JP2007098143A - 超音波映像システム及び超音波映像処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】前立腺の超音波映像から前立腺のボリュームを自動で抽出する超音波映像システム及び超音波映像処理方法を得る。
【解決手段】本発明に係る超音波映像システムは、対象体の３次元超音波映像提供部、前記３次元映像から複数の２次元映像を得て、各２次元映像を正規化して正規化された２次元映像を形成する前処理部、前記正規化された２次元映像を複数のスケールでウェーブレット変換してウェーブレット変換映像を形成し、前記複数のスケールのウェーブレット変換映像を平均してエッジ映像を形成し、前記エッジ映像をしきい値化するエッジ抽出部、前記正規化された２次元映像、前記ウェーブレット変換映像及び前記しきい値化されたエッジ映像に基づいてＳＶＭを用いて制御点を決定する制御点決定部及び前記制御点に基づいた３次元レンダリングを実施して前記対象体の３次元ボリュームデータを形成するレンダリング部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波映像システム及び超音波映像処理方法に関し、特に超音波映像から対象体のボリュームデータを自動で抽出する超音波映像システム及び超音波映像処理方法に関するものである。

超音波診断装置は多様に応用されている重要な診断装置の中の一つである。特に、超音波診断装置は対象体に対して無進入及び非破壊特性を有するため、医療分野に広く利用されている。近来の高性能超音波診断システム及び技術は対象体の内部形状の２次元または３次元診断映像を生成することに利用されている。超音波診断装置は、超音波信号を送信及び受信するために広帯域の変換素子を一般に使用する。超音波診断装置は音響変換素子や音響変換素子アレイを電気的に刺激して対象体に伝達される超音波信号を生成して内部組織の映像を形成する。超音波信号が伝搬される方向に不連続的な内部組織から超音波信号が反射されて超音波エコー信号が生成される。多様な超音波エコー信号は変換素子に伝達されて電気的信号に変換される。変換された電気的信号を増幅及び信号処理して内部組織の映像のための超音波映像データを生成する。

前立腺は男性にのみ存在するチェスナット（chestnut）サイズの分泌器官として膀胱の下に位置し、その中心を射精管と尿道が貫通する。従って、前立腺に炎症が生じたり肥大化したりすると様々な泌尿器的な問題を引き起こすことがある。前立腺関連の病気は６０才以上の男性によく発生することが知られており、実例として米国の場合、前立腺癌による死亡者の数が全体癌患者の中で２番目に多いと集計されている。国内でも人口の老齢化と食生活の欧米化及び経済水準の向上などを考慮する時、今後持続的な前立腺関連疾病患者の増加が予想される。しかし、前立腺癌は早期に発見される場合、治療が可能であるため、早期診断が何よりも重要である。

安価、移動性、そしてリアルタイムでのイメージングなどの長所のため、前立腺癌の早期診断と治療のために超音波映像装備が主に使われる。現在殆どの病院ではそれぞれの前立腺断面映像に対して超音波映像装備の画面上から手動で輪郭を抽出し、これに基づいて体積情報を得る。このように手動で輪郭を抽出する場合、かなり時間の消耗されるだけでなく、同一のユーザーが同じ断面映像から繰り返して輪郭を抽出する場合に、または複数のユーザーが同一の断面から輪郭を抽出する場合に、相違した結果を得るようになる短所がある。

現在ユーザーの介入を最小化すると共に、自動または半自動で超音波前立腺客体を抽出しようとする研究が活発に進められている。

以下、従来のウェーブレット変換と、スネークアルゴリズム（snakes algorithm）を用いて超音波断面映像から前立腺客体を抽出する方法を説明する。

まず、低帯域フィルタと高帯域フィルタを水平、垂直に多数回適用させるウェーブレット変換を通じて各周波数の映像を得、その中からスペックル（speckle）雑音に比べて前立腺の輪郭が優勢に示される特定周波数の映像に手動で初期輪郭を描く。その次に初期輪郭が描かれた映像より一段階小さな周波数の映像から初期輪郭に基づいてスネークアルゴリズムを利用して輪郭を見出す。このような過程を最小周波数まで繰り返すことによって漸進的かつ詳細に前立腺の輪郭を見出す。

