JP3179586B2

JP3179586B2 - 超音波装置

Info

Publication number: JP3179586B2
Application number: JP26111192A
Authority: JP
Inventors: 景義片倉; 彰一千田; 裕英松尾
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-09-30
Filing date: 1992-09-30
Publication date: 2001-06-25
Anticipated expiration: 2016-06-25
Also published as: JPH06105846A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】超音波により血管内を伝搬する脈
波の伝搬速度を計測する超音波装置に関し、一例として
は動脈硬化の診断を行なう超音波装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】血管壁の変形状況、あるいは遠く離れた
二点間の血流ドプラ信号波形間時間遅れより脈波伝搬速
度を計測する装置構成として、特開昭６２−２６０５０
号公報、電子通信学会技術研究会報告ＭＢＥ８４−１
７、pp９−１６、１９８４、日本超音波医学会講演論文
集５１−ｐｂ−３１、pp231-231（昭和６２年１１月）
が知られていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】通常の反射信号を利用
する従来の超音波断層法では、空間分解能以下の細い血
管は描出不可能である。しかし、ドプラ法によると血液
の運動情報により、周囲との弁別が可能となり細い血管
内の血流も検出可能となる。ドプラ効果による血流状況
の計測は、通常は、ドプラ効果による反射信号周波数の
変化状況をフーリエ解析することにより行なわれてい
る。しかしこの場合には、フーリエ変換における時間と
周波数の分解能に関する不確定性原理から、時間に関す
る分解能がフーリエ変換の積分時間により制限され、通
常の構成では１００ msec 程度の時間分解能以上は得ら
れないという問題があった。本発明の目的は、この問題
を解決し脈波の伝搬時間の計測精度を飛躍的に向上さ
せ、近接する二点間の伝搬時間を計測可能とし、局所脈
波速度計測が可能な超音波装置を提供することにある。
このような超音波装置により、例えば局所的な動脈硬化
度を計測可能とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】細い血管に対しても適用
可能とするために、ドップラ信号による計測を基本と
し、血流ドップラ信号の広帯域性に着目し、血流ドップ
ラ信号の相関処理による時間計測を併用する構成によ
り、脈波の伝搬時間の計測精度を飛躍的に向上させる。
即ち、超音波を送信し、反射信号を受信し、複数の観測
位置における反射信号のドプラ信号の時間的変化から観
測位置間における脈波伝搬時間を計測し、脈波伝搬時間
と観測位置間の距離から脈波の伝搬速度を計測する超音
波装置において、ドプラ信号間の相互相関係数を計算す
る相関演算部を有し、求められた相互相関係数を用いて
脈波伝搬時間の計測を行なう。相関演算部が複素ドプラ
信号同士の相互相関係数の演算を行なうこと、相関演算
部に印加される少なくとも一方のドプラ信号が、大幅に
周波数が変化する部分を選択した信号であること、相関
演算部に印加される少なくとも一方のドプラ信号の周波
数特性が補正可能であること、相関演算部に印加される
複数のドプラ信号を一旦フーリエ変換し、これらの積を
フーリエ逆変換することにより相互相関係数の演算を行
なうこと、を特徴とする。

【０００５】

【作用】通常の反射信号を利用する従来の超音波断層法
では、空間分解能以下の細い血管は描出不可能である。
しかし、ドプラ法によると血液の運動情報により、周囲
との弁別が可能となり細い血管内の血流も検出可能とな
る。ドプラ効果による血流状況の計測は、通常は、ドプ
ラ効果による反射信号周波数の変化状況をフーリエ解析
することにより行なわれている。しかしこの場合には、
フーリエ変換における時間と周波数の分解能に関する不
確定性原理から、時間に関する分解能がフーリエ変換の
積分時間により制限され、通常の構成では１００ msec
程度の時間分解能以上は得られない。ところで、相互相
関係数の時間分解能は概略１／Ｂ sec（Ｂは信号の周波
数帯域幅：Ｈｚ）となることが知られている。また、通
常の血管におけるドプラ信号の帯域は１ｋＨｚ以上であ
る。そこで本発明においては、血流ドプラ信号間の相互
相関処理により時間差計測を行なうことにより、この周
波数帯域の逆数である、１／１０００秒（１ｍｓｅｃ）
の時間分解能を実現する。一方、生体中の脈波速度は、
４ｍ／ｓｅｃから１０ｍ／ｓｅｃ程度まで変化すること
から、この脈波が１０ｃｍの距離を通過するのに要する
時間は２５ｍｓｅｃから１０ｍｓｅｃである。このた
め、本発明では時間分解能が１ｍｓｅｃとなることか
ら、１０ｃｍの狭い間隔によっても充分の精度で脈波伝
搬時間が計測可能となり、従って局所脈波速度の計測が
可能となる。このように本発明の作用原理は、広帯域血
流ドップラ信号の相関処理によって時間計測精度を向上
させることにある。

