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JP3352211B2 - 超音波ドプラ診断装置 - Google Patents

超音波ドプラ診断装置

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JP3352211B2
JP3352211B2 JP3999794A JP3999794A JP3352211B2 JP 3352211 B2 JP3352211 B2 JP 3352211B2 JP 3999794 A JP3999794 A JP 3999794A JP 3999794 A JP3999794 A JP 3999794A JP 3352211 B2 JP3352211 B2 JP 3352211B2
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JP
Japan
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doppler shift
histogram
frequency
circuit
doppler
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祐司 近藤
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Hitachi Ltd
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Aloka Co Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波ドプラ診断装
置、特にドプラ偏移周波数について周波数解析を行う超
音波ドプラ診断装置に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、血管機能を診断する場合には、
いわゆるパルスドプラ法を用いて血流速度分布の計測が
行われる。すなわち、図6に示すように、超音波ビーム
10を走査して形成される走査面12内にサンプル点S
を設定し、かかるサンプル点Sの受信信号に対してドプ
ラ演算及び周波数解析演算を行うことにより、図7に示
すようなパワースペクトラムを得ている。ここで、図7
のグラフの横軸はドプラ偏移周波数ψであり、これは
血流速度に相当する。縦軸はパワーPである。
【0003】実際の表示においては、そのスペクトラム
の経時的変動を観察するため、図8に示すようなパワー
スペクトラム表示がなされる。ここで、横軸は時間tで
あり、縦軸はドプラ偏移周波数ψである。更に、画面
上の輝度軸が各周波数のパワーの大きさに対応してい
る。
【0004】図9には、周波数解析を行うことのできる
従来の超音波ドプラ診断装置の概略構成が示されてい
る。
【0005】受信信号100は、直交検波回路16で直
交検波され、サンプルホールド回路17によって対象部
位のみの信号が選択された後、フィルタ19、21によ
り波形整形される。それがA/D変換器18でデジタル
信号に変換され、そのデジタル信号に対して、FFT演
算器20にて複素FFT演算による周波数解析が行わ
れ、これにて上述のパワースペクトラムが求まる。そし
て、それが図7に示した表示形式等で表示器22に表示
される。なお、二次元ドプラ画像を併せて表示する場合
には、例えば自己相関回路24により、自己相関演算が
実行される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、FFT
による周波数解析は複雑な計算が必要となり、迅速な演
算が困難であると共に回路規模が大きくなるという問題
があった。よって、簡易な構成で周波数解析を実現する
手段が要望されていた。
【0007】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、簡易な構成でドプラ偏移周波
数の周波数解析を実現できる装置を提供することにあ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1記載の発明は、検波後の受信信号間で位相
差分演算を行い、ドプラ偏移情報を求める位相差分演算
回路と、複数個の前記ドプラ偏移情報に基づき、ドプラ
偏移の大きさ毎の度数をグラフ化したヒストグラムを作
成するヒストグラム作成回路と、を含むことを特徴とす
る。
【0009】また、請求項2記載の発明は、前記複数個
のドプラ偏移情報は、同一サンプル点に対する複数回の
送受波により得られることを特徴とする。
