JP5809302B2

JP5809302B2 - 超音波診断装置

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Publication number: JP5809302B2
Application number: JP2014015111A
Authority: JP
Inventors: 雄樹澤山; 林　達也; 林　　達也
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2034-01-30
Also published as: JP2015139624A; WO2015114887A1

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、生体組織の変位を計測する装置に関する。

生体組織に針を穿入することにより、薬物の注入、細胞の摘出、細胞の焼灼等を行う穿刺と呼ばれる施術が広く行われている。穿刺用の針としては、施術の目的に応じた構造を有する穿刺針が用いられる。例えば、薬物の注入、細胞の摘出等には、先端に開口を有する中空の穿刺針が用いられる。また、腫瘍を焼灼する場合には、電磁波を放射する電極が先端に設けられた穿刺針が用いられる。

穿刺に際しては、生体の適切な位置に適切な角度で穿刺針を穿入するため、穿刺アダプタが用いられることが多い。穿刺アダプタは、超音波プローブに装着される器具であり、穿刺針を適切な位置および方向に導く。また、穿刺は、超音波診断装置のモニタに穿刺対象部位を表示しながら行われる。施術者は、生体に超音波プローブを接触させて、モニタに穿刺対象部位を表示させた状態で穿刺対象部位に向けて穿刺針を穿入する。そして、モニタに表示された穿刺針および穿刺対象部位を参照し、穿刺針の位置および姿勢、穿刺対象部位の位置等を確認しながら穿刺を行う。

以下の特許文献１には、超音波プローブに着脱自在な穿刺アダプタが記載されている。穿刺アダプタが超音波プローブに装着されることで、超音波プローブの傍らに穿刺針に対する案内経路が形成される。穿刺の際には案内経路に穿刺針が通される。穿刺針は、案内経路に沿って所定の姿勢を保ちながら生体に穿入される。特許文献２には、穿刺針の進入路の目安を示す直線を超音波画像上に表示する超音波診断装置が記載されている。

特開２０１０−１７２５６５号公報特開平６−１８３号公報特開２０１２−１４３３８９号公報

穿刺に際し施術者は、穿刺対象部位および穿刺針がモニタに表示され、かつ、穿刺針が穿刺対象部位に到達するように、穿刺アダプタ等を用いて超音波プローブおよび穿刺針の各姿勢を定める。しかし、超音波プローブおよび穿刺針の位置関係によっては、モニタにおける穿刺針の視認性が低下し、穿刺を行うことが困難となることがある。

そこで、特許文献３に記載されているように、ドプラ法を用いて生体組織の歪を算出し、算出された歪に基づいて穿刺針の位置を特定し表示する超音波診断装置が考えられている。しかし、ドプラ法は演算量が多いため、穿刺針および生体組織の変位に迅速に応答した表示をすることが困難となる場合がある。

本発明は、穿刺に伴う生体組織の状態を適切に表示することを目的とする。

本発明は、穿刺される生体組織で反射した超音波に基づいて、断層画像フレームデータを生成する断層画像生成部と、穿刺によって変位した前記生体組織の変位状態を示す変位データを、複数フレームの前記断層画像フレームデータに基づいて生成する変位計測部と、前記変位データに基づいて、前記生体組織が穿刺によって変位した方向を示す穿刺変位画像データを生成する変位データ生成部と、前記穿刺変位画像データに基づく画像を、前記断層画像フレームデータに基づく断層画像に重ねて表示部に表示する画像合成部と、を備え、前記変位データ生成部は、前記断層画像と穿刺針との角度関係を表す穿刺針角度を、ユーザの操作に基づいて、あるいは穿刺針方向検出センサを用いて取得し、前記穿刺針角度に基づいて、前記穿刺針の進路方向を基準とした前記生体組織の変位方向を示す画像データを、前記穿刺変位画像データとして生成することを特徴とする。また、本発明は、穿刺される生体組織で反射した超音波に基づいて、断層画像フレームデータを生成する断層画像生成部と、穿刺によって変位した前記生体組織の変位状態を示す変位データを、複数フレームの前記断層画像フレームデータに基づいて生成する変位計測部と、前記変位データに基づいて、前記生体組織が穿刺によって変位した方向を示す穿刺変位画像データを生成する変位データ生成部と、前記穿刺変位画像データに基づく画像を、前記断層画像フレームデータに基づく断層画像に重ねて表示部に表示する画像合成部と、を備え、前記変位データ生成部は、前記生体組織の変位の特定範囲の方向成分を示す画像データを前記穿刺変位画像データとして生成することを特徴とする。

本発明によれば、断層画像と共に生体組織の変位状態が表示部に表示される。これによって、穿刺に伴う生体組織の歪み等の変位状態が、ユーザに分かり易く示される。一般に、生体組織に対して穿刺が行われた場合、穿刺針周辺の生体組織の変位状態が穿刺針の進路に応じて変化する。したがって、本発明によれば、ユーザが穿刺針の進路を把握することが容易になる。本発明における変位データは、画像データであってもよいし、断層画像フレームデータに付加的な情報を与えるデータであってもよい。

