JP5412242B2 - 超音波断層画像の処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検体内に超音波を送受して超音波断層画像を得る超音波診断に関し、特に血管の断層画像の画像処理に関する。

動脈硬化症等で見られる血管壁内面に付着したプラークの性状は、大きく分けて繊維化、石灰化、脂質、出血の４タイプに分類される。繊維化および石灰化プラークは、破綻しにくく安定であるため安定プラークと呼ばれ、脂質性、出血性のプラークは、破綻しやすく不安定であるため、不安定プラーク、可動性プラークなどと呼ばれている。不安定プラークは、血流等の圧力により、動きを与えられ、あるとき破綻する。プラークが破綻すると、血栓の形成、血管内腔の狭窄、閉塞という一連の病態が引き起こされ、脳梗塞や心筋梗塞の原因となる。

不安定プラークの一部に、心拍による血流の変動に合わせて揺れ動く部分があることがある。この部分は、例えば、血流によって上下に浮動したり、クラゲの伸縮運動に似た動きをする。前者はフローティングプラーク、後者はジェリーフィッシュサインと呼ばれることがある。以降、このような不安定プラークの、更に不安定な揺れ動く部分を「遊動片」と記して説明する。この遊動片は、近々破綻して、プラーク本体から分離し、血栓を形成する可能性がある部分である。

超音波診断装置によるプラークの診断は、エコーの輝度（強度）によりプラークの性状が分類できる、分解能が高い、リアルタイム性に優れるなどの利点がある。下記特許文献１には、超音波断層画像を利用したプラークの診断が記載されている。

特開２００９−１４８３９５号公報

遊動片の動きを、従来の超音波断層画像で観察しようとすると、その動きはそれほど大きいものではなく、また拍動による血管壁の動きに紛れてしまうために、認識しづらい。

本発明は、遊動片を抽出して、この位置の情報を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波断層画像の処理装置は、連続的に取得された不安定プラークが付着した血管壁を含む超音波断層画像のうちの一つの画像である基準画像と、この基準画像以外の他の画像である比較画像の少なくとも一つとを、血管壁面の位置を一致させることにより位置合わせし、この状態で、基準画像と比較画像の差分を得ることにより遊動片の抽出を行う。

基準画像と比較画像の差分をとるにあたって、二値化処理を行う。この場合、不安定プラーク部分、特に血流部と接する部分の情報が欲しいので、プラークと血管壁の輝度の間の値をしきい値として用いる。この差分画像において、基準画像を比較画像の輝度（二値）の値が異なる部分が抽出される。血管壁およびプラークと、血流との境界面（血管表面）は、上記位置合わせの際、完全に一致しない場合も考えられるので、血管壁に対し交差する方向の厚さが所定値以上の部分のみを抽出するようにすることができる。

得られた差分画像を、多値の前記基準画像または前記比較画像に重ねて提供することができる。差分画像は、多値の基準画像等に対し、区別可能な態様で提供することができる。例えば、基準画像は、輝度を下げて表示し、差分画像は高輝度で表示することができる。また、差分画像に色付けすることもできる。

基準画像と複数の比較画像をそれぞれ比較して、差分画像を得てこれを連続的に表示することで、遊動片の動きの様子が見える動画表示をすることができる。

本発明によれば、血管壁に付着した不安定プラークのうち、特に破綻の可能性が高い遊動片を明瞭に表示することができる。

本実施形態の超音波診断システムの概略構成図である。 本実施形態の画像処理の構成を示すブロック図である。 複数の超音波断層画像を示す図である。 超音波断層画像（多値）の例である。 図４の超音波断層画像を簡略にした図である。 輝度値と画素数の関係を示す図である。 基準画像に設定されたウインドウの一例を示す図である。 比較画像に設定されたウインドウの一例を示す図である。 二値化により不安定プラークの表面が示された超音波断層画像を示す図である。 図９の画像からノイズを除去した超音波断層画像を示す図である。 差分画像を示す図である。 図１１の画像から不要なプラーク境界部分を排除し遊動片を抽出した超音波断層画像を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本発明に係る超音波診断システム１０の概略構成を示す図である。超音波診断システム１０は、超音波診断装置１２とコンピュータ１４を含む。超音波診断装置１２は、被検体に対し超音波を送受する超音波プローブ１６と、受信された超音波の反射波に基づき断層画像などの所定の超音波画像を形成する画像形成部を有する装置本体１８と、形成された画像を表示するための表示部２０を含む。超音波診断装置１２にはコンピュータ１４が接続され、コンピュータ１４は超音波診断装置１２で形成された超音波画像を取り込むことが可能である。コンピュータ１４は、ＤＶＤ等の外部記憶媒体２２から所定のプログラムを読み込むことができる。さらに、コンピュータ１４には、プリンタ２４を接続することが可能であり、必要に応じて超音波画像を用紙に印刷して出力することができる。

