JPH04197250A - 高限界速パルスドプラ計測装置 - 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実時間で計測表示する装置
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１図は従来法の速度演算回路であり、３は超音波送波
回路、４は超音波受波回路、５は位相比較回路、６は移
動物体検出フィルタ（〜ｆＴｒフィルタ）、７７は位相
から位相差Δθを検出する位相差（速度）演算回路であ
る７　　このようなパルスドプラ法の速度検出は例えば
「プロシーデインブ・オン・ザ・ヨーロピアン・コンブ
レス・オン・ウルトラソニクス・イン・メデイシンＪ１
９７Ｌ）年の第１４４頁に掲載された文献（Ｂｒａｎｄ
ｅｓｔｉｎｉＭ、　：　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ
　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｒｉｎｃ
ｉｐｌｅ　ｉｎ　ａ　ｔｒａｎｓｃｕｔａｎｅｏｕｓ　
ｖｅｌｏｃｉｔｙｐｒｏｆｉｌｅｍｅｔｅｒ、　Ｐｒｏ
ｃ、　ｏｆ　ｔｈｅ　５ｅｃｏｎｄ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ
Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　ｏｎ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　ｉ
ｎ　Ｍｅｄｉｃｉｎｅ、　ｐ、＋４４゜１９７５、）、
もしくは特開昭５８−１．８８４３３号公報に記載され
ている。

［発明が解決しようとする課題］ 超音波により血液の流速分布を計測しカラー画像で表示
する装置は心臓病の診断等に広く利用されている。この
装置の表示は、血流が超音波送受波器に近づくときを赤
色、遠ざかるときを青色で表示し、速さは色の濃淡で表
すように構成されている。しかし、従来のパルスドプラ
法に従う限りでは、送波パルスの繰返し周期をＴとすれ
ば、測定可能な最高ドプラ偏位周波数Ｆ、はｌ／　（２
Ｔ）となり、一方、音波伝搬速度（音速ｍ／５ｅｃ）を
Ｃとすれば、計測可能最大深度りはＴ／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。その限
界を超えると、不確定となる。

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。超音波パルスの送波間隔をＴ（μ
５ｅｃ）のとき、従来のパルスドプラ計測装置では、測
定できるドプラ周波数の範囲は±１／（２Ｔ）（）ｌｚ
）となるから、例えば、Ｔ＝２５０ＬＩｓｅｃのとき、
±２ＫＨｚである。この範囲を越えた、例えば２．５Ｋ
Ｈｚドプラ周波数は。

従来装置では、−１，５ＫＨ２と誤って測定される。

正の速度（赤色表示）が誤って、負の速度（青色表示）
と測定される。血流の方向で考えた場合、正のドプラ周
波数の血流方向を順方向、負のドプラ周波数の血流方向
を逆方向と呼ぶならば、順方向の速度の速い血流は、逆
方向の血流と表示され、問題となる。

この装置には上記説明したように、測定可能な速さにナ
イキスト周波数による限界があり、限界以上の高速血流
は方向を蘭違えた表示となる問題点を有する。

本発明の目的はこの点の改善を簡易構成の回路にて実現
することにある。

【課題を解決するための手段１ 超音波パルスの送波を不等間隔で行なう。この場合にお
ける位相差は、送波間隔Ｔに対してはΔθ＝ω、Ｔであ
るが、少し大きい送波間隔Ｔ＋Ｔｓに対しては少し大き
い位相差Δθ′＝ωａ　（Ｔ　＋　Ｔ　ｓ　）が得られ
る。位相差は雑音による変動を抑圧するため、位相差を
二軸成分に変換しベクトル加算する。すなわち実軸、虚
軸成分に変換し加算し、平均位相差に逆変換し戻す。つ
ぎに、送波間隔Ｔの位相差ａａ、Ｔ＋Ｔｓの位相差フｒ
′との差の位相差ΔΔθ＝ω＝Ｔｓを得る。ΔΔθを差
の送波間隔Ｔｓで除すれば、ドプラ周波数を得る。

［作用１ 超音波パルスを不等間隔に送波し、位相差の差ΔΔθを
求めることを特徴とする本方式は、超音波パルスの送波
間隔から決まる限界（ナイキスト限界）を超えて、ドプ
ラ平均周波数の測定が測定深度の不確定なしに、可能で
ある。

