JP5319340B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特にシャドウを検出する技術に関する。

産科などを含んだ多くの科目において超音波診断装置を利用した診断が盛んに行われている。ＣＴやＭＲＩによって形成された画像情報と比較して、超音波診断装置により得られた超音波画像は分解能の面などにおいて優位である。

その一方において、超音波画像には、超音波特有の音響的なアーチファクトの影響が現れる場合もある。例えば、超音波は骨などの硬い組織を通過しにくいため、硬い組織よりも深い位置からのエコーが弱められ、画像化した際にシャドウと呼ばれる比較的暗い画像部分が発生してしまう。

そのため、例えば、三次元空間内から超音波の受信信号を得て、硬い組織よりも深い位置に設定された断層面の超音波画像を形成した際に、その超音波画像内に比較的暗い画像部分が含まれていたとすると、その画像部分は、それよりも浅い位置にある硬い組織の影響によるシャドウなのか、あるいは、その画像部分の組織を示しているのか、を判断することが容易ではない。こうした背景から、シャドウを検出する技術の登場が望まれていた。

ちなみに、特許文献１には、互いに異なる角度の２つの超音波ビームを利用してシャドウを特定する旨の技術が記載されている。

特開２００５−１５２６４６号公報

上述した技術的な事情を背景としつつ、本願発明者は、シャドウを検出する技術について研究開発を重ねてきた。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、超音波診断におけるシャドウを検出するための改良技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様の超音波診断装置は、超音波を送受波するプローブと、プローブを制御して送信ビームを走査する送信部と、プローブから得られる受信信号に基づいて複数の受信ビームに亘って各受信ビームに沿ったエコー信号を得る受信部と、各受信ビームごとにその受信ビームに含まれるシャドウを検出するシャドウ検出部と、複数の受信ビームに亘って得られる複数のエコー信号に基づいて超音波画像を形成する画像形成部と、を有し、前記シャドウ検出部は、各受信ビームごとにエコー信号の変化の大きさを示すエコー変化信号を形成し、エコー変化信号に基づいてその受信ビーム上において硬組織位置を検出し、その受信ビーム上において硬組織位置よりも深い領域に生じるシャドウを検出することを特徴とする。

望ましい態様において、前記シャドウ検出部は、各受信ビーム上において前記硬組織位置を間に挟んで浅部区間と深部区間を設定し、その受信ビーム上の浅部区間におけるエコー信号の平均値と深部区間におけるエコー信号の平均値の差に基づいて前記シャドウの有無を判断することを特徴とする。

望ましい態様において、前記シャドウ検出部は、前記２つの平均値の差が閾値よりも大きい場合に前記硬組織位置よりも深い領域をシャドウと判断することを特徴とする。

望ましい態様において、前記シャドウ検出部は、前記硬組織位置として、前記エコー変化信号が閾値を超える浅い方の位置ａと深い方の位置ｂを検出し、位置ａよりも浅い領域に前記浅部区間を設定して位置ｂよりも深い領域に前記深部区間を設定し、前記２つの平均値の差が閾値よりも大きい場合に、位置ｂよりも深い領域をシャドウと判断することを特徴とする。

望ましい態様において、前記シャドウ検出部は、前記硬組織位置として、前記エコー変化信号が過渡的な変化を示す境界位置を検出し、境界位置よりも浅い領域に前記浅部区間を設定して境界位置よりも深い領域に前記深部区間を設定し、前記２つの平均値の差が閾値よりも大きい場合に、境界位置よりも深い領域をシャドウと判断する、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記画像形成部は、シャドウに対応する画像部分に視覚的な識別処理を施した超音波画像を形成することを特徴とする。

