JP2013135974A

JP2013135974A - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP2013135974A
Application number: JP2013082146A
Authority: JP
Inventors: Noriyoshi Matsushita; 典義松下
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2013-07-11

Abstract

【課題】心臓の拡張収縮運動に動的に追従する三次元関心領域を容易に設定できるようにする。
【解決手段】パラメータ演算部４８は、拡張末期用メモリ４２に格納された拡張末期におけるパラメータ値と、収縮末期用メモリ４４に格納された収縮末期におけるパラメータ値に基づいて、各時刻のパラメータ値を補間処理により算出する。補間係数メモリ４６には心臓の拡張収縮運動に対応して曲線的に時間変化する補間係数が記憶される。パラメータ演算部４８において、その補間係数を利用した補間処理により、各パラメータごとに拡張末期から収縮末期までの各時刻のパラメータ値が算出され、関心領域設定部５０は、各時刻ごとに、複数のパラメータに基づいて三次元データ空間内において三次元関心領域を設定する。これにより、拡張末期から収縮末期にかけて動的に変化する三次元関心領域が三次元データ空間内に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、心臓に対して関心領域を設定する超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、対象部位（臓器、臓器内の腔、あるいは腫瘍など）を含む空間内に超音波を送受波してエコーデータを取得し、そのエコーデータに基づいて断層画像や三次元立体画像といった超音波画像を形成する。一般に、超音波画像内には、対象部位以外の画像が含まれており、診断精度の向上などを目的として、対象部位に対して関心領域を設定する技術が知られている。

例えば、特許文献１には、心臓などの対象組織の変動に伴って常に良好な関心領域を適応的に設定できる技術が記載されている。また、特許文献２には、三次元画像データに対して立体的な三次元関心領域を設定する技術が記載されている。

特開２００４−２４５６０号公報特開２００５−３３４３１７号公報

例えば、心臓内の腔（心腔）の面積や体積を計測する場合には、心臓に対して関心領域を適切に設定することが計測精度の向上につながる。しかし、適切な関心領域を設定することは必ずしも容易ではない。例えば、三次元的に心臓などを映し出す三次元超音波画像内に三次元の関心領域をユーザが設定する場合には、設定のための手間や時間が問題となる。特に、心臓の拡張収縮運動に追従するように三次元の関心領域をユーザが設定する場合には、さらに手間や時間を要する。

本発明は、上述した事情を背景としつつ成されたものであり、その目的は、心臓の拡張収縮運動に動的に追従する三次元関心領域を容易に設定できるようにすることにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様の超音波診断装置は、超音波ビームを形成する超音波探触子と、超音波探触子を制御して超音波ビームを走査することにより、心臓を含む三次元空間内から複数のエコーデータを収集する送受信部と、収集された複数のエコーデータに基づいて心臓を含む三次元超音波画像の画像データを形成する画像形成部と、形成された画像データに対応した三次元超音波画像を表示する表示部と、前記三次元空間内から収集された複数のエコーデータによって構成される三次元データ空間内において、心臓に対して三次元関心領域を設定する関心領域設定部と、前記三次元関心領域を特定する複数パラメータのパラメータ値を決定するパラメータ演算部と、を有し、前記パラメータ演算部は、各パラメータごとに、心臓の拡張末期に対応するパラメータ値と収縮末期に対応するパラメータ値に基づいて、心臓の拡張収縮運動に対応して曲線的に時間変化する補間係数を利用した補間処理により、拡張末期から収縮末期までの期間の各時刻ごとのパラメータ値を算出し、前記関心領域設定部は、前記パラメータ演算部において算出されるパラメータ値に基づいて、拡張末期から収縮末期までの期間において複数パラメータを時間的に変化させることにより、前記三次元関心領域を心臓の拡張収縮運動に動的に追従させる、ことを特徴とする。