【０００６】

【実施例】本発明の基本動作を図１に示す実施例により
詳細に説明する。図１に示す送信部１からパルス状の電
気信号が発生され、配列形超音波送受波器２に印加され
る。この送受波器内に配置された素子選択スイッチ３に
より振動子素子群４あるいは５が交互に選択され、超音
波ビーム６あるいは７によりそれぞれ該当する領域内の
反射信号が交互に受信信号８として得られる。この受信
信号８は増幅器９により増幅され、ドプラ信号を抽出す
るドプラ計測部１０及び１１に入力する。この部分の構
成は、超音波ビーム６及び７上の観測点１２及び１３か
らの反射信号それぞれにつきドプラ信号抽出処理を行な
う通常の所謂パルスドプラ法による構成である。このよ
うにして得られた、観測点に対応するドプラ信号１４、
１５は、波形記憶部１６、１７に一旦記憶される。波形
記憶部１７に記憶された一時記憶信号２３の各部分波形
１８はフーリエ変換器１９により順次フーリエ変換され
ドプラ時系列周波数スペクトルとしてフーリエ記憶部２
０に記憶される。このフーリエ記憶部２０の記憶内容に
おける広帯域信号部分を選択する構成が信号抽出部２１
である。この判定結果を利用して波形記憶部１７に記憶
した一時記憶信号２３の特定部分のみを信号選択部２２
により選択し、基準信号２４とする。相関演算部２６
は、この基準信号２４と、他方の波形記憶部の内容であ
る一時記憶信号２５との相互相関係数２７を計算する。
この相互相関係数２７における最大値出現時刻の、原点
からの移動時間τ（図２（ｆ））が観測点１２と１３の
間の脈波伝搬時間となる。速度計算部２８はこの伝搬時
間を測定し、距離判定部２９により決定される観測点１
２と１３の間の距離との割算を行ない速度を演算する部
分である。制御部３０は超音波ビームの空間的位置及び
観測点１２と１３までの送受波器からの距離を設定する
部分であり、これらの設定情報を距離判定部２９に提供
することにより、距離判定部２９において観測点間の距
離が計算可能となる。このようにして決定された脈波速
度を表示部３１に表示する。図１において、３２は対象
とする血管等の流路（血流部位）であり、３３は流れの
方向である。また、流れの方向が超音波ビームの方向と
なす角をθとする。

