CN101184443B - 速度测量方法及采用该方法的速度测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种速度测量方法及实施该方法的速度测量装置，所述速度测量方法包括：展开步骤(S4)，将N个时序信号以从0次到(N-1)次的离散勒让德函数作为基底进行展开；复展开系数计算步骤(S5)，对(2n-1)次的展开系数和(2n+1)次的展开系数的线性结合乘以虚数单位，然后与2n次的展开系数线性结合以计算2n次的复展开系数，对(2n-1)次的展开系数乘以虚数单位后，线性结合2n次的展开系数和(2n-2)次的展开系数以计算(2n-1)次的复展开系数；次数确定步骤(S4)，确定各个复展开系数中具有最大绝对值的系数的次数(m)；以及带符号的速度信号计算步骤(S8)，根据对应次数(m)的各展开系数之间或者各复展开系数之间的平方和之比，计算出与运动反射物相关的带符号的速度信号。

Description

速度测量方法及采用该方法的速度测量装置
技术领域
本发明涉及利用脉冲状反射波的速度测量方法及采用该方法的速度测量装置。 
背景技术
用脉冲·多普勒速度计向运动反射物发送多个脉冲波，并对如图1所示的所接收的多个回波信号进行解析。即，对将由各个脉冲发送时刻起经过时间相等的目标时刻的信号按照发射时刻的顺序排列的时序信号进行解析，从而获得关于运动反射物的速度等信息。作为最普通的信号处理方法，通过将这些接收信号进行正交检波并作为复时序信号进行解析。这样的脉冲·多普勒速度计已被广泛用于检测·绘制生物体内部的血流等的超声波诊断装置、检测·绘制雨云等的气象雷达、检测飞行物体的航空雷达等装置中。 
假如反射物仅存在一个，那么，可以根据上述时序信号的相位转速ΔΦ/Δt、即带符号的角频率，由下面公式容易地求出反射物接近收发器的运动速度v。 
v＝λΔΦ/Δt/2    (1) 
式中，λ为波长，Δt为脉冲发射的时间间隔，ΔΦ为相位旋转角。运动速度v的符号为，在反射物接近时运动速度v的符号为正，在离开时为负。 
但是，在如上所述的实际接收回波中，来自于静止反射物的回波信号，即，所谓杂波信号的强度通常比来自目标运动反射物的回波信号的强度大数位数以上。另外，来自静止反射物的回波信号实际上在时间轴上并不是完全地静止，在中途介质的摇动、及医疗用超声波诊断装置的由于血流以外的静止脏器的缓慢活动的影响下，会产生漂移。因此，来自于静止反射物的回波信号的频率成分不仅具有相位转速为0的直流成分，还含有相位 转速不为0的低频成分。 
为此，仅仅单纯使用(1)式处理上述时序信号，不能够检测运动反射物的速度。所以，实际的脉冲·多普勒速度计的构成方式是：抑制来自于静止反射物的回波信号，在进行相对强化来自于运动反射物的回波信号的被称为MTI(Moving Target Indicator)处理的信号处理之后，进行速度的测量或者分析。 
作为MTI的处理方法，最为公知的是在时间域用卷积和表现的通常的低通截止滤波的处理。此种处理存在以下两个缺点。 
1)在采用将N一个时序数据点作为输入的低通截止滤波器的情况下，被输入到后阶段的速度检测·分析处理部的数据点减少(N1-1)个。 
2)不容易得到陡峭的截止特性的滤波器。 
在脉冲·多普勒速度计的情况下，在保持来自运动反射物的回波信号的同时，除去静止反射物的漂移成分的陡峭的截止特性也是必要的，特别是形成2)的问题。另外，在根据N次收发得到的N点的时序信号进行速度检测·分析处理时，数据点减少的1)的问题，意味着实际上能够用于速度检测·分析运算的数据点减少为(N-N1+1)点。在如医疗诊断用超声波血流绘制装置这样的实时性重要的使用中，是不够理想的。 
作为解决该问题的处理方式，在非特许文献1中所述的PolynomialRegression Filter(多项式回归·滤波器)被提出。此处理方式为，对时序信号按0次式、1次式、2次式、···、M次式顺次进行最小2阶乘回归，之后去掉回归了成分，去除初始的时序信号所具有的漂移成分。该处理方式表现为，在N点的输入时序信号中加入N×N的方阵。因此，作为输出信号得到同一N点的时序信号，1)数据点的数量不减少。 
另外，其低通截止特性取决于回归的最大次数M的大小，2)具有远比具有同等截止频率的所述低通截止滤波器的截止特性陡峭的截止特性。 
非特许文献1：IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，andFrequency Control，Vol.42.，927-937页(1995年)。 
发明内容
然而，在基于该多项式回归·滤波器处理的后阶段，如果使用 v＝λΔΦ/Δt/2公式进行运动物体的速度检测·分析，则存在着在截止频率附近速度运算误差比低通截止滤波器大得多的问题。因此，不能够充分地利用多项式回归·滤波器所具有的陡峭的截止特性。 
