JPH07241288A

JPH07241288A - 超音波装置

Info

Publication number: JPH07241288A
Application number: JP6034408A
Authority: JP
Inventors: Kageyoshi Katakura; 景義片倉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-03-04
Filing date: 1994-03-04
Publication date: 1995-09-19
Also published as: US5535747A

Abstract

(57)【要約】【目的】絶対血圧の計測可能な超音波装置を提供す
る。【構成】ドプラ信号１４、１５は、波形記憶部１６、
１７に記憶され、一時記憶信号２３の各部分波形１８は
フーリエ変換されフーリエ記憶部２０に記憶される。信
号抽出部２１は記憶内容の広帯域信号部分を選択する。
一時記憶信号２３の特定部分を信号選択部２２により選
択し基準信号２４とし、相関演算部２６は基準信号２４
と一時記憶信号２５との相互相関係数２７を計算する。
速度計算部２８は、観測点１２と１３の間の脈波伝搬時
間を測定し、距離判定部２９にる観測点１２と１３の間
の距離とから速度を演算する。血圧演算部４５で、速度
計算部２８からの速度、血圧計測部４４からの血圧、及
びフーリエ記憶部２０のスペクトル情報に基づく血液の
流速変化量とから血圧の絶対値を求め、血圧表示部４６
に表示する。【効果】局所微細血管、深部動脈での絶対血圧の連続
測定が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】超音波により血管内を伝搬する脈
波の伝搬速度を計測し、絶対血圧の連続計測を行なう超
音波装置する。

【０００２】

【従来の技術】血管壁の変形状況、あるいは遠く離れた
二点間の血流ドプラ信号波形間の時間遅れより脈波の伝
搬速度（脈波速度と呼ぶ）を計測する従来技術がある。
例えば、特開昭６２−２６０５０号公報に、超音波式脈
波速度計が記載されており、導管に沿った２点において
超音波の反射を利用して管壁位置の時間変化を表す情報
を発生し、この情報から対応する変化がこの２点で現わ
れる時間差を求め、この時間差と２点間の距離とに基づ
いて脈波速度を算出する構成が示されている。また、電
子通信学会技術研究会報告、ＭＢＥ８４−１７、９頁−
１６頁（１９８４）に、Ｂモード連動型超音波微小変位
計測装置が記載されており、超音波エコーの位相をゼロ
クロス追従機構を用いて追従し、組織の微小変位を測定
することにより形態学的情報のみならず硬さ等の物性的
情報を得ることを目的とした装置が示され、この装置を
用いた局所的な血管弾性率すなわち血管弾性分布の無侵
襲計測が示されている。さらに、日本超音波医学会講演
論文集、５１−ＰＢ−３１、２３１頁−２３２頁（昭和
６２年１１月）に、超音波ドプラ血流波を使用した大動
脈脈波速度の測定に関する記載があり、総顎動脈および
大腿動脈の圧脈波を同時記録し、その時間的差異を利用
して算出した脈波速度と、同部位において記録した血流
波による脈波速度を比較し、次いで、総顎動脈と大腿動
脈における血流波を同時記録することにより、大動脈の
より中枢部における脈波速度の計測を行うことが示され
ている。通常の反射信号を利用する超音波断層法では、
使用する超音波装置の空間分解能以下の細い血管は描出
できない。しかし、ドプラ法では血液の運動情報により
周囲との弁別が可能となり細い血管内の血流も検出可能
となる。ドプラ効果による血流状況の計測は、通常は、
ドプラ効果による反射信号周波数の変化状況をフーリエ
解析して行なわれている。この場合、フーリエ変換にお
ける時間と周波数の分解能に関する不確定性原理から、
時間に関する分解能がフーリエ変換の積分時間により制
限され、通常の構成によると１００ｍｓｅｃ程度の時間
分解能以上は得られない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】通常の反射信号を利用
する従来の超音波断層法では、空間分解能以下の細い血
管は描出不可能である。しかし、ドプラ法によると血液
の運動情報により、周囲との弁別が可能となり細い血管
内の血流も検出可能となる。ドプラ効果による血流状況
の計測は、通常は、ドプラ効果による反射信号周波数の
変化状況をフーリエ解析することにより行なわれてい
る。しかしこの場合には、フーリエ変換における時間と
周波数の分解能に関する不確定性原理から、時間に関す
る分解能がフーリエ変換の積分時間により制限され、通
常の構成では１００ msec 程度の時間分解能以上は得ら
れないという問題があった。

