JP5467783B2 - 超音波システム及びクラッタ信号フィルタリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、血流速度の正確な検出とドップラーモード映像の画質の改善を実現するように、クラッタフィルタ（ｃｌｕｔｔｅｒ ｆｉｌｔｅｒ）の遮断周波数を設定する超音波システム及びクラッタ信号フィルタリング方法に関する。

超音波システムは、無侵襲及び非破壊特性を有しており、対象体内部の情報を得るための医療分野に広く用いられている。超音波システムは、人体を直接切開して観察する外科手術の必要なく、対象体内部の高解像度の映像をリアルタイムで医者に提供することができるので、医療分野に非常に重要なものとして用いられている。

一般に、超音波システムは、対象体から反射される超音波信号の反射係数を２次元映像で表す２Ｄモード、ドップラー効果を用いて対象体内の動く関心客体（特に血流）の映像を表すドップラーモード、対象体にストレス（ｓｔｒｅｓｓ）を加える時と加えない時の反応の差を映像で表す弾性モードなどを提供している。特に、超音波システムは超音波信号を対象体に送信して対象体から反射される超音波信号を受信し、ドップラー信号を形成して、形成されたドップラー信号に基づいて動かしている関心客体の速度を表示するカラーフロー映像（Ｃｏｌｏｒ ｆｌｏｗ ｉｍａｇｅ）を提供する。

一方、ドップラー信号は心臓壁や心臓板などの運動による低周波ドップラー信号も含む。低周波ドップラー信号はクラッタ信号（ｃｌｕｔｔｅｒ ｓｉｇｎａｌ）とも呼ばれ、血流によるドップラー信号より約１００倍以上の振幅を有する。このクラッタ信号は、血流情報を正確に検出するのに妨害になるので、正確な血流速度を検出するためにはドップラー信号からクラッタ信号を除去することが必須である。超音波システムは、クラッタ信号を除去するために高域通過フィルタ（ｈｉｇｈ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）の一種であるクラッタフィルタ（ｃｌｕｔｔｅｒ ｆｉｌｔｅｒ）を用いている。

従来の超音波システムは、特定遮断周波数のクラッタフィルタを用いてクラッタ信号を除去している。これによって、遮断周波数が高く設定された場合にはクラッタ信号だけでなく、低い周波数のドップラー信号も遮断されて正確な血流速度を検出することができないという問題がある。

本発明は、ドップラーモード映像を得るための関心領域内に複数のクラッタフィルタを設定し、ピクセル信号のパワー（ｐｏｗｅｒ）及び平均周波数に基づいてクラッタフィルタ（ｃｌｕｔｔｅｒ ｆｉｌｔｅｒ）の遮断周波数を設定する超音波システム及び方法を提供する。

前記の課題を解決するために、本発明による超音波システムは、超音波信号を対象体に送信して前記対象体から反射される超音波信号を受信し、受信信号を形成するように動作する送受信部と、前記受信信号を処理して対象体の２次元映像を示す２次元映像データを提供する信号処理部と、前記２次元映像上に関心領域を設定するための設定情報の入力を受けるように動作するユーザ入力部を備え、前記送受信部は、前記関心領域に対応するドップラーモード映像ピクセルデータを獲得するように動作し、前記信号処理部は、前記ドップラーモード映像ピクセルデータの特性に応じて複数のフィルタの遮断周波数を設定し、前記設定された遮断周波数を用いて前記ドップラーモード映像ピクセルデータをフィルタリングし、クラッタ信号が除去されたフィルタリング信号を出力する。

また、本発明による、送受信部、信号処理部及びユーザ入力部を備える超音波システムにおけるクラッタ信号フィルタリング方法は、ａ）前記送受信部で、超音波信号を対象体に送信して前記対象体から反射される超音波信号を受信し、受信信号を形成する段階と、ｂ）前記信号処理部で、前記受信信号を処理して対象体の２次元映像を示す２次元映像データを提供する段階と、ｃ）前記ユーザ入力部で、前記２次元映像上に関心領域を設定するための設定情報の入力を受ける段階と、ｄ）前記送受信部で、前記関心領域に対応するドップラーモード映像ピクセルデータを獲得する段階と、ｅ）前記信号処理部で、前記ドップラーモード映像ピクセルデータの特性に応じて複数のフィルタの遮断周波数を設定し、前記設定された遮断周波数を用いて前記ドップラーモード映像ピクセルデータをフィルタリングしてクラッタ信号が除去されたフィルタリング信号を出力する段階とを備える。

