JP3061430B2 - 速度測定装置 - Google Patents

速度測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、周波数f0の超音波を用
いて超音波エコーグラフィにより運動する臓器及び血流
の速度を測定する装置であって、受信エコーグラフ信号
を処理する第1処理チャネルを具え、該チャネルは2つ
の順次のエコーグラフ信号 Sn (t) 及び Sn+1(t)の相関
関数(以後第1相関関数という)の2I+1個のサンプル値
を発生する第1相互相関回路を具えている速度測定装置
に関するものである。
【0002】本発明は心臓の壁のような運動する組織及
び血管内の血流のエコーグラフィ走査に特に魅力的に使
用することができる。
【0003】
【従来の技術】運動する臓器や血流の速度を測定する装
置が解決すべき一般的な技術的問題は、超音波エコーグ
ラフィにより検査中の臓器及び血流の正確な像をイメー
ジング装置を用いて形成するために実際の運動速度ので
きるだけ正確な推定値を得ることにある。
【0004】この問題に対し種々の解決方法が既に提案
れている。例えば、欧州特許願第0,225,667 号は、超音
波送信が反復周期Tで反復されるとき運動する目標によ
り後方散乱された順次の超音波信号は次の方程式: Sn+1(t) = Sn (t -τ) により関連づけられるという事実を用いた運動する臓器
及び血流の速度測定装置を開示している。この方程式
は、時間シフトτを除けば信号 n+1はその前の信号nの
レプリカであることを意味する。τは1回目の超音波に
対して2回目の超音波がトランスジューサ−目標−トラ
ンスジューサの通路を辿るのに必要な追加の時間であ
る。換言すれば: τ = 2VT/C であり、ここでVは目標の速度及びCは音速である。こ
れから、τの測定により速度Vを測定することができ
る。Sn (t) 及び Sn+1(t)間の相互相関関数は数1
【数1】 で定義され、 Cn,n+1(to,u) = Cnn(to,u-τ) であることが証明される。時間toは走査深さzとto=2z/
C の関係を有し、Wは積分窓である。
【0005】関数 Cnn (to,u )は自己相関関数であり、
従って u=0で最大になる。これがため、時間シフトτ及
び従って速度Vは関数 Cn,n+1(to,u) が最大になるパラ
メータuをサーチすることにより測定することができ
る。これがため、相互相関関数をΔtのサンプリングス
テップで umin = -IΔt と umax= I Δt との間におい
てサンプリングして2I+1個の相互相関関数値を得るよう
する。これら2I+1個のサンプルの中で u=uo に対応する
最大値から、τ=uo を用いてτを測定することができ
る。
【0006】相互相関関数の最大値の決定中におけるサ
ンプリングに固有の誤差を除去するために、相関関数値
に基づいて一層正確な速度推定値及び対応するピーク値
を発生する多重/補間回路を用いることができる。フラ
ンス国特許願第2590790 号はこのタイプのエコーグラフ
信号処理の一例を開示しており、これでは信号間の相関
をいわゆる "1ビット”相関で行い、先に使用された信
号 Sn+1 及び Sn を超音波信号の符号に変形する。この
場合には相関関数ピークは二等辺三角形として形成され
ること既知である。この形状の認識により、その最高点
及びその2 つの近傍点から出発してリニア補間を用いて
相関ピークの完全な再構成及び従ってuoの位置を正確な
決定を行うことができる。
【0007】時間シフトの分析に基づきこの既知の速度
測定方法は例えば周波数又は位相シフトに基づく他の方
法より相当優れている。特に広帯域の送信信号を用いて
優れた軸方向の測定分解能を与えることができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の方法は
数2
【数2】 で与えられる速度限界値より高い速度を測定することは
できない(Cは超音波の伝播速度)。“エイリアシン
グ”としても知られているこの現象はエコーグラフ信号
の周期性により誘起される不確定に関係がある。その詳
細な説明は「Doppler Ultrasound and Its Use in Clin
ical Measurement」P. Atkinson 及び J.P.Woodcock
著、アカデミック プレス社発行、1982年に記載されて
いる。
【0009】例えば、100 μs の反復周期T、5MHz の
中心超音波周波数及び1500m/s の伝播速度Cに対し限界
