JPS6085372A - 時間領域方式により平均周波数を決定する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背景］ この発明は広範囲の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比〉に対して
よい性能を持ち、実時間で行なわれる、信号の平均周波
数を推定する方法と装置に関する。

時間的に変化する信号の平均周波数を正確に決定するこ
とは、例えば信号の平均周波数が標本化する流れの場の
平均速度に対応する様なドツプラ一式超音波速度測定に
おいて望ましいことである。

この他の用途としては、周波数及び位相変調通信方式及
び音声認識がある。血液の速度を音響式に測定すること
は、ドツプラー効果に基づく。こういう測定で最も大き
な内勤と考えられるのは、雑音のある環境でドツプラー
周波数俯Ｉ移を正確に決定することである。この厳しい
条件を充ｔ＝−Ｖ様な、ドツプラー周波数偏移を決定す
る力ｉしい時間領域（ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　）方式
を提供りる。

第１図はＩ１０アルゴリズムを用いた時間領域処理の従
来の１方式を示す。これはドツプラーＩ（同相）及びＱ
（直角）信号から直接的に平均周波数を取出すので、こ
の名が付けられている。ウルトラソニック・イメージン
グ誌、第２巻第２３２頁乃至第２６１頁（１９８０年７
月号）所載のり、ゲルツベルク及びＪ、Ｄ、マインドル
の論文「ドツプラー′４Ａ置用のエネルギ・スペクトル
中心点検出器」を参照されたい。この方式はＳ／Ｎ比が
高く周波数が低い場合には、フーリエ変換方式と比肩し
得る結果が１！ノられるが、２つの主な欠点がある。得
られｌこ＼１１均周波数が真実の平均周波数の正弦に従
っＣ変化し、この為、周波数偏位が大きい揚台には読取
値に誤りが生じる。信号に雑音が存在する１１．１、雑
音パワーが分ｉＪｉ　（後述の式（７）のＰ−１２−１
−０２）に直接的に現われるが、分子では雉？青が平滑
される。分母に雑音項があることにより、Ｓ／Ｎ比が１
に近づく時、大きな誤差を招く。フーリエ変１り法は同
様な形を持っており、平均周波数の妥当な推定値を得る
為に、雑音パワーを推定１Ｊる。

［発明の概要］ この発明の特定の１実施例では、平均周波数を決定する
改良された時間領域方法は、位相が直角の基準を用いて
時間的に変化づ−る信号を復調し、低域ろ波し、復調信
号を同時に標本化することを含む。Ｉ及び０時間サンプ
ルの両方を整数個の周期、典型的には１周期だ（プ近延
させる。遅延さけない時間サンプルと遅延さ゛けた時間
サンプルを乗じ、分子及び分Ｂ１として、いずれも雑音
に相関性のない差信号及び和信号を夫々作る。分母は各
サンプルと該サンプルを１周期１こりシフＩ〜したもの
との積を持っている差４３号及び和（＋ｊ：’ｊを独Ｘ
’／に低域シ戸波し、後進平均法（ｂａｃｋｗａｒｄ　
ｒｕｎｎｉｎｇ　ａｖｃｒａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ）等
によって平滑して、両方の項の外音を実質的に除去する
。平滑した差信号と３１！潰した和信号の比の逆正接か
ら、時間的に変化する１８号の平均周波数が導き出され
る。信号相関関数における時間のシフトの為、性能が敗
色される。

この装置と方法により、ｔＦｔｌｔ”＋周波数のｉＥ確
な値が得られ、信号対雑音比が良！ｌｒな場合における
周波数領域のフーリエ変換方式と比Ｗ−１シ得る結果か
得られ、フーリエ変換が使えない人体ＯｄＢより低い信
号対雑音比の場合には、ずっとすぐれた結果が得られる
。平均周波数はスペクトルの平均パワーに対して直線的
である。本発明のアルゴリズムの３番１」の特徴は、平
均周波数を決定する時、ナイキスト周波数Ｊ：り高い周
波数に対して自動的に１Ｉｌｉ償することである。

血液及び同様な液体の速度を測定する改良された超音波
方法とパルス式ドツプラー装置について詳述し、他の用
途についても述べる。受取ったエコーＧｊ号がベースバ
ンドに適当にコヒーレントに復調され、集束された同相
及び直角ドツプラー信号を、送信Ｊるパルスの繰返し周
波数で、距離（ｒａｎｇｅ　）に関連しＣゲート作用に
かける。ドツプラー信号の平均周波数が周波数偏移に対
応する。

