JP5526401B2 - Ventricular wall information extraction device - Google Patents

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Description

本発明は、心臓の心室壁の輪郭、形状、3次元位置等の情報を抽出する心室壁情報抽出装置に関するものである。   The present invention relates to a ventricular wall information extracting device that extracts information such as the outline, shape, and three-dimensional position of the ventricular wall of the heart.

超音波診断法は、患者の体表にプローブを押し付けるだけで患者の体内の超音波断層画像が得られるため、その安全性およびリアルタイム性から心臓の診断には欠かせない手法である。この超音波診断法に使用される超音波診断装置の小型化・ポータブル化の進歩は著しく、場所を選ばない超音波診断が実現している。   The ultrasonic diagnostic method is an indispensable technique for diagnosing the heart because of its safety and real-time property because an ultrasonic tomographic image of the patient's body can be obtained simply by pressing the probe onto the patient's body surface. The progress of miniaturization and portability of the ultrasonic diagnostic apparatus used in this ultrasonic diagnostic method is remarkable, and ultrasonic diagnostics are realized anywhere.

一方、インターナットなどのネットワーク伝送速度の高速化により、超音波診断装置のプローブにより撮像された超音波断層画像をネットワーク経由で伝送することも可能となっている。このような技術的背景のもと、患者宅から病院に伝送される超音波断層画像に基づいて病院の医師が遠隔地の患者を超音波診断する遠隔超音波診断法の研究も進められている。   On the other hand, by increasing the network transmission speed such as an inter-nut, it is possible to transmit an ultrasonic tomographic image captured by a probe of an ultrasonic diagnostic apparatus via a network. Under such a technical background, research on a remote ultrasonic diagnostic method in which a hospital doctor performs an ultrasonic diagnosis on a remote patient based on an ultrasonic tomographic image transmitted from a patient's home to the hospital is being promoted. .

この種の遠隔超音波診断法として、医師が所望するプローブの位置・姿勢を的確に遠隔地に伝送して患者の的確な超音波断層画像を得るため、プローブ操作用のロボットを使用する遠隔超音波診断法が報告されている。また、拡張現実感と呼称されるAR(Augmented Reality)技術を利用して、プローブの位置・姿勢を表すCG(computer graphic)を患者の体表に投影し、患者側の操作者にプローブの操作を教示する研究も進められている。   In this type of remote ultrasound diagnosis, a remote operation using a probe operation robot is used to accurately transmit the position and posture of a probe desired by a doctor to a remote place to obtain an accurate ultrasonic tomographic image of a patient. Ultrasound diagnostic methods have been reported. Also, using AR (Augmented Reality) technology called Augmented Reality, CG (computer graphic) representing the position and posture of the probe is projected onto the patient's body surface, and the probe operation is performed on the patient's operator. Research that teaches is underway.

一方、超音波診断装置に関しては、操作者に多くの操作を強いることなく、かつ、高い精度で超音波断層画像中の対象物の輪郭を抽出することができるようにした超音波診断装置が提案されている(例えば特許文献1参照)。この超音波診断装置は、断層画像に対して等化、2値化および縮退等の画像処理を施すことにより断層画像中の対象物の輪郭を初期輪郭として粗く抽出する初期輪郭抽出部と、抽出された初期輪郭を初期値として断層画像中の対象物に対しSNAKES等の動的な輪郭モデルを適用することで、細かく輪郭を抽出する動的輪郭抽出部とからなる自動輪郭抽出部を備えたものである。   On the other hand, regarding an ultrasonic diagnostic apparatus, an ultrasonic diagnostic apparatus is proposed that can extract the contour of an object in an ultrasonic tomographic image with high accuracy without forcing the operator to perform many operations. (For example, refer to Patent Document 1). This ultrasonic diagnostic apparatus includes an initial contour extraction unit that roughly extracts a contour of an object in a tomographic image as an initial contour by performing image processing such as equalization, binarization, and degeneration on the tomographic image; By using a dynamic contour model such as SNAKES applied to an object in a tomographic image with the initial contour as an initial value, an automatic contour extraction unit including a dynamic contour extraction unit that finely extracts a contour is provided. Is.

また、画像処理装置に関しては、画像中の対象物の動的輪郭抽出の際に、精確な初期輪郭の設定が容易に行える結果、正確で効率的な輪郭抽出を可能とする画像処理装置が提案されている(例えば特許文献2参照)。この画像処理装置は、入力された画像に対し、画像中の対象物の特徴点に基づき対象物の初期輪郭を生成する手段と、特徴点の位置を変化させずに、対象物の輪郭形状の特徴量と、画像の特徴量と、必要に応じて与えられる初期輪郭の特徴量との総和が最小になるように初期輪郭を変形することにより、画像中の対象物の輪郭を抽出する輪郭抽出手段とを備えたものである。   As for the image processing device, an image processing device that enables accurate and efficient contour extraction as a result of easily setting an accurate initial contour when extracting a dynamic contour of an object in an image is proposed. (See, for example, Patent Document 2). The image processing apparatus is configured to generate an initial contour of an object based on a feature point of the object in the image with respect to the input image, and to change the contour shape of the object without changing the position of the feature point. Contour extraction that extracts the contour of the object in the image by modifying the initial contour so that the sum of the feature amount, the image feature amount, and the initial contour feature amount given as necessary is minimized. Means.

特開2002−224116号公報(要約)JP 2002-224116 A (summary) 特開平11−265455号公報(要約)JP 11-265455 A (summary)

ところで、プローブ操作用のロボットを使用する遠隔超音波診断法においては、ロボットを設置することが可能な救急医療の現場では一定の成果が期待されるものの、ロボットを設置するのが難しい患者の自宅等での実現性が薄い。また、プローブの位置・姿勢を表すCGを患者の体表に投影して患者側の操作者にプローブの操作を教示する遠隔超音波診断法においては、医師の指示をネットワーク経由で逐次反映させる必要があるため、通常の超音波診断に比べて目的の超音波断層画像を得るまでに時間が掛かると共に、医師にとっては3次元空間の把握が難しいという問題があった。   By the way, in the remote ultrasonic diagnostic method using a robot for probe operation, a certain result is expected in the field of emergency medicine where a robot can be installed, but the patient's home where it is difficult to install the robot The feasibility in etc. is thin. Further, in a remote ultrasonic diagnostic method in which a CG representing the position / posture of the probe is projected onto the patient's body surface and the patient's operator is instructed to operate the probe, the doctor's instructions must be sequentially reflected via the network. Therefore, it takes time to obtain a target ultrasonic tomographic image as compared with a normal ultrasonic diagnosis, and it is difficult for a doctor to grasp a three-dimensional space.

一方、特許文献1に記載の超音波診断装置においては、SNAKES等の動的輪郭抽出法を適用しているが、SNAKESを用いた従来手法による輪郭抽出法の多くは、一般的に、初期輪郭を対象物体の輪郭線の近傍に配置して、そこからの収束を図っているため、画像毎に利用者が初期輪郭を配置していく必要があり、初期輪郭を探索するのに時間が掛かるという問題がある。同様に、特許文献2に記載の画像処理装置においては、初期輪郭を手動で設定する必要があり、操作者に大きな負担が掛かる。   On the other hand, in the ultrasonic diagnostic apparatus described in Patent Document 1, a dynamic contour extraction method such as SNAKES is applied. However, many of the conventional contour extraction methods using SNAKES generally have initial contours. Is placed in the vicinity of the contour of the target object to achieve convergence, the user needs to place the initial contour for each image, and it takes time to search for the initial contour. There is a problem. Similarly, in the image processing apparatus described in Patent Document 2, it is necessary to manually set the initial contour, which places a heavy burden on the operator.

すなわち、従来の超音波診断装置および画像処理装置を使用して心臓の心室壁の輪郭等を抽出するには、心室壁が描画されている領域の全体もしくは一部を初期位置としてプローブの操作者が手動で指定する必要があり、プローブの操作者に大きな負担が掛かっている。   That is, in order to extract the outline of the ventricular wall of the heart using a conventional ultrasonic diagnostic apparatus and image processing apparatus, the probe operator is set with the whole or part of the region where the ventricular wall is drawn as the initial position. However, it is necessary to specify manually, which places a heavy burden on the operator of the probe.