【0010】また、請求項3記載の発明は、前記複数個
のドプラ偏移情報は、同一超音波ビーム上に隣接設定さ
れたサンプル点群に対する送受波毎に得られることを特
徴とする。
【0011】更に、請求項4記載の発明は、前記受信信
号の振幅値を演算する振幅値演算回路を含み、前記ヒス
トグラム作成回路は、振幅値の大きさに基づき重み付け
を行いつつ前記ヒストグラムを作成することを特徴とす
る。
【0012】
【作用】本発明によれば、位相差分演算回路において位
相差分演算が行われ、これによりドプラ偏移情報(ドプ
ラシフト周波数)が求められる。すなわち、超音波パル
スの送信繰り返し周波数の1周期分遅延させた受信信号
と遅延させない受信信号の差分が演算される。
【0013】そして、ヒストグラム作成回路において、
計測対象(生体内運動体)についての複数個のドプラ偏
移情報から、各ドプラ偏移周波数毎にその個数をカウン
トすることによって頻度グラフ(ヒストグラム)が作成
される。
【0014】その場合、複数個のドプラ偏移情報は、計
測対象についてサンプル点を1点に設定した場合には、
同一サンプル点に対する複数回の超音波パルスの送受波
により得られ、サンプル点を複数個に設定した場合に
は、空間的分布情報も加味されたドプラ偏移情報が得ら
れる。すなわち、前者の場合には、位置的特定性を優先
して、複数回の送受波で1個のヒストグラムを形成で
き、後者の場合には、更に空間的な速度分布をも意味す
るヒストグラムを形成できる。
【0015】このように形成されたヒストグラムにおい
て、各ドプラ偏移の大きさ毎の頻度は、ドプラ偏移が取
り得る確率に相当するものであるため、結果として、ヒ
ストグラムはパワースペクトラムに相当するものといえ
る。
【0016】ただし、その仮定は、ドプラ偏移情報の抽
出時における各受信信号の振幅値(レベル)が一定とみ
なせる場合に成り立ち、各受信信号の振幅値が一定とみ
なせない場合には振幅値の大きさに基づき、ヒストグラ
ム作成時の度数に重み付けを行う必要がある。
【0017】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面に基づい
て説明する。
【0018】図1には、本発明に係る超音波ドプラ診断
装置の全体構成が示されている。図1において、超音波
探触子(図示せず)から送波された超音波パルスは、血
流等の運動体にて反射する際、ドプラシフトを受け、そ
の後、超音波探触子にて受波される。超音波探触子から
の受信信号100は、受信回路26にて増幅等が施され
た後、直交検波回路の一部を成す一対のミキサ28に入
力される。そして、参照信号を用いた直交検波により、
受信信号は実部信号及び虚部信号から成る複素信号に変
換される。
【0019】サンプルホールド回路30は、サンプル点
の受信信号のみを抽出するゲート回路としての機能を有
し、具体的には、例えば1μs程度に設定されるゲート
期間内の受信信号を積分して、この積分値をホールド出
力している。なお、ゲート期間は超音波ビーム上のサン
プルボリューム(サンプル点の大きさ)を定めるもので
あり、サンプルボリュームが2mmの場合、ゲート期間
は例えば1.3μsに設定される。
【0020】ウオールモーションフィルタ32は、生体
内低速運動体(例えば、心臓壁)の信号を除去するもの
であり、一対のハイパスフィルタで構成される。ローパ
スフィルタ34は、受信信号中のベースバンド領域の信
号を取り出す回路であり、その後、受信信号は、A/D
変換器36においてデジタル信号に変換される。ここま
での構成はほぼ従来装置の構成と同様である。
【0021】デジタル化された複素信号は、逆正接回路
(ATN回路)38に入力され、複素信号の逆正接(t
an−1)を計算することにより、各受信信号の位相角
度ψが求められる。
【0022】すなわち、逆正接回路38の入力は、 sin(2πfnT) cos(2πfnT) であり(ただし、fはドプラ偏移周波数)、その出力
ψ(位相角度)は、 ψ=2πfnT となる。なお、逆正接回路38はROMなどで構成でき
る。
【0023】そして、その出力ψに対して、位相差分演
算回路40にて位相差分演算が実行される。ここで、位
相差分演算回路40は、超音波パルスの送信繰り返し周
期の1周期分だけ受信信号を遅延させるディレーライン
42と、遅延された受信信号ψと遅延されない受信信
号ψとの位相差分を演算する加算器44と、で構成さ
れている。なお、実際にはディレーライン42はRAM
などで構成できる。
【0024】すなわち、ディレーライン42は、 T=1/PRF (PRF:送信繰り返し周波数) の遅延量を有し、差分器44では位相の差分が演算さ
