JP3015727B2 - 超音波診断装置 - Google Patents
超音波診断装置Info
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Description
し、特に、物体を立体的に表現できる三次元画像を形成
する超音波診断装置に関する。
り物体(例えば、生体内臓器)の超音波画像を形成する
装置であり、生体診断、探傷検査、ソナーなどの分野で
活用されている。
を行って、三次元超音波画像(以下、三次元画像)を形
成する各種の手法が提案されている。この三次元画像に
よれば、物体を空間的に把握できる利点がある。しか
し、その三次元画像をリアルタイムで形成できる装置は
いまだ実用化されていない。また、診断の用途に適合し
た満足のいく空間的な表現を行える三次元画像も提供さ
れていない。この問題は、特に医療用の超音波診断装置
で指摘されているが、他の分野でも同様の問題があるも
のと思われる。
特願平7−180107号(未公開の特許出願)におい
て、新しい画像処理方法を提案している。この画像処理
方法は、公知のボリューム・レンダリング(Volume Ren
dering)法を改良・発展させたものであり、物体の三次
元計測に適合する新しい画像処理手法である。かかる画
像処理によれば、物体の三次元画像(立体的透視画像)
をリアルタイムで形成できる。
的に表現されている物体の内部構造を詳細に把握するこ
とはできない。そこで、物体の立体観察と共に断面観察
を行える装置が要望されている。
ものであり、その目的は、立体的透視画像と共に断層画
像を併せて表示できる超音波診断装置を提供することに
ある。
単に切断面の位置を指定でき、かつその切断面の位置を
画像表示可能な超音波診断装置を提供することにある。
るために、本発明は、三次元領域に対して超音波を送受
波し、三次元領域を構成する各ボクセルのエコーデータ
を取り込む送受波手段と、超音波ビームに沿って時系列
順で入力される各エコーデータに対してボクセル処理を
順次行うことにより、その超音波ビームに対応する画素
の画素値を求め、これにより立体的透視画像を形成する
立体的透視画像形成手段と、前記立体的透視画像に対し
切断面を設定する切断面設定手段と、前記切断面上のエ
コーデータに基づき、断層画像を形成する断層画像形成
手段と、前記立体的透視画像と前記断層画像とを表示す
る表示手段と、を含むことを特徴とする。
体的透視画像が表示手段に表示され、切断面位置設定手
段により、その表示された立体的透視画像に対して切断
面の位置が設定される。そして、断層画像形成手段によ
り、その切断面に相当する断層画像が形成され、その断
層画像が表示手段に表示される。よって、立体的透視画
像の観察により三次元領域内の物体を三次元的に把握で
き、また断層画像の観察によりその物体の所望位置の詳
細な内部構造などを把握できる。よって、物体の診断を
適確に行うことができる。なお、本発明は、医療上の超
音波診断装置に限られず、探傷検査装置、ソナー装置な
どに適用できる。
的透視画像形成手段は、エコーデータei に基づきボク
セルi の不透明度αi を演算する不透明度演算手段と、
エコーデータei に基づきボクセルi の透明度βi を演
算する透明度演算手段と、エコーデータei に不透明度
αi を乗算し、ボクセルi の発光量を演算する発光量演
算手段と、1つ前のボクセルi-1 の出力光量にボクセル
i の透明度βi を乗算し、ボクセルi の透過光量を演算
する透過光量演算手段と、前記発光量と前記透過光量と
を加算し、ボクセルi の出力光量を求める光量加算手段
と、を含み、終了ボクセルの出力光量を画素値に対応さ
せて画像を形成する。
ビームが三次元的に走査され、その三次元領域内の各位
置でエコー値(すなわちエコーデータ)が取り込まれ
る。ここで、その三次元領域は、多数の「ボクセル」の
集合体として仮定される。このモデルでは、各ボクセル
は標本点(サンプル・ボリューム)に相当し、各ボクセ
ルは「ボクセル値」としてエコー値を有する。また、各
ボクセルには、以下のように「不透明度」及び「透明
度」が定義される。
発明では超音波ビーム方向と一致)に沿って行われ、そ
のボクセル処理においては、まず、ボクセルi のエコー
データei に基づき不透明度αi と透明度βi が定義さ
