JP4155618B2

JP4155618B2 - 超音波散乱媒体の三次元イメージング・システムおよび方法

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Publication number: JP4155618B2
Application number: JP12345098A
Authority: JP
Inventors: ウィリアム・トーマス・ハットフィールド; スーザン・サイアー・マハン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1998-05-06
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2018-05-06
Also published as: JPH1147134A; IL124164A; DE19819800A1; US5954653A

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、一般的には、医学診断のための人体の解剖学的構造の超音波イメージングに関するものである。特に、本発明は、人体内の走査されたボリュームから反射された超音波エコーの強度を検出することによって人体の解剖学的構造をイメージングすなわち映像化する方法に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
診断用超音波イメージングの最も普通のモードには、（内部の物理的構造を映像化するために使用される）ＢおよびＭモード、並びに（血管内における様な流れ特性を映像化するために主に使用される）ドップラーおよびカラー流れモードがある。通常のＢモード・イメージングにおいては、超音波スキャナによって、画素の輝度がエコー信号の強度に基づいて定められる像が作成される。反射波の振幅を用いて組織の黒白像が作成される。
【０００３】
本発明は、４つの主要なサブシステム（図１参照）、すなわちビーム形成装置２、処理装置４、走査変換器／表示制御器６および主制御器８で構成されている超音波イメージング・システムに用いられる。システムの制御は主制御器８に集中しており、主制御器はオペレータ・インターフェース（図示していない）を介してオペレータ入力を受け入れて、種々のサブシステムを制御する。主制御器はまたシステム・タイミングおよび制御信号を発生し、これらの信号がシステム制御母線１０および走査制御母線（図示していない）を介して分配される。
【０００４】
主データ路が、トランスジューサからビーム形成装置へのディジタル化されたＲＦ入力で始まる。ビーム形成装置は、２つの加算されたディジタル・ベースバンド受信ビームを出力する。ベースバンド・データはＢモード処理装置４Ａおよびカラー流れ処理装置４Ｂに入力され、そこで取得モードに従って処理されて、走査変換器／表示処理装置６へ処理済み音響ベクトル（ビーム）データとして出力される。走査変換器／表示処理装置６がこの処理済み音響データを受け取って、ラスタ走査フォーマットの像に対するビデオ表示信号をカラー表示モニタ１２へ出力する。走査変換器／表示処理装置６は、主制御器８と協働して、表示用の多数の像、表示の注釈、グラフィック・オーバーレイ、並びにシネ（ｃｉｎｅ；動画）ループおよび記録された時間線データのリプレイ（再生）をフォーマッティングする。
【０００５】
Ｂモード処理装置４Ａは、ビーム形成装置からのベースバンド・データを対数圧縮した信号包絡線へ変換する。Ｂ機能は、信号の包絡線の時間変化振幅を、各画素に対して８ビットの出力を使用してグレースケールで映像化する。ベースバンド信号の包絡線は、ベースバンド・データが表すベクトルの大きさである。
血管や心室などの内部から反射された音波の周波数は血球の速度に比例してシフトすなわち偏移する。血球がトランスジューサへ向かって動いている場合は正に偏移し、また血球がトランスジューサから離れる向きに動いている場合は負に偏移する。カラー流れ（ＣＦ）処理装置４Ｂは、イメージング平面内における血液の速度の実時間二次元像を作成するために使用される。
【０００６】
走査変換器／表示制御器６のＢモード音響線メモリ１４Ａおよびカラー音響線メモリ１４Ｂが、処理装置４Ａおよび４Ｂからの処理済みディジタル・データをそれぞれ受け取って、Ｂモード・データおよびカラー流れデータを、極座標（Ｒ−θ）セクター・フォーマットまたはデカルト座標線形配列から、適切にスケーリングしたデカルト座標表示画素データへ座標変換する。この画素データはＸ−Ｙ表示メモリ１８に記憶される。Ｂモードでは、強度データがＸ−Ｙ表示メモリ１８に記憶され、各々のアドレスに３つの８ビット強度画素が記憶される。カラー流れモードでは、データはメモリに次のように記憶される。すなわち強度データ（８ビット）、速度またはパワー・データ（８ビット）および乱れデータ（４ビット）が記憶される。
【０００７】
カラー流れまたはＢモード・データの多数の相次ぐフレームが、先入れ先出し形式でシネ・メモリ２４に記憶される。シネ・メモリは、背後で動作していて、使用者に実時間で表示される像データを捕獲するサーキュラー像バッファに類似するものである。使用者がシステムを停止（ｆｒｅｅｚｅ）したとき、使用者はシネ・メモリに前に捕獲された像データを見ることが出来る。表示された像上にグラフィック・オバーレイを作成するためのグラフィック・データが、時間線／グラフィック処理装置及び表示メモリ２０において作成されて記憶される。ビデオ処理装置２２が、グラフィック・データと像データと時間線データとの間でマルチプレクシングを行って、ビデオ表示モニタ１２上にラスタ走査形式で表示させる最終的なビデオ出力を作成する。更に、ビデオ処理装置は様々なグレースケールおよびカラー・マップを提供すると共に、グレースケール像およびカラー像を組み合わせる。
