JP2763155B2 - 運動する器官や血液の運動速度を超音波エコーグラフで測定する装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、サンプリング期間ΔＴで作動し、ｋΔＴ
（ｋ＝−I,−Ｉ＋１…,I）だけずれた２個の順次のエコ
ーグラフ信号に基づきｚ方向の2I＋１個の相関関数値を
発生する第１の相互相関回路（51_z）と、前記ｚ方向の
相関関数のうち最も大きな値に対応するｋに対する値I₀
を発生する第１の最大値検出回路（53_z）とによって、
超音波走査ビームの軸O_zに平行な軸方向速度成分V_zを測
定する運動する器官や血管の運動速度を超音波エコーグ
ラフで測定する装置に関するものである。

（従来の技術） 本発明は、例えば心臓壁のような運動する器官や血管
中の血液流を断層試験する分野において有利なものとし
て用いられる。

実際には、一般的に用いられているドップラ速度計
は、軸方向の移動速度だけを測定することができる。こ
の測定はエコーグラフ信号を処理する種々の方法で、特
に特開昭62−133944号公報に記載されている相関方法に
よって行なうことができる。この既知の方法は、運動す
る目標物から超音波トランスジューサに反射された順次
の超音波信号が以下の式に従うという事実を利用してい
る。

s_n+1＝S_n（ｔ−τ_ｚ） τ_ｚは以下の式で与えられる。

τ_ｚ＝2V_zT/C ここで、Ｔは回帰周期であり、ｃは音速である。

S_n（ｔ）とS_n+1（ｔ）との間の相関関数は以下のよう
に規定される。

∫S_n+1（ｔ＋ｕ）S_n（ｄ）dt＝C_nn（ｕ−τ_ｚ） 関数C_nn（ｕ−τ_ｚ）は自動相関関数であり、従って
ｕ＝τ_ｚのとき最大となる。よって、時間変位τ_ｚの測
定、つまり軸方向速度V_zの測定は、相関関係が最大とな
る因子ｕを検出することにより行なうことができる。こ
のため、相関関数は、サンプリング期間ΔＴを用い期間
−ＩΔＴと＋ＩΔＴとの間で１ステップ毎にサンプリン
グされる。2I＋１個の相関関数値のうちｕ＝I₀ΔＴに対
応する最大値により、以下の式を用いて軸方向速度V_zを
測定することができる。

V_z＝I₀CΔT/2T 上記公開公報には、サンプリング期間中における相関
関数の最大値を決定するのに固有な誤差を除去するた
め、相関関数値に基づき軸方向速度を一層精確に評価す
る補間回路を用いるのが有利であることが述べられてい
る。

しかしながら、この既知の測定装置では、運動する器
官や血液流の移動速度の直交する成分V_x及びV_yに関する
情報を全く発生させていない。

本発明が解決しようとする技術的課題は、超音波エコ
ーグラフを用いて、運動する器官や血液流の移動速度の
軸方向成分V_zだけでなく直交する成分V_x,V_yも測定でき
る測定装置を実現することである。

