超音波診断装置
【課題】必要とされるドプラ信号の確認を支援する技術を提供する。
【解決手段】必要とされるドプラ信号（直流近傍の成分）の周波数が変調周波数ｆmを超えると、必要とされるドプラ信号と不要波成分（１次成分や−１次成分）が互いに重なり合い、ユーザがこれらを混同してしまう恐れがある。そこで、通常の連続波を利用して確認される最大ドプラシフト量ｆｄとＦＭＣＷにおける変調周波数ｆmとを比較することにより、ｆｄ≧ｆm（又はｆｄ＞ｆm）の条件を満たす場合に、ＦＭＣＷにおいて計測された目標位置のドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合う可能性があると判断する。そして、目標位置におけるドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合う可能性がある旨を警告するメッセージなどを表示してユーザに警告を発する。
【解決手段】必要とされるドプラ信号（直流近傍の成分）の周波数が変調周波数ｆmを超えると、必要とされるドプラ信号と不要波成分（１次成分や−１次成分）が互いに重なり合い、ユーザがこれらを混同してしまう恐れがある。そこで、通常の連続波を利用して確認される最大ドプラシフト量ｆｄとＦＭＣＷにおける変調周波数ｆmとを比較することにより、ｆｄ≧ｆm（又はｆｄ＞ｆm）の条件を満たす場合に、ＦＭＣＷにおいて計測された目標位置のドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合う可能性があると判断する。そして、目標位置におけるドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合う可能性がある旨を警告するメッセージなどを表示してユーザに警告を発する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置に関し、特に、連続波を利用する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置の連続波を利用した技術として、連続波ドプラが知られている。連続波ドプラでは、例えば、数ＭＨｚの正弦波である送信波が生体内へ連続的に放射され、生体内からの反射波が連続的に受波される。反射波には、生体内における運動体（例えば血流など）によるドプラシフト情報が含まれる。そこで、そのドプラシフト情報を抽出して周波数解析することにより、運動体の速度情報を反映させたドプラ波形などを形成することができる。
【０００３】
連続波を利用した連続波ドプラは、パルス波を利用したパルスドプラに比べて一般に高速の速度計測の面で優れている。こうした事情などから、本願の発明者らは、連続波ドプラに関する研究を重ねてきた。その成果の一つとして、特許文献１において、周波数変調処理を施した連続波ドプラ（ＦＭＣＷドプラ）に関する技術を提案している。
【０００４】
一方、連続波ドプラでは、連続波を利用していることにより位置計測が困難である。例えば、従来の一般的な連続波ドプラの装置（ＦＭＣＷドプラを利用しない装置）では、位置計測を行うことができなかった。これに対し、特許文献２において、ＦＭＣＷドプラにより選択的に生体内組織の所望の位置からドプラ情報を抽出することができる極めて画期的な技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５３９４９号公報
【特許文献２】特開２００８−２８９８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１や特許文献２に記載されたＦＭＣＷドプラの技術は、それまでにない超音波診断の可能性を秘めた画期的な技術である。本願の発明者らは、この画期的な技術の改良についてさらに研究を重ねてきた。特に、連続波を利用して目標位置からドプラ信号を抽出する技術に注目して研究を重ねてきた。
【０００７】
本発明は、このような背景において成されたものであり、その目的は、必要とされるドプラ信号の確認を支援する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的にかなう好適な超音波診断装置は、変調周波数に応じて周期的に周波数を変化させた連続波の送信信号を出力する送信処理部と、前記送信信号に対応した超音波の送信波を生体に送波してその送信波に伴う受信波を生体から受波することにより受信信号を得る超音波送受部と、超音波ビームに沿った診断範囲内に設けられた目標位置との間の相関関係を調整しつつ超音波ビームに沿って得られる受信信号に対して復調処理を施すことにより、目標位置に対応した復調信号を得る復調処理部と、前記復調信号に基づいて目標位置における局所的なドプラ信号を得るドプラ情報取得部と、を有し、前記診断範囲の全域に亘る広域的なドプラ信号を得て前記診断範囲内における最大のドプラシフト量を計測しその最大のドプラシフト量と前記変調周波数との比較に基づいて、前記目標位置における局所的なドプラ信号と前記変調周波数に伴う不要波成分とが互いに重なり合う可能性を判断し、その判断の結果を出力する、ことを特徴とする。
【０００９】
上記の好適な態様によれば、目標位置における局所的なドプラ信号と変調周波数に伴う不要波成分とが互いに重なり合う可能性が判断され、その判断の結果が出力されるため、例えば、その判断の結果をユーザに提供することにより、必要とされるドプラ信号と不要波成分とを混同しないようにユーザを支援することができる。
【００１０】
望ましい具体例において、前記超音波診断装置は、前記最大のドプラシフト量が前記変調周波数に相当するシフト量を超える場合に、前記目標位置における局所的なドプラ信号と前記不要波成分とが互いに重なり合う可能性があると判断し、当該可能性がある旨をユーザに通知することを特徴とする。なお、最大のドプラシフト量が前記変調周波数を超えない場合に、前記目標位置における局所的なドプラ信号と前記不要波成分とが互いに重なり合う可能性がないと判断し、当該可能性がない旨をユーザに通知するようにしてもよい。
【００１１】
望ましい具体例において、前記超音波診断装置は、前記目標位置における局所的なドプラ信号を得るにあたり、前記診断範囲の大きさに応じて前記変調周波数を決定することを特徴とする。
【００１２】
望ましい具体例において、前記超音波診断装置は、前記診断範囲の全域に亘る広域的なドプラ信号を得るにあたり、周波数を実質的に一定とした連続波の送信信号を利用することを特徴とする。
【００１３】
望ましい具体例において、前記超音波診断装置は、前記目標位置における局所的なドプラ信号を得る合間に、前記診断範囲の全域に亘る広域的なドプラ信号を得て前記可能性を判断することにより、その判断の結果を間欠的に更新することを特徴とする。
【００１４】
望ましい具体例において、前記超音波診断装置は、前記診断範囲の大きさに応じて決定される前記変調周波数に相当するシフト量（例えば血流速度）を表示してユーザに通知する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、連続波を利用して目標位置からドプラ信号を抽出する技術において、必要とされるドプラ信号の確認を支援することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。
【図２】ＦＭ連続波の周期性がドプラ周波数へ与える影響を説明する図である。
【図３】周波数変調の影響を受けたドプラ信号を説明するための図である。
【図４】周波数変調の影響を受けたドプラ信号の時間変化波形を示す図である。
【図５】変調周波数に相当する速度の表示例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。送信用振動子１０は生体内へ送信波を連続的に送波し、また、受信用振動子１２は生体内からの反射波を連続的に受波する。このように、送信および受信がそれぞれ異なる振動子で行われて、いわゆる連続波ドプラ法による送受信が実行される。なお、送信用振動子１０は複数の振動素子を備えており、これら複数の振動素子が制御されて超音波の送信ビームが形成される。また、受信用振動子１２も複数の振動素子を備えており、これら複数の振動素子により得られた信号が処理されて受信ビームが形成される。
【００１８】
送信ビームフォーマ（送信ＢＦ）１４は、送信用振動子１０が備える複数の振動素子に対して送信信号を出力する。送信ビームフォーマ１４には、例えば正弦波によるＦＭ変調処理が施されたＦＭ連続波（ＦＭＣＷ波）が入力される。送信ビームフォーマ１４は、ＦＭ連続波に対して、各振動素子に応じた遅延処理を施して各振動素子に対応した送信信号を形成する。なお、送信ビームフォーマ１４において形成された各振動素子に対応した送信信号に対して、必要に応じて電力増幅処理が施されてもよい。こうして、ＦＭ連続波による送信ビームが形成される。
