WO2011099102A1 - 超音波診断装置および内中膜の厚さを計測する方法 - Google Patents

Abstract

　内中膜の厚さ計測における内腔境界と外膜境界の検出において、内腔側と外膜側とのエコー強度変化の大小関係に依存しない境界検出方法を提供する。　超音波診断装置は、超音波を被検体に送信し、受信した被検体からのエコー信号に基づいて生体情報を取得する。超音波診断装置は、エコー信号から血管壁に関する深さ方向のエコー強度分布を生成する強度分布生成部と、予め用意された、エコー強度分布の基準パタンを表すテンプレートに基づいて、境界検出に用いるテンプレートを生成するテンプレート生成部と、テンプレートと強度分布との類似度を計算するパタン類似度計算部であって、テンプレートを深さ方向に変化させ、かつ、テンプレートの内中膜厚に対応するパタンを変化させて、変化ごとにテンプレートと強度分布との類似度を計算するパタン類似度計算部と、変化ごとに計算された類似度に基づいて、内腔境界および外膜境界を決定する境界決定部とを備えている。

Description

超音波診断装置および内中膜の厚さを計測する方法

　本発明は、たとえば頸動脈などの血管の内中膜複合体の厚さを計算する超音波診断装置に関する。

　超音波を被検体に送受信し、前記被検体からのエコー信号を基に生体情報を取得する超音波診断装置を用いて、動脈硬化の診断が行われている。動脈硬化の診断において、頸動脈の内中膜複合体厚は初期の粥状硬化を知る重要な指標として知られている。「内中膜複合体」または「内中膜」は血管内腔と外膜との間に存在する、血管壁の内膜および中膜をまとめた呼称である。そして内中膜複合体厚または内中膜厚は「ＩＭＴ」（Ｉｎｔｉｍａ－Ｍｅｄｉａ　Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）とも呼ばれており、本願明細書では「ＩＭＴ」と記述する。

　図１は、血管内腔１と外膜２との間に存在する内中膜３を示している。検査では、この血管内腔１と内膜との境界である内腔境界４と、中膜と外膜２との境界である外膜境界５とを検出し、その厚さを計測する。このＩＭＴを自動的に計測する方法としては、例えば、特許文献１の技術が知られている。

　図２は、特許文献１の技術において、外膜境界および内腔境界を定める際に利用されるエコー強度分布を示している。特許文献１では、図２に示す通り、深さ方向のエコー強度分布において、強度変化が所定値以上の位置を境界候補とし、大きい方を外膜境界、小さい方を内腔境界と定める方法が開示されている。

特開２００８－１６８０１６号公報

　ところが、特許文献１では、強度変化が大きいか小さいかに応じて画一的に処理が行われているため、正しいＩＭＴを計測できない場合がある。

　たとえば図３は、内腔境界の強度変化の方が、外膜境界の強度変化よりも大きくなる例を示している。強度変化が大きい位置が常に外膜境界とは限らない例である。

　この結果、特許文献１に開示されている方法では、内腔境界を外膜境界として検出することになり、正しいＩＭＴを計測できない。

　本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、内腔側と外膜側とのエコー強度変化の大小関係に依存することなく、正確に内腔境界と外膜境界とを検出し、正確なＩＭＴ計測を実現することにある。

　本発明による超音波診断装置は、超音波を被検体に送信し、受信した前記被検体からのエコー信号に基づいて生体情報を取得する。本発明にかかる、ある前記超音波診断装置は、前記エコー信号から血管壁に関する深さ方向のエコー強度分布を生成する強度分布生成部と、予め用意された、エコー強度分布の基準パタンを表すテンプレートに基づいて、境界検出に用いるテンプレートを生成するテンプレート生成部と、前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するパタン類似度計算部であって、前記テンプレートを前記深さ方向に変化させ、かつ、前記テンプレートの内中膜厚に対応するパタンを変化させて、変化ごとに前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するパタン類似度計算部と、前記変化ごとに計算された前記類似度に基づいて、内腔境界および外膜境界を決定する境界決定部とを備えている。

　本発明による他の超音波診断装置は、前記エコー信号から血管壁に関する深さ方向のエコー強度分布を生成する強度分布生成部と、予め用意された、エコー強度分布の基準パタンを表すテンプレートに基づいて、境界検出に用いるテンプレートを生成するテンプレート生成部と、前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するパタン類似度計算部であって、前記深さ方向の異なる位置に存在する境界の各候補の組み合わせについて、前記テンプレートの内中膜厚に対応するパタンを変化させて、変化ごとに前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するパタン類似度計算部と、隣接する複数の音響線に関して定まる前記組み合わせについて、各音響線のエコー信号の強度値の差分に基づいて境界連続度を計算する境界連続度計算部と、前記組み合わせについて、前記パタン類似度と前記境界連続度とを統合した評価値を生成する境界評価部と、前記統合した評価値に基づき、内腔境界と外膜境界を決定する境界決定部とを備えている。

　前記テンプレート生成部が生成するテンプレートは、少なくとも３つの領域を含み、前記少なくとも３つの領域には、前記領域の範囲を変えることができる可変長領域が少なくとも１つ含まれていてもよい。

　前記少なくとも３つの領域は順に配列されており、前記可変長領域は、前記少なくとも３つの領域のうちの中央の領域であってもよい。

　前記少なくとも３つの領域の一方の端部の領域は、低エコーの組織領域に対応し、前記少なくとも３つの領域の他方の端部の領域は、高エコーの組織領域に対応してもよい。

　前記低エコーの組織領域は血流領域に対応し、前記高エコーの組織領域は血管外膜壁および体組織に対応してもよい。

　前記可変長領域は、血管の内中膜領域に対応してもよい。

　前記パタン類似度計算部は、前記可変長領域の長さを正規化した類似度を計算してもよい。

　前記パタン類似度計算部は、前記可変長領域の平均強度を前記可変長領域の強度として用いることにより、前記可変長領域の長さを正規化してもよい。

　前記テンプレート生成部が生成するテンプレートは、２種類のサブテンプレートから構成されており、前記２種類のサブテンプレートは、それぞれ、少なくとも２つの領域から構成され、２種類のテンプレートの距離を変えることができ、前記パタン類似度計算部は、前記２種類のサブテンプレートを用いて、それぞれ類似度を計算し、両者を合わせた統合した値を類似度としてもよい。

