JP2594994B2 - パルスドプラ計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波により物体の速度を検出する装置に関
し、とくに生体内の血流速度をリアルタイムで計測する
装置に関する。

〔従来の技術〕

通常、測定できる最高ドプラ周波数は、送波バースト
波の繰り返し周期がＴのとき、1/2Tである。これに対
し、本発明者らが先に特開昭62−169073号にて提案した
新パルスドプラ法によれば、送波バースト波の繰り返し
周期をＴとＴ＋T_Sの２種類とすることにより、測定でき
る最高ドプラ周波数は1/2T_Sとなることが知られてい
る。これは従来の限界をT/T_S倍に拡大する方式である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように、ドプラ周波数を計測することにより比較
的高速の物体の速度を知ることが可能である。ところが
人体内の血管、あるいは心臓内の血流を計測するには、
血管壁あるいは心臓壁などの壁の動きと血流とを分離す
るため、MTI（固定物除去）フィルタを用いている。

このMTIフィルタにおける遅延時間としてはＴとＴ＋T
_Sの和、すなわち2T＋T_Sの整数倍の遅延時間かあるいは
ＴとＴ＋T_Sの積、すなわちＴ（Ｔ＋T_S）の整数倍の遅延
時間を用いている。そのため、MTIフィルタの周波数特
性として、前者の場合、1/（2T＋T_S）の整数倍の周波数
が、後者の場合には1/T（Ｔ＋T_S）の整数倍の周波数
が、零点周波数に相当する。零点周波数付近では、ドプ
ラ信号の振幅値が極めて小さくなることから、ドプラ信
号は信号対雑音比の劣化したものになるという問題点が
存在する。

本発明の目的は、このような従来の問題点を解決し、
通常の血流ならびにナイキスト限界を越える血流に対し
て、信号対雑音比を改善することにより、正確なドプラ
周波数の測定が可能なパルスドプラ計測装置を提供する
ことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、MTIフィルタにおいて、フィルタの零点
を互いに補うことにより、零点を解消する構成とするこ
とにより構成される。

そのために超音波パルスの送波をＴ−T_S,T,T＋T_Sの３
種類の送波間隔とした。このとき、送波間隔Ｔ−T_SとＴ
におけるMTIフィルタの遅延時間はＴ−T_SとＴの和であ
る2T−T_S、送波間隔ＴとＴ＋T_SにおけるMTIフィルタの
遅延時間はＴとＴ＋T_Sの和である2T＋T_Sとしている。そ
してＴ−T_SとＴに関する位相差の差のベクトルX₁とＴと
Ｔ＋T_Sに関する位相差の差のベクトルX₂を求め、それら
を加算平均した位相差の差の平均ベクトルＸを得る。最
終的にこのベクトルＸからドプラ周波数を得るという構
成とする。

〔作用〕

送波間隔Ｔ−T_S,Tに関するMTIフィルタの遅延時間を2
T−T_Sとしたことにより、このMTIフィルタの零点は1/
（2T−T_S）の整数倍の周波数に現われる。一方、送波間
隔T,T＋T_Sに関するMTIフィルタの遅延時間を2T＋T_Sとし
たことにより、1/（2T＋T_S）の整数倍の周波数に零点が
生ずる。これらの零点は1/T_Sの整数倍以外の周波数では
互いに一致することはない。そのためX₁が零点のせいで
信号対雑音比が劣化しても、X₂は信号対雑音比が劣化せ
ず、この両者を加算平均したＸは総じて、信号対雑音比
を劣化させずに済む。本方式ではこの位相差の差の平均
ベクトルＸからドプラ周波数を得るので、ドプラ周波数
推定におる誤差を低減できる。

〔実施例〕 以下、本発明の原理および実施例を図面により詳述す
る。まず、本発明の概略構成と動作原理について述べ
る。

第１図は本発明の一実施例を示すパルスドプラ装置の
ブロック図である。

本発明のパルスドプラ計測装置は、送波回路１、受波
回路２、位相比較器３、超音波探触子４、MTIフィルタ
6,自己相関器7,8、遅延素子9,10,11、加算器12,13,14、
角度検出器15、除算器16、制御装置17と表示装置18から
主に構成されている、送波回路１はT_Sずつ異なる三つの
送波間隔Ｔ−T_S,TとＴ＋T_Sで超音波パルスが超音波探触
子４から反射物体５（例えば血球など）に向けて、繰り
返し送波される。この送波間隔は制御装置17により制御
される。反射物体５により反射した超音波パルスは受波
回路２で受波される、受波した信号は位相比較器３にお
いて参照信号α＝A cos wotとα′＝A sin wotとの位相
比較が行なわれ、それぞれ、出力v_R,v_Iが得られる。い
ま反射物体５についての位相比較器３の出力をv_Rn,v_In
（ｎ＝1,2,…）とそれぞれ表わすと、v_Rn,v_Inは次式で
示すことができる。