【００１９】
ＦＭ変調器２０は、送信ビームフォーマ１４にＦＭ連続波を出力する。ＦＭ変調器２０は、変調波生成部２４から供給される変調信号を用いて、ＲＦ波発振器２２から供給されるＲＦ波（搬送波信号）に対して周波数変調を施すことにより、ＦＭ連続波を発生する。このＦＭ連続波の波形等については後に詳述する。
【００２０】
受信ビームフォーマ（受信ＢＦ）１６は、受信用振動子１２が備える複数の振動素子から得られる複数の受波信号を整相加算処理して受信ビームを形成する。つまり、受信ビームフォーマ１６は、各振動素子から得られる受波信号に対してその振動素子に応じた遅延処理を施し、複数の振動素子から得られる複数の受波信号を加算処理することにより受信ビームを形成する。なお、各振動素子から得られる受波信号に対して低雑音増幅等の処理を施してから、受信ビームフォーマ１６に複数の受波信号が供給されてもよい。こうして受信ビームに沿った受信ＲＦ信号が得られる。
【００２１】
受信ミキサ３０は受信ＲＦ信号に対して直交検波を施して複素ベースバンド信号を生成する回路であり、２つのミキサ３２，３４で構成される。各ミキサは受信ＲＦ信号を所定の参照信号と混合する回路である。
【００２２】
受信ミキサ３０の各ミキサに供給される参照信号は、ＦＭ変調器２０から出力されるＦＭ連続波に基づいて生成される。つまり、ＦＭ変調器２０から出力されるＦＭ連続波が遅延回路２５において遅延処理され、ミキサ３２には遅延処理されたＦＭ連続波が直接供給され、一方、ミキサ３４には遅延処理されたＦＭ連続波がπ／２シフト回路２６を経由して供給される。
【００２３】
π／２シフト回路２６は遅延処理されたＦＭ連続波の位相をπ／２だけずらす回路である。この結果、２つのミキサ３２，３４の一方から同相信号成分（Ｉ信号成分）が出力され、他方から直交信号成分（Ｑ信号成分）が出力される。なお、受信ミキサ３０の後段に設けられたＬＰＦ（ローパスフィルタ）３６，３８により、同相信号成分および直交信号成分の各々の高周波数成分がカットされ、検波後の必要な帯域のみの復調信号が抽出される。
【００２４】
ＦＦＴ処理部（高速フーリエ変換処理部）４２は、復調信号（同相信号成分および直交信号成分）の各々に対してＦＦＴ演算を実行する。その結果、ＦＦＴ処理部４２において復調信号が周波数スペクトラムに変換される。なお、ＦＦＴ処理部４２から出力される周波数スペクトラムは、回路の設定条件などにより周波数分解能δｆの周波数スペクトラムデータとして出力される。
【００２５】
シフト量判定部４４は、ドプラ信号のドプラシフト量に基づいて、ドプラ信号と不要波成分とが重なり合う可能性があるか否かを判定する。後に詳述するように、ＦＭＣＷを利用して得られた復調信号には、変調周波数のゼロ次成分（直流近傍の成分）に対応したドプラ信号と、変調周波数の１次以上の成分に対応した不要波成分が含まれており、必要とされるドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合うとユーザがこれらを混同してしまう。そこで、シフト量判定部４４は、必要とされるドプラ信号と不要波成分とが互いに重なり合う可能性があるか否かを判定し、その判定結果をユーザに通知する。シフト量判定部４４における処理については後にさらに詳述する。
【００２６】
ドプラ画像形成部４６は、ドプラ信号波形などのドプラ画像を形成してモニタなどに表示する。後に詳述するが、図１の超音波診断装置では、遅延回路２５における遅延処理により目標位置が設定され、目標位置からのドプラ信号が選択的に抽出される。ドプラ画像形成部４６は、例えば、時間的に変化するドプラ信号の表示波形を形成する。なお、生体内の各深さ（各位置）ごとにドプラ信号が抽出され、例えば、超音波ビーム（音線）上の各深さごとに生体内組織の速度が算出されてリアルタイムで出力されてもよい。また、超音波ビームを走査させて二次元的あるいは三次元的に生体内組織の各位置の速度などが算出されてもよい。
【００２７】
図１に示す超音波診断装置内の各部は、システム制御部５０によって制御される。つまり、システム制御部５０は、送信制御や受信制御や表示制御などを行う。
【００２８】
以上、概説したように、図１の超音波診断装置では、連続波（ＣＷ）を変調波でＦＭ変調した超音波（ＦＭＣＷ波）を送受波して受信信号が得られて、目標位置からのドプラ情報が選択的に抽出される。そこで、目標位置からのドプラ情報が選択的に抽出される原理について詳述する。なお、図１に示した部分（構成）については、以下の説明においても図１の符号を利用する。
【００２９】
＜位置選択性について＞
周波数ｆ0のＲＦ波（搬送波）に対して、周波数ｆmの正弦波によりＦＭ変調を施したＦＭＣＷ送信波は次式のように表現できる。次式において、Δｆは周波数変動幅の０−Ｐ値（ゼロピーク値：最大周波数偏移）であり、最大周波数偏移Δｆと変調周波数ｆmの比であるβはＦＭの変調指数（変調度）である。
【００３０】
【数１】
【００３１】
また、ドプラシフトを伴う場合のＦＭＣＷ受信波は、生体における往復の減衰をαとすると次式で表現できる。なお、次式において、ｆmに対するドプラシフトは、ｆ0のシフト分ｆdに比べて小さいので無視している。
【００３２】
【数２】
【００３３】
数２式で表される受信波形は、超音波振動子を介して受信される信号波形（受信ＲＦ信号）である。ＦＭＣＷドプラでは、受信ＲＦ信号に対する復調処理において、ＦＭＣＷ送信波を参照信号として受信波と乗算を行う。図１を利用して説明したように、ＦＭ変調器２０から出力されるＦＭ連続波が参照信号として利用され、遅延回路２５において遅延処理され、ミキサ３２には遅延処理されたＦＭ連続波が直接供給され、一方、ミキサ３４には遅延処理されたＦＭ連続波がπ／２シフト回路２６を経由して供給される。したがってミキサ３２へ供給される参照信号ｖrI（ｔ）とミキサ３４へ供給される参照信号ｖrQ（ｔ）は、次式のように表現できる。
【００３４】
【数３】
【００３５】
数３式において、φmrは、遅延回路２５における遅延処理により任意に設定できる参照信号の位相を示しており、φ0rは、任意に設定した参照信号の位相に対応して決まる搬送波の位相変化量を示している。
【００３６】
受信ミキサ３０では、復調処理として直交検波が行われる。つまり、ミキサ３２において、受信ＲＦ信号ｖR（ｔ）と参照信号ｖrI（ｔ）の乗算に相当する処理が実行され、また、ミキサ３４において、受信ＲＦ信号ｖR（ｔ）と参照信号ｖrQ（ｔ）の乗算に相当する処理が実行される。
【００３７】
ミキサ３２における受信ＲＦ信号ｖR（ｔ）と参照信号ｖrI（ｔ）の乗算ｖDI（ｔ）は次式のように表現される。なお、次式の計算途中において、周波数２ｆ0の成分が消去されている。これは、ＬＰＦ３６によって除去される。
【００３８】
【数４】
【００３９】
ここで、ベッセル関数に関する数５式の公式を利用すると、数４式はさらに数６式のように計算される。
【００４０】
【数５】
【００４１】
【数６】
【００４２】
一方、ミキサ３４における受信ＲＦ信号ｖR（ｔ）と参照信号ｖrQ（ｔ）の乗算ｖDQ（ｔ）は次式のように表現される。なお、次式の計算途中において、周波数２ｆ0の成分が消去されている。これは、ＬＰＦ３８によって除去される。
【００４３】
【数７】
【００４４】
ここで、数６式のｖDI（ｔ）と数７式のｖDQ（ｔ）とに基づいて、複素ベースバンド信号を定義する。まず、ｖDI（ｔ）とｖDQ（ｔ）に含まれている直流（ＤＣ）成分、変調周波数ｆmの偶数次高調波成分を次式のように表現する。
【００４５】
【数８】
【００４６】
次に、ｖDI（ｔ）とｖDQ（ｔ）に含まれている変調周波数ｆmの成分、変調周波数ｆmの奇数次高調波成分を次式のように表現する。
【００４７】
【数９】
【００４８】
数８式と数９式から、直交検波後のベースバンド信号において、ドプラシフトｆdを含んだドプラ信号は、ＤＣ成分と変調周波数ｆmの成分と変調周波数ｆmの高調波成分とからなる複数の成分の各々についての両側帯波として出現することがわかる。
【００４９】
ここで、受信信号と参照信号の位相を互いに揃えた場合、つまり、遅延回路２５における遅延処理によりφmrを調整してφmと一致させた場合（φmr＝φm）を考える。φmrとφmを一致させた場合には、数４式におけるｋが０となる。この結果をベッセル関数に適用すると、第１次ベッセル関数の性質により、数１０式のように、０次のベッセル関数の値のみが１となり、それ以外のベッセル関数の値は０となる。そして、数１０式に示す結果を数８式と数９式に適用すると数１１式のとおりとなる。
【００５０】
【数１０】
【００５１】
【数１１】
【００５２】