　前記２種類のテンプレートを構成する２つの領域は、低エコーおよび高エコーの組織領域にそれぞれ対応してもよい。

　前記２種類のテンプレートの低エコーおよび高エコーの組織領域は、それぞれ、血流領域および内中膜領域に対応し、または、内腔境界および所定の組織領域に対応し、前記所定の組織領域は、外膜境界、動脈外膜壁および体組織であってもよい。

　前記テンプレート生成部は、前記強度分布生成部が生成した強度分布のコントラストに応じて、生成するテンプレートの係数値を変えてもよい。

　前記パタン類似度計算部が評価する類似度は、前記テンプレート生成部が生成したテンプレートで指定される境界間の強度差で定義されてもよい。

　前記パタン類似度計算部が評価する類似度は、前記テンプレート生成部が生成したテンプレートと前記強度分布生成部が生成した強度分布との正規化相関で定義されてもよい。

　前記超音波診断装置は、前記強度分布生成部が生成した強度分布から高エコーの領域を検出する後壁検出部を更に備え、前記境界決定部は、検出した後壁範囲内に絞って、境界を決定してもよい。

　前記後壁検出部が検出する高エコー領域は、血管壁に対応してもよい。

　前記境界評価部は、動的計画法を用いて前記評価値を計算してもよい。

　前記境界評価部は、解像度を下げた強度分布を用いて前記評価値を計算し、前記境界決定部は、前記解像度を下げた強度分布に基づいて候補を仮決定し、その後、元の解像度の強度分布において、前記仮決定した候補の周辺の領域から、内腔境界と外膜境界とを決定してもよい。

　前記境界評価部は、動的計画法を利用して、前記評価値の良い上位候補、または、所定の評価値を有する候補に絞りながら音響線方向に前記評価値計算してもよい。

　前記境界連続度計算部は、音響線方向の境界位置の差で定義される境界連続度を計算してもよい。

　前記パタン類似度計算部、前記境界連続度計算部、前記境界評価部、および、前記境界決定部は、前記取り得る境界候補を、内腔境界および外膜境界の二つの境界を対象に評価し、前記境界決定部は、前記内腔境界および外膜境界を同時に決定してもよい。

　前記境界連続度計算部は、音響線方向の内腔境界および外膜境界の位置で決まる厚さの差で定義される境界連続度を計算してもよい。

　前記境界決定部が、内腔境界と外膜境界を決められた順序に基づいて決定する際に、前記パタン類似度計算部は、他方の境界位置が決まっていない段階で類似度を計算する場合、一方の境界を固定し、他方の境界位置に対応した複数の厚さを有するテンプレートに対して、類似度を計算し、前記計算した類似度の最大値、又は、平均値を、前記一方の境界の類似度としてもよい。

　前記境界決定部は、内腔境界を検出した後、前記内腔境界の下方に絞って、外膜境界を検出した場合と、外膜境界を検出した後、前記外膜境界の上方に絞って、内腔境界を検出した場合とで、それぞれの検出に用いた評価値を比較し、評価値の良い検出境界を最終的な境界として採用してもよい。

　前記内腔境界と外膜境界から内中膜の厚さを計算するＩＭＴ計算部をさらに備えていてもよい。

　本発明による方法は、超音波を被検体に送信し、受信した前記被検体からのエコー信号に基づいて血管壁の内中膜の厚さを計測する方法であって、前記エコー信号から血管壁に関する深さ方向のエコー強度分布を生成するステップと、予め用意された、エコー強度分布の基準パタンを表すテンプレートに基づいて、境界検出に用いるテンプレートを生成するステップと、前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するステップであって、前記テンプレートを前記深さ方向に変化させ、かつ、前記テンプレートの内中膜厚に対応するパタンを変化させて、変化ごとに前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するステップと、前記変化ごとに計算された前記類似度に基づいて、内腔境界および外膜境界を決定するステップと、決定された前記内腔境界および前記外膜境界から、内中膜の厚さを計算するステップとを包含する。

　本発明による方法は、超音波を被検体に送信し、受信した前記被検体からのエコー信号に基づいて血管壁の内中膜の厚さを計測する方法であって、前記エコー信号から血管壁に関する深さ方向のエコー強度分布を生成するステップと、予め用意された、エコー強度分布の基準パタンを表すテンプレートに基づいて、境界検出に用いるテンプレートを生成するステップと、前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するステップであって、前記深さ方向の異なる位置に存在する境界の各候補の組み合わせについて、前記テンプレートの内中膜厚に対応するパタンを変化させて、変化ごとに前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するステップと、隣接する複数の音響線に関して定まる前記組み合わせについて、各音響線のエコー信号の強度値の差分に基づいて境界連続度を計算するステップと、前記組み合わせについて、前記パタン類似度と前記境界連続度とを統合した評価値を生成するステップと、前記統合した評価値に基づき、内腔境界と外膜境界を決定するステップと、決定された前記内腔境界および前記外膜境界から、内中膜の厚さを計算するステップとを包含する。

　本発明により、内腔境界・外膜境界を独立に検出するのではなく２つの境界をセットとして検出することで、内腔境界の強度変化が外膜境界の強度変化より大きい場合でも、正しくＩＭＴを計測できる。

