JP4310000B2 - ３次元像形成方法および装置並びに超音波撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元像形成方法および装置並びに超音波撮像装置に関し、特に、３次元データ（ｄａｔａ）空間中の画像データから３次元像を形成する方法および装置、並びに、そのような３次元像形成装置を備えた超音波撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波撮像装置は、撮像対象の内部を超音波ビーム（ｂｅａｍ）で走査してエコー（ｅｃｈｏ）を受信し、エコーの強度に対応した画像データを求め、それによって画像を形成する。３次元撮像を行う場合は、撮像対象内の３次元領域を超音波で走査し、エコー受信信号から求めた３次元の画像データに基づいて、例えば胎児等の３次元像が形成される。３次元像の形成には、サーフェースレンダリング（ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）やボリュームレンダリング（ｖｏｌｕｍｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）が用いられる。
【０００３】
サーフェースレンダリングでは、適宜の閾値を設定して該当する画像データの３次元的位置を求め、それら３次元的位置に基づいてサーフェース像を形成する。ボリュームレンダリングでは、画像データにその値に対応した規格値すなわちオパシティ（ｏｐａｃｉｔｙ）を割り付け、画像データとオパシティとを用いて、３次元データ空間で所定の方向に設定した複数の視線に沿って、３次元像の画素値をそれぞれ計算する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
超音波画像はエコーの強度分布を画像化したものであるから、画像データの値はエコー反射点における送波超音波の瞬時音圧やエコー受信のゲイン（ｇａｉｎ）等に左右され、同一組織を表す画像データは同一画像内でさえ同一の値を持つとは限らない。このため、サーフェースレンダリングではサーフェース検出用の閾値を一義的に定めることができず、また、ボリュームレンダリングのための画像データとオパシティの関係も一義的に定めことができない。このため、サーフェースレンダリングまたはボリュームレンダリングのいずれによっても、良好な３次元像を得ることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、超音波画像データから良好な３次元像を得る３次元像形成方法および装置、並びに、そのような３次元像形成装置を備えた超音波撮像装置を実現することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）上記の課題を解決するための第１の観点での発明は、３次元データ空間中の画像データからサーフェースレンダリングにより３次元像を形成するに当たり、前記３次元データ空間において投影方向に沿って複数の視線を設定し、前記複数の視線の各々について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出し、前記投影方向に見た前記複数の視線の各々につき前記位置の手前の位置をサーフェース位置とすることを特徴とする３次元像形成方法である。
【０００７】
（２）上記の課題を解決するための第２の観点での発明は、３次元データ空間中の画像データからボリュームレンダリングにより３次元像を形成するに当たり、ボリュームレンダリング用の各視線について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出し、前記位置までのオパシティの積算値がボリュームレンダリングによる画素値計算の終点を規定する閾値に実質的に一致するように画像データとオパシティとの対応関係を設定することを特徴とする３次元像形成方法である。
【０００８】
（３）上記の課題を解決するための第３の観点での発明は、３次元データ空間中の画像データからボリュームレンダリングにより３次元像を形成するに当たり、ボリュームレンダリング用の各視線について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出し、前記位置をボリュームレンダリングによる画素値計算の終点とすることを特徴とする３次元像形成方法である。
【０００９】
（４）上記の課題を解決するための第４の観点での発明は、３次元データ空間中の画像データからサーフェースレンダリングにより３次元像を形成する３次元像形成装置であって、前記３次元データ空間において投影方向に沿って複数の視線を設定する視線設定手段と、前記複数の視線の各々について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出する位置検出手段と、前記投影方向に見た前記複数の視線の各々につき前記位置の手前の位置をサーフェース位置とする位置設定手段とを具備することを特徴とする３次元像形成装置である。
【００１０】
（５）上記の課題を解決するための第５の観点での発明は、３次元データ空間中の画像データからボリュームレンダリングにより３次元像を形成する３次元像形成装置であって、ボリュームレンダリング用の各視線について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出する位置検出手段と、前記位置までのオパシティの積算値がボリュームレンダリングによる画素値計算の終点を規定する閾値に実質的に一致するように画像データとオパシティとの対応関係を設定するオパシティ設定手段とを具備することを特徴とする３次元像形成装置である。
【００１１】
（６）上記の課題を解決するための第６の観点での発明は、３次元データ空間中の画像データからボリュームレンダリングにより３次元像を形成する３次元像形成装置であって、ボリュームレンダリング用の各視線について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出する位置検出手段と、前記位置をボリュームレンダリングによる画素値計算の終点とする画素値計算手段とを具備することを特徴とする３次元像形成装置である。
【００１２】
（７）上記の課題を解決するための第７の観点での発明は、超音波エコーに基づいて撮像対象につき３次元データ空間に属する画像データを獲得する画像データ獲得手段と、前記画像データに基づいて３次元像を形成する画像形成手段とを有する超音波撮像装置であって、前記画像形成手段として（４）ないし（６）のうちのいずれか１つに記載の３次元像形成装置を用いることを特徴とする超音波撮像装置である。
【００１３】
（８）上記の課題を解決するための他の観点での発明は、前記位置の手前の位置を、予め定めた閾値に基づく画像データの判定結果から求めることを特徴とする（１）に記載の３次元像形成方法である。
【００１４】
（９）上記の課題を解決するための他の観点での発明は、前記位置の手前の位置を、前記位置から予め定めた距離だけ離れたところとすることを特徴とする（１）に記載の３次元像形成方法である。
【００１５】
（１０）上記の課題を解決するための他の観点での発明は、前記画像データとオパシティとの対応関係の設定を、予め定めた関数における係数を調節することにより行うことを特徴とする（２）に記載の３次元像形成方法である。
【００１６】
（１１）上記の課題を解決するための他の観点での発明は、超音波エコーに基づいて撮像対象につき３次元データ空間に属する画像データを獲得し、前記画像データに基づいて３次元像を形成する超音波撮像方法であって、前記３次元像の形成を（１）ないし（３）または（８）ないし（１０）のうちのいずれか１つに記載の３次元像形成方法を用いて行う特徴とする超音波撮像方法である。
【００１７】
（作用）
本発明では、各視線について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出し、この位置の手前の位置をサーフェースレンダリングの表面の位置とする。これにより良好な３次元像を得る。
【００１８】
