JPH0323051B2

JPH0323051B2 -

Info

Publication number: JPH0323051B2
Application number: JP61153826A
Authority: JP
Inventors: Yasuto Takeuchi
Original assignee: Yokogawa Medical Systems Ltd
Current assignee: GE Healthcare Japan Corp
Priority date: 1986-06-30
Filing date: 1986-06-30
Publication date: 1991-03-28
Also published as: JPS639430A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は超音波ドプラ信号分析装置に関する。

（従来の技術）超音波ドプラ信号分析装置は、音響信号に関す
るドプラ効果を使用した医用診断装置であり、被
検体に超音波を照射し、その結果得られる反射ド
プラ信号（ｉ信号、ｑ信号）を各信号毎に例えば
高速フーリエ分析装置（FFT）等の周波数分析
装置で周波数分析を行い、その結果得られたスペ
クトラム像をCRT等の表示装置でモニタして各
種情報を得るようになつている。ここでｉ信号は
基準キヤリヤと同相の反射ドプラ信号、ｑは基準
キヤリヤと直交する相の反射ドプラ信号である。
超音波ドプラ信号分析装置によれば、例えば心臓
や血行系等の動いている被検体に関する情報を得
ることができる。

第４図は超音波ドプラ信号分析装置の従来例を
示す構成ブロツク図である。被検体から得られた
ドプラ信号は、ドプラフイルタ１に入り不要な周
波数成分が除去される。ドプラフイルタ１の出力
は、周波数分析部（例えばFFT）２に入り高速
で周波数分析が行われ、分析結果は、CRT３上
にスペクトラム像として表示される。操作者は、
このCRT３上に表示されたスペクトラム像を観
察することにより、或いは又、ドプラフイルタ１
通過後の信号をバツフアアンプ４を介してスピー
カ５で音声信号として聴くことにより各種情報を
得ることができる。ドプラフイルタ１の通過周波
数帯域、ゲイン等は操作者が操作部６を操作する
ことにより行う。

この種の装置においては、FFT２に入力する
ドプラ信号の通路の周波数特性は所望の領域にお
いて本質的にフラツトであることが望ましい。各
周波数においてゲインが等しくない場合、FFT
２の分析結果が現実を正しく反映しないので好ま
しくないからである。しかし一般に、ドプラ信号
の周波数分析を行う場合、例えば血流以外の軟部
組織等に発生する、動きが遅く且つ強烈な信号レ
ベルを有する成分があまりに大量に共存している
と、これより信号レベルがはるかに小さく且つド
プラシフト幅の異なる（即ち異なる視線速度を有
する）成分が用いるハードウエアのダイナミツク
レンジに抵触してマスクされ、正しく認識、分析
できないという不都合が生じる。このため、ドプ
ラフイルタ１には、CWドプラ、パルスドプラの
場合を問わず、固定反射（クラツタ）除去用の強
力なローカツトフイルタが含まれ、前記した低周
波域のピーク成分をカツトしている。しかし、そ
のローカツト特性以外には本質的にフラツトな伝
達特性となるようにしている。

