JPS61154545A - 運動反射体の超音波加速度測定装置 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は運動反射体の超音波加速度測定装置、特に運動
する反射体の加速度を検出し、測定又は表示する運動反
射体の超音波加速度測定装置に関する。

［背景技術］ 一定の繰返し周波数でパルス波を放射して運動反射体か
らの反射波を受信し、運動反射体の速度を測定するドア
ラ装置が周知であり、例えば、生体内の血流等を測定す
る超音波診断装置に用いられている。

この血流等の運動反射体は、一定速度で運動するだけで
なく、加速度をも有する場合が多く、特に血液等の流体
の加速度は流体に作用する圧力傾度と密接な関係がある
ので、その圧力差を知る上で有力な情報となり、生体内
での血流加速度は主に心臓の機能等を知る上で重要な情
報どして用いられる。

［発明が解決しようとする問題点］ 一般に、連動反射体の加速度は速度の微分値として求め
られるが、この速度の測定は必要な精度を得るため多数
回の測定の平均値、すなわち積分操作に基づいて行われ
ている。従って、速度から微分操作によって加速度を求
めるとすれば、前述した積分操作を相殺してしまい、精
度の高い加速度測定が困難であるという欠点があった。

［発明の目的］　　　　　　　ノ 本発明は前記従来の課題に鑑みなされたものであり、そ
の目的は、積分により求められた速度を微分することな
く運動反射体の加速度を高精度かつ実時間にて測定表示
する運動反射体の超音波加速度測定装置を提供するもの
である。

Ｌ問題点を解決り−るだめの手段及び作用」前記目的を
達成するために、本発明は、周期パルス変調波を放射し
、運動反射体からの受信信号を複素信号に変換する複素
信号変換器と、１周期の整数倍の遅延時間を有する複数
個の複素遅延線と、前記複素信号と複素遅延線出力の複
数個の複素信号に基づきこれらの三重複素積を演算する
三重複素積演算器とを含み、運動反射体の加速度を測定
又は表示することを特徴とする。

し実施例］ 以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する。

第１図には、超音波を用いて生体の血流加速度を検出、
測定又は表示する装置に本発明を適用した実施例が示さ
れ、安定な高周波信号を発生する発振器１の出力は分周
回期四路２に供給されており、該分周同期回路２の出力
には装置に必要な各種の同期信号、例えば繰返し周波数
、クロックパルス、参照波、駆動パルス等の信号が得ら
れる。

この駆動パルス１００は、駆動回路３から出力され、一
定の繰返し周波数（例えば４ｋＨｚ）として送受切替器
４を介して探触子５に入力されており、ここで超音波に
変換されて超音波パルス波として生体内に放射される。

そして、生体内からの反射波は探触子５と運動反射体と
の距離に対応した遅延時間にて探触子５に受信され、探
触子５によって超音波反射波は電気信号に変換される。

該電気信号は送受切替器４を介して高周波増幅器６に入
力され増幅された侵に、運動反射体の加速度が求められ
出力信号１０１となるとともに、包絡線検波器７に入力
される。該包絡線検波器７によって検波された信号はビ
デオ信号となり増幅器８によって増幅された後に、表示
器９に入力され、該表示器９のブラウン管を輝度変調す
る。

また、放射パルスに掃引同期した同期信号１０２は、分
周同期回路２から出力され掃引回路１０に入力されてい
るので、該掃引回路１０の出力信号によってブラウン管
の電子ビームが掃引され、生体の断層像が表示画面上に
Ｂモード、又はビームを一定方向に停止して得られるＭ
モードとして表示される。一方、掃引回路１０の他方の
出力信号は走査制御器１１に入力され、探触子５から発
射される超音波ビームを電子的、あるいは機械的に制御
する。

