WO2011001938A1

WO2011001938A1 - 超音波診断装置及び画像データ表示用制御プログラム

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Publication number: WO2011001938A1
Application number: PCT/JP2010/060978
Authority: WO
Inventors: 栄一志岐; 喜隆嶺
Original assignee: 株式会社東芝; 東芝メディカルシステムズ株式会社
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2011-01-06
Also published as: JP5395538B2; US20120113111A1; JP2011010715A; US9173632B2; CN102300505A; CN102300505B

Abstract

超音波診断装置１００の芯線設定部７は、輪郭抽出部６が被検体に対する３次元走査によって収集されたボリュームデータを処理して抽出した管腔臓器の輪郭情報に基づいて該管腔臓器の芯線を設定し、基準点検出部９は、関心領域設定部８が前記ボリュームデータに対して設定した３次元関心領域の基準面と前記芯線とが交叉する基準点を検出する。次いで、視点・視線方向設定部１０は、前記基準点における芯線の接線方向に視点を設定し、更に、この視点から前記基準点に向けて視線方向を設定する。そして、仮想内視鏡画像データ生成部１１は、上述の視点及び視線方向に基づいた前記ボリュームデータのレンダリング処理によって仮想内視鏡画像データを生成し表示部１５に表示する。

Description

超音波診断装置及び画像データ表示用制御プログラム

　本発明の実施形態は、超音波診断装置及び画像データ表示用制御プログラムに関する。

　超音波診断装置は、超音波プローブに設けられた振動素子から発生する超音波パルスを被検体内に放射し、被検体組織の音響インピーダンスの差異によって生ずる超音波反射波を前記振動素子により受信して生体情報を収集するものであり、超音波プローブを体表に接触させるだけの簡単な操作で画像データのリアルタイム表示が可能となるため、各種臓器の形態診断や機能診断に広く用いられている。

　特に、近年では、複数の振動素子が１次元配列された超音波プローブを機械的に移動させる方法や複数の振動素子が２次元配列された超音波プローブを用いる方法によって被検体の診断対象部位に対する３次元走査を行ない、この３次元走査にて収集される３次元データ（ボリュームデータ）を用いて３次元画像データやＭＰＲ（Multi-Planar Reconstruction）画像データ等を生成することにより更に高度な診断や治療が可能となっている。

　一方、被検体に対する３次元走査によって得られたボリュームデータの管腔臓器内に観察者の視点と視線方向を仮想的に設定し、この視点から観察される管腔臓器の内表面を仮想内視鏡（フライスルー）画像データとして観察する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

　当該被検体の体外から収集されたボリュームデータに基づいて内視鏡的な画像データを生成する上述の方法によれば、検査時の被検体に対する侵襲度が大幅に低減され、更に、内視鏡スコープの挿入が困難な細い消化管や血管等の管腔臓器に対しても視点や視線方向を任意に設定することができるため、従来の内視鏡検査では不可能であった高精度の検査を安全且つ効率的に行なうことが可能となる。

特開２００５－１１０９７３号公報

　超音波診断装置によって収集されたボリュームデータに上述の特許文献１に記載された方法を適用することにより、仮想内視鏡画像データのリアルタイム観察が可能となる。従来、仮想内視鏡画像データの生成に必要な視点や視線方向をボリュームデータに対して設定する際、このボリュームデータに対して任意に設定されたスライス断面にてＭＰＲ画像データを収集し、管腔臓器の縦断面が示されたＭＰＲ画像データに基づいて上述の視点及び視線方向を設定する方法が一般に行なわれてきた。しかしながら、超音波プローブを被検体の体表面上で移動させながら仮想内視鏡画像データの観察を連続的に行なう場合、超音波プローブの移動に伴って上述の煩雑な方法による視点及び視線方向の更新を繰り返す必要があり、従って、仮想内視鏡画像データのリアルタイム観察が困難になるという問題点を有していた。

　本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、被検体から収集したボリュームデータに基づいて仮想内視鏡画像データを生成する際、超音波プローブの位置が移動しても好適な方向からの仮想内視鏡画像データを常時観察することが可能な超音波診断装置及び画像データ表示用制御プログラムを提供することにある。

　実施形態の超音波診断装置は、被検体に対する３次元走査によって収集したボリュームデータに基づいて管腔臓器の仮想内視鏡画像データを生成する超音波診断装置において、前記ボリュームデータに対して３次元関心領域を設定する関心領域設定手段と、前記ボリュームデータに基づいてこのボリュームデータにおける前記管腔臓器の芯線を設定する芯線設定手段と、前記３次元関心領域の基準面と前記芯線とが交叉する基準点を検出する基準点検出手段と、前記基準点に基づいて視点及び視線方向を設定する視点・視線方向設定手段と、前記視点及び前記視線方向に基づいて前記ボリュームデータを処理し前記仮想内視鏡画像データを生成する仮想内視鏡画像データ生成手段と、生成された前記仮想内視鏡画像データを表示する表示手段とを備えたことを特徴としている。

　また、実施形態の画像データ表示用制御プログラムは、被検体に対する３次元走査によって収集したボリュームデータに基づいて管腔臓器の仮想内視鏡画像データを生成する超音波診断装置に対し、前記ボリュームデータに対して３次元関心領域を設定する関心領域設定機能と、前記ボリュームデータに基づいてこのボリュームデータにおける前記管腔臓器の芯線を設定する芯線設定機能と、前記３次元関心領域の基準面と前記芯線とが交叉する基準点を検出する基準点検出機能と、前記基準点に基づいて視点及び視線方向を設定する視点・視線方向設定機能と、前記視点及び前記視線方向に基づいて前記ボリュームデータを処理し前記仮想内視鏡画像データを生成する仮想内視鏡画像データ生成機能と、生成された前記仮想内視鏡画像データを表示する表示機能を実行させることを特徴としている。

