具体实施方式
下面,参照附图进行说明。
(实施例1)
图1是本发明的实施例1的超声波诊断装置的系统构成图。
在图1中,本发明的实施例1中的超声波诊断装置1是利用超声波进行心脏功能的测量用的装置,采用至少其一部分中包括公知的超声波诊断装置的装置构成。
超声波诊断装置1构成为包括:探头2、发送部3、接收部4、收发分离部、调相加法运算部6、信号处理部7、A/D转换器8、帧存储器9a、视频存储器(cine memory)9b、控制器10、输入设备11、接口12、结果存储部13、显示电路部14、显示装置15、心电图16。在图1中,仅表示了超声波诊断装置的主要功能。下面,对图1所示的各构成进行说明。
探头2构成为:向诊断部位(在此为心脏)送出超声波,并能接受其反射波。在探头2的内部设置有未图示的多个振动器,这些振动器成为超声波的产生源(送波源),另外还能接受反射波。发送部3构成为:能对探头2进行驱动来生成送出超声波用的送波脉冲信号。另一方面,接收部4构成为:可接收由探头2接受并被转换为电信号的回声信号。
收发分离部5构成为:能够在发送时向探头2送出来自发送部3的送波脉冲信号,在接收时向接收部4送出来自探头2的回声信号。调相加法运算部6构成为:能够对来自接收部4的多个回声信号进行调相加法运算,生成接收射束信号。
信号处理部7、A/D转换器8、帧存储器9a和视频存储器9b构成为:作为根据所述接收射束信号来获得诊断部位的浓淡断层像(黑白断层像)用的信号处理部而发挥功能。即,信号处理部7输入来自调相加法运算部6的接收射束信号,进行增益修正、对数压缩、检波、增强轮廓、滤波处理等信号处理。A/D转换器8构成为:可将从信号处理部7输出的信号变换为数字信号。帧存储器9a构成为:可将从A/D转换器输出的接收射束信号以图像帧单位进行存储。另外,视频存储器9b构成为:可存储连续拍摄的多个图像帧。此外,存储到帧存储器9a和视频存储器9b的图像与由心电计16测量的ECG波形的相位信息对应。
帧存储器9a中存储的上述断层帧数据被基于控制器10的控制信号以电视同步方式读出。另外,控制器10构成为可进行如下各种处理:基于控制程序进行各构成要素的控制;将从视频存储器9b读出的断层帧数据加工成超声波断层像数据;进行后述的轮廓点或各轮廓线的数据生成或向显示装置15的输出控制;进行同样后述的心脏功能测量所涉及的容积计算和距离计算等规定的运算;进行同样后述的修正、平滑化处理或组织追踪。
控制器10构成为具有所谓的微型计算机的功能。控制器10具有如后述的运算单元、运算结果输出单元、平滑化处理单元、组织追踪单元等功能。
输入设备11通过接口12与控制器10连接。作为输入设备11,可举出鼠标或跟踪球作为一例。输入设备11为了由技术人员(操作者)一边参照显示装置15上显示的超声波图像,一边在超声波图像上手动跟踪心脏的左心室、心肌、以及左心房的各轮廓而设置。输入设备11和控制器10具有如后述的跟踪单元以及修正单元的功能。
结果存储部13具有作为存储后述的轮廓点的坐标数据、由控制器运算出的运算结果等的存储器的功能。结果存储部13中存储的坐标数据和运算结果等基于控制器10的控制信号而被读出。
显示电路部14构成为:基于来自控制器10输出的控制信号而工作。显示电路部14构成为:将来自控制器10的超声波断层像数据或后述的轮廓点、各轮廓线的数据变换为模拟信号,来生成显示用的影像信号。在显示电路部14中未特别进行图示,但设置有D/A变换器或影像信号变换电路等。显示装置15构成为:输入从显示电路部14输出的影像信号,显示超声波图像。作为显示装置15,例如使用电视监视器。
接着,参照图2的流程图,对本发明的实施例1的超声波诊断装置1的处理次序进行说明。图2是表示控制器10中的处理的流程图。这里说明的处理中还包含由用户利用输入设备11和显示装置15所进行的各种输入等的次序等。另外,下述所示的图2的流程图的各步骤说明还随时参照图3~图11进行。
(步骤21)
基于操作者利用输入设备11输入的信号,从影片存储器9b读出第一帧的图像,在显示装置15上显示超声波的动态图像的第一帧。
(步骤22)
