JP2012517843A - 超音波ブラウザ - Google Patents

Abstract

本発明は、所定のボリュームを表す第１の超音波画像データセットを受け取るステップであって、前記セットは、共通セグメントを共有する第１の面に組み込まれているステップと、第１のデータのセットに基づいて、所定のボリュームを少なくとも部分的に表す第２の画像データのセットを再構築するステップであって、前記第２のセットは、互いに平行の第２の面に組み込まれているステップとを備えている、画像データの処理方法に関する。

Description

本発明は、画像処理の分野に関し、より詳細には医療用超音波イメージングの分野に関する。

例えば患者の臓器のような２次元画像をレンダリングする超音波診断装置が存在している。これらのシステムでは、検査される患者と共に専門家が現場にいる必要がある。実際、専門家や医師が診断できるようにするビューを見付けるようにプローブを誘導できるのは専門家だけである。こうした専門家が応対できない場合、患者を転送しなければならず、それは多くの費用がかかり難しいことである。

３次元である超音波システムも存在している。こうしたシステムでは、検査されるボリュームの表現をキャプチャーするために、超音波プローブが患者の至るところで移動される。３次元のナビゲーション機能は、この適用例向けの器具にしか存在しない。現在、こうしたシステムはまれであり非常に高価である。したがって、これによってシステムの使用が制限されており、これらのシステムは、例えば小規模の病院や孤立の診療所には設置することができない。

さらに、３Ｄ（ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ：３次元）技術は既存の２Ｄ（ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ：２次元）デバイスに適応できない。したがって、こうした技術にアップグレードすることは、すべてのイメージング機器を置き換えることを要するため、大きい投資となる。

データの取得が診断場所から離れて行われる適用例においては、従来技術のデバイスは多くの欠点を有している。

知られている３Ｄシステムでは、問題のボリューム全体を再構築するように意図されているので、データボリュームが非常に大きい。したがって、大きな通信チャネルを提供しなければならない。これによって、これらのシステムは、例えば宇宙応用など極めて重要な適用例と互換性がない。

こうした適用例では、宇宙飛行士は、例えば診断すべき臓器にプローブを当てることによって自身でデータを取得する必要があり得る。次いで、データは、解析および診断を確立するために地球に送られる。これらの条件下では、いくつかの要件の折り合いをつける必要があり、すなわち、医師が診断したりまたは最も適切なビューの選択のために受信データをブラウズしたりするのに十分な情報を依然として伝達する一方で、情報をできるだけ少なくして伝達する必要である。

知られている２Ｄシステムは、データ取得時において、診断に適したビューを選択することが賢明であると示唆しているので、こうした状況では適用不可能である。

本発明は、この状況を改善する。

そのために、本発明の第１の態様によれば、
− 所定のボリュームを表す第１の超音波画像データのセットを受け取るステップであって、前記セットは、共通セグメントを共有する複数の第１の面に組み込まれる、ステップと、
− 第１のデータのセットに基づいて、所定のボリュームを少なくとも部分的に表す第２の画像データのセットを再構築するステップであって、前記第２のセットは、互いに平行の第２の面に組み込まれる、ステップとを備えている、画像データの処理方法が提供される。

この方法は、例えば２Ｄプローブホルダを使用することによって遠隔で行われた超音波検査を解析することを可能にする。専門家は、プローブが患者上で移動される間にプローブによってキャプチャーされた２Ｄ超音波画像のボリュームを遠隔で、または後に（患者が去った後に）ブラウズする可能性がある。

３Ｄシステムよりも小さなデータボリュームでナビゲートすることにより、任意の操作誤りを補正することを可能にしながら、非常に単純なやり方でデータが取得される。

平行面への移行（ｐａｓｓａｇｅ）は、従来技術より容易な記憶および計算を可能とする。このように、本発明は、超音波画像のブロック内で完全に無制限にナビゲーションすることを可能にする。