本発明は、ドップラーモード映像を得るための関心領域内に複数のクラッタフィルタを設定し、関心領域内のピクセル信号のパワー（ｐｏｗｅｒ）及び平均周波数に基づいてクラッタフィルタ（ｃｌｕｔｔｅｒ ｆｉｌｔｅｒ）の遮断周波数を自動的に設定することができ、血流速度を正確に検出できるだけでなく、ドップラーモード映像の画質を改善させることもできる。

本発明の実施例による超音波システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例による受信信号及びドップラー信号を得るためのタイミング図である。 本発明の実施例による信号処理部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例による遮断周波数の設定手続を示すフローチャートである。 本発明の実施例による２Ｄ映像及び関心領域を示す説明図である。 本発明の実施例による関心領域内のピクセルを示す説明図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を説明する。本実施例で用いられた用語“ドップラーモード”は、カラードップラーモード（ｃｏｌｏｒ ｄｏｐｐｌｅｒ ｍｏｄｅ）を意味し、“ドップラーモード映像”は“カラーフロー映像（ｃｏｌｏｒ ｆｌｏｗ ｉｍａｇｅ）”を意味する。

図１は、本発明の実施例による超音波システム１００の構成を示すブロック図である。ユーザ入力部１１０は、ユーザの関心領域（ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ）設定情報の入力を受ける。ここで、関心領域はカラーボックス（ｃｏｌｏｒ ｂｏｘ）を備え、関心領域設定情報は関心領域の位置及びサイズ情報を含む。

制御部１２０は、ユーザ入力部１１０からの関心領域設定情報を用いて超音波信号の送受信を制御する。本実施例で制御部１２０は、図２に示した通り２Ｄ映像を得るための超音波信号（以下、第１の超音波信号という）の送受信（Ｂ）とドップラーモード映像を得るための超音波信号（以下、第２の超音波信号という）（Ｄ）の送受信を反復的に行うように制御する。ここで、ドップラーモード映像は２Ｄ映像に設定された関心領域に該当するカラーフロー映像である。一方、制御部１２０は超音波システム１００の動作を制御する。

送受信部１３０は、制御部１２０の制御によって、第１の超音波信号を対象体に送信して対象体から反射される第１の超音波信号を受信して受信信号（以下、第１の受信信号という）を形成する。これと併せて、送受信部１３０は、制御部１２０の制御によって、第２の超音波信号をパルス反復周波数（ｐｕｌｓｅ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）で関心領域内に送受信し、ドップラーモード映像ピクセルデータである受信信号（以下、第２の受信信号という）を形成する。ここで、第２の受信信号はドップラー信号及びクラッタ信号（ｃｌｕｔｔｅｒ ｓｉｇｎａｌ）を含む。ドップラー信号は、送受信部１３０からの超音波信号が血流によって反射される信号であり、周波数は比較的高いが、サイズは相対的に微弱な強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を有する。クラッタ信号は、送受信部１３０からの超音波信号が心臓壁、心臓板等によって反射される信号であり、周波数は比較的低いがサイズは相対的に大きい強度を有する。本実施例で送受信部１３０は、超音波信号を送受信するように動作するプローブ（図示せず）及び超音波信号の送信集束及び受信集束を行うように動作するビームフォーマ（図示せず）を備える。

格納部１４０は、送受信部１３０から出力される第２の受信信号を格納する。ここで、第２の受信信号はドップラーモード映像ピクセルデータに該当する。また、格納部１４０は、第２の受信信号でクラッタ信号を除去するための多数の遮断周波数情報を格納する。本実施例で格納部１４０は、第２の受信信号を格納する第１の格納部（図示せず）及び多数の遮断周波数情報を格納する第２の格納部（図示せず）を備えることができる。

