JPH0759772A - 超音波ドプラ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 周波数分析されたスペクトル分布から実時間
で瞬時平均或いは瞬時ピーク周波数を算出するようにし
た超音波ドプラ装置において、その瞬時周波数の時間軌
跡を理想状態に近い、なめらかなカーブとする。 【構成】 ドプラ検出部３で検出されたドプラ信号を基
に周波数分析する周波数分析部４と、周波数分析部で得
られた周波数スペクトル分布を基に瞬時周波数をリアル
タイムで演算する瞬時周波数演算部５と、周波数分析部
４と瞬時周波数演算部５との出力を合成して瞬時周波数
の時間波形を表示させるための信号合成回路６とを備え
た超音波ドプラ装置において、瞬時周波数演算部５と信
号合成回路６との間に、瞬時周波数演算部５で演算され
た瞬時周波数データを時間方向に平滑化処理するスムー
ジング回路８を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、血流からのドプラシフ
ト成分を検出して周波数分析しリアルタイムで瞬時周波
数を演算する超音波ドプラ装置に関し、特に理想的な瞬
時周波数の時間波形を得ることができるこの種の超音波
ドプラ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より超音波ドプラ装置として、被検
体の診断部位に対して超音波を送受信し得られたエコー
信号より血流からのドプラシフト成分を検出して周波数
分析し、リアルタイムで瞬時周波数を演算するとともに
ドプラシフト成分の周波数分析データを基に血流波形を
表示するようにしたものがある。

【０００３】このような超音波ドプラ装置は、図７に示
すように超音波を送受信する探触子１と、この探触子１
を制御して超音波を打ち出すと共にその反射波を受信し
てエコー信号を得る超音波送受信部２と、この超音波送
受信部２で得たエコー信号より血流からのドプラシフト
成分を検出するドプラ検出部３と、このドプラ検出部３
からのドプラ信号を周波数分析し各周波数成分の輝度レ
ベルを算出する周波数分析部４と、この周波数分析され
たスペクトル分布（輝度レベルの周波数分布）から瞬時
平均周波数やピーク周波数などの瞬時周波数を算出する
瞬時周波数演算部５と、この瞬時周波数と周波数スペク
トルとを重畳する信号合成回路６と、信号合成回路６で
重畳された血流波形データを表示する表示部７とを備え
ている。

【０００４】このような超音波ドプラ装置においては、
探触子１から周波数ｆ₀の超音波が打出されると被検体
の血液は所定の速度で流れているので、探触子１からの
超音波が血球により反射されてくるエコー信号はドプラ
効果による周波数シフトを受けている。ドプラ検出部３
はこのドプラシフト成分（ドプラ信号）を検出するが、
ここで血球速度は遅いものと速いものとがあるため、得
られるドプラ信号には異なる周波数成分が含まれてく
る。周波数分析部４はこのようなドプラ信号を高速フー
リエ法等の手法により周波数分析し、周波数分布を持つ
血流波形データを得る。この血流波形は、図２（ａ）に
示すように縦軸（周波数）方向に分布を持つ波形で、こ
のスペクトルのある時間（ｔ₁）について、横軸に周波
数を、縦軸に輝度（受信電力）を取ると、図２（ｂ）に
示すようなスペクトル分布として表わされる。瞬時周波
数演算部５はこのようなスペクトル分布の重心に相当す
る瞬時平均周波数ｆ_meanや辺縁にあたるピーク周波数な
どの瞬時周波数をリアルタイムで演算し、瞬時周波数と
周波数スペクトルとを重畳した波形が表示部７に表示さ
れる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に血流
からの反射エコーは等方性散乱をなし、ランダムノイズ
となるため、ドプラ信号を十分な時間長で周波数分析す
ればそのスペクトル分布は正規分布（ガウシャン分布）
をなす。従って、そのようなスペクトル分布から得られ
る瞬時周波数の時間軌跡である血流波形も理想的にはな
めらかなカーブを呈することになる。

