JPH09103431A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被検体中の焦点から反射してくる超音波の空間
周波数分布のＡＣ成分から該焦点におけるドプラ情報を
得る超音波診断装置にて、ビームの軸外の静止反射体か
らの反射成分を除去する。 【解決手段】遅延駆動手段２により、アレイ状に配列さ
れた超音波振動子５─ｉを遅延駆動して収束超音波ビー
ムを送信することにより、ビームの軸上の反射体からの
受波信号のみを波形記憶手段３１ａ、３１ｂに格納す
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、超音波を送受信し
て生体の血流速度を検出し、その速度分布を画像化する
超音波診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ドプラ効果を利用して血流の速度情報を
検出し、超音波反射による生体断層像と重畳させて、血
流の空間分布を着色表示する機能は、カラードプラと呼
ばれ循環器分野を中心に広く普及している。

【０００３】この血流速度検出の原理は、特開昭５８─
１８８４３３号に開示されているように振動子アレイを
用いて超音波パルスを一定周期で送信し、反射体から帰
ってきた受信信号の周波数変化を、多数のサンプリング
点で検出するものである。

【０００４】このカラードプラ機能は、心臓等の循環器
分野を対象としていたが、最近ではドプラ信号のもつ情
報量の多さから腹部臓器の診断にも多用されるようにな
ってきた。このようなカラードプラ機能を有する超音波
診断装置の構成を図１１に示す。

【０００５】信号発生器１は、高安定な周波数の正弦波
である基準信号を発生する。送信駆動回路２はこの基準
信号の位相を検出して、これに同期したタイミング信号
を発生する。さらに送信駆動回路２はこのタイミング信
号に基づいて生体の所定の点に焦点を結ぶような相対的
な遅延を与えられた送信パルス群を発生する。この送信
パルス群は送信アンプ３で増幅され、振動子本体４にお
いてアレイ上に配列された複数の超音波振動子５を遅延
駆動する。各超音波振動子５が放射する超音波は遅延駆
動により、上記所定の点に焦点を結ぶ超音波ビームを形
成し、生体内を伝播する。

【０００６】生体内で反射されて戻ってきた超音波信号
は、各超音波振動子５で受波され、遅延回路６および加
算回路７でビーム合成される。合成された反射信号はプ
リアンプ８、バンドパスフィルタ９、ログアンプ１０に
より低雑音増幅、雑音除去、対数圧縮の処理をされ、検
波器１１によりその反射振幅が検出される。

【０００７】検出される反射振幅は、反射点と振動子本
体４との距離とともに減衰した信号となる。そこで、Ｓ
ＴＣコントロール回路１２において鋸歯状に時間変化す
るＳＴＣ信号を発生し、これを加算器１３で加算するこ
とにより距離による減衰が補正される。

【０００８】さらに、反射振幅はＡＤ変換器１４でディ
ジタル信号に変化され、ディジタルスキャンコンバータ
１５に超音波断層像として供給される。

【０００９】回路ブロック１６は、ドプラ処理を行う部
分であり、信号発生器１で発生する基準信号の位相をπ
／２シフトする移相器１７、乗算器１８ａ、１８ｂ及び
ローパスフィルタ１９ａ、１９ｂとで構成される直交検
波回路２０と、ＡＤコンバータ２１ａ、２１ｂとによ
り、ログアンプ１０で対数圧縮される前の反射信号を、
実数成分Ｉと虚数成分Ｑの複素数信号に分離し、それぞ
れをディジタル化する。

【００１０】得られた複素数信号から、Moving Target
Indicationフィルタ（以下ＭＴＩフィルタ）２２によ
り、静止組織からの信号成分である直流成分（クラッタ
成分）を取り除いて、血流反射信号成分のみを抽出す
る。

【００１１】抽出された血流反射信号成分は、通常微弱
である上にスペクトルのばらつきも大きいので、所定の
超音波ビームの方向に１０サイクル程度送受波を繰り返
す。そして、自己相関回路２３にて、１周期ずれた血流
反射信号について複素相関演算を行うとともに、こうし
て得られた自己相関値を上記１０サイクルの送受波動作
について平均化し、その結果の偏角を求めてドプラ周波
数を決定し、これに比例する血流速度を算出する。

【００１２】上記超音波ビームを走査することにより、
血流速度は生体内の２次元分布として検出され、流速の
方向や大きさによって青色系や赤色系に着色されて流速
分布像を形成して、ディジタルスキャンコンバータ１５
へ出力される。

【００１３】ディジタルスキャンコンバータ１５では超
音波の反射強度より作成した超音波断層像と流速分布像
を重ね合わせて、モニタ２４へカラーフロー画像として
出力する。なお、ここで説明した装置においては、超音
波断層像と血流分布像をつくるための超音波ビームは時
分割で送信される。

【発明が解決しようとする課題】

【００１４】上述したカラードプラ超音波診断装置で
は、送信駆動回路２や遅延回路６により超音波ビームを
形成する各空間成分のタイミング調整が行われる。すな
わち、各超音波振動子５で発生する超音波パルスが、同
時刻に所定の焦点に到達するように、タイミングが決定
される。

【００１５】各超音波振動子５から送波される超音波パ
ルスの到達時刻が正確に一致するのは焦点のみであり、
それ以外の点では焦点から離れるに従って不一致が著し
くなりビーム径が大きくなる。結果的に、焦点から離れ
たところでは画像の空間分解能が低下することになる。

【００１６】このため画像の全体にわたって空間分解能
を上げる試みがなされている。そのうちの一つに、送信
毎に焦点を変化させるとともに、受信時に焦点を連続的
に変化させるダイナミックフォーカス技術が挙げられ
る。