本実施例において特徴的なことは、速度を演韓する基礎
となる相乗積とこれに１周期分遅れた共役複素信号との
積、すなわち三重複糸積を求め、該三重１ｉ索積に含ま
れる加速度成分を三重複素積の偏角から算出式に基づい
て求めることであり、前述した速度演算の基礎となる相
乗積を求める過程は従来の速度演算装置とほぼ同様であ
る。

すなわち、まず受信高周波信号は複素信号に変換するた
めに複素信号変換器２００に入力されており、前述した
高周波増幅器６の出力１０１は、２個のミキサ１２，１
３に入力される。該高周波信号のスペクトルは繰返し周
波数の整数倍の周波数を有する多数の線スペクトルから
構成されているが、反射体が運動している時は周知のご
とくドアラ効果によって周波数が変化する。この周波数
変化の説明を簡単にするため、スペクトルの中心部の周
波数［。線のスペクトルについて考え、ドアラ効果によ
り変化を受けた周波数をｆ、とし撮幅を１（以下同様）
とすれば次式にて示される。

ｃｏｓ２π（ｆ−ｒｄ）ｔ　　　　　　　　　・・・（
１）ドアラ周波数「、は、一般に知られるように反射体
の運動方向と放射ビームの方向との成す角が一定であれ
ば、速度Ｖと放射波の周波数ｆ。に比例するので次式に
て示される。

ｆｄ＝　ｋ（ｏＶ　　　　　　　　　　　　　　・（２
１ここで、■は運動反射体が探触子から遠ざかるときは
正値をとり、逆に近づくときは負値をとるものどＪる。

該（２）式は加速度の存在しないときのドアラ効果を表
わすものであり、加速度αと速度Ｖで運動しているとき
には、（２）式は次式にて示される。

ｆｄ＝ｋｆ。（Ｖ＋α［）　　　　　　　　・・・（３
）前記ミキサー２．１３の他方の入力側には繰返し周波
数の整数倍周波数ｔ。の連続波が参照波として分周同期
回路２から入力されている。該参照波の位相は、互いに
９０″異なった信号であり、両参照波は ｃｏｓ２π　［ｔ　　　　　　　　　　　　・・・（４
）５ｉｎ２π　ｆ　　ｔ　　　　　　　　　　　　　・
（！］）となり、ミキサー２では（１）式と（４）式の
積がとられることとなり、その出力は ｃｏｓ２πｆｄｊ　４　ｃｏｓ２π（２ｆｏ−ｆｄ）ｔ
　−・・（６）となる。該ミキサー２の出力信号は低域
フィルター４ａに入力され２「。の周波成分が取り除か
れるので、該低域フィルター４ａの出力１０３はｃｏｓ
２πｆｄｔ　　　　　　　　　　　　・・・（７）に示
される信号となる。

また、ミキサー３においても同様であり、フィルター４
ｂの出力１０４は ５ｉｎ２　πｆｄｔ　　　　　　　　　　　　　・（８
）となる。これら（７）　、　（８）式をまとめると次
の複素式で示される。

ｃｏｓ２πｆｄｔ　＋　ｉ　５ｉｎ２πｆｄｔ＝Ｘ１＋
ｉｙ　＝Ｚ１　　・・・（９）ここで、ｉは複素信号で
あり、Ｘ　　、　　Ｖｌはｘ　　＝ｃｏｓ２πｆｄｔ　
　　　　　　　　　・（１０）ｙ　　＝ｓｉｎ２πｆｄ
ｔ　　　　　　　　　　・（１１）である。

このようにして複素信号変換器２００にて求められた複
素信号１１は、Ａ／Ｄ変換器１５ａ。

１５ｂに入力され、演算精度を高めるためデジタル信号
に変換される。そして、複素信号ｚ１は加速度を求める
ための三重複素積を演算する三重複素積演算器２０１に
入力されており、まず複素信号１１の実数部×１と虚数
部ｙ１はそれぞれ複素遅延線１６ａ、１６ｂに入力され
、送信パルスの繰返し周期Ｔだけ信号が遅延される。該
複素遅延線１６ａ、１６ｂは、デジタル遅延線としてシ
フトレジスタ、あるいは書き込みから１周期遅れて読み
出すメモリ等が使用される。

