JP7084342B2 - 二次流れ検出装置、二次流れ検出プログラム、及び超音波信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次流れ検出装置、二次流れ検出プログラム、及び超音波信号処理装置に関し、特に、血流速度計測において渦や螺旋流等の二次流れを検出する二次流れ検出装置、二次流れ検出プログラム、及び超音波信号処理装置に関する。

超音波撮像装置において、被検体に超音波を送受信することにより得られた受信信号から血流速度計測を行う等血流に係る診断情報を得る技術が知られている。
近年、先進国における主要な死因の一つに心血管疾患が挙げられ、異常が生じた心血管は、健常な心血管とは異なる血流を示すことが指摘されている。このため、異常が生じた心血管と健常な心血管の血流の差異を評価することが、心血管疾患の重症度の判定や治療判断に有用である。

例えば、心臓左心室内の血流は拍動と共に渦を生じることが知られており、心不全患者の場合には、渦の強さや大きさ、消滅までの時間が健常者のそれと異なる可能性が指摘されている。また、大動脈弓部に生じる螺旋流と大動脈解離の関係を示唆する研究例もある。これらのことから、上述した超音波撮像装置による血流速度計測において、渦や螺旋流などの二次流れを検出する技術が求められている。

超音波撮像装置における血流計測において、特に、ベクトルドプラ法、スペックルトラッキング法、Vector Flow Mapping法などの手法を用いることにより、座標ごとの二次元、または三次元の速度ベクトル、すなわち速度ベクトルマップを得ることができる。医師等のユーザは、これらの速度ベクトルマップやそこから算出した流線などを見ることで二次流れの有無を判断している。

ところが、速度ベクトルマップにおいて、例えば、流れが途中まで旋回しているものの一周しているとみなせるかを判断しづらい状態や、時間と共に徐々に渦が崩れていく過程の状態等は、複数のユーザ間で判断に差異が生じる。また、三次元的な流れの観測においては、立体的な空間把握を要求されるため、判断が難しく、ユーザ間における判断に差異が生じやすい。従って、画一的に二次流れの有無や大きさを判断できる手法が求められる。

そこで、例えば、特許文献１には、二次元の速度ベクトルマップから二次流れを検出する超音波診断装置が提案されている。特許文献１の超音波診断装置では、渦において速度ベクトルが環状に並ぶことに着目し、速度ベクトルを追跡して得られる流体の流れ（流線）が回帰条件を満たすか否かに基づいて流体内の渦を検出する。すなわち、流線の起点と逐次的に求めた流線上の点の間の距離に閾値を設けることで渦を判定する。

また、速度ベクトルマップから二次流れを検出する他の一般的な手段として、速度ベクトル間の空間的な速度勾配を用いる方法がある。例えば、速度勾配に基づいて計算される渦度は、流れの旋回の強さを示す。ただし、ほとんどの血流においては強弱に差はあっても旋回成分が含まれており、渦度がゼロになることは少ない。そこで、渦度に閾値を設けることで渦を検出することが考えられる。

特開２０１５－１８８７３６号公報

しかしながら、特許文献１の超音波診断装置における渦（二次流れ）判定は、大きな範囲における速度ベクトルの空間的並びの特徴（速度ベクトルマップの巨視的特徴）である流線の回帰条件に基づいて渦を判定しており、これだけでは二次流れの見逃し、誤検出が生じる虞がある。

例えば、実際の計測では速度ベクトルマップはある空間分解能を有し、流線は速度ベクトルの計測点を結んで描かれることになるが、空間分解能が低い場合、回帰した流線と起点が最も近づく場所の付近に速度ベクトルの計測点が無いために回帰条件が満たされず、二次流れとして検出されない、つまり、見逃しが生じる虞がある。反対に、流れが滞留している領域において、計測のばらつきとして生じた速度ベクトルの並びによって隣接する計測点同士が環状に結ばれ、二次流れとして誤検出されることもある。このような事態が生じると、渦の有無や持続時間を正確に調べることが困難になる。

同様の問題は、隣接する速度ベクトル間の速度勾配（速度ベクトルマップの微視的特徴）から求められる渦度に基づく判定でも発生する。渦度は速度勾配で定義されるパラメータであるため、速度が速いと値が大きくなる傾向にある。そのため、低速で旋回する流れよりも高速でＵターンする流れの方が、渦度が大きく計算される。その結果、高速でＵターンする流れが二次流れとして検出される一方で低速で旋回する流れが二次流れとして検出されない、つまり見逃しや誤検出が発生する。

これらの問題は、人間が渦や螺旋流と呼んでいるものの定義の複雑さにある。人間は、上述した速度ベクトルマップの巨視的特徴及び微視的特徴の両方から総合的に判断して、特に渦や螺旋流と呼ばれる二次流れを見出す判断をしている。そのため、巨視的特徴又は微視的特徴の何れか一方のみに基づく判定では、人間による判定との間に乖離が生じてしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、心腔内や血管内の複雑な血流であっても、定量的演算に基づいて画一的に二次流れを抽出することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、検査対象により反射されたエコー信号に基づいて算出された速度ベクトルマップを取得し、該速度ベクトルマップに基づいて速度ベクトルの空間変化の度合いを示す値として旋回度を算出し、等しい値の前記旋回度を結んだ等旋回度線の空間分布を旋回度マップとして算出する旋回度マップ演算部と、前記旋回度マップに示される等旋回度線のうち、予め定めた条件を満たす等旋回度線を二次流れ候補として抽出する二次流れ候補抽出部と、前記二次流れ候補の内側の速度ベクトルの特徴量を算出する特徴量演算部と、前記特徴量に基づいて前記二次流れ候補が所望の二次流れであるかを判定する二次流れ判定部と、該二次流れ判定部により判定された二次流れを抽出し出力する二次流れ抽出部と、を備えた二次流れ検出装置を提供する。

