JP4742304B2

JP4742304B2 - 超音波断面映像改善装置及び方法

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Publication number: JP4742304B2
Application number: JP2005307571A
Authority: JP
Inventors: ジェグンイ
Original assignee: Samsung Medison Co Ltd
Current assignee: Samsung Medison Co Ltd
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2025-10-21
Also published as: KR100697728B1; US20060100512A1; KR20060035295A; EP1650707A2; JP2006116316A; EP1650707A3

Description

本発明は基準断面の位置を中心に隣接した多数の超音波断面映像を合成して超音波断面映像の画質を改善する装置及び方法に関するものである。

一般に、３次元超音波診断システムは、既存の２次元映像で提供できない空間情報と解剖学的形態などのような臨床情報をリアルタイムで提供する医療装置であって、現在産婦人科、内科などへの普及が拡大している。このような３次元超音波診断システムは、プローブ（Probe）などを用いて対象体に対する３次元データを獲得し、獲得されたデータをディスプレイするのに適した直交座標データへ変換（スキャン変換）してレンダリングすることによって、対象体に対する３次元映像をディスプレイ装置にディスプレイする機能を有している。このように３次元データ変換及びレンダリングを通じて超音波映像を画面上にディスプレイしたものをビュー１０１と呼ぶ。このようなビュー１０１の一例を図１に示す。ビュー１０１は、対象体の３次元超音波映像１０２、３次元超音波映像１０２の正面を示すコロナルビュー（coronal view）の超音波断面映像１０３、３次元超音波映像１０２の側面を示すセジタルビュー（sagital view）の超音波断面映像１０４及び３次元超音波映像１０２の上面を示すアクシャルビュー（axial view）の超音波断面映像１０５で構成されている。ビュー１０１の超音波映像１０２〜１０５の中でユーザがいずれか一つの超音波映像を動かせば、残りの超音波映像も共に動く。

コロナルビュー、セジタルビュー及びアクシャルビューを形成するための超音波断面映像を図２ａ〜図２ｃに例示したが、ここで実線で表示したものが対象体であり、斜線を引いた部分が断面である。ところが、このような断面映像の画質はその断面映像が３次元データの再構成を通じて断面映像を仮想で形成し、また、３次元データの獲得過程でデータの分解能（解像度）が低いため、診断するのに困難がある。その中でも産婦人科の診断に重要なアクシャル断面映像はコロナルとセジタル断面映像に比べてデータの分解能がさらに低く、診断を目的とするには映像の画質の改善が必要である。

図３ａ及び図３ｂを用いて、コロナル断面、セジタル断面及びアクシャル断面映像の解像度を説明する。

３次元超音波データは、図３ａに示すように、軸／側面／高さ（Axial/Lateral/Elevational）方向で構成されており、各断面を構成する方向を図３ｂに示す。３次元超音波データを獲得（スキャン）する時、超音波装置は内部的に軸方向＞側面方向＞高さ方向の順にデータ量を獲得するため、Ｃ断面に該当するアクシャル断面映像の解像度が最も劣るようになる。

このような断面映像の画質を改善させる方式として映像処理を用いた後処理方式が研究及び利用されている。しかし、映像処理を用いた後処理方式は超音波映像のようにスペックルノイズ成分が多い映像に対してスペックルノイズを除去することができるが、自然な映像を形状化する場合には超音波断面映像の画質を充分に改善させることができないという問題があった。

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、基準断面の位置を中心に隣接した各断面映像を合成して超音波断面映像の画質を改善させることができる超音波断面映像改善装置及び方法を得るものである。

本発明に係る超音波断面映像改善装置は、超音波断面映像の画質を改善する３次元超音波診断システムであって、プローブから対象体の３次元データを受信して基準断面映像を選択し、選択された基準断面映像のディスプレイ領域を計算するディスプレイ領域計算部と、対象体を示すビューの３次元直交座標にマッチングされるインデックス及びインデックスに対応する円錐座標を格納する幾何学的ルックアップテーブル格納部と、幾何学的ルックアップテーブル格納部を参照し、対象体の基準断面映像及び基準断面映像を中心にオフセットを調整した多数の断面映像を直交座標にスキャン変換するスキャン変換部と、スキャン変換された基準断面映像と多数の断面映像をレンダリングするレンダリング部と、レンダリング部から受信した基準断面映像と基準断面映像を中心に隣接した多数の断面映像を合成する断面映像合成部とを備える。

