JPH0824679B2 - 超音波ドプラ診断装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は被検体内の血流等の運動反射体の速度を測
定する超音波ドプラ診断装置、特に運動反射体の三次元
速度を測定するものに関する。

［従来技術］ 従来より、被検体内の運動部、例えば心臓等の臓器、
循環器及び血管内の血流、体液流等の運動反射体の速度
を測定するため、超音波パルスドプラ法を利用した超音
波ドプラ診断装置が実用化されている。

この超音波ドプラ診断装置においては、被検体内に超
音波パルスを一定の繰返し周期で送信し、被検体内の運
動反射体からの反射波におけるドプラ偏移周波数を検出
することによって運動反射体の速度を検出している。

このような超音波ドプラ診断装置における反射波の周
波数偏移（ドプラシフト）の２次元分布測定には、例え
ば特開昭58−188433号公報等に示されている自己相関に
よる演算装置が利用されている。

すなわち、従来の超音波ドプラ診断装置によれば、被
検体内から得られた反射波についての受信信号を複素信
号に変換し、この複素信号の共役積をとり積分する自己
相関を演算し、この自己相関値から周波数偏移を演算算
出している。

そして、このようにして得られた周波数偏移は超音波
ビームの方向についての運動反射体の速度に対応してい
るため、この周波数偏移の大きさから速度を求めてい
る。

ところが、このような超音波ドプラ診断装置におい
て、単一の超音波ビームで反射波から算出した場合に得
られる速度は、超音波ビーム方向の動径速度のみであ
る。

このため、従来は超音波ビームの放射面に射影された
速度を求めるため、運動反射体（特に血流）の運動方向
をＢモード断層像における血管の走行状態等から推定
し、この方向を手作業で入力し、得られた速度値を補正
していた。しかし、この方法では実時間で運動反射体の
移動速度が測定できず、また心腔内血流のように血流方
向が推定できない場合や、臓器等でその移動方向が推定
できない場合には補正ができないという問題があった。

また、交差ビーム法と呼ばれる方法では、異なる位置
から超音波ビームを放射し、一つの運電反射体に対する
異なる方向からの速度信号を求め、これを合成すること
により正確な運動方向に基づいた速度を求めている。

しかし、この方法では２つのビームで一つの運動反射
体からの反射波を正確に受信しなければならず、装置が
複雑となり、特に助骨に保護された心臓等のように、超
音波ビームを挿入する位置や角度が限定される部位には
適用が困難であるという問題点があった。

そこで、本出願人は特願昭60−292112号において運動
反射体の二次元速度を測定できる超音波ドプラ診断装置
について提案した。

この装置においては、セクタ走査型の超音波プローブ
より、所定の超音波パルス信号を順次送信し、被検体内
の運動反射体によって反射された反射波を順次受信す
る。そして、任意の一方向からの受信信号に基づいて求
められた第１の自己相関器出力とこの第１の方向と微小
の偏向角度の差を有する２の方向の受信信号から得られ
た第２の自己相関器出力を比較してセクタ走査のビーム
方向に垂直な接線速度を演算算出する。

このようにして得られた接線速度は、被検体内の同一
距離における運動反射体の速度ベクトルのビーム方向に
垂直な成分を示しており、この接線速度と動径速度とか
ら二次元速度ベクトル、すなわち速度の絶対値及び角度
を求めることができる。

そして、このベクトルの角度は運動反射体の運動方向
を示すものであり、運動方向を含んだ速度ベクトルは同
一ビーム内の速度分布の全てにおいて、かつ超音波送受
波領域の全てについて求められるので、正確な運動方向
に基づいた運動反射体の速度を測定することができる。

ここで、従来の二次元速度ベクトル測定について図面
に基づいて説明する。

第５図に示すように、超音波プローブ10は所定周波数
の超音波ビームをセクタ走査する。そして、所定の距離
に存在する運動反射体12によって得られる反射波より、
周波数偏移を検出し、超音波ビームの動径方向の速度成
分を得ることができる。

