JP2013521968A - 画像平面シーケンスとして再フォーマット化されるボリュメトリック超音波画像データ - Google Patents

Abstract

超音波プローブは、体のボリュメトリック領域の３Ｄ画像データセットを取得する。３Ｄ画像データは、上記ボリュームを通る３つの直交する方向の１つにおいて延在する連続した平行な画像平面のシーケンスへと再フォーマット化される。好ましくは、画像７４、８４、９４のシーケンスは、ＤＩＣＯＭ標準に基づきフォーマットされる。その結果、臨床医が、画像ワークステーション上でＤＩＣＯＭ画像のシーケンスとして上記３Ｄ画像データをレビューすることができる。

Description

本発明は、医療診断超音波システムに関し、より詳細には、平面画像のシーケンスとしてボリュメトリック画像データをエクスポートすることができる３次元（３Ｄ）撮像に関する超音波システムに関する。

超音波診断撮像は伝統的に、体の生体構造のスキャンされた２次元断面画像を持つ。技術が発達するにつれ、超音波は今や３次元ボリュームを静止画及びリアルタイムの両方でスキャン及び撮像することができる。スキャンされたボリュームの３Ｄデータセットは、３次元表示として連続してレンダリングされることができる。これは、臨床医がリアルタイム運動における生体構造の運動を観測できるよう十分迅速に行われる。しかし、放射線科医及び心臓専門医はまだなお、生体構造の標準的な２Ｄ平面画像を見るのに慣れており、多くは、３Ｄにおいて生体構造を診断するのが楽ではない。このチャレンジは、撮像されるボリュームの中心で関心領域を囲む及び隠す組織クラッタによって一層困難なものにされる。結果として、多くの医師は、３Ｄボリュームの平面２Ｄ画像「スライス」を見るのを好む。一旦３Ｄボリューム画像データセットがキャプチャされると、マルチプラナ再フォーマット化と呼ばれる技術が、２Ｄ画像として表示するため、ボリュームを通る１つ又は複数の切断平面を医師が選択することを可能にする。典型的なユーザインタフェースにおいて、臨床医は、ボリューム画像において３つの直交するラインを配置することができる。各ラインは、ボリュームを通る３つの直交する画像平面である、ｘｙ平面（方位角対深度）、ｙｚ平面（深度対上昇、一般にＣ平面と呼ばれる）及びｘｚ平面（方位角対上昇）のいずれかの位置を表す。ラインが再配置されるとき、対応する切断平面の２Ｄ画像は、切断平面により妨害されるデータセットのボクセルにより形成される。米国特許第６，５７２，５４７号（Millerその他）を参照されたい。これは、３つの異なる撮像斜視図からカテーテルの先端を視覚化するため、斯かる切断平面を使用することを示す。

３次元撮像の更なる限定は、３Ｄ画像のデータセットが様々な超音波撮像システム・ベンダーにより異なる態様でフォーマットされる点にある。なぜなら、ベンダーは、３次元撮像に固有の大きな（３Ｄ）データセットのストレージを処理及び収容しようとするからである。これらの異なるプロプライエタリ手法を揃えるための努力において、ＤＩＣＯＭ標準委員会のワーキンググループは、３Ｄ超音波画像を格納するＤＩＣＯＭ標準に特に関する２００９年４月における標準に対する補足となるＳｕｐｐｌｅｍｅｎｔ４３を公表した。しかしながら、３Ｄ超音波画像に関するこの標準の実現は迅速でなく、ＰＡＣＳシステムといった撮像システムを新しい３Ｄ標準に変換するための異なるベンダーの計画は、大部分が未知のままである。従って、３Ｄ超音波画像に関するＤＩＣＯＭ標準を実装していない他の医療画像プラットフォームでの搬送及び使用に容易に役立つ標準化されたフォーマットで３Ｄ画像データを提供する必要性が残されている。

