JPH0595948A

JPH0595948A - 超音波診断装置

Info

Publication number: JPH0595948A
Application number: JP25808791A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Kawasaki; 修一河崎; Tatsuro Baba; 達朗馬場
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-10-04
Filing date: 1991-10-04
Publication date: 1993-04-20

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、速い血流速度に対しても折返りを生
じることなくドプラ偏移を検出できる超音波診断装置を
提供することを目的とする。【構成】２つの周波数でプローブ１０を駆動し、各画素
毎にこの２つの駆動周波数毎のドプラ偏移を求め、差分
回路６２によりその差の絶対値を求め、比較回路６４に
よりこの差分を閾値と比較する。差分が閾値以下の場合
は折返りが発生していないと判断し、２つのドプラ偏移
の加算平均を出力し、差分が閾値以上の場合は折返りの
発生と判断し、隣接画素、例えば同一ラスタの１つ前の
画素、または１つ前のラスタの同一深さの画素の血流速
情報を当該画素の血流速情報として出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は被検体の断面を超音波で
走査し、その反射超音波の周波数変化（ドプラ偏移）を
検出して断面内の血流の方向、流速を検出し、被検体の
血流情報を２次元表示する超音波診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような超音波診断装置の一つとし
て、超音波画像内に含まれる血流部分を血流方向、血流
速に応じてカラー表示するカラーフローマッピング（Ｃ
ＦＭと称する）装置がある。ここで、超音波画像として
Ｂモード断層像を用いる場合は、Ｂモードドプラフロー
マッピング（ＢＤＦ）と称し、Ｍモード像を用いる場合
は、Ｍモードドプラフローマッピング（ＭＤＦ）と称す
る。ＣＦＭにおいては、各照射方向（超音波ラスタ方
向）に複数（ｎ≧２）回超音波を照射して、前回の反射
波に対する各回の反射波の位相の変化（平均値）を検出
して、各ラスタ上の各点のドプラ偏移周波数を検出する
とともに、超音波の照射方向を変えて、所定の断面を超
音波で走査する。そして、反射波の強度から断層像を
得、この断層像上にドプラ偏移周波数の検出結果をカラ
ー表示する。一般的には、超音波プローブに対して近づ
く方向を赤系、遠ざかる方向を青系、乱流を緑系に着色
し、速度を色の輝度により表示している。このようなＢ
ＤＦ装置では弁逆流、狭窄、短絡血流等の血流の異常を
リアルタイムで観察できる。

【０００３】ここで、ドプラ偏移の検出原理を説明す
る。生体内の血流に対して周波数ｆｏの超音波を照射す
ると、超音波は流動する血球により散乱され、その周波
数はドプラ偏移を受けて周波数ｆｄだけ変化する。この
ため、受信された超音波の周波数ｆはｆ＝ｆｏ＋ｆｄと
なる。このとき、周波数ｆｏ，ｆｄの間には次のような
関係がある。

【０００４】ｆｄ＝２Ｖcosθ・ｆｏ／Ｃ …（１）ここで、Ｖは血流速度、θは超音波と血管のなす角、Ｃ
は音速である。

【０００５】従って、ドプラ偏移周波数ｆｄを検出する
ことにより、血流速度Ｖを得ることができる。

【０００６】ところで、検出可能なドプラ偏移周波数に
は上限があるので、検出可能な血流速度にも上限があ
る。ここで、ＢＤＦ装置では超音波は一定周期で照射さ
れ、その超音波の繰り返し周波数（レート周波数）ｆｒ
がサンプリング周波数となるので、サンプリング定理か
ら検出可能なドプラ偏移周波数ｆｄは次のように制限さ
れる。

