JP2812670B2 - 3次元超音波診断画像処理装置 - Google Patents
3次元超音波診断画像処理装置Info
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Description
技術に関し、特に3次元画像方式(format)表示のため
のドップラー情報を得るための身体の超音波走査方法に
関する。
内部の立体を超音波によって走査するための種々の方法
および装置が提案されている。これらの技術の多くは、
多数の空間的に隣接する画像平面の走査を含んでいる。
これら関連平面からの超音波情報は、ある平面内のデー
タの空間座標に基いて、そしてそれぞれの平面と他の平
面との空間的関係に基いて、解析され表示されうる。こ
の情報は、画像処理される立体の透視図などの3次元画
像方式により表示することができる。
数の走査技術が、これら空間関連画像平面を得るために
提案されている。タムラ等の報文、「直高断面に基く超
音波心臓診断図の3次元的再構築」("Three-Dimensio
nal Reconstruction of Echocardiograms Based On Ort
hogonal Sections," by S. Tamura et al., PatternRec
ognition, vol. 18, No. 2, pp 115-24(1985)) に
は、3つのそのような装置が論じられている: 平行画
像平面を得ながら超音波プローブを誘導するためのガイ
ドレール;アームジョイント内のセンサーが、変換器に
空間座標を与えるジョイントアーム(jointed arm);
および心臓長軸に関しての変換器の回転、である。後者
の目的のための回転する変換器プローブが、マッカン等
の、「心臓学のための多次元超音波画像処理」("Multi
dimensional Ultrasonic Imaging for Cardiology," by
H. McCann et al., Proceedings of the IEEE, vol. 7
6, No. 9, pp 1063-73(Sept. 1988))に示され、説明が
加えられている。しかしながら、空間的走査装置または
器具の必要なしに、3次元表示用の多画像平面を得るこ
とができることが好ましい。
響、多経路エコー、および可干渉波の干渉などの多くの
原因による虚像が発生する。これら虚像は、画像中に種
々の形態で現れ、画像雑音(image clutter)と広く記
述されている。3次元雑音は、医者がしようとしている
病変の診断を妨害し、それを覆い隠すことがあるため、
画像が3次元方式で表示されるとき、画像の雑音は、特
に問題となる。従って、雑音が観察しようとしている病
変をひどく妨害しない方式の超音波画像情報を提供する
ことが好ましい。
ドップラー情報信号の使用により、画像を不明瞭にする
雑音の問題が解決される。ドップラー情報は、2つの異
なる方法により身体を画像化するのに使用されている。
1つのドップラー画像処理技術は通常、色ドップラー速
度画像処理と言われている。良く知られているように、
この技術は、超音波画像の画像平面上の試料立体と呼ば
れる異なる位置でのドップラーデータの取得を含む。こ
のドップラーデータは、時間変化として採取され、各細
分化された試料立体でドップラー位相シフトまたは周波
数を計算するのに使用される。このドップラー位相シフ
トまたは周波数は、体内の組織の動きまたは血管内の血
液の流れの速度に対応し、該シフトの極性は、動きまた
は流れの方向を示す。この情報は、シフト(速度)の大
きさおよびその極性について色符号化され、体液が流れ
ている動いている器官または血管の構造をはっきり明示
するために画像平面内の組織の構造画像に重ねられる。
これにより、画像中の色は、例えば、心臓および血管内
の血流速度およびその方向の指標を与えることとなる。
ラーとして知られている。この技術は、体液の流れまた
は動きの速度の計算には関係しない。むしろ、それは単
にドップラーシフトを示す受信信号の強度に着目するも
のである。このドップラー信号強度は、画像平面内の各
試料立体で測定され、色変化として表示される。色ドッ
プラー速度画像処理と相違して、色パワードップラー
は、速度画像の特徴である方向決定、エイリアッシン
グ、および低感度の問題を生起しない。色パワードップ
ラーは単に符号化された色により試料立体でのドップラ
ー信号強度を表示する。色ドップラー速度画像処理と同
様に、色パワードップラー表示は、運動している器官ま
たは組織構造をはっきり明示するために、構造Bモード
