(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に超音波を送波し、その反射波を受波することにより超音波ドプラ偏移信号を収集する収集手段と、
第一の周波数領域の信号を通過するフィルタ特性を示す第一の伝達関数と第二の周波数領域の信号を通過するフィルタ特性を示す第二の伝達関数とを有し、前記収集手段により得られた超音波ドプラ偏移信号を前記第一の周波数領域に対応する順方向の信号と前記第二の周波数領域に対応する逆方向の信号とに分離する複素ディジタルフィルタから構成される分離手段と、
前記分離手段から出力された正方向の信号および逆方向の信号に応じて超音波ドプラ音を発する発音手段と、を具備することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
前記分離手段の複素ディジタルフィルタは、非再帰型フィルタから構成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項３】
前記分離手段の複素ディジタルフィルタは、再帰型フィルタから構成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記収集手段により収集された超音波ドプラ偏移信号の波形がスペクトラム表示上における折返しにより不連続波形となるのを防止する零シフト手段をさらに具備し、前記分離手段は、前記零シフト手段の零シフトに連動することを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を生体内に送波し、生体内の各組織からの反射波を信号処理することにより例えば血流ドプラ像あるいは血流ドプラ音等の生体情報を得る超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波を生体内に送波し、生体内の各組織からの反射波を受波し、この反射波を信号処理することにより例えば血流ドプラ像あるいは血流ドプラ音等の生体情報を得る超音波診断装置は、無侵襲で、かつ造影剤なしで軟部組織の診断ができる利点を有しており、現在では医療の分野において広く用いられている。
【０００３】
図１２は上記従来例に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。この装置は、超音波プローブ８０、送／受信回路８１、直交検波回路８２、バンドパス・フィルタ（ＢＰＦ）８３及び８５、高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）８６、ディジタル・スキャン・コンバータ（ＤＳＣ）８７、モニタ８８、フェイズシフタ回路を有する方向分離回路８９、パワーアンプ９０及び９２、スピーカ９１（左）及び９２（右）から構成されている。
【０００４】
超音波プローブ８０は、送／受信回路８１から供給された駆動信号に応じて被検体に連続波又はパルス波を送波し、その反射波を受波し、この反射波に応じた電気信号を出力する。この電気信号は送／受信回路８１に入力される。送／受信回路８１は、ディレイ加算回路を有し、超音波プローブ８０から入力された信号にディレイ加算を施した後、直交検波回路８２に出力する。送／受信回路８１から出力されたディレイ加算後の信号は、ｆref （０゜）およびｆref （９０゜）の二つのミキサーを有する直交検波回路８２により直交検波される。ｆref （０゜）のミキサーからの出力はバンドパス・フィルタ８３に入力される。また、ｆref （９０゜）のミキサーからの出力はバンドパス・フィルタ８４に出力される。
【０００５】
バンドパス・フィルタ８３及び８４は、低周波のクラッタ成分を除去するとともに所要帯域の信号となるように直交検波回路８２からの出力をフィルタリングする。バンドパス・フィルタ８３からは実部チャネル（Real-ch ）信号が出力され、バンドパス・フィルタ８４からは虚部チャネル（Imag-ch ）信号が出力される。かくして複素の超音波ドプラ偏移信号が得られる。
【０００６】