平均の血液速度が決定され、時間の関数として表示され
る。

［発明の詳細な説明］ 基本的なドツプラ一方程式は、成る速度（Ｖ　）で移動
づる標的から散乱された音響エネルギの周波数偏移（Δ
ｆ）を、入剣波の■もｊ波数（ｆｏ）、伝播媒質内の音
速（Ｃ）、及び移動方向と音の伝播方向の間の角度（θ
°）の関数としＣ次の様に表わす。

これを書き直すと、ドツプラー速度が次の様に４！７ら
れる。

典型的な用途では、Ｃは判っており、ｔｏは便利な様に
選ばれ、θは測定づることが出来る。従って△ｆを決定
することは、散乱イ４１の速度を知ることに相当する。

この式から粒子く標的）の速度情報を取出す多数の方式
がある。

こ）では位相コヒーレンス・パルス式ドツプラ一方式を
取上げる。（イメージング様式とドツプラ一様式に共通
の変換器を持つデュプレックス・イメージング方式の一
部分である同様な装置にっいては、第５図を参照された
い）。測定される波形は、発信時刻に対づるザンプル・
パルスの遅延によって決定される一定距離の所で、パル
ス繰返し周波数ｆ、で同時に標本化された１及びＱドツ
プラー（ｇ号で構成される。ドツプラー信号を処理する
目的は、この測定信号から粒子又は赤結球の速度情報を
抽出することである。

測定される速度が周波数偏移に関係しているから、周波
数領域で信号を処理′するのが自然である。

然し面接的な時間領域方法に成る利点がある。具体的に
云うと、標本化されたドツプラー信号Ｉ及びＱは複素時
間領域波形の実数及び虚数部分とみな゛りことが出来る
。この波形の瞬時周波数は式（１）のドツプラー・シフ
ト△ｔに対応する。時間領域波形がパルス繰返し周波数
で標本化されるので、１リーイクルあたり２個のザンブ
ルが帯域が制限された信号を特徴づ【プる最低限である
というナイキストの判断基準により、分解可能な最高周
波数がｆｒ／２に制限される。然し、■及びＱ信号の両
方を利用出来るから、シフトの符号が判り、従って式（
２）によって散乱体（標的）の速度の方向が決定される
。

時間領域信号を位相が直角である２つの時間領域信号に
よって表わすことは、復調過程の間に２つの信号が取出
される通信方式では普通のことである。

ｆ（ｔ　）−Ｉ　（ｔ　）＋ｉ　Ｑ（ｔ　）　（３）平
均周波数を決定するアルゴリズムを次に述べる様に導き
出すことは、周波数変調及び位相変調通信方式、音声認
識、ドツプラー超音波速度測定、及び場合によってはそ
の他の用途にも適用することが出来る。この信号の平均
周波数（１）　Ｇ；Ｌ、次の式によって、信号のパワー
・スペクトルＳ（ω〉が一般にパワー・スペクトルは、
信号のフーリエ変換ｆをめ、この変換の撮幅を自乗づる
ことにょつ−（１！ｊられる。（星印は複素共役数を表
わす。）△　△ Ｓ（ω）＝ｆ＊　ｆ　（５） プランシエセル（ｐｌａｎｃｈｅｒｅｌ　）の定理及び
フーリエ変換の公式を用いて、平均周波数は周波数に対
する積分の代りに、時間積分として表わすことも出来る
。等価な時間積分形式は次の通りである。

信号を式（３）の１及びＱの形で表わせば１、この式の
平均周波数は次の様になる。

これが前に述べたＩ１０アルゴリズムである。パルス式
ドツプラ一方式では、時間信号は連続的ではなく、離散
的に標本化されるデータ信号である。

式（７）の差の方程式から平均周波数を決定する試みは
成功しなかった。分母にパワーの項があり、この為雑音
が相関性を持ち、この結果Ｓ／Ｎ比が１に近づくにつれ
て誤差が大きくなる。この他の欠点も確認されている。

この方法を使ってスペクトルの平均を直接的に決める装
置を表わすハードウェアが第１図に示されている。周波
数変調された連続的な時間的に変化する信号Ｆ　（ｔ　
）が２つの積形復調器１０．１１に供給される。これら
の復調器の基準は搬送波を除去する為に互いに対し９０
°移相している。復調信号１　（ｔ　）及びＱ（ｔ）が
低域ろ波器１２．１３（図中の記号は中心の及び高い周
波数が阻止されることを示している）に通されて、包絡
線を復元し、それが掛算器１４．１５に供給される。回
路１６．１７で微分をめて、掛算器に供給する。掛算器
の出力が式（７）の分子に示す交差項である。回路１８
で交差項を減算し、その結果を低域ろ波器１９に送って
、積分を行なう。復調された同相信号及び直角信号を掛
算器２０．２１で自乗し、自乗の和を回路２２でめるが
、これは式（７）の分母に示す通りであり、それを低域
ろ波器２３で積分する。割算器２４′Ｃ得られた比が平
均周波数ωである。

