JP2014217551A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】人間の視覚特性に応じた超音波画像に対する輝度調整を実現する。【解決手段】超音波画像内に参照領域Ｒが設定されると、参照領域Ｒ内において、注目部位Ｎの境界Ｄが抽出され、境界Ｄ内の注目部位Ｎと境界Ｄ外の周囲部位Ｂが識別される。境界Ｄが抽出されると、注目部位Ｎの面積Ｓが算出され、さらに、注目部位Ｎの平均輝度Ｌｎと周囲部位Ｂの平均輝度Ｌｂが算出される。そして、注目部位Ｎの面積Ｓに基づいて注目部位Ｎと周囲部分Ｂの輝度差が調整される。例えば、注目部位Ｎの面積Ｓが小さいほど注目部位Ｎと周囲部分Ｂの輝度差が大きくなるように調整されて、コントラスト強調が行われる。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、超音波画像の輝度調整に関する。

超音波診断装置において、超音波画像データから表示画像を形成する際に、超音波画像データに対して輝度調整を行うことが知られている。例えば特許文献１には、超音波画像データに対して、ゲイン（利得）やコントラスト（ダイナミックレンジ）を調整する技術が記載されている。ゲインやコントラスト等の輝度調整は、例えば、診断に適した表示画像となるように、必要に応じてユーザ操作を伴って行われる。また、例えば特許文献２には、マニュアル操作（ユーザ操作）等により最初に設定したダイナミックレンジが広すぎたり狭すぎたりした場合や、画像上の輝度分布が動的に変動する場合であっても、ダイナミックレンジを最適な設定に自動調整する技術が記載されている。

特開２００４−１３６１１０号公報 特開２００８−２６４５３０号公報

上述した背景技術に鑑み、本願の発明者は、超音波画像の輝度調整について研究開発を重ねてきた。そして、その研究開発の過程において、超音波画像の輝度と人間の視覚特性との間に注目すべき関係があることを見い出した。

本願に係る発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、人間の視覚特性に応じた超音波画像に対する輝度調整を実現することにある。

上記目的にかなう好適な超音波診断装置は、超音波を送受するプローブと、プローブを送信制御して受信信号を得る送受信部と、受信信号に基づいて超音波画像を形成する画像形成部と、超音波画像内における注目部分の面積に基づいて、当該注目部分とその周囲部分の輝度差を調整する表示処理部と、を有することを特徴とする。

上記超音波診断装置により、人間の視覚特性に応じた超音波画像に対する輝度調整が実現される。人間の視覚特性によれば、特に注目部分に関する視認性は、注目部分とその周囲部分の輝度差に依存する。例えば、注目部分とその周囲部分の輝度差が大きいほど、注目部分に関する視認性が向上する傾向にある。また、注目部分に関する視認性は、注目部分の面積にも依存する。例えば、注目部分の面積が小さいほど、注目部分に関する視認性が低下する傾向にある。そこで、上記超音波診断装置は、超音波画像内における注目部分の面積に基づいて、当該注目部分とその周囲部分の輝度差を調整する。

望ましい具体例において、前記表示処理部は、前記注目部分の面積が小さいほど、当該注目部分とその周囲部分の輝度差を大きくすることを特徴とする。これにより、例えば、注目部分の面積が比較的小さい場合においても、注目部分とその周囲部分の輝度差を比較的大きくすることにより、注目部分の面積が小さいことに伴う視認性の低下が抑えられ、望ましくは、視認性が向上する。

望ましい具体例において、前記表示処理部は、超音波画像内において注目部分の境界を抽出して当該注目部分の面積を得る注目部分抽出機能と、前記境界内の注目部分の輝度と前記境界外の周囲部分の輝度に基づいて、注目部分と周囲部分の輝度差を反映したコントラストの算出値を得るコントラスト算出機能と、前記注目部分の面積に基づいてコントラストの閾値を設定する閾値設定機能と、前記算出値が前記閾値を超えるように前記超音波画像を構成する複数画素の輝度を調整して前記コントラストを強調するコントラスト強調機能と、を有することを特徴とする。

