JPWO2020157870A1 - 超音波観測装置、超音波観測装置の作動方法および超音波観測装置の作動プログラム - Google Patents

超音波観測装置、超音波観測装置の作動方法および超音波観測装置の作動プログラム Download PDF

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Abstract

本発明に係る超音波観測装置は、超音波プローブに、観測対象に対して超音波を送信させる信号を送信し、超音波プローブが受信した超音波から変換された電気信号であるエコー信号を受信する送受信部と、エコー信号に基づいて高速フーリエ変換による周波数解析を行うことによって周波数スペクトルを算出する周波数解析部と、観測対象の種別に対応する基準データを取得し、取得した基準データを用いて周波数スペクトルを補正するスペクトル補正部と、スペクトル補正部が補正した周波数スペクトルに基づいて特徴量を算出する特徴量算出部と、を備える。

Description

本発明は、超音波を用いて観測対象の組織を観測する超音波観測装置、超音波観測装置の作動方法および超音波観測装置の作動プログラムに関する。
観測対象である生体組織または材料の特性を観測するために、超音波を適用することがある。具体的には、観測対象に超音波を送信し、その観測対象によって反射された超音波エコーに対して所定の信号処理を施すことによって、観測対象の特性に関する情報を取得する（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１では、観測対象から受信した超音波の周波数を解析して周波数スペクトルを算出し、基準スペクトルを用いてこの周波数スペクトルを補正している。基準スペクトルは、基準反射体から受信した超音波の周波数に基づいて算出される。
特開２０１３−１６６０５９号公報
ところで、観測対象によって周波数スペクトルの特性が異なる。例えば、生体組織の種別によって、得られる周波数スペクトルの特性が異なる。特許文献１では、基準スペクトルが、観測対象の種別までを考慮したものではなかった。このため、周波数スペクトルに基づく解析結果の基準を観測対象の種別によって変える必要があり、種別に応じた基準を用意して観測対象の特性を確認しなければばらなかった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、周波数スペクトルから得られる観測対象の特性を、該観測対象の種別によらず画一的に解析することができる超音波観測装置、超音波観測装置の作動方法および超音波観測装置の作動プログラムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る超音波観測装置は、超音波プローブに、観測対象に対して超音波を送信させる信号を送信し、前記超音波プローブが受信した超音波から変換された電気信号であるエコー信号を受信する送受信部と、前記エコー信号に基づく高速フーリエ変換による周波数解析を行うことによって周波数スペクトルを算出する周波数解析部と、前記観測対象の種別に対応する基準データを取得し、取得した基準データを用いて前記周波数スペクトルを補正するスペクトル補正部と、前記スペクトル補正部が補正した前記周波数スペクトルに基づいて特徴量を算出する特徴量算出部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る超音波観測装置は、上記発明において、前記観測対象の種別の入力を受け付ける入力部、をさらに備え、前記スペクトル補正部は、前記入力部が受け付けた前記観測対象の種別に対応する基準データを選択し、選択した基準データを用いて前記周波数スペクトルを補正することを特徴とする。
また、本発明に係る超音波観測装置は、上記発明において、前記入力部は、複数の関心領域が設定されている場合、関心領域ごとに観測対象の種別の入力を受け付け、前記スペクトル補正部は、関心領域ごとに選択される基準データを用いて前記周波数スペクトルを補正することを特徴とする。
また、本発明に係る超音波観測装置は、上記発明において、前記観測対象の種別を判定するための判定用データを記憶する判定用データ記憶部と、前記エコー信号と前記判定用データとをもとに前記観測対象の種別を判定する種別判定部と、をさらに備え、前記スペクトル補正部は、前記種別判定部の判定結果に応じた種別の基準データを選択し、選択した基準データを用いて前記周波数スペクトルを補正することを特徴とする。
また、本発明に係る超音波観測装置は、上記発明において、前記エコー信号の振幅を輝度に変換して表示する超音波画像データを作成する画像データ作成部と、前記超音波画像データに応じた超音波画像に対して、関心領域を設定する関心領域設定部と、をさらに備え、前記種別判定部は、前記関心領域設定部が設定した複数の関心領域について、各関心領域に含まれる観測対象の種別をそれぞれ判定し、前記スペクトル補正部は、前記種別判定部の判定結果に応じた種別の基準データを関心領域ごとに選択し、選択した基準データを用いて前記周波数スペクトルをそれぞれ補正することを特徴とする。
また、本発明に係る超音波観測装置は、上記発明において、前記エコー信号の振幅を輝度に変換して表示する超音波画像データを作成する画像データ作成部、をさらに備え、前記種別判定部は、前記周波数スペクトルまたは前記輝度を用いて観測対象の種別をそれぞれ判定し、前記スペクトル補正部は、前記種別判定部の判定結果に応じた種別の基準データを関心領域ごとに選択し、選択した基準データを用いて前記周波数スペクトルをそれぞれ補正することを特徴とする。
また、本発明に係る超音波観測装置は、上記発明において、前記エコー信号の振幅を輝度に変換して表示する超音波画像データを作成する画像データ作成部、をさらに備え、前記種別判定部は、前記超音波画像データに応じた超音波画像を分割し、分割した各領域について、各分割領域に含まれる観測対象の種別をそれぞれ判定し、前記スペクトル補正部は、前記種別判定部の判定結果に応じた種別の基準データを分割領域ごとに選択し、選択した基準データを用いて前記周波数スペクトルをそれぞれ補正することを特徴とする。
また、本発明に係る超音波観測装置は、上記発明において、前記基準データは、生体組織の種別に対応する基準スペクトルであることを特徴とする。