れる。そして、エコーデータei に不透明度αi が乗算
されてボクセルiの発光量が演算され、また、1つ前の
ボクセルi-1 の出力光量にボクセルi の透明度βi が乗
算されてボクセルi の透過光量が演算される。
の周囲への超音波の拡散・散乱の度合いに関わるもの
で、発光量は、ボクセルi の音源(光源)としての強さ
を表すものと思われる。一方、透明度は、超音波の透過
率に関わるもので、透過光量は、ボクセルi を伝達媒体
として見た場合にその伝達率に相当するものと思われ
る。このような発光量と透過光量とが加算されてボクセ
ルi の出力光量が演算される。ここで、出力光量はボク
セルi の画素値への寄与度を表すものである。この出力
光量は、次のボクセルのボクセル処理(透過光量の演
算)に引き渡される。以上のボクセル処理が最終ボクセ
ルに到達すると、その最終ボクセルの出力光量が画素値
(輝度値、色相)に変換される。そして、各透視線の画
素値が求まれば、それらの画素値の集合として1枚の超
音波画像が形成される。
開始ボクセル(通常は、送受波器に最も近い最初のボク
セル)から所定の終了条件が満たされる終了ボクセルま
で順次行われる。ただし、ノイズの影響を避けるため
に、送受波器近傍のボクセルについては処理対象としな
いことも可能であり、この場合には所定の深度のボクセ
ルを開始ボクセルとし、そこからボクセル処理を行う。
ル処理が実行されるので、順次取り込まれるエコーデー
タを時系列の順番で逐次的にリアルタイム処理でき、ま
た、従来装置において必要であった三次元データメモリ
を不要にすることもできる。すなわち、本発明によれ
ば、取り込まれたエコーデータはその取り込み順序で処
理され、三次元データメモリにいったんすべてのエコー
データを格納させなくても、データ処理を行える。
像は、透視画像としての性格と立体画像としての性格と
を併せて有することが実験により確認されている。すな
わち、生体内の組織をレントゲン写真のように透かして
表現でき、また奥行き感をもって表現できる。もちろ
ん、不透明度及び透明度の定義を変化させることによっ
て、所望の超音波画像を構成でき、例えば透明感を強調
したり、または立体感を強調したりすることができる。
あるいは、組織表面を強調したり、または組織内部を強
調することができる。このような設定は、実験結果に基
づいて自動的に行うことができ、あるいは表示画像を確
認しながらオペレータがつまみをリアルタイムで操作す
ることにより実現することもできる。
ータei に基づきボクセルi の不透明度αi を演算する
不透明度演算手段と、前記エコーデータei 、前記不透
明度αi 、及び、1つ前のボクセルi-1 の出力光量に相
当する入力光量CINi に基づいて、ボクセルi の出力光
量COUTiを演算する出力光量演算手段と、を含み、終了
ボクセルの出力光量を画素値に対応させて前記立体的透
視画像を形成する。すなわち、透明度が不透明度によっ
て定義される場合において、透明度を計算上利用せずに
出力光量を演算するものである。望ましくは、出力光量
演算手段は、COU Ti=CINi +αi ・(ei −CINi )
の演算を行う。
的透視画像と前記断層画像は同一画面上に同時に表示さ
れる。また、本発明の好適な態様では、前記切断面の位
置を表すカーソル線を前記立体的透視画像上に表示する
カーソル線像形成手段を含む。さらに、本発明の好適な
態様では、前記カーソル線の方向は、前記送受波手段に
おける電子走査方向に一致する。
形成方法(立体的透視画像形成方法)は、公知のボリュ
ーム・レンダリング(Volume Rendering)法を基礎とし、
リアルタイム画像処理にその手法を発展させたものであ
る。その際には、本発明特有の条件が加味されている。
そこで、まず、その画像処理の原理について、図1〜図
3を用いて説明する。
音波ビームがX方向に走査されると、走査面10が形成
される。この走査面10をZ方向に移動させると、周知
のように三次元エコーデータ取込み空間12が形成され
る。この三次元エコーデータ取込み空間12に対して、
各超音波ビームに沿って本発明に係るボクセル処理を行
い、投影面16上に三次元エコーデータ取込み空間12
を投影したものが、図1(B)の超音波画像100であ
る。超音波画像100では、そのX方向の1ライン10
