JPH02234751A - 低周波雑音信号処理を用いるドップラー血液流装置および方法 - 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】 本発明は一般にドップラー血液流け測定装置および方法
に関し、特に周波数領１ｉ！（ドメイン）信号分析を使
用するドップラー血液流量測定装置に関する。

心肺バイパス手術、而液ボンブを用いる心室補助、およ
び他の心臓手術に際して、恣各に対する外部面液流が必
要である。既知の面液ボンブおよびいわゆる心肺機械は
、患省の血液を管類や導管に送ってその機能を果たすよ
うに作動する。（患者の身体に対する）これらの外部管
類や導管に而液を送る際に、外科医が面液の流量を監視
して流れの異常性を見つけかつ修正処置をとり得ること
が極めて大切である。

これまでに、管類や導管を通る血液その他の流体を測定
Ｊるいろいろな装置および方沫が利用されてきた。

膚形流怜計のＪ：うな方法を含む侵入的測定装置は、各
使用後に使い捨てにしたり消毒する必要があるだけでは
なく、血液にＪ：って不必要な凝固その他の問題を招く
ことがある。本発明の讃受入で！ｉ あるミネソタ・ミニング・アンド・マニ１フ７クチュア
リング・カンパコー（旧ｎｅｓｏｔａ　Ｍｉｎｉｎｇａ
ｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｃｏｎ＋ｐａｎｙ
　）に譲渡された「流量測定装置」と称する、１９８７
年７月１７日に出願ざれたロイド・シー・ヒューバード
（１．ｌｏｙｄＣ．　ｌｌｕｂｂａｒｄ）およびアール
・ダブリｊ一・クロセン（Ｅａｒｌ　Ｗ．　Ｃｌａｕｓ
ｅｎ　）の米国特許出願第０７／０７４．５４９号は、
電動機駆動式遠心ポンプと共に使用寸る血液流量測定装
置を説明している。

本装置は、一定の回転速度およびー・定の粘度で、遠心
ボンブを駆動するに要ザる１〜ルクがポンプにより作ら
れる流量に正比例することを利用している。

血管内の血液の流れを測定Ｊ゛る超音波の使用は、１９
５０年代に一般に開始ざれた。これらの超音波装置の若
干は患者に注入ざれ、またあるものは患名の外部で行わ
れる測定を利用した。

既知のドップラー周波数偏移効果を用いて管類または導
管を通る血液流の超音波測定が利用ざれている，，その
ような測定装ＩＮおよび方法は非侵入的であるという明
白な利点を備えている。超音波を比較的よく通Ｊ管類や
導管を物理的に侵入させる必要がない。そのような既知
の装置および方法では、超音波送信機は管類や導管を通
ると予想される面液流に関して角度をつ１ノで置かれて
いる。

超音波受信機は管類や導管の反対側あるいは同じ側に角
度をつけて置かれている。赤血球、気泡および脂肪小滴
のような微粒子の存在は超音波信号の反射標的として作
用する。これらの標的の速皮は、周知のドップラー効果
により反射された超音波周波数に周波数一位を招く。

一例は、ザーンズ・モデル７８００流量計として知られ
ているミシガン州アン・アーバーのナーンズ（Ｓａｒｎ
ｓ　）社（現在では本出願の譲受人であるミネソタ州け
ン１へ・ボールのミネソタ・ミニング・アンド・マニュ
フ１クチｌ７リング・カンパニーの子会社）によって市
販されている以前の流量計である。この装置によって精
度約±１０％が達成されｌ〔。実際には、この精度を達
成するために各流洛計のコンソールは製造の温度で個々
の流量ブローブに整合されなければならない。整合要求
により、製造および現場号−ビスは一段と困難になり、
流量計間のプローブの互換性が達成ざれないと思われる
。

同じくミネソタ・ミニング・アンド・マニュファクチュ
アリング・カンパニーに譲渡されたハッパード（　Ｈｕ
ｂｂａｒｄ　）らの米国特許第４，６９０，００２号に
記載された装置は、超音波ドップラー血流測定装置の一
例である。この装向は、反射された信号を増幅し、それ
を正当に有限な範囲にｉｌｌ限する自動制御を用いてク
リップし、さらにその信号をアナログ周波数・電圧変換
器を用いて周波数から電圧に変換することによってアナ
ログに基づいて作動する。

