JPH08103442A - 超音波画像処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波画像において左室の断面積を正確かつ
リアルタイムで求める。 【構成】 超音波画像に対してメディアン処理を行って
動きの速い僧帽弁の存在を小さくした後、超音波画像を
圧縮する。そして、心臓壁と血液とを分離するために二
値化処理を行う。その後、超音波画像に対して伸長を段
階的に実行し、各段階でエッジ平滑処理を実行する。こ
れにより、左室の周囲の不連続部位が連続して閉ループ
が構成される。その閉ループ内の領域の面積を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波画像処理装置、
特に心室等の断面積を求める装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】心臓機能の診断においては血液の拍出量
が重要な診断データとなる。そのためには大動脈へ血液
を送り出す左室の断面積（又は容積）を計測する必要が
ある。左室の断面積を演算するために、従来から二次元
超音波画像（二次元断層画像又は二次元ドプラ画像）が
利用されている。その手法としては、人為的トレース法
と関心領域を利用した自動演算法とが挙げられる。

【０００３】前記の人為的トレース法では、二次元超音
波画像の各フレーム毎に、左室の内壁面を示す境界線に
沿ってカーソルを人為的に移動させて左室の内側をトレ
ースし、そのトレースされた閉領域に対して自動的に面
積演算を実行するものである。

【０００４】上記関心領域を利用した自動演算法は、最
初に左室の外側近傍にそれを囲む定形的な枠を人為的に
固定設定し、その枠で定義される関心領域内において各
フレーム毎に血液を示す部分の面積を自動的に演算する
方法である。左室には僧帽弁や大動脈弁等の弁が連結さ
れており、そのような弁が開いた状態では左室の内壁面
を示す境界線が閉ループとならないが、関心領域を設定
すれば弁の開閉に影響されずに面積演算を実行すること
ができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の人為的トレース法では煩雑であり、またリアルタイ
ムで断面積を求めることができないという問題があっ
た。

【０００６】一方、上記従来の関心領域を利用した自動
演算法では、左室の断面積のみを正確に演算することが
困難であるという問題があった。例えば、拡張期におけ
る左室を取り囲んで関心領域を固定設定すると、収縮期
において左室のほかに左房の一部などを含むことにな
り、それが誤差要因となっていた。つまり、関心領域内
のすべての血液部分（心臓壁以外の部分）が面積演算対
象となるため、左室以外の部分も含めて面積が演算され
ていた。なお、特開平４−２８２１４４号には、関連す
る技術が開示されている。

【０００７】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、左室等の断面積をリアルタイムで自動的か
つ正確に演算することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、超音波画像を圧縮する圧縮
手段と、前記超音波画像を二値化する二値化手段と、前
記圧縮されかつ二値化された超音波画像を伸長するとと
もに平滑処理を実行する伸長・平滑手段と、前記伸長及
び平滑がなされた超音波画像に対して、計測対象として
の臓器内腔を表す閉領域を抽出する閉領域抽出手段と、
前記閉領域の面積を演算する面積演算手段と、を含むこ
とを特徴とする。

【０００９】請求項２記載の発明は、左室を含む超音波
画像を圧縮する圧縮手段と、心臓壁と血液とを分離する
ために、前記圧縮された超音波画像を二値化する二値化
手段と、前記二値化された超音波画像を段階的に伸長す
るとともに、各伸長過程後において平滑処理を実行する
伸長・平滑手段と、前記伸長及び平滑がなされた超音波
画像に対して、計測対象としての左室内腔を表す閉領域
を抽出する閉領域抽出手段と、前記閉領域の面積を演算
する面積演算手段と、を含むことを特徴とする。