位相信号及び位相差信号の振幅を正規化したのと等価な
本方法では、差の位相差ΔΔθから平均周波数が得られ
る。重心周波数ではないが、血流の流れが定常で、得ら
れるドプラスペクトルが対称と見做せる場合、平均周波
数も重心周波数も同一である。

【実施例） 従来のパルスドプラ計測方式とその問題点を詳細に述へ
る。従来方式は第１図に示すように送波器１から超音波
パルスを血流に向は送波する３ここで、送波パルスの周
期Ｔと所要ｉｌｌ測深度をｒ、との関係は音波往復の伝
搬時間から２　Ｌ　／　ｃ　＝　Ｔである。ここでＣは
生体中の音速である。

位相比較器５で第ｎ番目の送波に対する血流からの反射
信号と参照信号α、α′との位相比較を行外う。位相比
較出力のそれぞれ■Ｒ：＋　ｔ　Ｖ’、　＊はｖ、、＝
Ａｆｉ　　ＣＯ５θ。

Ｖ：、＝ＡＩＩ　ｓｉｎθゎ である。これをまとめてベクトルで表すとｖｎ＝　Ｖｉ
ｑ　＋ｊＶ！ｆｉ＝　Ａｑ　ｅｘｐ（ｊθ、）　　　（
１）となる。複素位相信号Ｖ、から、血管壁の信号中の
血流信号を検出するため、ＭＴＩフィルタ６を用いる。

つぎに、速度推定器７７及びその問題点を詳述する。時
間Ｔ内に反射体２が距離ｖＴだけ移動しているため、隣
接時刻における反射信号の位相間に第２図に示すように
位相差Δθが生じΔ　θ＝２　ｋ　　ｖＴ＝ω、Ｔ である。ここで、ｋは波数（２π／λ）でありω。

（ｒａｄ／ｓ）は通常ドプラ角周波数と呼ばれているも
のである３この位相差Δθは Ｙ、＝Ｖ、一つ・Ｖへ　　　　　　　　　　　（２）な
る位相差ベクトルＹ。の位相角から Ａｒｇ、　［Ｙ、］　＝Ａｒｃｔａｎ（Ｉｙ／Ｒｖ）　
：Δθ（Ｒ，はＹ、の実部、エアはＹ、の虚数部）と得
られ、血流の速度が求まる。ここで８は複素共役、Ａｒ
ｇ、　［］は偏角を表す。

しかしこのような従来の方式によると、高速血流では、
第２図Ｃに示すようにこの位相差Δθが±πを超え、進
相遅相が反転するため、血流方向を間違うことになる。

この限界は １ω、ＴＩ≦π である。ここで、Ｔを小さくすることによりω６を大き
くすることも可能であるが、Ｌ　（＝ｃＴ／２）が測定
可能深度であり心臓計」りの場合には１５ｃｍ程度が必
要であり、送波間隔Ｔを小さくすることには限界がある
。

そこで、高限界速法ドプラ計測方式により１通常の限界
を５倍以上に拡大する方式を以下第３図、第４図の一実
施例を用い説明する。本方式では超音波パルスの送波を
、第３図ａ　、　Ｔｒａｎｓ。

Ｗａｖｅｆｏｒｍに示すように不等間隔で行なう。この
場合における位相差は、送波間隔Ｔに対しては第２図と
同様に、 Δθ　＝２ｋｖＴ＝ｃ、＋、Ｔ　　　　　　　（３−１
）であるが、少し大きい送波間隔Ｔ　＋　Ｔ　ｓに対し
ては Δ　θ’　　＝２ｋｖ（Ｔ＋Ｔｓ） ＝ω＝（Ｔ　＋　Ｔｓ）　　　　　　　　　　　　　（
３−２）となる。ωｄ（ｒａｄ／ｓ）はドプラ角周波数
である。

第４図においてＭＴＩフィルタ７は位相比較器５の出力
である位相信号Ｙ、をフィルタリンクしく位相信号は６
でディジタル値に変換されている）、血管壁の動きによ
る低周波成分を除去する。

