WO2007072720A1

WO2007072720A1 - 医用画像診断装置および生体組織の同定方法

Info

Publication number: WO2007072720A1
Application number: PCT/JP2006/324854
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Kanai; Hideyuki Hasegawa
Original assignee: Tohoku University; Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2007-06-28
Also published as: JPWO2007072720A1

Abstract

　本発明の医用画像診断装置は、被検体の複数箇所における物理的特性値を求める計測部と、前記被検体に含まれる少なくとも１種類の生体組織についての物理的特性値の頻度を示す確率分布関数であって、前記物理的特性値の頻度分布が正規分布となるように変換された確率分布関数を記憶している記憶部と、前記被検体の複数箇所から選ばれる任意の１箇所およびこれに隣接する少なくとも１箇所における物理的特性値と前記物理的特性値の確率分布関数とを用いて、前記任意の１箇所における前記被検体の組織が、前記確率分布関数の求められた生体組織と同じ種類である確率を求める組織同定演算部とを備える。

Description

明細書

医用画像診断装置および生体組織の同定方法

技術分野

[0001] 本発明は、生体組織の種類を同定することのできる医用画像診断装置に関し、特に、血管壁組織の種類を同定することのできる医用画像診断装置および生体組織の種類を同定する組織同定方法に関する。

背景技術

[0002] 近年、心筋梗塞や脳梗塞などの循環器系疾病を患う人々が増力！]してきており、このような疾病の予防および治療を行うことが大きな課題となっている。

[0003] 心筋梗塞や脳梗塞の発病には、動脈硬化が深く関係している。具体的には、動脈壁に粥腫が形成されたり、高血圧等の種々の要因によって動脈の新しい細胞が作られなくなったりすると、動脈は弾力性を失い、硬ぐ脆くなる。そして、粥腫が形成された部分において血管が閉塞したり、粥腫を覆う血管組織が破裂することにより粥腫が血管内へ流出し、別の部分において動脈を閉塞させたり、動脈が硬化した部分が破裂したりすることによって、これらの疾病が引き起こされる。このため、動脈硬化を早期に診断することがこれらの疾病予防や治療には重要となる。

[0004] 従来、動脈硬化病変の診断は、血管カテーテルを用いて血管内部の様子を直接観察することによって行われていた。しかし、この診断には、血管カテーテルを血管に挿入する必要があるため、被験者への負荷が大きいという問題があった。このため、血管カテーテルによる観察は、動脈硬化病変が存在していることが確かである被験者に対して、その場所を特定するために用いられ、例えば、健康管理のための検査として、この方法が用いられることはな力つた。

[0005] 動脈硬化の一因であるコレステロール値を測定したり、血圧値を測定したりすることは、被験者への負担が少なぐ容易に行うことのできる検査である。しかし、これらの値は、動脈硬化の度合、を直接示すものではな、。

[0006] また、動脈硬化を早期に診断して、動脈硬化の治療薬を被験者に対して投与することができれば、動脈硬化の治療に効果を発揮する。しかし、動脈硬化が進行してしまうと、治療薬によって動脈硬化の進展を抑制することはできても、硬化した動脈を完全に回復させることは難 U、と言われて、る。

[0007] こうした理由から、被験者への負担が少なぐ動脈硬化が進行する前に早期段階で診断する診断方法あるいは診断装置が求められている。

[0008] 一方、被験者への負担が少ない非侵襲の医療診断装置として、超音波診断装置や X線診断装置が従来用いられている。超音波や X線を体外から照射することによつて、被験者に苦痛を与えることなぐ体内の形状情報、あるいは形状の時間変化情報を得ることができる。体内の測定対象物の形状の時間変化情報 (運動情報)が得られると、測定対象物の性状情報を求めることができる。つまり、生体内の血管の弹性特性を求めることができ、動脈硬化の度合!/、を直接知ることが可能となる。

[0009] 特に超音波診断は、 X線診断と比較した場合、被験者に超音波プローブをあてるだけで測定できるので、被験者への造影剤投与が不要である点や X線被爆の虞がない点で優れている。

[0010] また、近年のエレクトロニクス技術の進歩によって、超音波診断装置の測定精度を飛躍的に向上させることも可能になってきた。これに伴って、生体組織の微小運動を計測する超音波診断装置の開発が進んでいる。例えば、特許文献 1に記載された技術を用いると、血管運動の振幅数ミクロンで数百 Hzまでの速、振動成分を高精度に計測できるため、血管壁の厚さ変化や歪みを数ミクロンのオーダーで高精度な計測をすることが可能になると報告されて、る。

[0011] このような高精度な計測手法を用いることにより、動脈壁の弾性特性の二次元分布を詳細に測定することが可能となる。例えば非特許文献 1では、頸動脈血管壁の弾性率の二次元分布の様子を Bモード断層像に重ねて表示した一例を示して、る。動脈壁の硬さ度合いは一様ではなぐある分布を持って存在しており、動脈硬化症の診断にお 1、ては、動脈の硬化度合!/、を示す特徴量である弾性率の局所的な分布を的確に把握することが重要なためである。

[0012] また弾性率の局所的な分布を把握することによって、組織を同定できる可能性がある。測定対象である動脈壁がどのような組織により構成されているのか、すなわち脂質、血栓、膠原線維、弾性線維、石灰化組織等の生体組織のうち、どの糸且織がどの場所に存在して!/、るのかを特定できれば、動脈硬化症の治療方針を決定するための有益な情報となる。

[0013] 例えば、特許文献 2は、被測定対象生体にお!ヽて、局所的な微小領域単位で弾性率を求めて弾性率断層像を作成し、各微小領域の弾性率と弾性データライブラリに登録されて!ヽる各種組織の弾性率頻度分布データ (ヒストグラム）とを比較すること〖こより、その弾性率に最も近い種類の組織に分類する方法を開示している。特許文献 2 によれば、組織の同定にはベイズ決定法 (ベイズ分類)を用いる。ベイズ決定法は、統計的推定法の一つであり、弾性率断層像のある点の弾性率力どの種類の組織の頻度分布に属する確率がもっとも高いかを、定義された損失関数の期待値が最小となるように推定する。