簡単のため、上式をまとめて、 v_n′＝A_n′exp（ｊθ_ｎ） と表わす。これをドプラ信号あるいは位相ベクトルv_n′
と以後呼ぶ。MTIフィルタ６においては、従来、フィル
タの遅延時間は送波時間間隔にとっている。本実施で
は、相次ぐ２つの送波時間間隔の和の時間とする。これ
は一般のディジタルフィルタで実現できる。順次入力す
る信号v₁′,v₂′,v₃′………に対し、そのうち最新の
（ｋ＋１）個により、 v_n＝a₀v′_n+k＋a₁v_n+(k-1)′＋…………＋a_k-2v_n+2′ ＋a_k-1v_n+1′＋a_kv_n′ によりフィルタリングされた一連の信号v_n（ｎ＝1,2,3,
…）を得、かつそのフィルタ特性を決める係数a₀,a₁,…
…,a_k-2,a_k-1,a_kを適宜設定可能なディジタルフィルタ
をMTIフィルタ６として用いる場合には、例えば次の設
定を行なえば良い。

a_k＝−1,a_k-1＝0,a_k-2＝１ a₀,………,a_k-3＝０ このような設定の場合、 v_n＝v_n+2′−v_n′ の如く一次差分処理が実施される。そのため、各遅延時
間は第２図（第２図は本発明の原理を示す図である。）
に示したように、送波間隔Ｔ−T_S,Tにおいては2T−T_S、
送波間隔T,T＋T_Sについては2T−T_Sとなり、式の差分
出力がMTIフィルタ６から得られる。このとき、このフ
ィルタの特性は第３図（ｂ）（第３図はMTIフィルタ特
性を表わす図）の如く、周波数1/（2T−T_S）の整数倍の
周波数と、周波数1/（2T＋T_S）の整数倍の周波数にそれ
ぞれ零点を持つ特性となる。なお、上記のような一次遅
れ処理の他に二次遅れ処理等の高次遅れ処理を含むよう
な係数設定を行なっても良く、この場合にも第３図
（ｂ）とほぼ同様なフィルタ特性となる。そういう特性
のMTIフィルタから得られた位相ベクトルv_n+1は、遅延
器９を通った一時刻前のv_nの複素共役ベクトルv_n ^＊との
複素乗算（すなわち自己相関）が実施される。その結
果、自己相関器７により、出力 Y_m＝v_n+1・v_n ^＊ を得る。（以後Y_mを位相差ベクトルと呼ぶ。）ただし、
ｍ＝1,2,4,5,7,8,……である。したがって、式におい
て送波間隔Ｔ−T_S（ｍ＝１）のとき、 Y₁＝v₂・v₁ ^＊ ＝A₂′A₁′exp（ｊΔθ_１） （∵Δθ_ｉ＝θ_i+1−θ_ｉ、ただしｉ＝1,2,…） ＝A₁exp（jw_d（Ｔ−T_S）） （∵ドプラ周波数w_dとすればΔθ_１＝w_d（Ｔ−T_S）） 送波間隔Ｔのとき（ｍ＝２）、 Y₂＝v₃・v₂ ^＊ ＝A₃′＝A₂exp（ｊΔθ_２） ＝A₂exp（jw_dT）（∵Δθ_２＝w_dT） の如く出力Y₁,Y₂を得る。ただし、以後加算器12,14の加
算回数は１回として説明する。自己相関器８は位相差ベ
クトルY_mの自己相関処理を行なう。すなわち、位相差ベ
クトルY_m+1は遅延器10を通った一時刻前のY_mの複素共役
ベクトルY_m ^＊との複素乗算が実施される。この処理結果
をX_lとおき、位相差の差のベクトルと呼べば、 X_l＝Y_m+1・Y_m ^＊ となる。ただしｌ＝1,2である。

