JP2009125592A - 適応的フィルタを用いて３次元超音波映像を形成する超音波映像装置及び方法 - Google Patents

適応的フィルタを用いて３次元超音波映像を形成する超音波映像装置及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、３次元超音波映像装置に関し、ノイズを減らしながら超音波映像データの損失による映像の歪みを防ぐことを目的とする。
【解決手段】本発明による超音波映像装置は、対象体から反射された超音波エコー信号に基づいて３次元超音波映像データを形成する超音波映像データ獲得部と、前記３次元超音波映像データの獲得方向に沿ったデータ量に応じて適応的にフィルタリングマスクの大きさを決定し、前記フィルタリングマスクを用いて前記３次元超音波映像データをフィルタリングするフィルタリング部と、前記フィルタリングされた３次元超音波映像データをスキャン変換するためのスキャン変換部と、前記スキャン変換された３次元超音波映像データを３次元レンダリングして３次元超音波映像を形成するための３次元レンダリング部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、３次元超音波映像装置に関し、特に、適応的フィルタを用いて改善された画質の３次元超音波映像を形成する超音波映像装置及び方法に関する。
超音波映像装置は、無侵襲及び非破壊特性を有しており、対象体内部の情報を得るための医療分野に広く用いられている。超音波映像装置は直接切開して観察する外科手術の必要なく、高解像度の人体内部組織の映像をリアルタイムで医師に提供することができるので、医療分野に非常に重要なものとして用いられている。
超音波映像装置は、変換素子を電気的に刺激して人体に伝えられる超音波信号を生成し人体に送信する。人体に送信された超音波信号は不連続的な人体組織の境界で反射され、人体組織の境界から変換素子に伝達される超音波エコー信号は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組織に対する超音波映像データを生成する。
最近は、超音波映像装置の性能向上に伴って、対象体の内部形状（例えば、患者の内臓器官）の２次元超音波映像だけでなく、リアルタイムで３次元映像を示すライブ３次元超音波映像が提供されている。３次元超音波映像は、２次元映像で示し難い形状まで示してくれるので診断に非常に役に立つ。
しかし、超音波映像データは、対象体から反射されて戻ってくる超音波信号が対象体内の媒質と小さな生体組織などによって反射と散乱が同時に生じるようになり、超音波データ形成時にスペックルノイズ（ｓｐｅｃｋｌｅ ｎｏｉｓｅ）が含まれるようになる。このようなスペックルノイズを含む超音波映像データを用いて３次元超音波映像を形成すると映像の画質が落ちるだけでなく、見ようとする身体器官と背景との境界など重要な形態を表示するのにおいて正確性が落ちる。さらに、スペックルノイズは、超音波映像を用いた映像解析、器官認識などの分野で大きな妨げとなっている。最近は、超音波映像でスペックルノイズを減らすために多様なフィルタリング方法などが用いられている。
特開２００１−１３７２４１号公報 特開平１１−７０１１０号公報
しかし、従来は３次元超音波データでスペックルノイズを減らすためにフィルタリングを実施する時に３次元超音波データの獲得方向に沿って得られるデータ量を考慮せずに実施することによって、フィルタリング時に超音波映像データの損失による超音波映像の歪みが発生する問題があった。
従って、本発明は、３次元超音波データの獲得時に獲得方向それぞれに沿ったデータ量の比によって決定される適応的フィルタマスクを用いて３次元超音波データをフィルタリングすることによって、３次元超音波映像でノイズを減らしながら超音波映像データの損失による映像の歪みを防ぐことができる超音波映像装置及びそのための方法を提供する。
前記目的を達成するために本発明による超音波映像装置は、対象体から反射された超音波エコー信号に基づいて３次元超音波映像データを形成する超音波映像データ獲得部と、前記３次元超音波映像データの獲得方向に沿ったデータ量に応じて適応的にフィルタリングマスクの大きさを決定し、前記フィルタリングマスクを用いて前記３次元超音波映像データをフィルタリングするフィルタリング部と、前記フィルタリングされた３次元超音波映像データをスキャン変換するためのスキャン変換部と、前記スキャン変換された３次元超音波映像データを３次元レンダリングして３次元超音波映像を形成するための３次元レンダリング部とを備える。
本発明による超音波映像形成方法は、ａ）対象体に反射された超音波エコー信号に基づいて３次元超音波映像データを獲得する段階と、ｂ）前記３次元超音波映像データの獲得方向に沿ったデータ量に応じてフィルタリングマスクの大きさを決定し、前記フィルタリングマスクで前記３次元超音波映像データをフィルタリングする段階と、ｃ）前記フィルタリングされた３次元超音波映像データをスキャン変換する段階と、ｄ）前記スキャン変換された３次元超音波映像データを３次元レンダリングして３次元超音波映像を形成する段階とを備える。
