JP5396285B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、周期的に運動する対象組織の表示画像を形成する超音波診断装置に関する。

心臓などの運動を伴う組織の三次元超音波画像を形成する超音波診断装置が知られている。例えば、三次元空間内において超音波ビームをスキャン（走査）して三次元空間内からエコーデータを収集し、収集したエコーデータに基づいて三次元超音波画像を形成してリアルタイム表示する技術が知られている。但し、リアルタイム表示の場合には、スキャンレートとビーム密度とビーム範囲が互いにトレードオフの関係になるという原理的な制約がある。

三次元超音波画像のリアルタイム表示における原理的な制約を回避するための技術も提案されている。例えば、特許文献１には、心電信号などに同期させて三次元空間内において走査面を少しずつ移動させながら、走査面の各位置において複数の時相に亘って複数の断層画像データを収集し、収集された複数の断層画像データを並べ替えて再構築して三次元画像データを形成する技術（再構成処理または再構築処理）が記載されている。この技術は、直接的に心電信号を得ることが困難な胎児などに適用することが難しい。

また、特許文献２には、心電信号に換えて、ある時間間隔ごとにスキャンして再構築する技術が記載されている。しかし、この技術では、データ収集中における心臓などの周期が一定と仮定しており、そのため、例えば心臓の周期が一定ではない場合に、再構築後の画像における心臓の形態が実際のものから歪められて信頼性が低くなる可能性がある。

特許第３５３７５９４号公報 特開２００５−７４２２５号公報

上述した背景技術に鑑み、本願の発明者は、再構成処理により超音波画像を形成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、所望の症状が含まれるように画像を再構成する技術を提供することにある。

上記目的にかなう好適な超音波診断装置は、周期的に運動する対象組織を含む三次元空間内で超音波を送受波するプローブと、前記プローブを制御することにより、対象組織に関する運動の複数の周期に亘って走査面を移動させつつ三次元空間内で複数の走査面を形成する送受信制御部と、前記複数の走査面に対応した複数の画像で構成される画像列の中から前記対象組織に関する運動の仮想周期に対応した間隔で複数の基準画像を探索する基準画像探索部と、前記画像列内において複数の基準画像の各々から指定間隔だけ離れた箇所に複数の分割基準を設定する分割基準設定部と、前記複数の分割基準の各々を分割の境界とすることにより前記画像列を複数の画像群に分割し、複数の画像群の各々から互いに周期的に対応した複数の画像を抽出する画像再構成部と、互いに周期的に対応した複数の画像に基づいて前記対象組織の表示画像を形成する表示画像形成部と、を有することを特徴とする。

上記構成では、複数の基準画像の各々から指定間隔だけ離れて設定された複数の分割基準を用いて画像の再構成を行うため、指定間隔を適宜に設定することにより、所望の症状が含まれるように画像を再構成することが可能になる。

望ましい具体例において、前記基準画像探索部は、前記画像列を構成する複数の画像から得られる周期性に関する特徴量に基づいて複数の基準画像を探索し、前記分割基準設定部は、複数の基準画像の間隔に基づいて前記指定間隔を設定する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記基準画像探索部は、前記特徴量として算出される複数の画像の各々に対応した相互差分値に基づいて、最大の相互差分値に対応した１つの画像を代表基準画像とし、その代表基準画像を起点として、極大の相互差分値に対応した複数の画像の中から、前記仮想周期だけ離れた位置に最も近い画像を次々に探索して複数の基準画像とし、前記分割基準設定部は、互いに隣接する基準画像同士の間隔のうちの最小間隔に基づいて前記指定間隔を設定する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記分割基準設定部は、前記画像列内において複数の基準画像の各々から前記指定間隔だけ時間的に遡った箇所に複数の分割基準を設定し、前記画像再構成部は、複数の画像群の各々から互いに周期的に対応した複数の画像を抽出して１つのデータブロックとし、複数の分割基準に対応した複数の画像からなるデータブロックを時間的に先頭にして次々に複数のデータブロックを形成する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記超音波診断装置は、前記画像列を構成する複数の画像から得られる周期性に関する特徴量に基づいて前記仮想周期を算出する仮想周期算出部をさらに有する、ことを特徴とする。

