JPH02140152A - 超音波連続波ドプラ診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は超音波連続波ドプラ診断装置、特に被検体内運
動部に超音波連続波を送受波し、反射エコーが受けたド
プラ偏移周波数を検出することにより運動部の速度を計
測する超音波連続波ドプラ診断装置に関する。

［従来の技術］ 超音波ドプラ効果を利用して生体等の被検体内を流れる
血流等の運動部の速度を計測する超音波ドプラ装置が周
知であり、医療の分野では例えば心臓機能の診断に用い
る画像情報を提供している。

この超音波ドプラ装置としては、一定の繰返し周期にて
形成される超音波パルス波が用いられているが、近年で
は超音波連続波により運動部の速度を正確に計測するこ
とが試みられている。

すなわち、超音波パルス波にて速度を計測する場合には
、繰返し周期により決定されるナイキスト周波数により
検出できるドプラ偏移周波数に限界が生じ、速度を正確
に計測することができないという問題がある。しかし、
超音波連続波によれば、このような検出周波数の限界が
なく、心臓血流等のような高速度の測定も正確に行える
という利点がある。

この種の超音波連続波ドプラ診断装置では、フエイズド
アレイ型振動子を有し、複数個の送信用振動子により被
検体内目的（焦点）部位に超音波連続波を送波し、その
目的部位からの反射エコーは前記送信用振動子とは別個
の受信用振動子により受波する。このようなフェイズド
アレイ型の振動子による超音波連続波の送受波作用を第
６図に示す。

第６図において、４個の送信用振動子１２から出力され
た超音波連続波は目的部位である反射体Ｆに向けて放射
され、一方反射体Ｆから反射される反射エコー波は４個
の受信用振動子１４にて受波されることになる。一般に
、フェイズドアレイ型振動子では複数個の振動子が直線
上に所定間隔をもって配列されているが、第６図のよう
な超音波送受波作用を行わせるためには４個の送信用振
動子１２について角度偏向制御を行っており、これによ
り所定角度方向にある目的部位に超音波連続波を放射す
ることができる。

また、受信用振動子においても同様に所定角度方向から
の反射エコーを受信するための制御（遅延制御）が行わ
れ、４個の受信用振動子１４にて受信された信号は、加
算器１６にて加算することにより目的部位Ｆからの最終
的な受信信号を得ることができる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、被検体内から反射するエコー信号は被検体に
より音響的吸収を受けるとともに、他の部位からの不要
な信号が混入することになり、エコー信号のうちドプラ
効果を受けたドプラ偏移信号を精度よく測定することは
困難である。従って、被検体内からのエコー信号を受信
する際に可能な限りＳＮ比（信号対雑音比）を高めるこ
とが要請されている。

発明の目的 本発明は前記課題に鑑みなされたものであり、その目的
は、速度情報計測システムのＳＮ比を高めることができ
る超音波連続波ドプラ診断装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために、本発明は、複数個の振動子
中の送信用振動子により超音波を連続して送波し、送信
用振動子とは別個の受信用振動子により反射波を受波し
、被検体内部位の運動速度を計測する超音波連続波ドプ
ラ診断装置において、前記送信用振動子の数と受信用振
動子の数を異なる数に配分したことを特徴とする。

また、他の発明は、送信用振動子数の受信用振動子数に
対する配分比を測定対象の減衰率係数が高くなるほど大
きく設定したことを特徴とする。

［作用］ 本発明によれば、例えば送信用振動子数：受信用振動子
−２：１程度に設定しており、６４個の振動子から成る
アレイ型振動子においては、送信用振動子を４３個、受
信用振動子を２１個に設定する。これによれば、送信用
振動子と受信用振動子を同数とした場合に比べＳＮ比が
著しく改善されることになる。

