JP2006288974A - Ultrasonic diagnostic equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波診断装置に関し、特に連続波(CW)ドプラ法における送受信技術に関する。 The present invention relates to an ultrasonic diagnostic apparatus, and more particularly to a transmission / reception technique in a continuous wave (CW) Doppler method.
超音波診断装置において、連続波ドプラモードでは、数MHzの正弦波として構成される送信波が生体内へ連続的に放射され、生体内からの反射波が連続的に受波される。反射波には、生体内における運動体(例えば血流)によるドプラシフト情報が含まれる。そこで、その情報を取り出して周波数解析することによりドプラ情報が得られる。ところが、反射波には生体内の強反射体(主に静止体)からの情報(クラッタ)も含まれる。このため、そのクラッタをできる限り抑圧してドプラ情報だけを抽出することが望まれるが、特に低速の観測域においてはクラッタを十分に除去することが困難であった。 In the ultrasonic diagnostic apparatus, in the continuous wave Doppler mode, a transmission wave configured as a sine wave of several MHz is continuously radiated into the living body, and a reflected wave from the living body is continuously received. The reflected wave includes Doppler shift information due to a moving body (for example, blood flow) in the living body. Therefore, Doppler information can be obtained by extracting the information and performing frequency analysis. However, the reflected wave includes information (clutter) from a strong reflector (mainly a stationary body) in the living body. Therefore, it is desired to suppress the clutter as much as possible and extract only Doppler information, but it is difficult to sufficiently remove the clutter particularly in a low-speed observation area.
こうした背景において、本願の発明者らは、連続波ドプラ法の適用にあたってクラッタをできる限り抑圧しつつドプラ情報を感度良く観測できる技術を提案している(非特許文献1参照)。 Against this background, the inventors of the present application have proposed a technique that can observe Doppler information with high sensitivity while suppressing clutter as much as possible when applying the continuous wave Doppler method (see Non-Patent Document 1).
非特許文献1に記載された技術は、変調波信号によってFM変調された変調送信信号によって生体に対して超音波を送波し、生体から得られた受信信号を変調送信信号を用いて復調して復調信号を得るものである。そして、復調信号から、変調波信号を基本波とした場合における基本波成分および高調波成分のうちの少なくとも一つの成分からドプラ情報を抽出することによって、無変調の場合に直流成分付近に局在していたクラッタの影響が低減され、運動体の速度情報がさらに適切に抽出されるという画期的な技術である。
The technique described in
本願の発明者らは、この画期的な技術をさらに改良し、運動体の速度情報に限定されずに運動体の位置情報を取得する手法について研究を重ねてきた。 The inventors of the present application have further improved this epoch-making technique and have been researching a method for acquiring position information of a moving body without being limited to speed information of the moving body.
本発明は、このような背景において成されたものであり、その目的は、連続波を利用して対象組織の位置情報を生成する超音波診断装置を提供することにある。 The present invention has been made in such a background, and an object thereof is to provide an ultrasonic diagnostic apparatus that generates position information of a target tissue using a continuous wave.
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、搬送波信号を変調波信号を用いて変調処理することにより、変調送信信号を生成する送信信号生成手段と、前記変調送信信号の供給によって生体に対して超音波を送波し、生体からの反射波を受波して受信信号を出力する送受波手段と、前記受信信号を前記変調送信信号を用いて復調し、これにより、前記変調波信号を基本波とした場合における複数の第n次波成分(nは0以上の自然数)を含んだ復調信号を得る復調手段と、前記復調信号から、前記複数の第n次波成分の各成分ごとに、対象組織に対応したドプラ信号を抽出するドプラ信号抽出手段と、前記抽出された複数のドプラ信号の強度に基づいて対象組織の位置情報を生成する位置情報生成手段と、を有することを特徴とする。上記構成において、変調波信号は、例えば、正弦波の変調波信号である。ただし、正弦波に限定されない。 In order to achieve the above object, an ultrasonic diagnostic apparatus according to a preferred aspect of the present invention includes a transmission signal generating unit that generates a modulated transmission signal by performing a modulation process on a carrier wave signal using a modulated wave signal, Transmitting and receiving means for transmitting an ultrasonic wave to a living body by supplying a modulated transmission signal, receiving a reflected wave from the living body and outputting a received signal, and demodulating the received signal using the modulated transmission signal Thus, demodulation means for obtaining a demodulated signal including a plurality of nth-order wave components (n is a natural number of 0 or more) when the modulated wave signal is a fundamental wave, and the demodulated signal from the demodulated signal For each component of the n-th order wave component, Doppler signal extraction means for extracting a Doppler signal corresponding to the target tissue, and position information generation for generating position information of the target tissue based on the intensity of the plurality of extracted Doppler signals Means And wherein the Rukoto. In the above configuration, the modulation wave signal is, for example, a sinusoidal modulation wave signal. However, it is not limited to a sine wave.
望ましくは、前記位置情報生成手段は、前記位置情報として対象組織の深さを算出することを特徴とする。望ましくは、前記位置情報生成手段は、前記複数の第n次波成分のうちの第0次波成分である直流成分と第1次波成分である基本波成分とnが2以上の複数の高調波成分の各々から抽出される対象組織のドプラ信号を演算対象とし、これら複数のドプラ信号の電力に基づいて対象組織の深さを算出する、ことを特徴とする。望ましくは、前記位置情報生成手段は、前記複数の第n次波成分のうちの第1次波成分である基本波成分とnが2以上の複数の高調波成分の各々から抽出される対象組織のドプラ信号を演算対象とし、これら複数のドプラ信号の電力に基づいて対象組織の深さを算出する、ことを特徴とする。 Preferably, the position information generation means calculates the depth of the target tissue as the position information. Preferably, the position information generating means includes a DC component that is a 0th-order wave component and a fundamental wave component that is a first-order wave component among the plurality of nth-order wave components, and a plurality of harmonics in which n is 2 or more. A target tissue Doppler signal extracted from each of the wave components is set as a calculation target, and the depth of the target tissue is calculated based on the power of the plurality of Doppler signals. Desirably, the position information generating means is a target tissue extracted from each of a fundamental wave component that is a first wave component of the plurality of nth wave components and a plurality of harmonic components where n is 2 or more. The depth of the target tissue is calculated based on the power of the plurality of Doppler signals.