図１に示すシステム１０は、システム構成の一例を示すものであり、他の態様でシステムを構成することもできる。例えば、コンピュータ１４の機能を超音波診断装置１２に一体化するようにしてもよい。

図２は、超音波診断システム１０で実行される画像処理の構成を示すブロック図である。画像形成部１００は、超音波の反射波に基づき超音波断層画像を形成する。この超音波断層画像の形成については、従来の超音波診断装置における画像形成と同一のものであるので、説明は省略する。画像形成部１００では、所定のフレームレートで連続的に超音波断層画像を形成し、形成された画像２５は順次超音波画像記憶部１０２に記憶される（図３参照）。なお、記憶される画像２５は全てのフレームであってもよく、間引いたフレームを記憶してもよい。血流の変化による不安定プラークの動きを観察するため、１心拍中、複数または数枚以上の画像が取得され、記憶されることが好ましい。

得られた画像の一例が図４に示されている。また、図５は、図４のグレースケール画像を説明のために単純化したものである。図４，５は、頸動脈の軸線を含む断面を示す画像である。血管内の血液の流れている部分（血流部）２６は暗く、血管壁２８および筋組織は明るい。また、血管内壁面に形成された不安定プラーク３０は、血管壁等より軟らかい組織であり、輝度は、血管壁より暗いが、液体である血流部２６よりは明るい。血流の変化による不安定プラークの動きを観察するため、１心拍中、複数または数枚以上の画像が取得され、記憶されることが好ましい。

次に、関心領域（ＲＯＩ）３２の設定を行う（ＲＯＩ設定部１０４）。関心領域３２は、形成された一つ又は複数の画像を術者が見て決定する。具体的には、例えば、コンピュータ１４のディスプレイに超音波画像を表示させ、さらに関心領域３２を示す長方形を重ねて表示し、この長方形をコンピュータ１４のマウス、キーボードなどの入力装置により、移動、伸縮させて設定を行う。関心領域３２を設定した一つの画像を、以降「基準画像２５Ａ」と記し、またこの基準画像以外の画像を「比較画像２５Ｂ」と記して説明する。さらに、更に複数の比較画像を区別して説明する必要がある場合には、時系列の順に、２５Ｂ-1，２５Ｂ-2，・・・と枝番号-1，-2，・・・を付す。この基準画像２５Ａは、収縮末期または拡張末期の画像とすることが好ましく、このために心電情報を得ることが好ましい。不安定プラーク中の遊動片は、収縮末期または拡張末期において、その振れ幅中、最も大きく振れた位置にあると考えられるので、このときの位置と他の時期の位置を比較することで、その差をより明瞭にとらえることができる。

次に、設定された関心領域３２内の画素について、各輝度値の出現頻度（画素数）をグラフ化する。図６は、輝度値を横軸に画素数を縦軸にしたグラフであり、関心領域３２内の、ある輝度値の画素数が示されている。ただし、ある輝度値の画素数をそのままを示しているのではなく、平滑化し、滑らかな曲線となるように処理している。図６の出現頻度のグラフをみると、三つのピークがあることが分かる。最も輝度値が低い位置にある第１のピーク３４を含む山は、血流部２６の画素に対応している。次に輝度値が低い位置にある第２のピーク３６周辺は、不安定プラーク３０の画素に対応している。さらに、最も輝度値が高い位置にある第３のピーク３８周辺は、血管壁２８等の画素に対応している。これらのピークの間の谷部分、特にピークの間の最も低い度数の位置にしきい値を設定すれば、超音波断層画像上で、血流部２６、血管壁２８、不安定プラーク３０を区別することができる。すなわち、第１のピーク３４と第２のピーク３６の間の第１しきい値ＴＨ１により、不安定プラーク３０および血管壁２８と、血流部２６との画素の区別をすることができ、また第２のピーク３６と第３のピーク３８の間の第２しきい値ＴＨ２により、血流部２６および不安定プラーク３０と、血管壁２８の画素を区別することができる。しきい値設定部１０６は、輝度値とその輝度値を有する画素数の関係を示すグラフから上記第１しきい値ＴＨ１および第２しきい値ＴＨ２を決定する。これらのしきい値ＴＨ１，ＴＨ２は、簡易的に、予め定められた値を用いるようにもできる。

