JPH0331056B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈発明の技術分野〉 本発明は、心搏を検出する装置に関する。

〈従来技術とその問題点〉 超音波を心臓に照射し、その反射波のキヤリア
のドツプラシフトから心搏を検出する装置は米国
特許4143650号により既知である。心搏検出につ
いて、既知の装置は妊婦の身体に設置された超音
波の送信器と受信器に接続されている。送信器が
発する特定の搬送周波数の超音波信号は身体内の
組織で反射され、受信器で受信される反射信号は
電気信号に変換され、接続された回路で評価され
る。ドツプラー効果のため、運動する組織、たと
えば胎児の心臓から反射される超音波信号は送信
信号に関して周波数がずれている。周波数のずれ
た反射信号は、後続回路で復調され、心搏運動の
速度に対応して発生したドツプラー信号から胎児
の心搏周波数が得られる。

既知の装置では、妊婦の身体の中の超音波信号
の伝搬の速さを考慮することにより、それぞれの
深さ範囲から発生する反響信号だけをそれぞれ評
価するようにして、いろいろな深さ範囲を調節す
ることができる。このようにして選択した深さ範
囲以外に存在する運動層または運動器管から発生
するスプリアス信号を抑制することができる。こ
れにより胎児の心臓の推定深さにしたがつてオペ
レータが深さ範囲を調節する。

オペレータが胎児の心臓の瞬間的な深さについ
て知らない場合には、深さ範囲を時間をかけて且
つ退屈な試験手順を経て調節しなければならな
い。この手順で実施される探索段階でいろいろな
深さ範囲に調節して最終的に、オペレータの推定
で最良の測定信号を発生するようにしなければな
らない。正しい深さに調節するために長時間を必
要とする上に、調節過程で、選択した深さ範囲に
胎児の心臓が存在しない場合心搏信号が消えると
いう欠点がある。

更に、胎児が頻繁に体位を変えるため、胎児の
心臓が検査の間に一且選定した深さ範囲外に移動
し、心搏周波数の信頼できる測定がそれ以上不可
能になることがある。オペレータはこのような体
位変更中に胎児の心臓が移動する方向に関して知
識を持つていないから、この場合にも深さ範囲の
調節に前述の退屈な試験手順を必要とすることに
なる。

〈発明の目的〉 前記の従来技術の問題点にかんがみ、胎児が移
動しても深さ範囲を一層迅速且つ確実に調節でき
る装置により前記の問題点を解消することが本発
明の目的である。

〈発明の概要〉 本発明の基礎をなす原理によれば、深さ範囲の
調節は胎児の心臓が存在する方向を示す傾向指示
を得ることによつて速くすることができる。反射
超音波信号の評価のため少くとも二つの受信チヤ
ンネルが設けられており、これらは心搏に対応す
るドツプラー信号を得るためそれぞれ異なる時間
間隔使用可能になるので、二つのチヤンネルで評
価される信号は異なる深さ範囲からの反射信号に
対応する。各チヤンネルにおいては、心搏に対応
するドツプラー信号の強さが順次生起する心搏期
間中に得られる。胎児の心臓が存在する方向は心
搏期間中の異なる深さ範囲に対応する異なるチヤ
ンネルのドツプラー信号の強さから直接求めるこ
とができる。

順次生起する心搏期間中に検出深さ範囲は、発
生する超音波インパルスのタイミングを受信チヤ
ンネルの受信ウインドウに関して調節することに
より、すなわち送信パルスと受信ウインドウとの
持続時間と時間間隔とを調節することにより、前
の心搏期間中に求めた方向にずらされる。必要な
ら、深さ範囲は送信パルスか受信ウインドウかを
短かくすればせばめることができる。このように
して胎児の心臓の深さは数段階で求められ、対応
して被検深さ範囲が調節されるので、受信反射信
号内のスプリアス信号の部分は本質的に減少す
る。探索段階でそれぞれテストした深さ範囲は重
なつているので探索手順中は常に心搏の決定に利
用できる評価信号が一つ存在し、常に心臓の深さ
を指示するため使用できる方向を一つ得ることが
できる。

異なるチヤンネル内のドツプラー信号の強さは
いろいろな方法で、たとえば、復調反射信号の包
絡線信号の振幅から、あるいは該包絡曲線の自己
相関から、求めることができる。