血管内腔１と外膜２との間に存在する内中膜３を示す図である。 特許文献１の技術において、外膜境界および内腔境界を定める際に利用されるエコー強度分布を示す図である。 内腔境界の強度変化の方が、外膜境界の強度変化よりも大きくなる例を示す図である。 本発明の第一の実施形態に係る超音波診断装置１０の構成ブロック図である。 超音波パルスを送信するための、超音波プローブ１１に内蔵された超音波振動素子群６を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、ｘ方向に沿って配列された複数の超音波振動子を用いて焦点を形成したときの超音波集束波の模式図であり、（ｃ）および（ｄ）は超音波集束波の簡略図である。 ＩＭＴ計測部１６の構成を示すブロック図である。 ＩＭＴ計算処理の手順を示すフローチャートである。 係数パタン（内中膜パタン）を示す図である。 対象となる音響線（ライン）の強度分布９０と、深さを変えたテンプレート群９１とを示す図である。 対象となる音響線（ライン）の強度分布９０と、厚さを変えたテンプレート群９２とを示す図である。 内腔境界・外膜境界にそれぞれ合ったサブテンプレートを用いて類似度を計算し、重み付け加算等によって類似度を求める例を示す図である。 本発明の第二の実施形態によるＩＭＴ計測部３０の構成を示すブロック図である。 動的計画法に基づく境界検出処理の手順を示すフローチャートである。 対象サンプル１３０に関して予め決められた経路対象１３０ａ～１３０ｅの例を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、本発明の第二の実施形態における動的計画法を用いたコスト計算方法の例を示す図である。 経路コストＣ_pathが最小となる内腔境界・外膜境界のペアｉ_lineの例を示す図である。 内腔境界および外膜境界それぞれに関して経路検索を行う処理の手順を示すフローチャートである。 後壁検出部２６を有するＩＭＴ計測部１６ａの構成を示すブロック図である。

　以下、添付の図面を参照しながら、本発明による超音波診断装置の実施形態を説明する。

　（第一の実施形態）
　図４は、本発明の第一の実施形態に係る超音波診断装置１０の構成ブロック図である。

　超音波診断装置１０は、プローブ１１と、送信部１２と、受信部１３と、Ｂ画像生成部１４と、ＲＯＩ設定部１５と、ＩＭＴ計測部１６と、合成部１７と、表示部１８とを備えている。

　送信部１２は超音波パルスを生成し、プローブ１１へ出力する。

　プローブ１１は送信部１２より出力される超音波パルスを生体内へ送信し、生体内から反射して帰ってきたエコー信号を受信する。プローブ１１は受信したエコー信号を受信部１３に出力する。

　図５は、超音波パルスを送信するための、超音波プローブ１１に内蔵された超音波振動素子群６を示す。超音波振動素子群６（以下「振動子６」と記述する。）は、たとえば各超音波振動素子が一方向に沿って並べられており、いわゆる１Ｄアレイ振動子を構成している。

　振動子６は例えば圧電体によって構成され、圧電体を駆動することにより、超音波を送信し、また、超音波を圧電体が受けることによって超音波を電気信号に変換する。振動子６は、各超音波振動素子を順次駆動させて超音波の送受信を行い、所定範囲を走査することができる。また振動子６は、複数の超音波振動素子からの各超音波の位相を所定の位置（焦点位置）において重ね合わせ、焦点位置において反射した信号を受信することもできる。後者の例を図６に示す。

　図６（ａ）および（ｂ）は、ｘ方向に沿って配列された複数の超音波振動素子を用いて焦点を形成したときの超音波の集束波を模式的に示している。超音波の集束波は図示されるような所定の幅を持っており、ｚ軸方向の所定の深さにおいて焦点を有する。ただし、その集束波の中心軸は、図６（ｃ）および（ｄ）において示されるように「音響線」とも呼ばれる。

　再び図４を参照する。受信部１３は、プローブ１１から出力されるエコー信号を束ねて、Ｂ画像生成部１４とＩＭＴ計測部１６へ出力する。

　Ｂ画像生成部１４は、エコー信号から断面画像を生成し、その断面画像のデータを合成部１７に出力する。

　ＲＯＩ設定部１５は、ユーザからＲＯＩの位置を特定する指示を受け取り、その指示に基づいて動脈壁の位置に関心領域（Ｒｅｇｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｅｓｔ：ＲＯＩ）を設定する。

　ＩＭＴ計測部１６は、ＩＭＴを計測する。より具体的には、ＩＭＴ計測部１６は、受信部１３より出力されるエコー信号とＲＯＩ設定部１５より出力されるＲＯＩ位置の情報とから、内腔境界・外膜境界を検出する。更に、ＩＭＴ計測部１６は検出した内腔境界および外膜境界の位置に基づいてＩＭＴ値を計算する。ＩＭＴ計測部１６は、境界の位置を特定する情報（境界位置情報）を合成部１７へ、ＩＭＴ値を表示部１８へ、それぞれ出力する。

　合成部１７は、Ｂ画像生成部１４より出力されるＢ画像のデータと、ＩＭＴ計測部１６より出力される境界位置情報とに基づいて、ＩＭＴ値とＢ画像とを合成する。より具体的には、合成部１７は、内腔境界および外膜境界をＢ画像に重畳し、得られた合成画像データを出力する。

　表示部１８は、ＩＭＴ計測部１６より出力されるＩＭＴ値と合成部１７より出力される合成結果とをモニタに表示する。

　表示部１８は、合成部１７から出力された合成画像データを、たとえば液晶ディスプレイなどの表示機器に表示する。

　次に、ＩＭＴ計測部１６を詳細に説明する。

　図７は、ＩＭＴ計測部１６の構成を示すブロック図である。

　ＩＭＴ計測部１６は、強度分布生成部２１と、テンプレート生成部２２と、パタン類似度計算部２３と、境界決定部２４と、ＩＭＴ計算部２５とを有している。

　強度分布生成部２１は、受信部１３から出力されたエコー信号、および、ＲＯＩ位置設定部１５から出力されたＲＯＩ位置の情報とに基づいてエコー強度分布を生成する。そして、強度分布生成部２１は、生成した強度分布をパタン類似度計算部２３へ出力する。このエコー強度分布は、被検体の表皮から生体内部への方向（深さ方向）に関するエコー強度分布である。

　テンプレート生成部２２は、あらかじめ用意され設定された、エコー強度分布の基準パタンを表すテンプレートを基に、境界検出に用いるテンプレートを生成する。テンプレート生成部２２は、境界検出に用いるテンプレートをパタン類似度計算部２３に出力する。

　パタン類似度計算部２３は、強度分布生成部２１から出力された、受信信号の強度分布と、テンプレート生成部２２から出力されたテンプレートとの類似度を計算する。この類似度を、以下「パタン類似度」と記述する。パタン類似度計算部２３は、計算した類似度を境界決定部２４に出力する。