【００１０】請求項３記載の発明は、画像圧縮に先立っ
て複数のフレーム間で中央値抽出を行うメディアンフィ
ルタを含むことを特徴とする。

【００１１】請求項４記載の発明は、前記閉領域抽出手
段の閉領域抽出方法が、前記閉領域内に入力指定される
基準点を登録する工程と、前記基準点から上下方向及び
左右方向に前記閉領域の外枠まで基準直線を引く工程
と、上画素又は左画素との連続性を見ながら注目画素を
左上から右下へラスタースキャンさせる工程であって、
前記上画素又は左画素が、前記基準直線上にある画素又
は連続性が既に認定された画素である場合に、当該注目
画素に対し連続性を認定する第１工程と、右画素又は下
画素との連続性を見ながら注目画素を右下から左上へラ
スタースキャンさせる工程であって、前記右画素又は下
画素が、前記基準直線上にある画素又は連続性が既に認
定された画素である場合に、当該注目画素に対し連続性
を認定する第２工程と、左画素又は下画素との連続性を
見ながら注目画素を左下から右上へラスタースキャンさ
せる工程であって、前記左画素又は下画素が、前記基準
直線上にある画素又は連続性が既に認定された画素であ
る場合に、当該注目画素に対し連続性を認定する第３工
程と、右画素又は上画素との連続性を見ながら注目画素
を右上から左下へラスタースキャンさせる工程であっ
て、前記右画素又は上画素が、前記基準直線上にある画
素又は連続性が既に認定された画素である場合に、当該
注目画素に対し連続性を認定する第４工程と、を含むこ
とを特徴とする。

【００１２】

【作用】上記請求項１記載の構成によれば、圧縮手段に
よって超音波画像が圧縮され、一方、二値化手段によ
り、超音波画像に対して二値化処理が実行される。伸長
・平滑手段は、圧縮されかつ二値化された超音波画像を
伸長するとともに平滑化処理を実行する。つまり、圧縮
された状態や伸長された状態において平滑化処理を実行
すれば、近接した非連続部分（ぬけ）をつなげることが
できる。すなわち、圧縮及び伸長の一連の過程と平滑処
理とを組み合わせれば、画像の基本構造を維持しつつ近
接部分の連結を実現できる。このように非連続部分に連
続性をもたせる処理を行った後に、計測対象としての臓
器内腔を特定すれば、その臓器内腔は閉領域として画像
処理されているため、その面積を求めることが可能とな
る。

【００１３】請求項２記載の構成によれば、まず、画像
圧縮手段によって超音波画像が例えば１／１６に圧縮さ
れる。次に、画像二値化手段により、心臓壁と血液とを
分離するために、しきい値を利用して超音波画像が二値
化される。そして、伸長・平滑手段は、二値化された超
音波画像を段階的に伸長するとともに、各伸長段階で平
滑化処理を実行する。例えば、圧縮された超音波画像に
対して４倍の伸長を行った後に平滑化処理を行い、更に
４倍の伸長を行ってもとの大きさに復元した後に再び平
滑化処理を行う。このように非連続部分（例えば、心臓
の開放弁）に連続性をもたせる処理を行った後に、左室
を特定すれば、その内腔は基本的に閉領域となるように
画像処理されているため、その面積を求めることが可能
となる。

【００１４】請求項３記載の構成によれば、メディアン
フィルタによって、複数のフレーム間で中央値抽出が実
行されるため、動きが速い構造物すなわち僧帽弁等を除
去でき又はその存在を小さくできる。

【００１５】請求項４記載の構成によれば、まず、閉領
域内に人為的に基準点が設定され、その基準点を基準と
して上下方向及び左右方向に閉領域の外枠まで直線が引
かれる。この基準直線上の各画素は、すべて同一の閉領
域内の画素であって、領域連続性を見ていく際のスター
ト点となる。

【００１６】第１工程から第４工程では、互いに異なる
方向からラスタースキャンが実行され、その際に、以下
のルールに従って画素連続性が判断される。

【００１７】第１工程：上画素又は左画素が基準直線上
にある画素又は連続性が既に認定された画素である場合
に当該注目画素に対し連続性を認定 第２工程：右画素又は下画素が基準直線上にある画素又
は連続性が既に認定された画素である場合に当該注目画
素に対し連続性を認定 第３工程：左画素又は下画素が基準直線上にある画素又
は連続性が既に認定された画素である場合に当該注目画
素に対し連続性を認定 第４工程：右画素又は上画素が基準直線上にある画素又
は連続性が既に認定された画素である場合に当該注目画
素に対し連続性を認定 このような互いに異なる方向からラスタースキャンを実
行しつつ領域の連続性をサーチすることによって、渦巻
き等の特別の図形を除き、基準点が指定された閉領域の
全体を容易かつ迅速に抽出することが可能となる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面に基づい
て説明する。