本発明により、所望の症状が含まれるように画像を再構成することが可能になる。

本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。 三次元的な走査を説明するための図である。 断面差分値の変化を示す図である。 相互差分値の変化を示す図である。 基準画像の探索を説明するための図である。 分割基準の設定を説明するための図である。 再構築処理部による処理を説明するための図である。

以下に本発明の好適な実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。プローブ１０は、対象組織を含む三次元空間内において超音波を送受波する。プローブ１０は超音波を送受波する複数の振動素子を備えており、複数の振動素子がビームフォーマ１２によって送信制御されて送信ビームが形成される。また、複数の振動素子が対象組織から反射された超音波を受波し、これにより得られた信号がビームフォーマ１２へ出力され、ビームフォーマ１２が受信ビームを形成する。

本実施形態のプローブ１０は、超音波ビーム（送信ビームと受信ビーム）を三次元空間内において走査して立体的にエコーデータを収集する３Ｄプローブである。例えば、一次元的に配列された複数の振動素子（１Ｄアレイ振動子）によって電子的に形成される走査面を機械的に動かすことにより超音波ビームが三次元的に走査される。また、二次元的に配列された複数の振動素子（２Ｄアレイ振動子）を電子的に制御して超音波ビームを三次元的に走査してもよい。

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の各々に対応した送信信号を供給することにより超音波の送信ビームを形成する。また、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の各々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超音波の受信ビームを形成し、受信ビームに沿って得られるエコーデータを出力する。本実施形態において、対象組織は、周期的に運動する組織であり、例えば胎児の心臓などである。

図２は、本実施形態における三次元的な走査を説明するための図である。図２において対象組織を含む三次元空間はＸＹＺ直交座標系で表現されている。本実施形態では、ＸＹ平面に対してほぼ平行となるように走査面Ｓが形成され、その走査面ＳをＺ軸方向にゆっくりと移動させつつ、Ｚ軸方向に沿って複数の走査面Ｓが形成される。走査面Ｓは、胎児の心臓などの周期的な運動に関する複数の周期に亘って、例えば約８秒で約２０心拍を含む期間に亘って、Ｚ軸方向にゆっくりと移動する。

図１に戻り、胎児の心拍の複数の周期に亘ってＺ軸方向に沿って複数の走査面が形成されると、各走査面ごとに断層画像データが収集され、複数の走査面に対応した複数の断層画像データが次々に前メモリ１４に記憶される。

エラー判定部１６は、前メモリ１４に記憶された複数の断層画像データから得られる画像間の差分量に基づいて、複数の断層画像データが良好か否かを判定する。例えば胎児や母体やプローブの動きにより画像内で胎児の心臓が大きく動いてしまい、良好な画像が得られない可能性がある。そこで、エラー判定部１６は、診断のための良好な画像が得られるか否かを判定する。その判定にあたって、エラー判定部１６は、次式で定義される断面差分値を利用する。

数１式におけるｘ，ｙ，ｚは、図２のＸＹＺ直交座標系における各軸上の座標値でありｐは断層画像データ内の各座標に対応した画素値である。数１式により、Ｚ軸方向に隣接する２つの断層画像データ間の差分値が算出される。

図３は、断面差分値の変化を示す図であり、図３の横軸は、各断層画像データの位置を示している。つまり、図３の横軸は、各走査面の位置と各走査面が得られた時間に対応しており、図２のＺ軸（時間の経過に伴う位置の変化方向）に対応している。