さらに、本発明は、既存の２Ｄ超音波プローブと共に使用できるので、大きい投資を必要としない。

有利な使用では、プローブホルダを「傾ける」ことによって画像がキャプチャーされる。こうしたプローブホルダによって、プローブが置かれた表面上の点のまわりでプローブを回転させることが可能となる。非専門家によって操作される場合でも、こうしたプローブホルダを用いることで、プローブの初期位置を中心とする正規画像のシーケンスが取得される。近似の位置推定（ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ）は、隣接領域からデータをキャプチャーする可能性によって補償され、専門家が信頼できる診断を行うことが可能となる。本発明によれば、ボリュームをナビゲートすることによって、生じうる病変の検出のために表示すべき臓器に対して適切に再位置決めできるようになるので、プローブ位置決めの不正確さに対する許容度が従来技術より大きくなる。さらに、ナビゲーションによって、より自由に移動し、より正確に目標に焦点を合わせ、またすべての視点から検査することが可能となる。したがって、医師は、すべての可能なビューを利用できることが保証される。

したがって、これによって、任意の２Ｄ超音波診断装置から３Ｄナビゲーション機能性にアクセスできるようになる。本発明は、任意の既存の２Ｄ超音波診断装置上にインストールすることができる。

有利には、処理すべきデータボリュームをさらに減少させるために、所定のボリューム内で関心領域を選択することができ、第２のデータのセットがこの関心領域を表す。

ある有利な実施形態では、それぞれの第２の面が、第１の面から抽出されたセグメントを関連付けることによって再構築され、抽出されたセグメントは、最大の直接角度を形成する第１の面のセグメントの二等分面に垂直な同一面に属する。

この構成により、アンギュラセクタの面から平行面に変更し、データのナビゲーションに十分な精度を維持しながら、過度に複雑な計算を回避できる。

ナビゲーションは、所定のボリュームの部分の任意の面を、この面の１セットの交差セグメントを第２の面と並置することによって再構築するようにそれを構成することによって達成することができる。

さらに、再構築された面は、抽出されたセグメント間に内挿されたセグメントを有してよい。

本発明の別の目的は、プログラムがプロセッサ、例えば画像処理システムのプロセッサによって実行されるとき、本発明による方法を実施するための命令を備えているコンピュータプログラムである。本発明は、こうしたコンピュータプログラムが格納されるコンピュータ読取り可能媒体をも提供する。

本発明の第２の態様によれば、
− 所定のボリュームを表す第１の超音波画像データのセットを受け取る手段であって、前記セットが、共通セグメントを共有する第１の面に組み込まれている、手段と、
− これらのデータを処理する第１の記憶手段と、
− 第１のデータのセットから、前記所定のボリュームを少なくとも部分的に表す第２の画像データのセットを再構築するように適応された処理モジュールであって、前記第２のセットが、互いに平行な複数の第２の面に組み込まれている、手段とを備えている、超音波画像データを処理するためのシステムが提供される。

さらに、このシステムは、第２のデータのセットを受け取る第２の記憶手段を備えていることができ、処理モジュールは、所定のボリュームの前記部分の任意の面を、前記面の１組の交差セグメントを第２の面と並置することによって再構築するように適合されてよい。

特定の一実施形態では、このシステムは、前記任意の面を表示する表示手段、および／または第２の画像データのセットを送信する通信手段を備えていてよい。

コンピュータプログラムおよび画像データ処理システムによって得られる利点は、上記に概説されたように、本発明による画像データ処理方法に関して上記に言及された利点と少なくとも同じである。

本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明、および添付の図面から明らかになろう。

本発明の一実施形態による画像処理システムを、その使用の文脈で示している図である。 本発明による方法の一実施形態のステップを示している図である。 超音波検査法によって検査され、この方法によって再構築されたボリュームの様々な表現を示している図である。 超音波検査法によって検査され、この方法によって再構築されたボリュームの様々な表現を示している図である。 超音波検査法によって検査され、この方法によって再構築されたボリュームの様々な表現を示している図である。 超音波検査法によって検査され、この方法によって再構築されたボリュームの様々な表現を示している図である。 検査されたボリュームのビューを示している図である。 ビューイング面の回転のそれぞれ異なるケースを示している図である。 本発明の一実施形態によるヒューマンマシンインターフェースを示している図である。

