JP2003070789A

JP2003070789A - 超音波ドプラ診断装置

Info

Publication number: JP2003070789A
Application number: JP2001266426A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kondo; 祐司近藤
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2003-03-11

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波ドプラ法を用いて血流速度を測定する
際に、構成が簡単で、且つ容易に角度補正を行うことが
できる超音波ドプラ診断装置を提供すること。【解決手段】超音波ドプラ診断装置１００は、ある超
音波ビームに対応した元受信信号を受け取り、複数の受
信信号を生成する受信信号入力ユニット１０２、各受信
信号のドプラ周波数解析を行う受信信号解析ユニット１
０４、波数解析結果から交差角度を演算する角度推定ユ
ニット１０６、ビーム軸方向に対応するドプラ周波数Δ
ｆｃと交差角度θとに基づき真の血流速度を求める血流
速度演算部１０８とからなる。受信信号解析ユニット１
０４は、受信信号に対応した複数のドプラ周波数のスペ
クトルごとに観測周波数を特定し、それら観測周波数を
もとに、角度推定ユニット１０６は血流に対する超音波
ビームの交差角度を演算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波ドプラ診断装
置に関し、特に血流速度を正確に測定する超音波ドプラ
診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】血管内の血流の速度を測定する方法とし
て、超音波ドプラ法が知られている。この方法において
は、まず血流に対してある入射角度をなす超音波が送波
され、血流から反射された超音波エコーが受波される。
そして、送波した超音波の周波数に対して、反射された
超音波エコーの周波数の偏移分であるドプラ偏移周波数
が検出され、これにより血流の速度が演算される。

【０００３】しかし、上記の測定で得られるのは、血流
に対する超音波ビームの交差角度（入射角度）に依存し
た速度成分である。真の血流速度を求めるためには、入
射角度を特定し、その入射角度に基づいて血流速度の大
きさを補正する必要がある。そこで、従来においては、
ユーザがマニュアルで血流方向を画像上で決定し、超音
波の入射角度を入力する方法がとられていた。この従来
手法によると、血流速度の測定ごとに画像上にて血流方
向を指定しなければならず、煩雑である。また、リアル
タイムで血流速度の大きさを求めることができない。

【０００４】そこで、専用の２つの超音波探触子を利用
し、同じ測定点に対して異なる入射角度にて超音波を送
波し、２方向から反射波を受け、これにより血流速度の
大きさを測定する方法が提案されている。

【０００５】この方法を図１１を用いて説明する。超音
波探触子１５１、１５２は、血流に対してそれぞれの超
音波探触子１５１，１５２から生成される超音波ビーム
１５３，１５４の入射角度が異なるように配置される。
超音波ビーム１５３、１５４の血流に対する入射角度は
それぞれθ１，θ２で表わされる。超音波ビーム１５
３，１５４に対するドプラ周波数を測定する際には、二
つの入射角度θ１，θ２の相対角度Δθ＝θ１−θ２の
みがあらかじめわかっている。

【０００６】送信周波数ｆ、音速ｃ、真の血流速度の大
きさをｖとすると、各入射角度にて得られるドプラ偏移
周波数Δｆ１、Δｆ２は以下のようになる。

【０００７】

【数１】 Δｆ１＝２×ｆ×（ｖ／ｃ）×ｃｏｓ（θ１）（数式１）

【数２】 Δｆ２＝２×ｆ×（ｖ／ｃ）×ｃｏｓ（θ２）（数式２）ここで、相対角度Δθを用いれば、数式２を次のように
書き表わすことができる。

【０００８】

【数３】 Δｆ２＝２×ｆ×（ｖ／ｃ）×ｃｏｓ（θ１＋Δθ）（数式３）したがって、数式１及び数式３から、真の血流速度の大
きさｖは以下のように表わされる。

【０００９】

【数４】ｖ＝ｃ／（２×ｆ×ｓｉｎ（Δθ）×（（Δｆ１）²−２×Δｆ１×Δｆ２ ×ｓｉｎ（Δθ）×ｃｏｓ（Δθ）＋（Δｆ２）²）^1/2 （数式４）よって、血流速度ｖの大きさは、送信周波数ｆ、音速
ｃ、ドプラ偏移周波数Δｆ１、Δｆ２、相対角度Δθが
わかれば求めることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記方
法によると、血流速度の専用の２つの超音波探触子が必
要であり、装置の規模も大きく高価なものとなる。ま
た、複数の超音波ビームの相互干渉を防ぐために、それ
ぞれの測定タイミングをずらす必要があるなど、特別な
送受信制御が必要になる。

【００１１】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的は、超音波ドプラ法を用いて
血流速度を測定する場合において、簡易な構成で、正確
に血流速度を測定できるようにすることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明に係る超音波ドプラ診断装置は、ビー
ム軸の方位が一致し且つビーム幅が異なる複数の超音波
ビームに対応した複数の受信信号を生成する生成手段
と、各前記受信信号ごとにドプラ成分の周波数解析を実
行し、前記複数の超音波ビームに対応した複数の周波数
解析結果を出力する周波数解析手段と、前記複数の超音
波ビームに対応した周波数解析結果に基づいて、血流に
対する前記ビーム軸の交差角度を推定する角度推定手段
と、を備えることを特徴とする。

【００１３】いま、超音波探触子を起点として深さ方向
に沿って広がった超音波ビームを想定すると、当該超音
波ビームのビームエッジ方向は非平行となり、このこと
から理解されるように、超音波ビームが通過する血流上
の各地点における超音波（成分）の入射角度は厳密には
一定とはならない。つまり、超音波ビームの幅方向に沿
って入射角度が連続的に変化し、その変化内容あるいは
変化幅はビーム軸が同じであればビーム幅に依存する。
特に、ビームエッジ方位における入射角度はビーム幅に
依存する。

【００１４】以上の前提の下、ビーム軸方位が一致し且
つビーム幅が異なる複数の超音波ビームについて検討す
ると、それぞれの超音波ビームについて血流上の入射角
度の変化内容は互いに異なり、特に、ビームエッジ方位
における入射角度は超音波ビーム間で相違することにな
る。このため、各超音波ビームごとのドプラ成分の周波
数解析結果には、超音波ビーム間における入射角度の変
化幅の相違が現れる。そこで、本発明は、そのようなビ
ーム幅の違いによる周波数解析結果の相違に注目し、そ
の相違を利用して、各超音波ビーム共通のビーム軸が血
流となす交差角度を推定するものである。