ペルガモン誌発行（１９７６年）の医学おＪ、び生物学
における超音波、第２巻、第１　０　’７−１　１１頁
記載のピーター・アトキンソン（　ＡｔｋｉｎｓｏｎＰ
ｅｔｅｒ　）による記事、［超音波ドップラー速度計の
基本的解釈」において、基礎的なドップラー速度および
医学ならびに産業の分野にお番フるその有用何が明記さ
れている。アトキンソンは、有用なドップラー装置では
理論的な装置と対立して、受信信号が完全装置によって
予測される単一周波数ではなくドップラー差スペクトル
の範囲を現わすと言っている。スペクトルのこの範囲は
、周波数領域において「こぶ」すなわち鈴形の曲線で現
ねされるものと思われる。その原因は、気まぐれに短い
パルスと％１立した有限幅の伝搬であったり、無限に短
いパルスと％Ｉ立したパルスされる装豹内のバルスの有
限長さに起因することがある。ア１・キンソンはまた、
血液からの反射（後ｈ散乱）が赤血球の容積の時間差に
より振幅変調されると言っている。

第２９回　ＡＣＦＭＢ議事録（１９７６年》、＠１４０
頁記載のニューハウス（　Ｎｅｗｈｏｕｓｅ　）らの「
超音波ドップラー流量測定装置に及ぼす幾何学的スペク
トルの広がりの影響」による記事は、ドツプラー流＆ｌ
装置におりるスペクトルの広がりは幾何学的な広がりに
よると述べている。

医学Ｊ３よび生物学にお【プる超音波（１９７５年）、
第２巻、第１−１　０頁記載の■ム・ジエー・ルント（
１−ｕｎｔ，　Ｈ．　Ｊ）による記事、［超音波ドップ
ラー血液速度計およびゼ１−］交差検出器」は、超音波
ドップラー血流測定にお（プるゼロ交差検出器の使用を
明記している。

生物医学技術のＩＥＥＥ会報（　１　９　７　／Ｉ年）
、第ＢＭＥ−２巻、第３号、第１８３−１９２頁記載の
ブロディによる記事、［ＣＷドップラー超音波流量計の
理論的分析」は、超音波連続波ドップラー血液流量の理
論的基礎を明記しでいる。

アディソンーウエスリー出版社発行（１９８２年）のシ
アーズ（Ｓｅａｒｓ　）らの学校物理学、第４編、第３
６６−３６７頁記載の章の一部は、音響現象に関連した
基礎ドップラー効果を述べている。

アカデミック誌発行（１９８２年）の７１・キンソンお
よびウッドコック（Ａｔｋｉｎｓｏｎ　＆　Ｗｏｏｄｃ
ｏｃｋ　）の゛ツプラー　音波および臨床測定にＪ５け
るその東■、第１章ならびに第３章は、ドップラー音波
埋論および血液の測定に対するその反応ならびにドップ
ラー偏移信号を処理・分析する模範的な装置の入門を与
えている。本書は時１１１領域から周波数領域へのドッ
プシーの変換を良く記載している。

医学および生物学協会のＩ　Ｅ　Ｅ　Ｅ／１８回年次技
術会議の第１　１　７５−１　１　７８頁（１９８６年
）記載のｖ　−　／　イ（　Ｈｕｒｐｈｙ）およσ口／
Ｌ／７　（Ｒｏｌｆｅ　）による記事、「ドップラー超
音波信号のリアル・タイム処理用のＴＭＳ３２０信号処
理装置の応用」は、血液流の測定に応用されるドップラ
ーｌＩＡ音−波信号のリアル・タイム処理を達成する方
法を述べている。マーヒイらは高速ノーリエ変換（　Ｆ
　Ｆ　Ｔ’　）法を用いて、時間領域から周波数領域に
変換するとともに測定された而液流に対応する平均周波
数をディジタルで得る。

管類に流れる血液の流皐を正しく決定するために、到来
するドップラー信号の特ｔ’ｌの止しい分析が行われな
Ｇづればならない。代表的なドップラー信号は１つの流
量を表わＪ単一周波数ではなく、粒了ザイズに関する多
くの理由で、代表的なドップラー信号は周波数領域（ド
メイン）でプロットざれたとき信号の増加した振幅にＪ
；つて示される一定の周波数が優位を占める周波数の真
に完全な範囲である。代表的なドップラーは実際に２個
の「こぶＪを有することがあり、１個は流量に関連した
信号の内容を持つ実際の情報を表ねり−周波数の高い方
にあり、もう１個は血液管類装置自体の振動に起因しか
つ血液ボンブその他の区域内の盲波からの電！ｉｌＪ機
ノイズに起因することがある周波数の低い方にある。流
石は代表的なドップノー仏号の部分を持つ情報の平均周
波数に関連されるので、代表的なドップラー信号の実際
の平均周波数をとることは不正確な結果を招くことがあ
る。

本発明の装置および方法は、ドップラー信号の平均周波
数、ずなわち血液の流徴を決定する萌に低周波こぶを除
去することによっＣこの不ｉ−確な結果を招かない。

本発明は管に流れている粒子を含む流体の流ｎ１を決定
する方法を提供する。まず、本方法は超音波信号をイの
管を通してそれに斜めの角度で送｛Ｗする。前記流体に
含まれる粒子から反射される超音波信号は、受イムされ
た超音波信シ３として受信される。受信された超音波信
号はそのどきフィルタされてそこから低周波成分を除去
し、フィルタ済の超音波信号を作る。前記流体の流量は
そのときドップラー法を用いて匍記フィルタ済の超音波
信号からｈ１リされる。

