JP2011083600A - 関心物体の輝度値に基づいて関心物体を検出する超音波システムおよび方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、対象体内の関心物体（例えば、嚢腫）の輝度値に基づいて関心物体を検出する超音波システムおよび方法に関する。
【解決手段】本発明における超音波システムは、関心物体を含む対象体に超音波信号を送信し、前記対象体から反射される超音波信号を受信して複数の超音波データを取得する超音波データ取得部と、前記超音波データ取得部に連結され、前記複数の超音波データを用いて複数のボクセルを含むボリュームデータを形成し、前記ボリュームデータから前記関心物体に対応する輝度値を有する領域の前記ボリュームデータを検出し、前記検出された領域をレンダリングして前記検出された領域に対応する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、嚢腫）の輝度値に基づいて関心物体を検出する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することができるため、医療分野で非常に重要なものとして用いられている。

超音波システムは、超音波信号を対象体に送信し、対象体から反射される超音波信号（すなわち、超音波エコー信号）を受信し、受信された超音波エコー信号を用いて対象体の２次元または３次元超音波映像を提供している。

従来は、ユーザが関心物体（例えば、嚢腫）を含む対象体の超音波映像を用いて多嚢胞性卵巣症候群であるか否かを判断した。そのため、このような従来の方法（システム）では、多嚢胞性卵巣症候群の診断が手動で行われていた。よって、多嚢胞性卵巣症候群を診断するために、関心物体の輝度値に基づいて関心物体を自動で検出することができるシステムが要求されている。

特開２００６−２８８４７１号公報 特開２００９−０７２４００号公報

本発明の課題は、対象体内の関心物体（例えば、嚢腫）の輝度値に基づいて関心物体を検出する超音波システムおよび方法を提供することにある。

本発明における超音波システムは、関心物体を含む対象体に超音波信号を送信し、前記対象体から反射される超音波信号を受信して複数の超音波データを取得する超音波データ取得部と、前記超音波データ取得部に連結され、前記複数の超音波データを用いて複数のボクセルを含むボリュームデータを形成し、前記ボリュームデータから前記関心物体に対応する輝度値を有する領域を検出し、前記検出された領域の前記ボリュームデータをレンダリングして前記検出された領域に対応する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、本発明における関心物体検出方法は、ａ）関心物体を含む対象体に対する複数の超音波データを取得する段階と、ｂ）前記複数の超音波データを用いて複数のボクセル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関心物体に対応する輝度値を有する領域を検出する段階と、ｄ）前記検出された領域の前記ボリュームデータをレンダリングして前記検出された領域に対応する３次元超音波映像を形成する段階とを備える。

本発明は、対象体内の関心物体（例えば、嚢腫）の輝度値に基づいて関心物体を自動で検出することができる。

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。 フレームのスキャン方向を示す例示図である。 本発明の第１実施例によって輝度値に基づいて対象体内の関心物体（例えば、嚢腫）を検出する順序を示すフローチャートである。 ボリュームデータの例を示す例示図である。 本発明の第１実施例における標識付け領域を示す例示図である。 本発明の第１実施例におけるシードボリューム（Ｓｅｅｄ ｖｏｌｕｍｅ）および境界を示す例示図である。 本発明の第２実施例によって輝度値に基づいて対象体内の関心物体を検出する順序を示すフローチャートである。 本発明の第２実施例におけるシードポイント（ｓｅｅｄ ｐｏｉｎｔ）および境界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。図１を参照すると、超音波システム１００は、超音波データ取得部１１０、プロセッサ１２０、格納部１３０およびディスプレイ部１４０を備える。

超音波データ取得部１１０は、関心物体（例えば、嚢腫）を含む対象体に超音波信号を送信し、対象体から反射される超音波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。図２を参照すると、超音波データ取得部１１０は、送信信号形成部２１０、複数の電気音響変換素子（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ：以下単に変換素子と呼ぶ）（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）（図示せず）を含む超音波プローブ２２０、ビームフォーマ２３０および超音波データ形成部２４０を備える。

送信信号形成部２１０は、変換素子および集束点を考慮して送信信号を形成する。本実施例において、送信信号形成部２１０は、図３に示すように、複数のフレームＦ_ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）に対応する複数の送信信号を形成する。フレームは、Ｂモード（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｍｏｄｅ）映像を含む。しかし、フレームは、必ずしもこれに限定されない。