本発明の他の態様は、検査対象により反射されたエコー信号に基づいて算出された速度ベクトルマップを取得し、該速度ベクトルマップに基づいて速度ベクトルの空間変化の度合いを示す値として旋回度を算出し、等しい値の前記旋回度を結んだ等旋回度線の空間分布を旋回度マップとして算出する旋回度マップ演算ステップと、前記旋回度マップに示される等旋回度線のうち、予め定めた条件を満たす等旋回度線を二次流れ候補として抽出する二次流れ候補抽出ステップと、前記二次流れ候補の内側の速度ベクトルの特徴量を算出する特徴量演算ステップと、前記特徴量に基づいて前記二次流れ候補が所望の二次流れであるかを判定する二次流れ判定ステップと、該二次流れ判定部により判定された二次流れを抽出し出力する二次流れ抽出ステップと、をコンピュータに実行させる二次流れ検出プログラムを提供する。

本発明の他の態様は、上記二次流れ検出装置を備えた超音波撮像装置を提供する。

本発明によれば、心腔内や血管内の複雑な血流であっても、定量的演算に基づいて画一的に二次流れを抽出することができる。

本発明の実施形態に係る二次流れ検出装置を適用した超音波撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 速度ベクトルマップの例を示す参考図である。 旋回度マップの例を示す参考図である。 二次流れ候補を抽出した表示画面の例を示す参考図である。 二次流れ候補を抽出した表示画面の例を示す参考図である。 本発明の実施形態に係る二次流れ検出装置を適用した超音波撮像装置において、二次流れ検出処理の流れを示すフローチャートである。 （Ａ）及び（Ｂ）は、二次流れを判定するために、平均流速と高渦度面積との関係に鑑みて特徴量をプロットしたグラフである。 二次流れを判定するための関数を示し、（Ａ）は線形関数であり、（Ｂ）はシグモイド関数を示す。 二次流れ候補と判定条件の関係を示す表である。 二次流れとその他画像とを用いて生成された表示画面の一例を示す参考図である。 二次流れとその他画像とを用いて生成された表示画面の一例を示す参考図である。 二次流れとその他画像とを用いて生成された表示画面の一例を示す参考図である。 二次流れとその他画像とを用いて生成された表示画面の一例を示す参考図である。 二次流れとその他画像とを用いて生成された表示画面の一例を示す参考図である。 二次流れとその他画像とを用いて生成された表示画面の一例を示す参考図である。 二次流れとその他画像とを用いて生成された表示画面の一例を示す参考図である。 二次流れとその他画像とを用いて生成された表示画面の一例を示す参考図である。 二次流れの判定に用いた各特徴量の値や、フレームごとの二次流れの個数など二次流れの判定には用いないその他の定量値の一部または全部をユーザに提示する場合の参考図である。 本発明の実施形態の変形例に係る二次流れ検出装置を適用した超音波撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 二次流れの判定条件をユーザが入力する際に提示される判定条件設定画面を示す参考図である。

本発明の実施形態に係る二次流れ検出装置は、超音波撮像装置よって取得されたエコー信号に対して処理を行う。二次流れ検出装置を超音波撮像装置に適用することにより、超音波撮像装置によって撮像された超音波画像において渦等の二次流れを検出することができる。以下の説明においては、二次流れ検出装置を超音波撮像装置に適用した例について説明する。

以下、本発明の実施形態に係る二次流れ検出装置を適用した超音波撮像装置について、図面を参照してより詳細に説明する。
図１に示すように、超音波撮像装置は、装置本体１に接続された超音波探触子２を制御しながら超音波画像を生成するものである。

超音波探触子２は、被ユーザの生体３に接し、装置本体１において生成された信号に従い、生体３内の心血管３００に対し超音波を照射し、生体３から反射した超音波を受信して受信部１３に出力する。超音波探触子２は、スキャン方式に応じて連続波あるいはパルス波を発生し、２次元的な断面像あるいは３次元的な立体像を撮像する。

装置本体１は、超音波撮像装置に対して撮像条件等を入力する入力部２１、発信部２２、受信部２３、表示部２４、メモリ２５及び超音波撮像装置１全体を制御する制御部１１、を備えている。
入力部２１は、超音波撮像装置を操作する医師や技師（以下、まとめてユーザという）が制御部１１に対し超音波撮像装置の動作条件を設定するキーボードやポインティングデバイス（図示せず）を備え、ユーザによるポインティングデバイスからの入力指示を受け付ける。また、超音波撮像装置において心電図等の外部機器からの情報を利用する場合等は、外部機器からの情報の入力を受け付ける。

発信部２２は、所定の周波数の信号を発生する発振器を含み、超音波探触子２に駆動信号を送る。受信部２３は、受信回路やサンプリング周波数が通常１０ＭＨｚから５０ＭＨｚのＡ/Ｄ（Analog-to-Digital ）コンバーターを含み、そのほかに、超音波探触子２から受信したエコー信号に対し整相加算、検波、増幅などの信号処理を行う。

なお、Ａ／Ｄコンバーターは受信部１３の代わりに後述する信号処理部３１の前段に備えてもよく、その場合は整相加算、検波、増幅などの信号処理を信号処理部３１が行う。また、受信部１３は、超音波探触子２の受信素子毎、あるいは素子を束ねた開口部毎のエコー信号を一時的に保存する受信データメモリを有してもよい（図示せず）。

表示部２４は、後述する制御部１１において生成される超音波画像をはじめとする種々の画像を表示させる。メモリ２５は、エコー信号、制御部１１における種々の演算に必要な情報（ユーザが入力部１０により指示した情報等）や演算結果（Ｂモード画像、速度ベクトルマップの表示画像等）を一時的に記憶する。