　境界決定部２４は、パタン類似度計算部２３から出力されたパタン類似度に基づいて、内腔境界および外膜境界を決定する。境界決定部２４は、決定した境界位置の情報を合成部１８とＩＭＴ計算部２５とに出力する。

　ＩＭＴ計算部２５は、決定された内腔境界および外膜境界に基づいてＩＭＴ値を計算し、計算したＩＭＴ値を、表示部１７へ出力する。

　次に、　本実施形態によるＩＭＴ計算処理の手順を説明する。

　図８は、ＩＭＴ計算処理の手順を示すフローチャートである。

　最初に、ステップＳ１１において、強度分布生成部２１は、受信したエコー信号を包絡線検波、対数圧縮し、エコー強度分布を生成する。これは、ＲＯＩ内の各点について行う。

　更に、ステップＳ１２において、強度分布生成部２１は、ノイズ低減を目的に、強度分布に対して、例えば、３ｘ３の平均値フィルタを適用し、平滑化する。

　続いて処理はパタン類似度計算部２３に移る。なお、以下の処理は、音響線毎（ライン単位）に行われる。

　まず、ステップＳ１３において、パタン類似度計算部２３は、ＲＯＩ中の強度分布と内中膜パタンを示すテンプレートとの類似度を評価する。テンプレートはテンプレート生成部２２によって生成される。

　テンプレートとして、図９に示す係数パタン（内中膜パタン）を用いる。図９において、範囲ｌ₁は血管内腔に対応し、範囲ｌ₂と範囲ｌ₃は内中膜、範囲ｌ₄は外膜に対応する。図９に示すテンプレートは、微分型のフィルタであり、基準の係数パタンとして、あらかじめ深さ方向に負値をとるｌ₁、ｌ₃の範囲と、正値をとるｌ₂、ｌ₄の範囲を交互に設ける。図示されるように、テンプレートには、少なくとも３つの領域、すなわち、血管内腔に対応する領域（またはパタン）、内中膜に対応する領域、および、外膜に対応する領域が設けられる。

　パタン類似度計算部２３は、このテンプレートを検出窓として、図１０に示す通り、深さ方向に移動させながら、類似度を評価し、当てはまりの良い深さを探索する。

　加えて、パタン類似度計算部２３は、内中膜厚に対する類似度も評価する。すなわち、図１１に示す通り、テンプレート生成部２２で内中膜厚を様々に変えたテンプレートを複数作成し、これらのテンプレートと強度分布との類似度を計算し、当てはまりの良い厚さを探索する。

　以下、より詳しく説明する。

　図１０は、対象となる音響線（ライン）の強度分布９０と、深さを変えたテンプレート群９１とを示している。テンプレート群９１の各テンプレートは、音響線に平行な深さ方向の１列のパターンである。図面には、深さｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、・・・、ｐ１０のテンプレートが示されている。なお、図示される各テンプレートは深さのみが異なっており、そのパターンは同じである。

　パタン類似度計算部２３は、まず、対象となる音響線（ライン）の強度分布９０と、深さｐ１で、かつ内中膜厚ｑのときのテンプレートとの類似度を計算する。

　類似度は、テンプレートＴと強度分布Ｘとの内積値で与えられ、深さｐの強度分布をＸ_p、テンプレートの内中膜厚をｑ、内中膜厚ｑに対応したテンプレートＴ_q、テンプレートサイズをＬとすると、類似度Ｙは、以下の式によって計算される。

　図１０に示す例では、最も当てはまりのよい深さｐ４において、テンプレートに含まれる内中膜厚ｑのパタンと、対象ラインの強度分布９０における内中膜厚のパタンとが一致していた。しかしながら、これは理解の便宜のための一例である。実際には、最も当てはまりのよい深さにおいて、テンプレートの内中膜厚ｑのパタンと、対象ラインの強度分布９０における内中膜厚のパタンとが一致するとは限らない。

　そこで、本実施形態では、次に、パタン類似度計算部２３は、深さｐ１において、内中膜厚ｑのパターンを変えながら、類似度を計算する。図１１は、対象となる音響線（ライン）の強度分布９０と、厚さを変えたテンプレート群９２とを示している。パタン類似度計算部２３は、内中膜厚ｑを変化させながら、それぞれの厚さに対応する類似度Ｙを求める。

　続いてパタン類似度計算部２３は、深さをｐ２に変更し、内中膜厚ｑを変化させながら類似度Ｙを求める。

　このような処理を深さｐ１０まで継続する。

　図８のステップＳ１４において、境界決定部２４は、類似度Ｙ（ｐ、ｑ）が最大となる深さｐ＿ｍａｘと内中膜厚ｑ＿ｍａｘを探し、ステップＳ１５において、内腔境界ｌｉと外膜境界ｍａをそれぞれ決定する。すなわち、テンプレートの血管内腔長をｌ１とすると、以下の式で与えられる。

　以上が、ライン単位の処理である。

　上述の処理において、特定の内中膜厚に類似度が偏らないよう、係数値ａ₁’、ａ₂’、ａ₃’、ａ₄’は、対応する範囲長ｌ₁、ｌ₂、ｌ₃、ｌ₄の逆数値に設定すると良い。すなわち、範囲長ｌ₁、ｌ₂、ｌ₃、ｌ₄に対応する各領域で、平均強度を計算し、重み付けする形にする。このときの類似度は下記の式によって計算される。

ここで、ａ₁’、ａ₂’、ａ₃’、ａ₄’は、重み係数である。

　更に、内中膜厚を変える場合に、ｌ₂を固定、ｌ₃を可変、としても良いし、ｌ₂、ｌ₃を所定の比率に基づき、共に可変にしても良い。

　ステップＳ１５は、次のラインへの切り替え処理である。以下、各ラインに関して上述の処理を行う。

　ライン単位の処理終了後、ステップＳ１６において、境界位置をライン方向に平滑化する。

　以上が、第一の実施形態の動作の流れである。

　なお、上記説明では、類似度を、強度分布と微分型フィルタの形を取るテンプレートとの内積値としたが、相関でも良い。この場合、テンプレートの係数値に負値を含む必要はない。

