JPWO2020012883A1 - 超音波撮像装置、超音波撮像システム、超音波撮像方法および超音波撮像プログラム - Google Patents

超音波撮像装置、超音波撮像システム、超音波撮像方法および超音波撮像プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】被検者が被検体の状態を把握しやすい超音波合成画像を表示できる超音波撮像装置を提供する。【解決手段】被検体（９）の表面上の互いに異なる複数の位置から被検体（９）の内部に向けて送信されて内部で反射された超音波を受信して、前記各位置に対応した超音波画像をそれぞれ生成する超音波画像生成部（３５１）と、前記各位置における超音波画像を合成して被検体（９）の断面の合成画像を生成する画像合成部（３５２）と、前記合成画像を角度調整し、前記合成画像に含まれる特定部位を所定の方向に指向させる方向調整部（３５３）とを備えた、超音波撮像装置（３）。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波によって被検体の内部を撮像する超音波撮像装置、超音波撮像システム、超音波撮像方法および超音波撮像プログラムに関する。
例えば、メタボリックシンドロームの健診では、腹部の断層画像を取得するために、ＣＴ（Computed Tomography）装置やＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置が用いられることが多い。これらの装置は、大がかりで高額であり、被爆の問題もあるため、近年では、超音波を用いて断層画像を取得する技術が開発されている。例えば、特許文献１には、プローブを被検体の表面に沿って移動させながら、プローブから超音波を断続的に送信することにより得られた複数の超音波画像を合成して、合成画像（パノラマ画像）を生成する技術が開示されている。この技術では、被検者自身がプローブを腹部に当接させながら移動させるだけで、腹部の断面を示す合成画像を得ることができる。
特許第５９３５３４４号
例えば腹部の断層画像を取得する場合、まず脇腹付近にプローブを当て、その後、臍部を経て反対側の脇腹付近まで移動させる。このとき、現行の合成画像では、図２０に示すように、プローブの初期位置に対応する脇腹付近が上向きになる。このような合成画像では、臍部が上向きになっていないため、被検者等が腹部の状態を把握し難いという問題がある。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、被検者等が被検体の状態を把握しやすい超音波合成画像を表示できる超音波撮像装置を提供することを課題とする。
本発明に係る超音波撮像装置は、被検体の表面上の互いに異なる複数の位置から該被検体の内部に向けて送信されて内部で反射された超音波を受信して、前記各位置に対応した超音波画像をそれぞれ生成する超音波画像生成部と、前記各位置における超音波画像を合成して前記被検体の断面の合成画像を生成する画像合成部と、前記合成画像を角度調整し、前記合成画像に含まれる特定部位を所定の方向に指向させる方向調整部とを備えたことを特徴とする。
本発明に係る超音波撮像システムは、超音波を前記被検体の表面上の互いに異なる複数の位置から該被検体の内部に向けて送信し、前記被検体の内部で反射された超音波を受信するプローブと、本発明に係る超音波画像装置とを備えることを特徴とする。
本発明に係る超音波撮像方法は、被検体の表面上の互いに異なる複数の位置から該被検体の内部に向けて送信されて内部で反射された超音波を受信して、前記各位置に対応した超音波画像をそれぞれ生成する超音波画像生成ステップと、前記各位置における超音波画像を合成して前記被検体の断面の合成画像を生成する画像合成ステップと、前記合成画像を角度調整し、前記合成画像に含まれる特定部位を所定の方向に指向させる方向調整ステップとを備えることを特徴とする。
本発明に係る超音波撮像プログラムは、被検体の表面上の互いに異なる複数の位置から該被検体の内部に向けて送信されて内部で反射された超音波を受信して、前記各位置に対応した超音波画像をそれぞれ生成する超音波画像生成部、前記各位置における超音波画像を合成して前記被検体の断面の合成画像を生成する画像合成部、および、前記合成画像を角度調整し、前記合成画像に含まれる特定部位を所定の方向に指向させる方向調整部、としてコンピュータを動作させる。
本発明によれば、被検者等が被検体の状態を把握しやすい超音波合成画像を表示することができる。
第１の実施形態に係る超音波撮像システムの構成を示す模式図である。 第１の実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。 腹部断面の合成画像の一例である。 方向調整部の機能ブロック図である。 領域が設定された合成画像の一例である。 プローブの軌跡、および、超音波の送信方向の説明図である。 領域に対応する超音波画像の番号と、相関値との関係の一例を示すグラフである。 腹直筋のほぼ真中に領域が設定された合成画像の一例である。 向きが調整された合成画像の一例である。 領域の他の設定例を説明するための図である。 第１の実施形態に係る超音波撮像方法の処理手順を示すフローチャートである。 第１の実施形態における方向調整ステップの詳細な処理手順を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態における方向調整部の機能ブロック図である。 調整対象となる合成画像の一例である。 回転された合成画像の一例である。 合成画像とテンプレート画像とのマッチングを説明するための図である。 第２の実施形態に係る超音波撮像方法の処理手順を示すフローチャートである。 第２の実施形態における方向調整ステップの詳細な処理手順を示すフローチャートである。 向きが調整されていない合成画像の一例である。
以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する重複した説明を省略する。
（全体構成）
図１は、第１の実施形態に係る超音波撮像システム１の構成を示す模式図である。超音波撮像システム１は、プローブ２と、超音波撮像装置３とを含んでいる。