望ましい具体例において、前記表示処理部は、前記コントラストの強調に先立って、前記超音波画像を構成する複数画素の平均輝度が基準値以下となるように当該複数画素の輝度を調整する輝度調整機能をさらに有することを特徴とする。

本発明により、人間の視覚特性に応じた超音波画像に対する輝度調整が実現される。例えば、本発明の好適な態様によれば、超音波画像内における注目部分の面積に基づいて、当該注目部分とその周囲部分の輝度差が調整される。これにより、例えば、注目部分の面積が比較的小さい場合においても、注目部分とその周囲部分の輝度差を比較的大きくすることにより、注目部分の面積が小さいことに伴う視認性の低下が抑えられ、望ましくは、視認性が向上する。

本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。 注目部位Ｎの抽出を説明するための図である。 注目部位Ｎの面積Ｓとコントラスト閾値Ｃｔｈの関係を示す図である。 コントラスト強調を説明するための図である。 平均輝度調整を説明するための図である。 表示処理部３０における処理を纏めたフローチャートである。

図１は、本発明の実施において好適な超音波診断装置（本超音波診断装置）の全体構成を示す機能ブロック図である。プローブ１０は、超音波を送受する複数の振動素子を備えている。図１の超音波診断装置においては、例えば、コンベックス走査型やセクタ走査型やリニア走査型、二次元画像（断層画像）用や三次元画像用等の各種のプローブ１０を診断用途に応じて利用することができる。

送受信部１２は、プローブ１０が備える複数の振動素子を送信制御して送信ビームを形成し、診断の対象となる組織等を含む診断領域内で送信ビームを走査する。つまり、送受信部１２は、送信ビームフォーマの機能を備えている。

また、送受信部１２は、複数の振動素子から得られる複数の受信信号を整相加算処理するなどして受信ビームを形成し、受信ビームに沿って診断領域内から受信信号（エコー信号）を収集する。つまり、送受信部１２は、受信ビームフォーマの機能も備えている。送受信部１２において得られた受信信号は、画像形成部２０に出力される。

画像形成部２０は、受信信号に基づいて、診断領域の超音波画像に関する画像データ（超音波画像データ）を形成する。画像形成部２０は、例えば、診断の対象となる組織等の断層画像データ（Ｂモード画像データ）を形成する。なお、診断の用途などに応じて、画像形成部２０が三次元画像やドプラ画像等の超音波画像データを形成してもよい。画像形成部２０において形成される超音波画像データは、複数画素の画素値で構成されている。

表示処理部３０は、超音波画像（データ）に対して各種の表示処理を施す。表示処理部３０は、注目部位抽出、コントラスト算出、コントラスト閾値設定、コントラスト強調、平均輝度調整の各機能を備えている。また、表示処理部３０は、超音波画像を、超音波ビーム用の走査座標系から表示用の表示座標系へ変換するデジタルスキャンコンバータ機能や、超音波画像に文字や図形などのグラフィックデータを重畳するグラフィック機能などを備えている。表示処理部３０において処理された超音波画像は、ディスプレイ４０に表示される。

制御部５０は、本超音波診断装置内を集中的に制御する。操作デバイス５２は、ユーザから操作を受け付けるデバイスであり、例えば、マウス、トラックボール、キーボード、タッチパネル、その他のスイッチ類などで構成される。操作デバイス５２がユーザから受け付けた指示は、制御部５０へ送られて本超音波診断装置内の制御に反映される。

なお、送受信部１２と画像形成部２０と表示処理部３０は、それぞれ、例えばプロセッサや電子回路等のハードウェアを利用して実現することができ、また、制御部５０は、例えば、演算機能を備えたハードウェアとその動作を規定するソフトウェア（プログラム）によって構成される。