３Ｄビューは、一般に、一連の連続２Ｄ画像によって表される場合が多い。こうした連続は、考慮されるボリュームの平行スライスまたはセクタスライスを表す１セットの画像群を有している。

リアルタイムで円滑なナビゲーションを提供するため、処理すべきデータ量に制限が設けられている必要がある。実際、画像処理は、処理を行うコンピュータの大量のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）の使用を必要とする。

円滑なナビゲーションによって、プローブ移動時に、画面に表示される画像を十分迅速にリフレッシュできるようになる。これにより不連続性または不安定性を伴うことなく、一連の画像を生成するナビゲーションが可能となる（例えば５画像／秒のリフレッシュレート（フレームレート）により、満足のいく心地よいナビゲーションが得られる）。

以下の説明では、ビューイングは、以下の２ステップで提示される。まず、超音波で検査されている物体を表すボリュームを生成し、次いでこのボリュームをナビゲーションする。

本発明による方法は、下記のタスクを実施することを可能にする。
− 関心領域の選択、
− 画像のセクタボリュームの画像点のマトリックスの形成
− このボリューム内のナビゲーション

最初の２つのポイントは、前処理段階を構成し、したがってある計算時間を超えてはならない。実際、ユーザにとって２分、３分以上待つことは非常に長く感じられる。１つの有利な実施形態は１分を超えない前処理を目標とする。

処理されるデータボリュームは、計算時間についてであれＲＡＭ制限についてであれ、ある閾値を超えるべきでなく、それはこの方法が実施されるマシンの特性に明らかに依存する。計算されたボリュームが全体を処理するには高密度すぎるときには、可能性を改善するために、データを断片化して格納し使用することが選択される。

したがって、本発明の１つの目標は矛盾した２つの要因、すなわち、生成画像品質の最大化と計算時間の最小化の折り合いをつけることである。

本発明の実施の一般的な構成について図１を参照して述べる。超音波プローブＰＲＯＢＥが表面ＳＵＲＦの上に置かれており、この表面ＳＵＲＦの下には例えば患者の臓器などの表示すべき物体ＯＢＪが位置している。別の例として、プローブは傾斜ロボットによって支持される。プローブは、表面のある点に置かれ、そしてこの表面の軸ＡＸまわりで回転させられる。プローブは、視野ＦＩＥＬＤを形成する１セットの面群をキャプチャーする。もちろん、プローブの移動は表示物体が視野内に位置するように行われる。

プローブは処理システムＳＹＳに画像を送り、この処理システムＳＹＳは下記に述べるような方法を実施する。このシステムは、システムによって送られたデータボリュームを表示しまたナビゲートする（任意）画面ＳＣＲＥＥＮに接続されていてもよい。それは、通信ポートＣＯＭを介して別の遠隔ナビゲーションシステムに接続されていてもよい。

システムは、画像データを受け取るための入力Ｉと、データを処理するためのプロセッサＰＲＯＣとを備えている。それはさらに、情報を格納するためのメモリＭＥＭ１およびＭＥＭ２を備えている。例えば、ＭＥＭ１はシステムのＲＡＭであり、ＭＥＭ２は耐久性のある記憶媒体である。また、システムは、出力ＯおよびＣＯＭを備えており、これらはそれぞれ例えば画面への直接出力および通信ポート（有線または無線）である。

システムは、図２のフローチャートに示されているように実行可能であり、下記する方法の実施形態で説明されるように実行可能なコンピュータプログラムを実行する。

図２は、次にさらに詳細に述べられる本発明による方法の実施形態の諸ステップを要約している。

第１のステップＳ２０では、プローブによってキャプチャーされた１セットの面群が取得される。次いで、ステップＳ２１では、その領域に処理を集中させるために、画像内で関心領域が選択される。下記に見られるように、関心領域のセクタベースの表現から平行面の表現に変更するために、ステップＳ２２では、有利には、選ばれたセグメントがキャプチャー画像から抽出される。

