JPH0225785A - 超音波エコーグラフ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、少なくとも１個の圧電変換器と、超音波ビー
ム伝達ステージと、及び前記変換器へ帰還したエコーグ
ラフ信号ｅを受信し且つ処理するステージとを具える超
音波エコーグラフ装置に関するものである。

（従来の技術とその問題点） 本発明は、特に器官の映像の形成用の医療エコーグラフ
の分野で実際に魅力的に用いれる。

前述の種類の何らかの超音波エコーグラフ装置によって
解決されるべき一般技術問題は、できる限り正確な映像
が、その輪郭に関してと同時にそこに含まれる鏡状壁に
関しても、試験される対象のものとして得られねばなら
ぬのが一般的である。

種々の解答がこの一般技術問題について既に提案されて
きた。特に雑誌フィジーク・アップリケ（Ｐｈｙｓｉｑ
ｕｅ　Ａｐｐ１ｉｑｕ６ｅ）１８（１９８３）の５２７
〜５５６頁にに発表されたエム・フィフク（Ｍ、Ｆｉｎ
ｋ）により論文“イマジュリー・ウルトラソノール”　
　（Ｉｍａｇｅｒｉｅｕｌｔｒａｓｏｎｏｒｅ）が参照
され、その論文はエコーグラフ映像の形成について種々
の局面を論じ尽すほどに分析している。それらがしばし
ば満足な結果を提供するとしても、すべての既知の解答
はそれにも拘らず所定の限界を有しない。器官の輪郭の
決定と低コントラストの対象の探知とは、研究されてい
る対象中の複数の散乱点により生じる建設的及び破壊的
な反響妨害、及び圧電変換器により伝達される超音波の
コヒーレント性による反響妨害によって妨害される。音
響分野におけるこの寄生現象は、光学分野において“ス
ペックル”として知られ且つレーザー放射でしばしば遭
遇する“ライト・グレインズを引き起こす現象と類似す
る。

超音波分野におけるこの妨害雑音の第一の欠点は、一方
ではエコーグラフ映像の質の劣化、特に低コントラスト
の場合における詳細部分の消失であり、他方では広い周
波数帯域と普通の輪郭探知法を非能率にする強い分散と
である。

従って“スペックル″の低減がエコーグラフ映像の改善
には決定的である。これを達成するために種々の方法が
提案されてきた。

一方では、スペックルの関係除去を得るために捕捉に先
だった信号の処理から成る方法がある。

これは、例えば空間構成である〔米国電気・電子通信学
会（ＩＢＢＢ）雑誌、音響光学、超音波学（Ｓｏｎｉｃ
ｓ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ）　、５０２５巻１−６号
（１９７８）中のシー・ビー・パークハード（Ｃ，Ｂ、
　Ｂｕｒｋｈａｒｄｔ）による論文参照〕。この方法は
一般に高品質のエコーグラフ映像を提供する。それは、
然し乍ら、複雑な電子的処理装置の使用を必要とすると
いう欠点を有する。更に、捕捉時間が比較的長く、だか
ら映像のリアルタイム形式が妨げられる。

他方では、例えばスペックルによる変動を有効に低減し
、然し輪郭を拡張することにより映像内へ汚れを導入す
る低域濾波器によって、映像の形成の後に実行される平
滑化方法がある。

従って、本発明により解決されるべき技術問題は、少な
くとも１個の圧電変換器と、超音波ビーム伝達ステージ
と、及び前記変換器へ帰還したエコーグラフ信号ｅを受
信し且つ処理するステージとを具える超音波エコーグラ
フ装置を提案することであり、その超音波エコーグラフ
装置は“信号後処理”形の装置であるが、明確な映像輪
郭を維持し乍らスペックル効果を実質的に低減しなけれ
ばならない。

