JPH012629A - 超音波血流観測装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、超音波ドプラ法により被検体のおる深さにお
ける血流情報を得る超音波血流Ｍ測装置に関し、特に、
被検体の任意の深さで高精度の血流情報を得ることを可
能にした超音波面′ｅＬＭ測装置に関する。

（従来の技術） 超音波ドプラ法は、超音波か移動物体により反則される
と反則波の周波数か上記移動物体の移動速度に比例して
偏移することを利用したもので、超音波のレートパルス
或いは連続波を生体内に送波し、そのエコーの位相変化
によりドアラ効果による周波数偏移を１ｑると、そのエ
コーを得た深さ位置における上記移動物体の運動情報を
１７ることができるようにしたものである。例えば、生
体内における一定位置での血流の状態（流れの向き。

流れの状態（乱れているか、整っているか）、流れのパ
ターン、速度の絶対値）などつまり血流情報を観測する
ことができる。

第８図に示すように、探触子から、生体（被検体）内の
血流方向に対して送信周波数ｆｏなる超音波ビームを大
剣角度θで照射した場合、周波数ｆＯは移動速度（流速
）■を持つ物体から反射されるときに周波数偏移を受け
ることになる。

偏移した周波数（受信信号の周波数）をｆｏ′とすると
、送信周波数ｆｏと偏移した周波数ｆｏ′との間は、下
記（１）式が成立つ。

（以下余白） ここで、Ｃは超音波の生体内での音速である。

一般に、生体内の音速は、血流速度■より十分に大きい
ため、近似的にドツプラ偏移周波数ｆｄ（＝ｆｏ’　　
ｆｏ＞は下記（２）式で表わされる。

通常の超音波血流観測装置では、上述したドツプラ偏移
周波数ｆｄを表示しているものである。

ここで、送信信号として高周波パルスを使用しているパ
ルスドプラ法では、送信スペクトルが送信周波数ｆｏを
中心にパルス繰返し周波数（レートパルス）ｆｐｕおき
に存在するため、それぞれスペクトルに対して受信信号
が発生し、ｆ（１十ｎｆｐｙにおけるドプラ信号は上記
（２）式を変形した下記（３）式で表わされる。

・・・（３） ただし、ｎは整数である。

パルスドツプラ法では、Ｓ／Ｎ比の許容範囲内で各ｆ□
＋ｎｆｐｇにおけるドツプラ成分子ｄｎを任意に選択で
きる。一般的には、高周波領域のドツプラ成分を可聴領
域に復調するときの参照周波数ｆＲにより、どのドプラ
成分を抽出するかが定まる。（ｑられたドプラ信号は、
下記（４）式で表わされる。

上記によれば、参照周波ｒｉｆ　Ｒとしては、受信スペ
クトルの最もＳ／Ｎ比の高い周波数に設定することが望
ましく、また、パルス繰返し周波数ｆＰＲＦと参照周波
数ｆＲとの位相関係が時間的に変化すると、ドツプラ偏
移周波数として検出され、不要なノイズ源となるため、
パルス繰返し周波数ｆｇと参照周波数ｆＲとは完全に同
期していることが必要である。

従来、この種の超音波血流観測装置では、そのパルス繰
返し周波数ｆ阿及び参照周波数ｆＲの生成を、第９図に
示すように、基準クロックｆＢを発生する発振器１．こ
の発振器１からの出力で必る基準クロックｆＢを１／ｍ
で分周してパルス繰返し周波数ｆｐｗ（＝ｆｅ／ｍ＞を
生成する分周回路２．及び発振器１からの出力である基
準クロックｆＢを１／ｎで分周して参照周波数ｆＲ（＝
ｆｅ／ｎ）を生成する分周回路３による基準信号発生部
により行っていた。但し、ｍ、ｎは整数である。

ここで、参照周波数ｆＲは上述したように受信スペクト
ルの最もＳ／Ｎ比の高い周波数に設定することが望まし
いが、第６図に示すように参照周波数ｆＲは、基準クロ
ックｆＢを分周回路３により分周して生成しているため
、参照周波数ｆＲを細かいステップで可変するためには
、基準クロックｆＢを高周波化しなければならず、回路
規模の増大化、ノイズの増大化を招く等の問題が生じる
ことになった。

