JP2012095896A - Ultrasonic diagnostic apparatus - Google Patents
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Abstract
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
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。本願の発明者らは、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ドプラ情報等の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
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ドプラ情報を抽出する技術において、必要とされるドプラ情報を適切に抽出することにある。 The present invention has been made in such a background, and an object of the present invention is to appropriately extract necessary Doppler information in a technique for extracting Doppler information from a target position using a continuous wave. is there.
上記目的にかなう好適な超音波診断装置は、変調周波数に応じて周期的に周波数を変化させた連続波の送信信号を出力する送信信号処理部と、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、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、復調信号の周波数スペクトラムの中から信号の強度が最大となる最大スペクトラムを特定し、復調信号の中から当該最大スペクトラムを含んだ信号成分をドプラ信号として抽出するドプラ情報抽出部と、を有することを特徴とする。 An ultrasonic diagnostic apparatus suitable for the above object includes a transmission signal processing unit that outputs a continuous wave transmission signal whose frequency is periodically changed according to a modulation frequency, and an ultrasonic transmission wave corresponding to the transmission signal. Using a reference signal in which the correlation between the transmitting / receiving unit that transmits a wave to a living body and receives a reception wave accompanying the transmission wave from the living body to obtain a reception signal and the target position in the living body is adjusted , By performing a demodulation process on the received signal, a received signal processing unit that obtains a demodulated signal corresponding to the target position, and a maximum spectrum that maximizes the signal strength from the frequency spectrum of the demodulated signal, And a Doppler information extraction unit that extracts a signal component including the maximum spectrum from the demodulated signal as a Doppler signal.
望ましい具体例において、前記ドプラ情報抽出部は、復調信号の周波数スペクトラムを前記変調周波数ごとに複数の周波数帯域に分割し、各周波数帯域ごとに信号の強度が最大となるピークスペクトラムを特定し、複数の周波数帯域に対応した複数のピークスペクトラムの中で強度が最大のものを前記最大スペクトラムとする、ことを特徴とする。 In a preferred embodiment, the Doppler information extraction unit divides the frequency spectrum of the demodulated signal into a plurality of frequency bands for each modulation frequency, specifies a peak spectrum that maximizes the signal strength for each frequency band, Among the plurality of peak spectra corresponding to the frequency band, the maximum spectrum is the one having the maximum intensity.
望ましい具体例において、前記ドプラ情報抽出部は、復調信号の周波数スペクトラムに基づいて信号の強度に関する閾値を設定し、復調信号の中から当該閾値を超える強度の信号成分を前記ドプラ信号として抽出する、ことを特徴とする。 In a desirable specific example, the Doppler information extraction unit sets a threshold relating to the strength of the signal based on the frequency spectrum of the demodulated signal, and extracts a signal component having an intensity exceeding the threshold from the demodulated signal as the Doppler signal. It is characterized by that.
望ましい具体例において、前記ドプラ情報抽出部は、複数の周波数帯域に対応した複数のピークスペクトラムの中で前記最大スペクトラムの次に大きなピークスペクトラムの強度を前記閾値とする、ことを特徴とする。 In a preferred embodiment, the Doppler information extraction unit is characterized in that the threshold value is the intensity of a peak spectrum next to the maximum spectrum among a plurality of peak spectra corresponding to a plurality of frequency bands.
望ましい具体例において、前記ドプラ情報抽出部は、前記最大スペクトラムから前記変調周波数だけ離れたスペクトラムの強度を前記閾値とする、ことを特徴とする。 In a preferred embodiment, the Doppler information extraction unit uses the intensity of a spectrum separated from the maximum spectrum by the modulation frequency as the threshold value.
望ましい具体例において、前記超音波診断装置は、抽出されたドプラ信号に対して視覚的な識別処理を施したドプラ波形を表示する表示部をさらに有する、ことを特徴とする。 In a preferred embodiment, the ultrasonic diagnostic apparatus further includes a display unit that displays a Doppler waveform obtained by performing visual identification processing on the extracted Doppler signal.
本発明により、連続波を利用して目標位置からドプラ情報を抽出する技術において、必要とされるドプラ情報を適切に抽出することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to appropriately extract required Doppler information in a technique for extracting Doppler information from a target position using a continuous wave.
