JPH1147134A - 超音波散乱媒体の三次元イメージング・システムおよび方法 - Google Patents

超音波散乱媒体の三次元イメージング・システムおよび方法

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JPH1147134A JP10123450A JP12345098A JPH1147134A JP H1147134 A JPH1147134 A JP H1147134A JP 10123450 A JP10123450 A JP 10123450A JP 12345098 A JP12345098 A JP 12345098A JP H1147134 A JPH1147134 A JP H1147134A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 被検体ボリューム中の超音波散乱媒体の三次
元イメージング方法およびシステムを提供する。 【解決手段】 被検体ボリュームと交差する走査平面内
にある多数のサンプル・ボリュームから反射された超音
波エコーを検出し、被検体ボリュームにわたって前記走
査平面を走査し、散乱媒体によって反射された超音波エ
コーから導き出された画素強度データを、各々のサンプ
ル・ボリュームに対応してそれぞれ1つずつ取得し、前
記取得された画素強度データを記憶し、前記記憶された
画素強度データから、前記被検体ボリューム内の関心の
あるボリュームに対応する一組の画素強度データを検索
し、関心のあるボリュームに対応する前記画素強度デー
タの組を像平面へ投影して、投影像を表す投影画素強度
データの組を形成し、前記投影画素強度データの組を変
換して、コントラスト調節された投影像を表す変換し、
前記コントラスト調節された投影像を表示する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の分野】本発明は、一般的には、医学診断のため
の人体の解剖学的構造の超音波イメージングに関するも
のである。特に、本発明は、人体内の走査されたボリュ
ームから反射された超音波エコーの強度を検出すること
によって人体の解剖学的構造をイメージングすなわち映
像化する方法に関するものである。
【0002】
【発明の背景】診断用超音波イメージングの最も普通の
モードには、(内部の物理的構造を映像化するために使
用される)BおよびMモード、並びに(血管内における
様な流れ特性を映像化するために主に使用される)ドッ
プラーおよびカラー流れモードがある。通常のBモード
・イメージングにおいては、超音波スキャナによって、
画素の輝度がエコー信号の強度に基づいて定められる像
が作成される。反射波の振幅を用いて組織の黒白像が作
成される。
【0003】本発明は、4つの主要なサブシステム(図
1参照)、すなわちビーム形成装置2、処理装置4、走
査変換器/表示制御器6および主制御器8で構成されて
いる超音波イメージング・システムに用いられる。シス
テムの制御は主制御器8に集中しており、主制御器はオ
ペレータ・インターフェース(図示していない)を介し
てオペレータ入力を受け入れて、種々のサブシステムを
制御する。主制御器はまたシステム・タイミングおよび
制御信号を発生し、これらの信号がシステム制御母線1
0および走査制御母線(図示していない)を介して分配
される。
【0004】主データ路が、トランスジューサからビー
ム形成装置へのディジタル化されたRF入力で始まる。
ビーム形成装置は、2つの加算されたディジタル・ベー
スバンド受信ビームを出力する。ベースバンド・データ
はBモード処理装置4Aおよびカラー流れ処理装置4B
に入力され、そこで取得モードに従って処理されて、走
査変換器/表示処理装置6へ処理済み音響ベクトル(ビ
ーム)データとして出力される。走査変換器/表示処理
装置6がこの処理済み音響データを受け取って、ラスタ
走査フォーマットの像に対するビデオ表示信号をカラー
表示モニタ12へ出力する。走査変換器/表示処理装置
6は、主制御器8と協働して、表示用の多数の像、表示
の注釈、グラフィック・オーバーレイ、並びにシネ(c
ine;動画)ループおよび記録された時間線データの
リプレイ(再生)をフォーマッティングする。
【0005】Bモード処理装置4Aは、ビーム形成装置
からのベースバンド・データを対数圧縮した信号包絡線
へ変換する。B機能は、信号の包絡線の時間変化振幅
を、各画素に対して8ビットの出力を使用してグレース
ケールで映像化する。ベースバンド信号の包絡線は、ベ
ースバンド・データが表すベクトルの大きさである。血
管や心室などの内部から反射された音波の周波数は血球
の速度に比例してシフトすなわち偏移する。血球がトラ
ンスジューサへ向かって動いている場合は正に偏移し、
また血球がトランスジューサから離れる向きに動いてい
る場合は負に偏移する。カラー流れ(CF)処理装置4
Bは、イメージング平面内における血液の速度の実時間
二次元像を作成するために使用される。
【0006】走査変換器/表示制御器6のBモード音響
線メモリ14Aおよびカラー音響線メモリ14Bが、処
理装置4Aおよび4Bからの処理済みディジタル・デー
タをそれぞれ受け取って、Bモード・データおよびカラ
ー流れデータを、極座標(R−θ)セクター・フォーマ
ットまたはデカルト座標線形配列から、適切にスケーリ
ングしたデカルト座標表示画素データへ座標変換する。
この画素データはX−Y表示メモリ18に記憶される。
Bモードでは、強度データがX−Y表示メモリ18に記
憶され、各々のアドレスに3つの8ビット強度画素が記
憶される。カラー流れモードでは、データはメモリに次
のように記憶される。すなわち強度データ(8ビッ
ト)、速度またはパワー・データ(8ビット)および乱
れデータ(4ビット)が記憶される。
【0007】カラー流れまたはBモード・データの多数
の相次ぐフレームが、先入れ先出し形式でシネ・メモリ
24に記憶される。シネ・メモリは、背後で動作してい
て、使用者に実時間で表示される像データを捕獲するサ
ーキュラー像バッファに類似するものである。使用者が
システムを停止(freeze)したとき、使用者はシ
ネ・メモリに前に捕獲された像データを見ることが出来
る。表示された像上にグラフィック・オバーレイを作成
するためのグラフィック・データが、時間線/グラフィ
