WO2009081598A1 - 画像処理装置、画像処理プログラム、記憶媒体及び超音波診断装置 - Google Patents

画像処理装置、画像処理プログラム、記憶媒体及び超音波診断装置 Download PDF

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WO2009081598A1
WO2009081598A1 PCT/JP2008/055360 JP2008055360W WO2009081598A1 WO 2009081598 A1 WO2009081598 A1 WO 2009081598A1 JP 2008055360 W JP2008055360 W JP 2008055360W WO 2009081598 A1 WO2009081598 A1 WO 2009081598A1
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carotid artery
surrounding tissue
image processing
optical flow
radial direction
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PCT/JP2008/055360
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Yasunari Yokota
Rie Taniguchi
Yoko Kawamura
Fumio Nogata
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Gifu University
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    • A61B8/08—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings
    • A61B8/0858—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings involving measuring tissue layers, e.g. skin, interfaces
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
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    • A61B8/48—Diagnostic techniques
    • A61B8/485—Diagnostic techniques involving measuring strain or elastic properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/52017—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00 particularly adapted to short-range imaging
    • G01S7/52023—Details of receivers
    • G01S7/52036—Details of receivers using analysis of echo signal for target characterisation
    • G01S7/52042—Details of receivers using analysis of echo signal for target characterisation determining elastic properties of the propagation medium or of the reflective target

Definitions

  • the present invention relates to an image processing apparatus, an image processing program, a storage medium, and an ultrasonic diagnostic apparatus, and in particular, an image processing apparatus and an image processing program for an ultrasonic image of a carotid artery, and a storage medium and an ultrasonic wave related thereto.
  • the present invention relates to a diagnostic device.
  • Arteriosclerosis is one of the lifestyle-related diseases that is a risk factor due to uninhibition of lifestyle, and it progresses from a young age with almost no subjective symptoms, and leaving it alone may lead to cerebral infarction, myocardial infarction, angina, etc. There is a possibility of development. Because arteriosclerosis is difficult to treat, it is important to catch signs of arteriosclerosis early and encourage patients to improve their lifestyle and delay disease progression.
  • arteriosclerosis is the hardening of the artery and loses its elasticity
  • the goodness of the carotid artery movement associated with the heartbeat may be evaluated.
  • Various indices of arteriosclerosis have been proposed based on the evaluation of good arterial movement.
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 propose a stiffness parameter and a modified stiffness parameter, respectively.
  • the above formula (1) shows a formula for calculating the modified stiffness parameter.
  • P s is the systolic blood pressure of the carotid artery
  • P d is the minimum blood pressure of the carotid artery
  • D s is the maximum diameter of the carotid artery during systolic
  • D d is the smallest diameter of the carotid artery at the time of minimum blood pressure is there.
  • the difference between the maximum blood pressure and the minimum blood pressure of the carotid artery is normalized by the good movement of the carotid artery. The larger the value of ⁇ *, the worse the movement of the carotid artery for the blood pressure difference, that is, the harder the carotid artery.
  • the carotid artery is assumed to be a thick cylinder having a thickness d, and the carotid artery elastic modulus E th is calculated according to the following equation (2) based on the mechanical characteristics of strain and stress. Yes.
  • d represents the thickness of the blood vessel wall.
  • an object of the present invention is to provide an image processing apparatus and an image processing program capable of calculating the elastic coefficient of the carotid artery wall more accurately by taking the surrounding tissue of the carotid artery into consideration.
  • Another object of the present invention is to provide a storage medium storing such an image processing program and an ultrasonic diagnostic apparatus used by being connected to such an image processing apparatus.
  • a moving image including a short-axis section of the carotid artery and a section of surrounding tissue around the carotid artery is acquired and acquired.
  • the optical flow of each point included in the region corresponding to the carotid artery wall and each point included in the region corresponding to the surrounding tissue is estimated from images of two temporally different frames of the moving image.
  • the first calculation means for calculating the displacement amount of the carotid artery and the surrounding tissue in the radial direction of the carotid artery according to the change in the internal pressure of the carotid artery, and the carotid artery and the surrounding tissue are modeled by a two-layer cylinder
  • the displacement amount thus calculated and the first calculating means With the displacement calculated in As multiplication error is minimized, an image processing apparatus and a second calculating means for calculating the modulus of the elastic modulus and the surrounding tissues of the carotid artery wall is provided.
  • the first calculation means estimates an optical flow at each point on an axis extending in the radial direction of the carotid artery from the images of the two frames, and based on the estimated optical flow at each point, the carotid artery The amount of displacement of the carotid artery and the surrounding tissue with respect to the radial direction of the carotid artery according to the change in the internal pressure is calculated.
  • the computer acquires a moving image including a short-axis cross section of the carotid artery and a cross section of surrounding tissue around the carotid artery, and temporally analyzes the acquired moving image. Estimating the optical flow of each point included in the region corresponding to the carotid artery wall and the region corresponding to the surrounding tissue from the images of two different frames, and based on the estimated optical flow of each point, The first calculation means for calculating the displacement amount of the carotid artery and the surrounding tissue with respect to the radial direction of the carotid artery according to the change in the internal pressure of the carotid artery, and the theory obtained by modeling the carotid artery and the surrounding tissue with a two-layer cylinder Based on the equation, the amount of displacement of the carotid artery and surrounding tissue in the radial direction of the carotid artery according to the change in the internal pressure of the carotid artery is calculated, and the amount of displacement thus calculated and
  • the first calculation means estimates an optical flow at each point on an axis extending in the radial direction of the carotid artery from the images of the two frames, and based on the estimated optical flow at each point, the carotid artery The amount of displacement of the carotid artery and the surrounding tissue with respect to the radial direction of the carotid artery according to the change in the internal pressure is calculated.
  • a storage medium storing an image processing program according to the second aspect is provided.
  • an ultrasonic diagnostic apparatus connected to the image processing apparatus according to the first aspect.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus generates an ultrasonic B-mode image based on an echo signal obtained by transmitting and receiving ultrasonic waves by the probe, and outputs the generated ultrasonic B-mode image to the image processing apparatus.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an image processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic electrical block diagram of the image processing apparatus of FIG. 1.
  • Graph showing the relationship between the distance r and the amount of displacement h of the elastic modulus E 2 are different from each other two bilayer cylinder model of elastic modulus E 1 is equal to each other and surrounding tissues of the carotid artery wall.
  • FIG. 7A shows an ultrasonic B-mode image
  • FIG. 7B shows the carotid artery with respect to the radial direction of the carotid artery at each point on the axis extending in the radial direction of the carotid artery according to the optical flow method.
  • FIG. 8A is a graph showing the displacement h (r) estimated according to the method of the present invention together with the displacement h (r) calculated according to the optical flow method
  • 9 (a) and 9 (b) are graphs showing the results when the same measurement is performed by changing the subject from the measurements shown in FIGS.