【０００７】ｆｄ≦ｆｒ／２ …（２）従って、測定できる速度の上限Ｖ_maxは次のように表わ
される。

【０００８】Ｖ_max＝Ｃ・ｆｒ／（４cosθ・ｆｏ） …（３）そして、上限＋ｆｒ／２を越える周波数はｆｒだけ減少
されて検出されてしまい、カラーフローマッピング画像
においては、上限を超える流速は流れ方向が反転されて
表示されてしまう、いわゆる折返り(aliasing)現象が発
生してしまう。また、受波超音波をＦＦＴにより周波数
分析を行ない、その分析結果波形を表示する場合におい
ては、折返りにより＋ｆｒ／２を超える部分がｆｒだけ
下側にシフトされる。折返りは血流方向の反転と等価で
あり、２次元血流像表示においては、折返りが発生する
と、その部分の色が青／赤反転してしまう。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した事情
に対処すべくなされたもので、その目的は被検体に超音
波を照射し、被検体からの反射波のドプラ偏移に基づい
て血流の速度情報を検出する際に、速い血流速度に対し
ても折返りを生じることなく血流方向を反転して検出し
てしまうことのない超音波診断装置を提供することであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による超音波診断
装置は、超音波探触子から異なった２種以上の周波数の
超音波を送信させる手段と、各画素毎に２つの送信周波
数毎のドプラ偏移の差分を求める手段と、各画素毎に差
分を閾値と比較し、差分が閾値以下の場合は少なくとも
２つの送信周波数のうちの高い周波数におけるドプラ偏
移に基づいて当該画素の血流速情報を求め、差分が閾値
以上の場合は近傍の画素の血流速情報を当該画素の血流
速情報として出力する折返り補償手段とを具備する。

【００１１】

【作用】本発明による超音波診断装置によれば、２つの
送信周波数毎のドプラ偏移の差分結果に基づいて折返り
の発生の有無を検出することができる。そして、折返り
の発生が検出されると、当該画素の血流速情報としては
近傍の画素の血流速情報を用いることにより、折返りに
よる血流方向の反転が防止できる。

【００１２】

【実施例】以下図面を参照して本発明による超音波診断
装置の実施例を説明する。図１は第１実施例の全体構成
を示すブロック図である。セクタ式電子走査型の超音波
プローブ１０に走査回路１２が接続される。プローブ１
０は１列に配列された多数の超音波振動子からなり、各
振動子に与える電圧のタイミングを変えることにより超
音波ビームを扇状に走査することや、フォーカスさせる
ことができる。なお、プローブ１０はセクタ式電子走査
型に限定されず、リニア式電子走査型でもよいし、機械
走査型でもよい。

【００１３】走査回路１２においては、超音波振動子を
振動させる周波数を決定する発振器１４の出力が遅延回
路１６、パルサ１８を介してプローブ１０に供給され
る。ここでは、発振器１４は発振周波数が可変であり、
送信時は少なくとも２つの異なる種類の周波数、ここで
は２つの周波数_ｆ0，_ｆ1（_ｆ0＜ｆ1、例えばｆ0＝３Ｍ
Ｈｚ，ｆ1＝５ＭＨｚ）で振動子を振動させることがで
きる。この発振周波数はコントローラ４０からの制御信
号により可変される。パルサ１８は一定の周期で駆動パ
ルス（レートパルス）をプローブ１０に供給し、プロー
ブ１０を発振器１４の発振周波数で駆動する。この周期
の逆数が超音波ビームの繰り返し周波数（レート周波
数）ｆｒである。

【００１４】遅延回路１６はそれぞれ異なる遅延時間の
多数の遅延線からなり、それぞれの遅延線の出力が多数
の振動子のそれぞれに供給される。この遅延時間を可変
することにより、プローブ１０から照射される超音波ビ
ームの方向（ラスタ方向）を可変できる。遅延時間、す
なわち超音波の照射方向もコントローラ４０からの制御
信号により制御される。ドプラ偏移を検出するために
は、同一ラスタ方向に複数回繰り返して超音波を送波し
なくてはならない。そのため、各ラスタ方向に複数回超
音波を照射してから、ラスタ方向を１つ変えている。