ック処理装置及び表示メモリ20において作成されて記
憶される。ビデオ処理装置22が、グラフィック・デー
タと像データと時間線データとの間でマルチプレクシン
グを行って、ビデオ表示モニタ12上にラスタ走査形式
で表示させる最終的なビデオ出力を作成する。更に、ビ
デオ処理装置は様々なグレースケールおよびカラー・マ
ップを提供すると共に、グレースケール像およびカラー
像を組み合わせる。
【0008】通常の超音波イメージング・システムは、
Bモードまたはカラー流れモードの像をシネ・メモリ2
4に連続して収集する。シネ・メモリ24は、単一像検
討および多重像ループ検討のための常駐ディジタル像記
憶並びに様々な制御機能を行う。単一像シネ・リプレイ
の際に表示される関心のある領域は、像の取得の際に使
用されたものである。シネ・メモリはまた、主制御器8
を介してディジタル大容量記憶装置へ像を転送するため
のバッファとして作用する。
【0009】通常の超音波スキャナは、画素の輝度がエ
コー反射の強度に基づいて定められた二次元Bモード像
を作成する。二次元の超音波像は、観察者が走査してい
る解剖学的構造を具体的に思い浮かべることが出来ない
ので、解釈するのがしばしば困難である。しかしなが
ら、超音波プローブが関心のある領域にわたって掃引さ
れて、二次元像を累積して三次元像を形成できれば、熟
練した観察者および未熟な観察者が共に解剖学的構造を
容易に思い浮かべることが出来る。典型的には、Bモー
ド・データおよびカラー流れ速度またはパワー・データ
の三次元像は別々に表示される。しかし、速度またはパ
ワー・データのみを表示したとき、観察者がイメージン
グ対象の解剖学的構造を認識しないことが多々ある。そ
こで強度の投影とカラー流れ速度またはパワー・データ
の投影とを組み合わせることによって、解剖学的構造の
認識を保持し、同時に速度またはパワーを映像化するこ
とが出来る。
【0010】超音波像の三次元再構成を行うときに像品
質を最良にするために、超音波像のコントラストの大き
な変動による再構成像のコントラストを調節することが
必要である。これは、典型的には、使用者が像のコント
ラストおよび輝度を対話型で設定できるようにすること
によって行われる。この方法は時間がかかり、また通常
は超音波イメージング装置に設けられていない使用者入
力を必要とする。その上、レンダリングされた像の輝度
およびコントラストが、三次元投影を構成するのに使用
されるソース像からかなり変わることがある。元の像と
レンダリングされた像とを同時に同じ表示処理装置によ
って見る場合、両方の像に対し許容可能なレベルの輝度
およびコントラストを達成することは出来ないことがあ
る。
【0011】
【発明の概要】本発明は、三次元超音波像のコントラス
トを自動的に調節して、最適なコントラストを達成する
方法および装置である。最適なコントラストを達成する
ため、再構成像の輝度およびコントラストのレベルを自
動的に調節して、再構成像に対して最適なレベルにす
る。この技術により、ソース像および再構成像の両方を
同じ輝度およびコントラスト範囲で表示することが可能
になる。
【0012】本発明は、Bモード像を、連続して又は外
部のトリガ事象に応答して、すなわち多数のスライスに
対して、シネ・メモリ内に収集する超音波イメージング
・システムに用いされる。各々のスライスまたはソース
像に対するそれぞれの関心のある領域からのデータが主
制御器へ送られ、このようなデータは関心のあるボリュ
ームを形成する。主制御器は、レイ・キャスティング
(ray−casting)法を使用して、関心のある
ボリューム内の画素強度データを、複数の回転された像
平面に反復的に投影するアルゴリズムを実行する。投影
像(すなわち、投影された像)が最終的にシネ・メモリ
に別々のフレームとして記憶され、各々のフレームは最
後の背景フレーム上に重畳される。これらの再構成され
たフレームは、次いで、システム・オペレータによって
選択的に表示される。しかし、投影像がシネ・メモリに
記憶される前に、それらの投影像を構成する画素強度デ
ータのコントラストが調節される。
【0013】本発明によれば、投影像のコントラストを
調節するために、主制御器によって、未調節の画素強度
データから調節された画素強度データへの1対1の写像
(mapping)を作成する。この写像は、ソース像
または投影像のいずれかの画素強度データに基づいて作
成される。ソース像の場合、写像は投影の前に作成さ
れ、また投影像の場合は、写像は投影の後に作成され
る。写像は各々の投影像に適用されて、表示のためのコ
ントラスト調節を行う。
【0014】コントラスト調節写像を作成するため、主
制御器は、ソース・データの1つ以上のスライスまたは
1つ以上の投影像(例えば、0゜の投影)に対して多数
の規定された強度範囲またはビン(bin)の内の各々
の中の強度を持つ画素の数のヒストグラムを編集する。
同時に、主制御器は、ソースまたは投影像内の最大画素
強度を決定する。最大の画素数を含むビンから開始し
て、順次画素数の少ない残りのビンを加えることによ
り、各々の強度範囲またはビン内の画素の数が、全画素
数の所定のパーセントに達するまで加算される。計数さ
れたビンが主として比較的大きい強度の画素を含んでい
るとき、計数されたビンの内の最も小さい強度のビンの
下限が画素強度閾値となる。逆に、計数されたビンが主
として比較的小さい強度の画素を含んでいるとき、計数
されたビンの内の最も大きい強度のビンの上限が画素強
度閾値となる。いずれの場合も、画素強度閾値より大き
い(または、小さい)強度値の範囲が0〜255の拡大
した表示強度値に線形に相関するように、1対1の写像
が作成される。
【0015】本発明の方法によれば、各々の投影像のコ
ントラストは、主制御器がその投影像をシネ・メモリに
書き込む前に、画素強度ヒストグラムから作成された写
像を使用して自動的に調節される。更に詳しく述べる
と、ヒストグラム計数値内に含まれているビンに対応す
る範囲、すなわち写像入力範囲内の強度値を持つ投影画
素データが、該投影画素データ内の各々の強度値を1対
1の写像によって設定された対応する表示画素値へ変換
することによってコントラスト調節される。写像入力範
囲の外の強度値を持つ画素データは、廃棄される。最も
関心のある画素強度データのコントラストを増大させ且
つ最も関心のない画素強度データを廃棄することによっ