このような従来の方法は、ウェーブレット変換過程で低帯域映像からスペックル雑音の影響を減らすことができ、ウェーブレット帯域間の相関度を用いて輪郭の妥当性を検討することができるという長所がある。反面、スネークアルゴリズムの特性上、３次元ボリュームから得た全ての２次元断面映像にユーザーが初期輪郭をいちいち直接設定しなければならず、輪郭抽出性能がスネークの変数値に非常に依存的であるという短所がある。

これに対し、超音波断面映像から抽出されたエッジをユーザーが連結して前立腺の輪郭を抽出する方法が提案された。以下、このような従来技術を説明する。

まず超音波断面映像で棒（stick）状のフィルタと、非等方性拡散フィルタ（anisotropic diffusion filter）を用いてスペックル雑音の影響を減らす。その後、前立腺の形状や反射形態（echo pattern）のように事前に入力された情報に基づいてエッジを自動で抽出した後、抽出したエッジをガイドにしてユーザーがその上に手動で前立腺の輪郭をスケッチする。

この従来の方法はユーザーに関係なくほぼ正確で、同一の結果を得られる長所があるが、棒状フィルタ及び入力映像のサイズによって遂行時間が非常に長くなることがあり、輪郭をスケッチする過程で全ての超音波断面映像に対してユーザーが介入しなければならないという短所がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、前立腺の超音波映像から前立腺のボリュームを自動で抽出する超音波映像システム及び超音波映像処理方法を得るものである。

本発明に係る超音波映像システムは、対象体の３次元超音波映像提供部と、前記３次元映像から複数の２次元映像を得て、各２次元映像を正規化して正規化された２次元映像を形成する前処理部と、前記正規化された２次元映像を複数のスケールでウェーブレット変換してウェーブレット変換映像を形成し、前記複数のスケールのウェーブレット変換映像を平均してエッジ映像を形成し、前記エッジ映像をしきい値化するエッジ抽出部と、前記正規化された２次元映像、前記ウェーブレット変換映像及び前記しきい値化されたエッジ映像に基づいてＳＶＭを用いて制御点を決定する制御点決定部と、及び前記制御点に基づいた３次元レンダリングを実施して前記対象体の３次元ボリュームデータを形成するレンダリング部を備える。

本発明に係る超音波映像処理方法は、３次元映像から複数の２次元映像を得る段階と、前記２次元映像をそれぞれ正規化して正規化された２次元映像を形成する段階と、前記正規化された２次元映像を複数のスケールでウェーブレット変換してウェーブレット変換映像を形成する段階と、前記複数のスケールのウェーブレット変換映像を平均してエッジ（edge）映像を形成する段階と、前記エッジ映像をしきい値化する段階と、前記正規化された２次元映像、前記ウェーブレット変換映像及び前記しきい値化されたエッジ映像に基づいてＳＶＭを用いて制御点を決定する段階と、及び前記制御点に基づいた３次元レンダリングを実施して前記対象体の３次元ボリュームデータを形成する段階を備える。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明は、前述したように本発明は３次元超音波映像からウェーブレット変換とＳＶＭを用いて３次元前立腺ボリュームを抽出し、各周波数サイズのウェーブレット変換映像を平均することにより、エッジ映像で雑音を減らすと同時に明確な前立腺の境界を得ることができる。

以下、超音波映像から対象体、例えば前立腺のボリュームを抽出する本発明に係る超音波映像システム及び超音波映像処理方法を説明する。

図１に図示されるように、本発明による超音波映像システム１００は、３次元映像提供部１０、前処理部２０、エッジ抽出部３０、制御点決定部４０及び３次元レンダリング部５０を備える。３次元映像提供部１０はメモリまたはプローブとして具現される。前処理部２０、エッジ抽出部３０、制御点決定部４０及び３次元レンダリング部５０は一つのプロセッサにより具現される。制御点決定部４０はＳＶＭ（Support vector machine）を備える。