数１１式は、参照波（参照信号）の位相φmrを送受信間の位相差φmに設定すると、圧縮変換により、ＤＣ成分（直流近傍成分）に対応したドプラ信号のみが抽出できることを示している。
【００５３】
上述した数２式の受信波形は、ある深さからの受信信号の波形である。これに対し、ＦＭＣＷ送信波を利用して、実際に受信用振動子１２において得られる受信信号は、複数の深さからの信号が合成された受信信号である。受信ミキサ３０においては、複数の深さからの信号が合成された受信信号と参照信号との乗算に相当する処理が実行される。
【００５４】
数８式などに現れた直流信号成分に対応したドプラ信号の振幅を支配するＪ0（ｋβ）は、第１次ベッセル関数の性質により、ｋβが０のときに最大値である１となり、ｋβが０からずれると急激に小さくなる。そのため、遅延回路２５においてφmrを調整し、目標位置から得られる受信信号のφmと一致させると、目標位置におけるＪ0（ｋβ）が最大値である１となり、目標位置以外におけるＪ0（ｋβ）が極端に小さな値となる。したがって、遅延回路２５においてφmrを調整し、目標位置から得られる受信信号のφmと一致させることにより、目標位置におけるドプラ信号（直流信号成分）を選択的に抽出することができる。
【００５５】
以上のように、ドプラ信号が選択的に抽出される目標位置は、遅延回路２５における遅延処理に基づいて決定される。図１のシステム制御部５０は、目標位置の深さに応じて遅延回路２５における遅延時間を制御する。
【００５６】
さらに、図１の超音波診断装置では、周波数変調の影響に伴って発生する不要波成分の状態が確認される。そこで、周波数変調に伴って発生する不要波成分と、その状態を確認するための処理について以下に詳述する。なお、図１に示した部分（構成）については、以下の説明においても図１の符号を利用する。
【００５７】
＜周波数変調に伴う不要波成分について＞
ドプラ法の基本原理において、移動体（例えば血流）に関するドプラ周波数（ドプラシフト周波数）は、計測に利用される超音波の周波数と移動体の速度に比例する。図１の超音波診断装置においては、ＦＭ連続波を利用しており、ＦＭ連続波は、数１式に示したように、周波数（瞬時周波数）が周期的に変化している。そのため、移動体の速度が一定の場合においても、ＦＭ連続波を利用してその移動体のドプラ周波数を計測すると、ＦＭ連続波の周期性に伴ってドプラ周波数が周期的に変動する。
【００５８】
図２は、ＦＭ連続波の周期性がドプラ周波数へ与える影響を説明する図である。図２には、ドプラシフトの影響を受けていないＦＭ連続波７０と、ドプラシフトの影響を受けたＦＭ連続波７２が図示されている。なお、図２の横軸は時間軸であり、図２の縦軸にはＦＭ連続波７０，７２の瞬時周波数が示されている。
【００５９】
図１の超音波診断装置における超音波の送信信号は、その瞬時周波数がＦＭ連続波７０のように周期的に正弦波状に変化する。そのため、移動体の速度が一定の場合においてもドプラシフトが周期的に変化し、結果としてＦＭ連続波７２のような波形が得られる。つまり、ＦＭ連続波７０の瞬時周波数が低い（小さい）時刻においては、比較的小さいドプラ周波数ｆdLとなり、ＦＭ連続波７０の瞬時周波数が高い（大きい）時刻においては、比較的大きいドプラ周波数ｆdHとなる。
【００６０】
このように、ＦＭ連続波７０を利用して得られるドプラ周波数の変動は、ＦＭ連続波７０の周期性に対応した周期的なものとなる。特に、移動体の速度が大きい場合には、ドプラ周波数ｆdLとドプラ周波数ｆdHの差も大きくなり、ドプラ周波数の周期性が比較的顕著になる。一方、移動体の速度が小さい場合にはドプラ周波数ｆdLとドプラ周波数ｆdHの差が小さくなり、ドプラ周波数の周期性が比較的目立たなくなる。
【００６１】
図１の超音波診断装置における超音波の送信信号は、周波数ｆ0のＲＦ波（搬送波）に対して、周波数ｆmの正弦波によりＦＭ変調を施したＦＭＣＷ送信波であり、その信号は前述の数１式のとおりである。その送信信号（ＦＭＣＷ送信波）の瞬時角周波数は、数１式の位相項を時間微分して次式のように表現される。
【００６２】
【数１２】
【００６３】
ここで、ドプラシフトを音速（超音波の速度）ｃと移動体の速度ｖの比だけ、瞬時周波数が変化する量として定義する。この場合、相対速度ｖに対するドプラ周波数変化は往復で速度２ｖとして数１３式で表現される。さらに、数１３式で表現されるドプラ周波数変化を瞬時位相に変換すると数１４式となる。
【００６４】
【数１３】
【００６５】
【数１４】
【００６６】
数１４式で表現される瞬時位相は、移動体からの受信波の瞬時位相に対して、初項で表現される搬送波ｆ0によるドプラシフトに加え、第２項で表現される変調波によるドプラシフトが追加されることを意味している。なお、第３項は積分定数であり、ドプラ周波数の位相を意味する。一般に、血流などの速度計測では、ドプラ周波数の位相情報までは必要としない。また、時間的に変化しない位相成分であるため、速度計測において物理的に大きな意味を含んでいないと考える。
【００６７】
受信波は、送受信時間差（目標位置までの往復の伝播時間）τだけ送信波よりも遅れて到着するため、送受信時間差τを考慮すると、受信波は次式のように表現される。
【００６８】
【数１５】
【００６９】
受信ミキサ３０では、送信波に実質的に同じ波形の参照波（参照信号）と受信波との乗算（次式）に相当する処理が実行される。
【００７０】
【数１６】
【００７１】
数１６式から２ｆ0の周波数成分をローパスフィルタで除去すると、受信ミキサ３０の出力（例えばＬＰＦ３６の出力）は数１７式のように表現することができる。また、数１７式の結果について、さらに計算を進めると、数１８式のようになる。
【００７２】
【数１７】
【００７３】
【数１８】
【００７４】
数１８式は、復調信号に含まれるドプラ信号が、新たに定義された変調度β´（数１７式参照）と変調周波数ｆmにより周波数変調された信号に等しいことを意味している。
【００７５】
図３は、周波数変調の影響を受けたドプラ信号を説明するための図であり、図３には、数１８式に対応したドプラ信号の周波数スペクトラムが示されている。なお、図３の横軸は周波数であり縦軸は電力である。
【００７６】
図３や数１８式に示されるように、変調信号の影響を受けたドプラ信号には、変調周波数ｆmのベッセル関数のゼロ次成分であるＪ0（β´）に加え、１次成分Ｊ1（β´），２次成分Ｊ2（β´），３次成分Ｊ3（β´），・・・の折り返し成分が含まれている。なお、直流近傍の成分（ゼロ次成分）は周波数０からドプラ周波数ｆdだけ離れた位置に現れており、１次成分は周波数ｆmからドプラ周波数ｆdだけ離れた位置に現れており、２次成分は周波数２ｆmからドプラ周波数ｆdだけ離れた位置に現れている。
【００７７】
図４は、周波数変調の影響を受けたドプラ信号の時間変化波形を示す図であり、図３の周波数スペクトラムの時間変化を示している。つまり、図４には、変調周波数ｆmのゼロ次成分に対応した直流近傍のドプラ信号と変調周波数ｆmの１次成分（−１次成分）と２次成分の各々についての時間変化波形が示されている。横軸に示す時間の経過に伴って測定対象である血流などの速度が変化すると、速度の変化に応じてドプラ周波数ｆdも変化する。そのため図４に示す各成分の波形は、横軸に示す時間の経過に従って縦軸に示す周波数方向に変化している。
【００７８】
本実施形態においては、変調周波数ｆmのゼロ次成分に対応したドプラ信号（直流近傍の成分）を観測対象とし、変調周波数ｆmの１次成分，２次成分，３次成分，・・・を不要波成分とする。
【００７９】
図４に示すように、直流近傍の成分は周波数ゼロの軸を基準として時間的に変動する。また、例えば−１次成分は、周波数−ｆmの軸を基準として時間的に変動する。ドプラ周波数（ドプラシフト量）が小さい場合には、例えば、図４に示す時刻Ｔａにおいては、直流近傍の成分は周波数ゼロの軸の近傍にあり、また、−１次成分は周波数−ｆmの軸の近傍にある。これに対し、ドプラ周波数が大きくなると、例えば、図４に示す時刻Ｔｂにおいては、直流近傍の成分は変調周波数ｆmを超え、また、−１次成分は周波数ゼロの軸を超えている。つまり、観測対象となる直流近傍の成分の波形が変動する周波数帯域内に、−１次の不要波成分が入り込んでいる。そのため、この不要波成分が誤って観測対象と判断されてしまう可能性がある。
【００８０】
そこで、図１のシフト量判定部４４は、観測対象となるドプラ信号と不要波成分が互いに相手の周波数領域に入り込んで重なり合う可能性があるか否かを判定する。以下にその判定処理について詳述する。なお、図１に示した部分（構成）については以下の説明においても図１の符号を利用する。
【００８１】
＜シフト量判定部４４における判定処理について＞
