JPH04268481A - パルス化された波形信号の処理方法及び装置 - Google Patents

パルス化された波形信号の処理方法及び装置

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JPH04268481A
JPH04268481A JP3295790A JP29579091A JPH04268481A JP H04268481 A JPH04268481 A JP H04268481A JP 3295790 A JP3295790 A JP 3295790A JP 29579091 A JP29579091 A JP 29579091A JP H04268481 A JPH04268481 A JP H04268481A
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spectral
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window
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ローラ スペリナ
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一定速度ドップラー・
シフト(constant velocity Dop
pler shift) に帰すべきスペクトルのコン
ポネント(spectral components)
 を半径方向ライン(radial line) に写
像(map) する2次元変換(two−dimens
ional transform) を用いて信号標本
が処理され、変換された信号の半径方向射影(radi
al projection) が速度スペクトルを抽
出するのに用いられるところの、パルス化された波形信
号(pulsed wave signal)を処理し
て対象(target)の速度(velocity)を
決定する方法に関する。
【0002】本発明はまた、一定速度ドップラー・シフ
トに帰すべきスペクトルのコンポネントを半径方向ライ
ンに写像する2次元変換を用いて信号標本を処理する手
段と、速度スペクトルを変換された信号から抽出するの
に変換された信号の半径方向射影を用いる手段とを有す
るところの、パルス化された波形信号を処理して対象の
速度を決定する装置にも関する。
【0003】本発明は、人または動物の身体の内部の血
液の流れ(bloodflow)を測定するエコー超音
波システム(echo ultrasound sys
tems) に関連して特に有用である。
【0004】
【従来の技術】パルス化された(pulsed)ドップ
ラー超音波システムは、人または動物の身体の内部の血
液の流れを測定し、写像するのに汎く用いられている。 超音波エネルギーのパルスは、血管(blood ve
ssels) 又は冠状室(a coronary c
hamber)と交差する経路に沿って身体内に向けら
れる。パルスからの超音波エネルギーは血管又は冠状室
の内部で血液から後方散乱(backscatter)
 してトランスデューサに戻り、そこで電気信号に変換
される。 もし血液が超音波の伝播方向に沿った速度コンポネント
を持つならば、散乱するエコーの周波数は入射する超音
波エネルギーの周波数に関してシフトされるであろう。 こうしてエコーに導入されたドップラー・シフトは、身
体内部の位置の関数として血液速度を数値的に評価した
り血液速度の写像を生成したりするために、解析するこ
とができる。
【0005】米国特許第 4,930,513号は、超
音波Aライン(ultrasound A−line)
 に沿ったエコーの振幅を、ナイキスト周波数(Nyq
uist frequency) より高い速度(ra
te)で離散的な時点に(at discrete t
imes) 標本化するシステムを記述している。継起
的なAラインから選定された範囲(a selecte
d range)での、身体のある領域を通る同一方向
でとられた無線周波(R.F.)標本ベクトルは、2次
元マトリクスを形成し、この2次元マトリクスのエレメ
ントの配置は、そのAラインに沿ったデータ標本の範囲
を特定する1番目の高速時間変数(a first,f
ast−time,variable)と、収集された
Aラインの群(a group of collect
ed A−lines)の内部でAラインの位置を特定
する2番目の低速時間変数(a second,slo
