JPH0260637A - 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】 ［産業上の利用分野コ 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１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、例えば、特開昭
５８−１８８４３３号公報、同６〇−１１９９２９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θ、血流の速度をＶ
としたときｖ　ｃｏｓθ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！Ｉ］ 上述の如く、ドプラ周波数を測定することにより５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、心臓壁等の壁
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３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１．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＝　Ａｎｅｘｐ（ｊ　ｃｔ＋　ｄ　ｔ　）＋　Ｂｎ
（Ｗｎ’　　＋　ｊ　ｗａ’　）を用いている。但し、
ここで位相雑音Ｗ　ｎ′Ｗｎ＃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　ｎ″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、Ｗｎ’は実部における雑音、Ｗｎ′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、パルスくり返し同期ごとにＭＩＴ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ＩＩＩＩＴＢｎが小さい（
Ｂ、（１）ときには、位相差ベクトルの位相項ｔこおい
て、雑音が互いに打消し合う効果がある。

そのため、位相差（１１，ＩＴ　（Ｔ’＝　ｔｎ＋□−
ｔｎ）が正確に求まるが、雑音振幅Ｂｎが大きい（Ｂｎ
＞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＋Σ　ＡＷ　　（Ｎは
加算回数）となり、不正確なものとなる６また、位相差
ベクトルを加算するのに代えて、ドプラ信号位相（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
構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じ
る。第４図ａはこれら自己相関法もしくは２構成分法に
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
た曲線であり、低速領域にて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（ｆｆ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（Ｕｌ
ｔｒａｓｏｎｉｃ　ＳｙｍｐｏｓｉｕｍＰｒｏｃｅｅｄ
ｉｎｇｓ　）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冗
もしくは−２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、低速の物体を測定するには、位相差平均法、中高
速の物体を測定するには自己相関法の出力を用いる。す
なわち、順次得られる位相ベクトル信号同志の自己相関
を取り、得られる位相差ベクトルを複数回加算し、加算
された位相差ベクトルの偏角を算出する自己相関法によ
る第１の位相差検出手段と、順次得られる位相ベクトル
信号同志の位相差を複数回加算する位相差平均法による
第２の位相差検出手段と、第１．第２の位相差検出手段
の出力の一方を選択する手段を有する。上記選択する手
段は、第１の位相差検出手段の出力が所定の閾値より小
さな場合には第２の位相差検出力を選択して血流速度と
する。また上記閾値を越えた場合にはその第１の位相差
検出手段の出力を血流速度とする。

また本発明の別の特徴によれば、上記構成に加えて更に
上記位相差ベクトルの示す速度の分散を検出する手段と
１反射信号の反射強度を検出する手段とを備え、これら
の速度分散、及び反射強度をも血流速度決定のパラメー
タとする。すなわち速度分散、反射強度がともにある閾
値より大きい場合は、乱流の状態であるので上記第１の
位相差検出手段の出力を血流速度として選択し、速度分
散が閾値より大、反射強度が閾値より小の場合は速度ゼ
ロ、もしくは不定とする。

［作用コ 本発明では、中高速の物体については、従来の自己相関
法の利点を生かし、従来どうりの速度の計測が可能であ
る。低速の物体については、位相差平均法による位相差
の演算値を用いるので、雑音成分が１／Ｎ（Ｎ：加算回
数）倍に抑圧されるため、高ＳＮの速度計測が達成され
る。速度零近辺においては、出力値を零又は空白として
出力するので、誤表示が無くなる。

［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
のブロック構成図である。図において、８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ＭＴ１フィルタ、７は
速度演算検出部を示している。

本実施例に示すパルスドプラ計測装置は、信号対雑音比
が向上する位相差平均法を基本とし、ドプラ速度の小さ
いときは位相差平均法の出力、ドプラ速度が中以上のと
き、自己相関法の出力を選択することを特徴とする。そ
の動作の概要は、以下の通りである。