本発明は、３次元超音波映像データに対して相対的に多くのデータを獲得する獲得方向のフィルタマスクの大きさを大きくし、相対的に小さいデータを獲得する獲得方向のフィルタマスクの大きさを小さくしてフィルタリング時に３次元超音波映像データの損失を減らしながらノイズを除去することができるので、３次元超音波映像の画質を向上させることができる。また、本発明によって適応的フィルタリングマスクを用いることによってフィルタリング計算量を減らすことができる。
図１は、本発明の実施例による超音波映像装置の構成を示すブロック図である。図１を参照すれば、本発明による超音波映像装置１００はプローブ１１０、超音波映像データ獲得部１２０、フィルタリング部１３０、ユーザ入力部１４０、スキャン変換部１５０及び３次元レンダリング部１６０を備える。
プローブ１１０は多数の変換素子１１２を備える。プローブ１１０の変換素子１１２はビームフォーマ（図示せず）で適切に遅延されて印加される送信パルス信号に応答して超音波送信ビーム（Ｂｅａｍ）を対象体に設定されたスキャンライン（Ｓｃａｎ ｌｉｎｅ）に沿って送信する。プローブ１１０は、対象体から反射されて受信された超音波信号（超音波エコー信号）を変換素子１１２で電気的受信信号に変換して出力する。
超音波映像データ獲得部１２０は、プローブ１１０から出力された受信信号を適切に信号処理して超音波映像データを獲得する。本発明の実施例による超音波映像データは、図２に示した通り、３次元超音波映像データを備える。図２に示した通り、３次元超音波データはＡ、Ｂ及びＣ断面で構成され得る。Ａ、Ｂ及びＣ断面の解像度は、対象体の超音波スキャニング時に得られるデータ量によって決定される。一般に、軸（ａｘｉａｌ）方向、側面（ｌａｔｅｒａｌ）方向、高さ（ｅｌｅｖａｔｉｏｎａｌ）方向の順に多くのデータを獲得する。
フィルタリング部１３０は、超音波映像データの獲得方向それぞれに沿ったデータ量の比に従って決定される適応的３次元フィルタ（ａｄａｐｔｉｖｅ ３Ｄ ｆｉｌｔｅｒ）を用いてフィルタリングを実施する。まず、フィルタリング部１３０は、超音波映像データ獲得部１２０で獲得した超音波データで各方向、即ち軸方向、側面方向及び高さ方向の超音波映像データ量の比（ｒａｔｉｏ）を計算する。フィルタリング部１３０は、計算された超音波映像データ量の比に基づいてフィルタリングマスク（ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｍａｓｋ）を決定する。例えば、軸方向、側面方向及び高さ方向に超音波データ量の比が７：５：３であれば、フィルタリング部１３０は７×５×３のフィルタリングマスクを設定することができる。
図３は、本発明の実施例によって３次元超音波映像データ３００に設定されたフィルタリングマスク３１０の例を示す。図３に示した通り、相対的に多くの超音波映像データを得る軸方向にフィルタリングマスク３１０の大きさを大きくし、相対的に少量の超音波映像データを得る高さ方向にフィルタリングマスク３１０の大きさを小さく設定することによってフィルタリング時の超音波映像データの損失を減らすことができる。
フィルタリング部１３０は、設定されたフィルタリングマスクを用いて３次元超音波映像データ３００に対してフィルタリングを実施する。本発明の実施例によるフィルタリングは平均値フィルタまたはガウシアン（Ｇａｕｓｓｉａｎ）形態のフィルタなどが用いられる。即ち、３次元超音波映像データ３００のフィルタリングを通じて平滑化（ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）することにより、超音波映像データでスペックルノイズを減らすことができる。
ユーザ入力部１４０は、ユーザが入力した命令の入力を受ける。ユーザ入力部１４０はキーボード、マウス、トラックボールなどの入力装置を備えることができる。本発明の一実施例ではフィルタリングマスクの大きさを超音波映像データの各方向へのデータ量を比較して決定したが、本発明の他の実施例によってはフィルタリングマスクの大きさをユーザ入力部１４０を通じて入力されるユーザ命令によって決定することができる。即ち、ユーザは多様にフィルタリングマスクの大きさを調節してユーザが所望の超音波映像を得ることができる。
スキャン変換部１５０はフィルタリングされた超音波映像データをディスプレイ領域にディスプレイできるようにスキャン変換をする。スキャン変換部１５０は超音波映像データを３次元スキャン変換することができる。
３次元レンダリング部１６０は、スキャン変換部１５０から出力されるスキャン変換された超音波映像データに対してボリュームレンダリングを実施して３次元超音波映像を形成する。ボリュームレンダリングは光投射（ｒａｙ ｃａｓｔｉｎｇ）法を用いることができ、光投射法を用いて得たデータを補間して超音波映像を形成することができる。このように形成された超音波映像はディスプレイ装置（図示せず）を通じてディスプレイされる。
