JP2005270351A

JP2005270351A - 超音波３次元画像化方法及び画像化装置

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Publication number: JP2005270351A
Application number: JP2004088202A
Authority: JP
Inventors: Fumio Nogata; 文雄野方
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】医用超音波診断装置により得られる２次元画像情報を３次元化する手段を提供する装置。
【解決手段】本発明では、医用超音波診断装置とは別途、コンピュータを準備し、当該ＣＰＵに基準座標系座標、番地信号と画像などの記録と演算場所を確保、また、電子走査式リニアアレイ型探触子の位置、あるいは移動量を高精度で測定可能な検出部を追加し、該検出部からの信号を２次元座標値に変換し、前記医用超音波診断装置からの断層像を、番地信号ごとに座標値の関数として組み合わせ３Ｄ像を生成する事で、取り扱い簡単な画像化処理方法と装置に関する課題を解決した。
【選択図】図１

Description

本発明は、汎用の超音波画像診断装置による画像情報に位置情報取得装置を追加して、３次元画像生成方法、並びにコンピュータを画像情報処理・表示装置として機能させるプログラム、に関する。

一般病院などで設置してある汎用の医用超音波診断装置を用いて人体内部断層像を目視し、生体軟組織の特定、病理学・機能的異常の認識により疾患を特定・診断する方法において、従来、医師は当該装置からの２次元断層像を頭の中で組み合わせる事で３次元（３Ｄ）化するという手続きによっている。この手順は、長期にわたる経験・訓練と高度な判断が必要であった。

一方、近年の高度な画像処理技術により３Ｄ像へと表示し患者にも理解しやすい形で呈示が可能となってきた。しかしながら、生体軟組織用としても、まだ精度的に開発途上、高価格装置であり、既設の従来型装置が使用できる安価な３Ｄ画像化技術の開発が望まれている。

近年開発された３Ｄ画像化法は、探触子に移動具と傾斜が可能なような付属品追加、ボリューム３Ｄ探触子と自動体積測定ソフトウエアにより、例として胎児や腎臓血管などが画像化されたシステムとして市販されている。しかしながら、表示されている画像によれば、組織サイズなど定量性の面からも、まだ診断に必要十分な３Ｄ像ではない。また、きわめて高価で、身体で凹凸変化の多い箇所での計測には難点ある。したがって、探触子の移動量が高精度で記録され、既設の従来型装置も適用できる安価な付加装置としての３Ｄ画像装置が必要であった。

そこで、本発明の目的は、平面的な生体表面（皮膚）上を電子走査式リニアアレイ型探触子が移動する距離を高精度（約0.01mm）で計測し、同時にその時の超音波画像（生体内部軟組織断層像、Ｂモード像）を位置座標の関数で連続的に組み合わせる事で３Ｄ画像を構築する方法、ならびにプログラムを提供することを一つの目的とする。
また、本発明は、超音波による頸動脈の形状を高精度に計測しその形態的不自然さから動脈硬化の診断方法を可能とする装置ならびにプログラムを提供することを他の一つの目的とする。

前記探触子を移動させない静止状態で、血管の拡張・収縮や心臓など動いている像（Ｍモード断層像）については、任意の一定間隔時間（たとえば、1/30秒）の像を、１コマ前の画像上に「塗りつぶし無し」で新しい像を重ねるか、あるいは、画面の横軸に微小な任意一定間隔で配置する事により、３Ｄ的に画像化すれば組織の拡張・収縮変形挙動が分かりやすい表示となる。

本発明では、医用超音波診断装置とは別途、コンピュータを準備し、その中のＣＰＵに基準座標系座標、番地信号と画像などの記録と演算場所を確保、また、生体表面部に接触している電子走査式リニアアレイ型探触子の位置、あるいは移動量を高精度で測定可能な小型で、主に光学的検出部を追加し、該検出部からの信号を２次元座標値に変換し、前記医用超音波診断装置からの断層像を、番地信号ごとに座標値の関数として組み合わせ３Ｄ像を生成する事で、取り扱い簡単な画像化処理方法と装置に関する課題を解決した。