制御部１１は、超音波撮像装置１全体を制御すると共に、受信部２３が取得したエコー信号に所定の処理を施して画像を生成する信号処理部３１及び信号処理部３１で生成された速度マップに基づいて二次流れを検出する二次流れ検出部３２の機能を実現する。

制御部１１が実現する上述の各部の機能は、図示しない磁気ディスク等のメモリに格納されたプログラムを制御部１１が予め読み込んで実行することによりソフトウェアとして実現することができる。なお、制御部１１に含まれる各部が実行する動作の一部又は全部を、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）やＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）により実現することもできる。

信号処理部３１は、受信部１３が取得したエコー信号に基づき、速度ベクトルマップ等の診断に有用な種々の情報を算出する。このため、Ｂモード画像と呼ばれる断層画像などの超音波画像やその他超音波診断に用いる種々の加工データを算出するＢモード画像形成部３１１、速度ベクトルマップを生成する速度ベクトルマップ演算部３１２、及び生成された画像データを表示させるための表示画像を生成する表示画像形成部３１３を備えている。

速度ベクトルマップ演算部３１２は、ベクトルドプラ法、スペックルトラッキング法、Vector Flow Mapping法など、速度ベクトルの空間分布を得られるいかなる方法によって速度ベクトルマップを演算してもよい。生成された速度ベクトルマップは、表示部２４に表示させることができる。速度ベクトルマップの例を図２に示す。図２は、左心室３００内の速度ベクトル３０１の空間的分布を示している。

二次流れ検出部３２は、信号処理部３１から速度ベクトルマップを受け取り、速度ベクトルマップに基づいて、二次流れを検出する。このため、二次流れ検出部３２は、旋回度マップ演算部３２１、二次流れ候補抽出部３２２、特徴量演算部３２３、二次流れ判定部３２４、二次流れ抽出部３２５及び二次流れ画像生成部３２６を備えている。

旋回度マップ演算部３２１は、検査対象である被検体により反射されたエコー信号に基づいて算出された速度ベクトルマップを取得し、速度ベクトルマップに基づいて速度ベクトルの空間変化の度合いを示す値として旋回度を算出し、等しい値を示す旋回度を結んだ等旋回度線の空間分布を旋回度マップとして算出する。旋回度マップの例を図３に示す。図３では、左心室３００内に、等旋回度線３０２が４つ描かれている。

より具体的には、旋回度マップ演算部３２１は、信号処理部３１が出力した速度ベクトルマップを取得し、これに基づいて、隣接する速度ベクトル間の速度勾配から各計測点における旋回度を算出し、その空間分布である旋回度マップを算出する。ただし、ここでは速度ベクトルマップの速度勾配から算出する、旋回の強さを表す指標を総称して旋回度と表記している。代表的な旋回度は流体力学のパラメータである渦度であるが、例えば単純に速度勾配の絶対値に基づいて旋回の強さを定義してもよいし、速度勾配の各方向成分の積などから旋回の強さを定義してもよい。

また、旋回度は速度ベクトルマップの微視的特徴量なので、狭い範囲で速度勾配を求めることが望ましいが、速度ベクトルマップに対し間引き処理を加えた上で旋回度を求めてもよい。空間的またはフレーム間での時間的平滑化処理、着目範囲外を除外するマスク処理等の演算処理を加えた後で旋回度を算出してもよい。

さらに、旋回度マップを算出した後で、旋回度マップに対して空間的またはフレーム間での時間的平滑化処理、着目範囲外を除外するマスク処理等の演算処理を加えてもよい。特に、速度ベクトルマップまたは旋回度マップに対する平滑化処理は、計算値が不安定になりやすい微分演算を含む旋回度の演算において、異常に大きな旋回度が算出されることを防ぐ効果がある。

二次流れ候補抽出部３２２は、旋回度マップ演算部３２１により算出された旋回度マップに示される等旋回度線のうち、予め定めた条件を満たす等旋回度線を二次流れ候補として抽出する。すなわち、二次流れ候補抽出部３２２は、旋回度マップから、決められた条件を満たす旋回度からなる等旋回度線を二次流れ候補として抽出すると共に、旋回度が決められた条件を満たす点を二次流れ候補の代表点と定める。

二次流れ候補を決定する代表的な条件は所定の閾値を超える旋回度からなる等旋回度線である。また、二次流れ候補の代表点を選ぶ代表的な条件は旋回度が極値をとる点である。二次流れ候補を抽出した表示画面の例を図４及び図５に示す。図４及び図５では、抽出された二次流れ候補３３０、旋回度が極大となる点及び速度がゼロとなる範囲が描かれている。

旋回度に基づいて二次流れ候補を抽出する効果として、二次流れ候補の見逃しを無くす効果がある。これは、所望の二次流れの必要最低条件として、その範囲内に旋回度が極値をとる点を必ず含むためである。速度ベクトルの空間的並びの巨視的特徴に基づいて二次流れ候補を探索すると、閾値などの条件に影響されずに、漏れなく二次流れ候補を抽出することは難しい。なお、二次流れ候補の代表点または二次流れ候補範囲を決定するための条件は、予め定めた固定の条件を用いてもよいし、入力部１０を用い、ユーザが与えてもよい。

また、二次流れ検出処理を行う毎に自動的に決定してもよい。条件を自動決定する場合には、対象とするフレームにおける速度ベクトルマップの最大速度や平均速度などに基づいて定めてもよいし、旋回度マップの最大旋回度や平均旋回度などに基づいて定めてもよい。

さらに、これ以外の情報、例えば、心電図等の外部機器からの情報に基づいて条件を定めてもよい。また、二次流れ候補範囲を決める条件を、二次流れ候補の代表点と関連付けて決定してもよい。例えば、二次流れ候補の代表点の旋回度によって二次流れ候補範囲を決める旋回度の閾値を決定してもよい。

