JP4204095B2

JP4204095B2 - 被検体ボリューム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: JP4204095B2
Application number: JP12344898A
Authority: JP
Inventors: ウィリアム・トーマス・ハットフィールド; トッド・マイケル・ティルマン; パトリシア・アン・シューバート
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1998-05-06
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2018-05-06
Also published as: US5899863A; JPH1128213A; IL124169A; DE19819892B4; DE19819892A1

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（容積）によって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ための方法に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
通常の超音波スキャナは、画素の輝度がエコー信号の強度に基づいて定められた、組織の二次元Ｂモード像を作成する。カラー流れイメージングでは、流体（例えば、血液）または組織の動きを映像化することが出来る。ドップラー効果を利用して、心臓および血管内の血液の流れを測定することはよく知られている。後方散乱された超音波の周波数偏移を使用することにより、組織または血液からの後方散乱体の速度を測定することが出来る。後方散乱された超音波の周波数の変化すなわち周波数偏移は、血液がトランスジューサの方へ向かって流れているときは増加し、また血液がトランスジューサから遠ざかる向きに流れているときは減少する。このドップラー偏移は、流れの速度および方向を表すために異なるカラーを使用して表示することが出来る。パワー・ドップラー・イメージングでは、戻ってくるドップラー信号に含まれているパワーが表示される。カラー流れモードは、数百の隣接したサンプル・ボリュームを同時に表示し、これらは全て各々のサンプル・ボリュームの速度を表すためにカラー符号化されている。カラー流れ像はＢモード像に重畳することが出来る。
【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。血液の速度は、特定のレンジ・ゲートにおいてファイアリング（ｆｉｒｉｎｇ）相互の間での位相シフト（移相）を測定することによって計算される。像内の１つのレンジ・ゲートでドップラー・スペクトルを測定する代わりに、各々のベクトルに沿った多数のレンジ・ゲートおよび多数のベクトル位置から平均血液速度が計算され、この情報から二次元像が作成される。カラー流れ処理装置は、（８ビットの）速度信号、（４ビットの）分散（乱れ）信号および（８ビットの）パワー信号を発生する。オペレータが、速度および分散またはパワーを走査変換器６へ出力するかどうか選択する。カラー流れ処理装置の構造および作用が、ここに引用する米国特許第５，５２４，６２９号に記載されている。
【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）および分散（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（ｃｉｎｅｍｅｍｏｒｙ）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】
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。
【００１０】
Ｂモード強度データの三次元超音波イメージングでは、強度データは、コントラストが貧弱であり且つデータ中にノイズおよびスペックル（ｓｐｅｃｋｌｅ）が存在するので、セグメント化するのが困難である。しかし、関心のある領域を制限することが出来るなら、三次元Ｂモード像のセグメント化（ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ）を改善することが出来る。
【００１１】
【発明の概要】
本発明は、イメージング平面に投影される画素強度データのボリュームを制限することによって三次元Ｂモード像のセグメント化を改善する方法および装置である。関心のあるボリュームが流れている血液すなわち動脈または静脈を含んでいる場合、流れている血液から反射された超音波中に存在するドップラー偏移を検出し、このドップラー偏移を使用することにより、動脈または静脈の三次元イメージングのために様々なイメージング平面に投影されるべき画素データの量を制限することが出来る。
本発明を用いる装置は、カラー流れ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スキャナを有する。カラー流れモードでは、各々の画素は、特定のサンプル・ボリュームからのエコー信号の振幅から導き出した８ビットの強度値、および同じサンプル・ボリュームからの同じエコー信号中の検出されたドップラー偏移から導き出した８ビットの速度またはパワー値を有する。
【００１２】
本発明の方法によれば、速度またはパワー・データは、主制御器によってイメージング平面に投影されるべきＢモード強度値を識別するために使用される。これを行うために、速度またはパワー値が最小閾値よりも大きい又は最大閾値よりも小さい、或いはその両方であるような画素の基準データ・ボリュームを定められる。好ましい実施態様によれば、基準データ・ボリューム内の画素は、それらの速度またはパワー値が非ゼロであることによって決定される。基準データ・ボリュームは、投影像を再構成する際に使用するためのソース・データ・ボリュームを定義するために使用される。基準データ・ボリュームは、例えば動脈または静脈中の流れている血液のような動いている超音波散乱体を含む被検体ボリュームに対応する。基準データ・ボリュームが血流に対応すると定めた場合、更に、ソース・データ・ボリュームが、その中に基準データ・ボリュームを含んでいて、少なくとも検出される血流が流れている動脈または静脈を包含する被検体ボリュームにほぼ対応するものであると定義することは比較的簡単なことである。