特許文献 1：特開平 10— 5226号公報

特許文献 2 :国際公開第 03Z015635号パンフレット

特干文献 1 : Hiroshi Kanai et al, Elasticity Imaging of Atheroma With Trans cutan eous Ultrasound Preliminary Study," し lrculation, Vol.107, p.3018— 3021,2003 発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0014] しかし、動脈壁における脂質の弾性率と血栓の弾性率はともに数十 kPa程度であり

、また、膠原線維の弾性率と石灰化組織の弾性率はともに数 MPa程度である。つまり、脂質の弾性率のヒストグラムと血栓の弾性率のヒストグラムとは、広い範囲にわたつて互いに重なっており、膠原線維の弾性率のヒストグラムと石灰化組織の弾性率のヒストグラムとは、広、範囲にわたって互いに重って、る。

[0015] このため、ヒストグラム上で重なっている範囲内の弾性率を持つ微小領域については、何れの組織であるかを特定するのが困難である。

[0016] 本発明はこのような従来技術の課題を解決し、より正確な組織同定が可能な医用画像診断装置および組織同定方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0017] 本発明の医用画像診断装置は、被検体の複数箇所における物理的特性値を求める計測部と、前記被検体に含まれる少なくとも 1種類の生体組織についての物理的特性値の頻度を示す確率分布関数であって、前記物理的特性値の頻度分布が正規分布となるように変換された確率分布関数を記憶している記憶部と、前記被検体の複数箇所力選ばれる任意の 1箇所およびこれに隣接する少なくとも 1箇所における物理的特性値と前記物理的特性値の確率分布関数とを用いて、前記任意の 1箇所における前記被検体の組織が、前記確率分布関数の求められた生体組織と同じ種類である確率を求める組織同定演算部とを備える。

[0018] ある好ま、実施形態にぉ、て、前記組織同定演算部は、前記生体組織である確率と予め定めた閾値とを比較することにより、前記被検体における組織の同定を行う

[0019] ある好まヽ実施形態にお!ヽて、前記記憶部は、前記被検体に含まれる少なくとも 2種類の生体組織についての物理的特性値の頻度をそれぞれ示す確率分布関数であって、前記物理的特性値の頻度分布が正規分布となるように変換された確率分布関数を記憶しており、前記組織同定演算部は、前記任意の 1箇所における前記被検体の組織が、前記確率分布関数の求められた生体組織と同じ種類である確率を各生体組織の種類ごとに求め、前記各生体組織の種類ごと確率を比較することにより、前記被検体における組織の同定を行う。

[0020] ある好ましい実施形態において、医用画像診断装置は、前記記憶部によって各箇所において同定された組織の種類の分布を表示する表示部をさらに備える。

[0021] ある好まヽ実施形態にお!ヽて、前記計測部は、超音波を送信する送信部と、前記被検体において反射した超音波を受信し、受信信号を生成する受信部と、前記受信信号に基づ、て、物理的特性値を求める計測値演算部とを含む。

[0022] ある好ま、実施形態にぉ、て、前記物理的特性値が、組織の最大厚さ変化量、歪み量、弾性率、粘性率、 IBS信号および Bモード輝度情報のうちの少なくともいずれかひとつである。

[0023] 本発明の生体組織の種類を同定する組織同定方法は、物理的方法によって、被検体の複数箇所における物理的特性値を求めるステップ (A)と、前記被検体に含まれる少なくとも 1種類の生体組織につ!、ての物理的特性値の頻度を示す確率分布関数であって、前記物理的特性値の頻度分布が正規分布となるように変換された確率分布関数を求めるステップ (B)と、前記被検体の複数箇所から選ばれる任意の 1箇所およびこれに隣接する少なくとも 1箇所における物理的特性値と前記物理的特性値の確率分布関数とを用いて、前記任意の 1箇所における前記被検体の組織が、前記確率分布関数の求められた生体組織と同じ種類である確率を求めるステップ (C) とを包含する。

[0024] ある好ま、実施形態にぉ、て、前記ステップ (C)は、前記生体組織と同じ種類である確率と予め定めた閾値とを比較することにより、前記被検体における組織の同定を行う。

[0025] ある好ま、実施形態にぉ、て、前記ステップ (B)は、前記被検体に含まれる少なくとも 2種類の生体組織につ、ての物理的特性値の頻度をそれぞれ示す確率分布関数であって、前記物理的特性値の頻度分布が正規分布となるように変換された確率分布関数を求め、前記ステップ (C)は、前記任意の 1箇所における前記被検体の組織が、前記確率分布関数の求められた生体組織と同じ種類である確率を各生体組織の種類ごとに求め、前記各生体組織の種類ごとの確率を比較することにより、前記被検体における組織の同定を行う。

[0026] ある好ま、実施形態にぉ、て、組織同定方法は、前記ステップ (C)にお、て各箇所において同定された組織の種類の分布を表示するステップ (D)をさらに包含する

[0027] ある好まヽ実施形態にお!ヽて、前記ステップ (A)は、超音波を送信し、前記被検体において反射した超音波を受信することにより受信信号を生成するステップと、前記受信信号に基づ、て、物理的特性値を求めるステップとを含む。

[0028] ある好ま、実施形態にぉ、て、前記物理的特性値が、組織の最大厚さ変化量、歪み量、弾性率、粘性率、 IBS信号および Bモード輝度情報のうちの少なくともいずれかひとつである。

