JPH0685777B2 - アンテイ・エイリアシングドプラ血流速計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、血流速度を測定するための改良された医療
用の超音波ドプラ型ユニットに関する。

［従来技術とその問題点］ パルスドプラ流速計は、ドプラ偏移した周波数の限定範
囲のみ識別することができる。この限定は、ドプラ信号
のサンプリング時間が不足することに起因している。パ
ルスドプラ流速計は、一つの任意の深さにてドプラ偏移
した信号をサンプリングしていて、この深さは、音を発
生するパルスとサンプリング時間との遅れによって決定
される。このサンプリングは、パルス繰り返し周波数
（PRF）と呼ばれる速度で行なわれる。（PRFは、明瞭に
識別できるドプラ偏移周波数の最大値、つまり識別可能
な最大流速を限定している。） ナイキストのサンプリング定理によれば、パルスドプラ
流速計により、−PRF/2と＋PRF/2間のドプラ偏移周波数
のみを明瞭に識別することができるということが認めら
れている。この領域（以後ナイキスト区間と呼ぶ）外の
いかなるドプラ偏移周波数もエイリアシング（aliasin
g）する、即ち、この区間内の周波数として現われる。
別の情報を付け加えない場合には、パルスドプラ流速計
は、検知したドプラ偏移周波数が実際にナイキスト区間
内のものなのか、あるいはこの区間外の周波数のエイリ
アシングしたものなのかを識別することはできない。

真の周波数をftとし、周波数fsでサンプリングしたとき
の検知周波数をfpとすれば、次式の関係がある。

fp＝ft−fs×ROUND（ft/fs） …（１） ROUND（Ｘ）は、かっこ内の値Ｘを四捨五入等により丸
める関数であり、Ｘの整数部の最大値に等しく、少数部
が0.5以上のときは、Ｘの整数部に１を加えた値とな
る。

パルスドプラ流速計においては、上式は次のように与え
られる。

fp＝ft−PRF×ROUND（ft/PRF） …（２） このように、検知周波数は常にナイキスト区間内とな
る。もし、真の周波数が同時に−PRF/2とPRF/2との間に
あれば、エイリアシングは発生せず、検知周波数は真の
周波数となる。もし、真の周波数がナイキスト区間外で
あれば、（２）式で分かるように、真の周波数は、
（２）式のよな検知周波数として現われる。上式におけ
るROUND関数は、いくつかの存在し得る真の周波数ftを
同一の検知周波数fpにエイリアシングを生じる。従っ
て、検知周波数が真の周波数あるいは多数の存在し得る
エイリアシング内の一つであるのかを決定するための直
接的な方法はない。

このエイリアシング問題を回避するためにこれまでに用
いられた方法は、一般の技術ではあるが、連続波（CW）
によるドプラの使用があった。しかしながら、連続波の
ドプラの使用はすべての範囲の結果を喪失してしまう。

他の解決策は、伝送される周波数を低くし、比例的にド
プラ偏移周波数を減少させる方法である。このような一
般の技術による解決策は、偏移を減少させ、検出領域を
減少させるといった欠点がある。

ナイキスト区間を増大させるためにPRFを増大させる方
法も一般に用いられる技術であるが、識別可能な範囲を
不明瞭にしがちである。深さｄにおける望ましいレンジ
セル（range cell）からの信号は、音を発生しているパ
ルスに関して時間ｔだけ遅延してサンプリングされてい
て、この時間ｔは次式で与えられる。

ｔ＝2d/c …（３） ｃは、音を発生する信号の伝播速度である。第３式は、
所望の範囲の信号を、（前のパルスにより発生した）よ
り深い範囲から来る信号から分離していない。即ち、次
式の深さにおける範囲からの信号を同時に受信する。