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
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
FM変調器20は、送信ビームフォーマ14にFM連続波を出力する。FM変調器20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22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連続波の波形等については後に詳述する。
The
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
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。
The
受信ミキサ30の各ミキサに供給される参照信号は、FM変調器20から出力されるFM連続波に基づいて生成される。つまり、FM変調器20から出力されるFM連続波が遅延回路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 reference signal supplied to each mixer of the
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。
The π / 2
FFT処理部(高速フーリエ変換処理部)42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42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42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) 42 performs an FFT operation on each demodulated signal (in-phase signal component and quadrature signal component). As a result, the
ドプラ情報抽出部44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、ドプラ情報抽出部44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。ドプラ情報抽出部44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
表示部46は、ドプラ情報抽出部44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50によって制御される。つまり、システム制御部50は、送信制御や受信制御や表示制御などを行う。
The
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。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原理について詳述する。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. Therefore, the principle of selectively extracting Doppler information from the target position will be described in detail. 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f0のRF波(搬送波)に対して、周波数fm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。次式において、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fmの比であるβはFMの変調指数(変調度)である。
<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. In the following expression, 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 index (modulation depth) It is.
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。なお、次式において、fmに対するドプラシフトは、f0のシフト分fdに比べて小さいので無視している。 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. In the following equation, the Doppler shift with respect to f m is neglected because it is smaller than the shift amount f d of f 0 .
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、FM変調器20から出力されるFM連続波が参照信号として利用され、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、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
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
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vR(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vR(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
ミキサ32における受信RF信号vR(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2f0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
ここで、ベッセル関数に関する数5式の公式を利用すると、数4式はさらに数6式のように計算される。 Here, using the formula of Formula 5 regarding the Bessel function, Formula 4 is further calculated as Formula 6.
ミキサ34における受信RF信号vR(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2f0の成分が消去されている。これは、LPF38によって除去される。
The multiplication v DQ (t) of the reception RF signal v R (t) and the reference signal v rQ (t) in the
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fm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.
次に、vDI(t)とvDQ(t)に含まれている変調周波数fmの成分、変調周波数fm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.
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fdを含んだドプラ信号は、DC成分と変調周波数fmの成分と変調周波数fm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。 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.
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φmと一致させた場合(φmr=φm)を考える。φmrとφmを一致させた場合には、数4式におけるkが0となる。この結果をベッセル関数に適用すると、第1次ベッセル関数の性質により、数10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。そして、数10式に示す結果を数8式と数9式に適用すると数11式のとおりとなる。
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
数11式は、参照波(参照信号)の位相φmrを送受信間の位相差φm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。 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.
上述した数2式の受信波形は、ある深さからの受信信号の波形である。これに対し、FMCW送信波を利用して、実際に受信用振動子12において得られる受信信号は、複数の深さからの信号が合成された受信信号である。受信ミキサ30においては、複数の深さからの信号が合成された受信信号と参照信号との乗算に相当する処理が実行される。
The received waveform of
数8式などに現れた直流信号成分に対応したドプラ信号の振幅を支配するJ0(kβ)は、第1次ベッセル関数の性質により、kβが0のときに最大値である1となり、kβが0からずれると急激に小さくなる。そのため、遅延回路25においてφmrを調整し、目標位置から得られる受信信号のφmと一致させると、目標位置におけるJ0(kβ)が最大値である1となり、目標位置以外におけるJ0(kβ)が極端に小さな値となる。したがって、遅延回路25においてφmrを調整し、目標位置から得られる受信信号のφmと一致させることにより、目標位置におけるドプラ信号(直流信号成分)を選択的に抽出することができる。
J 0 (kβ) that dominates the amplitude of the Doppler signal corresponding to the DC signal component appearing in Equation 8 or the like is 1 which is the maximum value when kβ is 0, due to the nature of the first-order Bessel function. When the value deviates from 0, it rapidly decreases. Therefore, when φ mr is adjusted in the
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50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
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不要波成分を含んだ復調信号の中から、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、必要とされるドプラ信号の抽出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, a required Doppler signal is extracted from a demodulated signal including an unwanted wave component accompanying the influence of frequency modulation. Therefore, unnecessary wave components accompanying frequency modulation and required Doppler signal extraction 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、数1式に示したように、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. In the ultrasonic diagnostic apparatus of FIG. 1, FM continuous waves are used, and the frequency (instantaneous frequency) of the FM continuous waves periodically changes as shown in Equation 1. 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2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2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2の横軸は時間軸であり、図2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. 2 is a diagram for explaining the influence of the periodicity of the FM continuous wave on the Doppler frequency. FIG. 2 shows an FM continuous wave 70 not affected by the Doppler shift and an FM continuous wave 72 affected by the Doppler shift. 2 is the time axis, and the vertical axis in FIG. 2 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. Become.
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f0のRF波(搬送波)に対して、周波数fm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.