  • FIGS. 10 (a) and 10 (b) show the measurements shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b) and the measurements shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b). Is a graph showing the results when the same measurement was performed by changing the subject, and corresponds to FIG. 8A and FIG. 8B, respectively.
  • the image processing apparatus 11 includes a computer that functions as a first calculation unit (first calculation unit), a second calculation unit (second calculation unit), and a storage unit (storage unit). 12, a display 13, a printer 14, a keyboard 15, and an ultrasonic diagnostic apparatus 16.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus 16 includes a probe 21, a display unit 22, and an ultrasonic generation source (not shown).
  • the probe 21 of the ultrasonic diagnostic apparatus 16 has a distal end surface that transmits a pulse wave into the living body and receives a reflected wave (echo signal) from the carotid artery 23.
  • the tip surface of the probe 21 is formed in a long square shape.
  • the ultrasound diagnostic apparatus 16 acquires an echo motion image (that is, a plurality of images) including a short-axis section of the carotid artery and a section of surrounding tissue around the carotid artery, which are acquired in the B mode based on the echo signal. Ultrasonic B-mode image) is generated. Deformations such as expansion and contraction of the subject's carotid artery 23 are displayed as moving images on the display unit 22 of the ultrasonic diagnostic apparatus 16.
  • the ultrasonic B-mode image is output from the video output of the ultrasonic diagnostic apparatus 16 and is video-captured at a predetermined resolution (m ⁇ n pixels) and a predetermined number of frames per second by a DV converter (not shown), and then computerized as an IEEE 1394 signal. 12 is input.
  • a predetermined resolution m ⁇ n pixels
  • a predetermined number of frames per second by a DV converter (not shown), and then computerized as an IEEE 1394 signal. 12 is input.
  • 30 frames / second is selected as the predetermined number of frames per second, but this value is not limited as long as it is a value that can clearly observe the variation of the carotid artery due to heartbeat. .
  • the echo moving image acquired by the ultrasonic diagnostic apparatus 16 is input to the computer 12 and then stored in a storage device 44 (see FIG. 2) included in the computer 12.
  • the storage device 44 is composed of, for example, a hard disk or a semiconductor storage device, and can read and write various kinds of information.
  • the computer 12 includes a central processing unit (CPU) 41, a ROM 42, and a RAM 43, and executes an image processing program stored in the ROM 42 as a storage medium.
  • the RAM 43 is a working memory when executing the program.
  • the carotid artery repeatedly expands and contracts due to heartbeat. Surrounding tissues such as fat around the carotid artery expand and contract as the carotid artery expands and contracts. In general, the relationship between stress and strain of such materials is considered from the viewpoint of material mechanics.
  • FIG. 3 shows an ultrasonic B-mode image including a short-axis section of the carotid artery.
  • a carotid artery K having a circular shape is shown at approximately the center in FIG.
  • the carotid artery lumen Ka hatched in FIG. 3 is drawn in black, and the carotid artery wall Kb is drawn in white.
  • the carotid artery is surrounded by surrounding tissues such as fat.
  • the carotid artery and surrounding tissue can be modeled by a uniform two-layered cylinder (also referred to as a two-layered thick cylinder in terms of material mechanics) as shown in FIG.
  • the inner radius of the carotid artery wall is represented by r 1 and the outer radius is represented by r 2 .
  • the surrounding tissue is assumed to exist from a position r 2 away from the center of the carotid artery to infinity. It represents an elastic coefficient of the carotid artery wall at E 1, represent the elastic coefficient of the surrounding tissue at E 2.
  • Any Poisson's ratio v 2 of the Poisson's ratio v 1 and surrounding tissues of the carotid artery wall is regarded as 0.5.
  • the displacement amount h (r) can be expressed by the following theoretical formula (3) of the two-layer cylindrical model.
  • P represents the amount of change in internal pressure from the reference state.
  • the tissue located at a distance r from the center of the carotid artery moves to a position at a distance r + h (r) from the center of the carotid artery in accordance with a change in internal pressure.
  • the change amount P of the internal pressure is positive
  • the displacement amount h is positive, that is, indicates expansion
  • the change amount P of the internal pressure is negative
  • the displacement amount h is negative, that is, indicates contraction.
  • Figure 6 shows the relationship between the distance r and the displacement amount h from the center of the carotid artery in the modulus of elasticity E 2 are two different double-layer cylinder model of elastic modulus E 1 is equal to each other and surrounding tissues of the carotid artery wall.
  • the internal pressure of the reference carotid artery is the same as each other.
  • the displacement amount h becomes the maximum at the position where the distance r from the center of the carotid artery is equal to the inner radius r 1 of the carotid artery wall, that is, the inner surface of the carotid artery wall. Becomes smaller as r exceeds r 1 .
  • the time variation of the displacement amount h of tissue distance r from the center of the carotid artery is located at a position equal to r 1, i.e. the displacement amount h (r 1) It can be seen as a time change.
  • the heart rate variability of the carotid artery is affected by elastic modulus E 2 of the surrounding tissue, it is the case the elastic coefficient E 2 of the surrounding tissue of 150kPa indicates the displacement amount h (r) is different between the case of 0kPa It is clear from the result of FIG. Therefore, in order to estimate the elastic modulus E 1 of the carotid artery wall (vessel wall) more accurately, it is necessary to estimate together elasticity coefficient E 2 of the surrounding tissues.
  • the operator reads out the moving image stored in the storage device 44 by the input from the keyboard 15 and displays it on the screen of the display 13.
  • the center of the carotid artery and the radius of the carotid artery on the displayed moving image. Specifies the axis extending in the direction.
  • the CPU 41 sets the designated center and radial axis as the origin of the reference coordinates and the reference axis, respectively.
  • step S10 the CPU 41 calculates the displacement amount of the carotid artery and surrounding tissue with respect to the radial direction of the carotid artery at each point on the designated radial axis according to the optical flow method.
  • the arrow shown in FIG. 7A represents a designated radial axis.
  • ⁇ f / ⁇ x in the formula (5) represents ⁇ f / ⁇ y, the ⁇ f / ⁇ t f x, respectively, f y, in f t, further dividing the both sides of the equation (5) in Delta] t, The following equation (6) is obtained.
  • ⁇ x / ⁇ t and ⁇ y / ⁇ t represent the speed of motion in the x direction and the speed of motion in the y direction, that is, the velocity vector, respectively.
  • ⁇ x / ⁇ t and ⁇ y / ⁇ t are represented by u and v, respectively, the above equation (6) can be rewritten by the following equation (7).
  • equation (7) includes two unknowns, it cannot be solved as it is. Therefore, a region D in the vicinity of a certain point of interest is determined, and the number of equations is increased on the assumption that the velocity field is constant in the region D. In this case, since there is no solution that satisfies all the equations, the velocity field is such that the square integral J of the difference between the right side and the left side of the equation (7) expressed by the following equation (8) is minimized. Is estimated.
  • the velocity vector (u, v) at each point (each pixel) on the specified axis extending in the radial direction of the carotid artery is obtained.
