JP3698173B2

JP3698173B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP3698173B2
Application number: JP12498195A
Authority: JP
Inventors: 孝信内堀
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 1995-05-24
Filing date: 1995-05-24
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2020-09-21
Also published as: JPH08308843A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超音波のドプラ効果を利用して、血液等、体内の運動体の運動状態を診断する超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波パルスドプラ法と超音波パルス反射法とを併用し、一つの超音波プローブで断層像（白黒Ｂモード像）と血流情報とを得るとともに、少なくともその血流情報をリアルタイムで表示するようにした超音波ドプラ診断装置が知られている。
【０００３】
この超音波ドプラ診断装置の一例を図１２に基づき説明する。この診断装置は血流情報として血流速度を計測するものである。図１２に示す診断装置は、超音波振動子２０１に接続された送信用のパルサ２０２及び受信用の前置増幅器２０３を有する。前置増幅器２０３の出力側には、ミキサ２０４、ローパルスフィルタ２０５、サンプルホールド回路２０６、バンドパスフィルタ２０７、及び周波数分析器２０８を介して表示器２０９に接続されている。
【０００４】
この超音波ドプラ診断装置は、また送信制御及び受信制御のためのパルス発生回路２１０と、レンジゲート制御用のレンジゲート回路２１１とを備えている。パルス発生回路２１０は分周回路、ゲート回路などを備えており、所定周波数のクロックパルスａ（図１３参照）を発生させ、そのクロックパルスａをレンジゲート回路２１１及びミキサ２０４に供給するとともに、そのクロックパルスａに基づいて超音波繰返し周波数に相当するレートパルスｂ（図１３参照）を生成し、そのレートパルスｂをパルサ２０２及びレンジゲート回路２１１に供給する。
【０００５】
上記パルサ２０２は、供給されたレートパルスｂに基づいて高電圧の駆動電圧パルスを生成し、その駆動電圧パルスにより超音波振動子２０１を励振する。この励振に伴って、超音波振動子２０１は超音波パルス信号を生体Ｐ内に送波する。送波された超音波パルス信号の一部は、生体Ｐ内の血管壁ＢＷ及び血管内の血流Ｂ（主に赤血球）で反射して超音波エコー信号となる。この超音波エコー信号は再び同一の超音波振動子２０１により受信され、電圧エコー信号ｄ（図１３参照）に変換される。
【０００６】
この電圧エコー信号ｄは、超音波のドプラ効果を反映した受信信号となる。つまり、生体Ｐ内を流れている血流に対して超音波パルスを送波すると、流動する血球によって散乱され、ドプラ偏移を受ける。このため、超音波ビームの中心周波数ｆｃがｆｄだけ変化し、受信周波数ｆはｆ＝ｆｃ＋ｆｄとなる。このドプラ偏移周波数ｆｄは、血流速度ｖ、超音波ビームと血管の成す角度θ、音速ｃとして、およそ以下のように表される。
【０００７】
ｆｄ＝｛（２・ｖ・cos θ・ｆｃ）／ｃ｝・ｆｃ
このため、受信電圧信号ｆｄからドプラ偏移周波数ｆｄを検出することにより血流速度ｖを知ることができるから、この検知に向けて上述した受信経路が動作する。
【０００８】
