JPH0435651A - 超音波信号処理装置 - 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る物体の検出あるいは検査に好適な
超音波信号処理方法およびそのための装置に関し、特に
計測対象である物体が運動するものである場合に有効な
超音波信号処理方法およびそのための装置に関する。

［従来の技ｖ＃］ 医療診断用の超音波撮像装置におし１ては、運動してい
る対象部位からの情報を得る必要性が大きい。例えば、
心臓に関連した各種診断情報得るには心臓の動きを考慮
しなければならない、このため、心電波形を同期信号と
し、心臓の動きの周期性を利用して計測する方法が知ら
れている、また、これとは別に、特開昭６１−１７６３
２号公報には、計測対象の動きに追従して計測用のプロ
ーブを制御し両者の相対関係が所定の範囲内に納まるよ
うにした超音波診断装置が開示される。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、従来の超音波診断装置においては、例えば、
日本電子機械工業全編「医用超音波機器ハンドブック」
（コロナ社、１９６０年刊）に記載されている如く１通
常はパルス状音波の送波１回ごとの受信信号を書すして
映像化し、これを表示する如く構成されていた。

しかし超音波診断装置の高精度、高分解能化等の要求に
対処するためには、より微弱な計測信号を取り出すこと
が必要になり、上述の如く送波１回ごとの受信信号を処
理して映像化する方式ではＳ／Ｎの低下が避けられない
という問題が生じてきた。これに対しては、超音波血流
計において行われている如く、複数回の送受信の結果を
累加して計測を行うことが考えられるが、計測対象とす
る物体が運動するものである場合には単純な累加処理で
は微弱な計測信号が雑音と同様に消去されてしまうとい
う問題がある。

そこで本発明の目的は計測対象とする物体が運動するも
のであっても受信信号の長時間相関処理を可能とし、も
って雑音の抑圧を有効に行うことができる超音波信号処
理装置を提供するにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、超音波により物体の状況を映像化する装置に
おいて、信号帯域帽と信号長の積が１より充分大きな信
号を複数回送信する構成、各送信に対する受信信号の相
関処理を行う構成、各相関信号を加算する構成を有する
ことを特徴とする。

［作用］ 受信信号に相関処理をほどこして得られる最高の信号対
雑音比は、最適フィルターを実現する場合を仮定して （Ｒｓ／ＲＭ）＝　（Ｐ５／ＰＭ）（Ｗ！／ＷＯ）＝Ｅ
／　　（ｋＴ） （ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）であり、相関の
積分時間を伸ばすことにより信号が増強する。上記した
本発明の構成によれば、長時間の送信信号波形を用い、
長時間の相関出力の累加が行われ、信号の増強により信
号対雑音比の向上をはかれる。

［実施例コ 以下、実施例により詳細に説明する。本発明は、超音波
により、物体の状況を映像化する装置において、物体の
運動により相関出力強度が低下しない波形を送信し、受
信信号の相関処理を行う。基本構成を第１図に示す。Ｔ
に示す信号源からの信号Ｓにより送受波器ＴＲを駆動し
通常はビーム状の超音波により対象Ｘを繰返し照射する
。反射信号Ｒを受信し、相互相関器ＣＯＲによりＲとＳ
との相互相関ＲＲを順次計算する。相関出力信号は順次
メモリＭ１に記憶される。相関出力信号を加算器ＡＤＤ
により各時刻ごとに加算し、加算結果ＵをメモリＭ４に
記憶する。このような処理を行うと全受信信号が同相に
て加算され、雑音は位相が不規則なため打ち消されるこ
とになる。ここで、ＣＯＨの構成を第２図に示す。送受
波器ＴＲからの受信信号Ｒは複数の遅延時間出力を有す
る遅延線に導かれる。一方、送信信号Ｓは位相差発生器
Ｑに導かれ、送信信号に対応し、かつ相互に９０度位相
差を有する波形ＲＴとＩＴを得る。これらの波形はそれ
ぞれ係数メモリＣＦＩとＣＦ２に記憶される。これら係
数メモリー〇ＦＩ、ＣＦ２では、それぞれの記憶内容と
遅延線の各遅延時間出力との積がとられ、各係数メモリ
ごとに加算器Σ１、Σ２にて加算される。加算出力は複
素器ＣＭＰにより複素数値化され複素相関信号ＲＲを得
る。

