JP4503032B2 - 超音波により画像を生成する装置 - Google Patents

Description

本発明は、物体の容積範囲が、３Ｄ超音波センサを用いて超音波により走査され、その際、可能なＢ画像表示に決められた送信機／受信機ユニットの走査平面が、３Ｄ超音波センサにおいて走査過程の間に、容積範囲にわたってこの走査平面に対して横向きに動かされ、その発生に幾何学的に対応する位置の場所においてエコーパルスから発生される信号が、適正位置において容積メモリに記憶され、かつ選択可能な問合わせ判定基準にしたがって、少なくとも１つの表示ユニットに画像表示を構成するために利用される、超音波により物体を検査する方法に関する。

走査によって得られた信号を適正位置に記憶する際に検査すべき物体の容積範囲を走査することは公知である（例えばオーストリア国特許第３５８１５５号明細書参照）。その際、走査平面（Ｂ又はＣ画像）は、検査すべき物体にわたって掃引する。この掃引は、手動で行なわれ（基準位置に関する走査平面の位置を同時に測定する）、又はこの掃引運動を自動的に行なう特殊超音波センサによって行なわれる（例えばオーストリア国実用新案登録第１７０８号明細書参照）。

容積走査は、１つの走査平面（Ｂ又はＣ画像）における物体のその他の点では通常の走査に対して、多くの重要な利点を提供する。例えば適正位置において記憶されたエコー情報から任意の切断平面の超音波画像を再構成することが、容積走査によって可能であり、その際、これらの切断平面は、容積データセットを構成するために使われる当初の走査平面のうちの１つとは何の関係もない。それにより解剖学的な理由から通常のＢ画像走査によってはアクセスできない超音波画像が発生できる。さらに所定の視覚化技術によって、例えば物体における反射表面から到来するエコーは、観察者に３次元的な（３Ｄ）印象を生じるように、表示することができる。物体を再構成する視角は、撮影方向には無関係なので、この技術“ビジュアル”によって物体の回りを回り、かつ相応する画像の印象をモニタ上に視覚化することができる。公知の方法において実際に、物体の１度の走査に由来する情報だけしか処理することができない。その理由は、第１に、公知の方法において容積範囲の走査のために比較的長い期間が必要である点にある。公知の方法及びそのために設けられた装置は、走査平面に対して横向きの移動の機械化の際に、完全に決められた容積範囲の走査にしか適さない。公知の３Ｄ再構成技術において、３Ｄ技術において静的に表示可能な物体の回りの“観察者の運動”のために、物体自体の運動が可能であり、例えば医学的な検査の際の器官又は胎児（Ｆｏｔｅｎ）の運動は、従来この技術において示すことができなかった。

視覚化の微妙な点は、所望の物体への眺めを遮へいする妨害情報の除去である。産科における典型的なシナリオは、腹部超音波による胎児の表示である。すなわち超音波センサと胎児との間に、退治の外観への眺めを遮へいする母親の腹組織からのエコーも表示される。適用された３Ｄ方法において、走査される容積において“興味の容積”が選択され、この範囲内にあるデータだけが、評価において考慮される。しかし前記のように、全容積範囲の走査は、相応した時間消費によって行なわれる。

本発明の課題は、３Ｄ視覚化において物体の運動の表示を可能にする方法を提供することにある。３Ｄ視覚化は、観察者に３Ｄの印象を引起こす（例えば退治の外観の表面）方法、及び走査される容積の任意の切断面を再構成する方法を含んでおり、その際、さらにこれらの切断面を表示された３Ｄ画像にして表示することが可能なようにする。とくに容積の走査の際に高い繰返し速度が保証されるようにし、かつ走査過程を促進するために、装置によって検出可能な容積内における“興味の容積”に実際の走査を限定する可能性が提供されるようにする。さらに本発明の部分的課題は、走査信号の走査及び評価の際に、人工物（Ａｒｔｅｆａｋｔｅ）を避けることにある。