【００１５】上記説明では超音波探触子を起点として深
さ方向に沿って広がった超音波ビームを想定したが、少
なくとも血流上において超音波ビーム間でビームエッジ
方位が異なればよく、例えば、複数の超音波ビームはフ
ォーカスされたものであってもよい。また、血流におけ
る超音波ビームの通過領域において血流速度が一様であ
る場合が望ましいが、一様でない場合であっても、その
通過領域において血流速度一定とみなして角度推定を行
うことができる。

【００１６】更に、複数の超音波ビームは、同時又は順
次実際に形成することも可能であるが、望ましくは、１
つの超音波ビームを実際に形成し、その受信信号を電子
的に処理して仮想的に複数の超音波ビームを生成するよ
うにしてもよい。なお、前者の場合、上記生成手段は、
超音波を送受波するための超音波探触子、送受信回路な
どを含んでもよく、また後者の場合は、さらに電子処理
前の元となる受信信号を入力して複数の受信信号を生成
する回路などを含むようにしてもよい。

【００１７】（２）望ましくは、周波数解析結果は前記
ドプラ成分のスペクトルであり、前記角度推定手段は、
前記各超音波ビームごとのスペクトルを利用して前記交
差角度を推定する。ビーム幅の異なりが各超音波ビーム
のスペクトルの相違となって現れるので、それを利用し
て交差角度を推定するものである。

【００１８】望ましくは、前記角度推定手段は、前記各
超音波ビームごとにそのスペクトルから当該超音波ビー
ムのビーム幅によって規定される観測周波数を特定する
観測周波数特定部と、前記各超音波ビームごとの観測周
波数から前記交差角度を演算する角度推定部と、を備え
る。

【００１９】観測周波数は、各超音波ビームごとの入射
角度の変化幅の違いを反映した周波数として、一定条件
の下で特定されるものであり、望ましくは、後述のよう
にビームエッジ方位において観測されるドプラ周波数で
ある。なお、ビームエッジは、メインビームのビーム軸
方向の音場を基準とし、そのビーム軸から音場が所定量
だけ減衰した方位として定義されるものである。

【００２０】望ましくは、前記観測周波数特定部は、前
記観測周波数として、前記スペクトル上において前記超
音波ビームにおけるビームエッジ方位に対応した観測周
波数を特定することを特徴とする。

【００２１】スペクトルにおけるピークは、一般には、
強度が最も大きいビーム軸方位で観測されるドプラ周波
数に相当し、周波数がそのピークに対応した周波数位置
から両側に離れるに従って、対応するスペクトルの強度
は低下する。そして、スペクトルの裾位置（立ち上がり
地点、立ち下がり地点）は、ビームエッジ方位にて観測
されるドプラ周波数に相当する。このような関係に基づ
いて、ビームエッジ方位における観測周波数を特定する
ことができる。

【００２２】望ましくは、前記観測周波数特定部は、前
記スペクトルの波形に基づいて観測周波数を特定する。
望ましくは、前記観測周波数特定部は、前記スペクトル
における周波数軸方向の強度変化に基づいて観測周波数
を特定することを特徴とする。望ましくは、前記観測周
波数特定部は、前記スペクトルをその周波数軸方向に沿
って積算して得られる積算値に基づいて観測周波数を特
定することを特徴とする。また、望ましくは、前記観測
周波数特定部は、前記スペクトルをその強度軸方向に沿
って積算して得られる積算値に基づいて観測周波数を特
定する。

【００２３】上記のように構成すれば、スペクトル上に
種々のノイズが存在してそのままでは観測周波数の特定
が困難な場合にも、ノイズの性状に応じて、ノイズに左
右されずに観測周波数を特定することができる。

【００２４】望ましくは、前記観測周波数特定部は、前
記複数の超音波ビームに対応した複数のスペクトルのう
ちの基本スペクトルに対して当該基本スペクトルの観測
周波数を特定し、当該観測周波数に基づいて前記基本ス
ペクトル以外の各スペクトルのスペクトル強度軸方向の
閾値を決定する閾値決定部を備え、前記決定された閾値
に基づいて前記基本スペクトル以外の各スペクトル上に
おける観測周波数を特定することを特徴とする。

【００２５】望ましくは、前記角度推定部は、前記各超
音波ビームごとの観測周波数から前記交差角度を求める
角度推定テーブルを含むことを特徴とする。上記構成に
よれば、特定される観測周波数と求めるべき交差角度と
の関係が複雑な場合においても、角度推定テーブルを用
いて、容易に交差角度を求めることができる。

【００２６】望ましくは、前記複数の受信信号は異なる
ビーム幅で得られた３つの受信信号であり、前記角度推
定部は、前記３つの受信信号に対応する３つの観測周波
数を入力し、１つの観測周波数に対する他の２つの観測
周波数の除算結果として、第１比率及び第２比率を求め
る比率演算部と、前記第１比率の大きさと前記軸交差角
度の候補とを対応付けた第１テーブルと、前記第２比率
の大きさと前記軸交差角度の候補とを対応付けた第２テ
ーブルと、前記第１テーブルを用いて特定される複数の
候補と前記第２テーブルを用いて特定される複数の候補
とを突き合わせて、前記交差角度を推定する突き合わせ
演算部とを含む。

【００２７】望ましくは、前記生成手段は、超音波ビー
ムを形成し当該超音波ビームに対応した受信信号を出力
する送受波部と、前記受信信号のレベル調整によって、
ビーム幅が異なる複数の超音波ビームに対応した複数の
受信信号を電子的に生成する生成部と、を含むことを特
徴とする。上記構成によれば、実際にビーム幅の異なる
超音波ビームを複数形成する必要がなくなる。

【００２８】望ましくは、前記複数の受信信号の少なく
とも１つから血流速度を演算する手段と、前記血流速度
を前記軸交差角度によって補正する手段と、を含むこと
を特徴とする。上記補正は、演算された速度に対して行
ってもよいし、その演算前のドプラ周波数に対して行っ
てもよい。