シフト量判定部４４は、まず、目標位置を含んだ診断レンジの全域において最大となる最大ドプラシフト量を計測する。最大ドプラシフト量の計測においては、周波数を実質的に一定とした連続波の送信信号が利用される。つまり、システム制御部５０がＦＭ変調器２０と変調波生成部２４を制御して変調度β＝０とし、周波数を一定とした連続波により超音波を送受する。なお、超音波ビームは目標位置を通る方向に制御されたままである。
【００８２】
これにより、無変調の通常の連続波によるドプラ計測が実現され、目標位置を含んだ診断レンジの全域から、つまり深さ０（ゼロ）から深さＬ（ｃｍ：センチメートル）までの範囲の全域から、広域的にドプラ信号が計測される。そして、シフト量判定部４４は、そのドプラ信号から周波数シフト量が最大である最大ドプラシフト量を確認する。通常の連続波（無変調の連続波）では、この最大ドプラシフト量が、深さ０〜Ｌまでのどの深さに対応するものなのかは確認できない。しかし、深さ０〜Ｌまでの間にある目標位置におけるドプラシフト量がこの最大ドプラシフト量以下であることは確認できる。
【００８３】
そこで、シフト量判定部４４は、通常の連続波を利用して確認された最大ドプラシフト量に基づいて、ＦＭＣＷを利用して計測される目標位置におけるドプラ信号と不要波成分とが重なり合う可能性があるか否かを判定する。なお、ＦＭＣＷを利用した計測においては、例えば、ユーザにより設定された診断レンジＬ（ｃｍ）に応じて変調周波数ｆm（Ｈｚ）が決定される。例えば、超音波が深さＬまでの距離を往復（距離にして２×Ｌ）する間に、変調信号が丁度一周期だけ変化するように、変調周波数ｆmが次式のように設定される。なお、ｃは音速であり例えば１５３０（ｍ／ｓ）である。
【００８４】
【数１９】
【００８５】
ＦＭＣＷにおいて計測される目標位置のドプラ信号は、図４において説明したように、必要とされるドプラ信号（直流近傍の成分）の周波数が変調周波数ｆmを超えると、不要波成分の周波数領域に入り込む。また、周波数が変調周波数ｆmを超えると、−１次成分の不要波が必要とされるドプラ信号の周波数領域に入り込む。つまり、ドプラ周波数が変調周波数ｆmを超えると、必要とされるドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合い、ユーザがこれらを混同してしまう恐れがある。
【００８６】
しかし、通常の連続波を利用して確認された最大ドプラシフト量が、変調周波数ｆmよりも小さければ、ＦＭＣＷを利用して計測される目標位置におけるドプラシフト量も変調周波数ｆmより小さいことが分かるため、目標位置におけるドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合うことがない。
【００８７】
そこで、シフト量判定部４４は、通常の連続波を利用して確認された最大ドプラシフト量ｆｄと、ＦＭＣＷにおける変調周波数ｆmとを比較し、ｆｄ≧ｆm（又はｆｄ＞ｆm）の条件を満たす場合に、ＦＭＣＷにおいて計測された目標位置のドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合う可能性があると判断する。そして、ドプラ画像形成部４６において形成される表示画像内に、目標位置におけるドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合う可能性がある旨を警告するメッセージなどを表示してユーザに警告を発する。もちろん、表示に代えて音などによりユーザに警告を発するようにしてもよい。
【００８８】
なお、ｆｄ＜ｆm（又はｆｄ≦ｆm）の条件を満たす場合に、目標位置におけるドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合う可能性がないと判断して、その旨をユーザに通知するようにしてもよい。
【００８９】
また、シフト量判定部４４は、ユーザに通知する判断結果を間欠的に更新するようにしてもよい。例えば、ＦＭＣＷを利用した目標位置におけるドプラ信号の計測を継続的に行っている状態で、ＦＭＣＷ計測を一時的に中断した合間の時間帯に、通常の連続波による計測を行って診断レンジの全域からドプラ信号を得て、上述した重なり合う可能性の判定が行われる。これにより、通常の連続波による計測が行われる度に判断結果を更新し、ＦＭＣＷを利用した計測において常に最新の判断結果をユーザに通知することができる。さらに、重なり合う可能性についての判断基準となる変調周波数ｆmに相当する速度が表示されてもよい。
【００９０】
図５は、変調周波数に相当する速度の表示例を示す図である。表示画像１０１は、図１のドプラ画像形成部４６で形成されて表示される。表示画像１０１は、Ｂモード画像１１０とドプラ画像１２０を含んでいる。Ｂモード画像１１０は、例えば、図１の超音波診断装置において、連続波の送信信号に換えてパルス波の送信信号が利用され、公知のＢモード画像形成処理により形成される。そして、Ｂモード画像１１０内に破線で示すビームカーソルが表示され、例えば、ユーザがビームカーソルを所望の診断部位を通るように設定し、さらに、ビームカーソル上においてユーザが所望の深さにドプラカーソル１１１を設定する。
【００９１】
図１の超音波診断装置は、Ｂモード画像１１０内に設定されたビームカーソルに対応した超音波ビームを形成し、さらに、ビームカーソル上に設定されたドプラカーソル１１１に対応した深さを目標位置として、ＦＭＣＷによるドプラ計測を行う。このドプラ計測によりドプラ画像１２０が形成される。ドプラ画像１２０は、ドプラ信号の時間変化波形（図４参照）を示す画像である。
【００９２】
図５の表示例では、ドプラ画像１２０の縦軸が速度に換算されており、変調周波数ｆm（−ｆm）に相当する速度に破線で示すラインが形成されている。変調周波数ｆmに相当する速度Ｖ（ｆm）は、次式により算出される。
【００９３】
【数２０】
【００９４】
なお、ｃは音速で例えば１５３０（ｍ／ｓ）であり、ｆcはＲＦ波発振器２２（図１）から供給されるＲＦ波（搬送波信号）の周波数（Ｈｚ）である。そして、算出された速度Ｖ（ｆm）は、符号１２１で示すように表示画像１０１内に表示される。これにより、目標位置におけるドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合うことなく測定が可能な速度の上限として、速度Ｖ（ｆm）の具体的な値をユーザに提供することが可能になる。
【００９５】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した本発明の好適な実施形態等は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。
【符号の説明】
【００９６】
２０ ＦＭ変調器、２２ ＲＦ波発振器、２４ 変調波生成部、２５ 遅延回路、３０ 受信ミキサ、４２ ＦＦＴ処理部、４４ シフト量判定部、４６ ドプラ画像形成部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置に関し、特に、連続波を利用する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置の連続波を利用した技術として、連続波ドプラが知られている。連続波ドプラでは、例えば、数ＭＨｚの正弦波である送信波が生体内へ連続的に放射され、生体内からの反射波が連続的に受波される。反射波には、生体内における運動体（例えば血流など）によるドプラシフト情報が含まれる。そこで、そのドプラシフト情報を抽出して周波数解析することにより、運動体の速度情報を反映させたドプラ波形などを形成することができる。
【０００３】
連続波を利用した連続波ドプラは、パルス波を利用したパルスドプラに比べて一般に高速の速度計測の面で優れている。こうした事情などから、本願の発明者らは、連続波ドプラに関する研究を重ねてきた。その成果の一つとして、特許文献１において、周波数変調処理を施した連続波ドプラ（ＦＭＣＷドプラ）に関する技術を提案している。
【０００４】
一方、連続波ドプラでは、連続波を利用していることにより位置計測が困難である。例えば、従来の一般的な連続波ドプラの装置（ＦＭＣＷドプラを利用しない装置）では、位置計測を行うことができなかった。これに対し、特許文献２において、ＦＭＣＷドプラにより選択的に生体内組織の所望の位置からドプラ情報を抽出することができる極めて画期的な技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５３９４９号公報
【特許文献２】特開２００８−２８９８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１や特許文献２に記載されたＦＭＣＷドプラの技術は、それまでにない超音波診断の可能性を秘めた画期的な技術である。本願の発明者らは、この画期的な技術の改良についてさらに研究を重ねてきた。特に、連続波を利用して目標位置からドプラ信号を抽出する技術に注目して研究を重ねてきた。
