JP5459832B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、心筋スペックルトラッキング機能を有する超音波診断装置に関する。

心臓の壁運動の定量的評価のニーズは高く、近年、パターンマッチング技術を応用した心筋運動トラッキング(Wall Motion Tracking)が製品化され、臨床で使用されている。しかしながら、この技術は、超音波画像の画質に依存する。一方で、造影剤を使用すると心臓の画質が改善されことから、トラッキング処理との併用が考えられる。

しかし、造影剤によるスペックルパターンノイズの影響で、心腔と心筋との境界部分のトラッキング精度が低下してしまう。

特開２００７−１４３６０６号公報

本発明の目的は、造影剤によるスペックルパターンノイズの影響による心腔と心筋との境界部分のトラッキング精度の低下を改善することにある。

本発明のある局面は、造影剤注入された被検体の内部を超音波で繰り返しスキャンすることにより超音波画像を次々と発生する超音波診断装置において、前記超音波画像を表示する表示部と、前記スキャンと並行して、前記超音波画像の心腔部分の輝度値と心筋部分の輝度値とを比較する比較部と、前記心腔部分の輝度値が前記心筋部分の輝度値に対して高値から低値に転換した時に特定のメッセージを前記表示部に表示させるためのデータを発生するメッセージデータ発生部とを具備する。

本発明によれば、造影剤によるスペックルパターンノイズの影響による心腔と心筋との境界部分のトラッキング精度の低下を改善することができる。

本発明の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示す図である。 本実施形態による処理手順を示す流れ図である。 図２の造影剤注入前の画像例を示す図である。 図２のステップＳ１２により設定された心腔ＲＯＩと心筋ＲＯＩの例を示す図である。 図２のステップＳ１５、Ｓ１７、Ｓ２０を補足するための心腔ＲＯＩと心筋ＲＯＩの輝度平均値の時間変化を示す図である。 図１の心筋トラッキング処理部による造影剤不使用のもとでのトラッキング結果を示す図である。 図１の心筋トラッキング処理部による造影剤使用のもとでのトラッキング結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明による超音波診断装置を好ましい実施形態により説明する。図１に本実施形態に係る超音波診断装置の構成をブロック図で示している。多チャンネル型の超音波プローブ１２は、一列に配列された複数の振動子を有する。振動子は、圧電素子と、圧電素子の表面に形成された個別電極と、圧電素子の裏面に形成された共通電極とからなる。１つのチャンネルは１つ又は近隣の複数の振動子から構成される。この超音波プローブ１２にはコンソールケースに収容された装置本体１１が接続される。

装置本体１１は、超音波プローブ１２に接続された送信ユニット２１と受信ユニット２２とを有する。送信ユニット２１は、振動子に個々に接続されたパルサ２１Ｃが設けられている。このパルサ２１Ｃは、パルス発生器２１Ａから一定の周期（パルス繰り返し周波数ＰＲＦの逆数）で発生され、そして送信遅延回路２１Ｂで遅延されたパルス信号をトリガとして、個別に対応されている振動子に駆動信号（高周波の電圧信号）を印加する。

振動子の駆動信号による機械的な振動により発生した超音波は、被検体内部を伝播し、その途中にある音響インピーダンスの不連続面で反射し、エコーとして超音波プローブ１２に返ってくる。このエコーは、超音波プローブ１２の圧電素子を機械的に振動する。これにより発生した微弱な電気信号は、受信ユニット２２のプリアンプ２２Ａで増幅され、そして受信遅延回路２２Ｂで遅延され、加算器２２Ｃで加算される（整相加算処理）。これによりエコー信号に指向性が与えられる。加算されたエコー信号を、以下、受信信号と称する。

Ｂモード処理ユニット２３は、検波回路と、対数増幅器と、アナログデジタルコンバータとから構成される。検波回路は、生体内の音響インピーダンスの境界で反射した超音波（受信信号）を検波して、その包絡線を出力する。この出力信号を対数増幅器で対数増幅して、さらにアナログデジタルコンバータでディジタル信号に変換してから、超音波画像データとして出力する。

Ｂモード処理ユニット２３の出力は、データ／制御バス３０に接続される。データ／制御バス３０には、ディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）２４が接続される。ディジタルスキャンコンバータ２４は、超音波走査方式の超音波画像にポインターやＲＯＩマークなどのグラフィックスを超音波画像に重ねて(superimpose)、モニタ１４に応じたビデオ走査方式に並び替えて出力する。

