JP2007215816A - Pulse doppler measuring apparatus, its method and its program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、対象物に送波した超音波に対する反射波に基づいて、移動する対象物の速度を計測するパルスドプラ計測装置、その方法及びそのプログラムに関する。 The present invention relates to a pulse Doppler measurement apparatus, a method thereof, and a program thereof that measure the velocity of a moving object based on a reflected wave with respect to an ultrasonic wave transmitted to the object.
従来、人体の診断を行う装置として、生体内の血流の速度を計測するパルスドプラ法を用いた診断装置が種々開発され、臨床の場で広く利用されている。これらの診断装置は、生体内の血流に対して超音波のパルスを一定周期で繰り返し送波し、計測対象である赤血球が動くことにより生じる反射波の位相変化を検出することで、血流の速度を計測している。
ここで、図9を参照して、従来のパルスドプラ法について、その概念を説明する。
パルスドプラ法は、図9(a)に示すように、送波器Sから、一定周期で超音波(送波パルス)を、動きを伴う対象物(例えば、血流)Bに送波し、受波器Rで、対象物Bからの反射波を受波する。このとき、1番目の送波と2番目の送波との間に対象物BがΔxだけ移動したとすると、図9(b)に示すように、伝播時間差Δtだけ受波波形がシフトする。
この移動量Δxと伝播時間差Δtとの関係は、伝播媒質中の音速をc〔m/s〕とすると、以下の(1)式で表される。
Conventionally, various diagnostic apparatuses using a pulse Doppler method for measuring a blood flow velocity in a living body have been developed as apparatuses for diagnosing a human body and are widely used in clinical settings. These diagnostic devices repeatedly transmit ultrasonic pulses to the blood flow in a living body at a constant cycle, and detect the phase change of the reflected wave caused by the movement of the red blood cells to be measured. Is measuring the speed.
Here, the concept of the conventional pulse Doppler method will be described with reference to FIG.
In the pulse Doppler method, as shown in FIG. 9 (a), an ultrasonic wave (transmitted pulse) is transmitted from a transmitter S to an object (for example, blood flow) B with movement at a constant period, and received. A wave R receives a reflected wave from the object B. At this time, if the object B moves by Δx between the first transmission and the second transmission, the received waveform shifts by the propagation time difference Δt as shown in FIG. 9B.
The relationship between the movement amount Δx and the propagation time difference Δt is expressed by the following equation (1), where c [m / s] is the speed of sound in the propagation medium.
ここで、送波パルスの繰り返し周期をT〔s〕とし、対象物Bの速度をv〔m/s〕とすると、前記(1)式は、以下の(2)式となる。 Here, assuming that the repetition period of the transmission pulse is T [s] and the velocity of the object B is v [m / s], the equation (1) becomes the following equation (2).
この伝播時間差Δtは、図9(c)に示すように、シフトした受波のスペクトルにおいて位相のずれとなって現れる。すなわち、伝播時間差Δtは、図9(d)に示すように、シフトした受波のスペクトルの位相差(位相回転)に比例する。
ここで、送波パルスの中心周波数をωc、ωcにおける位相差をΔθcとすると、図9(d)の直線の傾きはΔθc/ωcとなる。これが伝播時間差Δtに相当するため、前記(2)式より、以下の(3)式を得ることができる。
As shown in FIG. 9C, this propagation time difference Δt appears as a phase shift in the shifted received spectrum. In other words, the propagation time difference Δt is proportional to the phase difference (phase rotation) of the shifted received spectrum, as shown in FIG.
Here, the center frequency of the transmission pulse omega c, when the phase difference between [Delta] [theta] c in omega c, the slope of the line shown in FIG. 9 (d) becomes Δθ c / ω c. Since this corresponds to the propagation time difference Δt, the following equation (3) can be obtained from the equation (2).
このように、対象物Bの速度vは、送波パルスの中心周波数ωcと位相差Δθcとにより求めることができる。
そして、このパルスドプラ法を用いた診断装置は、血流の速度を表示装置上にカラー表示させることにより、心臓、肝臓等の診断、血行動態のリアルタイムの診断等、多くの診断に利用されている。
しかし、パルスドプラ法を用いた診断装置では、前記(3)式に示すように、血流計測を反射波の位相変化により行っているため、図9(e)に示すように、血流の速さによっては、位相の折り返し(いわゆるエイリアシング)が発生し、正しい計測結果が得られないという問題がある。
Thus, the velocity v of the object B can be obtained from the center frequency ω c of the transmission pulse and the phase difference Δθ c .
The diagnostic apparatus using the pulse Doppler method is used for many diagnoses such as diagnosis of the heart, liver, etc., real-time diagnosis of hemodynamics, etc. by displaying the blood flow speed on the display device in color. .
However, in the diagnostic apparatus using the pulse Doppler method, as shown in the above equation (3), the blood flow measurement is performed by the phase change of the reflected wave. Therefore, as shown in FIG. Depending on the situation, phase folding (so-called aliasing) occurs, and there is a problem that a correct measurement result cannot be obtained.
この問題を解決する手法として、種々の提案がなされている。例えば、2つの異なる周波数をもつパルスを予め定めた周期で対象物に送波し、それぞれ送波したパルスと反射波との位相差の差をとることで、位相差が±πを超えエイリアシングが発生する場合でも、2つの位相差の差が±π以内でありエイリアシングが発生しないことを利用して、対象物の速度を計測する手法(以下、2周波法という)が提案されている(特許文献1、特許文献2参照)。
また、別の手法として、パルスを異なる周期で対象物に送波し、それぞれ送波したパルスと反射波との位相差をとり、周期の差により発生する位相差の差を利用することで、対象物の速度を計測する手法(以下、2周期法という)が提案されている(特許文献3参照)。
Various proposals have been made as methods for solving this problem. For example, by sending a pulse having two different frequencies to an object in a predetermined cycle and taking the difference in phase difference between the transmitted pulse and the reflected wave, the phase difference exceeds ± π and aliasing is caused. Even if it occurs, a method for measuring the speed of an object (hereinafter referred to as a two-frequency method) has been proposed by utilizing the fact that the difference between two phase differences is within ± π and aliasing does not occur (Patent Patent)
In addition, as another method, by sending a pulse to an object at different periods, taking the phase difference between the transmitted pulse and the reflected wave, and utilizing the difference in phase difference generated by the period difference, A method for measuring the speed of an object (hereinafter referred to as a two-period method) has been proposed (see Patent Document 3).
また、これらの従来の手法では、送受波を複数回行い位相の平均化を行うことで、計測速度の精度を高めている。さらに、従来の手法では、送受波するパルスの中心周波数により位相の検出を行っているが、パルスの帯域を狭くする方が、S/Nの点で有利であると考え、比較的パルス長の長いバースト波を用いている。
また、従来の手法では、実際の血流計測において、血管壁、骨等の動きのない反射体からの反射波を拾ってしまうクラッタ成分を除去するため、反射波の位相の差に基づいて、動きのない反射体からの反射波の信号を除去するMTI(Moving Target Indication)フィルタを使用している。
Moreover, in the conventional method, in the actual blood flow measurement, in order to remove the clutter component that picks up the reflected wave from the reflector without movement such as the blood vessel wall and bone, based on the phase difference of the reflected wave, An MTI (Moving Target Indication) filter that removes a reflected wave signal from a reflector that does not move is used.
前記した従来の手法(2周波法、2周期法)では、S/N改善の観点から、受波した反射波の位相の平均化を行ったり、比較的パルス長の長いバースト波を使用したりすることで、計測の精度を高めようとしていた。
しかし、実際の生体内の血流計測において、精度を高めることができない原因は、各々の赤血球からの反射波の干渉による位相の変動であることを、本発明者は解明した。
In the conventional method described above (two frequency method, two period method), from the viewpoint of S / N improvement, the phase of the received reflected wave is averaged or a burst wave having a relatively long pulse length is used. By doing so, it was trying to improve the accuracy of measurement.
However, the present inventor has clarified that the reason why the accuracy cannot be increased in the actual blood flow measurement in the living body is the phase fluctuation due to the interference of the reflected wave from each red blood cell.
概略すると、生体内の血流を計測する場合、超音波の反射体となるのは赤血球である。この赤血球は、超音波の一波長内に極めて多数かつランダムに存在し、多数散乱体として振舞う。このような多数散乱体に対して、超音波のパルスを送波すると、各々の赤血球からの反射波は互いに重なり合い干渉することになる。その結果、血流が一定の速度で流れていたとしても、反射波の位相は不規則に変動することになる。
これに対し、従来の手法(2周波法、2周期法)は、干渉による位相変動の影響を考慮していないため、計測の精度を高めることができなかった。すなわち、従来の手法においては、位相差の差を求めるため、位相の変動による影響を強く受けることになり、エイリアシングの問題は解決できても、計測の精度を逆に劣化させることとなっていた。
In summary, when measuring blood flow in a living body, it is red blood cells that are the reflectors of ultrasonic waves. The erythrocytes are present in large numbers and randomly within one wavelength of the ultrasonic wave and behave as a large number of scatterers. When ultrasonic pulses are transmitted to such a large number of scatterers, the reflected waves from each red blood cell overlap and interfere with each other. As a result, even if the blood flow flows at a constant speed, the phase of the reflected wave fluctuates irregularly.