式へ，式を代入すれば、送波間隔Ｔ−T_S,Tに関
する位相差の差のベクトルX₁を得る。即ち、 X₁＝Y₂・Y₁ ^＊ ＝A₂exp（jw_dT）｛A₁exp（jw_d（Ｔ−T_S））｝^＊ ＝A₁A₂exp（jw_dT_S） である。つぎに、送波間隔T,T＋T_Sに関する位相差のベ
クトルX₂については、同様に、まず、式において、送
波間隔Ｔ（ｍ＝４）のとき、 Y₄＝v₅・v₄ ^＊ ＝A₄exp（jw_dT_S） 送波間隔Ｔ＋T_S（ｍ＋５）のとき Y₅＝v₆・v₅ ^＊ ＝A₅exp（jw_d（Ｔ＋T_S） を得たのち、出力，式を７式へ代入すれば、 X₂＝Y₅・Y₄ ^＊ ＝A₅exp（jw_d（Ｔ＋T_S））・｛A₄exp（jw_dT）｝^＊ ＝A₄A₅exp（jw_dT_S） が求められる。これらの処理は自己相関器7,8によるも
のである。なお、複素乗算Y₄・Y₃ ^＊は実施しない。その
ことは制御装置17により制御される。さらに、加算器13
において、一時刻前の位相差の差のベクトルX₁（相波間
隔Ｔ−T_S,Tに関する）と位相差の差のベクトルX₂（すな
わち、送波間隔T,T＋T_Sに関する）の加算が行なわれ
る。その出力をＸとおけば Ｘ＝X₁＋X₂ ＝A₁A₂exp（jw_dT_S）＋A₄A₅exp（jw_dT_S） である。

第３図ｂにおいて、いま、ドプラ周波数w_dの成分が図
のごとく存在すると、X₁はMTIフィルタの零点付近を通
過して上記処理後、得られるものであり、X₂はMTIフィ
ルタの極付近を通過して上記処理後得られたものであ
る。したがって、X₁は信号対雑音比（以後SNRと呼ぶ）
が悪いときは、正確ではない。上記12式の如く、X₁とX₂
の加算を行なえば、第３図（ａ）に示したようになる。
このとき、フィルタの特性は加算合成された特性となっ
ており、Ｘは総合的にみて、SNRが改善されたことにな
る。従来、存在した零点は互いに補足され解消されるの
で零点付近のドプラ信号のSNRの劣化は本方式では改善
される。

角度検出器15は、加算器14の出力Ｕ（ただし加算器14
のN₂＝１なので、Ｕ＝Ｘである。）を Ｕ＝U_R＋jU_I（U_R:実部,U_i:虚部） とおけば、Ｑ（＝w_dT_S） を出力する。そこで除算器16はＱを時間パラメータT_Sで
除算することにより、ドプラ周波数w_d を最終的に出力する。

第４図は、加算器12の働きを説明する図である。位相
差ベクトルY_mは、雑音により、SNRが悪くなる場合、複
数回加算（N₁回）する必要が生じる。その場合には超音
波パルスの送波をＴ−T_S,Tの送波間隔で複数回繰り返し
行ない、つづいて、T,T＋T_Sの送波間隔で複数回繰り返
し行なう。第４図にはそのとき得られるドプラ信号、お
よび一連の処理の流れ図を示している。第１図におい
て、自己相関器７から出力、すなわち位相差ベクトル、
Y₁₁,Y₂₁,Y₁₂,Y₂₂,……,Y_1k,Y_2k（送波間隔Ｔ−T_S,Tに関
する）を得、加算器12においてそれらの加算出力、それ
を₁,_２とそれぞれおけば、 が得られる。また、送波間隔T,T＋T_Sについては自己相
関器７から、位相差ベクトルY₄₁,Y₅₁,Y₄₂,Y₅₂,……,
Y_4k,Y_5kを得るので、加算器12において、それらの加算
出理を₄,_５とおけば、それぞれ、 を得る。加算器12を用いることは、制御装置17が指示制
御を行なう。加算器を用いた場合は、自己相関器８の入
力として、平均位相差ベクトル₁,₂,₃,_４を用い
ることになる。

加算器14は位相差の差の平均ベクトルＸを加算する場
合、あるいは移動平均する場合に使用される。このと
き、加算器12の加算回数（N₁≧１）とのかねあいで、加
算回数N₁,N₂を制御装置17が指示するものである。表示
装置18は得られたドプラ周波数w_dを二次元カラーフロー
あるいは電光表示的に表示するものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、MTIフィルタにおける零点を除去で
きるため、ドプラ信号成分の信号対雑音比のMTIフィル
タによる劣化を低減する効果がある。そのことにより、
ドプラ周波数の正確な推定が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるパルスドプラ計測装
置、第２図と第４図は本発明の原理を示す図、第３図は
MTIフィルタ特性図で、第３図（ａ）は加算合成されたM
TIフィルタの特性図、第３図（ｂ）は各MTIフィルタの
特性図である。 １……送波回路、２……受波回路、３……位相比較器、 ６……MTI、7,8……自己相関器、 9,10,11……遅延素子、 12,13,14……加算器、15……角度検出器、 16……除算器、４……超音波探触子、５……反射物体、 17……制御装置、18……表示装置。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−139238（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−25527（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−66732（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−80351（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−32846（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−204734（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−204733（ＪＰ，Ａ)

