JP2006142006A - 超音波ドプラ診断装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】超音波連続波のレンジ方向への送信と並行して前記超音波連続波の反射波を受信する超音波ドプラ診断装置が提供される。この装置にレンジ方向の距離に応じて位相が変化するように超音波連続波に周波数変調をかける変調手段と、周波数変調に連動してレンジ方向のレンジ毎にそれぞれ反射波を復調し、レンジ内の受信信号を分離した状態で生成する復調手段と、受信信号に基づくドプラ成分の信号を用いて情報を提示する提示手段とを備えた。
【選択図】 図1
Description
図3に、送信ブロック11に搭載したレンジゲートCWモード用の送信回路及びレンジゲートCWモード受信ブロック13により構成される信号処理ブロックの概要を示す。
上述の多位相FM復調方式で検波した信号からオンレンジ成分を抽出するために、図7に示す弁別アルゴリズムを適用する。具体的には、クロス領域を除く上り勾配チャープ波と下り勾配チャープ波の信号の複素スペクトラムを計算して(図7(A))、それらの和成分/差成分のスペクトラムの絶対値を計算する(図7(B))。次に、それらの和成分/差成分のスペクトラムの絶対値の差分を演算する(図7(A))。これにより、オンレンジの固定物成分(クラッタ)と移動物成分(ドプラ)を弁別することができる。
前述したように、クロス領域にアーティファクトが含まれているため、スペクトラム解析には使用せずに、そのクロス領域の信号は破棄される。このため、クロス領域の幅(時間幅)ができるだけ小さくなるように制御することが望ましい。実施形態では、Depth=50mm,100mmにそれぞれにクラッタ成分と30KHzのドプラ成分があるとしたモデルに、FMCW(周波数変調)パラメータ:サンプリング周波数fsample=10MHz,スィープ開始周波数fsweepstart=1MHz,スィープ終了周波数fsweepend=1.5MHz, スィープ周波数Δf(=fsweepend−fsweepstart=)=500kHz, 変調周波数fmod=500Hz, 128point FFT, fscaling=1MHz, CWRG= 50mm Depth の多位相FM復調を行なった結果、図8に示す結果が得られた。このことから、クロス領域が発生する幅は、CWRGの深さ(距離方向レンジ),Fmod(チャープ波の変調周期の逆数)周波数に依存することが分った。このため、このクロス領域を減らすには、小さくするには、Fmod周波数を下げるか、CWRG位置の浅くすればよい。
[数1]
T1 = 1 / (2 * fmod)
T2 = 2*CWRGposition/C
(ここで、実際には、CWMモードがあるため、CWRGの位置CWRGposition=Depth(深さ)に相当する)
であるから、クロス領域の比率はT2/T1で表される。上述したようにクロス領域の信号は破棄し、その代わりにMSE(missing signal estimation)推定で外挿する信号を作り出す。このため、かかる外挿を容易且つ確実にするため、T2/T1(クロス領域の比率)が所定値未満(例えば30%未満)の値になるようクロス領域の幅を制御することが望ましい。
[数2]
Valid(%)=100*(T1-T2)/T1
表されことから、この有効領域Validは、変調周波数及びDepth(深さ)で表される等高線として表現される(図10(C))。このため、クロス領域の幅を制御する場合に、上述の有効領域Validが例えば80%以上を確保するように、CWRGの位置に応じて、変調周波数を自動制御することが望ましい。
次いで、スペクトラムマップ処理回路44及びCWMモード表示処理回路45によって実行される処理を、図12を用いて説明する。位相スキャンバッファであるRFバッファ43には、前述したように、チャープ波の複数のサイクルの多位相復調データがマップされている。そこで、RFバッファ43から、この多位相復調データを逐次読み出し、各レンジで得られた固定物スペクトラムとドプラスペクトラムを演算する。次いで、チャープ波のサイクル毎にスペクトラム計算した結果から固定物のパワーをレンジ方向のAモード画像に生成し、ドプラ成分のパワーや平均周波数や分散などのパラメータをAモードのカラー画像として生成する。それらの画像データは、スィープ速度に応じてチャープ波の複数サイクル毎に平均化して、DSC61を介してモニタ63に送られ、CWMモードとして表示される。