削算段階はフィルタ済超音波信号の平均周波数を決定す
る段階を利用することが望ましい。

また本発明は、管を通って流れる粒子を含む流体の流但
を決定７る方法をも提供する。超音波信号は管に斜めの
角度で管を通しｌ送信される。前記流体に含まれる粒子
から反射される超音波信号番よ、受信される超音波信号
として受信される。受ｆ３ざれた超音波信号は次に時間
領域から周波数領域に変換されて、周波数領域信号を作
る。次に周波数領域信号は低周波こぶ鮪音成分について
分析される。低周波こぶは周波数領域信号から除去され
て、変形ざれた周波数領域信号を作る。前記変形周波数
領域信号の平均周波数が決定される。拍記流体の流量は
、ドップラー法を用いて前記変形周波数領域信号の前記
平均周波数から計筒される。

また本発明は、管を通って流れている粒子を含む流体の
流量を決定する装置をも提供する。超音波信号送信機は
萱を通る超音波信号をそれｋ斜めの角度で送信するよう
に配列されている。受信機は、受信される超音波イ番号
を出力として持つ流体内に含まれる粒子から反射ざれた
超音波信号を受信で−るように配列されている。フィル
タが受仁された超音波｛ｉｉ号に接続されて、そこから
低周波雑音成分を除去し、フィルタ済の超音波イ３号を
作る。

計算機構がフィルタ済超音波フィルタに接続されて、ド
ップラー法を使用しながらフィルタ済超音波信号から流
体の流量を計鼻する。

周波数機構はフィルタと旧棹機構との間に接続されて、
フィルタ済の超音波信号の平均周波数を決定寸ることが
望ましく、またこの場合計算機構は周波数装置から得ら
れるフィルタ済のＩＢ音波信号の平均超音波を川いで流
体の流和を決定することが望ましい。

また本発明は、管を流れている粒子を含む流体の流量を
決定する装置をも提供する。超名波信号送信機は、管を
通る超音波信号をそれに斜めの角度で送信するように配
列されている。受信機は、受信される超音波信号を出力
として持つ流体内に含まれる粒了から反射された超高波
信号を受信覆るように配列ざれている。変換器が受信さ
れた超音波信号を時間領域から周波数領域に変換して周
波数領域信号を作る。分析器が周波数領域信号に接続さ
れて、低周波雑音こぶについて周波数領域信号を分析す
る。信号処叩装置が分析器に接続ざれて低周波こぶを周
波数領域信号から除去して変形ざれた周波数領域信号を
作る。決定機構が信号処ｌ！ｌ！装ｄに接続されて、変
形周波数領域信号の平均周波数を決定する。Ｓ１緯機構
が変形周波数領域信号に接続ざれて、ドップラー法を用
いて変形周波数領域信号の平均周波数から流体の流量を
田算する。

第１図から見られる通り、音源１０、すなわち発振器も
しくは４メガヘルツ信号発生器は、４メガヘルツ超音波
１６を作る几電結晶１４に加えられる４メガヘルツ正弦
波形１２を作る。この超音１巳ラ 波１６はアクリル［−レンズ」１８を杆で、流れる血液
２２を含む管２０、ずなわち導管の表Ｗ１に送られる。

レンズ１８は、超音波１６が流れている面液２２と斜角
をなＪように、慎２０の壁に圧電結晶１４を取り付けさ
せる。なるべくこの角度は約３０°であることが望まし
い。次に超音波１６は管１８の壁２０を通って流れてい
る血液２２に入る。次に血液２２の中の赤面球２４は反
劃して、超音波１６（送信される信号）を後方散乱する
。

これらの赤血球２４は、周波数偏移された反射超音波２
６を送信する小形「送信機」として働く。

反射または後方散乱された超音波２６の若」＝は、管２
ｏの壁を通り、もう１つのアクリル［レンズ｛２８を通
って、反射された超音波２６を電気信号３２に変換する
もう１つの圧電結晶３０に戻される。１レンズ」２８も
管２０の壁に斜めの角瓜で圧電結晶３０を取りも１【ノ
させる。この角瓜は１゛レンズ」１８によって作られる
角度に等しいことが望ましく、かつ約３００であること
が望ましい。

この点での信号３２の周波数は、原４メガヘルツの超音
波信号１２ブラス（またはマイナス）ドップラー効果に
よる周波数偏移から成っている。信号３２は次に、原４
メガヘルツ送４ａ信号１２からの周波数偏移を含む信号
３２の部分を分離する復調器３４に通される。こうして
復調器３４の出力３６は＠２０を流れる血液２２の運動
流による周波数偏移によつ−Ｃのみ椙成される。

