JP4107695B2 - 超音波診断３次元画像処理方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断医療用画像処理技術に関し、特に組織構造(tissue texture)及び脈管構造(vasculature)の超音波診断画像処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来実験的に試みられていた３次元超音波画像処理は、商業的商品が開発されるまでに進歩した。本出願人の製造した超音波診断装置、ＨＤＩ３０００は３次元画像処理の可能な最初の商業的超音波装置である。ＨＤＩ３０００の装置は、米国特許第５，４７４，０７３に記載されている体内組織と器官の血流ネットワ−クの３次元表示を形成する３次元ドップラ−画像処理技術を利用している。それは通常の超音波走査ヘッドのみを使用しており、追加的装置、機器を必要としない。さらに、この装置は、米国特許第５，４８５，８４２号により詳細に説明されているように、通常の平面画像走査変換器により３次元血流表示を形成する。
【０００３】
ＨＤＩ３０００の大きな特徴は、Ｂモ−ド信号による乱れなしに、パワ−ドップラ−画像処理によって血流の３次元表示を形成することができる点である。この技術には、体内の３次元領域での血流情報の自動区画化(automatic segmentation)による利益がある。ＨＤＩ３０００装置は、連続的で複雑な血管ネットワ−クの非常に良好な３次元表示を形成することができるのであるが、医師は、時により、さらに周囲の組織とその脈管構造との関係に関する情報を欲する場合がある。例えば、胎児の成長を診断しようとする医師は、胎児の栄養状態及び成長の程度を評価するために、胎盤の育成能力を評価したいであろう。この要求における重要な点は、胎盤内の血管構造を観察することであり、それは多くの場合、ＨＤＩ３０００装置の３次元パワ−ドップラ−画像処理により容易に知ることができる。しかし胎盤が子宮壁に強く接している場合には、血流ネットワ−ク単独の表示では、胎盤の血管と子宮の血管とを明瞭に識別することはできない。そのとき医師は、二つの器官の血管ネットワ−クを明瞭に識別できるよう、周囲の組織構造の情報と共に３次元血流情報を増加させたいと望む。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、３次元組織情報と３次元血流情報とを結合しようとする試みには、困難な点が、多数存在する。米国特許第５，３２９，９２９号は多数のこれらの困難な点を列挙している。その一つは、超音波などのコヒ−レント(coherent）画像処理に固有のスペックル(speckle）現象であり、それは二つの組織情報に区分しようとする試みを妨げる。これは、境界と周縁部をはっきり区別することができないことを意味し、それは結局、異なる器官の組織の３次元的な広がりを特定するための標準境界モデリング技術を採用したときに問題となる。
【０００５】
第二に、一平面内の走査線間のピッチと比較したとき、平面間のピッチの相違が、走査平面方向における不明瞭な、より粗い画像をもたらすと言われている。
【０００６】
第三に、そして最も特徴的なのは、３次元の組織または器官の表面を表示すると、観察対象の内部構造をぼやけさせるが、一方対象内部を表示すると、その表面の観察が不可能となる。この問題は解決することはできないと前記９２９特許は述べている。
【０００７】
従って、組織と脈管構造双方の３次元画像は、医師に大きな利益を与え、かつ医師から期待されているのであるが、これを実行するときの困難性は、克服不能とされてきた。しかしながら本発明は、３次元画像処理のこれら多くの古くからの問題を打破する新たな状況を与えるものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明により、組織と血流双方の３次元超音波表示形成技術が提供される。体内の同一領域から一連の３次元超音波血流デ−タと一連の３次元超音波組織デ−タが得られる。二つの一連のデ−タの空間的対応を維持するために、これらの一連のデ−タはほぼ同時に採取される。超音波画像処理装置は、不透明度や明暗の重み付けなど、二つの一連のデ−タ用の独立した３次元透視図の変数を決定する手段を含む一連の組織と血流デ−タを組み合わせた３次元表示を与える手段を含んでいる。具体的好適例では、観察平面へのデ−タの近接度を重み付けして、空間基準で一連の結合デ−タを与えることにより３次元表示が形成される。
