(57)【要約】【課題】ドプラ法では、流れのビーム方向の速度成分しか分からない。【解決手段】観測面領域１００内の流れが、該領域１００内で循環する渦流１１０と、それ以外である基本流１２０とに分離できると仮定する。ドプラ法の装置で求めた各点のビーム方向速度成分をビームに直交する経路に沿って積分することで流量関数を計算する。その経路に沿ってビーム方向速度成分の正の値のみの積分値と負の値のみの積分値とを求め、両者のうち小さい方を渦流１１０の流量と見なす。両者のうち大きい方に対する渦流１１０の流量の割合から、渦流１１０のビーム方向の速度成分を求める。渦流１１０は２次元流と見なせ、この成分の値から渦流１１０の流れ関数が、更に流れ関数からビームに直交する方向の渦流１１０の速度成分が、計算できる。また流れ関数を流量関数から引くことで基本流流量関数が求められ、これから基本流の各方向の速度成分が求められる。【選択図】図２
2008142559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測波ビームによる観測面領域の走査で得られたビーム方向速度成分を、該観測面領域内のビーム方向に直交する各積分経路に沿って積分することにより、各積分経路上の各点での流量関数の値を求める手段と、
前記積分経路全体にわたってビーム方向速度成分のみを積分することにより該積分経路を横切る総流量を求め、前記各積分経路についての前記総流量をビーム方向の距離の関数として示す距離流量関数を求める手段と、
前記積分経路上で正の値を持つビーム方向速度成分のみを積分した正方向流量と、該積分経路上で負の値を持つビーム方向速度成分のみを積分した負方向流量とを計算する手段と、
前記積分経路についての正方向流量と負方向流量のうち小さい方を、前記観測面領域内で循環する流れ成分である渦流成分の流量と見なし、それら正方向流量と負方向流量のうち大きい方に対する該渦流成分の流量の大きさの割合を計算する手段と、
前記割合に基づき、前記ビーム方向速度成分を、前記渦流成分の速度成分であるビーム方向渦流速度成分と、前記渦流成分以外の成分である基本流成分の速度成分であるビーム方向基本流速度成分と、に分解する手段と、
２次元流の流れ関数の関係式を用いて、前記観測面領域内各点の前記ビーム方向渦流速度成分から、それら各点の前記渦流成分による流れ関数の値を求める手段と、
前記各点の前記渦流成分による流れ関数の値に基づき、前記渦流成分による前記ビーム方向に直交する方向の速度成分である直交方向渦流速度成分を計算する手段と、
前記流量関数の値から前記渦流成分による流れ関数の値を減算することで、前記基本流成分による基本流量関数の値を求める手段と、
前記基本流量関数と前記ビーム方向基本流速度成分とに基づき、前記基本流成分による前記ビーム方向に直交する方向の速度成分である直交方向基本流速度成分を計算する手段と、
前記直交方向渦流速度成分と前記直交方向基本流速度成分とを加算することで、前記観測面領域内の流れの、前記ビーム方向に直交する方向の速度成分である直交方向速度成分を計算する手段と、
を備える流れの観測装置。
【請求項２】
前記ビーム方向速度成分と前記直交方向速度成分とを各方向の成分とする２次元速度ベクトルを計算し、前記観測面領域内の各点の２次元速度ベクトルを求める手段、を更に備える請求項１記載の流れの観測装置。
【請求項３】
前記２次元速度ベクトルを表示する手段、を更に備える請求項２記載の流れの観測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波等の観測波で２次元の観測面領域を走査することで得たドプラ速度の情報から、観測面内の流れの情報を求めるための観測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
カラードプラ法による血流計測法は、無侵襲にかつ実時間で２次元的な血流情報が得られるという特徴をもつため、必須の臨床検査法となっている。
【０００３】
しかし、従来のドプラ法で計測できる速度は超音波ビーム方向の速度成分のみであり、この速度成分の大きさは超音波ビームと実際の２次元的な血流速度ベクトルとのなす角度に依存する。この角度依存性はドプラ法の原理的な制約である。
【０００４】
Ｂモード像から血管走行が推定できる頚動脈検査のような場合は、ビームと血流方向とのなす角度を手動で計測し、角度補正して血流速度を求めることも可能である。しかし、これは特殊なケースであり、心臓内の流れのような一般的な場合には、血流方向が分からないため、このような角度補正の手法は適用できない。
【０００５】
また、循環器分野でよく用いられるセクタ走査や、腹部領域で多用されるコンベックス走査では、流れの方向が一定であっても流れの方向とビームのなす角度がビームごとに異なるので、計測されるドプラ速度はビームごとに異なるという問題もある。
