JP2006296464A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フレーム画像データとその空間位置・方向データの整合を図り、安定な高フレームレートの３D画像表示を行う超音波診断装置を提供すること。
【解決手段】 位置信号を発信するトランスミッタが取り付けられた超音波プローブ２０と、超音波プローブの位置・方向を所定周期の位置タイミングで算出し、位置データとして出力する制御ユニット３３とを具備する３次元位置センサ３０と、超音波プローブ２０が所定周期の画像タイミングで取得したフレーム画像データを編成、出力する断層画像データ処理部１２と、前記画像タイミングと前記位置タイミングが対応しない場合には、１つ前および次の位置タイミングの間を画像タイミングの前記周期から補間法により対応する位置データを算出し、画像データを３次元画像表示に対応させる３Ｄ画像構成処理部１３との３Ｄ画像構成処理部の出力を表示する画像表示装置１４とを具備することを特徴とする超音波診断装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、３次元超音波診断画像を生成、表示する超音波診断装置に関する。

超音波信号の送受信により生体内部を画像表示する超音波診断装置には、超音波信号の送受信により一般的には断層平面画像データを得る超音波プローブ（超音波探触子とも呼称される）の３次元位置情報から、その断層平面画画像を立体空間に再構成し、３次元画像を表示する３次元（以降３Ｄと記す）超音波診断装置がある。この３次元位置情報は、超音波プローブに取り付けられた位置センサにより所定の時間間隔で収集され、超音波診断装置の３Ｄ画像構成処理部に入力される。この３Ｄ画像構成処理部では、超音波プローブにより時々刻々収集した断層平面画像のフレームデータを、その収集に最も近い時間で入力される超音波プローブの３次元位置情報と組み合わせて、超音波プローブが走査し表示を想定する３Ｄ空間内に順次書き込み、これらを３Ｄ超音波画像データとして再構成する。この再構成された画像データが、超音波診断装置の画像標示装置に、生体内部を想定した３Ｄ空間座標内に配置した３Ｄ超音波画像として表示が行われる。

この従来の超音波診断装置の３Ｄ超音波画像表示においては、位置センサの位置情報を用いて、超音波画像(フレーム)データの不足を、位置検知の繰り返し周期毎に超音波画像デ一タを挿入、補問する方法が行われている。しかし近年、超音波画像診断装置の性能向上による高いフレームレート化に伴い、超音波画像データの取得レートが位置情報の検知レートの程度まで高められていると、この従来技術では、フレームレートの周期が、位置センサの位置情報を取得する一定間隔周期との微小な差により、画像データが多くなって位置情報との間に不整合を生じ、安定な作動については保証ができない場合がある。

上に述べたように、従来の３Ｄ画像表示を行う超音波診断装置では、より鮮明な超音波画像を得るため、画像データが出力されるフレームレートの問隔周期が、その正確な位置情報を検知する位置センサが位置情報を取得する一定間隔周期との差により不整合が起こり、エラーが発生する問題があった。

本願発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、超音波プローブの位置を高
いレートで検知する位置センサを具備する３Ｄ画像表示を行う超音波診断装置において、フレーム画像データとその空間位置・方向データの不整合を排除し、安定な高フレームレートの３Ｄ画像表示を行う超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の超音波診断装置は、超音波診断装置本体の超音波送受信部に接続され、位置信号を発信する位置センサトランスミッタが取り付けられた超音波プローブと、前記位置信号を受信する位置センサレシーバと、この受信した位置信号から前記超音波プローブの位置及び方向を所定周期の位置タイミングで算出し、結果を位置データとして出力する制御ユニットとを具備する３次元位置センサと、前記超音波プローブが受信した反射超音波信号が入力され、所定周期の画像タイミングで前記超音波受信部から出力された超音波受信信号を、１フレームの画像データに編成し、出力する断層画像データ処理部と、前記１フレームの画像データを採取した前記画像タイミングのそれぞれに、前記位置タイミングの対応を判定し、対応ありと判定された場合には、この位置タイミングに得た前記位置データを前記１フレームの画像データの３次元画像表示の３次元空間位置に対応させ、一方前記判定で対応なしと判定された場合には、画像タイミングの前記周期を基に１つ前の対応した位置タイミングおよび次の位置タイミングの間の前記画像タイミングの位置データを補間法により算出し、この結果を前記１フレームの画像データの３次元画像表示の３次元空間位置に対応させる３Ｄ画像構成処理部と、前記３Ｄ画像構成処理部の再構成の結果を表示する画像表示装置とを具備することを特徴とするものである。

