JPH04126137A - 超音波ドプラ診断装置 - 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、超音波ドプラ診断装置、特に被検体内の血流
等の運動反射体の三次元速度を測定する超音波ドプラ診
断装置に関する。

［従来の技術］ 従来より、被検体内の運動部、例えば心臓などの臓器、
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用いた超音波
ドプラ診断装置が用いられている。

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り返し周期で送信し、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解析
することによって運動反射体の速度を求めている。

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）の二次元分布測定には、例えば
特公昭６２−４４４９４号公報等に示されている自己相
関法が用いられている。

ところで、被検体内の運動反射体の三次元速度ベクトル
を求める装置としては、例えば特願平１−３４１１９７
号で提案された装置が挙げられる。

この装置においては、走査方向が所定角度異なる２つの
走査面における運動反射体の速度成分（二次元速度ベク
トル）をそれぞれ求め、この求められた各走査面におけ
る二次元速度ベクトルから運動反射体の三次元速度ベク
トルを求めている。

そして、前記各走査面における二次元速度ベクトルを求
める方法としては、例えば特開昭６２−１５２４３６号
に記載された方法が挙げられる。

この方法は、セクタ走査型の超音波プローブから、まず
第１の超音波ビーム方向で送受波を行い、次に前記第１
の超音波ビームの方向と微小角度異なる第２の超音波ビ
ーム方向で送受波を行い、これらの送受波により得られ
た２つの受信信号からそれぞれ超音波ビームに沿った運
動反射体の速度成分（動径速度）を演算し、更にこの求
められた２つの動径速度から動径方向と直交する接線方
向の速度成分（接線速度）を演算し、以上により求めら
れた動径速度及び接線速度から運動反射体の超音波ビー
ムの走査面内における速度成分（二次元速度ベクトル）
を求めるものである。

従って、既に述べたように、超音波ビームの走査方向が
所定角度異なる２つの走査面を設定し、各走査面におけ
る運動反射体の二次元速度ベクトルを上記方法を用いて
求めることにより、得られた２つの二次元速度ベクトル
から走査面に垂直な速度成分をベクトル演算から求める
ことができ、更に運動反射体の三次元速度ベクトルを演
算することが可能である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の三次元速度ベクトルを求める
超音波ドプラ診断装置においては、以下の２つの問題が
あった。

第１の問題は、二次元速度ベクトルを求めるに際し、超
音波プローブを頂点として放射状に微小角度異なる２本
の超音波ビームで運動反射体の動径速度を求めているた
め、２つの超音波ビームのデータ取り込み位置が異なり
、同一位置での動径方向の速度成分を求めることができ
ないという問題である。

また、第２の問題は、走査面内における２つの超音波ビ
ームの走査に要する時間差から、２つの速度成分を同時
に求めることができないという問題である。

従って、上記２つの問題から運動反射体の三次元速度ベ
クトルの精度が劣化すると共に、迅速な三次元速度ベク
トルの測定を行えないという課題があった。

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、各走査面内において送波ビームに対して２
つの受波ビームを設定し、各受波ビーム毎に速度成分を
演算することにより、迅速にかつ精度良く運動反射体の
三次元速度ベクトルを求めることができる超音波ドプラ
診断装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係る超音波ドプラ
診断装置は、超音波ビームを走査して形成される第１の
走査面内で超音波を送受波し、受波信号から運動反射体
の前記第１の走査面における第１の二次元速度ベクトル
を求める第１の送受波・速度演算手段と、前記第１の走
査面と走査方向が所定角度異なる第２の走査面内で超音
波を送受波し、受波信号から前記運動反射体の前記第２
の走査面における第２の二次元速度ベクトルを求める第
２の送受波・速度演算手段と、前記第１及び第２の二次
元速度ベクトルから前記運動反射体の三次元速度ベクト
ルを求める三次元速度ベクトル演算手段と、を含み、前
記第１及び第２の送受波・速度演算手段は、前記走査面
内で、送波ビームに対して異なる二方向から交差する２
つの受波ビームが設定され、前記運動反射体からの反射
波を前記具なる二方向で同時に受波する送受波部と、前
記送受波部における前記２つの受波ビーム毎に設けられ
、受波信号から前記運動反射体の受波ビームに沿う速度
成分をそれぞれ求める２つの速度演算部と、前記２つの
速度演算部にて求められた２つの速度成分と前記２つの
受波ビームの交差角度とから前記運動反射体の前記走査
面内における二次元速度ベクトルを求める二次元速度ベ
クトル演算部と、を有することを特徴とする。

