JPH06285064A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 心筋や血管壁等の収縮・拡張運動する器官の
速度画像を高精度に表示する。 【構成】 全体の運動を並進運動や回転運動等の組織が
一体化して移動する運動成分と組織が収縮・拡張運動す
る成分とに分離し、組織が一体化して移動する運動成分
を取除く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被検体の断層増を被侵
襲で撮影する超音波診断装置に係り、特に、運動速度を
表示する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、医用診断装置の開発が進められる
中で、被検体の断層像を非侵襲で撮影する超音波診断装
置が多く用いられている。このような超音波診断装置と
して、従来より、血流速度の検出を目的とした超音波カ
ラードプラ装置が採用されている。これは、ドプラ法に
基づき血流からの超音波受信信号よりプラシフト周波数
成分を検出し、これより血流速度を求め、２次元速度分
布をカラー表示するものである。

【０００３】つまり、操作者はカラー表示を見て血液の
流れる方向、流速を知ることができる。

【０００４】また、これに関連して例えば特願平４−２
６５０５２号に示されるように、心筋や血管壁など体内
で収縮・拡張運動する器官の運動速度検出にカラードプ
ラ法を適用する技術が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、心筋や
血管壁などの運動を検出する場合、その収縮・拡張運動
の大きさや部位間の差異の検出が重要であり、実際の組
織ではさらに全体的な並進や回転運動などが重畳されて
いる場合が多いので、従来の方法では精度のよい検出が
できない。従って、医師がカラードプラ像より心筋の収
縮能力を評価する場合、この収縮・拡張以外の速度成分
のために正しく評価できないという欠点があった。

【０００６】この発明はこのような従来の課題を解決す
るためになされたもので、その目的とするところは、心
筋や血管壁等、収縮・拡張運動する器官の２次元速度分
布像より心筋の収縮・拡張運動以外の速度成分を除去
し、収縮・拡張速度成分のみの２次元速度分布像を表示
することの可能な超音波診断装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は２次元
速度布像より対象領域内の組織のほぼ一体化した運動成
分を推定し除去する。推定法としては最小自乗法を例に
説明する。

【０００８】いま、左室心筋の運動をセクタプローブで
体表から超音波ドプラ法で検出する例を用いると、左室
心筋の運動は、収縮・拡張運動にともなうほぼ相似な変
形運動と左室心筋全体の並進運動および左室心筋の回転
運動に概ね分解できる。この仮定は、心筋に異常をきた
し左室形状の変形運動が大きい場合は成り立たないが、
健常者の場合は収縮・拡張時も相似形をほぼ保ってい
る。多くの虚血性疾患患者でもこの仮定は許容されると
考えらえる。この速度成分の中で心筋の収縮能力を評価
するためには、全体的に一様に重畳されている並進運動
および回転運動を除去することが重要である。

【０００９】そこで、左室心筋より得られた各部の運動
速度より並進運動および回転運動を最小２乗法により推
定する。すなわち、図５に示すように計算領域の運動は
収縮・拡張運動（収縮の速さα）と全体的な並進運動
（ｖ）および回転運動（角速度ω）に分解できるとし、
最小２乗法で下式のとおりα，ｖ，ωを推定する。心筋
の運動の様態によっては並進運動あるいは回転運動成分
を省略しても良い。収縮中心は適当な方法で既に求めら
れているものとする。

【００１０】まず、図６に示すように各パラメータを設
定する。即ち、

【外１】 ただし、斜体文字はベクトルを表す。

【００１１】そして、以下に示す仮定を設定する。

【００１２】(1) 収縮中心は一点である（一点に向かっ
て全体が収縮）。

【００１３】(2) 収縮中心と回転中心は一致している。

【００１４】(3) 収縮による輪郭の変形はほぼ相似であ
り、収縮中心に対してほぼ一様な速度で収縮する。

【００１５】そして、前記したように心筋の運動は、並
進、回転、相似な収縮に分解される

【外２】

【数１】

【外３】 △ｖ_N はｖ_m ，α，ωにて記述されるモデルにより推定
される各ピクセルの運動速度と実際に観測される運動速
度との差分であり、モデルで説明できない局所的な変形
を示す。