データ／制御バス３０には、制御部３１、画像メモリ３２、ＲＯＩパターン記憶部３３、ＲＯＩ設定部３４、輝度平均値計算部３５、輝度平均値比較部３６、心筋トラッキング処理部３７、操作部３８、メッセージデータ発生部３９が接続される。画像メモリ３２は、制御部３１からの画像データを保存するための制御信号に従って、Ｂモード処理ユニット２３から出力される超音波画像データを記憶し、保存する。画像メモリ３２は、制御部３１から当該制御信号を受けていないときは、超音波画像データを記憶しない、又は上書きをして保存しない。

ＲＯＩパターン記憶部３３には、複数のＲＯＩパターンのデータと、複数のサンプル超音波画像のデータとが予め記憶保持されている。ＲＯＩパターンのデータは、心臓長軸超音波画像上で心腔領域と心筋領域とにそれぞれ対応する２つの典型的には円形のＲＯＩの大きさと位置とを定義する。複数のＲＯＩパターンには、複数のサンプル超音波画像がそれぞれ関連付けられている。ＲＯＩパターンで定義された２つのＲＯＩは、各ＲＯＩパターンに関連付けられたサンプル超音波画像上での心腔領域と心筋領域とに対してそれぞれ適正な大きさと位置に設定されている
ＲＯＩ設定部３４は、被検体を対象として実際に収集したライブの超音波画像に対して、ＲＯＩパターン記憶部３３に記憶された複数のＲＯＩパターンから選択した特定のＲＯＩパターンにより、心腔ＲＯＩと心筋ＲＯＩとを設定する。ライブの超音波画像に対して最も近似したサンプル超音波画像が選択され、当該選択されたサンプル超音波画像に関連付けられているＲＯＩパターンが特定のＲＯＩパターンとして選択される。典型的には、ライブの超音波画像とサンプル超音波画像とがサブトラクトされ、その二乗和が最小のサンプル超音波画像が選択される。

輝度平均値計算部３５は、ライブの超音波画像を対象として、設定された心腔ＲＯＩ内の画素の輝度平均値と、設定された心筋ＲＯＩ内の画素の輝度平均値とを計算する。輝度平均値比較部３６は、計算された心腔ＲＯＩの輝度平均値と、計算された心筋ＲＯＩの輝度平均値とを比較する。

制御部３１は、心腔ＲＯＩの輝度平均値と心筋ＲＯＩの輝度平均値との比較結果に従って、メッセージデータ発生部３９を制御して予め設定されたメッセージデータを発生させ、また画像メモリ３２を制御してライブの超音波画像データを保存させる。メッセージデータは、例えばスペックルトラキングに適した画像が収集されていることを表す文章又マークのグラフィックデータである。メッセージは、典型的には、「スペックルトラキングに適した画像が収集されています」との文章として提供される。このメッセージは、ディジタルスキャンコンバータ２４でライブの超音波画像に重ねてモニタ１４に表示される。

実際には、造影剤注入後には、心腔ＲＯＩの輝度平均値が上昇し、心筋ＲＯＩの輝度平均値より高値になり、その後、時間経過と共に心腔から造影剤が流出するに伴って心腔ＲＯＩの輝度平均値が心筋ＲＯＩの輝度平均値より低値に転換する。この転換時点で、メッセージが表示され、また画像メモリ３２にライブの超音波画像データの保存が開始される。

また、制御部３１は、心腔ＲＯＩの輝度平均値を予め設定された閾値に比較し、心腔ＲＯＩの輝度平均値が閾値より低下したときに、メッセージデータ発生部３９を制御してメッセージデータの発生、およびライブの超音波画像データの保存を終了させる。さらに、制御部３１は、同時点で超音波送信ユニット２１及び超音波受信ユニット２１を制御して超音波スキャニングを終了させる。

なお、操作部３８は、画像メモリ３２へのライブの超音波画像データの保存開始と保存終了とを手動で指示するための操作ボタンが実体ボタン又はアイコンボタンで設けられている。画像メモリ３２へのライブの超音波画像データの保存開始と保存終了とを手動で指示するか、上述の通り制御部３１により自動で制御するかは、操作者による事前の任意選択である。

図２には、本実施形態の処理手順を示している。まず、超音波送受信ユニット２１、２２により超音波プローブ１２を介して被検体の心臓領域を対象にその長軸断面をスキャン面として超音波スキャニングが開始される（Ｓ１１）。超音波スキャニングは、後述するステップＳ２１まで継続的に繰り返される。超音波スキャニングと並行して、Ｂモード処理ユニット２３により受診信号に基づいて超音波画像のデータが即時的に生成され、ディジタルスキャンコンバータ２４を経由してモニタ１４に濃淡像として表示される。またＢモード処理ユニット２３で生成された超音波画像のデータは画像メモリ３２にも供給されるが、後述の保存開始の制御信号を制御部３１から受けるまでは上書きされ、保存されない。

