JP4550599B2

JP4550599B2 - ３次元超音波映像形成装置及び方法

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Publication number: JP4550599B2
Application number: JP2005015380A
Authority: JP
Inventors: ジェユンシム; ビョンジュグァク; ナンチョルキム; サンヒョンキム
Original assignee: Medison Co Ltd
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Priority date: 2004-04-01
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2010-09-22
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Description

本発明は、対象体映像の輪郭を自動的に検出して輪郭内に存在するボリュームデータだけで３次元超音波映像を形成する装置及び方法に関するものである。

３次元超音波診断システムは、既存の２次元映像で提供することができなかった空間情報、解剖学的形態など臨床情報を提供する医療装備である。このような３次元超音波診断システムは、プローブ（probe）を通じて受信された対象体（target object）に対する信号から対象体のボリューム（volume）データを獲得（acquisition）し、獲得されたボリュームデータをスキャン変換（scan conversion）し、スキャン変換されたボリュームデータをレンダリング（rendering）してモニタ（monitor）またはスクリーン（screen）のようなディスプレイ装置に対象体の３次元超音波映像をディスプレイすることにより、３次元超音波診断システムの運営者が対象体の臨床情報を観察することができるようにする医療装備である。

周知の通り、プローブは多数の変換子（transducer）を含んでおり、それぞれの変換子に入力されるパルスの入力時間を適切に遅延させることによって、集束された超音波ビーム（beam）を送信スキャンライン（scanline）に沿って対象体に送信する。反面、対象体から反射された信号はそれぞれの変換子に互いに異なる受信時間を有しながら入力され、それぞれの変換子は入力された信号をビーム形成器（beamformer）に出力する。

ビーム形成器はそれぞれの変換子から入力された信号を適切に時間遅延させ、時間遅延した信号を合算することによって、送信スキャンライン上の集束点（focal point）で反射されたエネルギーのレベル（level）を表示する信号である受信集束ビームを出力する。ビーム形成器は多数の送信スキャンライン別受信集束ビームにより形成される対象体の断面（slice）映像を生成するまで上述したプロセスを反復する。

ボリュームデータ獲得部は、ビーム形成器から入力される対象体の断面映像である２次元超音波映像を合成することによって、対象体のボリュームデータを出力する。ボリュームデータは３次元空間に存在する対象体で反射された信号から形成されたものであって、円環体（torus）座標系の上で定義される。従って、ボリュームデータをモニタのような直交座標系を有するディスプレイ装置にレンダリングするためには、ボリュームデータの座標を変換するスキャン変換が必要であるが、これはスキャンコンバーター（scan converter）により行われる。

スキャンコンバーターにおいて、スキャン変換されたボリュームデータは通常用いられているボリュームレンダリングプロセスによりレンダリングされ、モニタのようなディスプレイ装置に３次元超音波映像でディスプレイされる。３次元超音波診断システムの運営者は、ディスプレイ装置にディスプレイされた対象体の３次元超音波映像を通じて対象体に対する臨床情報を得る。

上述した３次元超音波診断システムは産婦人科などで胎児（fetus）の形態を３次元超音波映像でディスプレイするのに最も多く活用されている。即ち、プローブで産婦の腹部をスキャニングしてその部位に対するボリュームデータを獲得した後、獲得されたボリュームデータにボリュームレンダリングプロセスを適用することによって、胎児の形態を３次元超音波映像にディスプレイする。しかし、獲得されたボリュームデータには子宮（uterus）の皮膚組織、脂肪層、羊水（liquor amnii）、浮遊物、及び胎児に対するボリュームデータが混合されているために、このようなボリュームデータにすぐボリュームレンダリングプロセスを適用する場合、胎児の形態を３次元超音波映像でディスプレイすることが非常に難しい。従って、胎児の形態を３次元超音波映像でディスプレイするために胎児とその周辺の他の領域を分離することが必要である。このために、３次元超音波診断システムの運営者は３次元超音波診断システムに搭載されたマウス、キーボードなどのような外部インターフェースを直接手動で調整することによって、図１Ａに示した通り、ディスプレイ装置にディスプレイされた２次元超音波映像内の胎児の形態を取り囲む関心領域（region of interest，以下“ＲＯＩ”と表現する）ボックスを生成し、外部インターフェースをもう少し精密に調整することによって、図１Ｂに示した通り最終的なＲＯＩボックスを生成する。また、ＲＯＩボックス内の胎児の映像から検出された輪郭（contour）内に存在するボリュームデータのみをレンダリングすることにより、胎児の３次元超音波映像をディスプレイすることができる。

しかし、上述したＲＯＩボックス生成及び対象体映像の輪郭検出は、３次元超音波診断システムの運営者により手動で行なわれるため、３次元超音波診断システムに対する運営者の熟練（expertness）の程度に応じて最終的にディスプレイされる３次元超音波映像の品質に多くの差異点が発生する。即ち、ＲＯＩボックスを生成する運営者によってＲＯＩボックスの大きさが一貫していないので、ＲＯＩボックス内の対象体を３次元超音波映像で正確に具現できないという問題点がある。