すなわち、前置増幅器２０３は電圧エコー信号ｄを増幅し、その増幅信号をミキサ２０４に出力する。ミキサ２０４は、増幅されたエコー信号ｄとクロックパルスａとを混合し、その混合信号を次段のローパスフィルタ２０５に出力する。ローパスフィルタ２０５は、入力する混合信号の内、超音波搬送周波数などの高周波成分を除去し、ドプラ偏移周波数ｆｄを中心とする低周波分のみをサンプルホールド回路２０６に出力する。
【０００９】
このサンプルホールド回路２０６は、血流Ｂの速度の観測位置、すなわちサンプリング・ラスタ上の血流Ｂに対するレンジゲート（サンプリングポイント、サンプリングボリュームともいう）の位置のみのドプラ偏移信号を抽出するための回路である。この信号抽出を行うために、サンプルホールド回路２０６にはレンジゲート回路２１１からサンプリングパルスｃが供給される。レンジゲート回路２１１は遅延時間を任意に設定できる回路で、超音波パルスを振動子２０１とレンジゲート位置Ｏとの間を往復伝搬するに等しい時間だけレートパルスｂよりも遅延させ、且つ、設定されたパルス幅のサンプリングパルスｃ（図１３参照）を形成し、このパルスｃをサンプルホールド回路２０６に供給する。なお、レンジゲート位置Ｏは、オペレータにより、Ｂモード断層上の血流速度を得たい血管の位置に、トラックボールやジョイスティックで任意に設定される。
【００１０】
サンプルホールド回路２０６は、体表面からレンジゲート位置Ｏに対応したサンプリングパルスｃでローパルスフィルタ２０５の出力信号をサンプル・ホールドし、そのホールド結果をバンドパスフィルタ２０７に出力する。バンドパスフィルタ２０７では、サンプルホールド回路２０６のサンプリングで生じた高調波成分や血管などの固定反射信号及び比較的遅い生体内の動きに拠るドプラ偏移周波数が除去され、血流Ｂのドプラ偏移周波数のみが抽出される。この抽出信号が次段の周波数分析器２０８に送られ、高速フーリエ変換などの周波数分析によってドプラ偏移周波数の周波数スペクトルパターン（ドプラスペクトラム）が演算される。この周波数スペクトルパターンは、時間（横軸）の経過に伴うドプラ偏移周波数（血流速度に対応：縦軸、各周波数成分の強度は輝度で表される）の変化を示すもので、表示器２０９にて例えば図１４に示す如くリアルタイムに表示される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した超音波ドプラ診断装置では、検出された周波数がくり返し周波数（±１／２ｆｒ）を越えた場合、図１５のように折り返されたような波形になる。これを図１５に示す如く、折り返されていないものにするには、血流速度に応じてパルス繰り返し周波数（レート周波数）や０レベルシフトを操作者が適切に設定しなければならず、操作時間がかかり、操作者の大きな負担になっていた。また、同時に診断に非常に多くの時間がかかっていた。
【００１２】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、煩わしい操作を行わずに、見易い表示形態のスペクトラムが観察できる超音波診断装置を提供することをその目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１に記載の発明の超音波診断装置は、被検体内の運動体を含む診断部位との間で、所定のＰＲＦで超音波ビームを送受信する送受信手段と、この送受信手段により得られた受信信号から所望のレンジゲートの位置の運動体に起因したドプラ信号を抽出する抽出手段と、前記所定のＰＲＦ及び所定の０Ｈｚ位置において抽出可能であるドプラ変位周波数の範囲と、所定期間内に得られた前記ドプラ信号のうち所定以上のパワーを有する信号に対応して検知されるドプラ変位周波数の存在する範囲との関係に基づいて前記ＰＲＦ及び０Ｈｚ位置を決定するＰＲＦ／０Ｈｚ位置決定手段と、前記決定されたＰＲＦ及び０Ｈｚ位置に基づいて、前記抽出手段が抽出したドプラ信号からドプラスペクトラムを演算するスペクトラム演算手段と、前記ドプラスペクトラムを表示するスペクトラム表示手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
