JP2011036506A - Ultrasonograph - Google Patents

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Masanori Kunida
正徳 国田
Takeshi Mochizuki
剛 望月
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Hitachi Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce an unnecessary wave component in a technique for extracting data in vivo from a target position using continuous waves. <P>SOLUTION: A first FM modulator 21 is constituted so as to subject a feed wave signal to the modulation processing of frequency on the basis of a modulation signal to form the transmission signal of the continuous wave and a receiving mixer 30 uses a reference signal adjusted in the correlation with the target position in a living body to apply demodulation processing to a receiving signal to thereby obtain the demodulation signal corresponding to the target position. In this transmission and reception processing, a second FM modulator 22 subjects the feed wave signal to the modulation processing of frequency on the basis of the modulation signal in the same way as the first FM modulator 21 to form the reference signal. The intensity of the modulation in the modulation processing of frequency of the reference signal is adjusted to reduce the unnecessary wave component contained in the demodulation signal corresponding to the target position. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、連続波を利用する超音波診断装置に関する。   The present invention relates to an ultrasonic diagnostic apparatus, and more particularly to an ultrasonic diagnostic apparatus using a continuous wave.

超音波診断装置の連続波を利用した技術として、連続波ドプラが知られている。連続波ドプラでは、例えば、数MHzの正弦波である送信波が生体内へ連続的に放射され、生体内からの反射波が連続的に受波される。反射波には、生体内における運動体(例えば血流など)によるドプラシフト情報が含まれる。そこで、そのドプラシフト情報を抽出して周波数解析することにより、運動体の速度情報を反映させたドプラ波形などを形成することができる。   A continuous wave Doppler is known as a technique using a continuous wave of an ultrasonic diagnostic apparatus. In continuous wave Doppler, for example, a transmission wave that is a sine wave of several MHz is continuously emitted into the living body, and a reflected wave from the living body is continuously received. The reflected wave includes Doppler shift information by a moving body (for example, blood flow) in the living body. Therefore, by extracting the Doppler shift information and performing frequency analysis, a Doppler waveform reflecting the velocity information of the moving body can be formed.

連続波を利用した連続波ドプラは、パルス波を利用したパルスドプラに比べて一般に高速の速度計測の面で優れている。こうした事情などから、本願の出願人は、連続波ドプラに関する研究を重ねてきた。その成果の一つとして、特許文献1において、周波数変調処理を施した連続波ドプラ(FMCWドプラ)に関する技術を提案している。   Continuous wave Doppler using a continuous wave is generally superior in speed measurement at a higher speed than pulse Doppler using a pulse wave. Under such circumstances, the applicant of the present application has conducted research on continuous wave Doppler. As one of the results, Patent Document 1 proposes a technique related to continuous wave Doppler (FMCW Doppler) subjected to frequency modulation processing.

一方、連続波ドプラでは、連続波を利用していることにより位置計測が困難である。例えば、従来の一般的な連続波ドプラの装置(FMCWドプラを利用しない装置)では、位置計測を行うことができなかった。これに対し、本願の出願人は、特許文献2において、FMCWドプラにより選択的に生体内組織の所望の位置からドプラ情報を抽出することができる極めて画期的な技術を提案している。   On the other hand, with continuous wave Doppler, position measurement is difficult due to the use of continuous waves. For example, a conventional general continuous wave Doppler device (a device that does not use FMCW Doppler) cannot perform position measurement. On the other hand, the applicant of the present application proposes a very innovative technique in Patent Document 2 that can selectively extract Doppler information from a desired position in a living tissue by FMCW Doppler.

特開2005−253949号公報JP 2005-253949 A 特開2008−289851号公報JP 2008-289851 A

特許文献1や特許文献2に記載されたFMCWドプラの技術は、それまでにない超音波診断の可能性を秘めた画期的な技術である。本願発明者は、この画期的な技術の改良についてさらに研究を重ねてきた。特に、連続波を利用して目標位置から生体内情報を抽出する技術に注目して研究を重ねてきた。   The technology of FMCW Doppler described in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 is an epoch-making technology with the possibility of ultrasonic diagnosis that has never existed before. The inventor of the present application has further studied further about this revolutionary technology improvement. In particular, research has been conducted focusing on techniques for extracting in vivo information from target positions using continuous waves.

本発明は、このような背景において成されたものであり、その目的は、連続波を利用して目標位置から生体内情報を抽出する技術において、不要波成分を低減することにある。   The present invention has been made in such a background, and an object thereof is to reduce unnecessary wave components in a technique for extracting in vivo information from a target position using a continuous wave.

上記目的にかなう好適な超音波診断装置は、搬送波信号を変調処理することにより得られる連続波の送信信号を出力する送信信号出力部と、送信信号に対応した超音波の送信波を生体に送波してその送信波に伴う受信波を生体から受波することにより受信信号を得る送受波部と、前記搬送波信号を変調処理することにより得られる参照信号を出力する参照信号出力部と、生体内の目標位置との間の相関関係が調整された参照信号を用いて、受信信号に対して復調処理を施すことにより、当該目標位置に対応した復調信号を得る受信信号処理部と、前記目標位置に対応した復調信号から生体内情報を抽出する生体内情報抽出部と、を有し、前記参照信号を得るための変調処理における変調の強さを調整することにより、前記目標位置に対応した復調信号に含まれる不要波成分を低減する、ことを特徴とする。   An ultrasonic diagnostic apparatus suitable for the above object includes a transmission signal output unit that outputs a continuous wave transmission signal obtained by modulating a carrier wave signal, and an ultrasonic transmission wave corresponding to the transmission signal to a living body. A transmission / reception unit that obtains a reception signal by receiving a reception wave accompanying the transmission wave from a living body, a reference signal output unit that outputs a reference signal obtained by modulating the carrier wave signal, A received signal processing unit that obtains a demodulated signal corresponding to the target position by performing a demodulation process on the received signal using a reference signal whose correlation with the target position in the body is adjusted, and the target An in-vivo information extracting unit that extracts in-vivo information from the demodulated signal corresponding to the position, and adjusting the intensity of the modulation in the modulation processing to obtain the reference signal, thereby corresponding to the target position To reduce unwanted wave component contained in the tone signal, characterized in that.

望ましくは、前記参照信号を得るための変調処理における変調度を増減させることにより前記変調の強さを調整する、ことを特徴とする。   Preferably, the intensity of the modulation is adjusted by increasing or decreasing the degree of modulation in the modulation processing for obtaining the reference signal.

望ましくは、前記参照信号の変調度を前記目標位置における動体の速度に応じて調整する、ことを特徴とする。   Preferably, the modulation degree of the reference signal is adjusted according to the speed of the moving object at the target position.

望ましくは、前記参照信号の変調度を前記目標位置における動体の速度に対応した変調度とすることにより、前記目標位置に対応した復調信号に含まれる、直流成分と変調周波数の基本波成分と高調波成分のうち、前記不要波成分である基本波成分と高調波成分を低減する、ことを特徴とする。   Preferably, the modulation degree of the reference signal is set to a modulation degree corresponding to the speed of the moving object at the target position, so that the DC component, the fundamental component of the modulation frequency, and the harmonics included in the demodulated signal corresponding to the target position. Of the wave components, the fundamental wave component and the harmonic component, which are the unnecessary wave components, are reduced.

望ましい具体例として、前記送信信号出力部は、搬送波信号を周波数変調処理することにより得られる連続波の送信信号を出力し、前記参照信号出力部は、当該搬送波信号を周波数変調処理することにより得られる参照信号を出力する、ことを特徴とする。   As a preferred specific example, the transmission signal output unit outputs a continuous wave transmission signal obtained by frequency-modulating a carrier signal, and the reference signal output unit is obtained by frequency-modulating the carrier signal. The reference signal to be output is output.