また、本発明に係る超音波観測装置の作動方法は、観測対象へ超音波を送信し、該観測対象で反射された超音波を受信する超音波振動子を備えた超音波プローブが取得した超音波信号に基づいて超音波画像を生成する超音波観測装置の作動方法であって、送受信部が、超音波プローブに超音波を送信させる信号を送信し、前記超音波プローブが受信した超音波から変換された電気信号であるエコー信号を受信し、周波数解析部が、前記エコー信号に基づく高速フーリエ変換による周波数解析を行うことによって周波数スペクトルを算出し、スペクトル補正部が、前記観測対象の種別に対応する基準データを取得し、取得した基準データを用いて前記周波数スペクトルを補正し、特徴量算出部が、前記スペクトル補正部が補正した前記周波数スペクトルに基づいて特徴量を算出することを特徴とする。
また、本発明に係る超音波観測装置の作動プログラムは、観測対象へ超音波を送信し、該観測対象で反射された超音波を受信する超音波振動子を備えた超音波プローブが取得した超音波信号に基づいて超音波画像を生成する超音波観測装置の作動プログラムであって、前記超音波観測装置に、超音波プローブに超音波を送信させる信号を送信させ、前記超音波プローブが受信した超音波から変換された電気信号であるエコー信号を受信させ、前記エコー信号に基づく高速フーリエ変換による周波数解析を行うことによって周波数スペクトルを算出させ、前記観測対象の種別に対応する基準データを取得し、取得した基準データを用いて前記周波数スペクトルを補正させ、補正後の前記周波数スペクトルに基づいて特徴量を算出させることを特徴とする。
本発明によれば、周波数スペクトルから得られる観測対象の特性を、該観測対象の種別によらず画一的に解析することができるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波観測装置を備えた超音波観測システムの構成を示すブロック図である。 図２は、散乱体からの超音波に基づいて算出された周波数スペクトルを模式的に示す図である。 図３Ａは、散乱体の一例を示す図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態１に係る超音波観測装置が行う周波数スペクトルの補正処理に用いる基準データの一例を説明する図である。 図４Ａは、散乱体の一例を示す図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態１に係る超音波観測装置が行う周波数スペクトルの補正処理に用いる基準データの一例を説明する図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係る超音波観測装置のスペクトル補正部によって補正された補正後の周波数スペクトルの例を示す図である。 図６は、散乱体とは非対応の基準データを用いて補正した補正後の周波数スペクトルについて説明する図である。 図７は、散乱体に対応する基準データを用いて補正した補正後の周波数スペクトルについて説明する図である。 図８は、本発明の実施の形態１に係る超音波観測装置が行う処理の概要を示すフローチャートである。 図９は、本発明の実施の形態１に係る超音波観測装置の表示装置における特徴量画像の表示例を模式的に示す図である。 図１０は、本発明の実施の形態２に係る超音波観測装置を備えた超音波観測システムの構成を示すブロック図である。 図１１は、本発明の実施の形態２の変形例１に係る超音波観測装置が行う臓器判定処理を説明する図である。 図１２は、本発明の実施の形態２の変形例２に係る超音波観測装置が行う臓器判定処理を説明する図である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）を説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波観測装置３を備えた超音波観測システム１の構成を示すブロック図である。同図に示す超音波観測システム１は、観測対象である被検体へ超音波を送信し、該被検体で反射された超音波を受信する超音波内視鏡２（超音波プローブ）と、超音波内視鏡２が取得した超音波信号に基づいて超音波画像を生成する超音波観測装置３と、超音波観測装置３が生成した超音波画像を表示する表示装置４と、を備える。
超音波内視鏡２は、その先端部に、超音波観測装置３から受信した電気的なパルス信号を超音波パルス（音響パルス）に変換して被検体へ照射するとともに、被検体で反射された超音波エコーを電圧変化で表現する電気的なエコー信号に変換して出力する超音波振動子２１を有する。超音波振動子２１は、一次元（直線状）または二次元に配置される圧電素子を備え、各圧電素子によって超音波を送受信する。超音波振動子２１は、コンベックス振動子、リニア振動子およびラジアル振動子のいずれでも構わない。
超音波内視鏡２は、通常は撮像光学系および撮像素子を有しており、被検体の消化管（食道、胃、十二指腸、大腸）、または呼吸器（気管、気管支）へ挿入され、消化管や呼吸器、その周囲臓器（膵臓、胆嚢、胆管、胆道、リンパ節、縦隔臓器、血管等）を撮像することが可能である。また、超音波内視鏡２は、撮像時に被検体へ照射する照明光を導くライトガイドを有する。このライトガイドは、先端部が超音波内視鏡２の被検体への挿入部の先端まで達している一方、基端部が照明光を発生する光源装置に接続されている。なお、超音波内視鏡２に限らず、撮像光学系および撮像素子を有しない超音波プローブであってもよい。
超音波観測装置３は、超音波内視鏡２と電気的に接続され、所定の波形および送信タイミングに基づいて高電圧パルスからなる送信信号（パルス信号）を超音波振動子２１へ送信するとともに、超音波振動子２１から電気的な受信信号であるエコー信号を受信してデジタルの高周波（ＲＦ：Radio Frequency）信号のデータ（以下、ＲＦデータという）を生成、出力する送受信部３１と、送受信部３１から受信したＲＦデータをもとにデジタルのＢモード用受信データを生成する信号処理部３２と、送受信部３１から受信したＲＦデータに対して所定の演算を施す演算部３３と、各種画像データを生成する画像処理部３４と、画像処理部３４が生成した画像データに対して関心領域を設定する関心領域設定部３５と、キーボード、マウス、タッチパネル等のユーザインタフェースを用いて実現され、各種情報の入力を受け付ける入力部３６と、超音波観測システム１全体を制御する制御部３７と、超音波観測装置３の動作に必要な各種情報を記憶する記憶部３８と、を備える。