【０００８】
通常の超音波イメージング・システムは、Ｂモードまたはカラー流れモードの像をシネ・メモリ２４に連続して収集する。シネ・メモリ２４は、単一像検討および多重像ループ検討のための常駐ディジタル像記憶並びに様々な制御機能を行う。単一像シネ・リプレイの際に表示される関心のある領域は、像の取得の際に使用されたものである。シネ・メモリはまた、主制御器８を介してディジタル大容量記憶装置へ像を転送するためのバッファとして作用する。
【０００９】
通常の超音波スキャナは、画素の輝度がエコー反射の強度に基づいて定められた二次元Ｂモード像を作成する。二次元の超音波像は、観察者が走査している解剖学的構造を具体的に思い浮かべることが出来ないので、解釈するのがしばしば困難である。しかしながら、超音波プローブが関心のある領域にわたって掃引されて、二次元像を累積して三次元像を形成できれば、熟練した観察者および未熟な観察者が共に解剖学的構造を容易に思い浮かべることが出来る。典型的には、Ｂモード・データおよびカラー流れ速度またはパワー・データの三次元像は別々に表示される。しかし、速度またはパワー・データのみを表示したとき、観察者がイメージング対象の解剖学的構造を認識しないことが多々ある。そこで強度の投影とカラー流れ速度またはパワー・データの投影とを組み合わせることによって、解剖学的構造の認識を保持し、同時に速度またはパワーを映像化することが出来る。
【００１０】
超音波像の三次元再構成を行うときに像品質を最良にするために、超音波像のコントラストの大きな変動による再構成像のコントラストを調節することが必要である。これは、典型的には、使用者が像のコントラストおよび輝度を対話型で設定できるようにすることによって行われる。この方法は時間がかかり、また通常は超音波イメージング装置に設けられていない使用者入力を必要とする。その上、レンダリングされた像の輝度およびコントラストが、三次元投影を構成するのに使用されるソース像からかなり変わることがある。元の像とレンダリングされた像とを同時に同じ表示処理装置によって見る場合、両方の像に対し許容可能なレベルの輝度およびコントラストを達成することは出来ないことがある。
【００１１】
【発明の概要】
本発明は、三次元超音波像のコントラストを自動的に調節して、最適なコントラストを達成する方法および装置である。最適なコントラストを達成するため、再構成像の輝度およびコントラストのレベルを自動的に調節して、再構成像に対して最適なレベルにする。この技術により、ソース像および再構成像の両方を同じ輝度およびコントラスト範囲で表示することが可能になる。
【００１２】
本発明は、Ｂモード像を、連続して又は外部のトリガ事象に応答して、すなわち多数のスライスに対して、シネ・メモリ内に収集する超音波イメージング・システムに用いされる。各々のスライスまたはソース像に対するそれぞれの関心のある領域からのデータが主制御器へ送られ、このようなデータは関心のあるボリュームを形成する。主制御器は、レイ・キャスティング（ｒａｙ−ｃａｓｔｉｎｇ）法を使用して、関心のあるボリューム内の画素強度データを、複数の回転された像平面に反復的に投影するアルゴリズムを実行する。投影像（すなわち、投影された像）が最終的にシネ・メモリに別々のフレームとして記憶され、各々のフレームは最後の背景フレーム上に重畳される。これらの再構成されたフレームは、次いで、システム・オペレータによって選択的に表示される。しかし、投影像がシネ・メモリに記憶される前に、それらの投影像を構成する画素強度データのコントラストが調節される。
【００１３】
本発明によれば、投影像のコントラストを調節するために、主制御器によって、未調節の画素強度データから調節された画素強度データへの１対１の写像（ｍａｐｐｉｎｇ）を作成する。この写像は、ソース像または投影像のいずれかの画素強度データに基づいて作成される。ソース像の場合、写像は投影の前に作成され、また投影像の場合は、写像は投影の後に作成される。写像は各々の投影像に適用されて、表示のためのコントラスト調節を行う。
【００１４】
コントラスト調節写像を作成するため、主制御器は、ソース・データの１つ以上のスライスまたは１つ以上の投影像（例えば、０゜の投影）に対して多数の規定された強度範囲またはビン（ｂｉｎ）の内の各々の中の強度を持つ画素の数のヒストグラムを編集する。同時に、主制御器は、ソースまたは投影像内の最大画素強度を決定する。最大の画素数を含むビンから開始して、順次画素数の少ない残りのビンを加えることにより、各々の強度範囲またはビン内の画素の数が、全画素数の所定のパーセントに達するまで加算される。計数されたビンが主として比較的大きい強度の画素を含んでいるとき、計数されたビンの内の最も小さい強度のビンの下限が画素強度閾値となる。逆に、計数されたビンが主として比較的小さい強度の画素を含んでいるとき、計数されたビンの内の最も大きい強度のビンの上限が画素強度閾値となる。いずれの場合も、画素強度閾値より大きい（または、小さい）強度値の範囲が０〜２５５の拡大した表示強度値に線形に相関するように、１対１の写像が作成される。
【００１５】
本発明の方法によれば、各々の投影像のコントラストは、主制御器がその投影像をシネ・メモリに書き込む前に、画素強度ヒストグラムから作成された写像