本発明の原理によれば、他の撮像プラットフォームに運ばれることができ、標準化された２Ｄリアルタイム画像シーケンスとして再生及び診断されることができる個別の切断平面方向における２Ｄ画像の１つ又は複数のシーケンスとして、３Ｄ画像データを再フォーマット化する超音波システムが説明される。ユーザインタフェースは、上記切断平面方向、上記平面の間隔及び／又は上記シーケンスにおける画像の数の選択を提供する。ボリュームは、上記選択された切断平面方向におけるプラナ画像へと再フォーマット化され、ほとんどの従来の医療撮像プラットフォーム上で各シーケンスの再生を可能にする１つ又は複数の画像シーケンスとして、好ましくは２ＤのＤＩＣＯＭ画像シーケンスとして格納される。

本発明の原理に基づき構築される超音波システムをブロックダイアグラム形式で示す図である。 本発明に基づき、３Ｄデータセットを取得し、１つ又は複数のプラナ画像シーケンスとしてこのデータセットを再フォーマット化するシーケンスを示す図である。 本発明による切断平面の位置を示す３Ｄ画像にわたるラインを示す図である。 本発明によるボリュメトリック画像データセットから３つのプラナ画像シーケンスを形成することを示す図である。

図１を参照すると、本発明の原理に基づき構築される超音波システムが、ブロック図形式で示される。アレイトランスデューサ１２を持つ超音波プローブ１０が、患者の体に超音波を送信し、これに応答してボリュメトリック領域からエコーを受信する。体のボリュメトリック領域を超音波でスキャンするための複数の技術が知られる。１つは、プローブの画像平面に垂直な方向における皮膚にわたり１次元アレイトランスデューサを含む超音波プローブを動かすことである。このプローブが移動されるにつれて、プローブは、実質的に平行な画像平面を連続して取得することになり、画像平面の画像データは、３Ｄ画像データセットを有する。この手動の技術は、フリーハンドスキャンと呼ばれ、米国特許第５，４７４，０７３号（Schwartzその他。）において説明される。第２の技術は、プローブのコンパートメント内部で前後にトランスデューサアレイを機械的に振動させることである。プローブは、フリーハンド技術においてと同じデータを実質的に平行な画像平面の連続から取得する。しかし、この場合、トランスデューサアレイの機械的な振動は、リアルタイム３Ｄ画像を生成するのに十分迅速でありえる。第３の手法は、二次元アレイトランスデューサを持つプローブを用いることである。このトランスデューサから、ビームが、フェーズド・アレイ・ビーム・ステアリングにより３次元において電子的にスキャンされることができる。この目的のための二次元アレイを持つ３Ｄプローブは、米国特許第５，９９３，３９０号（Savordその他）に説明される。この第３の手法は有利には、可動するパーツのないプローブを用いる。電子ビームステアリングは、リアルタイム撮像を用いて心臓をスキャンするのに十分急速にされることができる。これらのスキャン技術の各々は、本発明と共に使用するのに適した３Ｄ画像データセットを生成することができる。

アレイ１２の個別のトランスデューサ要素により受信されるエコー信号は、体における特定のポイントに関するコヒーレントなエコー信号を形成するビーム形成器１４により処理される。エコー信号は、信号プロセッサ１６により処理される。信号処理は例えば、ハーモニック撮像に関するハーモニックエコー信号要素の分離及びクラッタ除去を含むことができる。処理された信号は、画像プロセッサ１８により、例えば台形のセクター又は立方体といった所望のフォーマットの画像へと構成される。３Ｄ画像データは、ボリュメトリック領域におけるそのｘｙｚ座標により組織化され、画像メモリ２０に格納される。３Ｄ画像データは、ボリュームレンダラ２２により３次元画像へとレンダリングされる。ボリュームレンダリングされた画像のシリーズは、動力学的視差において動的に表示されることができる。その結果、ユーザは、米国特許第６，１１７，０８０号（Schwartz）にて説明される、異なる表示斜視図からのボリュームを、回転、再方向付け及び再配置することができる。画像は、グラフィックスを持つ３Ｄ画像をオーバレイすることができるディスプレイプロセッサ２４により表示のために処理され、画像は、画像ディスプレイ２６に表示される。