0aが1つの走査面10に相当する。換言すれば、超音
波ビーム(透視線)1本が超音波画像100内の1画素
に相当する。
概念が示されている。1つのボクセルは、受信信号をA
/D変換して得られた1つのエコーデータに相当し、換
言すれば、そのA/D変換レートの1周期に相当するボ
リューム(標本点)に相当するものである。すなわち、
超音波ビームは、多数のボクセルの集合体として構成さ
れる。図2には各ボクセルがi−1からLLASTまで示さ
れている。最初のボクセルから順次処理を行って得られ
た値が超音波画像を構成する1画素の輝度値P(x,
y)に対応する。
透明度β[=(1−α)]を定義することにする。不透
明度αは、図3に示すようにボクセルの周囲への自発的
な発光に相当するものである。透明度(1−α)は1つ
前のボクセルからの光に対する当該ボクセル中の透過度
合いに相当するものである。不透明度αは0≦α≦1の
範囲に設定され、本発明において、その不透明度はエコ
ーデータ(エコー値)の関数として定義される。具体的
には、例えば、
り、またk1は定数(係数)である。k2としては望ましく
は1よりも大きい数値が代入され、例えばk2=2又は3
である。すなわち、エコーデータの値eに対してαは非
線形に変化する。なお、定数k1は可変できるように構成
するのが望ましい。
は、入力光量CINi と出力光量COU Tiとが定義され、そ
の入力光量CINi は1つ前のボクセルi−1の出力光量
COU Ti-1に等しい。すなわち、
ボクセルにおいてはCIN 1 =0である。
度(1−α)に基づいて、発光量と透過光量が定義され
る。すなわち、ボクセルiの発光量は、不透明度とエコ
ーデータの積として定義され、αi ・ei である。ボク
セルiの透過光量は透明度と入力光量の積として定義さ
れ、(1−αi )・CINi である。
発光量と透過光量は以下のように加算され、当該ボクセ
ルの出力光量COUTiが決定される。
わち、前のボクセルでの計算結果が次のボクセルの計算
に利用される。
セルへ、そして、その次のボクセルへと順次行っていく
間において、各ボクセルの不透明度αi を加算し、その
加算値Σαi が1に到達した時点で、処理を終了させ
る。ただし、処理が最後又は設定された深さのボクセル
LLASTとなった場合にも処理を終了させる。すなわち、
処理の終了条件は、
が1に到達した時点で処理を停止させることを意味し、
もちろん、条件に応じて上記第4式の条件、特にαi の
最大加算値(終了判定値)を変更させてもよい。
ル(最終ボクセル)の出力光量COU T が、対応する画素
の輝度P(x,y)として利用される。そして、このよ
うな超音波ビームごとの画素値演算がすべての超音波ビ
ームについて行われると、超音波画像を構成するすべて
の画素の画素値を得られる。すなわち、超音波画像が形
成される。
(x,y)には、開始ボクセルから終了ボクセルまでの
すべてのエコーデータの値が反映されている。しかし、
それは従来のように単なる単純積算でなく、各ボクセル
での超音波の散乱と吸収の両方を反映したものとなって
いる。よって、あたかも光源から光が出て、各ボクセル
での散乱及び吸収を経て透過した光によって形成される
像のような奥行き感(立体感)と透明感がある超音波画
像を構成できる。
が(1−αi )で定義され、すなわち不透明度αi によ
って透明度を表すことができるので、演算式中から透明
度の概念を見掛け上消去することができる。よって、以
下のように第3式を式変形することにより、同じ原理に
基づいて、出力光量COUTiを演算できる。
2項をΔi で置き換えると、第5−2式が得られる。す
なわち、ボクセルiの出力光量COUTiは、入力光量C
INi に修正光量Δi を加算したものとして定義できる。
この5−2式においても、上記の式変形の過程を見れば
明らかなように、透明度(1−αi )の概念は内包され
ており、原理上異ならない。
実施形態につき図面を用いて説明する。
全体構成が示されており、図5はそのブロック図であ
る。
波探触子21は、超音波振動子22とそれを走査する走
査機構24とで構成される。超音波振動子22として
は、本実施形態ではリニアアレイ型の振動子が使用され
ているが、もちろんコンベックス型の振動子を使用して
もよい。超音波振動子は、電子的に走査(リニア走査、
セクタ走査)され、これによりX−Y面内に走査面10
