JP4057683B2 - 超音波診断装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体に超音波を送波しその反射波を受波することにより被検体の超音波診断情報を得る超音波診断装置に関し、特に3次元表示を行う超音波診断装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、超音波診断装置による回転表示を伴う3次元表示においては、プロセッサによるソフトウェア処理が必要であり、このようなソフトウェア処理には比較的処理時間がかかっていた。超音波診断装置はリアルタイム表示を身上とするものであり、当然ながら3次元表示においても処理時間の高速化が必須となっている。
【0003】
例えば特開平5−228145号公報や特開平8−30769号公報に記載の超音波診断装置では、得られた血流像を元に複数の視点から見た投影像を生成し、それらを連続的に見せて回転表示させることで3次元表示を行う方法が提案されている。
【0004】
しかしながらこれらの公知文献に記載の装置による3次元表示の手法は、血管の3次元構築を表現する方法としては優れているが、視点の異なる複数の3次元投影像を作成する処理を一般にソフトウェアで行う必要があるため、処理に時間がかかるという問題点がある。
【0005】
一方、本発明と同一出願人による出願に係る特開平2−36851号公報、及び特開平5−228146号公報においては、血流像のリアルタイム3次元表示を行う超音波診断装置について記載されている。しかしながらこの装置では、視点を被写体の正面に限定した場合においてのみリアルタイムで3次元表示することが可能であり、観察方向(視点)が限定されてしまう。3次元表示においては、回転表示のように様々な方向から被写体を観察可能であることが診断能を高めるためにも必要である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明は、回転表示を伴う3次元表示を簡単な構成により高速に行い得る超音波診断装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために本発明は次のように構成されている。すなわち、本発明の超音波診断装置は、超音波走査面が3次元空間内で移動可能な超音波プローブと、この超音波プローブを駆動して得た受波信号より超音波走査面毎に1フレームの血流分布情報を生成する画像生成手段と、前記3次元空間内の複数フレームの血流分布情報を超音波走査面の位置情報と対応付けて記憶する第1の記憶手段と、前記血流分布情報の超音波走査面での座標系を、前記3次元空間を所定の視点方向へ投影したときの投影面での座標系に変換する座標変換手段と、前記座標変換手段により変換された座標系において、前記複数フレームの血流情報から投影像を生成する投影像生成手段と、前記投影像を視点方向毎に記憶する第2の記憶手段と、この第2の記憶手段から前記投影像を読み出して表示する表示手段と、を備えることを特徴とする。
【0008】
ここで、前記座標変換手段は、前記血流分布情報の超音波走査での座標系を直交座標に変換し、この直交座標を、前記3次元空間を所定の視点方向へ投影したときの投影面での座標系に変換することを特徴とする。また、前記超音波走査での座標系は極座標であり、前記位置情報はフレーム番号であることを特徴とする。
【0009】
超音波診断装置には、従来からDSC(ディジタル・スキャン・コンバータ)と呼ばれる座標変換機能がある。セクタスキャンのデータは、DSCに対し極座標形式で送られてくる。これをDSCが直交座標に変換する。
【0010】
本発明では、直交座標に変換された画像をフレームメモリに書き込む際に、以前の画像と演算を行うことで、ハードウェア的に高速に3次元投影像を作成するものであるが、特に本発明では、以前の画像との演算を行う際に、演算する座標に対して所定の操作を加えることにより、正面以外の任意の視点から見た3次元投影像を作成することができる。つまり、極座標から直交座標への変換と、3次元座標変換と3次元投影演算との3つの処理を1回の操作で行うことができる。そのために処理の高速化が可能である。
【0011】