［作用］ 上記構成によれば、第１及び第２の走査面内では、送波
ビームに対して交差する２つの受波ビームが設定され、
運動反射体からの反射波を異なる二方向で同時に受波す
ることができ、更にこの２っの受波信号を２つの速度演
算部にて並列的に処理することが可能となる。つまり、
この２つの速度演算部にて２つの速度成分を同時に求め
ることが可能となる。

そして、２つの速度演算部にて求められた２つの動径速
度に基づいて、各走査面内における運動反射体の二次元
速度ベクトルがそれぞれ求められ、更に三次元ベクトル
演算手段にて運動反射体の三次元速度ベクトルが求めら
れることになる。

［実施例］ 以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する
。

まず、第１図及び第２図を用いて、本発明の測定原理に
ついて説明する。

ここで、第１図には、二次元速度ベクトルを求める原理
が示されており、また第２図には、三次元速度ベクトル
を求める原理が示されている。

第１図において、運動反射体Ｑの三次元速度ベクトルは
Ｖで示されており、この三次元速度ベクトルＶを走査面
１０に投影したものが図に破線で示されている二次元速
度ベクトルびである。

走査面１０は、例えば複数の振動素子を配列させたアレ
イ振動子を電子走査（例えばセクタ走査）することによ
り形成される。

そして、この走査面１０においては、図においてＺ軸方
向に向く送波ビーム１００に対して、互いに異なる方向
から交差する２つの受波ビーム１０２、’１０４が設定
されている。すなわち、送信ビーム１００における所定
の距離りの位置にある運動反射体Ｑからの反射波は、原
点ＯからＹ軸方向に所定距離ａ隔てた位置で受信される
ことになる。

前記走査面１０内の二次元速度ベクトルσの各受波ビー
ム１０２，１０４に沿う速度成分は、図において、それ
ぞれＵＲ，ＵＬで示されている。

また、送波ビーム１００に対する二次元速度ベクトル「
の角度は図においてθで示され、一方、送波ビーム１０
０に対する各受波ビーム１０２，１０４の角度はφで示
されている。

この角度φは、以下の第１式で求めることができる。

φ−ｔａｎ　’　（ａ／Ｌ）　　　　　　　　−（１）
そして、受波ビーム１０２に沿う速度成分ＵＲ及び受波
ビーム１０４に沿う速度成分Ｕ、は、次式で表される。

Ｕ、、　−Ｕｃｏｓ　　（θ十φ）　　　　　　　　−
（２）ＵＲ−Ｕｃｏｓ　　（θ−φ）　　　　　　　　
−（３）ここで、Ｕは速度ベクトルσの絶対値である。

以上により求められた第２式及び第３式から次の第４式
及び第５式が導びける。

Ｕ　Ｒ＋　Ｕ　ｔ、　−２Ｕ　ｃｏｓθｃｏｓφ　　　
　・（４）ＵＲ−ＵＬ−２Ｕｓ１ｎθｓ１ｎφ　　　　
−（５）従って、Ｙ−Ｚ平面にある走査面１０における
二次元速度ベクトルびのＹ軸及びＺ軸方向の成分ＵＹ　
、Ｕｚは以下のように求めることができる。

ＵＹ−Ｕｓｉｎθ−（Ｕ　ＲＵ　Ｌ）　／　２　ｓｉｎ
φ・・・　（６） Ｕｚ−ＵｃｏｓＯ−（Ｕ　Ｒ＋　Ｕ　Ｌ　）　／　２　
ｅｏｓφ・・・　（７） ここで、第６式及び第７式におけるＵＲ，Ｕ、。