また、パルス繰返し周波数ｆ　ＰＲＦと参照周波数ｆＲ
とを同期させるためには、 ｆＲ／ｆｐＲＦ−ｍ／ｎ−整数 という関係が必要であり、ｍ、ｎの設定つまりパルス繰
返し周波数ｆ　ＰＲＦと参照周波数ｆＲとの値に制約が
生じることになる。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来の超音波血流観測装置では、参照周波数
ｆＲとパルス繰返し周波数ｆ　ＰＲＦとを基準クロック
の分周により生成しているので、参照周波数ｆＲが所望
値のものが選定できず、また、参照周波数ｆＲとパルス
繰返し周波数’ｆＦ９Ｆとの同期が難しく、このため、
所望の深さでの高精度の血流観測が行われない、という
問題点があった。

そこで本発明の目的は１．参照周波数を最適な値に設定
でき、所望の深さで高精度の血流観測が行われる超音波
血流観測装置を提供することにおる。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、被検体内に超音波を送受波し、この送受波に
よる散乱超音波を含んだ高周波領域のドプラ成分を基準
信号発生部から与えられる参照信号により可聴領域に復
調し、該復調信号を周波数分析することにより上記参照
信号で規定される上記被検体内の深さでの血流情報を得
る超音波血流観測装置において、上記基準信号発生部を
、所定周波数の基準クロックを発生する発振器と、この
発振器の出力又はこの発振器の出力を分周回路により分
周した出力を入力しこの入力周波数に周波数同期し且つ
入力周波数に対して倍率可変の出力周波数を有する信号
を生成し一ト記参照信号として出力するフェーズ・ロッ
クド・ループ回路によって１１η成し、前記周波数分析
された信号のスペクトル強度を積分演算してその演算結
果を前記基準信号発生部にフィードバックする参照信号
補正演算回路を設けたものでおる。

（作　用） このように本発明では、参照周波数ｆＲを、フェーズ・
ロックド・ループ回蕗に基準クロックを入力して周波数
シンセサイザ方式により生成するようにしているので、
参照周波数ｆＲとパルス繰返し周波数ｆＰＲＦとの同期
が容易であり、しかも参照信号補正演算回路によって参
照信号を最適値となるようにしたので、所望の深さで高
精度の血流観測が行われるという作用を有する。

（実施例） 以下本発明に係る超音波血流観測装置の一実施例を図面
を参照して説明する。

第１図は本発明の構成ブロック図である。同図において
１０は、超音波振動子を多数配列した電子走査用超音波
探触子であり、基準信号発生部１１で作成されたパルス
繰返し周波数ｆＰＲＦを送信パルス発生回路１２及び送
波回路１３を介して入力することにより超音波を送波す
る。超音波受波処理系は、血液処理系とＢモード処理系
とに分けられており、Ｂモード処理系は、受波回路２１
び検波回路２２を介して信ｑの処理が行われ表示装置２
０に入力される。

血液処理系は受波回路１４からの信号を２個の混合器１
６ａ、１６ｂに入力し、更にそれぞれレンジゲート回路
１７ａ、１７ｂ及びバンドパスフィルタ１８ａ、１８ｂ
を介して処理し、これらの出力を周波数分析器１９で分
析し、その結果を表示装置２０に入力する。ここで、前
記基準信号発生部１１は参照信号ｆＲを出力し、この参
照信号ｆＲが移相器１５で９０°位相の異なる２個の信
号に変換されてそれぞれ各混合器１６ａ、１６ｂに入力
される。前記移相器１５は、前記探触子１０に対して近
づく方向の血流と遠ざかる方向の血流とを分離するため
に９０’位相の異なる信号を作成するものであり、参照
信号ｆＲを一旦４倍（４ｆＲ）にし、それを４分周した
信号を作り、２つの位相の異なる信号を作成するように
している。

そして、前記基準信号発生部１１に対しては、前記周波
数分析器１９からの出力信号に基づいて参照信号ｆＲの
補正を行うための信号ｎを出力する参照信号補正演算回
路５が接続されている。この参照信号補正演算回路５は
生体現像測定器６からの生体拍動信号に基づく同期信号
が入力されており、この同期信号に同期して演算が行わ
れるようになっている。