【０００４】本発明の目的は、この問題を解決し脈波の
伝搬時間の計測精度を飛躍的に向上させ、近接する二点
間の伝搬時間を計測可能とし、深部血管における血圧の
絶対値の連続的な計測を可能とする超音波装置を提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】細い血管に対しても適用
可能とするために、ドップラ信号による計測を基本と
し、血流ドップラ信号の広帯域性に着目し、血流ドップ
ラ信号の相関処理による時間計測を併用する構成によ
り、脈波の伝搬時間の計測精度を飛躍的に向上させ、脈
波速度及び血流速度と血圧変化の関係を利用して血圧の
絶対値を計測する。

【０００６】即ち、本発明は、超音波を送信し、反射信
号を受信し、複数の観測位置における反射信号のドプラ
信号の時間的変化から観測位置間における脈波伝搬時間
を計測し、この脈波伝搬時間と観測位置間の距離から脈
派の伝搬速度を計測する超音波装置において、ドプラ信
号間の相互相関係数を計算する相関演算部と、この相互
相関係数を用いて脈波伝搬時間を求め血流の流速を計測
する流速計測手段と、特定の時相における血圧を計測す
る血圧計測手段と、流速計測手段と血圧計測手段との計
測結果に基づき特定の時相とは異なる時相における血圧
の絶対値を求めることを特徴とする。

【０００７】

【作用】通常の反射信号を利用する従来の超音波断層法
では、空間分解能以下の細い血管は描出不可能である。
しかし、ドプラ法によると血液の運動情報により、周囲
との弁別が可能となり細い血管内の血流も検出可能とな
る。ドプラ効果による血流状況の計測は、通常は、ドプ
ラ効果による反射信号周波数の変化状況をフーリエ解析
することにより行なわれている。しかしこの場合には、
フーリエ変換における時間と周波数の分解能に関する不
確定性原理から、時間に関する分解能がフーリエ変換の
積分時間により制限され、通常の構成では１００ｍｓｅ
ｃ程度の時間分解能以上は得られない。ところで、相互
相関係数の時間分解能は概略（１／Ｂ）ｓｅｃ（Ｂは信
号の周波数帯域幅：Ｈｚ）となることが知られている。
また、通常の血管におけるドプラ信号の帯域は１ｋＨｚ
以上である。そこで本発明においては、血流ドプラ信号
間の相互相関処理により時間差計測を行なうことによ
り、この周波数帯域の逆数である、１／１０００秒（１
ｍｓｅｃ）の時間分解能を実現する。一方、生体中の脈
波速度は、４ｍ／ｓｅｃから１０ｍ／ｓｅｃ程度まで変
化することから、この脈波が１０ｃｍの距離を通過する
のに要する時間は２５ｍｓｅｃから１０ｍｓｅｃであ
る。このため、本発明では時間分解能が１ｍｓｅｃとな
ることから、１０ｃｍの狭い間隔によっても充分の精度
で脈波伝搬時間が計測可能となり、従って局所脈波速度
の計測が可能となる。一方、この脈波速度Ｃと血液の流
速変化ΔＶ、及び血圧の変化量ΔＰの間には、ρを血液
の密度として、

【０００８】

【数１】 ΔＰ＝ρＣΔＶ …（数１）なる関係が成立する（（社）日本油空圧学会編：新版油
空圧便覧、第１編、第３章、２４−２５、オーム社（１
９８８）を参照）。ここで、本発明においては、通常の
カフ形圧力計、指先脈波計等により拡張終期血圧、ある
いは一般的に最低血圧と呼ばれている血圧等の特定の時
相における血圧Ｐ₀の絶対値を計測する。この絶対血圧
Ｐ₀により、任意の時相における血圧の絶対値Ｐが、