【０００９】
一連の結合デ−タの画像作成と共に、組織と血流で独立した変数を使用することにより、３次元表示の組織部分の不透明度を調節した表示を得て、内部構造と脈管構造を明らかにすることができる。さらに、組織の不透明度を調節することにより、３次元画像処理される構造と組織の境界を診察上識別可能とすることができる。従って先の例において、胎盤の組織表面構造は、子宮壁のより層状な表面構造とは異なって表示される。従ってこの二つの表面構造化された異なる組織は、それ自身の組織表面構造を形成する子宮の脈管構造から、その周囲の組織構造を形成する胎盤の脈管構造をはっきりと識別するのに必要な構造情報を医師に与えることができる。
【００１０】
添付図において、図１は、本発明による３次元画像を与える組織と血流超音波画像デ−タの結合方法を図式的に説明している。図２は、本発明により構成された超音波診断画像処理装置をブロックダイヤグラムで説明している。図３は、超音波血流及び組織画像情報の独立した３次元表示の変数特性を説明している。図４は、本発明による３次元投影画像の画素(pixel)の透視図を説明している。図５は図３においてさらに二つの組織を区別する場合の変数特性を説明している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、一連の超音波血流画像が１１０で、そして対応する一連の超音波Ｂモ−ド、もしくは組織画像が１２０で示されている。それぞれの一連の画像は、患者の立体領域の異なる切断面(slice)で採取された多数の平面画像である。図１でその順番は、立体領域の深さの順であり；例えば一番上の画像は、該領域の最前面で採取されたものであり、続く画像はその最前面から背面に向かって連続的に採取されたものである。
【００１２】
一連の血流画像中の各画像は、一連の組織画像中の各画像と空間的によく対応して表示される。即ち、血流画像中の血流の位置は、組織画像中の血管の位置に対応している。この対応は、同時に両方の一連の画像デ−タを得ることにより最も容易に達成される。これは例えば、ドップラ−とＢモ−ドラインの時間的交互取得またはドップラ−情報フレ−ムと、Ｂモ−ド情報フレ−ムとの交互取得によって達成することができる。２種類の画像情報をこのように空間的に対応させることにより、これらを画像を取得した容積中の組織と血流の空間関係を正確に描写する３次元表示透視図に結合することが可能となる。
【００１３】
該９２９特許で解決不能とされた問題に、器官表面のＢモ−ド画素により、その器官の内部構造と血流が不明瞭になるという問題がある。例えば、一連の組織画像の第一の画像１２０ａが、二つの隣接する器官１２２と１２４の組織、特に３次元表示中で観察者に最も近い組織、を描写しているとする。また、対応する一連の血流画像１１０内の画像１１０ｃが、画像フレ−ム１１２ｃに示すように、二つの器官の内部の血流ネットワ−クを示しているとする。該９２９特許により示された問題は、一連の画像が作成され、３次元画像表示が形成されるとき、組織画像１２０ａの組織構造が観察者に最も近くになるため、器官１２２と１２４の内部血流ネットワ−ク１２６ｃを不明瞭にする。
【００１４】
該９２９特許は、組織構造を不透明表面で描写した図以外の３次元画像中に、医師が探している医療情報が医師に提供される可能性は考慮していない。本発明は、組織が、半透明または点描状物体として表示される診察的に有用な３次元表示の形成を実現した。本発明により見いだされたそのような描写法は、組織の解剖学的境界と音響的表面構造の一体的関連性により、組織構造の外周を示す。異なる組織ははっきりとした異なる周波数スペクトル、強度、持続時間を有する超音波エコ−を反射するから、エコ−特性の相違を、３次元超音波画像中の組織の型の区別に使用することができる。
【００１５】
