記励起ユニットは、作動状態において電流生成器または電圧生成器のいずれかとして作動することができる信号生成器（８０）によって提供されることを特徴とする、測定システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記送信ユニット（６３−ｉ）は、調査対象の前記物体（６２）の電気励起に合わせて構成されたデバイスによって提供され、前記測定ユニット（６７−ｊ）は、電圧計によって提供されることを特徴とする、測定システム。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記送信ユニット（６３−ｉ）および前記受信ユニット（６５−ｊ）は、調査対象の前記物体（６２）の表面上に配置されるのに適したデバイスとして構成されることを特徴とする、測定システム。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記送信ユニット（６３−ｉ）および前記受信ユニット（６５−ｊ）は、調査対象の前記物体（６２）の容積内に少なくとも部分的に配設されるのに適したデバイスとして構成されることを特徴とする、測定システム。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記送信ユニット（６３−ｉ）および前記受信ユニット（６５−ｊ）は、金属電極およびピン電極からなる群から選択されることを特徴とする、測定システム。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記送信ユニット（６３−ｉ）および／または受信ユニット（６５−ｊ）の各々と、調査対象の前記物体（６２）との間の結合は、電気的、静電容量的、ガルバニック式、熱交換式および光の結合からなる群から選択されることを特徴とする、測定システム。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記送信ユニット（６３−ｉ）および前記受信ユニット（６５−ｊ）は、前記送信ユニットおよび受信ユニット両方の機能を一体的に備える測定検出器によって提供されることを特徴とする、測定システム。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記物体（６２）は、不均質の材料分布を有する、任意選択により、容積上の構造的欠陥も含む物体によって提供されることを特徴とする、測定システム。
【請求項１４】
物体（６２）のソフトフィールド断層撮影分析におけるデータ取得のための方法であって、
（ｉ）送信ユニット（６３−ｉ）および受信ユニット（６５−ｊ）を前記物体（６２）と特定の幾何学的パターンを有する配置で結合させるステップと、
（ｉｉ）前記物体（６２）を、送信ユニット（６３−ｉ）の少なくとも１つの対によって、送信ユニットの前記対を励起ユニットによって生成された励起信号によって駆動させることによって容積励起にかけ、前記対（複数可）を形成する前記送信ユニット（６３−ｉ）の１つの送信ユニットを、前記励起ユニットの温点（８１）に接続し、前記他の送信ユニットを前記励起ユニットの冷点（８２）に接続するステップであって、前記励起ユニットの前記冷点（８２）は、電源接地に対応する、ステップと、
（ｉｉｉ）受信ユニット（６５−ｊ）によって形成された受信ユニット対から作り出された測定回路によって、前記励起に対する前記物体（６２）の完全な応答を測定することによって測定データを作り出すステップであって、各測定回路は、少なくとも１つの測定ユニット（６７−ｊ）をさらに備え、前記測定ユニット（６７−ｊ）は、第１および第２の測定入力を有し、前記測定を実施するとき、前記物体（６２）に結合された各受信ユニット対の１つの受信ユニット（６５−ｊ）は、前記第１の測定入力および前記第２の測定入力に接続される、作り出すステップと、
（ｉｖ）前記得られた測定データを記憶するステップと、
（ｖ）前記励起を実行する前記送信ユニット（６３−ｉ）の少なくとも１つを、前記物体（６２）に結合されている前記送信ユニットからの別の送信ユニットに取り替えた後、および／または前記測定を実行する前記測定回路の前記少なくとも１つの少なくとも１つの受信ユニット（６５−ｊ）を、前記物体（６２）に結合された前記受信ユニットからの別の受信ユニットに取り替えた後、ステップ（ｉｉ）〜（ｉｖ）を反復するステップとを含み、
前記方法は、
−各受信ユニット（６５−ｊ）の電源接地を前記励起ユニットの前記冷点に接続するステップであって、それによって共通電位に接続されている間に前記物体（６２）を励起し、各測定を実行する、接続するステップと、
−基準要素（６４）を前記測定回路の１つ内の、前記励起ユニットの前記冷点（８１）と、前記冷点（８１）に接続された前記受信ユニット（６５−ｊ）の１つとの間に挿入し、前記基準要素（６４）上の測定を、前記励起に対する前記物体（６２）の前記完全な応答の前記測定と同時に実行するステップであって、前記基準要素上で実行された前記測定の結果もまた記憶される、ステップとをさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、前記送信ユニットの１つの取り替えおよび／または前記測定回路の少なくとも１つの前記受信ユニット（６５−ｊ）の少なくとも１つの取り替えは、マルチプレクサ（７０）によって制御される方法で、前記送信ユニット（６３−ｉ）および／または前記受信ユニット（６５−ｊ）による走査によって実施されることを特徴とする、方法。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の方法であって、前記物体（６２）は、前記測定を開始する前に離散化され、ネットワークモデル近似において得られた有向グラフによって表され、ステップ（ｉｉ）−（ｉｖ）の反復は、前記有向グラフのブランチによって表される前記インピーダンス値を決定するための方程式の系の過剰決定が達成されるまで継続され、方程式の前記系を形成する前記方程式の未知数は、前記インピーダンス値であり、その係数は、前記励起に対する前記物体（６２）の総応答を測定することによって得られる測定データであることを特徴とする、方法。
【請求項１７】
請求項１４から１６のいずれか１項に記載の方法であって、前記物体（６２）の前記励起は、方程式の前記系の過剰決定を達成するために種々の励起周波数において実施されることを特徴とする、方法。
【請求項１８】
請求項１４から１６のいずれか１項に記載の方法であって、前記物体（６２）の前記励起はまた、方程式の前記系の前記過剰決定を達成するために前記送信ユニット（６３−ｉ）上で前記励起ユニットの前記温点（８１）および前記冷点（８２）を交換することによって実施されることを特徴とする、方法。
【請求項１９】
請求項１４から１８のいずれか１項に記載の方法であって、前記基準要素（６４）は、純粋にオーミックな抵抗器であり、前記励起に対する前記物体（６２）の総応答を測定することによって得られた前記測定データは、補償された測定データに変換され、前記補償は、データ取得に使用される請求項１から１３のいずれか１項に記載の前記測定システムの系統的誤差および共通位相誤差に対して、前記基準要素（６４）上で実施された前記測定の結果を使用することによって行われることを特徴とする、方法。
【請求項２０】
請求項１４から１９のいずれか１項に記載の方法であって、前記記憶された測定データは、前処理ステップにより、ソフトフィールド断層撮影撮像アルゴリズムによって直接的に使用されるのに適したフォーマットにされることを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、調査対象の物体の非破壊的なソフトフィールド断層撮影分析の補完に関する。特に、本発明の目的は、調査対象の物体、特に不均質な材料分布を有する物体の内部構造のソフトフィールド断層撮影マッピングのためのデータ取得および処理方法ならびに測定システムである。本発明は、特に、ソフトフィールド断層撮影分析および／または撮像方法の基礎として機能する、データ取得／処理方法、ならびに測定システムを提供する。本発明による方法および測定システムは、有利には、種々の材料（たとえば生木）の非破壊的構造分析のための工業断層撮影プロセスおよび医療的診断方法（たとえば、肥満分析、特に肥満度測定、または特に細胞増殖をマッピングするために実行される腫瘍学検査、および他の類似の方法など）において有利に使用され得る。したがって、本明細書ではこれ以後、用語「物体」は、実質的には、工業製品から、自然に見出される構造、人または動物の体の部分を形成する器官／組織に至る範囲の調査対象の任意の材料を指す。
