JP3927859B2

JP3927859B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP3927859B2
Application number: JP2002141188A
Authority: JP
Inventors: 睦弘赤羽; 博之梅崎; 一郎重森
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: JP2003325512A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波診断装置に関し、特にレンダリング演算によって三次元画像を形成する超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
例えば、特開平１０−３３５３８号公報には、超音波三次元画像を形成する装置が開示されている。その三次元画像の形成原理について以下に説明する。生体内に設定される三次元空間に対して、視線方向に沿って複数のレイ（光線）が設定される。各レイごとに、順番にエコーデータが参照され、各エコーデータごとにボリュームレンダリング法に基づくレンダリング演算（ボクセル演算）が逐次的に実行される。所定の終了条件を満たした時点で、そのレンダリング演算は終了し、その時点での演算値が当該レイに対応する画素値として決定される。各レイごとに画素値を決定すれば、その集合として三次元空間を投影した三次元画像を構築できる。
【０００３】
レンダリング演算は、以下のように実行される。ここで、ｉ番目のエコーデータのエコー値（ボクセル値）をｅ_iとし、その際のオパシティ（不透明度）をα_i（但し、０≦α_i≦１．０）とし、Ｃ_OUTiをｉ番目のエコー値についての演算結果（出力光量に相当）とし、Ｃ_INiをｉ番目のエコー値についての入力値（これはｉ−１番目の演算結果と同じで、入力光量）とする。
【０００４】
Ｃ_OUTi＝Ｃ_INi（１−α_i）＋ｅ_iα_i ・・・（１）
ここで、（１−α_i）は透明度と称され、それはオパシティ（不透明度）から演算される。
【０００５】
レイ上に沿って逐次的に上記演算を行っていく場合において、それと並行して各オパシティを積算し、その値が１以上になった場合には、当該レイについての演算は終了する。また、最終のエコーデータについての演算が終了した場合にも当該レイについての演算は終了する。その終了時点の出力光量が画素値に相当する。なお、オパシティはエコーデータの関数として定義され、その関数形式は一般に指数関数である。この関数は、オパシティ関数と呼ばれる。
【０００６】
上記従来装置では、このような処理により、視線方向から見た立体的な投影画像を形成し表示することができた。
【０００７】
このような投影画像は、被検体内部に存在する組織の形状（主として表面形状）を空間的に把握する点では非常に有益なものであった。
【０００８】
しかしながら、組織の状態をよりよく把握するには、表面形状のみならず、組織内部の状態が分かることが重要であるが、上記従来装置はこの点で十分なものではなかった。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、組織の空間的把握及び組織内部状態の多面的な観察を可能とする超音波診断装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の基礎となる構成では、三次元領域に対して超音波を送受波することにより、その三次元領域内の各点のエコー情報を取り込む送受波手段と、前記三次元領域内の各点のエコー情報に基づき、視線方向に沿ってボリュームレンダリング演算を実行することにより、三次元画像を形成するボリュームレンダリング手段と、前記三次元領域内の各点のエコー情報に基づき、前記三次元領域の３つの直交断面の各々の超音波断層像を形成する直交プレーン断層像形成手段と、前記三次元画像と、前記各直交断面の超音波断層像とを同時表示する表示手段とを備える。
【００１１】
この構成によれば、視線方向に対応する三次元画像と３つの直交断面の超音波断層像とが同時に表示される。したがって、三次元画像により組織の形状の空間的把握ができると共に、３つの直交断面の超音波断層像により、組織内部の注目部位の状態を３方向から把握でき、組織の多面的な観察ができる。
【００１２】
そして本発明では、前記ボリュームレンダリング手段は、前記３つの直交断面の各々の法線方向に対応した６方向の中から選択された視線方向についてボリュームレンダリング演算を実行する。
【００１３】
この態様では、ボリュームレンダリング演算の視線方向をそれら６方向から選択する構成とするので、各直交断面の超音波断層像との関係で三次元画像の視線方向を把握しやすく、実用上からみて分かりやすい表示を実現することができる。
【００１４】
更に好適な態様では、前記表示手段は、前記三次元画像と、その三次元画像の視線方向に対応する法線方向を持つ前記直交断面の超音波断層像とに、互いに対応する表示形態の識別マークを表示する。
【００１５】
この態様では、識別マークにより、三次元画像がどの直交断面に対応する視線方向のものかが容易に把握できる。識別マークとしては、例えば、３つの直交断面の超音波断層像及び三次元画像の各々の表示領域の外枠を用いることができ、一つの好適な態様として、３つの直交断面の超音波断層像の各々の表示領域の外枠表示をそれぞれ異なる表示形態で表示するとともに、三次元画像の表示領域の外枠表示を、その三次元画像の視線方向に対応する法線方向を持つ前記直交断面の表示領域の外枠表示に対応した表示形態で表示する方式が考えられる。
【００１６】
本発明の好適な態様は、前記３つの直交断面の超音波断層像の中の少なくとも１つに対し、ボリュームレンダリング演算における視線方向を示す視線方向表示を行う手段を備える。
【００１７】
この態様では、視線方向表示を行うことで、三次元画像の視線方向を把握しやすくすることができる。
【００１８】
また本発明の好適な態様は、前記３つの直交断面の超音波断層像の少なくとも１つに、前記送受波手段の基点位置を示す基点表示を行う手段を備える。
【００１９】
この態様では、超音波断層像に基点表示を行うことで、送受波手段に対するその超音波断層像の位置関係を把握しやすくすることができる。
【００２０】
