JPH01291841A - パルスドプラ計測装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波により、物体の速度を検出する装置に関
し、とくに生体内の血流速度を実時間で計測する装置に
関する。

〔従来の技術〕

通常、計測できる最高ドプラ周波数は、送波バースト波
の繰り返し周期がＴのとき、１／２Ｔである。これに対
し、本発明者らが先に特開昭６２−１６９０７３号にて
提案した新パルスドプラ法によれば、送波バースト波の
繰返し周期を２種類（例えば、ＴとＴ　＋　Ｔ　ｓ　）
とすることにより、測定できる最高ドプラ周波数は１／
２ＴＳ　となることが知られている。これは従来の限界
をＴ　／　Ｔ　ｓ倍に拡大する方式である。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように、ドプラ周波数を計測することにより、ナイ
キストの限界を超える比較的高速の物体の速度を知るこ
とが可能である。ところが、人体内の血管、あるいは、
心臓内の血流を計測するには血管壁あるいは心ｒｉａ壁
などの壁の動きと血流とを分離するため、ＭＴＩ（固定
物除去）フィルタを用いている。

このＭＴＩフィルタにおける遅延時間としては１゛とＴ
　＋　Ｔ　ｓの和、すなわち２　Ｔ　＋　Ｔ　ｓの整数
倍の遅延時間かあるいはＴとＴ　＋　Ｔ　ｓの積、すな
わちＴ　（Ｔ　十Ｔ　ｓ）の整数倍の遅延時間を用いて
いる。

そのため、ＭＴＩフィルタの周波数特性として、前者の
場合、１　／　（２Ｔ　＋　Ｔｓ）の整数倍の周波数が
、後者の場合には１　／　Ｔ　（Ｔ　＋　Ｔ　ｓ）の整
数倍の周波数が零点周波数に相当する。零点周波数付近
では、ドプラ信号の振幅値が極めて小さくなることから
、ドプラ信号は信号対雑音比の劣化したものになるとい
う問題点が存在する。

本発明の目的は、このような従来の問題点を解決し、通
常の血流ならびにナイキスト限界を越える流速の血流に
対して信号対雑音比を改善することにより、正確なドプ
ラ周波数の測定が可能なパルスドプラ計測装置を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、ＭＴＩフィルタにおいて、フィルタの零点
を互いに補いあうことにより、零点を解消する構成とす
ることにより達成される。

そのために超音波パルスの送波を、Ｔ５ずつ異なる４種
類の送波間隔Ｔ　　Ｔｓ、　Ｔ、　Ｔ＋Ｔｓ、　Ｔ＋　
２　Ｔ　ｓ　とする。このとき、送波間隔Ｔ　　Ｔｓと
ＴにおけるＭＴＩフィルタの特性は同一のものとし、フ
ィルタの遅延時間はＴ　　ＴｓとＴの和である２ＴＴｓ
、送波間隔ＴとＴ　＋　Ｔ　ｓにおけるＭＴＩフィルタ
の特性は同一のものとし、フィルタの遅延時間はＴとＴ
＋　Ｔｓの和である２Ｔ＋Ｔｓ、そして送波間隔’ｒ＋
ＴｓとＴ　＋　２　Ｔ　ｓにおけるＭＴＩフィルタの特
性は同一のものとし、フィルタの遅延時間はＴ　＋　Ｔ
　ｓとＴ　＋２　Ｔ　ｓの和である２　Ｔ　＋　３　Ｔ
　ｓとしている。そして、Ｔ　　’ｒｓとＴに関する位
相差の差のベクトルＸｚ、ＴとＴ＋Ｔｓに関する位相差
の差のベクトルＸ２．Ｔ＋ＴｓとＴ　＋　２　Ｔ　ｓに
関する位相差の差のベクトルｘ３をそれぞれ求め、それ
らを加算平均した位相差の差の平均ベクトルＸを得る。

あるいは、上記各位相差の差のベクトルをパワーで正規
化したのち加算平均した位相差の差の平均ベクトルＸ′
を得る。最終的に、このベクトルＸ、あるいはＸ′から
ドプラ周波数を得る構成とする。

