JP5438936B2 - 超音波診断装置、画像処理装置及び画像処理プログラム - Google Patents
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Description
請求項2に記載の発明は、心臓を超音波で走査して得られる受信信号を少なくとも一心拍以上にわたるボリュームデータとして取得するデータ取得手段と、前記ボリュームデータの所定の心時相において、心筋の短軸面及び前記短軸面上の関心領域を設定する設定手段と、前記ボリュームデータを用いて、前記心筋の関心領域に関する局所的な三次元移動ベクトル情報を演算する演算手段と、前記局所的な三次元移動ベクトル情報を用いて、前記所定の心時相以外における前記心筋の関心領域の三次元的な位置を追跡することで、前記心筋の関心領域の三次元的な位置情報を取得する追跡手段と、前記所定の心時相における短軸面が平面にとどまらない場合の長軸方向の動き成分の影響、及び前記心臓の長軸方向の動き成分が一様でない場合の前記長軸方向の動き成分の影響、の少なくとも一方が除去された、前記所定の心時相における短軸面の回帰平面における局所的な位置の回転角を演算する回転角演算手段と、前記回転角を用いて、回転に関する組織運動情報を取得する運動情報取得手段と、前記組織運動情報を所定の形態で表示する表示手段と、を具備することを特徴とする超音波診断装置である。
請求項12に記載の発明は、心臓を超音波で走査して得られる少なくとも一心拍以上にわたるボリュームデータの所定の心時相において、心筋の短軸面を設定する設定手段と、前記ボリュームデータを用いて、前記短軸面上の組織における三次元的な位置情報を時系列で取得する追跡手段と、前記取得された位置情報に基づいて、前記設定された短軸面の回帰平面上の回転となるように補正された、前記関心領域の回転角を演算する回転角演算手段と、前記回転角を用いて、回転に関する組織運動情報を取得する運動情報取得手段と、前記組織運動情報を表示する表示手段と、を具備することを特徴とする画像処理装置である。
請求項13に記載の発明は、心臓を超音波で走査して得られる少なくとも一心拍以上にわたるボリュームデータの所定の心時相において、心筋の短軸面及び前記短軸面上の関心領域を設定する設定手段と、前記ボリュームデータを用いて、前記心筋の関心領域に関する局所的な三次元移動ベクトル情報を演算する演算手段と、前記局所的な三次元移動ベクトル情報を用いて、前記所定の心時相以外における前記心筋の関心領域の三次元的な位置を追跡することで、前記心筋の関心領域の三次元的な位置情報を取得する追跡手段と、前記所定の心時相における短軸面が平面にとどまらない場合の長軸方向の動き成分の影響、及び前記心臓の長軸方向の動き成分が一様でない場合の前記長軸方向の動き成分の影響、の少なくとも一方が除去された、前記所定の心時相における短軸面の回帰平面における局所的な位置の回転角を演算する回転角演算手段と、前記回転角を用いて、回転に関する組織運動情報を取得する運動情報取得手段と、前記組織運動情報を所定の形態で表示する表示手段と、を具備することを特徴とする画像処理装置である。
請求項14に記載の発明は、コンピュータに、心臓を超音波で走査して得られる少なくとも一心拍以上にわたるボリュームデータの所定の心時相において、心筋の短軸面を設定させる設定機能と、前記ボリュームデータを用いて、前記短軸面上の組織における三次元的な位置情報を時系列で取得させる追跡機能と、前記取得された位置情報に基づいて、前記設定された短軸面の回帰平面上の回転となるように補正された、前記関心領域の回転角を演算させる回転角演算機能と、前記回転角を用いて、回転に関する組織運動情報を取得させる運動情報取得機能と、前記組織運動情報を表示させる表示機能と、を実現させることを特徴とする画像処理プログラムである。
請求項15に記載の発明は、コンピュータに、心臓を超音波で走査して得られる少なくとも一心拍以上にわたるボリュームデータの所定の心時相において、心筋の短軸面及び前記短軸面上の関心領域を設定させる設定機能と、前記ボリュームデータを用いて、前記心筋の関心領域に関する局所的な三次元移動ベクトル情報を演算させる演算機能と、前記局所的な三次元移動ベクトル情報を用いて、前記所定の心時相以外における前記心筋の関心領域の三次元的な位置を追跡することで、前記心筋の関心領域の三次元的な位置情報を取得させる追跡機能と、前記所定の心時相における短軸面が平面にとどまらない場合の長軸方向の動き成分の影響、及び前記心臓の長軸方向の動き成分が一様でない場合の前記長軸方向の動き成分の影響、の少なくとも一方が除去された、前記所定の心時相における短軸面の回帰平面における局所的な位置の回転角を演算させる回転角演算機能と、前記回転角を用いて、回転に関する組織運動情報を取得させる運動情報取得機能と、前記組織運動情報を所定の形態で表示させる表示機能と、を実現させることを特徴とする画像処理プログラムである。