さらに、上記本発明の超音波診断装置の３Ｄ画像構成処理部は、前記超音波プローブの位置データを検知した前記位置タイミングのそれぞれに、前記１フレームの画像データを採取した前記画像タイミングの対応を判定し、対応ありと判定された場合には、この画像データを３D画像表示の３D空間の前記位置データの位置に対応させ、一方前記判定で対応なしと判定された場合には、この画像データを３D空間へ配置を破棄するものであることを特徴とするものである。

さらに、上記本発明の超音波診断装置の３Ｄ画像構成処理部においては、前記画像タイミングと前記位置タイミングの対応の判定には、許容範囲を設けて行なうことを特徴とするものである。

本発明による超音波診断装置は、フレーム画像データと位置データの不整合に起因する処理エラーによる装置作動の不安定を排除した３次元表示の超音波画像を提供することが可能になる。

以下、本発明の実施形態を図面により詳細に説明する。

図１は、３次元位置センサ３０を備えて、３次元画像を画像標示装置１４に表示する本実施形態の超音波診断装置１のシステム構成を示す図である。

本実施形態の超音波診断装置１は、大きくは、超音波信号の送受信を行い、超音波画像データを出力する本体１０と、位置センサトランスミッタ３１が取り付けられた超音波プローブ２０と、このトランスミッタからの信号を処理し、超音波プローブ２０の位置データを本体１０へ出力する３次元位置センサ３０と、超音波画像データを表示する画像表示装置１４とから構成される。

さらに詳しくは、本体１０は、超音波送受信部１１と断層画像データ処理部１２と３Ｄ画像構成処理部１３とにより構成される。また、超音波プローブ２０に取り付けられた位置センサトランスミッタ３１が発生する３方向の磁場を検出する位置センサレシーバ３２と、このレシーバ３２の検出信号が入力される制御ユニット３３、および電源ユニット３０を備えている。

本実施形態における、３次元（３Ｄ）超音波画像の再構成を行う基本的な作用・動作を次に説明する。

超音波診断装置１の本体１０に備える超音波送受信部１１に超音波プローブ２０が接続されて、超音波送受信部１１からシステムクロックに同期して出力される超音波駆動信号が入力される。さらに、超音波プローブ２０が受信した反射超音波信号を超音波送受信部１１で増幅、整相などの処理後、超音波送受信部１１の出力に接続される断層画像データ処理部１２により、走査方式処理、フォーカシング処理など行って１フレーム毎の超音波画像データに構成処理する。この超音波送受信部１１及び断層画像データ処理部１２のそれぞれは、一般的に知られる超音波診断装置に超音波信号の送受信機能、及び断層画像データの構成機能のために具備される機能部と同様に構成されるものである。すなわち、超音波プローブ２０の超音波振動子から被験者の体内へ超音波信号が放射され、その反射超音波信号が超音波プローブ２０に再び受信され、超音波送受信部１１で増幅、整相などの受信信号に対する処理がなされる。さらにこの受信信号は、断層画像データ処理部１２により、スキャンニング方式に従った所定の査線方向に関する信号処理、フォーカシング処理など行って１フレーム毎の超音波画像データに処理される。

一方、３次元位置センサ３０では、超音波プローブ２０に取り付けられた位置センサトランスミッタ３１から送信された検出信号を、位置センサレシーバ３２が受信する。この検知信号により制御ユニット３３は、レシーバ３２の位置を基準とする仮想座標系の直交３次元空間におけるトランスミッタ３１の位置と、形成する座標系におけるトランスミッタの回転角度を表す方向とを算出し、トランスミッタ３１が取り付けられた超音波プローブ２０の位置、回転角を測定、決定する。この測定結果は、本体１０の３Ｄ画像構成処理部１３に、超音波プローブ２０が採取した超音波画像平面の座標データ、すなわち位置および方向のデータとして送信、入力される。

本体１０の３Ｄ画像構成処理部１３には、断層画像データ処理部１２から１フレーム毎の超音波画像データが入力され、制御ユニット３３から検出位置信号が入力される。この３Ｄ画像構成処理部１３は、超音波画像データにその画像の位置関係を関連付けて、表示位置を含む３Ｄ画像表示データを出力し、これに接続した画像表示装置１４に再構成した３Ｄ超音波画像が表示される。