プローブ２は、超音波を被検体９の表面上の互いに異なる複数の位置から被検体９の内部に向けて送信し、被検体９の内部で反射された超音波を受信する装置であり、本実施形態では、被検者が把持して動かすことができるように構成されている。プローブ２の下端には、複数の超音波振動子が一列に配列された超音波送受面が設けられている。被検体９の断層画像（あるいは断面画像）を取得する場合、被検者は、被検体９にプローブ２の超音波送受面を当接させて、プローブ２を被検体９の表面に沿って移動させる（プローブ２によりスキャンする）。その間に、プローブ２は、超音波送受面から被検体９の内部に向けて超音波を断続的に送信し、被検体９の内部で反射された超音波を超音波送受面において受信する。これにより、プローブ２は、受信した超音波を示す電気信号（エコー信号）を出力する。
なお、プローブ２は、リニアスキャン画像を取得するリニアスキャンモードで動作するが、セクタスキャン画像を取得するセクタスキャンモードで動作可能であってもよいし、リニアスキャンモードとセクタスキャンモードの両方で動作可能であってもよいし、他のモードあるいは他のモードとの組み合わせで動作可能であってもよい。また本実施形態では、被検体９は主に腹部であるが、被検体９に含まれる生体部位は特に限定されない。
超音波撮像装置３は、ＷｉＦｉ（登録商標）などの無線によってプローブ２に接続されている。本実施形態では、超音波撮像装置３は例えばタブレット端末で構成されており、プローブ２から受信したエコー信号に基づき、複数の超音波画像を生成し、さらに、それらの超音波画像を合成した合成画像を表示する機能を有している。
なお、超音波撮像装置３は画像を表示可能な装置であれば特に限定されず、汎用のパーソナルコンピュータや、スマートフォン等で構成することができる。また、プローブ２と超音波撮像装置３との接続方法は特に限定されず、有線接続であってもよい。
（超音波撮像装置の機能）
図２は、超音波撮像装置３の構成を示すブロック図である。超音波撮像装置３は、ハードウェアの構成として、ディスプレイ３１と、入力装置３２と、補助記憶装置３３と、通信インタフェース部（Ｉ／Ｆ部）３４と、表示インタフェース部（Ｉ／Ｆ部）３６とを備えている。
ディスプレイ３１は、例えば液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイおよび有機ＥＬディスプレイ等で構成することができる。なお、ディスプレイ３１を超音波撮像装置３とは別個の装置として構成してもよい。
入力装置３２は、ディスプレイ３１の表面に設けられたタッチパネルである。被検者は、入力装置３２を介してディスプレイ３１に表示された画像に対する入力操作を行うことができる。
補助記憶装置３３は、オペレーティングシステム（ＯＳ）、各種制御プログラム、および、プログラムによって生成されたデータなどを記憶する不揮発性の記憶装置であり、例えば、ｅＭＭＣ（embedded Multi Media Card）やＳＳＤ（Solid State Drive）等によって構成される。補助記憶装置３３には、超音波撮像プログラムＰが記憶されている。超音波撮像プログラムＰは、インターネットなどのネットワークを介して超音波撮像装置３にインストールしてもよい。あるいは、超音波撮像プログラムＰを記録したＳＤカード等のコンピュータ読み取り可能な非一時的な有体の記録媒体を超音波撮像装置３に読み取らせることにより、超音波撮像プログラムＰを超音波撮像装置３にインストールしてもよい。
通信インタフェース部３４は、外部機器とのデータの送受信を行うものであり、本実施形態では、プローブ２から受信した信号の復調や、プローブ２に送信するための制御信号の変調などを行う。
表示インタフェース部３６は、超音波撮像装置３の演算処理によって生成された各種画像データをＶＲＡＭに展開することにより、当該画像をディスプレイ３１に表示するものであり、例えば後述する信号処理部３５によって生成された合成画像等をディスプレイ３１に表示する。
図示していないが、超音波撮像装置３は、他のハードウェアの構成として、データ処理を行うＣＰＵ等のプロセッサ、および、プロセッサがデータ処理の作業領域に使用するメモリ（主記憶装置）などをさらに備えている。
また、超音波撮像装置３は、ソフトウェアの構成として、信号処理部３５を備えている。信号処理部３５は、プロセッサが超音波撮像プログラムＰを実行することにより実現される機能ブロックであり、プローブ２から受信されたエコー信号を処理して、被検体９の超音波合成画像を、被検者、医師、撮像従事者などが被検体９の状態を把握しやすいようにディスプレイ３１に表示する機能を有している。この機能を実現するために信号処理部３５は、超音波画像生成部３５１と、画像合成部３５２と、方向調整部３５３とを備えている。なお、信号処理部３５を、集積回路上に形成された論理回路によってハードウェア的に実現してもよい。
超音波画像生成部３５１は、プローブ２から受信されたエコー信号から、被検体９の内部の超音波画像を生成する。プローブ２は、被検体９の表面を移動しながら、超音波撮像装置３から送信される制御信号にしたがって、被検体９の表面上の互いに異なる複数の位置から被検体９の内部に向けて超音波を送信し、被検体９の内部で反射された超音波を受信して、超音波撮像装置３にエコー信号を出力する。これにより、プローブ２が超音波を受信するたびに、超音波画像生成部３５１にエコー信号が入力され、超音波画像生成部３５１は、エコー信号から、被検体９の表面上の互いに異なる複数の位置に対応した超音波画像を生成する。超音波画像の生成数は、プローブ２による超音波の送受信時間、および、送受信の周期によって変動するが、本実施形態では、ｎ枚の超音波画像が生成されるとする。
なお、超音波画像生成部３５１の機能を、プローブ２を制御する制御装置に設けてもよい。その場合、制御装置を超音波撮像装置３に接続してもよいし、制御装置に超音波画像を記憶させておき、記録媒体を介して超音波画像を超音波撮像装置３に送信してもよい。
画像合成部３５２は、超音波画像生成部３５１によって生成された、被検体９の表面上の前記各位置における超音波画像を合成して被検体９の断面の合成画像を生成する機能ブロックである。超音波画像の合成は、周知の技術を適用することができ、本実施形態では、例えば各超音波画像間の特徴点マッチングを用いて超音波画像を合成する。なお、本実施形態において、「断面」とは、輪切りの断面だけでなく、部分的な断面も含む概念である。
