JP2004173905A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元超音波画像を形成可能な超音波診断装置において、臓器の観察対象部分を精度よく抽出する。
【解決手段】三次元超音波画像の各階層ごとに高輝度のボクセルがまとまったボクセル群５４，５６，５８，７２，７４，７６を形成する。一つの階層において、観察対象とするボクセル群５４を指定する。隣接する階層において、前記ボクセル群５４に連続すると考えられるボクセル群７２を抽出する。順次、隣接する階層に関し連続するボクセル群を抽出し、全階層について、これを行う。抽出されたボクセル群に属するボクセルと、同一のボクセルのデータを三次元超音波画像より抽出することにより、観察対象部位の三次元画像が形成される。
【選択図】 図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元超音波画像を提供する超音波診断装置に関し、特に生体内部の注目する部分の抽出に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体に対し超音波を送受し、受信された超音波信号に基づき生体内部の三次元画像を提供する超音波診断装置が知られている。超音波受信信号は、振幅情報と位相情報からなるが、そのうちの振幅に由来する情報を、以降輝度情報と記す。
【０００３】
受信された超音波信号に基づき得られた三次元画像は、一般的には、各ボクセルの輝度情報を立体的に表示したものである。この場合、臓器内部の腔部分を観察することができない。例えば、心臓を観察する場合、超音波は、心臓の心筋で反射するため、心筋部分が高輝度となって表示され、臓器内部の、すなわち心室などの腔部分の情報が得られない。腔部分を観察するためには、例えば、切断面を指定し、その面の手前の情報を排除した状態で表示する処理が行われている。
【０００４】
また、心臓に係る診断において、心臓の拍出量を得たいという要求がある。従来、拍出量は、断層画像などに基づき近似的に求められていた。例えば、左室の所定部分の長さを観測し、この長さの時間変化に基づき拍出量を求めたり、ある切断面における左室の断面積を求め、この時間変化に基づき拍出量を算出していた。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２２４１１６公報
【特許文献２】
米国特許出願公開第２００２／１３３０７５Ａ１明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
臓器内部の腔部分に限らず、臓器の特定部分を観察する場合、この特定部分を精度よく抽出することが望まれる。前記の心臓の場合においては、観察対象を明瞭に表示すると共に、その拍出量の測定精度を高めるために、左室を精度よく抽出することが望まれる。
【０００７】
また、生体内の腔部分のみならず、実体のある部分、例えば前立腺、各部の腫瘍、結石の抽出を行い、その体積を測定したいという要求がある。
【０００８】
本発明は、前述の問題点を考慮してなされたものであり、生体内の観察の対象となる部分を精度よく抽出できる超音波診断装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波診断装置は、受信した超音波信号により得られた三次元データの各階層ごとに、各ボクセルの情報に基づき、関連するボクセルがまとまった、一つまたは二つ以上のボクセル群を形成し、さらに隣接する前記階層にそれぞれ属する前記ボクセル群間に所定の関連づけを行い、この関連づけられたボクセル群で形作られる三次元的な塊を観察対象となる部位の抽出のフィルタとして用いる。
【００１０】
各ボクセルの情報は、例えば輝度情報、速度、速度の分散など、超音波信号の強度やドプラ偏移周波数などに基づき得られるボクセルごとに固有の情報である。
【００１１】
ボクセル群を形成する際には、各ボクセルの情報に関し、所定のしきい値にて二値化し、この二値化された情報を用いてボクセル群の形成を行うようにすることができる。先に二値化を行うことで、後の処理負担が軽減される。
【００１２】
