JP3423937B2 - 映像フレーム間距離計算方法、３次元映像生成システム及びその方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の２次元映像
を有するオブジェクトを用いて該オブジェクトの３次元
映像を生成するシステム及び方法に関し、特に、隣接す
る２次元映像間の距離を高速に計算して３次元映像を生
成するシステム及びその方法に関する。

【０００２】超音波撮像システムは医療診断分野や非破
壊検査分野で広く用いられているもので、トランスジュ
ーサ列またはプローブを用いて超音波を目標物に向けて
発射し、それから反射される超音波を受け取って、受け
取った超音波を処理して目標物のイメージをディスプレ
イする。

【０００３】２次元超音波撮像システムは、単一走査平
面上で超音波を発射し受信することによって目標物の２
次元映像を生成する。この２次元映像は目標物に対する
一つの断面だけを表すので、該当目標物の全体構造を判
断することが困難である。

【０００４】このため、目標物に対してプローブを所定
の距離だけ隔たって移動させながら一連の２次元映像を
獲得することによって、該当目標物に対する３次元映像
を得る方法が提案されている。図１は、各々が目標物の
断面を表す一連の２次元映像を示す模式図である。図１
中の直交座標系１０１において、ｘ軸は走査深さを、ｙ
軸はｍ個のトランスジューサ１０８_１〜１０８_ｍの配列
方向を、ｚ軸はプローブ１０８または各トランスジュー
サ１０８_１〜１０８_ｍの列の移動方向を表す。プローブ
１０８はｘ−ｙ平面と平行な平面上で目標物に対して超
音波信号を発射してそれから反射された超音波信号を処
理することによって、該当目標物に対する２次元映像フ
レーム１１０_１を生成する。プローブ１０８をｚ軸に沿
って移動させながら前述した動作を繰り返すことによっ
て、目標物に対する一連の２次元映像フレーム１１０_１
〜１１０_３を生成することができる。こうして生成され
た一連の２次元映像フレーム１１０_１〜１１０_３を合成
し、該当目標物に対する３次元映像が生成される。

【０００５】このためには、隣接する２次元映像フレー
ム間の距離を正確に測定する必要がある。一対の隣接フ
レーム間の距離はプローブの対間移動速度と対間移動時
間周期との間の積として求められる。しかしながら、ユ
ーザーが手動でプローブ１０８を移動させる場合、プロ
ーブ１０８の移動速度を正速で維持することは困難であ
る。また、ユーザーがプローブ１０８の移動速度を知ら
なければ、２次元映像フレームが発生される時間を知っ
ても、隣接フレーム間の距離を正確に計算することはで
きない。

【０００６】このような欠点を克服するために、距離計
算の際、２次元映像フレーム上で現れるスペックル雑音
(speckle noise)を用いる方法がある。スペックル雑音
とは走査領域内で超音波信号の波長より小さなオブジェ
クトが信号を分散させるか反射信号と干渉する時、画面
上でムラ形態に現れる雑音をいう。２つの映像フレーム
が相隣するほど、両映像フレームのスペックルの特性は
類似するので、両映像フレーム間の距離を計算するのに
２つの異なる映像フレームのスペックル相関度(correla
tion of speckle)が用いられる。

【０００７】スペックル相関度において、スペックル雑
音の特性がよく知られている材料からなる実験模型を用
意し、プローブを所定の距離だけ隔たって所定の速度に
て移動させながら実験模型に対する一連の２次元映像フ
レームを生成する方法がある。隣接する２次元映像フレ
ーム間の距離は知っているため、一対の映像フレーム間
のスペックル相関度を計算することによって、フレーム
間の距離とスペックル相関度との関係を求め得る。

【０００８】図２は、フレーム間の距離に対するスペッ
クル相関度の関係を例示するグラフである。図２中で、
ｐはスペックル相関度であり、ｄは連続する２つの２次
元映像フレーム間の距離である。図２の関数を用いて、
実際の目標物に対する一連の２次元映像フレームが生成
される。その後、隣接する各対の２次元映像フレーム間
のスペックル相関度が求められ、そのように求められた
スペックル相関度/距離関数を用いて映像フレーム間の
距離が推定され、該推定距離に基づいて一連の２次元映
像フレームをコンパイルして目標物に対する３次元映像
を生成する。

