JP7369637B2 - 超音波診断装置、方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置、方法およびプログラムに関し、特に、ドプラ波形におけるピークを検出する技術に関する。

超音波診断装置が広く用いられている。超音波診断装置には、被検体の血液の速度を測定するドプラモードで動作するものがある。ドプラモードでは、被検体に送信され、被検体で反射した超音波のドプラシフト周波数を測定することで、超音波の送受信方向についての血液の速度がドプラ波形によって示される

一般にドプラ波形は、横軸を時間軸とし縦軸をドプラシフト周波数軸（速度軸）とした場合における時間波形として定義される。複数の画素が縦横に配列された画像によってドプラ波形を表す場合、ある時間に対して縦方向に配列された複数の画素（画素ライン）の各画素値が、ドプラシフト周波数軸上の周波数スペクトラムを表す。すなわち、ドプラ波形は、ドプラシフト周波数軸方向にそれぞれが伸びる複数の画素ラインが、時間軸方向に並べて配置されたものによって表される。

以下の特許文献１および２には、超音波診断装置によってドプラ波形を生成することが記載されている。特許文献１には、ドプラ波形画像における特定の領域の画素値によってノイズレベルに対する閾値を求め、求められた閾値に基づいて、画像上のドプラ波形をトレースする技術が記載されている。特許文献２には、ドプラ波形のピークを検出する技術が記載されている。

特開平７－２４１２９１号公報 特開平７－２４１２９０号公報

ドプラ波形については、ピークの高さを示す波高値によって被検体の診断が行われることがある。例えば、心臓における血液の速度については、Ｅ波の波高値とＡ波の波高値を用いた診断が行われることがある。しかし、ノイズに基づくピークがドプラ波形に現れ、検出対象でないピークが検出されてしまうことがある。特許文献２には、このような問題点を解決する技術が記載されているが、この技術は時間経過と共に時間軸上における位置が変化するノイズピークの誤検出を回避するものであるため、検出対象のピークと一定の時間関係にあるノイズピークが検出されてしまうことがある。

本発明の目的は、ドプラ波形における検出対象でないピークを検出してしまうことを回避することである。

本発明は、超音波の送受信によって得られた信号に基づいてドプラ波形を生成し、前記ドプラ波形に対して二階微分処理を施し、前記二階微分処理によって得られた二階微分値の極性が、検出対象ピークの曲線に応じた一定の極性となるピーク検出区間を特定し、複数の前記ピーク検出区間のそれぞれについて、前記ピーク検出区間の時間長と、前記ピーク検出区間における前記ドプラ波形の波高値とに基づくピーク規模を求め、複数の前記ピーク検出区間に対応する複数の前記ピーク規模についての順位付けに基づいて、複数の前記ピーク検出区間からいずれかを特定し、特定された前記ピーク検出区間から前記ドプラ波形におけるピークを検出する演算デバイス、を備え、前記ピーク規模は、前記ピーク検出区間における前記ドプラ波形の時間積分値に基づく値であることを特徴とする。

本発明によれば、ドプラ波形における検出対象でないピークを検出してしまうことを回避することができる。

超音波診断装置の構成を示す図である。 心臓の僧帽弁口における血流速度を表すドプラ波形を示す図である。 心臓の僧帽弁口における血流速度につき実測されたドプラ波形を示す図である。 ピーク検出処理の流れを示すフローチャートである。 ドプラ波形に対するピーク検出処理を時間波形によって説明する図である。 実測されたドプラ波形を示す図である。 心臓の僧帽弁口における血流速度を示すドプラ波形を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る超音波診断装置の構成が示されている。超音波診断装置は、超音波プローブ１０、送受信部１２、演算デバイス１８、表示部２０、制御部２２、操作部２４および心電計２６を備えている。操作部２４は、キーボード、マウス、回転ツマミ、レバー等を含み、ユーザの操作に基づく操作情報を制御部２２に出力する。制御部２２は、操作情報に基づいて超音波診断装置の全体的な制御を行う。超音波診断装置はドプラモードで動作するように構成されている。ドプラモードでは、制御部２２の制御によって、送受信部１２、超音波プローブ１０、演算デバイス１８および表示部２０が以下に説明されるように動作する。

