JPH11169374A - 超音波ドプラ診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波ドプラ診断装置において、サンプルホ
ールド信号のフィルタリング効果による高域成分の劣化
を防止して感度を高める。 【解決手段】 サンプルホールド回路３０は、超音波ビ
ーム上における特定深さのドプラ情報を抽出する。サン
プルホールド信号はハイパスフィルタ３２及び可変アン
プ３４を介してリサンプル回路３８に入力される。リサ
ンプル回路３８は、サンプルホールドタイミングから一
定の遅れ時間をもったタイミングで信号のリサンプルを
行う。これによって従来のように折り返し防止フィルタ
を利用することなく元波形に忠実なリサンプルを行え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、血流などの生体内
運動反射体の運動情報を超音波ドプラ法によって解析す
る超音波ドプラ診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７には、従来の超音波ドプラ診断装置
の構成が示されている。超音波探触子１０は、超音波パ
ルスの送受波を行うものである。送信制御部１２は、超
音波の送信制御を行うものであり、受信制御部１４は、
超音波の受信制御を行うものである。送信制御部１２に
は、タイミング制御部１６から送信タイミング信号が供
給されている。

【０００３】受信制御部１４から出力された受信信号
は、Ｂモード動作時には、Ｂモード処理部１７へ入力さ
れる。Ｂモード処理部１７は受信信号を処理して二次元
断層画像を形成する。一方、ドプラモード動作時には、
受信信号は前処理部１８に入力される。この前処理部１
８は例えばアンプやバッファなどで構成される。直交検
波器２０は、受信信号を直交検波して複素信号を生成す
る回路であり、２つのミキサ２２及び２４で構成され
る。各ミキサは受信信号を所定の参照信号と混合する回
路である。

【０００４】複素信号の内で実数部信号は、実数部処理
部２６に入力され、虚数部信号は虚数部処理部２８に入
力される。実数部処理部２６及び虚数部処理部２８は同
一の構成を有する。サンプルホールド回路３０は、超音
波ビーム上において指定された特定深さ（サンプル点）
のドプラ情報を抽出する回路であり、繰り返し形成され
る超音波ビームに対応する各受信信号の中から、特定点
に相当する信号をサンプルし、そのレベルを保持する機
能を有する。これよって、送信繰り返し周期ごとにレベ
ルが変化したサンプルホールド信号が生成される。その
信号はハイパスフィルタ３２に入力される。このハイパ
スフィルタ３２は、心臓壁などの低速運動体からのエコ
ー成分を除去するための回路である。そのハイパスフィ
ルタを通過すると、信号は微分波形のようになる。その
信号は、可変アンプ３４によってレベル調整された後、
折り返し防止フィルタ（anti-aliasing filter）３６に
おいてフィルタリングされる。このフィルタは、高域成
分を抑圧する作用を有し、結果として、微分波形が元の
波形に近づく。

【０００５】リサンプル回路３８は、折り返し防止フィ
ルタを通過した信号に対して、送信繰り返し周期に同期
したタイミングでリサンプルを実行する回路である。こ
の従来装置において、各周期におけるリサンプルのタイ
ミングは固定されている。リサンプルされた信号は、Ａ
／Ｄ変換器４０において、デジタル信号に変換され、そ
のデジタル信号がＦＦＴ回路４２に入力される。

【０００６】従って、実数部処理部２６及び虚数部処理
部２８からの信号がＦＦＴ回路４２に入力されることに
なり、ＦＦＴ回路４２は、それらの信号に基づいてＦＦ
Ｔを実行し、各周波数のパワーを演算する。画像処理部
４４には、二次元断層画像及びドプラ画像（パワースペ
クトラム画像）が入力され、それらの画像が個別に又は
一緒に表示器４６に表示される。

【０００７】タイミング制御部１６は、サンプルホール
ド回路３０、リサンプル回路３８及びＡ／Ｄ変換器４０
へタイミング信号２００を供給しており、それらの回路
はそのタイミング信号２００に従ったタイミングで動作
する。また、タイミング制御部１６は、折り返し防止フ
ィルタ３６に対して遮断周波数を制御するための制御信
号２０２を出力している。

