特許 7506397 可視化システム、可視化方法及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-18

(45)【発行日】2024-06-26

(54)【発明の名称】可視化システム、可視化方法及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   A61B 8/14 20060101AFI20240619BHJP

【ＦＩ】

A61B8/14

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020099314

(22)【出願日】2020-06-08

(65)【公開番号】P2021192720

(43)【公開日】2021-12-23

【審査請求日】2023-04-28

(73)【特許権者】

【識別番号】305027401

【氏名又は名称】東京都公立大学法人

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100152272

【弁理士】

【氏名又は名称】川越 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100181722

【弁理士】

【氏名又は名称】春田 洋孝

(72)【発明者】

【氏名】田川 憲男

【審査官】永田 浩司

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１２／０２９４６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１４８８９４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】Chuan Chen, et al.，Improved Plane-Wave Ultrasound Beamforming by Incorporating Angular Weighting and Coherent Compounding in Fourier Domain，IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL，2018年，VOL.65, NO.5，749-765

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ８／００ － ８／１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

可視化の対象である可視化対象の画像を生成する可視化システムであって、
複数種類の放射角の中から選ばれる特定の放射角と複数種類の周波数から選ばれる特定の周波数の組み合わせを要素として備える複数種類の平面波を前記可視化対象を含む空間に順に放射する放射源により前記空間に放射された前記平面波が前記空間中の散乱体又は反射体によって反射又は散乱された結果であるエコー波を検出する複数の検出部の検出結果を示す検出信号を前記検出部毎に取得する検出信号取得部と、
前記検出信号と、前記検出信号を生成した前記平面波が放射されたタイミングと前記検出信号を検出した前記検出部とを示す検出情報と、前記検出信号を生成した前記平面波の種類を示す放射情報と、に基づき、要素が前記放射角と前記周波数と前記検出部との組ごとに前記検出信号の同相成分と直交成分とを表す解析信号を示す値である解析信号値を有する３階伝搬テンソルを取得する３階伝搬テンソル取得部と、
大きさが所定の値であって方向が放射角の表す方向である波数ベクトルを有する前記平面波が予め定められた所定のパルス状の波の形成に寄与する割合を示す放射角重みと、方向が所定の方向であって大きさが周波数に比例する波数ベクトルを有する前記平面波が前記パルス状の波の形成に寄与する割合を示す周波数重みと、を用いて前記３階伝搬テンソルの放射角方向又は周波数方向の一方の方向に前記３階伝搬テンソルを縮約したのち他方の方向に縮約を行う縮約部と、
前記縮約部の縮約の結果に基づき前記画像の１ピクセルの輝度値を取得する輝度値取得部と、
を備える可視化システム。

【請求項2】

前記平面波は、超音波の平面波である、
請求項１に記載の可視化システム。

【請求項3】

可視化の対象である可視化対象の画像を生成する可視化方法であり、複数種類の放射角の中から選ばれる特定の放射角と複数種類の周波数から選ばれる特定の周波数の組み合わせを要素として備える複数種類の平面波を前記可視化対象を含む空間に順に放射する放射源により前記空間に放射された前記平面波が前記空間中の散乱体又は反射体によって反射又は散乱された結果であるエコー波を検出する複数の検出部の検出結果を示す検出信号を前記検出部毎に取得する検出信号取得部を備える可視化システムが実行する可視化方法であって、
前記検出信号と、前記検出信号を生成した前記平面波が放射されたタイミングと前記検出信号を検出した前記検出部とを示す検出情報と、前記検出信号を生成した前記平面波の種類を示す放射情報と、に基づき、要素が前記放射角と前記周波数と前記検出部との組ごとに前記検出信号の同相成分と直交成分とを表す解析信号を示す値である解析信号値を有する３階伝搬テンソルを取得する３階伝搬テンソル取得ステップと、
大きさが所定の値であって方向が放射角の表す方向である波数ベクトルを有する前記平面波が予め定められたパルス状の波の形成に寄与する割合を示す放射角重みと、方向が所定の方向であって大きさが周波数に比例する波数ベクトルを有する前記平面波が前記パルス状の波の形成に寄与する割合を示す周波数重みと、を用いて前記３階伝搬テンソルの放射角方向又は周波数方向の一方の方向に前記３階伝搬テンソルを縮約したのち他方の方向に縮約を行う縮約ステップと、
前記縮約ステップの縮約の結果に基づき前記画像の１ピクセルの輝度値を取得する輝度値取得ステップと、
を有する可視化方法。

【請求項4】

請求項１又は２に記載の可視化システムとしてコンピュータを機能させるためのプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、可視化システム、可視化方法及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超音波を用いて対象の画像を生成する超音波可視化の技術がある。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】Nghia Q. Nguyen and Richard W. Prager, “A Spatial Coherence Approach to Minimum Variance Beamforming for Plane-Wave Compounding”, IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, VOL. 65, NO. 4, APRIL 2018.