得られた超音波ドプラ偏移信号は、Ａ／Ｄ変換器８５に供給され、また、フェイズシフタ回路を有する方向分離回路８９に供給される。
Ａ／Ｄ変換器８５に入力された超音波ドプラ偏移信号は、ここでディジタル信号に変換され、高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）８６に出力される。高速フーリエ変換器８６においては、比較的演算精度の高い高速フーリエ変換によりディジタルの超音波ドプラ偏移信号が周波数解析され、これにより超音波ドプラ像が得られる。この超音波ドプラ像は、ディジタル・スキャン・コンバータ（ＤＳＣ）８７を介してモニタ８８に供給され、スペクトラム表示される。
【０００７】
一方、フェイズシフタ回路を有する方向分離回路８９に供給された超音波ドプラ偏移信号は、上記スペクトラム表示に対応し、順方向の信号（Forward ）と逆方向の信号（Reverse ）とに順逆分離され、アンプ９０および９２を介してオーディオ信号としてスピーカー９１及び９２から出力される。
【０００８】
上記方向分離回路８９は、図１３に示すように、実部チャネル（Real-ch ）信号及び虚部チャネル（Imag-ch ）信号からなる超音波ドプラ偏移信号を入力し、フェイズシフタ回路１００により虚部チャネル信号の位相を例えば９０゜偏移させる。さらに、方向分離回路８９は、実部チャネル信号と、位相が９０゜偏移された虚部チャネル信号とを加減算することにより、超音波ドプラ偏移信号を順方向の信号（Forward ）と逆方向の信号（Reverse ）とに分離する。
【０００９】
このような方向分離回路８９による方向分離により得られる順方向および逆方向の信号は以下のように表される。まず、超音波ドプラ偏移信号（複素）は、振幅ａにおいて周波数がωf の成分と振幅ｂにおいて周波数が−ωr の成分の和であるとし、超音波ドプラ偏移信号の実部チャネル（Real-ch ）成分、および虚部チャネル（Imag-ch ）成分は次式（１）のように仮定される。
【００１０】
Real(t) = a ・cos( ωf ・t) + b ・cos(-ωr ・t)
Imag(t) = a ・sin( ωf ・t) + b ・sin(-ωr ・t)       …（１）
そうすると、順方向の信号（Forward ）と逆方向の信号（Reverse ）は次式（２），（３）のようになる。
【００１１】
0003746113.tif 000002
ところで、上記したような方向分離の原理に基づく従来の超音波診断装置においては、次のような問題点がある。
【００１２】
上記方向分離回路のフェイズシフタ回路１００は、複数のオールパス・フィルタがカスケード接続されたアナログ回路から構成されるため、回路構成が大規模になるという問題がある。また、図１４に示すように帯域によっては分離度が低下し、充分な方向分離性能が得られないという問題がある。また、アナログ回路のため煩雑な調整を要しコスト面からも不利な点を有している。
【００１３】
ところで、本発明と同一出願人の出願に係る特開平２−１９８５４２号公報に記載の超音波診断装置がある。この装置は血流ドプラのＦＦＴ（高速フーリエ変換）像の再生時においてドプラ音を再生するものである。この装置には次のような欠点がある。すなわち、上記ＦＦＴのサンプルレートはパルスレート繰り返し周波数（ＰＲＦ）単位であるため、ドプラ音の合成時において、そのトーンをライブに一致させることが困難であるという欠点がある。また、フーリエ変換処理およびパワー計算処理を完了したのちに発音する構成であるので、処理時間の観点から応答性が悪いという欠点がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的は、超音波ドプラ音の発音における充分な方向分離性能および応答時間性能が得られる上、回路構成が小規模な超音波診断装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために本発明の超音波診断装置は次のような手段を用いている。