【０００８】なお、サンプル機能を備えたＡ／Ｄ変換器
を利用すれば、リサンプル回路３８及びＡ／Ｄ変換器４
０を１つの回路で実現することもできる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、折り返
し防止フィルタを利用すると、サンプルホールド処理の
高域抑圧作用に依存して高域成分（特にナイキストレー
ト近傍の成分）が最大で約４ｄＢ低下することになり、
ＳＮ比が劣化する。よって、高域側において、血流のパ
ワーが過小評価されてしまうという問題があった。ここ
で、単にそのフィルタを除去すれば、リサンプルのタイ
ミング如何によっては信号の過大評価や過小評価につな
がる問題が生じてしまう。

【００１０】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、サンプルホールド信号のフィ
ルタリング処理において、高域成分の劣化を防止して感
度を高めることにある。

【００１１】本発明の他の目的は、ハイパス後の信号波
形に着目して、元波形に忠実なリサンプリングを実行す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、超音波ビーム上の特定点のドプラ
情報を抽出するために、送信繰り返し周期に従って受信
信号を周期的にサンプル及びホールドしてサンプルホー
ルド信号を出力するサンプルホールド回路と、前記サン
プルホールド信号を入力し、低速運動体成分が除去され
たフィルタリング信号を出力するハイパスフィルタと、
前記フィルタリング信号を前記送信繰り返し周期に従っ
て周期的にリサンプルするリサンプル手段と、前記リサ
ンプルされた信号をデジタル信号に変換する変換手段
と、前記デジタル信号を入力してドプラ周波数の解析を
行う解析器と、前記ハイパスフィルタの周波数特性に応
じて、前記リサンプル手段におけるリサンプルのタイミ
ングを制御するタイミング制御手段と、を含むことを特
徴とする。

【００１３】上記構成によれば、サンプルホールド後に
ハイパス処理が行われて生成された微分波形に対し、折
り返し防止フィルタによって高域抑制を行うことなく、
適切なタイミングでのリサンプルによって、結果として
折り返しを防止でき、また高域成分の劣化を防止でき
る。

【００１４】本発明の望ましい態様では、前記タイミン
グ制御手段は、前記フィルタリング信号の各周期で生じ
る過渡波形が収束したとみなせるタイミングで、前記リ
サンプルを実行させる。すなわち、微分波形が元の波形
に近づいたタイミングでリサンプルを行うものである。

【００１５】本発明の望ましい態様では、前記タイミン
グ制御手段は、前記ハイパスフィルタの周波数特性を規
定する時定数が長いほど、前記リサンプルのタイミング
を遅らせる。このように、最初のサンプリングからリサ
ンプルまでの遅れ時間は、例えば、ハイパスフィルタの
時定数（遮断周波数を決定するパラメータ）に相当する
時間としてもよく、あるいは、その時定数に比例する時
間としてもよい。

【００１６】本発明の望ましい態様では、前記リサンプ
ル手段及び前記変換手段は、リサンプル機能をもったＡ
／Ｄ変換器で一体構成される。

【００１７】（２）次に、本発明の原理を計算式を用い
て説明する。パルスドプラ法において、ドプラ信号をｆ
（ｔ）で表す。ｆ（ｔ）を離散化周期Ｔでサンプリング
した信号をｇ（ｔ）とすると、そのｇ（ｔ）は、

【数１】 のように表される。０次ホールド処理のためには、時間
軸においてｇ（ｔ）に矩形波（幅Ｔ、振幅１）を重畳積
分すればよい。いま、矩形波をｒ（ｔ）とし、ホールド
処理されたサンプル信号をｙ（ｔ）とすると、

【数２】 となる。ここで、ｙ（ｔ）、ｇ（ｔ）、ｒ（ｔ）のフー
リエ変換をそれぞれＹ（ω）、Ｇ（ω）、Ｒ（ω）とす
ると、Ｙ（ω）＝Ｇ（ω）・Ｒ（ω）となることが知ら
れている。Ｇ（ω）は、時間的に離散化されたドプラ信
号の周波数特性を表している。これに対し、Ｙ（ω）は
Ｇ（ω）にホールド処理の周波数特性Ｒ（ω）がかかっ
た形となっている。ｒ（ｔ）は矩形波であるから、その
周波数特性は、ｓｙｎｃ関数で表され、ナイキストレー
ト近傍で−４ｄＢの抑圧がかかる。

