JP4835252B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像データを圧縮符号化して記録または伝送することが可能な超音波診断装置に関する。

近年、超音波を用いて対象物の画像診断を行う超音波診断装置において、プローブ（探触子）から得られた反射波信号のデータを圧縮して記録又は伝送することが検討されている。例えば、プローブから得られた反射波信号データを圧縮した後にケーブルを通して装置本体に伝送し、装置本体では逆に圧縮データを伸長して元の反射波信号データを再現し、所定の画面表示を行う。こうすることにより、伝送データ量の低減とデータの高速伝送が可能となる。

超音波診断用のプローブには様々な形状及び方式のものがあるが、ここで、図４に示すような、超音波の走査形状が扇形になるコンベックス型のプローブを用いた場合の深さ方向と解像度について説明を行う。図４において、プローブ１０１から測定対象物１０２の内部へ向けて出力される超音波の走査範囲は、深度が深くなるほど広がる扇形形状となる。図４に示すように、超音波の走査範囲において、プローブ１０１から測定対象物１０２の内部へ向けて少しずつ角度を変えて出力される超音波の直線を音響線と呼称することにする。扇形の走査範囲の左端から右端までｎ本の音響線１０３（１０３−１〜１０３−ｎ）が存在する。

図５は、１フレーム分の反射波信号データの構造を模式的に示している。図５に示すように、フレーム１０４の縦方向にｎ本の音響線１０３に対応する反射波信号データが順に格納されている。それぞれの音響線１０３において、右端に近づくほど深度が深くなる。

図６は、扇形の走査範囲に合わせて表示される超音波画像を模式的に示す図である。プローブから得られる反射波信号の強度を画面１０５に表示する場合に、反射信号の強度を輝度変調した超音波画像を図６のように走査範囲に対応させた扇形領域１０６に表示する。この表示モードはＢモードと呼称されている。この表示モードでは、走査範囲と同じ扇形範囲の超音波画像が画面上に表示されるので直観的な診断を行いやすい。

このような超音波画像表示は、図５に示したような１フレーム分の画像データを図６に示すように扇形の表示範囲に変形してから表示することになる。このとき、表示面の画素の密度は均一であるので、図６から分かるように、表示された画面内の音響線密度が深度によって変わることになる。音響線密度とは、音響線の総数を表示画素数で除して得られる値である。例えば、深度が最も浅い部分（扇形の中心から最も近い部分）の円弧に沿う表示画素数をｍ１とし、音響線密度をＡとすれば、Ａ＝ｎ／ｍ１である。また、深度が最も深い部分（扇形の中心から最も遠い部分）の円弧に沿う表示画素数をｍ２とし、音響線密度をＢとすれば、Ｂ＝ｎ／ｍ２である。ｍ１＜ｍ２であるから、Ａ＞Ｂとなる。このように、深度が深くなるほど（扇形の中心から離れるほど）音響線密度が低くなり、解像度も低くなる。

ところで、超音波診断画像を表示する際、深度パラメータを浅く設定した場合は、図７に示すように浅い部分のデータ表示領域１０７を拡大して画面に表示し、深く設定した場合は、図８に示すようなデータ領域１０８が表示されるよう制御を行うことが多い。この場合、深度パラメータが浅い場合は表示上の解像度は低くなり、深度パラメータが深い場合は表示解像度が高くなる。

また、図９に示すように、超音波画像にはフォーカス位置１０９が存在し、フォーカス位置近傍では超音波画像データの解像度が高く、フォーカス位置から離れるに従い解像度が低下する特性を持っていることが知られている。

次に、従来の静止画圧縮処理について簡単に説明する。図１７はＪＰＥＧ方式に代表される従来の静止画圧縮処理の概略構成を示すブロック図である。図１７において、１１はブロック分割手段、１２はＤＣＴ変換（離散コサイン変換）手段、１３は量子化手段、１４は符号化手段である。

図１７に示すように、入力された画像データは先ずブロック分割手段１１でブロック分割される。各ブロックは、ＤＣＴ変換手段１２でＤＣＴ変換される。ＤＣＴ変換の結果出力されるＤＣＴ係数は、量子化係数出力手段１５から与えられた量子化係数にしたがって量子化手段１３で量子化され、符号化手段１４でハフマン符号化されて圧縮データとなる。