【００２９】

【発明の実施の形態】図１〜図８を用いて、本発明の実
施形態に係る角度補正の原理を説明する。

【００３０】図１は、血管１１内を流れている血流と、
探触子１２により形成された３つの超音波ビーム１４，
１５，１６との関係を示した図である。ここでは、原理
説明のため、各超音波ビーム１４，１５，１６は二次元
断層画像上に図示されている。

【００３１】探触子１２の先端部内には、この例では、
複数の振動素子からなるアレイ振動子（図示せず）が設
けられている。もちろん、単振動子を利用することもで
きる。各超音波ビーム１４，１５，１６は、ここでは送
波ビーム及び受波ビームを合成した合成ビームである。

【００３２】図１のモデルにおいては、血管１１内を流
れる血流が層流であると仮定し、すなわち速度一定であ
ることを仮定しており、その速度の大きさをｖとする。

【００３３】図示されるように、各超音波ビーム１４，
１５，１６のビーム軸１７の方位は一致しており、ビー
ム軸１７の血流に対する交差角度（入射角度）はθであ
る。また、各超音波ビーム１４，１５，１６は、互いに
異なるビーム幅をもち、図示の例では、超音波ビーム１
４，１５，１６の順で小さくなっている。

【００３４】符号１８，２１は、ビーム軸１７を含む断
面に現れる超音波ビーム１４の両ビームエッジを表して
いる。また、符号１９，２２は、同じ断面上に現れる超
音波ビーム１５の両ビームエッジを表し、符号２０，２
３は、超音波ビーム１６の両ビームエッジを表す。

【００３５】各超音波ビーム１４，１５，１６の一方の
ビームエッジ１８，１９，２０とビーム軸１７となす角
度は、順番にφ，φ−Δφ１，φ−Δφ２となる。ここ
で、Δφ１，Δφ２は、超音波ビーム１４の広がり角度
φに対する超音波ビーム１５、超音波ビーム１６の広が
り角度の減少分（減少角度）である。

【００３６】各超音波ビーム１４，１５，１６はビーム
軸１７上にて最大音圧をもち、ビーム軸１７から遠ざか
るに従ってその音圧は徐々に低下していく。各ビームエ
ッジ１８〜２３は、各超音波ビーム１４，１５，１６の
ビーム軸方向の音場を基準とし、そのビーム軸から音場
が所定量だけ減衰した方位として定義されるものであ
る。なお、前記所定量の値が変化すれば、それに応じて
各超音波ビーム１４，１５，１６のビーム幅もそれぞれ
変化して以前とは異なった値を取るが、各ビーム幅間の
大小関係は変わらない。

【００３７】ビーム幅が深さに応じて広がっていること
により、各超音波ビーム１４，１５，１６内において、
超音波ビームが通過する血流上の各地点における入射角
度は連続的に変化している。また、その入射角度の変化
幅が各超音波ビーム１４，１５，１６ごとに異なってい
る。超音波ビーム１４の場合、θ−φからθ＋φに至る
変化幅をもち、超音波ビーム１５の場合は、θ−φ＋Δ
φ１からθ＋φ−Δφ１至る変化幅をもち、超音波ビー
ム１６の場合は、θ−φ＋Δφ２からθ＋φ−Δφ２に
至る変化幅をもつ。

【００３８】各超音波ビーム１４，１５，１６内にて最
小値をとる入射角度（最小入射角度）θ−φ、θ−φ＋
Δφ１、θ−φ＋Δφ２は、それぞれビームエッジ１
８，１９，２０方位における超音波成分の入射角度であ
り、また、各超音波ビーム１４，１５，１６内にて最大
値をとる入射角度（最大入射角度）θ＋φ、θ＋φ−Δ
φ１、θ＋φ−Δφ２はビームエッジ２１，２２，２３
方位における超音波成分の入射角度である。最小入射角
度及び最大入射角度は、超音波ビームごとに異なってお
り、各超音波ビーム１４，１５，１６のビーム幅に依存
する。

【００３９】上記のように、超音波ビームの入射角度が
ビーム幅に応じた一定の広がりをもつために、各超音波
ビーム１４，１５，１６にて観測される血流の流速もビ
ーム幅に応じた一定の広がりをもつ。その結果、探触子
１２により受信された信号を周波数解析すると、後述す
るように、ドプラ周波数がビーム幅に応じた広がりをも
っていることがわかる。

【００４０】図２は、超音波ビーム１４，１５、１６に
対応する各受信信号を周波数解析して得られたドプラ周
波数のスペクトルを表わす図である。横軸はスペクトル
の強度を表わし、縦軸は周波数を表わす。

【００４１】スペクトル２４，２５，２６は、それぞれ
超音波ビーム１４，１５，１６に対応するスペクトルで
ある。各スペクトル２４，２５，２６は、音圧が最も高
いビーム軸の方位で観測されるドプラ周波数Δｆｃにピ
ークをもつ。ピーク位置が同一であるのは、超音波ビー
ム１４，１５，１６のビーム軸が共通であるためであ
る。

【００４２】各スペクトル２４，２５，２６は、周波数
がピークとなる周波数Δｆｃの位置から離れるに従って
（図中、上下方向）対応するスペクトル強度が低下す
る。スペクトル２４，２５，２６の両裾位置における周
波数は、ビームエッジ方位において観測されたドプラ周
波数（観測周波数）である。これは、ビーム軸から遠ざ
かるに従って、各超音波ビーム１４，１５，１６の音圧
が徐々に低下するためである。

【００４３】スペクトル２４の場合、高周波数側におけ
る裾位置の周波数Δｆｈは、ビームエッジ１８（図１参
照）におけるドプラ周波数であり、低周波数側における
裾位置の周波数Δｆｌはビームエッジ２１におけるドプ
ラ周波数である。同様に、スペクトル２６の両裾位置に
おける周波数Δｆ１ｈ、Δｆ１ｌはそれぞれビームエッ
ジ１９，２２におけるドプラ周波数であり、スペクトル
２６の両裾位置における周波数Δｆ２ｈ、Δｆ２ｌはそ
れぞれビームエッジ２０，２３におけるドプラ周波数で
ある。

