JP4368185B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用して被検体内の診断部位について断層像を得る超音波診断装置に関し、特に時系列に並んだＲＦ信号フレームデータからその画像上の各点の歪み及び／又は弾性率を演算し、生体組織の硬さまたは柔らかさを表す弾性画像として表示することができる超音波診断装置に関する。

従来の一般的な超音波診断装置は、超音波送受信を制御する超音波送受信制御手段と、被検体に超音波を送信及び受信する超音波送受信手段と、この超音波送受信手段からの反射エコー信号を用いて運動組織を含む被検体内の断層像データを所定周期で繰り返して得る断層走査手段と、この断層走査手段によって得た時系列断層像データを表示する画像表示手段とを有して成っていた。そして、被検体内部の生体組織の構造を例えばＢモード像として表示していた。

これに対して、近年、超音波探触子の超音波送受信面にて、被検体の体表面から用手的な方法にて外力を与え、生体組織を圧迫し、時系列的に隣接する２フレーム（連続２フレーム）の超音波受信信号の相関演算を利用して、各点における変位を求め、さらにその変位を空間微分することにより歪みを計測し、この歪みデータを画像化する手法、更には、外力による応力分布と歪みデータから、生体組織のヤング率等に代表される弾性率データを画像化する手法が現実的になってきている。このような歪み及び／又は弾性率データ（以下、弾性フレームデータ）を基にした弾性画像によれば、生体組織の硬さや柔らかさを計測して表示することができる。このような超音波診断装置として、特許文献１又は特許文献２に記載されたものなどがある。
特開平５−３１７３１３号号公報 特開２０００−６０８５３号公報

任意の時刻におけるＲＦ信号フレームデータは、その時刻における生体組織の構造や配置を情報として反映しており、超音波による組織弾性情報を取得する方法として、まず、一定の時間間隔だけ隔てられて取得された１組のＲＦ信号フレームデータを用い、その一定時間の間の生体組織圧迫（加圧、減圧）により生じた、生体組織各部の変位を演算する。更に変位の情報を空間微分することにより、超音波装置において設定された関心領域（ＲＯＩ）内のすべての点について歪みの値を演算し、歪み弾性画像を構築し、表示している。

ところが、実際の診断現場においては、１組のＲＦ信号フレームデータの取得時間間隔中に、圧迫によって探触子の短軸方向に対象組織が逃げてしまい、計測断面から外れてしまったり、圧迫によって探触子の長軸方向若しくは圧迫方向に対象組織が大きな速度を持って変位してしまい、診断装置で設定された所定の変位演算範囲を逸脱してしまうなどという圧迫方向が不適切であったり、圧迫速度が過剰であったことが原因で、診断装置で設定された関心領域（ＲＯＩ）内で、正しく変位を演算することのできないエラー（相関演算エラー）領域が存在する場合がある。

上述のようにエラー領域が存在する場合には、関心領域として設定された領域（ＲＯＩ）内に、正しく演算されなかった変位の値を持つ領域が存在し、その変位の値を用いて演算される歪みの値を弾性画像として表示した場合、その弾性画像に対応する領域は正しくない情報となる。そこで、従来は、所定の閾値よりも大きなエラー領域を含む場合には、その弾性画像については情報を取得することができなかったものではあるが、その弾性画像をそのまま表示したり、又はその弾性画像の表示を省略（間引いたり）して、背景のＢモード像のみを表示したりしていた。エラー領域を含む弾性画像をそのまま表示したり、その表示を省略した場合、ある瞬間に弾性画像が全く異なる表示となったり、又は表示されなかったりするために、表示画像が全体的にちらついてしまったりして視認性を低下させる可能性があった。