次に前記各ブロックのうち本発明の主要部を成すブロッ
クの詳細について順次説明する。

第１図における基準信号発生部１１は、第２図に示すよ
うに、基準クロックｆＢを発生する発振器１と、この発
振器１からの出力である基準クロックｆＢを１／ｍで分
周してパルス繰返し周波数ｆｐｉ（＝ｆｓ／ｍ）を生成
する分周回路２と、発振器１からの出力である基準クロ
ックｆＢを入力して周波数同期の参照周波数ｆＲ（＝ｎ
ｆＢ　、＝ｍｎｆｐ！Ｆ＞を出力可るフェーズ・ロック
ド・ループ回路（ＰＬＬ回路）４とにより構成されてい
る。

ここで、フェーズ・ロックド・ループ回路（ＰＬＬ回路
）４は、第３図に示すように、位相比較器４ａ、ローパ
スフィルタ４ｂ、電圧制御発振器４ｃ、分周回路４ｄに
より構成されており、入力信号である基準クロックの周
波数ｆＢの位相と、１／ｎの分周を行う分周回路４ｄの
出力の周波数の位相とを比較し、その誤差に比例した電
圧を発生し、ローパスフィルタ４ｂを介して電圧制御発
振器４Ｃに制御入力として与える。電圧制御発振器４Ｃ
の出力つまり参照周波数 ｆＲ（＝ｎｆｓ　、＝ｍｎｆ阿）としては、基準クロッ
クと電圧制御発振器４ｃの発振周波数差並びに位相差を
低減する方向に出力周波数を変化させるようになってい
る。ここで、分周回路４ｄの分周比１／ｎを可変するこ
とで参照周波数ｆＲも対応してステップ的（ｆＲ＝ｎｆ
Ｂ＞に可変することができる。

第２図及び第３図の”構成では、基準クロックの周波数
ｆｅを下げることによって参照周波数ｆＲの可変ステッ
プを細かくすることが可能である。

次に第５図を参照して前記参照信号補正演算回路５の詳
細構成と、前記基準信号発生部１１との接続関係を説明
する。

参照信号補正演算回路５は、前記生体現像測定器６から
の信号によって同期がとられる演算制御回路５ａと、前
記周波数分析器１９からのスペクトルデータに対して周
波数軸及び時間軸の積分をそれぞれ行う周波数軸積分器
５ｂ、時間軸積分器５Ｃと、初期データ発生回路５ｄと
、この初期データと前記積分結果とにより分周データを
補正する分周データ補正回路５ｅとによって構成される
。

そして、各ブロックは演算制御回路５ａからの制御信号
によって制御されると共に、各演算結果やデータは制御
回路内のメモリにストアされるようになっている。

そして、前記分周データ補正回路５ｅからの出力ｎが前
記ＰＬＬ回路４内の分周回路４ｄの分周比制御端子に入
力されるようになっている。

尚、ＰＬＬ回路４と、前記参照信号補正演算回路５とを
関連付けるため、ＰＬＬ回路４内に位相ロック検出回路
４ｅが付加され、その出力が前記演算制御回路５ａに印
加されるようになっている。

次に、前記構成装置の動作を説明する。

基準信号発生回路１１より送信パルス発生回路１２にパ
ルス繰返し周波数ｆ膚（＝ｆＢ／ｍ＞が与えられると、
この送信パルス発生回路１２は、これを分周して超音波
パルスを繰返して送波するためのレート信号をつくる。

このレート信号は、送波回路１３に与えられて探触子１
０の各振動子を遅延制御のもとで駆動し、超音波パルス
を図示しない生体に送波する。

一方、生体、特に予定の血流観測部位からの反射波は、
同探触子１０の各振動子で受波され、それぞれ受波回路
１４で増幅されて混合器１６ａ。

１６ｂに受信信号として入力される。この混合器１６ａ
、１６ｂには、基準信号発生回路１１の出力つまり周波
数ｆＲの参照信号を９０度位相が異なる２つの参照信号
に変換する移相器１５からの責なる一方の参照信号がそ
れぞれ入力されており、それぞれぞの胃なる参照信号と
混合され、位相検波される。これにより、それぞれ参照
信号との差の信号か抽出され、レンジゲート回路１７ａ
。

