JP2010075704A - 超音波データ処理装置及び超音波データ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周期的に動いている対象体から取得したボリュームデータを用いて対象体の動き周期を検出し、その検出された動き周期に基づいて超音波ボリュームデータを再構成する超音波データ処理装置及びその方法を提供する。
【解決手段】本発明における超音波データ処理装置は、ピクセル値を有する複数のピクセルから構成されたフレームを複数含むボリュームデータを、周期的に動いている対象体から取得するように動作するボリュームデータ取得部と、前記ピクセル値を用いて、各前記フレームに特徴点を設定し、それらの特徴点から前記対象体の動き周期を検出するように動作する周期検出部と、各前記動き周期で同一のフレーム数を有するように、前記ボリュームデータに対して補間を行って、前記動き周期に基づいて、前記補間されたボリュームデータを複数の副ボリュームを含むボリュームデータに再構成するように動作するボリュームデータ再構成部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波データ処理装置に関し、より詳細には、周期的に動いている対象体から得られるボリュームデータを基に、対象体の動き周期を検出し、その動き周期に基づいて、超音波ボリュームデータを再構成して、対象体の動きを画像として表示する超音波データ処理装置及びその方法に関する。

一般に、スタティック（ｓｔａｔｉｃ）３次元イメージは、３次元プローブ（ｐｒｏｂｅ）を用いて、時間に関係なく３次元の生データ（ｒａｗ ｄａｔａ；ｘ、ｙ、ｚ座標上のデータ）を取得した後、連続する複数のフレームを合成し、更に、これに３次元レンダリング（ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）技法を施して構成される。

このようなスタティック３次元イメージを用いた超音波診断法は、外科手術のような面倒な方法を用いることなく、人体内部を観察・診断することができるため、最近広く用いられている。しかし、スタティック３次元イメージ法は、静止したイメージであるため、例えば胎児のように動いている対象体をリアルタイムで観察するのが難しいという短所がある。

従って、上述した問題を解決するために、最近は、スタティック３次元イメージ法に替わって、３次元の動画像を表示するライブ３次元イメージング（ｌｉｖｅ ３−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｉｍａｇｉｎｇ）技法が用いられている。このライブ３次元イメージング法を用いれば、対象体の動きをスムーズに表示することができる。

更に、最近は、胎児の発育状態や疾病の有無などを早期に診断するため、胎児の心臓診断に対しても関心が高まっている。しかし、胎児の心臓のように非常に速い速度で収縮、膨張する臓器全体を、現在の３次元超音波プローブでスキャニングすることは、ハードウェア的に制限がある。即ち従来の方法では、心臓が拍動している様子を実時間で観察することができないという問題がある。

特開２００８−２２０９５５号公報

本発明は、前記問題を解決するためのものであって、周期的に動いている対象体から連続的に取得した複数のフレームを含むボリュームデータから対象体の動き周期を検出し、検出された動き周期に基づいて、ボリュームデータを再構成して、動いている物体を画像として表示するための超音波データ処理装置及びその方法を提供する。

前記の課題を解決するために、本発明による超音波データ処理装置は、ピクセル値を有する複数のピクセルから構成されたフレームを複数含むボリュームデータを、周期的に動いている対象体から取得するように動作するボリュームデータ取得部と、前記ピクセル値を用いて、各前記フレームに特徴点を設定し、その特徴点に基づいて、前記対象体の動き周期を検出する周期検出部と、各前記動き周期で同一のフレーム数を有するように、前記ボリュームデータに対して補間を行って、前記動き周期に基づいて、前記補間されたボリュームデータを複数の副ボリュームを含むボリュームデータに再構成するボリュームデータ再構成部とを備える。

本発明の他の実施例による超音波データ処理方法は、ａ）ピクセル値を有する複数のピクセルから構成されたフレームを複数含むボリュームデータを、周期的に動いている対象体から取得する段階と、ｂ）前記ピクセル値に基づいて、各前記フレームに特徴点を設定する段階と、ｃ）各前記フレームに設定された前記特徴点に基づいて、前記対象体の動き周期を検出する段階と、ｄ）各前記動き周期で同一のフレーム数を有するように、前記ボリュームデータに対して補間を行う段階と、ｅ）前記動き周期に基づいて、前記補間されたボリュームデータを複数の副ボリュームを含むボリュームデータに再構成する段階とを備える。