設定された課題は、特許請求の範囲第１項の特徴によって次のようにして解決される。すなわち載せられた不動の３Ｄ超音波センサによって検出可能な物体の容積範囲から、Ｂ画像表示の走査平面内においてカバーされる面及びこの走査平面に対して横向きの移動行程の境界を調節することによって、容積走査のために興味ある容積範囲が選択され、この容積範囲が、少なくともかなりの程度まで連続的に、Ｂ画像平面に対して横向きの移動の間に送出されかつ処理される音響パルスによって走査され、かつ３Ｄプロセッサを用いて容積メモリ内に記憶された信号から、少なくとも３Ｄ表示を生じる信号が問合わされ、かつ画像表示部に供給される。その際、方法は、Ｂ画像表示のために機械的に動かされる音響ヘッドを、なるべく走査平面にわたって掃引する音響ヘッドを有する３Ｄ超音波センサにおいて、及びその個々の要素が走査平面を決めるいわゆる多要素音響ヘッドを有する３Ｄ超音波センサにおいて適用することができる。走査の際に興味ある容積だけを探し出しかつ走査することは、本発明にとって全く重要なので、この容積範囲の比較的高い走査速度が可能であり、かつ過剰の容積範囲の走査による時間損失は避けられる。その上本発明による方法によれば、連続的な走査が実現でき、このことは、興味ある容積範囲の走査の間に、個々の切断画像平面の走査の間に休止が維持されないということを意味する。

後者の場合、画像の人工物又はちらつきを回避するために、請求項２に記載の方法ステップが使用される。本発明による方法によれば、Ｂ画像走査と同時に容積走査の送りも行なわれるので、斜めに傾斜した走査トラックが生じるが、これらのトラックにおいて、傾斜と長さは、再びどの容積範囲を選択するかに無関係である。機械的にＢ画像平面にわたって往復掃引する音響ヘッドを利用する際、走査トラックは、ジグザグ線に追従する。Ｂ画像走査のために多重音響ヘッドを有する装置において、パルストリガは、一方の端部から他方のものへ継続的に行なわれる。ここにおいて前記の条件を満たすために、請求項３にしたがって処置がとられる。

走査される容積からの認識信号の記憶は、ベクトルオリエンテッドの容積メモリにおいてなるべく請求項４にしたがって行なわれる。

別の結果において本発明によれば、物体への整合及び興味ある容積範囲の選択は、請求項５にしたがって行なわれる。

物体上に静止して載せられた３Ｄ超音波センサ及び興味ある容積範囲の選択の際に、この容積範囲内において順に連続する容積の走査の間に、個々の画点に比較的小さな変化が生じる。かなりの程度まで鮮鋭な表示を達成するために、別の結果において請求項６にしたがって処置をとることができる。

本発明の対象のそれ以上の詳細及び利点は、次の図面の説明によって明らかである。

本発明を図面により例として詳細に説明する。

図１は、音響センサ１を概略的に示しており、この音響センサは、走査平面３における個々の音響ビーム２からＢ画像を構成し、その際、音響発生器の移動により順に連続するＢ画像が撮影され、したがって容積が走査される。制限なく説明のために、音響放射は、Ｂ画像において左から右へ行なわれ、かつ走査平面の横向き移動は、前から後へ進むことを仮定する。

本発明の思想を説明するために、現在特殊センサとともに適用されるような３Ｄ走査過程に着目する（図１）。図２は、中央走査平面の中央音響ラインに直交する平面における走査平面（Ｂ画像）４のトラックを示している。その際、走査平面のトラックは、互いに平行であり、かつＢ画像５の掃引方向の投影に対して直行している。その際、音響放射は、慣性なく“左”から“右”へリセットすることができることを仮定する。この前提は、Ｂ画像の発生のために電子センサが利用されるときに満たされる。有利な解決策は、電子センサを考慮している。時間（図３）に関する走査過程（Ｂ画像の位置）を考察する。走査の開始前に、Ｂ画像は、超音波センサに関して中央位置６にある。走査のスタート後に、Ｂ画像は位置７（“前”）に動かされ、この位置においてＢ画像が撮影され（８）、その後、画像平面は、次の位置に動かされ（９）、その後、新しい撮影（８）が行なわれ、以下同様である。走査過程の最後に（位置“後”）、走査平面は、再び初期位置に動かされる（１０）。すなわち過程１１は、音響撮影自体のために必要な時間の合計よりも著しく長い時間６、７、９、１０の合計だけ継続する。

本発明によれば、容積は連続的に走査され、その際、走査運動及びＢ画像撮影は、同時に経過する。この状況は、図３における従来の技術による３Ｄ走査と同じ時間尺度で、図４に示されている。信号の走査と記憶が、“前”から“後”へ及び続いて“後”から“前”への運動中に行なわれることは重要である。走査過程１２が、図３における走査過程よりも著しく短いことは明らかである。