【００１７】ダイナミイックフォーカス技術によれば、
高い分解能を有する良好な断層像を得ることができる。
しかし、ビーム合成のために複雑な時間制御が必要であ
る。さらに、画像を形成する各走査線毎に多数の焦点を
設定する構成のために、超音波パルスを多数回送信しな
ければならず、フレームレートの低下を招く。

【００１８】フレームレートの低下による弊害は、特に
超音波断層像用の送受信シーケンス以外に、カラードプ
ラ処理用の送受信シーケンスを必要とするカラードプラ
機能を有する超音波診断装置において顕著である。すな
わち、後者のシーケンスでは取得したデータを処理して
１画面の映像を得るのに数１０ｍｓｅｃ程度の時間が必
要であるから、送信時にダイナミックフォーカスを行う
と画像をリアルタイムで表示できなくなる。実際には、
画像の空間分解能を犠牲にして、リアルタイムのカラー
ドプラ画像を表示することが行われている。

【００１９】また、受信時にビーム合成するための遅延
回路は、インダクタンスＬとキャパシタンスＣの組合せ
で構成され、実現可能な遅延時間に制限がある他、周波
数特性・絶対精度にも限界がある。しかも、遅延回路間
のばらつきが大きく、価格も高いという問題がある。

【００２０】画像全体の空間分解能を向上させる別の試
みに、特開昭６２−８３６５５号、特開昭６２−１５３
７４６号、または米国特許第４３２５２５７号に開示さ
れている開口合成法を用いて超音波断層像を形成する方
法がある。

【００２１】開口合成法では、超音波振動子を切り換え
ながら選択された超音波振動子を用いて、超音波の送受
信が繰り返される。各超音波振動子の受波信号はそれぞ
れディジタル化されたのち、時系列信号の形態でメモリ
に格納される。所望の焦点を構成する波面に沿って、メ
モリから各受波信号が読み出され該焦点からの反射振幅
が合成される。

【００２２】このように、一旦デジタル記憶された受波
信号の読み出し制御によりビーム合成を行うので、図１
１に記載したような超音波診断装置と異なり、アナログ
回路素子である遅延回路を使用する必要がなく、安価に
かつ高精度に画像全体の空間分解能を上げることができ
る。

【００２３】しかし、一つの焦点を得るために順次選択
された超音波振動子からの複数の受波信号を用いなけれ
ばならない。このため、超音波の送受信を行っている間
に観察対象物が動くと、各受波信号間の相対位相に乱れ
が生じ、画像を正確に再生できないという欠点がある。

【００２４】このため、開口合成法によれば高い分解能
を有する画像が得られるにもかかわらず、動きのある血
流の映像化を行うことは本質的に不可能であり、カラー
ドプラ機能を有する超音波診断装置が実現された例はな
い。

【課題を解決するための手段】

【００２５】本発明は、上に述べた課題を解決するため
になされたものであり、その目的とするところは開口合
成法を用いた超音波診断装置において、カラードプラ機
能を実現した装置を提供することを目的とする。

【００２６】このため、本発明に係る超音波診断装置
は、アレイ状に配列された複数の超音波振動子からなる
振動素子群と、この振動素子群の超音波振動子を駆動し
て超音波ビームを被検体に放射せしめる送信手段と、前
記振動素子群の各超音波振動子毎に受波された前記超音
波ビームの受波信号を時系列データとして格納する波形
記憶手段と、前記被検体の焦点に収束する複数超音波の
波面データを記憶する波面軌跡記憶手段と、この波面軌
跡記憶手段の波面データに基づいて前記波形記憶手段に
記憶されている受波信号をサンプリングして、前記波面
データに沿った空間周波数分布に変換する変換手段と、
この空間周波数分布から前記被検体中の移動反射体の移
動速度を演算する速度演算手段を備え、被検体のドプラ
画像を生成する超音波診断装置において、前記送信手段
は、前記振動素子群の複数の超音波振動子に対する遅延
駆動手段を有し、前記超音波ビームを収束ビームとする
ことを特徴とする。

【００２７】本発明に係る超音波診断装置は、複数の超
音波振動子を用いて一定の周期で超音波ビームを発生さ
せ、血流等の反射体からの反射波を上記周期毎に選択さ
れる超音波振動子で受波する。

【００２８】受波信号は、波形記憶手段に時系列データ
として記憶される。

【００２９】この処理を上記周期毎にＮ回（Ｎは受波に
関わる超音波振動子の個数）繰り返し、波形記憶手段に
各超音波振動子に対応したＮ本の受波信号の時系列デー
タを蓄積する。

【００３０】一方、所望の点に焦点を与えるような超音
波の波面データを記憶している波面軌跡記憶手段が出力
する波面データにしたがって、上記波形記憶手段からＮ
個のデータを読み出し、その空間周波数分布を求める。

【００３１】この空間周波数分布の周波数軸は反射体の
移動速度に比例するものであるから、上記移動信号成分
の空間周波数分布より上記焦点におけるドプラ情報（す
なわち血流速度）を検出することができる。

【００３２】そして、本発明は、受波信号のスペクトル
からドプラ情報を得る構成としたので、本来不可能とさ
れていた開口合成法に基づくドプラ情報の検出を可能に
するものである。

【００３３】特に、送信時に多数の超音波振動子を用い
て超音波ビームを形成するようにしたので、通常微弱な
信号である移動信号を良好なＳＮ比で検出することがで
き、高画質のカラーフロー画像をつくることができる。