本発明の実施例における超音波診断装置の全体構成を示すブロック図。同実施例の超音波診断装置が備える送受信部及び受信信号処理部の具体的な構成を示すブロック図。同実施例の超音波プローブが備える振動素子の配列方向と超音波送受信方向を説明するための図。同実施例の超音波診断装置が備えるボリュームデータ生成部の具体的な構成を示すブロック図。同実施例のボリュームデータ生成部が生成するボリュームデータと、このボリュームデータに対して関心領域設定部が設定する３次元関心領域を示す図。同実施例の基準点検出部が３次元関心領域の基準面において検出する基準点と、この基準点に基づいて視点・視線方向設定部が設定する視点及び視線方向の具体例を示す図。同実施例のボリュームデータに対して設定される仮想内視鏡画像データの生成領域を説明するための図。同実施例の横面設定部によりボリュームデータに対して設定される横断面を示す図。同実施例の表示部が仮想内視鏡画像データと横断面画像データとの合成によって生成する表示データの具体例を示す図。同実施例における仮想内視鏡画像データの生成／表示手順を示すフローチャート。同実施例の視点・視線方向設定部がボリュームデータに対して設定する視点及び視線方向の変形例を示す図。同実施例の表示部が生成する第２の表示データの変形例を示す図。

　以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

　本実施例における超音波診断装置は、先ず、被検体に対する３次元走査によって収集されたボリュームデータにおける管腔臓器の輪郭を抽出し、この輪郭情報に基づいて管腔臓器の芯線を設定する。又、前記ボリュームデータに対し所定サイズの３次元関心領域を設定し、この３次元関心領域における基準面と前記芯線とが交叉する基準点を検出する。次いで、前記基準点における芯線の接線方向に視点を設定し、更に、この視点から前記基準点に向けて視線方向を設定する。そして、上述の視点及び視線方向に基づき、前記ボリュームデータをレンダリング処理して仮想内視鏡画像データを生成し表示部のモニタに表示する。

　尚、以下の実施例では、複数の振動素子が２次元配列された、所謂２次元アレイ超音波プローブによって収集した３次元的なＢモードデータに基づいてボリュームデータを生成する場合について述べるが、これに限定されるものではなく、例えば、振動素子が１次元配列された超音波プローブを機械的に移動させることによって収集したボリュームデータであってもよい。又、Ｂモードデータの替わりにカラードプラデータ等の他の超音波データに基づいたボリュームデータであっても構わない。

　また、以下に説明する３次元走査は、リアルタイムで３次元空間を走査する、所謂４Ｄ走査を含むものである。また、超音波プローブを患者の体表面上で移動させながらこの４Ｄ走査を行うことにより、空間的、かつ時間的にリアルタイムで変化する３次元画像を得ることができる。

（装置の構成）
　本実施例における超音波診断装置の構成につき図１乃至図９を用いて説明する。尚、図１は、超音波診断装置の全体構成を示すブロック図であり、図２及び図４は、この超音波診断装置が備える送受信部／受信信号処理部及びボリュームデータ生成部の具体的な構成を示すブロック図である。

　図１に示す本実施例の超音波診断装置１００は、被検体の管腔臓器を含む３次元領域に対して超音波パルス（送信超音波）を送信し前記被検体から得られた超音波反射波（受信超音波）を電気信号（受信信号）に変換する複数の振動素子を備えた超音波プローブ３と、被検体の所定方向に対して超音波パルスを送信するための駆動信号を前記振動素子に供給しこれらの振動素子から得られる複数チャンネルの受信信号を整相加算する送受信部２と、整相加算後の受信信号を信号処理して超音波データとしてのＢモードデータを生成する受信信号処理部４と、被検体に対する３次元走査によって得られたＢモードデータを超音波送受信方向に対応させて配列することにより３次元データ（ボリュームデータ）を生成するボリュームデータ生成部５を備えている。

　又、超音波診断装置１００は、上述のボリュームデータのボクセル値に基づいてこのボリュームデータにおける管腔臓器の輪郭を抽出する輪郭抽出部６と、得られた管腔臓器の輪郭情報に基づいて管腔臓器の中心軸（以下では、芯線と呼ぶ。）を設定する芯線設定部７と、前記ボリュームデータに対して所定サイズの３次元関心領域を設定する関心領域設定部８と、この３次元関心領域の基準面と前記芯線との交点（以下では、基準点と呼ぶ。）を検出する基準点検出部９と、この基準点に基づいて仮想内視鏡画像データの生成に必要な視点及び視線方向を設定する視点・視線方向設定部１０と、ボリュームデータに対し上述の視点及び視線方向を基準とするレンダリング処理を行なって仮想内視鏡画像データを生成する仮想内視鏡画像データ生成部１１を備えている。

　更に、超音波診断装置１００は、上述の基準点を含み前記芯線に垂直な断面を前記ボリュームデータに対して設定する横断面設定部１２と、この横断面における前記ボリュームデータのボクセルを抽出して管腔臓器の横断面を示す横断面画像データを生成する横断面画像データ生成部１３と、前記ボリュームデータをレンダリング処理して３次元画像データを生成する３次元画像データ生成部１４と、上述の仮想内視鏡画像データ、横断面画像データ及び３次元画像データ等を表示する表示部１５と、被検体情報の入力、ボリュームデータ生成条件の設定、各種コマンド信号の入力等を行なう入力部１６と、当該３次元走査における超音波送受信方向を制御する走査制御部１７と、上述の各ユニットを統括的に制御するシステム制御部１８を備えている。

　以下に、本実施例の超音波診断装置１００が備える上述の各ユニットの構成と機能につき更に詳しく説明する。

　超音波プローブ３は、２次元配列されたＭ個の図示しない振動素子をその先端部に有し、前記先端部を被検体の体表に接触させて超音波の送受信を行なう。振動素子は電気音響変換素子であり、送信時には電気パルス（駆動信号）を超音波パルス（送信超音波）に変換し、受信時には超音波反射波（受信超音波）を電気的な受信信号に変換する機能を有している。そして、これら振動素子の各々は、図示しないＭチャンネルの多芯ケーブルを介して送受信部２に接続されている。尚、本実施例では、Ｍ個の振動素子が２次元配列されたセクタ走査用の超音波プローブ３を用いてボリュームデータを収集する場合について述べるが、リニア走査やコンベックス走査等に対応した超音波プローブを用いても構わない。

