JP2011078514A - 超音波診断装置及び超音波画像生成プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】超音波の３次元ボリュームデータから特定部位の輪郭を抽出すること。
【解決手段】超音波ボリュームデータにおける複数の輝度値間の変化を勾配として求める勾配値演算部と、超音波ボリュームデータの輝度値と勾配値演算部により求められた勾配との２つの引数を取る伝達関数に応じて超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整する２引数伝達関数処理部と、２引数伝達関数処理部により色、不透明度が調整された超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理するレンダリング処理部と、レンダリング処理部によりレンダリング処理された超音波ボリュームデータを表示する表示部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波の３次元ボリュームデータから３次元ボリュームレンダリングイメージを生成し表示する超音波診断装置及び超音波画像生成プログラムに関する。

近年、超音波診断装置では，３次元ボリュームデータを収集可能な超音波プローブを用いることにより３次元画像データを得ることができる。
かかる超音波診断装置における３次元ボリュームレンダリングイメージでは、超音波の３次元ボリュームデータの輝度値を引数に取る伝達関数の閾値と不透明度との操作及び観察に不要な領域をクロップする等の操作により観察対象の部位のみを表示することができる。かかる超音波の３次元ボリュームデータに関する技術としては、例えば非特許文献１がある。

Klaus Engel，Markus Hadwiger，Joe M．Kniss，Christof Rezk-Salama，Daniel Weiskopf著、「Real-Time VOLUME GRAPHICS」A．k Peters，Ltd．

しかしながら、超音波診断装置での３次元ボリュームレンダリングイメージでは、例えば腫傷等の特定部位を３次元的に表示するには、輪郭抽出が必要である。かかる３次元ボリュームレンダリングイメージにおいて輪郭抽出を行うことは難しく、腫瘍等の表示には断面表示（ＭＰＲ）を用いるのが主流である。
すなわち、超音波の３次元ボリュームデータには、臓器等の各組織と輝度値との間に明確な対応関係がない。３次元ボリュームデータ中において同じ輝度値を取る各組織が存在しても、これら組織は同一組織であるものとは限らない。このため、同じ輝度値を取る各組織同士は、闘値や不透明度によって分離することができない。

又、自動境界抽出技術によって関心領域のみを抽出し、この関心領域の周囲をクロップして観察対象のみを表示する手法がある。しかしながら、超音波画像において境界を抽出することは難しく、適用できる対象は限られている。
特に腫瘍の境界抽出は難しく、腫瘍とその周囲部位との分離が難しい。

本発明の目的は、超音波の３次元ボリュームデータから特定部位の輪郭を抽出できる超音波診断装置及び超音波画像生成プログラムを提供することにある。

請求項１に対応する超音波診断装置は、超音波ボリュームデータに基づいて３次元レンダリングイメージデータを生成するもので、前記超音波ボリュームデータにおける複数の輝度値間の変化を勾配として求める勾配値演算部と、前記超音波ボリュームデータの輝度値と前記勾配値演算部により求められた前記勾配との２つの引数を取る伝達関数に応じて前記超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整する２引数伝達関数処理部と、前記２引数伝達関数処理部により前記色、前記不透明度が調整された前記超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理するレンダリング処理部と、前記レンダリング処理部によりレンダリング処理された前記超音波ボリュームデータを表示する表示部とを具備する。

請求項２に対応する超音波診断装置は、被検体に対する３次元走査によって収集された超音波ボリュームデータに基づいて３次元レンダリングイメージデータを生成するもので、前記超音波ボリュームデータ内において輝度値の勾配の方向ベクトルの縦方向、横方向、奥行き方向の要素及び勾配の大きさをそれぞれ求め、前記勾配の値の方向ベクトルの要素及び大きさの値を組み合わせて前記被検体の特定部位を分離するための勾配スカラーデータを生成する勾配演算部と、前記超音波ボリュームデータの前記輝度値を第１の引数とし、前記勾配値を組み合わせた値を第２の引数とし、これら２つの引数を取る伝達関数を通じて前記超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整する２引数伝達関数処理部と、前記伝達関数における前記２つの引数を操作する操作部と、前記２引数伝達関数処理部により前記色、前記不透明度が調整された前記超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理するレンダリング処理部と、前記レンダリング処理部によりレンダリング処理された前記超音波ボリュームデータを表示する表示部とを具備する。

請求項３に対応する超音波診断装置は、超音波ボリュームデータに基づいて３次元レンダリングイメージデータを生成するもので、前記超音波ボリュームデータにおける複数の輝度値間の変化を勾配として求める勾配値演算部と、前記超音波ボリュームデータの輝度値の１つの引数を取る伝達関数に応じて前記超音波ボリュームデータの色を調整する１引数伝達関数処理部と、前記超音波ボリュームデータの輝度値と前記勾配値演算部により求められた前記勾配との２つの引数を取る伝達関数に応じて前記超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整する２引数伝達関数処理部と、２引数伝達関数処理部により前記色、前記不透明度が調整された前記超音波ボリュームデータと前記１引数伝達関数処理部により前記色が調整された前記超音波ボリュームデータとを合成する合成演算部と、前記合成演算部により合成された前記超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理するレンダリング処理部と、前記レンダリング処理部によりレンダリング処理された前記超音波ボリュームデータを表示する表示部とを具備する。