（課題を解決するための手段） 本発明によって、この問題は、前記受信し且つ処理する
ステージが、領域り内に構成要素ｇを有し且つ前記エコ
ーグラフ信号へ適用される基本的な侵食及び拡張手段に
よって実現される、少なくとも１個のグレイスケール形
態学的フィルターを具えることにより解決される。

数学的形態学とその映像処理への応用は、ジエイ・セラ
（Ｊ、　５ｅｒｒａ）による１９８２年の学術図書“映
像分析と数学的形態学”から、及びパターン分析及び機
械知能についての米国電気・電子学会（ＩＥＢＢ）雑誌
ＰＡＭＩ−９巻第４号（１９８７年７月）の５３２〜５
５０頁から知られる。これらの文書は基本的に２進映像
の形態学的分析に関し、且つ侵食及び拡張動作を介して
、不規則なものが除去され且つそれで正確な測定が実行
され得る映像がいかにして構成され得るかを開示してい
る。数学的形態学は構成の量を計ることを基本的に目指
し、且つ映像はその映像とその映像を横切って移動され
る構成要素として参照“される１個の小さい限られた要
素との間の関係によって具体化する。これらの関係は基
本的には、欠陥（ｄｅｆ　１ｃｉｅｎｃｙ）により更に
構成された映像を図式的に算出する（正確な性質は以下
に詳細に説明する）侵食（ｅｒｏｓｉｏｎ）動作（ｅ　
ｅｇとして表示される）と、逆に過剰（ｅｘｃｅｓｓ）
により更に構成された映像を算出する拡張（ｄｉｌａｔ
ｉｏｎ）動作（ｅ■ｇとして表示される）とから生じる
。厳密に言えば、侵食と拡張とは等次元でないから形態
学的フィルターではない。従って、形態学的動作の侵食
及び拡張に基づくものは閉鎖（ｃｌｏｓｉｎｇ）及び開
放（ｏｐｅｎｉｎｇ）動作として参照し編集される。

閉鎖は侵食に追従される拡張であり、一方開放は拡張に
追従される侵食である。閉鎖と開放とは映像を再構成し
、その映像は更に構成されており且つその寸法は最初の
映像の寸法とほぼ等しいが、然し乍ら、閉鎖はやや大き
くなり、開放はやや小さくなる。映像が２進ではなくて
アナログである普通のエコーグラフでは、この説明で後
に定義するグレースケール形態学的フィルターを使用す
る。

すべてのこれらの動作において、構成する要素の領域り
の大きさが非常に重要であることは明らかになるだろう
。実際に、大きい構成要素は映像の不規則なものが一層
有効に吸収でき、従って実質的に“スペックル”効果を
低減する。然し乍ら、それは同時に考慮された装置の分
解能の劣化をきたす。従って、信号変動の平滑化と小さ
い細部の保全との間の適度な妥協を見出すことが魅力的
である。本発明による特別の変形では、構成要素ｇの領
域りの寸法がエコーグラフ装置の分解能をなるべく超過
しない方がよい。従って、医療分野では決定的である装
置の分解能が維持される。−層正確に言えば、本出願人
は魅力的な形態は構成要素の寸法がエコーグラフ装置の
分解能の半分にほぼ等しい形態であることを実証した。

（実施例） 以下、例をあげて、添付の図面を参照しながら本発明の
詳細な説明する。

第１図は超音波エコーグラフ装置のブロック線図を示し
、圧電変換器１００と、超音波ビーム伝達ステージ２０
０と、及び圧電変換器１００へ帰還したエコーグラフ信
号ｅを受信する受信及び処理ステージ３００と、同時に
機械的な変換器走査制御装置１０１　とを具える。この
変換器の代わりに、電子的走査制御装置を伴う変換器の
列を使用することもできる。この伝達ステージ２００は
、例えば３２ＭＨｚの周波数を有する発振器から成る普
通のシーケンサ−と、及び５　ＭＨｚの繰り返えし周波
数で発生器を制御する分周器とを具え、その発生器の電
気的励起信号がこれらの信号を超音波パルス信号の周期
的な列に変換する圧電変換器１００へ印加される。