を使用して自動的に調節される。更に詳しく述べると、ヒストグラム計数値内に含まれているビンに対応する範囲、すなわち写像入力範囲内の強度値を持つ投影画素データが、該投影画素データ内の各々の強度値を１対１の写像によって設定された対応する表示画素値へ変換することによってコントラスト調節される。写像入力範囲の外の強度値を持つ画素データは、廃棄される。最も関心のある画素強度データのコントラストを増大させ且つ最も関心のない画素強度データを廃棄することによって、各々の投影像は、意図した結果に応じて画素閾値より大きい又は小さい所望の輝度およびコントラスト範囲へ写像される。
【００１６】
【好ましい実施態様の説明】
図２を参照して説明すると、主制御器８が中央処理装置（ＣＰＵ）４２およびランダム・アクセス・メモリ４４を有する。ＣＰＵ４２はその中に読出し専用メモリ（ＲＯＭ）を含み、該メモリは、取得した強度またはカラー流れデータのボリュームを、異なる角度で取った多数の三次元投影像に変換するのに使用されるルーチンを記憶している。ＣＰＵ４２は、システム制御母線１０を介してＸ−Ｙ表示メモリ１８およびシネ・メモリ４２を制御する。具体的に述べると、ＣＰＵ４２はＸ−Ｙ表示メモリ１８からビデオ処理装置２２およびシネ・メモリ２４へのデータの流れを制御すると共に、シネ・メモリ２４からビデオ処理装置２２およびＣＰＵ４２自身へのデータの流れを制御する。超音波イメージング・システムがカラー流れモードで動作しているとき、被検体の多数の平行な走査またはスライスの内の１つを表す各フレームのカラー流れデータが、Ｘ−Ｙ表示メモリ１８に記憶されて、次のサイクルでビデオ処理装置２２およびシネ・メモリ２４へ伝送される。走査された被検体ボリュームを表す１スタック（ｓｔａｃｋ）のフレームが、シネ・メモリ２４内の一区分２４Ａに記憶される。初期化の際（図３のステップ２６を参照）、ＣＰＵ４２はシネ・メモリの区分２４Ａから関心のある被検体ボリュームに対応するカラー流れデータのみを検索する。これは、関心のある被検体ボリュームに交差する走査によって取得された各々の記憶されたフレームから、関心のある領域内のカラー流れデータのみを検索することにより達成される。換言すれば、１スタックの相次ぐフレームの内の各々の１つのフレームからの関心のある領域に対応するカラー流れデータが、関心のあるソース・データ・ボリュームを形成する。
【００１７】
図３に示されているように、関心のある被検体ボリュームに対応する画素データ組内の強度データが、オプションとして、スペックル・ノイズを平滑化し且つアーティファクトを低減するために、投影の前にフィルタリングされる（ステップ２８）。これにより、投影の際に、スペックル・ノイズに起因するデータの損失が防止される。例えば、血管は周囲の組織よりもエコー源性（ｅｃｈｏｇｅｎｉｃ）が小さい。従って、血管は最小の強度の投影を使用して映像化することが出来る。この代わりに、逆ビデオ／最小モードでは、強度データを逆転することにより、血管を暗くするのではなく明るくなるようにする。この場合、血管は最大の強度の投影を使用して映像化することが出来る。所望の画素データと対比して明るいスペックルである最大強度の選択を防止するために、フィルタを使用することにより、このような明るいスペックル強度を投影の前に除くことが出来る。シネ・メモリ２４（図２を参照）から検索された画素データ・ボリュームが、例えば、１１１１４１１１１カーネルを持つ３×３コンボリューション・フィルタを使用して、ＣＰＵ４２によってフィルタリングすることができる。すなわち、各々のスライスまたはフレームにおいて各々の３×３画素配列内の中心画素の強度データが、この中心画素の値の４倍の値に該画素を囲む８つの画素の値の和を加えた値に比例する強度値に置き換えられる。このようにフィルタリングされたソース・データ・ボリュームは、次いでメモリ４４に記憶される（ステップ３０）。同様に、コンボリューション・フィルタを使用することにより、最小強度投影の前に像中のブラック・ホールを除去することが出来る。
【００１８】
次に、ＣＰＵ４２は、ここに引用する米国特許第５，２２６，１１３号明細書に開示されているレイ・キャスティング・アルゴリズムを使用して、一連の変換を実行する。相次ぐ変換は、所定の角度範囲内、例えば＋９０°乃至−９０°の範囲内で、所定の角度増分で、例えば１０°の間隔で作られた最大の、最小の又は平均化された強度、速度またはパワーの投影を表す。しかしながら、角度増分は１０°である必要はなく、また本発明が特定の角度範囲に制限されるものでもない。
【００１９】
本発明で使用されるレイ・キャスティング法によれば、サンプル５０（図４参照）の立体的に表現された投影像が、超音波トランスジューサ・アレイを使用して被検体ボリュームを走査することによって、任意の視角から表示される、例えば、θが視線５８の射影線（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）５８’がＸ−Ｙ平面上に作る角度であり、φが視線５８が射影線５８’に対して作る角度であるとして、角度パラメータ（θ、φ）で表記される球面投影角から表示される。サンプル・ボリューム５２は、一連の積み重なった隣接したスライスまたはシートＯＳ₁、ＯＳ₂、・・・、ＯＳ_kを作成するように走査され、各々のスライスは同じ数の被検体ボリューム要素（ボクセル）ＯＶを含む。各々のボクセルはシートの平面（例えば、Ｘ−Ｙ平面）内に矩形の輪郭を持つ。この輪郭が正方形になるように相補的な辺は等しい長さＳであってよいが、シートの厚さＴは一般にいずれの辺の長さにも等しくない。従って、第１の被検体スライスＯＳ₁が第１の多数の被検体ボクセルＯＶ_i,j,1を含み、ここでｉおよびｊはボクセルのそれぞれのＸ軸位置およびＹ軸位置である。同様に、第２の被検体スライスＯＳ₂が第２の多数の被検体ボクセルＯＶ_i,j,2を含む。一般的に、任意の被検体スライスＯＳ_kが多数の被検体ボクセルＯＶ_i,j,kを含む。ここで、ｋはそのボクセルのＺ軸の位置である。