【背景技術】
【０００２】
三次元物体の内部構造を破壊せずに分析または視覚化することに関する問題が、数多くの技術的および科学的分野に存在する。前記分析または視覚化は、放射線によって物体を透過照明することによって達成することができ、この放射線は、ほとんどの場合、調査対象の物体によって透過されるだけでなく、その内部構造の「シルエット」を得るのに十分な程度まで吸収される（撮像）。調査対象の物体の内部構造がほぼ二次元である場合、またはそれほど複雑ではない場合、そのようなシルエットは直接的に解釈可能である。しかし、より複雑な場合、数方向でしか取り込まれなかった画像は、内部構造を明らかにするのに十分ではない。物体の内部構造（たとえば、前記物体の材料分布、不均質性、内部欠陥）を二次元シルエットから再構築することは、通常、どちらかと言えば複雑なタスクであり、したがって、いわゆる断層撮影による断面画像を撮ることが一般的な慣例である。これは、三次元物体の平面セクション（断面）を、その平面に沿って異なる方向で一次元画像を取り込み、次いで前記画像から平面構造の再構築を試みることによって調査することを意味する。これに関連して、用語「構造」は、印加された放射の吸収の空間的変動／分布を指し、したがって、断層撮影は、この二次元問題の解決策を示す。そのために、いわゆるハードフィールド断層撮影法、Ｘ線放射または音響放射（たとえば超音波）が、一般的には、透過照明放射として使用される。
【０００３】
上記で論じた方法に加えて、いわゆるソフトフィールド断層撮影法もまた知られている。そのようなソフトフィールド断層撮影法は、すべてではないが、とりわけ、電気抵抗断層撮影（ＥＲＴ）、静電容量断層撮影（ＥＣＴ）、電気インピーダンス断層撮影（ＥＩＴ）および音響インピーダンス断層撮影（ＡＩＴ）であり、これらの検査方法は、調査対象の物体の内部特性、たとえば具体的には、物体の内部構造を規定する材料の導電性または誘電性または密度などの電気的／誘電的または機械的特性などの空間的変動を、たとえば磁気的もしくは電気的インピーダンス／アドミッタンス、または音響インピーダンス測定を実行することによってマッピングおよび測定することを対象とする。この目的のために、最初に、調査対象の物体は、その１つ以上の地点から励起にかけられ、次いで、その励起に対する物体の材料の応答が、物体の１つ以上の地点において測定される。この励起および／または応答の測定は、１つ以上の周波数および／または時点において実行することができる。調査される物体の画像は、その後、こうして得られた測定データに基づく画像再構築方法によって作り出される。
【０００４】
撮像によって作り出された画像のさらなる（たとえば検査または診断のための）使用に関するとき、データ取得中に測定データに組み込まれるさまざまな誤差を最大限補償することが極めて重要である。測定誤差源は、たとえば、励起および／またはデータ取得に使用される測定システム、測定システムに使用される個々の励起ユニットおよび／または測定ユニット、すなわちこれらの系統的誤差、または測定中、励起ユニットおよび／または測定ユニットによって占有される幾何学的位置から生じる誤差になり得る。ソフトフィールド断層撮影システムのこれらの誤差の中でもとりわけ、前記系統的誤差は、特に重要であると考えられ、その理由は、物体のシステムおよび測定システム内に存在する非線形性により、調査対象の物体もまた、測定システム、したがってその１つ以上の部分に影響を与えるため、分析に使用される測定システムの予備較正によって測定できないためである。
【０００５】
米国特許出願公開第２０１０／０１２７７０５号は、磁気誘導に基づく断層撮影分析を実施するための方法およびシステムを開示する。分析を実行するために、調査対象の物体は、物体の周りに配置された励起コイルによって生成された交番磁場にかけられ、次いで、物体の導電性および前記導電性の空間的分布に特化した情報を運ぶ交流信号が、物体を取り囲む位置に配置された適切な受信ユニットによって取り込まれる。データ取得は、少なくとも２つの異なる周波数において実施される。こうして記録された測定データ、特にその虚数部を使用することにより、補正係数が複雑な数学的アルゴリズムによって導出され、この補正係数は次いで、励起コイルおよび／または受信ユニットの幾何学的位置における変化によって生じる誤差（散乱信号）を補正するために使用され得る。この方法の欠点は、記録されたデータの虚数部のみを使用して補正係数を導出することにより、データ損失を引き起こすことである。さらに、この方法はまた、装置、その部材、特に励起コイルおよび／または受信ユニットの系統的誤差を管理することができない。
【０００６】
米国特許出願公開第２０１３／００１３２３９号は、ソフトフィールド断層撮影法において一般的な、位相変調された、または位相および振幅変調された励起を使用してデータ取得／撮像の分解能を強化することを論じている。
【０００７】
米国特許第８，５９３，１５４号は、ソフトフィールド断層撮影調査において生じるアーチファクトを抑制するための方法および装置を開示する。使用されるデータ取得システム２０が、図１に示される。それにしたがって、調査対象の物体２２の材料の電気特性、特にその導電性および導電性の空間的分布が、ＥＩＴ方法によって分析される。この目的のために、複数の変換器が、物体２２の表面上またはその近くに配置される。変換器は、最初に所望の方法で（ここでは電気的に）物体２２の材料を励起し、次にこの励起に対する物体の材料の応答を取り込み、これを電気信号に変換するために使用される。したがって、変換器は、最初に駆動をもたらす励起ユニット２６に、次に、応答を表す信号を取り込むための応答検出器２８に電気的に接続される。応答検出器２８の信号は、応答検出器２８に接続されたソフトフィールド断層撮影モジュール３０に渡され、ソフトフィールド断層撮影モジュールのタスクは、励起に対する物体２２の応答を算出／評価し、任意選択により、物体内の応答、励起、および導電性分布をつなぐ、いわゆる逆問題を解くことである。データ取得システム２０の補正操作は、励起ユニット２６およびモジュール３０に接続された制御ユニット３３によってもたらされる。開示された解決策によれば、物体は、複数の周波数および／または時間の成分を含む励起パターンにしたがって変換器２４によって励起にかけられ、次いで、撮像の１つまたは複数のアーチファクト、特に、変換器の幾何学的配置から、およびこの中で使用される電極をモジュール３０内に使用される将来予測されるモデルに当てはめられないことから生じる誤差が、成分にしたがって応答を分離することによって解消されるよう望まれる。しかし、詳細に説明する励起およびデータ取得スキームは、データ取得システム２０およびそのサブアセンブリによって引き起こされる系統的誤差を軽減せず、さらに、これらは言及さえもされていない。
【０００８】
ソフトフィールド断層撮影法では、したがって特にＥＩＴおよびＡＩＴ測定においても、（任意選択により構造的欠陥／変形を含む）連続的（不均質、異方性）媒体は、インピーダンス（または複雑な伝導性）ネットワークに簡易化され、それにより、これは、数多くの数学のツールセットによって管理され得る。この目的を達成するために、
−調査対象の物体の材料は、解かれて、多かれ少なかれ良好に管理可能である数学的記述を有する線形ネットワークによってモデル化され、
−逆問題は、ネットワークのブランチ上のインピーダンス値の算出に限定され（方程式系を生成することが明白であり、したがって逆問題をより安全性を高めて解くことができる）、
−ネットワークの各ブランチ上のインピーダンスは、電気抵抗器、キャパシタ、およびインダクタの接続として別々にモデル化することができるため、調査対象の物体の材料の周波数依存性をより正確に推定することができる。
【０００９】
「ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」と題する雑誌の５７巻、９版、２２５７〜２２６６頁内の、２００９年に公開された「Ａ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｍｅｓｈ  Ｐｈａｎｔｏｍ  ｆｏｒ  Ａｓｓｅｓｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ＥＩＴ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題するエイチ．ガグノン（Ｈ．Ｇａｇｎｏｎ）らの出版物において、ＥＩＴシステムの評価、比較、および較正に使用することができるいわゆるファントムの設計に関する考察が、論じられている。電気回路を解くのに一般的に使用されるマトリクス方法および有限要素法もまた論じられ、調査対象の物体の測定可能なパラメータと、有向ネットワークグラフによって説明される、物体をモデル化するインピーダンスネットワークとの間に十分に正確な対応を確立するための方法もまた、説明される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
その結果、本発明の目的は、主にソフトフィールド断層撮影による材料分析／撮像法のためのデータ取得／処理方法および測定システムであって、ソフトフィールド断層撮影法を実施するために使用されるユニット、特に励起ユニットの系統的および共通位相誤差を考慮に入れ、記録された測定データ内のその誤差を抑制するのにも適した、データ取得／処理方法および測定システムを提供することである。測定データからの前記系統的誤差を解消した結果、撮像の基礎として機能するデータの正確性が改良され、それによって調査対象の物体の内部構造のより正確な撮像を可能にする。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、主にソフトフィールド断層撮影材料分析／撮像法のためのデータ取得／処理方法および測定システムであって、線形ネットワークモデル近似において得られた方程式系の解に関して、すなわち分析された物体の材料特性に対応する未知のインピーダンス値の決定に関して、すなわち実際には逆問題の解に関して現在使用されている他の類似の方法より信頼高い、データ取得／処理方法および測定システムを提供することである。逆問題の解が信頼高くなるほど、ソフトフィールド断層撮影撮像の正確性および分解能の改良も容易になる。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、改良されたデータ取得プロトコルを提供して逆問題の解に必要とされる方程式系を導出する、データ取得／処理方法および測定システムを提供することによって、ソフトフィールド断層撮影撮像方法を全体的に改良することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者の調査では、（電気接続に使用されるケーブルを含む）データ取得測定システムのサブアセンブリの系統的および共通位相測定誤差は、各測定データに影響を与える単一の共通測定誤差として起こり、したがってその抑制および補償は、データ取得測定システムの一部である測定ユニットおよび調査対象の物体の励起をもたらす励起ユニット、すなわち測定システム内で使用される信号生成器が、共通の電位、たとえば接地電位に接続され、信号生成器の接地に対する、励起に対する物体の応答の測定、すなわち測定ユニットによるデータの取得もまた、信号生成器の接地に対して実施される場合に簡易化されるという結論に達した。特に、好ましくは、既知の純粋なオーミック抵抗を有する単一の基準要素が、前記共通電位上の信号生成器の側にある測定回路に挿入される場合、基準要素上で起こる測定可能な位相シフトは、共通測定誤差の結果であり、したがってその範囲は、基準要素上で実施される位相シフト測定のみによって決定することができ、測定データは、その知られている値によって補償され得る。
【００１４】
本発明者らの調査では、さらに、逆問題を解くために、調査される物体の材料の離散化の特定レベルにおいて、すなわちデータ取得の所与の分解能において、対応する有向ネットワークグラフのブランチに属するインピーダンス／アドミッタンス値を決定するのに必要とされるいくつかの方程式が、前記方程式内の未知数の数を確実に超えることを確実にするようにデータ取得を実施することが好ましいというさらなる結論に達した。別の言い方をすれば、データ取得は、好ましくは、逆問題を解くための導出された方程式系が過剰決定されることを確実にするように実施される。本発明者らの調査では、この要件に則して実施されるデータ取得はまた、調査対象の物体の励起が、所与の励起／応答検出構成において、２つ以上の周波数で同時にまたは順次実施される場合、比較的簡単な励起スキームを適用することによって確実にすることができることも見出した。そのようなデータ取得の詳細は、例示的な実施形態に関連して後続で詳細に説明される。
【００１５】
その結果、非破壊的調査対象の物体のソフトフィールド断層撮影調査におけるデータ取得のための測定システムの態様に関連する本発明の目的は、請求項１による測定システムをさらに練り上げることによって達成される。本発明による測定システムの好ましい例示的な実施形態は、請求項２から１３に記載される。物体のソフトフィールド断層撮影調査に使用されるデータ取得および処理方法の態様に関連する目的は、請求項１４によって達成される。本発明による方法のさらなる好ましい例示的な実装は、請求項１５から２０に記載される。
【００１６】
以下では、本発明は、添付の図を参照して詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】データ取得システムによって引き起こされる、系統的および共通位相誤差と共に共通測定誤差に関して補償されない、ソフトフィールド断層撮影データ取得のための従来技術システムのブロック図である。
【図２Ａ】本発明によるソフトフィールド断層撮影データ取得方法のベースを形成する離散化に対応する有向グラフの簡単な例である。
【図２Ｂ】本発明によるソフトフィールド断層撮影データ取得方法のベースを形成する離散化に対応する有向グラフの簡単な例である。
【図３Ａ】ソフトフィールド断層撮影データ取得に適し、共通測定誤差に関して補償される、本発明による測定システムのブロック図である。
【図３Ｂ】所与の数の送信ユニット／受信ユニット（変換器）を使用する、図３Ａによるソフトフィールド断層撮影データ取得システムの例示的な接続図である。
【図４】流れ図の形態の、データ取得中、信号生成器によって実施される励起の系統的実行の例示的な実装を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ソフトフィールド断層撮影分析／撮像方法に関連して使用される本発明によるデータ取得／処理方法およびシステムは、ＥＩＴ方法に関連する、そのような実施形態に関連して以下で詳細に説明される。それにしたがって、データ取得／処理方法およびシステムは、電気励起およびこれに対する応答の測定に関連して説明される。したがって、ソフトフィールド断層撮影分析にかけられる物体は、本発明のこの実施形態では電気励起にかけられ、電気励起の結果として得られる応答は、線形ネットワークモデル近似（有向グラフ）内に確立される方程式の系の解の基礎（入力値）と考えられる。しかし、以下で詳細に説明するデータ取得方法の実施形態を、使用される励起／応答測定のタイプの適切な変更後に異なるタイプのソフトフィールド断層撮影法に関連して使用してもよいことが、当業者には明らかである。
【００１９】
本発明による解決策の好ましい例示的な実施形態によれば、調査対象の物体は、インピーダンスネットワークによってモデル化され、そのためモデルの数学的表現は、有向（重みを付けた）グラフである。調査対象の物体を表すグラフの構造は、ソフトフィールド断層撮影のデータ取得のいかなる分解能においても同じ原理をたどる。たとえば分析される物体の表面またはその表面近くに置くことによってその物体を測定するのに使用されることが望ましい測定要素の数（ｅｌ＝１、２、３；正の整数）およびグラフを形成するためのシェルの所望の数（ｓｈ＝０、１、２、３；正の整数）を所与とした場合、その情報が、調査対象の物体またはその内部構造の調査の所望の分解能と事実上等しい場合、グラフ（すなわち線形ネットワーク）を明白に特徴付ける幾何学的パラメータ、すなわちグラフのノード（ｎ）、ブランチ（ｂｒ）および閉ループ（ｌ）の数は、以下の式によって算出することができる。