望ましくは、前記ドプラ信号抽出手段は、前記復調信号を周波数スペクトラムに変換するFFT回路を含み、変換された周波数スペクトラムを利用して前記ドプラ信号を抽出する、ことを特徴とする。望ましくは、前記抽出された複数のドプラ信号のうちの少なくとも一つのドプラ信号の周波数に基づいて対象組織の速度情報を生成する速度情報生成手段を有することを特徴とする。 Preferably, the Doppler signal extraction means includes an FFT circuit that converts the demodulated signal into a frequency spectrum, and extracts the Doppler signal using the converted frequency spectrum. Desirably, it has a velocity information generating means for generating velocity information of the target tissue based on the frequency of at least one Doppler signal among the plurality of extracted Doppler signals.
また、上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、搬送波信号を周波数fm1の第一変調波信号を用いて変調処理することにより第一変調送信信号を生成し、さらに、搬送波信号を周波数fm2の第二変調波信号を用いて変調処理することにより第二変調送信信号を生成する送信信号生成手段と、前記第一変調送信信号および第二変調送信信号の供給によって生体に対して超音波を送波し、生体からの反射波を受波して受信信号を出力する送受波手段と、前記受信信号を前記第一変調送信信号を用いて復調し、これにより、前記第一変調波信号を基本波とした場合における複数の第n次波成分(nは0以上の自然数)を含んだ第一復調信号を取得し、さらに、前記受信信号を前記第二変調送信信号を用いて復調し、これにより、前記第二変調波信号を基本波とした場合における複数の第n´次波成分(n´は0以上の自然数)を含んだ第二復調信号を取得する復調手段と、前記第一復調信号から、前記複数の第n次波成分の各成分ごとに、対象組織に対応したドプラ信号を抽出し、さらに、前記第二復調信号から、前記複数の第n´次波成分の各成分ごとに、対象組織に対応したドプラ信号を抽出するドプラ信号抽出手段と、前記第一復調信号から抽出された複数のドプラ信号の強度に基づいて求められる指標値km1と、前記第二復調信号から抽出された複数のドプラ信号の強度に基づいて求められる指標値km2の二つの指標値に基づいて対象組織の位置情報を生成する位置情報生成手段と、を有する、ことを特徴とする。 In order to achieve the above object, an ultrasonic diagnostic apparatus according to a preferred aspect of the present invention performs a modulation process on a carrier wave signal using a first modulated wave signal having a frequency of f m1 to obtain a first modulated transmission signal. And transmitting signal generating means for generating a second modulated transmission signal by modulating the carrier wave signal using a second modulated wave signal having a frequency of fm2 , and the first modulated transmission signal and the second modulated transmission. A transmission / reception means for transmitting an ultrasonic wave to the living body by supplying a signal, receiving a reflected wave from the living body and outputting a reception signal; and demodulating the reception signal using the first modulated transmission signal. Thus, a first demodulated signal including a plurality of nth-order wave components (n is a natural number of 0 or more) when the first modulated wave signal is a fundamental wave is acquired, and the received signal is Demodulate using the second modulated transmission signal, As a result, demodulation means for acquiring a second demodulated signal including a plurality of n'th order wave components (n 'is a natural number of 0 or more) when the second modulated wave signal is a fundamental wave, and the first A Doppler signal corresponding to the target tissue is extracted from the demodulated signal for each component of the plurality of nth-order wave components, and further, each component of the plurality of nth-order wave components is extracted from the second demodulated signal. A Doppler signal extraction means for extracting a Doppler signal corresponding to the target tissue, an index value km1 obtained based on the strengths of a plurality of Doppler signals extracted from the first demodulated signal, and the second demodulated signal Position information generating means for generating position information of the target tissue based on two index values of the index value km2 obtained based on the intensities of a plurality of Doppler signals extracted from.
本発明により、連続波を利用して対象組織の位置情報を得ることができる。例えば、連続波を利用して対象組織の速度情報と位置情報を同時に得ることができる。 According to the present invention, position information of a target tissue can be obtained using a continuous wave. For example, the velocity information and the position information of the target tissue can be obtained simultaneously using a continuous wave.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
図1には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図1はその全体構成を示すブロック図である。送信用振動子10は生体内へ送信波を連続的に送波し、また、受信用振動子12は生体内からの反射波を連続的に受波する。このように、送信および受信がそれぞれ異なる振動子で行われて、いわゆる連続波ドプラ法による送受信が実行される。
FIG. 1 shows a preferred embodiment of an ultrasonic diagnostic apparatus according to the present invention, and FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration thereof. The transmitting