【００１８】ここで、ｒ（ｔ）の特性を補正するため
に、ｙ（ｔ）にｒ（ｔ）の周波数特性の逆特性をアナロ
グ的にかけることによって補正を行うこともできるが、
アナログ的に完全に１/Ｒ（ω）の特性を作り出すこと
はかなり難しい。

【００１９】一方、本発明の手法によれば、ｒ（ｔ）の
効果を完全に打ち消すことが可能である。その原理は次
の通りである。０次ホールドされた信号ｙ（ｔ）を再サ
ンプルする。再サンプルされた信号をｕ（ｔ）とする
と、

【数３】 と表される。（１）式及び（２）式より、

【数４】 であり、（４）式を（３）式に代入すると、

【数５】 が得られる。また、（５）式は次のように変形できる。

【００２０】

【数６】 ところで、ｒ（ｔ）は０≦ｔ≦Ｔで１、他の時相では０
となる。従って、０≦ｋＴ−ｎＴ＜１すなわちｋ＝ｎの
時においてのみｒ（ｋＴ−ｎＴ）＝１となり、その他の
場合はすべて０となる。よって、（６）式は、

【数７】 となり、これはｆ（ｔ）を周期Ｔでサンプリングした波
形に他ならない。すなわち、再サンプルによってサンプ
ルホールド処理の影響（すなわち前述のＲ（ω）の影
響）を完全に補正できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
図面に基づいて説明する。

【００２２】図１には、本発明に係る超音波ドプラ診断
装置の好適な実施形態が示されている。超音波探触子１
０は、パルスドプラモードの場合に、超音波パルスの送
受波を繰り返し行う。連続波ドプラモードの場合には、
超音波探触子１０は連続的な超音波の送受波を行う。送
信制御部１２は、超音波の送信制御を行うものであり、
受信制御部１４は、超音波の受信制御を行うものであ
る。送信制御部１２には、タイミング制御部５０から送
信タイミング信号が供給されている。

【００２３】受信制御部１４から出力された受信信号
は、Ｂモード動作時には、Ｂモード処理部１７へ入力さ
れる。Ｂモード処理部１７は受信信号を処理して二次元
断層画像を形成するものである。一方、ドプラモード動
作時には、受信信号は前処理部１８に入力される。この
前処理部１８は例えばアンプやバッファなどで構成され
る。直交検波器２０は、受信信号を直交検波して複素信
号を生成する回路であり、２つのミキサ２２及び２４で
構成される。各ミキサは受信信号を所定の参照信号と混
合する回路である。

【００２４】複素信号の内で実数部信号は、実数部処理
部２６に入力され、虚数部信号は虚数部処理部２８に入
力される。実数部処理部２６及び虚数部処理部２８は同
一の構成を有する。サンプルホールド回路３０は、超音
波ビーム上において指定された特定深さ（サンプル点）
のドプラ情報を抽出する回路であり、繰り返し形成され
る超音波ビームに対応する各受信信号の中から、特定点
に相当する信号をサンプリングし、そのレベルを保持す
る機能を有する。これよって、送信繰り返し周期ごとに
レベルが変化したサンプルホールド信号が生成される。
その信号はハイパスフィルタ３２に入力される。このハ
イパスフィルタ３２は、心臓壁などの低速運動体からの
エコー成分を除去するための回路である。そのハイパス
フィルタを通過すると、低域成分が抑圧されて信号が微
分波形のようになる。その信号は、可変アンプ３４によ
ってレベル調整された後、そのままリサンプル回路３８
に入力される。すなわち、図１の構成例ではパルスドプ
ラ処理にあたって従来装置が有する折り返し防止フィル
タは設けられていない。

【００２５】リサンプル回路３８は、ハイパスフィルタ
を通過した信号に対して、送信繰り返し周期に同期した
適切なタイミングでリサンプルを実行する回路である。
この装置において、各周期におけるリサンプルのタイミ
ングは可変設定される。具体的には、タイミング制御部
５０から出力されたタイミング信号２００が遅延器５２
で遅延され、その遅延されたタイミング信号２０１がリ
サンプル回路３８及びＡ／Ｄ変換器４０に入力されてい
る。