送受信部１２は、送信回路１４および受信回路１６を備えている。超音波プローブ１０は、複数の振動素子を備えている。送信回路１４は、所定の繰り返し周期で各振動素子に送信パルス信号を出力する。各振動素子は、送信パルス信号を超音波パルスに変換し、被検体に送信する。送信回路１４は、各振動素子から発せられた超音波パルスが特定の方向で強め合うように、各振動素子に出力するパルス信号の遅延時間を調整し、その特定の方向に超音波パルスによる送信ビームを形成する。

複数の振動素子のそれぞれは、被検体で反射した超音波パルスを受信し、受信パルス信号に変換して受信回路１６に出力する。受信回路１６は、送信ビーム方向から受信された超音波パルスに基づく受信パルス信号が強め合うように、各振動素子から出力された受信パルス信号を整相加算して受信信号を生成し、この受信信号を演算デバイス１８に出力する。なお、受信回路１６は、被検体に設定されたゲート（診断対象となる領域）で反射した超音波パルスに対して受信信号を生成する。すなわち、受信回路１６は、超音波パルスが送信されてからゲートで超音波パルスが反射し、各振動素子で超音波パルスが受信される時間帯において受信信号を生成する。このような処理によって、受信回路１６は、繰り返し周期で送信された各超音波パルスに対応する受信信号を演算デバイス１８に出力する。

演算デバイス１８は、ドプラ波形生成部２８、計測時相探索部３０、トレース処理部３２、ピーク検出処理部３４、表示処理部３８およびメモリ３６を備えている。演算デバイス１８は、メモリ３６または外部の記憶媒体に記憶されたプログラムを実行することで、これらの構成要素（ドプラ波形生成部２８、計測時相探索部３０、トレース処理部３２、ピーク検出処理部３４および表示処理部３８）を実現するプロセッサによって構成されてよい。各構成要素が演算に用いる情報、演算の過程で一時的に記憶されるべき情報、演算の結果得られた情報等はメモリ３６に記憶されてよい。

ドプラ波形生成部２８は、繰り返し周期で受信回路１６から順次出力された受信信号に基づいてドプラ波形データを生成する。ドプラ波形データが示すドプラ波形は、横軸を時間軸とし縦軸を速度軸（ドプラシフト周波数軸）とした場合の時間波形として定義される。複数の画素が縦横に配列された画像によってドプラ波形を表す場合、各時間に対して縦方向に配列された複数の画素（画素ライン）の各画素値は、ドプラシフト周波数軸上に表される周波数スペクトラムを表す。

図２には、心臓の僧帽弁口における血流速度を表すドプラ波形が概念的に示されている。横軸は時間を示し縦軸は血流速度を示す。図３には、心臓の僧帽弁口における血流速度につき実測されたドプラ波形が示されている。図２および図３には、各心拍周期Ｔにおいて２つのピークＰＥおよびＰＡが現れる例が示されている。１心拍周期において先にピークが現れる波形はＥ波と称され、後にピークが現れる波形はＡ波と称される。心臓の診断では、Ｅ波の波高値とＡ波の波高値が測定される。なお、波高値は、時間波形に現れるピークの極大値の絶対値として定義される。

超音波診断装置は、図１に示されているように、方向が異なる２つの送信ビーム４０および４２を時分割処理によって形成してもよい。超音波診断装置は、一方の送信ビーム上に設定されたゲートｇ１および他方の送信ビーム上に設定されたゲートｇ２のそれぞれについて、時分割処理によってドプラ波形を求めてもよい。すなわち、超音波診断装置は、ある時間帯において一方の送信ビーム４０上に設定されたゲートｇ１についてドプラ波形を求め、他の時間帯において他方の送信ビーム４１上に設定されたゲートｇ２についてドプラ波形を求めてもよい。