−ノードの数：ｎ＝ｅｌ×（ｓｈ＋１）＋１
−ブランチの数：ｂｒ＝ｅｌ×（３×ｓｈ＋２）、および
−ループの数：ｌ＝ｅｌ×（２×ｓｈ＋１）。
【００２０】
調査対象の物体の離散化および線形ネットワークモデル近似によって得られたいくつかのそのような例示的なグラフが、図２Ａおよび２Ｂに示され、ここで図２Ａは、ｅｌ＝８、ｓｈ＝０の選択に対応するグラフを示し、図２Ｂ（（ａ），（ｂ）および（ｃ）でマークされたグラフを参照）は、これより高い分解能（これより多くのシェル）および／またはこれより多い測定要素の場合を示し、測定要素の数および／またはシェルの数は、任意によって選択され得ることは明らかである。
【００２１】
調査対象の物体が離散化されるとき、グラフのノードの位置座標は、実際の分析タスクの最適な解にしたがって選択される。各ブランチを表すインピーダンス（またはアドミッタンス）値が、ソフトフィールド断層撮影による特徴付け（撮像）のために算出される必要がある。
【００２２】
グラフの極限（外周囲）上のノードは測定要素を表すことは、こうして得られたグラフには概ね一般的である。この物理的根拠は、磁場特性が、測定によって決定される、たとえばこれらの点において算出されるものであることである。
【００２３】
当業者に知られているように、前述によって得られたグラフを、通常いわゆるノード−ブランチマトリクス（ｂｒ×ｎであるサイズ）およびいわゆるループ−ブランチマトリクス（ｂｒ×ｌであるサイズ）によるマトリクス表現における定量的特徴付けに関して説明することができ、このマトリクスは、ノード、ブランチ、およびループの相対位置に応じて、−１、０、または１の値を有する要素を含むことが、ここに留意される。
【００２４】
ソフトフィールド断層撮影分析方法を使用するとき、逆問題の解、すなわち画像再構築は、方程式の非線形系の解を必要とする。物体を表す有向グラフのブランチによって表されたインピーダンス値を決定するために、グラフの周囲上の測定要素によって取得された測定データ（すなわち励起に対する物体の応答の測定データ）は、グラフに対応するネットワークに関する方程式の系に代入される。方程式の系の導出の説明および必要な数学的ツールは、たとえば米国特許出願公開第２０１１／０１６３７７０号に見出すことができ、したがってこれらは、本明細書では詳細に説明されない。方程式の系の可解性の基本的要件は、これが過小決定されてはならないことである。これを念頭におき、以下に詳細に説明されるデータ取得スキームは、方程式の系が、グラフの各ブランチ上の導電性および容量の値に関して過剰決定されるように選択される。
【００２５】
グラフが調査対象の物体をモデル化するために使用されるとき、解かれる方程式の系の特性は、以下の式によって説明され得る：
−方程式の数：ｅｑ＝ｇ×（ｎ−１）＝ｇ×ｅｌ×（ｓｈ＋１）、および
−未知数の数：ｘ＝２×ｂｒ＋ｇ×（ｅｑ−ｅｌ）
式中、ｎはグラフのノードの数であり、ｂｒはブランチの数であり、ｅｌは測定要素の固定された数であり、ｓｈは分解能の精密性を特徴付けるシェルの数である（生成器のポールシフトｇも含む）。
【００２６】
方程式の系は、生成器位置の数によって過剰決定されて作成され得る。ｇの最適値は、式ｇ＝６×（ｓｈ＋１）によって決定され得る。
【００２７】
ｇの値は測定要素ｅｌの数から独立しているため、測定要素の数における変化は、数学問題の可解性に影響を与えないことがここに留意される。これは、事実上、ソフトフィールド断層撮影撮像の分解能を、逆問題の可解性を損なうことなく高めることができることを意味する。測定方法の実現は、所望の分解能（画像詳細）によって常に決定される。
【００２８】
前述のパラメータによるデータ取得によって得ることができる方程式の系の特性は、分解能を高めて、すなわちｓｈ＝１およびｓｈ＝５それぞれの値の選択によって、以下の表１および２においてまとめられる。方程式の数が、実際に、測定要素の数から独立して未知数を超えることを表から分かる。
【表１】
2019505772.tif 000003
【表２】
2019505772.tif 000004
【００２９】
一般的に言えば、データ取得が前述にしたがって実施されるとき、（ＥＩＴ測定、好ましくは金属電極の場合）測定要素のｅｌ数は、任意の幾何学的形状にしたがって配置された調査対象の物体の表面上または表面近くで利用可能であり、この測定要素は、対で接続されて各測定のための、すなわち各測定データを得るための測定回路を形成し、測定ユニットが、各測定回路内に含まれる。可能な組み合わせの数は、ｅｌ２であり、これは、測定の最大数と等しい。このようにして、各々の可能な組み合わせは、これに対応する方程式系を有する。同じ物体が、次々と実施される励起中に測定されるとき、各々の取得された方程式系の未知の変数は、同じインピーダンスマトリクスである。したがって、データ取得スキームの結果、過剰決定された方程式系が生じる。
【００３０】
方程式の系を確立する前、物体は、測定要素によって特定の周波数で励起にかけられる。接地されたコネクタ、これ以後、励起を実施する信号生成器の接地点または冷点（コールドスポット）（０Ｖ；ＧＮＤ）が、測定要素の１つに接続される場合、これ以後信号生成器のアライブポイント（ａｌｉｖｅ  ｐｏｉｎｔ）または温点（ホットスポット）（＋Ｉ；ＧＥＮ）を表す他のコネクタは、残りのｎ−１測定要素の任意の１つに接続され得る。完了後、信号生成器のこの一時的に固定されたコネクタ位置において測定回路によって測定が実施され、次いで、信号生成器の温点＋Ｉは、別の測定要素に再配置され得る。信号生成器の冷点ＧＮＤが別の測定要素に再配置される場合、ここでもｎ−１可能性が、信号生成器の前記温点＋Ｉを再配置するために利用可能になり、すなわちここで論じる再接続の可能性を利用することによって、最大のｅｌ２測定を実行することができる。
【００３１】
実際に測定を実施するために、各測定回路の測定ユニットの１つのコネクタは、測定要素に接続され、測定ユニットの他のコネクタは、信号生成器の冷点（ＧＮＤ）に接続される。このようにして、各測定要素の電位は、データ取得中、測定回路の測定ユニットによって測定される。
【００３２】
前述にしたがって信号生成器の温点および冷点によって各測定要素によって実行される系統的走査は、図４の流れ図で追跡することができる。明らかなことに、データ取得中、信号生成器の温点および冷点（ＧＥＮ；ＧＮＤ）のみが、測定要素から測定要素（ｉ；ｊ）に動かされ、その間、測定要素の対によって形成された測定回路の各々上で、測定が実施され、その結果（Ｕ）は、任意選択により各測定値間で励起周波数（ｆ）を変更して記録される。
【００３３】
本発明者らの経験によれば、各信号生成器コネクタ配置において逆にされた位相でも測定を実施することは、データ処理に関して有利であるが、その理由は、方程式の系を反復するときに得られた測定結果もまた、解に関与し、したがって測定精度を高めるためである。
【００３４】
本方法の利点は、共通接地に接続された測定ユニットのコネクタが、測定要素から引き出される必要がなく、したがって残りの点のみが引き出されることである。これにより、散乱静電容量および測定によって引き起こされた周波数依存誤差は、簡易化される。必要であれば、各点の相違をデジタル的に生成することができる。
【００３５】
本発明者らによって使用されるデータ取得のスキームは、以下の主なステップを含む：
（ｉ）測定要素の各々（ｅｌ個）が、測定ユニットの差動測定入力の１つに電気的に接続され、一方で各測定ユニットの他の差動測定入力は、励起信号を提供する信号発生器の冷点（すなわち接地）に固定式に接続される（測定入力の位置は、測定中、変化しない）。
（ｉｉ）信号生成器の冷点（０Ｖ；ＧＮＤ）が、第１の測定要素に接続される。
（ｉｉｉ）信号生成器の温点（＋Ｉ；ＧＥＮ）が、第１の測定要素と同じ測定回路内に配置された第２の測定要素に接続される。