【００１５】プローブ１０の出力信号はプリアンプ２
０、遅延回路１６を介して加算器２２に供給される。こ
の時も、各振動子の出力がそれぞれの遅延線を介して送
信時と同一の遅延時間を経て加算器２２に供給される。
加算器２２の出力がＢモードプロセッサ２４に入力さ
れ、各ラスタ方向における超音波ビームの反射波の強度
が検出される。Ｂモードプロセッサ２４は周知のよう
に、対数増幅器、包絡線検波器、Ａ／Ｄ変換器からな
る。対数増幅器は加算器２２から出力される受信信号を
対数増幅し、包絡線検波器は対数増幅器からの信号の包
絡線を検波する。

【００１６】Ｂモードプロセッサ２４の出力が各ラスタ
の輝度情報、すなわちＢモード画像（断層像）情報とし
てディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）２６に入力
される。超音波プローブ１０のラスタは扇状であり、通
常の画像信号のラスタは横方向であるので、ＤＳＣ２６
は入力した画像のラスタ方向（スキャン方向）を変えて
出力する。また、ＤＣＳ２６は、図示してはいないが、
複数のフレームメモリと、フレームメモリの出力を演算
する加算平均回路とを有し、必要に応じて、公知の手法
によりフレーム補間処理も行なうことが可能となってい
る。

【００１７】加算器２２の出力、および発振器１４の出
力がドプラ検波器２８に供給される。ドプラ検波器２８
は直交検波方式によりドプラ偏移周波数を検出する回路
であり、ミキサ３０ａ，３０ｂ、９０゜移相器３２、ロ
ーパスフィルタ（ＬＰＦ）３４ａ，３４ｂからなる。加
算器２２の出力はミキサ３０ａ，３０ｂで基準信号とし
ての発振器１４の出力、移相器３２の出力と掛け合わさ
れる。そのため、ミキサ３０ａ，３０ｂからはドプラ偏
移周波数（ｆｄ0＝２Ｖco_sθ・ｆ0／Ｃ、またはｆｄ1＝
２Ｖco_sθ・ｆ1／Ｃ）と高周波成分（Ｎ倍の送信周波数
＋ドプラ偏移周波数：Ｎは２以上の整数）のコサイン(c
os)、サイン(sin)成分（あるいは、実数成分、虚数成
分）がそれぞれ得られる。ドプラ偏移周波数がコサイン
とサインの２チャンネルあるのは、偏移周波数の極性も
検出できるようにするためである。なお、被検体から反
射してきた超音波の減衰による周波数のズレに対処する
ために、発振器１４は送信周波数_ｆ0、ｆ1を生体の減衰
を考慮して補正した周波数_ｆ0−_α0、_ｆ1−α1の基準信
号をドプラ検出器２８に供給する。

【００１８】ＬＰＦ３４ａ，３４ｂはミキサ３０ａ，３
０ｂの出力から高周波成分を除去するものである。ＬＰ
Ｆ３４ａ，３４ｂのカットオフ周波数は可変であり、コ
ントローラ４０からの制御信号によりプローブ１０の振
動周波数_ｆ0，ｆ1に対応して設定される。図３にＬＰＦ
３４ａ，３４ｂの周波数特性を示す。縦軸は通過エネル
ギである。実線が周波数ｆ0でプローブを駆動する時の
特性であり、破線が周波数ｆ1でプローブを駆動する時
の特性である。

【００１９】ドプラ検波器２８の出力がカラーフローマ
ッピングのためのＭＴＩ(Moving Target Indicator)プ
ロセッサ３８に供給される。ＭＴＩプロセッサ３８の出
力もＤＳＣ２６に供給され、ＤＳＣ２６でモノクロ断層
像と血流情報とが合成され、合成信号がカラープロセッ
サ４２に供給され、従来と同様に、モノクロ断層像内の
血流部分を、プローブに近づく方向を赤系、遠ざかる方
向を青系、平均速度の大きさを色の輝度で、速度分散を
色相（緑色を混ぜる）により表わして、カラードプラ像
を作成する。カラー処理回路４２の出力がＤ／Ａ変換器
４４を介して表示部４６、および記録部としてのＶＴＲ
４８に供給される。