ｄ（ｎ）＝（c/2）×（ｔ＋nT） …（４） Ｔはパルス繰り返し周期（＝1/PRF）であり、ｎは１よ
り大きいかあるいは１に等しい整数である。

この干渉は、Ｔの値が十分に大きい（PRFが十分に低）
ときには問題とらない。このような場合、不要なレンジ
セルが大変深いので、これらの信号が伝送媒体によって
大きく減衰され、これにより、所望の信号と干渉しなく
なる。しかしながら、PRFが増大するにつれ、不要なレ
ンジセルが移動して音源に接近するようになり、そし
て、これらの信号は強力になって所望の信号に干渉する
ようになる。

この干渉は、高PRFあるいは“広げられた範囲”の概念
により有利に利用されていて、これにより、所望の範囲
が最接近の受信範囲ではなく、より深い範囲のものとな
る。しかしながら、この技術では、不要な範囲であるよ
り浅いところからの信号は僅かであると言える。

この広げられた範囲の概念の主な欠点は、不所望の範囲
からの干渉が僅かであるということを知らないという点
である。

これまでに用いられた別の解決は、時点ｔ（ｉ）でのド
プラ周波数ｆ（ｉ）を計測し、そして、時点ｔ（ｉ）に
接近した時点ｔ（ｊ）における計測値も又、この計測値
（の±PRF内）に接近しているものと仮定している。も
し、検知周波数fp（ｊ）がこの範囲外であれば、この検
知周波数は、“最も近そうな”真の周波数（最尤周波
数）fml（ｊ）に置き換えられる。このfml（ｊ）は、検
知周波数fp（ｊ）に偏移し得るすべての真の周波数から
選択される。選択された周波数は、ドプラ周波数ｆ
（ｉ）に最接近した周波数であり、次式によって見出だ
されている。

fml（ｊ）＝fp（ｊ）＋PRF ×ROUND（（fml（ｉ）−fp（ｊ））/PRF） …（５） 基準ラインとなる計測値ｆ（ｉ）は、変動するドプラス
ペクトラに追従できるように定期的に更新される。（こ
のドプラスペクトラは、ドプラ血流速計で見られるよう
に、心臓の鼓動により変化する血流速の分布によって生
じる。） この解決策の一つの欠点は、元の基準ラインの計測値が
偏移してはならないという点であり、あるいは別の計測
値が信頼できなるという点である。

この方法の第２の欠点は、周波数計測における時間が十
分に短く、真の周波数ft（ｊ）とft（ｉ）との差がナイ
キスト区間内となるように決められている点である。も
し、計測値の更新の間にドプラスペクトラが大きく変化
すれば、別の計測値は信頼できなくなる。

［問題を解決する手段］ レンジ連続アンティ・エイリアシングは、任意のレンジ
セルにて、最初の周波数計測値ｆ（ｉ）でもってエイリ
アシングを補正する。近傍のレンジセルｒ（ｊ）で計測
されたすべての検知周波数fp（ｊ）はｆ（ｉ）と比較さ
れ、そして第５式に従ってエイリアシングが補正され
る。レンジセルｒ（ｊ）での最も近い周波数fml（ｊ）
は、次式で示される。

fml（ｊ）＝fp（ｊ）＋PRF ×ROUND（（fml（ｉ）−fp（ｊ））/PRF） …（６） fml（ｊ）が計算された後で、ｒ（ｊ）に接近した範囲
に対する周波数計測値が、第６式における手法を拡張す
ることにより、エイリアシングが補正される。この結
果、ｒ（ｊ）およびfml（ｊ）がそれぞれ新しいｒ
（ｉ）およびｆ（ｉ）となり、そして新しい範囲がｒ
（ｊ）として選択される。

元のｆ（ｉ）から順次遠くへ離れて行く新しいレンジセ
ルｆ（ｊ）を連続して選ぶことにより、ドプラ流速計に
よって得られたすべてのレンジセルでのエイリアシング
が補正され得る。

この手法では、ｆ（０）と呼ぶ元のｆ（ｉ）が±PRF/2
内に補正されると仮定している。これは、移動目標がな
いと仮定された範囲ｒ（０）を選出することによってな
される。この範囲で推定され計測された周波数ｆ（０）
は、ナイキスト区間内になると仮定され、fp（０）にセ
ットされる。