上記態様によれば、例えば、心臓の拡張末期に対応するパラメータ値と収縮末期に対応するパラメータ値をユーザが設定することにより、他の煩雑な操作などを必要とせずに、心臓の拡張収縮運動に動的に追従する三次元関心領域を設定することができる。さらに、補間処理において心臓の拡張収縮運動に対応して曲線的に時間変化する補間係数を利用しているため、三次元関心領域の拡張収縮運動への追従性が向上する。

望ましい態様において、前記パラメータ演算部は、心臓の運動が急激な時間帯において急峻なカーブを備え、心臓の運動が緩やかな時間帯において緩やかなカーブを備えた前記補間係数を利用する、ことを特徴とする。

望ましい態様において、拡張末期と収縮末期の各々に対応した前記三次元関心領域の大きさと位置と角度を設定するユーザ操作を受け付ける操作パネルと、設定された前記三次元関心領域の拡張末期と収縮末期の各々に対応した大きさと位置と角度に関する複数パラメータのパラメータ値を記憶するメモリと、をさらに有する、ことを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の別の好適な態様の超音波診断装置は、超音波を送受波することにより心臓を含む三次元空間内から複数のエコーデータを収集する送受波手段と、収集された複数のエコーデータに基づいて心臓を含む三次元超音波画像の画像データを形成する画像形成手段と、形成された画像データに対応した三次元超音波画像を表示する表示手段と、前記三次元空間内から収集された複数のエコーデータによって構成される三次元データ空間内において心臓に対して三次元関心領域を設定する関心領域設定手段と、を有し、前記関心領域設定手段は、複数のパラメータによって特定される三次元関心領域の各パラメータごとに、心臓の拡張末期に対応するパラメータ値と収縮末期に対応するパラメータ値に基づいて各時刻ごとのパラメータ値を決定することにより、複数のパラメータを時間的に変化させて三次元関心領域を心臓の拡張収縮運動に動的に追従させることを特徴とする。

上記態様によれば、例えば、心臓の拡張末期に対応するパラメータ値と収縮末期に対応するパラメータ値をユーザが設定することにより、他の煩雑な操作などを必要とせずに、心臓の拡張収縮運動に動的に追従する三次元関心領域を設定することができる。

望ましい態様において、前記関心領域設定手段は、心臓の拡張収縮運動に対応して時間的に変化する補間係数を利用して前記各パラメータの各時刻ごとのパラメータ値を補間処理により算出することを特徴とする。

望ましい態様において、前記関心領域設定手段は、心臓の拡張末期に対応するパラメータ値と収縮末期に対応するパラメータ値の混合比に相当する補間係数を利用することを特徴とする。

望ましい態様において、前記関心領域設定手段は、長軸半径と短軸半径と中心座標と回転角度を含む複数のパラメータによって特定される楕円体形状の三次元関心領域を設定することを特徴とする。

本発明により、心臓の拡張収縮運動に動的に追従する三次元関心領域を容易に設定することが可能になる。

本発明に係る超音波診断装置の全体構成を示す機能ブロック図である。拡張収縮運動に動的に追従する三次元関心領域を説明するための図である。拡張収縮運動に動的に追従する三次元関心領域を説明するための図である。パラメータ演算部における補間処理を説明するための図である。

以下に本発明の好適な実施形態を説明する。

図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示す機能ブロック図である。本実施形態の超音波診断装置は、例えば心臓の診断に適しているため、以下においては心臓を診断対象例として本実施形態を説明する。但し、本実施形態の超音波診断装置が心臓以外の他の臓器などの診断に利用されてもよい。

超音波探触子１２は、心臓に対して超音波ビームを形成し、心臓を含む三次元空間内で超音波ビームを走査する。送受信部１４は、超音波探触子１２を制御して超音波ビームを走査することにより、心臓を含む三次元空間内から複数のエコーデータ（三次元データ）を収集する。収集された複数のエコーデータは、三次元データメモリ１６に格納される。

超音波探触子１２がコンベックスタイプの探触子であれば、三次元データは、例えば、超音波ビームの主走査方向θ、これに直交する副走査方向φ、および超音波探触子の当接面の曲率中心からの距離ｒによる極座標系（θ，φ，ｒ）に対応した三次元データ空間内のアドレスに格納される。三次元データの格納形態については、反射波の情報から直接的に得られる極座標系から、他の座標系、例えば直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）に変換した形態にて格納することもできる。つまり、三次元データは、直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）に対応した三次元データ空間内のアドレスに格納されてもよい。