３Ｄボリュメトリック画像は、ボリュームを「スライス」し、２Ｄ画像として特定のスライスを表示することにより、検査されることもできる。ボリュームにおけるスライスの位置は、ユーザ制御インタフェース２８における制御のユーザ操作により選択される。ユーザ制御部は、上述したように３Ｄボリュームにおける特定の２Ｄ平面を選択することになり、及び、マルチプラナ再フォーマッタ３０は、選択された平面において座標を持つ３Ｄデータセットのプラナデータを選択する。選択された平面の２Ｄ画像が、単独で又は３Ｄ画像と連動してディスプレイ２６に示される。前述したように、ユーザ制御部インタフェースは、３つの異なる態様でカラー化されたライン又はカーソルをユーザに与えることができる。それぞれが、個別の相互に直交する方向の平面を選択することができる。例えば、米国特許第６，５７２，５４７号（Millerその他）にて説明されるように、ユーザは、３Ｄボリュームを通る３つの直交平面を同時に見ることができる。

本発明の原理によれば、３Ｄボリュームの画像データは、ボリュームの経時的な、平行な平面の画像のシーケンスで構成される。画像のシーケンスは、超音波ＤＩＣＯＭマルチフレーム画像に含まれるフレームのシーケンスとして格納されることができる。これは、超音波ＤＩＣＯＭマルチフレーム画像に格納される２Ｄ画像シーケンスの態様で、ほとんどの医療画像ワークステーション及びＰＡＣＳシステムに格納及び再生されることができる。これにより臨床医は、ボリュームを通る切断平面のシーケンスとして、３Ｄボリュームの画像データを見ることができる。臨床医は、画像シーケンスを高速に再生することができる。これは、ボリューム内を「泳ぐ」という印象を与える。また、臨床医は、シーケンスをゆっくり進むことができるか、又は診断のため関心領域を切断する平面において特定の画像をピックアップすることができる。３Ｄボリュームデータはこうして、臨床医にとって、３Ｄボリューム画像より快適で慣れている２Ｄ画像としてレビューされることができる。

図１の実現において、ユーザは、作成される２Ｄ画像シーケンスの平面の方向を選択するため、ユーザ制御インタフェースを操作する。標準的な２Ｄ画像は、方位角（ｘ）寸法及び深度（ｙ）寸法を持つ。臨床医は、例えば、ｘｙ平面の連続において方向付けられる切断平面を持ちたいと思う。各ｘｙ平面は、ボリュームにおいて異なるｚ（上昇）座標を持つ。この選択は、マルチプラナ再フォーマッタ３０に適用される。これは、３Ｄデータセットのｘｙ画像平面のシーケンスを選択する。ｘｙ平面切断画像のこのシーケンスは、画像シーケンサ３２に結合される。これは、２Ｄ画像の連続として画像を処理する。画像シーケンスは、特定の超音波システムにより使用されるプロプライエタリ（カスタム）フォーマットを持つことができる。しかし、好ましくは、２Ｄ画像が、２次元医療画像に関するＤＩＣＯＭ標準に従って処理される。ＤＩＣＯＭ標準フォーマッティングを用いると、画像シーケンスは、広い種類の医療画像プラットフォーム上で再生及び表示されることができる。２Ｄ画像シーケンスは、２Ｄ画像のシーケンス又は「ループ」としてCineloop（登録商標）メモリ３４に格納される。画像シーケンスは、超音波システムの画像データポートを用いて、他の撮像システム及びプラットフォームに送信されることができる。例えば、本発明の画像シーケンスは、病院の画像データネットワークを介して、病院の別の部門における画像レビュー・ワークステーションに運ばれることができる。