発生器１０、圧電結晶１４、レンズ８、管２ｏ、レンズ
２８、圧電結晶３０および復調器３４を含む第１図に示
された部品は技術的に良く知られている。これらの部品
は、モデル番号７８００の名称で、本発明の譲受人であ
るミネソタ・ミニング・アンド・マニュファクチュアリ
ング社の子会ネしであるサーンズ社によって市販ざれて
いるアナログ信号処理法を用いるドップラー流ａｈに同
じである。同じくミネソタ・ミニング・アンド・マニュ
ファクチュア社に譲渡されたハッパ−１へ（　ｌｌｕｂ
ｂａｒｄ　）らの米国特許第４．６９０．００２号に記
載された装圓もまた、第１図記載の構成部品を利用する
超音波ドップラー血液流測定装置をも開示している。

？信されて復調されたイ３号３６は「ドップラー偏移」
ざれた信号であり、この信号の平均周波数は管２０の中
の血液２２の流量に正比例する。好適な流量計装置では
、平均周波数の範囲は毎分Ｏ〜８リットル（ＬＰＭ）の
流量に相当する０　”■　５キロヘルツである。

理論的に述べれば、受信おＪ：び変調された信号３６は
、血液２２の流泄を表わツ単一周波数であったであろう
。この単一周波数結果は、いくつかの制限が満たされて
のみ得られる。無限に広い面ターゲットは、無限ビーム
幅を持つモノクロ超音波フィールドを定速で移動しな（
プればならず、またもしり゛べてのターグッｉ〜が同一
連ｊ宴で移！ＩＪシているならば定速で移動しなければ
ならない。もちろん実際には、これは起こらない。実際
の結果は、規定時間外に変化する振幅および変化する周
波数の成分を作る信号である。その結果、ドップラー情
報を含む信号３６は血液流邑を表わす周波数情報を正し
く抽出するようにさらに処理されなければならない。

この処理は第２図に示される回路で行われる。

第１図からの信号３６は、ダイオード・クリッパロ路で
あることが望ましいクリッパ回路３８に供給される。而
液２２は空泡を含んだり、反射波２６およびそれに続く
ドップラー出力信号３６を作って有意義に増加した大き
さとなる赤血球２４の重人なｍ皮を含むことがある。後
続の回路が正しく処理できるようにドップラー出力信号
３６を制限するために、信号３６はクリッパ回路３８に
よってクリップされてその最大振幅が制限される。

クリッパ回路３８は、木質的に従来形の回路であり、サ
ーンズ・モデル第７８００型流ａｈにも含まれている。

クリップされた信号は次に、自動利冑制御を与えるＡＧ
Ｃ回路４０に供給される。ＡＧＣ回路４０は、処理ずべ
き信号の自動利得制御を与えるためにドップラー装置に
おける従来回路である。従来の自動利得制御回路は、受
信信号の振幅を感知し、それによってそれらの利得を調
節することによって作動づ−る。以後の説明に見られる
通り、ＡＧＣ回路４０はソフトウェアの制御を受番プて
作動する。すなわち、ソノトウェアはＡＧＣ回路４０が
供給する利得を決定Ｊる。これはＡＧＣ回路４０の好適
な実施例であるが、従来のリアル・タイム振幅制御式Ａ
Ｇ０４０回路を利用できることが本発明の意図内である
。

信号は次にアンチ・アライアジング（　ａｎｔｒａｌｉ
ａｓｉｎｇ＞フィルタ４２に供給されて、リーンプル・
ホールド回路を含むアｆ　ＩＪグ・ディジタル変換器に
よってディジタル化される。ドップラー装置と関連した
アンチ・アライアジング（　ａｎｔａｌｉａｓｉｎｇ）
フィルタは、本質的に在来フィルタであり、技術的に良
く知られている。アンチ・アライアジング（　ａｎｔｉ
　−ａｌ　ｉａｓｉｎｇ＞フィルタ４２はハネウエル（
ｌｉｏｎｅｙｗｅ　Ｉ　ｌ　）製の１ＩＳＣＦ２４０４
０ＡＣＪであることが望ましい。この回路は、フィルタ
の特性を周知かつ従来の基準によりンフ１〜ウェアｉｉ
ｌｓｔｉｌを受けるようにセットさせる。好適とされる
が、従来の非ソフトウェア制御式アンチ・アライアジン
グ（ａｎｔｉ−ａｌｉａｓｉｎｇ）フィルタを利用でき
ることは本発明の意図内である。好適なアナログ・ディ
ジタル変１３５ｉ４４は、クリスタル・セミコンダクタ
（Ｃｒｙｓｔａｌ　ｓｅｍ＋ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　）製
のＣＳ７５　１　１　２−ＫＪ１　２である。このアナ
ログ・ディジタル変換器４４は４１．６７キロヘルツの
割合でデータ・リンブルを集める１２ビット変換器であ
る。この場合もまた、Ａ一〇変換器はドップラー装回の
中で従来形のものであり、ここではいろいろなＡ−Ｄ変
挽回路のどれでもが使用される。