本発明の原理 次に、本発明の原理を、第６図のように送信用振動子１
２と反射体Ｆとの距離、受信用振動子１４と反射体Ｆと
の距離が同一の場合について説明する。

まず、音波が伝搬する際の減衰をＯとし、後に減衰の影
響を考慮することにすると、受信信号Ｅは次に示される
ものとなる。

ただし、Ｃは比例定数、ＶＴは励振電圧、ｄは配列振動
子幅、Ｒは振動子からＦ点までの距離、Ｎ丁は送信用振
動子数、ＮＲは受信振動子数である。

一方、１つの受信器で発生するノイズ電圧をｎｏとすれ
ば、加算器１６ではノイズ信号も同様に加算され、次式
に示されるノイズ信号ＥＮが発生することになる。

ＥＮ　＝　ｎ　６　ＮＲ””　　　　　　　　　−（２
）ただし、ｎｏはノイズ電圧の二乗平均平方根値（ｒｏ
ｏｔ　ｌ１ｅａｎ　５ｑｕａｒｅ）とする◎従来では、
円形の凹面振動子の音波の集束度合いを表すものとして
次のようなりファクタを用いる。

Ｄ−ａ２／（λＲ）　　　　　　　　　　　　・・・　
（３）ここで、λは波長、ａは円形凹面振動子の半径で
ある。

そこで、前記円形凹面振動子を第６図に適用することに
し、送信振動子のファクタＤＴを次式のように定義する
。

λＲ２ この（４）式は前記（３）式と比較すると、振動子半径
ａがＮＴＤ／２に置き代わったことになる。

ここで、配列振動子から放射される音波の音場は二次元
であるから、振動子で得られる音圧の最大値Ｐ、、８は
これと等しい開口長を有する円形凹面振動子で得られる
音圧の最大値の平方根にほぼ比例すると考えられる。第
７図には、振動子表面の音圧をＰ。とじた場合のＰｍ、
、／ＰｏとＤ７フアクタとの関係が示されており、Ｄ７
が２以下であれば、図の実線で近似されるので、この音
圧の最大値Ｐ　ｍ　ｓ　ｘと前記ＤＴファクタとの関係
は次式％式％ ここで、には比例定数とする。

そして、送信振動子数Ｎ。が変わると、ファクタＤＴも
変わることになるが、この場合、送信電圧ｖ丁を変化さ
せて前記音圧Ｐ□ヨが常に一定値Ｋにな′るように制御
するものとする。このことは、被検体に照射される音響
パワーを一定値に保って検査時の安全を確保することを
意味する。

従って、このような条件によれば、送信用振動子１２の
励振電圧は次式のように制御される。

ここで、この（６）式に前記（４）式を代入すると、次
式を得ることができる。

ただし、Ｋ−−に／に、μ−ｄ２／４λＲとする。

以上の説明は、被検体内媒質中での音波伝搬減衰がない
ものとしているが、実際の生体組織などでは伝搬中の減
衰があるため、これを補正する必要がある。

すなわち、Ｄ定数値が大きくなるほど、音圧が最大とな
る距離は遠くに移動するため、音圧最大値の減衰量は大
きくなるので、この減衰量を補正して音圧の最大値が常
に一定となるようにする。

このためには、Ｄ定数値に対する音圧の最大値Ｐ　ａｍ
　ｓ　ｘとそれを与える位置ｚ、、との関係を知る必要
がある。

しかし、減衰を有する媒質で前記り定数値と音圧の最大
値Ｐ、□との関係を与えるグラフは一般に与えられてい
ないので、ここでは、減衰がない場合の音圧を与える基
本式から、両者の関係を示すグラフを作成し、それから
減衰のある場合のＺ、、を推定した。

第８図には、Ｄ丁ファクタと音圧最大値を与える位置２
．との関係が示されており、破線は減衰のない場合を示
しているが、この曲線はＤＴが２以下ならば、５％以内
の精度で破線を実線に近似できるので、位置２．は次式
にて表すことができる。

Ｚ、、−（１−１０−０・５５Ｄ）　Ｒ・・・（８）こ
こで、媒質が生体組織と同程度の減衰を有する場合での
Ｚｍは、前記（８）式を与えられる値よりほぼ１０％振
動子側に近づくことが計算により導かれるので、前記（
７）式での送信電圧ｖＴは次式に置き換えることができ
る。