また、隣接階層間のボクセル群の関連づけは、一つの階層に属する一つのボクセル群と、この階層に隣接する階層に属する各ボクセル群の幾何学的な情報に基づき行われる。例えば、一つの階層において選定された一つのボクセル群と、このボクセル群の領域を他方の階層へ正投影し、この投影された領域と他方の階層のボクセル群とが重なった領域の面積を、前記幾何学的な情報とすることができる。そして、重なった領域の面積が最も大きくなるボクセル群を、選定された一つのボクセル群に関連づけるようにできる。また、幾何学的な情報を、一つの階層において選定された一つのボクセル群と、隣接する階層の各ボクセル群との重心との距離とすることができる。そして、元の階層のボクセル群の重心に最も近い重心を有するボクセル群が、関連づけられる対象として選ばれる。
【００１３】
また、観察対象部位を抽出するために、受信された超音波信号の一つの階層の情報を提供し、この情報に基づく一つのボクセル群の指定を受け付けるようにできる。指定されたボクセル群に対し、このボクセル群が属する階層に隣接する階層のボクセル群の関連づけを行う。この関連づけは、前記した隣接する階層間でのボクセル群の関連づけと同様に行うことができる。次に、更に隣接する階層間でボクセル群の関連づけを行い、これを超音波画像の三次元データの全階層にわたって実行する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。なお、以下においては、観察対象を心臓、特に左室として説明するが、他の心腔部、また他の臓器の所定部分に本発明を適用することも可能である。
【００１５】
図１は、本実施形態の超音波診断装置１０の外観を概略的に示した図である。超音波診断装置１０は、三次元超音波画像を形成する機能を有している。装置本体１２の前面には、各種の操作を行う操作パネル１４が設けられている。また、対象に対して超音波の送受を行う超音波探触子１６が、ケーブルを介して装置本体１２に接続されている。装置本体１２の上方には、モニタ１７が設けられ、超音波探触子１６により受信された反射波に基づく超音波画像などがここに表示される。装置本体１２の内部には、超音波の送受、受信された反射波の信号処理、さらに画像処理などを行う回路が組まれた回路基板が配置されている。
【００１６】
図２は、超音波画像の形成に係る構成を示すブロック図であり、特に臓器の腔部分、例えば左室などの心腔部の表示に好適な画像処理に係る構成を示している。超音波探触子１６は、超音波ビームを二方向に走査可能であり、これにより三次元超音波画像の形成を可能としている。送受信部１８は、前記三次元用の超音波探触子１６に対応しており、超音波の送受信の制御を行って受信されたデータを三次元データメモリ２０に送り、データはここに格納される。本実施形態においては、三次元データは超音波ビームの主走査方向θ、これに直交する副走査方向φ、および探触子当接面の曲率中心からの距離ｒによる極座標系（θ，φ，ｒ）にて格納される。三次元データの格納形態については、反射波の情報から直接的に得られる極座標系から、他の座標系、例えば直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）に変換した形態にて格納することもできる。
【００１７】
三次元データメモリ２０に格納されたデータは、反射波の強度に対応した輝度情報を格納するもので、観察対象が心臓の場合、反射の大きい心筋部が高輝度に、反対に反射の小さい流体（血液）で満たされた心腔部は低輝度となっている。このデータを三次元表示した場合、高輝度の心筋部が表示され、内部の心腔部は心筋部に隠れ表示がなされない。この心腔部を表示するために、本実施形態においては、輝度情報を反転させ、心筋部は低輝度に、心腔部を高輝度にする。これにより、心腔部全体を三次元表示にて観察可能としている。この反転画像は、三次元データメモリ２０内のデータを反転画像形成部２２により処理して形成される。次に、反転画像形成部２２による画像処理について説明する。
【００１８】
まず、三次元データメモリ２０の各ボクセルデータの輝度情報を二値化処理部にて二値化する。二値化する際のしきい値は、あらかじめ定められた固定値であってもよく、また取得された超音波画像に応じて操作者が設定できるようにすることもできる。例えば、６４階調の輝度データであれば、ボクセルごとに、しきい値未満であれば輝度値を０に、またしきい値以上であれば６３とする。次に、輝度情報反転部２６にて、輝度情報を反転する。すでに二値化されているデータであるので、輝度情報０を６３に、輝度情報６３を０とする。上記の二値化と反転処理は順序を逆にしても同様の結果を得ることができる。
