JPH0380842A - 超音波ドプラ計 - 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〕 本発明は超音波により物体の速度を検出する装置に関し
、とくに生体内の血流速度を計測する装置に関する。

〔従来の技術〕

音波のドプラ効果により物体の速度を知る装置は種々の
ものが知られている。とくに位相差検出によるパルスド
プラ法を用いる装置では、送波パルス間隔ごとの受信信
号の位相差を計測することにより、全計測深度における
各部位の速度を実時間で計測することが可能である 第５図は従来法速度演算回路の詳細であり、４は移動物
体検出フィルタ（ＭＴＩフィルタ）、６は第１自己相関
器、５は送波パルス間隔τと等しい時間の第１遅延回路
、７は加算器、８は位相演算回路である。６０は信号入
力端子、６２は瞬時位相差ベクトル出力端子、６３は平
均位相差ベクトル出力端子、６４は従来法位相差（Δθ
）□出力端子である。このようなパルスドプラ法の速度
検出は例えば「プロシーディング・オン・ザ・ユーロピ
アン・コンブレス・オン・ウルトラソニクス・イン・メ
デイシンＪ　１９７５年の第１４４頁に掲載された文献
（Ｂｒａｎｄｅｓｔｉｎｉ、Ｍ：　Ａｐｐｌｉｃａｔｉ
ｏｎｏｆ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　
ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｉｎ　ａｔｒａｎｓｃｕｔａｎｉ
ｏｕｓ　　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　　ｐｒｏｆｉｌｅｍｅｔ
ｅｒ、Ｐｒ＋ｃ。

ｏｆ　　ｔｈｅ　５ｅｃｏｎｄ　　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　
Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　ｏｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　ｉｎ
　Ｍｅｄｉｃｉｎｅ、　ｐ、１４４．１９７５．）、も
しくは特開昭５８−１８８４３３号公報に記載されてい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のパルスドプラ法では、送波の繰返し周期をτとす
れば、測定可能な最高ドプラ偏位周波数Ｆｄは（１／２
）　　τとなり、一方、音波伝搬速度（音速）をＣとす
れば、計測可能最大深度りはＴＣ／２となる。したがっ
て、ＦｄとＤの積はＣ／４（一定）となり、計測可能速
度または計測可能深度に限界がある。

このように従来法の問題点は計測可能な速度に限界があ
り、それ以上の速度ではエリアシング現象が発生し、誤
動作する点である。

第２図は速度のエリアジグ現象の説明図である。

送波パルスを繰返し周期τで等時間間隔に送波するとし
、移動血球からの受波信号のベクトルをＶＩ、位相をＯ
Ｌとすれば、瞬時位相差ベクトルＵｌ　は上記ベクトル
の複素共役積から求まり、Ｕ　ｌ＝　Ｖ　＋＋ｓ・ｖ、
’（傘は複素共役）となる。この瞬時位相差ベクトルＵ
＋　から求まる瞬時位相差Δθｌの範囲はＯくΔθ１く
πのとき、速度は正値で探触子に近づく血流を表し、−
π〈Δθ、〈０のとき、負値で、探触子から遠ざかる血
流を表す。

従って、位相差ベクトルΔθｌが正値でπを越えるとΔ
θ＋２π（負値）として誤って計測される。

これがいわゆるエリアシング現象である。

以下、この位相差（速度）のエリアシングを簡単のため
第Ｉのエリアシングと呼ぶこととする。

そこで、本発明の目的は、上記の限界を除去し、深部に
おいても高速の物体速度を計測可能とするものである。

さらに、後述のように位相差の差（加速度）のエリアシ
ングを検出し位相差（速度）を補正することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明ではあらかじめ連続する送波パルス間の受信信号
の瞬時位相差ベクトルを求め、さらに、連続する二個の
瞬時位相差の差、言い替えると、ドプラ周波数の差（物
体の加速度に対応）を計測することにより、速度を演算
により求めるものである。これにより、高速度血流速度
を正確に計測することが可能となる。

本発明の原理によれば、速度のエリアシングば除去可能
であるが、位相差の差（加速度に対応）についても位相
差（速度に対応）と同様、エリアシングが発生すること
が考えられる。以下、これを第２のエリアシングと呼ぶ
こととする。はじめに生体内血流の最大加速度について
記述する。

