JPH0224141B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は運動反射体の超音波加速度測定装置、
特に運動する反射体の加速度を検出し、測定又は
表示する運動反射体の超音波加速度測定装置に関
する。

［背景技術］ 一定の繰返し周波数でパルス波を放射して運動
反射体からの反射体を受信し、運動反射体の速度
を測定するドプラ装置が周知であり、例えば、生
体内の血流等を測定する超音波診断装置に用いら
れている。

この血流等の運動反射体は、一定速度で運動す
るだけでなく、加速度をも有する場合が多く、特
に血液等の流体の加速度は流体に作用する圧力傾
度と密接な関係があるので、その圧力差を知る上
で有効な情報となり、生体内での血流加速度は主
に心臓の機能等を知る上で重要な情報として用い
られる。

［発明が解決しようとする問題点］ 一般に、運動反射体の加速度は速度の微分値と
して求められるが、この速度の測定は必要な精度
を得るため多数回の測定の平均値、すなわち積分
操作に基づいて行われている。従つて、速度から
微分操作によつて加速度を求めるとすれば、前述
した積分操作を相殺してしまい、精度の高い加速
度測定が困難であるとい欠点があつた。

［発明の目的］ 本発明は前記従来の課題に鑑みなされたもので
あり、その目的は、積分により求められた速度を
微分することなく運動反射体の加速度を高精度か
つ実時間にて測定表示する運動反射体の超音波加
速度測定装置を提供するものである。

［問題点を解決するための手段及び作用］ 前記目的を達成するために、本発明は、所定周
期のパルス変調波を超音波送信信号として運動反
射体へ放射し、該運動反射体からの受信信号を実
数部と虚数部とから成る複素信号に変換する複素
信号変換器と、前記複素信号を入力し前記パルス
変調波１周期の整数倍の時間分遅延させる一対の
複素遅延線と、乗算器及び加減算器とから成り、
前記複素信号と前記複素遅延線から出力される複
素信号とに基づきこれらの相乗複素積により速度
信号を演算算出する速度演算器と、前記乗算器及
び加減算器とから成り、前記複素信号と前記複素
遅延線から出力される複素信号とに基づき三重複
素積により加速信号を演算算出する加速度演算器
と、複素演算により算出された前記速度信号と加
速度信号との少なくともいずれか一方を選択して
出力させ、速度測定と加速度測定とを行わせる選
択切換器とを含み、前記速度信号及び加速度信号
により運動反射体の速度及び加速度を測定又は表
示することを特徴とする。

また、前記加速度演算器は、該加速度演算器の
出力を平均化する平均化回路を含むことを特徴と
する。

更に、前記複素信号演算器から出力された複素
信号を入力し、不要なクラツタ信号を除去するク
ラツタ除去フイルタを含むことを特徴とする。

［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、超音波を用いて生体の血流加速度
を検出、測定又は表示する装置に本発明を適用し
た実施例が示され、安定な高周波信号を発生する
発振器１の出力周期回路２に供給されており、該
分周同期回路２の出力には装置に必要な各種の同
期信号、例えば繰返し周波数、クロツクパルス、
参照波、駆動パルス等の信号が得られる。

この駆動パルス１００は、駆動回路３から出力
され、一定の繰返し周波数（例えば4kHz）とし
て送受切替器４を介して探触子５に入力されてお
り、ここで超音波に変換されて超音波パルス波と
して生体内に放射される。そして、生体内からの
反射波は探触子５と運動反射体との距離に対応し
た遅延時間にて探触子５に受信され、探触子５に
よつて超音波反射波は電気信号に変換される。該
電気信号は送受切替器４を介して高周波増幅器６
に入力され増幅された後に、複素信号変換器２０
０に供給するための出力信号１０１となるととも
に、包絡線検波器７に入力される。該包絡線検波
器７によつて検波された信号はビデオ信号となり
増幅器８によつて増幅された後に、表示器９に入
力され、該表示器９のブラウン管を輝度変調す
る。

また、放射パルスに掃引同期した同期信号１０
２は、分周同期回路２から出力され掃引回路１０
に入力されているので、該掃引回路１０の出力信
号によつてブラウン管の電子ビームが掃引され、
生体の断層像が表示画面上にＢモード、又はビー
ムを一定方向に停止して得られるＭモードとして
表示される。一方、掃引回路１０の他方の出力信
号は走査制御器１１に入力され、探触子５から発
射される超音波ビームを電子的、あるいは機械的
に制御する。