【０００６】
また非特許文献１は、超音波ドプラ法による種々の速度ベクトル計測法をレビューしている。この文献には、これまでに提案されてきた速度ベクトル計測法は、方向の異なる複数のビームを用いる方法（クロスビーム法）と、ＲＦ信号の相互相関処理で、直接、血流の変位を計測する手法の２つに大別できるとしている。
【０００７】
しかしながら、非特許文献１に示される各従来手法は、いずれも装置構成が大規模化したり、計算が複雑化したりするという問題がある。
【０００８】
また、特許文献１には、流れの振る舞いについて制約を仮定することで、シングルビームのドプラ法により求められるビーム方向速度成分の情報から観測面内の面内流線を推定する方法が開示されている。この方法では、ドプラ速度分布を所定の規則に従った積分経路で積分することで流れ関数を拡張したドプラ流量関数を求める。また、この流量関数をもとにビーム発生位置に対し同一距離となる線を横切る流量を各距離毎に求め、この流量の距離による変化を示すドプラ流量距離関数を求める。この流量距離関数を観測面内の流れである境界線流量距離関数と、観測面への３次元的な流出入を表す境界面流量距離関数とに分離し、後者を所定流量幅の階段状関数に近似することで、観測面に対する湧出点と吸込点の位置を決める。そして、この湧出と吸込が示す流線源流量関数を平滑化したものをドプラ流量関数から減算し、この減算結果にバイアスを加えてできた面内流量関数に平滑化しない流線源流量関数と加算し、これによってできた量子化流量関数の等レベル線を観測面内の面内流線として求めている。
【０００９】
また、特許文献２には、特許文献１と同様の方法で、観測面内の湧出点及び吸込点の位置を決定し、湧出点から吸込点へと延びる流量関数の等レベル線を面内流線として表示する方法が開示されている。
【００１０】
特許文献１及び２に開示された各方法は、３次元的な流出入の成分を湧出点及び吸込点という形で量子化しているが、この量子化処理が妥当でないと妥当な面内流線を表示できず、そのような妥当な量子化を行うことはかなり困難であるという問題があった。
【００１１】
【非特許文献１】ダンマイヤ(Dunmire)，ビーチ(Beach)，「ア・ブリーフ・ヒストリー・オブ・ベクター・ドップラー(A brief history of vector Doppler)」，メディカル・イメージング２００１：ウルトラソニック・イメージング・アンド・シグナル・プロセッシング(Medical Imaging 2001:Ultrasonic Imaging and Signal Processing)，プロシーディングズ・オブ・ＳＰＩＥ(Proceedings of SPIE)，アメリカ合衆国，ザ・インターナショナル・ソサエティ・オブ・オプティカル・エンジニアリング(The International Society of Optical Engineering)，２００１年５月，第４３２５巻，ｐ．２００−２１４
【特許文献１】特開平１１−８３５６４号公報
【特許文献２】特許第３３０９０６７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、シングルビームのドプラ法により求められるビーム方向速度成分の情報しか与えられないという制約の下で、実用上ある程度妥当な観測面内の流れの様子を求めることができるようにすることを目的とする。すなわち、本発明は、上述の制約の下では流れの様子を理論的に完全に正しく求めるのは不可能であることを認めた上で、その制約の下で実用的な利用が見込める流れの情報を求めることができる手法・装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る装置は、観測波ビームによる観測面領域の走査で得られたビーム方向速度成分を、該観測面領域内のビーム方向に直交する各積分経路に沿って積分することにより、各積分経路上の各点での流量関数の値を求める手段と、前記積分経路全体にわたってビーム方向速度成分を積分することにより該積分経路を横切る総流量を求め、前記各積分経路についての前記総流量をビーム方向の距離の関数として示す距離流量関数を求める手段と、前記積分経路上で正の値を持つビーム方向速度成分を積分した正方向流量と、該積分経路上で負の値を持つビーム方向速度成分のみを積分した負方向流量とを計算する手段と、前記積分経路についての正方向流量と負方向流量のうち小さい方を、前記観測面領域内で循環する流れ成分である渦流成分の流量と見なし、それら正方向流量と負方向流量のうち大きい方に対する該渦流成分の流量の大きさの割合を計算する手段と、前記割合に基づき、前記ビーム方向速度成分を、前記渦流成分の速度成分であるビーム方向渦流速度成分と、前記渦流成分以外の成分である基本流成