送波回路２で送出された超手波パルスを、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、１ と、 α′　＝ＡＳｉｎωＩＩｔ Ｖ　ｎ　’　　＝　Ａ　ｎｅｘｐ　（Ｊ　θｎ）　　　
　　　　　　（３）Ｖイ′はＡ／Ｄ変換器の出力である
。ｖｎ′　がＭＴＩフィルタ６に入力されると、ＭＴＩ
フィルタ６の出力ｖｎを得る。ＭＩＴフィルタが一次差
分回路なので、 ｖｎ＝ｖｎ’　　−ｖ、、 との位相比較が行われ、それぞれの出力ＶＲ，Ｖｌ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ＶＲＩ
ＩＩ　Ｖ＋ｎ　（ここで、ｎ＝１．２．　・・・・・・
）と表わすと、Ｖ　Ｒｎ　＋　Ｖ　ｔ。は次式で示すこ
とができる。

ＶＲｌｌ：　ＡｎｃＯ８ｏｎ Ｖｒｎ＝Ａｎｓｉｎθ。

簡単のため、上式（１）、（２）を次式でまとめて、下
記の如ぐ記述するものとする。

である。以後、ｖｎを位相ベクトルと呼ぶ。

自己相関器（位相差検出器）７０１に、まず位相ベクト
ルが入力される。自己相関器７０１では位相ベクトルｖ
ｎと一時刻前のバク１〜ルＶ。−８の複＊ 数共役ベクトルであるＶ。−０との複素乗算が実施され
る。複素乗算の結果出力をＹｏとすると、Ｙｎは次式で
示される。

ネ Ｙｎ＝Ｖｎ−Ｖｎ−ｘ　　＝Ｒｎ＋ｊ　Ｉｎ　　　　（
ｓ）複素加算器７０２は、自己相関器７０１の出力であ
るＲ、＋ｊ１．を任意回数、加算平均する。その結果出
力をＲ＋ｊ■で示すと、Ｒ＋ｊＩは次式で示される。

ＡＴＡＮメモリ７０３は複素加算器の出力Ｒ＋ｊ工を偏
角ΔＯ＾に変換する。以上は自己相関法による速度演算
の主たる構成である。

つぎに速度分散を検出する部分を説明する。自己相関器
７０１の出力Ｒｎ＋ｊＩｎをＡＴＡＮメモリ７０４に入
力することにより、偏角Δθ＾。が出力される。分散演
算器７０５は、ＡＴＡＮメモリＰｓは選択器７１０へ入
力される。

速度演算部７において、点線で示した部分が今回追加さ
れた回路を示している。それらは位相差平均法による速
度演算部（７０７，７０８，７０９゜７１３．７１４）
と選択器７０９から成る。位相差平均法は高ＳＮで速度
の計測可能な方法である。

位相差平均法ではまず、位相ベクトルｖｎをＡＴとによ
り、現在の偏角θ。と−時刻前の偏角０゜−１との差出
力が得られる。加算器７１４の出力をΔθ。とおけば、
八〇、は次式で示される。

一方パワー演算器７０６はｖｎの実部ｖＲ，，と虚数部
Ｖ　ｔ　ｎとの自乗和を演算検出後、更に任意回それら
を加算する。加算結果をＰ８とすればＰｓは次式で示さ
れる。

Δθ。＝００−〇。−□ 加算器７０８はΔθ。を任意回加算する。加算器７０８
の出力を６０丁とおけば、６０丁は次式で示される。

１Ｎ ６０丁は位相差平均法により検出された偏角であり、物
体の速度に対応する。ΔθＴは選択器７０９へ入力され
る。

選択器７０９においては、自己相関法により得た偏角（
平均位相差）Δθ＾、角度分散σＳと、パワー演算器７
０６により得た反射強度Ｐｓをパラメータとし血流速度
ωｄとしてΔθＴかΔθ＾かのいずれを選択するかを判
別する演算が実施される。

第２図に選択アルゴリズムのＰＡＤフローチャート（以
後ＰＡＤと略称する）を示したのでそれに従い説明する
。σＣは角度分散の閾値であり、まずσＳがσＣより小
さいかどうか判定される。真（ＹＩＥＳ）ならば、つぎ
にΔθ＾の絶対値が角度の閾値θ　より小かどうか判定
される。真ならば。