特徴量演算部３２３、少なくとも二次流れ候補である等旋回度線の内側の速度ベクトルの特徴量を算出すると共に、必要に応じて、二次流れ候補である等旋回度線の外側かつ等旋回度線の近傍に位置する速度ベクトルの特徴量を算出する。より具体的には、特徴量演算部３２３は、二次流れ候補抽出部３２２において抽出された二次流れ候補に関し、二次流れ候補範囲内外（等旋回度線の内側及び外側）の速度ベクトルの空間的並びを示す特徴（巨視的特徴）に基づいて速度ベクトルの特徴量を算出する。その際、特徴量は速度情報に基づいてもよいし、例えば速度ベクトルマップを流線のような別の形態に変換してから求めてもよい。

算出する特徴量の数は一つでもよいが、二次流れに対する人間の判断の複雑さを反映した二次流れ検出を実現するためには、複数の特徴量を算出することが望ましい。なお、特徴量演算部３２３で算出する特徴量には最低一つ、速度ベクトルの巨視的特徴に基づく特徴量を含むが、それ以外に例えば二次流れ候補範囲の形状や、二次流れ候補の代表点の座標、速度勾配に基づく特徴量などを含んでもよい。

二次流れ判定部３２４は、特徴量演算部３２３により算出された特徴量に基づいて二次流れ候補が所望の二次流れであるかを判定する。ここで、所望の二次流れとは、ユーザが診断の判断材料として着目する二次流れである。判定の方法は、後述する複数の方法があり、それらのうちの一つを実行してもよいし、二つ以上を実行して複数の結果をユーザに提示してもよい。

二次流れ抽出部３２５は、二次流れ判定部３２４により判定された二次流れを抽出し出力する。二次流れ画像生成部３２６は、二次流れ抽出部３２５により抽出された二次流れを描画し、表示部１４に表示させるための画像データを生成する。

このように構成された超音波撮像装置において二次流れを検出する場合について、図６のフローチャートに従って説明する。以下の説明においては、二次流れ検出部３２が、二次元速度ベクトルマップに基づいて、二次元の二次流れとして渦を抽出する例について説明する。

旋回度マップ演算部３２１は、ステップＳ１において、信号処理部３１から速度ベクトルマップ（図２参照）を取得し、ステップＳ２において、速度ベクトルマップにおける隣接する速度ベクトル間の速度勾配から各計測点における旋回度を計算し、その空間分布を旋回度マップとして算出する。旋回度の空間分布は、例えば、等しい旋回度を結んだ等旋回度線を用いて描くことができる（図３参照）。

本実施形態においては、二次流れとして渦を検出することから、ここでは旋回度として渦度を用いる。以下に、流体力学的な渦度の定義式を式（１）に示す。

ただし、Ωは渦度、矢印つきのｖは速度ベクトル、ｘ、ｙ、ｚは座標軸を表す。速度ベクトルが二次元である場合、渦度を求める式は以下の式（２）のように簡略化される。

上記した式（１）によれば、速度ベクトルが三次元の場合における渦度は三成分のベクトルであり、式（２）によれば、速度ベクトルが二次元の場合における渦度は一成分の値となる。また、各成分の正負は回転の方向を表し、各成分の絶対値が大きいことはその方向の流れの回転が強いことを示す。

旋回度マップ演算部３２１が出力する旋回度マップは、速度ベクトルが二次元の場合には正負の情報を持った値の分布としてもよいし、絶対値の分布としてもよい。速度ベクトルが三次元の場合には、各成分についての三つの分布を各々計算してもよいし、絶対値の分布としてもよい。

実際の速度ベクトルマップにおいては、計測のばらつきのために隣接する速度ベクトルが大きく異なる値を持ったり、大きく異なる方向を向いたりすることがある。その場合、旋回度は異常に大きな値として算出される。これを避けるためには、速度ベクトルマップに空間的または時間的な平滑化を施すことが有効である。

または、算出した旋回度マップに対して空間的または時間的な平滑化を施してもよい。あるいは別の問題として、壁付近では速度が不連続になるため、異常に大きな旋回度が算出される場合がある。そのような問題を回避するためには、旋回度を計算しない領域にマスクをかける、壁付近の速度がゼロに収束するように重みをかける、などの処理を施すことが有効である。

次に、ステップＳ３では、二次流れ候補抽出部３２２により予め定めた条件を満たす等旋回度線を二次流れ候補として抽出する。旋回度マップ演算部３２１で演算された旋回度マップを受け取った後、決められた条件を満たす旋回度からなる等旋回度線を二次流れ候補として抽出すると共に、旋回度が決められた条件を満たす点を二次流れ候補の代表点と定める。

二次流れ候補の代表点を決める代表的な条件は、例えば旋回度が極値をとることである。旋回度が極大値（渦の流れ方向によっては極小値）をとる点は、その周辺において、旋回する流れが最も強い部分である。また、二次流れ候補を決定する代表的な条件は、所定の閾値を超える旋回度からなる等旋回度線である。

この閾値は、臨床データや流体シミュレーションなどに基づいて予め決定しておいてもよいし、ユーザが与えた数値を用いてもよい。また、例えば流速が全体的に速い速度ベクトルマップと、流れが滞留する速度ベクトルマップで異なる条件を用いてもよい。条件の決定には、速度ベクトルマップや旋回度マップなど、超音波信号処理装置で算出した情報に基づく方法と、心電図などの外部機器からの情報に基づいて判定する方法がある。

