JP2010088943A - ドプラ超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ドプラスペクトラム画像の速度レンジ及びベースラインシフトの操作を自動化したドプラ超音波診断装置を提供すること。
【解決手段】ドプラ超音波診断装置は、スペクトラム信号の周波数方向の最大流速及び平均流速の少なくとも一方を時間方向にトレースしそのトレース波形を出力する処理をリアルタイムで実行するトレース工程と、所定観測時間毎に前記最大流速及び前記平均流速の少なくとも一方の分布に対する統計値に基づき、ドプラ速度レンジを調整する速度レンジ調整工程と、所定観測時間毎に前記最大流速及び前記平均流速の少なくとも一方の分布に対する統計値に基づき、ドプラ速度レンジを調整する調整工程と、前記調整工程の処理で用いるパラメータを変更するために、前記速度レンジの上限及び下限の推定値の何倍を表示範囲に設定するかの倍数を、前記パラメータとして可変に設定する設定工程として動作する。
【選択図】 図１７

Description

本発明は、ドプラスペクトラムを表示することのできるドプラ超音波診断装置に係り、特に、ドプラスペクトラム画像の速度レンジ及びベースラインの自動調整が可能なドプラ超音波診断装置に関する。

従来、超音波パルス反射法と超音波ドプラ法を併用し、１つの超音波プローブを用いた超音波走査により診断部位の断層像とその血流情報を得るとともに、少なくともその血流情報をリアルタイム表示するドプラ超音波診断装置が知られている。この装置は、体内の血流等の流れのある診断部位に向けて送受波される超音波のドプラ効果により送信周波数に対して受信周波数が僅かに偏移し、その偏移周波数（ドプラ周波数）が血流速度に比例するといった超音波ドプラ法の原理に基づいてドプラ周波数の周波数解析を行い、その結果から血流情報を得るものである。

上記のドプラ超音波診断装置では、得られたドプラ信号に対する高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の周波数分析の結果を、縦軸に周波数ｆ、横軸に時間ｔ、各周波数成分のパワー（強さ）を輝度（階調）としてスペクトラム表示したドプラ周波数のスペクトラム画像を対象として、診断で用いる項目（パラメータ）の計測処理が行なわれる。

すなわち、この計測処理によれば、図２４に示すように、
１）ドプラ周波数のスペクトラム画像上で、その周波数ｆ軸方向の周波数分布内での最大周波数に対応する最大流速Ｖｐ（Ｖpeak）及び平均周波数に対応する平均流速Ｖｍ（Ｖmean）の位置を求め（図２４（ａ）参照）、
２）その最大流速Ｖｐ、平均流速Ｖｍの位置の時間変化をその時間軸ｔ方向にトレースし（トレース波形検出処理：図２４（ｂ）参照）、
３）そのＶｐ、Ｖｍの時間的な位置変化曲線を示すトレース波形上で、心周期（１心拍）毎に心臓収縮期の波形ピークＰＳ（Peak of Systolic）及び心臓拡張期の波形ピークＥＤ（End of Diastolic）の同期検出を行い（ピーク検出処理：図２４（ｃ）参照）、
４）そのＰＳ／ＥＤの情報を元に、血管内の血液流量や拍動流のＨＲ（Heart Rate：心拍数）、ＰＩ（Pulsatility Index）、及びＲＩ（Resistance Index）等の診断に関する各種パラメータ（指標）を計測し、その計測値を表示する処理（パラメータ計測処理）が実行される。

上記のＶｐ、Ｖｍのトレース波形検出処理、ＰＳ／ＥＤのピーク検出処理、ＰＩ、ＲＩ等のパラメータ計測処理は、フリーズ画像を対象にしてマニュアル操作を基本に行なわれるものであるが、近年では、リアルタイム画像を対象にして自動操作で行なう装置も普及してきている。

ところで、パルスドプラ（ＰＷ）法では、周波数解析のためのサンプリング周波数fsがドブラ偏移周波数よりも低い場合には、エイリアシング現象（折り返り）が起きてしまう。そこで、これを防ぐために、パルスの繰り返し周波数（ＰＲＦ：Pu1se Repetition Frequency）を上げ、毎回の観測時間間隔を短くする必要がある。この場合、測定したい場所位置を指定すると、必然的に最大のＰＲＦが決定され、ＰＲＦが決まると、計測できる最高血流速も決定されてしまう。この計測できる最高血流速を速度レンジという。

例えば、３０ｃｍ位の血流の速度を測りたいときに、１０ｃｍ位の速度レンジにすると折り返ってしまって、血流を測ることができない。速度レンジは、５０ｃｍ程度に設定する必要がある。

ドプラスペクトラム表示を行ったところ、速度レンジが小さ過ぎると、図２５（ａ）に示すように，折り返し部分（同図中の（ア）部分）が発生する。このような場合、オペレータは速度レンジスイッチを操作して、ドプラスペクトラム画像の速度レンジを大きくする。このように速度レンジを大きくすると、図２５（ｃ）に示すように、折返し部分（ア）がナイキスト周波数内に収まり、表示上、繋がりの良いドプラスペクトラムが得られる。

逆に速度レンジが大き過ぎると、図２５（ｂ）に示すように、スペクトラムの波形が小さくなって観測し難くなる。このような場合、オペレータは速度レンジスイッチを操作して、ドプラスペクトラム画像の速度レンジを小さくして、図２５（ｃ）に示すような、表示画面の上下一杯を有効に使った、観測し易いドプラスペクトラムを得る。

また、ドップラー法においては、血流の方向が超音波プローブに向かってくる血流に正、遠ざかっていく血流に負という符号が付けられる。ある血管に超音波プローブを当てると、その血管が動脈の場合には血流の速度は拍動により変動するけれども、正負にまたがって変化することは少なく、通常正負どちらかに偏っている。

例えば、ドプラスペクトラム表示を行ったときに、先程の図２５（ａ）に示したように、折り返し部分が発生した場合、ユーザはベースラインシフトスイッチを操作して、ドプラスペクトラム画像のベースラインＢＬ（ＢＬ＝０）をシフトさせることもある。これをベースラインシフト（ＢＬＳ）という。このベースラインＢＬを−０．２５だけシフトさせることで（つまり、ベースラインシフト量ＢＬＳ＝−０．２５）、同図（ｄ）に示すように、折り返し部分（ア）がナイキスト周波数を超えて移動し、表示上、繋がりの良いドプラスペクトラムが得られる。

ドプラ超音波診断装置で血流速度等を測定する際に、被検者の疾患や体調，プローブの当て方（角度），ＰＷドプラでは血管内のレンジゲート位置や幅，診断部位によって測定する血流速度は大きく変化する。そのため、ユーザは、従来そのたびごとに装置の速度レンジを調整したり、ベースラインをシフトしたりという最適化を行い、拡大された波形から、ＨＲ，ＰＩ，ＲＩの計測を行っていた。しかし、このように診断する血流の状態が変化する都度、速度レンジやベースラインシフト機能を調整するのは煩雑である。

そのため、自動で調整するものが提案されている（例えば、特許文献１〜４参照。）。

特開２０００−１９７６３４号公報 米国特許第５６２８３２１号明細書 米国特許第５８７１４４７号明細書 米国特許第５６４７３６６号明細書

しかしながら、これらの提案の処理アルゴリズムには問題も多い。例えば、ナイキスト周波数付近の速度の判別や、トレース方向が両符号にまたがるとき（ＤＣラインをクロスするとき）、トレース波形での安定性に欠け、元に戻らなくなるとか、発振してしまうとか、全く変なプロセスに陥ってしまい、かえって混乱するという状態が発生するという技術的な問題点である。

このような不都合は、これら先行提案では、ドプラスペクトラム画像を基にし、ノイズ領域、信号領域の境界を基に逐次判別するアルゴリズムを用いて計算を行っていることから発生するものと思われる。また、この方法では、フリーズ後にベースラインシフトを行うことはできない。

このような問題は、スペクトラムのデータそのものを用いて計算すれば解決することが可能であるが、これでは計算量が膨大となり、リアルタイムでの追従性に問題が生じる。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、ドプラスペクトラム画像の速度レンジ及びベースラインシフトの操作を自動化し、血流計測の操作性を向上させて、ユーザが装置設定を気にせず診断できるドプラ超音波診断装置を提供することを目的とするものである。

本発明の他の目的は、上記自動調整を、特に高い安定性と、速い応答処理とで行うドプラ超音波診断装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、リアルタイム時のみならず、フリーズ後においてもベースラインをシフトすることが可能なドプラ超音波診断装置を提供することにある。

本発明に係るドプラ超音波診断装置は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、被検体内の運動流体を含む診断部位に向けて超音波を送受信させて得られる前記診断部位の流速に関する情報を担うドプラ周波数のスペクトラム信号に基づきスペクトラム画像を表示するドプラ超音波診断装置において、前記スペクトラム信号の周波数方向の最大流速及び平均流速の少なくとも一方を時間方向にトレースしそのトレース波形を出力する処理をリアルタイムで実行するトレース手段と、所定観測時間毎に前記最大流速及び前記平均流速の少なくとも一方の分布に対する統計値に基づき、ドプラ速度レンジを調整する速度レンジ調整手段と、前記速度レンジ調整手段の処理で用いるパラメータを変更するために、前記速度レンジの上限及び下限の推定値の何倍を表示範囲に設定するかの倍数を、前記パラメータとして可変に設定する設定手段と、を備えるものである。