望ましくは、前記変位データ生成部は、前記生体組織の変位方向と色との間に予め定められた対応関係に基づいて、前記生体組織の変位方向を色によって表す画像データを、前記穿刺変位画像データとして生成する。また、望ましくは、前記変位データ生成部は、前記断層画像と穿刺針との角度関係を表す穿刺針角度を、ユーザの操作に基づいて、あるいは穿刺針方向検出センサを用いて取得し、前記穿刺針角度に基づいて、前記穿刺針の進路方向を基準とした前記生体組織の変位方向を示す画像データを、前記穿刺変位画像データとして生成する。また、望ましくは、前記変位計測部は、時間経過と共に順次生成された複数フレームの前記断層画像フレームデータに基づいて、前記変位データを時間経過と共に順次生成し、前記変位データ生成部は、過去に遡った所定枚数分の前記変位データについて平均化処理または重み付け平均化処理を実行して、前記穿刺変位画像データを生成し、前記画像合成部は、複数の前記断層画像を時間経過と共に順次、前記表示部に表示すると共に、前記穿刺変位画像データに基づく画像を、時間的に対応する前記断層画像に重ねて前記表示部に表示する。また、望ましくは、前記変位データ生成部は、前記生体組織の変位の方向を描画要素によって示す画像データを前記穿刺変位画像データとして生成し、前記画像合成部は、前記穿刺変位画像データに基づく画像を前記断層画像に重ねて前記表示部に表示する。

本発明における描画要素は、例えば、矢印等の図形、色、またはこれらの組み合わせである。本発明によれば、生体組織の変位の方向が描画要素によって示される。これによって、ユーザは、生体組織の変位状態を視覚を通じて容易に把握することができる。

本発明によれば、生体組織の変位の特定の方向成分が示される。これによって、穿刺を容易にするために適した画像を表示することができる。

本発明は、穿刺される生体組織で反射した超音波に基づいて、断層画像フレームデータを生成する断層画像生成部と、複数フレームの前記断層画像フレームデータに基づいて、前記生体組織の変位状態を示す変位データを生成する変位データ生成部と、前記変位データに基づいて、前記生体組織の回転特性を示す回転特性データを生成する回転特性データ生成部と、前記断層画像フレームデータおよび前記回転特性データに基づいて、断層画像と共に前記生体組織の回転特性を表示部に表示する画像合成部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、断層画像と共に生体組織の回転特性が表示部に表示される。これによって、穿刺に伴う生体組織の回転歪み等の回転特性が、ユーザに分かり易く示される。一般に、生体組織に対して穿刺が行われた場合、穿刺針周辺の生体組織の回転特性が穿刺針の進路に応じて変化する。したがって、本発明によれば、ユーザが穿刺針の進路を把握することが容易になる。本発明における変位データおよび回転特性データは、画像データであってもよいし、断層画像フレームデータに付加的な情報を与えるデータであってもよい。

望ましくは、前記変位データ生成部は、前記生体組織の変位を示すデータを前記変位データとして生成し、前記回転特性データ生成部は、前記生体組織の変位に対して回転演算を施し、前記生体組織の変位の回転成分を前記生体組織の回転特性として求める。

本発明においては、ベクトル演算としての回転演算によって回転特性が求められる。これによって、回転特性が容易に求められる。

望ましくは、前記回転特性データ生成部は、前記回転成分が示す回転方向を描画要素によって示す画像データを前記回転特性データとして生成し、前記画像合成部は、前記回転特性データに基づく画像を前記断層画像に重ねて前記表示部に表示する。

本発明における描画要素は、例えば、矢印等の図形、色、またはこれらの組み合わせである。本発明によれば、生体組織の回転特性が描画要素によって示される。これによって、ユーザは、生体組織の回転特性を視覚を通じて容易に把握することができる。

望ましくは、前記画像合成部は、前記断層画像と共に前記生体組織の回転特性および変位状態を前記表示部に表示する。

本発明によれば、断層画像と共に生体組織の回転特性および変位状態が表示される。これによって、穿刺に伴う生体組織の回転歪み等の回転特性、および、穿刺に伴う生体組織の歪み等の変位状態がユーザに分かり易く示される。一般に、生体組織に対して穿刺が行われた場合、穿刺針周辺の回転特性および変位状態が穿刺針の進路に応じて変化する。したがって、本発明によれば、ユーザが穿刺針の進路を把握することが容易になる。

本発明によれば、穿刺に伴う生体組織の状態を適切に表示することができる。

本発明の第１実施形態に係る超音波診断装置を示す図である。生体組織の変位の定義を概念的に示す図である。モニタに示される画像の例を示す図である。生体組織の変位の方向が色と共に矢印によって示された画像の例を示す図である。生体組織の変位の特定方向成分のみを表す画像を示す図である。生体組織の変位の特定方向成分のみが色および矢印によって示された画像を示す図である。生体組織の変位の方向と色との対応関係が、穿刺針穿入方向に応じて定められた画像を示す図である。本発明の第２実施形態に係る超音波診断装置を示す図である。回転量を求める処理を説明する図である。断層画像に回転特性画像が重ねられた画像を示す図である。生体組織の回転方向が、色と共に回転方向を示す矢印によって示された画像を示す図である。

図１には、本発明の第１実施形態に係る超音波診断装置の構成が示されている。この超音波診断装置は、被検体１６に対して送受信される超音波のビームを走査し、受信された超音波に基づいて断層画像を表示すると共に、被検体１６の組織（生体組織）の変位を計測して表示する。生体組織の変位は、所定時間当たりに生体組織が移動する距離を表す。変位は、方向および大きさを有するベクトル量であり、色および輝度の組み合わせや、矢印等の図形、２つの成分値の組等によって表示され得る。