は、受波ビーム１０２．１０４におけるそれぞれの受信
信号からドプラ法を用いて求めることができ、また角度
φは第１式から求められる既知のものであるため、上記
第６式及び第７式から、二次元速度ベクトルびの走査面
１０における速度成分をそれぞれ求めることが可能であ
る。

なお、二次元速度ベクトル「の大きさ及び角度θは、以
下の第８式及び第９式から求めることができる。

θｗｍｔａｎ　　（ＵＹ／Ｕｚ） ＝　ｔａｎ　　　（（Ｕ　　　Ｕ　　）　／　（ＵＲ十
ＵＬ　）Ｌ ｔａｎφ）　　　　　　　　　　　　　　・・・（８）
Ｕ−（Ｕ　　　＋Ｕ　　２１　”’　　　　　・・・（
９）Ｚ このように、送波ビーム１００に対して交差する２つの
受波ビーム１０２．１０４を設定することにより、１回
の送信で二次元速度ベクトルの走査面１０における２つ
の速度成分を求めることが可能である。

なお、以上の説明においては、説明の簡単のため、運動
反射体Ｑが２軸上にあるものとしたが、走査面１０内に
運動反射体があれば、その領域内で上述と同様に二次元
速度ベクトル「の速度成分を求めることが可能である。

次に、第２図を用いて、三次元速度ベクトルＶを求める
方法について説明する。なお、この二次元速度ベクトル
から三次元速度ベクトルを求める以下の手法については
、従来例で説明したものと同様である。

第２図には、Ｙ−Ｚ方向に広がりを有する第１の走査面
１１と、この第１の走査面１１をＺ軸を回転軸として所
定角度βで回転させた第２の走査面１２（図には破線で
示されている）が示されている。

第１図で示したように、三次元速度ベクトルＶを第１の
走査面１１に投影したものが二次元速度ベクトルびであ
り、一方、第２の走査面１２に投影したものが二次元速
度ベクトルσ′である。

第１の走査面における二次元速度ベクトルは、ＸＹｚ直
角座標系における単位ベクトルをそれぞれσ８．σ７．
σ２として、以下の第１０式で表される。

ｆｆ−ＵＹσ、十Ｕ２σ７　　　　　　・・・（１０）
一方、三次元速度ベクトルＶは、上記第１０式で表され
た二次元速度ベクトルσと、第１の走査面１１に垂直な
成分ＵＸと、の和であり、次式のように表される。

ｖ−び＋ｕＸｅ、　　　　　　　　　　　　−（１１）
次に、前記第１の走査面１１を角度β回転させたｙ−−
ｚ”平面に広がりを有する第２の走査面１２について考
える。

この第２の走査面１２における二次元速度ベクトル「′
は、第１図を用いて説明したのと同様に、その受信ビー
ムに沿う速度成分Ｕ−Ｕ−は、Ｒ’　　　Ｌ 上記第６式及び第７式と同じく、以下の第１２式及び第
１３式で表される。

Ｕ　−−（Ｕ　−Ｕ　−Ｌ　）　／　２ｓｌｎφ−（１
２）Ｙ　　　　　Ｒ Ｕ＝　　−（Ｕ−＋Ｕ″Ｌ）／２ｃｏｓφ・・・（１３
）Ｚ　　　　　Ｒ 一方、三次元速度ベクトルＶを２つの座標系でそれぞれ
（ＵＵＵ）及び（Ｕ＝、。