また、本発明に係る超音波断面映像改善方法は、超音波断面映像の画質を改善する３次元超音波診断方法であって、対象体を示すビューの３次元直交座標にマッチングされるインデックス及びインデックスに対応する円錐座標を格納する段階と、プローブを通じて受信した対象体の３次元データから基準断面映像を選択し、選択された基準断面映像のディスプレイ領域を計算する段階と、格納されたインデックス及び円錐座標を参照してオフセットを調節した複数の断面映像の円錐座標を直交座標へスキャン変換する段階と、スキャン変換された基準断面映像を含む断面映像をレンダリングする段階と、レンダリングされた基準断面映像と多数の断面映像を合成する段階とを備える。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明は上記の構成により、基準になる断面の位置を中心に隣接した複数の断面映像を合成することによって、超音波映像のスペックルノイズ成分を除去させて自然な映像を提供することができる。また、本発明により改善された超音波映像を提供することによって、医師が患者を診断する際の利便性を向上させることができる。

以下、添付された図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図４ａでは、本発明の実施の形態に係る３次元超音波診断システム３００が示されている。図示のように、３次元超音波診断システム３００は、プローブ３０１、本体３０２及びディスプレイ装置３０３を備える。プローブ３０１は、一般に機構（mechanical arm）により動いたりステッピングモーター（stepping motor）により回転したりする機械的スキャニング方式、またはユーザが直接手で移動してスキャンするハンドフリー方式を用いて対象体の３次元データを獲得する。ディスプレイ装置３０３は、ユーザに３次元映像をディスプレイできるものであればどのようなものでも構わない。本体３０２は、以下で説明するように、本発明の特徴部分である超音波断面映像改善装置３１０を備える。

図４ｂは、本発明の実施の形態に係る超音波断面映像改善装置の構成を示すブロック図である。図示のように、超音波断面映像改善装置３１０は、判断部３１１、ディスプレイ領域計算部３１２、スキャン変換部３１３、レンダリング部３１４、断面映像合成部３１５及び幾何学的ルックアップテーブル（Geometry Look-Up Table）格納部３１６を備える。本実施の形態に係る超音波断面映像改善装置３１０を構成する各構成要素を以下に詳細に説明する。

判断部３１１は、プローブ３０１（図４ａを参照）から対象体に対する３次元データが受信されたかを確認する。そして、対象体の３次元超音波データが受信された場合は、判断部３１１は３次元超音波データをディスプレイ領域計算部３１２へ転送する。また、判断部３１１は、ユーザから入力装置を介して入力された断面映像合成情報を格納する。判断部３１１に格納された断面映像合成情報は、ディスプレイ領域計算部３１２、スキャン変換部３１３、レンダリング部３１４及び断面映像合成部３１５に用いられる。

ディスプレイ領域計算部３１２は、プローブから判断部３１１を通じて受信した対象体の３次元データで基準断面を選択する。ここで、基準断面（即ち、コロナル／セジタル／アクシャル断面）は軸／側面／高さ方向のサイズが１／２になる地点の断面が基準断面として選択される。ただし、基準断面は、ユーザレファレンススライドコントローラ（reference slide controller）を用いて対象体の３次元データで任意に選択されるようにしてもよい。ディスプレイ領域計算部３１２は選択された基準断面が実質的にディスプレイされるディスプレイ領域の直交座標を計算する。

スキャン変換部３１３は、ディスプレイ領域計算部３１２で計算されたディスプレイ領域に対応する対象体の基準断面映像を直交座標へスキャン変換する。ところが、スキャン変換を行うためには、後述するように、アークタンジェント演算のような複雑な数学演算を行わなければならないので、対象体の基準断面映像が入力されるごとにこのような演算を行えば、対象体をリアルタイムでディスプレイできないこともある。