送信制御部14は、送信用振動子10を制御して超音波の送信制御を行う。送信制御部14には、例えば正弦波によるFM変調処理が施されたFM連続波(FMCW波)が入力され、このFM連続波に対応する送信波が送信用振動子10から送波される。FM変調器20は、FM連続波を送信制御部14に出力する。FM変調器20は、RF波発振器22から供給されるRF波、および、FM変調波発振器24から供給される正弦波の変調波に基づいてFM連続波を発生する。このFM連続波の波形については後の原理説明で詳述する。
The
受信制御部16は、受信用振動子12から供給される受波信号に対して増幅処理等の受信処理を施し、受信RF信号を形成して受信ミキサ30へ出力する。受信ミキサ30は、受信RF信号に対して直交検波を施して複素信号を生成する回路であり、2つのミキサ32,34で構成される。各ミキサは受信RF信号を所定の参照信号と混合する回路である。受信ミキサ30の各ミキサに供給される参照信号は、FM変調器20から出力される。つまり、ミキサ32にはFM変調器20が出力するFM連続波が直接供給され、一方、ミキサ34にはFM連続波がπ/2シフト回路26を経由して供給される。π/2シフト回路26はFM連続波の位相をπ/2だけずらす回路である。この結果、2つのミキサ32,34の一方から同相信号成分(I信号成分)が出力され、他方から直交信号成分(Q信号成分)が出力される。そして、受信ミキサ30の後段に設けられるLPF(ローパスフィルタ)36,38によって、同相信号成分および直交信号成分の各々の高周波数成分がカットされ、検波後の必要な帯域のみが抽出される。
The
後の原理説明で詳述するが、各ミキサで実行される受信RF信号と参照信号との混合処理の結果である受信ミキサ出力信号(復調信号)には、FM変調波発振器24から供給される変調波の変調波周波数fmに関する複数の第n次波成分(nは0以上の自然数)が含まれている。つまり、第0次波成分である直流成分、第1次波成分である基本波成分、さらに、nが2以上の複数の高調波成分が含まれている。つまり、これら複数の第n次波成分を含んだ復調信号が、LPF36,38の各々から出力される。
As will be described in detail later, the received mixer output signal (demodulated signal), which is the result of the mixing process of the received RF signal and the reference signal executed by each mixer, is supplied from the FM modulated
FFT回路(高速フーリエ変換回路)40,42は、復調信号(同相信号成分および直交信号成分)の各々に対してFFT演算を実行する。その結果、FFT回路40,42において復調信号が周波数スペクトラムに変換される。なお、FFT回路40,42から出力される周波数スペクトラムは、回路の設定条件などにより周波数分解能δfの周波数データとして出力される。FFT回路40,42から出力される周波数スペクトラムについては、後に図2を利用して詳述する。
FFT circuits (fast Fourier transform circuits) 40 and 42 perform an FFT operation on each demodulated signal (in-phase signal component and quadrature signal component). As a result, the demodulated signal is converted into a frequency spectrum in the
ドプラ電力検出部44は、周波数スペクトラムに変換された復調信号から、複数の第n次波成分の各成分ごとに、対象組織に対応したドプラ信号を抽出する。そして、抽出した各ドプラ信号の電力値を検出する。距離演算部48は、検出された複数のドプラ信号の電力に基づいて対象組織の深さを算出する。つまり、生体組織内の対象組織の体表面からの距離を算出する。なお、ドプラ電力検出部44による電力検出処理、距離演算部48による距離演算については、後の原理説明において詳述する。
The Doppler
ドプラ周波数検出部46は、周波数スペクトラムに変換された復調信号から、複数の第n次波成分の各成分ごとに、対象組織に対応したドプラ信号を抽出する。そして、抽出した各ドプラ信号の周波数(ドプラシフト)を検出する。速度演算部50は、検出されたドプラ信号の周波数に基づいて対象組織の速度を算出する。
The Doppler
さらに、表示処理部52は、対象組織の距離や速度の演算結果に基づいて、例えばドプラ波形や、距離と速度の情報を含むグラフなどを形成し、形成したドプラ波形やグラフなどを表示部54に表示させる。
Further, the
以上、概説したように、本実施形態では、連続波(CW)を変調波(例えば正弦波)でFM変調した超音波(FMCW波)を送受波し、変調波の変調波周波数に関する複数の第n次波成分から対象組織に対応したドプラ信号が抽出されて、対象組織の位置情報が生成される。そこで、次に、位置情報が生成されるまでの原理について詳述する。 As described above, in the present embodiment, an ultrasonic wave (FMCW wave) obtained by FM-modulating a continuous wave (CW) with a modulated wave (for example, a sine wave) is transmitted and received, and a plurality of first-order waves related to the modulated wave frequency of the modulated wave are transmitted. A Doppler signal corresponding to the target tissue is extracted from the nth-order wave component, and position information of the target tissue is generated. Then, next, the principle until position information is generated will be described in detail.
周波数f0のCWに変調周波数fmの正弦波によりFM変調を施したFMCW送信波は次式のように表現できる。
また、ドプラシフトを伴わない場合の受信波vR(t)の周波数スペクトラムは、数2を展開することで得られる。数2に示すFMCW受信波は次式のように展開できる。
さらに、ドプラシフトを伴う場合、数2のvR(t)は以下のように書き換えられる。
上述の数2や数5で表される受信波形は、超音波振動子が受信する信号波形(受信RF信号)である。超音波診断装置は受信RF信号に対して復調処理を実行する。FMCWの受信RF信号を復調する場合、復調系ではFMCW送信波を参照信号として受信波と乗算を行う。復調系における受信ミキサ出力は、vT(t)とvR(t)を乗算した結果として次式のように算出される。
図2は、復調信号の周波数スペクトラムを示す図である。数8にも示されるように、復調信号には、変調波周波数に関する複数の第n次波成分(nは0以上の自然数)が含まれている。つまり、図2において、原点O付近に存在する第0次波成分である直流成分、第1次波成分である基本波成分(fm)、第2次波成分である第2高調波成分(2fm)、第3次波成分である第3高調波成分(3fm)が含まれている。なお、図示省略しているnが4以上の高調波成分も存在する。そして、第n次波成分の各々には、固定物エコー60とドプラエコー62が含まれている。 FIG. 2 is a diagram showing the frequency spectrum of the demodulated signal. As shown in Equation 8, the demodulated signal includes a plurality of nth-order wave components (n is a natural number of 0 or more) related to the modulation wave frequency. That is, in FIG. 2, the direct current component that is the zeroth-order wave component, the fundamental wave component that is the first-order wave component (f m ), and the second harmonic component that is the second-order wave component ( 2f m ), and the third harmonic component (3f m ), which is the third-order wave component. Note that there are harmonic components of which n is 4 or more, which is not shown. Each nth-order wave component includes a fixed object echo 60 and a Doppler echo 62.