超音波プローブ２２０は、送信信号形成部２１０から提供される送信信号を超音波信号に変換して対象体に送信する。また、超音波プローブ２２０は、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。超音波プローブ２２０は、３Ｄメカニカルプローブ（ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｅ）、２Ｄアレイプローブ（ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ａｒｒａｙ ｐｒｏｂｅ）などを含む。

ビームフォーマ２３０は、超音波プローブ２２０から提供される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２３０は、変換素子および集束点を考慮して、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２４０は、ビームフォーマ２３０から提供される受信集束信号を用いて複数のフレームＦ_ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）のそれぞれに対応する超音波データを形成する。超音波データは、ＲＦ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）データを含む。しかし、超音波データは、必ずしもこれに限定されない。また、超音波データ形成部２４０は、超音波データを形成するのに必要な様々な信号処理（例えば、利得（ｇａｉｎ）調節等）を受信集束信号に行うこともできる。

再び図１を参照すると、プロセッサ１２０は、超音波データ取得部１１０に連結される。

図４は、本発明の第１実施例によって輝度値に基づいて対象体内の関心物体（例えば、嚢腫）を検出する順序を示すフローチャートである。図４を参照すると、プロセッサ１２０は、超音波データ取得部１１０から提供される複数の超音波データを用いて、図５に示すように、ボリュームデータ５１０を形成する（Ｓ４０２）。ボリュームデータ５１０は、格納部１３０に格納される。

図５は、ボリュームデータ５１０の例を示す例示図である。ボリュームデータ５１０は、輝度値を有する複数のボクセル（ｖｏｘｅｌ）（図示せず）を含む。図５において、符号５２１〜５２３は、互いに直交するＡ断面、Ｂ断面およびＣ断面を示す。また、図５において、軸（ａｘｉａｌ）方向は、超音波プローブ２２０の変換素子を基準として超音波信号の進行方向を、横（ｌａｔｅｒａｌ）方向は、スキャンライン（ｓｃａｎｌｉｎｅ）の移動方向を、また、エレベーション（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）方向は、３次元超音波映像の深さ方向であって、フレームのスキャン方向を示す。

再び図４を参照すると、プロセッサ１２０は、ボリュームデータ５１０に雑音除去（ノイズ除去）の処理を行って、ボリュームデータ５１０から雑音（ノイズ）を除去する（Ｓ４０４）。本実施例において、プロセッサ１２０は、トータル・バリエーション・エネルギー（ｔｏｔａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ）を最小化させるトータル・バリエーション・フィルタリング（ｔｏｔａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）方法を用いて、ボリュームデータ５１０に雑音除去の処理を行うことができる。

トータル・バリエーション・エネルギーＥ_ＴＶは、次の式１のように定義される。

式１において、Ωはボリュームデータの次元（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）、ｕは雑音が除去されたボリュームデータを、ｕ_０は雑音が含まれているボリュームデータを、σ_ｎは雑音が含まれているボリュームデータと雑音が除去されたボリュームデータとの間の差を表す。

一方、オイラー・ラグランジュ方程式（Ｅｕｌｅｒ−Ｌａｇｒａｎｇｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ）は、次の式２のように定義される。

式２において、Ｆはオイラー・ラグランジュ方程式によって誘導されるフォース・ターム（Ｆｏｒｃｅ ｔｅｒｍ）を、λはウェイト・コンスタント（ｗｅｉｇｈｔ ｃｏｎｓｔａｎｔ）を表す。

式１のトータル・バリエーション・エネルギー関数を最小化（または最適化）するために、式２を定理すれば、式３が得られる。ここで、トータル・バリエーション・エネルギー関数の最小化は、トータル・バリエーション・エネルギー関数を最小化させる解を算出することを意味し、トータル・バリエーション・エネルギー関数の最適化は、微分が０になる解を算出することを意味する。

式３は、時間が経過するにつれて、すなわち、タイムステップが進行しながら、式２を繰り返すと共に、雑音が除去されたボリュームデータｕがアップデートされる式を表す。

式２および式３において、トータル・バリエーション・フィルタリング方法のみを適用する場合、数４の式を代入することによって、除去されたボリュームデータｕが得られる。

すなわち、タイムステップが進行しながら、σ_ｎの差が過度に大きくない範囲でトータル・バリエーション・エネルギーを最小化（または最適化）させて雑音が除去されたボリュームデータｕが得られる。

本実施例では、トータル・バリエーション・フィルタリング方法を用いて雑音が除去されたボリュームデータを得ることを説明したが、他の実施例では、様々な雑音除去フィルタリング方法を用いて雑音が除去されたボリュームデータを得ることもできる。

