JPH0567287B2 - - Google Patents

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診断装置、特に超音波を
連続的に被検体内に送受波することにより心臓内
血流等の運動方向と速度を検出し、その血流情報
を画面上に表示する超音波ドプラ診断装置に関す
る。

［従来の技術］ 超音波を生体などの被検体内に放射し、被検体
内運動部からの反射波を受信して血流速度を画像
表示する超音波ドプラ診断装置が周知であり、例
えば心臓内の血流の運動状態を画像表示すること
に用いられている。

この種の装置には、連続的な超音波を用いたも
のがあり、第５図に示されるように、超音波探触
子内に設けられた送信用振動子１０ａから被検体
内の運動反射体、例えば血管１２内の血液１４に
連続的に超音波を放射し、この血液１４からのエ
コー信号は送信用振動子１０ａと同数の振動素子
から成る受信用振動子１０ｂにより受信される。
そして、この受信信号を基準参照波信号と比較し
て周波数解析し、運動反射体のドプラ効果により
生じたドプラ偏移周波数を検出することにより速
度を特定しており、最終的に画面上に血流の流速
状態が画像表示される。

このような連続超音波を用いて反射体の運動状
態を検出する装置は、距離方向において特定点の
速度情報を得ることはできないが、パルス超音波
を用いた場合に比べると、サンプリング処理に起
因する折返し現象が生じないため、検出される運
動反射体の速度に限界がないという利点がある。
従つて、速度にあいまいさがなく、正確な速度が
検出されるので、主に高速血流を画像表示するこ
とに用いられる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の超音波ドプラ診断装置で
は、超音波ビーム方向の速度成分のみが検出さ
れ、流れに沿つた正確な血流速度を求めることは
困難である。

すなわち、第５図に示されるように、流れる血
液１４から反射するエコー信号には超音波ビーム
方向でのドプラ効果が現れることになり、従来の
方法では連続超音波により実際の血流方向を正確
に検出することはできなかつた。

この場合、同時にＢモード断層像を画像表示す
ることが多いので、この断層像により血管の走行
方向を特定し、これにより血流方向を仮に決定し
て速度方向の補正をすることも提案されている
が、これは流れの方向が推定できない心臓内血流
については適用できず、必ずしも有効な方法では
ない。

発明の目的 本発明は前記問題点を解決することを課題とし
てなされものであり、その目的は、連続超音波を
用いて運動反射体の実際の運動方向及び速度を正
確に検出できる超音波ドプラ診断装置を得ること
にある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために、第１の請求項に係
る発明は、アレイ型振動子を送信用と受信用の振
動子に分割し、前記送信用振動子にて連続超音波
を被検体内の所定部位に放射しその反射波を前記
受信用振動子にて受信し、運動反射体の速度を検
出する超音波ドプラ診断装置において、前記受信
用振動子の受信する際の振動素子数を変える受信
開口幅の制御又は前記振動素子数を同一にしてそ
の位置を変える制御を行う走査制御器と、前記走
査制御器の制御により前記受信用振動子において
異なる２つの受信開口を設定し所定角ずれた２つ
の反射エコーを受信する受信回路と、この受信回
路から出力された反射方向の異なる２つの情報か
ら速度ベクトルの運動方向及び大きさを正確に測
定演算する速度演算器と、を備えたことを特徴と
する。

第２の請求項に係る発明は、前記走査制御器の
制御により前記受信回路が受信用振動子の振動素
子数を変えて２つの受信開口を設定することを特
徴とする。

第３の請求項に係る発明は、前記走査制御器の
制御により前記受信回路が前記受信用振動子の２
つの受信開口を異なる位置に設定することを特徴
とする。

［作用］ 以上の構成によれば、送信用振動子により所定
方向に超音波ビームが連続的に被検体内の所定部
位に放射され、その反射波は受信用振動子の２つ
の受信開口にて受信される。この場合の開口制御
は、振動子数を増加、減少させて変えるようにし
てもよく、また振動子数は同一でその位置のみを
変えてもよく、後者の場合は２つの受信開口の受
信ビーム方向を変えるためのビーム偏向制御をす
る必要がある。