また、熟練した運営者であっても上述したＲＯＩボックスの生成及び対象体映像の輪郭検出のための作業にかなりの時間が要求されるという問題点がある。さらに、対象体に対するＲＯＩボックスが正確な大きさを有しなければ、ＲＯＩボックス内に存在するボリュームデータをレンダリングし、又はＲＯＩボックス内の対象体映像の輪郭を検出するプロセスにおいてエラー（error）が発生することがあるという問題点がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、ＲＯＩボックスを自動的に生成し、ＲＯＩボックス内に存在する対象体映像の輪郭を自動的に検出してＲＯＩボックス生成及び対象体映像の輪郭検出に要される時間を減少させ、対象体に対するボリュームデータのレンダリング及び対象体映像の輪郭検出時に発生し得るエラーを減少させることによって、対象体に対する正確な３次元超音波映像を形成するための装置及び方法を得るものである。

本発明に係る３次元超音波映像形成装置は、２次元超音波映像にＲＯＩ（region of interest）ボックスを自動生成するためのＲＯＩボックス自動生成手段、上記ＲＯＩボックス内の対象体映像の輪郭を検出するための手段、及び上記検出された輪郭内に存在する上記対象体のボリュームデータをレンダリングして３次元超音波映像を形成するための３次元超音波映像化手段を備える。

本発明に係る３次元超音波映像形成方法は、２次元超音波映像にＲＯＩ（region of interest）ボックスを自動生成するＲＯＩボックス自動生成段階、上記ＲＯＩボックス内の対象体映像の輪郭を検出する段階、及び上記検出された輪郭内に存在する上記対象体のボリュームデータをレンダリングして３次元超音波映像を形成する３次元超音波映像化段階を備える。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、対象体映像に対するＲＯＩボックスを自動的に生成してＲＯＩボックス内に存在する対象体映像の輪郭を自動的に検出することによって、ＲＯＩボックス生成及び対象体映像の輪郭検出に要される時間を減少させることができる。また、自動的に生成されたＲＯＩボックスの大きさの適合性及びＲＯＩボックス内の対象体映像から輪郭を検出することができるかを判断することによって、対象体に対するボリュームデータのレンダリング及び対象体映像の輪郭検出時に発生され得る誤りを減少させ、対象体に対するより正確な３次元超音波映像を３次元超音波診断システムの運営者に提供することができる。

以下では、図２〜図９を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図２は、本発明の実施の形態による３次元超音波映像形成装置の概略的な構成を示す。本発明の３次元超音波映像形成装置３は、ＲＯＩボックス生成部３１、第１判断部３３、第２判断部３５、輪郭検出部３７、及び３次元映像化部３９を備える。このような３次元超音波映像形成装置３は、３次元超音波診断システムに搭載されたコントロールパネル（control panel）（図示せず）の“３Ｄ”キー（key）が運営者により活性化されることによって動作する。

３次元超音波診断システムに搭載されたコントロールパネルの“３Ｄ”キーが運営者により活性化されれば、３次元超音波診断システムのプローブ、ビーム形成器、ボリュームデータ獲得部を通じて獲得された対象体に対するボリュームデータの中でボリュームデータの中心領域に位置する対象体の２次元超音波映像がＢ−モード（brightness mode）状態でディスプレイ装置（図示せず）にディスプレイされる。ここで、Ｂ−モードは対象体から反射された信号のエネルギーを明るさのレベルとしてディスプレイするモードを意味する。ＲＯＩボックス生成部３１は、ディスプレイ装置にディスプレイされた２次元超音波映像にＲＯＩボックスを自動的に生成する。第１判断部３３はＲＯＩボックス生成部３１により自動的に生成されたＲＯＩボックスの大きさの適合性（suitability）を判断し、第２判断部３５はＲＯＩボックス内に存在する対象体映像の輪郭を検出することができるかを判断する。輪郭検出部３７は、ＲＯＩボックス内に存在する対象体映像の輪郭を検出し、３次元映像化部３９はボリュームデータ獲得部に格納されているボリュームデータの中から対象体映像の輪郭内に存在するボリュームデータのみを選択してレンダリングすることにより、対象体の３次元超音波映像を形成する。

ここで、３次元超音波診断システムのディスプレイ装置にディスプレイされた２次元超音波映像にＲＯＩボックスを自動的に生成するＲＯＩボックス生成部３１に対して図３〜図５を参照して説明することにする。

図３は図２に示したＲＯＩボックス生成部３１の詳細ブロック図を示す。図３に示した通り、ＲＯＩボックス生成部３１は、２次元超音波映像を対象体映像と対象体周辺の背景映像に分割するための映像分割部３１１、２次元超音波映像に予め設定された大きさのＲＯＩボックスを設定するためのＲＯＩボックス設定部３１３、及びＲＯＩボックスの大きさを調整するためのＲＯＩボックス調整部３１５を備える。

一般に、対象体のボリュームデータを形成する２次元超音波映像には、スペックル雑音（speckle noise）のように対象体に対する明確な３次元超音波映像の具現を難しくする原因が存在するので、これを除去する過程が優先的に先行しなければならない。映像分割部３１１は、予め設定されたフィルターを用いて２次元超音波映像をフィルタリングすることによって、２次元超音波映像に存在するスペックル雑音を除去する。本発明の実施の形態においては、２次元超音波映像内の対象体のエッジ（edge）は保存しながらスペックル雑音のみを除去することができる機能を有するＬｅｅフィルターを用いる。