本発明は、このような従来技術の問題点に対応してなされたものであり、初期輪郭等の初期設定が全く不要でりながら、心臓の心室壁情報を容易に抽出することができ、その結果、遠隔超音波診断も容易に実現することが可能な心室壁情報抽出装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in response to such problems of the prior art, it can be initialized, such as the initial contour at all unnecessary and Oh while seeking to easily extract the ventricular wall information of the heart, As a result, an object of the present invention is to provide a ventricular wall information extraction device that can easily realize remote ultrasonic diagnosis.

このような課題を解決するため、本発明に係る心室壁情報抽出装置は、超音波診断装置のプローブにより撮像される心臓の超音波断層画像に基づいて心室壁の情報を抽出する装置であって、超音波断層画像を複数の小領域に分割し、各小領域内の平均ベクトルを各小領域の領域運動ベクトルfと定義して運動ベクトル算出部が下記数式(10)により算出する、心室壁の運動ベクトルを複数計測する運動ベクトル計測手段と、

(V n は算出ベクトル、Nは小領域内のベクトル数)
心室壁の運動ベクトルを複数計測する運動ベクトル計測手段と、運動ベクトル計測手段により計測された複数の運動ベクトルの延長線の交点領域を初期探索点として設定する初期探索点設定手段と、初期探索点設定手段により設定された初期探索点を原点とする極座標により心室壁の輪郭点を複数抽出する輪郭点抽出手段とを備えていることを特徴とする。
In order to solve such problems, a ventricular wall information extraction device according to the present invention is a device that extracts ventricular wall information based on an ultrasonic tomographic image of the heart imaged by a probe of an ultrasonic diagnostic apparatus. And dividing the ultrasonic tomographic image into a plurality of small regions, defining an average vector in each small region as a region motion vector f of each small region, and calculating the motion vector by the following equation (10), the ventricular wall A motion vector measuring means for measuring a plurality of motion vectors,

(V n is the calculated vector, N is the number of vectors in the small area)
A motion vector measuring means for measuring a plurality of motion vectors of the ventricular wall, an initial search point setting means for setting an intersection region of extension lines of the plurality of motion vectors measured by the motion vector measuring means as an initial search point, and an initial search point It further comprises contour point extracting means for extracting a plurality of contour points of the ventricular wall by polar coordinates with the initial search point set by the setting means as the origin.

本発明に係る心室壁情報抽出装置では、超音波診断装置のプローブにより心臓の心室壁の超音波断層画像が撮像されると、運動ベクトル計測手段が心室壁の運動ベクトルを複数計測し、初期探索点設定手段が複数の運動ベクトルの延長線の交点領域を初期探索点として設定する。そして、設定された初期探索点を原点とする極座標により、輪郭点抽出手段が心室壁の輪郭点を複数抽出する。すなわち、プローブの操作者が心室壁の初期輪郭の初期設定をしないにも拘わらず、初期探索点設定手段が自動的に初期探索点設定し、輪郭点抽出手段が心室壁の輪郭点を複数抽出する。   In the ventricular wall information extracting device according to the present invention, when an ultrasonic tomographic image of the ventricular wall of the heart is captured by the probe of the ultrasonic diagnostic apparatus, the motion vector measuring means measures a plurality of motion vectors of the ventricular wall and performs an initial search. The point setting means sets an intersection area of extension lines of a plurality of motion vectors as an initial search point. Then, the contour point extracting means extracts a plurality of contour points of the ventricular wall based on the polar coordinates having the set initial search point as the origin. That is, the initial search point setting means automatically sets the initial search point, even though the probe operator does not initialize the initial contour of the ventricular wall, and the contour point extracting means extracts a plurality of contour points of the ventricular wall. To do.

本発明の心室壁情報抽出装置には、前記輪郭点抽出手段により抽出された心室壁の複数の輪郭点から心室壁の輪郭に沿った近似楕円を最小2乗法により描画する楕円近似手段と、前記プローブのランダム操作に応じて描画される複数の近似楕円に基づいて心室壁の形状および3次元位置の情報を求める3次元計測手段とを付加することができる。   In the ventricular wall information extracting device of the present invention, the ellipse approximating means for drawing an approximate ellipse along the ventricular wall contour from a plurality of contour points of the ventricular wall extracted by the contour point extracting means by the least square method, It is possible to add a three-dimensional measuring means for obtaining information on the shape and three-dimensional position of the ventricle wall based on a plurality of approximate ellipses drawn according to the random operation of the probe.

この発明では、輪郭点抽出手段が心室壁の輪郭点を複数抽出すると、その複数の輪郭点から心室壁の輪郭に沿った近似楕円を楕円近似手段が描画し、プローブのランダム操作に応じて複数の近似楕円が描画されると、その複数の近似楕円に基づいて3次元計測手段が心室壁の形状および3次元位置の情報を求める。ここで、楕円近似手段が描画する近似楕円は、計算処理の負荷の小さい最小2乗法によるため、近似楕円はリアルタイムで描画される。   In this invention, when the contour point extracting means extracts a plurality of contour points of the ventricular wall, the ellipse approximating means draws an approximate ellipse along the contour of the ventricular wall from the plurality of contour points, and the plurality of contour points are extracted according to the random operation of the probe. When the approximate ellipse is drawn, the three-dimensional measuring means obtains information on the shape and three-dimensional position of the ventricular wall based on the plurality of approximate ellipses. Here, since the approximate ellipse drawn by the ellipse approximation means is based on the least square method with a small calculation processing load, the approximate ellipse is drawn in real time.

本発明に係る心室壁情報抽出装置によれば、超音波診断装置のプローブにより心臓の心室壁の超音波断層画像が撮像されると、運動ベクトル計測手段が心室壁の運動ベクトルを複数計測し、初期探索点設定手段が複数の運動ベクトルの延長線の交点領域を初期探索点として設定するため、従来、プローブの操作者が手動で設定することが必要であった心室壁の初期輪郭の初期設定等が一切不要となる。そして、初期探索点設定手段により設定された初期探索点を原点とする極座標により、輪郭点抽出手段が心室壁の輪郭点を複数抽出するため、心室壁の輪郭を含む心室壁情報を容易に抽出することができる。すなわち、本発明によれば、初期輪郭等の初期設定が全く不要でありながら、心室壁の輪郭を含む心室壁情報を容易に抽出することができ、その結果、遠隔超音波診断も容易に実現することが可能となる。   According to the ventricular wall information extracting device according to the present invention, when an ultrasonic tomographic image of the ventricular wall of the heart is captured by the probe of the ultrasonic diagnostic apparatus, the motion vector measuring means measures a plurality of motion vectors of the ventricular wall, Since the initial search point setting means sets the intersection region of the extension lines of a plurality of motion vectors as the initial search point, the initial setting of the initial contour of the ventricular wall, which has conventionally been required to be manually set by the probe operator Etc. are completely unnecessary. Then, since the contour point extracting means extracts a plurality of contour points of the ventricular wall from the polar coordinates with the initial search point set by the initial search point setting means as the origin, ventricular wall information including the contour of the ventricular wall is easily extracted. can do. That is, according to the present invention, it is possible to easily extract ventricular wall information including the contour of the ventricular wall, while no initial setting such as initial contour is required, and as a result, remote ultrasonic diagnosis is also easily realized. It becomes possible to do.