（ｉｖ）物体が、第１および第２の測定要素を通じて特定（第１の）周波数で信号生成器によって生成された励起にかけられる。
（ｖ）それと同時に、方程式系を生成するために測定回路ごとに励起に対する物体の応答の測定を実施する。
（ｖｉ）過剰決定された方程式系が、（ｉｉ）から（ｖ）のステップを反復することによって生み出され、この場合、ステップ（ｉｖ）における物体の励起は、任意選択により、特定（第１の）周波数とは異なる１つ以上の周波数において実施される。
【００３６】
図３Ａおよび３Ｂにしたがい、上記で説明した全般的なデータ取得スキームが、次にしたがってデータ取得システム６０によって好ましい実装の形で実施される：送信ユニット６３−１、６３−２，．．．，６３−ｅｌ’（これ以後６３−ｉ；ｉ＝１、２，．．．，ｅｌ’）が、調査対象の物体６２の表面上に、実質的に任意に選択された幾何学的配置で配置される。送信ユニット６３−ｉは、適切な導管によって、好ましくはマルチプレクサ７０によって信号生成器８０のコネクタに接続される。信号生成器８０は、制御デバイス９０に接続され、制御デバイス９０の適切な制御信号に応答して、信号生成器は、所定の信号形状を有する励起信号を発し、この励起信号は、マルチプレクサ７０によって選択された送信ユニット６３−ｉの任意の２つ（すなわち１対）によって（この例では図３Ｂにしたがって、番号２および６でマークされた送信ユニットによって）物体６２に導入される。したがって、励起場が、物体６２内に生成される。この導入は、特に、生成器８０の温点８１が、選択された送信ユニットの１つに（図３Ｂによるこの例では、送信ユニット番号６に）接続され、一方で信号生成器８０の冷点８２（すなわち接地）が、選択された送信ユニットの他の一方（図３Ｂによるこの例では送信ユニット番号２）に接続されるように実施される。
【００３７】
データ取得中、励起に対する物体６２の応答が、測定され／記録される。測定を実施するために、受信ユニット６５−１、６５−２，．．．，６５−ｅｌ（これ以後６５−ｊ；ｊ＝１、２，．．．，ｅｌ）または測定ユニットが、調査対象の物体６２の表面上に、実質的に任意に選択された幾何学的配置で置かれる。受信ユニット６５−ｊは、これらが信号生成器８０の冷点８２と同じである共通接地を有するように配置される。測定を実施するために、受信ユニット６５−ｊは、マルチプレクサ７０による実質的に任意のペアリングで共通接地を有する測定回路／測定チャネルを形成する。所与の測定（測定構成）に使用される実際のペアリングは、固定アルゴリズムにしたがってマルチプレクサ７０によって提供／実施される（たとえば図４を参照）。少なくとも１つの測定ユニット６７−１、６７−２，．．．，６７−ｅｌ（これ以後：６７−ｊ；ｊ＝１，２，．．．，ｅｌ）は、各々のこうして得られた測定回路に対応する。受信ユニット６５−ｊは、送信ユニット６３−ｉによって物体６２の材料内に生成された励起場に与えられた、物体６２上の種々の幾何学的位置における応答（定量的特徴付け）を検出し、一方で測定ユニット６７−ｊは、数値（測定データ）、すなわち定量的特徴付けを有する応答の式を提供する。実際の測定構成において得られた測定データは、マルチプレクサ７０を通じて、制御ユニット９０に適切な方法で接続された測定データ取得ユニット８５に転送される。データ取得システム全体によって引き起こされた（たとえば連結導管からの）系統的および共通位相誤差の簡単な測定を容易にするために、（好ましくは知られているパラメータ、したがって所与のオーミック抵抗によって良好に測定可能である）基準要素６４が、信号生成器８０の冷点８２と、実際の測定構成でデータ取得に使用される測定回路の１つの受信ユニットの１つとの間で、この測定回路内へと挿入される。
【００３８】
データ取得方法によれば、信号生成器８０のコネクタの幾何学的位置（すなわち温点８１および冷点８２）から独立して、測定が、同時／同じ時間に各受信ユニット６５−ｊ上で信号生成器８０の冷点８２に対して実施される。測定回路の差動測定入力の位置は、任意の所与の測定構成におけるデータ取得中変化せず、信号生成器８０のコネクタのみが、好ましくは系統的走査中、マルチプレクサ７０によって物体６２上の異なる幾何学的位置に互いに独立して置かれる。
【００３９】
したがって、信号生成器８０および受信ユニット６５−ｊの接地は、共通である。こうして、励起およびデータ取得（測定）は、共通点に対して実施される。励起および測定は共通点に対して実施されるが、前記方法の共通点は、０Ｖに対応せず、定数によってこれからオフセットされた値に対応する。このオフセットは、信号生成器８０の冷点８２側に挿入された、既知の抵抗を有する基準要素６４（好ましくは純粋なオーミック抵抗器）によって引き起こされる。調査対象の物体６２を測定する際に起こる共通測定誤差（実際には、信号生成器８０の系統的誤差、共通位相誤差など）もまた、基準要素６４上に起こる。基準要素６４の抵抗が知られているので、各測定回路内で測定ユニット６７−ｊによって物体６２上で測定された電位値を簡単に補償することができ、すなわち、０Ｖに対する測定によって得ることができる測定データを、その抵抗から、たとえば引き算によって簡単に生成することができる。基準要素６４を含んだ結果、系統的誤差は、測定データの処理中（たとえば引き算、比率計算によって）、すなわち、挿入された基準要素６４を用いてデータ取得を実施する間、大きく低減され、測定データを、実際に、いままで解消することができないと考えられていたデータ取得システム６０の共通測定誤差に影響されないものにされ得る。方法のさらなる利点は、これがさらに統計的誤差も低減することである。これは重要であり、その理由は、第１にソフトフィールド断層撮影撮像方法が０Ｖに対する測定データを必要とするためであり、第２にソフトフィールド断層撮影撮像方法は、測定システムにおいて、および測定プロセス中に起こる補償されない誤差に対して極めて敏感であり、したがって撮像の品質の改良は、誤差の低減を必要とするためである。
【００４０】
送信ユニット６３−ｉおよび／または受信ユニット６５−ｊは、調査対象の物体６２の表面上に直接的に、たとえば金属電極の形態で配置され得る。本明細書では、送信ユニット６３−ｉおよび／または受信ユニット６５−ｊは、励起のためおよび／またはデータ取得のために物体６２の内側に配置されてもよい（すなわち貫入する）ことが留意される。たとえば、針電極が、そのような配置の例として機能することができる。
【００４１】
さらに、送信ユニット６３−ｉおよび受信ユニット６５−ｊは、単一の一体型測定センサ、または換言すれば変換器として形成されてもよく、それによって測定システムを作り出すことを大きく簡易化する。そのような場合、測定システム１００は、好ましくは、同一数の送信ユニットおよび受信ユニットを備えることができ、すなわちｅｌ’＝ｅｌが満足されるが、これは必要ではない。
【００４２】
さらに、概して異なるタイプの励起を、物体６２を形成する材料内に、送信ユニット６３−ｉによってそのタイプに基づいて生成することができ、とりわけたとえば、電気的、磁気的、光的、または熱的励起を生成することできることが明白である。励起のタイプに基づいて、送信ユニット６３−ｉ、受信ユニット６５−ｊ、または変換器、および物体６２の結合は、異なる性質、たとえば、電気的、静電容量的、ガルバニック式、熱交換式などのものになり得る。
【００４３】
励起波形は、通常、（純粋な）正弦／余弦波形であるが、励起自体は、信号生成器８０によって提供される双極性方形信号によって実施され得る。さらに、信号生成器８０を電流生成器または電圧生成器の作動モードで作動させることもできる。
【００４４】