三次元表示の観察者は、器官の内部構造と脈管構造を、この半透明または点描状の組織構造を通して観察することができる。図１に説明するように、一連の３次元画像１５０の画像フレ−ム１５０ａの３次元透視図は、血流不透明度制御１３０と組織不透明度制御１４０により２つの型の画像情報の透明度（不透明度）を制御することにより形成される。不透明度制御は、二つのタイプの画像情報の表示不透明度を別々に制御することができることが好ましい。このようにして設定された画像不透明度により、両型の画像情報を、それらの相補的空間関係中に使用して合成３次元透視図が形成される。従って例えば観察者は、二つの器官１２２、１２４の内部血管ネットワ−ク１２６ｃを検討することができ、３次元表示１２８中で各器官の内部脈管構造の広がりを知ることができる。各器官の境界と広がりは、３次元画像中に観察される図示された組織表面構造の広がりにより特定することができる。具体的好適例において、米国特許第５，４８５，８４２号に記載されているように、一連の３次元投影画像１５０が形成され、各画像は異なる観察角の透視図により形成される。表示装置１００上に一連の画像を連続的に急速に表示することにより、観察者は、二つの器官とそれらの内部構造の３次元表示を、それらがあたかも観察者の前で回転しているかのように観察することができる。
【００１６】
第２図には、本発明により構成された超音波診断画像処理装置がブロックダイヤグラムにより示されている。走査ヘッド１０は患者の体内に超音波パルスを発信し、超音波エコ−を受信する変換器アレ−１２を有する。変換器アレ−１２はパルス発信し、そのエコ−が発信器／受信器１４により受信される。変換器アレ−により発信され受信される超音波ビ−ムは、ビ−ム形成器１６の制御により方向付けされ、焦点合わせされ、このビ−ム形成器１６は多数の素子の発するエコ−信号を処理しコヒ−レントなエコ−信号の走査線を形成する。受信されたエコ−信号は、直角位相で検知され、Ｉ，Ｑフィルタ−２０によりろ過され、次いでＢモ−ド用またはドップラ−表示用に処理される。
【００１７】
Ｂモ−ド処理において、ＩおよびＱ試料は、検知器（detector)に送られ、受信エコ−信号の強度に対応する明度でグレ−スケ−ル信号を作成するグレ−スケ−ルマッピング回路２４に送られる。このグレ−スケ−ル信号は、画像フィ−ルドとの空間関係を含む情報と共に組織画像記憶装置４０に記憶される。具体的好適例では、グレ−スケ−ル信号の走査線は、全平面画像を形成するように取得され、一連のＢモ−ド平面組織画像は、組織画像記憶装置４０に記憶される。この画像平面は、それらが取得された時間または空間の順で記憶されることによりそれらの互いの空間配置が保持される。
【００１８】
ドップラ−処理については、ＩおよびＱ試料は、ウォ−ルフィルタ−２２中で高帯域フィルタ−処理(highpass filtering)され、次いでドップラ−処理器３０でドップラ−デ−タの集合にまとめられる。このデ−タ集合は、例えば、ドップラ−パワ−（Ｐ），速度（Ｖ），または偏倚（σ）などのドップラ−信号変数を作成するために、自己相関(autocorrelation)またはフ−リエ変換処理などのドップラ−技術で処理される。このドップラ−信号は、フラッシュ抑制器(flash suppresser)３２で運動虚像(motion artifacts)を除去され、次いで画像フィ−ルドとのそれらの空間関係を含む情報と共にドップラ−画像記憶装置に記憶される。
【００１９】
具体的好適例では、ドップラ−信号の走査線を、全平面画像を形成するように取得し、一連のドップラ−画像を、画像記憶装置４０のドップラ−画像分画(partition)、または分割記憶装置(separate memory)に記憶する。ドップラ−画像を、それらを取得した時間または空間の順に記憶することで、それらの互いの空間配置を保持する。組織とドップラ−画像情報は次いで走査変換器(scan converter)４２で、セクタ−方式(sector format)など、希望する画像方式に走査変換される。組織とドップラ−画像を同時かつ迅速に走査変換するために、別個の走査変換器を使用することができ、また２種類の画像情報の処理を時間多重送信により単一走査変換器を使用して行ってもよい。走査変換は、透視図操作と共に実施してもよく、それにより二つの機能（例えば、直接の極座標走査線の、直角座標で表された３次元画像への変換）を同時に実行することができる。