また、本発明に係るドプラ超音波診断装置は、上述した課題を解決するために、請求項２に記載したように、被検体内の運動流体を含む診断部位に向けて超音波を送受信させて得られる前記診断部位の流速に関する情報を担うドプラ周波数のスペクトラム信号に基づきスペクトラム画像を表示するドプラ超音波診断装置において、前記スペクトラム信号の周波数方向の最大流速及び平均流速の少なくとも一方を時間方向にトレースしそのトレース波形を出力する処理をリアルタイムで実行するトレース手段と、所定観測時間毎に前記最大流速及び前記平均流速の少なくとも一方の分布に対する統計値に基づき、ドプラ速度レンジを調整する速度レンジ調整手段と、前記最大流速の正側最大値及び負側最大値を計算し、前記スペクトラム画像の表示におけるベースラインのシフト量を求めて、前記ベースラインを調整するベースライン調整手段と、前記速度レンジ調整手段及びベースライン調整手段の処理で用いるパラメータを変更するために、前記速度レンジの上限及び下限の推定値の何倍を表示範囲に設定するかの倍数を、前記パラメータとして可変に設定する設定手段と、を備えるものである。

そして、前記設定手段は、より好適には、請求項３に記載したように、前記速度レンジ調整手段が実行するドプラ速度レンジを調整する演算の初期値として、前記演算に先行するカラードプラモードで採用された速度レンジと、診断部位毎に予め設定された所定の値とのいずれかを選択可能とする。

さらに、前記設定手段は、請求項４に記載したように、前記速度レンジ調整手段による前記所定時間毎の演算結果を、前記スペクトラム画像のスクロールに同期させて、何回の画像スクロールに１回更新するかを、前記パラメータとして可変に設定するものであり、加えて、請求項５に記載したように、前記速度レンジ調整手段による演算結果の更新を、前記スペクトラム画像のスクロール中の任意の時間に、前記スペクトラム画像のスクロールとともに更新することも可能である。

また、上述した課題を解決するために、請求項６に係るドプラ超音波診断装置は、前記最大流速及び前記平均流速の少なくとも一方のトレース波形を保存するトレース波形記憶手段をさらに備え、フリーズ後に、前記トレース波形記憶手段に保存されたトレース波形を基に、前記ベースライン調整手段により、前記最大流速の正側最大値及び負側最大値を計算し、前記スペクトラム画像の表示におけるベースラインのシフト量を求めて、前記ベースラインを調整するものである。

さらに、上述した課題を解決するために、請求項７に係る速度レンジ調整手段は、所定の制御目標値と、前記速度レンジ調整手段からフィードバックされる伝達関数値とを比較し、その差に応じて制御系要素Ｐ，Ｉ，Ｄのパラメータを可変に決定するものである。

以上述べたように、本発明に係るドプラ超音波診断装置によれば、ドプラスペクトラム画像の速度レンジ及びベースラインシフトの操作を自動化し、血流計測の操作性を向上させて、ユーザが装置設定を気にせず診断できるドプラ超音波診断装置を提供することが可能となる。

また、本発明は、上記自動調整を、特に高い安定性と、速い応答処理とで行うドプラ超音波診断装置を提供することができる効果が得られる。

本発明は、さらに、リアルタイム時のみならず、フリーズ後においてもベースラインをシフトすることが可能なドプラ超音波診断装置が得られる効果がある。

本発明の実施形態に係るドプラ超音波診断装置の全体構成を示す概略ブロック図。 本実施形態のドプラ超音波診断装置の要部構成を示す概略の機能ブロック図。 速度レンジ及びベースラインシフト自動最適調整の演算の流れを示すフローチャート。 ドプラトレース波形の抽出を説明する図。 Ｖｐ、Ｖｍのスペクトラム分布を±３ナイキスト周波数分プロットした図。 重み付けを加えたＶｐのスペクトラム分布を示す図。 速度レンジの上限及び下限を推定するための、正規分布モデルによる統計値計算処理の一例を示す図。 速度レンジの上限及び下限を推定するための、平滑化後閾値処理モデルによる統計値計算処理の一例を示す図。 重み付けされたＶｐ、Ｖｍ分布の経時変化に、速度レンジの上限及び下限を重ねて表示する図であり、（ａ）はＶｐについての図、（ｂ）はＶｍについての図。 速度レンジの経時的変動を示す図。 重み付けされたＶｐ、Ｖｍ分布の経時変化に、速度レンジの上限及び下限並びにＢＬＳを重ねて表示する図であり、（ａ）はＶｐについての図、（ｂ）はＶｍについての図。 速度レンジ及びベースラインの経時的変動を示す図。 ＰＩＤ制御部の機能を示す概略ブロック図。 ＰＩＤ制御による応答を説明する図であり、（ａ）はＰ制御による場合、（ｂ）はＰＩＤ制御による場合の図。 ＥＯＳを説明する図。 ＥＯＳテーブルの一例を示す図。 リアルタイムで観測中に、連続して自動速度レンジ更新及びＢＬＳ更新の両者が行われる場合の処理の流れを示すフローチャート。 図１７の処理結果の一例を時系列的に説明するタイムチャート。 リアルタイムで観測中に、任意の時に１回だけ自動速度レンジ更新及びＢＬＳ更新の両者を行う処理の流れを示すフローチャート。 図１９の処理結果の一例を時系列的に説明するタイムチャート。 画像フリーズ後に、任意の時に１回だけＢＬＳ更新を行う処理の流れを示すフローチャート。 頚動脈系を観察した例を示すものであり、（ａ）は平滑化後閾値処理モデルによる統計値計算処理の一例を示す図、（ｂ）は重み付けされたＶｐ、Ｖｍ分布の経時変化を表示する図、（ｃ）は速度レンジ及びベースラインの経時的変動を示す図。 肋間でＬＶ計測を行った例を示すものであり、（ａ）は平滑化後閾値処理モデルによる統計値計算処理の一例を示す図、（ｂ）は重み付けされたＶｐ、Ｖｍ分布の経時変化を表示する図、（ｃ）は速度レンジ及びベースラインの経時的変動を示す図。 スペクトラム信号の計測の概要を説明する図であり、（ａ）はドプラスペクトラム画像、（ｂ）はＶｐ，Ｖｍのトレース画像、（ｃ）はＰＳ／ＥＤの同期検出画像を示す図。 ドプラスペクトラム表示における速度レンジを説明する画面図であり、（ａ）は折り返りが発生している状態、（ｂ）は速度レンジが大き過ぎる状態、（ｃ）は速度レンジを調整した状態、（ｄ）はベースラインをシフトした状態を示す図。

以下、本発明に係るドプラ超音波診断装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

（装置の構成）
図１は、本実施形態に係るドプラ超音波診断装置の全体的な概要を示すブロック図である。このドプラ超音波診断装置は、超音波断層像（Ｂモード断層像）を表示するＢモード、超音波ビーム方向の反射源の時間的位置変化を運動曲線として表示するＭモード、血流情報を表示するドプラモード（パルスドプラ（ＰＷ）／連続波ドプラ（ＣＷ））、血流情報を二次元的に表示するＣＦＭ（カラー・フロー・マッピング、或いはカラードプラともいう。）モード等の既知の各種モードに応じて動作可能なものである。

図１に示すドプラ超音波診断装置は、被検体Ｐ内の血流ＢＦを含む診断部位に対し超音波を送信しその超音波エコーをそれに対応する電圧信号に変換して受信する複数の圧電振動子を有する電子走査型の超音波プローブ１と、この超音波プローブ１に接続される装置本体２とを備える。装置本体２には、被検体Ｐの心電波形（ＥＣＧ波形）を計測するＥＣＧモジュール３が接続される。

装置本体２は、装置全体の制御中枢としての全体コントローラ１１のほか、この全体コントローラ１１からの制御信号に基づきその動作が制御可能な各部（後述）を備える。すなわち、この装置本体２には、超音波プローブ１に接続される送受信部２１が含まれる。この送受信部２１には、図示しない送信側の構成要素として、超音波プローブ１に接続されその各圧電振動子を励振するパルサ、そのパルサに遅延を与えた駆動信号を供給するディレイライン（受信時の遅延にも兼用される）、及びそのディレイラインに基準クロックを与える基準発信器が、また図示しない受信側の構成要素として、超音波プローブ１の各圧電振動子に接続されたプリアンプ、そのプリアンプの出力信号に遅延を与えるディレイライン、及びそのディレイラインからの遅延を与えた出力信号を整相加算する加算器が、それぞれ内蔵されている。