胎児の心臓が大きく移動してしまうことが無ければ、隣接する断層画像データは互いに似たものとなり、数１式により得られる差分値は比較的小さくなる。一方、例えば胎児自身の動き、母体の呼吸動作、プローブ１０の位置の大きなずれなどがあると、断層画像内において胎児の心臓が大きく動いてしまい、隣接する断層画像データ間の差分値が比較的大きくなる。そこで、エラー判定部１６は、断面差分値が所定の閾値を超えた場合に、画像内において心臓が大きくずれてしまったと判断する。

図１に戻り、エラー判定部１６により心臓が大きくずれてしまったと判断されると、制御部４０は、例えば、ビームフォーマ１２などを制御して、断層画像データの収集を中止させる。なお、制御部４０は、図１内の各部を集中的に制御しており、例えば、エラー判定部１６によりエラーであると判断された場合に、エラーである旨を示す表示や警告などを表示部３０に表示させてもよい。エラー判定部１６によりエラーの判定が成されなければ、前メモリ１４に記憶された複数の断層画像データに基づいて、後述する処理が実行される。

仮想周期算出部２２は、前メモリ１４に記憶された複数の断層画像データに基づいて、胎児の心臓に関する仮の周期となる仮想周期を算出する。仮想周期の算出にあたって、仮想周期算出部２２は、次式で定義される相互差分値を利用する。

数２式におけるｘ，ｙ，ｚは、図２のＸＹＺ直交座標系における各軸上の座標値であり、ｐは断層画像データ内の各座標に対応した画素値である。数２式においては、Ｚ軸方向に隣接する２つの断層画像データ間の２つの画素値の差分に対して、一方の画素値が乗算されている。これにより、心臓が収縮する場合に比べて心臓が拡張する場合に相互差分値が比較的大きな値となり、単純な差分値では識別が難しい拡張と収縮を相互差分値により識別することが可能になる。

例えば、ある断層画像データｚ内において、画素ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）が心臓内壁の近傍の心筋であると仮定し、その画素値をｐ（ｘ，ｙ，ｚ）＝１００とする。心臓が拡張して心腔が大きくなると、断層画像データｚに続いて得られる断層画像データｚ＋１内において画素ｐ（ｘ，ｙ，ｚ＋１）が心腔の画素となる。心筋に比べて心腔の画素値は小さいためその画素値をｐ（ｘ，ｙ，ｚ＋１）＝１０とする。この例において、数２式の右辺の絶対値を算出すると１００×（１００−１０）＝９０００となる。心臓が拡張する場合には、心臓内壁の周辺において、心筋から心腔に変化する画素が多く発生するため、数２式の相互差分値の値が比較的大きくなる。

一方、心臓が収縮する場合には、上記の例とは反対の現象が発生する。つまり、心臓が収縮して心腔が小さくなるため、心腔に対応した画素ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）＝１０から、心筋に対応した画素ｐ（ｘ，ｙ，ｚ＋１）＝１００に変化する。この例において、数２式の右辺の絶対値を算出すると｜１０×（１０−１００）｜＝９００となり、拡張の場合における値９０００よりも小さくなる。そのため、拡張と収縮を相互差分値により識別することが可能になる。

図４は、相互差分値の変化を示す図である。図４の横軸は、各断層画像データの位置（各走査面の位置と時間）を示しており、図２のＺ軸（時間の経過に伴う位置の変化方向）に対応している。数２式を利用してＺ軸上の各位置（ｚ）において相互差分値が算出されると、心臓が拡張する場合に相互差分値が比較的大きな値となる。そこで、仮想周期算出部２２は、相互差分値のピーク値（極大値）を検出し、隣接するピーク値の間隔を心臓の周期（心拍の周期）と判断する。

但し、例えば胎児の心臓は、心拍の周期が変動する場合があり、心拍の周期が変動するとピーク値の間隔も変動する。そこで、仮想周期算出部２２は、例えば、ピーク値の間隔のうちの２番目に大きな間隔を仮想周期に設定する。なお、ピーク値の間隔のヒストグラムから得られる最多頻度の値や重心値などを仮想周期としてもよい。また、予め設定された複数の値の中からユーザまたは装置が仮想周期を選択するようにしてもよいし、ユーザが仮想周期の値を入力するようにしてもよい。仮想周期として、超音波診断装置の計測結果（例えばＭモード計測の結果）に基づいて得られる値が利用されてもよいし、常に固定値が利用されてもよい。