次に、映像分割部３１１は、スペックル雑音が除去された２次元超音波映像に対する２値化（binarization）しきい値（threshold value）を設定し、設定されたしきい値を基準に２次元超音波映像を２値化して二つのクラス（class）に分割する。例えば、０から２５５のピクセル値を有する２次元超音波映像の予め設定されたしきい値をｔと仮定すれば、２次元超音波映像は｛０，１，２，…，ｔ｝のピクセル値を有するクラスと｛ｔ，ｔ＋１，ｔ＋２，…，２５５｝のピクセル値を有するクラスに分割される。映像分割部３１１は２次元超音波映像を第１の２値化しきい値（ｔ１）に基づいて２値化することによって、対象体映像と背景映像に第１分割し、第１分割された背景映像を新たに設定された第２の２値化しきい値（ｔ２）に基づいて２値化することによって、対象体映像と背景映像に第２分割し、第２分割された背景映像を新たに設定された第３の２値化しきい値（ｔ３）に基づいて２値化することによって、対象体映像と背景映像に第３分割する。このような映像分割プロセスを反復的に行うことによって、映像分割部３１１はディスプレイ装置に最初にディスプレイされた２次元超音波映像から対象体の映像及び対象体周辺の背景映像をより正確に分割することができる。最終的に、映像分割部３１１は映像分割された結果をＲＯＩボックス調整部３１５に出力する。２次元超音波映像に対して１回及び２０回の映像分割プロセスを反復した結果の例として、図４Ａはディスプレイ装置に最初にディスプレイされた２次元超音波映像、図４Ｂは上述した映像分割プロセスを１回行った結果、そして図４Ｃは上述した映像分割プロセスを２０回行った結果を示す。

ＲＯＩボックス設定部３１３は、ディスプレイ装置に最初にディスプレイされた２次元超音波映像に生成される４つの境界ラインで構成されるＲＯＩボックスの大きさを設定してＲＯＩボックス調整部３１５に出力する。一般に、ＲＯＩボックスの大きさは、３次元超音波映像でディスプレイしようとする対象体の種類に応じて予め設定されている。

ＲＯＩボックス調整部３１５は、ＲＯＩボックス内に存在する対象体映像の大きさに適するようにＲＯＩボックス設定部３１３により設定されたＲＯＩボックスの大きさを調整する。この時、対象体映像の特性はＲＯＩボックスの大きさを調整するための重要な要素となるが、このような映像の特性を最も明確に提供する対象体の例として胎児を挙げることができる。即ち、大部分の胎児の映像は胎児の顔と体の境界部分に谷（valley）が存在し、胎児の顔表面は胎児の体の表面に比べて屈曲（curvedness）が多く、胎児の顔の長さが胎児の体の長さより長いという特性を有する。図５を参照し、ＲＯＩボックス調整部３１５が胎児の全体映像に対するＲＯＩボックスの大きさを胎児の顔の映像に対するＲＯＩボックスの大きさに自動的に調整する例を説明することにする。

まず、ＲＯＩボックス調整部３１５は、映像分割部３１１から入力される図４Ｃの通り、映像分割された２次元超音波映像の中からＲＯＩボックス設定部３１３により設定された大きさのＲＯＩボックス内に存在する胎児の映像のみを選択し、選択された胎児の映像に対して２値化しきい値を設定し、映像分割された２次元超音波映像を図５Ａに示した通り設定されたしきい値を適用して２値化する。次に、ＲＯＩボックス調整部３１５は、胎児の映像の２値化領域の中から雑音領域を除去することによって、図５Ｂに示した通り胎児の映像の一部分と判断される２値化領域のみ検出する。詳細に説明すれば、ＲＯＩボックス調整部３１５は図５Ｂに示した２値化領域それぞれの明度値を調査してその平均を計算し、計算された平均明度値以下の明度値を有する２値化領域を雑音領域とみなして除去する。また、平均明度値より高い明度値を有する雑音領域が存在することもあり得るため、ＲＯＩボックス調整部３１５は２値化領域の大きさに対するしきい値を設定することによって、しきい値以下の大きさを有する２値化領域を雑音領域とみなして除去する。

２値化領域の中から雑音領域が除去されれば、ＲＯＩボックス調整部３１５は検出された２値化領域の上端表面に該当するピクセルからＲＯＩボックス設定部３１３により設定されたＲＯＩボックスの下端境界ラインに該当するピクセル間に存在する全てのピクセルに“２５５”のピクセル値を付与することによって、図５Ｃに示した通り胎児に対する２値化映像を生成する。次に、ＲＯＩボックス調整部３１５は図５Ｃに示した２値化映像を用いて図５Ｄに示したような２値化映像に対する表面曲線を生成する。その後、ＲＯＩボックス調整部３１５は、表面曲線上で互いに隣接する極大（relative maximum）点と極小（relative minimum）点を共に調査して胎児の映像の顔と体の間の谷に対応する極小点を指定する。

図５Ｄに示した通り、胎児の映像の顔と体の間の谷に対応する極小点（Ｎ２）が指定されれば、ＲＯＩボックス調整部３１５は表面曲線の開始点（Ｎ１）及び終了点（Ｎ３）を指定することによって、表面曲線を２つの領域（［Ｎ１，Ｎ２］及び［Ｎ２，Ｎ３］）に分離する。次に、ＲＯＩボックス調整部３１５は表面曲線の領域［Ｎ１，Ｎ２］及び［Ｎ２，Ｎ３］に存在する極大点の個数を計算し、さらに多くの個数の極大点を有する領域を胎児の顔がある領域に決定する。一般に、胎児の映像の特性上、胎児の顔の表面は胎児の体の表面に比べて屈曲が多いため、表面曲線の中うち胎児の顔の表面に該当する領域で極大点の個数がさらに多く計算される。