同様に、もしドプラ流速計により、あらゆる任意のレン
ジセルから来た信号が重要なドプラ情報を有していない
と決定されると、補正回路は、信号はノイズであると仮
定し、最尤周波数を検知した周波数としてセットする。

この手法は、同時に多重レンジセルからの信号ドプラ偏
移信号得るための能力を必要とする。従って、この手法
の使用は、“マルチゲートドプラ”を必要とする。この
手法は、得られたレンジセルのいずれかのあるいはすべ
てに対して動作する周波数計測器を必要とする。この周
波数計測器は、ナイキスト区間内の周波数である検知周
波数fpを計算する。

この開示された手法は、真のドプラ偏移周波数が範囲内
でゆるやかに変化すると仮定している。真の周波数ft
（ｉ）とft（ｊ）との差が±PRF内となるように、ｒ
（ｉ）とｒ（ｊ）との距離は十分に短くなければならな
い。このことは、範囲内で十分な空間的サンプリングで
なければならないことを意味している。

［実施例］ 第１図を参照すると、この発明の第１の実施例による回
路10を示している。この回路10はマルチゲートドプラユ
ニット12を備えている。ここで使用される“マルチゲー
ト”の語は、多数の深さの範囲（multi depth ranges）
におけるドプラ信号を得るために使用される装置を意味
する。この種の装置はこれまで使用されたものであり、
当業者にとっては公知のものである。マルチゲートドプ
ラユニット12の出力は、種々の深さの範囲でのドプラ信
号からなっている。この結果、範囲ｉでの出力信号は、
第１のライン14上に現われ、そして、範囲ｊの出力信号
は第２のライン16上に現われる。これらの出力信号は、
各々、ｉ及びｊである。これらの出力信号は周波数計測
器18,20に送出される。周波数計測器はドプラ信号の周
波数計測あるいは推定が可能な装置である。周波数計測
器18,20の各々の出力は、それぞれ検知周波数Fp（ｉ）
及びFp（ｊ）であり、±PRF/2の範囲内となる。上述し
たように検知周波数は変化している。従って、周波数計
測器18,20の出力部の検知周波数は、周波数補正回路22,
24に供給される。周波数補正回路22,24の役目は、第６
式により見出だされたPRFの適切な倍数値を加算するこ
とにより、検知周波数Fpを補正することである。

この発明によれば、適切な倍数は、反復により見出ださ
れた整数である。最尤周波数に接近させるために選択さ
れた深さの範囲が前述の深さの範囲における速度から大
きく変化しないと仮定する。これは、もし補正回路22の
出力がFml（ｉ）なら、補正回路24の出力は、Fp（ｊ）
に、PRFの倍数に最も近い整数となるようにFml（ｉ）と
Fp（ｊ）との差を四捨五入して得られたPRFの倍数値を
加算することを意味する。一般に、二つの仮定が正しけ
れば各々の出力周波数は補正される。第１は、血液の流
れは、サンプル深さ内になければならず、そして接近し
たサンプル深さ内の血液流から大きく変化しない。即
ち、ドプラ信号が接近したサンプル深さのドプラ信号の
±PRF/2内となることである。第２は、各々の補正は、
すぐ前の周波数の正確さに基づいているので、あるポイ
ントにて、補正回路が初期化されているものと仮定して
いる。従って、この発明では、最も浅い範囲では移動は
なく、第１の補正回路22の最初の最も近い周波数Fml
（０）がライン26上にFp（０）としてセットされる。こ
の後は、ライン28上のFml（ｉ）は補正用周波数として
用いられ、Fml（ｊ）を計算するために補正回路24に入
力される。

上記ドプラ信号の強度が、所定のスレッショルドよりも
弱いときはいつでも、補正回路は、補正深さでの血液流
はなく、そして補正回路からのFmlはFpにセットされ
る。