  • the displacement amount is obtained by multiplying the velocity vector (u, v) at each point by the time difference between the frames of the image used to obtain the velocity vector. More specifically, of the images captured at several tens of frames / second, the image of the frame where the carotid artery is most contracted at the time of the lowest blood pressure, that is, the carotid artery is the most dilated at the highest blood pressure.
  • the optical flow of each point on the specified radial axis is estimated from the images of the two frames. Based on the estimated optical flow of each point, the amount of displacement of the carotid artery and surrounding tissue with respect to the radial direction of the carotid artery is calculated at each point on the designated radial axis.
  • step S20 the CPU 41 determines the displacement amount of the carotid artery and surrounding tissue with respect to the radial direction of the carotid artery at each point on the designated radial axis, and the above theoretical formula (2) as the square error between the displacement amount h of the carotid artery and the surrounding tissue with respect to the radial direction of the carotid artery, which is calculated based on 3) is minimized, the elastic coefficient E 1 of the carotid artery wall, the elastic modulus of the surrounding tissue E 2 Calculate the inner radius r 1 and the outer radius r 2 of the carotid artery.
  • the difference between the maximum blood pressure and the minimum blood pressure measured from the subject using a blood pressure measurement device (not shown) is substituted into the change amount P of the internal pressure in the theoretical formula (3).
  • the CPU 41 displays the carotid artery wall elastic coefficient E 1 , the peripheral tissue elastic coefficient E 2 , the carotid artery inner radius r 1 and the outer radius r 2 calculated in step S20, on the display 13 or the printer 14. Output to. Thereafter, the CPU 41 ends the image processing program.
  • the computer 12 functions as the first calculation unit, so that a moving image including a short-axis section of the carotid artery and a section of surrounding tissue around the carotid artery is included.
  • An image is acquired, and the optical flow of each point included in the region corresponding to the carotid artery wall and each region included in the region corresponding to the surrounding tissue is obtained from two temporally different frames of the acquired moving image.
  • the amount of displacement of the carotid artery and surrounding tissue in the radial direction of the carotid artery according to the change in the internal pressure of the carotid artery is calculated.
  • the computer 12 also functions as a second calculation means, and based on a theoretical formula obtained by modeling the carotid artery and surrounding tissue with a two-layer cylinder, the carotid artery according to the change in the internal pressure of the carotid artery
  • the displacement amounts of the carotid artery and the surrounding tissue in the radial direction are calculated, and the elastic coefficient of the carotid artery wall and the elastic modulus of the surrounding tissue are estimated so that the square error between the two displacement amounts thus calculated is minimized.
  • the elastic coefficient of the carotid artery wall can be calculated more accurately.
  • the image processing apparatus 11 estimates the optical flow of each point (each pixel) on the axis extending in the radial direction of the carotid artery from two temporally different images, and each estimated Based on the optical flow of the points, the amount of displacement of the carotid artery and surrounding tissue in the radial direction of the carotid artery according to the change in the internal pressure of the carotid artery is calculated. In this case, the time required to estimate the optical flow is shortened as compared with the case where the optical flow of all the pixels included in the region corresponding to the carotid artery wall and the region corresponding to the surrounding tissue is estimated.
  • the image processing program acquires a moving image including a short-axis section of the carotid artery and a section of surrounding tissue around the carotid artery, and temporally analyzes the acquired moving image. Estimating the optical flow of each point included in the region corresponding to the carotid artery wall and the region corresponding to the surrounding tissue from the images of two different frames, and based on the estimated optical flow of each point, The computer 12 is caused to function so as to calculate the displacement amount of the carotid artery and the surrounding tissue in the radial direction of the carotid artery according to the change in the internal pressure of the carotid artery.
  • the image processing program is also based on a theoretical formula obtained by modeling the carotid artery and surrounding tissue with a two-layered cylinder, and determines the carotid artery and surrounding tissue in the radial direction of the carotid artery according to changes in the internal pressure of the carotid artery.
  • the displacement amount is calculated, and the computer 12 is caused to function so as to estimate the elastic modulus of the carotid artery wall and the elastic modulus of the surrounding tissue so that the square error between the two displacement amounts thus calculated is minimized.
  • the computer can function as an image processing apparatus capable of calculating the elastic coefficient of the carotid artery wall more accurately.
  • the image processing program of the present embodiment estimates the optical flow of each point (each pixel) on the axis extending in the radial direction of the carotid artery from two temporally different images, and each estimated point Based on the optical flow, the computer 12 is caused to function to calculate the displacement amount of the carotid artery and the surrounding tissue in the radial direction of the carotid artery according to the change in the internal pressure of the carotid artery. In this case, the time required to estimate the optical flow is shortened as compared with the case where the optical flow of all the pixels included in the region corresponding to the carotid artery wall and the region corresponding to the surrounding tissue is estimated.
  • the ROM 42 of this embodiment functions as a storage medium that stores the image processing program.
  • the CPU 41 of the computer 12 executes the image processing program, the surrounding tissue of the carotid artery is taken into consideration, so that the elastic coefficient of the carotid artery wall can be calculated more accurately.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus used in the examples is SonoAce PICO manufactured by Medison Japan.
  • a linear ultrasonic probe (7.5 MHz) was applied to the subject's carotid artery, and a B-mode short-axis cross-sectional moving image of the carotid artery was captured.
  • the captured B-mode image is output from the video output of the ultrasound diagnostic apparatus, and is video captured at a resolution of 720 ⁇ 480 pixels, 30 frames / second by a DV converter (ADVC-300 manufactured by CANOPUS), and then computerized as an IEEE1394 signal. 12 was imported.
  • the number of pixels in the ultrasonic image area displayed on the display 13 is 540 pixels in the horizontal direction and 420 pixels in the vertical direction, and the pixel size is 0.0713 mm / pixel.
  • FIG. 7B shows the result of calculating the displacement amount of the carotid artery and the surrounding tissue with respect to the radial direction of the carotid artery at each point on the axis extending in the radial direction of the carotid artery indicated by the arrow in FIG. .
  • the displacement h (r) estimated as described above and the displacement of the carotid artery and surrounding tissue in the radial direction of the carotid artery calculated based on the theoretical formula (3) given by the two-layer cylindrical model as the square error between h (r) is minimized, the elastic coefficient E 1 of the carotid artery wall, the elastic coefficient E 2 of the surrounding tissues, and calculates the value of the inner radius r 1 and an outer radius r 2 of the carotid artery.
  • the calculated values are 70 kPa for the elastic modulus E 1 of the carotid artery wall, 141 kPa for the elastic modulus E 2 of the surrounding tissue, 4.2 mm for the inner radius r 1 of the carotid artery, and the outer radius r of the carotid artery Regarding 2, it was 5.1 mm.
  • the displacement h (r) estimated at the least squares at this time is shown by a solid curve in the graph of FIG.
  • the elastic coefficient E 2 of the surrounding tissues assuming 0 kPa, where otherwise that in the same manner as described above to calculate the value of the elastic modulus E 1 of the carotid artery wall, the value of the calculated elastic modulus E 1 is at 420kPa there were.
