(57)【要約】【課題】観測面上における閉じた流れとしての渦流を定量的に評価できるようにする。【解決手段】ベクトル演算部２６は血流全体及び渦流のそれぞれについて各点の二次元速度ベクトルを演算する。エネルギー演算部３０は、血流全体及び渦流のそれぞれについて運動エネルギーの総和を演算する。比率演算部３４は渦流についての運動エネルギーの総和を血流全体についての運動エネルギーの総和で除することにより比率を演算する。グラフ作成部３２，３６は渦流についての運動エネルギーあるいは渦流についての規格化された運動エネルギーを表すグラフを作成する。【選択図】図１
2009297120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体内の観測面に対する超音波の送受波により得られたドプラ情報に基づいて、前記観測面上に存在する渦流についての速度ベクトル群を演算する手段と、
前記渦流についての速度ベクトル群に基づいて、前記渦流についての運動エネルギーの総和を演算する手段と、
を含むことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記渦流についての運動エネルギーの総和の時間変化を表すグラフを作成する手段を含む、ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の装置において、
前記ドプラ情報に基づいて、前記観測面上に存在する血流全体についての速度ベクトル群を演算する手段と、
前記血流全体についての速度ベクトル群に基づいて、前記血流全体についての運動エネルギーの総和を演算する手段と、
前記渦流についての運動エネルギーの総和を、前記血流全体についての運動エネルギーの総和によって規格化することにより、比率情報を演算する手段と、
を含むことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
請求項３記載の装置において、
前記比率情報の時間変化を表すグラフを作成する手段を含む、ことを特徴とする超音波診断装置。
【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、血流中の渦流を観測する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置では、例えば心臓内の血流における各点からドプラ情報（速度情報）が取得され、それらを二次元マッピングすることにより二次元血流画像が構成される。これはカラードプラ法あるいはカラーフローマッピング法といわれている。一般の超音波診断装置において表示される速度は、血流の真の速度ではなく、ビーム方向に沿った速度成分である。特許文献１には、走査面上の各点において演算された速度（ビーム方向速度成分）から二次元速度ベクトルを推定する方法が記載されている。この方法では、血流の流れ全体が「渦流」とそれ以外の「基本流」とで構成されるという前提の下で、まず、観測されたビーム方向速度成分が渦流成分と基本流成分とに分解される。次に、渦流については所定の流れ関数を利用することにより、直交方向速度成分が求められ、基本流については所定の流線を描くことにより、直交方向成分が求められる。本発明者らの実験によれば、この方法によれば、心臓や血管内を流れる血流について、臨床上価値ある一定の確からしさをもって二次元速度ベクトルを求められるということが確認されている。この方法によれば、計算の途中で、渦流についてのビーム方向速度成分及び直交方向速度成分が求まるので、渦流だけについて、二次元速度ベクトルを表示しあるいは多重リングのような流線を表示することが可能である。
【０００３】
なお、二次元速度ベクトルをより正確に求める方法としては特許文献２，３，４に記載された方法をあげることができる。各点について二次元ベクトルが求められるならば、流れの具体的様子を解析できるので、血流全体を、流れの種類ごとの成分に分離することが可能である。
【０００４】
上記特許文献１に記載された方法を使って、心臓（例えば左室）内の渦流についての速度成分を抽出、弁別した上で渦流を二次元表示すると、具体的には多重リングのような流線表示を行うと、心臓内に１又は複数の渦流が現れ、その出方が時相によって変化する。例えば、左室においては、心尖部付近や僧帽弁付近に、１又は複数の渦流が現れる傾向にある。しかも、疾患の内容及び程度によって、心臓内において渦の出方（個数、大小、位置等）が異なるということが判明している。この極めて興味深い研究成果を、現在又は将来における循環器医療その他に役立てることが期待されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１１０９３９号公報