すなわち、図における超音波ビームのｋ番目およびｋ
＋１番目の２つの反射波より得られる運動反射体12の動
径方向の速度成分を各々Urk,Urk＋１とする。そして、
このセクタ走査面内における、ｋ＋１番目の超音波ビー
ム間では、その距離が微小なため、運動反射体12の速度
が変化しないと仮定しても良い。そこで、両者の速度を
同一の速度Ukとおけば、各々の超音波ビーム方向の速度
成分は次の式で表わされる。

Urk＝Uk・cosθｋ …（１） Urk＋１＝Uk・cosθｋ＋１ …（２） ここで、図に示すようにθk,θｋ＋１は、Ｋ、ｋ＋１
番目の超音波ビームと運動反射体の移動方向のなす角度
である。

そして、このｋ番目とｋ＋１番目の超音波ビーム間の
角度をδφとすると、θｋとθｋ＋１には次の関係があ
る。

θｋ＋１＝θｋ＋δφ …（３） そこで、上記（１）式と（２）式の差分をδUrkとす
ると、これは次のように表わされる。

δUrk＝Urk＋１−Urk ＝Uk・｛cos（θｋ＋δφ）−cosθｋ｝ …（４） そして、このδφを十分小さい値とすれば（δφ＜＜
１）、δUrkは次のように表わすことができる。

δUrk≒−Uk・（sinθｋ）・δφ …（５） 一方、第５図より明らかなように、接線方向の速度成
分（接線成分）をUrkとすれば、UkとUrkの間には次の関
係がある。

Uk・sinθｋ＝Urk …（６） 従って、（５），（６）式からUrkは次のように表わ
すことができる。

Urk＝−δUrk/δφ …（７） そして、Urk＋１、Urkは、従来のドプラ法により検出
することができ、またδφは超音波診断装置に固有の定
数であり、予め分っている。このため、（７）式によっ
て接線成分Urkを求めることができる。

このようにして得られた接線成分Urkと動径成分Urkに
より運動反射体の二次元速度ベクトルの大きさUkとその
方向、すなわち超音波ビームと運動反射体12の運動方向
のなす角度θｋが次式から求められる。

θｋ＝tan^-1（Utk/Urk） …（９） 次に、この二次元速度を検出する超音波ドプラ診断装
置について、第６図に基づいて説明する。

第５図における超音波プローブ10によって得られた運
動反射体12の反射信号は、直交検波器（図示せず）によ
って検波され、90度位相の異なる受信信号I,Qとしてウ
ォールフィルタ20a,20bに導入される。このウォールフ
ィルタ20a,20bは、受信信号中において存在する固定反
射体からの信号成分を除去するものであり、ウォールフ
ィルタ20a,20bによって不要な信号成分が除去された信
号が複素自己相関器22に供給される。この複素自己相関
器22は、90度位相の異なる信号I,Qをそれぞれ実数部、
虚数部として処理する。

すなわち、入力信号に対し、所定の遅延を施すと共
に、複数共役積を算出することによってドプラ偏移周波
数によって示される実数部Rx、虚数部Ryの相関信号が得
られる。

この相関信号は、動径速度演算部24に導入され、ここ
で相関信号の偏角を求め、これによってドプラ偏移周波
数を算出する。そして、このドプラ偏移周波数によって
運動反射体12の動径方向の運動速度成分Urを求め、これ
を出力する。

一方、複素自己相関器22からの出力である自己相関信
号は、複素自己相関器26にも供給される。そして、この
複素自己相関器26において、動径速度成分Urの差分δUr
に相当する演算を行い、この演算結果についての相関信
号を接線速度演算部28に供給する。

この接線速度演算部28においては、動径速度成分の差
分δUrを超音波ビーム間の角度δφで除算することによ
り接線方向の速度成分（接線速度成分）Utを算出する。

このようにして動径速度演算部24によって得られた動
径速度成分Ur及び接線速度演算部28によって得られた接
線速度成分Utはそれぞれ絶対速度演算器30及び角度演算
器32の両方に供給される。