信号処理部１５０は、関心領域内の各ピクセルに対してクラッタ信号を除去するための遮断周波数を有する複数のフィルタを設定して送受信部１３０からの第２の受信信号のクラッタフィルタリングを行う。一方、信号処理部１５０は、送受信部１３０からの第１の受信信号に映像最適化のための信号処理（例えば、利得（ｇａｉｎ）調節等）を行う。以下、図３〜図６を参照して信号処理部１５０の動作を説明する。

図３は本発明の実施例による信号処理部１５０の構成を示すブロック図であり、図４は本発明の実施例による遮断周波数の設定手続を示すフローチャートであり、図５は本発明の実施例による２Ｄ映像及び関心領域を示す説明図であり、図６は本発明の実施例による関心領域内のピクセルを示す説明図である。

信号抽出部１５１は、格納部１４０から第２の受信信号を抽出する（Ｓ１０２）。基準ピクセル設定部１５２は、関心領域２２０内のピクセルで基準ピクセルを選定し（Ｓ１０４）、第２の受信信号で基準ピクセルに該当する信号（以下、基準ピクセル信号という）を出力する（Ｓ１０６）。

本発明の一実施例によって、基準ピクセル設定部１５２は関心領域内の各ピクセルを基準ピクセルとして選定し、それによる基準ピクセル信号を出力する。

本発明の他の実施例によって、基準ピクセル設定部１５２は関心領域２２０内のピクセルを予め定められたサイズを有する複数のピクセルを含むピクセルグループにグループ化し、各ピクセルグループで基準ピクセルを選定する。一例として、基準ピクセル設定部１５２は関心領域２２０内の各ピクセルＰ_０，０〜Ｐ_５，５を３×３のサイズを有する４つのピクセルグループに次の通りグループ化することができる。

第１のピクセルグループ＝｛Ｐ_０，０、Ｐ_０，１、Ｐ_０，２、Ｐ_１，０、Ｐ_１，１、Ｐ_１，２、Ｐ_２，０、Ｐ_２，１、Ｐ_２，２｝
第２のピクセルグループ＝｛Ｐ_０，３、Ｐ_０，４、Ｐ_０，５、Ｐ_１，３、Ｐ_１，４、Ｐ_１，５、Ｐ_２，３、Ｐ_２，４、Ｐ_２，５｝
第３のピクセルグループ＝｛Ｐ_３，０、Ｐ_３，１、Ｐ_３，２、Ｐ_４，０、Ｐ_４，１、Ｐ_４，２、Ｐ_５，０、Ｐ_５，１、Ｐ_５，２｝
第４のピクセルグループ＝｛Ｐ_３，３、Ｐ_３，４、Ｐ_３，５、Ｐ_４，３、Ｐ_４，４、Ｐ_４，５、Ｐ_５，３、Ｐ_５，４、Ｐ_５，５｝

基準ピクセル設定部１５２は、第１のピクセルグループでＰ_１，１を基準ピクセルとして選定し、第２のピクセルグループでＰ_１，４を基準ピクセルとして選定し、第３のピクセルグループでＰ_４，１を基準ピクセルとして選定し、第４のピクセルグループでＰ_４，４を基準ピクセルとして選定し、それによる基準ピクセル信号を出力する。

第１の算出部１５３は、基準ピクセル設定部１５２から基準ピクセル信号の入力を受け、自己相関（ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）を用いて基準ピクセル信号のパワー（ｐｏｗｅｒ）及び平均周波数（以下、第１のパワー及び第１の平均周波数という）と分散を算出し、算出された分散を用いて標準偏差（以下、第１の標準偏差）を算出する（Ｓ１０８）。