三次元データメモリ１６に格納されたデータ（複数のエコーデータからなる三次元データ）は、反射波の輝度（反射の強度）に対応し、診断対象が心臓の場合、反射の大きい心臓壁などの部位が高輝度に、反対に反射の小さい心腔の部分は低輝度となっている。そこで、二値化処理部１８において、三次元データメモリ１６内の各エコーデータを所定の閾値によってハイレベルとローレベルの二値に分離し、心腔を含む低輝度のエコーデータと心臓を含む高輝度のエコーデータに二値化する。閾値は、予め装置に設定された値であってもよく、また取得された超音波画像に応じてユーザが設定できるようにしてもよい。

ノイズ除去部２２は、二値化された三次元データに対してノイズの除去処理を行う。例えば、θ−φ平面上で、あるエコーデータの周囲８個のエコーデータのうち、５個の輝度値がハイレベルであれば、その注目したエコーデータの値をハイレベルとする。５個未満であれば、注目したエコーデータの従前の輝度値を維持する。また、周囲５個の輝度値がローレベルの場合は、注目したエコーデータの輝度値をローレベルとし、５個未満であれば従前の輝度値を維持する。このノイズ除去の処理は、θ−φ平面上で実行されるが、θ−ｒ平面、φ−ｒ平面で行うこともできる。また、あるエコーデータの三次元的な周囲２６個のエコーデータの輝度値に基づき、その注目したエコーデータの輝度値を決定するようにしてもよい。もちろん、直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）に対応した三次元データ空間内においてノイズ除去の処理が実行されてもよい。

心腔抽出部２４は、ノイズ処理後の二値化データに基づいて心腔を抽出する。例えば左室の心腔を抽出する。但し、左室の心腔を抽出する場合、二値化処理により心腔のエコーデータはローレベルとなっているものの、左室以外の心腔や他の低輝度部位に対応するエコーデータもローレベルとなっている。つまり、二値化処理された三次元データから単純にローレベルのエコーデータを抽出するだけでは、左室の心腔を適切に抽出することができない。そこで、本実施形態では、例えば左室の心腔などの対象部位に対して三次元関心領域を設定する。

本実施形態において、三次元関心領域は、複数のパラメータによって特定される。そして、各パラメータごとに、心臓の拡張末期に対応するパラメータ値と収縮末期に対応するパラメータ値に基づいて各時刻ごとのパラメータ値を決定することにより、複数のパラメータを時間的に変化させて三次元関心領域を心臓の拡張収縮運動に動的に追従させる。

図２および図３は、拡張収縮運動に動的に追従する三次元関心領域を説明するための図である。図２および図３には、心臓を含む三次元空間から収集された複数のエコーデータ（三次元データ）からなる三次元データ空間が示されており、その三次元データ空間内に楕円体形状の関心領域が設定されている。

図２は、ｘｙｚ直交座標系で示された三次元データ空間の正面図（ｘｙ平面）に対応しており、図２（ａ）〜（ｄ）には、心臓の拡張末期（ａ）から収縮末期（ｄ）までの三次元関心領域の時間的な変化が示されている。図２に示すように、心臓の拡張末期（ａ）から収縮末期（ｄ）までの間に、三次元関心領域の長軸半径ｂの長さや楕円体の中心Ｏの位置が変化している。

一方、図３は、ｘｙｚ直交座標系で示された三次元データ空間の側面（ｙｚ平面）に対応しており、図３（ａ）〜（ｄ）には、心臓の拡張末期（ａ）から収縮末期（ｄ）までの三次元関心領域の時間的な変化が示されている。図３に示すように、心臓の拡張末期（ａ）から収縮末期（ｄ）までの間に、三次元関心領域である楕円体の中心Ｏの位置や回転角度（例えばｘ軸を回転軸とした場合の回転角度）が変化している。なお、図３（ｆ）には、図３（ａ）〜（ｄ）までの三次元関心領域（楕円体）が重ねて図示されている。

