JP2001017424A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、３次元画像処理機能を有する
超音波診断画像において、その処理の高速化を図って、
超音波走査と並行して３次元画像の作成及び表示をほぼ
実時間で可能にすることにある。 【解決手段】本発明による超音波診断装置は、被検体内
部を超音波で走査することにより得られたスキャンラス
タデータを直交座標系にスキャンコンバータ１０で変換
し、この直交座標系に変換されたデータに基づいてグラ
フィックコントローラ６の制御のもとで２次元画像とし
てモニタ７に表示すると共に、直交座標系に変換される
前のデータに基づいて３次元画像再構成ユニット１１で
３次元画像データを作成することを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多断面の超音波画
像データから３次元画像データを作成し、表示する機能
を持った超音波診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波の医学的な応用としては種々の装
置があるが、その主流は超音波パルス反射法を用いて生
体の軟部組織の断層像（組織濃淡像）を作成する画像診
断である。この超音波診断は、Ｘ線診断装置、Ｘ線コン
ピュータ断層撮影装置（Ｘ線ＣＴ）、磁気共鳴映像装置
（ＭＲＩ）、核医学診断装置（ガンマカメラ、ＳＰＥＣ
Ｔ、ＰＥＴ）などの他の画像診断装置に比べて、実時間
表示が可能、装置が小型で安価、Ｘ線などの被曝がなく
安全性が高いといった優位点の他に、超音波ドプラ法に
より血流イメージングが可能であるといった超音波診断
にしかできない特有の特徴を有している。このため超音
波画像診断の活用範囲は、心臓、腹部、乳腺、泌尿器、
および産婦人科等々多岐に渡っている。

【０００３】このように様々な利点のある超音波画像診
断であるが、近年では、臨床現場からの強い要望もあっ
て、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置（Ｘ線ＣＴ）や磁気
共鳴映像装置（ＭＲＩ）に追随するかたちで、３次元画
像の作成及び表示する試みが盛んになってきている。現
在のところ、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置や磁気共鳴
映像装置で培われてきた３次元画像作成表示技術を、そ
のまま超音波分野に流用しているケースが殆どである。

【０００４】上述したように、超音波診断装置はもとも
と実時間表示というＸ線コンピュータ断層撮影装置等の
追随を許さない特徴があり、この特徴が欠落するようで
は、超音波による３次元画像技術の今後の発展、普及は
見込めない。

【０００５】しかし、現在のところ、超音波３次元画像
の実時間処理は、以下に説明するような様々な超音波特
有の問題に阻まれて、実現には至っていないのが現状で
ある。

【０００６】（座標変換処理上の問題）現在普及してい
る超音波ビームを使った走査方式としては、リニア、コ
ンベックス、セクタ、アニュラなど様々ある。この中
で、コンベックスやセクタなどの扇形に走査する方式で
は、図８に示すように、例えば極座標系で表現されてい
るスキャンラスタデータ（生データと呼ばれることがあ
る）を、ディスプレイの走査方式に合わせて、２次元の
直交座標系へ変換する必要がある。これは一般に、スキ
ャンコンバートと呼ばれるオペレーションである。この
スキャンコンバートされたデータを積み上げて、ボリュ
ームデータ、一般的には画素を立方体で表現したボクセ
ルデータを得る。

【０００７】多くの３次元表示では、このボクセルデー
タに対し、図９に示すように、仮想的なスクリーンへの
投影処理によって擬似３次元画像を得ている。この処理
には、その方法如何に関わらず、ボクセルデータの３次
元直交座標系から投影スクリーンの２次元直交座標系へ
の座標変換が含まれている。

【０００８】このように従来の超音波３次元画像表示に
おいては、極座標系から２次元の直交座標系への変換
と、それからボクセルデータ化した後に３次元の直交座
標系から投影スクリーンの２次元直交座標系への変換に
は、座標計算及び補間演算等が必要で、このため高速化
を困難にしている。