　次に、図２に示す送受信部２は、超音波プローブ３の振動素子に対して駆動信号を供給する送信部２１と、振動素子から得られた受信信号に対して整相加算を行なう受信部２２を備えている。

　送信部２１は、レートパルス発生器２１１、送信遅延回路２１２及び駆動回路２１３を備え、レートパルス発生器２１１は、送信超音波の繰り返し周期を決定するレートパルスを生成して送信遅延回路２１２へ供給する。送信遅延回路２１２は、送信に使用されるＭｔ個の振動素子と同数の独立な遅延回路から構成され、送信超音波を所定の深さに集束するための集束用遅延時間と所定の方向（θｘｐ、θｙｑ）に送信するための偏向用遅延時間をレートパルスに与えて駆動回路２１３へ供給する。駆動回路２１３は、送信遅延回路２１２と同数の独立な駆動回路を有し、超音波プローブ３にて２次元配列されたＭ個の振動素子の中から送信用として選択されたＭｔ個の振動素子を前記レートパルスに基づいて生成した駆動信号で駆動して被検体内に送信超音波を放射する。

　一方、受信部２２は、超音波プローブ３に内蔵されたＭ個の振動素子の中から受信用として選択されたＭｒ個の振動素子に対応するＭｒチャンネルのＡ／Ｄ変換器２２１及び受信遅延回路２２２と加算器２２３を備え、受信用振動素子から供給されるＭｒチャンネルの受信信号は、Ａ／Ｄ変換器２２１にてデジタル信号に変換され、受信遅延回路２２２に送られる。

　受信遅延回路２２２は、所定の深さからの受信超音波を集束するための集束用遅延時間と、方向（θｘｐ、θｙｑ）に対して受信指向性を設定するための偏向用遅延時間をＡ／Ｄ変換器２２１から出力されたＭｒチャンネルの受信信号の各々に与え、加算器２２３は、受信遅延回路２２２からの受信信号を加算合成する。即ち、受信遅延回路２２２と加算器２２３により、方向（θｘｐ、θｙｑ）から得られた受信信号は整相加算される。又、受信部２２の受信遅延回路２２２及び加算器２２３は、その遅延時間の制御によって複数方向に対する受信指向性を同時に形成する、所謂、並列同時受信を可能とし、並列同時受信法の適用により３次元走査に要する時間は大幅に短縮される。尚、上述の送受信部２が備える送信部２１及び受信部２２の一部は、超音波プローブ３の内部に設けられていても構わない。

　図３（ａ）、及び図３（ｂ）は、超音波プローブ３の中心軸をｚ軸とした直交座標系［ｘ、ｙ、ｚ］における超音波送受信方向（θｘｐ、θｙｑ）を示したものである。振動素子３１は、図３（ｃ）に示すように、ｘ軸方向及びｙ軸方向に２次元配列され、θｘｐ及びθｙｑは、ｘ－ｚ平面及びｙ－ｚ平面に投影された超音波送受信方向のｚ軸に対する角度を示している。そして、走査制御部１７から供給される走査制御信号に従って送信部２１の送信遅延回路２１２及び受信部２２の受信遅延回路２２２における遅延時間が制御され、被検体の診断対象部位（管腔臓器）を含む３次元領域の方向（θｘｐ、θｙｑ）（θｘｐ＝θｘ１＋（ｐ－１）Δθｘ（ｐ＝１～Ｐ）、θｙｑ＝θｙ１＋（ｑ－１）Δθｙ（ｑ＝１～Ｑ））に対し超音波送受信が順次行なわれる。

　図２へ戻って、受信信号処理部４は、受信部２２の加算器２２３から出力される整相加算後の受信信号を信号処理することにより超音波データとしてのＢモードデータを生成する機能を有し、前記受信信号を包絡線検波する包絡線検波器４１と、包絡線検波後の受信信号を対数変換する対数変換器４２を備えている。但し、包絡線検波器４１と対数変換器４２は順序を入れ替えて構成してもよい。

　次に、図１に示したボリュームデータ生成部５の具体的な構成につき図４を用いて説明する。このボリュームデータ生成部５は、超音波データ記憶部５１、補間処理部５２及びボリュームデータ記憶部５３を備えている。

　超音波データ記憶部５１には、当該被検体に対する３次元走査によって得られた受信信号に基づいて受信信号処理部４が生成した複数の超音波データ（Ｂモードデータ）がシステム制御部１８から供給される超音波送受信方向（θｘｐ、θｙｑ）の情報を付帯情報として順次保存される。一方、補間処理部５２は、超音波データ記憶部５１から読み出した複数の超音波データを超音波送受信方向（θｘｐ、θｙｑ）に対応させて配列することにより３次元超音波データを形成し、更に、この３次元超音波データを構成する不等間隔のボクセルを補間処理して等方的なボクセルで構成されるボリュームデータを生成する。そして、得られたボリュームデータは、ボリュームデータ記憶部５３に保存される。

　一方、図１の輪郭抽出部６は、前記ボリュームデータのボクセル値の空間的な変化量に基づいて、ボリュームデータの管腔臓器における内壁あるいは外壁の輪郭を抽出する。例えば、前記ボリュームデータに対して空間的な微分処理と積分処理を行ない、微分処理されたボリュームデータと積分処理されたボリュームデータとの減算処理、あるいは、微分処理前のボリュームデータと微分処理後のボリュームデータとの減算処理等により管腔臓器の輪郭抽出が可能となるが、これらの方法に限定されない。

　一方、芯線設定部７は、輪郭抽出部６によって抽出された管腔臓器の輪郭データに基づいてこの管腔臓器の芯線を設定する機能を有し、例えば、表示部１５に表示される後述の３次元画像データに基づいて設定されたボリュームデータの管腔臓器内における起点を基準として３次元の全角度方向に複数の単位ベクトルを発生させ、これらの単位ベクトルの中から管腔臓器の輪郭までの距離が最大となる方向の単位ベクトルを探索ベクトルとして選定する。

