(57)【要約】  ワイドダイナミックレンジをもつ連続波（ＣＷ）ドップラー受信機は、無線周波数（ＲＦ）入力信号を受け、差信号出力を供給するために構成される固定周波数ディファレンシャル出力ミキサと、該固定周波数ディファレンシャル出力ミキサに接続され、固定周波数の差出力を供給するために構成される固定周波数のディファレンシャル帯域通過フィルタと、該固定周波数のディファレンシャル帯域通過フィルタの差信号出力を受けるためにそれぞれ構成される同相ミキサ及び直交位相ミキサと、該同相ミキサの出力を受けるために構成され、フィルタリングされた同相信号を供給するために構成される少なくとも１つの同相フィルタと、該直交位相ミキサの出力を受けるために構成される少なくとも１つの直交位相フィルタと、フィルタリングされた同相信号とフィルタリングされた直交位相信号を受けるために構成されるアナログ−デジタルコンバータとを有している。
2005511220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
完全なディファレンシャルモードで動作するワイドダイナミックレンジをもつ連続波ドップラー受信機であって、
無線周波数の入力信号を受けて、差信号出力を供給するために構成される固定周波数のディファレンシャル出力ミキサと、
該固定周波数の差出力ミキサに接続され、固定周波数の差出力を供給するために構成される固定周波数のディファレンシャル帯域通過フィルタと、
該固定周波数のディファレンシャル帯域通過フィルタの差信号出力を受けるためにそれぞれ構成される同相ミキサ及び直交位相ミキサと、
該同相ミキサの出力を受け、フィルタリングされた同相信号を供給するために構成される少なくとも１つの同相のディファレンシャル低域通過フィルタと、
該直交位相ミキサの出力を受け、フィルタリングされた直交位相信号を供給するために構成される少なくとも１つの直交位相のディファレンシャル低域通過フィルタと、
同相及び直交位相の固定されたディファレンシャル高域クラッタフィルタと、
フィルタリングされた同相信号とフィルタリングされた直交位相信号を受け、対応する同相のデジタル出力と対応する直交位相のデジタル出力とを供給するために構成されるアナログ−デジタルコンバータとを有し、
該アナログ−デジタルコンバータの出力は、メモリエレメントに供給される、
ワイドダイナミックレンジの連続波ドップラー受信機。
【請求項２】
該アナログ−デジタルコンバータは、高精度の２４ビット対応の毎秒１００キロサンプルのアナログ−デジタルコンバータである、
請求項１記載のドップラー受信機。
【請求項３】
該固定周波数のディファレンシャル帯域通過フィルタ、該同相ミキサ、該直交位相ミキサ、該少なくとも１つの同相のディファレンシャル低域通過フィルタ、該少なくとも１つの直交位相のディファレンシャル低域通過フィルタ、該高域通過クラッタフィルタ、及び該アナログ−デジタルコンバータは、ディファレンシャルモードで動作する、
請求項１記載のドップラー受信機。
【請求項４】
該固定周波数の出力ミキサは、約１メガヘルツの周波数で出力を供給する、
請求項１記載のドップラー受信機。
【請求項５】
該同相ミキサの出力を受けるために構成される第二のフィルタと、
該直交位相ミキサの出力を受けるために構成される第二のフィルタと、
をさらに有する請求項１記載のドップラー受信機。
【請求項６】
該フィルタリングされた同相信号の周波数と、該フィルタリングされた直交位相信号の周波数とは、該無線周波数の入力信号により表される流体又は組織の動きに対応する、
請求項１記載のドップラー受信機。
【請求項７】
該フィルタリングされた同相信号と該フィルタリングされた直交位相信号の位相差の符号は、該無線周波数の入力信号により表される流体又は組織の動きの方向に対応する、
請求項１記載のドップラー受信機。
【請求項８】
該同相ミキサ及び該直交位相ミキサは、約１メガヘルツの局部発振器の信号を受け、ベースバンドの出力信号を供給する、
請求項１記載のドップラー受信機。
【請求項９】
該同相ミキサ及び該直交位相ミキサは、ベースバンド信号を供給し、該ベースバンド信号の周波数は、該無線周波数の入力信号により表される血流又は組織の動きを表す、
請求項８記載のドップラー受信機。
【請求項１０】
該ドップラー信号を受け、完全なディファレンシャルモードで動作する複数の構成要素を使用して該ドップラー信号を分析するために構成される回路を有する、