ドプラ波形生成部２８は、複数の心拍周期に亘ってドプラ波形データを生成する。心電計２６は、被検体の心拍波形を表す心拍波形データを演算デバイス１８に出力する。表示処理部３８は、ドプラ波形および心拍波形を複数の心拍周期に亘って示す診断画像データを生成し、表示部２０に出力する。表示部２０は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等であってよい。また、表示部２０は、操作部２４と共にタッチパネルを構成してもよい。表示部２０は、診断画像データに基づいて、ドプラ波形および心拍波形を複数の心拍周期に亘って示す診断画像を表示する。

ドプラ波形のピークを検出するピーク検出処理が以下に説明される。ピーク検出処理は、超音波診断装置がフリーズ状態にあるときに実行されてよい。フリーズ状態は、表示部２０に表示される画像が静止した状態である。フリーズ状態では、複数の心拍周期に亘るドプラ波形データおよび心拍波形データがメモリ３６に記憶されている。また、フリーズ状態では、送受信部１２は動作を停止してもよく、超音波プローブ１０からは超音波パルスが送信されなくてもよい。

計測時相探索部３０は、操作部２４におけるユーザの操作に従って計測時相を決定する。計測時相は、ドプラ波形のピークが検出される心拍周期である。具体的には、操作部２４における操作に応じた制御部２２の制御に従って、計測時相探索部３０はメモリ３６に記憶された心拍波形データを参照し、複数の心拍周期の中から計測時相を特定する。

トレース処理部３２は、計測時相に対応するドプラ波形データに対してトレース処理を施す。トレース処理は、ノイズが抑制されたドプラ波形を求める処理である。ノイズが抑制されたドプラ波形を示すトレース後・ドプラ波形データが、トレース処理によって求められる。複数の画素が縦横に配列された画像によってドプラ波形が表される場合、例えば、画素値が所定の閾値を超える画素を抽出することで、トレース後・ドプラ波形データが求められる。

ピーク検出処理部３４は、トレース後・ドプラ波形データに対しピーク検出処理を実行する。ピーク検出処理は、トレース後・ドプラ波形データによって表されるドプラ波形のピークの時間軸上での位置を求め、さらに、そのピークの波高値を求める処理である。図４には、ピーク検出処理の流れを示すフローチャートが示されている。図５には、ドプラ波形に対するピーク検出処理を時間波形によって説明する図が示されている。図５における横軸は時間を示し縦軸は速度を示す。

ピーク検出処理部３４は、トレース後・ドプラ波形データに対して平滑化処理を施す（Ｓ１０１）。平滑化処理は、時間軸方向に沿った移動平均化処理等であってもよい。移動平均化処理は、ある時間におけるドプラ波形の値を、その時間を含む所定時間長の時間帯でのドプラ波形の平均値に置き換える処理である。図５（ａ）には、平滑化処理が施される前のドプラ波形が示されている。図５（ｂ）には、平滑処理化処理が施された平滑化ドプラ波形が示されている。

ピーク検出処理部３４は、平滑化ドプラ波形データに対する一階微分処理を実行し、さらに、二階微分処理を実行する（Ｓ１０２）。図５（ｃ）には、一階微分処理によって得られる一階微分ドプラ波形が示されている。図５（ｄ）には、二階微分処理によって得られる二階微分ドプラ波形が示されている。一階微分ドプラ波形は、平滑化ドプラ波形の傾きを表す。

二階微分ドプラ波形は、その極性によって、平滑化ドプラ波形が上に凸（速度軸の正方向に凸）であるか、下に凸（速度軸の負方向に凸）であるかを示す。すなわち、二階微分ドプラ波形の値が負である時間帯では、平滑化ドプラ波形は上に凸であり、二階微分ドプラ波形の値が正である時間帯では、平滑化ドプラ波形は下に凸である。

ピーク検出処理部３４は、二階微分ドプラ波形の値が負になるピーク検出区間を特定する（Ｓ１０３）。ピーク検出処理部３４によって複数のピーク検出区間が特定されてもよい。心臓の僧帽弁口における血流速度を表すドプラ波形については、一般に複数のピーク検出区間が特定される。図５（ｄ）に示されている例では、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間帯と、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの時間帯がピーク検出区間である。

