JPH05200024A - 超音波ドプラ診断装置 - Google Patents

超音波ドプラ診断装置

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JPH05200024A
JPH05200024A JP4011427A JP1142792A JPH05200024A JP H05200024 A JPH05200024 A JP H05200024A JP 4011427 A JP4011427 A JP 4011427A JP 1142792 A JP1142792 A JP 1142792A JP H05200024 A JPH05200024 A JP H05200024A
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JP
Japan
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frequency
complex
doppler
spectrum
signal
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Application number
JP4011427A
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English (en)
Inventor
Takemitsu Harada
烈光 原田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Aloka Co Ltd
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Publication date
Application filed by Aloka Co Ltd filed Critical Aloka Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】Bモード断層画像の分解能を劣化させることな
く、生体中における超音波の周波数に依存した減衰によ
るドプラ平均周波数の誤差を低減する。 【構成】探触子16から広帯域で超音波が生体18に放
射される。広帯域の受信信号は、複素信号変換器26で
所定の参照信号101,102と混合されるが、その後
にバンドパスフィルタの作用により互いに異なるピーク
周波数を有するスペクトルを持つ受信信号(複素信号)
に変換される。そして、複素共役積演算器40及び速度
演算器42にて、2つのピーク周波数の差に相当するド
プラシフトが検出される。Bモード断層画像は、広帯域
の受信信号がそのまま用いられて形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波ドプラ法を用い
て生体内の血流速度や運動組織の変位速度等を測定する
超音波ドプラ診断装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】一定の送信繰返し周期で超音波パルスを
生体内に送波し、生体内の血流や運動組織等の運動反射
体にてドプラシフトを受けた反射波を受波し、前記ドプ
ラシフトに基づいて運動反射体の運動情報を得る超音波
ドプラ診断装置が活用されている(例えば、特公昭62
−44494号公報参照)。
【0003】この超音波ドプラ診断装置によれば、例え
ば血流速度分布の二次元カラー画像表示等が行え、近年
では、超音波ドプラ法を応用した組織の微小変位の計測
を行う装置が提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】生体中においては、超
音波はその進行に伴って減衰を受けるが、この減衰は生
体深部に達するほど大きく、さらに、超音波の周波数が
高いほど大きいことが知られている。
【0005】この超音波の周波数依存減衰のため、超音
波のスペクトルにおいて、高周波成分は低周波成分より
も大きく減衰する。従って、スペクトルの平均値として
算出されるドプラ平均周波数は、真の値から低い方へシ
フトする。その結果、算出される血流速度は実際の速度
を過小評価してしまうことになる。
【0006】一方、Bモード断層画像を表示する場合に
は、高分解能な画像を形成するため、一般的には、広帯
域の送受信方式がとられている。従って、Bモード断層
画像と二次元の血流速度分布画像とを重ねて表示し得る
超音波ドプラ診断装置において、高分解能なBモード断
層画像を得る必要性から送受信系を広帯域化すると、結
果として、上記超音波の周波数依存減衰のため、ドプラ
平均周波数の誤差が大きくなる。
【0007】以下に、図面と数式を用いて詳細に説明す
る。図4には、ドプラ受信信号のスペクトルの例が示さ
れている。図において実線で示されているのは運動反射
体が静止している場合のスペクトルであり、その中心周
波数はf0 である。また、図において、一点鎖線で示さ
れているのは、運動反射体が速度Vr で運動している場