請求項４に対応する超音波診断装置は、被検体に対する３次元走査によって収集された超音波ボリュームデータに基づいて３次元レンダリングイメージデータを生成するもので、前記超音波ボリュームデータ内において輝度値の勾配の方向ベクトルの縦方向、横方向、奥行き方向の要素及び勾配の大きさをそれぞれ求め、前記勾配の値の方向ベクトルの要素及び大きさの値を組み合わせて前記被検体の特定部位を分離するための勾配スカラーデータを生成する勾配演算部と、前記超音波ボリュームデータの前記輝度値を第１の引数とし、前記勾配値を組み合わせた値を第２の引数とし、これら２つの引数を取る伝達関数を通じて前記超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整する２引数伝達関数処理部と、前記超音波ボリュームデータの前記輝度値を第１の引数とし、当該第１の引数を取る伝達関数を通じて前記超音波ボリュームデータの色を調整する１引数伝達関数処理部と、前記伝達関数における前記第１の引数又は前記第２の引数のうちいずれか一方又は両方を操作する操作部と、２引数伝達関数処理部により前記色、前記不透明度が調整された前記超音波ボリュームデータと前記１引数伝達関数処理部により前記色が調整された前記超音波ボリュームデータとを合成する合成演算部と、前記合成演算部により合成された前記超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理するレンダリング処理部と、前記レンダリング処理部によりレンダリング処理された前記超音波ボリュームデータを表示する表示部とを具備する。

請求項１１に対応する超音波画像生成プログラムは、コンピュータに、超音波ボリュームデータにおける複数の輝度値間の変化を勾配として取得させる勾配取得機能と、前記超音波ボリュームデータの輝度値と前記勾配との２つの引数を取る伝達関数に応じて前記超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整させる調整機能と、前記色、前記不透明度が調整された前記超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理させるボリュームレンダリング機能と、前記レンダリング処理された前記超音波ボリュームデータを表示させる表示機能とを実現させる。

請求項１２に対応する超音波画像生成プログラムは、コンピュータに、超音波ボリュームデータにおける複数の輝度値間の変化を勾配として取得させる勾配取得機能と、前記超音波ボリュームデータの輝度値の１つの引数を取る伝達関数に応じて前記超音波ボリュームデータの色を調整させる色調整機能と、前記超音波ボリュームデータの輝度値と前記勾配との２つの引数を取る伝達関数に応じて前記超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整させる色・不透明度調整機能と、前記色、前記不透明度が調整された前記超音波ボリュームデータと前記色が調整された前記超音波ボリュームデータとを合成させる合成機能と、前記合成された超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理させるボリュームレンダリング機能と、前記レンダリング処理された前記超音波ボリュームデータを表示させる表示機能とを実現させる。

本発明によれば、超音波の３次元ボリュームデータから特定部位を輪郭抽出できる超音波診断装置及び超音波画像生成プログラムを提供できる。

本発明に係る超音波診断装置の第１の実施の形態を示す構成図。 同装置における２Ｄ伝達関数のうち色を調整するための第１のルックアップテーブルを設定するユーザインタフェースを示す図。 同装置における２Ｄ伝達関数のうち不透明度を調整するための第２のルックアップテーブルを設定するユーザインタフェースを示す図。 本発明に係る超音波診断装置の第２の実施の形態を示す構成図。

以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は超音波診断装置のブロック構成図を示す。本装置は、超音波プローブ１により収集された３次元ボリュームデータをボリュームレンダリングし、これら像をモニタ１１に表示する。これに加え本装置は、レンダリング処理する際に、超音波の３次元ボリュームデータの輝度値とこの輝度値の勾配との２つの引数を取る伝達関数（以下、２Ｄ伝達関数と称する）を用いて３次元ボリュームデータから腫瘍等の特定部位を輪郭抽出する。なお、１つの引数を取る伝達関数を１Ｄ伝達関数と称する。
装置本体１００には、超音波プローブ１が接続されている。この超音波プローブ１は、被検体に対して超音波ビームを３次元スキャンして送波し、被検体からの反射波を受波してその電気信号を出力する。この超音波プローブ１は、例えば３次元ボリュームデータを収集可能な３次元（３Ｄ）超音波プローブ、又は３Ｄボリュームデータを時系列に連続して収集して成る４次元（４Ｄ）超音波データを収集可能な４次元（４Ｄ）超音波プローブである。この超音波プローブ１には、送信部２と受信部３とが接続されている。送信部２は、超音波プローブ１に対して超音波送波のために駆動パルス信号を送信する。受信部３は、超音波プローブ１から出力される電気信号を受信し、超音波の３次元ボリュームデータを生成する。

装置本体１００には、操作部としての入力装置４が接続されている。この入力装置４は、本装置における２Ｄ伝達関数の操作等を行うためのユーザインタフェースを形成するもので、例えばキーボード、操作パネル、トラックボール等から成る。
ＣＰＵ１２は、装置本体１００の動作を制御するもので、入力装置４からの操作指示を受け、かつ送信部２、受信部３、勾配値演算部５、２Ｄ伝達関数処理部６、レンダリング処理部９、表示部１０に対して動作指令を発する。
ＣＰＵ１２には、プログラムメモリ１３と各種データを記憶するためのメモリ１４とが接続されている。このプログラムメモリ１３には、超音波画像生成プログラムが記憶されている。この超音波画像生成プログラムは、超音波ボリュームデータにおける複数の輝度値間の変化を勾配として求め、超音波ボリュームデータの輝度値と前記勾配との２つの引数を取る伝達関数に応じて超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整し、これら色、不透明度が調整された超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理し、このレンダリング処理された超音波ボリュームデータを表示する。
ＣＰＵ１２は、プログラムメモリ１３に記憶されている超音波画像生成プログラムを実行することにより、上記勾配値演算部５、上記２Ｄ伝達関数処理部６、上記レンダリング処理部９、上記表示部１０の各機能を有する。