また、ボリュームレンダリング用の各視線について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出し、この位置までのオパシティの積算値がボリュームレンダリングによる画素値計算の終点を規定する閾値に実質的に一致するように、画像データとオパシティとの対応関係を設定する。これによって画像データとオパシティとの対応関係が適正化され、良好な３次元像を得る。または、上記位置をボリュームレンダリングによる画素値計算の終点とすることにより良好な３次元像を得る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。図１に、超音波撮像装置のブロック（ｂｌｏｃｋ）図を示す。本装置は本発明の超音波撮像装置の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示される。
【００２０】
本装置の構成を説明する。同図に示すように、本装置は超音波プローブ２を有する。超音波プローブ２は、撮像対象１００に当接されて超音波の送受波に使用される。超音波プローブ２は、図示しない超音波トランスデューサアレイ（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｒｒａｙ）を有する。超音波トランスデューサアレイは複数の超音波トランスデューサで構成される。個々の超音波トランスデューサは、例えばＰＺＴ（チタン（Ｔｉ）酸ジルコン（Ｚｒ）酸鉛（Ｐｂ））セラミックス（ｃｅｒａｍｉｃｓ）等の圧電材料で構成される。
【００２１】
超音波プローブ２は送受信部６に接続されている。送受信部６は、超音波プローブ２の超音波トランスデューサアレイを駆動して超音波ビームを送信し、また、超音波トランスデューサアレイが受波したエコーを受信する。
【００２２】
送受信部６のブロック図を図２に示す。同図に示すように、送受信部６は信号発生回路６０２を有する。信号発生回路６０２は、パルス（ｐｕｌｓｅ）信号を所定の周期で繰り返し発生して送波ビームフォーマ６０４に入力する。送波ビームフォーマ６０４は入力信号に基づいて送波ビームフォーミング信号を生成する。送波ビームフォーミング信号は、超音波トランスデューサアレイにおいて送信アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサに与える複数のパルス信号であり、個々のパルス信号には超音波ビームの方位および焦点に対応した遅延時間が付与される。以下、送信アパーチャを送波アパーチャという。
【００２３】
送波ビームフォーマ６０４の出力信号は送受切換回路６０８を通じて送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサに駆動信号として与えられる。駆動信号が与えられた複数の超音波トランスデューサはそれぞれ超音波を発生し、それら超音波の波面合成により所定の方位への送波超音波ビームが形成される。送波超音波ビームは所定の距離に設定された焦点に収束する。
【００２４】
送波超音波のエコーが、超音波プローブ２の受信アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサでそれぞれ受波される。以下、受信アパーチャを受波アパーチャという。複数の超音波トランスデューサが受波した複数のエコー受波信号は、送受切換回路６０８を通じて受波ビームフォーマ６１０に入力される。受波ビームフォーマ６１０は、エコー受信音線の方位およびエコー受信の焦点に対応した遅延を個々のエコー受波信号に付与して加算し、所定の音線および焦点に合致したエコー受信信号を形成する。
【００２５】
送波ビームフォーマ６０４は、送波超音波ビームの方位を順次切り換えることにより音線順次の走査を行う。受波ビームフォーマ６１０は、受波音線の方位を順次切り換えることにより音線順次の受波の走査を行う。これにより、送受信部６は例えば図３に示すような走査を行う。すなわち、放射点２００からｚ方向に延びる超音波ビーム２０２が扇状の２次元領域２０６をθ方向に走査し、いわゆるセクタスキャン（ｓｅｃｔｏｒ ｓｃａｎ）を行う。
【００２６】
送波および受波のアパーチャを超音波トランスデューサアレイの一部を用いて形成するときは、このアパーチャをアレイに沿って順次移動させることにより、例えば図４に示すような走査を行うことができる。すなわち、放射点２００からｚ方向に発する超音波ビーム２０２が直線的な軌跡２０４上を移動することにより、矩形状の２次元領域２０６がｘ方向に走査され、いわゆるリニアスキャン（ｌｉｎｅａｒ ｓｃａｎ）が行われる。
【００２７】
なお、超音波トランスデューサアレイが、超音波送波方向に張り出した円弧に沿って形成されたいわゆるコンベックスアレイ（ｃｏｎｖｅｘ ａｒｒａｙ）である場合は、リニアスキャンと同様な信号操作により、例えば図５に示すように、超音波ビーム２０２の放射点２００が円弧状の軌跡２０４上を移動して扇面状の２次元領域２０６がθ方向に走査され、いわゆるコンベックススキャンが行えるのはいうまでもない。
【００２８】
超音波プローブ２はアクチュエータ（ａｃｔｕａｔｏｒ）８に連結されている。アクチュエータ８は、超音波プローブ２をθ方向（またはｘ方向、以下、θ方向で代表する）の音線走査方向とは直交する方向に移動させるようになっている。すなわち、アクチュエータ８はφ走査を行うものである。φ走査はθ走査と協調して行われ、例えばθ走査の１スキャンごとにφ走査を１ピッチ（ｐｉｔｃｈ）進めるようになっている。このようなφ走査により、撮像対象１００の複数の断面が順次に走査される。
【００２９】
φ走査は、例えば図６に示すように、超音波プローブ２をθ走査と直交する方向に平行移動させることによって行われる。なお、同図に示したｚ方向は音線方向である。これによって撮像対象１００の内部の３次元領域３０２が走査される。φ走査は、この他に、例えば図７に示すように、超音波プローブ２をφ方向に揺動させることによって行うようにしても良い。揺動の中心軸は、中心軸３００で示すように、θ走査の音線の発散点２０８を通るようにするのがθ走査とφ走査の角度の原点を一致させる点で好ましい。なお、φ走査は、必ずしもアクチュエータ８によらず、操作者が手動で行うようにしても良い。
【００３０】
送受信部６はＢモード（ｍｏｄｅ）処理部１０に接続されている。送受信部６から出力される音線ごとのエコー受信信号は、Ｂモード処理部１０に入力される。Ｂモード処理部１０はＢモード画像データを形成するものである。Ｂモード処理部１０は、図８に示すように対数増幅回路１０２と包絡線検波回路１０４を備えている。Ｂモード処理部１０は、対数増幅回路１０２でエコー受信信号を対数増幅し、包絡線検波回路１０４で包絡線検波して音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す信号、すなわちＡスコープ（ｓｃｏｐｅ）信号を得て、このＡスコープ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモード画像データを形成する。以上の、超音波プローブ２、送受信部６、アクチュエータ８およびＢモード処理部１０は、本発明における画像データ獲得手段の実施の形態の一例である。
【００３１】
Ｂモード処理部１０は画像処理部１４に接続されている。画像処理部１４は、Ｂモード処理部１０から入力されるデータに基づいてＢモード画像を形成する。画像処理部１４は、本発明における画像形成手段の実施の形態の一例である。
【００３２】
画像処理部１４は、図９に示すように、バス（ｂｕｓ）１４０によって接続された音線データメモリ（ｄａｔａ ｍｅｍｏｒｙ）１４２、ディジタル・スキャンコンバータ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｃａｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１４４、画像メモリ１４６および画像処理プロセッサ（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）１４８を備えている。
【００３３】
Ｂモード処理部１０から音線ごとに入力されたＢモード画像データは音線データメモリ１４２に記憶される。撮像対象１００の走査が複数断面について順次に行われることにより、音線データメモリ１４２には複数断面の画像データがそれぞれ記憶される。以下、音線データメモリ１４２に記憶された断面ごとの画像データを音線データフレーム（ｄａｔａ ｆｒａｍｅ）という。
【００３４】
ディジタル・スキャンコンバータ１４４は、走査変換により音線データ空間のデータを物理空間のデータに変換するものである。これによって、音線データ空間の画像データが物理空間の画像データに変換される。ディジタル・スキャンコンバータ１４４によって変換された画像データが画像メモリ１４６に記憶される。すなわち、画像メモリ１４６は物理空間の画像データを記憶する。