【００２０】
各々の被検体ボクセルＯＶ_i,j,kが分析されて、そのデータ値（強度、速度またはパワー）がデータ・ボリューム５４の対応するデータ・ボクセルＤＶ_i,j,kに置かれる。データ・ボリュームＤＶ_i,j,kは、各々の被検体スライスＯＳ_kの厚さおよび各々の被検体ボクセルの面寸法（Ｘ−Ｙ平面におけるボクセルの大きさ）が一般に同じでなくても、簡単な立方ｉ，ｊ，ｋ格子である。すなわち、被検体ボリュームは各々のボクセルに対して異なるＸ、ＹおよびＺ寸法を持っていてよいばかりではなく、任意の次元におけるボクセルの総数が同じである必要もない。例えば、典型的な超音波三次元走査では、各々のスライスが２５６×２５６行列のボクセルを持つ、１２８個のスライスを得ることが出来る。
【００２１】
ＣＰＵ４２によって用いられる公知の技術に従って、各々のデータ・ボクセルＤＶ_i,j,k内の格子点から像平面５６へのレイ・キャスティングすなわち射線の投射によって被検体５０の像が投影される（図３のステップ３４）。便宜のため、格子点は、例えばデータ・ボリュームの原点に最も近いデータ・ボクセルの頂点であってよい。投射された射線６２は被検体ボリューム５２をみる球面角度パラメータ（θ，φ）から変換された球面角度パラメータ（α，β）を持つ投影角でデータ・ボリューム５４を出て行く。これらの２つの角度は、非立方体の被検体ボリューム５２に対して立方体のデータ・ボリューム５４を使用したことによる幾何学的歪みにより、同じではない。しかし、投射された射線６２はバーＸ−バーＹ平面の射影線６２’を持ち（ここで、バーＸおよびバーＹは、図示のようにＸおよびＹのそれぞれの頭に横棒を引いた記号を表す）、射影線６２’はデータ・ボリュームのバーＸ軸に対して角度αを作り、また射線６２はＺ軸と角度βを作る。角度αおよびβは回転プロセス（以下に説明する）によって決定されて、（球面座標における操作を仮定すると）所望の視角（θ，φ）でサンプル・ボリューム５２を見ることに対応する。各々の射線６２はデータ・ボリュームのボクセル格子点から像平面へ向けて投射される。
【００２２】
全ての射線６２は像平面のある部分に突き当たるが、考慮中の像平面画素６０ａ内に入る射線のみが該像平面画素に対するデータに寄与することが出来る。従って、被検体ボリューム５２の一部分を選び且つこの選ばれた被検体ボリュームを見る視角（θ，φ）を選択すると、データ・ボリュームの対応する部分の各ボクセル内のデータ値が、像平面５６へある角度（α，β）で投影される（被検体ボリュームに対して歪んだデータ・ボリュームを見ることに対応する）。従って、第１のボクセル（例えば、ＤＶ_i,1,k）内のデータ値が、選ばれた角度θおよびφに従って、射線６２ａに沿って逆投影される。この射線６２ａは画素６０ａ内の衝突位置６４で像平面５６に突き当たる。これはこの画素に突き当たる最初の射線であるので、入射データの強度、速度またはパワー値が所望の画素６０ａに帰する（記憶される）。データ・ボリューム内の次の第２のボクセル（例えば、ＤＶ_i,2,k）はそのボクセルの格子点から同じ角度（α，β）で投射される射線６２ｂが関係し、それは像平面５６に衝突位置６４ｂで突き当たる。衝突位置６４ｂが所望の画素６０ａ内にあると仮定すると、第２の投影された値が現在記憶されている第１の値と（最大画素投影のために）比較され、そのうちの大きい方の値が画素６０ａに対して記憶される。ここで、平均値投影の場合には、現在の投影されているデータ・ボクセルの値が、その投影の射線の突き当たる像平面の画素に既に記憶されている和の値に加算され、次いでその結果の和が最終的にその画素に突き当たるこのような射線の計数値で割算されることが理解されよう。選択されたデータ・ボリューム内の各々のボクセルが逐次的にエントリされて像平面５６に投影されるとき、あるデータ・ボリューム・ボクセル（例えば、ＤＶ_i,3,k）はその関連する射線６２ｐに沿って投影されるが、所望の画素６０ａ内に突き当たらず、従ってそのデータ値（例えば、強度）が画素６０ａに対して現在記憶されているデータ値と比較されない。特定の三次元の視角（θ，φ）におけるデータのその投影に対して、画素画素６０ａに対する最大データ値がそのとき確立される。しかし、射線６２ｐが事実上、別の像平面画素（例えば、画素画素６０ｂ）内にある衝突位置６４ｐを持ち、その画素に記憶されているデータ値と比較されて、比較後の大きい方の値がその画素に対する記憶装置に戻される。全てのデータ値は、新しい投影が取られるときにゼロにリセットされる。従って、像平面画素の各々は像投影手順の開始時にリセットされ、（選択された被検体ボリューム５２の部分によって設定されるような、全空間または選択された部分内の）データ・ボリューム・ボクセルの全ては個別に且つ逐次的に走査される。各々データ・ボクセルＤＶ内のデータ値は、その１つの画素６０内で像平面５６に突き当たる関連の射線６２により投影される。各々の画素内の最大値は射線投射されたデータ・ボリューム・ボクセルの現在値との間で比較されて、その内の大きい方の値が決定される。この大きい方の値は、次いで、最大値像の一部分として記憶される。実際には、最大画素投影の場合、新しく投射されたデータ・ボクセル値が、新しく投射された射線が突き当たる像平面画素に対して既に記憶されているデータ値よりも大きいときだけ、記憶された最大値が変更される。