本発明には、胎児が体位を変えるとき深さ範囲
を調節するのにオペレータが存在しなくても胎児
心搏の長期検査を行うことができるというもう一
つの利点がある。本発明によれば胎児の心臓の深
さは測定中連続的に求めることができ、対応して
深さ範囲は送受信のタイミングを調節して調節で
きるので、胎児が運動している間でも信号品質は
常に最適に保たれる。

〈発明の実施例〉 下記において、本発明の典型的な１実施例を図
面を参照して説明する。この実施例では、深さ範
囲は受信ウインドウの持続時間を変えて調節され
る。ただし、本発明による深さ選択は送信パルス
の持続時間を変え、受信ウインドウの持続時間を
一定値に保つことにより、あるいは送信パルスと
受信ウインドウの持続時間を両方とも変えること
により行うこともできる。

第２図によれば、超音波トランスジユーサ１５
が胎児の心搏を測定するため妊婦の腹部に設置さ
れており、このトランスジユーサは超音波ビーム
を胎児の心臓の方向に送出する。超音波ビームは
妊婦および胎児の身体のいろいろな層で、たとえ
ば、胎児の心臓から反射している。心搏を測定す
る既知の装置では、全域１６からの、またはオペ
レータが調節した妊婦の体内の一定の区域と超音
波信号が送受信されるが、本発明では検査する区
域を胎児心臓範囲１７に自動的に限定することが
できる。

第１図によれば、本発明による回路は超音波ト
ランスジユーサ１５と接続可能であり、該トラン
スジユーサ１５は１個または複数個の圧電水晶を
備えることができ、駆動回路１により駆動されて
超音波インパルスを送信するように励起される。
胎児の心臓の検査を行う場合には、トランスジユ
ーサ１５を、高周波の超音波信号（今後搬送信号
と称する）が身体の内部に入ることができるよう
に妊婦の体表に置く。体内のいろいろな層で反射
される超音波信号は、胎児の心臓で反射される信
号も含めて、妊婦の腹部の体表に設置された超音
波受信器で受信され、電気出力信号に変換され
る。博動する胎児の心臓で反射されドツプラー効
果で周波数がずれた超音波信号から、接続された
評価回路が心搏に対応する信号を求める。したが
つて胎児の心搏に対応する信号は一般に胎児の心
筋、心臓弁、および関連する血液流動から発生す
る。しかしながら、心搏に関する情報を含む信号
は全反射信号の中の非常に小さな部分を示すだけ
であり、皆無か周波数ずれに対応してわずかに運
動する界面からの反射信号が主要部を形成してい
るにすぎない。

前記の同じ水晶を受信器として使用し、かつ超
音波源としても使用するのが好ましい。この場
合、この送受信水晶は順次生起する送受信期間中
に、周期の前半では超音波の送信器として動作し
後半では受信器として動作するように励起され
る。提示した実施例の超音波トランスジユーサ１
５は超音波信号を送信する他に受信するのにも使
用されるが、送信器と受信器に異なる水晶を使用
することも可能である。

超音波トランスジユーサ１５の電気出力信号
は、今後処理チヤンネルおよび比較チヤンネルと
呼ぶ二つの信号処理チヤンネルに加えられる。二
つのチヤンネルは回路構成に関して実質的に同じ
であるから、下記では処理チヤンネルについてだ
け詳細に説明する。超音波トランスジユーサ１５
の出力信号は処理チヤンネルの復調器２に加えら
れており、該復調器は搬送信号とドツプラーずれ
を起した反射超音波信号との周波数の差に相当す
る周波数成分を持つ出力信号を発生する。これら
ドツプラー信号を発生するため、パルス状搬送信
号は線路１２で復調器２の他の入力に加えられる
が、該搬送信号は送信信号と同じ基本周波数を備
えており復調器２で超音波トランスジユーサ１５
の出力信号と混合される。前記搬送信号の印加時
間は送受信制御回路８によりゲート回路１１を用
いて選択された時間間隔の中でドツプラー信号の
み発生するように制御される。この制御の時間シ
ーケンスの詳細については後述する。ゲート回路
１１は好ましくはANDゲートとして作られる。