胎児の顔の領域が決定されれば、ＲＯＩボックス調整部３１５はＲＯＩボックスの左側境界ラインを表面曲線の極小点（Ｎ２）が存在する位置まで移動させ、ＲＯＩボックスの右側境界ラインを表面曲線の右側境界位置まで移動させる。その結果、ＲＯＩボックス調整部３１５はＲＯＩボックス設定部３１３により設定されたＲＯＩボックスの左／右の境界位置を胎児の映像の顔の大きさに適するように自動的に調整する。図５Ｅはディスプレイ装置にディスプレイされた２次元超音波映像に設定されたＲＯＩボックスの左／右境界ラインがＲＯＩボックス調整部３１５により自動的に調整される例を示す。

胎児の顔の映像に対するＲＯＩボックスの左／右境界ラインが調整されれば、ＲＯＩボックス調整部３１５は調整されたＲＯＩボックス内に存在する胎児の顔の映像に対して上述した２値化、雑音領域除去、２値化映像生成、及び表面曲線生成プロセスを行う。この時、胎児の顔に対する２値化映像を生成するために、ＲＯＩボックス調整部３１５は胎児の顔の映像から検出された２値化領域の左側表面に該当するピクセルからＲＯＩボックス調整部３１５により調整されたＲＯＩボックスの右側境界ラインに該当するピクセル間に存在する全てのピクセルに“２５５”のピクセル値を付与する。

次に、ＲＯＩボックス調整部３１５は、ＲＯＩボックスの上端境界ラインをＲＯＩボックスの下端境界ライン側へ移動させながらＲＯＩボックスの上端境界ラインに最も近接した表面曲線上のピクセルが存在する位置をＲＯＩボックスの新たな上端境界ラインの位置として決定する。また、ＲＯＩボックス調整部３１５はＲＯＩボックスの下端境界ラインをＲＯＩボックスの上端境界ライン側へ移動させながらＲＯＩボックスの下端境界ラインに最も近接した表面曲線上のピクセルが存在する位置をＲＯＩボックスの新たな下端境界ラインの位置として決定する。図５Ｆはディスプレイ装置にディスプレイされた胎児全体の映像に対して設定されたＲＯＩボックスがＲＯＩボックス調整部３１５により胎児の顔の映像に対するＲＯＩボックスに最終的に調整された例を示す。ＲＯＩボックス調整部３１５はＲＯＩボックスの大きさが調整された２次元超音波映像を図２に示した第１判断部３３に出力する。

説明の便宜上、映像の特性を明確に提供する胎児の映像を例に挙げながらＲＯＩボックス生成部３１で行われるプロセスに対して説明したが、上述したＲＯＩボックス生成プロセスを用いて２次元超音波映像内の任意の対象体に設定されたＲＯＩボックスの境界ラインを自動的に補正することによって、ＲＯＩボックスの大きさを対象体の大きさに適するように調整することができる。

図２に示した第１判断部３３は、ＲＯＩボックス生成部３１で生成された対象体映像に対するＲＯＩボックス大きさの適合性（suitability）の如何を判断する。一般に、ＲＯＩボックス生成部３１で生成されたＲＯＩボックスの大きさは対象体映像の種類別にある程度同じような大きさを有する。従って、第１判断部３３は、３次元超音波診断システムに搭載されたメモリ（図示せず）から対象体映像の種類別に予め設定された標準ヒストグラムを選択し、選択された標準ヒストグラムとＲＯＩボックス生成部３１から入力されたＲＯＩボックス内の対象体映像に対するヒストグラムの自乗平均誤差値を計算する。

その結果、計算された自乗平均誤差値が予め設定された値以上であれば、第１判断部３３はＲＯＩボックス生成部３１により生成されたＲＯＩボックスの大きさを適さないものと判断して３次元超音波診断システムの動作を止め、生成されたＲＯＩボックスの大きさが適さないことを運営者に通知する。反面、計算された自乗平均誤差値が予め設定された値未満であれば、第１判断部３３はＲＯＩボックス生成部３１により生成されたＲＯＩボックスの大きさを適したものと判断し、ＲＯＩボックス生成部３１から入力された２次元超音波映像を第２判断部３５に出力する。一方、第１判断部３３は上述した通り、ＲＯＩボックス生成部３１から入力されるＲＯＩボックス内の対象体映像に対するヒストグラムをメモリに伝送してメモリに格納されている対象体映像に対する標準ヒストグラムを更新させる。

図２に示した第２判断部３５は、ＲＯＩボックス内に存在する対象体映像の輪郭を検出することができるかを判断する。即ち、第２判断部３５はＲＯＩボックス内の対象体映像から輪郭検出の可能性（capability）を判断することによって、３次元超音波診断システムの３次元超音波映像具現の効率性を高めることができる。一般に、対象体の各部分、例えば胎児及び胎児を取り囲んでいる羊水は超音波を吸収して反射する程度が互いに異なるため、明るさの差が明確になるエッジ効果（edge effect）により２次元超音波映像内の対象体には境界部分が形成される。第２判断部３５はエッジ効果に基づいて対象体映像に対する輪郭検出の可能性を判断するが、これに対して図６を参照しながら説明する。