図１に戻り、仮想周期が設定されると、基準画像探索部２４は、複数の断層画像データの中から、仮想周期を利用して複数の基準画像を探索する。

図５は、基準画像の探索を説明するための図である。図５（Ａ）〜（Ｃ）の各々には、図４を利用して説明した相互差分値の変化が図示されている。基準画像探索部２４は、まず、複数の断層画像の中から代表となる基準画像（代表基準画像）を探索する。基準画像探索部２４は、図５（Ａ）に示すように、相互差分値が最大となる位置に対応した断層画像データを代表基準画像（代表基準断面）とする。そして、基準画像探索部２４は、代表基準画像を起点として、極大の相互差分値に対応した複数の断層画像の中から、仮想周期だけ離れた位置に最も近い断層画像を次々に探索する。

まず、図５（Ａ）に示すように、まず、代表基準画像からＺ軸方向の正方向と負方向に仮想周期（ＶＨＲ）だけ離れた位置に最も近い断層画像が探索されて基準画像とされる。次に、基準画像探索部２４は、図５（Ｂ）に示すように、探索された基準画像から仮想周期（ＶＨＲ）だけ離れた位置に最も近い断層画像を探索して新たな基準画像とする。図５（Ｂ）において、破線の矢印が複数の基準画像（基準断面）の位置を示している。

基準画像探索部２４は、代表基準画像を起点として次々に複数の基準画像を探索する。こうして、極大の相互差分値に対応した複数の断層画像の中から、図５（Ｃ）に示すように複数の基準画像が探索される。図５（Ｃ）において、破線の矢印が複数の基準画像（基準断面）の位置を示している。

図１に戻り、複数の基準画像が探索されると、分割基準設定部２５は、複数の断層画像（データ）で構成される画像列内において、複数の基準画像の各々から指定間隔だけ離れた箇所に複数の分割基準を設定する。

図６は、分割基準の設定を説明するための図である。図６（Ａ）（Ｂ）の各々には、複数の断層画像で構成された画像列が図示されている。つまり、各々の横軸は、断層画像の位置（走査面の位置と時間）を示しており、各々の横軸に沿って複数の断層画像がパルス状に実線で示されている。

図６（Ａ）には、画像列内において探索された複数の基準画像Ｆが太く長い実線で明示されている。複数の基準画像Ｆは、仮想周期と相互差分値の変化に基づいて探索される（図５参照）。そのため、隣接する基準画像Ｆ同士の間隔は、対象組織に関する運動の周期変動に応じて変化する。

そこで、分割基準設定部２５は、複数の基準画像Ｆの間隔に基づいて指定間隔を設定する。例えば、互いに隣接する基準画像Ｆ同士の間隔のうちの最小間隔に基づいて指定間隔が設定される。図６（Ａ）において、その最小間隔は期間Ｔｍｉｎであり、分割基準設定部２５は、その最小期間の半分である期間Ｔｍｉｎ／２を指定間隔とする。

そして、分割基準設定部２５は、画像列内において複数の基準画像Ｆの各々から指定間隔だけ時間的に遡った箇所に複数の分割基準ＤＦを設定する。図６（Ｂ）には、図６（Ａ）と同じ画像列内において設定された複数の分割基準ＤＦが太く長い実線で明示されている。

こうして、画像列内において複数の分割基準ＤＦが設定されると、複数の分割基準ＤＦの各々を分割の境界として画像列が複数の画像群に分割される。図６（Ｂ）において、各分割基準ＤＦを先頭とする期間Ｔｍｉｎ内に含まれる複数の断層画像により１つの画像群が構成される。そして、後に詳述するように、複数の画像群の各々から互いに周期的に対応した複数の断層画像を抽出することにより画像の再構成（再構築）が実現される。