次に、本超音波診断装置1が具備する運動情報生成機能について説明する。この機能は、心臓壁に代表される運動組織について、三次元空間内において回帰平面の法線ベクトルを定義し、当該回帰平面の法線ベクトルを用いて組織の回転成分を正確に抽出し、これを用いて回転に関する運動情報を生成するものである。
まず、ある患者に関する心臓の所望の観察部位又は心臓全体等について、少なくとも一心拍分以上の期間にわたる時系列のボリュームデータ(以下、「時系列ボリュームデータ群」と呼ぶ。)が収集される(ステップS1)。すなわち、ある患者に関する心臓の所望の観察部位を、ある時刻を基準として、心尖アプローチから二次元アレイプローブ等を用いて、時系列(少なくとも一心拍分)のボリュームデータが収集される。
次に、移動ベクトル情報が生成される(ステップS2)。すなわち、移動ベクトル処理ユニット32は、収集された時系列ボリュームデータ群を構成する一心拍以上の各時相に対応するボリュームデータのうち、規準時相t=t0(例えば、P波、R波が発生する拡張末期が好適)におけるボリュームデータにおいてユーザーからの指示等に基づいて心筋部位(例えば、心臓内膜が好適)の境界面を設定する。移動ベクトル処理ユニット32は、例えば図3に示すように設定した境界面をメッシュに区切ってメッシュの各頂点の位置を、三次元的なパターンマッチング処理により時間的に追跡することで、時空間的な移動ベクトル情報を演算する。
次に、運動情報演算ユニット37は、規準時相での曲面に関する回帰平面の法線ベクトルを演算する(ステップS3)。すなわち、運動情報演算ユニット37は、図4に示すように、初期設定或いは操作者からの指示に従って、基準時相t=t0にて短軸方向のメッシュから1つの曲面Ci(t0)(iは短軸のレベルを示す添え字)を選択し、曲面Ci(t0)上の各頂点Pij(t0)(jは円周方向の位置を示す添え字)を用いて回帰平面C’iの単位法線ベクトルnC’iを演算する。
次に、運動情報演算ユニット37は、各時相の各頂点Pij(t)について、回帰平面C’iへの直交射影ベクトルを演算する(ステップS4)。先ず、運動情報演算ユニット37は、次の式(1)に従って、曲面Ci(t)上の各頂点Pij(t)の平均座標により、中心位置Gi(t)を求める。
ただし、Σは1≦j≦mまでの和を取るものとする。また、mは円周方向の分割数である。
=Vij(t)−<nC’i,Vij(t)>*nC’i (2)
ここで、Vij(t)=Pij(t)−Gi(t)である。
次に、運動情報演算ユニット37は、図5に示すように、各時相における各頂点の射影成分ベクトルV’ij(t)、規準時相における各頂点の射影成分ベクトルV’ij(t0)を用いて、射影成分ベクトル同志のなす角θij(t)を演算し、各時相において、各頂点の規準時相に対する局所的な回転角(Rotation)を取得する(ステップS5)。
次に、運動情報演算ユニット37は、ステップ5において得られた局所的な回転角を用いて、組織の回転に関する運動情報を演算する(ステップS6)。
また、例えば、捻れ勾配(Torsion:捻れ率とも呼ばれる)は、2つの円周方向の曲面間での捻れ角を、捻れ角を演算した2つの曲面間の距離で割って定義される。従って、一方の捻れ角の長軸方向のレベルをi=0のC0j(t)に固定し、他方の回転角の長軸方向のレベルをCij(t)として、以下の式(4)により、局所的な捻れ勾配であるTbNij(t)を求める。
=[{θij(t)−θ0j(t)}−{θ0j(t)−θ0j(t)}]/Di0j(t)
=[θij(t)−θ0j(t)]/Di0j(t) (4)
ただし、Di0j(t)はPij(t)とP0j(t)との間の距離を示す。Di0j(t)の単位を[cm]とすると、捻れ勾配の単位は[deg./cm]で示される。また、上記式(4)から明らかなように、捻れ勾配は捻れ角および回転角のどちらからでも導出可能である。