この方法では、１番目の超音波画像および２番目の超音波画像から特徴点を検出する。そして、１番目の超音波画像と２番目の超音波画像の特徴点をマッチングして、１番目の超音波画像と２番目の超音波画像の同次変換行列を計算する。具体的には、２番目の超音波画像が１番目の超音波画像に対して、時計周りにθだけ回転し、ｘ軸方向にｔｘ、ｙ軸方向にｔｙだけ平行移動させると１番目の超音波画像と２番目の超音波画像の特徴点が一致する場合、２番目の超音波画像の座標系を動かして１番目の超音波画像に合わせる同次変換行列Ｒは、
Figure 2020012883
 となる。すなわち、１番目の超音波画像上の特徴点（ｘ、ｙ）が、２番目の超音波画像上の特徴点（ｘ'、ｙ'）に移動するとき、
Figure 2020012883
 の関係が成り立つ。なお、特徴点の座標には誤差が含まれており、また、ノイズの影響により決定された対応関係自体に誤りが含まれているため、計算に悪影響を及ぼす外れ値をＲＡＮＳＡＣアルゴリズムにより除外する。また、位置関係の計算には、ガウス・ニュートン法、レーベンバーグ・マーカート法等の非線形最小二乗法を利用できる。
同次変換行列Ｒの計算を、生成順が隣り合う２枚の超音波画像について順次行い、ｎ−１番目の超音波画像およびｎ番目の超音波画像まで行う。ｋ＋１（１≦ｋ≦ｎ−１）番目の超音波画像からｋ番目の超音波画像への同次変換行列をＲｋとすると、ｋ＋１番目の超音波画像から１番目の超音波画像への同次変換行列は、Ｒ１Ｒ２…Ｒｋとなる。１番目の超音波画像の座標系はワールド座標系と呼ばれ、全ての超音波画像について、ワールド座標系への同次変換行列を計算することで、全ての超音波画像の座標が計算できる。その後、全ての超音波画像の画素をブレンドすることにより、１枚の合成画像が生成される。
本実施形態においては、まず、図２０に示す腹部断面を含む合成画像が生成されたとする。
方向調整部３５３は、合成画像を角度調整し、前記合成画像に含まれる特定部位を所定の方向に指向させる機能を有している。本実施形態では、方向調整部３５３は、図２０に示す合成画像の向きを、臍部が例えば上方向になるように調整する。調整の具体的な方法については、後述する。
方向調整部３５３によって方向調整された合成画像は、表示インタフェース部３６に入力される。表示インタフェース部３６は、合成画像のデータをＶＲＡＭに展開することにより、合成画像をディスプレイ３１に表示する。なお、表示インタフェース部３６は、下記の方向調整をする前の合成画像をいったんディスプレイ３１に表示してもよいし、方向調整を行った後に、合成画像をディスプレイ３１に表示してもよい。
（方向調整）
以下、方向調整部３５３が合成画像の向きを調整する一形態について、具体的に説明する。本実施形態では、図３において破線で示すように、腹直筋の断面形状が概ね左右対称であることを利用して、臍部が上方向になるように合成画像の向きを調整する。
図４に示すように、方向調整部３５３は、領域設定部３５３ａと、対称度評価部３５３ｂと、領域選択部３５３ｃと、角度算出部３５３ｄと、を備えている。
領域設定部３５３ａは、中心軸に対して線対称の形状の領域ｒを任意の位置と任意の角度で１または複数設定する機能ブロックである。本実施形態において、領域ｒの形状は、図５の白線枠に示すように中心軸Ａｘに対して線対称な長方形である。領域ｒが左右の腹直筋を均等に含む場合、領域ｒの中心軸Ａｘが腹部の臍部を通る中心軸とみなせる。領域設定部３５３ａは、左右対称性の高い領域ｒを探索するため、領域ｒを移動可能に設定する。
より具体的には、領域設定部３５３ａは、合成画像の生成に用いられた複数の超音波画像から一つの超音波画像を選択し、被検体９の表面上の位置の超音波の送信方向を示す軸に領域ｒの中心軸Ａｘを合わせて領域ｒの設定をする。すなわち、領域設定部３５３ａは、被検体９の表面上の互いに異なる複数の位置における超音波の送信方向を示す各軸にそれぞれ各領域ｒの中心軸Ａｘを合わせて当該各領域ｒの設定をする。各超音波画像における超音波の送信方向は、１番目の超音波画像の座標系（ワールド座標系）への同次変換行列に基づいて特定できる。また、超音波画像取得時におけるプローブ２の軌跡は、各超音波画像の上辺に対応する。そのため、図６に示すように、プローブ２の軌跡、および、超音波の送信方向の情報は、合成画像に含まれている。
領域設定部３５３ａは、１番目の超音波画像からｎ番目（ｎは正の整数）の超音波画像までを順に選択してもよいが、本実施形態では、超音波画像の生成された順の略中央に対応する略中央超音波画像の中心軸、および、前記略中央超音波画像の前後の所定数の生成順の超音波画像の前記中心軸を、それぞれ順次選択する。ｎが偶数の場合、略中央超音波画像は、ｎ／２番の超音波画像に対応する。ｎが奇数の場合、略中央超音波画像は、（ｎ−１）／２番あるいは（ｎ＋１）／２番のいずれかの超音波画像に対応する。また、略中央超音波画像における超音波の送信方向を示す軸をＤｃとする。領域設定部３５３ａは、ｎ枚の超音波画像から略中央超音波画像を最初に選択し、略中央超音波画像における軸Ｄｃと、図５において一点鎖線で示す領域ｒの中心軸Ａｘとを合わせて、領域ｒを設定する。すなわち、略中央超音波画像における超音波の送信方向と中心軸が一致する領域ｒを探索開始領域とする。なお、以下の説明では、超音波画像における超音波の送信方向と、領域の中心軸とが一致する場合、当該超音波画像と当該領域とが対応しているものとする。
その後、領域ｒを移動させる場合、領域設定部３５３ａは、他の超音波画像を選択し、選択した超音波画像における超音波の送信方向と、領域ｒの中心軸Ａｘが一致するように、再度、領域ｒを設定する。本実施形態では、領域設定部３５３ａは、略中央超音波画像を選択した後、略中央超音波画像の生成順における前後の所定数ｍの超音波画像（ｍが偶数の場合、（ｎ／２）−（ｍ／２）番から（ｎ／２）＋（ｍ／２）−１番までの超音波画像）を順次選択することにより、領域ｒを移動させる。
ここで、被検者が腹部の超音波画像を取得する場合、通常は、一方の脇腹付近から臍部を経て他方の脇腹付近へプローブ２を移動させる。そのため、略中央超音波画像の取得時におけるプローブ２の位置は、臍部付近である可能性が高い。そのため、左右対称性の高い領域ｒの探索は、全ての超音波画像に対応する領域について行う必要は無く、ｍ＜ｎとすることができる。これにより、領域ｒの移動回数を抑えて、演算量を減らすことができる。