て、各々の投影像は、意図した結果に応じて画素閾値よ
り大きい又は小さい所望の輝度およびコントラスト範囲
へ写像される。
【0016】
【好ましい実施態様の説明】図2を参照して説明する
と、主制御器8が中央処理装置(CPU)42およびラ
ンダム・アクセス・メモリ44を有する。CPU42は
その中に読出し専用メモリ(ROM)を含み、該メモリ
は、取得した強度またはカラー流れデータのボリューム
を、異なる角度で取った多数の三次元投影像に変換する
のに使用されるルーチンを記憶している。CPU42
は、システム制御母線10を介してX−Y表示メモリ1
8およびシネ・メモリ42を制御する。具体的に述べる
と、CPU42はX−Y表示メモリ18からビデオ処理
装置22およびシネ・メモリ24へのデータの流れを制
御すると共に、シネ・メモリ24からビデオ処理装置2
2およびCPU42自身へのデータの流れを制御する。
超音波イメージング・システムがカラー流れモードで動
作しているとき、被検体の多数の平行な走査またはスラ
イスの内の1つを表す各フレームのカラー流れデータ
が、X−Y表示メモリ18に記憶されて、次のサイクル
でビデオ処理装置22およびシネ・メモリ24へ伝送さ
れる。走査された被検体ボリュームを表す1スタック
(stack)のフレームが、シネ・メモリ24内の一
区分24Aに記憶される。初期化の際(図3のステップ
26を参照)、CPU42はシネ・メモリの区分24A
から関心のある被検体ボリュームに対応するカラー流れ
データのみを検索する。これは、関心のある被検体ボリ
ュームに交差する走査によって取得された各々の記憶さ
れたフレームから、関心のある領域内のカラー流れデー
タのみを検索することにより達成される。換言すれば、
1スタックの相次ぐフレームの内の各々の1つのフレー
ムからの関心のある領域に対応するカラー流れデータ
が、関心のあるソース・データ・ボリュームを形成す
る。
【0017】図3に示されているように、関心のある被
検体ボリュームに対応する画素データ組内の強度データ
が、オプションとして、スペックル・ノイズを平滑化し
且つアーティファクトを低減するために、投影の前にフ
ィルタリングされる(ステップ28)。これにより、投
影の際に、スペックル・ノイズに起因するデータの損失
が防止される。例えば、血管は周囲の組織よりもエコー
源性(echogenic)が小さい。従って、血管は
最小の強度の投影を使用して映像化することが出来る。
この代わりに、逆ビデオ/最小モードでは、強度データ
を逆転することにより、血管を暗くするのではなく明る
くなるようにする。この場合、血管は最大の強度の投影
を使用して映像化することが出来る。所望の画素データ
と対比して明るいスペックルである最大強度の選択を防
止するために、フィルタを使用することにより、このよ
うな明るいスペックル強度を投影の前に除くことが出来
る。シネ・メモリ24(図2を参照)から検索された画
素データ・ボリュームが、例えば、111 141 1
11カーネルを持つ3×3コンボリューション・フィル
タを使用して、CPU42によってフィルタリングする
ことができる。すなわち、各々のスライスまたはフレー
ムにおいて各々の3×3画素配列内の中心画素の強度デ
ータが、この中心画素の値の4倍の値に該画素を囲む8
つの画素の値の和を加えた値に比例する強度値に置き換
えられる。このようにフィルタリングされたソース・デ
ータ・ボリュームは、次いでメモリ44に記憶される
(ステップ30)。同様に、コンボリューション・フィ
ルタを使用することにより、最小強度投影の前に像中の
ブラック・ホールを除去することが出来る。
【0018】次に、CPU42は、ここに引用する米国
特許第5,226,113号明細書に開示されているレ
イ・キャスティング・アルゴリズムを使用して、一連の
変換を実行する。相次ぐ変換は、所定の角度範囲内、例
えば+90°乃至−90°の範囲内で、所定の角度増分
で、例えば10°の間隔で作られた最大の、最小の又は
平均化された強度、速度またはパワーの投影を表す。し
かしながら、角度増分は10°である必要はなく、また
本発明が特定の角度範囲に制限されるものでもない。
【0019】本発明で使用されるレイ・キャスティング
法によれば、サンプル50(図4参照)の立体的に表現
された投影像が、超音波トランスジューサ・アレイを使
用して被検体ボリュームを走査することによって、任意
の視角から表示される、例えば、θが視線58の射影線
(extension)58’がX−Y平面上に作る角
度であり、φが視線58が射影線58’に対して作る角
度であるとして、角度パラメータ(θ、φ)で表記され
る球面投影角から表示される。サンプル・ボリューム5
2は、一連の積み重なった隣接したスライスまたはシー
トOS1 、OS 2 、・・・、OSk を作成するように走
査され、各々のスライスは同じ数の被検体ボリューム要
素(ボクセル)OVを含む。各々のボクセルはシートの
平面(例えば、X−Y平面)内に矩形の輪郭を持つ。こ
の輪郭が正方形になるように相補的な辺は等しい長さS
であってよいが、シートの厚さTは一般にいずれの辺の
長さにも等しくない。従って、第1の被検体スライスO
1 が第1の多数の被検体ボクセルOVi,j,1 を含み、
ここでiおよびjはボクセルのそれぞれのX軸位置およ
びY軸位置である。同様に、第2の被検体スライスOS
2 が第2の多数の被検体ボクセルOVi,j,2 を含む。一
般的に、任意の被検体スライスOSk が多数の被検体ボ
クセルOVi,j,k を含む。ここで、kはそのボクセルの
Z軸の位置である。
【0020】各々の被検体ボクセルOVi,j,k が分析さ
れて、そのデータ値(強度、速度またはパワー)がデー
タ・ボリューム54の対応するデータ・ボクセルDV
i,j,kに置かれる。データ・ボリュームDVi,j,k は、
各々の被検体スライスOSk の厚さおよび各々の被検体
ボクセルの面寸法(X−Y平面におけるボクセルの大き
さ)が一般に同じでなくても、簡単な立方i,j,k格
子である。すなわち、被検体ボリュームは各々のボクセ
ルに対して異なるX、YおよびZ寸法を持っていてよい
ばかりではなく、任意の次元におけるボクセルの総数が
同じである必要もない。例えば、典型的な超音波三次元
走査では、各々のスライスが256×256行列のボク