对步骤21中显示的第一帧图像通过后述的方法实施滤波处理,改善画质。
下面,详细描述在该步骤中执行的滤波处理。
这里,在步骤32中,详细描述用于使进行组织追踪等时的运算(微分运算等)更适合的滤波处理。该滤波处理由步骤22a和步骤22b构成。
一般,为了适合进行微分运算,对图像数据实施图像浓度的平滑化滤波。作为平滑化滤波器之一有二维高斯滤波器。在超声波图像中,由于在超声波束的收发方向和扫描方向(与该收发方向交叉的方向)上分辨率不同,因此,需要实施与该分辨率的差异相对应的二维高斯滤波处理。更具体而言,在超声波图像上,存在称为斑点的浓淡的凹凸(例如,参照特开平7-51270号公报),但在超声波图像中,该斑点并非完全的圆形,而是椭圆形状(长径方向和短径方向分别为超声波束的扫描方向或发送方向)。因此,本发明者鉴于斑点为椭圆形状,发明了二维高斯滤波器以各向异性方式实施的方法。
下面,对步骤22a和22b进行说明。
(步骤22a)
图3是在超声波图像(B模式)上设定有超声波束方向上的窗口41的情况。首先,根据该窗口41内的图像数据,求出窗口内部的斑点的平均大小及/或形状。作为具体的次序,直接取出窗口内的像素值,按照使射束的发送方向在画面上为垂直方向的方式进行仿射变换(affinetransformation),然后,在表示为42的窗口内,对水平方向和垂直方向的浓度共生矩阵(例如,参照特开平5-123318)进行运算,求出对比度的特征量。当斑点的大小及/或形状为理想情况时,如图4所示,对比度最高的像素位置(51)与对比度最低的像素位置(52)之间的距离(53)成为斑点的大小(54)的二分之一。因此,通过计算水平方向和垂直方向的对比度最高的像素位置(51)与对比度最低的像素位置(52)之间的距离(53),求出以椭圆近似时(图5)的斑点的大小的尺寸(短径A以及长径B)。
或者,另外,图像的某线段上(图3的窗口42内的线段上)的轮廓也并非如图4所示那样理想。例如,图6是对浓度共生矩阵进行运算的结果,61是像素间距离,62是对比度,63是横向对比度,64是纵向对比度,由A、B表示的距离65是斑点的短径A以及长径B。在图6中,斑点彼此的间隔窄,浓淡共生矩阵的对比度特征量饱和。在如图6的情况下,检测像素值达到最大的距离(图6中的A以及B),作为斑点的尺寸(短径A以及长径B)。
(步骤22b)
在该步骤中,利用在步骤22a中求出的斑点的尺寸(短径A以及长径B),进行与其特性相应的二维高斯滤波器的应用。
图7是二维高斯滤波器(71)的特性的一例。二维高斯滤波器如图7所示,将无论取X轴方向和Y轴方向上的哪个截面都为正态分布的函数作为滤波器,但若在XY平面上截断图7所示的函数,则其截面成为椭圆,与在步骤22a中求出的斑点同样。在该步骤中,将步骤22a中的短径A和长径B的大小调整为图7所示的二维高斯滤波器的X轴方向和Y轴方向的标准偏差,从而使平滑化处理最佳化。
关于相对在步骤22a中求出的短径A和长径B如何调整二维高速滤波器的X轴方向和Y轴方向的标准偏差σA和σB,为了不产生不需要的噪声,设定为比短径A和长径B的长度稍长是重要的。另外,若使标准偏差σA和σB的设定过大,则存在过于平滑化导致失去图像的特征的问题,因此需要调整为适当的值。
通过上述的滤波处理(步骤22a以及22b),可描绘到心脏的左心房(或右心房)。
(步骤23)
操作者一边观察显示装置15上显示的第一帧超声波图像,一边利用鼠标或跟踪球所构成的输入设备11,开始心脏四腔的手动跟踪。在本实施例中,通过步骤22a和22b,可清晰地描绘到心脏的左心房,因此,到左心房为止的手动跟踪容易。这里,手动跟踪是指由操作者在超声波图像上以点(轮廓点)来描绘左心室、心肌、左心房的轮廓(更具体而言,左心室内膜、左心室外膜、左心房的轮廓)。另外,在本实施例中,将一对阀环(左心室与左心房的结合点)作为对左心室和左心房进行手动跟踪时的公共部分。