画像に重ねられる。各試料立体での値は、時間に対して
またはピーク値に基いて平均化され、ドップラー速度信
号の特徴である脈動に導く速度および方向が常に変化す
るということはないので、色パワードップラー表示は、
体内の動きまたは流れの状態のより静的表示として提供
される。
を利用する3次元超音波表示技術が提供される。本発明
者らは、構造(Bモード)情報存在しないという、従来
にない方法でパワードップラー画像を利用した。本発明
者らは、3次元表示中にパワードップラー情報のみを使
用すると、構造情報信号の実質的雑音の寄与が減り、脈
動変化が減り、低エネルギー流れ信号に対して良好な感
度が得られドップラー角度効果を減らし、3次元画像中
の流れまたは動きの特徴を分割化することを見出した。
本発明者らはまた、特別に構成された走査機構または装
置を必要とすることなく、手動走査により、患者の診断
用3次元超音波画像を得る方法を提供する。
より構成された超音波診断画像処理装置のブロックダイ
ヤグラムが示されている。超音波プローブ10は、患者
の体内に超音波エネルギー波を発信し、該体内の構造物
から戻る超音波エコーを受信する多素子変換器12を有
する。身体のドップラー探査のための超音波発信の場
合、関心あるのは体内の動いている組織、血液その他の
体液から戻るエコーである。超音波プローブ10は、変
換器の個々の素子に次々とパルスを発信させることで、
超音波ビームを作成し誘導し、受信し、それぞれのパル
ス発信の後に変換器素子が受信しエコー信号を増幅し、
ディジタル化する発信器/受信器14に接続する。
よって変換器12の特定の素子の活動化時間を制御する
ビーム発生器16に接続する。このタイミングが変換器
12に、希望する方向に成形され焦点合わせされた超音
波ビームの発信を可能とする。該ビーム発生器16はま
たエコー受信の間、発信器/受信器により作成されたデ
ィジタル化されたエコー信号を受信し、これらを適宜遅
延させ、集計して、位相のそろった(coheret)エコー
信号を作成する。
信号は、Bモード処理器30およびI,Q復調器18に
転送される。該Bモード処理器は、走査している患者の
領域内の組織の構造画像作成のための空間的基準によ
り、エコー信号の振幅情報を処理する。I,Q復調器1
8は、受信エコー信号を、ドップラー処理のための直交
成分に復調する。血液などの流れている体液の動きのみ
に関心のある応用においては、I,Q成分は、ウオール
フイルター20によりろ過して血管壁の動きに起因する
低周波数虚像を除去する。ろ過したI,Q成分は次いで
ドップラーシフト計算処理器22およびドップラーパワ
ー計算処理器24に送られる。
通りに動作し、画像領域のそれぞれの試料立体の位置で
I,Q成分からドップラー位相または周波数のシフトを
計算する。ドップラーシフト計算処理器は、ドップラー
探査パルスの集合により各試料立体の位置の探査から得
られた多数の信号試料を処理する。この試料立体値は、
この値を表示用の色値にマッピングする速度画像処理器
26に転送される。色値は、走査変換器および、該色値
を希望する画像方式(format)に空間配置する表示処理
器32に転送される。色値は、表示装置40上の画素と
して表示され、そこでは、各色は、その画素の位置での
特定の方向での流れの特定の速度を示す。色流れ速度情
報は、Bモード処理器30により与えられる構造情報を
利用して、身体内部の構造画像に重ねられる。この組み
合わせ画像は、流れている血液を収容している血管また
は器官の構造と共に、血流の方向および速度の両方を表
示する。本発明によると、図1のドップラー装置は、パ
ワードップラー画像処理能力をも有する。該パワードッ
プラー装置の構成部分には、下式:
号成分からドップラー信号パワーの大きさを計算するド
ップラーパワー計算処理器24が含まれる。各位置での
ドップラーパワー計算値は、処理されて、実時間表示す
ることができ、または各試料立***置について先に得ら
れたパワー計算値と平均化することもできる。好ましい
具体的において、各試料立***置は、多数のパルスによ
り探査され、該計算処理器24は、試料立***置でのド
ップラーパワーの計算についての全探査から得られた信
号を利用する。これらのドップラーパワー計算値はマッ
ピングされ、パワー画像処理器28により強度または色
値が表示される。それらの空間座標と共に表示された値
は、画像シークエンスメモリー34中の独立した平面画
像中に記憶され、また走査変換器および、例えばセクタ
ーまたは長方形などの希望する画像方式にドップラーパ