セルを持つ、128個のスライスを得ることが出来る。
【0021】CPU42によって用いられる公知の技術
に従って、各々のデータ・ボクセルDVi,j,k 内の格子
点から像平面56へのレイ・キャスティングすなわち射
線の投射によって被検体50の像が投影される(図3の
ステップ34)。便宜のため、格子点は、例えばデータ
・ボリュームの原点に最も近いデータ・ボクセルの頂点
であってよい。投射された射線62は被検体ボリューム
52をみる球面角度パラメータ(θ,φ)から変換され
た球面角度パラメータ(α,β)を持つ投影角でデータ
・ボリューム54を出て行く。これらの2つの角度は、
非立方体の被検体ボリューム52に対して立方体のデー
タ・ボリューム54を使用したことによる幾何学的歪み
により、同じではない。しかし、投射された射線62は
バーX−バーY平面の射影線62’を持ち(ここで、バ
ーXおよびバーYは、図示のようにXおよびYのそれぞ
れの頭に横棒を引いた記号を表す)、射影線62’はデ
ータ・ボリュームのバーX軸に対して角度αを作り、ま
た射線62はZ軸と角度βを作る。角度αおよびβは回
転プロセス(以下に説明する)によって決定されて、
(球面座標における操作を仮定すると)所望の視角
(θ,φ)でサンプル・ボリューム52を見ることに対
応する。各々の射線62はデータ・ボリュームのボクセ
ル格子点から像平面へ向けて投射される。
【0022】全ての射線62は像平面のある部分に突き
当たるが、考慮中の像平面画素60a内に入る射線のみ
が該像平面画素に対するデータに寄与することが出来
る。従って、被検体ボリューム52の一部分を選び且つ
この選ばれた被検体ボリュームを見る視角(θ,φ)を
選択すると、データ・ボリュームの対応する部分の各ボ
クセル内のデータ値が、像平面56へある角度(α,
β)で投影される(被検体ボリュームに対して歪んだデ
ータ・ボリュームを見ることに対応する)。従って、第
1のボクセル(例えば、DVi,1,k )内のデータ値が、
選ばれた角度θおよびφに従って、射線62aに沿って
逆投影される。この射線62aは画素60a内の衝突位
置64で像平面56に突き当たる。これはこの画素に突
き当たる最初の射線であるので、入射データの強度、速
度またはパワー値が所望の画素60aに帰する(記憶さ
れる)。データ・ボリューム内の次の第2のボクセル
(例えば、DVi,2,k )はそのボクセルの格子点から同
じ角度(α,β)で投射される射線62bが関係し、そ
れは像平面56に衝突位置64bで突き当たる。衝突位
置64bが所望の画素60a内にあると仮定すると、第
2の投影された値が現在記憶されている第1の値と(最
大画素投影のために)比較され、そのうちの大きい方の
値が画素60aに対して記憶される。ここで、平均値投
影の場合には、現在の投影されているデータ・ボクセル
の値が、その投影の射線の突き当たる像平面の画素に既
に記憶されている和の値に加算され、次いでその結果の
和が最終的にその画素に突き当たるこのような射線の計
数値で割算されることが理解されよう。選択されたデー
タ・ボリューム内の各々のボクセルが逐次的にエントリ
されて像平面56に投影されるとき、あるデータ・ボリ
ューム・ボクセル(例えば、DVi,3,k )はその関連す
る射線62pに沿って投影されるが、所望の画素60a
内に突き当たらず、従ってそのデータ値(例えば、強
度)が画素60aに対して現在記憶されているデータ値
と比較されない。特定の三次元の視角(θ,φ)におけ
るデータのその投影に対して、画素画素60aに対する
最大データ値がそのとき確立される。しかし、射線62
pが事実上、別の像平面画素(例えば、画素画素60
b)内にある衝突位置64pを持ち、その画素に記憶さ
れているデータ値と比較されて、比較後の大きい方の値
がその画素に対する記憶装置に戻される。全てのデータ
値は、新しい投影が取られるときにゼロにリセットされ
る。従って、像平面画素の各々は像投影手順の開始時に
リセットされ、(選択された被検体ボリューム52の部
分によって設定されるような、全空間または選択された
部分内の)データ・ボリューム・ボクセルの全ては個別
に且つ逐次的に走査される。各々データ・ボクセルDV
内のデータ値は、その1つの画素60内で像平面56に
突き当たる関連の射線62により投影される。各々の画
素内の最大値は射線投射されたデータ・ボリューム・ボ
クセルの現在値との間で比較されて、その内の大きい方
の値が決定される。この大きい方の値は、次いで、最大
値像の一部分として記憶される。実際には、最大画素投
影の場合、新しく投射されたデータ・ボクセル値が、新
しく投射された射線が突き当たる像平面画素に対して既
に記憶されているデータ値よりも大きいときだけ、記憶
された最大値が変更される。
【0023】上記の技術の別の面によれば、データ投影
がスケーリングされ(図3のステップ36)、被検体ボ
リュームと像平面との間の非等方性が、逆投影の完了後
の一組の計算だけによって除かれる。ここで図5を参照
して説明すると、被検体ボリュームが実際のボリューム
(容積)であるのに対して、データ・ボリュームが抽象
的な概念であるので、第1の平面において、任意の視方
向66が被検体ボリューム52およびデータ・ボリュー
ム54の両方に対して位置決めされる角度ψよりも異な
る角度γで立方体のデータ・ボリューム格子54を表す
ことに起因するデータ投影の歪みの量を決定することが
必要である。各々のボクセルの見かけの寸法は、有効な
立て方向の角度(仰角)ψおよびγが変わるにつれて変
わろうとする。アスペクト比A(被検体ボリューム52
内の実際のスライスの厚さTと同じ被検体ボリューム5
2内の実際の画素の大きさSとの比として定義される)
が1でない(すなわち、被検体ボクセルがデータ・ボリ
ューム54におけるように立方体のボクセルではないと
き、1より大きいか又は小さい)場合、立て方向の角度
ψおよびγが異なり、データ・ボリューム内の有効な立
て方向角度ψが、被検体ボリューム内の実際の立て方向
角度γとは異なる。データは、次式で得られる被検体の
立て方向角度に従って回転される。
【0024】Ψ=tan-1[(1/A)tan(γ)] その後、投影されたデータは、(回転が水平軸の周りに
なされた場合)被検体ボリューム内で正しい高さを持つ
ように、全ての投影されたデータの高さに立て方向スケ
ーリング係数を乗算することによって、スケーリングす