発明の効果

[0029] 本発明によれば、被検体の複数箇所から選ばれる任意の 1箇所およびこれに近接する少なくとも 1箇所における物理的特性値と物理的特性値の確率分布関数とを用いて、組織の同定を行う。このため、生体組織ごとの物理的特性値の分布が重なる場合であっても正確に組織の同定を行うことができる。

図面の簡単な説明

[0030] [図 1]本発明による超音波組織同定装置を用いて血管壁組織性状の診断を行うための構成を示すブロック図である。

[図 2]本発明による超音波組織同定装置の実施形態の構成を示すブロック図である。

[図 3]図 2に示す超音波糸且織同定装置の演算部の構成を詳細に示すブロック図である。

[図 4]血管壁を伝播する超音波ビームと測定対象位置とを模式的に示す図である。

[図 5]測定対象位置と弾性特性を求める対象組織との関係を示す図である。

[図 6] (a)は血管壁と設定する ROIを模式的に示す図であり、 (b)は表示部に表示される弾性率分布画像を模式的に示す図である。

[図 7]本発明による組織同定の方法の一例を示すフローチャートである。

[図 8] (a)は血栓の弾性率ヒストグラムを示す図であり、 (b)は図 8 (a)に示すヒストグラムを構成する複数個の弾性率を昇順に並べたものを模式的に示す図であり、（c)は図 8 (a)に示すヒストグラムを頻度分布が正規分布となるよう変換したヒストグラムを示す図である。

[図 9] (a)および (b)は、それぞれ脂質の弾性率ヒストグラムと確率分布関数を示している。

[図 10] (a)および (b)は、それぞれ血栓の弾性率ヒストグラムと確率分布関数を示している。

[図 11] (a)および (b)は、それぞれ線維組織の弾性率ヒストグラムと確率分布関数を示している。

[図 12] (a)および (b)は、それぞれ石灰化組織の弾性率ヒストグラムと確率分布関数を示している。

[図 13] (a)および (b)は、表示部に表示される弾性率分布画像および組織分布画像の一例を模式的に示している。

符号の説明

[0031] 1 血管外組織体表

血管

血管前壁

血液

超音波診断装置血圧計

超音波プローブ送信部

受信部

遅延時間制御部位相検波部フィノレタ杳演算部

記憶部

表示部

心電計

形状測定値演算部性状特性値演算部組織同定演算部血管壁

ROI

、 52、 53 領域、 55 単位領域生体

血管以外の生体組織血管壁

音響線

超音波ビーム発明を実施するための最良の形態

[0032] 以下本発明による医用画像診断装置の実施形態を説明する。本発明は、 X線 CT、 MRI、 PETなど種々の物理的方法により被検体内部の組織の画像を得ることのできる医用画像診断装置に適用が可能である。以下の実施形態では、超音波診断装置を用いて生体組織の同定を行う例を説明する。被検体には動脈血管壁組織を用いる

[0033] 図 1は、本実施形態の超音波診断装置 11を用いて血管壁組織の性状診断を行うための構成を示すブロック図である。超音波診断装置 11に接続された超音波プロ一ブ 13は被験者の体表 2に密着するよう設置され、血管外組織 1の内部へ超音波を送信する。送信された超音波は血管 3や血液 5にて反射、散乱し、その一部が超音波プローブ 13へ戻り、エコー (超音波反射波）として受信される。

[0034] 超音波診断装置 11は、受信信号の解析、演算を行い、血管前壁 4の形状情報や運動情報を求める。また、超音波診断装置 11には血圧計 12が接続されており、血圧計 12が測定した被験者の血圧データは超音波診断装置 11へと入力される。超音波診断装置 11は、例えば特許文献 1に開示されている方法にしたがって、検波信号の振幅および位相の両方を用い、制約付最小二乗法によって対象の瞬時の位置を決定する。高精度な (位置変化量の測定精度は ±0. 2ミクロン)位相トラッキングを行うことにより、血管前壁 4における微小部位の厚さや厚さ変化量の時間変化の様子を充分な精度で測定することができる。

[0035] さらに、血圧計 12から得た血圧データを用いることで、血管前壁 4における局所微小部位の弾性率を求めることができる。また、超音波診断装置 11には心電計 22が接続されており、心電計 22が測定した心電波形は超音波診断装置 11へと入力され、データ取得やデータリセットのタイミングを決定するトリガ信号として使用される。心電計 22は他の生体信号検出手段である心音計や脈波計と置き換えることも可能であり、心電波形の替わりに心音波形や脈波波形をトリガ信号として用いることも可能である。

[0036] 以下、超音波診断装置 11の構成および動作を詳細に説明する。図 2は、超音波診断装置 11の構成を示すブロック図である。超音波診断装置 11は、送信部 14、受信部 15、遅延時間制御部 16、位相検波部 17、フィルタ部 18、演算部 19、記憶部 20 および表示部 21を備えている。また、図 3に示すように、演算部 19は形状測定値演算部 31、性状特性値演算部 32および組織同定演算部 33を含む。各部の制御は、演算部 19が行ってもょ、し、また図示しな、コンピュータが行ってもょ、。

[0037] 以下において、詳細に説明するように、送信部 14、受信部 15、遅延時間制御部 16 、位相検波部 17、フィルタ部 18、形状測定値演算部 31および性状特性値演算部 3 2は、超音波を送受信することによって被検体の内部の弾性率などの物理的特性値を求める計測部として機能する。また、組織同定演算部 33が、計測部が求めた物理的特性値を用いて被検体の組織の種類を同定する。

[0038] 送信部 14は、所定の駆動パルス信号を生成し、超音波プローブ 13に出力する。駆動パルス信号により超音波プローブ 13から送信される超音波送信波は、血管 3等の生体組織において反射、散乱し、生じた超音波反射波が超音波プローブ 13で受信される。超音波を発生させる駆動パルスの周波数は、時間軸上で隣接している前後の超音波パルスが重ならな、ように、測定対象の深さと超音波の音速とを考慮して決定される。