【特許文献２】特開昭６４−１５０３３号公報
【特許文献３】特開平３−１５９６４０号公報
【特許文献４】特開平３−４８４２号公報
【特許文献５】特開平４−１８７１４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
渦流の視覚化技術を臨床に役立てる際に重視されるのは客観的な渦流の評価である。換言すれば渦流の定量化である。例えば、左室内に大きな１つの渦流が出ている場合と小さな複数の渦が出ている場合とを総合的に比較するためには渦流のマクロ評価が必要となるのである。特に、左室については心壁による仕事が左室内部の血流に与えられていると考えられ、しかも渦流は外部から与えられた仕事をそれ自身に蓄える性質をもっているものとも言えるので、渦流についてエネルギー（あるいはそれに相当する物理量）の観点からの考察が望ましいと言えるが、従来においてそのような技術は提供されていない。そもそも渦流についての視覚化表現を超えてそれを分析する研究が従来においてはほとんどなされていない状況にある。
【０００７】
本発明の目的は、血流中の渦流についての総合的な評価を行える超音波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】
【０００８】
本発明は、生体内の観測面に対する超音波の送受波により得られたドプラ情報に基づいて、前記観測面上に存在する渦流についての速度ベクトル群を演算する手段と、前記渦流についての速度ベクトル群に基づいて、前記渦流についての運動エネルギーの総和を演算する手段と、を含むことを特徴とする超音波診断装置に関する。
【０００９】
上記構成によれば、血流中の渦流について各点の速度ベクトルが演算され、それらに基づいて運動エネルギーの総和が演算される。例えば、観測面が心臓の左室の全体にわたって設定されているならば、その観測面上には時相によって通常、１又は複数の渦流が現れる。それらを評価するマクロ指標として、上記の運動エネルギーの総和が求められる。これによれば、複数の渦流を総合的に評価できるので、渦流という観点から血流の状態ひいては心臓機能や疾病を診断することが可能となる。単位体積あたりの運動エネルギーは、速度ｖと単位体積当たりの密度ρとから、（１／２）ρｕ2により求めるのが一般的であるが、それに相当する物理量を運動エネルギーとして演算するようにしてもよい。
【００１０】
望ましくは、前記渦流についての運動エネルギーの総和の時間変化を表すグラフを作成する手段を含む。この構成によれば、渦流の出方、強さの時間的な変化を捉え、それをも診断情報として利用することが可能となる。
【００１１】
望ましくは、前記ドプラ情報に基づいて、前記観測面上に存在する血流全体についての速度ベクトル群を演算する手段と、前記血流全体についての速度ベクトル群に基づいて、前記血流全体についての運動エネルギーの総和を演算する手段と、前記渦流についての運動エネルギーの総和を、前記血流全体についての運動エネルギーの総和によって規格化することにより、比率情報を演算する手段と、を含む。この構成によれば、全体流の観測値によって渦流の観測値を規格化できるので、より客観的な指標を得られる。
【００１２】
望ましくは、前記比率情報の時間変化を表すグラフを作成する手段を含む。この構成によれば、比率情報の時間的な変化を診断情報として利用することが可能となる。望ましくは、前記観測面は前記生体内の左室に設定される。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、血流中の渦流についての総合的な評価を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
（１）二次元ベクトルの演算方法
以下に特許文献１に記載された二次元ベクトル演算方法の概要を説明する。但し、特許文献２−４等に記載された手法によっても二次元ベクトルを演算することが可能であり、しかも二次元ベクトル分布状態から走査面（観測面）上の循環流として渦流を特定可能である。
【００１６】
実際の血流は三次元の流れであるが、ここでは観測面上の二次元の流れに着目する。二次元の流れは、観測面上において閉じた循環流である「渦流」と、それ以外の「基本流」と、に分解される（特許文献１の図２参照）。
【００１７】