また本発明の好適な態様では、前記３つの直交断面の超音波断層像の中の少なくとも１つに、当該超音波断層像に対応する直交断面以外の直交断面の位置を示すカーソル表示を行うカーソル表示手段を備える。
【００２１】
また本発明の好適な態様では、前記三次元画像に対し、前記３つの直交断面の中の少なくとも１つの位置を示すカーソル表示を行うカーソル表示手段を備える。
【００２２】
これらの態様では、カーソル表示により三次元領域における各直交断面の位置を把握しやすくすることができる。
【００２３】
更に好適な態様では、前記表示手段は、前記各直交断面の超音波断層像に対して表示形態が互いに異なる識別マークをそれぞれ表示し、前記カーソル表示手段は、前記直交断面の位置を示すカーソル表示を、同じ直交断面の超音波断層像に表示された識別マークに対応する表示形態で表示する。
【００２４】
この態様によれば、各超音波断層像の識別マークと各直交断面のカーソル表示との表示形態の対応により、各カーソル表示がどの直交断面に対応しているかを把握しやすくすることができる。
【００２５】
本発明の好適な態様では、前記表示手段は、前記各直交断面同士の位置関係を疑似立体的に示す断面位置ガイド表示を行う手段を備える。
【００２６】
この態様によれば、立体的な断面位置ガイド表示を行うことで、直交断面同士の位置関係を空間的に把握しやすくすることができる。なお立体的な断面位置ガイド表示としては、例えば三次元領域を表す直方体のワイヤーフレームを表示し、そのワイヤーフレームの各直交面の辺を、当該直交面と同じ向きの直交断面の断層像の外枠に対応する表示形態で表示したものなどが考えられる。
【００２７】
また、本発明に係る超音波診断装置は、三次元領域に対して超音波を送受波することにより、その三次元領域内の各点のエコー情報を取り込む送受波手段と、前記三次元領域内の各点のエコー情報に基づき、前記三次元領域の３つの直交断面の各々の超音波断層像を形成する直交プレーン断層像形成手段と、前記各直交断面の超音波断層像を同時表示すると共に、それら３つの直交断面の超音波断層像の少なくとも１つに、前記送受波手段の基点位置を示す基点表示を行う表示手段とを備える。
【００２８】
この構成によれば、３つの直交断面の超音波断層像の同時表示において、基点表示を行うことで、各直交断面の送受波手段に対する位置関係を把握しやすくすることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００３０】
図１には、本発明に係る超音波診断装置の全体構成がブロック図として示されている。３Ｄ（三次元）プローブ１０は、三次元データ取込空間としての三次元空間を形成する超音波探触子である。具体的には超音波ビームを電子走査することにより走査面が形成され、その走査面を電子走査あるいは機械走査することにより三次元空間が形成される。本実施形態においては、３Ｄプローブ１０が振動子ユニットとその振動子ユニットを機械走査する走査機構とを有している。振動子ユニットは１Ｄ（一次元）アレイ振動子を有し、その１Ｄアレイ振動子は直線配列あるいは円弧状配列された複数の振動素子によって構成される。その１Ｄアレイ振動子にて超音波ビームが形成され、その超音波ビームを電子走査することにより走査面が形成される。さらに、その振動子ユニットを機械走査すれば、上述したように三次元空間を形成できる。３Ｄプローブ１０は、コントローラ３６の制御により、そのような電子走査及び機械走査を行う。
【００３１】
もちろん、いわゆる２Ｄアレイ振動子を用いて三次元空間を形成してもよいし、振動子ユニットを手によって走査し、これによって三次元空間を形成するようにしてもよい。
【００３２】
送受信部１２は、３Ｄプローブ１０に対して送信信号を供給すると共に、３Ｄプローブ１０から出力される受信信号（エコー信号）に対して所定の処理を実行する。送受信部１２は送信ビームフォーマー及び受信ビームフォーマーとして機能する。
【００３３】
信号処理部１４は、送受信部１２から出力されるエコー信号に対してＢモード画像（二次元断層像）等の超音波画像を形成するための信号処理を実行する。
【００３４】
ボリューム変換部１６は、例えばデジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）などによって構成されており、信号処理部１４で処理されたエコー信号に対し、座標変換処理を施す。すなわち、エコー信号は電子走査及び機械走査による超音波ビームの三次元走査に従って取り込まれるが、このエコー信号上の各点の信号データ（エコーデータ）を後の表示処理等のためにＸＹＺ座標系（三次元デカルト座標系）アドレスにマッピングするのが、このボリューム変換部１６である。このＸＹＺ座標系での空間の分割単位がボクセルである。ボリューム変換部１６により得られた各ボクセルのエコーデータは、ボリュームメモリ１８に格納される。ボリュームメモリ１８は、３Ｄプローブ１０による三次元走査１回分以上のエコーデータを格納可能であり、三次元デカルト座標系に従ったアドレス指定によりデータの読み書きが可能である。このボリュームメモリ１８は、３Ｄプローブ１０が走査する立体領域を内包する、直方体等の形状の三次元領域のボクセルデータを格納することができる。
【００３５】
ＸＹ断面断層像形成部２０は、ボリュームメモリ１８に格納されたエコーデータの情報をもとに、被検体のＸＹ断面（すなわちＸＹ平面に平行な断面）の超音波断層像（例えばＢモード画像）（以下単に断層像という）を形成する。このＸＹ断面の断層像（ＸＹ断層像と呼ぶ）の形成は、ボリュームメモリ１８から、そのＸＹ断面上の各ボクセルのエコーデータを読み出し、表示領域にプロットすることで実行できる。
【００３６】
同様にして、ＹＺ断面断層像形成部２２はＹＺ平面に平行な断面（ＹＺ断面）の断層像（ＹＺ断層像と呼ぶ）を、ＺＸ断面断層像形成部２４はＺＸ平面に平行な断面（ＺＸ断面）の断層像（ＺＸ断層像と呼ぶ）を、それぞれ形成する。
【００３７】
このように、この超音波診断装置では、ＸＹ断層像形成部２０、ＹＺ断層像形成部２２、及びＺＸ断層像形成部２４により、ＸＹ断面、ＹＺ断面、及びＺＸ断面という互いに直交した３つの断面についての断層像を実質的に並列的に形成することができる。
【００３８】