受信されたドップラー信号を分析するためのシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波画像形成の分野全般に関し、より詳細には、血流をモニタするためのワイドダイナミックレンジをもつ連続波（ＣＷ）ドップラー受信機を含む医療診断に適合可能な超音波画像形成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波画像形成システムは、これまでの間利用可能であり、非破壊検査及び医療応用で一般に使用されている。医療超音波画像形成により、トランスデューサを通して人体に超音波エネルギーを送出し、該人体における組織及び血液から反射される超音波エコーを受けることで、人体の内部構造を非破壊的にリアルタイムで見ることができる。超音波エネルギーの反射体としての人体の複雑な環境のため、超音波システムは、高度に繊細な処理回路を含んでいる。超音波システムは、ワイドダイナミックレンジを通して同時に生じる希望信号と非希望信号とを区別可能であるべきである。
【０００３】
従来の超音波画像形成システムは、一般に、多くの異なる動作モードが可能である。たとえば、白黒の超音波画像形成は、人体の様々な内部構造を画像形成するために使用され、該構造に関する２次元画像としてユーザに提供される。ドップラー画像化法は、静脈又は動脈での血液のような流体の動きを、時間を通して血流の速度をプロットする波形として画像形成及び表示することができる動作モードである。血流の速度は、音声信号としても提供することができる。これらの画像形成モード用の信号処理を実行するハードウェアは、アナログ回路及びデジタル回路の両者から構成されている。アナログ回路は、特に、アナログ信号をデジタル化する処理のような、信号の信号対雑音比又はダイナミックレンジが、デジタル信号処理回路により課される制限を許容することができない場合に使用される。一旦、アナログ処理が信号を適切なダイナミックレンジに適合すると、信号をデジタル化することができる。超音波システムにおける様々な画像形成モードの多様な性質のため、異なるダイナミックレンジの要件を有している信号を処理するため、多数の処理経路が存在する。
【０００４】
ドップラー画像形成は、パルス波（ＰＷ）又は連続波（ＣＷ）技術のいずれかを使用して実行することができる。ＰＷドップラーは、周期的なパルス波を発生し、トランスデューサを通して、該パルス波を所定の動作周波数で送出することを含んでおり、このパルス波は、血流を有している特定の位置に向けられる。流れている血液から反射する信号は、血流の速度に比例する量だけ周波数に関してシフトされる（「ドップラー効果」）。この周波数は、トランスデューサにより受けられ、受信機は、一般に、送信機と共に配置されている。血流の方向は、「符号」、すなわち、送信信号と受信信号の間の周波数差に関する相対的な極性により決定される。測定することが求められる血流の速度は、パルス波が送出されるレートを決定する。パルスは、血流の測度を分析するために十分なレートで送出されるべきである。残念なことに、パルス波が送出されるレートにおける制限のため、ＰＷドップラーは、非常に速い血流の速度を測定するための能力において制限される。送信機により発生されたエコーは、注目される血流の深さに基づいて、人体に伝播されて、別のパルスが送出される前に受信機に反射されて戻る必要があるため、レートの制限が存在する。
【０００５】
他方で、ＣＷドップラーは、一定の連続波を発生し、特定のトランスデューサの動作周波数で画像形成される領域に向けて該連続波を送出することを含んでいる。この信号は、血流により連続的に反射され、送信機の近くに位置される受信機により受信される。受信機は、送信信号と受信信号の間に周波数シフトが存在するかを判定することで、送信信号と受信信号とを区別する。血液の動きは、この周波数シフトを引き起こし、この周波数シフトは、血液の速度に比例し、血流の方向は、受信信号の周波数が送信信号の周波数よりも高いか、又は低いかに依存する。信号は連続的に送信されるので、ＣＷドップラーは、ＣＷモードでは固有のサンプリングレートの制限が存在しないので、ＰＷドップラーよりも著しく高い周波数シフトを検出することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
残念なことに、ＰＷドップラーの超音波に比較して、ＣＷドップラーの超音波にとって、２つの理由のために、血流を表す送信信号と受信信号とを区別することは更に困難である。第一に、送信信号は連続的であり、振幅において相対的に高いため、この送信信号は、受信機において干渉を生じる。第二に、動いていない組織から反射されるエコーは、周波数シフトを含まず、動いている血液から反射する信号に比較して非希望信号であると考慮される。これらの干渉源は、一般に「クラッタ」と呼ばれ、送信信号又は静止している組織からのエコーと比較されたときに、血流を表す信号が一般に非常に小さな振幅であるために問題となる。
【０００７】
ＣＷドップラーシステムにおいて、（反射信号が血流を示す場合に）送信信号、静止エコー信号、及び反射信号の間のワイドダイナミックレンジの差は、個別のアナログ処理回路がＣＷドップラーの機能を含む超音波画像形成システムで実現されることを必要としている。
【０００８】