【文献】Francois Vignon and Michael R. Burcher, “Capon Beamforming in Medical Ultrasound Imaging with Focused Beams”, IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, VOL. 55, NO. 3, MARCH 2008.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、生体を外部のトランスデューサによって可視化可能な周波数帯の波長の超音波は可視化対象の生体の大きさに比べて波長が長い場合があった。また、超音波を用いて生体を可視化する場合、トランスデューサや生体の周波数特性に起因する波形の歪みが画像に生じる場合もあった。このように可視化の対象の大きさや物性値、トランスデューサの性能に依存して従来の可視化の技術では充分な分解能を得られない場合があった。またこのような問題は超音波に限らず、音波や電磁波等の波を用いた可視化の技術に共通する課題であった。

【0005】

上記事情に鑑み、本発明は、波を用いた可視化における分解能を向上させる技術を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

可視化の対象である可視化対象の画像を生成する可視化システムであって、
複数種類の放射角の中から選ばれる特定の放射角と複数種類の周波数から選ばれる特定の周波数の組み合わせを要素として備える複数種類の平面波を前記可視化対象を含む空間に順に放射する放射源により前記空間に放射された前記平面波が前記空間中の散乱体又は反射体によって反射又は散乱された結果であるエコー波を検出する複数の検出部の検出結果を示す検出信号を前記検出部毎に取得する検出信号取得部と、
前記検出信号と、前記検出信号を生成した前記平面波が放射されたタイミングと前記検出信号を検出した前記検出部とを示す検出情報と、前記検出信号を生成した前記平面波の種類を示す放射情報と、に基づき、要素が前記放射角と前記周波数と前記検出部との組ごとに前記検出信号の同相成分と直交成分とを表す解析信号を示す値である解析信号値を有する３階伝搬テンソルを取得する３階伝搬テンソル取得部と、
大きさが所定の値であって方向が放射角の表す方向である波数ベクトルを有する前記平面波が予め定められた所定のパルス状の波の形成に寄与する割合を示す放射角重みと、方向が所定の方向であって大きさが周波数に比例する波数ベクトルを有する前記平面波が前記パルス状の波の形成に寄与する割合を示す周波数重みと、を用いて前記３階伝搬テンソルの放射角方向又は周波数方向の一方の方向に前記３階伝搬テンソルを縮約したのち他方の方向に縮約を行う縮約部と、
前記縮約部の縮約の結果に基づき前記画像の１ピクセルの輝度値を取得する輝度値取得部と、
を備える可視化システムである。

【発明の効果】

【0007】

本発明により、波を用いた可視化における分解能を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態の可視化システム１００の概要を説明する説明図。

【図2】実施形態における可視化装置２の機能構成の一例を示す図。

【図3】実施形態における制御部２０の機能構成の一例を示す図。

【図4】実施形態における可視化システム１００が実行する輝度値取得単位処理の流れの一例を示すフローチャート。

【図5】実施形態の可視化システム１００によって得られた目的画像の一例を示す図。

【図6】実施形態の可視化システム１００によって得られた目的画像の断面の強度分布の一例を示す図。

【図7】実施形態の可視化システム１００による可視化の方法を含む複数の方法によって生成された画像のＳＮＲの一例を示す図。

【図8】実施形態の可視化システム１００による可視化の方法を含む複数の方法によって生成された画像の距離方向の分解能と方位方向の分解能との一例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（実施形態）
図１は、実施形態の可視化システム１００の概要を説明する説明図である。以下説明の簡単のため超音波による可視化を例に可視化システム１００を説明するが、可視化は必ずしも超音波を用いて行われる必要はなく音波や電磁波等の超音波以外の波を用いて行われてもよい。

【0010】

可視化システム１００は、可視化の対象（以下「可視化対象９０１」という。）の画像（以下「目的画像」という。）を生成する。可視化システム１００は、フェーズドアレイ１、可視化装置２及び駆動部３を備える。フェーズドアレイ１は、直線状又は円環状等のアレイ状に配置された複数の超音波振動素子１０１を備えるフェーズドアレイである。超音波振動素子１０１は、超音波振動素子である。フェーズドアレイ１は、複数の超音波振動素子１０１を用いて、放射角又は周波数の異なる（すなわち波数ベクトルｋの異なる）複数種類の平面波を所定の順に放射する。以下、フェーズドアレイ１が放射する平面波を放射平面波という。

【0011】

各超音波振動素子１０１は、放射平面波が放射された空間中の散乱体又は反射体によって放射平面波が散乱又は反射された結果の波（以下「エコー波」という。）を検出する。反射体は超音波を反射する物質である。散乱体又は反射体は、例えば可視化対象９０１である。エコー波を検出するとは、エコー波を、エコー波の振幅の時間変化を表す電気信号（以下「検出信号」という。）に変換することを意味する。以下説明の簡単のため、エコー波の振幅の時間変化を表す検出信号のことを単に、エコー波を表す検出信号という。検出信号は、エコー波の振幅の時間変化を表す電気信号であるため、超音波振動素子１０１によるエコー波の検出結果を示す信号である。