本法では、探触子と生体表面の接触角度は計測していないので、電子走査式リニアアレイ型探触子が常に生体外表面に対して垂直に接触した場合に適用できる方法に限定した。理由は、現時点で、該探触子の傾斜角を高精度で計測する安価な小型検出器は技術的に未完成である事による。したがって、生体面が傾斜している場合は、生体面の接線に対して垂直に探触子が接触するように注意して画像を取得する。この時、傾斜面上を移動した距離と等しい水平面上の距離の断層像として得られる。

前記の目的を達成するために、本発明の請求項1に記載の装置は、図１に示すように、医用超音波診断装置１の電子走査式リニアアレイ型探触子２に音響カップラを塗布し生体皮膚表面３に接触させる。該装置の超音波画面４にはＢモード像である生体内部の断層像が映し出される。

一方、電子走査式リニアアレイ型探触子の外側面には２個の位置検出部(A)５、位置検出部(B)６を付加固定し、これからの各信号を手動で制御可能なスイッチ部７を通り、別途、用意したコンピュータ８へと信号が入力される。２個の位置検出部(A)５、位置検出部(B)６からの信号は、該スイッチ部７がONの状態から移動量が計測され、同時に、計測開始した事を意味する記号（英数字などで生成）、また、計測終了を意味する記号（英数字などで生成）などの番地信号を生成する事ができる。

これらのデータ類は、ＣＰＵ１３にそれぞれセンサ座標系Σ_Ａ，Σ_Ｂとして記憶される。また、別途、用意した基準座標系Σoがあり、ΣoとΣ_Ａの関係が座標の回転と平行移動の行列を含むベクトルoＴ_Ａ、さらに、Σ_ＡとΣ_Ｂの関係がベクトル_ＡＴ_Ｂで与えられている時、ΣoとΣ_Ｂの関係oＴ_Ｂは、以下の式により関連づけられる。

さらに、位置検出部(A)５、位置検出部(B)６の基準座標系Σoにおける座標値をそれぞれ、（Ax,Ay）,(Bx,By)とすると、探触子の傾斜角θは次式により算出される。

すなわち、スイッチ部７をONの状態で探触子２を手動で移動させることにより、超音波画面４の生体内部断層像の基準座標系Σo座標値が決定され、番地信号と共にＣＰＵ１３に記憶、あるいは、リアルタイムの連続図として座標値の関数として３Ｄ像を得る事ができる。なお、スイッチ部７がONの状態において、位置検出部(A)５のセンサ座標系Σ_Ａ、位置検出部(B)６のセンサ座標系Σ_Ｂの座標値は、いずれも（０，０）で開始される。同時に、番地信号が追加され、例えば一つの座標（０，０，s8）で、計測終了時（OFF）は（24.35，43.86，c8）、などが記録される。３Ｄ化の時は基準座標系に変換され、番地信号の同じ数字、ｓで開始、ｃで終了である画像を対象とする。これらの番地信号は、移動距離計測の最小単位（たとえば、0.01mm）が変化すると共に入力されるようにする。

位置検出部(A)(B)の計測方法としては、レーザ光、レンズ、プリズムなどを組み合わせ生体皮膚表面３など不規則な面に放射し、反射してくる明暗の差を局所的な２次元画像情報として取得、該画像情報の移動した変化量を求める光学式を使用する事が小型で最適である。市販の安価な汎用光学式検出センサ装置でも、1/100mmの精度で計測可能であり実用的に当該３Ｄ画像化装置として利用できる。

また、電子走査式リニアアレイ型探触子の外側面に固定する２個の位置検出部(A)５、位置検出部(B)６は、図１の箇所イ、および、これと対角線側に固定する事により、上記と同様な機能を得ることができる。２個の位置検出部(A)５、位置検出部(B)６の距離は、できるだけ大きく取れば、式（２）により計測される角度は高精度で計測される。

なお、上記、位置検出部(A)５、位置検出部(B)６の各移動量計測は、光学式に限定するものではなく、皮膚表面を滑ることなく検出可能な球状タイヤなどの使用も可能である。