(CWドプラモードの処理と表示)
さらに、CWレンジゲート回路46、CWRG処理回路47、LPF48、HPF49、周波数解析器50、及びCWドプラモード表示処理回路51によって実行される処理を、図13を用いて説明する。RFバッファ43には、前述したように、チャープ波の複数のサイクルの多位相復調データがマップされている。そこで、RFバッファ43から、設定されているレンジゲート(CWRG)に属するレンジの多位相復調データを逐次読み出し、各レンジで得られた固定物スペクトラムとドプラスペクトラムを演算する。図13の例の場合、レンジゲートCWRGにはレンジR3〜R6が対応している。次いで、チャープ波のサイクル毎にスペクトラム計算した結果からHPFで帯域分離したドプラ成分を得る。このドプラ成分をスィープ速度に応じてチャープ波の複数のサイクル毎に平均化計算して、CWスペクトラム画像のデータを演算する。このデータをDSC61を介してモニタ63送り、CWスペクトラム画像を表示する。この結果、図13に示すように、ドプラ成分のパワースペクトラムを縦軸に周波数を横軸にとったCWスペクトラム画像が表示される。
ここで、前述した実施形態に係る超音波ドプラ診断装置を用いて、ファントムモデルによるシミュレーション及び信号処理の具体例を示す。
[数3]
Fsample=10MHz, Ftx=1MHz, Fsweep=1KHz,
Fmod=500KHz, Anoise=-80dB(対クラッタ)
とし、ファントムに設定した
[数4]
RG46mm, RG48mm, RG50mm, RG52mm,RG54mm
の5箇所のレンジRGに多位相変調を行なった。レンジ幅は0.5mmである。
以上のように本実施形態によれば、超音波連続波を用いて、レンジゲートCWモードと呼ぶ超音波ドプラ診断法が提供される。すなわち、送信される超音波連続波に周波数変調を掛け、この変調時の上り勾配のチャープ波及び下り勾配のチャープ波に一定タイミングで連動(同期)して、受信超音波に対する多位相復調を行なう。この多位相復調された信号は、同一の超音波ビーム上の距離方向の情報を有しており、しかも、ビーム上の各レンジ(深さ)に合っている固定物及び移動物の信号成分、並びに、各レンジに合っていない固定物及び移動物の信号成分が相互に相違する特性をもって含まれている。この特性を利用して各レンジに合っている固定物及び移動物の信号成分が抽出される。この構成をベースとして、ビーム上の固定物(クラッタ)及び移動物(血流)の距離方向(すなわち時間方向)の情報を白黒及びカラーでCWMモード画像として表示するCWMモードと、ビーム上のレンジゲート(ROI:region of interest)に該当するデータをスペクトラムの時間変化をCWスペクトラム画像として表示するCWドップラモードとが提供される。このため、連続波の折返しの無いメリットをそのままに享受し、レンジゲートによりクラッタ領域を避けて血流信号のある領域を選別して観測できる。このため、特に視野深度が深くて血流速度の速いドプラ解析能力を大幅に向上させることができる。
以下、上述した実施形態に係る超音波ドプラ診断装置によって適用可能な変形例を説明する。
第1の変形例は、オンレンジ領域のみの信号成分を用いて逐次計算し、スペクトラムマップを作成する処理に関する。この変形例は、前述した実施形態の処理に追加して実施できるし、単独で実施してもよい。
第2の変形例は、図16に示すように、受信は周波数変調した超音波連続波で行い、送信は送信連続波Txの周波数変調に限定されずに、この連続波Txに振幅(AM:Amplitude Modulation)変調をもかけて、CWレンジゲートに相当する区間だけ送信をする例に関する。なお、図17は、振幅変調を実行しない場合を比較例として示す。
