JPH01320048A - 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〕 本発明はパルスドプラ計測装置に関し、特に超音波によ
り物体の速度を検出する装置、例えば、生体内の血流速
度をリアルタイムで測定する場合に、高い信号対雑音比
で計測が可能なパルスドプラ計測装置に関する。

〔従来の技術〕

音波のドプラ効果により物体の流速を知る装置としては
、従来から種々のものが知られている。

特に、パルスドプラ法を用いる装置（例えば、「日本音
響学会誌」第２９巻第６号（１９７３年）ｐｐ３５１〜
３５２参照）では、超音波パルス（ｐｕｌｓｅｄ　ｃｏ
ｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｗａｖｅ）を繰り返し送波し、受波
信号に計測部位までの距離に対応したタイムゲートをか
けることにより。

測定部位を特定することが可能であることが知られてい
る。

従来の超音波ドプラ血流計装置としては、例えば、特開
昭５８−１８８４３３号公報、同６０−１１９９２９号
公報。

同６１−２５５２７号公報に開示されている如く、血管
に向けて超音波を送信し、血管中の血液で反射した超音
波のドプラ偏移周波数を測定して、血液の流れの方向と
超音波送信方向とのなす角度をＯ２血流の速度をＶとし
たとき　ｖｃＯ５θを測定することにより、血流を計測
する装置が知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の如く、ドプラ周波数を測定することにより、物体
または血流等の速度を知ることが可能である。ところが
、人体内の血流を計測するには、血管壁、心Ｓ壁等の壁
の動きと血流とを分離するため、ＭＴＩ（固体物除去）
フィルタを用いる必要がある。このＭＴＩフィルタは、
血流速度が遅い場合、ドプラ信号の利得が低下するため
、ドプラ速度計測部に誤差をもたらし、真の血流速度と
は異なる速度として測定するという問題がある。

以下、これにつき１図面に基づいて説明する。

第７図は、従来の、各種のドプラ計測装置の特性を示す
ものであり、横軸は真の血流速度に対応する入力位相、
縦軸は測定された速度に対応する出力位相であり、シミ
ュレーションにより得た結果である。その際、ドプラ信
号である位相比較器の出力信号のモデルとして、 Ｘｎ＝Ａ、ｅｘｐ（ｊωｄｔ）＋Ｂ（ω、’＋ｊω、”
）を用いている。但し、ここで位相雑音ω。′、ω。″
は白色雑音であるとし、正規分布Ｎ（０，１）に従う正
規乱数を用いている。

ω。″はω。′とは乱数の初期値を違えて発生させるこ
とにより、無相関のものを用いている。この雑音の発生
要因としては、血流の微視的な変動による反射信号の毎
回ごとの変化や、音波の伝播過程における組織の不均一
さから生ずる音響的雑音と、測定装置における信号増幅
に用いている増幅器における電気的雑音等を考慮してい
る。なお、ω１′は実部における雑音、ω。″は虚数部
における雑音を表わしている。なお、Ｏ６は　ドプラ周
波数である。

従来のパルスドプラ法（自己相関法、二軸成分法）では
、低速血流に対しては誤差を生じ、真の速度と大きく異
なる速度が推定されるという問題があったことは前述の
通りである。この理由は、自己相関法（二軸成分法でも
同様）において、位相差を検出する際に生じるものであ
る。すなわち、位相差ベクトルを加算する演算において
、雑音振幅Ｂが小さい（ＢＣｌ）ときには、位相差ベク
トルの位相項において、雑音が互いに打消し合う効果が
ある。そのため、位相差ωｄＴ　（Ｔ　＝　ｔ　ｎ＋ｘ
　　ｔ　ｎ）が正確に求まるが、雑音振幅Ｂが大きい（
Ｂ＞１）ときには、位相項において雑音が打消されず、
加算増大するため、位相差がωｄＴ＋ΣΔωとなり、不
正確なものとなる。

一方、各位相差を得た後、それを加算平均する単純累加
法においては、その場合、雑音が打消されて、最終的に
位相差ωｄＴ＋ω。−Ｏ１が求まり、雑音は初期値と最
終値のみとなる。このため、自己相関法、二軸成分法よ
り正確な速度が測定できる。但し、速い血流（位相差が
±π近辺の速度）においては、単純累加法は、折り返し
により、加算結果が零付近になり、低速血流として誤検
出するため、使用できない。

