JPH0679604B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、生体内の運動部分の運動速度ベクトル分布を
正確に測定して表示する超音波診断装置に関するもので
ある。

従来の技術 生体内の運動部分の運動速度を測定し、二次元に表示す
ることのできる従来の超音波診断装置は、例えば、特開
昭58−188433号公報に記載の構成が知られている。この
方法は超音波のドップラー効果による受波信号の位相変
化を自己相関関数から求め、運動速度を演算し、測定部
位を微小量ずらしながらこの測定を繰り返す事により、
表示装置に生体内の運動部分の速度分布像を二次元的に
表示している。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、従来の方法では超音波のドップラー効果
を利用しているため、運動速度の超音波の進行方向の成
分のみの測定で、運動速度の超音波の進行方向に対して
直交する方向の成分を測定できないため、真の運動速度
を測定できないばかりでなく、本来ベクトル量としての
運動速度の方向さえ知ることができない。さらに、例え
ば従来の方法でセクター型の探触子を用いて、セクター
走査させて二次元の運動速度表示をさせた場合、第６図
に示すように左から右に一様に流れる流体の運動速度の
表示は、図の左側では超音波ビームの進行方向でトラン
スジューサに近ずく方向に、図の右側ではトランスジュ
ーサから遠ざかる方向に、中央部分ではドップラ効果に
よる周波数シフトを検出することが不可能であるため運
動はまったくしていないよう表示してしまい、実際の運
動とは全くかけ離れた運動速度の表示をしてしまうとい
う問題を有していた。

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、生体内部の運動部分の運動速度の超音波の進行方向
に対して直交する方向の運動速度成分と、運動速度の超
音波の進行方向の運動速度成分を同時に測定し、本来ベ
クトル量である生体内の運動部分の運動速度をベクトル
量として二次元ベクトル表示することを可能にする技術
を提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 本発明は、複数のチャンネルで同時に受波整相する並列
受波回路と、交互に各チャンネルの受波信号の符号を反
転して加算する加算器と、自己相関関数を求める自己相
関器と、複素信号変換器と、自己相関器もしくは周波数
分析器と、第２の速度演算器とを備えることにより、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、並列受波回路の各チャンネル
の受波信号の符号を交互に反転させながら加算し、加算
された受波信号の自己相関関数を自己相関器で演算す
る。このことは、生体内の運動部分の超音波ビームの進
行方向の対し直交する方向（チャンネル方向）の運動速
度によって生じる各チャンネル間の受波信号の変化分を
自己相関関数の変化分に変換して求めることを意味し、
この自己相関関数の変化から生体内部の運動部分の超音
波ビームの進行方向と直交する方向の運動速度を演算す
ると同時に、受波信号のドップラ効果による位相の変化
を受波信号の自己相関関数の位相から求めるか、または
直接周波数分析することにより求め、これより生体内部
の運動部分の超音波ビームの進行方向の運動速度成分を
演算することにより、生体内部の運動をベクトル量とし
て測定することができる。

実施例 以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明
する。なお、実施例を説明するための全図において、同
一機能を有するものは同一符号をつけその繰り返しの説
明は省略する。

第１図から第３図は、本発明の一実施例を説明するため
の図であり、第１図は、その超音波診断装置の概略構成
を示すブロック図、第２図及び第３図は、並列受波回路
の詳細な構成の一例を示すブロック図である。

第１図に於て、１は超音波ビームを送受するための探触
子であり、第２図に示すように、ｎ個の短冊状の振動子
（以下、エレメントと呼ぶ）を配列状に並べることによ
りトランスジューサを構成したものである。この探触子
１の各エレメント＃１〜＃ｎは、切換回路２に接続され
ている。

この切換回路２は、送波時間の間は、ｎ個のエレメント
＃１〜＃ｎのうち順次ｋ個（第２図では10個）のエレメ
ントを選択し、送波時間の間だけｋ個のエレメントを送
波回路３に接続し、受波時間の間は、ｎ個のエレメント
＃１〜＃ｎのうち、ｍ個（第２図では４個）のエレメン
トからなるｊ個（第２図では４個）の隣あったチャンネ
ルを選択するように受波増幅器４に接続する。