送受信部３１は、受信したエコー信号に対してフィルタリング等の処理を施した後、Ａ／Ｄ変換することによって時間ドメインのＲＦデータを生成し、信号処理部３２および演算部３３へ出力する。この際、送受信部３１は、受信深度に応じた増幅補正処理を実施してもよい。なお、超音波内視鏡２が複数の素子をアレイ状に設けた超音波振動子２１を電子的に走査させる構成を有する場合、送受信部３１は、複数の素子に対応したビーム合成用の多チャンネル回路を有する。
送受信部３１が送信するパルス信号の周波数帯域は、超音波振動子２１におけるパルス信号の超音波パルスへの電気音響変換の線型応答周波数帯域をほぼカバーする広帯域にするとよい。これによって、後述する周波数スペクトルの近似処理を実行する際、精度のよい近似を行うことが可能となる。
送受信部３１は、制御部３７が出力する各種制御信号を超音波内視鏡２に対して送信するとともに、超音波内視鏡２から識別用のＩＤを含む各種情報を受信して制御部３７へ送信する機能も有する。
信号処理部３２は、ＲＦデータに対してバンドパスフィルタ、包絡線検波、対数変換など公知の処理を施し、デジタルのＢモード用受信データを生成する。対数変換では、ＲＦデータを基準電圧Ｖcで除した量の常用対数をとってデシベル値で表現する。信号処理部３２は、生成したＢモード用受信データを、画像処理部３４へ出力する。信号処理部３２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の汎用プロセッサや、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の特定の機能を実行する各種演算回路等の専用プロセッサを用いて構成される。
演算部３３は、送受信部３１が生成したＲＦデータに高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）を施して周波数解析を行うことによって周波数スペクトルを算出する周波数解析部３３１と、記憶部３８に記憶されている基準データを用いて、周波数解析部３３１によって算出された周波数スペクトルを補正するスペクトル補正部３３２と、スペクトル補正部３３２によって補正された周波数スペクトルの特徴量を算出する特徴量算出部３３３と、を有する。演算部３３は、ＣＰＵ等の汎用プロセッサや、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の特定の機能を実行する各種演算回路等の専用プロセッサを用いて構成される。
周波数解析部３３１は、送受信部３１が生成した各音線のＲＦデータ（ラインデータ）を所定の時間間隔でサンプリングし、サンプルデータを生成する。周波数解析部３３１は、サンプルデータ群にＦＦＴ処理を施すことによって、ＲＦデータ上の複数の箇所（データ位置）における周波数スペクトルを算出する。ここでいう「周波数スペクトル」とは、サンプルデータ群にＦＦＴ処理を施すことによって得られた「ある受信深度ｚにおける強度の周波数分布」を意味する。また、ここでいう「強度」とは、例えばエコー信号の電圧、エコー信号の電力、超音波エコーの音圧、超音波エコーの音響エネルギー等のパラメータ、これらパラメータの振幅や時間積分値やその組み合わせのいずれかを指す。
図２は、散乱体からの超音波に基づいて算出された周波数スペクトルの一例を模式的に示す図である。周波数解析部３３１によって、例えば、図２に示す周波数スペクトルＣ10が得られる。この周波数スペクトルＣ10は、後述する散乱体ＱAに対応する。図２では、横軸が周波数ｆである。また、図２では、縦軸が、強度Ｉ0を基準強度Ｉc（定数）で除した量の常用対数（デシベル表現）Ｉ＝１０ｌｏｇ10（Ｉ0／Ｉc）である。なお、本実施の形態において、曲線および直線は、離散的な点の集合からなる。
一般に、周波数スペクトルは、被検体が生体組織である場合、超音波が走査された生体組織の性状によって異なる傾向を示す。これは、周波数スペクトルが、超音波を散乱する散乱体の大きさ、数密度、音響インピーダンス等と相関を有しているためである。ここでいう「生体組織の性状」とは、例えば悪性腫瘍（癌）、良性腫瘍、内分泌腫瘍、粘液性腫瘍、正常組織、嚢胞、脈管などのことである。
スペクトル補正部３３２は、被検体に応じた基準データを用いて、周波数解析部３３１が算出した複数の周波数スペクトルをそれぞれ補正する。本実施の形態１において、スペクトル補正部３３２は、入力部３６を経由して術者等のユーザが指定した被検体の種別に基づき、記憶部３８を参照して基準データを選択する。本実施の形態１において、基準データは、対応する被検体から得られる超音波の周波数を解析して得られる周波数スペクトルである。
ここで、被検体の周波数スペクトルは、その物体の構造（生体組織に存在する散乱体の大きさや密度）によって周波数特性（波形）が異なる。図３Ａは、散乱体の一例を示す図である。図３Ｂは、本発明の実施の形態１に係る超音波観測装置が行う周波数スペクトルの補正処理に用いる基準データの一例を説明する図であって、図３Ａに示す散乱体が散乱または反射した超音波に基づく基準データを示す図である。図４Ａは、散乱体の一例を示す図である。図４Ｂは、本発明の実施の形態１に係る超音波観測装置が行う周波数スペクトルの補正処理に用いる基準データの一例を説明する図であって、図４Ａに示す散乱体が散乱または反射した超音波に基づく基準データを示す図である。図３Ａおよび図４Ａは、互いに異なる生体組織の一部を模式的に示す図である。図３Ａに示す散乱体ＱAと、図４Ａに示す散乱体ＱBとは、互いに異なる生体組織（臓器）に存在する散乱体であって、互いに大きさや密度が異なる散乱体である。図３Ｂに示す周波数スペクトルＣ100は、図３Ａに示す散乱体ＱAからの超音波に基づく周波数スペクトルである。図４Ｂに示す周波数スペクトルＣ101は、図４Ａに示す散乱体ＱBからの超音波に基づく周波数スペクトルである。基準スペクトルＣ100、Ｃ101は、対応する生体組織であって、正常な状態の生体組織の散乱体が散乱した超音波の周波数を解析して得られる周波数スペクトルである。