因此，本发明的课题是，提供一种速度测量方法及采用该方法的速度测量装置，其能够区别静止反射物和运动反射物的反射信号，降低测定误差。 
本发明是以规定间隔向速度测量对象物发送N个脉冲波，使用将接收回波信号按照发送时间顺序排列成的N个时序信号以从0次到(N-1)次的离散勒让德函数作为基底进行展开，使用该展开系数计算速度。尤其是，对1次以上(N-1)次以下的(2n-1)次的展开系数和(2n+1)次的展开系数的线性结合乘以虚数单位，然后与2n次的展开系数线性结合，由此计算2n次的复展开系数，对1次以上(N-1)次以下的(2n-1)次的展开系数乘以虚数单位，然后线性结合2n次的展开系数和(2n-2)次的展开系数，由此计算(2n-1)次的复展开系数，确定各个复展开系数中具有最大绝对值的系数的自然次数m，将对应相位旋转最大值时的次数确定为勒让德展开系数的最低次数M，抛弃从C(±1)到C(±(M+1))的低次数复勒让德系数，比较未被抛弃而残留的正次数的复勒让德系数的平方和与负次数的复勒让德系数的平方和，将大的一方的次数的符号设定为速度符号，检测速度符号次数的复勒让德系数中绝对值最大的系数m，根据(m-1)次到(N-1)次的复展开系数的平方和与m次到(N-1)次的复展开系数的平方和之比，求出速度值。 
从照射脉冲波的运动反射物得到具有相位转速(角频率)ΔΦ/Δt的回波信号，从伴有漂移振动的静止反射物得到具有低频成分的杂波信号。该杂波信号的强度，要比回波信号强度大数位数。将回波信号以具有次数越大在频率原点附近越迅速收敛为0的特性的离散勒让德函数为基底进行展开，使各展开系数的横轴与相位转速(角频率)相对应，由此，将运动反射物的回波信号和静止反射物的低频成分区分开。其结果是，可以把静止反射物和运动反射物的反射信号区分开。 
根据本发明，能够区别静止反射物和运动反射物的反射信号，降低测量误差。 
附图说明
图1是将通过N次脉冲发送所反射的接收信号进行了排列的图； 
图2是将离散傅立叶展开系数的绝对值，作为带对应于速度的符号的 
图3是将离散傅立叶展开系数的绝对值，作为带对应于速度的符号的频率函数来表示的图； 
图4是将离散傅立叶展开系数的绝对值，作为带对应于速度的符号的频率函数来表示的图； 
图5是表示通过采用离散傅立叶展开的速度分析得到的速度波谱系数的例子的图； 
图6是表示现有低通截止型MTI滤波器和多项式回归·滤波器所具有的通过振幅特性的典型例的图； 
图7是表示分别通过现有的低通截止型MTI滤波器和多项式回归·滤波器之后，在进行采用离散傅立叶展开的速度分析时得到的速度波谱系数的例子的图； 
图8是表示关于由一连8个点组成的信号的离散勒让德函数的偶数次的图； 
图9是表示关于由一连8个点组成的信号的离散勒让德函数的奇数次的图； 
图10是将勒让德展开系数的标准化绝对值，作为带对应于速度的符号的频率函数来表示的图； 
图11是将勒让德展开系数的标准化绝对值，作为带对应于速度的符号的频率函数来表示的图； 
图12是将勒让德系数的标准化绝对值，作为带对应于速度的符号的频率函数来表示的图； 
图13是将复勒让德系数的标准化绝对值，作为带对应于速度的符号的频率函数来表示的图； 
图14是将复勒让德系数的标准化绝对值，作为带对应于速度的符号的频率函数来表示的图； 
图15是将复勒让德系数的标准化绝对值，作为带对应于速度的符号的频率函数来表示的图； 
图16是将勒让德系数的标准化绝对值，作为带对应于速度的符号的频率函数来表示的图； 
图17是将复勒让德系数的标准化绝对值，作为带对应于速度的符号的频率函数来表示的图； 
图18是将复勒让德系数的标准化绝对值，作为带对应于速度的符号的频率函数来表示的图； 
图19是将复勒让德系数的标准化绝对值，作为带对应于速度的符号的频率函数来表示的图； 
图20是将复勒让德系数的标准化绝对值，作为带对应于速度的符号的频率函数来表示的图； 
图21是勒让德展开系数的平方和比； 
图22是根据勒让德系数的展开系数的平方和比求出的速度校正曲线； 
图23是表示采用本实施方式的速度测量装置的超声波诊断仪的结构的方块图； 
图24是表示本实施方式的多普勒速度检测算法的例子的图； 
图25是表示由本实施方式得出的速度检测结果的例子的图； 
图26是表示由现有方式得出的速度检测结果的例子的图； 
图27是表示由多项式回归·滤波方式得出的速度检测结果的例子的图； 
图28是表示由本实施方式得出的速度检测结果的例子的图； 
图29是表示由现有方式得出的速度检测结果的例子的图； 
图30是表示由多项式回归·滤波方式产生的速度检测结果的例子的图； 
图31是表示由本实施方式得出的速度检测结果的例子的图； 
图32是表示由现有方式产生的速度检测结果的例子的图； 
图33是表示由多项式回归·滤波方式得出的速度检测结果的例子的图； 
图34是表示由本实施方式的多普勒速度检测方式得出的检测结果的一例子的图； 
图35是表示由本实施方式的多普勒速度检测方式得出的检测结果的其他例子的图； 
图36是表示由现有方式得出的速度检测结果的例子的图； 