二次流れ候補の代表点または二次流れ候補を決定するための条件を速度ベクトルマップごとに変える効果は、強い二次流れが形成されやすい、流れの速い速度ベクトルマップで過剰に多い二次流れ候補が検出されることを避けながら、流れが遅い速度ベクトルマップで二次流れを見逃さないことである。特に、患者ごとに得られた速度ベクトルや旋回度、心電図に基づいて二次流れ候補の代表点または二次流れ候補の範囲を決定するための条件を変えることは、心血管疾患や手術により心肺機能が低下して、強い二次流れが形成されにくくなった患者においても、見逃し無く二次流れを抽出する効果がある。

次のステップＳ４では、特徴量演算部３２３が、二次流れ候補抽出部３２２により抽出された二次流れ候補及びその代表点に基づいて、二次流れ候補範囲内外（等旋回度線の内側及び外側）の速度ベクトルの巨視的特徴に基づいて速度ベクトルの特徴量を算出する。ここで、二次流れの特徴量とは、主として速度ベクトルの巨視的な空間的並びの特徴を定量化した値の他、例えば二次流れ候補を示す等旋回度線の形状や、二次流れ候補の代表点の座標、速度勾配などに基づく定量値を同時に計算してもよい。

算出する二次流れの特徴量は、所望の二次流れと、棄却したい流れにおける、速度ベクトルマップを比較することで設定することができる。ここでは、左心室内に形成される渦の二次元速度ベクトルマップを例にして説明する。

左心室内では、例えば弁が開いて高速血流が流入したとき、流入血流が心尖部などの心壁にぶつかる、あるいは止まっていた血液にぶつかってＵターンする血流が生じ、その戻る血流が高速の流入血流に巻き込まれることで「回転する流れ」が生じる。その結果、例えば、図４に示すような速度ベクトルマップが形成され、高速血流の流入が終わった後も、「回転する流れ」が消滅せずに残る場合がある。

このような流れは、医師が着目する（すなわち所望の）二次流れである。このとき、回転する流れの中央では粘性の効果により速度がゼロの点が生じ、ほぼ同じ場所で旋回度が極大となる。一方、流入速度が巻き込みを生じるほど速くなかったり、減速により渦としての形を保てなくなったりした場合には、左心室内の血流は、例えば図５に示すように閉じていない流れ、つまりＵ字型の流れとなる。このとき、逆方向の流れが隣接する境界の全体で粘性の効果によって速度がゼロとなる。これらの速度ベクトルマップを比較すると、巨視的な流れの特徴として、速度がゼロの範囲が所望の二次流れでは点で、Ｕ字型の流れでは線状であるという違いが存在する。

そこで、例えば速度がある値以下の範囲を速度ゼロ範囲と定義し、二次流れ候補範囲内における速度ゼロ範囲の面積を特徴量とすると所望の二次流れとＵ字型の流れを判別することができる。すなわち、少なくとも二次流れ候補の等旋回度線内における速度ゼロ範囲の面積が大きければ所望の二次流れではないと判定できる。あるいは、所望の二次流れでは旋回が最も強い場所と速度がゼロ（最小）になる場所がほぼ一致するのに対し、Ｕ字型の流れでは速度が最小になる場所が旋回の最も強い場所と必ずしも一致しない点に着目し、速度が最小になる点の座標と旋回度が極値をとる点の座標の間の距離を特徴量としてもよい。

この特徴量は、速度ベクトルの空間的並びの巨視的特徴に基づきつつ、旋回度マップの特徴を補助的に組み合わせている。この他、例えば所望の二次流れでは等旋回度線内にいずれの方向の速度ベクトルもほぼ同じ数だけ存在し、Ｕ字型の流れでは等旋回度線内に特定の方向の速度ベクトルが多く存在することに着目し、二次流れ候補の等旋回度線内の速度ベクトルを加算平均して得られる平均速度ベクトルの絶対値を特徴量としてもよい。

その場合、平均速度ベクトルの絶対値が大きな値を持てば所望の二次流れではないと判定できる。あるいは二次流れ候補の等旋回度線内の速度ベクトルの偏角を計測点ごとに計算し、それらの標準偏差を特徴量としてもよい。その場合、標準偏差が小さいほど二次流れ候補の等旋回度線内の速度ベクトルの向きが揃っていることを示し、所望の二次流れではないと判断することができる。

ステップＳ５において、二次流れ判定部３２４は、特徴量演算部３２３において演算された二次流れ候補ごとの特徴量に基づいて、抽出された二次流れ候補が所望の二次流れであるかを判定する。判定の方法は、図７（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ｎ個の特徴量で構成されるｎ次元空間で所望の二次流れを示す領域を定めると考えると分かりやすい。以下、特徴量に基づいて所望の二次流れを判定する方法の代表的な例について述べる。

最も単純な判定方法は、図７（Ａ）のように各特徴量について閾値を定め、これを超えるか否かで判定する。また、特徴量同士が互いに関係する場合などは、図７（Ｂ）に示すように、複数の特徴量を組み合わせた関数を定義して、ｎ次元空間における所望の二次流れを示す領域の境界としてもよい。

また、実際の速度ベクトルマップにおいては計測誤差が存在し、二次流れの領域の境界や閾値を厳格に定めていると、計測誤差に起因する各特徴量の値のばらつきで、例えばあるフレームでは検出されていた二次流れが次のフレームで検出されないということがある。

そこで、判定にロバスト性を持たせるため、例えば４つある閾値のうち３つ以上を満たせば所望の二次流れとする、という方法を採ることが考えられる。あるいは、各特徴量を図８（Ａ）に示すような線形関数や図８（Ｂ）に示すようなシグモイド関数など０と１の間を持った関数Ｗで別の値に置き換え、それらの和が基準値を超えれば所望の二次流れとする、という方法を採ってもよい。この方法では、例えば閾値に対してわずかに足りない特徴量は０．９などの値に置き換えられる。

