JP2010221018A - ボリュームデータに表面レンダリングを行う超音波システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象体内にある関心物体のボリュームデータに表面レンダリングを行う超音波システムおよび方法を提供する。
【解決手段】本発明による超音波システムは、超音波信号を対象体に送信して前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信し、複数のフレームそれぞれに該当する超音波データを取得する超音波データ取得部と、前記超音波データを用いて、前記複数のフレームからなり、輝度値を有する複数のボクセル（ｖｏｘｅｌ）を含むボリュームデータを形成するボリュームデータ形成部と、前記ボリュームデータを用いて前記対象体内にある関心物体の境界を検出し、前記検出された境界内のボクセルに対して表面レンダリングを行って３次元超音波映像を形成するプロセッサとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波システムに関し、特に対象体内の関心物体（例えば、胎児の顔）に該当するボリュームデータに表面レンダリングを行う超音波システムおよび方法に関する。

超音波システムは、無侵襲およ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に医療分野で広く用いられている。超音波システムは、対象体を直接切開して観察する外科手術の必要がなく、対象体の内部組織を高解像度の映像で医師に提供できるので、医療分野で非常に重要なものとして用いられている。

３次元の超音波映像を用いた超音波システムは、２次元超音波映像では提供することができない空間情報や解剖学的な形態情報を提供してくれる。即ち、この超音波システムは、超音波信号を対象体に送信して対象体から反射される超音波信号（即ち、超音波エコー信号）を用いてボリュームデータを形成し、その形成されたボリュームデータをレンダリングして３次元超音波映像を形成する。

従来は、ボリュームレンダリング（ｖｏｌｕｍｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）を用いて３次元超音波映像を形成していた。ボリュームレンダリングは、対象体内にある関心物体（例えば胎児）の表面に該当するデータだけでなく、超音波ビーム軸上の全ての点の反射特性を合成する方式を用いるため、対象体の局部（ｌｏｃａｌ）に照明効果を与えることはできるが、対象体の全域（ｇｌｏｂａｌ）に照明効果を与えることはできないという問題がある。

特開２００６−００６９３３号公報 特開２００４−１４１５１４号公報 特開２００９−０７２４００号公報

本発明の目的は、対象体のボリュームデータから対象体内にある関心物体（例えば、胎児の顔）の境界（エッジ）を検出し、その検出された境界に該当するボリュームデータに表面レンダリングを行う超音波システムおよび方法を提供することにある。

前記の課題を解決するために、本発明による超音波システムは、超音波信号を対象体に送信して前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信し、複数のフレームそれぞれに該当する超音波データを取得する超音波データ取得部と、前記超音波データを用いて、前記複数のフレームからなり、輝度値を有する複数のボクセル（ｖｏｘｅｌ）を含むボリュームデータを形成するボリュームデータ形成部と、前記ボリュームデータから前記対象体にある関心物体の境界を検出し、前記検出された境界内のボクセルに対して表面レンダリングを行って３次元超音波映像を形成するプロセッサとを備える。

また、本発明によるボリュームデータの表面レンダリング方法は、ａ）超音波信号を対象体に送信して前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信し、複数のフレームそれぞれに該当する超音波データを取得する段階と、ｂ）前記超音波データを用いて、前記複数のフレームからなり、輝度値を有する複数のボクセル（ｖｏｘｅｌ）を含むボリュームデータを形成する段階と、ｃ）前記ボリュームデータから前記対象体内にある関心物体の境界を検出する段階と、ｄ）前記検出された境界に該当するボリュームデータに表面レンダリングを行って３次元超音波映像を形成する段階とを備える。

本発明によれば、ボリュームデータから対象体内にある関心物体（例えば、胎児の顔）を正確に検出し、実際の皮膚の反射特性および皮膚トーン（皮膚の色合いなど）を適用でき、より臨場感のある関心物体の３次元超音波映像を提供できる。

本発明の実施例における超音波システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例における超音波データ取得部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例におけるプロセッサの構成を示すブロック図である。

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、本発明の実施例における超音波システム１００の構成を示すブロック図である。超音波システム１００は、超音波データ取得部１１０、ボリュームデータ形成部１２０、プロセッサ１３０、ディスプレイ部１４０および制御部１５０を備える。

超音波データ取得部１１０は、超音波信号を対象体に送信して対象体から反射される超音波信号（即ち、超音波エコー信号）を受信して超音波データを取得する。

図２は、本発明の実施例における超音波データ取得部１１０の構成を示すブロック図である。超音波データ取得部１１０は、送信信号形成部１１１、複数の変換素子（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）（図示せず）を含む超音波プローブ１１２、ビームフォーマ１１３および超音波データ形成部１１４を備える。

送信信号形成部１１１は、超音波を送信する変換素子の位置および集束点を考慮して変換素子それぞれに印加する送信信号を形成する。本実施例で送信信号は、ボリュームデータ（ｖｏｌｕｍｅ ｄａｔａ）を形成する複数のフレームそれぞれに該当する送信信号である。