この発明は、上述の点に鑑みなされたものであり、弾性画像を表示する際に、エラー領域を含む場合でも視認性を低下させることなく、質の高い弾性画像を表示して、その視認性を向上することのできる超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波診断装置の第１の特徴は、被検査物に接触する超音波探触子によって検出された信号を処理して断層画像及び歪み或いは弾性率データに基づいた弾性画像を生成する信号処理手段と、前記弾性画像の生成過程で利用される各種データに基づいて、生成された弾性画像を評価する評価手段と、前記評価手段の評価結果に応じた透明度の色相情報を前記弾性画像に付与する情報付与手段と、前記断層画像と前記色相情報の付与された前記弾性画像とを表示する表示手段とを備えたことである。これは、弾性画像を生成する過程では、断層像上の各点の移動量又は変位を表す変位フレームデータ、被検体の診断部位の体腔内圧力を表す圧力データ及び断層像上の各点の歪み及び弾性率を表した弾性フレームデータなどの各種データが利用されるので、こられのデータに基づいて、弾性画像を評価する。ここでの評価とは、正しく変位を演算することのできなかった領域をエラー（相関演算エラー）領域とし、このエラー領域が弾性画像にどの程度含まれているのか、その割合を演算することである。このようにして演算された評価結果に応じて、弾性画像の透明度を決定し、通常のＢモード断層像に重ねて表示するようにした。これによって、エラー領域の多い弾性画像は透明度が高く、色相情報などが薄く表示されるようになり、現在表示中の弾性画像がエラーの多いものであるかそうでないかを容易にリアルタイムに視認することができ、エラー領域が多い場合でも弾性画像が省略されたり、間引かれたりしないので、表示画像がちらついたりしなくなり、質の高い弾性画像を表示することができ、視認性を向上させることができる。

本発明に係る超音波診断装置の第２の特徴は、前記第１の特徴において、前記評価手段の評価結果を前記色相情報の透明度に反映させるか否かの切替を行う切替手段を備えたことである。これは、色相情報の透明度を評価手段の評価結果に応じて変化させるか否かを切替手段を用いて任意に切替可能にしたものである。

本発明に係る超音波診断装置の第３の特徴は、前記第１又は２の特徴において、前記評価手段が、正しく変位を演算することのできなかったエラー領域の割合を前記評価結果とし、前記情報付与手段が、前記エラー領域の割合に基づいて前記弾性画像の透明度を設定することである。これは、正しく変位を演算することのできなかった領域をエラー領域とし、この領域が関心領域などに占める割合を演算にて求め、この割合が所定の閾値よりも大きいかどうかに基づいて色相情報の透明度を設定するようにしたものである。

本発明によれば、弾性画像を表示する際に、エラー領域が存在する場合でも視認性を低下させることなく、質の高い弾性画像を表示して、その視認性を向上することができる。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明による超音波診断装置の実施例を示すブロック図である。この超音波診断装置は、超音波を利用して被検体の診断部位について断層像を得ると共に生体組織の硬さ又は柔らかさを表す弾性画像を表示するものである。この超音波診断装置は、図１に示すように、送信回路１と、送受分離回路２と、超音波探触子３と、受信回路４と、整相加算回路５と、白黒信号処理回路６と、白黒スキャンコンバータ７と、変位量計測手段８と、歪み量及び弾性率演算手段９と、フレーム判定手段１０と、階調化手段１１と、カラースキャンコンバータ１２と、切替加算器１３と、画像表示器１４と、キーボード１５と、制御部１６とを具備して構成されている。この超音波診断装置は、キーボード１５及び制御部１６を介して、外部の操作者によって適宜操作されるようになっている。

超音波探触子３は、多数の振動子を短冊状に配列して形成されたものであり、機械式または電子的にビーム走査を行って被検体に超音波を送信及び受信するものであり、図示は省略したがその中には超音波の発生源であると共に反射エコーを受信する振動子が内蔵されている。各振動子は、一般に、入力されるパルス波、または連続波の送波信号を超音波に変換して発射する機能と、被検体の内部から反射する超音波を受けて電気信号の受波信号に変換して出力する機能を有して形成される。