本発明のプログラムは、
コンピュータを、
医用超音波診断装置による生体組織を主体とする皮膚表面からの断層像と、該画像計測位置を示すために、スイッチにより制御され、番地信号を含み入力される初期位置から探触子移動距離情報を座標値として演算処理する手段、該座標値と番地信号および画像を座標の関数で一つの３Ｄ像へと合成する手段、及び合成画像の表示手段を備える生体軟組織情報処理・表示装置として機能させるプログラムである。

本プログラムによれば、コンピュータをかかる画像処理・表示装置として機能させることができるため、探触子からの位置情報データ群を効率的に処理し、かつ精度のよい座標と画像情報により正確な３Ｄ画像結果を表示することができる。

上記のプログラムにより表示された３Ｄ像を医学的に意味のある情報とするために、特に、血管形状について、３次元画像から得られる横断面血管径の時間変化を示す機能を持たせる事で本発明の意義があり請求項３がある。これにより、力学的視点による動脈硬化程度計測・評価に用いる事が可能である。

以上説明したように本発明による付属装置を追加する形で、生体軟組織の３Ｄ断面像として構築する効果が得られ、当該部位内部状態を把握するのに適した装置及び方法を提供することができる。

次に、本発明を実施する最良の形態について適宜図面を参照しながら説明する。
なお、本発明は図に例示される形態に限定されるものではない。

図２は、本装置の電気的構成を示すブロック図を示す。本図に示す３Ｄ画像化装置は、超音波計測部９の探触子２からの被験者計測部位断層の画像情報を処理・表示ユニット１０に入力される。一方、探触子２に取り付けた位置検出部(A)５、位置検出部(B)６からの信号は、増幅部１１、A/D変換部１２、ＣＰＵ１３へ入力、座標変換され、番地信号、および画像情報と組み合わせて３Ｄ画像を生成表示する機能も有する処理・表示ユニット１０から構成されている。

図３は計算処理手順を示したもので、超音波計測部９の探触子２に結合された位置検出部(A)５、位置検出部(B)６に接続したスイッチ部７がONの状態で（ステップＳ１０）、探触子の位置が初期設定（いずれもセンサ座標系で（０，０））され、また、番地信号が設定される（ステップＳ２０）。

探触子２の移動によりこれらの座標は変化し、位置検出器データが入力され、座標値は変化する（ステップＳ３０）。この座標値は、基準座標系へ式（１）により変換される。また、式（２）より基準座標系のＸ軸と探触子の角度θは、式（２）により算出される（ステップＳ４０）。

これらの演算はＣＰＵ１３において、同じ番地信号毎に超音波断層像と組み合わされる（ステップＳ５０）。さらに、座標値の関数で３Ｄ像の生成処理を行いコンピュータ８の表示部に表示される（ステップＳ６０）。
この時、探触子５の移動方向をＸ軸とすると、Ｘ軸の関数として３Ｄ画像を生成する事が、一般である。

この処理の一例を模式的図として図４に示す。また、図５は別の被験者による血管形状で、年齢が異なる場合、また個人差により血管形状の滑らかさ、分岐部近傍形状（形態的自然さ）が異なり、将来の血栓好発度などの評価に利用できる。
なお、図４，５における血管の３次元図は数ミリ間隔での直線近似図であり、位置検出部の精度を１/100mmとすることで実用的なものとなる。

ステップＳ６０で得られる画像の任意横断面について、例えば、血圧変動に伴う生体動脈の拡張・収縮による径の時間変化は、画像処理を行う事によりグラフ表示を行う事ができる（ステップＳ７０）。この処理結果の一例を図６に示す。

図６より、径の時間変化は年代ごとに小さくなり、硬化状態（時間的不自然さ）が明確である。これらのデータおよび、別途、力学式を用いると定量的評価が可能となる。このようにして動脈硬化を評価する、請求項３は、図４，５、および図６に示すような動脈データの自然さを定性的あるいは定量的に比較する事を基本とした動脈硬化診断法である。

ステップＳ７０の処理を、注目する横断面血管像ごとに計測する事により、ステップＳ６０の３Ｄ血管像と共に示す事ができる。これは血管径変化に注目した力学的動特性が表示されるので、動脈硬化の予防、評価・診断、治療において本超音波３Ｄ画像化装置及び画像化方法は有用である。また、本装置は、超音波を用いているので、定期的、かつ容易に実施する事ができるために、集団検診および定期検診にも適している。