　次いで、この探索ベクトルに直交する管腔臓器断面の重心位置を算出し、前記探索ベクトルと前記管腔臓器断面との交差位置が前記重心位置と一致するようにその方向が補正された探索ベクトルを前記重心位置において新たに設定する。そして、補正後の探索ベクトルを用いて上述の手順を繰り返し、このとき、管腔臓器の走行方向に形成される複数の重心位置を連結することにより管腔臓器の芯線を設定する。但し、管腔臓器に対する芯線の設定は、上述の方法に限定されるものではなく、例えば、特開２００４－２８３３７３号公報等に記載された方法を適用しても構わない。

　次に、関心領域設定部８は、被検体に対する３次元走査によって収集されたボリュームデータに対して３次元関心領域を自動設定する機能を有している。図５（ａ）－図５（ｃ）は、当該被検体から収集されたボリュームデータＶｄと、このボリュームデータに対して設定された３次元関心領域Ｒｉを示したものであり、既に述べたように、ボリュームデータＶｄは、ｘ方向の走査領域θｘａ（θｘａ＝（Ｐ－１）Δθｘ）及びｙ方向の走査領域θｙａ（θｙａ＝（Ｑ－１）Δθｙ）において収集される。

　このようなボリュームデータＶｄに対し関心領域設定部８は、入力部１６からシステム制御部１８を介して供給されるボリュームデータの生成条件に基づいてｘ方向の領域θｘｂ及びｙ方向の領域θｙｂ（但し、θｘｂ≦θｘａ、θｙｂ≦θｙａ）に対し３次元関心領域Ｒｉを設定する。尚、上述の領域θｘｂ及び領域θｙｂは、例えば、θｘｂ／θｘａやθｙｂ／θｙａが所定の値になるようにボリュームデータの大きさに基づいて設定してもよく、又、ボリュームデータの大きさに関係無く所定の大きさに設定しても構わない。

　図１へ戻って、基準点検出部９は、入力部１６によって指定された３次元関心領域の基準面と芯線設定部７によって設定された管腔臓器の芯線とが交叉する基準点を検出する。一方、視点・視線方向設定部１０は、基準点検出部９によって検出された基準面上の基準点とこの基準点における芯線の接線とに基づいて仮想内視鏡画像データの生成に必要な視点及び視線方向を設定する。具体的には、芯線設定部７によって設定された芯線の基準点における接線方向を検出し、この接線方向において基準点から所定距離だけ離れた位置に視点を、更に、この視点から基準点へ視線方向を夫々設定する。

　次に、基準点検出部９によって検出される基準点と、視点・視線方向設定部１０によって設定される視点及び視線方向の具体例につき図６（ａ）及び図６（ｂ）を用いて更に詳しく説明する。図５（ａ）－図５（ｃ）において既に述べたように、関心領域設定部８は、当該被検体に対する３次元走査によって収集されたボリュームデータＶｄに対し所定サイズ（即ち、領域θｘｂ及び領域θｙｂ）の３次元関心領域Ｒｉを設定し、芯線設定部７は、前記ボリュームデータＶｄにおける管腔臓器の輪郭情報Ｃｔに基づいて芯線Ｌｃを設定する。次いで、上述の基準点検出部９は、３次元関心領域Ｒｉの基準面Ｓと芯線Ｌｃとが交叉する基準点Ｐｏを検出する。そして、視点・視線方向設定部１０は、この基準点Ｐｏにおける芯線Ｌｃの接線方向を検出し、この接線方向において基準点Ｐｏから距離Ｒだけ離れた位置に視点Ｐｖを、又、この視点Ｐｖから基準点Ｐｏに向って視線方向Ｄｖを夫々設定する。

　再び図１へ戻って、仮想内視鏡画像データ生成部１１は、図示しない演算回路と記憶回路を備え、前記記憶回路には、ボリュームデータを用いて仮想内視鏡画像データを生成するための演算処理プログラムが予め保管されている。そして、前記演算回路は、ボリュームデータ生成部５のボリュームデータ記憶部５３に保存されている当該被検体のボリュームデータと前記記憶回路に保管されている演算処理プログラムを読み出し、関心領域設定部８から供給される３次元関心領域情報と視点・視線方向設定部１０から供給される視点及び視線方向の情報に基づいて前記ボリュームデータをレンダリング処理し仮想内視鏡画像データを生成する。

　図７は、ボリュームデータＶｄに対して設定される仮想内視鏡画像データの画像データ生成領域Ｒｆを示したものであり、上述のように、基準面Ｓ上の基準点Ｐｏにおける芯線Ｌｃの接線上に視点Ｐｖと視線方向Ｄｖが設定され、更に、視線方向Ｄｖを中心としてｘ’方向の視野範囲φｘ’ｍ及びｙ’方向の視野範囲φｙ’ｍが設定される。そして、仮想内視鏡画像データ生成部１１の演算回路は、ボリュームデータＶｄに設定された視野範囲φｘ’ｍ及び視野範囲φｙ’ｍに含まれる画像データ生成領域Ｒｆのボリュームデータを抽出し、得られたボリュームデータを視点Ｐｖ及び視線方向Ｄｖに基づいてレンダリング処理し仮想内視鏡画像データを生成する。この場合、基準面Ｓにおける管腔臓器の輪郭Ｃｔが画像データ生成領域Ｒｆに含まれるようにｘ’方向の視野範囲φｘ’ｍ及びｙ’方向の視野範囲φｙ’ｍが入力部１６において設定される。

　この場合、視点Ｐｖから基準点Ｐｏまでの距離を長く設定した場合には、平行投影の仮想内視鏡画像データが生成され、上述の距離を短く設定した場合には、遠近感を有する透視投影の仮想内視鏡画像データが生成される。

　一方、図１の横断面設定部１２は、ボリュームデータ生成部５のボリュームデータ記憶部５３に保存されているボリュームデータを読み出し、３次元関心領域の基準平面と芯線とが交叉する位置に設定された基準点を含み、芯線に対して垂直（即ち、上述の接線方向に対して垂直）な横断面を上述のボリュームデータに対して設定する。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、このときボリュームデータに対して設定される横断面Ｐｍを示したものである。上述のように、基準点検出部９が検出した３次元関心領域Ｒｉの基準面Ｓと芯線Ｌｃとが交叉する基準点Ｐｏを含み芯線Ｌｃに対して垂直な横断面Ｐｍがボリュームデータに対して設定される。このとき設定される横断面Ｐｍと３次元関心領域Ｒｉの基準面Ｓとは、図８（ａ）から分かるように、必ずしも一致しない。