【００１９】図１には、本発明に係る超音波画像処理装
置の好適な実施例が示されている。本実施例の超音波画
像処理装置は、臓器内腔、特に左室の面積を求める機能
を有し、図１にはその全体構成が示されている。

【００２０】図２には、超音波ビームをセクタ走査して
形成されたＢモード断層画像としての超音波画像１０が
示されている。なお、図２の超音波画像１０は説明のた
め実際の超音波画像よりも鮮明に表現してある。

【００２１】超音波画像１０内には、心臓壁１１に囲ま
れた左室１２が示されている。左室１２と左房１４との
間には、僧帽弁１６が存在し、左室１２と大動脈１８と
の間には大動脈弁２０が存在する。上述のように、心臓
の拍出量を調べるためには、左室の断面積の変化を調べ
る必要がある。

【００２２】図１において、メディアン処理部２２に
は、超音波診断装置のデジタル・スキャン・コンバータ
から出力される図２の超音波画像（超音波画像データ）
が入力される。一方、フレームメモリ２４には、１フレ
ーム前の超音波画像が格納され、フレームメモリ２６に
は２フレーム前の超音波画像が格納される。

【００２３】メディアン処理部２２は、中央値抽出を行
うメディアンフィルタとして機能するものであり、具体
的には、３つの超音波画像を参照し、各座標値毎に３つ
の画素データ（エコーデータ）の値を比較し、その値が
中央となる画素データを新たな当該注目画素の画素値と
して更新するものである。

【００２４】このような処理によれば、３フレームにわ
たって心臓壁自体の動きはほとんど変化しないとみなせ
るが、高速で運動する僧帽弁１６は３フレームの各フレ
ームでその位置が異なるので、結果として、僧帽弁を除
去でき、あるいはその存在を小さくできる。超音波画像
において、僧帽弁１６はある程度の厚さを持ちしかもそ
の輝度が高く、後述するつながり処理に悪影響を与える
おそれがあるので、僧帽弁１６の影響を小さくするため
にメディアン処理部２２を設けたものである。

【００２５】なお、僧帽弁１６の基端に比べ、先端の方
が速度が速いため、先端に行くほどフィルタ効果が大き
い。超音波画像において、大動脈弁２０は薄くその輝度
も小さいため、本来あまり考慮する必要はないが、メデ
ィアン処理部２２によれば大動脈弁２０も小さくでき
る。

【００２６】メディアン処理部２２から出力された超音
波画像は、圧縮工程２８に入り、圧縮回路３０に入力さ
れて例えば１／４に圧縮される。すなわち、例えば５１
２×５１２画素の画像に対してこの圧縮を１回行うと、
２５６×２５６画素の画像となり、換言すれば、４画素
が１画素に圧縮される。その場合、４画素のうちで最大
の輝度が代表値となる。そして、圧縮された超音波画像
はいったんフレームメモリ３２に格納され、読み出され
て圧縮回路３４において上記と同様に再度１／４に圧縮
され、フレームメモリ３６に格納される。本実施例で
は、２段階の圧縮を行って最終的に超音波画像を１／１
６に圧縮したが、もちろん１段階で１／１６に圧縮して
もよい。

【００２７】このように圧縮が行われた後、二値化工程
３８が実行される。まず、ノイズ除去のため及び非連続
部位につながりをもたせるために、平均化回路４０にお
いて圧縮された超音波画像に対して３×３画素単位で平
均化処理が実行される。これは、例えばノイズが少ない
場合や非連続部位の隙間が小さい場合には省略できる。

【００２８】平均化処理の後、二値化回路４２におい
て、超音波画像の各画素値が所定のしきい値と比較され
二値化が実行される。そのしきい値は、心臓壁（心臓壁
エコー）と血液（血液エコー）とを識別するための値を
有するものである。なお、圧縮前又は圧縮途中において
二値化を行うことも可能であるが、本実施例のように完
全に圧縮が行われた後に二値化を行えばその効果が大き
い。