On the other hand, since the conventional method (two-frequency method, two-period method) does not consider the influence of phase fluctuation due to interference, the measurement accuracy cannot be improved. That is, in the conventional method, since the difference in phase difference is obtained, it is strongly influenced by the fluctuation of the phase, and even if the aliasing problem can be solved, the measurement accuracy is deteriorated conversely. .
さらに、実際の血流計測において、従来の手法は、MTIフィルタによりクラッタ成分を除去している。しかし、従来の手法は、送受波するパルスの中心周波数により位相の検出を行っているため、送波周期の整数倍に相当する距離だけ移動した反射体については、位相差がゼロになってしまい、実際には対象物が動いているにも拘らず、クラッタ成分として除去されてしまう。このように、従来の手法では、求められない速度(以下、ブラインド速度という)が存在するという問題があった。 Further, in actual blood flow measurement, the conventional method removes clutter components by an MTI filter. However, since the conventional method detects the phase based on the center frequency of the transmitted / received pulse, the phase difference becomes zero for the reflector moved by a distance corresponding to an integral multiple of the transmission period. Actually, although the object is moving, it is removed as a clutter component. As described above, the conventional method has a problem that there is a speed that cannot be obtained (hereinafter referred to as a blind speed).
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、対象物の速度を超音波パルスの反射波の位相差により計測する際に、位相差における位相の折り返し(エイリアシング)による誤計測を防止するとともに、対象物の速度の計測精度を高め、さらに、ブラインド速度をなくすことを可能にしたパルスドプラ計測装置、その方法及びそのプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. When the velocity of an object is measured by the phase difference of the reflected wave of an ultrasonic pulse, the phase is turned back (aliasing). An object of the present invention is to provide a pulse Doppler measurement device, a method thereof, and a program thereof that prevent erroneous measurement, increase the measurement accuracy of the speed of an object, and eliminate the blind speed.
本発明は、前記目的を達成するために創案されたものであり、まず、請求項1に記載のパルスドプラ計測装置は、対象物に対して超音波を一定の周期で送波し、その反射波に基づいて、前記対象物の移動速度を計測するパルスドプラ計測装置であって、送波手段と、受波手段と、スペクトル解析手段と、位相差演算手段と、位相差修正手段と、直線近似手段と、速度特定手段と、を備える構成とした。 The present invention was devised to achieve the above object. First, the pulse Doppler measurement apparatus according to claim 1 transmits ultrasonic waves to an object at a constant period, and the reflected waves thereof. A pulse Doppler measurement device for measuring the moving speed of the object based on the following: a wave transmission means, a wave reception means, a spectrum analysis means, a phase difference calculation means, a phase difference correction means, and a linear approximation means And a speed specifying means.
かかる構成において、パルスドプラ計測装置は、送波手段によって、超音波のパルスを、速度を計測する対象となる対象物に送波し、受波手段によって、対象物から反射された反射波を受波する。このとき、対象物が移動していると反射波の位相がずれることになる。
また、パルスドプラ計測装置は、スペクトル解析手段によって、反射波から、周波数毎の位相を検出する。すなわち、スペクトル解析手段は、送波したパルスにおける1つの周波数だけでなく、予め定めた複数の周波数における位相を検出する。
In such a configuration, the pulse Doppler measurement device transmits an ultrasonic pulse to the target object whose speed is to be measured by the transmitting means, and receives the reflected wave reflected from the target by the receiving means. To do. At this time, if the object is moving, the phase of the reflected wave is shifted.
The pulse Doppler measurement device detects the phase for each frequency from the reflected wave by the spectrum analysis means. That is, the spectrum analysis means detects not only one frequency in the transmitted pulse but also phases at a plurality of predetermined frequencies.
さらに、パルスドプラ計測装置は、位相差演算手段によって、スペクトル解析手段で検出された周波数毎の位相について、周期毎に位相差を演算する。この位相差は、対象物が移動することによる移動量に相当するため、対象物の速度に対応することとなる。
そして、パルスドプラ計測装置は、位相差修正手段によって、周波数毎の位相差に対して、予め定めた異なる複数の位相修正パターンで2πの整数倍の位相を加算又は減算することで位相差を修正する。この位相修正パターンは、どの周波数の位相差に対して2πの整数倍の位相を加算又は減算するかを示すものである。なお、この位相修正パターンは、最大周波数から順に2πの整数倍を加算又は減算するパターンが望ましい。これによって、位相の折り返し(エイリアシング)が発生する場合であっても、その折り返しを補正する方向に位相差が修正されることになる。
Further, the pulse Doppler measurement device calculates a phase difference for each period with respect to the phase for each frequency detected by the spectrum analysis unit by the phase difference calculation unit. This phase difference corresponds to the amount of movement caused by the movement of the object, and therefore corresponds to the speed of the object.
Then, the pulse Doppler measurement device corrects the phase difference by adding or subtracting a phase that is an integral multiple of 2π with a plurality of different phase correction patterns determined in advance to the phase difference for each frequency by the phase difference correction means. . This phase correction pattern indicates which frequency phase difference is added or subtracted with an integer multiple of 2π. The phase correction pattern is preferably a pattern in which an integer multiple of 2π is added or subtracted in order from the maximum frequency. As a result, even if phase folding (aliasing) occurs, the phase difference is corrected in the direction in which the folding is corrected.
また、パルスドプラ計測装置は、直線近似手段によって、周波数と当該周波数における位相差とを座標点とする座標系において、予め定めた複数の位相修正パターン毎に、周波数毎の座標点を直線に近似することで、その直線の傾きと、その誤差とを演算する。なお、この直線近似は、最小二乗法を用いて演算することができる。また、この誤差が最も小さい場合、周波数と当該周波数における位相差との座標点が、ほぼ直線上にプロットされることになり、エイリアシングにより発生した位相差の位相の折り返しが修正されたことになる。
そして、パルスドプラ計測装置は、速度特定手段によって、直線近似手段で演算された誤差が最小となる直線の傾きを、対象物の移動速度に対応する位相差の傾きとして選択する。
Further, the pulse Doppler measuring device approximates the coordinate point for each frequency to a straight line for each of a plurality of predetermined phase correction patterns in a coordinate system having the frequency and the phase difference at the frequency as coordinate points by the linear approximation means. Thus, the slope of the straight line and the error are calculated. This linear approximation can be calculated using the least square method. When this error is the smallest, the coordinate point between the frequency and the phase difference at the frequency is plotted on a substantially straight line, and the phase wrapping of the phase difference caused by aliasing is corrected. .
Then, the pulse Doppler measuring device selects, by the speed specifying means, the slope of the straight line that minimizes the error calculated by the straight line approximating means as the slope of the phase difference corresponding to the moving speed of the object.
また、請求項2に記載のパルスドプラ計測装置は、請求項1に記載のパルスドプラ計測装置であって、前記位相差演算手段が、周波数毎の位相差を、予め定めた送受波回数毎に平均化することを特徴とする。
Further, the pulse Doppler measurement device according to
かかる構成において、パルスドプラ計測装置は、位相差演算手段によって、反射波の変動を平均化することで、ノイズや、反射波の干渉による位相の変動を抑圧する。 In such a configuration, the pulse Doppler measurement device suppresses fluctuations in phase due to noise and interference of reflected waves by averaging fluctuations in reflected waves by the phase difference calculation means.
さらに、請求項3に記載のパルスドプラ計測装置は、請求項1又は請求項2に記載のパルスドプラ計測装置において、スペクトル解析手段で検出された位相に基づいて、クラッタ成分を除去するフィルタリング手段を備える構成とした。
Furthermore, the pulse Doppler measurement apparatus according to
かかる構成において、パルスドプラ計測装置は、フィルタリング手段によって、スペクトル解析手段で検出された位相に基づいて、クラッタ成分を除去する。すなわち、フィルタリング手段によって、予め定めた基準よりも遅い位相回転のスペクトル成分(低周波スペクトル変動成分)を除去し、速い位相回転のスペクトル成分を抽出する。これによって、遅い動きによる信号成分(クラッタ成分)が除去される。 In such a configuration, the pulse Doppler measurement apparatus removes the clutter component based on the phase detected by the spectrum analysis means by the filtering means. That is, the filtering means removes a spectral component having a phase rotation slower than a predetermined reference (low-frequency spectral fluctuation component) and extracts a spectral component having a fast phase rotation. As a result, signal components (clutter components) due to slow motion are removed.