この技術的課題を解決するため、本発明による測定装
置は、軸O_zと主に三次元系を構成する軸O_x,O_yの原点に
芯立てされたピエゾ電気トランスジューサから成る二次
元モザイク配列（10）と、 k_x＝−N_x,−N_x＋1,…,N_xとし、p_xをｘ方向向のチャネ
ルのピッチとした場合に点（k_xp_x,O,O）に芯立てされる
と共に、k_y＝−N_y,−N_y＋１…,N_yとし、p_yをｙ方向のチ
ャネルのピッチとした場合に点（O,k_yp_y,O）に芯立てさ
れたビームに対応する２（N_x＋N_y）＋１個の受波チャネ
ルを形成する回路（20）と、 I₀−I,I₀,I₀＋１のｋの値について２（N_x＋N_y）＋１
個の受波チャネルの各々によって受波されたエコーグラ
フ信号を記憶するバッファメモリ（50）と、 中心受波チャネル（0,0,0）によって受波された信号
と受波チャネル（k_xp_x,O,O）及び（O,k_y,p_y,O）によっ
てそれぞれ受波された次の信号の間の相互相関を形成し
て、３個の相互相関関数C_x（k_xp_x,O,（I₀−１）Δ
Ｔ）、C_x（k_xp_x,O,I₀ΔＴ）、C_x（k_xp_x,O,（I₀＋１）Δ
Ｔ）及びC_y（O,k_yp_y,（I₀−１）ΔＴ）、C_y（O,k_yp_y,I₀
ΔＴ）、C_y（O,k_yp_y,（I₀＋１）ΔＴ）をそれぞれ発生
する第２の相互相関回路（51_x）及び第３の相互相関回
路（51_y）と、 前記３個の相互相関関数に基づいてｘ方向の相関ピー
クC_x（k_xp_x）及びｙ方向の相関ピークC_y（k_yp_y）をそれ
ぞれ発生するｘ方向用（53_x）及びｙ方向用（53_y）の線
形補間回路と、 2N_x＋１個のk_x値及び2N_y＋１個のk_y値に基づき、相関
ピークC_x（k_xp_x）及びC_y（k_yp_y）がそれぞれ最大となる
k_x0値及びk_y0を発生する第２（54_x）及び第３（54_y）の
最大値検出回路とを具え、Ｔをエコーグラフ信号の回帰
周期とした場合、速度成分V_x及びV_yが式、 V_x＝k_x0p_x/T V_y＝k_y0p_y/T を満足するように構成したことを特徴とする 速度成分V_x,V_y及びV_zから成る速度Ｖを有する散乱点
がx,y,zの座標点の三次元系O_xyz内に位置するものとす
る。ここで、ｚは走査深さである。モザイク配列の点
（O,O,O）に芯立てされたチャネルによって受信される
ｎ番目のエコーグラフ信号は、以下の式で与えられる。

S_n（O,O,t）＝∬ｐ（x,y,t）D_n（x,y）dxdy ここで、ｐ（x,y,t）はビームの回折応答であり、D_n
（x,y）は瞬時nTにおける媒質の散乱応答である。D
_n（x,y）は以下の回帰関係を満足する。

D_n+1（x,y）＝D_n（ｘ−V_xT,y−V_yT） この結果、次式が成立する。

S_n+1（x,y,t）＝S_n（ｘ−V_xT,y−V_yT,t−2V_zT/C） 信号S_n（O,O,t）及びS_n+1（O,O,t）に対する相互相関
関数は次式で与えられる。

C_nn+1（O,O,u）＝∫S_u（O,O,t）S_n+1（O O＋ｕ）dt ＝∫S_u（O,O,t）S_n（−V_xT,t−2V_z T/C＋ｕ）dt ＝C_nn（−V_xT,−V_yT,u−2V_z T/C） 変数ｕに対してC_nnは、ｕ＝2V_z T/Cのとき最大値を占
める自動相関関数となる。従って、軸方向速度V_zを測定
する上述した測定方法に基づく同一の概念に到達する。
すなわち、2I＋１個のサンプル点をステップΔＴでサン
プリングし相互相関関数に対して最も大きな値を占める
値I₀を検出することである。

モザイク配列の（k_xp_x,O,O）点に芯立てされたチャネ
ルで受波されるｎ番目のエコーグラフ信号について考え
る。

S_n（k_xp_x,O,t）＝∬ｐ（ｘ−k_xp_x,y,t）D_n（x,y）dt 信号S_n（O,O,t）及びS_n+1（k_xp_x,O,t）に対する相互
相関関数は次式で与えられる。

C_nn+1（k_xp_x,O,u）＝∫S_n（O,O,t）S_n+1 （k_x,p_x,O,t＋ｕ）dt＝∫S_n（O,O,t）S_n （k_x,p_x,−V_xT,−V_yT,t−2V_z T/C＋ｕ）dt ＝C_nn（k_xp_x−V_xT,−V_yT,u−2V_z T/C） 測定感度を一層高感度なものとするため、所望する場
合２個の順次の信号ｎとｎ＋１との間の相互相関関数値
をアキュミレータで累算することができる。

C_x（k_xp_x,O,u） ＝Σ_nC_n（k_xp_x−V_xT,−V_yT,u−2V_z T/C） ｘにおけるこの相関関数は、ｕ＝2V_z T/Cのとき最大
となる。

この最大値C_x（k_xp_x,O,2V_z T/C）は、ｕについてI₀Δ
Ｔを中心にしてサンプルした３個の値、すなわち（I₀−
１）ΔＴ、I₀ΔＴ、（I₀＋１）ΔＴに基づき線形補間に
よって決定される。関数C_x（k_xp_x,O,2V_z T/C）＝C_x（p_x
k_x）はｘにおける自動相関関数となり、従ってk_xp_x−V_x
T＝０のとき最大となる。2N_x+1個のk_xの値についてサン
プリングすると共に最大値を検出することにより、C
_x（k_xp_x）の最も大きな値を発生させる値k_xoを決定する
ことができる。