【００２０】図２はＭＴＩプロセッサ３８の詳細を示す
ブロック図である。ＬＰＦ３４ａ，３４ｂの出力がそれ
ぞれＡ／Ｄ変換器５０ａ，５０ｂ、ＭＴＩフィルタ５２
ａ，５２ｂを介して自己相関演算回路５４に入力され
る。ＭＴＩフィルタ５２ａ，５２ｂは固定反射体（血管
壁、心壁等）からの不要な反射波（クラッタ成分）を取
り除くためのものであり、ハイパス特性のディジタルフ
ィルタからなる。ＭＴＩフィルタ５２ａ，５２ｂのカッ
トオフ周波数も可変であり、コントローラ４０からの制
御信号によりプローブ１０の振動周波数_ｆ0，ｆ1に対応
して設定される。図４にＭＴＩフィルタ５２ａ，５２ｂ
の周波数特性を示す。破線が周波数ｆ0でプローブを駆
動する時の特性であり、実線が周波数ｆ1でプローブを
駆動する時の特性である。このように、ＭＴＩフィルタ
５２ａ，５２ｂは同一ラスタ方向への複数回の超音波照
射の結果得られたエコー信号間の同一ピクセル間の位相
変化により血流の動きを検出し、クラッタを除去する。
あるいは、ＭＴＩフィルタは、各反射信号から一定時間
後の反射信号を減算してクラッタ成分を除去するための
デレィラインと減算器とでアナログ的に構成してもよ
い。自己相関演算回路５４は２次元状に分布する多く点
の周波数分析をリアルタイムで行なう必要性から使われ
ており、ＦＦＴ法よりも演算数が少なくて済むという利
点を有する。

【００２１】自己相関演算回路５４の出力が平均速度演
算回路５６、分散演算回路５８、パワー演算回路６０に
供給される。平均速度演算回路５６は次式のように平均
ドプラシフト周波数ｆｄから平均速度ｖを求める（以
下、速度は平均速度とする）。

【００２２】

【数１】

【００２３】ここで、Ｓ（ｆ）は自己相関回路５４で演
算するパワースペクトラムである。

【００２４】分散演算回路５８は次式で表わされる分散
σを求める。

【００２５】

【数２】

【００２６】パワー演算回路６０は次式で表わされるト
ータルパワーＴＰを求める。

【００２７】

【数３】

【００２８】トータルパワーＰは、血流からの散乱エコ
ーの強度に比例するが、ＭＴＩフィルタ５２ａ，５２ｂ
のカットオフ周波数以下の速度に相当する移動物体から
のエコーは除かれている。分散演算回路５８の出力σ、
パワー演算回路６０の出力ＴＰがそのままＤＳＣ２６に
供給される。

【００２９】平均速度演算回路５６の出力ｖは差分回路
６２、合成回路６６、バッファメモリ７０に供給され
る。平均速度演算回路５６はプローブの駆動周波数
_ｆ0，ｆ1毎に平均速度_ｖ0，ｖ1を求め、差分回路６２は
これらの差の絶対値を求める。差分結果は比較回路６４
に供給され、所定の閾値と比較される。この閾値はコン
トローラ４０により可変できる構成にしてもよい。合成
回路６６はプローブの駆動周波数_ｆ0，ｆ1毎の平均速度
_ｖ0，ｖ1を合成して、合成結果をセレクタ６８の第１入
力端子に供給する。バッファメモリ７０は平均速度演算
回路５６から出力された各画素毎の平均速度_ｖ0，ｖ1を
所定画素数遅延する。バッファメモリ７０の出力がセレ
クタ６８の第２入力端子に供給される。セレクタ６８は
比較回路６４の出力に応じて第１、第２入力信号を選択
して出力する。セレクタ６８の出力が平均流速としてＤ
ＳＣ２６へ供給される。

