JP2006095002A - 超音波画像境界抽出方法及び超音波画像境界抽出装置、並びに、超音波撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 超音波画像境界抽出装置は、複数の超音波トランスデューサ10a、10b、…から被検体に向けて送信され、該被検体から反射された超音波を受信することによって取得された複数の受信信号の内で、被検体内の所定の領域に関する複数の受信信号間の相互的な関係を求める空間強度分布解析部26と、相互的な関係に基づいて被検体内の複数の異なる組織の境界を検出することにより、組織の境界を表す情報を生成する境界検出部27とを含む。
【選択図】 図1
Description
また、上記の特許文献6〜8は、専ら超音波画像の画質改善を目的としており、組織の境界を抽出することは行われていない。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る超音波撮像装置は、一般的な超音波撮像装置が有するBモード画像生成機能(Bモード画像生成手段1)に加えて、複数の異なる組織に境界を抽出するための機能(境界抽出手段2)を備えている。
制御部12は、例えば、CPU及びソフトウェアによって構成されており、操作卓11から入力された命令や情報に基づいて、超音波撮像装置の各部を制御する。記録部13には、制御部12を構成するCPUに動作を実行させるプログラム等が記録されている。
送受信切換部17は、制御部11の制御の下、超音波用探触子10に駆動信号を供給する送信モードと、超音波用探触子10から受信信号を出力する受信モードとを切り換える。
位相整合部23は、受信遅延制御部22から供給された遅延パターンに基づいて、A/D変換された複数の受信信号(受信データ)にそれぞれ遅延を与え、それらを加算することにより、受信フォーカス処理を行う。この受信フォーカス処理により、超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線信号(音線データ)が形成される。
信号前処理部25は、A/D変換された複数の受信信号について、必要に応じて以下の(i)〜(iii)に示す強度補正を行う。
超音波トランスデューサアレイを製造する際に生じる超音波トランスデューサの性能のばらつきを補正する。この補正は、標準反射源を用いて超音波用探触子10から超音波ビームの送受信を行うことにより、予め各超音波トランスデューサの特性を測定して補正テーブルを作成しておき、受信信号の処理時に、その補正テーブルを用いることによって行うことができる。
超音波トランスデューサアレイにおいては、開口の端に位置する超音波トランスデューサほど、超音波エコーの反射位置に対する立体角が小さくなるので、見かけの受信強度が小さくなる。そのため、受信深度(超音波エコーの反射位置の深さ)、各超音波トランスデューサとの位置関係、及び、開口によって定まる超音波トランスデューサ間の受信立体角の差に応じて、受信信号について強度補正を行う。
受信深度と各超音波トランスデューサとの位置関係によって変化する超音波エコーの距離減衰量を補正する。補正量は観察部位によって変わるので、観察部位に応じた標準値をデフォルト値として予め設定しておいて、表示された画像を見ながらオペレータが設定値を調整するようにしても良い。
境界画像データ生成部28は、境界検出部27によって検出された境界に対応する表示画面上の領域(表示領域)に所定の色を割り当てることにより、境界画像データを生成する。
上記境界抽出手段2において行われる境界抽出の原理、及び、境界抽出手段2の動作については、後で詳しく説明する。
まず、図2の(a)に示すように、超音波トランスデューサ10a〜10eを含む超音波トランスデューサアレイを用いて、反射体101に向けて超音波ビームを送信し、深度Dに位置する反射体101の表面において反射された超音波エコーを受信する場合を考える。図2の(b)は、超音波トランスデューサ10a〜10eにおける超音波エコーの受信波形を表している。なお、図2の(b)において、横軸は、時刻(t)を示しており、縦軸は、受信信号の電圧を示している。また、図2の(c)は、超音波トランスデューサ10a〜10eから出力される受信信号の強度分布を表している。図2の(c)において、横軸は超音波トランスデューサ(素子)の位置を示し、縦軸は、受信信号の強度を示している。
Bモード画像を生成する場合には、同じ位相整合線L1上の受信信号に所定の遅延時間を与えて加算する。それにより、反射点101aに関する超音波情報を表す音線信号SLが形成される。