【0012】

フェーズドアレイ１は、放射モードの動作と検出モードの動作とを順番に繰り返す。放射モードは、所定の波数ベクトルｋの放射平面波を放射する動作モードである。各放射モードでは、波数ベクトルｋの違い（すなわち放射角Θ又は角周波数ωの違い）で分類される予め定められた所定の種類（以下「予定種類」という。）の放射平面波のうち放射されていない１種類の放射平面波が放射される。検出モードは、エコー波を検出する動作モードである。検出モードで検出されるエコー波は直前の放射モードで放射された放射平面波が散乱又は反射された超音波である。すなわち、検出モードで検出されるエコー波は直前の放射モードで放射された放射平面波によって生成された超音波である。

【0013】

図１の説明図Ｐ１は、予定種類の放射平面波の具体例を示す。説明図Ｐ１が示す予定種類の放射平面波の１つは、放射角が（－５）°の放射平面波である。説明図Ｐ１が示す予定種類の放射平面波の１つは、放射角が０°の放射平面波である。説明図Ｐ１が示す予定種類の放射平面波の１つは、放射角が（＋５）°の放射平面波である。

【0014】

フェーズドアレイ１は、放射モードの動作と検出モードの動作との繰り返しが予定種類の数だけ実行されるまで放射モードの動作と検出モードの動作とを繰り返す。このようにしてフェーズドアレイ１は、超音波振動素子１０１の数と予定種類の数との積の数だけの検出信号を生成する。以下、フェーズドアレイ１が生成した検出信号の集合であって超音波振動素子１０１の数と予定種類の数との積の数だけの検出信号の集合を検出信号群という。

【0015】

フェーズドアレイ１は有限の大きさであるため、放射モードで放射される放射平面波が伝搬する空間の広さは有限である。以下、放射モードで放射される複数種類の放射平面波のうち少なくとも１種類の放射平面波が伝搬する範囲を走査範囲という。可視化対象９０１は走査範囲内に位置する。

【0016】

可視化装置２は、フェーズドアレイ１によって生成された検出信号群を受信する。また、可視化装置２は、検出信号群の各検出信号について生成された検出モードのタイミングと検出した超音波振動素子１０１とを示す情報（以下「検出情報」という。）を、フェーズドアレイ１から取得する。検出情報が超音波振動素子１０１を示すとは、検出情報が超音波振動素子１０１の識別子（以下「検出素子識別子」という。）を示すことを意味する。また、可視化装置２は、各放射モードにおいて放射された放射平面波の種類を示す情報（以下「放射情報」という。）を取得する。

【0017】

可視化装置２は、検出信号群、検出情報及び放射情報に基づき３階伝搬テンソルを生成する。３階伝搬テンソルは、要素が放射角と周波数と超音波振動素子１０１の識別子との組ごとに解析信号を示す値（以下「解析信号値」という。）を有する３階のテンソルである。

【0018】

解析信号は、検出信号の同相成分と直交成分とを表す信号である。解析信号は、例えば検出信号にヒルベルト変換を行うことで取得される。ヒルベルト変換は、信号をヒルベルトフィルタに通す処理である。そのため、解析信号値は、検出信号の同相成分と直交成分とを表す値である。解析信号値は例えば同相成分を実部、直交成分を虚部とする複素数である。解析信号値は、具体的には検出信号の強度と位相（余弦成分と正弦成分の割合）ある。

【0019】

可視化装置２は、波数方向縮約処理を実行する。波数方向縮約処理は、３階伝搬テンソルに基づき、各超音波振動素子１０１について、走査範囲内の可視化対象９０１に所定の仮想的なパルス状の波（以下「仮想パルス波」という。）が照射された場合に取得される解析信号を取得する処理である。

【0020】

波数方向縮約処理は、例えば第１種放射角方向重み取得処理、第１種放射角方向縮約処理、第１種周波数方向重み取得処理及び第１種周波数方向縮約処理を含む。

【0021】

第１種放射角方向重み取得処理は、３階伝搬テンソルを放射角方向に縮約する際の各要素の重み（以下「第１種放射角重み」という。）を取得する処理である。第１種放射角重みは、より具体的には、大きさが第１の所定の値であって方向が放射角の表す方向である波数ベクトルを有する平面波が、予め定められた所定の波形を有するパルス波の形成に寄与する割合、である。第１種放射角重みは、例えば最小分散法等の受信ビームフォーマの技術（非特許文献１及び２参照）を用いて取得される。可視化（画像化）における受信ビームフォーマとは、受信された検出信号を利用した計算により可視化対象の画像情報を得ることある。

【0022】

第１種放射角方向縮約処理は、第１種放射角重みを３階伝搬テンソルの各要素の値に乗算した後、放射角方向の平均値（以下「第１種前段縮約値」という。）を算出する処理である。第１種放射角方向縮約処理により３階伝搬テンソルは、要素の値が周波数と検出素子識別子との組ごとに第１種前段縮約値を示す２階テンソル（以下「第１種２階伝搬テンソル」という。）に変換される。