図６Ａ及び図６Ｂは、第２判断部３５において対象体映像の輪郭検出に対する可能性を判断するために用いるマスク（mask）及びマスクが適用された２次元超音波映像を示す。一般に、２次元超音波映像内の対象体の境界を検出するために３×３形態のピクセルで構成されたマスクを多く用いている実情である。このようなマスクの設計において、２次元超音波映像の暗い部分に対応するピクセルには“−１”、明るい部分に対応するピクセルには“１”、そして暗い部分のピクセルと明るい部分のピクセル間に存在することによって境界を形成するピクセルには“０”の値を設定する。本発明の実施の形態においては図６Ａに示した通り、境界を形成するピクセルの領域を拡張させた５×５形態のピクセルで構成されたマスクを用いる。ここで、マスクを構成するピクセルの大きさは２次元超音波映像を構成するピクセルの大きさと同一である。

第２判断部３５は、図６Ａに示したマスクの中心に位置するピクセルを図６Ｂに示したＲＯＩボックスの上端境界ラインとＲＯＩボックス内の胎児の顔の映像の１／２地点間に該当する領域“Ａ”に存在する全てのピクセルと１：１マッチング（matching）させながら境界を形成するピクセルを検出する。詳細に説明すれば、まず第２判断部３５は５×５マスクの中心ピクセルを領域“Ａ”に存在する任意のピクセルと１：１にマッチングさせる。次に、第２判断部３５は領域“Ａ”に存在する任意のピクセルの周囲に分布し、５×５マスクを構成するピクセルと１：１に対応するピクセルを選択する。その次に、第２判断部３５は選択されたピクセルのピクセル値それぞれを５×５マスクを構成するピクセルに対応する値、即ち“−１”、“１”及び“０”のうちのいずれか一つで乗じた後、その結果を最終的に合算する。第２判断部３５は、最終的に合算された任意の値を５×５マスクの中心ピクセルとマッチングされた領域“Ａ”に存在する任意のピクセルに対する新たなピクセル値として決定する。第２判断部３５は、上述したプロセスを領域“Ａ”に存在する全てのピクセルに適用し、新たに決定されたピクセル値の中で予め設定されたピクセル値以上を有するピクセルを対象体の境界を形成するピクセルとして決定する。本発明の実施の形態においては新たに決定されたピクセル値の中の上位２０％に該当するピクセル値を基準ピクセル値として決定する。

上述した通り、対象体の境界を形成するピクセルを検出すれば、第２判断部３５は領域“Ａ”を構成する全てのピクセル個数に対する境界ピクセル個数の比率及び境界を形成するピクセルの分散（variance）を計算して次の式１に適用することによって、対象体映像の輪郭検出に対する可能性を判断する。

ここで、ｉは３次元診断システムに搭載されたメモリ（図示せず）から第２判断部３５に入力される同一の種類の対象体に対する２次元超音波映像の番号、Ｄ_ｉは輪郭検出の可能性を示す判断数値、Ｒ_１ｉは領域“Ａ”を構成する全てのピクセル個数に対する境界ピクセル個数の比率、そしてＲ_２ｉは境界を形成するピクセルの分散を意味する。また、α及びβは式１のような判断数値方程式の係数（coefficient）であって、同一の種類の対象体に対する多様な２次元超音波映像の輪郭検出実験を通じて得られる。

詳細に説明すれば、第２判断部３５は３次元超音波診断システムに搭載されたメモリから同一の種類の対象体に対する多様な２次元超音波映像を選択する。次に、第２判断部３５は選択された２次元超音波映像の中で輪郭検出が可能であった２次元超音波映像には判断数値“１”を付与し、輪郭検出が不可能であった２次元超音波映像には判断数値“０”を付与する。その次に、第２判断部３５はメモリから選択された２次元超音波映像それぞれの判断数値とＲ_１ｉ及びＲ_２ｉを用いて式２のように定義された自乗平均誤差の値が最小となる場合のα及びβを求める。

自乗平均誤差の値を最小にするために、第２判断部３５は式２をα及びβに対してそれぞれ偏微分（partial differentiation）し、偏微分された式の値がそれぞれ“０”になる場合のα及びβを式１の係数として決定する。次に、第２判断部３５はＲ_１ｉ，Ｒ_２ｉ，α及びβを式１に適用することによって、第１判断部３３を通じて入力されたＲＯＩボックス内の対象体映像に対する判断数値を計算する。最終的に、第２判断部３５は計算された判断数値が予め設定された値以上であれば、ＲＯＩボックス内の対象体映像に対する輪郭検出が可能なものと判断し、入力された２次元超音波映像を図２に示した輪郭検出部３７に出力する。反面、計算された判断数値が予め設定された値未満であれば、第２判断部３５はＲＯＩボックス内の対象体映像に対する輪郭検出が不可能なものと判断して３次元超音波診断システムの動作を止め、輪郭検出が不可能であることを運営者に通知する。

説明の便宜上、図６Ｂに示した通り、ＲＯＩボックスの上端境界ラインと胎児の顔の映像間に存在する境界ピクセルを検出して顔の映像の上端表面に対する輪郭検出の可能性を判断するプロセスについて説明したが、ＲＯＩボックスの下端境界ライン、左側境界ライン、及び右側境界ラインと胎児の顔の映像間に存在する境界ピクセルを全て検出して上記と同一のプロセスによって顔の映像の輪郭検出の可能性を判断しなければならない。このためには、図６Ａに示した５×５マスクの予め設定されたピクセル値が変形されたマスクがそれぞれ用いられなければならない。即ち、ＲＯＩボックスの下端境界ラインには図６Ａに示した５×５マスクの第１行４２に存在するピクセルの値は“１”、第５行４４に存在するピクセルの値は“−１”である５×５マスクが用いられなければならず、ＲＯＩボックスの左側境界ラインには図６Ａに示した５×５マスクの第１列４６に存在するピクセルの値は“−１”、第５列４８に存在するピクセルの値は“１”である５×５マスクが用いられなければならず、ＲＯＩボックスの右側境界ラインには図６Ａに示した５×５マスクの第１列４６に存在するピクセルの値は“−１”、第５列４８に存在するピクセルの値は“１”である５×５マスクが用いられなければならない。顔の映像の下端表面、左側表面、及び右側表面に対する輪郭検出の可能性を判断するためのプロセスは上述と同様であるので、その詳しい説明は省略する。また、上述した輪郭検出の可能性に対する判断プロセスはＲＯＩボックス内の任意の対象体に対して同一に適用することができることを理解しなければならない。