ドップラー信号がいったん、アナログ・ディジタル変換
器４４でディジタル形式に変換されると、信号はコンピ
ュータ４６によってディジタル処理される。好適なコン
ピュータ４６は、テキサス・インスツルメンツ（Ｔｅｘ
ａｓ　ＩｎｓｔｒｕＩｌｌｅｎｔｓ　）によるモデルＴ
Ｍ３２０Ｃ２５、１６ビット・ディジタル信号処理装置
を含んでいる。コンピュータ４６の目的は、血液の流酪
を測定できるようにデイジタル・ドップラー信号から周
波数情報を抽出することである。ディジタル・ドップラ
ーから而液流量情報を抽出するコンピュータ４６の使用
は技術的に良く知られているが、本発明の方法おＪ−び
装置に使用される特定のルーチンは、抽出された情報を
特に正確かつ有用にする。それは本発明の木質であるデ
ィジタル信号処理に用いられる特定のサブルーチンであ
る。ディジタル・ドップラー信号を血液の流量に変換Ｊ
る一般能力は知られている。

デイジタル・ドップラー信号は管２０を通る而液２２の
流量に関する情報を含むが、デイジタル・ドップラー信
号は弛の情報、特にディジタル・ドップラーの分析をと
りわけ困難にする雑音をも含んでいる。本流量計装置お
よび方法の目標は、精度±１０％以内で毎分０．７〜７
，０リットルの流量を計算することである。プローブ（
第１図に説明されたドップラー送受信ハードウエア）の
互換性を可能にするように計粋ソ７１〜ウエアは、平均
周波数と流量との関係が異なるプローブについて異なる
かもしれないので、個別のブ［１−ブについてＳ１篩を
校正する「ブＯ−ブ特徴化の番号」の受信を可能にする
。

」ンピコータ４６のソフトウェアによって果たされる基
本のアルゴリズムが第３図に示されている。ソフトウエ
アはディジタル化されたドップラー信号のディジタル・
ザンブルを集め、信号の平均周波数を４算して、さらに
この周波数を平均周波数と流石との既知の直線関係に基
づいて流量に変１％Ｊ−る。ソフトウェアは正確かつ安
定した流れの読みを測定するために過去のデータ・サン
プルの平均化をも実行するとともに、下記に見られる通
り、ゼロの流れという特殊なクースが存在するかどうか
を決定する段階を含む。この主プログラムの好適なソ゛
ノトウエア実施例は付属文書Ａに示されている。

周知の方法による探索表の作成を単に含む初期設定３１
０の後で、プログラムの主ループが始まりかつコンピュ
ータ４６がリセットされるまで絶えず実行される。初期
設定段階３１０の好適なソフトウエア実施例が付属文Ｉ
ＢおよびＣに示されている。まず「プローブ特徴化番号
」は使用されている特定のブローブの計算を調節するよ
うに３１２で読まれる。プローブ特徴化番号を受信Ｊる
好適な実施例は付属文ｉ！Ｄに示されている。次にディ
ジタル波形は、アナログ・ディジタル変換器４４からの
到来ドップラー信号の１０２４個の点サンプルを収集す
ることによって、３１４で得られる。次に波形は、信号
の周波数分布を計算する高速フーり■変換（ＦＦＴ）に
よって周波数領域に、３１６で変換される。さらに、到
来する信号の実際の振幅も１０２４個のデータ点からも
計１算されて、過去１０個のシンプルの振幅を含む表に
記憶される。この振幅データは、ゼロ流れの検出に関連
した特殊サブルーチンにおいて後で利用される。次に、
ドップラー信号の平均周波数はＦＦＴの結果から３１８
で計算される（このｉｆ’　＞１のサブルーヂンは第６
図に関してのちに説明される）。ゼロの流れが３２０で
存在しなければ、これは第７図に関して説明されるが、
瞬間流量はザンプルの平均周波数およびブローブ特徴化
番号に基づいて３２２で計算される。もしゼロ流れの条
件が存在するならば、瞬間流岨は３２４でゼロにセツ１
〜される。

瞬間流ｍ４算３２２は、まず平均周波数からインターセ
ブＩ〜値を引き、次にその結果をスロープ顧で割ること
によって算出される。

３２２でのＩＩ間流量、泪算に加えて、到来信号の電力
レベルが分析され、到来信号の電力レベルに基づいて新
しい利得値がＡＧＣ回路４０に供給される。好適なアナ
ログ・ディジタル変換器４４によって測定し得る最大お
よび最小電圧は±２．５ボルトである。ＡＧＣ回路４０
は、０〜・２５．５ｄＢの利得または損失に相当するＯ
〜２５５（８ピット）の間の整数を送ることによってソ
７１−ウエア制御される。