本発明により、超音波診断におけるシャドウを検出するための改良技術が提供される。

本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態を示す図である。 シャドウの検出を説明するためのフローチャートである。 各受信ビームに沿ったエコー信号を示す図である。 マスク処理に利用されるマスクと輝度変化信号を示す図である。 輝度変化値に関する閾値の設定を説明するための図である。 位置ａと位置ｂの検出を説明するための図である。 輝度値の平均値の算出を説明するための図である。 シャドウの検出結果を説明するための図である。 シャドウの検出の他の態様を説明するためのフローチャートである。 マスクと境界部ａの検出を説明するための図である。 輝度値の平均値の算出を説明するための図である。

図１は、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態を示す図であり、図１には、その超音波診断装置の機能ブロック図が図示されている。

プローブ１０は、超音波を送受波する超音波探触子である。プローブ１０は、二次元的に配列された複数の振動素子を備えており、電子的に走査制御されて三次元空間内で超音波を送受波する。なお、プローブ１０が、一次元的に配列された複数の振動素子を機械的に揺動させて三次元空間内で超音波を送受波してもよい。

送信ビームフォーマ１２は、プローブ１０が備える複数の振動素子を制御することにより、超音波の送信ビームを形成してさらに三次元空間内において送信ビームを走査する。受信ビームフォーマ１４は、プローブ１０が備える複数の振動素子から得られる受信信号に対して整相加算処理などを施すことにより、受信ビームに沿ったエコー信号を形成する。三次元空間内において送信ビームが走査されてその三次元空間内において複数の受信ビームが形成されることにより、三次元的にエコー信号が収集される。

シャドウ検出部１６は、各受信ビームごとにその受信ビームに含まれるシャドウを検出する。つまり、シャドウ検出部１６は、各受信ビーム上において、例えば骨などの硬い組織よりも深い領域に発生するシャドウの部分を検出する。シャドウ検出部１６によるシャドウの検出については、後に他の図を利用して詳述する。

画像形成部１７は、複数の受信ビームに亘って得られる複数のエコー信号に基づいて超音波画像の画像データを形成する。エコー信号が三次元的に収集されるため、画像形成部１７は、三次元的に収集されたエコー信号に基づいて、三次元空間内に任意に設定される断層面に対応した断層画像の画像データを形成する。もちろん、組織などを三次元的に表示した三次元画像の画像データが形成されてもよい。

表示部１８は、例えばモニタなどの表示デバイスであり、画像形成部１７において形成された画像データに対応した超音波画像を表示する。なお、図１に示した超音波診断装置の各部は、制御部２０により集中的に制御される。

図２は、シャドウの検出を説明するためのフローチャートであり、図１のシャドウ検出部１６により実行される処理を示している。以下、図３から図７を適宜利用しつつ、図２のフローチャートに沿ってシャドウの検出について説明する。

まず、１本の受信ビームに沿ったエコー信号が入力され（Ｓ２０１）、そのエコー信号に対してマスク処理が施されて輝度変化値が算出される（Ｓ２０２）。

図３は、各受信ビームに沿ったエコー信号を示す図である。図３において、横軸は深さ方向であり縦軸はエコーの強度値（輝度値）を示している。骨などの硬い組織に対して交差するように受信ビームが形成されると、超音波が硬い組織において強く反射され、図３に示すように、硬い組織の部分において比較的大きな輝度値が得られる。また、超音波が硬い組織を通過しにくいため、図３に示すように、硬い組織の部分よりも浅い領域に比べて、硬い組織の部分よりも深い領域において輝度値が全体的に低下する。この輝度値の全体的な低下に伴って超音波画像内にシャドウが発生する。本実施形態においては、図３のエコー信号に対してマスク処理が施されて輝度変化値を示す輝度変化信号が形成される。

図４は、マスク処理に利用されるマスクと輝度変化信号を示す図である。図４（Ａ）はマスク処理に利用されるマスクを示しており、注目ボクセル（注目する深さにおけるエコー信号）を中心として、浅い方向（上）と深い方向（下）にそれぞれｎボクセル（例えばｎ＝３）を配置したマスクが図示されている。