〔作用〕

送波間隔Ｔ　−Ｔ　ｓ　とＴに関するＭＴＩフィルタの
遅延時間を２　Ｔ　−Ｔ　ｓとしたことにより、このＭ
ＴＩフィルタの零点は１／　（２Ｔ　　Ｔｓ）の整数倍
の周波数に現われる。送波間隔ＴとＴ　＋　Ｔ　ｓに関
するＭＴＩフィルタの遅延時間を２Ｔ＋ＴＳとしたこと
により、このＭＴＩフィルタの零点は１／　（２Ｔ　＋
　Ｔｓ　）の整数倍の周波数に現われる。

また、送波間隔Ｔ　十Ｔ　ｓとＴ　＋　２　Ｔｓに関す
るＭＴＩフィルタの遅延時間を２　Ｔ　＋　３　Ｔ　ｓ
　としたことにより、このＭＴＩフィルタの零点は１／
（２Ｔ＋３Ｔｓ）の整数倍の周波数に生じる。これらの
零点は１／ＴＳの整数倍の周波数以外では互いに一致す
ることはない。そのため、ベクトルＸｌ　　（ドプラ信
号情報を含んでいる）が零点のせいで信号対雑音比が劣
化しても、ベクトルＸ２゜Ｘ３は零点の悪影響を受けな
いので、これら３者を加算平均した平均ベクトルＸは総
じて、信号対雑音比を劣化せずに済む。本方式ではこの
位相差の差の平均ベクトルＸからドプラ周波数を得るの
で正確なドプラ周波数を推定することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の原理および実施例を図面により詳述する
。まず本発明の概略構成と動作原理について述べる。

第１図は本発明の一実施例を示すパルスドプラ装置のブ
ロック図である。

本発明のパルスドプラ計測装置は、送波回路１、受波回
路２１位相比較器３、超音波探触子４、アナログ／デジ
タル（Ａ／Ｄ）変換器５、固定物除去（ＭＴＩ）フィル
タ６、自己相関器７，８、遅延素子（ＤＬ）９，１０，
１１，１２、加算器（Σ）１３．１４−１．１４−２、
角度検出器１５、除算器１６、制御装置１７と表示装置
１８から主に構成されている。送波回路１はＴｓずつ異
なる四つの送波間隔Ｔ　　Ｔｓ　、Ｔ、Ｔ＋Ｔｓ。

Ｔ＋　２　Ｔ　ｓの超音波パルスを超音波探触子４から
反射物体（例えば血球など）に向けて、繰返し送波する
。この送波間隔は制御装置１７により制御され、所望と
する任意の値に変更される。反射物体１９により反射さ
れた超音波パルスは受波回路２で受波される。受波され
た信号は、位相比較器３において参照信号α＝Ａｃｏｓ
ωＯｔとα′＝Ａ　ｓｉｎωｏｔとの位相比較が行なわ
れそれぞれ、出力ＶＲ，Ｖｒが得られる。いま反射物体
１９についての位相比較器３の出力をＡ／Ｄ変換器５に
よりＡ／Ｄ変換し、それらをＶＱｎ、ＶＩｎ　（ｎ　＝
＝　Ｌ　Ｈ２ｇ・・・）とそれぞれ表わすと、Ｖ　Ｒｎ
　ｙ　Ｖ　１　ｎは次式で示すことができる。

簡単のため、上式をまとめて、 Ｖｎ’　＝Ａｎ’　ｅｘｐ　Ｆθｎ）　　　　　　−（
２）と表わす。以後これをドプラ信号（あるいは位相ベ
クトル）　Ｖｎ’　と呼ぶ。

ＭＴＩフィルタ６は、心臓においては、心臓壁の動きを
除去し、血球のみのドプラ信号を検出するためのもので
ある。本方式ではデジタルフィルタで構成され（第１図
ｂ）、２段の遅延素子６１゜６２を通った信号を遅延な
しの信号の演算が行なねれる。