このようにして、被検体内の同一運動反射体か
らの反射エコーは受信用振動子の異なる位置で受
信され、反射方向の所定角ずれた異なる２つの速
度情報が得られることになるので、この２つの情
報から速度ベクトルの運動方向及び大きさが正確
に測定される。

すなわち、前記所定角ずれた反射方向の異なる
２つの受信信号により速度の接線成分を求め、こ
の接線成分と受信ビーム方向の速度の動径成分と
から、速度ベクトルの運動方向及び大きさを演算
することができる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を
説明する。

第１図には、実施例に係る超音波ドプラ診断装
置の回路ブロツク図が示されており、連続超音波
を放射する送信用振動子１６には送信器２０が接
続され、この送信器２０には走査制御器２２及び
タイミング発生器２４が接続されている。前記走
査制御器２２は、タイミング発生器２４からのタ
イミング信号に基づいて送信用振動子１６から出
力される超音波ビームを偏向制御するが、この偏
向制御は各振動子を遅延制御して超音波の位相合
せを行うことにより行われる。なお、タイミング
発生器２４のタイミング信号は後述するミキサ３
４にもサイン、コサインの複素基準信号（基準参
照波信号）として出力される。

一方、受信用振動子１８には受信器２６が接続
され、この受信器２６は前記走査制御器２２によ
り制御される。

すなわち、本発明において特徴的なことは、受
信用振動子１８の開口状態を制御して所定角ずれ
た異なる反射方向の反射エコーを同時に受信する
ようにしたことであり、この開口制御は前記走査
制御器２２にて行われる。この開口制御は、受信
用振動子１８の受信する際の振動素子数を変える
受信開口幅の制御と、振動素子数を同一にしてそ
の位置を変える制御の両方が含まれる。

例えば、振動素子数を変える場合には、第３図
に示されるように、全振動素子数が64素子の場合
には送信用振動子１６を32素子とし、受信用振動
子１８を24素子から成る受信開口DR₁と32素子か
ら成る受信開口DR₂とすることができる。また、
振動子数を同一にする場合には、第４図に示され
るように、送信用振動子１６を32素子とし、受信
用振動子１８は16素子から成る２つの受信開口
DR₁、受信開口DR₂とし、図ａのように完全に分
離した配置としてもよく、図ｂのように一部を重
複するように配置してもよい。

この場合、それぞれの受信開口状態に設定され
た受信用振動子１８により運動反射体Ａから反射
するエコー信号を受信するための偏向制御を走査
制御器２２により行つており、各振動素子での受
信を遅延制御することにより所定の運動反射体の
反射エコーを異なる位置で受信することができ
る。

なお、第３図の場合においても、所定の部位の
反射エコーを正確に受信するための遅延制御を行
つてもよい。

前記第３図、第４図のように、本発明では受信
用振動子１８の受信開口状態を変化させることに
より、被検体内の同一部位から反射する反射エコ
ーを異なる位置で受信することができる。

実施例では、受信器２６には増幅器２８、検波
器３０及びＡ／Ｄ変換器３２が接続されており、
連続超音波により速度を検出するとともに、パル
ス超音波により被検体内断層像をＢモード表示す
る。

すなわち、前記走査制御器２２は時分割制御な
どにて連続超音波と交互にパルス超音波をも振動
子から被検体内に放射しており、このパルス超音
波による反射エコーは受信器２６を介して増幅器
２８に供給される。そして、所定の増幅が施され
た後に検波器３０で検波して断層像信号とし、こ
の検波器３０の出力はデジタル信号に変換した後
に、断層像の表示制御を行う表示制御器４８に供
給される。

一方、前記連続超音波により得られた受信信号
については、速度演算のための処理が施されるこ
とになるが、受信器２６の出力は複素信号に変換
された後に、ドプラ偏移周波数の解析が行われ
る。