図３Ｂおよび図４Ｂでは、横軸が周波数ｆである。また、図３Ｂおよび図４Ｂでは、縦軸が、上述した常用対数（デシベル表現）Ｉである。
スペクトル補正部３３２は、例えば、基準スペクトルＣ100を選択した場合、被検体の生体組織から得られた超音波に基づく周波数スペクトルから、基準スペクトルＣ100を減算する。この際、基準スペクトルを用いた補正では、例えば、図３Ｂおよび図４Ｂに示す例では、正常な生体組織の周波数スペクトルの強度のピークが、生体組織の種別によらずゼロとなる。なお、減算のほか、基準データとして、周波数ごとに設定される係数を乗じて周波数スペクトルを補正してもよい。
図５は、スペクトル補正部３３２によって補正された補正後の周波数スペクトルの例を示す図である。図５は、上述した散乱体ＱAからの超音波に基づいて算出された周波数スペクトルを補正した周波数スペクトルを示している。図５では、横軸が周波数ｆであり、縦軸が、上述した常用対数（デシベル表現）Ｉである。図５に示す直線Ｌ100（以下、回帰直線Ｌ100ともいう）については後述する。図５において破線で示す周波数スペクトルＣ10は、上述した散乱体ＱAからの超音波に基づいて算出された、スペクトル補正前の周波数スペクトルである（図２参照）。すなわち、周波数スペクトルＣ10´は、周波数スペクトルＣ10を、対応する散乱体ＱAの基準データ（例えば図３Ｂに示す基準データＣ100）で減算した場合に得られる。
図５に示す周波数スペクトルＣ10´において、以後の演算に使用する周波数帯域の下限周波数ｆLおよび上限周波数ｆHは、超音波振動子２１の周波数帯域、送受信部３１が送信するパルス信号の周波数帯域などをもとに決定されるパラメータである。以下、図５において、下限周波数ｆLおよび上限周波数ｆHによって定まる周波数帯域を「周波数帯域Ｆ」という。
特徴量算出部３３３は、例えば設定されている関心領域（以下、ＲＯＩ（Region of Interest）ということもある）内において、スペクトル補正部３３２が補正した複数の周波数スペクトルの特徴量をそれぞれ算出する。本実施の形態１では、互いに異なる領域を有する二つの関心領域が設定されているものとして説明する。特徴量算出部３３３は、補正後の周波数スペクトルを直線で近似することによって減衰補正処理を行う前の周波数スペクトルの特徴量（以下、補正前特徴量という）を算出する近似部３３３ａと、近似部３３３ａが算出した補正前特徴量に対して減衰補正を行うことによって特徴量を算出する減衰補正部３３３ｂと、を有する。
近似部３３３ａは、所定周波数帯域における周波数スペクトルの回帰分析を行って周波数スペクトルを一次式（回帰直線）で近似することによって、この近似した一次式を特徴付ける補正前特徴量を算出する。例えば、図５に示す周波数スペクトルＣ10´の場合、近似部３３３ａは、周波数帯域Ｆで回帰分析を行い周波数スペクトルＣ10´を一次式で近似することによって回帰直線Ｌ100を得る。換言すると、近似部３３４ａは、回帰直線Ｌ100の傾きａ0、切片ｂ0、および周波数帯域Ｆの中心周波数ｆM＝（ｆL＋ｆH）／２の回帰直線上の値であるミッドバンドフィット（Mid-band fit）ｃ0＝ａ0ｆM＋ｂ0を補正前特徴量として算出する。
３つの補正前特徴量のうち、傾きａ0は、超音波の散乱体の大きさと相関を有し、一般に散乱体が大きいほど傾きが小さな値を有すると考えられる。また、切片ｂ0は、散乱体の大きさ、音響インピーダンスの差、散乱体の数密度（濃度）等と相関を有している。具体的には、切片ｂ0は、散乱体が大きいほど大きな値を有し、音響インピーダンスの差が大きいほど大きな値を有し、散乱体の数密度が大きいほど大きな値を有すると考えられる。ミッドバンドフィットｃ0は、傾きａ0と切片ｂ0から導出される間接的なパラメータであり、有効な周波数帯域内の中心におけるスペクトルの強度を与える。このため、ミッドバンドフィットｃ0は、散乱体の大きさ、音響インピーダンスの差、散乱体の数密度に加えて、Ｂモード画像の輝度とある程度の相関を有していると考えられる。なお、特徴量算出部３３３は、回帰分析によって二次以上の多項式で周波数スペクトルを近似してもよい。
ここで、使用する基準データに因る回帰直線の差異について、図５〜図７を参照して説明する。図６は、散乱体とは非対応の基準データを用いて補正した補正後の周波数スペクトルについて説明する図である。図７は、散乱体に対応する基準データを用いて補正した補正後の周波数スペクトルについて説明する図である。また、図６、７において破線で示す周波数スペクトルＣ11は、上述した散乱体ＱBからの超音波に基づいて算出された周波数スペクトルである。
周波数スペクトルＣ10を、対応する散乱体ＱAの基準データ（例えば図３Ｂに示す基準データＣ100）で減算した場合、上述した通り、図５に示す周波数スペクトルＣ10´が得られる。この補正後の周波数スペクトルＣ10´を一次式（回帰直線）で近似することによって、回帰直線Ｌ100が得られる。
また、周波数スペクトルＣ11を、対応しない散乱体ＱAの基準データ（例えば図３Ｂに示す基準データＣ100）で減算した場合、図６に示す周波数スペクトルＣ11´が得られる。この補正後の周波数スペクトルＣ11´を一次式（回帰直線）で近似することによって、回帰直線Ｌ101が得られる。
一方、周波数スペクトルＣ11を、対応する散乱体ＱBの基準データ（例えば図４Ｂに示す基準データＣ101）で減算した場合、図７に示す周波数スペクトルＣ11´´が得られる。この補正後の周波数スペクトルＣ11´´を一次式（回帰直線）で近似することによって、回帰直線Ｌ102が得られる。
回帰直線Ｌ100、Ｌ101、Ｌ102を比較すると、対応する散乱体に応じた基準データを用いて補正した回帰直線Ｌ100、Ｌ102は、傾きや切片、ミッドバンドフィットが理論的には同じ値となる。一方、対応しない散乱体に応じた基準データを用いて補正した回帰直線Ｌ101は、回帰直線Ｌ100、Ｌ102とは傾きや切片、ミッドバンドフィットが異なる値となる。異なる生体組織に対して、共通する基準データを用いると、正常な状態の生体組織の周波数スペクトルから得られる回帰直線が異なり、この回帰直線から算出される特徴量も異なってしまう。