この代りに、複索形式で表わすと ｆ　（ｔ　）−Ａ　（ｔ　）ｅｘｐ　（ｉθ（ｔ））　
（８）この場合、式（７）は次の様になる。

■及びＱで表わした瞬時位相は 位相の微分ｄθ／’ｄｔにより瞬時周波数ωが判る。

式（１０）を微分し、 Ａ２＝１２＋０２＝Ｐ（ｔ　）＝Ｐ　（１１）を使うと
、に）でＩ）（ｔ）は瞬時パワーである）式（７）及び
（９）が同一であることを示すのは容易である。

この発明では、信号の平均周波数の１ぐれた決定が出来
る様な形で、式（９）及び（１０）を実施する。この実
施は今日まで見過ごされていた数学的な精妙さの認識に
基づく。こういう式を出発点として使うと、標本化され
た信号の平均周波数は である。こ）で八ｔはサンプルの間の時間（一様である
と仮定する）、ｉはサンプルの番号、Ｎ＋１はシンプル
の総数であり、更に である。Δθ１は、計算された２つの位相の差を単にめ
る代りに、解析形式で展開りることが出来る、という認
識によって、Ｊ−ぐれた性能が得られる。この時、この
差は次の様になる。

又は Ｉｔ　］＋−Ｉ　＋にｈ　Ｑｆ　−＋ この最後の式の分子は、サンプルが有限の同じ時間間隔
であると仮定して、有限差方式を用いて式（７）を実施
した場合と同じであるが、分母はかなり界なっている。

分母は各時間サンプルと該時間リンプルを１周期だリシ
フトしたものとの積を持つ。これは自己相関関数の最初
の起延項であり、パワーではない。その結果、両方の項
（分子は交差項を持っている）の雑音を独立に平滑Ｊ゛
ることが出来る。サンプルの遅延時間が雑音の相関時間
より長１プれば、雑音が平滑され、従って信号に対して
減少する。この条件は実際に達成するのが容式（１６）
を実施する時は、平均周波数を決定するための時間にわ
たって瞬時パワー１）（ｔ）が比較的一定であることを
利用するのが好ましい。

つまり、次の近似 Δθ１ 必−−（１７） Δｔ が有効であるということであり、分子（Ｎ）及び分母（
Ｄ）の両方を平滑した平滑形式を使うことが出来る。

但し Ｎ、＝く１−α）Ｎ＋−＋　＋α（Ｉｔ　Ｑ＝＋　Ｑｔ
　Ｉｔ−＋　）　＜１９）Ｄｉ＝（１−α）　Ｄ＋−＋
＋α（Ｉｔ　Ｉｔ−＋　４−Ｃｈ　Ｑｔ−＋　）　’　
（２０）因数αは１より小さく、最適値を呼ぶが、用途
に関係覆る。ドツプラー測定の場合の典型的な値は１／
１６乃至１／　２５６である。式（１９）及び（２０）
の移動（ｒｕｎｎｉｎｇ　）平均が他の式に川われる和
の代りに使われる。信号の２つの重要な特徴により、Ｓ
／Ｎ比を著しく改善することが出来る。

第１に、項１　＋　Ｑｔ−＋　−Ｑｔ　Ｉ　ｉ−１及び
ｌ１ｌｉ−１十〇　＋　Ｑ　＋−＋は、大抵の実際穎用
途では時間に対してゆっくりと変化する。その変化の速
度はＩ又はＱ単独の瞬時周波数よりずっと小さい。従っ
て、平滑にＪ、す￥：、置の周波数応答に目立つ程の彩
管を与えることがない。第２に、分母の項は１遅延期間
にｄ３りる相互相関関数を形成している。相関性のない
雑音では、平滑時間を長くした場合、雑音１ｎはげ口に
収斂する筈である。