まず、図1に示す空間強度分布解析部26は、解析対象となる領域(解析領域)に関する複数の受信信号の強度分布を求める。即ち、横軸をトランスデューサの位置座標とし、縦軸を受信信号の強度とするグラフにおいて、超音波トランスデューサアレイの内、開口径DAに含まれる複数の超音波トランスデューサから出力された同位相整合線上の受信信号の強度をプロットする。次に、その強度分布図において、横軸をデータ数値と読み替え、縦軸を度数と読み替える。図5に示すように、それによって得られた関係図を、以下において、確率変数xと確率密度関数f(x)との関係を表す度数分布図として取り扱う。
(1)平均
度数の定量的特性を表す値として、平均が用いられる。超音波トランスデューサアレイの正面方向から伝播する超音波エコーを受信すると、通常は平均がゼロ(中央)となるが、反射体が超音波トランスデューサアレイに対して傾いている場合には、平均が中央から端部にずれてくる。平均としては、通常の算術平均(相加平均)の他に、メディアン(中央値)やモード(最頻値)も用いられる。なお、これらの算術平均、メディアン、モードの大小関係は、度数の分布状態に応じて変化するので、度数のばらつきを推定する際に用いることもできる。
度数を最小値から順に並べた場合において、データ数の中央に位置する値のことをいう。データ数が偶数個である場合には、中央の2つの値の算術平均が用いられる。
(1−2)モード
度数の中で、最も頻度の高い値のことをいう。
分散は、度数のばらつきを示す尺度の1つであり、各検出データと算術平均との差である偏差の2乗和を、データ数(又は、データ数−1)で割ることによって求められる。曲線(1)のように、度数分布が正規分布に近く、ピークが立っている場合には、分散の値が小さくなる。反対に、曲線(2)のように、度数分布がランダムである場合や、曲線(3)のように、度数分布が一様である場合には、分散の値は大きくなる。
歪度とは、度数の平均の周りにおける非対称の度合いを表す尺度であり、次式により求められる。
歪度=(偏差の3乗和/データ数)/標準偏差の3乗
歪度がゼロとは、度数分布が偏っていないことを表し、この場合に、算術平均とメディアンとモードとが等しくなる。また、歪度が正とは、度数分布が負に偏っていることを表し、この場合に、算術平均>メディアン>モードという関係になる。さらに、歪度が負とは、度数分布が正に偏っていることを表し、この場合に、算術平均<メディアン<モードという関係になる。
尖度とは、度数の平均の周りにおける集中度(尖っている度合い)を表す尺度であり、次式により求められる。
尖度=(偏差の4乗和/データ数)/標準偏差の4乗
ここで、平均が0であり、分散が1である標準正規分布においては、尖度が3となる。そのため、尖度は、数値3を基準として評価される。即ち、尖度が3である場合に、度数分布は正規分布に近い状態になっている。また、尖度が3より小さくなるほど、度数分布は平坦な状態となる。さらに、尖度が3より大きくなるほど、度数分布は平均周りが尖った状態となる。
曲線(2)のように、度数がランダムに分布している場合には、ランダムの度合いを示す尺度も算出される。そのような尺度として、例えば、図5に示すように、曲線(2)における山(peak)と谷(valley)の間隔や、隣接する超音波トランスデューサ間における度数の差分2乗平均等が用いられる。これらの尺度は、値が大きいほど超音波エコーが不定状態にあり、スペックル成分が大きいことを示す。
図1に示す境界抽出手段2において、境界検出部27に、位相整合部23において生成された音線データと、空間強度分布解析部26において生成された反射体の表面性状を表す情報とに基づいて、境界情報を生成させるようにしても良い。例えば、音線データにおいて波形のピークが見られる位置について、分散や尖度等の統計量に基づいて正反射度を判定することにより、計算量を大幅に増やすことなく、境界をより正確に抽出することが可能になる。
図8に示すように、この超音波撮像装置は、図1に示す境界抽出手段2の替わりに、境界抽出手段3を有している。その他の構成については、図1に示す超音波撮像装置と同様である。
ヒストグラム解析部40は、信号前処理部25によって強度補正された複数の受信信号の内、同一位相整合線上にある複数の受信信号に基づいてヒストグラムを作成することにより、反射体の組織性状の特性を表す統計量を算出する。また、境界検出部41は、算出された統計量をパラメータとして用いて境界を検出することにより、境界情報を生成する。なお、信号前処理部25及び境界画像データ生成部28の動作については、第1の実施形態において説明したものと同様である。
図9は、第1の例に係るヒストグラム解析部40及び境界検出部41の動作を示すフローチャートである。
図9のステップS11において、解析対象となる反射体上の領域(解析領域)に関する受信信号について、図10の(a)に示すような強度分布を求め、さらに、その強度分布に基づいて、図10の(b)に示すヒストグラムを作成する。ここで、図10の(a)は、超音波トランスデューサアレイの内、開口径DAに含まれる複数の超音波トランスデューサから出力された受信信号の強度分布を示している。