なお、各断層像形成部２０，２２，２４による断層像形成対象の断面の位置は、当該断面に垂直な方向に移動可能である。これら各断面の位置は、入力装置３８を用いてユーザから指定することができ、指定された断面位置は、コントローラ３６を介して、対応する断層像形成部２０，２２，２４に供給される。
【００３９】
三次元画像形成部２６には、ボリュームメモリ１８に格納された各ボクセルのエコーデータｅi をもとに、上述した（１）式を基礎としたボリュームレンダリング演算を行うことにより、被検体の三次元画像を形成する。このボリュームレンダリング演算による三次元画像形成処理には、前述した特開平１０−３３５３８号公報などに開示されている技術を利用すればよい。ボリュームレンダリング演算の演算条件は、コントローラ３６によって設定される。また、ボリュームレンダリング演算において必要な各ボクセルのオパシティ値は、あらかじめ記憶されているオパシティ関数から求められる。
【００４０】
ここで、ボリュームレンダリング演算の際のレイの方向、すなわち視線方向は、入力装置３８からユーザ選択可能である。入力装置３８によりユーザが指定した視線方向は、コントローラ３６を介して三次元画像形成部２６に指示され、三次元画像形成部２６はこの視線方向についてボリュームレンダリング演算を行う。
【００４１】
任意断面断層像形成部２８は、ユーザが任意に指定した方向及び位置を持つ断面（任意断面という）の断層像を形成する。すなわち、前述の各断層像形成部２０，２２，２４が、ＸＹ断面、ＹＺ断面及びＺＸ断面という、方向があらかじめ規定された断面の断層像を形成するのに対し、この任意断面断層像形成部２８は任意方向の断面の断層像を形成する。ユーザは、入力装置３８を介して、断層像表示対象の任意断面を指定することができる。指定された任意断面を特定する情報は、コントローラ３６を介して任意断面断層像形成部２８に供給され、任意断面断層像形成部２８は、その情報に基づいて任意断面を特定し、その断層像を形成する。
【００４２】
グラフィック画像形成部３０は、表示画面上で断層像や三次元画像とともに表示する、カーソルや文字などのグラフィック画像を形成する。
【００４３】
画像合成部３２は、各断層像形成部２０，２２，２４，及び２８で形成された各断層像と、三次元画像形成部２６で形成された三次元画像と、グラフィック画像形成部３０で形成されたグラフィック画像との中から、指定された表示モードで必要なものを取捨選択し、それらを１つの表示画面上に合成する。この画像合成部３２により合成された表示画面の画像が、表示装置３４に表示される。
【００４４】
コントローラ３６は、超音波診断装置全体の制御を司る制御部である。上述した超音波診断装置の各構成要素は、直接的、あるいは間接的にこのコントローラ３６からの制御を受けて各自の動作を行っている。
【００４５】
入力装置３８は操作パネルなどによって構成される。ユーザが入力装置３８に対して行った入力を示す信号はコントローラ３６に入力され、コントローラ３６はその入力に対応して各構成要素を制御する。
【００４６】
以上、実施形態の超音波診断装置の構成について概説した。この構成において、各断層像形成部２０，２２，２４，２８、三次元画像形成部２６、画像合成部３２は、ソフトウエア的に実現することもできるが、ハードウエア回路化することも可能である。
【００４７】
図２は、３Ｄプローブ１０と、これが走査する走査領域１１０及びボリュームメモリ１８がカバーする三次元領域１１５との関係を示す図である。（ａ）は３Ｄプローブ１０の外観を示し、（ｂ）は走査領域１１０及び三次元領域１１５を示している。
【００４８】
（ａ）に示した例では、３Ｄプローブ１０の振動子収容部１０２には、コンベックス電子走査を行う１Ｄアレイ振動子が収容されている。ユーザは、把持部１０４を手で持って、振動子収容部１０２の下面を被検体表面に当接し、画像診断を行う。制御信号や送受信信号は、コード１０６を介して装置本体との間でやりとりされる。３Ｄプローブ１０には、電子走査及び機械走査の基点を示すインデックスマーク１０８が設けられている。
【００４９】
（ｂ）に示すように、ボリュームメモリ１８にデータ格納可能な直方体状の三次元領域１１５は、３Ｄプローブ１０により超音波ビームが走査される走査領域１１０を内包する。コンベックス走査の１Ｄアレイ振動子が機械走査により所定の角度範囲で揺動されるので、走査領域１１０は、扇がその面に垂直な方向に、扇の要を中心に回転揺動されたときに掃引する領域に似た形状となる。この例では、三次元領域１１５のＹ軸の正方向は、３Ｄプローブ１０の正面方向、すなわち１Ｄアレイ振動子が機械走査範囲の中央位置にあるときの、電子走査の中央位置の超音波ビームの送信方向に定めている。そして、このＹ軸方向を基準に、電子走査の方向に対応してＸ軸の正方向を、機械走査の方向に対応してＺ軸の正方向を、それぞれ規定している。ＸＹＺ座標系の原点は、三次元領域１１５の頂点のうちインデックスマーク１０８に最も近い頂点の位置に定めている。
【００５０】
この例では、Ｚ軸の正方向を正面視方向、Ｘ軸の負方向を側面視方向、Ｙ軸の正方向を上面視方向と呼び、これら三方向とその逆方向の合計６方向をボリュームレンダリング演算の視線方向として選択可能としている。
【００５１】
図３は、画像合成部３２が生成可能な表示画面の１つである四面表示画面２００の画面構成を示した図である。この四面表示画面２００には、４つの表示領域が２×２のマトリクス状に配列されており、そのうちの３つの領域にＸＹ断層像２０２ａ，ＹＺ断層像２０２ｂ，ＺＸ断層像２０２ｃが表示される。この例では、これら互いに直交する断面の断層像２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃが、正投影図法の第三角法での投影図配置構成と同様の構成で配置されている。残りの１つの表示領域には、三次元画像形成部２６による三次元画像２０４が表示される。
【００５２】
図４は、三次元領域１１５と、ＸＹ断層像２０２ａ，ＹＺ断層像２０２ｂ，ＺＸ断層像２０２ｃとの関係を説明するための図である。ＸＹ断層像２０２ａは、正面視方向に垂直なＸＹ断面１４０（外周（三次元領域１１５の外周面との交線）を一点鎖線で示す）の断層像である。ＹＺ断層像２０２ｂは、側面視方向に垂直なＹＺ断面１４２（外周を破線で示す）の断層像であり，ＺＸ断層像２０２ｃは、上面視方向に垂直なＺＸ断面（外周を二点鎖線で示す）の断層像である。
【００５３】