また、請求項4に記載のパルスドプラ計測方法は、対象物に対して超音波を一定の周期で送波し、その反射波に基づいて、前記対象物の移動速度を計測するパルスドプラ計測方法であって、送受波ステップと、スペクトル解析ステップと、位相差演算ステップと、位相差修正ステップと、直線近似ステップと、速度特定ステップと、を含んでいることを特徴とする。
The pulse Doppler measurement method according to
かかる手順において、パルスドプラ計測方法は、送受波ステップで、超音波のパルスを、速度を計測する対象となる対象物に送波し、対象物からの反射された反射波を受波する。また、パルスドプラ計測方法は、スペクトル解析ステップで、反射波から、周波数毎の位相を検出する。
さらに、パルスドプラ計測方法は、位相差演算ステップで、スペクトル解析ステップで検出された周波数毎の位相について、周期毎に位相差を演算する。この位相差は、対象物が移動することによる移動量に相当するため、対象物の速度に対応することとなる。
In this procedure, the pulse Doppler measurement method transmits an ultrasonic pulse to a target object whose speed is to be measured and receives a reflected wave reflected from the target in a transmission / reception step. In the pulse Doppler measurement method, the phase for each frequency is detected from the reflected wave in the spectrum analysis step.
Further, in the pulse Doppler measurement method, the phase difference is calculated for each period with respect to the phase for each frequency detected in the spectrum analysis step in the phase difference calculation step. This phase difference corresponds to the amount of movement caused by the movement of the object, and therefore corresponds to the speed of the object.
そして、パルスドプラ計測方法は、位相差修正ステップで、周波数毎の位相差に対して、予め定めた異なる複数の位相修正パターンで2πの整数倍の位相を加算又は減算することで位相差を修正する。
また、パルスドプラ計測方法は、直線近似ステップで、周波数と当該周波数における位相差とを座標点とする座標系において、予め定めた複数の位相修正パターン毎に、周波数毎の座標点を直線に近似することで、その直線の傾きと、その誤差とを演算する。
そして、パルスドプラ計測方法は、速度特定ステップで、直線近似ステップで演算された誤差が最小となる直線の傾きを、対象物の移動速度に対応する位相差の傾きとして選択する。
In the pulse Doppler measurement method, in the phase difference correction step, the phase difference is corrected by adding or subtracting a phase that is an integral multiple of 2π with a plurality of different predetermined phase correction patterns to the phase difference for each frequency. .
In the pulse Doppler measurement method, in the linear approximation step, the coordinate point for each frequency is approximated to a straight line for each of a plurality of predetermined phase correction patterns in a coordinate system having the frequency and the phase difference at the frequency as coordinate points. Thus, the slope of the straight line and the error are calculated.
In the pulse Doppler measurement method, the slope of the straight line that minimizes the error calculated in the straight line approximation step is selected as the slope of the phase difference corresponding to the moving speed of the object in the speed specifying step.
さらに、請求項5に記載のパルスドプラ計測プログラムは、対象物に対して一定の周期で送波された超音波に対する反射波に基づいて、前記対象物の移動速度を計測するために、コンピュータを、スペクトル解析手段、位相差演算手段、位相差修正手段、直線近似手段、速度特定手段、として機能させることを特徴とする。
Furthermore, the pulse Doppler measurement program according to
かかる構成において、パルスドプラ計測プログラムは、スペクトル解析手段によって、反射波から、周波数毎の位相を検出する。
さらに、パルスドプラ計測プログラムは、位相差演算手段によって、スペクトル解析手段で検出された周波数毎の位相について、周期毎に位相差を演算する。
そして、パルスドプラ計測プログラムは、位相差修正手段によって、周波数毎の位相差に対して、予め定めた異なる複数の位相修正パターンで2πの整数倍の位相を加算又は減算することで位相差を修正する。
In such a configuration, the pulse Doppler measurement program detects the phase for each frequency from the reflected wave by the spectrum analysis means.
Further, the pulse Doppler measurement program calculates a phase difference for each period with respect to the phase for each frequency detected by the spectrum analysis unit by the phase difference calculation unit.
Then, the pulse Doppler measurement program corrects the phase difference by adding or subtracting a phase that is an integer multiple of 2π with a plurality of different phase correction patterns determined in advance to the phase difference for each frequency by the phase difference correction means. .
また、パルスドプラ計測プログラムは、直線近似手段によって、周波数と当該周波数における位相差とを座標点とする座標系において、予め定めた複数の位相修正パターン毎に、周波数毎の座標点を直線に近似することで、その直線の傾きと、その誤差とを演算する。
そして、パルスドプラ計測プログラムは、速度特定手段によって、直線近似手段で演算された誤差が最小となる直線の傾きを、対象物の移動速度に対応する位相差の傾きとして選択する。
Further, the pulse Doppler measurement program approximates the coordinate point for each frequency to a straight line for each of a plurality of predetermined phase correction patterns in a coordinate system having the frequency and the phase difference at the frequency as coordinate points by a linear approximation means. Thus, the slope of the straight line and the error are calculated.
Then, the pulse Doppler measurement program selects, as the gradient of the phase difference corresponding to the moving speed of the target object, the gradient of the straight line that minimizes the error calculated by the linear approximation unit.
本発明は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
請求項1、請求項4又は請求項5に記載の発明によれば、反射波の位相差にエイリアシングが発生する場合であっても、その発生したエイリアシングを複数の周波数における位相差によって、修正することができる。これによって、本発明は、対象物の速度を計測する際の誤計測を防止することができる。
The present invention has the following excellent effects.
According to the first, fourth, or fifth aspect of the invention, even when aliasing occurs in the phase difference of the reflected wave, the generated aliasing is corrected by the phase difference at a plurality of frequencies. be able to. Thereby, this invention can prevent the erroneous measurement at the time of measuring the speed of a target object.
請求項2に記載の発明によれば、反射波の変動を平均化することで、ノイズや、反射波の干渉による位相の変動を抑圧するため、例えば、血流のような多数散乱体を計測の対象物とする場合、反射波が重なり合い干渉する場合であっても、位相変動の影響を小さくすることができ、精度よく対象物の計測を行うことができる。 According to the second aspect of the present invention, for example, a large number of scatterers such as blood flow are measured in order to suppress fluctuations in phase due to interference of reflected waves by averaging fluctuations in reflected waves. In the case of the target object, even if the reflected waves overlap and interfere with each other, the influence of the phase fluctuation can be reduced, and the target object can be accurately measured.
請求項3に記載の発明によれば、フィルタリング手段が、複数の周波数においてクラッタ成分を除去するため、ある周波数において位相差が所定値未満となり速度が検出できない場合であっても、他の周波数において位相差が発生しているため、動いている対象物を動いていない物体であると認識することがない。このため、本発明は、速度検出ができない、いわゆるブラインド速度をなくすことができる。
According to the invention described in
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[パルスドプラ計測方法(広帯域ドプラ法)の基本原理]
最初に、図3及び図4を参照して、本発明に係るパルスドプラ計測方法の基本原理について説明する。なお、ここでは、本発明に係るパルスドプラ計測方法を「広帯域ドプラ法」と呼び、一般的なパルスドプラ計測方法を「従来のパルスドプラ法」と呼ぶこととする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Basic principle of pulse Doppler measurement method (broadband Doppler method)]
First, the basic principle of the pulse Doppler measurement method according to the present invention will be described with reference to FIGS. Here, the pulse Doppler measurement method according to the present invention is referred to as “broadband Doppler method”, and a general pulse Doppler measurement method is referred to as “conventional pulse Doppler method”.
図3は、従来のパルスドプラ法と本発明に係る広帯域ドプラ法との違いを説明するためのグラフ図であって、(a)は従来のパルスドプラ法で送受波するパルスの振幅スペクトルと、伝播時間差における振幅スペクトルの位相差を示し、(b)は広帯域ドプラ法で送受波するパルスの振幅スペクトルと、伝播時間差における振幅スペクトルの位相差を示している。なお、図3の(a−1)及び(b−1)では、横軸を周波数、縦軸を振幅としている。また、図3の(a−2)及び(b−2)では、横軸を周波数、縦軸を位相差としている。
図4は、広帯域ドプラ法におけるエイリアシングが発生した場合の位相差の修正を説明するためのグラフ図である。なお、図4では、横軸を周波数、縦軸を位相差としている。
FIG. 3 is a graph for explaining the difference between the conventional pulse Doppler method and the broadband Doppler method according to the present invention. FIG. 3A shows the amplitude spectrum of a pulse transmitted and received by the conventional pulse Doppler method and the propagation time difference. (B) shows the amplitude spectrum of the pulse transmitted and received by the wideband Doppler method and the phase difference of the amplitude spectrum in the propagation time difference. In (a-1) and (b-1) of FIG. 3, the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents amplitude. Further, in (a-2) and (b-2) of FIG. 3, the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents phase difference.