（１）本発明の超音波診断装置は、被検体に超音波を送波し、その反射波を受波することにより超音波ドプラ偏移信号を収集する収集手段と、第一の周波数領域の信号を通過するフィルタ特性を示す第一の伝達関数と第二の周波数領域の信号を通過するフィルタ特性を示す第二の伝達関数とを有し、前記収集手段により得られた超音波ドプラ偏移信号を前記第一の周波数領域に対応する順方向の信号と前記第二の周波数領域に対応する逆方向の信号とに分離する複素ディジタルフィルタから構成される分離手段と、前記分離手段から出力された正方向の信号および逆方向の信号に応じて超音波ドプラ音を発する発音手段と、を具備する。
（２）本発明の超音波診断装置は、上記（１）に記載の装置であって、且つ前記分離手段の複素ディジタルフィルタは、非再帰型フィルタから構成されることを特徴とする。
（３）本発明の超音波診断装置は、上記（１）に記載の装置であって、且つ前記分離手段の複素ディジタルフィルタは、再帰型フィルタから構成されることを特徴とする。
（４）本発明の超音波診断装置は、上記（１）に記載の装置であって、且つ前記収集手段により収集された超音波ドプラ偏移信号の波形がスペクトラム表示上における折返しにより不連続波形となるのを防止する零シフト手段をさらに具備し、前記分離手段は、前記零シフト手段の零シフトに連動することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の超音波診断装置は、超音波プローブ１、送／受信回路２、直交検波回路３、バンドパス・フィルタ（ＢＰＦ）４及び５、フーリエ変換器（ＦＦＴ）６、ディジタル・スキャン・コンバータ（ＤＳＣ）７、モニタ８、方向分離回路９、Ｄ／Ａ変換器１０、パワーアンプ１１及び１３、スピーカ１２（左）及び１４（右）、ゼロシフト回路１５から構成されている。
【００１７】
超音波プローブ１は、送／受信回路２から供給された駆動信号に応じて被検体に連続波又はパルス波を送波し、その反射波を受波し、この反射波に応じた電気信号を出力する。送／受信回路２は、ディレイ加算回路を有し、超音波プローブ１から出力された電気信号にディレイ加算を施した後、直交検波回路３に出力する。送／受信回路２から出力されたディレイ加算後の信号は、ｆref （０゜）およびｆref （９０゜）の二つのミキサーを有する直交検波回路３により直交検波される。ｆref （０゜）のミキサーからの出力はバンドパス・フィルタ４に入力される。また、ｆref （９０゜）のミキサーからの出力はバンドパス・フィルタ５に出力される。
【００１８】
バンドパス・フィルタ４及び５は、低周波のクラッタ成分を除去するとともに所要帯域の信号となるように直交検波回路３からの出力をフィルタリングする。バンドパス・フィルタ４からは実部チャネル（Real-ch ）信号が出力され、バンドパス・フィルタ５からは虚部チャネル（Imag-ch ）信号が出力される。かくして複素の超音波ドプラ偏移信号が得られる。なお、本実施形態においては、上記超音波ドプラ偏移信号はディジタル信号として得られるように構成されている。
【００１９】
得られた超音波ドプラ偏移信号は、高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）５に供給され、また方向分離回路９に供給される。
高速フーリエ変換器５においては、比較的演算精度の高い高速フーリエ変換によりディジタルの超音波ドプラ偏移信号が周波数解析され、これにより超音波ドプラ像が得られる。この超音波ドプラ像は、ディジタル・スキャン・コンバータ（ＤＳＣ）７を介してモニタ８に供給され、スペクトラム表示される。
【００２０】
一方、方向分離回路９に供給された超音波ドプラ偏移信号は、上記スペクトラム表示に対応し、順方向の信号（Forward ）と逆方向の信号（Reverse ）とに順逆分離され、Ｄ／Ａ変換器１０によりアナログ信号に変換された後、パワーアンプ１１および１３を介してオーディオ信号としてスピーカー１２（左）及び１４（右）から出力される。
【００２１】