前記送波回路３では、送波パルスを発生するばかりでな
く、送波パルスの位相制御も行い、前記ｋ個のエレメン
トから送波される超音波ビームを制御する。５〜８は受
波整相回路で、前記ｊ個のチャンネルを構成する各エレ
メントからの受波信号の位相を制御することにより、受
波時における指向性を制御している。９は受波整相回路
で位相整合された受波信号の符号を交互に反転するよう
に加算する加算器、10は基準パルス信号を90゜位相シフ
トする位相シフト器、11は加算器９で加算された受波信
号と送波信号の基準パルス信号とをミキシングするミキ
サ、12は90゜位相シフトされた基準パルス信号と受波信
号をミキシングするミキサ、13,14は前記ミキサ11,12の
出力をろ波し位相検波信号として出力するローパスフィ
ルタ（LPF）、15,16はLPFの位相検波信号をデジタル信
号に変換するA/D変換器、17,18はデジタル信号に変換さ
れた位相検波信号の低周波信号の低周波成分を除去する
キャンセラ、19,20は遅延器、21は複素位相検波信号の
自己相関関数を演算する自己相関器、22は自己相関器21
で演算された自己相関関数より、生体内部の運動部分の
超音波ビームの進行方向に対して直交する方向の運動速
度成分を演算する速度演算回路で、23は画像メモリで、
速度演算回路22で求められた運動速度を一時記憶する。
24はD/A変換器、25は切換回路、26は表示装置、27は受
波整相回路で、Ｂモード画像を表示するために受波信号
を位相整合する。28は検波器、29はA/D変換器、30は画
像メモリ、31はD/A変換器、32は切換回路である。101は
移相器で、送波信号の基準パルス信号を90゜位相シフト
する。102,103はミキサで、102は受波整相回路27で位相
整合された受波信号をミキシングし、103は移相器101で
90゜位相シフトされた基準パルス信号と受波信号をミキ
シングする。104,105は前記ミキサー102,103の出力をろ
波し位相検波信号として出力するローパスフィルター
（LPF）、106,107はA/D変換器で、LPFで得られた位相検
波信号をデジタル信号に変換する。108,109はキャンセ
ラで、デジタル信号に変換された位相検波信号の低周波
成分を除去する。110,111は遅延器で、位相検波信号の
一部を遅延させる。112は自己相関器で位相検波された
信号から自己相関関数を演算する。113は第２の速度演
算器で自己相関関数から運動部分の超音波ビームの進行
方向の運動速度成分を演算する。

以上のような構成に於て、以下その動作を詳しく説明す
る。

第２図は、４チャンネルが並列に且つ同時に受波し、ま
た、各チャンネルは４エレメントから構成された並列受
波回路の一実施例である。受波時に於て、各チャンネル
は、２エレメントずつずれながら構成され、計10エレメ
ントで同時に受波している。即ち受波整相回路５〜８の
出力がそれぞれ各チャンネルの出力に対応している。こ
こで、同時に受波するチャンネル数、各チャンネルを構
成するエレメント数、及び隣あったチャンネルのずれピ
ッチは任意に取ることができ、第３図に示すように、同
時に受波するチャンネル数は４、各チャンネルを構成す
るエレメント数を８、隣あったチャンネルのずれピッチ
を１エレメントにしてもよい。第２図に於て、切換回路
２によって選択された各エレメントは対応する受波増幅
器４に接続され、受波増幅器４の出力は受波整相回路５
〜８に入力されるが、受波時の指向性を制御するため
に、受波増幅器４の出力は受波増幅器４の入力となった
エレメントに対応した遅延時間を有する遅延器のタップ
に入力され、各チャンネルで位相制御されて加算され
る。隣あったチャンネルは２エレメント間隔のピッチで
並んでおり、空間的に２エレメント間隔の情報を並列に
チャンネルの数だけ、しかも同時に取り込むことができ
る。

一方、送波時においては、少なくとも同時に受波するチ
ャンネルに接続されたすべてのエレメントが送波回路３
に接続され、各エレメントから、送波回路３で位相制御
された送波パルスに応じて指向性の制御された超音波ビ
ームが送波される。