  • the displacement h (r) estimated at least squares at this time is shown by a solid curve in the graph of FIG.
  • Such method of calculating the elastic modulus E 1 of the carotid artery wall is equivalent to the conventional methods in that it does not take into account the surrounding tissues of the carotid artery.
  • the calculated value of the elastic coefficient E 1 was 238 kPa.
  • the plot indicated by “x” indicates the displacement amount h (r) calculated according to the optical flow method.
  • a curve indicated by a solid line in the graph of FIG. 9A indicates the displacement h (r) estimated by the least square according to the method of the present invention, and is indicated by a solid line in the graph of FIG. 9B. The curve shows the displacement h (r) estimated by the least square according to the conventional method.
  • the carotid wall elastic modulus E 1 the surrounding tissue elastic modulus E 2 , the carotid inner radius r 1 and
  • the calculated values were 81 kPa, 129 kPa, 3.95 mm, and 5.46 mm, respectively.
  • the calculated value of the elastic coefficient E 1 was 260 kPa.
  • the plot indicated by “x” indicates the displacement amount h (r) calculated according to the optical flow method.
  • a curve indicated by a solid line in the graph of FIG. 10A indicates the displacement h (r) estimated by the least square according to the method of the present invention, and is indicated by a solid line in the graph of FIG. 10B.
  • the curve shows the displacement h (r) estimated by the least square according to the conventional method.
  • FIG. 8 (a) and FIG. 8 (b) show the results
  • FIG. 9 (a) and FIG. 9 (b) show the results
  • FIG. 10 (a) and FIG. 10 (b) show the results.
  • the value of the elastic modulus E 1 of the carotid wall calculated according to the conventional method is greater than the value of the elastic modulus E 1 of the carotid wall calculated according to the method of the present invention. It was big. This indicates that the conventional method may regard arteriosclerosis as progressing more than it actually is.
  • step S20 of the flowchart of FIG. 5 in the embodiment, the square error between the displacement calculated according to the optical flow method and the displacement calculated based on the theoretical formula given by the two-layer cylindrical model is minimized.
  • the elastic coefficient E 1 of the carotid artery wall, the elastic coefficient E 2 of the surrounding tissues, inner radius r 1 and an outer radius r 2 of the carotid artery is calculated.
  • the displacement amount calculated according to the optical flow method is The maximum distance r may be determined in advance as the inner radius r 1 of the carotid artery wall.
  • each point (each pixel) on the axis extending in the radial direction of the carotid artery, all included in the region corresponding to the carotid artery wall and the region corresponding to the surrounding tissue on the ultrasonic B-mode image
  • the optical flow of the pixels may be estimated.
  • the storage device 44 may be used instead of the ROM 42.
  • an image processing program may be stored in a storage medium such as a CD, a DVD, or a USB memory, and the image processing program stored in the storage medium may be read from the storage medium using a driver device and executed.

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Abstract

　画像処理装置１１のコンピュータ１２は、頸動脈の短軸断面と頸動脈の周囲の周辺組織の断面とが含まれている動画像を取得して、取得された動画像の時間的に異なる２つのフレームの画像から頸動脈壁に対応する領域に含まれる各点及び周辺組織に対応する領域に含まれる各点のオプティカルフローを推定する。コンピュータ１２は、推定された各点のオプティカルフローに基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出する。コンピュータ１２はまた、頸動脈及び周辺組織を二層円筒でモデル化することにより得られる理論式に基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出する。コンピュータ１２は、こうして算出される２つの変位量の二乗誤差が最小になるように、頸動脈壁の弾性係数及び周辺組織の弾性係数を算出する。

Description

画像処理装置、画像処理プログラム、記憶媒体及び超音波診断装置
　本発明は、画像処理装置、画像処理プログラム、記憶媒体及び超音波診断装置に関し、特に、頸動脈の超音波画像のための画像処理装置及び画像処理プログラム、並びにそれらに関連する記憶媒体及び超音波診断装置に関する。
　動脈硬化症は、生活習慣の不摂生が危険因子となる生活習慣病の一つであり、自覚症状がほとんどないまま若年層から進行し、放っておくと脳梗塞、心筋梗塞、狭心症などに発展する可能性がある。動脈硬化症は治療が困難であるため、早期に動脈硬化の兆候を捉えて患者に生活習慣の改善を促し、病気の進行を遅らせることが重要である。
　動脈硬化症の検査には様々な診断方法があり、なかでも超音波エコー検査は、非侵襲に血管を直接観察できることから、現在の臨床診断において必要不可欠な検査となっている。動脈硬化症診断のための頸動脈超音波エコー検査では、プラークの有無や内膜中膜複合体厚（intima-media complex thickness（ＩＭＴ））を評価している。しかし、動脈硬化初期にはプラークもなく、ＩＭＴも薄いことから超音波エコー検査による形態学的観察では、動脈硬化の初期の兆候を捉えることが困難である。
　これに対して、動脈硬化は動脈が硬化して弾力性を失うことであるから、心拍動に伴う頸動脈の動きの良さを評価すればよいとの考えがある。動脈の動きの良さに関する評価に基づく様々な動脈硬化度の指標が提案されている。
　例えば、非特許文献１及び非特許文献２ではそれぞれ、スティフネスパラメータ及び修正スティフネスパラメータが提案されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　上式（１）は、修正スティフネスパラメータの算出式を示す。式（１）中、Ｐｓは頸動脈の最高血圧、Ｐｄは頸動脈の最低血圧、Ｄｓは最高血圧時の頸動脈の最大直径、Ｄｄは最低血圧時の頸動脈の最小直径である。式（１）では、頸動脈の最高血圧と最低血圧の差を頸動脈の動きの良さで正規化している。β＊の値が大きくなるほど、血圧差の割に頸動脈の動きが悪いこと、すなわち頸動脈が硬いことを表す。
　特許文献１では、頸動脈を厚みｄの厚肉円筒と仮定し、歪みと応力の機械的特性に基づいて、次式（２）に従って頸動脈の弾性係数Ｅthを算出することが提案されている。式（２）中、ｄは血管壁の厚みを表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　上記の文献のいずれでも、頸動脈の周囲に存在する脂肪などの周辺組織は無視されている。しかし、頸動脈の動きは、周辺組織の影響を少なからず受けるものである。従来の方法では、頸動脈の動きが悪いときにその原因が、頸動脈に硬化が生じたからなのか、それとも頸動脈の周辺組織が硬いからなのか区別することができない。
特許第３８８２０８４号 ハヤシ　Ｋ，ナガサワ　Ｓ，ナルト　Ｙ，モリタケ　Ｋ，オクムラ　Ａ，：「パラメトリック　ディスクリプション　オブ　メカニカル　ビィヘイビア　オブ　アーテリアル　ウォールズ(Parametric description of mechanical behavior of arterial walls)」，日本バイオレオロジー学会論文集，３（１９８０），pp７５－７８ カワサキ　Ｔ，ササヤマ　Ｓ，ヤギ　Ｓ，アサカワ　Ｔ，ヒライ　Ｔ，「ノンインバシブ　アセスメント　オブ　ジィ　エイジ　リレイテッド　チェンジズ　イン　スティフネス　オブ　メジャー　ブランチズ　オブ　ザ　ヒューマン　アルテリーズ(Non-invasive assessment of the age related changes in stiffness of major branches of the human arteries )」,Cardiovasc Res,21,9(1987),pp678-687.