次に、ステップS13及びS14において、規格化されたヒストグラムの分布状態を、ベータ分布を用いて定量化する。ベータ分布は、形状パラメータα及びβを用いて、X〜B(α、β)と表され、ベータ分布における確率密度関数f(x)、原点の周りのr次のモーメント(積率)、平均E(x)、分散VAR(x)、及び、モードMODは、次式(1)〜(5)によって表される。
この場合には、図12の(a)〜(c)に示すように、確率密度関数f(x)はU字型となる。これは、図10の(a)に示すように、受信信号の強度分布においてピークが立っていることを示し、反射面が超音波を正反射していることを表している。また、図12の(a)又は(b)に示すように、|α×β|の値が小さいほど、確率密度関数f(x)のU字勾配が急になるので、反射面の正反射度が強くなる。反対に、図12の(c)に示すように、|α×β|の値が大きいほど、確率密度関数のU字勾配が緩やかになるので、反射面の正反射度は弱くなる。そこで、境界検出部41は、確率密度関数f(x)がU字型となる解析領域を境界として検出すると共に、|α×β|の値に応じて、正反射度の強弱を境界情報に付加する。
この場合には、図13の(a)〜(d)に示すように、確率密度関数はJ字型となる。これは、受信信号の強度分布において、ある程度ピークが立っているが、強度のピーク中心が、超音波トランスデューサアレイの開口外にあることを表している。即ち、正反射体の反射面が超音波トランスデューサアレイに対して傾いていることを示している。例えば、図14の(a)に示す強度分布が得られる場合に、超音波トランスデューサの開口径DAを変化させることにより、ヒストグラムは、図15の(a)〜(d)のように変化する。また、図13の(a)又は(b)に示すように、|α/β|の値が1から離れるほどJ字の勾配が急になるので、反射面の正反射度は強くなる。反対に、図13の(c)又は(d)に示すように、|α/β|の値が1に近いほど、J字の勾配が緩やか(例えば、勾配0)になるので、反射面の正反射度は弱くなる。そこで、境界検出部41は、確率密度関数f(x)がJ字型となる解析領域を境界として検出すると共に、|α/β|の値に応じて、正反射度の強弱を境界情報に付加する。
この場合には、図16の(a)〜(c)に示すように、確率密度関数f(x)は単峰(一山)型となる。これは、即ち、受信信号の強度分布が正規分布であり、反射体が超音波を散乱反射する組織であることを表している。また、図16の(a)又は(b)に示すように、|α×β|の値が大きいほど確率密度関数f(x)の山が急になり、強度分布のばらつきが小さく均一な拡散面を表す。反対に、図16の(c)に示すように、|α×β|の値が小さいほど確率密度関数f(x)の山が緩やかになり、強度分布のばらつきが大きくなる。或いは、ある設定された閾値よりも|α×β|の値が小さい領域は、スペックル成分を表すことが多い。このような解析領域は、境界とは判断されない。
この例において、ヒストグラム解析部40は、第1の例において説明したのと同様に、解析領域に関する受信信号について強度分布を求めてヒストグラムを作成し、それを規格化することによって得られたヒストグラムに基づいて、各種の統計量を算出する。統計量としては、モード、メディアン、四分位偏差、歪度、頻度等が用いられる。ここで、四分位偏差とは、度数の散布度を表す指標であり、度数全体の内、半分を占める度数の範囲Xを表す。四分位偏差QRは、次式によって求められる。
QR=0.75×X−0.25×X)/2
また、その他の統計量については、第1の実施形態において説明したものと同様である。
(i)分散σ2、四分位偏差、又は、尖度が閾値より小さい場合
度数分布が平均付近に集中している状態においては、これらの統計量は小さくなる。この場合には、解析領域は散乱反射面であると考えられる。なお、この場合には、ベータ分布は正規分布(単峰型)となる。
度数分布の平均からのばらつきが大きい状態においては、これらの統計量は大きくなる。この場合には、境界検出部41は、その解析領域を境界として検出すると共に、統計量が大きくなるに従って正反射度が強くなるように境界情報を生成する。なお、この場合には、ベータ分布は、U字型又はJ字型となる。
ここで、上記(i)又は(ii)においては、例えば、図5の曲線(3)のように、度数が一様分布であるときの各統計量を閾値として用いても良い。
図18に示すように、この超音波撮像装置は、図1に示す境界抽出手段2の替わりに、境界抽出手段4を有している。その他の構成については、図1に示す超音波撮像装置と同様である。