図２，３に示すように、楕円体形状の三次元関心領域について、その長軸半径ｂの長さや中心Ｏの位置や回転角度などのパラメータを時間的に変化させることにより、三次元データ空間内において、三次元関心領域の位置や角度や大きさを変化させることができる。本実施形態では、心臓の拡張末期におけるパラメータ値と心臓の収縮末期におけるパラメータ値に基づいて各時刻のパラメータ値を決定することにより、複数のパラメータで特定される三次元関心領域を心臓の拡張収縮運動に動的に追従させる。

図１に戻り、拡張末期用メモリ４２、収縮末期用メモリ４４は、三次元関心領域を特定するための複数のパラメータのパラメータ値を格納するメモリであり、拡張末期用メモリ４２には、心臓の拡張末期における各パラメータの値が格納される。一方、収縮末期用メモリ４４には、心臓の収縮末期における各パラメータの値が格納される。

三次元関心領域が楕円体形状の場合、楕円体形状の大きさや位置や角度などを特定するための複数のパラメータとして、ｘｙ平面内における短軸半径ａ、長軸半径ｂ、ｚｘ平面内における短軸半径ｃ、中心位置のｘｙｚ座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）、ｘ軸周りの回転角度θｘ、ｙ軸周りの回転角度θｙ、ｚ軸周りの回転角度θｚなどが好適である。拡張末期用メモリ４２には、これらのパラメータの拡張末期に対応した値が格納され、収縮末期用メモリ４４には、これらのパラメータの収縮末期に対応した値が格納される。

拡張末期と収縮末期に対応した三次元関心領域はマニュアル設定される。例えば、ユーザは、拡張末期における心臓の正面図に対応した画像（図２（ａ））や側面図に対応した画像（図３（ａ））をモニタ３４に表示させ、図示しない操作パネルなどを利用して楕円体形状の関心領域を設定する。例えば、操作パネルによって関心領域の大きさや位置や角度を適宜調整し、心臓左室の心腔を取り囲むように楕円体形状の関心領域を設定する。その設定後における各パラメータの値が、拡張末期用メモリ４２に登録される。

同様に、ユーザは、収縮末期における心臓の正面図に対応した画像（図２（ｄ））や側面図に対応した画像（図３（ｄ））をモニタ３４に表示させ、図示しない操作パネルなどを利用して関心領域の大きさや位置や角度を適宜調整し、心臓左室の心腔を取り囲むように楕円体形状の関心領域を設定する。その設定後における各パラメータの値が、収縮末期用メモリ４４に登録される。

パラメータ演算部４８は、拡張末期用メモリ４２に格納された拡張末期におけるパラメータ値と、収縮末期用メモリ４４に格納された収縮末期におけるパラメータ値に基づいて、各時刻のパラメータ値を補間処理により算出する。補間係数メモリ４６には、その補間処理に利用される補間係数が格納される。

図４は、パラメータ演算部（図１の符号４８）における補間処理を説明するための図である。図４（Ａ）には、心臓の心電波形が示されており、例えば、この心電波形に基づいて、心臓左室の拡張末期と収縮末期のタイミングが決定される。つまり、心電波形のＲ波の出現タイミングを左室拡張末期の時刻ｔ_０とし、心電波形のＴ波の出現タイミングを左室収縮末期の時刻ｔ_１とする。

そして、各パラメータごとに、時刻ｔ_０におけるパラメータ値と時刻ｔ_１におけるパラメータ値に基づいて、補間係数を利用した補間処理により、時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの各時刻におけるパラメータ値が算出される。図４（ａ）（ｂ）には、補間処理に利用される補間係数が示されている。補間係数は、拡張末期に対応するパラメータ値と収縮末期に対応するパラメータ値の混合比を各時刻ごとに定めたものである。