ワー表示値を空間配列する表示処理器32にも転送され
る。該2次元ドップラーパワー画像は、次いで表示装置
40上に表示されるか、または、以下に検討するように
最大ドップラーパワー強度検出のためのピーク検出器3
6を使用して3次元処理のために画像シークエンスメモ
リー34から呼び出される。図1の装置の使用者の操作
は、例えば、Bモード、色速度ドップラーまたはドップ
ラーパワー画像処理などの、実行すべき画像処理の種類
を選択し、画像を記憶し、例えば、3次元表示のために
画像シークエンスメモリー34から画像の検索を使用者
に可能とする種々の使用者制御42を通じて機能する。
面を手動で得るための超音波プローブ10の使用につい
て説明している。超音波装置の発信器/受信器に接続す
るプローブケーブル11の一部が、プローブの上部に示
されている。プローブ10の変換器の開口は、走査され
る身体領域上の患者の皮膚と接触している。患者の皮膚
は、図中、層50により表わされている。この例におい
て、走査される患者の領域には、大きい方の血管56か
ら分岐する小血管54を有する血管分岐52が含まれて
いる。血液は、60および62で示されるように、血管
の構造壁内を流れている。
10を揺らし(rocking )または扇状(fanning)に動か
すことで走査することができる。好ましい技術において
は、プローブの開口を、矢印58で示されるように、皮
膚50上を滑らせることにより、多くの実質的に平行な
画像平面で該分岐領域を走査する。ここでは扇型で示さ
れている、1つのこのような画像平面64がプローブの
変換器の開口から広がって見えている。画像平面64の
プローブとの関係は、プローブ容器の横の、画像平面標
識13により標識されている。標識13は、画像平面6
4と同じ平面内にあり、その非逆(uninverted)表示配
置中の画像の上左側に標識されている。
で示されるように患者の分岐領域上を、プローブをスラ
イドさせながら、多数の画像平面からのパワードップラ
ー情報を得て、処理する。かかる走査の時間は、通常は
約10から20秒間続き、その間、100から200の
パワードップラー情報の画像平面が得られ、処理され、
画像シークエンスメモリー34に記憶される。この画像
情報は、処理されて、以下に検討するように多数の異な
るこのような観察角度の領域について、多数の異なる観
察角度で、最大ドップラー強度が検出され記憶される。
ー3次元画像処理技術の原理を説明する5つの一連の画
像平面を示している。この5つの一連の画像平面は、2
つの血管の平面図である、図4の分岐52の構造を示し
ている。図3aは、図4の平面3aに沿って得られたパ
ワードップラー画像であり、それは血管壁56’のわず
かに内側の、大きな血管56の血液流の上端を横切って
見えている。図3bにおいて、画像平面は、図4の平面
3bが示すように、大きな血管56の血液流の大きな断
面72、および血管壁54’のわずかに内側の、小血管
54の血液流の端部74を横切っている。図3cの画像
平面は、図4の平面3cにより示されるように、両血管
の中央を横切っている。図3dにおいては、画像平面
は、両血管のより小さな断面部分に下り、図3eの平面
3eは、大きな血管56中の辺縁部の血液流のみを横切
っている。
図示したように、3次元表示内に共に表示される。3次
元画像は、いかなる構造画像の重なりもないパワードッ
プラー情報から成っていることが分かる。これは、図5
bの3次元パワードップラー画像80と、図5a中の分
岐52の同様の縮尺のレンダリングとを比較することに
よりはっきりと理解できる。図5aのレンダリングは、
60および62で示された流れている血液を含む、血管
壁54’および56’の構造を含むことが分かる。流れ
る血液のドップラーで採取された動きから得られた、パ
ワードップラー画像80は、血管壁54’および56’
のいかなるBモード構造もなしに表示される。血流強度
の連続性が血液が流れている流路を画定するために供さ
れるので、3次元表示から血管壁を除くことは、表示の
有効性を減少させないことが見いだされた。加えて、B
モードエコーの不存在は、画像から相当量の構造エコー
の雑音を除去する。画像は、流れの選択性、そして最大
強度パワードップラー情報のなだらかに変化する安定性
と感度によりはっきりと細分化される。
平面ドップラーパワー画像を処理するための好ましい技
術を説明するためのフローチャートである。上に説明し
たように、空間座標と共にドップラーパワー表示値は、
図8の工程80で示されるように、画像シークエンスメ
モリー34内の一連の平面画像中に記憶される。図3a