ピーク検出処理部３４は、各区間について検出対象ドプラ波形のピークを検出する（Ｓ１０４）。ピーク検出処理部３４は、さらに、検出されたピークについて波高値を取得し（Ｓ１０５）、ピーク規模を算出する（Ｓ１０６）。ピーク規模は、ピーク検出区間の時間長が大きい程大きく、ピーク検出区間における平滑化ドプラ波形の波高値が大きい程大きくなる値である。ピーク規模は、例えば、ピーク検出区間の時間長と、波高値との積として定義される。また、ピーク規模は、ピーク検出区間における平滑化ドプラ波形の時間積分値（面積）として定義されてもよい。また、ピーク規模は、ピーク検出区間の時間長と波高値の加算値として定義されてもよい。

ピーク検出処理部３４は、複数のピーク検出区間が特定されたときは、複数のピーク検出区間のそれぞれに対して、平滑化ドプラ波形の波高値とピーク規模を求める。ピーク検出処理部３４は、複数のピーク検出区間について、ピーク規模に基づく順位付けを行い（Ｓ１０７）、ピーク規模が最も大きい第１ピーク検出区間と、ピーク規模が２番目に大きい第２ピーク検出区間を特定する。

ピーク検出処理部３４は、Ｅ波およびＡ波のピークを特定する（Ｓ１０８）。すなわち、ピーク検出処理部３４は、第１ピーク検出区間および第２ピーク検出区間のうち、時相が早い一方における検出対象ドプラ波形のピークの位置をＥ波のピークの位置として求めると共に、そのピークに対して先に取得された波高値をＥ波の波高値として求める。また、ピーク検出処理部３４は、第１ピーク検出区間および第２ピーク検出区間のうち、時相が遅い他方における検出対象ドプラ波形のピークの位置をＡ波のピークの位置として求めると共に、そのピークに対して先に取得された波高値をＡ波の波高値として求める。

ピーク検出処理部３４は、Ｅ波の波高値およびＡ波の波高値に基づいて、評価指標を求める。評価指標は、例えば、Ｅ波の波高値をＡ波の波高値で除した値として定義される。ピーク検出処理部３４は、評価指標、Ｅ波の波高値およびＡ波の波高値を表示処理部３８に出力する。表示処理部３８は、評価指標、Ｅ波の波高値およびＡ波の波高値を表示部２０に表示させる。

上記のピーク検出処理では、Ｅ波およびＡ波の各ピークを検出対象ピークとし、平滑化ドプラ波形の二階微分値が負である複数のピーク検出区間が特定される。そして、各ピーク検出区間におけるピーク規模が求められ、ピーク規模に基づく順位付けに基づいて、Ｅ波およびＡ波に対応するピーク検出区間が特定される。さらに、Ｅ波に対応するピーク検出区間においてＥ波のピークの位置および波高値が求められ、Ａ波に対応するピーク検出区間においてＡ波のピークの位置および波高値が求められる。

平滑化ドプラ波形の二階微分値が負である時間帯をピーク検出区間とする理由は、検出対象ピークが速度軸の正側に凸（上に凸）であるためである。検出対象ピークが速度軸の負側に凸（下に凸）である場合には、平滑化ドプラ波形の二階微分値が正である時間帯がピーク検出区間とされる。

図６には実測されたドプラ波形が示されている。図６（ａ）には、心臓の僧帽弁口における血流速度を示すドプラ波形が示され、図６（ｂ）には、心臓の僧帽弁輪の運動速度を示すドプラ波形が示されている。図６（ａ）および（ｂ）に示されているドプラ波形は、方向が異なる２つの送信ビームに基づいて、時分割処理によって求められてよい。なお、図６（ｃ）には、心電計２６によって得られた心拍波形データに基づく心拍波形が示されている。