【００１３】
好ましい実施態様によれば、ソース・データ・ボリュームは、先ず、中心線と、非ゼロの速度またはパワー成分を持つ相次ぐ画素によって画成される寸法の半分に対応する所定の半径とを有する円柱体である被検体ボリュームを決定し、次いで、その同じ円柱体の半径を増大して、動脈または静脈を包含する一層大きな被検体ボリュームを画成することによって、形成することが出来る。ソース・データ・ボリュームの寸法は、該一層大きな被検体ボリュームの寸法に等しく設定される。ソース・データ・ボリューム内の画素は、種々のイメージング平面への投影の再構成に使用される。ソース・データ・ボリュームの外側の画素は、それらの投影を再構成するのには使用されない。その結果、セグメント化が改善された投影Ｂモード像が得られる。速度またはパワー成分を持っているか又は速度またはパワー成分を持つ画素の所定の距離内にある関心のあるボリューム中の画素の身からのＢモード強度データを使用することによって、異質の情報が排除され、その結果のＢモード投影は大きく改善される。
【００１４】
主制御器が、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データを複数の回転された像平面に投影するアルゴリズムを実行する。次いで、各々の投影から生じる投影強度データがシネ・メモリに記憶され、オプションとして、システム・オペレータによるシステムの停止（ｆｒｅｅｚｉｎｇ）の前にＸ−Ｙメモリから読み出された最後のフレームからの未投影の強度データに重畳される。強度データは、該強度データが表示されるとき、投影強度データが表示されたフレームの中心領域に重畳されて、未投影の強度データがそのフレームの周辺部に表示されるように、シネ・メモリに記憶される。シネ・メモリに記憶されてい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することが出来る。
【００１５】
【好ましい実施態様の説明】
図２を参照して説明すると、主制御器は中央処理装置（ＣＰＵ）４２およびランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）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、取得した強度および速度またはパワー・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。
【００１６】
初期化ステップが図４に詳しく示されている。本発明の好ましい実施態様によれば、関心のあるソース・データ・ボリュームが基準データ・ボリュームであり、基準データ・ボリュームは非ゼロの速度またはパワー成分を持つ関心のあるボリューム内の画素によって画成される（ステップ２６ａ）。基準データ・ボリュームは、例えば動脈または静脈中の流れている血液のような動いている超音波散乱体を含む被検体ボリュームに対応する。ステップ２６ｂにおいて、第１の被検体ボリュームが中心線と第１の半径を持つ円柱体によって近似され、該第１の半径は、該円柱体の直径に沿って位置する非ゼロの速度またはパワー成分を持つ相次ぐ画素の数の半分によって決定される。第１の半径は、動脈または静脈の内部の半径にほぼ等しくすべきである。ステップ２６ｃにおいて、第２の被検体ボリュームが第１の被検体ボリュームに対して、前者が後者を囲む動脈または静脈を包含するように定義される。好ましい実施態様では、第２の被検体ボリュームは、第１の被検体ボリュームの中心線と同軸の中心線を持ち、且つ少なくともイメージング対象の動脈または静脈の厚さだけ第１の半径よりも大きい第２の半径を持つ円柱体によって画成される。次いで、関心のあるソース・データ・ボリュームが、第１の被検体ボリューム内にあるサンプル・ボリュームによって反射されたエコー信号から取得された画素のみに対する強度データを、シネ・メモリから検索することにより、形成される（図４のステップ２６ｄ）。必然的に、ソース・データ・ボリュームは、動脈または静脈中の流れている血液から反射されたエコー信号から取得された画素（すなわち、非ゼロの速度またはパワー成分を持つ画素）と、動脈または静脈から反射されたエコー信号から取得された画素とで構成される。
【００１７】
本発明の好ましい実施態様によれば、ソース・データ・ボリュームは、シネ・メモリに記憶された１フレームのデータを持つ各スライスに対して関心のある領域を決定することによって形成される。各々の関心のある領域はそれぞれのスライスと第２の被検体ボリュームとの交差部に対応する。各々のスライスに対して、主制御器が、関心のある領域内にあるサンプル・ボリュームによって反射されたエコー信号から取得された画素のみを検索する。取得された画素の全体がソース・データ・ボリュームを形成し、このソース・データ・ボリュームは、関心のある第２の被検体ボリュームの内部にある動脈または静脈の部分の投影像を再構成するために使用される。ソース・データ・ボリュームの外側の画素は、それらの投影を再構成するのには使用されない。その結果、セグメント化が改善された投影Ｂモード像が得られる。
【００１８】
再び図３を参照して説明すると、ソース・データ・ボリュームすなわち第２の被検体ボリュームに対応する画素データ組の中の強度データが、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。
【００１９】
シネ・メモリ２４（図２参照）から検索されたソース・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。
【００２０】
次に、ＣＰＵ４２が、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。