また、楕円近似手段と3次元計測手段とが付加された本発明の心室壁情報抽出装置によれば、輪郭点抽出手段が心室壁の輪郭点を複数抽出すると、その複数の輪郭点から心室壁の輪郭に沿った近似楕円を楕円近似手段が描画し、プローブのランダム操作に応じて複数の近似楕円が描画されると、その複数の近似楕円に基づいて3次元計測手段が心室壁の形状および3次元位置の情報を求めるため、心室壁の形状および3次元位置を含む心室壁情報を容易に抽出することができ、遠隔超音波診断も容易に実現することが可能となる。   Further, according to the ventricular wall information extracting device of the present invention to which the ellipse approximating means and the three-dimensional measuring means are added, when the contour point extracting means extracts a plurality of contour points of the ventricular wall, the ventricular wall is extracted from the plurality of contour points. When the ellipse approximating means draws an approximate ellipse along the contour, and when a plurality of approximate ellipses are drawn in response to the random operation of the probe, the three-dimensional measuring means based on the plurality of approximate ellipses Since the information on the three-dimensional position is obtained, the ventricular wall information including the shape of the ventricular wall and the three-dimensional position can be easily extracted, and the remote ultrasonic diagnosis can be easily realized.

本発明の一実施形態に係る心室壁情報抽出装置の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of the ventricle wall information extraction apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 一実施形態に係る心室壁情報抽出装置が対象とする左心室の長軸断面を撮像するプローブの位置および向きを示す心臓の正面図である。It is a front view of the heart which shows the position and direction of the probe which image the long-axis cross section of the left ventricle made into the object by the ventricle wall information extraction apparatus which concerns on one Embodiment. 図2に示したプローブが撮像する左心室の長軸断面図である。FIG. 3 is a long-axis cross-sectional view of the left ventricle imaged by the probe shown in FIG. 2. 左心室の短軸断面を撮像するプローブの位置および向きを示す心臓の正面図である。It is a front view of the heart which shows the position and direction of the probe which images the short-axis cross section of a left ventricle. 図4に示したプローブが撮像する左心室の短軸断面図である。FIG. 5 is a short-axis cross-sectional view of the left ventricle imaged by the probe shown in FIG. 4. 左心室を楕円体と仮定した模式図である。It is the model which assumed the left ventricle to be an ellipsoid. 左心室を横断する短軸方向の超音波断層画像を示す図である。It is a figure which shows the ultrasonic tomographic image of the short axis direction crossing a left ventricle. 図7に示した超音波断層画像を小領域に分割して領域運動ベクトルを重畳表示した図である。FIG. 8 is a diagram in which the ultrasonic tomographic image shown in FIG. 7 is divided into small regions and region motion vectors are superimposed and displayed. 左心室壁の輪郭点を抽出する極座標を示す図である。It is a figure which shows the polar coordinate which extracts the outline point of the left ventricle wall. 左心室壁の輪郭点に沿った近似楕円を示す図である。It is a figure which shows the approximate ellipse along the outline point of the left ventricle wall. 一般的な楕円の2次元投影図である。It is a two-dimensional projection figure of a general ellipse. N個のサンプル点から算出される楕円中心点と、真の中心点との距離誤差を示すグラフである。It is a graph which shows the distance error of the ellipse center point calculated from N sample points, and a true center point. 楕円近似部が近似した楕円を図7に示した左心室の短軸方向の超音波断層画像に重畳表示した図である。FIG. 8 is a diagram in which an ellipse approximated by an ellipse approximation unit is superimposed and displayed on the ultrasonic tomographic image in the short axis direction of the left ventricle shown in FIG. 7. 僧帽弁や右心室が描出された超音波断層画像を示す図である。It is a figure which shows the ultrasonic tomographic image by which the mitral valve and the right ventricle were drawn. 図14に示した超音波断層画像に基づいて近似された楕円形状を超音波断層画像に重畳表示した図である。FIG. 15 is a diagram in which an elliptical shape approximated based on the ultrasonic tomographic image illustrated in FIG. 14 is superimposed and displayed on the ultrasonic tomographic image. 図15に示したdn値およびその分散値dσと、プローブの軸回転角との関係を示すグラフである。And d n value and the variance value d sigma shown in FIG. 15 is a graph showing the relationship between the axial rotation angle of the probe. 左心室壁の領域を図7に示した左心室の短軸方向の超音波断層画像に重畳表示した図である。FIG. 8 is a diagram in which a region of the left ventricle wall is superimposed and displayed on an ultrasonic tomographic image in the short axis direction of the left ventricle shown in FIG. 7. 左心室壁から抽出した運動ベクトルを図7に示した左心室の短軸方向の超音波断層画像に重畳表示した図である。FIG. 8 is a diagram in which a motion vector extracted from the left ventricular wall is superimposed and displayed on an ultrasonic tomographic image of the left ventricle in the short axis direction shown in FIG. 7. バイウェイト(Biweight)法を用いて近似した楕円と、バイウェイト(Biweight)法を用いないで近似した楕円とを左心室の短軸方向の超音波断層画像に重畳表示した図である。It is the figure which superimposed and displayed the ellipse approximated using the Biweight method and the ellipse approximated without using the Biweight method on the ultrasonic tomographic image of the short axis direction of the left ventricle. 患者とカメラとプローブのマーカとモニタとの配置関係を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the arrangement | positioning relationship between a patient, a camera, the marker of a probe, and a monitor. 図20のモニタに映し出されるGUI画面を示す図である。It is a figure which shows the GUI screen projected on the monitor of FIG. 図20のモニタに映し出される他のGUI画面を示す図である。It is a figure which shows the other GUI screen projected on the monitor of FIG. 任意の楕円中心点と超音波断層面との位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of an arbitrary ellipse center point and an ultrasonic tomographic plane. 1名の被験者を対象とした左心室壁の長軸断面の推定と呈示状態を示す図である。It is a figure which shows the estimation and the presentation state of the long-axis cross section of the left ventricle wall for one test subject. 8名の各被験者について得られた楕円中心点の分布から最小2乗法により直線に近似し、その直線から各楕円中心点までの距離平均とその標準偏差を算出した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having approximated to the straight line by the least square method from the distribution of the ellipse center point obtained about each 8 subjects, and calculating the average distance and the standard deviation from the straight line to each ellipse center point.

以下、添付の図面を参照して本発明に係る心室壁情報抽出装置の実施の形態を順次説明する。図1に示すように、一実施形態に係る心室壁情報抽出装置1は、超音波診断装置2のプローブ2Aにより撮像される心臓の超音波断層画像に基づいて心室壁の情報を抽出する装置であって、例えば、肺静脈から左心房を経由して流入する新鮮な血液を大動脈に吐出する左心室の輪郭、形状、3次元位置等の情報を抽出する。   Hereinafter, embodiments of a ventricular wall information extracting device according to the present invention will be sequentially described with reference to the accompanying drawings. As shown in FIG. 1, a ventricular wall information extracting device 1 according to an embodiment is a device that extracts ventricular wall information based on an ultrasonic tomographic image of the heart imaged by a probe 2 </ b> A of an ultrasonic diagnostic device 2. For example, information such as the outline, shape, and three-dimensional position of the left ventricle that discharges fresh blood flowing from the pulmonary veins via the left atrium to the aorta is extracted.

超音波診断装置2は、患者の体表に押し付けられて操作されるプローブ2Aと、プローブ2Aで探索された信号に基づいて患者の体内の超音波断層画像を生成する画像生成部2Bと、画像生成部2Bで生成された超音波断層画像を表示するモニタ2Cとを少なくとも備えている。   The ultrasonic diagnostic apparatus 2 includes a probe 2A that is operated by being pressed against the patient's body surface, an image generation unit 2B that generates an ultrasonic tomographic image in the patient's body based on a signal searched by the probe 2A, and an image And a monitor 2C for displaying the ultrasonic tomographic image generated by the generation unit 2B.