FIG. 4 is a graph for explaining the correction of the phase difference when aliasing occurs in the wideband Doppler method. In FIG. 4, the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents phase difference.
通常のパルスドプラ法は、図3(a)の(a−1)に示すパルスPNの中心周波数ωcにおいて、(a−2)に示すように振幅スペクトルの位相差の傾きを求めることで、速度を得ている。この場合、位相差が±π以下となる低速で移動する対象物に対しては、正常に速度を得ることができるが、位相差が±πを超えるような高速で移動する対象物に対しては、位相差の位相の折り返し(エイリアシング)が発生し、位相差の傾きによる速度を正しく得ることができない。なお、従来のパルスドプラ法において、このエイリアシングの問題を解決する手法が、背景技術で説明した2周波法や2周期法である。 Normal pulse Doppler method, by obtaining the center frequency omega c of the pulse P N shown in FIG. 3 (a) (a-1) , the slope of the phase difference of the amplitude spectrum as shown in (a-2), Getting speed. In this case, for an object moving at a low speed where the phase difference is ± π or less, the speed can be obtained normally, but for an object moving at a high speed such that the phase difference exceeds ± π. In this case, aliasing of the phase difference (aliasing) occurs, and the speed due to the gradient of the phase difference cannot be obtained correctly. In the conventional pulse Doppler method, a method for solving this aliasing problem is the two-frequency method or the two-period method described in the background art.
一方、広帯域ドプラ法は、図3(b)の(b−1)に示すパルスPWのスペクトル全域において、(b−2)に示すように複数の周波数(ω1〜ωn)において位相差を求め、その複数の位相差により傾きを求めることで、速度を得ている。この場合であっても、位相差が±πを超えるような高速で移動する反射体に対しては、位相差の位相の折り返し(エイリアシング)が発生する。 On the other hand, the wideband Doppler method has a phase difference at a plurality of frequencies (ω 1 to ω n ) as shown in (b-2) in the entire spectrum of the pulse P W shown in (b-1) of FIG. The speed is obtained by obtaining the slope from the plurality of phase differences. Even in this case, phase reflection of the phase difference (aliasing) occurs for a reflector that moves at a high speed such that the phase difference exceeds ± π.
そこで、広帯域ドプラ法は、図4に示すように、位相の折り返しがあった周波数以上(ここではω7以上)の位相差について、2πの位相を加えることで、折り返しの生じた位相差を修正する。なお、位相の折り返しがパルスPWのスペクトル内で複数回発生する場合は、2πの整数倍の位相を加える。そして、広帯域ドプラ法は、位相差が修正された直線Lの傾きから速度を求める。なお、この直線の求め方については、後で詳細に説明を行うこととする。
すなわち、従来のパルスドプラ法は、中心周波数ωcのみを使用するため、比較的パルス長の長い狭帯域なバースト波を用いるのに対し、広帯域ドプラ法は、逆に、複数の周波数を使用するため、広帯域のパルス波を用いることとしている。
なお、ここでは、位相差に2πを加算する例を示しているが、対象物B(図1参照)の動きが逆の場合は、位相差の傾きが負となるため、位相差から2πを減算ことにより位相差の修正を行うこととする。
Therefore, the broadband Doppler method, as shown in FIG. 4, the phase difference of the above frequencies where there is the return of the phase (here omega 7 or higher), by adding the phase of 2 [pi, modify the phase difference caused in the folded To do. When the phase wrapping occurs multiple times within the spectrum of the pulse PW , a phase that is an integral multiple of 2π is added. In the broadband Doppler method, the velocity is obtained from the slope of the straight line L with the phase difference corrected. The method for obtaining this straight line will be described in detail later.
That is, since the conventional pulse Doppler method uses only the center frequency ω c , a narrow band burst wave having a relatively long pulse length is used, whereas the wideband Doppler method conversely uses a plurality of frequencies. A broadband pulse wave is used.
In addition, although the example which adds 2 (pi) to a phase difference is shown here, since the inclination of a phase difference becomes negative when the motion of the target object B (refer FIG. 1) is reverse, 2 (pi) is added from a phase difference. The phase difference is corrected by subtraction.
このように、広帯域ドプラ法は、複数の周波数に基づいて、エイリアシングが発生する位相差の傾きを修正するため、エイリアシングが発生するような速度で移動する移動体についても、その速度を計測することができる。
以下、この広帯域ドプラ法を実現するためのパルスドプラ計測装置の構成とその動作について詳細に説明を行う。
In this way, the broadband Doppler method corrects the gradient of the phase difference that causes aliasing based on a plurality of frequencies, and therefore measures the speed of a moving body that moves at a speed that causes aliasing. Can do.
Hereinafter, the configuration and operation of a pulse Doppler measuring apparatus for realizing the broadband Doppler method will be described in detail.
[パルスドプラ計測装置の構成]
まず、図1を参照して、本発明に係るパルスドプラ計測装置の構成について説明する。図1は、パルスドプラ計測装置の構成を示すブロック図である。
図1に示したパルスドプラ計測装置は、対象物に対して超音波を一定の周期で送波し、その反射波に基づいて、対象物の移動速度を計測するものである。なお、ここでは、パルスドプラ計測装置1は、生体内の血流の速度を計測するものとして機能させることとする。
図1に示すように、パルスドプラ計測装置1は、送受波装置2と、制御装置3とを備えている。
[Configuration of pulse Doppler measurement device]
First, the configuration of a pulse Doppler measurement apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a pulse Doppler measurement apparatus.
The pulse Doppler measuring device shown in FIG. 1 transmits ultrasonic waves to a target object at a constant period, and measures the moving speed of the target object based on the reflected wave. Here, the pulse
As shown in FIG. 1, the pulse
送受波装置2は、対象物に対して超音波を送波し、対象物からの反射波を受波するものである。この送受波装置2は、送波手段21と受波手段22とを備えている。
The wave transmitting /
送波手段21は、超音波を一定の周期で対象物(ここでは、血流〔具体的には、赤血球〕)Bに送波するものである。この送波手段21は、従来のパルスドプラ計測装置で使用される送波パルスのパルス長よりも短い広帯域な超音波を送波する。
例えば、従来使用されていたパルス長が2.4μs(マイクロ秒)に対し、1.0μsのパルス長の送波パルスを使用する。このパルス長は、その帯域内に複数の周波数(図3(b)参照)が設定可能な長さであればよい。
The wave transmitting means 21 transmits ultrasonic waves to an object (here, blood flow [specifically, red blood cells]) B at a constant cycle. The wave transmitting means 21 transmits a broadband ultrasonic wave shorter than the pulse length of the wave transmission pulse used in the conventional pulse Doppler measurement apparatus.
For example, a transmission pulse having a pulse length of 1.0 μs is used for a conventionally used pulse length of 2.4 μs (microseconds). The pulse length may be a length that allows a plurality of frequencies (see FIG. 3B) to be set within the band.
受波手段22は、送波手段21から送波された超音波に対して、対象物(血流)Bから反射される反射波を受波するものである。この受波手段22で受波された反射波は、デジタル信号に変換されて制御装置3に出力される。
The
制御装置3は、送受波装置2で受波した反射波をデジタル信号として入力し、反射波の位相の変化に基づいて、対象物Bの移動速度を計測するものである。ここでは、制御装置3は、フーリエ変換手段31と、MTIフィルタ32と、位相差演算手段33と、位相差傾き演算手段34と、修正パターン記憶手段35と、速度特定手段36とを備えている。
The
フーリエ変換手段(スペクトル解析手段)31は、送受波装置2の受波手段22で受波した反射波から、周波数毎の位相(スペクトル)を検出するものである。例えば、フーリエ変換手段31には、一般的なFFT(Fast Fourier Transform:高速フーリエ変換)を用いることができる。このときの周波数の標本化間隔は、検出すべき速度の上限によって決める。すなわち、速度の計測範囲において、周波数の標本化間隔内の位相回転が±π以内となるように予め標本化間隔を定めておく。
ここで、時刻tにおける(k−1)番目の反射波をfk−1(t)、フーリエ変換後の周波数ωにおけるスペクトル値をFk−1(ω)とする。また、時刻(t+T)におけるk番目の反射波をfk(t)=fk−1(t+Δt)とする。ここでTは送波パルスの時間間隔で、Δtは対象物Bの移動により生じた伝搬時間の変化量である。すると、k番目の反射波fk(t)をフーリエ変換した後の周波数ωにおけるスペクトル値Fk(ω)は、以下の(4)式で表される。
The Fourier transform means (spectrum analysis means) 31 detects a phase (spectrum) for each frequency from the reflected wave received by the wave receiving means 22 of the wave transmitting / receiving
Here, it is assumed that the (k−1) th reflected wave at time t is f k−1 (t), and the spectrum value at the frequency ω after Fourier transform is F k−1 (ω). Further, the kth reflected wave at time (t + T) is assumed to be f k (t) = f k−1 (t + Δt). Here, T is the time interval of the transmission pulse, and Δt is the amount of change in the propagation time caused by the movement of the object B. Then, the spectral value F k (ω) at the frequency ω after Fourier transform of the kth reflected wave f k (t) is expressed by the following equation (4).