【０００９】

【数２】Ｐ＝Ｐ₀＋ΔＰ＝Ｐ₀＋ρＣΔＶ …（数２）なる関係により求まることになる。ここで、血液の流速
変化ΔＶは、ドプラ血流計の周波数移動量から計測され
る。

【００１０】

【実施例】本発明の基本動作を図１に示す実施例により
詳細に説明する。図１に示す送信部１からパルス状の電
気信号が発生され、配列形超音波送受波器２に印加され
る。この送受波器内に配置された素子選択スイッチ３に
より振動子素子群４あるいは５が交互に選択され、超音
波ビーム６あるいは７によりそれぞれ該当する領域内の
反射信号が交互に受信信号８として得られる。この受信
信号８は増幅器９により増幅され、ドプラ信号を抽出す
るドプラ計測部１０及び１１に入力する。この部分の構
成は、超音波ビーム６及び７上の観測点１２及び１３か
らの反射信号それぞれにつきドプラ信号抽出処理を行な
う通常の所謂パルスドプラ法による構成である。このよ
うにして得られた、観測点に対応するドプラ信号１４、
１５は、波形記憶部１６、１７に一旦記憶される。波形
記憶部１７に記憶された一時記憶信号２３の各部分波形
１８はフーリエ変換器１９により順次フーリエ変換され
ドプラ時系列周波数スペクトルとしてフーリエ記憶部２
０に記憶される。このフーリエ記憶部２０の記憶内容に
おける広帯域信号部分を選択する構成が信号抽出部２１
である。この判定結果を利用して波形記憶部１７に記憶
した一時記憶信号２３の特定部分のみを信号選択部２２
により選択し、基準信号２４とする。相関演算部２６
は、この基準信号２４と、他方の波形記憶部の内容であ
る一時記憶信号２５との相互相関係数２７を計算する。
この相互相関係数２７における最大値出現時刻の、原点
からの移動時間τ（図２（ｆ））が観測点１２と１３の
間の脈波伝搬時間となる。速度計算部２８はこの伝搬時
間を測定し、距離判定部２９により決定される観測点１
２と１３の間の距離との割算を行ない速度を演算する部
分である。制御部３０は超音波ビームの空間的位置及び
観測点１２と１３までの送受波器からの距離を設定する
部分であり、これらの設定情報を距離判定部２９に提供
することにより、距離判定部２９において観測点間の距
離が計算可能となる。このようにして決定された脈波速
度を表示部３１に表示する。図１において、３２は対象
とする血管等の流路（血流部位）であり、３３は流れの
方向である。また、流れの方向が超音波ビームの方向と
なす角をθとする。

【００１１】このような構成による各部の動作を、それ
ぞれにおける信号波形に基づき更に詳細に説明する。ド
プラ計測部１０、１１の出力信号は、観測点１２、１３
に対応してそれぞれドプラ信号１４、１５となるが、こ
れらを図２（ａ）、（ｂ）に示す。この両者は流速の変
化に対応して瞬時周波数が同様の変化を示し、下流のド
プラ信号１５におけるこの周波数変動は、上流のドプラ
信号１４に対して、観測点１３から１２までの脈波伝搬
時間τだけ遅れている。ここで脈波伝搬時間τは、観測
点間の距離をＬ、脈波速度をＣとするとτは次式で与え
られる。

【００１２】

【数３】 τ＝Ｌ／Ｃ …（数３）このようなドプラ信号１４、１５を波形記憶部１６、１
７にそれぞれ記憶する。これらの波形をそれぞれフーリ
エ変換すると、変換結果は図２（ｃ）、（ｄ）となる。
ここでは、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、フーリエ
変換の積分時間をＴとし、時間Ｔ内の波形を順次フーリ
エ変換している。ドプラ信号の実際の周波数変化は、両
図における実線の通りであるが、積分時間Ｔなる周波数
分析を行なうと一般的に周波数分解能は１／Ｔとなり時
間分解能はＴとなるため、図２（ｃ）、（ｄ）における
点線の範囲内に出力信号が分布する。このため、これら
フーリエ変換結果から相互の時間差τを高精度に決定す
ることは困難となる。そこで本発明においては、波形記
憶部１７の内容である部分波形１８をフーリエ変換器１
９によりフーリエ変換し、図２（ｃ）にすでに示した周
波数スペクトル情報３４を得る。この周波数スペクトル
情報３４をフーリエ記憶部２０に記憶する。信号抽出部
２１は、フーリエ記憶部２０にあるスペクトル情報にお
いて周波数変化の大きい部分３５を検出する。この検出
手段は、自動化あるいは視認による判定等種々の構成が
可能である。ここにおける周波数の変化幅は、流速の変
化量をΔＶ（ｍ／ｓｅｃ）とし、使用する超音波周波数
をｆ（Ｈｚ）とすると、

【００１３】

【数４】Ｂ＝２ｆ×ΔＶ×cosθ／ｃ（Ｈｚ） …（数４）なる関係にて与えられる。ここで、ｃは超音波の伝搬速
度であり、水中においては約１５００ｍ／ｓｅｃであ
る。仮に、流速の変化量を１．５ｍ／ｓｅｃとし、使用
する超音波周波数を１ＭＨｚとし更にθを０度とすると
周波数変化幅Ｂは２０００Ｈｚとなる。このような周波
数変化の大きい部分３５を選択する時間領域選択信号３
６を信号選択部２２に印加する。信号選択部２２はこの
時間領域選択信号３６により一時記憶信号２３における
周波数変化の大きい部分３５に該当する時間成分のみを
抽出し基準信号２４として出力する。