【００２３】
上記の技術の別の面によれば、データ投影がスケーリングされ（図３のステップ３６）、被検体ボリュームと像平面との間の非等方性が、逆投影の完了後の一組の計算だけによって除かれる。ここで図５を参照して説明すると、被検体ボリュームが実際のボリューム（容積）であるのに対して、データ・ボリュームが抽象的な概念であるので、第１の平面において、任意の視方向６６が被検体ボリューム５２およびデータ・ボリューム５４の両方に対して位置決めされる角度ψよりも異なる角度γで立方体のデータ・ボリューム格子５４を表すことに起因するデータ投影の歪みの量を決定することが必要である。各々のボクセルの見かけの寸法は、有効な立て方向の角度（仰角）ψおよびγが変わるにつれて変わろうとする。アスペクト比Ａ（被検体ボリューム５２内の実際のスライスの厚さＴと同じ被検体ボリューム５２内の実際の画素の大きさＳとの比として定義される）が１でない（すなわち、被検体ボクセルがデータ・ボリューム５４におけるように立方体のボクセルではないとき、１より大きいか又は小さい）場合、立て方向の角度ψおよびγが異なり、データ・ボリューム内の有効な立て方向角度ψが、被検体ボリューム内の実際の立て方向角度γとは異なる。データは、次式で得られる被検体の立て方向角度に従って回転される。
【００２４】
Ψ＝ｔａｎ^-1［（１／Ａ）ｔａｎ（γ）］
その後、投影されたデータは、（回転が水平軸の周りになされた場合）被検体ボリューム内で正しい高さを持つように、全ての投影されたデータの高さに立て方向スケーリング係数を乗算することによって、スケーリングすることが出来る。古い投影像の高さＨを有効なスケーリング係数Ｅ_Sにより補正することが出来る。ここで、
Ｅ_S＝［（Ａｃｏｓγ）²＋ｓｉｎ²γ］^1/2
であり、新しい高さＨ’はＨ’＝Ｈ・Ｅ_Sである。上記と同じことが、回転が垂直軸の周りになされるときの幅について当てはまる。
【００２５】
上記の関係を利用して、データ・ボリュームの角度（α，β）を回転すると角度（θ，φ）になり、歪みが１つの軸に沿っているだけであるので、角度θは角度αに等しい。３×３回転マトリクス［Ｍ］の要素を決定することができ、２つの関係する回転角度が与えられていると、これらの関係を使用してデータ・ボリュームから像平面への変換が決定される。
【００２６】
Ｘ’＝Ｍ１Ｘ＋Ｍ２Ｙ＋Ｍ３Ｚ＋ＸＯ
Ｙ’＝Ｍ４Ｘ＋Ｍ５Ｙ＋Ｍ６Ｚ＋ＹＯ
ここで、Ｍ１−Ｍ６は回転マトリクスの最初の２行（すなわち、Ｍ１＝−ｓｉｎθ、Ｍ２＝ｃｏｓθｓｉｎψ、Ｍ３＝０、Ｍ４＝−ｃｏｓθｓｉｎψ２、Ｍ５＝−ｓｉｎθｓｉｎψ、Ｍ６＝ｃｏｓψ）であり、Ｘ’およびＹ’は投影された点の像平面上の位置であり、ＸＯおよびＹＯは像平面ＸおよびＹのオフセット（それぞれＸおよびＹ最低値点を基準としている）であって、そこから像平面の選択された部分が始まるオフセットである。データが像平面５６上に投影された後、等方性でない被検体ボクセルの効果を補正するために像がスケーリングされる。回転マトリクスの係数Ｍ１−Ｍ６を投影（所与のθおよびφ）の始めに予め計算して（図３のステップ３２）、全ての回転の計算のために使用することが出来ることが理解されよう。
図６は、主制御器８（または別の専用の処理装置）内に設けられている上述のレイ・キャスティング法を実行する手段を示す。このような手段は、シネ・メモリ２４からデータ入力７０ａに受け取ったスライス・データを記憶するための三次元データ・メモリ手段７０を有する。各々の被検体ボクセルに関するデータが、ＣＰＵ７４からボクセル・アドレス入力７０ｂに受け取ったボクセル・アドレス入力情報に応答して、そのボクセルのアドレスに記憶される。三次元データ・メモリ手段７０が満たされたとき（被検体ボリューム５２からデータ・ボリューム５４への全ての要求されたデータの転送に対応する）、関心のある被検体ボリューム部分が選択されて、そのＸ、ＹおよびＺ方向における開始コーナーおよび範囲を設定するデータがＣＰＵ７４からアドレス作成手段７２の入力７２ａへ送られる。アドレス作成手段７２は、アドレス出力７２ｂに、選択された被検体ボリューム内の各々のボクセルのＸ，Ｙ，Ｚアドレスを逐次的に供給する。出力７２ｂは三次元データ・メモリ手段７０の出力データ・アドレス入力７０ｃに接続されていて、その１つのボクセルに対する記憶された強度データがアドレスされて三次元データ・メモリ手段の出力７０ｄから出力されるようにする。ボクセルのＸ，Ｙ，Ｚアドレスはまた逐次的に回転パラメータ計算手段７６の第１の入力７６ａにも供給される。回転パラメータ計算手段７６は、ＣＰＵ７４を介して角度（α，β）情報を、計算されたマトリクス要素Ｍ１−Ｍ６値として受け取って、出力７６ｃに、選択された視角（θ，φ）で見たときの被検体のＸ，Ｙ，Ｚ画素に対応する像平面画素のアドレスＸ’，Ｙ’を供給する。視角（θ，φ）情報はシステムに入力されて、ＣＰＵ７４によって処理される。その結果は視方向マトリクス手段７８の入力７８ｂおよび７８ｃに入力されて、その出力７８ａから回転パラメータ計算手段７６へマトリクス要素Ｍ１−Ｍ６が供給される。像平面画素のアドレスＸ’，Ｙ’は、像平面メモリ手段８０として作用するフレーム・バッファのアドレス入力８０ａに現れる。同時に、データ・ボリュームから像平面に投影された強度データが、三次元データ・メモリ手段の出力７０ｄから像平面メモリ手段の新データ入力８０ｂに現れる。このデータはまた、データ比較手段８２の新データ入力８２ａにも現れる。