JPH0484953A - 超音波ドプラ映像装置 - 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 本発明は超音波ドプラ映像装置に関し、特に超音波によ
り物体の速度を計測する装置、例えば生体内の血流速度
をリアルタイムで測定する場合に高い信号対雑音比で計
測が可能な超音波ドプラ映像装置に関する。

従来の技術 最近、超音波パルスドプラ計測法とパルス反射法を併用
することによって一つの超音波プローブで血流情報と断
層像（Ｂモード像）情報を得、断層像に重ねて血流情報
をリアルタイムでカラー表示するようにした超音波ドプ
ラ映像装置が知られている。この超音波ドプラ映像装置
は特開昭５７−１２８１３８号に知られておりその動作
原理は次の通りである。以下、第４図を参照して従来の
超音波ドプラ映像装置について説明する。

第４図は超音波ドプラ映像装置の基本原理を示すブロッ
ク図である。第４図において、被検体である生体内を流
れている血流に対して超音波パルスを送信すると、この
超音波パルスは流動する血球によって散乱されるため中
心周波数ｆｃはドプラ偏移を受けて周波数ｆｄだけ変化
し、この受信周波数ｆはｆ＝ｆｃ＋ｆｄとなる。このと
き周波数ｆｃ、ｆｄは次のように示される。

に こで、Ｖ：血流速度 θ：超音波ビームと血管のなす角度 Ｃ：音速 従って、ドプラ偏移ｆｄを検出することによって血流速
度Ｖを得ることができる。

このようにして得られた血流速度Ｖの２次元画像表示は
次のように行われる。壕ず超音波プローブ４１から被検
体に対してａ、　ｂ、　ｃ、・・・各方向に順次超音波
パルスを送信してセクタスキャンを行う。

最初にａ方向に数回、例えば１０回程度超音波ノくルス
が送信される。被検体内の血流でドプラ偏移されて反射
されたエコー信号は同一プローブ４１によって受信され
、電気信号に変換されて受信回路４２に送られる。

次に位相検波回路４３によってドプラ偏移信号が検出さ
れる。このドプラ偏移信号は超音波パルス方向に設けら
れた例えば２５６点のサンプル点にとらえられる。同一
サンプル点で各送信毎にとらえられたドプラ偏移信号、
この場合１０個のデータ、はＭＴ　Ｉ　　（Ｍｏｖｉｎ
ｇ　Ｔａｒｇｅｔ　Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）　４４によシ
血管壁等からの大振幅低周波信号成分を除去した後周波
数分析器４５で周波数分析されり、Ｓ。

Ｃ０４６に送られ、表示部４７においてａ方向の血流が
２次元画像として表示される。

以下す、ｃ、の各方向に対しても同様な動作が繰シ返さ
れて、各スキャン方向に対応した血流像（流速分布像）
が表示されることになる。流速分布像はカラー表示され
、断層像は白黒（Ｂ／Ｗ）表示となるように合成表示さ
れる。

発明が解決しようとする課題 ところが上記従来の超音波ドプラ映像装置ではＭＴＩは
（月刊ＢＭＥ　　Ｖｏｌ、　　Ｉ　Ｎｏ、　　４゜１９
８７に記載されているように）標準的なディジタルフィ
ルタで構成されているため以下に示すような問題点があ
った。

第５図は従来のＭＴＩのブロック図であり、加減算器５
０．５１．５２、乗算器５３．５４、係数メモリ５５．
５６、データラッチ５７．５８、等によシ構成され、そ
の周波数特性は第６図に示すように低周波信号成分が除
去されるようになっている。このようなディジタルフィ
ルタに各サンプル点で得られたドプラ偏移信号の有限個
数、この場合には１０個、のデータ列を加える場合２個
のラッチにデータがセットされている間取外はまともな
出力が得られないため、加えたデータの個数に比べて出
力のデータ個数が減る、この場合は８個、になるという
問題があった。すなわち出力のデータ数が少ないため周
波数分析器に加えるデータの個数も減り周波数分析の精
度が低下するという問題があった。

またバイパス特性を有するディジタルフィルタの過渡応
答特性により入力データ列の前後の部分で出力が大きく
変動するため、高周波成分を生じてしまうという問題も
あった。