図２に示した輪郭検出部３７は、第２判断部３５から入力されたＲＯＩボックス内に存在する対象体映像の輪郭を検出する。まず、輪郭検出部３７は十分な明度対比を有することができない対象体映像の短所を補完するために、ＲＯＩボックス内の対象体映像に存在するスペックル雑音をＬｅｅフィルターなどを用いて除去することによって、対象体映像の平坦化（smoothing）を行った後、ＲＯＩボックス内の対象体映像を構成するピクセルに対して次の式３のように定義されたピクセル値を付与することによって、対象体映像に対する明度対比ストレッチング（stretching）を行う。

ここで、Ｆ（ｘ）は輪郭検出部３７により付与される新たなピクセル値、ｘは第２判断部３５から入力される対象体映像を構成するピクセルの既存ピクセル値、ｌｏｗは第２判断部３５から入力される対象体映像に対するヒストグラムの低い範囲のしきい値（critical value）、そしてｈｉｇｈは第２判断部３５から入力される対象体映像に対するヒストグラムの高い範囲のしきい値を意味する。図７は輪郭検出部３７において予め設定されたＲＯＩボックス（図示せず）内の対象体映像を平坦化及び明度対比ストレッチングした結果の例を示す。以下では、前述した通り、映像の特性を明確に提供する胎児の映像から胎児の映像の輪郭を検出するプロセスについて説明する。

輪郭検出部３７はＲＯＩボックス内の胎児の映像に対する２値化しきい値を設定し、設定されたしきい値を基準にして胎児の映像を２値化する。次に、輪郭検出部３７は胎児の映像の２値化領域の中から雑音領域を除去することによって、胎児の映像の一部分と判断される領域のみ検出する。即ち、輪郭検出部３７はそれぞれの２値化領域に対する明度値を調査してその平均を計算し、計算された平均明度値以下の明度値を有する２値化領域を雑音領域とみなして除去する。また、平均明度値より高い明度値を有する雑音領域が存在することもあり得るため、輪郭検出部３７は２値化領域の大きさに対するしきい値を設定することによって、しきい値以下の大きさを有する２値化領域を雑音領域とみなして除去する。図８Ａ及び図８Ｂは、輪郭検出部３７において、ＲＯＩボックス（図示せず）内の胎児の映像を２値化した結果及び２値化領域の中から雑音領域を除去した結果の例をそれぞれ示す。

ここで、図９を参照して輪郭検出部３７で行われる胎児の映像の輪郭検出プロセスに対して説明する。まず、図８Ｂに示した通り胎児の映像に対する２値化領域が生成されれば、輪郭検出部３７は胎児の映像の輪郭を検出するために、ＲＯＩボックスの上端境界ライン（図示せず）をＲＯＩボックスの下端境界ライン（図示せず）の方に移動させる。次に輪郭検出部３７はＲＯＩボックスの上端境界ラインに会う２値化領域の上端表面に該当するピクセルを抽出してすぐ隣接するピクセルと連結する。ここで、胎児の映像の顔と体の間には深い谷が存在するため、図９Ａに示した通り胎児の映像の上端表面に対する輪郭を得る。図９Ａに示した通り互いに分離された状態の輪郭が検出されれば、輪郭検出部３７は分離された輪郭を互いに連結することによって、胎児の映像の上端表面に対する最終的な輪郭を得る。このように検出された輪郭をディスプレイ装置にディスプレイされた２次元超音波映像に適用した結果を図９Ｂで示している。説明の便宜上、胎児の映像の上端表面に対する輪郭検出に対してのみ説明したが、上述したプロセスをＲＯＩボックスの下端境界ライン及び左／右側境界ラインに適用することによって、胎児の映像の上、下、左、右に対する全ての輪郭を検出することができることを理解しなければならない。最後に、輪郭検出部３７は、胎児の映像から検出された輪郭がディスプレイされた２次元超音波映像を図２に示した３次元映像化部３９に出力する。

図２に示した３次元映像化部３９は、対象体に対するボリュームデータのみをレンダリングして３次元超音波映像を形成する。このために、３次元映像化部３９は、輪郭検出部３７から入力された対象体映像の輪郭内に対応するボリュームデータのみをボリュームデータ獲得部（図示せず）に格納されているボリュームデータの中から選択する。次に、３次元映像化部３９は選択されたボリュームデータをスキャン変換した後、通常用いられているボリュームレンダリングプロセスを適用することによって、ディスプレイ装置に対象体に対するより正確な３次元超音波映像をディスプレイする。

上述した実施の形態は、本発明の原理を応用した多様な実施の形態の一部を示したものに過ぎない。本技術分野で通常の知識を有する者は本発明の本質から外れず様々な変形が可能である。