　次に、図１の横断面画像データ生成部１３は、横断面設定部１２によって設定された横断面Ｐｍ、あるいはその近傍に位置するボリュームデータのボクセルを抽出し、これらのボクセルに対してフィルタリング処理や補間処理等のデータ処理を行なって管腔臓器の横断面を示す横断面画像データを生成する。

　一方、３次元画像データ生成部１４は、例えば、図示しない不透明度・色調設定部及びレンダリング処理部を備え、前記不透明度・色調設定部は、ボリュームデータ生成部５のボリュームデータ記憶部５３から読み出したボリュームデータのボクセル値に基づいて不透明度や色調を設定する。一方、前記レンダリング処理部は、上述のボリュームデータを前記不透明度・色調設定部が設定した不透明度や色調に基づいてレンダリング処理し、ボリュームレンダリング画像データあるいはサーフェスレンダリング画像データ等の３次元画像データを生成する。また、例えば、３次元画像データ生成部１４は、図示しない不透明度・色調設定部及びレンダリング処理部の他に、図示しないデータ反転部を備える。このデータ反転部は、ボリュームデータ生成部５のボリュームデータ記憶部５３から読み出したボリュームデータのボクセル値を反転する。例えば、ボクセル値の範囲が０～２５５であったとすると、ボクセル値０を２５５に、ボクセル値１を２５４に、ボクセル値２を２５３に、・・・、ボクセル値２５５を０に、というふうに設定してボクセル値を反転する。この反転されたボクセル値に基づいて上記と同様に、不透明度・色調設定部で不透明度や色調を設定し、レンダリング処理部でレンダリング処理を行って３次元画像データを生成する。この場合の３次元画像データは、管腔が高輝度になった管腔の３次元データとなる。これらの３次元画像データは、管腔臓器を含む３次元関心領域Ｒｉ、およびその周辺組織の３次元画像をレンダリング処理したものであり、前述した仮想内視鏡画像データおよび横断面画像データとは別に独立に生成されるものである。

　表示部１５は、表示データ生成部１５１、データ変換部１５２及びモニタ１５３を備え、表示データ生成部１５１は、３次元画像データ生成部１４が生成した３次元画像データに関心領域設定部８が設定した３次元関心領域の情報を重畳して基準面の指定を目的とした第１の表示データを生成する。更に、表示データ生成部１５１は、仮想内視鏡画像データ生成部１１が生成した仮想内視鏡画像データと横断面画像データ生成部１３が生成した横断面画像データを合成し、被検体情報等の付帯情報を付加して当該被検体の診断を目的とした第２の表示データを生成する。そして、データ変換部１５２は、表示データ生成部１５１によって生成された第１の表示データ及び第２の表示データに対し表示フォーマット変換やＤ／Ａ変換等の変換処理を行なってモニタ１５３に表示する。

　図９は、表示データ生成部１５１において生成される第２の表示データの具体例を示したものであり、仮想内視鏡画像データＩｅにおける基準点Ｐｏ（即ち、視線方向Ｄｖ）と横断面画像データＩｍにおける基準点Ｐｏが一致するように夫々の画像データが合成され、その周囲には図示しない被検体情報や画像データ生成条件等の付帯情報が付加される。即ち、第２の表示データは、基準点Ｐｏを含み芯線に垂直な横断面にて収集された管腔臓器及びその周辺臓器の横断面を示す横断面画像データＩｍに、視点Ｐｖ及び視線方向Ｄｖを基準としｘ’方向の視野範囲φｘ’ｍ及びｙ’方向の視野範囲φｙ’ｍにて収集された当該管腔臓器の内壁面を示す仮想内視鏡画像データＩｅを重畳して生成される。この場合、超音波プローブ３の移動に関わらず、基準点Ｐｏは、常にモニタ１５３の中央部に表示されるように表示データの生成が行なわれる。

　図１の入力部１６は、操作パネル上に表示パネルやキーボード、トラックボール、マウス、選択ボタン、入力ボタン等の入力デバイスを備え、３次元関心領域の基準面を指定する基準面指定機能１６１及びボリュームデータの管腔臓器内に芯線の設定を目的とした起点を設定する起点設定機能１６２を備えている。更に、被検体情報の入力、ボリュームデータ生成条件の設定、３次元画像データ生成条件、仮想内視鏡画像データ生成条件及び横断面画像データ生成条件の設定、基準点と視点との距離Ｒの設定、視野範囲φｘ’ｍ及び視野範囲φｙ’ｍの設定、各種コマンド信号の入力等も上述の表示パネルや入力デバイスを用いて行なわれる。

　走査制御部１７は、当該被検体の３次元領域に対し超音波の送受信を順次行なうための遅延時間制御を送信部２１の送信遅延回路２１２及び受信部２２の受信遅延回路２２２に対して行なう。一方、システム制御部１８は、図示しないＣＰＵと記憶回路を備え、前記記憶回路には、入力部１６において入力／設定／指定された上述の各種情報が保存される。そして、前記ＣＰＵは、上述の各種情報に基づいて超音波画像診断装置１００の各ユニットを統括的に制御し、仮想内視鏡画像データ、３次元画像データ及び横断面画像データの生成と表示を行なう。

（仮想内視鏡画像データの生成／表示手順）
　次に、本実施例における仮想内視鏡画像データの生成／表示手順につき図１０のフローチャートに沿って説明する。

　当該被検体の超音波検査に先立ち超音波診断装置１００の操作者は、入力部１６において被検体情報の入力、ボリュームデータ生成条件の設定、３次元画像データ生成条件の設定、仮想内視鏡画像データ生成条件の設定、横断面画像データ生成条件の設定、視野範囲φｘ’ｍ及び視野範囲φｙ’ｍの設定、基準点と視点との距離Ｒの設定等を行ない、超音波プローブ３を被検体体表面の好適な位置に配置する（図１０のステップＳ１）。