図５は、四面表示画面２００の表示例を模式的に示した図であり、図３と同様の符号を用いている。この四面表示画面２００は、心臓を対象としたものであり、三次元画像２０４として正面視方向の三次元画像を示している。各直交断面の断層像２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃについては、繁雑さをさけるために線画で示している。
【００５４】
この四面表示画面２００では、各直交断面の断層像２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃに対し、インデックスマーク２１０を表示している。このインデックスマーク２１０は、３Ｄプローブ１０のインデックスマーク１０８の位置に対応しており、三次元走査の基点を示している。ユーザは、このインデックスマーク２１０の表示により、各断層像２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃに対する３Ｄプローブ１０の位置や、それら各断層像相互の位置関係を把握しやすくなる。
【００５５】
また、この四面表示画面２００では、直交断面の断層像２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃのうちの２つの断層像に対し、三次元画像２０４の視線方向を示す視線方向マーク２２０を表示する。図５の例では、三次元画像２０４は正面視方向の画像であるため、側面視及び上面視の断層像２０２ｂ，２０２ｃに視線方向マーク２２０が示されている。なお、この例では、矢印の視線方向マーク２２０を用いているが、ユーザが方向を理解できるものであればどのような表示形態のものでも視線方向の表示として用いることができる。なお、三次元画像２０４に上面視方向の画像を表示した場合の視線方向マーク２２０の表示例を図６に示す。図６の例では、正面視方向及び側面視方向の断層像２０２ａ，２０２ｂに視線方向マーク２２０が示されている。
【００５６】
また、各断層像２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃの表示領域の外枠２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃをそれぞれ異なる色で表示すると共に、三次元画像２０４の表示領域の外枠２０５を、その視線方向と同じ法線方向を持つ断層像の外枠２０３ａ，２０３ｂ，又は２０３ｃと同じ色で表示することも好適である。これにより、三次元画像２０４の視線方向に対応する断層像が直感的に分かりやすくなる。なお、色以外の表示形態でこのような対応付けを行うことももちろん可能である。また、三次元画像２０４の視線方向に対応する断層像の外枠を、強調表示（例えば太く表示するなど）することも好適である。
【００５７】
また、この四面表示画面２００では、各直交断面の断層像２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃに対し、それぞれ自分以外の２つの直交断面の位置を示す断面位置カーソル２３０ａ，２３０ｂ，２３０ｃが表示される。例えば、ＸＹ断層像２０２ａには、ＹＺ断層像２０２ｂの断面位置を示す断面位置カーソル２３０ｂ（破線で示す）と、ＺＸ断層像２０２ｃの断面位置を示す断面位置カーソル２３０ｃ（二点鎖線で示す）とが表示される。同様にＹＺ断層像２０２ｂにはＸＹ断層像２０２ａの断面位置を示す断面位置カーソル２３０ａ（一点鎖線で示す）と、ＺＸ断層像２０２ｃの断面位置の断面位置カーソル２３０ｃとが表示される。
【００５８】
各断面位置カーソル２３０ａ，２３０ｂ，及び２３０ｃは、互いに異なる表示形態で表示する。例えば、各断面位置カーソルを異なる色で表示したり、異なる線種で表示したりするなどである。これにより、各断面位置カーソルが区別しやすくなる。
【００５９】
ここで、各断層像２０２ａ、２０２ｂ，２０２ｃの表示領域の外枠２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃの表示と、それら各断面位置カーソル２３０ａ，２３０ｂ，及び２３０ｃと、を互いに対応した表示形態とすることも好適である。例えば、ＸＹ断層像２０２ａの外枠２０３ａを赤色で表示した場合、ＸＹ断面の位置を示す断面位置カーソル２３０ａも同じ赤色の線で表示する、などである。このほかにも、断層像の表示領域の外枠と、この断層像の断面位置を示す断面位置カーソルとを、互いに類似した模様で表示するなど、様々なバリエーションが考えられる。このように表示形態による対応付けを行うことで、各断面位置カーソルがどの断層像の断面に対応しているかがユーザにとって把握しやすくなる。
【００６０】
入力装置３８からのユーザ入力により、断層像２０２ａ，２０２ｂ，及び２０２ｃのいずれかの位置が変更された場合、位置変更された断層像に対応する断面位置カーソル２３０ａ，２３０ｂ，又は２３０ｃは、その位置変更に応じた位置に移動して表示される。なお、位置変更された断層像については、その断層像の形成を担当する断層像形成部２０，２２，又は２４が、変更された断面位置に対応する断面上の各点のエコーデータをボリュームメモリ１８から読み出し、これに基づき新たな断層像を形成する。
【００６１】
なお、四面表示画面２００を利用した直交断面の位置変更指示のためのユーザインタフェース方式としては、例えば、次のような方式が可能である。この方式では、まず３つの断層像２０２ａ、２０２ｂまたは２０２ｃのうち１つをユーザが選択する。次に、選択された断層像の中で、位置変更したい断面に対応する断面位置カーソル２３０ａ，２３０ｂ又は２３０ｃを選択する。そして、選択した断面位置カーソルを、トラックボールやマウス等を用いて所望の位置まで移動する。なお、断層像や断面位置カーソルの選択は、押すごとに選択対象が順番に循環的に切り替わるトグル方式ボタンや、マウス等のポインティングデバイス等を用いて行うことができる。
【００６２】
また、図５には示していないが、三次元画像２０４にも、同様の断面位置カーソルを表示することも可能である。図５の例の場合、三次元画像２０４は正面視方向のものなので、ＹＺ断面に対応する断面位置カーソル２３０ｂと、ＺＸ断面に対応する断面位置カーソル２３０ｃが表示されることになる。
【００６３】