また、装置本体２には、上記の送受信部２１の出力側に、その加算器出力を対数増幅及び包絡線検波に付す包絡線検波器２２と、その検波出力をＢモード断層像及びＭモード画像等の画像信号として超音波走査から標準ＴＶ走査の信号に変換するデジタル・スキャン・コンバータ（ＤＳＣ）２３と、そのＤＳＣ２３の変換信号をＤ／Ａ変換器２４を介してＢモード断層像等として表示する表示器２５とが含まれる。

そして、装置本体２には、上記の送受信部２１の出力側に、ドプラモード（ＣＷ／ＰＷ）等に関する信号処理系として、２チャンネル構成で基準発信器からの基準信号及びその９０度の位相差をもつ基準信号と送受信部２１の加算器出力を混合する位相検波用の直交位相検波器２６と、その混合信号の内の高周波成分を除去してドプラ偏移周波数成分のみから成るドプラ信号を得て、その内、被検体Ｐ内の所望深さ位置（ＲＯＩに相当するレンジゲートで指定された位置）のドプラ信号を抽出するローパスフィルタ及びサンプルホールド回路を有するレンジゲート（ＲＧ）処理部２７と、後述するＤＳＰ（Digital Signal Processor）３１内において、ＲＧ処理部２７の出力から比較的動きの遅い血管壁、心臓壁等の不要低周波ドプラ信号を除去して検出すべき血流ＢＦのドプラ信号を抽出し、そのドプラ信号の出力に対し周波数解析を行なってその解析結果であるドプラスペクトラム信号を得て、前述のＤＳＣ２３に出力するスペクトラムドプラ処理ブロック２８が装備される。これにより、表示器２５上には、例えばＢモード断層像と共にドプラスペクトラム画像が表示される。

さらに、装置本体２には、ＣＦＭモードに関する信号処理系として、ミキサ２５の出力側に、直交位相検波器２６の出力から心臓壁等の不要固定反射信号を除去するＭＴＩフィルタ及びその出力に対し自己相関法を用いて各点の平均速度演算、分散演算、及びパワー演算を行い、その演算結果である二次元の血流情報（血流ＢＦの速度、方向、分散）を前述のＤＳＣ２３に出力するＣＦＭモード処理ブロック３０が接続される。これにより、表示器２５上には、例えばＢモード断層像上に２次元的に血流情報、例えば、血流ＢＦの速度を輝度、その方向を赤と青、その分散を緑の色相とするカラー情報として表示される。

さらにまた、装置本体２には、前述のスペクトラムドプラ処理ブロック２８、ＲＧ処理部２７からのドプラスペクトラム信号を入力して、そのスペクトラムの周波数方向の最大速度Ｖｐ、平均速度Ｖｍの位置を時間方向にトレースしてそのトレース波形をリアルタイムで検出する機能を有するＤＳＰ（Digital Signal Processor）３１と、このＤＳＰ３１からのＶｐ、Ｖｍトレース波形から上述のＰＳ／ＥＤのピーク位置をリアルタイム又はフリーズ後に検出する機能を有するＰＳ／ＥＤ検出部３２と、このＰＳ／ＤＳ検出部３２により検出されたＰＳ／ＥＤの情報を元に血管内の血液流量や拍動流のＨＲ、ＰＩ、及びＲＩ（Resistance Index）等の診断に関する各種パラメータを計測する機能を有する計測部３３と、本発明のドプラ超音波診断装置の要部構成としての速度レンジ調整機能及びベースライン調整機能を有するオートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９とを備える。この内、ＰＳ／ＥＤ検出部３２、計測部３３及びオートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９は、例えば装置本体２に搭載されるコンピュータで実行されるソフトウェア部品を構成するアプリケーション・ソフトとして実装される。

上記のＤＳＰ３１及び計測部３３の各出力は、ビデオＩ／Ｆ３４を介してＤＳＣ２３に供給される。これにより、表示器２５上には、Ｖｐ、Ｖｍのトレース波形の画像上に、ＰＳ／ＥＤ、及び各計測結果がリアルタイムで表示される。また、ＤＳＰ３１のＶｐ、Ｖｍのトレース波形データは、画像ストレージ部３５に保持され、フリーズ後にＰＳ／ＥＤ検出部３２に供給可能となっている。

ＤＳＰ３１は、図２に示す例では、機能上、レンジゲート処理部２７からのレンジゲートで指定された被検体Ｐ内の所望位置のドプラ信号から、比較的動きの遅い血管壁、心臓壁等の不要低周波ドプラ信号を除去して検出すべき血流ＢＦのドプラ信号を抽出するドプラフィルタとしてのウォール・フィルタ（Wall Filter）４１と、その抽出されたドプラ信号をシネメモリバッファ４２を介して入力し、そのドプラ信号の出力に対し周波数解析を行なってその解析結果であるドプラスペクトラム信号を得て、前述のＤＳＣ２３に出力するＦＦＴスペクトラム処理部４３とが装備される。これらウォール・フィルタ４１、シネメモリバッファ４２及びＤＳＣ２３が上述のスペクトラムドプラ処理ブロック２８を構成する。

また、ＤＳＰ３１は、ＦＦＴスペクトラム処理部４３から出力されたスペクトラム信号からＶｐ、Ｖｍのトレース波形を得るＶｐ、Ｖｍトレース波形検出処理部４４と、そのＶｐ、Ｖｍのトレース波形を入力する表示用オーディオ・ビデオ・バッファ４５とを備える。

さらに、このＤＳＰ３１には、ＦＦＴスペクトラム処理部４３からのドプラスペクトラム信号を音声信号（ドプラ音）に変換して表示用オーディオ・ビデオ・バッファ４５に出力するオーディオ処理部４６と、ＥＣＧモジュール３からのＥＣＧ波形データに所定の波形処理を施して表示用オーディオ・ビデオ・バッファ４５に出力するＥＣＧ波形処理部５４と、包絡線検波器２２からのＭモード像等の検波出力やＣＦＭモード処理ブロック３０からの二次元的な血流情報に所定のカラー処理を施して表示用オーディオ・ビデオ・バッファ４５に出力するＭ／Ｍカラー処理部５５とを備える。

これにより、Ｖｐ、Ｖｍトレース波形検出処理部４４からのトレース波形データは、表示用オーディオ・ビデオ・バッファ４５からピンポンバッファ３４ａを介してビデオ・インターフェース３４に供給され、表示器２５上でＶｐ、Ｖｍのオートトレース波形としてリアルタイム表示される。また、オーディオ処理部４６からのドプラ信号の音声信号は、表示用オーディオ・ビデオ・バッファ４５からピンポンバッファ３４ａを介してオーディオ・インターフェース３８に供給され、オーディオ出力器（スピーカ）から音声出力される。

また、図２に示す例では、Ｖｐ、Ｖｍトレース波形検出処理部４４からのトレース波形データは、ＰＳ／ＥＤ検出部３２（図２中ではＣＰＵ３２ａの処理により実行されるピーク検出処理部３２ｂを有する）及び計測部３３（図２中では、リアルタイムオート計測処理部３３ａ及びシネ・フリーズ後の再計測処理部３３ｂの機能上の各部を有する）を介して、ビデオ・インターフェース３４に供給され、表示器２５上で、Ｖｐ、Ｖｍのオートトレース波形に加え、ＰＳ／ＥＤの情報に基づくオート計測値としてリアルタイムに数値表示される。このＰＳ／ＥＤの情報は、フリーズ後においては、ＰＳ／ＥＤバッファ２９から計測部３３中のシネ・フリーズ後の再計測処理部３３ｂを介して、ビデオ・インターフェース３４に供給され、表示器２５上で、画像ストレージ部３５からのＶｐ、Ｖｍのオートトレース波形とともに、数値表示される。

ＤＳＰ３１内の表示用オーディオ・ビデオ・バッファ４５及びＰＳ／ＥＤバッファ２９の出力側には、図１に示すように、オートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９が接続される。このオートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９は、表示用オーディオ・ビデオ・バッファ４５からのＶｐ、Ｖｍのオートトレース波形を、ＰＳ／ＥＤバッファ２９からの同期情報に合せてＶｐ、Ｖｍの観測時間毎の分布を計算し、その分布形状を表す統計値等から最適な速度レンジとベースラインシフト量を計算し、速度レンジとベースラインシフト（ＢＬＳ）を自動最適調整する。

上記のＤＳＰ３１、ＰＳ／ＥＤ検出部３２及びオートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９には、図１に示すように、パラメータ設定部３６が接続又は内蔵され、このパラメータ設定部３６は、本発明の操作手段を成すオペレータ操作用のユーザインターフェース３７に接続される。

ユーザインターフェース３７には、図１に示すように、装置本体２の操作パネル上の各種操作器（スイッチ、ジョイスティック、キーボード、マウス等）からの操作信号（パラメータ設定等）を入力する操作パネル回路３８と、その操作パネル上に搭載されたＴＣＳ（Touch Command Screen）の画面上からの操作信号（パラメータ設定等）を入力するＴＣＳ回路３９と、表示器２３上のＧＵＩ（Graphical User Interface）からの操作信号（パラメータ設定等）を入力するＧＵＩ回路４０とが含まれる。