図１に示された構成要素のうち、一点鎖線で囲まれた部分は、ハードウエアとしての本体ユニット３２を構成する。本体ユニット３２はプロセッサを含み、プロセッサは、所定のプログラムに従い、本体ユニット３２に含まれる回路を構成する。操作部３４は、トラックボール、マウス等のユーザインターフェースを備える。制御部３６は、操作部３４における操作に従って、本体ユニット３２を制御する。例えば、制御部３６は、本体ユニット３２の処理の開始または停止、計測状態の切り替え、本体ユニット３２からモニタ３０に出力される画像データの切り替え等の制御を行う。

計測に際して、プローブ１４は被検体１６の表面に接触した状態とされる。プローブ１４には穿刺アダプタ１５が装着され、穿刺アダプタ１５は穿刺針１７を適切な位置および方向に導く。プローブ１４は、複数の超音波振動子を備える。送信部１２は、ビーム制御部１０による制御に基づいてプローブ１４の各超音波振動子に送信信号を出力する。これによって、プローブ１４からは超音波が送信される。送信部１２は、ビーム制御部１０の制御に従い各送信信号の遅延時間を調整し、プローブ１４において送信超音波ビームを形成し、さらに、その送信超音波ビームを被検体１６に対して走査する。被検体１６内で反射した超音波がプローブ１４の各超音波振動子で受信されると、各超音波振動子は、受信された超音波に応じた電気信号を受信部１８に出力する。受信部１８は、ビーム制御部１０の制御に従い、プローブ１４の各超音波振動子から出力された電気信号を整相加算して受信信号を生成し、断層画像生成部２０に出力する。これよって、プローブ１４において受信超音波ビームが形成され、その受信超音波ビームに応じた受信信号が、受信部１８から断層画像生成部２０に出力される。

なお、上記では、複数の超音波振動子を備えるプローブを採用し、超音波ビームを電気的に走査する処理について説明した。このような電気的走査ではなく機械的走査が行われてもよい。この場合、プローブ１４は、超音波振動子の位置または向きを機械的に変化させる機構を備えるものとする。超音波ビームの走査は、超音波振動子に超音波の送受信を行わせながら、超音波振動子の位置または向きを機械的に変化させることで行われる。

断層画像生成部２０は、各超音波ビーム方向に対して得られた受信信号に基づいて断層画像フレームデータを生成し、画像合成部２２に出力する。１フレームの断層画像フレームデータは、１枚の断層画像に対応する。ビーム制御部１０、送信部１２、プローブ１４、受信部１８、および断層画像生成部２０は、時間経過と共に断層画像フレームデータを次々と生成し、画像合成部２２に出力する。断層画像生成部２０は、現時点から過去に遡って複数フレーム分（Ｎフレーム分）の断層画像フレームデータを記憶する。また、断層画像生成部２０は、超音波ビームの走査開始から現時点に至るまでの間の総ての断層画像フレームデータを記憶してもよい。

後述のように、変位データ生成部２８からは、生体組織の変位状態を示す変位画像データが時間経過と共に次々と出力される。画像合成部２２は、断層画像フレームデータと、その断層画像フレームデータに時間的に対応する変位画像データとに基づいて、断層画像に変位画像を重ねた断層・変位画像を示す画像データを断層・変位画像データとして生成し、表示部としてのモニタ３０に出力する。モニタ３０は、断層・変位画像を表示する。

変位画像データを生成する構成および処理について説明する。変位画像データは、フレームデータ取得部２４、変位計測部２６、および変位データ生成部２８によって生成される。上記のように、断層画像生成部２０は、現時点から過去に遡って複数フレーム分の断層画像フレームデータを記憶している。フレームデータ取得部２４は、現時点から過去に遡った複数フレーム分の断層画像フレームデータを断層画像生成部２０から取得し、変位計測部２６に出力する。変位計測部２６は、複数フレーム分の断層画像フレームデータに基づいて、最新の断層画像上の各位置について生体組織の変位を求める。

例えば、フレームデータ取得部２４は、最新の断層画像フレームデータ、および１フレーム前の断層画像フレームデータを断層画像生成部２０から取得し変位計測部２６に出力する。変位計測部２６は、最新の断層画像フレームデータと、１フレーム前の断層画像フレームデータとに基づいて、最新の断層画像上の各位置について生体組織の変位を求める。

生体組織の変位を求める方法としては、１フレーム前の断層画像と最新の断層画像との比較に基づいて、１フレーム前の断層画像上の各位置について、最新の断層画像上の対応位置への移動ベクトルを求める方法がある。この場合、最新の断層画像上の各対応位置への移動ベクトルが、最新の断層画像上の各対応位置における生体組織の変位として求められる。このようにして求められる生体組織の変位は、１フレーム時間当たりに生体組織が移動した距離を表す。生体組織の変位にフレームレートを乗ずることで生体組織の移動速度が求められる。

図２には、生体組織の変位の定義が概念的に示されている。図２（ａ）には、１フレーム前の断層画像が示されており、図２（ｂ）には、最新の断層画像が示されている。１フレーム前の断層画像における画素３８−１および画素３８−２が表す像は、それぞれ、最新の断層画像における画素４０−１および画素４０−２の位置に移動している。各移動ベクトルは、（ΔＸ１，ΔＹ２）および（ΔＸ２，ΔＹ２）であるため、最新の断層画像の画素４０−１および画素４０−２の位置における生体組織の変位は、それぞれ、（ΔＸ１，ΔＹ２）および（ΔＸ２，ΔＹ２）である。