望ましい具体例として、前記送信信号出力部は、変調信号を用いて搬送波信号を変調度βで周波数変調処理することにより連続波の送信信号を形成し、前記参照信号出力部は、当該変調信号を用いて当該搬送波信号を変調度(β+Δβ)で周波数変調処理することにより参照信号を形成する、ことを特徴とする。   As a preferred specific example, the transmission signal output unit forms a continuous wave transmission signal by frequency-modulating a carrier signal with a modulation factor β using a modulation signal, and the reference signal output unit outputs the modulation signal. And the reference signal is formed by frequency-modulating the carrier signal with a modulation degree (β + Δβ).

望ましくは、前記目標位置における動体の速度vに応じて、Δβ=2vβ/c(cは超音波の伝搬速度)となるように、前記参照信号の変調度(β+Δβ)を調整する、ことを特徴とする。   Preferably, the modulation degree (β + Δβ) of the reference signal is adjusted so that Δβ = 2vβ / c (c is an ultrasonic wave propagation velocity) according to the velocity v of the moving object at the target position. And

本発明により、連続波を利用して目標位置から生体内情報を抽出する技術において、不要波成分を低減することが可能になる。   According to the present invention, it is possible to reduce unnecessary wave components in a technique for extracting in-vivo information from a target position using a continuous wave.

本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。1 is a diagram illustrating an overall configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus that is preferable in the practice of the present invention. 周波数変調処理された送信波と受信波を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the transmission wave and reception wave which were frequency-modulated. kβが深さdに依存して正弦波状に変化する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that k (beta) changes in the shape of a sine wave depending on the depth d. FM連続波の周期性がドプラ周波数へ与える影響を説明する図である。It is a figure explaining the influence which the periodicity of FM continuous wave has on the Doppler frequency. 周波数変調の影響を受けたドプラ信号を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the Doppler signal influenced by the frequency modulation. 周波数変調の影響を受けたドプラ信号の時間変化波形を示す図である。It is a figure which shows the time change waveform of the Doppler signal influenced by the frequency modulation. 変調度の調整による不要波成分の低減を説明するための図である。It is a figure for demonstrating reduction of the unnecessary wave component by adjustment of a modulation degree. 複数の周波数成分を含むドプラ信号の不要波成分の除去を示す図である。It is a figure which shows the removal of the unnecessary wave component of the Doppler signal containing a some frequency component.

図1は、本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。送信用振動子10は、生体内へ送信波を連続的に送波し、また、受信用振動子12は、生体内からの反射波を連続的に受波する。このように、送信および受信がそれぞれ異なる振動子で行われて、いわゆる連続波ドプラ法による送受信が実行される。なお、送信用振動子10は複数の振動素子を備えており、これら複数の振動素子が制御されて超音波の送信ビームが形成される。また、受信用振動子12も複数の振動素子を備えており、これら複数の振動素子により得られた信号が処理されて受信ビームが形成される。   FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus suitable for implementing the present invention. The transmitting vibrator 10 continuously transmits a transmission wave into the living body, and the receiving vibrator 12 continuously receives a reflected wave from the living body. In this way, transmission and reception are performed by different vibrators, and transmission / reception is performed by a so-called continuous wave Doppler method. The transmitting transducer 10 includes a plurality of vibration elements, and the plurality of vibration elements are controlled to form an ultrasonic transmission beam. The receiving vibrator 12 also includes a plurality of vibration elements, and signals obtained by the plurality of vibration elements are processed to form a reception beam.

送信ビームフォーマ(送信BF)14は、送信用振動子10が備える複数の振動素子に対して送信信号を出力する。送信ビームフォーマ14には、例えば正弦波によるFM変調処理が施されたFM連続波(FMCW波)が入力される。送信ビームフォーマ14は、FM連続波に対して、各振動素子に応じた遅延処理を施して各振動素子に対応した送信信号を形成する。なお、送信ビームフォーマ14において形成された各振動素子に対応した送信信号に対して、必要に応じて電力増幅処理が施されてもよい。こうして、FM連続波による送信ビームが形成される。   The transmission beamformer (transmission BF) 14 outputs transmission signals to a plurality of vibration elements included in the transmission transducer 10. For example, an FM continuous wave (FMCW wave) that has been subjected to FM modulation processing using a sine wave is input to the transmission beam former 14. The transmission beamformer 14 applies a delay process corresponding to each vibration element to the FM continuous wave to form a transmission signal corresponding to each vibration element. Note that power amplification processing may be performed on the transmission signal corresponding to each vibration element formed in the transmission beam former 14 as necessary. Thus, a transmission beam by FM continuous waves is formed.

第1FM変調器21は、送信ビームフォーマ14にFM連続波を出力する。第1FM変調器21は、変調波生成部24から供給される変調信号を用いて、RF波発振器23から供給されるRF波(搬送波信号)に対して周波数変調を施すことにより、FM連続波を発生する。このFM連続波の波形などについては後に詳述する。   The first FM modulator 21 outputs an FM continuous wave to the transmission beam former 14. The first FM modulator 21 performs frequency modulation on the RF wave (carrier wave signal) supplied from the RF wave oscillator 23 using the modulation signal supplied from the modulation wave generator 24, thereby generating an FM continuous wave. appear. The waveform of the FM continuous wave will be described in detail later.

受信ビームフォーマ(受信BF)16は、受信用振動子12が備える複数の振動素子から得られる複数の受波信号を整相加算処理して受信ビームを形成する。つまり、受信ビームフォーマ16は、各振動素子から得られる受波信号に対してその振動素子に応じた遅延処理を施し、複数の振動素子から得られる複数の受波信号を加算処理することにより受信ビームを形成する。なお、各振動素子から得られる受波信号に対して低雑音増幅等の処理を施してから、受信ビームフォーマ16に複数の受波信号が供給されてもよい。こうして受信ビームに沿った受信RF信号が得られる。   The reception beam former (reception BF) 16 forms a reception beam by phasing and adding a plurality of reception signals obtained from a plurality of vibration elements included in the reception transducer 12. That is, the reception beamformer 16 performs a delay process corresponding to the vibration signal obtained from each vibration element and adds a plurality of reception signals obtained from the plurality of vibration elements. Form a beam. Note that a plurality of received signals may be supplied to the reception beam former 16 after processing such as low noise amplification is performed on the received signals obtained from the respective vibration elements. In this way, a reception RF signal along the reception beam is obtained.

受信ミキサ30は受信RF信号に対して直交検波を施して複素ベースバンド信号を生成する回路であり、2つのミキサ32,34で構成される。各ミキサは受信RF信号を所定の参照信号と混合する回路である。受信ミキサ30の各ミキサに供給される参照信号は、第2FM変調器22から出力されるFM連続波に基づいて生成される。   The reception mixer 30 is a circuit that performs quadrature detection on the received RF signal to generate a complex baseband signal, and is composed of two mixers 32 and 34. Each mixer is a circuit that mixes the received RF signal with a predetermined reference signal. The reference signal supplied to each mixer of the reception mixer 30 is generated based on the FM continuous wave output from the second FM modulator 22.

第2FM変調器22は、第1FM変調器21と同様に、変調波生成部24から供給される変調信号を用いて、RF波発振器23から供給されるRF波(搬送波信号)に対して周波数変調を施すことにより、参照信号であるFM連続波を発生する。この周波数変調処理における変調の強さを調整することにより、目標位置に対応した復調信号に含まれる不要波成分が低減される。復調信号に含まれる不要波成分やその不要波成分の低減については後に詳述する。   Similar to the first FM modulator 21, the second FM modulator 22 uses the modulation signal supplied from the modulation wave generator 24 to frequency modulate the RF wave (carrier signal) supplied from the RF wave oscillator 23. To generate an FM continuous wave as a reference signal. By adjusting the intensity of the modulation in the frequency modulation process, unnecessary wave components included in the demodulated signal corresponding to the target position are reduced. The unnecessary wave component included in the demodulated signal and the reduction of the unnecessary wave component will be described in detail later.

第2FM変調器22から出力されるFM連続波(参照信号)は、遅延回路25において遅延処理され、ミキサ32には遅延処理されたFM連続波が直接供給され、一方、ミキサ34には遅延処理されたFM連続波がπ/2シフト回路26を経由して供給される。   The FM continuous wave (reference signal) output from the second FM modulator 22 is delayed in the delay circuit 25, and the FM continuous wave subjected to delay processing is directly supplied to the mixer 32, while the mixer 34 is subjected to delay processing. The FM continuous wave is supplied via the π / 2 shift circuit 26.