【発明の実施の形態】

【００３４】発明の実施の形態を述べる前に、本発明の
特徴である開口合成法に基づくドプラ情報の検出原理を
説明する。図１は、開口合成法の原理を示す説明図であ
り、図２は波形記憶手段からの読み出し信号の空間周波
数分布を示す図であり、図３は空間周波数分布の各成分
の実空間における形態を示す図であり、図４は静止して
いる組織からの反射信号を除去する方法を示す説明図で
あり、図５は血流速度の検出原理を総括的に示す図であ
る。

【００３５】開口合成法の原理を図１に示す。超音波振
動子５─１から超音波パルスが送波されると、第１の反
射体２５ａと第２の反射体２５ｂによって超音波パルス
が反射され、対応する受波信号Ｓ１が時系列データとし
て波形記憶手段２６に格納される。同様のシーケンスを
繰り返し、波形記憶手段に受波信号Ｓ─１，Ｓ─
２，．．Ｓ─７を格納していく。これら受波信号は、各
超音波振動子５─ｉ（ｉ＝１，２，．．．，７）と、反
射体２５ａ、２５ｂとの間の相対位置の違いにより、互
いに異なる波形となる。

【００３６】たとえば、第１の反射体２５ａによる反射
波は、時間軸上で反射体２５ａと各超音波振動子５─ｉ
との距離に相当する時間だけ遅れて現れる。この反射波
の軌跡は双曲線となり、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌ
ｉｇｈｔ）ローカスと呼ばれている。

【００３７】そして、この軌跡に沿ったメモリアドレス
を保持する波面軌跡記憶手段２７から出力されるアドレ
ス情報により、波形記憶手段２６から対応する受波信号
の部分を読み出す。この読み出される部分は、図１中の
各受波信号Ｓ─ｉ上の●マークで示されている。

【００３８】こうして読み出された受波信号の部分（以
下ＴＯＦレスポンスと呼ぶ）を加算回路２８で合成し
て、第１の反射体２５─１のみによる合成出力Ｔ１を取
り出すことができる。

【００３９】同様に、波面軌跡記憶手段２７から別の軌
跡に沿ったアドレス情報を出力し、図１中の○マークで
示される受波信号の部分を読み出せば反射体２５─２に
よる合成出力Ｔ２が得られる。

【００４０】このように、観察の対象とする全空間につ
いて、ＴＯＦローカスに沿って読み出し合成することに
よって合成結果２９が得られる。

【００４１】開口合成法で特徴的なのは、各超音波振動
子５─ｉ単体では指向性応答パターンが広くても、ＴＯ
Ｆローカスに従って合成処理を行うために、受波に関与
する複数の超音波振動子全体の開口に対応する鋭い指向
性応答パターンを得ることができることである。しかも
多数のＴＯＦローカスを用意することによって観察の対
象とする全ての空間にわたって焦点合わせが可能にな
り、極めて空間分解能の良い画像が得られる。

【００４２】次に、反射体の動きの検出原理を図２にし
たがって説明する。図２（ａ）に、静止した反射体３０
に対するＴＯＦレスポンスを示す。前述した送受信シー
ケンスにより、今度は、ドプラ波形記憶手段３１に一連
の受波信号が格納されている。これを、●マークで示す
ＴＯＦローカスの位置で読み出すと、静止反射体３０に
対応する反射振幅の集合であるＴＯＦレスポンス３２が
得られる。このＴＯＦレスポンス３２は超音波振動子５
─ｉの配列方向についての空間座標を変数（以下ｘ）と
する関数となる。

【００４３】このＴＯＦレスポンス３２をｘについてフ
ーリエ変換すると、空間スペクトルＰ（ｆ）が得られ
る。ここで、ｆｘは超音波ビームの空間周波数ｆのｘ方
向についての成分である。静止反射体３０のＴＯＦレス
ポンス３２はｘについて一定となるので、そのスペクト
ルはｆｘ＝０の周りに分布するものになる。

【００４４】図２（ｂ）には、振動子本体に近づいてく
る移動反射体３３に対するＴＯＦレスポンスが示されて
いる。送受信シーケンスにおいて、超音波振動子５─１
から５─７が順に受波のために選択される間に、移動反
射体３３と超音波振動子５−ｉとの距離が短くなる。し
たがって、静止反射体３０を対象とする図２（ａ）の受
波信号に対して、移動反射体３３を対象とする受波信号
はわずかに時間軸上でシフトする。この受波信号を静止
反射体３０に適用したものと同じＴＯＦローカスの位置
で読み出すと、移動反射体３３の移動速度に比例した周
波数で変化するＴＯＦレスポンス３４が得られる。この
ＴＯＦレスポンス３４のフ−リエ変換はドプラ周波数に
対応する正の周波数の点にピークを持つスペクトルとな
る。

【００４５】図２（ａ）及び（ｂ）では、スペクトルの
ピーク位置が異なる。しかも、スペクトルのピークを与
える周波数は移動反射体３３の移動速度に比例する。す
なわち、ＴＯＦレスポンスのスペクトルを解析すること
により、反射体の移動速度を知ることができるのであ
る。

【００４６】なお、以上の説明では、簡単のためドプラ
波形記憶手段３１に格納する受波信号は実数値関数のご
とく扱ったが、実際には直交検波等の手法により複素数
値関数として処理が行われる。この時には、ＴＯＦレス
ポンスも複素数値関数となり、そのスペクトルのピーク
周波数の正負を判別すると、反射体の移動方向の識別が
できる。具体的には、正のピーク周波数は反射体が振動
子本体４に近づいてくる場合に対応し、負のピーク周波
数は遠ざかる場合に対応する。

【００４７】スペクトルから移動速度を求めるにあたっ
て、次の問題が生ずる。つまり、反射体が移動する時ば
かりではなく、静止反射体であってもそれが振動子本体
４の中心軸からオフセットしている時には、ＴＯＦレス
ポンスのスペクトルにおいてＡＣ成分が現れる。