【００１９】
図３は、二値化反転後のデータに基づく画像を表示したものである。この図は、すでに極座標から直交座標への変換を行った状態を示している。また、四角錐の側面のように見える面は、肋骨などの影響により、超音波の反射波がなかった部分を示すものであり、輝度情報を反転したことによって現れたものである。図の中心部分に盛り上がったように見える部分が心腔部を示している。なお、この図は、出願形式に適合させるために、中間階調の表現などが実際の超音波診断装置１０と異なっており、本装置の表示そのものを示すものではない。すなわち、本装置においては、中間階調は各ボクセルの輝度の階調として（例えば６４階調）により表されるのに対し、この図においては、ドットの密度によって表現されたものとなっている。
【００２０】
図３においては、十分表現されていないが、二値化されたデータそのままを表示すると、コントラストが強すぎるため非常に見づらい表示となる。また、ノイズも強調される。そこで、二値化反転データに対し、以下の画像処理を行う。まずノイズ除去部２８にて、ノイズ除去を行う。例えば、θ−φ平面上で、あるボクセルの周囲８個のボクセルのうち、例えば５個の輝度値が６３（６４階調の場合）であれば、その注目したボクセルの値を６３とする。５個未満であれば、注目したボクセルの従前の輝度情報を維持する。また、周囲５個の輝度情報が０の場合は、注目したボクセルの輝度情報を０とし、５個未満であれば従前の輝度情報を維持する。このノイズ除去の処理は、θ−φ平面上で実行されるが、θ−ｒ平面、φ−ｒ平面で行うこともできる。また、立体的に観て、あるボクセルの周囲２６個のボクセルの輝度情報に基づき、その注目したボクセルの輝度情報を決定するようにもできる。
【００２１】
次に、平滑化部３０により平滑化処理を行う。前述のように、二値化されたデータは見づらいので、鈍らせ、なめらかな表示となる画像処理を行う。例えば、あるボクセルの輝度情報を、これと、その周囲のボクセルとの輝度情報の平均値に決定することで平滑化を行うことができる。平均値算出の対象となるボクセルは、例えば一つの平面内の９個のボクセルを用いることも、立体的な２７個のボクセルを用いることもできる。この平滑化処理を行うことにより、中間階調のボクセルが発生し、なめらかな表示となる。さらに、補間部３２によりライン間（θ方向）、フレーム間（φ方向）の補間を行う。
【００２２】
さらに、心腔部抽出部３４にて心腔部の抽出を行う。図３にも示されるように、二値化反転した画像においては、観察対象である心腔部以外の部分が心腔部の観察の障害となっている。そこで、心腔部の一般的な形状を利用して、この部分の抽出を行う。
【００２３】
図４は、心腔部抽出部３４の細部の構成を示すブロック図である。また、図５〜図７は、心腔部の抽出に関する説明図である。図５は、三次元データメモリ２０に格納される超音波画像データを模式的に表したものである。この三次元データは、１フレームあたり６４ライン（θ方向）、３０フレーム（φ方向）、２５６階層（ｒ）のボクセル（画素）より構成されている。また、図においては、各ボクセルの輝度値を、所定のしきい値で二値化した状態で示されている。図中央付近の上方の塊が、左室の像４２を表し、その下の塊が左心房の像４４を示している。
【００２４】
三次元データから一つの階層を基準面として指定する。これは、例えば、図８に示される画像をモニタ１７に表示させ、操作パネル１４からの操作によって基準面を指定するようにできる。図８は、モニタ１７の表示例であり、右上が側面図、左下が正面図、右下が斜視図となっており、左上は所定の階層における断面図である。側面図または正面図にて、ラインマーカ４６を移動させて断面を指定する。このラインマーカ４６により示された断面が、左上の断面図である。このラインマーカ４６が示す階層のデータを、読み出し回路４８により三次元データメモリ２０より読み出し、二値化反転部５０にて処理する。この二値化反転処理は、前述の二値化処理部２４と輝度情報反転部２６と全く同様の処理を行う。この場合のように、心腔部のように元の超音波画像において低輝度値となる部分を観察対象とする場合は、輝度情報の反転処理を行うことが好ましいが、反転処理を行わず、観察対象を、他の部分である高輝度部分に囲まれた低輝度の部分として処理することも可能である。また、観察対象が本来、高輝度である場合については、反転処理を行わず二値化処理のみ行うようにしてもよい。