速度Vlim は75cm/sになるが、例えば所定の血流はこれ
より実質的に高い速度になり得る。
【0010】測定限界速度を増大するには周波数f0を低
くすることが考えられるが、これは測定の精度及び分解
能の低下をきたす。他方、反復周波数の増大は走査深さ
の不所望な減少をもたらす。
【0011】従って、本発明が解決しようとする技術的
問題は周波数f0を下げることなく且つ反復周波数1/T を
増大することなく測定限界速度Vlim を増大し得る上述
した種類の運動する臓器及び血流の速度測定装置を実現
することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述した問題
を解決するために前記装置に受信したエコーグラフ信号
を処理する第2チャネルを設け、該チャネルは−並列に
接続され、エコーグラフ信号 Sn (t) に作用してf0以下
の周波数f1を中心とする信号 Sn1(t) と、f0以上の周波
数f2を中心とする信号 Sn2(t) をf0より小さい周波数差
f2-f1で発生する2つの対称バンドパスフィルタと、−
これら信号 Sn1(t) 及び Sn2(t) の積を形成するマルチ
プライヤと、−この積 Sn1(t) × Sn2(t) の周波数 f2-
f1を有する成分 Sn (t) を選択する対称バンドパスフィ
ルタと、−こうして得られた2つの順次の信号 Sn (t)
及び Sn+1(t)の相関関数(以後第2相関関数という)の
2I+1個のサンプル値を発生する第2相互相関回路とを具
え、且つ多重/補間回路により第2相関関数の最高値を
与えるサンプルの周囲の第1相関関数の最大値をコーチ
することにより速度の推定値を出力するようにしたこと
を特徴とする。
【0013】このように本発明の装置は既知の装置のよ
うに高周波(f0)の信号 Sn (t) を用いるだけでなく、前
記(1) 式の関係を満足し信号 Sn (t) として取り扱うこ
とができる低周波数(f2-f1) の第2信号 Sn (t) も用い
るものである。
【0014】低周波数信号を形成するのに用いるフィル
タは対称であり、周波数領域において遅延や位相変化を
導入しないため、及び相関の計算は両信号に対し同一の
環境で行われるため、両相関関数(第1及び第2関数)
は正確に一致し、一方の関数の最大値が他方の関数の最
大値に一致する。両相関関数の相違は、信号 Sn (t) に
関連する第1相関関数は高い周波数を有し、第2相関関
数より一層顕著なピークを示し、高い測定精度を生ずる
のに対し、信号Sn (t) に関連する第2相関関数は第1
相関関数より遙かに低い周波数を有し、所要の測定範囲
内において実際上1つの最大値のみを示す点にある。こ
れがため、第2相関関数を用いて第1相関関数に基づく
測定の“エイリアシング”効果による不確定を完全に除
去することができる。
【0015】要するに、本発明装置は高周波数信号によ
り決まる高い測定速度の利点と、低い周波数信号により
次式で表わされる高い速度限界値:数3
【数3】 が得られる利点とを合せ持つものとみなすことができ
る。尚、“エイリアシング”現象とは別に本発明装置は
相関ピークの決定中におけるサンプリングに関連する他
の不確定を除去することもできる。実際にはサンプルし
た相関関数の最高点がサーチした相関ピークに関連しな
いことが起こり得る。この状態は相関ピークを下げよう
とする大きな速度勾配を有する複雑な流れを測定すると
きに起こり得る。この誤りは走査深さの関数として再構
成した速度プロファイルに急激な不連続点として現れ
る。
【0016】
【実施例】図面を参照して本発明を実施例につき詳細に
説明する。
【0017】図1は本発明による運動する臓器及び血流
の速度を測定する装置を略図示したものである。この装
置は超音波エコーグラフ走査装置(図示せず)の一部を
構成し、この装置は例えば5MHz の周波数foを中心とす
る超音波を送出する少なくとも1個の超音波トランスジ
ューサと、例えば10KHz の所定の反復周波数F=1/T を有
するパルス信号により前記トランステジューサから超音
波を周期的に送信させる送信段と、トランスジューサに
戻ってきたエコーグラフ信号を受信し、受信した信号を
処理する受信段とを具えている。前記欧州特許願第0225
667 号にはこれら種々の段の詳細な説明がなされてい
る。受信及び処理段は、固定の臓器壁又は血管からの反
射波から生ずる妨害エコーが除去された周波数f0を有す
るエコーグラフ信号 Sn (t) を得ることができる固定エ