本超音波診断装置の概要は以上のとおりである。そこで、図１に示した符号を参照しつつ、本超音波診断装置の表示処理部３０における各機能について以下に詳述する。

図２は、注目部位Ｎの抽出を説明するための図である。図２には、超音波画像の具体例が図示されている。注目部位Ｎは、本超音波診断装置を利用した診断において、例えば医師等のユーザが注目する組織や腫瘍等であり、超音波画像内において特に明瞭に映し出されることが望ましい。表示処理部３０は、注目部位Ｎの視認性を高める表示処理を行うにあたり、超音波画像内において注目部位Ｎを含むように参照領域Ｒを設定する。例えば、ユーザが操作デバイス５２を利用して、超音波画像内において注目部位Ｎの位置と大きさを指定し、指定された注目部位Ｐの位置と大きさに基づいて、表示画像処理部３０が注目部位Ｎを取り囲むように参照領域Ｒを設定する。もちろん、ユーザが参照領域Ｒの位置や大きさを設定してもよい。

参照領域Ｒが設定されると、表示処理部３０は、参照領域Ｒ内において、例えば二値化処理等の画像処理を利用して、注目部位Ｎの境界Ｄを抽出する。これにより、参照領域Ｒ内において、境界Ｄ内の注目部位Ｎと境界Ｄ外の周囲部位Ｂが識別される。

境界Ｄが抽出されると、表示処理部３０は、注目部位Ｎの面積Ｓを算出する。注目部位Ｎの面積Ｓは、例えば、ディスプレイ４０の１画素あたりの表示面積と注目部位Ｎを構成する画素数との乗算により得られる。

また、表示処理部３０は、注目部位Ｎの平均輝度Ｌｎと周囲部位Ｂの平均輝度Ｌｂを算出する。表示処理部３０は、画素値から輝度値を得る変換関数または変換テーブルを利用して、各画素の画素値からその画素の輝度値を得る。そして、表示処理部３０は、注目部位Ｎを構成する全画素の輝度値に関する平均値を算出して平均輝度Ｌｎとし、周囲部位Ｂを構成する全画素の輝度値に関する平均値を算出して平均輝度Ｌｂとする。

平均輝度Ｌｎと平均輝度Ｌｂが算出されると、表示処理部３０は、平均輝度Ｌｎと平均輝度Ｌｂに基づいて、注目部位Ｎと周囲部位Ｂの輝度差を反映したコントラストの算出値を得る。本超音波診断装置においては、例えば、次式に示すマイケルソン・コントラストの算出式が利用される。なお、次式のＬｍａｘとＬｍｉｎは、それぞれ、コントラストの算出対象となる画像内における最高輝度Ｌｍａｘと最低輝度Ｌｍｉｎである。

［数１］Ｃ＝（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）／（Ｌｍａｘ＋Ｌｍｉｎ）（０≦Ｃ≦１）

表示処理部３０は、数１式のマイケルソン・コントラストの算出式に基づいた次式により、注目部位Ｎの平均輝度Ｌｎと周囲部位Ｂの平均輝度Ｌｂから、注目部位Ｎと周囲部位Ｂの輝度差を反映したコントラストの算出値を得る。

［数２］Ｃｎ＝（Ｌｎ−Ｌｂ）／（Ｌｎ＋Ｌｂ）

さらに、表示処理部３０は、超音波画像内における注目部位Ｎの面積Ｓに基づいて、コントラスト閾値Ｃｔｈを設定する。

図３は、注目部位Ｎの面積Ｓとコントラスト閾値Ｃｔｈの関係を示す図である。図３には、横軸を注目部位Ｎの面積Ｓとして、面積Ｓに応じたコントラスト閾値Ｃｔｈを縦軸とした特性曲線が図示されている。図３に示すコントラスト閾値Ｃｔｈの特性曲線は、最大値と曲線の急峻さを調整する係数をＥ，Ｆとし、収束値を調整する係数をＧとすると、面積Ｓに基づいて、例えば次式によって定義される。なお、係数Ｅ，Ｆ，Ｇは、本超音波診断装置にデフォルト設定された推奨値でもよいし、操作デバイス５２を利用してユーザが設定できるようにしてもよい。