w−time,variable) とによって記述さ
れている。該データ・マトリクスは、高速時間変数と低
速時間変数とに関してなされた2次元の離散的フーリエ
変換(discrete Fourier trans
form)で処理されて、この変換によりデータの集合
は離散的な2次元フーリエ周波数空間に写像され、該空
間では一定速度ドップラー・シフトが半径方向ライン上
に現れ、この半径方向ラインが縦軸となす角は速度(v
elocity)の関数である。低速時間軸は2次元フ
ーリエ周波数空間の低速周波数(ドップラー周波数)軸
に対応し、高速時間軸は2次元フーリエ周波数空間の高
速周波数(無線周波数)軸に対応する。移動する対象(
moving target) から散乱する広帯域パ
ルスのエコーは、2次元フーリエ空間では一般的に楕円
形に写像される。楕円の主軸と座標軸とのなす角は散乱
している媒体の品質の高い測度(high quali
ty measure)である。2次元フーリエ周波数
空間内のスペクトルの角度分布は(従って対象の領域の
速度コンポネントは)変換されたデータ・アレイの半径
方向射影(radial projection) を
計算することにより推定される。
【0006】離散的フーリエ変換はその性質が周期的で
ある。その結果、高速度散乱により生成されるスペクト
ル・コンポネントはフーリエ周波数空間内の単位セル(
unit cells)を「包み込む(wrap ar
ound) 」傾向がある。 これがすべての標本化信号のフーリエ変換に付随するよ
く知られた「エイリアス化(aliasing)」問題
である。その故に、移動する媒体からのパルス・エコー
により生成される2次元スペクトルの典型的な半径方向
射影は、様々な速度で多くのピークを持つであろう。一
般的に最も大きい最大値と最も小さい幅とをもつピーク
は、散乱する媒体の真の速度スペクトルに対応する。エ
イリアス項(alias terms) であるその他
のピークは一般的により小さな最大値とより大きな幅と
を持つ。血液からの超音波散乱はその性質がランダム(
random)であるから、エイリアス項が真の速度ス
ペクトル項よりも更に大きな最大値又は更に狭い幅を持
つことも時にはあり得る。しかし、エイリアス項が真の
項よりも大きな最大値と狭い幅とを共に有することは極
めて稀である。従って、プロットされた半径方向射影を
観察する人が、半径方向射影の中で散乱する媒体からの
真の速度スペクトルに対応する項を識別することは、ほ
とんど常に可能である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、パル
ス化されたドップラー・システムからの2次元フーリエ
変換データを処理して、自動的に半径方向射影の真の速
度コンポネントを識別し、エイリアス項を消去する装置
及び方法を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】この目的のために、本発
明による方法はエイリアス項を消去するために、次の諸
ステップ、すなわちスペクトル項を一様に(evenl
y)分割する平均データ標本の所在を見出すことと、該
平均データ標本の周りにスペクトル・ウィンドウを一様
に分配(distribute)することと、各ウィン
ドウ内部のスペクトル・データ標本をグループ化するこ
と(grouping)とにより、個々のスペクトル項
を表す速度スペクトルのデータ標本を識別するステップ
、各ウィンドウの内部で、各スペクトル・データ項の最
大値と幅とを計算するステップ、大きな最大値と小さな
幅とにより最大化されるような関数を最大化するところ
のウィンドウ内部のデータ標本のグループを、真の速度
スペクトル項として選定するステップ、及び選定された
真の速度スペクトル項の中にはないところのすべてのデ
ータ標本を消去する(suppressing) ステ
ップを有することを特徴とする。
【0009】また、上記目的のために、本発明による装
置は、スペクトル項を一様に分割する平均データ標本の
所在を見出すことと、該平均データ標本の周りにスペク
トル・ウィンドウを一様に分配することと、各ウィンド
ウ内部のスペクトル・データ標本をグループ化すること
とにより、個々のスペクトル項を表す速度スペクトルの
データ標本を識別する手段、各ウィンドウの内部で、各
スペクトル・データ項の最大値と幅とを計算する手段、
大きな最大値と小さな幅とにより最大化されるような関
数を最大化するところのウィンドウ内部のデータ標本の