ここで、超音波診断装置2と協働する一実施形態の心室壁情報抽出装置1は、少なくとも左心室壁の運動ベクトルを複数計測する運動ベクトル算出部(運動ベクトル計測手段)1Aと、運動ベクトル算出部1Aにより計測された複数の運動ベクトルの延長線の交点領域を初期探索点として設定する初期探索点設定部(初期探索点設定手段)1Bと、初期探索点設定部1Bにより設定された初期探索点を原点とする極座標により左心室壁の輪郭点を複数抽出する輪郭点抽出部(輪郭点抽出手段)1Cとを備えている。   Here, the ventricular wall information extracting device 1 of one embodiment cooperating with the ultrasonic diagnostic apparatus 2 includes a motion vector calculating unit (motion vector measuring means) 1A that measures at least a plurality of motion vectors of the left ventricular wall, and a motion vector. An initial search point setting unit (initial search point setting means) 1B that sets an intersection region of extension lines of a plurality of motion vectors measured by the calculation unit 1A as an initial search point, and an initial set by the initial search point setting unit 1B A contour point extraction unit (contour point extraction means) 1C that extracts a plurality of contour points of the left ventricular wall by polar coordinates with the search point as the origin is provided.

また、この心室壁情報抽出装置1には、輪郭点抽出部1Cにより抽出された心室壁の複数の輪郭点から左心室壁の輪郭に沿った近似楕円を最小2乗法により描画する楕円近似部(楕円近似手段)1Dと、超音波診断装置2のプローブ2Aのランダム操作に応じて描画される複数の近似楕円に基づいて左心室壁の形状および3次元位置の情報を求める3次元計測部(3次元計測手段)1Eとが付加されている。   Further, the ventricular wall information extracting apparatus 1 includes an ellipse approximating unit for drawing an approximate ellipse along the contour of the left ventricular wall from a plurality of contour points of the ventricular wall extracted by the contour point extracting unit 1C by the least square method ( Ellipse approximating means) 1D and a three-dimensional measuring unit (3) for obtaining information on the shape and three-dimensional position of the left ventricular wall based on a plurality of approximate ellipses drawn according to the random operation of the probe 2A of the ultrasonic diagnostic apparatus 2 Dimension measuring means) 1E.

心室壁情報抽出装置1の運動ベクトル算出部1A、初期探索点設定部1B、輪郭点抽出部1C、楕円近似部1Dおよび3次元計測部1Eは、入出力インターフェースI/O、A/Dコンバータ、プログラムおよびデータを記憶したROM(Read Only Memory)、入力データ等を一時記憶するRAM(Random Access Memory)、プログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)等を備えた図示しないパーソナルコンピュータ等のハードウェアおよびソフトウェアを利用して構成されており、超音波診断装置2と協働する。
<左心室の長軸断面と短軸断面>
The motion vector calculation unit 1A, the initial search point setting unit 1B, the contour point extraction unit 1C, the ellipse approximation unit 1D, and the three-dimensional measurement unit 1E of the ventricular wall information extraction device 1 are an input / output interface I / O, an A / D converter, ROM (Read Only Memory) that stores programs and data, RAM (Random Access Memory) that temporarily stores input data, etc., hardware such as a personal computer (not shown) that includes a CPU (Central Processing Unit) that executes programs, and the like; It is configured using software and cooperates with the ultrasonic diagnostic apparatus 2.
<Long-axis and short-axis cross sections of the left ventricle>

ここで、心臓の診断の基準となる断面には長軸断面、短軸断面、四腔断面等があるが、このうち長軸断面および短軸断面から診断を開始する場合が多い。長軸断面は、図2に示したような位置および向きに操作されたプローブ2Aによって左心室(Left ventricle)を長軸方向に撮像した断面であり、図3に示すように、心室後壁(Posterior wall)PWと心室中隔(Interventricular septum)IVSを平行に見るため左心室径が最大となり、同時に僧帽弁(Mitral valve)MVや大動脈弁(Aortic valve)AVが観測されるという特徴がある。   Here, there are a long-axis cross-section, a short-axis cross-section, a four-chamber cross-section, and the like as cross-sections that serve as a basis for diagnosis of the heart. The long-axis cross-section is a cross-section obtained by imaging the left ventricle (Left ventricle) in the long-axis direction with the probe 2A operated in the position and orientation as shown in FIG. 2, and as shown in FIG. The posterior wall PW and the interventricular septum IVS are viewed in parallel, so the left ventricular diameter is maximized. At the same time, the mitral valve MV and the aortic valve AV are observed. .

一方、短軸断面は、図4に示すように、図2に示したプローブ2Aを時計方向の軸廻りに略90度回転させて左心室壁LVの断面積を最小にして見る断面であり、図5に示すように、正常な心臓の場合には左心室壁LVが同心円状に撮像され、僧帽弁MVが対称に開口するという特徴がある。   On the other hand, as shown in FIG. 4, the short-axis cross-section is a cross-section viewed by minimizing the cross-sectional area of the left ventricular wall LV by rotating the probe 2A shown in FIG. 2 about 90 degrees clockwise. As shown in FIG. 5, in the case of a normal heart, the left ventricular wall LV is imaged concentrically, and the mitral valve MV opens symmetrically.

このような短軸断面を取得したときのプローブ2Aの接触位置を固定してプローブ2Aを軸廻りに回転させた場合、左心室壁LVの断面形状は、通常、円形から楕円形へと変形する。   When the contact position of the probe 2A when such a short-axis cross-section is acquired and the probe 2A is rotated around the axis, the cross-sectional shape of the left ventricular wall LV is usually deformed from a circle to an ellipse. .

ここで、左心室LVの3次元形状が楕円体であると仮定すると、図6に示すように、左心室LVを横断する任意の断面において、左心室LVの壁の断面形状は楕円になる。そこで、複数の断面の空間的位置計測により、楕円体を最も長く捉えることのできる断面、つまり長軸断面を得るためのプローブ2Aの位置を推測できる。   Here, assuming that the three-dimensional shape of the left ventricle LV is an ellipsoid, as shown in FIG. 6, the cross-sectional shape of the wall of the left ventricle LV becomes an ellipse in an arbitrary cross section crossing the left ventricle LV. Therefore, the position of the probe 2A for obtaining the longest cross section, that is, the long-axis cross section, can be estimated by measuring the spatial position of a plurality of cross sections.

すなわち、プローブ2Aの3次元位置を常にモニタリングしておき、左心室LVを横断する断面が楕円形状として認識されたとき、画像処理によってリアルタイムに左心室LVの壁の輪郭を抽出し、楕円Eiに近似する。このときの楕円の中心点の3次元座標Piを算出し、同様に複数のプローブ2Aの位置から得られた楕円の中心点を取得する。長軸断面が得られる断面はそれらの点から近いと考えられるため、長軸断面の候補となる空間の範囲を限定できる。
<左心室壁の輪郭抽出>
That is, the three-dimensional position of the probe 2A is constantly monitored, and when the cross section crossing the left ventricle LV is recognized as an ellipse, the contour of the wall of the left ventricle LV is extracted in real time by image processing, and the ellipse E i To approximate. At this time, the three-dimensional coordinates P i of the center point of the ellipse are calculated, and similarly, the center point of the ellipse obtained from the positions of the plurality of probes 2A is acquired. Since the cross-section from which the long-axis cross section is obtained is considered to be close to these points, the range of spaces that are candidates for the long-axis cross-section can be limited.
<Left ventricular wall contour extraction>

左心室LVを横断する短軸方向の超音波断層画像を図7に示す。単純な閾値を用いた2値化処理のみでは、体表面からの深さ方向に対する超音波の減衰特性が一様でないため、左心室LVの壁を抽出するのは困難である。そこで、図1に示した一実施形態の心室壁情報抽出装置1が超音波診断装置2と協働して左心室LVの壁の輪郭を抽出する。   FIG. 7 shows an ultrasonic tomographic image in the short axis direction crossing the left ventricle LV. It is difficult to extract the wall of the left ventricle LV only by the binarization process using a simple threshold because the attenuation characteristic of the ultrasonic wave in the depth direction from the body surface is not uniform. Therefore, the ventricular wall information extracting device 1 of the embodiment shown in FIG. 1 extracts the contour of the wall of the left ventricle LV in cooperation with the ultrasonic diagnostic device 2.