ここで、前記ブロック分割手段１１で分割されるブロックのサイズは、ＪＰＥＧ方式の場合、図１０に示すように８×８画素と、ＤＣＴ変換後の高周波成分をカットしても画質への影響が比較的小さいサイズとなっているため、符号化効率が良く、圧縮率を高くすることができ、高解像度の表示に適する。一方、図１１に示すようにブロックサイズを４×４画素と小さくした場合、高周波成分をカットすると画質への影響が大きいため、符号化効率が悪化する。このため必然的に圧縮率は低くなり、より低解像度の表示に適する。

超音波診断画像のデータはフレーム単位で表示を行うため、1フレーム分のデータを画像データとして扱うことで、前記ＪＰＥＧ方式のような静止画圧縮処理が適用可能である。しかし、先に説明した超音波画像のようなフレーム内で解像度が異なる画像に、静止画圧縮処理をそのまま当てはめた場合、解像度に応じた圧縮を行うことができない。

超音波診断装置における圧縮を適応的に行うためにさまざまな方法が提案されているが（例えば、特許文献１参照）、ブロックサイズを変化させて圧縮率を適応的に調整する方法は今まで存在していなかった。

一方、超音波診断装置以外の分野では、符号列のビットレートやピクチャの解像度をもとに、複数のブロックサイズの中から適応的にサイズを選択し、効率的な圧縮を行う方法などが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−１０２７３０号公報 特開２００４−２５４３２７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された方式では、着目する部分とそれ以外の部分において、量子化パラメータと呼ばれる量子化係数を調整することで圧縮率を変えており、着目する部分を手動で設定する必要があった。

また、上記特許文献２に記載された方式では、一般的な画像データに対して汎用的な適応方法であり、超音波診断画像の特徴である深度パラメータや深度位置、フォーカス位置に応じた解像度の違いが考慮されたものではない。このため、符号列のビットレートを計算し、その情報を元にブロックサイズを決めるなどの、複雑な処理過程が必要となる。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたものであり、深度パラメータや深度位置、フォーカス位置に応じて最適なフレームサイズを選択することで、超音波データの解像度に応じた圧縮を、複雑な前処理を行うことなく、超音波診断装置を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波診断装置は、深度パラメータ情報に応じて、ブロックのサイズを選択するブロックサイズ選択手段と、入力画像データを前記ブロック単位に分割するブロック分割手段と、前記ブロックごとにＤＣＴ変換を行うＤＣＴ変換手段と、変換されたデータを量子化する量子化手段と、量子化されたデータを符号化して圧縮データを出力する符号化手段を備えていることを特徴とする。

また、本発明の超音波診断装置は、入力画像の深度位置を取得する深度位置取得手段と、前記深度位置に応じて、ブロックのサイズを選択するブロックサイズ選択手段と、入力画像データを前記ブロック単位に分割するブロック分割手段と、前記ブロックごとにＤＣＴ変換を行うＤＣＴ変換手段と、変換されたデータを量子化する量子化手段と、量子化されたデータを符号化して圧縮データを出力する符号化手段を備えていることを特徴とする。

また、本発明の超音波診断装置は、入力画像のフォーカス位置からの距離を算出する距離情報取得手段と、前記フォーカス位置からの距離に応じて、前記ブロックのサイズを選択するブロックサイズ選択手段と、入力画像データを前記ブロック単位に分割するブロック分割手段と、前記ブロックごとにＤＣＴ変換を行うＤＣＴ変換手段と、変換されたデータを量子化する量子化手段と、量子化されたデータを符号化して圧縮データを出力する符号化手段を備えていることを特徴とする。

本発明の超音波診断装置によれば、深度パラメータや深度位置、フォーカス位置に応じてブロックサイズを変えることができるので、超音波画像データの解像度に応じた圧縮を容易に行うことが可能になる。

以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、超音波診断装置１はブロック分割手段１１、ＤＣＴ変換手段１２、量子化手段１３、符号化手段１４及びブロックサイズ選択手段１７を備えている。