第２図は式（１８）、（１９）及び（２０）の瞬時周波
数アルゴリズムを使ってスペクトルの平均を決定する為
の信号処理のブロック図である。

これは連続的な時間領域信号と標本化された時間領域信
号に対するものであるが、後者の信号について例示し且
つ説明する。直角位相の基準を持つ復調器１０’　、１
１’及び残留搬送波周波数及びその伯の一層高い高調波
を除く為の低１ｉｌＸろ波器１２′　、１３′　は、第
１図と同じであってよく、同じ参照数字にダラシを句け
て表わしである。この検出過程の最初の工程は、一般的
に、搬送波を除く為に、信号を復調することである。同
期検波を使うことによって最適の性能が得られる。復調
は直接的にベースバンドにしてもよいしくホモダイン）
又は中間周波数を介してもよい（ヘデロダイン）。Ｐ波
して復調同相及び直角信号１　（ｔ　）及び（、）（１
）が、標本化回路２５．２６で選定された速度で標本化
され、この点でディジタル化される。個々の機【ＩＬは
、ディジタル形でも、アナログ形ぐｂ又はディジタル／
アナログ混成形でも、任意の現イ［の又は将来の技術を
用い−Ｃ実現することが出来る。主な要素は遅延動作τ
であり、これが信号の相関関数の時間的な変化により、
性能を改善する。同相及び直角時間サンプルを整数個の
周期だ番）、りｆましくは１周期だけ、時間遅延装置２
７．２８によってＲ延さゼる。遅延させた同相リンプル
及びＲ延させない直角サンプルを掛算器２９に送る。こ
れと同じ様に、遅延させた直角サンプル及び遅延させな
い同相リーンプルを掛算器３０に送る。この最初の交差
項を第２の交差項から回路３１で減算して、雑音に相関
性のない差信号を発生ずる。遅延させた並びに遅延させ
ない同相時間サンプルを第３の掛算器３２に送り、政延
さＵた並びに遅延させない直角時間サンプルを第４の掛
算器３３に送り、これらの積を加ｎ器３４で加算して、
雑音に相関性のない和信号を発生ずる。分母は、各時間
サンプルと該時間サンプルを１周期だけシフトしたもの
との積で構成され、従つ−Ｃ雑音に相関性がない。

分子の差信号及び分母の和信号が独立に且つ別々に低域
ろ波され−Ｃ１雑音を平滑し、両者から実質的に雑音を
除く。式（１９）及び（２０）は後進平均法により、分
子及び分母の平滑された項を導き出Ｊ。最初に、分子の
古い項に（１−α）を乗じ、新しい項にαを乗じたもの
に加算する。因子αは典型的には１／１６乃至１／　２
５６であるが、平均される時間サンプルの数１６乃至２
５６を表わす。

平滑されて実質的に雑音のない差信号及び和信号が割算
器３７で割算され、この比の逆正接を決定することによ
り、出力信号、即ち時間的に変化づる信号の平均周波数
５が発生される。逆正接をめることは、標本化より一層
遅い速度で行なうことが出来る。

フーリエ変換によって計算された平均周波数と比較して
、瞬時周波数アルゴリズムの効果の１例が、第３ａ図乃
至第３ｅ図に示されている。曲線Ｆはフーリエ変換方式
によって得られた結果であり、平均雑音パワーの補正を
しである。曲線−「はα＝　１／６４として式（１８）
の時間領域アルゴリズムによるものである。比較の為、
曲線「は２５単位たりずらしである。各々の図は信号対
雑音比（Ｓ／Ｎ比）が相異なる場合における実験測定に
よるものであり、Ｓ／Ｎ比は、夫々２４　ｄＢ、４ｄＢ
、　ＯｄＢ、　−４ｄＢ及ヒ−８ｄＢトＬ、、ＩＣ６Ｓ
Ｎ比がＯｄＢの時（第３ａ図）、曲線Ｆのピークは依然
として識別出来るが、ＯｄＢより小さくなると、フーリ
エ変換方式は使えなくなり、実際に最後の曲線Ｆ（第３
ｃ図）は直線である。これに対して、この発明の時間領
域方式では、−４ｄＢの信号対肩１音比でも、かなりの
性能が得られ、−８ｄＢです、速度曲線の重要な特徴を
依然として確認Ｊることが出来る。時間領域アルゴリズ
ムが雑音のある環境でも平均周波数及び速度情報を抽出
出来ることが、この方法の主な利点である。

このアルゴリズムの第２の特徴は、計算でめた平均周波
数がスペクトルの平均パワーで直線的であることである
。これが第４図に示されている。

第４図には２つの周波数ω１及びω２があり、全パワー
はω２及びω１の間で、β−ＰｗＪ／Ｐｔとして、比β
で直線的に変化する。平均周波数は必−βω１＋（１−
β）ω２で表わされることが判る。

