JPH1147132A - 三次元画像形成方法及び超音波画像処理装置 - Google Patents

三次元画像形成方法及び超音波画像処理装置

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JPH1147132A
JPH1147132A JP10149356A JP14935698A JPH1147132A JP H1147132 A JPH1147132 A JP H1147132A JP 10149356 A JP10149356 A JP 10149356A JP 14935698 A JP14935698 A JP 14935698A JP H1147132 A JPH1147132 A JP H1147132A
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JP10149356A
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Robert H Pedersen
ロバート・エイチ・ペデルセン
Patrick R Pesque
パトリック・ルネ・ペスク
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Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 身体領域から超音波エコー情報を受信す
る変換器；および、前記超音波エコー情報に応答し、前
記情報の三次元表示を作成するプロセッサ； からな
り、ここに前記三次元表示における２つの次元が空間に
関するものであり、第３の次元が時間に関するものであ
る超音波画像処理装置。 【効果】 繰り返してＭ−モードを取得する必要なし
で、診断に関係する動いている心臓や身体のその他の領
域の重要部分について、す速く包括的にＭ−モード情報
が取得可能である。さらに、一つの表示中にそのような
包括的情報を利用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波画像処理装
置に関し、特に三次元超音波Ｍ−モード画像処理方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】医療診断用超音波の主要用途の一つは、
心臓機能と疾患の診断である。超音波心臓動態診断法
は、心臓の働き、心機能や病理学上の異常状態の診断を
中心課題とする。これらの診断をする場合の心臓病専門
医の重要な関心は、心臓構造それ自身の明瞭な画像化で
あり、特に血液を周期的に送出するときの、心筋の運動
の明瞭な画像化である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】鼓動する心臓の運動を
画像化するための初期の超音波技術には、時間−運動や
Ｍ−モード画像処理などがある。Ｍ−モード画像は、
Ａ−ラインと称される単一走査線の繰り返し走査によ
り、身体の同じ位置について形成される。Ｍ−モード表
示は、前に取得されたＡ−ラインの隣に各Ａ−ラインを
表示することによって形成され、平行するＡ−ラインの
時系列から形成される。Ｍ−モード表示は、技術的に達
成するのが容易であり、超音波ビームを動かしたり操作
する必要性がないので、ストリップチャート記録計の上
にＭ−モード表示を単に記録すれば足りた。表示中の各
ラインは、その特定の時にビームを横切る組織のある瞬
間の位置を示し、心臓壁などの動く組織が時間につれて
走査線上の異なった位置に現れる。従って、 Ａ−ライ
ンの時間シーケンスはＡ−ライン位置を横切る組織の運
動を明らかにし、心臓の診断に有益である。勿論Ｍ−モ
ード画像は一次元のＡ−ラインの位置に関する情報を明
らかにするにすぎない。心臓を通る他のどれかのライン
を調査するためには、変換器を新しい場所に移し、Ａ−
ラインのもう一つの時間シーケンスが新しいビーム位置
から得られて表示されるまで、待つ必要がある。繰り返
してＭ−モードを取得するという骨が折れる工程なし
で、運動が診断に関連がある心臓や身体のその他の領域
の重要部分について、速く包括的にＭ−モード情報が取
得できることが望ましい。さらに、一つの表示中にその
ような包括的情報を利用できる診断技術を持つことが望