まず、図8に示すように、超音波断層画像を例えば15×15[pixel]の複数の小領域に分割し、各小領域内の平均ベクトルを各小領域の領域運動ベクトルfと定義して運動ベクトル算出部1Aが以下の数式1により算出する。ここで、Vnは算出ベクトル、Nは小領域内のベクトル数である。
First, as shown in FIG. 8, an ultrasonic tomographic image is divided into a plurality of small areas of 15 × 15 [pixel], for example, and an average vector in each small area is defined as a region motion vector f of each small area. The motion vector calculation unit 1A calculates the following formula 1. Here, V n is a calculated vector, and N is the number of vectors in the small area.

続いて、運動ベクトル算出部1Aが算出した領域運動ベクトルfを左心室LVの収縮期には終点を無限に延長し、左心室LVの拡張期には始点を無限に延長することで、初期探索点設定部1Bがそれらの交点領域を初期探索点Oとして設定する(図9参照)。その際、算出される交点領域は、領域運動ベクトルfは、その方向のみで算出されるものであるため、領域運動ベクトルfの絶対値(大きさ)を重みとして付加することで、初期探索点設定部1Bは適切な初期探索点Oを設定する。すなわち、初期探索点設定部1Bは、小領域内の交点数pに重みを付加した指標qを以下の数式2により定義する。
Subsequently, the region motion vector f calculated by the motion vector calculation unit 1A is extended to the end point infinitely during the systole of the left ventricle LV, and the start point is extended infinitely during the diastole of the left ventricle LV. The point setting unit 1B sets those intersection areas as initial search points O (see FIG. 9). At this time, since the calculated region of intersection is the region motion vector f calculated only in the direction, the initial search point can be obtained by adding the absolute value (size) of the region motion vector f as a weight. The setting unit 1B sets an appropriate initial search point O. That is, the initial search point setting unit 1B defines an index q obtained by adding a weight to the number of intersections p in the small region by the following formula 2.

一方、超音波断層画像のゲイン等によって算出されるベクトル数が変動し、q値そのものに影響するため、交点の総数NでN=A(A−1)/2と正規化し、インターセクションインデックスIをI=q/N=2q/A(A−1)と定義する。   On the other hand, since the number of vectors calculated by the gain of the ultrasonic tomographic image fluctuates and affects the q value itself, the total number N of intersections is normalized to N = A (A-1) / 2, and the intersection index I Is defined as I = q / N = 2q / A (A-1).

次に、図9に示すように、初期探索点設定部1Bが設定した初期探索点Oを原点とする半径rの動径を有する極座標により、輪郭点抽出部1Cが左心室LVの壁の輪郭点を複数抽出する。すなわち、半径rの動径の角度θを1[deg]ずつ変化させて360本の動径上の輝度分布から輝度の極大値を抽出し、動径上の極大値分布により左心室LVの壁の輪郭点を抽出する。   Next, as shown in FIG. 9, the contour point extraction unit 1C uses the polar coordinates having the radius r with the initial search point O set by the initial search point setting unit 1B as the origin, and the contour of the wall of the left ventricle LV. Extract multiple points. That is, by changing the radial angle θ of the radius r by 1 [deg], the maximum value of luminance is extracted from the luminance distribution on 360 radials, and the wall of the left ventricle LV is determined by the maximum value distribution on the radials. Extract contour points.

その際、輪郭点抽出部1Cは、形状の特徴抽出を行う画像処理手法であるモルフォロジー演算と、各画素にラベルを属性として付加することにより、特定の領域を抽出し、連結している画素に同じラベルを付加することで複数の領域をグループとして分類するラベリング処理を施すことで、微小面積領域を除去した左心室LVの壁の輪郭点を抽出する。
<左心室壁の輪郭の楕円近似>
At that time, the contour point extracting unit 1C extracts a specific region by adding a morphological operation as an image processing method for extracting a shape feature and adding a label to each pixel as an attribute. By applying a labeling process for classifying a plurality of regions as a group by adding the same label, a contour point of the wall of the left ventricle LV from which the minute area region is removed is extracted.
<Ellipse approximation of left ventricular wall outline>

続いて、図10に示すように、輪郭点抽出部1Cが抽出した左心室LVの壁の輪郭点の集合を楕円近似部1Dが最小2乗法を用いて楕円に近似する。ここで一般的な楕円の2次元投影図を図11に、それを表す式を数式3にそれぞれ示す。ただし(Xn,Yn)はn番目の輪郭点の座標、(X0,Y0)は楕円の中心座標、a,bは楕円の長半径および短半径、φは楕円の傾きをそれぞれ表している。
Subsequently, as shown in FIG. 10, the ellipse approximation unit 1D approximates the set of contour points of the wall of the left ventricle LV extracted by the contour point extraction unit 1C to an ellipse using the least square method. Here, a general two-dimensional projection view of an ellipse is shown in FIG. Where (X n , Y n ) are the coordinates of the nth contour point, (X 0 , Y 0 ) are the center coordinates of the ellipse, a and b are the major and minor radii of the ellipse, and φ is the inclination of the ellipse. ing.

一般に、複数の点の集合から図形のパラメータを決定する方法としてHough変換や最小2乗法などが考えられるが、Hough変換ではパラメータ数に対する計算処理の負荷が大きく、リアルタイム処理が困難であるため、一実施形態では計算コストを重視して最小2乗法を導入した。   In general, Hough transform, least square method, etc. can be considered as a method for determining a figure parameter from a set of a plurality of points. However, in Hough transform, the calculation processing load on the number of parameters is large, and real-time processing is difficult. In the embodiment, the least square method is introduced with emphasis on calculation cost.

ここで数式3を展開し、全ての輪郭点における2乗の総和を数式4のように算出する。ここで、A〜Eはいずれも、楕円のパラメータX0,Y0,a,b,φで表される係数であり、Nは輪郭点の個数である。
Here, Formula 3 is developed, and the sum of squares at all the contour points is calculated as Formula 4. Here, all of A to E are coefficients represented by elliptic parameters X 0 , Y 0 , a, b, and φ, and N is the number of contour points.

これをA〜Eそれぞれについて偏微分して0となる式を立てると数式5が得られる。そして、数式5の左辺第1項の逆行列を左から両辺にかけることで、A〜Eが求まるため、逆演算によって各パラメータX0,Y0,a,b,φを求めることができる。

<楕円近似の信頼性>
Formula 5 is obtained by partial differentiation of this with respect to each of A to E and formulating it to be zero. Then, by applying the inverse matrix of the first term on the left side of Formula 5 to both sides from the left, A to E are obtained, so that each parameter X 0 , Y 0 , a, b, φ can be obtained by inverse calculation.

<Reliability of elliptical approximation>

前述した楕円近似の信頼性を確認するため、まず、楕円の各パラメータを予めX0=50、Y0=30、a=15、b=10[mm]、φ=10[deg]と設定し、その楕円の軌道上からN個のサンプル点を等間隔に採取する。 In order to confirm the reliability of the above ellipse approximation, first, the parameters of the ellipse are set in advance as X 0 = 50, Y 0 = 30, a = 15, b = 10 [mm], and φ = 10 [deg]. N sample points are taken at equal intervals from the orbit of the ellipse.

次に、N個のサンプル点から算出される楕円中心点と、真の中心点との距離誤差を求める。この距離誤差を、Nの値を変化させたときにそれぞれ求め、その推移を表した結果を図12に示す。   Next, a distance error between the ellipse center point calculated from the N sample points and the true center point is obtained. The distance error is obtained when the value of N is changed, and the result of the transition is shown in FIG.