上述に照らして明白であるように、図３Ｂに概略的に示すソフトフィールド断層撮影データ取得に適した測定システム１００の好ましい実施形態は、データ取得システム６０と、信号生成器８０と、マルチプレクサ７０を介してこれに接続された測定データ取得ユニット８５と、信号生成器８０および測定データ取得ユニット８５を制御し、任意選択により、測定データの（前）処理を実施するための制御ユニット９０とを、当業者に知られている任意の必要な付属品、たとえば適切な信号増幅器、信号調節ユニット、任意選択によりさらなるノイズフィルタおよび測定システム１００の作動に必要な他の類似のデバイス（たとえば電源、導管など）と共に備える。マルチプレクサ７０は、種々の系統的に選択され走査された送信ユニット位置内に励起をもたらすように適切にプログラム可能なユニットである。同様に、データ取得の系統的実行をもたらすために、測定データ取得ユニット８５自体もまた、プログラム可能なユニットとして構成される。さらに、測定データの簡単な記憶および任意選択の処理のために、制御デバイス９０が、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）またはプログラム可能なマイクロ制御装置の形態で設けられ得る。ソフトフィールド断層撮影撮像が測定データに基づいて実施されるものでもある場合、制御デバイス９０をパーソナルコンピュータとして実装することが特に好ましい。
【００４５】
また、たとえば電気励起の場合、測定ユニット６７−ｊを通常の電圧計の形態で設けることもできるが、測定ユニット６７−ｊの数が比較的多い場合、これらは、高分解能精度測定デバイス（たとえばロックイン増幅器）の形態で設けられることが好ましいことも留意される。データ取得が、たとえば複数の周波数において実施される場合、ロックイン原理に基づいてデバイスを使用することが特に好ましい。
【００４６】
前述にしたがってデータ取得によって得られた測定データは：
−電位値であり（これらは実際には０ｖに対して測定されるため）
−（周波数依存性の、一時的に一定の）共通位相誤差を含まず、
−誤差重畳が無い。
【００４７】
前記生測定データは、ソフトフィールド断層撮影撮像に使用される前に、好ましくは制御デバイス自体によって前処理にかけられるが、前処理はまた、専用の処理ユニットによって実施されてもよい。前処理の目的は、たとえば調査対象の物体の内部構造の（インピーダンスに基づく場合の）再構築のためにソフトフィールド断層撮影撮像アルゴリズムにインポートされるデータを線形化し、これを、測定データを取得するために使用されるデータ取得システムおよび共通の測定誤差から切り離すことである。
【００４８】
この目的を達成するために、第１のステップにおいて、生データがｎ要素を有するベクトルで、以下の形態で配置される：
【数１】
2019505772.tif 000005
式中
【数２】
2019505772.tif 000006
は、第ｉの励起構成内の有向グラフの第ｎのノードで測定された電位値である。
【００４９】
データ取得中、そのようなベクトルのｅｌ２の最大数を記録することができる。別々の役割を有する２つの電位値が、各々のそのようなベクトルにおいて選択される：
【数３】
2019505772.tif 000007
は、信号生成器の冷点（ＧＮＤ）の位置において測定された電位値であり、
【数４】
2019505772.tif 000008
は、信号生成器の温点＋Ｉ（ＧＥＮ）で測定された電位値である。
【００５０】
たとえばｎ＝８の場合の特有の例では、測定構成番号３（すなわちｉ＝３）（図３Ａを参照）において、信号生成器の冷点ＧＮＤが走査中第３の測定要素上にあり、その温点＋Ｉが第１の測定要素上にある場合、電位値を含むベクトルは、以下の形態になる：
【数５】
2019505772.tif 000009
【００５１】
生測定データの前処理は、この特有の例においてさらに実証される。前処理中：
（１）
【数６】
2019505772.tif 000010
の値は、各測定データから差し引かれ（共通位相誤差の抑制）、それによってこの例によって以下の結果をもたらす。
【数７】
2019505772.tif 000011
（２）これらの測定データは複素数（正弦／余弦励起の結果）であるため、これらの各々は、指数形式で記録され、したがって、
【数８】
2019505772.tif 000012
および
【数９】
2019505772.tif 000013
の振幅ベクトルおよび位相ベクトルそれぞれが、この例によって得られる。
（３）
【数１０】
2019505772.tif 000014
の公式を使用することにより、減衰値が、振幅ベクトルの各要素から算出される：
【数１１】
2019505772.tif 000015
（４）
【数１２】
2019505772.tif 000016
の公式を使用することにより、信号生成器の冷点と温点との間の
【数１３】
2019505772.tif 000017
の加算されたインピーダンス値が、
【数１４】
2019505772.tif 000018
の値から算出され、式中、
【数１５】
2019505772.tif 000019
およびＲは、信号生成器の冷点側に挿入された基準要素６４の抵抗である（図３Ａを参照）。
この例にしたがって、
【数１６】
2019505772.tif 000020
ベクトルを得ることができる。
（５）この後で、
【数１７】
2019505772.tif 000021
の値が、位相ベクトルのすべての非ゼロ要素から差し引かれ、したがって、
【数１８】
2019505772.tif 000022
位相ベクトルを得る。
（６）冷点と温点との間で測定可能な加算されたインピーダンスの位相角度は、
【数１９】
2019505772.tif 000023
の公式によって得られ、式中
【数２０】
2019505772.tif 000024
は、信号生成器の冷点において、すなわち基準要素６４上で測定された電圧の位相である。
したがって、この例では、
【数２１】
2019505772.tif 000025
である。
【００５２】
ステップ（１）から（６）において実施された変換の結果、例にしたがって第ｉの測定構成において取得され、さらにデータ取得システムによって引き起こされた系統的誤差に関して補償されたデータベクトルが、
【数２２】
2019505772.tif 000026
および
【数２３】
2019505772.tif 000027
の形態で得られる。
【００５３】
すなわち、生測定データは、ソフトフィールド断層撮影分析方法、特に上記のステップ（１）から（６）によって実施された変換によるＥＩＴ方法の画像再構築に使用することができる、ｎ×ｉのサイズのマトリクスとして減衰の位相データの形態に変換される。
【００５４】
前記前処理の利点は
−これが、（測定結果の高分解能、周波数依存の引き算によって）共通位相誤差の抑制を高め、
−これが、比率計算の結果として振幅の非線形誤差を低減し、
−これが、システム（特に信号生成器）の系統的誤差（信号生成器の位相誤差）を抑制し、
−これが、測定結果をデータ取得の条件および測定システムから切り離す（これは調査対象の物体の移動特性を固定する）ことである。
【００５５】
使用されるインピーダンスモデルの利点の１つは、各ブランチ上のインピーダンス（またはアドミッタンス）値が、周波数依存性であることである。これは、種々の周波数において実施された測定の測定結果は異なるが、その処理に使用されるパラメータ（たとえば抵抗、容量など）は、すべての方程式系において同じであることを意味する。これは、異なる周波数において上記で説明したデータ取得スキームを反復することによって方程式の数を２倍にする機会をもたらす。したがって、第２、第３などの周波数において励起を実施することによって方程式系の数を倍加することができるため、ｅｌ２個の可能性に対してデータ取得を実行する必要はない。その結果、解かれる方程式系は、任意の複雑性を有するグラフに対して過剰決定にされ得る。したがって、ソフトフィールド断層撮影分析が計画されるとき、その目的は、好ましくは測定に最適な周波数を見出すことである。種々の周波数上で得られた生測定データは、前述の前処理中、周波数ごとに２つのｎ×ｉサイズのマトリクスで記憶される。
【００５６】