すなわち、複素信号への変換を行うためにミキ
サ３４ａ，３４ｂが設けられ、このミキサ３４は
タイミング発生器２４から出力されたcos2π₀ｔ，
sin2π₀ｔを参照信号として受信器２６から出力
された受信信号に掛け合わせることにより、受信
信号を複素信号に変換する。

このようにして得られた複素信号は、Ａ／Ｄ変
換器３６によりデジタル信号に変換された後に、
ウオールフイルタ３８に供給される。このウオー
ルフイルタ３８は、高域通過フイルタ（HPF）
であり心臓壁、血管壁などの低速度信号を除去す
るために設けられる。このウオールフイルタ３８
には、ドプラ偏移周波数を演算する周波数解析器
４０が接続されており、この周波数解析器４０
は、FFT等の演算回路を用いることができ、こ
れにより得られたドプラ偏移周波数により超音波
ビーム方向の速度が得られる。

次に、前記周波数解析器４０により周波数解析
されるまでの作用を式を用いて説明する。

第２図には、従来の送信用振動子１０ａと受信
用振動子１０ｂにて連続超音波を受信する場合の
速度検出状態が示されており、送信波の波数ベク
トルをＫ→_i、受信波の波数ベクトルＫ→_sとすると、
合成された波数ベクトルは、Ｋ→＝Ｋ→_s−Ｋ→_iとなる
。

そして、連続超音波の送信角周波数をω_i、受信
信号の受信角周波数をωsとすると、両者の関係
は次式のようになる。

ωs＝ω_i＋Ｕ→・（Ｋ→_s−Ｋ→_i） ＝ω_i＋Ｕ→・Ｋ→ ……(1) ただし、 Ｕ→；血流などの運動反射体の速度ベクトル そして、ドプラ偏移角周波数をω_dとすると、
ω_dは次式のようになる。

ω_d＝ω_s−ω_i＝Ｕ→・（Ｋ→_s−Ｋ→_i） ＝Ｕ→・Ｋ→＝Ｕ・Kcosθ ……(2) ただし、 θ；速度ベクトルＵ→と波数ベクトルＫ→との成す角 通常のパルスドプラ診断装置の場合と同様に、
送信用及び受信用の振動子が同一位置にあると仮
定すると、次式が成り立つ。

Ｋ→_i＝−Ｋ→_s ……(3) 従つて、前記(2)式は次のように書き換えられ
る。

ω_d＝Ｕ→・２Ｋ→_s ＝2U／ｃ・cosθ・ω_i ……(4) ここで、ｃは被検体中の音速であり、ドプラ偏
移周波数で表すと、 _d＝2U／ｃ・cosθ・_i ……(5) となる。

このようにして求められるドプラ偏移周波数
は、超音波ビーム方向（前記波数ベクトルＫ→方
向）に射影された速度成分に対応する。しかし、
本発明は運動反射体の速度ベクトルＵ→を求めてお
り、このために、受信用振動子１８において異な
る受信開口を設定して反射方向の異なる２つの受
信信号を受信している。

第３図には、受信開口状態を変化させた受信用
振動子１８により異なる（所定角ずれた）反射方
向の受信信号を２つ受信した場合の速度ベクトル
の検出状態が示されている。

図において、受信開口が例えばDR₁＝24素子の
ときの送信波と受信波が合成された波数ベクトル
Ｋ→₁は、Ｋ→₁＝Ｋ→_s1−Ｋ→_iとなり、受信開口が例
えば
DR₂＝32素子のときの波数ベクトルＫ→₂は、Ｋ→₂＝
Ｋ→_s2−Ｋ→_iとなる。

そして、受信開口DR₁＝24素子のときの波数ベ
クトルＫ→₁において、運動反射体の速度ベクトル
Ｕ→との成す角度をθとすると、受信ドプラ角周波
数ω_d1は次式で表される。