この第3の変形例は、単位相復調方式に関する。この単位相復調方式は、送信変調と受信変調の位相をレンジ毎に変化させない方式である。
第4の変形例を図18に基づき説明する。この変形例は、オンレンジの固定物/移動物のパワーを検出する別の構成に関する。
[数5]
Pup(f)*α < Padd(f)/2 < Pup(f)*β …(式1)
Pdn(f)*α < Padd(f)/2 < Pdn(f)*β …(式2)
(係数α,βは可変なパラメータ)
(式1)及び(式2)を同時に満たすPadd(f)をオンレンジ上の成分として抽出する。
[数6]
設定1: α=0.9、β=1.1
設定2: α=0.8、β=1.2
設定3: α=0.7、β=1.3
設定1の場合には、設定3に比べて、検出感度は低くなるがアーティファクトの影響を受け難い。
第5の変形例を図30に基づき説明する。この変形例は、チャープ波の条件に応じた周波数分解能の低下を抑制するための処理方法を利用する構成に関する。本変形例によれば、距離分解能を更に向上させることが可能となる。
11 送信ブロック
12 Bモード受信ブロック
13 レンジゲートCWモード受信ブロック
14 表示ブロック
15 コントローラ
16 操作器
24 信号発振器
25 ミキサ
26 FM変調回路
31 プリアンプ
32 受信遅延回路
33 加算器
41 ミキサ
42 多位相FM復調回路
43 RFバッファ
44 スペクトラム処理回路
45 CWMモード表示処理回路
46 CWレンジゲート回路
47 CWRG処理回路
48 LPF
49 HPF
50 周波数解析器
51 CWドプラモード表示処理回路
P 被検体
Claims (15)
- 超音波連続波のレンジ方向への送信と並行して前記超音波連続波の反射波を受信する超音波ドプラ診断装置において、
前記レンジ方向の距離に応じて位相が変化するように前記超音波連続波に周波数変調をかける変調手段と、
前記周波数変調に連動して前記レンジ方向のレンジ毎にそれぞれ前記反射波を復調し、前記レンジ内の受信信号を分離した状態で生成する復調手段と、
前記受信信号に基づくドプラ成分の信号を用いて情報を提示する提示手段と、
を備えたことを特徴とする超音波ドプラ診断装置。 - 前記提示手段は、前記レンジ外からの受信信号を除去して、前記レンジ内のドプラ成分の信号を抽出する手段を有することを特徴とする請求項1記載の超音波ドプラ診断装置。
- 前記復調手段は、前記周波数変調及び前記復調に使用する前記周波数変調の相補的なペア検波信号を用いて前記レンジ毎に前記レンジ内と前記レンジ外とに分離して検波することにより前記受信信号を生成するように構成されることを特徴とする請求項1記載の超音波ドプラ診断装置。
- 前記提示手段は、前記受信信号の勾配の向きに応じて時間方向を変化させて周波数解析を実行する周波数解析手段を有することを特徴とする請求項1記載の超音波ドプラ診断装置。
- 前記提示手段は、前記レンジ毎に前記レンジ内の固定物成分の信号とドプラ成分の信号とを抽出する手段と、
前記レンジ毎に得られた前記固定物成分の信号に白黒の階調を付しかつ前記ドプラ成分の信号にカラーを付して、縦軸に前記レンジを示しかつ横軸に時間を示す分布図を表示する第1の表示手段と、
を備えることを特徴とする請求項1または3記載の超音波ドプラ診断装置。 - 前記提示手段は、
前記レンジ毎に前記レンジ内の固定物成分の信号とドプラ成分の信号とを抽出する第1の抽出手段と、
前記レンジ毎に得られた前記固定物成分の信号に白黒の階調を付しかつ前記ドプラ成分の信号にカラーを付して、縦軸に前記レンジを示しかつ横軸に時間を示す分布図を表示する第1の表示手段と、
前記レンジ方向における位置及び幅を任意に調整可能な関心領域としてのレンジゲートを設定するレンジゲート設定手段と、
前記レンジゲートに対応したレンジ内のドプラ成分を抽出する第2の抽出手段と、
前記レンジゲートに対応したレンジ内のドプラ成分のパワースペクトラムを、縦軸に周波数をとり且つ横軸に時間をとった分布図として表示する第2の表示手段と、