ることが出来る。古い投影像の高さHを有効なスケーリ
ング係数ES により補正することが出来る。ここで、 ES =[(Acosγ)2+sin2γ]1/2 であり、新しい高さH’はH’=H・ES である。上記
と同じことが、回転が垂直軸の周りになされるときの幅
について当てはまる。
【0025】上記の関係を利用して、データ・ボリュー
ムの角度(α,β)を回転すると角度(θ,φ)にな
り、歪みが1つの軸に沿っているだけであるので、角度
θは角度αに等しい。3×3回転マトリクス[M]の要
素を決定することができ、2つの関係する回転角度が与
えられていると、これらの関係を使用してデータ・ボリ
ュームから像平面への変換が決定される。
【0026】X’=M1X+M2Y+M3Z+XO Y’=M4X+M5Y+M6Z+YO ここで、M1−M6は回転マトリクスの最初の2行(す
なわち、M1=−sinθ、M2=cosθsinψ、
M3=0、M4=−cosθsinψ2、M5=−si
nθsinψ、M6=cosψ)であり、X’および
Y’は投影された点の像平面上の位置であり、XOおよ
びYOは像平面XおよびYのオフセット(それぞれXお
よびY最低値点を基準としている)であって、そこから
像平面の選択された部分が始まるオフセットである。デ
ータが像平面56上に投影された後、等方性でない被検
体ボクセルの効果を補正するために像がスケーリングさ
れる。回転マトリクスの係数M1−M6を投影(所与の
θおよびφ)の始めに予め計算して(図3のステップ3
2)、全ての回転の計算のために使用することが出来る
ことが理解されよう。図6は、主制御器8(または別の
専用の処理装置)内に設けられている上述のレイ・キャ
スティング法を実行する手段を示す。このような手段
は、シネ・メモリ24からデータ入力70aに受け取っ
たスライス・データを記憶するための三次元データ・メ
モリ手段70を有する。各々の被検体ボクセルに関する
データが、CPU74からボクセル・アドレス入力70
bに受け取ったボクセル・アドレス入力情報に応答し
て、そのボクセルのアドレスに記憶される。三次元デー
タ・メモリ手段70が満たされたとき(被検体ボリュー
ム52からデータ・ボリューム54への全ての要求され
たデータの転送に対応する)、関心のある被検体ボリュ
ーム部分が選択されて、そのX、YおよびZ方向におけ
る開始コーナーおよび範囲を設定するデータがCPU7
4からアドレス作成手段72の入力72aへ送られる。
アドレス作成手段72は、アドレス出力72bに、選択
された被検体ボリューム内の各々のボクセルのX,Y,
Zアドレスを逐次的に供給する。出力72bは三次元デ
ータ・メモリ手段70の出力データ・アドレス入力70
cに接続されていて、その1つのボクセルに対する記憶
された強度データがアドレスされて三次元データ・メモ
リ手段の出力70dから出力されるようにする。ボクセ
ルのX,Y,Zアドレスはまた逐次的に回転パラメータ
計算手段76の第1の入力76aにも供給される。回転
パラメータ計算手段76は、CPU74を介して角度
(α,β)情報を、計算されたマトリクス要素M1−M
6値として受け取って、出力76cに、選択された視角
(θ,φ)で見たときの被検体のX,Y,Z画素に対応
する像平面画素のアドレスX’,Y’を供給する。視角
(θ,φ)情報はシステムに入力されて、CPU74に
よって処理される。その結果は視方向マトリクス手段7
8の入力78bおよび78cに入力されて、その出力7
8aから回転パラメータ計算手段76へマトリクス要素
M1−M6が供給される。像平面画素のアドレスX’,
Y’は、像平面メモリ手段80として作用するフレーム
・バッファのアドレス入力80aに現れる。同時に、デ
ータ・ボリュームから像平面に投影された強度データ
が、三次元データ・メモリ手段の出力70dから像平面
メモリ手段の新データ入力80bに現れる。このデータ
はまた、データ比較手段82の新データ入力82aにも
現れる。入力80aのそのアドレスに対して像平面メモ
リ手段80に前に記憶されていた強度データが旧データ
出力80cに現れ、従ってデータ比較手段の旧データ入
力82bに現れる。入力82aおよび82bのそれぞれ
の新データおよび旧データがデータ比較手段82内で比
較され、入力82aの新データが入力82bの旧データ
よりも大きい場合は、出力82cが選定された論理状態
(例えば、高論理レベル)に作動される。出力82cは
像平面メモリ手段80の置換制御データ入力80dに接
続されている。これにより、置換制御データ入力80d
が選定された論理レベルにある場合、入力80aによっ
て制御されたアドレスに記憶されるデータが、入力80
bの新データを受け入れるように変更される。従って、
記憶されているデータは(CPU74からの)データ/
制御ポート80eの信号等によって最初にリセットさ
れ、そして新データが前に記憶された旧データよりも大
きいという比較結果に応答して、各々の像平面画素位置
X’,Y’に対して最大値のデータが記憶される。選択
されたアドレスの全てがアドレス作成手段72によって
逐次的に走査された後、像平面メモリ手段80に記憶さ
れているデータがCPU74においてスケーリングさ
れ、このスケーリングされたデータは表示、永久記憶ま
たは同様な目的のために像平面メモリ手段80から取り
出すことが出来る。
【0027】本発明の別の面によれば、表示の前に、ス
ケーリングされた像平面データが所望の輝度およびコン
トラスト範囲を達成するように写像される(図3のステ
ップ38)。本発明によれば、投影像のコントラスト
は、主制御器によって、未調節の画素強度データから調
節された画素強度データへの1対1の写像(mappi
ng)を作成することにより調節される。この写像はソ
ース像または投影像のいずれかの画素強度データに基づ
いて作成されるが、好ましい実施態様では、第1の(す
なわち、0゜の)投影像データを使用して作成される。
【0028】コントラスト調節写像を作成するため、主
制御器は、多数の規定された強度範囲またはビン(bi
n)の内の各々の中の強度を持つ画素の数のヒストグラ
ムを編集する。図7は、比較的大きい強度の画素を持つ
投影像に対するこのようなヒストグラムを示す。図9
は、比較的小さい強度の画素を持つ投影像に対するこの
ようなヒストグラムを示す。同時に、主制御器は、ソー