ＣＷドップラー受信機用の個別のアナログ処理回路は、一般的に、ミキサ及びフィルタからなるカスケード接続されたステージから構成されており、受信信号の周波数シフトを検出し、希望しないクラッタ信号と希望しない高周波成分を受信信号からフィルタリングする。様々なトランスデューサをサポートするため、ハードウェアは、一般に、プログラマブルフィルタを含んでおり、これらのフィルタは、利用可能なトランスデューサの動作周波数に調整される。また、ミキサステージは、一般に、それらの動作周波数においてプログラマブルである。これらのプログラマブルステージに関するハードウェア実現は、一般に、高価なスイッチと正確な構成要素を含んでいる。
【０００９】
残念なことに、このハードウェア設計は、設計がシングルエンドによることを指示している（この場合、それぞれの信号はグランド（０ボルト）を基準にする）。シングルエンド動作は、更なる雑音を生じ、この雑音は、電源により発生されるか、又は信号グランドに現れ、受信信号に加えられる。これにより、受信信号の信号対雑音比及びダイナミックレンジがさらに低下する。かかるシングルエンドの動作モードにより、受信機の性能を制限する可能性がある。これは、（電源ノイズ及び干渉のような）コモンモードノイズがＣＷドップラー受信機の性能に直接影響を与えるためである。
【００１０】
さらに、ＣＷドップラー処理回路のダイナミックレンジを最大にするため、ＣＷドップラー受信機は、一般に、様々なプログラマブルの高域通過フィルタを含んでいる。これらの高域通過フィルタは、「ウォールフィルタ」又は「クラッタフィルタ」と呼ばれる。これは、これらのフィルタは、希望しない組織のエコー信号を全体の受信信号から除こうとするためである。
【００１１】
一般的なＣＷ超音波受信機の制限されたダイナミックレンジのため、血流の周囲の組織により発生されるクラッタ周波数レンジを処理するため、様々なクラッタフィルタが必要とされている。これらのクラッタフィルタは、高価であり、適切に調節されない場合に「鏡映のアーチファクト」を発生する傾向にある。この鏡映のアーチファクトは、血流の方向を判定することができないとして、それ自身を明らかにする。この処理は、鏡映が生じているときに両方向における流れを誤って与える。様々なプログラマブルクなクラッタフィルタを提供するため、ハードウェアは、高価なスイッチ及び精度の高い構成要素を必要とし、これによって、シングルエンドで動作するための設計を余儀なくさせる。
【００１２】
さらに、信号処理回路で使用されるアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータの制限されたダイナミックレンジのため、従来のＣＷドップラー受信機は、制限されたダイナミックレンジを有している。Ａ／Ｄコンバータの制限されたダイナミックレンジのため、Ａ／Ｄコンバータの先に位置するクラッタフィルタリングは、Ａ／Ｄに供給される信号ができるだけクラッタコンテンツを含まないように、より複雑になる。
【００１３】
したがって、ＣＷドップラー受信機で使用されるアナログ処理回路の効率を最大にすると共に、ＣＷドップラー受信機のダイナミックレンジ及び感度を向上することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、ワイドダイナミックレンジを有し、完全なディファレンシャルモード（fully  differential  mode）で動作するドップラー受信機である。１つの実施の形態では、本発明は、ワイドダイナミックレンジをもつ連続波（ＣＷ）ドップラー受信機であり、無線周波数（ＲＦ）入力信号を受信し、差信号出力を供給するために構成される固定周波数のディファレンシャル出力ミキサと、該固定周波数ディファレンシャル出力ミキサに接続され、固定周波数の差出力を供給するために構成される固定周波数のディファレンシャル帯域通過フィルタと、固定周波数のディファレンシャル帯域通過フィルタの差信号出力を受けるためにそれぞれ構成される同相ミキサ及び直交位相ミキサと、該同相ミキサの出力を受け、フィルタリングされた同相信号を供給するために構成される少なくとも１つの同相のディファレンシャル低域通過フィルタと、該直交位相ミキサの出力を受け、フィルタリングされた直交位相信号を供給するために構成される少なくとも１つの直交位相のディファレンシャル低域通過フィルタと、固定周波数のディファレンシャル高域通過フィルタと、フィルタリングされた同相信号とフィルタリングされた直交位相信号を受け、対応する同相のデジタル出力と対応する直交位相のデジタル出力とを供給するために構成されるアナログ−デジタルコンバータとを有しており、該アナログ−デジタルコンバータの出力は、メモリエレメントに供給される。
【００１５】
関連される動作方法及びコンピュータ読み取り可能な媒体もまた提供される。本発明の他のシステム、方法、特徴及び効果は、以下の図面及び詳細な記載の説明により当業者であれば明らかとなるであろう。全てのかかる追加のシステム、方法、特徴及び効果は、本発明の範囲にある説明に含まれ、特許請求の範囲により保護される。