を備えたことを特徴とする請求項1または3記載の超音波ドプラ診断装置。 - 前記レンジ方向における位置及び幅を任意に調整可能な関心領域としてのレンジゲートを設定するレンジゲート設定手段を備えることを特徴とする請求項1、3、5の何れか一項に記載の超音波ドプラ診断装置。
- 前記復調手段は、前記ペア検波信号として、上り勾配及び下り勾配を有する変調周波数を互いにスィープさせた2つのチャープ波を用いるように構成され、
前記2つのチャープ波の勾配の符号が互いに反対となる領域の時間幅を制御する領域制御手段を備える、
ことを特徴とする請求項3記載の超音波ドプラ診断装置。 - 前記復調手段は、前記ペア検波信号として、上り勾配及び下り勾配を有する変調周波数を互いにスィープさせた2つのチャープ波を用いるように構成され、
前記超音波連続波の送信による各ビーム上の走査に対して時間分解能を優先させるか周波数分解能を優先させるかのモード選択に応じて前記2つのチャープ波の変調周期の逆数に相当する変調周波数及び前記2つのチャープ波のスィープ周波数を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項3記載の超音波ドプラ診断装置。 - 前記復調手段は、前記ペア検波信号として、上り勾配及び下り勾配を有する変調周波数を互いにスィープさせた2つのチャープ波を用いるように構成され、
前記2つのチャープ波の勾配の符号が互いに反対となる領域を除去して周波数軸上および時間軸上のいずれかの信号を外挿する外挿手段を備えたことを特徴とする請求項3記載の超音波ドプラ診断装置。 - 前記レンジゲート設定手段により設定された前記レンジゲートに対応したレンジ内のドプラ成分を抽出する手段と、
前記レンジ内のドプラ成分を重み付け加算して、前記レンジ内のドプラ成分のパワースペクトラムを縦軸に周波数をとり且つ横軸に時間をとった分布図として表示する第2の表示手段と、
を備えることを特徴とする請求項7記載の超音波ドプラ診断装置。 - 前記復調手段は、相補的なペア検波信号として上り勾配及び下り勾配を有する変調周波数を互いにスィープさせたチャープ波を用いて前記受信信号を生成するように構成され、
前記第1の表示手段は、前記チャープ波の複数のサイクルの多位相復調データに基づいてビームに沿った前記レンジ方向の各レンジで得られた前記固定物成分のスペクトル及び前記ドプラ成分のスペクトルを演算し、前記チャープ波のサイクル毎に演算したスペクトラムから前記固定物のパワーを前記レンジ方向のAモード像に作成し、前記ドプラ成分のパワー、平均周波数、及び分散の少なくとも1つのパラメータをAモードカラー像に作成し、前記Aモード像及び前記Aモードカラー像を前記チャープ波のスィープ速度に応じて前記チャープ波のサイクル毎に平均化して連続波Mモードとして表示するように構成したことを特徴とする請求項5記載の超音波ドプラ診断装置。 - 前記領域制御手段は、前記2つのチャープ波の変調周期の逆数に相当する変調周波数及び前記レンジ方向の位置の少なくとも一方を制御するように構成したことを特徴とする請求項8記載の超音波ドプラ診断装置。
- 前記復調手段は、相補的なペア検波信号として上り勾配及び下り勾配を有する変調周波数を互いにスィープさせたチャープ波を用いて前記受信信号を生成するように構成され、
前記第2の表示手段は、前記チャープ波の複数のサイクルの多位相復調データに基づいて前記レンジ方向の各レンジで得られた前記固定物成分のスペクトル及び前記ドプラ成分のスペクトルを演算し、前記チャープ波のサイクル毎に演算したスペクトラムからハイパスフィルタおよびバンドパスフィルタのいずれかで帯域分離した前記レンジゲートに応じた前記ドプラ成分の信号を演算し、得られた前記ドプラ成分の信号を前記チャープ波のスィープ速度に応じて前記チャープ波のサイクル毎に平均化して連続波スペクトラム画像として表示するように構成したことを特徴とする請求項11記載の超音波ドプラ診断装置。 - 前記領域制御手段は、前記レンジ方向の位置に応じて前記変調周波数を自動的に制御するように構成したことを特徴とする請求項13記載の超音波ドプラ診断装置。
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