本発明による超音波データ処理装置を用いれば、連続的に対象体からボリュームデータを取得し、そのボリュームデータを構成するフレームに特徴点を設定・検出することによって、胎児の心臓のように非常に速く動いている対象体の動き周期を速やかに検出することができる。更に、検出された動き周期に基づいて、ボリュームデータを再構成することにより、対象体の動きを超音波映像として提供することができる。

本発明の実施例による超音波データ処理装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例による周期検出部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例によって特徴点を設定する例を示す例示図である。 本発明の実施例によって特徴点から特徴点曲線を求める過程を示す例示図である。 本発明の実施例によって形成された特徴点曲線の例を示す例示図である。 本発明の実施例によって周期設定部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例によって対象体の動き周期を用いてボリュームデータを再構成する過程を示す例示図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明による超音波データ処理装置を示すブロック図である。

本発明における超音波データ処理装置１００は、ボリュームデータ取得部１１０、スキャン変換部１２０、周期検出部１３０、ボリュームデータ再構成部１４０及びディスプレイ部１５０を備える。

ボリュームデータ取得部１１０は、周期的に動いている対象体に超音波信号を送信し、対象体から反射してきたエコー信号を電気的受信信号に変換して出力するプローブ、電気的受信信号に集束処理を施して受信ビームを形成するビームフォーマ及び受信ビームを信号処理してボリュームデータを形成するユニットで構成されている。なお、ボリュームデータは、複数のフレームで構成されている。

スキャン変換部１２０は、ボリュームデータ取得部１１０で取得した複数のフレームのボリュームデータ（フレームデータ）のそれぞれを、ディスプレイ部１５０にディスプレイするようにスキャン変換して出力する。

周期検出部１３０は、図２に示すように、特徴点設定部１３１、特徴点曲線形成部１３２及び周期設定部１３３を備えている。

特徴点設定部１３１は、スキャン変換部１２０から出力される複数のフレームのそれぞれで特徴点を抽出する。本発明の実施例においては、特徴点として、各フレームに共通する特性を見つけて、それを用いることにする。

一例として、各フレームを構成するピクセルのピクセル値（強度）の重心点を特徴点として用いることができる。

図３に示すように、Ｍ×Ｎ個のピクセル２１０で構成されたフレーム２００において、本発明の実施例によって重心点を決定する方法を説明する。説明の便宜上、フレーム２００を、ｘ座標が１、２、…、Ｍであり、ｙ座標が１、２、…、Ｎであるｘｙ座標上に位置させた例を挙げて説明する。

特徴点設定部１３１は、各ｘ座標上に位置する複数のピクセル２１０のピクセル値をｙ軸に沿って合算して、第１の演算値Ｓｘ１、Ｓｘ２、…、ＳｘＭを得る。続いて、特徴点設定部１３１は、第１の演算値Ｓｘ１、Ｓｘ２、…、ＳｘＭのそれぞれに、順次、加重値Ｗｘ１、Ｗｘ２、…、ＷｘＭを乗じて、第２の演算値ＳＭｘ１、ＳＭｘ２、…、ＳＭｘＭを得る。

ここで、第１の演算値Ｓｘ１、Ｓｘ２、…、ＳｘＭに乗じる加重値Ｗｘ１、Ｗｘ２、…、ＷｘＭは、一定間隔で増加または減少する任意の値を用いることができる。例えば、ｘ軸の座標値、即ち１、２、…、Ｍを、第１の演算値Ｓｘ１、Ｓｘ２、…、ＳｘＭに乗じる加重値Ｗｘ１、Ｗｘ２、…、ＷｘＭとして用いることができる。

