JP4141466B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｂモード像（Ｂモード表示方式による像：超音波断層像）を表示可能な超音波診断装置に関するものである。

従来のこの種の超音波診断装置は、図４に示すように、被検体内に向けて超音波を送波すると共に被検体内からの超音波反射波を受波する探触子１と、この探触子１を制御し超音波を送波させると共に受波した反射波から反射エコー信号を検出する超音波送受信部２と、この超音波送受信部２からの反射エコー信号をディジタル化するＡ／Ｄ変換器３と、このＡ／Ｄ変換器３から順次出力される画像データを記憶するメモリ部４と、メモリ部４から読み出した画像データを映像信号に変換する表示回路部５と、この表示回路部５からの映像信号を入力して画像として表示する画像表示部６と、この画像表示部６に表示される画像データを記録する画像データ記録装置９と、上記各構成要素の制御及び入力された画像データの加工等を行う中央演算装置７と、この中央演算装置７に接続され診断情報等の各種データや操作指令を入力する操作盤８とを備えてなる。

なお図４において、１０は入出力インターフェース１１を介して中央演算装置７に接続された外部装置である。また、１２は被検体内の診断部位の超音波画像、ここではＢモード像（超音波断層像）を得て診断する際に上記画像表示部６の画面隅部に表示されるボディマーク、１３はボディマーク１２上において探触子１の向きを示すオリエンテーションマークで、これらの診断部位情報は上記操作盤８から入力される。

このような超音波診断装置では、被検体内の診断部位に対して超音波を送波し、その反射エコー信号により上記診断部位の超音波断層像が画像表示部６や画像データ記録装置９に得られる。
ここで上記従来装置では、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置等、超音波診断装置以外の画像診断装置で得られた同様の部位の画像（画像データ）がある場合でもそれを超音波診断時において直接的に有効利用することができない。そこでその画像は、例えばフィルムや印画紙等に記録され、それを医師等が目視して解剖学的知識をもとに探触子１を動かしながら所望部位を探し当て、その部位の超音波観察，診断を行うというように利用されていた。
特開平０５−３００９１０号公報 特開昭６２−０６８４４２号公報

上記のように従来装置では、現在、被検体内のどの部位を診断対象として超音波を送受波しているかの情報を得る手段をもっていない。そのためネットワークや記録媒体を介して入力された同様部位についてのＸ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置等による解剖学的画像（画像データ）がある場合でも、それと超音波診断装置により現在得られている超音波断層像との位置関係付け（特に位置合わせ）を行おうとしても上記のように目視以外でそれをする方法がなく、例えば所望部位の位置確認等のための作業に手間と時間を要する上に正確性に欠けるという問題点があった。

本発明の目的は、現在得られている超音波断層像とそれと同様の部位についてのＸ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置等による解剖学的画像との位置関係付け（特に位置合わせ）を自動的に行うことができ、例えば所望部位の位置確認を簡単，迅速、かつ正確に行うことができる超音波診断装置を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明は、探触子を用いて被検体に超音波を送受信させ、Ｂモード像を画像表示手段に表示する超音波診断装置において、画像診断装置で得られた前記被検体の立体画像データを記録する画像記録手段と、前記探触子の空間位置を検出する探触子位置検出手段とを有し、前記被検体の特定断層位置のＢモード像の表示にあたり、前記探触子位置検出手段の出力を用いて前記Ｂモード像の前記特定断層位置に対応する位置の断層画像を前記画像記録手段に記録された立体画像データから得て、前記Ｂモード像と上下又は左右に並べて前記画像表示手段に表示させることを第１の特徴とし、該超音波診断装置において、前記画像表示手段に表示させる前記断層画像に前記超音波により得られる血流情報を前記Ｂモード像の前記特定断層位置に対応する位置に表示させることを第２の特徴とする。

更に本発明は、探触子と、前記探触子を用いて被検体に超音波を送波し、反射波を受信する超音波送受信手段と、前記反射波に基づいて断層像データを記録するメモリ部と、磁場により３次元空間内での位置を求めるための発信器及び受信器と、前記発信器で発信させた信号を前記受信器により取得し、前記信号を解析して前記探触子の位置を求め、この位置情報から超音波断層像の各画素位置を求める演算手段と、予め取得したボリューム画像中の前記画素位置に対応する位置の各画素をネットワーク或いは記録媒体から順次読み出し、２次元画像に再構成して前記メモリ部に書き込む手段と、前記メモリ部に書き込まれた画像データを映像信号に変換する表示回路部と、前記超音波断層像と前記ボリューム画像に基づく断層像とを同一画面の上下又は左右に並べて表示する画像表示手段とを備えることを第３の特徴とする。