アルゴリズム選択部50は、空間強度分布解析部26における解析の結果求められた統計量(強度分布解析情報)と、ヒストグラム解析部40における解析の結果求められた統計量(ヒストグラム解析情報)との内から、境界情報を生成するために用いられる統計量と、その統計量の種類に応じた境界情報生成のためのアルゴリズムとを、境界検出部51に与える。境界検出部51は、与えられたアルゴリズムを用いて統計量を処理することにより、境界を検出することにより、境界情報を生成する。統計量の種類に応じたアルゴリズムは、本発明の第1及び第2の実施形態において説明したものと同様である。また、ヒストグラム解析部40の動作については、本発明の第2の実施形態において説明したものと同様である。
このように、強度分布解析情報とヒストグラム解析情報とを組み合わせて用いることにより、正確な境界を効率良く抽出することができ、診断により適した超音波画像を表示することが可能になる。
図19に示すように、この超音波撮像装置は、図1に示す超音波撮像装置に対して、境界角度検出部60及び反射率補正部61をさらに設けたものである。その他の構成については、図1に示す超音波撮像装置と同様である。
なお、そのような反射率補正用テーブルは、例えば、標準反射源を用いた測定やシミュレーションを行うことにより作成することができる。
このように、本実施形態によれば、真の反射率、即ち、正確な音響インピーダンスの差をBモード画像として表示することができる。
図19に示す境界角度検出部60及び反射率補正部61は、本発明の第2の実施形態に係る超音波撮像装置に設けても良い。その場合には、ヒストグラム解析部40(図8)によって作成されたヒストグラムから算出された統計量(モード、歪度等)に基づいて境界の角度を検出しても良いし、ベータ分布の形状に基づいて境界の角度を検出しても良い。
さらに、図19に示す境界角度検出部60及び反射率補正部61を、本発明の第3の実施形態に係る超音波撮像装置(図18)に設けても良い。
図20に示すように、この超音波撮像装置は、図1に示す境界抽出手段2の替わりに、境界抽出手段5を有している。その他の構成については、図1に示すものと同様である。
画素内パターン生成部62は、境界角度検出部60によって検出された境界の角度に応じて画素内パターンを生成し、Bモード画像生成部24及び境界画像データ生成部28に供給する。例えば、図21に示すように、超音波トランスデューサアレイ10に対して境界120が傾いている場合に、画素内パターン生成部62は、1つの画素121を複数のマイクロドットパターン122に分け、所定の輝度信号及び色信号が与えられる所定のマイクロドットパターン(斜線部分)を設定する。Bモード画像生成部24及び境界画像データ生成部28は、その境界の位置について、与えられた画素内パターンに従って、Bモード画像データ及び境界画像データをそれぞれ生成する。なお、境界角度検出部60の動作については、第4の実施形態において説明したものと同様である。
このように、境界の位置に対応する画素内にパターンを形成することにより、超音波画像における見かけ上の分解能を向上させることができる。
図22に示すように、この超音波撮像装置は、図1に示す境界抽出手段2の替わりに、境界抽出手段6を有している。その他の構成については、図1に示すものと同様である。境界抽出手段6は、図1に示す境界抽出手段2に対して、境界補正部63をさらに有している。
ここで、境界検出部27は、音線上の各解析領域について、境界であるか否かを判定することにより境界を検出している。そのため、超音波ビームの走査密度や分解能によっては、領域132や及び133のように、実際には境界であるにもかかわらず、境界として検出されない場合がある。その結果、水平方向(音線方向と垂直な方向)に並ぶ画素間において不自然な画像が生成されるおそれがある。
このように、境界の水平方向の連続性を補正することにより、超音波画像における見かけ上の分解能を向上させることができる。
図24に示すように、この超音波撮像装置は、図1に示す超音波撮像装置に対して、境界位置情報記憶部64及び3次元画像構成部65をさらに設けたものである。その他の構成については、図1に示すものと同様である。
本実施形態においては、本発明の第1の実施形態に係る超音波撮像装置に対して境界位置情報記憶部64を設けたが、第2〜第6の実施形態に係る超音波撮像装置にも同様に設けることができる。
2〜6 境界抽出手段
10 超音波用探触子
10a、10b、… 超音波トランスデューサ
11 操作卓
12 制御部
13 記録部
14 送受信位置設定部
15 送信遅延制御部
16 駆動信号発生部
17 送受信切換部
20 前置増幅器
21 A/D変換器
22 受信遅延制御部
23 位相整合部
24 Bモード画像生成部
25 信号前処理部
26 空間強度分布解析部
27、41、51 境界検出部
28 境界画像データ生成部
30 画像合成部
31 画像データ記憶部
32 画像処理部
33 表示部
40 ヒストグラム解析部
50 アルゴリズム選択部