スイッチ部７が継続してONの状態の時、探触子２の移動（ステップＳ９０）により随時、位置データは変化し、ステップＳ３０へ進み、Ｓ６０へ、これらが繰り返され３Ｄ像が生成・表示される。

スイッチ部７をOFFにした時、探触子の位置情報が前記断層像データに含まれないので、断層像のみ、または、動脈や心臓のような運動する器官の像表示、あるいは、たとえば、１/30秒間隔の像が画面上に重ねて並列表示された形の（ステップ１００）、３Ｄ画像となる。

同様にして、継続してステップＳ１０から計測を開始した時、
Ｓ２０において、番地信号は前回と別の記号として設定する事により計測され画像化される。

本形態においては、超音波３Ｄ画像化法と装置について説明したが、本発明は超音波軟組織画像化装置、および超音波軟組織画像化方法、超音波軟組織プログラム、動脈硬化評価、診断方法の形態をとることができる。

本発明の超音波３次元画像化システムの全体構成を示す外観図を示す。本装置の電気的構成を示すブロック図を示す。本計測例における画像化処理を示すフローチャートである。本発明の計測法による若年齢者頸動脈の計測例の一部を示す。本発明の計測法による高齢者頸動脈の計測例の一部を示す。本発明の計測法による動脈硬化評価の一例：拡張・収縮に伴う頸動脈の任意断面の内径比（Di/Di(min)）〜時間（無次元化ｔ/Ｔ；拡大〜収縮時間をＴ）の関係。

符号の説明

１：医用超音波診断装置
２：電子走査式リニアアレイ型探触子
３：生体皮膚表面
４：超音波画面
５：位置検出部(A)
６：位置検出部(B)
７：スイッチ部
８：コンピュータ
９：超音波計測部
１０：処理・表示ユニット
１１：増幅部
１２：A/D変換部
１３：ＣＰＵ
１４：デスプレイ

Claims

医用超音波診断装置の電子走査式リニアアレイ型探触子の外表面に、２個の位置検出部を任意の距離で離してそれぞれ固定し、
別途用意したスイッチ部によって、前記位置検出部からの信号の取り込が制御される手段と、
前記スイッチ部の開（ON）と閉（OFF）の状態と、連続した開閉制御を繰り返した順位などを区別するために数字単独、または英字単独、あるいは、数字と英字を組み合わせて名付けた番地記号を生成する手段と、
別途用意した、演算・表示部を有するコンピュータに、前記位置検出部の信号を入力する手段と、
前記リニアアレイ型探触子が生体の外表面を移動する事により、前記、各位置検出部から得られる信号を位置情報に変換する手段と、
前記位置情報を演算する事により、任意に決めた基準座標系の２次元座標値を算出する手段と、
前記医用超音波診断装置の電子走査式リニアアレイ型探触子からの生体軟組織のＢモード像、あるいはＭモード像を、該医用超音波装置の画像出力端子より取り出し、前記コンピュータに入力し、前記スイッチ部を区別した番地信号と、前記基準座標系の２次元座標値座標値を組み合わせ、同一の番地信号ごとに、座標の関数として演算処理する事で３次元の画像情報を生成する手段と、
該画像を表示する手段と、
を備える超音波３次元画像化方法と装置。
コンピュータを、
電子走査式リニアアレイ型探触子に追加した２個の位置検出信号が、手動のスイッチ部を制御する事で入力される信号、および該スイッチ部の状態を表す番地信号に基づいて、基準座標系の２次元座標値へと演算処理を行い、該座標と、前記電子走査式リニアアレイ型の探触子を生体表面上に静止、あるいは移動させる事により取得する画像が、コンピュータに取り込まれ、該画像を座標の関数で一つの３次元像へと合成する手段、及び合成画像の表示手段を備える生体軟組織情報処理・表示装置として機能させるプログラム。
画像化する生体軟組織が動脈であり、当該方法による３次元画像の任意箇所の横断面における血管径の時間変化、および、あるいは、長さ方向の血管形状、の自然性を基本とした動脈硬化診断方法である請求項１〜２のいずれかに記載の方法。