（発明が解決しようとする問題点）一般にドプラ信号の周波数分析により被検流体
の流速分布を求めんとする場合、原則として周波
数分析器には固有の周波数特性乃至周波数軸上の
重みづけは存在しないと考えられ、それ故に周波
数分析器に入力されるまでの信号の伝送経路の周
波数特性はすべからくフラツトであるべきであ
り、それが正しい流速分布を知るための唯一の方
法であると考えられていた。しかるに、前記の如
く分析器のダイナミツクレンジには制約があり、
それを越えるようなレベル比の２つの信号が到来
すると、大きな方にレベル乃至ゲインを合せると
小さな方がマスクされてかき消されてしまう。分
析器のダイナミツクレンジはとみに動員するハー
ドウエアの物量により支配され、故に実用上自在
に大にはできない。それ故に少なくともゼロドプ
ラシフトの周辺の高レベルの固定反射成分（クラ
ツタ）は除去しなければならないことは先に述べ
た通りであるが、更に、このように分析器のダイ
ナミツクレンジの限界にせまるような信号成分の
信号をも正しく分析するためには、事前に何らか
の処理によりこのレベル比を圧縮すること、言い
かえれば周波数スペクトラムの山谷をならして平
坦化しておくことが必要となる。このスペクトラ
ム平坦化の作業は系の直線性を保存しつつ行わね
ばならないので、結局何らかの可変周波数特性フ
イルタ乃至イコライザが用いられる。しかるにこ
のような事前の平坦化を無造作に行つたのでは、
もとの信号の中に含まれる周波数ごとの信号エネ
ルギーの分布、即ち流速ごとの流体量の分布を正
しく計測することができなくなる。しかし、少な
くとも信号成分をレベルの大小によらず見落さな
いようにするためには、このような手法は非常に
有益である。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたも
のであり、上記の如く事前に周波数スペクトラム
の平坦化を行うに際し、その修正量を正しく管理
把握しておいて、平坦化された信号が周波数分析
に付された結果得られた周波数スペクトラムのデ
ータをこの事前のスペクトラム平坦化のデータに
より逆補正して出力せしめることにより、再度原
信号の成分分布を正しくあらわした分析結果を得
んとするものである。

しかしながら本発明の他の目的は、そのような
周波数スペクトラム平坦化の前処理及び事後の出
力データの補正がなされることを前提に、周波数
分析器自体を分解能の粗い安価なものを使うこと
を得せしむることにある。言いかえれば、方式上
本質的にフーリエ変換に酷似し、しかもそれより
も著しく簡素な手続きであるがそのダイナミツク
レンジやサイドローブ特性に問題があつてそのま
までは代替使用できないと考えられていた所のウ
オルシユ変換等をフーリエ変換の代わりに当該目
的に使用することを得せしむることにある。

（問題点を解決するための手段）前記した問題点を解決する第１の発明は、被検
体からの反射波からドプラ成分を抽出した後、各
方向に方向分離された形でベースバンド・ドプラ
信号を得るドプラ信号処理手段と、得られたベー
スバンド・ドプラ信号の周波数スペクトラムを
各々事前に独立に平坦化する周波数平坦化手段
と、周波数平坦化された各ドプラ信号を周波数分
析する周波数分析手段と、周波数分析されて得た
各周波数スペクトラムデータを前記周波数平坦化
手段の平坦化に用いた修正量で逆補正する補正手
段と、逆補正して得られたドプラ信号の各方向の
スペクトラムデータを表示若しくは記録する出力
手段とにより構成されてなる超音波ドプラ信号分
析装置を特徴とするものである。

第２の発明は、被検体からの反射波からドプラ
成分を抽出しベースバンド・ドプラ信号を得るド
プラ信号処理手段と、得られたｉ（同相）、ｑ（直
交）それぞれのベースバンド・ドプラ信号の周波
数スペクトラムを事前に共通の条件で平坦化する
周波数平坦化手段と、周波数平坦化された各ドプ
ラ信号を周波数分析する周波数分析手段と、周波
数分析されて得られた各周波数スペクトラムデー
タを前記周波数平坦手段の平坦化に用いた修正量
で逆補正する補正手段と、逆補正して得られたド
プラ信号の各方向のスペクトラムデータを１次結
合して各方向別の周波数スペクトラムデータを表
示若しくは記録する手段とにより構成されてなる
超音波ドプラ信号分析装置を特徴とするものであ
る。