なお、上述した分割による再構築処理では、図６（Ｂ）に示す期間Ｔｍｉｎの画像群に属する複数の断層画像のみが再構築処理に利用される。つまり、互いに隣接する２つの画像群の間に存在する断層画像は、再構築処理に利用されない。

図１に戻り、複数の分割基準が設定されると、再構築処理部２０は、複数の分割基準の各々を分割の境界として画像列を複数の画像群に分割する。そして、再構築処理部２０は複数の画像群の各々から互いに周期的に対応した複数の断層画像を抽出することにより再構築処理を実現する。再構築処理部２０は、前メモリ１４に記憶された複数の断層画像データを再構築して後メモリ２６に記憶する。

図７は、再構築処理部２０による処理を説明するための図であり、図７には、前メモリ１４に記憶されるデータと後メモリ２６に記憶されるデータの対応関係が示されている。図７において「断層画像Ｚｎ（ｎ＝１，２，３，・・・，６９，・・・）」は、Ｚ軸（図２参照）上における座標Ｚｎの位置の断層画像データを意味している。

前メモリ１４には、Ｚ軸方向に沿って次々に形成される複数の走査面に対応した複数の断層画像データが形成された順に記憶されている。つまり、前メモリ１４には、いくつかの断層画像に続いて、断層画像Ｚ１，断層画像Ｚ２，・・・，断層画像Ｚ６９，・・・の順に複数の断層画像データが記憶されている。

再構築処理部２０は、複数の分割基準の各々を分割の境界とすることにより、前メモリ１４に記憶された複数の断層画像（データ）を複数の画像群に分割する。そして、複数の画像群の各々から、互いに周期的に対応した複数の断層画像が抽出される。

図７において、断層画像Ｚ５，断層画像Ｚ３５，断層画像Ｚ６５が基準画像探索部２４により探索された複数の基準画像であり、また、断層画像Ｚ１，断層画像Ｚ３１，断層画像Ｚ６１が分割基準設定部２５により設定された複数の分割基準である。

再構築処理部２０は、互いに周期的に対応した複数の断層画像として、まず、分割基準である断層画像Ｚ１，・・・，断層画像Ｚ３１，・・・，断層画像Ｚ６１を抽出する。そして、抽出された断層画像Ｚ１，・・・，断層画像Ｚ３１，・・・，断層画像Ｚ６１が１つのデータブロックとなって後メモリ２６内に記憶される。

次に、再構築処理部２０は、互いに周期的に対応した複数の断層画像として、複数の分割基準の各々に対してＺ軸方向の正方向に隣接する複数の断層画像を抽出し、抽出した複数の断層画像を１つのデータブロックとして後メモリ２６内に記憶する。さらに、再構築処理部２０は、互いに周期的に対応した複数の断層画像によるデータブロックを次々に形成して後メモリ２６内に記憶する。

次々に複数のデータブロックが形成される過程において、基準画像である断層画像Ｚ５，・・・，断層画像Ｚ３５，・・・，断層画像Ｚ６５が１つのデータブロックとなって後メモリ２６内に記憶され、そして、各画像群の最終画像である断層画像Ｚ９，・・・，断層画像Ｚ３９，・・・，断層画像Ｚ６９が１つのデータブロックとなって後メモリ２６内に記憶され、複数のデータブロックの形成が完了する。つまり、再構築処理が完了する。この再構築処理において、複数の断層画像の中で再構築処理に利用されない断層画像があることは図６を利用して説明したとおりである。

図１に戻り、三次元画像形成部２８は、後メモリ２６に記憶された再構築後の複数の断層画像データに基づいて、胎児の心臓を立体的に映し出す三次元画像データを形成する。三次元画像形成部２８は、後メモリ２６に記憶された１つのデータブロックに基づいて各時相の三次元画像データを形成する。