分の速度成分であるビーム方向基本流速度成分と、に分解する手段と、２次元流の流れ関数の関係式を用いて、前記観測面領域内各点の前記ビーム方向渦流速度成分から、それら各点の前記渦流成分による流れ関数の値を求める手段と、前記各点の前記渦流成分による流れ関数の値に基づき、前記渦流成分による前記ビーム方向に直交する方向の速度成分である直交方向渦流速度成分を計算する手段と、前記流量関数の値から前記渦流成分による流れ関数の値を減算することで、前記基本流成分による基本流量関数の値を求める手段と、前記基本流量関数と前記ビーム方向基本流速度成分とに基づき、前記基本流成分による前記ビーム方向に直交する方向の速度成分である直交方向基本流速度成分を計算する手段と、前記直交方向渦流速度成分と前記直交方向基本流速度成分とを加算することで、前記観測面領域内の流れの、前記ビーム方向に直交する方向の速度成分である直交方向速度成分を計算する手段と、を備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、観測はビームの走査により得られるビーム方向速度成分の情報から、ビーム方向に直交する方向の速度成分である直交方向速度成分を計算することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態と呼ぶ）について説明する。
［実施形態の処理の原理］
［１］観測面内の血流速度ベクトル
【００１６】
まず図１を参照して、流れの速度成分について説明する。この図は、リニア走査方式を想定した場合の図であり、ｘ方向が超音波ビーム方向を、ｘｙ平面がリニア走査の断層面を示している。
【００１７】
実際の血流速度Ｖ(x,y,z)は３次元ベクトルであるが、このベクトルＶは、次式（１）に示すように、カラードプラ画像の断層面（以下、観測面と呼ぶ）の２次元ベクトルＵ(x,y)と、観測面に垂直方向（z方向)の速度成分ｗとに分解できる。
【数１】
2008142559.tif 000003
ここで、ｅzは観測面に垂直方向の単位ベクトルである。
【００１８】
そして、観測面内の２次元速度ベクトルＵ(x,y)は、さらに、次式（２）に示すように、ビーム方向の成分ｕ(x,y)とビームに直角方向の成分ｖ(x,y)とに分けることができる。
【数２】
2008142559.tif 000004
ここで、ｅxは超音波ビーム方向の単位ベクトルであり、ｅyはビームに直交する方向の単位ベクトルである。
【００１９】
以下、観測面領域内の２次元血流速度ベクトルＵの推定法について説明する。なお、以下で言う「観測面領域」は、無限の平面ではなく、超音波ビームの走査範囲である有限の面領域である。
［２］観測面領域内の流れの分離：渦流と基本流
【００２０】
図２に示すように、本実施形態では、観測面領域１００内の流れが、有限の観測面領域１００内のみの流れである「渦流」１１０と、観測面領域１００を通して該領域１００外の領域との間での流出及び流入がある「基本流」１２０とに分解される、と仮定する。
【００２１】
「渦流」及び「基本流」は、本実施形態の概念を説明するために導入した概念である。すなわち、この流れの分解では、観測面領域１００内の流れには、該領域１００内で閉じて循環する流れの成分が存在すると仮定し、そのような面内循環流の成分を「渦流」１１０と名付ける。このように本実施形態の「渦流」１１０は、流体力学における「渦(vortex)」とはまったく独立した概念なので、注意されたい。そして、観測面領域１００内の流れ全体から渦流１１０を除いた残りを、「基本流」１２０と呼ぶ。したがって、基本流１２０は、観測面領域１００内に対して３次元的に流出入する成分と、観測面領域１００と同一平面内の、該領域１００の外部との間で流出入する成分とを含んでいる。
【００２２】
従来の特許文献１及び２の方法では、流量距離関数（本実施形態の距離流量関数と同じもの）を階段状関数に近似し、階段のステップの位置に湧出又は吸込が存在すると仮定することで、観測面領域１００に対する３次元的な流出入の成分を量子化近似した。これに対し本実施形態では、そのような３次元成分の量子化近似を行うのではなく、観測面領域１００内の流れが、その面領域１００内のみで閉じた流れである渦流１１０とそれ以外の基本流１２０との重ね合わせであると捉えるわけである。
【００２３】
このように観測面領域１００内の流れを渦流１１０と基本流１２０とに分解した場合、式（２）のビーム方向の速度成分ｕ(x,y)は、次式（３）のように、渦流１１０が担う速度成分ｕs(x,y)と、基本流１２０が担う速度成分ｕb(x,y)との和で表される。
【数３】
2008142559.tif 000005
【００２４】
同様に、式（２）におけるビームに直交する方向の速度成分ｖ(x,y) も、次式（４）のように、渦流１１０による成分ｖs(x,y)と基本流１２０による成分ｖb(x,y)との和で表される。