装置を作動させる上で必要な指示、例えば上記のレンジゲート（ＲＯＩ）の指定等は、このユーザインターフェース３７により操作可能となっている。

そして、オートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９により実行される、速度レンジとベースラインシフトの自動最適調整用アルゴリズムのパラメータ、例えば、速度レンジのみ自動調整するのかベースラインシフトも行うのかといったことや、速度レンジ更新タイミング等が、ユーザインターフェース３７を通してパラメータ設定部３６で設定される。

このパラメータ設定部３６は、速度レンジの変化が観測時間に対して激しい場合にも、速度レンジとベースラインシフトを速い応答性で自動最適調整できるように、内部にＰＩＤ制御回路５０を備える。

（速度レンジ自動調整の演算アルゴリズム）
続いて、オートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９で実行される速度レンジ及びベースラインシフトの自動最適調整のアルゴリズムについて説明する。図３は、この処理に関する一連の処理の概略の流れを示すフローチャートである。

オートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９は、まず、Ｖｐ、Ｖｍトレース波形検出処理部４４で検出されたＶｐ及び／又はＶｍのトレース波形を、パラメータ設定部３６で設定された観測時間分抽出する（ステップＳ２）。

図４は、横軸に時間を、縦軸に速度をとって、各時間におけるＶｐ、Ｖｍの速度を示している。この場合、観測時間が４秒に設定されていると（図中、太線で囲われた部分）、１秒当たり６０カラムに分割したとして、Ｖｐ、Ｖｍの各々について２４０カラムのデータが収集される。

このように収集されたＶｐ、Ｖｍの速度データは、ヒストグラムの形でプロットされる（ステップＳ４）。図５は、この速度分布の一例を示すものであり、横軸に周波数、縦軸に度数をとっている。図５に示すように、同じ形状の分布図が３つ並んでいる。中央に位置するものが実際に得られた分布図であり、左右のものは、それを±３ナイキスト周波数（ｆ_Ｎ）まで拡張したものである。すなわち、本来の分布が−ｆ_Ｎからｆ_Ｎ間に存在するのに対し、左側の分布はこの本来の分布を−３ｆ_Ｎから−ｆ_Ｎの間でコピーしたものである。同様に右側の分布は、本来の分布をｆ_Ｎから３ｆ_Ｎの間でコピーしたものである。これは後述する「重み付け」の準備作業といえる。

次に、表示器２５に表示される速度レンジ内及び先程の折り返し領域内で、その時点のＢＬＳに応じてＶｐ、Ｖｍの分布に適切な重みを掛ける重み付け処理を行う（ステップＳ６）。単純に表示範囲内での分布のみでは折り返し付近で不連続となり、判別不能となることがある。そのような事態を回避すべく、折り返しもある程度考慮して、連続性を確保するために、Ｖｐ、Ｖｍの速度分布を±３ナイキスト周波数（ｆ_Ｎ）まで拡張し、それに重み付けを行う。

図６に示す例は、ＢＬＳを行っていない場合に、台形状の重み関数を採用したときのものである。表示領域内での重み付け係数は１で不変であるが、マイナス側では、−２ｆ_Ｎから−ｆ_Ｎの間で、重み付け係数が０から１まで直線的に変化している。これとは対照的に、プラス側では、ｆ_Ｎから２ｆ_Ｎの間で、重み付け係数が１から０まで直線的に変化する。

図６に示した場合では、ＢＬＳを行っていないために、重み付け関数は左右対称の二等辺台形になる。ＢＬＳを行っている場合には、図７に示すように、その対象性が崩れた台形となる。また、重み付け関数の基本形は、台形状のものであるが、これに限定されず、診断部位のドプラ波形の速度ヒストグラムの分布に応じて、矩形、正規分布、ガウス分布等などの変形例を用いることもできる。

重み付けしたＶｐ、Ｖｍの分布が得られると、続いて速度レンジの上限及び下限を推定するために、統計値計算処理を行う（ステップＳ８）。この統計値計算処理には、大別して二つの方法がある。

一つは、重み付けしたＶｐの分布から平均と分散を計算し、平均±係数*σを速度レンジの上限及び下限の推定値とする正規分布モデルである。例えば、速度レンジの上限及び下限をＶｐの分布の平均値±３倍の標準偏差とする３シグマ法がある。図７にその一例を示す。この場合、診断部位のドプラ波形の速度ヒストグラムの分布に応じて、上限のみ、或いは下限のみを設定することもできる。

また、Ｖｍについても同様にして上限及び下限を求めることができるが、係数*σはＶｐの場合よりも大き目に設定する。

もう一つは、重み付けしたＶｐの分布からピーク値の係数％に相当する値を速度レンジ上限及び下限の推定値とする平滑化後閾値処理モデルである。具体的には、まず、重み付けされたＶｐの分布を平滑化し、そのピーク値から、例えば−６ｄＢの値をヒストグラム閾値に定め、平滑化されたＶｐの分布が最初にヒストグラム閾値以下となる限界を速度レンジの上限及び下限と推定するものである。図８にその一例を示す。この場合も、正規分布モデルの場合と同様、診断部位のドプラ波形の速度ヒストグラムの分布に応じて、上限のみ、或いは下限のみを設定することもできる。

Ｖｍについても同様にして上限及び下限を求めることができるが、係数*σはＶｐの場合よりも小さ目に設定する。また、閾値の探索も、ピークの位置から周波数軸上を上下方向にスタートし、最初に閾値以下となった点を速度レンジの上限及び下限と推定する（図８参照）。

これらのうち、拍動性を有する血流の速度レンジ推定には、平滑化後閾値処理モデルの方が有効であり、動脈系より拍動の少ない静脈系の速度レンジ推定には、正規分布モデルのほうがフィットする傾向にある。したがって、診断部位のドプラ波形の速度ヒストグラムの分布に応じて、これらモデルを使い分けることができるように構成される。

また、上記の方法を組み合わせて用いることも可能である。例えば、正規分布モデルで得られたＶｐ、Ｖｍの上限及び下限のうち速度レンジの大きい方を選択する方法や、平滑化後閾値処理モデルで得られたＶｐ、Ｖｍの上限及び下限のうち速度レンジの大きい方を選択する方法がある。正規分布モデル及び平滑化後閾値処理モデルの両方で得られたＶｐ、Ｖｍの上限及び下限のうち速度レンジの大きい方を選択する方法、さらには、正規分布モデル及び平滑化後閾値処理モデルの両方で得られたＶｐ及びＶｍの上限及び下限の中から速度レンジの最大のものを選択する方法もある。

こうして観測時間毎の速度レンジの上限及び下限が推定されると、逐次速度レンジが更新される（ステップＳ１０）。これは、観測時間内の統計値計算処理等で得られた速度レンジの上限及び下限推定値を、パラメータ設定部３６のドプラレンジに予め登録されているレンジテーブルの中から推定値より大きい値を自動的に選択することによって行われる。これは従来、ユーザがドプラの速度レンジをマニュアルで、必要が生じる都度切り替えて行っていたものである。なお、得られた推定値の何倍、例えば１．１倍や１．５倍を上限及び下限とするかは、ユーザインターフェース３７より入力することにより、バラメータ設定部３６を介し、パラメータとして（以下「レンジ係数」という。）選択することが可能である。

図９は、±３ナイキスト区間で重み付けされたＶｐ、Ｖｍ分布の経時変化に、正規分布モデル及び平滑化後閾値処理モデルにより統計値計算処理された速度レンジの上限及び下限を重ねて表示する図であり、（ａ）はＶｐについてのもの、（ｂ）はＶｍについてのものである。この図からも速度レンジが、Ｖｐ、Ｖｍの変化に追従して変化していることが分かる。

図１０は、速度レンジの経時的変動を示す図である。ここではベースラインのシフトは行われていない場合の例を示す。ある時刻におけるＶｐ、Ｖｍは、同図で示す「上限」から「下限」の間が表示器２５の表示エリア一杯に表示される。すなわち、上限／下限間が狭い時間帯では、ドプラスペクトラム画像は拡大して表示される。また、ドプラスペクトラム画像が上限／下限間を超えることはないので、折り返し等が生じるおそれもない。

この図からも分かるように、速度レンジの変動は、若干の時間遅れはあるものの、ドプラスペクトラム画像に精度良く追従している。速度レンジの観測は、一定の時間毎に行われ、また、速度レンジの値は、予め登録されているレンジテーブルの値の中から選択されるので、速度レンジの更新は、同図に示すように、ステップ状に行われる。

ここで、オートＢＬＳが予め選択されていなければ（ステップＳ１０：Ｎｏ）、オートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９は、以上の処理を終了の指示があるまで繰り返す（ステップＳ１６：Ｎｏ）。