この(4)式で演算されたスペクトル値Fk(ω)は、順次、MTIフィルタ32に出力される。
The spectrum value F k (ω) calculated by the equation (4) is sequentially output to the
MTIフィルタ(フィルタリング手段)32は、フーリエ変換手段31によって求められたスペクトルから、クラッタ成分を除去するものである。なお、ここでフィルタリングを行う基準となる閾値は、計測対象となる対象物の速度範囲により予め定めておく。
このMTIフィルタ32でフィルタリングされたフィルタリングされた信号は、位相差演算手段33に出力される。
The MTI filter (filtering means) 32 removes clutter components from the spectrum obtained by the Fourier transform means 31. Note that the threshold value used as a reference for filtering here is determined in advance according to the speed range of the object to be measured.
The filtered signal filtered by the
ここで、図5を参照して、MTIフィルタの原理について説明する。図5は、MTIフィルタの原理を説明するための説明図であって、(a)は従来のパルスドプラ法におけるMTIフィルタの原理、(b)は広帯域ドプラ法におけるMTIフィルタの原理を示している。 Here, the principle of the MTI filter will be described with reference to FIG. 5A and 5B are explanatory diagrams for explaining the principle of the MTI filter. FIG. 5A shows the principle of the MTI filter in the conventional pulse Doppler method, and FIG. 5B shows the principle of the MTI filter in the broadband Doppler method.
通常、MTIフィルタは、1回目の受波と2回目の受波との差に基づいて、その差が所定値よりも小さいものを、血管壁、骨等の動きのない対象物からの反射波(クラッタ成分)として除去している。このように、MTIフィルタは、受波の差をとるため、対象物の動きが送波周期の整数倍に相当する距離だけ移動した場合、動きのない対象物とみなし、クラッタ成分として除去してしまう。すなわち、MTIフィルタにおける伝達特性は、図5(a)に示すような櫛形となり、計測することができない速度領域(ブラインド速度)が発生する。
そこで、従来のパルスドプラ法では、MTIフィルタにおいて、図5(a)に示すように、ブラインド速度が発生しない速度範囲(例えば、図中、速度範囲W)でフィルタリングを行い、速度の計測を行っている。
Usually, the MTI filter is based on the difference between the first received wave and the second received wave, and the reflected wave from an object having no movement such as a blood vessel wall or a bone is selected if the difference is smaller than a predetermined value. (Clutter component) is removed. In this way, the MTI filter takes the difference between the received waves. Therefore, if the movement of the object moves by a distance corresponding to an integral multiple of the transmission period, the MTI filter regards it as a non-moving object and removes it as a clutter component. End up. That is, the transfer characteristic in the MTI filter has a comb shape as shown in FIG. 5A, and a speed region (blind speed) that cannot be measured is generated.
Therefore, in the conventional pulse Doppler method, as shown in FIG. 5A, the MTI filter performs filtering in a speed range where no blind speed is generated (for example, speed range W in the figure), and measures the speed. Yes.
一方、広帯域ドプラ法では、基本的なMTI処理については、従来と同様であるが、図5(b)に示すように、処理する周波数帯域が広く、複数の周波数(ω1,ω2,ω3,…)において、フィルタリングを行うため、個々の周波数においてブラインド速度が発生しても、計測する周波数領域において、ブラインド速度が発生しなくなり、推定可能な速度領域を拡大させることができる。
図1に戻って、パルスドプラ計測装置の構成について、説明を続ける。
On the other hand, in the wideband Doppler method, the basic MTI processing is the same as the conventional one, but as shown in FIG. 5B, the frequency band to be processed is wide and a plurality of frequencies (ω 1 , ω 2 , ω 3 ,...), Filtering is performed, so that even if a blind speed occurs at each frequency, the blind speed does not occur in the frequency range to be measured, and the speed range that can be estimated can be expanded.
Returning to FIG. 1, the description of the configuration of the pulse Doppler measurement device will be continued.
位相差演算手段33は、MTIフィルタ32によってフィルタリングされた信号において、隣接する周期間における位相差を周波数毎に演算するものである。ここでは、位相差演算手段33は、位相差として、平均クロススペクトルの位相を用いることとする。平均クロススペクトルとは、2つのスペクトルの、ある周波数成分どうしを掛け合わせて平均化したものである。
すなわち、位相差演算手段33は、送受波をa回行う場合、以下の(5)式により平均クロススペクトルC(ω)を演算する。ただし、*は複素共役を示している。
The phase difference calculation means 33 calculates a phase difference between adjacent periods for each frequency in the signal filtered by the
That is, the phase difference calculation means 33 calculates the average cross spectrum C (ω) by the following equation (5) when performing transmission and reception waves a times. Note that * indicates a complex conjugate.
このように、予め定めた送受波回数毎に位相差を平均化することで、多数散乱体に対して、超音波のパルスを送波し、反射波が互いに重なり合い干渉する場合であっても、位相変動の影響を抑圧することができる。
この位相差演算手段33で演算された位相差(平均クロススペクトルの位相)は、位相差傾き演算手段34に出力される。
なお、位相差は、通常、以下の(6)式で表されるため、位相差演算手段33は、送受波をa回行う場合、以下の(7)式により平均の位相差Δθを求めることとしてもよい。
In this way, by averaging the phase difference for each predetermined number of transmission / reception times, ultrasonic pulses are transmitted to many scatterers, and even when the reflected waves overlap and interfere with each other, The influence of phase fluctuation can be suppressed.
The phase difference (average cross spectrum phase) calculated by the phase difference calculation means 33 is output to the phase difference slope calculation means 34.
Since the phase difference is usually expressed by the following equation (6), the phase difference calculating means 33 obtains the average phase difference Δθ by the following equation (7) when transmitting and receiving waves a times. It is good.
位相差傾き演算手段34は、周波数毎の位相差に基づいて、周波数と当該周波数における位相差とを座標点とする座標系において、複数の位相修正パターン毎に、座標点を最小二乗法により直線に近似することで、その直線の傾き(位相差の傾き)と、その誤差とを演算するものである。 The phase difference slope calculating means 34 is based on the phase difference for each frequency, and in the coordinate system using the frequency and the phase difference at the frequency as the coordinate point, the coordinate point is linearly obtained by the least square method for each of the plurality of phase correction patterns. To calculate the slope of the straight line (the slope of the phase difference) and its error.
ここで、図6を参照して、位相差傾き演算手段34において行う処理についてその概要を説明する。図6は、位相差における位相の折り返しが発生した場合における位相の修正の概念を示す概念図である。なお、図6では、横軸に周波数ω、縦軸に位相差(平均クロススペクトルの位相)を示し、使用する周波数をω1〜ω10としている。
Here, with reference to FIG. 6, the outline | summary is demonstrated about the process performed in the phase difference
図6(a)は、周波数ω7以上において、位相差における位相の折り返しが発生している状態を示している。ここで、周波数毎の位相差の座標を、最小二乗法により原点を通る直線に近似する。この場合、求めた直線Laの傾きは、位相の折り返し後(周波数ω7以上)における位相の影響により、誤差が大きくなってしまう。 FIG. 6A shows a state in which a phase fold occurs in the phase difference at the frequency ω 7 or higher. Here, the coordinates of the phase difference for each frequency are approximated to a straight line passing through the origin by the least square method. In this case, the slope of the straight line L a determined is due to the influence of the phase after the return of the phase (frequency omega 7 or higher), the error becomes large.
図6(b)は、図6(a)の状態から、周波数ω9及びω10の位相差に2πを加えた状態を示している。ここで、周波数毎の位相差の座標を、最小二乗法により原点を通る直線に近似すると、求めた直線Lbの傾きの誤差は、図6(a)と比べ小さくなっているが、まだ、誤差を含んでいる。 FIG. 6B shows a state in which 2π is added to the phase difference between the frequencies ω 9 and ω 10 from the state of FIG. Here, the coordinates of the phase difference for each frequency, is approximated by the least squares method to the straight line passing through the origin, the error of the slope of the straight line L b obtained, although smaller than the FIG. 6 (a), the still, It contains an error.
図6(c)は、図6(b)の状態から、周波数ω7及びω8の位相差に2πを加えた状態を示している。ここで、周波数毎の位相差の座標を、最小二乗法により原点を通る直線に近似すると、求めた直線Lcの傾きの誤差が最も小さくなる。 FIG. 6C shows a state in which 2π is added to the phase difference between the frequencies ω 7 and ω 8 from the state of FIG. 6B. Here, the coordinates of the phase difference for each frequency, is approximated by the least squares method to the straight line passing through the origin, the error of the slope of the straight line L c obtained becomes minimum.
