JPH0260636A - 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
で計測で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（１，９７３年）ｐｐ３５１
〜３５２参照）では、超音波パルス（Ｐｕｌｓｅｄ　ｃ
ｏｎｔｊ−ｎｕｏｕｓ　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なす角度をθ、血流の速度をＶ
としたときｖ　ｃｏｓ　　Ｏ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ｉ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フィルタによ
り、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、図面に基づいて説明する。

第良図は、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＝Ａｎ　ｅｘｐ（ｊ　ωａｔ）＋Ｂｎ（Ｗ’ｎ＋ｊ
Ｗ”ｎ）を用いている。但し、ここで位相雑音ｗ’、、
ｗ”。

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。

Ｗ”□はＷ′。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右胸−
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、Ｗ　ｌ、は実部における雑音、Ｗ”、は虚数
部における雑音を表わしている。なお、ωｄはドプラ周
波数である。

例えば、米国特許第４５８３４０９号に示される自己相
関法と呼ばれる種類の従来のパルスドプラ計測法では、
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、自己相関法において、ドプラ信
号同志の位相差を検出する際に生じるものである。すな
わち、リ パルスくり返し周期ごとにＭＴＩを介して得たドプラ信
号同志の自己相関をとって得た位相差ベクトルを加算す
る演算において、雑音振＋１１ｉＢ、が小さい（Ｂ、＜
１）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かある。そのため１位相差ωａ
　Ｔ　（Ｔ　＝　ｔ　ｎ−１ｔ　ｎ）が正確に求まるが
、雑音振幅Ｂｎ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、（Ｎは加算回数）となり、
不正確なものとなる。

また、位相差ベクトルを加算するのに代えて、ドプラ信
号の位相（角度）を検出し、毎回の計測くり返しごとの
角度差Δθを得、その角度差をｃｏｓ成分、ｓｉｎ成分
に分け、この２成分を加算平均した後に２成分の示す位
相差を求める２軸成分法と呼ばれる方法（特開昭６３−
８４５５３号）においても、上記の自己相関法と全く同
様の誤差が生田 しる。第４絡ａはこれら自己相関法もしくは２軸成分法
における計測速度に対応する出力位相を真の血流速度に
対応する入力位相に対して前述のシミュレーションで求
めた曲数であり、低速領域に大きな検出誤差があること
が明らかにされている。

一方、計測くり返しごとのドプラ信号の位相差を得、こ
の位相差の値を直接複数回加算して平均化した位相差を
得、これを速度に変換する方法が１９７８ウルトラソニ
ツクス・シンポジウム・プロシーデインゲス（Ｕｌｔｒ
ａｓｏｎｉｃ　ＳｙｍｐｏｓｉｕｍＰｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇｓ　）第３４８〜３５２頁に示されている。以下これ
を位相差平均法と呼ぶ。この方法では、真の血流速度に
対応する位相差がπもしくは一π近くであれば、雑音に
よる検出位相差の変動により毎回の検出位相差はπもし
くは一πを越える場合が生じ、πおよび一πにおける値
の折り返しにより加算総和がゼロ付近になる現象が生じ
る。

したがって高速領域における計測範囲が限られていると
の欠点を有する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは高速領域にも十分な計測範囲を有し、かつ
低速領域における雑音による測定誤差の少ないパルスド
プラ流速計を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明のパルスドプラ計測装
置は、従来の２構成分法の速度検出手段の中間出力であ
る個々のドプラ信号の角度の計測くり返しごとの角度差
、もしくは自己相関法の速度検出手段の中間出力である
個々の位相差ベクトルを角度に変換した値をそのまま順
次加算して平均化する手段を備え、低速の領域ではこの
角度を順次算して平均化した値から、また高速の領域で
は従来の２構成分法の出力である角度差の２成分のそれ
ぞれの平均値の示す角度差の値、もしくは従来の自己相
関法の出力である位相差ベクトルの和の示す角度の値か
ら速度を算出する。

〔作用〕

上記した角度差そのもの、もしくは位相差ベクトルを角
度に変換した値を順次加算して平均化する手段の出力は
、先に述べた従来の位相差平均法の出力と同等である０
発明者らの検討及びシミュレーションでの確認の結果、
この手段の出力では雑音による毎回の位相計測誤差が打
ち消され、この出力を用いて速度を得ると低速領域にお
ける速度計測誤差が極めて小さくなることが判明した。