ましい。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によると、三次元
Ｍ−モード画像処理の装置と技術が開示される。三次元
Ｍ−モード表示は、従来の三次元超音波表示と相違し、
そこでは表示の２次元は、空間に関し、第３の次元は時
間に関する。三次元Ｍ−モード表示は、多数の従来のＭ
−モード走査の全ての情報と同等のものを単一超音波画
像に与える。
【０００５】図面において、図１は、本発明による三次
元Ｍ−モード画像処理を実行する超音波画像処理装置の
ブロックダイヤグラムである。図１ａは、三次元ドップ
ラーＭ−モード画像処理を実行する図１の装置の変形を
説明する。図２は、三次元表示の描画に使用される画像
のシーケンスを示す。図３は、本発明の三次元Ｍ−モー
ド表示を説明する。図４は、図３の切断面Ｍ−Ｍ’によ
って形成された二次元Ｍ−モード表示を説明する。図５
は、三次元Ｍ−モード表示の情報密度を増加するための
取得タイミングシーケンスを説明する。図６は、本発明
の一例における使用目的に適した不透明-透明描画関数
を説明する。
【０００６】
【発明の実施の態様】まず図１は、本発明に基く超音波
画像処理装置のブロックダイヤグラムである。走査ヘッ
ド１０は、身体の領域を走査するための変換器を有す
る。この特定の例で、走査ヘッドは心臓の断面を含む身
体の扇形領域８を走査するフェーズドアレー変換器を有
する。セクタ８に示された心臓の特徴は、左心室（Ｌ
Ｖ）の部分と、左と右の心室を区切る隔壁１２、および
後壁１４を含む。フェーズド・アレー変換器が通常、心
臓の走査に好適であるが、本発明では、リニアアレー、
曲面(curved)アレー、１ピストンの機械(mechanical)セ
クタ走査器又は環状(annular)アレー変換器などの、い
かなる二次元走査変換器で実施することができる。
【０００７】使用する変換器がアレー変換器のとき、走
査ヘッド１０はビーム形成器に接続し、それは変換器ビ
ームを操作し（及び／又は）焦点合わせする。ビーム形
成器が作成した超音波エコー信号は、エコー信号をＢ−
モードまたはグレースケールエコー情報の表示用に処理
するＢ−モードプロセッサに転送される。
【０００８】このＢ−モード信号は、フレーム記憶装置
２０に、画像情報のフレームとして記憶される。もしＢ
−モード信号の空間座標値の異なった座標系への変換が
必要であるか、またはそれが望ましければ、信号は極座
標の直角座標への変換のようにして走査変換器２２で走
査変換される。リニアアレーからのＢ−モード信号は、
既に直線座標配置にあるので、座標変換を必要としない
であろう。画像フレームは次いで適切なビデオ駆動信号
にビデオモジュール２４によって転換され、表示装置２
６上に表示される。
【０００９】本発明により、Ｂ−モード信号も画像化さ
れ、３Ｄ描画プロセッサ３０により三次元画像を形成す
る。３Ｄ描画プロセッサは、 Ｂ−モードデータを操作
し、種々の方法で三次元画像を形成する。Ｂ−モードデ
ータが関心のある立体領域を覆う二次元画像のシーケン
スの形で得られたとき、あたかも走査領域を画像平面と
直角以外の方向から観察しているような画像を与えるた
めに、画像の組は、画像中の点を新しい場所に移す処理
がなされ、三次元表示される。水平面の異なった視点か
ら走査領域を観察するときの、像点を新しい場所に移す
ための数学的に正確な計算式を下に示す。
【００１０】
【数１】
【００１１】ここに、θは観察者の視線に直角な観察平
面などの基準面に関しての画像の回転角であり、x、
y、zは、元の画像平面中の点の座標値であり、x’とy’
は、再配置後の像点の座標値である。平面画像の組のz
座標は、平面シーケンス中の各平面位置であり、そして
画像平面間の名目上の間隔を仮定することにより、また
はアメリカ合衆国特許５,４７４,０７３に記載されてい
るように、各平面の測定された空間座標を取得すること
によって得られる。垂直方向の異なった視点から走査領
域を観察する点再配置は、下式のように表現される。
【００１２】
【数２】
【００１３】そして、Z軸について回転するときの、走
査領域の観察点の再配置は、下式により実行される。
【００１４】
【数３】
【００１５】式中、θは参照方向に関するZ軸について
の平面の回転の程度である。最大強度投影または表面強
調法のような、異なった描画技術を利用して、三次元画