【００２９】次に、伸長・平滑工程４４において、伸長
回路４６により圧縮されかつ二値化された超音波画像が
まず４倍（２×２倍）に伸長される。その後、エッジ平
滑処理部４８において、離れた２つのエッジ（非連続部
分）を相互につなげる作用をもつフィルタ処理が実行さ
れる。その場合、例えば平滑化を行う各種のフィルタを
用いることができる。そして、伸長回路５０及びエッジ
平滑処理部５２において、同様の処理が繰り返し実行さ
れる。すなわち、超音波画像がもとの大きさに戻されて
上記同様の平滑処理が実行される。

【００３０】以上の圧縮−伸長・平滑という一連の処理
によって、僧帽弁１６の双方の基端が相互につながるよ
うになり、また大動脈弁２０においてもしっかりとつな
がるようになる。図３には、その様子が模式的に示され
ており、左室１２は完全に閉領域として再構成されてい
る。すなわち、その内壁面を示す境界線１２Ａは閉ルー
プを構成している。

【００３１】図１において、フレームメモリ５４には、
図３に示すような画像がいったん格納され、その後読み
出されてラベリング部５６において閉領域の抽出処理が
実行される。このラベリング部５６の作用については後
に詳述するが、結果として、図４に示すような単一の閉
領域（左室）を抜き出すことができる。単に上述の連続
性をもたせる処理のみでは、左室以外においても空洞や
閉領域が生じるが、このようなラベリング処理を行え
ば、計測対象である左室１２のみを抽出することが可能
となる。

【００３２】図１において、境界線抽出部５８は、図３
に示す左室１２の境界線１２Ａをエッジ検出により抽出
し、その結果、境界線１２Ａのみを示す画像が合成回路
６２へ送られる。

【００３３】一方、ラベリング処理後の超音波画像は、
面積計測部６０へ送られる。この面積計測部６０は、抽
出された左室１２に属する画素数をカウントし、そのカ
ウント数を面積に換算して出力するものである。必要で
あれば、更に体積の近似演算を行う。また、１心拍のう
ちで拡張期と収縮期の面積を記憶し、その差分を演算す
ることで、拍出力を直接演算することもできる。その演
算結果は、モニタ６６へ出力され、グラフ表示及び数値
表示がなされる。

【００３４】メディアン処理部２２へ入力される超音波
画像は、遅延回路６４においてタイミング調整が図られ
た後、合成回路６２へ入力され、境界線の画像が合成さ
れる。すなわち、Ｂモード断層画像に左室の境界線が合
成され、モニタ６６に表示される。よって、操作者はど
のような領域を左室と判断して面積演算を行っているも
のであるかを視覚的に認識できる。

【００３５】次に、ラベリング部５６のラベリング処理
について詳述する。

【００３６】図５に示す超音波画像は、既に上述のつな
がり処理がなされたもので、互いに分離独立した複数の
閉領域（例えば、左室１２、左房１４）を含む。図示の
ように視覚的には明らかに各閉領域を個々に認識できる
が、データとしての各閉領域毎に集合化はされていな
い。特定の閉領域に対して面積演算を行うためには各閉
領域毎にデータ分離する必要がある。そのための処理が
ラベリングである。

【００３７】図６には従来のラベリング処理が示されて
いる。まず、（Ａ）に示す原画像に対してラベリングを
行う場合、左上隅から右下隅まで、注目画素をラスター
スキャンさせる。その際、上画素又は左画素がラベリン
グされた画素（ナンバー付けされた画素）であるなら
ば、当該注目画素に対してそれと同じラベルを付す。上
画素と左画素の双方が異なるラベルを有する場合には左
画素のラベルを優先させる。このようなルールに基づい
て、注目画素をラスタースキャンさせると、（Ｂ）に示
すように仮ラベリング画像が形成される。この状態で
は、まだ同一の領域内で異なるラベルが付されている。