すなわちＮ回加算するとすれば、１回目のドプラ信号の
位相計測誤差をＷ、、Ｎ回目の位相計測誤差念＝±＝２
回目からＮ−１回目までの位相計測誤差はすべて打ち消
されて真のドプラ位相差ω、Ｔと比較してほとんど誤差
を含まない。したがって低速領域でも正確な速度が得ら
れる。一方、高速領域では前述した値の折返しによる平
均値の誤差が発生し、シミュレーションの結果上記平均
化する手段の出力位相は真の血流速度に対応する位相（
入力位相）に対して第４図すのようになることがわかっ
た。

上記した本発明の構成によれば、低速領域では角度その
ものの加算により誤差が打消された位相差が選択され、
また高速領域ではこれ、に代えて自己相関法もしくは２
構成分法により得た位相差が選択されて速度に変換され
るので、計測可能な速度範囲が広く、かつ低速でも正確
な速度が得られ・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。先ず、本発明の概略構成と動作原理を述べる。

第３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２と受波回
路３とＡ／Ｄ変換器４と位相比較器５とＭＴＩ（固定物
除去フィルタ）６とドプラ速度検出部７とから構成され
るが、新たに設けられたのは、ドプラ速度検出部７内の
角度加算平均器７０５．７１８である。なお、第１図、
第２図は第３図における、ドプラ速度検出部を詳述した
ものである。

送波回路３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＝Ａｓｉｎω。

ｔとの位相比較が行われ、それぞれの出力ＶＲ，Ｖｌが
得られる。

いま反射体１１についての位相比較器４の出力をＶＲＩ
Ｉ、　Ｖｌｌ＋　（ここで、ｎ＝１．２．−・−）と表
わすと、Ｖｕｎ、　Ｖｒｎは次式で示すことができる。

Ｖｒ＋ｎ＝Ａｎ　　ｃｏｓ　　θｎ ＶＩｎ＝Ａｎ　　ｓｉｎ　　θ、 簡単のため、上記（１）、（２）を次式でまとめて、記
述するものとする。

Ｖ’ｎ＝Ａｎ　ｅｘｐ　（、ｊ　　ｏｎ）　　　　　　
　　　　（３）これはＡ／Ｄ変換器５の出力である。つ
ぎに、第３図において、Ａ／Ｄ変換器５の出力Ｖ　’　
ｎがＭＴＩ６に入力されると、ＭＴＩ６の出力Ｖ。を得
る。Ｍ、ＴＩが一次差分回路なので ｖ、＝　ｖ’、−ｖ’。−８ である。以下ｖｎを位相ベクトルと呼ぶ。

第１図において、ＴＡＮ−’メモリに位相ベクトル■、
が入力されるとｖｎの偏角Ｏｎが得られる。

遅延回路７１２により、−時刻耐のｏｎ−１が得られ、
現在のθ。どの差をとることにより位相差Ｏｎθ。−０
（二Δθ。とおく。）が得られる。位相差へ〇〇は、コ
サインメモリ７１３、サインメモリ７１４において、位
相差Δθ１．の余弦成分と正弦成分に、それぞれ変換さ
れる。つぎに、加算器７１５．７１６において、余弦成
分ＣＯ８Δ０．．は任意回数、それぞれ加算平均化され
たのち、それぞれＴＡＮ−’メモリ７１７へ入力される
。ＴＡＮ−’メモリでは、加算平均化された余弦成分を
複素数の実部、加算平均された正弦成分を虚部として偏
角６０丁に変換される。以上は二軸成分法についての主
たる構成である。本発明では、さらに位相差ΔＯｎを加
算器７１８で加算平均することにより、偏角ΔθＳを得
ることが付加されている。切替器７１９は、制御部９の
指示により切替わる。

第２図は速度検出部７の別個を示す。位相差検出部７０
１に、まず位相ベクトルｖ、１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ｖｎと一時刻前のベク＊ トルＶ。−０の複素共役ベクトルであるＶ　１１−１　
との複素乗算を行なえばよく、そのことが実施される。

複素乗算の結果を位相差ベクトルＹｎで表わすと、Ｙｎ
は次式で示される。

＊ ｙ、＝ｖ、−ｖ、、 ＝Ｒｎ＋ｊＩｎ 複素加算器７０２は位相差検出器７０１の出力であるＹ
ｎ＝Ｒｎ＋ｊ工。を任意回数、加算平均する。

その結果をＲ＋ｊ■で示すと、Ｒ＋ｊＩは次式で示され
る。

ＴＡＮ−１メモリ７０３は複素加算器の出力Ｒ＋ｊ■を
偏角Δθ＾に変換する。以上は自己相関法の主たる構成
である。本発明ではさらに、位相差検出部の複素数の出
力Ｒｎ　＋　Ｊ　Ｉ。をＴＡＮ−”メモリ７０４により
偏角へ〇。に変換することとその偏角ΔＯｎを加算器７
０５により加算平均し、偏角ΔＯ８を得る回路とが付加
されている。切替器７０６は制御部９の指示により切替
る。