各位置における生体組織の変位を求める処理の例としては次のようなものがある。変位計測部２６は、１フレーム前の断層画像上の各画素を試行的に移動させた試行的歪み画像と、最新の断層画像との相関値を求める。ここで、相関値は、２つの画像が近似している度合いを示す値である。相関値を求める方法は、当業者の間で様々なものが考えられている。変位計測部２６は、試行的歪み画像と最新の断層画像との相関値が所定の大きさを超える場合には、試行的歪み画像の元となった１フレーム前の断層画像の各画素についての移動ベクトルを、その各画素に対応する最新の断層画像の各画素についての生体組織の変位として求める。変位計測部２６は、試行的歪み画像と最新の断層画像との相関値が所定の大きさ以下である場合には、移動ベクトルを変化させながら、最新の断層画像との相関値が所定の大きさを超える試行的歪み画像を探索する。

図１に戻り、変位計測部２６は、最新の断層画像上の各位置における生体組織の変位を変位データ生成部２８に出力する。変位データ生成部２８は、各位置における生体組織の変位に基づいて、生体組織の変位状態を色によって示す変位画像データを生成する。すなわち、各画素に対し生体組織の変位の方向に対応する色を求めて各画素に対応付ける処理、および、各画素に対し生体組織の変位の大きさに対応する輝度を求めて各画素に対応付ける処理を実行する。

変位データ生成部２８は、生体組織の変位の方向に対して色を対応付けた方向対色テーブルを記憶していてもよい。方向対色テーブルは、例えば、画像の右方向を０°とし、左回転方向を正方向として、０°以上９０°未満の方向に第１の色を対応付け、９０°以上１８０°未満の方向に第２の色を対応付け、１８０°以上２７０°未満の方向に第３の色を対応付け、２７０°以上３６０°（０°）未満の方向に第４の色を対応付ける。各色は、赤、緑および青の混合割合で定められていてもよい。さらに、変位データ生成部２８は、生体組織の変位の大きさに対して輝度を対応付けた方向対輝度テーブルを記憶していてもよい。

変位データ生成部２８は、このような対応付けに基づいて、生体組織の変位に応じた色および輝度を断層画像の各画素にマッピングした変位画像を求め、変位画像を示す変位画像データを生成する。

断層画像生成部２０において、時間経過と共に断層画像フレームデータが次々と生成されるのに伴って、変位データ生成部２８は、各断層画像フレームデータに時間的に対応する変位画像データを生成する。変位データ生成部２８は、時間経過と共に生成された変位画像データを順次、画像合成部２２に出力する。求められる変位画像データは、複数フレーム分の断層画像フレームデータに対し、１画像分のデータであってもよい。この場合、複数フレーム分の断層画像フレームデータに同一の変位画像データが時間的に対応付けられる。

画像合成部２２は、断層画像フレームデータと、その断層画像フレームデータに時間的に対応する変位画像データとに基づいて、断層画像に変位画像を重ねた断層・変位画像を示す画像データを断層・変位画像データとして生成し、モニタ３０に出力する。モニタ３０は、断層・変位画像を表示する。

これによって、断層画像に変位画像が重ねられた画像がモニタ３０に表示され、断層像の動画と共に、生体組織の変位状態の変化がモニタ３０に表示される。すなわち、生体組織の動きと共に、生体組織の変位の方向が色によってモニタ３０に示される。

なお、画像合成部２２は、２つの画像データのうち一方の画像データに基づく画像を、他方の画像データに基づく画像を透かして見通せるように、これら２つの画像データを合成する。すなわち、断層画像フレームデータおよび変位画像データを合成する際には、変位画像を透かして断層画像を見通せるように、断層画像フレームデータおよび変位画像データを合成する。このような画像合成処理には、一方の画像の画素を間引き、間引かれた画素の位置に他方の画像の画素を補充するものがある。また、一方の画像の画素値と、他方の画像の画素値とを所定の重みで足し合わせるものがある。例えば、一方の画像の画素値をα倍したものと、他方の画像の画素値を（１−α）倍したものとを足し合わせる。ここで、αは画像の混合割合であり、０を超える１未満の正数である。

図３には、モニタ３０に示される画像の例が示されている。断層画像４４上には、穿刺針の像４６と共に、生体組織の変位の方向が色によって示されている。モニタ３０の左上には、生体組織の変位の方向と色との対応付けを示すカラーマップ４２が示されている。カラーマップ４２は、ｘ軸正方向を０°とし、左回転方向を正方向として、０°以上９０°未満の方向に第１の色が対応付けられ、９０°以上１８０°未満の方向に第２の色が対応付けられ、１８０°以上２７０°未満の方向に第３の色が対応付けられ、２７０°以上３６０°（０°）未満の方向に第４の色が対応付けられていることを示している。例えば、第１の色および第３の色は、それぞれ、青および赤とし、第２の色および第４の色は、紫、水色、黄緑、黄、橙等の中間色としてもよい。

図３の画像では、穿刺針の像４６の周りにおいて、生体組織の変位の方向が１８０°以上２７０°未満の方向であることが示されている。すなわち、穿刺針が左下方向に進み、穿刺針との摩擦によって生体組織が左下方向に変位していることが示されている。また、穿刺針の先端付近より左上において、生体組織の変位の方向が２７０°以上３６０°未満の方向であることが示されている。すなわち、穿刺針との摩擦によって生体組織が右下方向に変位していることが示されている。さらに、穿刺針の先端付近より右下において、生体組織の変位の方向が９０°以上１８０°未満の方向であることが示されている。すなわち、穿刺針との摩擦によって生体組織が左上方向に変位していることが示されている。