あるパラメータ（例えば短軸半径）ａについて、拡張末期である時刻ｔ_０におけるパラメータ値をat0とし、収縮末期である時刻ｔ_１におけるパラメータ値をat1とし、時刻ｔにおける補間係数の値をk[t]とすると、時刻ｔにおけるパラメータａの値a[t]は、次式によって算出される。

複数のパラメータの各々について、数１により補間処理が実行される。また、数１における補間係数k[t]は、例えば図４（ａ）に示すように直線的に時間変化する係数でもよいし、例えば図４（ｂ）に示すように曲線的に時間変化する係数でもよい。曲線的に変化させる場合には、例えば心臓の収縮拡張運動に応じて曲線のカーブが設定されてもよい。例えば心臓が急激な運動を示す時間帯において急峻なカーブを備え、心臓の運動が緩やかな時間帯において緩やかなカーブを備えた曲線などである。

ちなみに、図４（ａ）に示すように直線的に時間変化する係数の場合には、数１を次式のように変形することができる。

図１に戻り、パラメータ演算部４８において、各パラメータごとに拡張末期から収縮末期までの各時刻のパラメータ値が算出されると、関心領域設定部５０は、各時刻ごとに、複数のパラメータに基づいて三次元データ空間内において三次元関心領域を設定する。これにより、拡張末期から収縮末期にかけて動的に変化する三次元関心領域（図２，３参照）が三次元データ空間内に設定される。ちなみに、三次元データ空間内に楕円体を設定する際には、例えば次式を利用する。

中心点が原点にあり、二つの短軸半径をａ，ｃとして長軸半径をｂとする楕円体は、（１）式のようになる。また、（１）式で示される楕円体の回転や平行移動は、行列式によって表現することができる。例えば、ｘ軸周りにθだけ回転する場合には（２）式の行列式が利用され、ｙ軸の周りにθだけ回転する場合には（３）式の行列式が利用され、ｚ軸の周りにθだけ回転する場合には（４）式の行列式が利用される。また、原点から座標（x0,y0,z0）への平行移動には（５）式の行列式が利用される。例えば、ｘ軸に沿って座標値１００だけ楕円体を平行移動させる場合には（６）式の変換式となる。関心領域設定部５０は、例えば数３に示す各式を利用し、各時刻ごとの複数のパラメータのパラメータ値に基づいて三次元データ空間内に楕円体形状の三次元関心領域を設定する。

三次元関心領域が設定されると、心腔抽出部２４は、三次元関心領域内においてローレベルのエコーデータを抽出する。三次元関心領域が心臓の運動に追従するように適切に設定されているため、左室以外の心腔や他の低輝度部位に対応するエコーデータを極力含まずに、左室心腔に対応したエコーデータが適切に抽出される。こうして、各時刻ごとに左室心腔が抽出された三次元データは、三次元データメモリ２６に格納される。

セレクタ３０は、三次元データメモリ１６に格納された元の三次元データまたは三次元データメモリ２６に格納された左室心腔が抽出された三次元データを、例えばユーザの指示に従って選択して表示画像形成部３２に送出する。

表示画像形成部３２は、必要に応じて三次元の座標変換処理や、二次元表示のための画像処理を実行する。前述のように三次元データメモリ１６に格納されるデータがすでに直交座標系への変換を終えている場合には、ここでの変換は、三次元のデータを二次元表示するための処理だけでもよい。二次元表示するための処理としては、三次元画像データ内に設定される直交３断面の断層画像形成や、三次元画像データに対するボリュームレンダリング処理などが挙げられる。

直交３断面とは、三次元画像データのデータ空間内において互いに直交する３つの断面であり、例えば、上面図、側面図、正面図などがそれらに相当する。表示画像形成部３２は、三次元画像データの中から直交３断面のそれぞれの断面上のエコーデータを抽出して３枚の断面画像を形成する。