一方、オートＢＬＳが予め選択されている場合は（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、オートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９は、ＢＬＳの自動更新処理を実行する（ステップＳ１４）。このＢＬＳの自動更新処理は、ある特定区間速度レンジの変化がない場合に、速度レンジの上限と下限の中央にＢＬＳがくるように制御するものである。これは、逐次ＢＬＳの自動更新処理が行われると表示が不安定になる可能性があるので、これを防止するための措置である。この特定区間は、ユーザインターフェース３７より入力することにより、バラメータ設定部３６を介して選択することが可能である。また、スイッチを押してＰＲＦを固定し（すなわち、速度レンジの固定）、それからＢＬＳを行うという選択も可能である。

図１１は、±３ナイキスト区間で重み付けされたＶｐ、Ｖｍ分布の経時変化に、正規分布モデル及び平滑化後閾値処理モデルにより統計値計算処理された速度レンジの上限及び下限並びにベースラインシフトを重ねて表示する図であり、（ａ）はＶｐについてのもの、（ｂ）はＶｍについてのものである。この図からも速度レンジ及びベースラインシフトが、Ｖｐ、Ｖｍの変化に追従して変化していることが分かる。

図１２は、速度レンジ及びベースラインシフトの経時的変動を示す図である。ある時刻におけるＶｐ、Ｖｍは、同図で示す「上限」から「下限」の間が表示器２５の表示エリア一杯に表示される。すなわち、上限／下限間が狭い時間帯では、ドプラスペクトラム画像は拡大して表示される。また、ドプラスペクトラム画像が上限／下限間を超えることはないので、折り返し等が生じるおそれもない。

図中の高さ方向ほぼ中央を左右に横断する線は、ベースライン（ＢＬ＝０）の位置の変動を示すものである。ドプラスペクトラム画像がベースラインより上又は下の一方に偏在している場合には、このようにベースラインをシフトすることにより、必要な表示領域をより大きく拡大することができる。この図からも分かるように、ベースラインの変動は、ドプラスペクトラム画像に精度良く追従している。

オートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９は、以上の処理を終了の指示があるまで繰り返す（ステップＳ１６：Ｎｏ）。すなわち、毎回観察しながら次のレンジを決めていくというループを形成している。

（ＰＩＤ制御）
このように、オートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９は、現在の速度レンジ及びベースラインの位置を基準に１ステップずつ自動調整を行う。また、拍動やプローブの当て方（角度）の変化に素早く追従する必要がある。そのため、応答速度を速くするためには、フィードバック制御を行うことが有効である。本実施形態に係るドプタ超音波診断装置では、パラメータ設定部３７内にＰＩＤ制御回路５０を備える。本実施形態においては、応答速度を速める制御例としてＰＩＤ制御を示したが、ＩＩＲ（Infinite Impulse Response）型等の平滑化フィルタで制御に最適なレスポンスを持つものを備える構成としてもよい。

ＰＩＤ制御回路５０は、図１３に示すように、例えば、比較器５１、調整器５２及び変換器５３を備える。

比較器５１は、ユーザインターフェース３７により目標値として選択されたレンジ係数ｒと、現行の速度レンジで正規化された速度レンジ推定値とを比較する。その比較結果は、偏差ｅとして調整器５２に送られる。

調整器５２は、比例動作部５２ａ、積分動作部５２ｂ及び微分動作部５２ｃを備える。調整器５２では、比例動作部５２ａにおいて、偏差ｅの定常偏差が小さく抑えられ、積分動作部５２ｂにおいて、偏差ｅの定常偏差が０にされ、微分動作部５２ｃにおいて偏差ｅの振動（時間変化率）が小さく抑えられる。その結果得られる伝達関数Ｇｃ（ｓ）は、

で表される。式（１）の第２辺の各項は、順に比例、積分、微分の動作を示す。ここに、Ｋ_Ｐは比例ゲイン、Ｔ_Ｉは積分時間、Ｔ_Ｄは微分時間である。これらＫ_Ｐ，Ｔ_Ｉ，Ｔ_Ｄは可変に構成され、また、Ｔ_Ｉ及び／またはＴ_Ｄを実行することなく通過させることもできる。

これは、制御出力ｕとして、制御対象であるオートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９へ出力される。オートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９の伝達関数Ｇｐ（ｓ）は、

で表されるタイムラグのある一次遅れ要素である。

オートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９は、現行の速度レンジで正規化されたスペクトラムトレース波形を、プロセス出力ｙとして、計測部３３を介して、表示器２５に送出する一方、変換器５３へも送出する。変換器５３は、トレース波形の速度分布図から得られた速度レンジ上限/下限の推定値をフィードバック信号ｚとして比較器５１に送る。

このフィードバック制御のループにおいて、時間遅れがなければ、すなわち、速度レンジの変化が観測時間に対して小さければ、比例動作だけで制御が可能である。しかし、例えば、呼吸等でレンジゲートが外れた時のように、速度レンジの変化が観測時間に対して激しい場合には、実際にはプロセス中に存在する一次遅れ要素（Ｇｐ（ｓ））等により固有のレスポンスが生じる。

そこで、比較器５１は、その比較結果に応じて、係数Ｋ_Ｐ，Ｔ_Ｉ，Ｔ_Ｄの値を自動的に決定し、その情報を比較結果とともに、調整器５２に送出する。そして、調整器５２は、与えられた係数Ｋ_Ｐ，Ｔ_Ｉ，Ｔ_Ｄに基いて、微分要素や積分要素を加えた計算を行い、応答を速くすることができる。

言い換えれば、ＰＩＤ制御部５０は、速度レンジの変化率に対応して、Ｐ制御やＰＩＤ制御のみならず、ＰＩ制御やＰＤ制御を行うことも可能に構成されている。

このＰＩＤ制御による応答を説明するのが、図１４である。図１４（ａ）は、Ｐ制御による場合の応答特性を示している。同図に示すように、Ｐ制御では、変動に時間を要するために、各ステップも大きく、また、ドプラスペクトルの変動に対しても若干の時間遅れを生じている。これに対し、図１４（ｂ）には、ＰＩＤ制御による理想応答が付け加えられている。同図の太線で示したように、ＰＩＤ制御によれば、速度レンジの変化が滑らかに、且つ、時間遅れを生じることなく行われることが分かる。

本ドプラ超音波診断装置は、斯かるフィードバック制御機能を備えることにより、速度レンジの変化に対して素早く対応し、より早く安定した速度レンジやベースラインシフトを得ることが可能となる。

（初期値の設定）
図１４（ａ）にも示したように、速度レンジの変化が観測時間に対して激しい場合には、速度レンジの自動調整に時間遅れが生じることがある。これは、スペクトルドプラモードを起動する場合、すなわち、自動速度レンジ調整を開始する場合にも当てはまる。速度レンジが０或いは最大の状態からオート速度レンジ調整を開始すると、所望の速度レンジを得るまでに長い時間を要することもある。そこで、速度レンジに何らかの初期値を与えておき、その値から処理を開始するようにすれば、所望の速度レンジに到るまでの時間を短縮することができる。

このような場合、まず、診断部位毎の、その部位の一般的な速度レンジを初期値に設定することが考えられる。本発明に係るドプラ超音波診断装置では、これに加え、カラードプラの速度レンジ値を初期値として採用することも選択できる構成とした。

血流の測定を行う場合、通常、まずカラードプラモードに入って、血管の捜索、すなわち、断層像中の血流動態を把握することから始める。そして、必要に応じて、スペクトラムドプラモードを起動し、ＰＷドプラではレンジゲート内の，ＣＷドプラではラスタ上のドプラ信号スペクトラムを表示し、詳細な血流測定を行う。

このカラードプラモードにおいても、スペクトラムドプラモードと同様に、カラードプラのレンジがあり、ユーザは、ユーザインターフェース３７を介して、これを変更する操作を行う。そして、２次元的なカラードプラの画像は、やはりスペクトラムドプラモードの画像と同様に、ある場所の流速をマッピングしたものである。そうすると、このカラードップラモードで設定された値を読み込んで、スペクトラムドプラモードにおける速度レンジやＢＬＳの自動調整の初期値として採用することは可能である。そして、この採用により、速度レンジやＢＬＳの自動調整の応答性を改善することができる。

また、Ｂモードからいきなりスペクトラムドプラモードへ入る場合は（このようなことは滅多にない）、上述の、診断部位毎の一般的な速度レンジを初期値に設定することができる。

（更新タイミング）
速度レンジの自動調整は、上述のように、診断部位のドプラトレース波形データを逐次抽出して行われるので、演算に先立って一定時間血流を観測する必要がある。この観測時間は、診断部位の態様等に合せて、１秒、２秒、４秒、８秒の中からユーザインｔ−フェース３７を介して設定することができる。また、速度レンジの更新は、基本的には、４秒、８秒、１２秒、１６秒の中から設定するようになっている。なお、観測時間より短い時間で速度レンジの更新を行うことはできない。

一方、ドプラスペクトルの画像は、時間波形であり、ム−ビングバーというバーを先頭に、表示器２５の画面上を、左端から右側へとリアルタイムで描きながら進んでいく。そして、ムービングバーが右端に到達すると、また左端に戻って表示を更新していく。この画面の更新をスクロールという。また、ム−ビングバーが左端から右端に到るまでの時間をスクロール速度といい、１秒、２秒、４秒、８秒の中から選択できるようになっている。