一般に、超音波を用いた弾性の画像化における被検体の圧迫動作は、超音波探触子３で超音波送受信を行いつつ、被検体の診断部位の体腔内に効果的に応力分布を与える目的で超音波探触子３の超音波送受信面と、この送受信面に面を合わせて圧迫板を装着し、超音波探触子３の超音波送受信面と圧迫板にて構成される圧迫面を被検体の体表に接触させ、圧迫面を用手的に上下動させて被検体を圧迫するという方法をとっている。

送受分離回路２は、超音波を送信及び受信するタイミングを制御するものである。送信回路１は、超音波探触子３を駆動して超音波を発生させるための送波パルスを生成すると共に、内蔵された送波整相加算回路によって送信される超音波の収束点をある深さに設定するものである。受信回路４は、超音波探触子３で受信した反射エコー信号を所定のゲインで増幅するものである。増幅された各振動子の数に対応した数の受波信号がそれぞれ独立した受波信号として整相加算回路５に入力される。整相加算回路５は、受信回路４で増幅された受波信号を入力し、それらの位相を制御し、一点又は複数の収束点に対して超音波ビームを形成するものである。白黒信号処理回路６は、整相加算回路５からの受波信号を入力してゲイン補正、ログ圧縮、検波、輪郭強調、フィルタ処理等の各種信号処理を行うものである。

これらの送信回路１、送受分離回路２、超音波探触子３、受信回路４、整相加算回路５及び白黒信号処理回路６によって、超音波送受信手段を構成しており、超音波探触子３を用いて超音波ビームを被検体の体内で一定方向に走査させることにより、一枚の断層像を得るようになっている。

白黒スキャンコンバータ７は、前述の超音波送受信手段の白黒信号処理回路６から出力される反射エコー信号を用いて運動組織を含む被検体内のＲＦ信号フレームデータを超音波周期で取得し、このＲＦ信号フレームデータを表示するためテレビジョン方式の周期で読み出すための断層走査手段及びシステムの制御を行うための手段、例えば、白黒信号処理部６からの反射エコー信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器でディジタル化された断層像データを時系列に記憶する複数枚のフレームメモリと、これらの動作を制御するコントローラなどを含んで構成される。

画像表示器１４は、白黒スキャンコンバータ７によって得られた時系列の断層像データすなわちＢモード断層像を表示するものであり、切替加算器１３を介して白黒スキャンコンバータ７から出力される画像データをアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、このＤ／Ａ変換器からのアナログビデオ信号を入力して画像として表示するカラーテレビモニタとからなる。

この実施の形態においては、整相加算回路５の出力側から分岐して変位量計測手段８、歪み及び弾性率演算手段９、フレーム判定手段１０、階調化手段１１及びカラースキャンコンバータ１２が設けられている。白黒スキャンコンバータ７とカラースキャンコンバータ１２との出力側には切替加算器１３が設けられている。

変位量計測手段８は、整相加算回路５から超音波診断装置のフレームレートで経時的に次々と出力される１組のＲＦ信号フレームデータに基づいて１次元もしくは２次元相関処理を実行し、断層像上の各計測点の変位もしくは移動ベクトル（変位の方向と大きさ）を計測し、変位フレームデータを生成するものである。この移動ベクトルの検出法としては、例えば、特許文献１に記載されたようなブロック・マッチング法とグラジェント法とがある。ブロックマッチング法は、画像を例えばＮ×Ｎ画素からなるブロックに分け、現フレーム中の着目しているブロックに最も近似しているブロックを前フレームから探索し、これを参照して予測符号化を行うものである。整相加算回路５から出力される信号をＲＦ信号フレームデータと記述したが、これは例えば、ＲＦ信号を複合復調したＩ，Ｑ信号の形式になった信号であっても良い。

歪み量及び弾性率演算手段９は、変位量計測手段８から出力される変位フレームデータ（移動量）に基づいて断層像上の各計測点の歪み及び弾性率を演算してその歪み及び弾性率の数値データ（弾性フレームデータ）を生成し、それをフレーム判定手段１０に出力するものである。歪み量及び弾性率演算手段９が行う歪みの演算については、例えば、その変位を空間微分することによって計算上で求めるものとする。また、弾性率の内の一つである、例えばヤング率Ｙｍの演算については、以下の式に示すように、各演算点における応力（圧力）を各演算点における歪み量で除することにより求める。