像の外観を強調することができる。本発明者らは、表面
強調法(surface enhancement)が、本発明の画像用表現
として満足な結果を与えることを見出した。下式によ
り、観察方向のベクトルに沿った三次元データの組のデ
ータを処理することによって、表面描画を作成すること
ができる。
【００１６】
【数４】
【００１７】ここに、Px,y(θ)は、データ組から角θで
観察した三次元画像のｘ、y座標での像点である。式f(P
１・・・Pi-１)は、アメリカ合衆国特許（出願一連番号０
８/６３８,７１０）に記載したと同様に、描画パラメー
タとして利用される不透明-透明関数(opacity-transpar
ency function)であり、それは観察方向のベクトルに沿
って遭遇した点の関数である。例として、不透明-透明
関数は単なる、すぐ前のピクセル、即ちf(Pi-１)の関数
となる。関数が図６の変換特性によって示されるよう
に、ピクセル値と逆相関関係にあるとき、心臓データの
描画は心内膜壁を強調する。
【００１８】観察ベクトルが、血液からの低レベルの戻
りエコーのみとなる心臓の心室を横切るときには、描画
プロセスは、低レベルのエコー値によりゼロに近い結果
となる。心内膜壁からの最初の強いエコーと遭遇する
時、基準化された値の１に近いレベルとなり、血液溜ま
りの先の画素のゼロに近い値は、不透明-透明関数を、
図６の関数曲線９０の点９２に示すように、１に近い値
を有するようになり、二つの積は１に近づく。この工程
が組織からのエコー信号の振幅の増大による心臓壁の組
織の中へと続くので、不透明-透明関数は、より小さい
値となる。
【００１９】下式に従ってデータの組を描画することに
よって、最大強度投射を作成することができる。
【００２０】
【数５】
【００２１】そして、下式に従ってデータ組を描画する
ことによって、平均強度投影を作成することができる。
【００２２】
【数６】
【００２３】表面分割、物体形態認識(object shape re
cognition)など、その他の描画アルゴリズムも必要なら
ば採用することができる。三次元描画は、ビデオモジュ
ール２４によってビデオ信号に変換され、ディスプレイ
２６に表示される。
【００２４】走査ヘッドが前記アメリカ合衆国特許が教
えるように、皮膚上を掃引される時、身体の立体領域
は、連続的に作成された画像平面により走査される。こ
れらの画像平面のエコー情報は、立体領域の三次元画像
を描画するために、三次元描画プロセッサ ３０により
使用される三次元データの組を提供する。各画像平面上
の各データポイントは、立体領域にx、y、zアドレス位
置を持ち、従って各データポイントはそれ自身特有の空
間のアドレスを、立体領域に持っている。従来通りx、y
アドレス値は画像平面上のx、y位置に関し、そしてz値
は、画像平面シーケンス中の画像平面の位置に関する。
【００２５】しかしながら、本発明によると、三次元デ
ータの組が身体の同一平面領域から、長時間にわたって
取得される。これは、例えば関心のある領域に関して１
つの位置に走査ヘッド１０を保持し、次いで画像平面の
シーケンスを取得することによって実現される。各画像
平面上の各データポイントは、三次元描画のためのx、
y、zアドレスを持っており、その次元は空間に関し２、
時間に関し１である。例えば、xとyは画像平面上のx、y
位置と関連し、そしてz値は、画像平面シーケンス中の
画像平面の取得時間と関連する。
【００２６】図２は、本発明に従って取得された４０
(n)の画像の組を示す。各画像は、図１の画像８の左心
室の領域である。各画像の照会番号の括弧内の数字は、
他の画像と関連してその取得の順番を示している。従っ
て、画像４０(2)は、画像４０(1)の後で、画像の４０
(3)の前に取得されたものである。この例で、左心室の
画像の組は、 １００の画像（n＝１００）から成り、そ
して１００フレーム/秒のフレーム速度で取得されてい
る。これは、Δ＝（１/Frate）の時間フレーム−フレー
ム間隔の値を提供する。従って、画像組中の各データポ
イントはx、y、zの三次元アドレスを持ち、ここにxとy
は、特定の画像フレーム上のx、y位置であり、そしてz
はフレームの時系列中のフレームnΔの時間位置であ
る。
【００２７】フレームシーケンスの三次元データの組が