【００１６】
図面における構成要素は、互いに関してスケーリングされることが必要ではなく、本発明の原理の明らかな説明に応じて強調される。さらに、図では、同じ参照符号は、異なる図面を通して対応する部分を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に説明される本発明は、様々なタイプのトランスデューサを使用した超音波画像形成システムに適用可能であって、任意の特定のシステム構成に限定されるものではない。好適な実施の形態では、本発明は、主にハードウェアで実現され、このハードウェアは、１以上のソフトウェア制御機能及びソフトウェア処理機能を含んでいる。このソフトウェア部分は、メモリに記憶され、適切な命令実行システム（マイクロプロセッサ）により実行される。本発明は、以下のハードウェア技術のいずれか又は組み合わせを含んでおり、これらのハードウェア技術は、当該技術分野において公知である。これらは、トランジスタ、演算増幅器、抵抗、キャパシタ、インダクタ、ダイオード等といったアナログ信号処理を実行するためのアナログ回路、データ信号に応答して論理機能を実行するためのロジックゲートを有するディスクリートロジック回路、適切なロジックゲートを有する特定用途向け集積回路、プログラマブルゲートアレイ（ＰＧＡ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ等である。
【００１８】
本発明におけるソフトウェアの部分は、制御ソフトウェア及び処理ソフトウェアとして以下に説明される。この制御及び処理ソフトウェアは、一般に、本発明のハードウェアにより供給される信号に応じて動作するものであって、論理機能を実現するための実行可能な命令からなる順番付きリストを有している。このソフトウェアは、コンピュータベースのシステムのような命令実行システム、装置又はデバイスと、命令実行システム、装置又はデバイスからの命令を取り出して、該命令を実行する他のシステムとの組み合わせによる使用のための任意のコンピュータ読み取り可能なメディアで実施することができ、コンピュータベースのシステムのような命令実行システム、装置又はデバイス、或いは命令実行システム、装置又はデバイスからの命令を取り出して、該命令を実行する他のシステムでの使用のための任意のコンピュータ読み取り可能なメディアで実施することができる。
【００１９】
この明細書の文脈では、「コンピュータ読み取り可能なメディア」は、任意の手段とすることができ、この手段は、命令実行システム、装置又はデバイスとの組み合わせによる使用のためにプログラムを包含、記憶、伝達、伝播又は転送することができる。コンピュータ読み取り可能な媒体は、たとえば、電気システム、装置又はデバイス、磁気システム、装置又はデバイス、光学システム、装置又はデバイス、電磁システム、装置又はデバイス、赤外線システム、装置又はデバイス、又は半導体システム、装置又はデバイス、或いは伝送媒体とすることができるが、これらに限定されるものではない。コンピュータ読み取り可能な媒体のより詳細な例（限定的なリスト）は以下を含んでいる。１以上の有線を有する電気接続（電子的）、携帯用コンピュータディスク（磁気的）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、消去可能なプログラム可能なリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭ又はフラッシュメモリ）（磁気的）、光ファイバ（光学的）、及び携帯用コンパクトディスク・リードオンリメモリ（ＣＤＲＯＭ）（光学的）。なお、コンピュータ読み取り可能なメディアは、紙又は別の適切な媒体であってもよい。これらの媒体には、プログラムがプリントされ、たとえば、紙又は他の媒体に関する光学的な走査を介して電気的に捕捉され、次いで、コンパイル、解釈、或いは必要であれば適切なやり方で処理されて、その後、コンピュータメモリに記憶される。
【００２０】
ここで図面を参照して、図１は、本発明に係る超音波システム１００を例示する概念図である。この超音波システム１００は、医療機関又は病院、或いはコンパクト携帯システムで使用される従来のシステムである場合がある。この超音波システム１００は、アセンブリ１０６をプローブするため、インタフェースケーブル１０４を介して接続される超音波スキャナ１１２及び処理ユニット１０２を含んでいる。プローブアセンブリ１０６は、トランスデューサアレイ２０２を含んでおり、このトランスデューサアレイは、ターゲット１０８に超音波エネルギーを送出し、該ターゲット１０８から反射された超音波エネルギーを受ける。この超音波アレイ２０２は、任意の数の異なるタイプの超音波トランスデューサアレイとすることができ、限定されるものではないが、セクタアレイ、カーブドアレイ、曲線アレイ、マトリクスアレイ、或いは、単一エレメントである「ペンシルプローブ」と呼ばれることがある専用ＣＷドップラートランスデューサを含んでいる。