【００２０】
複合３次元表示を形成するために、分離された組織とドップラ−（血流）画像情報は一体的に処理される。超音波装置使用者は、使用者インタ−フェイス(user interface)（ＵＩＦ）により、透視図変数(rendering parameter)を透視図変数記憶領域５２と５４に入力する。これらの変数は、透視図中でそれぞれの型の画像情報を処理する方法を制御する。例えば使用者は、それぞれの型の画像情報に付与された不透明度と明暗の差の値を入力する。好ましくは、二つの型の画像情報の変数を、独立に定め、それらの画像情報を別個独立に処理してもよい。これにより例えば、組織画像情報を血流情報よりも大きな透明度でもって、または大きなあるいは小さな明暗の差をもって表示することが可能となる。
【００２１】
空間的に対応させた組織と血流の画像情報は、その深さ特性を維持しつつ、３Ｄ複合画像透視処理器５０で透視図変数に従って合体され、３次元画像表示を形成する。図４は、好適な３次元透視図技術を説明しており、そこでは多数の血流と組織の平面画像２０２−２１４の３次元的重なりが描かれている。米国特許５，４８５，８４２号に記載されているように、３次元投影画像は、空間的に取得した平面画像を結合して形成される。図４では、観察方向に沿ったベクトルが画像中を通るときに遭遇する重なり画像の画素から、複合画素を作成することで、組織と血流の双方の画像情報が合体される。この例において、ベクトル７０は、与えられた方向の画像平面を通過し、平面２０２，２０４，２０６そして２０８で組織情報に遭遇し、また平面２１０、２１２そして２１４で血流情報に遭遇する。ベクトルに沿って遭遇した情報の最初の画素は、画像平面２０２上の２０２ｔとして特定される組織画素である。この画素は、ベクトル７０の原点から３次元構造を観察している観察者Ｄに最も近い。遭遇する次の画素は、画像平面２０４上の組織画素２０４ｔである。次は、血管１２６ｖの３つの血流画素と、画像平面２１０、２１２および２１４上で遭遇する。血管の背後で、ベクトル７０は、画像平面２０６上の組織画素２０６ｔそして後の画像平面２０８上の最後の組織画素２０８ｔを通る。
【００２２】
３次元投影画像表示中の一つの画像画素がこの情報から作成される。もしも組織画素２０２ｔが不透明に作成されるならば、ベクトルに沿った全ての後の画像情報は見えなくなることが理解される。最も近い組織表面のみが効果的に透視される。しかし、具体的好適例では、与えられた強度の組織画素は、半透明であって、同じ強度の血流画素よりも小さい不透明度が与えられる。図３では、それぞれ血流と組織情報の不透明度制御用の変数の２つの曲線３０２および３０４が示されている。曲線３０２は、ドップラ−情報信号の強度または速度またはパワ−またはグレ−スケ−ルが増加するにつれて、血流画素の不透明度が増加し、１００％不透明の極大に達することを示している。しかしながら組織情報は、この例においてはグレ−スケ−ルまたは強度またはパワ−の増加につれて、７０％の最大不透明度まで増加するのみである。従って組織画素は完全に不透明になることはなく、常に半透明となる。
【００２３】
好ましい透視図の計算式は、可変不透明度重み付けに加えて、一連の平面（例えば、身体内部）の画像平面の深さによる３次元表示中の組織および血流の情報の寄与の重み付けもする。好ましい計算式を、下記に示す。
【００２４】
【数４】

【００２５】
ここにＰ_tおよびＰ_bは、組織および血流画素の値、ａ_tおよびａ_bは組織および血流画素の不透明度重み付け係数、そしてａ_dは深さ重み付け係数である。好ましくは、重み付け係数ａ_tとａ_bは、図３の曲線に示されるようにそれぞれの画素により関数的に変化し、そしてさらにまたは選択的に画素の空間位置、グレ−スケ−ルまたは色の画素値、または色のグレ−スケ−ル画素値の大きさ、または変位(variation)との関係に関数的に関連する。従って、ベクトルｖに沿った画像情報は、不透明度および深さにより重み付けされ、その結果、組織と血流の情報の個々の透視図によっては達成できない、複合３次元透視図に到達し、次いでこれらの図を結合する。