コー除去装置を具えている。信号 S n (t) の周波数スペ
クトルを図2aに示す。図1から明らかなように、信号 S
n (t) を第1処理チャネル100aを経て第1相関関数回路
300aに供給する。この相関回路は慣例の如く反復周期T
の遅延線を具え、2つの順次の信号 Sn (t)及び S
n+1 (t) を同時に受信することができる。次に2I+1個の
遅延線がこれら信号の一方を他方に対し uk = k Δt だ
けシフトさせる。ここでkは値 -I, -I+1,---,-1,0, 1,
---, I-1, I の整数及びΔt はサンプリングステッ
プ、例えば50nsである。最後に2I+1個の相関器が第1相
関関数の2I+1個のサンプル値: 数4
【数4】 を発生する。このような相関関数の一例は図3a及び3cで
与えられ、ここではI=4 である。
【0018】図1に示す装置は受信エコーグラフ信号を
処理する第2チャネル100bも具え、このチャネルは−並
列に接続され、信号S(n)に作用してf0以下の周波数f1
例えば4MHzを中心とする信号 Sn1(t) と、f0以上の周波
数f2、例えば6MHz を中心とする信号 Sn2(t) をそれぞ
れ出力する2つの対称バンドパスフィルタ2101, 2102
具え、両信号の周波数差 f2-f1=2MHz は f0 = 5MHzより
小さくする。周波数f1及びf2は図2b及び2cに示すように
f0を中心とする超音波周波数帯域内に位置させる必要が
ある。
【0019】対称フィルタとはその時間応答h(t)がh(-
t)=h(t)を満足するフィルタを意味するものと理解され
たい。他方、信号 Sn1(t) 及び Sn2(t) は前記の一般式
(1) を満足する。
【0020】第2チャネル100bは、更に、−信号 S
n1(t) 及びS n2(t) の積を形成し、f2-f1 を中心とする
低い周波数を有する信号と、f2+f1 を中心とする高い周
波数を有する信号の2つの信号(図2d) を発生するマル
チプライヤ 220と、−積 Sn1(t) ×S n2(t) の周波数 f
3=f2-f1 を有する成分 Sn (t) (図2e) を選択する対称
ローパスフィルタ 230と、−第1処理チャネル100aの回
路300aに類似し、2個の順次の信号 Sn (t) 及び Sn+1
(t) の相関関数数5
【数5】 のような2I+1個のサンプル値を出力する第2相互相関回
路300bとを具える。図3bは第2相関関数数6
【数6】 の一例を示し、図から明らかなようにこの相関関数は第
1相関関数数7
【数7】 より低い周波数を有する。相互相関回路300a及び300bに
用いる相関器は前述したようにいわゆる1ビット相関器
とすることができ、これら相関器は図3の相関関数を三
角形状にする。
【0021】相互相関回路300a, 300bの出力側におい
て、多重/補間回路400 により第2相関関数数8
【数8】 の最高値を発生するサンプルkoの周囲の第1相関関数数
【数9】 の最大値をサーチすることにより速度Vの推定値を発生
させる。図3は具体例についてこの処理を示すものであ
る。第1相関関数数10
【数10】 はサンプル k=-2 及びk=1 において2つの極大値を有
し、k=1における極大値が最高値であり、速度Vは kC
Δt/2T、即ち CΔt/2Tに近似するものとみなされる。し
かし、実際上、第2相関関数曲線数11
【数11】 ではこのような不確定が除去される。これは、この第2
相関関数曲線は速度の計算を k0 = -3の近傍の数12
【数12】 の第2最大値を有するサンプル k=-2 に基づいて行うべ
きであることを明確に示すからである。第1相関関数数
13
【数13】 の最大値の位置を k=-2 の周囲においてもっと正確に決
定するリニア補間は k=-2 を含む5つのサンプル、即ち
-4, -3, -2,-1, 0 を用いて行われる。この5つのサン
プル数は本例ではサンプリング周波数1/Δt が周波数f0
の4倍であり、従って超音波信号の1周期中に5つのサ
ンプルを取ることができるためである。1ビット相関に
関連するこのリニア補間は最大値とこれに隣接する2点
に基づいて二等辺三角形を再構成する。 f0, f1 及びf2
に対し上述の値を用いると、速度の測定限界値Vlim
f0/(f2-f1)=2.5倍になり、人体内の臓器運動又は血流の
如何なる速度も測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明による速度測定装置の構成図であ
る。