勾配値演算部５は、受信部３により生成される超音波ボリュームデータを受け取り、この超音波ボリュームデータにおける例えば複数の輝度値間の変化を勾配として表し、この勾配をベクトルにより表す。そして、勾配値演算部５は、勾配ベクトルの方向、勾配ベクトルの大きさを計算し、これら勾配ベクトルの方向及び大きさをそれぞれ任意に組み合わせて１つの勾配スカラーデータを生成する。勾配値演算部５は、例えば特定部位として乳腺腫瘍の分離が最適になるよう勾配ベクトルの全要素（ｘ，ｙ，ｚ）を使って当該勾配ベクトルの長さを求め、この勾配ベクトルの長さを勾配スカラーデータとして生成する。

超音波ボリュームデータをＩとすると、勾配は、次式（１）により表される。

装置本体１の内部では、以下の３つの要素毎に（ｘ，ｙ，ｚ）の形式で保持される。すなわち、ｘは超音波ビームの方向を表し、ｙは超音波ビームのスキャン方向を表し、ｚは奥行方向に対応する。３要素の距離は、次に示す通常の距離を求める式（２）から求められる。

２Ｄ伝達関数処理部６は、受信部３により生成される超音波ボリュームデータを受け取ると共に、勾配値演算部５により生成された勾配スカラーデータを受け取り、超音波ボリュームデータの輝度値とこの輝度値の勾配との２つの引数を取る２Ｄ伝達関数に応じて超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整する。
具体的に２Ｄ伝達関数処理部６は、超音波ボリュームデータの色を調節するための伝達関数の第１のルックアップテーブルと、超音波ボリュームデータの不透明度を調節するための伝達関数の第２のルックアップテーブルとを有する。これら第１と第２のルックアップテーブルは、例えばメモリ１４内に形成されている。これら第１、第２のルックアップテーブルに対する操作は、ユーザインタフェースとして入力装置４を介してリアルタイムで可能である。

図２は２Ｄ伝達関数のうち色を調整するための第１のルックアップテーブルを設定するユーザインタフェースを示す。このユーザインタフェースは、第１の設定インタフェースＦ１と、第２の設定インタフェースＦ２と、第３の設定インタフェースＦ３とを有する。これらインタフェースＦ１〜Ｆ３は、モニタ１１に表示される。
第１の設定インタフェースＦ１は、縦軸を勾配スカラーデータとし、横軸を超音波ボリュームデータの使用範囲とし、超音波ボリュームデータの使用範囲を調整可能とする。この第１の設定インタフェースＦ１は、縦軸を勾配スカラーデータとし、横軸で超音波ボリュームデータの使用範囲を調整する。この第１の設定インタフェースＦ１内には、可変ポインタＨ１〜Ｈ４を有する。これら可変ポインタＨ１〜Ｈ４により形成される例えば四辺形内のエリアが超音波ボリュームデータの使用範囲と成る。可変ポインタＨ１〜Ｈ４により形成される例えば四辺形内のエリア外は、例えばノイズ等を含む非表示エリアとなる。このうち可変ポインタＨ１、Ｈ２は、それぞれ入力装置４からの操作指示を受けて第１の設定インタフェースＦ１の平面内で移動可能である。これら可変ポインタＨ１、Ｈ２の移動により超音波ボリュームデータの使用範囲の大きさが調整可能となる。超音波ボリュームデータの使用範囲外の出力値は、例えば「０」に設定される。超音波ボリュームデータの使用範囲内の出力値は、グレイスケールで表示される。例えば８bitの場合、白色が「２５５」に対応し、黒色が「０」に対応する。

第２の設定インタフェースＦ２は、入力装置４からの操作指示を受けて、第１の設定インタフェースＦ１において設定された超音波ボリュームデータの使用範囲内における勾配スカラーデータの出力に寄与する係数を設定可能とする。例えば、勾配スカラーデータが小さい程、出力値が小さくなる等に設定される。

第３の設定インタフェースＦ３は、入力装置４からの操作指示を受けて、超音波ボリュームデータの出力に寄与する係数を設定可能とする。例えば、超音波ボリュームデータが小さい程、出力値が小さくなる等に設定される。

図３は２Ｄ伝達関数のうち不透明度を調整するための第２のルックアップテーブルを設定するユーザインタフェースを示す。このユーザインタフェースは、第１の設定インタフェースＥ１と、第２の設定インタフェースＥ２と、第３の設定インタフェースＥ３とを有する。これらインタフェースＥ１〜Ｅ３は、モニタ１１に表示される。
第１の設定インタフェースＥ１は、縦軸を勾配スカラーデータとし、横軸を超音波ボリュームデータの不透明度の設定範囲とし、超音波ボリュームデータの不透明度設定範囲を調整可能とする。この第１の設定インタフェースＥ１は、縦軸を勾配スカラーデータとし、横軸で超音波ボリュームデータの不透明度設定範囲を調整する。この第１の設定インタフェースＥ１内には、可変ポインタＪ１〜Ｊ４を有する。これら可変ポインタＪ１〜Ｊ４により形成される例えば四辺形内のエリアが超音波ボリュームデータの不透明度設定範囲と成る。このうち可変ポインタＪ１、Ｊ２は、それぞれ入力装置４からの操作指示を受けて第１の設定インタフェースＥ１の平面内で移動可能である。これら可変ポインタＪ１、Ｊ２の移動により超音波ボリュームデータの不透明度設定範囲の大きさが調整可能となる。超音波ボリュームデータの不透明度設定範囲外の不透明度の値（出力値）は、例えば「０」に設定される。出力値はグレイスケールで表示される。例えば８bitの場合、白色が「２５５」に対応し、黒色が「０」に対応する。