α ６０丁を血流速度とし、為ならば、Δθ＾を血流速度と
決定する。又σＳがσ、より大または等しい場合、反射
強度Ｐ８が反射強度の閾値より大かどうか判定される。

真ならば、Δθ＾を血流速度とし、為ならば血流速度は
ブランク（値なし）又は速度零と決定される。ΔθＴと
判定される場合、その血流は低速度、Δθ＾と判定され
る場合、その血流は、中高速度か乱流、ブランク又は零
と判定される場合は、雑音（装置の電気雑音か音響雑音
）を想定している。三つの閾値σＣ９θ　Ｐｎは操作α パネル上から変更可能である。σＣの値としては６６＠
ないし８６″を用いる。ＭＴＩフィルタが一次の場合σ
Ｃとしては、約７６°が適当であり、ＭＴＩフィルタの
次数に応じて変更する。θα としてはπ／３〜π／２（６０°〜９０°）の範囲内の
角度が適当である。Ｐｎは装置の電気雑音パワー等の測
定で決まる数値である。

選択器７０９は上記選択アルゴリズムを介さず、操作パ
ネル上のスイッチにより、常に、血流速度としてΔθ＾
を表示したり、ΔθＴを表示することは容易である。な
お、上記のごとく選択されたΔθ＾もしくは６０丁はそ
れ自体血流速度ωｄを示す信号として表示器等に入力す
れば良いが、ドツプラ周波数に正確に換算するにはΔＯ
＾もしくはΔ測の時間間隔Ｔを何通りかに変更できる装
置であ田 れば、選択器７０９の出力を割算器（Ｚ示せず）に入力
し、割算器により出力をＴで割り算してその出力を血流
速度ωｄとする必要がある。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば、ＳＮ改善効果によ
り低速血流測定性能が増す。具体的には従来よりおよそ
５０％程度遅い血流の測定が可能である。速度零付近で
の誤測定（高速と誤る）も無くなり、さらに速度分散及
び反射強度の導入により速度零は正しく測定される。

【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演算部
の構成、第２図は速度演算結果の選択アルゴリズム、第
３図はシミュレーション実験による入力位相と計測結果
（出力位相）を示す図である。 （位相差検出器）、７０２：複素加算器、７０３゜７０
４．７０７：ＡＴＡＮメモリ、７０５：分散演算器、７
０６：パワー演算器、７０８：加算平均器、７１３：遅
延器、７１４：加算器、７０９選択器、１ｏ：付加部分
、８ニブローブ、９：目標物体。 ７：ドプラ速度演算検出部、７０１：自己相関器笛 Ｊ 副 入 力／１１相

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所定の送波間隔により物体に繰返し超音波パルスを
   送波して得られる反射信号の位相ベクトルの示すドプラ
   周波数から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、順次得られる位相ベクトル信号同志の自
   己相関を取り、得られる位相差ベクトルを複数回加算し
   、加算された位相差ベクトルの偏角を算出する自己相関
   法による第１の位相差検出手段と、順次得られる位相差
   ベクトル信号同志の位相差を複数回加算する位相差平均
   法による第２の位相差検出手妨と、速度の大小により前
   記第１、第２の位相差検出手段のいずれか一方の出力を
   選択して前孔物体の速度を示す信号とする選択手段とを
   有してなることを特徴とするパルスドプラ計測装置。 ２、前記選択手段は、前記第１の位相差検出手段の出力
   の絶対値が所定の角度より小さいときには前記第２の位
   相差検出器の出力を選択し、前記絶対値か上記所定の角
   度より大きいときには前記第１の位相検出器の出力を選
   択することを特徴とする請求項１に記載のパルスドプラ
   計測装置。 ３、前記所定の角度はπ／３〜π／２の範色内にあるこ
   とを特徴とする請求項２に記載のパルスドプラ測定装置
   。 ４、請求項１に記載のパルスドプラ計測装置において、
   更に前記位相差ベクトルの示す速度を順次求めて速度の
   分散を算出する手段と、前記反射信号の強度を求める手
   段とを備え、前記選択手段は前記第１の位相差検出手段
   の出力に加えて前記速度の分散、及び反射信号の強度を
   位相差選択のパラメータとすることを特徴とするパルス
   ドプラ計測装置。 ５、前記速度の分散が所定値以上で、かつ反射信号の強
   度か所定値以下のとき計測不能もしくは速度ゼロと判定
   することを特徴とする請求項４に記載のパルスドプラ計
   測装置。