JP3418632B2 - 超音波装置 - Google Patents

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し、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の時間遅れより脈波伝搬
速度を計測する従来技術がある。例えば、特開昭６２−
２６０５０号公報に、超音波式脈波速度計が記載されて
おり、導管に沿った２点において超音波の反射を利用し
て管壁位置の時間変化を表す情報を発生し、この情報か
ら対応する変化がこの２点で現われる時間差を求め、こ
の時間差と２点間の距離とに基づいて脈波速度を算出す
る構成が示されている。また、電子通信学会技術研究会
報告、ＭＢＥ８４−１７、９頁−１６頁（１９８４）
に、Ｂモード連動型超音波微小変位計測装置が記載され
ており、超音波エコーの位相をゼロクロス追従機構を用
いて追従し、組織の微小変位を測定することにより形態
学的情報のみならず硬さ等の物性的情報を得ることを目
的とした装置が示され、この装置を用いた局所的な血管
弾性率すなわち血管弾性分布の無侵襲計測が示されてい
る。さらに、日本超音波医学会講演論文集、５１−ＰＢ
−３１、２３１頁−２３２頁（昭和６２年１１月）に、
超音波ドプラ血流波を使用した大動脈脈波速度の測定に
関する記載があり、総顎動脈および大腿動脈の圧脈波を
同時記録し、その時間的差異を利用して算出した脈波速
度と、同部位において記録した血流波による脈波速度を
比較し、次いで、総顎動脈と大腿動脈における血流波を
同時記録することにより、大動脈のより中枢部における
脈波速度の計測を行うことが示されている。通常の反射
信号を利用する超音波断層法では、使用する超音波装置
の空間分解能以下の細い血管は描出できない。しかし、
ドプラ法では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して行なわれて
いる。この場合、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
によると１００ｍｓｅｃ程度の時間分解能以上は得られ
ない。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
技術における脈波の伝搬時間の計測精度の限界に鑑み、
血管内を伝搬する脈波の伝搬時間の計測精度を飛躍的に
向上させ、近接する二点間の脈波の伝搬時間を計測可能
とすることにより、局所的な動脈硬化度を細い血管に対
しても計測可能とする超音波装置を提供することにあ
る。 【０００４】 【課題を解決するための手段】ドプラ法と相関法の結合
を基本的な構成とし、細い血管に対しても脈波の伝搬時
間を適用可能とするために、ドプラ信号による計測を基
本とし、血流ドプラ信号の広帯域性に着目して、ドプラ
信号による計測に相関処理による時間計測を併用するこ
とにより、脈波の伝搬時間の計測精度を飛躍的に向上さ
せる。すなわち、超音波を送信し、複数の観測位置から
反射信号を受信し、これら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
る脈波の伝搬時間を計測し、この伝搬時間と観測位置間
の距離から脈派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、この相互相関係数を用いて脈波の伝搬時間計測
を行なう。相関演算部は複素信号どうしの相互相関演算
を行ない相互相関係数を計算し、相関演算部に印加され
る少なくとも一方の信号は大幅に周波数が変化する部分
を選択した信号であり、相関演算部に印加される少なく
とも一方の信号の周波数特性が補正できる。相関演算部
は印加される二つの信号を一旦フーリエ変換し、これら
のフーリエ変換結果の積をフーリエ逆変換して相関演算
を行ない相互相関係数を計算する。さらに本発明の装置
は、相関演算部の加え、ドプラ信号の周波数の変化方
向、或いは変化幅を修正する信号変換部を有している。 【０００５】 【作用】通常の反射信号を利用する超音波断層法による
と、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る周囲との
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、通常の構成によると１００ｍｓｅ
ｃ程度の時間分解能以上は得られないことになる。とこ
ろで、相互相関係数の時間分解能は概略１／Ｂｓｅｃ
（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、本発明の方式により時間分解能が１
ｍｓｅｃ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、広帯域血流ドプラ信号の相関処理によって
時間計測精度が向上できることにある。 【０００６】 【実施例】本発明の超音波装置の基本動作を図１に示す
実施例により詳細に説明する。図１に示すように、送信
部１からパルス状の電気信号が発生され、複数の振動子
素子が配列された配列形超音波送受波器２に印加され
る。この配列形超音波送受波器２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。このドプラ計測部１０及び１１の構成は、超音波ビ