ＶＴ　（Ｎ丁　）− に− （１，４＋０．８　μＮＴ　”　）　ｅｘｐｌ−０，９
ａ　ｆ　６２ｍ）・・・　（９） ただし、μ−ｄ２／４λＲ１媒質中の減衰率をＯＪ　ｄ
Ｂ／ＭＨｚ　−ｃｍとしてａ　−０，００３４５である
とする。

以上のことから、受信用振動子１４にて受信される信号
ＥＳへは前記（１）式に（９）式を代入し、更に音波が
往復伝搬距離２Ｒの間で受ける減衰１１ｅｘｐ（−２α
ｆｏＲ）を掛けることにより、Ｅｓ　（Ｎｔ　）　−Ｎ
Ｔ　ＮＲ に− 従って、送信信号の増幅及び加算後の電力で表したＳＮ
比は、（１０）式と（２）式との２乗の比として次式で
表される。

ＳＮ比− １ｎ６　ＮＲ１７２１２ ・・・（１０） ・・・（１１） 第９図には、前記（１１）式を用いて異なる数の送信振
動子数についてＳＮ比を計算した結果が示されており、
前記式における各パラメータの定数は、ｄ−０，３掬ｍ
、　Ｒ＝　１００ｍｍ、　ｆ　ｏ　−２ＭＨｚに設定し
た。また、減衰定数ｒは、ｒ−ＱＳ　ｒ−０，３、ｒ　
＝０．８　ｄＢ／Ｍｌｌｚ　−ｃ＋ｎの３つの場合につ
いて計算した。

なお、フェイズドアレイ型振動子の振動子総数は６４　
（＝Ｎ７　＋ＮＲ）としたので、例えば送信用振動子数
ＮＴが４３の場合は受信用振動子数ＮＲは、ＮＲ＝　６
４−ＮＴ　”’　２１となる。

図において、ＳＮ比は送信振動子数ＮＴが増加するに従
って増加するが、ＳＮ比のピークはＮＴが３０〜５０の
領域に存在し、減衰率ｒが大きくなるほどＳＮ比の最大
点が送信振動子数が大きくなる方に移動することが理解
される。すなわち、ＳＮ比の最大で考えてみると、減衰
率ｒが０の時は、送信用振動子数ＮＴ−３５、減衰率ｒ
が０．３ｄＢ／　Ｍｔｌｚ−ｃｍの時は送信用振動子数
Ｎ？−４３、減衰率ｒ　−０，６ｄＢ／ＭＨｚ　−ｃｎ
＋の時は送信用振動子ＮＴ−４７となっており、徐々に
増加している。

また、ＳＮ比の最大点付近ではいずれの曲線もなだらか
で変化が少なくなっており、例えば生体の減衰にほぼ近
似されるｒ　−０，３ｄＢ／ＭＨｚ　−ｃＩｌｌでは、
送信用振動子ＮＴを５１に設定したとしても、ＳＮ比の
ピーク値よりも１ｄＢ低い程度であることが理解される
。

従って、以上のことから、ＳＮ比が最大となる送信用振
動子数と受信用振動子数の配分比Ｎｔ／ＮＲは１より大
きくなり、その値は減衰率ｒが大きくなるに従って増大
する。

また、ＳＮ比の最大点付近では、配分比Ｎア／ＮＲの変
化に対するＳＮ比の低下は緩やかであり、前記配分比を
多少変化させてもＳＮ比の値はそれほど変動しないこと
になる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する
。

第１図には、フェイズドアレイ型振動子を先端に有する
セクタ用探触子１０が示されており、フェイズドアレイ
型振動子は送信用振動子１２と受信用振動子１４とに分
けられている。

本発明において特徴的なことは、送信用振動子と受信用
振動子の数を異なる数に設定したことであり、実施例で
は、送信用振動子数を受信用振動子数の約２倍程度に設
定することができる。