この時、走査平面のトラック（図５）に着目すれば、これがもはや運動方向に直交して延びるのではなく、それに対していくらか傾斜していることは明らかである。このことは、走査の間に、Ｂ画像の位置が変化することによる。直線トラックは、実際の曲線の１次近似であり、この曲線は、選択された走査運動に依存している。走査運動の後退において、ここでは一層わかりやすくするために破線で記入した走査平面のトラックは、別の方向に傾斜している。後退におけるこの平面のデータは、３Ｄメモリにおける前進の相応する平面のデータを置き換えるので（書換え）、その結果、不鮮明が生じ、この不鮮明は、再構成された画像の“揺動”として、又は不鮮明（フィルタ処理された表示）として見ることができる。

本発明によれば、撮影管理（及び記憶管理）は、例えば“左”から“右”への３Ｄ走査の前進の際に書込まれるが、一方３Ｄ走査の後退の際に、Ｂ画像記入方向が逆転される（“右”から“左”）ように制御される。それにより図６に示すような走査平面のトラックが生じ、すなわち走査平面は、前進及び後退において覆われる。その結果、物体の揺動しない鮮鋭な結像が行なわれる。

従来の２Ｄ超音波システムにおいて、直交座標系において超音波画像（いわゆる“フィルムモード”において）の記憶が行なわれる。その際、超音波装置の走査ビームから得られる情報は、幾何学的な関係にしたがって画像要素（“ピクセル”）上に分配され、かつ超音波走査ビームに当たらなかったピクセルは、隣接するピクセルの値から計算される。例えば複数の走査ビームがピクセルを通って進行するとき、それにもかかわらずこのピクセルに対する値だけしか計算できない。この時、このような記憶された直交データセットから、後に容積を再構成すれば、もはや当初の情報に介入することができない。それ故にそれぞれ個々の走査ビームの全情報を記憶すること（ベクトルオリエンテッドの記憶）、及びこれらのデータから、容積情報（例えば表面積範囲、任意の平面）を直接計算することは、本発明の一部である。通常Ｂ画像のためのすべての走査ビームは、回転中心を通って進む。回転中心が画像始点の近くにあるとき、セクタ走査について述べ、無限遠にあるとき、直線走査について述べ、かつその間にあるとき、凸面走査について述べる。もちろん例えば画像の中心において直線走査、及び画像の縁においてセクタ走査のような（このような方法は特許からも公知である）、組合せも考えることができる。容積掃引は、Ｂ画像掃引平面に対して直交して行なわれ、かつ同様にセクタ、凸状又は線形掃引であってもよいが；画像掃引と同じ運動パラメータ（例えば掃引半径）をどうしても持たなければならないというわけではない。それによりベクトルオリエンテッドの３Ｄメモリのアドレス制御が、トーラスの座標系に相当することは明らかである。

次に本発明による方法を実施する有利な装置及びその動作様式を説明する。説明する様式は、複数の可能な解決策のうちの１つにすぎない。

超音波による物体の連続的な３Ｄ走査のためのシステムは、図７に示されている。これは、標準的な超音波処理部（超音波エコープロセッサ１３、極−直交−座標変換１４、Ｂ画像掃引制御１５及び超音波画像を表示するモニタ）、及び容積走査のための特殊センサ１、３Ｄ掃引運動の監視ユニット１７、Ｂ画像掃引の変更された制御１５、一般的な３Ｄ制御１８、３Ｄメモリ２０及び幾何学的情報のためのユニット２１のような本発明によるシステム部品からなる。３Ｄデータを表示するために、再びシステムモニタ１６が利用される。すべてのユニットの適正な共同動作は、３Ｄシステム制御１８によって保証される。