图37是表示由多项式回归·滤波方式得出的速度检测结果的例子的图。 
具体实施方式
(滤波原理) 
假设将从各个脉冲发送时刻的经过时间相同的目标时刻的信号依照发送时刻的顺序排列成N点离散时序信号，并根据该N点离散时序信号进行速度分析。这样的作为脉冲·多普勒速度分析用的典型的时序复信号，如下得到：将所接收的回波信号中具有90°相位差的两个输送频率信号相乘得到的一组信号以虚数单位为系数进行线性结合而成为复信号，将该信号中的以各个脉冲发送时刻为基准时的相位相等的部分，按照发送时刻的顺序进行排列而得到作为脉冲·多普勒速度分析用的典型的时序复信号(参照图1)。 
在这种离散时序信号具有的频率或者相位的分析中，常规方法为离散傅立叶展开。具体来说，把排列成n＝1，2，…，N的时序信号，用表示频率的指数k＝-N/2，··，0，··，N/2的复正弦波系Cs(n，k)＝cos[kπ(2n-N-1)/N]+jsin[kπ(2n-N-1)/N]  (2) 
进行展开。j为虚数单位。 
负k对应反射物离开方向的速度，正k对应接近方向的速度。K＝±N/2为尼奎斯特极限，由于正负没有区分开，因此，由(2)式所表达的(N+1)个复正弦波函数中的独立函数为N个，这样就形成了正交函数系。 
假定反射物仅存在一个，且反射物以尼奎斯特极限范围内的固定速度运动，则作为运动速度的函数，计算由上述展开得到的离散傅立叶展开系数，在N＝8的情况下，将其绝对值按照图2划分开。横轴以脉冲发送的时间间隔的倒数、即脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency，即PRF)的2π倍为单位表示对应运动速度的相位转速。由于图2中表示展开系数的八个函数信号相互重叠不易分辨，因此，把其中的四个分别用容易识别的线在图3及图4中显示。 
在以N倍于发送时间间隔的时间中相位以整数次旋转的运动速度中， 不为0的展开系数仅有一个，其他的展开系数全部变为0，可以清晰地进行速度分析。然而，在其以外的相位旋转为非整数次的通常的运动速度中，即使在远离横轴上峰值的运动速度中，各展开系数也含有峰值的1/10左右大小的绝对值。这意味着作为速度分析计，具有-20dB左右的遥远的串音。当含有比检测·分析对象、即运动反射物回波的振幅大得多的杂波信号漂移时，会产生不能区分开杂波信号和由运动反射物产生的回波信号的重大问题。 
该问题通过对N个时序信号加入由像海因函数那样的缓慢上升、下降的窗口函数形成的权重，可以得到相当地抑制，但不能够根本性解决。另外，该方法产生了和时序信号的数量大幅度减少一样的不理想的效果，特别是在时序信号的数量本来就少的情况下，不适宜用该方法。 
作为具体例，有以尼奎斯特极限的2/3的固定速度进行运动的检测·分析对象、即运动反射物，考虑具有其1000倍的回波信号振幅的杂波信号以尼奎斯特极限速度的1/100进行漂移的情况。图5示出作为此时的上述速度分析计的输出的速度波谱。作为检测·分析对象的运动反射物的波谱在零速度附近被来自具有峰值的杂波信号的串音成分所覆盖，因而在该输出波谱中不能够被检测出。的确，这是需要截止杂波信号的MTI滤波器的最本质的理由。 
其次，作为MTI处理方式，对已非常熟知的、在时间域用卷积和表现的通用的低通截止滤波器，用图6中的实线表示其通过振幅特性的典型例子。在该滤波中，当输入排列成n1＝1，…，(N+M-1)的时序信号S1(n1)时，作为输出，可得到排列成n0＝1，…，N的时序信号S0(n0)。 
S0(n0)＝∑F(m)S1(n0+m-1)    (3) 
式中，∑表示m＝1，…，M的和。作为低通截止滤波器，关于最简单的M＝3，F(1)＝-1，F(2)＝2，F(3)＝-1的情况，图6中用实线表示。在和图5一样的输入信号通过该低通截止滤波器后，进行和图5一样的速度分析时，如图7中的实线所示。由于低通截止滤波器的作用，杂波信号的振幅被压制在1/2000倍左右，其结果是可以在尼奎斯特极限的0.3倍至0.4倍的速度中看到具有峰值的运动反射物的波谱。 
作为同样目的的MTI滤波器，在图6中用虚线表示设计有上述的多项式回归·滤波器时的通过振幅特性的典型例子。在该例中，通过回归去除0次至3次式。看到比上述的卷积型滤波器更陡峭的低通截止特性。另外，在图7中用虚线表示在使和图5同样的输入信号通过该多项式回归·滤波器后，和图5一样进行速度分析的结果。由于低通截止特性的陡峭，使杂波信号完全被压制。多项式回归·滤波器特有的陡峭的低通截止特性可以如下来理解。
对于连续坐标系中的狭义勒让德多项式，在岩波数学公式III特殊函数82-85页中已有记述，例如，记到8次时 
P0(x)＝1 
P1(x)＝x＝cosθ 
P2(x)＝(1/2)(3x2-1)＝(1/4)(3cos2θ+1) 
P3(x)＝(1/2)(5x3-3x)＝(1/8)(5cos3θ+3cosθ) 
P4(x)＝(1/8)(35x4-30x2+3)＝(1/64)(35cos4θ+20cos2θ+9) 