上記方向分離回路９は、オーディオの方向分離のための複素ディジタルフィルタから構成され、図２に示すように、複素直交検波によって得られた実部チャネル（Real-ch ）信号及び虚部チャネル（Imag-ch ）信号からなる超音波ドプラ偏移信号と、ゼロシフト回路１５からのゼロシフト量とを入力し、オーディオの方向分離を実行し、順方向の信号（Forward ）と逆方向の信号（Reverse ）とを出力するものである。また、ここでは、上記複素ディジタルフィルタは、二次のＩＩＲ成分およびＦＩＲ成分を含む複素ＩＩＲ（非再帰型）フィルタからなる。なお、フィルタの次数は二次に限定されず、例えば四次あるいは六次であっても良い。ちなみに、フィルタの次数を上げることにより肩特性が急峻となり、したがってより高い方向分離能を実現可能となる。
【００２２】
図３〜図５は、この複素ＩＩＲフィルタを構成する伝達関数を示す図である。なおωS は複素ディジタルフィルタにおけるサンプリング角周波数である。
図３は、上記複素ＩＩＲフィルタの伝達関数Ｈ（Ｚ）の周波数特性を示す図である。Ｈ（Ｚ）は、帯域幅として約ωS/2 のローパス・フィルタ（ＬＰＦ）を想定する。図４は、上記複素ＩＩＲフィルタの伝達関数Ｈｆ（Ｚ）の周波数特性、図５は、伝達関数Ｈｒ（Ｚ）をそれぞれ示す図である。Ｈｆ（Ｚ）は、Ｚを＋ωS/4 だけ周波数偏移（シフト）させるための伝達関数であり、Ｈｒ（Ｚ）は、Ｚを−ωS/4 だけ周波数偏移（シフト）させるための伝達関数である。ここで、図３から図４への変換は、Ｚ＝exp(j * ω) をＺ＝exp(j * ( ω- π/2) にする。また図３から図５への変換は、Ｚ＝exp(j * ω) をＺ＝exp(j * ( ω+ π/2) にする。これらの変換は上記ゼロシフト回路１５からのゼロシフト量に応じて可変とする。これにより表示スペクトラムに連動したオーディオのゼロシフトが実現可能となる。ちなみに、上述したようにフィルタの次数を上げた場合、±ωS/2 付近の肩特性が急峻となり、高い方向分離能を実現可能となる。
【００２３】
図６は、上記複素ＩＩＲフィルタの具体例に係り、そのアルゴリズム構成を示すブロック図である。ここでは、二次のＩＩＲ成分およびＦＩＲ成分を含む複素ＩＩＲフィルタとして、バイカッド型（ＢＩＱＵＡＤ）フィルタが採用されている。図６において、５０は加算器、５１及び５２はデータレジスタ、５３は係数乗算器、５４は係数乗算後に符号反転する乗算器である。
伝達関数Ｈ（Ｚ）、Ｈｆ（Ｚ）、Ｈｒ（Ｚ）は、次式（４）〜（６）によって表される。
【００２４】
【数１】
0003746113.tif 000003
また、複素のＨｆ（Ｚ）のループおよび複素のＨｒ（Ｚ）のループは、次式（７）および（８）に示される。
【００２５】
【数２】
0003746113.tif 000004
【００２６】
このような本実施形態によれば、図７の特性曲線Ａで示されるような方向分離性能が得られる。これは、同図に示される従来例の特性曲線Ｂに比較し、所要の帯域において充分な分離性能を示すものである。
【００２７】
図８は、スペクトラム表示上における零シフトを示している。図８の左側の表示例では、スペクトラムの一部が画面上部から画面下部に折返り、これにより不連続波形となっている。この場合、ゼロシフト回路１５により算出されたゼロシフト量に応じて図８の右側の表示例に示すように、「０」の位置が画面下方に下がり、これにより上記折返しによる波形の不連続性が防止され、観察者は、連続波形を観察できる。そして、本実施形態によれば、ゼロシフト回路１５により算出されたゼロシフト量に応じたオーディオの方向分離、すなわちオーディオのゼロ（零) シフトが行われる。
【００２８】
以上説明したように、第１実施形態によれば、方向分離回路９が複素ＩＩＲフィルタからなる複素ディジタルフィルタを用いて構成されているので、帯域によらず充分な分離性能および応答時間性能が得られる上、回路構成を比較的小規模にできる。また、アナログ回路のような煩雑な調整は不要である。さらに、血流ドプラ像のスペクトラム表示に対応したオーディオ零シフトが実現されるため、より高精度の血流ドプラ音が得られる。
【００２９】