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として数13式で表現される。さらに、数13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数14式となる。
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 equation (13) as a speed 2v in a reciprocating manner. Furthermore, when the Doppler frequency change expressed by Equation 13 is converted into an instantaneous phase,
数14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f0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。
The instantaneous phase expressed by
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.
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
数16式から2f0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)は数17式のように表現することができる。また、数17式の結果について、さらに計算を進めると、数18式のようになる。
When the frequency component of 2f 0 is removed by the low-pass filter from
数18式は、ドプラ信号が、新たに定義された変調度β´(数17式参照)と変調周波数fm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 number 18 formula, the Doppler signal, which means that equal to the frequency-modulated signal by the newly defined modulation β'(see number 17 formula) modulation frequency f m.
図3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3には、数18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3の横軸は周波数であり縦軸は電力である。 FIG. 3 is a diagram for explaining a Doppler signal affected by frequency modulation. FIG. 3 shows a frequency spectrum of the Doppler signal corresponding to Equation 18. In FIG. 3, the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents power.
図3や数18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fmのゼロ次成分である直流成分J0(β´)に加え、1次成分J1(β´),2次成分J2(β´),3次成分J3(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fdだけ離れた位置に現れており、1次成分は周波数fmからドプラ周波数fdだけ離れた位置に現れており、2次成分は周波数2fmからドプラ周波数fdだけ離れた位置に現れている。
Figure 3 and as shown in Equation 18 Equation, 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
図4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3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4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fdも変化する。そのため、図4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. 4 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. 4 shows time-varying waveforms for the direct current 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. 4 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。つまり、折り返し成分である1次成分(−1次成分),2次成分,3次成分,・・・が不要波成分とされ、これら不要波成分を含んだ復調信号の中から、必要とされるドプラ信号が抽出される。 In the ultrasonic diagnostic apparatus of FIG. 1, a DC component that is a zero-order component is extracted as a required Doppler signal. That is, the primary component (−1st order component), the secondary component, the tertiary component,..., Which are aliasing components, are used as unnecessary wave components, and are required from the demodulated signals including these unnecessary wave components. Doppler signal is extracted.
<必要とされるドプラ信号の抽出について>
図5は、スペクトラムが比較的狭いドプラ信号の抽出処理を示す図である。図5に示す波形は、FFT処理部42において得られる復調信号の周波数スペクトラムであり、ドプラ信号のスペクトラム(ドプラ信号の帯域)が比較的狭い場合の周波数スペクトラムである。
<About required Doppler signal extraction>
FIG. 5 is a diagram illustrating extraction processing of a Doppler signal having a relatively narrow spectrum. The waveform shown in FIG. 5 is the frequency spectrum of the demodulated signal obtained by the
ドプラ情報抽出部44は、復調信号の周波数スペクトラムの中から信号の強度(例えば電力や振幅など)が最大となる最大スペクトラムを特定し、復調信号の中から最大スペクトラムを含んだ信号成分をドプラ信号として抽出する。例えば、図5の例では、周波数スペクトラムの中からスペクトラムの電力が最大となるP0が最大スペクトラムとされ、このP0を含む信号成分がドプラ信号として抽出される。
The Doppler
そのドプラ信号の抽出において、ドプラ情報抽出部44は、復調信号の周波数スペクトラムを変調周波数fmごとに複数の周波数帯域(ブロック)に分割する。例えば、図5の周波数軸(横軸)に沿って、0≦f<fmの第0ブロック、fm≦f<2fmの第1ブロック、2fm≦f<3fmの第2ブロック・・・のように分割される。
In the extraction of the Doppler signal, the Doppler