【００２１】
トランスデューサ２０２は、ＣＷドップラーと呼ばれる動作モードで使用される。ＣＷドップラーモードは、人体での血液の流れを検出するために有効である。超音波システム１００における処理回路は、受けたＣＷドップラー信号を処理し、任意の検出された血液の流れに関する視覚的及び可聴の表現の両者を提供する。本発明の態様によれば、新規なＣＷドップラー処理回路は、非常に簡易化され、従来のＣＷドップラー処理回路に対して、ワイドダイナミックレンジ、改善された感度及び改善された信号対雑音比を供給する。
【００２２】
図２は、本発明の態様に従って構築された超音波システム１００を例示するブロック図である。この超音波システム１００は、超音波スキャナ１１２へのコネクション２０４を介して接続されるトランスデューサ２０２を含んでいる。超音波スキャナ１１２は、ＲＦ送信機／受信機２０６及びＣＷドップラー処理回路３００を含んでいる。トランスデューサ２０２は、コネクション２０４を介してＲＦ送信機／受信機に接続する。先に説明されたように、トランスデューサ２０２は、超音波画像形成システムと使用される、任意の一般に使用されて広く入手可能なトランスデューサであるか、ＣＷドップラー超音波画像形成を実行するために専用に設計される専用「ペンシルプローブ」である。ＲＦ送信機／受信機は、ＣＷドップラー超音波信号を発生、送信及び受信するための回路（図示せず）を含んでいる。
【００２３】
ＲＦ送信機／受信機２０６は、コネクション３００を介して、ＣＷドップラー処理回路３００に接続される。図３を参照して以下に説明されるように、ＣＷドップラー処理回路３００は、受信信号パスにあり、ディファレンシャルモードで動作する。ＣＷドップラー処理回路３００は、ディファレンシャルモード動作のために部分的に可能にされる簡略化されたフィルタ構成を使用し、高精度のアナログデジタル（コンバータ）を利用し、これにより、ＣＷドップラー処理回路を構成及び動作の両者において非常に簡略化することができる。ＣＷドップラー処理回路３００は、コネクション２１２を介して、及びコネクション２３２を介して処理ユニット１０２に接続される。
【００２４】
処理ユニット１０２は、プロセッサ２１２、メモリコントローラ２１６、メモリエレメント２１８、ユーザインタフェース２２６、及び論理インタフェース２２４にわたり互いに接続されるソフトウェア制御周波数発生器２２８を含んでいる。論理インタフェース２２４は、１以上の通信及び／又は信号バスを表している。ユーザインタフェース２２６は、コネクション２３６を介してキーボード２３４からの入力コマンド、及び／又はコネクション２４２を介してマウス２３８からの入力コマンドを受ける。さらに、ユーザインタフェース２２６は、コネクション２４６を介してスピーカ２４４に接続され、コネクション２６４を介してディスプレイ２６２に接続される。スピーカ２４４及びディスプレイ２６２は、ＣＷドップラーの超音波出力をシステム１００のユーザに供給するために使用される。以下に更に詳細に説明されるように、人体における血液の流れは、ＣＷドップラー処理回路３００により処理されるとき、視覚的な出力及び可聴の出力の両者として表される。かかる可聴の出力は、スピーカ２４４を通して供給され、ＣＷドップラー画像形成を実行している間、超音波システム１００のユーザは、人体における血液の流れを聞くことができる。
【００２５】
ユーザインタフェース２２６は、論理インタフェース２２４を通してプロセッサ２１４にも接続される。ユーザインタフェース２２６は、メモリ２１８に記憶されプロセッサ２１４により実行される（以下に記載される）ソフトウェアと共に、ＣＷドップラー処理回路３００に関する各種パラメータを変更するために使用される。
【００２６】
プロセッサ２１４は、ソフトウェアを実行する。このソフトウェアは、超音波システム１００が動作可能にするためにメモリ２１８に記憶されている。さらに、ＣＷドップラー処理回路３００からメモリコントローラ２１６によりコネクション２１２を介して受信される信号もまた、メモリ２１８に記憶され、プロセッサ２１４により処理される。
【００２７】
メモリ２１８は、オペレーティングシステム２２０、及び制御及び処理ソフトウェアエレメント３８０を含んでいる。メモリ２１８は、揮発性メモリ素子（たとえば、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭのようなランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ））、及び不揮発性メモリ素子（たとえば、ＮＶＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードドライブ、テープ、ＣＤ  ＲＯＭ等）のいずれか一方、又はその組み合わせを含むことができる。さらに、メモリ２１８は、電気的、磁気的、光学的、及び／又は他のタイプの記憶メディアを組み込んでいる場合がある。なお、メモリ２１８は、分散されたアーキテクチャを有することができ、この場合、様々な構成要素が互いに離れて位置されるが、プロセッサ２１４によりアクセス可能である。