　従って、本発明の目的は、頸動脈の周辺組織を考慮に加えることにより、より正確に頸動脈壁の弾性係数を算出することができる画像処理装置及び画像処理プログラムを提供することにある。
　又、本発明の他の目的は、そのような画像処理プログラムを記憶した記憶媒体及びそのような画像処理装置に接続して使用される超音波診断装置を提供することにある。
　上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様では、頸動脈の短軸断面と頸動脈の周囲の周辺組織の断面とが含まれている動画像を取得して、取得された動画像の時間的に異なる２つのフレームの画像から頸動脈壁に対応する領域に含まれる各点及び周辺組織に対応する領域に含まれる各点のオプティカルフローを推定し、推定された各点のオプティカルフローに基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出する第１算出手段と、頸動脈及び周辺組織を二層円筒でモデル化することにより得られる理論式に基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出し、こうして算出される変位量と前記第１算出手段で算出される変位量との二乗誤差が最小になるように、頸動脈壁の弾性係数及び周辺組織の弾性係数を算出する第２算出手段とを備える画像処理装置が提供される。
　好ましくは、前記第１算出手段は、前記２つのフレームの画像から頸動脈の半径方向に延びる軸上の各点のオプティカルフローを推定し、推定された各点のオプティカルフローに基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出する。
　本発明の第２の態様では、コンピュータを、頸動脈の短軸断面と頸動脈の周囲の周辺組織の断面とが含まれている動画像を取得して、取得された動画像の時間的に異なる２つのフレームの画像から頸動脈壁に対応する領域に含まれる各点及び周辺組織に対応する領域に含まれる各点のオプティカルフローを推定し、推定された各点のオプティカルフローに基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出する第１算出手段、及び頸動脈及び周辺組織を二層円筒でモデル化することにより得られる理論式に基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出し、こうして算出される変位量と前記第１算出手段で算出される変位量との二乗誤差が最小になるように、頸動脈壁の弾性係数及び周辺組織の弾性係数を算出する第２算出手段として機能させる画像処理プログラムが提供される。
　好ましくは、前記第１算出手段は、前記２つのフレームの画像から頸動脈の半径方向に延びる軸上の各点のオプティカルフローを推定し、推定された各点のオプティカルフローに基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出する。
　本発明の第３の態様では、上記第２の態様に係る画像処理プログラムを記憶した記憶媒体が提供される。
　本発明の第４の態様では、上記第１の態様に係る画像処理装置に接続される超音波診断装置が提供される。超音波診断装置は、探触子による超音波の送受信により得られるエコー信号を基に超音波Ｂモード画像を生成し、生成した超音波Ｂモード画像を画像処理装置に出力する。
本発明の一実施形態の画像処理装置の概略図。 図１の画像処理装置の概略電気ブロック図。 超音波Ｂモード画像を示す図。 二層円筒モデルの概念図。 コンピュータが実行する画像処理プログラムのフローチャート。 頸動脈壁の弾性係数Ｅ１が互いに等しく且つ周辺組織の弾性係数Ｅ２が互いに異なる２つの二層円筒モデルにおける距離ｒと変位量ｈの関係を示すグラフ。 図７（ａ）は、超音波Ｂモード画像を示す図、図７（ｂ）は、オプティカルフロー法に従って、頸動脈の半径方向に延びる軸上の各点において頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出した結果を示すグラフ。 図８（ａ）は、本発明の方法に従って最小二乗推定された変位量ｈ（ｒ）を、オプティカルフロー法に従って算出された変位量ｈ（ｒ）と一緒に示すグラフ、図８（ｂ）は、従来の方法に従って最小二乗推定された変位量ｈ（ｒ）を、オプティカルフロー法に従って算出された変位量ｈ（ｒ）と一緒に示すグラフ。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、図８（ａ）及び図８（ｂ）に結果を示している測定とは被験者を変えて同じ測定を行ったときの結果を示すグラフであり、図８（ａ）及び図８（ｂ）とそれぞれ対応する。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、図８（ａ）及び図８（ｂ）に結果を示している測定及び図９（ａ）及び図９（ｂ）に結果を示している測定とは被験者を変えて同じ測定を行ったときの結果を示すグラフであり、図８（ａ）及び図８（ｂ）とそれぞれ対応する。
　以下、本発明の一実施形態を図１～図１０（ｂ）を参照して説明する。
　図１に示すように、本実施形態の画像処理装置１１は、第１算出手段（第１算出部）、第２算出手段（第２算出部）、及び記憶手段（記憶部）として機能するコンピュータ１２と、ディスプレイ１３と、プリンタ１４と、キーボード１５と、超音波診断装置１６とを備えている。
　超音波診断装置１６は、探触子２１、表示部２２、及び図示しない超音波発生源を備えている。超音波診断装置１６の探触子２１は、生体内にパルス波を送波して頸動脈２３からの反射波（エコー信号）を受波する先端面を有する。探触子２１の先端面は長四角形状に形成されている。超音波診断装置１６は、前記エコー信号に基づいてＢモードで取得される、頸動脈の短軸断面と頸動脈の周囲の周辺組織の断面とが含まれているエコー動画像（すなわち、複数の超音波Ｂモード画像）を生成する。超音波診断装置１６の表示部２２には、被検者の頸動脈２３の拡張及び収縮などの変形が動画像で表示される。
　超音波Ｂモード画像は、超音波診断装置１６のビデオ出力から出力され、図示しないＤＶコンバータにより所定の解像度（ｍ×ｎ画素）及び所定の毎秒フレーム数でビデオキャプチャされた後、ＩＥＥＥ１３９４信号としてコンピュータ１２に入力される。本実施形態では、所定の毎秒フレーム数として３０フレーム／秒を選定しているが、この値は限定されるものではなく、心拍動に伴う頸動脈の変動を明確に観測できる値であればよい。
　ディスプレイ１３で表示される超音波画像領域の画素数は、水平方向に関してはＮｘ、垂直方向に関してはＮｙである。本実施形態では、Ｎｘ＝５４０（pixel）及びＮｙ＝４２０（pixel）を選定しているが、この数値は限定されるものではない。
　超音波診断装置１６により取得されたエコー動画像は、コンピュータ１２に入力された後、コンピュータ１２が備える記憶装置４４（図２参照）に格納される。記憶装置４４は、例えばハードディスク又は半導体記憶装置からなり、各種の情報の読み出し及び書き込みが可能である。
　図２に示すように、コンピュータ１２は、中央処理装置（ＣＰＵ）４１、ＲＯＭ４２、及びＲＡＭ４３を備え、記憶媒体としてのＲＯＭ４２に格納された画像処理プログラムを実行する。ＲＡＭ４３は、前記プログラムを実行する際の作業用メモリである。
　（実施形態の作用）