第２の設定インタフェースＥ２は、入力装置４からの操作指示を受けて、第１の設定インタフェースＥ１において設定された超音波ボリュームデータの不透明度設定範囲内における勾配スカラーデータの不透明度係数を設定可能とする。例えば、勾配スカラーデータが小さい程、不透明度係数の出力値は、小さくなる等に設定される。

第３の設定インタフェースＥ３は、入力装置４からの操作指示を受けて、超音波ボリュームデータの出力に寄与する不透明度係数を設定可能とする。例えば、超音波ボリュームデータが小さい程、出力値が小さくなる等に設定される。

レンダリング処理部９は、２Ｄ伝達関数処理部６により色、不透明度が調整された超音波ボリュームデータを受け取り、この超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理、すなわち３次元から２次元への座標変換、見えない部分を消去する陰面消去、立体感を出すための陰影処理などを行う。ボリュームレンダリングは、下記の各式（３）（４）に示すように奥から手前へ視線方向に沿った累積計算により行われる。

表示部１０は、レンダリング処理部９によりレンダリング処理された超音波ボリュームデータをモニタ１１に表示する。
次に、上記の如く構成された装置の動作について説明する。
例えば乳腺腫瘍のボリュームレンダリングイメージを表示する場合、超音波プローブ１は、乳腺を含む被検体に対して超音波ビームを３次元スキャンして送波し、被検体からの反射波を受波してその電気信号を出力する。受信部３は、超音波プローブ１から出力される電気信号を受信し、超音波の３次元ボリュームデータを生成する。装置本体１００は、超音波プローブ１により収集された３次元ボリュームデータをボリュームレンダリングし、これら像をモニタ１１に表示する。

このとき医師等の観察者は、モニタ１１に表示されるＭＰＲ（直交３断面）の各断面像を見ながら超音波プローブ１を操作し、モニタ１１の表示画面内に例えば乳腺腫瘍が表示されるように超音波プローブ１を乳腺上に当てる。

次に、勾配値演算部５は、受信部３により生成される超音波ボリュームデータを受け取り、この超音波ボリュームデータにおける例えば複数の輝度値間の変化を勾配として表し、この勾配をベクトルにより表す。勾配は、上記式（１）により表される。
この勾配値演算部５は、例えば特定部位として乳腺腫瘍の分離が最適になるよう勾配ベクトルの全要素を使って当該勾配ベクトルの長さを求め、この勾配ベクトルの長さを勾配スカラーデータとして生成する。勾配ベクトルは、超音波ビームの方向ｘと、超音波ビームのスキャン方向ｙと、奥行方向ｚとにより表される。これら要素の距離は、通常の距離を求める上記式（２）から求められる。

次に、２Ｄ伝達関数処理部６は、受信部３により生成される超音波ボリュームデータを受け取ると共に、勾配値演算部５により生成された勾配スカラーデータを受け取り、かつユーザインタフェースとして入力装置４からの操作指示を受け取り、超音波ボリュームデータの輝度値とこの輝度値の勾配との２つの引数を取る２Ｄ伝達関数に応じて超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整する。

２Ｄ伝達関数処理部６は、ユーザインタフェースとして入力装置４からの操作指示を受け取り、超音波ボリュームデータの色を第１のルックアップテーブルから読み取って調整する。図２に示すように第１の設定インタフェースＦ１では、可変ポインタＨ１〜Ｈ４のうち例えば可変ポインタＨ１、Ｈ２を移動し、可変ポインタＨ１〜Ｈ４により形成される例えば四辺形内の超音波ボリュームデータの使用範囲を調整する。
第２の設定インタフェースＦ２では、入力装置４からの操作指示を受けて、第１の設定インタフェースＦ１において設定された超音波ボリュームデータの使用範囲内における勾配スカラーデータの出力に寄与する係数を設定可能とする。
第３の設定インタフェースＦ３は、入力装置４からの操作指示を受けて、超音波ボリュームデータの出力に寄与する係数を設定可能とする。
なお、第１乃至第３の設定インタフェースＦ１〜Ｆ３における調整は、ユーザインタフェースとして入力装置４からの操作指示を受けてリアルタイムに行われる。

又、２Ｄ伝達関数処理部６は、ユーザインタフェースとして入力装置４からの操作指示を受け取り、超音波ボリュームデータの不透明度を第２のルックアップテーブルから読み取って調整する。図３に示すように第１の設定インタフェースＥ１では、可変ポインタＪ１〜Ｊ４のうち例えば可変ポインタＪ１、Ｊ２を移動し、可変ポインタＪ１〜Ｊ４により形成される例えば四辺形内の超音波ボリュームデータの不透明度設定範囲を調整可能とする。

第２の設定インタフェースＥ２では、入力装置４からの操作指示を受けて、第１の設定インタフェースＥ１において設定された超音波ボリュームデータの不透明度設定範囲内における勾配スカラーデータの不透明度係数を設定可能とする。
第３の設定インタフェースＥ３では、入力装置４からの操作指示を受けて、超音波ボリュームデータの出力に寄与する不透明度係数を設定可能とする。
なお、第１乃至第３の設定インタフェースＪ１〜Ｊ３における調整は、ユーザインタフェースとして入力装置４からの操作指示を受けてリアルタイムに行われる。

レンダリング処理部９は、２Ｄ伝達関数処理部６により色、不透明度が調整された超音波ボリュームデータを受け取り、この超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理、すなわち３次元から２次元への座標変換、見えない部分を消去する陰面消去、立体感を出すための陰影処理などを行う。
表示部１０は、レンダリング処理部９によりレンダリング処理された超音波ボリュームデータをモニタ１１に表示する。