（作用）本発明は、周波数平坦化手段の平坦化に用いた
修正量を周波数分析して得られた周波数スペクト
ラムデータに加算することにより逆補正し、正し
い結果を得る。

（実施例）以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す構成ブロツク
図で、ｉ方向乃至ｑ方向ドプラ信号の１チヤネル
分を示している。従つて、図に示す回路が２系統
で超音波ドプラ信号分析装置を構成するが、各チ
ヤネルの動作は同様であるので図に示す１チヤネ
ル分について説明する。図において、１１は被検
体からのベースバンド・ドプラ信号を受けて該ベ
ースバンド・ドプラ信号の周波数スペクトラムを
事前に独立に平坦化する周波数平坦化手段であ
る。該周波数平坦化手段１１としては、例えば図
に示すようなそのゲイン特性を外部コントロール
可能な可変フイルタが用いられるが、可変イコラ
イザを用いてもよい。可変フイルタ１１に入力さ
れるベースバンド・ドプラ信号は目的物（被検
体）からの反射波からドプラ信号を抽出した後、
各方向（ｉ方向、ｑ方向）に方向分離されて得ら
れたものである。このベースバンド・ドプラ信号
を得るドプラ信号処理手段は既存の技術を用いて
実現することができる。

１２は各周波数帯域毎にそのゲイン特性をコン
トロールするコントロール信号を可変フイルタ１
１に与えるコントロール回路、１３は可変フイル
タ１１の出力（周波数平坦化されたドプラ信号）
を周波数分析する周波数分析器である。該周波数
分析器１３の周波数分析手段としては、例えばフ
ーリエ変換やウオルシユ変換が用いられる。１４
は周波数分析器１３の周波数分析の結果得られた
周波数スペクトラムデータを受けて各周波数帯域
におけるスペクトラムデータ平均化処理を行う平
均化回路で、該平均化回路１４の出力はコントロ
ール回路１２に与えられる。

１５は周波数分析器１３の出力（周波数スペク
トラムデータ）を、前記可変フイルタ１１の平坦
化に用いたコントロール回路１２の出力で逆補正
する補正回路である。補正回路１５は、具体的に
は周波数分析器１３の出力にコントロール回路１
２の出力を加算する操作を行う。１６は補正回路
１５の出力を受けるデイジタルスキヤンコンバー
タで、その出力は表示器１７に出力表示される。
表示器１７としては、例えばCRTが用いられる。
このように構成された装置の動作を説明すれば、
以下の通りである。

先ず、大まかに全体の動作を説明すると、可変
フイルタ１１の出力であるドプラ信号の周波数ス
ペクトラムが大略平坦化するように、周波数分析
器１３の分析結果を平均化回路１４で平均化した
上で、事前補正用の可変フイルタ１１をコントロ
ールすると共に、そのコントロールデータを補正
回路１５で周波数分析器１３の出力である周波数
スペクトラムデータに加算し（即ちdB値に関し
て逆補正し）、ダイナミツクレンジの最適化を図
つたものである。

被検体からの反射波からドプラ成分を抽出した
後、ｉ方向及びｑ方向に方向分離されたベースバ
ンド・ドプラ信号は可変フイルタ１１に入る。該
可変フイルタ１１は、コントロール回路１２から
出力される周波数平坦化用の修正信号（フイルタ
コントロール信号）を受けて各周波数域毎にその
ゲインが個別に制御される。この結果、可変フイ
ルタ１１の出力であるドプラ信号の周波数スペク
トラムは大略平坦化（平準化）されたものとな
る。

平坦化されたドプラ信号は、続く周波数分析器
１３に入つて周波数分析される。各周波数域にお
けるレベルが大略平坦化されているので周波数分
析器１３においてはダイナミツクレンジ上の支障
を来たしたり、そのためマスキングやエラーが発
生したりすることなく、与えられた信号に関して
正確な周波数スペクトラムデータが得られる。こ
の周波数スペクトラムデータは平均化回路１４に
入る。該平均化回路１４は上記分析結果を受けて
それを時間軸及び周波数軸共に若干量だけ平均化
（乃至は積分）し、その出力をコントロール回路
１２に与える。該コントロール回路１２には結果
として前述したように可変フイルタ１１に結果と
してその出口における信号の周波数スペクトラム
が大まかに平坦化されるようなフイルタコントロ
ール信号を与える。