そして、ドプラ情報抽出部44は、各ブロックごとにその帯域内においてスペクトラムの電力が最大となるピークを特定し、複数のブロックに関する複数のピークの中から電力が最大のものを最大スペクトラムとする。例えば、図5の例では、0≦f<fmの第0ブロック内においてピークP0が特定され、fm≦f<2fmの第1ブロック内においてピークP1が特定され、−fm≦f<0の第1´ブロック内においてピークP1´が特定され、これらピークの中から電力が最大であるピークP0が最大スペクトラムとされる。
Then, the Doppler
さらに、ドプラ情報抽出部44は、複数のピークの中で最大スペクトラムの次に大きなピークの強度を、ドプラ信号の抽出のための閾値に設定する。例えば、図5の例では、ピークP0の次に大きなピークP1またはピークP1´の電力値が閾値とされる。
Further, the Doppler
こうして、ドプラ情報抽出部44は、復調信号の周波数スペクトラムの中から閾値を超える強度である信号成分をドプラ信号として抽出する。例えば、図5の例において、電力がピークP1またはピークP1´に対応した閾値よりも大きな又は閾値以上の電力となるスペクトラム部分がドプラ信号として抽出される。
In this way, the Doppler
図6は、スペクトラムが比較的広いドプラ信号の抽出処理を示す図である。図6に示す波形は、FFT処理部42において得られる復調信号の周波数スペクトラムであり、ドプラ信号のスペクトラム(ドプラ信号の帯域)が比較的広い場合の周波数スペクトラムである。
FIG. 6 is a diagram illustrating extraction processing of a Doppler signal having a relatively wide spectrum. The waveform shown in FIG. 6 is the frequency spectrum of the demodulated signal obtained in the
図6に示すように、ドプラ信号のスペクトラムが比較的広い場合には、必要とされるドプラ信号つまりゼロ次成分の信号と、不要波成分である1次成分などの信号が重なりあっており、復調信号の周波数スペクトラムSPが実線で示す波形となる。この場合においても、図5を利用して説明した処理によりドプラ信号が抽出される。 As shown in FIG. 6, when the spectrum of the Doppler signal is relatively wide, a required Doppler signal, that is, a zero-order component signal and a signal such as a primary component that is an unnecessary wave component overlap. The frequency spectrum SP of the demodulated signal has a waveform indicated by a solid line. Even in this case, the Doppler signal is extracted by the processing described with reference to FIG.
つまり、ドプラ情報抽出部44は、図6に実線で示す周波数スペクトラムSPの波形の中から信号の強度(例えば電力や振幅など)が最大となる最大スペクトラムを特定し、復調信号の中から最大スペクトラムを含んだ信号成分をドプラ信号として抽出する。例えば図6の例では、周波数スペクトラムの中からスペクトラムの電力が最大となるP1が最大スペクトラムとされ、このP1を含む信号成分がドプラ信号として抽出される。
In other words, the Doppler
そのドプラ信号の抽出において、ドプラ情報抽出部44は、復調信号の周波数スペクトラムを変調周波数fmごとに複数の周波数帯域(ブロック)に分割する。そして、ドプラ情報抽出部44は、各ブロックごとにその帯域内においてスペクトラムの電力が最大となるピークを特定し、複数のブロックに関する複数のピークの中から電力が最大のものを最大スペクトラムとする。例えば、図6の例では、0≦f<fmの第0ブロック内においてピークP0が特定され、fm≦f<2fmの第1ブロック内においてピークP1が特定され、2fm≦f<3fmの第2ブロック内においてピークP2が特定され、これらピークの中から電力が最大であるピークP1が最大スペクトラムとされる。
In the extraction of the Doppler signal, the Doppler
さらに、ドプラ情報抽出部44は、複数のピークの中で最大スペクトラムの次に大きなピークの強度を、ドプラ信号の抽出のための閾値に設定する。例えば、図6の例では、ピークP1の次に大きなピークP0の電力値が閾値とされる。
Further, the Doppler
こうして、ドプラ情報抽出部44は、復調信号の周波数スペクトラムの中から閾値を超える強度である信号成分をドプラ信号として抽出する。例えば、図6の例において、電力がピークP0の閾値よりも大きな又は閾値以上の電力となるスペクトラム部分がドプラ信号として抽出される。
In this way, the Doppler
なお、ドプラ情報抽出部44は、最大スペクトラムから変調周波数fmだけ離れたスペクトラムの強度を閾値としてもよい。例えば、図6に示すピークP1から、周波数軸方向に沿って−fmまたは+fmだけ離れた周波数におけるスペクトラムの電力が閾値とされてもよい。また、既に得られている測定結果などに基づいて、最大スペクトラムと不要波成分との間の電力差を予め設定しておき、最大スペクトラムの電力からその電力差だけ下がった電力を閾値としてもよい。
Incidentally, the Doppler
ドプラ信号が抽出されると、ドプラ情報抽出部44は、例えば、図5または図6に示した周波数スペクトラムの時間変化を示した表示波形を形成する。つまり、図4に示す時間変化波形と同様な表示波形が形成される。
When the Doppler signal is extracted, the Doppler
但し、例えば図5または図6に示した例において、ドプラ信号と不要波成分の電力差が小さいと、図4に示す時間変化波形内において、必要とされるドプラ信号(直流成分)と不要波成分(−1次成分,1次成分,2次成分)の見分けが容易ではなくなる場合も考えられる。また、例えば図6に示した例のように、ドプラ信号のスペクトラムが比較的広い場合にも、必要とされるドプラ信号と不要波成分の見分けが容易ではなくなる可能性がある。 However, for example, in the example shown in FIG. 5 or FIG. 6, if the power difference between the Doppler signal and the unnecessary wave component is small, the required Doppler signal (DC component) and the unnecessary wave are included in the time-varying waveform shown in FIG. There may be a case where it is not easy to distinguish components (−1st order component, 1st order component, 2nd order component). Also, for example, as in the example shown in FIG. 6, even when the spectrum of the Doppler signal is relatively wide, it may not be easy to distinguish between the required Doppler signal and the unnecessary wave component.