絶対速度演算部30においては、供給される接線速度成
分Urと動径速度成分Urの２乗相の平方根を算出し、これ
を絶対速度値Ｕとして出力する。

一方、角度演算器32においては、供給される接線速度
成分Ut及び動径速度成分Urの比の逆正接を算出すること
により、θｋを求め、これをある基準方向θ_０に対する
角度φに変換し、これを出力する。

このようにして超音波ビームのセクタ走査面内におい
て、運動反射体の二次元速度、すなわち走査面内におけ
る速度絶対値Ｕ及び角度φを得ることができる。

このようにして得られた絶対速度値Ｕ及び角度φはDS
C（デジタル・スキャン・コンバータ）に送られ、ここ
において、所定の処理を受け表示装置（図示せず）に２
次元の速度ベクトルの大きさと角度として表示される。

［発明が解決しようとする課題］ このように上述の従来装置においては、セクタ走査式
の微小角異なる２方向の動径速度を利用して運動反射体
の速度をその走査面内における二次元速度ベクトルとし
て得ることができる。

しかし、現実の運動反射体の移動方向は、セクタ走査
面内における速度だけではない。すなわち、運動反射体
は被検体内において三次元の速度ベクトルで表わすこと
ができ、二次元速度ベクトルで表わしても、正確な速度
は得られないという問題点があった。

発明の目的 この発明は、上述の問題点を解決することを課題とし
てなされたものであり、運動反射体の三次元速度ベクト
ルの大きさと方向を実時間で測定することができる超音
波ドプラ診断装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、超音波ビームを被検体内に放射し被検体内
の運動反射体からの反射波のドプラ偏移周波数を検出し
運動反射体の速度を検出する超音波ドプラ診断装置にお
いて、超音波ビームを第１の走査平面内で走査しこの平
面内で超音波を送受信する手段と、この第１の走査平面
内の送受信によって得られたドプラ偏移信号より第１の
走査平面内における運動反射体の二次元速度ベクトルを
演算する手段と、第１の走査平面と微小角異なる第２の
平面内で超音波を送受信する手段と、この第２の走査平
面内の送受信によって得られたドプラ偏移信号により第
２走査平面内における運動反射体の二次元速度ベクトル
を演算する手段と、これら第１及び第２の走査平面内の
二次元速度ベクトルから第１又は第２の走査面に垂直な
方向の速度成分を演算算出する手段と、第１又は第２の
走査平面内における二次元速度ベクトルと上記走査平面
内に垂直な方向の速度成分とから運転反射体の三次元速
度ベクトルを算出する手段と、を有することを特徴とす
る。

［作用］ このように、異なる２つの走査面における二次元速度
ベクトルから、三次元速度ベクトルの大きさ及びその方
向を正確に測定することができ、運動反射体の実際の速
度を測定することができる。従って、被検体内の心臓内
血流等を実際の運動状態に近い状態で把握することがで
き、画像診断に有益な情報を実時間で提供することがで
きる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例に係る超音波ドプラ診断装
置について図面に基づいて説明する。

第１図は同実施例に係る超音波ドプラ診断装置の全体
構成を示すブロック図であり、セクタ走査型の超音波プ
ローブ10より被検体内に超音波ビームを放射し所定の深
度の反射信号を受信する。この超音波プローブ10におけ
る超音波ビームの放射、及び反射波の受信は、送受信部
40によって制御される。

すなわち、送受信部40にはタイミング信号発生部42に
よって発生されたタイミング信号が走査制御部44を介し
供給されており、この走査制御部44からの信号に応じ、
送受信部40は超音波プローブ10における超音波振動子を
順次駆動し、被検体内に所定のパルスビームを送信する
と共に、それぞれの超音波振動子において、所定時間後
に受信する所定の深度における運動反射体からの反射波
を受信する。