　次に、上記のように構成された画像処理装置１１において、ＣＰＵ４１が実行する画像処理プログラムの処理を説明するが、プログラム処理の説明の前にまず、「頸動脈及び周辺組織の応力及び歪み特性」及び「二層円筒モデル」について説明する。
　（頸動脈及び周辺組織の応力及び歪み特性）
　頸動脈は心拍動により拡張及び収縮を繰り返す。頸動脈の周辺にある脂肪などの周辺組織は、頸動脈の拡張及び収縮に伴って伸縮する。一般にこうした物質の応力と歪みの関係は材料力学の見地から考察される。
　図３は、頸動脈の短軸断面が含まれている超音波Ｂモード画像を示す。図３中のほぼ中央に円形をした頸動脈Ｋが示されている。超音波Ｂモード画像においては、図３中でハッチングされている頸動脈内腔Ｋａは黒く描かれ、頸動脈壁Ｋｂは白く描かれる。頸動脈は周囲を脂肪などの周辺組織によって囲まれている。
　（二層円筒モデル）
　頸動脈及び周辺組織は、図４に示すような一様な二層円筒（材料力学的には二層厚肉円筒ともいう）でモデル化することができる。頸動脈壁の内半径をｒ１で表し、外半径をｒ２で表す。周辺組織は、頸動脈の中心からｒ２だけ離れた位置から無限遠まで存在するものと仮定する。頸動脈壁の弾性係数をＥ１で表し、周辺組織の弾性係数をＥ２で表す。頸動脈壁のポアソン比ｖ１及び周辺組織のポアソン比ｖ２はいずれも０．５とみなす。頸動脈壁の内半径がｒ１、外半径がｒ２で表される特定の基準状態から頸動脈の内圧（血圧）に変化があったときの頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量ｈ（ｒ）は、以下の二層円筒モデルの理論式（３）で表すことができる。式（３）中、Ｐは基準状態からの内圧の変化量を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　頸動脈の中心からｒの距離にある組織は、内圧の変化に応じて、頸動脈の中心からｒ＋ｈ（ｒ）の距離の位置に移動する。内圧の変化量Ｐが正の場合には変位量ｈは正であって、つまり拡張を表し、内圧の変化量Ｐが負の場合には、変位量ｈは負であって、すなわち収縮を表す。
　（頸動脈及び周辺組織の弾性係数と変位量の関係）
　頸動脈及び周辺組織の弾性係数Ｅ１，Ｅ２と変位量ｈ（ｒ）の関係について次に説明する。
　頸動脈壁の弾性係数Ｅ１が互いに等しく且つ周辺組織の弾性係数Ｅ２が互いに異なる２つの二層円筒モデルにおける頸動脈の中心からの距離ｒと変位量ｈの関係を図６に示す。２つの二層円筒モデルでは、基準状態の頸動脈の内圧は互いに同じである。図６に示すように、いずれのモデルでも、変位量ｈは、頸動脈の中心からの距離ｒが頸動脈壁の内半径ｒ１に等しい位置、すなわち頸動脈壁内面において最大になり、距離ｒがｒ１を超えて大きくなるにつれて小さくなる。
　心拍動に伴う頸動脈の変動（頸動脈の心拍変動）は、頸動脈の中心からの距離ｒがｒ１に等しい位置にある組織の変位量ｈの時間変化、すなわち変位量ｈ（ｒ１）の時間変化と見ることができる。頸動脈の心拍変動が周辺組織の弾性係数Ｅ２の影響を受けることは、周辺組織の弾性係数Ｅ２が１５０ｋＰａの場合とそれが０ｋＰａの場合とで変位量ｈ（ｒ）が異なることを示す図６の結果から明らかである。従って、頸動脈壁（血管壁）の弾性係数Ｅ１をより正確に推定するためには、周辺組織の弾性係数Ｅ２を併せて推定する必要がある。
　（画像処理プログラムの処理）
　続いて、画像処理装置１１のＣＰＵ４１が実行する画像処理プログラムの処理を、図５のフローチャートを参照して説明する。
　予め、オペレータは、キーボード１５からの入力により、記憶装置４４に格納されている動画像を読み出してディスプレイ１３の画面上に表示し、表示された動画像上で頸動脈の中心及び頸動脈の半径方向に延びる軸を指定する。ＣＰＵ４１は、指定された中心及び径方向軸をそれぞれ、基準座標の原点及び基準軸として設定する。
　続いて、オペレータは、画像処理プログラムの処理の開始を、キーボード１５を通じてＣＰＵ４１に指令する。
　指令に応じてＣＰＵ４１は、ステップＳ１０において、オプティカルフロー法に従って、指定された径方向軸上の各点において頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出する。図７（ａ）中に示す矢印は、指定された径方向軸を表す。
　（オプティカルフロー法）
　ここでオプティカルフロー法について説明する。
　画像上の点（ｘ，ｙ）の時刻ｔにおける輝度をｆ（ｘ，ｙ，ｔ）で表す。微小時間Δｔ後に対象が（Δｘ，Δｙ）だけ移動する場合、次式（４）が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　ここで、ずれ量（Δｘ，Δｙ）が小さく、かつ局所的に一定であると仮定したうえで、上式（４）の右辺を１次までのテーラー（Taylor）級数で近似すると、次式（５）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　上式（５）中の∂ｆ／∂ｘ，∂ｆ／∂ｙ，∂ｆ／∂ｔをそれぞれｆｘ，ｆｙ，ｆｔで表し、さらに式（５）の両辺をΔｔで割ると、次の方程式（６）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　上式（６）中のΔｘ／Δｔ及びΔｙ／Δｔはそれぞれ、ｘ方向の動きの速さ及びｙ方向の動きの速さ、すなわち速度ベクトルを表す。Δｘ／Δｔ及びΔｙ／Δｔをそれぞれｕ及びｖで表すと、上式（６）は次式（７）で書き換えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　ｆｘ，ｆｙ，ｆｔを計測して方程式（７）を解くことにより、速度場（ｕ，ｖ）を求めることができる。ただし、方程式（７）は未知数を２つ含むため、このままでは解くことができない。そこで、ある着目点に対してその近傍の領域Ｄを定め、領域Ｄ内において速度場が一定であると仮定して方程式の数を増やす。この場合、全ての方程式を満足する解は存在しなくなるため、次式（８）で表される、方程式（７）の右辺と左辺の差の２乗積分Ｊが最小になるように、速度場を推定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　２乗積分Ｊをｕ，ｖに関して微分してゼロと置くと、以下の正規方程式（９）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　正規方程式（９）中、サフィックス付きのＳはそれぞれ次式（１０）で計算される微分の積の積分値を表わす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 　上式（１０）で計算される値を式（９）に代入して式（９）を解くと、次式（１１）で表わされるオプティカルフロー、すなわち速度ベクトル（ｕ，ｖ）が求まる（すなわち、推定される）。こうした手法は、局所最小二乗法と呼ばれる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 　本実施形態では、頸動脈の半径方向に延びる指定された軸上の各点（各画素）における速度ベクトル（ｕ，ｖ）が求められる。その後、各点における速度ベクトル（ｕ，ｖ）に対して、速度ベクトルを求めるために使用した画像のフレーム間の時間差を掛けることにより変位量が求められる。より具体的には、数十フレーム／秒でビデオキャプチャされた画像のうちから、最低血圧時、すなわち頸動脈が最も収縮しているフレームの画像と、最高血圧時、すなわち頸動脈が最も拡張しているフレームの画像とを取り出し、その２つのフレームの画像から指定された径方向軸上の各点のオプティカルフローが推定される。推定された各点のオプティカルフローに基づいて、指定された径方向軸上の各点において頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量が算出される。