以下の説明で、エッジとは突然に明るさの変化が起きる点の総称であり、境界とは対象体、例えば前立腺の外郭をいう。

１．前処理過程
３次元映像から２次元断面映像を得る方法について図２を参照して説明する。前処理部２０は３次元映像提供部１０から入力される３次元映像ＶＤに仮想の回転軸ＲＸを設定し、回転軸ＲＸを中心に一定の角度θで回転しながら複数の２次元断面映像を得る。本発明の実施例では、一つの３次元映像から３０度ずつ回転しながらサイズが２００×２００である６枚の２次元断面映像を得る。

続いて、各断面映像の画素値、望ましくは明るさ（brightness）及び対比（contrast）の平均及び標準偏差を正規化して前処理映像を形成する。この時に超音波映像で背景領域、即ち、明るさが０である領域は正規化対象から除外する。本実施の形態では、平均と標準偏差をそれぞれ７０と４０に設定する。

図３ａ及び図３ｂは互いに異なる３次元映像から得た超音波断面映像を示す超音波写真であり、図４ａ及び図４ｂはそれぞれ図３ａ及び図３ｂの２次元断面映像データを正規化して得た超音波写真である。このように、正規化によって３Ｄ入力映像に関係なく均一の明るさ特性を得ることができる。

２．エッジ抽出
エッジ抽出部３０は２次元断面映像を複数のサブバンド映像に分解する。即ち、エッジ抽出部３０は前処理部２０から入力された正規化された２次元断面映像を数式１〜数式３を用いて図５のようにウェーブレット分解する。

次に、２^ｊスケールにおけるウェーブレット変換結果を次の数式４に適用して２^ｊ スケールの映像を形成する。

続いてウェーブレット変換された映像で雑音を減らすと共に、前立腺の境界を明確に示すため、次の数式５を用いて各スケールのウェーブレット変換映像を平均する。

続いて、平均して得たエッジ映像で雑音を減らすために次の数式６によってエッジの明るさに対してしきい値化する。

このようなエッジ抽出過程により、各２次元断面映像をウェーブレット変換して得た各スケールの映像の明るさを平均してしきい値化することによってスペックル雑音の影響が弱まったエッジ映像を得る。

３．制御点決定

このような過程によって全ての２次候補点に対する特徴ベクトルを得た後に、特定の特徴ベクトル成分がＳＶＭの分類に支配的な影響を与えることを防ぐために次の数式８のように各特徴ベクトル成分を正規化する。

ここで ／は２つのベクトルの成分別（component-wise）割り演算を意味し、σはｈの各成分の列から計算した標準偏差からなるベクトルであり、ｘは正規化された特徴ベクトルを示す。

一方、ＳＶＭ訓練に使われたデータはユーザーが人為的に抽出した３次候補点の特性を満たす点とそうでない点で構成される。この２つの集団に属する点から数式８を用いて特徴ベクトルを抽出してＳＶＭを訓練させる。本実施の形態ではＳＶＭ訓練のために前立腺の映像でなく映像から人為的に制御点特性を満たす点６０個とそうでない点６０個を抽出して訓練集団を構成し、制御点決定のために特徴ベクトルを抽出するために映像に被せたウインドウのサイズは９×３である。

その後、前立腺の輪郭は滑らかに変わるという仮定の下に、即ち対象体の基本外形を考慮して次の数式９のように３次候補点の位置を再調整する。

ここでＰはｉ番目の放射線方向の３次候補点の位置を示す。

続いて、調整された３次候補点近くで放射線方向に沿って一定距離内で最も明るいエッジに対応する点を制御点に決定する。

次に、３次元レンダリング部５０は決定された制御点から多面体からなる診断客体、即ち前立腺の３次元鉄線フレーム（wire frame）を構成した後、表面基盤レンダリング技法を用いて超音波前立腺ボリュームを得る。即ち、３次元レンダリング部５０は制御点に基づいて、正規化された２Ｄ映像、ウェーブレット変換映像及びしきい値化されたエッジ映像のうち、少なくとも一つをレンダリングして３次元ボリュームを得る。

