JP4031116B2

JP4031116B2 - 超音波スペクトラムドプラ診断装置

Info

Publication number: JP4031116B2
Application number: JP22805698A
Authority: JP
Inventors: 達朗馬場; 孝信内堀
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2018-08-12
Also published as: JP2000051215A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波スペクトラムドプラ診断装置に係り、特にクラッタ成分に対応する低周波成分を減衰し、且つ血流成分に対応する高周波成分を相対的に強調するフィルタリングの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の血流ドプラの信号処理においては、心臓などの臓器壁からの反射成分であるところの低周波でパワーの大きいクラッタ成分がエコー信号に混入しており、周波数解析器で解析する際に微少な血流成分を感度良く解析するためには、周波数解析器に入力する前に高域通過型フィルタ（ＨＰＦ）で上記クラッタ成分を十分に除去する必要があった。
【０００３】
図６に従来の超音波スペクトラムドプラ診断装置のブロック図を示している。プローブ１を介して受信した信号を送受信回路（Ｔ＆Ｒ）２で直交検波にかけることにより、ドプラ信号（複素の直交検波成分）が得られる。このドプラ信号に対してパルス波（ＰＷ）モード時にはレート周期毎にレンジゲート（ＲＧ）４をかける。なお、連続波（ＣＷ）モード時にはレンジゲート４に代えて、ドプラ信号の周波数帯域を高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）７のサンプリング周波数まで落とすことになる。
【０００４】
次の高域通過型フィルタ５でドプラ信号に対して時間領域上でフィルタ処理を行うことにより、上記クラッタ成分を十分に除去している。なお、この高域通過型フィルタ５は、信号処理の流れでＦＦＴ７の上流に位置することから、以下、プリフィルタと称する。このプリフィルタ５としては、実際には、時系列のＩＩＲ型フィルタが採用されている。
【０００５】
このプリフィルタ５でクラッタ成分を除去した信号にＦＦＴウインドウ回路６により時間領域上でハニング関数（Hanning ）等の窓関数を畳み込むことにより、ＦＦＴ７の入力データを有限長で切り出し、ＦＦＴ７で周波数解析を行う。これにより、各周波数成分の強さを表す周波数スペクトラムが計算される。この周波数スペクトラムをその強さに応じて輝度変調をかけて時間軸に沿って並べることにより、スペクトラムの時間的な変化を表示するようになっている。
【０００６】
ここでＦＦＴ７の入力語長は８ビット程度と比較的短く、パワーの大きいクラッタ成分を充分減衰しないと、たちどころに飽和してしまい感度よく解析できないようになっていた。そのため、操作パネル１０からフィルタコントローラ８を介して、プリフィルタ５のカットオフ周波数を部位等に応じて切り替えることができるようになっていた。
【０００７】
また、操作パネル１０を操作することによりレート周波数ｆr やスクロールスピード等を自由に変えられるようになっている。これらレート周波数ｆr やスクロールスピードを変えると、スペクトラムの表示において、時間（横方向）の分解能に対する周波数（縦方向）の分解能の比率が変化してしまう。この比率を最適に保つために、ウインドウコントローラ９でＦＦＴウインドウ回路６の窓幅を調整するようになっている。例えば、窓幅を短くすると、周波数分解能が落ちて、スペクトラム表示が縦方向に粗くなる。
【０００８】
このような従来の装置では、周波数解析器、つまりＦＦＴ７の入力語長が短いため、プリフィルタ５でクラッタ成分を十分除去しないと、血流成分がクラッタ成分に埋もれてしまい、血流信号の感度が低下してしまう。また、ＦＦＴ７の内部がクラッタ成分で飽和してしまうという事態が生じる。
【０００９】