以下の数式において、i,j の指標は、フレームデータの座標を表す。
Ｙｍi,j ＝圧力（応力）ij／（歪み量i,j ）
（i,j ＝１，２，３，・・・）
ここで、体表に与えられた圧力は、体表と圧迫機構との接触面に圧力センサーを介在させ、この圧力センサーによって直接的に計測したり、本願の出願人が先に出願した特願２００３−３００３２５号に記載されたような方法で計測することができる。なお、歪み量及び弾性率演算手段９は、算出された弾性フレームデータに座標平面内におけるスムージング処理、コントラスト最適化処理や、フレーム間における時間軸方向のスムージング処理などの様々な画像処理を施し、処理後の弾性フレームデータを歪み量として出力してもよい。

フレーム判定手段１０は、歪み量及び弾性率演算手段９によって求められた歪み量がフレーム単位のデータ（弾性フレームデータ）となっていることを利用して、その弾性フレームデータが組織弾性画像として有効か否かの判定を行い、その判定結果を示す判定ビット信号Ｙを歪み量と共に出力する。すなわち、隣接２フレーム間の同座標において正しく相関演算が行われた場合には、歪み量及び弾性率演算手段９からは正の値の歪み量が出力されるが、変位量が正しく算出されなかった場合には、負の値の歪み量が出力される。この負の値の歪み量が出力された場合には、その座標の歪み量の算出については相関エラーが発生したことを意味する。

フレーム判定手段１０に入力される弾性フレームデータの各歪み量は、弾性イメージングに対応した画素データであり、フレーム単位のデータである。但し、弾性イメージングの各画素データ数は、弾性画像の表示領域である関心領域（ＲＯＩ）が大きければ大きいほど、その画素データ数は大きいことを意味する。

そこで、この関心領域（ＲＯＩ）内のデータ数が例えば１００個の場合、各座標毎に歪み量データが存在するので、歪み量データも１００個存在することになる。この１００個の歪み量データによって弾性フレームデータの１フレームが構成されている。この１００個の歪み量データのうち、例えば３０個の歪み量データが負の値であった場合、その弾性フレームデータは、３０パーセントの相関エラーを含むと考えられる。すなわち、関心領域（ＲＯＩ）内のデータ数がＸ個でその中で負の歪み量データがＮ個であれば、その弾性フレームデータの相関エラーの割合はＮ／Ｘとなる。この相関エラーの割合（Ｎ／Ｘ）をエラー率とし、フレーム判定手段１０は、このエラー率が所定の閾値Ｚよりも小さいか否かの判定を行い、判定結果に応じた処理を行う。

図２は、フレーム判定手段１０、階調化手段１１、カラースキャンコンバータ１２及び切替加算器１３が実行する処理の一例を示すフローチャート図である。図２に示すように、フレーム判定手段１０は、まず、関心領域（ＲＯＩ）内のデータ数Ｘと、その中における負の歪み量データ数Ｎを算出する。算出されたＸ，Ｎに基づいてエラー率（Ｎ／Ｘ）を求め、それが閾値Ｚよりも小さいか否かの判定を行う。エラー率（Ｎ／Ｘ）が閾値Ｚよりも小さい場合には、その弾性フレームデータは有効なデータと判定し、判定ビット信号Ｙに「０」を格納し、次段の階調化手段１１にその歪み量からなる弾性フレームデータと「０」の判定ビット信号Ｙを出力する。一方、エラー率（Ｎ／Ｘ）が閾値Ｚ以上の場合には、その弾性フレームデータは無効なデータと判定し、判定ビット信号Ｙに「１」を格納し、次段の階調化手段１１にその歪み量からなる弾性フレームデータと「１」の判定ビット信号Ｙを出力する。