更に本発明は、前記第１の特徴の超音波診断装置において、前記立体画像データは、前記画素を前記探触子の原点となる位置で指し示し、空間的に対応する位置情報を付与されていることを第４の特徴とし、前記第３の特徴の超音波診断装置において、前記探触子の設定座標系での位置とその向き及び予め計測しておいた設定座標系内での被検体の位置から、設定座標系内の前記各画素が求められることを第５の特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、現在得られている超音波断層像とそれと同様の部位についてのＸ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置等による解剖学的画像との位置関係付け（特に位置合わせ）を自動的に行うことができ、例えば所望部位の位置確認を簡単，迅速、かつ正確に行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明による超音波診断装置の一実施形態を示すブロック図である。
この超音波診断装置は、図１に示すように、探触子１と、超音波送受信部２と、Ａ／Ｄ変換器３と、メモリ部４と、表示回路部５と、画像表示部６と、画像データ記録装置９と、中央演算装置７と、操作盤８と、外部装置１０と、入出力インターフェース１１とを備える。また、３次元空間内での位置を求めるための発信器１５及び受信器１６と、これらと上記中央演算装置７とを接続する入出力インターフェース１４と、外部からの画像データを入力する画像データ入力装置２４とを備える。

この場合、上記探触子１は、被検体内の診断部位に向けて超音波を送波すると共にその反射波を受波するもので、図示省略したがその内部には超音波の発生源（送波源）であると共に反射波を受波する振動子が設けられている。超音波送受信部２は、上記探触子１を制御して超音波を送波させると共に受波した反射波から反射エコー信号を検出するもので、図示省略したがその内部には、パルス発生器、受信増幅器及びそれらの制御回路を有している。

Ａ／Ｄ変換器３は、上記超音波送受信部２から出力される反射エコー信号を入力してディジタル信号に変換するものである。
メモリ部４は、上記Ａ／Ｄ変換器３から順次出力される画像データ、ここではＢモード像（超音波断層像）データを記憶するもので、例えばメモリバッファからなる。

表示回路部５は、上記メモリ部４から読み出した超音波断層像データをアナログ信号に変換して表示用の映像信号とするもので、その内部にはＤ／Ａ変換器及び映像信号変換回路が設けられている。
画像表示部６は、上記表示回路部５から出力される映像信号を入力して画像として表示するもので、例えばテレビモニタからなる。

画像データ記録装置９は、上記画像表示部６の画面に表示された画像や、メモリ部４に記憶されている画像データ等を記録するもので、例えば光磁気ディスクや、カラービデオプリンタ等からなる。画像データ記録装置９としてビデオプリンタを用いた場合には、上記画像表示部６へ入力される映像信号を同時に取り込み画像表示部６で表示される画像をハードコピーできる。

中央演算装置７は、以上の各構成要素の制御及び入力された画像データの加工等を行うもので、例えばＣＰＵからなる。
操作盤８は、上記中央演算装置７に接続され、診断情報等の各種データや操作指令を入力するもので、例えばキーボード、トラックボール又はジョイスティック等からなる。
入出力インターフェース１１を介して接続された外部装置１０は、中央演算装置７により制御されるもので、操作盤８から中央演算装置７への操作指令に従って画像データが格納され、あるいはそこに格納されている診断情報（例えば測定条件や画像データそのもの）が読み込まれたりする。

１２は被検体内の診断部位の超音波断層像を得て診断する際に上記画像表示部６の画面隅部に表示されるボディマーク、１３はボディマーク１２上において探触子１の向きを示すオリエンテーションマークで、これら診断部位情報は上記操作盤８から入力される。