【００１６】いま、ドプラ法による観測されるビーム速
度成分をｖ_N とすると、次の（２）式が得られる。

【００１７】

【数２】 ここで、次のように展開する。

【００１８】

【数３】 よって、

【数４】 故に、

【数５】

【数６】

【数７】 従って、並進と回転が複合したパラメータとしてζとη
を考えると、（７）式が得られる。

【００１９】 ζ＝ｖ_mx＋ｙ_o ω …（５） η＝ｖ_my＋ｘ_o ω …（６）

【数８】 ここで、ζ，η，αを推定し（推定方法は種々のもがあ
り、周知であるのでこ

【外４】 る。

【００２０】この並進及び回転運動の成分を除去する
と、各ピクセルの収縮速度は次の（８）式で示される。

【００２１】

【数９】 全体的に一様に重畳された並進および回転運動を除去し
た後の心筋運動速度成分Ｕ_N は、心筋の収縮・拡張運動
にともなう変形運動を示すものとみなされる。この例で
は、一般的なドプラ法を用いているため、速度の原デー
タはビーム方向成分であるが、収縮中心を仮定すること
によりこのいわゆる角度依存性は上式では補正されてい
る。この２次元速度分布を表示することにより、心筋の
収縮異常の部位を検出・評価できる。

【００２２】ここで、収縮中心の決定にはいくつかの方
式が考えられる。

【００２３】(1) 視察で左室中心を求め、キーボード・
マウス・トラックボールなどの適当な入力部から左室中
心データを入力し演算に利用する。

【００２４】(2) 左室輪郭をＢモードあるいは血流のカ
ラードプラモードより求め、左室の面積重心を収縮の中
心として演算に利用する。

【００２５】(3)(1)および(2) の中心データの近傍も収
縮中心の候補として上記の最小２乗演算をし、相関係数
が最も良い場合の推定されたパラメータを利用する。

【００２６】計算領域は対象臓器上とし、さらにＲＯＩ
指定により限定しても良い。また、対象臓器の同定は、
Ｂモードの輝度レベルあるいはドプラのパワーモードレ
ベルあるいはそれらのレベル変化量をベースに各種画像
フィルタで処理し行う。

【００２７】断層面内の速度ベクトルデータが検出され
た場合は、上記した(3）式の代わりに下記式（９）（１
０）となり、同様の最小２乗推定ができる。

【００２８】即ち、（１）式より、

【数１０】 ここで、ｘ軸方向とｙ軸方向に成分分解すると、

【数１１】 と定義して、

【数１２】 この場合、全体の動きによる並進運動成分と回転運動成
分を独立に推定可能である。

【００２９】本方式において、（１）式により示した臓
器の運動モデルは一例である。モデルは対象とされる臓
器及び断面より適当に定められる。最小２乗法により、
臓器あるいは対象とする組織のほぼ一体化した運動成分
を推定することができる。

【００３０】また、ここでは収縮中心を仮定したモデル
を示したが、これも一例である。収縮方向が一点と仮定
できない場合は、この例にとらわれることなく、適当な
運動モデルの設定を行なうことができる。

【００３１】対象の一体化した運動の推定法として最小
２乗法を用いて説明したが、一体化した並進運動の場合
は、全体あるいは推定された領域の平均速度により推定
することができる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明が適用された超音波診断装置の第１
実施例の構成を示すブロック図である。

【００３３】図に示すように、この超音波診断装置は、
被検者との間で超音波信号の送受信を担う超音波プロー
ブ２と、この超音波プローブ２を駆動し且つ超音波プロ
ーブ２の受信信号を処理する装置本体１０と、この装置
本体１０に接続され且つ心電情報を検出するＥＣＧ（心
電計）１と、装置本体１０に接続され且つオペレータか
らの指示情報を装置本体に出力可能な操作パネル１４と
を備える。