　また、類似度は、図１２に示す通り、内腔境界・外膜境界にそれぞれ合ったサブテンプレートを用意して、それぞれで類似度を計算し、重み付け加算等により、組み合わせた値としても良い。各サブテンプレートにおいては、境界とそれ以外の組織等に対応するパタンが規定されているが、これらのパタンは可変である。すなわち境界に対応するパタンの位置は可変である。上述の２種類のテンプレートにおける、境界領域とそれ以外の組織等に対応する領域は、それぞれ高エコーおよび低エコーの組織領域にそれぞれ対応している。

　また、テンプレートの係数値は、ＲＯＩ中の描出度に基づいて変更しても良く、例えば、強度値の分散を計算し、分散が大きい場合は、テンプレートのコントラストを強め、逆に分散が小さい場合は、テンプレートのコントラストを弱める、としても良い。

　最後に、上記説明では、直接、内腔境界・外膜境界を検出するとしたが、まず、微分型のフィルタ等を用いて、後壁を検出し、後壁内部に絞って、内腔境界・外膜境界を検出しても良い。これは、血管中に多重エコーが出ている場合に有効に機能する。

　以上、第一の実施形態では、対象ラインの強度分布と最もよく類似するテンプレートを特定して、内腔境界・外膜境界を検出する。テンプレートは、内腔境界および外膜境界を含む強度分布のパターンを規定している。これは、内腔境界・外膜境界を独立して検出するのではなく、内腔境界の強度変化および外膜境界の強度変化を考慮しながら、内腔境界および外膜境界を検出することを意味している。よって、内腔境界の強度が外膜境界より大きい場合においても、誤検出が生じない。

　（第二の実施形態）
　本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、本実施形態ではＩＭＴ計測部における処理である。具体的には、本実施形態におけるＩＭＴ計測部は、ライン方向に平滑化する前に、パタン類似度に加え、ライン方向の連続性を考慮して境界を選択する。この処理を行うと、特に、内腔境界に対応する強度が明確でない場合においても、安定した境界を検出可能である。

　本実施形態による超音波診断装置の構成および動作は、ＩＭＴ計測部以外は図４に示す超音波診断装置１０と同じである。したがって、図４を本実施形態の超音波診断装置の構成として援用するとともに、ＩＭＴ計測部以外の説明は省略する。

　図１３は、本実施形態によるＩＭＴ計測部３０の構成を示すブロック図である。

　ＩＭＴ計測部３０は、強度分布生成部３１と、テンプレート生成部３２と、パタン類似度計算部３３と、境界連続度計算部３４と、境界評価部３５と、境界決定部３６と、ＩＭＴ計算部３７とを有している。

　強度分布生成部３１は、受信部１３から出力されたエコー信号、および、ＲＯＩ位置設定部１５から出力されたＲＯＩ位置の情報とに基づいてエコー強度分布を生成する。そして、強度分布生成部３１は、生成した強度分布をパタン類似度計算部２３へ出力する。

　テンプレート生成部３２は、あらかじめ設定したテンプレート（基準パタンを表す）を基に、境界検出に用いるテンプレートを生成する。テンプレート生成部３２は、境界検出に用いるテンプレートをパタン類似度計算部３３に出力する。

　パタン類似度計算部３３は、強度分布生成部３１から出力された、受信信号の強度分布と、テンプレート生成部２２から出力されたテンプレートを受け取る。さらにパタン類似度計算部３３は、境界評価部３５から内腔境界の位置および外膜境界の位置に関する指示を受け取る。パタン類似度計算部３３は、境界評価部３５から指定された内腔境界の位置および外膜境界の位置に基づいて、その位置における受信信号の強度分布と、テンプレート生成部２２から出力されたテンプレートとの類似度を計算する。パタン類似度計算部３３は、計算した類似度を、境界評価部３５へ出力する。

　境界連続度計算部３４は、境界評価部３５から内腔境界の位置および外膜境界の位置に関する指示を受け取る。境界連続度計算部３４は、指定された内腔境界の位置および外膜境界の位置について、対象ラインと隣接ラインとを利用してライン方向の境界位置と厚さの連続性を評価する。境界連続度計算部３４は、評価結果を「連続度」として境界評価部３５へ出力する。

　境界評価部３５は、パタン類似度計算部３３より出力されるパタン類似度と境界連続度計算部３４より出力される境界の連続度に基づき、予め定めた全ての境界の組み合わせについて、内腔境界らしさ、および、外膜境界らしさを評価する。評価値の計算は、後述する動的計画法に基づいて行う。境界評価部３５は、計算した評価値を境界決定部３６へ出力する。

　境界決定部３６は、境界評価部３４より出力される評価値に基づき、内腔境界および外膜境界を決定する。境界決定部３６は、決定した境界位置を合成部１８およびＩＭＴ計算部３７に出力する。

　ＩＭＴ計算部３７は、決定された内腔境界および外膜境界に基づいてＩＭＴ値を計算し、計算したＩＭＴ値を、表示部１７へ出力する。この処理は、図７に示すＩＭＴ計算部２５の処理と同じである。

　次に、本実施形態による境界検出処理の手順を説明する。下記の処理は主として、境界連続度計算部３４、境界評価部３５および境界決定部３６によって行われる。

　図１４は、動的計画法に基づく境界検出処理の手順を示すフローチャートである。

　本実施形態においては、パタン類似性とライン方向の境界の連続性で定義されるコストが最小となるライン方向の経路（＝境界）を探索する形で境界検出処理が実施される。

　ステップＳ２１において、境界評価部３５は、経路コストＣ_pathを全ての内腔境界・外膜境界のペアｉ_lineについて初期化する。初期値は、内中膜パタンとの類似度Ｃ_patternで与える。重みをＷ_patternとすると、経路コストＣ_pathは下記の式で与えられる。

　ここで、類似度Ｃ_patternは、第一の実施形態と同様の値である。しかしながら、ライン内で正規化された値であることに留意されたい。ただし、ライン内全てにおいて正規化されている必要はない。たとえば少なくとも内中膜に対応するライン内の値だけ正規化してもよい。

　「内腔境界・外膜境界のペア」とは、内腔境界・外膜境界の組み合わせに相当する。ＲＯＩのサンプル点をＮ点とすると、ペアの数はＮの二乗存在する。但し、内腔境界は外膜境界より浅い位置にある、または、システムが定める最大計測厚、等の拘束条件により、実際に計算に使うペア数はＮの二乗ペアより少ない。