【００２１】
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５参照）の立体的に表現（ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）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、例えば角度パラメータ（θ、φ）で表記される球面投影角から表示される。ここで、θは視線５８の射影線（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）５８’がＸ−Ｙ平面上に作る角度であり、φは視線５８が射影線５８’に対して作る角度である。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。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軸位置である。
【００２２】
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。
【００２３】
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（ｒａｙ）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。
【００２４】
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。
【００２５】
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６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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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７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。
【００２９】
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（マッピング）される（図３のステップ３８）。三次元再構成のベースとなるソース・フレームに対して関心のある領域を読み込みながら、所与の輝度を持つ画素の数についてのヒストグラムがオプションとして主制御器８において作成される。この代わりに、ヒストグラムは投影像を使用して形成することが出来る。同時に、最大画素強度が決定される。各々のビン（ｂｉｎ）内の画素が、全画素数の所与のパーセントに達するまで計数される。このビン数が画素閾値になる。次いで、意図した結果に応じて定めた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に各々の画素値が写像されるように、マップが作成される。
【００３０】
図３に示されている方法は、シネ・メモリから検索された関心のあるソース・データ・ボリュームに対して強度データに適用される。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を含む。更に、シネ・メモリがオペレータによって停止されたときに、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の投影視角にたい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、またオプションとして、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】
本発明の方法は、ソース被検体ボリュームの幾何学的形状に関する制限はない。動脈または静脈のイメージングには円柱体のソース被検体ボリュームが好ましいが、他の幾何学的形状を使用できることを理解されたい。本発明の基本的概念は、動いている超音波散乱体が存在する被検体ボリュームの関数であるソース被検体ボリューム形状の定式化を包含する。
【００３２】
更に、関連する流れ速度またはパワー値が非ゼロである（すなわちゼロでない）ときにＢモード強度データを投影する好ましい実施態様を開示したが、本発明は速度またはパワー成分の大きさがゼロに等しくないときの画素データの取得に制限されないことを理解されたい。用途によっては、Ｂモード強度データの取得は、最小閾値より大きい、または最大閾値より小さい、或いは両者を満たしている速度またはパワー値のみを検出することによって、ゲートすることが出来る。例えば、血管の壁に隣接する境界層内の血流に対応する基準データ・ボリュームを定めるために、ゼロより大きく且つ所定の閾値より小さい速度を検出することが出来る。
【００３３】
上述の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（ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）を行うようにレイ・キャスティング法を用いてもよい。
【００３４】
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】本発明に従った画素強度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】本発明に従った画素強度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】本発明の好ましい実施態様に従った初期化に関連するステップを示す流れ図である。
【図５】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表現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６】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７】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。