このように上記第１の実施の形態によれば、２Ｄ伝達関数処理部６によって超音波ボリュームデータの輝度値とこの輝度値の勾配との２つの引数を取る２Ｄ伝達関数に応じて超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整する。すなわち、伝達関数を拡張して２つの値を引数に取ることで、輝度値だけでは分離できなかった組織を分離して表示する。拡張した伝達関数の第１のパラメータは、超音波ボリュームデータの輝度値であり、第２のパラメータは輝度値の勾配を用いる。この勾配は、勾配ベクトルの縦、横、奥行きのそれぞれの３要素及び勾配の大きさの合計４つのパラメータが存在し、目的に応じて任意に組み合わせて１つのスカラー量を求め、これを第２の引数とする。そして、所望の組織境界と対応する勾配値の範囲を使い、更にこれに対する超音波ボリュームデータの輝度値範囲を調整することで、腫瘍等を抽出することができる。

このように超音波の３次元ボリュームデータの輝度値とこの輝度値の勾配との２つの引数を取る２Ｄ伝達関数を用いることによって、３次元ボリュームデータから乳腺腫瘍等の特定部位を輪郭抽出することができ、この輪郭抽出した乳腺腫瘍等の特定部位等を含む３次元ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理して表示できる。すなわち、従来、超音波ボリュームデータの輝度値だけでは分離できなかった乳腺腫瘍等の特定部位を分離でき、乳腺腫瘍等の特定部位のみ表示することができる。例えば、乳腺腫瘍等の特定部位とその周囲の部位との境界における輝度値の変化が大きければ、かかる境界により乳腺腫瘍等の特定部位を分離できると共に、上記境界における輝度値の勾配が大きくても、かかる境界により乳腺腫瘍等の特定部位を分離できる。

次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
図４は超音波診断装置のブロック構成図を示す。プログラムメモリ１３には、超音波画像生成プログラムが記憶されている。この超音波画像生成プログラムは、超音波ボリュームデータにおける複数の輝度値間の変化を勾配として求め、超音波ボリュームデータの輝度値の１つの引数を取る伝達関数に応じて超音波ボリュームデータの色を調整し、超音波ボリュームデータの輝度値と前記勾配との２つの引数を取る伝達関数に応じて超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整し、これら色、不透明度が調整された超音波ボリュームデータと色が調整された超音波ボリュームデータとを合成し、この合成された超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理し、このレンダリング処理された超音波ボリュームデータを表示する。
ＣＰＵ１２は、プログラムメモリ１３に記憶されている超音波画像生成プログラムを実行することにより、上記勾配値演算部５、上記２Ｄ伝達関数処理部６、上記レンダリング処理部９、上記表示部１０、１Ｄ伝達関数処理部２０、合成演算部２１の各機能を有する。

勾配値演算部５は、受信部３により生成される超音波ボリュームデータを受け取り、この超音波ボリュームデータにおける例えば複数の輝度値間の変化を勾配として表し、この勾配をベクトルにより表す。そして、勾配値演算部５は、勾配ベクトルの方向、勾配ベクトルの大きさを計算し、これら勾配ベクトルの方向及び大きさをそれぞれ任意に組み合わせて１つの勾配スカラーデータを生成する。勾配値演算部５は、例えば特定部位として乳腺腫瘍の分離が最適になるよう勾配ベクトルの全要素を使って当該勾配ベクトルの長さを求め、この勾配ベクトルの長さを勾配スカラーデータとして生成する。

超音波ボリュームデータをＩとすると、勾配は、上記式（１）により表される。

装置本体１の内部では、以下の３つの要素毎に（ｘ，ｙ，ｚ）の形式で保持される。すなわち、ｘは超音波ビームの方向を表し、ｙは超音波ビームのスキャン方向を表し、ｚは奥行方向に対応する。ｙ、ｚの２要素の距離は、次に示す通常の距離を求める式（５）から求められる。

１Ｄ伝達関数処理部２０は、受信部３により生成された超音波の３次元ボリュームデータを受け取り、超音波ボリュームデータの例えば輝度値の１つの引数を取る１Ｄ伝達関数に応じて超音波ボリュームデータの色を調整する。具体的に１Ｄ伝達関数処理部２０は、超音波ボリュームデータの色を調節するための伝達関数の１次元配列のルックアップテーブルを有する。この１次元配列のルックアップテーブルに対する操作は、ユーザインタフェースとして入力装置４を介してリアルタイムで可能である。なお、１次元配列のルックアップテーブルは、例えばメモリ１４に記憶されている。

合成演算部２１は、２Ｄ伝達関数処理部６により色、不透明度が調整された超音波ボリュームデータを受け取ると共に、１Ｄ伝達関数処理部２０によりが調整された超音波ボリュームデータを受け取り、これら超音波ボリュームデータを合成する。ここで、合成演算部２１は、１Ｄ伝達関数処理部２０によりが調整された超音波ボリュームデータから２Ｄ伝達関数処理部６により色、不透明度が調整された超音波ボリュームデータを減算する。このとき、２Ｄ伝達関数への操作及び減算の係数への操作は、ユーザインタフェースとしての入力装置４からＣＰＵ１２にリアルタイムで受け付けられる。

レンダリング処理部９は、合成演算部２１により合成出力された超音波ボリュームデータを受け取り、この超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理、すなわち３次元から２次元への座標変換、見えない部分を消去する陰面消去、立体感を出すための陰影処理などを行う。ボリュームレンダリングは、上記各式（３）（４）に示すように奥から手前へ視線方向に沿った累積計算により行われる。