　上述の初期設定が終了したならば、操作者は、入力部１６にて超音波検査の開始コマンドを入力し（図１０のステップＳ２）、このコマンド信号がシステム制御部１８に供給されることにより、被検体の診断対象部位（管腔臓器）に対するボリュームデータの収集が開始される。

　即ち、図２に示した送信部２１のレートパルス発生器２１１は、システム制御部１８から供給される基準信号を分周してレートパルスを生成し送信遅延回路２１２に供給する。送信遅延回路２１２は、所定の深さに超音波を集束するための集束用遅延時間と、最初の送受信方向（θｘ１、θｙ１）に超音波を送信するための偏向用遅延時間を前記レートパルスに与え、このレートパルスをＭｔチャンネルの駆動回路２１３に供給する。次いで、駆動回路２１３は、送信遅延回路２１２から供給されたレートパルスに基づいて駆動信号を生成し、この駆動信号を超音波プローブ３におけるＭｔ個の送信用振動素子に供給して被検体内に送信超音波を放射する。

　放射された送信超音波の一部は、音響インピーダンスの異なる被検体の臓器境界面や組織にて反射し、超音波プローブ３に設けられたＭｒ個の受信用振動素子によって受信されＭｒチャンネルの電気的な受信信号に変換される。次いで、この受信信号は、受信部２２のＡ／Ｄ変換器２２１においてデジタル信号に変換され、更に、Ｍｒチャンネルの受信遅延回路２２２において所定の深さからの受信超音波を収束するための集束用遅延時間と送受信方向（θｘ１、θｙ１）からの受信超音波に対し強い受信指向性を設定するための偏向用遅延時間が与えられた後加算器２２３にて整相加算される。

　そして、整相加算後の受信信号が供給された受信信号処理部４の包絡線検波器４１及び対数変換器４２は、この受信信号に対して包絡線検波と対数変換を行なって超音波データとしてのＢモードデータを生成し、ボリュームデータ生成部５の超音波データ記憶部５１に送受信方向（θｘ１、θｙ１）を付帯情報として保存する。

　送受信方向（θｘ１、θｙ１）における超音波データの生成と保存が終了したならば、走査制御部１７は、システム制御部１８から供給される指示信号に従い送信部２１の送信遅延回路２１２及び受信部２２の受信遅延回路２２２における遅延時間を制御してθｘ方向にΔθｘ、θｙ方向にΔθｙずつ順次更新された送受信方向（θｘｐ、θｙｑ）（θｘｐ＝θｘ１＋（ｐ－１）Δθｘ（ｐ＝１～Ｐ）、θｙｑ＝θｙ１＋（ｑ－１）Δθｙ（ｑ＝１～Ｑ）、但し、送受信方向（θｘ１、θｙ１）を除く）の各々に対して同様の手順で超音波を送受信して３次元走査を行なう。そして、これらの送受信方向にて得られた超音波データも上述の送受信方向を付帯情報として超音波データ記憶部５１に保存する。

　一方、ボリュームデータ生成部５の補間処理部５２は、超音波データ記憶部５１から読み出した複数の超音波データを送受信方向（θｘｐ、θｙｑ）（θｘｐ＝θｘ１＋（ｐ－１）Δθｘ（ｐ＝１～Ｐ）、θｙｑ＝θｙ１＋（ｑ－１）Δθｙ（ｑ＝１～Ｑ））に対応させて配列することにより３次元超音波データを形成し、更に、この３次元超音波データを補間処理してボリュームデータを生成する。そして、得られたボリュームデータをボリュームデータ記憶部５３に保存する（図１０のステップＳ３）。

　当該被検体に対するボリュームデータの収集が終了したならば、３次元画像データ生成部１４は、ボリュームデータ生成部５のボリュームデータ記憶部５３から読み出したボリュームデータのボクセル値に基づいて不透明度及び色調を設定し、この不透明度と色調に基づいて上述のボリュームデータをレンダリング処理し３次元画像データを生成する（図１０のステップＳ４）。

　一方、関心領域設定部８は、入力部１６からシステム制御部１８を介して供給されるボリュームデータの生成条件を受信し、このボリュームデータの領域サイズに対応した領域サイズ［θｘｂ、θｙｂ］（図５参照）を有する３次元関心領域を設定する。（図１０のステップＳ５）。そして、表示部１５の表示データ生成部１５１は、３次元画像データ生成部１４から供給される３次元画像データに関心領域設定部８から供給される３次元関心領域の情報を重畳して第１の表示データを生成し、モニタ１５３に表示する。

　次に、３次元関心領域情報が重畳された３次元画像データ（即ち、第１の表示データ）を表示部１５にて観察した操作者は、入力部１６を用いて前記３次元画像データに示された管腔臓器が交叉している３次元関心領域の基準面を指定し、更に、芯線の設定を目的とした起点を前記管腔臓器の内部に設定する（図１０のステップＳ６）。

　一方、輪郭抽出部６は、ボリュームデータ生成部５のボリュームデータ記憶部５３から読み出したボリュームデータのボクセル値の空間的な変化量に基づいて、管腔臓器の輪郭を抽出し（図１０のステップＳ７）、芯線設定部７は、入力部１６において設定された起点の位置情報をシステム制御部１８を介して受信し、ボリュームデータの管腔臓器内に設定された上述の起点を基準とする検索ベクトルに基づいて管腔臓器の芯線を設定する（図１０のステップＳ８）。

　次いで、基準点検出部９は、入力部１６によって指定された３次元関心領域の基準面と芯線設定部７によって設定された管腔臓器の芯線とが交叉する基準点を検出し（図１０のステップＳ９）、視点・視線方向設定部１０は、基準点検出部９が検出した基準面上の基準点とこの基準点における芯線の接線方向とに基づいて仮想内視鏡画像データの生成に必要な視点及び視線方向を設定する（図１０のステップＳ１０）。

　そして、仮想内視鏡画像データ生成部１１は、ボリュームデータ生成部５のボリュームデータ記憶部５３に保存されている当該被検体のボリュームデータと自己の記憶回路に保管されている演算処理プログラムを読み出し、関心領域設定部８から供給される３次元関心領域の情報と視点・視線方向設定部１０から供給される視点及び視線方向の情報に基づいた前記ボリュームデータのレンダリング処理によって仮想内視鏡画像データを生成する（図１０のステップＳ１１）。