合であり、その中心周波数がs・f0 で示されている。
ここで、ドプラシフトによる周波数偏移は、γ・f0
示されている。
【0008】図示されるように、運動反射体が探触子に
近づく方向に運動している場合には、スペクトルの包絡
線がドプラ効果により高周波数側(右側)へシフトす
る。一般に、超音波の周波数が高いほどこのドプラシフ
ト量は大きい。
【0009】一方、上述したように、生体内においては
超音波の周波数に依存して減衰が生ずる。この減衰は、
一般に周波数に比例するとみなせるので、その場合のド
プラスペクトルの状態が図5に示されている。図5にお
いて、スペクトルの大きさを定める縦軸は対数で表され
ている。
【0010】図から理解されるように、高域成分ほど減
衰の度合いが大きく、スペクトルの平均値から得られる
平均周波数は、真の平均値より低周波側へシフトしてい
る。そして、生体深部になるほど減衰の程度は大とな
り、ドプラ平均周波数の誤差が増大している。
【0011】ここで、平均周波数の誤差を概算する。超
音波の送信信号として、以下に示す第1式で表されるガ
ウス型のパワースペクトル分布を例にとる。
【0012】 Pt =P0 ・exp[−(f−f0 2 /(2σ2 )] …(1) ここで、 f0 :送信の中心周波数(平均周波数) σ:ガウス分布の標準偏差(スペクトルの広がり) そして、ドプラ受信信号のスペクトルは、次の第2式で
表される(滑川孝六、他「ドプラ信号の発生と観測」:
日超医講演論文集50,241,1987.参照)。
【0013】 Pr ・exp[−(f/s−f0 2 /(2σ2 )] …(2) ここで、 s=1−γ、 γ=2Vr/c(c:音速) …(3) であり、Vrは、運動反射体の運動速度の超音波ビーム
方向の速度成分であり、sはドプラ効果により生じた時
間軸の尺度を表している。
【0014】一方、単位長さ当りの振幅減衰をαfで表
すと、減衰を受けた受信ドプラスペクトルは次の第4式
で表される。
【0015】 Pa =Pr ・exp(−4αfR/s)・exp[−(f/s−f0 2 )/ (2σ2 )] =K・exp[−{f−s(f0 −4σ2 αR)}2 /(2(sσ)2 ) ] …(4) ここで、 K=Pr・exp[−4αR(f0 −2σ2 αR)] αは超音波の減衰率、Rは生体中の深度(距離)であ
る。
【0016】上記第4式から理解されるように、減衰に
よる影響を受けてもスペクトル分布自体は第1式のガウ
ス分布と変わらない。しかし、その平均周波数は、sf
0 からs(f0 −4σ2 αR)に変化しており、減衰の
影響により実際の値より小さく観測されることになる。
この誤差は、送信スペクトルの広がり(σ)、減衰率
(α)、生体内距離(R)がそれぞれ大きいほどその程
度が大きくなる。
【0017】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、高分解能なBモード断層画像
が得られると共に、ドプラシフトの平均周波数の誤差を
できるだけ低減させた超音波ドプラ診断装置を提供する
ことにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明の原理 上記目的を達成するために、本発明は、次のような原理
を用いている。本発明においては、相異なる2つのピー
ク周波数を含むスペクトルを持つ受信信号又は互いにピ
ーク周波数が異なる2つの受信信号を生成することによ
り、超音波の周波数依存減衰によるドプラ平均周波数の
誤差を低減させるものである。
【0019】図3には、本発明におけるドプラ受信スペ
クトルが示されている。図示されるように、f1 及びf
2 で2つのピークが生じている。図3に示されるような
スペクトルは、次のような手法により生成することがで
きる。
【0020】第1の手法としては、複同調方式の送信器
及び探触子により2つのピーク周波数を持たせる手法で
ある。すなわち、超音波探触子から図3に示されるよう
なスペクトルを持った超音波を生体に放射し、生体内運
動反射体からの反射波を受波するものである。すなわ
ち、この手法は、いわば前処理的にスペクトルの生成を
行うものである。
【0021】第2の手法としては、広帯域で送信し、受
信信号を中心周波数が異なる2つのバンドパスフィルタ
を通過させて図3に示されるようなドプラ受信スペクト
ルを生成する手法である。すなわち、この手法はいわば
後処理的にスペクトルの生成を行うものである。
【0022】第3の手法としては、探触子から送信され
る超音波の周波数を時分割で切り替えて、結果として互
いにピーク周波数が異なる2つの受信信号を得る手法で
ある。この場合は、最終的なドプラ解析までの時間が増
大する反面、装置を簡略化できるという利点がある。
【0023】以上示した手法により得られたスペクトル
分布は、上記第4式の結果から次の第5式及び第6式の
ように表される。