【００１４】基準信号２４を図２（ｅ）に示す。ここま
では簡単のために実信号として説明してきたが、通常の
ドプラ計測は複素信号として行なわれることからドプラ
信号１４、１５も実際は複素信号であり、従って基準信
号２４も図に点線にて併記した直交成分を保有する複素
信号である。このため、実際のドプラ計測以降の処理は
全て複素信号として実行される。このような複素の基準
信号２４と、ドプラ信号１４と同一形状である一時記憶
波形２５との相互相関係数を相関演算部２６により計算
する。この出力は図２（ｆ）に示す相互相関係数Ｒ
（σ）２７である。相互相関係数Ｒ（σ）２７における
極大位置からドプラ信号１４と１５の時間ずれがτと求
まる。ここで、極大の幅は１／Ｂ（ｓｅｃ）となるが、
ここでＢは２０００Ｈｚであることから、１／２０００
＝０．５ｍｓｅｃと高い時間計測精度となる。速度計算
部２８によりこの時間τと観測点間距離Ｌとから脈波速
度Ｃを、

【００１５】

【数５】Ｃ＝Ｌ／τ …（数５）から計算し、結果を表示部３１に表示する。

【００１６】相関演算部２６の動作を以下に説明する。
図２（ｅ）に示す信号をａ（ｔ）とし、

【００１７】

【数６】ａ（ｔ）＝ｕ（ｔ）ｅｘｐ｛ｊθa（ｔ）｝ …（数６）とする。また、一時記憶信号２５をｂ（ｔ）とし、

【００１８】

【数７】ｂ（ｔ）＝ｖ（ｔ）ｅｘｐ｛ｊθb（ｔ）｝ …（数７）とする。このとき、相関演算部２６の出力Ｒ（σ）は、

【００１９】

【数８】Ｒ（σ）＝│∫〈ａ（ｔ）〉ｂ（ｔ＋σ）ｄｔ│ …（数８）を計算している。ここで、〈ａ（ｔ）〉はａ（ｔ）共役
関係を示し、積分は０からＴ₀の範囲で行なう。また、
よく知られたフーリエ変換の関係から、図３に示すよう
に両信号をフーリエ変換器３８、３９によりフーリエ変
換し、片方を共役複素数変換器４０により共役複素数に
変換し、複素乗算器４１によりそれらの積を作り、これ
をフーリエ逆変換器４２によりフーリエ逆変換すること
により複素相関係数が計算され、最後に複素絶対値計算
部４３により複素絶対値とすることにより出力Ｒ（σ）
が求まる。このように一旦フーリエ変換する構成におい
ては、フーリエ逆変換の前に、直流成分等の不要周波数
成分を選択的に抑圧する処理も可能となる。更に、相関
演算部の簡略構成として、入力信号の片方を実数とする
構成も場合により使用可能である。この場合において
は、たとえば、

【００２０】

【数９】ａ（ｔ）＝ｕ（ｔ）ｅｘｐ｛ｊθａ（ｔ）｝ …（数９）とし、一時記憶信号２５をｂ（ｔ）の実部のみとし、

【００２１】

【数１０】ｃ（ｔ）＝Ｒｅａｌ｛ｂ（ｔ）｝＝ｖ（ｔ）cos｛θb（ｔ）｝ …（数１０）とする。このとき、相関演算部２６の出力Ｒ（σ）は、
積分の範囲を０からＴ₀として、

【００２２】

【数１１】Ｒ（σ）＝│∫ｃ（ｔ）ｂ（ｔ＋σ）ｄｔ│ …（数１１）を計算することにより求まり、計算過程が簡略化され
る。

【００２３】相互相関における時間分解能は信号の周波
数帯域幅に比例して向上する。このため、信号の存在す
る周波数帯域につき周波数特性の補正処理を行ない、例
えば高域と低域を強調することにより、更に分解能を向
上可能である。本実施例は、厳密な構成として複素信号
構成を主体に説明してあるが、これに限定されるもので
はなく、任意に実部あるいは虚部のみの構成とすること
も可能である。また、観測点間距離の計測法としては、
図４に示す距離判定部２９の画面のように、屈曲した経
路についてもカーソル、マーカ、あるいはポインタ３７
の併用等により正しく計測可能となる。この装置は当然
超音波の断層像あるいは立体像の表示装置と結合して構
成されるが、その構成は電子セクタ、電子リニア、コン
ベックス等公知の全ての構成が適用可能である。また、
カラードプラ装置との結合も微細血管の検出において非
常に有効である。