　一方、上述のステップＳ９において３次元関心領域の基準面と芯線とが交叉する基準点が検出されたならば、横断面設定部１２は、ボリュームデータ生成部５のボリュームデータ記憶部５３に保存されているボリュームデータを読み出し、上述の基準点を含み、芯線に対して垂直な横断面をボリュームデータに対して設定する（図１０のステップＳ１２）。そして、横断面画像データ生成部１３は、横断面設定部１２によって設定された横断面あるいはその近傍に位置するボリュームデータのボクセルを抽出し、これらのボクセルに対してフィルタリング処理や補間処理等のデータ処理を行なって管腔臓器の横断面を示す横断面画像データを生成する（図１０のステップＳ１３）。

　次いで、表示部１５の表示データ生成部１５１は、仮想内視鏡画像データ生成部１１において生成された仮想内視鏡画像データと横断面画像データ生成部１３において生成された横断面画像データを合成し、更に、被検体情報等の付帯情報を付加して第２の表示データを生成する。そして、得られた第２の表示データに対し所定の変換処理を行なってモニタ１５３に表示する（図１０のステップＳ１４）。

　上述の手順により、超音波プローブ３を最初の位置に配置した状態で収集されたボリュームデータに基づく仮想内視鏡画像データ等の生成と表示が終了したならば、超音波プローブ３の位置を被検体の体表面上で順次更新させながら（図１０のステップＳ１５）上述のステップＳ３乃至Ｓ１４（但し、ステップＳ６は除く）を繰り返すことにより超音波プローブ３の移動に対応して所望の方向、即ち管腔臓器の芯線の接線方向、から生成された仮想内視鏡画像データをリアルタイムで観察することが可能となる。

　以上述べた本発明の実施例によれば、被検体から収集したボリュームデータに基づいて仮想内視鏡画像データを生成する際、超音波プローブの移動に伴ってその位置が更新される前記ボリュームデータに設定された３次元関心領域の基準面と前記ボリュームデータにおける管腔臓器の芯線との交点に基づいて視点及び視線方向を自動設定することにより、超音波プローブの位置が移動しても好適な方向からの仮想内視鏡画像データを、常時、リアルタイムで観察することが可能となる。このため、診断精度と診断効率が大幅に向上する。

　特に、前記視点を３次元関心領域の外部に設定する場合、基準面と芯線との交点を含み芯線に垂直な横断面画像データと上述の仮想内視鏡画像データを合成して表示することができるため管腔臓器周辺の情報も同時に把握することができ、診断精度を更に改善することができる。例えば、管腔臓器の腫瘍を診断するような場合、管腔臓器内部の腫瘍部位は仮想内視鏡画像データから観察するこが可能であるが、これと同時に、管腔臓器の外側周辺部の浸潤状況も横断面画像データから観察することができるため、診断精度が向上する。

　又、超音波プローブの位置が移動した場合であっても、仮想内視鏡画像データにおける基準点や視線方向が常にモニタの所定位置（例えば、中央部）に配置されるように第２の表示データが生成されるため、移動する超音波プローブの影響をあまり受けることなく前記視線方向からの仮想内視鏡画像データを安定して観察することができ、従って、超音波検査における操作者の負担が軽減される。

　以上、本発明の実施例について述べてきたが、本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、変形して実施することが可能である。例えば、上述の実施例では、芯線設定部７によって設定された芯線の基準点における接線方向を検出し、この接線方向において基準点から所定距離だけ離れた位置に仮想内視鏡画像データの視点を設定する場合について述べたが、図１１（ａ）に示すように、上述の接線方向から所定角度ηだけ傾斜した方向の所定距離離れた位置に視点Ｐｖを設定してもよい。又、図１１（ｂ）に示すように、基準点Ｐｏに設定された横断面にて閉曲線で示される管腔臓器輪郭Ｃｔの内部に第２の基準点Ｐｏ１を設定し、この第２の基準点Ｐｏ１を基準として任意の方向及び任意の距離に視点Ｐｖを設定しても構わない。更に、第２の基準点Ｐｏ１は、横断面上に限定されるものではなく、基準点Ｐｏを基準として任意の方向及び任意の距離に設定してもよい。

　又、上述の実施例では、３次元関心領域Ｒｉの外部に視線Ｐｖを設定する場合について述べたが、３次元関心領域Ｒｉの基準面Ｓ（即ち、基準点Ｐｏ）あるいは３次元関心領域Ｒｉの内部に視点Ｐｖを設定してもよい。特に、視点Ｐｖを３次元関心領域Ｒｉの内部に設定する場合、基準点Ｐｏから芯線Ｌｃに沿って所定距離だけ進入した位置に視点Ｐｖを設定し、この視点Ｐｖにおける芯線Ｌｃの接線方向に視線方向Ｄｖを設定する方法が好適であるが、特に限定されない。尚、この場合の横断面画像データの生成は必ずしも必要としない。

　一方、上述の実施例における３次元関心領域は、ボリュームデータの生成条件に基づいて自動設定される場合について述べたが、表示部１５に表示された３次元画像データを観察した操作者が、入力部１６の入力デバイスを用いて任意に設定してもよい。又、ボリュームデータの内部に３次元関心領域を設定する場合について述べたが、３次元関心領域は、ボリュームデータと略等しいサイズを有していても構わない。
　また、基準面Ｓを３次元関心領域Ｒｉの特定の外周面に設けるのではなく、３次元関心領域Ｒｉの内部に設けてもよい。例えば、基準面Ｓを超音波プローブで２次元走査を行うときと同じ面に設けても良い。この場合、超音波プローブを移動させているときでも基準面Ｓは従来見慣れている２次元断面と一致するので、操作者は、視点の位置や視線方向を直感的に把握しやすくなる。

　更に、３次元関心領域の基準面は、３次元関心領域の情報が重畳された３次元画像データを観察した操作者によって行なわれる場合について述べたが、ボリュームデータ生成条件の１つとして超音波検査に先立って設定してもよい。