【０００９】各２次元映像フレームは、例えば、スペッ
クル雑音を表示する領域のみならず、目標物の内部構造
または形状を表す領域とからなる。前述した技法によっ
て求められたスペックル相関度を用いて隣接する全対の
映像フレーム間の距離を推定するためには、先ずフレー
ムからスペックル領域を取出す必要がある。図３は、連
続する２つの２次元映像フレームを例示する模式図であ
る。図３中で、連続する２つの２次元映像フレーム、即
ち、ｉ番目の映像フレームと（ｉ＋１）番目の映像フレ
ームとはスペックル領域を識別するために複数のサブブ
ロックに分けられる。図３において、スペックル領域は
黒い四角形で示されている。上記の技法によれば、ｉ番
目の映像フレームと（ｉ＋１）番目の映像フレームとの
間のスペックル相関度はスペックル雑音を有するサブブ
ロックだけを用いて計算される。

【００１０】しかしながら、目標物が実験模型と相当に
異なる特性を有する場合、目標物に対する２つの２次元
映像フレーム間の計算距離にエラーがある恐れがある。
また、各２次元映像フレームからスペックル領域を取出
すことが困難であり、その時間も相当に要求されるとい
う不都合がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、診断目標物に対してプローブを所定方向に手動で移
動させて獲得した隣接する２次元映像フレーム間の距離
を簡単で且つ正確に推定できる方法を提供することにあ
る。

【００１２】本発明の他の目的は、診断目標物に対して
プローブを所定方向に移動させながら獲得した隣接する
２次元映像フレーム間の距離を高速にて推定することに
よって、該当目標物に対する３次元映像を生成するシス
テム及びその方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の一好適実施例によれば、超音波信号を送
受信するプローブを診断目標物に対して移動させながら
獲得した連続する２つの映像フレーム間の距離を計算す
る方法であって、第１主フレーム、前記第１主フレーム
と平行な第２主フレーム及び前記第１主フレームに対し
て所定の角度だけ傾いた補助フレームを生成する第1段
階と、前記第１主フレーム及び前記補助フレームを用い
て、前記第１主フレームと平行で、前記補助フレームと
交差する仮想フレームを生成する第２段階と、前記第１
主フレームと前記仮想フレームとの間の第1相関係数を
求める第３段階と、前記第１及び第２主フレーム間の第
２相関係数を求める第４段階と、前記第１主フレームと
前記仮想フレームとの間の第1距離を計算し、前記第1距
離及び前記第１及び第２相関係数を用いて、前記第１及
び第２主フレーム間の第２距離を計算する第５段階とを
含むことを特徴とする映像フレーム間距離計算方法が提
供される。

【００１４】本発明の他の好適実施例によれば、 診断
目標物に対する３次元映像を生成する方法であって、前
記目標物に対して超音波信号を送受信するプローブを移
動させ、各対が主フレームと前記主フレームに対して所
定の角度だけ傾いた補助フレームとよりなる複数の映像
フレーム対を生成する第1段階と、前記映像フレーム対
における前記主フレーム及び前記補助フレームを用い
て、前記各対において前記主フレームと平行な仮想フレ
ームを生成する第２段階と、前記主フレームと前記仮想
フレームとの間の第1相関係数を求める第３段階と、前
記主フレームと前記主フレームに隣接した後続主フレー
ムとの間の第２相関係数を求める第４段階と、前記主フ
レームと前記仮想フレームとの間の第２距離及び前記第
1及び第２相関係数を用いて、前記主フレームと前記後
続主フレームとの間の第1距離を求める第５段階と、前
記各映像フレーム対における残りの主フレームに対し
て、前記第1乃至第５段階を繰り返す第６段階と、前記
各映像フレーム対における全ての主フレームに対する前
記第1距離を前記目標物に対する前記３次元映像を生成
する第６段階とを含むことを特徴とする３次元映像生成
方法が提供される。

【００１５】本発明のもう他の好適実施例によれば、
診断目標物に対する３次元映像を生成する３次元映像生
成システムであって、前記目標物上に移動しながら超音
波信号を送受信して、各対が主フレームと前記主フレー
ムに対して所定の角度だけ傾いた補助フレームとよりな
る複数の映像フレーム対を生成するプローブと、前記映
像フレーム対における前記主フレーム間の距離を計算す
る手段と、前記距離を用いて生成された前記目標物に対
する前記３次元映像を表示する手段とを含み、前記距離
計算手段が前記主フレーム及び前記補助フレームを用い
て、前記主フレームと平行し前記補助フレームと交差す
る仮想フレームを生成する手段と、前記主フレームと前
記仮想フレームとの間の第1距離及び第1相関係数と、前
記主フレームとそれに隣接する主フレームとの間の第２
相関係数を計算する手段と、前記第1距離及び前記第1及
び第２相関係数を用いて、前記主フレームと前記隣接す
る主フレームとの間の第２距離を計算する手段とを備え
ることを特徴とする３次元映像生成システムが提供され
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適実施例につい
て、図面を参照しながらより詳しく説明する。