前記複素信号ｚ１は、（３）　、　（９）　、　（１０
）、　（１１）式を用いて書き替えると、 Ｚ１＝ｃｏｓ２πｋｆ０（Ｖｔ＋（Ｚ　ｔ　　）＋ｉ　
５ｉｎ２πｋｆ　　（ｖＮ−ｃｚ　ｔ２）　・（１２）
であり、更に ｚ１＝　ｃｏｓφ１＋　　ｉ　ｓｉｎφ１＝ｘ＋ｉｙ１
　　　　　　　　　・・・（１３）である。ここで ２　　　　　　・・・（１４） φ１−２πｋ　ｆ　ｏ　　（ｖ　ｔ＋α　ｔ　）となり
、複素遅延線１６ａ、１６ｂの出力Ｘ２　。

■　をまとめて複素信号１２とすると、複素信号１１か
ら周期Ｔだけ遅れた信号として次式にＣ示される。

ｚ＝ｘ＋ｉｙ２ ＝　　ｃｏｓ　　　φ　　　　−ト　１ｓｉｎ　　　φ
　２　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・　（１
５）φ２＝２πｋｆｏ（Ｖ（ｔ−Ｔ） ＋α（ｔ−Ｔ））　　　・・・（１６）複素信号ｌ　の
実数部Ｘ　、虚数部ｙ２は、乗棹器１７．１８．１９．
２０に入力されており、前記Ａ／Ｄ変換器１５ａ、１５
ｂから出力され、これら乗算器に入力されている複素信
号１１の実数部×　、虚数部ｙ、と掛は合わせられ、乗
鋒器１７．１８，１９．２０はそれぞれＸｌＸ２゜”Ｉ
　　Ｖ２＝　　ｘＩ　　Ｖ２．Ｖｌ　　ｘ２を計算する
。そして、これら乗綽冴の出力は加算器２１．減算器２
２に入力されており、加詐鼎２１からは×１　×２ｌ−
ｙ１　ｙ２が出力サレ、減１Ｅ２２がらはｙ１ｘ２−ｘ
１ｙ２が出力される。

このようにして、複素信８号ｚ１と複素信号Ｚ２の共役
複素信号ｚ２＊との相乗積ＺＩＺ２”が演算され、これ
は次式の複素信号１３にて示される。

Ｚ３　’″’　　ＺＩ　　Ｚ２ ＝　（ｘ１＋　　ｉ　Ｖｌ）　　（Ｘ２　　　ｉ　Ｖ２
　）＝ｘ１×２＋ｙ１ｙ２ ＋　　ｉ（ｙｔ　　　Ｘ２　　　　　ＸＩ　　　Ｖ２）
−Ｘ３＋　　Ｉ　Ｖ３　　　　　　　　　　　・・・（
１７）ここで、（１３）、　（１５）式を用いて該（１
１）式を書き替えると、複素信号１３は ｚ３＝　ｃｏｓφ１ｃｏｓφ２　＋　Ｓ！ｎφ１ｓｉｎ
φ２＋１（ｓｉｎφ１ｃｏｓφ２ −　ｃｏｓφ１ｓｉｎφ２）　・（１８）となり、更に ｚ３＝　ｃｏｓ（φ１−φ２） ＋１ｓｉｎ（φ１−φ２）−（１９） となる。これを ｚ３　＝　　ｃｏｓ　φ３　＋　　　ｉ　　ｓｉｎ　φ
　３＝　　ｘ３＋　　ｉ　ｙｓ・１２０） とおけば、（１４）、　（１６）式からφ　−φ１−φ
２ ＝　　２πｋｆ　　（ｖＴ＋　　２α１−ｔ−ａ王２）
・・・（２１） となる。