また、DSCの前段に一連の3次元スキャンを行った複数の2次元超音波画像を記録する画像メモリを置き、1つの視点からの投影像の計算に付き、前記画像メモリの全ての画像をDSCに送って3次元投影演算を行わせれば、1つの視点からの投影像が得られ、この操作を異なる視点について行えば、異なる視点からの複数の投影像を得ることができる。これらの投影像を連続的に表示すれば、回転表示が可能となる。
【0012】
より具体的には、1回の超音波スキャンの時間をTとし、画像メモリにN枚の超音波画像が記録されておりN枚の画像から3次元画像を構成するとし、視点の数をMとする。ここで、実際の超音波スキャンでは同じ場所をL回送受信する必要があるが、画像メモリからの読み出しならば1回の送受信のタイミングでデータを転送することができる。そのために処理時間は、T×N×M/Lとすることができる。T=0.1s,N=64,M=8,L=20とすると、2.5sで回転表示可能な3次元画像を作成できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【0014】
(第1の実施形態)プローブの平行移動による3次元スキャン
図1は、本発明の第1実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。同図に示すように本実施形態の超音波診断装置は、超音波プローブ1、送受信回路2、Bモード処理系3、CFM(Color Flow Mapping: カラーフローマッピング)処理系4、画像メモリ5、DSC(Digital Scan Converter: ディジタルスキャンコンバータ)6、そしてCRT7から構成されている。
【0015】
図2は3次元スキャンの手順を示す図である。
【0016】
超音波の2次元スキャンは、ここではセクタスキャンを行うものとする。プローブ1を超音波のスキャン面に対して直角の方向に、等速度で平行に移動させることで3次元スキャンを行う。図2において、スキャン面(超音波走査面)をx−y平面とし、プローブ1の移動方向をz軸方向と定める。また1フレーム間のプローブの移動距離はDとする。尚、プローブ1の平行移動は手動により行うものとする。これは超音波診断装置の特徴の一つである簡便性を損なわないためである。また、プローブ1の移動距離はあまり大きくしないことが得策である。なお、プローブ1を機械的に等速度で移動させてもよい。
【0017】
プローブ1からのエコーデータは、送受信回路2を介してBモード処理系3及びCFM(カラーフローマッピング)処理系4に送られる。Bモード処理系3ではエコーの振幅情報の映像化が行われる。またCFM処理系4では動いている血流情報の映像化が行われる。血流情報には、速度、分散、パワー等の情報があり、当該血流情報は2値化情報として得られる。すなわち、ここでは血流が流れていることを第1の値例えば1によって表し、血流が流れていないことを第2の値例えば0によって表すこととする。このため、3次元表示の最初に必要な2値化処理は容易である。
【0018】
Bモード処理系3において得られたBモードデータ、及びCFM処理系4において得られたCFMデータは、画像メモリ5に超音波の複数フレーム分、位置情報であるフレーム番号が付されて記録されるとともに、DSC(ディジタル・スキャン・コンバータ)6に送られる。DSC6における処理の内容は後述する。DSC6において作成された3次元画像はCRT7により表示される。コントローラ8はシステム全体の動作を司る。
【0019】
ここで、本実施形態のDSCによる3次元表示画像の生成方法について説明する。
【0020】
まずDSC6において、通常の極座標から直交座標への2次元座標変換が行われる。
【0021】
図3は通常の2次元座標変換を説明するための図である。超音波のセクタスキャンによって得られたデータは、距離方向(R)と方位方向(θ)からなる極座標形式(図3(a)を参照)でDSC6に入力される。DSC6においては、Rおよびθからなる極座標を次式(1)に従って直交座標(図3(b)を参照)に座標変換する。
【0022】
X1=Rsin θ Y1=Rcos θ …(1)
視点の方向は図4に示すようにx−z平面に平行な方向であって、無限遠から見た状態とする。また、視点の方向(視線と呼ぶ)とx軸とがなす度をψとする。
【0023】
次に図4において、z軸の回りをψだけ回転した視線方向への投影を考える。回転前の座標を(X1,Y1,Z1)とする。この点に対応する投影面の座標(X2,Y2)は、次式(2)に示す通りとする。