このアルゴリズムの３番目の重要な特徴は、このアルゴ
リズムが、平均周波数を計算する時、ナイキスト周波数
ωＮより高い周波数を自動的に補償することが出来るこ
とである。平均周波数を中心とＪる瞬時信号のスペクト
ル全体が、ナイキストの区間よりもその幅が小さい区間
内にある限り、こういうことが成立する。これはエイリ
アシング（ａｌｉａｓｉｎ（１）が起った時、平均周波
数を決定するのに役立つ。

この発明では、周波数変調された時間的に変化する信号
の平均周波数は、ディジタル形でも、アナログ形でも、
或いはディジタル・アナログ混成形でも、ハードウェア
回路により、又は計算機を使うことによってめられる。

ディジタル形ハードウェア装置では、第２図で、遅延時
間は１つ又は更に多くのクロック・サイクル遅延装置に
よって決定することが出来、２つ以上の時間遅延装置を
使うのが有利である。アナログＨ６では、この遅延は遅
延線によって得られる。標本化データ装置では、ＣＯＤ
、（電荷結合装置）形の装置、パケット・ブリゲート及
び同様な装置を使つ−Ｕ、Ｗ延を実現すると共に、若干
の信号処理を行なうことが出来る。装置の構成としては
、十分な記憶装置を使って、こういう機能の全部ではな
いにしても、大部分を実現づる為に、インテル８２３１
△の様な特殊演算用処理チップを使うことが出来る。分
子及び分母の各項の符号と相対的な大きさを試験するこ
とにより、４５°以内にある角度区間を識別することに
よって、逆正接をめることが出来る。一旦４５°内の引
数が判れば、区分別線形近似を使うことが出来る。

第５図のデュプレックス・イメージング装置は実時間の
単一扇形方向きめビーム走査器であり、この中に実時間
で血流速度を測定する為のこの発明の時間領域ドツプラ
ー処理装置が取入れられている。これを簡単に説明する
が、詳しくは米国特許第４，２１７，９０９号及び同第
４，１５５，２６０号に記載されている。然し、パルス
式ドツプラー装置を別個の装置として構成することが出
来、Ｂ−走査イメージング能力を持つデュプレックス装
置の一部分にづ′る必要はないことを承知されＩＣい。

図示の装置は、多数の変換器索子４０で構成された共通
の線形変換器配列３９を持っており、これらの変換器素
子がパルス駆動装＠４１によって付勢されて超音波ビー
ム４２を形成し、超音波パルスを発信する。ドツプラー
動作様式の間、ビームを走査角度で差し向け、距１ｉ１
ｔＲの所にあって、その中の血流速度を測定する選ばれ
たサンプル容積４３に発信された超音波パルスを当てる
。涯延時間の所要％ｆｉ度を大幅に下げ、その代りに一
層容易に達成出来る位相集束作用の精度を保ちながら、
良好な横方向の分解能を達成するためのベースバンド信
号処理を特徴とする受信チャンネルの主な部品は、全チ
ャンネルに対する広帯域受信機４４、平衡形復調器及び
低域ろ波器４５、時間遅延装置４６並びに加算器４７で
ある。個々の受信チャンネルは並列のＩ（同相）及びＱ
（直角）処理チャンネルを持ち、そこで受信したエロー
信号を電子式に方向ぎ゛めし、動的に集束する。位相が
直角の放出周波数基準を用いて、エコー信号を増幅して
復調し、各々の復調器の出力を低域ン戸波して、包絡線
を残し、その後遅延させる。通路の長さが十分に異なる
場合、コヒーレントな加算の前に、通路の長さの差に比
例する遅延を加える。イメージング動作様式では、加亦
して集束した信号を回路４８に加えて合成信号を作る。

この合成信号が、扇形の像を構成する為に陰極線管４９
に送られるビデオ−信号である。

ドツプラー動作様式では、超音波のＲＦパルスが発信さ
れてサンプル容積４３に当たる様に、装置の制御器５０
が利用者にＪζつで設定され、距離ゲート５１を用いて
、所望の深さからのサンプルを標本化すると共に、特定
の位置に於りる速度パターンを検出する。この変換器を
励振する別の特徴は、゛リンプル容積内の動きの速い並
びに遅い血液細胞からの後方散乱されたエコーを種々の
距離の所で適切に標本化することが出来る様にする為に
、繰返し期間が可変であることである。４ＫＨ２，８Ｋ
　ＨＺ及び１６Ｋｌ−１ｚという様に、超音波パルス繰
返し周波数の幾つかの設定値が用意されている。