【０００６】しかし、実際にはこのような超音波ドプラ
装置においては、ドプラ検出部３は、エコー信号を送信
パルスから一定の時間遅延でサンプルホールドした後、
帯域通過フィルター回路を通すことによりドプラシフト
成分（ドプラ信号）を得ており、周波数分析部４はこの
ような有限時間長のドプラ信号の周波数分析しているた
め、分析されたスペクトル成分は均一な分布にはならな
い。そのため、均一でないスペクトルから算出された瞬
時周波数の時間軌跡も図４の細実線に示すようになめら
かなカーブにならなくなってしまう。

【０００７】そこで、本発明はこのような問題点を解決
し、有限長の分析結果から得られた瞬時周波数の時間軌
跡を、より理想的なカーブに近づけることができる超音
波ドプラ装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の超音波ドプラ装置は、超音波を送受
信する探触子と、探触子を制御して超音波を打ち出すと
共にその反射波を受信してエコー信号を得る超音波送受
信部と、超音波送受信部で得たエコー信号より血流から
のドプラシフト成分を検出するドプラ検出部と、ドプラ
検出部からのドプラ信号を周波数分析し各周波数成分の
輝度レベルを算出する周波分析部と、周波数分析部から
の輝度レベル信号の分布から特定の瞬時周波数をリアル
タイムで演算する瞬時周波数演算部と、瞬時周波数演部
からの瞬時周波数と周波数分析部からの輝度レベル信号
の分布を重畳させる信号合成回路と、信号合成回路から
出力された瞬時周波数の時間波形を表示する表示部とを
備えて成る超音波ドプラ装置において、瞬時周波数演算
部と信号合成回路との間に周波数分析部で演算された瞬
時周波数データを平滑化するスムージング回路を設けた
ものである。

【０００９】

【作用】周波分析部は、ドプラ検出部で得られたドプラ
信号を所定の分析周期で周波数分析し各周波数成分の輝
度レベルを算出する。このように算出された輝度レベル
分布は、有限長のドプラ信号を分析しているため、ガウ
ス分布とならず不均一な分布を示す。瞬時周波数演算部
はこのスペクトル分布（輝度レベルの周波数分布）に基
づき瞬時周波数を演算するが、スペクトル分布が不均一
であるためここで算出された瞬時周波数は、分析周期ご
とにガタ付きを生じる。スムージング回路はこのような
所定の分析周期で得られる瞬時周波数の算出結果に対し
て、時間方向に平滑化処理を行う。このようにスムージ
ングされたスムージング回路の出力と周波数分析部から
の周波数分析データとの重畳した信号として得られる瞬
時周波数の時間軌跡は理想状態に近いなめらかな波形と
して表示される。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
詳細に説明する。図１は本発明による超音波ドプラ装置
の一実施例を示すブロック図であり、この超音波ドプラ
装置は、被検体の診断部位に対して超音波を送受信し得
られたエコー信号より血流からのドプラシフト成分を検
出して周波数分析し血流波形を表示するもので、主とし
て被検体の診断部位に対して超音波を送受信する探触子
１と、探触子１を制御して超音波を打ち出すと共にその
反射波を受信してエコー信号を得る超音波送受信部２
と、超音波送受信部２で得たエコー信号により血流から
のドプラシフト成分を検出するドプラ検出部３と、ドプ
ラ検出部３で検出されたドプラ信号を周波数分析する周
波数分析部４と、周波数分析部４において周波数分析、
算出された各周波数成分の輝度レベルを基に、輝度レベ
ルの周波数分布であるスペクトル分布の重心に相当する
瞬時平均周波数（ｆ_mean）やスペクトル分布の瞬時最大
周波数（ｆ_peak）などをリアルタイムに演算する瞬時周
波数演算部５と、周波数スペクトル分布に瞬時周波数演
算部５で演算された瞬時周波数を重ね合わせて表示させ
るための信号合成回路６と、信号合成回路６から出力さ
れた瞬時周波数の時間波形等を表示する表示部７とを備
え、さらに瞬時周波数演算部５と信号合成回路６との間
に、瞬時周波数演算部５で算出された瞬時周波数データ
を時間方向に平滑化するスムージング回路８を備えてい
る。