【0024】
X2=X1cos ψ−Z1sin ψ Y2=Y1 …(2)
ここで、2次元の超音波診断画像(上述したある超音波走査面におけるCFMデータ)の1枚のフレームを投影面に投影する場合、ψ,Z1は一定であるから、X1に対する定数の乗算と加算とから成る簡単な演算によりX2を求めることができる。Z1の値は、3次元スキャンしたフレームの中央に位置するフレームがZ1=0となるように調整する。つまり、フレームの枚数をN、フレーム間の移動距離をDとし、フレーム番号をnとすると、次式(3)のように定めれば良い。
【0025】
Z1=−ND/2+nD …(3)
以上の内容をまとめると、z軸をy軸のまわりにψだけ回転させた方法の無限遠に視点を置いて、z’軸上のデータをx’−y’平面に投影することで、視点ψからの3次元投影画像を得ることができる。もとの座標(X1,Y1,Z1)上の点は、y軸のまわりの回転ψにより(X2,Y2,Z2)の点に変換される。
【0026】
図5は、以上説明した処理を実現するためのDSC6の具体的な構成を示すブロック図である。
【0027】
同図において、61は入力バッファ、62は補間演算回路、63は投影像演算回路、64はフレームメモリ、65は極座標から直交座標へのアドレス変換回路、66はコントローラ、67は回転移動回路、RGB変換回路である。
【0028】
一般に、DSCはBモードデータ及びCFMデータを個別に処理するものであり、その場合は図5に示すブロックがデータの種類毎に必要であるが、ここではCFMデータの処理用のブロック図で示してある。ちなみにBモードデータ処理用のDSCでは投影像演算回路63および回転移動回路67は不要である。
【0029】
CFMデータには、速度、分散、パワー等があるが、ここでは速度データを画像化する場合について説明する。速度データとしてのCFMデータは、まず、複数のバッファからなる入力バッファ61に入力される。補間演算回路62は、入力バッファ61から数ラスタ分のデータを読み出して所定の補間演算を行う。ここでの補間演算はアドレス変換回路65により制御される。補間演算では極座標から直交座標への座標交換のための補間のみを行うものとし、回転による位置移動のための補間は行わないようにする。その理由は、処理速度の高速化を図るためであり、後述する投影演算を行うと、回転による位置移動のための補間を行っても行わなくても最終画像にはそれほど影響がないためである。
【0030】
補間された画像は、投影演算回路63により3次元投影演算が施される。投影演算回路63では図6に示すような処理を行う。この処理の内容は特開平5−228146号公報に記載の処理と同じであり、概略次の通りである。
【0031】
3次元投影演算は以下のアルゴリズムに従って作成される。ここで、Cn:現在の血流速度を示すデータ(CFMデータ)、Vn:現在の投影像データ、Vn−1:1フレーム前の投影像データ、Wn:現在のディプス(depth)データ、Wn−1:1フレーム前のディプスデータ、Cth:血流速度から真に血流かどうかを判定するためのパラメータである。なお、初期値は、V0=W0=0とする。
【0032】
投影演算回路63は、1フレーム毎にCnを受けた時、そのフレームにおいて血流のデータの有無を判定する。
【0033】
先ず、abs(Cn)<Vthの時は、血流データが無い場合である。この時は、フレームメモリ200に古いデータを書き込みdepthを1増やす。
【0034】
一方、血流データが有る場合、即ち、abs(Cn)≧Cthの時は、フレームメモリ64に最新のデータを書込み、depthを1とする。
【0035】
上述した動作を各ピクセル毎にサイクリックに行うことにより、1枚のフレームメモリ64へのデータ書込み時に3次元投影像を作成することができる。従って、フレームメモリ64から表示のために読み出されたデータを図示しないモニタへ加えることにより、そのモニタ上に超音波による3次元投影像を表示することができる。
【0036】
ここで、特開平5−228146号公報に記載の装置と本実施形態とが回路構成において異なる点は次の通りである。すなわち同公報に記載の装置では、フレームメモリによって1フレーム遅延された画像と現在の画像とに対して常に同じアドレスが与えられるものとなっているが、本実施形態ではフレームメモリ64のアドレスはアドレス変換回路67の出力アドレス(X2,Y2)((2)式で変換されたもの)を与えるようにしている。また、フレームメモリ64は複数枚あるものとし、回転角ψ毎に別々のフレームメモリ64を使用するものとなっている。