したがって、このム−ビングバーが画面の中間にある時は、一定の観測時間についての演算が終了していても、画面上で速度レンジを更新することはできない。すなわち、速度レンジの更新は、ム−ビングバーが左端にあって、画面が更新される時と同時にしか行うことができない。図１５は、スクロール速度と速度レンジの更新との関係を示すものである。この図におけるスクロール速度の行では、ム−ビングバーの動きが、模式的に三角形で示されている。ムービングバーが、時間の経過とともに斜辺上を左から右へと移動するとして、底辺上にあるときが画面上では左端にあるときを、頂点にあるときが画面上では右端にあるときを示す。

例えば、スクロール速度が１秒に設定されている場合において、速度レンジの更新タイミングを４秒とすれば、画面が４回スクロールされる度に速度レンジが更新される。このように、画像表示1スクロールに４回の自動更新を行うことを、４ＥＯＳ（End Of Scroll）と呼ぶ。８秒とすれば、画面が８回スクロールされる度に速度レンジが更新されるので、８ＥＯＳとなる。スクロール速度が２秒に設定されている場合において、速度レンジの更新タイミングを４秒とすれば、２ＥＯＳで速度レンジが更新されることになる。

ところが、スクロール速度が６秒に設定されている場合に、速度レンジの更新タイミングを４秒としても、スクロールの途中であるため、画面は更新されず、したがって速度レンジを更新することもできない。そのため、速度レンジの更新は、最寄の画面更新時、すなわち、６秒毎に１ＥＯＳの更新が行われる。１２秒毎に行われれば、２ＥＯＳとなる。

このように速度レンジの更新を秒単位で行うと、画面の更新と同期させることができない場合が生じるが、ＥＯＳを単位として行えば、このような不都合が生じることはない。そこで、本ドプラ超音波診断装置は、パラメータ設定部３６に、図１６に示すようなＥＯＳ設定テーブルを備え、このテーブルに従って速度レンジの更新タイミングを割り振っていく。

また、このままでは、スクロール速度を例えば８秒に設定している場合等に、スクロールの途中で速度レンジを更新したくなっても、画面のスクロ−ルを待たなければならない。そこで、ユーザインターフェース３７のスイッチを押下することにより、再スクロールという処理を行う。この再スクロール処理によれば、ム−ビングバーがスクロール開始点（左端）に移動して、画像表示自体をやり直すことになるので、スクロールの終了を待つことなく速度レンジやベースラインシフトを更新することが可能となる。

（フリーズ後のオートＢＬＳ）
以上説明してきたのは、リアルタイム動作での動作モードの切り替えであるが、フリーズ後であっても自動ＢＬＳを選択することができる。これは、表示用オーディオ・ビデオ・バッファ４５に蓄えられた画像データをオートレンジ／ＢＬＳ処理部４９で上述の演算処理を行い、その結果を計測部３３のシネ・フリーズ後の再計測処理部３３ｂを介して表示器２５に送信することにより実現される。

ＢＬＳ更新スイッチを押した時点から、予め選択された過去の特定の時間までの範囲のドプラ波形の最大値が速度レンジに入るようにベースラインがシフトする。以後、ＢＬＳ更新スイッチを押すごとに、1回だけ同様なベースライン位置の更新を行う。

この場合、速度レンジの最適化は行わない。ＢＬＳは、単に画像の位置をシフトさせるのみで、画像サイズを変更するものではないので、画質に影響を与えることはない。しかし、既存の画像データの速度レンジを変更することは、デジタルカメラのデジタルズーミングのように、デジタル処理によって画像の一部を切り取り、あたかも拡大しているように見せることであり、倍率を上げるほど画像が粗くなるという問題が生じるからである。

（操作スイッチ）
以下に、速度レンジやＢＬＳの自動調整の開始の指示を出したり、種々のパラメータを設定したりするための主な操作スイッチについて説明する。これらの操作スイッチは、ユーザインターフェース３７の操作パネルのボタンに割り当てられ、或いはＴＣＳ、又は表示器２５に立ち上がるＧＵＩとしてのポップアップ・メニューに表示される。また、これらの内の複数の方法で操作できるようにしてもよい。操作スイッチにより出された指示や設定されたパラメータは、パラメータ設定部３６を介して所定の各部に伝達される。

１）自動速度レンジ／ＢＬＳ調整選択スイッチ
自動速度レンジ／ＢＬＳ調整を行わない「Ｏｆｆ」、自動速度レンジの調整のみ行う「自動速度レンジ」、及び自動速度レンジ／ＢＬＳの両方の調整を行う「自動速度レンジ／ＢＬＳ」の三態様を選択するためのスイッチである。

２）自動速度レンジ／ＢＬＳの更新タイミング選択スイッチ
速度レンジの更新を手動で行う「マニュアル」と、自動更新では、画像表示１スクロールに１回更新を行う１ＥＯＳ、２スクロールに１回行う２ＥＯＳ以下、３ＥＯＳ、４ＥＯＳの中から選択できる。

３）観測時間設定スイッチ
速度レンジの更新のための波形の観測を、速度レンジ更新がＯｎになった時点から何秒前までの時間演算するかを選択するスイッチであり、１，２，４，８秒の中から選択することができる。

４）レンジ係数選択スイッチ
速度レンジの調整において、最大速度の何倍を表示の上限値とするかを選択するスイッチであり、１．１倍、１．２倍、１．３倍、１．４倍、１．５倍の中から選択できる。

５）速度レンジ更新スイッチ
速度レンジ／ＢＬＳの更新タイミング選択スイッチで、「マニュアル」が選択されている場合において、速度レンジ／ＢＬＳ更新の指示を出すスイッチである。

６）ＢＬＳ更新スイッチ
リアルタイム観測時に手動操作でベースラインをシフトする場合や、フリーズ後において、ベースラインをシフトさせる場合に指示を出すスイッチである。

７）統計値計算処理選択スイッチ
速度レンジ調整演算で採用するモデルを選択するためのスイッチで、正規分布モデル、平滑化後閾値処理モデルのいずれかを選択できる。また、正規分布モデルで得られたＶｐ、Ｖｍの上限及び下限のうち速度レンジの大きい方を選択する方法、平滑化後閾値処理モデルで得られたＶｐ、Ｖｍの上限及び下限のうち速度レンジの大きい方を選択する方法、正規分布モデル及び平滑化後閾値処理モデルの両方で得られたＶｐ又はＶｍの上限及び下限のうち速度レンジの大きい方を選択する方法、正規分布モデル及び平滑化後閾値処理モデルの両方で得られたＶｐ及びＶｍの上限及び下限の中から速度レンジの最大のものを選択する方法の中からいずれかを選択できる機能を持たせることも可能である。

８）初期値選択スイッチ
先行するカラードプラモードで設定された値をスペクトラムドプラモードにおける速度レンジやＢＬＳの自動調整の初期値として採用するか、或いは診断部位を指定することによりその部位の一般的な速度レンジを初期値に設定するかを選択するためのスイッチである。

（全体動作）
速度レンジ及びベースラインシフト自動最適調整の全体の流れについて、いくつかのケースに分けて説明する。まず、リアルタイムで観測中に、連続して自動速度レンジ更新及びＢＬＳ更新の両方が行われる場合について、図１７に示すフローチャートを参照して説明する。前提として、自動速度レンジ／ＢＬＳ調整選択スイッチでは「自動速度レンジ／ＢＬＳ調整」スイッチが選択されていることが必要である。また、オートトレースのパラメータのひとつである、トレースライン描画の極性（正（＋又はForward）、負（−又はReverse）、両方（±又はBoth）のいずれかが選択されているものとする。

まず、ドプラ（ＰＷまたはＣＷモード）検査が行なわれているときに、自動速度レンジ／ＢＬＳの更新タイミング選択スイッチ中の「マニュアル」以外のスイッチが選択されると（ステップＳ１０２）、予めパラメータ設定部３６により設定された速度レンジが、初期値としてオートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９に送られる（ステップＳ１０４）。「マニュアル」以外のスイッチとは、１ＥＯＳ，２ＥＯＳ，４ＥＯＳのいずれかのスイッチである。この初期値は、上述のように、先行するカラードプラモードで設定された値又は診断部位を指定することによって設定されたその部位の一般的な速度レンジである。

初期値が与えられると、オートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９は、図３に示したアルゴリズムに従って、オート速度レンジ調整の演算を行う（ステップＳ１０６〜Ｓ１１０）。なお、このステップＳ１０６〜Ｓ１１０の処理は、図３におけるステップＳ２〜Ｓ８に相当するものであり、詳細はここでは省略する。