図４に示す対称度評価部３５３ｂは、領域ｒの中心軸Ａｘに対して領域ｒ内の左右にそれぞれある画像の対称度を評価する機能ブロックである。例えば図５に示す領域ｒが設定された場合、対称度評価部３５３ｂは、中心軸Ａｘに対して左側の領域と右側の領域との相関値を計算することにより、領域ｒの対称度を評価する。相関値の計算手法としては、例えばSum of Abusolute Difference（ＳＡＤ）、Sum of Squared Difference（ＳＳＤ）、Normalized Cross-Correlation（ＮＣＣ）、およびZero-means Normalized Cross-Correlation（ＺＮＣＣ）等を用いることができるが、明るさの変化に対して頑健なＺＮＣＣが特に好ましい。なお、相関値については、例えばhttp://isl.sist.chukyo-u.ac.jp/Archives/tm.html を参照されたい。
また、合成画像では、腹直筋などの筋肉とその他の組織との境界が高輝度になるため、線状の模様が形成されている。対称度評価部３５３ｂは、特に、領域ｒ中の模様について、相関値を計算することが好ましい。
なお、相関値の代わりに、相互情報量を用いて対称度を評価してもよい。相互情報量については、例えばhttps://lp-tech.net/articles/9pF3Zを参照されたい。
対称度評価部３５３ｂは、領域設定部３５３ａが設定した全ての領域ｒについて、対称度を評価し、領域ｒが移動するたびに対称度をメモリに記録しておく。図７は、領域に対応する超音波画像の番号（画像Ｎｏ．）と、相関値との関係の一例を示すグラフである。
領域選択部３５３ｃは、対称度に基づいて領域ｒを選択する機能ブロックである。本実施形態では、領域選択部３５３ｃは、対称度が評価された領域ｒの中から、最大の対称度を有する領域ｒ（図７に示す例では、ｐ番目の超音波画像に対応する領域）を選択する。これにより、図８に示すように、中心軸Ａｘが左右の腹直筋のほぼ真中に位置する領域ｒが選択される。
なお、領域選択部３５３ｃによって選択される領域は、必ずしも最大の対称度を有する領域である必要はなく、所定閾値以上の対称度を有する領域のいずれかであってもよい。例えば左右対称度の２番目に高い領域等、対称度の比較的高い領域が選択されてもよい。
角度算出部３５３ｄは、合成画像を通る所定の軸と選択された領域ｒの中心軸Ａｘとの角度差を算出する機能ブロックであり、方向調整部３５３は、角度算出部３５３ｄが算出した角度差に基づいて、合成画像の角度調整をする。本実施形態では、合成画像を通る所定の軸は、合成画像の左右対称軸である。これにより、図８に示す中心軸Ａｘが上方向に指向するように合成画像が回転する。方向調整部３５３によって調整された合成画像のデータは表示インタフェース部３６に出力され、図９に示すような、臍部が上方向になった合成画像がディスプレイ３１に表示される。これにより、被検者は、腹部の状態を容易に把握することができる。なお、図９においては合成画像の一部のみが表示されているが、合成画像の全体が表示されてもよいことはいうまでもない。
なお、領域ｒの形状は、中心軸に対して線対称であれば特に限定されず、例えば、等脚台形、菱形、六角形、楕円形などであってもよい。また、領域ｒの大きさも特に限定されないが、左右の各腹直筋が概ね左右対称の形状を有しているため、領域ｒの幅を各腹直筋の幅と異ならせることが好ましい。
また、被検者がプローブ２を被検体９に当接させる場合、超音波の送信方向が被検体９の表面に垂直になるとは限らない。特に、プローブ２が臍部付近を通過したときの超音波の送信方向が被検体９の表面に垂直でなかった場合、臍部付近に設定された領域が、腹直筋が連なる方向に対して傾き、対称度が高くならない可能性がある。
そこで領域設定部３５３ａは、図１０に示すように、選択した超音波画像における超音波の送信方向を示す軸Ｄと、領域ｒの中心軸Ａｘとの角度θが所定値以下になるように、領域ｒを設定してもよい。所定値は特に限定されないが、通常のプローブ２の移動における、超音波の送信方向と被検体９の表面の法線とがなす角度の想定される最大値（例えば±５°）に設定する。この場合、領域設定部３５３ａは、１つの超音波画像を選択して、領域ｒを設定した後、角度θを例えば１°ずつ変化させることにより、領域ｒを移動させる。対称度評価部３５３ｂは、角度θが変化するたびに、領域ｒの対称度を評価し、領域選択部３５３ｃは、対称度が最も高い領域ｒを選択する。これにより、超音波の送信方向が被検体９の表面に垂直でなかったとしても、臍部付近に設定された領域ｒはいずれかの角度において対称度が最も高くなるため、適切な領域を選択することができる。
（処理手順）
図１１は、本実施形態に係る超音波撮像方法の処理手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１において、プローブ２が超音波を被検体９の表面上の互いに異なる複数の位置から被検体９の内部に向けて送信する。これにより、プローブ２は、被検体９の内部で反射された超音波を受信し、プローブ２からエコー信号が出力される。
ステップＳ２において、超音波画像生成部３５１が被検体９の表面上の互いに異なる複数の位置に対応した超音波画像をそれぞれ生成する。本実施形態では、プローブ２からエコー信号が出力されるたびに、超音波画像生成部３５１が超音波画像を生成する。ステップＳ１およびＳ２は、プローブ２のスキャンが終了するまで（ステップＳ３においてＹｅｓ）、繰り返される。
プローブ２のスキャンが終了すると、ステップＳ４（画像合成ステップ）において、画像合成部３５２が、前記各位置における超音波画像を合成して被検体９の断面の合成画像を生成する。
続いて、ステップＳ５（方向調整ステップ）において、方向調整部３５３が、合成画像に含まれる特定部位を所定の方向に指向させる。方向調整部３５３による調整は、合成画像の生成後、自動で行ってもよいし、入力装置３２等を介した所定の操作を受け付けた場合に行ってもよい。ステップＳ５のさらに詳細な処理手順は後述する。
その後、ステップＳ６（表示ステップ）において、向きが調整された合成画像がディスプレイ３１に表示される。