ＭＴエフィルタの遅延時間はｍ（２Ｔ＋Ｔｓ）（ｍ　：
整数）を用いる。このことにより、第一の送波間隔Ｔと
第二の送波間隔Ｔ＋Ｔｓにおいて１両者に共通のフィル
タ特性が得られる。この点は通常の等間隔送波によるパ
ルスドプラ方式におけるＭＴＩフィルタとの相違点であ
る。と 不等間隔送波において、等間隔送波同様に（１）式より
１位相 θ。＝Ａｒｇ、　［Ｖ、］　＝Ａｒｃｔａｎ（Ｉ　１７
／Ｒ１７）（Ｒ１７は■。の実部、Ｉ　１．はＶ、の虚
数部）ただし。

１θ。１≦π が得られる。この演算結果を得るため位相メモリ８が必
要であり、用いられる。送波間隔Ｔに対する位相差 Δθ９、送波間隔Ｔ＋Ｔｓに対する位相差へ〇は、この
位相Ｏ１の差分演算によって得られる。

すなわち。

Δθつ二〇。、−０ｎ（４−１） Δθ。＝θ。−２−〇−（４−２） である。ただし、 １Δθ。′１≦π １△θ、ｊ≦π の制約条件があるため、 Δθゎ＝Δθ。−２π　１ｆΔθ。≧２π＝Δθ。＋２
π　１ｆΔθ。〈−２π　（５−］）△θ。′＝Δθ。

′−２π　ｉｆΔθ、′≧２π＝八０１′へ２π　ｉｆ
ΔθＩ〈−２π　（５−２）の補正処理を施す。位相差
メモリ９−１．９−２はこの演算結果を得るため必要で
あり、用いられる。

これら位相差Δθ４、Δθ、′は雑音のため変動するの
で、雑音抑圧のため、複素変換加算回路１０−１〜４で
は、複素数値（位相差ベクトル）Ｙ、　＝　ｃｏｓ（Δ
θ。）＋ｊ　５ｉｎ（Δθ。）　　　（６−１）Ｙ、’
＝ｃｏｓ（Δθ＊’）＋ｊ　５ｉｎ（Δθ−）　　　（
６−２）にそれぞれ変換し、複数回加算を行う。

Ｘ、＝ΣＹ、　＝Ｒ＋ｊＩ （ただし、ＲはＸｎの実部、■はＸ、、の虚部） Ｘ、Ｉ＝ΣＹゎ＝　Ｒ’　十ｊ　Ｉ （ただし、Ｒ′はｘ、、“の実部、■′はＸ。゛の虚部
） 加算平均した位相差ベクトルｘ、、ｘ、’より、Δθゎ
　＝Ａｒｇ、　［Ｘ。］　　　　　　　　（］７−１Δ
θ。’　＝Ａｒｇ、　［Ｘ。’　］　　　　　　　　（
］７−２の如く平均位相差がそれぞれ得られる。位相差
メモリＬ１−）、１１−２ではこれらの演算結果を得る
ため必要であり、用いられる。

本方式では、さらに、位相差の差ΔΔθ（＝Δθ′−八
〇）をへめる。位相差の差のメモリ１２では１両者（位
相差メモリ１１−１．１１−２の出力）がら。

送波間隔Ｔ＋Ｔｓと送波間隔Ｔの差Ｔｓにおける位相差
の差ΔΔθ７を演算できる。即ち、ΔΔθ，＝Δθ０′
−Δθ１　　　　　　　（８）ただし、制約条件 １ΔΔθ口≦π があり、上記（５−１）式と同様、 △△θ、；ΔΔθ。−２π　ｉｆΔΔθ１≧２π＝ΔΔ
０つ＋２π　１ｆ　ΔΔθ１〈−２π如く補正処理が施
されており、メモリ内容として出力さ粗る。

ところで、位相差の差は（３−１）、（３−２）式よす
ΔΔθ＝ω、（Ｔ　＋　Ｔｓ）　　−ω、Ｔ＝ω、Ｔｓ
　　　　　　　　　　　　　　　（６）であり、したが
って、ドプラ角周波数ω、はω、＝ΔΔθ／　Ｔ　ｓ　
　　　　　　　　　　（７）であり、ドプラ周波数ｆｄ
はメモリ１２の出力を除算器１３により除算し、 ｆ、＝ΔΔθ／　（２ｋＴｓ）　　’　　　　　（８）
として得られる。出力端子Ａ１はドプラ周波数ｆ、。