このような事態を回避するために、プリフィルタ５の高性能化、つまりカットオフ周波数が可変の高次のＩＩＲフィルタが必要とされる。このためプリフィルタ５の回路規模が膨大になってしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、超音波スペクトラムドプラ診断装置において、クラッタ成分に対応する低周波成分を減衰し、且つ血流成分に対応する高周波成分を相対的に強調するためのフィルタの回路規模を小さくすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被検体に対して超音波を送受信する送受信手段と、前記送受信手段により得られたエコー信号を直交位相で検波することにより、ドプラ偏移周波数成分を表すドプラ信号を得る手段と、前記ドプラ信号に時間領域上で窓関数を畳み込むことにより切り出したドプラ信号を周波数解析にかけて、周波数スペクトラムを求める手段と、前記周波数スペクトラムに周波数領域上で、カットオフ周波数が急峻でない高域通過型のフィルタ特性を示すフィルタリング関数を畳み込むことにより、クラッタ成分に対応する低周波成分を減衰し、血流成分に対応する高周波成分を相対的に強調するフィルタ手段と、前記フィルタ手段を通った周波数スペクトラムを時間軸に沿って並べて表示する手段とを具備し、前記周波数スペクトラムを求める手段の前段にクラッタ成分を減衰する高域通過型フィルタを設けることなく、前記フィルタ手段のフィルタ関数は、前記高域通過型フィルタの後段に前記周波数スペクトラムを求める手段を設けた場合に得られる周波数スペクトラムの形状に近づくように設定されることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明による超音波スペクトラムドプラ診断装置を好ましい実施形態により説明する。図１に本実施形態に係る超音波スペクトラムドプラ診断装置の構成を示す。超音波プローブ２１の先端部分には、電気信号と音響信号とを相互変換するための複数の圧電素子が配列されている。この超音波プローブ２１には、送受信回路（Ｔ＆Ｒ）２２が接続されている。
【００１６】
送受信回路２２は、送信部分と受信部分と直交検波部分とからなり、送信部分では、まず、クロック発生器からのクロックを４ｋＨｚ乃至５０ｋＨｚ程度に分周する。この分周信号に従って、超音波パルスの送受信レート（毎秒送受信回数）が決定されるため、これはレートパルスと一般的に呼ばれ、またこの周波数が、レート周波数とかレート周波数ｆr とか呼ばれている。このレートパルスを適当に遅延させた後、これをトリガとしてパルサからプローブ２１の圧電素子に電圧パルスが印加されるようになっている。この印加によりプローブ２１の圧電素子は機械的に振動し、超音波パルスを発生する。
【００１７】
この超音波は被検体内部を伝播し、その途中にある音響インピーダンスの不連続面で反射し、プローブ２１に返ってきて、圧電素子を機械的に振動する。これにより、圧電素子からは微弱な電気信号が発生する。この電気信号は、受信部分に取り込まれ、プリアンプで個別に増幅されら後、整相加算される。
【００１８】
この整相加算により生成された受信信号を、直交検波部分において、送信超音波の中心周波数ｆ0 と同じ周波数をもつ基準信号と掛け合わせ、また９０゜移相した基準信号と掛け合わせることにより、ドプラ偏移周波数ｆd と（２ｆ0 ＋ｆd ）との周波数成分が得られ、その各々から低域通過型フィルタで（２ｆ0 ＋ｆd ）の周波数成分を除去することにより、ドプラ偏移周波数ｆd の成分だけをもつ位相の異なる２チャンネルの検波信号が得られる。
【００１９】
この検波信号をレンジゲート（ＲＧ）２４でゲートをかけて、任意の深さに設定したサンプルボリュームのドプラ信号を切り出す。なお、連続波（ＣＷ）モード時にはレンジゲート２４に代えて、ドプラ信号の周波数帯域を高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）２７のサンプリング周波数まで落とすことになる。
【００２０】
レンジゲート２４で切り出されたドプラ信号は、プリフィルタ２５とＦＦＴウインドウ回路２６とを介して高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）２７で周波数解析にかけられる。このプリフィルタ２５は、オーディオ音の処理をするユニットのためにダイナミックレンジを狭くするためだけの機能を有しており、従来のプリフィルタのようなクラッタ成分に対応する低周波成分を減衰し、血流成分に対応する高周波成分を相対的に強調する機能は有していない。このためプリフィルタ２５を除去しても、周波数解析に影響を与えるものではない。
【００２１】
ＦＦＴウインドウ回路２６は、ドプラ信号に対して時間領域上でハニング関数（Hanning ）等の窓関数を畳み込むことにより、ＦＦＴ２７への入力データを有限長で切り出す。ＦＦＴ７では、このドプラ信号に対して周波数解析を行う。これにより、各周波数成分の強さを表す周波数スペクトラムが計算される。