従って、スキャン変換を速やかに行うために、幾何学的ルックアップテーブル格納部３１６にビューの３次元直交座標にマッチングされるインデックスと、それぞれのインデックスに対応するアークタンジェント演算結果値を格納する幾何学的ルックアップテーブルを生成して格納する。

以下では幾何学的ルックアップテーブルを生成するプロセスを説明する。

図５ａは円錐座標と直交座標との間の関係を示したものであり、図５ｂは図５ａで示した任意の３次元データをＹ−Ｚ直交座標で示したものであり、図５ｃは図５ａに示した任意の３次元データをＸ−Ｒ直交座標で示したものである。ここで、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸はビューの３次元直交座標系を構成する軸であり、Ｒ軸は３次元超音波映像が獲得される部分でＸ軸に直交する軸である。

ここで、βはプローブ内のステッピングモーターのスイング角度範囲であるスキャンビューイング角度として０゜〜１８０゜の角度であり、σはプローブからスキャニングされる２次元映像の幅に対応する角度であるプローブビューイング角度（probe viewing angle）として０゜〜１８０゜の角度であり、ｒは超音波映像が獲得される部分から超音波映像内の任意の３次元データまでの距離であり、ａはスキャンビューイング角度の頂点からプローブビューイング角度の頂点までの距離であり、ｂはプローブビューイング角度の頂点から３次元超音波映像が獲得される部分までの距離である。また、ｘ、ｙ及びｚはビューを構成するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸上の全ての値である。

後に、スキャン変換部３１３は、該当円錐座標に位置する基準断面映像と基準断面映像を中心にオフセットを調整した多数の断面映像の３次元データをディスプレイ領域の３次元直交座標へスキャン変換し、スキャン変換された３次元データと、３次元データが位置する円錐座標及び幾何学的ルックアップテーブル格納部３１６から検索されたインデックスを出力する。

このように、スキャン変換部３１３は、かなりの処理時間が要求されるアークタンジェント演算を直接行わずに幾何学的ルックアップテーブル格納部３１６に含まれたアークタンジェントの演算結果値を用いて、任意のｘ、ｙ、ｚ及びＲを並列処理し、任意の３次元データが位置する円錐座標を探した後にそれぞれの３次元データをスキャン変換するため、対象体に対する基準断面映像と基準断面映像を中心にオフセットを調整した多数の断面映像の３次元データをディスプレイ領域の３次元直交座標へスキャン変換する速度を向上させることができる。

そして、基準断面映像を中心に隣接した各断面間の距離、即ち、オフセットを調整する方法はディスプレイされる画面サイズを基準に設定する。例えば、画面サイズが２００／２００ピクセル（横／縦）であり、断面映像のボリュームサイズが８００／６００／４００ピクセル（軸／側面／高さ）の場合、スキャン変換部３１３は、断面映像のボリュームサイズのうち最も大きな値である軸サイズ（８００ピクセル）を基準に画面サイズ（２００ピクセル）に合せれば、４：１の比率になり、この比率を基準として残りのサイズ（６００／４００）を１５０／１００のサイズに調整し、各方向の断面映像を２００／１５０／１００のサイズにディスプレイする。しかし、ディスプレイされる画面サイズが小さければ、画面比率により基準断面に隣接した断面映像は実質的にさらに遠く離れた映像であり、ディスプレイの画面サイズが大きければ、画面比率により基準断面に隣接した断面映像は実質的にさらに近くにある映像であるので、ディスプレイされる画面サイズが小さいほどオフセットを小さくし、ディスプレイされる画面サイズが大きいほどオフセットを大きくするように、隣接した断面映像のオフセットを設定する。前記のような隣接した断面のオフセット設定は画面比率の変化に対するオフセット設定を一定の比率にするためのものである。

レンダリング部３１４は、スキャン変換部３１３から受信された基準断面映像または基準断面映像を含んだ多数の断面映像の３次元データに対してレンダリングを行うが、ここで３次元データをレンダリングするためのプロセスは、通常用いられるトリリニア補間（Tri-Linear Interpolation）プロセスと同一に行われるので、本明細書内ではそれらに対する詳細な説明は省略することにする。