【0023】

第１種周波数方向重み取得処理は、第１種２階伝搬テンソルを周波数方向に縮約する際の各要素の重み（以下「第１種周波数重み」という。）を取得する処理である。第１種周波数重みは、より具体的には、方向が第１の所定の方向であって大きさが周波数に比例する波数ベクトルを有する平面波が、予め定められた所定の波形を有するパルス波の形成に寄与する割合、である。第１種周波数重みは、例えば最小分散法等のビームフォーマの技術を用いて取得される。

【0024】

第１種周波数方向縮約処理は、第１種周波数重みを第１種２階伝搬テンソルの各要素の値に乗算した後、周波数方向の平均値（以下「第１種後段縮約値」という。）を算出する処理である。第１種周波数方向縮約処理により第１種２階伝搬テンソルは、要素の値が超音波振動素子１０１ごとに第１種後段縮約値を示す１階のテンソル（すなわちベクトル）に変換される。

【0025】

以下、第１種放射角方向重み取得処理、第１種放射角方向縮約処理、第１種周波数方向重み取得処理及び第１種周波数方向縮約処理を含む波数方向縮約処理を第１種波数方向縮約処理という。

【0026】

波数方向縮約処理は、例えば第２種周波数方向重み取得処理、第２種周波数方向縮約処理、第２種放射角方向重み取得処理及び第２種放射角方向縮約処理を含む。

【0027】

第２種周波数方向重み取得処理は、３階伝搬テンソルを周波数方向に縮約する際の各要素の重み（以下「第２種周波数重み」という。）を取得する処理である。第２種周波数重みは、より具体的には、方向が第２の所定の方向であって大きさが周波数に比例する波数ベクトルを有する平面波が、予め定められた所定の波形を有するパルス波の形成に寄与する割合、である。第２種周波数重みは、例えば最小分散法等のビームフォーマの技術を用いて取得される。

【0028】

第２種周波数方向縮約処理は、第２種周波数重みを３階伝搬テンソルの各要素の値に乗算した後、周波数方向の平均値（以下「第２種前段縮約値」という。）を算出する処理である。第２種周波数方向縮約処理により３階伝搬テンソルは、要素の値が放射角と超音波振動素子１０１との組ごとに第２種前段縮約値を示す２階テンソル（以下「第２種２階伝搬テンソル」という。）に変換される。

【0029】

第２種放射角方向重み取得処理は、第２種２階伝搬テンソルを放射角方向に縮約する際の各要素の重み（以下「第２種放射角重み」という。）を取得する処理である。第２種放射角重みは、より具体的には、大きさが第２の所定の値であって方向が放射角の表す方向である波数ベクトルを有する平面波が、予め定められた所定の波形を有するパルス波の形成に寄与する割合、である。第２種放射角重みは、例えば最小分散法等のビームフォーマの技術を用いて取得される。

【0030】

第２種放射角方向縮約処理は、第２種放射角重みを第２種２階伝搬テンソルの各要素の値に乗算した後、放射角方向の平均値（以下「第２種後段縮約値」という。）を算出する処理である。第２種周波数方向縮約処理により第２種２階伝搬テンソルは、要素の値が超音波振動素子１０１ごとに第２種後段縮約値を示す１階のテンソル（すなわちベクトル）に変換される。

【0031】

以下、要素が超音波振動素子１０１ごとに第１種後段縮約値を示す１階のテンソルと、要素が超音波振動素子１０１ごとに第２種後段縮約値を示す１階のテンソルとを、統合ベクトルという。また、以下、第１種放射角重みと第２種放射角重みとを区別しない場合、放射角重みという。以下、第１種周波数重みと第２種周波数重みとを区別しない場合、周波数重みという。

【0032】

以下、第２種周波数方向重み取得処理、第２種周波数方向縮約処理、第２種放射角方向重み取得処理及び第２種放射角方向縮約処理を含む波数方向縮約処理を第２種波数方向縮約処理という。

【0033】

このように、波数方向縮約処理は、放射角重みと周波数重みとを用いて３階伝搬テンソルの放射角方向又は周波数方向の一方の方向に３階伝搬テンソルを縮約したのち他方の方向に縮約を行う処理である。

【0034】

可視化装置２は、波数方向縮約処理の実行後、取得された統合ベクトルを用いて輝度値取得処理を実行する。輝度値取得処理は、統合ベクトルと統合ベクトルの複素共役との内積の平方根に１対１に対応する値（以下「統合値」という。）を取得する処理である。統合値は、可視化装置２が形成する目的画像における１つのピクセルの輝度値である。

【0035】

可視化システム１００では、フェーズドアレイ１の位置と可視化対象９０１の位置との相対位置が異なる複数の状況で統合値を取得する。複数の統合値の集合が可視化対象９０１の画像である。