ブロックサイズ選択手段１７は深度パラメータ情報に応じてブロックサイズを選択する。ブロック分割手段１１は入力画像をブロックサイズ選択手段１７より選択されたサイズのブロックに分割する。ＤＣＴ変換手段１２はブロック分割手段１１より出力されたデータにＤＣＴ変換（離散コサイン変換）を施す。量子化手段１３はＤＣＴ変換手段１２から出力されたＤＣＴ係数を量子化する。符号化手段１４は量子化手段１３から出力されたデータを符号化し、圧縮データを出力する。

超音波診断装置１に入力された深度パラメータ情報は、ブロックサイズ選択手段１７によってブロックサイズが決定される。一方、超音波診断装置１に入力された画像データはブロックサイズ選択手段１７より選択されたブロックサイズでブロック分割手段１１によって分割され、このブロック単位で以降の処理が行われる。ブロック分割手段１１から出力されたブロック単位の画像データはＤＣＴ変換手段１２でＤＣＴ変換され、ＤＣＴ係数が出力される。ＤＣＴ変換手段１２から出力されたＤＣＴ係数は量子化手段１３で量子化される。量子化手段１３の出力データは符号化手段１４に与えられ、ハフマン符号のような可変長符号で符号化される。その出力が圧縮データとして超音波診断装置１の圧縮データとなる。

ブロックサイズ選択手段１７が選択するブロックサイズは、深度設定に応じて決定される。図１２および図１３は、図１におけるブロックサイズ選択手段１７の動作に関して、コンベックス型のプローブを使用し、同じ８×８画素のデータが、深度設定によってどのように表示されるかを示している。

図１２に示すように、深度設定が浅い場合は表示される画像の解像度は低くなるため、情報量ができるだけ欠落しないよう４×４画素の小さいブロックサイズとすることで高画質化を図ることができる。逆に、図１３に示すように、深度設定が深い場合は表示解像度が高いため、８×８画素のブロックサイズとすることで、高圧縮化を図ることができる。

このように深度設定に応じて最適なブロックサイズを設定することで、超音波画像データの解像度に応じた効率的な圧縮を行うことが可能になる。

なお、図１２では、表示解像度が低い場合に高画質化を図るため小さいブロックサイズとしたが、逆に表示解像度が低い場合は画質が劣化しても構わないと考えて大きなブロックサイズとしても構わない。

また、ブロックサイズは例として４×４画素と８×８画素の２種類を挙げたが、この２種類に限定するものではなく、縦横比が異なっても構わない。同様に、プローブの種類もコンベックス型に限定するものではない。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。図２において、超音波診断装置１はブロック分割手段１１、ＤＣＴ変換手段１２、量子化手段１３、符号化手段１４、深度位置取得手段１５及びブロックサイズ選択手段１７を備えている。

深度位置取得手段１５は入力画像から処理するデータの深度位置を取得する。ブロックサイズ選択手段１７は深度位置取得手段１５から出力される深度位置に応じてブロックサイズを選択する。ブロック分割手段１１は入力画像をブロックサイズ選択手段１７より選択されたサイズのブロックに分割する。ＤＣＴ変換手段１２はブロック分割手段１１より出力されたデータにＤＣＴ変換を施す。量子化手段１３はＤＣＴ変換手段１２から出力されたＤＣＴ係数を量子化する。符号化手段１４は量子化手段１３から出力されたデータを符号化し、圧縮データを出力する。

深度位置取得手段１５は、超音波診断装置１に入力された画像データから深度位置を取得し、その位置情報を基にブロックサイズ選択手段１７によってブロックサイズが決定される。一方、超音波診断装置１に入力された画像データはブロックサイズ選択手段１７より選択されたブロックサイズでブロック分割手段１１によって分割され、このブロック単位で以降の処理が行われる。ブロック分割手段１１から出力されたブロック単位の画像データはＤＣＴ変換手段１２でＤＣＴ変換され、ＤＣＴ係数が出力される。ＤＣＴ変換手段１２から出力されたＤＣＴ係数は量子化手段１３で量子化される。量子化手段１３の出力データは符号化手段１４に与えられ、ハフマン符号のような可変長符号で符号化される。その出力が圧縮データとして超音波診断装置１の圧縮データとなる。

超音波画像データは一般に図５に示すような２次元のデータ構造をとる。従って、深度位置取得手段１５は、処理を行う画素の深度方向の座標を取得することで、深度位置を算出することが可能となる。