そして、送受信部40はこのようにして得られた超音波
プローブ10からの受信信号を二次元速度ベクトル演算部
50に供給する。この二次元速度ベクトル演算部50は第６
図に示した従来例と同様の構成を有しており、第６図に
おける動径速度演算部24及び接線速度演算部28からの出
力値である動径速度成分Ur及び接線速度成分Utを出力す
る。

そして、この発明において特徴的なことは、二次元速
度ベクトル演算部50において演算算出された動径速度成
分Ur及び接線速度成分Utは、三次元速度ベクトル演算部
60に入力され、この三次元速度ベクトル演算部60におい
て、運動反射体の三次元速度ベクトルの絶対値及びその
方向が求められ、出力されることである。なお、α´，
β，γ´は、基準となる極座標における角度である。

そして、このような三次元速度ベクトルの演算算出の
ために回転制御部70を有している。回転制御部70は、超
音波プローブ10を所定角度β回転し、セクタ走査面を微
小角度β異ならせるためのものである。従って、超音波
フロープ10においては、互いに角度βだけ異なる第１の
走査面および第２の走査面における受信信号を得ること
ができる。

なお、超音波プローブ10は、セクタ走査を可能とする
ため、通常フェイズドアレイ探触子を利用しており、こ
のフェイズドアレイ探触子を支持器に軸支し、この軸を
モータ等で駆動することによって回転させることができ
る。これによって、異なる超音波ビーム走査面が得られ
上述のように三次元速度を得ることができる。この場合
における回転角度は、走査制御部44からのコントロール
信号により制御され、任意の角度に設定することができ
る。

そして、この信号は送受信部40、二次元速度ベクトル
演算部50を介し三次元速度ベクトル演算部60に供給され
る。三次元速度ベクトル演算部60は、運転反射体12の三
次元速度ベクトルを演算するが、この演算内容を第２図
および第３図に基づいて説明する。ここで、第２の走査
面で得られた速度、角度等には´（ダッシュ）を付し、
第１の走査面で得られた速度、角度と区別する。

第２図は第１図及び第２の走査面における速度、角度
等を表わした斜視図であり、第３図はｘ−ｙ平面におけ
る角度を示したものである。

第２図に示すように、直角座標系をx,y,zで表わし、
超音波プローブ10の位置を原点（0,0,0）とする。そこ
で、超音波プロープ10より放射される超音波ビームの走
査平面は、ｘ−ｚ平面（第１の走査面）、ｘ´−ｚ´平
面（第２の走査面）とする。

このようにすると、運動反射体（例えば血流）の速度
ベクトルＵは、第１の走査面（Ｘ−Ｚ平面）に射影され
た速度成分Ｕと、この第１の走査面に垂直な成分Ｕ⊥
とに分けられる。従って、これらの速度ベクトル間には
次の関係がある。

Ｕ＝Ｕ＋Ｕ⊥ …（10） Ｕ＝Uxex＋Uzez …（11） Ｕ⊥＝Uyey …（12） ここで、ex,ey,ezはそれぞれx,y,z軸の単位ベクトル
である。

そして、セクタ走査の場合には、速度ベクトルを平面
極座標で表わしたほうが便利であり、この極座標系にお
ける動径方向、接線方向の単位ベクトルをそれぞれer,e
tとすると、速度ベクトルＵは次のように表わされ
る。

Ｕ＝Urer＋Utet …（13） 一方、直角座標系と極座標系の単位ベクトル間には次
の関係がある。

er＝cosαex＋sinαez …（14） et＝−sinαex＋cosαez …（15） ここで、αはｘ軸の基準方向から超音波ビームの放射
方向への角度を示している。

この（14），（15）式を用いて運動反射体の三次元速
度ベクトルの平面極座標の成分で表わすと次のようにな
る。

Ｕ＝（Urcosα−Utsinα）ex ＋Uyey＋（Ursinα＋Utcosα）ez …（16） そして、αは超音波ビームの走査アドレスから一義的
に決定されるものであり、Ur,Utの値は上述の二次元速
度ベクトル計測法によって演算できる既知の値である。