【作用】
本発明の超音波診断装置によれば、煩わしい操作を行わずに、ＰＲＦや０Ｈｚ位置を調整した見易い表示形態のスペクトラムが観察できるので、操作者の負担を軽減することができる。
【００１５】
【実施例】
以下、この発明の一実施例を図１〜図１１を参照して説明する。
【００１６】
この実施例に係る超音波ドプラ診断装置は図１に示すように、電子走査型の超音波プローブ（以下、単にプローブという）１１と、このプローブ１１に接続された電子走査部１２とを備えている。
【００１７】
電子走査部１２は、基準クロックを発生させる基準発振部２０と、その基準クロックを受けて遅延駆動信号を生成するディレーライン２１（後述する受信時の遅延も兼用）と、このディレーライン２１からの遅延駆動信号を受けてプローブ１１のアレイ型の圧電振動子群を励振させるパルサ２２とを備えている。また、この電子走査部１２には受信系の回路も内臓されている。つまり、プローブ１１に接続された前置増幅器２３と、この前置増幅器２３の出力信号を遅延させるディレーライン２１と、このディレーライン２１の遅延信号を加算する加算器２４と、この加算器２４の出力信号を対数増幅及び包絡線検波に付す検波器２５とを備えている。ディレーライン２１と加算器２４とにより受信エコー信号の整相加算が行われ、これにより電子走査に付される。
【００１８】
検波器２５の出力信号はＢモード断層像の画像信号としてＤＳＣ（デジタル・スキャン・コンバータ）３０に供給され、このＤＳＣ３０において超音波走査から標準ＴＶ走査の信号に変換される。ＤＳＣ３０の変換信号は、Ｄ／Ａ変換器３１を介して表示器３２（ＣＲＴ）に送られる。
【００１９】
加算器２４の出力は、位相検波用のミキサ４０を介してローパスフィルタ４２にもあたえられる。また基準発振器２０の出力は、ミキサ４０の一方のチャンネルに直接与えられ、９０度移相器４１を介してミキサ４０の他方のチャンネルに接続されている。このため、電子走査部１２における整相加算された受信エコー信号がミキサ４０に加えられるほか、基準発振器２０からの基準信号ｆ₀及び９０度の位相差をもった基準信号ｆ₀がミキサ４０の２チャンネルに各々加えられる。これにより、ミキサ４０はドプラ偏移信号ｆ_dと「２ｆ₀＋ｆ_d」の信号をローパスフィルタ４２に出力する。このローパスフィルタ４２では、ミキサ４０からの混合信号の内の高周波成分が除去され、ドプラ偏移信号ｆ_dのみが得られる。このドプラ偏移信号ｆ_dは血流情報に演算するための位相検波出力であり、次段のドプラスペクトラム演算部５０に出力される。
【００２０】
このドプラスペクトラム演算部５０は、サンプリングパルスを出力するレンジゲート回路６０と、そのサンプリングパルスを入力するサンプルホールド回路６１と、このサンプルホールド回路６１の出力をフィルタリングするバンドパスフィルタ６２と、このフィルタ６２の出力をデジタル化するＡ／Ｄ変換器６３と、このＡ／Ｄ変換器６３の変換出力を周波数解析する周波数分析器６４とを備えている。サンプルホールド回路６１、バンドパスフィルタ６２、及びＡ／Ｄ変換器６３は図示していないが共に２チャンネルである。周波数分析器６４の出力端はスペクトラム平均回路７０を通してＤＳＣ３０に接続されている。
【００２１】
サンプルホールド回路６１は、生体内の所望深さ位置の血流だけのドプラ信号を抽出しようとするもので、前記ローパルスフィルタ４２の位相検波出力信号がサンプルホールド回路６１の入力信号となっている。
【００２２】