以上に説明した断面位置カーソル２３０ａ，２３０ｂ，２３０ｃ、インデックスマーク２１０，視線方向マーカ２２０、四面表示の各表示領域の外枠２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０５などは、グラフィック画像形成部３０にて形成され、画像合成部３２により各断層像２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃに合成され、表示される。
【００６４】
なお、図７に示すように、表示装置３４の画面において、四面表示画面２００の隣に断面位置ガイド表示２６０を表示することも好適である。この断面位置ガイド表示２６０は、直方体を表すワイヤーフレームを斜め上方から見た状態を示しており、その正面、側面、上面の辺が、各断層像２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃの外枠２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃの表示形態と同じ表示形態で表示されている。図示の例では、断層像の外枠とワイヤーフレームの辺とが、同じ色分けで表示される。このような断面位置ガイド表示２６０を用いることで、各断層像の位置関係をユーザにより分かりやすくすることができる。なお、断面位置ガイド表示２６０は、図７に例示した形態に限られるものではなく、例えば図４に示したように三次元領域１１５の中に各断面を示すような形態のものを用いることもできる。
【００６５】
次に、三次元画像形成部２６による三次元画像２０４の形成処理について説明する。本実施形態では、正面視、側面視及び上面視の各方向と、それら各々の逆方向の中から三次元画像形成の視線方向を選択することができる。図８は、それら各視線方向の場合のボリュームレンダリング演算の演算方向を示している。視線方向が正面視方向の場合、（ａ）に示すようにボリュームレンダリング演算はＺ軸の正方向に沿って行われる。同様に、視線方向が側面視方向の場合は（ｂ）に示すように演算方向はＸ軸の負方向となり、視線方向が上面視方向の場合は（ｃ）に示すように演算方向はＹ軸の正方向となる。図８には、（ａ），（ｂ），（ｃ）の各ケースについて、三次元画像を表示する表示領域２５０の座標系（Ｘs ,Ｙs）と、三次元領域１１５の座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）との関係を示している。なお、正面視、側面視、上面視の各々の逆方向については、図示を省略する。
【００６６】
視線方向として上面視方向が選択された場合を例にとって、三次元画像形成部２６の画像形成処理手順を説明する。図９は、この場合の演算処理の手順を示すフローチャートである。
【００６７】
ここでは、図１０に示すように、三次元領域１１５内の各ボクセルについて、Ｘ軸方向についてはｉ（＝０，１，２，・・・，ｌ（エル））、Ｙ軸方向についてはｊ（＝０，１，２，・・・，ｍ）、Ｚ軸方向についてはｋ（＝０，１，２，・・・，ｎ）のインデックスをそれぞれ割り当てる。（Ｘi,Ｙj,Ｚk）と書いた場合、Ｘ軸方向がｉ番目、Ｙ軸方向がｊ番目、Ｚ軸方向がｋ番目のボクセルを示すこととする。同様に、表示領域２５０のピクセルについても、Ｘs 軸方向にはインデックスｉ、Ｙs 軸方向にはインデックスｊを割り当てる。
【００６８】
図９に示した上面視方向の三次元画像形成処理では、まずインデックスｋ，ｉを０に初期化する（Ｓ１０，Ｓ１２）。これにより、演算対象のレイが特定される。次に、インデックスｊを０に初期化する（Ｓ１４）。ｊは、そのレイの沿ったボクセルの順番を示す。次に、入力エコー値Ｃinとオパシティの累積値αacumを０に初期化する（Ｓ１６）。次にインデックスの組（ｉ，ｊ，ｋ）が指すボクセル（Ｘi,Ｙj,Ｚk）のエコーデータをボリュームメモリ１８から取得し、変数ｅに代入する（Ｓ１８）。そして、このボクセル（Ｘi,Ｙj,Ｚk）について次式で示される計算を行う（Ｓ２０）。
【００６９】
α＝ｆ（ｅ）・・・（２）
αacum＝Σα ・・・（３）
Ｃout ＝Ｃin（１−α）＋ｅα ・・・（４）
ここで、αは当該ボクセルのオパシティであり、これは装置に登録されているオパシティ関数ｆを用いて、そのボクセルのエコー値ｅに対応する値を求めることができる。αacumは、当該レイ上で０番目からｊ番目までの各ボクセルのオパシティ値を累積した値となる。（４）式は、当該ボクセルに対する入力エコー値Ｃinと当該ボクセルのオパシティから、当該ボクセルの出力エコー値Ｃoutを求める計算であり、従来技術の（１）式と同じ計算である。
【００７０】
この計算（Ｓ２０）のあと、レイに沿っての計算処理の終了条件の判断を行う。終了条件は、オパシティ累積値αacumが１．０を超えるか、又は計算対象のボクセルの位置が三次元領域１１５の視線方向についての終点位置（ｊ＝ｍ）に達するか、のいずれかであり、ステップＳ２２，Ｓ２４ではこれら各条件の判断を行っている。それら２つの条件が両方とも満足されなかった場合は、インデックスｊの値を１つインクリメントして次のボクセルを計算対象とし、今回のボクセルの出力エコー値Ｃout を次のボクセルの入力エコー値Ｃinにセットし（ｓ２６）、ステップＳ１８以下の処理を繰り返す。
【００７１】
ステップＳ２２及びＳ２４に示した終了条件のいずれかが満足された場合は、この時点での出力エコー値Ｃout を、当該ボクセル（Ｘi,Ｙj,Ｚk）に対応する表示領域２５０上のピクセル（Ｘsi,Ｙsk）の値としてセットする（Ｓ２８）。
【００７２】
これで１つのレイについての処理が終わる。以上の処理を、インデックスｉ，ｋをインクリメントしながら繰り返すことで（Ｓ３０，Ｓ３２，Ｓ３４，Ｓ３６）、ＸＺ面の全面にわたってレイを走査し、三次元領域１１５を上面から見た三次元画像を形成することができる。
【００７３】
以上、上面視方向の三次元画像の形成処理を説明したが、この逆方向を視線方向とする場合は、Ｙ方向（インデックスｊ）について逆順に演算を行えばよい。また、正面視方向、側面視方向、及びそれらの逆方向についても同様の処理手順で三次元画像を形成することができる。
【００７４】
ユーザが入力装置３８を用いて視線方向を指定すると、以上のような処理手順でその視線方向の三次元画像が形成され、画像合成部３２で他の画像と合成されて、例えば四面表示画面２００に表示されることになる。
【００７５】