[0039] 受信部 15は超音波プローブ 13を用いて超音波反射波を受信する。受信部 15は A ZD変換部を含み、超音波反射波を増幅して受信信号を生成し、さらにデジタル信号に変換する。送信部 14および受信部 15は電子部品などを用いて構成される。

[0040] 遅延時間制御部 16は送信部 14および受信部 15に接続されており、送信部 14から超音波プローブ 13の超音波振動子群に与える駆動パルス信号の遅延時間を制御する。これにより、超音波プローブ 13から送信される超音波送信波の超音波ビームの音響線の方向や焦点深度を変化させる。また、超音波プローブ 13によって受信され、受信部 15によって増幅された受信信号の遅延時間を制御することにより、開口径を変化させたり、焦点位置を変化させたりすることができる。遅延時間制御部 16の出力は位相検波部 17に入力される。

[0041] 位相検波部 17は、遅延時間制御部 16で遅延制御された受信信号を位相検波し、実部信号と虚部信号とに分離する。分離された実部信号および虚部信号はフィルタ部 18に入力される。フィルタ部 18は、高周波成分、測定対象以外からの反射成分およびノイズ成分等を除去する。位相検波部 17およびフィルタ部 18はソフトウェアによつてもハードウェアによっても構成することができる。

[0042] 位相検波された受信信号の実部信号および虚部信号は、演算部 19へ入力される。図 3は演算部 19の構成を詳細に示すブロック図である。演算部 19は、形状測定値演算部 31、性状測定値演算部 32および組織同定演算部 33を含む。形状測定値演算部 31では最大厚さ変化量分布画像、性状測定値演算部 32では弾性率分布画像、そして組織同定演算部 33では組織分布画像等の作成もそれぞれ行うため、演算部 19は分布画像演算部も兼ねている。演算部 19は、ソフトウェアによってもハードウエアによっても構成することができる。

[0043] 形状測定値演算部 31は、受信信号の実部信号および虚部信号に基づいて、複数の測定対象位置における生体組織の運動速度を求め、運動速度を積分することによつて、位置変位量 (位置の時間変位量)を求める。求めた位置変位量力も各測定対象位置間における生体組織の厚さ変化量 (伸縮量)を求める。また、心電計 22から一心周期に関する情報を受け取り、一心周期における厚さ変化量の最大値と最小値との差分である最大厚さ変化量や厚さの最大値、および血管内径等を求める。

[0044] 性状測定値演算部 32は、最大厚さ変化量、厚さの最大値、血管内径等のデータを受け取り、生体組織の歪みを求める。さらに血圧計 12から得られる血圧データを用 V、て、各測定対象位置間の生体組織の弾性率を求める。

[0045] 記憶部 20には、被検体に含まれる少なくとも 1種類の生体組織についての物理的特性値の頻度を示す確率分布関数が予め記憶されて！ヽる。この確率分布関数では、物理的特性値の頻度分布が正規分布となるように物理的特性値の階級幅が調整されている。本実施形態では、被検体は動脈血管壁であり、脂質や線維組織といつた組織の弾性率の頻度分布のデータが記憶されている。

[0046] 組織同定演算部 33は、記憶部 20に予め記憶されている物理的特性値の組織別の頻度分布と、被検体の測定対象領域内の複数箇所力選ばれる任意の 1箇所およびこれに隣接する少なくとも 1箇所における物理的特性値とに基づいて任意の 1箇所における被検体の組織が、記憶部 20に記憶されて、る頻度分布の組織と同じ種類である確率を求め、組織を同定する。組織同定演算部 33における演算については以下において詳述する。

[0047] このようにして求められた生体組織の最大厚さ変化量、歪み、弾性率、あるいは構成組織は、計測領域に対応してマッピングされ、形状測定値、性状測定値、あるいは構成組織の空間分布を示す心周期毎の空間分布画像として表示部 21へ出力される。なお、複数フレームを時間方向に平均化して、一枚の分布画像としてもよい。

[0048] 図 4および図 5を参照して、形状測定値演算部 31および性状測定値演算部 32におけるこれらの演算をさらに詳しく説明する。図 4は、生体 60を伝播する超音波ビーム 67を模式的に示しており、図では血管壁 64および血管以外の生体組織 62が示されている。

[0049] 生体 60の表面に配置された超音波プローブ 13から送信した超音波送信波は、生体 60中を進行する。超音波送信波は、ある有限の幅を持つ超音波ビーム 67として生体 60中を伝播し、その過程において生体組織 62および血管壁 64によって反射または散乱した超音波の一部が超音波プローブ 13へ戻り、超音波反射波として受信される。超音波反射波は時系列信号 r (t)として検出され、超音波プローブ 13に近い組織力も得られる反射の時系列信号ほど、時間軸上で原点近くに位置する。超音波ビーム 67の幅 (ビーム径）は、遅延時間を変化させることにより制御することができる。

[0050] 超音波ビームの中心軸である音響線 66上に位置する血管壁 62中の複数の測定対象位置 Ρη (Ρ1、 Ρ2、 · · -Pk- · ·Ρη、 ηは 3以上の自然数）は、ある一定間隔 Lで超音波プローブ 13に近い順に Ρ1、 Ρ2、 · · -Pk- · ·Ρηと配列している。生体 60の表面を原点とする深さ方向の座標を Ζ1、 Ζ2、 · · -Zk- · ·Ζηとすると、測定対象位置 Pkからの反射は、時間軸上で tk= 2ZkZcに位置することになる。ここで cは生体内での超音波の音速を示す。反射波信号 r (t)を位相検波部 17において位相検波し、検波した信号を実部信号および虚部信号に分離してフィルタ部 18を通過させる。