また、本発明は心臓内の血流状態を画像表示するために
用いるセクタ用探触子だけでなく、リニア用探触子に適
用することもでき、これにより腹部内の運動部の速度情
報を得ることが可能である。

次に、前記第１図のような送信用振動子１２及び受信用
振動子１４を想定して行った実験とその結果を説明する
。

実験に用いた探触子は配列方向の開口長が２０ｍＩｎ５
この開口長方向と直角方向の長さが１０１１ＩＩＩｌで
、超音波周波数はｆ。−２Ｍｌｌｚであり、振動子数は
６４、焦点距離Ｒは１００ｉ＋ｍとし、送信用振動子数
ＮＴは４７．４３．３９．３１の４通りに変化させた。

そして、第２図（ａ）に示されるように、前記送信用振
動子１２にて放射された超音波連続波は、ハイドロホン
１８にて受信され、オシロフ、コープ２０にて観測でき
るようにする。

第３図には、前記第２図（ａ）の実験により求められた
結果が示されており、この実験では媒質を水として測定
を行ったが、第３図には媒質の減衰率が０．３　ｄＢ／
ＭＨｚ　−ｃｍであると仮定して音圧曲線を書き直した
ものであり、更に前述したように媒質中での音響パワー
の最大値Ｐ□１．が一定値に′になるように補正したも
のである。

この図によれば、送信用振動子数ＮＴを３１から４７の
方に増加させると、音圧が最大となる軸上の距離Ｚｍは
焦点距離Ｒ（−１００＋ｎｍ）に近づき、同時に焦点距
離Ｒでの音圧値も増加していくことが理解される。

一方、受信信号の測定は第２図（ｂ）に示されるように
、電源２２に接続された音波発生器２４から音波を発生
しＮＲ個の受信振動子１４にて受信して行った。この場
合、前記音波発生器２４から出力される音波は、送信の
実験結果である第８図の焦点距離Ｒ（１００ｍｍ）での
音圧に比例したものを用い、この音波を音圧発生器２４
から発射して各受信用振動子１４にて音波を受け、加算
器１６の出力端に現われる音波信号の電力を測定する。

そして、音波の発生を止めてノイズを測定し、これによ
りＳＮ比の相対値を測定した。このような操作は、ｒ　
＝０．３　ｄＢ／ＭＨｚ　−ｃａ＋だけではなく、ｒ−
０，８、ｒ　−ＯｄＢ／　ＭＨｚ　−ｃｍについても行
い、これらの結果を前記第９図に示したグラフにプロッ
トす”ると、第４図に示されるようになる。

図から明らかなように、媒質の音波減衰率「が大きくな
るに従って、ＳＮ比が最大となる送信振動子数ＮＴ値も
大きい方に移動し、理論回折の結果（グラフ曲線）と傾
向が一致していることが理解される。

従って、送信振動子数ＮＴを受信振動子数ＮＲよりも多
く設定することにより、超音波連続波におけるドプラ信
号のＳＮ比を著しく高めることが可能となる。

なお、前述したＳＮ比の改善率は、被検体の減衰率だけ
でなく、超音波周波数や振動子の配列ピッチ等にても多
少異なることが予想されるので、送信振動子数の受信振
動子数に対する配分比はこれらの要素を考慮して探触子
毎に決定することが好ましい。

また、本発明は送信振動子数と受信振動子数の配分を同
一としないことを特徴とするので、これにより送受信さ
れる超音波ビーム軸が複数の送信用振動子１２あるいは
受信用振動子１４で形成される開口の中実軸からずれる
ことも考えられる。

従って、本願出願人は送信用振動子数と受信用振動子数
を異なる数に設定した場合の超音波ビームの音場指向性
を求めた。これによれば、焦点距離Ｒ（＝　１００ｍ＋
ａ）の音波では、感度最大点は焦点方向に一致し、探触
子のビーム軸からのずれは０となるが、焦点距離から振
動子の方に近づくに従って、感度の最大点は探触子の中
心軸からずれていく。