２次元超音波映像に生成された関心領域（region of interest）ボックスを示した図面である。２次元超音波映像に生成された関心領域（region of interest）ボックスを示した図面である。本発明の望ましい実施例による３次元超音波映像形成装置の概略的な構成を示したブロック図である。図２に示したＲＯＩボックス生成部の詳細ブロック図である。２次元超音波映像を映像分割した結果の例を示した図面である。２次元超音波映像を映像分割した結果の例を示した図面である。２次元超音波映像を映像分割した結果の例を示した図面である。胎児（fetus）の顔の映像に対するＲＯＩボックスの大きさを自動的に調整するプロセスを説明するための図面である。胎児（fetus）の顔の映像に対するＲＯＩボックスの大きさを自動的に調整するプロセスを説明するための図面である。胎児（fetus）の顔の映像に対するＲＯＩボックスの大きさを自動的に調整するプロセスを説明するための図面である。胎児（fetus）の顔の映像に対するＲＯＩボックスの大きさを自動的に調整するプロセスを説明するための図面である。胎児（fetus）の顔の映像に対するＲＯＩボックスの大きさを自動的に調整するプロセスを説明するための図面である。胎児（fetus）の顔の映像に対するＲＯＩボックスの大きさを自動的に調整するプロセスを説明するための図面である。対象体映像の輪郭検出に対する可能性を判断するために用いられるマスク及びマスクを適用した２次元超音波映像を示した図面である。対象体映像の輪郭検出に対する可能性を判断するために用いられるマスク及びマスクを適用した２次元超音波映像を示した図面である。ＲＯＩボックス内の対象体映像の平坦化（smoothing）及び明度対比ストレッチング（stretching）した結果の例を示した図面である。ＲＯＩボックス内の対象体映像の平坦化（smoothing）及び明度対比ストレッチング（stretching）した結果の例を示した図面である。ＲＯＩボックス内の対象体の映像を２値化（binarization）した結果の例を示した図面である。ＲＯＩボックス内の対象体の映像を２値化（binarization）した結果の例を示した図面である。胎児の映像の上端表面に対する輪郭検出の例を示した図面である。胎児の映像の上端表面に対する輪郭検出の例を示した図面である。

符号の説明

３１：ＲＯＩボックス生成部
３３：第１判断部
３５：第２判断部
３７：輪郭検出部
３９：３次元映像化部

Claims

２次元超音波映像にＲＯＩ（region of interest）ボックスを自動生成するためのＲＯＩボックス自動生成手段と、
上記ＲＯＩボックス内の対象体映像の輪郭を検出するための輪郭検出手段と、
上記検出された輪郭内に存在する上記対象体のボリュームデータをレンダリングして３次元超音波映像を形成するための３次元超音波映像化手段とを備えることを特徴とする３次元超音波映像形成装置。
上記自動的に生成されたＲＯＩボックスの大きさが上記ＲＯＩボックス内の上記対象体映像の大きさに適するかを判断するための第１判断手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の３次元超音波映像形成装置。
上記ＲＯＩボックス内の上記対象体映像の輪郭検出が可能であるかを判断するための第２判断手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の３次元超音波映像形成装置。
上記ＲＯＩボックス自動生成手段は、
上記２次元超音波映像を上記対象体映像と上記対象体周辺の背景に対する映像に分割するための手段と、
上記２次元超音波映像に上記対象体映像の種類別に予め設定された大きさのＲＯＩボックスを設定するための手段と、
上記設定されたＲＯＩボックスの大きさを上記対象体映像の大きさに適するように調整するためのＲＯＩボックス調整手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の３次元超音波映像形成装置。
上記ＲＯＩボックス調整手段は、
上記設定されたＲＯＩボックス内の上記対象体映像を２値化（binarization）して上記対象体映像の２値化領域中から雑音領域を除去し、
上記２値化領域に予め設定された値のピクセル値を付与して上記対象体に対する２値化映像及び上記２値化映像に対する表面曲線を生成し、
上記設定されたＲＯＩボックスの境界ラインを相互対向する方向に移動させて上記境界ラインに最も近接した上記表面曲線上のピクセルが存在する位置を上記ＲＯＩボックスの新たな境界ラインに調整することを特徴とする請求項４に記載の３次元超音波映像形成装置。
上記第１判断手段は上記対象体映像の種類別２次元超音波映像に対する予め設定された標準ヒストグラムと上記ＲＯＩボックス内の上記対象体映像に対するヒストグラムの自乗平均誤差値を計算することによって、上記自動的に生成されたＲＯＩボックスの大きさに対する適合性を判断することを特徴とする請求項２に記載の３次元超音波映像形成装置。
上記第２判断手段は、
上記ＲＯＩボックス内の上記対象体映像に予め設定された形態のマスクを用いた１：１マッチングを適用して上記対象体映像の境界を形成するピクセルを抽出し、上記１：１マッチングされた上記対象体映像の全てのピクセル個数に対する上記境界ピクセル個数の比率と上記境界ピクセルの分散を次の式に適用することによって、上記対象体映像の輪郭検出に対する可能性を判断し、

ここで、ｉはメモリに事前格納されている同一の種類の対象体に対する２次元超音波映像の番号、Ｄｉは輪郭検出の可能性を示す判断数値、Ｒ_１ｉは上記１：１マッチングされた上記対象体映像の全てのピクセル個数に対する上記境界ピクセル個数の比率、Ｒ_２ｉは上記境界ピクセルの分散を意味し、α及びβは上記同一の種類の対象体に対する２次元超音波映像の輪郭検出実験を通じて得られた係数であって、次の式のように定義された自乗平均誤差値が最小になる場合の値であり、