【０００７】このような構成による各部の動作を、それ
ぞれにおける信号波形に基づき更に詳細に説明する。ド
プラ計測部１０、１１の出力信号は、観測点１２、１３
に対応してそれぞれドプラ信号１４、１５となるが、こ
れらを図２（ａ）、（ｂ）に示す。この両者は流速の変
化に対応して瞬時周波数が同様の変化を示し、下流のド
プラ信号１５におけるこの周波数変動は、上流のドプラ
信号１４に対して、観測点１３から１２までの脈波伝搬
時間τだけ遅れている。ここで脈波伝搬時間τは、観測
点間の距離をＬ、脈波伝搬速度をＣとするとτ＝Ｌ／Ｃ
である。このようなドプラ信号１４、１５を波形記憶部
１６、１７にそれぞれ記憶する。これらの波形をそれぞ
れフーリエ変換すると、変換結果は図２（ｃ）、（ｄ）
となる。ここでは、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、
フーリエ変換の積分時間をＴとし、時間Ｔ内の波形を順
次フーリエ変換している。ドプラ信号の実際の周波数変
化は、両図における実線の通りであるが、積分時間Ｔな
る周波数分析を行なうと一般的に周波数分解能は１／Ｔ
となり時間分解能はＴとなるため、図２（ｃ）、（ｄ）
における点線の範囲内に出力信号が分布する。このた
め、これらフーリエ変換結果から相互の時間差τを高精
度に決定することは困難となる。そこで本発明において
は、波形記憶部１７の内容である部分波形１８をフーリ
エ変換器１９によりフーリエ変換し、図２（ｃ）にすで
に示した周波数スペクトル情報３４を得る。この周波数
スペクトル情報３４をフーリエ記憶部２０に記憶する。
信号抽出部２１は、フーリエ記憶部２０にあるスペクト
ル情報において周波数変化の大きい部分３５を検出す
る。この検出手段は、自動化あるいは視認による判定等
種々の構成が可能である。ここにおける周波数の変化幅
は、流速の変化量をＶ（ｍ／ｓｅｃ）とし、使用する超
音波周波数をｆ（Ｈｚ）とすると、Ｂ＝ｆ×２cosθ×
Ｖ／ｃ（Ｈｚ）なる関係にて与えられる。ここで、ｃは
超音波の伝搬速度であり、水中においては約１５００ｍ
／ｓｅｃである。仮に、流速の変化量を１．５ｍ／ｓｅ
ｃとし、使用する超音波周波数を１ＭＨｚとし更にθを
０度とすると周波数変化幅Ｂは２０００Ｈｚとなる。こ
のような周波数変化の大きい部分３５を選択する時間領
域選択信号３６を信号選択部２２に印加する。信号選択
部２２はこの時間領域選択信号３６により一時記憶信号
２３における周波数変化の大きい部分３５に該当する時
間成分のみを抽出し基準信号２４として出力する。

【０００８】基準信号２４を図２（ｅ）に示す。ここま
では簡単のために実信号として説明してきたが、通常の
ドプラ計測は複素信号として行なわれることからドプラ
信号１４、１５も実際は複素信号であり、従って基準信
号２４も図に点線にて併記した直交成分を保有する複素
信号である。このため、実際のドプラ計測以降の処理は
全て複素信号として実行される。このような複素の基準
信号２４と、ドプラ信号１４と同一形状である一時記憶
波形２５との相互相関係数を相関演算部２６により計算
する。この出力は図２（ｆ）に示す相互相関係数Ｒ
（σ）２７である。相互相関係数Ｒ（σ）２７における
極大位置からドプラ信号１４と１５の時間ずれがτと求
まる。ここで、極大の幅は１／Ｂ（ｓｅｃ）となるが、
ここでＢは２０００Ｈｚであることから、１／２０００
＝０．５ｍｓｅｃと高い時間計測精度となる。速度計算
部２８によりこの時間τと観測点間距離Ｌとから脈波速
度ＣをＣ＝Ｌ／τとして計算し、結果を表示部３１に表
示する。

【０００９】相関演算部２６の動作を以下に説明する。
図２（ｅ）に示す信号をａ（ｔ）としａ（ｔ）＝ｕ（ｔ）ｅｘｐ｛ｊθa（ｔ）｝とする。また、一時記憶信号２５をｂ（ｔ）としｂ（ｔ）＝ｖ（ｔ）ｅｘｐ｛ｊθb（ｔ）｝とする。このとき、相関演算部２６の出力Ｒ（σ）は

【００１０】

【数１】

【００１１】を計算している。ここで、￣は共役関係を
示す。また、よく知られたフーリエ変換の関係から、図
３に示すように両信号をフーリエ変換器３８、３９によ
りフーリエ変換し、片方を共役複素数変換器４０により
共役複素数に変換し、複素乗算器４１によりそれらの積
を作り、これをフーリエ逆変換器４２によりフーリエ逆
変換することにより複素相関係数が計算され、最後に複
素絶対値計算部４３により複素絶対値とすることにより
出力Ｒ（σ）が求まる。このように一旦フーリエ変換す
る構成においては、フーリエ逆変換の前に、直流成分等
の不要周波数成分を選択的に抑圧する処理も可能とな
る。更に、相関演算部の簡略構成として、入力信号の片
方を実数とする構成も場合により使用可能である。この
場合においては、たとえばａ（ｔ）＝ｕ（ｔ）ｅｘｐ｛ｊθａ（ｔ）｝とし、一時記憶信号２５をｂ（ｔ）の実部のみとしｃ（ｔ）＝Ｒｅａｌ｛ｂ（ｔ）｝＝ｖ（ｔ）cos｛θb
（ｔ）｝とする。このとき、相関演算部２６の出力Ｒ（σ）は