遮断周波数設定部１５４は、第１の算出部１５３から第１の平均周波数の入力を受け、第１の平均周波数を用いて関心領域２２０内の各ピクセルに該当するフィルタの遮断周波数（以下、第１の遮断周波数という）を算出する（Ｓ１１０）。一例として、遮断周波数設定部１５４は第１の平均周波数に予め定められた加重値を乗じるか又は加えてフィルタリング部１５５の各クラッタフィルタの第１の遮断周波数を算出する。

フィルタリング部１５５は、関心領域２２０の各ピクセルにクラッタ信号を除去するためのフィルタを設定する（Ｓ１１２）。本実施例でフィルタリング部１５５は、フィルタとしてクラッタフィルタ（ｃｌｕｔｔｅｒ ｆｉｌｔｅｒ）を備えることができる。フィルタリング部１５５は、遮断周波数設定部１５４からの第１の遮断周波数を用いて各フィルタの遮断周波数を設定する（Ｓ１１４）。この時、第１の遮断周波数がピクセルグループの基準ピクセルに該当する遮断周波数の場合、フィルタリング部１５５はピクセルグループの各ピクセルに該当するフィルタに同一の遮断周波数を設定する。フィルタリング部１５５は信号抽出部１５１からの第２受信信号でクラッタ信号を除去してドップラー信号を抽出するためのクラッタフィルタリングを行う（Ｓ１１６）。

第２の算出部１５６は、フィルタリング部１５５からクラッタフィルタリングされた信号（以下、フィルタリング信号という）の入力を受け、自己相関を用いてフィルタリング信号のパワー及び平均周波数（以下、第２のパワー及び第２の平均周波数という）を算出する（Ｓ１１８）。

遮断周波数設定部１５４は、第１の算出部１５３からの第１のパワー、第１の平均周波数及び第１の標準偏差と第２の算出部１５６からの第２のパワー及び第２の平均周波数を用いて第１の遮断周波数の適合性、即ち第１の遮断周波数がフィルタリング部１５５のフィルタの遮断周波数として適するかどうかを判断する（Ｓ１２０）。本実施例で遮断周波数設定部１５４は第１のパワー、第１の平均周波数、第１の標準偏差、第２のパワー及び第２の平均周波数を次の数式１に適用して第１の遮断周波数の適合性を判断する。

（数式１）
第２の平均周波数≧第１の平均周波数＋第１の標準偏差＋第１のしきい値
第２のパワー≦第１のパワー×第２のしきい値

数式１の第１及び第２のしきい値は、ユーザまたは超音波システムによって予め定められた値であって、例えば、第１及び第２のしきい値は０．３であり得る。

遮断周波数設定部１５４は、第２のパワー及び第２の平均周波数が数式１の条件を全て満たすものと判断、即ち第１の遮断周波数が適切であると判断されれば、遮断周波数の設定を終了する。一方、遮断周波数設定部１５４は、第２のパワー及び第２の平均周波数が数式１のうち少なくとも一つを満たさないものと判断、即ち第１の遮断周波数が適しないものと判断されれば、第２の遮断周波数を算出して、算出された第２の遮断周波数を第１の遮断周波数として設定する（Ｓ１２２）。遮断周波数設定部１５４、フィルタリング部１５５及び第２の算出部１５６は第１の遮断周波数がフィルタリング部１５５のフィルタの遮断周波数として適するまで段階Ｓ１１４〜段階Ｓ１２２を行う。

従って、信号処理部１５０は、１フレーム（ｆｒａｍｅ）のドップラーモード映像のための第２の受信信号に前述した手続を行い、送受信部１３０から新たなフレームのドップラーモード映像のための第２の受信信号が形成されて格納部１４０に格納されれば、新たな第２の受信信号に前述した手続を行う。

再び図１を参照すれば、映像処理部１６０は信号処理部１５０からの第１の受信信号及び第２の受信信号のそれぞれを用いて２Ｄ映像及びドップラーモード映像を形成する。ディスプレイ部１７０は映像処理部１６０から出力される２Ｄ映像及びドップラーモード映像をディスプレイする。