【００３５】
画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２および画像メモリ１４６のデータについて所定のデータ処理を施すものである。画像処理プロセッサ１４８は、例えばコンピュータ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等を用いて構成される。画像処理プロセッサ１４８のデータ処理には３次元像を形成ためのデータ処理が含まれる。３次元像の形成については後にあらためて説明する。
【００３６】
画像処理部１４には表示部１６が接続されている。表示部１６は画像処理部１４から画像信号が与えられ、それに基づいて画像を表示する。表示部１６は例えばグラフィック・ディスプレー（ｇｒａｐｈｉｃ ｄｉｓｐｌａｙ）等を用いて構成される。
【００３７】
以上の送受信部６、アクチュエータ８、Ｂモード処理部１０、画像処理部１４および表示部１６は制御部１８に接続されている。制御部１８は、それら各部に制御信号を与えてその動作を制御する。制御部１８の制御の下で超音波撮像が実行される。制御部１８には操作部２０が接続されている。操作部２０は操作者によって操作され、制御部１８に所望の指令や情報を入力するようになっている。操作部２０は、例えばキーボード（ｋｅｙｂｏａｒｄ）やその他の操作具を備えた操作パネル（ｐａｎｅｌ）で構成される。
【００３８】
本装置による超音波撮像について説明する。操作者はアクチュエータ８に連結された超音波プローブ２を撮像対象１００の所望の箇所例えば妊婦の腹部等に位置決めし、操作部２０を操作して撮像を行わせる。以下、制御部１８による制御の下で、撮像が遂行される。
【００３９】
送受信部６は超音波プローブ２を通じて音線順次で撮像対象１００の内部をθ走査して逐一そのエコーを受信する。Ｂモード処理部１０はエコー受信信号に基づいてＢモード画像データを音線ごとに求める。
【００４０】
画像処理部１４は、Ｂモード処理部１２から入力される音線ごとのＢモード画像データを音線データメモリ１４２に記憶する。音線データメモリ１４２の画像データはディジタル・スキャンコンバータ１４４で物理空間の画像データに変換され、画像メモリ１４６を通じて表示部１６に与えられ可視像として表示される。操作者は表示画像を観察して撮像対象１００の内部状態を把握する。
【００４１】
φ走査の進行につれて、例えば図１０に模式的に示すように、３次元領域３０２の複数の断面９００〜９１０が順次走査され、それらの画像データを記憶した複数の音線データフレームが順次音線データメモリ１４２内に形成される。３次元領域３０２には胎児頭部９２０が含まれる。
【００４２】
このような音線データがディジタル・スキャンコンバータ１４４で物理空間の画像データに変換され、図１１に示すような３次元データ空間３０４が画像メモリ１４６内に形成される。３次元データ空間３０４は互いに垂直な３つの座標軸ｘ，ｙ，ｚを有する。３次元データ空間３０４に頭部画像データ９２４が含まれる。
【００４３】
φ走査を終えた後で、操作者は３次元像の形成と表示を指令する。このような指令に基づいて、画像処理プロセッサ１４８により、３次元データ空間３０４の画像データから３次元像が形成される。３次元像の形成はサーフェースレンダリングまたはボリュームレンダリングによって行われる。
【００４４】
先ず、サーフェースレンダリングによる３次元像の形成について説明する。サーフェースレンダリングによる３次元像形成に関わる画像処理プロセッサ１４８のブロック図を図１２に示す。同図に示す画像処理プロセッサ１４８は、本発明の３次元画像形成装置の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示される。
【００４５】
同図に示すように、画像処理プロセッサ１４８は、視線設定ユニット（ｕｎｉｔ）４８２、最大値位置検出ユニット４８４、表面位置決定ユニット４８６およびサーフェースレンダリングユニット４８８を有する。これら各ユニットは例えばコンピュータプログラム（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｐｒｏｇｒａｍ）等により実現される。
【００４６】
視線設定ユニット４８２は、３次元データ空間３０４をよぎる複数の視線を設定する。視線設定ユニット４８２は、本発明における視線設定手段の実施の形態の一例である。視線設定ユニット４８２による視線の設定を図１３によって説明する。同図に示すように、３次元データ空間３０４の観察方向３２を先ず設定する。これにより、求めるべき３次元像は観察方向３２に垂直に設定した投影面３４への投影像となる。投影面３４は３次元像の画素位置を与える複数の格子点３６を有する。
【００４７】
視線設定ユニット４８２は、格子点３６から観察方向３２に沿って３次元データ空間３０４をよぎる視線３８を設定する。なお、複数の格子点およびそれに対応する視線への符号付けは１箇所で代表する。
【００４８】
最大値位置検出ユニット４８４は、画像メモリ１４６から読み込んだ３次元画像データにつき、視線設定ユニット４８２が設定した視線３８に沿って画像データの最大値が存在する位置を検出する。表面位置決定ユニット４８６は、最大値位置検出ユニット４８４が検出した最大値位置に基づいて表面位置を決定する。最大値位置検出ユニット４８４および表面位置決定ユニット４８６からなる部分は、本発明における位置設定手段の実施の形態の一例である。
【００４９】
表面位置の決め方を図１４によって説明する。同図の（ａ）は、視線３８が３次元データ空間３０４において頭部画像データ９２４が存在する部分を通過する状態を示し、（ｂ）は視線３８上の画像データのプロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅ）示す。ここでは、視線３８上の深さ方向の位置をｉとし、画像データの値をＣとする。
【００５０】
画像データの値Ｃはエコーの強度に対応するから、その最大値は最も強いエコーに相当する。視線３８が頭部画像データ９２４が存在する部分を通過しているので、画像データの最大値すなわち最も強いエコーは頭骨の表面に相当する位置Ｉｂで生じる。
【００５１】
この位置Ｉｂが最大値位置検出ユニット４８４によって検出される。この検出位置Ｉｂに基づき、表面位置決定ユニット４８６は位置Ｉｂよりも浅い位置Ｉｓを選んでそこを表面位置とする。位置Ｉｓとしては、例えば画像データプロファイルの変化量の大きい位置を選ぶのが、羊水との境界に相当する箇所を選ぶことができ、頭部表面を正しく検出する点で好ましい。
【００５２】
あるいは、位置Ｉｂから視線方向とは反対方向に戻る過程で、画像データが所定の閾値を下回るところを位置Ｉｓとする。その場合、閾値の設定に当たっては、図１４の（ａ）に相当する断層像を表示させ、その断層像上で体表と羊水の境界部分をカーソル（ｃｕｒｓｏｒ）等で指定し、指定した部分の画像データの値を閾値とするのが実際的である。
【００５３】
または、位置Ｉｓは位置Ｉｂから視線方向とは反対方向に適宜の距離（例えば１０ｍｍ程度）だけ戻ったところに定めても良い。これは表面位置の決定を簡易化する点で好ましい。戻る距離を決めるに当たっては、図１４の（ａ）に相当する断層像上の適宜の箇所で体表と羊水の境界部分をカーソル（ｃｕｒｓｏｒ）等で指定し、この位置から位置Ｉｂまでの距離を採用するのが、撮像対象にごとに適した距離を設定する点で好ましい。
【００５４】
このように、画像データの最大値に基づいて頭骨の表面位置を検出し、この位置を基準として頭部表面の位置を求めるので、妥当性の高い表面検出を行うことができる。
【００５５】
このような表面検出を全ての視線３８について行い、視線３８ごとの表面位置をそれぞれ求める。これによって、３次元データ空間３０４における表面位置の座標が求まる。
【００５６】
サーフェースレンダリングユニット４８８は、これらの座標に基づいてサーフェースレンダリングにより３次元像を形成する。なお、サーフェースレンダリングの技法そのものは公知であるので詳細な説明は省略する。形成された３次元像は画像メモリ１４６を経て表示部１６に与えられ、可視像として表示される。
【００５７】
表面検出が高い妥当性をもって行われるので、サーフェースレンダリングにより適正な３次元像を形成することができる。サーフェースレンダリングを行う前に座標データのスムージング（ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）等を行うのが、端正な３次元像を形成する点で好ましい。