次に、組織運動情報群を用いて、運動情報がマッピングされた時系列なマッピング画像が生成される(ステップS7)。例えば、画像生成ユニット21は、生成された組織運動情報群をカラーコード化し心筋の該当部位にマッピングすることで、ボリュームレンダリング像を、各時相毎に作成する。なお、組織運動情報をマッピングする手法はボリュームレンダリング処理に拘泥されない。例えば、サーフェスレンダリング像、ポーラーマップ(Polar−map)画像、MPR画像等の一覧性のある表示であれば、どの様なものであってもよい。
次に、表示ユニット23は、組織運動画像を所定の形態にて表示する(ステップS8)。
一般に、これまで2次元で検討されてきた臨床的な捻れの解析を行う上では、グローバル(平均的)な円周方向の捻れを評価する場合が多い。これは、図8にも認められるように同じレベルの短軸においても捻れ角が円周方向のセグメント別に不均一に観察されることに起因する。そこで、これまでの例に従い、局所的な捻れ角を円周方向に平均した結果を捻れ角の情報として表示した例を図9に示す。図9の表示形式は図6と同じであるが、表示されている壁運動指標が回転角から捻れ角に代わっている。このようにすると弁輪レベルから中間レベルおよび心尖レベルになるに従って、捻れ角が徐々に大きくなっていく様子がより明瞭に評価可能となるのが解る。
図10に捻れ勾配の情報の表示例を示す。同図は、円周方向に平均した捻れ角を用いて求めた例である。心尖部の方が弁輪部位よりも捻れ角が大きい様子が見て取れるのは捻れ角の図9と同等であるが、Di0j(t)の値が円周方向の位置に応じて異なっているために捻れ角とは異なる分布の結果(時間変化曲線参照)となっている。これは捻れ角と捻れ率の定義の違いによる物理的な意味の違いを示している。すなわち、同じ捻れ角であっても、その2点(レベル)間の距離が異なれば、捻れ勾配は異なることを反映している。
上記捻れ勾配の表示に関する例での捻れ勾配TbNij(t)は、一方の捻れ角の長軸方向のレベルをi=0のC0j(t)に固定した言わば弁輪(Basal)基準の捻れ勾配である。そこで、本変形例では、2つの円周方向の曲面間の距離を長軸方向のレベルに関する近傍の一定レベル(i−dからi+dまでのi方向の2d+1の幅)として下記式によりTrNij(t)を定義する。
ただし、Didj(t)はPi+dj(t)とPi−dj(t)との間の距離
本定義による捻れ勾配TrNij(t)は、先例であるTbNij(t)よりも長軸方向に局所的(Reigional)な捻れ勾配を評価したい場合に用いる。もし捻れ角の長軸方向への変化の仕方が一定(1次線形)で、2レベル間の距離も同一である場合には、TrNij(t)はTbNij(t)に等しくなる。しかし、一般的には捻れ角の長軸方向への変化の仕方は必ずしも1次線形ではないと考えられるため、その場合にはTrNij(t)はTbNij(t)とは異なった分布になる。
以上述べた本超音波診断装置によれば、心臓壁に代表される運動組織について、三次元空間内において規準時相に関する回帰平面の法線ベクトルを定義する。そして、各時相の各頂点Pij(t)の回帰平面への直交射影ベクトルを計算し、当該直交射影ベクトル同志のなす角を計算することで、各時相の各頂点Pij(t)の規準時相に対する局所的な回転角を取得する。この様に、回帰平面を利用して回転角を定義することで、短軸の曲面が平面に留まらない場合、曲面に垂直な方向へ不均一な動き成分がある場合等であっても、組織の回転成分を正確に抽出し、これを用いて回転に関する運動情報を生成するものである。
ここで、×はベクトルの外積を意味する。
次に、本発明の第2の実施形態に係る超音波診断装置について説明する。本実施形態では、曲面形状の回転角を求めたい部位が曲面に垂直な方向へ不均一な動きを有する場合に、曲面上の任意の1点で確からしい回転角を得る手法として、「基準時相(例えばt=t0)での曲面Ci(t0)に関する回帰平面C’iの法線ベクトルを回転軸として、回転を定義する2つのベクトル同志の外積ベクトルの方向が回転軸となす角に応じて補正された回転角」を求める。
図18、図19、図20はステップS4’、S5’の処理の内容を説明するための図である。図18、図19に示すように、ベクトル積の基本的性質により、ベクトルVij(t0)とベクトルVij(t)との外積であるCPij(t)もベクトルとなり、ベクトルVij(t0)とベクトルVij(t)の両者に直交な方向(図18は右手系の場合を示した)を有する。