【0037】
以上のように構成された本実施形態の超音波診断装置の動作について説明する。
【0038】
(1)3次元スキャン時
3次元スキャン中は、1枚目のフレームメモリ64に対してψ=0°として投影像を記録する。これにより正面からの投影像がリアルタイムで表示される。これは特開平5−228146号公報に記載の装置と全く同じ画像である。なお、3次元スキャン中に通常のリアルタイム像(Bモード断層像)を表示していても勿論良い。しかし、正面からの3次元投影像をリアルタイムで表示すれば、3次元スキャンが効果的に行われているかどうかのチェックに有効である。
【0039】
(2)異なる視点からの投影像の作成
操作者がフリーズスイッチを押して画像をフリーズさせることにより、3次元スキャンが終了し、異なる視点からの投影像の作成が開始される。図1に示したコントローラ8は、DSC6に与える制御信号を次のように変更する。すなわちCFMスキャン時はドプラ信号を得るために同じラスタの送受信を複数回(L回とする)繰り返すが、投影像作成時には1回の送受信の時間で済む。これは、フリーズ後は画像メモリ5から画像を読み出すだけであるからである。これにより、1フレームの画像の構築時間をスキャン時の1/Lにすることができる。
【0040】
次に、視点の角度ψnが設定され、3次元スキャンによって得られたすべての画像が画像メモリ5から読み出されて、角度ψnにおける投影像が作成される。この投影像はn番目のフレームメモリ64に格納される。
【0041】
次に、別の視点角度ψn+1が設定され、3次元スキャンによって得られたすべての画像が画像メモリ5から読み出され、角度ψn+1における投影像が作成される。この投影像はn+1番目のフレームメモリ64に格納される。
【0042】
このようにして、連続して少しだけ異なる視点からの投影像がフレームメモリ64に格納される。
【0043】
投影像作成の処理時間は、T=0.1[秒]とし、N=64,M=8,L=20とすると、2.5[秒]で回転表示可能な3次元画像を構成することができる。
【0044】
(3)回転表示
上記異なる視点からの投影像をフレームメモリ64を切り替えて表示することにより、回転表示を伴う3次元表示を行うことができる。回転表示によれば立体感が強まり、3次元的な被写体(例えば血管の構築)の把握が容易になる。
【0045】
ここで、表示する3次元画像は色付けして表示するようにしても良い。色付けのための処理はRGB変換回路68により行われる。色付け処理の具体例は特開平5−228146号公報に記載されており、概略次の通りである。
【0046】
図7は、色付けの例を示す図である。
【0047】
先ず、3次元位置情報W(ディプスデータ)と投影像データVを利用し、両者を同時に表示する場合は、図7(a)に示すように色付けを行う。つまり、血流の方向、速度については図7(b)のような色付けを行い、更に3次元情報として緑を追加する。
【0048】
流速の情報が不要であって、血管の3次元構造のみを観察したい場合は、Wの表示のみで十分である。そこで、この色付けの場合には、Wの値と、Vの符号のみを用いて図7(c)のように表示する。血流の情報も必要でなければ、図7(d)のようにしても良い。
【0049】
以上説明した本実施形態によれば、CFMデータに対する極座標から直交座標への変換と、3次元座標変換と3次元投影演算との3つの処理をDSCへの1回の操作で行うことができ、処理の高速化を図れる。
【0050】
また、DSCの前段に一連の3次元スキャンを行った複数の2次元超音波画像を記録する画像メモリを置き、1つの視点からの投影像の計算に付き画像メモリの全ての画像をDSCに送って3次元投影演算を行わせることで、1つの視点からの投影像を得るようにし、この操作を異なる視点について行うことで、異なる視点からの複数の投影像を得ることができる。これらの投影像を連続的に表示させることにより回転表示が可能となる。
【0051】
(第2の実施形態)
次に本発明の第2実施形態を説明する。上述した第1実施形態においては、プローブを平行移動させることによって3次元スキャンを行なうものであったが、本実施形態においては、図8に示すようにプローブをスキャン面と垂直な方向にあおって(回転させて)3次元スキャンを行うものとなっている。