このようにして求められた相乗積は、運動反射体の速度
を求める基礎となる複素信号となるものであるが、本発
明においては、加速度を求めるためこの信号を更に１周
期分だけ遅れた信号として処理する。すなわち、複素信
号（相乗積）１３の実数部Ｘ３　、虚数部ｙ３の信号は
、切替器Ｓ１゜Ｓ２（実線で示される位置）を介して複
素遅延線２３ａ　、２３ｂに入力され１周期丁だけ遅れ
た信号に変換されており、複素遅延線２３ａ　、２３ｂ
の出力は乗算器２４，２５．２６．２７に入力される。

また、複素信号１３の実数部Ｘ３　、虚数部ｙ３はその
まま乗算器２４．２５．２６．２７に入力されており、
前述した複素遅延線２３ａ。

２３ｂの出力と乗鋒され、複素遅延線２３ａ。

２３ｂの出力を複素信号Ｚ４で表わし、その実数部を×
４．虚数部ｙ４とすると、乗算器２４゜２５．２６．２
７か−らはそれぞれＸ３Ｘ４゜ｙ３ｙ４．ｙ３ｘ４．ｘ
３ｙ４が出力される。そして、乗算器２４と乗算器２５
の出力は加算器２８に入力され、また乗算器２６と乗算
器２７の出力は減算器２９に入力され、この結果、受信
高周波信号の三重複素積である三重複素信号１５が演算
される。

前述した複素信号ｚ４は ｚ４＝　ｃｏｓφ４＋　　ｉ　ｓｉｎφ４　”　Ｘ４＋
　　ｉ　Ｖ４・・・（２２） どなり、ここで漏角φ４は φ４＝　２ｒｃｋｒｏ（ＶＴ ＋２αＴ（ｔ−Ｔ）−αＴ”） ・・・（２３） である。また、三重複素信号ｚ５は Ｚ　−１−４＊　　１　　ｚ２・　Ｚ４＊＝　ｃｏｓφ
５＋　　ｉ　ｓｉｎφ５ ＝　Ｘｓ　＋　　ｉ　ｙｓ　　　　　　　　　　　　・
・・（２４）となり、複素１６号１３と１４の共役複素
信号ｚ４＊との積すなわち三重複素積が求められる。

ここで、 ２　　・・・（２５） φ５＝φ３−φ４＝４πｋｆｏαＴ の関係があることから、この（２５）式によって加速度
を求めることが可能となる。

該三重複素積演算器２０１を分り易く説明すると、第２
図に示されるようなブロック図となり、複素遅延線６１
は第１図の複素遅延線１６ａ。

１６ｂ、複素乗算器６２は第１図の乗卿器１７がら２２
に対応し、また複素遅延線６３は第１図の複素遅延線２
３ａ　、２３ｂ　、複素乗算器６４は第１図の複素乗算
器２４から２９に対応するものとする。この図から三重
複素信号１５は、複素信号ｚ１と複素信号×２の共役複
素信号と複素信号１４の共役複素信号とを掛は合わせた
ものであることが理解される。

また、三重複素積は第３図に示されるような構成にて求
めることもでき、三重複素信号１５は複素信号ｌ　と複
素積１１１３の共役複素信号との三重複素積となる。い
うまでもなく複素遅延線７１．７２と複素乗算器７３．
７４は第２図に示される複素遅延線６１．６３と複素乗
ｎ器６２゜６４と同様に構成されている。

このようにして求められた三重複素信号１５は、一般に
不規則成分を含むので、精度の高い測定を行うために平
均回路であるビデオ積分器２０２に入力されており、該
ビデオ積分器２０２は加算器３０ａ　、３０ｂと遅延線
３１ａ　、３１ｂと重みイ」け演陣器は３２ａ、３２ｂ
から構成されている。