【００３８】次に、（Ｃ）に示すようにラベル連結情報
が求められる。すなわち、仮ラベリング画像において、
隣り合う異なるラベルが抜き出される。そして、（Ｄ）
に示すようにラベル値修正テーブルが作成される。この
場合、１は１に置き換えられ、２及び４も１に置き換え
られる。３及び５は２に置き換えられる。ラベル連結情
報を参照すると、５は３に置き換えられるべきである
が、各閉領域にシリアルに番号を付すために、３及び５
が２に置き換えられている。このラベル値修正テーブル
に従ってラベルの変更を行うと、（Ｅ）に示す本ラベリ
ング画像が得られる。すなわち、各閉領域毎にデータに
属性を付すことができる。

【００３９】しかしながら、この従来のラベリング処理
では、順次入力される超音波画像をリアルタイムで処理
することが困難であり、仮にリアルタイムを可能にする
と、装置が大規模となるという問題がある。

【００４０】その問題を解決したのが図７に示す新しい
ラべリング処理（同一閉領域内のデータ判定処理）であ
る。この処理によれば、パイプライン処理が可能である
ので、リアルタイムで処理できる。

【００４１】まず、（Ａ）に示すように、操作者により
閉領域内の任意の個所に基準点Ｐが入力指定され、これ
が登録される。基準点Ｐは閉領域の中央付近にあるのが
望ましいが、そうでなくても処理は可能である。そし
て、自動的に２つの基準直線Ｌ１，Ｌ２を引く。この基
準直線Ｌ１は、基準点Ｐを通り、上下方向に閉領域の外
枠と交わるまで延長される。これと同様に、この基準直
線Ｌ２は、基準点Ｐを通り左右方向に閉領域の外枠と交
わるまで延長される。この基準直線上の各画素は、すべ
て同一の閉領域内に属し、領域連続性を見ていく際のス
タート点となる。

【００４２】次に、（Ｂ）第１処理〜（Ｅ）第４処理が
任意の順序で実行される。図７では、（Ｂ）第１処理、
（Ｃ）第２処理、（Ｄ）第３処理、（Ｅ）第４処理の順
で処理を行った場合が示され、ここでの説明ではその順
序に従う。

【００４３】（Ｂ）第１処理では、上画素又は左画素と
の連続性を見ながら注目画素を左上から右下へラスター
スキャンさせる。その際、注目画素の上画素又は左画素
が、基準直線上にある画素又は連続性が既に認定された
画素である場合に、当該注目画素に対し連続性を認定す
る（第１連結ルール）。

【００４４】（Ｃ）第２処理では、右画素又は下画素と
の連続性を見ながら注目画素を右下から左上へラスター
スキャンさせる。その際、注目画素の右画素又は下画素
が、基準直線上にある画素又は連続性が既に認定された
画素である場合に、当該注目画素に対し連続性を認定す
る（第２連結ルール）。

【００４５】（Ｄ）第３処理では、左画素又は下画素と
の連続性を見ながら注目画素を左下から右上へラスター
スキャンさせる。その際、注目画素の左画素又は下画素
が、基準直線上にある画素又は連続性が既に認定された
画素である場合に、当該注目画素に対し連続性を認定す
る（第３連結ルール）。

【００４６】（Ｅ）第４処理では、右画素又は上画素と
の連続性を見ながら注目画素を右上から左下へラスター
スキャンさせる。その際、注目画素の右画素又は上画素
が、基準直線上にある画素又は連続性が既に認定された
画素である場合に、当該注目画素に対し連続性を認定す
る（第４連結ルール）。

【００４７】以上のような処理を実行すると、最終的に
当該閉領域内のすべての画素を抜き出すことが可能とな
る。図７の右側に示す複雑な閉領域でも問題なく抽出で
きる。なお、渦巻き状などの特殊な構造を有する閉領域
に対しては上記処理のみでは限界があるが、更に第１工
程〜第４工程を繰り返せばよい。左室を計測対象とする
場合には、上記の処理で十分である。