[0051] 演算部 19の形状測定値演算部 31では、反射波信号 r (t)と微小時間 A t後の反射波信号 r (t+ A t)において振幅は変化せず、位相および反射位置のみが変化するという制約のもとで、反射波信号 r(t)と!: (t+ A t)との波形の整合誤差が最小となるよう最小二乗法によって位相差を求める。この位相差から、測定対象位置 Pnの運動速度 Vn (t)が求められ、さらにこれを積分することにより、位置変位量 dn(t)を求めることがでさる。

[0052] 図 5は、測定対象位置 Pnと弾性率演算の対象組織 Tnとの関係を示している。対象組織 Tkは、隣接する測定対象位置 Pkと Pk+ 1とに挟まれた範囲に厚さ Lを有して位置している。 n個の測定対象位置 P1 · · · ·Ρηからは（η— 1)個の対象組織 T1 · · · ·Τη 1を設けることができる。

[0053] 対象組織 Tkの伸縮量である厚さ変化量 Hk (t)は、測定対象位置 Pkと Pk+ 1の位置変位量 hk (t)と hk+ 1 (t)と力ら、 Hk (t) =hk+ l (t) -hk (t)として求められる。

[0054] 血管壁 64の組織 Tkの厚さの変化は、心拍による血圧の変化に応じて生じ、心周期におよそ同期して繰り返される。したがって、弾性率も心周期に同期して一心拍毎の数値を求めることが好まし、。一心周期内の厚さ変化量 Hk (t)から最大値と最小値とを抽出し、最大値と最小値との差分を最大厚さ変化量 A hkとする。また、血圧の最大値と最小値との差分を脈圧 Δ pとする。対象組織の厚さの最大値を Hmとしたとき、歪み Skおよび弾性率 xkはそれぞれ次式で求めることができる。

[0055] Sk= A hk/Hm

xk= A p/Sk= A p -Hm/ A hk

[0056] 測定対象位置 Pnの数やその間隔は、測定の目的や測定対象物である生体組織の特性に応じて任意に設定できる。また、上述の説明では、隣接する測定対象位置間の厚さ変化量や弾性率を求める例を示しているが、厚さ変化量や弾性率は、 1っ以上の測定対象位置を挟む 2点間の値を求めてもよい。この場合、その 2点間の位置変位量は、その 2点およびその間の測定対象位置の位置変位量の平均値を用いることが好ましい。

[0057] 厚さ変化量や弾性率を求める範囲は、任意の 2点で挟まれた 1箇所でも力まわない力本実施の形態で用いている超音波プローブ 13は、アレー状に配列された複数の超音波振動子を有しており、断層面内の任意の領域内すベての箇所の弾性率を求めることが可能である。任意領域は、 ROI (Region Of Interestの略）によって操作者が規定することができる。 ROIは、操作者が弾性率を求めたい領域を指定するための表示で、その大きさや位置を表示部 21上で確認しながら、超音波診断装置 1 1のインターフェース部（図示しな、）を介して自由に設定することが可能である。 [0058] 形状測定値演算部 31または性状測定値演算部 32は、このようにして求められた生体組織の最大厚さ変化量、歪み、あるいは弾性率をマッピングし、形状測定値または性状測定値の空間分布を示す心周期毎の空間分布画像として表示部 21へ出力する。空間分布画像は 1次元であってもよいし、 2次元あるいは 3次元であってもよい。図 6 (a)は、表示部 21上に示された血管壁 40と ROI41とを模式的に示している。 RO 141が規定する領域には、血管壁 40以外の組織も含まれている。血管壁 40の画像はたとえば上述の演算とは別に受信信号を振幅強度に応じた輝度で変調することにより得られる。図 6 (b)は、血管壁 40の ROI41で規定される領域における弾性率を示している。 ROI41で規定される領域には、 6行 X 5列にマッピングされた画像データ f (k) 〜f (k) が配置され、画像データ f (k) 〜f (k) が空間分布画像 Fkを構成して

11 65 11 65

いる。前述したように画像データ f (k) 〜f (k) は、生体組織の最大厚さ変化量など

11 65

の形状測定値あるいは歪みや弾性率などの性状特性値である。

[0059] 形状測定値演算部 31または性状測定値演算部 32は、空間分布画像 Fkを記憶部 20へ出力し、記憶させる。また表示部 21へ出力する。表示部 21は受け取った空間分布画像 Fkを表示する。図 6 (b)ではたとえば、弾性率をその値に応じた濃淡で示して、る。画像中の弾性率の値に応じた配色を用いて弾性率分布を二次元カラー画像としてもよい。

[0060] 前述したように生体組織の最大厚さ変化量、歪み、あるいは弾性率は心周期毎に求められるため、画像データ f (k) 〜f (k) および空間分布画像 Fkも心周期毎に更

11 65

新される。

[0061] 形状測定値演算部 31または性状測定値演算部 32で演算された最大厚さ変化量、歪み、弾性率等のデータや画像は、記憶容量の許す範囲内で記憶部 20に記憶され、随時読み取ることが可能である。記憶部 20に例えばリングメモリ等の素子を用いれば、常に最新のデータを更新蓄積することができる。したがって、記憶部 20に記憶された各種データは、表示部 21に随時表示することもできる。また、記憶部 20に記憶されて、る複数フレームを時間方向に平均化して、一枚の分布画像としてもょ、。

[0062] 組織同定演算部 33は、記憶部 20に予め記憶されて、る脂質や線維組織と!/、つた組織別の確率分布関数と、各組織同定対象生体組織の弾性率データとから、局所微小部位の組織同定を行って対象生体組織がどの組織により構成されているのかを決定する。動脈硬化症の進展した動脈血管壁には、脂質、血栓、線維組織、石灰化組織等が存在するとされ、これらの存在の有無、構成比、存在場所等は、医師が動脈硬化症を診断する際に極めて有益な情報となる。