スまたは投影像内の最大画素強度を決定する。最大の画
素数を含むビンから開始して、順次画素数の少ない残り
のビンを加えることにより、各々の強度範囲またはビン
内の画素の数が、像内の全画素数の所定のパーセントに
達するまで加算される。計数されたビンが主として比較
的大きい強度の画素を含んでいるとき(図7参照)、計
数値内に含まれている最も小さい強度のビンの下限が画
素強度閾値となる。逆に、計数されたビンが主として比
較的小さい強度の画素を含んでいるとき(図9参照)、
計数値内に含まれている最も大きい強度のビンの上限が
画素強度閾値となる。いずれの場合も、画素強度閾値よ
り大きいまたは小さい強度値の範囲が、例えば、8ビッ
ト強度値の場合は0〜255の拡大した表示強度値に線
形に相関するように、1対1の写像が作成される。図7
のヒストグラムから導き出した写像が図8に示されてお
り、また図9のヒストグラムから導き出した写像が図1
0に示されている。
【0029】本発明の方法によれば、各々の投影像のコ
ントラストは、主制御器が各々の投影像をシネ・メモリ
に書き込む前に、画素強度ヒストグラムから作成された
写像を使用して自動的に調節される。例えば、図7のグ
ラフの示した大きい強度の投影像の場合、約165〜2
50の範囲内の強度値を持つ投影画素データが、図8に
傾斜した直線で示されるように、0〜255の範囲内に
ある表示強度値に写像または変換される。同様に、図9
のグラフの示した小さい強度の投影像の場合、約0〜8
0の範囲内の強度値を持つ投影画素データが、図10に
傾斜した直線で示されるように、0〜255の範囲内に
ある表示強度値に写像または変換される。写像のための
入力範囲は、特定の像から導き出したそれぞれのヒスト
グラムにおける計数されたビンの範囲に応じて変わるこ
とが理解されよう。写像入力範囲の外側の強度値を持つ
画素データは廃棄される。従って最も関心の大きい画素
強度データのコントラストを増大し且つ最も関心の少な
い画素強度データを廃棄することによって、各々の投影
像の画素強度データは、画素閾値より大きい又は小さい
所望の輝度およびコントラスト範囲へ写像される。コン
トラスト調節された画素強度データは次いでその後の表
示のためにシネ・メモリへ戻される。
【0030】上記の投影法は、シネ・メモリから検索さ
れた関心のあるデータ・ボリュームに対して、Bモード
強度データとカラー流れ速度またはパワー・データとに
別々に適用される。投影像内の各々の画素は、所与の像
平面上への投影によって導き出された、変換された強度
データおよび変換された速度またはパワー・データを含
む。更に、シネ・メモリがオペレータによって停止(f
reeze)されたときに、CPU42はオプションと
してシネ・メモリ24の区分24B内の多数の相次ぐア
ドレスにX−Yメモリ18からの最後のフレームを記憶
させる。第1の投影視角に対する投影像データがシネ・
メモリの区分24B内の第1のアドレスに書き込まれ、
これにより関心のある領域内の投影像データが背景のフ
レーム上に重畳される。このプロセスは、全ての投影像
がシネ・メモリの区分24B内に記憶されるまで、各々
の角度増分に対して繰り返される。各々の投影像フレー
ムは、変換されたデータを含む関心のある領域で構成さ
れ、オプションとして関心のある領域を囲んでいて、関
心のある領域の変換されたデータによってオーバーライ
ト(上書き)されない背景フレーム・データより成る背
景周辺部を含む。背景の像は、各々の表示された投影が
どの場所から見たものであるかを一層明確にする。そこ
で、オペレータは投影像の内の任意の1つを表示のため
に選択することが出来る。更に、一連の投影像を表示モ
ニタ上にリプレイ(再生)して、被検体ボリュームをあ
たかも観察者の前で回転しているかのように表示するこ
とが出来る。
【0031】本発明の好ましい実施態様では、超音波イ
メージング・システムは複数の異なる投影モードを有す
る。例えば、投影は最大または最小値の画素を含んでい
てよい。或いは、画素データを逆転して、その最大値を
像平面に投影するような、血管のイメージングに有用な
モードを選択してもよい。更に別のモードでは、面のレ
ンダリング(rndering)を行うようにレイ・キ
ャスティング法を用いてもよい。
【0032】上記の好ましい実施態様は例示の目的で開
示された。超音波イメージングまたはコンピュータ・グ
ラフィックスの分野における当業者には種々の変更およ
び変形を容易になし得よう。このような全ての変更およ
び変形は特許請求の範囲に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】実時間超音波イメージング・システム内の主要
な機能のサブシステムを示すブロック図である。
【図2】本発明の好ましい実施態様に従って強度および
速度またはパワー画素データの相次ぐ立体的投影よりな
るフレームを再構成する手段を示すブロック図である。
【図3】本発明の好ましい実施態様に従って強度および
速度またはパワー画素データの相次ぐ立体的投影よりな
るフレームを再構成するためのアルゴリズムのステップ
を示す流れ図である。
【図4】従来技術に従ってレイ・キャスティングの逆投
影を立体的にレンダリングする際に関係するサンプリン
グされた関心のある被検体ボリューム、関連のデータ・
ボリュームおよび像投影平面を示す概略線図である。
【図5】被検体データおよびデータ・ボリュームの同様
なビュー(view)に対応すると共に、三次元超音波
イメージングにおける必要なスケーリング定数を定める
のに有用である一対の幾何学的二次元形状を示す概略線
図である。
【図6】三次元超音波イメージングにおける最大強度投
影を行う手段の概略ブロック図である。
【図7】大きい強度の画素を持つ像に対して所定の範囲
内の強度値を持つ画素の集団を示すヒストグラムであ
る。
【図8】本発明の好ましい実施態様に従った図7に示し
た大きい強度の画素データのコントラスト調節写像を示
すグラフである。
【図9】小さい強度の画素を持つ像に対して所定の範囲
内の強度値を持つ画素の集団を示すヒストグラムであ
る。
【図10】本発明の好ましい実施態様に従った図9に示
した小さい強度の画素データのコントラスト調節写像を
示すグラフである。
【符号の説明】