この実施例にて使用する送信信号Ｓの単位部分（１回の
送波の部分）は１／ｔ波形と呼ばれるものである。この
波形は、瞬時角速度ω（１）がｃｖ（ｔ）＝ａ／ｌにて
与えられる波形でありｙｔ（ｔ）　＝　Ａ（ｔ）ｃｏｓ
（、ｒｕ（ｔ）ｄｔ）＝　Ａ（ｔ）ｃｏｓ（ａ　ｌｏｇ
　ｔ）である（初期位相を省略）。運動物体からの反射
信号は、ドプラ効果による時間軸の変化率をＤとすると ｙ＊（ｔ）　＝　Ａ（ｆｉｔ）ｃｏｓ（ａ　ｌｏｇ　Ｄ
ｔ）＝　Ａ（Ｄｔ）ｃｏｓ（ａ　ｌｏｇ　ｔ　＋　ａ　
ｌｏｇ　Ｄ）＝　Ａ（Ｄｔ）ｃｏｓ（ａ　ｌｏｇ　ｔ　
＋　ｃ　）となり、周波数変化の状況はドプラ効果の程
度によらず保存される。相手の速度による波形の変化は
位相の回転のみであり、第２図の複素相関器を使用する
と、−組の相関器にて相関損失の増加なく処理できるこ
とになる。このような波形を使用すると相関損失の心配
がなくなり、長時間信号を使用することができる。例え
ば、１００ｍ５ｅｃの信号を使用すると、現在の医用分
野におけるパルス長は１μｓｅｃ程度であることから１
０万倍の積分エネルギーで、信号対雑音比は５０ｄＢ改
善される。なお、生体応用においては、心臓の拍動周期
から、相関処理を行う時間を１００ｍ５ｅＣ０以下とす
る構成が有効である。

このように長い信号を用いるので、送受波器ＴＲの構成
によっては受信信号に送信信号が混入する。この場合に
は、第３図に示す送受信部を用いれば良い。すなわち、
送受波器ＴＲからの検出出力は送信信号打消部ＲＣに導
かれ、送信信号打消部ＲＣでは検出出力から送信信号Ｓ
に所定の係数を乗じた信号を差し引くことによりこの不
要成分を取り除いた受信信号Ｒを得る。

また、１７Ｒ測希望範囲（計測深度の範囲）が定まって
いれば、受信時間内に送信信号が存在しないように動作
させることもできる。すなわち、第４図（ａ）のＹがＩ
［ｌ望範囲であり、これを送受波器からの往復の音波伝
搬時開に換算するとＴ１からＴ２までの距盾であれば、
第４図（ｂ）に示すように時刻０から時刻Ｔｌもしくは
その直前までのＴを送信信号長とし、Ｔ２＋Ｔもしくは
その直後の時刻を次の送信の開始時刻とする。上記範＠
Ｙからの反射音波の継続時開はＴＩからＴ２＋Ｔまでな
のでこの間に受診時間を制限すると、送信信号は受信信
号の邪魔にならない。

第５図は別の実施例を示す。本実施例では相関処理され
る信号とは別の低周波成分を保有する。

つまり第１図のものと同様な送受波器ＴＲには第５図中
にＡに示す低周波部分とＢに示す高周波の１／ｔ波形の
部分を含む送信信号が送られる。送受波器ＴＲからの受
信信号は低域ろ波器ＬＰＦおよび高域ろ波器ＨＰＦにそ
れぞれ導かれ、Ａに対応する低周波成分は低域ろ波器Ｌ
ＰＦを通過してそのままメモリＭ１に記憶されて利用さ
れ、動作の高速化を図る。Ｂに対応する高周波成分は高
域ろ波器ＨＰＦを通過し、第１図と同様な相関処理が行
なわれて高Ｓ／Ｎ化を図る。ここで、この図のように相
関処理される信号と低周波の信号が同時に（１回の送波
期間中に）送信される構成の他に、相関処理される信号
と低周波の信号が別々の送波期間で交互に送信される構
成も可能であり、この場合に、相関処理される信号の方
を高い頻度にて送信する構成が高Ｓ／Ｎ化に有効である
。逆にすると高速化に有効ある。これらの実施料におい
て、低周波信号と相関処理される信号の周波数の比とし
ては、１．５倍以上が効果を発揮する。

