JP3935433B2 - 空間的複合のための適応画像処理 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
これは、１９９８年１０月１日に出願されたＵＳ特許出願シリアル番号６０／１０２，９２３号の利益をクレームする１９９９年６月１７日に出願されたＵＳ特許出願シリアル番号０９／３３５，０５８号の一部のコンティニュエーションである。
【０００２】
本発明は、超音波診断イメージングシステム、特に適応して処理される空間的に複合されたイメージを作る超音波診断イメージングシステムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
米国特許第６，１２６，５９８号及び特許出願シリアル番号０９／３３５，０５８号は、超音波診断イメージの実時間空間的複合を実施するための方法及び装置について述べている。空間的複合は、複数の観察方向又は角度から得られた所与のターゲットの多数の超音波エコーが、各角度から受信された複合イメージ内の各ポイントにおけるデータを結合することにより単一の複合されたイメージに結合される、イメージング技術である。複合されたイメージは、典型的には単一の視点からの従来の超音波イメージよりは低いスペックル及び良好な正反射描写を示す。これら特定された特許は、イメージング条件の関数として結合された異なる観察方向からの信号の数を変えさせるために適応して可変できる空間的複合システムを述べている。例えば、スキャンヘッドの動きが相対的に高いとき、所与の複合イメージのために用いられる観察方向の数が減少する。スキャンヘッドの動きが相対的に静的なとき、観察方向の数が増大する。親の特許明細書においては、浅い深度でイメージングするとき観察方向の数は増大し、深い深度でイメージングするとき減少する。
【０００４】
これらの適応技術は、実時間の空間的に複合されたイメージの質を改善するため利用できる。これらの技術がイメージぶれ及び不所望の低いフレームレートのような問題を防ぐからである。特定の診断アプリケーション及びイメージングターゲットに対するイメージの質を改善する他の適当な技術を持つことが、望まれていた。例えば、血管壁のプラークの増強を調べる心臓担当者は、バスキュラ構造を識別するために最適化されたイメージを所望し、これに対し筋肉及び関節損傷を調べる整形担当者は、筋肉組織及び腱を識別するために最適なイメージを欲するだろう。したがって、実施される診断のタイプに対する空間的に複合されたイメージのイメージ品質を最適化でき、適応してそうすることが望まれていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の原理に従うと、異なる観察方向からの超音波エコーの空間的複合は、エコーデータが結合される態様の変化を適応させて変化させる。一つの側面では、結合するプロセスが、医療従事者によって特定の診断処理の選択に応じて、自動的に選ばれる。別の側面では、結合するプロセスは、受信したエコー信号の特性に応じて動的に可変でき、イメージの異なる領域が異なるプロセスによって選択的に結合できる。一つの実施例では、結合するプロセスの選択は、観察方向を伴うエコーデータのバリエーションの関数である。他の実施例では、結合するプロセスの選択は、イメージプロセッサにより作られた制御信号の関数である。エコーデータの解析からの制御信号は更に、イメージにわたって結合技術を変えるよりもむしろイメージのある特徴を強調するために用いられる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