ω_d1＝Ｕ→・Ｋ→₁ ＝Ｕ・K₁・cosθ ＝Ur・K₁ ……(6) ここで、UrはＫ→₁に平行な速度成分（動径成
分）で、Ur＝Ｕ・cosθである。

一方、受信開口DR₂＝32素子のときの波数ベク
トルＫ→₂において、速度ベクトルとの成す角度は、
開口DR₁，DR₂で得られる２つの反射超音波ビー
ム方向の成す角をδφとすると、受信ドプラ角周
波数ω_d2は、次式で近似できる。

ω_d2＝Ｕ→・Ｋ→₂ ＝Ｕ・K₂・cos（θ−δφ／２） ≒Ｕ・K₁・cos（θ−δφ／２） ……(7) そして、前記(6)式と(7)式の差を演算し、角周波
数差をδ〓_dとすると、 δω_d＝ω_d2−ω_d1 ＝Ｕ・K₁・sinθ・δφ／２ ……(8) ただし、δφ＜＜１ となり、この(8)式を変形すると、 2δω_d／δφ＝Ｕ・K₁・sinθ ＝Ut・K₁ ……(9) ここで、UtはＫ→₁に垂直な速度成分、すなわち
接線成分で、Ut＝Ｕ・sinθである。

前記(8)式において、角度δφは血流などの運動
反射体の位置（パルスドプラ装置におけるサンプ
ル位置に相当する）を関心領域として特定するこ
とにより容易に計算され、深さが一定であれば定
数となる。また、前記角度δφは受信開口を変え
て超音波ビームと運動反射体との幾何学的配置を
変えることにより所定の角度とすることができ、
この角度により異なる受信開口により得られた２
つのドプラ信号のドプラ偏移角周波数に差が生じ
る。

従つて、ドプラ偏移角周波数の差分δω_dを検出
し、所定角度δφで除算することにより、波数ベ
クトルＫ→に垂直な接線成分Utを求めることがで
き、この接線成分の演算は接線速度演算器４２に
て行われる。

そして、血流の速度ベクトルＵ→は動径成分Ur
と接線成分Utを用いることにより演算され、次
式にて求められる。

Ｕ→＝Ur・e_r＋U_t・ｅ→_t ……(10) 但し、ｅ→_r，ｅ→_tはそれぞれ波数ベクトルＫ→に平
行方向、垂直方向の単位ベクトル。

従つて、この速度ベクトルの大きさ（絶対速
度）Ｕと方向θは、前記(6)式と(9)式の結果に基づ
いて次式で求めることができる。

Ｕ＝√（²＋²） ……(11) θ＝tan^-1（Ut／Ur） ……(12) そして、前記(11)式の演算は、絶対速度演算器
４４により行われ、(12)式の演算は角度演算器４
６により行われる。

また、前記絶対速度演算器４４及び角度演算器
４６の後段には表示制御器４８が設けられ、ここ
で画像表示のための所定の処理が行われ、前記速
度情報はDSC（デジタルスキヤンコンバータ）５
０、Ｄ／Ａ変換器５２を介して表示器５４に供給
される。

実施例では、前記表示制御器４８には、周波数
解析器４０から出力された速度の動径成分Urあ
るいはＡ／Ｄ変換器３２から出力された断層像情
報Ｂ／Ｗも入力されており、表示器５４は速度情
報を断層像画像とともに画像表示することができ
る。

実施例は以上の構成から成り、以下にその作用
を説明する。

まず、送信用振動子１６は、送信器２０から出
力された超音波励振信号を入力して連続超音波を
被検体内の所定部位に放射しているので、血液な
どの運動反射体Ａからの反射エコーも連続的に受
信用振動子１８側に反射してくることになる。そ
して、受信用振動子１８は、DR₁＝24素子、DR₂
＝32素子の異なる受信開口により反射エコーは同
時に受信され、これにより所定の微小角δφずれ
た異なる方向の２つの反射エコーが受信される。