　次に、２ライン目へ進む。

　そして、ステップＳ２２において、パタン類似度計算部３３は、前ラインの各内腔境界・外膜境界のペアｉ_line-1に対する内中膜パタンとの類似度を計算する。また境界連続度計算部３４は、前ラインの各内腔境界・外膜境界のペアｉ_line-1について、内中膜厚と境界位置の連続度をそれぞれ計算する。境界評価部３５は、それらの計算結果を受け取り、ライン方向の内中膜厚と境界位置の連続性を評価する。

　内中膜パタンとの類似度Ｃ_patternは、第一の実施形態と同様に、強度分布とテンプレートと内積値で与えられるが、相関でも良い。

　内中膜厚の連続度Ｃ_Thicknessは、対象ラインと前ラインの内腔境界位置をそれぞれＬＩ_line、ＬＩ_line-1、外膜境界をＭＡ_line、ＭＡ_line-1とすると、下記の式で与えられる。

　また境界位置の連続度Ｃ_distanceは、下記の式で与えられる。

　境界評価部３５は、評価値Ｃ_ThicknessとＣ_distanceをライン内でそれぞれ正規化した後、それらを下記の式のように選択候補の経路のコストＣ_totalに統合する。

ここで、重みＷ_thicknessおよびＷ_distanceは、各評価値に対する重み係数である。なお、数７には評価値Ｃ_ThicknessとＣ_distanceとが含まれているが、境界位置の連続度Ｃ_distanceが含まれていればよく、内中膜厚の連続度Ｃ_Thicknessはなくてもよい。

　境界評価部３５は、以上の計算を、予め決められた経路対象の内腔境界・外膜境界のペアｉ_line-1について実施する。

　たとえば図１５では、対象サンプル１３０（たとえば内腔境界の選択候補）に関して予め決められた経路対象１３０ａ～１３０ｅが示されている。境界評価部３５は、対象サンプル１３０と各経路対象１３０ａ～１３０ｅのそれぞれの組み合わせで定まる経路に関し、上述のコストを計算する。

　図１６（ａ）～（ｃ）は、本実施形態における動的計画法を用いたコスト計算方法の例を示す。図１６（ａ）において、経路対象１３０ａ～１３０ｅの内部に記載されている数値は、経路コストの累積値である。対象サンプル１３０と、各経路対象１３０ａ～１３０ｅとを結ぶ線分の近傍に記載されている数値は、距離のコストである。そして、対象サンプル１３０の右手に深さ方向に沿って記載されている数値は、パタンのコストである。

　図１６（ｂ）に示されるように、境界評価部３５は、各経路対象１３０ａ～１３０ｅの経路コストの累積値に距離のコストを加えたもののうちの、最小の値（図１６（ｂ）では「６６」）を与える経路を採用する。境界評価部３５は、コストが最小となる経路を記録しておく。

　さらに境界評価部３５は、上述の最小の値にパタンのコストを加算して、対象サンプル１３０の値として決定する。

　再び図１４を参照する。ステップＳ２３において、コストＣ_totalの最小値とそのときの内腔境界・外膜境界のペアを探索、経路として選択する。このとき、選択した経路を記録しておくと共に、経路コストを更新する。更新は、下記の式であたえられる。

　これら、ステップＳ２２とＳ２３の処理を対象ラインの全ての内腔境界・外膜境界のペアｉ_lineについて実施する。境界評価部３５は、得られた結果を評価値として境界決定部３６に送る。

　全ラインについて計算が完了した後、ステップＳ２６において境界決定部３６は、経路コストＣ_pathが最小となる内腔境界・外膜境界のペアｉ_lineを探す。ここで、経路コストＣ_pathが最小となるペアがＲＯＩの右端ラインの境界となる。以降、左側のラインの境界については、記録しておいた、経路を参照していくことで、設定される。

　図１７は、経路コストＣ_pathが最小となる内腔境界・外膜境界のペアｉ_lineの例を示す。

　以上が、処理の流れである。

　尚、この後、第一の実施形態と同様に、ライン方向の平滑化を実施しても良い。これにより、滑らかな境界線を得ることができる。

　また、動的計画法に基づく経路探索は、解像度を落とした（特に、深さ方向）強度分布に対して実施して候補を仮決定した後、元の解像度に戻して、仮決定した候補の周辺（近傍）の領域に絞って探索を行い、内腔境界と外膜境界とを最終的に決定してもよい。これにより、検出性能を維持しつつ、処理量を削減できる。

　また、動的計画法に基づき、経路探索していく際に、経路コストが小さい上位ペア、または、経路コストが所定値以下のペア、に絞って経路探索しても良い。これにより、検出性能を維持しつつ、処理量を削減できる。

　最後に、上記説明では、内腔境界・外膜境界をペアにして経路探索しているが、別々に経路探索しても良い。

　たとえば図１８は、内腔境界および外膜境界それぞれに関して経路検索を行う処理の手順を示すフローチャートである。この処理では、まず先に内腔境界を検出し、その後、それより深い位置に絞って外膜境界を検出する。次に、その逆の順序で外膜境界およびそれより浅い位置の内腔境界を検出する。そして、トータルの経路コストが小さい方を選択する。

　ステップＳ３１において、境界評価部３５は、動的計画法に基づいて内腔境界を仮検出し、検出結果に基づいて経路コストＡ₁を記録する。次のステップＳ３２において、境界評価部３５は、仮検出した内腔境界よりも下方を対象に、動的計画法に基づいて外膜境界を仮検出し、検出結果に基づいて経路コストＡ₂を記録する。ステップＳ３３において、境界評価部３５は、内腔境界および外膜境界の順に仮検出したときの経路コストＡ（＝Ａ₁＋Ａ₂）を計算し記録する。

　次に、ステップＳ３４では、境界評価部３５は、動的計画法に基づいて外膜境界を仮検出し、検出結果に基づいて経路コストＢ₁を記録する。次のステップＳ３５において、境界評価部３５は、仮検出した外膜境界よりも上方を対象に、動的計画法に基づいて内腔境界を仮検出し、検出結果に基づいて経路コストＢ₂を記録する。ステップＳ３３において、境界評価部３５は、外膜境界および内腔境界の順に仮検出したときの経路コストＢ（＝Ｂ₁＋Ｂ₂）を計算し記録する。