【００１７】図４は、１．５次元プローブを用いて診断
目標物に対する一対の映像フレームを生成する過程を説
明するための模式図である。本発明の実施例によれば、
１．５次元プローブ４１０は互いに対して所定の角度を
なす一対の映像フレームを生成するに用いられる。図４
に示すように、ｘ−ｙ−ｚ直交座標系４０１は図１の直
交座標系１０１と類似であり、ｘ軸は走査(診断)深さ
を、ｙ軸は各トランスジューサの配列方向を、ｚ軸は
１．５次元プローブ４１０の移動方向を示す。ここで、
１次元プローブは複数のトランスジューサを一列で配列
して形成され、１．５次元プローブは複数の１次元プロ
ーブからなることに注目されたい。横方向に配列された
１次元プローブは例えば、ｘ−ｙ平面のような走査平面
上で超音波信号を集束することができる。

【００１８】１．５次元プローブ４１０はｘ−ｙ平面の
みならず該平面に対して角度θだけ傾いた平面上でも超
音波信号を集束することができる。図４中の第１ビーム
形成部４２０はｘ−ｙ平面上で目標物に対する第１の２
次元映像フレームを生成し、第２ビーム形成部４３０は
第１の２次元映像フレームに対して角度θだけ傾いた該
当目標物に対する第２の２次元映像フレームを生成す
る。図４においては、これらの第１及び第２ビーム形成
部４２０及び４３０は別途に設けられているが、単一の
ビーム形成部を用いて任意の角度にて２つの映像フレー
ムを生成することができる。例えば、単一のビーム形成
部は第１の超音波信号送信で第１の２次元映像フレーム
を生成した後、第２の超音波信号送信で第２の２次元映
像フレームを生成することができる。

【００１９】図５及び図６は、図４中の第１及び第２ビ
ーム形成部４２０及び４３０による超音波信号の集束の
ために１．５次元プローブ４１０の各トランスジューサ
に与えられる時間遅延を説明する模式図である。図５に
示したように、時間遅延部５２０による遅延時間を調節
することによって、超音波信号をｘ−ｙ平面上で集束す
ることができる。同様に、図６において、時間遅延部５
２０の遅延時間を調節することによって、ｘ−ｙ平面に
対して角度θだけ傾いた平面上で超音波信号を集束する
ことができる。従って、１．５次元プローブを用いて一
つの２次元映像フレームとこの映像フレームに対して一
定の角度で傾いた他の２次元映像フレームとよりなる一
対の２次元映像フレームを生成することができる。即
ち、第１の２次元映像フレームは１．５Ｄプローブ４１
０によって生成され、第２の２次元映像フレームは第１
の２次元映像フレームに対して角度θだけ傾いた状態で
１．５Ｄプローブ４１０によって生成される。上記にお
いて、１．５次元プローブを用いたがこれに限定される
のではなく、互いに異なる走査角を有する２つの２次元
映像フレームが生成できる操向可能プローブのようなも
のを用いてもよい。

【００２０】図７は、本発明の実施例によって１．５次
元プローブをｚ軸方向に移動させながら獲得した多数対
の２次元映像フレームを例示する模式図である。図７に
おいて、ｉ番目の映像フレーム対ｆ（ｉ）は前述したよ
うな関係を有する２つの映像フレーム６１０及び６２０
からなる。 主フレーム６１０は目標物に対する３次元
映像を生成するに用いられ、補助フレーム６２０は隣接
する２つの主フレーム６１０及び６１０ｍ間の距離を推
定するに用いられる仮想フレーム６３０を生成するに用
いられる。図７に示したように、仮想フレーム６３０は
主フレーム６１０と平行し、補助フレーム６２０と所定
の角度θをおいて交差している。仮想フレーム６３０は
公知の内挿法及び/または外挿法によって主フレーム６
１０と補助フレーム６２０から生成され得る。詳記する
と、仮想フレーム６３０において、主フレーム６１０と
補助フレーム６２０との間にある部分は内挿法によって
生成され、その他の部分は外挿法によって生成される。
説明の便宜上、ｉ番目の主フレーム６１０とｉ番目の補
助フレーム６２０から生成された仮想フレームはｉ’番
目の仮想フレーム６３０によって表示される。