【００４４】本実施形態においては、各超音波ビーム１
４，１５，１６における最小入射角度θ−φ，θ−φ＋
Δφ１，θ−φ＋Δφ２に対応するドプラ周波数Δｆ
ｈ、Δｆ１ｈ、Δｆ２ｈ（観測周波数）を利用し、これ
らの観測周波数Δｆｈ、Δｆ１ｈ、Δｆ２ｈを用いて、
交差角度θを演算する。

【００４５】観測周波数Δｆｈ、Δｆ１ｈ、Δｆ２ｈは
ビーム幅の違いに依存しそれを反映したものであり、つ
まりビーム幅によって規定される。それ故、後述するよ
うに各超音波ビームの受信信号（ドプラ成分）を周波数
解析して得られたスペクトル上において特定されるもの
である。

【００４６】これら観測周波数Δｆｈ、Δｆ１ｈ、Δｆ
２ｈは、それぞれ対応する最小入射角度θ−φ，θ−φ
＋Δφ１，θ−φ＋Δφ２、送信周波数ｆ、音速ｃを用
いて次式で表わされる。

【００４７】

【数５】 Δｆｈ＝２×ｆ×（ｖ／ｃ）×ｃｏｓ（θ−φ）（数式５）

【数６】 Δｆ１ｈ＝２×ｆ×（ｖ／ｃ）×ｃｏｓ（θ−φ＋Δφ１）（数式６）

【数７】 Δｆ２ｈ＝２×ｆ×（ｖ／ｃ）×ｃｏｓ（θ−φ＋Δφ２）（数式７）次に、上記３つの観測周波数Δｆｈ、Δｆ１ｈ、Δｆ２
ｈから数式５〜数式７をもとに交差角度θを求める方法
について説明する。

【００４８】まず、数式５〜数式７からｖを消去する
と、下記の連立方程式が得られる。

【００４９】

【数８】 Δｆ１／Δｆ＝ｃｏｓ（θ−φ＋Δφ１）／ｃｏｓ（θ−φ）（数式８）

【数９】 Δｆ２／Δｆ＝ｃｏｓ（θ−φ＋Δφ２）／ｃｏｓ（θ−φ）（数式９）上式において、方程式の数が２つであるのに対して、未
知パラメータの数がθ、φ、Δφ１、Δφ２と４つある
ので、このままでは、交差角度θを求めることはできな
い。

【００５０】本実施形態においては、上記問題を解決す
るために超音波ビーム間に相関関係がある複数の超音波
ビームを用いる。具体的には、超音波ビーム１５を超音
波ビーム１４の音場強度を全方位一律に６ｄＢ低減させ
た超音波ビームとし、超音波ビーム１６を超音波ビーム
１４の音場強度を全方位一律に１８ｄＢ低減させた超音
波ビームであるとする。但し、同様の超音波ビームを実
際の３回の送受波によって形成するようにしてもよい。

【００５１】図３は、超音波ビームの指向性を表わす図
である。横軸は、超音波ビームのビーム軸に対する方位
を表わし、縦軸は超音波ビームの相対的な音場強度を表
わす。

【００５２】実線で表わされる音場パターン２８は、あ
らかじめ測定又はシミュレーションで求められた超音波
ビーム１４のビームパターン（音場）である。その中心
（角度０°）にはメインビームがあり、その両側にサイ
ドローブが存在する。破線で表わされる音場パターン３
０は、音場パターン２８の音場強度を一律に６ｄＢ低減
させることにより仮想的に得られる（これは図１の超音
波ビーム１５の音場パターンに相当する）。なお、縦軸
の目盛は超音波ビーム１４のメインビームのピーク強度
を１として規格化している。

【００５３】図示のように、ある強度レベル３２（図
中、一点鎖線参照）を定めると、その強度レベル３２に
よって超音波ビーム１４の角度幅（広がり角度の２倍：
２×φ）と、超音波ビーム１５の角度幅（２×（φ−Δ
φ１））とが定まり、これらの角度幅には相関関係があ
ることがわかる。図中、上下方向に強度レベル３２を変
化させれば、超音波ビーム１４の角度幅（２×φ）が変
化し、それに応じて６ｄＢ低減させた場合の角度幅（２
×（φ−φ１））も変化する。これは、強度レベル３２
を変化させることによって、強度レベル３２によって定
義される超音波ビーム１４、及び超音波ビーム１５の各
ビーム幅が変化していると解釈できる。

【００５４】ちなみに、超音波ビーム１６に相当する音
場パターンは、音場パターン２８を電子的に一律に１８
ｄＢ低減させることによって、上記の音場パターン３０
と同様に生成可能である。この音場の低減は実際の装置
においては後述するように受信信号のレベルシフト（振
幅圧縮）によって行うことが可能である。

【００５５】図４は、超音波ビーム１４の角度幅（２×
φ）と超音波ビーム１５の角度幅（２×（φ−Δφ
１））との関係（−６ｄＢ関係）、及び、超音波ビーム
１４の角度幅（２×φ）と超音波ビーム１６の角度幅
（２×（φ−Δφ２））との関係（−１８ｄＢ関係）を
表わす図である。

【００５６】横軸は、超音波ビーム１４の角度幅を表わ
し、縦軸は超音波ビーム１４の角度幅に対する他の超音
波ビーム（超音波ビーム１５，１６）の角度幅の差（２
×Δφ１、２×Δφ２）を表している。符号３４は上記
−６ｄＢ関係に対応したグラフであり、符号３６は上記
−１８ｄＢ関係に対応したグラフである。

【００５７】つまり、超音波ビーム間に上記の−６ｄＢ
関係及び−１８ｂＢ関係がある場合（強度を一律に所定
量ダウンさせた関係がある場合）、超音波ビーム１４の
広がり角度φが決まれば、Δφ１及びΔφ２が定量的に
定まる。数式８，９に戻ると、パラメータφ、Δφ１、
Δφ２は三者相関関係にあり、よって、それらのうち１
つが特定されると他の２つを特定可能となる。すなわ
ち、それらパラメータは１つのパラメータに集約でき
る。