本発明が望ましい実施例を通じて説明されて例示されたが、当業者であれば添付した特許請求の範囲の事項及び範疇を逸脱せず、様々な変形及び変更がなされることが分かる。

一例として、前述した実施例では遮断周波数設定部１５４が第１の算出部１５３からの第１の平均周波数を用いて第１の遮断周波数を算出し、フィルタリング部１５５が算出された第１の遮断周波数を用いて各フィルタの遮断周波数を設定するものと説明したが、それだけに限定されない。他の実施例では遮断周波数設定部１５４が第１の平均周波数を用いて格納部１４０から第１の平均周波数に該当する遮断周波数情報を抽出し、フィルタリング部１５５が抽出された遮断周波数情報を用いて各フィルタの遮断周波数を設定することもできる。

１１０ ユーザ入力部
１２０ 制御部
１３０ 送受信部
１４０ 格納部
１５０ 信号処理部
１６０ 映像処理部
１７０ ディスプレイ部
１５１ 信号抽出部
１５２ 基準ピクセル設定部
１５３ 第１の算出部
１５４ 遮断周波数設定部
１５５ フィルタリング部
１５６ 第２の算出部

Claims (11)

1. 超音波システムであって、
   超音波信号を対象体に送信して前記対象体から反射される超音波信号を受信し、受信信号を形成するように動作する送受信部と、
   前記受信信号を処理して前記対象体の２次元映像を示す２次元映像データを提供する信号処理部と、
   前記２次元映像上に関心領域を設定するための設定情報の入力を受けるように動作するユーザ入力部を備え、
   前記送受信部は、前記関心領域に対応するドップラーモード映像ピクセルデータを獲得するように動作し、
   前記信号処理部は、前記関心領域内のピクセルを予め定められたサイズを有する複数のピクセルを含むピクセルグループにグループ化し、各ピクセルグループ毎に基準ピクセルを選定し、前記ドップラーモード映像ピクセルデータから前記基準ピクセルに該当する基準ピクセル信号を出力する基準ピクセル設定部を備え、
   前記信号処理部は、前記基準ピクセル信号に応じて前記関心領域の各ピクセルに設定された複数のフィルタの遮断周波数を設定し、前記設定された遮断周波数を用いて前記ドップラーモード映像ピクセルデータをフィルタリングし、クラッタ信号が除去されたフィルタリング信号を出力することを特徴とする超音波システム。
2. 前記ドップラーモード映像ピクセルデータを格納する格納部と、
   前記クラッタ信号が除去された前記ドップラーモード映像ピクセルデータに基づいてドップラーモード映像を形成するように動作する映像処理部と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波システム。
3. 前記信号処理部は、
   前記格納部から前記ドップラーモード映像ピクセルデータを抽出するように動作する信号抽出部と、
   前記基準ピクセル信号の第１のパワー、第１の平均周波数及び分散を算出し、前記分散を用いて第１の標準偏差を算出するように動作する第１の算出部と、
   前記第１の平均周波数を用いて前記フィルタの第１の遮断周波数を算出するように動作する遮断周波数設定部と、
   前記第１の遮断周波数を用いて前記フィルタの遮断周波数を設定し、前記ドップラーモード映像ピクセルデータのクラッタフィルタリングを行うように動作するフィルタリング部と、
   前記フィルタリングされた信号の第２のパワー及び第２の平均周波数を算出するように動作する第２算出部とを備え、
   前記遮断周波数設定部は、前記第１のパワー、前記第１の平均周波数、前記第１の標準偏差、前記第２のパワー及び前記第２の平均周波数を用いて前記第１の遮断周波数の適合性を判断するように動作することを特徴とする請求項２に記載の超音波システム。
4. 前記遮断周波数設定部は、前記第１の遮断周波数の適合性を判断して前記第１の遮断周波数が適しないものと判断されれば、前記第１の遮断周波数を用いて前記各フィルタの遮断周波数を設定するための第２の遮断周波数を算出するように動作することを特徴とする請求項３に記載の超音波システム。
5. 前記遮断周波数設定部は、下記数式１を用いて前記第１の遮断周波数の適合性を判断するように動作し、