ステップＳ２３では、平行面を再構築するために、これらのセグメントから、外挿が実施される。次いで、ステップＳ２４では、送信、保存またはナビゲーションのためにこの１セットの面群がメモリ内に格納される。

これらの異なるステップについて、以下に詳細に述べられる。

〔関心領域の選択〕
画像をキャプチャーするプローブは、固定点にとどまり、一定間隔が置かれた画像のバンドル（すなわち連続した２つの画像間の角度は一定である）をキャプチャーすることでスキャンを実施する。

アンギュラセクション内でナビゲートするためのソフトウェアは既に開発されているが、こうしたソフトウェアは、キャプチャーされたボリューム全体を処理するものではない。それは、アンギュラセクタ内に含まれる平行六面体（ｐａｒａｌｌｅｌｅｐｉｐｅｄ）に処理を限定している。それとは対照的に、ここでは、すべてのデータが考慮に入れられ、提供されたアンギュラセクタを包含する平行六面体が再構築される。

図３は、こうした平行六面体Ｐを示している。この図は、プローブＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５から生じた面を示している。それらは、角度Ａの角扇形を形成する。

主な目的は、円滑なナビゲーションを得ることであるので、処理すべき情報のボリュームはできるだけ小さくなければならない。したがって、画像内の関心領域のみが保持される。

このフェーズは手動で行われ、例えば、デフォルトの選択（ユーザが確認又は修正可能）に基づくシリーズ内の最初の画像のために、マウスやスタイラスで画面上で選択することが行われ、次いでシーケンス内の他のすべての画像について自動的に行われる。

〔ボリュームの精緻化〕
空間ナビゲーションを可能にするためにボリュームを精緻化するには、適切なメモリ管理を、有効に利用され得る再構築に関連付けなければならない。

幅、長さおよび高さをそれぞれ表すデカルト座標系（ｘ，ｙ，ｚ）に基づくボリュームによって、ナビゲーションの間の最適な計算時間を可能にするシンプルなビューが提供される。

適切なメモリ管理のために、ボリュームは、その全体が格納され使用されることはなく、分割される。この情報はしたがって一連の画像群（それぞれがボリューム内の「高さ」を表す）として組み込まれる。こうした組込み（編成）は図４に示されている。この図では平行六面体Ｐを見ることができる。ここで、ボリュームは、ｚ軸に沿って平行に分布した面ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ、ＰＥによって表される。座標系（ｘ，ｙ，ｚ）では、面（ｙ，ｚ）が、図３の面Ｐ１および面Ｐ４の二等分面に対して平行となっている。

一連の連続平行画像群を使用してボリュームを作成することによって、空間内で点のデカルト座標が規則的に分布していないアンギュラ画像の場合と比べて、処理が簡略化される。

新しい画像（すなわち面ＰＡ、…、ＰＥ）の各画像を構築するために、アンギュラ系列内の画像のセットが検査される。これらの画像のそれぞれから、軸スライスの高さ（ｚ軸上）に対応する線セグメントが、面角度によって引き起こされたオフセットを考慮に入れつつ、抽出される。

こうした抽出が図５に示されている。抽出されたセグメントＳＥＧは並置されているが、それらの間の空間は、処理される軸方向断面の高さによって変化し、アンギュラセクションのベースから遠ざかるほど間隔が広くなっている。この間隔保持は、取得セット内の画像の数、およびデータキャプチャーの間に選ばれた角度によって決まる。

第１の直線と最後の直線の間の空間が、（アンギュラセクションの頂点で生じる）直線の数より小さい場合、重なった直線群の各セットの中間の直線が選択される。空間が直線の数より大きい場合、縦のスライスの最も近い非ゼロ値で埋められる。

外挿のこの構成は、図６に示されている。

〔ナビゲーション〕
ナビゲーションは、図７に示されているような任意の位置（深さ、角度など）を３Ｄ空間の平面図に提供することを可能にしなければならない。この図では、ビューイング面は任意の面であり、すなわち、それは面ＰＡ、…ＰＥのうちの１つに対応していなくてもよい。