最初に図１を参照すると、本発明の原理に従って構築された超音波診断イメージングシステムが示される。アレイトランスデューサ１２を含むスキャンヘッド１０は、点線長方形及び平行四辺形により示されるイメージフィールドにわたって異なるステアリング角度でビームを送る。走査ラインの３つのグループが図ではＡ，Ｂ，Ｃで示され、各グループはスキャンヘッドに関係して異なる角度でステアリングされる。ビームの伝送は、既定のステアリング角度で及びアレイに沿って既定の原点から各ビームを伝送するために、アレイトランスデューサの各素子の動作の時間及び位相を制御する送信器１４により制御される。各走査ラインに沿ってから戻ったエコーは、アレイの素子により受信され、ＡＤ変換によりデジタル化され、デジタルビーム形成器１６に結合される。このデジタルビーム形成器は、各走査ラインに沿って焦点合わせされたコヒーレントなデジタルエコーサンプルのシーケンスを形成するためにアレイ素子からのエコーを遅延し加算する。送信器１４及びビーム形成器１６は、システム制御器１８の制御の下操作され、順に超音波システムのユーザにより操作されたユーザインタフェース２０の制御の設定に応答する。このシステム制御器は、所望のステアリング角度、送信エネルギ及び周波数で所望の数の走査ライングループを送信するために送信器を制御する。このシステム制御器は、用いられるイメージ深度及びアパーチャに対して受信したエコー信号を適当に遅延し結合するためにデジタルビーム形成器も制御する。
【０００７】
走査ラインのエコー信号は、対象となるものの周波数帯域を規定することになるプログラム可能なデジタルフィルタ２２によりフィルタリングされる。高次のコントラストエージェントをイメージングするとき又は組織の高次イメージングを実施するとき、フィルタ２２の通過帯域は、高次の伝送帯域を通過するように設定される。フィルタリングされた信号は、検出器２４により検出される。好ましい実施例においては、フィルタ及び検出器は、複数のフィルタ及び検出器を含むので、受信された信号は、複数の通過帯域に分離され、個別に検出され、周波数複合によってイメージスペックルを低減するように再結合される。Ｂモードイメージングに対して、検出器２４は、エコー信号包絡線の振幅検出を行う。ドップラーイメージングに対して、エコーのアンサンブルは、イメージ内の各ポイントに対してアセンブルされ、ドップラーシフトすなわちドップラーパワー強度を見積もるためにドップラー処理される。エコー信号は、他の信号、及び検出の前又は後で周波数複合又は高次分離のような、イメージ処理を受けてもよい。
【０００８】
本発明の原理によると、デジタルエコー信号は、プロセッサ３０の空間的複合により処理される。デジタルエコー信号は、プリプロセッサ３２により初期的に前処理される。プリプロセッサ３２は、重み付け係数が所望されるならば、信号サンプルを前もって重み付けできる。これらサンプルは、特定の複合イメージを形成するために使用されるコンポーネントフレームの数の関数である重み付け係数で前もって重み付けできる。プリプロセッサは、複合されるサンプル又はイメージの数が変化するという遷移を円滑にするために一つの重なるイメージのエッジにあるエッジラインも重み付けできる。前処理された信号サンプルは、リサンプラ３４でリサンプリングを受ける。リサンプラ３４は、一つのコンポーネントフレームの見積もりを他のコンポーネントフレームの見積もり又はイメージ表示空間のピクセルへ空間的に再調整する。
【０００９】
リサンプリングの後で、イメージフレームが結合器３６により複合される。結合することは、以下に充分述べられるような、加算、平均化、ピーク検出、又は他の手段を含んでも良い。結合されるサンプルは、処理のこのステップで結合する前に重み付けされても良い。最終的にポスト処理は、ポストプロセッサ３８により実施される。このポストプロセッサは、結合された値を表示レンジの値に正規化する。ポスト処理は、ルックアップテーブルにより最も多く容易に実施でき、同時に圧縮し複合された値のレンジを複合されたイメージの表示のために適した値のレンジへマッピングできる。
【００１０】
複合する処理は、見積もりデータ空間内又は表示ピクセル空間内で実施される。好ましい実施例では、走査変換は、走査変換器４０により複合するプロセスの後でなされる。複合イメージは、見積もり又は表示ピクセル形式の何れかでシネループメモリ４２に記憶される。見積もり形式で記憶されるならば、イメージは、表示のためのシネループメモリから再生されるとき走査変換されてもよい。走査変換器及びシネループメモリは、米国特許第５，４８５，８４２号及び米国特許第５，８６０，９２４号に述べられているような空間的の複合されたイメージの三次元表示を用いても良いし、連続して得られる、横方向に部分的に重なるイメージを重畳することにより、視野が広がったフィールドの表示でもよい。走査変換に続いて、空間的に複合されたイメージは、ビデオプロセッサ４４による表示のため処理され、イメージディスプレイ５０に表示される。