生体内の最大血流加速度は異常血流の場合で最大約３　
ｍ／ｓｅｅ、　／　３０ｍ５＝　０．１　ｍ／ｓｅｃ、
／ｍｓである。例えば、以下の第１実施例で記述する瞬
時加速度法の場合１位相差の差を計測する時間間隔が３
００μｓ＝０．３ｍｓのとき最大加速度は０．１＊０．
３＝０．０３ｍ／ｓｅｅ、１０．３ｍｓであり、また以
下の第２実施例で記述する平均加速度法の場合、時間間
隔が３ｍｓのとき最大加速度は０　、３　ｍ　／ｓｅｃ
。

／３劇となり、これを位相角に変換すれば位相差ここで
位相差の差ΔΔθと速度■との間にはドプラ効果により ΔΔθｌ＝Δ０．＋１−Δθ、 ＝　（２（ＩＪＯ／Ｃ）　　τ（Ｖｌ＋１−Ｖｌ、）た
だし　　　　ω。：超音波周波数 Ｃ：音速 τ：逆波パルス時間間隔 ｖｌ：血流速度 の関係がある。

一方、第２のエリアシング現象を発生する位相差の差の
限界は位相差のそれと同様、＋πと−πとの範囲である
。したがって、時間間隔が３００μｓ程度の゛場合、生
体血流の加速度に対応する位相差の差はエリアシングし
ないと見做すことができる。しかし、時間間隔が３　ｍ
ｓ程度の場合、エリアシングする場合もありうる。その
場合、以下に記述するように１位相差を補正することと
する。

〔作用〕

以下、図を用いて本発明の詳細な説明する。

第３図は本発明の原理図である。すなわち、送エリアシ
ングしていても、位相差Δθ１および位相差の差ΔΔＯ
８がエリアシングしていなければ、位相差ΔＯｊやｌ　
が正確に求められる。

以下、逐次的にこの操作をくり返すことによりエリアシ
ングを除去した位相差（速度）が得られる。この原理に
ついては、特開平１−３２８４６号公報もしくは特開平
１−８０３５１号公報に記載されている。

上述したように１位相差の差（加速度）においても位相
差（速度）と同様、エリアシング現象が生ずる場合があ
り、平均位相差の差ΔΔθがπを越えた場合、位相差は
単位円上で小さい角度が選択されるため、平均位相差の
差はΔΔθ−２πとなり誤動作する。

はじめに、位相差の差のエリアシング（以下、第２のエ
リアシング）の現象について説明する。

例えば、第８図はその模式図であり、時刻ｔ＝６（任意
スケール）の位相差の差ΔΔθ＝１９００（〉π）のと
き、上述の理由で１９０’　−３６０’＝−１７０’　
に変換される。したがって、この間違ったデータを用い
た再生データは同図（ａ）に示すように２π＝３６０’
だけ平行移動し、誤動作する。

そこで、その補正法としては、演算された位相差につい
て差分を計測し、時間的に先行するＰ個（整数）のサン
プリングデータの分散σの比例定数倍にσ（ｋは定数）
以上かどうかを判定する。

この場合、ｔ”２，３，４．５の４個（Ｐ＝４）の位相
差の差の分散σは 平均ΔΔθ ＝１／４　（６０＋（−４０）　＋４０＋　（−１０）
’ｔ＝２０ 分散σ ＝１／４　（６智０）２＋（−１０−２０）２＋（４０
−２０）　２＋（−１ｏ−２０）２＝１５ である。

ここで、時間的に先行するサンプリングデータの位相差
の差の最終値（Δｆ３）ｓ＝１０と現在のデータ（Δθ
）ｅ＝（−１６０）の差（−１７０）の絶対値１７０は
上記分散σ＝１５の比例定数に倍（例えばに＝３）１５
＄３＝４５以上であるので位相差の差のエリアシング（
第２のエリアシング）が発生したものと判断するものと
する。すなわち、位相差の差の絶対値＝　ｌ−１６０−
１０＝ｌ−１７０ 〉Ｋσ＝４５ である。

このように第２のエリアシングを検出した後、エリアシ
ングして間違った位相差の差ΔΔ０−２πに一定値２π
を加算することにより位相差の差をΔΔＯに補正すれば
、第８図の（ａ）の原データが正しく再生されることに
なる。

以上は、位相差の差（ΔΔθ）ｅ＝１９０’であ場合で
ある。

一方、位相差の差（ΔΔθ）Ｂ＝−１９０’の場合、（
ΔΔθ）Ｂ＋２π＝１７０’と置換されるので、一定値
−２πを加算することにより位相差の差をΔΔＯに補正
すれば、同様に、原データが正しく再生されることにな
る。したがって、エリアシングしている場合、上記の一
定値は位相差の差が負の場合は２π１位相差の差が正の
場合は一２πとするものとする。

