超音波球面波と合成開口法による画像再構成

大城 理,土居元紀,南部雅幸*,眞溪 歩**,千原國宏

奈良先端科学技術大学院大学,*長寿医療研究センタ,**東京大学

  • 1.はじめに

超音波イメージングは,光学的には可視光できない物体 内部が可視化できるため,多種の工業用計測に用いられている.また,その簡便性,実時間性,安全性により,様々 な医療分野で使用されている.しかしながら影像法として超音波ビームを走査する手法を用いているため,音速 という足枷により高いフレームレートで画像化できない. また,3次元画像は 1sec あたり,数フレームが限界であるのが現状である[1].

ところで,血管の閉塞や狭窄の治療のためにPTCA (Percutaneous Transluminal Coronary Angioplasty)と呼ばれるカテーテル手技が用いられている.これは血管 内にガイドワイヤを貫通させて,その後,そこに挿入したバルーンを用いて病変を穿つ手法である.この時,ガ イドワイヤを閉塞や狭窄距離に過不足なく貫通させることが重要であるため,小型で,かつ,実時間で,超音波 的に前方が3次元的に可視化できるシステムが切望されている.無指向性の波を用いたイメージングは超音波走 査を要しないため,高いフレームレートを有する動画像の撮像が行え,瞬時に3次元的な情報を獲得することが 可能である.我々は図1に示したように,円環状に超音波振動子を配置したリングアレイプローブと合成開口法 を用いた前方3次元可視化手法に関する研究を行ってい

送波することは困難である.

パルスレーザから発振された励起光をレンズで集光する と,焦点領域のエネルギ密度が非常に高くなる.その領域に存在する微粒子が誘電破壊を起こし,プラズマ化す る現象はレーザブレークダウンと呼ばれる[3].これによ り音と光が発生するが,この音は広い周波数特性を有するとともに,無指向的に伝播する.そこで,レーザブレー クダウンにより球面超音波を発生させて瞬時に3次元情報を獲得するイメージング法を考案した.

本文では,レーザブレークダウン現象により発生した球 面超音波と画像再構成アルゴリズム,および,3次元画像 再構成結果に関して報告する.

図2 球面超音波発生系

  • 2.レーザブレークダウンによる球面超音波

レーザブレークダウンによる球面超音波発生系を図2に 示す.

まず,水槽の焦点付近を平均径 200nm のポリスチレンビーズで満たしておき,表1に示したような仕様のレー ザ光を焦点距離 30mm のレンズで集光して,水槽内においてレーザブレークダウンを発生させた.

表1 レーザの仕様

レーザ パルスNd : YAG

波長 1064nm

パルス幅 6nsec

繰り返し周波数 10Hz

パルスエネルギ 180mJ


図1 前方3次元可視化手法

る[2].この手法では球面超音波が必要不可欠であるが, 従来のセラミクスや高分子素子の圧電効果による超音波では,素子が有限の大きさを持つため,無指向性の波を



図3 レーザブレークダウン

図5 レーザブレークダウンによる超音波伝播

続く波は,セラミクス系の振動子で生成した超音波に見 られるようなリンギングではなく,水面や水槽の底面等からの反射波である.従って,この計測系には大きなリ ンギングは存在しない.

さらに,レーザブレークダウンで生じる超音波を複数の 点で計測し,そこから伝播する波面を描画した.その一例を,図5に示す.図5は,レーザブレークダウン発生か ら,約 35μsec 後の音場分布である.

中央の点がレーザブレークダウンが発生した地点で,各 格子の頂点が計測点である.また,格子の歪みは各計測点での受波信号の大きさを表している.これより,波が 等方的に伝播している,すなわち,球面波が発生しているのが確認できた.

  • 3.再構成アルゴリズム

我々が提案してきた超音波ビーム走査を要しない画像化 手法では,可視化領域を直交量子化して,複数の受波子で得られる反射波において,各量子化点に対応する値足 し合わせることで画像再構成を行っている.しかし,送波子としてセラミクス系を使用 した場合では,比較的高い指向性を有する超音波しか送波できないだけでなく, リンギングの大きな波しか送波できない[4].このことは 再構成画像の画質に大きな影響を与えるため,最適化アルゴリズムによって画質を改善してきた[5].

ところがレーザブレークダウンで生じた超音波を用いて 画像再構成する場合,

1.図4に示したようにリンギングが極めて少なく,量 子化された計測点からのデータはパルス列と見な

図4 レーザブレークダウンによる超音波波形

図3に,水槽中で発生したレーザブレークダウンの様子 を示す.丸で囲まれた部分がレーザブレークダウンであり,光を発生しているのが観察できる.

次に,この時に発生する超音波をPZT ニードルハイドロホンを用いて受波し,増幅した後にディジタルオシロス コープに格納した.受波信号の一例を,図4に示す.

入力のレーザは非常に幅の短いパルスであるので,図4 に示した波形は,PZT ニードルハイドロホンおよび増幅器を含めた計測系のインパルス応答と見なすことができ る.図4からわかるように,レーザブレークダウンによる超音波は,0.2μsec の間に拡張,収縮が1回ずつ生じる単一正弦波である.ところで球面波が発生すると, それに伴う反射波も指向性がない.大きなピークの後に


図6 画像再構成手法

図7 計測対象からの波形

せる.

2.図5に示したように無指向性であるため,データの 足し合わせの際に,重みを考慮する必要がない.

という特徴を有する.従って,再構成アルゴリズムとし

よる画像再構成を施した.

  • 4. 3次元画像再構成結果

今回,計測対象としては,長さが数 cm である6角レンチを選び,水槽の中に配置して,反射波を PZT ニードルハイドロホンを用いて複数点で計測した.増幅後の波 形の一例を,図7に示す.

直接受波した信号と比べると強度的には小さくなっては

いるものの,この反射信号は3次元計測の用途に十分な 振幅を持つ.ここで,上述したような単純な同相加算による画像再構成を施した.計測対象を再構成した結果を, 図8に示す.

図8(a)は計測対象を上から見た3次元画像であり,細長 い部分が再構成できている.また,図8(b)は横から見た画像であり,矢印で示した部分が折れ曲がっている部分 である.このように,球面波を用いると,単純な画像再構成アルゴリズムでも,高画質の結果を得ることができ た.

  • 5.おわりに

レーザブレークダウン現象により発生する超音波を計測

図8 レーザブレークダウンによる画像再構成結果


した結果,無指向性,すなわち,球面超音波の発生が観 察され,また,セラミクス等の振動子で見られるような, 大きなリンギングを含まないことが確認できた.この球面波を用いて同相加算のみで画像再構成を行ったところ, 高画質である3次元画像を得ることができた.今後は,こ の球面波を用いて,動画像計測や生体計測への応用を探る予定である.

最後になりましたが,レーザブレークダウンの実験にお いてご協力頂きました,大阪大学 河田 聡先生,杉浦忠男先生,上田大輔氏に深く感謝致します.また,超音波 イメージングの研究に協力して頂いた,奈良先端科学技術大学院大学 中塚盛雄氏,町田淳昇氏に感謝の意を表します.

参考文献

[1]望月他 ; 日本音響学会1999年春期研究発表会 講演論文集, 2-5-17, pp.1131-1132 (1999).

[2]大城他 ; システム制御情報学会論文誌, 8, pp.344-349 (1995).

[3]T. Kitamori et al. ; JJAP, 27, pp.983-985 (1988).

[4]眞溪他 ; 電気学会論文誌E, センサ・マイクロマシン部門, 117, pp.359-363 (1997).

[5]A. Matani et al. ; JJAP, 37, pp.3013-3017 (1998).