P5(x)＝(1/8)(63x5-70x3+15x)＝(1/128)(63cos5θ+35cos3θ+30cosθ) 
P6(x)＝(1/16)(231x6-315x4+105x2-5)＝(1/512)(231cos6θ+126cos4θ+105cos2θ+50) 
P7(x)＝(1/16)(429x7-639x5+315x3-35x)＝(1/210)(429cos7θ+231cos5θ+189cos3θ+175cosθ) 
P8(x)＝(1/128)(6435x8-12012x6+6930x4-1260x2+35)＝(1/214)(6435cos8θ+3432cos6θ+2772cos4θ+2520cos2θ+1225) 
为了对离散坐标系也可使用，通常是，偶数(2n)次勒让德多项式可以被定义为与次数比2n低的所有勒让德多项式正交的最高次数为2n的偶函数，奇数(2n+1)次勒让德多项式可以被定义为与次数比(2n+1)低的所有勒让德多项式正交的最高次数为(2n+1)的奇函数。 
作为示例，对于由一连串的8点构成的时序信号，计算从0次到7次的离散勒让德函数，其偶数次如图8、奇数次如图9所示。0次·1次用实线，2次·3次用虚线，4次·5次用单点划线，6次·7次用点线表示。振幅标准化为使RMS(方均值的平方根)的值为1。符号为，最低次项的符号为正，即，就偶数次多项式而言为常数项的符号定为正，就奇数次多项式而言为1次项的符号定为正。在图10中，对频率波谱进行了划分。用各个勒让德展开系数的最大值对频率成分的振幅的绝对值进行标准化表示。在图10中，由于8个函数重叠看不清楚，因此，将其中4个中的每一个用容易识别的线表示在图11及图12中。A(0)，A(7)用实线，A(1)，A(6)用虚线，A(2)，A(5)用点划线，A(3)，A(4)用点线表示。 
和从图2到图4一样，将从图10到图12作为相对于输入复正弦波的频率响应来看。将峰值作为主响应，其余作为副响应。勒让德函数和从图2到图4的傅立叶展开系相比较，高频侧的副响应比主响应大，而在低频侧没有副响应，次数越大，在频率原点附近越迅速地向0收敛。在此，省略其解析证明，作为频率函数的m次勒让德函数，在频率原点，从0次到(m-1)次导函数均为0。 
上述多项式回归·滤波器可以称为，将输入信号以该离散勒让德函数为基底进行展开，去除0次到M次，将(M+1)次以上的成分的和作为输出信号的滤波器。所以，输出信号在频率原点附近以与频率的(M+1)次方成比例地向0收敛下去。如图6及图7中用虚线所示的例子，多项式回归·滤波器的低通截止特性优良，这是由这样的勒让德函数的本质特性所带来的。这样认为时，在称作杂波的频率原点附近能够抑制含有振幅大得多的有害成分的影响，在必须既能检测目标运动物体，又能分析其速度的多普勒检测中，利用多项式回归·滤波器和勒让德函数展开的方式，可以说本质上是适宜的。 
用傅立叶展开系，通过把复正弦波作为基底，如图2到图5和图7所示，可以进行带符号的速度分析，此已广为熟知，该种分析方法已被广泛采用。然而，如上所述，勒让德展开系虽然具有非常适合于多普勒速度检测的性质，但是在原封不动地使用该勒让德展开系的情况下，如由图10到图20所看到的情况，由于对于绝对值相等、符号不同的速度显示出相同的响应，所以不能进行带符号的速度分析。 
因此，把虚数单位j作为系数，将次数仅仅相差1的偶数次和奇数次的勒让德函数进行线性结合，形成复勒让德函数，由此，可以进行带符号的速度分析。这是从显示出的偶数次的勒让德函数类似余弦波、奇数次的勒让德函数类似正弦波的变化着眼，把虚数单位j作为系数将余弦函数和正弦函数进行线性结合，由此，得到j倍相位角的指数函数、即复正弦函 数，和由该相位角的增减而得到带符号的速度的情况一样，由复勒让德函数得到带符号的速度。 
具体地说，首先，把一连串N点构成的时序信号以0次到(N-1)次的离散勒让德函数作为基底进行展开，得到从A(0)到A(N-1)的展开系数，据此，算出一连串的复勒让德系数。 
C(±(2n-3/2))＝A(2n-2)±jA(2n-1)(1≤2n-1≤N-1) 
C(±(2n-1/2))＝A(2n±jA(2n-1)(2≤2n-1≤N-1；n：自然数，正负号选取顺序一致)           (4) 
根据该系数的相对大小进行带符号的速度分析。 
在图13到图15中，对于和图10到图12同样为N＝8的情况，将作为相对于复正弦波输入的输出的复勒让德系数的绝对值，作为对应于带符号的速度的相位转速的函数来表示。复勒让德系数的绝对值用各自的最大值进行标准化划分。图13中的实线为C(6.5)、虚线为C(-6.5)，图14中的实线为C(5.5)、虚线为C(-5.5)，图15中的实线为C(4.5)、虚线为C(-4.5)。由这些图可知，复勒让德系数为对速度进行正负区别来响应。另外，已经被确认，具有对于这种速度的响应的复勒让德系，可以在N≤35的范围内构筑。 