【００４８】異なる観点から見れば、この現象はＴＯＦ
レスポンスのスペクトルにおける各周波数成分が、振動
子本体４の指向性応答パターン中の各方位方向へのビー
ムに対応することによると考えられる。つまり、ｆｘ＝
０の成分は、振動子本体４の中心軸に平行な向きに伝播
する平面波に対応し、高周波成分はθ＝ｓｉｎ^-1（ｆｘ
／ｆ）だけ中心軸から傾いた向きに伝播する平面波に対
応する。

【００４９】フ−リエ変換が離散的に行われる結果、空
間周波数ｆｘは離散的になり、対応する平面波の伝播方
向も離散的になる。このような平面波の集合を以下マル
チビームと呼ぶことにする。

【００５０】上述の問題を解決する方法の原理を、図３
（ａ）、（ｂ）及び図４を用いて説明する。図３（ａ）
は従来の技術で説明した超音波振動子の遅延駆動によっ
て送信した収束ビーム３５を示し、図３（ｂ）はＴＯＦ
レスポンスのフーリエ変換によって等価的に得られる受
信時のマルチビーム３６が、空間周波数ｆｘに応じて異
なる方向に伝播する様子を示す。

【００５１】このように、フーリエ変換により複数の超
音波振動子の受波信号から空間周波数分布を求めてマル
チビームをつくる方法は、海洋音響学会発行の「海洋音
響−基礎と応用−」第１７１頁の「断面映像法」の項に
あるように、水中ソナ−に応用されている。

【００５２】フ−リエ変換後の空間周波数分布が静止反
射体からの反射波に影響されないためには、振動子本体
４が垂直入射する超音波パルスのみを受波するようにす
ればよい。このために、振動子本体４の中心軸からずれ
た位置にある反射体からの反射を禁止する、すなわち図
３（ａ）のように送信時には超音波振動子を遅延駆動し
て、垂直方向に収束ビーム３５を発生させる。この収束
ビームによれば、軸外の反射体からの反射波は帰ってこ
ないので、上述の移動速度検出の原理がそのまま適用で
きる。

【００５３】ただし、送信用の超音波ビームを垂直方向
に発生させるようにしても、サイドローブの存在により
軸外にも微弱な超音波ビームが放射される。

【００５４】また、ドプラ情報を検出する基になる信号
は血流からの反射信号であり、その大きさは組織反射信
号に比べ−４０ｄＢ程度しかない。したがって、組織反
射信号を完全に除去しなければ、ドプラ情報はマスクさ
れてしまう。

【００５５】そこで、組織反射信号を更に除去するため
に、図４に示す送受信シーケンス及び信号処理方法を採
用する。振動子本体４を遅延駆動して、送信用の収束ビ
ーム３５を発生させる。これを２回繰り返して、超音波
振動子５−１の広い指向性応答パターン３７の範囲で受
波する。２回の送信で得られる２つの受波信号の差をと
ることにより、組織反射信号を除去し移動信号成分３８
を検出する。

【００５６】この処理で組織反射信号が除去できるの
は、次の理由による。静止した組織からの反射信号は差
演算することによりゼロとなり、移動する血流からの反
射信号は、送受信シーケンス毎に位相シフトが生ずるの
でゼロにはならない。このように、取得時刻が異なる２
つの受波信号の差をとり一種のＭＴＩフィルタを実現し
ている。

【００５７】以上詳細に述べてきた本発明の原理を総括
的にまとめて、図５に示す。

【００５８】まずシ−ケンス１で、振動子本体４に含ま
れる複数の超音波振動子５−ｉにより収束ビーム３５が
２回送信され、同一の超音波振動子５−１で受けた受波
信号について差演算が行われる。演算結果はドプラ波形
記憶手段３１に格納される。シ−ケンス２では、隣の超
音波振動子５−２が受波に関わる超音波振動子として選
択される。シーケンス２においても、送信に関わる超音
波振動子及び送信動作はシーケンス１と同じである。選
択された超音波振動子５−２の受波信号について差演算
が行われ、結果がドプラ波形記憶手段３１に格納され
る。受波に関わる超音波振動子５−ｉを順次選択しなが
ら、シ−ケンス６まで上記動作が繰り返される。

【００５９】各超音波振動子５−ｉに対応して全受波信
号がドプラ波形記憶手段３１に格納されたら、これらの
信号はＴＯＦローカースに従って、図の●マークで示さ
れる点で読み出されＴＯＦレスポンスとなる。得られた
ＴＯＦレスポンスをフーリエ変換して空間周波数分布Ｐ
（ｆｘ）を求める。

【００６０】このようにしてＴＯＦレスポンスをフーリ
エ変換することは、ドプラ周波数ｆｄの検出の際に、振
動子本体４の受波面の垂直方向に対してビーム合成を行
うことを意味する。超音波振動子５─ｉを単体でみると
その指向性応答パターンは広いにもかかわらず、フ─リ
エ変換により各周波数成分ごとの加算処理が行われるの
で受信時の指向性応答パターンが鋭くなる。

【００６１】さらに、ＴＯＦローカスは、振動子本体４
の近点から遠点までの各焦点について独立に設定される
ので、検出距離によらず極めて空間分解能良く、ドプラ
情報を検出することができる。

【００６２】以上述べた本発明の原理を、実際に超音波
診断装置に適用した例を図６を用いて説明する。なお、
図１１に示した従来の超音波診断装置と同一の構成要素
は同一の符号を付して説明を省略する。