（第２実施形態）
第２実施形態は第１実施形態の変形に係る。すなわち第１実施形態の方向分離回路９は複素ＩＩＲフィルタからなる複素ディジタルフィルタを用いて構成されるのに対し、第２実施形態の方向分離回路９は、一般的なＦＩＲ（再帰型）フィルタからなる複素ディジタルフィルタを用いて構成される。なお、方向分離回路９以外の構成要素については第１実施形態と同様である。
【００３０】
図９は、本発明の第２実施形態に係る超音波診断装置の複素ＦＩＲフィルタによる方向分離の原理を示す説明図である。なお、図９においてωS は複素ディジタルフィルタのサンプリング角周波数とする。
【００３１】
Ｈｆ（Ｚ）は、第１の周波数領域（０〜ωS/2 ）、すなわち順方向信号のフィルタ特性を示している。このＨｆ（Ｚ）に対し、複素の逆ＦＦＴを行ない、これにより複素の時間領域信号CFowreal(t) ，CFowimag(t) を得る。なお、周波数領域０〜＋ωS/2 の通過域を有する関数の逆フーリエ変換は、例えば次式（９）に従って行えば良い。
【００３２】
【数３】
0003746113.tif 000005
【００３３】
上記変換後、複素の時間領域信号CFowreal(t) ，CFowimag(t) のそれぞれに窓関数W(t)を掛けて、次式（１０）に示すように順方向信号に関する離散時間領域の複素係数列CFreal( τ) ，CFimag( τ) を得る。窓関数W(t)としては、ハミングあるいはブラックマン等、スペクトラムのサイドロープを落とすものが用いられる。
【００３４】
【数４】
0003746113.tif 000006
【００３５】
続いて、図１０に示すように、第２の周波数領域（−ωS/2 〜０）、すなわち逆方向信号のフィルタを想定し、上記順方向信号の場合と同様に逆ＦＦＴして窓関数を掛けることにより逆方向信号に関する離散時間領域の複素係数列を得る。なお図１０においては、図９で図示した複素の時間領域信号および離散時間領域の複素係数列は省略されている。
【００３６】
まずＨｒ（Ｚ）は、第２の周波数領域（−ωS/2 〜０）、すなわち逆方向信号のフィルタ特性を示している。このＨｒ（Ｚ）に対し、複素の逆ＦＦＴを行ない、これにより複素の時間領域信号CRevreal(t) ，CRevimag(t) を得る。
周波数領域−ωS/2 〜０の通過域を有する関数の逆フーリエ変換は、例えば次式（１１）に従って行えば良い。
【００３７】
【数５】
0003746113.tif 000007
【００３８】
上記変換後、複素の時間領域信号CRevreal(t) ，CRevimag(t) のそれぞれに窓関数W(t)を掛けて、次式（１２）に示すように逆方向信号に関する離散時間領域の複素係数列CRreal( τ) ，CRimag( τ) を得る。窓関数W(t)としては、ハミングあるいはブラックマン等、スペクトラムのサイドロープを落とすものが用いられる。
【００３９】
【数６】
0003746113.tif 000008
【００４０】
かくして、順方向信号の帯域および逆方向信号の帯域のそれぞれについて離散時間領域の複素係数列が得られる。
図１１は、上記方向分離原理の具体例に係り、複素ＦＩＲフィルタのアルゴリズム構成を示すブロック図である。この複素ＦＩＲフィルタは、上記のようにして求めた離散時間領域の複素係数例に対する時間軸上の複素コンボリューション（畳込み積分）を実現するコンボリューション・フィルタを構成する。なお、このフィルタのタップ数はｎとする。
【００４１】
次式（１３）および（１４）は上記アルゴリズムの計算式である。次式（１３）によれば、順方向の信号Forward(t)が得られる。また次式（１４）によれば、逆方向の信号Reverse(t)が得られる。
【００４２】
【数７】
0003746113.tif 000009
【００４３】
ところで、順方向信号の複素係数列の各々、そして逆方向信号の複素係数列の各々からなる４タームのコンボリューション演算は所要計算量が膨大となる。このため、本実施形態においては、順方向信号の実部チャネル成分および逆方向信号の実部チャネル成分のみについて上記コンボリューション演算を行うように構成されている。