図１２は、本実施形態におけるステップＳ５の詳細な処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ５は、ステップＳ５−１〜Ｓ５−７を有している。
まず、ステップＳ５−１において、領域設定部３５３ａが、合成画像の生成に用いられた複数の超音波画像から一つの超音波画像を選択する。本実施形態では、例えば、超音波画像の生成順の中央に対応する略中央超音波画像を選択する。
続いて、ステップＳ５−２において、領域設定部３５３ａが、選択した超音波画像における超音波の送信方向を示す軸に領域ｒの中心軸Ａｘを合わせて、合成画像に領域ｒを設定する。
続いて、ステップＳ５−３において、対称度評価部３５３ｂが、設定された領域ｒの対称度を評価する。
探索対象となる全ての領域について対称度が評価されていない場合（ステップＳ５−４においてＮｏ）、ステップＳ５−５に移行し、領域設定部３５３ａが、これまでに選択されていない他の超音波画像を選択する。そして、当該選択した他の超音波画像について、ステップＳ５−２およびＳ５−３を実施する。ステップＳ５−２、Ｓ５−３およびＳ５−５は、探索対象となる全ての領域について対称度が評価されるまで（ステップＳ５−４においてＹｅｓ）、繰り返される。
その後、ステップＳ５−６において、領域選択部３５３ｃが、例えば最大の対称度を有する領域ｒを選択する。なお、領域選択部３５３ｃが、左右対称度の２番目に高い領域等、対称度の比較的高い領域ｒを選択してもよい。
続いて、ステップＳ５−７において、角度算出部３５３ｄが、合成画像の左右対称軸と領域選択部３５３ｃによって選択された領域ｒの中心軸Ａｘとの角度差を算出し、方向調整部３５３が、該角度差に基づいて前記合成画像の角度調整をすることにより、合成画像を回転させる。
（総括）
以上のように、本実施形態では、腹直筋の断面形状が概ね左右対称であることを利用して、臍部が上方向になるように合成画像の向きを調整する。これにより、被検者等には、腹部の状態が把握しやすい合成画像を表示することができる。
なお、本実施形態の技術は、概ね左右対称な組織を含む部位であれば、腹直筋以外にも適用可能である。そのような部位として、背中、腰、首などが挙げられる。
〔実施形態２〕
第２の実施形態では、合成画像を回転させながらテンプレート画像と比較することにより、合成画像の向きを調整する形態について説明する。図１３は、第２の実施形態に係る超音波撮像装置３'の構成を示すブロック図である。超音波撮像装置３'は、図２に示す超音波撮像装置３において、方向調整部３５３を方向調整部３５３'に置き換えた構成である。また、補助記憶装置３３には、テンプレート画像Ｔが記憶されている。
図１４は、方向調整部３５３'の機能等を示すブロック図である。方向調整部３５３'は、仮想回転部３５３ｅと、相関度評価部３５３ｆと、角度決定部３５３ｇと、回転部３５３ｈと、を備えている。
仮想回転部３５３ｅは、超音波合成画像のテンプレート画像Ｔ、および、画像合成部３５２によって生成された合成画像の少なくともいずれかを仮想的に回転させる機能ブロックである。本実施形態におけるテンプレート画像Ｔは、臍部（特定部位）を含み、かつ、臍部が上方向（所定の方向）に指向している腹部断面を示す超音波合成画像である。テンプレート画像Ｔは、複数の個人の腹部超音波合成画像を平均化することによって作成することができる。あるいは、過去に同じ被検者の超音波合成画像が生成されていた場合は、方向が調整された過去の被検者の合成画像をテンプレート画像Ｔとしてもよい。本実施形態では、方向が調整された合成画像をテンプレート画像Ｔとし、図１５に示す合成画像Ｆが新たに生成されたものとする。
なお、仮想回転部３５３ｅは、テンプレート画像Ｔを回転させてもよいが、本実施形態では、合成画像Ｆのみを回転させる。また、仮想回転部３５３ｅは、合成画像Ｆを３６０°回転させてもよいが、本実施形態では、テンプレート画像Ｔにおける断面の外形が上方向に指向した略円弧状であり、合成画像Ｆにおける断面の外形が右斜め方向に傾斜した略円弧状であることに基づき、合成画像Ｆを反時計回りに例えば４５°の範囲で回転させる。合成画像Ｆにおける断面の外形は、例えば、プローブ２のスキャン開始時の当接位置に対応する左端部、スキャン終了時の当接位置に対応する右端部、および、スキャン開始時と終了時との真中の時点における当接位置に対応する中央部の各部の座標から判別することができる。
また、仮想回転部３５３ｅが合成画像Ｆを一度に回転させる角度は特に限定されないが、本実施形態では、合成画像Ｆを例えば所定角度として１°ずつ回転させる。回転された合成画像Ｆの一例を図１６に示す。
相関度評価部３５３ｆは、テンプレート画像Ｔと合成画像との相関度を評価する機能ブロックである。具体的には、仮想回転部３５３ｅが合成画像Ｆを回転させるたびに、相関度評価部３５３ｆは、図１７に示すように、回転された合成画像Ｆを仮想的に移動させながら合成画像Ｆとテンプレート画像Ｔとをマッチングさせ、合成画像Ｆとテンプレート画像Ｔとの相関値が最大になる相対位置を特定する。そして、相関度評価部３５３ｆは、特定された相対位置における相関値を、相関度として、合成画像Ｆの初期位置からの回転角度ごとにメモリに記録しておく。
なお、相関値の計算手法は、第１の実施形態と同様の手法を用いることができ、相関値の代わりに相互情報量を用いてもよい。また、仮想回転部３５３ｅによる合成画像Ｆの回転、および、相関度評価部３５３ｆによる合成画像Ｆとテンプレート画像Ｔとのマッチングは仮想的なものであり、ディスプレイ３１に表示しなくてもよい。また、相関度評価部３５３ｆは、仮想回転部３５３ｅが合成画像Ｆを１回回転させたときに、前記相関度が所定閾値以上であった場合、相関度評価処理を終了してもよい。
図１４に示す角度決定部３５３ｇは、相関度評価部３５３ｆが評価した相関度に基づいて、合成画像Ｆの回転角度を決定する機能ブロックである。ここでの回転角度は、後述する回転部３５３ｈによって合成画像Ｆが実際に回転する角度を意味する。本実施形態では、相関度が評価された合成画像Ｆの中から、相関度が最も高い合成画像Ｆｍａｘを選択し、合成画像Ｆｍａｘの初期位置に対する角度を、合成画像Ｆの回転角度として決定する。