加τ）されて集束された■及びＱ信号が、その合成信号
を発生せずに、直接的にドツプラー装置に供ｔ８される
。距離（又から超音波信号が変換器に戻るのに要づる時
間に対応する、各々の変換器励振朝出から特定の時間後
に、集束された同相及び直角信号Σｌ及びΣＱが標本化
される。距離ゲート５１が制御器５０によって、サンプ
ル容積から後方散乱されたエコーを受信するのに対応す
る時刻に、比較的短い期間の間聞かれ、１対のアナログ
時間サンプルを並列に抽出する。標本化速）灸がパルス
繰返し周波数によって決定されることが判る。同相及び
直角時間サンプルをディジタル化し、時間領域ドツプラ
ー処理装置５２に送り、そこで逆正接アルゴリズムを使
って、時間的に変化Ｊるドツプラー信号の平均周波数を
導き出す。この後、式（２）から血液の速度が得られる
。

この超音波装置は、２種類の速度情報に対づるドツプラ
一様式表示装置を持っている。最初に、利用者が実時間
でその変化を観測りることが出来る様に、ドツプラー周
波数がオッシロスコープ５３に表示される。ストリップ
チャート記録装置５４により、速度対時間の展開を示１
−ハード・コピーが印刷される。平均化した平均速度で
も或いはく変換器の配列に血液の流れが接近し、又はそ
れから遠ざかることに対応して正並びに負の）速良の分
布全体でも表示することが出来る。多重化されたＥＣＧ
信号が、心臓サイクルの過程の間に起る事象の時間基準
となる。

時間領域ドツプラー処理装置５２は、大抵の実時間周波
数領域フーリエ処理装置と同じ様に、バードウ］−アで
構成Ｊることが好ましい。この様なパルス式ドツプラー
装置を検問する為、アルゴリズムをラフトウ１アで構成
し゛Ｃ１時間領域解析を計算した。プログラムにより逆
正接の引数の分子及び分母の移動平均を目算した。比の
逆正接をめた後、時間に対する計算による位相変化を直
流及び低周波成分を阻止する様に設計された高域ろ波器
の遮断周波数と比較した。それがろ波器の阻止帯域の中
にあれば、簡単なＩ１０近似を使って、位相変化を推定
する。一旦位相変化が計算されたら、それに変換係数を
乗じて速度をめる。このン、Ｉ及びＱの現在値を貯蔵し
て、新しい遅延さμだ値を形成づる。

この方法を用いた時の瞬時平均周波数を決定するのが容
易であることにより、スペクトル線推定に関連した他の
信号処理の特徴を使うことが出来る様になった。その１
番目は時間−周波数ヒストグラムである。多くの用途で
は、実際のスペクトルの推定が希望される。これはフー
リエ変換を使って行なうのが普通である。時間領域方式
を拡張Ｊることにより、瞬時周波数にス・ｊりる瞬時パ
ワーのヒストグラムを形成づることによって、近似的な
スペクトル分布をめることが出来る。２番目の特徴は、
■及びＱの複−１４器の不平衡の補正に関することであ
る。ドツプラー装置及びこの他の直角位相復調装置では
、装置の最終的４１粕度は、１及びＱ復調器の平衡の精
度の影響を受ける。検波器を多重化Ｊ−る新しい方式が
開発された。

時間的に変化づる信号の平均周波数を決定するこの方法
の別の用途として、周波数変調及び位相変調通信方式及
び音声認識がある。この通信方式の場合、平均周波数回
路をＦ　Ｍ検波器として利用する。これから得られる出
力が、１ｊ０送波の変調信号を復元する。音声認識では
、測定された平均周波数が、搬送波に印加した情報（音
声）信号であり、音声の平均ピッチを表わＪ。音声１−
ラックを標本化してディジタル化し、時間領域アルゴリ
ズムを使って平均周波数を取出し、それから音声のビッ
ヂをＭＥ認ターる。

まとめて云えば、この時間領域方式のずぐれた性能と実
施の容易さは、時間領域信号処理に有利である。この装
置は、古典的なフーリエ変換方式に較べて、雑音のある
環境に対処する能力がよくなると只に、一層安いコスト
で一層よい性能が得られるという利点がある。