【数４】
2008142559.tif 000006
【００２５】
超音波ドプラ法で直接、観測できるのはビーム方向の速度成分ｕ(x,y)のみである。本実施形態では、このビーム方向速度成分ｕ(x,y)の情報に基づき、いくつかの仮定をすることでビーム方向の渦流１１０の速度成分ｕs(x,y)を推定する。そして、求めた渦流１１０の速度成分ｕs(x,y)を利用することで、さらにビームと直交する速度成分のうちの渦流１１０の成分ｖs(x,y)、および基本流１２０の成分ｖb(x,y)を推定する。これら各成分の推定法を、以下に説明する。
［３］ ビーム方向の渦流の速度成分ｕs(x,y)の推定
イ）流れ関数
【００２６】
２次元の非圧縮性流体は、流れ関数を用いて流れの状態を記述できる。ここで観測面内の渦流１１０が２次元の非圧縮性流体の流れであると仮定すると、渦流１１０のビーム方向の速度成分ｕsと、ビームに直交方向の速度成分ｖsは、流れ関数Ｓ(x,y)を用いて、次式（５）及び（６）で表すことができる（図３参照）。
【数５】
2008142559.tif 000007
【数６】
2008142559.tif 000008
したがって、渦流１１０のビーム方向の速度成分ｕsが分かれば（ｕsの推定法は次に述べる）、流れ関数Ｓは次式（７）から求められる。
【数７】
2008142559.tif 000009
ロ）流量関数と距離流量関数
【００２７】
以上に説明した流れ関数Ｓ(x,y)は２次元流に関するものである。本実施形態では、この流れ関数Ｓの考え方を３次元流の中の観測面内の流れに拡張した、流量関数Ｆ(x,y)を用いる。流量関数Ｆ(x,y)は、式（７）と同様に、ドプラ法により求めることができるビーム方向の速度成分ｕ(x,y)を、ビームに直交する方向（ｙ方向）に沿って積分することにより計算する。すなわち、流量関数Ｆ(x,y)は次式（８）で定義される。
【数８】
2008142559.tif 000010
【００２８】
ここでは、図４の（ａ）に示すように、観測面領域１００内に、ビーム方向に平行にｘ軸を、ビーム方向に直交する方向にｙ軸をとっている。そして、ビーム走査範囲は[ｙ1,ｙ2]で示される範囲とする。式（８）の積分は、（ａ）において、ｙ軸からの距離がｘである直線の積分経路２００に沿って、ｕ(x,y)をｙ＝０からｙ＝ｙまで積分する処理である。数値計算では、この積分は、ドプラ法で求められる各点(x,y)のビーム方向速度成分ｕの値を、その積分経路２００に沿ってｙ＝０からｙ＝ｙまで足し合わせることにより行う。積分経路２００に沿った各点(x,y)のビーム方向速度成分ｕの分布が曲線２１０であるとすると、その積分経路２００に沿った流量関数Ｆ(x,y)は図４の（ｂ）における曲線２２０で示される。
【００２９】
また、ビーム方向に沿って距離ｘの位置にある積分経路２００において、ビーム方向の速度成分ｕをビーム走査範囲[ｙ1,ｙ2]に渡って距離積分した値を、距離流量関数Ｆr(x)と定義する。すなわち、距離流量関数Ｆr(x)は次式（９）で示すことができる。
【数９】
2008142559.tif 000011
距離流量関数Ｆr(x)は、距離ｘの位置でのビーム方向に垂直な直線を横切る流量（ただしビーム方向速度成分ｕのみによるもの）の総計を示す。図４の（ｃ）は、距離流量関数Ｆr(x)の曲線２３０の例を示している。
【００３０】
以上に説明した流量関数及び距離流量関数は、特許文献１及び２における「流量関数」及び「流量距離関数」と同じ考えに基づくものである。
ハ）渦流成分の流量の推定
【００３１】
次に、このように求めた距離流量関数Ｆr(x)から渦流の成分による流量を計算する。このために、距離流量関数Ｆr(x)を、次式（１０）に示すように、ｕの正の成分であるｕ+からの寄与Ｆr+と、ｕの負の成分であるｕ-からの寄与Ｆr-とに分解する。
【数１０】
2008142559.tif 000012
【００３２】
ここで、渦流１１０の流れ関数Ｓを求めるとき、ｕsの正の成分ｕs+からの寄与Ｓ+と、ｕsの負の成分ｕs-からの寄与Ｓ-とに分解する。観測面領域１００内の渦流１１０は２次元流と考えられ、しかも定義上観測面領域１００の外周の境界線を介して外部との間で流出入がないため、観測面領域１００を横切る経路の端点からもう一方の端点までｕsを積分すれば、その結果はゼロとなる（図３の（ｂ））。従って、次式（１１）の関係が成り立つ。
【数１１】
2008142559.tif 000013
【００３３】
ここで、観測面領域１００内の流れのうち、渦流１１０の成分が最大であると仮定する。すなわちここでは、ｙ軸から見て距離ｘの経路２００上の流量関数Ｆ(x,y)の曲線において、該経路２００全体での総流量（すなわち距離流量Ｆr(x)）とは逆向きの流れとなっている区間の流量は、すべて渦流１１０によるものと仮定する。