【００１１】探触子１は、その内部に超音波の発生源で
あると共に反射波を受信する振動子を有しており、血流
計測の対象となる部位により異なるが通常１〜１０MHz
程度の周波数の超音波を送受信する。超音波送受信部２
は、所定の繰返し周波数ＰＲＦ（２〜１０kHz）で所定
周波数（１〜１０MHz）の超音波パルスを発生するため
のパルス発生器、探触子１が受信した反射波（エコー信
号）を増幅するための受信増幅器及びそれらの制御回路
を有している。

【００１２】ドプラ検出部３は、復調回路、参照波発生
回路、帯域通過フィルター回路を有し、復調されたエコ
ー信号に、参照波発生回路で発生された参照周波数の信
号をかけ合せることにより位相出力を得て、これを送信
パルスから一定の時間遅延でサンプルホールドし、帯域
通過フィルター回路を通すことによりドプラシフト成分
（ドプラ信号）を得る。

【００１３】周波数分析部４は、ドプラ検出部３から出
力されるドプラ信号を入力して周波数分析し各周波数成
分の輝度レベルの信号を入力して周波数分析し各周波数
成分の輝度レベルを算出するもので、ドプラ信号をデジ
タル変換するＡ／Ｄ変換回路、デジタル化されたドプラ
信号を高速フーリエ変換法（ＦＦＴ）等の周波数分析法
により周波数領域に変換する周波数分析回路、及びこれ
ら各回路を独自の周期で動作可能とするメモリ回路とを
有する。

【００１４】瞬時周波数演算部５は、周波数分析部４に
よって得られた血流信号の瞬時周波数のスペクトル分布
（図２（ｂ））から、スペクトル分布の重心に相当する
瞬時平均周波数（ｆ_mean）やスペクトル分布の辺縁にあ
たる瞬時最大周波数（ｆ_{peak ）}などをリアルタイムに演
算する。信号合成回路６は、周波数スペクトル分布に瞬
時周波数演算部５で算出された瞬時周波数を重ね合わせ
て表示させるためにこれら信号を重畳する。

【００１５】表示部７は、信号構成回路６から送られる
１分析周期分のデータを記憶するラインメモリ回路、ラ
インメモリ回路に収納されたデータを周波数変換するス
キャンコンバータ回路、デジタル信号であるデータを表
示のためにアナログ変換するＤ／Ａ変換回路、ＣＲＴ
（モニター）及びこれら回路を制御するＣＰＵを含むコ
ントローラなどから成り、周波数分析部４から読み出し
た周波数分析データを縦軸を周波数とし横軸を時間で表
した血流波形として表示するとともに、信号合成回路６
で合成された瞬時周波数の時間波形を表示する。尚、表
示部７は超音波ドプラ装置が、血流計測の他、断層エコ
ー計測機能や心電図計測機能等を有する場合には、その
表示出力として血流データ以外にＭモード像や心電図・
心音図などの生体波形をも表示する。

【００１６】更に本発明において設けられるスムージン
グ回路８は、各分析周期ごとに得られる瞬時周波数を時
間的に平滑化するための回路で、瞬時周波数演算部５で
得られた瞬時周波数の原信号を平滑化することによっ
て、表示部７においてより理想的な瞬時周波数の軌跡を
表示させるようにする。このようなスムージング回路８
として、図３に示すような平滑化回路８１とデータラッ
チ回路８２とを組合せた回路を採用することができる。
ここで平滑化回路８１は、瞬時周波数演算部５から入力
される瞬時周波数データのうち、データラッチ回路８２
によって１タイミング遅延して入力される１タイミング
前の瞬時周波数（ｖ'_i-1）と瞬時周波数演算部５から新
たに入力される瞬時周波数（ｖ_i)との間で平滑化処理を
行ない、その演算結果（ｖ'_i）である平滑化されたデー
タを信号合成回路６に送る。この場合、データラッチ回
路８２による遅延のタイミングは１分析周期あるいはモ
ニターの表示周期の長さと同期するように構成される。