これらの問題点はフィルタの次数を増やしたり、遮断特
性を急峻にしようとする場合、あるいは流速分布像のフ
レーム数を上げるため同一方向への送信回数を減らし、
得られるドプラ偏移信号のデータの個数が減った場合に
ますます顕著になる。

本発明は従来技術の以上のような問題を解決するもので
、超音波ドプラ映像装置のサンプル点でとらえられたド
プラ偏移信号のデータ列に対して、データ個数を減少す
ることなく良好な過渡応答特性で血管壁等からの大振幅
低周波信号成分を除去できる優れた超音波ドプラ映像装
置を提供することを目的としたものである。

課題を解決するだめの手段 本発明は上記目的を達成するためにサンプル点で得られ
たドプラ偏移信号の有限個数からなるデータ列に対して
その低周波信号成分に適合するような低次多項式を最小
自乗法で求め、このデータ列の値と低次多項式の値の差
を求めることにより低周波成分を除去するようにしたこ
とにより、上記目的を達成するものである。

作用 本発明は上記構成により、ドプラ偏移信号出力に対しそ
の個数を減少することなく、また過渡応答出力を生じな
いため血流からの微弱な信号成分のみを抽出することが
可能となり、この信号成分を周波数分析をする事により
精度よく血流速度を求めることができる。

実施例 以下、図面を参照しながら本発明の一実施例について説
明する。第１図は超音波ドプラ映像装置のブロック図で
ある。第１図において１は超音波プローブ（以下プロー
ブと呼ぶ）、２は駆動パルス発生器、３はプリアンプ、
４は発振器、５は位相器、６．７はミキサ、８．９はロ
ウパスフィルタ、１０．１１はＡ／Ｄ変換器、１２．１
３はバックアメモリ、１４．１５は低周波信号除去器、
１６は周波数分析器、１７はフレームメモリ、１８はカ
ラーエンコーダ、１９ばＤ／Ａ変換器、２０はデイスプ
レィ、２１は検波器、２２はＡ／Ｄ変換器である。

次に第２図を参照して低周波信号除去器１４．１５のさ
らに詳細な構成について説明しておく。第２図は低周波
信号除去器１４．１５のブロック図であるＯ第２図にお
いて２３はメモリ、２４はデータＲＯＭ（リード・オン
リ・メモリ）、２５は乗算器、２６は累積加算器、２７
はメモリ、２８はデータＲＯＭ、２９は乗算器、３０は
累積加算器、３１はメモリ、３２はＭ次多項式近似手段
、３３は減算器、３４はメモリである。

以上のような第１図、第２図の構成において、以下その
動作を説明する。まずプローブ１は駆動パルス発生器２
により駆動され、被検体に対してａ、　ｂ、　ｃ、・・
・各方向に順次超音波パルスを送信してセクタ走査を行
う。最初にａ方向に数回、例えば１０回程度超音波パル
スが送信される。被検体内の血流で反射されてドプラ偏
移した信号は同一プローブ１によって受信され、電気信
号に変換されて受信回路３に送られる。受信回路３から
出力された信号の内一方は検波器２１、Ａ／Ｄ変換器２
２を介してフレームメモ１月７へ送られ、他方は位相検
波される。まず駆動パルス発生器２に同期した発振器４
の出力はミキサ６、他方は位相器５によシタ０度位相シ
フトしたのちミキサ７に加えられ受信回路３の出力に混
合される。ミキサ６．７の出力に対しロウパスフィルタ
８．９によりドプラ周波数帯の信号成分を通過させるこ
とにより■。