第１図に於て、受波整相回路５〜８から出力された同一
時刻の各チャンネルの受波信号は、加算器によって符号
を反転させながら加算される。加算器で加算された受波
信号の一部は、ミキサ11で送波信号の基準パルス信号と
ミキシングされ、LPF13で位相検波信号に変換される。
また他の一部は、ミキサー12で90゜位相シフトされた送
波信号の基準パルス信号とミキシングされ、LPF14で位
相検波信号に変換され、それぞれA/D変換器15,16でデジ
タル信号に変換されるが、このデジタルに変換された位
相検波信号は、互いに90゜位相シフトした関係、即ち、
複素共役の関係を持つ複素位相検波信号である。キャン
セラー17,18では、位相検波信号の中に含まれる生体内
組織の体動にともなう低周波数成分、いわゆるクラッタ
ー成分を除去する。遅延器19,20ではキャンセラー17,18
でクラッター成分の除去された複素位相検波信号の一部
を遅延させる。自己相関器21では、遅延された複素位相
検波信号と遅延されていない複素位相検波信号より、複
素位相検波信号の自己相関関数が、演算される。この演
算において、自己相関関数は、ｎ個の超音波ビームのパ
ルス繰り返し周期Ｔの時間間隔の複素位相検波信号で演
算されているが、この個数ｎは、Ｂモード画像を構成す
るための走査線数Ｎ、超音波ビームのパルス繰り返し周
期Ｔ、及び画像のフレームレートＦからに次の関係式 nTNF＝１ （１） によって決定される。速度演算器22において、超音波ビ
ームのパルス繰り返し周期Ｔの間の自己相関関数の位相
の変化分φは、自己相関関数の実数部をSr、虚数部をSi
とすると、次式で求められる。

この自己相関の演算において、生体内の運動部分からの
反射による受波信号は、ピッチｐで配列された隣あった
チャンネルの受波信号の符号を反転させながら加算され
た結果、送波超音波ビームのパルス繰り返し周期Ｔの間
に位相φは、生体内の運動部分の超音波ビームの進行方
向に対し直交する方向（チャンネル方向）の運動速度Ｖ
によって位相が変化することより の関係が成立し、このφから生体内の運動部分の超音波
ビームの進行方向に対し直交する方向（チャンネル方
向）の運動速度Ｖが計算できる。一方、受波整相回路29
で位相整合された受波信号の一部は、ミキサー102で送
波信号の基準パルス信号とミキシングされ、LPF104で位
相検波信号に変換される。また他の一部は、ミキサー10
3で90゜位相シフトされた送波信号の基準パルス信号と
ミキシングされ、LPF105で位相検波信号に変換され、そ
れぞれA/D変換器106,107でデジタル信号に変換される
が、このデジタルに変換された位相検波信号は、互いに
90゜位相シフトした関係、即ち、複素共役の関係を持つ
複素位相検波信号である。キャンセラー108,109では、
クラッター成分を除去する。キャンセラ108,109でクラ
ッター成分の除去された複素位相検波信号の一部は、遅
延器110,111で遅延され、遅延された複素位相検波信号
と、遅延されていない複素位相検波信号が入力された自
己相関器112では複素量としての自己相関関数が求めら
れる。いま、自己相関関数の実数部をCr、虚部数をCiと
すると、生体内の運動部分での超音波ビームのドップラ
効果による周波数シフトfdとの間には次の関係がある。

ここで、Ｔは超音波ビームのパルス繰り返し周期であ
る。ドップラー効果は、生体内部の運動部分の超音波ビ
ームの進行方向の運動速度成分による超音波ビームの周
波数シフトであるから、速度演算器113において、自己
相関器112で計算された自己相関関数より（４）式の関
係よりfdを求め、これより生体内部の運動部分の超音波
ビームの進行方向の運動速度成分を求めることができ、
ベクトル情報としての生体内部の運動速度成分を求める
ことができる。

以上本実施例によれば、先体内部の運動部分の超音波ビ
ームの進行方向と、それに直交する方向の運動速度成分
が同時に測定でき、生体内部の運動部分の状態をベクト
ルとして測定表示ができる。

次に本発明の第２の実施例について説明する。

第４図は本発明の第２の実施例における超音波診断装置
の概略を示すブロック図である。

第４図において第１図と異なる点は、遅延器110、111お
よび自己相関器112の代わりに周波数分析器201を備えて
いる点である。この周波数分析器201において、複素位
相検波信号を直接周波数分析することにより、生体内運
動部分による超音波ビームのドップラー効果による周波
数シフトを直接演算し、生体内の運動部分の超音波ビー
ムの進行方向の運動速度成分を求めている。

