JPS6241645A - パルス・ドプラ型流体速度測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、パルス・ドプラ型流体速度測定装置に関し、
特に血液等の患者の体内の流体速度分布を観測するのに
好適な装置に関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

患者の動脈、静脈あるいは心臓の血液流の速度は電子音
Ｗトランスジューサを用い、血液流に対して９０度以外
の角度で交わる直線にそって、キャリアの角周波数２π
ｆｃの超音波音圧波の数サイクルのバーストを身体に送
ることによって測定する。

伝送された音響エネルギーの一部は血液中に存在する粒
子（ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）によってトランスジューサの
方向に反射される。なぜならば、血液の粒子はそれ自身
が浸っている流体とは音響インピーダンスが異なるから
である。したがって、反射された圧力波の周波数は粒子
速度のトランスジューサ方向の成分に依存する。ドツプ
ラーの原理に従い、血液中の粒子から反射された音圧波
の周波数はトランスジューサに近づく速度が大きくなる
につれて増加し、またトランスジューサから遠ざフ））
る速度が大きくなれば減少する。もしトランスジ、−サ
方向に沿った速度成分がゼロであれば、この周波数は同
じで変化しない。所望範囲におけるサンプル体積内の血
液粒子の平均速度は該サンプル体積内の血液粒子からの
反射に対応するサンプルの電気信号波を処理することに
より決定できることは当業者にとって周知である。サン
プル体積の大きさは体内に送られたバーストの長さに比
例し、トランスジューサの方位角分解能に逆比例する。

欧州特許出願番号８３１０４０６７．０においてはサン
プル体積内の粒子の平均速度は次のように決定される。

トランスジューサの出力である電気信号波をキャリア周
波数２πｆｃの４分の１サイクルごとに連続してサンプ
ルし、各バーストの反射を直交位相に分解し、実数成分
および虚数成分を求める。

前述の電気信号波は、それぞれ注目するサンプル体積内
の粒子からの所定数のバーストの各反射によるものであ
る。あるバーストにおける複素数で表された成分および
次のバーストの共役複素数を掛は合わせる。これを全て
の隣接したバーストに対して行うので、もし７個のバー
ストがあれば６組の掛は算をすることになる。掛は算の
結果、全ての実数成分と虚数成分をそれぞれ平均する。

平均実数成分に対する平均虚数成分の比は各組の連続し
て送られたバースト間で生ずる反射波の位相変化のタン
ジェントを表し、これは血液中の粒子からの反射波の平
均周波数に変換することができる。平均速度はこの平均
周波数から誘導することができる。

要するに、これは送られた各バーストの反射の複素数の
ベクトル加算なので結果はその振幅に依存し、実際問題
として１組の複素数の振幅は注目する粒子の速度とは無
関係の要因により他の複素数の振幅よりずっと大きくな
ることもあり、このような場合にはこの大振幅成分が平
均値の結果を大きく左右することもあり得る。よって、
このように決定された速度が極めて大きな誤差を持つ可
能性がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、高精度で体内
中の流体の速度を測定する等に好適なパルス・ドプラ型
流体速度測定装置を提供することにある。

（発明の概要〕 本発明に係る好適な一実施例であるパルス・ドプラ型流
体速度測定装置では、各乗算の結果によって得られた実
数成分及び虚数成分をこれら実数成分に対する虚数成分
の比率に等しいタンジェントを持つ角を決定するための
手段に直接印加し、これら角度の平均を得るための手段
が提供される。

このことにより、粒子を含む血管の可動壁からの反射の
結果生ずる誤差を除去する。

本発明では、さらに角度の平均を決定するために特別な
方法が提供される。−見しただけでは、ベクトルの角度
を見つけることは簡単なことのように思われる。しかし
、−組の隣接したバーストから決定される位相角は正の
大きい角および負の大きい角の間の境界線上に存在する
場合があるので、この角度の決定は極めて複雑になる。

以上のこと考慮に入れた手段を循環平均器（ｃｉｒｃｕ
ｌａｒａｖｅｒａｇｅｒ）　　と呼び、以下に説明する
。

本発明で用いられる循環平均器は、平均角を「多数決原
理Ｊ　（ｍａｊｏｒｉｔｙ　ｒｕｌｅ）によって決定す
る。例えば、もし乗算で得られたベクトルのうち１個は
第３象限にあり残り全てが第２象限にあるならば、第３
象限のベクトルに３６０度加えた上でベクトル角を平均
する。

本発明に用いる他の循環平均器は、奇数個のベクトルを
用い、メディアン（即ち、中央値）を選択する。

本発明の好適な循環平均器において、検出した各月のサ
イン及びコサインを求め、合計し、コサインの合計に対
するサインの合計の比に等しいタンジェントを持つ角を
決定し、乗算した反射波に相当するバースト間の時間で
割ることによって平均化する。