第２図を参照すると、この発明の好ましい第２の実施例
の回路100が示されている。この実施例100においては、
ドプラの時間−多重化複合サンプルを出力線104を介し
て周波数計測器106に送出するマルチゲートドプラユニ
ット102が設けられている。例えば、ドプラ信号を周波
数計測器106に供給するために、マルチゲートドプラユ
ニット102は、最も浅い深度で開始し、その後、接近し
たサンプル深さから順番により深いサンプルグループへ
と進む。周波数計測器106の出力は、各々の深さｋに対
して検知周波数Fp（ｋ）となる。検知周波数Fp（ｋ）は
ライン108を経由して補正回路110にセットされ、補正回
路110のライン112上の出力は、深さＫでの最尤周波数Fm
l（ｋ）となる。Fml（ｋ）も又、遅延ユニット114にセ
ットされ、ここで、Fml（ｋ）をサンプルし、マルチゲ
ートドプラユニット102が次の深さに進む間、Fmi（ｋ）
は保持される。従って、遅延ユニット114のライン116上
の出力は、深さｋ−１での最尤周波数となる。この回路
100によれば、深さ０では血流は無いと仮定される。従
って、周波数Fml（０）はFp（０）に初期化され、その
結果、そこにおける最尤周波数を与えるために深さが調
節される。

［発明の効果］ この発明によれば、種々のサンプル深さからのドプラ信
号が補正されるので正確な流速信号を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１実施例であるアンティ・エイリア
シングドプラ血流速計の１実施例を示すブロック図、第
２図はこの発明の別の実施例を示すブロック図である。 12,102……マルチゲートユニット、18,20,106……周波
数計測器、22,24,110……周波数補正回路、114…遅延回
路。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）異なったサンプル深さからのドプラ
   信号を受信するマルチゲートドプラユニットと、 （ｂ）上記マルチゲートドプラユニットにより選択され
   たサンプル深さからのドプラ信号のドプラ周波数fpを計
   測するための少なくとも一つの周波数計測手段と、 （ｃ）上記周波数計測手段からの検知周波数fpを、個々
   のサンプル深さに対してエイリアシングのない最尤周波
   数に補正する周波数補正手段とを備えたことを特徴とす
   るアンティ・エイリアシングドプラ血流速計。
2. 【請求項２】上記マルチゲートドプラユニットは、異な
   ったサンプル深さから得られたドプラ信号に対応する多
   数の出力部を有する特許請求の範囲第１項に記載のドプ
   ラ血流速計。
3. 【請求項３】上記周波数計測手段は、上記マルチゲート
   ドプラユニットの出力部の各々に対して周波数計測器を
   備える特許請求の範囲第２項に記載のアンティ・エイリ
   アシングドプラ血流速計。
4. 【請求項４】上記周波数補正手段は、上記周波数計測器
   の各々に対して周波数補正回路を備え、前記周波数補正
   回路の各々は、上記周波数補正回路の各々の出力部に接
   続される入力を有していて、入力は、接近したサンプル
   深さからのエイリアシングされない最尤周波数に対応
   し、上記周波数補正回路の各々の出力は、上記周波数補
   正回路に接続される上記マルチゲートドプラユニットの
   出力に対応したサンプル深さからのエイリアシングされ
   ない最尤周波数に対応する特許請求の範囲第３項に記載
   のアンティ・エイリアシングドプラ血流速計。
5. 【請求項５】上記マルチゲートドプラユニットは、異な
   ったサンプル深さにわたって走査ができ、そして、上記
   マルチゲートドプラユニットが選択した個々のサンプル
   深さに対して、一つの周波数補正回路にドプラ出力周波
   数を供給する特許請求の範囲第１項に記載のアンティ・
   エイリアシングドプラ血流速計。
6. 【請求項６】上記周波数補正手段は、一個の周波数補正
   回路とディレイユニットとからなり、該周波数補正回路
   は一対の入力を有し、該入力の一つは上記周波数計測器
   からのものであり、他の一方は、前記ディレイユニット
   からのものであり、前記周波数補正回路の出力に対応す
   る信号である特許請求の範囲第５項に記載のアンティ・
   エイリアシングドプラ血流速計。