レンジゲート回路６０は、後述する操作パネル８２から与えられるレンジゲート位置信号に基づいて遅延時間を任意に設定可能な回路構成になっており、プローブ１１と所望のレンジゲート（サンプリングポイント、サンプリングボリュームともいう）の位置との間を超音波信号が往復するに相当する時間だけレートパルスよりも遅延させ、且つ、設定幅を有するサンプリングパルスをサンプルホールド回路６１に供給する。これにより、サンプルホールド回路６１は、ローパスフィルタ４２からの位相検波出力信号をサンプリングパルスでサンプルホールドする。このサンプルホールドされた位相検波信号はその後、バンドパスフィルタ６２を通過し、このフィルタ６２により、サンプルホールド回路６１でのサンプリングにより生じた高調波成分、血管壁などからの固定反射信号、さらには比較的遅い動きに拠るドプラ偏移周波数に相当した成分が除去され、血流に拠るドプラ信号のみが抽出される。
【００２３】
周波数分析器６４は、高速フーリエ変換回路を有し、バンドパスフィルタ６２から入力したドプラ偏移周波数の周波数解析を行い、その解析結果、即ちドプラスペクトラム（周波数スペクトルパターン）をスペクトラム平均回路７０を介してＤＳＣ３０に出力する。これにより、表示器３２には、Ｂモード断層像と並列にドプラスペクトルが分割表示されるようになっている。
【００２４】
操作パネル８２はオペレータが任意に操作可能なトラックボールやキーボードを備えており、このパネル８２の操作を介して前述したレンジゲート位置信号及びフリーズ指令信号を出力する。また、操作パネル８２は、後述するＰＲＦ／０Ｈｚ位置決定のための機能をＯＮ／ＯＦＦするスイッチを有する。
【００２５】
ＰＲＦ／０Ｈｚ位置決定手段８０は、折り返りを検出して自動的に２つのパラメータ（ＰＲＦ及び０Ｈｚ位置）を変化させるためのものである。ＰＲＦ／０Ｈｚ位置決定手段８０は、ある一定時間を検査域とし、まず、検査域内で血流信号の周波数軸の埋まる範囲が全周波数軸のＸ割となるようにＰＲＦを決める。そして、埋まらない範囲の中心が表示領域の上下端となるように、０レベルをシフトさせる。こうして、自動的にドプラスペクトラムを見やすいようにする。
【００２６】
コントローラ９０は、操作パネル８２からの操作に応じて電子走査部１２を調整し、基準信号発生器２０からのサンプリングパルスなどのクロックパルスを変化させ、ドプラスペクトラムの範囲の調整など装置各部の制御を行う。
【００２７】
本実施例の全体動作を説明すると次のようになる。
【００２８】
この超音波ドプラ診断装置が起動すると、電子走査部１２は、基準信号発生器２０から出力されるレートパルスによって、プローブ１１を励振し、超音波信号を被検体内に送波させる。この超音波信号は被検体の各部で反射し、再びプローブ１１で受信される。プローブ１１からは超音波エコー信号に対応する電気信号に変換され、電子走査部１２の加算器２４で受信フォーカスが掛けられ、出力された指定ラスタアドレスの受信信号のうち一方は、検波器２５に与えられ、対数増幅処理、包絡線検波処理され、指定ラスタアドレスの画像信号に検波・変換される。このＢモード断層像を形成する画像信号はＤＳＣ３０に供給される。
【００２９】
電子走査部１２の加算器２４から出力された受信信号のうち一方は、ミキサ４０で位相検波され、ドプラ偏移信号fdと周波数（２fo＋fd）の成分を有する信号が得られ、ローパルスフィルタ４２によって高周波成分が除去されてドプラ偏移信号fdのみが得られる。この血流情報演算のための位相検波出力信号はドプラスペクトラム演算部５０に出力され、サンプルホールド回路６１によって生体内の血流がながれている深さの位置だけの信号を抽出し、Ａ／Ｄ変換して高速フーリエ変換することによってリアルタイムに周波数解析される。
【００３０】
この演算部５０では、レンジゲート回路６０の遅延時間が任意に設定できる。これは、プローブ１１からサンプリングポイント位置（レンジゲート位置）までの往復する時間を遅延し、設定された長さに対応する幅を有するサンプリングパルスをサンプルホールド回路６１に与えることによってなされ、オペレータが指定したレンジゲートの位置のドプラ信号が得られるようになっている。