【0036】

駆動部３はアクチュエータやシャフト等の駆動部品を備え、フェーズドアレイ１を移動させる。駆動部３は、例えば直動機構によってフェーズドアレイ１を移動させる。駆動部３の動作は、可視化装置２によって制御される。なお、駆動部３は、超音波振動素子１０１の駆動のタイミングを電子的に制御する（電子走査）することで送信方向を制御してもよい。

【0037】

図２は、実施形態における可視化装置２の機能構成の一例を示す図である。可視化装置２は、バスで接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ９１とメモリ９２とを備える制御部２０を備え、プログラムを実行する。可視化装置２は、プログラムの実行によって制御部２０、入力部２１、通信部２２、記憶部２３、出力部２４及び接続部２５を備える装置として機能する。より具体的には、プロセッサ９１が記憶部２３に記憶されているプログラムを読み出し、読み出したプログラムをメモリ９２に記憶させる。プロセッサ９１が、メモリ９２に記憶させたプログラムを実行することによって、可視化装置２は、制御部２０、入力部２１、通信部２２、記憶部２３、出力部２４及び接続部２５を備える装置として機能する。

【0038】

制御部２０は、可視化装置２が備える各種機能部の動作を制御する。制御部２０は、例えば波数方向縮約処理を実行する。また制御部２０は、フェーズドアレイ１及び駆動部３の動作を制御する。

【0039】

入力部２１は、マウスやキーボード、タッチパネル等の入力装置を含んで構成される。入力部２１は、これらの入力装置を自装置に接続するインタフェースを含んで構成されてもよい。入力部２１は、自装置に対する各種情報の入力を受け付ける。

【0040】

通信部２２は、自装置をフェーズドアレイ１及び駆動部３に接続するための通信インタフェースを含んで構成される。通信部２２は、有線又は無線を介してフェーズドアレイ１と通信する。通信部２２は、例えばフェーズドアレイ１から検出情報及び放射情報を取得する。通信部２２は、例えばフェーズドアレイ１の動作を制御する制御信号をフェーズドアレイ１に送信する。通信部２２は、有線又は無線を介して駆動部３と通信する。通信部２２は、例えば駆動部３の動作を制御する制御信号を駆動部３に送信する。

【0041】

記憶部２３は、磁気ハードディスク装置や半導体記憶装置などの非一時的コンピュータ読み出し可能な記憶媒体装置を用いて構成される。記憶部２３は可視化装置２に関する各種情報を記憶する。記憶部２３は、例えば駆動制御履歴を記憶する。駆動制御履歴は、制御部２０による駆動部３の制御の履歴を示す情報である。そのため駆動制御履歴はフェーズドアレイ１と駆動部３との間の相対位置を示す情報である。

【0042】

出力部２４は、各種情報を出力する。出力部２４は、例えばＣＲＴ（Cathode Ray Tube）ディスプレイや液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）ディスプレイ等の表示装置を含んで構成される。出力部２４は、これらの表示装置を自装置に接続するインタフェースとして構成されてもよい。出力部２４は、例えば入力部２１に入力された情報を出力する。

【0043】

接続部２５は、各超音波振動素子１０１の生成した検出信号を取得する。接続部２５は、検出信号が伝搬可能な導線で構成された回路であってフェーズドアレイ１に接続された回路である。そのため接続部２５には、検出信号が流れ込む。接続部２５による検出信号の取得とは、接続部２５に検出信号が流れ込むことを意味する。接続部２５を流れる検出信号は、制御部２０に流れ込む。

【0044】

図３は、実施形態における制御部２０の機能構成の一例を示す図である。制御部２０は、３階伝搬テンソル取得部２１０、縮約部２２０、輝度値取得部２３０、輝度値記録部２４０、駆動制御部２５０、フェーズドアレイ制御部２６０、画像生成部２７０及び出力制御部２８０を備える。

【0045】

３階伝搬テンソル取得部２１０は、解析信号取得部２１１、解析信号値取得部２１２、情報取得部２１３、情報統合部２１４及び終了判定部２１５を備える。

【0046】

解析信号取得部２１１は、接続部２５に流れる検出信号を解析信号に変換する回路である。解析信号取得部２１１は、例えばヒルベルトフィルタを有する回路であって、ヒルベルトフィルタによって検出信号を解析信号に変換する。

【0047】

解析信号値取得部２１２は、解析信号に基づき解析信号値を取得する。解析信号値取得部２１２は、例えば解析信号の振幅及び位相を測定し、例えば測定した解析信号の振幅と位相の組合せを解析信号値として取得する。

【0048】

情報取得部２１３は、通信部２２の動作を制御し通信部２２を介して、フェーズドアレイ１から検出情報及び放射情報を取得する。また情報取得部２１３は、記憶部２３が記憶する駆動制御履歴を取得する。