【００５８】図４で示される関係を用いて、Δφ１、Δ
φ２を上記連立方程式（数式８、数式９）から消去すれ
ば、実質的に残るパラメータはθ及びφとなる。その結
果、パラメータの数と方程式の数が一致するので、当該
連立方程式を解くことができ、交差角度θの値を求める
ことができる。

【００５９】なお、本実施形態においては探触子により
実際に形成される超音波ビームは超音波ビーム１４のみ
であり、超音波ビーム１５、１６は、超音波ビーム１４
に対応して得られる受信信号を電子的に処理して、仮想
的に得ることにする。こうすれば、１回の超音波の送受
信で、３つの超音波ビームを同時形成してそれらの信号
解析を実時間で行うことができる。

【００６０】ちなみに、利得（送信強度あるいは受信感
度）を異ならせた３つの超音波ビームを実際に形成する
ことも考えられるが、利得を変更するとビームパターン
が変わってしまう場合があるため、その場合には各超音
波ビームごとにそのビームパターンをあらかじめ計測し
又はシミュレーションして求めておき、基準となる超音
波ビームを１つ定めて、その超音波ビームの角度幅と他
の２つの超音波ビームの角度幅との関係（図４参照）を
求めておく必要がある。

【００６１】次に、図５、図６を用いて、測定された観
測周波数Δｆｈ、Δｆ１ｈ、Δｆ２ｈを使って、上記連
立方程式を数値的に解き、交差角度θを求める方法を示
す。図５は、数式８にて定まる交差角度θ（横軸）と比
率Δｆ１ｈ／Δｆｈ（縦軸）との関係を表わす図であ
る。符号３８〜４６は、広がり角度φの値を１０°〜３
０°まで刻み５°で変化させた場合のグラフを示してい
る。

【００６２】例えば、Δｆ１ｈ／Δｆｈ＝０．７で表わ
される直線４８と各グラフ３８〜４６との交点Ａ１〜Ａ
５で表わされる５つの（θ、φ）の組が、上記連立方程
式の解の候補となる。

【００６３】図６は、図５と同様に、数式９にて定まる
交差角度θ（横軸）と比率Δｆ２ｈ／Δｆｈ（縦軸）と
の関係を表わす図である。符号５０〜５８は、広がり角
度φの値を１０°〜３０°まで刻み５°で変化させた場
合のグラフである。

【００６４】例えば、Δｆ２ｈ／Δｆｈ＝０．６で表わ
される直線６０と各グラフ５０〜５８との交点Ｂ１〜Ｂ
５で表わされる５つの（θ、φ）の組が、上記連立方程
式の解の候補となる。

【００６５】そこで、図５を用いて得られた解候補Ａ１
〜Ａ５と、図６を用いて得られた解候補Ｂ１〜Ｂ５とを
突き合わせて、θ及びφの値が一致するものが見つかれ
ば、その組（θ、φ）を上記連立方程式の解とみなす。

【００６６】上記の例では、Ａ３とＢ３がともに（θ、
φ）＝（７０°、２０°）であることがわかるので、こ
れが上記連立方程式を満たす解である。すなわち、例え
ば、観測周波数の比率がΔｆ１ｈ／Δｆｈ＝０．７、Δ
ｆ２ｈ／Δｆｈ＝０．６である場合は、その交差角度θ
は７０°であることがわかる。

【００６７】本実施形態においては、φのとる範囲とし
て１０°〜３０°としたが、もちろんφの取り得る範囲
はこれに限られるものではない。また、広がり角度φの
刻みを小さくすることにより、求める解の精度を更に向
上させることができる。

【００６８】上記交差角度θの情報を用いて真の血流速
度を求めるためには、例えば、まず従来同様にビーム軸
方向のドプラ周波数Δｆｃをあらかじめ測定して見かけ
の血流速度ｖ１を得る。送信周波数ｆ、音速ｃ、血流速
度の大きさｖとしたとき、ドプラ周波数Δｆｃが次式の
関係にあるので、

【数１０】 Δｆｃ＝２×ｆ×（ｖ／ｃ）×ｃｏｓ（θ）（数式１０）見かけの血流速度の大きさｖ１は、

【数１１】ｖ１＝ｖ×ｃｏｓ(θ）＝Δｆｃ×ｃ／（２×ｆ）（数式１１）と表わされる。従って、上記交差角度θの情報及び、次
式

【数１２】ｖ＝ｖ１／ｃｏｓ（θ）（数式１２）の関係を使って、見かけの血流速度の大きさｖ１の値を
補正し、真の血流速度の大きさｖの情報を得る。

【００６９】次に、上述したスペクトルから観測周波数
を特定する方法について、更に図７〜図９を用いて説明
する。

【００７０】図７〜図９に示されているスペクトルは、
それぞれドプラ周波数のスペクトルを示す図であり、各
図の横軸はスペクトル強度を表わし、縦軸はドプラ周波
数成分を表わす。

【００７１】図７は、第１の観測周波数の特定方法を説
明する図である。まず、ドプラ周波数のピークが含まれ
る周波数領域６２をマニュアルであるいは自動的に設定
する。次に周波数領域６２内にて、スペクトル６４のう
ち雑音と思われるバックグラウンド部分６６（図７
（ａ）中、斜線部参照）を特定し、もとのスペクトル６
４からバックグラウンド部分６６を減算する（図７
（ｂ）参照）。次に、バックグラウンド部分６６が減算
されたスペクトル６８に対して、高周波数側から周波数
軸方向にスペクトルの強度変化をサーチして、スペクト
ル成分が最初に出現する周波数を観測周波数Δｆｒとす
る。ここで、バックグラウンド部分２２の決め方として
は、事前に雑音の平均的な信号レベルを計測しておき、
それを用いる。また、スペクトル成分が最初に出現する
周波数を決める方法としては、例えばスペクトルの強度
変化の度合が、あらかじめ決めておいた基準値を超えた
場合にスペクトル成分が出現したとみなすようにすれば
よい。この方法は、雑音のスペクトルがあらかじめ既知
である場合に有用である。