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波パルスを検査対象に送波し反射信号
   を受波して前記検査対象内の反射物体の運動を検出する
   パルスドプラ計測装置において、互いに異なる少なくと
   も３種類の第１、第２、及び第３の送波時間間隔で前記
   超音波パルスを前記検査対象に送波する送波手段と、前
   記反射信号を受波する受波手段による受波信号を複素信
   号に変換する変換手段と、該変換手段に接続され、前記
   超音波パルスの相次ぐ２つの前記送波時間間隔により定
   められる所定の時間を遅延時間とするMTIフイルタであ
   り、前記所定の時間隔てた前記受信信号から得た２つの
   前記複素信号の間の差である複素差信号を得るMTIフイ
   ルタと、該MTIフイルタの出力であり連続する２つの前
   記複素差信号に関する位相差ベクトル信号を得る手段
   と、該位相差ベクトル信号を得る手段の出力であり連続
   する２つの前記位相差ベクトル信号に関する差ベクトル
   を得る手段と、前記第１及び第２の送波時間間隔の前記
   超音波パルスによる前記受信信号から得た前記差ベクト
   ルと、前記第２及び第３の送波時間間隔の前記超音波パ
   ルスによる前記受信信号から得た前記差ベクトルとから
   速度を判定する速度判定手段とを具備し、前記反射物体
   の運動を検出することを特徴とするパルスドプラ計測装
   置。
2. 【請求項２】前記遅延時間は、前記超音波パルスの相次
   ぐ２つの前記送波時間間隔の和の整数倍の時間であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のパルスド
   プラ計測装置。
3. 【請求項３】前記遅延時間は、前記第１、第２及び第３
   の送波時間間隔の内の２つの送波時間間隔の積の整数倍
   の時間であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載のパルスドプラ計測装置。
4. 【請求項４】前記位相差ベクトル信号の複数を加算平均
   する第１の加算平均手段を有する特許請求の範囲第１項
   に記載のパルスドプラ計測装置。
5. 【請求項５】前記加算手段の出力の複数を加算又は移動
   平均する第２の加算平均手段を有する特許請求の範囲第
   １項に記載のパルスドプラ計測装置。
6. 【請求項６】前記加算手段の出力の実数部と虚数部から
   角度を検出する角度検出手段と、該角度検出手段の出力
   を、前記第１と第２の送波時間間隔との差と、前記第２
   と第３の送波時間間隔との差の和の時間の1/2で除算す
   る除算手段をさらに有することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載のパルスドプラ計測装置。
7. 【請求項７】前記第１の送波時間間隔に次いで前記第２
   の送波時間間隔で前記超音波パルスを送波する繰返しを
   複数回行なった後、前記第２の送波時間間隔に次いで前
   記第３の送波時間間隔で前記超音波パルスを送波する繰
   返しを複数回行なうことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載のパルスドプラ計測装置。
8. 【請求項８】前記第１の送波時間間隔が（Ｔ−T_S）、前
   記第２の送波時間間隔がＴ、前記第３の送波時間間隔が
   （Ｔ＋T_S）であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載のパルスドプラ計測装置。
9. 【請求項９】前記第１の送波時間間隔が（Ｔ＋T_S）、前
   記第２の送波時間間隔がＴ、前記第３の送波時間間隔が
   （Ｔ−T_S）であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載のパルスドプラ計測装置。
10. 【請求項１０】前記第１の送波時間間隔が（Ｔ−T_S）、
    前記第２の送波時間間隔がＴ、前記第３の送波時間間隔
    が（Ｔ＋T_S）であることを特徴とする特許請求の範囲第
    ７項に記載のパルスドプラ計測装置。
11. 【請求項１１】前記第１の送波時間間隔が（Ｔ＋T_S）、
    前記第２の送波時間間隔がＴ、前記第３の送波時間間隔
    が（Ｔ−T_S）であることを特徴とする特許請求の範囲第
    ７項に記載のパルスドプラ計測装置。
12. 【請求項１２】前記速度判定手段が前記差ベクトルの加
    算を行なう加算手段を含むことを特徴とする特許請求の
    範囲第１項に記載のパルスドプラ計測装置。