【００１１】
図２は、本発明による結合器３６の構成を示す。異なるステアリング角度でのイメージ領域内のポイントからのエコー信号は、可変エコー結合器６０及びステアリング角度分析器６２に結合される。各ポイントからのエコー信号の角度依存性は、エコーを発生したターゲットのタイプを識別するためにステアリング角度分析器により分析される。ステアリング角度分析器により得られたターゲットのタイプは、複合されるイメージ内のそのポイント、すなわちピクセルに対するエコーデータを結合するために用いられるアルゴリズムを制御するために用いられる。このように、複合されるイメージの各ピクセルに対して用いられた結合の方法は、イメージ領域内のそのポイントに対応するターゲットの特性の関数である。
【００１２】
超音波イメージで見られる種々のターゲットに対する入力角度に対する後方散乱振幅の典型的な依存性が、図３に示される。図３の４つのグラフの各々は、７つの異なる入射角αでのインソニフィケーション（insonification）の結果として典型的なターゲットから受信される７つのエコーの後方散乱振幅をプロットする。例えば、図３ａは、コヒーレントなスペックルからの結果である７つのエコー１１０，１１１、１１２等を示す。これらエコーは、相対的な振幅で広く分布して見られる。これら振幅の振幅分散分析が、相対的に大きな標準偏差を生む。用いられた分析は複雑であってもよいし、相対的に簡易なアプローチでもよい。純粋なスペックルに対する標準偏差は、１．９１であるが、分析されるサンプルの数が相対的に小さいので、より小さな値がしきい値として割り当てられることができ、当該しきい値を超えると分析は識別されるスペックルを持つことが決定される。例えば、エコー値の無作為な分布又は分散は、１．５又はそれより大きい標準偏差を持ち、ステアリング角度分析器はスペックルターゲットであるイメージ内のポイントを決定するだろう。ターゲットのスペックルが独立したステアリング方向の数の平方根により平均化することにより低減されるので、エコー結合器６０はエコー値１１０、１１１、１１２等を平均化するために平均化処理を実施する。したがって、スペックル低減が、このイメージポイントでのエコー値の平均化を実施することによりイメージ領域内のこのピクセルに対して起こるだろう。
【００１３】
図３ｂは、振幅の分布又は分散が、相対的に小さい複数のステアリング方向からのポイントから受信されたエコー値１２０、１２１、１２２等を示す。振幅についてのバリエーションがステアリング方向に相対的に敏感でない、このような範囲の値は、典型的にはポイントターゲットから受信されるだろう。０．５のような標準偏差しきい値は、この特性を検出するのに割り当てられ、このしきい値より低い標準偏差がポイントターゲットを示す。この特性に関して選択されたアルゴリズムは、平均化又は最小検出処理であってもよい。
【００１４】
図３ｃは、特別なインソニフィケーション（insonification）方向１３１に対して明瞭にピークが見えるステアリング角度のエコー値１３０、１３１、１３２等のグループを示す。このような値の分布は、ボディのスペキュラインタフェースのような異方性ターゲットの特徴である。使用されるステアリング角度は、ピーク値を含む分布となるかもしれないし、又は使用されるステアリング角度の範囲外であるピークへ向かう傾向がある値のグループとなるかもしれない。充分なポイントがピークを包含して得られるならば、しきいを設けることによって検出されてもよいし、他には（誤差のマージン内に）２次元の形状を持つ多項式がエコーサンプル値に合うかで特徴が識別されてもよい。異方性ターゲットの識別は、エコー結合器によるピークと最小値と（の差）のアルゴリズム又はピーク検出アルゴリズムによる結合処理となる。
【００１５】
