JP2607887B2 - 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をリアルタイムで計測する装置
に関する。

〔従来の技術〕

音波のドップラー効果により物体の流速を知る装置は
種々のものが知られる。とくに、パルス・ドップラー法
（例えば日本音響学会誌第29巻第６号、（1973年）第35
1〜352頁を参照）を用いる装置では、超音波パルス（Pu
lsed Continous Wareをくりかえし送波し、受波信号に
計測部位までの距離に対応したタイムゲートをかけるこ
とにより測定部位の特定が可能であることが知られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

超音波パルスの送波間隔をＴ（sec）とすると、従来
のパルスドプラ計測法では、測定できるドプラ周波数の
範囲は±1/2T（Hz）となる。たとえばＴ＝250μsecのと
き、±2kHzである。この範囲を越えた、例えば2.5kHzの
ドプラ周波数は、従来では、−1.5kHzと誤まって測定さ
れる。血流の方向で考えた場合、プラスのドプラ周波数
の血流の方向を順方向、マイナスのドプラ周波数の血流
の方向を逆方向と呼ぶならば、順方向の血流の速度の大
きいものは逆方向の血流と表示されることになる。

本発明の目的は従来方法により測定したドプラ周波数
を補正することにより、血流方向の誤測定を無くすこと
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

超音波パルスの送波間隔は通常Ｔ（sec）で一定であ
る。これらの送波につづいて、Ｔより少し長いＴ＋T_sの
送波を数回加える。反射物体がω_ｄ（rad/sec）で運動
している場合、送波間隔Ｔにおいては、位相角はω_dTの
変化があり、送波間Ｔ＋T_sにおいては、位相角はω
_ｄ（Ｔ＋T_s）の変化がある。したがってＴとＴ＋T_sの間
の位相角の変化はω_dT_sとなる。従来法における現界は だが、新方式では新限界は となり、従来の限界はT/T_s倍に拡張される。（この従来
の限界を越える方法は既に先願発明として特願昭61−10
117号で述べている）。そこで限界が従来の何倍になっ
たかという指標をｍとすれば、ｍは次式で表示できる。

位相比較器の出力をV_nとすれば、送波間隔Ｔについて
は、位相差ベクトルはV_nと一時刻前のベクトルV_n-1の共
役ベクトル との複素乗算を行なうことにより得られる。その位相差
ベクトルをY_nで表わせばY_nは次式で与えられる。

雑音抑圧のため位相差ベクトルY_nを加算する。

等間隔送波Ｔについては（５）式を用い位相差を求め
る。すなわち、 したがって、ドプラ周波数は次式で得られる。

一方、送波間隔Ｔ＋T_sについては加算した位相差ベク
トルＹ′とすれば つぎにさらにＹとＹ′の位相差ベクトルを得るためＹの
共役ベクトルＹ^＊とＹとの複素乗算を行なう。その位相
差ベクトルをＺとすれば、Ｚは次式で与えられる。

したがって、このときドプラ周波数は次式で与えられ
る。

ωdT_s＝argz ……（10） であるから（７）式で表わされる従来法による偏角argY
と比較すると（10）式の偏角argZとは の関係にある。（11）式を書換えれば argY＝ｍ・argZ ……（12） である。

したがって、（７）式から ωdT＝ｍ・argZ ……（13） の関係を得る。

（７）式におけるargYが±πの範囲を越えると誤まり
となるので、ｍ・argZの値により次のように補正を行な
う。

ωdT＝argY−４π for−５π≦ｍ・argZ＜−３π ＝argY−２π for−３π≦ｍ・argZ≦−π ＝argY for−π≦ｍ・argZ≦π ＝argY＋２π for π≦ｍ・argZ≦３π ＝argY＋４π 3π＜ｍ・argZ≦５π ……（14） 一般的には したがって、従来法で得た角度argYは、限界を越えて
も、ｍ・argZを用い何πの範囲にあるか断定することに
より、補正を行なえばドプラ周波数の正しい測定が可能
である。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第
１図において６の部分が従来のパルスドプラ装置に新し
く追加している主要回路でさる補正値検出回路と呼ばれ
るものである。第２図はその補正値検出回路６の内容で
ある。