超音波プローブ１１２は、送信信号形成部１１１から送信信号が提供されると、送信信号を超音波信号に変換する。超音波プローブ１１２は、超音波信号を対象体に送信し、その対象体から反射される超音波エコー信号を受信して受信信号を形成する。受信信号はアナログ信号である。

ビームフォーマ１１３は、超音波プローブ１１２から受信信号が提供されると、受信信号をアナログデジタル変換してデジタル信号を形成する。また、ビームフォーマ１１３は、変換素子の位置および集束点を考慮し、デジタル信号を受信集束させて受信集束信号を形成する。

超音波データ形成部１１４は、ビームフォーマ１１３から受信集束信号が提供されると、受信集束信号を用いて超音波データを形成する。また、超音波データ形成部１１４は超音波データを形成するのに必要な多様な信号処理（例えば、利得（ｇａｉｎ）調節、フィルタリング処理等）を受信集束信号に行うことができる。

再び図１を参照して、ボリュームデータ形成部１２０は、超音波データ取得部１１０から提供される超音波データを用いてボリュームデータを形成する。ボリュームデータは複数のフレームからなり、輝度値を有する複数のボクセル（ｖｏｘｅｌ）を含む。

プロセッサ１３０は、前記で得られたボリュームデータについて、対象体内にある関心物体の境界を検出し、その検出された境界に該当するボリュームデータに表面レンダリングを行い、関心物体の３次元超音波映像を形成する。本実施例で関心物体は、胎児の顔を含む。

図３は、本発明の実施例によるプロセッサ１３０の構成を示すブロック図である。プロセッサ１３０は、フィルタリング部１３１、境界検出部１３２、ＣＣＡ（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ）部１３３、境界処理部１３４、パラメータ設定部１３５および表面レンダリング部１３６を備える。

フィルタリング部１３１は、ボリュームデータ形成部１２０から提供されるボリュームデータに境界強調およびノイズ除去を行うためのフィルタリング処理を行う。本実施例でフィルタリング部１３１は、ＴＶ（ｔｏｔａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ）フィルタ、非等方性拡散（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）フィルタなどを含むデノイジングフィルタ（ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ ｆｉｌｔｅｒ）を備えている。

境界検出部１３２は、フィルタリング処理されたボリュームデータを用いて複数のフレームそれぞれに対して境界検出を行って複数の境界を検出する。本実施例で境界は、ソーベル（Ｓｏｂｅｌ）、プレウィット（Ｐｒｅｗｉｔｔ）、ロバート（Ｒｏｂｅｒｔ）またはキャニー（Ｃａｎｎｙ）マスクなどのようなエッジマスク（ｅｄｇｅ ｍａｓｋ）を用いて検出することができる。また、境界は、構造テンソル（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｅｎｓｏｒ）を用いた固有値の差を用いて検出することも可能である。

ＣＣＡ（connected component analysis）部１３３は、境界検出部１３２で検出された複数の境界に対してＣＣＡを行い、互いに連結された境界のボクセルを検出する。ＣＣＡ部１３３は互いに連結された境界にボクセル標識付け（ラベリング）を行い、同一の標識（ラベル）を有するボクセル毎にグループ化して複数のボクセルグループを作成する。

境界処理部１３４は、その複数のボクセルグループを比較し、その中で最も多いボクセル数を有するボクセルグループを検出する。境界処理部１３４は、その検出されたボクセルグループを関心物体（例えば、胎児の顔）として設定する。

パラメータ設定部１３５は、前記で検出された関心物体に該当するボクセルに対して、表面レンダリングを行うための第１のパラメータと皮膚トーン（皮膚の色合いなど）処理を行うための第２のパラメータを設定する。本実施例で第１のパラメータとしては、ＢＳＳＲＤＦ（ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）モデルなどがある。このＢＳＳＲＤＦモデルのパラメータは、公知となった多様な方法を通じて設定できるので本実施例では詳細に説明しない。前述した実施例では、第１のパラメータとしてＢＳＳＲＤＦモデルのパラメータを説明したが、これに局限されず、他の多様な表面散乱（ｓｕｒｆａｃｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）モデルのパラメータを使用することもできる。また、本実施例で第２のパラメータは、ユーザが手動で行ってもよいし、または超音波システム１００が自動的に設定するようにしてもよい。

表面レンダリング部１３６は、パラメータ設定部１３５から提供される第１のパラメータおよび第２のパラメータを用いて関心物体に該当するボクセルに表面レンダリングおよび皮膚トーン処理を行って３次元超音波映像を形成する。

再び図１を参照して、ディスプレイ部１４０は、プロセッサ１３０から提供される３次元超音波映像を表示する。

制御部１５０は、超音波信号の送受信を制御する。また、制御部１５０は超音波データおよびボリュームデータの形成を制御し、表面レンダリングを制御する。また、制御部１５０は３次元超音波映像の表示を制御する。

本発明を望ましい実施例を通して説明し例示したが、当業者であれば添付の特許請求の範囲の事項および範疇を逸脱せずに様々な変形および変更がなされることが分かるはずである。