本発明の好ましい実現において、ユーザは、３Ｄボリュームの２Ｄ画像シーケンスの追加的なパラメータを特定及び選択することができる。図１に示されるように、ユーザ制御インタフェース２８は、２Ｄ画像シーケンスの他の特性を特定する、同じ又は他のユーザ制御部を用いる。これは、シーケンスの画像の数及びシーケンスの切断平面の平面と平面との間隔を選択することを含む。ユーザ制御部は、切断平面に関する３Ｄボリュームの特定のサブボリュームを選択する能力をユーザに提供することもできる。例えば、ユーザは単純に、２Ｄ画像シーケンスに関するボリュームの中央の１／３を選択することができる。別の例として、全体の３Ｄボリュームは、１００の画像平面のシーケンスにおいて２Ｄ画像平面へと再フォーマット化されることになる。マルチプラナ再フォーマッタは、この選択を行い、選択された方向におけるボリュームにわたり等しい間隔で１００の切断平面を分散させる。別の例として、ユーザは、２ｍｍの平面対平面間隔を選択し、マルチプラナ再フォーマッタは、選択された方向においてボリュームを通る２ｍｍの間隔で２Ｄ画像平面を切る。

図２は、本発明による３Ｄボリュームの２Ｄ画像シーケンスを生成及びエクスポートする処理を示す。ステップ４０において、臨床医は、３Ｄデータセットを取得するため、体のボリュメトリック領域をスキャンする。ステップ４２において、臨床医は、レンダリングされた３Ｄ画像を観測し、ボリュームがマルチプラナ再フォーマッタによりスライスされることになる１つ又は複数の画像シーケンスに関して、１つ又は複数の平面方向を選択する。臨床医は、２つのシーケンスを選択することができる。例えば、１つは、ｘｙ座標を持つ切断平面を持ち、もう１つは、ｙｚ座標を持つ切断平面を持つ。構築された実施形態において、シーケンスに関する平面方向の選択は、特定のＭＰＲ画像平面を選択及び表示することにより実行される。シーケンスの他の画像は、選択された平面に平行な平面においてフォーマットされる。ステップ４４において、臨床医は、各シーケンスの画像平面の数を選択する。例えば、臨床医は、ｘｙ平面シーケンスに対する５０の平面とｙｚ平面シーケンスに対する２０の平面とを選択することができる。ステップ４６において、臨床医は、画像平面間隔を選択する。例えば、臨床医は、ｘｙ平面に関して１ｍｍの間隔を選び、ｙｚ平面に関して２ｍｍの間隔を選ぶことができる。このステップの平面内間隔が、ステップ４４において選択される平面の数に対してあまりに大きい場合、システムはユーザにコンフリクトを通知する。その結果、ユーザは、１つのパラメータ又は他のパラメータを選択することができる。選択された平面内間隔が、完全なボリュームに対してあまりに小さい場合、システムは、ボリュームの中央に関する選択された平面内間隔と共に、選択された平面の数を分配することになる。この中央は、ユーザが最もしばしば関心領域を配置する場所である。代替的に、ユーザは、平面が分散されることになるボリュームのサブ領域を特定することができる。構築された実施形態において、ステップ４４及び４６を実行する必要はない。超音波システムは、３Ｄボリュームの１つの側からその他の側までの画像データの平面を自動的に生成し、超音波システムにより許される最小の平面対平面間隔で画像平面を生成する。ステップ４８において、マルチプラナ再フォーマッタ及び画像シーケンサは、特定された画像シーケンスを生成する。ステップ５０において、画像シーケンスが、レビュー及び診断のため超音波ＤＩＣＯＭマルチフレーム画像として画像ワークステーションにエクスポートされる。