本実施例において特徴的なことは、速度を演算
する基礎となる相乗積とこれに１周期分遅れた共
役複素信号との積、すなわち三重複素積を求め、
該三重複素積に含まれる加速度成分を三重複素積
の偏角から算出式に基づいて求めることであり、
前述した速度演算の基礎となる相乗積を求める過
程は従来の速度演算装置とほぼ同様である。

すなわち、まず受信高周波信号は複素信号に変
換するために複素信号変換器２００に入力されて
おり、前述した高周波増幅器６の出力信号１０１
は、２個のミキサ１２，１３に入力される。該高
周波信号のスペクトルは繰返し周波数の整数倍の
周波数を有する多数の線スペクトルから構成され
ているが、反射体が運動している時は周知のごと
くドプラ効果によつて周波数が変化する。この周
波数変化の説明を簡単にするため、スペクトルの
中心部の周波数f₀の線のスペクトルについて考
え、ドプラ効果により変化を受けた周波数をf_dと
し振幅を１（以下同様）とすれば、受信周波数信
号は次式にて示される。

cos2π（f₀−f_d）ｔ ……(1) ドプラ周波数f_dは、一般に知られるように反射
体の運動方向と放射ビームの方向と成す角が一定
であれば、速度ｖと放射波の周波数₀に比例する
ので次式にて示される。

f_d＝kf₀v ……(2) ここで、ｖは運動反射体が探触子から遠ざかる
ときは正値をとり、逆に近づくときは負値をとる
ものとする。

該(2)式は加速度の存在しないときのドプラ効果
を表わすものであり、加速度αと速度ｖで運動し
ているときには、(2)式は次式にて示される。

f_d＝kf₀（ｖ＋αt） ……(3) 前記ミキサ１２，１３の他方の入力側には繰返
し周波数の整数倍周波数f₀の連続波が参照波とし
て分周同期回路２から入力されている。該参照波
の位相は、互いに90゜異なつた信号であり、両参
照波は cos2πf₀t ……(4) sin2πf₀t ……(5) となり、ミキサ１２では(1)式と(4)式の積がとられ
ることとなり、その出力は cos2πf_dｔ＋cos2π（2f₀−f_d）ｔ ……(6) となる。該ミキサ１２の出力信号は低域フイルタ
１４ａに入力され2f₀の周波成分が取り除かれる
ので、該低域フイルタ１４ａの出力１０３は cos2πf_dｔ ……(7) に示される信号となる。

また、ミキサ１３においても同様であり、フイ
ルタ１４ｂの出力１０４は sin2πf_dｔ ……(8) となる。これら(7)，(8)式をまとめると次の複素式
で示される。

cos2πf_dｔ＋ｉ sin2πf_dｔ ＝x₁＋ｉ y₁＝z₁ ……(9) ここで、ｉは複素信号であり、x₁，y₁は x₁＝cos2π_dｔ ……(10) y₁＝sin2πf_dｔ ……(11) である。

このようにして複素信号変換器２００にて求め
られた複素信号z₁は、Ａ／Ｄ変換器１５ａ，１５
ｂに入力され、演算精度を高めるためデジタル信
号に変換される。そして、複素信号Z₁は加速度を
求めるための三重複素積を演算する三重複素積演
算器２０１に入力されており、まず複素信号z₁の
実数部x₁と虚数部y₁はそれぞれ複素遅延線１６
ａ，１６ｂに入力され、送信パルスの繰返し周期
Ｔだけ信号が遅延される。該複素遅延線１６ａ，
１６ｂは、デジタル遅延線としてシフトレジス
タ、あるいは書き込みから１周期遅れて読み出す
メモリ等が使用される。

前記複素信号z₁は、(3)，(9)，(10)，(11)式を用いて
書き替えると、 z₁＝cos2πkf₀（vt＋αt²） ＋ｉ sin2πkf₀（vt＋αt²） ……(12) であり、更に z₁＝cosφ₁＋ｉ sinφ₁ ＝x₁＝ｉ y₁ ……(13) である。ここで φ₁＝2πkf₀（vt＋αt²） ……(14) となり、複素遅延線１６ａ，１６ｂの出力x₂，y₂
をまとめて複素信号z₂とすると、複素信号z₁から
周期Ｔだけ遅れた信号として次式にて示される。