ーム６及び７上の観測点１２及び１３からの反射信号の
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、２つの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２０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１６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。 【０００７】この相互相関係数２７の波形における最大
値が出現する時刻の、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１２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。この表示では対象とする血管等の流路３２、流れの
方向３３が表示されている。流れの方向が超音波ビーム
の方向となす角をθとする。このような構成による各部
の動作を、それぞれ各部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１
４、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の
（ａ）、（ｂ）に示すように、フーリエ変換の積分時間
をＴとし、積分時間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、図２（ａ）、
（ｂ）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信号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。 【０００８】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。領域選択部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／ｓｅ
ｃ）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／ｓｅｃ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２
２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２
４として出力する。基準信号２４を図２の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２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
素信号である基準信号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２７を相関
演算部２６により計算する。この相関演算部２６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）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、 【００１０】 【数１】 ａ（ｔ）＝ｕ（ｔ）ｅｘｐ｛ｊθa（ｔ）｝ （数１） とする。また、一時記憶信号２５をｂ（ｔ）とし、 【００１１】 【数２】 ｂ（ｔ）＝ｖ（ｔ）ｅｘｐ｛ｊθb（ｔ）｝ （数２） とする。このとき、相関演算部２６の出力Ｒ（σ）は、 【００１２】 【数３】 Ｒ（σ）＝｜∫〈ａ（ｔ）〉ｂ（ｔ＋σ）ｄｔ｜ （数３） を計算する。ここで、〈ａ（ｔ）〉はａ（ｔ）の共役関
係を示し、積分の下限、上限はそれぞれ、０、Ｔ₀であ
る。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、基準信号２４と一時記憶信号２５の両信
号をフーリエ変換器３９、３８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４
３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、たとえ
ば、（数１）のａ（ｔ）を用い、一時記憶信号２５をｂ
（ｔ）の実部のみとし、 【００１３】 【数４】 ｃ（ｔ）＝Ｒｅａｌ｛ｂ（ｔ）｝＝ｖ（ｔ）cos｛θb（ｔ）｝ （数４） とする。このとき、相関演算部２６の出力Ｒ（σ）は、 【００１４】 【数５】 Ｒ（σ）＝｜∫〈ａ（ｔ）〉ｃ（ｔ＋σ）ｄｔ｜ （数５） を計算することにより求まり、計算過程が簡略化され
る。（数５）において〈ａ（ｔ）〉はａ（ｔ）の共役関
係を示し、積分の下限、上限はそれぞれ、０、Ｔ₀であ
る。相互相関における時間分解能は信号の周波数帯域幅
に比例して向上する。このため、信号の存在する周波数
帯域につき周波数特性の補正処理を行ない、例えば高域
と低域を強調することにより、更に分解能を向上可能で
ある。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。ここで、図５のに示すよ
うな、ドプラ信号の周波数の変化方向が反転する場合に
は、観測点１２においてはドプラ周波数が上昇するた
め、この点におけるドプラ信号ａ（ｔ）のフーリエ変換
Ａ（ｔ）は図６に示す周波数上昇信号４４となる。一