該加算器３０ａ　、３０１）では、遅延線３１ａ。

３１ｂによって１周期遅延した出力と現時刻入力信号と
を加算し、再びこの出力を遅延線３１ａ。

３１ｂに供給する操作を繰り返し、この加算を例えばデ
ジタル回路で構成する場合には、その加算出力の上位ビ
ットを出力すれば平均値を得ることができる。

しかし、単にこの操作を繰り返し行うと、加算回数の増
加に伴い出力が増大し、ついには飽和づる。そこで、実
施例においては、千みイ」（）回路３２ａ、３２ｂが設
けられ、出力を減衰させて入力と加算している。すなわ
ら、虫み付は減衰量をβとすれば、現時刻の信号より例
えば１０周期前の信号はβの１０乗だけ減衰して現時刻
の信号と加算されるので出力に与える影響度が小さくな
り、低域フィルタや移動平均回路と同様の平均礪能を果
たすことが可能となる。また、重み付は量を変更するこ
とにより平均化の度合いを変えることも可能となる。

以上のようにして本発明の装置では、三重複素信号２　
の実数部Ｘ　と虚数部ｙ５は平均化されて偏角演算器３
３に入力され、三重複素信号１５の偏角φ　が求められ
る。この偏角φ５は（２２）。

（２３）式から次式で与えられる。

従って、（２６〉式において、繰返し周期１は一定であ
るので、偏角φ５を測定することにより加速度αは次式
にて求めることができる。

（２６）式の演算は、実数部Ｘ５　、虚数部ｙ５のとり
得る数値に対応する偏角φ５の値を予めＲＯＭに書き込
んだテーブルを作成しておくことにより、実数部Ｘ　、
虚数部ｙ５の値から直ちに偏角φ５を読み出すことがで
きるので、高速演算が可能となる。また、偏角φ５はθ
°〜＋１８０°及び０゜〜−１８００の間で測定するこ
とができるので、加速度αの正値、負値を識別可能であ
る。

このようにして得られた偏角信号φ５は、第１図に示さ
れる端子Ａから出力され、各種の測定、演算のための信
号として用いられ、本実施例においては、Ｄ／Ａ変換器
３４によってアナログ信号に変換され、ＣＲＴ表示器９
の画面の輝度を加速度に比例した輝度量にて変調して表
示することができる。

従って、放射ビーム軸に沿った加速度分布をＭモード像
あるいはＢモード像として表示することができ、本実施
例によれば、ＣＲＴ表示器９は増幅器８からの通常の画
像信号と前述した加速度信号との両者を選択的あるいは
同時に表示することが可能であり、血流の運動と周辺の
Ｉｌ織、構造との対比ができるので、診断上極めてイ１
用となる。

また、カラーブラウン管を使用して加速度信号を色彩表
示することにより、更にこの対比を容易にすることも可
能である。

前述したように、加速度を求めるために二重゛複素梢を
演算する場合は、切替器Ｓ　　、　　Ｓ２．　　Ｓ３゜
Ｓ４は実線の位置にて示される位置にて行われているが
、これを点線の位置に切り替えることにより、複素数ｌ
　の偏角φ３が測定される。この−角φ３は（２１）式
から理解されるように、加速度の存在しないときの速度
に比例するので速度信号として用いることができ、これ
ら切替器の切替えにより速度測定と加速度測定の選択が
可能である。