図３は、ディスプレイ２６のスクリーン上の画像表示である。このディスプレイは、切断平面ラインのグリッドを示す。この線は、２Ｄ画像のシーケンスへと再フォーマットされることになる平面をユーザに示す。ディスプレイスクリーン６０の左側に、ｘｙ平面に方向付けられる超音波画像６６がある。垂直ライン６４のグリッドが、この画像６６をオーバレイする。このラインは、ｙｚ（上昇）方向においてボリュームを通る切断のシリーズを示す。このグリッド６４は、これらの３０の切断平面によりまたがられるボリュームの部分が、ｙｚ次元における３０の２Ｄ画像のシーケンスへと再フォーマット化されることをユーザに示す。ディスプレイの右側には、ｘｙ次元におけるボリュームを通る第２の画像６８がある。この画像は、水平ライン６２のグリッドでオーバレイされる。このグリッド６２は、完全な画像深度の約２／３にまで画像の上端付近から延在するボリュームのサブ領域が、３０のＣ平面画像のシーケンスへと再フォーマット化されることをユーザに示す。Ｃ平面画像とは即ち、ｘｚ次元においてそれぞれ存在し、ボリュームの連続した深度（ｙ方向増加）にある画像である。グリッド６２の後ろには、グラフィックボックス６０がある。このボックスは、上部にて、左側画像６６にわたりセットされるｙｚ次元における切断平面の位置を小さなチックマークで示す。こうして、ユーザは、直交するグリッドライン及び切断平面の２つのセットの相対的な位置を一目で見ることができる。

ユーザには、グリッド６２、６４を回転させる又は傾ける能力が与えられる。これにより、純粋に水平又は垂直な切断平面の法線方向に対して傾斜又は回転される切断平面が作成される。

図４は、本発明の実現により生成される３つの画像シーケンス７４、８４、９４を示す。図４の左側のディスプレイスクリーン７０は、ｘｙ次元におけるボリュームを通り切断される超音波画像７２と、ボリューム及び３Ｄデータセットを通り連続的なｘｙ平面に存在する２Ｄ画像の画像シーケンス７４とを示す。図４の中央には、ｙｚ平面における画像８４を示すディスプレイスクリーン８０があり、この画像の下には、ボリューム及び３Ｄデータセットを通る連続的なｙｚ切断平面における画像の画像シーケンス８４がある。図４の右側には、Ｃ平面（ｘｚ次元）９２を示すディスプレイスクリーン９０があり、この下には、ボリューム及び３Ｄデータセットの連続したｘｚ平面を通り切断される画像のシーケンス９４がある。３つの画像シーケンスは、ボリューム及び３Ｄデータセットの相互に直交する平面を通り切断される画像を示す。１つ目は、ｚ方向において進行し、２つ目は、ｘ方向において進行し、３つ目は、ｙ方向において進行する。ユーザは、１つ、２つ又は３つすべての画像シーケンスをＤＩＣＯＭ画像として、更なる解析及び診断のため画像ワークステーションにエクスポートすることができる。

各切断平面が完全な３Ｄ画像データセットを通り存在するので、各２Ｄ切断平面画像は従って、特定の再フォーマット化された画像に関して取得される画像データの全てと交差し、及び含む。好ましい実施形態において、２Ｄ画像は、デカルト座標にあり、各画像シーケンスは、個別の直交するデカルト座標方向において連続した切断平面である。こうして、２Ｄ画像が、１次元アレイトランスデューサによる従来の手段により取得される標準的な２Ｄ画像と同じ程度まで、測定及び定量化に適したものとなる。

Claims (15)