这里的手动跟踪的具体次序的一例为:在一方的阀环的位置(例如,图8中的81)配置轮廓点,从该轮廓点沿左心室内膜依次配置多个轮廓点。在沿左心室内膜配置了多个轮廓点之后,在另一方的阀环的位置(例如,图8中的82)配置轮廓点。同样,在一方的阀环的位置配置轮廓点,从该轮廓点沿左心室外膜依次配置多个轮廓点。在沿左心室外膜配置了多个轮廓点之后,在另一方的阀环的位置配置轮廓点。进而,在一方的阀环的位置配置轮廓点,从该轮廓点沿左心房依次配置多个轮廓点。在沿左心房配置了多个轮廓点之后,在另一方的阀环的位置配置轮廓点。
这里所示的手动跟踪的次序作为一例,从哪个轮廓开始手动跟踪均可。另外,进行画面的右向旋转和左向旋转的哪个朝向的手动跟踪(轮廓点的配置)均可。另外,也可仅对左心房进行手动跟踪,而对左心室和心肌利用现有技术(例如,特开平8-206117号公报所公开的技术等)进行自动跟踪。
(步骤24)
通过步骤23由输入设备11输入而配置的轮廓点以叠加在超声波图像上的形式显示于显示装置15,并伴随于此存储到结果存储部13中。
图8表示完成了手动跟踪的状态的图,配置有多个轮廓点。图8中的81、82表示一对阀环的位置。另外,83是由多个轮廓点形成的左心室内膜的轮廓线,84是左心室外膜的轮廓线,85是左心房的轮廓线。从图8可知,在通过手动跟踪配置了轮廓点的情况下,轮廓线83~85凹凸较多,轮廓点的间隔存在偏差。
(步骤25)
基于控制器10的控制,对手动跟踪的三条轮廓线83~85的凹凸或间隔的偏差进行自动修正。更具体而言,例如通过样条曲线等进行拟合,按照使轮廓点达到预先确定的个数和间隔的方式进行重新配置即可。图9是通过步骤25进行了轮廓线83~85的凹凸或间隔的偏差的修正后的结果,轮廓线变得更圆滑。
(步骤26)
通过步骤25进行了自动修正的结果,当存在操作者明确认为是拟合错误的轮廓点时,利用输入设备11进行手动修正。更具体而言,通过对各个轮廓点进行点击、拖动来手动修正。手动修正后的各轮廓点的坐标数据被重新存储到结果存储部13中。
此外,在上述的步骤23~25的手动跟踪以及手动跟踪后的轮廓点的修正中,阀环的位置可能会因轮廓线83~85而稍微偏移。在这种情况下,可以通过某一轮廓线的阀环的位置来公用,也可求出多个轮廓线的阀环的位置坐标的平均坐标将其作为阀环的位置而公用。由此,左心室以及左心房由一条线连接,从而可对左心室左心房之间流动的血流量等无遗漏地进行测量。另外,由左心室内膜和左心室外膜包围的区域是心肌,因此,也可对心肌区域的面积等无遗留地进行测量。
(步骤27)
判断是否恰当地实施了最初帧的手动跟踪,当判断为已恰当地实施的情况下转移到步骤28,当判断为未恰当实施的情况下转移到步骤21。
(步骤28)
基于到步骤26为止求出的轮廓线,对心脏的各部位的容积以及大小(距离等)进行测量。在本实施例中,例如,为了求出容积而利用辛普森法,通过图10进行其具体说明。首先,求出阀环间的中点101,并检索左心室内膜、左心室外膜、左心房各个轮廓线上距该点最远的点,通过连结该远点和中点101求出轴102、103、104,从而应用辛普森法。利用辛普森法进行脏器的求积的方法例如在特开平7-289545号公报中公开。通过如在特开平7-289545号公报中公开的方法,计算左心室内膜、左心室外膜、左心房、左心室与左心房的和、心肌(左心室外膜容积与左心室内膜容积之差)的各容积。另外,计算轴102的长度(连接在轴102上相对于中点101最向图上侧的与左心室外膜相交的点、和在轴102上相对于中点101最向图下侧延长时与左心房相交的点的长度)、左心室以及左心房的壁间距离(将构成左心室内膜以及左心房的轮廓线的一对阀环间连接起来的线段方向的宽度105、106、心肌的内外膜间的距离107)。另外,还计算轮廓线方向的轮廓点间距离108。
(步骤29)
判断是否存在下一帧。当存在下一帧时前进到步骤30,当不存在下一帧时前进到步骤33。
(步骤30)
控制器10从视频存储器9b读入下一帧图像数据,存储到结果存储部13中。
(步骤31)
对在步骤30中显示的第二帧图像与步骤22同样实施滤波处理,进行画质改善。步骤31由步骤31a和步骤31b构成,分别进行与步骤22a、步骤22b同样的处理。
(步骤32)