グループを、真の速度スペクトル項として選定する手段
、及び選定された真の速度スペクトル項の中にはないす
べてのデータ標本を消去する手段を更に有することを特
徴とする。
【0010】この方法は、半径方向射影中の各項の最大
値と(例えば分散−variance−のような)幅の
測度(a width measure) との加重組
合せ(weighted combination)を
用いて真の速度に対応する項を識別するアルゴリズムに
基づくものである。そうするためには、半径方向射影中
の各項を適切に孤立させて最大値と幅とを計算できるよ
うにする必要がある。
【0011】半径方向射影中のある項の幅を計算するた
めには、各項の中心に位置し両側の隣の項の方へ途中ま
で延びる「ウィンドウ(window)」の中にあるデ
ータ標本のみを使用する必要がある。もしこのデータ・
ウィンドウの中心が正しく位置していないと、隣の項か
らの寄与(contribution)が、計算された
幅に対して重大な誤差を生じさせることも起こり得る。
【0012】ウィンドウの位置をきめる1つのやり方は
、ピーク値の周りにその中心を置くことであるが、不都
合なことには、散乱はその性質がランダムであるからス
ペクトル項は不揃いで非対称になりがちである。従って
、半径方向射影中の各項の平均値の方が、ウィンドウの
中心として使用するのにはより適切な点である。しかし
、ある項に対し平均値を算出するためには、ウィンドウ
の中心を適切に位置させることが必要で、さもなければ
平均値の計算に隣の項からの寄与による悪影響が生じる
であろう。これに代わるアプローチとしては、ウィンド
ウの縁(edges) として用いるために項の間の窪
み(troughs between the ter
ms) の位置を見出すことである。 このことは、スペクトル項の周期性及び各項中のエネル
ギーがその分布は異なるけれどもやはり同じく近似的に
周期性を持つという事実を利用して達成できる。そして
それは、スペクトルの平均値により項が一様に(eve
nly)分割されるように、この平均値の所在を繰り返
し計算によって逐次近似して実現することができる。
【0013】本発明の一つの好適実施例は、スペクトル
中には偶数個(an even number)の項が
あるということのみを仮定するアルゴリズムを用いる。 ある項の一部分がスペクトルの反対側に所在する時とい
えども、項の所在位置は問題ではない。実際にはこのア
ルゴリズムは極めて急速に収束し、僅かに数回の繰り返
しで平均値は正確な値に達することが判っている。
【0014】先ず最初に、スペクトル中の1番目のデー
タから始めて平均値が計算される。もし算出された平均
値がスペクトルの中心にあれば、出発点は見出されたの
であって、そのとき各項の幅と最大値とは算出できる。 しかし、最初に計算された平均値は、半径方向射影中の
項の包み込みの故に、スペクトルの中心には来ないこと
がしばしばあろう。この場合には最初に算出された平均
値が中心に来るようにデータを回転し、この回転したス
ペクトルの平均値が再計算される。この過程、すなわち
平均値を計算し、データを回転し、また平均値を計算し
、データを回転し、…という過程を、算出された平均値
がデータの中心に来るまで繰り返すのである。算出され
た平均値がデータの中心に来たときに、平均値は正確に
位置したことになる。
【0015】平均値の所在が一旦決まれば、次にこの方
法では、半径方向射影を同じ大きさの隣り合うが重なり
合わないウィンドウに分割して、各項に対し1つのウィ
ンドウが対応し、最初のウィンドウは平均値で始めるよ
うにする。各ウィンドウの内部で最大値と幅とを算出し
、続いてそれらは半径方向射影中の各ウィンドウ項に対
してスコア(以下これを記号”score” で表す)
を計算するのに用いられる。この計算は、大きな最大値
と小さな幅とにより最大化されるような関数に従ってな
される、すなわち、βを、最大値(以下これを記号”m
ax” で表す)と分散(以下これを記号”varia
nce”で表す)とに与えられた相対的加重(rela
tive weight) を制御するパラメータとし
、また記号”maxmax”を全スペクトルの最大値と
するときに、例えば次の数式: score = variance +β(maxma
x − max)に従って計算される。最も低いスコア
をもつウィンドウが真の速度スペクトルを含有するウィ
ンドウとされ、その他のウィンドウ中のスペクトルはエ
イリアスとされて消去される。
【0016】