【００５８】
次に、ボリュームレンダリングによる３次元像形成について説明する。公知のように、ボリュームレンダリングでは、視線３８上の画像データを用いて次式により３次元像の画素値を計算する。
【００５９】
【数１】
【００６０】
ここで、
Ｃ（ｉ）：画像データ
Ｏｐ（Ｃ（ｉ））：オパシティ
添え字ｉｎおよびｏｕｔはそれぞれ計算入力および計算出力を表す。
【００６１】
（１）式に示すように、視線上の位置ｉにおける画像データＣ（ｉ）についてそれに対応するオパシティＯｐ（Ｃ（ｉ））との積を求め、位置ｉ−１までの計算値に係数を掛けたものに加算する。係数は１に関するオパシティの補数である。
【００６２】
オパシティは、例えば図１５に示すように画像データ（輝度値）の関数となっている。オパシティは輝度値が高くなるほど大きくなる。オパシティが大きいほど視線方向での不透明度が高い。オパシティ１は完全な不透明である。オパシティ０は完全な透明である。
【００６３】
画素値の計算は、オパシティＯｐ（Ｃ（ｉ））の視線方向での積算値が１に達したところで終了し、そのときの計算値を視線３８の画素値とする。これを全ての視線について行って、投影面３４における全ての格子点３６の画素値を得る。
【００６４】
図１６に、ボリュームレンダリングによる３次元像形成に関わる画像処理プロセッサ１４８のブロック図を示す。同図に示す画像処理プロセッサ１４８は、本発明の３次元画像形成装置の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示される。
【００６５】
同図に示すように、画像処理プロセッサ１４８は、視線設定ユニット４８２、最大値位置検出ユニット４８４、オパシティ設定ユニット４９２およびボリュームレンダリングユニット４９４を有する。これら各ユニットは例えばコンピュータプログラム等により実現される。
【００６６】
視線設定ユニット４８２および最大値位置検出ユニット４８４は図１２に示したものと同様なものである。オパシティ設定ユニット４９２は、オパシティの関数特性を設定する。オパシティ設定ユニット４９２は、本発明におけるオパシティ設定手段の実施の形態の一例である。
【００６７】
オパシティの関数特性は、視線３８上の画像データの最大値が存在する位置Ｉｂで（１）式による画素値の計算が終了するように、すなわち、視線３８に沿って積算したオパシティの値が位置Ｉｂにおいて１となるように設定する。そのような関数特性の設定は、例えば、適宜の複数の視線３８に沿って画像データの最大値位置まで、予め設定した関数特性によるオパシティをそれぞれ積算し、それら積算値を１にするような関数特性を、試行錯誤的に求めること等により行われる。オパシテイは画像データの１次または２次の関数となるので、１次項や２次項の係数を種々調節して適切な関数特性を決定する。
【００６８】
そのように設定されたオパシティがボリュームレンダリングユニット４９４に与えられる。ボリュームレンダリングユニット４９４は、与えられたオパシティを用いて、画像メモリ１４６から読み出した画像データにつき（１）式によるボリュームレンダリングを行う。
【００６９】
これによって、各視線とも頭骨の表面までの計算により画素値が求まるので、表面位置に矛盾がない良好な３次元像を形成することができる。形成された３次元像は画像メモリ１４６を経て表示部１６に与えられ、可視像として表示される。
【００７０】
図１７に、ボリュームレンダリングによる３次元像形成に関わる画像処理プロセッサ１４８の他のブロック図を示す。同図に示す画像処理プロセッサ１４８は、本発明の３次元画像形成装置の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示される。
【００７１】
同図に示すように、画像処理プロセッサ１４８は、視線設定ユニット４８２、最大値位置検出ユニット４８４およびボリュームレンダリングユニット４９４を有する。これら各ユニットは例えばコンピュータプログラム等により実現される。
【００７２】
これら各ブロックは図１６に示したものと同様なものである。ボリュームレンダリングユニット４９４は、本発明における画素値計算手段の実施の形態の一例である。ボリュームレンダリングユニット４９４は最大値位置検出ユニット４８４から与えられた最大値位置において、（１）式によるボリュームレンダリングを終了する。
【００７３】
これによって、各視線とも頭骨の表面までの計算により画素値が求まるので、表面位置に矛盾がない良好な３次元像を形成することができる。形成された３次元像は画像メモリ１４６を経て表示部１６に与えられ、可視像として表示される。
【００７４】
以上、頭部の３次元像を形成する例について説明したが、３次元像は頭部に限るものではなく、例えば手足等のように内部に骨がある部分について、上記と同様にして良好な３次元像を得ることができる。
【００７５】
また、超音波プローブを機械的に変位させて３次元領域をスキャンする例について説明したが、３次元領域のスキャンはそれに限るものではなく、例えば超音波トランスデューサの２次元アレイを備えた超音波プローブにより、電子的に行うようにしても良いのはもちろんである。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、超音波画像データから良好な３次元像を得る３次元像形成方法および装置、並びに、そのような３次元像形成装置を備えた超音波撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図である。
【図２】図１に示した装置の送受信部のブロック図である。
【図３】図２に示した送受信部による音線走査の模式図である。
【図４】図２に示した送受信部による音線走査の模式図である。
【図５】図２に示した送受信部による音線走査の模式図である。
【図６】図１に示した装置によるφ走査の模式図である。
【図７】図１に示した装置によるφ走査の模式図である。
【図８】図１に示した装置のＢモード処理部のブロック図である。
【図９】図１に示した装置の画像処理部のブロック図である。
【図１０】図１に示した装置による複数断面走査の模式図である。
【図１１】図１に示した装置によって得られる３次画像データの模式図である。
【図１２】図９に示した画像処理プロセッサのブロック図である。
【図１３】３次元像を形成するための視線を説明する模式図である。
【図１４】３次元像形成を説明する模式図である。
【図１５】オパシティの関数特性の一例を示すグラフである。
【図１６】図９に示した画像処理プロセッサのブロック図である。
【図１７】図９に示した画像処理プロセッサのブロック図である。
【符号の説明】
２ 超音波プローブ
６ 送受信部
８ アクチュエータ
１０ Ｂモード処理部
１４ 画像処理部
１６ 表示部
１８ 制御部
２０ 操作部
１００ 撮像対象
１４０ バス
１４２ 音線データメモリ
１４４ ディジタル・スキャンコンバータ
１４６ 画像メモリ
１４８ 画像処理プロセッサ
３０４ ３次元データ空間
４８２ 視線設定ユニット
４８４ 最大値位置検出ユニット
４８６ 表面位置決定ユニット
４８８ サーフェースレンダリングユニット
４９２ オパシティ設定ユニット
４９４ ボリュームレンダリングユニット
９２４ 頭部画像データ
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元像形成方法および装置並びに超音波撮像装置に関し、特に、３次元データ（ｄａｔａ）空間中の画像データから３次元像を形成する方法および装置、並びに、そのような３次元像形成装置を備えた超音波撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波撮像装置は、撮像対象の内部を超音波ビーム（ｂｅａｍ）で走査してエコー（ｅｃｈｏ）を受信し、エコーの強度に対応した画像データを求め、それによって画像を形成する。３次元撮像を行う場合は、撮像対象内の３次元領域を超音波で走査し、エコー受信信号から求めた３次元の画像データに基づいて、例えば胎児等の３次元像が形成される。３次元像の形成には、サーフェースレンダリング（ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）やボリュームレンダリング（ｖｏｌｕｍｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）が用いられる。
【０００３】