固定物エコー60は、生体内の強反射体である静止体からのエコー(クラッタエコー)であり、ドプラ情報を観測する場合においては妨害要因となる。これに対し、ドプラエコー62がドプラ信号に相当する。つまりドプラシフトを伴う場合、ドプラ信号の第n次波成分の各々は、FM変調周波数が抑圧されたDSB−SC(Double Sideband−Suppressed Carrier)のスペクトルの形をしている。 The fixed object echo 60 is an echo (clutter echo) from a stationary body, which is a strong reflector in the living body, and becomes a disturbance factor when observing Doppler information. On the other hand, the Doppler echo 62 corresponds to a Doppler signal. That is, when accompanied by a Doppler shift, each of the nth-order wave components of the Doppler signal has a DSB-SC (Double Sideband-Suppressed Carrier) spectrum shape in which the FM modulation frequency is suppressed.
本実施形態では、図2に示す周波数スペクトラムから対象組織に対応したドプラエコー62が抽出され、ドプラエコー62の電力に基づいて対象組織の距離(深さ)が算出され、また、ドプラエコー62の周波数(ドプラシフト成分)に基づいて対象組織の速度が算出される。そこで、次に、対象組織の距離の算出原理について説明する。 In the present embodiment, the Doppler echo 62 corresponding to the target tissue is extracted from the frequency spectrum shown in FIG. 2, the distance (depth) of the target tissue is calculated based on the power of the Doppler echo 62, and the frequency (Doppler shift) of the Doppler echo 62 is calculated. The velocity of the target tissue is calculated based on the component. Then, next, the calculation principle of the distance of the target tissue will be described.
第1種ベッセル関数には以下の関係がある。
こうして、数13を用い、次式の演算により指標値kの絶対値が求められる。
図3に示されるように、対象組織が近距離の場合、つまりdがc/4fm以下の場合、指標値k、kの絶対値、kの二乗値の各々が単調に増加する関数であるため、数14において指標値kから深さdが一義的に求められる。
As shown in FIG. 3, if the target tissue is a short distance, that is, when d is less than c / 4f m, is a function of the index value k, the absolute value of k, each of the square value of k increases monotonically Therefore, the depth d is uniquely determined from the index value k in
また、数14と数15から次式が導かれる。
図1のFFT回路40,42、ドプラ電力検出部44および距離演算部48は、上述した計算原理を利用している。つまり、FFT回路40,42は、復調信号の各々に対してFFT演算を実行する。その結果、復調信号が図2に示すような周波数スペクトラムに変換される。FFT回路40,42から出力される周波数スペクトラムは、FFT回路40,42の設定条件などにより周波数分解能δfの周波数データとして出力される。
The
そして、ドプラ電力検出部44は、図2に示す周波数スペクトラムから、複数の第n次波成分の各成分ごとに、対象組織に対応したドプラ信号を抽出してその電力Pnを検出する。例えば、図2において固定物エコー60から最も遠い位置にあるドプラ信号「3」について、原点O付近に存在する直流成分におけるドプラ信号「3」の電力P0、基本波成分(fm)におけるドプラ信号「3」の電力P1、第2高調波成分(2fm)におけるドプラ信号「3」の電力P2、第3高調波成分(3fm)におけるドプラ信号「3」の電力P3、をそれぞれ検出する。
And the Doppler electric
なお、ドプラ電力検出部44は、バンドパスフィルタによってドプラ信号を抽出する。このバンドパスフィルタは、抽出されるドプラ信号の帯域を含み、且つ、雑音を効率よく除去できるような帯域に設定されることが望ましい。そこで、ドプラ信号を抽出するバンドパスフィルタの帯域は、例えば、n×δfに設定される。
The Doppler
また、ドプラ電力検出部44は、対象組織ごとにドプラ信号の電力を検出する。つまり、図2において、ある対象組織に対応したドプラ信号「3」について各n次波成分ごとの電力Pnを検出し、さらに、速度の異なる別の対象組織に対応したドプラ信号「1」について各n次波成分ごとの電力Pnを検出し、また、別の対象組織に対応したドプラ信号「2」について各n次波成分ごとの電力Pnを検出する。
Further, the Doppler
そして、距離演算部48は、ドプラ電力検出部44において検出されたドプラ信号の電力に基づいて数18から対象組織の深さdを算出する。なお、ドプラ信号の電力は、対象組織ごとに検出されているため、距離演算部48は、対象組織ごとに深さdを算出する。つまり、図2に示されるドプラ信号「1」が対象組織1のドプラ信号に相当する場合、距離演算部48は、ドプラ信号「1」に関する各n次波成分ごとの電力Pnから数18によって対象組織1の深さdを算出する。また、図2に示されるドプラ信号「2」が対象組織2のドプラ信号に相当する場合、ドプラ信号「2」に関する各n次波成分ごとの電力Pnから数18によって対象組織2の深さdを算出する。さらに、図2に示されるドプラ信号「3」が対象組織3のドプラ信号に相当する場合、ドプラ信号「3」に関する各n次波成分ごとの電力Pnから数18によって対象組織3の深さdを算出する。こうして、対象組織ごとにその深さdが算出される。
Then, the
なお、上述した計算原理では、原点O付近に存在する直流成分におけるドプラ信号の電力P0も利用して深さdを求めているが、直流成分においては、送信回路系からのリークや固定組織からの反射(クラッタエコー)が非常に強いため、直流成分のドプラ信号がそれらの信号に埋もれてしまう場合がある。そこで、次に、直流成分のドプラ信号を利用せずに深さdを演算する手法について説明する。 In the calculation principle described above, the depth d is obtained using the power P 0 of the Doppler signal in the DC component existing near the origin O. However, in the DC component, leakage from the transmission circuit system or fixed tissue is obtained. Since the reflection (clutter echo) is very strong, the DC component Doppler signal may be buried in those signals. Therefore, a method for calculating the depth d without using a DC component Doppler signal will be described next.