しかし、例えば、（ΔΔ０）ｅ＝　３５０”のとき（Δ
Δθ）６−２π＝−１０”　と置換されるため、その絶
対値は前述の閾値４５より小さくなる。従って、位相差
の差のエリアシング（第２のエリアシング）は検出され
ず、位相差の差が減少したデータに変換され、一種の低
域通過フィルター処理がなされる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。第１図におい
て、ｌは従来法速度演算回路、２は本発明である加速変
異加法速度演算回路、３は位相差の差のエリアシング（
第２のエリアシング）検出回路、６０は信号入力端子、
６１は本法による瞬時位相差（Δθ）２の出力端子で、
６９は本法による平均位相差（Δθ）２の出力端子であ
る。

このような構成によれば、従来法速度演算回路１の出力
を用い、位相差エリアシング（第１のエリアシング）の
ない平均位相差が（Δθ）２が得られる。

しかし、位相差の差がエリアシング（第２のエリアシン
グ）し、πを越える場合がある。この場合、端子６１の
加速度累加法の位相差演算出力（ΔＢ）ｚを第２のエア
リアシング検出回路３に入力し、補正した後、正確な位
相差出力（Δθ）２を端子６９より得る。

二つの位相差ベクトルから位相差の差を計測するときの
時間関係を第４図に示す。（ａ）は瞬時加速度法であり
、時間間隔は送波パルス間隔てであり、以下、第一の実
施例として詳細に説明する。

（ｂ）および（ｃ）は平均加速度法であり、上記時間間
隔はＭτ（Ｍは整数）であり、（ｂ）はＭ＝Ｎ　（Ｎは
平均化個数）、（Ｑ）はＭ＝４である。

（ｂ）および（ｃ）については第二の実施例として説明
する。

まず、第１実施例について説明する。

第６図は本発明である第１図の加速変異加法速度演算回
路２の詳細である。入力信号は瞬時位相差ベクトルＵ、
が第５図の端子６２より出力し、端子６５へ入力する。

９−１は第２遅延回路で、その遅延時間は送波パルス時
間間隔でである。

２８は位相差演算回路を暖時位相差ベクトルｖＬの偏向
を求めて位相差を算出する。１０は第二自己相関器、１
１は位相差の差演算回路、１２および１３はそれぞれ加
算器、１４は切り替え器であり、端子６８に初期値設定
用制御信号ありの時は２８の出力側へ、制御信号なしの
ときは端子６１側へ切り替えられる。端子６１は本性瞬
時位相差演算出力（Δθ）２の出力端子、端子６６は一
定値（２πまたは一２π）入力端子、端子６７は第２の
エリアシング検出制御信号入力端子である。

このよ４匁構成によれば、端子６５に入力した瞬時位相
差ベクトルは第２遅延回路９−１により時間τだけ遅延
し、２つの異なる瞬時位相差ベクトルＵ１とＵ　ｓ　４
１から第二自己相関器１０により複素共役績 Ｓ＋＝ｔＪ＋＋１−Ｕｔ”　（傘：複素共役績）が演算
される。

さらに位相差の差（ΔΔθ）ｌが演算器１１により演算
される。第２遅延回路９−２で遅延した、−回前の位相
差（Δθ）ｉと演算回路１１で得られた位相差の差（Δ
Δθ）ｌとが加算器１３により加算され、今回の第２の
位相差（Δθ）ｌ＋１　”（ΔＯ）２．どなる。

しかし位相差の差がエリアシング（第２のエリアシング
）した場合は、第２のエリアソング検出制御信号が端子
６７より入力し、一定値（２πまたは一２π）が端子６
６より加算器〕２に入力し、位相差の差演算回路１１の
出力（（ΔΔθ）ｌ−２π）または（（ΔΔ（！＋）＋
２π）と一定値（２πまたは一２π）が加算され、補正
値（ΔΔθ）ｌが上記加算器１３に入力する。雑音が混
入しない場合、位相差の差演算回路１１（ΔΔθ）ｌの
出力がそのまま加算器１２をへて加算器１３に入力する
。

初期値設定は装置の電源を入れたとき、端子６８に制御
信号が入力する。このとき、初期値として瞬時位相差（
Δθ）、が切り替え器１４をへて、第２遅延回路９−２
に入力する。一方、制御信号がない場合は加算器１３の
出力が切り替え器１−４をへて、第２遅延回路９−２に
入力し、次のサイクルの演算時に用いられる。