断面映像合成部３１５は、レンダリング部３１４から受信された基準断面映像を中心に複数の断面映像を合成する。断面映像合成部３１５の動作について以下に詳細に説明する。

断面映像合成部３１５は、基準断面を中心に座標軸の空間上で近い所の断面映像に対して重み係数を高く与え、遠い所の断面映像に対して重み係数を低く与えるフィルタを用いて断面映像を合成する。一般に断面映像の合成において、断面映像の平均を取るようになれば本来の映像とかなりの差が出ることがある。従って、このような問題点を解決するために、基準断面から近い断面映像は比重を多く与え、基準断面から遠い断面映像は比重を少なく与えるガウシアン分布フィルタを用いることによって、本来の映像との差を減らしてノイズを除去することができる。例えば、基準断面映像Ｃから近い所の断面映像をＢ及びＤとし、遠い所の断面映像をＡ及びＥとした時、（Ａ＋Ｂ＊２＋Ｃ＊４＋Ｄ＊２＋Ｅ）／１０のように重み係数を与えることにより、本来の映像に隣接した映像を合成することができる（図６ａ及び図６ｂを参照）。ここで、基準断面を中心に断面映像に対して重み係数を与えるフィルタとしてガウシアン分布フィルタが用いることができる。

前記で説明された超音波断面映像を改善する動作について図７を参照してより詳細に説明する。

図７は、本発明の実施の形態に係る方法により超音波断面映像の画質を改善する工程を示すフローチャートである。

図７を参照すれば、スキャン変換部３１３（図４ｂを参照）は、対象体の基準断面映像を直交座標へ変換するスキャン変換を速やかに行うために、幾何学的ルックアップテーブル格納部３１６にビューの３次元直交座標にマッチングされるインデックスとそれぞれのインデックスに対応するアークタンジェント演算値、即ち、インデックスに対応する角度を格納する幾何学的ルックアップテーブルを生成して格納する（Ｓ１００）。

次に、プローブを通じて対象体に対する３次元データと、判断部３１１を通じて断面映像の合成如何を示す断面映像合成情報を受信すれば（Ｓ１１０）、ディスプレイ領域計算部３１２は受信した対象体から基準断面映像を選択し（Ｓ１２０）、選択した基準断面映像のディスプレイ領域を計算する（Ｓ１３０）。

次に、スキャン変換部３１３はディスプレイ領域計算部３１２から転送された断面映像合成情報に基づいて断面映像の合成如何を判断する（Ｓ１４０）。段階Ｓ１４０で断面映像を合成するものと判断されれば、スキャン変換部３１３は幾何学的ルックアップテーブル格納部３１６（図４ｂを参照）を用いて、計算されたディスプレイ領域に該当する基準断面映像と該当位置座標のオフセットを調整して隣接した多数の断面映像を直交座標へスキャン変換する（Ｓ１５０）。

次に、レンダリング部３１４はスキャン変換された基準断面映像と隣接した多数の断面映像をレンダリングする（Ｓ１６０）。

次に、断面映像合成部３１５は基準断面を中心に座標軸空間上で近い所の断面映像に対して重み係数を高く与え、遠い所の断面映像に対して重み係数を低く与えるガウシアンフィルタを用いて多数の断面映像を合成する（Ｓ１７０）。

一方、段階Ｓ１４０で断面映像を合成しないものと判断されれば、スキャン変換部３１３は計算されたディスプレイ領域に該当する基準断面映像を直交座標へスキャン変換する（Ｓ１８０）。