z₂＝x₂＝ｉ y₂ ＝cosφ₂＋ｉ sinφ₂ ……(15) φ₂＝2πkf₀｛ｖ（ｔ−Ｔ） ＋α（ｔ−Ｔ）²｝ ……(16) 複素信号z₂の実数部x₂，虚数部y₂は、乗算器１
７，１８，１９，２０に入力されており、前記
Ａ／Ｄ変換器１５ａ，１５ｂから出力され、これ
らの各乗算器に入力されている複素信号z₁の実数
部x₁，虚数部y₁と掛け合わせられ、乗算器１７，
１８，１９，２０はそれぞれx₁ x₂，y₁ y₂，x₁
y₂，y₁ x₂を計算する。そして、これら乗算器の
出力は加算器２１、減算器２２に入力されてお
り、加算器２１からはx₁ x₂＋y₁ y₂が出力され、
減算器２２からはy₁ x₂−x₁ y₂が出力される。

このようにして、複素信号z₁と複素信号z₂の共
役複素信号z₂ ^*との相乗積z₁ z₂ ^*が演算され、こ
れは次式の複素信号z₃にて示される。

z₃＝z₁ z₂ ^* ＝（x₁＋ｉ y₁）（x₂−ｉ y₂） ＝x₁ x₂＋y₁ y₂ ＋ｉ（y₁ x₂−x₁ y₂） ＝x₃＋ｉ y₃ ……(17) ここで、（13），（15）式を用いて該（17）式を
書き替えると、複素信号z₃は z₃＝cosφ₁ cosφ₂＋sinφ₁ sinφ₂ ＋ｉ（sinφ₁ cosφ₂ −cosφ₁ sinφ₂） ……(18) となり、更に z₃＝cos（φ₁−φ₂） ＋ｉ sin（φ₁−φ₂） ……(19) となる。これを z₃＝cosφ₃＋ｉ sinφ₃ ＝x₃＋ｉ y₃ ……(20) とおけば、（14），（16）式から φ₃＝φ₁−φ₂ ＝2πkf₀｛vT＋2αTt−αT²｝ ……(21) となる。

このようにして求められた相乗積は、運動反射
体の速度を求める基礎となる複素信号となるもの
であるが、本発明においては、加速度を求めるた
めこの信号を更に１周期分だけ遅れた信号として
処理する。すなわち、複素信号（相乗積）z₃の実
数部x₃，虚数部y₃の信号は、切替器S₁，S₂（実線
で示される位置）を介して複素遅延線２３ａ，２
３ｂに入力され１周期Ｔだけ遅れた信号に変換さ
れており、複素遅延線２３ａ，２３ｂの出力は乗
算器２４，２５，２６，２７に入力される。ま
た、複素信号z₃の実数部x₃、虚数部y₃はそのまま
乗算器２４，２５，２６，２７に入力されてお
り、前述した複素遅延線２３ａ，２３ｂの出力と
乗算され、複素遅延線２３ａ，２３ｂの出力を複
素信号z₄で表わし、その実数部をx₄、虚数部y₄と
すると、乗算器２４，２５，２６，２７からはそ
れぞれx₃ x₄，y₃ y₄，y₃ x₄，x₃ y₄が出力され
る。そして、乗算器２４と乗算器２５の出力は加
算器２８に入力され、また乗算器２６と乗算器２
７の出力は減算器２９に入力され、この結果、受
信高周波信号の三重複素積である三重複素信号z₅
が演算される。

前述した複素信号z₄は z₄＝cosφ₄＋ｉ sinφ₄＝x₄＋ｉ y₄……(22) となり、ここで偏角φ₄は φ₄＝2πkf₀｛vT ＋2αT（ｔ−Ｔ）−αT²｝ ……(23) である。また、三重複素信号z₅は z₅＝z₃・z₄ ^*＝z₁・z₂ ^*・z₄ ^* ＝cosφ₅＋ｉ sinφ₅ x₅＋ｉ y₅ ……(24) となり、複素信号z₃とz₄の共役複素信号z₄ ^*との
積すなわち三重複素積が求められる。

ここで、 φ₅＝φ₃−φ₄＝2πkf₀αT² ……(25) の関係があることから、この（25）式によつて加
速度を求めることが可能となる。

該三重複素演算器２０１を分り易く説明する
と、第２図に示されるようなブロツク図となり、
複素遅延線６１は第１図の複素遅延線１６ａ，１
６ｂ、複素乗算器６２は第１図の乗算器１７から
２２に対応し、また複素遅延線６３は第１図の複
素遅延線２３ａ，２３ｂ、複素乗算器６４は第１
図の複素乗算器２４から２９に対応するものとす
る。この図から三重複素信号z₅は、複素信号z₁と
複素信号z₂の共役複素信号と複素信号z₄の共役複
素信号とを掛け合わせたものであることが理解さ
れる。