最後に、図３ｄは、ゼロ又はゼロに近い多くの値を含む値のグループを示す。このようなエコー値の分布は、ノイズ特性であり、しきい値Ｚを設定し値の最小数Ｗがこのしきい値より低いかどうかを決定することにより、検出される。しきい値Ｚは、システムのダイナミックレンジに基づくものであり、より大きなダイナミックレンジはより多くのノイズ汚染を示す。ノイズからの結果である値の検出の応答は、エコー結合器によるメディアン、最小−最大、又は最小の値の範囲の使用でもよいし、又は大部分の値がノイズしきい値より低い場合そのイメージ部分にあるピクセル値をゼロに簡単に設定してもよい。他の結合アルゴリズムは、本発明の特別に構築された実施例で実施されてもよい。例えば、所望ならば、相乗平均処理及び／又は最小二乗平均処理が実施されてもよい。
【００１６】
図２は、図１の超音波システムのイメージプロセッサ６４を示し、超音波システムのデータパスから及びデータパスへの入力６６及び出力６８により示されるようなシステムの信号処理パスの一部である。イメージプロセッサ６４は、エコー結合器により実施されるべき結合処理のタイプを制御するためにエコー結合器６０に結合された付加の出力部を持つ。イメージプロセッサ６４は、超音波イメージデータ上で実施され、鏡面反射ターゲット、ノイズ、ポイントターゲット、スペックル等のようなイメージ特性を区別するために使用されるフィルタリング又は処理の種類を表す。この決定は、ステアリング角度分析器に対して正に上述したような結合方法を選択するために用いられてもよいし、結合方法を取り上げるためにステアリング角度分析器の出力と組み合わせて用いられてもよい。
【００１７】
本発明の１つの実施例では、イメージデータの分析はピクセル毎に実施され、イメージ内の各ピクセルに対して最適化される結合方法の選択となる。所与の複合イメージは、異方性ターゲット、ポイントターゲット、ノイズ及びスペックルからのイメージデータを含み、種々の異なるイメージに依存した結合プロセスは、イメージ全体を通して異なるピクセルに対して使用されてもよい。
【００１８】
本発明の他の実施例では、空間的複合のための結合技術は、実施される診断検査のタイプに依存して選択される。例えば、柔らかい組織、すなわち胸部検査の産婦人科検査が実施されるならば、診断の対象は、かなりの頻度で高く減衰するターゲットである。産婦人科検査では、診断者は、胎児内の強く反射する骨に隣接する柔らかい組織を識別しようと努める。胸部検査では、診断者はイメージ内のこれらの音響影像を識別することにより腫瘍を位置決めしようと努める。このように、音響影像を抑圧しようとするよりはむしろ、空間的複合プロセスは、この特性を強調するために使用される。このような場合、ユーザインタフェース２０からの診断者の入力による検査タイプの選択は、図２に示されるようにエコー結合器６０への制御信号として用いられる。高く減衰するターゲットが調査の対象である、このタイプの検査の選択は、最小検出処理によるエコー結合の選択となり、異なるステアリング角度の最小値を持つエコー信号がイメージ内の各ポイントでのピクセル値に対して用いられる。
【００１９】
検査タイプによる結合方法の選択の他の例として、産婦人科検査は、胎児の骨を調べるためになされてもよいし、筋（MUSCULOSKELETAL）検査が腱損傷を診断するためになされてもよいし、又はバスキュラ検査が血管壁のプラークを調べるためになされてもよい。これらの検査においては、調査の対象は、正反射部を含む異方性ターゲットである。このような環境では、検査タイプの選択は、エコー結合器によるピーク検出アルゴリズムの使用となり、これによりピーク振幅を示す異なるステアリング方向のエコーがイメージ内の各ポイントでのピクセル値に対して用いられる。
【００２０】
他の例としては、診断者はスペックル又はノイズのようなイメージアーチファクトの最適な低減を所望するので、イメージはできるだけきれいである。これらの場合、このタイプの最適化の診断者による選択は、イメージ内の各ポイントでのエコー結合器による平均化処理の使用となるだろう。
【００２１】