【0052】
プローブは生体接触面を支点として等速度で回転移動させるものとする。この場合、プローブはx軸の回りを回転させるものとする。このようなあおりスキャンは手動で行うものとするが、回転角をあまり大きくしない方が得策である。1フレーム間の回転角度をα0、3次元スキャンフレームの枚数をNとする。3次元スキャンの中央のフレームをα=0とすると、n番目のスキャンフレームは、α=−Nα0/2+Nα0となる。
【0053】
ここで、2次元座標(X1,Y1,0)である点は3次元座標では、次式(4)に示す計算式により、(X2,Y2,Z2)に変換される。
【0054】
【数1】
【0055】
投影演算ではz軸に投影されるから、実際に必要となるのは、
X2=X1cos ψ−Y1sin ψcos α
Y2=Y1cos α …(5)
となる。これらの演算は、図5に示した回転移動回路67において行うことが可能である。
【0056】
これ以降の、複数の視点における投影像の作成の手順は第1実施形態と同じであるので説明を省略する。
【0057】
(変形例)
第1実施形態および第2実施形態ともに、視点の移動はy軸の回りの回転によって行われたが、x軸の回りの回転も同様にして可能である。式だけを記述すると、第1実施形態の場合は次の通りである。
【0058】
X2=X1 Y2=Y1cos ψ+Z1sin ψ (ψ=0が正面) …(6)
同様に、第2実施形態の場合は次の通りである。
【0059】
X2=X1 Y2=Y1cos (ψ+α) (ψ=0が正面) …(7)
投影画像の方法としては、本実施形態では視点から手前にある画像が、手前に表示される方法で重畳する方法とするが、CFMのパワー表示においては、最大値投影を行っても良好な3次元画像を得ることができる。パワーには符号がないので、この処理は、図5の投影像演算回路63でCnとVn−1の大きい方をVnにするという単純な処理で実現できる。
【0060】
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。
【0061】
上述した第1及び第2実施形態では、従来のDSCの図5のアドレス変換回路65をそのまま利用し、アドレスに対して追加回路(同図の回転移動回路67)を付加し、これにより3次元座標変換を行うものであった。
【0062】
本実施形態は、本願発明と同一出願人による出願に係る特開昭62−72341号公報に記載のDSCの構成に対し、そのハードウェア構成を全く変更することなしに、極座標変換(2次元座標変換)と3次元座標変換とを同時に行うものである。すなわち、本実施形態の全体の概略構成は図1に示したものと同じであって、本実施形態のDSCの構成は、図5に示したDSCの構成において回転移動回路67を具備せず、他の部分についてはほぼ同じである。
【0063】
ここで、本実施形態のアドレス変換回路について詳細に説明する。まず、特開昭62−72341号公報に記載のアドレス変換方式について簡単に説明する。
【0064】
図9は、上記アドレス変換方式を採用するDSCの概略構成を示すブロック図である。このような構成のDSCにおいて、アドレス発生回路は、図10及び、以下に示す表1及び表2に従って、ラスタnとラスタn−1のアドレスを発生する。
【0065】
図10において、例えばセクタスキャンの中心を(x0,y0) とし、現在のラスタnと一本前のラスタn−1の間を補間し、直交座標系のフレームメモリに書き込む。
【0066】
【表1】
【0067】
【表2】
【0068】
このようなアドレス変換を行っているDSCにおいて、極座標変換と3次元座標変換とを同時に行うには、表2に示したベクタデータ(これは外部からCPUによってソフトウェア的に与えられる)を以下に述べるように変更するだけで行える。
【0069】
(平行移動による3次元スキャンの場合)
ここでは、図11に示すような3次元スキャンを行うものとする。視点の方向を図12に示すように規定した場合においては、投影面上の座標は次式(8)のように表される。
【0070】
【数2】
【0071】
この式から、表2で示したベクタデータに対し、次式(9)のような演算を行うことで、極座標変換と3次元座標変換を同時に行うことができる。
【0072】
【数3】
【0073】