この伝達ステージ２００と受信及び処理ステージ３００
とを分離するためのＴ／Ｒスイッチ１０２が圧電変換器
１００と前記ステージ２００．３００との間に挿入され
、受信中の回路が伝達信号により妨害されることを防止
する。

受信及び処理ステージ３００　は、Ｔ／Ｒスイッチ１０
２の出力端子へ接続された、深さの関数としての利得補
償を有する高周波増幅器３０１と、対数圧縮増幅器３０
４と、記憶及び走査変換装置３０５と、及び表示装置３
０６とを具える。第１図かられかるように、受信及び処
理ステージは領域り内に構成要素ｇを有するグレイスケ
ール形態学的フィルター３０２゜３０３をも具え、エコ
ーグラフ信号ｅへ印加される侵食手段３０２ｅ、　３０
３ｅ及び拡張手段３０２ｄ、　３０３ｄによって実現さ
れる。

拡張手段３０２ｄ、　３０３ｄは２元信号ｅ　（ｘ、　
ｙ）を下記関係式による付加的定義で与えられる拡張さ
れた信号Ｄ（ｘ、ｙ）に変形する。

ｘ’　、　ｙ’がＤに属するとき Ｄ（ｘＩ　ｙ）　＝　（ｅ＋ｇ）　（ｘ、　ｙ）＝Ｍａ
ｘ　［：ｅ（ｘ＋ｘ’　、　ｙ＋ｙ’　）＋ｇ（ｘ’　
、　ｙ’　）　）逆に、信号ｅ（ｘ、ｙ）に対して侵食
手段３０２ｅ、　３０３ｅは下式で定義される侵食され
た信号ε（ｘ、　ｙ）を生産する。

ｘ／　、　ｙ／がＤに属するとき Ｅ（ｘ、　ｙ）　＝　（ｅｅｇ）　（ｘ、　ｙ）＝Ｍｉ
ｎ　（：ｅ（ｘ＋ｘ’　、　ｙ＋ｙ’　）−ｇ（ｘ’　
、　ｙ’　）　）第２図の最初のエコーグラフ信号ｅ（
ｘ）に対するこれら２つの動作を図解し、本例では、こ
の最初のａに示したエコーグラフ信号ｅ（ｘ）は散乱環
境内の嚢胞を表現するエコーの包路線である。スペック
ルによる信号の変動は散乱背景中と同様に嚢胞の領域中
にも明らかに見える。第２図ｂ−ｆは“平らな”要素を
参照され且つ次式によって定義される構成要素ｇ（ｘ）
によりこの信号に実行された種々の形態学的作用を図解
する。

領域りを通じてｇ　（ｘ）　＝０ この構成要素と領域りとは第２図ａに示される。

与えられたものから不正な描出へ導き得る信号への大き
い歪を防止するために、構成要素の領域りはなるべく適
当な寸法、即ち多くてもそのエコーグラフ装置の分解能
と等しく寸法状めされる。第２図に示した例では、その
寸法は軸方向分解能の約半分に等しい。

信号ｅ（×）の拡張Ｄ　（ｘ）と侵食Ｂ（ｘ）とが第２
図のｂとＣとにそれぞれ示される。これらの図から、侵
食（拡張）は次式と一致する構成要素の領域りを適して
局所極小（極大）の近くで各試料を単純に置き換えるこ
とがわかる。

Ｘ′がＤに属するとき Ｄ（ｘ）＝Ｍａｘ　ｅ（ｘ＋ｘ’　） Ｘ′がＤに属するとき Ｅ！（ｘ）＝Ｍｉｎ　ｅ（ｘ＋ｘ’　）これらの侵食及
び拡張動作が形態学的閉鎖及び開放動作の定義を可能に
する。この信号ｅ　（ｘ）の閉鎖Ｆ　（ｘ）は次式によ
って与えられる。