次に、本実施形態の超音波診断装置の任意断面モード機能について説明する。任意断面とは方向及び位置をユーザが自由に指定できる断面であり、任意断面モードとは、任意断面の断層像や、三次元領域１１５を任意断面で切り取った状態での三次元画像を表示するモードである。
【００７６】
まず図１１を参照して、任意断面モードでの処理の概略の手順を説明する。任意断面モードに移行するには、まずユーザが入力装置３８からデータのフリーズ指示を入力することにより、ボリュームメモリ１８内のボクセルデータの内容を固定させる。そして、任意断面モードへのモード切換指示を入力すると、任意断面の指定が可能になる。この任意断面の指定は、四面表示画面２００の各断層像２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃで３つの基準点を指定することにより行う（Ｓ４０）。すなわち、平面は同一直線上にない３点を決めると特定することができるので、本実施形態では、そのような３点の指定を３つの直交断面の断層像を用いて行う。
【００７７】
この基準点指定の方法を、図１２を参照して説明する。この指定処理では、各断層像２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃのうち、基準点指定対象として選択された断層像（図示例では断層像２０２ａ）に、第１基準点マーク２４０ａが表示される。ここで断層像の選択は、入力装置３８から行うことができる。入力装置３８からの操作入力により、この第１基準点マーク２４０ａを移動させることができる。そして、第１基準点マーク２４０ａを所望の位置まで移動させると、入力装置３８から位置確定指示を入力する。これにより、コントローラ３６は、第１基準点マーク２４０ａの位置を確定状態とし、第２基準点マーク２４０ｂを同じ断層像上に表示する。この第２基準点マーク２４０ｂの位置も、同様に移動させ、確定することができる。これら２つの基準点マーク２４０ａ，２４０ｂの位置を決めることで、選択している断層像と任意断面との交線を規定することができる。
【００７８】
２つの基準点マーク２４０ａ，２４０ｂの位置が確定されると、選択されている断層像上に第３基準点マーク２４２が表示される。ここで、選択対象の断層像を変更することで、所望の断層像上に第３基準点マーク２４２を指定可能となる。図１２の例では、ＹＺ断面の断層像２０２ｂが選択されている。そして、入力装置３８の操作により第３基準点マーク２４２をその断層像上の所望の位置まで移動させ、確定指示を入力すると、第３基準点マーク２４２の位置が確定される。
【００７９】
このように３つの基準点２４０ａ，２４０ｂ，２４２の位置が決まると、それら３点を通る平面、すなわち任意断面を一意に特定することができる（Ｓ４２）。例えば、次の平面の方程式、
ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＋ｄ＝０・・・（５）
の変数Ｘ，Ｙ，Ｚにそれら３つの基準点の座標を代入し、その結果得られる三元連立方程式を解くことで、その方程式の係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを求めることができる。
【００８０】
このように任意断面をいったん設定した後でも、各基準点マーク２４０ａ，２４０ｂ，２４２をそれぞれ選択し、その位置を変更することで、任意断面の方向や位置を変更することも可能である。
【００８１】
以上説明した３直交断面上での３点指定の処理を、直交断面の断面位置の変更処理と組み合わせることで、様々な方向、位置の任意断面を指定することができる。
【００８２】
本実施形態では、このように、互いに直交する３つの断層像上で３つの基準点を指定することで任意断面が指定できるので、被検体の組織内部の構造との関係において任意断面をより適切に設定できるという利点がある。例えば、断層像で心臓の弁の位置を確認し、その弁を横切るように任意断面を設定するという操作を容易に行うことができる。特に、上に例示した、１つの断層像上で２点を指定し別の断層像で残りの１点を指定するという方式は、最初の断層面上で任意断面との交線を指定できるので、任意断面と被検体組織との関係がユーザにとって分かりやすいものとなる。
【００８３】
このようにして任意断面が設定されると、超音波診断装置は、任意断面断層像を表示するか、と任意断面三次元画像の表示をするか、の指示を受付可能な状態となる（Ｓ４４）。
【００８４】
ここで、任意断面断層像の表示が指示された場合の処理手順の一例を図１３〜図１５を参照して説明する。この場合、設定された任意断面を特定するパラメータ（例えば平面の方程式の係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ）が、コントローラ３６から任意断面断層像形成部２８に提供され、任意断面断層像形成部２８が以下のような処理を行う。
【００８５】
断層像の表示領域の座標系を仮にＸＹ座標系とすると、三次元領域１１５の任意断面１５０の断層像を表示する処理は、図１３に示すように、任意断面１５０上の各点を回転と平行移動により、ＸＹ平面である基準面１６０に移動させる処理と捉えることができる。この回転と平行移動は、アフィン変換行列で記述することができる。実際の表示処理では、表示領域のピクセルを基準に考える方が処理が簡単になるので、表示領域のピクセル位置に対応する任意断面１５０上の点（ボクセル）を逆変換で求め、その点のエコー値をそのピクセルに書き込むことになる。この表示処理の手順を示したのが図１４である。
【００８６】
図１４に示す手順では、まず、設定された任意断面上の各点（ボクセル）の座標を表示領域の座標に変換するためのアフィン変換行列Ｔを計算する（Ｓ５０）。
【００８７】