第１図において従来のパルスドプラ装置では、音波ト
ランスデューサ１には送波回路11、及び受波回路12が接
続されている。送波回路11からは所定周波数ω_０で、か
つ短かいパルス状にされた送波信号が送信間隔Ｔで繰返
し音波トランデューサ１に与えられた反射物体２に向け
てω_０の中心周波数成分を有するパルス状の音波が送信
される。反射物体２からの反射波は音波トランスデュー
サ１で検出される。検出された受信信号は受信増幅器12
を介して位相比較器３に入力する。位相比較器３の構成
を第３図に示す。２つの混合器31、32はそれぞれα＝Ac
osω₀tで表わせる参照波と受信信号とを、またα′＝As
inω₀tで表わせる参照波と受信信号とを混合する。それ
ぞれの混合器の出力は低域波器33、34を介して出力さ
れる。つまり出力V_R、V_Iは、互いに90゜位相の異なる２
つの参照波α及びα′と受信信号のそれぞれの混合波の
うちの低周波成分である。

第４図は本実施例の上記した部分の各部動作波形を示
す。送波回路11による送波は第４図Ｂに示すタイミング
で行なわれる。第１の送波パルスa₁から第２の送波パル
スa₂までの間隔はＴ、a₂から第３の送波パルスa₃までの
間隔はＴ、以後第８の送波パルスa₈まで、各パルスの送
波間隔はＴである。ところがa₈から第９の送波パルスa₉
の間隔はＴ＋T_s、a₉から第10の送波パルスa₁₀までの間
隔はＴ＋T_s、a₁₀から第11の送波パルスa₁₁までの間隔は
Ｔ＋T_sとなる。等間隔Ｔの送波が８回行なわれ、つぎに
等間隔Ｔ＋T_sの送波が３回行なわれている。ここで、
Ｔ、Ｔ＋T_s、T_sはいずれも送波パルス、及び参照波の周
期２π／ω_０の整数倍である。第４図Ａは比較のため従
来のパルスドプラ法における送波波形、全て等間隔Ｔの
送波波形を示す。

さて本実施例で、第４図Ｂの送波を行なって得る反射
音波の受波信号は第４図ＣのC₁、C₂、C₃……のようにな
り、これらの受波信号はそれぞれ送波パルスa₁、a₂、a₃
……に対してそれぞれトランスデューサ１、反射物体２
の間の音波の往復時間τ_０の遅れを有する。この受信信
号c₁、c₂、c₃……と第４図Ｄに示した２つの参照波とが
位相比較器でそれぞれ護合され、位相の比較がされる。
c_n（ｎ＝１、２、３…）に対する位相比較器の出力をV
_Rn、V_In（ｎ＝１、２、３……）で表すと、V_Rn、V_Inは
次式で示せる。

V_Rn＝An cosθ_ｎ V_In＝An sinθ_ｎ ……（16） 簡単のため、これを V_n＝V_Rn＋jV_In＝Ane^ｊθ _ｎ ……（17） とまとめて記すことにする。

V_Rn、V_Inをそれぞれ実部、虚部として考えて、ベクト
ルV_nの位相角θ_ｎは、もし反射物体が不動である場合に
は、第４図Ｅに示すように一定値θ_０を示す。

一方、反射体２がドプラ角周波数ωｄなる速度で運動
しているとすると、受信信号の位相角が第４図Ｄの参照
信号α、α′に対して単位時間あたりωｄなる角度だけ
回転すると近似できる。したがってベクトルV_nの位相角
θ_ｎは、角周波数ω_ｄで回転するので、送波間隔Ｔに対
してはV_nとV_n-1の位相差φ_Ｂは φ_Ｂ＝ω_dT ……（18） となる。送波間隔Ｔ＋T_sに対してはV_nとV_n-1の位相差φ
_Ｃは φ_Ｃ＝ω_ｄ（Ｔ＋T_s） ……（19） となる。従来方法では位相差φ_Ｂを検出し、すなわちω
_dTを求め、これからドプラ角周波数を算出するのが第１
図のドプラ角周波数検出回路14である。

ドプラシフト検出回路の動作を第１図14の中に記した
機能ブロックに添って説明する。まず位相差検出手段４
ではV_RnとV_Inで示されるベクトルV_nについて、前回検出
されたベクトルV_n-1との位相差を示すベクトルY_nを検出
する。Y_nはV_n-1の複素共役 を用いて により算出できる。このベクトルY_nは雑音の影響により
変動することから、くり返し得る反射信号について、ベ
クトルY_nの検出をくり返し、Y_nをベクトル加算器５で加
算する。複数回（例えば８回）加算した結果をY_Bとする
と ただし記号“〜”は平均値を表わしている。つぎにY_Bを
角度検出器７に入力することにより、Q_B＝ω_dTなる角度
を得る。ここで角度検出器７は を計算する回路である。