【００２２】
ここでＦＦＴ２７の入力語長は、クラッタ成分が除去されていないでパワーが比較的不安定なドプラ信号に対して安定的に飽和を起こさないように、例えば３２ビット程度と充分長く与えられている。
【００２３】
操作パネル３１は、レート周波数ｆr やスクロールスピード等を自由に変えられるようになっている。これらレート周波数ｆr やスクロールスピードを変えると、スペクトラムの表示において、時間（横方向）の分解能に対する周波数（縦方向）の分解能の比率が変化してしまう。この比率を最適に保つように、ウインドウコントローラ３０では、ＦＦＴウインドウ回路２６の窓関数の窓幅を調整するようになっている。
【００２４】
信号処理の流れにおいて、ＦＦＴ２７の直ぐ下流に位置するポストフィルタ２８は、ＦＦＴ７で得られた周波数スペクトラムに対して、そのまま周波数領域上でフィルタリング関数を畳み込む、つまり各周波数成分に対して重み付けをする。このフィルタリング関数は、高域通過型のフィルタ特性に設定されているので、このポストフィルタ２８において、クラッタ成分に対応する低周波成分が減衰され、血流成分に対応する高周波成分が相対的に強調されることになる。
【００２５】
このポストフィルタ２８のフィルタリング関数は、フィルタコントローラ２９により、操作パネル３１からを部位に応じて設定されるカットオフ周波数と、時間（横方向）の分解能に対する周波数（縦方向）の分解能の比率を最適に保つためにウインドウコントローラ３０で調整されたＦＦＴウインドウ回路２６の窓関数の窓幅とに基づいて、最適なものに切り替えられ、設定されるようになっている。
【００２６】
ポストフィルタ２８を通った周波数スペクトラムは、ディジタルスキャンコンバータ３２においてその強さに応じて輝度変調をかけられ、時間軸に沿って並べられ、そしてディスプレイ３３でスペクトラムの時間的な変化として濃淡で表示されるようになっている。
【００２７】
以上のように、クラッタ成分に対応する低周波成分を減衰し、血流成分に対応する高周波成分を相対的に強調するフィルタ機能を、従来のようにプリフィルタ２５にもたせるのではなくて、ＦＦＴ２７の下流のポストフィルタ２８にもたせるようにしたことで、クラッタ成分に対応する低周波成分を減衰し、血流成分に対応する高周波成分を相対的に強調するフィルタ回路の規模を縮小することができる。この理由は、従来のように周波数解析前にドプラ信号に対して時間領域上でフィルタをかける場合、カットオフ周波数可変の７次程度の高次のＩＩＲフィルタが必要になるが、当該フィルタ処理を周波数領域上で行うことで、各周波数成分に対してフィルタリング関数に応じた重みを付けるという簡素な回路で捏減できることになる。
【００２８】
次に、ポストフィルタ２８に与えるフィルタリング関数（フィルタ特性）について説明する。周波数領域でのフィルタ処理は周波数スペクトラムに対してフィルタリング関数を畳み込むだけなので、クラッタ成分に対応する低周波成分を完全に除去し、且つ血流成分に対応する高周波成分だけを残すようなカットオフ周波数で急峻に変化する理想的なフィルタ特性を与えることは容易であるが、これでは、周波数スペクトラムの表示の見え方が、従来のように、周波数解析前にドプラ信号に対して時間領域上で急峻でないフィルタをかける場合と大きく異なってしまうので、従来の見え方に馴染んでいる医師にとっては診断し難いばかりか、誤診の危険すら生じかねない。
【００２９】
従って、従来のプリフィルタと同様なフィルタ特性、つまりカットオフ周波数付近で減衰率が緩やかに変化する急峻でないフィルタ特性を示すフィルタリング関数をポストフィルタ２８に与えることにより、従来に近い見え方が実現される。
【００３０】
さらに、この従来のプリフィルタと同様なフィルタ特性に対応するフィルタリング関数に、次に説明する標本化関数を畳み込んで得られるフィルタリング関数を、ポストフィルタ２８に与えることにより、スペクトラムの見え方がさらに従来に近くなる。
【００３１】
図２（ａ）に、時間領域での窓関数Ｗ１（ｔ）を示している。ｆr はレート周波数（単位Ｈｚ）、ＦＦＴ２７のデータ数はＮ、ＦＦＴ２７の時間幅ＷｗはＮ／ｆｒ、窓関数Ｗ１（ｔ）の窓幅はＮ・Ｗｗ／ｆｒになる。ドプラ信号に時間領域上で窓関数Ｗ１（ｔ）をかける場合、周波数領域上では、図２（ｂ）に示すような標本化関数ＰＷ（ｆ）がドプラ信号に周波数領域上で畳み込まれることになる。従って、従来では、ドプラ信号のスペクトラムは、プリフィルタだけでなく、このＦＦＴウインドウ回路２６における窓関数による切り出し時にも変化を受けることになる。