また、三重複素積は第３図に示されるような構
成にて求めることもでき、三重複素信号z₅は複素
信号z₁と複素積z₁ z₃の共役複素信号との三重複
素積となる。いうまでもなく複素遅延線７１，７
２と複素乗算器７３，７４は第２図に示される複
素遅延線６１，６３と複素乗算器６２，６４と同
様に構成されている。

このようにして求められた三重複素信号z₅は、
一般に不規則成分を含むので、精度の高い測定を
行うために平均回路であるビデオ積分器２０２に
入力されており、該ビデオ積分器２０２は加算器
３０ａ，３０ｂと遅延線３１ａ，３１ｂと重み付
け演算器は３２ａ，３２ｂから構成されている。
該加算器３０ａ，３０ｂでは、遅延線３１ａ，３
１ｂによつて１周期遅延した出力と現時刻入力信
号とを加算し、再びこの出力を遅延線３１ａ，３
１ｂに供給する操作を繰り返し、この加算を例え
ばデジタル回路で構成する場合には、その加算出
力の上位ビツトを出力すれば平均値を得ることが
できる。

しかし、単にこの操作を繰り返し行うと、加算
回数の増加に伴い出力が増大し、ついには飽和す
る。そこで、実施例においては、重み付け回路３
２ａ，３２ｂが設けられ、出力を減衰させて入力
と加算している。すなわち、重み付け減衰量をβ
とすれば、現時刻の信号より例えば10周期前の信
号はβの10乗だけ減衰して現時刻の信号と加算さ
れるので出力に与える影響度が小さくなり、低域
フイルタや移動平均回路と同様の平均機能を果た
すことが可能となる。また、重み付け量を変更す
ることにより平均化の度合いを変えることも可能
となる。

以上のようにして本発明の装置では、三重複素
信号z₅の実数部x₅と虚数部y₅は平均化され偏角演
算器３３に入力され、三重複素信号Z₅の偏角φ₅
が求められる。この偏角φ₅は（22），（23）式か
ら次式で与えられる。

φ₅＝tan^-1y₅／x₅＝2πkf₀αT² ……(26) 従つて、（26）式において、繰返し周期Ｔは一
定であるので、偏角φ₅測定することにより加速
度αは次式にて求めることができる。

α＝φ₅／2πkf₀T² ……(27) （26）式の演算は、実数部x₅、虚数部y₅のとり
得る数値に対応する偏角φ₅の値を予めROMに書
き込んだテーブルを作成しておくことにより、実
数部x₅、虚数部y₅の値から直ちに偏角φ₅を読み出
すことができるので、高速演算が可能となる。ま
た、偏角φ₅は0゜〜＋180゜及び0゜〜−180゜の間で測
定することができるので、加速度αの正値、負値
を識別可能である。

このようにして得られた偏角信号φ₅は、第１
図に示される端子Ａから出力され、各種の測定、
演算のための信号として用いられ、本実施例にお
いては、Ｄ／Ａ変換器３４によつてアナログ信号
に変換され、CRT表示器９の画面の輝度を加速
度に比例した輝度量にて変調して表示することが
できる。

従つて、放射ビーム軸に沿つた加速度分布をＭ
モード像あるいはＢモード像として表示すること
ができ、本実施例によれば、CRT表示器９は増
幅器８からの通常の画像信号と前述した加速度信
号との両者を選択的あるいは同時に表示すること
が可能であり、血流の運動と周辺の組織、構造と
の対比ができるので、診断上極めて有用となる。
また、カラーブラウン管を使用して加速度信号を
色彩表示することにより、更にこの対比を容易に
することも可能である。

前述したように、加速度を求めるために三重複
素積を演算する場合は、切替器s₁，s₂，s₃，s₄は
実線の位置にて示される位置にて行われている
が、これを点線の位置に切り替えることにより、
複素数z₃の偏角φ₃が測定される。この偏角φ₃は
（21）式から理解されるように、加速度の存在し
ないときの速度に比例するので速度信号として用
いることができ、これらの切替器の初替えにより
速度測定と加速度測定の選択が可能である。ま
た、偏角φ₃を求める回路を別に設けることによ
り、両方の測定を同時に行うこともできる。