従って、ｘ方向に沿う速度V_xは、 V_x＝k_xop_x/Tとなる。

ｙ方向に沿う直交方向速度も同様に表示でき、以下の
ように表示される。

V_y＝k_yop_y/T ここで、k_yoはｙ方向に沿う相互相関関数の最大値に
対応し、以下の式で表わされる。

C_y（p_yk_y）＝C_y（O,k_yp_y,2V_z T/C） C_y（O,k_yp_y,u）＝Σ_nC_nn（−V_xT,k_yp_y−V_yT,u−2V_z T/C） ＝Σ∫S_n（O,O,t）S_nn（O,k_yp_y,t＋ｕ）dt 軸方向速度V_zに関する限り、直交速度成分V_z,V_yにつ
いて監視サンプリングによって生ずる誤差による影響を
受けない一層精確な評価を得ることができる。この目的
を達成するため、上記第２及び第３の最大値検出回路の
後段に第１及び第２の補間回路をそれぞれ接続する。こ
れら補間回路は、相互相関関数C_x（k_xp_x）及びC_y（k
_yp_y）がそれぞれ最大となる値k_xmax及びk_ymaxをそれぞ
れ発生する。従って、直交速度成分は以下の式を満足す
る。

V_x＝k_xmax p_x/T V_y＝k_ymax p_y/T 簡単な構成とするため、第1,第２及び第３の相互相関
回路は、信号S_n及びS_n+1が超音波信号パルスで再処理さ
れるように１ビット相関器で構成する。この場合、相関
関数のピークは二等辺三角形の形態を有する。第１及び
第２の補間回路か、相関ピークを完全に再構成するため
に、つまりk_xmax及びk_ymaxの値を精確に決定するため最
高点及びその２個の隣接部に基づいて線形補間するよう
に構成することも可能である。

超音波ビームと直交する方向の速度Ｖ_x,yが50cm/秒程
度で１周期が200μ秒の場合、量Ｖ_x,yＴは約0.1mmとな
る。２個の順次のビーム間のピッチp_x又はp_yはそれぞれ
同じ値を有する必要がある。実際には、ビーム間ピッチ
は、実際に5Hzで作動するトランスジューサの線形アレ
イにおいては約0.3mmである。この値は0.1mmのビームピ
ッチのアレイを実現する上で極めて良好な数値である。
しかし、ビームを形成するための複雑な電子回路が必要
となると共に受波の際に必要な低ノイズ性能に適合しな
い高インピーダンスモジュールを使用する必要もある。
この欠点を解消するため、バッファメモリの前段に補間
器を接続してピッチp_x及びp_yを1/nに減少させるのが有
利である。この数値列においてｎを３に等しくすると有
利である。一方、この説明において、ピッチp_x及びp_yは
ｘ方向及びｙ方向のビームの実際のピッチ又はｎで分割
されたピッチと称する。

（実施例） 以下図面に基づき本発明を詳細に説明する。

第１図は、超音波エコグラフィによって運動する器官
や血液の移動速度V_x,V_y成分を測定する装置の構成を示
すブロック線図である。この測定装置はピエゾ電気的ト
ランスジューサの二次元モザイク配列10を有し、このモ
ザイク配列の中心を軸O_x及びO_y座標系の原点に配置す
る。軸O_x及びO_yは紙面と直交するｚ軸（図示せず）と共
に三次元系を構成し、軸O_zは超音波走査ビームの方向を
規定する。チャネルを構成する回路20は、中心が（k
_xp_x,O,O）に位置するビームに対応する２（N_x＋N_y）＋
１＝５個の受波チャネル（この場合、N_x＝N_y＝１を選択
する）を構成する。ここでk_x＝−1,0,1であり、（O,k_yp
_y,O）においてk_y＝−1,O,1である。このようにして規定
された５本のビームは、第１図に示すモザイク配列10の
５個の区域によって決定される。本例においてはピッチ
p_x及びp_yが等しく選択されているから、上記区域は正方
形なる。５個のチャネル芯号e_x（k_xp_x,k_yp_y,t）を回路3
0において通常の方法で処理して固定エコーを除去す
る。必要な場合は、ピッチを例えば1/3に減少させる処
理は得られた信号ｅ′_ｎ（k_xp_x,k_yp_y,t）について線形
補間装置40で行ない、この線形補間装置から以下の式に
従う信号ｅ″_ｎを出力する。