帯域フイルタ４は復調器２の出力に接続されて
おり、該帯域フイルタはその周波数がほぼドツプ
ラー信号について予期される周波数範囲内にある
信号だけを通すことができる。たとえば超音波信
号の搬送周波数が1MHzのとき、しや断周波数が
100Hzと475Hzとである帯域フイルタを使用する
ことができる。帯域フイルタ４の出力信号は包絡
線復調器６に加えられてそれぞれのドツプラー信
号に対する包絡線信号を発生する。ドツプラー信
号の包絡線は胎児の心搏運動により周波数がずれ
た反射信号の強度変化に実質上対応しているの
で、包絡線復調器の出力信号のピーク値は胎児の
心搏に同調して発生する。

超音波トランスジユーサ１５に接続されている
比較チヤンネルも復調器３、帯域フイルタ５およ
び包絡線復調器７を要素として備えており、これ
らは実質上処理チヤンネルの要素と対応してい
る。線路１４を経由してドツプラー信号を発生す
るための搬送信号が復調器３に加えられる。ただ
し、搬送信号が加えられる時間間隔は処理チヤン
ネルの対応する時間間隔とは異なつている。

処理チヤンネルおよび比較チヤンネルの包絡線
信号の振幅は、その後相互に比較されるため振幅
比較回路９に加えられる。送受信制御回路８は、
振幅比較回路９の出力に従つて線路１２，１４を
経由してそれぞれの復調器２，３に搬送信号を印
加する。振幅の比較はアナログ回路を用いて行つ
てもよいが、デジタル的に行うのが好ましく、処
理チヤンネルと比較チヤンネルとの包絡線信号を
アナログ・デジタル変換器（図示せず）の助けを
借りて予めデジタル化しておく、デジタル信号処
理の場合には、マイクロプロセツサを使用して振
幅比較と線路１８で送受信制御回路８に加えられ
るそれぞれの制御信号の発生とを行うのが好まし
い。

信号処理ユニツト１０においては、胎児の心搏
の周期、あるいは周波数は一方の包絡線復調器の
出力信号の（デジタル化可能な）二つのピーク値
の間の時間間隔から求められる。

下記において送受信制御回路８による処理チヤ
ンネルおよび比較チヤンネルのそれぞれの復調器
２，３への搬送信号の印加について更に詳細に説
明する。送受信制御回路８は超音波トランスジユ
ーサ１５と復調器２，３を制御して各送受信周期
中の最初の時間間隔で超音波送信器を動作させ、
つづく時間間隔で復調器を動作させる。このため
搬送信号が線路１８によりその出力が復調器２に
接続されているANDゲート１１に、線路１９に
よりその出力が復調器３に接続されているAND
ゲート１３に加えられる。ANDゲート１１，１
３はそれぞれ線路２０の第１使用可能信号と線路
２１の第２の使用可能信号とにより搬送信号を通
すことができるようになるが、使用可能信号はそ
れぞれ送受信制御回路８により発生される。第１
および第２の使用可能信号がANDゲート１１，
１３に加えられると、搬送信号が復調器２と３に
到達するので、それぞれのドツプラー信号を発生
することができる。更に、送受信制御回路８は線
路２２を経由して第３の使用可能信号を送信し超
音波トランスジユーサ１５の駆動回路１を起動し
て各送受信周期の最初に予め定めた時間間隔の超
音波パルスを送出するようにする。