一方、コントロール回路１２から出力されるフ
イルタコントロール信号は、同時に補正回路１５
にコレクシヨンデータとして印加され前記周波数
スペクトラムデータとdB値の表現同志をもつて
加算される。従つて、例えば、コントロール回路
１２からある周波数帯域におけるゲインをある
dB値だけしぼるようなフイルタコントロール信
号（修正量）を与えたものとすると、今度は対応
する周波数帯域における周波数分析器１３の出力
である周波数スペクトラムデータ（dB値）に当
該修正量（dB値）をコレクシヨンデータとして
加算してやるのである。この結果、周波数分析器
１３の出力段階で圧縮されたていたダイナミツク
レンジ伝達特性は、補正回路１５で逆補正される
ことによつて元に戻り、正しい直線性を回復す
る。このようにして、補正回路１５から出力され
た周波数スペクトラムデータは、デイジタルスキ
ヤンコンバータ１６を介して表示器１７に出力さ
れる。

尚、フイルタコントロール信号及びコレクシヨ
ンデータは、平均化回路１４による丸め結果を、
6dB単位程度に荒く量子化して用いればよい。例
えば血流信号のスペクトラム例について考える
と、平均化（丸め処理）を行う大きさは周波数軸
上では全幅を数分割乃至10分割程度にすればよ
く、時間軸上については３乃至５スロツト程度に
すればよい。又、可変フイルタ１１は、フイルタ
バンク（所謂1/3オクターブフイルタバンク）の
それぞれに可変アツテネータがついたような簡易
な構成のものであつてよい。或いはトランスバー
サルフイルタを用いてもよい。更に、出力装置は
表示器でなく、プリンタ等の印字装置であつても
よい。

第２図は本発明の他の実施例を示す構成ブロツ
ク図である。第１図と同一のものは同一の符号を
付して示す。図に示す実施例は、周波数スペクト
ラムの事前平坦化を各フイルタ毎に自動レベル調
整回路（ALC回路）を設けたフイルタバンクに
よつて行うようにしたものである。入力されたベ
ースバンド・ドプラ信号は自動レベル調整回路
G₁乃至G_o（ｎは整数）に共通に入る。そして、各
自動レベル調整回路G₁〜G_oの出力はフイルタバ
ンクFB₁乃至FB_oに入る。ここで各フイルタバン
クFB₁〜FB_o内のフイルタは、例えば所謂1/3オ
クターブフイルタ群のようなものを用いることが
できる。

これらフイルタバンクFB₁〜FB_oの出力は整流
回路D₁乃至D_oに入つて整流され、直流信号に変
換される。そして、各整流回路D₁〜D_oの出力は、
フイルタF₁乃至F_oを経て自動レベル調整回路G₁
〜G_oにレベル調整用のコントロール信号として
与えられる。このような負帰還作用によりフイル
タバンクFB₁〜FB_oの出力は大略平坦化されたも
のとなる。各フイルタバンクFB₁〜FB_oの出力は
加算器２１に入つて加算され、元のドプラ信号に
合成される。しかも、このドプラ信号は各周波数
帯域毎にそのレベルが大まかに平坦化されたもの
である。

加算器２１の出力は、Ａ／Ｄ変換器２２によつ
てデイジタルデータに変換された後、周波数分析
器１３に入つて周波数分析される。周波数分析さ
れた周波数スペクトラムデータは補正回路１５に
入る。一方、自動レベル調整回路G₁〜G_oに与え
られるレベル修正信号（整流回路D₁〜D_oの出力）
は、マルチプレクサ２３にも入つている。該マル
チプレクサ２３はコントロール信号により順次整
流回路D₁〜D_oの出力を切換え、その切換出力は
Ａ／Ｄ変換器２４によつてデイジタルデータに変
換された後、補正回路１５に入る。該補正回路１
５は、第１図について示した実施例と同様、対応
する周波数帯域毎にスペクトラムデータとコレク
シヨンデータ（修正量）をdB値同志として加算
してダイナミツクレンジの補正を行う。ダイナミ
ツクレンジが補正された周波数スペクトラムデー
タはデイジタルスキヤンコンバータ１６を介して
表示器１７に送られ出力表示される。

上述の説明においては、フイルタバンクFB₁〜
FB_oとして1/3オクターブという定比的周波数配
置のものを用いたが、これに限るものではなく、
定幅（定差）的周波数配置のものなどを用いても
よい。