この演算処理の結果、速度レンジの変更が必要と判断されると（ステップＳ１１２：Ｙｅｓ）、速度レンジを１ステップだけ上げる又は下げる変更を行う（ステップＳ１１４）。そして、観測時間設定スイッチで予め選択された過去の特定時間内のドプラ波形の最大値を予めレンジ係数選択スイッチで設定されたレンジ係数倍した値が、表示器２５一杯に表示されているか−上限／下限に達したか−否かを判断する（ステップＳ１１６）。この場合、トレースライン描画の極性が（正）に設定されているときは、ベースラインの上側のみについて最大値のレンジ係数倍に到ったか否かを判断し、（負）に設定されていれば下側のみ、（両方）のときは上下両方について判断する。

ここで、速度レンジが上限／下限に達していないと判断されたときは（ステップＳ１１６：Ｎｏ）、達するまで上述のステップＳ１０６〜Ｓ１１４の処理を繰り返す。

一方、速度レンジが上限／下限に達していると判断されたとき（ステップＳ１１６：Ｙｅｓ）、及び速度レンジの変更が不要と判断されたときは（ステップＳ１１２：Ｎｏ）、続いてＢＬＳの調整を行う（ステップＳ１１８〜Ｓ１２２）。なお、厳密には、ＢＬＳ処理への移行は、速度レンジの安定を確実にするため、２回の観測時間で上限／下限に達していることが確認されてから行うようにする。

ＢＬＳの自動調整は、まず、ベースラインより上側の最大レンジ（MaxVel）及び下側の最小レンジ（負側の絶対値が最大：MinVel）を計算する（ステップＳ１１８）。そして、最大レンジと最小レンジとの比較を行い、ベースラインのシフト量を計算する（ステップＳ１０２）。この計算は、例えば、最大レンジと最小レンジとの平均値を画面中央に据えるとして、その平均値とベースラインＢＬ＝０との距離を求めることにより行われる。

ＢＬＳも、ステップ単位で行われるので、オートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９は、パラメータ設定部３６に有するＢＬＳパラメータ設定テーブルから、例えばマイナスナイキストからプラスナイキストまで１７段階のＢＬＳパラメータ中から最寄のパラメータを選択し、ベースラインをその値だけシフトする（ステップＳ１２２）。

オートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９は、上述した処理を終了の指示があるまで、具体的には、自動速度レンジ／ＢＬＳの更新タイミング選択スイッチにおいて、「マニュアル」スイッチが選択されるまで、繰り返し行う（ステップＳ１２４：Ｎｏ）。

図１８は、上記の処理結果の一例を時系列的に説明するタイムチャートである。観測時間ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４…ｔ_Ｎ，ｔ_Ｎ＋１，ｔ_Ｎ＋２，ｔ_Ｎ＋３，ｔ_Ｎ＋４は、オート速度レンジ調整開始の指示が出されてから、すなわち、自動速度レンジ／ＢＬＳの更新タイミング選択スイッチで「マニュアル」以外のスイッチが選択されてからの、予め設定された時間間隔の推移を示す。

速度レンジは、まず初期値に設定された後、観測時間が経過するに従って、１ステップずつ更新される。そして、速度レンジが、一定の値に達し（ｔ_Ｎ＋１時）、その値が次回の観測時間においても維持されると（ｔ_Ｎ＋２時）、すなわち、速度レンジの更新を行う必要がなければ、そこで初めてベースラインが１ステップ分シフトされる。その後、速度レンジが更新されても、それが２回連続するものでなければ、ベースラインのシフトは行われない。

リアルタイム観測中に、ＢＬＳの更新は行わず、連続して自動速度レンジの更新のみを行う場合は、自動速度レンジ／ＢＬＳ調整選択スイッチでは「自動速度レンジ／ＢＬＳ調整」ではなく、「自動速度レンジ調整」スイッチが選択されていることを前提として、図１７のステップＳ１１８〜Ｓ１２２がスキップされたフローに従って処理される。

次に、リアルタイムで観測中に、任意の時に１回だけ自動速度レンジ更新及びＢＬＳ更新の両方を行う場合について、図１９に示すフローチャートを参照して説明する。前提として、自動速度レンジ／ＢＬＳ調整選択スイッチでは、「自動速度レンジ／ＢＬＳ調整」スイッチが選択され、自動速度レンジ／ＢＬＳの更新タイミング選択スイッチでは「マニュアル」スイッチが選択されていることが必要である。なお、連続して自動速度レンジ更新及びＢＬＳ更新の両方が行われる場合と同様の処理については、同じ符号を付して説明を省略する。

まず、ドプラ（ＰＷまたはＣＷモード）検査が行なわれているときに、速度レンジ更新スイッチがＯＮされると（ステップＳ２０２）、連続して自動速度レンジ更新及びＢＬＳ更新の両方が行われる場合と同じく、速度レンジ自動調整の演算が行われる（ステップＳ１０４〜Ｓ１１０）。

この演算処理の結果、速度レンジの変更が必要と判断されると（ステップＳ１１２：Ｙｅｓ）、速度レンジを１ステップだけ上げる又は下げる変更を１回だけ行う（ステップＳ１１４）。そして、その速度レンジが上限／下限に達したか否かを判断することは行わず、速度レンジの更新処理を終了する。この場合も、連続して自動速度レンジ更新及びＢＬＳ更新の両方が行われる場合と同じく、トレースライン描画の極性が（正）に設定されているときは、ベースラインの上側のみについて最大値のレンジ係数倍に到ったか否かを判断し、（負）に設定されていれば下側のみ、（両方）のときは上下両方について判断する。

また、速度レンジの更新が必要ないと判断されたときも（ステップＳ１１２：Ｎｏ）、速度レンジの更新を行うことなく次のステップへと進む。もっとも、ユーザが速度レンジ更新スイッチを選択するのは、その必要を感じた場合に限られるであろうから、通常は更新されることになる。

こうして、速度レンジが手動で更新されると、次に速度レンジ更新スイッチが選択されるまで速度レンジは固定されるので、ＢＬＳを行うことが可能となる。そこで、ＢＬＳ更新スイッチが選択されると（ステップＳ２０４）、ＢＬＳの自動更新が、連続して自動速度レンジ更新及びＢＬＳ更新の両方が行われる場合と同様に処理され（ステップＳ１１８〜Ｓ１２２）、一連の自動更新処理は終了する。ＢＬＳ更新スイッチが選択されない場合も同様に終了する（ステップＳ２０４：Ｎｏ）。

ユーザは、このようにして更新された速度レンジやＢＬＳに満足できないときは、繰り返し速度レンジ更新スイッチやＢＬＳ更新スイッチを選択することにより、所望の設定に近づけることができる。これにより、従来装置において操作パネルにアサインされたスイッチを操作して手動で速度レンジを更新することに比べユーザの負担は軽減される。

図２０は、上記の処理結果の一例を時系列的に説明するタイムチャートである。観測時間ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３…ｔ_Ｋ，ｔ_Ｋ＋１，ｔ_Ｋ＋２…ｔ_Ｎ，ｔ_Ｎ＋１，ｔ_Ｎ＋２は、速度レンジ更新のために予め設定された時間間隔の推移を示す。

速度レンジ更新スイッチがＯＮされると、速度レンジは初期値に設定される。続いて速度レンジ更新スイッチをＯＮすれば、その初期値をベースとして１ステップ変更される。そこで、繰り返し速度レンジ更新スイッチをＯＮすることにより、速度レンジを、所望の値に近づけることができる。

自動速度レンジ／ＢＬＳの更新タイミング選択スイッチで「マニュアル」が選択されていると、このように、速度レンジは、速度レンジ更新スイッチがＯＮされると１ステップ変更され、その値に固定される。したがって、連続して自動速度レンジ更新が行われる場合のように、速度レンジが２観測時間以上安定するまで待つ必要はなく、任意の時間にＢＬＳ更新スイッチをＯＮすることができ、その毎に再計算されて、最適値に近づけていくことができる。

リアルタイム観測中に、ＢＬＳの更新は行わず、任意の時に１回のみ自動速度レンジの更新のみを行う場合は、自動速度レンジ／ＢＬＳ調整選択スイッチでは「自動速度レンジ調整」スイッチが選択されていることを前提として、図１９のステップＳ２０４〜Ｓ１２２の一連の処理がスキップされたフローに従って処理される。

続いて、フリーズ後に、ＢＬＳ更新を行う場合について、図２１に示すフローチャートを参照して説明する。なお、連続して自動速度レンジ更新及びＢＬＳ更新の両方が行われる場合等と同様の処理については、同じ符号を付して説明を省略する。この場合、自動速度レンジ／ＢＬＳの更新タイミング選択スイッチで何が選択されているかとは無関係に、マニュアルで作動する。

まず、ドプラ（ＰＷまたはＣＷモード）検査が行なわれている場合に、画像がフリーズされ（ステップＳ３０２）、ＢＬＳ更新スイッチがＯＮされると（ステップＳ２０４）、まず、予めパラメータ設定部３６により設定されたＢＬＳに関する初期値が、オートレンジ／オートＢＬＳ処理部４９に送られる（ステップＳ１０４）。

そして、ＢＬＳの自動更新が、前述の場合と同様に、但し１回だけ処理される（ステップＳ１１８〜Ｓ１２２）。フリーズ後においては、リアルタイム観測時と異なり、速度レンジの更新は行わないので、速度レンジの安定を待つことなく、任意の時にＢＬＳ更新スイッチをＯＮすることができる。