【０００７】
本発明は、このような背景において成されたものであり、その目的は、必要とされるドプラ信号の確認を支援する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的にかなう好適な超音波診断装置は、変調周波数に応じて周期的に周波数を変化させた連続波の送信信号を出力する送信処理部と、前記送信信号に対応した超音波の送信波を生体に送波してその送信波に伴う受信波を生体から受波することにより受信信号を得る超音波送受部と、超音波ビームに沿った診断範囲内に設けられた目標位置との間の相関関係を調整しつつ超音波ビームに沿って得られる受信信号に対して復調処理を施すことにより、目標位置に対応した復調信号を得る復調処理部と、前記復調信号に基づいて目標位置における局所的なドプラ信号を得るドプラ情報取得部と、を有し、前記診断範囲の全域に亘る広域的なドプラ信号を得て前記診断範囲内における最大のドプラシフト量を計測しその最大のドプラシフト量と前記変調周波数との比較に基づいて、前記目標位置における局所的なドプラ信号と前記変調周波数に伴う不要波成分とが互いに重なり合う可能性を判断し、その判断の結果を出力する、ことを特徴とする。
【０００９】
上記の好適な態様によれば、目標位置における局所的なドプラ信号と変調周波数に伴う不要波成分とが互いに重なり合う可能性が判断され、その判断の結果が出力されるため、例えば、その判断の結果をユーザに提供することにより、必要とされるドプラ信号と不要波成分とを混同しないようにユーザを支援することができる。
【００１０】
望ましい具体例において、前記超音波診断装置は、前記最大のドプラシフト量が前記変調周波数に相当するシフト量を超える場合に、前記目標位置における局所的なドプラ信号と前記不要波成分とが互いに重なり合う可能性があると判断し、当該可能性がある旨をユーザに通知することを特徴とする。なお、最大のドプラシフト量が前記変調周波数を超えない場合に、前記目標位置における局所的なドプラ信号と前記不要波成分とが互いに重なり合う可能性がないと判断し、当該可能性がない旨をユーザに通知するようにしてもよい。
【００１１】
望ましい具体例において、前記超音波診断装置は、前記目標位置における局所的なドプラ信号を得るにあたり、前記診断範囲の大きさに応じて前記変調周波数を決定することを特徴とする。
【００１２】
望ましい具体例において、前記超音波診断装置は、前記診断範囲の全域に亘る広域的なドプラ信号を得るにあたり、周波数を実質的に一定とした連続波の送信信号を利用することを特徴とする。
【００１３】
望ましい具体例において、前記超音波診断装置は、前記目標位置における局所的なドプラ信号を得る合間に、前記診断範囲の全域に亘る広域的なドプラ信号を得て前記可能性を判断することにより、その判断の結果を間欠的に更新することを特徴とする。
【００１４】
望ましい具体例において、前記超音波診断装置は、前記診断範囲の大きさに応じて決定される前記変調周波数に相当するシフト量（例えば血流速度）を表示してユーザに通知する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、連続波を利用して目標位置からドプラ信号を抽出する技術において、必要とされるドプラ信号の確認を支援することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。
【図２】ＦＭ連続波の周期性がドプラ周波数へ与える影響を説明する図である。
【図３】周波数変調の影響を受けたドプラ信号を説明するための図である。
【図４】周波数変調の影響を受けたドプラ信号の時間変化波形を示す図である。
【図５】変調周波数に相当する速度の表示例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。送信用振動子１０は生体内へ送信波を連続的に送波し、また、受信用振動子１２は生体内からの反射波を連続的に受波する。このように、送信および受信がそれぞれ異なる振動子で行われて、いわゆる連続波ドプラ法による送受信が実行される。なお、送信用振動子１０は複数の振動素子を備えており、これら複数の振動素子が制御されて超音波の送信ビームが形成される。また、受信用振動子１２も複数の振動素子を備えており、これら複数の振動素子により得られた信号が処理されて受信ビームが形成される。
【００１８】
送信ビームフォーマ（送信ＢＦ）１４は、送信用振動子１０が備える複数の振動素子に対して送信信号を出力する。送信ビームフォーマ１４には、例えば正弦波によるＦＭ変調処理が施されたＦＭ連続波（ＦＭＣＷ波）が入力される。送信ビームフォーマ１４は、ＦＭ連続波に対して、各振動素子に応じた遅延処理を施して各振動素子に対応した送信信号を形成する。なお、送信ビームフォーマ１４において形成された各振動素子に対応した送信信号に対して、必要に応じて電力増幅処理が施されてもよい。こうして、ＦＭ連続波による送信ビームが形成される。
【００１９】
ＦＭ変調器２０は、送信ビームフォーマ１４にＦＭ連続波を出力する。ＦＭ変調器２０は、変調波生成部２４から供給される変調信号を用いて、ＲＦ波発振器２２から供給されるＲＦ波（搬送波信号）に対して周波数変調を施すことにより、ＦＭ連続波を発生する。このＦＭ連続波の波形等については後に詳述する。
【００２０】
受信ビームフォーマ（受信ＢＦ）１６は、受信用振動子１２が備える複数の振動素子から得られる複数の受波信号を整相加算処理して受信ビームを形成する。つまり、受信ビームフォーマ１６は、各振動素子から得られる受波信号に対してその振動素子に応じた遅延処理を施し、複数の振動素子から得られる複数の受波信号を加算処理することにより受信ビームを形成する。なお、各振動素子から得られる受波信号に対して低雑音増幅等の処理を施してから、受信ビームフォーマ１６に複数の受波信号が供給されてもよい。こうして受信ビームに沿った受信ＲＦ信号が得られる。
【００２１】
受信ミキサ３０は受信ＲＦ信号に対して直交検波を施して複素ベースバンド信号を生成する回路であり、２つのミキサ３２，３４で構成される。各ミキサは受信ＲＦ信号を所定の参照信号と混合する回路である。
【００２２】
受信ミキサ３０の各ミキサに供給される参照信号は、ＦＭ変調器２０から出力されるＦＭ連続波に基づいて生成される。つまり、ＦＭ変調器２０から出力されるＦＭ連続波が遅延回路２５において遅延処理され、ミキサ３２には遅延処理されたＦＭ連続波が直接供給され、一方、ミキサ３４には遅延処理されたＦＭ連続波がπ／２シフト回路２６を経由して供給される。
【００２３】
π／２シフト回路２６は遅延処理されたＦＭ連続波の位相をπ／２だけずらす回路である。この結果、２つのミキサ３２，３４の一方から同相信号成分（Ｉ信号成分）が出力され、他方から直交信号成分（Ｑ信号成分）が出力される。なお、受信ミキサ３０の後段に設けられたＬＰＦ（ローパスフィルタ）３６，３８により、同相信号成分および直交信号成分の各々の高周波数成分がカットされ、検波後の必要な帯域のみの復調信号が抽出される。
【００２４】
ＦＦＴ処理部（高速フーリエ変換処理部）４２は、復調信号（同相信号成分および直交信号成分）の各々に対してＦＦＴ演算を実行する。その結果、ＦＦＴ処理部４２において復調信号が周波数スペクトラムに変換される。なお、ＦＦＴ処理部４２から出力される周波数スペクトラムは、回路の設定条件などにより周波数分解能δｆの周波数スペクトラムデータとして出力される。
【００２５】
シフト量判定部４４は、ドプラ信号のドプラシフト量に基づいて、ドプラ信号と不要波成分とが重なり合う可能性があるか否かを判定する。後に詳述するように、ＦＭＣＷを利用して得られた復調信号には、変調周波数のゼロ次成分（直流近傍の成分）に対応したドプラ信号と、変調周波数の１次以上の成分に対応した不要波成分が含まれており、必要とされるドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合うとユーザがこれらを混同してしまう。そこで、シフト量判定部４４は、必要とされるドプラ信号と不要波成分とが互いに重なり合う可能性があるか否かを判定し、その判定結果をユーザに通知する。シフト量判定部４４における処理については後にさらに詳述する。
【００２６】
ドプラ画像形成部４６は、ドプラ信号波形などのドプラ画像を形成してモニタなどに表示する。後に詳述するが、図１の超音波診断装置では、遅延回路２５における遅延処理により目標位置が設定され、目標位置からのドプラ信号が選択的に抽出される。ドプラ画像形成部４６は、例えば、時間的に変化するドプラ信号の表示波形を形成する。なお、生体内の各深さ（各位置）ごとにドプラ信号が抽出され、例えば、超音波ビーム（音線）上の各深さごとに生体内組織の速度が算出されてリアルタイムで出力されてもよい。また、超音波ビームを走査させて二次元的あるいは三次元的に生体内組織の各位置の速度などが算出されてもよい。