在该步骤中,自动追踪从第一帧向第二帧(或者,在步骤30中根据相继实施的帧的读入,从第n帧向第n+1帧)转移时产生的各脏器的轮廓线的变化。这里,将各脏器的轮廓线的变化(变动)的追踪称为组织追踪的处理。本实施例中的组织追踪的处理的具体方法采用鲁棒性高的算法,以便在画质差的情况下也能应用。例如,可采用光学流(optical flow)法,块匹配法、梯度法、粒子追踪法。在梯度法中,具体而言,利用图像浓度的梯度,以解析方式求出速度矢量。由于向图像的访问只要微分计算,因此可高速求出速度矢量。尤其是,在膜的部分可获得大至某一程度的微分值,因此能稳定进行组织追踪。当组织追踪结束时,转移到步骤28,对第二帧(第n+1帧)计算左心室内膜、左心室外膜、左心房、左心室与左心房的和、心肌(左心室外膜容积与左心室内膜容积之差)的各容积、102的长度、左心室以及左心房的壁间距离、心肌的内外膜间的距离、轮廓线方向的轮廓点间距离(以下将这些由步骤28求出的值称为参数)。
(步骤33)
当针对所有帧的处理结束时,在显示装置15上以曲线图等形式显示各参数随着帧的更新如何变化(时间变化)。此外,关于这里的曲线图显示,是在横轴上表示时间或帧编号,在纵轴上表示各参数的计算值,例如如图11所示。
在图11的显示中,显示左心室内膜、左心室外膜、左心房、左心室与左心房的和、心肌(左心室外膜容积-左心室内膜容积)的容积的时间变化,可一边相互参照包括左心房在内的心脏的各部的容积变化和ECG(心电图),一边进行诊断(在图11中,最上面的线表示左心室外膜、接下来依次是左心室与左心房的和、心肌、左心室内膜、左心房,最下面的线表示ECG(心电图))。另外,左心室内膜、左心室外膜、左心房的各轴(图10中的102、103、104)的长度也可同样地进行曲线化。进而,左心室、左心房的壁间距离105、106、心肌的内外膜间距离107、轮廓线方向的轮廓点间距离108也可进行曲线化。容积、轴长、壁间距离是评价心功能的重要指标,与左心室心肌、左心房膜的运动性能密切相关。如上所述,通过进行曲线化,可观察时段与心功能异常的关系,还可观察左心室、左心房间的心功能的差异。
根据上述实施例,对时间上连续获得的多帧所构成的动态图像中的最初的一帧,通过手动跟踪等确定各脏器的轮廓线,进而在对与最初一帧相连的多帧通过组织追踪来追踪各脏器的轮廓线时,考虑在超声波图像上特征表现的矢量的大小以及形状,进行各图像数据的滤波处理,由此,还可追踪以往不清晰的左心房等的轮廓。另外,基于各帧的各脏器的轮廓线,求取供被检体的诊断用的各种参数,还可显示其时间上的变化,从而可提供适宜的医用图像诊断装置以及方法。
(实施例2)
本实施例是本发明的显示到显示装置15上的显示例的另一例。
如图12所示,还可对心室、左心房、心肌的剖面(121)以时间序列进行三维排列显示。由此,从视觉上可观察心脏的形状的变化。
(实施例3)
本实施例是本发明的显示到显示装置15上的显示例的又一例。
如图14所示,可将心室、左心房、心肌划分为几个部分进行三维显示(131),并且,通过对帧进行连续显示,可使三维显示的心室、左心房、心肌在时间上变化的情况可视化。
本发明并不限定于上述实施例,在不脱离本发明的宗旨的范围内可进行各种变形来实时。例如,上述步骤22、步骤31中对各帧实施的滤波处理也可安排在步骤21之前对所有帧实施,而不是在步骤21之后、步骤30之后进行。
另外,在步骤22b、31b中实施的二维高斯滤波也可采用不是利用高斯函数的滤波处理,而采用其他函数。
另外,本发明不限于观察心脏的动态,还可应用于观察其他脏器。例如,可用于观察脖颈的颈动脉的脉搏。不仅是具有动态的脏器,对于通常的基于超声波的摄像,通过考虑斑点的大小/及形状来进行平滑化处理,也存在画质改善效果,本发明还可应用于通常的超声波诊断装置以及方法中。
另外,斑点的大小及/或形状在一帧图像数据内也会因位置而不同,因此,可根据基于位置引起的大小及/或形状的变化来改变基于高斯滤波的平滑化处理。
另外,图11~13所示的显示例也可不单独在显示装置15上显示,而是与B模式像排列显示。例如,将B模式像(141)和图11(142)组合的显示例成为图14所示。在图14中,由143表示的线表示图14上侧的B模式像是在下侧的显示例的横轴的时间轴的哪个时刻的像。