JP4594836B2 - 超音波撮像装置 - Google Patents
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しかしながら、特許文献5においては、位相整合後の信号の強度統計量を画像化することは行われているが、素子レベルの信号については触れられていない。
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、超音波エコーを受信することによって複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力された複数の受信信号に基づいて、反射体の組織性状を検出することを第1の目的とする。また、本発明は、反射体の組織を表す超音波エコー信号と、スペックル成分を表す超音波エコー信号とを分離することにより、反射体の組織をわかりやすく描出することを第2の目的とする。さらに、本発明は、軟部組織及び硬部組織を明確に区別して表すことにより、医療診断に適した画像表示を行うことを第3の目的とする。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る超音波撮像装置は、超音波用探触子10と、操作卓11と、制御部12と、記録部13と、送受信位置設定部14と、送信遅延制御部15と、駆動信号発生部16と、送受信切換部17とを含んでいる。
制御部12は、例えば、CPU及びソフトウェアによって構成されており、操作卓11から入力された命令や情報に基づいて、超音波撮像装置の各部を制御する。記録部13には、制御部12を構成するCPUに動作を実行させるプログラム等が記録されている。
送受信切換部17は、制御部11の制御の下、超音波用探触子10に駆動信号を供給する送信モードと、超音波用探触子10から受信信号を出力する受信モードとを切り換える。
位相整合部23は、受信遅延制御部22から供給された遅延パターンに基づいて、A/D変換された複数の受信信号(受信データ)にそれぞれ遅延を与え、それらを加算することにより、受信フォーカス処理を行う。この受信フォーカス処理により、超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線信号(音線データ)が形成される。
信号前処理部25は、A/D変換された複数の受信信号について、必要に応じて以下の(i)〜(iii)に示す強度補正を行う。
超音波トランスデューサアレイを製造する際に生じる超音波トランスデューサの性能のばらつきを補正する。この補正は、標準反射源を用いて超音波用探触子10から超音波ビームの送受信を行うことにより、予め各超音波トランスデューサの特性を測定して補正テーブルを作成しておき、受信信号の処理時に、その補正テーブルを用いることによって行うことができる。
超音波トランスデューサアレイにおいては、開口の端に位置する超音波トランスデューサほど、超音波エコーの反射位置に対する立体角が小さくなるので、見かけの受信強度が小さくなる。そのため、受信深度(超音波エコーの反射位置の深さ)、各超音波トランスデューサとの位置関係、及び、開口によって定まる超音波トランスデューサ間の受信立体角の差に応じて、受信信号について強度補正を行う。
受信深度と各超音波トランスデューサとの位置関係によって変化する超音波エコーの距離減衰量を補正する。補正量は観察部位によって変わるので、観察部位に応じた標準値をデフォルト値として予め設定しておいて、表示された画像を見ながらオペレータが設定値を調整するようにしても良い。
組織性状画像データ生成手段2における画像生成の原理については、後で詳しく説明する。
まず、図2の(a)に示すように、超音波トランスデューサ10a〜10eを含む超音波トランスデューサアレイを用いて、反射体101に向けて超音波ビームを送信し、深度Dに位置する反射体101の表面において反射された超音波エコーを受信する場合を考える。図2の(b)は、超音波トランスデューサ10a〜10eにおける超音波エコーの受信波形を表している。なお、図2の(b)において、横軸は、時刻(t)を示しており、縦軸は、受信信号の電圧を示している。また、図2の(c)は、超音波トランスデューサ10a〜10eから出力される受信信号の強度分布を表している。図2の(c)において、横軸は超音波トランスデューサ(素子)の位置を示し、縦軸は、受信信号の強度を示している。
Bモード画像を生成する場合には、同じ位相整合線L1上の受信信号に所定の遅延時間を与えて加算する。それにより、反射点101aを含む領域に関する超音波情報を表す音線信号SLが形成される。