〔発明の実施例〕

第１図に本発明に係る好適な一実施例を示す。

以下、第１図に基づいて本発明の詳細な説明する。

コントローラ２は本装置に対してタイミング及び同期信
号を供給する。図示はしていないが、コントローラ２は
主発振器を含み、周波数分周器と接続し、キャリア周波
数２πｆ６でパルス信号を供給する。これらパルス信号
群はそれぞれバーストとなる音圧波のサイクル数に依存
した数を有する。

さらに、これらパルス信号群はトランスジューサとして
機能する位相アレイ６中の異なるクリスタル（図示せず
）の各々に対し、パルス信号群が励振器４に印加される
時刻を決定する同期信号に同期して、順次供給される。

このタイミングにより、音圧波ビームの方向が決定され
、位相アレイ６によって患者の体内に伝送される。送受
切換器８は各クリスタルと前置増幅器１０の入力との間
にそれぞれ接続される。フィルタ１２の対応するものを
通過した後、各クリスタルからの信号はそれぞれ遅延器
１４に印加される。コントローラ２からの信号によって
遅延器１４をそれぞれ調整し、所定のサンプル体積から
の反射によるクリスタルからの信号を同時に合算器１６
の入力に到達させる。従って合算器１６の出力はサンプ
ル体積内の粒子からの反射であって位相アレイ６の各ク
リスタルに入射するものの合計に比例する。

合算器１６の出力は同相成分用のＡ／ＤコンバータＩお
よび直交成分用のＡ／Ｄコンバータ０に印加される。両
Ａ／Ｄ　コンバータは同一であり、サンプル−アンド−
ホールド型である。それらは同相Ａ／Ｄコンバータ、直
交Ａ／Ｄコンバータまたは同相サンプラ、直交サンプラ
と呼ばれる。その理由はライン１８．２０により、それ
らにコントローラ２が供給する信号によってキャリア周
波数２πｆｏ０４分の１サイクル離れた時刻で所望のサ
ンプル体積からの反射による信号をサンプルするからで
ある。クラッタ・フィルタ２２は同相へ／Ｄコンバータ
Ｉの出力端子に接続され、クラッタ・フィルタ２４は直
交Ａ／ＤコンバータＱの出力端子に接続される。これら
クラッタ・フィルタ２２．２４はあるバーストによる反
射波のサンプルを次のバーストによる反射波のサンプル
から減算し、血液が流れる血管壁から反射する低周波信
号を減衰させる。これらの反射は血液中の粒子からの反
射よりずっと振幅が大きいのでこのことは極めて重要で
ある。

クラ、り・フィルタ２２の出力は音圧波の現在のバース
トの反射波の同相成分■、であり、掛は算器２６の一方
の入力端子に印加される。遅延時間Ｔを有する遅延器２
８は（ここでＴは位相アレイ６によって体内へ音圧波の
バーストを送り出す間隔である）、フィルタ２２及び掛
は算器２６の他方の入力端子との間に接続される。掛は
算器２６における後者の入力信号は位相アレイ６によっ
て伝送される音圧波の前回のバーストの反射から導出さ
れた同相成分であり、１０　とする。０は古いことを意
味する。従って、掛は算器２６の出力はＩＮＩゆである
。

クラッタ・フィルタ２４の出力は現在のバーストの反射
の直交成分口、であり、掛は算器３２の一方の入力端子
に印加される。掛は算器３２のもう一方の入力端子は遅
延器２８の出力からの信号Ｉ９を受信するように接続さ
れる。従って、掛は算器３２の出力は１．、ＱＮである
。

遅延時間Ｔを有する遅延器３４はフィルタ２４の出力と
掛は算器３６の一方の入力端子間に接続され、これによ
りこの入力端子に信号Ｑ０が印加されるようにしている
。信号Ｑ０は、前回のバーストによる音圧波の反射波か
ら導出された直交成分である。掛は算器３６の他方の入
力端子はクラ、夕、フィルタ２４からの信号ＱＮを受信
するように接続され、その出力はＱＮＱｏ　となる。

クラッタ・フィルタ２２の出力は掛は算器４０の一方の
入力端子に接続され、そこへ信号ＩＮを印加する。掛は
算器４０のもう一方の入力端子はインバータ３８を介し
て遅延器３４の出力端子に接続され、信号−〇。を受信
する。掛は算器４０の出力は−ＩＮＱ０である。

以上説明した回路は、前回の音圧波のバーストから得ら
れた複素数の共役複素数（１，、−Ｑｏ）に現在の音圧
波のバーストから導出された複素数（ＩＮ、ＱＮ）を掛
は合わせるための手段である。