【図2】図2(a) 〜(e) は図1に示す装置の動作説明用
の信号スペクトル図である。
【図3】図3(a) 〜(c) は図1に示す装置により得られ
る相関関数の例と、所望の速度測定に対するこれら相関
関数の使用方法を示す図である。
【符号の説明】
100a 第1処理チャネル 100b 第2処理チャネル 2101, 2102 対称バンドパスフィルタ 220 マルチプライヤ 230 対称ローパスフィルタ 300a 第1相互相関回路 300b 第2相互相関回路 400 多重/補間回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 590000248 Groenewoudseweg 1, 5621 BA Eindhoven, T he Netherlands (72)発明者 フレデリック マンゴント フランス国 94000 クレテイル リュ デ メシュ18 (56)参考文献 特開 昭62−133944(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) A61B 8/00 - 8/15

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周波数f0の超音波を用いて超音波エコー
    グラフィにより運動する臓器及び血流の速度を測定する
    装置であって、受信エコーグラフ信号を処理する第1処
    理チャネル(100a)を具え、該チャネルは2つの順次のエ
    コーグラフ信号 Sn (t) 及び Sn+1(t)の相関関数(以後
    第1相関関数という)の2I+1個のサンプル値を発生する
    第1相互相関回路(300a)を具えている速度測定装置にお
    いて、当該装置は受信したエコーグラフ信号を処理する
    第2処理チャネル(100b)を具え、該チャネルは−並列に
    接続され、エコーグラフ信号 Sn (t)に作用してf0以下
    の周波数f1を中心とする信号 Sn1(t) と、f0以上の周波
    数f2を中心とする信号 Sn2(t) をf0より小さい周波数差
    f2-f1で発生する2つの対称バンドパスフィルタ(2101,
    2102)と、−これら信号 Sn1(t) 及び Sn2(t) の積を形
    成するマルチプライヤ(220) と、−この積 Sn1(t) × S
    n2(t) の周波数 f2-f1 を有する成分 Sn (t) を選択す
    る対称バンドパスフィルタ(230) と、−こうして得られ
    た2つの順次の信号 Sn (t)及び Sn+1(t)の相関関数
    (以後第2相関関数という)の2I+1個のサンプル値を発
    生する第2相互相関回路(300b)とを具え、且つ多重/補
    間回路(400) により第2相関関数の最高値を与えるサン
    プル(ko)の近傍の第1相関関数の最大値をサーチするこ
    とにより速度の推定値を出力するようにしたことを特徴
    とする速度測定装置。
  2. 【請求項2】 前記相互相関回路(300a, 300b)は1ビッ
    ト相関器を具え、且つ前記多重/補間回路(400) は二等
    辺三角形を再構成する補間を行うようにしたことを特徴
    とする請求項1記載の装置。
JP3039040A 1990-02-09 1991-02-12 速度測定装置 Expired - Lifetime JP3061430B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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FR9001530 1990-02-09
FR9001530A FR2658069A1 (fr) 1990-02-09 1990-02-09 Dispositif de mesure de la vitesse d'organes en mouvement et d'ecoulements sanguins par echographie ultrasonore, a vitesse limite de mesure elevee.

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JPH04215744A JPH04215744A (ja) 1992-08-06
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