互いに正常な状態の生体組織であっても、傾きや切片、ミッドバンドフィットが異なる値となると、特徴量において正常または異常を判定する判定基準が異なってしまう。この場合、周波数スペクトル（ここでは周波数スペクトルＣ10´、Ｃ11´）ごとに判定基準を用意するか、ユーザが画面上で異なる判断基準をもって診断しなければならない。
本実施の形態１では、対応する散乱体の基準データを用いて周波数スペクトルを補正するため、異なる散乱体で散乱した超音波に基づく周波数スペクトルであっても、同じ判断基準で診断できる特徴量が得られる。
減衰補正部３３３ｂは、近似部３３３ａによって得られる補正前特徴量に対して減衰補正を行う。減衰補正部３３３ｂは、減衰率に応じて補正前特徴量を減衰補正する。減衰補正によって、特徴量（例えば、傾きａ、切片ｂ、ミッドバンドフィットｃ）が得られる。
画像処理部３４は、エコー信号の振幅を輝度に変換して表示する超音波画像データ（以下、Ｂモード画像データという）を生成するＢモード画像データ生成部３４１と、減衰補正部３３３ｂが算出した特徴量を視覚情報と関連づけてＢモード画像データとともに表示する特徴量画像データを生成する特徴量画像データ生成部３４２と、を有する。画像処理部３４は、ＣＰＵ等の汎用プロセッサや、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の特定の機能を実行する各種演算回路等の専用プロセッサを用いて構成される。
Ｂモード画像データ生成部３４１は、信号処理部３２から受信したＢモード用受信データに対してゲイン処理、コントラスト処理、γ補正処理等の公知の技術を用いた信号処理を行うとともに、表示装置４における画像の表示レンジに応じて定まるデータステップ幅に応じたデータの間引き等を行うことによってＢモード画像データを生成する。Ｂモード画像は、色空間としてＲＧＢ表色系を採用した場合の変数であるＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の値を一致させたグレースケール画像である。
Ｂモード画像データ生成部３４１は、信号処理部３２からのＢモード用受信データに走査範囲を空間的に正しく表現できるよう並べ直す座標変換を施した後、Ｂモード用受信データ間の補間処理を施すことによってＢモード用受信データ間の空隙を埋め、Ｂモード画像データを生成する。Ｂモード画像データ生成部３４１は、生成したＢモード画像データを特徴量画像データ生成部３４２へ出力する。
特徴量画像データ生成部３４２は、特徴量算出部３３３が算出した特徴量に関連する視覚情報をＢモード画像データにおける画像の各画素に対して重畳することによって特徴量画像データを生成する。特徴量画像データ生成部３４２は、周波数スペクトルの特徴量に対応する視覚情報を割り当てる。特徴量画像データ生成部３４２は、例えば上述した傾き、切片、ミッドバンドフィットのいずれか一つに視覚情報としての色相を対応付けることによって特徴量画像を生成する。特徴量に関連する視覚情報としては、色相のほか、例えば彩度、明度、輝度値、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）などの所定の表色系を構成する色空間の変数を挙げることができる。
関心領域設定部３５は、予め設定されている条件、または入力部３６が受け付けた指示入力に応じて、データ群に対して関心領域を設定する。このデータ群は、超音波指導し２１の走査面に対応する。すなわち、データ群は、走査面の各位置から取得された点（データ）の集合であり、その集合における各点は、走査面に対応する所定の面上に位置する。この関心領域は、特徴量を算出する領域である。関心領域の大きさは、例えば、画素の大きさに応じて設定される。関心領域設定部３５は、ＣＰＵ等の汎用プロセッサや、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の特定の機能を実行する各種演算回路等の専用プロセッサを用いて構成される。
なお、関心領域設定部３５は、例えば、入力部３６を経て入力された設定入力（指示点）に基づいて、上述した特徴量を算出するための関心領域を設定する。関心領域設定部３５は、予め設定された形状の枠を指示点の位置に基づいて配置してもよいし、複数の入力点の点群を繋いで枠を形成してもよい。
制御部３７は、演算および制御機能を有するＣＰＵ等の汎用プロセッサや、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の特定の機能を実行する各種演算回路等の専用プロセッサを用いて構成される。制御部３７は、記憶部３８が記憶、格納する情報を記憶部３８から読み出し、超音波観測装置３の作動方法に関連した各種演算処理を実行することによって超音波観測装置３を統括して制御する。なお、制御部３７を信号処理部３２および演算部３３と共通のＣＰＵ等を用いて構成することも可能である。
記憶部３８は、減衰補正部３３３ｂが周波数スペクトルごとに算出した複数の特徴量や、画像処理部３４が生成した画像データを記憶する。また、記憶部３８は、上述した基準データを記憶する基準データ記憶部３８１を有する。
記憶部３８は、上記以外にも、例えば増幅処理に必要な情報（増幅率と受信深度との関係）、増幅補正処理に必要な情報（増幅率と受信深度との関係）、減衰補正処理に必要な情報、周波数解析処理に必要な窓関数（Hamming、Hanning、Blackman等）の情報等を記憶する。
また、記憶部３８は、超音波観測装置３の作動方法を実行するための作動プログラムを含む各種プログラムを記憶する。作動プログラムは、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して広く流通させることも可能である。なお、上述した各種プログラムは、通信ネットワークを経由してダウンロードすることによって取得することも可能である。ここでいう通信ネットワークは、例えば既存の公衆回線網、ＬＡＮ（Local Area Network）、ＷＡＮ（Wide Area Network）などによって実現されるものであり、有線、無線を問わない。