加算器４２０入力端子は掛は算器２６．３６の出力にそ
れぞれ接続され、上述の乗算の結果求められた実数成分
（ＩＮＩ。）＋（ＱＮＱ、）をＲＯＭ４４に供給し、加
算器３２．４０の出力端子にそれぞれ接続され、虚数成
分（１０ＱＮ）　−（ＩＮＱ。）をＲＯ門４４に供給す
る。

以下に説明するように、 虚数成分（１６ＯＮ）　　　（ＩＮ　　Ｑ−）を実数成
分（ＩＮ　　＋６）　”　（ＣＩＮ　　ＱＯ）で割った
もののアークタンジェントに等しい角が時間Ｔの間に起
こる所定のサンプル体積から反射された信号の角変化で
ある。この角変化をＴで割ればドツプラー周波数Ｆが得
られ、サンプル体積の血液中の粒子の速度の平均瞬時値
を求めることができる。

ドアブラー周波数Ｆの値は音圧波のバーストの隣接して
いるペアの各々について求めることもできよう。これら
のドツプラー周波数Ｆの値を平均すれば、サンプル体積
内の血液速度の値をより正確に求めることができる。

上述の方法でドツプラー周波数Ｆを平均するよりむしろ
循環平均器に上述の次々に印加した方が好ましい。この
循環平均器は多数の角Δθに対するサインを記憶したＲ
Ｏ１’１４８　、このＲＯ１’１４８の出力端子に接続
された合算器５０、多数の角Δθに対するコサインを記
憶したＲＯＭ５２　、このＲＯＭ５２の出力端子に接続
された合算器５４及びＲＯＭ５６から成る。合算器５０
の出力は隣接するバーストから成る組の各々から求めら
れた角Δθのサインの合計であり、ｓｉｎΔθ゛　と表
す。合算器５４の出力は隣接するバーストから成る組か
ら求められた角Δθのコサインの合計であり、ｃｏｓ　
Δθ′　と表す。合算器５０゜５４によって夫々供給さ
れるｓｉｎΔθ゛及びＣＯＳΔθ゛　の予期される組み
合わせの各々について、ａｒｃ　ｔａｎ　　（ｓｉｎ　
Δθ’　／ｃｏｓ　Δθ′）で表される角度Δθ”を時
間Ｔで割ったものの値がＲＯＭ５６に記憶されている。

ＲＯＭ５６の出力Δθ”／Ｔは所定のサンプル体積内の
唾液中の反射の平均瞬時周波数であり、計算手段５７は
サンプル体積内の血液中の粒子の平均速度を表す信号を
Δθ”／Ｔから求める。これらの機能の全てはベクトル
加算器として働く１個のＲＯＭ内で実行される。

ここで上述の循環平均器の動作を第２図のベクトル図に
基づいて以下に説明する。ベクトルＶｒ、匂は単位長で
あり、ＲＯ１’１４４によって供給された角度のサイン
およびコサインのそれぞれの平均値が得られる角度を有
している。ベクトルｖ３はＲＯＭ５６によって決定され
たΔθ”を有している。

もし、循環平均器が多数決原理に従って動作し、また第
３図に示すように２つの角Δθが第２象限のベクトルｖ
１゛　およびｖｌ゛　　によって示され、第３の角Δθ
が第３象限のベクトルｖ、゛　によって表されるならば
、ベクトルＶＪ”　の角度は他の多数派のベクトルの符
号と同符号となるように＋３６０度を加えた上で他の角
と一緒に平均する。

第４図に他の循環平均器の動作を示す。この循環平均器
では、中央値ベクトル、即ち、メディアン・ベクトルを
選択する。ここでは、八〇が奇数個になるように、クラ
ッタ・フィルタ２２．２４から出力信号のサンプル数を
偶数個にする必要かあ。

ＲＯＭ５６における出力信号Δθ”／Ｔはサンプル体積
についての平均瞬時速度を求める計算手段５７に印加さ
れる。この平均瞬時速度の値は走査変換器５８に印加さ
れ、平行線のラスタを用いる表示器６０用の信号を出力
する。計算手段５７から出力する平均瞬時速度の値は半
径方向の線上の点に対するものなのでこの方法が必要と
なる。

コントローラ２は所定のサンプル体積の平均瞬時速度を
測定するために用いるべき個数のバーストの処理後、Ｒ
ＯＭ４４　、４６．５０及び５４をリセットするために
ライン６２に信号Ｐを供給する。流体の速度決定にわず
かな個数のバーストしか用いないですますことができる
。この場合には得られた値は多くのバーストを用いた場
合はど正確ではないが速度の値を求める時間は十分短く
、標示器６０によって２次元流分布を表示することが可
能である。