三次元描画プロセッサ３０によって処理されると、図３
に示すような三次元画像５０が作成される。三次元画像
５０は、画像シーケンス中の前の画像平面に対し直角の
視野についてx、y軸の両方に関して回転している。三次
元画像５０は、２つの空間、１つの時間という三次元の
中に、隔壁１２と後壁１４を表示している。画像の周囲
の方向矢印が示すように、 ２つの空間次元がＲとθで
あり、時間次元がｔである。
【００２８】発明者らは、画像５０を三次元Ｍ−モード
画像と呼ぶ。なぜなら画像の波打ちが心臓が心拍動周期
の間に収縮し、膨張するときの隔壁と後壁の動きを表示
するからである。図３の矢印５２が示すように、三次元
画像５０は、心臓が緊張が解ける（膨張する）とき、左
心室の隔壁と後壁が相対的に遠くに離れて行くことを示
す。この寸法は数量的に測定することができ、もし望む
なら、従来のＭ−モード画像と異なって、画像５０の三
次元的性格により、隔壁と後壁の多数の二次元ポイント
の間の寸法を計測することができる。同様に心臓が収縮
し、図３の矢印５４によって示されたように、隔壁１２
と後壁１４が比較的接近するときに測定することもでき
る。
【００２９】図１の切断面(cut plane)選択器３２は、
図２または３の画像データの組から従来のＭ−モード画
像を形成するために使用される。例えば使用者は、図３
の矢印Ｍ−Ｍ’の間にＭ−モードカーソルを置いて、三
次元画像５０（または、図２の画像の一つ）上でＭ−モ
ードカーソルを操作することができる。切断面選択器３
２は、時間次元の各画像平面から同じＡ−ラインを選択
し、そしてＡ−ラインの平面中に二次元Ｍ−モード画像
を組み立てる。そのようなＭ−モード画像６０が図４に
示されている。図４に示されたように、隔壁１２と後壁
１４との間のこの平面画像上で、測定５２’および５
４’がなされる。
【００３０】図３の矢印５０および５２によって示され
るように、本発明の三次元Ｍ−モード画像上での定量的
測定は、画像上で組織境界をトレースし、次いでトレー
スによって線で描かれた境界から測定することにより、
補助される。本発明技術のような時間的に取得された超
音波画像の境界トレースのための好適技術が平成１０年
５月２９日付け特許出願整理番号ＡＴＬ３４に記載され
ており、そこでは速度データを使用して、体内の動いて
いる組織のトレースを補助している。
【００３１】本発明の三次元Ｍ−モード画像は、いかな
る超音波取得技術によっても形成することができる。Ｂ
−モード画像に従来のグレ−スケール取得を用いること
ができるが、本発明者らは、三次元Ｍ−モード画像処理
に、高調波(harmonic)Ｂ−モードの使用が有益であるこ
とを見出した。高調波Ｂ−モード画像処理においては、
体内に発信される超音波は、基本周波数を有するが、エ
コーの受信は基本周波数の高調波でなされる。高調波受
信を行なう装置は、アメリカ合衆国特許［出願一連番号
０８／７２３，４８３］に示されている。ビーム方向が
画像中の組織表面と実質的に平行な場合、即ち散乱角が
従来のＢ−モード画像処理における次善(suboptimal)と
して一般に観察される表面の場合に、より高次の受信周
波数で、一層明瞭に一層はっきりと特定された画像が作
成できることが見出された。三次元Ｍ−モード画像処理
に有益なもう一つのＢ−モード技術は、パワーモ−ショ
ン画像処理であり、アメリカ合衆国特許［出願一連番号
０８／６５５，３９１]に記載されている。
【００３２】図１と１ａに示したように、三次元ドップ
ラーＭ−モード画像処理も使用することができる。図１
ａは、速度、強度、分散、その他のドップラーの特徴を
表現する、ドップラー画像データを作成するための、ド
ップラープロセッサ１９による受信エコー信号の処理を
説明する。図２の画像の組は、上記したＢ−モード情報
に代わり、またはＢ−モード情報に加えてドップラーデ
ータから成っている。ドップラー（または、ドップラー
とＢ−モード）データの組から、三次元描画プロセッサ
３０によって三次元ドップラーＭ−モード画像が描画さ
れる。例えば、身体の平面領域から取得された色流れ(c
olorflow)画像により、三次元Ｍ−モード画像を形成す
ることができる。
【００３３】心臓などの動いている組織が三次元Ｍ−モ
ード画像として描画されるとき、使用することができる
１つの技術は、そして組織からの大振幅で低周波数のカ