ここで本発明においては、中央演算装置７に、入出力インターフェース１４を介して発信器１５及び受信器１６が接続されている。これら中央演算装置７、入出力インターフェース１４、発信器１５及び受信器１６は画像位置関係付け表示手段２３の主構成をなす。ここで、画像位置関係付け表示手段２３は、特定被検体の特定診断部位の超音波断層像の表示に当たり、その超音波断層像の断層位置に対応する位置（通常は一致する位置）の同被検体の同診断部位の断層像を後述画像データ入力装置からの画像により得て上記超音波断層像に並べて若しくは重ねて、又は一定時間間隔で交互に表示させるものである。また本発明においては、入出力インターフェース１１を介して画像データ入力装置２４も接続されている。以下、これらについて説明する。

すなわち、画像データ入力装置２４は、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置等の他の画像診断装置（図示せず）で記録された記録媒体を読み込む装置あるいはネットワークにおけるホストコンピュータ等からなる。この画像データ入力装置２４は、中央演算装置７により制御され、複数の診断画像、ここではボリュームスキャンによる複数のＸ線ＣＴ像や、ＭＲＩ装置による複数のＭＲＩ像（ボリューム画像を含む）等の立体画像データのうち必要な画像データをメモリ部４に与えるものである。

また、上記発信器１５及び受信器１６は、探触子１が被検体のどの部位に位置しているかを知るための情報を得るもので、各々固有の３軸直交系の座標空間を有し、発信器１５で設定される座標空間での受信器１６の位置を知ることができると共に、その受信器１６の３軸直交系の座標軸間のねじれ（オイラー角等）を知ることができるものが使用される。例えば、発信器１５は３軸直交系の磁場を発生する磁場発生コイルからなり、受信器１６は３軸直交系の磁場を検出できる検出コイルからなる。そして、発信器１５は例えば被検体を寝載するテーブル（被検体テーブル）の任意の位置に固定され、受信器１６は探触子１の側面や内部等に設けられる。発信器１５は、場合により被検体にベルト等を用いて固定してもよい。発信器１５と受信器１６の位置は上記とは逆にしてもよい。

図２は、受信器１６を内蔵する探触子１の一例を示す斜視図である。
この図２に示すように、探触子１には互いに直交する３軸ｘ，ｙ，ｚが設定されている。ここでは、オリエンテーションマーク１３の方向を簡単に設定できるように、探触子１の外側面に極性表示マーク１７をｘ軸の正の方向に合わせて設定してある。

次に、上記のような発信器１５と受信器１６との距離及び３軸直交系の座標軸間のねじれの算出について説明する。まず、図１に示す発信器１５と受信器１６とを、各々の３軸直交系の磁場発生コイルと磁場検出コイルのコイル面が互いに直交するように配置する。そして、上記発信器１５の各コイルに交流電流を流して交流磁場を発生させる。この発信器１５で発生された交流磁場は、受信器１６の３つの検出コイルで検出され、電気信号に変換される。このとき、発信器１５の３つのコイルのうち、どのコイルが磁場を発生したかを明確にするため、コイル毎に周波数を変えるか、時分割して交流磁場を発生させるとよい。上記受信器１６の検出コイルに流れる電流により磁気双極子が仮定でき、発信器１５の磁場発生コイルと受信器１６の検出コイルとの距離、磁気双極子の方向ベクトルのなす角度は、上記検出コイルで検出された磁場強度と発信器１５で与えた磁気双極子モーメントから求まる。これにより、発信器１５と受信器１６との距離、３軸直交系の各座標軸間のねじれが算出できる。

このように磁気を使用した場合には、発信器１５で出力する磁場強度によって異なるが、例えば半径４０ｃｍ程度の範囲内において位置の誤差が２〜３ｍｍ以内の精度で測定でき、角度の精度は２〜３゜程度の誤差で観測できる。このような発信器１５及び受信器１６を用いることで、その発信器１５の３軸直交系の各座標軸から発生される磁場を受信器１６で検出し、各方向成分及びその磁場強度から発信器１５と受信器１６との距離、位置及び３軸直交系の各座標軸間のねじれ（オイラー角等）が求められる。