方、観測点１３においてはドプラ周波数が下降するた
め、この点におけるドプラ信号ｂ（ｔ）のフーリエ変換
Ｂ（ｔ）は図６に示す周波数下降信号４５となる。この
両者は、波形が異なるため、このまま相関処理を行なっ
ても時間計測は困難である。そこで、一方の信号例え
ば、ｂ（ｔ）の共役複素数をとり〈ｂ（ｔ）〉をｃ
（ｔ）とすることにより、 【００１５】 【数６】 ｃ（ｔ）＝〈ｂ（ｔ）〉＝ｖ（ｔ）ｅｘｐ｛−ｊθb（ｔ）｝ （数６） となり、このフーリエ変換は修正信号４６に示す形状と
なり、周波数上昇信号４４と高い相関度を示すことにな
る。また、図７に示すようなドプラ信号の周波数の周波
数の変化幅も異なる状況においては、周波数上昇信号４
４、周波数下降信号４５のそれぞれが、図８における大
変化幅信号４７、小変化幅信号４８となり、周波数の変
化幅が異なる為に相関度が低下する。この場合には、一
方の信号、例えば、ｂ（ｔ）は、 【００１６】 【数７】 ｂ（ｔ）＝ｖ（ｔ）ｅｘｐ｛ｊθb（ｔ）｝ ＝ｖ（ｔ）ｅｘｐ｛ｊ∫Δθb（ｔ）ｄｔ｝ （数７） であるが（積分の下限、上限はそれぞれ、０、ｔであ
る。）、ここにおける計測値である隣接時刻間の位相差
Δθb（ｔ）を定数α倍することによりｃ（ｔ）とす
る。ここで、 【００１７】 【数８】 ｃ（ｔ）＝ｖ（ｔ）ｅｘｐ｛ｊ∫αΔθb（ｔ）ｄｔ｝ （数８） である（積分の下限、上限はそれぞれ、０、ｔであ
る。）。ここにおける積分は、通常は離散時刻における
計測値の累加により実行される。このように周波数を変
換（この場合には拡大）し、ｃ（ｔ）とすることにより
このフーリエ変換は修正信号４９に示す形状となり、図
６に示す処理により更に周波数を反転することにより大
変化幅信号４７と高い相関度を示すことになる。このよ
うな、波形変換処理を行なう場合の構成を図９に示す。
ここで信号変換部５０が方向或いは周波数変化幅の変更
処理を行なう波形変換部である。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。 【００１８】 【発明の効果】超音波により血管内を伝搬する脈波の伝
搬速度を計測し、動脈硬化の診断を行なう超音波装置に
おいて、脈波の伝搬時間の計測精度が飛躍的に向上し近
接する二点間の脈波の伝搬時間が計測可能となり、局所
的な動脈硬化度が微細血管においても計測可能となる。
このように本発明では、局所微細血管の脈波速度の計測
が可能であり、これにより局所動脈硬化度の定量計測が
可能となる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施例である超音波装置の基本構成を
示す図。 【図２】本発明の超音波装置を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
す図。 【図４】本発明の超音波装置の観測点間隔の計測法の一
例を説明する図。 【図５】ドプラ信号の周波数の変化方向が反転する場合
のドプラ信号を示す図。 【図６】ドプラ信号の周波数の変化方向が反転する場合
の周波数変化を示す図。 【図７】ドプラ信号の周波数の変化幅も異なる場合のド
プラ信号を示す図。 【図８】ドプラ信号の周波数の変化幅も異なる場合の周
波数変化を示す図。 【図９】本発明の超音波装置の波形変換部の構成例を示
す図。 【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、４４…周波数上昇信号、４５…周波数下降
信号、４６、４９…修正信号、４７…大変化幅信号、４
８…小変化幅信号、５０…信号変換部。

───────────────────────────────────────────────────── 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 香川県木田郡庵治町5319−70 (56)参考文献 特開 平２−32264（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−206433（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 8/06

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】超音波を送信し、複数の観測位置から反射
   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、前記観測位置間における脈波
   の伝搬時間を計測し、この伝搬時間と前記観測位置間の
   距離から脈派の伝搬速度を計測する超音波装置におい
   て、前記ドプラ信号間の相互相関係数を計算する相関演
   算部を有しこの相互相関係数を用いて脈波の伝搬時間計
   測を行ない、前記ドプラ信号の周波数の変化方向、或い
   は変化幅を修正する信号変換部を有し、前記相関演算部
   は複素信号どうしの相互相関演算を行うことで前記相互
   相関係数を計算し、前記相関演算部に印加される少なく
   とも一方の信号は大幅に周波数が変化する部分を選択し
   た信号であり、前記相関演算部は印加される二つの信号
   をフーリエ変換し、これらのフーリエ変換結果の積をフ
   ーリエ逆変換して相関演算を行い前記相互相関係数を計
   算することを特徴とする超音波装置。