ラードップラー情報を取得し処理することにより、その
ような動きを取得し、識別することである。そのような
カラードップラー情報は、時間的に取得され、描画され
て、本発明に従って三次元Ｍ−モード画像が形成され
る。
【００３４】平面画像の取得を通じて本発明を実施する
時には、時間次元の解像度ができるだけ高くなるよう、
できるだけ高速に画像を取得することが、一般に望まし
い。図１と５は、この時間について高解像度を得るため
の技術を説明する。ビーム形成器１６は、ＱＲＳ心臓波
形７０との時間差関係(timed relationship)で画像を取
得するためにゲートされる。心拍を感知し、ＱＲＳ波形
を作成するＥＣＧセンサにより、このゲートされた波形
を取得することができる。画像フレームの第１のシーケ
ンスは、図５のフレーム取得タイミングシーケンスとＱ
ＲＳ波形７０とによって示されたように、心拍周期との
所定の位相関係において取得される。説明例において、
両図面に示されているように、時間標識T１がＱＲＳ波
形のピーク７２に作成される。図５の時間ライン８２に
沿った矢印は、一定の時間間隔を持ち、そして第１の心
拍周期ＣＣ１の間、時間標識Ｔ１に続く画像フレームの
取得時間を説明する。
【００３５】図１の同じ時間標識Ｔ１’で始まる次の心
周期では、画像は同じ一定時間間隔で取得されるが、時
間標識Ｔ２から始まるので時間分離間隔の半分だけＴ
１’から離れて取得される。従って、図５で心拍周期Ｃ
Ｃ１とＣＣ２の取得タイミング矢印の相対位置によって
図示されているように、この第２の心拍周期ＣＣ２の間
に取得されたフレームは、第１の心拍周期の位相の間の
心臓周期の位相を補間(interleave)する。それらの相対
的な位相関係で補間した時、取得したフレームは従っ
て、個々のいずれのシーケンスよりも、時間次元でより
大きいサンプリング密度となる。補間したデータの組の
三次元描画は、高解像度の三次元Ｍ−モード画像を提供
するであろう。
【００３６】位相変化取得の変形は、当業者に容易に想
到しうるであろう。例えば、もし心臓周期が不規則なら
ば、 各心臓周期毎に１つの画像を取得し、そして各心
拍における周期中の、後の位相に取得時間をずらすこと
が望ましいであろう。従って、取得画像のシーケンス
は、選択したＱＲＳトリガポイントに関して連続的に後
の位相における心臓の画像を表現することとなる。この
ような変形のさらなる詳細はアメリカ合衆国特許５，０
９９，８４７に記載されている。
【００３７】発明が実施される周囲の情況によって、本
発明の教えるところから外れることなく、図１の配置に
種々の変更を加えることができる。例えば、フレーム記
憶２０の前に、走査変換をすることができる。交互に、
走査変換なしでプロセッサ１８, １９のＲ−θデータに
三次元描画プロセッサ３０を直接作用させることによっ
て、走査変換を除くことができる。あるいは、処理デー
タが直線座標値を持ち、走査変換を必要としないかもし
れない。もう一つの代替案は、フレーム記憶装置を三次
元描画プロセッサ３０に組み込むことであり、これによ
りプロセッサ３０はそれが作用するデータの組を記憶す
る。他の変更も当業者には容易であろう。
【００３８】本発明は、三次元Ｍ−モード超音波診断画
像処理装置に関し、本発明を要約すると、据置型走査ヘ
ッドから時間と共に取得される超音波データから、三次
元超音波Ｍ−モード画像を取得、作成する三次元Ｍ−モ
ード画像装置および該技術を開示する。作成画像は、２
つの空間次元と１つの時間次元を有する。
【００３９】本発明の主たる態様を以下に示す。 １、身体領域から超音波エコー情報を受信する変換器お
よび、前記超音波エコー情報に応答し、前記情報の三次
元表示を作成するプロセッサからなり、ここに前記三次
元表示における２つの次元が空間に関するものであり、
第３の次元が時間に関するものである超音波画像処理装
置。２、身体の平面領域からエコー情報の連続平面を取
得する走査ヘッド； 前記エコー情報を処理し、Ｂ−モ
ードまたはドップラー画像のシーケンスを作成するプロ
セッサ；および、それらの時間変化(displacement)の関
数として、前記画像の三次元画像を作成する三次元描画
プロセッサ３０からなる三次元Ｍ−モード画像を与える
超音波画像処理装置。３、時間と共に動いている組織か