次に、上記のような発信器１５と受信器１６とを備えた超音波診断装置の使用について説明する。まず、発信器１５を例えば被検体テーブル等の任意の位置に固定しておき、その発信器１５の座標系内での位置座標を求めることができるペン型のスタイラスセンサ（図示せず）を用いて、上記座標系内の任意の点αの位置座標を計測する。次に、図２に示すように探触子１に設定したｘ，ｙ，ｚ軸の座標系内の点、例えばｘ軸と探触子ケース１ａとの一方の交点１８ａを上記点αと一致させるように探触子１を移動して固定する。そして、このときの探触子１内の受信器１６の位置座標（ｘ1，ｙ1，ｚ1）と、発信器１５の座標軸とのオイラー角（θｘ，θｙ，θｚ）を測定する。

上記点αの位置は、上記スタイラスセンサで測定してあるので、発信器１５で設定された座標空間での受信器１６の原点からｘ軸と探触子ケース１ａとの交点１８ａまでの位置ベクトルは、点αの座標を（ｘ0，ｙ0，ｚ0）とすると、
（ｘ0−ｘ1，ｙ0−ｙ1，ｚ0−ｚ1）
で表わすことができる。そして、この点を上記オイラー角（θｘ，θｙ，θｚ）で回転させることにより、受信器１６の座標系における位置ベクトルが得られる。

図２におけるｘ軸と探触子ケース１ａとの交点１８ａの場合と同様に、ｘ軸と探触子ケース１ａとの他方の交点１８ｂについて、及びｙ軸と探触子ケース１ａとの交点１９について、各々受信器１６の座標系における位置ベクトルを求めると、上記発信器１５で設定された座標空間と受信器１６の座標系との関係が得られ、その受信器１６の位置及びその座標系のねじれを検出することができる。これにより、発信器１５と受信器１６との位置関係が得られる。

次に、発信器１５を、被検体との位置関係が固定されるように、例えば被検体テーブルの所定位置に固定する。その後、上記スタイラスセンサを用いて発信器１５の座標系内での被検体の位置関係を把握しておけば、座標変換により上記被検体と探触子１との位置関係が求められる。このとき、発信器１５の原点及び座標軸と被検体との位置関係を常に固定するか、その都度位置関係を計測する必要がある。受信器１６と探触子１の位置関係も同様である。発信器１５と被検体及び受信器１６と探触子１の各々の位置関係が一定であれば、発信器１５と受信器１６の相対位置関係がほぼリアルタイムで計測できるため、被検体に対する探触子１の相対位置関係が算出でき、被検体上での探触子１の相対位置を知ることができる。

図３は、発信器１５の座標空間に関係なく設定する空間座標の一例を説明するための図である。
すなわち図３においては、被検体２０を寝載する被検体テーブル２１をＸＹ平面（２２はその原点）に設定し（図３（ｂ））、この被検体テーブル２１上に寝載した状態の被検体２０の胸部を垂直に通過するようにＺ軸を設定している（図３（ａ））。なお、このＺ軸は、必ずしも被検体２０の胸部を通過する必要はなく、ＸＹ平面に垂直であるならばボディマーク１２を選び出すのに最適となるような他の位置に設定してもよい。

Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置等で得られた立体画像（Ｘ線ＣＴ装置のボリュームスキャンによるＸ線ＣＴ像，ＭＲＩ装置によるボリューム画像）の画素の位置と超音波診断装置で得られる画素の位置とは、次のような方法で一致させる。
まず、上記立体画像の各画素を、超音波診断装置で設定する３次元空間座標と同様な方法で表現する。すなわち、超音波断層像の任意画素の位置が、原点となる画素からの位置ベクトルで表現できる場合、上記立体画像の画素の位置が原点となる画素からの位置ベクトルで表現できるようにその画像を記録しておく。また、超音波診断装置で得られる画像（超音波断層像）については、打ち出された超音波ビームの方向と反射波が観測されるまでの時間と音速から、その画像上の画素の位置が探触子１に設定した原点からの位置ベクトルで求められる。これより、探触子１の設定座標系での位置とその向き及び予め計測しておいた設定座標系内での被検体２０の位置から、設定座標系内の画素の位置が求められる。

以上により、超音波断層像の画素の位置と、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置等で得られた立体画像中の画素の位置とが一致するように座標変換ができるようになる。具体的には、上記立体画像中の画素を探触子１の原点となる位置で指し示し、空間内で対応する位置として記録しておく。このキャリブレーションを同一平面上にない４点以上について行えば、探触子１の位置や超音波断層像上の画素と対応する上記立体画像中の画素を探し出すことができる。