（実施形態１）
次に、実施形態１の作用、動作の詳細を、図２に示す３Ｄ画像の再構成のフローチャート、及び図４に示す概念図と３Ｄ画像表示の模式図を用いて説明する。

本実施形態では、超音波プローブ２０に取り付けたトランスミッタ３１が発生する３方向の磁場を３次元位置センサ３０のレシーバ２１が検知し、これを処理する制御ユニット３３が、超音波プローブ２０の３次元（３Ｄ）空間の位置および断層画像平面の走査の方向を示す各データを出力する。一方、本体１０の超音波送受信部１１とこれに接続された超音波プローブ２０により被験体の生体内へ超音波信号の送受信を行う。さらに、その超音波断層画像の１フレームに対応する受信信号が、断層画像データ処理部１２へ入力され、受信信号に対する走査方式および走査領域に関する整相、ノイズ除去などの処理と、走査ビームのフォーカシング処理が行われて、１フレームの画像データが構成される。

制御ユニット３３から出力された位置および走査の方向の各データと、断層画像データ処理部１２から出力された１フレームの画像データとが、本体１０の３Ｄ画像構成処理部１３で処理され、各フレームの画像データの採取タイミングに対応するタイミングに検知した３Ｄ位置および走査の方向のデータが突き合わされる。

本実施形態の３Ｄ画像構成処理部１３において行われるデータ突合せの処理の詳細は、図２のフローチャートに示す手順により処理する。先ずステップＳ２１において、本体１０の超音波送受信部１１から超音波駆動信号が出力される毎に、超音波プローブ２０が反射超音波信号を受信し、再び超音波送受信部１１から１フレームの走査受信信号が、断層画像データ処理部１２に入力される。そしてステップＳ２２において、断層画像処理データ処理部１２では、整相、ノイズ除去、あるいはフォーカシングなどの処理が行われて、１フレーム分の断層画像データＡを構成すると共に、この画像データＡの取込みに対するタイミングｔ１を設定する。

一方、３次元位置センサ３０では、内部設定されている位置情報取り込みタイミングで、画像フレームの走査を繰り返している超音波プローブ２０の３Ｄ位置および走査の方向を時々刻々検知しており、ステップＳ２３では、（位置情報取り込み）タイミングｔＡにおける位置・方向データ１が、ステップＳ３４では、タイミングｔＢにおける位置・方向データ２が、それぞれ制御ユニット３３から３Ｄ画像構成処理部１３に逐次入力される。

画像データと位置データがそれぞれ入力された３Ｄ画像構成処理部１３において、画像データＡの取込みタイミングｔＡに対応する位置データ１或いは位置データ２の取り込みタイミングｔ１或いはｔ２が存在するか、否かをステップＳ２５において判定する。対応がある場合は、３Ｄ画像構成処理部１３において、１フレームの画像データＡを例えば位置・方向データ１に対応させて表示３Ｄ空間へ配置再構成するステップＳ２６へ進める。

また、ステップＳ２５の判定でこの対応が無いとされた場合は、ステップＳ２７において、判定対象の１フレーム前の画像データＡが対応した位置取込みタイミングｔ１の位置・方向データ１と判定対象の画像タイミングｔＢ（図２に図示せず）以降で直近の位置取込みタイミングｔ２の位置・方向データ２（画像データＣが対応）に対し、画像取込みタイミングｔＡ（＝位置取込みタイミングｔ１）と判定対象の画像取込みタイミングｔＢにより補間法を用いて、判定対象の画像データＢに対する位置・方向データ３の算出を同じく３Ｄ画像構成処理部１３において行う。続いてステップＳ２８において、この算出した位置・方向データ３を、検知した位置・方向データの対応が無い判定対象の１フレームの画像データに適用して、対応があり既に配置・再構成している他の画像データと共に、表示３Ｄ空間へ配置し、再構成する。図４には、このステップＳ２７及びＳ２８で行う処理について概念的に図示した。図４（ａ）には、この時間（位置タイミングｔ１、ｔ３、ｔ２）の経過と、取得した画像データＡ、Ｂ、Ｃとの対応関係を時間に沿った概念を図示し、同図（ｂ）には、表示する３Ｄ空間に画像Ａ、Ｂ、Ｃを再構成する様子を模式的に図示しており、これ等のステップによる処理により、３次元位置センサ３０による位置データが記録されていない取得１フレームの画像データＢに位置データ３を補間法により算出して付与する。