また、ボリュームレンダリング処理としては、例えば、特開平１０−３３５３８号公報に示される手法が好適である。この手法では、三次元データ空間を挟むように、視点とスクリーンとが定義され、また視点からスクリーンへ複数のレイ（視線）が定義される。そして、三次元画像データから、各レイごとにそのレイ上に存在するボクセルデータ（エコーデータ）が逐次的に読み出され、各ボクセルデータに対してボクセル演算（ここでは、ボリュームレンダリング法に基づくオパシティを利用した出力光量演算）が逐次的に実行される。最終的なボクセル演算結果（出力光量）が画素値に変換され、各レイごとの画素値をスクリーン上にマッピングすることで、三次元画像を透過表示した二次元表示画像が形成される。

表示画像形成部３２で形成された直交３断面画像やボリュームレンダリングによる二次元表示画像は、モニタ３４に表示される。容積演算部５２は、三次元データメモリ２６に格納された三次元データに基づいて、左室心腔の容積（体積）を算出する。例えば、左室心腔に対応するエコーデータの個数から左室心腔の容積を算出する。容積は、各時刻ごとに算出されることが望ましい。算出された容積は、モニタ３４に数値として表示されてもよいし、容積の時間変化の様子を示すグラフが表示されてもよい。

本実施形態においては、心臓の拡張収縮運動に応じて複数のパラメータを時間変化させているため、それらのパラメータによって特定される三次元関心領域が、心臓の拡張収縮運動に追従するように、さらに心臓の並進運動や捩れ運動にも追従するように、動的に自動設定することができる。また、例えば、心臓の拡張末期に対応するパラメータ値と収縮末期に対応するパラメータ値をユーザが設定することにより、他の煩雑な操作などを必要とせずに、極めて容易に、心臓の拡張収縮運動に動的に追従する三次元関心領域を設定することができる。

なお、三次元関心領域の形状は楕円体に限定されない。例えば弾丸型などの他の形状の三次元関心領域が利用されてもよい。また、パラメータに基づいて補間処理により三次元関心領域を自動設定した後に、必要に応じてユーザが微調整を施して、さらに適切な三次元関心領域を設定するようにしてもよい。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

１２超音波探触子、１４送受信部、４２拡張末期用メモリ、４４収縮末期用メモリ、４６補間係数メモリ、４８パラメータ演算部、５０関心領域設定部。

Claims

超音波ビームを形成する超音波探触子と、
超音波探触子を制御して超音波ビームを走査することにより、心臓を含む三次元空間内から複数のエコーデータを収集する送受信部と、
収集された複数のエコーデータに基づいて心臓を含む三次元超音波画像の画像データを形成する画像形成部と、
形成された画像データに対応した三次元超音波画像を表示する表示部と、
前記三次元空間内から収集された複数のエコーデータによって構成される三次元データ空間内において、心臓に対して三次元関心領域を設定する関心領域設定部と、
前記三次元関心領域を特定する複数パラメータのパラメータ値を決定するパラメータ演算部と、
を有し、
前記パラメータ演算部は、各パラメータごとに、心臓の拡張末期に対応するパラメータ値と収縮末期に対応するパラメータ値に基づいて、心臓の拡張収縮運動に対応して曲線的に時間変化する補間係数を利用した補間処理により、拡張末期から収縮末期までの期間の各時刻ごとのパラメータ値を算出し、
前記関心領域設定部は、前記パラメータ演算部において算出されるパラメータ値に基づいて、拡張末期から収縮末期までの期間において複数パラメータを時間的に変化させることにより、前記三次元関心領域を心臓の拡張収縮運動に動的に追従させる、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１に記載の超音波診断装置において、
前記パラメータ演算部は、心臓の運動が急激な時間帯において急峻なカーブを備え、心臓の運動が緩やかな時間帯において緩やかなカーブを備えた前記補間係数を利用する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１または２に記載の超音波診断装置において、
拡張末期と収縮末期の各々に対応した前記三次元関心領域の大きさと位置と角度を設定するユーザ操作を受け付ける操作パネルと、
設定された前記三次元関心領域の拡張末期と収縮末期の各々に対応した大きさと位置と角度に関する複数パラメータのパラメータ値を記憶するメモリと、
をさらに有する、
ことを特徴とする超音波診断装置。