れ、つまり、 ψ=2πf(n+1)T ψ=2πfnT の差分ψが次のように演算される。
【0025】ψ=ψ−ψ =2πfT このψがドプラ偏移情報すなわちドプラ偏移周波数に
対応する信号である。このドプラ偏移情報ψは、次の
ヒストグラム作成回路46に入力される。ここで、ヒス
トグラム作成回路46は、アキュムレータ48と、移動
平均回路50と、で構成される。ここで、アキュムレー
タ48は、各ドプラ偏移周波数毎に設けられた複数のカ
ウンタで構成される。
【0026】図2には、ヒストグラム(頻度グラフ)作
成原理が示されている。横軸は微小ドプラ偏移周波数Δ
ψ毎に区分され、縦軸にその度数が計数されている。
すなわち、ヒストグラム作成回路46は、ドプラ偏移情
報が入力されると、その偏移周波数の大きさを判断し、
次に、その大きさに該当する区間のカウント値(度数
値)を1つ増加させる。そして、それを所定個のドプラ
偏移情報について順次行う。
【0027】このように形成されるヒストグラムにおい
て、Δψ毎の各区間の度数は、受信信号中のドプラ偏
移情報がその区間内に入る確率を示すものであるといえ
る。換言すれば、その度数(頻度)は、受信信号中のド
プラ偏移周波数fが、ある区間fdiとfdi+Δf
との間に入る確率を示し、頻度分布は確率分布を意味
するものとなる。
【0028】例えば、ヒストグラム作成に用いられた全
データ数をnとし、ある区間であるfdiとfdi+Δ
の間の度数をmとすれば、m/nは受信信号中のド
プラ偏移周波数fが当該区間内に入る確率を意味す
る。
【0029】従って、頻度分布は、パワースペクトラム
の確率関数P(f)と同じ表現形式となり、頻度分布
であるヒストグラムはパワースペクトラムに相当するも
のとして取り扱うことができ、従来のFFTによるパワ
ースペクトル表示に代えて、本実施例の頻度グラフをパ
ワースペクトル又は擬似パワースペクトルとして表示す
ることができる。
【0030】ただし、各受信信号の振幅値が一定とみな
せる場合に上述の仮定が成り立ち、一定とみなせない場
合には、受信信号の振幅値に応じた重み付けを行う必要
があるが、それについては後述する。
【0031】さて、本実施例の装置では、2つの計測モ
ードが採用されている。1つは単サンプル点モードであ
り、他の1つは複数サンプル点モードである。
【0032】単サンプル点モードが選択された場合、図
6に示すように、生体内に1つサンプル点Sのみが設定
され、そのサンプル点Sにつき複数回(例えば、500
回)の超音波パルスの送受波が行われ、それにより得ら
れた同一サンプル点についての複数個のドプラ情報によ
りヒストグラムが作成される。
【0033】なお、その単サンプル点モードの場合、サ
ンプルホールド回路30のゲート期間は、当該サンプル
点の大きさに合わせて設定され、PRF毎に1回のゲー
ト抽出動作が実行される。これと同様に、A/D変換回
路36でもPRF毎に1回A/D変換が行われる。
【0034】複数サンプル点モードが選択された場合、
図6に示すように、超音波ビーム上に小領域が設定さ
れ、その小領域内に、互いに隣接する複数の(例えば2
0個の)サンプル点から成るサンプル点群Gが設定され
る。すなわち、サンプルホールド回路30のゲート期間
は、当該サンプル点の大きさに合わせて設定され、ゲー
ト抽出動作はサンプル点の数に合わせて、所定の回数、
連続して実行される。すなわち、PRF毎に複数回のゲ
ート抽出動作が実行される。これと同様に、A/D変換
回路36でもPRF毎に複数回のA/D変換が行われ
る。
【0035】上述した単サンプル点モードが選択された
場合、複数回の送受波により形成されるヒストグラムを
そのまま表示すると、滑らかにその変動を表示できな
い。そこで、本実施例の装置では、移動平均回路50が
設けられており、例えば10msに設定された時間窓を
スイープさせて、各時間窓内でヒストグラムが形成され
るように、移動平均化処理を行っている。
【0036】以上のように、ヒストグラムが作成された
後、D/A変換器52を介して、表示器54に、本実施
例の頻度グラフがパワースペクトル又は擬似パワースペ
クトルとして表示される。その表示例が図3に示されて
いる。ここで、度数(パワーに相当)は輝度として表さ
れている。
【0037】次に、図4及び図5を用いて、第2実施例
について説明する。
【0038】上述のように複数個のドプラ偏移情報を用
いてヒストグラムを作成する場合において、それらのド
プラ偏移情報を含んでいた各受信信号の振幅値が一定で
あるとみなせなければ、ヒストグラムがパワースペクト
ラムに相当するとの仮定が成り立たなくなる。
【0039】そこで、図4に示す第2実施例では、一対