図6(d)は、図6(c)の状態から、周波数ω5及びω6の位相差に2πを加えた状態を示している。ここで、周波数毎の位相差の座標を、最小二乗法により原点を通る直線に近似すると、求めた直線Ldの傾きの誤差は、逆に増加してしまう。 FIG. 6D shows a state in which 2π is added to the phase difference between the frequencies ω 5 and ω 6 from the state of FIG. Here, the coordinates of the phase difference for each frequency, is approximated by the least squares method to the straight line passing through the origin, the error of the slope of the line L d obtained, increases conversely.
このように、周波数ω1〜ω10の最大周波数から順に位相差に2πを加算することで、最小二乗法における誤差が最小となる直線を求めることができる。なお、ここでは、図の理解を容易にするため、2つの周波数毎に2πの位相を加算しているが、実際は、最大周波数から順に1つの周波数毎に2πを加算する。
なお、ここでは、最大周波数から順に位相差に2πを加算する例を示しているが、対象物B(図1参照)の動きの逆の場合は、2πを減算する。
In this way, by adding 2π to the phase difference in order from the maximum frequency of the frequencies ω 1 to ω 10 , a straight line that minimizes the error in the least square method can be obtained. Here, in order to facilitate understanding of the figure, a phase of 2π is added for every two frequencies, but in reality, 2π is added for each frequency in order from the maximum frequency.
Here, an example is shown in which 2π is added to the phase difference in order from the maximum frequency, but 2π is subtracted when the movement of the object B (see FIG. 1) is reversed.
図1に戻って、パルスドプラ計測装置の構成について、説明を続ける。
図6で説明した位相の傾きを修正するため、ここでは、位相差傾き演算手段34は、位相差修正手段341と、直線近似手段342とを備えている。
Returning to FIG. 1, the description of the configuration of the pulse Doppler measurement device will be continued.
In order to correct the phase inclination described with reference to FIG. 6, here, the phase difference inclination calculation means 34 includes a phase difference correction means 341 and a linear approximation means 342.
位相差修正手段341は、所定数の周波数の位相差(平均クロススペクトルの位相)に対して、当該周波数のうち最大周波数から順に2πの整数倍の位相を加算又は減算することで位相差を修正するものである。ここでは、位相差修正手段341は、後記する修正パターン記憶手段35により予め定めた複数の位相修正パターンで示される位相を加算又は減算するため、その位相修正パターンの数だけ備えられている(位相差修正手段3411〜341n)。
ここでは、位相差修正手段3411〜341nが、周波数毎に位相差に2πを加算する処理を並列処理する。これによって、例えば、図6(b)〜(d)で示した位相差に2πを加算する処理が、個々の位相差修正手段3411〜341nによって、並列に処理される。
この位相差修正手段341で修正された位相差(平均クロススペクトルの位相)の値は、当該位相差修正手段341に対応する直線近似手段342に出力される。
The phase difference correcting means 341 corrects the phase difference by adding or subtracting a phase that is an integer multiple of 2π in order from the maximum frequency among the phases of a predetermined number of phases (average cross spectrum phase). To do. Here, the phase difference correction means 341 includes as many phase correction patterns as the number of phase correction patterns to add or subtract phases indicated by a plurality of phase correction patterns determined in advance by the correction pattern storage means 35 (described later). Phase difference correcting means 341 1 to 341 n ).
Here, the phase difference correction means 341 1 to 341 n perform parallel processing of adding 2π to the phase difference for each frequency. Thereby, for example, the process of adding 2π to the phase difference shown in FIGS. 6B to 6D is processed in parallel by the individual phase
The value of the phase difference (average cross spectrum phase) corrected by the phase
直線近似手段342は、周波数と当該周波数における位相差とを座標点とする座標系において、複数の位相修正パターン毎に、座標点を最小二乗法により原点を通る直線に近似するものである。ここでは、位相差修正手段341は、位相差修正手段341に対応して、位相修正パターンの数だけ備えられている(直線近似手段3421〜342n)。
そして、直線近似手段342は、近似した直線の傾き(位相差の傾き)と、最小二乗法における誤差とを速度特定手段36に出力する。
The straight line approximating means 342 approximates a coordinate point to a straight line passing through the origin by a least square method for each of a plurality of phase correction patterns in a coordinate system having a frequency and a phase difference at the frequency as a coordinate point. Here, the phase difference correcting means 341 is provided corresponding to the phase difference correcting means 341 by the number of phase correction patterns (linear approximation means 342 1 to 342 n ).
Then, the straight
ここで、数式により、直線近似手段342が、直線の傾きとその誤差とを求める手法について説明する。
まず、平均クロススペクトルの位相θnを以下の(8)式、振幅qnを以下の(9)式とする。
Here, a method will be described in which the straight
First, let the phase θ n of the average cross spectrum be the following equation (8), and the amplitude q n be the following equation (9).
ここで、Δωはクロススペクトルの標本化間隔、nは整数である。ここで、レンジゲート長をTRとすると、Δω=2π/TRと表される。
また、直線の傾き(位相差の傾き)kは、以下の(10)式で表される。
Here, Δω is the sampling interval of the cross spectrum, and n is an integer. Here, when the range gate length is T R, it is expressed as Δω = 2π / T R.
The slope of the straight line (phase difference slope) k is expressed by the following equation (10).
なお、この(10)式において、eは誤差項である。
このとき、平均クロススペクトルの振幅(振幅スペクトル)qnで重み付けられた誤差の二乗和、すなわち、eTQeを最小にする傾きkの推定量keは、以下の(11)式で求められる。
In equation (10), e is an error term.
At this time, the sum of squares of errors weighted by the amplitude (amplitude spectrum) q n of the average cross spectrum, that is, the estimated amount k e of the slope k that minimizes e T Qe is obtained by the following equation (11). .
また、推定誤差eTQeは、以下の(12)式で求められる。 Further, the estimated error e T Qe is obtained by the following equation (12).
このように求められた直線の傾き(推定量ke)とその誤差(推定誤差eTQe)は、速度特定手段36に出力される。
The straight line slope (estimated amount k e ) and its error (estimated error e T Qe) obtained in this way are output to the
修正パターン記憶手段35は、位相差修正手段341で加算する位相を位相修正パターンとして複数記憶するものであって、ハードディスク等の一般的な記憶装置である。
ここでは、修正パターン記憶手段35には、位相修正の対象となる周波数分の位相修正パターンが記憶されている。なお、この位相修正パターンには、位相を加算する対象となる周波数を示す位置と、その加算量を記述しておく。
The correction pattern storage means 35 stores a plurality of phases added by the phase difference correction means 341 as phase correction patterns, and is a general storage device such as a hard disk.
Here, the correction pattern storage means 35 stores a phase correction pattern for the frequency to be phase corrected. In this phase correction pattern, the position indicating the frequency to which the phase is added and the addition amount are described.
ここで、図7を参照(適宜図1参照)して、位相修正パターンの内容について具体的に説明する。図7は、位相修正パターンの一例を示すパターン図である。ここでは、位相を加算する対象となる周波数をω1〜ω15の15個とし、位相修正パターンの数をID0〜ID24の25個とした例を示している。ここで、ω15が最大周波数を示している。
この位相修正パターンにおいて、「0」は位相の加算を行わないことを示す。また、「1」、「2」、「3」、「4」はそれぞれ「1×2π」、「2×2π」、「3×2π」、「4×2π」の位相の加算を行うことを示している。
Here, the contents of the phase correction pattern will be specifically described with reference to FIG. 7 (refer to FIG. 1 as appropriate). FIG. 7 is a pattern diagram showing an example of a phase correction pattern. Here, an example is shown in which 15 frequencies ω 1 to ω 15 are added to the phase to be added, and 25 phase correction patterns are ID 0 to ID 24 . Here, ω 15 indicates the maximum frequency.
In this phase correction pattern, “0” indicates that the phase is not added. Further, “1”, “2”, “3”, and “4” respectively add the phases of “1 × 2π”, “2 × 2π”, “3 × 2π”, and “4 × 2π”. Show.