【００３０】次に、本実施例の動作を説明する。ここ
で、超音波ラスタは図５に示すように扇状に走査され、
１ラスタ方向にはＮ回超音波が照射されるとする。その
ため、図６に示すように、各ラスタを得るために、先ず
周波数ｆ0で（Ｎ／２）回プローブ１０を駆動する。各
回の駆動の周期はパルサ１８のレート周波数の逆数（１
／ｆｒ）である。その後、発振器１４の発振周波数をｆ
1に変えて（Ｎ／２）回プローブ１０を駆動する。そし
て、遅延回路１６の遅延時間を変えてラスタ方向を変え
て、以下同様に周波数_ｆ0，ｆ1で（Ｎ／２）回づつプロ
ーブ１０を駆動する。ドプラ偏移は送信周波数に依存す
るので、前述したように、プローブ１０の駆動周波数毎
にミキサ３０ａ，３０ｂへの基準信号の周波数を変える
とともに、ＬＰＦ３４ａ，３４ｂ、ＭＴＩフィルタ５２
ａ，５２ｂのカットオフ周波数を変えている。これによ
り、平均速度演算回路５６からはプローブ１０の駆動周
波数毎の平均速度_ｖ1，ｖ2が求められる。すなわち、自
己相関演算回路５４は（Ｎ／２）点のデータの自己相関
を求める。

【００３１】比較回路６４は２つの平均速度_ｖ0，ｖ1の
差の絶対値が所定の閾値Ｔｈ以上か否かを判定する。こ
れは、折返りが発生すると、いずれか一方の（通常は高
い送信周波数の時の）ドプラ偏移周波数ｆｄが実際の値
よりもｆｒだけ減少（ｆｄが負の場合は増加）され、極
性が反転されるので、両平均速度の差の絶対値は非常に
大きくなる。そのため、差分回路６２の出力が閾値Ｔｈ
以上か否かに応じて折返りの発生の有無を検出すること
ができる。例えば、図７に示すように、差の絶対値が閾
値Ｔｈ以下の場合は、折返りが発生していないと判断で
きる。この場合は、周波数解析の安定性向上のため平均
速度_ｖ0，ｖ1の加算平均に基づいて当該画素の流速情報
を求める。そのため、合成回路６６は次式のようにｖ1
を正規化後、加算平均処理する。

【００３２】ｖa_v＝（ｖ0＋ｋ・ｖ1）／２ …（７）ここで、ｋ＝_ｆ0／ｆ1である。

【００３３】差の絶対値が閾値Ｔｈ以下の場合は、セレ
クタ６８は第１入力信号（合成回路６６の出力）を出力
するように切り換えられる。この結果、加算平均結果が
ＤＳＣ２６へ供給される。

【００３４】一方、図８に示すように折返りが発生した
場合は、平均速度_ｖ1がｖ1’（ｆｄ1−ｆｒに相当す
る）となってしまうため、差分回路６２の出力が閾値Ｔ
ｈ以上となる。この場合は、当該画素Ｐnの流速情報と
しては隣接画素、例えば図９に示すように同一ラスタの
１つ前の_画素Ｐn-1の流速情報を出力する。そのため、
バッファメモリ７０は１画素分の遅延を行なう。差分結
果が閾値Ｔｈ以上の場合は、セレクタ６８は第２入力信
号（バッファメモリ７０の出力）を出力するように切り
換えられる。この結果、当該画素と同一ラスタの１画素
前の流速情報がＤＳＣ２６へ供給される。このため、折
返りによる流速方向の反転は防止される。なお、折返り
が発生した場合に補償のために用いる隣接画素として
は、同一ラスタの１つ前の画素に限らず、図９に示すよ
うな１つ前のラスタの同一深さの画素Ｐmを用いてもよ
い。この場合は、バッファメモリ７０は１ラスタ分の遅
延を行なう。さらに、バッファメモリ７０は１ラスタ分
の遅延を行なう容量を有していて、選択的に１つ前の_画
素Ｐn-1、１ラスタ前の同一深さ画素Ｐmを出力するよう
にスイッチ等で切り換えてもよい。