プロセッサ１２０は、雑音が除去されたボリュームデータから特定の輝度値を有するボクセルを検出するためのしきい値を算出する（Ｓ４０６）。例えば、プロセッサ１２０は、次の式を用いてしきい値Ｔ_{ｇｌｏｂａｌ}を算出する。

式４において、Ｎはボリュームデータ内に存在するボクセルの数を、Ｉ（ｎ）はボリュームデータにおいてｎ番目のボクセルの輝度値を、σは全てのボクセルの輝度値の標準偏差を表す。

プロセッサ１２０は、算出されたしきい値に基づいてボリュームデータから特定の輝度値を有するボクセルを検出する（Ｓ４０８）。例えば、プロセッサ１２０は、ボリュームデータの各ボクセルの輝度値としきい値とを比較して、しきい値以下の輝度値を有するボクセルを検出する。

プロセッサ１２０は、検出されたボクセルに標識付け処理（ｌａｂｅｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）を行って、検出されたボクセルに対応する少なくとも１つの標識付け領域を設定する（Ｓ４１０）。一例として、プロセッサ１２０は、ボリュームデータ５１０に対して検出されたボクセル（すなわち、しきい値以下の輝度値を有するボクセル）を１と設定し、検出されないボクセル（すなわち、しきい値を超える輝度値を有するボクセル）を０と設定する。プロセッサ１２０は、１の値を有するボクセルに対して互いに隣接して連結されたボクセルに同一の標識値（ｌａｂｅｌ ｖａｌｕｅ）を適用して、図６に示すように、検出されたボクセルに対応する標識付け領域Ａ〜Ｅを設定する。

このように設定された標識付け領域は、ボリュームデータの輝度分布によって関心物体の実際の領域より広く設定されるか、あるいは、狭く設定され得る。従って、プロセッサ１２０は、標識付け領域の境界を設定する（Ｓ４１２）。一例として、プロセッサ１２０は、図７に示すように、標識付け領域Ａの中心を検出し、検出された中心にシードボリューム（Ｓｅｅｄ ｖｏｌｕｍｅ）ＳＶを設定する。プロセッサ１２０は、シードボリュームＳＶを基準に動的輪郭（ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｏｕｒ）アルゴリズムによって標識付け領域の境界を設定する。すなわち、プロセッサ１２０は、図７に示すように、シードボリュームＳＶを放射方向に移動させながら輝度値が急激に変わるボクセルを関心物体の境界ＥＤ、すなわち、標識付け領域の境界として検出する。

プロセッサ１２０は、境界が設定された標識付け領域に該当するボリュームデータをレンダリングして標識付け領域に対応する３次元超音波映像を形成する（Ｓ４１４）。レンダリングは、サーフェース・レンダリング（ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）、ボリュームレンダリング（ｖｏｌｕｍｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）などを含む。

図８は、本発明の第２実施例によって輝度値に基づいて対象体内の関心物体を検出する順序を示すフローチャートである。図８を参照すると、プロセッサ１２０は、超音波データ取得部１１０から提供される複数の超音波データを用いて、図５に示すように、複数のボクセルを含むボリュームデータ５１０を形成する（Ｓ８０２）。

プロセッサ１２０は、ボリュームデータ５１０に複数のスライス断面を設定する（Ｓ８０４）。一例として、プロセッサ１２０は、ボリュームデータ５１０に基準スライス断面を設定する。ここで、基準スライス断面は、Ａ断面、Ｂ断面およびＣ断面のうちいずれか１つの断面である。しかし、基準スライス断面は、必ずしもこれに限定されない。プロセッサ１２０は、基準スライス断面に平行な複数のスライス断面を設定する。ここで、複数のスライス断面のそれぞれは、輝度値を有する複数のピクセルを含む。

プロセッサ１２０は、複数のスライス断面のそれぞれに雑音除去の処理を行って、複数のスライス断面のそれぞれから雑音を除去する（Ｓ８０６）。本実施例における雑音除去の処理は、第１実施例における雑音除去の処理と同様であるため、本実施例では詳細に説明しない。

プロセッサ１２０は、雑音が除去された複数のスライス断面から、特定の輝度値を有するピクセルを検出するためのしきい値を算出する（Ｓ８０８）。本実施例におけるしきい値は、第１実施例における式４を用いて算出することができるので、本実施例では詳細に説明しない。