【００２６】リサンプルされた信号は、Ａ／Ｄ変換器４
０において、デジタル信号に変換され、そのデジタル信
号がＦＦＴ回路４２に入力される。

【００２７】実数部処理部２６及び虚数部処理部２８か
らの信号がＦＦＴ回路４２に入力されると、ＦＦＴ回路
４２は、それらの信号に基づいて複素フーリエ変換を実
行し、各周波数のパワーを演算する。画像処理部４４に
は、二次元断層画像及びドプラ画像（パワースペクトラ
ム画像）が入力され、それらの画像が個別に又は一緒に
表示器４６に表示される。

【００２８】タイミング制御部５０は、サンプルホール
ド回路３０にタイミング信号２００を供給している。ま
た、上述のように、遅延器５２へそのタイミング信号２
００を供給している。タイミング信号は、サンプルタイ
ミング、リサンプルタイミング、デジタル変換タイミン
グを規定するものであり、送信繰り返し周期に同期して
生成される。

【００２９】よって、サンプルホールド回路３０はタイ
ミング信号が入力されたタイミングで受信信号のサンプ
リングを実行する。また、リサンプル回路３８は、遅延
されたタイミング信号２０１が入力されたタイミングで
リサンプルを実行する。Ａ／Ｄ変換器４０は、遅延され
たタイミングでリサンプルされた信号をデジタル信号に
変換する。

【００３０】なお、サンプル機能を備えたＡ／Ｄ変換器
を利用すれば、リサンプル回路３８及びＡ／Ｄ変換器４
０を１つの回路で実現することもできる。

【００３１】本実施形態において、上記の遅延器５２の
遅延量はタイミング制御部５０によって可変設定され
る。その遅延量はハイパスフィルタ３２が有する時定数
に依存して決定される。図２から図５を用いて、リサン
プルのタイミングについて説明する。

【００３２】図２には、サンプルホールド回路３０から
出力されるサンプルホールド信号の波形１０２が示され
ている。原波形１００は直交検波器２０から出力される
受信信号を仮想的に表しており、この信号に対してサン
プルホールドを実行することによって階段状のサンプル
ホールド波形１０２が得られる。ちなみに、このサンプ
ルホールド波形１０２における各周期は送信繰り返し周
期に相当する。

【００３３】図３には、ハイパスフィルタ３２を通過し
た後の信号波形１０４が示されている。サンプルホール
ド波形１０２が階段状の波形であるのに対し、ハイパス
フィルタ３２の微分効果によって、ハイパスフィルタ後
の波形１０４は過渡波形のようになっている。すなわち
各周期の最初に急峻な波形が認められる。

【００３４】従来においては、折り返し防止フィルタに
よってこのような微分波形を整形して原波形１００に近
づける処理がなされていたが、本実施形態では、そのよ
うなフィルタを用いることなくリサンプルが実行され
る。図３におけるＲはリサンプルを行うタイミングを表
している。リサンプルは波形１０４が元の波形１０２に
収束したと見なせるタイミングにおいて実行されてい
る。すなわち従来のようにサンプルホールドのタイミン
グで単にリサンプルを行うのではなく、サンプルホール
ドのタイミングから一定の遅延時間だけ遅れたタイミン
グでリサンプルが実行されている。

【００３５】このようなリサンプルによれば、リサンプ
ルによって得られる情報はほぼ元の波形の情報とみなす
ことができるので、結果として、高域成分の感度劣化を
防止することが可能である。

【００３６】リサンプルのタイミングは、ハイパスフィ
ルタ３２が有する時定数に応じて適宜可変設定される。
図４において、符号１０４−１は時定数が短い場合のハ
イパスフィルタ通過後の波形を示しており、１０４−２
は時定数が長いハイパスフィルタを通過した信号の波形
を示している。波形１０４−１の場合には例えばタイミ
ングＲ１でリサンプルが行われ、一方、波形１０４−２
の場合には例えばタイミングＲ２でリサンプルが行われ
る。図示されるように、サンプルホールドのタイミング
Ｓからそれぞれ異なる時間だけ遅れたタイミングでリサ
ンプルが行われることになる。