【００３４】操作パネル１４には、ＲＯＩの設定や収縮
中心の情報を入力するためにマウス１２やトラックボー
ル１３などが接続あるいは設置されている。

【００３５】装置本体１０は、その扱う信号経路の種別
により超音波プローブ系統、ＥＣＧ系統及び操作パネル
系統に大別することができる。超音波プローブ系統とし
ては、超音波プローブ２に接続された超音波送受信部４
を備え、この超音波送受信部４の出力側に配置されたＢ
モード用ＤＳＣ（デジタルスキャンコンバータ）部５、
Ｂモード用フレームメモリ（ＦＭ）１１、メモリ合成部
８及び表示器９を備える一方、同じく超音波プローブ２
に接続された、カラーフローマッピング（ＣＦＭ）のた
めの位相検波部１７、フィルタ部１８、周波数解析部１
９、ＣＦＭ用ＤＳＣ部２０、およびＣＦＭ用フレームメ
モリ２２を備えている。また、ＥＣＧ系統としては、Ｅ
ＣＧ１に接続されたＥＣＧ用アンプ３を備え、このアン
プ３の出力側に接続されたトリガ信号発生器６及び参照
データメモリ７を備える。さらに、操作パネル系統とし
ては、操作パネル１４からの操作情報を入力するＣＰＵ
（中央処理装置）１５と、このＣＰＵ１５の管理下に置
かれるタイミング信号発生器１６とを備える。なお、Ｃ
ＰＵ１５は、オペレータが操作パネル１４を介して指令
したＲＯＩ（関心領域）の設定信号を、ＲＯＩ設定に必
要な各構成に供給できるようになっている。

【００３６】また、マウスなどからの収縮中心情報を、
全体の動き解析部２５に供給できるようになっている。

【００３７】超音波プローブ２は、短冊状の複数の圧電
振動子を配列されたトランスデューサを内臓している。
各圧電振動子は、超音波送受信部４からの駆動信号によ
って励振できる。各駆動信号の遅延時間を制御すること
により、スキャン方向を変更してセクタ電子走査可能に
なっている。超音波送受信部４の遅延時間パターンは、
後述するタイミング信号発生器１６から送られてくる基
準信号を基準時として、ＣＰＵ１５により制御される。
超音波送受信部４は、スキャン方向に対応して遅延時間
パターンが制御された駆動電圧信号を超音波プローブ２
に出力する。この駆動電圧信号を受けた超音波プローブ
２は、そのトランスデューサにおいて電圧信号を超音波
信号に変換する。この変換された超音波信号は、被検者
の器官に向けて送波される。この送波された超音波信号
は、心臓を含む各組織で反射され、再び超音波プローブ
２に戻ってくる。そこで、プローブ２内のトランスデュ
ーサでは反射超音波信号が再び電圧信号（エコー信号）
に変換され、そのエコー信号は超音波送受信部４に出力
される。

【００３８】上記超音波送受信部４の信号処理回路は、
送信時と同様に、入力したエコー信号に遅延をかけて整
相加算し、スキャン方向に超音波ビームを絞ったと等価
なエコービーム信号を生成する。この整相加算されたエ
コービーム信号は、検波された後、Ｂモード用ＤＳＣ部
５に出力される。このＤＳＣ部５は超音波走査のエコー
データを標準テレビ走査のデータに変換し、メモリ合成
部８に出力する。また、これと並行して、Ｂモード用Ｄ
ＳＣ部５は、任意の心位相における複数枚の画像データ
をＢモード用フレームメモリ１１に記憶させる。

【００３９】一方、超音波送受信部４で処理されたエコ
ー信号は、位相検波部１７にも出力される。位相検波部
１７はミキサとローパスフィルタを備える。心筋のよう
な運動をしている部位で反射したエコー信号は、ドプラ
効果によって、その周波数にドプラ偏移（ドプラ周波
数）を受けている。位相検波部１７はそのドプラ周波数
について位相検波を行い、低周波数のドプラ信号のみを
フィルタ部１８に出力する。

【００４０】フィルタ部１８は、運動速度の大きさが
「心筋＜弁＜血流」の関係にあることを利用して、位相
検波されたドプラ信号から、心臓壁以外の弁運動、血流
などの不要なドプラ成分を除去し、超音波ビーム方向の
心筋のドプラ信号を効率良く検出する。この場合、フィ
ルタ部１８はローパスフィルタとして機能する。