图13到图15所示的勒让德系数的响应，表示在作为勒让德展开系数的特征的相位速度原点、即多普勒频率原点附近具有非常优异的截止特性，另一方面，与图2到图4所示的傅立叶展开系数的响应相比较，其频率旁瓣水平高。即，在表示傅立叶展开系数的图2到图4的例子中，频率旁瓣水平为0.2左右，与此相对，在表示复勒让德系数的图14的例子中，其达到接近0.6。频率旁瓣水平高的情况为，在S/N比值、即相对于噪音水平的信号水平低的情况下，意味着产生速度检测误差的可能性高，因此，最好是抑制频率旁瓣水平。 
另外，在A(2n)基础上生成C(±2n)之时，采用将A(2n-1)和A(2n+1)线性结合以使其在和A(2n)相同的频率中取最大值，在A(2n-1)基础上生成C(±(2n-1))之时，采用将A(2n-2)和A(2n)线性结合，以使其在与A(2n-1)相同的频率中取最大值。 
即 
C(±(2n-1))＝α(2n-1)×A(2n-2)+β(2n-1)×A(2n)±jA(2n-1)) 
(1≤2n-1≤N-1) 
C(±2n)＝A(2n)±j[α(2n)×A(2n-1)+β(2n)×A(2n+1)] 
(2≤2n≤N-1；n：自然数；正负号选取顺序一致；α及β：正实数)(5) 
图16及图17表示在和图13到图15同样为N＝8的情况下，由勒让德系数A(4)，A(5)，A(6)生成复勒让德系数C(±5)的例子。图16中的实线为A(5)的绝对值的多普勒频率响应。另一方面，点线为，将A(4)和A(6)进行线性结合以使在和该A(5)相同的频率中取最大值而生成的系数的绝对值的多普勒频率响应。图17为，把A(4)和A(6)的线性结合作为实部、把A(5)作为虚部得到的复勒让德系数C(±5)的绝对值的多普勒频率响应。图中，实线为C(5)，虚线为C(-5)。频率旁瓣水平被抑制在0.4左右。这样，与图14所示的C(±5.5)及图15所示的C(±4.5)的频率旁瓣水平为0.6左右相比较，已大为改善。同样地，图18到图20表示所生成的复勒让德系数C(±6)，C(±4)，C(±3)的绝对值的多普勒频率响应。这些与图17一样，实线为C(6)，C(4)，C(3)，虚线为C(-6)，C(-4)，C(-3)。频率旁瓣水平仍被抑制在0.4左右。也就是说，将A(2n-2)和A(2n)进行线性结合，以使在和A(2n-1)同样的角频率中取最大值，据此，把旁瓣水平从0.6抑制到了0.4左右。 
在图21中，对于m为自然数时，从(m-1)次到(N-1)次的勒让德系数的平方和与从m次到(N-1)次的勒让德系数的平方和之比R(m)＝[A(m)2+…+A(N-1)2]/[A(m-1)2+A(m)2·+··+A(N-1)2](1≤m≤N-1)(6) 
表示为与上述例一样N＝8的情况。 
这些曲线从多普勒频率原点开始，随着从原点离开而单调增加，一旦到达最大值，其后进行波动。通过使用其单调增加部分，可以得到如图22所示的速度校正曲线。求得绝对值最大的复勒让德系数的次数时，只要使用对应于其次数的速度校正曲线，即可由勒让德系数的平方和的比计算出多普勒速度。 
由于存在具有比作为检测·分析对象的运动反射物回波大得多的振幅 的杂波信号，因此在它们进行漂移之时，对应其漂移程度的增大，使用将C(±1)，C(±2)，……和次数小的系数依次相除而得的复勒让德系数系，可以进行速度检测·分析。这样通过控制勒让德线系数的截止次数，能够抑制杂波信号的影响，同时能够进行运动反射物的速度检测·分析。 
(第一实施方式) 
下面，对本发明的实施方式进行说明。 
图23为使用作为本发明一实施方式的速度测量装置的超声波诊断装置的方块图，其具备血流绘制功能。构成超声波探头1的各元件通过转换开关组2，与发送波波束生成器3和接收波波束生成器10连接。发送波波束生成器3按照信号收发顺序控制部6的控制，使用由发送波形选择部4从发送波形储存器5选择并读出的波形，生成在通过各元件发送时变为具有方向性的超声波脉冲那样的信号。该信号通过超声波探头1的各个元件转换成超声波脉冲并发送到生物体。在生物体中被反射或者散射后返回到超声波探头1中的超声波回波信号，被各个元件接收并且转换为电信号。接收波波束生成器10，为了按照信号收发顺序控制部6的控制来生成保持方向性的接收灵敏度，在各个接收波信号上附加延迟时间并彼此相加。通过延迟加法计算得到的时序信号仍然按照信号收发顺序控制部6的控制，暂且写入由接收波存储器选择部11选择的接收波存储器12中的一个存储单元，在需要进行多普勒信号分析的N个时序信号聚齐之后将其读出，并在相位旋转检测器13，15、衰减·混频器14、血流信号检测·分析部16中进行需要检测·分析速度的信号处理。 
对于被读出的N个时序接收信号，将以为了得到其每一个而实行的脉冲发送的时刻为基准时的相位相等的部分按照发送时刻的顺序进行排列，之后再进行处理。对于该速度检测算法，参照图24的流程图及图23进行说明。首先，由相位旋转检测器13从含有杂波信号的时序信号中求出相位旋转。检测相位旋转的最典型的方法为以排列成n＝1，…，N的相邻的时序复信号S(n)，S(n+1)作为基础，计算 