【００１７】以上のような構成における動作について説
明する。探触子１は、超音波送受信部２に制御されて被
検体の診断部位に対し、所定の周波数（１〜１０MHz）
のパルス状の超音波を送信するとともに、血球からの反
射波であるエコー信号を受信する。このエコー信号は隣
り合う二つの送信パルスの間に受信される。超音波送受
信部２は探触子１が受信したエコー信号を増幅して、ド
プラ検出部３に送る。ドプラ検出部３では、このエコー
信号に参照周波数の信号を掛合わせることにより位相出
力を得、さらにこれを一定の時間遅延でサンプルホール
ドした後、帯域通過フィルター回路を通すことによりド
プラシフト成分（ドプラ信号）を得る。

【００１８】ドプラ検出部３で得られたドプラ信号は、
周波数分析部４において、輝度レベル信号としてデジタ
ル変換された後、ＦＦＴ法により周波数領域に変換さ
れ、各周波数成分の輝度レベルが算出される（図２
（ａ））。この各周波数成分の輝度レベルは図２（ｂ）
に示すような周波数スペクトル分布として瞬時周波数演
算部５に入力され、ここでスペクトル分布の重心に相当
する瞬時平均周波数（ｆ_{mean ）}やスペクトル分布の辺縁
にあたる瞬時最大周波数（ｆ_peak）などがリアルタイム
で演算される。この瞬時平均周波数或いは瞬時最大周波
数は、スムージング回路８において所定の平滑化処理が
なされる。

【００１９】スムージング回路８では、瞬時周波数演算
部５から入力される瞬時周波数データをデータラッチ回
路８２によって１分析周期に当る１タイミング遅延して
平滑化回路８１に送る。平滑化回路８１はデータラッチ
回路８２を経て入力される１タイミング前の瞬時周波数
（ｖ'_i-1）と新たに瞬時周波数演算部５から入力される
瞬時周波数（ｖ_i )との間で平滑化処理を行ない、その
演算結果（ｖ'_i）を信号合成回路６に送る。

【００２０】ここでスムージング回路８による演算結果
ｖ'_i は次式(1)のようになるが、 ｖ'_i ＝ｆ（ｖ_i，ｖ'_i-1） (1) 通常 ｖ'_i ＝（ａｖ_i＋ｂｖ'_i-1）／（ａ＋ｂ） (2) とすればよい。(2)式において、ａ≦ｂの場合は演算結
果に過去のデータの影響が強く表われるためスムージン
グ度が強くなり、逆にａ＞ｂの場合は、演算結果に今回
の瞬時周波数（ｖ_i )の影響が強く表われるため、スム
ージング度が弱くなる。従って、ａとｂの割合を適当に
変えることによりスムージング度合を容易に設定するこ
とができる。

【００２１】このようにスムージングした瞬時周波数デ
ータは信号合成回路６において、周波数分析部４で得ら
れた周波数スペクトル分布と重畳され、瞬時周波数の時
間軌跡として表示部７において周波数分析結果（図２
（ａ））等の他の出力とともに表示される。この瞬時周
波数の時間軌跡は、スムージングした瞬時周波数データ
を基にしているため、図４（太実線）に示すようになめ
らかな理想的曲線となる。

【００２２】図５に、本発明による超音波ドプラ装置に
おけるスムージング回路８’の別の実施例を示す。この
スムージング回路８’は、ｎ個のデータラッチ回路８２
とこれらデータラッチ回路８２からの出力の平滑化処理
を行う平滑化回路８１とからなる。尚、ｎは１以上の整
数で、図５ではｎ＝４の場合を示している。このスムー
ジング回路８では、瞬時周波数演算部５から送られてく
る今回の瞬時周波数データｖ_iと、各データラッチ回路
８２で遅延された過去の瞬時周波数データｖ
_{i-1 、}ｖ_i-2、ｖ_i-3、ｖ_i-4、即ちｎ＋１個の瞬時周波数
を利用して平滑化処理を行なう。この場合、演算結果
ｖ'_i-2以下の式で表現される。