Ｆ（ｘ）＝　［：（６０ｇ）ｅｇ〕（ｘ）従って、それ
が拡張へ適用された侵食に関係する。

これが第１図に示した形態学的フィルター３０２により
実行される動作であり、これは侵食手段３０２ｅによっ
て追従される拡張要素３０２ｄを経由して実現される。

逆に開放０（ｘ）は次式によって与えられる。

０（ｘ）＝　（（ｅｅｇ）○ｇ〕（ｘ）この開放動作は
従って拡張によって追従される侵食から成る。拡張手段
３０３ｄによって追従される侵素手段３０３ｅによって
実現される第１図の形態学的フィルター３０３が開放す
る形態学的フィルターである。

第２図ｄ及びｅが第２図ａに示したエコーグラフ信号の
それぞれ閉鎖及び開放を示す。図解的に言えば、開放（
又は閉鎖）が、それらの絶対的高さ（深さ）と無関係に
、最も鋭い先端（窪み）を切り捨てるその能力によって
特徴付けられる。最後に、第２図ｆは、開放する形態学
的フィルター３０３により追従される閉鎖する形態学的
フィルター３０２によって、第２図ａのエコーグラフ信
号ｅ　（ｃ）に実行された閉鎮−開放動作Ｆ　［：０（
ｘ）］の結果を示す。

第２図かられかるように、嚢胞と散乱背景との間の境界
はぼけさせられず、且つ映像の認識はその輪郭の質に強
く依存することが知られていることが強調されるべきで
ある。これが、例えば低域濾波器を超える、形態学的フ
ィルターの実質的な利点を表現する。

異なる映像に実行された試験は、閉鎖する形態学的フィ
ルター３０２と開放する形態学的フィルター３０３とが
、映像品質改善の観点からスペックル低減に最も適して
いることを、出願人に立証した。

第２図ｄとｅとの比較がこれか２つのフィルターの形式
間の相違を示す。

閉鎖する形態学的フィルターは映像中に暗点を発生する
破壊的な妨害による変動を低減する。然し乍ら、連続的
な妨害に関連する先端は残存する。

閉鎖−開放フィルターが後者の先端を切り揄てるが、構
成要素の領域の寸法よりも小さい、血管の壁のような細
かい詳細は見難い。従って、細かい構成が散乱環境内に
存在する場合には、閉鎖フィルターが一層有効であり、
一方、閉鎖−開放フィルターは、例えば輪郭検出工程の
最初の段階用に一層有益であることがわかる。

第２図かられかるように、“平らな”構成要素の使用が
端縁と厳しく切り捨てられた窪み又は先端とを浸み込ま
せることによる不快な映像表現へ導く。２つの方法がこ
の望ましくない効果を除去するために提案され得る。第
１の方法は領域りにおいてｇ≠０ によって規定される立体的な要素の形をした構成要素の
使用である。

第３図は凸面の構成要素ｇ　（ｘ）によって得られた、
第２図ａのエコーグラフ信号の閉鎖されたＦ’　（ｘ）
を示す。

第２の方法は、立体的構成要素の場合に、次式のごとき
侵食及び拡大動作の掛算的定義の使用である。

Ｘ　′、　ｙ／がＤに属するとき （ｅ（）ｇ）　（ｘ、　ｙ）＝Ｍｉｎ　ｅ（ｘ＋ｘ’　
、　ｙ＋ｙ’　）　／　ｇ（ｘ’　、　ｙ’　）ｘ′、
ｙ′がＤに属するとき （ｅ■ｇ）（ｘ、ｙ）＝Ｍａｘ　ｅ（ｘ＋ｘ’　、ｙ＋
ｙ’　）　Ｘ　ｇ（ｘ’　、ｙ’　）第４図は前述の掛
算的動作によって得られた、第２図ａに示されたエコー
グラフ信号の閉鎖されたＦ’　（ｘ）を示す。