第２図は本発明の原性および処理の流れを説明する図で
ある。

ＭＴＩフィルタの出力をＶ。と表わすとＶ。はＶｎ”　
ＶＩ１４ｚ’　　　Ｖｎ’　　　　　　　　　１．’（
３）である。このことにより、各遅延時間は第２図すに
示したように、送波間隔Ｔ−ＴＳ、Ｔにおいては２　Ｔ
　−Ｔ　ｓ　、送波間隔Ｔ　、　Ｔ　＋　Ｔｓにおいて
は、２　Ｔ　＋　Ｔｓ　、送波間隔Ｔ　＋　Ｔｓ、　Ｔ
　＋２７ｓにおいては、２　Ｔ　＋　３　Ｔ　ｓになる
。

ＭＴＩフィルタの特性は第３図ｄに示した如くなる。フ
ィルタの零点は互いに異なり、１　／　Ｔ　ｓの整数倍
の周波数でのみ一致する。零点は１／（２Ｔ−Ｔｓ）の
整数倍の周波数、１／　（２Ｔ＋Ｔｓ　）の整数倍の周
波数、そして１／　（２Ｔ＋３Ｔｓ）の整数倍の周波数
に生じている。ＭＴＩフィルタ６の出力（第２図Ｃ）は
上記したそのような特性を通過したドプラ信号となる。

自己相関器７では、遅延器９を通った一時刻前のｖｏの
複素共役ベクトルＶｎ傘　との複索乗算が実施される。

その結果、自己相関器７により出力Ｙ　ｍ＝　Ｖ　ｎ＋
１　”　Ｖ’ｎ　”　　　　　　　　　−（４）を得る
。以後Ｙ１を位相差ベクトルと呼ぶ。ただし、ｍ＝１，
２，４，５，７，８・・・である。したがって、（４）
式において送波間隔Ｔ　　Ｔ　ｓ　（ｍ　＝　１．　）
のとき、 Ｙ工＝ｖ２・ｖｉ会 ：Ａｔ’　Ａｚ’　ｅｘｐ（ｊΔθ１）（，°６０皿”
Ｂｔ＋ｘ−θ８、ただしｉ　＝　１　、２　、・・・）
”　Ａ　ＩＱＸｐ　（ｊ　（１）　ｔ（Ｔ　−Ｔｓ）（
°、°ドプラ周波数ω６とすれば 八ＯＬ＝　ωａ　（Ｔ　　Ｔｓ）　　　　　　　　−（
５）送波間隔Ｔのとき（ｍ＝２）、（４）式にて。

Ｙｚ＝ｖｓ″ｖｚ傘 ＝Ａａ’　Ａ２’　ｅｘｐ（ｊΔθ２）。

＝＝　Ａ　ｚｅｘｐ　（ｊ　（１１ａ　Ｔ　）（°、°
Δθ２＝ω−Ｔ）　　　　　　　・・・（６）の如く、
自己相関器７の出力ｙ１．Ｙ２を得る。ただし以後加算
器１４−１．１４−２の加算回数は１回として説明する
。

自己相関器８は位相差ベクトルＹ、の自己相関処理演算
を行なう。その構成は自己相関器７と同一のものである
。すなわち、位相差ベクトルＹｍ＋１は遅延器１０を通
った一時刻前のＹ、の複索共役ベクトル表示拳　との複
素乗算が実施される。この処理後の出力をＸ鍬とおき、
位相差の差のベクトルと呼べば、 Ｘ　露＝　Ｙ　ｍ”ｌ　”　Ｙ　ｍ　”　　　　　　　
　　”’　（７）となる。ただし、ｆｌ＝１．２．３・
・・である。（７）式へ（５）、　（６）式を代入すれ
ば、送波間隔Ｔ　　Ｔｓ　。

Ｔに関する位相差の差のベクトルＸ１を得る。即ち、 Ｘ工＝Ｙ２＋Ｙ１ｍ ＝Ａｚｅｘｐ（ｊ　　ωａＴ）（Ａｔｅｘｐ（ｊ　　（
１１１１（Ｔ−Ｔｓ）））拳＝ＡＩＡｚｅｘｐ（ｊ　ω
＋＋Ｔｓ）　　　　　　　−（８）である。自己相関器
８はこの位相差の差のベクトルＸ１を演算出力する。Ｘ
ｚ、ＸＳも同様である。