本発明による前立腺３次元データ抽出方法の効果は次の数式１０で定義される平均絶対距離を用いて評価することができる。

本発明の一実施例による超音波映像システムの構成を示すブロック図である。 ３次元映像から２次元断面映像を得る方法を示す例示図である。 ３次元映像から得た２次元断面映像を示す超音波映像写真である。 図３ａとは異なる３次元映像から得た２次元断面映像を示す超音波映像写真である。 図３ａの２次元断面映像の画素値を正規化して得た超音波映像写真である。 図３ｂの２次元断面映像の画素値を正規化して得た超音波映像写真である。 ウェーブレット変換過程を示す例示図である。 前処理された前立腺の映像を示す超音波映像写真である。 前処理された前立腺の映像に対して２^２スケールでウェーブレット変換された超音波映像写真である。 前処理された前立腺の映像に対して２^３スケールでウェーブレット変換された超音波映像写真である。 前処理された前立腺の映像に対して２^４スケールでウェーブレット変換された超音波映像写真である。 ２^３スケールでウェーブレット変換された超音波映像を示す写真である。 図７ａに示された超音波映像で１１５番目の水平線の波形を示すグラフである。 ２^２、２^３及び２^４スケールのウェーブレット変換映像を平均して得たエッジ映像写真である。 図７ａに示されたエッジ映像で１１５番目の水平線の波形を示すグラフである。 しきい値化されたエッジ映像を示す超音波写真である。 前立腺中心を基準に設定された放射線を示す例示図である。 本発明の実施例によって３次元映像から得た２次元断面映像を示す超音波写真である。 本発明の実施例によって図１１ａの映像を正規化した映像を示す超音波写真である。 本発明の実施例によって図１１ｂの映像を平均してしきい値化した映像を示す超音波写真である。 本発明の実施例によって図１１ｃの映像で３次候補点を決定した結果を示す超音波写真である。 本発明の実施例によって映像で３次候補点の位置を再調整した結果を示す超音波写真である。 本発明の実施例によって３Ｄレンダリングを用いて３次元ボリュームを抽出した結果を示す例示図である。 各断面映像の平均絶対距離を示すグラフである。

符号の説明

１００ 超音波映像システム
１０ ３次元映像提供部
２０ 前処理部
３０ エッジ抽出部
４０ 制御点決定部
５０ ３次元レンダリング部

Claims (10)