いずれの場合にも浸み込み移行が一層進行的になること
がわかる。理論上は、第２の方法（掛算的方法として参
照された）は頂上と谷間とが平均して鋭くない低コント
ラスト領域でより良い平滑化を提供する。然し乍ら、構
成要素が適当に選ばれた場合には、実際には２つの方法
はほぼ同じ結果へ導くことを出願人は見出した。他方、
付加的な方法がもっと容易に実行され得ることは注意さ
れるべきである。

１次元映像ｅ（ｘ）に関して発展されたすべての思考が
、２次元エコーグラフ映像ｅ（ｘ、ｙ）にも適用できる
。然し乍ら、後者の場合には、幾つかの要求が構成要素
の形状に関して課せられる。

最も単純な構成要素はその領域りが矩形であり（正方形
状も含んで）、その矩形寸法はエコーグラフ装置の軸方
向及び横方向の分解能に適応される。軸方向分解能は横
方向分解能よりも一般に高い。

矩形構成要素による映像の不快な表現を避けるために、
楕円形であり且つその長軸（短軸）が横方向分解能（軸
方向分解能）の半分に事実上等しい領域りを有する平ら
な構成要素の使用が有利である。

“平らな”構成要素を使用する代わりに、例えば２つの
別のガウス関数 ｇ（ｘ、　ｙ）　＝ｋｇａｘ（ｘ）ｇＬａｔ（ｙ）ここ
で、ｇａＭ（ｘ）　＝ｅｘｐ（−ｘ”／　σ、２）ｇｔ
ａｔ　（ｙ）　＝ｅｘｐ（−ｙ”／σ【２）の形で書か
れ得る立体的構成要素を使用することも可能である。

この場合には領域りはガウス関数の凸部分に制限される
。

部分的走査を伴うエコーグラフ装置の場合には、構成要
素の方向が全体映像を横切るビームの方向を追従しなけ
ればならぬことも注意されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波エコーグラフのブロック線
図を示し、 第２図は平らな構成要素の場合におけるエコーグラフ信
号ａの、拡張ｂ１侵食Ｃ１閉鎖ｄ１開放ｅ１及び閉鎮−
開放ｆのそれぞれグラフを示し、第３図は立体的構成要
素の場合における第２図ａのエコーグラフ信号の閉鎖を
示し、 第４図は掛算的形態学の場合における第２図ａのエコー
グラフ信号の閉鎖を示す。 １００・・・圧電変換器 １０１・・・走査制御装置 １０２　・・・Ｔ／Ｒスイッチ ２００・・・伝達ステージ ３００・・・受信及び処理ステージ ３０１・・・開放する形態学的フィルター３０２ｄ・・
・拡張手段 ３０２ｅ・・・侵食手段 ３０３・・・閉鎖する形態学的フィルター３０３ｄ・・
・拡張手段 ３０３ｅ・・・侵食手段 ３０４・・・対数圧縮増幅器 ３０５・・・記憶及び走査変換器 ３０６・・・表示装置 ｅ・・・エコーグラフ信号 ｇ・・・構成要素