なお、相関度評価部３５３ｆによって選択される合成画像は、必ずしも相関度が最も高い合成画像である必要はなく、相関値が所定閾値以上の合成画像のいずれかであってもよい。例えば、相関度の２番目に高い合成画像等、相関度の比較的高い合成画像が選択されてもよい。
回転部３５３ｈは、角度決定部３５３ｇによって決定された回転角度に従って、合成画像Ｆを回転させる機能ブロックである。回転部３５３ｈによって回転された合成画像Ｆは、テンプレート画像Ｔとの相関度が最も高いと評価された合成画像であるため、臍部がほぼ上方向になるように調整されている。回転部３５３ｈは、回転させた合成画像のデータを表示インタフェース部３６に出力し、これに応じて、表示インタフェース部３６は、臍部が所望の方向（例えば上方向）になった合成画像をディスプレイ３１に表示する。
（処理手順）
図１８は、本実施形態に超音波撮像方法の処理手順を示すフローチャートである。図１８に示すフローチャートでは、全体的な処理手順は図１１に示すフローチャートと同一であるが、合成画像の向きを調整するステップＳ５がステップＳ５'に置き換わっている。
図１９は、本実施形態におけるステップＳ５'の詳細な処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ５'は、ステップＳ５−８〜Ｓ５−１２を有している。
まず、ステップＳ５−８において、図１４に示す仮想回転部３５３ｅが、合成画像Ｆを例えば１°ずつ回転させる。
続いて、ステップＳ５−９において、相関度評価部３５３ｆが、回転された合成画像Ｆを仮想的に移動させながら、テンプレート画像Ｔと合成画像Ｆとの相関度を評価する。
合成画像Ｆの初期位置からの回転角度が所定値（例えば４５°）に達していない場合（ステップＳ５−１０においてＮｏ）、ステップＳ５−８に戻る。そして、ステップＳ５−８およびＳ５−９が、合成画像Ｆの初期位置からの回転角度が所定値に達するまで（ステップＳ５−１０においてＹｅｓ）、繰り返される。
その後、ステップＳ５−１１において、角度決定部３５３ｇが、相関度が評価された合成画像Ｆの中から、相関度が最も高い合成画像Ｆｍａｘの初期位置からの回転角度を、合成画像Ｆの回転角度として決定する。
続いて、ステップＳ５−１２において、回転部３５３ｈが、角度決定部３５３ｇによって決定された回転角度に従って、合成画像Ｆを回転させる。
（総括）
以上のように、本実施形態では、合成画像を回転させながらテンプレート画像と比較することにより、合成画像の向きを調整する。生体組織の左右対称性を利用する第１の実施形態とは異なり、本実施形態では、左右対称な組織を含まないあらゆる部位の合成画像について、向きの調整が可能である。
（付記事項）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、各実施形態に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記実施形態では、腹部断面の合成画像の向きを、臍部が上方向になるように調整する場合について説明したが、合成画像の向きは、適宜変更することができる。例えば、臍部が下方向や横方向になるように合成画像の向きを調整してもよい。
また、上記実施形態では、生体組織の左右対称性を利用する、または、合成画像をテンプレート画像と比較することにより、合成画像の向きを調整しているが、合成画像の向きを調整する方法は、これらに限定されない。例えば、腹部断面の合成画像の場合、プローブ２のスキャン開始時および終了時の当接位置に対応する左右端部の高さを等しくすることによっても、臍部が上方向になるように調整してもよい。
また、上記実施形態では、被検体９の表面上の互いに異なる複数の位置に対応した超音波画像を得るために、プローブ２を被検体９の表面に沿って移動させながら、プローブ２から超音波を断続的に送信していたが、超音波画像を得る態様はこれに限定されない。例えば、被検体９に超音波送受信装置を複数配置し、各超音波送受信装置から同時に超音波を送信してもよい。
本発明は、医療用途および非医療用途のいずれにも適用可能であるが、特に、医療従事者ではない被検者が自身の健康状態を日常的に確認する用途に好適である。
１ 超音波撮像システム
２ プローブ
３ 超音波撮像装置
３１ ディスプレイ
３２ 入力装置
３３ 補助記憶装置
３４ 通信インタフェース部
３５ 信号処理部
３５１ 超音波画像生成部
３５２ 画像合成部
３５３ 方向調整部
３５３' 方向調整部
３５３ａ 領域設定部
３５３ｂ 対称度評価部
３５３ｃ 領域選択部
３５３ｄ 角度算出部
３５３ｅ 仮想回転部
３５３ｆ 相関度評価部
３５３ｇ 角度決定部
３５３ｈ 回転部
３６ 表示インタフェース部
９ 被検体
Ａｘ 中心軸
Ｄ 送信方向を示す軸
Ｄｃ 送信方向を示す軸
Ｆ 合成画像
Ｆｍａｘ 合成画像
Ｐ 超音波撮像プログラム
ｒ 領域
Ｔ テンプレート画像
Ｔｃ 略中央超音波画像
 用語
必ずしも全ての目的または効果・利点が、本明細書中に記載される任意の特定の実施形態に則って達成され得るわけではない。従って、例えば当業者であれば、特定の実施形態は、本明細書中で教示または示唆されるような他の目的または効果・利点を必ずしも達成することなく、本明細書中で教示されるような1つまたは複数の効果・利点を達成または最適化するように動作するように構成され得ることを想到するであろう。
本明細書中に記載される全ての処理は、1つまたは複数のコンピュータまたはプロセッサを含むコンピューティングシステムによって実行されるソフトウェアコードモジュールにより具現化され、完全に自動化され得る。コードモジュールは、任意のタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体または他のコンピュータ記憶装置に記憶することができる。一部または全ての方法は、専用のコンピュータハードウェアで具現化され得る。
本明細書中に記載されるもの以外でも、多くの他の変形例があることは、本開示から明らかである。例えば、実施形態に応じて、本明細書中に記載されるアルゴリズムのいずれかの特定の動作、イベント、または機能は、異なるシーケンスで実行することができ、追加、併合、または完全に除外することができる (例えば、記述された全ての行為または事象がアルゴリズムの実行に必要というわけではない)。さらに、特定の実施形態では、動作またはイベントは、例えば、マルチスレッド処理、割り込み処理、または複数のプロセッサまたはプロセッサコアを介して、または他の並列アーキテクチャ上で、逐次ではなく、並列に実行することができる。さらに、異なるタスクまたはプロセスは、一緒に機能し得る異なるマシンおよび/またはコンピューティングシステムによっても実行され得る。