以上の構成を有する記憶部３８は、各種プログラム等が予めインストールされたＲＯＭ（Read Only Memory）、および各処理の演算パラメータやデータ等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等を用いて実現される。
図８は、以上の構成を有する超音波観測装置３が行う処理の概要を示すフローチャートである。まず、超音波観測装置３は、超音波内視鏡２から超音波振動子２１による観測対象の測定結果としてのエコー信号を受信する（ステップＳ１）。
続いて、Ｂモード画像データ生成部３４１は、送受信部３１が受信したエコー信号を用いてＢモード画像データを生成して、表示装置４へ出力する（ステップＳ２）。Ｂモード画像データを受信した表示装置４は、そのＢモード画像データに対応するＢモード画像を表示する（ステップＳ３）。
この後、周波数解析部３３１は、ＦＦＴ演算による周波数解析を行うことによって全てのサンプルデータ群に対する周波数スペクトルを算出する（ステップＳ４）。周波数解析部３３１は、解析対象領域内の音線の各々について複数回のＦＦＴ演算を行う。ＦＦＴ演算の結果は、受信深度および受信方向とともに記憶部３８に格納される。
なお、ステップＳ４において、周波数解析部３３１は、超音波信号を受信したすべての領域に対して周波数解析処理を行ってもよいし、設定された関心領域内においてのみ周波数解析処理を行ってもよい。
ステップＳ４の周波数解析処理に続いて、スペクトル補正部３３２が、算出された周波数スペクトルを補正する（ステップＳ５〜Ｓ６）。
まず、スペクトル補正部３３２は、ユーザによって指定された被検体の種別（例えば生体組織）に対応する基準データを、基準データ記憶部３８１を参照して選択する（ステップＳ５）。
スペクトル補正部３３２は、選択した基準データを用いて、ステップＳ４で算出した各周波数スペクトルを補正する（ステップＳ６）。スペクトル補正部３３２は、上述した減算または係数の乗算によって周波数スペクトルを補正する。スペクトル補正部３３２の補正によって、例えば、図５に示す周波数スペクトルＣ10´が得られる。
その後、特徴量算出部３３３は、補正後の各周波数スペクトルについて、補正前特徴量をそれぞれ算出し、各周波数スペクトルの補正前特徴量に対して超音波の減衰の影響を排除する減衰補正を行うことによって各周波数スペクトルの補正特徴量を算出する（ステップＳ７〜Ｓ８）。
ステップＳ７において、近似部３３３ａは、周波数解析部３３１が生成した複数の周波数スペクトルをそれぞれ回帰分析することによって、各周波数スペクトルに対応する補正前特徴量を算出する（ステップＳ７）。具体的には、近似部３３３ａは、各周波数スペクトルを回帰分析することによって一次式で近似し、補正前特徴量として傾きａ0、切片ｂ0、ミッドバンドフィットｃ0を算出する。例えば、図５に示す回帰直線Ｌ100は、近似部３３３ａが周波数帯域Ｆの周波数スペクトルＣ10´に対し回帰分析によって近似した回帰直線である。
続いて、減衰補正部３３３ｂは、近似部３３３ａが各周波数スペクトルに対して近似した補正前特徴量に対し、減衰率を用いて減衰補正を行うことによって、補正特徴量を算出し、算出した補正特徴量を記憶部３８に格納する（ステップＳ８）。
その後、特徴量画像データ生成部３４２は、Ｂモード画像データ生成部３４１が生成したＢモード画像データにおける各画素に対し、ステップＳ８で算出された特徴量に関連づけた視覚情報であって、予め設定された配色条件にしたがって、視覚情報を重畳することによって特徴量画像データを生成する（ステップＳ９）。
この後、表示装置４は、制御部３７の制御のもと、特徴量画像データ生成部３４２が生成した特徴量画像データに対応する特徴量画像を表示する（ステップＳ１０）。図９は、表示装置４における特徴量画像の表示例を模式的に示す図である。同図に示す特徴量画像２０１は、Ｂモード画像に特徴量に関する視覚情報が重畳された画像を表示する重畳画像表示部２０２と、観測対象（被検体）の識別情報などを表示する情報表示部２０３と、を有する。
以上説明した本発明の実施の形態１では、生体組織の種別（例えば臓器等の散乱体の種別）に応じた基準データを予め用意し、被検体の周波数スペクトルをこの基準データで補正する。本実施の形態１によれば、各基準データで補正することによって、各種別の周波数スペクトルの強度が類似したスペクトルに調整され、近似部３３３ａが行う一次近似の特徴量の取り得る範囲が揃うため、周波数スペクトルから得られる被検体の特性を、該被検体の種別によらず画一的に解析することができる。例えば、被検体の種別が異なる場合であっても、補正後の周波数スペクトルは生体組織の種別によらず同じ波形（例えば、図５、図７参照）となり、その結果、生体組織の特性（例えば良性、悪性）の判断基準が同じになって、画一的に解析できる。さらに、同一画像中に異なる種別の被検体が存在する場合であっても、基準を変えることなく各被検体を解析できる。
（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２に係る超音波観測装置３Ａを備えた超音波観測システム１Ａの構成を示すブロック図である。同図に示す超音波観測システム１Ａは、被検体へ超音波を送信し、該被検体で反射された超音波を受信する超音波内視鏡２（超音波プローブ）と、超音波内視鏡２が取得した超音波信号に基づいて超音波画像を生成する超音波観測装置３Ａと、超音波観測装置３Ａが生成した超音波画像を表示する表示装置４と、を備える。本実施の形態２にかかる超音波観測システム１Ａは、上述した超音波観測システム１の超音波観測装置３を超音波観測装置３Ａに変えた以外は、同じ構成である。以下、実施の形態１とは構成が異なる超音波観測装置３Ａについて説明する。
超音波観測装置３Ａは、上述した超音波観測装置３の構成において、演算部３３を演算部３３Ａ、記憶部３８を記憶部３８Ａに代えた以外は構成が同じである。また、演算部３３Ａは、上述した演算部３３の構成に加えて、臓器判定部３３４を備える。以下、上述した実施の形態１とは構成が異なる記憶部３８Ａおよび臓器判定部３３４と、その処理について説明する。なお、臓器判定部３３４は、種別判定部に相当する。
記憶部３８Ａは、上述した記憶部３８の構成に加えて、臓器判定用データ記憶部３８２を備える。臓器判定用データ記憶部３８２は、臓器判定部３３４が、入力されるデータから臓器を判定するためのデータ、例えば、スペクトルデータや、強度の分布等の臓器判定用データを記憶する。