【００３４】
この仮定を、図５を用いて説明する。経路２００上のビーム方向速度成分ｕの分布が、（ａ）の曲線３００に示すようなものであったとすると、この経路２００を横切る流れは経路全体で見ればｘ軸の正の方向であるといえる。ここで、この流れのうち、観測面領域１００内で循環している渦流１１０による流量成分は経路２００全体で総計すれば零になるので、総流量Ｆr(x)は基本流１２０によるものと言える。そして、基本流１２０の流れ方向がその径路２００の全域にわたって同一方向（すなわち総流量の方向）であるとし、これとは逆向きの流れはすべて渦流１１０によるものであると仮定する。すなわち図５の（ａ）で言えば、ｕが負の区間の流量は、渦流１１０によるものとする。
【００３５】
なお、この場合、必然的に、総流量の向きと同一方向の流れ成分による流量よりも、その「逆向きの流れ」の成分による流量の方が小さいものとなる。
【００３６】
したがって、この仮定の下では、次の関係式（１２）が成り立つ。
【数１２】
2008142559.tif 000014
【００３７】
ここで図５の例のように流量距離関数Ｆr(x)が正の場合（（ｂ）参照）には、−Ｆr-の値がＦr+の値より小さい（ここでは絶対値同士を比較している）ので、次式（１３）及び（１４）が成り立つ。
【数１３】
2008142559.tif 000015
【数１４】
2008142559.tif 000016
【００３８】
これは、負方向の流れが渦流１１０によるものと見なした場合である。すなわち、この場合図５の（ｂ）に示すように、負方向の流れによる流量Ｆr-が、渦流１１０の負方向の成分ｕs-による寄与Ｓ-と等しくなる。ここで、正の流量Ｆr+に対する渦流の正の流量Ｓ+の割合ｋ+を、次式（１５）で定義する。
【数１５】
2008142559.tif 000017
【００３９】
なお、ここではＦr+及びＦr-は既知なので、式（１３）からＳ+の値が決まり、式（１５）により割合ｋ+の値が決まる。
【００４０】
一方、Ｆr(x)が負またはゼロの場合には、Ｆr+が−Ｆr-より小さいか等しいので、次式（１６）及び（１７）が成り立つ。
【数１６】
2008142559.tif 000018
【数１７】
2008142559.tif 000019
【００４１】
これは、正方向の流れが渦流１１０によるものと見なした場合である。この場合は、正方向の流れによる流量Ｆr+が、渦流１１０の正方向の成分ｕs+による寄与Ｓ+と等しくなる。ここで、負の流量Ｆr-に対する渦流の負の流量Ｓ-の割合ｋ-を、次式（１８）で定義する。この割合ｋ-の値も、上述の割合ｋ+の値と同様の考え方で求めることができる。
【数１８】
2008142559.tif 000020
ニ）ビーム方向の渦流速度成分ｕs(x,y)及びビーム方向の基本流速度成分ｕb(x,y)の推定
【００４２】
ここでは、推定のために、観測面領域１００内で湧出や吸込が一様に発生していると仮定する。
【００４３】
まず、図５に示したように、流量距離関数Ｆr(x)が正の場合について説明する。この場合、上記の仮定の下では、式（１５）の割合ｋ+は、ビーム方向の速度成分ｕに対する正の場合の渦流速度成分ｕsとの割合になる。すなわち、次式（１９）が成り立つ。
【数１９】
2008142559.tif 000021
【００４４】
したがって上記式（３）から、ビーム方向の基本流１２０の速度成分ｕbが次式（２０）で表される。
【数２０】
2008142559.tif 000022
【００４５】
以上の計算では、図５の（ｃ）に示されるように、正の範囲にあるビーム方向速度成分ｕを、渦流１１０による成分と基本流１２０による成分とに比例配分していることになる。すなわち、図５の（ｃ）では、破線の曲線３０５が渦流１１０の成分を示し、曲線３００と曲線３０５との差分が基本流１２０の成分を示している。
【００４６】
以上、流量距離関数Ｆr(x)が正の場合について説明したが、流量距離関数Ｆr(x)が負又は０の場合同様に考えることができる。すなわち、負の流量Ｆr-に対する渦流の負の流量Ｓ-の割合ｋ-から、ビーム方向の渦流及び基本流の速度成分ｕs及びｕbは、次の式（２１）及び（２２）で表される。
【数２１】
2008142559.tif 000023
【数２２】
2008142559.tif 000024
［４］ビームと直交する方向の渦流の速度成分ｖs(x,y)の推定法
【００４７】
式（１９）または（２１）式で求めたｕsを用いることで、式（７）から流れ関数Ｓ(x,y)を求めることができる。そして、求めた流れ関数Ｓを用いることで、式（６）から渦流１１０のビームに直交方向の速度成分ｖs(x,y)を求めることができる。
［５］基本流のビームに直交する方向の速度成分ｖbの推定