【００４１】上記フィルタ部は既に実用化されている、
血流情報を得るためのカラードプラ断層装置にも搭載さ
れているものである。この血流情報を得るカラードプラ
断層装置の場合には、血流と心臓壁、弁運動とのドプラ
信号が混在した信号に対してハイパスフィルタとして機
能させ、血流以外のドプラ信号を除去している。このた
め、フィルタ部は装置の目的に応じてローパスフィルタ
とハイパスフィルタとを切換可能にすることで汎用性を
高めることができる。

【００４２】フィルタ部１８でフィルタリングされたド
プラ信号は、次段の周波数解析部１９に出力される。周
波数解析部１９は、超音波ドプラ血流計測で用いられて
いる血流信号（ドプラ信号）の代表的な周波数分析法で
あるＦＦＴ法及び自己相関法を応用するものであり、個
々のサンプルボリュームにおける観測時間（時間窓）内
での平均速度や最大速度を演算する。具体的には、例え
ば、ＦＦＴ法又は自己相関法を用いてスキャン各点の平
均ドプラ周波数（即ち、その点での観測対象の運動の平
均速度）や分散値（ドプラスペクトラムの乱れ度）を，
さらにはＦＦＴ法を用いてドプラ周波数の最大値（即
ち、その点での観測対象の運動の最大速度）などをリア
ルタイムで演算する。

【００４３】ここで演算された速度は、次段のＣＦＭ用
ＤＳＣ部２０に出力される。ＣＦＭ用ＤＳＣ部２０は、
走査方式変換用のＤＳＣ２０ａと速度データをカラー化
するためにルックアップ用テーブルを備えたカラー回路
２０ｂを備えている。

【００４４】ＤＳＣ２０ａで超音波走査信号が標準テレ
ビ走査信号に変換されると共に、カラー回路２０ｂでカ
ラー表示用データに変換され、その変換信号が、メモリ
合成部８に出力される。

【００４５】本実施例では、ＣＦＭ用ＤＳＣ部２０に大
容量のＣＦＭ用フレームメモリ２２が設置されている。
このフレームメモリ２２は最低１心拍分以上のＣＦＭデ
ータが保管可能であり、全体の動き解析部２５に対して
データの入出力が可能である。フレームメモリに保管さ
れるデータは、走査線のデータのみでも良いし、標準テ
レビ走査信号に変換されたデータでも良い。

【００４６】全体の動き解析部２５では、各フレームの
ＣＦＭデータと対応するＢモードデータおよびＣＰＵ１
５から供給された収縮中心データ、ＲＯＩにもとづいて
ＲＯＩ内の組織全体の並進運動や回転運動を推定し、Ｃ
ＦＭの原データよりそれらの成分を除去し、ＣＦＭ用フ
レームメモリ２２上のデータを置換するあるいは別個の
ＣＦＭデータとして保管される。

【００４７】マスク生成部２３では、心筋以外の場所の
速度データを全体の動き推定時のデータとして使われな
いように心筋領域を同定しマスクを生成する。心筋領域
の同定はＢモードの輝度レベルがある閾値異常の領域を
心筋と判定することにより行う。ただし、ノイズや心筋
内のスペックルバータや心筋内部の低エコー帯を考え
て、Ｂモード像を適当な処理を行ってから閾値判定する
方がより良くなる。上記適当な処理としては、ノイズ除
去のためのメジアンフィルタやスペックル除去のための
空間的平滑化フィルタが考えられる。

【００４８】全体の動き解析部２５では、ＣＦＭ用フレ
ームメモリ２２からのＣＦＭデータの中で、マスク生成
部２３で生成されたマスクデータにより心筋領域と判定
された領域について、最小２乗演算を行う。このとき、
操作パネル１４より入力された収縮中心データを利用す
る。