次に、レンダリング部３１４はスキャン変換された基準断面映像をレンダリングする（１９０）。

従来の超音波診断機を用いて獲得した対象体の断面映像及び３次元超音波映像を示す図面である。３次元超音波映像において各断面映像を示す図面である。３次元超音波映像において各断面映像を示す図面である。３次元超音波映像において各断面映像を示す図面である。Ａ断面、Ｂ断面及びＣ断面を獲得するための工程を示す図面である。Ａ断面、Ｂ断面及びＣ断面を獲得するための工程を示す図面である。本発明の実施の形態に係る３次元超音波診断システムの概略図である。本発明の実施の形態に係る超音波映像改善装置を示すブロック図である。円錐座標と直交座標との間の関係を説明するための図面である。円錐座標と直交座標との間の関係を説明するための図面である。円錐座標と直交座標との間の関係を説明するための図面である。本発明を適用する前の断面映像の一例を示す例示図である。本発明を適用した後の断面映像の一例を示す例示図である。本発明の実施の形態に係る方法により超音波断面映像の画質を改善する工程を示すフローチャートである。

符号の説明

３０１プローブ
３０２本体
３０３ディスプレイ装置
３１１判断部
３１２ディスプレイ領域計算部
３１３スキャン変換部
３１４レンダリング部
３１５断面映像合成部
３１６幾何学的ルックアップテーブル格納部

Claims

超音波断面映像の画質を改善するための装置であって、
プローブから対象体の３次元データを受信して基準断面映像を選択し、前記選択された基準断面映像のディスプレイ領域を計算するディスプレイ領域計算部と、
前記対象体を示すビューの３次元直交座標にマッチングされるインデックス及び前記インデックスに対応する円錐座標を格納する幾何学的ルックアップテーブル格納部と、
前記幾何学的ルックアップテーブル格納部を参照し、前記対象体の基準断面映像を直交座標にスキャン変換し、前記基準断面映像を中心に一定の距離範囲内にある複数の断面映像に対して、前記３次元データのサイズと前記基準断面映像を含む各断面映像をディスプレイする画面サイズの比に応じて、隣接する各断面間の距離に該当するオフセットを調整し、前記オフセット調整された複数の断面映像を直交座標にスキャン変換するスキャン変換部と、
前記スキャン変換された前記基準断面映像と前記複数の断面映像をレンダリングするレンダリング部と、
前記レンダリング部から受信した前記基準断面映像と前記複数の断面映像を合成する断面映像合成部とを備えることを特徴とする超音波断面映像改善装置。
前記断面映像合成部は、前記基準断面映像を中心に座標軸の空間上で近い所の断面映像に対しては重み係数を高く設定し、遠い所の断面映像に対しては重み係数を低く設定するフィルタを用いて断面映像を合成することを特徴とする請求項１に記載の超音波断面映像改善装置。
前記フィルタは、ガウシアンフィルタであることを特徴とする請求項２に記載の超音波断面映像改善装置。
入力装置を介してユーザの断面映像合成情報を受信する断面映像判断部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波断面映像改善装置。
超音波断面映像の画質を改善する方法であって、
対象体を示すビューの３次元直交座標にマッチングされるインデックス及び前記インデックスに対応する円錐座標を格納する段階と、
プローブを通じて受信した対象体の３次元データから基準断面映像を選択し、前記選択された基準断面映像のディスプレイ領域を計算する段階と、
前記インデックス及び前記円錐座標を参照して、前記基準断面映像を直交座標にスキャン変換する段階と、
前記インデックス及び前記円錐座標を参照して、前記基準断面映像を中心に一定の距離範囲内にある複数の断面映像に対して、前記３次元データのサイズと前記基準断面映像を含む各断面映像をディスプレイする画面サイズの比に応じて、隣接する各断面間の距離に該当するオフセットを調整し、前記オフセット調整された複数の断面映像を直交座標へスキャン変換する段階と、
前記スキャン変換された前記基準断面映像及び前記複数の断面映像をレンダリングする段階と、
レンダリングされた前記基準断面映像と前記複数の断面映像を合成する段階とを備えることを特徴とする超音波断面映像改善方法。
前記断面映像合成段階は、前記基準断面映像を中心に座標軸の空間上で近い所の断面映像に対しては重み係数を高く設定し、遠い所の断面映像に対しては重み係数を低く設定する段階を備えることを特徴とする請求項５に記載の超音波断面映像改善方法。
前記重み係数の設定段階は、ガウシアンフィルタを用いて重み係数を設定することを特徴とする請求項６に記載の超音波断面映像改善方法。