π/2シフト回路26は遅延処理されたFM連続波の位相をπ/2だけずらす回路である。この結果、2つのミキサ32,34の一方から同相信号成分(I信号成分)が出力され、他方から直交信号成分(Q信号成分)が出力される。なお、受信ミキサ30の後段に設けられたLPF(ローパスフィルタ)36,38により、同相信号成分および直交信号成分の各々の高周波数成分がカットされ、検波後の必要な帯域のみの復調信号が抽出される。LPF36,38から出力される復調信号は、FFT処理部50へ出力される。   The π / 2 shift circuit 26 is a circuit that shifts the phase of the delayed FM continuous wave by π / 2. As a result, an in-phase signal component (I signal component) is output from one of the two mixers 32 and 34, and a quadrature signal component (Q signal component) is output from the other. Note that high-frequency components of the in-phase signal component and the quadrature signal component are cut by LPFs (low-pass filters) 36 and 38 provided at the subsequent stage of the receiving mixer 30, and a demodulated signal of only a necessary band after detection is obtained. Extracted. Demodulated signals output from the LPFs 36 and 38 are output to the FFT processing unit 50.

FFT処理部(高速フーリエ変換処理部)50は、復調信号(同相信号成分および直交信号成分)の各々に対してFFT演算を実行する。その結果、FFT処理部50において復調信号が周波数スペクトラムに変換される。なお、FFT処理部50から出力される周波数スペクトラムは、回路の設定条件などにより周波数分解能δfの周波数スペクトラムデータとして出力される。   The FFT processing unit (fast Fourier transform processing unit) 50 performs an FFT operation on each demodulated signal (in-phase signal component and quadrature signal component). As a result, the demodulated signal is converted into a frequency spectrum in the FFT processing unit 50. The frequency spectrum output from the FFT processing unit 50 is output as frequency spectrum data having a frequency resolution δf depending on circuit setting conditions and the like.

ドプラ情報解析部52は、周波数スペクトラムに変換された復調信号からドプラ信号を抽出する。後に詳述するが、図1の超音波診断装置では、遅延回路25における遅延処理により目標位置が設定され、ドプラ情報解析部52において目標位置からのドプラ信号が選択的に抽出される。ドプラ情報解析部52は、例えば、時間的に変化するドプラ信号の表示波形を形成する。なお、生体内の各深さ(各位置)ごとにドプラ信号を抽出して、例えば、超音波ビーム(音線)上の各深さごとに生体内組織の速度を算出し、リアルタイムで出力してもよい。また、超音波ビームを走査させて二次元的あるいは三次元的に生体内組織の各位置の速度を算出してもよい。   The Doppler information analysis unit 52 extracts a Doppler signal from the demodulated signal converted into a frequency spectrum. As will be described in detail later, in the ultrasonic diagnostic apparatus of FIG. 1, a target position is set by delay processing in the delay circuit 25, and a Doppler information analysis unit 52 selectively extracts a Doppler signal from the target position. For example, the Doppler information analysis unit 52 forms a display waveform of a Doppler signal that changes with time. In addition, Doppler signals are extracted for each depth (each position) in the living body, and for example, the velocity of the tissue in the living body is calculated for each depth on the ultrasonic beam (sound ray) and output in real time. May be. Alternatively, the velocity of each position of the in-vivo tissue may be calculated two-dimensionally or three-dimensionally by scanning an ultrasonic beam.

表示部54は、ドプラ情報解析部52において形成されたドプラ信号の波形などを表示する。なお、図1に示す超音波診断装置内の各部は、システム制御部60によって制御される。つまり、システム制御部60は、送信制御や受信制御や表示制御などを行う。   The display unit 54 displays the waveform of the Doppler signal formed in the Doppler information analysis unit 52. Each unit in the ultrasonic diagnostic apparatus shown in FIG. 1 is controlled by the system control unit 60. That is, the system control unit 60 performs transmission control, reception control, display control, and the like.

以上、概説したように、図1の超音波診断装置では、連続波(CW)を変調波でFM変調した超音波(FMCW波)を送受波して受信信号が得られて、目標位置からのドプラ情報が選択的に抽出される。さらに、参照信号に関する周波数変調処理における変調の強さが調整されて、復調信号に含まれる不要波成分が低減される。そこで、目標位置からのドプラ情報が選択的に抽出される位置選択性と不要波成分の低減について以下に詳述する。なお、図1に示した部分(構成)については、以下の説明においても図1の符号を利用する。   As outlined above, in the ultrasonic diagnostic apparatus of FIG. 1, a reception signal is obtained by transmitting and receiving an ultrasonic wave (FMCW wave) obtained by FM-modulating a continuous wave (CW) with a modulated wave. Doppler information is selectively extracted. Further, the intensity of modulation in the frequency modulation processing related to the reference signal is adjusted, and unnecessary wave components included in the demodulated signal are reduced. Therefore, the position selectivity from which Doppler information from the target position is selectively extracted and the reduction of unnecessary wave components will be described in detail below. In addition, about the part (structure) shown in FIG. 1, the code | symbol of FIG. 1 is utilized also in the following description.

<位置選択性について>
周波数fのRF波(搬送波)に対して、周波数fの正弦波によりFM変調を施したFMCW送信波は次式のように表現できる。
<About position selectivity>
RF wave of a frequency f 0 with respect to (a carrier wave), FMCW transmission wave subjected to FM modulation by a sine wave of a frequency f m can be expressed by the following equation.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

数1式において、Δfは周波数変動幅の0−P値(ゼロピーク値:最大周波数偏移)であり、最大周波数偏移Δfと変調周波数fの比であるβはFMの変調度(変調指数)である。 In equation (1), Delta] f is 0-P value of the frequency fluctuation range is (zero peak value maximum frequency shift), is the ratio of the maximum frequency deviation Delta] f and the modulation frequency f m beta is FM modulation factor (modulation index ).

また、ドプラシフトを伴う場合のFMCW受信波は、生体における往復の減衰をαとすると次式で表現できる。   In addition, the FMCW received wave with Doppler shift can be expressed by the following equation, where α is a round-trip attenuation in the living body.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

なお、数2式においてfに対するドプラシフトは、fのシフト分fに比較して小さいので無視している。 Incidentally, the Doppler shift with respect to f m in equation (2) is ignored so small compared to the shift amount f d of f 0.

図2は、周波数変調処理された送信波と受信波を説明するための図である。図2(a)は、FMCW送信波(送信信号)の波形(数1式参照)を示しており、横軸が時間軸であり縦軸が振幅である。また、図2(b)は、FMCW送信波(送信信号)とFMCW受信波(受信信号)の各々についての瞬時周波数変化を示している。図2(b)の横軸は時間軸であり縦軸は周波数(瞬時周波数)である。なお、図2(a)と図2(b)の時間軸は互いに揃えられている。   FIG. 2 is a diagram for explaining a transmission wave and a reception wave subjected to frequency modulation processing. FIG. 2A shows the waveform of the FMCW transmission wave (transmission signal) (see Equation 1), where the horizontal axis is the time axis and the vertical axis is the amplitude. FIG. 2B shows the instantaneous frequency change for each of the FMCW transmission wave (transmission signal) and the FMCW reception wave (reception signal). In FIG. 2B, the horizontal axis is the time axis, and the vertical axis is the frequency (instantaneous frequency). Note that the time axes of FIG. 2A and FIG. 2B are aligned with each other.

図2(b)に示されるように、送信信号(破線)は、周期T=1/fで周波数を変化させた連続波となっている。また、受信信号(実線)は、送信信号から、位相角でφだけ遅れている。なお、図2(b)においては、数2式で示した受信信号の減衰やドプラシフトを省略している。 As shown in FIG. 2 (b), the transmission signal (broken line) has a continuous wave of varying frequency at a period T m = 1 / f m. Further, the received signal (solid line) is delayed by φ m in phase angle from the transmitted signal. In FIG. 2B, the received signal attenuation and Doppler shift shown in Equation 2 are omitted.