血流の２次元速度ベクトルＵ(x,y)は、（１）式に示すように、ビーム方向速度成分ｕ(x,y)と、直交方向速度成分ｖ(x,y)と、に分けられる。前者は一般的な超音波ドプラ法で計測され得る速度成分であり、後者は一般的な超音波ドプラ法ではその原理上計測できない速度成分である。なお、ｅxは超音波ビーム方向（ｘ方向）の単位ベクトルであり、ｅyはビームに直交する方向（ｙ方向）の単位ベクトルである。
【数１】
2009297120.tif 000003
【００１８】
上記（１）式のビーム方向速度成分ｕ(x,y)は、以下の（２）式に示すように、渦流のビーム方向速度成分ｕs(x,y)と、基本流のビーム方向速度成分ｕb(x,y)と、の和で表される。同様に、上記（１）式における直交方向速度成分ｖ(x,y)は、以下の（３）式に示すように、渦流の直交方向速度成分ｖs(x,y)と、基本流の直交方向速度成分ｖb(x,y)と、の和で表される。
【数２】
2009297120.tif 000004
【００１９】
さて、観測面上の渦流は２次元の非圧縮性流体の流れであるとみなせるので、渦流のビーム方向速度成分ｕsと直交方向速度成分ｖsは、流れ関数Ｓ(x,y)を用いて、以下の（４）式及び（５）式で表すことができる。また、流れ関数Ｓ(x,y)は、（６）式から求められる。
【数３】
2009297120.tif 000005
【００２０】
すなわち、上記（６）式に示したように、渦流のビーム方向速度成分ｕsが判明すれば、流れ関数Ｓ(x,y)を求めることができ、そこから直交方向速度成分ｖsを求めることができる。そこで、最初に問題となるのが渦流のビーム方向速度成分ｕsの特定方法である。
【００２１】
各深さ位置における直交方向（ｙ方向）に沿ったビーム方向速度成分ｕの分布を表す波形（曲線）は、ベースラインを境として正側部分と負側部分とに大別される（特許文献１の図５（ｃ）参照）。それらの内で小さい方は、主流から見て逆の流れであるから、その逆流部分を渦流の分布（の半分）とみなすことができる。正側部分と負側部分の内で、大きい方にも、逆流部分と同量の渦流成分が含まれていると考えられるので、所定の配分則（例えば、対称性を利用した方法、比例配分法）により、大きい方に内在している渦流成分の分布が推定される。正側及び負側に存在する２つの渦流成分はそれ全体として渦流のビーム方向速度成分ｕs(x,y)の分布を表す。大きい方の波形部分から、そこに含まれると推定される渦流成分を差し引いて残ったものが基本流のビーム方向速度成分ｕb(x,y)である。
【００２２】
以上により、観測面上の各点について渦流のビーム方向速度成分us(x,y)が求まることになるので、それらに基づいて上記の流れ関数Ｓ(x,y)が求められる。そして、その流れ関数Ｓ(x,y)から各点についての渦流の直交方向速度成分ｖs(x,y)が求められる。これは二次元平面内での外界との出入りがない閉じた流れの性質による。
【００２３】
一方、基本流については、上記において特定された各点のビーム方向速度成分ｕb(x,y)の分布に基づいて、各点の直交方向速度成分ｖb(x,y)が求められる。具体的には、ビーム方向速度成分ｕb(x,y)を基礎とする基本流量関数に基づいて複数の等流量線が描かれ（特許文献１の図６参照）、各等流量線の接線方向とビーム方向速度成分ｕb(x,y)とから、各点の直交方向速度成分ｖb(x,y)が求まる（特許文献１の図７参照）。
【００２４】
以上のように、渦流のビーム方向速度成分ｕs(x,y)、渦流の直交方向速度成分ｖs(x,y)、基本流のビーム方向速度成分ｕb(x,y)、及び、基本流の直交方向速度成分ｖb(x,y)が個別的に特定される。それらは、血流の二次元ベクトルを構成するものであり、同時に、渦流の二次元ベクトル及び基本流の二次元ベクトルを構成するものである。
【００２５】
（２）超音波診断装置の説明
図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示すブロック図である。この超音波診断装置は、上述した血流についての二次元速度ベクトルを演算する機能を有しており、特に、二次元循環流である渦流についての二次元速度ベクトルを演算する機能を有している。
【００２６】
プローブ１０は、生体に当接して用いられ、あるいは、生体内に挿入して用いられる超音波探触子である。プローブ１０は、複数の振動素子からなるアレイ振動子を有している。そのアレイ振動子により超音波ビームが形成され、その超音波ビームは電子的に走査される。電子走査方式としては、電子セクタ走査、電子リニア走査等が知られている。
【００２７】