【００２８】
プロセッサ２１４は、超音波システム１００に関する新規な動作特徴及び機能を提供するオペレーティングシステム２２０を実行する。プロセッサ２１４は、超音波システム１００を動作するためにメモリ２１８に記憶される命令を実行可能な任意の専用又は汎用のプロセッサとすることができる。
【００２９】
また、プロセッサ２１４は、論理インタフェース２２４を通して制御を提供し、これにより、メモリコントローラ２１６は、ＣＷドップラー処理回路３００の出力をメモリ２１８に送出することができる。ＣＷドップラー処理回路３００の出力は、メモリ２１８に記憶されたとき、制御及び処理ソフトウェア３８０からのコマンドを介して、プロセッサ２１４により変更及び調節される。たとえば、制御及び処理ソフトウェア３８０は、ＣＷドップラー処理回路３００により供給される表示された信号の利得を調節するために使用されるか、速度レンジのような情報がユーザに表示されるやり方に関する様々な態様を調節するために使用される。また、ＣＷドップラー処理からの得られたスペクトルデータに関する分析測定を実行するソフトウェアが存在する場合がある。
【００３０】
また、処理ユニット１０２は、ソフトウェア制御周波数発生器２２８を含んでいる。ソフトウェア制御周波数発生器２２８は、コネクション２３２を介して局部発振器（ＬＯ）信号をＣＷドップラー処理回路３００に供給し、ＲＦ送信機及び受信機２０６が動作する周波数を制御する。
【００３１】
図３は、図２のＣＷドップラー処理回路３００を例示する回路図である。受信されたドップラーエネルギーを表す信号は、コネクション２０８を介して第一のミキサ３０２に供給される。第一のミキサ３０２は、完全ディファレンシャルモードで動作する。コネクション２０８の信号は、ＲＦ送信機／受信機２０６（図２）から受信され、一般的に８メガヘルツ（ＭＨｚ）のレンジにある。この信号は、周波数に関して比較的低く、このため、ＣＷドップラー画像形成の間に、良好な血液の流れの速度検出を得ることができる。コネクション２０８のドップラー信号及びコネクション２３２の局発振器信号は、第一のミキサ３０２に供給される。局部発振器信号は、ソフトウェア制御周波数発生器２２９から供給され（図２）、ＲＦ周波数に関りなく、コネクション２０８の信号を一定の中間周波（ＩＦ）信号に変換する。好ましくは、コネクション３０６の信号の周波数は、１メガヘルツであるが、１メガヘルツに限定されるわけではない。コネクション２０８のＲＦ信号の周波数、及びコネクション２３２の局部発振器の周波数が選択され、コネクション３０６の第一のミキサ３０２から出力される一定のＩＦ周波数（この例では１メガヘルツ）が生じる。第一のミキサ３０２の出力が常に一定の周波数であることを保証することで、ＣＷドップラー処理回路３００のバランスのためのディファレンシャルモードを保証することができる。完全なディファレンシャル動作が行われることを保証することで、多数かつ高価なソフトウェア制御フィルタを除くことができ、これにより、ダイナミックレンジの増大及び信号対雑音比の向上と共に、従来の処理システムに関してドップラー処理回路３００の費用を大幅に低減することができる。
【００３２】
第一のミキサ３０２の動作の結果として、望まれる一定の周波数出力及び望まれない混合項の両者がコネクション３０６に現れる。第一のミキサ３０２の通常の動作を通して、コネクション２０８のＲＦ信号とコネクション２３２のＬＯ信号の差がコネクション３０６に供給され、ＲＦ信号とＬＯ信号の総和がコネクション３０６に生じる。たとえば、コネクション２０８のＲＦ信号が３メガヘルツの周波数であり、コネクション２３２の局部発振器信号が２メガヘルツの周波数である場合、第一のミキサ３０２のこの差及び総和のために、１メガヘルツと５メガヘルツの信号がコネクション３０６に現れる。
【００３３】
したがって、高周波の混合成分（この例では５メガヘルツの信号）と任意の低周波の成分（すなわち、１メガヘルツよりも低い成分）の両者を除くため、ディファレンシャル固定帯域通過フィルタ３０８が利用される。このディファレンシャル固定帯域通過フィルタ３０８は、コネクション３０６のＩＦ信号を受け、コネクション３１２に１メガヘルツの出力を供給する。本質的に、ディファレンシャル固定帯域通過フィルタ３０８は、任意の低周波及び高周波をコネクション３０６の信号から除き、コネクション３１２に望まれる１メガヘルツの信号を残す。一定の１メガヘルツ信号はＣＷドップラー処理回路３００により使用されるため、従来の処理システムで使用される従来の複素フィルタ及びスイッチからなるバンクを、ディファレンシャルモードで動作する１つの固定帯域通過フィルタ３０８により置き換えることができる。ディファレンシャルモードで動作することで、信号対雑音比、クラッタの抑圧、及びＣＷドップラー処理回路３００のダイナミックレンジが向上される。