数2式で表される受信波形は、超音波振動子を介して受信される信号波形(受信RF信号)である。FMCWドプラでは、受信RF信号に対する復調処理において、FMCW送信波を参照信号として受信波と乗算を行う。図1を利用して説明したように、第1FM変調器21から出力されるFM連続波と同様な処理により形成されたFM連続波が第2FM変調器22から出力された後に遅延回路25において遅延処理され、参照信号として、ミキサ32には遅延処理されたFM連続波が直接供給され、一方、ミキサ34には遅延処理されたFM連続波がπ/2シフト回路26を経由して供給される。したがって、ミキサ32へ供給される参照信号vrI(t)と、ミキサ34へ供給される参照信号vrQ(t)は次式のように表現できる。 The received waveform represented by the equation 2 is a signal waveform (received RF signal) received via the ultrasonic transducer. In the FMCW Doppler, in the demodulation process for the received RF signal, the received wave is multiplied with the FMCW transmission wave as a reference signal. As described with reference to FIG. 1, after the FM continuous wave formed by the same processing as the FM continuous wave output from the first FM modulator 21 is output from the second FM modulator 22, the delay is performed in the delay circuit 25. As a reference signal, the mixer 32 is directly supplied with the delayed FM continuous wave, while the mixer 34 is supplied with the delayed FM continuous wave via the π / 2 shift circuit 26. . Therefore, the reference signal v rI (t) supplied to the mixer 32 and the reference signal v rQ (t) supplied to the mixer 34 can be expressed by the following equations.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

数3式において、φmrは、遅延回路25における遅延処理により任意に設定できる参照信号の位相を示しており、φ0rは、任意に設定した参照信号の位相に対応して決まる搬送波の位相変化量を示している。 In Equation 3, φ mr represents the phase of the reference signal that can be arbitrarily set by the delay processing in the delay circuit 25, and φ 0r represents the phase change of the carrier wave determined in accordance with the phase of the arbitrarily set reference signal Indicates the amount.

受信ミキサ30では、復調処理として直交検波が行われる。つまり、ミキサ32において、受信RF信号v(t)と参照信号vrI(t)の乗算に相当する処理が実行され、また、ミキサ34において、受信RF信号v(t)と参照信号vrQ(t)の乗算に相当する処理が実行される。 In the receiving mixer 30, quadrature detection is performed as demodulation processing. That is, the mixer 32 executes a process corresponding to the multiplication of the received RF signal v R (t) and the reference signal v rI (t), and the mixer 34 receives the received RF signal v R (t) and the reference signal v. A process corresponding to the multiplication of rQ (t) is executed.

ミキサ32における受信RF信号v(t)と参照信号vrI(t)の乗算vDI(t)は次式のように表現される。なお、次式の計算途中において、周波数2fの成分が消去されている。これは、LPF36によって除去される。 The multiplication v DI (t) of the reception RF signal v R (t) and the reference signal v rI (t) in the mixer 32 is expressed by the following equation. Note that the component of the frequency 2f 0 is deleted during the calculation of the following equation. This is removed by the LPF 36.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

ここで、ベッセル関数に関する次の公式を利用する。   Here, the following formula for the Bessel function is used.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

数5式の公式を用いると、数4式はさらに次式のように計算される。   Using the formula of Formula 5, Formula 4 is further calculated as the following formula.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

一方、ミキサ34における受信RF信号v(t)と参照信号vrQ(t)の乗算vDQ(t)は次式のように表現される。なお、次式の計算途中において、周波数2fの成分が消去されている。これは、LPF38によって除去される。 On the other hand, the multiplication v DQ (t) of the reception RF signal v R (t) and the reference signal v rQ (t) in the mixer 34 is expressed as follows. Note that the component of the frequency 2f 0 is deleted during the calculation of the following equation. This is removed by the LPF 38.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

ここで、数6式のvDI(t)と数7式のvDQ(t)とに基づいて、複素ベースバンド信号を定義する。まず、vDI(t)とvDQ(t)に含まれている直流(DC)成分、変調周波数fの偶数次高調波成分を次式のように表現する。 Here, a complex baseband signal is defined based on v DI (t) in Expression 6 and v DQ (t) in Expression 7. First, v DI (t) and v DC contained in the DQ (t) (DC) component, the even-order harmonics of the modulation frequency f m expressed by the following equation.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

次に、vDI(t)とvDQ(t)に含まれている変調周波数fの成分、変調周波数fの奇数次高調波成分を次式のように表現する。 Then, v DI (t) and v DQ (t) in the included components of the modulation frequency f m, expressed by the following equation odd harmonics component of the modulation frequency f m.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

数8式と数9式から、直交検波後のベースバンド信号において、ドプラシフトfを含んだドプラ信号は、DC成分と変調周波数fの成分と変調周波数fの高調波成分とからなる複数の成分の各々についての両側帯波として出現することがわかる。通信工学ではこの種の信号形式を両側帯波搬送波除去変調(Double-Sideband Suppressed-Carrier, DSB-SC)と呼んでいる。 More of the equation (8) and equation (9), in the baseband signal after the quadrature detection, Doppler signal containing Doppler shift f d is composed of a DC component as the modulation frequency f m and harmonic components of the modulation frequency f m It can be seen that it appears as a double sideband wave for each of the components. In communications engineering, this type of signal format is called Double-Sideband Suppressed-Carrier (DSB-SC).

ここで、受信信号と参照信号の位相を互いに揃えた場合、つまり、遅延回路25における遅延処理によりφmrを調整してφと一致させた場合(φmr=φ)を考える。φmrとφを一致させた場合には、数4式におけるkが0となる。この結果を数5式のベッセル関数に適用すると、次式のように、0次のベッセル関数の値のみが1となり、それ以外のベッセル関数の値は0となる。 Here, consider the case where the phases of the received signal and the reference signal are aligned with each other, that is, the case where φ mr is adjusted by delay processing in the delay circuit 25 so as to coincide with φ mmr = φ m ). When φ mr and φ m are matched, k in Equation 4 is 0. When this result is applied to the Bessel function of Equation 5, only the value of the 0th-order Bessel function is 1 and the values of the other Bessel functions are 0, as shown in the following equation.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

数10式に示す結果を数8式と数9式に適用すると次式のとおりとなる。   When the result shown in Equation 10 is applied to Equation 8 and Equation 9, the following equation is obtained.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

数11式は、参照波(参照信号)の位相φmrを送受信間の位相差φに設定すると、圧縮変換により、DC成分(直流信号成分)に対応したドプラ信号のみが抽出できることを示している。その結果として得られる複素ドプラ周波数fの値と極性は、血流などの流体の速度とその極性を表わしている。また、ドプラ信号の振幅は、搬送波および参照波の位相に依存しないこともわかる。 Equation 11 shows that if the phase φ mr of the reference wave (reference signal) is set to the phase difference φ m between transmission and reception, only the Doppler signal corresponding to the DC component (DC signal component) can be extracted by compression conversion. Yes. The value and the polarity of the resulting complex Doppler frequency f d represents the speed and the polarity of the fluid, such as blood flow. It can also be seen that the amplitude of the Doppler signal does not depend on the phase of the carrier wave and the reference wave.

この事実は以下のように解釈することもできる。図1における遅延回路25は、参照波(参照信号)における変調波の位相φmrを、送受信間の変調波の位相差φに設定する役目を持っている。しかし、この遅延回路25は変調波の位相ばかりでなく、搬送波の位相も同時に変化させる。この値がφ0rである。搬送波の位相は、参照波における変調波の位相φmrに応じて変化するので、送受信間の変調波の位相差に応じた特定の値に定めることができない。しかし、数11式に示されているように、φ0rは、φと同様に、どんな値になろうとも、直交検波する限りは、ドプラ信号の振幅、周波数およびその極性に影響を与えない。 This fact can also be interpreted as follows. The delay circuit 25 in FIG. 1 serves to set the phase φ mr of the modulated wave in the reference wave (reference signal) to the phase difference φ m of the modulated wave between transmission and reception. However, the delay circuit 25 changes not only the phase of the modulated wave but also the phase of the carrier wave. This value is φ0r . Since the phase of the carrier wave changes according to the phase φ mr of the modulated wave in the reference wave, it cannot be set to a specific value corresponding to the phase difference of the modulated wave between transmission and reception. However, as shown in Equation 11, φ 0r does not affect the amplitude, frequency, and polarity of the Doppler signal as long as quadrature detection is performed, regardless of the value, as in φ 0. .