第３図は本発明の他の実施例を示す構成ブロツ
ク図である。ベースバンド・ドプラ信号は、先ず
Ａ／Ｄ変換器３１に入つてデイジタルデータに変
換された後、デイジタル可変フイルタ（可変係数
トランスバーサルフイルタ）３２に入る。該デイ
ジタル可変フイルタ３２は、コントロール回路３
３から与えられるコントロールデータによつて各
周波数帯域毎のゲイン（係数）を可変できるよう
になつている。一方、Ａ／Ｄ変換器３１の出力
は、高速フーリエ変換器（FFT）３４にも入り
粗い周波数分析が行われる。FFT３４としては、
当該目的に必要十分な程度に粗い周波数分析が行
える所の簡易な構成のものであつてよい。

コントロール回路３３はFFT３４の分析結果
を入力して、周波数各域における出力レベルが平
坦化されるよう、コントロールデータ（修正量）
をデイジタル可変フイルタ３２に与える。即ち、
Ａ／Ｄ変換器３１→FFT３４→コントロール回
路３３→デイジタル可変フイルタ３２のループは
フイードフオワードコントロールのループを形成
している。この結果、該デイジタル可変フイルタ
３２の出力の周波数特性は大略平坦なものとな
り、周波数分析器１３は結果にマスキング等が発
生しない周波数分析を行うことができる。周波数
分析の結果、得られた周波数スペクトラムデータ
dB値は続く補正回路１５に入つてコントロール
回路３３からのコレクシヨンデータ（修正量dB
値）と各周波数帯域毎に加算され、ダイナミツク
レンジの補正がなされる。そして、補正回路１５
から出力された周波数スペクトラムデータはデイ
ジタルスキヤンコンバータ１６を介して表示器１
７に出力表示される。

ところで、周波数分析器１３の周波数分析法と
してフーリエ変換を用いた場合、フーリエ変換を
著しくずさんに行うと、つまりリフアレンスの法
を単純に２値化してしまうと、ウオルシユ・アダ
マール変換に帰結することは公知である。そし
て、２値の乗算は加算に置換できることから、演
算が著しく高速化できる。同時に出力されるスペ
クトラム像はフーリエ変換のスペクトラム像と酷
似しているが、約10数dB以下の感度で生ずる
“サイドローブ”乃至“スペリアス応答”が避け
られない。このため、少くとも40dB近く或いは
そり以上の分析ダイナミツクレンジが要求される
血流ドプラ信号の分析には不適であるとされてい
た。しかしながら、本発明によれば、事前に周波
数平坦化を行えば、容易にその10数dBに局所デ
イテールを収めることができるので、事後補正を
正しく行うなら、このウオルシユ変換をフーリエ
変換の代わりに用いることができる。

医用ドプラ装置に必須の作業である“方向分
離”の作業はｉ、ｑ各方向のベースハンド・ドプ
ラ信号をヒルベルト変換と１次結合の手法により
方向分離した信号にしてもよい。このような信号
としては、USB（Upper Side Band）、LSB
（Low Side Band）がある。又、逆にｉ、ｑ各ベ
ースハンド・ドプラ信号をFFTにかけて、その
結果、１次結合して方向別のドプラスペクトル像
を得てもよい。この技術は公知である。この場
合、ｉとｑの両チヤネル間に如何なるアンバラン
スも許されないので、用いる可変フイルタは２回
路一対で精緻に再現性よくコントロールできるも
のでなくてはならない。このような高精度の可変
フイルタは、サンプル点列フイルタとして、スイ
ツチドキヤパシタフイルタとするか、Ａ／Ｄ変換
した後にデイジタルフイルタとして動作させる必
要がある。ｉ、ｑ各方向ドプラ信号の分析結果の
強度乃至レベルは原理上全く同一になるので事前
スペクトラム平坦化手段としては、検出及びフイ
ードバツク若しくはフイードフオワード分析後の
逆補正の各手段は１系統ですむ。