心臓の僧帽弁輪の運動速度を示すドプラ波形におけるＥ波およびＡ波の各ピークは、下に凸である。したがって、Ｅ波およびＡ波のピークを特定する場合には、次のような処理が実行される。すなわち、ピーク検出処理において平滑化ドプラ波形の二階微分値が正である複数のピーク検出区間が特定される。そして、各ピーク検出区間におけるピーク規模が求められ、ピーク規模に基づく順位付けに基づいて、Ｅ波およびＡ波に対応するピーク検出区間が特定される。さらに、Ｅ波に対応するピーク検出区間においてＥ波のピークの位置および波高値が求められ、Ａ波に対応するピーク検出区間においてＡ波のピークの位置および波高値が求められる。

ピーク検出処理部３４は、僧帽弁輪の運動速度から求められたＥ波の波高値に対する、僧帽弁口における血流速度から求められたＥ波の波高値の比として定義される拡張能を求めてもよい。ピーク検出処理部３４は、Ｅ波のピークの位置およびＡ波のピークの位置を表す情報を表示処理部３８に出力する。表示処理部３８は、各ピークの位置を示す情報を表示部２０に表示させる。また、ピーク検出処理部３４は、僧帽弁口における血流速度による評価指標、Ｅ波の波高値およびＡ波の波高値を表示処理部３８に出力すると共に、僧帽弁輪の運動速度による評価指標、Ｅ波の波高値およびＡ波の波高値、拡張能を表示処理部３８に出力してもよい。表示処理部３８は、ピーク検出処理部３４から出力された各値を表示部２０に表示させる。

なお、上記では、２つのピークを検出対象ピークとする実施形態が示されたが、検出対象ピークは１つであってもよい。この場合、複数のピーク検出区間が特定された場合には、ピーク規模が最大であるピーク検出区間においてピークの位置および波高値が求められる。また、検出対象ピークは３つ以上であってもよい。この場合、検出対象ピークの数をＮとして、ピーク規模が大きい順位で上位Ｎ個のピーク検出区間においてピークの位置および波高値が求められる。

ピーク検出処理は、次の（１）～（５）の事項に基づく方法に基づいている。（１）超音波の送受信によって得られた信号に基づいてドプラ波形を生成すること。（２）ドプラ波形に対して二階微分処理を施すこと。（３）二階微分処理によって得られた二階微分値の極性が、検出対象ピークの曲線に応じた極性となるピーク検出区間を特定すること。例えば、検出対象ピークが上に凸である場合には、二階微分値が負である時間帯をピーク検出区間とし、検出対象ピークが下に凸である場合には、二階微分値が正である時間帯をピーク検出区間とすること。（４）複数のピーク検出区間のそれぞれについてピーク規模を求めること。ピーク規模は、ピーク検出区間の時間長と、ピーク検出区間におけるドプラ波形のピーク波高値とに基づく値である。ピーク規模は、ピーク検出区間の時間長が大きい程大きく、ピーク検出区間におけるドプラ波形の波高値が大きい程大きい値であってよい。（５）各ピーク検出区間に対応するピーク規模に基づいて、ドプラ波形におけるピークを検出すること。具体的には、１心拍分のドプラ波形について、ピーク規模が上位の２つとなる２つのピーク検出区間のうち、時相が早い方のピーク検出区間におけるドプラ波形のピークがＥ波のピークとして検出され、時相が遅い方のピーク検出区間におけるドプラ波形のピークがＡ波のピークとして検出される。

演算デバイス１８における記憶媒体としてのメモリ３６には、上記（１）～（５）の事項に基づく方法に従った処理を実行するためのプログラムが記憶されてもよい。

このようなピーク検出処理によれば、ドプラ波形の凹凸に応じてピーク検出区間が特定された上で、各ピーク検出区間におけるピークの規模に基づいて、ドプラ波形に現れる複数のピークのうちの検出対象ピークが特定される。これによって、ピーク規模が比較的小さい検出対象でないピークが誤って検出されてしまうことが回避される。

例えば、心臓の僧帽弁口における血流速度を示すドプラ波形には、図７に示されるように、Ｅ波およびＡ波と時間軸上での位置関係が一定となるインパルス状ノイズ５０が現れることがある。このようなインパルス状ノイズ５０は、血液のみならず心臓の組織が送信ビーム上に位置することによって生じる場合がある。各実施形態に係るピーク検出処理によれば、このようなインパルス状ノイズを検出対象ノイズとして誤検出してしまうことが回避される。