【０００９】（データ転送上の問題）また、超音波診断
装置においては、図１０に示すように、投影スクリーン
を例えば縦横に分割して投影処理をマルチプロセッサな
どによる並列処理で高速化を図っていることが多い。こ
の場合、１つのメモリを複数のプロセッサで共有するよ
うになっているが、これでは、光線追跡処理時のランダ
ムアクセス等よって生じるボトルネック現象により待ち
時間が発生してしまい、高速化の妨げになっていた。

【００１０】これを解決するために、複数のプロセッサ
に対して個別にメモリを設ける仕様のものがある。この
場合、ボリュームデータは、複数のメモリにシリアルに
転送されることになる。従って、データ転送に長時間要
することになるため、やはり高速化の妨げになってい
た。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、３次
元画像処理機能を有する超音波診断画像において、その
処理の高速化を図って、超音波走査と並行して３次元画
像の作成及び表示をほぼ実時間で可能にすることにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】（１）本発明による超音
波診断装置は、被検体内部を超音波で走査する手段と、
前記走査により得られたエコー信号を検波する手段と、
前記検波により得られたデータを直交座標系に変換する
手段と、前記直交座標系に変換されたデータに基づいて
２次元画像を表示する手段と、前記直交座標系に変換さ
れる前のデータに基づいて３次元画像データを作成する
手段とを具備したことを特徴としている。

【００１３】（２）本発明による超音波診断装置は、被
検体内部を超音波で走査する手段と、前記走査により得
られたエコー信号を検波する手段と、前記検波により得
られたデータに基づいて、複数の部分的３次元画像デー
タを並列処理により作成する複数のユニットと、前記複
数のユニットにより作成された複数の部分的３次元画像
データを３次元画像データに合成する手段と、前記検波
により得られたデータを、前記複数のユニットに対して
一斉同報するブロードキャスト手段とを具備したことを
特徴としている。

【００１４】（３）本発明による超音波診断装置は、被
検体内部を超音波で走査する手段と、前記走査により得
られたエコー信号を検波する手段と、前記検波により得
られたボリュームデータに基づいて、複数の部分的３次
元画像データを並列処理により作成する複数のユニット
と、前記複数のユニットにより作成された複数の部分的
３次元画像データを３次元画像データに合成する手段
と、前記検波により得られたボリュームデータをその奥
行き方向に応じて分割し前記複数のユニットに対して重
複なく転送する手段とを具備したことを特徴としてい
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明を
好ましい実施形態により詳細に説明する。図１に、本実
施形態に係る超音波診断装置の構成をブロック図で示し
ている。ＣＰＵ１に対して、バス２０を介して、多チャ
ンネル型の超音波プローブ９、送受信ユニット８、スキ
ャンコンバータ１０、３次元画像再構成ユニット１１、
磁気ディスク２、メモリ３、キーボード４、マウス５、
グラフィックコントローラ６、モニタ７が接続されてい
る。

【００１６】多チャンネル型の超音波プローブ１には、
圧電素子とこの圧電素子の表面に形成された個別電極と
圧電素子の裏面に形成された共通電極とからなる複数の
振動子が一列に配列されている。この超音波プローブ１
の振動子配列としては、リニア仕様、セクタ仕様、コン
ベックス仕様等の様々な仕様があるが、ここではセクタ
仕様として説明する。

【００１７】送受信ユニット８は、送信部分と受信部分
と検波部分とからなり、送信部分には、振動子に個々に
接続されたパルサが設けられている。このパルサは、パ
ルス発生器から一定の周期（パルス繰り返し周波数ＰＲ
Ｆの逆数）で発生され、そして送信遅延回路で遅延され
たパルス信号をトリガとして、個別に対応されている振
動子に駆動信号（高周波の電圧信号）を印加する。振動
子の駆動信号による機械的な振動により発生した超音波
は、被検体内部を伝播し、その途中にある音響インピー
ダンスの不連続面で反射し、エコーとしてプローブ９に
返ってくる。このエコーは、プローブ９の圧電素子を機
械的に振動する。これにより発生した微弱な電気信号
は、受信部分のプリアンプで増幅され、そして受信遅延
回路で遅延され、加算器で加算される（整相加算処
理）。これによりエコー信号に指向性が与えられる。こ
のエコー信号は、検波部分においてまず検波され、そし
てアナログデジタルコンバータで１本の超音波走査線
（単にラスタと呼ばれることもある）に対して例えば
０．５ｍｍ間隔に相当するサンプリング周波数に従って
サンプリングされる。