（発明の効果）以上詳細に説明したように、本発明によれば、
超音波ドプラ信号を周波数分析する前に、事前に
周波数平坦化し、該周波数平坦化に用いたコント
ロールデータ（修正量dB値）を、周波数分析後
のスペクトラムデータ（dB値）に加算すること
により分析に要求されるダイナミツクレンジを満
たして、周波数分析手段自体が広いダイナミツク
レンジを有していなくても、正確な周波数分析を
行うことができる超音波ドプラ信号分析装置を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成ブロツク
図、第２図、第３図は本発明の他の実施例を示す
構成ブロツク図、第４図は従来装置の構成例を示
す図である。１……ドプラフイルタ、２，３４……FFT、
３……CRT、４……バツフアアンプ、５……ス
ピーカ、６……操作部、１１……可変フイルタ、
１２，３３……コントロール回路、１３……周波
数分析器、１４……平均化回路、１５……補正回
路、１６……デイジタルスキヤンコンバータ、１
７……表示器、２１……加算器、２２，２４，３
１……Ａ／Ｄ変換器、２３……マルチプレクサ、
３２……デイジタル可変フイルタ、F₁〜F_o……
フイルタ、FB₁〜FB_o……フイルタバンク、D₁〜
D_o……整流回路、G₁〜G_o……自動レベル調整回
路。

Claims

【特許請求の範囲】１被検体からの反射波からドプラ成分を抽出し
た後、各方向に方向分離された形でベースバン
ド・ドプラ信号を得るドプラ信号処理手段と、得
られたベースバンド・ドプラ信号の周波数スペク
トラムを各々事前に独立に平坦化する周波数平坦
化手段と、周波数平坦化された各ドプラ信号を周
波数分析する周波数分析手段と、周波数分析され
て得た各周波数スペクトラムデータを前記周波数
平坦化手段の平坦化に用いた修正量で逆補正する
補正手段と、逆補正して得られたドプラ信号の各
方向のスペクトラムデータを表示若しくは記録す
る出力手段とにより構成されてなる超音波ドプラ
信号分析装置。２前記周波数平坦化手段が前記周波数分析手段
の出力でフイードバツクコントロールされるよう
にしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の超音波ドプラ信号分析装置。３前記周波数平坦化手段が、各周波数帯域毎に
フイルタバンク及び自動レベル調整回路が設けら
れたものであることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の超音波ドプラ信号分析装置。４前記周波数平坦化手段の周波数平坦化が粗い
周波数分析とその結果に基づくフイードバツク若
しくはフイードフオワードコントロールによるも
のであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の超音波ドプラ信号分析装置。５前記周波数分析手段がウオルシユ変換である
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超
音波ドプラ信号分析装置。６被検体からの反射波からドプラ成分を抽出し
ベースバンド・ドプラ信号を得るドプラ信号処理
手段と、得られたｉ（同相）、ｑ（直交）それぞれ
のベースバンド・ドプラ信号の周波数スペクトラ
ムを事前に共通の条件で平坦化する周波数平坦化
手段と、周波数平坦化された各ドプラ信号を周波
数分析する周波数分析手段と、周波数分析されて
得られた各周波数スペクトラムデータを前記周波
数平坦化手段の平坦化に用いた修正量で逆補正す
る補正手段と、逆補正して得られたドプラ信号の
各方向のスペクトラムデータを１次結合して各方
向別の周波数スペクトラムデータを表示若しくは
記録する手段とにより構成されてなる超音波ドプ
ラ信号分析装置。７前記周波数平坦化手段が前記周波数分析手段
の出力でフイードバツクコントロールされるよう
にしたことを特徴とする特許請求の範囲第６項記
載の超音波ドプラ信号分析装置。８事前に平坦化する過程が可変系数列サンプル
点フイルタにより行われ、ｉ、ｑそれぞれに同一
の系数列が適用されるように一対の同一の構造の
サンプル点列フイルタを用いたことを特徴とする
特許請求の範囲第６項記載の超音波ドプラ信号分
析装置。