１０ 超音波プローブ、１２ 送受信部、１４ 送信回路、１６ 受信回路、１８ 演算デバイス、２０ 表示部、２２ 制御部、２４ 操作部、２６ 心電計、２８ ドプラ波形生成部、３０ 計測時相探索部、３２ トレース処理部、３４ ピーク検出処理部、３６ メモリ、３８ 表示処理部、５０ インパルス状ノイズ。

Claims (5)

1. 超音波の送受信によって得られた信号に基づいてドプラ波形を生成し、
   前記ドプラ波形に対して二階微分処理を施し、
   前記二階微分処理によって得られた二階微分値の極性が、検出対象ピークの曲線に応じた一定の極性となるピーク検出区間を特定し、
   複数の前記ピーク検出区間のそれぞれについて、前記ピーク検出区間の時間長と、前記ピーク検出区間における前記ドプラ波形の波高値とに基づくピーク規模を求め、
   複数の前記ピーク検出区間に対応する複数の前記ピーク規模についての順位付けに基づいて、複数の前記ピーク検出区間からいずれかを特定し、
   特定された前記ピーク検出区間から前記ドプラ波形におけるピークを検出する演算デバイス、を備え、
   前記ピーク規模は、前記ピーク検出区間における前記ドプラ波形の時間積分値に基づく値であることを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記ピーク規模は、前記ピーク検出区間の時間長が大きい程大きく、前記ピーク検出区間における前記ドプラ波形の波高値が大きい程大きい値であることを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の超音波診断装置において、
   前記演算デバイスは、
   １心拍分の前記ドプラ波形について、前記ピーク規模が上位の２つとなる２つの前記ピーク検出区間のうち、時相が早い方の前記ピーク検出区間における前記ドプラ波形のピークをＥ波のピークとして検出し、時相が遅い方のピーク検出区間における前記ドプラ波形のピークをＡ波のピークとして検出することを特徴とする超音波診断装置。
4. 超音波の送受信によって得られた信号に基づいてドプラ波形を生成し、
   前記ドプラ波形に対して二階微分処理を施し、
   前記二階微分処理によって得られた二階微分値の極性が、検出対象ピークの曲線に応じた一定の極性となるピーク検出区間を特定し、
   複数の前記ピーク検出区間のそれぞれについて、前記ピーク検出区間の時間長と、前記ピーク検出区間における前記ドプラ波形の波高値とに基づくピーク規模を求め、
   複数の前記ピーク検出区間に対応する複数の前記ピーク規模についての順位付けに基づいて、複数の前記ピーク検出区間からいずれかを特定し、
   特定された前記ピーク検出区間から、前記ドプラ波形におけるピークを検出する工程を含み、
   前記ピーク規模は、前記ピーク検出区間における前記ドプラ波形の時間積分値に基づく値であることを特徴とする超音波診断方法。
5. 超音波診断装置が備える演算デバイスに実行させる超音波診断プログラムにおいて、
   超音波の送受信によって得られた信号に基づいてドプラ波形を生成し、
   前記ドプラ波形に対して二階微分処理を施し、
   前記二階微分処理によって得られた二階微分値の極性が、検出対象ピークの曲線に応じた一定の極性となるピーク検出区間を特定し、
   複数の前記ピーク検出区間のそれぞれについて、前記ピーク検出区間の時間長と、前記ピーク検出区間における前記ドプラ波形の波高値とに基づくピーク規模を求め、
   複数の前記ピーク検出区間に対応する複数の前記ピーク規模についての順位付けに基づいて、複数の前記ピーク検出区間からいずれかを特定し、
   特定された前記ピーク検出区間から、前記ドプラ波形におけるピークを検出する処理を前記演算デバイスに実行させ、
   前記ピーク規模は、前記ピーク検出区間における前記ドプラ波形の時間積分値に基づく値であることを特徴とする超音波診断プログラム。