そのため、例えば、変調信号(変調波)のみを目標位置の深さに応じた遅延量だけ遅延処理して遅延変調信号を形成し、その遅延変調信号を用いて搬送波信号を変調処理することにより参照信号を形成し、その参照信号とπ/2だけ位相をずらした参照信号とを用いて復調処理を施すようにしてもよい。   Therefore, for example, only the modulation signal (modulation wave) is delayed by a delay amount corresponding to the depth of the target position to form a delay modulation signal, and the carrier signal is modulated using the delay modulation signal. A signal may be formed and demodulated using the reference signal and a reference signal shifted in phase by π / 2.

そして、図1の超音波診断装置においては、以下に説明するように、PWドプラ(パルスドプラ)と同様に特定位置のドプラ情報をCWドプラと類似の比較的良好なSNRで得ることができる。数6式から数9式において、ドプラ信号の振幅を支配するJ(kβ)の因数であるkβについて考察する。数4式におけるkの定義からkβは次式のように表現できる。 In the ultrasonic diagnostic apparatus of FIG. 1, as described below, Doppler information at a specific position can be obtained with a relatively good SNR similar to that of CW Doppler, similarly to PW Doppler (pulse Doppler). In Equation 6 to Equation 9, kβ that is a factor of J 0 (kβ) that controls the amplitude of the Doppler signal will be considered. From the definition of k in Equation 4, kβ can be expressed as follows.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

数12式は、kβが深さdに依存して正弦波状に変化することを意味している。   Equation 12 means that kβ changes in a sine wave shape depending on the depth d.

図3は、kβが深さdに依存して正弦波状に変化する様子を示す図である。第1次ベッセル関数の性質により、kβが0のときにJ(kβ)が最大値となる。図3において実線で示されるkβの波形は、体表からの深さdが正の範囲において0となる深さが3箇所ある。これら3箇所の深さから得られるドプラ信号の振幅が最大となることを意味している。 FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which kβ changes in a sine wave shape depending on the depth d. Due to the nature of the first-order Bessel function, when kβ is 0, J 0 (kβ) becomes the maximum value. In the waveform of kβ indicated by a solid line in FIG. 3, there are three depths where the depth d from the body surface is 0 in the positive range. This means that the amplitude of the Doppler signal obtained from these three depths is maximized.

数12式などから、目的とする深さからの受信信号の位相φと、参照波の位相φmrとを一致させるとkβを0とすることができ、kβが0となる深さにおいてJ(kβ)が最大となりドプラ信号の振幅が最大となる。つまり、遅延回路25において、目的とする深さからの受信信号の位相φと参照波の位相φmrを一致させることにより、目的とする深さからのドプラ信号の振幅が最大となるようにして、そのドプラ信号を選択的に抽出することができる。 From Equation 12, etc., if the phase φ m of the received signal from the target depth matches the phase φ mr of the reference wave, kβ can be set to 0, and at a depth at which kβ becomes 0, J 0 (kβ) is maximized and the amplitude of the Doppler signal is maximized. That is, in the delay circuit 25, the phase φ m of the received signal from the target depth is matched with the phase φ mr of the reference wave so that the amplitude of the Doppler signal from the target depth is maximized. Thus, the Doppler signal can be selectively extracted.

以上のように、ドプラ信号が選択的に抽出される目標位置は、遅延回路25における遅延処理に基づいて決定される。図1のシステム制御部60は、目標位置の深さに応じて遅延回路25における遅延時間を制御する。   As described above, the target position from which the Doppler signal is selectively extracted is determined based on the delay processing in the delay circuit 25. The system control unit 60 in FIG. 1 controls the delay time in the delay circuit 25 according to the depth of the target position.

さらに、図1の超音波診断装置では、周波数変調の影響に伴うドプラ信号の不要波成分が低減され、必要とされるドプラ信号が抽出される。そこで、周波数変調に伴う不要波成分と、その不要波成分の低減について以下に詳述する。なお、図1に示した部分(構成)については、以下の説明においても図1の符号を利用する。   Further, in the ultrasonic diagnostic apparatus of FIG. 1, the unnecessary wave component of the Doppler signal due to the influence of frequency modulation is reduced, and the required Doppler signal is extracted. Therefore, the unnecessary wave component accompanying frequency modulation and the reduction of the unnecessary wave component will be described in detail below. In addition, about the part (structure) shown in FIG. 1, the code | symbol of FIG. 1 is utilized also in the following description.

<周波数変調に伴う不要波成分について>
ドプラ法の基本原理において、移動体(例えば血流)に関するドプラ周波数(ドプラシフト周波数)は、計測に利用される超音波の周波数と移動体の速度に比例する。図1の超音波診断装置においては、FM連続波を利用しており、FM連続波は、図2において説明したように、周波数(瞬時周波数)が周期的に変化している。そのため、移動体の速度が一定の場合においても、FM連続波を利用してその移動体のドプラ周波数を計測すると、FM連続波の周期性に伴ってドプラ周波数が周期的に変動する。
<Unwanted wave components accompanying frequency modulation>
In the basic principle of the Doppler method, the Doppler frequency (Doppler shift frequency) relating to the moving body (for example, blood flow) is proportional to the frequency of the ultrasonic wave used for measurement and the speed of the moving body. The ultrasonic diagnostic apparatus in FIG. 1 uses an FM continuous wave, and the frequency (instantaneous frequency) of the FM continuous wave changes periodically as described in FIG. Therefore, even when the speed of the moving body is constant, if the Doppler frequency of the moving body is measured using the FM continuous wave, the Doppler frequency periodically varies with the periodicity of the FM continuous wave.

図4は、FM連続波の周期性がドプラ周波数へ与える影響を説明する図である。図4には、ドプラシフトの影響を受けていないFM連続波70と、ドプラシフトの影響を受けたFM連続波72が図示されている。なお、図4の横軸は時間軸であり、図4の縦軸にはFM連続波70,72の瞬時周波数が示されている。   FIG. 4 is a diagram for explaining the influence of the periodicity of the FM continuous wave on the Doppler frequency. FIG. 4 shows an FM continuous wave 70 not affected by the Doppler shift and an FM continuous wave 72 affected by the Doppler shift. 4 is the time axis, and the vertical axis of FIG. 4 shows the instantaneous frequencies of the FM continuous waves 70 and 72.

図1の超音波診断装置における超音波の送信信号は、その瞬時周波数がFM連続波70のように周期的に正弦波状に変化する。そのため、移動体の速度が一定の場合においてもドプラシフトが周期的に変化し、その結果としてFM連続波72のような波形が得られる。つまり、FM連続波70の瞬時周波数が低い(小さい)時刻においては、比較的小さいドプラ周波数fdLとなり、FM連続波70の瞬時周波数が高い(大きい)時刻においては、比較的大きいドプラ周波数fdHとなる。 The instantaneous transmission frequency of the ultrasonic transmission signal in the ultrasonic diagnostic apparatus of FIG. 1 periodically changes into a sine wave like an FM continuous wave 70. Therefore, even when the speed of the moving body is constant, the Doppler shift periodically changes, and as a result, a waveform like the FM continuous wave 72 is obtained. That is, at a time when the instantaneous frequency of the FM continuous wave 70 is low (small), the Doppler frequency f dL is relatively small, and at a time when the instantaneous frequency of the FM continuous wave 70 is high (large), a relatively large Doppler frequency f dH is obtained. It becomes.