図３に示したエコー信号に対して、図４（Ａ）に示すマスクが深さ方向に沿って適用される。そして、注目ボクセルの上（浅い側）に隣接するｎ個のボクセルの輝度値の平均値と、注目ボクセルの下（深い側）に隣接するｎ個のボクセルの輝度値の平均値と、が算出され、これらの平均値の差が注目ボクセルの位置における輝度変化値とされる。

こうして、注目ボクセルを深さ方向に沿って順次移動させつつ、各注目ボクセルの位置において輝度変化値を算出して得られたものが図４（Ｂ）の輝度変化信号である。図４（Ｂ）において、横軸は深さ方向であり縦軸は輝度変化値を示している。

図２に戻り、マスク処理により輝度変化値が算出されると、算出された輝度変化値に基づいて輝度変化値に関する閾値が設定され（Ｓ２０３）、さらに、その閾値を超える輝度変化値に対応した位置ａと位置ｂが検出される（Ｓ２０４）。

図５は、輝度変化値に関する閾値の設定を説明するための図であり、図５には、図４（Ｂ）に等しい輝度変化信号が示されている。閾値の設定にあたっては、まず、輝度変化値の最大値と最小値が検出される。図５には、その最大値と最小値が図示されている。そして、輝度変化値の最大値と最小値に基づいて輝度変化値に関する閾値が設定される。例えば、最大値と最小値の差の４０パーセントを最小値に加えた値が、輝度変化値に関する閾値に設定される。こうして設定された閾値に基づいて、硬い組織の位置として、位置ａと位置ｂが検出される。

図６は、位置ａと位置ｂの検出を説明するための図であり、図６には、図５の輝度変化信号と閾値が図示されている。輝度変化信号の最も浅い位置から出発して深い方向に向かって閾値を超える輝度変化値の位置を探索することにより、図６に示すように位置ａが検出される。また、輝度変化信号の最も深い位置から出発して浅い方向に向かって閾値を超える輝度変化値の位置を探索することにより、図６に示すように位置ｂが検出される。

図２に戻り、位置ａと位置ｂを探索してこれらの位置が検出できなかった場合には（Ｓ２０５）、処理対象の受信ビーム上に硬い組織が存在せずシャドウも発生していないと判断される（Ｓ２１０）。

一方、位置ａと位置ｂが検出された場合には（Ｓ２０５）、位置ａよりも浅い領域における輝度値の平均値と、位置ｂよりも深い領域における輝度値の平均値が算出される（Ｓ２０６）。

図７は、輝度値の平均値の算出を説明するための図であり、図７には、図３のエコー信号と図６において検出された位置ａと位置ｂが図示されている。位置ａよりも浅い領域における輝度値の平均値としては、例えば深さ１０ｍｍ程度から位置ａまでの輝度値の平均値Ａｖｅ１が算出される。また、位置ｂよりも深い領域における輝度値の平均値としては、最も深い位置から位置ｂまでの輝度値の平均値Ａｖｅ２が算出される。こうして、２つの平均値Ａｖｅ１と平均値Ａｖｅ２が算出される。

図２に戻り、２つの平均値Ａｖｅ１と平均値Ａｖｅ２が算出されると、これら平均値の差ＤＡｖｅが算出される（Ｓ２０７）。つまり、ＤＡｖｅ＝Ａｖｅ１−Ａｖｅ２が算出される。さらに、平均値の差ＤＡｖｅが平均値に関する閾値と比較される（Ｓ２０８）。この平均値に関する閾値は例えば２０程度に設定される。

そして、平均値の差ＤＡｖｅが平均値に関する閾値よりも大きい場合には、受信ビーム上において位置ｂよりも深い領域の全域がシャドウであると判断される（Ｓ２０９）。一方、平均値の差ＤＡｖｅが平均値に関する閾値よりも大きくない場合には、受信ビーム上においてシャドウが無いと判断される（Ｓ２１０）。