また、相関に使用する信号の帯域幅をＩ　Ｍ　Ｈｚ以上
とすることにより距離分解能が向上する。

生体を対象にする場合には、心臓の拍動による運動が問
題となる。そこで、ＥＣＧ信号あるいはＵＣＧ信号を使
用し、本方式の運動計測を心拍動に同期させることによ
り拡張期の安定した信号を使用することができる。

広帯域信号を送信するような場合においては、これまで
述べたような加算によりｓ　／　ｎが向上した結果であ
るＭ４の内容を高域強調し、距離分解能の向上を図るこ
ともできる。また、低周波から高周波までの広い帯域の
信号が得られることから、対象物質の減衰係数の周波数
特性が高精度で計測可能となる。この減衰情報を、この
減衰情報を、これまで述べた方式において得られる映像
情報あるいは運動情報と組み合わせる任意の表示が可能
である。

また、第６図に示すように、全体の映像化を低周波信号
により行い、対象の一部分についてのみこれまで説明し
た相関加算処理を行う装置構成とすることにより、比較
的高速な映像装置が構成できる。

第７図は、さらに別の実施例を示す。本実施例において
は、複数回の送受信による相関信号中の運動による変動
成分を補正した後、それら相関結果を加算する。第１図
のものと同様な信号源Ｔ、送受波器ＴＳ、相関器ＣＯＨ
の構成にて順次得られる複数回分の相関信号ＲＲを順次
Ｍｌに記憶する。この記憶内容は、対象物の運動により
時間的に変動する。この変動状況を運動検出部ＭＤによ
り計測し結果をＭ２に記憶する。このようにして得られ
た運動情報を用いて、運動補正部ＭＣは。

Ｍｌの内容中の運動による変化分を補正し、結果をＭ３
に記憶する。このように運動の補正された受信信号を加
算器ＡＤＤにより各時刻ごとに加算し、加算結果ＵをＭ
４に記憶する。このような処理を行うと全受信信号が同
相にて加算さｔｌ、雑音は位相が不規則なため打ち消さ
れることになる。

本装置において、運動状況の計測は相関圧力によるもの
に限られない。

以上は、簡単のために、全受信信号を一旦記憶してから
運動補正処理を行う構成について述べたが、第８図に示
すように運動状況を順次推定し、受信信号の運動変動を
逐次補正することも可能である。運動検出部ＭＤの出力
を運動補正部ＭＣに印加することにより相関信号ＲＲの
運動補償を行い、ＭＣの出力を加算する。

送受波器内部の不要反射など、移動しない固定信号が発
生する。この信号は加算処理により大きく成長するため
問題となる場合がある。この場合には、実際の対象につ
いての計測の前に、これら不要反射による信号を計測し
記憶しておく構成とし、実際の信号からこれら不要信号
を減算することが可能である。

以上は、簡単のために最も重要な距離方向の変動の補正
のみにつき説明したが、加算時間を極端に大きくする場
合には、方位方向の運動も問題になる。この場合には、
方位方向の運動検出部を追加することにより対応が可能
であることは明白である。

以上の種々の実施例の装置において使用する超音波の周
波数帯域の中で、高周波成分がより強く減衰することか
ら、送信信号波形を高周波成分が優勢な波形とする構成
が有効である。