Ｘ’　　　　Ｙ’　　　　Ｚ Ｕ−ｙ　、　Ｕ−ｚ　）で表すと、これらの各成分の間
には以下の関係がある。

Ｕ　ｘ−Ｕ　−Ｘ　ｃｏｓβ−Ｕ　−ＹｓｉｎＩＪ　　
−Ｕ″Ｘ　ｓｌｎβ十Ｕ″ＹｃｏｓＵｚ″″Ｕｚ 第１５式からＵ−Ｘを求め、第す ると、以下のｍ１７式が求まる。

β　・・・　（１４） β　・・・　（１５） ・・・　（１６） ４式に代入す Ｕ　　−（ＵＹ−Ｕ−ｙ　ｅＯ８β）　／ｌａｎβ−Ｕ
　　　Ｙ　ｓｉｎ　　β　　　　　　　　　　　　−（
１７）この第１７式において、Ｕｙ　、　Ｕ　−ｙは、
上述したように、ドプラ法により上記第６式及び第１２
式から求めることができ、また角度βは設定した角度で
既知のものであるので、上記第１７式からＵｘを求める
ことができる。

従って、三次元速度ベクトルＶはＸＹＺ直角座標系にお
ける速度成分として（ＵＸ、Ｕ、、Ｕ２）として求める
ことができる。

そして、三次元速度ベクトルＶの大きさ及びそのベクト
ルが第１の走査面１１となす角度γは、以下の第１８式
及び第１９式から求めることが可能である。

・・・　（１９） 以上のように、第１の走査面１１及び第２の走査面１２
における二次元速度ベクトルび及び「′から、運動反射
体の三次元速度ベクトルＶを求めることができ、生体内
における血流速度や生体組織などの運動を三次元的に把
握することが可能となる。

次に、第３図を用いて、上記原理を適用した本発明に係
る超音波ドプラ診断装置の構成について説明する。

第３図には、本発明に係る超音波ドプラ診断装置の第１
実施例が示されている。

第３図において、超音波プローブ２０は、複数の振動素
子を配列したアレイ振動子と、このアレイ振動子を回転
させる回転機構とを備え、上述した第１の走査面及び第
２の走査面を形成するものである。

この超音波プローブ２０には、送信部２２から所定の送
信パルス信号が供給されており、また超音波プローブ２
０における前記回転機構には、回転制御部２４から所定
の回転制御信号が供給されている。

図において走査制御部２６は、タイミング信号発生部２
８からの所定の超音波送受波に係るタイミング信号の供
給を受け、この信号に基づいて前記超音波プローブ２０
における送受波及び超音波ビームの走査を制御している
。

第１図を用いて説明したように、前記超音波プローブ２
０の送受波においては、２つの受波ビームが設定されて
おり、この２つの受波ビームに係る２つの受信信号ＳＲ
，ＳＬはそれぞれ走査面ベクトル解析部１８に送られて
いる。ここで、走査面ベクトル解析部１８は、２つの受
信部３０゜３２と、２つの速度演算部３４．３６と、二
次元速度ベクトル演算部３８とで構成されている。

前記受信信号ＳＲ，ＳＬは、前記走査面ベクトル解析部
１８に設けられた２つの受信部３０゜３２にそれぞれ送
られている。ここで、受信部３０．３２は、増幅器や直
交検波器などから構成され、その出力信号はそれぞれ速
度演算部３４゜３６に送出されている。なお、受信部３
０．３２には、前記走査制御部２６から受波信号の位相
制御信号のほかに、直交検波を行うための所定の参照波
信号が供給されている。

前記速度演算部３４．３６は、入力された受信信号゛か
らそれぞれの受波ビームに沿うドプラ情報、すなわち運
動反射体の速度成分を自己相関法等を用いて求めるもの
である。

そして、この求められた２つの受波ビームに沿う速度成
分ＵＲ，Ｕ、は、二次元速度ベクトル演算部３８に入力
されている。

この二次元速度ベクトル演算部３８は、入力された速度
成分ＵＲ１Ｕｔ、と、走査制御部２６から供給される角
度φの情報とを用いて、二次元速度ベクトルの成分（Ｕ
、、Ｕ２）を上記第６式及び第７式に基づいて求めてい
る。