【００１８】この検波及びサンプリング直後であって、
後述のスキャンコンバータ１０でビデオ走査方式に合わ
せて直交座標変換される前のデータは、ラスタの番号
と、サンプリング点の番号とによって極座標様の座標系
で定義されている。この１スライス（１スキャン）分の
サンプリングデータの集まりを、以下、スキャンラスタ
データと称するものとする。

【００１９】ここで、本装置には、２次元表示モード
と、３次元表示モードとが備えられていて、キーボード
４やマウス５の操作によりオペレータは自由に切替でき
るようになっている。まず、２次元表示モードにおいて
は、送受信ユニット８から出力されるスキャンラスタデ
ータは、スキャンコンバータ１０で水平走査線と垂直走
査線とで定義される直交座標系、つまりビデオ走査方式
に並び替えられ、さらにラスタ間を補間され後、断層像
データとしてグラフィックコントローラ６に送られると
共に、磁気ディスク２に送られ記憶される。グラフィッ
クコントローラ６は、モニタ７に断層像を表示させるた
めに、断層像データに基づいてモニタ７を制御する。

【００２０】次に、３次元表示モードにおいては、超音
波プローブ９が手動で又は自動的に動かされると、これ
に応じて扇形走査面が、被検体内部の３次元領域内を手
前から奥に向かって平行移動又は首振り運動のように動
き、この結果、複数スライス分のスキャンラスタデータ
がボリュームデータとして収集される。

【００２１】この３次元表示モードでは、２次元表示モ
ード時と異なり、送受信ユニット８から出力されるスキ
ャンラスタデータは、スキャンコンバータ１０を経由せ
ずに、直接的に３次元画像再構成ユニット１１に送られ
る。

【００２２】この３次元画像再構成ユニット１１では、
図２に示すように、複数スライス分のスキャンラスタデ
ータから直接的に３次元画像再構成処理、ここではキー
ボード４やマウス５の操作によって任意に設定された投
影スクリーンに対して垂直に定義された複数の光線各々
に沿ってデータ追跡を行い、その光線上のデータを対象
としてデータ加算又は最大値抽出等の処理、さらにはラ
スタ間の補間処理を行う。このような処理が一般的に投
影処理と呼ばれるもので、この投影処理により３次元表
示画像データが再構成される。この投影処理において、
データ読み書き等のアドレスコントロールは、従来のよ
うなＸＹ直交座標系の仕様ではなく、ラスタの番号とサ
ンプリング点の番号とによる極座標様の座標系の仕様で
行われる。

【００２３】このように本実施形態では、スキャンコン
バータ１０でビデオ走査方式に合わせて直交座標変換さ
れる前のスキャンラスタデータを対象として、直交座標
変換処理を経由せずに直接的に３次元表示画像再構成処
理を行う。従来では、ボクセルデータを対象としたＸ線
ＣＴやＭＲＩ用の３次元画像作成処理をそのまま流用で
きるようにデータを直交座標に変換してボクセルデータ
を作ってから３次元画像作成処理を行っていたが、本実
施形態では、ボクセルデータを作らずに、直交座標変換
前のスキャンラスタデータから直接的に３次元画像デー
タを作成する。従って、直交座標変換に要していた時間
分、高速化を図って、実時間性を向上することができ
る。