１７ｂに入力されることになる。ここでは、９０度位相
差のある参照信号により、一方では速い方に周波数偏移
したものを、また他方では遅い方に周波数偏移したもの
かそれぞれ抽出されることになる。

このようにして抽出され位相検波された信号は、所定の
位置に対応した信号のみを取出すために時間ゲートをか
けてそのゲート内の信号を抽出するレンジゲート回路１
７ａ、１７ｂで切出される。

すなわち、観測部位の位置に相当する位置の信号を取出
すべくレンジゲートをかけて該位置に対する信号を抽出
する。その後、大きなエコーの臓器の壁などの影響を取
除ぎ且つレンジゲートによる高調波を取除くためにバン
ドパスフィルタ１８ａ。

１８ｂを通し、そして周波数分析器１９に送られる。周
波数分析器１９では、周波数分析が行われ、両信号によ
りレンジゲート内でのエコーの周波数偏移の分布が解析
される。この解析結果は、ＴＶモニタ等の表示装置２０
に送られ、ここで＋ｒｕ流情報か表示されることになる
。

一方、Ｂモード信号処理系では、受信信号が受波回路２
１に与えられ、この受波回路２１の出力を対数特性を有
する検波回路２２で検波して、断層像情報を上述の血流
情報と共に表示菰首２０に表示する。

次に第６図及び第７図のフローヂｒ□　−トをも参照し
て前記参照信号補正演算回路５による補正動作を説明す
る。

図示しない操作手段によって参照信号補正演算回路５を
起動させた場合、まず補正演算回路５の初期データ発生
回路５ｄより、超音波探触子１０の送信周波数に応じた
参照信号を発生するための分周データｎの初期値ｎｏが
発生し、補正演算回路５を通してＰＬ１回路４の１／ｎ
分周回路４ｄに与えられる。

この時、ＰＬＬ回路４では参照信号ｆＲがｆＲ＝ｎ□　
ｆＢとなるにうに動作し、位相比較器４ａにおける位相
がロックしてｆＲが安定して発（辰していることを示す
信号が補正演算回路５の演算制御回路５ａにあたえられ
る。

本回路部ではこの信号を受けて補正演算回路の初則演弁
が開始される。位相ロック検出信号によって補正演算を
制御しているのは、ＰＬＩ−回路にｄ３いて分周比ｎを
変えて発振周波数を変えた場合、発（辰周波数が安定す
るまで過渡現象が発生するため、この間の補正演算を禁
止するためでおる。

補正演算回路５では、ドプラ信号の周波数分析器１９よ
り得られたスペクトルデータを周波数軸方向及び時間軸
方向に積分する。これによって得られた値はドプラ信号
の周波数軸及び時間軸方向の平均強度を示してあり、こ
の値を分周比ｎｏに対する平均強度として演算回路の内
部にストアされる。

次にＰＬＩ−回路の分周比を初期値ｎｏに対して少しず
つ変えて分周回路に設定してやることにより、参照信号
ｆＲの周波数を少しずつ変えて、位相ロック検出信号に
よって発振周波数が安定したことを認識する毎に上記と
同じ積分演算を繰返す。

このようにして参照信号の周波数を微調整しなからドプ
ラ信号の平均強度を算出し、平均強度か歳も高くなる参
照信号の周波数を求め、その時の分周比ｎを補正演算回
路５より設定し直して自動設定動作を停止させる。

以上の回路動作によって、最もＳ／Ｎ比の高いドプラ信
号か得られる周波数に参照信号の周波数を自動設定する
ことができる。

尚、上記の積分演算を心電図等の生体信号に同期さけて
演算することによって平均強度算出の粘度を上げること
ができる。

以上のように本実施例によれば、Ｐ　Ｌ　Ｌ回路４の分
周回路４ｄの分周比を可変することで参照信号の周波数
ｆＲをほぼ任意に設定でき、且つ分周回路２とＰＬＬ回
路４とが同一人力でおることから、参照信号の周波数ｆ
Ｒはパルス繰返し周波数ｆｍと同期が取られ且つ参照信
号の周波数ｆＲは、受信スペクトルの最もＳ／Ｎ比の高
い周波数に設定可能となる。これにより、超音波の生体
内での高周波成分の減衰特性を考慮し、観測部位位置が
深くなるに従って参照信号の周波数ｆＲを下げて行くこ
とで、任意の深さで高精度の血流情報が観測できるよう
になる。