　ステップＳ１０に続くステップＳ２０では、ＣＰＵ４１は、指定された径方向軸上の各点における頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量と、二層円筒モデルで与えられる上記の理論式（３）に基づいて算出される頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量ｈとの二乗誤差が最小になるように、頸動脈壁の弾性係数Ｅ１、周辺組織の弾性係数Ｅ２、頸動脈の内半径ｒ１及び外半径ｒ２を算出する。その際、理論式（３）中の内圧の変化量Ｐには、図示しない血圧測定装置を使って被験者から測定される最高血圧と最低血圧の差が代入される。
　続くステップＳ３０では、ＣＰＵ４１は、ステップＳ２０で算出された頸動脈壁の弾性係数Ｅ１、周辺組織の弾性係数Ｅ２、頸動脈の内半径ｒ１及び外半径ｒ２を、ディスプレイ１３又はプリンタ１４に出力する。ＣＰＵ４１はその後、画像処理プログラムを終了する。
　本実施形態によれば以下の利点が得られる。
　（１）　本実施形態の画像処理装置１１は、コンピュータ１２が、第１算出手段として機能することにより、頸動脈の短軸断面と頸動脈の周囲の周辺組織の断面とが含まれている動画像を取得して、取得された動画像の時間的に異なる２つのフレームの画像から頸動脈壁に対応する領域に含まれる各点及び周辺組織に対応する領域に含まれる各点のオプティカルフローを推定し、推定された各点のオプティカルフローに基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出する。コンピュータ１２はまた、第２算出手段として機能することにより、頸動脈及び周辺組織を二層円筒でモデル化することにより得られる理論式に基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出し、こうして算出される２つの変位量の二乗誤差が最小になるように、頸動脈壁の弾性係数及び周辺組織の弾性係数を推定する。この結果、頸動脈の周辺組織が考慮加わるために、より正確に頸動脈壁の弾性係数を算出することができる。
　（２）　本実施形態の画像処理装置１１は、時間的に異なる２つのフレームの画像から頸動脈の半径方向に延びる軸上の各点（各画素）のオプティカルフローを推定し、推定された各点のオプティカルフローに基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出する。この場合、頸動脈壁に対応する領域及び周辺組織に対応する領域に含まれる全ての画素のオプティカルフローを推定する場合に比べて、オプティカルフローの推定に要する時間が短縮される。
　（３）　本実施形態の画像処理プログラムは、頸動脈の短軸断面と頸動脈の周囲の周辺組織の断面とが含まれている動画像を取得して、取得された動画像の時間的に異なる２つのフレームの画像から頸動脈壁に対応する領域に含まれる各点及び周辺組織に対応する領域に含まれる各点のオプティカルフローを推定し、推定された各点のオプティカルフローに基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出するようにコンピュータ１２を機能させる。画像処理プログラムはまた、頸動脈及び周辺組織を二層円筒でモデル化することにより得られる理論式に基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出し、こうして算出される２つの変位量の二乗誤差が最小になるように、頸動脈壁の弾性係数及び周辺組織の弾性係数を推定するようにコンピュータ１２を機能させる。この結果、頸動脈の周辺組織が考慮に加わるために、より正確に頸動脈壁の弾性係数を算出することができる画像処理装置としてコンピュータを機能させることができる。
　（４）　本実施形態の画像処理プログラムは、時間的に異なる２つのフレームの画像から頸動脈の半径方向に延びる軸上の各点（各画素）のオプティカルフローを推定し、推定された各点のオプティカルフローに基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出するようにコンピュータ１２を機能させる。この場合、頸動脈壁に対応する領域及び周辺組織に対応する領域に含まれる全ての画素のオプティカルフローを推定する場合に比べて、オプティカルフローの推定に要する時間が短縮される。
　（５）　本実施形態のＲＯＭ４２は、上記の画像処理プログラムを記憶した記憶媒体として機能する。コンピュータ１２のＣＰＵ４１が画像処理プログラムを実行することにより、頸動脈の周辺組織が考慮に加わるために、より正確に頸動脈壁の弾性係数を算出することができる。
　（６）　本実施形態の超音波診断装置１６は、画像処理装置１１に接続されているため、上記（１）及び（２）の効果を容易に実現することができる。
　実施例で使用した超音波診断装置は、メディソン・ジャパン社製のSonoAce PICOである。リニア型超音波探触子（7.5MHz）を被験者の頸動脈部に当てて、頸動脈のＢモード短軸断面の動画像を撮像した。撮像したＢモード画像は、超音波診断装置のビデオ出力から出力され、ＤＶコンバータ（CANOPUS社製ADVC-300）により解像度720×480画素、３０フレーム／秒でビデオキャプチャされた後、IEEE1394信号としてコンピュータ１２に取り込んだ。ディスプレイ１３で表示される超音波画像領域の画素数は水平方向５４０画素、垂直方向４２０画素であり、画素サイズは0.0713mm/pixelである。
　取得した動画像から、最低血圧時のフレームと最高血圧時のフレームを取り出し、両フレームの画像から、オプティカルフロー法に従って、頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出した。図７（ａ）中に矢印で示される頸動脈の半径方向に延びる軸上の各点において頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出した結果を図７（ｂ）に示す。
　以上のようにして推定される変位量ｈ（ｒ）と、二層円筒モデルで与えられる上記の理論式（３）に基づいて算出される頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量ｈ（ｒ）との二乗誤差が最小になるように、頸動脈壁の弾性係数Ｅ１、周辺組織の弾性係数Ｅ２、頸動脈の内半径ｒ１及び外半径ｒ２の値を算出した。その結果、算出された値は、頸動脈壁の弾性係数Ｅ１に関しては70kPa、周辺組織の弾性係数Ｅ２に関しては141kPa、頸動脈の内半径ｒ１に関しては4.2mm、頸動脈の外半径ｒ２に関しては5.1mmであった。このとき最小二乗推定された変位量ｈ（ｒ）を図８（ａ）のグラフ中に実線の曲線で示す。