【００７２】図８は、第２の観測周波数の特定方法を説
明する図である。

【００７３】まず、対象となる周波数領域７０に対し、
周波数軸方向に沿ってスペクトル７２を積分して全体の
積分値（図８（ａ）中、斜線部参照）を求める。次に高
周波数側から周波数軸方向にスペクトル７２を積分して
いき（図８（ｂ）中、斜線部参照）、その積分値が全体
の積分値に対して所望の割合、例えば１０％（図８
（ｃ）中斜線部参照）に至った時点の周波数を観測周波
数Δｆｒとする。この方法は、雑音部分の波形レベル
が、必ずしも低レベルでない場合に有効である。

【００７４】図９は第３の観測周波数の特定方法を説明
する図である。

【００７５】スペクトル７４には、血流からのドプラ成
分に対応したスペクトル７６以外に、アーチファクトに
よる雑音ピーク７８が存在する。

【００７６】図８の方法と同様に、まず、対象となる周
波数領域７３に対し、周波数軸方向にスペクトル７４を
積分する。

【００７７】次に、上記周波数領域７３内にてスペクト
ル７４の強度が極大となる位置（図８（ａ）中、点Ｐ、
Ｑ）を探索し、当該複数の極大点及び及びスペクトルの
強度変化等に基づいてスペクトル強度が最大となる（図
８（ａ）中、点Ｐ）ピークを含むスペクトルをドプラ成
分のスペクトルと特定する。次に、特定したスペクトル
７６に対し、スペクトル強度の大きさが最大となる位置
から、強度軸に沿ってスペクトル強度が減少する方向に
積分する。その積分値が最初に求めた積分値に対する所
望の割合、例えば９０％に至った時点で積分操作を終了
する。終了時点におけるスペクトル強度に対応する周波
数のうち、高周波数側のものを観測周波数Δｆｒとす
る。ここで、当該積分操作はスペクトル７６のみに対し
て行われ、雑音ピーク７８が存在する部分は、積分しな
い。

【００７８】こうすれば、強いピーク形状の雑音が存在
する場合においても、そのピーク値がドプラ成分のスペ
クトルのピーク値よりも小さい場合に、雑音を除去して
観測周波数を特定することができる。

【００７９】以上、３種類の観測周波数の特定方法につ
いて説明したが、上記各方法は、ビーム幅の異なる超音
波ビームごとに得られる複数のスペクトルの各々に対し
て同じ方法を用いてもよいし、超音波ビームごとに異な
る方法を用いてもよい。

【００８０】また、ビーム幅の異なる超音波ビームごと
に得られる複数のスペクトルから基本となるスペクトル
を一つ選択し、その選択されたスペクトルに対して、ま
ず上記いずれかの方法を用いて観測周波数を特定する。
観測周波数が特定されれば、その周波数に対応したスペ
クトルの強度が定まるので、当該スペクトル強度を閾値
として、残りのスペクトルの観測周波数を特定するよう
にしてもよい。

【００８１】なお、図１で示された各超音波ビーム１
４，１５，１６は深さ方向に沿って広がった形状で示さ
れているが、これは原理説明のための図である。本発明
においては、実際の超音波ビームの形状は上記図示した
形状である必要はなく、超音波ビーム間で血流に対する
交差角度の変化幅が異なっていれば良い。例えば各超音
波ビームがフォーカスビームであっても各超音波ビーム
で血流に対する交差角度の変化幅が異なっていれば、本
発明が成立することは明らかである。

【００８２】また、本実施形態においては、観測周波数
として血流に最小交差角度で入射する超音波（成分）の
ドプラ周波数（Δｆｈ、Δｆ１ｈ、Δｆ２ｈ）を用いた
が、観測周波数として用いるドプラ周波数は上記に限ら
れるものでなく、例えば血流に最大交差角度で入射する
超音波（成分）のドプラ周波数（Δｆｌ、Δｆ１ｌ、Δ
ｆ２ｌ）を用いても良い。

【００８３】次に、上記原理が適用された超音波ドプラ
診断装置１００について図１０を用いて説明する。

【００８４】超音波ドプラ診断装置１００は、受信信号
入力ユニット１０２、受信信号解析ユニット１０４、及
び、角度推定ユニット１０６、血流速度演算ユニット１
０８を有する。受信信号入力ユニット１０２は、あるビ
ーム幅を有する単一の超音波ビームに対応した受信信号
（元受信信号）を受け取り、受取った元受信信号に基づ
いて互いに異なったビーム幅を有する超音波ビームに対
応した複数の受信信号（２つの受信信号）を電子処理に
より生成する。なお、元受信信号は本実施形態において
そのまま出力される。受信信号解析ユニット１０４は、
受信信号入力ユニット１０２から出力された３つの受信
信号を入力し、各受信信号のドプラ周波数解析（ＦＦＴ
解析）を行う。角度推定ユニット１０６は、複数の周波
数解析結果から交差角度を演算するものである。血流速
度演算ユニット１０８は、ビーム軸方向に対応するドプ
ラ周波数Δｆｃと交差角度θとに基づき、真の血流速度
を求めるものである。

【００８５】受信信号入力ユニット１０２は、Ａ／Ｄ変
換器１１０、ビットシフト演算部１１２、１１４とから
構成される。Ａ／Ｄ変換器１１０は、入力した送受信に
係る超音波ビームに対応する元受信信号を入力し、入力
した元受信信号をアナログ値からディジタル値に変換す
る。ディジタル値に変換された元受信信号は、その後、
３つに分岐され、１つは、直接、受信信号解析ユニット
１０４に出力される。残りの２つは、それぞれビットシ
フト演算部１１２、１１４を介して出力される。

【００８６】ビットシフト演算部１１２は、Ａ／Ｄ変換
器１１０でディジタル化された元受信信号のデータを１
ビット分ビットシフトする。１ビットのビットシフトは
元受信信号を−６ｄＢにて低減する（１／２倍する）こ
とに相当する。ビットシフト演算部１１４は、Ａ／Ｄ変
換器１１０でディジタル化された元受信信号のデータを
３ビット分ビットシフトする。３ビットのビットシフト
は元受信信号を−１８ｄＢにて低減する（１／８倍す
る）ことに相当する。もちろん、ビットシフト量は諸条
件に応じて適宜設定可能であり、それをユーザー可変で
きるようにしてもよい。

【００８７】受信信号解析ユニット１０４は、直交検波
部１１６，１１８，１２０、ＦＦＴ演算部１２２，１２
４，１２６、及び、観測周波数特定部１２８，１３０，
１３２から構成される。