第1種ベッセル関数には以下の関係がある。
以上のように、対象組織の距離(深さ)dが算出されるが、本実施形態では、対象組織の速度も算出される。つまり、ドプラ周波数検出部46は、図2に示す周波数スペクトラムから、複数の第n次波成分の各成分のうちの少なくとも一つから、対象組織に対応したドプラ信号を抽出してその周波数(ドプラシフト量)を検出する。例えば、図2において固定物エコー60から最も遠い位置にあるドプラ信号「3」について、基本波成分(fm)におけるドプラ信号「3」の周波数、あるいは、第2高調波成分(2fm)におけるドプラ信号「3」の周波数を検出する。
As described above, the distance (depth) d of the target tissue is calculated. In the present embodiment, the speed of the target tissue is also calculated. That is, the Doppler
また、ドプラ周波数検出部46は、対象組織ごとにドプラ信号の周波数を検出する。つまり、図2において、ある対象組織に対応したドプラ信号「3」について、例えば第2高調波成分(2fm)におけるドプラ信号「3」の周波数を検出し、さらに、速度の異なる別の対象組織に対応したドプラ信号「1」について、例えば第2高調波成分(2fm)におけるドプラ信号「1」の周波数を検出する。
Further, the Doppler
そして、速度演算部50は、ドプラ周波数検出部46において検出されたドプラ信号の周波数(ドプラシフト量)に基づいて、各対象組織ごとに速度を算出する。なお、ドプラ周波数から速度を算出する原理については、従来周知の手法が利用される。ただし、本実施形態においては、変調送信信号を用いて受信信号を復調して、図2に示すような復調信号を得ている。このため、無変調の搬送波信号の場合に搬送波信号の周波数付近に局在していた本来取り除くべき固定物からのエコー(クラッタ)が、変調波信号を基本波とした場合における基本波成分および高調波成分に分散される。したがって、例えば、高調波成分のうちの少なくとも一つの成分付近のドプラ信号を利用することにより、無変調の場合に局在していたクラッタの影響が低減され、結果として、クラッタの影響をできる限り抑圧しつつ速度情報を感度良く観測することができる。
Then, the
以上のように、距離演算部48において対象組織の距離(深さ)が算出され、速度演算部50において対象組織の速度が算出される。そして、表示処理部52は、これら算出された情報に基づいて表示画像を形成して表示部54へ表示させる。そこで、図4から図6に表示処理部52において形成される表示画像の例を示す。
As described above, the
図4は、深さ方向の各位置における移動組織の速度をリアルタイム表示した例である。つまり、移動組織(対象組織)の速度を示す軸、生体内における移動組織の深さを示す軸および時間軸の互いに直交した3つの軸からなるグラフを斜視表示したものである。 FIG. 4 is an example in which the speed of the moving tissue at each position in the depth direction is displayed in real time. That is, a graph composed of an axis indicating the velocity of the moving tissue (target tissue), an axis indicating the depth of the moving tissue in the living body, and three axes orthogonal to each other on the time axis is displayed in a perspective view.
図4において、時間軸方向におけるグラフの変化は、時間の経過とともに、移動組織の位置(深さ)と速度が時々刻々変化する様子を示している。時間がt1,t2,t3,・・・と経過するにつれて、表示断面は図の手前側に変化する。各移動組織の速度を図の縦軸にとることが望ましいが、各移動組織からの復調電力を縦軸としてもよい。 In FIG. 4, the change in the graph in the time axis direction shows how the position (depth) and speed of the moving tissue change from time to time as time passes. As time elapses as t 1 , t 2 , t 3 ,..., The display cross section changes toward the front of the figure. Although it is desirable that the velocity of each mobile tissue be on the vertical axis in the figure, the demodulated power from each mobile tissue may be on the vertical axis.
また、本実施形態では、同じ深さに、速度が異なる移動組織が存在する場合でも、それらを区別することができるため、ある時刻におけるグラフの断面を断面Dのように表示してもよい。この場合、断面Dの縦軸が速度である。図4では、断面Dとして3種類の速度成分を表しているが、原理的には、何種類の速度成分でも表示可能である。また、各速度成分の区別は、図4に示すような等速線や領域で表現してもよいし、カラードプラのように色で区別した表現でもよい。 Further, in the present embodiment, even when mobile tissues having different velocities exist at the same depth, they can be distinguished, so that a cross section of a graph at a certain time may be displayed as a cross section D. In this case, the vertical axis of the cross section D is the speed. In FIG. 4, three types of velocity components are shown as the cross section D. However, in principle, any number of velocity components can be displayed. Further, each speed component may be distinguished by a constant velocity line or a region as shown in FIG. 4 or may be represented by a color such as a color Doppler.
図5は、同じ深さに異なる速度の移動組織が存在する際に好適な表示例である。つまり、各速度成分の電力を縦軸にとり、底面内に移動組織の深さを示す軸と速度を示す軸をとった場合のグラフの斜視表示である。図5の表示では、同じ深さで異なる速度の移動組織が存在する場合でも、速度軸方向で異なる位置に山が表示されることになるため、速度の相違を読み取るのが容易である。なお、山の高さは各移動組織からの受信信号の電力に相当する。 FIG. 5 is a display example suitable when there are moving tissues of different speeds at the same depth. That is, it is a perspective view of a graph when the power of each velocity component is taken on the vertical axis and the axis indicating the depth of the moving tissue and the axis indicating the velocity are taken in the bottom surface. In the display of FIG. 5, even when there are moving tissues at the same depth and different speeds, mountains are displayed at different positions in the speed axis direction, so it is easy to read the difference in speed. The height of the mountain corresponds to the power of the received signal from each mobile tissue.