本明細書中に開示された実施形態に関連して説明された様々な例示的論理ブロックおよびモジュールは、プロセッサなどのマシンによって実施または実行することができる。プロセッサは、マイクロプロセッサであってもよいが、代替的に、プロセッサは、コントローラ、マイクロコントローラ、またはステートマシン、またはそれらの組み合わせなどであってもよい。プロセッサは、コンピュータ実行可能命令を処理するように構成された電気回路を含むことができる。別の実施形態では、プロセッサは、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、またはコンピュータ実行可能命令を処理することなく論理演算を実行する他のプログラマブルデバイスを含む。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組み合わせ、例えば、デジタル信号プロセッサ(デジタル信号処理装置)とマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと組み合わせた1つ以上のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実装することができる。本明細書中では、主にデジタル技術に関して説明するが、プロセッサは、主にアナログ素子を含むこともできる。例えば、本明細書中に記載される信号処理アルゴリズムの一部または全部は、アナログ回路またはアナログとデジタルの混合回路により実装することができる。コンピューティング環境は、マイクロプロセッサ、メインフレームコンピュータ、デジタル信号プロセッサ、ポータブルコンピューティングデバイス、デバイスコントローラ、または装置内の計算エンジンに基づくコンピュータシステムを含むが、これらに限定されない任意のタイプのコンピュータシステムを含むことができる。
特に明記しない限り、「できる」「できた」「だろう」または「可能性がある」などの条件付き言語は、特定の実施形態が特定の特徴、要素および/またはステップを含むが、他の実施形態は含まないことを伝達するために一般に使用される文脈内での意味で理解される。従って、このような条件付き言語は、一般に、特徴、要素および/またはステップが1つ以上の実施形態に必要とされる任意の方法であること、または1つ以上の実施形態が、これらの特徴、要素および/またはステップが任意の特定の実施形態に含まれるか、または実行されるかどうかを決定するための論理を必然的に含むことを意味するという訳ではない。
語句「X、Y、Zの少なくとも1つ」のような選言的言語は、特に別段の記載がない限り、項目、用語等が X, Y, Z、のいずれか、又はそれらの任意の組み合わせであり得ることを示すために一般的に使用されている文脈で理解される(例: X、Y、Z)。従って、このような選言的言語は、一般的には、特定の実施形態がそれぞれ存在するXの少なくとも1つ、Yの少なくとも1つ、またはZの少なくとも1つ、の各々を必要とすることを意味するものではない。
本明細書中に記載されかつ/または添付の図面に示されたフロー図における任意のプロセス記述、要素またはブロックは、プロセスにおける特定の論理機能または要素を実装するための1つ以上の実行可能命令を含む、潜在的にモジュール、セグメント、またはコードの一部を表すものとして理解されるべきである。代替の実施形態は、本明細書中に記載された実施形態の範囲内に含まれ、ここでは、要素または機能は、当業者に理解されるように、関連する機能性に応じて、実質的に同時にまたは逆の順序で、図示または説明されたものから削除、順不同で実行され得る。
特に明示されていない限り、「一つ」のような数詞は、一般的に、1つ以上の記述された項目を含むと解釈されるべきである。従って、「〜するように設定された一つのデバイス」などの語句は、1つ以上の列挙されたデバイスを含むことを意図している。このような1つまたは複数の列挙されたデバイスは、記載された引用を実行するように集合的に構成することもできる。例えば、「以下のA、BおよびCを実行するように構成されたプロセッサ」は、Aを実行するように構成された第1のプロセッサと、BおよびCを実行するように構成された第2のプロセッサとを含むことができる。加えて、導入された実施例の具体的な数の列挙が明示的に列挙されたとしても、当業者は、このような列挙が典型的には少なくとも列挙された数(例えば、他の修飾語を用いない「2つの列挙と」の単なる列挙は、通常、少なくとも2つの列挙、または2つ以上の列挙を意味する)を意味すると解釈されるべきである。
一般に、本明細書中で使用される用語は、一般に、「非限定」用語(例えば、「〜を含む」という用語は「それだけでなく、少なくとも〜を含む」と解釈すべきであり、「〜を持つ」という用語は「少なくとも〜を持っている」と解釈すべきであり、「含む」という用語は「以下を含むが、これらに限定されない。」などと解釈すべきである。) を意図していると、当業者には判断される。
説明の目的のために、本明細書中で使用される「水平」という用語は、その方向に関係なく、説明されるシステムが使用される領域の床の平面または表面に平行な平面、または説明される方法が実施される平面として定義される。「床」という用語は、「地面」または「水面」という用語と置き換えることができる。「垂直/鉛直」という用語は、定義された水平線に垂直/鉛直な方向を指します。「上側」「下側」「下」「上」「側面」「より高く」「より低く」「上の方に」「〜を越えて」「下の」などの用語は水平面に対して定義されている。
本明細書中で使用される用語の「付着する」、「接続する」、「対になる」及び他の関連用語は、別段の注記がない限り、取り外し可能、移動可能、固定、調節可能、及び/または、取り外し可能な接続または連結を含むと解釈されるべきである。接続/連結は、直接接続及び/または説明した2つの構成要素間の中間構造を有する接続を含む。