以下、図2に示したステップS6〜S8までの各処理が実行され、例えば図6等の形態にて組織運動情報画像が表示される。
Claims (15)
- 心臓を超音波で走査して得られる受信信号を少なくとも一心拍以上にわたるボリュームデータとして取得するデータ取得手段と、
前記ボリュームデータの所定の心時相において、心筋の短軸面を設定する設定手段と、
前記ボリュームデータを用いて、前記短軸面上の組織における三次元的な位置情報を時系列で取得する追跡手段と、
前記取得された位置情報に基づいて、前記設定された短軸面の回帰平面上の回転となるように補正された、前記関心領域の回転角を演算する回転角演算手段と、
前記回転角を用いて、回転に関する組織運動情報を取得する運動情報取得手段と、
前記組織運動情報を表示する表示手段と、
を具備することを特徴とする超音波診断装置。 - 心臓を超音波で走査して得られる受信信号を少なくとも一心拍以上にわたるボリュームデータとして取得するデータ取得手段と、
前記ボリュームデータの所定の心時相において、心筋の短軸面及び前記短軸面上の関心領域を設定する設定手段と、
前記ボリュームデータを用いて、前記心筋の関心領域に関する局所的な三次元移動ベクトル情報を演算する演算手段と、
前記局所的な三次元移動ベクトル情報を用いて、前記所定の心時相以外における前記心筋の関心領域の三次元的な位置を追跡することで、前記心筋の関心領域の三次元的な位置情報を取得する追跡手段と、
前記所定の心時相における短軸面が平面にとどまらない場合の長軸方向の動き成分の影響、及び前記心臓の長軸方向の動き成分が一様でない場合の前記長軸方向の動き成分の影響、の少なくとも一方が除去された、前記所定の心時相における短軸面の回帰平面における局所的な位置の回転角を演算する回転角演算手段と、
前記回転角を用いて、回転に関する組織運動情報を取得する運動情報取得手段と、
前記組織運動情報を所定の形態で表示する表示手段と、
を具備することを特徴とする超音波診断装置。 - 前記運動情報取得手段は、前記心臓の長軸方向に複数に分割された各々の円周方向に関する曲面上において演算された前記回転角を用いて、二つの円周方向における前記回転角の差分により捻れ角に関する前記組織運動情報を取得し、
前記捻れ角に関する前記組織運動情報を所定の形態で表示する表示手段をさらに具備することを特徴とする請求項1又は2記載の超音波診断装置。 - 前記運動情報取得手段は、前記心臓の長軸方向に複数に分割された各々の円周方向に関する曲面上において演算された前記回転角と前記心筋の関心領域三次元的な位置情報とを用いて、二つの円周方向における捻れ勾配に関する前記組織運動情報を取得し、
前記捻れ勾配に関する前記組織運動情報を所定の形態で表示する表示手段をさらに具備することを特徴とする請求項1又は2記載の超音波診断装置。 - 前記二つの円周方向における前記回転角の一方の長軸方向の位置が、前記心臓の弁輪部位に設定されていることを特徴とする請求項3又は4記載の超音波診断装置。
- 前記二つの円周方向における前記回転角のペアを取る前記長軸方向における互いの位置が近傍に設定されていることを特徴とする請求項3又は4記載の超音波診断装置。
- 前記回転角演算手段は、
各心時相における前記円周方向に関する曲面に対する回転の中心位置を求め、
基準となる所定心時相において前記回帰平面の法線ベクトルを計算し、
各心時相において前記回転角を求めるための前記曲面上の任意の1点と前記回転の中心位置とを結ぶ線のベクトルを計算し、
前記法線ベクトルを用いて前記線のベクトルの前記回帰平面への直交射影成分ベクトルを計算し、
前記基準となる時相での前記直交射影成分ベクトルと各心時相での前記直交射影成分ベクトルとのなす角を計算すること、
を特徴とする請求項1又は2記載の超音波診断装置。 - 前記回転角演算手段は、
各心時相における前記円周方向に関する曲面に対する回転の中心位置を求め、
基準となる所定心時相において前記回帰平面の法線ベクトルを計算し、
各心時相において前記回転角を求めるための前記曲面上の任意の1点と前記回転の中心位置を結ぶ線のベクトルを計算し、
前記基準となる所定心時相での前記線のベクトルと各時相での前記線のベクトルとの外積ベクトルを計算し、