臓器判定部３３４は、入力されたデータと、臓器判定用データ記憶部３８２の臓器判定用データとを用いて、入力されたデータ中に情報として含まれる臓器を判定する。臓器判定部３３４は、例えば、周波数スペクトルが入力された場合、臓器判定用データ記憶部３８２を参照して各種別に対応する周波数スペクトルとパターンを比較することによって、臓器を判定する。なお、臓器判定部３３４は、周波数スペクトルによって臓器を判定するほか、Ｂモード画像の値（上述した輝度やＲＧＢの値）を用いて臓器判定してもよい。
本実施の形態２では、超音波観測装置３が、実施の形態１（図８参照）と同様にして処理を行う。この際、実施の形態２では、ステップＳ５において基準データを選択する際に、臓器判定部３３４によって臓器判定処理が実行され、その判定結果に基づいて基準データが選択される。
以上説明した実施の形態２では、自動で臓器が判別され、その判別された臓器に対応する基準データによって周波数スペクトルが補正されるため、識別が難しい臓器を適切に判定され、また、ユーザが初心者であっても適切に基準データが選択される。本実施の形態２においても、周波数スペクトルから得られる被検体の特性を、該被検体の種別によらず画一的に解析することができる。
（実施の形態２の変形例１）
次に、実施の形態２の変形例１について、図１１を参照して説明する。図１１は、本発明の実施の形態２の変形例１に係る超音波観測装置が行う臓器判定処理を説明する図である。なお、本変形例１にかかる超音波観測システムの構成は、上述した実施の形態２にかかる超音波観測システム１Ａと同じであるため説明を省略する。以下、実施の形態２とは異なる処理について説明する。
本変形例１では、ユーザによって関心領域が設定された箇所について、臓器判定を行って、基準データを選択する。ユーザは、Ｂモード画像において臓器判定を行う関心領域を設定する。図１１では、生体組織Ｂ1、Ｂ2のそれぞれについて、各生体組織を取り囲む関心領域Ｒ1、Ｒ2が設定された例を示している。
臓器判定部３３４は、設定された関心領域（関心領域Ｒ1、Ｒ2）の内部に存在する臓器の判定を行う。臓器判定部３３４は、実施の形態２と同様にして、臓器判定用データ記憶部３８２を参照して臓器を判定する。スペクトル補正部３３２は、関心領域Ｒ1、Ｒ2においてそれぞれ判定された臓器に対応する基準データを選択して、各関心領域において算出された周波数スペクトルを、対応する基準データを用いて補正する。その後は、特徴量算出部３３３が、実施の形態１と同様にして特徴量を算出する。
以上説明した変形例１では、同一の表示画像内に種別の異なる生体組織が含まれていたとしても、臓器判定を行って適切な基準データを選択することができる。本変形例１によれば、同一の表示画像内に種別の異なる生体組織が含まれる場合であっても、周波数スペクトルから得られる被検体の特性を、該被検体の種別によらず画一的に解析することができる。また、基準データが生体組織の種別によらず同じであれば、生体組織間で基準が異なり、ユーザが、頭の中でそれぞれの基準を切り替えながら良性、悪性の判定を行う必要があったが、本変形例では、基準が統一されているため、基準を切り替えることなく良性、悪性を判定できる。
なお、上述した変形例１において、臓器判定部３３４によって臓器を判定するほか、入力部３６が各関心領域内に存在する臓器の種別（観測対象の種別）に関する情報を関心領域ごとに受け付け、スペクトル補正部３３２が、受け付けた情報に応じた基準データを選択して周波数スペクトルを補正する構成としてもよい。この際の構成は、実施の形態１に係る超音波観測システム１と同じである。
（実施の形態２の変形例２）
次に、実施の形態２の変形例２について、図１２を参照して説明する。図１２は、本発明の実施の形態２の変形例２に係る超音波観測装置が行う臓器判定処理を説明する図である。なお、本変形例２にかかる超音波観測システムの構成は、上述した実施の形態２にかかる超音波観測システム１Ａと同じであるため説明を省略する。以下、実施の形態２とは異なる処理について説明する。
本変形例２では、Ｂモード画像を分割し、分割した領域ごとに臓器判定を行って、基準データを選択する。この際、ユーザは、例えばＢモード画像の分割数等を入力する。図１２では、Ｂモード画像を４分割した例を示している。
臓器判定部３３４は、分割した各分割領域（分割領域Ｒ11〜Ｒ14）の内部に存在する臓器の判定を行う。臓器判定部３３４は、実施の形態２と同様にして、臓器判定用データ記憶部３８２を参照して、分割領域ごとに臓器を判定する。スペクトル補正部３３２は、各分割領域においてそれぞれ判定された臓器に対応する基準データを選択して、各分割領域において算出された周波数スペクトルを、対応する基準データを用いて補正する。その後は、特徴量算出部３３３が、実施の形態１と同様にして特徴量を算出する。
以上説明した変形例２では、同一の表示画像内に種別の異なる生体組織が含まれていたとしても、分割領域ごとに臓器判定を行って適切な基準データを選択することができる。本変形例２によれば、同一の表示画像内に種別の異なる生体組織が含まれる場合であっても、周波数スペクトルから得られる被検体の特性を、該被検体の種別によらず画一的に解析することができる。
なお、変形例２では、Ｂモード画像を４分割する例を説明したが、分割数は４以外であってもよい。臓器判定の精度を高くするには、分割数を大きくして、詳細に臓器判定をすることが好ましい。また、変形例２では、Ｂモード画像が矩形の外縁形状をなすものとして説明したが、超音波の走査領域に合わせてＢモード画像も扇形として、これを分割してもよい。
ここまで、本発明を実施するための形態を説明してきたが、本発明は上述した実施の形態によってのみ限定されるべきものではない。本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含み得るものである。上述した実施の形態１、２において、超音波プローブとして、被検体の体表から超音波を照射する体外式超音波プローブを適用してもよい。体外式超音波プローブは、通常、腹部臓器（肝臓、胆嚢、膀胱）、乳房（特に乳腺）、甲状腺を観察する際に用いられる。