【００８８】直交検波部１１６は、Ａ／Ｄ変換器１１０
から直接入力される元受信信号を入力し、それを送信周
波数をもった基準信号と乗算し、これによりドプラ周波
数だけをもった信号を抽出して、それを複素の検波信号
Ｉ１，Ｑ１として出力する。ＦＦＴ演算部１２２は、検
波信号Ｉ１、及びＱ１をもとに複素フーリエ変換（ＩＦ
ＦＴ）演算を実行し、リアルタイムで周波数分析を行っ
て、ドプラ周波数のスペクトルを得る（図２参照）。な
お、ＦＦＴ演算部１２２はビーム軸方向のドプラ周波数
（平均周波数）を前記スペクトル上で特定し、その情報
を観測周波数特定部１２８に出力する。

【００８９】観測周波数特定部１２８は、図７乃至図９
を用いて説明した方法にて、ドプラ周波数スペクトルか
ら最小交差角度にて入反射される信号成分のドプラ周波
数を観測周波数Δｆｈとして特定する。

【００９０】直交検波部１１８、ＦＦＴ演算部１２４、
及び、観測周波数特定部１３０は、−６ｄＢの減衰度に
て減衰された受信信号に対して、Ａ／Ｄ変換器１１０か
ら直接入力される元受信信号に対する上記一連の処理を
行い、観測周波数Δｆ１ｈを特定する。ただし、直交検
波部１１８の出力する検波信号をＩ２，Ｑ２とする。

【００９１】直交検波部１２０、ＦＦＴ演算部１２６、
観測周波数特定部１３２は、−１８ｄＢの減衰度にて減
衰された受信信号に対して、Ａ／Ｄ変換器１１０から直
接入力される元受信信号に対する上記一連の処理を行
い、観測周波数Δｆ２ｈを特定する。ただし、直交検波
部１２０の出力する検波信号をＩ３，Ｑ３とする。

【００９２】角度推定ユニット１０６は、除算回路１３
４，１３６、記憶部１３８，１４０、候補抽出部１４
２，１４４、及び、角度推定部１４６からなる。

【００９３】除算回路１３４は、観測周波数Δｆｈ、Δ
ｆ１ｈの除算を実行し、比率Δｆ１ｈ／Δｆｈを出力す
る。乗算回路１３６は、観測周波数Δｆｈ、Δｆ２ｈの
除算を実行し、比率Δｆ２ｈ／Δｆｈを出力する。

【００９４】記憶部１３８は、複数の広がり角度φの値
ごとに、数式８で表わされる関係に基づいて交差角度θ
の値とΔｆ１ｈ／Δｆｈの値が対応づけられた表（図５
参照）を第１角度推定テーブルとして記憶している。記
憶部１４０は、複数の広がり角φの値ごとに、数式９で
表わされる関係に基づいて交差角度θの値と対応するΔ
ｆ２ｈ／Δｆｈの値とが対応づけられた表（図６参照）
を第２角度推定テーブルとして記憶している。

【００９５】候補抽出部１４２は、元受信信号及び受信
信号から得られたドプラ周波数のスペクトルから特定し
た観測周波数の比率Δｆ１ｈ／Δｆｈと第１角度推定テ
ーブルとに基づいて、数式８及び数式９からなる連立方
程式の解の候補として、複数の交差角度の値と広がり角
度の値の組（θ、φ）を抽出する。解候補抽出部１４４
は、元受信信号及び受信信号から得られたドプラ周波数
のスペクトルから特定した観測周波数の比率Δｆ２ｈ／
Δｆｈと第２角度推定テーブルとに基づいて、数式８及
び数式９からなる連立方程式の解候補として複数の交差
角度の値と広がり角度の値の組（θ、φ）を抽出する。

【００９６】角度推定部１４６は、候補抽出部１４２か
ら得られた複数の候補と候補抽出部１４４から得られた
複数の候補とを突き合わせて、上記連立方程式の解とな
る１つの組（θ、φ）を判別する。

【００９７】血流速度演算ユニット１０８は、速度演算
部１４８、角度補正部１５０とからなる。

【００９８】速度演算部１４８は、ＦＦＴ演算部１２２
より得られたビーム軸方向のドプラ周波数Δｆｃ、送信
周波数ｆ、音速ｃの値を入力し、それらの値から上記数
式１１に基づいて、ビーム軸方向の見かけの血流速度の
大きさｖ１を演算する。

【００９９】角度補正部１５０は、角度推定部１４６に
より推定された交差角度θ、及び速度演算部１４８によ
り得られた見かけの血流速度の大きさｖ１から上記数式
１２に基づいて真の血流速度の情報を得る。

【０１００】なお、図１０においては上述した原理を実
現するための要部構成が示されており、超音波の送受波
を行う超音波探触子、画像形成部、表示処理部などの公
知の構成については図示省略されている。一般に、超音
波探触子としては、複数の振動素子からなるアレイ振動
子を有するものが用いられる。その超音波探触子は、体
表面上に当接して用いられ、あるいは、体腔内に挿入し
て用いられるものである。

【０１０１】本実施形態においては、真の血流速度の情
報を求める際に最初にビーム軸方向の見かけの血流速度
の大きさ、すなわち速度情報、に変換した上で交差角度
θに関する補正を行っているが、ビーム軸方向のドプラ
周波数Δｆｃに直接１／ｃｏｓ（θ）を乗じて、周波数
情報のままで交差角度θに関する補正を行うようにして
も良い。

【０１０２】また、本実施形態においては、ビットシフ
ト演算は、直交検波部１１６〜１２０に入力される前の
元受信信号及び受信信号に対して行われるが、直交検波
後のの検波信号に対して行うようにしても良い。

【０１０３】

【発明の効果】本発明は、上記のように構成したので簡
易な構成で、正確に血流速度を測定できる超音波ドプラ
診断装置を提供することにある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る交差角度推定の原
理を説明する図である。