【００４８】
基本流１２０についての基本流量関数Ｆbを次式（２３）で定義する。
【数２３】
2008142559.tif 000025
【００４９】
すなわち基本流量関数Ｆbは、ビーム方向速度成分ｕから求めた流量関数Ｆから、渦流１１０の流量を示す流れ関数Ｓを減算したものである。
【００５０】
距離ｘごとにこの基本流量関数Ｆbが全体（すなわちＦr(x)）の５０％となる点を求めてつないだ曲線を、基本流の中央流線と定義する（図６参照）。図６に示すように中央流線４００を等レベル線で表示するために、各距離ごとに距離流量関数Ｆr(x)が単位流量となるように、次式（２４）に従って基本流量関数を正規化する。
【数２４】
2008142559.tif 000026
【００５１】
この関数の等レベル線が基本流１２０の流線になる。すなわち、例えばＦbn＝０．２を満足する点を繋げば、流量がＦr(x)の２０％となる流線４１０となる。
【００５２】
図７に示すように、観測面領域１００上の点Ｐでの基本流１２０の速度ベクトルＱは、点Ｐを通る基本流の流線４３０の接線ベクトルとなる。したがって、点Ｐでの流線４３０の接線方向とビーム方向とのなす角度をθとすると、点Ｐでの基本流１２０のビーム方向に直交する速度成分ｖbは次式（２５）で与えられる。
【数２５】
2008142559.tif 000027
【００５３】
式（２５）において、ｕbはすでに式（２０）又は（２２）から既知である。また、当該点ＰにおけるＦbnの値を求め、それと同じＦbn値を持つ点Ｐ近傍の点を求めれば、角度θは分かる。従って、式（２５）によりｖbの値を求めることができる。
【００５４】
以上、超音波ドプラ法で得られるビーム方向の速度成分ｕから、渦流１１０の速度成分(ｕs,ｕb)と基本流１２０の速度成分(ｖs,ｖb)を推定する方法を示した。これらが分かれば、式（４）からビームに直交する方向の速度成分ｖ(x,y)を求めることができる。
【００５５】
ビームに直交する方向の速度成分ｖ(x,y)が分かれば、これをドプラ法によるビーム方向速度成分ｕと組み合わせることで、観測面領域１００内の点における面内流れの２次元速度ベクトルが分かる。
【００５６】
以上、リニア走査の場合を例にとって説明したが、セクタ走査やコンベックス走査の場合は極座標系にて上記と同様の考え方の演算を行うことで、観測面領域内の各点での面内流れの２次元速度ベクトルを求めることができる。極座標系では、ビーム方向が径方向であり、ビームに直交する方向が円周方向となる。どのような走査方式の場合でも、ある点（仮に点Ａとする）の流量関数Ｆは、その点を通る「ビーム方向に直交する経路」（言い換えれば、ビーム方向についての距離が同一である点を繋げた経路。セクタ走査の場合は半径に垂直な円弧）に沿って、観測面領域の所定の端辺上の該経路上の点からその点Ａまで、該経路上の各点のビーム方向速度成分を順次加算していくことにより求めることができる。また、距離流量関数は、ビーム方向の距離が異なる各積分経路での総流量（すなわち該経路の全区間にわたる積分結果）を、距離の関数として表したものである。
［装置の構成］
【００５７】
上記の方法を実装した超音波診断装置の装置構成の例を図８に示す。図８に示した装置構成において、速度ベクトル演算部５１６が上記の方法による２次元速度ベクトル演算を行う機能モジュールであり、他の構成要素は、従来一般的な超音波診断装置の構成要素と同等のものでよい。
【００５８】
この装置では、操作パネル５００からの操作に応じた制御部５０２からの制御に従い送信部５０４にて送信信号を生成し、この送信信号によりプローブ５０６中の振動子アレイを駆動して、被検体６００内に超音波パルスのビームを送信する。そして、このビームの被検体６００内からのエコーをプローブ５０６で受信し、電気的な受信信号を生成する。この受信信号は受信部５０８で所定の信号処理を受けた上で、Ｂモード演算部５１０、カラードプラ演算部５１２及びスペクトルドプラ演算部５１６に入力される。これらは、Ｂモードデータ、カラードプラデータ（すなわち各点のビーム方向速度成分）、及びスペクトルドプラデータをそれぞれ計算する。
【００５９】
速度ベクトル演算部５１６は、カラードプラ演算部５１２で求められた各点のビーム方向速度成分の値から、上述の方法に従った演算処理を実行することにより、それら各点の２次元速度ベクトルを計算する。すなわち図８の構成では、カラードプラ演算部５１２の出力のラインデータを少なくとも１フレーム分記憶しておき、これを速度ベクトル演算部５１６により上述の方法に基づいて演算処理する。速度ベクトル演算部５１６は、ソフトウエア処理で実現することもできるが、上記方法に基づく演算処理を回路的に実装したＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）として実現することで、よりリアルタイム性の高い処理が可能になる。