こうして、対象となる１本の受信ビームに関するシャドウの検出処理が終了すると、全ての受信ビームに関する処理の終了が確認され（Ｓ２１１）、処理されていない受信ビームが残っている場合には、Ｓ２０１からＳ２１０までの処理が繰り返し実行され、全ての受信ビームに対する処理が実行される。

図８は、シャドウの検出結果を説明するための図であり、図８には、エコー信号が収集される三次元空間４０と、その三次元空間４０内において任意に設定される断層面４２が図示されている。なお、図８において、断層面４２は一点鎖線で囲まれた四角形である。

図８において、各受信ビームは深さ方向に沿って形成され、そして、各受信ビームごとに深さ方向に沿ってシャドウの検出処理が実行される。その結果、断層面４２よりも浅い位置に骨などの硬い組織が存在する場合においても、その硬い組織に伴って断層面４２内に発生するシャドウ５０が検出される。画像形成部（図１の符号１７）は、シャドウ５０に対応する画像部分に視覚的な識別処理を施す。例えば、シャドウ５０の画像部分が赤色で表現される。

図９は、シャドウの検出の他の態様を説明するためのフローチャートであり、図１のシャドウ検出部１６により実行される処理を示している。以下、図１０と図１１を適宜利用しつつ、図９のフローチャートに沿ってシャドウの検出について説明する。

まず、１本の受信ビームに沿ったエコー信号が入力される（Ｓ９０１）。図９においても、例えば、図３に示したエコー信号が入力される。そして、そのエコー信号に対してマスク処理が施されて境界部ａが検出される（Ｓ９０２）。

図１０は、マスク処理に利用されるマスクと境界部ａの検出を説明するための図である。図１０（Ａ）はマスク処理に利用されるマスクを示しており、注目ボクセル（注目する深さにおけるエコー信号）を中心として、浅い方向（上）と深い方向（下）にそれぞれ数個のボクセルを配置したマスクが図示されている。

図１０（Ａ）のマスクには、注目ボクセルの上下に、それぞれＮ個のボクセルに相当するブランク部分が設けられている。骨などの硬い組織の厚さを２Ｎと推定してＮの大きさが設定される。そして、ブランク部分の上下にそれぞれｎ個のボクセルが配置される。

図３に示したエコー信号に対して、図１０（Ａ）に示すマスクが深さ方向に沿って適用される。そして、注目ボクセルの上（浅い側）においてブランク部分よりも上に存在するｎ個のボクセルの輝度値の平均値と、注目ボクセルの下（深い側）においてブランク部分よりも下に存在するｎ個のボクセルの輝度値の平均値と、が算出され、これらの平均値の差が注目ボクセルの位置における輝度変化値とされる。

こうして、注目ボクセルを深さ方向に沿って順次移動させつつ、各注目ボクセルの位置において輝度変化値を算出して得られたものが図１０（Ｂ）の輝度変化信号である。図１０（Ｂ）において、横軸は深さ方向であり縦軸は輝度変化値を示している。そして、輝度変化値が過渡的に変化する部分、例えば極大値の部分が境界部ａ（位置ａ）として検出される。

図９に戻り、マスク処理による境界部ａの検出が実行され、境界部ａが検出できなかった場合には（Ｓ９０３）、処理対象の受信ビーム上に硬い組織が存在せずシャドウも発生していないと判断される（Ｓ９０８）。

一方、境界部ａが検出された場合には（Ｓ９０３）、境界部ａの位置を注目ボクセルとして図１０（Ａ）のマスクを適用し、注目ボクセルの上（浅い側）においてブランク部分よりも上に存在するｎ個のボクセルの輝度値の平均値Ａｖｅ１と、注目ボクセルの下（深い側）においてブランク部分よりも下に存在するｎ個のボクセルの輝度値の平均値Ａｖｅ２と、が算出される。