ベクトル７０に沿って遭遇する全ての画素情報は、このようにして重み付けされ総合される。例えば、最初の組織画素２０２ｔは、観察者Ｄに最も近いので最大の深さ係数ａ_dを有するが、そのグレ−スケ−ル値によっても重み付けされそして半透明となる。最終３Ｄ画素Ｐ_3Dへの寄与は、これら二つの重み付け係数で決定される。次の組織画素２０４ｔは、観察者からより遠くにあるので、最初の画素２０２ｔよりも小さな深さ係数を有する。次の血流画素２０１ｂ，２１２ｂ，および２１４ｂは、血流画素であるから、相当大きな不透明度重み付け係数ａ_bを有するが、深さ係数ａ_bは小さい。全ての重み付けの寄与が総合されたときにも、血流はまだ半透明組織画素を通して観察することができ、３Ｄ画素Ｐ_3Dは３次元表示中、明るいピンク色となり、そこでは赤は血流を示し、明度は組織を表わす。透視図化された画素は、従って両特性の深さに関係して総合された画素となる。
【００２６】
この明細書の最初に記載した胎盤が子宮壁に強く接している臨床例については、これらの二つの構造の３次元画像は、胎盤領域中に点描画像の表面構造を、そして子宮壁の領域中ではより細い溝のある画像の表面構造を示す。従って、より細い溝のある表面構造で囲まれている子宮壁の脈管構造に対する、点描画像の表面構造で囲まれている３次元血管構造の部分により、胎盤中の血流を知ることができる。従って、二つの構造の間に鋭く引かれた組織境界がないような、通常診療上問題のある状態下でも、医師は子宮の脈管構造を検査することができる。
【００２７】
本発明の３次元表示技術は、パワ−ドップラ−または速度（色流れ）情報などのいかなる種類のドップラ−流れ情報においても使用することができる。超音波ドップラ−とＢモ−ドエコ−情報は、両者の情報の取得をパルス状の血流の位相でゲ−トすることにより得られ、パルス状構造の良好な３次元透視図が、非ゲ−トパワ−ドップラ−信号取得とゲ−トされたＢモ−ド取得を使用することにより得られる。例えば、画像化領域が、心拍周期と同期して動いているとき、組織情報は、ＥＣＧ心臓ゲ−ト信号などの流れゲ−ト信号と同期して集められる。従って組織信号情報が、心拍周期の同一位相で得られる。しかしながら、パワ−ドップラ−信号は、ゲ−トする必要はなく、組織信号を得ていない時ならいつでも得ることができる。基本的に、パワ−ドップラ−情報は、可能な限り迅速かつ高頻度で取得し、一方組織情報は心拍周期の希望する位相でのみ取得する。パワ−ドップラ−情報を時間平均した後、組織と血流情報の結合画像により、組織構造と空間対応させた血流情報が表示される。
【００２８】
さらに、組織構造の半透明３次元表示を、３次元透視図操作により、空間対応した不透明度関数を使用して得ることもできる。不透明度は、例えば細分化(segmentation）関数に依存させることができる。例えば図５は、組織の細分化または外形(geometry）の関数である二つの不透明度曲線３０６、３０８を示している。例えばこの曲線を、図１の画像１２０ａ中の器官１２２と１２４の組織に対応させることができる。点描状組織構造を作成するための３次元透視図の交互画素の組織情報を除いた幾何学的不透明度関数を使用することもできる。このような透視図は、組織構造が断続的なまたは穴あき状の外観となることから、観察者は組織構造の内部を観察することができる。好適に、不透明度と、組織と血流の深さとを重み付けした画像作成技術により、３次元表示はより滑らかでより好ましい外観となる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の効果を要約すると、超音波Ｂモ−ド組織情報とドップラ−流れ情報を身体容積領域から取得し両者を同時に処理して三次元画像を作成する医療診断用超音波装置が提供される。この三次元画像技術は、体積領域中のＢモ−ドとドップラ−画素を空間位置の関数としてＢモ−ドとドップラ−流れ情報を処理する。この画像作成では、それぞれ独立の組織情報と流れ情報の三次元透視図作成変数を使用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による３次元画像を与える組織と血流超音波画像デ−タの結合を図式的に説明している。