　そして、境界決定部３６は、コストＡおよびコストＢのうち、コストの小さい方の仮検出結果を用いて、外膜境界および内腔境界を決定する。

　但し、一方の境界を検出する場合、他方の境界は決まっていない。そのため、図１１に示すように、一方の境界を固定し、仮検出した他方の境界を変化させることで内中膜厚を変えた複数のテンプレートで当てはまりを評価し、その評価値の最大値、又は、平均値を類似度としても良い。これにより、検出性能を維持しつつ、処理量を削減できる。

　以上、第二の実施形態では、ライン方向の境界連続性を考慮するため、特に、内腔境界に対応する強度が弱い場合においても、安定した境界を検出できる。

　上述の第一および第二の実施形態においては、さらに後壁を検出し、その検出結果を境界の決定に利用してもよい。後壁は、図１に示されるように、外膜境界５よりも深い位置に存在する領域である。

　図１９は、後壁検出部２６を有するＩＭＴ計測部１６ａの構成を示すブロック図である。ここでは、図７に記載された第一の実施形態に係るＩＭＴ計測部１６の変形例として説明する。

　後壁検出部２６は、強度分布生成部２１の後段に位置し、強度分布生成部２１より出力される強度分布を用いて、後壁を検出し、検出した後壁範囲を境界決定部２４へ出力する。

　より具体的に説明する。図１に示されるように、後壁は血管壁であり、深さ方向にみて、内腔境界４、内中膜３、外膜境界５よりもさらに奥に存在する。そして、後壁は高エコーの領域として得られる。そこで後壁検出部２６は、強度分布生成部２１が生成した強度分布から高エコーの領域を検出する。その結果、境界決定部２６は、検出した後壁範囲内に絞って、外膜境界５を決定することができる。

　本発明に係るＩＭＴ計測装置は、精度の良いＩＭＴを自動的に計測するものであり、検査時間を短縮でき、例えば、動脈硬化のスクリーニング検査で有用である。

　１１　プローブ
　１２　送信部
　１３　受信部
　１４　Ｂ画像生成部
　１５　ＲＯＩ設定部
　１６　ＩＭＴ計測部
　１７　合成部
　１８　表示部
　２１　強度分布生成部
　２２　テンプレート生成部
　２３　パタン類似度計算部
　２４　境界決定部
　２５　ＩＭＴ計算部
　２６　後壁検出部
　２７　コントラスト計算部
　２８　検出窓
　３１　強度分布生成部
　３２　テンプレート生成部
　３３　パタン類似度計算部
　３４　境界連続度計算部
　３５　境界評価部
　３６　境界決定部
　３７　ＩＭＴ計算部

Claims (28)