送波間隔Ｔ　、　Ｔ　＋　Ｔｓに関する位相差の差のベ
クトルＸ２については、同様にまず、（５）式において
、送波間隔Ｔ　（ｍ　＝　４　）のとき、Ｙａ　　”ｖ
ｓ°ｖ４傘 ＝　Ａａｅｘｐ　（ｊ　（１１、ｔｒ＞　　　　　　　
　　−−・（９）送波間隔Ｔ　＋　Ｔｓ　（ｍ　＝　５
　）のとき、Ｙ８＝ｖ６・　ｖ３＊ ＝Ａａｅｘｐ　（ｊ　ω、（Ｔ＋Ｔｓ））　　　−（１
０）を得たのち、出力（９）、　（１０）式を（７）式
へ代入すれば、 Ｘ２＝Ｙ５＃Ｙ４傘 ＝Ａｓｅｘｐ　　（ｊ　　ωａ（Ｔ＋Ｔｓ））（Ａ４ｅ
ｘｐ　　（ｊ　　ｃ＋＞４Ｔ））傘＝ＡａＡｓｓｘｐ　
（ｊ　（１）１１Ｔ５）　　　　　　　　−（１１）が
得られる。自己相関器７は出力（９）、　（１０）式の
Ｙａ、Ｙｓを演算出力したのち、それら出力が自己相関
器８に入力され、自己相関器８において、出力である位
相差の差の（１１）式のベクトルｘ２を演算出力する。

なお複索乗算Ｙａ−Ｙｚ傘、Ｙａ・Ｙａ拳は実施しない
。そのことは制御装置１７により指示制御される。

つぎに、送波間隔Ｔ　＋　Ｔｓ、Ｔ　＋　２　Ｔｓに関
する位相差の差のベクトルＸ８も同様にして出力される
。まず、（５）式において送波間隔Ｔ　＋　Ｔ　ｓ　（
ｍ　＝７）のとき、 Ｙ７＝Ｖ８・ｖ７申 ＝Ａ７ｅｘｐ（ｊωｔ（Ｔ＋Ｔｓ））　　　−（１２）
送波間隔Ｔ　＋　２　Ｔ　ｓのとき（ｍ＝８）のときＹ
♂＝ｖｅ−Ｙａ申 ＝Ａａｅｘｐ（ｊｃ、＋ｄ（Ｔ＋２Ｔｓ））　　−（１
３）を得たのち、出力（１２）、　（１３）式を式を（
７）式へ代入すれば Ｘδ＝Ｙｓ拳Ｙ７串 ＝Ａａｅｘｐ（ｊ　ωｄ（Ｔ＋２Ｔｓ））（Ａ７ｅｘｐ
（ｊωｄ（Ｔ＋２Ｔｓ））拳＝Ａ７Ａａｅｘｐ（ｊ　ω
嬬Ｔｓ）　　　　　　　　　　・＝（１４）が得られる
。自己相関器７は出力（１２）、　（１３）式のＹ７．
Ｙａを演算出力したのち、それら出力が自己相関器８に
入力され、自己相関器８において、自己相関処理され、
（１４）式の位相差の差のベクトルｘ３を演算出力する
。なお、複素乗算Ｙ８・Ｙ５申。

Ｙ７・Ｙｅｌｌは実施しない。そのことは同様に制御装
置１２１７により指示制御される。

第２図Ｑ、ｄ、ｅには、以下説明どうり、ＭＴＩ出力か
ら自己相関器７，８により得られる位相差ベクトルＹｌ
ｌ、位相差の差のベクトルＸ、の演算処理の経過を示し
ている。

加算器１３は、さらに、二時刻前の位相差の差のベクト
ルＸｌ　　（送波間隔ＴＴｓ、Ｔに関する）、−時刻前
の位相差の差のベクトルＸｚ（送波間、隔Ｔ　、　Ｔ　
＋　Ｔ　ｓに関する）と送波間隔Ｔ　＋　Ｔｓ−Ｔ　＋
２Ｔｓに関する位相差の差のベクトルｘ８の加算が実施
される。加算器１３の出力をＸとおけばＸ　＝　Ｘ　１
　＋　Ｘ　ｘ　＋　Ｘ　ａ＝（ＡｘＡｚ＋ＡａＡａ＋Ａ
７Ａａ）ｅｘｐ（ｊ　ωａ（Ｔｓ）−（１５）である。