この発明を好ましい実施例について具体的に図示し１１
つ説明したが、当業者であれば、この発明の範囲内で種
々の変更が可能であることは云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はＩ１０アルゴリズムを用いてスペクトルの平均
値を決定する為の従来の信号処理を示す１［ｌツク図、
第２図は瞬時周波数アルゴリズムを使って、平均周波数
を時間領域で決定づる改良された方式を実施した装置を
表ねずブロック図、第３ａ図乃至第３ｅ図は、（ａ　）
　Ｓ／Ｎ−２４ｄＢ、（ｂ　）　Ｓ／Ｎ＝４　ｄＢ、（
ｃ　）　Ｓ／Ｎ＝ＯｄＢ。 （ｄ　）　Ｓ／Ｎ＝−４ｄＢ　及び　（０）　Ｓ／Ｎ　
−−８ｄ１３の種々の信号対雑盲比に対し、時間領域及
び周波数領域の信号処理を用いたパルス式速度測定値を
示すグラフ、第４図は相対的なパワーは異なるが、全パ
ワーが一定である場合の２つのスペクトル線に対する逆
正接アルゴリズムの周波数応答を示すグラフ、第５図は
この発明の時間領域ドツプラー処理装置を取入れたデュ
プレックス超音波イメージング装置の簡略ブロック図で
ある。 く主な符号の説明） １０’　、　１１’　：復調器、 １２’　、　１３’　、　３５．３６：低域１波器、２
５、２６：標本化回路、 ２７、２８：遅延回路、 ２９、３０．３２．３３：　１１）算器、３１：減算器
、 ３４：加算器、 ３７：割算器、 ３８：逆正接回路。 崎６１（ぜ） 時間（勃ン 時間Ｃ朽）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）時間領域方式を用いてＯｄＢの上下の信号対雑音比
   で平均周波数を決定する方法に於て、時間的に変化する
   信号を復調しｒ波して復調同相及び直角信号を発生し、
   これらの両方の信号を同じ徂だけ同時に遅延させ、遅延
   させない並びに遅延ざ゛せた同相及び直角信号を乗じて
   、それぞれａＥ音の相関性がない差及び和信号項を作り
   、前記差及び和信号項を別々に低域ン戸波して両方の項
   の雑音を平滑して実質的に除去し、平滑して比較的雑音
   がない差及び和信号の比の逆正接を決定することにより
   、前記時間的に変化する信号の平均周波数を表わす出力
   信号を取出す工程から成る方法。 ２、特許請求の範囲１）に記載した方法に於て、前記復
   調信号が、ベースバンドへのホモダイン復調、並びに残
   留搬送波周波数及びその仙の高調波を除去する為の低域
   −波によって発生される方法。 号を乗じ、遅延さけた直角信号及び１ｌｌＥさせない同
   相信号を乗じ、それらの積を減算して前記差信号゛を作
   り、前記遅延させた及び遅延させない同相信号を乗じ、
   前記遅延させた及び遅延させない直角信号を乗じ、それ
   らの積を加締して前記和信号を形成する方法。 ４）時間領域方式により広範囲の信号対雑音比を持つ周
   波数変調された時間的に変化する信号の平均周波数を決
   定する方法に於て、直角位相基準を用いて前記時間的に
   変化する信号を復調し、選定された周期で復調信号を標
   本化して同相及び直角サンプルを作り、前記同相及び直
   角サンプルを整数個の周期だり遅延さゼ、遅延させた同
   相サンプルには遅延させない直角サンプルを乗すると共
   に遅延させた直角サンプルは遅延させない同相リンプル
   を乗じ、夫々の積を減算して差（Ｍ号を発生し、前記遅
   延させた及び遅延させない同相υンブルを乗すると共に
   、遅延させた及び遅延ざゼない直角サンプルを乗じ、そ
   れらの積を加算して雑音に相関性のない和信号を作り、
   前記差信号及び和信号を別々に低域ろ波して、両者の雑
   音を平滑しＣ実質的に減少し、差信号を和信号で除し、
   こうして形成された化の逆正接から前記時間的に変化す
   る信号の平均周波数を導き出す工程から成る方法。 ５）特許請求の範囲４）に記載した方法に於−Ｃ１前記
   時間サンプルが全て１周期だけ遅延される方法。 ６）特許請求の範囲４）に記載した方法に於て、前記差
   信号及び和信号をろ波して後進平均法によって平滑Ｊる
   方法。 ７）超音波を用い°Ｃ血液及び同様な液体の流れの速度
   を測定する方法に於て、超音波パルスを発生して選ばれ
   たサンプル容積を走査し、エコー信号を受取り、位相が
   直角の放出周波数基準を用いＣ該エコー信号を復調して