次に、特徴点設定部１３１は、第１の演算値Ｓｘ１、Ｓｘ２、…、ＳｘＭを合算して第３の演算値を得、第２の演算値ＳＭｘ１、ＳＭｘ２、…、ＳＭｘＭを合算して第４の演算値を得る。特徴点設定部１３１は、更に、第４の演算値を第３の演算値で割り、その割り算値を、フレーム２００を構成するピクセル２１０のピクセル値の重心点のｘ軸の座標値として設定することができる。

また、特徴点設定部１３１は、各ｙ座標上に位置する複数のピクセル２１０のピクセル値をｘ軸に沿って合算して、第５の演算値Ｓｙ１、Ｓｙ２、…、ＳｙＮを得る。続いて、特徴点設定部１３１は、第５の演算値Ｓｙ１、Ｓｙ２、…、ＳｙＮのそれぞれに、順次、加重値Ｗｙ１、Ｗｙ２、…、ＷｙＭを乗じて、第６の演算値ＳＭｙ１、ＳＭｙ２、…、ＳＭｙＮを得る。

ここで、第５の演算値Ｓｙ１、Ｓｙ２、…、ＳｙＮに乗じる加重値Ｗｙ１、Ｗｙ２、…、ＷｙＮは、一定間隔で増加または減少する任意の値を用いることができる。例えば、ｙ軸の座標値、即ち１、２、…、Ｎを第５の演算値Ｓｙ１、Ｓｙ２、…、ＳｙＮに乗じる加重値Ｗｙ１、Ｗｙ２、…、ＷｙＮとして用いることができる。

次に、特徴点設定部１３１は、第５の演算値Ｓｙ１、Ｓｙ２、…、ＳｙＮを合算して第７の演算値を得、第６の演算値ＳＭｙ１、ＳＭｙ２、…、ＳＭｙＮを合算して第８の演算値を得る。特徴点設定部１３１は、第８の演算値を第７の演算値で割り、その割り算値を、フレーム２００を構成するピクセル２１０のピクセル値の重心点のｙ軸の座標値として設定することができる。

本発明の一実施例では、フレームを構成するピクセルのピクセル値の重心点を用いて、特徴点を設定したが、他の実施例では、ＳＶＤ（ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）等を用いて、特徴点を設定することもできる。

ボリュームデータを構成する全てのフレームに対して、重心点が求められると、特徴点曲線形成部１３２は、図４に示すように、重心点をｘｙ座標上に表示し、これらから中心軸（ｐｒｉｃｉｐｌｅ ａｘｉｓ）３００を設定する。特徴点曲線形成部１３２は、設定された中心軸３００と各重心点との距離（ｄ）を計算する。

特徴点曲線形成部１３２は、更に、このように計算された距離（ｄ）を用いて、図５に示すようなグラフを作成し表示する。図５で、横軸はフレームを、縦軸は距離（ｄ）の大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）を示す。

周期設定部１３３では、図５に示されたグラフで、各頂点間の間隔を計測し、それを対象体の動き周期として設定する。

図６は、周期設定部１３３で対象体の動き周期を計測する過程を示すブロック図である。周期設定部１３３は、フィルタリング部６１０、傾斜計算部６２０及び符号変換点検出部（Ｚｅｒｏ Ｃｒｏｓｓ Ｐｏｉｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）６３０を備える。

フィルタリング部６１０は、特徴点曲線形成部１３２に混入する雑音を減らすために使用する。本実施例では、低域通過フィルタ（ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）を用いているが、必ずしもこれに限らない。

また、本発明のフィルタリング部６１０は、特徴点曲線にフーリエ変換を行って、振幅（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）の大きい周波数を検出することもできるし、窓関数を設定して必要な周波数を取り出した後、ノイズを取り除くため低周波フィルタリングを行ってもよい。更には、上記の信号に逆フーリエ変換を行って、雑音が除去された特徴点曲線を得ることもできる。

傾斜計算部６２０は、前記手法でフィルタリングされたグラフを使って、その傾斜を計算する。符号変換点検出部６３０は、傾斜計算部６２０で計算された傾きが正から負に変わる符号変換点（ｚｅｒｏ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）を求め、各符号変換点の間で類似の距離を有する符号変換点を検出して、符号変換点の周期を対象体の動き周期として設定する。