【００６３】マルチプレクサ３９は超音波振動子５−ｉ
から受波に関わるものを選択するためのスイッチであ
り、受信増幅器４０は選択された超音波振動子５−ｉか
らの受波信号を増幅するためリニアアンプである。受信
増幅器４０はいわゆる利得制御増幅器で構成され、外部
からの制御電圧でその利得を変化させる。ＳＴＣコント
ロール回路４１は上記受信増幅器４０に受波信号の生体
内の伝播減衰を補償する利得制御電圧を供給するもので
あり、図１１に示したＳＴＣコントロール回路１２の発
生する電圧が深さに対して線型に変化するものであるの
に対して、ＳＴＣコントロール回路４０が発生する電圧
は深さに対して指数関数的に変化する。これは、ＳＴＣ
処理される受波信号が対数圧縮されず線型増幅されただ
けのものであることによる。

【００６４】波形記憶手段２６には、上述のとおり各超
音波振動子５−ｉに対応して受波信号が時系列データと
して記憶される。また、波面軌跡記憶手段２７は観察の
対象とする全空間に対応して、上記ＴＯＦローカスを複
数記憶しているルックアップテーブルである。

【００６５】加算回路４２ａおよび４２ｂは、ＴＯＦロ
ーカスに沿って読み出された受波信号の実数成分と虚数
成分をそれぞれ加算する。２乗器４３ａおよび４３ｂは
加算器４２ａおよび４２ｂの出力をそれぞれ２乗し、加
算器４４は受波信号の実数成分と虚数成分の２乗振幅を
足し合わせ、受波信号の２乗振幅を出力する。

【００６６】ドプラ処理回路ブロック４５は、上述のＴ
ＯＦレスポンスのフーリエ変換にてドプラ情報を検出す
るために設けられている。直交検波回路２０およびＡＤ
コンバータ２１ａ、２１ｂは図１１のものと同様のもの
である。

【００６７】ＭＴＩフィルタ４６ａ、４６ｂは、２回の
送受信に対応して上記直交検波回路２０から出力される
受波信号の実数成分Ｉおよび虚数成分Ｑのそれぞれにつ
いて差演算を行い、移動信号成分の抽出を行う。ドプラ
用波形記憶手段３１ａ、３１ｂは上記移動信号成分の実
数成分および虚数成分をそれぞれ時系列信号として記憶
する。ドプラ用波面軌跡記憶手段４７は、波面軌跡記憶
手段２７と同様にドプラ情報の検出対象になる全領域の
ＴＯＦローカスを記憶するルックアップテーブルであ
る。

【００６８】高速フーリエ変換回路４８は、ドプラ用波
形記憶手段３１ａ、３１ｂからＴＯＦローカスに沿って
読み出されたＴＯＦレスポンスを空間座標ｘについて、
高速フーリエ変換を行い、空間周波数分布を求める。速
度演算回路４９は、空間周波数分布のピーク周波数か
ら、血流速度を演算する回路である。

【００６９】タイミングコントロール回路５０は、信号
発生器１の発生する基準信号に位相ロックされたマスタ
ークロックを発生し、このマスタークロックにより装置
全体のシーケンスを制御する制御信号（図示せず）を各
電気回路に出力する。

【００７０】以上のように、図６の信号処理は超音波断
層像を得るための回路ブロック（以下、静止画処理回路
ブロック）とドプラ処理回路ブロック４５とに分けられ
る。この構成の動作は、次のとおりである。

【００７１】静止画処理回路ブロックの処理シーケンス
とドプラ処理回路ブロック４５の処理シーケンスは交互
に実行される。はじめに、静止画処理シーケンスでは、
タイミングコントロール回路５０の制御の下に、マルチ
プレクサ３９を切り換え、送信駆動回路２と送信アンプ
３により、選択された１つの超音波振動子５─１で広い
範囲に超音波パルスを送波する。そして、この選択され
た超音波振動子５−１で反射波を受波し、受信増幅器３
９で所定の利得で増幅する。このときＳＴＣコントロー
ル回路により利得が制御されて、生体内の超音波減衰が
補償される。

【００７２】バンドパスフィルタ９により、受波信号か
ら不要な雑音を取り除いた後、ＡＤコンバータ１０によ
りディジタル信号に変換し、波形記憶手段２６に格納す
る。

【００７３】次に、マルチプレクサ３９を用いて隣の超
音波振動子５─２を選択し、同様の処理を行って、波形
記憶手段２６に受波信号を格納する。以下、同様の処理
を超音波振動子５─７まで行う。

【００７４】以上の処理が完了したなら、波面軌跡記憶
手段２７で発生するアドレスを基に、波形記憶手段２６
から合成しようとする焦点に対応するデータを取り出
し、加算回路４２ａ、４２ｂで加算処理を行う。

【００７５】ここで、加算回路が２系統あるのは、上述
のとおり実数成分と虚数成分とを分けて加算処理するた
めである。本実施の形態では、実数成分と虚数成分との
分離を、これまで説明してきたアナログ受波信号に対す
る直交検波方式で行うのではなく、ディジタル信号のメ
モリからの読み出し時に行う直交サンプリング法を用い
た。直交サンプリング法では、波面軌跡記憶手段２７か
ら実数用ローカスと虚数用ローカスの２種類のＴＯＦロ
ーカスを発生させる。これら２種類のローカスは、たと
えば受波信号の中心周波数においてπ／２の位相ずれを
与えるような時間差に相当する位置の受波信号を読み出
すように設定されるものであり、詳細については本出願
人による特願平７─６２４４４号を参照されたい。

【００７６】実数成分と虚数成分の合成出力は、２乗器
４３ａ、４３ｂと加算器４４により、合成焦点でのパワ
ーに変換され、ディジタルスキャンコンバータ１５へ出
力される。