まず、図1に示す空間強度分布解析部26は、解析対象となる領域(解析領域)に関する複数の受信信号の強度分布を求める。即ち、横軸をトランスデューサの位置座標とし、縦軸を受信信号の強度とするグラフにおいて、超音波トランスデューサアレイの内、開口径DAに含まれる複数の超音波トランスデューサから出力された同位相整合線上の受信信号の強度をプロットする。次に、その強度分布図において、横軸をデータ数値と読み替え、縦軸を度数と読み替える。図5に示すように、それによって得られた関係図を、以下において、確率変数xと確率密度関数f(x)との関係を表す度数分布図として取り扱う。
(1)平均
度数の定量的特性を表す値として、平均が用いられる。超音波トランスデューサアレイの正面方向から伝播する超音波エコーを受信すると、通常は平均がゼロ(中央)となるが、反射体が超音波トランスデューサアレイに対して傾いている場合には、平均が中央から端部にずれてくる。平均としては、通常の算術平均(相加平均)の他に、メディアン(中央値)やモード(最頻値)も用いられる。なお、これらの算術平均、メディアン、モードの大小関係は、度数の分布状態に応じて変化するので、度数のばらつきを推定する際に用いることもできる。
度数を最小値から順に並べた場合において、データ数の中央に位置する値のことをいう。データ数が偶数個である場合には、中央の2つの値の算術平均が用いられる。
(1−2)モード
度数の中で、最も頻度の高い値のことをいう。
分散は、度数のばらつきを示す尺度の1つであり、各検出データと算術平均との差である偏差の2乗和を、データ数(又は、データ数−1)で割ることによって求められる。曲線(1)のように、度数分布が正規分布に近く、ピークが立っている場合には、分散の値が小さくなる。反対に、曲線(2)のように、度数分布がランダムである場合や、曲線(3)のように、度数分布が一様である場合には、分散の値は大きくなる。
歪度とは、度数の平均の周りにおける非対称の度合いを表す尺度であり、次式により求められる。
歪度=(偏差の3乗和/データ数)/標準偏差の3乗
歪度がゼロとは、度数分布が偏っていないことを表し、この場合に、算術平均とメディアンとモードとが等しくなる。また、歪度が正とは、度数分布が負に偏っていることを表し、この場合に、算術平均>メディアン>モードという関係になる。さらに、歪度が負とは、度数分布が正に偏っていることを表し、この場合に、算術平均<メディアン<モードという関係になる。
尖度とは、度数の平均の周りにおける集中度(尖っている度合い)を表す尺度であり、次式により求められる。
尖度=(偏差の4乗和/データ数)/標準偏差の4乗
ここで、平均が0であり、分散が1である標準正規分布においては、尖度が3となる。そのため、尖度は、数値3を基準として評価される。即ち、尖度が3である場合に、度数分布は正規分布に近い状態になっている。また、尖度が3より小さくなるほど、度数分布は平坦な状態となる。さらに、尖度が3より大きくなるほど、度数分布は平均周りが尖った状態となる。
曲線(2)のように、度数がランダムに分布している場合には、ランダムの度合いを示す尺度も算出される。そのような尺度として、例えば、図5に示すように、曲線(2)における山(peak)と谷(valley)の間隔(p−v値)や、隣接する超音波トランスデューサ間における度数の差分2乗平均等が用いられる。これらの尺度は、値が大きいほど超音波エコーが不定状態にあり、スペックル成分が大きいことを示す。
図9に示すように、この超音波撮像装置は、図1に示す超音波撮像装置に対して、反射率補正部40をさらに有している。その他の構成については、図1に示す超音波撮像装置と同様である。
反射率補正部40は、空間強度分布解析部26によって算出された統計量をパラメータとして用いることにより、Bモード画像データ生成部24に対して、Bモード画像データを補正するための補正量を与える。
このように、本実施形態によれば、真の反射率、即ち、正確な音響インピーダンスの差に基づいてBモード画像表示することができる。
図10に示すように、この超音波撮像装置は、図1に示す超音波撮像装置における組織性状画像データ生成手段2の替わりに、組織性状画像データ生成手段3を有している。その他の構成については、図1に示す超音波撮像装置と同様である。
図11は、第1の例に係るヒストグラム解析部50及び組織性状画像データ生成部51(図10)の動作を示すフローチャートである。
図11のステップS11において、解析対象となる反射体上の領域(解析領域)に関する受信信号について、図12の(a)に示すような強度分布を求め、さらに、その強度分布に基づいて、図12の(b)に示すヒストグラムを作成する。ここで、図12の(a)は、超音波トランスデューサアレイの内、開口径DAに含まれる複数の超音波トランスデューサから出力された受信信号の強度分布を示している。
次に、ステップS13及びS14において、規格化されたヒストグラムの分布状態を、ベータ分布を用いて定量化する。ベータ分布は、形状パラメータα及びβを用いて、X〜B(α、β)と表され、ベータ分布における確率密度関数f(x)、原点の周りのr次のモーメント(積率)、平均E(x)、分散VAR(x)、及び、モードMODは、次式(1)〜(5)によって表される。