【実施例】以下、本発明を図面により説明する。なお茲
では米国特許第 4,390,513号を参照文献とす
る。
【0017】図1は、本発明による超音波血液速度測定
システムを示している。送信機100 が、TRスイッ
チ120 を介して超音波トランスデューサ110 を
励起し、超音波エネルギーの広帯域パルスを狭いビーム
140 に沿って身体130 内へ送出する。ビーム中
の超音波エネルギーは、身体中の組織(structu
re) から、例えば動脈150中の血液の流れから後
方散乱(backscatter) してエコーを生成
し、それがトランスデューサ110 に戻って検出され
る。 ビーム140 の軸方向に移動している身体中の組織か
ら散乱する超音波信号の周波数は、トランスデューサに
より生成される超音波信号の周波数に関してドップラー
方程式(Doppler equation)に従って
シフトされるであろう。 トランスデューサにより生成されるエコー信号はTRス
イッチ120を介して受信機160 に結合され、其処
で増幅される。受信機の出力は無線周波計数化器(di
gitizer)170に接続され、そこでエコー信号
の標本を抽出しディジタル化する。計数化器の出力は、
距離及び方向(range and line)ゲート
180 の入力に接続される。送出された各無線周波パ
ルスはAライン信号を生成して、これがビーム140 
に沿って信号到着時間(signal arrival
 time) 中へ距離(range) を写像(ma
p) する。制御回路190 が距離ゲート180 を
作動させて、範囲(range) R及びビーム140
 の内部に生じる信号標本を選択する。計数化器170
 は、Aラインの無線周波信号を、信号中の最高のコン
ポネントの周波数の少なくとも2倍の速度で周期的に標
本化する。各Aラインに沿った範囲Rの内部にある継起
的な標本は、メモリ200 内のマトリクス・アレイの
列ベクトル(column vector) として記
憶される。継起的なAラインはマトリクスの連続した列
に記憶されるので、マトリクスの各行(row) は継
起的なAラインに沿って対応する範囲でとられた標本を
表すことになる。こうすることによって、メモリ200
 中にマトリクス型に記憶された個々の元(eleme
nt) は、(各Aラインに沿って標本を、従ってマト
リクス中では行を識別するところの)「高速時間(fa
st−time) 」インデクスとこれに伴う(該特定
のAラインを、従ってマトリクス中では列を識別すると
ころの)「低速時間(slow−time) 」インデ
クスによって、識別され、アドレスされる。
【0018】メモリ200 中に記憶されたアレイは、
2次元離散フーリエ変換プロセッサ210 で処理され
、その結果は2番目のメモリ220 に記憶される。シ
ステムの速度及びデータの制限に依存して、プロセッサ
210 は、汎用ディジタルコンピュータ又はマイクロ
プロセッサのッソフトウェアのルーティンで行ってもよ
いし、又はその代わりに専用の(dedicated)
 高速フーリエ変換プロセッサ・チップを用いてもよい
。
【0019】プロセッサ210 の出力はデータ・エレ
メントのアレイであって、これらのデータ・エレメント
は、一組のデータ中の個々のAライン・ベクトルを識別
する1番目の(低速時間)変数と、各Aラインに沿った
離散的な標本位置を表す2番目の(高速時間)変数とに
関して標本化されたAライン・データの変換を表す。メ
モリ220 中の該アレイは、受信したエコー信号の無
線周波スペクトルに対応する高速周波数変数及びドップ
ラー周波数コンポネントに対応する低速周波数変数に関
する2次元周波数スペクトル表示と理解することができ
る。
【0020】2次元離散フーリエ変換データは、距離ゲ
ートRに対応する領域中の散乱媒体の速度(veloc
ity)に関する情報を提供する。もし距離ゲート内の
媒体が速度vで送信機の方に向かって移動しているなら
ば、2次元離散フーリエ変換データは図2に示すように
一般的に楕円形の形状Tを持つであろう。典型的なパラ
メータ値に対して、この楕円の主軸は、2次元周波数平
面の原点を通り縦軸とは角θをなす、但し角θは、cを
身体130 内の音の速度とするとき tanθ=2v
/c で定義される。メモリ220に記憶されたスペク
トルのデータは解析器230 で処理されて速度情報が
抽出される。好適実施例では、速度スペクトルは2次元
フーリエ周波数空間内の半径方向射影(radial 
projection) により決定される。角θは、