【００２４】さらに、本実施形態では、従来と同様に、
図３に示すように、複数スライス分のスキャンラスタデ
ータ（ボリュームデータ）から３次元画像データを再構
成する投影処理（図８参照）を、メモリ１５と演算器１
６とからなる複数のレンダリングユニット１４で並列処
理（分割処理）して、部分的な３次元画像データを作成
し、この部分的な３次元画像データを合成プロセッサ１
７で最終的な１つの３次元画像データに合成するように
なっている。

【００２５】このメモリ１５に送られるスキャンラスタ
データは、従来では、複数のユニット１４にシリアルに
転送されていたが、本実施形態では、スキャンラスタデ
ータに宛先アドレスとして宛先不特定アドレスを添付す
るブロードキャスター１２と、複数のユニット１４で共
用されるバス１３とにより、複数のユニット１４に対し
て一斉同報されるようになっている。

【００２６】従って、データ転送時間を実効的に従来の
１／Ｎ（Ｎはユニット数）に短縮することができ、これ
により高速化が実現され、実時間性が向上され得る。

【００２７】なお、３次元画像再構成ユニット１１は、
図４に示すようにいわゆるクロスバー方式に変形するこ
とができる。図３の構成では、ブロードキャスター１８
に対して複数のレンダリングユニット１４がバス１３に
より一対多の形態で接続されていたのに対して、図４の
構成では、ブロードキャスター１８に対して複数のレン
ダリングユニット１４が一対一の形態で個別に接続され
ている点が相違している。また、図３の例では、ブロー
ドキャスター１２でスキャンラスタデータに宛先不特定
アドレスを添付することで一斉同報を実現していたが、
図４の例では、ブロードキャスター１８又は送受信ユニ
ット８において、転送先の複数のレンダリングユニット
１４の個別アドレス（接続ポート番号）をスキャンラス
タデータに個々に添付して、複数のレンダリングユニッ
ト１４各々が個別アドレスに従ってスキャンラスタデー
タをに一斉に受け取ることができるようになっている。

【００２８】また、３次元画像再構成ユニット１１は、
図５に示すようにいわゆるデージーチェーン方式に変形
することもできる。図５の構成では、複数のレンダリン
グユニット１４各々にはリピーター２２が設けられ、こ
のリピーター２２によって複数のレンダリングユニット
１４がブロードキャスター１８に対して連続的又は連鎖
的に接続されている。先頭のレンダリングユニット１４
のリピーター２２は、ブロードキャスター１８から受け
取ったスキャンラスタデータを自ユニット１４のメモリ
１５に送り込むのと並行して、次段のレンダリングユニ
ット１４に転送する。この次段のレンダリングユニット
１４のリピーター２２も同様に、受け取ったスキャンラ
スタデータを自ユニット１４のメモリ１５に送り込むの
と並行して、さらに次段のレンダリングユニット１４に
転送する。このような動作を繰り返しながら、複数のレ
ンダリングユニット１４に次々と送り込まれていく。こ
の方式では、スキャンラスタデータの各ユニット１４の
メモリ１５への書き込みと次のユニット１４への転送と
が同時に並行して行われるので、スキャンラスタデータ
の転送時間を短縮することができる。

【００２９】ここで、複数のユニット１４に対する投影
処理の作業分担を、次のように工夫することにより、ハ
ードウェア構成を簡略化、具体的にはメモリ１５の容量
及びバス１３のデータ量を小さくすることができる。図
６に示すように、ブロードキャスタ１２は、データ転送
プロセッサ１８に置き換えられる。上述したブロードキ
ャスタ１２は、複数スライス分のスキャンラスタデータ
（ボリュームデータ）を全てを複数のユニット１４に対
して一斉同報するようにしていたが、データ転送プロセ
ッサ１８は、ボリュームデータを図７に示すように奥行
き方向（Ｚ）に複数の領域（Ａ，Ｂ，…，Ｎ）に分割
し、各領域のデータをそれぞれ対応するユニット１４に
重複しないように転送するという機能を備えている。