2 ビーム形成装置 4 処理装置 4A Bモード処理装置 4B カラー流れ処理装置 6 走査変換器/表示制御器 8 主制御器 12 表示モニタ 14A Bモード音響線メモリ 14B カラー流れ音響線メモリ 18 X−Y表示メモリ 20 時間線/グラフィック処理装置及び表示メモリ 22 ビデオ処理装置 24 シネ・メモリ 42 中央処理装置 44 ランダム・アクセス・メモリ 50 サンプル(被検体) 52 サンプル(被検体)ボリューム 54 データ・ボリューム 56 像平面 58 視線 58’ 射影線 60 画素 62 射線 64 衝突位置 70 三次元データ・メモリ手段 72 アドレス作成手段 74 CPU 76 回転パラメータ計算手段 78 視方向マトリクス手段 80 像平面メモリ手段 82 データ比較手段 86 画素遅延素子 88 乗算器 90 加算器 92 ライン・メモリ 94 ライン・メモリ

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被検体ボリューム中の超音波散乱媒体の
    三次元イメージング・システムにおいて、 超音波ビームを送信して、被検体ボリューム内の多数の
    サンプル・ボリュームから反射された超音波エコーを検
    出する超音波トランスジューサ・アレイ、 散乱媒体によって反射された超音波エコーから導き出さ
    れた画素強度データを取得する取得手段であって、各々
    の画素強度データが前記多数のサンプル・ボリュームの
    内のそれぞれ1つのサンプル・ボリュームに対応してい
    る取得手段、 前記多数のサンプル・ボリュームの各々に対して前記取
    得された画素強度データを記憶するメモリ手段、 前記メモリ手段から、前記被検体ボリューム内の関心の
    あるボリュームに対応する一組の画素強度データを検索
    する手段、 前記関心のあるボリュームに対応する前記画素強度デー
    タの組を像平面へ投影して、投影像を表す投影画素強度
    データの組を形成する手段、 前記投影画素強度データの組を変換して、コントラスト
    調節された投影像を表す変換手段、 表示モニタ、および前記コントラスト調節された投影像
    を前記表示モニタに表示させる手段、を含んでいること
    を特徴とする三次元イメージング・システム。
  2. 【請求項2】 前記変換手段が、第1の強度範囲内にあ
    る前記投影画素強度データの組の内の強度値をゼロにす
    る手段、および第2の強度範囲内にある前記投影画素強
    度データの組の内の強度値を、線形写像に従って、第3
    の強度範囲内にあるコントラスト調節された強度値に変
    換する手段を含み、 前記第1および第2の強度範囲は画素強度閾値で連続し
    ており、前記第3の強度範囲は前記第2の強度範囲より
    も広く且つ前記第2の強度範囲にオーバーラップしてお
    り、また前記コントラスト調節された強度値は前記コン
    トラスト調節された投影像を表す写像された投影画素強
    度データの組を形成する請求項1記載のシステム。
  3. 【請求項3】 前記第2の強度範囲が、前記第1の強度
    範囲内の強度値よりも大きい強度値を含んでいる請求項
    2記載のシステム。
  4. 【請求項4】 前記第2の強度範囲が、前記第1の強度
    範囲内の強度値よりも小さい強度値を含んでいる請求項
    2記載のシステム。
  5. 【請求項5】 更に、多数の強度サブレンジの各々の強
    度サブレンジ内にある強度範囲を持つ前記投影画素強度
    データの組の中の画素の数を計数する手段を含み、前記
    第1の強度範囲が前記多数の強度サブレンジの内の第1
    組の強度サブレンジを含み、前記第2の強度範囲が前記
    多数の強度サブレンジの内の第2組の強度サブレンジを
    含んでいるが前記第1組の強度サブレンジを含んでいな
    い請求項2記載のシステム。
  6. 【請求項6】 更に、前記の計数値が所定の数に等しい
    ことに応答して、前記画素強度閾値を決定する手段、お
    よび前記画素強度閾値の関数として前記線形写像を作成
    する手段を含んでいる請求項5記載のシステム。
  7. 【請求項7】 更に、多数の強度サブレンジの各々の強
    度サブレンジ内にある強度範囲を持つ前記画素強度デー
    タの組の中の画素の数を計数する手段を含み、前記第1
    の強度範囲が前記多数の強度サブレンジの内の第1組の
    強度サブレンジを含み、前記第2の強度範囲が前記多数
    の強度サブレンジの内の第2組の強度サブレンジを含ん
    でいるが前記第1組の強度サブレンジを含んでいない請
    求項2記載のシステム。
  8. 【請求項8】 更に、前記の計数値が所定の数に等しい
    ことに応答して、前記画素強度閾値を決定する手段、お
    よび前記画素強度閾値の関数として前記線形写像を作成
    する手段を含んでいる請求項7記載のシステム。
  9. 【請求項9】 被検体ボリューム中の超音波散乱媒体の
    三次元イメージング方法において、 被検体ボリュームと交差する走査平面内に超音波ビーム
    を送信するステップ、前記走査平面内にある多数のサン
    プル・ボリュームから反射された超音波エコーを検出す
    るステップ、 前記被検体ボリュームにわたって前記走査平面を走査す
    るステップ、 散乱媒体によって反射された超音波エコーから導き出さ
    れた画素強度データを取得するステップであって、各々
    の画素強度データが前記多数のサンプル・ボリュームの
    内のそれぞれ1つのサンプル・ボリュームに対応してい
    るステップ、 前記多数のサンプル・ボリュームの各々に対して前記取
    得された画素強度データを記憶するステップ、 前記記憶された画素強度データから、前記被検体ボリュ
    ーム内の関心のあるボリュームに対応する一組の画素強
    度データを検索するステップ、 前記関心のあるボリュームに対応する前記画素強度デー
    タの組を像平面へ投影して、投影像を表す投影画素強度
    データの組を形成するステップ、 前記投影画素強度データの組を変換して、コントラスト
    調節された投影像を表す変換ステップ、および前記コン
    トラスト調節された投影像を表示するステップ、を含ん
    でいることを特徴とする三次元イメージング方法。