図6は、対象組織の断層像と断層像内の各部の速度とを対応付けた表示である。つまり、底面に対象組織の断層像を対応させ、断層像内の二次元的な各位置における速度を縦軸としたグラフの斜視表示である。図6の表示では、山が高い場所ほど、その位置における組織の移動速度が大きいことを意味する。なお、断層像内の各位置における組織の電力を縦軸としてもよい。図4の表示例においては移動組織の位置が深さのみの一次元であるが、図6の表示例では断層像内の二次元の位置と速度の対応関係が表示される。なお、図6の画像にリアルタイム性を持たせるには、例えば、超音波ビーム(音線)を1秒間に約10回以上スイープさせて、時々刻々表示すればよい。 FIG. 6 is a display in which the tomographic image of the target tissue is associated with the speed of each part in the tomographic image. That is, it is a perspective view of a graph in which the tomographic image of the target tissue is associated with the bottom surface and the velocity at each two-dimensional position in the tomographic image is the vertical axis. In the display of FIG. 6, the higher the mountain, the higher the moving speed of the tissue at that position. The power of the tissue at each position in the tomographic image may be the vertical axis. In the display example of FIG. 4, the position of the moving tissue is one-dimensional only in the depth, but in the display example of FIG. In order to give the image of FIG. 6 real-time properties, for example, an ultrasonic beam (sound ray) may be swept about 10 times or more per second and displayed every moment.
上述した実施形態では、対象組織が近距離の場合、つまりdが0以上でc/4fm以下の場合において距離dを算出しているが、測定可能な組織の深さを大きく広げることも可能である。以下、測定可能な組織の深さを大きく広げる第二実施形態について説明する。 In the above embodiment, when the target tissue is a short distance, ie d but is calculated the distance d in the case of the following c / 4f m is 0 or more, can also expand significantly the depth of the measurable tissue It is. Hereinafter, a second embodiment in which the measurable tissue depth is greatly expanded will be described.
図7には、本発明に係る超音波診断装置の好適な第二実施形態が示されており、図7はその全体構成を示すブロック図である。図7において、図1の実施形態における構成と機能が同じ部分には、図1における符号と同じ符号を付しており、これら機能が同じ部分については適宜説明を簡略化する。 FIG. 7 shows a second preferred embodiment of the ultrasonic diagnostic apparatus according to the present invention, and FIG. 7 is a block diagram showing the overall configuration thereof. 7, parts having the same configuration and function in the embodiment of FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1, and description of the parts having the same functions will be simplified as appropriate.
図7の第二実施形態において、図1の実施形態と大きく異なる点は、FM変調波発振器24から、変調波周波数fm1の正弦波による変調波と変調波周波数fm2の正弦波による変調波の互いに周波数が異なる二種類の変調波が出力されることである。二種類の変調波の切り替えタイミングは、変調波制御部25によって制御される。
The second embodiment shown in FIG. 7 differs greatly from the embodiment shown in FIG. 1 in that the FM modulated
図8は、二種類の変調波の切り替えタイミングを説明するための図であり、FM変調波発振器24からFM変調器20へ供給される正弦波による変調波を示している。FM変調波発振器24は、変調波周波数fm1の正弦波による変調波と変調波周波数fm2の正弦波による変調波を切り替えて出力する。切り替えタイミングは、変調波制御部25によって制御される。
FIG. 8 is a diagram for explaining the switching timing of two types of modulation waves, and shows a modulation wave by a sine wave supplied from the FM
つまり、変調波制御部25は、図8に示すように、t1の時間帯において変調波周波数fm1の変調波を出力させ、t2の時間帯において変調波周波数fm2の変調波を出力させる。そして、t1の時間帯とt2の時間帯を交互に切り替えている。その結果、FM変調波発振器24からFM変調器20へ供給される変調波が、図8に示すように、変調波周波数fm1の変調波と変調波周波数fm2の変調波に交互に切り替えられて出力される。
That is, as shown in FIG. 8, the modulation
図7に戻り、FM変調器20は、RF波発振器22から供給されるRF波、および、FM変調波発振器24から供給される正弦波による変調波に基づいてFM連続波を発生する。図8を利用して説明したように、FM変調波発振器24からFM変調器20へ供給される変調波は、変調波周波数fm1の正弦波による変調波と変調波周波数fm2の正弦波による変調波が交互に切り替えられている。このため、FM変調器20は、t1の時間帯において変調波周波数fm1の変調波を利用してFM連続波を発生させ、t2の時間帯において変調波周波数fm2の変調波を利用してFM連続波を発生させる。
Returning to FIG. 7, the
送信制御部14は、送信用振動子10を制御して超音波の送信制御を行う。送信制御部14には、FM変調処理が施されたFM連続波(FMCW波)が入力され、このFM連続波に対応する送信波が送信用振動子10から送波される。
The
受信制御部16は、受信用振動子12から供給される受波信号に対して増幅処理等の受信処理を施し、受信RF信号を形成して受信ミキサ30へ出力する。受信ミキサ30の各ミキサに供給される参照信号は、FM変調器20から出力される。本第二実施形態では、変調波周波数fm1に対応する受信信号を検波する場合には、変調波周波数fm1に対応するFM連続波が利用され、一方、変調波周波数fm2に対応する受信信号を検波する場合には、変調波周波数fm2に対応するFM連続波が利用される。
The
このため、各ミキサで実行される受信RF信号と参照信号との混合処理の結果である受信ミキサ出力信号(復調信号)として、変調波周波数fm1に対応した第一復調信号と、変調波周波数fm2に対応した第二復調信号の二種類の復調信号が交互に得られる。また、第一復調信号には変調波周波数fm1に関する複数の第n次波成分(nは0以上の自然数)が含まれ、第二復調信号の各々には、変調波周波数fm2に関する複数の第n´次波成分(n´は0以上の自然数)が含まれている。そして、第一復調信号および第二復調信号が、交互にFFT回路40,42へ供給される。