【００３７】図５には、各周期におけるリサンプルのタ
イミングが示されており、時定数が長い場合と短い場合
とでは異なるサンプルタイミングが設定されている。

【００３８】なお、遅延器５２によるタイミング信号２
００に与える遅延時間は例えばハイパスフィルタ３２の
時定数に等しい時間とするかあるいはそれに比例させる
ことが望ましい。なお、リサンプルのタイミングを次の
周期が始まる直前に設定し、これによって時定数によら
ない制御を行うこともできる。

【００３９】図６には、パルスドプラ法と連続波ドプラ
法とが適用される場合における実数部処理部２６及び虚
数部処理部２８の構成例が示されている。パルスドプラ
法が適用される場合、スイッチ６０及び６２によってサ
ンプルホールド回路３０及びリサンプル回路３８が選択
される。一方、連続波ドプラ法が適用される場合、スイ
ッチ６０、６２の作用によってサンプルホールド回路３
０はパスされ、また折り返し防止フィルタ３６が利用さ
れる。これに伴って、Ａ／Ｄ変換器４０はスイッチ６４
の作用によって通常のタイミング信号２００又は遅延さ
れたタイミング信号２０１が供給されている。

【００４０】以上のように、本実施形態によれば、サン
プルホールド及びフィルタリングによる周波数特性の劣
化がリサンプルによって補正される。よって、折り返し
を防止でき、かつ感度を高めることができる。なお、直
交検波器２０の後段には通常ローパスフィルタが設けら
れるが、各図においては図示省略されている。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
サンプルホールド信号のフィルタリング効果による高域
成分の劣化を補正して感度を高めることができる。特
に、本発明によればハイパス後の信号波形に着目して元
波形に忠実なリサンプルを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る実施形態を示すブロック図であ
る。

【図２】 サンプルホールド波形を示す図である。

【図３】 ハイパスフィルタ後の波形を示す図である。

【図４】 時定数の相異による波形の相異を示す図であ
る。

【図５】 各周期のリサンプルタイミングを示す図であ
る。

【図６】 パルスドプラ法と連続波ドプラ法とを同時に
実現する装置構成を示す図である。

【図７】 従来の超音波診断装置の構成を示すブロック
図である。

【符号の説明】

１０ 探触子、２０ 直交検波器、２６ 実数部処理
部、２８ 虚数部処理部、３０ サンプルホールド回
路、３２ ハイパスフィルタ、３８ リサンプル回路、
４０ Ａ／Ｄ変換器、５０ タイミング制御部、５２
遅延器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波ビーム上の特定点のドプラ情報を
   抽出するために、送信繰り返し周期に従って受信信号を
   周期的にサンプル及びホールドしてサンプルホールド信
   号を出力するサンプルホールド回路と、 前記サンプルホールド信号を入力し、低速運動体成分が
   除去されたフィルタリング信号を出力するハイパスフィ
   ルタと、 前記フィルタリング信号を前記送信繰り返し周期に従っ
   て周期的にリサンプルするリサンプル手段と、 前記リサンプルされた信号をデジタル信号に変換する変
   換手段と、 前記デジタル信号を入力してドプラ周波数の解析を行う
   解析器と、 前記ハイパスフィルタの周波数特性に応じて、前記リサ
   ンプル手段におけるリサンプルのタイミングを制御する
   タイミング制御手段と、 を含むことを特徴とする超音波ドプラ診断装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の装置において、 前記タイミング制御手段は、前記フィルタリング信号の
   各周期で生じる過渡波形が収束したとみなせるタイミン
   グで、前記リサンプルを実行することを特徴とする超音
   波ドプラ診断装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の装置において、 前記タイミング制御手段は、前記ハイパスフィルタの周
   波数特性を規定する時定数が長いほど、前記リサンプル
   のタイミングを遅らせることを特徴とする超音波ドプラ
   診断装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の装置において、 前記リサンプル手段及び前記変換手段は、リサンプル機
   能をもったＡ／Ｄ変換器で一体構成されたことを特徴と
   する超音波ドプラ診断装置。