Ｑ各ドプラ偏移信号が得られる。ロウパスフィルタ８．
９のドプラ偏移信号出力はＡ／Ｄ変換器１０．１１によ
りディジタルデータに変換されメモリ１２．１３に記憶
される。メモリ１２．１３にはａ方向への一連の送信、
この場合には１０回の送信、で得られた各ドプラ偏移信
号がａ方向の各サンプル点、例えば２５６点について記
憶される。次にメモ１月２．１３に記憶されたドプラ偏
移信号は各サンプル点について１０個のデータ列として
読み出される。読み出されたデータ列は低周波信号除去
器１４．１５により血管壁等からの低周波信号成分が除
去され血流からのドプラ偏移信号が抽出される。低周波
信号除去器１４．１５の出力は周波数分析器１６により
平均周波数、すなわちドプラ偏移周波数ｆｄおよびその
符号が計算される。このドプラ偏移周波数ｆｄは血流の
速度■、その符号は血流の方向を表す。平均周波数の評
価方法としては自己相関によるものが一般的であるが、
離散フーリエ変換を行いパワースペクトルを求め周波数
の１次モーメントを求める方法によるもの等さ捷ざまな
方法が可能である。このようにしてａ方向の各サンプル
点について周波数分析器１６で得られたドプラ偏移周波
数ｆｄ、すなわち血流速度Ｖの値はフレームメモ１月７
へ書き込まれる。以下、ｂ、ｃ、の各走査方向に対して
も同様な動作が繰り返されて、各走査方向に対応した血
流像（流速分布像）が作られる。フレームメモ１月７に
は検波器２１の出力も書き込甘れ断層像が作られる。カ
ラーエンコーダ１８において、フレームメモ１月７の出
力の内、血流像に相当する部分には色がつけられ表示部
２０で表示される。

ここで前記低周波信号除去器１４．１５の原理を説明す
る。低周波信号除去器１４．１５は基本的に同等な動作
をするので一方の動作のみを説明する。

Ｉ、ｔたはＱのドプラ偏移信号のデータ列をｈ（ｎ）　
（ｎ＝　Ｏ〜Ｎ　−１、Ｎは１０程度以下）と表す。低
周波信号成分に対するＭ次の近似関数を２次関数とする
。

Ｍ≦Ｎ−２の関数が成り立っている。近似関数の値をデ
ータ列でｙ　（ｎ）と表す。ｙ　（ｎ）は次式で表せる
０ ｙ（ｎ）＝ａ争ｎ２＋ｂ−ｎ＋Ｃ 係数ａ＋１）＋（！は次式で定義される残差５ｙｌ＝０ が最小となるように決定される。

る条件は次式から得られる。

Ｓが最小とな ＆ａ σ４＝Σｎ４ σ３＝Σｎ３ σ２：Σｎ２ 〔ｈσ２〕＝Σｈ（ｎ）・ｎ２ 同様な関係がａｓ／ａｂ＝ｏ、δＳ／θｃ　＝　０よシ
得られ以上を１とめると以下の連立方程式が得られる。

ａ０ｃｒ４＋ｂ　’１　（７３＋Ｃ＠σ２＝〔ｈσ２〕
ａ・σ３＋ｂ−σ２＋ｃ・σ１＝〔ｈσｌ〕ａ０σｚ＋
ｂ　６（Ｊｚ　＋ｃ　０６ｏ＝〔ｈσｏ　）　　　　（
５）但し、 上式のｃ？　Ｂ　／　ａ　ａ　＝　０より以下の関係が
得られる。

：２（ａ”（Ｔ４＋１）−１１Ｆ３＋Ｃ”（Ｆ２　　（
ｈσ２））＝０ｎ＝０ σ１＝Σｎ１ σ０二Σｎ０＝Ｎ 〔ｈσｌ〕＝Σｈ　（ｎ）・ｎ 〔ｈσｏ）＝Σｈ　（ｎ） 上記した連立方程式よシ未知数ａ、ｂ、ｃを求めること
ができる。クラメルの公式を用いると例えばａは次式で
表すことができる。

以下余白 但し、 上式において定数による除算は乗算に書直すことが可能
であシ、又右辺の（ｎ２−ｎ−５）はあらかじめ計算し
ておくことができるので結局未知数ａ、ｂ、ｃは次式の
様な演算で求めることが可能である。

ａ＝Σｈ　（ｎ）・ｕ　（ｎ） ｂ＝Σｈ　（ｎ）・ｖ　（ｎ） Ｃ＝Σｈ　（ｎ）　・ｗ　（ｎ）　　　　　　　　　　
　　（６）但し、 ＝ｎの値で決する定数 す、ｃについても類似の式で表すことができる。

以上の式においてｎを−３〜４まで変化させた場合には
次式が得られる。

Ｃｈσｚ）　　（ｈｃｒｌ）　　（ｈσｏ〕・５ｎ＝−
３ ｎ＝−３〜４ 従って未知数ａ、ｂ、ｃはデータ列ｈ　（ｎ）と定数の
積和を８回繰返すことにょシそれぞれ求めることができ
る。