【００２５】
ラインマーカ４６で指定した階層が、図５に示すように１００番の階層であったとして以後の説明を行う。二値化反転処理された１００番の階層の画像は、図６に示すように高輝度のボクセルがまとまって３つの群をなしている。いくつの群を形成するかは、得られた超音波画像と指定した断面により変化する。ここでは、１００番の階層である基準面５２において、中央に現れるボクセル群５４が左室４２の断面を現しており、左右のボクセル群５６，５８は、観察対象となっていない部分の像か、ノイズである。ラベリング部６０においては、これらのボクセル群５４，５６，５８に属する各ボクセルに対し、属する群に対応したラベルを付与する。図６の場合であれば、左室断面を示すボクセル群５４に属するそれぞれのボクセルに対し「３」、他のボクセル群５６，５８の各ボクセルに対しては「１」，「２」のラベルが付与される。さらに、操作者は、どのボクセル群を観察対象とするかの指定も行う。この指定は、図８の表示画面上でポイントマーカ６２により行う。この指定がなされたボクセル群５４のみが残され、この画像が基準面用メモリ６４に格納される。さらに、この画像がセレクタ６６を介して比較基準画像用メモリに格納される。セレクタ６６の機能については後述する。
【００２６】
以上の１００番の階層（基準面）の画像処理の流れは、図７にも示されている。二値化反転処理された基準面の画像情報５２−１が左列（ａ）に示され、ひとかたまりをなすボクセルに対し共通のラベルを付与した状態が画像情報５２−２として中央列（ｂ）に示されている。そして、操作者が指定したひとかたまりのボクセル群のみの画像情報５２−３が右列（ｃ）に示されている。前述のように、この右列（ｃ）の画像情報が、基準面用メモリ６４と、比較基準画像用メモリ６８、さらにセレクタ６９を介して左室抽出用三次元メモリ７１に格納される。
【００２７】
基準面５２に関する画像情報が比較基準面画像用メモリ６８に記憶されると、読み出し回路４８によって、１００番に隣接する階層の一方が三次元データメモリ２０から読み出される。この読み出された階層（例えば９９番の階層）の画像情報が二値化反転部５０で処理される。この画像情報が、図７の左列（ａ）に、画像情報７０−１として現されている。画像情報７０−１は、高輝度のボクセルがまとまったボクセル群７２，７４，７６を含んでいる。さらに、ラベリング部６０により、ボクセル群７２，７４，７６に属するボクセルに対し、属する群に共通のラベルを付与する。図７中央列（ｂ）に示すように、例えば「６」「７」「８」のラベルが付与される。このラベリングされた画像情報７０−２が、一つ前（１００番）の階層の画像情報５２−３と比較される。すなわち、比較基準画像用メモリ６８に記憶されている画像情報５２−３と、比較対象の画像情報７０−２とが、比較部７８にて比較される。具体的には、観察対象部分であるとして指定されたボクセル群５４を、画像情報７０−２上に正投影して（図中破線で示す）、この正投影された像に含まれる高輝度のボクセルを選び出す。選び出されたボクセルには、すでにラベルが付与されており、群ごとの面積計測回路８０は、先のラベルごとにボクセル数を計数する。ここで、同一階層内における群の面積は、その群のボクセル数に比例するので、同一階層内での群ごとの面積の比較はボクセル数の比較により行うことができる。後述するように、本実施形態においては、面積の比較は同一階層内で行われるので、ボクセル数を計数することは、すなわち面積の計測を行うことである。このボクセル数は、９９番階層のボクセル群７２，７４，７６と、比較基準となる１００番階層のボクセル群のうち指定されたボクセル群５４の正投影像とが重った領域の面積に相当する。この重なった部分の面積が最大のボクセル群（図７の場合、ボクセル群７２）が最大領域抽出回路８２によって選ばれる。
【００２８】