ここで図１５は、アフィン変換行列Ｔの求め方の一例を示した図である。この図を参照して行列Ｔの求め方を説明する。（ａ）において、ベクトルｎ＝（ａ，ｂ，ｃ）は任意断面１５０の法線ベクトルであり、その成分ａ，ｂ，ｃは任意断面１５０の方程式の係数から求めることができる。このベクトルｎを、表示領域（ＸＹ平面）の法線ベクトルｓと平行になるように回転させることを考える。ベクトルｎのＹＺ平面への正射影とＸ軸とのなす角がθy であった場合、ベクトルｎをＹ軸回りにθy だけ回転させることで、（ｂ）に示すＸＹ平面上のベクトルｎ1 が得られる。このベクトルｎ1 とＹ軸とのなす角がθz であるとすると、ベクトルｎ1 をＺ軸回りにθz だけ回転させることで、（ｃ）に示すようにＹ軸に平行なベクトルｎ2 が得られる。このベクトルｎ2 をθx ＝９０度だけＸ軸回りに回転させると、Ｚ軸に平行、すなわちＸＹ平面に垂直なベクトルｎ3 が得られる。このベクトルｎ3 は、表示領域の法線ベクトルｓに平行である。したがって、これら３回の回転で任意断面１５０をＸＹ平面に平行にすることができる。このように回転させた面を更に平行移動させることで、任意断面１５０をＸＹ平面に一致させることができる。このような座標変換により、任意断面１５０上の各点を表示領域のピクセルに対応付けすることができる。
【００８８】
ここで、３次元空間におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回りの回転はそれぞれ次の行列Ｔrx，Ｔry，Ｔrzで表すことができ、平行移動は次の行列Ｔd で表すことができる。
【００８９】
【数１】

これら各行列における回転角度θx,θy，θz と、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の平行移動量ｌ，ｍ，ｎは、任意断面１５０が特定されれば求めることができる。したがって、任意断面１５０の座標を表示領域の座標に変換するアフィン変換行列Ｔは、
Ｔ＝Ｔrx・Ｔrz・Ｔry・Ｔd
で求めることができる。
【００９０】
アフィン変換行列Ｔが求められると、表示領域でのピクセルのＹ方向のインデックスｊとＸ方向のインデックスｉをそれぞれ０に初期化する（Ｓ５２，Ｓ５４）。そして、表示領域上のピクセル（Ｘsi，Ｙsj）に、アフィン変換行列Ｔの逆行列を乗じることにより、そのピクセル（Ｘsi，Ｙsj）に対応する任意断面１５０上の点の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を計算する（Ｓ５６）。そして、その座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のエコー値をボリュームメモリ１８から読み出し（Ｓ５８）、表示領域のピクセル（Ｘsi，Ｙsj）の値としてセットする（Ｓ６０）。以上の処理を、インデックス、ｉ，ｊを順にインクリメントしながら繰り返す（Ｓ６２，Ｓ６４，Ｓ６６，Ｓ６８）ことで、任意断面１５０の断層像を形成することができる。形成された任意断面断層像は、画像合成部３２にて他の画像と合成され、表示装置３４に表示される。
【００９１】
これにより、例えば、図１６に示すように、３直交断面の断層像２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃと共に、任意断面断層像２０６を表示する四面表示画面２００を形成することができる。この四面表示画面２００の表示によれば、３Ｄプローブ１０との関係で方向があらかじめ規定された３つの直交断面の断層像と、ユーザが任意に設定できる任意断面の断層像とを同時に観察することができ、診断上有用である。
【００９２】
なお、図１６に例示した四面表示画面２００では、３直交断面の断層像２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃに対し、ユーザが設定した任意断面の位置を示す任意断面カーソル２４４を表示している。任意断面カーソル２４４は、各直交断面と任意断面の交線として求めることができる。このように任意断面カーソル２４４を表示することで、各直交断面と任意断面の位置関係の把握を助けることができる。
【００９３】
次に任意断面三次元画像モードが選択された時の処理を説明する。このモードでは、三次元領域のうち、ユーザが指定した任意断面より視点に近い側のエコー値を省いてボリュームレンダリング演算を行う。すなわち、任意断面がボリュームレンダリング演算の演算開始位置を示すことになる。
【００９４】
例えば、被検体内の注目対象の手前側に障害物が存在する場合、単純にボリュームレンダリング演算を行うと障害物の影響で注目対象が望み通りに画像化できないことがある。このような場合に、注目対象と障害物との間に任意断面を設定し、このモードを選択することで、障害物の影響なく注目対象を画像化することができる。
【００９５】
このモードでは、設定された任意断面を特定するパラメータが三次元画像形成部２６に提供される。ここでは、一例として視線方向が上面視方向である場合を説明する。この場合、三次元画像形成部２６は、図１７に示す処理手順で三次元画像を形成する。図１７の手順において、図９に示した通常の上面視の三次元画像形成処理と同様の処理を行うステップについては同じ符号を付すことで詳細な説明を省略する。図９の手順と図１７の手順の相違は、ステップＳ１４とステップＳ３８の相違のみである。すなわち、図９の手順では、Ｚ及びＸ方向のインデックスｋ，ｉを定めてレイ（視線）を特定したあと、Ｙ方向のインデックスｊを０から順にインクリメントしてボリュームレンダリング演算を行ったのに対し、図１７の手順では、そのレイと任意断面との交点に対応するインデックスｊc を計算し、そのｊc を演算開始点としてステップＳ１６以降のボリュームレンダリング演算を行う。これにより、任意断面より視点側（手前側）のエコー値はボリュームレンダリング演算に反映されなくなる。このような処理により形成された三次元画像は、四面表示画面２００に三次元画像２０４として表示することができる。
【００９６】
以上、上面視方向の場合を例にとって説明したが、視線方向が変わっても、同様の考え方で、任意断面の手前側を省いたボリュームレンダリング演算を行うことができる。
【００９７】
なお、以上は任意断面を、ボリュームレンダリング演算の演算開始位置を特定する面として用いた場合の例であったが、同様の考え方で、任意断面でボリュームレンダリング演算の演算終了位置を指定することもできる。このほか、任意断面を、ボリュームレンダリング演算に関わる各種のパラメータ・演算条件の変更位置を特定する面として用いることも可能である。例えば、上述の方法で、三次元領域１１５内に任意断面を複数設定し、隣り合う任意断面で挟まれる各範囲毎に演算条件（例えばオパシティ関数）を変えるなどの処理も可能である。
【００９８】