図１１は、輝度値の平均値の算出を説明するための図であり、図１１には、図３のエコー信号と図９において検出された境界部ａ（位置ａ）が図示されている。境界部ａの位置を注目ボクセルとして図１０（Ａ）のマスクを適用することにより、境界部ａの近傍における上側（浅い側）の平均値Ａｖｅ１と下側（深い側）の平均値Ａｖｅ２が算出される。

図９に戻り、２つの平均値Ａｖｅ１と平均値Ａｖｅ２が算出されると、これら平均値の差ＤＡｖｅが算出される（Ｓ９０５）。つまり、ＤＡｖｅ＝Ａｖｅ１−Ａｖｅ２が算出される。さらに、平均値の差ＤＡｖｅが平均値に関する閾値と比較される（Ｓ９０６）。この平均値に関する閾値は例えば２０程度に設定される。

そして、平均値の差ＤＡｖｅが平均値に関する閾値よりも大きい場合には、受信ビーム上において境界部ａよりも深い領域の全域がシャドウであると判断される（Ｓ９０７）。一方、平均値の差ＤＡｖｅが平均値に関する閾値よりも大きくない場合には、受信ビーム上においてシャドウが無いと判断される（Ｓ９０８）。

こうして、対象となる１本の受信ビームに関するシャドウの検出処理が終了すると、全ての受信ビームに関する処理の終了が確認され（Ｓ９０９）、処理されていない受信ビームが残っている場合には、Ｓ９０１からＳ９０８までの処理が繰り返し実行され、全ての受信ビームに対する処理が実行される。図９に示したシャドウの検出処理を利用することにより、図８に示すようなシャドウの検出が可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

１０ プローブ、１２ 送信ビームフォーマ、１４ 受信ビームフォーマ、１６ シャドウ検出部、１７ 画像形成部、１８ 表示部、２０ 制御部。

Claims (5)

1. 超音波を送受波するプローブと、
   プローブを制御して送信ビームを走査する送信部と、
   プローブから得られる受信信号に基づいて複数の受信ビームに亘って各受信ビームに沿ったエコー信号を得る受信部と、
   各受信ビームごとにその受信ビームに含まれるシャドウを検出するシャドウ検出部と、
   複数の受信ビームに亘って得られる複数のエコー信号に基づいて超音波画像を形成する画像形成部と、
   を有し、
   前記シャドウ検出部は、各受信ビームごとにエコー信号の変化の大きさを示すエコー変化信号を形成し、エコー変化信号に基づいてその受信ビーム上において硬組織位置を検出し、その受信ビーム上において硬組織位置よりも深い領域に生じるシャドウを検出するにあたり、各受信ビーム上において前記硬組織位置を間に挟んで浅部区間と深部区間を設定し、その受信ビーム上の浅部区間におけるエコー信号の平均値と深部区間におけるエコー信号の平均値の差に基づいて前記シャドウの有無を判断する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記シャドウ検出部は、前記２つの平均値の差が閾値よりも大きい場合に、前記硬組織位置よりも深い領域をシャドウと判断する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項２に記載の超音波診断装置において、
   前記シャドウ検出部は、前記硬組織位置として、前記エコー変化信号が閾値を超える浅い方の位置ａと深い方の位置ｂを検出し、位置ａよりも浅い領域に前記浅部区間を設定して位置ｂよりも深い領域に前記深部区間を設定し、前記２つの平均値の差が閾値よりも大きい場合に、位置ｂよりも深い領域をシャドウと判断する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項２に記載の超音波診断装置において、
   前記シャドウ検出部は、前記硬組織位置として、前記エコー変化信号が過渡的な変化を示す境界位置を検出し、境界位置よりも浅い領域に前記浅部区間を設定して境界位置よりも深い領域に前記深部区間を設定し、前記２つの平均値の差が閾値よりも大きい場合に、境界位置よりも深い領域をシャドウと判断する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
   前記画像形成部は、シャドウに対応する画像部分に視覚的な識別処理を施した超音波画像を形成する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。

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