従って速度vは、米国特許第 4,930,513号の
教示するように、2次元フーリエ変換の大きさ(mag
nitude) の半径方向射影を計算することにより
推定される。
【0021】もし速度のコンポネントが十分に高いなら
ば、メモリ220 中の2次元フーリエ変換のデータは
、真のスペクトル・コンポネントTばかりでなくエイリ
アス・スペクトル・コンポネントAを含むであろう(図
2参照)。一般的には、エイリアス・コンポネントAの
半径方向射影aは、真のスペクトルTの半径方向射影t
よりもその大きさは小さく、幅は広いであろう。このこ
とが更に図3に描かれており、これは半径方向射影速度
スペクトルを直交座標にプロット(cartesian
 plot)したものである。実際のシステムでは、エ
イリアス・コンポネントが近接していることは必ずしも
必要ではない。図4に示すように、エイリアス・コンポ
ネントのうちの1つa* がスペクトルの終端を包み込
むこともあり得る。
【0022】エイリアス・スペクトル・コンポネントを
消去するために(図1にある)解析器230 は、項(
terms) の間の窪み(troughs) をウィ
ンドウの縁として用いて、半径方向速度スペクトルをウ
ィンドウW1,… ,Wn に分割(図5参照)するプ
ログラムを含む。このことは、項を一様に(evenl
y)分割するようにスペクトルの平均値Mの在処を逐次
近似する反復計算によって成し遂げられる。先ず初めに
、スペクトル中の最初のデータ標本から始めて平均値を
計算する。もし計算された平均値がスペクトルの中心に
あるならば、出発点は見出されたのである。もし平均値
が中心にないならば、初めに計算された平均値が中心に
来るようにスペクトルを回転し、この回転したスペクト
ルの新しい平均値を計算する。この計算処理を回転した
スペクトルの平均値が中心に来るまで繰り返す。
【0023】そうすれば、各区間の最大値と幅とが算出
され、検定(test)されて、それにより真のスペク
トル項(true spectrum term)tが
識別される、そしてエイリアス項(alias ter
ms) は消去される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明による超音波検査システムの概
略図である。
【図2】図2は、2次元フーリエ周波数空間におけるエ
イリアス化された(aliased) 信号の半径方向
射影を説明する図である。
【図3】図3は、血液の流れの速度を示す2次元ドップ
ラー・スペクトルの半径方向射影の一例を表す図である
。
【図4】図4は、1つの項の一部が既にその中に包みこ
まれている2次元ドップラー・スペクトルの半径方向射
影を表す図である。
【図5】図5は、各スペクトル・コンポネントの平均値
及び幅を計算するために正確に位置しているウィンドウ
をもつ半径方向射影を表す図である。
【符号の説明】
100   送信機 110   超音波トランスデューサ 120   TRスイッチ 130   身体(人または動物の) 140   ビーム 150   動脈 160   受信機 170   無線周波計数化器(ディジタイザ)180
   距離及び方向(range & line)ゲー
ト190   制御回路 200   メモリ 210   2次元離散フーリエ変換プロセッサ220
   2番目のメモリ 230   解析器

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  一定速度ドップラー・シフトに帰せら
    るべきスペクトルのコンポネントを半径方向ラインに写
    像する2次元変換を用いて信号標本が処理され、変換さ
    れた信号の半径方向射影が速度スペクトルを抽出するの
    に用いられるところの、パルス化された波形信号を処理
    して対象の速度を決定する方法において、エイリアス項
    を消去するために、次の諸ステップ、すなわちスペクト
    ル項を一様に分割する平均データ標本の所在を見出すこ
    とと、該平均データ標本の周りにスペクトル・ウィンド
    ウを一様に分配することと、各ウィンドウ内部のスペク
    トル・データ標本をグループ化することとにより、個々
    のスペクトル項を表す速度スペクトルのデータ標本を識
    別するステップ、各ウィンドウの内部で、各スペクトル
    ・データ項の最大値と幅とを計算するステップ、大きな
    最大値と小さな幅とにより最大化されるような関数を最