次に、上記の如く構成された装置の動作について説明する。
例えば胎児の顔のボリュームレンダリングイメージを表示する場合、超音波プローブ１は、胎児の顔を含む被検体に対して超音波ビームを３次元スキャンして送波し、被検体からの反射波を受波してその電気信号を出力する。受信部３は、超音波プローブ１から出力される電気信号を受信し、超音波の３次元ボリュームデータを生成する。装置本体１００は、超音波プローブ１により収集された３次元ボリュームデータをボリュームレンダリングし、これら像をモニタ１１に表示する。

このとき医師等の観察者は、モニタ１１に表示されるＭＰＲ（直交３断面）の各断面像を見ながら超音波プローブ１を操作し、モニタ１１の表示画面内に例えば胎児の顔が表示されるように超音波プローブ１を胎児の顔に相当する母体上に当てる。

勾配値演算部５は、受信部３により生成される超音波ボリュームデータを受け取り、この超音波ボリュームデータにおける例えば複数の輝度値間の変化を勾配として表し、この勾配をベクトルにより表す。そして、勾配値演算部５は、勾配ベクトルの方向、勾配ベクトルの大きさを計算し、これら勾配ベクトルの方向及び大きさをそれぞれ任意に組み合わせて１つの勾配スカラーデータを生成する。勾配値演算部５は、例えば特定部位として胎児の顔の分離が最適になるよう勾配ベクトルの要素、ここでは横方向（超音波ビームのスキャン方向ｙ）と奥行き方向（ｚ）との２要素の勾配ベクトルの長さを求め、この勾配ベクトルの長さを勾配スカラーデータとして生成する。

次に、１Ｄ伝達関数処理部２０は、受信部３により生成される超音波ボリュームデータを受け取り、かつユーザインタフェースとして入力装置４からの操作指示を受け取り、超音波ボリュームデータの色を１次元配列のルックアップテーブルから読み取り、超音波ボリュームデータの輝度値の１つの引数を取る１Ｄ伝達関数に応じて超音波ボリュームデータの色を調整する。この１次元配列のルックアップテーブルに対する操作は、ユーザインタフェースとして入力装置４を介してリアルタイムで可能である。

レンダリング処理部９は、１Ｄ伝達関数処理部２０により色の調整された超音波ボリュームデータを受け取り、この超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理を行う。
表示部１０は、レンダリング処理部９によりレンダリング処理された超音波ボリュームデータをモニタ１１に表示する。
医師等の観察者は、ユーザインタフェースとしての入力装置４を介して１Ｄ伝達関数のルックアップテーブルの色の値を調整し、この調節された色の値を有する超音波ボリュームデータのボリュームレンダリング処理の結果をリアルタイムで更新してモニタ１１に表示する。この結果、１Ｄ伝達関数の調整結果について所望のイメージが得られる。

ここで、医師等の観察者は、１Ｄ伝達関数による調整が終わったことを入力装置４に対して操作入力する。ＣＰＵ１２は、入力装置４から１Ｄ伝達関数による調整が終わった旨を受け付けると、超音波ボリュームデータと勾配スカラーデータとを２Ｄ伝達関数処理部６に送る。

次に、２Ｄ伝達関数処理部６は、上記同様に、受信部３により生成される超音波ボリュームデータを受け取ると共に、勾配値演算部５により生成された勾配スカラーデータを受け取り、かつユーザインタフェースとして入力装置４からの操作指示を受け取り、上記図２に示すように超音波ボリュームデータの使用範囲を調整し、かつ超音波ボリュームデータの輝度値とこの輝度値の勾配との２つの引数を取る２Ｄ伝達関数に応じて超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整する。

すなわち、２Ｄ伝達関数処理部６は、ユーザインタフェースとして入力装置４からの操作指示を受け取り、超音波ボリュームデータの色を第１のルックアップテーブルから読み取って調整する。図２に示すように第１の設定インタフェースＦ１では、可変ポインタＨ１〜Ｈ４のうち例えば可変ポインタＨ１、Ｈ２を移動し、可変ポインタＨ１〜Ｈ４により形成される例えば四辺形内の超音波ボリュームデータの使用範囲を調整する。
第２の設定インタフェースＦ２では、入力装置４からの操作指示を受けて、第１の設定インタフェースＦ１において設定された超音波ボリュームデータの使用範囲内における勾配スカラーデータの出力に寄与する係数を設定可能とする。
第３の設定インタフェースＦ３は、入力装置４からの操作指示を受けて、超音波ボリュームデータの出力に寄与する係数を設定可能とする。

又、２Ｄ伝達関数処理部６は、ユーザインタフェースとして入力装置４からの操作指示を受け取り、超音波ボリュームデータの不透明度を第２のルックアップテーブルから読み取って調整する。図３に示すように第１の設定インタフェースＥ１では、可変ポインタＪ１〜Ｊ４のうち例えば可変ポインタＪ１、Ｊ２を移動し、可変ポインタＪ１〜Ｊ４により形成される例えば四辺形内の超音波ボリュームデータの不透明度設定範囲を調整可能とする。
第２の設定インタフェースＥ２では、入力装置４からの操作指示を受けて、第１の設定インタフェースＥ１において設定された超音波ボリュームデータの不透明度設定範囲内における勾配スカラーデータの不透明度係数を設定可能とする。
第３の設定インタフェースＥ３では、入力装置４からの操作指示を受けて、超音波ボリュームデータの出力に寄与する不透明度係数を設定可能とする。
次に、合成演算部２１は、２Ｄ伝達関数処理部６により色、不透明度が調整された超音波ボリュームデータを受け取ると共に、１Ｄ伝達関数処理部２０によりが調整された超音波ボリュームデータを受け取り、これら超音波ボリュームデータを合成する。