前記法線ベクトルと前記外積ベクトルとのなす角に応じて、前記円周方向に関する曲面の局所的な位置の回転角を演算すること、
を特徴とする請求項1又は2記載の超音波診断装置。 - 前記回帰平面の法線ベクトルは、前記円周方向に関する曲面上の複数の点の位置を用いた最小二乗法を用いて推定さることを特徴とする請求項7又は8記載の超音波診断装置。
- 前記運動情報取得手段は、前記円周方向に関する曲面上の複数の点上で演算された回転角に基づいて、前記回転に関する組織運動情報に関する前記円周方向での平均値を演算することを特徴とする請求項1乃至9のうちいずれか一項記載の超音波診断装置。
- 前記回転角演算手段は、各心時相における前記円周方向に関する曲面上の各頂点の位置を用いて、最小二乗法によって前記回帰平面の法線ベクトルを計算すること、を特徴とする請求項1又は2記載の超音波診断装置。
- 心臓を超音波で走査して得られる少なくとも一心拍以上にわたるボリュームデータの所定の心時相において、心筋の短軸面を設定する設定手段と、
前記ボリュームデータを用いて、前記短軸面上の組織における三次元的な位置情報を時系列で取得する追跡手段と、
前記取得された位置情報に基づいて、前記設定された短軸面の回帰平面上の回転となるように補正された、前記関心領域の回転角を演算する回転角演算手段と、
前記回転角を用いて、回転に関する組織運動情報を取得する運動情報取得手段と、
前記組織運動情報を表示する表示手段と、
を具備することを特徴とする画像処理装置。 - 心臓を超音波で走査して得られる少なくとも一心拍以上にわたるボリュームデータの所定の心時相において、心筋の短軸面及び前記短軸面上の関心領域を設定する設定手段と、
前記ボリュームデータを用いて、前記心筋の関心領域に関する局所的な三次元移動ベクトル情報を演算する演算手段と、
前記局所的な三次元移動ベクトル情報を用いて、前記所定の心時相以外における前記心筋の関心領域の三次元的な位置を追跡することで、前記心筋の関心領域の三次元的な位置情報を取得する追跡手段と、
前記所定の心時相における短軸面が平面にとどまらない場合の長軸方向の動き成分の影響、及び前記心臓の長軸方向の動き成分が一様でない場合の前記長軸方向の動き成分の影響、の少なくとも一方が除去された、前記所定の心時相における短軸面の回帰平面における局所的な位置の回転角を演算する回転角演算手段と、
前記回転角を用いて、回転に関する組織運動情報を取得する運動情報取得手段と、
前記組織運動情報を所定の形態で表示する表示手段と、
を具備することを特徴とする画像処理装置。 - コンピュータに、
心臓を超音波で走査して得られる少なくとも一心拍以上にわたるボリュームデータの所定の心時相において、心筋の短軸面を設定させる設定機能と、
前記ボリュームデータを用いて、前記短軸面上の組織における三次元的な位置情報を時系列で取得させる追跡機能と、
前記取得された位置情報に基づいて、前記設定された短軸面の回帰平面上の回転となるように補正された、前記関心領域の回転角を演算させる回転角演算機能と、
前記回転角を用いて、回転に関する組織運動情報を取得させる運動情報取得機能と、
前記組織運動情報を表示させる表示機能と、
を実現させることを特徴とする画像処理プログラム。 - コンピュータに、
心臓を超音波で走査して得られる少なくとも一心拍以上にわたるボリュームデータの所定の心時相において、心筋の短軸面及び前記短軸面上の関心領域を設定させる設定機能と、
前記ボリュームデータを用いて、前記心筋の関心領域に関する局所的な三次元移動ベクトル情報を演算させる演算機能と、
前記局所的な三次元移動ベクトル情報を用いて、前記所定の心時相以外における前記心筋の関心領域の三次元的な位置を追跡することで、前記心筋の関心領域の三次元的な位置情報を取得させる追跡機能と、
前記所定の心時相における短軸面が平面にとどまらない場合の長軸方向の動き成分の影響、及び前記心臓の長軸方向の動き成分が一様でない場合の前記長軸方向の動き成分の影響、の少なくとも一方が除去された、前記所定の心時相における短軸面の回帰平面における局所的な位置の回転角を演算させる回転角演算機能と、
前記回転角を用いて、回転に関する組織運動情報を取得させる運動情報取得機能と、
前記組織運動情報を所定の形態で表示させる表示機能と、
を実現させることを特徴とする画像処理プログラム。
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