【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

Claims

動いている超音波散乱体および組織を含む被検体ボリューム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・ボリュームで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、動いている超音波散乱体によって反射された超音波エコーから少なくとも部分的に導き出されたドップラー・データを取得する手段であって、各々のドップラー・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手段、組織によって反射された超音波エコーから少なくとも部分的に導き出された強度データを取得する手段であって、各々の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手段、前記多数のサンプル・ボリュームの各々に対して画素データを記憶するメモリ手段であって、各々の画素データがそれぞれのサンプル・ボリュームに対応するそれぞれのカラー流れデータとそれぞれの強度データとを有しているメモリ手段、前記メモリ手段に記憶されている画素データの中から基準画素データ組を決定する手段であって、該基準画素データ組が所定の範囲内にあるドップラー・データを持つ画素データのみから成っている手段、前記メモリ手段からソース画素データ組を検索する手段であって、該ソース画素データ組内に含まれている画素が前記基準画素データ組内に含まれている画素の関数である手段、前記ソース画素データ組の中の強度データを第１の像平面へ投影して、第１の投影像を表す投影強度データ組を形成する手段、表示モニタ、および前記第１の投影像を前記表示モニタに表示させる手段、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。
前記ソース画素データ組内に含まれている画素が、前記被検体ボリュームの前記サンプル・ボリュームから反射されたエコー信号から導き出したものであり、前記被検体ボリュームの寸法が前記基準画素データ組から決定された対応する寸法よりも大きい請求項１記載のシステム。
前記被検体ボリュームが円柱体であり、前記ソースの寸法が前記円柱体の半径である請求項２記載のシステム。
前記ドップラー・データが速度データを有する請求項１記載のシステム。
前記ドップラー・データがパワー・データを有する請求項１記載のシステム。
更に、前記ソース画素データ組の中の強度データを、前記第１の像平面に対して回転されている第２の像平面に投影して、第２の投影像を表す投影データ組を形成する手段、および前記第２の投影像を前記表示モニタに表示させる手段を含んでいる請求項１記載のシステム。
動いている超音波散乱体および組織を含む被検体ボリュームの三次元イメージング方法において、
被検体ボリューム内に送信した超音波ビームに応じて、前記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から少なくとも部分的に導き出されたドップラー・データを取得するステップであって、各々のドップラー・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ステップ、前記超音波エコーから少なくとも部分的に導き出された強度データを取得するステップであって、各々の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ステップ、前記多数のサンプル・ボリュームの各々に対して画素データを記憶するステップであって、各々の画素データがそれぞれのサンプル・ボリュームに対応するそれぞれのカラー流れデータとそれぞれの強度データとを有しているステップ、前記の記憶されている画素データの中から基準画素データ組を決定するステップであって、該基準画素データ組が所定の範囲内にあるドップラー・データを持つ画素データのみから成っているステップ、前記の記憶されている画素データの中からソース画素データ組を検索するステップであって、該ソース画素データ組内に含まれている画素が前記基準画素データ組内に含まれている画素の関数であるステップ、前記ソース画素データ組の中の強度データを第１の像平面へ投影して、第１の投影像を表す投影強度データ組を形成するステップ、および前記第１の投影像を表示するステップ、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。
前記ソース画素データ組内に含まれている画素が、前記被検体ボリュームの前記サンプル・ボリュームから反射されたエコー信号から導き出したものであり、前記被検体ボリュームの寸法が前記基準画素データ組から決定された対応する寸法よりも大きい請求項７記載の方法。
前記被検体ボリュームが円柱体であり、前記ソースの寸法が前記円柱体の半径である請求項８記載の方法。
前記検索するステップが、前記動いている超音波散乱体を含む前記多数のサンプル・ボリュームによって形成された第１の被検体ボリュームの中心線および第１の寸法を決定するステップ、前記動いている超音波散乱体に隣接した組織の厚さを決定するステップ、前記中心線を持ち、且つ少なくとも前記第１の寸法と前記厚さとの和に等しい第２の寸法を持つ第２の被検体ボリュームを画成するステップおよび前記第２の被検体ボリューム内のサンプル・ボリュームによって反射されたエコー信号から導き出した画素データを検索することによって前記ソース画素データ組を形成するステップを含んでいる請求項７記載の方法。
更に、前記第１および第２の被検体ボリュームが、第１および第２の半径をそれぞれ持つ同心の円柱体であり、前記第１の寸法が前記第１の半径に等しく、前記第２の寸法が前記第２の半径に等しい請求項１０記載の方法。