加算器１３の出力Ｘを位相差の差の平均ベクトルと呼ぶ
。

第２図ｇは位相差の差のベクトルＸｚ、Ｘｚ。

ｘ３をベクトル表示したものである。Ｘｉ、Ｘ２゜ＸＳ
を正規化する際は制御装置１７により指示がある。その
とき（１５）式においてＡ　Ｉ　Ａ　２　＝Ａ　４　Ａ
　ｓ　＝Ａ７Ａ８＝１となる。ｘｌ、Ｘｓ、Ｘｓは第３
図ｄ（７）各ＭＴＩフィルタの特性を通過して出力され
るものである。第３図Ｃは加算合成されたＭＴＩフィル
タ特性を示しており、零点は解消されている。

ＸＩが零点付近を通過し、信号対雑音比が劣化する際も
、Ｘｚ、Ｘｓは利得が充分あり（第３図ｄ）、したがっ
て位相差の差の平均ベクトルＸ　（＝　Ｘ　１　＋Ｘｌ
＋Ｘ３）は、Ｘｔだけのとき（２種類の送波間隔のとき
）に較べ、信号対雑音比を劣化させずに済む。フィルタ
の特性は合成された特性となるため、Ｘは総合的にみて
、信号対雑音比が改善される。

第３図すは従来と本方式のフィルタ特性の比較であり、
破線の丸印で示した零点付近は利得が改善される。第３
図ａはその改善量を示し、最大で４０ｄＢ以上となる。

また、第３図ａ、ｂでは、それぞれ別の斜線を施して、
利得の改善量（ｄＢ）と改善される領域及び逆に利得の
改善がマイナスとなる量とその領域を示している。

角度検出器１５は、加算器１４−２の出力Ｕ（ただし、
加算器１４−２のＮ２＝１なので、Ｕ＝Ｘである。）を Ｕ　＝　ＵＲ十ｊ　Ｕ　ｒ　（ＵＲ：実部、Ｕ２：虚部
）とおけば、Ｑ（＝ω−ＴＳ） を出力する。そこで除算器１６はＱを時間パラメータＴ
ｓで除算することにより、ドプラ周波数ω６ω−”　Ｑ
　／　Ｔ　ｓ を最終的に出力する。

加算器１４−１は信号対雑音比の改善のため位相善ベク
トルＹ、の加算を行なうものであり、そのとき超音波パ
ルスの送波は送波間隔Ｔ　　Ｔｓ　。

Ｔを（Ｎｚ＋１）回、Ｔ　、　Ｔ　＋　Ｔｓを（Ｎｔ＋
１）回、Ｔ　＋　Ｔ　ｓ　＝　Ｔ　＋　２　Ｔ　ｓを（
Ｎｔ　　１）回行ない、位相差ベクトルＹヨを得て、Ｎ
１回加算するものである。その際、位相差の差のベクト
ルは平均位相差ベクトルＹｘ、　Ｎ２１　Ｎ４１　Ｙａ
、　Ｎ７１　Ｎ８・・・を用い自己相関器８により得る
。加算器１４−２は位相差の差の平均ベクトルＸを加算
あるいは移動平均する場合に用いられる。加算回数Ｎｌ
’、　ＮＺ、送波時間パラメータ、Ｔ　　Ｔ　ｓ　＝　
Ｔ　、　Ｔ　＋　Ｔ　ｓ　、　Ｔ　＋２Ｔｓは制御装置
１７が指示制御するものである。

第４図に示したのは３種類の送波間隔ＴＴｓ。

Ｔ　、　Ｔ　＋　Ｔ　ｓ　（先願発明特願昭６２−３１
１１９５１号）との比較をする図である（４種類の場合
と測定範囲は同一条件）。第４図ｄは本方式のフィルタ
特性。