［数３］Ｃｔｈ＝Ｅ／Ｓ^Ｆ＋Ｇ

コントラストの算出値Ｃｎ（数２式）とコントラスト閾値Ｃｔｈ（数３式）が算出されると、表示処理部３０は、コントラストの算出値Ｃｎがコントラスト閾値Ｃｔｈを超えるように、コントラスト強調を行う。

図４は、コントラスト強調を説明するための図である。図４（Ｂ）は、コントラスト強調前の超音波画像と変換関数を示している。図２を利用して説明したように、超音波画像内において、参照領域Ｒが設定されて注目部位Ｎの境界Ｄが抽出されている。変換関数は超音波画像を構成する各画素の画素値からその画素の輝度値を得る関数であり、図４（Ｂ）は、コントラスト強調前の変換関数を示している。表示処理部３０は、変換関数を利用して画素値から輝度値を得る。なお、表示処理部３０は、変換関数に従って画素値から輝度値を得る変換テーブルをメモリ等に記憶しておき、その変換テーブルを利用して画素値から輝度値を得るようにしてもよい。

表示処理部３０は、変換関数（変換テーブル）を修正してコントラスト強調を行う。図４（Ａ１）〜（Ａ３）は、コントラスト強調後の超音波画像と変換関数を示している。表示処理部３０は、コントラストの算出値Ｃｎ（数２式）がコントラスト閾値Ｃｔｈ（数３式）を超えるように、変換関数（変換テーブル）を修正して、注目部位Ｎの平均輝度Ｌｎと周囲部位Ｂの平均輝度Ｌｂの少なくとも一方を調整し、コントラストを強調する。

図４（Ａ１）は、周囲部位Ｂの平均輝度Ｌｂを保持して、注目部位Ｎの平均輝度Ｌｎを平均輝度Ｌｎ´に変更した、コントラスト強調後の変換関数と超音波画像を示している。表示処理部３０は、例えば次式を満たす平均輝度Ｌｎ´となるように、変換関数を修正する。

［数４］Ｌｎ´＝Ｌｂ・（１＋Ｃｔｈ）／（１−Ｃｔｈ）

表示処理部３０は、例えば図４（Ａ１）に示すように、輝度値の最小値（例えば０）から輝度値Ｌｂまでの変換関数を維持し、輝度値Ｌｂから輝度値Ｌｎ´までの変換関数の傾きと、輝度値Ｌｎ´から輝度値の最大値までの変換関数の傾きを変更する。もちろん、曲線状に変化する変換関数により、平均輝度Ｌｂを保持して平均輝度Ｌｎが平均輝度Ｌｎ´に変更されてもよい。

注目部位Ｎの平均輝度Ｌｎが平均輝度Ｌｎ´となるように変換関数が修正されることにより、例えば図４（Ａ１）に示すように、超音波画像内において注目部位Ｎの輝度が高くなり、注目部位Ｎの視認性が向上する。

図４（Ａ２）は、注目部位Ｎの平均輝度Ｌｎを保持して、周囲部位Ｂの平均輝度Ｌｂを平均輝度Ｌｂ´に変更した、コントラスト強調後の変換関数と超音波画像を示している。表示処理部３０は、例えば次式を満たす平均輝度Ｌｂ´となるように、変換関数を修正する。

［数５］Ｌｂ´＝Ｌｎ・（１−Ｃｔｈ）／（１＋Ｃｔｈ）

表示処理部３０は、例えば図４（Ａ２）に示すように、輝度値の最小値（例えば０）から輝度値Ｌｂ´までの変換関数の傾きと、輝度値Ｌｂ´から輝度値Ｌｎまでの変換関数の傾きを変更し、輝度値Ｌｎから輝度値の最大値までの変換関数の傾きを維持する。もちろん、曲線状に変化する変換関数により、平均輝度Ｌｎを保持して平均輝度Ｌｂが平均輝度Ｌｂ´に変更されてもよい。

周囲部位Ｂの平均輝度Ｌｂが平均輝度Ｌｂ´となるように変換関数が修正されることにより、例えば図４（Ａ２）に示すように、超音波画像内において周囲部位Ｂの輝度が低くなり、注目部位Ｎの視認性が向上する。