【００３１】
こうして高速フーリエ変換することによって得られたドプラスペクトルは、ＤＳＣ３０に供給され、Ｂモードの画像データとともにドプラスペクトラムのデータは、標準ＴＶ走査方式の画像に合成・変換され、Ｄ／Ａ変換器３１を介して表示器３２に供給される。この結果、表示器３２には、診断部位のＢモード断層像とドプラスペクトラムとが例えば分割表示される。
【００３２】
一方、周波数分析器６４からのドプラスペクトルは、ＰＲＦ／０Ｈｚ位置決定手段８０にも与えられる。ＰＲＦ／０Ｈｚ位置決定手段８０では、つぎの３つのステップに従って、自動的にドプラスペクトラムを見やすいように調整が行われる。
【００３３】
第１ステップでは、まず、一周波数軸である閾値以上のパワーの周波数の値が１、閾値以下のパワーの周波数の値が０となるようなｓＭＡＰを作成する。例えば、図２のようなドプラスペクトラムがあった場合、時刻ｔ₁での周波数軸上のドプラスペクトラムは図３のように示される。そして、閾値Ｔｈよりも大きければ１、小さければ０として、図４のような時刻ｔ₁でのｓＭＡＰができる。図２の時間ｔ軸のすべての時刻について、このようなｓＭＡＰを作成する。
【００３４】
これを一定時間範囲の周波数軸に対して行い、それらの結果（ｓＭＡＰ）をＯＲ演算して、ＳＭＡＰを作成する。このＳＭＡＰの値が１の領域が信号存在領域である。ここで、検出可能周波数範囲に対する信号存在領域の占める割合を信号存在比率ということにする。例えば、図２のようなドプラスペクトラムでは周波数ｆのすべての値が存在することから、すべてのｓＭＡＰのＯＲ演算を行うと、図５のようなＳＭＡＰになる（もちろん、このように２段階の処理を経ず、一気にＳＭＡＰを作成しても良い）。この場合、信号存在比率は１である。
【００３５】
第２ステップでは、この信号存在比率が設定された一定の範囲内の値になるようにコントローラ９０を介してサンプリングパルスを変化させてＰＲＦを変化させる。求められた信号存在比率がこの範囲を越える場合にはＰＲＦを変化させる。つまり、求められた信号存在比率がこの範囲を越える場合には、ＰＲＦを大きくし、この範囲を下回る場合にはＰＲＦを小さくする。例えば、この範囲は０．６〜０．８などに設定される。図２のような場合、ＰＲＦを大きくし、図６のドプラスペクトラムのように、信号が存在しない領域ができるようにして図７のようなＳＭＡＰにする。
【００３６】
第３ステップでは、信号存在比率が設定された範囲内になったら次に、信号存在領域の中心が周波数軸の上下端となるように、０Ｈｚ位置の移動を行う。この０Ｈｚ位置の移動は、コントローラ９０を介してＤＳＣ３０で表示を制御するか、ＦＦＴ６４からの出力フォーマットを制御することによって行われる。例えば、図８のようにドプラスペクトラムが折り返すように表示されている場合、図９のようなＳＭＡＰになる。そして、信号が存在しない領域の中心が両端にくるように０Ｈｚ位置の移動を行うことで、図１０のような折り返しのないドプラスペクトラムが表示される。この折り返しのない場合、図１１のようなＳＭＡＰになる。また、このＯＨ_zの位置の移動は信号存在領域の中心が周波数軸の上下端からある範囲以上ずれた場合に動作するようにしても良い。
【００３７】
この様に、操作者の煩わしい操作なく、検出可能周波数範囲に対する信号存在領域を検出する事で、レート周波数、０レベルシフトを自動的に設定することにより、操作者の負担を軽減し、診断時間を著しく短縮できる。煩わしい操作はなく、折り返りのないスペクトラムが観察できる。
【００３８】