第３図において送受信制御回路８の一例を更に
詳細に説明する。読出し専用記憶装置（ROM）
２３に複数のデータ語が記憶されており、その
個々のデータビツトがそれぞれ処理チヤンネルお
よび比較チヤンネルの超音波送信器１，１５およ
び復調器２，３の活性化に使用される。4k×８
のROMを使用する場合、上位８アドレスビツト
は深さ選択のためそれぞれ新しく調節される受信
ウインドウにしたがつて、マイクロプロセツサ
（図示せず）、ラツチ２５，アドレス入力２６，バ
スライン３３ａ，３３ｂを経由してマイクロプロ
セツサによりアドレスされるが、下位４ビツトは
アドレス入力２７を経由してカウンタ２４により
アドレスされ、それぞれの時間シーケンスを制御
する。提示した典型的な実施例にしたがつて４ビ
ツトのカウンタを使用する場合には、語長８ビツ
トの新しいデータ語が新しいカウントが発生する
ごとにラツチ２８を介してROMから読み出され
る。出力２２，２０、およ２１を流れる直列デー
タは超音波送信器、処理チヤンネルの復調器２、
および比較チヤンネルの復調器３をそれぞれ活性
化させる。残りの５本のデータ線、たとえば線路
３０は、必要な場合、別のタスク、すなわち表示
の制御に使用することができる。ラツチ２５のク
ロツク入力は線路３３ｂを経由してマイクロプロ
セツサのバスラインと接続されている。周波数
512kHzのクロツク信号が線路３１および３２に
よりそれぞれカウンタ２４およびラツチ２８に加
えられる。４ビツトのカウンタを用いると、送受
信サイクルは16の時間区間に分割される。送受信
周期は312.5マイクロ秒で個々の時間区間19.5マ
イクロ秒づつとなり、これは約1.5cmの深さ分解
能に相当する。したがつて、処理チヤンネルおよ
び比較チヤンネルの被検深さ範囲は約1.5cm（ま
たはその倍数）きざみでマイクロプロセツサの制
御により独立に調節することができる。

駆動回路１および復調器２，３を活性化する信
号の時間シーケンスを第４図のａから第４図のｉ
までの例を用いて示す。第４図のａは駆動回路１
を励振するパルスを示す。この典型的な実施例で
はこのパルスの繰返し周波数は3.2kHzであり持続
時間は19.5マイクロ秒である。第４図のｂから第
４図のｉまでは胎児の心臓の深さをつきとめる四
つの探索段階を示しており、各探索段階は異なる
心搏期間に行われている。処理チヤンネルの制御
信号はＮと表示しており、比較回路の制御信号は
Ｖと表示してある。制御信号の前縁はそれぞれの
復調器の活性状態の開始に対応し、後縁は活性状
態の終了に対応している。このようにしてそれぞ
れ一つの受信ウインドウが定義され、これは超音
波信号の伝搬の速さにより被検体の特定の深さ範
囲に対応している。したがつて、例示した時間シ
ーケンスの左側は超音波トランスジユーサ１５の
近くに配置された身体の被検査部の上限に対応
し、右側は妊婦の身体内の被検範囲の下限に対応
する。

第４図のｂによれば、送信パルスが減衰してか
ら（第４図のａに示す制御信号の後縁が発生して
から）、処理チヤンネルの復調器２は多くとも二
つの連続する送信パルス間の時間間隔だけ、この
例では312.5マイクロ秒の特定の時間間隔だけ活
性化される。第４図のｃに示すように、比較チヤ
ンネルの復調器３は、処理チヤンネルの復調器２
の起動後特定の時間後に活性化され、復調器２の
活性状態が終了してから特定の時間後にブロツク
される。したがつて処理チヤンネルおよび比較チ
ヤンネルがドツプラー信号を発生する時間ウイン
ドウは大幅に重なつている。包絡線復調器６と７
の出力信号の振幅を比較すれば胎児の心臓が存在
する方向を示す指標、すなわち、次の探索の方向
を示す勾配が直接得られる。

本例題では処理チヤンネルの包絡線信号の振幅
は比較チヤンネルでより大きいと仮定している。
したがつて、続く探索段階（第４図のｄおよび第
４図のｅを参照）の新しい心搏期間に処理チヤン
ネルの時間ウインドウは比較チヤンネルの時間ウ
インドウが処理チヤンネルの時間ウインドウより
外延する側で短かくなる。同時に第４図のｅによ
れば比較チヤンネルの時間ウインドウは処理チヤ
ンネルのウインドウと同量だけ短かくなり、全体
としてのウインドウは特定の量だけ変位する。た
とえば、処理チヤンネルで得られる包絡線信号の
振幅が比較チヤンネルで得られる包絡線信号の振
幅よりも大きければ、次の探索段階（第４図の
ｆ、第４図のｇ）の比較ウインドウは比較チヤン
ネルの時間ウインドウが処理チヤンネルの時間間
隔より外延する側で短かくなる。比較ウインドウ
も同じ側で同じ範囲だけ短かくなる。この結果第
４図のｆおよび第４図のｇに示すようにウインド
ウが調節される。今度は比較チヤンネルが処理チ
ヤンネルより大きな振幅の包絡線信号を発生して
いるとすると、処理チヤンネルのウインドウは比
較チヤンネルのウインドウの端を超す側で短かく
なる。その結果を第４図のｈおよび第４図のｉに
示す。