ここで、上記自乗平均誤差値を最小化するために上記自乗平均誤差値を上記α及びβそれぞれに対して偏微分し、上記α及びβそれぞれに対して偏微分された式の値がそれぞれ“０”になる場合のα及びβを上記係数として決定することを特徴とする請求項３に記載の３次元超音波映像形成装置。
上記輪郭検出手段は、
上記ＲＯＩボックス内の上記対象体映像の十分な明度対比のために上記対象体映像に対する明度対比ストレッチングを実行し、
上記ＲＯＩボックス内の上記対象体映像を２値化して上記対象体映像の２値化領域中から雑音領域を除去し、
上記ＲＯＩボックスの境界ラインを相互対向する方向に移動させて上記境界ラインと交わる上記２値化領域の表面に存在するピクセルを抽出して互いに隣接するピクセルと連結することによって、上記対象体映像に対する輪郭を検出することを特徴とする請求項１に記載の３次元超音波映像形成装置。
２次元超音波映像にＲＯＩボックスを自動生成するＲＯＩボックス自動生成段階と、
上記ＲＯＩボックス内の対象体映像の輪郭を検出する輪郭検出段階と、
上記検出された輪郭内に存在する上記対象体のボリュームデータをレンダリングして３次元超音波映像を形成する段階とを備えることを特徴とする３次元超音波映像形成方法。
上記自動的に生成されたＲＯＩボックスの大きさが上記ＲＯＩボックス内の上記対象体映像の大きさに適するかを判断する第１判断段階をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の３次元超音波映像形成方法。
上記ＲＯＩボックス内の上記対象体映像の輪郭検出が可能であるかを判断する第２判断段階をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の３次元超音波映像形成方法。
上記ＲＯＩボックス自動生成段階は、
上記２次元超音波映像を上記対象体映像と上記対象体周辺の背景に対する映像に分割する段階と、
上記２次元超音波映像に上記対象体映像の種類別に予め設定された大きさのＲＯＩボックスを設定する段階と、
上記設定されたＲＯＩボックスの大きさを上記対象体映像の大きさに適するように調整するＲＯＩボックス調整段階とを備えることを特徴とする請求項９に記載の３次元超音波映像形成方法。
上記ＲＯＩボックス調整段階は、
上記設定されたＲＯＩボックス内の上記対象体映像を２値化して上記対象体映像の２値化領域中から雑音領域を除去し、
上記２値化領域に予め設定された値のピクセル値を付与して上記対象体に対する２値化映像及び上記２値化映像に対する表面曲線を生成し、
上記設定されたＲＯＩボックスの境界ラインを相互対向する方向に移動させて上記境界ラインに最も近接した上記表面曲線上のピクセルが存在する位置を上記ＲＯＩボックスの新たな境界ラインに調整することを特徴とする請求項１２に記載の３次元超音波映像形成方法。
上記第１判断段階は上記対象体映像の種類別２次元超音波映像に対する予め設定された標準ヒストグラムと上記ＲＯＩボックス内の上記対象体映像に対するヒストグラムの自乗平均誤差値を計算することによって、上記自動的に生成されたＲＯＩボックスの大きさに対する適合性を判断することを特徴とする請求項１０に記載の３次元超音波映像形成方法。
上記第２判断段階は、
上記ＲＯＩボックス内の上記対象体映像に予め設定された形態のマスクを用いた１：１マッチングを適用して上記対象体映像の境界を形成するピクセルを抽出し、上記１：１マッチングされた上記対象体映像の全てのピクセル個数に対する上記境界ピクセル個数の比率と上記境界ピクセルの分散を次の式に適用することによって、上記対象体映像の輪郭検出に対する可能性を判断し、

ここで、ｉはメモリに事前格納されている同一の種類の対象体に対する２次元超音波映像の番号、Ｄｉは輪郭検出の可能性を示す判断数値、Ｒ_１ｉは上記１：１マッチングされた上記対象体映像の全てのピクセル個数に対する上記境界ピクセル個数の比率、Ｒ_２ｉは上記境界ピクセルの分散を意味し、α及びβは上記同一の種類の対象体に対する２次元超音波映像の輪郭検出実験を通じて得られた係数であって、次の式のように定義された自乗平均誤差値が最小になる場合の値であり、

ここで、上記自乗平均誤差値を最小化するために、上記自乗平均誤差値を上記α及びβそれぞれに対して偏微分し、上記α及びβそれぞれに対して偏微分された式の値がそれぞれ“０”になる場合のα及びβを上記係数として決定することを特徴とする請求項１１に記載の３次元超音波映像形成方法。
上記輪郭検出段階は、
上記ＲＯＩボックス内の上記対象体映像の十分な明度対比のために上記対象体映像に対する明度対比ストレッチングを実行し、
上記ＲＯＩボックス内の上記対象体映像を２値化して上記対象体映像の２値化領域中から雑音領域を除去し、
上記ＲＯＩボックスの境界ラインを相互対向する方向に移動させて上記境界ラインと交わる上記２値化領域の表面に存在するピクセルを抽出して互いに隣接するピクセルと連結することによって、上記対象体映像に対する輪郭を検出することを特徴とする請求項９に記載の３次元超音波映像形成方法。