プロセッサ１２０は、算出されたしきい値に基づいて複数のスライス断面のそれぞれに対して特定の輝度値を有するピクセルを検出する（Ｓ８１０）。一例として、プロセッサ１２０は、複数のスライス断面のそれぞれに対して各ピクセルの輝度値としきい値とを比較して、しきい値以下の輝度値を有するピクセルを検出する。

プロセッサ１２０は、複数のスライス断面のそれぞれに対して検出されたピクセルに標識付け処理を行う（Ｓ８１２）。一例として、プロセッサ１２０は、複数のスライス断面のそれぞれに対して検出されたピクセル（すなわち、しきい値以下の輝度値を有するピクセル）を１と設定し、検出されないピクセル（すなわち、しきい値を超える輝度値を有するピクセル）を０と設定する。プロセッサ１２０は、１の値を有するピクセルに対して互いに隣接して連結されたピクセルに同一の標識値を適用して、検出されたピクセルに対応する標識付け領域を設定する。

プロセッサ１２０は、複数のスライス断面のそれぞれに対して標識付け領域の境界を設定する（Ｓ８１４）。一例として、プロセッサ１２０は、図９に示すように、標識付け領域Ａの中心を検出し、検出された中心にシードポイント（ｓｅｅｄ ｐｏｉｎｔ）ＳＰを設定する。プロセッサ１２０は、シードポイントＳＰを基準に動的輪郭アルゴリズムによって標識付け領域の境界を設定する。すなわち、プロセッサ１２０は、図９に示すように、シードポイントＳＰを放射方向に移動させながら輝度値が急激に変わるピクセルを関心物体の境界ＥＤとして検出する。

プロセッサ１２０は、境界が設定された標識付け領域を含む複数のスライス断面を合成してボリュームデータを形成する（Ｓ８１６）。ボリュームデータは、体積（ｖｏｌｕｍｅ）を有する標識付け領域を含む。

プロセッサ１２０は、段階Ｓ８１６で形成されたボリュームデータに基づいて標識付け領域に該当するボリュームデータをレンダリングして、標識付け領域に対応する３次元超音波映像を形成する（Ｓ８１８）。

再び図１を参照すると、格納部１３０は、プロセッサ１２０で形成されたボリュームデータを格納する。ディスプレイ部１４０は、プロセッサ１２０で形成された３次元超音波映像を表示する。

本発明は、望ましい実施例によって説明および例示をしたが、当業者であれば添付した特許請求の範囲の事項および範疇を逸脱することなく、様々な変形および変更が可能である。

１００ 超音波システム
１１０ 超音波データ取得部
１２０ プロセッサ
１３０ 格納部
１４０ ディスプレイ部
２１０ 送信信号形成部
２２０ 超音波プローブ
２３０ ビームフォーマ
２４０ 超音波データ形成部
５１０ ボリュームデータ
５２１ Ａ断面
５２２ Ｂ断面
５２３ Ｃ断面
Ａ〜Ｅ 標識付け領域
ＥＤ 境界
ＳＶ シードボリューム
ＳＰ シードポイント

Claims (13)