本発明の他の実施例では、空間的複合の結合処理を適当に制御するためにイメージデータを使用するよりはむしろ、実施された分析の結果がイメージ内の選択された特徴を特定するか又は強調するように使用される。例えば、診断者は裂かれた又は他の損傷に対する腱を検査していたと仮定する。腱は高い異方性があり、異なる観察角度のビームからの腱により戻されたエコーは、図３ｃに示されるもののようなマークされたステアリング方向感度を示す。この特性を持つエコーのグループがイメージ内で見つかるとき、イメージのそのポイントが、例えば特定の色付けを当該ポイントに設定することにより強調される。例として、あるしきい値を超えるピーク値を持つピクセルが色づけされてもよいし、さもなければイメージ内で強調されてもよい。他には、ピクセルの使用されるヒュー（色づけ）の量がイメージ内のポイントの角度依存性（異方性）の程度を表すように選ばれてもよい。全体のイメージに対する結合処理は、イメージスペックル及びノイズを低減する平均化のために設定できるし、例えば、所望の特性を表すイメージ内のポイントが所望のヒューで色づけできる。他には、所望の特性を持つイメージ内のポイントがピーク表示のような診断に対する最適な結合方法を用いて強調でき、一方でイメージ内の他のポイントがスペックル及びノイズアーチファクトを低減するために平均化するような異なった結合的な処理がなされる。
【００２２】
本発明者は、空間的に複合されるイメージの異なる領域に対して異なる結合のアルゴリズムの使用が、結合方法のあるタイプから別のタイプへ移るところの境界でのアーチファクトが生じえるということを見出した。これらのアーチファクトは、現実には存在しない組織のインタフェース又は境界を診断者が診断してしまうようにする。このようなアーチファクトを低減しほぼ排除するために、処理方法の変化は、段階的に（transitionally）なされる。例えば、図４は、ライン７２の右側の構成はピーク検出表示のような結合処理のあるタイプで処理される超音波イメージの領域７０を示す。ライン７２の左側のイメージ部分は、平均化のような異なる結合方法により処理される。これは、ライン７２でイメージ内に明らかな境界を生じうる。このアーチファクトを低減するために、移行結合処理が、ライン７２のいずれかの側で用いられる。例えば、ピーク検出表示は、点線７６の右側の領域で用いられ、平均化が点線７４の左側の領域で用いられ、重み付けされた平均化が２点鎖線の中間領域で用いられる。結合方法の変化は、段階的に又は継続的であってもよい。いずれの場合も、移行処理の使用は、結合処理アーチファクトを低減する。他に、エコーデータを分析する決定処理が、移行処理結果を効果的にするために意図的に「ファジー」に（すなわちある程度大まかに）なされる。
【００２３】
図５は、図１の空間的に複合するプロセッサ３０の好ましい実施を示す。プロセッサ３０は、図１のビーム形成器から受信するエコー信号のコンディショニングを実施する信号プロセッサ７２により好ましくは実施される。信号プロセッサ７２は、上記プリプロセッサ３２でなされるような多くの処理を実施する。エコー信号は、空間的に複合されるイメージ表示のために必要な大部分の処理を実施する、一般的な汎用プロセッサ７４に結合される。プロセッサ７４はエコーデータをリサンプルし、結合方法を決定するのに必要なエコーデータの分析を実施し、上述の結合処理及びポスト処理を実施できる。空間的に複合されるために用いられる個別の要素イメージ及び全体的に形成される空間的に複合されたイメージは、イメージメモリ７６に蓄積される。蓄積されたイメージは、見積もり（Ｒ−θ）又はデカルト座標（カルテシアン（Cartesian））空間表記の何れかで蓄積されてよい。走査変換されていないイメージ（アンスキャン（Un-scan）変換イメージ）は、走査変換器４０に結合され、必要の際走査変換されたイメージを返す。走査変換されたイメージは、表示のためにビデオプロセッサ４４に結合される。本発明は、受信したエコー信号に依存して空間的に複合される要素イメージを適応的に結合するために実時間のイメージングで実施できる一方、同じ技術がポスト処理モードの操作で実施できることが理解されるであろう。例えば、蓄積されたイメージが取り出され、その要素の観察方向のエコーは診断者が特定の診断のために最適化されるイメージを作り出すまで種々の態様で結合的に再処理できる。実時間での受信及び表示の間、平均化により処理されたイメージが取り出され、異なるステアリング方向からのエコーは、より良い表示若しくは強調された所望のイメージ特性又は異なるタイプのイメージ特性への上述の他の結合方法により再処理できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の原理に従って構築された超音波診断イメージングシステムを表すブロック図を示す。