Therefore, the first demodulated signal corresponding to the modulation wave frequency f m1 and the modulation wave frequency are obtained as a reception mixer output signal (demodulation signal) as a result of the mixing process of the reception RF signal and the reference signal executed in each mixer. Two kinds of demodulated signals of the second demodulated signal corresponding to f m2 are obtained alternately. The first demodulated signal includes a plurality of n-th order wave components (n is a natural number of 0 or more) related to the modulated wave frequency f m1 , and each of the second demodulated signals includes a plurality of modulated wave frequencies f m2 . The n'th order wave component (n 'is a natural number of 0 or more) is included. Then, the first demodulated signal and the second demodulated signal are alternately supplied to the
FFT回路40,42は、第一復調信号および第二復調信号に対して交互にFFT演算を実行する。その結果、FFT回路40,42において第一復調信号および第二復調信号の各々が周波数スペクトラムに変換される。なお、FFT回路40,42から出力される第一復調信号および第二復調信号の各々の周波数スペクトラムは、図2に示したスペクトラム形状と同様である。
The
本第二実施形態において、ドプラ電力検出部44は、周波数スペクトラムに変換された第一復調信号から、複数の第n次波成分の各成分ごとに、対象組織に対応したドプラ信号を抽出する。そして、抽出した各ドプラ信号の電力値を検出する。さらに、第二復調信号から、複数の第n´次波成分の各成分ごとに、対象組織に対応したドプラ信号を抽出する。そして、抽出した各ドプラ信号の電力値を検出する。
In the second embodiment, the Doppler
指標値演算部45は、第一復調信号および第二復調信号の各々について検出された複数のドプラ信号の電力に基づいて、指標値km1と指標値km2の二つの指標値を求める。さらに、距離演算部48は、二つの指標値に基づいて対象組織の深さを算出する。そこで、本第二実施形態における対象組織の距離(深さ)の算出原理について説明する。
Index
第二実施形態では、測定可能な組織の深さを大きく広げるために、二つの変調波周波数fm1,fm2を利用し、これらの各々に対応する二つの指標値km1,km2が求められる。指標値km1,km2は、数13の式に基づき、二つの変調波周波数fm1,fm2について次式のように求めることができる。
また、二つの変調波周波数fm1,fm2と指標値km1,km2との間には次式の関係がある。
数14を満たす指標値kに対応した超音波の組織内波長λ0は次式で与えられる。
これに対し、数28に対応した超音波の組織内波長λ12は次式で与えられる。
図7のドプラ電力検出部44、指標値演算部45および距離演算部48は、上述した計算原理を利用している。つまり、ドプラ電力検出部44は、周波数スペクトラムに変換された第一復調信号から、複数の第n次波成分の各成分ごとに、対象組織に対応したドプラ信号を抽出して、各ドプラ信号の電力値Pn m1を検出する。さらに、第二復調信号から、複数の第n´次波成分の各成分ごとに、対象組織に対応したドプラ信号を抽出して、各ドプラ信号の電力値Pn m2を検出する。
The Doppler
指標値演算部45は、数22を利用して、ドプラ信号の電力値Pn m1から指標値km1を算出し、ドプラ信号の電力値Pn m2から指標値km2を算出する。そして、距離演算部48は、数28を利用して、指標値km1,km2と既知の周波数fm1,fm2から距離dを算出する。
Index
このように、第二実施形態においても距離演算部48で対象組織の距離(深さ)が算出され、また、図1の実施形態と同様にして速度演算部50において対象組織の速度が算出される。そして、表示処理部52は、これら算出された情報に基づいて表示画像を形成して表示部54へ表示させる。第二実施形態においても、例えば、図4から図6に示される表示画像が形成される。
As described above, also in the second embodiment, the distance (depth) of the target tissue is calculated by the
以上説明したように、本発明の実施形態(第二実施形態を含む)により、連続波を利用して対象組織の位置情報(深さ)と速度情報を同時に得ることができる。対象組織の位置情報を取得する手法としては、超音波パルス方式がよく知られている。 As described above, according to the embodiment of the present invention (including the second embodiment), the position information (depth) and velocity information of the target tissue can be obtained simultaneously using the continuous wave. An ultrasonic pulse method is well known as a method for acquiring position information of a target tissue.
超音波パルスを用いた距離・速度の測定では、SNRを向上させるためには、超音波パルスの尖頭電力を大きくする必要がある。そして、超音波パルスの尖頭電力を大きくするためには、送信回路系の高耐圧化や送信パルスの受信回路系への漏洩防止対策などの対策が必要になる。また、超音波パルスの尖頭電力を大きくした場合には、ピーク音圧による生体への影響も考慮する必要があるなどの問題もある。 In distance / velocity measurement using an ultrasonic pulse, it is necessary to increase the peak power of the ultrasonic pulse in order to improve the SNR. In order to increase the peak power of the ultrasonic pulse, it is necessary to take measures such as a high breakdown voltage of the transmission circuit system and a countermeasure for preventing leakage of the transmission pulse to the reception circuit system. In addition, when the peak power of the ultrasonic pulse is increased, there is a problem that it is necessary to consider the influence of the peak sound pressure on the living body.
これに対し、本実施形態では、連続波を利用しているため、パルス方式に比べて超音波送信尖頭電力を非常に小さくでき、結果として、パルス方式が抱える上記問題を解決することができる。例えば、本実施形態では、送信回路系において高電圧回路が不要になるため回路構成が簡単となり送信回路の小型化が見込まれる。また、送信回路の低電力化に貢献できる。 On the other hand, in the present embodiment, since the continuous wave is used, the ultrasonic transmission peak power can be made extremely smaller than that of the pulse method, and as a result, the above-described problem of the pulse method can be solved. . For example, in this embodiment, since a high voltage circuit is not required in the transmission circuit system, the circuit configuration is simplified and the transmission circuit is expected to be downsized. Moreover, it can contribute to the reduction in power of the transmission circuit.
20 FM変調器、22 RF波発振器、24 FM変調波発振器、40,42 FFT回路、44 ドプラ電力検出部、46 ドプラ周波数検出部、48 距離演算部、50 速度演算部、52 表示処理部。 20 FM modulator, 22 RF wave oscillator, 24 FM modulated wave oscillator, 40, 42 FFT circuit, 44 Doppler power detector, 46 Doppler frequency detector, 48 distance calculator, 50 speed calculator, 52 display processor.