第７図は第１図の第２のエリアシング検出回路３の詳細
構成であり、９−３は第２遅延回路、１５は減算器、１
６は加算器、１８は自乗和演算回路、１７は除算器、１
９は分散演算回路、２０は乗算器、２１は比較器、６１
は水沫演算回路の出力の入力端子、６７は第２のエリア
シング検出制御信号出力端子６９は本性平均位相差（Δ
θ）２出力端子である。

このような構成によれば、演算された位相差の差分が第
２遅延回路９−３および減算器１６によす演算され、比
較器２１の一方の入力となる。比較器２１の他方の入力
は先行するＰ個のサンプリングデータの分散σの比例定
数倍にσである。この分散σを計測する構成は加算＠１
８、除算器１７により平均値（Ａａｌｚが計測され端子
６９より出力する。さらに、自乗和演算回路１８により
Σ（Δθ）１２が演算され５分散演算回路１９に入力す
る。分散演算回路１９においては分散σはσ＝　（１／
Ｐ）Σ（Δθ）、２−　？Δθ）２２により計測される
。乗算器２０においては分散σと比例定数Ｋ（例えばに
＝３）とが乗算され、比較器２工に入力する。比較器２
１においては上述した根拠にもとすいて雑音が検出され
、雑音検出制御信号が発生し、端子６７から出力する。

この制御信号は上述したように、第６図の加算器１２の
端子６７に入力し、一定値（２πまたは一２π）が入力
し１位相差の差演算回路１１の出力の位相差の差（（Δ
Δθ）１２ｇ）または（（ΔΔθ）Ｉ＋２π）が加算器
］２において補正され、（ΔΔθ）Ｉが演算され、加算
器１３に入力し、正しい演算がなされる。

ここで、第２エリアシングが発生した場合、そのサンプ
リング時間間隔（＝送波パルス時間間隔て）内に位相差
の差の補正が完了しなければならない。

以上は本発明の第１実施例の説明である。

第２実施例では第４図（ｂ）および（ｃ）の平均加速度
法であり、第１実施例との相違点は（＋）第５図の平均
位相差ベクトルが端子６３より出力し、第６図の信号入
力端子６５に入力する。

（２）端子６１の本誌瞬時位相差出力（Δθ）２が自動
的に本性平均位相差出力（Δθ）２となり、端子６９は
不要である。

（３）第２遅延回路９の遅延時間はＭτである。

これ以外の動作は上述した第１実施例と同様である。

このように、本発明によれば、従来技術の速度計測の限
界を除去し、深部においても高速の物体速度が計測可能
となった。

本発明の他の利点として本発明の平均位相差は位相差加
算されているため、自己相関法などのベクトル加算に比
較し信号対雑音比が向上する利点がある、 以上の実施例では、第２のエリアシング検出法として、
加速度累加法により得られた速度計測値の連続するサン
プリングデータ間の差分値がその血流の統計的分散で決
まる閾値以上の場合に計測データを補正する方法につい
て説明した。しかし、種々の他の変形が考えられること
は明かである。

例えば、あらかじめ上記閾値を設定することが可能な場
合もありうる。

また、以上の実施例では位相差の差が閾値以上の場合は
補正値（２πまたは一２π）を加算することにより原デ
ータを再現させる方法をとった。

しかし、閾値以上の場合その閾値に符号を考慮して置換
することも可能である。

本発明の応用の１つとして従来法の位相差（速度）計測
のエリアシング（第１のエリアシング）を自動的に判定
することが可能である。すなわち従来法速度出力（Δθ
）、と水沫速度出力（Δθ）２を比較することにより、
エリアシングレベル出力ｎ　　（ｎ＝＝ｏ、＋１．＋２
．、、、：　ｎ＝ｏはエリアシングなし）を得ることが
できる。

第１のエリアシングレベル検出回路は第９図（ｂ）に示
すように、従来法速度演算回路１の出力である第１の平
均位相差ＣΔθ）１と水沫で得られた第２の平均位相差
（Ａａ）ｚを入力し、エリアシングレベルｎを出力する
ものである。すなわち、３２は減算器、２３は比較器、
２４は保持器、２５は複数の所定値２ｎ（ｎ＝−２，−
１，０，１，２）。