【0049】

情報統合部２１４は、解析信号値、検出情報及び放射情報に基づき、検出情報が示す検出素子識別子に対応する３階伝搬テンソルの要素であって放射情報が示す放射角及び周波数に対応する３階伝搬テンソルの要素に解析信号値を対応付ける。３階伝搬テンソルの要素に解析信号値を対応付けるとは、具体的には解析信号値と検出情報が示す検出素子識別子と放射情報が示す周波数と放射角とを１組の情報として記憶部２３に記録することを意味する。すなわち、３階伝搬テンソルの要素に解析信号値を対応付けるとは、検出素子識別子に対応する３階伝搬テンソルの要素であって放射情報が示す周波数及び放射角に対応する３階伝搬テンソルの要素の解析信号値を記憶部２３に記録することを意味する。

【0050】

終了判定部２１５は、予定種類の放射平面波の全てが放射されたか否かを判定する。終了判定部２１５は、全ての種類の放射平面波が放射されていない場合には、放射されていない種類の放射平面波の１つを所定の規則に従って選択する。放射平面波の１つを選択した終了判定部２１５は、フェーズドアレイ制御部２６０の動作を制御して、選択した種類の放射平面波をフェーズドアレイ１に放射させる。

【0051】

終了判定部２１５によって予定種類の放射平面波の全てが放射されたと判定された時点は、３階伝搬テンソルの全ての要素に解析信号値が対応済みの時点である。

【0052】

このようにして、３階伝搬テンソル取得部２１０は、検出信号、検出情報及び放射情報に基づき、要素が３階伝搬テンソルを取得する。

【0053】

縮約部２２０は、３階伝搬テンソルに対して波数方向縮約処理を実行する。輝度値取得部２３０は、輝度値取得処理を実行する。輝度値取得部２３０は輝度値取得処理の実行により目的画像の１ピクセルの輝度値を取得する。

【0054】

輝度値記録部２４０は、輝度値取得部２３０が取得した輝度値を、駆動制御履歴が示す相対位置（すなわち可視化対象９０１に対するフェーズドアレイ１の相対位置）に対応付けて記憶部２３に記録する。以下、輝度値と駆動制御履歴が示す相対位置との組を示す情報をピクセル情報という。

【0055】

駆動制御部２５０は、駆動部３に制御信号を送信することで駆動部３の動作を制御する。駆動部３はフェーズドアレイ１の位置を移動させる。そのため、駆動制御部２５０による駆動部３の動作の制御は、可視化対象９０１に対するフェーズドアレイ１の相対位置を制御することである。駆動制御部２５０は、駆動部３を制御するたびに制御の内容を記憶部２３に記録する。制御の内容の履歴が駆動制御履歴である。

【0056】

フェーズドアレイ制御部２６０は、フェーズドアレイ１の動作を制御する。

【0057】

画像生成部２７０は、ピクセル情報に基づき目的画像を生成する。画像生成部２７０は、具体的には駆動制御履歴が示す相対位置が互いに隣接する位置である２つのピクセル情報の輝度値を目的画像の互いに隣接する２つのピクセルの輝度値として取得することで目的画像を生成する。

【0058】

出力制御部２８０は、出力部２４の動作を制御し、出力部２４に目的画像を出力させる。

【0059】

図４は、実施形態における可視化システム１００が実行する輝度値取得単位処理の流れの一例を示すフローチャートである。輝度値取得単位処理は、目的画像の１ピクセルの輝度値を取得する処理である。そのため輝度値取得単位処理においては、フェーズドアレイ１と可視化対象９０１との間の相対位置が固定された状態である。

【0060】

フェーズドアレイ１が予定種類の放射平面波のうち放射されていない１種類の放射平面波を放射する（ステップＳ１０１）。次に超音波振動素子１０１がエコー波を検出し、検出信号を生成する（ステップＳ１０２）。次に接続部２５が各超音波振動素子１０１の検出した検出信号を取得する（ステップＳ１０３）。次に解析信号取得部２１１が、超音波振動素子１０１ごとの検出信号を解析信号に変換する（ステップＳ１０４）。次に解析信号値取得部２１２が、超音波振動素子１０１ごとの解析信号に基づき超音波振動素子１０１ごとに解析信号値を取得する（ステップＳ１０５）。次に情報取得部２１３が、ステップＳ１０２で生成された検出信号を生成した放射平面波についての放射情報と、ステップＳ１０２で生成された検出信号を生成した超音波振動素子１０１を示す検出情報とを取得する（ステップＳ１０６）。

【0061】

次に情報統合部２１４が、検出情報が示す検出素子識別子に対応する３階伝搬テンソルの要素であって放射情報が示す放射角及び周波数に対応する３階伝搬テンソルの要素に解析信号値を対応付ける（ステップＳ１０７）。次に終了判定部２１５が予定種類の放射平面波の全てが放射されたか否かを判定する（ステップＳ１０８）。放射されていない放射平面波がある場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、終了判定部２１５は放射されていない種類の放射平面波の１つを所定の規則に従って選択する（ステップＳ１０９）。ステップＳ１０９の次にステップＳ１０１の処理に戻り、ステップＳ１０９で選択された種類の放射平面波がフェーズドアレイ１から放射される。