サーフェースレンダリングでは、適宜の閾値を設定して該当する画像データの３次元的位置を求め、それら３次元的位置に基づいてサーフェース像を形成する。ボリュームレンダリングでは、画像データにその値に対応した規格値すなわちオパシティ（ｏｐａｃｉｔｙ）を割り付け、画像データとオパシティとを用いて、３次元データ空間で所定の方向に設定した複数の視線に沿って、３次元像の画素値をそれぞれ計算する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
超音波画像はエコーの強度分布を画像化したものであるから、画像データの値はエコー反射点における送波超音波の瞬時音圧やエコー受信のゲイン（ｇａｉｎ）等に左右され、同一組織を表す画像データは同一画像内でさえ同一の値を持つとは限らない。このため、サーフェースレンダリングではサーフェース検出用の閾値を一義的に定めることができず、また、ボリュームレンダリングのための画像データとオパシティの関係も一義的に定めことができない。このため、サーフェースレンダリングまたはボリュームレンダリングのいずれによっても、良好な３次元像を得ることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、超音波画像データから良好な３次元像を得る３次元像形成方法および装置、並びに、そのような３次元像形成装置を備えた超音波撮像装置を実現することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）上記の課題を解決するための第１の観点での発明は、３次元データ空間中の画像データからサーフェースレンダリングにより３次元像を形成するに当たり、前記３次元データ空間において投影方向に沿って複数の視線を設定し、前記複数の視線の各々について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出し、前記投影方向に見た前記複数の視線の各々につき前記位置の手前の位置をサーフェース位置とすることを特徴とする３次元像形成方法である。
【０００７】
（２）上記の課題を解決するための第２の観点での発明は、３次元データ空間中の画像データからボリュームレンダリングにより３次元像を形成するに当たり、ボリュームレンダリング用の各視線について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出し、前記位置までのオパシティの積算値がボリュームレンダリングによる画素値計算の終点を規定する閾値に実質的に一致するように画像データとオパシティとの対応関係を設定することを特徴とする３次元像形成方法である。
【０００８】
（３）上記の課題を解決するための第３の観点での発明は、３次元データ空間中の画像データからボリュームレンダリングにより３次元像を形成するに当たり、ボリュームレンダリング用の各視線について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出し、前記位置をボリュームレンダリングによる画素値計算の終点とすることを特徴とする３次元像形成方法である。
【０００９】
（４）上記の課題を解決するための第４の観点での発明は、３次元データ空間中の画像データからサーフェースレンダリングにより３次元像を形成する３次元像形成装置であって、前記３次元データ空間において投影方向に沿って複数の視線を設定する視線設定手段と、前記複数の視線の各々について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出する位置検出手段と、前記投影方向に見た前記複数の視線の各々につき前記位置の手前の位置をサーフェース位置とする位置設定手段とを具備することを特徴とする３次元像形成装置である。
【００１０】
（５）上記の課題を解決するための第５の観点での発明は、３次元データ空間中の画像データからボリュームレンダリングにより３次元像を形成する３次元像形成装置であって、ボリュームレンダリング用の各視線について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出する位置検出手段と、前記位置までのオパシティの積算値がボリュームレンダリングによる画素値計算の終点を規定する閾値に実質的に一致するように画像データとオパシティとの対応関係を設定するオパシティ設定手段とを具備することを特徴とする３次元像形成装置である。
【００１１】
（６）上記の課題を解決するための第６の観点での発明は、３次元データ空間中の画像データからボリュームレンダリングにより３次元像を形成する３次元像形成装置であって、ボリュームレンダリング用の各視線について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出する位置検出手段と、前記位置をボリュームレンダリングによる画素値計算の終点とする画素値計算手段とを具備することを特徴とする３次元像形成装置である。
【００１２】
（７）上記の課題を解決するための第７の観点での発明は、超音波エコーに基づいて撮像対象につき３次元データ空間に属する画像データを獲得する画像データ獲得手段と、前記画像データに基づいて３次元像を形成する画像形成手段とを有する超音波撮像装置であって、前記画像形成手段として（４）ないし（６）のうちのいずれか１つに記載の３次元像形成装置を用いることを特徴とする超音波撮像装置である。
【００１３】
（８）上記の課題を解決するための他の観点での発明は、前記位置の手前の位置を、予め定めた閾値に基づく画像データの判定結果から求めることを特徴とする（１）に記載の３次元像形成方法である。
【００１４】
（９）上記の課題を解決するための他の観点での発明は、前記位置の手前の位置を、前記位置から予め定めた距離だけ離れたところとすることを特徴とする（１）に記載の３次元像形成方法である。
【００１５】
（１０）上記の課題を解決するための他の観点での発明は、前記画像データとオパシティとの対応関係の設定を、予め定めた関数における係数を調節することにより行うことを特徴とする（２）に記載の３次元像形成方法である。
【００１６】
（１１）上記の課題を解決するための他の観点での発明は、超音波エコーに基づいて撮像対象につき３次元データ空間に属する画像データを獲得し、前記画像データに基づいて３次元像を形成する超音波撮像方法であって、前記３次元像の形成を（１）ないし（３）または（８）ないし（１０）のうちのいずれか１つに記載の３次元像形成方法を用いて行う特徴とする超音波撮像方法である。
【００１７】
（作用）
本発明では、各視線について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出し、この位置の手前の位置をサーフェースレンダリングの表面の位置とする。これにより良好な３次元像を得る。
【００１８】
また、ボリュームレンダリング用の各視線について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出し、この位置までのオパシティの積算値がボリュームレンダリングによる画素値計算の終点を規定する閾値に実質的に一致するように、画像データとオパシティとの対応関係を設定する。これによって画像データとオパシティとの対応関係が適正化され、良好な３次元像を得る。または、上記位置をボリュームレンダリングによる画素値計算の終点とすることにより良好な３次元像を得る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。図１に、超音波撮像装置のブロック（ｂｌｏｃｋ）図を示す。本装置は本発明の超音波撮像装置の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示される。
【００２０】
本装置の構成を説明する。同図に示すように、本装置は超音波プローブ２を有する。超音波プローブ２は、撮像対象１００に当接されて超音波の送受波に使用される。超音波プローブ２は、図示しない超音波トランスデューサアレイ（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｒｒａｙ）を有する。超音波トランスデューサアレイは複数の超音波トランスデューサで構成される。個々の超音波トランスデューサは、例えばＰＺＴ（チタン（Ｔｉ）酸ジルコン（Ｚｒ）酸鉛（Ｐｂ））セラミックス（ｃｅｒａｍｉｃｓ）等の圧電材料で構成される。
【００２１】
超音波プローブ２は送受信部６に接続されている。送受信部６は、超音波プローブ２の超音波トランスデューサアレイを駆動して超音波ビームを送信し、また、超音波トランスデューサアレイが受波したエコーを受信する。