この場合の処理結果は、時系列的には、図２０に示すＢＬＳと同様になる。これにより、フリーズ後においても、ベースラインをシフトすることが可能となり、より観測し易いドプラスペクトル画像を得ることができる。

（適用例）
以上のように構成され作動する本発明に係るドプラ超音波診断装置を用いて観察した例を２つ、以下説明する。

図２２に示す第１の例は、頚動脈系を観察したものである。具体的には、１）血流ピークが１２０ｃｍ／ｓのＩＣＡ（内頚動脈：Internal Carotid Artery）を１０秒間観察した後、２）０．５秒のブランクを置いて、血流ピークが６０ｃｍ／ｓのＣＣＡ（総頚動脈：Common Carotid Artery）を１０秒間観察し、３）１秒のブランクを置いて、再度血流ピーク１２０ｃｍ／ｓのＩＣＡを１０秒間観察し、４）１．２秒のブランクを置いて、最後に血流ピークが６０ｃｍ／ｓのＣＣＡを３０秒間観察したものである。

観測条件として、ベースラインは−４に固定され、トレースライン描画の極性は（正）に設定されている、また、スクロール速度は垂直同期信号当たり２カラム、４秒で、観測時間は１ＥＯＳ、レンジ係数は１．３倍である。

図２２（ａ）は、平滑化後閾値処理モデルによる統計値計算処理の一例を示し、（ｂ）は重み付けされたＶｐ、Ｖｍ分布の経時変化を表示する。（ｃ）は、これらの演算により得られた速度レンジ及びベースラインの経時的変動を示す図である。

この例によれば、全般的には高い追従性を有するものの、血流速度が断続的に変化する場合、特にブランクが発生する場合は、ブランク直後でヒストグラムの乱れが大きく、４秒程度の応答ラグが発生している。

図２３に示す第２の例は、肋間でセクタプローブを用いてＬＶ（左心室：Left Ventricle）を計測したものである。この例では、１）最初の１０秒間は血流ピークが４０ｃｍ／ｓから６０ｃｍ／ｓまで徐々に上がり、２）次の１０秒で６０ｃｍ／ｓから４０ｃｍ／ｓに下がり、３）その次の１０秒では、再び４０ｃｍ／ｓから６０ｃｍ／ｓまで上がり、４）その後の３０秒間は、６０ｃｍ／ｓで一定している。

観測条件として、スクロール速度は垂直同期信号当たり４カラム、４秒で、観測時間は２ＥＯＳ、レンジ係数は１．４倍である。

図２３（ａ）は、平滑化後閾値処理モデルによる統計値計算処理の一例を示し、（ｂ）は重み付けされたＶｐ、Ｖｍ分布の経時変化を表示する。（ｃ）は、これらの演算により得られた速度レンジ及びベースラインの経時的変動を示す図である。

図２３（ｃ）中、ＰＲＦ１は、オートＢＬＳを行わない場合の上下の速度レンジ、ＢＬ１はこの場合のベースラインを示す。また、ＰＲＦ２は、オートＢＬＳを行った場合の上下の速度レンジ、ＢＬ２はこの場合のベースラインを示している。

この例によれば、一部に４秒程度の応答ラグが生じているものの、このように連続的に波形のレンジが変化するものは追従性が比較的良いことが分かる。

以上に説明した実施態様は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。従って、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものによって置換した実施態様を採用することが可能であるが、これらの実施態様も本発明の範囲に含まれる。

１ 超音波プローブ
２ 装置本体
３ ＥＣＧモジュール
１１ 全体コントローラ
２１ 送受信部
２２ 包絡線検波器
２３ デジタル・スキャン・コンバータ（ＤＳＣ）
２４ Ｄ／Ａ変換器
２５ 表示機
２６ 直交位相検波器
２７ ＲＧ処理部
２８ スペクトラムドプラ処理ブロック
２９ ＰＳ／ＥＤバッファ
３０ ＣＦＭモード処理ブロック
３１ ＤＳＰ
３２ ＰＳ／ＥＤ検出部、３２ａ ＣＰＵ、３２ｂ ピーク検出処理部
３３ 計測部、３３ａ リアルタイムオート計測処理部、３３ｂ シネ・フリーズ後の再計測処理部
３４ ビデオ・インターフェース（Ｉ／Ｆ）、３４ａ ピンポンバッファ
３５ 画像ストレージ部
３６ パラメータ設定部
３７ ユーザインターフェース
３８ 操作パネル回路
３９ ＴＣＳ回路
４０ ＧＵＩ回路
４１ ウォール・フィルタ
４２ シネメモリバッファ
４３ ＦＦＴスペクトラム処理部
４４ Ｖｐ，Ｖｍトレース波形検出処理部
４５ 表示用オーディオ・ビデオ・バッファ
４６ オーディオ処理部
４７ オーディオ・インターフェース（Ｉ／Ｆ）
４８ オーディオ出力器
４９ オートレンジ／オートＢＬＳ処理部
５０ ＰＩＤ制御回路
５１ 比較器
５２ 調整器
５３ 変換器
５４ ＥＣＧ波形処理部
５５ Ｍ／Ｍカラー処理部
Ｐ 被検体
ＢＦ 血流

Claims (7)

1. 被検体内の運動流体を含む診断部位に向けて超音波を送受信させて得られる前記診断部位の流速に関する情報を担うドプラ周波数のスペクトラム信号に基づきスペクトラム画像を表示するドプラ超音波診断装置において、
   前記スペクトラム信号の周波数方向の最大流速及び平均流速の少なくとも一方を時間方向にトレースしそのトレース波形を出力する処理をリアルタイムで実行するトレース手段と、
   所定観測時間毎に前記最大流速及び前記平均流速の少なくとも一方の分布に対する統計値に基づき、ドプラ速度レンジを調整する速度レンジ調整手段と、
   前記速度レンジ調整手段の処理で用いるパラメータを変更するために、前記速度レンジの上限及び下限の推定値の何倍を表示範囲に設定するかの倍数を、前記パラメータとして可変に設定する設定手段と、を備えることを特徴とするドプラ超音波診断装置。
2. 被検体内の運動流体を含む診断部位に向けて超音波を送受信させて得られる前記診断部位の流速に関する情報を担うドプラ周波数のスペクトラム信号に基づきスペクトラム画像を表示するドプラ超音波診断装置において、
   前記スペクトラム信号の周波数方向の最大流速及び平均流速の少なくとも一方を時間方向にトレースしそのトレース波形を出力する処理をリアルタイムで実行するトレース手段と、
   所定観測時間毎に前記最大流速及び前記平均流速の少なくとも一方の分布に対する統計値に基づき、ドプラ速度レンジを調整する速度レンジ調整手段と、
   前記最大流速の正側最大値及び負側最大値を計算し、前記スペクトラム画像の表示におけるベースラインのシフト量を求めて、前記ベースラインを調整するベースライン調整手段と、
   前記速度レンジ調整手段及びベースライン調整手段の処理で用いるパラメータを変更するために、前記速度レンジの上限及び下限の推定値の何倍を表示範囲に設定するかの倍数を、前記パラメータとして可変に設定する設定手段と、を備えることを特徴とするドプラ超音波診断装置。
3. 前記設定手段は、前記速度レンジ調整手段が実行するドプラ速度レンジを調整する演算の初期値として、前記演算に先行するカラードプラモードで採用された速度レンジと、診断部位毎に予め設定された所定の値とのいずれかを選択可能とすることを特徴とする請求項１及び２のいずれかに記載のドプラ超音波診断装置。
4. 前記設定手段は、前記速度レンジ調整手段による前記所定時間毎の演算結果を、前記スペクトラム画像のスクロールに同期させて、何回の画像スクロールに１回更新するかを、前記パラメータとして可変に設定することを特徴とする請求項１及び２のいずれかに記載のドプラ超音波診断装置。
5. 前記設定手段は、前記速度レンジ調整手段による演算結果の更新を、前記スペクトラム画像のスクロール中の任意の時間に、前記スペクトラム画像のスクロールとともに更新することを特徴とする請求項４記載のドプラ超音波診断装置。
6. 前記最大流速及び前記平均流速の少なくとも一方のトレース波形を保存するトレース波形記憶手段をさらに備え、フリーズ後に、前記トレース波形記憶手段に保存されたトレース波形を基に、前記ベースライン調整手段により、前記最大流速の正側最大値及び負側最大値を計算し、前記スペクトラム画像の表示におけるベースラインのシフト量を求めて、前記ベースラインを調整することを特徴とする請求項２記載のドプラ超音波診断装置。
7. 前記速度レンジ調整手段は、所定の速度レンジの制御目標値と、前記速度レンジ調整手段からフィードバックされる伝達関数値とを比較し、その差に応じて制御系要素Ｐ，Ｉ，Ｄのパラメータを可変に決定することを特徴とする請求項１及び２のいずれかに記載のドプラ超音波診断装置。