第８図（ａ）に示した如く、血流速度Ｖが正の場合１位
相差ΔＯ□〜ΔＯ３の８回の加算において。

位相差Δ０□、Δ０８が＋πを越えるため負の角度とな
り、加算平均の結果ΔＯＡは零付近の正の角度となる。

ここで、ΔＯＴは二軸成分法（あるいは自己相関法）の
結果であり、おおよその角度が表示できる。血流速度Ｖ
が負の場合も同様であり、位相差へ〇１〜Δθ３の８回
の加算において、位相差Δθ□、Δ０□が一πを越える
ため、間違って正の角度となり、加算平均の結果ΔＯＡ
は零付近の負の角度となる（第８図（ｂ）参照）。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは、従来の、単純累加法に基づくパルスドプ
ラ計測装置における上述の如き問題を解消し、高い信号
対雑音比で計測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〕

本発明の上記目的は、物体により反射された超音波パル
スを受波して該超音波パルスの位相差を検出し１位相差
ベクトルを加算した後、位相差ベクトルの角度を検出し
て、該角度を超音波パルスの送波間隔で除算して周波数
変動を求めることにより、前記物体の速度を算出するパ
ルスドプラ計測装置において、前記位相差ベクトルの加
算を行う際に角度差を補正する角度補正手段、または、
角度の基準軸を±π方向に移す手段を設けたことを特徴
とするパルスドプラ計測装置によって達成される。

〔作用〕

本発明に係わるパルスドプラ計測装置においては、前述
の単純累加法を基本とし、ドプラ偏角上πの付近では角
度補正を行うようにしたので、中正確な速度測定が可能
なことは言うまでもない。

更に、高速の物体に対しても、第５図（ａ）（ｂ）に示
した如く、物体の速度Ｖが±π近辺のときは。

原点の座標を補正器により予め測定したおよその角度Δ
ＯＴにとるため、低速と同様の角度の単純累加が可能と
なり、信号対雑音比の改善作用がある。従って、低速か
ら高速までの物体の速度が、より正確に検出可能となる
。

〔実施例〕 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第２図は本発明の一実施例を示すパルスドプラ計測装置
のブロック構成図である。図において。

１は超音波トランスデユーサ、２は送波回路、３は受波
回路、４は位相比較器、５はＡ／Ｄ変換器、６はＭＴＩ
フィルタ、７は速度検出部、８は除算器、９は制御部、
　１０は表示装置を示している。なお、第１図は、上記
速度検出部７の詳細を示すものである。これについては
、後に詳述する。

本実施例に示すパルスドプラ計測装置は、信号対雑音比
が向上する単純累加法を基本とし、ドプラ偏角±πの付
近においては、単純累加法に補正を加えるものであり、
その動作の概要は、以下の通りである。

送波回路２で送出された超音波パルスを、超音波トラン
スデユーサ１から反射物体１１に向けて。

等間隔Ｔで繰り返し送波する。反射物体１１により反射
された超音波パルスは、受波回路３により受波され、位
相比較器４において、参照信号α＝Ａｃｏｓω。ｔ と、 α””Ａｓ１ｎω。ｔ との位相比較が行われ、それぞれの出力ＶＲ，Ｖ　。

が得られる。

今、反射体１１についての位相比較器４の出力を■Ｒｎ
、ｖＩｎ（ここで、ｎ＝１．２．・・・・）と表わすと
、Ｖ　Ｒｎ　ｒ　Ｖ　Ｉ　ｎは次式で示すことができる
。

Ｖ　Ｒｏ：　Ａ　ｏｃｏｓθ。　　　　　　　　・・・
・（１）Ｖ１ｏ＝Ａｏｓ１ｎＯｏ　　　　　　　　・・
・・（２）簡単のため、上式（１）、（２）を次式でま
とめて、下記の如く記述するものとする。

Ｖｎ’　”　ＡｎｅＸＰ（Ｊ　Ｏｎ）　　　　　　　　
　・・・・（３）これは、Ａ／Ｄ変換器５の出力である
。

次に、Ａ／Ｄ変換器５の出力Ｖ。′がＭＴＩ６に入力さ
れると、ＭＴＩ６の出力　Ｖｎを得る。ＭＴ■を一次差
分回路とすると、 ■ｎ＝Ｖｎ′−ｖｎ−□　　　　　　　・・・・（４）
である。以下、上記Ｖ。を位相ベクトルと呼ぶ。