【図２】図１の結合器の詳細を表すブロック図を示す。
【図３】ステアリング角度の関数として例示的なエコー特性を示す。
【図４】結合するプロセスがイメージ内で変わるとき、生じてしまう境界アーチファクトを示す。
【図５】図１の空間的複合プロセッサの好ましい実施を表すブロック図を示す。

Claims (11)

1. 空間的に複合される画像を形成するための超音波診断イメージングシステムであって、イメージ領域内の個々のポイントは複数の異なる観察方向からエコーをリターンすることにより、異なるステアリング方向からの前記イメージ領域内の個々のポイントからエコー信号を受信する受信器と、前記イメージ領域内の個々のポイントからの複数の異なる観察方向から受信された前記エコー信号を解析して複数の結合アルゴリズムのうち一つを選択するように制御信号を作るプロセッサと、前記制御信号に応じてイメージ信号値を作るために、前記イメージ領域内の個々のポイントからの複数の異なる観察方向から受信された前記エコー信号を結合するエコー結合器とを有する超音波診断イメージングシステム。
2. 前記複数の結合アルゴリズムは、平均化、最小値検出、ピーク検出、メディアン検出、最小−最大処理、相乗平均処理、最小二乗処理、差分検出、及びゼロ設定を含む、請求項１に記載の超音波診断イメージングシステム。
3. 受信器、プロセッサ及びエコー結合器を有する超音波診断イメージングシステムの制御方法であって、前記プロセッサによりイメージ領域内の個々のポイントからの複数の異なる観察方向から前記受信器により受信された前記エコー信号を解析して複数の結合アルゴリズムのうち一つを選択するように制御信号を作成するステップと、前記制御信号に応じてイメージ信号値を作るために、前記イメージ領域内の個々のポイントからの複数の異なる観察方向から受信された前記エコー信号を前記エコー結合器により結合するステップとを有する、方法。
4. 解析して前記制御信号を作成するステップは、イメージ領域内の個々のポイントからの複数の異なる観察方向から受信されたエコー信号のしきいレベル、値の一致、ピーク、最小値、分散、分布、及び標準偏差の少なくとも一つを解析するステップを有する、請求項３に記載の方法。
5. 前記結合するステップは、前記制御信号に応じて、平均化、最小値検出、ピーク検出、メディアン検出、最小−最大処理、相乗平均処理、最小二乗処理、差分検出、及びゼロ設定のうちの１つを選択するステップを有する、請求項４に記載の方法。
6. 前記結合するステップは、イメージのいくつかのイメージ信号値を作る第１の結合アルゴリズムを使用するステップと、前記イメージの残りのイメージ信号値を作る第２の結合アルゴリズムを使用するステップとを有する、請求項３に記載の方法。
7. 第２の結合アルゴリズムを使用することは、前記イメージのある信号特性を強調することになる、請求項６に記載の方法。
8. 前記結合するステップは、ポイント毎を基にした所与のポイントから戻されたエコー信号に対する結合アルゴリズムを選択することを有する、請求項３に記載の方法。
9. 前記結合するステップは、イメージの空間的に隣接するポイントにわたって遷移結合アルゴリズムを利用することを有する、請求項３に記載の方法。
10. 前記制御信号に応じてイメージ内のポイントを強調し、当該強調は、前記イメージのポイントにおける強調の量を選択的に変化させる、及び／又は前記イメージ内に選択的に色ポイントを有する、請求項３に記載の方法。
11. 強調されるイメージ内のポイントは、特定の結合アルゴリズムにより作られるイメージ信号値に対応する、請求項１０に記載の方法。

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