ここでＴは既知であり、除算器８により を計算してドプラ効果による周波数変動量 が求められ、反射体の速度が知られたことになる。しか
し、求まるドプラ周波数の範囲の制約がある。その限界
は である。そこでこの範囲を越えたドプラ周波数は補正す
る必要がある。

第２図において、補正値検出回路６の内容についてつ
ぎに説明する。まずベクトル加算器62では送波間隔Ｔ＋
T_sにより、繰り返し送波され、くり返し得られた反射信
号について、くり返し検出されたベクトルY_nを加算す
る。複数回（例えば３回）加算した結果をY_Cとすると ここで、位相差 とからさらに の差、すなわちω_dT_sを求めることにする。そのため、
位相差検出器64により、Y_BとY_Cの位相差を示すベクトル
Ｚを求める。位相差検出器64の構成は４と同一であり、
角度検出器７の出力ベクトルＺは Ｚ＝Y_C・Y_B ^＊ ……（25） であり、 となる。

つぎに角度検出器65へＺを入力することによりQ_A＝ω
_dT_sなる角度を得る。ここで角度検出器65は を計算する回路である。T_sは送波間隔Ｔに比べ小さな値
をしている。ＴとT_sの比をｍ（実数）とすれば である。乗算器66ではこのｍと角度Q_Aとの乗算を行なう
回路である。すなわち、 mQ_A＝margZ ……（29） このｍ・argZを補正値検出手段60へ入力すると第１表の
如く、ｍ・argZの値に応じて、補正角度θ_αが選択され
る。第１表はｍが４、すなわちT/T_s＝４のときについて
示したものである。このｍは任意の値にでき、通常ｍ≧
２である。出力端子68より出力するＯ_α（＝θ_α）は加
算器９によりargY_Bとの加算が行なわれる。補正された
角度をQ_Tとすれば ここで、Ｔは既知であり、除算器８により、 を計算して、補正されたドプラ角周波数 が求められる。argY_Bは従来法で得られている角度であ
り、従来どおりの精度で求まるものである。この補正が
必要でない場合にはスイッチ13をｂ′側にすれば、完全
な従来モードで使用することができる。スイッチを切換
えることにより、補正が正しく働いているか確認するこ
とができる。表示器10は を表示するために用いられる。スイッチ切換により、従
来モードの場合は、表示器10は を表示することになる。表示器10の画面半分を従来モー
ドの表示、残り半分を補正された の表示とする用い方も容易に実現可能である。

〔発明の効果〕 本発明によれば、以下の如き効果が得られる。

（１） 反射物体のドプラ周波数が従来の測定限界の範
囲内であれば、従来通りの計測がでる。

（２） 反射物体のドプラ周波数が従来の測定限界の範
囲外であれは、血流方向と速度を正しく補正することに
より、血流方向の誤りのない表示が可能である。

（３） モードの切換により従来モード使用すれば従来
装置として使え、新モードに切り換えれば、補正された
血流表示となるので、従来モードと新モードとの結果の
違いを容易に比較できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例になる装置の全体構成を示す
ブロック図、第２図は上記実施例における補正値検出回
路のブロック図、第３図は上記実施例における位相比較
器のブロック図、第４図は上記実施例の動作を示すタイ
ムチャートである。 14……ドプラシフト検出回路、６……補正値検出回路、
67……補正値検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 静夫 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−204733（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−204734（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−139238（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波パルスの送波部により生成するパル
   ス列に、第１の送波間隔（Ｔ）の区分と第２の送波間隔
   （Ｔ＋T_s）の区分を設け、前記第１の送波間隔の区分か
   ら、前記第１の送波間隔の受波信号の間で第１の位相差
   を求め、前記第２の送波間隔の区分から、前記第２の送
   波間隔の受波信号の間で第２の位相差を求め、さらに前
   記第１の位相差と前記第２の位相差に基づいて、前記第
   １の位相差と前記第２の位相差との差分偏角を得る手段
   と、前記差分偏角を（T/T_s）倍することにより補正値を
   得る手段と、前記補正値を使用して前記第１の位相差を
   補正する手段とを有し、補正された前記第１の位相差か
   らドプラ周波数を求めることを特徴とするパルスドプラ
   計測装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載のパルスドプ
   ラ計測装置において、前記差分偏角を得る手段は、前記
   第１の位相差の複数個から求めた前記第１の位相差の平
   均値と、前記第２の位相差の複数個から求めた前記第２
   の位相差の平均値とから差分偏角を得ることを特徴とす
   るパルスドプラ計測装置。