次に、第１図に示した速度検出部７の動作について説明
する。本実施例に示す速度検出部７は。

二軸成分法の主たる構成であるが、本発明においては、
これを補正値検出回路（７１９）として使用する。すな
わち、本実施例に示す速度検出部７においては、　ＴＡ
Ｎ−”メモリ７１１に位相ベクトルｖｎが入力されると
、Ｖｏの偏角Ｏｎが得られる。遅延回路７１２により一
時刻前の　θ。−１が得られ、現在のθ。

どの差をとることにより、位相差ΔＯｎΔθ。＝Ｏｎ−
Ｏｎ−□ が得られる。この位相差ΔＯｎは、ｃｏｓメモリ７１３
゜ｓｉｎメモリ７１４において、位相差ΔＯｎの余弦成
分と正弦成分に、それぞれ変換される。次に、加算器７
１５．７１６において、余弦成分ｃｏｓΔ０□と正弦成
分ｓｉｎΔＯｎは、任意回数、それぞれ、加算平均化さ
れた後、それぞれ、ＴＡＮ−１メモリ７１７に入力され
る。ＴＡＮ−”メモリ７１７では、加算平均化された余
弦成分を複素数の実部、加算平均化された正弦成分を複
素数の虚部として、平均偏角「Ｇに変換する。以上述べ
た如く、本発明においては、二軸成分法の主たる構成で
ある、位相差ΔＯｎから「Ｉを得る手段を、補正値検出
回路７１９として使用する。

一方、加算器７１８は１位相差ΔＯｏを単純に累加平均
する。これは、単純累加法の手法である。角度補正回路
７２０は、上記補正値検出回路７１９の出力「Ｇが、第
３．第４象限に存在するかどうかを判定し、存在すると
きはΔθアの正負により、Ｓｇ＝−１ｉｆΔθア〉Ｏ ５ｇ＝＋、１　　　ｉｆ　ΔＯＴくＯ・・・・（５）Ｓ
ｇ＝ＯｆｆΔθ７　＝　７ＣＯｒ−７ｅと、Ｓｇに値を
付与する。

次に、第５図に示した新座標軸（Ｒｅ’：新実軸。

Ｉ＋ａ’：新虚軸）において、正の新虚軸工１側にある
八〇ｎの個数と、負の新虚軸Ｉ＋＋″側にあるΔθ。の
個数とをカウントして、それをＭとする。具体的には、 Ｍ＝新第１．第２象限に存在し、 かつ、旧座標で−πを越え ないΔＯｎの個数 かつ、旧座標で＋πを越え ない八〇。の個数 ｆｏｒＳｇ＝−１ で与える。これにより、角度補正回路７２０の出力値Δ
ＯＡは、 ΔＯＡ＝τ０．−（ＮＡ＆、−ΣΔθ。

＋５ｇ−Ｍ・２π） （但し、Ｓｇ＃Ｏ）　　　　　・・・・（７）９と補正
され、正確な偏角Δθ６が得られる。但し、Ｙ１７が±
πに等しいとき（Ｓｇ＝Ｏのとき）には、以下の通りに
補正角Δ０８が得られる。すなわち。

ここで、 八〇　Ａ’　”　Ｍ　１　πＭ　ｚ　Ｋ−ΣΔｏｎ　　
・・”（９）である。但し、 Ｍ□＝新第１．第２象限に存在するΔＯｏの個数 である。これは、特別の場合になり、前述の補正値検出
回路７１９がない場合に使用できる。この場合の装置の
構成例を第６図に示す。但し、説明は後にすることにす
る。

このようにして、高速の物体の偏角を正確に得ることが
できる。低速の物体の計測では、この補正は不必要であ
ることは言うまでもない。

第２図に戻って、説明を続ける。除算器８は、超音波パ
ルスの送波間隔Ｔで、速度検出部７の出力へ〇Ａに除算
処理を行う。その結果は　ドプラ周波数ω６であり、 Ｔ となる。表示装置１０は、上記ω６を表示する。