【００２１】ｉ番目の主フレーム６１０とｉ’番目の仮
想フレーム６３０との間の距離ｄ(ｉ，ｉ')は次の通り
与えられる。

【数１】 ここで、Ｌはｉ番目の補助フレームの走査深さである。

【００２２】上記式(１)は、ｉ’番目の仮想フレーム６
３０がｉ番目の補助フレーム６２０の中心と交差すると
いう仮定下で与えられる。

【００２３】上記式（１）によって求められた距離ｄ
（ｉ，ｉ'）は、ｉ番目の主フレーム６１０と（ｉ＋
１）番目の主フレーム６１０_１との間の距離ｄ（ｉ，ｉ
＋１）を計算するに用いられる(後述)。まず、隣接する
２つの映像フレーム間の距離及び相関関数は次の通り表
現され得る。

【数２】 ここで、ρ（ｉ，ｊ）はｉ番目の映像フレームとｊ番目
の映像フレームとの間の相関係数、α_ｉ，ｊは距離定
数、ｄ（ｉ，ｊ）はｉ番目の映像フレームとｊ番目の映
像フレームとの間の距離、α_ｉはｉ番目の映像フレーム
の標準偏差、Ｋ（ｉ，ｊ）はｉ番目の映像フレームとｊ
番目の映像フレームとの間の分散(covariance)である。

【００２４】上記式(２)から、ｉ番目の映像フレームと
（ｉ＋１）番目の映像フレームとの間の距離は次の通り
与えられる。

【数３】

【００２５】上記式(３)から距離ｄ（ｉ，ｉ＋１）を計
算するためには、相関係数ρ（ｉ，ｉ＋１）及び距離定
数α_{ｉ，ｉ＋１}を求めなければならない。相関係数ρ
（ｉ，ｉ＋１）はｉ番目の映像フレームと（ｉ＋１）番
目の映像フレームのデータから計算できる。本発明によ
れば、ｉ番目の映像フレームと（ｉ＋１）番目の映像フ
レームとの間の距離定数α_{ｉ，ｉ＋１}の代わりに、ｉ番
目の映像フレームとｉ'番目の映像フレームとの間の距
離定数α_ｉ，ｉ'を用いる。これは、ｉ番目の映像フレ
ームと（ｉ＋１）番目の映像フレームとの間の距離が統
計的特性が変わる程に遠く離れていない場合、距離定数
α_{ｉ，ｉ＋１}が距離定数α_ｉ，ｉ'に近似化出来ること
による。上記式(３)で距離定数α_ｉ，ｉ'は次の通り求
められる。

【数４】

【００２６】上記式(３)の距離定数α_{ｉ，ｉ＋１}の代り
に式(４)のα_ｉ，ｉ'を代入すれば、ｉ番目の映像フレ
ームと（ｉ＋１）番目の映像フレームとの間の距離ｄ
（ｉ，ｉ＋１）は次の通り近似化され得る。

【数５】

【００２７】距離ｄ（ｉ，ｉ'）は上記式(１)から計算
され、ｉ番目の主フレーム６１０とｉ'番目の仮想フレ
ーム６３０との間の相関係数ρ（ｉ，ｉ'）は各フレー
ムのデータから求められる。

【００２８】要するに、ｉ番目の主フレーム６１０とｉ
番目の補助フレーム６２０のデータからｉ'番目の仮想
フレーム６３０が生成され、このｉ'番目の仮想フレー
ム６３０を用いてｉ番目の主フレーム６１０と（ｉ＋
１）番目の主フレーム６１０_１との間の距離が上記式
(５)から計算される。このような過程を目標物に対する
他の隣接する主映像フレームに対して繰り返すことによ
って、全てのフレーム間の距離を計算することができ
る。

【００２９】図８は、本発明による３次元撮像方法を説
明するための流れ図である。ステップＳ７１０にて、
１．５次元プローブ４１０を所定の方法に移動させるこ
とによって、診断目標物に対する映像フレーム対が生成
される。各々の映像フレーム対は主フレームと該主フレ
ームに対して所定の角度をなす補助フレームとからな
る。ステップＳ７２０にて、各映像フレーム対に対し
て、主フレームと平行した仮想フレームが生成される。
この仮想フレームは公知の内挿法及び/または外挿法に
よって主フレームと補助フレームから得られる。ステッ
プＳ７３０にて、主フレームと仮想フレームとの間の距
離及び相関係数が計算され、上記式(５)を用いて全ての
映像フレーム対の主フレーム間の距離が計算される。ス
テップＳ７４０にて、ステップＳ７３０にて計算された
映像フレーム間の距離を用いて、複数の２次元映像フレ
ームから目標物に対する３次元映像が生成される。この
３次元映像は、例えば、レンダリング技法によってディ
スプレイされることができる。