【００７７】次に、ドプラ処理シーケンスを図７を参照
しながら説明する。送信駆動回路２は、信号発生器１の
発生する基準信号に同期したタイミング信号Ｔ１ａ、Ｔ
１ｂ、Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、．．．を生成し、このタイミン
グ信号毎に所定の焦点を結ぶように時間遅延が付与され
たパルス群を送信アンプ３に出力する。送信アンプ３
は、このパルス群を増幅し、大振幅の駆動パルス群とな
し複数の超音波振動子５─ｉを駆動する。

【００７８】マルチプレクサ３９で選択された超音波振
動子５─１が受波した生体からの反射波は、受信増幅器
４０、バンドパスフィルタ９、直交検波器２０、および
ＡＤ変換器２１ａ、２１ｂにてＩ、Ｑ分離処理およびデ
ィジタル化がなされる。

【００７９】さらに、この受波信号は、ＭＴＩフィルタ
４６ａ、４６ｂを通過することにより組織反射信号成分
が除去されて、移動反射成分のみになって、ドプラ用波
形記憶手段３１ａ、３１ｂに格納される。このとき、超
音波振動子５─１は、送信タイミングＴ１ａ、Ｔ１ｂで
の２回の収束ビームの送信に対応して、受信動作を２回
行う。各タイミングの受波信号は図７（ｂ）のようにな
り、その差が同（ｆ）のようにドプラ用波形記憶手段４
７ａ、４７ｂに格納される。

【００８０】同様の処理をマルチプレクサ３９を切り換
えながら、超音波振動子５─４の受波信号を格納するま
で行う（図７（ｃ），（ｄ）および（ｅ）参照）。

【００８１】そして、ドプラ用波形記憶手段４６ａおよ
び４６ｂに格納されているところの、各超音波振動子５
─ｉによって得られた移動反射信号について、高速フ─
リエ変換回路４８により空間スペクトルへの変換を行
う。このとき、ドプラ用波形記憶手段４６ａ、４６ｂか
ら読み出されるデータ列は、ドプラ用波面軌跡記憶手段
４７より発生されるアドレスに基づいてサンプリングさ
れたもので、焦点を形成する一種の空間信号となってい
る。

【００８２】こうして得られたＴＯＦレスポンスの空間
周波数分布から、速度演算回路４９にてピーク周波数ｆ
_peakが検出されるとともに、このピーク周波数ｆ_peakを
次式に従って演算し血流速度ｖ_d を求める。

【数１】v_d = λ/2・ｆ_peak

【００８３】以上のようにして、ドプラ情報の検出対象
となる全領域について血流速度ｖ_dを求め、ディジタル
スキャンコンバータ１５にドプラ情報として出力する。
ディジタルスキャンコンバータ１５は、ドプラ情報がプ
ラス（すなわち、ピーク周波数ｆ_peakがプラス）のとき
は赤色系で、マイナス（すなわち、ピーク周波数ｆ_{pe ak}
がマイナス）のときは青色系の画像信号に変換して、上
記静止画シーケンスで得られた超音波断層像に重ねてモ
ニタ１６上に表示する。

【００８４】本実施の形態で採用したＭＴＩフィルタ４
６ａ、４６ｂについてさらに詳細に説明する。図８にＭ
ＴＩフィルタ４６ａ、４６ｂの構成の一例を示す。

【００８５】ＦＩＦＯ（Ｆａｓｔ Ｉｎ Ｆａｓｔ Ｏ
ｕｔ）メモリ５１は、入力された受波信号を送信間隔分
だけ保持する一時メモリであり、引算器５２はＦＩＦＯ
メモリ５１の出力から、現在このＭＴＩフィルタに入力
されている受波信号を引き去るために設けられている。

【００８６】動作はつぎのとおりである。上記２回の送
信サイクルのうち、１回目の受波信号をＦＩＦＯメモリ
５１へ入力し、２回目の受信時には引算回路５２にてＦ
ＩＦＯメモリ５１の出力との差をとる。このような動作
により、２回の送受信シーケンスで得られた同一の超音
波振動子からの受波信号の差を演算し、静止組織反射信
号の除去を行う。

【００８７】上述のＭＴＩフィルタの動作を周波数空間
でみておく。送信間隔がＴのとき、このＭＴＩフィルタ
のインパルス応答 g(t) は、

【数２】g(t) =δ(t)-δ(t-T) で与えられるから、そのフーリエ変換であるＭＴＩフィ
ルタの周波数特性G(ω）は、

【数３】G(ω)= 1 - exp(jωT) となる。

【００８８】図９にG(ω) の絶対値を示す。今の場合、
横軸はドプラ周波数ｆｄ＝ω／２πという物理的な意味
をもっている。このように、ＭＴＩフィルタは１／Ｔ間
隔の周波数で入力信号を除去する特性になる。

【００８９】次に、高速フーリエ変換回路４８および速
度演算回路４９により検出可能な流速の範囲を検討す
る。高速フーリエ変換回路４８が取り扱うデ─タである
ＴＯＦレスポンスは、略周期２Ｔでサンプリングしたデ
ータ点を、受波に関わる超音波振動子５−ｉの数Ｎだけ
集めたものである。サンプリング定理から、検出可能な
最高周波数ｆ_max は１／（４Ｔ）であり、このスペクト
ル分布の中に１／（２ＮＴ）間隔で線スペクトルが並ぶ
ことになる。線スペクトルの間隔は検出可能な最低周波
数ｆ_min に等しい。図１０に、ＴＯＦレスポンスのスペ
クトルを示した。