P(n)＝S(n+1)S(n)*/‖S(n+1)‖/‖S(n)‖(n＝1，…，N-1)    (7) 
并由P(n)的平均值Pa的相位求出平均相位转速。 
在此，S(n)*为S(n)的复共轭，‖S(n)‖为S(n)的绝对值。通常，因为 杂波·回波信号的振幅比血流回波信号的信号的振幅大得多，所以可以认为Pa大致为杂波·回波信号的相位旋转平均值。即，用邻接试样之间的相位差平均值算出杂波平均速度(图24的S1)。另外，时序复信号S(n)通过由接收的回波信号中相位相差90°的两个输送频率信号相乘来得到。 
在衰减·混频器14中，使用在此求出的平均值Pa或Pa的周围区域的空间平均值，以使回波信号的相位旋转平均值变为0的方式进行混频处理。换言之，利用衰减·混频消除由杂波平均速度引起的相位旋转(参照图24的S2)。即，由S(n)和Pa得至 
Sd(n)＝S(n)Pa*n(n＝1，…，N)    (8) 
通过进行该衰减·混频处理，能够更有效地进行抑制杂波信号的后期处理。 
以得到的邻接的试样、即时序复信号Sd(n)，Sd(n+1)为基础，与相位旋转检测器13一样，由相位旋转检测器15计算 
Pd(n)＝Sd(n+1)Sd(n)*/‖Sd(n+1)‖/‖Sd(n)‖(n＝1，…，N-1)    (9)。 
根据该邻接试样之间的相位差最大值，评价残留的杂波速度的最大值(图24的S3)。为了对应该相位旋转最大值的大小来控制血流信号检测·分析部16的截止特性，确定勒让德展开系数的最低次数(图24的S4)。即，当相位旋转最大值大时，与小时相比，勒让德展开系数的截止次数M被设定得更高，因而使杂波成分被有效地抑制。 
在此，对作为本实施方式的特征部分的血流信号检测·分析部16的动作进行更加详细地说明。首先，所输入的时序信号Sd(1)，…，Sd(N)，首先展开成图8及图9所示的0到(N-1)次的离散勒让德函数，并求出其展开系数A(0)，…，A(N-1)。该计算可以通过如下矩阵运算容易地进行。用行向量L(n)表示n次勒让德函数，当将其从n＝0排列到(N-1)生成N×N矩阵LL时，用于从将Sd(1)，…，Sd(N)作为要素的列向量Sd得出将A(0)，…，A(N-1)作为要素的列向量A的矩阵，可以通过 
F＝(L·tLL)-1LL)    (10) 
求出。在此，tLL表示LL的转置矩阵、LL-1表示LL的逆矩阵。只要事先准备该矩阵，即可通过矩阵运算 
A＝F·Sd    (11) 
迅速地求出勒让德展开系数。由该展开系数A(0)，…，A(n-1)，按照式(5) 生成C(±1)，…，C(±(N-1))的复勒让德系数(图24的S5)。换言之，将通过如下过程算出的矩阵FF从前面乘以要素为时序信号的列向量Sd(n)，能够求出勒让德展开系数，该过程包括：用行向量L(n)表示n次勒让德函数，将其从n＝0到(N-1)在列方向上排列而形成N×N矩阵LL，将N×N矩阵LL转置而生成转置矩阵tLL的过程；计算将N×N矩阵LL从前面与转置矩阵tLL相乘的结果的逆矩阵(LL·tLL)-1的过程；将逆矩阵(LL·tLL)-1从前面与所述N×N矩阵LL相乘的过程。除上述以外，对应相位旋转最大值确定勒让德展开系数的最低次数(截止次数M)(图24的S4)，抛弃从C(±1)到C(±(M+1))的低次数复勒让德系数 
接着，对未被抛弃而残留的正次数的复勒让德系数的平方和与负次数的复勒让德系数的平方和进行比较，确定速度符号(参照图24的S6)。具体地说，将大的一方的次数的符号设定为速度的符号。进而，检测速度符号次数的复勒让德系数中绝对值最大的系数(参照图24的S7)。具体地说，就是检测正则为正次数、负则为负次数的复勒让德系数和最大次数(N-1)的勒让德系数中的绝对值最大的系数的次数m。 
接着，使用对应于检测出的勒让德系数的校正曲线算出血流速度(参照图24的S8)。即，使用对应于次数m的图22所示的速度校正曲线，如式(6)，根据(m-1)次到(N-1)次的勒让德系数的平方和与m次到(N-1)次的勒让德系数的平方和之比求出多普勒速度。 
所得到的血流速度信号与由回波振幅检测器17及回波振幅压缩器18得到的来自静止脏器的回波信号一起，被输入到扫描转换器19中。在扫描转换器中，进行用于将输入的复信号进行适当重叠，再由显示器20进行2维或3维显示的信号的生成·控制。 
下面，将本实施方式的多普勒速度测量装置的动作例子和现有方式进行比较显示。假定杂波·回波信号的振幅是血流回波的300倍，对于杂波速度，假定为初始值为0、且以一定的加速度上升的情况。对于时序信号数N＝8的情况，通过数值计算模拟进行比较。作为现有方式，选择如下的例子：使用图6情况下的低通截止滤波器来作为MTI滤波器，在其后阶段，用与使用式(5)得到相位旋转量平均值Pa的方法同样的方法，在血流信号检测·分析部16中进行算出速度的处理。另外，将MTI滤波器与依旧如图5所示例子的多项式回归·滤波器互换的情况也进行了比较。在该情况下，与本发明的方法一样，根据相位旋转检测器15的输出信号来控制截止次数M。 