このナビゲーションは、５つのパラメータを変更すること、２つの回転（ｘ軸に沿った、またはｙ軸に沿った）を定義すること、および３つの平行移動（ｘ軸、ｙ軸またはｚ軸方向の）に基づく。

プレビューを生成するために、軸スライスを表すすべての画像がスキャンされ、各画像から、１つまたは複数の直線が抽出される。互いの上に並置されたこれらの直線は、ユーザに提示される画像を生成する。

ｘ軸まわりでの回転が、使用されたスライスを修正し、または、結果として生じた画像内の各列について所定のスライスから抽出された直線の選択を修正する。ｙ軸まわりの回転は、行について同じ効果を有する。数学的な視点から見て、その問題は非常に対称的である。

コンピュータ処理の視点から見ると、いくつかのケースは、無限の領域に渡って変化する座標系でビューイング面を特徴付ける角度の接線（ｔａｎｇｅｎｔ ｏｆ ａｎｇｌｅ）を従来のように用いるのではなく、有限の間隔［−１，＋１］に渡って変化するパラメータを使用するということで他と区別され得る。したがって、小さい勾配を有する面と最も大きい勾配を有する面（水平面に対して角度４５度未満または４５度超）とをそれぞれ異なるやり方で処理することができる。図８は、顕著な２つのケースを示している。

このように、傾斜を表す数式の係数はやはり−１と１の間にある。

平行移動は、点のそれぞれの座標を増分することによって達成され、それは、観測面をボリューム内の所望の方向に平行移動する。

回転は、再構築された画像の中心から行われる。十字形によって、ナビゲータの回転の中心点がマーキングされる。この十字形を中心として臓器が置かれる（平行移動Ｏｘ ＯｙおよびＯｚにより）と、２回転することによって、臓器を見失うリスクなしに臓器全体を走査することが可能となる。

プレビューが計算されると、計算された点を補足し高品質画像を生成するために、内挿が適用される。画像に詳細を加えるこの操作は、ユーザが０．５秒より長く同位置にとどまる場合にのみ行われる。初期のビューイングが十分であり、より円滑なナビゲーションが保証される。

画像に詳細を加えるために、新しい行が、２つの異なるスライスから抽出された行の間に含まれる。この新しい行のピクセルは、隣接する８つの非ゼロピクセルを平均することにより計算される。

〔結果〕
下記の説明は、３ＧＨｚのプロセッサおよび５１２ＭｂのＲＡＭを有するコンピュータ上で上記の方法を実行することによって得られたいくつかの結果を提示している。

使用されるデータのボリュームは、以下のとおりである。
− １４０×１４０の１００画像（２００万ピクセル）、
− ２３５×２３５の１７０画像（９３０万ピクセル）、
− ２４５×２４５の１８０画像（１０８０万ピクセル）。

前処理については、結果は、処理された画像の密度および生成された画像の密度に依存する。このため、ボリュームは、制限されかつ構成された密度で計算される。

入力される画像の密度は、超音波診断装置からこれらの画像を抽出したユーザによって行われる選択に依存する。

この方法によって生成されるボクセル数より遥かに大きい、音波検査装置のピクセル数を有している必要はない。生成されたボリュームが１０００万ピクセル未満であるとき、提供されたピクセル数（画像の数×高さ×幅（ピクセル）に等しい）は、関心領域の中心合わせを再び行った後、同じ桁数でなければならない。

超音波診断装置によって提供された画像セットが１０００万ピクセルを超えない場合、前処理に１分かからないことがテストによって示されている。画像の数は、計算時間の重要な要因である。その数は、よい性能（例えば３２０×３２０ピクセルの９５画像、または４００×４００ピクセルの６０画像をもたらす）を維持するには１００を超えてはならない。

ナビゲーションの間、フレームレートは、ボリュームの密度に大きく依存する。２００万ピクセルでは、それは１７ｆｐｓと２８ｆｐｓの間で変化する。９３０万のピクセルでは、それは７ｆｐｓと１１ｆｐｓの間で変化し、円滑にナビゲートするのに十分である。