【００３０】このようにそれぞれのユニット１４には、
ボリュームデータを領域毎に分けて転送することで、メ
モリ１５の容量及びバス１３のデータ量を図３の場合の
１／Ｎに小さくすることができる。

【００３１】このように図６の場合でも、図１の場合と
同様に、ボリュームデータに対する投影処理は複数のユ
ニットで並列処理をするようになっているが、相違する
のは、各ユニットに対する投影処理の割り当て方法にあ
る。周囲の通り、投影の主な処理としては、ボリューム
データに対して配置した複数の平行光線又は集束光線上
のデータを追跡するという処理である。図１の場合で
は、光線単位で処理を各ユニット１４に割り当ててい
た、つまりある光線の追跡処理は、その最初から終わり
までが同じユニット１４で担当していたので、データ追
跡処理がデータの欠落によって光線の途中で止まらない
ように、全てのボリュームデータを全ユニット１４に個
々に送っておく必要があって、メモリ１５やバス１３に
大きな容量が必要とされる。

【００３２】一方、図６の場合、あるユニット１４には
光線の途中までの追跡処理が割り当てられ、別のユニッ
ト１４にはその続き、さらに別のユニット１４にはさら
にその続きが割り当てられる。つまり、１本の光線に関
する追跡処理は、複数のユニット１４によって分担され
るようになっている。従って、図６の場合では、全ての
ボリュームデータを全てのユニット１４に送る必要はな
く、それぞれが割り当てられている処理に必要な部分的
なデータを送ればよい。このためメモリ１５やバス１３
には大きな容量は必要とされない。

【００３３】このように奥行き方向に関する分割処理に
よって得られた部分的な３次元画像データは合成プロセ
ッサ１９で光線毎に加算され、最終的な１つの次元画像
データが生成される。この加算処理の一例として、光線
追跡上、後方に位置する領域（Ｂ，Ｃ，…，Ｎ）では、
入射光量を１．０と仮定して光線上のデータ追跡を行
い、この仮定した入射光量１．０を手前の領域のデータ
追跡結果に従って補正しながら加算を行う。

【００３４】このような分割処理においても、図４のク
ロスバー方式や図５のデージーチェーン方式を採用する
ことができる。この場合には、分割したデータブロック
ごとに各ユニット１４の個別アドレスを添付しておき、
その個別アドレスに従ってユニット１４の側で分割デー
タの受け取りの認容又は否認を判断するようにしてもよ
いし、予めユニット１４の側にデータ全体の中の自ユニ
ット１４で取り込む範囲情報を与えておき、その情報に
従って対応するデータブロックだけを取り込むようにし
てもよい。

【００３５】本発明は、上述した実施形態に限定される
ことなく、種々変形して実施可能である。

【００３６】

【発明の効果】（１）従来では、ボクセルデータを対象
とした３次元画像作成処理をそのまま流用できるように
データを直交座標に変換してボクセルデータを作ってか
ら３次元画像作成処理を行っていたが、本発明では、ボ
クセルデータを作らずに、直交座標変換前のデータから
直接的に３次元画像データを作成する。従って、直交座
標変換に要していた時間分、高速化を図って、実時間性
を向上することができる。

【００３７】（２）従来では、データを複数のユニット
にシリアルに転送していたが、本発明では、一斉同報す
るので、データ転送時間を短縮することができる。これ
により高速化が実現され、実時間性が向上され得る。