種々の方法で二次流れの判定をする例を図９に示す。ここでは、二次流れ候補が４つあり、４つの特徴量に基づいて二次流れの判定をする場合を例にしている。まず方法１では、数式（３）に示す４つの条件式に基づいて判定を行う。

ここで、ａは高渦度域面積、ｂは平均流速、ｃは低速域面積、ｄは最小流速である。
この場合、候補１のみが所望の二次流れとして抽出される。次に方法２では、数式（４）に示す３つの条件式に基づいて判定を行う。

この場合、候補１と候補２が所望の二次流れとして抽出される。続いて方法３では、数式（３）と同じ閾値を用い、ただしこれらのうち３つ以上を満たせば所望の二次流れと判定する。この場合、候補１、候補２、候補３が所望の二次流れとして抽出される。最後に方法（４）では、数式（５）や数式（６）あるいは数式（７）や数式（８）に基づいて各特徴量を０から１の値に変換し、これらの和が３．５以上の時に所望の二次流れと判定する。

ただしａ、ｂは特徴量を表し、特徴量ごとに適当な閾値ａ０、ａ１、ｂ０、ｂ１や、係数α、βを定めることにより、候補１、候補２、候補３、候補４の全てが所望の二次流れとして抽出される。

これらの判定条件は、予め定めた固定の条件を用いてもよいし、入力部２１を用い、ユーザが与えてもよい。また、計測ごとに自動的に決定してもよい。条件を自動決定する場合には、対象とするフレームにおける速度ベクトルマップの最大速度や平均速度などに基づいて定めてもよいし、旋回度マップの最大旋回度や平均旋回度などに基づいて定めてもよい。また、これ以外の情報、例えば、心電図等の外部機器からの情報に基づいて条件を定めてもよい。

次のステップＳ６において、二次流れ抽出部３２５は、二次流れ判定部３２４により判定された二次流れを抽出し二次流れ画像生成部３２６に出力する。次のステップＳ７において、二次流れ画像生成部３２６が、二次流れ抽出部３２５により抽出された二次流れを描画し、表示部１４に表示させるための画像データを生成する。つまり、二次流れ画像生成部３２６は、抽出された所望の二次流れをユーザに分かりやすい表示形式に適宜変換する。取り得る表示形式の例としては、二次流れの代表点と範囲の境界線を表示することが考えられる。

二次流れ画像生成部３２６で生成された画像データを、表示画像形成部３１３が受け取り、さらにＢモード画像などの形態画像と、等旋回度線や色の濃淡として示した旋回度マップを重ねることで、最終的に例えば図１０のような表示画像を形成することができる。その際、旋回度マップの代わりとして、あるいは旋回度マップと併用して、血流ベクトルマップや流線を重ねて表示してもよい。また、二次流れの別の表示形式として、二次流れの範囲内部に色を付けて表示してもよい。その際、旋回度の値に合わせてグラデーションをつけてもよい。

また、三次元計測の場合には、旋回度マップや二次流れの判定結果の表示で色をつけると、その背後が見えなくなって不便な場合がある。そのような場合には、色の濃淡の代わりに色の透明度を使って旋回度などの強さを表現してもよいし、色の濃淡と透明度を併用してもよい。

二次流れの判定結果の合理性をユーザに示すには、判定の過程をユーザに示すことが有効である。また、判定の過程を明らかにすることは、判定結果がユーザの所望する結果と異なる場合に、その原因を特定する効果があり、手動で判定結果に修正を加えたり、判定条件に修正を加えたりする手助けとなる。

そこで、二次流れ画像生成部３２６は、種々の形式により、判定の過程で棄却された二次流れ候補を表示したり、棄却されたものを含む二次流れ候補の一部または全部の特徴量を表示したり、棄却されたものを含む二次流れ候補について複数の特徴量に基づくスコア付けをした結果をユーザに提示してもよい。

例として、棄却された候補を含む二次流れ候補を表示する機能を有するボタンやスイッチを物理的、またはソフトウェア上に用意し、ユーザがそれを操作することによって、判定の過程で棄却された二次流れ候補を、図１１のように表示してもよい。図１１では、最終的に選定された二次流れ候補の範囲の境界を太い実線で、判定の過程で棄却された二次流れ候補の範囲の境界を点線で示している。棄却された候補を含む二次流れ候補を表示する機能を有するボタンやスイッチには、「全ての渦を表示」など、機能を示す表記をしてもよい。

また、図１２に示すように、判定条件ごとの判定結果を分けて表示してもよい。図１２では、特徴量ごとにタブを分け、例えば特徴量の一つである高渦度域面積に関して、各二次流れ候補が判定条件である０．６０以上を満たすか否かを、特徴量の値とともに表示している。

あるいは、図１３に示すように、二次流れ候補ごとに各判定条件での判定結果を提示したり、図１４に示すように、二次流れ候補ごとの各判定条件での判定結果を一度に表示してもよい。図１３では、二次流れ候補１、２ごとにタブを分け、例えば二次流れ候補１に関して、各特徴量が条件式を満たすか否かを、特徴量の値とともに表示している。図１４では、各二次流れ候補の各特徴量が条件式を満たすか否かを表示している。

このように、判定の過程として、算出した特徴量を表示しても、それに基づく判定結果のみを示しても、いずれの表示でもよい。あるいは、図１５に示すように、二次流れ候補にカーソル等を合わせることで各種特徴量や各判定条件での判定結果が表示されるようにしてもよいし、この機能と前記のような種々の表示を組み合わせてもよい。図１５は、棄却された二次流れ候補にカーソル６１を近づけることで、棄却された二次流れ候補の、判定の過程をユーザに示す表示例を示している。

また、二次流れ候補ごとの代表点の座標や旋回度、各特徴量を別途、表にして画面に出力したり、出力ファイルとして外部に出力したりしてもよい。二次流れ候補について複数の特徴量に基づくスコア付けをする方法として、例えばいくつの判定条件で所望の二次流れの条件を満たしたかをスコアとしてもよい。