一方、前述したように超音波映像データを平滑化するために超音波データをフィルタリングする場合、ユーザが所望の水準の平滑化された超音波映像を得るのに困難があり得る。従って、本発明の他の実施例では超音波映像データに他の大きさのフィルタリングマスクを用いて少なくとも２回以上超音波映像データをフィルタリングして得た超音波映像をミキシング（ｍｉｘｉｎｇ）し、ユーザが所望の水準の平滑化された超音波映像を得ることができる。このために、本発明の他の実施例による超音波映像装置は３次元レンダリング部１６０で生成された超音波映像をミキシングする超音波映像ミキシング部１７０をさらに備える。
図４は、本発明の実施例によって超音波映像データを互いに異なる大きさのフィルタリングマスクでフィルタリングして獲得した超音波映像をミキシングし、超音波映像を形成する方法を示す図面である。図４を参照すれば、超音波映像データ獲得部１２０は、プローブ１１０から出力された受信信号に基づいて超音波映像データを獲得する（Ｓ４１０）。フィルタリング部１３０は、超音波映像データに対して第１の大きさのフィルタリングマスク（以下、 第１のフィルタリングマスクという）でフィルタリングを実施し、フィルタリングされた第１の超音波映像データを出力する（Ｓ４２０）。ここで、第１のフィルタリングマスクの大きさは、超音波映像データの獲得方向、即ち軸方向、側面方向、高さ方向の超音波映像データ量の比を用いて決定することができる。望ましくは、超音波映像データ量の比のような比率で第１のフィルタリングマスクを決定することができる。また、第１のフィルタリングマスクの大きさはユーザ入力部１４０に入力されたユーザ命令によって決定できる。
スキャン変換部１５０は、第１の超音波映像データをスキャン変換を実施してスキャン変換された第１の超音波映像データを形成し（Ｓ４３０）、３次元レンダリング部１６０は第１のスキャン変換された超音波映像データにボリュームレンダリングを実施して第１の超音波映像を形成する（Ｓ４４０）。
引き続き、フィルタリング部１３０は、超音波映像データ獲得部１２０で獲得した超音波映像データに対して第２の大きさのフィルタリングマスク（以下、第２のフィルタリングマスクという）でフィルタリングを実施してフィルタリングされた第２の超音波映像データを出力する（Ｓ４５０）。ここで、第２のフィルタリングマスクの大きさは、第１のフィルタリングマスクの大きさより大きく設定することができ、超音波映像データの軸方向、側面方向、高さ方向の超音波映像データ量の比を用いて決定することができる。望ましくは、第１のフィルタリングマスクと同様に超音波映像データ量の比のような比率で第２のフィルタリングマスクを設定することができる。また、第２のフィルタリングマスクの大きさはユーザ入力部１４０に入力されたユーザ命令によって設定できる。
スキャン変換部１５０は、第２の超音波映像データをスキャン変換してスキャン変換された第２の超音波映像データを形成し（Ｓ４６０）、３次元レンダリング部１６０は第２のスキャン変換された超音波映像データにボリュームレンダリングを実施して第２の超音波映像を形成する（Ｓ４７０）。
映像ミキシング部１７０は、第１の超音波映像と第２の超音波映像をミキシングして最終３次元超音波映像を形成する（Ｓ４８０）。第１の超音波映像と第２の超音波映像の合成比率はユーザ入力部１４０を通じて入力されるユーザ命令によって決定できる。例えば、第１の超音波映像のミキシング比率を高める場合、相対的にシャープな超音波映像を得ることができ、第２の超音波映像のミキシング比率を高める場合、相対的にさらに平滑化された超音波映像を形成することができる。このように形成された超音波映像はディスプレイ装置を介して３次元映像でディスプレイされる（Ｓ４９０）。
本発明が望ましい実施例を通じて説明され例示されたが、当業者であれば添付した特許請求の範囲の事項及び範疇を逸脱せず、様々な変形及び変更がなされることが分かる。
本発明の実施例による超音波映像装置の構成を示すブロック図である。 ３次元超音波映像データの解像度を説明するための概略図である。 本発明の実施例によって３次元超音波映像データに設定されたフィルタリングマスクを概略的に示す図面である。 本発明の実施例によって３次元超音波映像データを互いに異なる大きさのフィルタリングマスクでフィルタリングして超音波映像を形成する方法を示す図面である。
符号の説明
１１０ プローブ
１２０ 超音波映像データ獲得部
１３０ フィルタリング部
１４０ ユーザ入力部
１５０ スキャン変換部
１６０ ３次元レンダリング部
１７０ ミキシング部

Claims (12)

  1. 対象体から反射された超音波エコー信号に基づいて３次元超音波映像データを形成する超音波映像データ獲得部と、