制御部３１の制御のもとで、予め設定された特定の心拍位相に対応する超音波画像のデータが画像メモリ３２からＲＯＩ設定部３４に読み出される。ＲＯＩ設定部３４において、超音波画像が、ＲＯＩパターン記憶部３３に記憶された複数のサンプル超音波画像各々に対してサブトラクトされ、その二乗和が計算される。計算された二乗和が最小を示すサンプル超音波画像が選択され、選択されたサンプル超音波画像に関連付けられているＲＯＩパターンのデータがＲＯＩパターン記憶部３３からＲＯＩ設定部３４に読み出される。それにより心腔ＲＯＩと心筋ＲＯＩとが設定される（Ｓ１２）。ＲＯＩパターンのデータは輝度平均値計算部３５に供給される。

その後、造影剤注入器１３から適時に造影剤が被検体に投与される。それにより造影剤注入器１３から制御部３１に造影剤投与を開始したことを表す信号が出力される（Ｓ１３）。この信号をトリガとして、制御部３１の制御のもと、超音波スキャニングにより次々と生成される超音波画像のデータが画像メモリ３２を経由して輝度平均値計算部３５に次々と読み出される。輝度平均値計算部３５では、ライブの超音波画像を対象として、図４に例示するＲＯＩパターンに従った心腔ＲＯＩ内の画素の輝度平均値ＡＶvと心筋ＲＯＩ内の画素の輝度平均値ＡＶmとが繰り返し計算される（Ｓ１４）。

図３には心腔ＲＯＩ内の画素の輝度平均値ＡＶvと心筋ＲＯＩ内の画素の輝度平均値ＡＶmの時間変化を示している。図３において、時刻ｔ0は造影剤が投与された時刻である。造影剤が心腔に流入する前の期間では、心腔ＲＯＩ内の画素の輝度平均値ＡＶvは、心筋ＲＯＩ内の画素の輝度平均値ＡＶmよりも低値を示す。

輝度平均値計算部３５で計算された心腔ＲＯＩの輝度平均値ＡＶvと心筋ＲＯＩの輝度平均値ＡＶmとは、輝度平均値比較部３６で比較される。一次的には、心腔ＲＯＩの輝度平均値ＡＶvが、心筋ＲＯＩの輝度平均値ＡＶmより高値であるか否かが輝度平均値比較部３６で判定される（Ｓ１５）。心腔ＲＯＩの輝度平均値ＡＶvが、心筋ＲＯＩの輝度平均値ＡＶmより高値に転換することは、造影剤が心腔に流入したことを表している。その時刻はｔ1である。そのまま継続して、輝度平均値計算部３５で心腔ＲＯＩ内の画素の輝度平均値ＡＶvと心筋ＲＯＩ内の画素の輝度平均値ＡＶmとが繰り返し計算される（Ｓ１６）。

輝度平均値計算部３５で計算された心腔ＲＯＩの輝度平均値ＡＶvと心筋ＲＯＩの輝度平均値ＡＶmとは、輝度平均値比較部３６で比較される。二次的には、心腔ＲＯＩの輝度平均値ＡＶvが、心筋ＲＯＩの輝度平均値ＡＶmより低値であるか否かが輝度平均値比較部３６で判定される（Ｓ１７）。心腔ＲＯＩの輝度平均値ＡＶvが、心筋ＲＯＩの輝度平均値ＡＶmより高値から低値に転換することは、造影剤が心腔から徐々に流出することにより心腔内の造影剤濃度が、心腔に対する心筋の境界面を識別する処理を含むスペックルトラッキング処理において適正濃度で安定することを表している。その時刻はｔ2である。

心腔ＲＯＩの輝度平均値ＡＶvが、心筋ＲＯＩの輝度平均値ＡＶmより高値から低値に転換した時刻ｔ2において、制御部３１の制御のもとでメッセージデータ発生部３９からメッセージデータが発生される。メッセージデータは、ディジタルスキャンコンバータ２４でライブの超音波画像に重ねられ、図５に例示するようにモニタ１４に表示される（Ｓ１８）。モニタ１８の画面上ではライブの超音波画像に、例えば「スペックルトラキングに適した画像が収集されています」とのメッセージが重ねて表示される（Ｓ１８）。それとともに、制御部３１の制御のもとで画像メモリ３２にライブの超音波画像データの保存が開始される（Ｓ１９）。ライブの超音波画像データの保存は、Ｓ２１で終了判定されるまで、継続される。

なお、ライブの超音波画像データの保存は、メッセージを見た操作者が操作部３８を操作してライブの超音波画像データの保存開始を指示することにより、開始するようにしても良い。