なお、本機能のＯＮ／ＯＦＦスイッチを設けても良い。交互段数を変化させても良い。また、本実施例ではＰＲＦ／０Ｈｚ位置決定手段８０の入力信号をＦＦＴ６４の出力としたがＤＳＣ３０の出力を用いても良い。さらに、第１ステップ前に、ＰＲＦを設定可能な最大に設定する手段をいれても良い。そして、ＰＲＦが変化した時に変化したことを示すマーカーを表示させても良い。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の超音波ドプラ診断装置によれば、ドプラスペクトラムの折り返りを検出して自動的にＰＲＦ及び０Ｈｚ位置という２つのパラメータを変化させ、折り返りを持たないドプラスペクトラムにすることによって、操作者の負担を軽減し、診断時間を著しく短縮できる。煩わしい操作はなく、折り返りのないスペクトラムが観察できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る超音波ドプラ診断装置の構成を示す図。
【図２】ドプラスペクトラムの一例を示す図。
【図３】図２の場合で、時刻ｔ₁での周波数軸上のドプラスペクトラムの一例を示す図。
【図４】時刻ｔ₁でのｓＭＡＰを示す図。
【図５】図２の場合のＳＭＡＰを示す図。
【図６】図２のような場合で、ＰＲＦを大きくしたときのドプラスペクトラムを示す図。
【図７】信号が存在しない領域がある場合のＳＭＡＰを示す図。
【図８】ドプラスペクトラムが折り返すように表示されている場合を示す図。
【図９】図８の場合のＳＭＡＰを示す図。
【図１０】０Ｈｚ位置を移動させて、折り返しのないドプラスペクトラムを示す図。
【図１１】折り返しのない場合のＳＭＡＰを示す図。
【図１２】超音波ドプラ診断装置の一例を示す図。
【図１３】図１２の超音波ドプラ診断装置のタイミングチャートを示す図。
【図１４】周波数スペクトルパターンを示す図。
【図１５】周波数スペクトルパターンを示す図。
【符号の説明】
１１プローブ、１２電子走査部、３０ＤＳＣ、
３１Ｄ／Ａ変換器、３２表示器、４０ミキサ、
４２ローパスフィルタ、５０ドプラスペクトラム演算部
８０ＰＲＦ／０Ｈｚ位置決定手段、８２操作パネル

Claims

被検体内の運動体を含む診断部位との間で、所定のＰＲＦで超音波ビームを送受信する送受信手段と、
この送受信手段により得られた受信信号から所望のレンジゲートの位置の運動体に起因したドプラ信号を抽出する抽出手段と、
前記所定のＰＲＦ及び所定の０Ｈｚ位置において抽出可能であるドプラ変位周波数の範囲と、所定期間内に得られた前記ドプラ信号のうち所定以上のパワーを有する信号に対応して検知されるドプラ変位周波数の存在する範囲との関係に基づいて前記ＰＲＦ及び０Ｈｚ位置を決定するＰＲＦ／０Ｈｚ位置決定手段と、
前記決定されたＰＲＦ及び０Ｈｚ位置に基づいて、前記抽出手段が抽出したドプラ信号からドプラスペクトラムを演算するスペクトラム演算手段と、
前記ドプラスペクトラムを表示するスペクトラム表示手段とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。
前記ＰＲＦ／０Ｈｚ位置決定手段は、
前記所定のＰＲＦにおいて抽出可能であるドプラ変位周波数の範囲のうち、所定期間内に得られた前記ドプラ信号のうち所定以上のパワーを有する信号に対応して検知されるドプラ変位周波数の存在する範囲の占める比率に基づいて前記ＰＲＦを決定するＰＲＦ決定することを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置
前記ＰＲＦ／０Ｈｚ位置決定手段は、
前記比率が所定範囲の値となるように、ＰＲＦを調節することを特徴とする請求項２に記載の超音波診断装置。
前記ＰＲＦ／０Ｈｚ位置決定手段は、
前記所定期間内に得られたドプラ信号に対応して検知されるドプラ変位周波数の存在しない範囲が、前記所定の０Ｈｚ位置において抽出可能であるドプラ変位周波数の範囲における端値を含むように、前記０Ｈｚ位置を調節することを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。