入力８０ａのそのアドレスに対して像平面メモリ手段８０に前に記憶されていた強度データが旧データ出力８０ｃに現れ、従ってデータ比較手段の旧データ入力８２ｂに現れる。入力８２ａおよび８２ｂのそれぞれの新データおよび旧データがデータ比較手段８２内で比較され、入力８２ａの新データが入力８２ｂの旧データよりも大きい場合は、出力８２ｃが選定された論理状態（例えば、高論理レベル）に作動される。出力８２ｃは像平面メモリ手段８０の置換制御データ入力８０ｄに接続されている。これにより、置換制御データ入力８０ｄが選定された論理レベルにある場合、入力８０ａによって制御されたアドレスに記憶されるデータが、入力８０ｂの新データを受け入れるように変更される。従って、記憶されているデータは（ＣＰＵ７４からの）データ／制御ポート８０ｅの信号等によって最初にリセットされ、そして新データが前に記憶された旧データよりも大きいという比較結果に応答して、各々の像平面画素位置Ｘ’，Ｙ’に対して最大値のデータが記憶される。選択されたアドレスの全てがアドレス作成手段７２によって逐次的に走査された後、像平面メモリ手段８０に記憶されているデータがＣＰＵ７４においてスケーリングされ、このスケーリングされたデータは表示、永久記憶または同様な目的のために像平面メモリ手段８０から取り出すことが出来る。
【００２７】
本発明の別の面によれば、表示の前に、スケーリングされた像平面データが所望の輝度およびコントラスト範囲を達成するように写像される（図３のステップ３８）。本発明によれば、投影像のコントラストは、主制御器によって、未調節の画素強度データから調節された画素強度データへの１対１の写像（ｍａｐｐｉｎｇ）を作成することにより調節される。この写像はソース像または投影像のいずれかの画素強度データに基づいて作成されるが、好ましい実施態様では、第１の（すなわち、０゜の）投影像データを使用して作成される。
【００２８】
コントラスト調節写像を作成するため、主制御器は、多数の規定された強度範囲またはビン（ｂｉｎ）の内の各々の中の強度を持つ画素の数のヒストグラムを編集する。図７は、比較的大きい強度の画素を持つ投影像に対するこのようなヒストグラムを示す。図９は、比較的小さい強度の画素を持つ投影像に対するこのようなヒストグラムを示す。同時に、主制御器は、ソースまたは投影像内の最大画素強度を決定する。最大の画素数を含むビンから開始して、順次画素数の少ない残りのビンを加えることにより、各々の強度範囲またはビン内の画素の数が、像内の全画素数の所定のパーセントに達するまで加算される。計数されたビンが主として比較的大きい強度の画素を含んでいるとき（図７参照）、計数値内に含まれている最も小さい強度のビンの下限が画素強度閾値となる。逆に、計数されたビンが主として比較的小さい強度の画素を含んでいるとき（図９参照）、計数値内に含まれている最も大きい強度のビンの上限が画素強度閾値となる。いずれの場合も、画素強度閾値より大きいまたは小さい強度値の範囲が、例えば、８ビット強度値の場合は０〜２５５の拡大した表示強度値に線形に相関するように、１対１の写像が作成される。図７のヒストグラムから導き出した写像が図８に示されており、また図９のヒストグラムから導き出した写像が図１０に示されている。
【００２９】
本発明の方法によれば、各々の投影像のコントラストは、主制御器が各々の投影像をシネ・メモリに書き込む前に、画素強度ヒストグラムから作成された写像を使用して自動的に調節される。例えば、図７のグラフの示した大きい強度の投影像の場合、約１６５〜２５０の範囲内の強度値を持つ投影画素データが、図８に傾斜した直線で示されるように、０〜２５５の範囲内にある表示強度値に写像または変換される。同様に、図９のグラフの示した小さい強度の投影像の場合、約０〜８０の範囲内の強度値を持つ投影画素データが、図１０に傾斜した直線で示されるように、０〜２５５の範囲内にある表示強度値に写像または変換される。写像のための入力範囲は、特定の像から導き出したそれぞれのヒストグラムにおける計数されたビンの範囲に応じて変わることが理解されよう。写像入力範囲の外側の強度値を持つ画素データは廃棄される。従って最も関心の大きい画素強度データのコントラストを増大し且つ最も関心の少ない画素強度データを廃棄することによって、各々の投影像の画素強度データは、画素閾値より大きい又は小さい所望の輝度およびコントラスト範囲へ写像される。コントラスト調節された画素強度データは次いでその後の表示のためにシネ・メモリへ戻される。
【００３０】
上記の投影法は、シネ・メモリから検索された関心のあるデータ・ボリュームに対して、Ｂモード強度データとカラー流れ速度またはパワー・データとに別々に適用される。投影像内の各々の画素は、所与の像平面上への投影によって導き出された、変換された強度データおよび変換された速度またはパワー・データを含む。更に、シネ・メモリがオペレータによって停止（ｆｒｅｅｚｅ）されたときに、ＣＰＵ４２はオプションとしてシネ・メモリ２４の区分２４Ｂ内の多数の相次ぐアドレスにＸ−Ｙメモリ１８からの最後のフレームを記憶させる。第１の投影視角に対する投影像データがシネ・メモリの区分２４Ｂ内の第１のアドレスに書き込まれ、これにより関心のある領域内の投影像データが背景のフレーム上に重畳される。このプロセスは、全ての投影像がシネ・メモリの区分２４Ｂ内に記憶されるまで、各々の角度増分に対して繰り返される。各々の投影像フレームは、変換されたデータを含む関心のある領域で構成され、オプションとして関心のある領域を囲んでいて、関心のある領域の変換されたデータによってオーバーライト（上書き）されない背景フレーム・データより成る背景周辺部を含む。背景の像は、各々の表示された投影がどの場所から見たものであるかを一層明確にする。そこで、オペレータは投影像の内の任意の１つを表示のために選択することが出来る。更に、一連の投影像を表示モニタ上にリプレイ（再生）して、被検体ボリュームをあたかも観察者の前で回転しているかのように表示することが出来る。