この場合の所定角δφは、第３図あるいは第４
図に示される受信開口の設定条件により変わり、
２つの受信開口位置の距離及び運動反射体からの
距離により決定されることになる。第４図のよう
に２つの受信開口の間隔を広くとれば、所定角度
も広くとることができ、速度ベトクルの接線成分
を比較的良好に演算できることになる。

このようにして異なる受信開口により得られた
２つの受信信号はミキサ３４により複素信号に変
換され、この複素信号に含まれるドプラ偏移周波
数は周波数解析器４０により解析され、超音波ビ
ーム方向の動径成分の速度Urが求められる。

この速度の動径成分Urは、接線速度演算器４
２に供給され、この接線速度演算器４２にて差演
算が行われることにより速度の接線成分Utが演
算される。同時に、動径成分Urは絶対値演算回
路４４に供給されており、絶対速度演算器４４で
は、動径成分Urと接線成分Utとから前記(11)式
に基づいて絶対速度Ｕが演算され、一方角度演算
器４６では(12)式の演算により運動方向θが求め
られる。

このようにして得られた速度ベクトルは、表示
制御器４８により画像表示処理が行われ、表示器
５４に速度情報として画像表示される。この速度
表示は、第１図に示されるように、特定点の速度
の変化を時間軸上に表した状態で画像表示され
る。

実施例では、Ｂモードの断層像も画像表示され
ているので、この断層像内の特定点の正確な速度
情報を画面上で観察することができることにな
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、異なる
２つの受信開口を設定し、所定角ずれた方向の２
つの反射エコーを同時に受信し、更にこの所定角
は２つの受信開口位置の距離を変えることで変更
できるようにしたので、連続超音波を用いた装置
において速度ベクトルの運動方向及び大きさを正
確に測定することができる。

従つて、被検体内の心臓内血流などの運動状態
を実際に近い状態で画像表示することができ、画
像診断に有益な情報を提供することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の超音波ドプラ診断装置の構成
を示す回路ブロツク図、第２図は１つの受信開口
により速度を検出する場合の波数ベクトルを示す
図、第３図は本発明の２つの受信開口により速度
を検出する場合の波数ベクトルを示す図、第４図
は受信開口の他の設定状態を示す図、第５図は従
来装置において連続超音波により速度を検出する
状態を示す説明図である。 １０ａ，１６……送信用振動子、１０ｂ，１８
……受信用振動子、２０……送信器、２２……走
査制御器、２６……受信器、３４ａ，３４ｂ……
ミキサ、４０……周波数解析器、４２……接線速
度演算器、４４……絶対速度演算器、４６……角
度演算器、４８……表示制御器、５４……表示
器、Ａ……運動反射体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アレイ型振動子を送信用と受信用の振動子に
   分割し、前記送信用振動子にて連続超音波を被検
   体内の所定部位に放射しその反射波を前記受信用
   振動子にて受信し、前記所定部位の運動反射体の
   運動方向と速度を検出する超音波ドプラ診断装置
   において、前記受信用振動子の受信する際の振動
   素子数を変える受信開口幅の制御又は前記振動素
   子数を同一にしてその位置を変える制御を行う走
   査制御器と、前記走査制御器の制御により前記受
   信用振動子において異なる２つの受信開口を設定
   し所定角ずれた２つの反射エコーを受信する受信
   回路と、この受信回路から出力された反射方向の
   異なる２つの情報から速度ベクトルの運動方向及
   び大きさを正確に測定演算する速度演算器と、を
   備えたことを特徴とする超音波ドプラ診断装置。 ２ 請求項１記載の装置において、前記受信回路
   は前記走査制御器の制御により受信用振動子の振
   動素子数を変えて２つの受信開口を設定すること
   を特徴とする超音波ドプラ診断装置。 ３ 請求項１記載の装置において、前記走査制御
   器の制御により前記受信回路は前記受信用振動子
   の２つの受信開口を異なる位置に設定することを
   特徴とする超音波ドプラ診断装置。