【００３４】
コネクション３１２の１ＭＨｚの信号は、ミキサ３１４及び３１６のペアに供給される。ミキサ３１４は、信号の同相（Ｉ）成分で動作し、ミキサ３１６は、信号の直交位相（Ｑ）成分で動作し、コネクション３１２の信号をＤＣ（０Ｈｚ）の周辺に集中されるベースバンド周波数に混合する。同相ミキサ３１４は、コネクション３１８を介して１メガヘルツの周波数で局部発振器（ＬＯ）信号を受け、直交位相ミキサ３１６は、コネクション３２２を介して１メガヘルツの周波数で局部発振信号を受ける。ミキサ３１４に供給される局部発振器信号は、直交位相ミキサ３１６に供給される局部発振器信号から位相に関して９０°だけずれている。
【００３５】
同相ミキサ３１４と直交位相ミキサ３１６の動作を通して、コネクション３２４及び３２６のベースバンド周波数のペアが生成され、これらは、互いに関して９０°位相が異なる。コネクション３２４及び３２６の信号は、ＤＣ（０Ｈｚ）に集中しており、この場合、ＤＣからの任意の周波数オフセットは、トランスデューサ２０２（図１）により検出された血液の流れ及び任意の低周波クラッタの表す信号である。
【００３６】
コネクション３２４の信号は、ディファレンシャル低域通過フィルタ３２８に供給され、コネクション３２６の信号は、ディファレンシャル低域通過フィルタ３３２に供給される。コネクション３２４及び３２６の信号は、ディファレンシャル低域通過フィルタに供給され、ミキサ３１４及び３１６を介して信号に導入される任意の望まれない混合項が除かれる。これらの望まれない混合項は、コネクション３１２の信号の周波数と局部発振器信号の周波数の差だけでなく、局部発振器信号の周波数とコネクション３１２の入力の周波数の総和を提供するミキサの結果である。したがって、コネクション３３４の低域通過フィルタ３２８の出力は、該信号の同相部分に関するベースバンド信号のみを理想的に含んでおり、コネクション３３６の低域通過フィルタ３３２の出力は、該信号の直交位相部分に関するベースバンド信号のみを含んでいる。（血液の流れにより引き起こされる周波数シフトに加えて）コネクション３１２に一定（この例では、１メガヘルツ）の信号を供給することで、従来の処理システムにおける多数のプログラマブルフィルタの代わりに、低域通過フィルタ３２８及び３３２が単一の周波数固定フィルタとなることが可能となる。さらに、図３に示される回路のディファレンシャル動作は、簡単なノンプログラマブルフィルタが利用されることで可能である。
【００３７】
コネクション３３４の同相のベースバンド信号は、ディファレンシャル高域通過フィルタ３４２に供給され、コネクション３３６の直交位相のベースバンド信号は、ディファレンシャル高域通過フィルタ３４４に供給される。ディファレンシャル高域通過フィルタ３４２及び３４４は、「クラッタフィルタ」又は「ウォールフィルタ」として知られている。先に説明されたように、連続波（ＣＷ）モードで動作するとき、大電力、連続送信信号を血流の信号から区別することが望まれる。さらに、一般に、非常に微小な信号である血流に加えて、血流の近傍の緩やかに動く要素もまたクラッタを引き起こす。たとえば、画像形成される血液の流れの周辺にある心臓の弁及び静脈壁の動きに受信信号におけるクラッタに寄与する。血流の周辺におけるこれらの緩やかに動く要素に関する動きは、一般に、非常に遅い周波数（０〜３０ヘルツ）のドップラー信号として現れる。したがって、高域通過フィルタ３４２及び３４４は、ＤＣ周波数又はＤＣ周波数の近傍で生じる任意のクラッタ及び雑音を除く。
【００３８】
コネクション３４６及び３４８にある任意のＤＣ周波数でない周波数は、一般に、トランスデューサ２０２により検出される血液の流れを表す。この血液の流れは、一般に、可聴のレンジにあり、スピーカ２４４を介してシステム１００のユーザにより聴取される。
【００３９】
コネクション３４６の同相信号パスの出力は、コネクション３４８に直交位相信号パスの出力から位相に関して９０°だけずれている。コネクション３４６及び３４８の信号の周波数は、検出された血流の速度を決定し、コネクション３４６及び３４８の２つの信号間の位相差の符号は、血流の方向を決定する。
【００４０】
図４Ａ及び図４Ｂは、図３のコネクション３４６の同相信号パスの可能な出力、及びコネクション３４８の直交位相信号パスの可能な出力をそれぞれ例示する図である。図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、コネクション３４６の信号は、波形４００により表され、コネクション３４８の信号は、波形４１０により表される。波形４００は、波形４１０に関して位相において９０°シフトされる。位相差は、たとえば、直交位相信号パスの出力が同相信号パスの出力をもたらす場合に、血流が特定の方向にある点で流れの方向を決定する。逆が真となる場合であって、同相信号パスの出力が直交位相信号パスの出力をもたらす場合、血流は反対の方向にある。