制御部９は第５図のアルゴリズムに従って、第１図にお
いては切替器７１９を、第２図においては切替器７０６
を切替える。すなわち、第１図において （１）ＴＡＮ−”メモリ７１７の出力ｌΔＯＴ１が加算
器７１８の出力１ΔＯｓｌにほぼ近ければ、制御部９は
切替器７１９をＴ側に倒し、Δθ＝ΔＯＴとする。

（２）１ΔθＴ１が１Δθｓ１より充分大きい場合で、
１ΔＯｎｔが小さいとき、制御部９は切替器７１９をＳ
側に倒す、すなわち、八〇＝ΔＯＳとする。

（３）１ΔＯＴ１が１ΔＯｓｌより充分大きい場合で、
１Δ０１１が大きく、Δθ。が異符号の値を持つとき、
制御部９は切替器７１９をＴ側に倒す。すなわち、　八
〇＝ΔθＴとする。

（４）１ΔθＴ１が１Δθｓ１より充分大きい場合で、
１ΔＯｎ１が小さいとき、制御部９は切替器７１９をＳ
側に倒し、Δθ＝八θへとする。また第２図においては
、 （１）ＴＡＮ−”メモリ７０３の出力１Δθ＾１が加算
器７０５の出力１Δθｓ１にほぼ近ければ、制御部９は
切替器７０６をＡ側に倒し、Δθ＝ΔＯ＾とする。

（２）１ΔＯＡＩが１ΔＯｓｌより充分大きい場合で、
１ΔＯｎＩが小さいとき、制御部９は切替器７０６をＳ
側に倒す、すなわち、 八〇＝ΔＯＳとする。

（３）１Δθ＾１が１Δθｓ１より充分大きい場合で、
１Δｏｎｌが大きく、Δ０が異符号の値を持つとき、制
御部９は切替器７０６をＡ側に倒す、すなわち、 Δθ＝ΔＯΔとする。

（４）１Δθ＾１がＩΔＯｓｌより充分大きい場合で、
１Δθ、１が小さくないとき、制御部９は切替器７０６
をＡ側に倒す、すなわち、Δ０＝ΔＯΔとする。

第３図において、除算器８は超音波パルスの送波間隔Ｔ
で、速度演算部の出力Δθを除算処理を行なう。すなわ
ち、その結果はドプラ周波数ω。

であり、 となる。表示装Ｗ１０はω４を表示するものである。第
６図は本発明により得られる、入力位相と出力位相の関
係を示す予想図である。血流速度が遅いとき、すなわち
、πに近いときは従来方式の利点が生かされており、血
流速度が中速以下のときは、位相差を加算平均する本方
式により、より正確な血流速度が得られることを示して
いる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、物体の速度が低速
の際に生じる計測誤差を軽減できるのでより真の速度に
近い正確な測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すドプラ速度検出部の構
成図、第２図は本発明の他の実施例を示すドプラ速度検
出部の構成図、第３図は本発明が適用されるパルスドプ
ラ計測装置の構成図、第３３図における制御部９の動作
原理を示すアルゴリズム、第６図は本発明の効果により
得られる入力位相と出力位相の関係を示す予想図である
。 符号の説明 ２：送波回路、３：受波回路、４：位相比較器、５：Ａ
／Ｄ変換器、６：ＭＴＩ、７：ドプラ速度検出部、８：
除算器、９：制御部、１０：表示装置、７０３，７０４
，７１１．７１７：ＴＡＮ−’メモリ、７０１：位相差
検出器、７０２：複素数加算器、７０５，７１５，７１
６．７１８：加算平均器、７１３：コサインメモリ、７
１４：サインメモリ、７０６，７１９：切替器、７１２
：遅延器、１・・・超音波トランスデユーサ、２・・・
反射物体（目標物体）。 第２図

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、自己相関処理部の
   各位相差ベクトルを途中出力する手段と各位相差ベクト
   ルを加算平均する手段、前記加算平均された位相差ベク
   トルの角度を検出する手段と前記途中出力である各位相
   差ベクトルの各角度を検出する手段、前記各角度を加算
   平均化する手段と前記２つの角度のうち一つを選択する
   手段とを具備することを特徴とするパルスドプラ計測装
   置。 ２、パルスドプラ計測装置において、二軸成分法による
   ドプラ角度の検出部と、前記検出部において角度差を途
   中出力しその角度差を加算平均する手段と前記ドプラ角
   度と前記加算平均された角度差のうち一つを選択する手
   段を具備することを特徴とするパルスドプラ計測装置。