1. 関心物体を含む対象体に超音波信号を送信し、前記対象体から反射される超音波信号を受信して複数の超音波データを取得する超音波データ取得部と、
   前記超音波データ取得部に連結され、前記複数の超音波データを用いて複数のボクセルを含むボリュームデータを形成し、前記ボリュームデータから前記関心物体に対応する輝度値を有する領域を検出し、前記検出された領域の前記ボリュームデータをレンダリングして前記検出された領域に対応する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、
   前記ボリュームデータから前記領域を検出するためのしきい値を算出し、
   前記複数のボクセルのそれぞれの輝度値と前記しきい値とを比較して前記しきい値以下の輝度値を有するボクセルを検出し、
   前記検出されたボクセルに標識付け処理を行って少なくとも１つの標識付け領域を設定し、
   前記少なくとも１つの標識付け領域の境界を設定し、
   前記境界が設定された少なくとも１つの標識付け領域に該当するボリュームデータをレンダリングして前記３次元超音波映像を形成することを特徴とする請求項１に記載の超音波システム。
3. 前記プロセッサは、
   前記境界が設定された少なくとも１つの標識付け領域に対して中心を検出し、
   前記検出された中心にシードボリュームを設定し、
   前記シードボリュームを放射方向に移動させながら前記標識付け領域の前記境界を設定する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雑音除去の処理をさらに行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波システム。
5. 前記プロセッサは、
   前記ボリュームデータに複数のピクセルを含む複数のスライス断面を設定し、
   前記複数のスライス断面のそれぞれに対して前記領域を検出するためのしきい値を算出し、
   前記複数のスライス断面のそれぞれに対する前記複数のピクセルのそれぞれの輝度値と前記しきい値とを比較して前記しきい値以下の輝度値を有するピクセルを検出し、
   前記複数のスライス断面のそれぞれに対して前記検出されたピクセルに標識付け処理を行って少なくとも１つの標識付け領域を設定し、
   前記少なくとも１つの標識付け領域の境界を設定し、
   前記境界が設定された前記少なくとも１つの標識付け領域を含む前記複数のスライス断面を合成してボリュームデータを形成し、
   前記複数のスライス断面を合成して形成された前記ボリュームデータに基づいて、前記少なくとも１つの標識付け領域に該当するボリュームデータをレンダリングして前記３次元超音波映像を形成することを特徴とする請求項１に記載の超音波システム。
6. 前記プロセッサは、
   前記複数のスライス断面のそれぞれに対して前記境界が設定された少なくとも１つの標識付け領域の中心を検出し、
   前記複数のスライス断面のそれぞれに対して前記検出された中心にシードポイントを設定し、
   前記複数のスライス断面のそれぞれに対して前記シードポイントを放射方向に移動させながら前記標識付け領域の境界を設定することを特徴とする請求項５に記載の超音波システム。
7. 前記プロセッサは、
   前記複数のスライス断面のそれぞれに雑音除去の処理をさらに行うことを特徴とする請求項５または６に記載の超音波システム。
8. ａ）関心物体を含む対象体に対する複数の超音波データを取得する段階と、
   ｂ）前記複数の超音波データを用いて複数のボクセル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関心物体に対応する輝度値を有する領域を検出する段階と、
   ｄ）前記検出された領域の前記ボリュームデータをレンダリングして前記検出された領域に対応する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関心物体検出方法。
9. 前記段階ｃ）は、
   ｃ１）前記ボリュームデータから前記領域を検出するためのしきい値を算出する段階と、
   ｃ２）前記複数のボクセルのそれぞれの輝度値と前記しきい値とを比較して前記しきい値以下の輝度値を有するボクセルを検出する段階と、
   ｃ３）前記検出されたボクセルに標識付け処理を行って少なくとも１つの標識付け領域を設定する段階と、
   ｃ４）前記少なくとも１つの標識付け領域の境界を設定する段階と
   を備えることを特徴とする請求項８に記載の関心物体検出方法。
10. 前記段階ｃ４）は、
    前記境界が設定された少なくとも１つの標識付け領域に対して中心を検出する段階と、
    前記検出された中心にシードボリュームを設定する段階と、
    前記シードボリュームを放射方向に移動させながら前記標識付け領域の前記境界を設定する段階と
    を備えることを特徴とする請求項９に記載の関心物体検出方法。
11. 前記段階ｃ）を行う前に、
    前記ボリュームデータに雑音除去の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８ないし１０のいずれかに記載の関心物体検出方法。
12. 前記段階ｃ）は、
    ｃ５）前記ボリュームデータに複数のピクセルを含む複数のスライス断面を設定する段階と、
    ｃ６）前記複数のスライス断面のそれぞれに対して前記領域を検出するためのしきい値を算出する段階と、
    ｃ７）前記複数のスライス断面のそれぞれに対する前記複数のピクセルのそれぞれの輝度値と前記しきい値とを比較して前記しきい値以下の輝度値を有するピクセルを検出する段階と、
    ｃ８）前記複数のスライス断面のそれぞれに対して前記検出されたピクセルに標識付け処理を行って少なくとも１つの標識付け領域を設定する段階と、
    ｃ９）前記少なくとも１つの標識付け領域の境界を設定する段階と、
    ｃ１０）前記境界が設定された前記少なくとも１つの標識付け領域を含む前記複数のスライス断面を合成して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請求項８に記載の関心物体検出方法。
13. 前記段階ｃ８）は、
    前記複数のスライス断面のそれぞれに対して前記境界が設定された少なくとも１つの標識付け領域の中心を検出する段階と、
    前記複数のスライス断面のそれぞれに対して前記検出された中心にシードポイントを設定する段階と、
    前記複数のスライス断面のそれぞれに対して前記シードポイントを放射方向に移動させながら前記標識付け領域の境界を設定する段階と
    を備えることを特徴とする請求項１２に記載の関心物体検出方法。

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