【００４１】
当業者に公知であるように、本実施の形態で示される信号の位相は、同相及び直交位相信号に関して任意であって、逆にすることができる。たとえば、ミキサ３１４及び３１６に供給されるＬＯ信号に依存して、図４Ａに示される波形は、直交位相信号の出力となり、図４Ｂに示される波形は、同相信号パスの出力とすることができる。
【００４２】
図３を再び参照して、コネクション３４６及び３４８の波形に関する高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により、信号の周波数成分が生じる。周波数を分析することで、流れの速度を計算することができる。さらに、血流の検出によって、ＦＦＴの計算により計算される周波数の極性により判定される。これらの計算は、図２のプロセッサ２１４により実行することができる。
【００４３】
本発明に態様によれば、コネクション３４６の同相信号パスの出力、コネクション３４８の直交位相信号パスの出力は、ベースバンド信号であり、この場合、ＤＣからの周波数のずれである任意の信号部分は血液の流れを表している。
【００４４】
コネクション３４６の比較的クラッタのない同相のベースバンド信号、及びコネクション３４８の比較的クラッタのない直交位相のベースバンド信号は、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄコンバータ）３５０に供給される。好ましくは、Ａ／Ｄコンバータ３５０は、高いサンプリングレート、２つの入力を有しており、ディファレンシャルモードで動作可能である。好ましくは、Ａ／Ｄコンバータは、２４キロビット、毎秒１００キロサンプル（ｋｓ／ｓ）のディファレンシャルＡ／Ｄコンバータであるが、任意のワイドダイナミックレンジＡ／Ｄコンバータ３５０を使用することもできる。アナログ−デジタルコンバータ３５０は、コネクション３４６及び３４８でアナログ電圧波形の入力を受け、コネクション２１２ａ及び２１２ｂのそれぞれで、信号のデジタル表現であるデジタルビットストリームを供給する。それぞれのコネクション２１２ａ及び２１２ｂのそれぞれの出力は、シリアルバイナリ出力であり、この出力は、１０ミリ秒毎にサンプルされる、コネクション３４６及び３４８のそれぞれの電圧レベルを表している。Ａ／Ｄコンバータ３５０の出力は、メモリコントローラ２１６（図２）に供給され、このメモリコントローラは、プロセッサ２１４による処理のために（図２）、Ａ／Ｄコンバータ３５０の出力をメモリ素子２１８（図２）に供給する。
【００４５】
ＣＷドップラー処理によれば、ＣＷドップラー処理回路３００からメモリコントローラ２１６に供給されるデジタルビットストリームは、プロセッサ２１４により処理され、これにより、血液の流れに対応する可聴及び視覚的な出力がユーザに提供される。
【００４６】
高精度Ａ／Ｄコンバータ３５０により、簡単かつ１ステージからなる高域通過フィルタ３４２及び３４４を使用することができる。先に説明されたように、ＣＷドップラー処理回路３００のディファレンシャル動作により、大幅に簡略化された固定周波数のフィルタを従来の複雑なプログラマブルフィルタの代わりに使用することができる。
【００４７】
２４ビット能力のＡ／Ｄコンバータ３５０により、Ａ／Ｄコンバータ３５０は、コネクション３４６及び３４８の信号のワイドダイナミックレンジのような、極端に広いダイナミックレンジを扱うことができる。
【００４８】
本発明の好適な実施の形態に対して多くの変更及びバリエーションは、先に説明されたように、本発明の原理から逸脱することなしに実施される場合があることは当業者にとって明らかである。たとえば、本発明は、様々な超音波トランスデューサアレイ技術及び異なるビーム成形方法論と共に使用することができる。さらに、本発明は、先に説明されたような特定の周波数、サンプリングレート、及びＡ／Ｄコンバータの仕様に限定されるものではない。かつ変更及びバリエーションは、特許請求の範囲に定義されるような本発明の範囲に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の超音波システムを例示する概念図である。
【図２】本発明の態様に従って構築される超音波システムを例示するブロック図である。
【図３】図２のＣＷドップラー処理回路を例示する回路図である。
【図４Ａ】図３の同相ミキサの可能な出力を集合的に例示する波形図である。
【図４Ｂ】図３の直交位相ミキサの可能な出力を集合的に例示する波形図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【国際調査報告】
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