図４（Ａ３）は、注目部位Ｎの平均輝度Ｌｎを平均輝度Ｌｎ´に変更し、さらに、周囲部位Ｂの平均輝度Ｌｂを平均輝度Ｌｂ´に変更した、コントラスト強調後の変換関数と超音波画像を示している。表示処理部３０は、例えば、数４式を満たす平均輝度Ｌｎ´となり数５式を満たす平均輝度Ｌｂ´となるように、変換関数を修正する。

表示処理部３０は、例えば図４（Ａ３）に示すように、輝度値の最小値（例えば０）から輝度値Ｌｂ´までの変換関数の傾きと、輝度値Ｌｂ´から輝度値Ｌｎ´までの変換関数の傾きと、輝度値Ｌｎ´から輝度値の最大値までの変換関数の傾きを変更する。なお、曲線状に変化する変換関数により、平均輝度Ｌｎが平均輝度Ｌｎ´となり平均輝度Ｌｂが平均輝度Ｌｂ´となるように変更されてもよい。

注目部位Ｎの平均輝度Ｌｎが平均輝度Ｌｎ´となるように、且つ、周囲部位Ｂの平均輝度Ｌｂが平均輝度Ｌｂ´となるように変換関数が修正されることにより、例えば図４（Ａ３）に示すように、超音波画像内において、注目部位Ｎの輝度が高くなり、さらに、周囲部位Ｂの輝度が低くなり、注目部位Ｎの視認性が格段に向上する。

表示処理部３０は、例えば図４を利用して説明した処理により、注目部位Ｎの平均輝度Ｌｎと周囲部位Ｂの平均輝度Ｌｂの少なくとも一方を調整してコントラストを強調する。

一般的に、コントラストは、低い輝度同士で強調するよりも、高い輝度同士で強調する方が、大きな輝度差を必要とする。例えば数２式に示すコントラストの算出式において、分母の輝度値が大きいほど、コントラストの算出値Ｃｎが小さくなる傾向にある。そこで表示処理部３０は、コントラストの強調に先立って、超音波画像を構成する複数画素の平均輝度が基準値以下となるように、複数画素の輝度を調整する。

図５は、平均輝度調整を説明するための図である。図５（Ｂ）は、平均輝度調整前の超音波画像と変換関数を示している。表示処理部３０は、コントラスト強調を行う前の超音波画像について、参照領域Ｒの平均輝度、つまり注目部位Ｎと周囲部位Ｂの両方を含む参照領域Ｒ内の平均輝度Ｌａｖを算出する。

平均輝度Ｌａｖが算出されると、表示処理部３０は、算出した平均輝度Ｌａｖと輝度閾値Ｌｔｈを比較する。輝度閾値Ｌｔｈは、平均輝度調整の有無を判断するための基準値であり、例えば、本超音波診断装置にデフォルト設定された推奨値でもよいし、操作デバイス５２を利用してユーザが設定できるようにしてもよい。

そして、表示処理部３０は、輝度閾値Ｌｔｈよりも平均輝度Ｌａｖが高い（大きい）場合に、超音波画像の全域において各画素の輝度値を（Ｌａｖ−Ｌｔｈ）だけ減算する平均輝度調整を行う。

図５（Ａ）は、平均輝度調整後の超音波画像と変換関数を示している。各画素の輝度値が（Ｌａｖ−Ｌｔｈ）だけ減算されたため、図５（Ｂ）の変換関数に比べて、図５（Ａ）の変換関数は全体的に（Ｌａｖ−Ｌｔｈ）だけ輝度値が小さくなる方に平行移動され、平均輝度Ｌａｖが輝度閾値Ｌｔｈとなっている。また、図５（Ｂ）の変換関数において最大値で飽和していた輝度値の部分が、図５（Ａ）の変換関数においてその飽和が解消されている。