【００１２】

【数２】

【００１３】を計算することにより求まり、計算過程が
簡略化される。

【００１４】本実施例は、厳密な構成として複素信号構
成を主体に説明してあるが、これに限定されるものでは
なく、任意に実部あるいは虚部のみの構成とすることも
可能である。また、観測点間距離の計測法としては、図
４に示す距離判定部２９の画面のように、屈曲した経路
についてもカーソル、マーカ、あるいはポインタ３７の
併用等により正しく計測可能となる。この装置は当然超
音波の断層像あるいは立体像の表示装置と結合して構成
されるが、その構成は電子セクタ、電子リニア、コンベ
ックス等公知の全ての構成が適用可能である。また、カ
ラードプラ装置との結合も微細血管の検出において非常
に有効である。また、ドプラ計測部の構成には、高限界
速方式等、公知の各種の変形方式も当然利用可能であ
る。

【００１５】

【発明の効果】超音波により血管内を伝搬する脈波の伝
搬速度を計測する超音波装置において、伝搬時間の計測
精度を飛躍的に向上させることができ、近接する二点間
の伝搬時間が計測可能となり、例えば、本発明の超音波
装置を動脈硬化の診断に適用する場合、局所的な動脈硬
化度の定量計測が微細血管においても可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波装置の構成を示すブロック図。

【図２】本発明の超音波装置の構成する各部の信号波形
を説明する図。

【図３】本発明の超音波装置の相関演算部の構成例を示
すブロック図。

【図４】本発明の超音波装置の観測点間距離の計測法の
一例を説明する図。

【符号の説明】

１…送信部、２…配列形超音波送受波器、３…素子選択
スイッチ、４、５…振動子素子群、６、７…超音波ビー
ム、８…受信信号、９…増幅器、１０、１１…ドプラ計
測部、１２、１３…観測点、１４、１５…ドプラ信号、
１６、１７…波形記憶部、１８…部分波形、１９…フー
リエ変換器、２０…フーリエ記憶部、２１…信号抽出
部、２２…信号選択部、２３、２５…一時記憶信号、２
４…基準信号、２６…相関演算部、２７…相互相関係
数、２８…速度計算部、２９…距離判定部、３０…制御
部、３１…表示部、３２…流路、３３…流れの方向、３
４…周波数スペクトル情報、３５…周波数変化の大きい
部分、３６…時間領域選択信号、３７…マーカ、３８、
３９…フーリエ変換器、４０…共役複素数変換器、４１
…複素乗算器、４２…フーリエ逆変換器、４３…複素絶
対値計算部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者千田彰一香川県高松市木太町８区3738−36 (72)発明者松尾裕英香川県高松市浜の町60−55−627 (56)参考文献特開昭60−259250（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−26050（ＪＰ，Ａ) 特開平２−13443（ＪＰ，Ａ) 特開平２−32264（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 8/00 - 8/15

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波を送信する手段と、該送信された超
音波の反射信号を受信する手段と、該受信された反射信
号から複数のドプラ信号を抽出する手段と、該抽出され
た複数のドプラ信号の時間的変化から脈波伝搬時間を計
測する手段とを有し、前記脈波伝搬時間を計測する手段は、前記複数のドプラ信号をフーリエ変換することにより、
第１の曲線と第２の曲線とによって輪郭が規定された周
波数スペクトル情報を検出し、前記第１の曲線が時間軸に対して立ち上がる第１の時刻
と前記第２の曲線が時間軸に対して立ち上がる第２の時
刻との間に含まれる特定部分を前記周波数スペクトル情
報から検出し、前記特定部分の検出を前記複数のドプラ信号に対して行
うことで得られる複数の特定部分間で相互相関演算を行
い相互相関係数を計算し、該相互相関係数を用いて前記脈波伝搬時間の計測を行な
うことを特徴とする超音波装置。
【請求項２】前記複数のドプラ信号をフーリエ変換し、
該複数のフーリエ変換されたドプラ信号の積をフーリエ
逆変換することにより相互相関係数の演算を行なうこと
を特徴とする請求項１に記載の超音波装置。