送受信部１２は、送信ビームフォーマ及び受信ビームフォーマとして機能するものである。送信時において、送受信部１２からアレイ振動子に対して複数の送信信号が供給され、これにより送信ビームが形成される。一方、生体内からの反射波は、受信時において、アレイ振動子にて受波され、アレイ振動子から複数の受信信号が送受信部１２へ出力される。送受信部１２では、複数の受信信号に対する整相加算処理が実行され、これにより整相加算後の受信信号（ビームデータ）が送受信部１２から出力される。
【００２８】
ビームデータ処理部１４は、二次元断層画像（Ｂモード画像）を形成するためのビームデータ処理を実行する。具体的には、ビームデータに対する検波、対数圧縮処理等を実行する。ＤＳＣ（デジタルスキャンコンバータ）１６は、入力されるビームデータに対して座標変換処理や補間処理を適用し、これによってＢモード画像を構成する。その画像データは表示処理部１８に送られている。
【００２９】
一方、送受信部１２から出力されたビームデータは直交検波部２０に入力されている。直交検波部２０は、ビームデータとしての受信信号に対して参照信号を混合することにより直交検波処理を実行し、その結果である複素信号を出力する。その複素信号は速度演算部２２に入力されている。
【００３０】
速度演算部２２は、入力される複素信号に対して自己相関演算を実行し、その演算結果である複素信号に対して逆正接演算を行うことにより速度を演算する。その速度は超音波ビーム方向に沿った速度成分である。その速度の情報はＤＳＣ２４に送られる。ＤＳＣ２４は、入力される速度の情報に対して座標変換処理や補間処理を適用することにより二次元血流画像としてのカラードプラ画像を構成する。その画像データは表示処理部１８に送られる。
【００３１】
一方、速度演算部２２から出力される速度の情報はベクトル演算部２６にも入力されている。このベクトル演算部２６は、上述した二次元速度ベクトルの演算を実行するものであり、本実施形態においては、特に、渦流についての二次元速度ベクトルを演算する機能と、血流全体についての二次元速度ベクトルを演算する機能と、を有している。ただし、血流全体についての二次元速度ベクトルの演算については必要に応じて行えばよい。
【００３２】
ベクトル画像形成部２８は、血流全体について求められた二次元速度ベクトルに基づいて、血流の流れを表す複数の矢印によって構成されるベクトル画像をグラフィック画像として形成し、その画像データを表示処理部１８へ出力するものである。このベクトル画像形成部２８は渦流の流線を表す画像を形成する機能も有している。
【００３３】
エネルギー演算部３０は、本実施形態において、渦流について求められた二次元速度ベクトル群に基づく運動エネルギーの総和を求める演算を行う機能と、血流全体について求められた二次元速度ベクトル群に基づいて運動エネルギーの総和を求める機能とを有している。運動エネルギーは、対象となる流体の速度をＶとし、対象となる流体の密度をρとした場合、単位体積あたり（１／２）ρＶによって表すことができる。ここで係数については特に含めなくてもよく、また同様の物理量であればそれを運動エネルギーとして利用することができる。血流密度は、一般に１０５０ｋｇ／ｍで表すことができる。
【００３４】
エネルギー演算部３０は、以上の計算式に基づき、渦流についてはそこに含まれる各点の二次元速度ベクトルから二次元平面上における真の速度を推定し、それと血流の密度ρとから各点の運動エネルギーを求め、その総和を演算することにより、渦流全体についての運動エネルギーを求めている。同様に、エネルギー演算部３０は、血流全体についての各点の二次元速度ベクトルから二次元平面上の真の速度を求め、それと血流密度ρとから各点の運動エネルギーを求め、その総和を取ることにより血流全体の運動エネルギーを求めている。これらの運動エネルギーの総和の演算は、各フレーム毎に実行されている。
【００３５】
グラフ作成部３２は、各フレーム毎に求められた渦流についての運動エネルギーの総和を時間軸上に表したグラフを作成する機能を有する。そのグラフを表すデータは表示処理部１８に出力されている。本実施形態においては、走査面である観測面上に複数の渦流が現れた場合であっても、それらの渦流全体としての運動エネルギーの総和を求めることが可能であるので、客観的な渦流評価の指標を得ることが可能である。
【００３６】
比率演算部３４は、以上のように求められた渦流についての運動エネルギーの総和と、血流全体についての運動エネルギーの総和とから所定の比率を演算している。具体的には、渦流の運動エネルギー比率として、（渦流の運動エネルギーの総和）／（血流全体の運動エネルギーの総和）の演算を実行している。この比率は対象となる血流空間内においてどの程度渦流が発生しているのか、その強さあるいは度合を表すものである。したがってそのような情報を診断者に提供すれば、心臓や血管の機能の診断にあたって有益なる情報を提供できるという利点がある。