【００３１】
本発明の好ましい実施態様では、超音波イメージング・システムは複数の異なる投影モードを有する。例えば、投影は最大または最小値の画素を含んでいてよい。或いは、画素データを逆転して、その最大値を像平面に投影するような、血管のイメージングに有用なモードを選択してもよい。更に別のモードでは、面のレンダリング（ｒｎｄｅｒｉｎｇ）を行うようにレイ・キャスティング法を用いてもよい。
【００３２】
上記の好ましい実施態様は例示の目的で開示された。超音波イメージングまたはコンピュータ・グラフィックスの分野における当業者には種々の変更および変形を容易になし得よう。このような全ての変更および変形は特許請求の範囲に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実時間超音波イメージング・システム内の主要な機能のサブシステムを示すブロック図である。
【図２】本発明の好ましい実施態様に従って強度および速度またはパワー画素データの相次ぐ立体的投影よりなるフレームを再構成する手段を示すブロック図である。
【図３】本発明の好ましい実施態様に従って強度および速度またはパワー画素データの相次ぐ立体的投影よりなるフレームを再構成するためのアルゴリズムのステップを示す流れ図である。
【図４】従来技術に従ってレイ・キャスティングの逆投影を立体的にレンダリングする際に関係するサンプリングされた関心のある被検体ボリューム、関連のデータ・ボリュームおよび像投影平面を示す概略線図である。
【図５】被検体データおよびデータ・ボリュームの同様なビュー（ｖｉｅｗ）に対応すると共に、三次元超音波イメージングにおける必要なスケーリング定数を定めるのに有用である一対の幾何学的二次元形状を示す概略線図である。
【図６】三次元超音波イメージングにおける最大強度投影を行う手段の概略ブロック図である。
【図７】大きい強度の画素を持つ像に対して所定の範囲内の強度値を持つ画素の集団を示すヒストグラムである。
【図８】本発明の好ましい実施態様に従った図７に示した大きい強度の画素データのコントラスト調節写像を示すグラフである。
【図９】小さい強度の画素を持つ像に対して所定の範囲内の強度値を持つ画素の集団を示すヒストグラムである。
【図１０】本発明の好ましい実施態様に従った図９に示した小さい強度の画素データのコントラスト調節写像を示すグラフである。
【符号の説明】
２ビーム形成装置
４処理装置
４ＡＢモード処理装置
４Ｂカラー流れ処理装置
６走査変換器／表示制御器
８主制御器
１２表示モニタ
１４ＡＢモード音響線メモリ
１４Ｂカラー流れ音響線メモリ
１８Ｘ−Ｙ表示メモリ
２０時間線／グラフィック処理装置及び表示メモリ
２２ビデオ処理装置
２４シネ・メモリ
４２中央処理装置
４４ランダム・アクセス・メモリ
５０サンプル（被検体）
５２サンプル（被検体）ボリューム
５４データ・ボリューム
５６像平面
５８視線
５８’ 射影線
６０画素
６２射線
６４衝突位置
７０三次元データ・メモリ手段
７２アドレス作成手段
７４ＣＰＵ
７６回転パラメータ計算手段
７８視方向マトリクス手段
８０像平面メモリ手段
８２データ比較手段
８６画素遅延素子
８８乗算器
９０加算器
９２ライン・メモリ
９４ライン・メモリ

Claims

被検体ボリューム中の超音波散乱媒体の三次元イメージング・システムにおいて、
超音波ビームを送信して、被検体ボリューム内の多数のサンプル・ボリュームから反射された超音波エコーを検出する超音波トランスジューサ・アレイ、
散乱媒体によって反射された超音波エコーから導き出された画素強度データを取得する取得手段であって、各々の画素強度データが前記多数のサンプル・ボリュームの内のそれぞれ１つのサンプル・ボリュームに対応している取得手段、
前記多数のサンプル・ボリュームの各々に対して前記取得された画素強度データを記憶するメモリ手段、
前記メモリ手段から、前記被検体ボリューム内の関心のあるボリュームに対応する一組の画素強度データを検索する手段、
前記関心のあるボリュームに対応する前記画素強度データの組を像平面へ投影して、投影像を表す投影画素強度データの組を形成する手段、
前記投影画素強度データの組を変換して、コントラスト調節された投影像を表す変換手段、表示モニタ、および
前記コントラスト調節された投影像を前記表示モニタに表示させる手段、を含んでおり、
前記変換手段が、第１の強度範囲内にある前記投影画素強度データの組の内の強度値をゼロにする手段、および第２の強度範囲内にある前記投影画素強度データの組の内の強度値を、線形写像に従って、第３の強度範囲内にあるコントラスト調節された強度値に変換する手段を含み、前記第１および第２の強度範囲は画素強度閾値で連続しており、前記第３の強度範囲は前記第２の強度範囲よりも広く且つ前記第２の強度範囲にオーバーラップしており、また前記コントラスト調節された強度値は前記コントラスト調節された投影像を表す写像された投影画素強度データの組を形成し、
前記変換手段が、更に、多数の強度サブレンジの各々の強度サブレンジ内にある強度範囲を持つ前記投影画素強度データの組の中の画素の数を計数する手段を含み、前記第１の強度範囲が前記多数の強度サブレンジの内の第１組の強度サブレンジを含み、前記第２の強度範囲が前記多数の強度サブレンジの内の第２組の強度サブレンジを含んでいるが前記第１組の強度サブレンジを含んでおらず、