次に、輝度平均値計算部３５で計算された心腔ＲＯＩの輝度平均値ＡＶvが、予め設定された閾値に対して輝度平均値比較部３６で比較される（Ｓ２０）。心腔ＲＯＩの輝度平均値ＡＶvが、閾値より低値に転換することは、心腔内での造影効果が、スペックルトラッキング処理に対して不適になったことを表している。その時刻はｔ3である。

心腔ＲＯＩの輝度平均値ＡＶvが、閾値より低値に転換した時刻ｔ3において、制御部３１の制御のもとで、モニタ１４の画面上から当該メッセージの表示が消え、超音波スキャニングが終了され、それとともに画像メモリ３２へのライブの超音波画像データの保存が終了される（Ｓ２１）
なお、ライブの超音波画像データの保存は、メッセージの消灯を見た操作者が操作部３８を操作してライブの超音波画像データの保存終了を指示することにより、終了するようにしても良い。

このように心腔ＲＯＩの輝度平均値ＡＶvが、心筋ＲＯＩの輝度平均値ＡＶmより高値から低値に転換した時刻ｔ2から、心腔ＲＯＩの輝度平均値ＡＶvが閾値より低値に転換する時ｔ3までの期間の超音波画像データが保存される。この期間の複数の超音波画像のデータを用いて、心筋トラッキング処理部３７で心筋トラッキング処理が実行される。心筋トラッキング処理結果に基づく結果表示例を図６、図７に示している。複数の超音波画像各々から心筋領域がトラッキングにより抽出される。抽出された心筋領域が複数のセグメントに分割され、各セグメントごとに基準画像上の心筋セグメントに対する心腔中心からの半径伸縮率が計算され、伸縮率に応じた色相でセグメントマークが超音波画像上に重ねて表示される。また各セグメントの半径伸縮率の時間変化がグラフとして表示される。

本実施形態によると、造影剤によるスペックルパターンノイズの影響による心腔と心筋との境界部分のトラッキング精度の低下を改善して、好適な画質の超音波画像を用いてスペックルトラッキング処理を実施し高精度のスペックルトラッキング処理結果を算出することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明は、造影剤によるスペックルパターンノイズの影響による心腔と心筋との境界部分のトラッキング精度の低下を改善することに利用可能性がある。

１１…装置本体、１２…超音波プローブ、１３…造影剤注入器、１４…モニタ、２２…超音波送受信ユニット、２３…Ｂモード処理ユニット、２４…ディジタルスキャンコンバータ、３０…データ／制御バス、３１…制御部、３２…画像メモリ、３３…ＲＯＩパターン記憶部、３４…ＲＯＩ設定部、３５…輝度平均値計算部、３６…輝度平均値比較部、３７…心筋トラッキング処理部。

Claims (7)

1. 造影剤を注入された被検体の内部を超音波で繰り返しスキャンすることにより超音波画像を次々と発生する超音波診断装置において、
   前記超音波画像を表示する表示部と、
   前記スキャンと並行して、前記超音波画像の心腔部分の輝度値と心筋部分の輝度値とを比較する比較部と、
   前記心腔部分の輝度値が前記心筋部分の輝度値に対して高値から低値に転換した時に特定のメッセージを前記表示部に表示させるためのデータを発生するメッセージデータ発生部とを具備することを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記比較部は、前記超音波画像の心腔部分ＲＯＩの輝度平均値と心筋部分ＲＯＩの輝度平均値とを比較することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記心腔部分ＲＯＩと前記心筋部分ＲＯＩそれぞれの位置と大きさとを、複数のＲＯＩパターンから選択した特定のＲＯＩパターンに従って設定するＲＯＩ設定部をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の超音波診断装置。
4. 前記ＲＯＩ設定部は、前記複数のＲＯＩパターンにそれぞれ対応する複数のサンプル超音波画像と、前記超音波画像との相関に基づいて前記特定のＲＯＩパターンを選択することを特徴とする請求項３記載の超音波診断装置。
5. 前記ＲＯＩ設定部は、前記心腔部分ＲＯＩと前記心筋部分ＲＯＩそれぞれの位置と大きさとを心拍位相に応じて変更することを特徴とする請求項３記載の超音波診断装置。
6. 前記メッセージデータ発生部は、スペックルトラキングに適した画像が収集されていることを表すメッセージデータを発生することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
7. 前記超音波画像の保存するための画像メモリと、
   前記心腔部分の輝度値が前記心筋部分の輝度値に対して高値から低値に転換した時に、前記超音波画像の保存を前記画像メモリに開始させるための制御信号を発生する制御部とさらに備えることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。

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