実際の手順は次の通りである。すなわち、探触子１、超音波送受信部２及びＡ／Ｄ変換器３の動作により被検体２０内の診断部位に向けて超音波を送波し、その反射波を受波して上記診断部位についての断層像データをメモリ部４に記録，収集する。この際、発信器１５から発信された信号を探触子１に取り付けられた受信器１６で受波し、この信号を入出力インターフェース１４を介して中央演算装置７に与える。中央演算装置７は与えられた信号を解析して探触子１の位置を求める。この位置情報から超音波断層像の各画素の位置を中央演算装置７で求め、それらの画素位置に対応する、ここでは一致する位置の上記立体画像中の各画素をネットワークや記録媒体等から画像データ入力装置２４を使用して順次読み出し、二次元画像（断層像）に再構築してメモリ部４に書き込む。そして、このメモリ部４に書き込まれた画像データを表示回路部５が映像信号に変換し、画像表示部６で画像として表示する。表示の仕方は、画像表示部６の同一画面の上下又は左右に並べて表示させる方法が一般的となるが、同一画面の同一位置に一定時間間隔で交互に表示させる等、他の方法であってもよい。

なお上述例では、画像位置関係付け表示手段２３を主として中央演算装置７、入出力インターフェース１４、発信器１５及び受信器１６で構成したがこれのみに限定されない。また、発信器１５及び受信器１６も磁場発生コイルや磁場検出コイルを用いたもののみに限定されない。

以上説明したように本発明によれば、現在得られている超音波断層像とそれと同様の部位についてのＸ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置等による解剖学的画像との位置関係付け（特に位置合わせ）を自動的に行うことができ、例えば所望部位の位置確認を簡単，迅速、かつ正確に行うことができるという効果がある。

特に上述実施形態によれば、任意に設定された座標空間内で被検体と探触子の相対位置及びその方向を検出でき、このことから３次元座標空間で、画像データ入力装置からの画像データと被検体の各部位の位置合わせができるようにキャリブレーションを行い、その後に診断を行うことで、診断画像内の各組織と体表（探触子の位置）との位置関係を検出でき、被検体の診断部位情報をも得られることになり、入力された診断画像との合成が簡単になる。これにより、超音波診断装置で検査中の超音波断層面に対応するＸ線ＣＴ装置の断層像やＭＲＩ装置の断層像が超音波断層像と同一画面上に表示され、比較しながら検査をすることができるようになる。また、Ｘ線ＣＴ検査時やＭＲＩ検査時に注目していた部位の血流情報をＣＦＭ（カラーフローマッピング）等でリアルタイムで検査したい場合、その位置合わせが簡単に行えるようなる。より高い精度で位置計測が行えるようになれば、位置情報から合成したＸ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置の断層像にＣＦＭの画像を合成することで各診断装置の優れた部分を組み合わせた診断が可能になる等の効果が得られる。

本発明装置の一実施形態を示すブロック図である。 図１中の受信器を内蔵する探触子の一例を示す斜視図である。 図１中の発信器の座標空間に関係なく設定する空間座標の一例を説明するための図である。 従来装置のブロック図である。

符号の説明

１…探触子、２…超音波送受信部、３…Ａ／Ｄ変換器、４…メモリ部、５…表示回路部、６…画像表示部、７…中央演算装置、８…操作盤、９…画像データ記録装置、１０…外部装置、１１，１４…入出力インターフェース、１２…ボディーマーク、１３…オリエンテーションマーク、１５…発信器、１６…受信器、２３…画像位置関係付け表示手段、２４…画像データ入力装置。

Claims (1)

1. 探触子を用いて被検体に超音波を送受信させ、Ｂモード像及び前記Ｂモード像に合成する血流情報を画像表示手段に表示させる制御手段と、
   画像診断装置で得られた前記被検体の立体画像データを記録する画像記録手段と、
   前記探触子の空間位置を検出する探触子位置検出手段と、を有する超音波診断装置において、
   前記制御手段は、前記被検体の特定断層位置のＢモード像に合成された血流情報の表示にあたり、前記探触子位置検出手段の出力を用いて前記特定断層位置に対応する位置の断層画像を前記画像記録手段に記録された立体画像データから得て、前記断層画像に前記血流情報を合成して前記画像表示手段に表示させることを特徴とする超音波診断装置。

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