が形成される。この走査面10を走査機構24により機
械的にZ方向へ走査することによって、図1に示したよ
うな三次元エコーデータ取込み空間12が形成される。
この実施形態では走査機構24によって自動的にZ方向
へ超音波振動子22が走査されているが、もちろん手動
により超音波振動子22を走査させてもよい。
御される送受信部30は超音波振動子22に対して送信
信号を供給すると共に、超音波振動子22から出力され
た受信信号を処理するものである。ここで、受信信号
は、図示されてはいないが、アンプによって増幅された
後、更にLOGアンプにおいて対数増幅され、そしてA
/D変換器にてデジタル信号に変換された後に、断層画
像形成部36及び立体的透視画像形成部38に送られ
る。
体的透視画像上においてカーソル線により指定された位
置の断層画像を形成するものであり、いわゆるBモード
画像形成部として機能する。
理に基づいて、立体的透視画像(ボル・モード(Vol-mo
de)画像)を形成するものであり、いわゆる三次元画像
形成部として機能する。断層画像形成部36から出力さ
れた画像情報及び立体的透視画像形成部38から出力さ
れた画像情報は、それぞれ表示制御部40に入力され
る。この表示制御部40は、表示画像形成機能及び画像
合成機能を有し、すなわち、立体的透視画像と断層画像
とを左右に並べた1枚の表示画像を作成すると共に、後
述するカーソル線像形成部43から出力されたカーソル
線の画像を立体的透視画像上に合成する。走査制御部4
4は、超音波の送波制御及び受波制御を行うものであ
り、その制御には電子走査制御及び機械走査制御が含ま
れる。
像上で切断面の位置を任意に指定するための装置であ
り、例えばトラックボールやキーボードなどで構成され
る。この入力装置48を利用して設定された切断面の位
置は、切断面位置設定部46により読み取られ、切断面
のZ方向のアドレスを示す位置情報が出力されている。
その位置情報はカーソル線像形成部43に送られ、切断
面の位置を示すカーソル線の画像が作成される。このカ
ーソル線像は、表示制御部40において、立体的透視画
像上に合成される。また、位置情報は断層画像形成部3
6にも送られており、断層画像形成部36は設定された
切断面の断層画像を形成する(図7参照)。
ル線の方向は図1に示したX方向(電子走査方向)と一
致し、また、切断面の位置を示す位置情報はZ方向のア
ドレスを示す情報である。ちなみに、切断面はX−Y平
面上に設定される。
アルタイムで形成される立体的透視画像を観察しなが
ら、その画像上で任意の切断面位置をカーソル線で指定
して、立体的透視画像と共に切断面の断層画像を同一画
面上に表示させることができる。そして、その状態で、
更に切断面の位置を変更させれば、それに対応して断層
画像がリアルタイムに切替わることになる。
させておき、その画像上で切断面の位置の指定が行われ
た場合に、図5に示すように、位置情報を走査制御部4
4に与え、指定された位置へ超音波振動子22を移動さ
せて、断層画像の取り込みを行わせることもできる。な
お、図5において、表示器42の前段にはD/A変換器
が設けられているが、図示省略されている。
成部38の具体的な構成例が示されている。
タei は、ラッチ回路50においていったんラッチされ
た後、そのエコーデータei が発光量演算部52,不透
明度演算部54及び透明度演算部56に入力される。こ
こで、発光量演算部52は、乗算器58で構成され、そ
の乗算器58は、ei ×αi の計算を行って発光量を求
める。不透明度演算部54は、この実施形態においてα
ROMで構成され、すなわちエコーデータei と不透明
度αとの関係を示すテーブルで構成されている。これと
同様に、透明度演算部56は、(1−α)ROMで構成
され、すなわちエコーデータei と透明度(1−α)と
の関係を示すテーブルで構成されている。
部54に入力されると、その出力から不透明度αi が出
力され、一方、そのエコーデータei が透明度演算部5
6に入力されると、その出力から透明度(1−αi )が
出力される。
部56,ラッチ回路50,ラッチ回路60及びラッチ回
路62には、ANDゲート64を介してサンプリングク
ロックが供給されている。このサンプリングクロック
は、A/D変換器に入力されるサンプリングクロックで