【００６０】
画像表示処理部５１８は、このように求められたＢモードデータ、カラードプラデータ、スペクトルドプラデータ、及び２次元速度ベクトルデータを用いて診断用の表示画像を形成する。この画像の形成処理では、Ｂモードデータやカラードプラデータ、２次元速度ベクトルデータについては、セクタ走査等、各種の超音波ビーム走査フォーマットに応じた走査変換を行う。走査変換により表示部５２０の画像フォーマットに合わせられた各演算部５１０〜５１６による各種診断画像が、診断画像モードの設定に従って適宜組み合わされることで、表示画像が形成され、表示部５２０に表示される。この表示では、Ｂモード画像やカラードプラ画像に、２次元速度ベクトルの分布を重ねて表示することもできる。
【００６１】
図９は、別の装置構成を示す図である。図８において、図９に示した構成要素に相当する機能を果たす構成要素には、図８と同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６２】
図８の構成では速度ベクトル演算部５１６が走査変換前のカラードプラの情報から２次元速度ベクトルを計算したのに対し、この図９の構成では、速度ベクトル演算部５３２は、画像表示処理部５３０にて表示部５２０の画像フォーマットに合わせて走査変換された後の各点のカラードプラデータに基づき、上述の方法に従った演算処理により各点の２次元速度ベクトルを計算する。そして、このように計算された各点の２次元速度ベクトルの画像が、ユーザが指示した診断画像モードに従い必要に応じてＢモード画像やカラードプラ画像と重畳され、表示部５２０に表示される。なお、速度ベクトル演算部５３２は、ＤＳＰ等のハードウエアにより実現してもよいし、ソフトウエア処理により実現してもよい。ソフトウエア処理の場合、オンライン処理でもオフライン処理でもよい。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態の装置によれば、クロスビーム等の複雑な構成の探触子でない通常の探触子で求めたカラードプラ画像データから、２次元血流速度を示すベクトルを求め、表示することができる。流体力学の理論では、通常の超音波診断装置で求められるビーム方向の速度成分のみでは確かにそれと直交する方向の速度成分を求めることは不可能であるが、本実施形態の手法では、いくつかの仮定をおくことでビームに直交する方向の速度成分を求めることを可能としている。特に、観測面領域内の流れが、該領域内で循環する閉じた渦流とそれ以外である基本流との重ね合わせであると仮定し、さらに観測面領域の流れにおいて渦流成分が最大であると仮定することで、流量関数Ｆ(x,y)から渦流成分を抽出することができる。そして、渦流成分は２次元の観測面領域内で閉じた流れなので２次元の流れ関数の考え方を適用することができ、これにより渦流についての２次元的な流れを求めることができる。そして、この渦流成分についての計算結果を利用することで、基本流成分についても２次元的な流れを計算することができる。
【００６４】
本実施形態の装置を利用すれば、例えば心臓内の流速ベクトル分布から、異常血流の性状が客観的かつ定量的に評価できる。また、心筋疾患では心筋機能の良否の判定に有効である。また、２次元速度ベクトルが求められるので、心臓のポンプ機能の定量評価に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】３次元の血流速度ベクトルの分解を説明するための図である。
【図２】観測面領域内の流れの分解を説明するための図である。
【図３】観測面領域内の渦流と流れ関数との関係を説明するための図である。
【図４】流量関数及び距離流量関数を説明するための図である。
【図５】渦流成分と基本流成分への分解を説明するための図である。
【図６】基本流成分の流線を説明するための図である。
【図７】基本流の速度ベクトルの求め方を説明するための図である。
【図８】本発明に係る超音波診断装置の構成の一例を示す図である。
【図９】本発明に係る超音波診断装置の構成の別の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１００  観測面領域、１１０  渦流、１２０  基本流、５００  操作パネル、５０２  制御部、５０４  送信部、５０６  プローブ、５０８  受信部、５１０  Ｂモード演算部、５１２  カラードプラ演算部、５１４  スペクトルドプラ演算部、５１６  速度ベクトル演算部、５１８  画像表示処理部、５２０  表示部。
【図１】
2008142559.tif 000028
【図２】
2008142559.tif 000029
【図３】
2008142559.tif 000030
【図４】