60 境界角度検出部
61 反射率補正部
62 画素内パターン生成部
63 境界補正部
64 境界位置情報記憶部
65 3次元画像構成部
101a、102a、103a 反射点
101、103 正反射体
102 散乱反射体
111 骨部
112 腱及び靭帯
113 筋肉組織
114 スペックル領域
115 異常組織
120 境界
121、130、131 画素
122 マイクロドットパターン
132、133 領域
Claims (14)
- 複数の超音波トランスデューサから被検体に向けて送信され、該被検体から反射された超音波を受信することによって取得された複数の受信信号の内で、前記被検体内の所定の領域に関する複数の受信信号間の相互的な関係を求めるステップ(a)と、
前記相互的な関係に基づいて前記被検体内の複数の異なる組織の境界を検出することにより、組織の境界に関する情報を生成するステップ(b)と、
を具備する超音波画像境界抽出方法。 - ステップ(a)が、前記相互的な関係として、前記複数の受信信号の空間強度分布、又は、前記複数の受信信号間の統計的性質を求めることを含む、請求項1記載の超音波画像境界抽出方法。
- ステップ(a)が、前記複数の受信信号間の統計的性質を、ベータ分布を利用して求めることを含む、請求項2記載の超音波画像境界抽出方法。
- 前記相互的な関係に基づいて、前記複数の超音波トランスデューサから送信された超音波に対する組織の境界の角度を求めるステップをさらに具備する請求項1〜3のいずれか1項記載の超音波画像境界抽出方法。
- 複数の超音波トランスデューサから被検体に向けて送信され、該被検体から反射された超音波を受信することによって取得された複数の受信信号の内で、被検体内の所定の領域に関する複数の受信信号間の相互的な関係を求める解析手段と、
前記相互的な関係に基づいて前記被検体内の複数の異なる組織の境界を検出することにより、組織の境界を表す情報を生成する境界検出手段と、
を具備する超音波画像境界抽出装置。 - 前記解析手段が、前記相互的な関係として、前記複数の受信信号の空間強度分布、又は、前記複数の受信信号間の統計的性質を用いる、請求項5記載の超音波画像境界抽出装置。
- 前記解析手段が、前記複数の受信信号間の統計的性質を、ベータ分布を利用して求める、請求項6記載の超音波画像境界抽出装置。
- 前記相互的な関係に基づいて、前記複数の超音波トランスデューサから送信された超音波に対する組織の境界の角度を求める境界角度検出手段をさらに具備する5〜7のいずれか1項記載の超音波画像境界抽出装置。
- 被検体に向けて超音波を送信すると共に、被検体から反射された超音波を受信することにより受信信号を出力する複数の超音波トランスデューサを含む超音波用探触子と、
前記複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力された複数の受信信号の内で、被検体内の所定の領域に関する複数の受信信号間の相互的な関係を求める解析手段と、
前記相互的な関係に基づいて前記被検体内の複数の異なる組織の境界を検出することにより、組織の境界を表す情報を生成する境界検出手段と、
前記組織の境界を表す情報に基づいて、検出された境界を表す画像データを生成する境界画像データ生成手段と、
前記複数の受信信号について位相整合を施すことにより、前記被検体内の所定の領域に関するBモード画像データを生成するBモード画像データ生成手段と、
を具備する超音波撮像装置。 - 前記解析手段によって求められた前記相互的な関係に基づいて、前記複数の超音波トランスデューサから送信された超音波に対する組織の境界の角度を求める境界角度検出手段をさらに具備する請求項9記載の超音波撮像装置。
- 前記境界角度検出手段によって求められた前記組織の境界の角度に基づいて、前記Bモード画像データ生成手段によって生成されたBモード画像データによって表される信号強度を補正する強度補正手段をさらに具備する、
請求項10記載の超音波撮像装置。 - 前記境界角度検出手段によって求められた前記組織の境界の角度に基づいて、前記境界検出手段によって検出された境界に対応する画素において用いられる画素内パターンを生成する画素内パターン生成手段をさらに具備する、請求項10又は11記載の超音波撮像装置。
- 前記境界角度検出手段によって求められた前記組織の境界の角度に基づいて、前記境界検出手段によって検出された境界に対して繋ぎ処理を行う手段をさらに具備する請求項10〜12のいずれか1項記載の超音波撮像装置。
- 前記組織の境界を表す情報の内で、少なくとも、境界の位置を表す情報を記憶する境界位置情報記憶手段をさらに具備する請求項9〜13のいずれか1項記載の超音波撮像装置。
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