【００４８】図１に示した実施例において、超音波画像
が特に不鮮明である等の事情によりつながり効果が十分
期待できないと予想される場合には、拡張期において左
室の外周囲近傍に楕円形状の関心領域（ＲＯＩ）を設定
し、その関心領域内において、断面積を演算してもよ
い。その場合でも上記のラベリング処理により、単一の
閉領域のみを演算対象にでき、関心領域内のすべての血
液部分の面積を演算する場合に比べて精度を向上でき
る。

【００４９】そのような関心領域の設定は、形状が単純
化した圧縮画像に対して行うのが好適であり、その設定
を容易にできる。上記の実施例では、１／１６の圧縮を
行ったが、更に圧縮した状態で関心領域を設定すればよ
り容易にその設定を行うことができる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
左室等の断面積をリアルタイムで正確に演算することが
可能となる。また、本発明によれば、超音波画像処理に
際して僧帽弁の影響を軽減できる。更に、本発明によれ
ば閉領域の抽出を迅速に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波画像処理装置の全体構成を
示すブロック図である。

【図２】断層画像を示す図である。

【図３】平滑処理後の断層画像を示す図である。

【図４】抽出された左室を示す図である。

【図５】複数の閉領域を示す図である。

【図６】従来のラべリング処理を示す図である。

【図７】本発明に係るラべリング処理を示す図である。

【符号の説明】

１０ 超音波画像 １２ 左室 １６ 僧帽弁 ２２ メディアン処理部 ２８ 圧縮工程 ３８ 二値化工程 ４４ 伸長・平滑工程 ５６ ラベリング部 ６０ 面積計測部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波画像を圧縮する圧縮手段と、 前記超音波画像を二値化する二値化手段と、 前記圧縮されかつ二値化された超音波画像を伸長すると
   ともに平滑処理を実行する伸長・平滑手段と、 前記伸長及び平滑がなされた超音波画像に対して、計測
   対象としての臓器内腔を表す閉領域を抽出する閉領域抽
   出手段と、 前記閉領域の面積を演算する面積演算手段と、 を含むことを特徴とする超音波画像処理装置。
2. 【請求項２】 左室を含む超音波画像を圧縮する圧縮手
   段と、 心臓壁と血液とを分離するために、前記圧縮された超音
   波画像を二値化する二値化手段と、 前記二値化された超音波画像を段階的に伸長するととも
   に、各伸長後において平滑処理を実行する伸長・平滑手
   段と、 前記伸長及び平滑がなされた超音波画像に対して、左室
   を表す閉領域を抽出する閉領域抽出手段と、 前記閉領域の面積を演算する面積演算手段と、 を含むことを特徴とする超音波画像処理装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の装置において、 画像圧縮に先立って複数のフレーム間で中央値抽出を行
   うメディアンフィルタを含むことを特徴とする超音波画
   像処理装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の装置において、 前記閉領域抽出手段の閉領域抽出方法が、 前記閉領域内に入力指定される基準点を登録する工程
   と、 前記基準点から上下方向及び左右方向に前記閉領域の外
   枠まで基準直線を引く工程と、 上画素又は左画素との連続性を見ながら注目画素を左上
   から右下へラスタースキャンさせる工程であって、前記
   上画素又は左画素が、前記基準直線上にある画素又は連
   続性が既に認定された画素である場合に、当該注目画素
   に対し連続性を認定する第１工程と、 右画素又は下画素との連続性を見ながら注目画素を右下
   から左上へラスタースキャンさせる工程であって、前記
   右画素又は下画素が、前記基準直線上にある画素又は連
   続性が既に認定された画素である場合に、当該注目画素
   に対し連続性を認定する第２工程と、 左画素又は下画素との連続性を見ながら注目画素を左下
   から右上へラスタースキャンさせる工程であって、前記
   左画素又は下画素が、前記基準直線上にある画素又は連
   続性が既に認定された画素である場合に、当該注目画素
   に対し連続性を認定する第３工程と、 右画素又は上画素との連続性を見ながら注目画素を右上
   から左下へラスタースキャンさせる工程であって、前記
   右画素又は上画素が、前記基準直線上にある画素又は連
   続性が既に認定された画素である場合に、当該注目画素
   に対し連続性を認定する第４工程と、 を含むことを特徴とする閉領域抽出方法。