2008142559.tif 000031
【図５】
2008142559.tif 000032
【図６】
2008142559.tif 000033
【図７】
2008142559.tif 000034
【図８】
2008142559.tif 000035
【図９】
2008142559.tif 000036
【手続補正書】
【提出日】平成20年1月31日(2008.1.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測面領域に設定された複数の積分経路のそれぞれについて、当該積分経路を観測波ビームの送受信により得られたドプラ速度成分が正である範囲と負である範囲とに分け、それら各範囲のうちドプラ速度成分の積分結果の絶対値が小さい方を前記観測面領域内で循環する流れ成分である渦流成分に対応する範囲と判定する判定手段と、
前記複数の積分経路のそれぞれについて、当該積分経路のうち前記判定手段が前記渦流成分に対応すると判定した範囲のドプラ速度成分に基づき、前記渦流成分の流れ関数を算出する流れ関数算出手段と、
を備える流れの観測装置。
【請求項２】
前記流れ関数算出手段は、
前記複数の積分経路のそれぞれについて、当該積分経路のうち前記判定手段が前記渦流成分に対応すると判定した範囲内のドプラ速度成分を、前記範囲内における前記渦流成分のビーム方向速度成分と決定し、当該積分経路のうち前記範囲以外の部分における前記渦流成分のビーム方向速度成分を、前記範囲以外の部分での前記ビーム方向速度成分の積分結果が前記範囲内の前記ビーム方向速度成分の積分結果と等しくなるように決定し、決定した前記範囲内及び前記範囲以外の部分の前記ビーム方向速度成分に基づき、前記渦流成分の前記流れ関数を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の流れの観測装置。
【請求項３】
前記流れ関数算出手段が求めた流れ関数に基づき、前記渦流成分の速度成分のうち前記ビーム方向速度成分と直交する直交方向速度成分を求める手段、を更に備える請求項１又は２に記載の流れの観測装置。
【請求項４】
前記観測波ビームとして超音波ビームを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の流れの観測装置。
【請求項５】
観測対象となる流れは心臓内の血流であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の流れの観測装置。
【請求項６】
コンピュータを、
観測面領域に設定された複数の積分経路のそれぞれについて、当該積分経路を観測波ビームの送受信により得られたドプラ速度成分が正である範囲と負である範囲とに分け、それら各範囲のうちドプラ速度成分の積分結果の絶対値が小さい方を前記観測面領域内で循環する流れ成分である渦流成分に対応する範囲と判定する判定手段、及び、
前記複数の積分経路のそれぞれについて、当該積分経路のうち前記判定手段が前記渦流成分に対応すると判定した範囲のドプラ速度成分に基づき、前記渦流成分の流れ関数を算出する流れ関数算出手段、
として機能させるためのプログラム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明に係る装置は、観測面領域に設定された複数の積分経路のそれぞれについて、当該積分経路を観測波ビームの送受信により得られたドプラ速度成分が正である範囲と負である範囲とに分け、それら各範囲のうちドプラ速度成分の積分結果の絶対値が小さい方を前記観測面領域内で循環する流れ成分である渦流成分に対応する範囲と判定する判定手段と、前記複数の積分経路のそれぞれについて、当該積分経路のうち前記判定手段が前記渦流成分に対応すると判定した範囲のドプラ速度成分に基づき、前記渦流成分の流れ関数を算出する流れ関数算出手段と、を備える。
本発明の１つの態様では、前記流れ関数算出手段は、前記複数の積分経路のそれぞれについて、当該積分経路のうち前記判定手段が前記渦流成分に対応すると判定した範囲内のドプラ速度成分を、前記範囲内における前記渦流成分のビーム方向速度成分と決定し、当該積分経路のうち前記範囲以外の部分における前記渦流成分のビーム方向速度成分を、前記範囲以外の部分での前記ビーム方向速度成分の積分結果が前記範囲内の前記ビーム方向速度成分の積分結果と等しくなるように決定し、決定した前記範囲内及び前記範囲以外の部分の前記ビーム方向速度成分に基づき、前記渦流成分の前記流れ関数を算出する、ことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明によれば、観測波ビームの走査により得られるドプラ速度成分の情報から、観測面領域内で循環する流れ成分である渦流成分の流れ関数を計算することができる。