【００２２】
送受信部６のブロック図を図２に示す。同図に示すように、送受信部６は信号発生回路６０２を有する。信号発生回路６０２は、パルス（ｐｕｌｓｅ）信号を所定の周期で繰り返し発生して送波ビームフォーマ６０４に入力する。送波ビームフォーマ６０４は入力信号に基づいて送波ビームフォーミング信号を生成する。送波ビームフォーミング信号は、超音波トランスデューサアレイにおいて送信アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサに与える複数のパルス信号であり、個々のパルス信号には超音波ビームの方位および焦点に対応した遅延時間が付与される。以下、送信アパーチャを送波アパーチャという。
【００２３】
送波ビームフォーマ６０４の出力信号は送受切換回路６０８を通じて送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサに駆動信号として与えられる。駆動信号が与えられた複数の超音波トランスデューサはそれぞれ超音波を発生し、それら超音波の波面合成により所定の方位への送波超音波ビームが形成される。送波超音波ビームは所定の距離に設定された焦点に収束する。
【００２４】
送波超音波のエコーが、超音波プローブ２の受信アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサでそれぞれ受波される。以下、受信アパーチャを受波アパーチャという。複数の超音波トランスデューサが受波した複数のエコー受波信号は、送受切換回路６０８を通じて受波ビームフォーマ６１０に入力される。受波ビームフォーマ６１０は、エコー受信音線の方位およびエコー受信の焦点に対応した遅延を個々のエコー受波信号に付与して加算し、所定の音線および焦点に合致したエコー受信信号を形成する。
【００２５】
送波ビームフォーマ６０４は、送波超音波ビームの方位を順次切り換えることにより音線順次の走査を行う。受波ビームフォーマ６１０は、受波音線の方位を順次切り換えることにより音線順次の受波の走査を行う。これにより、送受信部６は例えば図３に示すような走査を行う。すなわち、放射点２００からｚ方向に延びる超音波ビーム２０２が扇状の２次元領域２０６をθ方向に走査し、いわゆるセクタスキャン（ｓｅｃｔｏｒ ｓｃａｎ）を行う。
【００２６】
送波および受波のアパーチャを超音波トランスデューサアレイの一部を用いて形成するときは、このアパーチャをアレイに沿って順次移動させることにより、例えば図４に示すような走査を行うことができる。すなわち、放射点２００からｚ方向に発する超音波ビーム２０２が直線的な軌跡２０４上を移動することにより、矩形状の２次元領域２０６がｘ方向に走査され、いわゆるリニアスキャン（ｌｉｎｅａｒ ｓｃａｎ）が行われる。
【００２７】
なお、超音波トランスデューサアレイが、超音波送波方向に張り出した円弧に沿って形成されたいわゆるコンベックスアレイ（ｃｏｎｖｅｘ ａｒｒａｙ）である場合は、リニアスキャンと同様な信号操作により、例えば図５に示すように、超音波ビーム２０２の放射点２００が円弧状の軌跡２０４上を移動して扇面状の２次元領域２０６がθ方向に走査され、いわゆるコンベックススキャンが行えるのはいうまでもない。
【００２８】
超音波プローブ２はアクチュエータ（ａｃｔｕａｔｏｒ）８に連結されている。アクチュエータ８は、超音波プローブ２をθ方向（またはｘ方向、以下、θ方向で代表する）の音線走査方向とは直交する方向に移動させるようになっている。すなわち、アクチュエータ８はφ走査を行うものである。φ走査はθ走査と協調して行われ、例えばθ走査の１スキャンごとにφ走査を１ピッチ（ｐｉｔｃｈ）進めるようになっている。このようなφ走査により、撮像対象１００の複数の断面が順次に走査される。
【００２９】
φ走査は、例えば図６に示すように、超音波プローブ２をθ走査と直交する方向に平行移動させることによって行われる。なお、同図に示したｚ方向は音線方向である。これによって撮像対象１００の内部の３次元領域３０２が走査される。φ走査は、この他に、例えば図７に示すように、超音波プローブ２をφ方向に揺動させることによって行うようにしても良い。揺動の中心軸は、中心軸３００で示すように、θ走査の音線の発散点２０８を通るようにするのがθ走査とφ走査の角度の原点を一致させる点で好ましい。なお、φ走査は、必ずしもアクチュエータ８によらず、操作者が手動で行うようにしても良い。
【００３０】
送受信部６はＢモード（ｍｏｄｅ）処理部１０に接続されている。送受信部６から出力される音線ごとのエコー受信信号は、Ｂモード処理部１０に入力される。Ｂモード処理部１０はＢモード画像データを形成するものである。Ｂモード処理部１０は、図８に示すように対数増幅回路１０２と包絡線検波回路１０４を備えている。Ｂモード処理部１０は、対数増幅回路１０２でエコー受信信号を対数増幅し、包絡線検波回路１０４で包絡線検波して音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す信号、すなわちＡスコープ（ｓｃｏｐｅ）信号を得て、このＡスコープ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモード画像データを形成する。以上の、超音波プローブ２、送受信部６、アクチュエータ８およびＢモード処理部１０は、本発明における画像データ獲得手段の実施の形態の一例である。
【００３１】
Ｂモード処理部１０は画像処理部１４に接続されている。画像処理部１４は、Ｂモード処理部１０から入力されるデータに基づいてＢモード画像を形成する。画像処理部１４は、本発明における画像形成手段の実施の形態の一例である。
【００３２】
画像処理部１４は、図９に示すように、バス（ｂｕｓ）１４０によって接続された音線データメモリ（ｄａｔａ ｍｅｍｏｒｙ）１４２、ディジタル・スキャンコンバータ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｃａｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１４４、画像メモリ１４６および画像処理プロセッサ（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）１４８を備えている。
【００３３】
Ｂモード処理部１０から音線ごとに入力されたＢモード画像データは音線データメモリ１４２に記憶される。撮像対象１００の走査が複数断面について順次に行われることにより、音線データメモリ１４２には複数断面の画像データがそれぞれ記憶される。以下、音線データメモリ１４２に記憶された断面ごとの画像データを音線データフレーム（ｄａｔａ ｆｒａｍｅ）という。
【００３４】
ディジタル・スキャンコンバータ１４４は、走査変換により音線データ空間のデータを物理空間のデータに変換するものである。これによって、音線データ空間の画像データが物理空間の画像データに変換される。ディジタル・スキャンコンバータ１４４によって変換された画像データが画像メモリ１４６に記憶される。すなわち、画像メモリ１４６は物理空間の画像データを記憶する。
【００３５】
画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２および画像メモリ１４６のデータについて所定のデータ処理を施すものである。画像処理プロセッサ１４８は、例えばコンピュータ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等を用いて構成される。画像処理プロセッサ１４８のデータ処理には３次元像を形成ためのデータ処理が含まれる。３次元像の形成については後にあらためて説明する。
【００３６】
画像処理部１４には表示部１６が接続されている。表示部１６は画像処理部１４から画像信号が与えられ、それに基づいて画像を表示する。表示部１６は例えばグラフィック・ディスプレー（ｇｒａｐｈｉｃ ｄｉｓｐｌａｙ）等を用いて構成される。
【００３７】
以上の送受信部６、アクチュエータ８、Ｂモード処理部１０、画像処理部１４および表示部１６は制御部１８に接続されている。制御部１８は、それら各部に制御信号を与えてその動作を制御する。制御部１８の制御の下で超音波撮像が実行される。制御部１８には操作部２０が接続されている。操作部２０は操作者によって操作され、制御部１８に所望の指令や情報を入力するようになっている。操作部２０は、例えばキーボード（ｋｅｙｂｏａｒｄ）やその他の操作具を備えた操作パネル（ｐａｎｅｌ）で構成される。