この場合には、図14の(a)〜(c)に示すように、確率密度関数f(x)はU字型となる。これは、図12の(a)に示すように、受信信号の強度分布においてピークが立っており、反射体表面が超音波を正反射する硬部組織であることを表している。そこで、そのような解析領域に対応する表示領域の組織性状画像データに、青系の色を割り当てることとする。その際に、図14の(a)又は(b)に示すように、|α×β|の値が小さいほど、確率密度関数f(x)のU字勾配が急になり、強い正反射を表すので、濃い青色を割り当てるようにする。反対に、図14の(c)に示すように、|α×β|の値が大きいほど、確率密度関数のU字勾配が緩やかになり、正反射が弱くなるので、薄い青色を割り当てるようにする。
この場合には、図15の(a)〜(d)に示すように、確率密度関数はJ字型となる。これは、受信信号の強度分布において、ある程度ピークが立っている正反射であるが、強度のピーク中心が、トランスデューサアレイの開口外にあることを表している。例えば、図16に示す強度分布が得られる場合に、超音波トランスデューサの開口径DAを変化させることにより、ヒストグラムは、図17の(a)〜(d)のように変化する。
この場合には、図18の(a)〜(c)に示すように、確率密度関数f(x)は単峰(一山)型となる。これは、即ち、受信信号の強度分布が正規分布であり、反射体表面が超音波を散乱反射する軟部組織であることを表している。そこで、そのような解析領域に対応する表示領域の組織性状画像データに、赤系の色を割り当てることとする。その際に、図18の(a)又は(b)に示すように、|α×β|の値が大きいほど確率密度関数f(x)の山が急になり、強度分布のばらつきが小さく均一な拡散面を表すので、濃い赤色を割り当てるようにする。反対に、図18の(c)に示すように、|α×β|の値が小さいほど確率密度関数f(x)の山が緩やかになり、強度分布のばらつきが大きくなるので、薄い赤色を割り当てるようにする。或いは、ある設定された閾値よりも|α×β|の値が小さい領域については、黄系の色を割り当てても良い。そのような領域は、スペックル成分を表すことが多い。
この例においては、第1の例において説明したのと同様に、解析領域に関する受信信号について強度分布を求めてヒストグラムを作成し、それを規格化することによって得られたヒストグラムに基づいて、各種の統計量を算出する。統計量としては、モード、メディアン、四分位偏差、歪度、頻度等が用いられる。ここで、四分位偏差とは、度数の散布度を表す指標であり、四分位偏差QRは、第1四分位数X0.25及び第3四分位数X0.75を用いて、次式によって求められる。なお、四分位数とは、データを小さい方から整列した場合に、度数を4等分する位置における値のことであり、第1四分位数は小さい方から25%に位置する値であり、第3四分位数は小さい方から75%に位置する値である。
QR=(X0.75−X0.25)/2
また、その他の統計量については、第1の実施形態において説明したものと同様である。
(i)分散σ2、四分位偏差、又は、尖度が閾値より小さい場合
度数分布が平均付近に集中している状態においては、これらの統計量は小さくなる。この場合には、解析領域が散乱反射面であるとして、対応する表示領域の組織性状画像データに赤系の色を割り当てる。なお、この場合には、ベータ分布は正規分布(単峰型)となる。
度数分布の平均からのばらつきが大きい状態においては、これらの統計量は大きくなる。この場合には、解析領域が反射面であるとして、対応する表示領域の組織性状画像データに青系の色を割り当てる。なお、この場合には、ベータ分布は、U字型又はJ字型となる。
ここで、上記(i)又は(ii)においては、例えば、図5の曲線(3)のように、度数が一様分布であるときの各統計量を閾値として用いても良い。また、統計量の大きさに応じて、割り当てられた色の濃さや彩度を変化させても良い。
図20に示すように、この超音波撮像装置は、図1に示す超音波撮像装置における組織性状画像データ生成手段2の替わりに、組織性状画像データ生成手段4を有している。その他の構成については、図1に示す超音波撮像装置と同様である。
このように、強度分布解析情報とヒストグラム解析情報とを組み合わせて用いることにより、診断により適した超音波画像を表示することが可能になる。
図21に示すように、この超音波撮像装置は、図1に示す超音波撮像装置に対して、組織性状別Bモード画像データ生成部70及びゲイン調整・Bモード画像合成部71をさらに有している。また、この超音波撮像装置は、図1に示す画像合成部30の替わりに、画像合成部72を有している。その他の構成については、図1に示す超音波撮像装置と同様である。