以上のようにして求めた係数ａ、ｂ、ｃより近似関数の
値ｙ　（ｎ）を（２）式を用いて容易に得ることができ
る。

以上の様にして求めたｙ　（ｎ）とｈ　（ｎ）の差△ｈ
　（ｎ）が低周波信号除去器】４．１５の出力となる。

以上の各数式と第２図のブロック図の構成要素との対応
関係は以下の様になる。メモリ１４から出力されたデー
タ列ｈ　（ｎ）はメモリ２３に記憶される。ＲＯＭ２４
には（６）式のＵ伍）、　ｖ（ｎ）、　ｗ（ｎ）の値が
書込まれている。

（６）式の積和演算は乗算器２５と累積加算器２６によ
り実行される。得られた係数ａ、ｂ、ｃの値はメモリ２
７に記憶される。ＲＯＭ２８には（２）式におけるｎ２
゜ｎの値が書込才れている。（２）式の積和演算は乗算
器２９と累積加算器３０により実行される。得られだｙ
　（ｎ）の値はメモリ３１に記憶される。メモリ２３．
２７．３１、ＲＯＭ２４．２８、乗算器２５．２９、累
積加算器２６．３０でＭ法条項式近似手段３２を構成す
る。データ列ｈ　（ｎ）と近似値ｙ　（ｎ）との差は減
算器３３により求められる。減算器３３の出力△ｈ　（
ｎ）はメモリ３４に記憶される。メモリ３４に記憶され
たデータ△ｈ　（ｎ）は周波数分析器１６へ送られる。

第３図に低周波信号除去器の周波数特性を示す。

この場合の久カデータ列の個数は８．２似多項式による
近似を行っている。第３図において正規化周波数Ｆ＝１
．０は１／２Ｔ　（Ｔはデータ間隔時間）の周波数に相
当する。

一般にＮ個のデータ列に対してはＮヶの未知数を有する
Ｎ−１法条項式による近似が可能であるが、このような
多項式でデータ列との差をとると本来抽出すべき高周波
成分せでか除去されてしまうので多項式の次数Ｍの値ば
Ｍ≦Ｎ−２を満足するように選んだ方が良い。いずれに
せよ第３図の周波数特性はドプラ偏移信号から不要な低
周波信号成分を除去するのに十分なものである。

発明の効果 このように、上記実施例によれば、ドプラ信号のＮ個の
データ列に対するＭ　（Ｍ≦Ｎ−２）法条項式近似手段
と、前記Ｎ個のデータ列の値と前記Ｍ次多項式の値の差
を求める減算手段により得られたデータ列は、従来のデ
ジタルフィルタにより得られたデータ列のようにデータ
数が減少したり過渡現象を生じることがなくかつ十分に
低域成分が除去されているので、精度よく周波数分析を
行い、血流速度を求めることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における超音波ドプラ映像装
置のブロック図、第２図は同超音波ドプラ映像装置の要
部である低周波信号除去部のブロック図、第３図は同低
周波信号除去部の特性図、第４図は従来の超音波映像装
置のブロック図、第５図は従来のＭＴＩのブロック図、
第６図は従来のＭＴＩの特性図である。 ドブロープ、２・・駆動パルス発生器、３・受信回路、
１４．１５・・・低周波信号除去器、１６・周波数分析
器、３２・・・Ｍ次多項式近似手段、３３・・・減算器
。 第１図 Δ 代理人の氏名　弁理士　粟　野　重　孝　ほか１名箪 図 第 図 第 図 ０．５ Ｉ、Ｏ 正規化周波数 第 図 ａ検波回路４３６゛ら 周波数合判′惨４５へ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被検体内に超音波パルスを送受信して被検体内からの散
   乱超音波に基づき前記被検体内の散乱体の移動速度情報
   を得る超音波ドプラ映像装置において、前記散乱超音波
   からドプラ偏移信号を検出するドプラ信号検出手段と、
   前記ドプラ信号検出手段により得られたＮ個のデータ列
   に対するＭ（Ｍ≦Ｎ−２）次多項式の近似手段と、前記
   データ列の値と前記Ｍ次多項式の値の差を求める減算手
   段と、前記減算手段の出力に対する周波数分析手段とを
   備えた超音波ドプラ映像装置。