ここに示す例題では、明瞭さのため受信ウイン
ドウだけを変化させており、送信ウインドウは常
に19.5マイクロ秒のままである。ただし、信号品
質は、送信ウインドウが拡大し受信ウインドウが
同量だけ短縮するように選択される範囲について
は改善がなされる。

第５図のａから第５図のｋまでを用いて、胎児
心臓の位置決めの探索手順の他の例を説明する。
探索手順のこの部分は子宮内の胎児が探索の現在
の方向とは反対に移動し、したがつて心搏信号が
無くなる可能性がある場合に特に使用される。第
５図のａは連続して発生した二つの送信パルスを
示している。第５図のｂと第５図のｃとは或る前
の探索段階（図示せず）後の、それぞれ処理チヤ
ンネルおよび比較チヤンネルのウインドウを示し
ている。探索領域の境界（送信パルスの前縁と後
縁）には受信ウインドウが無く、処理チヤンネル
の包絡線信号の振幅は比較チヤンネルのものより
大きいと仮定している。その結果、処理チヤンネ
ルのウインドウは第５図のｄおよび第５図のｅに
示す後続の探索段階で前のままの位置にあるが、
比較チヤンネルのウインドウは今や処理チヤンネ
ルの反対側に外延している。そのためウインドウ
の長さは不変である。第５図のｄと第５図のｅと
に示す例では、比較チヤンネルのドツプラー信号
は処理チヤンネルのものより強いと仮定してい
る。したがつて、処理チヤンネルの時間ウインド
ウは第５図のｆおよび第５図のｇに示すように次
の段階で、前の比較チヤンネルのウインドウのず
れの方向に、信号の弱い側で短かくなる。同様な
反応は、第５図のｄによる処理チヤンネルにもう
一度強い信号が加えられるが比較チヤンネルとの
差が第５図のｂおよび第５図のｃほど大きくない
場合に、生ずることになる。第５図のｄは比較チ
ヤンネルの信号が、たとえば心臓の位置が突然変
化したことにより、評価チヤンネルの信号より突
然はるかに大きくなる（約1.25倍）ときに起る探
索段階を示す。図示した探索段階においては、ウ
インドウの大きさはそのまであるが、ウインドウ
は全体として比較ウインドウの変位の方向に変位
している。第５図のｊおよび第５図のｋに示すよ
うに予め定められた最小幅になるまでウインドウ
は小さくなり、最適深さを選定できる。ウインド
ウの変位は可能なかぎり続く。

第６図は胎児の心臓の深さを求めるプロセスを
流れ図で説明している。以下に記すステツプはマ
イクロプロセツサを用いてプログラム制御され
る。

最初に心搏信号に対応する新しいピーク値が処
理チヤンネル内に発生したか否かをチエツクす
る。このようなピーク値が求まると、次に信号品
質がこれ以上の処理を施すのに充分であるか否か
をチエツクする。信号品質の判定基準は、たとえ
ば、包絡線復調器の出力信号の自己相関から得る
ことができる。品質の程度により受信ウインドウ
を狭くするか、そのままか、広くするかが決ま
る。続いてプロセスが新たに開始される。この尺
度を用いて「紛失」信号源を再び探すか、あるい
は超音波トランスジユーサ１５の新しい設置場所
を考慮する。

信号品質が充分なときは、比較チヤンネルの包
絡線信号の振幅が処理チヤンネルのものより大き
いかチエツクする。これが当てはまらない場合に
は、まず他の探索方向の結果がどうなるかをチエ
ツクしなければならない。前の探索段階でこれが
発生せず、かつまた第４図のｂに示すように予期
されない場合には、探索の方向を変えるが、ウイ
ンドウの幅はそのままで、新しいピーク値を見つ
けるチエツクの始めからプロセスを開始する。他
の探索方向との比較を既に行つている場合には、
まず第１番に最少ウインドウ幅になつてしまつて
いるか否かをチエツクする。もしそうなつていれ
ば、探索の方向をも変え、プロセスを最初から開
始する。そうなつていなければ、（もつと弱い）
比較チヤンネルの変位の方向に存在する側でウイ
ンドウを小さくし、プロセスを始めから開始する
（第５図のｆ，第５図のｇを比較すること）。