【００３２】
従って、図３に示すように、従来のプリフィルタと同様なフィルタ特性に対応するフィルタリング関数Ｐ１（ｆ）に、窓関数Ｗ１（ｔ）に対応する標本化関数ＰＷ（ｆ）を畳み込んで得られるフィルタリング関数Ｐ２（ｆ）を、ポストフィルタ２８に与えることにより、スペクトラムの見え方がさらに従来に近くなるのである。
【００３３】
なお、この従来のプリフィルタのフィルタリング関数Ｐ１（ｆ）はカットオフ周波数により変えられる。また、標本化関数ＰＷ（ｆ）は窓関数Ｗ１（ｔ）により決まり、この窓関数Ｗ１（ｔ）は窓幅により定義され、さらに窓関数Ｗ１（ｔ）の窓幅はＦＦＴ２７の時間幅Ｎ／ｆr に依存して決められる。そして、カットオフ周波数は部位に応じて変更され、また、ＦＦＴ２７の時間幅Ｎ／ｆr は、レート周波数ｆr を変えた場合に、時間（横方向）の分解能に対する周波数（縦方向）の分解能の比率を最適に保つように変更される。従って、カットオフ周波数と、窓関数の窓幅とに追従して、ポストフィルタ２８に与えるフィルタリング関数Ｐ２（ｆ）を、フィルタコントローラ２９で変更することにより、カットオフ周波数と、窓幅とが変わっても、安定的に、スペクトラムの見え方を従来に近くすることができる（図４，図５参照）。
本発明は、上述してきたような実施形態に限定されることなく、種々変形して実施可能であることは言うまでもない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、超音波スペクトラムドプラ診断装置において、クラッタ成分に対応する低周波成分を減衰し、且つ血流成分に対応する高周波成分を相対的に強調するためのフィルタの回路規模を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態に係る超音波スペクトラムドプラ診断装置のブロック図。
【図２】（ａ）は図１のＦＦＴウインドウ回路図に与えられる窓関数の一例を示し、（ｂ）はこの窓関数の周波数領域上の標本化関数を示す図。
【図３】図１のポストフィルタに与えるフィルタ特性の導出原理を示す図。
【図４】窓幅が６４でカットオフが１／４のときに設定されるポストフィルタのフィルタ特性を示す図。
【図５】窓幅が２５６でカットオフが１／６４のときに設定されるポストフィルタのフィルタ特性を示す図。
【図６】従来の超音波スペクトラムドプラ診断装置のブロック図。
【符号の説明】
２１…超音波プローブ、
２２…送受信回路（Ｔ＆Ｒ）、
２４…レンジゲート、
２５…プリフィルタ、
２６…ＦＦＴウインドウ回路、
２７…高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）、
２８…ポストフィルタ、
２９…フィルタコントローラ
３０…ウインドウコントローラ、
３１…操作パネル、
３２…ディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）、
３３…ディスプレイ。

Claims

被検体に対して超音波を送受信する送受信手段と、前記送受信手段により得られたエコー信号を直交位相で検波することにより、ドプラ偏移周波数成分を表すドプラ信号を得る手段と、
前記ドプラ信号に時間領域上で窓関数を畳み込むことにより切り出したドプラ信号を周波数解析にかけて、周波数スペクトラムを求める手段と、
前記周波数スペクトラムに周波数領域上で、カットオフ周波数が急峻でない高域通過型のフィルタ特性を示すフィルタリング関数を畳み込むことにより、クラッタ成分に対応する低周波成分を減衰し、血流成分に対応する高周波成分を相対的に強調するフィルタ手段と、
前記フィルタ手段を通った周波数スペクトラムを時間軸に沿って並べて表示する手段とを具備し、
前記周波数スペクトラムを求める手段の前段にクラッタ成分を減衰する高域通過型フィルタを設けることなく、
前記フィルタ手段のフィルタ関数は、前記高域通過型フィルタの後段に前記周波数スペクトラムを求める手段を設けた場合に得られる周波数スペクトラムの形状に近づくように設定されることを特徴とする超音波スペクトラムドプラ診断装置。
前記クラッタ成分を減衰し、前記血流成分を強調するためのカットオフ周波数と、前記窓関数の窓幅とに基づいて、前記フィルタリング関数を変更する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の超音波スペクトラムドプラ診断装置。
前記フィルタリング関数は、前記窓関数に対応する周波数領域上の標本化関数に対応して設定されることを特徴とする請求項１記載の超音波スペクトラムドプラ診断装置。