ステップＳ２９で、走査した所定の空間内において、超音波プローブ２０が採取したフレーム毎に上述のステップを繰り返し、全てのフレームに対し再構成が行われると３次元ボリューム全体の走査を終了する。

本実施形態によれば、フレーム超音波画像データに位置・方向情報を整合させる際、位置・方向情報が欠如した超音波画像データには、そのフレーム超音波画像データの取得の前後における位置・方向情報から、不足した情報を補間により算出して対応させる。したがって、超音波診断装置における３Ｄ画像表示の再構成において、画像データの構成抜けや配置位置ずれなどの不整合による表示画像上のノイズが無い鮮明な３Ｄ画像表示像を表示することができる。

また、画像データの構成抜けや配置位置ずれなどの不整合に起因する処理エラーによって、処理が止まったり、誤った処理が誘発されたりすることが無いので、安定して３Ｄ画像表示像を表示することができる。

（実施形態２）
次に、他の実施形態について、作用、動作の詳細を、図３に示す３Ｄ画像の再構成のフローチャート、及び図５に示す概念図と３Ｄ画像表示の模式図を用いて説明する。

本実施形態においても、前述の実施形態１と同様に、超音波プローブ２０に取り付けたトランスミッタ３１が発生する３方向の磁場を３次元位置センサ３０のレシーバ２１が検知し、これを処理する制御ユニット３３が、超音波プローブ２０の３次元（３Ｄ）空間の位置および断層画像平面の走査の方向を示す各データを出力する。また、超音波送受信部１１とこれに接続された超音波プローブ２０により被験体の生体内へ超音波信号の送受信を行い、１フレームの超音波断層画像に対応する受信信号が、断層画像データ処理部１２において、１フレームの画像データが構成される。さらに、本実施形態では、制御ユニット３３から出力された位置および走査の方向データの検知したタイミングに対応するタイミングで採取された断層画像データ処理部１２から出力されるフレーム画像データだけが、本体１０の３Ｄ画像構成処理部１３で突き合わされ、３Ｄ画像の表示装置に出力されて３Ｄ超音波画像が表示される。

実施形態２の３Ｄ画像構成処理部１３で行われるデータ突合せの処理の概要は、位置情報取り込みタイミングに対応するタイミングで取得した１フレームの画像データの有無が判定され、その詳細を以下に説明する。先ず、図３のフローチャートに示すように、ステップＳ３１において、本体１０の超音波送受信部１１から超音波駆動信号が出力される毎に、超音波プローブ２０が反射超音波信号を受信し、再び超音波送受信部１１から１フレームの走査受信信号が、断層画像データ処理部１２に入力される。さらにステップＳ３２において、断層画像処理データ処理部１２では、整相、ノイズ除去、あるいはフォーカシングなどの処理が行われて、１フレーム分の断層画像データＮを構成すると共に、この画像データＡの取込みに対するタイミングｔＮを設定する。

一方、３次元位置センサ３０では、内部設定されている位置情報取り込みタイミングｔｎで、画像フレームの走査を繰り返している超音波プローブ２０の３Ｄ位置および走査の方向を時々刻々検知しており、ステップＳ３３では、（位置情報取り込み）タイミングｔｎにおける位置・方向データｎがそれぞれ制御ユニット３３から３Ｄ画像構成処理部１３に逐次入力される。

このように断層画像処理データ処理部１２からの画像データＮと、制御ユニット３３からの位置データｎがそれぞれ入力された実施形態２の３Ｄ画像構成処理部１３において、画像データＮの画像取込みタイミングｔＮに対応する取り込みタイミングｔｎ’の位置デーｎ’が存在するか、否かをステップＳ３４において判定する。対応がある場合はステップＳ３５へ進め、３Ｄ画像構成処理部１３において、１フレームの画像データＮを位置取り込みタイミングｔｎ’の位置・方向データｎ’に対応させて表示３Ｄ空間の当該位置、方向で配置再構成する。

また、ステップＳ３４の判定でこの対応が無いとされた場合は、ステップＳ３６において、判定対象の画像データＮの取込みタイミングｔＮに対応する（位置取込みタイミングｔｎ’の時点に超音波プローブが位置した）位置・方向データｎ’が無いので、所定の表示３Ｄ空間の走査における配置再構成を行わず、この画像データＮを破棄する。