データの第９ビットは、利得または損失はどちらが所望
ざれているかを示す。ターゲット信号の強さを表わ１定
数に対するナンブルされた信号の平均絶対値振幅を測定
することによって自動利得が制御される。もし測定され
た信号がターゲットよりも小であるならば利得は０．５
ｄＢだけ増加され、もし測定された信号がターゲットよ
りも大であるならば利得は０．５ｄＢだ【プ減少される
。

０．５ｄＢの利得の増減は、ソフ１〜ウエア制御される
ＡＧＣに送られる整数飴の５の増減に相当Ｊる。

この計算に使用されるブローブ特徴化番号は、特定のプ
ローブに関する平均周波数対流ｍｌのブロットのスロー
プおよびインターセプト値を表わす，、それらは各個の
プローブに関するいろいろな流量での平均周波数を測定
し、次にそのデータについて最小自乗リニア・フィット
（　ｌｉｎｅａｒ　ｒｒｔ＞を行うことによって製造の
際に前もって定められる。

瞬間流量は、過去１０回の流量を３３０で平均される。

もし平均された流量がそのとぎ毎分０．１リットルを越
えて異なるならば、表示（または出力）は出力データの
不要な［トグル作用．１を防止するために更新される。

さもなければ、表示（または出力）は出力データの不要
な［−トグル作用」を防止するために更新されない。こ
の平均流量（表示流量）は３４０で表示されたり、他に
利用される。

管２０の中を流れている血液２２の流量を正しく測定す
るように、到来するドップラー信号の特性の止しい分析
が行われなりればならない。第４図は周波数ドメインに
ある代表的なドップラー信号４８を示ず。第４図の図表
は、水平軸として周波数を、そして垂直軸として振幅（
ま７ｊは電力）を持つドップラー信号のプロットである
。見られる通り、信号４８は流はを表わす甲−周波数で
はなく、イ１限の波幅およσ粒子リーイズに関する上述
の理由を含む数多くの理由によって、信号４８は実際に
は−・定の周波数が優位を占める周波数の全範囲である
。信号４８は実際には２個の「こぶ」を右し、その内の
１個は流量に関連した信号の実際の情報保持内容を表わ
すより高い周波数であり、もう１個は面液ボンプ（図示
されていない）または他の振動からの電動機雑音に起因
するより低い周波数である。流昂は信号４８の情報保持
部分の平均周波数に関連されるので、信号４８の実際の
平均周波数をとるには、第４図の周波数Ｃとなる。

この平均周波数は電動機やボンブの雑音に起因する低周
波数の「こぶ」によって影響されるので、不正確な結果
が得られる。

第４図の低周波の「こぶ−１を除去するように、ソフト
ウエアは信号４８の平均周波数を算出し、次にその平均
周波数を４で割って、第４図の周波数八を得る。一般に
、低周波［こぶ」雑音はゼロから周波数Ａまて・のｉ囲
内に含まれている。そのとぎソフ！−ウエアは、周波数
△Ｊ：り低い周波数の［こぶ１を無視しながら、ドップ
ラー信号のそれぞれの部分に関する指数概粋を行う、，
低い周波数範囲内でドンプラーイ３号をなめらかにする
ように、曲線はゼロの周波数範囲と平均周波数（周波数
Ｃ）を２で割ったもの（周波数Ｂ）との間で曲線が児積
もられかつなめらかにされる。低周波何音の［こぶｉの
このソフ１・ウ１ア除去の結果は、第５図に示される変
形された信号５０によって示される。

第６図は平均周波数（第３図のブロック３　１　Ｂ　）
を計算１るソフ］一ウエアの部分の流れ図をＨ’ｌ。

平均周波数は、その周波数と各周波数との積での電力の
和を各周波数での電力の和によって割り豹される。すべ
ての周波数値は、整数０−２５５が周波数０−１０キ【
コヘルツを表わすように直線状に正規化される。実際の
平均周波数は、正規化された平均周波数にアルゴリズム
の終りに４０．７７を掛リることによって見いだされる
。