このように、FM連続波70を利用して得られるドプラ周波数の変動は、FM連続波70の周期性に対応した周期的なものとなる。特に、移動体の速度が大きい場合には、ドプラ周波数fdLとドプラ周波数fdHの差も大きくなり、ドプラ周波数の周期性が比較的顕著になる。一方、移動体の速度が小さい場合にはドプラ周波数fdLとドプラ周波数fdHの差が小さくなり、ドプラ周波数の周期性が比較的目立たなくなる。 As described above, the Doppler frequency fluctuation obtained by using the FM continuous wave 70 is periodic corresponding to the periodicity of the FM continuous wave 70. In particular, when the speed of the moving body is high, the difference between the Doppler frequency f dL and the Doppler frequency f dH also increases, and the periodicity of the Doppler frequency becomes relatively significant. On the other hand, when the speed of the moving body is low, the difference between the Doppler frequency f dL and the Doppler frequency f dH becomes small, and the periodicity of the Doppler frequency becomes relatively inconspicuous.

図1の超音波診断装置における超音波の送信信号は、周波数fのRF波(搬送波)に対して、周波数fの正弦波によりFM変調を施したFMCW送信波であり、その信号は前述の数1式のとおりである。その送信信号(FMCW送信波)の瞬時角周波数は、数1式の位相項を時間微分して次式のように表現される。 Ultrasonic transmission signal in the ultrasonic diagnostic apparatus of Figure 1, RF wave of a frequency f 0 with respect to (a carrier wave), a FMCW transmission wave subjected to FM modulation by a sine wave of a frequency f m, the signal is above It is as the number 1 formula. The instantaneous angular frequency of the transmission signal (FMCW transmission wave) is expressed as follows by differentiating the phase term of Equation 1 with respect to time.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

ここで、ドプラシフトを音速(超音波の速度)cと移動体の速度vの比だけ、瞬時周波数が変化する量として定義する。この場合、相対速度vに対するドプラ周波数変化は往復で速度2vとして次式で表現される。   Here, the Doppler shift is defined as the amount of change in the instantaneous frequency by the ratio of the sound speed (ultrasonic speed) c and the speed v of the moving object. In this case, the change in Doppler frequency with respect to the relative speed v is expressed by the following equation as a speed 2v in a reciprocating manner.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

数14式で表現されるドプラ周波数変化を瞬時位相に変換すると次式となる。   When the Doppler frequency change expressed by Equation 14 is converted into an instantaneous phase, the following equation is obtained.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

数15式で表現される瞬時位相は、移動体からの受信波の瞬時位相に対して、初項で表現される搬送波fによるドプラシフトに加え、第2項で表現される変調波によるドプラシフトが追加されることを意味している。なお、第3項は積分定数であり、ドプラ周波数の位相を意味する。一般に、血流などの速度計測では、ドプラ周波数の位相情報までは必要としない。また、時間的に変化しない位相成分であるため、速度計測において物理的に大きな意味を含んでいないと考える。 In addition to the Doppler shift by the carrier wave f 0 expressed by the first term, the Doppler shift by the modulated wave expressed by the second term is applied to the instantaneous phase expressed by the equation (15). It means to be added. The third term is an integration constant, which means the phase of the Doppler frequency. In general, velocity information such as blood flow does not require phase information of Doppler frequency. Further, since it is a phase component that does not change with time, it is considered that it does not have a physically significant meaning in speed measurement.

受信波は、送受信時間差(目標位置までの往復の伝播時間)τだけ送信波よりも遅れて到着するため、送受信時間差τを考慮すると、受信波は次式のように表現される。   Since the received wave arrives later than the transmitted wave by the transmission / reception time difference (round-trip propagation time to the target position) τ, the received wave is expressed as follows in consideration of the transmission / reception time difference τ.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

受信ミキサ30では、送信波に実質的に同じ波形の参照波(参照信号)と受信波との乗算(次式)に相当する処理が実行される。   In the reception mixer 30, processing corresponding to multiplication of the reference wave (reference signal) having substantially the same waveform as the transmission wave by the reception wave (the following equation) is executed.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

数17式から2fの周波数成分をローパスフィルタで除去すると、受信ミキサ30の出力(例えばLPF36の出力)は次式のように表現することができる。 When the frequency component of 2f 0 is removed by the low-pass filter from Equation 17, the output of the reception mixer 30 (for example, the output of the LPF 36) can be expressed as the following equation.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

数18式の結果について、さらに計算を進めると、次式のようになる。   When the calculation is further advanced with respect to the result of Expression 18, the following expression is obtained.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

数19式は、ドプラ信号が、新たに定義された変調度β´(数18式参照)と変調周波数fにより周波数変調された信号に等しいことを意味している。 The Formula 19, the Doppler signal, which means that equal to the frequency-modulated signal by the newly defined modulation β'(see number 18 formula) modulation frequency f m.

図5は、周波数変調の影響を受けたドプラ信号を説明するための図であり、図5には、数19式に対応したドプラ信号の周波数スペクトラムが示されている。なお、図5の横軸は周波数であり縦軸は電力である。   FIG. 5 is a diagram for explaining the Doppler signal affected by the frequency modulation. FIG. 5 shows the frequency spectrum of the Doppler signal corresponding to Equation (19). In FIG. 5, the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents power.

図5や数19式に示されるように、変調信号の影響を受けたドプラ信号には、変調周波数fのゼロ次成分である直流成分J(β´)に加え、1次成分J(β´),2次成分J(β´),3次成分J(β´),・・・の折り返し成分が含まれている。なお、直流成分は周波数0からドプラ周波数fだけ離れた位置に現れており、1次成分は周波数fからドプラ周波数fだけ離れた位置に現れており、2次成分は周波数2fからドプラ周波数fだけ離れた位置に現れている。 Figure 5 and as shown in Formula 19, the Doppler signal affected by the modulation signal, in addition to the modulation frequency f m direct current component J 0 is a zero-order component of (.beta. '), 1-order component J 1 (Β ′), secondary components J 2 (β ′), tertiary components J 3 (β ′),... Are included. Note that the DC component is emerging from the frequency 0 to a position spaced Doppler frequency f d, 1-order component is emerging from the frequency f m to a position spaced Doppler frequency f d, 2-order component from the frequency 2f m appearing in a position spaced apart by the Doppler frequency f d.

図6は、周波数変調の影響を受けたドプラ信号の時間変化波形を示す図であり、図5の周波数スペクトラムの時間変化を示している。つまり、図6には、ドプラ信号の直流成分と1次成分(−1次成分)と2次成分の各々についての時間変化波形が示されている。横軸に示す時間の経過に伴って測定対象である血流などの速度が変化すると、速度の変化に応じてドプラ周波数fも変化する。そのため、図6に示す各成分の波形は、横軸に示す時間の経過に従って縦軸に示す周波数方向に変化している。 FIG. 6 is a diagram showing a time-varying waveform of a Doppler signal affected by frequency modulation, and shows a time-varying frequency spectrum of FIG. That is, FIG. 6 shows a time-varying waveform for each of the DC component, the primary component (−1st-order component), and the secondary component of the Doppler signal. When the speed of such blood flow to be measured with the lapse of time shown in the horizontal axis changes, so does the Doppler frequency f d in accordance with a change in velocity. Therefore, the waveform of each component shown in FIG. 6 changes in the frequency direction shown on the vertical axis as time passes on the horizontal axis.

図1の超音波診断装置では、必要とされるドプラ信号として、ゼロ次成分である直流成分を抽出する。そのため、折り返し成分である1次成分,2次成分,3次成分,・・・を不要波成分として、これら不要波成分が低減される。   In the ultrasonic diagnostic apparatus of FIG. 1, a DC component that is a zero-order component is extracted as a required Doppler signal. Therefore, these unnecessary wave components are reduced by using the primary component, the secondary component, the tertiary component,.