【００３５】本発明は上述した実施例に限定されず、種
々変形して実施可能である。例えば、上述の説明では、
折返りの発生が検出されない場合、２つのドプラ偏移の
加算平均を用いたが、単にいずれか一方のドプラ偏移ｆ
ｄ1、またはｆｄ0を用いてもよい。また、折返りの発生
が検出された場合も、単に隣接画素の流速情報を用いる
代わりに、近傍数画素の流速情報の平均を用いてもよ
い。また、超音波画像としてＢモード断層像を用いるＢ
ＤＦ装置を説明したが、Ｍモード像を用いるＭＤＦ装置
にも本発明は実施可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、２
つの送信周波数毎のドプラ偏移を周波数解析し各画素毎
の血流速情報を得て、これら２つの周波数毎の血流速情
報の差分結果に基づいて当該画素のドプラ偏移検出結果
における折返りの発生の有無を検出し、折返りの発生を
検出した場合は、当該画素の血流速情報としては近傍の
画素の血流速情報を用いることにより、折返りによる周
波数解析結果の極性の反転が防止でき、速い血流速度に
対しても折返りの発生により血流方向を逆方向に検出し
てしまうことのない超音波診断装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波診断装置の一実施例の全体
構成を示すブロック図。

【図２】図１のＭＴＩプロセッサの詳細なブロック図。

【図３】図１のＬＰＦフィルタの周波数特性を示す図。

【図４】図２のＭＴＩフィルタの周波数特性を示す図。

【図５】超音波のラスタ走査を説明する図。

【図６】超音波プローブの駆動方法を説明する図。

【図７】折返りの発生していない場合の２つのドプラ偏
移の差を示す図。

【図８】折返りの発生している場合の２つのドプラ偏移
の差を示す図。

【図９】折返りの発生している場合の平均血流速度の求
め方を説明する図。

【符号の説明】

１０…超音波プローブ、１２…走査回路、１４…発振
器、１８…パルサ、２４…Ｂモードプロセッサ、２６…
ＤＳＣ、２８…ドプラ検出器、３０ａ，３０ｂ…ミキ
サ、３２…９０゜移相器、３４ａ，３４ｂ…ＬＰＦ、３
８…ＭＴＩプロセッサ、４２…カラー処理回路、４６…
表示部、５２ａ，５２ｂ…ＭＴＩフィルタ、５４…自己
相関演算回路、５６…平均速度演算回路、６２…差分回
路、６４…比較回路、６６…合成回路、６８…セレク
タ、７０…バッファメモリ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波探触子から送信され被検体で反射
された超音波の受信信号からドプラ偏移を検出し、ドプ
ラ偏移から各画素毎の血流速情報を求め２次元血流像を
作成する超音波診断装置において、前記超音波探触子から異なった２種以上の周波数の超音
波を送信させる手段と、各画素毎に前記２つの送信周波数毎のドプラ偏移の差分
を求める手段と、各画素毎に前記差分を閾値と比較し、差分が閾値以下の
場合は少なくとも前記２つの送信周波数のうちの高い周
波数におけるドプラ偏移に基づいて当該画素の血流速情
報を求め、差分が閾値以上の場合は近傍の画素の血流速
情報を当該画素の血流速情報として出力する折返り補償
手段とを具備することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】前記折返り補償手段は、差分が閾値以上
の場合、血流像の同一ラスタの隣接画素の血流速情報を
当該画素の血流速情報として出力することを特徴とする
請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項３】前記折返り補償手段は、差分が閾値以上
の場合、血流像の隣接ラスタの同一深さの画素の血流速
情報を当該画素の血流速情報として出力することを特徴
とする請求項１に記載の超音波診断装置。