平均周波数Ｋｉ算に加えて、ソフトウエアのこの部分は
上述の低周波こぶ雑音を除去する信号処理を実行する。

正常なドップラー信号は、正確な流量を計算し得るよう
に除去されなければならない特有４Ｋ２種類の雑音を含
むことが判明している。

第１の形の雑音は、どんな有効なドップラー信号よりも
はるかに帯域幅の大きな基線白色雑である。

好適な流量計装置にお（プる有効なドップラー周波数は
０−９キロヘルツに制限ざれているので、ソ７１−ウエ
アは９キロヘルツと１０キロヘルツとの間の最大電力値
（ドップラー信号の部分を含む予想の情報を一Ｆ回る）
を見いだし、ざらにこの値をドップラー信号の各入力デ
ータ伯から６１２において差し引くことによって、この
基ＩＩＱａｔ音を除去する。第２の形の雑音は構造的な
感知器／管／血液装置内の振動に起因１−る上述の低周
波こぶ銘音である。この雑音は、有効な流量データと組
み含わされる主周波数のこぶＪ：りもはるかに低い周波
数の範囲にわたって存在するこぶと同様に現われる。こ
の低周波こぶを除去するために、まず信号の電カスペク
ｌ〜ルが６１４で決定される、，次に、粗信＠（低周波
こぶを含む）の平均周波数が６１６で決定される。次に
範囲の平均周波数／４（第４図の点Ａ》と平均周波数／
２（第４図の貞Ｂ》との間の平均電力レベルが決定され
る。次に、ゼロから平均周波数／２までの電力データ値
は、ゼロ・ヘルツでのゼロから平均周波数／２（ブ［１
ツク６１８）の周波数での電力の泪算された１『１まで
の指数的に増加する関数にとって代わられる。次に新し
い平均周波数飴が修正された電力分布データから計算さ
れる。最初の計算におりる大きな低周波こぶに起因する
どんな総誤差でも除人リるために、こぶ除去プロセスが
６２０で一度繰り返される。次に平均周波数値は主プロ
グラム６２２に戻される。平均周波数アルゴリズムの好
適イｆソフ１・ウエア実施例はアタッチメント１二に示
されている。

本発明の流ｍ　’ｆａｔ　ａ３よびそれに伴う′ｊＪ法
は荊波数にＭづい−Ｃのみ流徂をｉｉｆ−Ｋするので、
受信される信号が有効なドップラー流れ仏号ではなく純
然たる刹音であるという特殊なケースがゼロ流量で存在
Ｊ゛る。ゼ【コ流ｈ１での雑音はランダムであり、ゼロ
の流れに独特な平均周波数を持たないであろう。

こうして、平均周波数８１算プログラムは、受｛ｉ’ｌ
されｌこ平均周波数に基づきゼロの流れで誤った流量を
８１算づ−るであろう。ゼロの流での雑音はランダムで
あるが、それば主として、正常振幅、低周波仰音のたま
のスパイクを持つ低振幅白色雑音から成るものと、ざっ
と特徴づけられている。低振幅および低周波数という詔
は、有効なドップラー信号ど比較されるときに用いられ
る。しかし、もしこの姿１？；１が実際のドップラー信
号と解釈ざれたならば、白色刹？′４の平均周波数は標
準とＬノで毎分２．０〜８．０ソツ１〜ルの流量に相当
する。低周波、正常振幅箱音は毎分０．０〜０．３リッ
１−ルの流最に相当する。

こうして、好適な実施例のソ７１〜ウ」アは１１．１の
流れの検出７１０を保証する３段階を利用した。

まず、到来イ３号の平均振幅が決定され（第３図のブロ
ック３１４参照）、所定の郭音限界に７１２で比較され
る。もし現在の振幅がこの値より低ｔ−Ｊれば（ブロッ
ク３２４参照）、瞬時流量は７１３でゼロにセッ］・ざ
れ、到来信号の平均周波数は無祝される。この段階の正
しい処置は、ゼロ流の信号と有効なドップラー信号の振
幅との間に安全かつ予測（゛ぎる余裕が存在づ−ること
を要求する。次に、毎分０．４リットル未満（７１４）
、ずなわち毎分０．３リツ１〜ルまたはそれ未満である
すべての瞬詩流量について、瞬時流量は７１５でゼロに
セッ１・される。こうすることによって、ソノ１〜ウエ
アは低周波雑餡のたまのスパイクが有効な流れの読みと
して現われないことを保証する。第３に、最後の１０回
の瞬時流量が７１６で検査され、もし多数の値がゼロで
あるならば、７１８でゼロ流量が存在するかどうかが決
定される。この第３段階なしでは、ゼ［Ｉの流れでの２
回または３回の非ゼロ瞬時流れは他の場合の流量が瞬時
の流れを平均化することによって計粋されるので誤った
非ゼロの流量決定を招く恐れがある。