<不要波成分の低減について>
数19式に示したように、ドプラ信号が、変調度βから変化した変調度β´により周波数変調された信号となるため、折り返し成分である1次成分,2次成分,3次成分・・・が出現する。そこで、送受信間の変調度の変化だけ、参照信号に関する変調度を予めずらすことにより、不要波成分である1次成分,2次成分,3次成分等を低減する、望ましくは完全に除去する手法を検討した。
<About reduction of unnecessary wave components>
As shown in Equation 19, since the Doppler signal is a signal frequency-modulated by the modulation factor β ′ changed from the modulation factor β, the primary component, the secondary component, the tertiary component,.・ Appears. In view of this, a method of reducing, preferably completely removing, the primary component, the secondary component, the tertiary component, and the like, which are unnecessary wave components, by shifting the modulation factor related to the reference signal in advance by the change in the modulation factor between transmission and reception. It was investigated.

まず、送信波であるFM連続波の変調度をΔβだけ変化させた参照信号を次式とする。次式の参照信号は、第2FM変調器22において形成される。   First, a reference signal obtained by changing the modulation degree of an FM continuous wave as a transmission wave by Δβ is represented by the following equation. A reference signal of the following formula is formed in the second FM modulator 22.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

ドプラシフトを受けた受信信号は、数16式により表現されている。受信ミキサ30における乗算結果の出力は、参照信号と受信信号を乗算した結果として、次式のように計算される。   The received signal that has undergone Doppler shift is expressed by Equation 16. The output of the multiplication result in the reception mixer 30 is calculated by the following equation as a result of multiplying the reference signal and the reception signal.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

数21式から2fの周波数成分をローパスフィルタで除去すると、受信ミキサ30の出力(例えばLPF36の出力)は次式のように表現することができる。 When the frequency component of 2f 0 is removed by the low-pass filter from Equation 21, the output of the reception mixer 30 (for example, the output of the LPF 36) can be expressed as the following equation.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

数22式の結果は、各周波数ωの変調信号により、変調度(β´−Δβ)で周波数変調された信号を示している。数22式におけるΔβは、参照信号に関する変調度の変化分である(数20式参照)。このΔβを次式のように調整することにより、数22式の結果における周波数変調の項を0とすることができる。 Number 22 Expression of results, by the modulation signals of each frequency omega m, shows a signal frequency-modulated by the modulation degree (β'-Δβ). Δβ in Equation 22 is a change in the degree of modulation related to the reference signal (see Equation 20). By adjusting this Δβ as the following equation, the term of frequency modulation in the result of equation 22 can be made zero.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

そして、数23式のようにΔβを調整することにより、周波数変調されていないベースバンド帯(復調信号)の次式で表されるドプラ信号を得ることができる。   Then, by adjusting Δβ as shown in Expression 23, a Doppler signal represented by the following expression of a baseband (demodulated signal) that is not frequency-modulated can be obtained.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

このように、第2FM変調器22における変調度(β+Δβ)に含まれるΔβを調整することにより、復調信号のドプラ信号に含まれていた1次成分,2次成分,3次成分等の不要波成分を低減する、望ましくは完全に除去することが可能になる。   In this way, by adjusting Δβ included in the modulation degree (β + Δβ) in the second FM modulator 22, unnecessary waves such as a primary component, a secondary component, and a tertiary component included in the Doppler signal of the demodulated signal are obtained. The components can be reduced, preferably completely removed.

図7は、変調度の調整による不要波成分の低減を説明するための図である。図7(A)は、横軸を時間軸として、送信信号82とドプラシフトを受けた受信信号84と変調度を調整された参照信号90に関する瞬時周波数(各周波数)の時間変化を示している。   FIG. 7 is a diagram for explaining the reduction of unnecessary wave components by adjusting the modulation degree. FIG. 7A shows temporal changes in the instantaneous frequency (each frequency) related to the transmission signal 82, the received signal 84 that has undergone Doppler shift, and the reference signal 90 whose modulation degree is adjusted, with the horizontal axis as the time axis.

図4を利用して説明したように、FM連続波70の瞬時周波数が低い(小さい)時刻においては、比較的小さいドプラ周波数fdLとなり、FM連続波70の瞬時周波数が高い(大きい)時刻においては、比較的大きいドプラ周波数fdHとなる。 As described with reference to FIG. 4, at the time when the instantaneous frequency of the FM continuous wave 70 is low (small), the Doppler frequency f dL becomes relatively small, and at the time when the instantaneous frequency of the FM continuous wave 70 is high (large). Becomes a relatively large Doppler frequency f dH .

図7においても、送信信号82の瞬時周波数が低い(小さい)時刻においては、受信信号84のドプラシフトが比較的小さくなり、送信信号82の瞬時周波数が高い(大きい)時刻においては、受信信号84のドプラシフトが比較的大きくなる。例えば、送信信号82に関する瞬時周波数の極大値は(ω+Δω)であり、この値に対応した受信信号84の極大値は(ω+Δω)+(ω+Δω)となる。一方、送信信号82に関する瞬時周波数の極小値は(ω−Δω)であり、この値に対応した受信信号84の極小値は(ω−Δω)+(ω−Δω)となる。なお、ΔωはΔωに伴うドプラシフト成分であり、次式のように定義される。 Also in FIG. 7, the Doppler shift of the reception signal 84 becomes relatively small at a time when the instantaneous frequency of the transmission signal 82 is low (small), and at the time when the instantaneous frequency of the transmission signal 82 is high (large), Doppler shift becomes relatively large. For example, the maximum value of the instantaneous frequency related to the transmission signal 82 is (ω 0 + Δω), and the maximum value of the reception signal 84 corresponding to this value is (ω 0 + Δω) + (ω d + Δω d ). On the other hand, the minimum value of the instantaneous frequency related to the transmission signal 82 is (ω 0 −Δω), and the minimum value of the reception signal 84 corresponding to this value is (ω 0 −Δω) + (ω d −Δω d ). Δω d is a Doppler shift component associated with Δω, and is defined as the following equation.

Figure 2011036506
Figure 2011036506

そこで、数20式に示したように変調度を変化させて、図7に示す参照信号90を形成する。例えば、ドプラシフトが正の場合には、送信信号82と比較して参照信号90の変調度をわずかに増加させる。これにより、参照信号90に関する瞬時周波数の極大値は送信信号82からΔωだけ増加し、参照信号90に関する瞬時周波数の極小値は送信信号82からΔωだけ減少する。 Therefore, the modulation degree is changed as shown in Equation 20, and the reference signal 90 shown in FIG. 7 is formed. For example, when the Doppler shift is positive, the modulation degree of the reference signal 90 is slightly increased as compared with the transmission signal 82. As a result, the maximum value of the instantaneous frequency related to the reference signal 90 increases from the transmission signal 82 by Δω d , and the minimum value of the instantaneous frequency related to the reference signal 90 decreases from the transmission signal 82 by Δω d .

図7(B)は、図7(A)と同じ時間軸上に、送信信号82と受信信号84の差信号(破線)と、参照信号90と受信信号84の差信号(一点鎖線)の時間変化を示している。図7(B)から、変調度を調整された参照信号90により、受信信号84との差信号、つまり乗算により得られる復調信号にドプラ周波数が時間に関係なく一定となることがわかる。   7B shows the time difference between the transmission signal 82 and the reception signal 84 (broken line) and the difference signal between the reference signal 90 and the reception signal 84 (dashed line) on the same time axis as FIG. 7A. It shows a change. From FIG. 7B, it can be seen that the Doppler frequency is constant regardless of the time of the difference signal from the received signal 84, that is, the demodulated signal obtained by multiplication, by the reference signal 90 with the modulation degree adjusted.