ｅ″_ｎ（k_xp_x/3,k_yp_y,t） ＝1/3 e′_ｎ（k_xp_x,k_yp_y,t）＋2/3 3e′_ｎ（O,O,t） ＝S_n（k_xp_x,k_yp_y,t） 信号S_n（k_xp_x,k_yp_y,t）をバッファメモリ50に記憶す
る。

第２図に軸方向速度V_zを決定する処理チャネルを示
す。バッファメモリ50から取出した信号S_n（O,O,t）と
信号S_n+1（O,O,t）とを例えば１ビット型相関回路51_zに
より相関させ、サンプリング期間ΔＴで2I＋１個につい
てサンプリングする。各サンプルｋ＝−I,−Ｉ＋1,…I,
について、相互補間関数C_nn+1（O,O,kΔＴ）をアキュミ
ュレータ52_zにおいてｎに従って累算する。

次に、最大値検出回路53_zから、相関関数C_z（O,O,kΔ
Ｔ）の最も大きな値に対するサンプルのI₀値を発生す
る。このI₀値は、直交方向速度を測定する間に後で用い
るためにバッファメモリ50に記憶する。軸方向速度V_zの
近似値は、V_z＝CI₀ΔT/2Tによって与えられる。より一
層精確なV_zの値を得るため、I₀−1,I₀,I₀＋１について
３個の相関関数の値に基づいて線形補間を行いｋの絶対
最大値及び対応値を見い出すことができ、この値をk_max
とすると、V_zはCk_maxΔT/2Tとなる。

第３図は直交方向の速度成分V_xを測定する処理チャネ
ルを示す線図である。尚、ｙ方向の速度成分についても
同一の方法で同様な処理を行なうことにより速度成分V_y
を決定できると理解すべきである。

ｍ＝I₀−1,I₀,I₀＋１とした場合に信号S_n（O,O,t）と
S_n+1（k_xp_x,O,mΔＴ）に基づき相関器51_x（例えば１ビ
ット型とする）は３個の相関関数C_n+1（k_xp_x,O,mΔＴ）
を求め、一旦これらの値をアキュミュレータ52_xで累算
して相互相関関数C_x（k_xp_x,O,mΔＴ）を発生する。次に
線形補間関数53_xが相関ピークC_x（k_xp_x）を演算する。
この相関ピークは、（I₀−１）ΔＴと（I₀＋１）ΔＴと
の間の値であるｕについてC_x（k_xp_x,O,u）の最大値に対
応する。

最大値検出回路54_xは,k_xのうち相関ピークC_x（k_xp_x）
の最も大きな値を与える値k_xoを決定する、速度成分V_x
の近似値は以下の式で与えられる。

V_x＝k_xop_x/T 速度成分V_xについて一層高精度な値を得るため、相関
ピークの３個の値、C_x（k_xo−１）p_x）、C_x（k_op_x）、C
_x（（k_xo＋１）p_x）に基づいて線形補間を実行して、相
関ピークの最大値に対応する値k_xmaxを決定する。速度
成分V_xは以下の式で与えられる。

V_x＝k_xmaxp_x/T

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による測定装置のバッファメモリを除い
た構成を示すブロック線図、 第２図は軸方向速度成分用の処理チャネルの構成を示す
ブロック線図、 第３図は直交速度成分用の処理チャネルの構成を示すブ
ロック線図である。 10……モザイク配列 20……チャネル形成回路 30……固定エコー除去回路 40……線形補間回路 50……バッファメモリ 51……相関器 52……アキュミュレータ 54……最大値検出回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01S 15/50 G01S 7/523 A61B 8/00 - 8/08