【００４９】最小２乗法を行なうデータについては、次
のような選択が考えられる。

【００５０】(1) マスクの他に操作パネルよりＲＯＩの
指定を行ないＲＯＩ内のデータのみ使用する。

【００５１】(2) 演算数を小さくするため適当な方法で
ＲＯＩ内の速度データを間引く。

【００５２】(3) 収縮中心方向への収縮運度と走査ビー
ムのなす角θがほぼ９０°になる領域（例えば７０°＜
θ＜１１０°）のデータは除外する。

【００５３】収縮中心データについては、診断者がＢモ
ード画像等より視察にて左室中心を決定し、操作パネル
より入力する。心臓は、全体も拍動とともに動いてお
り、左室中心も各フレーム毎に異っていると予測され
る。Ｂモード用フレームメモリ１１あるいはＣＦＭ用フ
レームメモリ２２のいずれかの画像データより各フレー
ム毎に収縮中心を決定するのが最も良い。

【００５４】しかしながら、操作の簡略化を考慮して１
心拍内で適当な時相フレーム１枚で収縮中心を決定し、
このデータを処理する全フレームデータに共通に用いて
も良い。例えば拡張末期のＢモード画像にて決定する。
あるいは、Ｂモードやカラードプラの動画像上で収縮中
心をマウスなどで決定し、このデータを処理する全フレ
ームデータに共通に使用する。

【００５５】この最小２乗演算により、全体の動き（並
進および回転）のパラメータが推定されるので、これを
もとに（１１）式で示した収縮速度Ｕ_N を求めることが
できる。

【００５６】これにより、全体の動き成分が除去された
２次元速度分布像が算出され、このフレームデータをＣ
ＦＭ用フレームメモリ２５に出力する。ＣＦＭ用ＤＳＣ
部２２では、上記の全体の動き成分が除去された速度像
を、ＣＦＭ用フレームメモリにより取り込み、カラー回
路２０ｂでカラー表示用データに変換され、その変換信
号が、メモリ合成部８に出力される。

【００５７】カラー回路２０ｂでの変換では、収縮速度
Ｕ_N が正値（収縮運動）の場合を赤色系で、負値（拡張
運動）の場合を青色系に色付けし、大きさに応じて明度
を大きくするなど変換が考えられる。

【００５８】色付けについては、色相・彩度・明度の任
意の組合せで設定可能である。グレースケール表示も含
まれる。

【００５９】表示については、次のような手順で行う。

【００６０】(1) リアルタイムには無処理のカラードプ
ラ像あるいはＢモード像を表示し、所望のデータをフレ
ームメモリに収集する。

【００６１】(2) 次にリアルタイムな心筋のカラードプ
ラ表示をとめて、フレームメモリより心筋像を呼び出
し、演算領域や各フレームの収縮中心を決定し、上記演
算終了後に、各フレーム像を再生表示する。

【００６２】(3) 表示画面上には、カラードプラ像の他
に、上記演算で求められた全体の動きについてのパラメ
ータあるいはそれらに適当な演算を行った特徴量を表示
する（図２参照）。

【００６３】図３は本発明の第２実施例を示すブロック
図である。収縮中心を自動的に行うために、Ｂモード像
より心筋の輪郭抽出を輪郭抽出部２６で行う。輪郭抽出
部では、ノイズ除去やスペックル除去などを行った後、
輝度レベル等で輪郭を判定する。収縮中心演算部２７で
は、上記の左室輪郭をもとに、左室面積重心を求めこれ
を収縮中心とする。

【００６４】表示においては速度分布をＢモード像に重
ね書きする他に、上記輪郭抽出部２６で求められた輪郭
画像上に重ね書き表示することも考えられる。

【００６５】全体の動き除去演算においては、上記輪郭
線を用いて、心内膜近傍あるいは心外膜近傍のみのデー
タにて演算し、運動を評価することも考えらえる。

【００６６】図４は本発明の第３実施例を示すブロック
図である。第１および第２の実施例では、現在広く利用
されているドプラ法を例に超音波ビーム方向の組織の運
動速度が検出された場合について述べてきたが、本実施
例ではベクトル演算部２８により断層面内の速度ベクト
ルが検出可能である。

【００６７】速度ベクトルの推定方式には、(i) 移動物
体の目標位置に向けて、開口位置及び入射角の異なる２
方向から超音波ビームを個別に照射し、各々のビーム照
射で得られるドプラ偏移周波数に基づいて推定する方
式、(ii)開口は同一であって照射方向が僅かに異なる２
方向の超音波ビームのドプラ偏移周波数（動径成分）か
らビームに直角の方向の成分（接線成分）を求め、係る
絶対速度ベクトルを推定する方式、など、種々のものが
ある。