この結果から、楕円の軌道上に等間隔に8点以上あれば、1[mm]以内の誤差で中心点を求めることができることが確認された。ここで、図10に示すように抽出された左心室LVの壁の輪郭点は300点以上であることから、必要なデータ数は十分に満たしていると考えられる。図13は、楕円近似部1Dが近似した楕円を図7に示した左心室LVの短軸方向の超音波断層画像に重畳表示したものであり、楕円は左心室LVの壁の形状に沿って正確に描かれている。
<バイウェイト(Biweight)法による誤認識の修正>
From this result, it was confirmed that the center point can be obtained with an error within 1 [mm] if there are 8 or more points at equal intervals on the orbit of the ellipse. Here, since the extracted contour points of the wall of the left ventricle LV are 300 or more as shown in FIG. 10, it is considered that the necessary number of data is sufficiently satisfied. FIG. 13 shows an ellipse approximated by the ellipse approximation unit 1D superimposed on the ultrasonic tomographic image in the short axis direction of the left ventricle LV shown in FIG. 7, and the ellipse follows the shape of the wall of the left ventricle LV. It is drawn accurately.
<Correction of misrecognition by the Biweight method>

ところで以上までの処理では、左心室LVの壁以外の構造物を含む場合に左心室LVの壁の輪郭から大きく外れた楕円を描いてしまう。例えば図14に示すように僧帽弁MVや右心室RV(Right ventricle)が明確に描出された超音波断層画像を処理すると、近似された楕円形状f(x,y)は、図15に示すように、実際と大きく外れてしまう。   By the way, in the above process, when structures other than the wall of the left ventricle LV are included, an ellipse greatly deviating from the contour of the wall of the left ventricle LV is drawn. For example, when an ultrasonic tomographic image in which the mitral valve MV and the right ventricle RV (Right ventricle) are clearly depicted as shown in FIG. 14 is processed, an approximate elliptical shape f (x, y) is shown in FIG. As such, it will deviate greatly from the actual.

そこで、僧帽弁MVや右心室RVなどの左心室LVの壁以外の形状を排除するため、楕円近似によって得られた結果に対し、以下の2つの評価基準を設け、それらを判別させることにした。   Therefore, in order to exclude shapes other than the wall of the left ventricle LV such as the mitral valve MV and the right ventricle RV, the following two evaluation criteria are provided for the results obtained by the ellipse approximation to discriminate them. did.

第1に、抽出された楕円に対し、図11に示した長半径aと短半径bとの比率を導出した。これは、左心室LVの壁以外の輪郭点が発生した場合、描かれる楕円は左心室LVの壁の形状からどちらかの方向に歪み、その影響がaとbに現れるためである。   First, the ratio of the major radius a and the minor radius b shown in FIG. 11 was derived for the extracted ellipse. This is because when an outline point other than the wall of the left ventricle LV occurs, the drawn ellipse is distorted in either direction from the shape of the wall of the left ventricle LV, and the effect appears in a and b.

ここで、長軸断面の推定に必要な中心点の数はおよそ8点であるので、楕円が描かれた断面のうち、a/b が1に近い上位8枚の断面から楕円中心点を採取することにした。また第2に、抽出された各輪郭点と、それから近似された楕円との一致度dave,dσを評価した。 Here, since the number of center points necessary for estimation of the long-axis cross section is approximately 8, the ellipse center points are sampled from the top eight cross sections with a / b close to 1 among the cross sections on which the ellipse is drawn. Decided to do. Secondly, the degree of coincidence d ave and d σ between each extracted contour point and the ellipse approximated therefrom was evaluated.

ここで、図15に示した輪郭抽出点(Xn,Yn)と楕円中心点(X0,Y0)とを結ぶ直線y=anx+bnと、描かれた楕円f(x,y)の交点との距離をdnとし、全ての抽出点に対して算出したdnの平均をdaveとした。また、dσはdnの分散を表す。 Here, contour extraction points shown in FIG. 15 (X n, Y n) and the ellipse center point (X 0, Y 0) and the straight line y = a n x + b n connecting the, drawn ellipse f (x, y the distance between the intersection of) the d n, the average of d n calculated for all sampled points was d ave. Further, the d sigma represents the variance of d n.

実際の超音波断層画像を用いてこれらの値を検証した。20代健常者男性を対象とし、短軸断面が撮像できるプローブ2Aの軸回転角を0[deg]として−90〜90[deg]において15[deg]刻みで心臓の超音波断層画像を取得し、それぞれにおいてdaveとdσを測定した。その結果は図16に示すように、±30[deg]の範囲ではdaveおよびdσは、いずれも2[mm]以内に収まった。そこでdave、dσ≧2[mm]を満たす超音波断層画像を排除し、その楕円中心点は記憶させないよう制限した。 These values were verified using actual ultrasonic tomographic images. Targeting healthy males in their 20s, an ultrasonic tomographic image of the heart is acquired in increments of 15 [deg] from -90 to 90 [deg] with the axis rotation angle of the probe 2A capable of imaging a short-axis cross section being 0 [deg]. In each case, d ave and d σ were measured. As a result, as shown in FIG. 16, both d ave and d σ were within 2 [mm] in the range of ± 30 [deg]. Therefore, an ultrasonic tomographic image satisfying d ave and d σ ≧ 2 [mm] is excluded, and the elliptical center point is restricted from being stored.

ここで、一実施形態の心室壁情報抽出装置においては、超音波診断装置2のプローブ2Aのランダム操作に応じて描画される複数の近似楕円に基づいて、3次元計測部1Eが左心室LVの壁の形状および3次元位置を計測する。   Here, in the ventricular wall information extraction device according to the embodiment, the three-dimensional measurement unit 1E is configured to detect the left ventricle LV based on a plurality of approximate ellipses drawn according to the random operation of the probe 2A of the ultrasonic diagnostic device 2. Measure wall shape and 3D position.

また、図17に示すように、左心室LVの壁の領域のみを自動認識できるため、楕円形状からの中心点を補正し、次フレームの輪郭認識に適用することで、図18に示すように、左心室LVの壁からのみの運動ベクトルの抽出も短時間で可能になる。その結果、ビデオ信号をリアルタイムで表示することができ、心臓の運動機能の自動評価も可能となる。   Also, as shown in FIG. 17, since only the wall region of the left ventricle LV can be automatically recognized, the center point from the elliptical shape is corrected and applied to the contour recognition of the next frame, as shown in FIG. In addition, it is possible to extract a motion vector only from the wall of the left ventricle LV in a short time. As a result, the video signal can be displayed in real time, and automatic evaluation of the heart's motor function is also possible.

以上説明したように、一実施形態の心室壁情報抽出装置1では、超音波診断装置2のプローブ2Aにより心臓の左心室LVの壁の超音波断層画像が撮像されると、運動ベクトル算出部1Aが左心室LVの壁の運動ベクトルを複数計測し、初期探索点設定部1Bが複数の運動ベクトルの延長線の交点領域を初期探索点Oとして設定する。   As described above, in the ventricular wall information extracting apparatus 1 according to the embodiment, when an ultrasonic tomographic image of the wall of the left ventricle LV of the heart is captured by the probe 2A of the ultrasonic diagnostic apparatus 2, the motion vector calculating unit 1A Measures a plurality of motion vectors of the wall of the left ventricle LV, and the initial search point setting unit 1B sets the intersection region of the extension lines of the plurality of motion vectors as the initial search point O.

そして、設定された初期探索点Oを原点とする半径rの動径を有する極座標により、輪郭点抽出部1Cが左心室LVの複数の輪郭点を抽出する。すなわち、プローブ2Aの操作者が左心室LVの初期輪郭の初期設定をしないにも拘わらず、初期探索点設定部1Bが自動的に初期探索点Oを設定し、輪郭点抽出部1Cが左心室LVの壁の輪郭点を複数抽出する。   Then, the contour point extraction unit 1C extracts a plurality of contour points of the left ventricle LV with polar coordinates having a radius r of the radius r with the set initial search point O as the origin. That is, the initial search point setting unit 1B automatically sets the initial search point O and the contour point extraction unit 1C sets the left ventricle even though the operator of the probe 2A does not perform the initial setting of the initial contour of the left ventricle LV. A plurality of contour points of the LV wall are extracted.