【００２３】 ｖ'_i-2＝ｆ（ｖ_i，ｖ_i-1，ｖ_i-2，ｖ_i-3，ｖ_i-4） 演算式として具体的には、 ｖ'_i-2＝（ｖ_i＋ｖ_i-1＋ｖ_i-2＋ｖ_i-3＋ｖ_i-4）／５ のような単純平均でもよいが、図６に示すように５つ分
の瞬時周波数（ｖ_i〜ｖ_{i -4}）を例えばａ）瞬時周波数が
ほぼ段階的に変化するか或いは中央にピークがある場合
及びｂ）瞬時周波数の変化に規則性がない場合、にパタ
ーン分けして、 ａ）の場合、ｖ'_i-2＝ｖ_i-2 ｂ）の場合、ｖ'_i-2＝（ｖ_i＋ｖ_i-1＋ｖ_i-2＋ｖ_i-3＋ｖ
_i-4）／５ としてもよい。こうすることにより、ノイズによるガタ
つきを効果的にスムージングでき、しかも尖鋭なピーク
点を不用意にスムージングさせないようにすることがで
きる。

【００２４】尚、このスムージング回路８’の演算結果
は、ｎ個のデータラッチ回路８２を有する場合には、ｎ
/2（ｎ/2は整数）タイミング分遅れて出力されることと
なる。従って、表示部７の表示出力として周波数分析結
果（図２（ａ））及びＭモード像や心電図・心音図など
の生体波形等の表示出力がある場合には、これらも同じ
ようにｎ/2タイミング分遅延させて表示させる必要があ
る。

【００２５】尚、以上の実施例ではスムージング回路
８、８’を瞬時周波数演算部５と別のハード構成として
示しているが、ＣＰＵなどを利用して一体化させてもよ
い。また、以上の実施例ではパルスドプラ法を利用した
超音波ドプラ装置について説明したが、本発明は連続波
ドプラ法を利用した超音波ドプラ装置や断層エコーと重
畳したドプラ装置にも適用することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上の実施例からも明らかなように、本
発明の超音波ドプラ装置は瞬時周波数演算部と信号合成
回路との間にスムージング回路を設け、血流波形からリ
アルタイムに演算された瞬時周波数を時間方向にスムー
ジングするようにしたので、瞬時周波数の時間波形にお
いて、ガタつきを抑え、より理想的なスペクトル分布を
反映したなめらかな波形を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波ドプラ装置の一実施例のブ
ロック図。

【図２】（ａ）は周波数分析された血流波形を示す図、
（ｂ）は瞬時周波数のスペクトル分布を示す図。

【図３】スムージング回路の一実施例を示す図。

【図４】表示部に表示される瞬時周波数の時間波形の原
信号とスムージング後の波形を示す図。

【図５】スムージング回路の他の実施例を示す図。

【図６】図６のスムージング回路における平滑化処理の
パターン分けの例を示す図。

【図７】従来の超音波ドプラ装置のブロック図。

【符号の説明】

１…探触子 ２…超音波送受信部 ３…ドプラ検出部 ４…周波数分析部 ５…瞬時周波数演算部 ６…信号合成回路 ７…表示部 ８、８’…スムージング回路 ８１…平滑化回路 ８２…データラッチ回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波を送受信する探触子と、前記探触子
   を制御して超音波を打ち出すと共にその反射波を受信し
   てエコー信号を得る超音波送受信部と、前記超音波送受
   信部で得たエコー信号より血流からのドプラシフト成分
   を検出するドプラ検出部と、前記ドプラ検出部からのド
   プラ信号を周波数分析し各周波数成分の輝度レベルを算
   出する周波分析部と、前記周波数分析部からの輝度レベ
   ル信号の分布から特定の瞬時周波数をリアルタイムで演
   算する瞬時周波数演算部と、前記瞬時周波数演部からの
   瞬時周波数データと前記周波数分析部からの輝度レベル
   信号の周波数分布を重畳させる信号合成回路と、前記信
   号合成回路から出力された瞬時周波数の時間波形を表示
   する表示部とを備えて成る超音波ドプラ装置において、
   前記瞬時周波数演算部と前記信号合成回路との間に前記
   瞬時周波数演算部で演算された瞬時周波数データを平滑
   化するスムージング回路を設けたことを特徴とする超音
   波ドプラ装置。