【００６８】速度ベクトルが検出された場合も、前述の
（１２），（１３）式に最小２乗法を適用することによ
り全体の動きにかかわる並進運動成分と回転運動成分を
推定可能である。

【００６９】全体の動き成分除去部２４では、検出され
た速度ベクトルデータより全体の動きにかかわる並進速
度ベクトルおよび回転速度ベクトルを減算し、ＣＦＭ用
ＤＳＣ部２０に出力される。

【００７０】収縮中心の決定法については、次の変形が
可能である。すなわち、視察や自動で定まった左室中心
についてのみ演算するのではなく、その中心を含む適当
な範囲内の複数の位置を収縮中心候補として各々につい
て最小２乗演算を行う。演算時に計算される決定係数を
各々について比較して、最も大きい場合を収縮中心と
し、その演算結果を全体の動きの推定に用いる。

【００７１】全体の動きの推定法としては、最小２乗法
以外の変形が可能である。例えば、全体の運動として並
進運動しか存在しない場合、図１の全体の動き解折部２
５にて対象領域あるいは指定された領域の並進方向の平
均速度を計算し、それを対象の一体化した並進速度とし
て用いることが考えられる。

【００７２】以上において速度検出法はドプラ法を用い
て説明してきたが、本発明において速度の検出法は本質
的な問題ではなく、ドプラ法以外の方法（例えば、相互
相関法、Ｂモード像からの運動速度検出法）で求められ
た速度分布像に、本方式を適用して全体の動き成分の推
定・除去を行うこともできる。

【００７３】適用例として心筋をとり上げてきたが、血
管壁など他の器官・組織にも適用できる。また、プロー
ブとしてセクタプローブにて説明したが、プローブの種
類は問わない。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、心筋
や血管壁等の収縮・拡張運動する器官の速度分布画像を
得る場合には、全体的な並進や回転等の一体化した運動
成分を取除くことができるので、心筋や血管壁を正しく
評価することができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された超音波診断装置の第１実施
例の構成を示すブロック図である。

【図２】表示画像の例を示す説明図である。

【図３】本発明の第２実施例の構成を示すブロック図で
ある。

【図４】本発明の第３実施例の構成を示すブロック図で
ある。

【図５】全体の動きを並進、回転、相似な収縮に分離す
る例を示す説明図である。

【図６】運動する器官の動作をベクトル表示した説明図
である。

【符号の説明】

２ 超音波プローブ ３ 超音波送受信部 １０
装置本体 １４ 操作パネル １５ ＣＰＵ ２２ ＣＦＭ用
フレームメモリ ２３ マスク生成部 ２４ 全体の動き除去演算部 ２５ 全体の動き解析部 ２６ 輪郭抽出部 ２７
収縮中心決定部 ２８ ベクトル演算部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体中の運動する器官を含む関心領域
   を超音波ビームで走査し、得られたドプラ偏移信号に基
   づき前記器官の運動速度情報を検出する手段と、 前記得られた運動速度情報より前記器官を含む組織全体
   としての運動速度成分を検出する手段と、 前記運動速度情報から前記組織全体としての運動速度成
   分を除去する手段と、 前記組織全体としての運動速度成分が除去された運動速
   度情報の値に基づき画像表示を行う手段とを有すること
   を特徴とする超音波診断装置。
2. 【請求項２】 前記運動する器官の運動中心を指定する
   手段を有し、前記組織全体としての運動速度成分を検出
   する手段は、指定された前記運動する器官の運動中心の
   運動に基づき組織全体としての運動速度成分を検出する
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 【請求項３】 前記運動する器官の輪郭を抽出する手段
   と、この抽出された輪郭から運動する器官の運動中心を
   求める手段とを有し、前記組織全体としての運動速度成
   分を検出する手段は、前記運動する器官の運動中心の運
   動に基づき組織全体としての運動速度成分を検出するこ
   とを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。