そして、二次元速度ベクトル演算部３８で求められた二
次元速度ベクトル「の大きさの情報と、角度θの情報は
、三次元速度ベクトル演算部４０に送られている。

この三次元速度ベクトル演算部４０は、第１の走査面及
び第２の走査面におけるそれぞれの二次元速度ベクトル
から、第２図を用いて説明したように、運動反射体の三
次元速度ベクトルを求めるものである。

なお、この実施例においては、第１の走査面でデータ取
込みを行った後に、第２の走査面でのデータ取込みが行
われているため、第１の走査面における二次元速度ベク
トルの情報は、三次元速度ベクトル演算部４０内で一時
的に格納され、第２の走査面における二次元速度ベクト
ルの情報が得られた際に、２つの二次元速度ベクトルの
情報から三次元速度ベクトルを演算している。

そして、三次元速度ベクトル演算部４０にて求められた
三次元速度ベクトルＶの大きさの情報と角度γの情報は
、デジタルスキャンコンバータ（Ｄ、　　Ｓ、　　Ｃ）
に送出され、−時的に格納され、所定の読出し信号によ
り読み出されて、表示部４４にて表示されることになる
。

次に、本発明に係る超音波ドプラ診断装置の第２実施例
について説明する。第４図には、本発明に係る超音波ド
プラ診断装置の第２実施例が示されており、この実施例
においては、第１の走査面及び第２の走査面それぞれに
対応して二次元速度ベクトルを求めるために、第３図で
示した走査面ベクトル解析部１８が二系統設けられてい
る。

すなわち、超音波プローブ２０では、第１の走査面及び
第２の走査面が同時に形成され、２つの二次元速度ベク
トルの情報を一度に得ることか可能とされており、第１
の走査面における２つの受信信号は、第１走査面ベクト
ル解析部５０に送出され、一方、第２の走査面における
２つの受信信号は、第２走査面ベクトル解析部５２に送
出されている。

ここで、第１及び第２走査面ベクトル解析部５０．５２
は、第３図で示した二次元速度ベクトル解析部とほぼ同
様の構成を有している。

すなわち、各ベクトル解析部５０．５２は、２つの受信
部と、この２つの受信部に対応した２つの速度演算部と
、この２つの速度演算部からの受波ビームに沿う速度成
分の情報を入力して二次元速度ベクトルを演算する二次
元速度ベクトル演算部とから構成されている。

そして、第１及び第２走査面ベクトル解析部５０．５２
からの二次元速度ベクトルの情報は、それぞれ三次元速
度ベクトル演算部４０に入力され、三次元速度ベクトル
が求められている。

なお、この第４図においては、送信部や走査制御部など
の図示が省略されている。

以上のように、この第２実施例に係る超音波ドプラ診断
装置によれば、第１走査面の二次元速度ベクトルと第２
走査面の二次元速度ベクトルとを並列的に処理して同時
に得ることが可能であるので、第３図で示した第１実施
例に比べその三次元速度ベクトルの解析に要する演算処
理時間を短縮化することが可能であり、迅速な表示を行
えるという利点を有する。

一方、第３図で示した第１実施例では、この第４図に示
した第２実施例に比べ、構成が簡易なため、装置を簡略
化できるという利点を有する。

いずれにおいても、各走査面では、１回の送波に対して
、運動反射体からの反射波を異なる２つの方向から同時
に受波し、更にその受波信号から受波ビームに沿う速度
成分を並列的に処理して求めることができるので、従来
装置に比し、迅速な処理が可能であると共に、精度の良
い三次元速度ベクトルの演算を行うことが可能である。

次に、第５図及び第６図には、超音波プローブ２０にお
ける振動子配列構造の他の実施例が示されている。

第５図には、超音波振動素子を二次元マトリクス状に配
列させたマトリクスアレイ型振動子６０の概念が示され
ている。

このようなマトリクスアレイ型振動子６０によれば、第
３図で示した回転制御部２４が不要となり、各振動素子
の送信及び受信の切替を行うことにより、第５図に示さ
れているように、ｔ８１の走査面６２及び第２の走査面
６４を所望の交差角度で形成することが可能である。