   、集束同相及び直角ドツプラー信号を発生する様に処理
   し、毎回のパルス発信の後のドツプラー信号を距離ゲー
   トにより、その周期がパルス繰返し周波数によって決定
   される同相及び直角サンプルを抽出し、前記同相及び直
   角サンプルを少なくとも１周期だ【フ亙延させ、同相サ
   ンプルに遅延さけない直角サンプルを乗すると共に直角
   サンプルに存置さＵない同相サンプルを乗じ、夫々の積
   を減算して差信号サンプルを作り、遅延させた並びに遅
   延さけない同相時間サンプルを乗すると共に、遅延させ
   ／ｊ並びに遅延させない直角時間サンプルを乗じ、それ
   らの積を加算して雑音が相関性を持たない和信号サンプ
   ルを作り、前記差信号及び和信号を別々に低域ろ波して
   両者の雑音を平滑して実質的に減少させ、平滑した差信
   号と平滑した和信号の比の逆正接からドツプラー信号の
   平均周波数、従っＣ周波数偏移を導き出し、平均血液速
   度を決定し、時間の関数として速度を表示する工程から
   成る方法、。 ８）特許請求の範囲７）に記載した方法に於て、前記差
   信号及び和信号をろ波して後進平均法により平滑する方
   法。 ９）特許請求の範囲８）に記載した方法に於てドツプラ
   ー周波数偏移及び血液速度を実時間で決定する方法。 １０）時間領域方式によって平均周波数を推定する装置
   に於て、時間的に変化する信号を復調すると共に低域ろ
   波して復調同相、及び直角信号を作る手段と、選定され
   た周波数で前記復調信号を同時にゼ：；本化して同相及
   び直角時間ラナンブルを抽出Ｊる手段と、ＯｄＢの上下
   の信号対雑音比で前記時間的に変化する信号の平均周波
   数を決定する手段とをイｊし、該平均）も１波数決定手
   段は、前記時間リンプルを遅延ざＵる手段、遅延さけな
   いサンプル及び遅延させたサンプルを乗じて、それぞれ
   雑音に相関性のない差信号及び和信号を発生する手段、
   該差信号及び和信号を別々に平滑して相関性のない雑音
   を実質的に除去する手段、及び平滑した差信号と平滑し
   た和信号の比の逆正接を取出ず手段を含んでいる装置。 １１）特許請求の範囲１０）に記載した装置に於て、前
   記遅延させる手段がサンプルの間の１周期だけ時間サン
   プルを同時に遅延させ、前記平滑する手段が移動平均−
   飯器で構成されている装置。 １２）血液及び同様な液体の速度を測定する超音波装置
   に於（、選ばれたサンプル容積を走査づる為に超音波パ
   ルスを発信Ｊると共に、エコーを受取る手段と、位相が
   直角の放出周波数基準を用いてエコー信号をベースバン
   ドにニコヒーレン１〜に復調すると共に、集束並びに加
   算しＣ同相及び直角の時間的に変化するドツプラー信号
   を発生ずる手段と、パルスの発イｉの後、前記ドツプラ
   ー信号を同時にゲートして、サンプル容積から後方散乱
   されたエコーを表わす同相及び直角時間サンプル１、及
   びＱ、を抽出するゲート手段と、遅延させた時間サンプ
   ル１１−１及びＱ　ｔ　−＋　を発生ずると共に、相関
   性のない雑音を平滑して略全部を除ムリ−る様に、遅延
   させないサンプル１１及びＱｌ　と遅延させたサンプル
   を処理りることにより、良好な信号対雑音比及び良好で
   ない信号対雑音比で、実時間で、前記時間的に変化する
   信号の平均周波数乙、従って周波数偏移を決定する手段
   と、平均血液速度を取出ずど共に、時間の関数として速
   度を表示する手段とを有する超音波装置。 １３）特許請求の範囲１２）に記載した超音波装置に於
   て、前記平均周波数を決定する手段が、Δ℃をサンプル
   の間の期間、ｉを時間サンプルの番号、Ｎを分子、Ｄを
   分母、αを１より小さい数とし、 Ｎ１＝（１−α）Ｎニー＋＋α（１：　Ｑｔ−＋　Ｑｔ
   　１＋−＋　）ＤＩ＝（１−α）　Ｄニーｔ＋α（１：
   　Ｉｔ−＋　＋Ｑ＋　Ｑｔ−４）とし−０次の時間領域
   アルゴリズム を実施する超音波装置。 １４）特許請求の範囲１３）に記載した超音波装置に於
   て、前記ゲート手段がパルス繰返し周波数で時間サンプ
   ルを抽出し、平均周波数を決定する手段がリーンプルの
   間のＩ　ＦＪＩ間だけ、サンプルを遅延さＵる手段を含
   む超音波装置。