【0024】 G1 (f)=P1 ・exp[−{f−s(f1 −4σ1 2 αR)}2 / (2(sσ1 2 )] …(5) G2 (f)=P2 ・exp[−{f−s(f2 −4σ2 2 αR)}2 / (2(sσ2 2 )] …(6) 次にG1 (f)と、G2 (−f)の畳み込み積分(☆)
をとると、 G(f)=G1 (f)☆G2 (−f) =∫G1 (f−f’)・G2 (−f’)df’ =K’・exp[−{f−s(f2 −f1 −4(σ2 2 −σ1 2 ) αR}2 /(2s2 (σ1 2 +σ2 2 ))}] …(7) となる。
【0025】(7)式は、フーリエ変換における基本公
式から分かるように、時間領域では次式と等価である。
【0026】 g(t)=g1 (t)・g2 (t)* …(8) ここで、* は複素共役を表し、g1 (t),g2 (t)
はそれぞれ、G1 (f),G2 (f)を逆フーリエ変換
した時間領域の信号である。
【0027】(7)式から分かるように、ドプラシフト
周波数の平均値は次式で表される。 s(f2 −f1 −4(σ2 2 −σ1 2 )αR) …(9) これは、f2 −f1 の周波数で送信し、減衰の影響を受
けた場合のドプラシフト周波数を表している。その誤差
は次式で表される。
【0028】 δfd=−γ・4(σ2 2 −σ1 2 )αR …(10) これは、送信周波数がf2 のときの平均周波数の誤差
(δf2 =−γ・4σ2 2 αR)に比べて δfd/δf2 =−(1−σ1 2 /σ2 2 ) …(11) のように、誤差が低減することが分かる。特にσ1 ≒σ
2 の場合には、誤差が非常に小さくなり、減衰の影響を
無視し得ることが理解される。
【0029】課題解決のための手段 上記原理を用いて、本発明は、一定の繰返し周期で超音
波パルスを生体内に送波し、生体内の運動反射体にてド
プラシフトを受けた反射波を受波し、前記運動反射体の
運動情報を得る超音波ドプラ診断装置において、相異な
る2つのピーク周波数を含むスペクトルを持つ受信信号
又は互いにピーク周波数が異なる2つの受信信号を生成
する2周波数生成手段と、前記生成された2周波数受信
信号と前記2つのピーク周波数にそれぞれ対応する参照
信号とを混合検波する複素信号変換器と、前記複素信号
変換器から出力された2つの複素信号それぞれの複素共
役積を演算する複素共役積演算器と、前記複素共役積演
算器の複素共役積演算結果から前記運動反射体の運動情
報を演算する運動情報演算器と、を含むことを特徴とす
る。
【0030】
【作用】上記構成によれば、2周波数生成手段によっ
て、図3に示したような2つのピーク周波数を含む受信
スペクトルを得ることができる。この2周波数生成手段
は、上述した3つの手法などによって実現できる。
【0031】このように生成された2周波数受信信号
は、複素信号変換器にて所定の参照信号と混合検波さ
れ、これによって得られた複素信号の複素共役積から運
動反射体の運動情報が演算される。
【0032】すなわち、以上の構成により、2つのピー
ク周波数f1 ,f2 の差の周波数(f2 −f1 )で超音
波を送信し、減衰を受けた場合と同様の誤差で、ドプラ
平均周波数を演算することができる。
【0033】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面に基づい
て説明する。
【0034】図1には、本発明に係る超音波ドプラ診断
装置の好適な実施例が示されており、その全体構成がブ
ロック図で示されている。この超音波ドプラ診断装置
は、バンドパスフィルタを用いて図3に示した2つのピ
ーク周波数を持つドプラ受信スペクトルを生成するもの
である。
【0035】タイミング信号発生器10から出力された
タイミング信号は、走査制御器12に送られており、走
査制御器12は、そのタイミング信号に基づき送受信器
14に対して超音波の送信繰返し周波数信号を与える。
そして、送受信器14は、本実施例では、広帯域の駆動
信号を探触子16に対して与える。これによって、探触
子16から、スペクトルが広がった超音波が生体18に
放射される。
【0036】一方、生体内の運動反射体にて反射された
超音波は、探触子16にて受波され、受信信号は、送受
信器14にて位相合成等が行われた後、増幅器20及び
複素信号変換器26に送られている。
【0037】増幅器20は、受信信号の高周波増幅を行
い、さらに検波器22にて受信信号の検波が行われる。
そして、A/D変換器24にて受信信号がデジタル信号
に変換された後にデジタルスキャンコンバータ(以下、
DSCという)27に送られている。
【0038】本実施例においては、広帯域で超音波の送
受信が行われているため、超音波のエネルギを有効に利
用して高分解能でBモード断層画像を形成できるという
利点がある。
【0039】一方、複素信号変換器26には、上記タイ
ミング信号発生器10から2対の参照信号101,10
2が供給されている。そして、それぞれの参照信号が受
信信号に混合されている。図2には、複素信号変換器2
6の具体的な構成が示されている。この複素信号変換器
は、本実施例において、2組の直交検波器28,30で