[0063] 以下、糸且織同定演算部 33における糸且織同定の具体的方法について図面を用いて詳細に説明する。

[0064] 図 7は、組織同定を行う手順の一例を示すフローチャートである。初めに、組織同定を行う際の参照基準となる確率分布関数を作成すベぐ脂質、血栓、石灰化組織等の存在位置が明確な標本血管壁組織を生体力も選択 '抽出する (ステップ Sl l)。次に標本血管壁組織の弾性率分布を測定する (ステップ SI 2)。具体的には、摘出した血管を水槽中でポンプに接続し、超音波診断装置 11を用いて厚さ変化量を計測し、別途求めた圧力変化量とから弾性率分布を求めてもよいし、超音波診断装置 11 を用いて非侵襲的に生体内での血管壁の弾性率分布を求めてもよい。後述の病理染色画像と位置合わせを行うことを考慮すれば、摘出血管を用いた弾性率分布測定のほうが好ましい。

[0065] 超音波診断装置 11により弾性率分布測定を行った断層面と一致した断面を病理観察すベぐ標本血管壁に病理染色を行って脂質、血栓、線維組織、石灰化組織等の各組織の存在位置を明確にする (ステップ S13)。こうして得られた病理染色像は超音波診断装置 11に取り込まれ、演算部 19は弾性率分布と照らし合わせて組織毎に組織領域内の弾性率を抽出し、ヒストグラムを作成する (ステップ S14)。

[0066] 次のステップ (S 15)で組織別に得られた弾性率ヒストグラムカゝら確率分布関数を求める方法について、以下詳述する。図 8 (a)は、クラス（階級）幅が 0. 05MPaであり 9 つのボックスカゝらなる血栓の弾性率ヒストグラムを示しており、横軸は弾性率、縦軸は出現頻度（サンプル #α = 301)を示している。図 8 (a)より、血栓の弾性率は OMPaから 0. 45MPaまで分布しており、最頻値は 0. 05〜0. IMPaであることがわかる。

[0067] ここで、弾性率の分布は正規分布に従うものと考え、弾性率ヒストグラムの頻度分布が正規分布となるような変換を行う。具体的には、まず、図 8 (a)のヒストグラムを構成する 301個の弾性率を昇順に並べる（図 8 (b) )。次に、図 8 (a)のヒストグラムと同じ個数のボックス（9個）を有し、かつボックスの高さが正規分布となるよう配置されたヒストグラムを、図 8 (c)に示すように作成する。各ボックスには 1から 9までボックスナンバー hが割り振られる。図 8 (c)の横軸はボックスナンバー、縦軸は確率 ρ (0≤ρ≤1)を示す。図 8 (b)に示した昇順に並んだ弾性率を、ボックスナンバー hが小さいボックスから順に割り当てていく。例えば、最小弾性率は h= lのボックスへ、最大弾性率は h= 9のボックスへ割り振られる。すべての弾性率の割り振りが完了したら、ボックス毎に平均弾性率 Eを求める。

h

[0068] そして、横軸が弾性率、縦軸が確率 ρ (0≤ρ≤1)なる新たなヒストグラムを作成し、これを確率分布関数とする。確率分布関数を現すヒストグラムのクラス幅は、例えばボックスナンバー hのクラス幅を決める際、ボックスナンバー h内に存在する弾性率値がすべて含まれるようにクラス幅を決めることが好ましいが、平均弾性率 E と Eとの中 h-1 h 央値（1 : 1の内分点）から平均弾性率 Eと E との中央値（1 : 1の内分点）までをクラ h h+1

ス幅としてもかまわない。

[0069] 図 9から図 12に、組織別の弾性率ヒストグラムと、確率分布関数とをそれぞれ示す。

図 9 (a)、図 10 (a)、図 11 (a)および図 12 (a)はそれぞれ脂質、血栓、線維組織および石灰化組織の弾性率ヒストグラムを示している。図 9 (b)、図 10 (b)、図 11 (b)および図 12 (b)はそれぞれ脂質、血栓、線維組織および石灰化組織の確率分布関数を示している。ここで、縦軸の確率は、標準偏差 σ = 1の正規分布に従った場合の確率値を示してヽるが、各組織の確率分布関数の面積が一致するように縦軸の確率を規格化してもよい。

[0070] このような方法で演算部 19にて作成された確率分布関数は、組織同定を行う際の参照基準とするべく記憶部 20へと記憶される (ステップ S 16)。

[0071] なおステップ S14からステップ S16に至る一連の作業は、予め演算部 19に付与された確率分布関数作成プログラムを用いることが好ま、が、パーソナルコンビユータ等の外部演算装置（図示しな、）にて行ってもかまわな、。

[0072] 次に、任意箇所の動脈血管壁の組織同定を行う方法について詳述する。

[0073] 初めに、性状測定値演算部 32は、組織同定の対象となる生体組織の弾性率分布を測定し、弾性率分布画像を求める (ステップ S 17)。ここで、ある一点の弾性率値（弾性率分布画像中の一画素）に着目した場合、この一点だけが周囲と独立した組織と考えるのではなぐ近傍の数点力数十点が同一の組織であるとし、該一点の組織同定を行うための近傍範囲を決定する (ステップ S18)。組織同定のための対象範囲を大きくすると組織弁別の分解能が悪ィ匕するという課題があり、範囲を小さくすると組織弁別の精度が悪ィ匕するという課題があるため、対象範囲を決める際には実際の生体組織における各種組織の分散範囲や分散度合ヽを考慮し、適宜決定することが望ましい。本実施形態においては、血管径方向 ±450ミクロン、血管軸長手方向 ±4 50ミクロンの正方形を対象範囲としている。弾性率測定を血管径方向 75ミクロンピッチ、血管軸長手方向 300ミクロンピッチで行っているので、血管径方向に 12点、血管軸長手方向に 3点、合計 36点が対象範囲に含まれて、る。