そこで、ドプラ情報抽出部44は、図5または図6を利用して説明した処理により抽出されたドプラ信号に対して、例えば色づけ処理などの視覚的な識別処理を施して、図4に示す時間変化波形と同様な表示波形を形成する。これにより、例えば、図4に示す時間変化波形内において、必要とされるドプラ信号(直流成分)にのみ色づけ処理が施され、必要とされるドプラ信号が視覚的に容易に判別できるようになる。なお、図5または図6を利用して説明した最大スペクトラムの部分にのみ視覚的な識別処理を施すようにしてもよい。また、色づけ処理に代えてあるいは色づけ処理と共に、輝度や線種などの相違による視覚的な識別処理が施されても良い。さらに、図4に示す時間変化波形内において、必要とされるドプラ信号のみを表示するようにしてもよい。
Therefore, the Doppler
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.
20 FM変調器、22 RF波発振器、24 変調波生成部、25 遅延回路、30 受信ミキサ、42 FFT処理部、44 ドプラ情報抽出部。 20 FM modulator, 22 RF wave oscillator, 24 modulated wave generator, 25 delay circuit, 30 reception mixer, 42 FFT processor, 44 Doppler information extractor.
Claims (6)
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、
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、
復調信号の周波数スペクトラムの中から信号の強度が最大となる最大スペクトラムを特定し、復調信号の中から当該最大スペクトラムを含んだ信号成分をドプラ信号として抽出するドプラ情報抽出部と、
を有する、
ことを特徴とする超音波診断装置。 A transmission signal processing unit that outputs a continuous wave transmission signal whose frequency is periodically changed according to the modulation frequency;
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 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;
A Doppler information extraction unit that identifies a maximum spectrum in which the signal intensity is maximum from the frequency spectrum of the demodulated signal, and extracts a signal component including the maximum spectrum from the demodulated signal as a Doppler signal;
Having
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記ドプラ情報抽出部は、復調信号の周波数スペクトラムを前記変調周波数ごとに複数の周波数帯域に分割し、各周波数帯域ごとに信号の強度が最大となるピークスペクトラムを特定し、複数の周波数帯域に対応した複数のピークスペクトラムの中で強度が最大のものを前記最大スペクトラムとする、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 1,
The Doppler information extraction unit divides the frequency spectrum of the demodulated signal into a plurality of frequency bands for each modulation frequency, identifies the peak spectrum where the signal intensity is maximum for each frequency band, and supports a plurality of frequency bands Among the plurality of peak spectra, the one having the maximum intensity is the maximum spectrum.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記ドプラ情報抽出部は、復調信号の周波数スペクトラムに基づいて信号の強度に関する閾値を設定し、復調信号の中から当該閾値を超える強度の信号成分を前記ドプラ信号として抽出する、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 2,
The Doppler information extraction unit sets a threshold relating to the intensity of the signal based on the frequency spectrum of the demodulated signal, and extracts a signal component having an intensity exceeding the threshold from the demodulated signal as the Doppler signal.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記ドプラ情報抽出部は、複数の周波数帯域に対応した複数のピークスペクトラムの中で前記最大スペクトラムの次に大きなピークスペクトラムの強度を前記閾値とする、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 3.
The Doppler information extraction unit uses, as the threshold value, the intensity of a peak spectrum next to the maximum spectrum among a plurality of peak spectra corresponding to a plurality of frequency bands.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記ドプラ情報抽出部は、前記最大スペクトラムから前記変調周波数だけ離れたスペクトラムの強度を前記閾値とする、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 3.
The Doppler information extraction unit uses the intensity of the spectrum separated from the maximum spectrum by the modulation frequency as the threshold.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
抽出されたドプラ信号に対して視覚的な識別処理を施したドプラ波形を表示する表示部をさらに有する、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to any one of claims 1 to 5,
A display unit for displaying a Doppler waveform obtained by performing visual identification processing on the extracted Doppler signal;
An ultrasonic diagnostic apparatus.
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2010
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