〜3eの画像は、このような一連の2次元画像を良く説
明している。ステップ82では、使用者制御により与え
られる処理変数(parameter)が、処理工程に転送され
る。1つの変数は、該3次元表示を観察するための観察
角度の範囲、θ1−θMである。他の変数は、該領域内
で各観察角度の間の増分Δθである。例えば、使用者が
そのシークエンス中の第一の画像平面に垂直なある平面
内の視線に対する、+60゜から−60゜までの観察角
の範囲および領域増分1゜を入力することができる。こ
れらの入力から、必要な3次元投影の数は、ステップ8
2で計算される。この例においては、121の投影が、
1゜の増分で、120゜の範囲の表示に必要である。
強度投影の作成を開始する。工程84において、走査変
換器および表示処理器32による、連続処理のために、
平面ドップラー画像が画像シークエンスメモリーから呼
び出される。工程86において、各平面画像は、観察角
θnの1つに回転され、次いで観察平面に投影し直され
る。工程88において、投影された平面画像の画素は、
最大強度を基準に蓄積される。各投影された平面画像
は、先に蓄積された投影画像上であるが、観察角と平面
間間隔の関数である画像平面内の置き換えられた位置に
重ねられる: 観察角が大きくなるにつれて、1つの画
像毎の置き換えの変位量は大きくなる。蓄積された画像
から選択される表示画素は、画像中の各点で蓄積された
重ねられた画素の全てから画像平面中の各点で採取され
た最大強度画素である。これは効果的に、観察者と3次
元画像との間の全ての視線に沿って観察者によって観察
されるドップラーパワーの最大強度を与える。好ましい
具体的において、Y軸についての回転後の画像点の(im
age point)の再配置、投影および置き換えは、以下のよ
うに表わされる;
配置、投影および置き換えは、以下のように表わされ
る。
Z)は、再配置される前の点の座標であり、そして
(X’,Y’)は、再配置後の観察平面内の点の座標で
ある。
れ、重ねられ、そして各画素での最大強度が選択された
後、観察角θnについて作成された3次元画像が、一連
の3次元画像中の明度変調白黒画像として画像シークエ
ンスメモリー34に記憶される。工程92においては、
処理工程は、工程84に戻り、一連の全3次元画像がメ
モリーに記憶されるまで、工程84〜92の間を進行す
る。本実施例において、これは、+60゜から−60゜
の範囲での121個の一連の3次元画像である。
の指令により呼び出され、工程94での表示に利用可能
である。シークエンスが呼び出され、実時間で表示され
ると、使用者は、平面画像が得られた立体領域内で生起
する運動または体液の流れの3次元表示を見ることとな
る。該立体領域は、あたかも使用者が、該領域を動き回
り、変化する観察角から運動または流れを観察している
かのように、3次元的に観察される。この特定の例にお
いて、使用者は、この立体領域の周り、120゜の観察
角の範囲を動いているような印象を持つ。観察者はシー
クエンスの中を行き来することができ、2方向に該立体
領域を動き回るような印象を受ける。
じることがある画像平面の不均一間隔の影響を説明して
いる。図6aは、大きな血管56の平面図であり、参考
のために、血管壁56’に囲まれている血液流60を示
している。図6bは、血管を横切って取られた他の一連
の5つの画像平面を示しているが、しかし図4のシーク
エンスとは異なり、これらの画像平面は、不均一に間隔
を取られている。より狭い間隔の画像平面4と5よりも
画像平面1と2が、より広い間隔を置かれている。この
ような間隔取りは、例えば、画像平面1と2を得るとき
プローブをより速くスライドさせ、画像平面4と5の位
置に近づくにつれてゆっくり動かすときに生じる。この
シークエンスは、血管56の上の皮膚を次第にゆっくり
とした速度で左から右にプローブを手動でスライドさせ
ることにより得られる。
は、画像立体の中を均一に間隔取りされており、同様に
処理され、表示されることを前提としている。図6c
は、表示用均一に間隔空けされたときの、上からの図6
bの5つの画像平面を示している。この間隔空けの結果
は、図6dにより容易に見ることができ、そこでは説明
を容易にするために、血液流と血管壁56”の間の境界
が、再接合されている。78の矢印は、均一画像平面間
隔を図示しており、それは、図6bの画像平面1と2の
間隔よりはわずかに小さく、該図の画像平面5と6の間
隔よりはわずかに大きい。その効果は、血液流域の実際
の比に比べて血液流の断面積を、流れ領域の左側が圧縮