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも１個の圧電変換器（１００）と、超音波
   ビーム伝達ステージ（２００）と、及び前記圧電変換器
   （１００）へ帰還したエコーグラフ信号ｅを受信し且つ
   処理する受信及び処理ステージ（３００）とを具える超
   音波エコーグラフ装置において、 前記受信及び処理ステージ（３００）が、領域Ｄ内に構
   成要素ｇを有し且つ前記エコーグラフ信号へ適用される
   基本的な侵食手段（３０２ｅ、３０３ｅ）及び拡張手段
   （３０２ｄ、３０３ｄ）によって実現される、少なくと
   も１個のグレイスケール形態学的フィルター（３０２、
   ３０３）を具えることを特徴とする超音波エコーグラフ
   装置。 ２、構成要素ｇの領域Ｄの寸法が最大でも前記エコーグ
   ラフ装置の分解能の半分に等しいことを特徴とする請求
   項１記載の超音波エコーグラフ装置。 ３、構成要素ｇの領域Ｄの寸法が前記エコーグラフ装置
   の分解能の半分に実質的に等しいことを特徴とする請求
   項２記載の超音波エコーグラフ装置。 ４、前記形態的フィルター（３０２）が侵食手段（３０
   ２ｅ）により追従される拡張手段（３０２ｄ）によって
   実現される閉鎖するフィルターであることを特徴とする
   請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波エコーグラフ
   装置。 ５、前記閉鎖する形態的フィルター（３０２）が、拡大
   手段（３０３ｄ）により追従される侵食手段（３０３ｅ
   ）によって実現される開放する形態学的フィルター（３
   ０３）により追従されることを特徴とする請求項４記載
   の超音波エコーグラフ装置。 ６、構成要素ｇが領域Ｄでｇ＝０で定義される平らな要
   素であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項
   記載の超音波エコーグラフ装置。 ７、構成要素ｇが領域Ｄでｇ≠０で定義される立体的要
   素であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項
   記載の超音波エコーグラフ装置。 ８、拡張手段（３０２ｄ、３０３ｄ）及び侵食手段（３
   ０２ｅ、３０３ｅ）がそれぞれ次の動作により定義され
   ることを特徴とする請求項６又は７記載の超音波エコー
   グラフ装置。 ｘ′、ｙ′がＤに属するとき （ｅ＋ｇ）（ｘ、ｙ）＝Ｍａｘ〔ｅ（ｘ＋ｘ′、ｙ＋ｙ
   ′）＋ｇ（ｘ′、ｙ′）〕ｘ′、ｙ′がＤに属するとき （ｅ−ｇ）（ｘ、ｙ）＝Ｍｉｎ〔ｅ（ｘ＋ｘ′、ｙ＋ｙ
   ′）−ｇ（ｘ′、ｙ′）〕９、拡張手段（３０２ｄ、３
   ０３ｄ）及び侵食手段（３０２ｅ、３０３ｅ）がそれぞ
   れ次の動作により定義されることを特徴とする請求項７
   記載の超音波エコーグラフ装置。 ｘ′、ｙ′がＤに属するとき （ｅ＋ｇ）（ｘ、ｙ）＝Ｍａｘ　ｅ（ｘ＋ｘ′、ｙ＋ｙ
   ′）×ｇ（ｘ′、ｙ′）ｘ′、ｙ′がＤに属するとき （ｅ−ｇ）（ｘ、ｙ）＝Ｍｉｎ　ｅ（ｘ＋ｘ′、ｙ＋ｙ
   ′）／ｇ（ｘ′、ｙ′）１０、領域Ｄが矩形であること
   を特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載のエコー
   グラフ装置。 １１、領域Ｄが楕円形であることを特徴とする請求項１
   〜９のいずれか１項記載のエコーグラフ装置。 １２、構成要素が ｇ（ｘ、ｙ）＝ｋｇ＿ａ＿ｘ（ｘ）ｇ＿ｔ＿ａ＿ｔ（ｙ
   ）ここでｇ＿ａ＿ｘ（ｘ）＝ｅｘｐ（−ｘ＾２／σ＿ａ
   ＾２）及びｇ＿ｔ＿ａ＿ｔ（ｘ）＝ｅｘｐ（−ｙ＾２／
   σ＿ｔ＾２）で与えられ、領域Ｄは前記ガウス関数ｇ＿
   ａ＿ｘ（ｘ）及びｇ＿ｔ＿ａ＿ｔ（ｙ）の凸部に制限さ
   れていることを特徴とする請求項９記載のエコーグラフ
   装置。