特に明示されていない限り、本明細書中で使用される、「およそ」、「約」、および「実質的に」のような用語が先行する数は、列挙された数を含み、また、さらに所望の機能を実行するか、または所望の結果を達成する、記載された量に近い量を表す。例えば、「およそ」、「約」及び「実質的に」とは、特に明示されていない限り、記載された数値の10%未満の値をいう。本明細書中で使用されているように、「およそ」、「約」、および「実質的に」などの用語が先行して開示されている実施形態の特徴は、さらに所望の機能を実行するか、またはその特徴について所望の結果を達成するいくつかの可変性を有する特徴を表す。
上述した実施形態には、多くの変形例および修正例を加えることができ、それらの要素は、他の許容可能な例の中にあるものとして理解されるべきである。そのような全ての修正および変形は、本開示の範囲内に含まれることを意図し、以下の特許請求の範囲によって保護される。

Claims (17)

  1. 被検体の表面上の互いに異なる複数の位置から該被検体の内部に向けて送信されて内部で反射された超音波を受信して、前記各位置に対応した超音波画像をそれぞれ生成する超音波画像生成部と、
    前記各位置における超音波画像を合成して前記被検体の断面の合成画像を生成する画像合成部と、
    前記合成画像を角度調整し、前記合成画像に含まれる特定部位を所定の方向に指向させる方向調整部と
    を備えた、超音波撮像装置。
  2. 前記特定部位に腹部の臍部を含み、
    前記方向調整部は、前記合成画像を画面表示する際に該臍部を該画面表示の所望の方向に一致させる、請求項１に記載の超音波撮像装置。
  3. 前記方向調整部は、
    前記合成画像において、中心軸に対して線対称の形状の領域を任意の位置と任意の角度で１または複数設定する領域設定部と、
    前記中心軸に対して前記領域内の左右にそれぞれある画像の対称度を評価する対称度評価部と、
    前記対称度に基づいて前記領域を選択する領域選択部と、
    前記合成画像を通る所定の軸と選択された前記領域の前記中心軸との角度差を算出する角度算出部とを備え、
    該角度差に基づいて前記合成画像の角度調整をする、請求項１または２に記載の超音波撮像装置。
  4. 前記領域設定部は、前記位置の前記超音波の送信方向を示す軸に前記領域の中心軸を合わせて当該領域の設定をする、請求項３に記載の超音波撮像装置。
  5. 前記領域設定部は、前記複数の位置における前記超音波の送信方向を示す各軸にそれぞれ前記各領域の中心軸を合わせて当該各領域の設定をする、請求項３または４に記載の超音波撮像装置。
  6. 前記領域設定部は、前記領域を前記合成画像に移動可能に設定し、
    前記対称度評価部は、前記領域の移動の毎に前記対称度を評価する、請求項３乃至５のいずれかに記載の超音波撮像装置。
  7. 前記領域選択部は、前記各対称度のうちで所定閾値以上の対称度を有する前記領域のいずれかを選択する、請求項６に記載の超音波撮像装置。
  8. 前記領域選択部は、前記各対称度のうちで最大の対称度を有する前記領域を選択する、請求項６または７に記載の超音波撮像装置。
  9. 前記領域設定部は、前記複数の超音波画像のうち、生成された順の略中央に対応する略中央超音波画像を選択する、請求項３に記載の超音波撮像装置。
  10. 前記領域設定部は、前記複数の超音波画像のうち、生成された順の略中央に対応する略中央超音波画像の中心軸、および、前記略中央超音波画像の前後の所定数の生成順の超音波画像の前記中心軸を、それぞれ順次選択し、前記選択した前記中心軸に前記領域の中心軸を合わせて当該領域の設定をする、請求項３に記載の超音波撮像装置。
  11. 前記方向調整部は、
    前記特定部位を含み、かつ、前記特定部位が前記所定の方向に指向している超音波合成画像のテンプレート画像、および、前記合成画像の少なくともいずれかを仮想的に回転させる仮想回転部と、
    前記テンプレート画像と前記合成画像との相関度を評価する相関度評価部と、
    前記相関度に基づいて、前記合成画像の回転角度を決定する角度決定部と、
    前記角度決定部によって決定された回転角度に従って前記合成画像を回転させる回転部と、
    を備える、請求項１または２に記載の超音波撮像装置。
  12. 前記相関度評価部は、前記仮想回転部が画像を回転させるたびに、前記テンプレート画像と前記合成画像との相関度を評価する、請求項１１に記載の超音波撮像装置。
  13. 前記角度決定部は、前記相関度評価部によって前記相関度が評価された合成画像の中で、前記相関度の最も高い合成画像の初期位置に対する角度を、前記回転角度として決定する、請求項１１または１２に記載の超音波撮像装置。
  14. 前記合成画像をディスプレイに表示する表示部をさらに備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載の超音波撮像装置。
  15. 超音波を前記被検体の表面上の互いに異なる複数の位置から該被検体の内部に向けて送信し、前記被検体の内部で反射された超音波を受信するプローブと、
    請求項１乃至１４のいずれかに記載の超音波画像装置とを備える、超音波撮像システム。
  16. 被検体の表面上の互いに異なる複数の位置から該被検体の内部に向けて送信されて内部で反射された超音波を受信して、前記各位置に対応した超音波画像をそれぞれ生成する超音波画像生成ステップと、
    前記各位置における超音波画像を合成して前記被検体の断面の合成画像を生成する画像合成ステップと、
    前記合成画像を角度調整し、前記合成画像に含まれる特定部位を所定の方向に指向させる方向調整ステップと
    を備える、超音波撮像方法。
  17. 被検体の表面上の互いに異なる複数の位置から該被検体の内部に向けて送信されて内部で反射された超音波を受信して、前記各位置に対応した超音波画像をそれぞれ生成する超音波画像生成部、
    前記各位置における超音波画像を合成して前記被検体の断面の合成画像を生成する画像合成部、および、
    前記合成画像を角度調整し、前記合成画像に含まれる特定部位を所定の方向に指向させる方向調整部、
    としてコンピュータを動作させる、超音波撮像プログラム。
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