１００ 超音波システム
１１０ 超音波データ取得部
１１１ 送信信号形成部
１１２ 超音波プローブ
１１３ ビームフォーマ
１１４ 超音波データ形成部
１２０ ボリュームデータ形成部
１３０ プロセッサ
１３１ フィルタリング部
１３２ 境界検出部
１３３ ＣＣＡ部
１３４ 境界処理部
１３５ パラメータ設定部
１３６ 表面レンダリング部
１４０ ディスプレイ部
１５０ 制御部

Claims (12)

1. 超音波システムであって、
   超音波信号を対象体に送信して前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信し、複数のフレームそれぞれに該当する超音波データを取得する超音波データ取得部と、
   前記超音波データを用いて、前記複数のフレームからなり、輝度値を有する複数のボクセル（ｖｏｘｅｌ）を含むボリュームデータを形成するボリュームデータ形成部と、
   前記ボリュームデータから前記対象体内にある関心物体の境界を検出し、前記検出された境界内のボクセルに対して表面レンダリングを行って３次元超音波映像を形成するプロセッサと
   を備えることを特徴とする超音波システム。
2. 前記プロセッサは、
   前記複数のフレームそれぞれに対して境界検出を行い、複数の境界を検出する境界検出部と、
   前記複数の境界に対してＣＣＡ（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ）を行い、互いに連結された複数の境界の複数のボクセルを検出して、前記互いに連結された複数の境界の前記複数のボクセルを標識化（ラベリング）し、同一の標識を有する各ボクセルをグループ化して複数のボクセルグループを作成するＣＣＡ部と、
   前記複数のボクセルグループを比較して最も多いボクセル数を有するボクセルグループを検出し、前記検出されたボクセルグループに含まれるボクセルを前記関心物体として設定する境界処理部と、
   前記ボリュームデータから前記関心物体に該当する前記ボクセルに表面レンダリングを行うための第１のパラメータおよび前記関心物体に該当する前記ボクセルに皮膚トーン処理を行うための第２のパラメータを設定するパラメータ設定部と、
   前記第１および第２のパラメータを用いて前記関心物体に該当する前記ボクセルに前記表面レンダリングおよび前記皮膚トーン処理を行って前記３次元超音波映像を形成する表面レンダリング部と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波システム。
3. 前記第１のパラメータは、表面散乱（ｓｕｒｆａｃｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）モデルのパラメータを含むことを特徴とする請求項２に記載の超音波システム。
4. 前記プロセッサは、
   前記ボリュームデータに境界強調およびノイズ除去のためのフィルタリング処理を行うフィルタリング部と
   をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の超音波システム。
5. 前記フィルタリング部は、デノイジングフィルタを備えることを特徴とする請求項４に記載の超音波システム。
6. 前記３次元超音波映像を表示するディスプレイ部をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の超音波システム。
7. ボリュームデータの表面レンダリング方法であって、
   ａ）超音波信号を対象体に送信して前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信し、複数のフレームそれぞれに該当する超音波データを取得する段階と、
   ｂ）前記超音波データを用いて、前記複数のフレームからなり、輝度値を有する複数のボクセル（ｖｏｘｅｌ）を含むボリュームデータを形成する段階と、
   ｃ）前記ボリュームデータから前記対象体内の関心物体に該当する境界を検出する段階と、
   ｄ）前記検出された境界に該当するボリュームデータに表面レンダリングを行って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ボリュームデータの表面レンダリング方法。
8. 前記段階ｃ）を実行する前に、
   前記ボリュームデータに境界強調およびノイズ除去のためのフィルタリング処理を行う段階
   をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のボリュームデータの表面レンダリング方法。
9. 前記段階ｃ）は、
   前記複数のフレームそれぞれに対して境界検出を行い、複数の境界を検出する段階
   を備えることを特徴とする請求項７に記載のボリュームデータの表面レンダリング方法。
10. 前記段階ｄ）は、
    前記複数の境界に対してＣＣＡ（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ）を行い、互いに連結された複数の境界の複数のボクセルを検出する段階と、
    前記互いに連結された複数の境界の前記複数のボクセルを標識化する段階と、
    同一の標識を有するボクセルをグループ化して複数のボクセルグループを作成する段階と、
    前記複数のボクセルグループを比較して最も多いボクセル数を有するボクセルグループを検出する段階と、
    前記検出されたボクセルグループに含まれるボクセルを前記関心物体として設定する段階と、
    前記ボリュームデータから前記関心物体に該当する前記ボクセルに表面レンダリングを行うための第１のパラメータおよび前記関心物体に該当する前記ボクセルに皮膚トーン処理を行うための第２のパラメータを設定する段階と、
    前記第１および第２のパラメータを用いて前記関心物体に該当する前記ボクセルに前記表面レンダリングおよび前記皮膚トーン処理を行って前記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請求項９に記載のボリュームデータの表面レンダリング方法。
11. 前記第１のパラメータは、表面散乱（ｓｕｒｆａｃｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）モデルのパラメータを含むことを特徴とする請求項１０に記載のボリュームデータの表面レンダリング方法。
12. ｅ）前記３次元超音波映像をディスプレイする段階
    をさらに備えることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか一項に記載のボリュームデータの表面レンダリング方法。

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