血管壁特定部１０８では、第２しきい値ＴＨ２を用いて、基準画像２５Ａ、比較画像２５Ｂの二値化処理を行う。前述のように第２しきい値ＴＨ２は、プラーク３０と血管壁２８を区別する値であるから、この二値化処理で得られた二値画像の境界線は、血管壁の内壁面４０（図５参照）に相当する。二値化処理後、ノイズ除去を行ってもよい。ノイズ除去は、例えば、ラベリング処理を用いて孤立した画素を除去するものとできる。この二値画像の境界線上に、後述する基準画像２５Ａと比較画像２５Ｂの位置合わせのために、ウインドウ４２を設定する。ウインドウ４２は、長方形で示された関心領域３２の左右方向の所定位置、好ましくは中心位置であって、明暗の画素がほぼ同数となる位置に設定される。設定の方法は、例えば５×５のウインドウ４２を、関心領域３２の中心線に沿って上から下へと移動させ、明暗の画素数が最も近くなる位置をウインドウ４２の位置に決定する。この結果、血管内壁面４０は、ウインドウ４２をほぼ二分するように横切る。

ウインドウ４２を用いて位置合わせ部１１０にて基準画像に対する比較画像の位置合わせを行う。基準画像２５Ａに設定されたウインドウには符号４２-0を付す。図７に示すように、ウインドウ４２-0は、例えば５×５の画素４４より構成される。このウインドウ４２-0の内側に、ウインドウ４２-0より小さい、例えば３×３の画素からなる比較領域４６-0を、ウインドウ４２-0の中央に設定する。基準画像の二値化処理する以前の多値画像に対し、ウインドウ４２-0および比較領域４６-0を設定し、この比較領域４６-0中の画素の輝度値を取得する。比較領域の符号についても、枝番号-0を付すことにより基準画像２５Ａに関する比較領域４６であることを示す。図７では、比較領域４６-0内の画素に、その輝度値を記している。この基準画像２５Ａに続く、つまり連続的に取得された画像のうち基準画像２５Ａの次に取得された比較画像（多値）２５Ｂ-1において、基準画像２５Ａと同じ位置にウインドウ４２-1を設定し、そのウインドウ４２-1の５×５の画素の輝度値情報を得る。比較画像２５Ｂ-1に設定されたウインドウ４２および比較領域４６については、枝番号-1を付す。図８は、比較画像２５Ｂ-1のウインドウ４２-1内の各画素の輝度値を示している。このウインドウ４２-1内に３×３の比較領域４６-1a，４６-1b，４６-1c，・・・を順次設定し、基準画像の比較領域４６-0との相関に基づき、基準画像における血管内壁面の位置と比較画像における位置とのずれを算出する。

具体的には、まず、基準画像の比較領域４６-0と比較画像の比較領域４６-1aの比較を行う。それぞれの比較領域の１行１列、１行２列、１行３列、２行１列、・・・、３行３列の画素同士の輝度値の差の２乗の総和Ｚを算出する。