また、偏角φ３を求める回路を別に設けることにより、
両方の測定を同時に行うこともできる。

更に、本実施例においては、生体内の静止部あるいは低
速運動部からの受信信号を除去するため、クラッタ除去
フィルタ２０３を第１図の端子ａＣ間とｂｄ間に挿入し
ている。Ｊ−なわち、一般に生体からの例えば血流信号
には血管壁、心臓壁等のほぼ静止している生体内組織か
らの反射信号（クラッタ）が混入し、この信号は血流か
らの反射信号に比較して通常強大なため血流測定に著し
い妨害を与えるので、クラッタ除去フィルタ２０３にて
これらクラッタを有効に除去すれば、画像信号の品質を
著しく向上させることができる。該クラッタ除去フィル
タ２０３は第４図に示されるように、繰返し信号の１周
期Ｔに一致する遅延時間を有するｄ延線５１．５２と差
演算器５３．５４から構成され、現時刻信号と１周期前
の信号との差が逐次とられ、静止している反射波の信号
は除去されることとなる。また、心臓壁の反射信号のよ
うに、低速度のものは出力が小さくなるので、血流信号
に゛与える影響を小さくすることが可能となる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、速度信号を直接
微分することなく、加速度情報を含むドプラ受信１３号
の二車ル素槓を演蜂しこの偏角から加速度を求めている
ので、精度の高い加速度測定が可能となり、また三市複
素積の演算のための出力遅れ時間は送信繰返し周期の整
数倍の遅れ時間のみであるため、実質的に大時間で加速
度分イ１１を測定表示することが可能である。

更に、本発明によれば、放射ビーム軸に沿った送受信パ
ルスの通過線上にある運動体の加速度を速度分布ととも
に連続的に求めることができるので、従来の位置情報の
画像表示に加えて加速度と速度の情報を同時に画像表示
することができ、動きのある反射体に対して極めて正確
な情報を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る運動反射体の超音波加速度測定装
置の好適な実施例を説明するブロック図、第２図は三重
複素積演算器を説明するブロック図、 第３図は三重積演算器の他の実流例を説明するブロック
図、 第４図はクラッタ除去フィルタを説明するブロック図で
ある。 １　・・・　発振器 ２　・・・　分周同期回路 ５　・・・　探触子 ６　・・・　高周波増幅器 ８　・・・　増幅器 ９　・・・　表示器 １２．１３　　・・・　ミキサ １４ａ、１４ｂ　　・・・　低域フィルタ１５　・・・
　Ａ／Ｄ変換器 １６ａ、１６ｂ、２３ａ、２３ｂ ・・・　複素遅延線 １７．１８．１９，２０゜ ２４．２５，２６．２７　　・・・　乗算器２１．２８
．３０ａ　、３０ｂ　　・・・　加算器２２．２９　　
・・・　減算器 ３１ａ　、３１ｂ　　・・・　複素遅延回路３２ａ、３
２ｂ　　・・・　重み付は回路３３　・・・　偏角演算
器 ２００　・・・　複素信号変換器 ２０１　・・・　三重複素積演算器 ２０２　・・・　ビデオ積分器（平均回路）２０３　・
・・　クラッタ除去フィルタ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）周期パルス変調波を放射し、運動反射体からの受
   信信号を複素信号に変換する複素信号変換器と、１周期
   の整数倍の遅延時間を有する複数個の複素遅延線と、前
   記複素信号と複素遅延線出力の複数個の複素信号に基づ
   きこれらの三重複素積を演算する三重複素積演算器とを
   含み、運動反射体の加速度を測定又は表示することを特
   徴とする運動反射体の超音波加速度測定装置。
2. （２）特許請求の範囲（１）記載の装置において、三重
   複素積演算器には該三重複素積演算器出力を平均化する
   平均回路を含むことを特徴とする運動反射体の超音波加
   速度測定装置。
3. （３）特許請求の範囲（１）、（２）記載の装置におい
   て、複素信号変換器から出力された複素信号を入力し、
   不用なクラッタ信号を除去するクラッタ除去フィルタを
   含むことを特徴とする運動反射体の超音波加速度測定装
   置。
4. （４）特許請求の範囲（１）、（２）、（３）記載の装
   置において、運動反射体の反射波強度あるいは加速度の
   大小でブラウン管の輝度を変調するとともに、加速度の
   大小によつて色彩表示する表示器を含むことを特徴とす
   る運動反射体の超音波加速度測定装置。