　一方、周辺組織の弾性係数Ｅ２を0kPaと仮定し、それ以外は上記と同様にして頸動脈壁の弾性係数Ｅ１の値を算出したところ、算出された弾性係数Ｅ１の値は420kPaであった。このとき最小二乗推定された変位量ｈ（ｒ）を図８（ｂ）のグラフ中に実線の曲線で示す。このような頸動脈壁の弾性係数Ｅ１の算出の仕方は、頸動脈の周辺組織を考慮に入れていないという点で従来の方法に相当する。
　別の被験者で同じ測定を行ったときの結果を図９（ａ）及び図９（ｂ）を示し、さらに別の被験者で同じ測定を行ったときの結果を図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示す。
　図９（ａ）及び図９（ｂ）に結果を示している測定において、本発明の方法に従って頸動脈壁の弾性係数Ｅ１、周辺組織の弾性係数Ｅ２、頸動脈の内半径ｒ１及び外半径ｒ２の値を算出したときには、算出された値はそれぞれ、40kPa、186kPa、3.8mm、5.3mmであった。一方、従来の方法に従って頸動脈壁の弾性係数Ｅ１の値を算出したときには、算出された弾性係数Ｅ１の値は238kPaであった。なお、図９（ａ）及び図９（ｂ）のグラフ中、“×”で示されるプロットは、オプティカルフロー法に従って算出された変位量ｈ（ｒ）を示す。一方、図９（ａ）のグラフ中、実線で示される曲線は、本発明の方法に従って最小二乗推定された変位量ｈ（ｒ）を示し、図９（ｂ）のグラフ中、実線で示される曲線は、従来の方法に従って最小二乗推定された変位量ｈ（ｒ）を示す。
　図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に結果を示している測定において、本発明の方法に従って頸動脈壁の弾性係数Ｅ１、周辺組織の弾性係数Ｅ２、頸動脈の内半径ｒ１及び外半径ｒ２の値を算出したときには、算出された値はそれぞれ、81kPa、129kPa、3.95mm、5.46mmであった。一方、従来の方法に従って頸動脈壁の弾性係数Ｅ１の値を算出したときには、算出された弾性係数Ｅ１の値は260kPaであった。なお、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）のグラフ中、“×”で示されるプロットは、オプティカルフロー法に従って算出された変位量ｈ（ｒ）を示す。一方、図１０（ａ）のグラフ中、実線で示される曲線は、本発明の方法に従って最小二乗推定された変位量ｈ（ｒ）を示し、図１０（ｂ）のグラフ中、実線で示される曲線は、従来の方法に従って最小二乗推定された変位量ｈ（ｒ）を示す。
　図８（ａ）及び図８（ｂ）に結果を示している測定、図９（ａ）及び図９（ｂ）に結果を示している測定、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に結果を示している測定のいずれにおいても、従来の方法に従って算出された頸動脈壁の弾性係数Ｅ１の値は、本発明の方法に従って算出された頸動脈壁の弾性係数Ｅ１の値よりも大きかった。このことは、従来の方法では、実際よりも動脈硬化が進行していると見なしてしまう可能性があることを示している。
　前記実施形態を次のように変更して構成することもできる。
　図５のフローチャートのステップＳ２０において、前記実施形態では、オプティカルフロー法に従って算出される変位量と、二層円筒モデルで与えられる理論式に基づいて算出される変位量との二乗誤差が最小になるように、頸動脈壁の弾性係数Ｅ１、周辺組織の弾性係数Ｅ２、頸動脈の内半径ｒ１及び外半径ｒ２が算出される。しかしながら、頸動脈の中心からの距離ｒが頸動脈壁の内半径ｒ１に等しい位置において変位量が最大になることから（図７（ｂ）参照）、オプティカルフロー法に従って算出された変位量が最大になる距離ｒを頸動脈壁の内半径ｒ１として予め決定してもよい。
　頸動脈の半径方向に延びる軸上の各点（各画素）のオプティカルフローを推定する代わりに、超音波Ｂモード画像上の頸動脈壁に対応する領域及び周辺組織に対応する領域に含まれる全ての画素のオプティカルフローを推定するようにしてもよい。
　画像処理プログラムを記憶する記憶媒体として、ＲＯＭ４２の代わりに記憶装置４４を用いてもよい。或いは、ＣＤやＤＶＤ、ＵＳＢメモリ等の記憶媒体に画像処理プログラムを格納し、記憶媒体に格納された画像処理プログラムを当該記憶媒体からドライバ装置を用いて読込みして実行するようにしてもよい。

Claims (6)

  1. 　頸動脈の短軸断面と頸動脈の周囲の周辺組織の断面とが含まれている動画像を取得して、取得された動画像の時間的に異なる２つのフレームの画像から頸動脈壁に対応する領域に含まれる各点及び周辺組織に対応する領域に含まれる各点のオプティカルフローを推定し、推定された各点のオプティカルフローに基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出する第１算出手段と、
    　頸動脈及び周辺組織を二層円筒でモデル化することにより得られる理論式に基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出し、こうして算出される変位量と前記第１算出手段で算出される変位量との二乗誤差が最小になるように、頸動脈壁の弾性係数及び周辺組織の弾性係数を算出する第２算出手段と
    を備えることを特徴とする画像処理装置。
  2. 　前記第１算出手段は、前記２つのフレームの画像から頸動脈の半径方向に延びる軸上の各点のオプティカルフローを推定し、推定された各点のオプティカルフローに基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出することを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
  3. 　コンピュータを、
    　頸動脈の短軸断面と頸動脈の周囲の周辺組織の断面とが含まれている動画像を取得して、取得された動画像の時間的に異なる２つのフレームの画像から頸動脈壁に対応する領域に含まれる各点及び周辺組織に対応する領域に含まれる各点のオプティカルフローを推定し、推定された各点のオプティカルフローに基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出する第１算出手段、及び
    　頸動脈及び周辺組織を二層円筒でモデル化することにより得られる理論式に基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出し、こうして算出される変位量と前記第１算出手段で算出される変位量との二乗誤差が最小になるように、頸動脈壁の弾性係数及び周辺組織の弾性係数を算出する第２算出手段
    として機能させることを特徴とする画像処理プログラム。
  4. 　前記第１算出手段は、前記２つのフレームの画像から頸動脈の半径方向に延びる軸上の各点のオプティカルフローを推定し、推定された各点のオプティカルフローに基づいて、頸動脈の内圧の変化に応じた頸動脈の径方向に関する頸動脈及び周辺組織の変位量を算出することを特徴とする請求項３に記載の画像処理プログラム。
  5. 　請求項３又は請求項４に記載の画像処理プログラムを記憶した記憶媒体。
  6. 　請求項１又は請求項２に記載の画像処理装置に接続され、探触子による超音波の送受信により得られるエコー信号を基に超音波Ｂモード画像を生成し、生成した超音波Ｂモード画像を画像処理装置に出力することを特徴とする超音波診断装置。
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