超音波診断装置の断層画像では、プローブおよび穿刺針の位置関係によっては、穿刺針の像が不明確となって視認性が低下し、穿刺を行うことが困難となることがある。本発明に係る超音波診断装置によれば、断層画像と共に生体組織の変位の方向が施術者としてのユーザに示される。これによって、ユーザは、生体組織の変位の方向から穿刺針の進路を把握することができ、穿刺を容易に行うことができる。

生体組織の変位の方向は、色と共に矢印によって示してもよい。この場合、変位データ生成部２８は、矢印を表示する位置における生体組織の変位に基づいて、断層画像上の対応する位置に色および矢印を重ねて示す画像データを変位画像データとして生成する。矢印が示す向きおよび長さは、生体組織の変位の方向および長さに対応させる。図４には、生体組織の変位の方向が、色と共に矢印によって示された画像の例が示されている。

なお、生体組織の変位の方向は、矢印の他、三角形等、その他の図形によって示してもよい。また、生体組織の変位の方向は、色によらず矢印等の図形のみによって示してもよい。この場合、変位データ生成部２８は、図形を表示する位置における生体組織の変位に基づいて、断層画像上の対応する位置に図形を重ねて示す画像データを変位画像データとして生成する。

さらに、変位データ生成部２８は、生体組織の変位の特定方向成分のみを色によって表す変位画像データを生成してもよい。図５には、生体組織の変位について１８０°以上２７０°未満の方向成分のみを示す変位画像が、断層画像４４上に重ねられた例が示されている。この画像によれば、生体組織の変位が、１８０°以上２７０°未満の方向成分を含む領域が色によって示される。穿刺針が右上から左下に進んだ場合、生体組織は穿刺針との摩擦によって左下に変位する。そのため、穿刺針の周りの生体組織の変位は、左下方向の成分を有することとなり、図５に示されるように、生体組織の変位が１８０°以上２７０°未満の方向成分を含む領域が、穿刺針の像４６の周りに示される。また、図６には、応用例として、生体組織の変位の特定方向成分のみを色および矢印によって表した画像が示されている。

このような表示によれば、穿刺針の方向に巻き込まれる成分が表示されなくなる。これによって、ユーザは、生体組織の変位の特定方向成分から穿刺針の進路を把握することができ、穿刺を容易に行うことができる。

生体組織の変位の方向を色で示す場合、生体組織の変位の方向と色との対応関係は、穿刺針が穿入される方向に応じて適応的に定めてもよい。図７のカラーマップ４３は、穿刺針が進む方向を０°とし、左回転方向を正方向として、−４５°以上４５°未満の方向に第１の色が対応付けられ、４５°以上１３５°未満の方向に第２の色が対応付けられ、１３５°以上１８０°未満の方向、および、−１８０°以上−１３５°未満の方向に第３の色が対応付けられ、−１３５°以上−４５°未満の方向に第４の色が対応付けられていることを示している。表示部３０に表示されるカラーマップ４３は、穿刺針の像４６の角度に応じて回転させてもよい。

このようなカラーマップ４３に従った画像データを生成するため、変位データ生成部２８は、断層画像と穿刺針との角度関係を用いる。図１に示されるように本実施形態においては、断層画像の横方向または縦方向に対して穿刺針１７がなす角度は、穿刺アダプタ１５によって定められる。そこで、ユーザは、穿刺針１７が断層画像の横方向または縦方向に対してなす角度を予め操作部３４から入力する。変位データ生成部２８は、操作部３４における操作に基づき、穿刺針１７が断層画像の横方向または縦方向に対してなす角度を制御部３６を介して読み込む。変位データ生成部２８は、穿刺針の穿入方向を０°とした対応付けに基づいて、生体組織の変位の方向に応じた色および輝度をマッピングした変位画像を求め、変位画像データを生成する。変位データ生成部２８は、穿刺針１７が進む方向を０°として、生体組織の変位の方向に対して色を対応付けた方向対色テーブルを記憶していてもよい。

なお、穿刺アダプタ１５には、断層画像の横方向または縦方向に対して穿刺針１７がなす角度を出力する穿刺針方向センサが設けられていてもよい。この場合、変位データ生成部２８は、穿刺針方向センサから穿刺針１７の角度を読み込む。

本発明に係る超音波診断装置においては、複数フレームの断層画像フレームデータに基づいて、生体組織の変位が求められる。したがって、断層画像を求めるために超音波を送受信することに加えて、生体組織の変位を求めるために、さらに超音波を送受信する必要はない。したがって、特許文献３に記載されているようなドプラ法を用いる超音波診断装置に比べて迅速に生体組織の変位が求められ、生体組織の動きに迅速に応答した画像を表示することができる。すなわち、断層画像フレームデータを生成する際のフレームレートを著しく低下させることなく、生体組織の変位状態を表示することができる。

図８には、第２実施形態に係る超音波診断装置の構成が示されている。第１実施形態に係る超音波診断装置が、変位画像を断層画像に重ねて表示するものであるのに対し、第２実施形態に係る超音波診断装置は、生体組織の回転特性を示す画像を断層画像に重ねて表示する。回転特性は、例えば、ベクトル量としての変位に対し、ベクトル演算である回転演算（ｒｏｔ：ローテーション）を施すことで求められる。