更に、前記の計数値が所定の数に等しいことに応答して、前記画素強度閾値を決定する手段、および前記画素強度閾値の関数として前記線形写像を作成する手段を含んでいることを特徴とする三次元イメージング・システム。
前記第２の強度範囲が、前記第１の強度範囲内の強度値よりも大きい強度値を含んでいる請求項１記載のシステム。
前記第２の強度範囲が、前記第１の強度範囲内の強度値よりも小さい強度値を含んでいる請求項１記載のシステム。
イメージング・システムが実行する被検体ボリューム中の超音波散乱媒体の三次元イメージング方法において、
各々の画素強度データが前記多数のサンプル・ボリュームの内のそれぞれ１つのサンプル・ボリュームに対応している、前記多数のサンプル・ボリュームの各々に対して取得された画素強度データを前記イメージング・システムが記憶するステップ、
前記記憶された画素強度データから、前記被検体ボリューム内の関心のあるボリュームに対応する一組の画素強度データを前記イメージング・システムが検索するステップ、
前記関心のあるボリュームに対応する前記画素強度データの組を像平面へ投影して、投影像を表す投影画素強度データの組を前記イメージング・システムが形成するステップ、
前記投影画素強度データの組を前記イメージング・システムが変換して、コントラスト調節された投影像を表す変換ステップ、および
前記コントラスト調節された投影像を表示するステップ、
を含んでおり、
前記変換ステップが、第１の強度範囲内にある前記投影画素強度データの組の内の強度値をゼロにするステップ、および第２の強度範囲内にある前記投影画素強度データの組の内の強度値を、線形写像に従って、第３の強度範囲内にあるコントラスト調節された強度値に変換するステップを含み、前記第１および第２の強度範囲は画素強度閾値で連続しており、前記第３の強度範囲は前記第２の強度範囲よりも広く且つ前記第２の強度範囲にオーバーラップしており、また前記コントラスト調節された強度値は前記コントラスト調節された投影像を表す写像された投影画素強度データの組を形成し、
更に、多数の強度サブレンジの各々の強度サブレンジ内にある強度範囲を持つ前記投影画素強度データの組の中の画素の数を計数するステップを含み、前記第１の強度範囲が前記多数の強度サブレンジの内の第１組の強度サブレンジを含み、前記第２の強度範囲が前記多数の強度サブレンジの内の第２組の強度サブレンジを含んでいるが前記第１組の強度サブレンジを含んでおらず、
更に、前記の計数値が所定の数に等しいことに応答して、前記画素強度閾値を決定するステップ、および前記画素強度閾値の関数として前記線形写像を作成するステップを含んでいることを特徴とする三次元イメージング方法。
前記第２の強度範囲が、前記第１の強度範囲内の強度値よりも大きい強度値を含んでいる請求項４記載の方法。
前記第２の強度範囲が、前記第１の強度範囲内の強度値よりも小さい強度値を含んでいる請求項５記載の方法。
イメージング・システムが実行する被検体ボリューム中の超音波散乱媒体の三次元イメージング方法において、
前記走査平面の多数の走査位置によって定められたそれぞれの平面内の散乱媒体によって反射された超音波エコーから導き出された多数のサブセットの画素強度データの各々のサブセットがそれぞれ１つの強度データ・フレームを形成する、多数の強度データ・フレームを前記イメージング・システムが記憶するステップ、
選択された相次ぐ記憶された強度データ・フレームから、関心のある領域に対応するそれぞれのサブセットの画素強度データを前記イメージング・システムが検索するステップであって、これらの画素強度データのサブセットが被検体ボリューム内の関心のあるボリュームに対応する画素強度データの組を前記イメージング・システムが形成するステップ、
前記画素強度データの組を像平面へ投影して、投影像を表す投影画素強度データの組を前記イメージング・システムが形成するステップ、
前記投影画素強度データの組を前記イメージング・システムが変換して、コントラスト調節された投影像を表す変換ステップ、および
前記コントラスト調節された投影像を前記多数の強度データ・フレームの選択された１つの中心領域上に重畳して成る像を前記イメージング・システムが表示するステップ、
を含んでおり、
前記変換ステップが、第１の強度範囲内にある前記投影画素強度データの組の内の強度値をゼロにするステップ、および第２の強度範囲内にある前記投影画素強度データの組の内の強度値を、線形写像に従って、第３の強度範囲内にあるコントラスト調節された強度値に変換するステップを含み、前記第１および第２の強度範囲は画素強度閾値で連続しており、前記第３の強度範囲は前記第２の強度範囲よりも広く且つ前記第２の強度範囲にオーバーラップしており、また前記コントラスト調節された強度値は前記コントラスト調節された投影像を表す写像された投影画素強度データの組を形成し、
更に、多数の強度サブレンジの各々の強度サブレンジ内にある強度範囲を持つ前記投影画素強度データの組の中の画素の数を計数するステップを含み、前記第１の強度範囲が前記多数の強度サブレンジの内の第１組の強度サブレンジを含み、前記第２の強度範囲は前記多数の強度サブレンジの内の第２組の強度サブレンジを含んでいるが前記第１組の強度サブレンジを含んでおらず、
更に、前記の計数値が所定の数に等しいことに応答して、前記画素強度閾値を決定するステップ、および前記画素強度閾値の関数として前記線形写像を作成するステップを含んでいることを特徴とする三次元イメージング方法。