［発明の効果コ 本方式は、運動に影響されず、長時間の信号加算が可能
となり、ｓ　／　ｎが向上する。このように、受信信号
の雑音を抑圧することを可能とするため、ここに述べた
実施例に限られるものではな〈従来超音波信号を利用し
ている大多数の分野に応用できることは明白である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的実施例の構成説明図、第２図は
相関器の構成説明図、第３図は漏洩送信波除去機能を持
つ他の実施例の構成説明図、第４図は本発明の方式の送
信タイミング例の説明図、第５図は低周波成分を用いる
さらに別の実施例の構成説明図、第６図は部分領域信号
処理法説明図、第７図および第８図は逐次運動補正機能
をもつさらに別の実施例の構成説明図である。 Ｔ：信号源、　Ｓ：送信信号、　Ｒ：受信信号、ＴＲ：
送受波器、　Ｍ１〜Ｍ４：記憶部、ＭＤ：運動検出部、
　ＭＣ：運動補正部、ＡＤＤ：信号加算部、　ＨＰＦ：
高域ろ波器、ＬＰＦ　：低域ろ波器、　ＣＯＲ：相関器
、ＤＥＬ：遅延線、　　ＣＦ：係数メモリー１７図 １２図 第５″図 １Ｃ薗 ７７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超音波により、物体の状況を映像化する装置におい
   て、信号帯域幅と信号長の積が１より充分大きな送信信
   号により超音波を複数回送波し、これにより生じる反射
   音波を受波して受信信号を得る送受波手段、各送信に対
   する受信信号の相関処理を行う手段、各相関信号を加算
   する手段を有し、加算出力により雑音が抑圧された前記
   物体の情報を得ることを特徴とする超音波信号処理装置
   。 ２、請求項１に記載の装置において、送信信号として１
   ／ｔ波形を使用することを特徴とする超音波信号処理装
   置。 ３、請求項１に記載の装置において、受信信号に混入す
   る送信信号成分を打ち消す手段を有することを特徴とす
   る超音波信号処理装置。 ４、前記送信信号による送波期間は、特定の観測希望領
   域からのその送波による反射音波の受信期間と該送波期
   間とが重ならないように設定されることを特徴とする請
   求項１に記載の超音波信号処理装置、請求項１に記載の
   装置において、受信時間内に送信信号が存在しないよう
   に動作させることを特徴とする構成。 ５、前記送信信号は相関処理される信号と別の低周波信
   号を含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波信号
   処理装置。 ６、前記の相関処理される信号と低周波信号が１回の送
   波期間内に送信されることを特徴とする請求項５に記載
   の超音波信号処理装置。 ７、前記の相関処理される信号と低周波信号が別々の送
   波期間内で交互に送信されることを特徴とする請求項５
   に記載の超音波信号処理装置。 ８、前記の相関処理される信号は前記低周波信号よりの
   方を低い頻度にて送信されることを特徴とする請求項７
   に記載の超音波信号処理装置。 ９、前記の相関処理される信号と低周波信号の周波数の
   比が１．５倍以上であるのことを特徴とする請求項５に
   記載の超音波信号処理装置。 １０、前記送信信号の送信時刻は心拍動に同期されるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の超音波信号処理装置。 １１、前記相関出力から減衰係数を計測することを特徴
   とする請求項１に記載の超音波信号処理装置。 １２、前記相関出力により前記物体の一部分についての
   み映像化を行い、全体の映像化を低周波信号により行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波信号処理装置
   。 １３、前記送信信号波形を高周波成分が優勢な波形とす
   る請求項１に記載の超音波信号処理装置。 １４、相関処理を行う時間を１００ｍｓｅｃ．以下とす
   る請求項１に記載の超音波信号処理装置。 １５、前記相関処理の信号の帯域幅を１ＭＨｚ以上とす
   る請求項１に記載の超音波信号処理装置。 １６、前記相関出力から対象の運動状況を計測し、この
   情報により運動状況を表示することを特徴とする請求項
   １に記載の超音波信号処理装置。 １７、請求項１に記載の装置において、複数回の送受信
   による相関出力中の運動による変動成分を補正した後、
   それら相関結果をを加算することを特徴とする超音波信
   号処理装置。