【００２７】
図１に示す超音波診断装置内の各部は、システム制御部５０によって制御される。つまり、システム制御部５０は、送信制御や受信制御や表示制御などを行う。
【００２８】
以上、概説したように、図１の超音波診断装置では、連続波（ＣＷ）を変調波でＦＭ変調した超音波（ＦＭＣＷ波）を送受波して受信信号が得られて、目標位置からのドプラ情報が選択的に抽出される。そこで、目標位置からのドプラ情報が選択的に抽出される原理について詳述する。なお、図１に示した部分（構成）については、以下の説明においても図１の符号を利用する。
【００２９】
＜位置選択性について＞
周波数ｆ0のＲＦ波（搬送波）に対して、周波数ｆmの正弦波によりＦＭ変調を施したＦＭＣＷ送信波は次式のように表現できる。次式において、Δｆは周波数変動幅の０−Ｐ値（ゼロピーク値：最大周波数偏移）であり、最大周波数偏移Δｆと変調周波数ｆmの比であるβはＦＭの変調指数（変調度）である。
【００３０】
【数１】
【００３１】
また、ドプラシフトを伴う場合のＦＭＣＷ受信波は、生体における往復の減衰をαとすると次式で表現できる。なお、次式において、ｆmに対するドプラシフトは、ｆ0のシフト分ｆdに比べて小さいので無視している。
【００３２】
【数２】
【００３３】
数２式で表される受信波形は、超音波振動子を介して受信される信号波形（受信ＲＦ信号）である。ＦＭＣＷドプラでは、受信ＲＦ信号に対する復調処理において、ＦＭＣＷ送信波を参照信号として受信波と乗算を行う。図１を利用して説明したように、ＦＭ変調器２０から出力されるＦＭ連続波が参照信号として利用され、遅延回路２５において遅延処理され、ミキサ３２には遅延処理されたＦＭ連続波が直接供給され、一方、ミキサ３４には遅延処理されたＦＭ連続波がπ／２シフト回路２６を経由して供給される。したがってミキサ３２へ供給される参照信号ｖrI（ｔ）とミキサ３４へ供給される参照信号ｖrQ（ｔ）は、次式のように表現できる。
【００３４】
【数３】
【００３５】
数３式において、φmrは、遅延回路２５における遅延処理により任意に設定できる参照信号の位相を示しており、φ0rは、任意に設定した参照信号の位相に対応して決まる搬送波の位相変化量を示している。
【００３６】
受信ミキサ３０では、復調処理として直交検波が行われる。つまり、ミキサ３２において、受信ＲＦ信号ｖR（ｔ）と参照信号ｖrI（ｔ）の乗算に相当する処理が実行され、また、ミキサ３４において、受信ＲＦ信号ｖR（ｔ）と参照信号ｖrQ（ｔ）の乗算に相当する処理が実行される。
【００３７】
ミキサ３２における受信ＲＦ信号ｖR（ｔ）と参照信号ｖrI（ｔ）の乗算ｖDI（ｔ）は次式のように表現される。なお、次式の計算途中において、周波数２ｆ0の成分が消去されている。これは、ＬＰＦ３６によって除去される。
【００３８】
【数４】
【００３９】
ここで、ベッセル関数に関する数５式の公式を利用すると、数４式はさらに数６式のように計算される。
【００４０】
【数５】
【００４１】
【数６】
【００４２】
一方、ミキサ３４における受信ＲＦ信号ｖR（ｔ）と参照信号ｖrQ（ｔ）の乗算ｖDQ（ｔ）は次式のように表現される。なお、次式の計算途中において、周波数２ｆ0の成分が消去されている。これは、ＬＰＦ３８によって除去される。
【００４３】
【数７】
【００４４】
ここで、数６式のｖDI（ｔ）と数７式のｖDQ（ｔ）とに基づいて、複素ベースバンド信号を定義する。まず、ｖDI（ｔ）とｖDQ（ｔ）に含まれている直流（ＤＣ）成分、変調周波数ｆmの偶数次高調波成分を次式のように表現する。
【００４５】
【数８】
【００４６】
次に、ｖDI（ｔ）とｖDQ（ｔ）に含まれている変調周波数ｆmの成分、変調周波数ｆmの奇数次高調波成分を次式のように表現する。
【００４７】
【数９】
【００４８】
数８式と数９式から、直交検波後のベースバンド信号において、ドプラシフトｆdを含んだドプラ信号は、ＤＣ成分と変調周波数ｆmの成分と変調周波数ｆmの高調波成分とからなる複数の成分の各々についての両側帯波として出現することがわかる。
【００４９】
ここで、受信信号と参照信号の位相を互いに揃えた場合、つまり、遅延回路２５における遅延処理によりφmrを調整してφmと一致させた場合（φmr＝φm）を考える。φmrとφmを一致させた場合には、数４式におけるｋが０となる。この結果をベッセル関数に適用すると、第１次ベッセル関数の性質により、数１０式のように、０次のベッセル関数の値のみが１となり、それ以外のベッセル関数の値は０となる。そして、数１０式に示す結果を数８式と数９式に適用すると数１１式のとおりとなる。
【００５０】
【数１０】
【００５１】
【数１１】
【００５２】
数１１式は、参照波（参照信号）の位相φmrを送受信間の位相差φmに設定すると、圧縮変換により、ＤＣ成分（直流近傍成分）に対応したドプラ信号のみが抽出できることを示している。
【００５３】
上述した数２式の受信波形は、ある深さからの受信信号の波形である。これに対し、ＦＭＣＷ送信波を利用して、実際に受信用振動子１２において得られる受信信号は、複数の深さからの信号が合成された受信信号である。受信ミキサ３０においては、複数の深さからの信号が合成された受信信号と参照信号との乗算に相当する処理が実行される。
【００５４】
数８式などに現れた直流信号成分に対応したドプラ信号の振幅を支配するＪ0（ｋβ）は、第１次ベッセル関数の性質により、ｋβが０のときに最大値である１となり、ｋβが０からずれると急激に小さくなる。そのため、遅延回路２５においてφmrを調整し、目標位置から得られる受信信号のφmと一致させると、目標位置におけるＪ0（ｋβ）が最大値である１となり、目標位置以外におけるＪ0（ｋβ）が極端に小さな値となる。したがって、遅延回路２５においてφmrを調整し、目標位置から得られる受信信号のφmと一致させることにより、目標位置におけるドプラ信号（直流信号成分）を選択的に抽出することができる。
【００５５】
以上のように、ドプラ信号が選択的に抽出される目標位置は、遅延回路２５における遅延処理に基づいて決定される。図１のシステム制御部５０は、目標位置の深さに応じて遅延回路２５における遅延時間を制御する。
【００５６】
さらに、図１の超音波診断装置では、周波数変調の影響に伴って発生する不要波成分の状態が確認される。そこで、周波数変調に伴って発生する不要波成分と、その状態を確認するための処理について以下に詳述する。なお、図１に示した部分（構成）については、以下の説明においても図１の符号を利用する。
【００５７】
＜周波数変調に伴う不要波成分について＞
ドプラ法の基本原理において、移動体（例えば血流）に関するドプラ周波数（ドプラシフト周波数）は、計測に利用される超音波の周波数と移動体の速度に比例する。図１の超音波診断装置においては、ＦＭ連続波を利用しており、ＦＭ連続波は、数１式に示したように、周波数（瞬時周波数）が周期的に変化している。そのため、移動体の速度が一定の場合においても、ＦＭ連続波を利用してその移動体のドプラ周波数を計測すると、ＦＭ連続波の周期性に伴ってドプラ周波数が周期的に変動する。
【００５８】
図２は、ＦＭ連続波の周期性がドプラ周波数へ与える影響を説明する図である。図２には、ドプラシフトの影響を受けていないＦＭ連続波７０と、ドプラシフトの影響を受けたＦＭ連続波７２が図示されている。なお、図２の横軸は時間軸であり、図２の縦軸にはＦＭ連続波７０，７２の瞬時周波数が示されている。
【００５９】
図１の超音波診断装置における超音波の送信信号は、その瞬時周波数がＦＭ連続波７０のように周期的に正弦波状に変化する。そのため、移動体の速度が一定の場合においてもドプラシフトが周期的に変化し、結果としてＦＭ連続波７２のような波形が得られる。つまり、ＦＭ連続波７０の瞬時周波数が低い（小さい）時刻においては、比較的小さいドプラ周波数ｆdLとなり、ＦＭ連続波７０の瞬時周波数が高い（大きい）時刻においては、比較的大きいドプラ周波数ｆdHとなる。
【００６０】
このように、ＦＭ連続波７０を利用して得られるドプラ周波数の変動は、ＦＭ連続波７０の周期性に対応した周期的なものとなる。特に、移動体の速度が大きい場合には、ドプラ周波数ｆdLとドプラ周波数ｆdHの差も大きくなり、ドプラ周波数の周期性が比較的顕著になる。一方、移動体の速度が小さい場合にはドプラ周波数ｆdLとドプラ周波数ｆdHの差が小さくなり、ドプラ周波数の周期性が比較的目立たなくなる。
【００６１】