在图25到图27中，对于杂波的最终到达速度为尼奎斯特极限速度的0.8％的情况，分别示出了通过本实施方式的方式、低通截止滤波器方式、及多项式回归·滤波方式得到的速度检测结果。采用横轴作为输入的血流速度、纵轴作为输出的检测出的速度，用实线绘制有效速度检测范围，用点线绘制有效速度检测范围之外的曲线。另外，由单点划线表示理想的情况。这样，在杂波速度较低的情况下，无论采用哪一种方式，都可以提供大致正确的速度分析结果，而基于本实施方式的误差是最小的。 
在图28到图30中，同样地，对于杂波的最终到达速度为尼奎斯特极限速度的0.3％的情况，分别示出了通过本实施方式的方式、低通截止滤波器方式、及多项式回归·滤波方式得到的速度检测结果。在该杂波速度域中，通过低通截止滤波器方式的速度检测几乎要失败。另外，虽然多项式回归·滤波方式在有效速度检测范围中的误差不大，然而在血流速度比其小的情况下误差较大，只有采取对策才能够使用。对此，本实施方式的方式不仅在有效速度检测范围内提供正确的速度检测结果，而且在血流速度比其小的情况下，直接输出检测速度0。这样，在有效速度检测范围内输出正确的速度检测结果，而且在血流速度比其小的情况下，直接输出检测速度0，或者显示不能进行速度检测的情况，这是本实施方式的速度检测装置的特征。利用该特征，对于关注的速度检测装置，不必仔细检查装置内部的结构，就能够确认本实施方式的实施的有无。 
在图31到图33中，对于杂波的最终到达速度为尼奎斯特极限的20％的情况，分别示出了通过本实施方式的方式、低通截止滤波方式、及多项式回归·滤波方式得到的速度检测结果。到此，当杂波速度变大时，按照现有方式进行的速度检测会彻底失败。另外，对于多项式回归·滤波方式而言，在有效速度检测范围内的误差变大的同时，在血流速度比其小的情况下的误差也明显增大。与此相对，虽然本实施方式的方式的有效速度检测范围稍狭窄，但是，不仅在血流速度为尼奎斯特极限速度的60％以上的范围内能够提供大致正确的速度检测结果，而且在血流速度不足尼奎斯特极限速 度的60％的情况下的动作也是正确的。 
在从图34到图37中，对于在血流速度自身含有对应尼奎斯特极限速度的8％的随机的相位误差的情况，分别示出了通过使用(5)式的本实施方式的方式、使用(4)式的方式、低通截止滤波方式、及多项式回归·滤波方式得到的速度检测结果。就杂波的最终到达速度而言，为尼奎斯特极限速度的10％。由于血流速度自身含有相位误差，在负的一侧的低中速区域中，本实施方式的方式也濒临失败，而相对于在使用(4)式的方式下速度符号被错误检测的情况，在使用(5)式的方式下，可无错误地检测出速度符号。这是使用构筑成抑制频率旁瓣水平的式(5)的方式的效果。多项式回归·滤波方式在相同的负的一侧的低中速域内，速度检测也会失败，即使在其他的速度域内，仅限于勉强能够检测出速度符号。另外，由于杂波速度大，按照现有方式的速度检测会彻底失败。 
如上所述，根据本实施方式，可以严格区别脏器的运动来绘制血流。进一步有效发挥该特征，在图23的超声波诊断装置中，将由相位旋转检测器13检测出的杂波信号、即脏器回波的相位转速信号输入扫描转换器19，将表示脏器的运动速度或其空间微分分布的图像与血流图像重叠或并列，从而可以显示出来。对该结构的用途，以肝肿瘤的情况为例进行说明。肝肿瘤的边缘部新生血管发达，其血流变化和周围的正常肝脏不同。另外，由于其和周围的正常肝脏硬度不同，因此其组织的运动和周围也不同。所以，在血流成像的基础上另外显示脏器的运动速度因位置不同而发生变化，根据这一点，则能够在肝肿瘤的诊断中提供非常有用的图像。 
另外，能够去除比反射物的回波信号的振幅大得多的杂波·回波信号的影响，从而正确检测出生物体内部的血流等运动反射物的速度。具体地说，可以实时地绘制出向脏器的超声波探头方向的运动速度在1mm/s的变化当中，向超声波探头方向的速度成分的3mm/s以上的血流。这样，根据本实施方式，可以提供带有可以进行准确医疗诊断的血流检测·绘制功能的超声波诊断装置。即，实施本实施方式的装置在医用诊断上的用途非常大，从而在支撑医用诊断的工业中，本实施方式的意义也很大。另外，本实施方式的方法也能够飞跃性提高通过发送接收电磁波，检测并绘制雨云等运动反射物的气象雷达、检测飞行物体的航空雷达、或者检测接近物体的防 撞击雷达等脉冲·多普勒·雷达装置等、以及其他的脉冲·多普勒装置的运动反射体检测能力，这意味着本实施方式的工业及社会意义也很大。 
(变形例) 
本实施方式不仅仅局限于上述的实施方式，例如可以进行以下方式的种种变形。 
(1)上述实施方式为，求复展开系数中具有最大绝对值的系数的次数m，然后使用以次数m作为界限的展开系数间的平方和之比来计算多普勒速度，但也可以使用复展开系数间的平方和的比值。 