【００９０】Ｔ＝１５０μｓ、Ｎ＝１６の場合につい
て、検出できる最小流速ｖ_min を見積もる。使用する超
音波の周波数を７．５ＭＨｚ、生体内の音速を１５００
ｍ／ｓとすれば、超音波の生体内での波長λは０．２ｍ
ｍであり、このときｖ_min は、

【数４】 v_min = （λ／２）・f _min = 0.021 m/s となる。

【００９１】一方、検出可能な最大流速ｖ_max は、

【数５】 v_max = （λ／２）・f _max = （λ／２）・８ f_min = 0.168 m/s である。上述の範囲で血流速度ｖ_d が求められる訳であ
る。ここでは、簡単のため、スペクトルのピーク周波数
ｆ_peakより血流速度ｖ_d を求めるとした。しかし、実際
のＴＯＦレスポンスのスペクトルは対称性が欠如してい
たりピークが明瞭でなかったりするので、スペクトルの
重心を与える中心周波数ｆ_center等、スペクトルの広が
りまで考慮した周波数から血流速度ｖ_d を計算する方が
効果的である場合もある。

【００９２】ところで、クラッタ信号成分と血流反射信
号成分との間には強度において４０ｄＢもの差があり、
またクラッタ成分もわずかの低周波ＡＣ成分を有するの
で、上述の簡単なＭＴＩフィルタ４６ａ、４６ｂではク
ラッタ成分を完全に除去できる訳ではない。そこで、Ｔ
ＯＦレスポンスのスペクトルから低周波成分を除くよう
にするとよい。

【００９３】図１０の斜線を施した部分は、クラッタ成
分の影響を受けているスペクトルの部分であり、±ｆｃ
の間のデータを捨てるだけで理想的なハイパスフィルタ
が実現でき、クラッタ成分がドプラ情報に影響するのを
完全に防ぐことができる。すなわち、高速フ─リエ変換
回路４８はドプラ周波数の検出機能に加えて、フィルタ
機能をも行うことになる。

【００９４】なお、ドプラ画像を、次に述べる表示とし
てもよい。すなわち、周波数に無関係にＴＯＦレスポン
スのスペクトル各成分の和をとってドプラ成分のパワー
とする。そして、ドプラ情報を血流の方向に関係なくパ
ワーの大きさに比例した赤色系の輝度に変換して表示す
る。この表示方法によると、血流反射信号成分のパワー
が全て表示されるので、血流の検出感度が高くなる。

【００９５】また、以上の説明では静止組織からの反射
信号であるクラッタ成分を取り除くために、同一の超音
波振動子が２回の受波動作を行い差演算を行った。しか
し、効果的にクラッタ成分を除去するには、多数回の送
受信シ─ケンスを行ってディジタルフィルタによる高次
のハイパスフィルタを採用してもよい。

【００９６】以上説明した本発明の構成は、以下のよう
に要約されうる。 （１）アレイ状に配列された複数の超音波振動子からな
る振動素子群と、この振動素子群の超音波振動子を駆動
して超音波ビームを被検体に放射せしめる送信手段と、
前記振動素子群の各超音波振動子毎に受波された前記超
音波ビームの受波信号を時系列データとして格納する波
形記憶手段と、前記被検体の焦点に収束する複数超音波
の波面データを記憶する波面軌跡記憶手段と、この波面
軌跡記憶手段の波面データに基づいて前記波形記憶手段
に記憶されている受波信号をサンプリングして、前記波
面データに沿った空間周波数分布に変換する変換手段
と、この空間周波数分布から前記被検体中の移動反射体
の移動速度を演算する速度演算手段を備え、被検体のド
プラ画像を生成する超音波診断装置において、前記送信
手段は、前記振動素子群の複数の超音波振動子に対する
遅延駆動手段を有し、前記超音波ビームを収束ビームと
することを特徴とする超音波診断装置。 （２）（１）に記載の超音波診断装置において、前記波
形記憶手段の前段に設けられ前記受波信号から静止反射
信号成分を除去して移動信号成分を抽出するフィルタ手
段を有することを特徴とする超音波診断装置。本構成に
よれば、受波に関わる超音波振動子に入射する反射波の
うち、静止反射体のクラッタ成分を低減することがで
き、ノイズの少ないドプラ情報を検出できる。 （３）（２）に記載の超音波診断装置において、前記送
信手段は前記各超音波振動子の受波について２回ずつ超
音波ビームを放射する送信シーケンスで駆動され、前記
フィルタ手段は前記２回の送信によって得られた受波信
号の差演算を行う引算回路を備えたことを特徴とする超
音波診断装置。本構成によれば、ＭＴＩフィルタを簡単
に実現できる。 （４）（１）に記載の超音波診断装置において、前記波
形記憶手段の前段に設けられ前記受波信号の複素振幅を
出力する直交検波回路を有するとともに、前記波形記憶
手段は前記複素振幅の実数成分と虚数成分をそれぞれ記
憶する記憶部を有することを特徴とする超音波診断装
置。 （５）（１）に記載の超音波診断装置において、前記波
面軌跡記憶手段は、受波信号の中心周波数にてπ／２の
位相シフトを与える時間だけサンプリングの時間差を有
する組として前記波面データを記憶しており、この波面
データの組により前記波形記憶手段の受波信号を直交サ
ンプリングすることを特徴とする超音波診断装置。
（４）および（５）に記載の構成によれば、複素データ
について空間周波数分布を求めることが可能となり、移
動速度の方向まで検出できる。 （６）（１）に記載の超音波診断装置において、前記受
波に関わる超音波振動子を順次選択するスイッチ手段を
有することを特徴とする超音波診断装置。本構成によれ
ば、受波信号の検出回路（低雑音増幅器、ＡＤ変換器
等）が１チャンネルで足りるので、構成を単純化でき、
チャンネル間のゲイン・位相の調整も不要なる。 （７）（１）に記載の超音波診断装置において、前記変
換手段は高速フーリエ変換により前記空間周波数分布を
得ることを特徴とする超音波診断装置。本構成によれ
ば、空間周波数分布を比較的小規模な回路で高速に実現
できるので、リアルタイムのドプラ画像取得シーケンス
を実現できる。 （８）（１）に記載の超音波診断装置において、前記空
間周波数分布から低周波成分をカットして、静止反射信
号成分を除去するハイパスフィルタ手段を有することを
特徴とする超音波診断装置。本構成によれば、受波信号
から完全にクラッタ成分を除去することができ、良好な
ドプラ画像を生成することができる。 （９）（１）に記載の超音波診断装置において、前記速
度演算手段は前記空間周波数分布の最大値から前記移動
反射体の移動速度を演算することを特徴とする超音波診
断装置。本構成によれば、空間周波数分布から単純な演
算でドプラ周波数を検出できる。 （１０）（１）に記載の超音波診断装置において、前記
速度演算手段が演算した速度に応じて色相または輝度を
変化させるドプラ画像信号生成手段を有することを特徴
とする超音波診断装置。本構成によれば、流速の方向、
大きさが視認性良く表示される。 （１１）（１）に記載の超音波診断装置において、前記
空間周波数分布の各周波数成分の総和を算出するパワー
算出手段を備え、反射体の移動方向に無関係に移動体か
らの反射強度により前記ドプラ画像を生成することを特
徴とする超音波診断装置。本構成によれば、微小速度の
血流も感度良く検出できる。 （１２）（１）〜（１１）に記載の超音波診断装置にお
いて、更に前記超音波振動子の受波信号から被検体の超
音波断層像を生成するＢモード像生成手段を有すること
を特徴とする超音波診断装置。 （１３）（１２）に記載の超音波診断装置において、前
記ドプラ画像と前記超音波断層像を重畳する重畳手段を
有することを特徴とする超音波診断装置。 （１４）（１３）に記載の超音波診断装置において、前
記ドプラ画像を取得する第１のシーケンスと前記超音波
断層像を取得する第２のシーケンスを交互に行うことを
特徴とする超音波診断装置。 （１２）〜（１４）の構成によれば、通常の超音波断層
像上で血流分布を見ることができるので、患部の同定が
容易になる。