【図２】 本発明により構成された超音波診断画像処理装置をブロックダイヤグラムで説明している。
【図３】 超音波血流及び組織画像情報の独立した３次元表示の変数の特性を説明している。
【図４】 本発明による３次元投影画像の画素(pixel)の透視図を説明している。
【図５】 図３において二つの組織を区別する場合の変数特性を説明している。
【符号の説明】
１０・・・・・走査ヘッド、１２・・・・・変換器アレ−、１４・・・・・発信器／受信器、１６・・・・・ビ−ム形成器、２０・・・・・Ｉ，Ｑフィルタ、２２・・・・・ウォ−ルフィルタ、３２・・・・・フラッシュ制御器、４０・・・・・組織画像記憶装置、４２・・・・・走査変換器、５０・・・・・３Ｄ複合画像透視処理器、１１０・・・・・超音波血流画像、１２０・・・・・組織画像、１３０・・・・・血流不透明度制御、１４０・・・・・組織不透明度制御、１５０・・・・・三次元画像、

Claims (9)

1. 流れまたは動きと構造の三次元画像を作成する医療診断超音波装置であって：
   超音波エコ−を受信する超音波変換器；
   超音波エコ−を処理して、Ｂモ−ド表示情報を作成する画像処理器；
   超音波エコ−を処理して、ドップラ−表示情報を作成するドップラ−処理器；
   および、該Ｂモ−ドとドップラ−表示情報用の独立の処理変数を有して、該Ｂモ−ドと該ドップラ−表示情報を共に処理して三次元画像を形成する、三次元画像処理器を有し、
   該独立の処理変数が、Ｂモ−ド情報用第一の不透明度制御変数と、ドップラ−情報用第二の不透明度変数とを有する、医療診断超音波装置。
2. 該不透明度制御変数が、Ｂモ−ド情報よりもドップラ−情報の方により大きな不透明度を付与することを特徴とする、請求項１に記載の医療診断超音波装置。
3. 該第二の不透明度制御変数が、ドップラ−情報が最大不透明度のときに完全に不透明とし、かつ該第一の不透明度制御変数が、Ｂモ−ド情報が最大不透明度のときに半透明とすることを特徴とする請求項２に記載の医療診断超音波装置。
4. 該三次元画像処理器が、該情報の相対空間位置の関数として、Ｂモ−ドとドップラ−表示情報を共に処理する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の医療診断超音波装置。
5. 該三次元画像処理器が、下式：
   

   

   （ここに、Ｐ_tおよびＰ_bは組織および血流画素情報、ａ_tおよびａ_bは組織および血流の不透明度重み付け係数、ａ_dは深さ重み付け係数、そしてｖは、Ｐ_tとＰ_bのベクトルである。）に従ってＢモ−ドとドップラ−表示情報を処理して、三次元表示画素Ｐ_3Dを作成することを特徴とする請求項４に記載の医療診断超音波装置。
6. 流れまたは動きと構造の三次元画像を作成する医療診断超音波装置であって：
   容積領域からの超音波エコ−を受信する超音波変換器；
   超音波エコ−を処理して、Ｂモ−ド表示情報を作成する手段；
   超音波エコ−を処理して、ドップラ−表示情報を作成する手段；および、
   該Ｂモ−ドとドップラ−情報の不透明度を独立に制御する不透明度制御手段を有し、該容積領域中の相対位置の関数として該Ｂモ−ドと該ドップラ−表示情報を共に処理して三次元画像を形成する透視図作成手段を有する医療診断超音波装置。
7. 該不透明度制御手段が、Ｂモ−ド情報用よりもドップラ−情報用により大きな不透明度を与える請求項６に記載の医療診断超音波装置。
8. 該不透明度制御手段が、ドップラ−情報に完全不透明の最大不透明度を与え、かつＢモ−ド情報に半透明の最大不透明度を与えることを特徴とする請求項７に記載の医療診断超音波装置。
9. 該三次元画像処理器が、下式：
   

   

   （ここに、Ｐ_tおよびＰ_bは組織および血流画素情報、ａ_tおよびａ_bは組織および血流の不透明度重み付け係数、ａ_dは深さ重み付け係数、そしてｖはＰ_tとＰ_bのベクトルである。）に従ってＢモ−ドとドップラ−表示情報を処理し、三次元表示画素情報Ｐ_3Dを作成することを特徴とする請求項６に記載の医療診断超音波装置。

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