2〜4 組織性状画像データ生成手段
10 超音波用探触子
10a、10b、… 超音波トランスデューサ
11 操作卓
12 制御部
13 記録部
14 送受信位置設定部
15 送信遅延制御部
16 駆動信号発生部
17 送受信切換部
20 前置増幅器
21 A/D変換器
22 受信遅延制御部
23 位相整合部
24 Bモード画像生成部
25 信号前処理部
26 空間強度分布解析部
27、51、61 組織性状画像データ生成部
30、72 画像合成部
31 画像データ記憶部
32 画像処理部
33 表示部
40 反射率補正部
50 ヒストグラム解析部
60 アルゴリズム選択部
70 組織性状別Bモード画像データ生成部
71 ゲイン調整・Bモード画像合成部
101a、102a、103a 反射点
101、103 正反射体
102 散乱反射体
111 骨部
112 腱及び靭帯
113 筋肉組織
114 スペックル領域
Claims (12)
- 被検体に向けて超音波を送信すると共に、被検体から反射された超音波を受信することにより受信信号を出力する複数の超音波トランスデューサを含む超音波用探触子と、
前記複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力された複数の受信信号の内で、前記被検体内の領域に関する少なくとも一群の受信信号の空間強度分布又は該空間強度分布に基づいて算出された統計量に基づいて、前記領域における組織性状に関する情報を生成する組織性状情報生成手段と、
を具備する超音波撮像装置。 - 前記組織性状情報生成手段が、前記一群の受信信号を検波して、検波された前記少なくとも一群の受信信号の空間強度分布又は該空間強度分布に基づいて算出された統計量を求める、請求項1記載の超音波撮像装置。
- 前記組織性状情報生成手段が、前記空間強度分布又は該空間強度分布に基づいて算出された統計量を表す量をパラメータとして用いることにより、前記領域に関する組織性状を表す画像データを生成する組織性状画像データ生成部を含む、請求項1又は2記載の超音波撮像装置。
- 前記組織性状画像データ生成部が、前記領域について、前記パラメータに対応する色を割り当てることにより前記領域に関する組織性状を表す画像データを生成する、請求項3記載の超音波撮像装置。
- 前記組織性状画像データ生成部が、硬部組織を表すパラメータを有する領域と、軟部組織を表すパラメータを有する領域とに、互いに異なる色を割り当てる、請求項4記載の超音波撮像装置。
- 前記複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力された複数の受信信号について位相整合を施すことにより、前記領域に関するBモード画像データを生成するBモード画像データ生成手段をさらに具備する請求項1〜5のいずれか1項記載の超音波撮像装置。
- 前記複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力された複数の受信信号について位相整合を施すと共に、前記空間強度分布又は該空間強度分布に基づいて算出された統計量を表す量をパラメータとして用いることにより、組織性状別に表されたBモード画像をそれぞれ表す複数種類の組織性状別Bモード画像データを生成する手段をさらに具備する請求項1〜6のいずれか1項記載の超音波撮像装置。
- 前記複数種類の組織性状別Bモード画像データに基づいて、複数の組織性状別Bモード画像を画面に表示させる手段をさらに具備する、請求項7記載の超音波撮像装置。
- 前記複数種類の組織性状別Bモード画像データの各々についてゲインを調整すると共に、ゲインを調整された複数種類の組織性状別Bモード画像データを重ね合わせることにより、合成Bモード画像データを生成する手段をさらに具備する、請求項7又は8記載の超音波撮像装置。
- 前記Bモード画像データによって表される画像と前記領域に関する組織性状を表す画像データによって表される画像とを重ね合わせることにより、合成画像データを生成する手段をさらに具備する請求項6記載の超音波撮像装置。
- 前記組織性状別Bモード画像データによって表される組織性状別Bモード画像と、該組織性状別Bモード画像に表された領域に関する組織性状を表す画像データによって表される画像とを重ね合わせることにより、合成画像データを生成する手段をさらに具備する請求項7記載の超音波撮像装置。
- 前記合成Bモード画像データによって表される合成Bモード画像と、該合成Bモード画像に表された領域に関する組織性状を表す画像データによって表される画像とを重ね合わせることにより、合成画像データを生成する手段をさらに具備する請求項9記載の超音波撮像装置。
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