また、ID0〜ID24は、位相差傾き演算手段34において、複数の位相差修正手段341のそれぞれが、固有のIDにより位相修正パターンを読み出し、位相差の修正を行う。これによって、位相差傾き演算手段34が並列処理により位相差の修正を行うことが可能になる。
In addition, in ID 0 to ID 24 , in the phase difference
なお、ここでは、2πの整数倍の位相を加算する周波数を15個、位相修正パターンの数を25種類としているが、この数に限定されるものではない。この位相修正パターンを増やすことで、広範囲な速度を推定することが可能になる。
また、ここでは、2πの整数倍の位相を加算する位相修正パターンのみを示しているが、この位相修正パターンは、対象物の動きが逆の場合は、逆に2πを減算するパターンを示すこととする。また、対象物の動きの方向が予め定まっていない場合は、2πを加算するパターンと、減算するパターンとを合わせて設定しておくことが望ましい。
図1に戻って、パルスドプラ計測装置の構成について、説明を続ける。
Here, 15 frequencies for adding phases that are integer multiples of 2π and 25 types of phase correction patterns are used, but the number is not limited to this. By increasing this phase correction pattern, a wide range of speeds can be estimated.
Further, here, only the phase correction pattern for adding a phase that is an integer multiple of 2π is shown, but this phase correction pattern indicates a pattern for subtracting 2π when the movement of the object is reverse. And If the direction of movement of the object is not determined in advance, it is desirable to set a pattern for adding 2π and a pattern for subtraction together.
Returning to FIG. 1, the description of the configuration of the pulse Doppler measurement device will be continued.
速度特定手段36は、直線近似手段342で演算された誤差が最小となる直線の傾きを、対象物Bの移動速度に対応する位相差の傾きとして選択するものである。
なお、この誤差が最小となる直線は、位相差の位相の折り返し(エイリアシング)を適正に修正したものであるため、対象物Bの動きにより位相の折り返しが発生する場合であっても、正しく対象物Bの速度が特定されることになる。
The
Note that the straight line that minimizes this error is obtained by appropriately correcting the phase aliasing (aliasing) of the phase difference. Therefore, even if the phase aliasing occurs due to the movement of the object B, The speed of the object B is specified.
以上説明した制御装置3は、CPU、RAM、ROM等を備えた一般的なコンピュータにより実現することができる。すなわち、制御装置3は、コンピュータを前記した各手段として機能させるパルスドプラ計測プログラムにより動作させることができる。
The
以上、パルスドプラ計測装置1の構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
ここでは、位相差修正手段341と直線近似手段342とを複数備え、並列に位相差の傾き(直線の傾き)を求めることとしたが、位相差修正手段341と直線近似手段342とをそれぞれ1つの構成とし、位相差の傾き(直線の傾き)をシリアルに順次演算することとしてもよい。
Although the configuration of the pulse
Here, a plurality of phase difference correcting means 341 and a linear approximation means 342 are provided, and the inclination of the phase difference (straight line inclination) is obtained in parallel. However, the phase difference correcting means 341 and the linear approximation means 342 are each 1 It is also possible to sequentially calculate the slope of the phase difference (the slope of the straight line) serially.
また、ここでは、パルスドプラ計測装置1は、MTIフィルタ32を備えているが、測定地点から超音波を送波する方向に対象物以外の物体が存在しない環境において測定を行う場合、MTIフィルタ32を省略することとしてもよい。例えば、測定対象が測定地点に対して上空を飛行する飛行機の場合は、必ずしもMTIフィルタ32を備える必要はない。
なお、パルスドプラ計測装置1は、生体内の血流を計測する以外にも、前記した飛行機の速度測定や、雲の動きを測定する気象レーダ等、動きのある物体の速度計測に利用することができる。
Here, the pulse
The pulse
[パルスドプラ計測装置の動作]
次に、図2を参照(適宜図1参照)して、本発明に係るパルスドプラ計測装置の動作について説明する。図2は、パルスドプラ計測装置の動作を示すフローチャートである。
[Operation of pulse Doppler measurement system]
Next, the operation of the pulse Doppler measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart showing the operation of the pulse Doppler measurement apparatus.
(送受波ステップ)
まず、パルスドプラ計測装置1は、送受波装置2の送波手段21によって、超音波を一定の周期で対象物Bに送波し(ステップS1)、受波手段22によって、対象物Bから反射される反射波を受波する(ステップS2)。この受波した反射波は、デジタル信号に変換されて制御装置3に出力される。
(Transmission / reception step)
First, the pulse
(スペクトル解析ステップ)
そして、パルスドプラ計測装置1は、制御装置3のフーリエ変換手段31によって、反射波に対して高速フーリエ変換(FFT)を行うことで、スペクトルを検出する(ステップS3)。
(フィルタリングステップ)
そして、パルスドプラ計測装置1は、MTIフィルタ32によって、ステップS3で検出されたスペクトルの位相回転の大きさによって、クラッタ成分を除去する(ステップS4)。
(Spectral analysis step)
The pulse
(Filtering step)
Then, the pulse
(位相差演算ステップ)
そして、パルスドプラ計測装置1は、位相差演算手段33によって、隣接する周期間における位相差を周波数毎に演算する(ステップS5)。なお、ここでは、位相差として、前記(5)式に示すように、平均クロススペクトルの位相を演算する。
(Phase difference calculation step)
And the pulse
その後、パルスドプラ計測装置1は、位相差傾き演算手段34によって、周波数と当該周波数における位相差とを座標点とする座標系において、複数の位相修正パターン毎に、座標点を最小二乗法により直線に近似することで、その直線の傾き(位相差の傾き)と、その誤差とを演算する。なお、本動作は、ここでは、位相修正パターン毎に、並列に動作する。
すなわち、パルスドプラ計測装置1は、位相差修正手段3411によって、当該位相差修正手段3411に対応する位相修正パターンを修正パターン記憶手段35から読み出す(ステップS61)。
Thereafter, the pulse
That is, pulse
(位相差修正ステップ)
そして、位相差修正手段3411は、周波数毎の位相差(平均クロススペクトルの位相)に、位相修正パターンに対応して、2πの整数倍の位相を加算する(ステップS71)。
(Phase difference correction step)
Then, the phase
(直線近似ステップ)
その後、パルスドプラ計測装置1は、直線近似手段3421によって、周波数と当該周波数における位相差とを座標点とする座標系において、各座標点を、最小二乗法により原点を通る直線に近似することで、その直線の傾き(前記(11)式参照)と、その誤差(前記(12)式参照)とを演算する(ステップS81)。
ステップS62〜ステップS82、…、ステップS6n〜ステップS8nの動作については、ステップS61〜ステップS81の動作において、位相修正パターンが異なるだけであるため説明を省略する。
なお、ここでは、位相差傾き演算手段34の動作を、位相修正パターン毎に並列に動作させることとしたが、単一の位相差修正手段341と直線近似手段342とにより、ステップS61〜ステップS81、ステップS62〜ステップS82、…、ステップS6n〜ステップS8nの動作を順次行うこととしてもよい。
(Linear approximation step)
After that, the pulse
The operations of Step S6 2 to Step S8 2 ,..., Step S6 n to Step S8 n are not described because only the phase correction pattern is different in the operations of Step S6 1 to Step S8 1 .
Here, the phase difference
(速度特定ステップ)
そして、パルスドプラ計測装置1は、速度特定手段36によって、ステップS81、S82、…、S8nで演算された誤差が最小となる直線の傾きを、対象物Bの移動速度に対応する位相差の傾きとして選択する(ステップS9)。
以上の動作によって、パルスドプラ計測装置1は、広帯域の周波数を用いて計測を行うため、対象物Bの動きにより位相差において位相の折り返しが発生する場合であっても、正しく対象物Bの速度を特定することができる。また、パルスドプラ計測装置1は、個々の周波数においてブラインド速度が発生しても、計測する周波数領域において、ブラインド速度が発生しないため、推定可能な速度領域を従来よりも拡大させることができる。
(Speed identification step)
Then, the pulse
With the above operation, the pulse
[シミュレーション結果]
最後に、従来の手法(従来のパルスドプラ法、2周波法)と、本発明に係るパルスドプラ計測装置1による広帯域ドプラ法との速度推定の評価結果について説明する。
ここでは、一次元多数散乱体モデルを用いて、速度推定のシミュレーションを行った。シミュレーションの条件は、以下の表に示す通りである。
[simulation result]
Finally, the evaluation results of the speed estimation between the conventional method (conventional pulse Doppler method, two-frequency method) and the broadband Doppler method by the pulse
Here, a simulation of velocity estimation was performed using a one-dimensional multiple scatterer model. The simulation conditions are as shown in the following table.
なお、本シミュレーションにおいては、従来の手法と広帯域ドプラ法とでは、使用する送波パルスのパルス長のみを変え、従来の手法においては2.4μs、広帯域ドプラ法では、1.0μsとした。また、広帯域ドプラ法において、81種類の位相修正パターンを使用した。 In this simulation, only the pulse length of the transmission pulse to be used is changed between the conventional method and the broadband Doppler method, 2.4 μs in the conventional method, and 1.0 μs in the broadband Doppler method. In the broadband Doppler method, 81 types of phase correction patterns were used.