第３図は、本発明の他の実施例を示す速度検出部７の構
成図である。位相差検出部７０１には、まず、位相バク
１〜ルＶ。が入力される。位相差検出部７０１において
位相差を検出するためには、位相ベクトルＶ。と−時刻
前のベクトル■。−０の複素共役ベクトルであるＶ。−
１傘との複素乗算を行えばよく、これが実施される。Ｍ
ｉ素乗算の結果を位相差ベクトルｙ。で表わすと、３’
ｎは次式で示される。

’／　ｎ　＝　Ｖ。・■ｏ−□中 ＝Ｒ，＋ｊ１．　　　　　　　　−−−・（１２）ここ
で、Ｒｏは実部、Ｉ、は虚部であ る。

複素加算器７０２は、位相差検出器７０１の出力である ’Ｉ　ｎ　＝　Ｒｎ　＋　Ｊ　Ｉ。

を任意回数、加算平均する。その結果を　Ｒ＋ｊｌで示
すと、Ｒ＋ｊ■は次式で示される。

Ｒ＋ｊ工＝−Σ（Ｒｎ＋ｊ　Ｉ　ｎ）　　　　　・・・
・（１３）ＴＡＮ−’　メ（：　ＩＪ　７０３は、複素
加算器７０２（７）出力Ｒ＋ｊｒを偏角へ〇に変換する
。

以上が、補正値検出回路７０６の主たる構成である。補
正値検出回路７０６は、およその偏角「Ｇを出力するも
のである。

一方、　ＴＡＮ−”メモリ７０４は、自己相関器７０１
の複素数出力Ｒｎ＋ｊ■。を用い、偏角ΔＯｏに変換す
る。加算器７０５は、上記偏角Δθ。を加算した結果を
出力するものである。

更に、角度補正回路７２０は、上述の補正値検出回路７
０６の出力　ＡＱ、を基に補正量を算出し、加算器７０
５の出力　ΣΔＯｎを補正するものである。

この角度補正回路７２０については、既に第１図に基づ
いて説明したので、ここでは省略する。

第４図も、本発明の他の実施例を示す速度検出部７の構
成図である。本実施例は、第１図に示した実施例の補正
値検出回路７１９に、若干の変更を加えたものである。

すなわち、位相差ΔＯｏの正弦成分、余弦成分（虚軸、
実軸）を加算する際に、ＭＴＩ６の出力である位相ベク
トル（ドプラ信号）の振幅成分を考慮するものである。

そのため、振幅値検出回路７３５を用いる。

本振幅値検出回路７３５では、位相ベクトルｖ７の絶対
値を、絶対値検出回路７３０により求める。

絶対値検出回路７３０は、上記■。の実部の２乗値と虚
部の２乗値を加算後、平方するものである。

乗算器７３２−１は、絶対値検出回路７３０の出力　Ｓ
ｎと、遅延器７３４により一時刻遅れた５ｎ−ｉとの乗
算を行う。乗算器７３２−１の出力は平方根検出回路７
３１に入力され、振幅値Ａ。が検出出力される。

補正値検出回路７２１においては、ｃｏｓメモリ７１３
の出力に振幅値Ａ。を、乗算器７３２−２により乗じて
加算器７１５に入力し、また、　ｓｉｎメモリ７１４の
出力に振幅値Ａｎを、乗算器７３２−３により乗じて加
算器７１６に入力する。この点が、第１図に示した実施
例との相違点である。

なお、振幅の２乗値をＡ。とじて用いる場合、平方根検
出回路７３１は除去して良い。角度補正回路７２０につ
いては、既に述べた。

第１図、第３図、第４図、いずれの補正値検出回路も、
単純累加法の結果を補正する手段として有効であること
は言うまでもない。なお、これらの各回路の間には、低
ノイズレベル域では第３図に示す回路が、また、これ以
外では第１図に示す回路が優れた効果を示し、第４図に
示す回路は、いずれの場合にも、はぼ、中庸の効果を示
すという特性がある。

ここで、第６図に示した実施例について説明する。図に
おいて、記号７０１　、７０４　、７０５は、先に第３
図に示したと同し構成要素を示しており、また、７４０
は前述の式（、８）、　（９）、　（ｊＯ）を用いて　
Δθ８を求める角度補正回路、７４１は加算回路７０５
の出力と、上記角度補正回路７４０の出力との選択手段
を示している。本実施例においては、速度が±π付近に
存在するとき、簡単な回路で偏角を求めることができる
。