ブロックサイズ選択手段１７が選択するブロックサイズは、前記深度位置に応じて決定される。図１４および図１５は、図２におけるブロックサイズ選択手段１７の動作に関して、コンベックス型のプローブを使用し、同じ８×８画素のデータが、深度位置によってどのように表示されるかを示している。

図１４に示すように、深度位置が浅い場合は表示される画像の解像度は高くなるため、８×８画素のブロックサイズとすることで、高圧縮化を図ることができる。逆に、図１５に示すように、深度位置が深い場合は表示解像度が低いため、情報量ができるだけ欠落しないよう４×４画素の小さいブロックサイズとすることで高画質化を図ることができる。

このように深度位置に応じて最適なブロックサイズを設定することで、超音波画像データの解像度に応じた効率的な圧縮を行うことが可能になる。

なお、図１５では、表示解像度が低い場合に高画質化を図るため小さいブロックサイズとしたが、逆に表示解像度が低い場合は画質が劣化しても構わないと考えて大きなブロックサイズとしても構わない。

また、ブロックサイズは例として４×４画素と８×８画素の２種類を挙げたが、この２種類に限定するものではなく、縦横比が異なっても構わない。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。図３において、超音波診断装置１はブロック分割手段１１、ＤＣＴ変換手段１２、量子化手段１３、符号化手段１４、距離情報取得手段１６及びブロックサイズ選択手段１７を備えている。

距離情報取得手段１６は入力画像とフォーカス位置情報から処理するデータのフォーカス位置からの距離情報を取得する。ブロックサイズ選択手段１７は前記距離情報からブロックサイズを選択する。ブロック分割手段１１は入力画像をブロックサイズ選択手段１７より選択されたサイズのブロックに分割する。ＤＣＴ変換手段１２はブロック分割手段１１より出力されたデータにＤＣＴ変換を施す。量子化手段１３はＤＣＴ変換手段１２から出力されたＤＣＴ係数を量子化する。符号化手段１４は量子化手段１３から出力されたデータを符号化し、圧縮データを出力する。

距離情報取得手段１６は、超音波診断装置１に入力されたフォーカス位置情報と画像データからフォーカス位置からの距離情報を取得し、その距離情報を基にブロックサイズ選択手段１７によってブロックサイズが決定される。一方、超音波診断装置１に入力された画像データはブロックサイズ選択手段１７より選択されたブロックサイズでブロック分割手段１１によって分割され、このブロック単位で以降の処理が行われる。ブロック分割手段１１から出力されたブロック単位の画像データはＤＣＴ変換手段１２でＤＣＴ変換され、ＤＣＴ係数が出力される。ＤＣＴ変換手段１２から出力されたＤＣＴ係数は量子化手段１３で量子化される。量子化手段１３の出力データは符号化手段１４に与えられ、ハフマン符号のような可変長符号で符号化される。その出力が圧縮データとして超音波診断装置１の圧縮データとなる。

距離情報取得手段１６は、処理を行う画素の深度方向の座標を取得し、フォーカス位置情報と比較を行うことでフォーカス位置からの距離を算出することが可能となる。

ブロックサイズ選択手段１７が選択するブロックサイズは、前記フォーカス位置からの距離情報に応じて決定される。図１６は、図３におけるブロックサイズ選択手段１７の動作に関して、コンベックス型プローブを使用した場合のフォーカス位置を示した例である。一般に超音波診断画像においては、フォーカス位置付近では高周波成分を多く含み、画像の解像度は高くなる。逆にフォーカス位置から離れるほど高周波成分が減少し解像度は低くなってゆく。

このため、高周波成分を多く含むフォーカス位置付近では４×４画素のブロックサイズとすることで、高画質化を図ることができる。逆に、フォーカス位置から離れた位置では低下する高周波成分に合わせて情報量を減らすため、８×８画素のブロックサイズとすることで高圧縮化を図ることができる。

このようにフォーカス位置からの距離に応じて最適なブロックサイズを設定することで、超音波画像データの解像度に応じた効率的な圧縮を行うことが可能になる。

なお、図１６では、表示解像度が高い場合に高画質化を図るため小さいブロックサイズとしたが、逆に表示解像度が低い場合に画質劣化をおさえるために小さいブロックサイズとしても構わない。