ここで、スコアとは、二次流れ候補が所望の二次流れである可能性の高低を示した値である。あるいはステップＳ５における二次流れの判定の方法（４）で示したように、各特徴量を０から１などの値に適宜変換し、それらから算出される値をスコアとしてもよい。スコア付けした結果をユーザに示す画像の例としては、例えば図１６に示すようにスコアに応じて二次流れの代表点や範囲の境界線の色や太さを変えてもよいし、線の種類を変えてもよい。

あるいは、二次流れの範囲内を色付けする場合は、色の種類や濃淡を変えてもよい。また、図１７に示すように、スコアごとに表示を切り替えるようにしてもよい。図１７は、ユーザが指定したスコアの二次流れ候補のみを表示する表示形式の例を示している。これらの表示の一部または全部は、物理的、あるいはソフトウェア上に用意したボタンやスイッチをユーザが操作することによって、特定の表示をするためのモードに移行することで表示してもよい。

いずれの表示においても、判定の過程で棄却された二次流れ候補の代表点や範囲を指定することで、指定した二次流れ候補を所望の二次流れに分類し直す処理を行ってもよい。判定の過程で棄却された二次流れ候補を表示することや、それを所望の二次流れに分類し直すことは、多段階的に二次流れの検出を行っていることの特性を活かした機能である。

また別の表示形式の例としては、二次流れの判定に用いた各特徴量の値や、フレームごとの二次流れの個数など二次流れの判定には用いないその他の定量値の一部または全部を、図１８のように、時系列に並べて図や表としてユーザに提示してもよい。その際、心電図の信号など、外部機器から得た生体情報を併せて表示してもよい。図１８では、フレーム内における旋回度の最大値の時系列変化６２、心電図６３、二次流れの個数の時系列変化６４を、ユーザに提示している。このような表示は、心拍中のどの時相で二次流れが強くなったか、あるいはどの時相で二次流れが増えたかを視覚的に示す効果がある。

（変形例）
図１９は、二次流れ判定部３２４における二次流れの判定の条件式を、ユーザが直観的に調整する仕組みを超音波撮像装置１が備えた場合の構成例を示すブロック図である。

基本的な構成は上述した実施形態と同様であるので、同一の構成には同符号を付しその説明を省略する。本変形例においては、二次流れ判定部３２４に対してユーザが判定条件を設定する判定条件設定部３２７及び判定条件設定部３２７を表示させるための表示画面を生成する判定条件画面生成部３２８を備えている。ユーザは、判定条件画面生成部３２８により生成され表示部２４に表示された判定条件設定画面を参照しながら入力部２１を介して判定条件を入力する。

判定条件の設定は、血流計測の前に予め行っても、計測や二次流れ検出の計算の途中で行ってもよい。二次流れの判定の条件式をユーザが直観的に調整する効果として、ユーザごとに判断が異なる二次流れの判定基準を、ユーザに合わせて調整できる。また、複数の医師から判定例を集め、その結果に基づいて上述の実施形態で述べたような予め定めた固定の条件を決定することにより、判定精度をより高める効果もある。

また、上述したように、計測ごとに自動的に判定条件を決定する手法においても、集めた判定例に基づいて条件式やそのパラメータを決定することにより、判定精度を高める効果が期待できる。

ユーザが二次流れ判定の条件式を決定する場合、例えば、以下のような手順で操作させることができる。
判定条件設定画面生成部３２８が、代表的な血流ベクトルマップや旋回度マップ、流線などの画像を形成し、表示部２４に表示させることでユーザに提示する。判定条件設定画面生成部３２８によって表示させる画像は、実際の計測結果に基づいた画像又は予め用意された画像でもよい。

また、二次流れ候補抽出部３２２の計算結果や予め用意した計算結果に基づいて、二次流れ候補の代表点やその範囲をユーザに示してもよい。ユーザは、表示部２４に表示された画像を参照し、その画像に二次流れが含まれるか、含まれるとすればどこにあるか、どの範囲を二次流れとみなすか、などを判断する。このとき、特に三次元画像の場合は、ユーザが見やすい角度で画像を見ることができるように、例えば入力部２１からの入力に基づいて、画像が回転するようにしてもよい。また、任意の断面画像が表示できるようにしてもよい。

ユーザが、判断結果を、入力部２１を用いて入力する。入力方法は、例えば図２０に示すように、判定条件設定画面生成部３２７により生成され表示部２４に表示された二次流れ候補のリストから選ぶ形式でもよい。このとき、二次流れ候補のリストを、上述した実施形態で示したようなスコア付けに基づいた順番で示してもよく、その際、全ての二次流れ候補を示さず、スコアの高いもののみを示してもよい。

また、別の入力方法として、ユーザがカーソルを動かして指定し、入力部２１が認識する形式でもよいし、ユーザが画像に直接描き込むことで入力部２１が認識する形式でもよい。二次流れ候補の範囲（等旋回度線）については、ユーザが旋回度の数値を変えるごとに対応した等旋回度線を表示し、二次流れの外周だと判断した等旋回度線を選ぶ形式でもよいし、図２０に示したように、ユーザがカーソルで等旋回度線を指定する（指定中の等旋回度線を点線で表示）とそれが二次流れの外周として選択される形式でもよい。

また、ユーザが画像に直接描き込むことで入力部２１が認識する形式でもよい。このようにユーザが手動で所望の二次流れを選択するモードへは、物理的、あるいはソフトウェア上に用意したボタンやスイッチをユーザが操作することによって移行してもよい。

判定条件設定部３２７が、入力部２１からユーザの入力した内容を受け取り、入力内容に基づいて二次流れ判定の条件式を決定する。このとき、ユーザがカーソルで指定することや直接描き込むことで入力した二次流れ候補の代表点の座標や二次流れ候補の外周を示す境界線は、必ずしも二次流れ候補抽出部３２２の計算結果とは一致しない。