    前記３次元超音波映像データの獲得方向に沿ったデータ量に応じて適応的にフィルタリングマスクの大きさを決定し、前記フィルタリングマスクを用いて前記３次元超音波映像データをフィルタリングするフィルタリング部と、
    前記フィルタリングされた３次元超音波映像データをスキャン変換するためのスキャン変換部と、
    前記スキャン変換された３次元超音波映像データを３次元レンダリングして３次元超音波映像を形成するための３次元レンダリング部と
    を備えることを特徴とする超音波映像装置。
  2. 前記フィルタリングマスクの大きさは、前記３次元超音波映像データの獲得方向それぞれに沿ったデータ量の比によって決定されることを特徴とする請求項１に記載の超音波映像装置。
  3. ユーザから前記フィルタリングマスクの大きさを設定するための命令語の入力を受けるユーザ入力部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波映像装置。
  4. 前記フィルタリングマスクは、前記３次元超音波映像データの獲得方向に沿って少なくとも２つの獲得方向の大きさが互いに異なることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の超音波映像装置。
  5. 複数の超音波映像をミキシングするためのミキシング部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波映像装置。
  6. 前記フィルタリング部は、第１のフィルタリングマスクで前記３次元超音波映像データをフィルタリングして第１の超音波映像データを出力し、前記第１のフィルタリングマスクの大きさと互いに異なる第２のフィルタリングマスクで前記３次元超音波映像データをフィルタリングして第２の超音波映像データを出力し、
    前記スキャン変換部は、前記第１及び第２の超音波映像データをスキャン変換してスキャン変換された第１及び第２の超音波映像データを出力し、
    前記３次元レンダリング部は前記スキャン変換された第１及び第２の超音波映像データをレンダリングして第１の超音波映像と第２超音波映像を形成し、
    前記ミキシング部は、前記第１の超音波映像と前記第２の超音波映像をミキシングして一つの３次元超音波映像を出力することを特徴とする請求項５に記載の超音波映像装置。
  7. 前記第２フィルタリングマスクの大きさは、前記第１のフィルタリングマスクの大きさより大きいことを特徴とする請求項６に記載の超音波映像装置。
  8. ａ）対象体に反射された超音波エコー信号に基づいて３次元超音波映像データを獲得する段階と、
    ｂ）前記３次元超音波映像データの獲得方向に沿ったデータ量に応じてフィルタリングマスクの大きさを決定し、前記フィルタリングマスクで前記３次元超音波映像データをフィルタリングする段階と、
    ｃ）前記フィルタリングされた３次元超音波映像データをスキャン変換する段階と、
    ｄ）前記スキャン変換された３次元超音波映像データを３次元レンダリングして３次元超音波映像を形成する段階と
    を備えることを特徴とする超音波映像形成方法。
  9. 前記フィルタリングマスクは、前記３次元超音波映像データの獲得方向それぞれに沿ったデータ量の比によって決定されることを特徴とする請求項８に記載の超音波映像形成方法。
  10. 前記フィルタリングマスクは、前記３次元超音波映像データの獲得方向に沿って少なくとも２つの獲得方向の大きさが互いに異なることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の超音波映像形成方法。
  11. 前記ｂ）段階は、第１のフィルタリングマスクで前記３次元超音波映像データをフィルタリングして第１の超音波映像データを出力し、前記第１のフィルタリングマスクの大きさと互いに異なる第２のフィルタリングマスクで前記３次元超音波映像データをフィルタリングして第２の超音波映像データを出力する段階を備え、
    前記ｃ）段階は、前記第１及び第２の超音波映像データをスキャン変換してスキャン変換された第１及び第２の超音波映像データを出力する段階を備え、
    前記ｄ）段階は、前記スキャン変換された第１及び第２の超音波映像データをレンダリングして第１の超音波映像と第２の超音波映像を形成する段階を備え、
    前記超音波映像形成方法は、前記第１の超音波映像と前記第２の超音波映像をミキシングし、一つの３次元超音波映像を出力する段階をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の超音波映像形成方法。
  12. 前記第２のフィルタリングマスクの大きさは、前記第１のフィルタリングマスクの大きさより大きいことを特徴とする請求項１１に記載の超音波映像方法。
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