この式は、x0(n),x0(n-1) については、従来の値(x0)からZ1sin θを引くだけである。また、Δx(n), Δx(n-1)については、従来の値(tan θ)にcos ψをかけるだけである。ここで、Z1はスキャンした超音波画像のフレームによって決まる値、ψは視点角度によって決まる値である。CPUは、ベクタデータを送出する際に、従来の値に対して少々の演算を行ってから出力するだけで済み、簡単な構成により極座標変換と3次元座標変換を同時に行うことができる。
【0074】
(あおりによる3次元スキャンの場合)
あおりスキャンを行う場合は、図13に示すような3次元スキャンを行うものとする。視点の方向を図14に示すように規定した場合における、投影面上の座標は次式(10)のように表される。
【0075】
【数4】
【0076】
この式から、表2で示したベクタデータに対し、次式(11)のような演算を行うことで、極座標変換と3次元座標変換を同時に行うことができる。ここで、αはプローブのあおり角で、超音波のスキャンフレームによって決まる値である。
【0077】
【数5】
【0078】
この場合においてもCPUがベクタデータを送出する際に、従来の値に対して少々の演算を行ってから出力するだけで良い。
【0079】
なお、3次元投影演算は、第1実施形態又は第2実施形態と同様であるので説明は省略する。
【0080】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず種々変形して実施可能である。
【0081】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば回転表示を伴う3次元表示を簡単な構成により高速に行い得る超音波診断装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図。
【図2】3次元スキャンの手順を示す図。
【図3】通常の2次元座標変換を説明するための図。
【図4】x−z平面と投影面との位置関係を示す図。
【図5】DSCの具体的な構成を示すブロック図。
【図6】投影像演算回路の処理内容を示す図。
【図7】色付けの例を示す図。
【図8】本発明の第2実施形態に係るプローブのあおりによる3次元スキャンを示す図。
【図9】特開昭62−72341号公報に記載のDSCの概略構成を示す図。
【図10】極座標から直交座標への座標変換を説明するための図。
【図11】プローブの平行移動による3次元スキャンを示す図。
【図12】x−z平面と投影面との位置関係を示す図。
【図13】プローブのあおりによる3次元スキャンを示す図。
【図14】x−z平面と投影面との位置関係を示す図。
【符号の説明】
1…プローブ
2…送受信回路
3…Bモード処理系
4…CFM処理系
5…画像メモリ
6…DSC
7…CRT
Claims (3)
- 超音波走査面が3次元空間内で移動可能な超音波プローブと、
この超音波プローブを駆動して得た受波信号より超音波走査面毎に1フレームの血流分布情報を生成する画像生成手段と、
前記3次元空間内の複数フレームの血流分布情報を超音波走査面の位置情報と対応付けて記憶する第1の記憶手段と、
前記血流分布情報の超音波走査面での極座標系を直交座標系に変換する極座標変換と、前記3次元空間を所定の視点方向へ投影したときの投影面での座標系に変換する3次元座標変換とを同時に行うことにより前記複数フレームの血流情報から投影像を生成する投影像生成手段と、
前記投影像を視点方向毎に記憶する第2の記憶手段と、
この第2の記憶手段から前記投影像を読み出して表示する表示手段と、
を備え、
前記超音波プローブのあおりによる3次元スキャンを行った場合に、
前記超音波プローブをx軸の周りのあおった際のあおり角をαとし、
前記投影面を、y軸に平行でかつz軸を該y軸の周りにφだけ回転して得られる平面とするとき、
前記投影像生成手段は、
ラスタの始点(x0,y0)を通り、(cosφ/cosα)tanθ n −sinφtanαの傾きを有する直線によって前記超音波走査面のn番目のラスタを前記投影面に投影することを特徴とする超音波診断装置。 - 前記位置情報は、フレーム番号であることを特徴とする請求項1記載の超音波診断装置。
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