このボクセル群のラベルを有する全てのボクセルを、ラベルが付与された画像情報７０−２から特定ラベル通過回路８４によって通過させ、セレクタ６９を介して左心室抽出用三次元メモリ７１に格納させる。セレクタ６９は、基準面５２の画像情報に関しては、比較部７８を通過前の画像情報そのものを通過させ、その他の階層にかかる画像情報に介しては、比較部７８にて比較され、所定の処理を行った画像情報を通過させる。左室抽出用三次元メモリ７１に格納された９９番階層の画像情報７０−３が図７右列（ｃ）に示されている。また、左室抽出用三次元メモリ７１に格納されたのと同じ画像情報７０−３は、特定ラベル通過回路８２から前出のセレクタ６６へ送られ、これを介して比較基準画像用メモリ６８に格納される。このとき、従前の画像情報５２−３は消去される。セレクタ６６は、最初の階層の処理、すなわち基準面５２に関する処理については、基準面用メモリ６４の画像情報５２−２を通過させるが、これに続く階層の処理については、特定ラベル通過回路８４を通過した画像情報を通過させる。
【００２９】
９９番の階層の、左室が抽出された画像情報７０−３が比較基準画像用メモリ６８に格納されると、読み出し回路４８によって次に隣接する９８番の階層の情報が読み出される。そして、二値化反転、ラベリングがなされた後、９９番階層の画像データ７０−３との比較がなされ、左室部分の抽出が行われる。これが、１番の階層まで繰り返される。１番の階層の処理が終了すると、切り替え回路８６は、セレクタ６６に、再度基準画面用メモリ６４に格納された画像情報５２−２を通過させ、比較基準画像用メモリ６８に送るように指示する。そして、三次元データメモリ２０から、基準面に隣接する、もう一方の階層である１０１番の階層の画像情報を二値化反転、ラベリング処理をして比較を行い、更に、これをもう一方の端の階層（２５６番）まで繰り返す。
【００３０】
以上の結果、左室抽出用三次元メモリ７１には、基準面５２における操作者が左室であると指定したボクセル群５４と、これに上下方向に連続しているボクセル群の情報が左室を表す三次元的な塊のデータとして蓄積される。そして、特定ラベル通過回路８８を用いて、この塊のデータをフィルタとして、三次元データメモリ２０の三次元超音波画像を通過させる。すなわち、左室抽出用三次元メモリ７１に格納された左室を表すとされたボクセルと同じ位置の、三次元データメモリ２０内の超音波画像のボクセルを通過させる。これにより、三次元超音波画像の左室のみを抽出することができる。
【００３１】
図２に戻り、セレクタ３６は、元の三次元データか、二値化反転され心腔部が抽出されたデータか、操作者の指示に従って、いずれかを選択し、変換部３８にデータを送出する。変換部３８では、極座標から直交座標への、さらに二次元表示するための変換を行う。前述のように三次元データメモリ２０に格納されるデータがすでに直交座標系への変換を終えている場合には、ここでの変換は、三次元のデータを二次元表示するための変換だけとなる。変換されたデータに基づきモニタ１７にて表示が行われる。
【００３２】
また、心腔部抽出部３４にて抽出された心腔部のデータに基づき、容積演算部４０にて心腔部の容積を算出する。抽出された心腔部は立体モデルであるので、一部分の長さや、一つの断面における断面積から容積を推定するのに比べ、高い精度で容積を求めることができる。算出された容積に基づき、診断の支援となる情報、例えば容積の時間変化、最大値、最小値、最大値と最小値の差に相当する拍出量なども算出される。これらの算出されたデータの全て、またはその一部をモニタ１７に表示させる。
【００３３】
図９は、抽出された心腔部の画像を表示したものである。図９は、図３と同様に、中間階調の表現手法等が、本装置１０のものと異なるために、実際の表示そのものを示すものとはなっていない。しかしながら、心腔部が立体として認識しやすい表示となっていることが理解できる。また、操作パネル１４からの操作によって、視点の位置を変えることができ、図９の表示における裏側も観察することができる。
【００３４】
以上においては、各階層間のボクセル群の関連づけは、一方の階層から隣接する他方の階層へ投影されたボクセル群の領域と、他方の階層のボクセル群とが重なった部分の面積に基づき行われた。しかし、これ以外の方法により関連づけを行うこともできる。例えば、一方の階層の注目しているボクセル群の重心と、ここれと隣接する他方の階層の各ボクセル群の重心との距離を比較し、この距離が最も近いボクセル群どうしを関連づけるようにできる。
【００３５】
以上、心腔部の抽出について述べたが、他の生体内の腔部分についても同様の抽出処理を行うことができる。さらに、腔でない実体部分、例えば前立腺、腫瘍、結石についても、同様の抽出処理を行うことができる。
【００３６】