第５図には、第６図と同様な二次元モデルにより、平面
内の任意の点に反射体を置き、受信用振動子１４で得ら
れるエコー信号の強度を求めたものであって、距離２が
６０１１ＩＩＩｌの位置の超音波ビームの感度を測定し
た図が示されている。図において、感度の最大点は中心
軸から０　、５ｍｍ＋だけずれたところに存在している
。

しかし、この値は角度に換算して０．５度以内であり、
この程度のずれは実用上はほとんど差し支えない値であ
る。

以上のように、実施例によれば、被検体内の減衰率が０
．３　ｄＢ／ＭＨｚ−ｃ＋ｎの場合には、配分比ＮＴ／
ＮＲ−２程度（ＮＴ　＝４３．　ＮＲ−２１）が最もよ
い値となったが、この配分比はＮＴ　／ＮＲ−３程度と
した場合でも、ＳＮ比の最大値からの低下は０．５ｄＢ
程度であるので、配分比を３以上に大きくすることも好
適である。このように、配分比を大きくすれば、装置の
ハードウェア化を容品にすることができるという利点が
ある。

また、前記第４図からも明らかなように、被検体内の媒
質の減衰率係数が高くなるほどＳＮ比の最大値は送信振
動子数が多くなる方に移動するので、被検体の減衰率係
数に応じて配分比を変えることができる。これは、異な
る減衰率係数により選択する選択スイッチを設け、選択
スイッチの切換えにより減衰率に合った配分比を選択で
きるようにすればよく、これによりＳＮ比を更に向上さ
せることができる。

［発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば、送信用振動子数
と受信用振動子数の配分が異なるようにしたので、超音
波連続波に基づいて検出したドプラ信号のＳＮ比を著し
く向上させることができ、速度情報を抽出するための極
めて良好なドプラ信号を得ることが可能となる。

また、他の発明によれば、送信用振動子数の受信振動子
数に対する配分比を測定対象の減衰率定数が高くなるほ
ど大きくしたので、被検体内の媒質に応じた配分比を適
当に選択することができ、これによりＳＮ比を更に向上
させ、高精度の速度情報を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る実施例の探触子内振動子における
送信用と受信用の配分比を示した図、第２図は実施例に
おいて行われた実験装置を説明するための図、 第３図は前記第２図（ａ）装置において送信用振動子の
数を変えて超音波連続波を送波しその音圧を測定した結
果を示すグラフ図、 第４図は前記第２図（ｂ）の装置にて送信用振動子の数
を変えて放射したのと同様の超音波連続波を放射して得
られた測定結果を示すグラフ図、第５図は送信用振動子
数と受信用振動子数とを異なる数に設定した場合の超音
波ビームのずれを測定した結果を示すグラフ図、 第６図は超音波連続波の送受波作用を説明するための図
、 第７図はり。ファクタと音圧の最大値Ｐ１１．との関係
を示すグラフ図、 第８図はＤＴファクタと音圧が最大となる距離Ｚｍとの
関係を示すグラフ図、 第９図は理論計算に基づいて送信用振動子数を変えた場
合のＳＮ比の変化を示すグラフ図である。 １０・・・探触子 １２・・・送信用振動子 １４・・・受信用振動子 １６・・・加算器 １８・・・ハイドロホン。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数個の振動子中の送信用振動子により超音波を
   連続して送波し、送信用振動子とは別個の受信用振動子
   により反射波を受波し、被検体内部位の運動速度を計測
   する超音波連続波ドプラ診断装置において、前記送信用
   振動子の数と受信用振動子の数を異なる数に配分したこ
   とを特徴とする超音波連続波ドプラ診断装置。
2. （２）請求項（１）記載の装置において、送信用振動子
   数の受信用振動子数に対する配分比を測定対象の減衰率
   係数が高くなるほど大きく設定したことを特徴とする超
   音波連続波ドプラ診断装置。