階調化手段１１は、フレーム判定手段１０からの弾性フレームデータすなわち各画素対応の歪み量データを２５６段階の階調に割り振るために、一致の規則を元にして８ビット構成の信号に丸め込む。このときに、カラースキャンコンバータ１２には、判定ビット信号Ｙはそのままスルーされて、８ビット構成（２５６段階）の階調データと共に転送される。

カラースキャンコンバータ１２は、フレーム判定手段１０からの８ビット構成（２５６段階）の階調データと判定ビット信号Ｙを入力し、その階調データに赤、緑、青などの色相情報を付与する。例えば、フレーム判定手段１０からの階調データにおいて、歪みが大きく計測された領域については、赤色コードに変換し、逆に歪みが小さく計測された領域については、青色コードに変換するようになっている。このときに、カラースキャンコンバータ１２は、判定ビット信号Ｙの値に応じた透明度α１，α２となるように、弾性フレームデータを調整する。

切替加算器１３は、白黒スキャンコンバータ７からの白黒の断層像データとカラースキャンコンバータ１２からのカラーの弾性画像データとを入力し、両画像を加算又は切り替える手段となるもので、白黒の断層像データだけ又はカラーの弾性画像データだけを出力したり、あるいは両画像データを加算合成して出力したりするように切り替えるようになっている。この実施の形態に係る切替加算器１３は、両画像データを加算合成する場合に、カラーの弾性画像データの透明度α１，α２を前述のエラー率すなわち判定ビット信号Ｙの値に応じて調整している。

図３は、切替加算器１３の詳細構成を示す図である。切替加算器１３は、半透明処理部１３１と、白黒の断層像データ及びカラーの弾性画像データを色相データに変換する変換テーブルメモリ１３２，１３３，１３４とを備える。切替加算器１３には、白黒スキャンコンバータ７からの白黒データ（８ｂｉｔデータ）Ｂ／Ｗと、カラースキャンコンバータ１２からのカラーの弾性画像データ（８ｂｉｔデータ）Ｃｏｌｏｒ及び判定ビット信号Ｙと、制御部１６を介して入力されたキーボード１５からの切替ビット信号Ｃｈの計４つの信号が入力される。

切替加算器１３内の半透明処理部１３１は、次の式によって白黒データＢ／Ｗとカラーの弾性画像データＣｏｌｏｒとをブレンドする。
α×Ｒｃｏｌｏｒ＋（１−α）×ＲＢＷ＝Ｒ
α×Ｇｃｏｌｏｒ＋（１−α）×ＧＢＷ＝Ｇ
α×Ｂｃｏｌｏｒ＋（１−α）×ＢＢＷ＝Ｂ
ここで、αはカラー断層画像データの透明度を決定する係数である。

半透明処理部１３１の後段には、赤緑青（Ｒ・Ｇ・Ｂ）にそれぞれ対応した色相変換テーブルメモリ１３２，１３３，１３４が存在する。半透明処理部１３１から出力される上式の演算結果である各Ｒ値，Ｇ値，Ｂ値がテーブルデータとして、各色相変換テーブルメモリ１３２，１３３，１３４に出力される。これによって、各値，Ｇ値，Ｂ値がそれぞれの色相変換テーブルメモリ１３２，１３３，１３４のアドレスとなり、色相変換テーブルメモリ１３２，１３３，１３４内のアドレスから色相データが選択され、２４ビット構成のデータが出力される。

半透明処理部１３１内の切替部は、判定ビット信号Ｙと切替ビット信号Ｃｈを入力し、これに基づいて、ブレンド具合（透明度）を決定する係数αを切り替えるものである。切替部は、判定ビット信号Ｙが「０」ならば、係数α＝α１に設定し、判定ビット信号Ｙが「１」ならば係数α＝α２に設定する。判定ビット信号Ｙの値は、前段のフレーム判定手段１０の結果である。ここで、α１＜α２の条件をつけることによって、弾性フレームデータとして不適当と判定された場合、すなわち判定ビット信号Ｙが「１」の場合には、カラー断層画像データの透明度が増加し、薄く表示されることになり、白黒のＢモード断層像に重みがおかれて表示されるようになる。