【００２４】一方、血圧計測部４４からの特定の時相の
血圧Ｐ₀と、フーリエ記憶部２０のスペクトル情報に基
づき（数４）から、

【００２５】

【数１２】 ΔＶ＝Ｂ×ｃ／（２ｆ×cosθ）（ｍ／ｓｅｃ） …（数１２）として求めた血液の流速変化量ΔＶとを同時に血圧演算
部４５に入力して絶対血圧Ｐを（数２）により計算し、
計算結果を血圧表示部４６に表示する。（数１２）に示
されるように、血流速度の変化ΔＶはドプラ血流計の周
波数移動量Ｂから得られる。血圧表示部４６での表示は
時間と共に変化する絶対血圧Ｐを連続的に計測して、時
間軸に対して表示する経時的表示とすることにより、例
えば図２（ｃ）における実線のような形態にして表示可
能である。本方式は、血液に限らず、ポンプにより圧送
されるパイプ内冷却水など各種の流体の圧力の計測にも
適用可能である。

【００２６】

【発明の効果】超音波により血管内を伝搬する脈波の伝
搬速度を計測し、特定の時相の血圧の計測値を脈波の伝
搬速度と併用することにより、変動する血圧の絶対値の
経時的な計測が、局所微小血管、深部動脈血管について
も非侵襲的に可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波装置の構成を示すブロック図。

【図２】本発明の超音波装置の構成する各部の信号波形
を説明する図。

【図３】本発明の超音波装置の相関演算部の構成例を示
すブロック図。

【図４】本発明の超音波装置の観測点間距離の計測法の
一例を説明する図。

【符号の説明】

１…送信部、２…配列形超音波送受波器、３…素子選択
スイッチ、４、５…振動子素子群、６、７…超音波ビー
ム、８…受信信号、９…増幅器、１０、１１…ドプラ計
測部、１２、１３…観測点、１４、１５…ドプラ信号、
１６、１７…波形記憶部、１８…部分波形、１９…フー
リエ変換器、２０…フーリエ記憶部、２１…信号抽出
部、２２…信号選択部、２３、２５…一時記憶信号、２
４…基準信号、２６…相関演算部、２７…相互相関係
数、２８…速度計算部、２９…距離判定部、３０…制御
部、３１…表示部、３２…流路、３３…流れの方向、３
４…周波数スペクトル情報、３５…周波数変化の大きい
部分、３６…時間領域選択信号、３７…マーカ、３８、
３９…フーリエ変換器、４０…共役複素数変換器、４１
…複素乗算器、４２…フーリエ逆変換器、４３…複素絶
対値計算部、４４…血圧計測部、４５…血圧演算部、４
６…血圧表示部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波を送信し、反射信号を受信し、複数
の観測位置における反射信号から前記観測位置間におけ
る脈波伝搬時間を計測し、該脈波伝搬時間と前記観測位
置間の距離から脈派速度を計測する手段と、血流の流速
を計測する流速計測手段と、特定の時相における血圧を
計測する血圧計測手段と、前記流速計測手段と前記血圧
計測手段との計測結果に基づき前記特定の時相とは異な
る時相における血圧の絶対値を求める演算部を有するこ
とを特徴とする超音波装置。
【請求項２】超音波を送信し、反射信号を受信し、複数
の観測位置における反射信号のドプラ信号の時間的変化
から前記観測位置間における脈波伝搬時間を計測し、該
脈波伝搬時間と前記観測位置間の距離から脈派速度を計
測する超音波装置において、前記ドプラ信号間の相互相
関係数を計算する相関演算部と、該相互相関係数を用い
て前記脈波伝搬時間を求め血流の流速を計測する流速計
測手段と、特定の時相における血圧を計測する血圧計測
手段と、前記流速計測手段と前記血圧計測手段との計測
結果に基づき前記特定の時相とは異なる時相における血
圧の絶対値を求める演算部を有することを特徴とする超
音波装置。
【請求項３】前記相関演算部が複素ドプラ信号同士の相
互相関係数の演算を行なうことを特徴とする請求項１に
記載の超音波装置。