    大化するところのウィンドウ内部のデータ標本のグルー
    プを、真の速度スペクトル項として選定するステップ、
    及び選定された真の速度スペクトル項の中にはないとこ
    ろのすべてのデータ標本を消去するステップを有するこ
    とを特徴とするパルス化された波形信号を処理して対象
    の速度を決定する方法。
  2. 【請求項2】  スペクトル項を一様に分割する平均デ
    ータ標本の所在を見出すステップは、次の諸ステップ、
    すなわち先ず最初に、速度スペクトルの1番目のデータ
    標本から始めて平均値を計算するステップ、及びもし以
    前に計算された平均値が速度スペクトルの中心にないな
    らば、前に算出した平均値がスペクトルの中心に来るよ
    うにスペクトルを回転し、それからこの回転したスペク
    トルの平均値を再計算して、再計算された平均値が回転
    したスペクトルの中心にあるようになるまで、該回転及
    び再計算を繰り返すステップを有することを特徴とする
    請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】  パルス化された波形信号は超音波パル
    スであることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法
    。
  4. 【請求項4】  上記変換とは、2次元フーリエ変換で
    あることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. 【請求項5】  上記関数とは、記号”max” をウ
    ィンドウ内部のデータ標本の最大値とし、記号”max
    max”を全速度スペクトルのデータ標本の最大値とし
    、またβを加重因数とするとき、 score = variance +β(maxma
    x − max)であることを特徴とする請求項1に記
    載の方法。
  6. 【請求項6】  一定速度ドップラー・シフトに帰せら
    るべきスペクトルのコンポネントを半径方向ラインに写
    像する2次元変換を用いて信号標本を処理する手段と、
    速度スペクトルを変換された信号から抽出するのに変換
    された信号の半径方向射影を用いる手段とを有して成る
    パルス化された波形信号を処理して対象の速度を決定す
    る装置において、スペクトル項を一様に分割する平均デ
    ータ標本の所在を見出すことと、該平均データ標本の周
    りにスペクトル・ウィンドウを一様に分配することと、
    各ウィンドウ内部のスペクトル・データ標本をグループ
    化することとにより、個々のスペクトル項を表す速度ス
    ペクトルのデータ標本を識別する手段、各ウィンドウの
    内部で、各スペクトル・データ項の最大値と幅とを計算
    する手段、大きな最大値と小さな幅とにより最大化され
    るような関数を最大化するところのウィンドウ内部のデ
    ータ標本のグループを、真の速度スペクトル項として選
    定する手段、及び選定された真の速度スペクトル項の中
    にはないすべてのデータ標本を消去する手段を更に有す
    ることを特徴とするパルス化された波形信号を処理して
    対象の速度を決定する装置。
  7. 【請求項7】  スペクトル項を一様に分割する平均デ
    ータ標本の所在を見出す手段は、速度スペクトルの1番
    目のデータ標本から始めて平均値を計算する手段、及び
    以前に計算された平均値が速度スペクトルの中心にない
    か否かを判定し、もしそうならば、前に算出した平均値
    がスペクトルの中心に来るようにスペクトルを回転し、
    それからこの回転したスペクトルの平均値を再計算して
    、再計算された平均値が回転したスペクトルの中心にあ
    るようになるまで、該回転及び再計算を繰り返す手段を
    有することを特徴とする請求項6に記載の装置。
  8. 【請求項8】  パルス化された波形信号を生成するた
    めに、エコー超音波走査手段を更に有することを特徴と
    する請求項6又は7に記載の装置。
JP3295790A 1990-11-15 1991-11-12 パルス化された波形信号の処理方法及び装置 Expired - Lifetime JP2991552B2 (ja)

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