上述のように、変位データ生成部２８は、現時点から過去に遡った複数フレーム分の複数の断層画像データに基づいて変位画像データを生成する。変位データ生成部２８は、変位画像データを回転特性データ生成部５２に出力する。回転特性データ生成部５２は、変位画像上の各位置における生体組織の変位に基づいて、各位置に対し回転特性を求める。回転特性データ生成部５２は、例えば、次の（数１）で表されるローテーションｒｏｔを各位置における生体組織の変位Ｖに施して、回転量Ｒを求める。ローテーションによって求められる量は、ｘｙ平面に垂直なｚ軸方向の成分を有するベクトル量である。回転量Ｒが正であることは、描画面を見て左回転方向の成分を生体組織の変位が含むことを意味し、回転量Ｒが負であることは、描画面を見て右回転方向の成分を生体組織の変位が含むことを意味する。ここでは、回転量Ｒを、ｚ軸方向成分を表すスカラー量として扱う。

ここで、ベクトルｋはｚ軸正方向の単位ベクトルである。（数１）の右辺は偏微分で表されているが、変位画像の各画素は離散的に位置しているため、次の（数２）に示されているような差分演算が行われる。図９は、回転量Ｒを求める処理を説明するために、変位画像の一部を概念的に表したものである。図９には、ｘ座標の範囲がＸ（−２）〜Ｘ（＋２）、ｙ座標の範囲がＹ（−２）〜Ｙ（＋２）である２５個の画素が示されている。ここでは、［Ｘ（０），Ｙ（０）］の位置にある注目画素５０における回転量について説明する。（数１）を離散的な表現に書き直すと、（数２）のようになり、注目画素５０における回転量は、（数２）によって求められる。

ここで、Ｖ_y+は、注目画素５０に対しｘ軸正方向側に隣接する画素が示す変位のｙ軸方向成分、Ｖ_y-は、注目画素５０に対しｘ軸負方向側に隣接する画素が示す変位のｙ軸方向成分を示す。また、Ｖ_x+は、注目画素５０に対しｙ軸正方向側に隣接する画素が示す変位のｘ軸方向成分、Ｖ_x-は、注目画素５０に対しｙ軸負方向側に隣接する画素が示す変位のｘ軸方向成分を示す。Δｘは、ｘ軸方向についての画素の間隔を示し、Δｙは、ｙ軸方向についての画素の間隔を示す。画素が正方形である場合には、ΔｘおよびΔｙは同一値である。また、回転量Ｒは相対的な値であるため、ΔｘおよびΔｙは１としてもよい。この場合、［Ｘ（０），Ｙ（０）］の位置にある注目画素５０についての回転量Ｒは、Ｒ＝（Ｖ_y+−Ｖ_y-）−（Ｖ_x+−Ｖ_x-）として求められる。

図８に戻り、回転特性データ生成部５２は、変位画像上の各位置について回転量を求め、各位置における回転量に基づいて、生体組織の回転特性を色によって示す回転特性画像データを生成する。すなわち、各画素に対し回転量の極性に対応する色を求めて各画素に対応付ける処理、および、各画素に対し回転量の大きさに対応する輝度を求めて各画素に対応付ける処理を実行する。

回転特性データ生成部５２は、回転量の極性に対して色を対応付けた回転方向対色テーブルを記憶していてもよい。回転方向対色テーブルは、例えば、正の値の回転量（ｘｙ平面における左回転方向）に対しては青を対応付け、負の値の回転量（ｘｙ平面における右回転方向）に対しては赤を対応付ける。さらに、回転特性データ生成部５２は、回転量の大きさに対して輝度を対応付けた回転量対輝度テーブルを記憶していてもよい。回転量テーブルは、例えば、より大きい回転量に対しては、より大きい輝度を対応付ける。回転特性データ生成部５２は、このような対応付けに基づいて、断層画像の各画素に対応する画素に回転量に応じた色および輝度をマッピングした回転特性画像を求め、回転特性画像データを生成する。

断層画像生成部２０において、時間経過と共に断層画像フレームデータが次々と生成されるのに伴って、回転特性データ生成部５２は、各断層画像フレームデータに時間的に対応する回転特性画像データを生成する。回転特性データ生成部５２は、時間経過と共に生成された回転特性画像データを順次、画像合成部２２に出力する。求められる回転特性画像データは、複数フレーム分の断層画像フレームデータに対し、１画像分のデータであってもよい。この場合、複数フレーム分の断層画像フレームデータに同一の回転特性画像データが時間的に対応付けられる。

画像合成部２２は、断層画像フレームデータと、その断層画像フレームデータに時間的に対応する回転特性画像データとに基づいて、断層画像に回転特性画像を重ねた断層・回転画像を示すデータを断層・回転画像データとして生成し、モニタ３０に出力する。モニタ３０は、断層・回転画像を表示する。

これによって、断層画像に回転特性画像が重ねられた画像がモニタ３０に表示され、断層像の動画と共に、生体組織の回転特性の変化がモニタ３０に表示される。すなわち、生体組織の動きと共に、生体組織の回転方向が色によってモニタ３０に示される。

図１０には、モニタ３０に示される画像の例が示されている。断層画像４４上には、穿刺針の像４６と共に、生体組織の回転方向が色によって示されている。モニタ３０の左上には、生体組織の回転方向と色との対応付けを示すカラーマップ４８が示されている。