一方、本発明の他の実施例では、周期検出部１３０は、周期を検出するのに必要な演算量を減らすために、フレームに関心領域（ＲＯＩ）を設定している（図示せず）。ＲＯＩ設定部は、フレーム内で水平方向のピクセルライン（ｐｉｘｅｌ ｌｉｎｅ）上にある全てのピクセルの輝度値を合算して水平投影を行う。水平投影で得られた投影信号値の平均値を用いて、フレームのＲＯＩの境界（ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ；ｎ_T，ｎ_B)を、次の式を用いて計算する。

ＲＯＩ設定部は、式１によって得られたＲＯＩの境界（ｎ_T，ｎ_B）を用いてフレームをマスクする。即ち、周期検出部１３０は、ＲＯＩの境界（ｎ_T，ｎ_B）の外郭に存在するピクセルを除去した後、重心点をフレームに設定することができる。

ボリュームデータ再構成部１４０は、周期検出部１３０で動き周期が検出されると、ボリュームデータに対して補間を行って、ボリュームデータが各動き周期で同一のフレーム数を有するようにする。

この補間が完了すると、ボリュームデータ再構成部１４０は、次に、前記補間して得られたボリュームデータを再構成して、心臓が拍動する様相を３次元超音波映像として表示する。

図７は、ボリュームデータを再構成する過程を示す。この図では、一つのボリュームデータにＡからＺまで２６の周期が存在する。図で示すように、一つの周期が６つのフレームで構成されていると仮定すると、再構成されたボリュームデータは、６つの副ボリューム（Ｓｕｂ−ｖｏｌｕｍｅ）から構成され、各副ボリュームは、ＡｉからＺｉまでの２６個のフレームで構成される。

一方、対象体をスキャニングしてボリュームデータを取得する時、対象体（例えば妊婦または胎児）が動いてしまうことがあり、これが、胎児心臓の拍動数を検出するのを困難にする。

これを解決するため、本発明においては、胎児や妊婦の動きを補正する動き補正部を備えている（図示せず）。この動き補正部は、予め設定しておいたＶＯＩ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）と現在設定しているＶＯＩとの間で、ピクセルの輝度値をマッチング（整合）させて補正するものである。即ち、この動き補正部は、予め設定しておいたＶＯＩと現在設定しているＶＯＩとの間で、ピクセルの輝度値の絶対差を合算して（ｓｕｍｍｉｎｇ ｏｆ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ）、動きベクトルを求める。

例えば、ｎ番目のフレームのＶＯＩをＶ^ｎ（ｍ）とすれば、次のフレームのＶＯＩは、Ｖ^ｎ（ｍ＋１）と表現される。ここで、変数ｍは、ｎ−１、ｎ、ｎ＋１の組合わせを表す。動き補正部は、Ｖ^ｎ（ｍ）を上下左右に移動させ、各位置において、Ｖ^ｎ（ｍ）とＶ^ｎ（ｍ＋１）との間で、ピクセルの輝度値の絶対差を計算する。そして、その絶対差が最も小さくなる位置を、動きベクトルとして推定する。なお、絶対差の和は、次の式によって計算される。

ボリュームデータは、動き周期に応じて再構築され、更に、胎児や妊婦の動きを推定する動きベクトルを用いて補正が行われるので、超音波映像は、より正確にかつ鮮明になる。

本発明は、望ましい実施例によって説明および例示されたが、当業者であれば添付した特許請求の範囲の事項に基づいて、様々な変形及び変更を考案することができる。

１００ 超音波処理装置
１１０ ボリュームデータ取得部
１２０ スキャン変換部
１３０ 周期検出部
１３１ 特徴点設定部
１３２ 特徴点曲線形成部
１３３ 周期設定部
１４０ ボリュームデータ再構成部
１５０ ディスプレイ部
２００ フレーム
２１０ ピクセル
６１０ フィルタリング部
６２０ 傾斜計算部
６３０ 符号変換点検出部