【００３７】
グラフ作成部３６は、各フレーム毎に求められた比率を時間軸上に表すことによりグラフを作成する機能を有している。そのグラフを表すデータは表示処理部１８へ送られている。
【００３８】
表示処理部１８は、Ｂモード画像上に二次元血流画像を合成してなるカラーフローマッピング画像を生成する機能、上述したベクトル画像をＢモード画像上に合成した複合画像を生成する機能、それらの画像と共に上述したグラフや心電波形を表示する機能等を有している。表示器３８には表示処理部１８から出力される画像データが表示される。
【００３９】
制御部４２は、図１に示される各構成の動作制御を行っている。制御部４２には心電計４０が接続されており、心電計４０から出力される心電信号が制御部４２により認識され、表示処理部１８によって心電信号を表す波形が生成されている。もちろん、心電計４０からの出力信号をそのまま表示処理部１８へ与えるようにしてもよい。制御部４２には操作パネル４４が接続されている。その操作パネル４４はキーボードやトラックボールなどを有するものであり、ユーザーは、操作パネル４４を利用して観測領域としての関心領域を設定したり、あるいは動作パラメータの入力を行ったりすることができる。
【００４０】
図２には、画像表示例が示されている。Ｂモード断層画像５０上にはベクトル画像５２が合成されており、そのベクトル画像５２は血流の流れを表す複数の矢印を有している。各矢印はその始点あるいは終点における二次元ベクトルを表すものであり、すなわち血流の速度及び向きを表すものである。それらの画像とともに心電波形５４も表示されている。
【００４１】
一方、図３においては、Ｂモード画像５０上に別の血流画像５６が合成されている。この血流画像５６は、渦流だけを表す画像であり、すなわち観測面上において循環的に流れている渦流を等高線のような多重リングとして表した画像である。ここでは、２つの渦流５６ａ，５６ｂが表示されている。もちろん、それらの表示態様は時間軸上において変化しており、すなわち、渦流の個数及びその形態は刻々と変化する。このような血流画像５６は図１に示したベクトル画像形成部２８によって構成されている。
【００４２】
このような渦流の表現によれば、診断対象となっている例えば左室内においてどのように渦流が発生し、それが時間的にどのように変化するのかを視覚的に認識することができる。しかしながら、左室全体として渦流がどの程度の割合で発生し、それが時間的にどのように変化していくのかを定量的に数値で把握することはできない。そこで、本実施形態においては、上述したようにエネルギー演算部が設けられており、対象空間である左室内において発生するすべての渦流についての運動エネルギーの総和が演算されており、それに基づいてグラフが生成されている。
【００４３】
その例が図４に示されている。図４において符号５４は心電波形を表しており、符号５８は上述した比率の時間的な変化を表すグラフを表している。図示されるように、血流全体の運動エネルギーの総和との関係において渦流についての運動エネルギーの総和が時間的に変化しており、そのような推移から左室の機能、具体的には心筋によって生じた流れのうちでどの程度の割合で渦流としてのエネルギー消費が行われているかといったデータを取得することが可能である。
【００４４】
以上のように、本実施形態の超音波診断装置によれば、対象空間において発生する渦流の個数や態様によらずにそれを総合的に評価する指標を得ることができるので、そのような指標を診断情報として医師に提供することが可能である。上述した実施形態においては、血流全体の運動エネルギーとの対比において渦流の運動エネルギーが評価されていたため、より客観的な指標を提供できるという利点も得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態を示すブロック図である。
【図２】ベクトル画像の例を示す図である。
【図３】渦流を表す血流表示例を示す図である。
【図４】比率の時間的な変化を表すグラフの例を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
２６  ベクトル演算部、２８  ベクトル画像形成部、３０  エネルギー演算部、３２，３６  グラフ作成部、３４  比率演算部。
【図１】
2009297120.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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