ある。すなわち、図6に示す各回路はA/D変換器の動
作に同期して動作する。
から出力された透明度(1−αi )に対してラッチ回路
62にてラッチされた1つ前のボクセルの出力光量C
OUTi-1を乗算するものであり、具体的には乗算器68で
構成される。すなわち、この透過光量演算部66から当
該ボクセルの入力光量に透明度を乗算した透過光量が出
力される。
いて、発光量と透過光量とを加算し、当該ボクセルの出
力光量COUTiを出力する。具体的には、この光量加算部
70は加算器72により構成されている。光量加算部7
0から出力された出力光量COUTiは、ゲート機能を有す
るラッチ回路74と上述したラッチ回路62に送られて
いる。すなわち、ラッチ回路62を介して次のボクセル
の演算のために当該ボクセルの出力光量が帰還されてい
る。終了判定部77は、超音波ビームに沿って行われる
上述のボクセル処理の終了判定を行うものであり、具体
的には加算器76,ラッチ回路60及びコンパレータ7
8で構成される。加算器76には、当該ボクセルの不透
明度αi が順次入力されており、一方、その加算器76
の出力はラッチ回路60を介して帰還されて加算器76
の他方の入力に入力されており、これによって加算器7
6の出力として不透明度を順次積算した積算値が出力さ
れることになる。コンパレータ78は、その積算値と所
定の係数Kとを比較し、両者が一致した時点で終了判定
パルスを出力する。具体的には、Kとして1が設定され
ており、終了判定部77は不透明度を積算しその積算値
が1に到達した時点で終了判定パルスを出力する。その
終了判定パルスは、ANDゲート64に入力されサンプ
リングクロックの通過を停止させ、またラッチ回路74
に送られて光量加算部70から出力された出力光量C
OUTiのラッチすなわち通過を許容させる。その出力光量
COUTiは当該超音波ビームに対応する画素の輝度値P
(x,y)となる。ここで、出力光量COUTiを色相に対
応させることもできる。
ていないが、設定された深さのボクセルまで処理が到達
した場合には、上述同様にエコーデータの処理を停止さ
せる。または、超音波ビームの最後のボクセルまで処理
が進行した場合にはその処理を停止させる。超音波ビー
ム上の開始ボクセルは、図6には示されていないが、開
始ボクセルの最初に存在するボクセルとして設定され、
あるいは自動的に又は人為的に設定された深さのボクセ
ルとして設定される。この場合、開始ボクセルの条件を
設定する開始ボクセル設定器を設けるのが望ましい。
によれば、各超音波ビームごとにその超音波ビームに沿
って開始ボクセルからボクセル処理が開始され、そのボ
クセル処理が各ボクセルについて行われ、その際、光量
加算部70の出力が次のボクセル処理で利用される。そ
して、最終ボクセルの出力光量が当該超音波ビームに対
応する画素の輝度値Pとして利用される。1つの超音波
ビームに対する処理が終了した後、次の超音波ビームに
ついて処理がなされ、最終的に超音波画像1枚分につい
てのエコーデータの処理が完了する。その後、図5の表
示制御部40からその超音波画像が読み出されて表示器
42に表示される。
述した第1式に示される関数に従って決定され、その第
1式におけるk1は不透明度調整部(図示せず)によって
調整可能である。すなわち、この不透明度調整部によっ
て、表現できる深さを調整でき、また透明感や立体感な
どを調整できる。
立体的透視画像と共に断層画像を併せて表示できる。そ
して、その際に、立体的透視画像上で簡単に切断面の位
置を指定でき、かつその切断面の位置をカーソル線像と
して画像表示可能である。
の関係を示す図である。
示す図である。
る。
すブロック図である。
構成例を示す図である。
画像形成部、38 立体的透視画像形成部、43 カー
ソル線像形成部、44 走査制御部、46 切断面位置
設定部、52 発光量演算部、54 不透明度演算部、
56 透明度演算部、66 透過光量演算部、70 光
量加算部、77 終了判定部。
Claims (6)
- 【請求項1】 三次元領域に対して超音波を送受波し、
三次元領域を構成する各ボクセルのエコーデータを取り
込む送受波手段と、 超音波ビームに沿って時系列順で入力される各エコーデ
ータに対してボクセル処理を順次行うことにより、その
超音波ビームに対応する画素の画素値を求め、これによ