【0062】

一方、全ての放射平面波が放射済みの場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、縮約部２２０が３階伝搬テンソルに対して波数方向縮約処理を実行する（ステップＳ１１０）。次に輝度値取得部２３０が輝度値取得処理の実行により目的画像の１ピクセルの輝度値を取得する（ステップＳ１１１）。次に輝度値記録部２４０が、輝度値を、駆動制御履歴が示す相対位置に対応付けて記憶部２３に記録する（ステップＳ１１２）。

【0063】

目的画像は、輝度値取得単位処理を１回実行するたびにフェーズドアレイ１と可視化対象９０１との間の相対位置を変更するという処理が所定の終了条件が満たされるまで繰り返されることで得られる。フェーズドアレイ１と可視化対象９０１との間の相対位置の変更は具体的には、駆動制御部２５０によって実行される。また所定の終了条件の判定は、例えば駆動制御部２５０によって実行される。

【0064】

＜実験結果＞
図５は、実施形態の可視化システム１００によって得られた目的画像の一例を示す図である。図５の画像Ｇ１、画像Ｇ２、画像Ｇ３及び画像Ｇ４はいずれも金属ワイヤを内包するファントムを可視化した像である。図５の画像Ｇ１、画像Ｇ２、画像Ｇ３及び画像Ｇ４はいずれも縦方向が方位方向（Lateral direction）であり、横方向が距離方向（Range direction）である。図５の画像Ｇ１は、従来技術の１つであるＣＰＷＣ（Coherent Plane-Wave Compounding）法により生成した画像である。図５の画像Ｇ２は、従来技術の１つであるＤＣＲ－ＭＶＤＲ（Date-Compounded-on-Receive Minimum Variance Distortionless Response）法により生成した画像である。

【0065】

図５の画像Ｇ３は、実施形態の可視化システム１００によって生成した目的画像である。より具体的には図５の画像Ｇ３は、波数方向縮約処理として第２種波数方向縮約処理を実行した結果、生成された目的画像である。図５の画像Ｇ４は、可視化対象の吸収係数の周波数依存性を考慮して画像Ｇ３を補正した結果である。より具体的には、検出信号を補正し、補正後の検出信号に基づいて生成した画像である。検出信号の補正は、例えば解析信号取得部２１１によって実行される。

【0066】

図５は、実施形態の可視化システム１００によって生成した画像の方が、従来技術によって生成した画像よりも分解能が高いことを示す。

【0067】

図６は、実施形態の可視化システム１００によって得られた目的画像の断面の強度分布の一例を示す図である。図６のグラフＧ５は、方位方向の所定の位置における断面の強度分布を示す。図６のグラフＧ６は、距離方向の所定の位置における断面の強度分布を示す。グラフＧ５及びグラフＧ６において、“ＰＷＣ－ＭＶＤＲ”は、第１種周波数重みをすべて一定値として可視化システム１００によって得られた画像おける断面の強度分布を表す。グラフＧ５及びグラフＧ６において、“ＦＰＷＣ－ＭＶＤＲ”は、同様に第１種周波数重みをすべて一定値として可視化システム１００によって得られた画像における断面の強度分布を表す。グラフＧ５及びグラフＧ６において、“Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ＦＰＷＣ－ＭＶＤＲ”は、図５の画像Ｇ４における断面の強度分布を表す。

【0068】

図６は、実施形態の可視化システム１００によって生成した画像の方が、従来技術によって生成した画像よりも半値幅が狭く、分解能が高いことを示す。図６は、実施形態の可視化システム１００によって従来技術よりも、特に距離方向の分解能が高くなることを示す。

【0069】

図７は、実施形態の可視化システム１００による可視化の方法を含む複数の方法によって生成された画像のＳＮＲ（Signal Noise Ratio）の一例を示す図である。図７は、ＣＰＷＣのＳＮＲが４１．２６ｄＢであることを示す。図７は、ＤＣＲ－ＭＶＤＲのＳＮＲが４５．８３であることを示す。

【0070】

図７は、Ｄｏｕｂｌｅ ＤＣＲ－ＭＶＤＲのＳＮＲが４３．４３であることを示す。Ｄｏｕｂｌｅ ＤＣＲ－ＭＶＤＲは、図６におけるＦＰＷＣ－ＭＶＤＲである。

【0071】

図７は、Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ ＤＣＲ－ＭＶＤＲのＳＮＲが４８．０７であることを示す。Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ ＤＣＲ－ＭＶＤＲは、図６におけるＮｏｒｍａｌｉｚｅｄ ＦＰＷＣ－ＭＶＤＲである。

【0072】

図７は、可視化システム１００が実行する可視化の方法が最もＳＮＲが高く、明瞭な画像が得られることを示す。

【0073】

図８は、実施形態の可視化システム１００による可視化の方法を含む複数の方法によって生成された画像の距離方向の分解能と方位方向の分解能との一例を示す図である。図８は、可視化システム１００が実行する可視化の方法が距離方向と方位方向とのどちらにおいても最も高い分解能を有することを示す。