構成されている。各直交検波器は、1対のミキサ32
a,32bと、1対のバンドパスフィルタ34a,34
bと、1対のA/D変換器36a,36bとで構成され
ている。
【0040】ここで、各直交検波器は、受信信号を直交
検波して複素信号に変換するものであり、直交検波器2
8は、図3に示したスペクトルのうち低い方のピークを
持つスペクトルを生成するものであり、一方、直交検波
器30は、図3に示したスペクトルのうち高い方のスペ
クトルを生成するものである。すなわち、ミキサの次の
バンドパスフィルタによって、広帯域の受信信号から2
つのスペクトル分離が行われている。なお、このバンド
パスフィルタは、実質的にはローパスフィルタ等によっ
て構成することも可能である。
【0041】従って、図2に示した複素信号変換器26
から2つの複素信号g1 及びg2 が出力される。
【0042】図1において、複素信号変換器26からの
2つの出力g1 ,g2 は、ウォールフィルタ38に入力
され、ここで、例えば心臓壁などの低速運動部や静止し
た組織からの受信信号成分が除去されている。このウォ
ールフィルタ38は、具体的には、超音波の送信繰返し
周期分だけ受信信号の遅延を行うディレイラインを含
み、送信繰返し周期間で受信信号の差分値をとることに
より、低速運動部などからの受信信号が排除されてい
る。
【0043】ウォールフィルタ38から出力された受信
信号は、複素共役積演算器40に入力されている。この
複素共役積演算器40は、上記第8式の演算を行うもの
である。
【0044】そして、速度演算器42では、複素共役積
演算器40から出力される実数部の信号及び虚数部の信
号を用いて、実数部及び虚数部のベクトルの偏角から生
体内運動体の速度を演算するものである。
【0045】そして、速度演算器42で求められた速度
r は、DSC27に送られている。このDSC27か
ら読み出された画像データは、D/A変換器44を介し
てアナログ信号に変換され、表示器46に送られ、ここ
でBモード断層画像と共に生体内血流速度分布がカラー
表示される。
【0046】以上の実施例においては、超音波を広帯域
で送信し、受信信号を中心周波数が異なる2つのバンド
パスフィルタを通過させて分離し、これによって図3に
示した受信スペクトルを得たが、その他の手段によって
受信スペクトルを得てもよい。例えば、上述したよう
に、複同調方式の送信器及び探触子により2つのピーク
周波数を持たせて送受信を行ってもよく、さらには、時
分割で探触子の送信周波数を切り替えてもよい。
【0047】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
Bモード断層画像の分解能を劣化させることなく、超音
波の周波数依存減衰によるドプラ平均周波数の誤差を低
減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る超音波ドプラ診断装置の全体構成
を示すブロック図である。
【図2】複素信号変換器26の具体的な構成を示すブロ
ック図である。
【図3】2つのピークを有する受信スペクトルを示す説
明図である。
【図4】ドプラシフトによるスペクトルの変化を示す説
明図である。
【図5】超音波の周波数に依存した減衰を示す説明図で
ある。
【符号の説明】
14 送受信器 26 複素信号変換器 40 複素共役積演算器 42 速度演算器

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一定の繰返し周期で超音波パルスを生体
    内に送波し、生体内の運動反射体にてドプラシフトを受
    けた反射波を受波し、前記運動反射体の運動情報を得る
    超音波ドプラ診断装置において、 相異なる2つのピーク周波数を含むスペクトルを持つ受
    信信号又は互いにピーク周波数が異なる2つの受信信号
    を生成する2周波数生成手段と、 前記生成された2周波数受信信号と前記2つのピーク周
    波数にそれぞれ対応する参照信号とを混合検波する複素
    信号変換器と、 前記複素信号変換器から出力された2つの複素信号それ
    ぞれの複素共役積を演算する複素共役積演算器と、 前記複素共役積演算器の複素共役積演算結果から前記運
    動反射体の運動情報を演算する運動情報演算器と、 を含むことを特徴とする超音波ドプラ診断装置。
JP4011427A 1992-01-24 1992-01-24 超音波ドプラ診断装置 Pending JPH05200024A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0713090A1 (en) 1994-11-18 1996-05-22 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Detecting method and a detecting device
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