また、いったん設定した任意断面を、入力装置３８に設けられたトラックボールなどの操作で、当該断面の法線方向に沿って平行移動できるようにすることも好適である。この平行移動に応じて、任意断面断層像や任意断面の手前側を除いた状態の三次元画像をリアルタイムで再生成して表示するようにすれば、被検体内部の様子の把握の助けとなる。
【００９９】
以上の例では、表示装置３４に表示される表示画面として、３つの直交断面の断層像２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃと、三次元画像２０４又は任意断面断層像２０６とを同時表示した四面表示画面２００を例示したが、実施形態の超音波診断装置は、それら断層像又は三次元画像の１つを選択して画面一杯に表示することも可能である。また、この四面同時表示は、物理的に１つの表示装置の画面にそれら４画像を同時表示する場合に限るものではなく、各画像をそれぞれ別々の表示装置の画面に表示する場合も含む。
【０１００】
また、以上の例では、エコーデータをいったんボリュームメモリ１８に格納し、任意断面断層像の形成などの際に再利用できるようにしたが、これは必ずしも必須のことではない。例えば、ボリューム変換部１６の処理が十分高速であるならば、ボリューム変換部１６の前段側のいずれかの段階に、エコーデータを蓄積するバッファを設け、再利用の際にはそのバッファからエコーデータを読み出して座標変換し、上述の画像形成処理を行うようにすることも可能である。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、３つの直交断面の超音波断層像と、三次元画像とを同時に表示することができるため、対象組織の空間的把握と該組織の内部状態の把握という多面的な観察を同時に行うことができる。また本発明では、識別マークにより、三次元画像がどの超音波断層像の直交断面に対応する方向のものなのかを容易に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】３Ｄプローブと、これが走査する走査領域及びボリュームメモリがカバーする三次元領域との関係を示す図である。
【図３】四面表示画面の画面構成を示した図である。
【図４】三次元領域と、ＸＹ断層像，ＹＺ断層像，ＺＸ断層像との関係を説明するための図である。
【図５】四面表示画面の表示例を模式的に示す図である。
【図６】上面視方向の三次元画像を表示した場合の視線方向マークの表示例を示す図である。
【図７】断面位置ガイド表示の一例を示す図である。
【図８】各視線方向についてのボリュームレンダリング演算の演算方向を説明するための図である。
【図９】上面視方向の場合のボリュームレンダリング演算の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図１０】三次元領域のボクセルと表示領域のピクセルの関係を説明するための図である。
【図１１】任意断面モードでの処理の全体的な手順を示す図である。
【図１２】任意断面設定のための基準点指定の操作を説明するための図である。
【図１３】任意断面と表示領域との関係を示す図である。
【図１４】任意断面断層像を表示するための処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図１５】任意断面と表示領域との間の座標変換の考え方を説明するための図である。
【図１６】任意断面断層像を表示した四面表示画面の表示例を模式的に示す図である。
【図１７】任意断面より視点側の領域を除いた状態で三次元画像を形成する場合の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０３Ｄプローブ、１２送受信部、１４信号処理部、１６ボリューム変換部、１８ボリュームメモリ、２０ＸＹ断面断層像形成部、２２ＹＺ断面断層像形成部、２４ＺＸ断面断層像形成部、２６三次元画像形成部、２８任意断面断層像形成部、３０グラフィック画像形成部、３２画像合成部、３４表示装置、３６コントローラ、３８入力装置。

Claims

三次元領域に対して超音波を送受波することにより、その三次元領域内の各点のエコー情報を取り込む送受波手段と、
前記三次元領域内の各点のエコー情報に基づき、視線方向に沿ってボリュームレンダリング演算を実行することにより、三次元画像を形成するボリュームレンダリング手段と、
前記三次元領域内の各点のエコー情報に基づき、前記三次元領域の３つの直交断面の各々の超音波断層像を形成する直交プレーン断層像形成手段と、
前記三次元画像と、前記各直交断面の超音波断層像とを同時表示する表示手段と、
を備え、前記ボリュームレンダリング手段は、前記３つの直交断面の各々の法線方向に対応した６方向の中から選択された視線方向についてボリュームレンダリング演算を実行す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であって、
前記表示手段は、前記三次元画像と、その三次元画像の視線方向に対応する法線方向を持つ前記直交断面の超音波断層像とに、互いに対応する表示形態の識別マークを表示することを特徴とする超音波診断装置。
請求項２に記載の超音波診断装置であって、
前記識別マークは、前記各超音波断層像及び三次元画像の各々の表示領域の外枠表示であり、前記表示手段は、前記３つの直交断面の超音波断層像の各々の表示領域の外枠表示をそれぞれ異なる表示形態で表示するとともに、前記三次元画像の表示領域の外枠表示を、その三次元画像の視線方向に対応する法線方向を持つ前記直交断面の表示領域の外枠表示に対応した表示形態で表示することを特徴とする超音波診断装置。
三次元領域に対して超音波を送受波することにより、その三次元領域内の各点のエコー情報を取り込む送受波手段と、
前記三次元領域内の各点のエコー情報に基づき、視線方向に沿ってボリュームレンダリング演算を実行することにより、三次元画像を形成するボリュームレンダリング手段と、
前記三次元領域内の各点のエコー情報に基づき、前記三次元領域の３つの直交断面の各々の超音波断層像を形成する直交プレーン断層像形成手段と、
前記三次元画像と、前記各直交断面の超音波断層像とを同時表示する表示手段と、
前記３つの直交断面の超音波断層像の中の少なくとも１つに対し、ボリュームレンダリング演算における視線方向を示す視線方向表示を行う手段と、
を備えることを特徴とする超音波診断装置。