【００３０】本発明の他の実施例によれば、隣接する主
フレーム間の距離は各映像フレームを複数のサブフレー
ムに分け、これらのサブフレームのうちで予め定められ
たサブフレームを用いて推定することができる。相関係
数がサブフレームを用いて求められると、フレーム間の
距離計算に必要な時間及び計算量を減らすことができ
る。フレーム間の距離計算に用いられるサブフレームは
多様な方法で選択されることができる。例えば、スペッ
クル雑音を表すサブフレームだけを選択してもよい。

【００３１】本発明のもう他の実施例によれば、特定の
フレームにおいてプローブの速度を推定し、隣接フレー
ムにおけるプローブ速度と比較する。特定のフレームに
おけるプローブ速度は、隣接フレームにおける推定距離
と隣接フレーム間のフレーム発生時間の差とから計算で
きる。その差が予め決められたしきい値以上であれば、
プローブの速度が急激に変化したことを意味する。即
ち、特定フレームに対する距離推定でエラーが発生する
可能性が高い。この場合、特定フレームは目標物に対す
る３次元映像の表示の際に除外されることができる。そ
の代わりに、特定フレームと隣接フレームとの間の距離
を平均的なフレーム間の距離として設定し、３次元映像
を表示することができる。

【００３２】上記において、本発明の好適な実施の形態
について説明したが、本発明の請求範囲を逸脱すること
なく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。

【００３３】

【発明の効果】従って、本発明によれば、診断目標物に
対してプローブを所定方向に手動で移動させて獲得した
隣接する２次元映像フレーム間の距離を簡単で且つ正確
に推定できる。また、各映像フレームを複数のサブフレ
ームに分け、これらのサブフレームのうちで予め定めら
れたサブフレームを用いて映像フレーム間の距離を推定
し、このサブフレームを用いて相関係数を求めることに
よって、フレーム間の距離計算に必要な時間及び計算量
をより一層減らすことができる。こうして、本発明は診
断目標物に対してプローブを所定方向に移動させながら
獲得した隣接する２次元映像フレーム間の距離を高速に
て推定することによって、該当目標物に対する３次元映
像を生成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】各々が目標物の断面を表す一連の２次元映像を
示す模式図である。

【図２】フレーム間の距離に対するスペックル相関度の
関係を例示するグラフである。

【図３】連続する２つの２次元映像フレームを例示する
模式図である。

【図４】１．５次元プローブを用いて診断目標物に対す
る一対の映像フレームを生成する過程を説明するための
模式図である。

【図５】図４中の第１及び第２ビーム形成部による超音
波信号の集束のために１．５次元プローブの各トランス
ジューサに与えられる時間遅延を説明する模式図であ
る。

【図６】同じく、図４中の第１及び第２ビーム形成部に
よる超音波信号の集束のために１．５次元プローブの各
トランスジューサに与えられる時間遅延を説明する模式
図である。

【図７】本発明の実施例によって１．５次元プローブを
ｚ軸方向に移動させながら獲得した複数の２次元映像フ
レーム対を例示する模式図である。

【図８】本発明による３次元撮像方法を説明するための
流れ図である。

【符号の説明】 ４１０ １．５次元プローブ ４２０ 第１ビーム形成部 ４３０ 第２ビーム形成部 ５２０ 時間遅延部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−313822（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−222744（ＪＰ，Ａ) 特表2001−504603（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 8/00 - 8/15

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 診断目標物に対する３次元映像を生成す
   る３次元映像生成システムであって、 前記目標物上を移動しながら超音波信号を送受信して、
   各対が主フレームと前記主フレームに対して所定の角度
   だけ傾いた補助フレームとよりなる複数の映像フレーム
   対を生成するプローブと、 前記映像フレーム対における前記主フレーム間の距離を
   計算する手段と、 前記距離を用いて生成された前記目標物に対する前記３
   次元映像を表示する手段とを含み、 前記距離計算手段が前記主フレーム及び前記補助フレー
   ムを用いて、前記主フレームと平行し前記補助フレーム
   と交差する仮想フレームを生成する手段と、 前記主フレームと前記仮想フレームとの間の第1距離及
   び第1相関係数と、前記主フレームとそれに隣接する主
   フレームとの間の第２相関係数を計算する手段と、 前記第1距離及び前記第1及び第２相関係数を用いて、前
   記主フレームと前記隣接する主フレームとの間の第２距
   離を計算する手段とを備えることを特徴とする３次元映
   像生成システム 。
2. 【請求項２】 前記プローブが、複数の１次元プローブ
   よりなる１．５次元プローブであり、前記１次元プロー
   ブが各トランスジューサを一列に配列して構成されるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の３次元映像生成システ
   ム。