1. 対象体の３次元超音波映像を提供する３次元映像提供部と、
   前記３次元超音波映像から複数の２次元映像を得て、各２次元映像を正規化して正規化された２次元映像を形成する前処理部と、
   前記正規化された２次元映像を複数のスケールでウェーブレット変換してウェーブレット変換映像を形成し、前記複数のスケールのウェーブレット変換映像を平均してエッジ（edge）映像を形成し、前記エッジ映像をしきい値化するエッジ抽出部と、
   前記正規化された２次元映像、前記ウェーブレット変換映像及び前記しきい値化されたエッジ映像に基づいてＳＶＭ（support vector machine）を用いて制御点を決定する制御点決定部と、
   前記制御点に基づいた３次元レンダリングを実施して前記対象体の３次元ボリュームデータを形成するレンダリング部と
   を備えることを特徴とする超音波映像システム。
2. 前記対象体は前立腺であることを特徴とする請求項１に記載の超音波映像システム。
3. 前記前処理部は、前記２次元映像の平均及び標準偏差を正規化して前記正規化された２次元映像を形成することを特徴とする請求項１に記載の超音波映像システム。
4. 前記レンダリング部は、前記正規化された２次元映像、前記ウェーブレット変換映像及び前記しきい値化されたエッジ映像のうち少なくとも一つをレンダリングすることを特徴とする請求項３に記載の超音波映像システム。
5. 前記制御点決定部は、
   前記しきい値化されたエッジ映像で前記対象体を中心に複数の放射線を設定し、
   前記各放射線上で明るさが０より大きい点を１次候補点に選定し、
   前記各１次候補点を基準に内部窓と外部窓を設定し、
   予め指定されたスケールのウェーブレット変換映像で前記内部窓と外部窓における明るさ平均を比較し、
   前記各放射線上で前記１次候補点のうち内部窓でよりも外部窓での明るさ平均がより大きい点を２次候補点に選定し、
   前記正規化された２次元映像で前記２次候補点の特徴ベクトル（feature vector）を形成した後、前記特徴ベクトルの成分を正規化し、
   正規化された特徴ベクトルを用いて前記ＳＶＭを訓練させ、
   前記訓練されたＳＶＭを用いて前記しきい値化されたエッジ映像の各放射線上で前記２次候補点のうち、最も明るい点を３次候補点に選定し、
   前記対象体の基本外形を考慮して前記３次候補点の位置を再調整し、
   前記再調整された３次候補点のうち、一定距離内で最も明るい点である対象体のエッジに対応する点を前記制御点に決定することを特徴とする請求項３に記載の超音波映像システム。
6. 対象体の３次元ボリュームデータを抽出する方法において、
   ３次元映像から複数の２次元映像を得る段階と、
   前記２次元映像をそれぞれ正規化して正規化された２次元映像を形成する段階と、
   前記正規化された２次元映像を複数のスケールでウェーブレット変換してウェーブレット変換映像を形成する段階と、
   前記複数のスケールのウェーブレット変換映像を平均してエッジ映像を形成する段階と、
   前記エッジ映像をしきい値化する段階と、
   前記正規化された２次元映像、前記ウェーブレット変換映像及び前記しきい値化されたエッジ映像に基づいてＳＶＭを用いて制御点を決定する段階と、
   前記制御点に基づいた３次元レンダリングを実施して前記対象体の３次元ボリュームデータを形成する段階と
   を備えることを特徴とする超音波映像処理方法。
7. 前記対象体は前立腺であることを特徴とする請求項６に記載の超音波映像処理方法。
8. 前記２次元映像を正規化する段階は、前記２次元映像で明るさの平均及び標準偏差を正規化する段階を備えることを特徴とする請求項６に記載の超音波映像処理方法。
9. 前記３次元ボリュームデータは、前記正規化された２次元映像、前記ウェーブレット変換映像及び前記しきい値化されたエッジ映像のうち少なくとも一つをレンダリングして形成することを特徴とする請求項８に記載の超音波映像処理方法。
10. 前記制御点を決定する段階は、
    前記しきい値化されたエッジ映像で前記対象体を中心に複数の放射線を設定する段階と、
    前記各放射線上で明るさが０より大きい点を１次候補点に選定する段階と、
    前記各１次候補点を基準に内部窓と外部窓を設定する段階と、
    予め指定されたスケールのウェーブレット変換映像で前記内部窓と外部窓における明るさ平均を比較する段階と、
    前記各放射線上で前記１次候補点のうち内部窓でよりも外部窓での明るさ平均がより大きい点を２次候補点に選定する段階と、
    前記正規化された２次元映像で前記２次候補点の特徴ベクトルを形成した後に前記特徴ベクトルの成分を正規化する段階と、
    前記正規化された特徴ベクトルを用いて前記ＳＶＭを訓練させる段階と、
    前記訓練されたＳＶＭを用いて前記しきい値化されたエッジ映像の各放射線上で前記２次候補点のうち最も明るい点を３次候補点に選定する段階と、
    前記対象体の基本外形を考慮して前記３次候補点の位置を再調整する段階と、
    前記再調整された３次候補点のうち一定距離内で最も明るい点である対象体のエッジに対応する点を前記制御点に決定する段階を備えることを特徴とする請求項９に記載の超音波映像処理方法。
    
    

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