発明の効果 以上のように本発明は、複数のチャンネルで同時に受波
整相する並列受波整相回路と、各チャンネル間の受波信
号を交互に符号を反転させながら加算する加算器と、加
算された受波信号を複素位相検波信号に変換する回路
と、自己相関関数を演算する自己相関器と、自己相関関
数より生体内の運動部分の速度を演算する速度演算器を
具備することにより、生体内運動部分の超音波パルスビ
ームの進行する方向の運動速度成分を求めることがで
き、従来の装置に於て、測定、表示できなかった正確な
生体内の運動部分の状態をベクトル情報として測定、表
示することが可能となり、非常に分かりやすい表示で、
正確な診断を行うことができる超音波診断装置を提供す
ることができ、その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における超音波診断装置
の概略を示すブロック図、第２図は本発明の第１の実施
例における並列受波回路の一実施例の詳細を示すブロッ
ク図、第３図は本発明の第１の実施例における並列受波
回路の別の実施例の詳細を示すブロック図、第４図は本
発明の第２の実施例における超音波診断装置の概略を示
すブロック図、第５図は従来の超音波診断装置の問題点
を説明するための図である。 １……探触子、２……切替回路、３……送波回路、４…
…受波増幅器、５〜８……受波整相回路、９……加算
器、10……90゜位相器、11,12……ミキサ、13,14……LP
F、15,16……A/D変換器、17,18……キャンセラ、19,20
……遅延器、21……自己相関器、22……速度演算器、23
……画像メモリ、24……D/A変換器、25……切換回路、2
6……表示装置、27……受波整相回路、28……検波器、2
9……A/D変換器、30……画像メモリ、31……D/A変換
器、32……切換回路、101……90゜位相器、102,103……
ミキサ、104,105……LPF、106,107……A/D変換器、108,
109……キャンセラ、110,111……遅延器、112……自己
相関器、113……速度演算回路、201……周波数分析器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古谷 伸昭 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１ 号 松下技研株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−100236（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−58131（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−99537（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−99538（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−99539（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波パルスビームを一定の繰り返し周期
   で生体内に送波し、その反射波を受波し、この受波信号
   を増幅し、この増幅された受波信号を複数のチャンネル
   で同時に受波整相する並列受波回路と、前記並列受波回
   路の各チャンネルの受波信号を交互に符号を反転させて
   加算する加算器と、送波繰り返し周波数の整数倍の周波
   数を有し互いに複素共役関係にある一組の複素基準信号
   と前記加算器に於て加算された受波信号とを混合して、
   受波信号を複素信号に変換する第一の複素信号変換器
   と、前記複素信号の遅れ時間を設けて複素信号の自己相
   関関数を演算する第一の自己相関器と、前記自己相関関
   数の出力から生体内の運動部分の超音波パルスビームの
   進行方向と直交する方向の運動速度を演算する第一の速
   度演算器と、送波繰り返し周波数の整数倍の周波数を有
   し互いに複素共役関係にある一組の複素基準信号と前記
   増幅された受波信号とを混合して、受波信号を複素信号
   に変換する第二の複素信号変換器と、前記複素信号の遅
   れ時間を設けて複素信号の自己相関関係を演算する第二
   の自己相関器と、前記第二の自己相関器の出力から生体
   運動の超音波パルスビームの進行方向の速度を演算する
   第二の速度演算器とを具備し、超音波パルスビームの進
   行方向及びそれと直交する方向の速度ベクトル分布の測
   定及び表示することを特徴とする超音波診断装置。
2. 【請求項２】超音波パルスビームを一定の繰り返し周期
   で生体内に送波し、その反射波を受波し、この受波信号
   を増幅し、この増幅された受波信号を複数のチャンネル
   で同時に受波整相する並列受波回路と、前記並列受波回
   路の各チャンネルの受波信号を交互に符号を反転させて
   加算する加算器と、送波繰り返し周波数の整数倍の周波
   数を有し互いに複素共役関係にある一組の複素基準信号
   と前記加算器に於て加算された受波信号とを混合して、
   受波信号を複素信号に変換する第一の複素信号変換器
   と、前記複素信号の遅れ時間を設けて複素信号の自己相
   関関数を演算する自己相関器と、前記自己相関関数の出
   力から生体内の運動部分の超音波パルスビームの進行方
   向と直交する方向の運動速度を演算する第一の速度演算
   器と、送波繰り返し周波数の整数倍の周波数を有し互い
   に複素共役関係にある一組の複素基準信号と前記増幅さ
   れた受波信号とを混合して、受波信号を複素信号に変換
   する第二の複素信号変換器と、前記複素信号の遅れ時間
   を設けて複素信号の周波数スペクトラムを演算する周波
   数分析器と、前記周波数分析器の出力から生体運動の超
   音波パルスビームの進行方向の速度を演算する第二の速
   度演算器とを具備し、超音波パルスビームの進行方向及
   びそれと直交する方向の速度ベクトル分布の測定及び表
   示することを特徴とする超音波診属装置。