まとめ：前述によれば、本発明の目的は、ソフトフィールド断層撮影による（非破壊的）材料試験方法（撮像）の一部として使用される、調査対象の物体の選択された特性をマッピングするためのデータ取得／処理方法および測定システムである。データ取得中、好ましくは物体の材料内に生成された電場のパラメータは、好ましくは少なくとも１つの周波数において測定ユニットによって決定され、この測定ユニットは、好ましくは調査対象の物体の表面上に配置され、信号生成器と同じ電位、好ましくは接地電位にある信号生成器の冷点側に接続される。この後、分析された物体の内部（すなわち容積）構造が、測定データに対応する線形ネットワークモデル近似にしたがって方程式系を確立し、解くことによって決定され得る。知られている値の抵抗によって形成された基準要素を、ソフトフィールド断層撮影測定を実施するために使用される測定システム内の信号生成器の冷点側に導入することにより、データ取得システム全体によって引き起こされる系統的誤差およびデータ取得システムの共通位相誤差を決定することができ、得られた生測定データは、このいわゆる共通測定誤差に関して補償され得る。調査対象の物体は、好ましくは、算出を実施するために有向ネットワークグラフによって特徴付けられた（電気）インピーダンスネットワークによってモデル化される。複数の幾何学的地点および複数の周波数においてデータ取得を実施することにより、以前より良好な分解能を達成することができ、測定データの情報内容も極めて向上させる。
【００５７】
明白なことに、各データ取得位置に合わせて送信ユニット／受信ユニットを適切に選択することによって、複数のタイプのデータ取得を一緒に／組み合わせて実施することができる。これもまた、ソフトフィールド断層撮影分析方法の分解能を高め、測定データの情報内容を極めて向上させる。
【００５８】
また、調査対象の物体の複雑な内部構造および物体の材料内で生成される複雑な電場を簡易化するために、また、必要な場合、物体に戻って作用する、調査対象の物体の外側に生成される電場を考慮するために、調査対象の物体に関連する線形ネットワークを、たとえばメービウス（Ｍｏｂｉｕｓ）変換によってより簡単な幾何学的形態に変換することができ、そのため作り出された電位場の分析がより簡単になることも留意される。変換の結果、調査対象の物体の材料の離散化は、その中に作り出された電場をより厳密にたどり、そのため逆問題の解によって得られるインピーダンス値は、調査対象の物体の内部構造をより正確に特徴付け、その結果、ソフトフィールド断層撮影撮像／分析が改良される。
【図１】
2019505772.tif 000028
【図２Ａ】
2019505772.tif 000029
【図２Ｂ】
2019505772.tif 000030
【図３Ａ】
2019505772.tif 000031
【図３Ｂ】
2019505772.tif 000032
【図４】
2019505772.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】平成29年10月16日(2017.10.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（６２）のソフトフィールド断層撮影分析におけるデータ取得のための測定システム（１００）であって、送信ユニット（６３−ｉ）と、受信ユニット（６５−ｊ）と、測定ユニット（６７−ｊ）と、アライブポイント（「温点」８１）および接地点（「冷点」８２）を有する励起ユニットと、測定データ取得ユニット（８５）と、制御ユニット（９０）とを備え、前記測定システム（１００）の作動状態において、
前記制御ユニット（９０）は、前記励起ユニットおよび前記測定データ取得ユニット（８５）に動作可能に接続されて、前記励起ユニットおよび前記測定データ取得ユニット（８５）を制御し、
前記励起ユニットは、同時に、その温点（８１）および冷点（８２）を介して１つずつ前記送信ユニット（６３−ｉ）に接続されて、前記送信ユニット（６３−ｉ）を駆動し、前記励起ユニットの前記冷点（８２）は、電源接地に対応し、
前記励起ユニットに接続された少なくとも前記送信ユニット（６３−ｉ）は、調査対象の前記物体（６２）に１つ１つ結合されて、前記物体（６２）内に励起場を作り出し、
前記受信ユニット（６５−ｊ）は、調査対象の前記物体（６２）に１つ１つ結合されて前記物体（６２）内の前記励起場に対する応答を検出し、
前記受信ユニット（６５−ｊ）は、一緒に対に接続されて測定回路を形成し、前記受信ユニット（６５−ｊ）によって検出された前記応答を測定データによって定量的に特徴付け、前記測定回路の各々は、前記定量的特徴付けのために少なくとも第１および第２の測定入力を有する測定ユニット（６７−ｊ）を備え、前記測定回路の前記第１および第２の受信ユニットは、前記測定回路内の前記測定ユニット（６７−ｊ）の前記第１および第２の測定入力それぞれに接続され、前記受信ユニット（６５−ｊ）の各々の電源接地は、前記励起ユニットの前記冷点に接続され、
各測定回路の前記測定ユニット（６７−ｊ）は、前記測定データ取得ユニット（８５）に接続されて前記測定データを取得し、
基準要素（６４）は、前記測定回路の１つ内の、前記励起ユニットの前記冷点（８２）と前記冷点（８２）に接続された前記受信ユニット（６５−ｊ）の１つとの間に挿入されて、前記冷点（８２）に接続された前記それぞれの受信ユニット（６５−ｊ）によって提供された前記それぞれの測定データをオフセット値だけシフトすることを特徴とする、測定システム。
【請求項２】
請求項１に記載の測定システム（１００）であって、マルチプレクサ（７０）をさらに備え、前記マルチプレクサ（７０）は、前記励起ユニットと前記励起ユニットによって駆動される前記送信ユニット（６３−ｉ）との間、ならびに前記受信ユニット（６５−ｊ）の各々と前記測定データ取得ユニット（８５）との間に挿入され、前記マルチプレクサ（７０）は、前記励起ユニットに接続された送信ユニット（６３−ｉ）を、任意の対になるように各測定回路を形成する前記受信ユニット（６５−ｊ）に動作可能に接続するように構成されることを特徴とする、測定システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の測定システム（１００）であって、前記基準要素（６４）は、知られているパラメータの要素によって、好ましくは特定の値の純粋にオーミックな抵抗を有する要素によって提供され、前記オフセット値は、一定の値であることを特徴とする、測定システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記測定ユニット（６７−ｊ）の前記測定入力は、差動測定入力であることを特徴とする、測定システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記測定ユニット（６７−ｊ）は、高分解能を有する精度測定装置によって、好ましくはロックイン増幅器によって提供されることを特徴とする、測定システム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記励起ユニットは、作動状態において電流生成器または電圧生成器のいずれかとして作動することができる信号生成器（８０）によって提供されることを特徴とする、測定システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記送信ユニット（６３−ｉ）は、調査対象の前記物体（６２）の電気励起に合わせて構成されたデバイスによって提供され、前記測定ユニット（６７−ｊ）は、電圧計によって提供されることを特徴とする、測定システム。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記送信ユニット（６３−ｉ）および前記受信ユニット（６５−ｊ）は、調査対象の前記物体（６２）の表面上に配置されるのに適したデバイスとして構成されることを特徴とする、測定システム。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記送信ユニット（６３−ｉ）および前記受信ユニット（６５−ｊ）は、調査対象の前記物体（６２）の容積内に少なくとも部分的に配設されるのに適したデバイスとして構成されることを特徴とする、測定システム。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記送信ユニット（６３−ｉ）および前記受信ユニット（６５−ｊ）は、金属電極およびピン電極からなる群から選択されることを特徴とする、測定システム。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記送信ユニット（６３−ｉ）および／または受信ユニット（６５−ｊ）の各々と、調査対象の前記物体（６２）との間の結合は、電気的、静電容量的、ガルバニック式、熱交換式および光の結合からなる群から選択されることを特徴とする、測定システム。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記送信ユニット（６３−ｉ）および前記受信ユニット（６５−ｊ）は、前記送信ユニットおよび受信ユニット両方の機能を一体的に備える測定検出器によって提供されることを特徴とする、測定システム。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の測定システム（１００）であって、前記物体（６２）は、不均質の材料分布を有する、任意選択により、容積上の構造的欠陥も含む物体によって提供されることを特徴とする、測定システム。