   （数式１）
   前記第２の平均周波数≧前記第１の平均周波数＋前記第１の標準偏差＋第１のしきい値
   前記第２のパワー≦前記第１のパワー×第２のしきい値
   前記第１のしきい値及び前記第２のしきい値は予め定められた値であることを特徴とする請求項３または４に記載の超音波システム。
6. 前記フィルタは、クラッタフィルタ（ｃｌｕｔｔｅｒ ｆｉｌｔｅｒ）を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の超音波システム。
7. 送受信部、信号処理部及びユーザ入力部を備える超音波システムにおけるクラッタ信号フィルタリング方法であって、
   ａ）前記送受信部で、超音波信号を対象体に送信して前記対象体から反射される超音波信号を受信し、受信信号を形成する段階と、
   ｂ）前記信号処理部で、前記受信信号を処理して前記対象体の２次元映像を示す２次元映像データを提供する段階と、
   ｃ）前記ユーザ入力部で、前記２次元映像上に関心領域を設定するための設定情報の入力を受ける段階と、
   ｄ）前記送受信部で、前記関心領域に対応するドップラーモード映像ピクセルデータを獲得する段階と、
   ｅ）前記信号処理部で、前記関心領域内のピクセルを予め定められたサイズを有する複数のピクセルを含むピクセルグループにグループ化し、各ピクセルグループ毎に基準ピクセルを選定し、前記ドップラーモード映像ピクセルデータから前記基準ピクセルに該当する基準ピクセル信号を出力する段階と、
   ｆ）前記信号処理部で、前記基準ピクセル信号に応じて前記関心領域の各ピクセルに設定された複数のフィルタの遮断周波数を設定し、前記設定された遮断周波数を用いて前記ドップラーモード映像ピクセルデータをフィルタリングしてクラッタ信号が除去されたフィルタリング信号を出力する段階と
   を備えることを特徴とするクラッタ信号フィルタリング方法。
8. 前記段階ｆ）は、
   ｆ１）前記基準ピクセル信号の第１のパワー、第１の平均周波数及び分散を算出し、前記分散を用いて第１の標準偏差を算出する段階と、
   ｆ２）前記第１の平均周波数を用いて前記フィルタの第１の遮断周波数を算出する段階と、
   ｆ３）前記第１の遮断周波数を用いて前記フィルタの遮断周波数を設定し、前記ドップラーモード映像ピクセルデータのクラッタフィルタリングを行う段階と、
   ｆ４）前記フィルタリングされた信号の第２のパワー及び第２の平均周波数を算出する段階と、
   ｆ５）前記第１のパワー、前記第１の平均周波数、前記第１の標準偏差、前記第２のパワー及び前記第２の平均周波数を用いて前記第１の遮断周波数の適合性を判断し、前記第１の遮断周波数が適するまで前記段階ｆ３）及びｆ４）を行う段階と
   を備えることを特徴とする請求項７に記載のクラッタ信号フィルタリング方法。
9. 前記段階ｆ５）は、
   前記第１の遮断周波数の適合性を判断する段階と、
   前記第１の遮断周波数が適しないものと判断されれば、前記第１の遮断周波数を用いて前記各フィルタの遮断周波数を設定するための第２の遮断周波数を算出する段階と、
   前記第２の遮断周波数を前記第１の遮断周波数として設定する段階と
   を備えることを特徴とする請求項８に記載のクラッタ信号フィルタリング方法。
10. 前記段階ｆ５）は、
    下記数式２を用いて前記第１の遮断周波数の適合性を判断する段階を含み、
    （数式２）
    前記第２の平均周波数≧前記第１の平均周波数＋前記第１の標準偏差＋第１のしきい値
    前記第２のパワー≦前記第１のパワー×第２のしきい値
    前記第１のしきい値及び前記第２のしきい値は予め定められた値であることを特徴とする請求項８または９に記載のクラッタ信号フィルタリング方法。
11. 前記フィルタは、クラッタフィルタ（ｃｌｕｔｔｅｒ ｆｉｌｔｅｒ）であることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記載のクラッタ信号フィルタリング方法。

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