【００３８】（３）本発明でも、従来と同様に、ボリュ
ームデータに対する投影処理は複数のユニットで並列処
理をするようになっているが、従来と相違するのは、各
ユニットに対する投影処理の割り当て方法にある。周囲
の通り、投影の主な処理としては、ボリュームデータに
対して配置した複数の平行光線又は集束光線上のデータ
を追跡するという処理である。従来では、光線単位で処
理を各ユニットに割り当てていた、つまりある光線の追
跡処理は、その最初から終わりまでが同じユニットで担
当していたので、データ追跡処理がデータの欠落によっ
て光線の途中で止まらないように、全てのボリュームデ
ータを全ユニットに個々に送っておく必要があって、ボ
リュームデータの全データ量を賄えるように大きなメモ
リ容量が必要とされていた。一方、本発明では、あるユ
ニットには光線の途中までの追跡処理が割り当てられ、
別のユニットにはその続き、さらに別のユニットにはさ
らにその続きが割り当てられる。つまり、１本の光線に
関する追跡処理は、複数のユニットによって分担される
ようになっている。従って、本発明では、全てのボリュ
ームデータがなくても各ユニットはそれぞれが割り当て
られている奥行き領域までの部分的なデータがあれば、
各ユニットはそれぞれが割り当てられている領域の作業
を途中で止まることなく完了することができる。つま
り、全てのボリュームデータを全てのユニットに送る必
要はなく、それぞれが割り当てられている処理に必要な
部分的なデータを送ればよい。このためバス容量やメモ
リ容量が少なくて済む。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の構
成を示すブロック図。

【図２】本実施形態による３次元画像再構成工程の概略
図。

【図３】図１の３次元画像再構成ユニットの構成を示す
ブロック図。

【図４】図３の３次元画像再構成ユニットの他の構成を
示すブロック図。

【図５】図３の３次元画像再構成ユニットのさらに他の
構成を示すブロック図。

【図６】図１の３次元画像再構成ユニットの他の構成を
示すブロック図。

【図７】図６のレンダリングユニットで並列処理される
ボリュームデータの分割領域を示す模式図。

【図８】従来の３次元画像作成工程の概略図。

【図９】従来の投影処理の概念図。

【図１０】従来の投影処理の並列処理単位を示す模式
図。

【符号の説明】

１…ＣＰＵ、 ２…磁気ディスク、 ３…メモリ、 ４…キーボード、 ５…マウス、 ６…グラフィックコントローラ、 ７…モニタ、 ８…３次元画像再構成部、 ９…超音波プローブ、 １０…スキャンコンバータ、 １１…３次元画像再構成ユニット、 １２…ブロードキャスター、 １３…バス、 １４…レンダリングユニット、 １５…メモリ、 １６…演算器、 １７…合成プロセッサ、 １８…データ転送プロセッサ、 １９…合成プロセッサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 及川 大造 栃木県大田原市下石上1385番の１ 株式会 社東芝那須工場内 Ｆターム(参考） 4C301 KK16 5B057 AA07 BA06 CA13 CB12 CB13 CD20 CH04 CH14

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体内部を超音波で走査する手段と、 前記走査により得られたエコー信号を検波する手段と、 前記検波により得られたデータを直交座標系に変換する
   手段と、 前記直交座標系に変換されたデータに基づいて２次元画
   像を表示する手段と、 前記直交座標系に変換される前のデータに基づいて３次
   元画像データを作成する手段とを具備したことを特徴と
   する超音波診断装置。
2. 【請求項２】 被検体内部を超音波で走査する手段と、 前記走査により得られたエコー信号を検波する手段と、 前記検波により得られたデータに基づいて、複数の部分
   的３次元画像データを並列処理により作成する複数のユ
   ニットと、 前記複数のユニットにより作成された複数の部分的３次
   元画像データを３次元画像データに合成する手段と、 前記検波により得られたデータを、前記複数のユニット
   に対して一斉同報するブロードキャスト手段とを具備し
   たことを特徴とする超音波診断装置。
3. 【請求項３】 被検体内部を超音波で走査する手段と、 前記走査により得られたエコー信号を検波する手段と、 前記検波により得られたボリュームデータに基づいて、
   複数の部分的３次元画像データを並列処理により作成す
   る複数のユニットと、 前記複数のユニットにより作成された複数の部分的３次
   元画像データを３次元画像データに合成する手段と、 前記検波により得られたボリュームデータをその奥行き
   方向に応じて分割し前記複数のユニットに対して重複な
   く転送する手段とを具備したことを特徴とする超音波診
   断装置。