Claims (7)
前記変調送信信号の供給によって生体に対して超音波を送波し、生体からの反射波を受波して受信信号を出力する送受波手段と、
前記受信信号を前記変調送信信号を用いて復調し、これにより、前記変調波信号を基本波とした場合における複数の第n次波成分(nは0以上の自然数)を含んだ復調信号を得る復調手段と、
前記復調信号から、前記複数の第n次波成分の各成分ごとに、対象組織に対応したドプラ信号を抽出するドプラ信号抽出手段と、
前記抽出された複数のドプラ信号の強度に基づいて対象組織の位置情報を生成する位置情報生成手段と、
を有する、
ことを特徴とする超音波診断装置。 Transmission signal generation means for generating a modulated transmission signal by modulating a carrier wave signal using a modulated wave signal;
Transmitting and receiving means for transmitting an ultrasonic wave to a living body by supplying the modulated transmission signal, receiving a reflected wave from the living body and outputting a reception signal;
The received signal is demodulated using the modulated transmission signal, thereby obtaining a demodulated signal including a plurality of nth-order wave components (n is a natural number of 0 or more) when the modulated wave signal is a fundamental wave. Demodulation means;
Doppler signal extraction means for extracting a Doppler signal corresponding to a target tissue for each component of the plurality of nth-order wave components from the demodulated signal;
Position information generating means for generating position information of the target tissue based on the intensity of the extracted plurality of Doppler signals;
Having
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記位置情報生成手段は、前記位置情報として対象組織の深さを算出する、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 1,
The position information generating means calculates a depth of a target tissue as the position information;
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記位置情報生成手段は、前記複数の第n次波成分のうちの第0次波成分である直流成分と第1次波成分である基本波成分とnが2以上の複数の高調波成分の各々から抽出される対象組織のドプラ信号を演算対象とし、これら複数のドプラ信号の電力に基づいて対象組織の深さを算出する、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 2,
The position information generation means includes a DC component that is a 0th-order wave component, a fundamental wave component that is a first-order wave component, and a plurality of harmonic components where n is 2 or more among the plurality of n-th order wave components. The Doppler signal of the target tissue extracted from each is a calculation target, and the depth of the target tissue is calculated based on the power of the plurality of Doppler signals.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記位置情報生成手段は、前記複数の第n次波成分のうちの第1次波成分である基本波成分とnが2以上の複数の高調波成分の各々から抽出される対象組織のドプラ信号を演算対象とし、これら複数のドプラ信号の電力に基づいて対象組織の深さを算出する、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 2,
The positional information generating means is a Doppler signal of a target tissue extracted from each of a fundamental wave component that is a first-order wave component of the plurality of n-th order wave components and a plurality of harmonic components where n is 2 or more. And calculating the depth of the target tissue based on the power of these multiple Doppler signals,
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記ドプラ信号抽出手段は、前記復調信号を周波数スペクトラムに変換するFFT回路を含み、変換された周波数スペクトラムを利用して前記ドプラ信号を抽出する、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 3 or 4,
The Doppler signal extraction means includes an FFT circuit that converts the demodulated signal into a frequency spectrum, and extracts the Doppler signal using the converted frequency spectrum.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記抽出された複数のドプラ信号のうちの少なくとも一つのドプラ信号の周波数に基づいて対象組織の速度情報を生成する速度情報生成手段を有する、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 5,
Velocity information generation means for generating velocity information of the target tissue based on the frequency of at least one Doppler signal among the plurality of extracted Doppler signals.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記第一変調送信信号および第二変調送信信号の供給によって生体に対して超音波を送波し、生体からの反射波を受波して受信信号を出力する送受波手段と、
前記受信信号を前記第一変調送信信号を用いて復調し、これにより、前記第一変調波信号を基本波とした場合における複数の第n次波成分(nは0以上の自然数)を含んだ第一復調信号を取得し、さらに、前記受信信号を前記第二変調送信信号を用いて復調し、これにより、前記第二変調波信号を基本波とした場合における複数の第n´次波成分(n´は0以上の自然数)を含んだ第二復調信号を取得する復調手段と、
前記第一復調信号から、前記複数の第n次波成分の各成分ごとに、対象組織に対応したドプラ信号を抽出し、さらに、前記第二復調信号から、前記複数の第n´次波成分の各成分ごとに、対象組織に対応したドプラ信号を抽出するドプラ信号抽出手段と、
前記第一復調信号から抽出された複数のドプラ信号の強度に基づいて求められる指標値km1と、前記第二復調信号から抽出された複数のドプラ信号の強度に基づいて求められる指標値km2の二つの指標値に基づいて対象組織の位置情報を生成する位置情報生成手段と、
を有する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
A carrier wave signal is modulated using a first modulated wave signal having a frequency f m1 to generate a first modulated transmission signal, and the carrier wave signal is further modulated using a second modulated wave signal having a frequency f m2 . Transmission signal generating means for generating a second modulated transmission signal by:
Transmitting and receiving means for transmitting an ultrasonic wave to the living body by supplying the first modulated transmission signal and the second modulated transmission signal, receiving a reflected wave from the living body and outputting a received signal;
The received signal is demodulated using the first modulated transmission signal, thereby including a plurality of nth-order wave components (n is a natural number of 0 or more) when the first modulated wave signal is a fundamental wave. A first demodulated signal is obtained, and the received signal is demodulated using the second modulated transmission signal, whereby a plurality of nth-order wave components in the case where the second modulated wave signal is a fundamental wave Demodulation means for obtaining a second demodulated signal including (n ′ is a natural number of 0 or more);
A Doppler signal corresponding to a target tissue is extracted from the first demodulated signal for each component of the plurality of n-th order wave components, and the plurality of n-th order wave components are further extracted from the second demodulated signal. A Doppler signal extraction means for extracting a Doppler signal corresponding to the target tissue for each of the components,
An index value k m1 obtained based on the intensities of a plurality of Doppler signals extracted from the first demodulated signal, the index value is determined based on the intensities of a plurality of Doppler signals extracted from the second demodulated signal k m @ 2 Position information generating means for generating position information of the target tissue based on the two index values;
Having
An ultrasonic diagnostic apparatus.
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