以上説明した本発明にかかる超音波観測装置、超音波観測装置の作動方法および超音波観測装置の作動プログラムは、周波数スペクトルから得られる観測対象の特性を、該観測対象の種別によらず画一的に解析するのに有用である。
１、１Ａ 超音波観測システム
２ 超音波内視鏡
３、３Ａ 超音波観測装置
４ 表示装置
２１ 超音波振動子
３１ 送受信部
３２ 信号処理部
３３、３３Ａ 演算部
３４ 画像処理部
３５ 関心領域設定部
３６ 入力部
３７ 制御部
３８ 記憶部
２０１ 特徴量画像
２０２ 重畳画像表示部
２０３ 情報表示部
３３１ 周波数解析部
３３２ スペクトル補正部
３３３ 特徴量算出部
３３３ａ 近似部
３３３ｂ 減衰補正部
３３４ 臓器判定部
３４１ Ｂモード画像データ生成部
３４２ 特徴量画像データ生成部
３８１ 基準データ記憶部
３８２ 臓器判定用データ記憶部
Ｃ10、Ｃ10´、Ｃ11、Ｃ11´、Ｃ11´´ 周波数スペクトル

Claims (10)

  1. 超音波プローブに、観測対象に対して超音波を送信させる信号を送信し、前記超音波プローブが受信した超音波から変換された電気信号であるエコー信号を受信する送受信部と、
    前記エコー信号に基づく高速フーリエ変換による周波数解析を行うことによって周波数スペクトルを算出する周波数解析部と、
    前記観測対象の種別に対応する基準データを取得し、取得した基準データを用いて前記周波数スペクトルを補正するスペクトル補正部と、
    前記スペクトル補正部が補正した前記周波数スペクトルに基づいて特徴量を算出する特徴量算出部と、
    を備える超音波観測装置。
  2. 前記観測対象の種別の入力を受け付ける入力部、
    をさらに備え、
    前記スペクトル補正部は、前記入力部が受け付けた前記観測対象の種別に対応する基準データを選択し、選択した基準データを用いて前記周波数スペクトルを補正する
    請求項１に記載の超音波観測装置。
  3. 前記入力部は、複数の関心領域が設定されている場合、関心領域ごとに観測対象の種別の入力を受け付け、
    前記スペクトル補正部は、関心領域ごとに選択される基準データを用いて前記周波数スペクトルを補正する
    請求項２に記載の超音波観測装置。
  4. 前記観測対象の種別を判定するための判定用データを記憶する判定用データ記憶部と、
    前記エコー信号と前記判定用データとをもとに前記観測対象の種別を判定する種別判定部と、
    をさらに備え、
    前記スペクトル補正部は、前記種別判定部の判定結果に応じた種別の基準データを選択し、選択した基準データを用いて前記周波数スペクトルを補正する
    請求項１に記載の超音波観測装置。
  5. 前記エコー信号の振幅を輝度に変換して表示する超音波画像データを作成する画像データ作成部と、
    前記超音波画像データに応じた超音波画像に対して、関心領域を設定する関心領域設定部と、
    をさらに備え、
    前記種別判定部は、前記関心領域設定部が設定した複数の関心領域について、各関心領域に含まれる観測対象の種別をそれぞれ判定し、
    前記スペクトル補正部は、前記種別判定部の判定結果に応じた種別の基準データを関心領域ごとに選択し、選択した基準データを用いて前記周波数スペクトルをそれぞれ補正する
    請求項４に記載の超音波観測装置。
  6. 前記エコー信号の振幅を輝度に変換して表示する超音波画像データを作成する画像データ作成部、
    をさらに備え、
    前記種別判定部は、前記周波数スペクトルまたは前記輝度を用いて観測対象の種別をそれぞれ判定し、
    前記スペクトル補正部は、前記種別判定部の判定結果に応じた種別の基準データを関心領域ごとに選択し、選択した基準データを用いて前記周波数スペクトルをそれぞれ補正する
    請求項４に記載の超音波観測装置。
  7. 前記エコー信号の振幅を輝度に変換して表示する超音波画像データを作成する画像データ作成部、
    をさらに備え、
    前記種別判定部は、前記超音波画像データに応じた超音波画像を分割し、分割した各領域について、各分割領域に含まれる観測対象の種別をそれぞれ判定し、
    前記スペクトル補正部は、前記種別判定部の判定結果に応じた種別の基準データを分割領域ごとに選択し、選択した基準データを用いて前記周波数スペクトルをそれぞれ補正する
    請求項４に記載の超音波観測装置。
  8. 前記基準データは、生体組織の種別に対応する基準スペクトルである
    請求項１に記載の超音波観測装置。
  9. 観測対象へ超音波を送信し、該観測対象で反射された超音波を受信する超音波振動子を備えた超音波プローブが取得した超音波信号に基づいて超音波画像を生成する超音波観測装置の作動方法であって、
    送受信部が、超音波プローブに超音波を送信させる信号を送信し、前記超音波プローブが受信した超音波から変換された電気信号であるエコー信号を受信し、
    周波数解析部が、前記エコー信号に基づく高速フーリエ変換による周波数解析を行うことによって周波数スペクトルを算出し、
    スペクトル補正部が、前記観測対象の種別に対応する基準データを取得し、取得した基準データを用いて前記周波数スペクトルを補正し、
    特徴量算出部が、前記スペクトル補正部が補正した前記周波数スペクトルに基づいて特徴量を算出する、
    超音波観測装置の作動方法。
  10. 観測対象へ超音波を送信し、該観測対象で反射された超音波を受信する超音波振動子を備えた超音波プローブが取得した超音波信号に基づいて超音波画像を生成する超音波観測装置の作動プログラムであって、
    前記超音波観測装置に、
    超音波プローブに超音波を送信させる信号を送信させ、前記超音波プローブが受信した超音波から変換された電気信号であるエコー信号を受信させ、
    前記エコー信号に基づく高速フーリエ変換による周波数解析を行うことによって周波数スペクトルを算出させ、
    前記観測対象の種別に対応する基準データを取得し、取得した基準データを用いて前記周波数スペクトルを補正させ、
    補正後の前記周波数スペクトルに基づいて特徴量を算出させる、
    超音波観測装置の作動プログラム。
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