従って、一実施形態の心室壁情報抽出装置1によれば、従来、プローブ2Aの操作者が手動で設定することが必要であった左心室LVの壁の初期輪郭の初期設定等が一切不要となる。そして、初期探索点設定部1Bにより設定された初期探索点Oを原点とする半径rの動径を有する極座標により、輪郭点抽出部1Cが左心室LVの壁の輪郭点を複数抽出するため、左心室LVの壁の輪郭を含む心室壁情報を容易に抽出することができる。すなわち、初期輪郭等の初期設定が全く不要でありながら、左心室LVの壁の輪郭を含む心室壁情報を容易に抽出することができ、その結果、遠隔超音波診断も容易に実現することが可能となる。   Therefore, according to the ventricular wall information extracting apparatus 1 of the embodiment, there is no need for the initial setting of the initial contour of the wall of the left ventricle LV, which has conventionally been required to be manually set by the operator of the probe 2A. Become. Then, the contour point extraction unit 1C extracts a plurality of contour points of the wall of the left ventricle LV from the polar coordinates having the radius r of the initial search point O set by the initial search point setting unit 1B. Ventricular wall information including the outline of the wall of the left ventricle LV can be easily extracted. That is, it is possible to easily extract ventricular wall information including the contour of the wall of the left ventricle LV without any initial setting such as initial contour, and as a result, remote ultrasonic diagnosis can be easily realized. It becomes possible.

また、一実施形態の心室壁情報抽出装置1では、輪郭点抽出部1Cが左心室LVの壁の輪郭点を複数抽出すると、その複数の輪郭点から左心室LVの壁の輪郭に沿った近似楕円を楕円近似部1Dが描画し、プローブ2Aのランダム操作に応じて複数の近似楕円が描画されると、その複数の近似楕円に基づいて楕円近似部1Dが左心室LVの壁の形状および3次元位置を計測する。   Further, in the ventricular wall information extracting device 1 according to the embodiment, when the contour point extracting unit 1C extracts a plurality of contour points of the wall of the left ventricle LV, approximation is performed from the plurality of contour points along the contour of the wall of the left ventricle LV. When the ellipse is drawn by the ellipse approximator 1D and a plurality of approximate ellipses are drawn according to the random operation of the probe 2A, the ellipse approximator 1D draws the shape of the wall of the left ventricle LV and 3 Measure the dimension position.

従って、一実施形態の心室壁情報抽出装置1によれば、左心室LVの壁の形状および3次元位置を含む心室壁情報を容易に抽出することができ、遠隔超音波診断も容易に実現することが可能となる。   Therefore, according to the ventricular wall information extracting device 1 of one embodiment, ventricular wall information including the shape and three-dimensional position of the wall of the left ventricle LV can be easily extracted, and remote ultrasonic diagnosis is also easily realized. It becomes possible.

本発明の心室壁情報抽出装置は、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、前述の閾値の範囲内に該当しなかった楕円に関しては、バイウェイト(Biweight)法を用いて更に安定した楕円を導出することができる。   The ventricular wall information extraction device of the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, for an ellipse that does not fall within the aforementioned threshold range, a more stable ellipse can be derived using the Biweight method.

バイウェイト(Biweight)法とは各抽出点(Xn,Yn)と描かれた楕円との距離dnに応じてそれぞれ重みw(dn)を付与する手法であり、よりロバストな近似が期待できる。重みw(dn)の算出方法を数式6および数式7に示す。ただし、Wは誤差の許容範囲であり、ここでは前述したdaveとdσの閾値の和の4[mm]とした。

Each extraction point and by weight (Biweight) method (X n, Y n) respectively in accordance with the distance d n between the drawn ellipse as a technique for imparting a weight w (d n), a more robust approximation I can expect. Equations 6 and 7 show how to calculate the weight w (d n ). However, W is an allowable range of error, and here it is 4 [mm], which is the sum of the threshold values of d ave and d σ described above.

この数式6および数式7によって算出された重みw(dn)を各輪郭点に付与し、再度最小2乗法によって楕円近似を行い、超音波断層画像に重畳表示した結果を図19に示す。バイウェイト(Biweight)法を用いない場合と比べて左心室LVの形状に近い楕円を描いていることが確認できる。
<ARを用いた長軸断面の取得>
FIG. 19 shows the result obtained by assigning the weight w (d n ) calculated by Equation 6 and Equation 7 to each contour point, performing elliptical approximation again by the least square method, and displaying the result superimposed on the ultrasonic tomographic image. It can be confirmed that an ellipse close to the shape of the left ventricle LV is drawn as compared with the case where the Biweight method is not used.
<Acquisition of long-axis cross section using AR>

上記の方法で抽出した楕円中心点の分布を3次元空間内に変換するには、プローブ2Aの絶対的な3次元位置・姿勢を把握する必要がある。しかし磁気式や光学式の3次元位置センサは一般的に高価であり、設置方法の煩雑さから一般家庭での使用になじまない。   In order to convert the distribution of the ellipse center point extracted by the above method into the three-dimensional space, it is necessary to grasp the absolute three-dimensional position / posture of the probe 2A. However, magnetic and optical three-dimensional position sensors are generally expensive and are not suitable for use at home due to the complexity of the installation method.

そこで、一実施形態では、簡便な3次元位置計測方法としてARToolKitを使用することにした。これはカメラと紙に印刷したマーカのみで位置・姿勢をリアルタイム計測できるライブラリであり、主なコストはカメラのみである。動作原理としては、正方形の内部に模様が描かれた複数のマーカについて、固定されたUSBカメラで撮影した画像に対して二値化やラベリング等の画像処理を施すことで検出し、その内部パターンの大きさや向きから相対的な位置・角度を算出している。   Therefore, in one embodiment, ARToolKit is used as a simple three-dimensional position measurement method. This is a library that can measure the position and orientation in real time using only the camera and markers printed on paper, and the main cost is only the camera. The principle of operation is to detect a plurality of markers with a pattern drawn inside a square by applying image processing such as binarization and labeling to an image shot with a fixed USB camera, and then the internal pattern. The relative position and angle are calculated from the size and orientation of the.

そこで、一実施形態では図20に示すように、プローブ2Aの操作者が患者の右手側に座り、右手で操作することを想定し、マーカをプローブ2Aの上方、および患者の両肩鎖骨の中心付近に取り付けることにした。また、カメラは胸部全体を撮影でき、且つ手やプローブによってマーカが隠れにくい、患者の右肩上方に設置した。これによりカメラ座標系に対する両者の相対関係から、カメラの設置位置に依存せずに、患者体表を原点としたプローブ先端位置をリアルタイムに算出することができる。   Therefore, in one embodiment, as shown in FIG. 20, it is assumed that the operator of the probe 2A sits on the right hand side of the patient and operates with the right hand, and the markers are positioned above the probe 2A and the center of both shoulder clavicles of the patient. I decided to install it in the vicinity. The camera was placed above the right shoulder of the patient so that the entire chest could be photographed and the marker was not easily hidden by the hand or probe. Thereby, the probe tip position with the patient body surface as the origin can be calculated in real time from the relative relationship between the two with respect to the camera coordinate system, without depending on the installation position of the camera.

図20のモニタ2C上に映し出されるGUI(Graphical User Interface)画面を図21および図22に示す。プログラムの開発にはVisual C++、ビデオ画像の取得にDirectShow、グラフィックスの表示にはOpenGLを使用した。ウィンドウ内には超音波断層像と患者映像が表示され、操作者はプローブ2Aを操作する手元と断層像を同時に観察できる。   FIG. 21 and FIG. 22 show GUI (Graphical User Interface) screens displayed on the monitor 2C of FIG. Visual C ++ was used to develop the program, DirectShow was used to acquire the video images, and OpenGL was used to display the graphics. An ultrasonic tomographic image and a patient video are displayed in the window, and the operator can observe the hand operating the probe 2A and the tomographic image at the same time.