本発明による連続的な３Ｄ走査を実現する経過の可能な実現に着目する（図８）。過程は、大体の配向（例えば子宮内に胎児があるような）のために物体の２Ｄ走査（従来の技術のような）によって始まる。連続的な３Ｄ走査の活性化後に、Ｂ画像平面は、３Ｄ掃引範囲の一方の端部位置に動かされる（“前”）。掃引範囲は、いつでも物体に合わせることができる（Ｂ画像においても、３Ｄ掃引方向においても）。この時、Ｂ画像撮影が活性化され、かつＢ画像は、一定の繰返し速度（例えば毎秒１０−３０画像の間）で、例えば“左”から“右”へ走査される（所定の変更可能な角度で）。超音波処理によって発生されたベクトルは、場所に相当する位置において３Ｄメモリ２０に記憶される。３Ｄ掃引の他方の端部位置に到達すると（“後”）、（例えば０．１ないし２秒の後に）３Ｄプロセッサ１９は、記憶されたデータの評価を始める。その際、特殊解決策において閾値により、どのエコーが物体表面の計算のために利用されるかが判定される（特殊解決策は、最大強度（骨／軟骨等のような強く反射する構造を見つける）、最小強度（血管、のうしゅ等のような弱く反射する構造を見つける）、透明な結像（ガラス質の物体を投影）：のような別のアルゴリズムも考慮している）。同時に本発明による思想の有利な実施の際に、切断画像（又は３つの互いに直交する切断画像）も再構成され、かつ表示され、このことは、物体の検査の間のさらに容易な配向を可能にする。ここにおいて切離して説明した過程“記憶を含む３Ｄ走査”及び容積評価は、有利な解決策において並列に経過する（容積ｎを撮影する間に、容積ｎ−１を評価する）。この時、Ｂ画像平面は、戻し掃引される（“後”から“前”へ）。その際、本発明によれば、第１の掃引運動におけるものと同じ位置を達成するために（図６において明らかになるように）、Ｂ画像の走査方向は、同様に逆転される（“右”から“左”へ）。再び初期位置（“前”）に達したとき、前記のように新しいものの３Ｄデータセットの評価が始まる。

このサイクルは、利用者によって連続的な３Ｄ走査の終了まで繰返される。

３Ｄ超音波センサを示す方式図である。 可能な構成における走査平面のトラックを示す図である。 従来の技術による時間に関する３Ｄセンサにおける機能（走査）及び調節時間を説明する線図である。 本発明に対する図３に相当する線図である。 走査ユニットが初期位置に戻る際にも走査されるときに、従来の技術による３Ｄセンサにおいて生じるような走査トラックを示す図である。 本発明による方法によって生じるような相応する走査トラックの図である。 本発明による方法にしたがって動作する超音波検査装置の３Ｄ表示に使用される部分のブロック回路図である。 方法経過の可能な実現のためのフローチャートである。

符号の説明

１ 音響センサ
２ 音響ビーム
３ 走査平面
４ 走査平面
５ Ｂ画像
１３ 超音波エコープロセッサ
１４ 極−直交−座標変換
１５ Ｂ画像掃引制御
１６ モニタ
１７ 監視ユニット
１８ ３Ｄシステム制御
１９ ３Ｄプロセッサ
２０ ３Ｄメモリ
２１ 幾何学的情報

Claims (7)

1. ３次元超音波センサを用いて被検体の３次元領域を走査することにより発生された超音波に基づいて前記被検体の画像を生成する装置であって、
   前記３次元超音波センサに設けられた送信機／受信機ユニットと、
   前記送信機／受信機ユニットから放射される音響ビームで当該走査平面の左右方向に連続的に走査を行うことにより走査平面を規定する走査平面規定手段と、
   前記連続的な走査の間に、前記送信機／受信機ユニットを前記走査平面の左右方向に直角な前後方向に連続的に移動させる移動手段とを備えた装置。
2. 前記３次元超音波センサから放射される音響ビームに応じて生成されるエコー信号を記憶するメモリを更に備えており、
   前記メモリが、前記エコー信号が発生する前記３次元領域の幾何学的位置に対応するメモリ位置に前記エコー信号を記憶する請求項１に記載の装置。
3. 前記移動手段は、前記送信機／受信機ユニットを前記前後方向における前進及び後退方向に交互に移動させ、
   前記送信機／受信機ユニットは、前記前進及び後退方向に移動しているときに前記エコー信号を連続的に受信する請求項２に記載の装置。
4. 前記３次元領域の任意の平面においてエコー信号を視覚化する手段を更に備えており、
   前記任意の平面は、前記走査平面規定手段により規定された走査平面と一致しない平面を含んでいる請求項２又は請求項３に記載の装置。
5. 前記走査平面の左右方向における走査角、前記走査平面の前後方向における走査の掃引角、走査線の数、前記走査の掃引速度、前記エコー信号のための最大貫通深さ、及び／又は前記被検体が投影若しくは観察される前記任意の平面を選択することにより、前記被検体の実際の大きさに前記走査される３次元領域を整合させる手段を更に備えている請求項４に記載の装置。
6. 前記送信機／受信機ユニットは、Ｂモード画像を表すエコー信号を生成する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記走査平面規定手段及び前記移動手段により走査可能な最大の３次元領域よりも小さい容積範囲の範囲限界を選択する手段と、
   前記走査角及び前記掃引角を前記選択された範囲限界内に限定する手段とを更に備えている請求項５又は請求項６に記載の装置。

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