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】運動する器官や血液の運動速度を超音波エ
   コーグラフで測定する装置であって、サンプリング期間
   ΔＴで作動し、ｋΔＴ（ｋ＝−I,−Ｉ＋１…,I）だけず
   れた２個の順次のエコーグラフ信号に基づきｚ方向の2I
   ＋１個の相関関数値を発生する第１の相互相関回路（51
   _z）と、前記ｚ方向の相関関数のうち最も大きな値に対
   応するｋに対する値I₀を発生する第１の最大値検出回路
   （53_z）とによって、超音波走査ビームの軸O_zに平行な
   軸方向速度成分V_zを測定する運動する器官や血液の運動
   速度を超音波エコーグラフで測定する装置において、ｚ
   方向と直交する速度成分V_x,V_yを測定するため、 軸O_zと共に三次元系を構成する軸O_x,O_yの原点に芯立て
   されたピエゾ電気トランスジューサから成る二次元モザ
   イク配列（10）と、 k_x＝−N_x,−N_x＋1,…,N_xとし、p_xをｘ方向のチャネルの
   ピッチとした場合に点（k_xp_x,O,O）に芯立てされると共
   に、k_y＝−N_y,−N_y＋１…,N_yとし、P_yをｙ方向のチャネ
   ルのピッチとした場合に点（O,k_yp_y,O）に芯立てされた
   ビームに対応する２（N_x＋N_y）＋１個の受波チャネルを
   形成する回路（20）と、 I₀−1,I₀,I₀＋１のｋの値について２（N_x＋N_y）＋１個
   の受波チャネルの各々によって受波されたエコーグラフ
   信号を記録するバッファメモリ（50）と、 中心受波チャネル（0,0,0）によって受波された信号と
   受波チャネル（k_xp_x,O,O）及び（O,k_yp_y,O）によってそ
   れぞれ受波された次の信号の間の相互相関を形成して、
   ３個の相互相関関数C_x（k_xp_x,O,（I₀−１）ΔＴ）、C_x
   （k_xp_x,O,I₀ΔＴ）、C_x（k_xp_x,O,（I₀＋１）ΔＴ）及び
   C_y（O,k_yp_y,（I₀−１）ΔＴ）、C_y（O,k_yp_y,I₀ΔＴ）、
   C_y（O,k_yp_y,（I₀＋１）ΔＴ）をそれぞれ発生する第２
   の相互相関回路（51_x）及び第３の相互相関回路（51_y）
   と、 前記３個の相互相関関数に基づいてｘ方向の相関ピーク
   C_x（k_xp_x）及びｙ方向の相関ピークC_y（k_yp_y）をそれぞ
   れ発生するｘ方向用（53_x）及びｙ方向用（53_y）の線形
   補間回路と、 2N_x＋１個のk_x値及び2N_y＋１個のk_y値に基づき、相関ピ
   ークC_x（k_xp_x）及びC_y（k_yp_y）がそれぞれ最大となるk
   _x0値及びk_y0値を発生する第２（54_x）及び第３（54_y）
   の最大値検出回路とを具え、Ｔをエコーグラフ信号の回
   帰周期とした場合、速度成分V_x及びV_yが式、 V_x＝k_x0p_x/T V_y＝k_y0p_y/T を満足するように構成したことを特徴とする運動する器
   官や血液の運動速度を超音波エコーグラフで測定する装
   置。
2. 【請求項２】前記第２（54_x）及び第３（54_y）の最大値
   検出回路の後段に、相互相関関数C_x（k_xp_x）及びC_y（k_y
   p_y）がそれぞれ最大となるk_xmax値及びk_ymax値をそれぞ
   れ発生する第１（55_x）及び第２（55_y）の補間回路をそ
   れぞれ接続し、速度成分V_x及びV_yが式、 V_x＝k_xmax/T V_y＝k_ymax/T を満足するように構成したことを特徴とする請求項１に
   記載の運動する器官や血液の運動速度を超音波エコーグ
   ラフで測定する装置。
3. 【請求項３】前記第1,第２及び第３の相互相関関数を１
   ビット相関器で構成したことを特徴とする請求項１又は
   ２に記載の運動する器官や血液の運動速度を超音波エコ
   ーグラフで測定する装置。
4. 【請求項４】前記第１（54_x）及び第２（54_y）の補間回
   路が線形補間を実行することを特徴とする請求項２及び
   ３に記載の運動する器官や血液の運動速度を超音波エコ
   ーグラフで測定する装置。
5. 【請求項５】前記バッファメモリ（50）の後段に、ピッ
   チp_x及びp_yを1/nに減少させる直交方向用の補間器（4
   0）を接続したことを特徴とする請求項１から４までの
   いずれか１項に記載の運動する器官や血液の運動速度を
   超音波エコーグラフで測定する装置。
6. 【請求項６】前記チャネル形成回路に、固定エコーを除
   去する回路（30）を接続したことを特徴とする請求項１
   から５までのいずれか１項に記載の運動する器官や血液
   の運動速度を超音波エコーグラフで測定する装置。