Ｆ(n)ijは基準画像の比較領域４６-0のｉ行ｊ列の画素値、Ｆ(n+1)ijは比較画像の比較領域４６-1aのｉ行ｊ列の画素値である。

比較領域を順次移動させて、それぞれについて総和Ｚを算出し、この総和Ｚが最も小さくなる比較領域４６-1を決定する。図示する例においては、比較領域４６-1cが総和Ｚを最小にする。つまり、基準画像の比較領域４６-0内の画像パターンに最も相関の高い画像パターンは比較領域４６-1cであることを意味する。これから、基準画像の比較領域４６-0に表示されていた部分は、比較画像においては、右および上に１画素ずれた比較領域４６-1cに移動したと考える。これをもって、比較画像における血管壁の位置は、基準画像のそれに対して、右および上に１画素ずれているとする。このずれた分だけ、比較画像全体を移動させれば、比較画像の血管壁の位置を、基準画像のそれに重ね合わせることができる。ウインドウ４２およびウインドウ内の比較領域４６の大きさは、上記以外であってもよい。他の比較画像２５Ｂ-2，２５Ｂ-3，・・・についても同様に、基準画像２５Ａに対するずれを求める。

不安定プラークの遊動片はプラーク表面にあると考えられるので、プラーク形状特定部１１２においては、不安定プラークの表面４８（図５参照）の形状を特定する。このために、前出の第１しきい値ＴＨ１を用いる。図６に示すように、第１しきい値ＴＨ１は、不安定プラーク３０および血管壁２８と血流部２６との間の値であるので、第１しきい値ＴＨ１を用いて、二値化処理を行えば、明暗の境界が不安定プラークの表面４８、または血管壁の表面を表す。

図９は、関心領域３２内を第１しきい値ＴＨ１により二値化処理した画像である。不安定プラークの表面４８の形状が明暗の境界線となって明瞭に示される。図９には、血流部中にノイズが見られるが、このようなノイズを除去する処理を行ってもよい。具体的には、ラベリング処理を行い、孤立した明の部分をノイズとして除去するようにできる。ノイズ除去の結果が図１０に示されている。この第１しきい値ＴＨ１による二値化およびノイズ処理を、基準画像２５Ａおよび比較画像２５Ｂ-1に対して、特にその関心領域内の画像に対して実行する。第１しきい値ＴＨ１により二値化された基準画像を５０Ａ、比較画像５０Ｂ（５０Ｂ-1）と記して以下説明する。

差分演算部１１４では、二値化された基準画像５０Ａと比較画像５０Ｂ-1のそれぞれの関心領域内の差分が演算される。このとき、位置合わせ部１１０において算出された基準画像２５Ａと比較画像２５Ｂ-1のずれに基づき、二値化比較画像５０Ｂ-1を移動させた状態で差分をとる。つまり、二値化比較画像５０Ｂ-1を、ずれを解消するように平行移動させ、この状態で差分をとる。これにより、二値化基準画像５０Ａと二値化比較画像５０Ｂ-1は、その画像パターンがほぼ重なる。二値化された画素の輝度値を０（暗），１（明）とすれば、差分は−１，０，１のいずれかになる。二値化された基準画像５０Ａと比較画像５０Ｂ-1の間で動いた部分がなければ、全ての画素が０となる。値が−１と１の画素は、二値化基準画像５０Ａに対して二値化比較画像５０Ｂ-1の動いた部分を表している。図１１では、実際の明暗を反転させて、差分０の画素を明、差分−１，１の画素を暗で示している。つまり、動きのあった部分が暗になっている。

位置合わせ部１１０において、基準画像２５Ａと比較画像２５Ｂの位置合わせをしているが、実際には、若干のずれが残る場合がある。これが図１１において、暗の画素が連なって表示される主な理由と考えられる。位置合わせ処理を行った後においては、残っているずれはわずかであると考えられるので、遊動片抽出部１１６では、暗画素部分において、血管壁に交差する方向に所定の幅以下の細い部分は、前記の位置合わせの際の誤差と考えてこの部分を排除する。残った部分が図１２に示すように遊動片５２として抽出され、差分画像５４（５４-1)が得られる。この実施形態では、血管壁に交差する方向は、関心領域３２に上下方向とし、この方向に１画素の幅の部分は排除し、２画素以上の幅を有する部分を遊動片５２として抽出する。細い幅の画素部分を排除する処理は、位置合わせの結果が良好であり、十分明瞭に遊動片５２を抽出することができる場合には、省略することができる。