このような場合には、ユーザの入力に近い二次流れ候補の代表点や旋回度マップの等旋回度線を自動的に選択し直してもよい。また、二次流れ候補の境界線をユーザの入力に合わせて変更してもよい。判定条件設定部３２２は、ユーザの入力に基づいて選択した二次流れ候補の代表点や二次流れ候補範囲の情報から、二次流れ判定の条件式を決定する。

具体的な方法としては、例えば、ユーザが判断に用いた画像における二次流れ候補を、ｎ個の特徴量を軸にしたｎ次元空間にプロットし、ユーザの判断結果に合った判定ができる領域を決定する。その際、領域を記述する関数を予め用意し、ユーザの判断結果に基づき、最小二乗法などの方法でその係数を決定してもよい。

また、関数自体を複数用意し、その中から最適なものを選択してもよい。ユーザの判断結果を完全に再現する条件式ができない場合、最も近い判定結果が得られる関数を二次流れを判定する条件式と定義してもよい。これにより、判定条件設定部３２７は、二次流れ判定部３２４が二次流れを判定する条件式を生成する。

１・・・装置本体、２・・・超音波探触子、３・・・生体、１１・・・制御部、２１・・・入力部、２２・・・発信部、２３・・・受信部、２４・・・表示部、２５・・・メモリ、３１・・・信号処理部、３２・・・二次流れ検出部、３１１・・・Ｂモード画像形成部、３１２・・・速度ベクトルマップ演算部、３１３・・・表示画像形成部、３２１・・・旋回度マップ演算部、３２２・・・二次流れ候補抽出部、３２３・・・特徴料演算部、３２４・・・二次流れ判定部、３２５・・・二次流れ抽出部、３２６・・・二次流れ画像生成部、３２７・・・判定条件設定部、３２８・・・判定条件設定画面生成部

Claims (13)

1. 検査対象により反射されたエコー信号に基づいて算出された速度ベクトルマップを取得し、該速度ベクトルマップに基づいて速度ベクトルの空間変化の度合いを示す値として旋回度を算出し、等しい値を示す前記旋回度を結んだ等旋回度線の空間分布を旋回度マップとして算出する旋回度マップ演算部と、
   前記旋回度マップに示される等旋回度線のうち、予め定めた条件を満たす等旋回度線を二次流れ候補として抽出する二次流れ候補抽出部と、
   前記二次流れ候補の内側の速度ベクトルの特徴量を算出する特徴量演算部と、
   前記特徴量に基づいて前記二次流れ候補が所望の二次流れであるかを判定する二次流れ判定部と、
   該二次流れ判定部により判定された二次流れを抽出して出力する二次流れ抽出部と、を備えた二次流れ検出装置。
2. 前記特徴量演算部が、前記二次流れ候補の外側近傍の速度ベクトルの特徴量を算出する請求項１記載の二次流れ検出装置。
3. 前記特徴量演算部が、前記速度ベクトルマップにおいて速度の絶対値が最小となる点の座標に基づいて特徴量を算出する請求項１記載の二次流れ検出装置。
4. 前記特徴量が、前記二次流れ候補を示す等旋回度線の形状や、前記二次流れ候補の代表点の座標又は速度勾配に基づく定量値である請求項１記載の二次流れ検出装置。
5. 前記旋回度マップ演算部が、前記旋回度として渦度を算出し、前記旋回度マップとして等しい渦度を結んだ等渦度線の空間分布を算出する請求項１記載の二次流れ検出装置。
6. 前記旋回度マップにおいて、前記旋回度が極値をとる点を二次流れ候補の代表点として抽出する請求項１記載の二次流れ検出装置。
7. 前記旋回度マップにおいて、前記旋回度が予め定めた閾値以上となる前記等旋回度線を二次流れ候補として抽出することを特徴とする請求項１記載の二次流れ検出装置。
8. 前記二次流れ判定部が、ユーザにより入力された条件に従って前記二次流れ候補が所望の二次流れであるかを判定する請求項１記載の二次流れ検出装置。
9. 前記二次流れ判定部が、前記二次流れ候補が所望の二次流れであるかを判定する条件を前記速度ベクトルマップ毎に決定する請求項１記載の二次流れ検出装置。
10. 前記二次流れ判定部が、前記二次流れ候補が所望の二次流れであるかを判定する条件を、速度情報に基づいて自動的に決定する請求項１記載の二次流れ検出装置。
11. 前記二次流れ判定部が、前記二次流れ候補が所望の二次流れであるかを判定する条件を、外部機器からの情報に基づいて自動的に決定する請求項１記載の二次流れ検出装置。
12. 検査対象により反射されたエコー信号に基づいて算出された速度ベクトルマップを取得し、該速度ベクトルマップに基づいて速度ベクトルの空間変化の度合いを示す値として旋回度を算出し、等しい値の前記旋回度を結んだ等旋回度線の空間分布を旋回度マップとして算出する旋回度マップ演算ステップと、
    前記旋回度マップに示される等旋回度線のうち、予め定めた条件を満たす等旋回度線を二次流れ候補として抽出する二次流れ候補抽出ステップと、
    前記二次流れ候補の内側の速度ベクトルの特徴量を算出する特徴量演算ステップと、
    前記特徴量に基づいて前記二次流れ候補が所望の二次流れであるかを判定する二次流れ判定ステップと、
    該二次流れ判定部により判定された二次流れを抽出し出力する二次流れ抽出ステップと、をコンピュータに実行させる二次流れ検出プログラム。
13. 請求項１乃至請求項１１の何れかの二次流れ検出装置を備えた超音波信号処理装置。

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