また、ブロックサイズは例として４×４画素と８×８画素の２種類を挙げたが、この２種類に限定するものではなく、縦横比が異なっても構わない。同様に、プローブの種類もコンベックス型に限定するものではない。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限らず種々の形態で実施することができる。特に、圧縮手段としてＪＰＥＧ方式を想定した説明を行ったが、他の圧縮方式にも適用可能である。

また、複数の実施の形態を組み合わせて実施することも可能である。

本発明は、超音波診断装置において超音波画像を圧縮して記録または伝送するような場合に好適に利用することができる。本発明によれば、超音波画像データの解像度に応じた圧縮を、複雑な前処理を行うことなく行うことが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図 本発明の第２の実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図 本発明の第３の実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図 超音波による扇形の走査形状の例を示す図 １フレーム分の反射波信号データの構造を模式的に示す図 扇形の走査範囲に合わせて表示される超音波画像を模式的に示す図 深度設定が浅い時の画面表示を示す図 深度設定が深い時の画面表示を示す図 フォーカス位置を示す図 画像データを８×８のブロックサイズで分割した場合を説明する図 画像データを４×４のブロックサイズで分割した場合を説明する図 図１におけるブロックサイズ選択手段の動作に関して、深度設定が浅い場合の表示解像度とブロック分割の例を示す図 図１におけるブロックサイズ選択手段の動作に関して、深度設定が深い場合の表示解像度とブロック分割の例を示す図 図２におけるブロックサイズ選択手段の動作に関して、深度位置が浅い場合の表示解像度とブロック分割の例を示す図 図２におけるブロックサイズ選択手段の動作に関して、深度位置が深い場合の表示解像度とブロック分割の例を示す図 図３におけるブロックサイズ選択手段の動作に関して、フォーカス位置と表示解像度およびブロック分割の例を示す図 従来の画像伸長装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１ 超音波診断装置
１１ ブロック分割手段
１２ ＤＣＴ変換手段
１３ 量子化手段
１４ 符号化手段
１５ 深度位置取得手段
１６ 距離情報取得手段
１７ ブロックサイズ選択手段
１０１ プローブ
１０２ 測定対象物
１０３ 音響線
１０４ フレーム
１０５ 表示画面
１０６ 扇形領域
１０７ 深度設定が浅い場合のデータ表示領域
１０８ 深度設定が深い場合のデータ表示領域
１０９ フォーカス位置
１１０ ８×８画素データ例

Claims (5)

1. 入力画像データ内のそれぞれの深度位置を取得する深度位置取得手段と、
   前記入力画像データ内のそれぞれの深度位置に基づき、前記深度位置に対応したそれぞれのサイズのブロックを選択するブロックサイズ選択手段と、
   前記入力画像データを前記サイズのブロック単位に分割するブロック分割手段と、
   前記ブロックごとにＤＣＴ変換を行うＤＣＴ変換手段と、
   ＤＣＴ変換されたデータを量子化する量子化手段と、
   量子化されたデータを符号化して圧縮データを出力する符号化手段とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記ブロックサイズ選択手段は、前記入力画像データ内の深度位置が浅い位置では相対的に大きいサイズのブロックを選択し、前記深度位置が深い位置では相対的に小さいサイズのブロックを選択する請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 入力画像データ内のそれぞれのフォーカス位置からの距離を算出する距離情報取得手段と、
   前記入力画像データ内のそれぞれのフォーカス位置からの距離に基づき、前記距離に対応したそれぞれのサイズのブロックを選択するブロックサイズ選択手段と、
   前記入力画像データを前記サイズのブロック単位に分割するブロック分割手段と、
   前記ブロックごとにＤＣＴ変換を行うＤＣＴ変換手段と、
   ＤＣＴ変換されたデータを量子化する量子化手段と、
   量子化されたデータを符号化して圧縮データを出力する符号化手段とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。
4. 前記ブロックサイズ選択手段は、前記入力画像データ内のフォーカス位置付近では相対的に小さいサイズのブロックを選択し、前記フォーカス位置から離れた位置では相対的に大きいサイズのブロックを選択する請求項３に記載の超音波診断装置。
5. 前記入力画像データは、前記超音波画像の１フレーム分のデータである、請求項１〜４のいずれか一つに記載の超音波診断装置。