(2)上述实施方式为，用于使用超声波来显示生物体内部的血流等的速度分布及速度的空间分布的医疗诊断用血流计及血流绘制装置中，但也可以用于通过发送接收电磁波检测并绘制雨云等运动反射物的气象雷达及检测飞行物体的航空雷达、或者，用于检测接近物体的防撞击雷达等的脉冲·多普勒·雷达装置。 

Claims (7)

1.一种速度测量方法，其以规定间隔向速度测量对象物发送N个脉冲波，使用将所述脉冲波的接收回波信号按照发送时间顺序排列成的时序信号，测量构成所述速度测量对象物的运动反射物的速度，所述速度测量方法包括：
展开步骤，将所述N个时序信号以从0次到(N-1)次的离散勒让德函数作为基底进行展开；
复展开系数计算步骤，当设定了自然数n时，对在所述展开步骤展开的1次以上(N-1)次以下的(2n-1)次的展开系数和(2n+1)次的展开系数的线性结合乘以虚数单位，然后与2n次的展开系数线性结合，由此计算2n次的复展开系数，对在所述展开步骤展开的1次以上(N-1)次以下的(2n-1)次的展开系数乘以虚数单位，然后线性结合2n次的展开系数和(2n-2)次的展开系数，由此计算(2n-1)次的复展开系数；
次数确定步骤，确定各个复展开系数中具有最大绝对值的系数的自然数次数m；
速度符号确定步骤，将对应相位旋转最大值时的次数确定为勒让德展开系数的最低次数M，抛弃从+1到+(M+1)和-1到-(M+1)的低次数复勒让德系数，比较未被抛弃而残留的正次数的复勒让德系数的平方和与负次数的复勒让德系数的平方和，将大的一方的次数的符号设定为速度符号；以及
速度值计算步骤，检测速度符号次数的复勒让德系数中绝对值最大的系数m，根据(m-1)次到(N-1)次的复展开系数的平方和与m次到(N-1)次的复展开系数的平方和之比，求出速度值。
2.如权利要求1所述的速度测量方法，其特征在于，所述展开步骤是将通过如下过程计算出的矩阵FF从前面乘以要素为所述时序信号的列向量Sd(n)的步骤，所述过程包括：用行向量L(n)表示n次勒让德函数，对将其从n＝0到(N-1)列向排列的N×N矩阵LL进行转置而生成转置矩阵tLL的过程；对将所述N×N矩阵LL从前面乘以所述转置矩阵tLL所得结果的逆矩阵(LL·tLL)-1进行计算的过程；以及将所述逆矩阵(LL·tLL)-1从前面乘以所述N×N矩阵LL的过程。
3.如权利要求2所述的速度测量方法，其特征在于，具备下述步骤：当所述运动反射物的速度小于有效速度检测范围时，输出检测速度0，当所述运动反射物的速度在有效速度检测范围内时，输出速度测量结果。
4.一种速度测量装置，其以规定间隔向速度测量对象物发送N个脉冲波，使用将所述脉冲波的接收回波信号按照发送时间顺序排列成的时序信号，测量构成所述速度测量对象物的运动反射物的速度，所述速度测量装置包括：
展开装置，其将所述N个时序信号以从0次到(N-1)次的离散勒让德函数作为基底进行展开；
复展开系数计算装置，当设定了自然数n时，对在所述展开装置中展开的1次以上(N-1)次以下的(2n-1)次的展开系数和(2n+1)次的展开系数的线性结合乘以虚数单位，然后与2n次的展开系数线性结合，由此计算2n次的复展开系数，对在所述展开步骤展开的1次以上(N-1)次以下的(2n-1)次的展开系数乘以虚数单位，然后线性结合2n次的展开系数和(2n-2)次的展开系数，由此计算(2n-1)次的复展开系数；
次数确定装置，其确定各个复展开系数中具有最大绝对值的系数的自然数次数m；以及
速度符号确定装置，将对应相位旋转最大值时的次数确定为勒让德展开系数的最低次数M，抛弃从+1到+(M+1)和-1到-(M+1)的低次数复勒让德系数，比较未被抛弃而残留的正次数的复勒让德系数的平方和与负次数的复勒让德系数的平方和，将大的一方的次数的符号设定为速度符号；以及
速度值计算装置，检测速度符号次数的复勒让德系数中绝对值最大的系数m，根据(m-1)次到(N-1)次的复展开系数的平方和与m次到(N-1)次的复展开系数的平方和之比，求出速度值。
5.如权利要求4所述的速度测量装置，其特征在于，所述展开装置是将通过如下过程计算出的矩阵FF从前面乘以要素为所述时序信号的列向量Sd(n)的装置，所述过程包括：用行向量L(n)表示n次勒让德函数，对将其从n＝0到(N-1)列向排列的N×N矩阵LL进行转置而生成转置矩阵tLL的过程；对将所述N×N矩阵LL从前面乘以所述转置矩阵tLL所得结果的逆矩阵(LL·tLL)-1进行计算的过程；以及将所述逆矩阵(LL·tLL)-1从前面乘以所述N×N矩阵LL的过程。
6.如权利要求4或5所述的速度测量装置，其特征在于，
所述脉冲波为超声波，
所述运动反射物为血流。
7.如权利要求4或5所述的速度测量装置，其特征在于，
所述脉冲波为超声波，
所述速度测量对象物为肝脏，
所述速度测量装置具备显示所述肝脏的速度的空间微分分布及血流图像的显示装置。
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