図５には、このステップＳ３５或いはステップＳ３６で行う処理について概念的に図示した。図５（ａ）には、この時間（位置タイミングｔ１、ｔ２及び画像タイミングｔＡ、ｔＢ、ｔＣ）の経過と、取得した画像データＡ、Ｂ、Ｃを時間に沿った概念で図示し、同図（ｂ）には、表示する３Ｄ空間に位置タイミングｔ１、ｔ２と対応した画像Ａ、Ｃを再構成する様子を模式的に図示しており、これ等のステップによる処理により、３次元位置センサ３０による位置データと取得のタイミングに対応が無い例えば画像データＢを廃棄して、３Ｄ画像が表示されることを模式的に示す。なお、同図（ａ）の位置タイミングｔ２と画像タイミングｔＣに図示したように、画像タイミングｔｎと位置タイミングｔＮの対応の判定には、再構成した３Ｄ表示画像において違和感の無い連続性が維持される程度に、判定に許容の範囲を設ける設計が行われてもよい。

ステップＳ３７で、走査した所定の空間内において、超音波プローブ２０が採取したフレーム毎に上述のステップＳ３５或いはステップＳ３６を繰り返し、全てのフレームに対し再構成が行われると３次元ボリューム全体の走査を終了する。

本実施形態によれば、位置センサによる超音波プローブの位置・方向情報毎に、２次元の１フレーム超音波画像データが整合して、３Ｄ画像表示の再構成が行われて、位置データの不整合による表示画像上のノイズが無い鮮明な３Ｄ画像表示像を表示する３次元画像表示の超音波診断装置を提供できる。

また、不整合による処理エラーが発生しないので、安定な３次元画像表示を行うことができる。

本発明の実施形態のシステム構成図。 実施形態１の３D画像構成処理部における３次元画像再構成手順を示すフローチャート。 実施形態２の３D画像構成処理部における３次元画像再構成手順を示すフローチャート。 実施形態１における位置タイミングと画像タイミングの時間経過を示す概念図と表示画像の再構成を示す模式図。 実施形態２における位置タイミングと画像タイミングの時間経過を示す概念図と表示画像の再構成を示す模式図。

符号の説明

１・・・超音波診断装置、
１０・・・本体、
１１・・・超音波送受信部、
１２・・・断層画像データ処理部、
１３・・・３D画像構成処理部、
１４・・・画像表示装置、
２０・・・超音波プローブ、
３０・・・３次元位置センサ、
３１・・・位置センサトランスミッタ、
３２・・・位置センサレシーバ、
３３・・・制御ユニット、
３４・・・電源ユニット。

Claims (3)

1. 超音波診断装置本体の超音波送受信部に接続され、位置信号を発信する位置センサトランスミッタが取り付けられた超音波プローブと、
   前記位置信号を受信する位置センサレシーバと、この受信した位置信号から前記超音波プローブの位置及び方向を所定周期の位置タイミングで算出し、結果を位置データとして出力する制御ユニットとを具備する３次元位置センサと、
   前記超音波プローブが受信した反射超音波信号が入力され、所定周期の画像タイミングで前記超音波受信部から出力された超音波受信信号を、１フレームの画像データに編成し、出力する断層画像データ処理部と、
   前記１フレームの画像データを採取した前記画像タイミングのそれぞれに、前記位置タイミングの対応を判定し、対応ありと判定された場合には、この位置タイミングに得た前記位置データを前記１フレームの画像データの３次元画像表示の３次元空間位置に対応させ、一方前記判定で対応なしと判定された場合には、画像タイミングの前記周期を基に１つ前の対応した位置タイミングおよび次の位置タイミングの間の前記画像タイミングの位置データを補間法により算出し、この結果を前記１フレームの画像データの３次元画像表示の３次元空間位置に対応させる３Ｄ画像構成処理部と、
   前記３Ｄ画像構成処理部の再構成の結果を表示する画像表示装置と、
   を具備することを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記３Ｄ画像構成処理部は、前記超音波プローブの位置データを検知した前記位置タイミングのそれぞれに、前記１フレームの画像データを採取した前記画像タイミングの対応を判定し、対応ありと判定された場合には、この画像データを３D画像表示の３D空間の前記位置データの位置に対応させ、一方前記判定で対応なしと判定された場合には、この画像データを３D空間へ配置を破棄するものであることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記３Ｄ画像構成処理部における前記画像タイミングと前記位置タイミングの対応の判定には、許容範囲を設けて行なうことを特徴とする請求項１または２記載の超音波診断装置。