こうして、新しいドップラー面液流装■およびその方法
が図示ざれかつ説明されたことが分かると思う。しかし
認識しかつ埋解づべぎ点は、本発明の形および細部のい
ろいろな変史、変形ならびに代替が特許請求の範囲によ
って定められた本発明の範囲から逸脱ｕずに当業者によ
って作られることである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のドップラー面液流装置の超音波送受信
部分を示す図（それらの部分は明らかにリるために分番
ノで示されている）、第２図は本発明のドップラー血液
流装置の信号処理部分のブロック図、第３図は本発明の
装置および方法と組み合わせる主ソフ１・ウエア・アル
ゴリズムの流れ図、第４図は典型的な粗ドップラー信号
のグラフを示す図、第５図は本発明の而の１つにより処
理された第４図の典型的なドップラー信号のグラフを示
す図、第６図は本発明の１つの面にＪ：るドップラー信
号の平均周波数の決定と組み合わされるソフトウエア・
アルゴリズムの一部分の流れ図、第７図は本発明の１つ
の面による特殊なゼロの流れのケースの決定と組み合わ
されるソ７１へウエア・アルゴリズムの一部分の流れ図
である。 符号の説明 １０・・・４ＨｌｌＺ発生器；２０・・・管；２２・・
・流体；２４・・・粒子。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）管を流れている粒子を含む流体の流量を決定する
   方法であって、前記管を通してそれに斜めの角度で超音
   波信号を送信する段階と、前記流体内に含まれる前記粒
   子から反射された超音波信号を受信して受信された超音
   波信号を作る段階と、ドップラー法を用いて前記超音波
   信号から前記流体の前記流量を計算する段階とを使用す
   る前記流量を決定する方法において、前記受信された超
   音波をフィルタしてそこから低周波雑音成分を除去し、
   前記計算段階に使用されるフィルタ済の超音波信号を作
   る追加の段階を有することを特徴とする流量を決定する
   方法。
2. （２）前記計算段階は前記フィルタ済の超音波信号の前
   記平均周波数を決定する段階を利用する、ことを特徴と
   する請求項１記載による方法。
3. （３）管を流れている粒子を含む流体の流量を決定する
   方法であって、前記管を通る超音波をそれに斜めの角度
   で送信する段階と、受信される超音波信号を作る前記流
   体内に含まれる前記粒子から反射された超音波信号を受
   信する段階と、ドップラー法を用いて前記流体の流量を
   計算する段階とを使用する前記流量を決定する方法にお
   いて、前記受信された超音波信号を時間領域から周波数
   領域に変換して周波数領域信号を作る段階と、前記周波
   数領域信号を低周波こぶについて分析する段階と、前記
   低周波こぶを前記周波数領域信号から除去して変形され
   た領域信号を作る段階と、前記変形周波数領域信号の平
   均周波数を決定する段階とを有し、前記計算段階は前記
   変形周波数領域信号の前記平均周波数から前記流体の前
   記流量を計算する、ことを特徴とする流量を決定する方
   法。
4. （４）管を流れている粒子を含む流体の流量を決定する
   装置であつて、前記管を通る超音波信号をそれに斜めの
   角度で送信するように配列された超音波信号送信機と、
   受信される超音波信号を出力として持つ前記流体内に含
   まれる前記粒子から反射された超音波信号を受信するよ
   うに配列された受信機と、ドップラー法を用いて前記超
   音波信号から前記流体の流量を計算するために前記フィ
   ルタ済超音波信号に接続される計算装置とを備えている
   前記流量を決定する装置において、前記受信された超音
   波信号に接続されてそこから前記低周波雑音成分を除去
   してフィルタされた超音波信号を作り、前記計算装置は
   前記フィルタ済の超音波信号を使用する、ことを特徴と
   する流量決定装置。
5. （５）前記フィルタと前記計算装置との間に接続されて
   前記フィルタ済超音波信号の平均周波数を決定する周波
   数装置をさらに含み、かつ前記計算装置は前記周波数装
   置から得た前記フィルタ済超音波信号の前記平均周波数
   を用いることによつて前記流体の前記流量を決定する、
   ことを特徴とする請求項４記載による装置。
6. （６）管を流れている粒子を含む流体の流量を決定する
   装置であつて、前記管を通る超音波信号をそれに斜めの
   角度で送信するように配列された超音波信号送信機と、
   受信される超音波信号を出力として持つ前記流体に含ま
   れる前記粒子から反射された超音波信号を受信するよう
   に配列された受信機と、ドップラー法を用いて前記流体
   の流量を計算するために変形周波数領域信号に接続され
   る計算装置とを備えている前記流量を決定する装置にお
   いて、前記受信された超音波信号を時間領域から周波数
   領域に変換して周波数領域信号を作るために前記受信さ
   れた超音波信号に接続された変換器と、低周波こぶにつ
   いて前記周波数領域信号を分析するために前記周波数領
   域信号に接続される分析器と、前記分析器に接続されて
   前記周波数領域信号から前記低周波こぶを除去して変形
   周波数領域信号を作る信号処理装置と、前記信号処理装
   置に接続されて前記変形周波数領域信号の前記平均周波
   数を決定する決定装置とを有し、前記計算装置は前記変
   形周波数領域信号の前記平均周波数から前記流体の流量
   を計算する、ことを特徴とする流量を決定する装置。