カラーマップ４８は、ｘｙ平面における左回転方向に対しては第５の色が対応付けられ、ｘｙ平面における右回転方向に対しては第６の色が対応付けられることを示している。例えば、第５の色および第６の色は、それぞれ、緑色および紫色とする。

図１０の画像では、穿刺針の像４６の上側において生体組織の回転方向が右方向であり、穿刺針の像４６の下側において生体組織の回転方向が左方向であることが示されている。すなわち、穿刺針が左下方向に進み、穿刺針との摩擦によって生体組織が穿刺針に追随するように引っ張られて回転歪みが生じていることが示されている。これより、生体組織の回転方向が異なる２つの領域の境界付近に穿刺針が進入していることが示される。また、一般に、穿刺針の先端付近においては、生体組織の回転歪みは大きくなり、高輝度で回転特性が示される。

上述のように、超音波診断装置の断層画像では、プローブおよび穿刺針の位置関係によっては、穿刺針の像が不明確となって視認性が低下し、穿刺を行うことが困難となることがある。本発明に係る超音波診断装置によれば、断層画像と共に生体組織の回転特性がユーザに示される。回転特性においては、生体組織の回転方向が異なる２つの領域の境界付近に穿刺針が進入しているものと考えられる。したがって、ユーザは、生体組織の回転方向から穿刺針の進路を把握することができ、穿刺を容易に行うことができる。

生体組織の回転方向は、色と共に矢印等の図形によって示してもよい。この場合、回転特性データ生成部５２は、図形を表示する位置における回転量に基づいて、断層画像上の対応する位置に色および図形を重ねて示す画像データを回転特性画像データとして生成する。図形が示す回転方向は、回転量の極性に対応させる。図１１には、生体組織の回転方向が、色と共に回転方向を示す矢印によって示された画像の例が示されている。

なお、回転方向は、矢印の他、円形状に配列された複数の三角形等、その他の図形によって示してもよい。また、生体組織の回転方向は、色によらず図形のみによって示してもよい。この場合、回転特性データ生成部は、図形を表示する位置における回転量に基づいて、断層画像上の対応する位置に図形を重ねて示す画像データを回転特性画像データとして生成する。

また、図８の画像合成部２２は、断層・回転画像に変位画像を重ねた断層・回転・変位画像を表す画像データを、断層・回転・変位画像データとして生成してもよい。この場合、画像合成部２２は、変位画像を透かして断層・回転画像を見通せるように、断層・回転画像データおよび変位画像データを合成する。

断層・回転・変位画像は、上述の断層・変位画像に、回転特性画像を重ねた画像であってもよい。この場合、画像合成部２２は、断層画像データおよび変位画像データを合成して断層・変位画像データを生成した後、断層・変位画像データおよび回転特性画像データを合成する。

断層・回転・変位画像データの生成に際して、変位データ生成部２８は、生体組織の変位の方向を、色によらず図形によって示す変位画像データを生成し、画像合成部２２に出力してもよい。そして、回転特性データ生成部５２は、生体組織の回転方向を色によって示す回転特性画像データを生成し、画像合成部２２に出力してもよい。これによって、画像合成部２２は、断層画像上に生体組織の回転方向を色によって示し、生体組織の変位の方向を図形によって示す断層・回転・変位画像データを生成する。モニタ３０は、断層・回転・変位画像を表示する。

また、断層・回転・変位画像データの生成に際して、変位データ生成部２８は、生体組織の変位の方向を色によって示す変位画像データを生成し、画像合成部２２に出力してもよい。そして、回転特性データ生成部５２は、生体組織の回転方向を図形によって示す回転特性画像データを生成し、画像合成部２２に出力してもよい。これによって、画像合成部２２は、断層画像上に生体組織の変位の方向を色によって示し、生体組織の回転方向を図形によって示す断層・回転・変位画像データを生成する。モニタ３０は、断層・回転・変位画像を表示する。

このように、断層・回転・変位画像を表示することで、生体組織の回転方向と共に生体組織の変位の方向がユーザに示される。これによって、ユーザは、生体組織の変位状態および回転特性と共に穿刺針の進路を容易に把握することができる。

第１および第２実施形態における変位データ生成部２８は、断層画像上の各位置について、移動平均化処理を施した変位を求めてもよい。この場合、変位データ生成部２８は、現時点から過去に遡って自らが生成した所定枚数分の変位画像データにつき各位置の変位の平均値を求め、この平均値を断層画像上の各位置における移動平均化処理後の変位とする。このような処理によれば、モニタ３０に示される変位の変化が平滑化され、過去の変位画像と現時点の変位画像とが混合された画像が表示される。したがって、生体組織の実際の変位が急激に０となったとしても、モニタ３０に示される生体組織の変位は緩やかに０となる。例えば、生体組織の変位を色および輝度で示した場合、穿刺針の動きが止まり、周囲の生体組織の動きも止まったときには、生体組織の変位を表す色の輝度が緩やかに小さくなり、徐々に色が消滅する。

なお、変位データ生成部２８は、現時点から過去に遡って自らが生成した所定枚数分の変位画像データのそれぞれにつき適切な重み付け係数を乗じて、各位置における変位の重み付け平均値を求めてもよい。この場合、変位画像上の各位置における変位の重み付け平均値を断層画像上の各位置における移動平均化処理後の変位とする。例えば、最新の変位画像上のある位置の画素値をＰ（０）、１枚前の画素値をＰ（１）、２枚前の画素値をＰ（２）、・・・・・、ｎ−１枚前の画素値をＰ（ｎ−１）としたときに、重み付け平均値Ａは、次の（数３）で表される。