前処理時間および円滑さに関する結果は、非常に良好である。コンピュータが強力になるにつれて、処理された画像の鮮明度およびナビゲーションプレビューの鮮明度はますます正確になる。したがって、提供された画像の精度、ならびに生成されたボリュームに対して設けられる制限は、絶えず進化している。

〔ヒューマンマシンインターフェース〕
超音波プローブを用いた仕事に慣れている人が確実にインターフェースを適応させ、また直観的に使用できるように、図９に示された特定のインターフェースが開発された。

したがって、インターフェースは、５つのナビゲーション変数（３つの平行移動および２つの回転）を修正するためのツールＲＯＴおよびＴＲＮＳと共に、計算されたスライス面Ｐｃａｌｃを備え、また、３Ｄ空間の観測された面の位置の可視化ＶＩＳＵを備えている。十字形ＣＸは、ブラウザの回転の中心点をマーキングする。（平行移動Ｏｘ ＯｙおよびＯｚにより）この十字形を中心として臓器が置かれると、２回転することによって、臓器を見失うリスクなしに臓器全体をスキャンすることが可能となる。

ソフトウェアオプションで、生成されたボリュームを構成するピクセル数を選択することが可能である。したがって、ユーザは、使用されるマシンに合わせて、および、結果の所望の詳細レベルに合わせて計算時間を調整することができる。

過剰な数のピクセルを処理することを回避するために、入力画像の密度が高すぎる場合には、入力画像のサイズおよび数を減少させるための画像「デシメータ」を追加することができる。

ソフトウェアは、任意のタイプのマシン上で使用できるように、Ｊａｖａ（登録商標）プログラミング言語でプログラムすることができる。

Claims (9)

1. 画像データを処理する方法であって、
   所定のボリュームを表す第１の超音波画像データのセットを受け取るステップ（Ｓ２０）であって、前記セットは共通セグメントを共有する複数の第１の面に組み込まれている、受取りステップと、
   前記第１のデータのセットに基づいて、少なくとも部分的に前記所定のボリュームを表す第２の画像データのセットを再構築するステップ（Ｓ２２、Ｓ２３）であって、前記第２のセットは互いに平行な複数の第２の面に組み込まれている、再構築ステップと、
   を備えていることを特徴とする画像データの処理方法。
2. さらに、
   前記所定ののボリューム内の関心領域を選択するステップ（Ｓ２１）を備え、
   前記第２のデータのセットがこの関心領域を表すことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 第２の各面は、前記第１の面から抽出されたセグメントを関連付けることによって再構築され、
   最大の直接角度を形成する前記第１の面のセグメントの二等分面に対して垂直な同一面に、抽出された前記セグメントが属していることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. さらに、
   前記面の１セットの交差セグメントを前記第２の面と並置することによって、前記所定のボリュームの部分の任意の面を再構築するステップを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記再構築された面が、前記抽出されたセグメント間に内挿されたセグメントを備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. プログラムがプロセッサによって実行されるときに、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法を実施するための命令を備えているコンピュータプログラム。
7. 画像データを処理するためのシステムであって、
   所定のボリュームを表す第１の超音波画像データのセットを受け取る手段（Ｉ）であって、前記セットは共通セグメントを共有する複数の第１の面に組み込まれている、受取り手段と、
   これらのデータの処理のための第１の記憶手段（ＭＥＭ１）と、
   前記第１のデータのセットから、少なくとも部分的に前記所定のボリュームを表す第２の画像データのセットを再構築するように適応され、その第２のセットは互いに平行な複数の第２の面に組み込まれている、処理モジュール（ＰＲＯＣ）と、
   を備えていることを特徴とするシステム。
8. さらに、
   前記第２のデータのセットを受け取るための第２の記憶手段（ＭＥＭ２）を備えており、
   前記処理モジュールは、
   前記面の１セットの交差セグメントを前記第２の面と並置することによって、前記所定のボリュームの前記部分の任意の面を再構築するようにさらに適合されていることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
9. さらに、
   前記第２の画像データのセットを送信するための通信手段（ＣＯＭ）を備えていることを特徴とする、請求項７または８に記載のシステム。

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