図8は、各手法におけるシミュレーション結果をグラフ化したものであり、(a)は従来のパルスドプラ法、(b)は従来の2周波法、(c)は本発明に係る広帯域ドプラ法による結果を示している。なお、ここでは2周波法は、特許文献2に記載されている手法を用いている。また、図8の各グラフでは、横軸に速度測定対象である散乱体の予め設定した速度、縦軸にシミュレーションにより推定した速度を示している。理想的には、予め設定した速度と推定した速度とが一致し、プロット位置(図中「+」)は、傾きが「1」の直線上に乗ることが望ましい。
FIG. 8 is a graph of the simulation results in each method, where (a) shows the result of the conventional pulse Doppler method, (b) shows the result of the conventional two-frequency method, and (c) shows the result of the broadband Doppler method according to the present invention. Show. Here, the two-frequency method uses the method described in
図8(a)に示すように、従来のパルスドプラ法では、ナイキスト限界が0.42m/sとなるため、これを超える速度ではエイリアシングが発生している。また、散乱体からの反射波の干渉により推定した速度にばらつきが見られる。
また、図8(b)に示すように、従来の2周波法では、エイリアシングは発生していないものの、干渉による位相変動の影響を受けるため、推定した速度に大きなばらつきが発生している。なお、このシミュレーション結果は、従来の2周期法にも同様のことが言える。
しかし、図8(c)に示すように、本発明に係る広帯域ドプラ法では、エイリアシングが発生せず、さらに図8(a)の従来のパルスドプラ法に比べ、推定速度のばらつきが小さく、±1.4m/sの範囲で精度よく速度推定がなされている。
このように、本発明に係る広帯域ドプラ法は、エイリアシングが発生せず、散乱体からの反射波の干渉の影響が少なく、精度よく速度推定を行うことができる。
As shown in FIG. 8A, in the conventional pulse Doppler method, since the Nyquist limit is 0.42 m / s, aliasing occurs at a speed exceeding this limit. In addition, there is a variation in the speed estimated by the interference of the reflected wave from the scatterer.
Further, as shown in FIG. 8B, in the conventional two-frequency method, although aliasing does not occur, it is affected by phase fluctuations due to interference, and thus there is a large variation in the estimated speed. This simulation result can be said to be the same for the conventional two-period method.
However, as shown in FIG. 8 (c), the wideband Doppler method according to the present invention does not cause aliasing, and the estimated speed variation is smaller than that of the conventional pulse Doppler method of FIG. The speed is estimated accurately in the range of 4 m / s.
As described above, the broadband Doppler method according to the present invention does not cause aliasing, is less influenced by interference of reflected waves from the scatterer, and can perform speed estimation with high accuracy.
1 パルスドプラ計測装置
2 送受波装置
21 送波手段
22 受波手段
3 制御装置
31 フーリエ変換手段(スペクトル解析手段)
32 MTIフィルタ(フィルタリング手段)
33 位相差演算手段
34 位相差傾き演算手段
341 位相差修正手段
342 直線近似手段
35 修正パターン記憶手段
36 速度特定手段
DESCRIPTION OF
32 MTI filter (filtering means)
33 Phase difference calculation means 34 Phase difference inclination calculation means 341 Phase difference correction means 342 Linear approximation means 35 Correction pattern storage means 36 Speed identification means
Claims (5)
前記超音波を前記対象物に送波する送波手段と、
前記対象物からの前記超音波に対する反射波を受波する受波手段と、
この受波手段で受波した反射波から、周波数毎の位相を検出するスペクトル解析手段と、
このスペクトル解析手段で検出された周波数毎の位相について、前記周期毎に位相差を演算する位相差演算手段と、
前記周波数毎の位相差に対して、予め定めた異なる複数の位相修正パターンで2πの整数倍の位相を加算又は減算することで前記位相差を修正する位相差修正手段と、
前記周波数と当該周波数における位相差とを座標点とする座標系において、前記複数の位相修正パターン毎に、前記周波数毎の座標点を直線に近似することで、その直線の傾きと、その誤差とを演算する直線近似手段と、
この直線近似手段で演算された前記誤差が最小となる直線の傾きを、前記移動速度に対応する位相差の傾きとして選択する速度特定手段と、
を備えていることを特徴とするパルスドプラ計測装置。 A pulse Doppler measurement device that transmits ultrasonic waves to a target object at a constant period and measures the moving speed of the target object based on the reflected wave,
Wave transmitting means for transmitting the ultrasonic wave to the object;
Receiving means for receiving a reflected wave with respect to the ultrasonic wave from the object;
Spectral analysis means for detecting a phase for each frequency from the reflected wave received by the wave receiving means;
About the phase for each frequency detected by this spectrum analyzing means, a phase difference calculating means for calculating a phase difference for each period;
Phase difference correcting means for correcting the phase difference by adding or subtracting a phase that is an integer multiple of 2π with a plurality of different predetermined phase correction patterns to the phase difference for each frequency;
In the coordinate system having the frequency and the phase difference at the frequency as coordinate points, by approximating the coordinate point for each frequency to a straight line for each of the plurality of phase correction patterns, the slope of the straight line and the error A linear approximation means for calculating
Speed specifying means for selecting the slope of the straight line that minimizes the error calculated by the linear approximation means as the slope of the phase difference corresponding to the moving speed;
A pulse Doppler measurement device comprising:
前記超音波を前記対象物に送波し、前記対象物からの反射波を受波する送受波ステップと、
前記反射波から、周波数毎の位相を検出するスペクトル解析ステップと、
このスペクトル解析手段で検出された周波数毎の位相について、前記周期毎に位相差を演算する位相差演算ステップと、
前記周波数毎の位相差に対して、予め定めた異なる複数の位相修正パターンで2πの整数倍の位相を加算又は減算することで前記位相差を修正する位相差修正ステップと、
前記周波数と当該周波数における位相差とを座標点とする座標系において、前記複数の位相修正パターン毎に、前記周波数毎の座標点を直線に近似することで、その直線の傾きと、その誤差とを演算する直線近似ステップと、
この直線近似ステップで演算された前記誤差が最小となる直線の傾きを、前記移動速度に対応する位相差の傾きとして選択する速度特定ステップと、
を含んでいることを特徴とするパルスドプラ計測方法。 A pulse Doppler measurement method for transmitting ultrasonic waves to a target object at a constant period and measuring a moving speed of the target object based on the reflected wave,
Transmitting and receiving the ultrasonic wave to the object and receiving a reflected wave from the object;
A spectral analysis step of detecting a phase for each frequency from the reflected wave;
About the phase for each frequency detected by this spectrum analyzing means, a phase difference calculating step for calculating a phase difference for each period;
A phase difference correction step of correcting the phase difference by adding or subtracting a phase that is an integer multiple of 2π with a plurality of different predetermined phase correction patterns with respect to the phase difference for each frequency;
In the coordinate system having the frequency and the phase difference at the frequency as coordinate points, by approximating the coordinate point for each frequency to a straight line for each of the plurality of phase correction patterns, the slope of the straight line and the error A linear approximation step for computing
A speed specifying step of selecting a slope of the straight line that minimizes the error calculated in the linear approximation step as a slope of a phase difference corresponding to the moving speed;
A pulse Doppler measurement method comprising:
前記反射波から、周波数毎の位相を検出するスペクトル解析手段、
このスペクトル解析手段で検出された周波数毎の位相について、前記周期毎に位相差を演算する位相差演算手段、
前記周波数毎の位相差に対して、予め定めた異なる複数の位相修正パターンで2πの整数倍の位相を加算又は減算することで前記位相差を修正する位相差修正手段、
前記周波数と当該周波数における位相差とを座標点とする座標系において、前記複数の位相修正パターン毎に、前記周波数毎の座標点を直線に近似することで、その直線の傾きと、その誤差とを演算する直線近似手段、
この直線近似手段で演算された前記誤差が最小となる直線の傾きを、前記移動速度に対応する位相差の傾きとして選択する速度特定手段、
として機能させることを特徴とするパルスドプラ計測プログラム。 In order to measure the moving speed of the object based on the reflected wave with respect to the ultrasonic wave transmitted with a constant period to the object, a computer is provided.
Spectral analysis means for detecting a phase for each frequency from the reflected wave,
About the phase for each frequency detected by this spectrum analyzing means, a phase difference calculating means for calculating a phase difference for each period,
Phase difference correction means for correcting the phase difference by adding or subtracting a phase that is an integer multiple of 2π with a plurality of different predetermined phase correction patterns with respect to the phase difference for each frequency;
In the coordinate system having the frequency and the phase difference at the frequency as coordinate points, by approximating the coordinate point for each frequency to a straight line for each of the plurality of phase correction patterns, the slope of the straight line and the error Linear approximation means for calculating
Speed specifying means for selecting the slope of the straight line that minimizes the error calculated by the linear approximation means as the slope of the phase difference corresponding to the moving speed;
Pulse Doppler measurement program characterized by functioning as
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