【0074】

＜第２種波数方向縮約処理の具体例の数式による説明＞
第２種周波数方向縮約処理において得られる第２種２階伝搬テンソルは、以下の式（１）で表される。

【0075】

【数1】

【0076】

【数2】

【0077】

【数3】

【0078】

【数4】

【0079】

式（４）のｙ_ｉｊｋは、各放射角及び各周波数に対して、全ての超音波振動素子１０１が検出したエコー波のうちi番目の超音波振動素子１０１が検出したエコー波を除いて残りのエコー波を加算平均した波形を表す。ｋは放射平面波の周波数を区別する周波数の識別子である。Ｍは、予定種類の放射平面波のうち周波数が同じ放射平面波の数である。Ｌは、予定種類をＭで割り算した値である。ｊは、放射平面波の放射角を区別する放射角の識別子である。ｘ_ｉｊｋは、放射角j及び周波数ｋの放射平面波が放射された後、ｉ番目の超音波振動素子１０１で検出された検出信号の解析信号を表す。式（１）の左辺は、第２種２階伝搬テンソルのｉ行ｊ列の要素の値を表す。式（３）の左辺は、周波数に対する分散共分散行列である。

【0080】

式（２）の左辺は、以下の式（５）をラグランジュの未定乗数法で解いた結果である。

【0081】

【数5】

【0082】

式（５）の１_Ｌは成分がすべて１のＬ次元のベクトルである。式（２）の左辺は、第２種周波数方向重みの一例である。

【0083】

第２種周波数方向縮約処理において得られる統合ベクトルは、以下の式（６）で表される。

【0084】

【数6】

【0085】

【数7】

【0086】

【数8】

【0087】

【数9】

【0088】

式（９）のｚ_ｉｊは、各角度に対して、全ての超音波振動素子１０１に対応する第２種２階伝搬テンソルｔ_ｉｊのうち、i番目の超音波振動素子１０１に対応する第２種２階伝搬テンソルｔ_ｉｊを除いて残りの第２種２階伝搬テンソルｔ_ｉｊを加算平均した値を表す。式（８）の左辺は、放射角に対する分散共分散行列である。

【0089】

式（７）の左辺は、以下の式（１０）をラグランジュの未定乗数法で解いた結果である。

【0090】

【数10】

【0091】

式（７）の左辺は、第２種放射角方向重みの一例である。

【0092】

このように構成された実施形態の可視化システム１００は、放射角及び周波数を変化させた複数の平面波を可視化対象に放射し、エコー波を検出することで３階伝搬テンソルを取得する。そして、縮約の際の重みを計算した後、３階伝搬テンソルを放射角方向と周波数方向とで順に縮約し、縮約の結果を用いて可視化対象の画像を生成する。このように、可視化システム１００は、放射する平面波の放射角を変化させた場合の結果だけでなく周波数を変化させた場合の結果も用いて可視化対象の画像を生成する。そのため、可視化システム１００は、放射する平面波の放射角を変化させた結果だけを用いて画像を形成する従来の可視化の技術よりも分解能を向上させることができる。

【0093】

（変形例）
なお、可視化装置２は、ネットワークを介して通信可能に接続された複数台の情報処理装置を用いて実装されてもよい。この場合、可視化装置２が備える各機能部は、複数の情報処理装置に分散して実装されてもよい。

【0094】

なお、フェーズドアレイ１は放射源の一例である。超音波振動素子１０１は、検出部の一例である。接続部２５は、検出信号取得部の一例である。

【0095】

なお、放射平面波が超音波ではなくミリ波やマイクロ波帯域の電磁波である場合には、フェーズドアレイ１は電磁波を放射するフェーズドアレイアンテナであって、超音波振動素子１０１に代えてアンテナを備える。なお、放射平面波が超音波ではなく電磁波の一種の光である場合には、フェーズドアレイ１は電磁波を放射する発光素子がアレイ状に配置されたフェーズドアレイアンテナであって、検出部はエコー波を受光する光電変換素子である。

【0096】

なお、可視化装置２の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）やＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

【0097】

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

【符号の説明】

【0098】

１００…可視化システム、 １…フェーズドアレイ、 １０１…超音波振動素子、 ２…可視化装置、 ３…駆動部、 ２０…制御部、 ２１…入力部、 ２２…通信部、 ２３…記憶部、 ２４…出力部、 ２５…接続部、 ２１０…３階伝搬テンソル取得部、 ２１１…解析信号取得部、 ２１２…解析信号値取得部、 ２１３…情報取得部、 ２１４…情報統合部、 ２１５…終了判定部、 ２２０…縮約部、 ２３０…輝度値取得部、 ２４０…輝度値記録部、 ２５０…駆動制御部、 ２６０…フェーズドアレイ制御部、 ２７０…画像生成部、 ２８０…出力制御部、 ９０１…可視化対象、 ９１…プロセッサ、 ９２…メモリ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】