【００３８】
本装置による超音波撮像について説明する。操作者はアクチュエータ８に連結された超音波プローブ２を撮像対象１００の所望の箇所例えば妊婦の腹部等に位置決めし、操作部２０を操作して撮像を行わせる。以下、制御部１８による制御の下で、撮像が遂行される。
【００３９】
送受信部６は超音波プローブ２を通じて音線順次で撮像対象１００の内部をθ走査して逐一そのエコーを受信する。Ｂモード処理部１０はエコー受信信号に基づいてＢモード画像データを音線ごとに求める。
【００４０】
画像処理部１４は、Ｂモード処理部１２から入力される音線ごとのＢモード画像データを音線データメモリ１４２に記憶する。音線データメモリ１４２の画像データはディジタル・スキャンコンバータ１４４で物理空間の画像データに変換され、画像メモリ１４６を通じて表示部１６に与えられ可視像として表示される。操作者は表示画像を観察して撮像対象１００の内部状態を把握する。
【００４１】
φ走査の進行につれて、例えば図１０に模式的に示すように、３次元領域３０２の複数の断面９００〜９１０が順次走査され、それらの画像データを記憶した複数の音線データフレームが順次音線データメモリ１４２内に形成される。３次元領域３０２には胎児頭部９２０が含まれる。
【００４２】
このような音線データがディジタル・スキャンコンバータ１４４で物理空間の画像データに変換され、図１１に示すような３次元データ空間３０４が画像メモリ１４６内に形成される。３次元データ空間３０４は互いに垂直な３つの座標軸ｘ，ｙ，ｚを有する。３次元データ空間３０４に頭部画像データ９２４が含まれる。
【００４３】
φ走査を終えた後で、操作者は３次元像の形成と表示を指令する。このような指令に基づいて、画像処理プロセッサ１４８により、３次元データ空間３０４の画像データから３次元像が形成される。３次元像の形成はサーフェースレンダリングまたはボリュームレンダリングによって行われる。
【００４４】
先ず、サーフェースレンダリングによる３次元像の形成について説明する。サーフェースレンダリングによる３次元像形成に関わる画像処理プロセッサ１４８のブロック図を図１２に示す。同図に示す画像処理プロセッサ１４８は、本発明の３次元画像形成装置の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示される。
【００４５】
同図に示すように、画像処理プロセッサ１４８は、視線設定ユニット（ｕｎｉｔ）４８２、最大値位置検出ユニット４８４、表面位置決定ユニット４８６およびサーフェースレンダリングユニット４８８を有する。これら各ユニットは例えばコンピュータプログラム（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｐｒｏｇｒａｍ）等により実現される。
【００４６】
視線設定ユニット４８２は、３次元データ空間３０４をよぎる複数の視線を設定する。視線設定ユニット４８２は、本発明における視線設定手段の実施の形態の一例である。視線設定ユニット４８２による視線の設定を図１３によって説明する。同図に示すように、３次元データ空間３０４の観察方向３２を先ず設定する。これにより、求めるべき３次元像は観察方向３２に垂直に設定した投影面３４への投影像となる。投影面３４は３次元像の画素位置を与える複数の格子点３６を有する。
【００４７】
視線設定ユニット４８２は、格子点３６から観察方向３２に沿って３次元データ空間３０４をよぎる視線３８を設定する。なお、複数の格子点およびそれに対応する視線への符号付けは１箇所で代表する。
【００４８】
最大値位置検出ユニット４８４は、画像メモリ１４６から読み込んだ３次元画像データにつき、視線設定ユニット４８２が設定した視線３８に沿って画像データの最大値が存在する位置を検出する。表面位置決定ユニット４８６は、最大値位置検出ユニット４８４が検出した最大値位置に基づいて表面位置を決定する。最大値位置検出ユニット４８４および表面位置決定ユニット４８６からなる部分は、本発明における位置設定手段の実施の形態の一例である。
【００４９】
表面位置の決め方を図１４によって説明する。同図の（ａ）は、視線３８が３次元データ空間３０４において頭部画像データ９２４が存在する部分を通過する状態を示し、（ｂ）は視線３８上の画像データのプロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅ）示す。ここでは、視線３８上の深さ方向の位置をｉとし、画像データの値をＣとする。
【００５０】
画像データの値Ｃはエコーの強度に対応するから、その最大値は最も強いエコーに相当する。視線３８が頭部画像データ９２４が存在する部分を通過しているので、画像データの最大値すなわち最も強いエコーは頭骨の表面に相当する位置Ｉｂで生じる。
【００５１】
この位置Ｉｂが最大値位置検出ユニット４８４によって検出される。この検出位置Ｉｂに基づき、表面位置決定ユニット４８６は位置Ｉｂよりも浅い位置Ｉｓを選んでそこを表面位置とする。位置Ｉｓとしては、例えば画像データプロファイルの変化量の大きい位置を選ぶのが、羊水との境界に相当する箇所を選ぶことができ、頭部表面を正しく検出する点で好ましい。
【００５２】
あるいは、位置Ｉｂから視線方向とは反対方向に戻る過程で、画像データが所定の閾値を下回るところを位置Ｉｓとする。その場合、閾値の設定に当たっては、図１４の（ａ）に相当する断層像を表示させ、その断層像上で体表と羊水の境界部分をカーソル（ｃｕｒｓｏｒ）等で指定し、指定した部分の画像データの値を閾値とするのが実際的である。
【００５３】
または、位置Ｉｓは位置Ｉｂから視線方向とは反対方向に適宜の距離（例えば１０ｍｍ程度）だけ戻ったところに定めても良い。これは表面位置の決定を簡易化する点で好ましい。戻る距離を決めるに当たっては、図１４の（ａ）に相当する断層像上の適宜の箇所で体表と羊水の境界部分をカーソル（ｃｕｒｓｏｒ）等で指定し、この位置から位置Ｉｂまでの距離を採用するのが、撮像対象にごとに適した距離を設定する点で好ましい。
【００５４】
このように、画像データの最大値に基づいて頭骨の表面位置を検出し、この位置を基準として頭部表面の位置を求めるので、妥当性の高い表面検出を行うことができる。
【００５５】
このような表面検出を全ての視線３８について行い、視線３８ごとの表面位置をそれぞれ求める。これによって、３次元データ空間３０４における表面位置の座標が求まる。
【００５６】
サーフェースレンダリングユニット４８８は、これらの座標に基づいてサーフェースレンダリングにより３次元像を形成する。なお、サーフェースレンダリングの技法そのものは公知であるので詳細な説明は省略する。形成された３次元像は画像メモリ１４６を経て表示部１６に与えられ、可視像として表示される。
【００５７】
表面検出が高い妥当性をもって行われるので、サーフェースレンダリングにより適正な３次元像を形成することができる。サーフェースレンダリングを行う前に座標データのスムージング（ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）等を行うのが、端正な３次元像を形成する点で好ましい。
【００５８】
次に、ボリュームレンダリングによる３次元像形成について説明する。公知のように、ボリュームレンダリングでは、視線３８上の画像データを用いて次式により３次元像の画素値を計算する。
【００５９】
【数１】
ここで、
Ｃ（ｉ）：画像データ
Ｏｐ（Ｃ（ｉ））：オパシティ
添え字ｉｎおよびｏｕｔはそれぞれ計算入力および計算出力を表す。
【００６１】
（１）式に示すように、視線上の位置ｉにおける画像データＣ（ｉ）についてそれに対応するオパシティＯｐ（Ｃ（ｉ））との積を求め、位置ｉ−１までの計算値に係数を掛けたものに加算する。係数は１に関するオパシティの補数である。
【００６２】
オパシティは、例えば図１５に示すように画像データ（輝度値）の関数となっている。オパシティは輝度値が高くなるほど大きくなる。オパシティが大きいほど視線方向での不透明度が高い。オパシティ１は完全な不透明である。オパシティ０は完全な透明である。
【００６３】
画素値の計算は、オパシティＯｐ（Ｃ（ｉ））の視線方向での積算値が１に達したところで終了し、そのときの計算値を視線３８の画素値とする。これを全ての視線について行って、投影面３４における全ての格子点３６の画素値を得る。
【００６４】