ここで、Ｗｉは重み付け係数であり、この値を適宜設定することで、過去の変位画像を残像として反映させる度合いが設定される。Ｗｉを１とした場合、重み付け平均値は、通常の平均値と同一となる。

移動平均化処理を用いることにより変位画像または回転特性画像の変化が平滑化される。そのため、生体組織が急激に変位した場合であっても、穿刺を容易にする画像が表示される。

１０ビーム制御部、１２送信部、１４プローブ、１６被検体、１８受信部、２０断層画像生成部、２２画像合成部、２４フレームデータ取得部、２６変位計測部、２８変位データ生成部、３０モニタ、３２本体ユニット、３４操作部、３６制御部、３８−１，３８−２，４０−１，４０−２画素、４２，４３，４８カラーマップ、４４断層画像、４６穿刺針の像、５０注目画素、５２回転特性データ生成部。

Claims

穿刺される生体組織で反射した超音波に基づいて、断層画像フレームデータを生成する断層画像生成部と、
穿刺によって変位した前記生体組織の変位状態を示す変位データを、複数フレームの前記断層画像フレームデータに基づいて生成する変位計測部と、
前記変位データに基づいて、前記生体組織が穿刺によって変位した方向を示す穿刺変位画像データを生成する変位データ生成部と、
前記穿刺変位画像データに基づく画像を、前記断層画像フレームデータに基づく断層画像に重ねて表示部に表示する画像合成部と、
を備え、
前記変位データ生成部は、
前記断層画像と穿刺針との角度関係を表す穿刺針角度を、ユーザの操作に基づいて、あるいは穿刺針方向検出センサを用いて取得し、
前記穿刺針角度に基づいて、前記穿刺針の進路方向を基準とした前記生体組織の変位方向を示す画像データを、前記穿刺変位画像データとして生成することを特徴とする超音波診断装置。
穿刺される生体組織で反射した超音波に基づいて、断層画像フレームデータを生成する断層画像生成部と、
穿刺によって変位した前記生体組織の変位状態を示す変位データを、複数フレームの前記断層画像フレームデータに基づいて生成する変位計測部と、
前記変位データに基づいて、前記生体組織が穿刺によって変位した方向を示す穿刺変位画像データを生成する変位データ生成部と、
前記穿刺変位画像データに基づく画像を、前記断層画像フレームデータに基づく断層画像に重ねて表示部に表示する画像合成部と、
を備え、
前記変位データ生成部は、
前記生体組織の変位の特定範囲の方向成分を示す画像データを前記穿刺変位画像データとして生成することを特徴とする超音波診断装置。
請求項２に記載の超音波診断装置において、
前記変位データ生成部は、
前記断層画像と穿刺針との角度関係を表す穿刺針角度を、ユーザの操作に基づいて、あるいは穿刺針方向検出センサを用いて取得し、
前記穿刺針角度に基づいて、前記穿刺針の進路方向を基準とした前記生体組織の変位方向を示す画像データを、前記穿刺変位画像データとして生成することを特徴とする超音波診断装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記変位データ生成部は、
前記生体組織の変位方向と色との間に予め定められた対応関係に基づいて、前記生体組織の変位方向を色によって表す画像データを、前記穿刺変位画像データとして生成することを特徴とする超音波診断装置。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記変位計測部は、
時間経過と共に順次生成された複数フレームの前記断層画像フレームデータに基づいて、前記変位データを時間経過と共に順次生成し、
前記変位データ生成部は、
過去に遡った所定枚数分の前記変位データについて平均化処理または重み付け平均化処理を実行して、前記穿刺変位画像データを生成し、
前記画像合成部は、
複数の前記断層画像を時間経過と共に順次、前記表示部に表示すると共に、前記穿刺変位画像データに基づく画像を、時間的に対応する前記断層画像に重ねて前記表示部に表示することを特徴とする超音波診断装置。
穿刺される生体組織で反射した超音波に基づいて、断層画像フレームデータを生成する断層画像生成部と、
複数フレームの前記断層画像フレームデータに基づいて、前記生体組織の変位状態を示す変位データを生成する変位データ生成部と、
前記変位データに基づいて、前記生体組織の回転特性を示す回転特性データを生成する回転特性データ生成部と、
前記断層画像フレームデータおよび前記回転特性データに基づいて、断層画像と共に前記生体組織の回転特性を表示部に表示する画像合成部と、
を備えることを特徴とする超音波診断装置。
請求項６に記載の超音波診断装置において
前記変位データ生成部は、
前記生体組織の変位を示すデータを前記変位データとして生成し、
前記回転特性データ生成部は、
前記生体組織の変位に対して回転演算を施し、前記生体組織の変位の回転成分を前記生体組織の回転特性として求めることを特徴とする超音波診断装置。
請求項７に記載の超音波診断装置において、
前記回転特性データ生成部は、
前記回転成分が示す回転方向を描画要素によって示す画像データを前記回転特性データとして生成し、
前記画像合成部は、
前記回転特性データに基づく画像を前記断層画像に重ねて前記表示部に表示することを特徴とする超音波診断装置。
請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
前記画像合成部は、
前記断層画像と共に前記生体組織の回転特性および変位状態を前記表示部に表示することを特徴とする超音波診断装置。