第４図Ｃは３種類の送波間隔におけるフィルタ特性、第
４図すは両者のフィルタ特性の比較のための図であり、
二種類の鎖線を施して改善され領域と逆に利得の減少す
る領域を示している８水力式はフィルタ特性の凹凸がよ
り少なくなり、スペクトルの谷が少し持ち上がる点で３
種類の送波間隔による方式より優れている。また、第４
図ａはフィルタ特性の改善量（ｄＢ）を示している。こ
のように３種類の送波間隔に較べ本方式はフルタ特性は
改善されるが、使用データの時間長は４Ｔ／（２Ｔ　＋
　３　Ｔ　ｓ）倍となる。送波間隔をさらに５種類、例
えばＴ　　Ｔ　ｓ　、　Ｔ　、　Ｔ　＋　Ｔ　ｓ　、　
Ｔ　＋　２　Ｔ　ｓ　。

Ｔ＋　３　Ｔ　ｓにすれば、同様のＭＴＩフィルタ特性
の改善が可能である。また、送波間隔をｎ種類にしても
同様であることは言うまでもない。その上、例えば、送
波間隔をＴ　　Ｔｓ　＊　Ｔ　＊　Ｔ　＋　　Ｔｓとし
送波間隔の差がそれぞれＴｓ＝　　Ｔｓという不等間隔
でも構わない。このときは、送波間隔Ｔ。

Ｔ＋　　Ｔｓに関する位相差の差のベクトルは値Ａ２ｅ
ｘｐ（ｊωａ　Ｔ　ｓ　）を用いればよい。したかって
送波間隔は任意の間隔のｎ種類でＭＴＩフィルタ特性の
改善が可能である。

表示装置１８は得られたドプラ周波数ω６を二次元カラ
フローあるいは露光表示的に表示するものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、所望周波数域におけるＭＴＩフィルタ
の零点を除去でき、またフィルタ周波数特性の山谷の変
化を少なくできるため、ドプラ信号成分の信号対雑音比
のＭＴＩフィルタによる劣化を低減させる効果がある。

そのことにより、ドプラ周波数の正確な推定が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の装置構成を示すブロック図
、第２図は本発明の原理および処理の流れの説明図、第
３図、第４図は、本発明の実施例および従来例のフィル
タ特性と利得数差量を示す　　　四特性図である。 １・・・送波回路、２・・・受波回路、３・・・位相比
較器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、パルスドプラ計測装置において、超音波パルスの送
   波をＴ＿ｓずつ異なる４種類の送波間隔Ｔ−Ｔ＿ｓ、Ｔ
   、Ｔ＋Ｔ＿ｓ、Ｔ＋２Ｔ＿ｓにより行ない、受波信号の
   各位相差の差のベクトルを得、さらにＴ−Ｔ＿ｓとＴに
   関する位相差の差のベクトルと、ＴとＴ＋Ｔ＿ｓに関す
   る位相差の差のベクトルと、Ｔ＋Ｔ＿ｓとＴ＋２Ｔ＿ｓ
   に関する位相差のベクトルの加算平均を行なうことを特
   徴とするパルスドプラ計測装置。 ２、ＭＴＩの特性は、遅延時間がそれぞれ送波間隔の和
   、すなわち２Ｔ−Ｔ＿ｓ、２Ｔ＋Ｔ＿ｓ、２Ｔ＋３Ｔ＿
   ｓに比例する時間であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のパルスドプラ計測装置。 ３、Ｔ−Ｔ＿ｓとＴ、ＴとＴ＋Ｔ＿ｓ、Ｔ＋Ｔ＿ｓとＴ
   ＋２Ｔ＿ｓに関する各位相差の差のベクトルをパワーで
   正規化したのち、各位相差の差のベクトルを加算平均す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のパルス
   ドプラ計測装置。 ４、パルスドプラ計測装置において、超音波パルスの送
   波を一定時間ずつ異なるＮ種類の送波間隔により行ない
   、受波信号の各位相差の差のベクトルを得、さらにそれ
   らの位相差の差のベクトルを加算平均することを特徴と
   するパルスドプラ計測装置。 ５、パルスドプラ計測装置において、超音波パルスの送
   波を任意の間隔のＮ種類の送波間隔で行ない、受信信号
   の各位相差の差のベクトルを得、それら位相差の差のベ
   クトルの偏角を共通化する演算ののち、それら位相差の
   差のベクトルを加算平均することを特徴とするパルスド
   プラ計測装置。