[0074] 次に、ステップ S19において行う組織同定について、以下詳細に説明する。

[0075] 組織同定演算部 33は、記憶部 20に記憶されてヽる各組織、すなわち脂質、血栓、線維組織、石灰化組織それぞれの確率分布関数 p、 P、 P、 P

a b c αを読み出す。この確率分布関数を用い、ステップ S18にて決定した対象範囲内の各点における弾性率値 X (k= l, 2· · ·η、本実施形態では η= 36)力任意の組織である確率を求める。 k

[0076] 例えば、弾性率値 Xが脂質である確率は p (X )で示されるので、該一点が脂質で

k a k

ある確率は、対象範囲内の n箇所の点における pの積として求められる。これを該ー

a

点が脂質である尤度関数 Lとする。尤度関数 Lは次式で示される。

a a

[0077] [数 1]

L_a - _Pa {x_k ) (1)

[0078] また尤度関数の対数を取ると、式（1)は次式で示される。

[数 2]

\n L_a ^\n p_a{x_k ) (2)

[0079] 同様にして、該一点が血栓である尤度関数 L、線維組織である尤度関数 L、石灰化組織である尤度関数 Lを求め、 4つの尤度関数 (あるいは対数尤度関数)のうち最大値を示した関数力該一点の属する組織を同定する (最尤法)。

[0080] ここで、確率 pを求める際、対象範囲の位置に応じた重み付けを行ってもよ!、。例えば、対象領域の中心部に位置する点では最大値を有し、中心部力離れるに従い単調減少するような係数を設け、これを対象範囲内の各点にて求めた確率に積算する。こうすることで、中心に近い位置で得られた確率ほど組織同定に重要な役割を有することになり、組織同定の精度を向上させることができる。

[0081] 以上示した方法により、弾性率分布画像内のすべての点の組織同定を行う。そして組織同定演算部 33は、組織同定結果に基づき組織分布画像を作成する。画像の作成において、例えば脂質は黄色、血栓は赤色、線維組織は青色、石灰化組織は紫色にて染色することが好ましいが、単色の階調表示により組織を弁別したり、輝度変調表示により組織を弁別しても力まわな、し、さらにはこれらを組み合わせたものであつてもよい。

[0082] 組織同定演算部 33で作成された組織分布画像は、表示部 21にて表示される。あるいは記憶部 20へ保存される (ステップ S20)。組織分布を表示部 21にて表示する場合、すべての組織を表示せずとも、操作者がキーボードやトラックボール等のインターフェース部（図示しない)を介して超音波診断装置 11に指示を与え、例えば脂質のみを表示させてもよい。こうすることで、医師が脂質のみに着目した診断を行う際に、非常に有益な情報を提供することが可能となる。

[0083] 図 13 (a)および (b)は、表示部 21に表示される弾性率分布画像および組織分布画像の一例を模式的に示している。図 13 (a)に示す弾性率分布画像は、 10 X 13の領域に分割された測定対象単位領域における弾性率の分布を示しており、弾性率が各単位領域の濃淡で示されている。図 13 (a)に示すように、弾性率の分布カゝら概ね濃く示されている領域 51、中間の濃度で示される領域 52および薄く示されている領域 53が異なる組織として認識され得る。領域 53の弾性率は小さぐ領域 53の弾性率は高ぐ領域 52の弾性率は中程度である。ただし、濃く示されている領域 51中に薄く示された領域 54、 55が存在する。このため、図 13 (a)によれば、単位領域 54、 55は、濃く示される単位領域 54、 55に存在する別の組織であるとも考えられる。

[0084] 図 13 (b)は、上述の手順によって、図 13 (a)に示す弾性率の分布に基づいて同定された組織の分布を示している。図 13 (b)に示すように、領域 51、領域 52および 53 のみがそれぞれ連続した組織として同定されており、図 13 (a)に示される領域 54、 5 5も領域 51と同定されている。本発明によれば、組織の同定は、各領域 (測定点）の弾性率のみに基づくのではなぐ同定すべき領域 (測定点)近傍の複数領域における弾性率も考慮して同定を行う。このため、領域 53は弾性率の小さい単位領域が集まっており、全体として領域 51および領域 52とは別な組織として同定される。しかし、単位領域 54、 55は、領域 51内において孤立しており、単位領域 54、 55の周囲に同じ弾性率の単位領域は存在しない。このため、単位領域 54、 55の周囲の単位領域の弾性率も考慮すれば、領域 51と同じ組織であると同定される確率のほうが、領域 5 3と同じ組織であると同定される確率よりも高くなる。その結果、領域 51内には別の組織が存在しな!ヽと表示される。

[0085] このように本発明によれば、単純に弾性率の値に対応して組織を同定するのではなぐ組織を同定すべき箇所およびその近傍の箇所における弾性率に基づいて組織の同定を行う。このため、弾性率などの物理的特性値にノイズなどの影響による誤つた値が含まれる場合でも、組織の同定にはノイズなどの影響が生じにくくなり、より適切な組織の同定を行うことができる。

[0086] また、基準となる複数の組織の物理的特性値のヒストグラムが重なっている場合でも、組織を同定すべき箇所およびその近傍の箇所における物理的特性値を用いることにより、正確に組織の同定を行うことができる。

[0087] 以上説明したように本実施形態によれば、脂質や線維組織とヽつた血管壁の構成組織別に確率分布関数を求め、これを用いて任意の血管壁組織の組織同定を最尤法により行うことで、より正確な組織分布画像を得ることができる。これにより、医師はより正確な診断を行うことが可能となる。

[0088] なお、本実施形態では血管壁の弾性率の二次元分布を求める場合を例示している力本発明の超音波組織同定装置は、心臓等の血管壁以外の循環器組織や、肝臓や乳房等の体組織を測定することが可能である。