1. 　超音波を被検体に送信し、受信した前記被検体からのエコー信号に基づいて生体情報を取得する超音波診断装置であって、
   　前記エコー信号から血管壁に関する深さ方向のエコー強度分布を生成する強度分布生成部と、
   　予め用意された、エコー強度分布の基準パタンを表すテンプレートに基づいて、境界検出に用いるテンプレートを生成するテンプレート生成部と、
   　前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するパタン類似度計算部であって、前記テンプレートを前記深さ方向に変化させ、かつ、前記テンプレートの内中膜厚に対応するパタンを変化させて、変化ごとに前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するパタン類似度計算部と、
   　前記変化ごとに計算された前記類似度に基づいて、内腔境界および外膜境界を決定する境界決定部と
   　を備えた、超音波診断装置。
2. 　超音波を被検体に送信し、受信した前記被検体からのエコー信号に基づいて生体情報を取得する超音波診断装置であって、
   　前記エコー信号から血管壁に関する深さ方向のエコー強度分布を生成する強度分布生成部と、
   　予め用意された、エコー強度分布の基準パタンを表すテンプレートに基づいて、境界検出に用いるテンプレートを生成するテンプレート生成部と、
   　前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するパタン類似度計算部であって、前記深さ方向の異なる位置に存在する境界の各候補の組み合わせについて、前記テンプレートの内中膜厚に対応するパタンを変化させて、変化ごとに前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するパタン類似度計算部と、
   　隣接する複数の音響線に関して定まる前記組み合わせについて、各音響線のエコー信号の強度値の差分に基づいて境界連続度を計算する境界連続度計算部と、
   　前記組み合わせについて、前記パタン類似度と前記境界連続度とを統合した評価値を生成する境界評価部と、
   　前記統合した評価値に基づき、内腔境界と外膜境界を決定する境界決定部と
   　を備えた、超音波診断装置。
3. 　前記テンプレート生成部が生成するテンプレートは、少なくとも３つの領域を含み、前記少なくとも３つの領域には、前記領域の範囲を変えることができる可変長領域が少なくとも１つ含まれる、請求項１または請求項２に記載の超音波診断装置。
4. 　前記少なくとも３つの領域は順に配列されており、
   　前記可変長領域は、前記少なくとも３つの領域のうちの中央の領域である、請求項３に記載の超音波診断装置。
5.  前記少なくとも３つの領域の一方の端部の領域は、低エコーの組織領域に対応し、前記少なくとも３つの領域の他方の端部の領域は、高エコーの組織領域に対応する、請求項３に記載の超音波診断装置。
6. 　前記低エコーの組織領域は血流領域に対応し、前記高エコーの組織領域は血管外膜壁および体組織に対応する、請求項５に記載の超音波診断装置。
7. 　前記可変長領域は、血管の内中膜領域に対応する、請求項４に記載の超音波診断装置。
8. 　前記パタン類似度計算部は、前記可変長領域の長さを正規化した類似度を計算する、請求項３に記載の超音波診断装置。
9. 　前記パタン類似度計算部は、前記可変長領域の平均強度を前記可変長領域の強度として用いることにより、前記可変長領域の長さを正規化する、請求項８に記載の超音波診断装置。
10. 　前記テンプレート生成部が生成するテンプレートは、２種類のサブテンプレートから構成されており、前記２種類のサブテンプレートは、それぞれ、少なくとも２つの領域から構成され、２種類のテンプレートの距離を変えることができ、
    　前記パタン類似度計算部は、前記２種類のサブテンプレートを用いて、それぞれ類似度を計算し、両者を合わせた統合した値を類似度とする、請求項１または請求項２に記載の超音波診断装置。
11. 　前記２種類のテンプレートを構成する２つの領域は、低エコーおよび高エコーの組織領域にそれぞれ対応する、請求項１０に記載の超音波診断装置。
12. 　前記２種類のテンプレートの低エコーおよび高エコーの組織領域は、それぞれ、血流領域および内中膜領域に対応し、または、内腔境界および所定の組織領域に対応し、前記所定の組織領域は、外膜境界、動脈外膜壁および体組織である、請求項１０に記載の超音波診断装置。
13. 　前記テンプレート生成部は、前記強度分布生成部が生成した強度分布のコントラストに応じて、生成するテンプレートの係数値を変える、請求項１または請求項２記載の超音波診断装置。
14. 　前記パタン類似度計算部が評価する類似度は、前記テンプレート生成部が生成したテンプレートで指定される境界間の強度差で定義される、請求項１または請求項２に記載の超音波診断装置。
15. 　前記パタン類似度計算部が評価する類似度は、前記テンプレート生成部が生成したテンプレートと前記強度分布生成部が生成した強度分布との正規化相関で定義される、請求項１または請求項２に記載の超音波診断装置。
16. 　前記強度分布生成部が生成した強度分布から高エコーの領域を検出する後壁検出部を更に備え、前記境界決定部は、検出した後壁範囲内に絞って、境界を決定する、請求項１または請求項２に記載の超音波診断装置。
17. 　前記後壁検出部が検出する高エコー領域は、血管壁に対応する、請求項１６に記載の超音波診断装置。
18. 　前記境界評価部は、動的計画法を用いて前記評価値を計算する、請求項２に記載の超音波診断装置。
19. 　前記境界評価部は、解像度を下げた強度分布を用いて前記評価値を計算し、
    　前記境界決定部は、前記解像度を下げた強度分布に基づいて候補を仮決定し、その後、元の解像度の強度分布において、前記仮決定した候補の周辺の領域から、内腔境界と外膜境界とを決定する、請求項１８に記載の超音波診断装置。
20. 　前記境界評価部は、動的計画法を利用して、前記評価値の良い上位候補、または、所定の評価値を有する候補に絞りながら音響線方向に前記評価値計算する、請求項１８に記載の超音波診断装置。
21. 　前記境界連続度計算部は、音響線方向の境界位置の差で定義される境界連続度を計算する、請求項１８に記載の超音波診断装置。
22. 　前記パタン類似度計算部、前記境界連続度計算部、前記境界評価部、および、前記境界決定部は、前記取り得る境界候補を、内腔境界および外膜境界の二つの境界を対象に評価し、
    　前記境界決定部は、前記内腔境界および外膜境界を同時に決定する、請求項１８に記載の超音波診断装置。
23. 　前記境界連続度計算部は、音響線方向の内腔境界および外膜境界の位置で決まる厚さの差で定義される境界連続度を計算する、請求項１８に記載の超音波診断装置。
24. 　前記境界決定部が、内腔境界と外膜境界を決められた順序に基づいて決定する際に、
    　前記パタン類似度計算部は、他方の境界位置が決まっていない段階で類似度を計算する場合、一方の境界を固定し、他方の境界位置に対応した複数の厚さを有するテンプレートに対して、類似度を計算し、前記計算した類似度の最大値、又は、平均値を、前記一方の境界の類似度とする、請求項１８に記載の超音波診断装置。
25. 　前記境界決定部は、内腔境界を検出した後、前記内腔境界の下方に絞って、外膜境界を検出した場合と、外膜境界を検出した後、前記外膜境界の上方に絞って、内腔境界を検出した場合とで、それぞれの検出に用いた評価値を比較し、評価値の良い検出境界を最終的な境界として採用する、請求項１８に記載の超音波診断装置。
26. 　前記内腔境界と外膜境界から内中膜の厚さを計算するＩＭＴ計算部をさらに備えた、請求項１から２５のいずれかに記載の超音波診断装置。
27. 　超音波を被検体に送信し、受信した前記被検体からのエコー信号に基づいて血管壁の内中膜の厚さを計測する方法であって、
    　前記エコー信号から血管壁に関する深さ方向のエコー強度分布を生成するステップと、
    　予め用意された、エコー強度分布の基準パタンを表すテンプレートに基づいて、境界検出に用いるテンプレートを生成するステップと、
    　前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するステップであって、前記テンプレートを前記深さ方向に変化させ、かつ、前記テンプレートの内中膜厚に対応するパタンを変化させて、変化ごとに前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するステップと、
    　前記変化ごとに計算された前記類似度に基づいて、内腔境界および外膜境界を決定するステップと、
    　決定された前記内腔境界および前記外膜境界から、内中膜の厚さを計算するステップと
    　を包含する、内中膜の厚さを計測する方法。
28. 　超音波を被検体に送信し、受信した前記被検体からのエコー信号に基づいて血管壁の内中膜の厚さを計測する方法であって、
    　前記エコー信号から血管壁に関する深さ方向のエコー強度分布を生成するステップと、
    　予め用意された、エコー強度分布の基準パタンを表すテンプレートに基づいて、境界検出に用いるテンプレートを生成するステップと、
    　前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するステップであって、前記深さ方向の異なる位置に存在する境界の各候補の組み合わせについて、前記テンプレートの内中膜厚に対応するパタンを変化させて、変化ごとに前記テンプレートと前記強度分布との類似度を計算するステップと、
    　隣接する複数の音響線に関して定まる前記組み合わせについて、各音響線のエコー信号の強度値の差分に基づいて境界連続度を計算するステップと、
    　前記組み合わせについて、前記パタン類似度と前記境界連続度とを統合した評価値を生成するステップと、
    　前記統合した評価値に基づき、内腔境界と外膜境界を決定するステップと、
    　決定された前記内腔境界および前記外膜境界から、内中膜の厚さを計算するステップと
    　を包含する、内中膜の厚さを計測する方法。

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