更に、本実施例においては、生体内の静止部あ
るいは低速運動部からの受信信号を除去するた
め、クラツタ除去フイルタ２０３を第１図の端子
ac間とbd間に挿入している。すなわち、一般に
生体からの例えば血流信号には血管壁、心臓壁等
のほぼ静止している生体内組織からの反射信号
（ククラツタ）が混入し、この信号は血流からの
反射信号に比較して通常強大なため血流測定に著
しい妨害を与えるので、クラツタ除去フイルタ２
０３にてこれらクラツタを有効に除去すれば、画
像信号の品質を著しく向上させることができる。
該クラツタ除去フイルタ２０３は第４図に示され
るように、繰返し信号の１周期Ｔに一致する遅延
時間を有する遅延線５１，５２と差演算器５３，
５４から構成され、現時刻信号と１周期前の信号
との差が逐次とられ、静止している生体内組織か
らの反射波の信号は除去されることとなる。ま
た、心臓壁の反射信号のように、低速度のものは
出力が小さくなるので、血流信号に与える影響を
小さくすることが可能となる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、速度信
号直接微分することなく、加速度情報を含むドプ
ラ受信信号の三重複素積を演算しこの偏角から加
速度を求めているので、精度の高い加速度測定が
可能となり、また三重複素積の演算のための出力
遅れ時間は送信繰返し周期の整数倍の遅れ時間の
みであるため、実質的で加速度分布を測定表示す
ることが可能である。

更に、本発明によれば、放射ビーム軸に沿つた
送受信パルスの通過線上にある運動体の加速度を
速度分布とともに連続的に求めることができるの
で、従来の位置情報の画像表示に加えて加速度と
速度の情報を同時に画像表示することができ、動
きのある反射体に対して極めて正確な情報を得る
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る運動反射体の超音波加速
度測定装置の好適な実施例を説明するブロツク
図、第２図は三重複素積演算器を説明するブロツ
ク図、第３図は三重積演算器の他の実施例を説明
するブロツク図、第４図はクラツタ除去フイルタ
を説明するブロツク図である。 １……発振器、２……分周同期回路、５……探
触子、６……高周波増幅器、８……増幅器、９…
…表示器、１２，１３……ミキサ、１４ａ，１４
ｂ……低域フイルタ、１５……Ａ／Ｄ変換器、１
６ａ，１６ｂ，２３ａ，２３ｂ……複素遅延線、
１７，１８，１９，２０，２４，２５，２６，２
７……乗算器、２１，２８，３０ａ，３０ｂ……
加算器、２２，２９……減算器、３１ａ，３１ｂ
……複素遅延回路、３２ａ，３２ｂ……重み付け
回路、３３……偏角演算器、２００……複素信号
変換器、２０１……三重複素積演算器、２０２…
…ビデオ積分器（平均回路）、２０３……クラツ
タ除去フイルタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所定周期のパルス変調波を超音波送信信号と
   して運動反射体へ放射し該運動反射体からの受信
   信号を実数部と虚数部とから成る複素信号に変換
   する複素信号変換器と、 前記複素信号を入力し前記パルス変調波１周期
   の整数倍の時間分遅延させる一対の複素遅延線
   と、 乗算器及び加減算器とから成り前記複素信号と
   前記複素遅延線から出力される複素信号とに基づ
   きこれらの相乗複素積により速度信号を演算算出
   する速度演算器と、 前記乗算器及び加減算器とから成り前記複素信
   号と前記複素遅延線から出力される複素信号とに
   基づき三重複素積により加速度信号を演算算出す
   る加速度演算器と、 複素演算により算出された前記速度信号と加速
   度信号との少なくともいずれか一方を選択して出
   力させ速度測定と加速度測定とを行わせる選択切
   換器と、を含み、 前記速度信号及び加速度信号により運動反射体
   の速度及び加速度を測定又は表示することを特徴
   とする運動反射体の超音波加速度測定装置。 ２ 特許請求の範囲１記載の装置において、前記
   加速度演算器は、該加速度演算器の出力を平均化
   する平均回路を含むことを特徴とする運動反射体
   の超音波加速度測定装置。 ３ 特許請求の範囲１、２記載の装置において、
   前記複素信号変換器から出力された複素信号を入
   力し、不要なクラツタ信号を除去するクラツタ除
   去フイルタを含むことを特徴とする運動反射体の
   超音波加速度測定装置。