出力端子Ａ２はΔΔθを出力する。

ここで、ＴｓをＴより小さく選択することにより、第図
３ａに示すように位相差の差ΔΔθを同一速度に対し従
来より小さくする二とが可能であり、通常方式では、誤
測定となる高速血流に対しても第３図すの如く方向の正
確な測定が可能となる。例えば、Ｔｓ＝１７５Ｔとすれ
ば、ΔΔθを従来の１７５にでき、したがって、５倍の
高速血流に対しても方向の正確な測定が可能となる。

計測可能なドプラ角周波数ω、の範囲は第３図Ｃから ｉΔハメ９１≦π　ロ　［ω　Ｔ　ｓｌ≦πとなる。従
来己における限界は前呂の通りπ／下であり　測定可能
な最大ドプラ周波数はＴ／Ｔｓ倍となり、Ｔｓを小さく
選択することにより大幅に限界を広げられることになる
。

なお、Ｔは元のままであり、したがって、測定深度を深
く保ったまま、高速血流の正確な測定が可能となること
は言うまでもない。また、この方式で得られるドプラ周
波数は平均周波数である。

【発明の効果ｊ 測定深度を深く保ったまま、測定可能な最大ドプラ周波
数はＴ／Ｔｓ倍となり、Ｔｓを小さく選択することによ
り大幅に限界を広げられる。

位相差ベクトル信号の複素共役積から位相差の差のへ９
１−ルを得、位相差の差に変換する方式に較べ、複素乗
算器が不要となる点、装置化には有利である。

本方式は、低Ｓ／Ｎ時、特にパルス性稚音の悪影響を避
けるのに有効である。。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のパルスドプラ計測装置と心臓血流、第２
図は従来のパルスドプラ計測法の原理と問題点、第３図
は超音波不等間隔送波、位相差の差を検出する方式によ
る１水力式の高限界速パルスドプラ計測法の原理、第・
１図は一実施例をそれ。 それ示す。 符号の説明 ■は超音波送波器、２は目標物体（血流）３は超音波送
波回路、４は超音波受波回路、５は位相比較回路、６は
Ａ／Ｄ変換器、７は移動物体検出フィルタ（複素ＭＴＩ
フィルタ）、８は位相メモリ（ＡＴＡＮメモリ）−９−
１，９−２は位相差メモリ、　１．０−１〜４は複素変
換加算回路、　１１−１．１１−２は位相差メモリ（Ａ
ＴＡＮメモ１月　１２は位相差の差のメモリ、１３は除
算器出力端子、Ａ１、Ａ２は畠力端代理人弁理士　小　
川　勝　男゛、；ゾ／〜）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第一の期間中は第一の送波間隔Ｔでパルス化連続波
   の超音波パルスを繰返し対象に向け、送波し、これに続
   く第二の期間中は第二の送波間隔Ｔ＋Ｔｓでパルス化連
   続波の超音波パルスを繰返し送波し、それぞれのパルス
   による対象物からの反射波を検出する送受手段と、 反射波の位相を検出する位相検出手段と、 上記位相検出手段から順次得る位相信号から第一の送波
   間隔Ｔと第二の送波間隔Ｔ＋Ｔｓにおいて、両者に共通
   のフィルタ特性により、固定物の信号を除去するフィル
   タリング手段と、フィルタリング手段を介して得る位相
   信号のうち、第一の送波間隔Ｔに対応する位相差Δθと
   、第二の送波間隔Ｔ＋Ｔｓに対応する位相差Δθ′とを
   求める第一の位相差検出手段と、上記第一の位相差検出
   手段により得た位相差を実軸、虚軸成分に変換しそれぞ
   れ加算し、第一の送波間隔Ｔに対応する平均位相差ベク
   トルと第二の送波間隔Ｔ＋Ｔｓに対応する平均位相差ベ
   クトル求める手段と、 上記平均位相差ベクトルから平均位相差を得る手段と、
   上記平均位相差Δθと平均位相差Δθ′から位相差の差
   ΔΔθを得る第二の位相差検出手段とからなることを特
   徴とする高限界速パルスドプラ計測装置