このように、参照信号の変調度を調整することにより、ドプラ信号が線スペクトルで表現される狭帯域の周波数帯に分布しているのであれば、不要波成分である1次成分,2次成分,3次成分等をほとんど除去することができる。しかし、例えば血流などから得られるドプラ周波数は、一般的に複数の周波数から構成されている。この場合に、不要波成分を完全に除去するためには、複数の周波数成分の各々に応じた参照信号を準備し、それぞれの周波数成分に合わせて変調度を調整すればよい。しかし、回路規模の制約などから、原理的な完全な除去が難しい場合も考えられる。そこで、現実的な不要波成分の除去の一例について説明する。   In this way, by adjusting the modulation degree of the reference signal, if the Doppler signal is distributed in a narrow frequency band expressed by a line spectrum, the primary component and the secondary component that are unnecessary wave components are used. , Tertiary components and the like can be almost removed. However, for example, the Doppler frequency obtained from blood flow or the like is generally composed of a plurality of frequencies. In this case, in order to completely remove unnecessary wave components, a reference signal corresponding to each of a plurality of frequency components may be prepared, and the modulation degree may be adjusted according to each frequency component. However, there may be cases where it is difficult to remove the principle completely due to restrictions on the circuit scale. Therefore, an example of realistic removal of unnecessary wave components will be described.

図8は、複数の周波数成分を含むドプラ信号の不要波成分の除去を示す図である。図6と同様に、図8には、ドプラ信号の直流成分と1次成分(−1次成分)と2次成分の各々についての時間変化波形が示されている。   FIG. 8 is a diagram illustrating removal of unnecessary wave components from a Doppler signal including a plurality of frequency components. Similar to FIG. 6, FIG. 8 shows time-varying waveforms for each of the DC component, primary component (−1st-order component), and secondary component of the Doppler signal.

図8においては、縦軸に示される複数の周波数成分のうち、ドプラシフトvに対応した周波数成分に合わせて変調度を調整している。この周波数成分は、例えば、複数の周波数成分のうちで最も電力の大きい成分である。例えば、図8に対応した画像が表示部54(図1)に表示され、電力の大きさに応じて輝度が調整されたその画像から、ユーザが最も電力の大きい周波数成分を特定する。さらに、ユーザは、つまみ等の操作デバイスを利用して、不要波成分ができる限り小さくなるように、変調度の大きさを調整する。これにより、図6と比較して、図8に示すように、不要波成分である1次成分(−1次成分)と2次成分を低減することができる。 In Figure 8, among the plurality of frequency components shown on the vertical axis, to adjust the modulation index according to the frequency components corresponding to the Doppler shift v d. This frequency component is, for example, the component having the largest power among the plurality of frequency components. For example, an image corresponding to FIG. 8 is displayed on the display unit 54 (FIG. 1), and the user specifies the frequency component with the highest power from the image whose luminance is adjusted according to the power level. Further, the user adjusts the degree of modulation using an operation device such as a knob so that the unwanted wave component is as small as possible. Thereby, compared with FIG. 6, as shown in FIG. 8, the primary component (-1st order component) and secondary component which are unnecessary wave components can be reduced.

また、ユーザが特定したドプラシフトvに基づいて、図1の超音波診断装置が、ドプラシフトvに対応する速度vから数23式を利用して、Δβ=2vβ/c(cは超音波の伝搬速度)となるように、参照信号の変調度(β+Δβ)を調整してもよい。 Further, based on the Doppler shift v d specified by the user, the ultrasonic diagnostic apparatus of FIG. 1 uses the equation (23) from the velocity v corresponding to the Doppler shift v d to obtain Δβ = 2vβ / c (c is the ultrasonic wave). The modulation degree (β + Δβ) of the reference signal may be adjusted so as to be (propagation speed).

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した本発明の好適な実施形態等は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。   The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the above-described preferred embodiments of the present invention are merely examples in all respects, and do not limit the scope of the present invention. The present invention includes various modifications without departing from the essence thereof.

21 第1FM変調器、22 第2FM変調器、23 RF波発振器、24 変調波生成部、25 遅延回路、30 受信ミキサ、50 FFT処理部、52 ドプラ情報解析部。   21 first FM modulator, 22 second FM modulator, 23 RF wave oscillator, 24 modulation wave generator, 25 delay circuit, 30 reception mixer, 50 FFT processor, 52 Doppler information analyzer.

Claims (7)

搬送波信号を変調処理することにより得られる連続波の送信信号を出力する送信信号出力部と、
送信信号に対応した超音波の送信波を生体に送波してその送信波に伴う受信波を生体から受波することにより受信信号を得る送受波部と、
前記搬送波信号を変調処理することにより得られる参照信号を出力する参照信号出力部と、
生体内の目標位置との間の相関関係が調整された参照信号を用いて、受信信号に対して復調処理を施すことにより、当該目標位置に対応した復調信号を得る受信信号処理部と、
前記目標位置に対応した復調信号から生体内情報を抽出する生体内情報抽出部と、
を有し、
前記参照信号を得るための変調処理における変調の強さを調整することにより、前記目標位置に対応した復調信号に含まれる不要波成分を低減する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
A transmission signal output unit that outputs a continuous wave transmission signal obtained by modulating the carrier wave signal;
A transmission / reception unit for obtaining a reception signal by transmitting an ultrasonic transmission wave corresponding to the transmission signal to a living body and receiving a reception wave associated with the transmission wave from the living body;
A reference signal output unit that outputs a reference signal obtained by modulating the carrier wave signal;
A received signal processing unit that obtains a demodulated signal corresponding to the target position by performing a demodulation process on the received signal using a reference signal whose correlation with the target position in the living body is adjusted;
An in-vivo information extraction unit for extracting in-vivo information from the demodulated signal corresponding to the target position;
Have
By adjusting the intensity of modulation in the modulation process for obtaining the reference signal, the unnecessary wave component included in the demodulated signal corresponding to the target position is reduced.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
請求項1に記載の超音波診断装置において、
前記参照信号を得るための変調処理における変調度を増減させることにより前記変調の強さを調整する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 1,
Adjusting the intensity of the modulation by increasing or decreasing the degree of modulation in the modulation process for obtaining the reference signal;
An ultrasonic diagnostic apparatus.
請求項2に記載の超音波診断装置において、
前記参照信号の変調度を前記目標位置における動体の速度に応じて調整する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 2,
Adjusting the modulation degree of the reference signal according to the speed of the moving object at the target position;
An ultrasonic diagnostic apparatus.
請求項3に記載の超音波診断装置において、
前記参照信号の変調度を前記目標位置における動体の速度に対応した変調度とすることにより、前記目標位置に対応した復調信号に含まれる、直流成分と変調周波数の基本波成分と高調波成分のうち、前記不要波成分である基本波成分と高調波成分を低減する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 3.
By setting the modulation degree of the reference signal to a modulation degree corresponding to the speed of the moving object at the target position, the DC component, the fundamental component of the modulation frequency, and the harmonic component included in the demodulated signal corresponding to the target position Among them, the fundamental wave component and the harmonic component which are the unnecessary wave components are reduced.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
請求項1から4のいずれか1項に記載の超音波診断装置において、
前記送信信号出力部は、搬送波信号を周波数変調処理することにより得られる連続波の送信信号を出力し、
前記参照信号出力部は、当該搬送波信号を周波数変調処理することにより得られる参照信号を出力する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
In the ultrasonic diagnostic apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The transmission signal output unit outputs a continuous wave transmission signal obtained by subjecting a carrier wave signal to frequency modulation processing,
The reference signal output unit outputs a reference signal obtained by frequency-modulating the carrier signal.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
請求項5に記載の超音波診断装置において、
前記送信信号出力部は、変調信号を用いて搬送波信号を変調度βで周波数変調処理することにより連続波の送信信号を形成し、
前記参照信号出力部は、当該変調信号を用いて当該搬送波信号を変調度(β+Δβ)で周波数変調処理することにより参照信号を形成する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 5,
The transmission signal output unit forms a continuous wave transmission signal by frequency-modulating the carrier signal with a modulation factor β using the modulation signal,
The reference signal output unit forms a reference signal by frequency-modulating the carrier signal with a modulation degree (β + Δβ) using the modulation signal.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
請求項6に記載の超音波診断装置において、
前記目標位置における動体の速度vに応じて、Δβ=2vβ/c(cは超音波の伝搬速度)となるように、前記参照信号の変調度(β+Δβ)を調整する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 6,
The modulation degree (β + Δβ) of the reference signal is adjusted so that Δβ = 2vβ / c (c is the ultrasonic wave propagation velocity) according to the velocity v of the moving body at the target position.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
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