らの大きな振幅と低周波数でのカラードップラー情報を
取得し、処理する段階；および前記カラードップラー情
報を描画し、三次元画像表示を形成する段階からなり、
ここに、前記次元の２つが空間に関し、第３のものが時
間に関するものである、動いている組織の三次元Ｍ−モ
ード画像の形成方法。４、心臓周期を表示する信号を取
得する段階；前記信号を使用して、心臓周期への第１の
位相関係で超音波画像データの第１の組を取得する段
階； 該信号を使用して、心臓周期への第２の位相関係
で超音波画像データの第２の組を取得する段階；そし
て、超音波画像データの両組を同時に画像化することに
より、心臓の三次元画像表示を形成する段階、以上の段
階からなる心臓の三次元画像の形成方法。
【００４０】
【発明の効果】繰り返してＭ−モード画像を取得する必
要なく、運動する心臓その他の領域の、速く包括的なＭ
−モード情報を取得できる。さらに該包括的情報を一画
像中に表示可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の三次元Ｍ−モード画像処理及び三次
元ドップラーＭ−モード画像処理を実行するブロックダ
イヤグラムである。
【図２】 三次元表示の描画に使用される画像のシーケ
ンスである。
【図３】 本発明の三次元Ｍ−モード表示を説明する。
【図４】 図３の切断面Ｍ−Ｍ’で形成された二次元Ｍ
−モード表示である。
【図５】 三次元Ｍ−モード表示の情報密度を増加する
ための取得タイミングシーケンスを説明する。
【図６】 本発明の不透明-透明描画関数の一例を説明
する。
【符号の説明】
１０・・・走査ヘッド、１９・・・ドップラープロセッサ、２
０・・・フレーム記憶装置、２２・・・走査変換器、２４・・・
ビデオモジュール、２６・・・表示装置、３０・・・３Ｄ描画
プロセッサ、３２・・・切断面選択器、５０・・・三次元画
像、６０・・・Ｍ−モード画像
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・エイチ・ペデルセン アメリカ合衆国98072ワシントン州、ウッ ドインビル、第171プレース・ノース・イ ースト、19048番 (72)発明者 パトリック・ルネ・ペスク アメリカ合衆国98011ワシントン州、ボゼ ル、第102アベニュー・ノース・イースト、 17300番

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 身体領域から超音波エコー情報を受信す
    る変換器および、前記超音波エコー情報に応答し、前記
    情報の三次元表示を作成するプロセッサからなり、ここ
    に前記三次元表示における２つの次元が空間に関するも
    のであり、第３の次元が時間に関するものである超音波
    画像処理装置。
  2. 【請求項２】 身体の平面領域からエコー情報の連続平
    面を取得する走査ヘッド；前記エコー情報を処理し、Ｂ
    −モードまたはドップラー画像のシーケンスを作成する
    プロセッサ；および、 それらの時間変化(displacement)の関数として、前記画
    像の三次元画像を作成する三次元描画プロセッサ３０か
    らなる三次元Ｍ−モード画像を与える超音波画像処理装
    置。
  3. 【請求項３】 時間と共に動いている組織からの大きな
    振幅と低周波数でのカラードップラー情報を取得し、処
    理する段階；および前記カラードップラー情報を描画
    し、三次元画像表示を形成する段階からなり、ここに、
    前記次元の２つが空間に関し、第３のものが時間に関す
    るものである、動いている組織の三次元Ｍ−モード画像
    の形成方法。
  4. 【請求項４】 心臓周期を表示する信号を取得する段
    階、前記信号を使用して、心臓周期への第１の位相関係
    で超音波画像データの第１の組を取得する段階、 該信号を使用して、心臓周期への第２の位相関係で超音
    波画像データの第２の組を取得する段階、そして、 超音波画像データの両組を同時に画像化することによ
    り、心臓の三次元画像表示を形成する段階、以上の段階
    からなる心臓の三次元画像の形成方法。
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