図１の超音波診断装置における超音波の送信信号は、周波数ｆ0のＲＦ波（搬送波）に対して、周波数ｆmの正弦波によりＦＭ変調を施したＦＭＣＷ送信波であり、その信号は前述の数１式のとおりである。その送信信号（ＦＭＣＷ送信波）の瞬時角周波数は、数１式の位相項を時間微分して次式のように表現される。
【００６２】
【数１２】
【００６３】
ここで、ドプラシフトを音速（超音波の速度）ｃと移動体の速度ｖの比だけ、瞬時周波数が変化する量として定義する。この場合、相対速度ｖに対するドプラ周波数変化は往復で速度２ｖとして数１３式で表現される。さらに、数１３式で表現されるドプラ周波数変化を瞬時位相に変換すると数１４式となる。
【００６４】
【数１３】
【００６５】
【数１４】
【００６６】
数１４式で表現される瞬時位相は、移動体からの受信波の瞬時位相に対して、初項で表現される搬送波ｆ0によるドプラシフトに加え、第２項で表現される変調波によるドプラシフトが追加されることを意味している。なお、第３項は積分定数であり、ドプラ周波数の位相を意味する。一般に、血流などの速度計測では、ドプラ周波数の位相情報までは必要としない。また、時間的に変化しない位相成分であるため、速度計測において物理的に大きな意味を含んでいないと考える。
【００６７】
受信波は、送受信時間差（目標位置までの往復の伝播時間）τだけ送信波よりも遅れて到着するため、送受信時間差τを考慮すると、受信波は次式のように表現される。
【００６８】
【数１５】
【００６９】
受信ミキサ３０では、送信波に実質的に同じ波形の参照波（参照信号）と受信波との乗算（次式）に相当する処理が実行される。
【００７０】
【数１６】
【００７１】
数１６式から２ｆ0の周波数成分をローパスフィルタで除去すると、受信ミキサ３０の出力（例えばＬＰＦ３６の出力）は数１７式のように表現することができる。また、数１７式の結果について、さらに計算を進めると、数１８式のようになる。
【００７２】
【数１７】
【００７３】
【数１８】
【００７４】
数１８式は、復調信号に含まれるドプラ信号が、新たに定義された変調度β´（数１７式参照）と変調周波数ｆmにより周波数変調された信号に等しいことを意味している。
【００７５】
図３は、周波数変調の影響を受けたドプラ信号を説明するための図であり、図３には、数１８式に対応したドプラ信号の周波数スペクトラムが示されている。なお、図３の横軸は周波数であり縦軸は電力である。
【００７６】
図３や数１８式に示されるように、変調信号の影響を受けたドプラ信号には、変調周波数ｆmのベッセル関数のゼロ次成分であるＪ0（β´）に加え、１次成分Ｊ1（β´），２次成分Ｊ2（β´），３次成分Ｊ3（β´），・・・の折り返し成分が含まれている。なお、直流近傍の成分（ゼロ次成分）は周波数０からドプラ周波数ｆdだけ離れた位置に現れており、１次成分は周波数ｆmからドプラ周波数ｆdだけ離れた位置に現れており、２次成分は周波数２ｆmからドプラ周波数ｆdだけ離れた位置に現れている。
【００７７】
図４は、周波数変調の影響を受けたドプラ信号の時間変化波形を示す図であり、図３の周波数スペクトラムの時間変化を示している。つまり、図４には、変調周波数ｆmのゼロ次成分に対応した直流近傍のドプラ信号と変調周波数ｆmの１次成分（−１次成分）と２次成分の各々についての時間変化波形が示されている。横軸に示す時間の経過に伴って測定対象である血流などの速度が変化すると、速度の変化に応じてドプラ周波数ｆdも変化する。そのため図４に示す各成分の波形は、横軸に示す時間の経過に従って縦軸に示す周波数方向に変化している。
【００７８】
本実施形態においては、変調周波数ｆmのゼロ次成分に対応したドプラ信号（直流近傍の成分）を観測対象とし、変調周波数ｆmの１次成分，２次成分，３次成分，・・・を不要波成分とする。
【００７９】
図４に示すように、直流近傍の成分は周波数ゼロの軸を基準として時間的に変動する。また、例えば−１次成分は、周波数−ｆmの軸を基準として時間的に変動する。ドプラ周波数（ドプラシフト量）が小さい場合には、例えば、図４に示す時刻Ｔａにおいては、直流近傍の成分は周波数ゼロの軸の近傍にあり、また、−１次成分は周波数−ｆmの軸の近傍にある。これに対し、ドプラ周波数が大きくなると、例えば、図４に示す時刻Ｔｂにおいては、直流近傍の成分は変調周波数ｆmを超え、また、−１次成分は周波数ゼロの軸を超えている。つまり、観測対象となる直流近傍の成分の波形が変動する周波数帯域内に、−１次の不要波成分が入り込んでいる。そのため、この不要波成分が誤って観測対象と判断されてしまう可能性がある。
【００８０】
そこで、図１のシフト量判定部４４は、観測対象となるドプラ信号と不要波成分が互いに相手の周波数領域に入り込んで重なり合う可能性があるか否かを判定する。以下にその判定処理について詳述する。なお、図１に示した部分（構成）については以下の説明においても図１の符号を利用する。
【００８１】
＜シフト量判定部４４における判定処理について＞
シフト量判定部４４は、まず、目標位置を含んだ診断レンジの全域において最大となる最大ドプラシフト量を計測する。最大ドプラシフト量の計測においては、周波数を実質的に一定とした連続波の送信信号が利用される。つまり、システム制御部５０がＦＭ変調器２０と変調波生成部２４を制御して変調度β＝０とし、周波数を一定とした連続波により超音波を送受する。なお、超音波ビームは目標位置を通る方向に制御されたままである。
【００８２】
これにより、無変調の通常の連続波によるドプラ計測が実現され、目標位置を含んだ診断レンジの全域から、つまり深さ０（ゼロ）から深さＬ（ｃｍ：センチメートル）までの範囲の全域から、広域的にドプラ信号が計測される。そして、シフト量判定部４４は、そのドプラ信号から周波数シフト量が最大である最大ドプラシフト量を確認する。通常の連続波（無変調の連続波）では、この最大ドプラシフト量が、深さ０〜Ｌまでのどの深さに対応するものなのかは確認できない。しかし、深さ０〜Ｌまでの間にある目標位置におけるドプラシフト量がこの最大ドプラシフト量以下であることは確認できる。
【００８３】
そこで、シフト量判定部４４は、通常の連続波を利用して確認された最大ドプラシフト量に基づいて、ＦＭＣＷを利用して計測される目標位置におけるドプラ信号と不要波成分とが重なり合う可能性があるか否かを判定する。なお、ＦＭＣＷを利用した計測においては、例えば、ユーザにより設定された診断レンジＬ（ｃｍ）に応じて変調周波数ｆm（Ｈｚ）が決定される。例えば、超音波が深さＬまでの距離を往復（距離にして２×Ｌ）する間に、変調信号が丁度一周期だけ変化するように、変調周波数ｆmが次式のように設定される。なお、ｃは音速であり例えば１５３０（ｍ／ｓ）である。
【００８４】
【数１９】
【００８５】
ＦＭＣＷにおいて計測される目標位置のドプラ信号は、図４において説明したように、必要とされるドプラ信号（直流近傍の成分）の周波数が変調周波数ｆmを超えると、不要波成分の周波数領域に入り込む。また、周波数が変調周波数ｆmを超えると、−１次成分の不要波が必要とされるドプラ信号の周波数領域に入り込む。つまり、ドプラ周波数が変調周波数ｆmを超えると、必要とされるドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合い、ユーザがこれらを混同してしまう恐れがある。
【００８６】
しかし、通常の連続波を利用して確認された最大ドプラシフト量が、変調周波数ｆmよりも小さければ、ＦＭＣＷを利用して計測される目標位置におけるドプラシフト量も変調周波数ｆmより小さいことが分かるため、目標位置におけるドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合うことがない。
【００８７】
そこで、シフト量判定部４４は、通常の連続波を利用して確認された最大ドプラシフト量ｆｄと、ＦＭＣＷにおける変調周波数ｆmとを比較し、ｆｄ≧ｆm（又はｆｄ＞ｆm）の条件を満たす場合に、ＦＭＣＷにおいて計測された目標位置のドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合う可能性があると判断する。そして、ドプラ画像形成部４６において形成される表示画像内に、目標位置におけるドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合う可能性がある旨を警告するメッセージなどを表示してユーザに警告を発する。もちろん、表示に代えて音などによりユーザに警告を発するようにしてもよい。
【００８８】
なお、ｆｄ＜ｆm（又はｆｄ≦ｆm）の条件を満たす場合に、目標位置におけるドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合う可能性がないと判断して、その旨をユーザに通知するようにしてもよい。