従って、三次元速度ベクトルＵを決定するために必要
な値はｙ方向の速度ベクトルの成分Uyのみとなる。

一方、第１の走査面をｚ軸を中心としてβだけ回転し
た第２の走査面をｘ´−ｚ平面とすると、この第２の平
面内における血流の速度成分Ur',Ut',Uy'は、上述の（1
6）式の場合と同様に次のように表わすことができる。

Ｕ＝（Ur'cosα’−Ut'sinα’）ex' ＋Uy'ey'＋（Ur'sinα’＋Ut'cosα’）ez' …（17） そして、第１の走査面についての座標系（x,y,z）と
第２の走査面における座標系（x',y',z'）の単位ベクト
ルには次の関係がある。

ex'＝cosβex＋sinβey …（18） ey'＝−sinβex＋cosβey …（19） ez'＝ez そこで、（17）式をx,y,z座標系（第１の走査面にお
ける座標系）で表わすと、次のようになる。

Ｕ＝（Ur'cosα'cosβ−Ut'sinα'cosβ−Uy'sinβ）ex ＋（Ur'cosα'sinβ−Ut'sinα'sinβ＋Uy'cosβ）ey ＋（Ur'sinα’＋Ut'cosα’）ez …（21） そして、Ur'Ut',α',βは既知のものであり、Uy'のみ
が未知のパラメータである。

ここで、上述のように第１の走査面と第２の走査面は
ｚ軸の周りにβだけ角度が相違するだけである。そこ
で、このβを例えば１゜程度と非常に微小なものとすれ
ば、被測定対象である血流の速度は同一とみなしてよ
い。そこで、（16）式と（21）式における速度ベクトル
Ｕは同一であり、各成分が等しいとおくことができる。
そこで、両座標系の成分間の関係式が得られ、ｘ成分同
士が等しいとおくことにより次式が導かれる。

Urcosα−Utsinα＝Ur'cosα'cosβ −Ut'sinα'cosβ−Uy'sinβ …（22） 従って、未知のパラメータUy'は次のように表わすこ
とができる。

Uy'＝｛（Urcosα−Utsinα） −（Ur'cosα’−Ut'sinα’）cosβ｝/sinβ …（23） このように第２の走査面（x'−ｚ平面）に垂直な速度
成分Uy'が求められる。

更に、第１の走査面と第２の走査面のなす角度βが微
小な場合（β＜＜１）、（23）式は次のように書き直す
ことができる。

Uy'＝｛（Urcosα−Utsinα） −（Ur'cosα’−Ut'sinα’）｝／β（β＜＜１） …
（24） また、βが90゜の場合には次の関係がある。

Uy'＝−（Urcosα−Utsinα）（β＝90゜） …（25） このように第１の走査面及び第２の走査面における二
次元速度ベクトルの関係より、三次元速度ベクトルＵを
求めることができる。

すなわち、速度ベクトルＵの絶対値Ｕは次のように表
わされる。

また、第２の走査面から三次元速度ベクトルＵの角度
をr'とすると、このr'は次のようにして求めることがで
きる。

このようにして、走査面上の二次元速度ベクトルに対
する角度r'が求められる。二次元速度ベクトルの方向は
分かっているため、このr'を求めることによって、三次
元速度ベクトルの方向が一義的に決定される。

次に、第４図に基づいて上述の三次元速度ベクトル演
算を行う三次元速度ベクトル演算部60の構成について説
明する。

二次元速度ベクトル演算部50によって演算算出された
二次元速度ベクトルの動径方向の速度Ur,Ur'は乗算器80
に入力され、接線方向の速度Ut,Ut'は乗算器82に入力さ
れる。この乗算器80,82には、sincos発生器84によって
発生されたcosα,cosα’またはsinα,sinα’がそれぞ
れ供給されている。そこで、乗算器80からはUt・cosα
及びUr'・cosα’が出力され、乗算器82からはUt・sin
α,Ut'・sinα’が出力される。