1. 体のボリュメトリック領域の３次元画像データを生成する超音波診断撮像システムであって、
   前記ボリュメトリック領域の３次元画像データセットを取得するよう動作可能な超音波プローブと、
   前記３次元画像データセットに応答して、前記３次元画像データセットを通り選択された方向に垂直な切断平面の複数の平行な２次元画像を生成する画像データ再フォーマッタと、
   前記２次元画像に応答して、標準的なフォーマットの２次元画像シーケンスとして再生されることができる２次元画像のシーケンスを生成する画像シーケンサと、
   前記画像シーケンサに結合され、前記２次元画像のシーケンスが別の撮像システムへと転送されるのに用いられるデータポートと、
   前記２次元画像シーケンスを表示するよう動作可能なディスプレイとを有する、超音波撮像システム。
2. 前記画像シーケンサが、ＤＩＣＯＭフォーマットに基づき、２次元画像のシーケンスを生成するように更に動作可能である、請求項１に記載の超音波診断撮像システム。
3. 他の撮像プラットフォームが、ＤＩＣＯＭ画像シーケンスとして前記２次元画像のシーケンスを再生するように動作可能である、請求項２に記載の超音波診断撮像システム。
4. 画像Cineloopとして前記画像シーケンサにより生成される前記２次元画像のシーケンスを格納するよう動作可能なCineloopメモリを更に有し、
   前記２次元画像のシーケンスが、前記ディスプレイで再生されることができる、請求項１に記載の超音波診断撮像システム。
5. 前記２次元画像のシーケンスが、リアルタイム画像シーケンスとして前記Cineloopメモリから再生されることができるか、又は前記ディスプレイ上で前記２次元画像の特定の１つを表示するため、再生及び停止されることができる、請求項４に記載の超音波診断撮像システム。
6. 前記３次元データセットを通る前記垂直な方向を選択するため、前記撮像システムのユーザにより動作可能なユーザ制御インタフェースを更に有する、請求項１に記載の超音波診断撮像システム。
7. 前記垂直な方向の選択が、前記３次元データセットを通る２次元画像平面を選択することを有し、
   前記２次元画像のシーケンスにおける画像は、前記選択された２次元画像平面の平面に平行である、請求項６に記載の超音波診断撮像システム。
8. 前記ユーザ制御部が、最高３つの直交する２次元画像データセットに対して、最高３つの直交する垂直な方向を選択するため、ユーザにより更に動作可能であり、
   前記画像データ再フォーマッタ及び前記画像シーケンサは、前記選択された最高３つの直交する垂直な方向に応答して、前記３次元データセットから２次元画像の最高３つのシーケンスを生成する、請求項６に記載の超音波診断撮像システム。
9. 前記ユーザ制御インタフェースが、前記切断平面の間隔を選択するため、前記ユーザにより更に動作可能である、請求項６に記載の超音波診断撮像システム。
10. 前記ユーザ制御インタフェースが、切断平面の数を選択するため、前記ユーザにより更に動作可能であり、
    前記切断平面の数は、前記画像シーケンサにより生成される前記シーケンスの２次元画像の数に等しい、請求項９に記載の超音波診断撮像システム。
11. 前記ユーザ制御インタフェースが、切断平面の数を選択するため、前記ユーザにより更に動作可能であり、
    前記切断平面の数は、前記画像シーケンサにより生成される前記シーケンスの２次元画像の数に等しい、請求項６に記載の超音波診断撮像システム。
12. 前記３次元画像データセットに応答して、レンダリングされた３次元超音波画像を生成するボリュームレンダラを更に有し、
    前記ディスプレイが、前記レンダリングされた３次元超音波画像を表示するように更に動作可能である、請求項１に記載の超音波診断撮像システム。
13. 前記ディスプレイに結合され、２次元画像平面のシーケンスの空間位置を示す前記プローブにより取得される超音波画像をオーバレイするグラフィックを生成するディスプレイプロセッサを更に有する、請求項１に記載の超音波診断撮像システム。
14. 前記グラフィックが、切断平面ラインのグリッドを更に有し、
    前記システムが、前記グリッドの切断平面の数、前記グリッドの切断平面の間隔、及び前記ボリュメトリック領域の空間位置に対する前記切断平面の位置の少なくとも１つをユーザが調整することができるユーザ制御部を更に有する、請求項１３に記載の超音波診断撮像システム。
15. 前記ボリュメトリック領域を通り前記切断平面をユーザが回転又は傾けることができるユーザ制御部を更に有する、請求項１４に記載の超音波診断撮像システム。

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