【００８９】
また、シフト量判定部４４は、ユーザに通知する判断結果を間欠的に更新するようにしてもよい。例えば、ＦＭＣＷを利用した目標位置におけるドプラ信号の計測を継続的に行っている状態で、ＦＭＣＷ計測を一時的に中断した合間の時間帯に、通常の連続波による計測を行って診断レンジの全域からドプラ信号を得て、上述した重なり合う可能性の判定が行われる。これにより、通常の連続波による計測が行われる度に判断結果を更新し、ＦＭＣＷを利用した計測において常に最新の判断結果をユーザに通知することができる。さらに、重なり合う可能性についての判断基準となる変調周波数ｆmに相当する速度が表示されてもよい。
【００９０】
図５は、変調周波数に相当する速度の表示例を示す図である。表示画像１０１は、図１のドプラ画像形成部４６で形成されて表示される。表示画像１０１は、Ｂモード画像１１０とドプラ画像１２０を含んでいる。Ｂモード画像１１０は、例えば、図１の超音波診断装置において、連続波の送信信号に換えてパルス波の送信信号が利用され、公知のＢモード画像形成処理により形成される。そして、Ｂモード画像１１０内に破線で示すビームカーソルが表示され、例えば、ユーザがビームカーソルを所望の診断部位を通るように設定し、さらに、ビームカーソル上においてユーザが所望の深さにドプラカーソル１１１を設定する。
【００９１】
図１の超音波診断装置は、Ｂモード画像１１０内に設定されたビームカーソルに対応した超音波ビームを形成し、さらに、ビームカーソル上に設定されたドプラカーソル１１１に対応した深さを目標位置として、ＦＭＣＷによるドプラ計測を行う。このドプラ計測によりドプラ画像１２０が形成される。ドプラ画像１２０は、ドプラ信号の時間変化波形（図４参照）を示す画像である。
【００９２】
図５の表示例では、ドプラ画像１２０の縦軸が速度に換算されており、変調周波数ｆm（−ｆm）に相当する速度に破線で示すラインが形成されている。変調周波数ｆmに相当する速度Ｖ（ｆm）は、次式により算出される。
【００９３】
【数２０】
【００９４】
なお、ｃは音速で例えば１５３０（ｍ／ｓ）であり、ｆcはＲＦ波発振器２２（図１）から供給されるＲＦ波（搬送波信号）の周波数（Ｈｚ）である。そして、算出された速度Ｖ（ｆm）は、符号１２１で示すように表示画像１０１内に表示される。これにより、目標位置におけるドプラ信号と不要波成分が互いに重なり合うことなく測定が可能な速度の上限として、速度Ｖ（ｆm）の具体的な値をユーザに提供することが可能になる。
【００９５】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した本発明の好適な実施形態等は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。
【符号の説明】
【００９６】
２０ ＦＭ変調器、２２ ＲＦ波発振器、２４ 変調波生成部、２５ 遅延回路、３０ 受信ミキサ、４２ ＦＦＴ処理部、４４ シフト量判定部、４６ ドプラ画像形成部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調周波数に応じて周期的に周波数を変化させた連続波の送信信号を出力する送信処理部と、
前記送信信号に対応した超音波の送信波を生体に送波してその送信波に伴う受信波を生体から受波することにより受信信号を得る超音波送受部と、
超音波ビームに沿った診断範囲内に設けられた目標位置との間の相関関係を調整しつつ超音波ビームに沿って得られる受信信号に対して復調処理を施すことにより、目標位置に対応した復調信号を得る復調処理部と、
前記復調信号に基づいて目標位置における局所的なドプラ信号を得るドプラ情報取得部と、
を有し、
前記診断範囲の全域に亘る広域的なドプラ信号を得て前記診断範囲内における最大のドプラシフト量を計測し、その最大のドプラシフト量と前記変調周波数との比較に基づいて、前記目標位置における局所的なドプラ信号と前記変調周波数に伴う不要波成分とが互いに重なり合う可能性を判断し、その判断の結果を出力する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波診断装置において、
前記最大のドプラシフト量が前記変調周波数を超える場合に、前記目標位置における局所的なドプラ信号と前記不要波成分とが互いに重なり合う可能性があると判断し、当該可能性がある旨をユーザに通知する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超音波診断装置において、
前記目標位置における局所的なドプラ信号を得るにあたり、前記診断範囲の大きさに応じて前記変調周波数を決定する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記診断範囲の全域に亘る広域的なドプラ信号を得るにあたり、周波数を実質的に一定とした連続波の送信信号を利用する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記目標位置における局所的なドプラ信号を得る合間に、前記診断範囲の全域に亘る広域的なドプラ信号を得て前記可能性を判断することにより、その判断の結果を間欠的に更新する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記診断範囲の大きさに応じて決定される前記変調周波数に相当するシフト量を表示してユーザに通知する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１】
変調周波数に応じて周期的に周波数を変化させた連続波の送信信号を出力する送信処理部と、
前記送信信号に対応した超音波の送信波を生体に送波してその送信波に伴う受信波を生体から受波することにより受信信号を得る超音波送受部と、
超音波ビームに沿った診断範囲内に設けられた目標位置との間の相関関係を調整しつつ超音波ビームに沿って得られる受信信号に対して復調処理を施すことにより、目標位置に対応した復調信号を得る復調処理部と、
前記復調信号に基づいて目標位置における局所的なドプラ信号を得るドプラ情報取得部と、
を有し、
前記診断範囲の全域に亘る広域的なドプラ信号を得て前記診断範囲内における最大のドプラシフト量を計測し、その最大のドプラシフト量と前記変調周波数との比較に基づいて、前記目標位置における局所的なドプラ信号と前記変調周波数に伴う不要波成分とが互いに重なり合う可能性を判断し、その判断の結果を出力する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波診断装置において、
前記最大のドプラシフト量が前記変調周波数を超える場合に、前記目標位置における局所的なドプラ信号と前記不要波成分とが互いに重なり合う可能性があると判断し、当該可能性がある旨をユーザに通知する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超音波診断装置において、
前記目標位置における局所的なドプラ信号を得るにあたり、前記診断範囲の大きさに応じて前記変調周波数を決定する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記診断範囲の全域に亘る広域的なドプラ信号を得るにあたり、周波数を実質的に一定とした連続波の送信信号を利用する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記目標位置における局所的なドプラ信号を得る合間に、前記診断範囲の全域に亘る広域的なドプラ信号を得て前記可能性を判断することにより、その判断の結果を間欠的に更新する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記診断範囲の大きさに応じて決定される前記変調周波数に相当するシフト量を表示してユーザに通知する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−３９２６０（Ｐ２０１３−３９２６０Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７８７００（Ｐ２０１１−１７８７００）
【出願日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【出願人】（３９００２９７９１）日立アロカメディカル株式会社 (899)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【出願人】（３９００２９７９１）日立アロカメディカル株式会社 (899)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]