【図２】ドプラ周波数のスペクトルを示す図である。

【図３】超音波ビームの指向性を示す図である。

【図４】超音波ビームの広がり角度φと、Δφ１、Δ
φ２との関係を示す図である。

【図５】観測周波数の比から交差角度を推定する方法
を説明する図である。

【図６】観測周波数の比から交差角度を推定する方法
を説明する図である。

【図７】第１の観測周波数を特定する方法を示す図で
ある。

【図８】第２の観測周波数を特定する方法を示す図で
ある。

【図９】第３の観測周波数を特定する方法を示す図で
ある。

【図１０】本発明の実施の形態に係る超音波ドプラ診
断装置の構成を示す図である。

【図１１】従来の超音波ドプラ診断装置の構成を示す
図である。

【符号の説明】

１２探触子、１４，１５，１６超音波ビーム、２０
ビーム軸、２４，２５，２６スペクトル、１０８
血液速度演算ユニット、１１０Ａ／Ｄ変換器、１１
２，１１４ビットシフト演算部、１１６，１１８，１
２０直交検波部、１２２，１２４，１２６ＦＦＴ演
算部、１２８，１３０，１３２観測周波数特定部、１
３４，１３６除算回路、１３８，１４０記憶部、１
４２，１４４候補抽出部、１４６角度推定部、１５
０角度補正部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4C301 AA02 DD01 DD02 EE11 EE15 GB02 HH54 JB03 JB17 JB22 JB27 JB30 JB34 JB50 KK09 4C601 DD03 DE01 EE09 EE12 GB01 GB03 JB19 JB21 JB23 JB24 JB34 JB35 JB40 JB46 JB49 JB51 JB60

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ビーム軸の方位が一致し且つビーム幅が
異なる複数の超音波ビームに対応した複数の受信信号を
生成する生成手段と、前記各受信信号ごとにドプラ成分の周波数解析を実行
し、前記複数の超音波ビームに対応した複数の周波数解
析結果を出力する周波数解析手段と、前記複数の超音波ビームに対応した複数の周波数解析結
果に基づいて、血流に対する前記ビーム軸の交差角度を
推定する角度推定手段と、を備えることを特徴とする超音波ドプラ診断装置。
【請求項２】請求項１記載の超音波ドプラ診断装置に
おいて、前記周波数解析結果は前記ドプラ成分のスペクトルであ
り、前記角度推定手段は、前記各超音波ビームごとのスペク
トルに基づいて前記交差角度を推定することを特徴とす
る超音波ドプラ診断装置。
【請求項３】請求項２記載の超音波ドプラ診断装置に
おいて、前記角度推定手段は、前記各超音波ビームごとにそのスペクトルから当該超音
波ビームのビーム幅によって規定される観測周波数を特
定する観測周波数特定部と、前記各超音波ビームごとの観測周波数から前記軸交差角
度を演算する角度推定部と、を備えることを特徴とする超音波ドプラ診断装置。
【請求項４】請求項３記載の超音波ドプラ診断装置に
おいて、前記観測周波数特定部は、前記観測周波数として、前記
スペクトル上において前記超音波ビームにおけるビーム
エッジ方位に対応した周波数を特定することを特徴とす
る超音波ドプラ診断装置。
【請求項５】請求項３記載の超音波ドプラ診断装置に
おいて、前記観測周波数特定部は、前記スペクトルの波形に基づ
いて観測周波数を特定することを特徴とする超音波診断
装置。
【請求項６】請求項５記載の超音波ドプラ診断装置に
おいて、前記観測周波数特定部は、前記スペクトルにおける周波
数軸方向の強度変化に基づいて観測周波数を特定するこ
とを特徴とする超音波ドプラ診断装置。
【請求項７】請求項５記載の超音波ドプラ診断装置に
おいて、前記観測周波数特定部は、前記スペクトルをその周波数
軸方向に積算して得られる積算値に基づいて観測周波数
を特定することを特徴とする超音波ドプラ診断装置。
【請求項８】請求項５記載の超音波ドプラ診断装置に
おいて、前記観測周波数特定部は、前記スペクトルをその強度軸
方向に積算して得られる積算値に基づいて観測周波数を
特定することを特徴とする超音波ドプラ診断装置。
【請求項９】請求項３記載の超音波ドプラ診断装置に
おいて、前記観測周波数特定部は、前記複数の超音波ビームに対応した複数のスペクトルの
うちの基本スペクトルに対して当該基本スペクトルの観
測周波数を特定し、当該観測周波数に基づいて前記基本
スペクトル以外の各スペクトルの強度軸方向の閾値を決
定する閾値決定部を備え、前記決定された閾値に基づいて前記基本スペクトル以外
の各スペクトル上における観測周波数を特定することを
特徴とする超音波ドプラ診断装置。
【請求項１０】請求項３記載の超音波ドプラ診断装置
において、前記角度推定部は、前記各超音波ビームごとの観測周波
数から前記交差角度を求める角度推定テーブルを含むこ
とを特徴とする超音波ドプラ診断装置。
【請求項１１】請求項３記載の超音波ドプラ診断装置
において、前記複数の受信信号は３つの異なるビーム幅に対応する
３つの受信信号であり、前記角度推定部は、前記３つの受信信号に対応する３つの観測周波数を入力
し、１つの観測周波数に対する他の２つの観測周波数の
除算結果として、第１比率及び第２比率を求める比率演
算部と、前記第１比率の大きさと前記軸交差角度の候補とを対応
付けた第１テーブルと、前記第２比率の大きさと前記軸交差角度の候補とを対応
付けた第２テーブルと、前記第１テーブルを用いて特定される複数の候補と前記
第２テーブルを用いて特定される複数の候補とを突き合
わせて、前記交差角度を推定する突き合わせ演算部と、を含むことを特徴とする超音波ドプラ診断装置。
【請求項１２】請求項１記載の超音波ドプラ診断装置
において、前記生成手段は、超音波ビームを形成し当該超音波ビームに対応した受信
信号を出力する送受波部と、前記受信信号のレベル調整によって、ビーム幅が異なる
複数の超音波ビームに対応した複数の受信信号を電子的
に生成する生成部と、を含むことを特徴とする超音波ドプラ診断装置。
【請求項１３】請求項１記載の超音波ドプラ診断装置
において、前記複数の受信信号の少なくとも１つから血流速度を演
算する手段と、前記血流速度の大きさを前記交差角度によって補正する
手段と、を含むことを特徴とする超音波ドプラ診断装置。