【００４４】
以上説明したように、第２実施形態によれば、方向分離回路９がＦＩＲフィルタからなる複素ディジタルフィルタによって構成されているので、第１実施形態と同様に、帯域によらず充分な分離性能および応答時間性能が得られる上、回路構成を比較的小規模にできる。また、アナログ回路のような煩雑な調整は不要である。さらに、血流ドプラ像のスペクトラム表示に対応したオーディオ零シフトが実現されるため、より高精度の血流ドプラ音が得られる。
【００４５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、種々変形して実施可能である。例えば上記第１、第２実施形態においては、方向分離回路をＩＩＲフィルタ、ＦＩＲフィルタを用いて構成する場合について説明したが、これらに限定されることはなく、その他のディジタルフィルタによっても実現可能である。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、超音波ドプラ音の発音における充分な方向分離性能および応答時間性能が得られる上、回路構成が小規模な超音波診断装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】上記第１実施形態に係る超音波診断装置のオーディオの方向分離原理の説明図。
【図３】上記第１実施形態に係る超音波診断装置の複素ＩＩＲフィルタの伝達関数Ｈ（Ｚ）の周波数特性を示す図。
【図４】上記第１実施形態に係る超音波診断装置の複素ＩＩＲフィルタの伝達関数Ｈｆ（Ｚ）の周波数特性を示す図。
【図５】上記第１実施形態に係る超音波診断装置の複素ＩＩＲフィルタの伝達関数Ｈｒ（Ｚ）を示す図。
【図６】上記第１実施形態に係る超音波診断装置の複素ＩＩＲフィルタのアルゴリズム構成を示すブロック図。
【図７】上記第１実施形態に係る超音波診断装置の方向分離回路の方向分離特性を示す図。
【図８】上記第１実施形態に係る超音波診断装置の零シフトを示す説明図。
【図９】本発明の第２実施形態に係る超音波診断装置の複素ＦＩＲフィルタによる方向分離の原理を示す説明図。
【図１０】上記第２実施形態に係る超音波診断装置の複素ＦＩＲフィルタによる方向分離原理を示す説明図。
【図１１】上記第２実施形態に係る超音波診断装置の複素ＦＩＲフィルタのアルゴリズム構成を示すブロック図。
【図１２】従来例に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図。
【図１３】従来例に係る超音波診断装置の方向分離回路の構成を示すブロック図。
【図１４】従来例に係る超音波診断装置の方向分離回路の方向分離特性を示す図。
【符号の説明】
１…超音波プローブ
２…送／受信回路
３…直交検波回路
４，５…バンドパス・フィルタ
６…高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）
７…ディジタル・スキャン・コンバータ（ＤＳＣ）
８…モニタ
９…方向分離回路
１０…Ｄ／Ａ変換器
１１，１３…パワーアンプ
１２，１４…スピーカ
１５…ゼロシフト回路
【図１】
0003746113.tif 000010
【図２】
0003746113.tif 000011
【図３】
0003746113.tif 000012
【図４】
0003746113.tif 000013
【図５】
0003746113.tif 000014
【図６】
0003746113.tif 000015
【図７】
0003746113.tif 000016
【図８】
0003746113.tif 000017
【図９】
0003746113.tif 000018
【図１０】
0003746113.tif 000019
【図１１】
0003746113.tif 000020
【図１２】
0003746113.tif 000021
【図１３】
0003746113.tif 000022
【図１４】
0003746113.tif 000023