<楕円中心点の取得と仮想断層面の呈示>
本発明では、前述の手法で抽出された左心室LVの壁の輪郭と、ARToolkitによって取得されたプローブ2Aの位置および角度に応じた仮想断層面を同時にCGで構成し、実映像にリアルタイムで重畳表示させることができる。
<Acquisition of ellipse center point and presentation of virtual fault plane>
In the present invention, the wall contour of the left ventricle LV extracted by the above-described method and the virtual tomographic plane corresponding to the position and angle of the probe 2A acquired by the ARToolkit are simultaneously configured by CG and superimposed on the real image in real time. Can be displayed.

プローブ2Aの操作者には、予め被験者の胸部をプローブ2Aでゆっくりとなぞるように指示しておき、取得した断層像からは心電図同期によって常に同位相の楕円中心点分布を計測する。   The operator of the probe 2A is instructed in advance so that the subject's chest is slowly traced by the probe 2A, and from the acquired tomogram, an elliptic center point distribution having the same phase is always measured by electrocardiogram synchronization.

楕円中心点が10点程度取得された後、それらの点をできるだけ多く含む断面へプローブ2Aの位置を以下の要領で誘導する。まず、その時点での断層面と、各楕円中心点との距離の平均値を求め、その値に応じた色呈示を行う。   After about 10 ellipse center points are acquired, the position of the probe 2A is guided to the cross section including as many points as possible in the following manner. First, the average value of the distance between the tomographic plane at that time and the center point of each ellipse is obtained, and color presentation according to that value is performed.

任意の楕円中心点Piと超音波断層面との位置関係を図23に示す。また、その距離Liの算出式を数式8に示す。ただし、△ABCは断層面上の任意の3点、nは△ABCに対する単位法線ベクトルである。その上で、全てのLiの平均値Laveを算出し、タブレットの設定に応じて断層面の色を変化させた。これにより、各楕円中心点の分布と仮想断層面との位置関係を視覚的に把握することができるので、それに応じてプローブ2Aの位置・角度調節を行わせた。
FIG. 23 shows the positional relationship between an arbitrary ellipse center point P i and the ultrasonic tomographic plane. A calculation formula for the distance L i is shown in Formula 8. However, ΔABC is any three points on the tomographic plane, and n is a unit normal vector with respect to ΔABC. After that, an average value L ave of all L i was calculated, and the color of the tomographic plane was changed according to the setting of the tablet. As a result, the positional relationship between the distribution of each ellipse center point and the virtual tomographic plane can be visually grasped, and the position and angle of the probe 2A are adjusted accordingly.

<長軸断面の取得>
このソフトウェアを用いて、20代健常者男性8名を被験者として長軸断面の推定と呈示を行った。そのうちの1名から得られた結果を図24に示す。ここで、超音波断層画像Aは、取得した短軸方向の断面6枚のうちの1枚の断層画像である。また、超音波断層画像Bは、これらを楕円近似し、その中心点と断層平面Lとの距離が最小となるようにして得られた断層像である。
<Acquisition of long-axis cross section>
Using this software, the estimation and presentation of the long-axis cross section were performed using 8 healthy males in their 20s as subjects. Results obtained from one of them are shown in FIG. Here, the ultrasonic tomographic image A is one tomographic image of the obtained six cross-sections in the short axis direction. The ultrasonic tomographic image B is a tomographic image obtained by approximating these to an ellipse and minimizing the distance between the center point and the tomographic plane L.

更に、近似された楕円、および断層画像Bが得られたプローブ2Aの位置・姿勢の3次元位置関係も同時に表している。この断層画像Bは、先に挙げた長軸断面の特徴を満たしており、また、他の被験者においても同様の断層画像が得られた。   Furthermore, the approximate ellipse and the three-dimensional positional relationship between the position and orientation of the probe 2A from which the tomographic image B is obtained are also shown. This tomographic image B satisfies the characteristics of the long-axis cross section mentioned above, and similar tomographic images were obtained for other subjects.

また、8名の各被験者について、得られた楕円中心点の分布から最小2乗法により直線に近似し、その直線から各楕円中心点までの距離平均とその標準偏差を算出したところ、図25に示すような結果が得られた。ここで、エラーバーは、距離平均とその標準偏差を加えた範囲を表している。   In addition, for each of the eight subjects, the distance from the straight line to each ellipse center point and its standard deviation were calculated by approximating the obtained ellipse center point distribution to a straight line by the least square method. The results shown were obtained. Here, the error bar represents a range obtained by adding the distance average and its standard deviation.

図25から、いずれの被験者の場合も距離平均値で10[mm]以内に、距離平均に標準偏差を加えた値でも13[mm]以内に収まっている。以上の結果により、同一断面内に複数の楕円中心点を含むよう断層像を撮像することで、遠隔診断への適用時にも微調整のみで図3に示したような左心室LVの長軸断面が容易に得られる。   From FIG. 25, the distance average value is within 10 [mm] for any subject, and the value obtained by adding the standard deviation to the distance average is within 13 [mm]. Based on the above results, the long-axis cross section of the left ventricle LV as shown in FIG. 3 can be obtained only by fine adjustment even when applied to remote diagnosis by capturing a tomographic image so as to include a plurality of ellipse center points in the same cross section. Is easily obtained.

1…心室壁情報抽出装置
1A…ベクトル計測部
1B…初期探索点設定部
1C…輪郭点抽出部
1D…楕円近似手段
1E…3次元計測手段
2…超音波診断装置
2A…プローブ
2B…画像生成部
2C…モニタ
LV…左心室
MV…僧帽弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ventricular wall information extraction apparatus 1A ... Vector measurement part 1B ... Initial search point setting part 1C ... Contour point extraction part 1D ... Ellipse approximation means 1E ... Three-dimensional measurement means 2 ... Ultrasonic diagnostic apparatus 2A ... Probe 2B ... Image generation part 2C ... Monitor LV ... Left ventricle MV ... Mitral valve

Claims (2)

超音波診断装置のプローブにより撮像される心臓の超音波断層画像に基づいて心室壁の情報を抽出する装置であって、
超音波断層画像を複数の小領域に分割し、各小領域内の平均ベクトルを各小領域の領域運動ベクトルfと定義して運動ベクトル算出部が下記数式(9)により算出する、心室壁の運動ベクトルを複数計測する運動ベクトル計測手段と、

(V n は算出ベクトル、Nは小領域内のベクトル数)
運動ベクトル計測手段により計測された複数の運動ベクトルの延長線の交点領域を初期探索点として設定する初期探索点設定手段と、
初期探索点設定手段により設定された初期探索点を原点とする極座標により心室壁の輪郭点を複数抽出する輪郭点抽出手段とを備えていることを特徴とする心室壁抽出装置。
An apparatus for extracting information on a ventricular wall based on an ultrasonic tomographic image of the heart imaged by a probe of an ultrasonic diagnostic apparatus,
An ultrasonic tomographic image is divided into a plurality of small regions, an average vector in each small region is defined as a region motion vector f of each small region, and the motion vector calculation unit calculates the following equation (9) , A motion vector measuring means for measuring a plurality of motion vectors;

(V n is the calculated vector, N is the number of vectors in the small area)
Initial search point setting means for setting an intersection region of extension lines of a plurality of motion vectors measured by the motion vector measuring means as an initial search point;
A ventricular wall extracting device comprising: contour point extracting means for extracting a plurality of contour points of a ventricular wall by polar coordinates having the initial search point set by the initial search point setting means as an origin.
前記輪郭点抽出手段により抽出された心室壁の複数の輪郭点から心室壁の輪郭に沿った近似楕円を最小2乗法により描画する楕円近似手段と、
前記プローブのランダム操作に応じて描画される複数の近似楕円に基づいて心室壁の形状および3次元位置の情報を求める3次元計測手段とを備えていることを特徴とする請求項1に記載の心室壁情報抽出装置。
Ellipse approximating means for drawing an approximate ellipse along the contour of the ventricular wall from a plurality of contour points of the ventricular wall extracted by the contour point extracting means;
The apparatus according to claim 1, further comprising: a three-dimensional measuring unit that obtains information on a shape and a three-dimensional position of a ventricular wall based on a plurality of approximate ellipses drawn according to a random operation of the probe. Ventricular wall information extraction device.
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