り立体的透視画像を形成する立体的透視画像形成手段
と、 前記立体的透視画像に対し切断面を設定する切断面設定
手段と、 前記切断面上のエコーデータに基づき、断層画像を形成
する断層画像形成手段と、 前記立体的透視画像と前記断層画像とを表示する表示手
段と、 を含むことを特徴とする超音波診断装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の装置において、 前記立体的透視画像形成手段は、 エコーデータei に基づきボクセルi の不透明度αi を
演算する不透明度演算手段と、 エコーデータei に基づきボクセルi の透明度βi を演
算する透明度演算手段と、 エコーデータei に不透明度αi を乗算し、ボクセルi
の発光量を演算する発光量演算手段と、 1つ前のボクセルi-1 の出力光量にボクセルi の透明度
βi を乗算し、ボクセルi の透過光量を演算する透過光
量演算手段と、 前記発光量と前記透過光量とを加算し、ボクセルi の出
力光量を求める光量加算手段と、 を含み、 終了ボクセルの出力光量を画素値に対応させて前記立体
的透視画像を形成することを特徴とする超音波診断装
置。 - 【請求項3】 請求項1記載の装置において、 エコーデータei に基づきボクセルi の不透明度αi を
演算する不透明度演算手段と、 前記エコーデータei 、前記不透明度αi 、及び、1つ
前のボクセルi-1 の出力光量に相当する入力光量CINi
に基づいて、ボクセルi の出力光量COUTiを演算する出
力光量演算手段と、 を含み、 終了ボクセルの出力光量を画素値に対応させて前記立体
的透視画像を形成することを特徴とする超音波診断装
置。 - 【請求項4】 請求項1記載の装置において、 前記立体的透視画像と前記断層画像は同一画面上に同時
に表示されることを特徴とする超音波診断装置。 - 【請求項5】 請求項1記載の装置において、 前記切断面の位置を表すカーソル線を前記立体的透視画
像上に表示するカーソル線像形成手段を含むことを特徴
とする超音波診断装置。 - 【請求項6】 請求項5記載の装置において、 前記カーソル線の方向は、前記送受波手段における電子
走査方向に一致することを特徴とする超音波診断装置。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8125342A JP3015727B2 (ja) | 1996-05-21 | 1996-05-21 | 超音波診断装置 |
DE1997636311 DE69736311T2 (de) | 1996-05-21 | 1997-05-21 | Ultraschall-Bildverarbeitungssystem und Verfahren zum Erzeugen und Anzeigen der Ultraschall-Bilder des Systems |
EP97108227A EP0809119B1 (en) | 1996-05-21 | 1997-05-21 | Ultrasound image processing apparatus and method of forming and displaying ultra sound images by the apparatus |
US08/861,244 US5911691A (en) | 1996-05-21 | 1997-05-21 | Ultrasound image processing apparatus and method of forming and displaying ultrasound images by the apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
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JP8125342A JP3015727B2 (ja) | 1996-05-21 | 1996-05-21 | 超音波診断装置 |
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ID=14907752
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