そして、図５（Ｂ）に比べて、平均輝度調整後の図５（Ａ）の超音波画像においては、注目部位Ｎの平均輝度Ｌｎと周囲部位Ｂの平均輝度Ｌｂも低く（小さく）なり、コントラスト強調において有利な状態となっている。

図５を利用して説明した平均輝度調整は、コントラスト強調において必須の処理ではないものの、コントラスト強調を容易にするために、コントラスト強調に先立って実施されることが望ましい。

図６は、表示処理部３０における処理を纏めたフローチャートである。まず、表示処理部３０は、画像形成部２０から取得した超音波画像内において参照領域Ｒを設定する（Ｓ６０１，図２参照）。そして、表示処理部３０は、参照領域Ｒ内において注目部位Ｎの境界Ｄを抽出して注目部位Ｎの面積Ｓを算出する（Ｓ６０２，図２参照）。

次に、表示処理部３０は、参照領域Ｒの平均輝度Ｌａｖを算出し（Ｓ６０３，図５参照）、輝度閾値Ｌｔｈと平均輝度Ｌａｖを比較する（Ｓ６０４）。表示処理部３０は、輝度閾値Ｌｔｈよりも平均輝度Ｌａｖが小さくなければ、超音波画像の全域において各画素の輝度値を（Ｌａｖ−Ｌｔｈ）だけ減算する平均輝度調整を行う（Ｓ６０５，図５参照）。輝度閾値Ｌｔｈよりも平均輝度Ｌａｖが小さければ、平均輝度調整は行われない。

次に、表示処理部３０は、注目部位Ｎの平均輝度Ｌｎと周囲部位Ｂの平均輝度Ｌｂを算出し（Ｓ６０６，図２参照）、平均輝度Ｌｎと平均輝度Ｌｂに基づいてコントラストの算出値Ｃｎを算出する（Ｓ６０７，数２）。また、表示処理部３０は、注目部位Ｎの面積Ｓに基づいてコントラスト閾値Ｃｔｈを算出する（Ｓ６０８，数３）。

そして、表示処理部３０は、コントラスト閾値Ｃｔｈとコントラストの算出値Ｃｎを比較し（Ｓ６０９）、コントラストの算出値Ｃｎがコントラスト閾値Ｃｔｈよりも小さければ、変換関数（または変換テーブル）を修正してコントラスト強調を行う（Ｓ６１１，図４参照）。コントラストの算出値Ｃｎがコントラスト閾値Ｃｔｈ以上であれば、コントラスト強調を行わずに、画素値から輝度値への変換が終了する。

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。

１０ プローブ、１２ 送受信部、２０ 画像形成部、３０ 表示処理部、４０ ディスプレイ、５０ 制御部、５２ 操作デバイス。

Claims (4)

1. 超音波を送受するプローブと、
   プローブを送信制御して受信信号を得る送受信部と、
   受信信号に基づいて超音波画像を形成する画像形成部と、
   超音波画像内における注目部分の面積に基づいて、当該注目部分とその周囲部分の輝度差を調整する表示処理部と、
   を有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記表示処理部は、前記注目部分の面積が小さいほど、当該注目部分とその周囲部分の輝度差を大きくする、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項１または２に記載の超音波診断装置において、
   前記表示処理部は、
   超音波画像内において注目部分の境界を抽出して当該注目部分の面積を得る注目部分抽出機能と、
   前記境界内の注目部分の輝度と前記境界外の周囲部分の輝度に基づいて、注目部分と周囲部分の輝度差を反映したコントラストの算出値を得るコントラスト算出機能と、
   前記注目部分の面積に基づいてコントラストの閾値を設定する閾値設定機能と、
   前記算出値が前記閾値を超えるように前記超音波画像を構成する複数画素の輝度を調整して前記コントラストを強調するコントラスト強調機能と、
   を有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項３に記載の超音波診断装置において、
   前記表示処理部は、前記コントラストの強調に先立って、前記超音波画像を構成する複数画素の平均輝度が基準値以下となるように当該複数画素の輝度を調整する輝度調整機能をさらに有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。

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