さらに、反射波のドプラ偏移周波数に基づき速度を有する部分の情報を得る場合においても、前述の特定部位の抽出方法を適用することができる。例えば、ドプラ偏移から求められる、ボクセルごとの速度情報から、ある速度以上の部分を抽出すれば、例えば血管など、血流のある部分の抽出を行うことができる。また、同様にドプラ偏移より求められる分散が、ある値以上である部分を抽出すれば、例えば血流の乱れがある部分の抽出を行うことができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、得られた超音波画像をもとに、観察対象部分の抽出を行うので、抽出処理の精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の超音波診断装置の概略外観図である。
【図２】本実施形態の画像処理に係る構成を示すブロック図である。
【図３】超音波画像を二値化反転した画像の一例を示す図である。
【図４】本実施形態の観察対象部位を抽出するフィルタの作成に係る構成を示すブロック図である。
【図５】三次元超音波画像の例を示す図である。
【図６】三次元超音波画像の一つの階層の画像情報の例を示す図である。
【図７】観察対象部位を抽出するフィルタの作成過程を概念的に示す図である。
【図８】三次元超音波画像の表示例を示す図である。
【図９】二値化反転され、抽出された心腔部の画像の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 超音波診断装置、１６ 超音波探触子、２０ 三次元データメモリ、２２ 反転画像形成部、２４ 二値化処理部、２６ 輝度情報反転部、３４ 心腔部抽出部、５２ 基準面、５４，５６，５８，７２，７４，７６ ボクセル群。

Claims (6)

1. 生体に対し超音波を送受し、これに基づき臓器の三次元画像を提供する超音波診断装置において、
   受信した超音波信号により得られた三次元データの各階層ごとに、各ボクセルの情報に基づき、関連するボクセルがまとまった、一つまたは二つ以上のボクセル群を形成する手段と、
   隣接する前記階層に各々属する前記ボクセル群間に所定の関連づけを行う手段と、
   前記階層間で関連づけられたボクセル群をフィルタとして前記三次元データから観察対象領域を抽出する手段と、
   を有する超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置であって、前記ボクセル群を形成する手段は、前記各ボクセルの情報に関し、所定のしきい値にて二値化した後、前記ボクセル群を形成する、超音波診断装置。
3. 請求項１または２に記載の超音波診断装置であって、前記ボクセルの情報はボクセルの輝度情報である、超音波診断装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波診断装置であって、前記ボクセル群間の関連づけを行う手段は、
   一つの階層において選定された一つのボクセル群と、前記の階層に隣接する階層の各ボクセル群の幾何学的な情報に基づき隣接する階層間のボクセル群を関連づける、
   超音波診断装置。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波診断装置であって、
   受信した超音波信号により得られた三次元データの一つの階層の情報を提供する手段と、
   前記提供された一つの階層内の一つのボクセル群の選定を受け入れる手段と、を有し、
   前記ボクセル群間の関連づけを行う手段は、
   前記選定されたボクセル群と、この選定されたボクセル群の属する階層に隣接する階層の各ボクセル群との幾何学的な情報に基づき隣接する階層間のボクセル群を関連づけ、
   前記隣接する階層と、この階層にさらに隣接する階層とに対して、前記と同様のボクセル群の関連づけを行い、これを順次全階層について実行する、
   超音波診断装置。
6. 請求項４または５に記載の超音波診断装置であって、前記ボクセル群間の関連づけを行う手段は、
   前記幾何学的な情報を、前記一つの階層において選定されたボクセル群の領域を隣接する階層へ正投影し、この投影された領域と当該隣接する階層の各ボクセル群とが重なった領域の面積とし、
   この面積が最も大きくなるボクセル群を、前記選定されたボクセル群と関連づける、
   超音波診断装置。

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