合算器１６の出力信号は影像形成用に用いられることが
でき、走査変換器５８を介して表示器６０に供給される
。

コントローラ２はライン６２．６４上に同期信号を供給
することによって走査変換器５８及び表示器６０を同期
させる。

第５図に従来の、例えば欧州特許出願番号８３１０４７
６７．０に説明される装置によって得られる結果を示し
、第６図には本発明によって得られる結果を示す。これ
らは、図を簡単にするため４個のバーストに附定し、こ
れらのバーストの各々から求められたベクトルを表す。

従来の装置では、角変化を導出する前にサンプルした反
射波のベクトル加算を行うので合成角はサンプルの１個
の振幅の影響を強く受けるが、本装置においては上述し
た通り合成角は振幅の影響をほとんど受けない。

以下に連続するバーストの直交サンプリングから得られ
る複素数で表される共役複素数を掛は算することで、ド
ツプラー効果による位相変化（ｒａｄｉａｎ　／５ｅｃ
）がどのようにして得られるかを説明する。第１バース
トの反射を直交サンプリングして得られた複素数を次の
ように表す。

ｅｊｗｔｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　、
、、（１）第２バーストの反射を直交サンプリングして
得られた複素数を次のように表す。

。ヨ”’　　　　　　　、、、（２） （１）に（２）の共役複素数を掛は合わせると次の式が
得られる。

３ｖｔ＋　　　　　　　　　　−ｊ、ＵＪｔ２　　　　
　　　　　°すＪＴ（ｅ　　　　）・（ｅ　　　　）−
ｅ″’　　　　　、、ｉ３）ここにおいて、Ｔは１＋　
−１２である。

サテ、ω−ω０＋　ωｌ　（ωＯは送出されるキャリア
周波数、ωめはドツプラー周波数Ｆと表す）、そして、
パルス繰り返し周波数ＰＲＦをキャリア周波数の整数分
の１に選定した場合、下式　（４）、（５）が成立する
。

Ｔ　、　１　／　ＰＲＦ　＝　（２πｎ／ωｃ）　　　
　　、、、（４）：ｅ３ｕＪ（、（２Ｔｎ／ｕＪ□→ｖ
ｖＬ’Ｔ１０、（５） 、。う岨τ　　　、、、（６） この実数部、虚数部から前述のようにアークタンジェン
トをとりＴで割ると結果は瞬時ド・ップラー周波数ωｌ
となる。従って、２　（［１ｉｌのバーストごとに瞬時
ドツプラー・シフト周波数及び速度が得られるが、もっ
と多くのバーストを用いて得られた値を平均することに
よりドツプラー周波数推定値およびそれから計算される
速度はより正確になる。

尚、以上の証明では時間Ｔだけ離れた隣接するバースト
を用いたが隣接しないバーストを用いた場合でも応用す
ることができる。

〔発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係るパルス・ドプラ型流
体速度測定装置では、バーストによる反射波の対から一
旦位相シフト情報を得て、これらを平均するので、平均
結果が大幅の何か特定の反射波に引きずられることがな
く、正しい平均が行われる。また、循環平均器を用いる
ことにより、位相角の表現上の不連続点（１８０度、−
１８０度の点）の近傍の値を正しく行うことが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るパルス・ドプラ型流体速度測定
装置のブロック図。第２図は、本発明の好適な一実施例
で用いられる循環平均器の動作を示すベクトル図。第３
図及び第４図は、他の実施例における循環平均器の動作
を示すベクトル図。 第５図は、従来のパルス・ドプラ型流体速度測定装置に
よる位相角変化の決定を表すベクトル図。 第６図は、本発明に係るパルス・ドプラ型流体速度測定
装置による位相角変化の決定を表すベクトル図。 ２：コントローラ、４：励振器、６：位相アレイ、８：
送受切換器、１０：前置増幅器、１２：　フィルタ、１
４．２８，３４：遅延器、１６，５０，５２：合算器、
２２．２４：クラツク・フィルタ、 ２６．３２，３６，４０：掛は算器、４２，４６：加算
器、４４．４８，５２，５６：ＲＯＭ　、６０：表示器
、５８：走査変換器、 Ｉ：同相Ａ／Ｄ　コンバータ、Ｑ：直交Ａ／Ｄ　コンバ
ータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定数のパルス周期の音圧波のバーストを時間Ｔ秒毎に
   被観測流体に照射する手段と、前記流体からの前記バー
   ストに対する反射波を電気信号に変換する手段と、前記
   電気信号の複素数を求めるため、前バーストの各々に対
   応する電気信号上で前記キャリア周波数の４分の１の周
   期離れた点をサンプリングする手段と、前記複数個のバ
   ーストの各々に対応する複素数を時間Ｔだけ離れたバー
   ストに対応する複素数の共役と各々乗算する手段と、前
   記各乗算の結果で得られた複素数より位相角を表す信号
   を得る手段と、所望の点における流体の速度を表す信号
   を得るため、前記信号を平均する手段より成ることを特
   徴とするパルス・ドプラ型流体速度測定装置。