Claims (10)

1. ピクセル値を有する複数のピクセルから構成されたフレームを複数含むボリュームデータを、周期的に動いている対象体から取得するように動作するボリュームデータ取得部と、
   前記ピクセル値を用いて、各前記フレームに特徴点を設定し、各前記フレームに設定された前記特徴点に基づいて、前記対象体の動き周期を検出するように動作する周期検出部と、
   各前記動き周期で同一のフレーム数を有するように、前記ボリュームデータに対して補間を行って、前記動き周期に基づいて、前記補間されたボリュームデータを複数の副ボリュームを含むボリュームデータに再構成するように動作するボリュームデータ再構成部とを備えることを特徴とする超音波データ処理装置。
2. 前記周期検出部は、
   各前記フレームに前記特徴点を設定するように動作する特徴点設定部と、
   前記特徴点を用いて、特徴点曲線を形成するように動作する特徴点曲線形成部と、
   前記特徴点曲線から、前記対象体の動き周期を設定する周期設定部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波データ処理装置。
3. 前記特徴点設定部は、各前記フレームで前記ピクセル値に対する重心点を前記特徴点として設定するように動作し、
   前記特徴点曲線形成部は、前記重心点の位置に基づいて設定された中心軸と各前記重心点との距離から、前記特徴点曲線を形成するように動作することを特徴とする請求項２に記載の超音波データ処理装置。
4. 前記周期設定部は、
   前記特徴点曲線をフィルタリングして、雑音を減らすように動作するフィルタリング部と、
   前記フィルタリングされた特徴点曲線から、その傾斜を計算するように動作する傾斜計算部と、
   前記計算された傾斜が正から負に変わる符号変換点（ｚｅｒｏ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）を求め、前記符号変換点間の間隔から前記対象体の動き周期を決定するように動作する符号変換点検出部とを備えることを特徴とする請求項２または３に記載の超音波データ処理装置。
5. 前記対象体の動きを推定して、前記ボリュームデータの動きを補正する動き補正部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波データ処理装置。
6. ａ）ピクセル値を有する複数のピクセルから構成されたフレームを複数含むボリュームデータを、周期的に動いている対象体から取得する段階と、
   ｂ）前記ピクセル値に基づいて、各前記フレームに特徴点を設定する段階と、
   ｃ）各前記フレームに設定された前記特徴点に基づいて、前記対象体の動き周期を検出する段階と、
   ｄ）各前記動き周期で同一のフレーム数を有するように、前記ボリュームデータに対して補間を行う段階と、
   ｅ）前記動き周期に基づいて、前記補間されたボリュームデータを複数の副ボリュームを含むボリュームデータに再構成する段階とを備えることを特徴とする超音波データ処理方法。
7. 前記段階ｃ）は、
   ｃ１）前記特徴点を用いて、特徴点曲線を形成する段階と、
   ｃ２）前記特徴点曲線から、前記対象体の動き周期を設定する段階とを含むことを特徴とする請求項６に記載の超音波データ処理方法。
8. 前記段階ｂ）において、各前記フレームで前記ピクセル値に対する重心点を前記特徴点として設定し、
   前記段階ｃ１）において、前記重心点の位置に基づいて中心軸を設定し、前記設定された中心軸と各前記重心点との距離から、前記特徴点曲線を形成することを特徴とする請求項７に記載の超音波データ処理方法。
9. 前記段階ｃ２）は、
   前記特徴点曲線にフィルタリング処理を施して、雑音を減らす段階と、
   前記フィルタリングされた特徴点曲線から、その傾斜を計算する段階と、
   前記計算された傾斜が正から負に変わる符号変換点（ｚｅｒｏ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）を検出して、前記符号変換点間の間隔を求め、それに基づいて前記対象体の動き周期を決定する段階とを有することを特徴とする請求項７または８に記載の超音波データ処理方法。
10. 前記対象体の動きから前記ボリュームデータの動きを推定し、かつそれを補正する段階を有することを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の超音波データ処理方法。

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