比較チヤンネルのドツプラー信号が評価チヤン
ネルのそれより大きければ、比較チヤンネルの信
号が処理チヤンネルのよりかなり大きいか、した
がつてこの例題での決定基準である比較チヤンネ
ルの信号が処理チヤンネルの信号より25％以上大
きいかをチエツクする。これが当てはまる場合に
は、ウインドウ幅はそのままとしウインドウを探
索の方向に変位させる。比較チヤンネルの信号が
処理チヤンネルの信号から25％未満しかずれてい
なければ、既に最小ウインドウ幅になつている場
合には新たにプロセスを開始する。しかし最小ウ
インドウ幅になつていない場合には、ウインドウ
を探索の方向とは反対の方向で狭くしもう一度新
たにプロセスを開始する。

第７図のｃは胎児の心臓の深さを求めた後の調
節した状態における心搏測定の感度範囲を示して
いる。第７図のａに示す送信パルスの長さは19.5
マイクロ秒であり、調節した状態での受信ウイン
ドウは第７図のｂによれば39マイクロ秒の持続時
間だけ開いている。第７図のｃは深さに関係なく
この受信ウインドウから生ずる感度を示す。感度
は1.5cmの範囲にわたり実質的に一定であり縁に
おいて直線的に減少する。感度範囲を胎児の心臓
に規定する前述の手順がただ１つの可能な方法で
ないことは容易に理解される。本発明に重要なの
は少なくとも２つのチヤンネルが設けられてお
り、これらは、活性化の時間が異なるため、いろ
いろな深さ範囲からドツプラー信号を発生するの
で後続の探索段階のための探索の方向の傾向を求
めることができるということである。

〈発明の効果〉 以上本発明の１実施例に詳述するように、本発
明の実施によつて、少くとも下記の効果が得られ
る。

(1) 胎児の心臓位置に検査深さ範囲を精度よくか
つ高速で定位できるので心搏の精密測定をを短
時間でおこなえる。

(2) 胎児が体位を変更した場合でも自動的に心臓
位置に検査深さ範囲を追随させるので、無人長
期検査が可能となる。

(3) 心臓位置の高速自動測定を可能にする。

したがつて、本発明は実用に供して有益であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示すブロツク図、
第２図は妊婦に取りつけられた超音波トランスジ
ユーサと胎児心臓位置を示す図、第３図は本発明
の１実施例の装置において、超音波送信器と受信
回路に対する制御信号を発生する回路の回路図、
第４図は第１図の１実施例の動作中における制御
信号のタイミング図、第５図は第１図の実施例の
第４図におけるとは別の動作中における制御信号
のタイミング図、第６図は胎児心臓位置を探索す
る手順を示すフローチヤート、第７図は第１図の
本発明の１実施例における探索終了後の最終感度
と超音波送信器及び受信器の制御信号のタイミン
グ図。 １：駆動回路；２，３：復調器；４，５：帯域
フイルタ；６，７：包絡線復調器；８：送受信制
御回路；９：振幅比較回路；１０：信号処理ユニ
ツト；１１，１３：ゲート；１５：超音波トラン
スジユーサ；１６：検査全域；１７胎児心臓範
囲；２３：ROM；２４カウンタ；２５，２８：
ラツチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波搬送周波数パルス（以下パルスと称す
   る）の送信と受信を交互にかつ周期的に行う手段
   と、前記受信を行う期間に相異なる複数の時間ウ
   インドウを設ける手段と、それぞれの前記時間ウ
   インドウを通過した前記パルスのドツプラー周波
   数成分中の心搏に起因する部分をそれぞれ検出す
   る手段と、該検出されたそれぞれの部分間の大小
   関係により前記時間ウインドウの位置と幅の少く
   とも一方を制御する手段とを含む心搏検出装置。 ２ 前記相異なる時間ウインドウが、相互にオー
   バーラツプするようにしたことを含む特許請求の
   範囲第１項記載の心搏検出装置。