レンダリング処理部９は、合成演算部２１により合成出力された超音波ボリュームデータを受け取り、この超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理、すなわち３次元から２次元への座標変換、見えない部分を消去する陰面消去、立体感を出すための陰影処理などを行う。
表示部１０は、レンダリング処理部９によりレンダリング処理された超音波ボリュームデータをモニタ１１に表示する。
なお、表示部１０は、１Ｄ伝達関数処理部２０により色の調整された超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理した結果をモニタ１１に表示すると共に、当該超音波ボリュームデータの表示の例えば隣に、２Ｄ伝達関数処理部６により色、不透明度の調整された超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理した結果を表示してもよい。

このように上記第２の実施の形態によれば、１Ｄ伝達関数処理部２０によって超音波ボリュームデータの輝度値の１つの引数を取る１Ｄ伝達関数に応じて超音波ボリュームデータの色を調整し、かつ２Ｄ伝達関数処理部６によって超音波ボリュームデータの輝度値とこの輝度値の勾配との２つの引数を取る２Ｄ伝達関数に応じて超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整する。これにより、超音波ボリュームデータの輝度値の１つの引数を取る１Ｄ伝達関数に応じて超音波ボリュームデータの色を調整する表示するに加えて、超音波ボリュームデータの輝度値とこの輝度値の勾配との２つの引数を取る２Ｄ伝達関数に応じて超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整すれば、レンダリング処理された超音波ボリュームデータ中において乳腺腫瘍等の特定部位の陰影として用いることができる。これによって、２Ｄ伝達関数による結果を陰影として用い、ベースとなる１Ｄ伝達関数による結果とは独立に操作可能なイメージを得ることができる。

又、上記第１の実施の形態と同様に、超音波の３次元ボリュームデータの輝度値とこの輝度値の勾配との２つの引数を取る２Ｄ伝達関数を用いることによって、３次元ボリュームデータから乳腺腫瘍等の特定部位を輪郭抽出することができ、この輪郭抽出した乳腺腫瘍等の特定部位等を含む３次元ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理して表示できる。すなわち、従来、超音波ボリュームデータの輝度値だけでは分離できなかった乳腺腫瘍等の特定部位を分離でき、乳腺腫瘍等の特定部位のみ表示することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
上記実施形態では、乳腺腫瘍又は胎児の顔の観察を例に挙げたが、これに限らず、それぞれの手法を他の部位に対して適用することも可能である。
超音波プローブ１からの電気信号をリアルタイムに収集して取得した超音波ボリュームデータに限らず、過去に取得した超音波ボリュームデータをメモリから読み出し、この超音波ボリュームデータに対して上記本装置の動作を適用してもよい。

又、勾配値の組み合わせも本実施例に挙げたものに限定されない。
２Ｄ伝達関数は、ルックアップテーブルに記憶するに限らず、関数として実装してもよい。
２Ｄ伝達関数の係数は、１次元関数に限定されず、より複雑な形を取ってもよい。
ボリュームレンダリングの累積は、手前から行ってもよい。

１：超音波プローブ、１１：モニタ、１００：装置本体、２：送信部、３：受信部、４：入力装置、５：勾配値演算部、６：２Ｄ伝達関数処理部、９：レンダリング処理部、１０：表示部、１２：ＣＰＵ、１３：プログラムメモリ、１４：メモリ、２０：１Ｄ伝達関数処理部、２１：合成演算部。

Claims (12)