図１６に、ボリュームレンダリングによる３次元像形成に関わる画像処理プロセッサ１４８のブロック図を示す。同図に示す画像処理プロセッサ１４８は、本発明の３次元画像形成装置の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示される。
【００６５】
同図に示すように、画像処理プロセッサ１４８は、視線設定ユニット４８２、最大値位置検出ユニット４８４、オパシティ設定ユニット４９２およびボリュームレンダリングユニット４９４を有する。これら各ユニットは例えばコンピュータプログラム等により実現される。
【００６６】
視線設定ユニット４８２および最大値位置検出ユニット４８４は図１２に示したものと同様なものである。オパシティ設定ユニット４９２は、オパシティの関数特性を設定する。オパシティ設定ユニット４９２は、本発明におけるオパシティ設定手段の実施の形態の一例である。
【００６７】
オパシティの関数特性は、視線３８上の画像データの最大値が存在する位置Ｉｂで（１）式による画素値の計算が終了するように、すなわち、視線３８に沿って積算したオパシティの値が位置Ｉｂにおいて１となるように設定する。そのような関数特性の設定は、例えば、適宜の複数の視線３８に沿って画像データの最大値位置まで、予め設定した関数特性によるオパシティをそれぞれ積算し、それら積算値を１にするような関数特性を、試行錯誤的に求めること等により行われる。オパシテイは画像データの１次または２次の関数となるので、１次項や２次項の係数を種々調節して適切な関数特性を決定する。
【００６８】
そのように設定されたオパシティがボリュームレンダリングユニット４９４に与えられる。ボリュームレンダリングユニット４９４は、与えられたオパシティを用いて、画像メモリ１４６から読み出した画像データにつき（１）式によるボリュームレンダリングを行う。
【００６９】
これによって、各視線とも頭骨の表面までの計算により画素値が求まるので、表面位置に矛盾がない良好な３次元像を形成することができる。形成された３次元像は画像メモリ１４６を経て表示部１６に与えられ、可視像として表示される。
【００７０】
図１７に、ボリュームレンダリングによる３次元像形成に関わる画像処理プロセッサ１４８の他のブロック図を示す。同図に示す画像処理プロセッサ１４８は、本発明の３次元画像形成装置の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示される。
【００７１】
同図に示すように、画像処理プロセッサ１４８は、視線設定ユニット４８２、最大値位置検出ユニット４８４およびボリュームレンダリングユニット４９４を有する。これら各ユニットは例えばコンピュータプログラム等により実現される。
【００７２】
これら各ブロックは図１６に示したものと同様なものである。ボリュームレンダリングユニット４９４は、本発明における画素値計算手段の実施の形態の一例である。ボリュームレンダリングユニット４９４は最大値位置検出ユニット４８４から与えられた最大値位置において、（１）式によるボリュームレンダリングを終了する。
【００７３】
これによって、各視線とも頭骨の表面までの計算により画素値が求まるので、表面位置に矛盾がない良好な３次元像を形成することができる。形成された３次元像は画像メモリ１４６を経て表示部１６に与えられ、可視像として表示される。
【００７４】
以上、頭部の３次元像を形成する例について説明したが、３次元像は頭部に限るものではなく、例えば手足等のように内部に骨がある部分について、上記と同様にして良好な３次元像を得ることができる。
【００７５】
また、超音波プローブを機械的に変位させて３次元領域をスキャンする例について説明したが、３次元領域のスキャンはそれに限るものではなく、例えば超音波トランスデューサの２次元アレイを備えた超音波プローブにより、電子的に行うようにしても良いのはもちろんである。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、超音波画像データから良好な３次元像を得る３次元像形成方法および装置、並びに、そのような３次元像形成装置を備えた超音波撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図である。
【図２】図１に示した装置の送受信部のブロック図である。
【図３】図２に示した送受信部による音線走査の模式図である。
【図４】図２に示した送受信部による音線走査の模式図である。
【図５】図２に示した送受信部による音線走査の模式図である。
【図６】図１に示した装置によるφ走査の模式図である。
【図７】図１に示した装置によるφ走査の模式図である。
【図８】図１に示した装置のＢモード処理部のブロック図である。
【図９】図１に示した装置の画像処理部のブロック図である。
【図１０】図１に示した装置による複数断面走査の模式図である。
【図１１】図１に示した装置によって得られる３次画像データの模式図である。
【図１２】図９に示した画像処理プロセッサのブロック図である。
【図１３】３次元像を形成するための視線を説明する模式図である。
【図１４】３次元像形成を説明する模式図である。
【図１５】オパシティの関数特性の一例を示すグラフである。
【図１６】図９に示した画像処理プロセッサのブロック図である。
【図１７】図９に示した画像処理プロセッサのブロック図である。
【符号の説明】
２ 超音波プローブ
６ 送受信部
８ アクチュエータ
１０ Ｂモード処理部
１４ 画像処理部
１６ 表示部
１８ 制御部
２０ 操作部
１００ 撮像対象
１４０ バス
１４２ 音線データメモリ
１４４ ディジタル・スキャンコンバータ
１４６ 画像メモリ
１４８ 画像処理プロセッサ
３０４ ３次元データ空間
４８２ 視線設定ユニット
４８４ 最大値位置検出ユニット
４８６ 表面位置決定ユニット
４８８ サーフェースレンダリングユニット
４９２ オパシティ設定ユニット
４９４ ボリュームレンダリングユニット
９２４ 頭部画像データ
Claims (7)
- ３次元データ空間中の画像データからサーフェースレンダリングにより３次元像を形成するに当たり、
前記３次元データ空間において投影方向に沿って複数の視線を設定し、
前記複数の視線の各々について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出し、
前記投影方向に見た前記複数の視線の各々につき前記位置の手前の位置をサーフェース位置とする、ことを特徴とする３次元像形成方法。 - 請求項１に記載の３次元像形成方法において、
前記手前の位置は、前記各々の視線について前記画像データの最大値が存在する視線上の位置から始めて前記画像データが前記投影方向と反対方向において所定の閾値を下回った位置であることを特徴とする３次元像形成方法。 - 請求項１に記載の３次元像形成方法において、
前記手前の位置は、前記各々の視線について前記画像データの最大値が存在する視線上の位置から始めて前記投影方向と反対方向において所定の距離離れた位置であることを特徴とする３次元像形成方法。 - ３次元データ空間中の画像データからサーフェースレンダリングにより３次元像を形成する３次元像形成装置であって、
前記３次元データ空間において投影方向に沿って複数の視線を設定する視線設定手段と、
前記複数の視線の各々について画像データの最大値が存在する視線上の位置を検出する位置検出手段と、
前記投影方向に見た前記複数の視線の各々につき前記位置の手前の位置をサーフェース位置とする位置設定手段と、を具備することを特徴とする３次元像形成装置。 - 請求項４に記載の３次元像形成装置において、
前記位置設定手段における手前の位置は、前記各々の視線について前記画像データの最大値が存在する視線上の位置から始めて前記画像データが前記投影方向と反対方向において所定の閾値を下回った位置であることを特徴とする３次元像形成装置。 - 請求項４に記載の３次元像形成装置において、
前記位置設定手段における手前の位置は、前記各々の視線について前記画像データの最大値が存在する視線上の位置から始めて前記投影方向と反対方向において所定の距離離れた位置であることを特徴とする３次元像形成装置。 - 超音波エコーに基づいて撮像対象につき３次元データ空間に属する画像データを獲得する画像データ獲得手段と、
前記画像データに基づいて３次元像を形成する画像形成手段とを有する超音波撮像装置であって、
前記画像形成手段として請求項４ないし請求項６のうちのいずれか１つに記載の３次元像形成装置を用いる、ことを特徴とする超音波撮像装置。
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