そして、これら乗算器80,82からの出力は加算器86に
おいて減算され、この加算器86からはUr・cosα−Ut・s
inα及びUr'・cosα’−Ut'・sinα’が出力される。そ
して、この加算器86からの出力信号は乗算器88に入力さ
れる。この乗算器88にはsincos発生器90からcosβの信
号が入力され、ここで、乗算が行われる。そこで、乗算
器88からは（Ur'・cosα’−Ut'・sinα’）cosβとUr
・cosα−Ut・sinα２つの信号が出力される。そして、
これらの２つの信号は加算器92において減算処理され
る。なお、メモリ94は一方の出力信号を記憶しこれを加
算器92に供給するためのものである。

一方、sincos発生器90から出力されるsinβについて
の信号は逆数演算器96を介し1/sinβとして乗算器100に
供給される。従って、乗算器100からの出力は上述の（2
3）式におけるUy'についてのものとなる。このようにし
て第２の走査面に垂直な速度成分Uy'を求めることがで
きる。

このようにして、三次元速度ベクトル演算部60におい
て運動反射体の三次元速度ベクトルＵの絶対値Ｕとその
方向を決定する角度r'が得られる。そこで、三次元速度
ベクトル演算部60の出力はデジタルスキャンコンバータ
62を介し表示部64に供給され、ここに運動反射体の三次
元速度ベクトルが表示される。

なお、上述の第１及び第２の走査面における超音波ビ
ームの走査は、面毎に交互に行ってもよいが、走査中に
順次行ってもよい。すなわち、第１の走査面内において
２つの反射波を得れば、その面内における二次元速度ベ
クトルを演算算出できる。次に、第２の走査面における
１つの反射を得れば、両走査面に垂直な方向の速度成分
を算出できる。そして、その後は各走査面の反射波を得
る毎に走査面内及びこれに垂直な方向の速度成分を得る
ことができる。そこで、これらの走査面の変更を適宜行
うことによって、運動反射体の三次元速度を検出するこ
とができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明に係る超音波ドプラ診
断走査によれば、異なる２つの走査面における二次元速
度ベクトルから、三次元速度ベクトルの大きさ及びその
方向を正確に測定することができ、運動反射体の実際の
速度を測定することができる。従って、被検体内の心臓
血流等を実際の運動状態に近い状態で把握することがで
き、画像診断に有益な情報を実時間で提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係る超音波ドプラ診断
装置の概略構成を示すブロック図、 第２図は、同実施例において得られる速度ベクトルを説
明するための斜視図、 第３図は、第２図のｘ−ｙ平面における座標の状態を示
す説明図、 第４図は、同実施例における三次元速度ベクトル演算部
の構成を示すブロック図、 第５図は、従来例の超音波ビームの状態を示す説明図、 第６図は、従来例の構成を示すブロック図である。 10……超音波プローブ 12……運動反射体 50……２次元速度ベクトル演算部 60……３次元速度ベクトル演算部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波ビームを被検体内に放射し、被検体
   内の運動反射体からの反射波のドプラ偏移周波数を検出
   し、運動反射体の速度を検出する超音波ドプラ診断装置
   において、 超音波ビームを第１の走査平面内で走査し、この平面内
   で超音波を送受信する手段と、 この第１の走査平面内の送受信によって得られたドプラ
   偏移信号より、第１の走査平面内における運動反射体の
   二次元速度ベクトルを演算する手段と、 第１の走査平面と微小角異なる第２の平面内で超音波を
   送受信する手段と、 この第２の走査平面内の送受信によって得られたドプラ
   偏移信号により、第２走査平面内における運動反射体の
   二次元速度ベクトルを演算する手段と、 これら第１及び第２の走査平面内の二次元速度ベクトル
   から第１又は第２の走査面に垂直な方向の速度成分を演
   算算出する手段と、 第１又は第２の走査平面内における二次元速度ベクトル
   と上記走査平面に垂直な方向の速度成分とから運動反射
   体の三次元速度ベクトルを算出する手段と、 を有することを特徴とする超音波ドプラ診断装置。