　又、３次元関心領域の外部に視点が設定された場合、仮想内視鏡画像データと横断面画像データとの合成によって生成された第２の表示データを表示する場合について述べたが、第２の表示データは、３次元関心領域の内部に視点が設定された場合と同様にして横断面画像データを含まなくても構わない。更に、第２の表示データは、仮想内視鏡画像データあるいはこの仮想内視鏡画像データと横断面画像データの合成によって生成される場合について述べたが、図１２に示すように３次元画像データを追加して第２の表示データを生成してもよい。この場合、表示部１５のモニタ１５３には、３次元画像データ（図１２（ａ））と仮想内視鏡画像データあるいは横断面画像データが重畳された仮想内視鏡画像データ（図１２（ｂ））が並列表示される。

　尚、上述の実施例では、複数の振動素子が２次元配列された、所謂２次元アレイ超音波プローブによって収集した３次元的なＢモードデータに基づいてボリュームデータを生成し、このボリュームデータを用いて仮想内視鏡画像データ及び横断面画像データを生成する場合について述べたが、これに限定されるものではなく、例えば、振動素子が１次元配列された超音波プローブを機械的に移動させることによって収集したボリュームデータを用いて上述の画像データを生成してもよい。又、Ｂモードデータの替わりにカラードプラデータ等の他の超音波データに基づいたボリュームデータを用いても構わない。

Claims

　被検体に対する３次元走査によって収集したボリュームデータに基づいて管腔臓器の仮想内視鏡画像データを生成する超音波診断装置において、
前記ボリュームデータに対して３次元関心領域を設定する関心領域設定手段と、
前記ボリュームデータに基づいてこのボリュームデータにおける前記管腔臓器の芯線を設定する芯線設定手段と、
前記３次元関心領域の基準面と前記芯線とが交叉する基準点を検出する基準点検出手段と、
前記基準点に基づいて視点及び視線方向を設定する視点・視線方向設定手段と、
前記視点及び前記視線方向に基づいて前記ボリュームデータを処理し前記仮想内視鏡画像データを生成する仮想内視鏡画像データ生成手段と、
生成された前記仮想内視鏡画像データを表示する表示手段とを
備えたことを特徴とする超音波診断装置。
　前記ボリュームデータは、リアルタイムで前記３次元空間を連続的に走査する前記３次元走査によって収集される、
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
　前記ボリュームデータは、前記被検体に対して超音波プローブを移動させながら行われる前記３次元走査によって収集される、
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
　前記３次元関心領域の基準面を指定する基準面指定手段を備え、前記基準面指定手段は、前記ボリュームデータにおける前記管腔臓器が交叉する前記３次元関心領域の側面を前記基準面として指定することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
　前記３次元関心領域の基準面を指定する基準面指定手段を備え、前記基準面指定手段は、前記３次元走査に用いられる超音波プローブで２次元走査を行うときと同じ面を前記基準面として指定することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
　前記ボリュームデータのボクセル値に基づいて前記管腔臓器の輪郭を抽出する輪郭抽出手段を備え、前記芯線設定手段は、前記輪郭抽出手段が抽出した輪郭情報に基づいて前記管腔臓器の芯線を設定することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
　前記視点・視線方向設定手段は、前記基準点検出手段が検出した前記基準点とこの基準点における前記芯線の接線方向とに基づいて前記視点及び前記視線方向を設定することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
　前記視点・視線方向設定手段は、前記接線方向あるいは前記接線方向から所定角度傾斜した方向において前記基準点から所定距離離れた位置に前記視点を設定し、前記視点から前記基準点に向けて前記視線方向を設定することを特徴とする請求項７記載の超音波診断装置。
　前記視点・視線方向設定手段は、前記基準点に前記視点を設定し、前記基準点における前記芯線の接線方向あるいは前記接線方向から所定角度傾斜した方向に対して前記視線方向を設定することを特徴とする請求項７記載の超音波診断装置。
　前記基準点を含み前記芯線に垂直な横断面を前記ボリュームデータに対して設定する横断面設定手段と、前記横断面における前記ボリュームデータのボクセルを抽出して横断面画像データを生成する横断面画像データ生成手段を備え、前記表示手段は、前記横断面画像データと前記仮想内視鏡画像データとを合成して表示することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
　前記ボリュームデータをレンダリング処理して３次元画像データを生成する３次元画像データ生成手段を備え、前記表示手段は、前記仮想内視鏡画像データと前記３次元画像データを並列表示することを特徴とする請求項１に記載した超音波診断装置。
　前記ボリュームデータをレンダリング処理して３次元画像データを生成する３次元画像データ生成手段を備え、前記表示手段は、前記横断面画像データが重畳された前記仮想内視鏡画像データと前記３次元画像データを並列表示することを特徴とする請求項１０に記載した超音波診断装置。
　前記表示手段は、前記仮想内視鏡画像データを表示するモニタを備え、前記仮想内視鏡画像データにおける前記基準点が、常に、前記モニタの所定位置に配置されるように前記仮想内視鏡画像データを表示することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
　前記仮想内視鏡画像データ生成手段は、前記ボリュームデータを前記視点及び前記視線方向に基づいてレンダリング処理することによって前記仮想内視鏡画像データを生成することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
　被検体に対する３次元走査によって収集したボリュームデータに基づいて管腔臓器の仮想内視鏡画像データを生成する超音波診断装置に対し、
前記ボリュームデータに対して３次元関心領域を設定する関心領域設定機能と、
前記ボリュームデータに基づいてこのボリュームデータにおける前記管腔臓器の芯線を設定する芯線設定機能と、
前記３次元関心領域の基準面と前記芯線とが交叉する基準点を検出する基準点検出機能と、
前記基準点に基づいて視点及び視線方向を設定する視点・視線方向設定機能と、
前記視点及び前記視線方向に基づいて前記ボリュームデータを処理し前記仮想内視鏡画像データを生成する仮想内視鏡画像データ生成機能と、
生成された前記仮想内視鏡画像データを表示する表示機能を
実行させることを特徴とする画像データ表示用制御プログラム。