尚、基準信号発生部１１としては、第４図に示すように
、発振器１からの出力である基準クロックｆＢを１／ｍ
で分周してパルス繰返し周波数ｆＰＰＦ（＝ｆｓ／ｍ）
を生成する分周回路２の出力を、フェーズ・ロックド・
ループ回路（ＰＬＬ回路）４の入力として構成してもよ
い。この構成では、パルス繰返し周波数ｆ阿と参照信号
の周波数ｆＲとの同期が完全となる。

［発明の構成］ 以上のように本発明では、参照周波数ｆＲを、フェーズ
・ロックド・ループ回路に基準クロックを入力して周波
数シンセサイザ方式により生成するようにしているので
、発振器の出力周波数を低くしても参照周波数ｆＲが所
望値のものが選定でき、また、参照周波数ｆＲとパルス
繰返し周波数ｆ　ＰＲＦとの同期が容易であり、よって
、所望の深さで高精度の血流観測が行われるという効果
がある。

また、本発明により、超音波の減衰特性の異なる生体内
のあらゆる部位において最適なドアラ信号が得られる参
照信号を自動的に発生することか可能になり、操作が簡
便になると同時に、超音波パルストアラ法による診断能
を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の全体のブロック図、第２図は第１図に
おける基準信号発生部の詳細ブロック図、第３図は第２
図におけるフェーズ・ロックド・ループ回路（ＰＬＬ回
路）の詳細ブロック図、第４図は本発明の他の実施例の
構成を示すもので基準信号発生部の詳細ブロック図、第
５図は前記第１図の参照信号補正演算回路の詳細構成と
ＰＬＬ回路との接続関係を示すブロック図、第６図及び
第７図は前記構成装置の作用説明のためのフローチャー
ト、第８図は血流観測の原理を示す図、第９図は従来例
を示すブロック図である。 １・・・発振器、２・・・分周回路、 ４・・・フェーズ・ロックド・ループ回路（ＰＬＬ回路
）、 ５・・・参照信号補正演算回路、 １０・・・電子走査用超音波探触子、 １１・・・基準信号発生部、 １２・・・送信パルス発生回路 １３・・・送波回路、１４・・・受波回路、１５・・・
移相器、１６ａ、１６ｂ・・・混合器、１７ａ、１７ｂ
・・・レンジゲート回路、１８ａ、１８ｂ・・・バンド
パスフィルタ、１９・・・周波数解析器、２０・・・表
示装置、２１・・・受波回路、２２・・・検波回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被検体内に超音波を送受波し、この送受波による
   散乱超音波を含んだ高周波領域のドプラ成分を基準信号
   発生部から与えられる参照信号により可聴領域に復調し
   、該復調信号を周波数分析することにより上記参照信号
   で規定される上記被検体内の深さでの血流情報を得る超
   音波血流観測装置において、上記基準信号発生部を、所
   定周波数の基準クロックを発生する発振器と、この発振
   器の出力又はこの発振器の出力を分周回路により分周し
   た出力を入力しこの入力周波数に周波数同期し且つ入力
   周波数に対して倍率可変の出力周波数を有する信号を生
   成し上記参照信号として出力するフェーズ・ロックド・
   ループ回路とによって構成し、前記周波数分析された信
   号のスペクトル強度を積分演算してその演算結果を前記
   基準信号発生部にフィードバックする参照信号補正演算
   回路を設けたことを特徴とする超音波血流観測装置。
2. （２）参照信号補正演算回路は、周波数スペクトル強度
   について周波数軸方向及び時間軸方向に積分演算して、
   その最大積分値に対応するデータを出力する特許請求の
   範囲第１項記載の超音波血流観測装置。
3. （３）参照信号補正演算回路は、被検体から得られる拍
   動信号に周期して演算を行う特許請求の範囲第１項記載
   の超音波血流観測装置。