２６はエンコーダであり、保持器２４の各ビットに対応
してエリアシングレベルｎを出力するものであり、６４
は従来法出力（ΔＯ）１の入力端子、６１は水沫出力（
Δθ）２の入力端子、６８はエリアシング　レベル出力
端子である。このような構成によれば、第１−の平均位
相差（Δθ）ｌと第２の平均位相差（Δ０）ｚとが減算
器２２演算され、その差分値は２ｎπ（ｎ＝−２，−１
，０，１，２）のいずれかとなる。この出力と複数の所
定値２ｎπとが比較器２３において比較され、−４した
時のみ、出力がある。第９図（ａ）の例では最初の時刻
では保持器３３−３のみｌで他はＯである。保持器２４
の内容はエンコーダ２６に入力し、保持器２４の各ビッ
トに対応して、第１のエリアシング　レベルが出力端子
６８から時系列的に順次ｎ＝Ｑ、１，２，１．Ｏとして
出力される。

本発明の他の応用例としては、第１０図（ａ）。

（ｂ）に示すように、第１実施例で得られた瞬時位相差
を適当な時間窓についてヒストグラムを作威し、上記時
間窓をオーバラップさせながら移動させ、ヒストグラム
の頻度を表示器に表示させれば第１のエリアシングのな
い実時間周波数分析が可能である。ここで、輝度表示は
単に位相差に関してのみでなく、超音波受信信号の強度
と位相差との積を輝度表示することも可能である。

また、実時間周波数分析の別法として次の方法も考えら
れる。すなわち、本発明により得られた瞬時位相差を積
分することにより瞬時位相を求め、適当な時間窓につい
て高速フーリエ変換（Ｆ　ａｓｔＦｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒ
ａｎｓｆｏｒｍ、　Ｆ　Ｅ　Ｔ）すれば、エリアシング
の発生しない実時間周波数分析が得られる。

ここで、ＦＥＴの人力は上記瞬時位相を１　／　ｎ（ｎ
は整数）とすれば、エリアシング速度が０倍に増大した
周波数分析が得られる。

【発明の効果１ このように、本発明によれば、送波パルス時間間隔で決
まる限界以上の高速血流速度を正確に計測することが可
能となり、臨床上、益するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のブロック図、第２図。 第３図、第４図及び第８図は本発明の詳細な説明に用い
る説明図、第５図は従来法の構成図、第６図および第７
図は上記実施例の主要部をそれぞれ詳細に示すブロック
図、第９図および第１０図は本発明の詳細な説明図であ
る。 ２・・・加速原素加法速度演算回路、３・・・雑音検出
回路、９・・・第２遅延回路、１ｏ・・・第２自己相関
回路、１１・・・位相差の差演算回路、 １２および１３・・・加算器、１５・・・減算器、１９
・・・分散演算回路、 ２１・・・比較器。 第 ２ 困 工 第 ＝εＸＦ（ンΔΔθＬ） ＜ａ）＠−ヤカ０遣ｉ沃 召 伽τ◆ 崎−ｍ−〜で−− ｅ ■ ｂ県歌９習□□□Ｃ η　９　回 ４０ノ 第７０　口 （幻 時固

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、移動物体に超音波を送信し、ドプラ効果による受信
   信号の位相偏移を計測することにより速度を計測する装
   置において、連続する送信パルスに対応する各々の受信
   信号の瞬時位相差ベクトルを計測する手段と、連続する
   上記瞬時位相差ベクトルから位相差の差分を演算する手
   段と、１回前の送信パルスに対応する瞬時位相差と、上
   記位相差の差分とから、次回の送信パルスに対応する瞬
   時位相差を演算する手段と、位相差の差のエリアシング
   を検出する手段と、上記演算された瞬時位相差を補正す
   る手段とを具備することを特徴とする超音波ドプラ計。 ２、移動物体に超音波を送信し、ドプラ効果による受信
   信号の位相偏移を計測することにより速度を計測する装
   置において、連続する送信パルスに対応する各々の受信
   信号の瞬時位相差ベクトルを計測する手段と、上記瞬時
   位相差ベクトルを累加することにより、第１の平均位相
   差ベクトルを計測する手段と、上記第１の平均位相差と
   時間的に異なる上記第１の平均位相差との差分を演算す
   る手段と、上記第１の平均位相差と上記平均位相差の差
   分とから第２の平均位相差を演算する手段と、位相差の
   差のエリアシングを検出する手段と、上記第２の平均位
   相差を補正する手段とを具備することを特徴とする超音
   波ドプラ計。 ３、上記演算された位相差の差分が所定閾値以上である
   ことから位相差の差のエリアシングを検出し、上記演算
   された位相差を補正することを特徴とする請求項１もし
   くは２に記載の超音波ドプラ計。