更に、前記ソース画素データ組の中の強度データを、前記第１の像平面に対して回転されている第２の像平面に投影して、第２の投影像を表す投影データ組を形成するステップ、および前記第２の投影像を表示するステップを含んでいる請求項７記載の方法。
組織と境を接した動いている超音波散乱体を含む被検体ボリュームの三次元イメージング方法において、
被検体ボリューム内に送信した超音波ビームに応じて、前記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、各々のサンプル・ボリュームについて処理して、それぞれのドップラー・データを取得するステップ、各々のサンプル・ボリュームからの前記超音波エコーを処理して、それぞれの強度データを取得するステップ、前記ドップラー・データを前記強度データと相関させて、各々のサンプル・ボリュームに対してそれぞれの画素データを形成するステップであって、前記画素データが、所定の閾値より大きいドップラー成分を持つ第１の画素データ組と、所定の閾値より低いドップラー成分を持つ第２の画素データ組とを有し、前記第２の画素データ組は、前記動いている超音波散乱体を含むサンプル・ボリュームによって形成された第２の被検体ボリュームに対して所定の関係を持つ第１の被検体ボリューム内のサンプル・ボリュームから取得した画素データに制限されており、前記所定の関係が、前記動いている超音波散乱体と境を接した組織の形状の関数であるステップ、少なくとも前記第２の画素データ組から取り出された強度データを含むソース強度データ組を取得するステップ、前記ソース強度データ組を第１の像平面へ投影して、組織の第１の投影像を形成するステップ、および前記組織の第１の投影像を表示するステップ、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。
更に、前記第１および第２の被検体ボリュームが、第１および第２の半径をそれぞれ持つ同心の円柱体であり、前記前記第１の半径が前記第２の半径よりも大きい請求項１３記載の方法。
前記ドップラー・データが速度データを有する請求項７又は１３記載の方法。
前記ドップラー・データがパワー・データを有する請求項７又は１３記載の方法。
更に、前記ソース強度データ組を、前記第１の像平面に対して回転されている第２の像平面に投影して、組織の第２の投影像を形成するステップ、および前記第２の投影像を表示するステップを含んでいる請求項１３記載の方法。
前記ソース強度データ組が、前記第１の被検体ボリュームの外側に位置するサンプル・ボリュームから導き出した強度データを含んでいない請求項１３記載の方法。
複数のトランスジューサ素子を有する超音波トランスジューサ・アレイ、
前記超音波トランスジューサ・アレイに平面を走査する複数のビームを順次送信させるようにプログラムされた送信ビーム形成装置、
前記複数のビームの送信に続いて、前記超音波トランスジューサ・アレイによって変換された信号の組の各々から対応するビーム加算された受信信号を形成する受信ビーム形成装置、
前記ビーム加算された受信信号からドップラー・データの組を導出するようにプログラムされたるドップラー・データ処理装置、
前記ビーム加算された受信信号から強度データの組を導出するようにプログラムされたるＢモードデータ処理装置、
画素データの形式で前記ドップラー・データの組及び前記強度データの組を記憶するメモリであって、各々の画素データがそれぞれのサンプル・ボリュームから散乱した超音波から導出されたそれぞれのドップラー・データとそれぞれの強度データとを有している前記メモリ、
画像データ処理装置であって、該画像データ処理装置が、
前記メモリに記憶されている画素データの中から所定の範囲内にあるドップラー・データを持つ画素データのみから成っている基準画素データ組を決定し、
前記メモリに記憶されている画素データの中からソース画素データ組であって、該ソース画素データ組内に含まれている画素が前記基準画素データ組内に含まれている画素の関数である、前記ソース画素データ組を検索し、
像平面への投影により、前記ソース画素データ組の中の強度データをボリューム・レンダリングして、投影像を表すボリューム投影されたデータ組を形成するようにプログラムされている前記画像データ処理装置、および
前記投影像を表示する表示モニタ、
を含んでいることを特徴とするイメージング・システム。
複数のトランスジューサ素子を有する超音波トランスジューサ・アレイ、
送信モードにおいて前記超音波トランスジューサ・アレイに接続された送信ビーム形成装置、
受信モードにおいて前記超音波トランスジューサ・アレイに接続された受信ビーム形成装置、
コンピュータであって、該コンピュータが、
前記送信モードにおいて前記送信ビーム形成装置を制御して、前記超音波トランスジューサ・アレイに平面を走査する複数のビームを順次送信させ、
前記受信モードにおいて前記受信ビーム形成装置を制御して、前記複数のビームの送信に続いて、前記超音波トランスジューサ・アレイによって変換された信号の組の各々から対応するビーム加算された受信信号を形成させ、
前記ビーム加算された受信信号からドップラー・データの組を導出し、
前記ビーム加算された受信信号から強度データの組を導出し、
画素データの形式で前記ドップラー・データの組及び前記強度データの組であって、各々の画素データがそれぞれのサンプル・ボリュームから散乱した超音波から導出されたそれぞれのドップラー・データとそれぞれの強度データとを有している前記強度データの組を記憶し、
該記憶された画素データの中から所定の範囲内にあるドップラー・データを持つ画素データのみから成っている基準画素データ組を決定し、
前記記憶された画素データの中からソース画素データ組であって、該ソース画素データ組内に含まれている画素が前記基準画素データ組内に含まれている画素の関数である、前記ソース画素データ組を検索し、
像平面への投影により、前記ソース画素データ組の中の強度データをボリューム・レンダリングして、投影像を表すボリューム投影されたデータ組を形成するようにプログラムされている前記コンピュータ、および
前記投影像を表示する表示モニタ、
を含んでいることを特徴とするイメージング・システム。