また、切替ビット信号Ｃｈは、超音波診断装置の操作卓であるキーボード１５上のＯＮ／ＯＦＦボタンによって選択されるものであり、ＯＮの時は、切替ビット信号Ｃｈ＝１となり、ＯＦＦの時は、切替ビット信号Ｃｈ＝０となる。従って、切替加算器１３はこの切替ビット信号Ｃｈ＝１のときに、係数αをα１，α２に切り替えるように動作する。
このような構成によって、フレーム判定手段１０において判定された結果を元に、画像表示器１４のカラー断層画像データの表示方法に強弱をつけて不適切な弾性画像データの場合には透明度を増大させてカラーの色を薄くし、Ｂモード断層像を強調させて表示させることができる。

なお、切替加算器１３は、例えば、特許文献２に記載されているように、２画面表示において白黒断層像とカラーもしくは上記白黒スキャンコンバータによる白黒弾性画像を同時に別々の窓の画像として表示しても良い。この場合にもカラー断層画像データの透明度を調整することによって視認性を向上することができる。さらに、上述の実施の形態では、透明度を決定する係数αが２段階の場合について説明したが、係数αを３以上設け、これをエラー率（Ｎ／Ｘ）の大きさに応じて段階的に選択するようにしてもよいし、フレーム判定手段１０によって演算されたエラー率（Ｎ／Ｘ）を切替加算器１３に出力し、エラー率に応じて係数αを線型的に可変するようにしてもよい。

この実施の形態では、表示価値が高い領域が青色から赤色に階調化され、表示価値が低い領域が黒色の単一の色にて表示する例を示したが、本発明はこの例に限らず、例えば、表示価値が高い領域が黄色から緑色に階調化され、表示価値が低い領域が青色の単一の色にて表示されるなど、上述の説明とは異なる色相の割り当て方法を用いてもよい。また、この実施の形態では、弾性色相フレームデータの成分として、ＲＧＢの信号形式を用いて説明したが、本発明はこの例に限らず、他の信号形式（例えばＹＵＶなど）にて色相情報を付与する方法にて実現するようになっていてもよい。

本発明に係る超音波診断装置の一実施例を示すブロック図である。 図１のフレーム判定手段、階調化手段、カラースキャンコンバータ及び切替加算器が実行する処理の一例を示すフローチャート図である。 図１の切替加算器の詳細構成を示す図である。

符号の説明

１…送信回路
２…送受分離回路
３…超音波探触子
４…受信回路
５…整相加算回路
６…白黒信号処理部
７…白黒スキャンコンバータ
８…変位量計測手段
９…歪み量及び弾性率演算手段
１０…フレーム判定手段
１１…階調化手段
１２…カラースキャンコンバータ
１３…切替加算器
１４…画像表示器
１５…キーボード
１６…制御部
１３１…半透明処理部
１３２，１３３，１３４…色相変換テーブルメモリ

Claims (3)

1. 被検査物に接触する超音波探触子によって検出された信号を処理して断層画像及び歪み或いは弾性率データに基づく弾性画像を生成する信号処理手段と、
   前記弾性画像の生成過程で利用される各種データに基づいて、生成された弾性画像を評価する評価手段と、
   前記評価手段の評価結果に応じた透明度の色相情報を前記弾性画像に付与する情報付与手段と、
   前記断層画像と前記色相情報の付与された前記弾性画像とを表示する表示手段と
   を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１において、前記評価手段の評価結果を前記色相情報の透明度に反映させるか否かの切替を行う切替手段を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項１又は２において、前記評価手段は、正しく変位を演算することのできなかったエラー領域の割合を前記評価結果とし、前記情報付与手段は、前記エラー領域の割合に基づいて前記弾性画像の透明度を設定することを特徴とする超音波診断装置。

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