1. 超音波ボリュームデータに基づいて３次元レンダリングイメージデータを生成する超音波診断装置において、
   前記超音波ボリュームデータにおける複数の輝度値間の変化を勾配として求める勾配値演算部と、
   前記超音波ボリュームデータの輝度値と前記勾配値演算部により求められた前記勾配との２つの引数を取る伝達関数に応じて前記超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整する２引数伝達関数処理部と、
   前記２引数伝達関数処理部により前記色、前記不透明度が調整された前記超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理するレンダリング処理部と、
   前記レンダリング処理部によりレンダリング処理された前記超音波ボリュームデータを表示する表示部と、
   を具備することを特徴とする超音波診断装置。
2. 被検体に対する３次元走査によって収集された超音波ボリュームデータに基づいて３次元レンダリングイメージデータを生成する超音波診断装置において、
   前記超音波ボリュームデータ内において輝度値の勾配の方向ベクトルの縦方向、横方向、奥行き方向の要素及び勾配の大きさをそれぞれ求め、前記勾配の値の方向ベクトルの要素及び大きさの値を組み合わせて前記被検体の特定部位を分離するための勾配スカラーデータを生成する勾配演算部と、
   前記超音波ボリュームデータの前記輝度値を第１の引数とし、前記勾配値を組み合わせた値を第２の引数とし、これら２つの引数を取る伝達関数を通じて前記超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整する２引数伝達関数処理部と、
   前記伝達関数における前記２つの引数を操作する操作部と、
   前記２引数伝達関数処理部により前記色、前記不透明度が調整された前記超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理するレンダリング処理部と、
   前記レンダリング処理部によりレンダリング処理された前記超音波ボリュームデータを表示する表示部と、
   を具備することを特徴とする超音波診断装置。
3. 超音波ボリュームデータに基づいて３次元レンダリングイメージデータを生成する超音波診断装置において、
   前記超音波ボリュームデータにおける複数の輝度値間の変化を勾配として求める勾配値演算部と、
   前記超音波ボリュームデータの輝度値の１つの引数を取る伝達関数に応じて前記超音波ボリュームデータの色を調整する１引数伝達関数処理部と、
   前記超音波ボリュームデータの輝度値と前記勾配値演算部により求められた前記勾配との２つの引数を取る伝達関数に応じて前記超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整する２引数伝達関数処理部と、
   ２引数伝達関数処理部により前記色、前記不透明度が調整された前記超音波ボリュームデータと前記１引数伝達関数処理部により前記色が調整された前記超音波ボリュームデータとを合成する合成演算部と、
   前記合成演算部により合成された前記超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理するレンダリング処理部と、
   前記レンダリング処理部によりレンダリング処理された前記超音波ボリュームデータを表示する表示部と、
   を具備することを特徴とする超音波診断装置。
4. 被検体に対する３次元走査によって収集された超音波ボリュームデータに基づいて３次元レンダリングイメージデータを生成する超音波診断装置において、
   前記超音波ボリュームデータ内において輝度値の勾配の方向ベクトルの縦方向、横方向、奥行き方向の要素及び勾配の大きさをそれぞれ求め、前記勾配の値の方向ベクトルの要素及び大きさの値を組み合わせて前記被検体の特定部位を分離するための勾配スカラーデータを生成する勾配演算部と、
   前記超音波ボリュームデータの前記輝度値を第１の引数とし、前記勾配値を組み合わせた値を第２の引数とし、これら２つの引数を取る伝達関数を通じて前記超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整する２引数伝達関数処理部と、
   前記超音波ボリュームデータの前記輝度値を第１の引数とし、当該第１の引数を取る伝達関数を通じて前記超音波ボリュームデータの色を調整する１引数伝達関数処理部と、
   前記伝達関数における前記第１の引数又は前記第２の引数のうちいずれか一方又は両方を操作する操作部と、
   ２引数伝達関数処理部により前記色、前記不透明度が調整された前記超音波ボリュームデータと前記１引数伝達関数処理部により前記色が調整された前記超音波ボリュームデータとを合成する合成演算部と、
   前記合成演算部により合成された前記超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理するレンダリング処理部と、
   前記レンダリング処理部によりレンダリング処理された前記超音波ボリュームデータを表示する表示部と、
   を具備することを特徴とする超音波診断装置。
5. 前記勾配値演算部は、特定部位の分離を最適とするために前記勾配の方向ベクトルの縦方向、横方向、奥行き方向の全要素を使って当該勾配ベクトルの長さを求め、この勾配ベクトルの長さを前記勾配スカラーデータとして生成することを特徴とする請求項２又は４記載の超音波診断装置。
6. 前記勾配の方向ベクトルは、縦方向、横方向、奥行き方向の３要素を有する３次元ベクトルであり、
   前記勾配演算部は、前記３次元ベクトルの前記３要素及び前記勾配ベクトルの大きさを任意に組み合わせる、
   ことを特徴とする請求項２又は４記載の超音波診断装置。
7. 前記伝達関数は、前記操作部に対する操作に応じて任意の特性を取ることを特徴とする請求項２又は４記載の超音波診断装置。
8. 前記２引数伝達関数処理部は、前記２つの引数を取る伝達関数をグレイスケールで表示し、
   前記操作部は、前記超音波ボリュームデータの使用範囲と、前記超音波ボリュームデータの使用範囲内における前記勾配スカラーデータの出力に寄与する係数の設定と、前記超音波ボリュームデータの出力に寄与する係数の設定とを可能とするユーザインタフェースとなる、
   ことを特徴とする請求項２又は４記載の超音波診断装置。
9. 前記合成演算部によって前記第１と前記第２の引数により調整された前記超音波ボリュームデータと前記第１の引数により調整された前記超音波ボリュームデータとを合成する際、前記操作部を介して前記第１の引数又は前記第２の引数のうちいずれか一方又は両方を独立して任意の値に設定可能とする、
   ことを特徴とする請求項３又は４記載の超音波診断装置。
10. 前記表示部は、前記レンダリング処理された前記超音波ボリュームデータをリアルタイムで表示することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の超音波診断装置。
11. コンピュータに、
    超音波ボリュームデータにおける複数の輝度値間の変化を勾配として取得させる勾配取得機能と、
    前記超音波ボリュームデータの輝度値と前記勾配との２つの引数を取る伝達関数に応じて前記超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整させる調整機能と、
    前記色、前記不透明度が調整された前記超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理させるボリュームレンダリング機能と、
    前記レンダリング処理された前記超音波ボリュームデータを表示させる表示機能と、
    を実現させることを特徴とする超音波画像生成プログラム。
12. コンピュータに、
    超音波ボリュームデータにおける複数の輝度値間の変化を勾配として取得させる勾配取得機能と、
    前記超音波ボリュームデータの輝度値の１つの引数を取る伝達関数に応じて前記超音波ボリュームデータの色を調整させる色調整機能と、
    前記超音波ボリュームデータの輝度値と前記勾配との２つの引数を取る伝達関数に応じて前記超音波ボリュームデータの色、不透明度を調整させる色・不透明度調整機能と、
    前記色、前記不透明度が調整された前記超音波ボリュームデータと前記色が調整された前記超音波ボリュームデータとを合成させる合成機能と、
    前記合成された超音波ボリュームデータに対してボリュームレンダリング処理させるボリュームレンダリング機能と、
    前記レンダリング処理された前記超音波ボリュームデータを表示させる表示機能と、
    を実現させることを特徴とする超音波画像生成プログラム。

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