なお、この第５図に示すマトリックスアレイ型振動子６
０による超音波の送受波においても、送波ビームに対し
て２つの受波ビームを設けることは上述と同様である。

また、第６図には、短冊状の超音波振動子を互いに直交
させて複数配列させたパイプレーン型振動子７０が示さ
れている。

このようなパイブレーン型振動子によれば、２つの走査
面の交差角度は９０°に設定されてしまうが、第５図で
示したマトリックスアレイ型振動子６０に比べ、振動素
子の送受波制御を簡易化できるという利点を有する。

このような振動子を用いて、第１の走査面６２と第２の
走査面６４とを同時に形成することもでき、運動反射体
の速度情報の取込みを同時に行うことにより、例えば第
４図で示した第２実施例に係る超音波ドプラ診断装置を
適用して、より一層迅速な三次元速度ベクトルの演算処
理を行うことが可能である。

なお、各走査面を形成する超音波の周波数は同一でなく
てもよく、互いに異なる周波数を用いてもよい。

また、超音波プローブ２０における超音波振動子の配列
構造は、上記で示したものには限られず、第１の走査面
と第２の走査面との交差角度が既知のものであれば、他
のものを適用することも可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係る超音波ドプラ診断装
置によれば、運動反射体からの反射波を互いに異なる位
置から同時に受波して、それぞれ受波ビームに沿う速度
成分を並列的に求めることができるので、運動反射体の
三次元速度ベクトルを迅速に計測できると共に、精度良
く三次元速度ベクトルを計測することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る二次元速度ベクトルを求める原理
を説明する原理説明図、 第２図は本発明に係る三次元速度ベクトルを求める原理
を示す原理説明図、 第３図は本発明に係る超音波ドプラ診断装置の第１実施
例を示すブロック図、 第４図は本発明に係る超音波ドプラ診断装置の第２実施
例を示すブロック図、 第５図はマトリックスアレイ型振動子の概念を示す概念
図、 第６図はパイブレーン型振動子の概念を示す概念図であ
る。 １０、　１１．　１２．　６２．　６４　　・・・　走
査面２０　・・・　超音波プローブ ３０．３２　　・・・　受信部 ３４．３６　　・・・　速度演算部 ３８　・・・　二次元速度ベクトル演算部４０　・・・
　三次元速度ベクトル演算部４２　・・・　デジタルス
キャンコンバータ１００　・・・　送波ビーム １０２．１０４　　・・・　受波ビーム■　・・・　三
次元速度ベクトル Ｕ　・・・　二次元速度ベクトル ＵＲ・ＵＬ 受波ビームに沿う速度成分

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 超音波ビームを走査して形成される第１の走査面内で超
   音波を送受波し、受波信号から運動反射体の前記第１の
   走査面における第１の二次元速度ベクトルを求める第１
   の送受波・速度演算手段と、前記第１の走査面と走査方
   向が所定角度異なる第２の走査面内で超音波を送受波し
   、受波信号から前記運動反射体の前記第２の走査面にお
   ける第２の二次元速度ベクトルを求める第２の送受波・
   速度演算手段と、 前記第１及び第２の二次元速度ベクトルから前記運動反
   射体の三次元速度ベクトルを求める三次元速度ベクトル
   演算手段と、 を含み、 前記第１及び第２の送受波・速度演算手段は、前記走査
   面内で、送波ビームに対して異なる二方向から交差する
   ２つの受波ビームが設定され、前記運動反射体からの反
   射波を前記異なる二方向で同時に受波する送受波部と、 前記送受波部における前記２つの受波ビーム毎に設けら
   れ、受波信号から前記運動反射体の受波ビームに沿う速
   度成分をそれぞれ求める２つの速度演算部と、 前記２つの速度演算部にて求められた２つの速度成分と
   前記２つの受波ビームの交差角度とから前記運動反射体
   の前記走査面内における二次元速度ベクトルを求める二
   次元速度ベクトル演算部と、を有することを特徴とする
   超音波ドプラ診断装置。