合成部１１８において、得られた差分画像に対し抽出された遊動片５２に色を付し、これを基準画像または比較画像に重畳して表示部１２０に表示するようにできる。さらに、基準画像２５Ａと複数の比較画像２５Ｂ-2，２５Ｂ-3，・・・に対し、同様に差分画像５４（５４-2，５４-3，・・・）を算出し、を合成画像記憶部１２２に記憶し、これを連続的に表示することで動画表示も可能となる。動画においては、多値の基準画像２５Ａを表示させた状態で、順次差分画像５４-1，５４-2，５４-3，・・・を表示して遊動片の動きを示すことができる。また、多値の比較画像２５Ｂ-1，２５Ｂ-2，２５Ｂ-3，・・・を順次表示させ、一方でこれと同期させて差分画像５４-1，５４-2，５４-3，・・・を重畳して表示させてもよい。このとき比較画像２５Ｂ-1，２５Ｂ-2，２５Ｂ-3，・・・は、位置合わせ部１１０で求められた基準画像２５Ａに対するずれを補償するように平行移動させて表示させることが望ましい。

図２に示す画像処理の各機能ブロックは、所定のプログラムに従ってコンピュータの演算部、記憶部等が機能することにより実現される。このプログラムは、外部記憶媒体２２にコンピュータに読み取り可能に記録されることができる。

差分画像５４は、色を付けて基準画像２５Ａと重畳する他、基準画像２５Ａの輝度を全体的に落とし、差分画像５４の輝度を上限値またはこれに近い値として重畳することもできる。この場合、遊動片５２が周囲より明るく表示される。

１０ 超音波診断システム、１２ 超音波診断装置、２５ 超音波断層画像、２５Ａ 基準画像、２５Ｂ 比較画像、２６ 血流部、２８ 血管壁、３０ 不安定プラーク、３２ 関心領域（ＲＯＩ）、４０ 血管内壁面、４２ ウインドウ、４４ 画素、４６ 比較領域、４８ プラーク表面、５０Ａ 二値化された基準画像、５０Ｂ 二値化された比較画像、５２ 遊動片、５４ 差分画像。

Claims (6)

1. 連続的に取得された、不安定プラークが付着した血管壁を含む超音波診断画像の一つを基準画像とし、この基準画像以外の画像を比較画像とし、基準画像と比較画像を血管壁面が一致するよう位置合わせを行う位置合わせ手段と、
   基準画像と比較画像を、不安定プラークと血流部を区別するためのしきい値を用いて二値化する二値化手段と、
   二値化手段により二値化された基準画像と比較画像を、前記位置合わせされた状態で差分をとり差分画像を得る差分画像取得手段と、
   前記差分画像を提供する差分画像提供手段と、
   を有する、超音波断層画像の処理装置。
2. 請求項１に記載の超音波断層画像の処理装置であって、差分画像取得手段は、二値化された基準画像と比較画像の差がある部分の、血管壁に交差する方向において所定の厚さ以上の部分を差分画像とする、超音波断層画像の処理装置。
3. 請求項２に記載の超音波断層画像の処理装置であって、前記差分画像提供手段は、差分画像を、基準画像または比較画像に、これらの画像と区別可能な態様で重畳して提供する、超音波断層画像の処理装置。
4. 請求項３に記載の超音波断層画像の処理装置であって、前記区別可能な態様は、差分画像への色付けである、超音波断層画像の処理装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波断層画像の処理装置において、
   前記差分画像取得手段は、基準画像に対し、複数の比較画像をそれぞれ比較して複数の差分画像を取得し、
   前記差分画像提供手段は動画を表示可能な表示手段であり、前記複数の差分画像を動画表示する、
   超音波断層画像の処理装置。
6. 不安定プラークが付着した血管壁を含む超音波断層画像を連続的に取得する画像取得手段と、
   取得された超音波診断画像の一つを基準画像とし、この基準画像以外の画像を比較画像とし、基準画像と比較画像を血管壁面が一致するよう位置合わせを行う位置合わせ手段と、
   基準画像と比較画像を、不安定プラークと血流部を区別するためのしきい値を用いて二値化する二値化手段と、
   二値化手段により二値化された基準画像と比較画像を、前記位置合わせされた状態で差分をとり差分画像を得る差分画像取得手段と、
   前記差分画像を、基準画像または比較画像に、これらの画像と区別可能な態様で重畳して提供する差分画像提供手段と、
   を有する、超音波診断システム。