上記各実施例によれば、角度差の単純加算において、Ｎ
回の加算平均で信号対錐音比の改善は、Ｎ／ｖ／″Ｔ倍
（８回では４ｖ’Ｔ倍）行われる効果があり、従来のｖ
／”Ｔ倍に比べ、より正確なドプラ周波数の推定が可能
になる。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明によれば、物体により反射され
た超音波パルスを受波して該超音波パルスの位相差を検
出し、位相差ベクトルを加算した後、位相差ベクｌ−ル
の角度を検出して、該角度を超音波パルスの送波間隔で
除算して周波数変動を求めることにより、前記物体の速
度を算出するパルスドプラ計測装置において、前記位相
差ベクトルの加算を行う際に角度差の補正を行う角度補
正手段、または、角度の基準軸を±π方向に移す手段を
設けたので、高い信号対雑音比で計測が可能なパルスド
プラ計測装置を実現できるという効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すパルスドプラ計測装置
の要部である速度検出部のブロック構成図、第２図は実
施例のパルスドプラ計測装置全体のブロック構成図、第
３図、第４図は速度検出部の他の実施例を示す構成図、
第５図は本発明の詳細な説明する図、第６図は本発明の
更に他の実施例を示す構成図、第７図は従来の各種のド
プラ計測装置の特性を示す図、第８図は従来技術の問題
点を説明する図である。 ２：送波回路、３：受波回路、４は位相比較器、５：Ａ
／Ｄ変換器、６：ＭＴＩフィルタ、７：速度検出部、８
：除算器、９：制御部、ｌＯ：表示装置、７０１：自己
相関器、７０２：複素数加算器、７０３゜７０４．７１
１および７１７　：　ＴＡＮ−”メモリ、　７０’５，
７１５，７１６および７１８：加算器、７１２，７３４
　：遅延器、７１３　：　ｃｏｓメモリ、７１４　：　
ｓｉｎメモリ、７０６，７］９および７２１：補正値検
出回路、７２０，７４０７角度補正回路、７４１：選択
器。 第　　５　　図（その１） ０す 第　　　７　　　図 入力位相

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、物体により反射された超音波パルスを受波して該超
   音波パルスの位相差を検出し、位相差ベクトルを加算し
   た後、位相差ベクトルの角度を検出して、該角度を超音
   波パルスの送波間隔で除算して周波数変動を求めること
   により、前記物体の速度を算出するパルスドプラ計測装
   置において、前記位相差ベクトルの加算を行う際に角度
   差の補正を行う角度補正手段を設けたことを特徴とする
   パルスドプラ計測装置。 ２、前記角度補正手段が、位相差を検出する手段からお
   およその角度を検出する手段、該角度を角度の基軸とす
   る手段、該基軸を基に角度を変換し加算する手段および
   前記おおよその角度と前記加算手段により加算された角
   度とを加算する手段から構成されるものであることを特
   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、前記位相差を検出する手段として、自己相関法によ
   る平均角度検出手段を用いることを特徴とする、特許請
   求の範囲第２項記載のパルスドプラ計測装置。 ４、前記位相差を検出する手段として、二軸成分法によ
   る角度検出手段を用いることを特徴とする、特許請求の
   範囲第２項記載のパルスドプラ計測装置。 ５、前記二軸成分法による角度検出手段が、位相差ベク
   トルに振幅値を乗じて加算する手段であることを特徴と
   する、特許請求の範囲第４項記載のパルスドプラ計測装
   置。 ６、物体により反射された超音波パルスを受波して該超
   音波パルスの位相差を検出し、位相差ベクトルを加算し
   た後、位相差ベクトルの角度を検出して、該角度を超音
   波パルスの送波間隔で除算して周波数変動を求めること
   により、前記物体の速度を算出するパルスドプラ計測装
   置において、前記位相差ベクトルの加算を行う際に角度
   の基準軸を±π方向に移す手段を設けたことを特徴とす
   るパルスドプラ計測装置。 ７、通常の角度の基準軸と特許請求の範囲第６項に記載
   した基準軸との選択手段を設けたことを特徴とするパル
   スドプラ計測装置。