のA/D変換器36の出力信号から受信信号の振幅値を
求める振幅値演算回路56と、振幅値に基づきヒストグ
ラムに対して重み付けを行う重み付け回路58と、が設
けられている。
【0040】すなわち、アキュムレータ48では、図2
に示した各区間毎に度数カウントを行っているが、重み
付け回路58はそのカウント値に重み付けを行ってい
る。例えば、振幅値自体を加算してヒストグラムを形成
してもよい。その重み付けされたヒストグラムが図5に
示されている。ここで、縦軸は振幅値を累積加算したも
のである。
【0041】このような重み付けによれば、ドプラ偏移
情報をヒストグラム値(度数)に反映させる場合に、受
信信号のレベルに応じた値が加算されるので、最終的に
作成されるヒストグラムに各受信信号のパワーの大きさ
を反映させることができる。よって、そのように作成さ
れたヒストグラムは、パワースペクトラムに相当するも
のであるといえる。なお、この図4に示した第2実施例
は、上述の単サンプル点モード及び複数サンプル点モー
ドのいずれのモードにも適用させることができる。ま
た、図3に示したような表示を行うことができる。
【0042】単サンプル点モードでは、計測に時間的な
幅が生じてしまうものの、計測対象の空間的な広がりを
最小限にしつつ、注目する点についてのヒストグラムを
作成できる。一方、複数サンプル点モードでは、超音波
ビームに沿った空間的な計測対象の広がりが生じるもの
の、より少ない送受波で空間的速度分布を作成できると
いう利点がある。
【0043】なお、パワースペクトラムと共に二次元ド
プラ画像を表示する場合には従来同様に自己相関回路を
別途設ければよい。広義の意味の位相差分演算には、自
己相関演算が含まれるが、本実施例の位相差分演算回路
は1つのRAMと1つの加算器(減算器)で構成でき、
極めて構成が簡易化されている。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
パワースペクトラムに相当するヒストグラムを簡易な構
成で迅速に作成できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る超音波ドプラ診断装置の全体構成
を示すブロック図である。
【図2】ドプラ偏移情報によって作成されるヒストグラ
ムを示す説明図である。
【図3】パワースペクトルの表示例を示す図である。
【図4】重み付けヒストグラムを作成する構成を示す図
である。
【図5】重み付けヒストグラムを示す図である。
【図6】単一のサンプル点とサンプル点群を示す図であ
る。
【図7】パワースペクトラムを示す図である。
【図8】パワースペクトラムの表示例を示す図である。
【図9】従来例を示す図である。
【符号の説明】
38 逆正接回路 40 位相差分演算回路 42 ディレーライン 44 加算器(減算器) 46 ヒストグラム作成回路 48 アキュムレータ 50 移動平均回路 56 振幅値演算回路 58 重み付け回路

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 検波後の受信信号間で位相差分演算を行
    い、ドプラ偏移情報を求める位相差分演算回路と、 複数個の前記ドプラ偏移情報に基づき、ドプラ偏移の大
    きさ毎の度数をグラフ化したヒストグラムを作成するヒ
    ストグラム作成回路と、 を含むことを特徴とする超音波ドプラ診断装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の装置において、 前記複数個のドプラ偏移情報は、同一サンプル点に対す
    る複数回の送受波により得られることを特徴とする超音
    波ドプラ診断装置。
  3. 【請求項3】 請求項記載の装置において、 前記複数個のドプラ偏移情報は、同一超音波ビーム上に
    隣接設定されたサンプル点群に対する送受波毎に得られ
    ることを特徴とする超音波ドプラ診断装置。
  4. 【請求項4】 請求項2又は3記載の装置において、 前記受信信号の振幅値を演算する振幅値演算回路を含
    み、 前記ヒストグラム作成回路は、振幅値の大きさに基づき
    重み付けを行いつつ前記ヒストグラムを作成することを
    特徴とする超音波ドプラ診断装置。
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KR102811568B1 (ko) 2022-11-25 2025-05-26 (주)알앤에스랩 혈관 모니터링을 위한 초음파 센서 및 그 제어방법

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