【００９７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、開
口合成法を基本としたドプラ情報の取得が可能となり、
観察範囲全体にわたって極めて高い分解能でドプラ画像
を生成することができる。また、従来の装置と異なり、
受波信号の遅延合成は、受波信号を一旦メモリに格納し
たのちに行う、いわばポストプロセッシングとなるので
アナログの遅延素子等で発生する精度、価格に関する問
題も解決することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】開口合成法の概念を示す説明図。

【図２】本発明の移動速度検出原理を示す説明図であ
り、（ａ）は静止反射体からの反射波号の空間周波数分
布を示し、（ｂ）は移動反射体からの反射波の空間周波
数分布を示す。

【図３】本発明の移動速度検出に用いられる超音波ビー
ムの概略形状を示す概念図であり、（ａ）は送信される
ビーム、（ｂ）は受信時のビームである。

【図４】本発明の移動速度検出に用いられるクラッタ信
号の除去方法を示す説明図。

【図５】本発明の移動速度検出原理を包括的に示す説明
図。

【図６】本発明の実施の形態に係る超音波診断装置の構
成を示すブロック図。

【図７】本発明の実施の形態に係る移動速度検出時の送
受信タイミングを示すタイミングチャート。

【図８】本発明の実施の形態に係る移動信号成分を抽出
ためのフィルタ手段のブロック図。

【図９】本発明の実施の形態に係る移動信号成分を抽出
ためのフィルタ手段の周波数特性を示す説明図。

【図１０】本発明の実施の形態に係る変換手段への入力
信号の空間周波数分布を示す説明図。

【図１１】従来のカラードプラ超音波診断装置の構成を
示す説明図。

【符号の説明】

２ 送信駆動回路（遅延駆動手段） ３ 送信アンプ（送信手段） ４ 振動子本体（振動素子群） ５─１〜５─７ 超音波振動子 ３１ａ、３１ｂ ドプラ用波形記憶手段（波形記憶手
段） ４７ ドプラ用波面軌跡記憶手段（波面軌跡記憶手段） ４８ 高速フーリエ変換回路（変換手段） ４９ 速度演算回路（速度演算手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アレイ状に配列された複数の超音波振動子
   からなる振動素子群と、この振動素子群の超音波振動子
   を駆動して超音波ビームを被検体に放射せしめる送信手
   段と、前記振動素子群の各超音波振動子毎に受波された
   前記超音波ビームの受波信号を時系列データとして格納
   する波形記憶手段と、前記被検体の焦点に収束する複数
   の超音波の波面データを記憶する波面軌跡記憶手段と、
   この波面軌跡記憶手段の波面データに基づいて前記波形
   記憶手段に記憶されている受波信号をサンプリングし
   て、前記波面データに沿った空間周波数分布に変換する
   変換手段と、この空間周波数分布から前記被検体中の移
   動反射体の移動速度を演算する速度演算手段を備え、被
   検体のドプラ画像を生成する超音波診断装置において、 前記送信手段は、前記振動素子群の複数の超音波振動子
   に対する遅延駆動手段を有し、前記超音波ビームを収束
   ビームとすることを特徴とする超音波診断装置。