三次元画像形成部２８は、例えば、ボリュームレンダリング法や積算法や投影法などの各種の手法を適用して、各時相ごとに複数の時相に亘って三次元画像データを形成する。こうして、複数の時相に亘って形成された三次元画像データに対応した画像が表示部３０に表示され、擬似的にリアルタイムの三次元動画像が表示される。例えば、複数時相の三次元画像データに対応した画像が繰り返し表示されてループ再生が実行されてもよい。

上述した実施形態によれば、後メモリ２６に記憶された断層画像Ｚ１，・・・，断層画像Ｚ３１，・・・，断層画像Ｚ６１に基づいて先頭の時相の三次元画像データが形成され、断層画像Ｚ５，・・・，断層画像Ｚ３５，・・・，断層画像Ｚ６５に基づいて中心の時相の三次元画像データが形成される。つまり互いの時相関係が最も一致していると考えられる基準画像による三次元画像データを時相の中心に配置することが可能になる。また、複数の基準画像は、例えば、心臓の拡張末期に対応した時相の画像であるため、拡張末期に対応した時相を複数時相の中心に配置して確実に観察されるようにすることができる。

なお、図６を利用して説明した分割基準設定部２５が利用する指定間隔を適宜に変更することにより、基準画像に対応したデータブロックを全データブロックの中心からずらすことができる。そのため、例えば、ユーザが指定間隔（例えば時間やフレーム数など）を適宜に設定して、基準画像に対応したデータブロックを中心からずらすことができるようにしてもよい。

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 ビームフォーマ、１６ エラー判定部、２０ 再構築処理部、２２ 仮想周期算出部、２４ 基準画像探索部、２５ 分割基準設定部、２８ 三次元画像形成部。

Claims (5)

1. 周期的に運動する対象組織を含む三次元空間内で超音波を送受波するプローブと、
   前記プローブを制御することにより、対象組織に関する運動の複数の周期に亘って走査面を移動させつつ三次元空間内で複数の走査面を形成する送受信制御部と、
   前記複数の走査面に対応した複数の画像で構成される画像列の中から前記対象組織に関する運動の仮想周期に対応した間隔で複数の基準画像を探索する基準画像探索部と、
   前記画像列内において複数の基準画像の各々から指定間隔だけ離れた箇所に複数の分割基準を設定する分割基準設定部と、
   前記複数の分割基準の各々を分割の境界とすることにより前記画像列を複数の画像群に分割し、複数の画像群の各々から互いに周期的に対応した複数の画像を抽出する画像再構成部と、
   互いに周期的に対応した複数の画像に基づいて前記対象組織の表示画像を形成する表示画像形成部と、
   を有する、
   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、
   前記基準画像探索部は、前記画像列を構成する複数の画像から得られる周期性に関する特徴量に基づいて複数の基準画像を探索し、
   前記分割基準設定部は、複数の基準画像の間隔に基づいて前記指定間隔を設定する、
   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、
   前記基準画像探索部は、前記特徴量として算出される複数の画像の各々に対応した相互差分値に基づいて、最大の相互差分値に対応した１つの画像を代表基準画像とし、その代表基準画像を起点として、極大の相互差分値に対応した複数の画像の中から、前記仮想周期だけ離れた位置に最も近い画像を次々に探索して複数の基準画像とし、
   前記分割基準設定部は、互いに隣接する基準画像同士の間隔のうちの最小間隔に基づいて前記指定間隔を設定する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
   前記分割基準設定部は、前記画像列内において複数の基準画像の各々から前記指定間隔だけ時間的に遡った箇所に複数の分割基準を設定し、
   前記画像再構成部は、複数の画像群の各々から互いに周期的に対応した複数の画像を抽出して１つのデータブロックとし、複数の分割基準に対応した複数の画像からなるデータブロックを時間的に先頭にして次々に複数のデータブロックを形成する、
   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、
   前記画像列を構成する複数の画像から得られる周期性に関する特徴量に基づいて前記仮想周期を算出する仮想周期算出部をさらに有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。

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