[0089] また、本実施形態では、弾性率の二次元分布を測定して表示する超音波組織同定装置を説明したが、 3Dメカ-カルプローブなどを用いて弾性率の三次元分布を測定し、三次元の組織同定を行ってもよい。

[0090] そして、本実施形態では、弾性率の確率分布関数を求めて組織同定を行ったが、使用可能な物理的特性値は弾性率に限定されるものではなぐ歪み値、最大厚さ変化量、そして粘性率を用いても同様な組織同定を行うことができる。また、 Bモード画像における輝度情報や、 IBS (integrated backscatter)信号を物理的特性値としても同様な組織同定を行うことが可能である。さら〖こは、 X線 CT、 MRI、 PETなどの超音波診断装置以外のモダリティにて測定された信号や、その信号を用いて演算された弾性率等を物理的特性値としても同様な組織同定を行うことが可能である。

[0091] また、本実施形態では、 4つの尤度関数を求め、そのうちの最大値を示した関数から組織同定を行う方法 (最尤法)を説明したが、組織同定の対象が 1種類の組織の場合には 1種類の尤度関数を求め、予め定められた閾値との比較によって組織同定を行っても適切な組織同定を行うことが可能である。

産業上の利用可能性

[0092] 本発明は、血管壁、心臓等の血管壁以外の循環器組織や肝臓や乳房等の体組織など、生体組織の組織同定と組織分布表示を行う超音波診断装置、 X線 CT、 MRI、 PETなどに用いられる。また、医師が生体組織の特性を正確に診断することが可能な医用画像診断装置として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 被検体の複数箇所における物理的特性値を求める計測部と、

前記被検体に含まれる少なくとも 1種類の生体組織につ！ヽての物理的特性値の頻度を示す確率分布関数であって、前記物理的特性値の頻度分布が正規分布となるように変換された確率分布関数を記憶して、る記憶部と、

前記被検体の複数箇所から選ばれる任意の 1箇所およびこれに隣接する少なくとも 1箇所における物理的特性値と前記物理的特性値の確率分布関数とを用いて、前記任意の 1箇所における前記被検体の組織が、前記確率分布関数の求められた生体組織と同じ種類である確率を求める組織同定演算部と、

を備えた医用画像診断装置。

[2] 前記組織同定演算部は、前記生体組織である確率と予め定めた閾値とを比較することにより、前記被検体における組織の同定を行う請求項 1に記載の医用画像診断装置。

[3] 前記記憶部は、前記被検体に含まれる少なくとも 2種類の生体組織についての物理的特性値の頻度をそれぞれ示す確率分布関数であって、前記物理的特性値の頻度分布が正規分布となるように変換された確率分布関数を記憶しており、

前記組織同定演算部は、前記任意の 1箇所における前記被検体の組織が、前記確率分布関数の求められた生体組織と同じ種類である確率を各生体組織の種類ごとに求め、前記各生体組織の種類ごとの確率を比較することにより、前記被検体における組織の同定を行う請求項 2に記載の医用画像診断装置。

[4] 前記記憶部によって各箇所にお！ヽて同定された組織の種類の分布を表示する表示部をさらに備える請求項 3に記載の医用画像診断装置。

[5] 前記計測部は、

超音波を送信する送信部と、

前記被検体にお!、て反射した超音波を受信し、受信信号を生成する受信部と、前記受信信号に基づ、て、物理的特性値を求める計測値演算部と、

を含む請求項 4に記載の医用画像診断装置。

[6] 前記物理的特性値が、組織の最大厚さ変化量、歪み量、弾性率、粘性率、 IBS信号および Bモード輝度情報のうちの少なくともいずれかひとつである請求項 5に記載の医用画像診断装置。

[7] 生体組織の種類を同定する組織同定方法であって、

物理的方法によって、被検体の複数箇所における物理的特性値を求めるステップ（ A)と、

前記被検体に含まれる少なくとも 1種類の生体組織につ！ヽての物理的特性値の頻度を示す確率分布関数であって、前記物理的特性値の頻度分布が正規分布となるように変換された確率分布関数を求めるステップ (B)と、

前記被検体の複数箇所から選ばれる任意の 1箇所およびこれに隣接する少なくとも 1箇所における物理的特性値と前記物理的特性値の確率分布関数とを用いて、前記任意の 1箇所における前記被検体の組織が、前記確率分布関数の求められた生体組織と同じ種類である確率を求めるステップ (C)と、

を包含する組織同定方法。

[8] 前記ステップ (C)は、前記生体組織と同じ種類である確率と予め定めた閾値とを比較することにより、前記被検体における組織の同定を行う請求項 7に記載の組織同定方法。

[9] 前記ステップ (B)は、前記被検体に含まれる少なくとも 2種類の生体組織にっヽての物理的特性値の頻度をそれぞれ示す確率分布関数であって、前記物理的特性値の頻度分布が正規分布となるように変換された確率分布関数を求め、

前記ステップ (C)は、前記任意の 1箇所における前記被検体の組織が、前記確率分布関数の求められた生体組織と同じ種類である確率を各生体組織の種類ごと〖こ求め、前記各生体組織の種類ごと確率を比較することにより、前記被検体における組織の同定を行う請求項 8に記載の組織同定方法。

[10] 前記ステップ (C)におヽて、各箇所におヽて同定された組織の種類の分布を表示するステップ (D)をさらに包含する請求項 9に記載の組織同定方法。

[11] 前記ステップ (A)は、

超音波を送信し、前記被検体において反射した超音波を受信することにより受信信号を生成するステップと、前記受信信号に基づ、て、物理的特性値を求めるステップと、

を含む請求項 10に記載の組織同定方法。

[12] 前記物理的特性値が、組織の最大厚さ変化量、歪み量、弾性率、粘性率、 IBS信号および Bモード輝度情報のうちの少なくとも、ずれかひとつである請求項 11に記載の組織同定方法。