【請求項１４】
物体（６２）のソフトフィールド断層撮影分析におけるデータ取得のための方法であって、
（ｉ）送信ユニット（６３−ｉ）および受信ユニット（６５−ｊ）を前記物体（６２）と特定の幾何学的パターンを有する配置で結合させるステップと、
（ｉｉ）前記物体（６２）を、送信ユニット（６３−ｉ）の少なくとも１つの対によって、送信ユニットの前記対を励起ユニットによって生成された励起信号によって駆動させることによって容積励起にかけ、前記対（複数可）を形成する前記送信ユニット（６３−ｉ）の１つの送信ユニットを、前記励起ユニットの温点（８１）に接続し、前記他の送信ユニットを前記励起ユニットの冷点（８２）に接続するステップであって、前記励起ユニットの前記冷点（８２）は、電源接地に対応する、ステップと、
（ｉｉｉ）受信ユニット（６５−ｊ）によって形成された受信ユニット対から作り出された測定回路によって、前記励起に対する前記物体（６２）の完全な応答を測定することによって測定データを作り出すステップであって、各測定回路は、少なくとも１つの測定ユニット（６７−ｊ）をさらに備え、前記測定ユニット（６７−ｊ）は、第１および第２の測定入力を有し、前記測定を実施するとき、前記物体（６２）に結合された各受信ユニット対の１つの受信ユニット（６５−ｊ）は、前記第１の測定入力および前記第２の測定入力に接続される、作り出すステップと、
（ｉｖ）前記得られた測定データを記憶するステップと、
（ｖ）前記励起を実行する前記送信ユニット（６３−ｉ）の少なくとも１つを、前記物体（６２）に結合されている前記送信ユニットからの別の送信ユニットに取り替えた後、および／または前記測定を実行する前記測定回路の前記少なくとも１つの少なくとも１つの受信ユニット（６５−ｊ）を、前記物体（６２）に結合された前記受信ユニットからの別の受信ユニットに取り替えた後、ステップ（ｉｉ）〜（ｉｖ）を反復するステップとを含み、
前記方法は、
−各受信ユニット（６５−ｊ）の電源接地を前記励起ユニットの前記冷点に接続するステップであって、それによって共通電位に接続されている間に前記物体（６２）を励起し、各測定を実行する、接続するステップと、
−基準要素（６４）を前記測定回路の１つ内の、前記励起ユニットの前記冷点（８２）と、前記冷点（８２）に接続された前記受信ユニット（６５−ｊ）の１つとの間に挿入し、前記基準要素（６４）上の測定を、前記励起に対する前記物体（６２）の前記完全な応答の前記測定と同時に実行し、それによって系統的および共通位相誤差を表すオフセット値だけシフトされた測定データを、前記冷点（８２）に接続された前記それぞれの受信ユニット（６５−ｊ）上で得るステップであって、前記基準要素上で実行された前記測定の結果もまた記憶される、ステップとをさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、前記送信ユニットの１つの取り替えおよび／または前記測定回路の少なくとも１つの前記受信ユニット（６５−ｊ）の少なくとも１つの取り替えは、マルチプレクサ（７０）によって制御される方法で、前記送信ユニット（６３−ｉ）および／または前記受信ユニット（６５−ｊ）による走査によって実施されることを特徴とする、方法。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の方法であって、前記物体（６２）は、前記測定を開始する前に離散化され、ネットワークモデル近似において得られた有向グラフによって表され、ステップ（ｉｉ）−（ｉｖ）の反復は、前記有向グラフのブランチによって表される前記インピーダンス値を決定するための方程式の系の過剰決定が達成されるまで継続され、方程式の前記系を形成する前記方程式の未知数は、前記インピーダンス値であり、その係数は、前記励起に対する前記物体（６２）の総応答を測定することによって得られる測定データであることを特徴とする、方法。
【請求項１７】
請求項１４から１６のいずれか１項に記載の方法であって、前記物体（６２）の前記励起は、方程式の前記系の過剰決定を達成するために種々の励起周波数において実施されることを特徴とする、方法。
【請求項１８】
請求項１４から１６のいずれか１項に記載の方法であって、前記物体（６２）の前記励起はまた、方程式の前記系の前記過剰決定を達成するために前記送信ユニット（６３−ｉ）上で前記励起ユニットの前記温点（８１）および前記冷点（８２）を交換することによって実施されることを特徴とする、方法。
【請求項１９】
請求項１４から１８のいずれか１項に記載の方法であって、前記基準要素（６４）は、純粋にオーミックな抵抗器であり、前記励起に対する前記物体（６２）の総応答を測定することによって得られた前記測定データは、補償された測定データに変換され、前記補償は、データ取得に使用される請求項１から１３のいずれか１項に記載の前記測定システムの系統的および共通位相誤差に対して、前記基準要素（６４）上で前記測定を実行することによって得られたオフセット値だけシフトされた測定データを使用することによって行われることを特徴とする、方法。
【請求項２０】
請求項１４から１９のいずれか１項に記載の方法であって、前記記憶された測定データは、前処理ステップにより、ソフトフィールド断層撮影撮像アルゴリズムによって直接的に使用されるのに適したフォーマットにされることを特徴とする、方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
したがって、信号生成器８０および受信ユニット６５−ｊの接地は、共通である。こうして、励起およびデータ取得（測定）は、共通点に対して実施される。励起および測定は共通点に対して実施されるが、前記方法の共通点は、０Ｖに対応せず、定数によってこれからオフセットされた値に対応する。このオフセットは、信号生成器８０の冷点８２側に挿入された、既知の抵抗を有する基準要素６４（好ましくは純粋なオーミック抵抗器）によって引き起こされる。調査対象の物体６２を測定する際に起こる共通測定誤差（実際には、信号生成器８０の系統的誤差、共通位相誤差など）もまた、基準要素６４上に起こる。基準要素６４の抵抗が知られているので、各測定回路内で測定ユニット６７−ｊによって物体６２上で測定された電位値を簡単に補償することができ、すなわち、０Ｖに対する測定によって得ることができる測定データを、その抵抗から、たとえば引き算によって簡単に生成することができる。基準要素６４を含んだ結果、系統的誤差は、測定データの処理中（たとえば引き算、比率計算によって）、すなわち、挿入された基準要素６４を用いてデータ取得を実施することによって、大きく低減され、測定データを、実際に、いままで解消することができないと考えられていたデータ取得システム６０の共通測定誤差に影響されないものにされ得る。方法のさらなる利点は、これがさらに統計的誤差も低減することである。これは重要であり、その理由は、第１にソフトフィールド断層撮影撮像方法が０Ｖに対する測定データを必要とするためであり、第２にソフトフィールド断層撮影撮像方法は、測定システムにおいて、および測定プロセス中に起こる補償されない誤差に対して極めて敏感であり、したがって撮像の品質の改良は、誤差の低減を必要とするためである。
【国際調査報告】
2019505772.tif 000034
2019505772.tif 000035