  10. 【請求項10】 前記変換ステップが、第1の強度範囲
    内にある前記投影画素強度データの組の内の強度値をゼ
    ロにするステップ、および第2の強度範囲内にある前記
    投影画素強度データの組の内の強度値を、線形写像に従
    って、第3の強度範囲内にあるコントラスト調節された
    強度値に変換するステップを含み、 前記第1および第2の強度範囲は画素強度閾値で連続し
    ており、前記第3の強度範囲は前記第2の強度範囲より
    も広く且つ前記第2の強度範囲にオーバーラップしてお
    り、また前記コントラスト調節された強度値は前記コン
    トラスト調節された投影像を表す写像された投影画素強
    度データの組を形成する請求項9記載の方法。
  11. 【請求項11】 前記第2の強度範囲が、前記第1の強
    度範囲内の強度値よりも大きい強度値を含んでいる請求
    項10記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記第2の強度範囲が、前記第1の強
    度範囲内の強度値よりも小さい強度値を含んでいる請求
    項10記載の方法。
  13. 【請求項13】 更に、多数の強度サブレンジの各々の
    強度サブレンジ内にある強度範囲を持つ前記投影画素強
    度データの組の中の画素の数を計数するステップを含
    み、前記第1の強度範囲が前記多数の強度サブレンジの
    内の第1組の強度サブレンジを含み、前記第2の強度範
    囲が前記多数の強度サブレンジの内の第2組の強度サブ
    レンジを含んでいるが前記第1組の強度サブレンジを含
    んでいない請求項10記載の方法。
  14. 【請求項14】 更に、前記の計数値が所定の数に等し
    いことに応答して、前記画素強度閾値を決定するステッ
    プ、および前記画素強度閾値の関数として前記線形写像
    を作成するステップを含んでいる請求項13記載の方
    法。
  15. 【請求項15】 更に、多数の強度サブレンジの各々の
    強度サブレンジ内にある強度範囲を持つ前記関心のある
    ボリュームに対応する前記画素強度データの組のサブセ
    ット内の画素の数を計数するステップを含み、前記第1
    の強度範囲が前記多数の強度サブレンジの内の第1組の
    強度サブレンジを含み、前記第2の強度範囲が前記多数
    の強度サブレンジの内の第2組の強度サブレンジを含ん
    でいるが前記第1組の強度サブレンジを含んでいない請
    求項10記載の方法。
  16. 【請求項16】 更に、前記の計数値が所定の数に等し
    いことに応答して、前記画素強度閾値を決定するステッ
    プ、および前記画素強度閾値の関数として前記線形写像
    を作成するステップを含んでいる請求項15記載の方
    法。
  17. 【請求項17】 被検体ボリューム中の超音波散乱媒体
    の三次元イメージング方法において、 被検体ボリュームと交差する走査平面内に超音波ビーム
    を送信するステップ、前記走査平面内にある多数のサン
    プル・ボリュームから反射された超音波エコーを検出す
    るステップ、 前記被検体ボリュームにわたって多数の走査位置で前記
    走査平面を走査するステップ、 前記走査平面の多数の走査位置によって定められたそれ
    ぞれの平面内の散乱媒体によって反射された超音波エコ
    ーから導き出された多数のサブセットの画素強度データ
    を取得するステップであって、画素強度データの各々の
    サブセットがそれぞれ1つの強度データ・フレームを形
    成するステップ、 前記の多数の強度データ・フレームを記憶するステッ
    プ、 選択された相次ぐ記憶された強度データ・フレームか
    ら、関心のある領域に対応するそれぞれのサブセットの
    画素強度データを検索するステップであって、これらの
    画素強度データのサブセットが被検体ボリューム内の関
    心のあるボリュームに対応する画素強度データの組を形
    成するステップ、 前記画素強度データの組を像平面へ投影して、投影像を
    表す投影画素強度データの組を形成するステップ、 前記投影画素強度データの組を変換して、コントラスト
    調節された投影像を表す変換ステップ、および前記コン
    トラスト調節された投影像を前記多数の強度データ・フ
    レームの選択された1つの中心領域上に重畳して成る像
    を表示するステップ、 を含んでいることを特徴とする三次元イメージング方
    法。
  18. 【請求項18】 前記変換ステップが、第1の強度範囲
    内にある前記投影画素強度データの組の内の強度値をゼ
    ロにするステップ、および第2の強度範囲内にある前記
    投影画素強度データの組の内の強度値を、線形写像に従
    って、第3の強度範囲内にあるコントラスト調節された
    強度値に変換するステップを含み、 前記第1および第2の強度範囲は画素強度閾値で連続し
    ており、前記第3の強度範囲は前記第2の強度範囲より
    も広く且つ前記第2の強度範囲にオーバーラップしてお
    り、また前記コントラスト調節された強度値は前記コン
    トラスト調節された投影像を表す写像された投影画素強
    度データの組を形成する請求項17記載の方法。
  19. 【請求項19】 更に、多数の強度サブレンジの各々の
    強度サブレンジ内にある強度範囲を持つ前記投影画素強
    度データの組の中の画素の数を計数するステップを含
    み、前記第1の強度範囲が前記多数の強度サブレンジの
    内の第1組の強度サブレンジを含み、前記第2の強度範
    囲は前記多数の強度サブレンジの内の第2組の強度サブ
    レンジを含んでいるが前記第1組の強度サブレンジを含
    んでいない請求項18記載の方法。
  20. 【請求項20】 更に、前記の計数値が所定の数に等し
    いことに応答して、前記画素強度閾値を決定するステッ
    プ、および前記画素強度閾値の関数として前記線形写像
    を作成するステップを含んでいる請求項19記載の方
    法。
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