され、右側が拡張され、わずかに細長い外観を与える。
歪が、3次元表示の全体的効果をひどく損なうものでは
ないことを観察している。このような縦横比の歪にも拘
らず、該3次元画像は、血管の関連経路および配置、そ
して2次元表示では達成できないような血管内の流れの
連続性または狭窄症を示し続けることができる。流路の
連続性および表示の有効性は、最大信号強度基準による
ドップラーパワー表示により向上する。取得角度の範囲
から画像平面が、得られるとき、最大強度表示の使用
は、ドップラー角効果から生じる感度変化を減少させる
効果を有する。画像平面は、血流情報の表面レンダリン
グまたは透視図の形で、同時に表示することができる
が、好ましい表示は、上記したような、立体領域の結合
画像の最大強度画素の明度変化による白黒表示である。
腎臓などの器官内の血液供給の流れおよび灌流は、2次
元表示で達成されるよりも3次元パワードップラー画像
によって、より完全に表示される。この技術は、例え
ば、器官移植成功の評価のために極めて適している。
さを向上させるために、簡単な補助器具を提供すること
ができる。このような1つの補助具が、図7に示され、
外科用テープの透明な細片上に印刷された物差しから成
っている。このテープは、プローブに隣接する患者の皮
膚に接着され、参照として使用されるプローブ上の標識
13によって該スローブは、スケールに沿って動かされ
る。画像平面は、スケール上の標識毎に得られ、または
スケールを、20秒など所定時間内に横断させる。他の
補助具は、プローブの動きをいつ始め、終了するか、そ
して動いているプローブが、スケール上の各標識をいつ
通過すべきかを使用者に伝える可聴信号または光なども
超音波装置によって提供されうる。
術は、解剖学的に正確な画像の表示のための画像平面の
位置検出と共に得られた一連の平面画像に適用すること
ができる。画像平面および相互の関係で各平面内の関係
を検出するための有効なドップラー技術が、米国特許第
5,127,409号に記載されている。画像平面また
はラインの位置を相互の関係で知るとき、3次元処理器
はもはや、2次元平面の間の均一間隔を前提とする必要
はないが、より幾何学的に正確な3次元画像を作成する
ためには、3次元表示素子の間の測定された間隔を利用
することができる。
号情報を利用した3次元超音波画像表示を作成するため
の超音波診断装置および走査技術が開示される。好まし
い具体例においては、パワードップラー信号情報が、画
像雑音を減少させ、3次元画像細分化をするために、構
造(Bモード)情報なしで表示される。超音波走査技術
が、特別に製造された走査機構または装置の必要なし
に、患者を手動での走査を通じてパワードップラー強度
の診断用3次元超音波画像を得るための超音波走査技術
が提供される。
および可干渉波の干渉などの多くの原因から虚像が発生
する。これら虚像が画像の雑音として現われる。画像の
雑音は、医者が診断しようとしている病変に干渉し、そ
れを覆い隠すことがあるため、画像を3次元方式で表示
するときに、特に問題となる。本発明は、超音波ドップ
ラー情報信号の使用により不明瞭な雑音の問題を解決す
る。
装置のブロックダイヤグラムである。
る。
ラーパワー画像を示している。
造との関係を示している。
の血流の3次元ドップラーパワー表示との比較である。
平面の3次元的関係を示している。
助具を示す。
処理するための好ましい技術を説明するのに使用される
フローチャートである。
Claims (5)
- 【請求項1】 体内の3次元表示を提供可能な超音波診
断画像処理装置において: 体内の立体領域に対して超音波を発信し、そして該領域
内の空間位置から戻る超音波ドップラー情報信号を受信
するための、身体内部の立体領域の一連の画像平面に対
して超音波を発信し、該領域の該画像平面内の空間位置
から戻る超音波ドップラー情報信号を受信する手段を有
する超音波変換器プローブ; 該超音波ドップラー情報信号に応答して、該領域内の該
位置に対応するドップラーパワー強度信号を作成するた
めのパワードップラー処理器;該ドップラーパワー強度信号に対応して、該領域の最大
ドップラーパワー強度画像を作成するための手段、及び
さらに、各該画像平面内の位置に対応するドップラーパ
ワー強度を測定するために、空間関連画像平面内の該ド
ップラーパワー強度信号を処理するための手段を有す
る、 3次元画像表示内の表示用に該ドップラーパワー強
度信号を処理するための画像処理器;3次元表示内に空間基準で、多数の該画像平面の該ドッ
プラーパワー強度を同時に表示する手段、及び組織構造
の同時表示無しに最大ドップラーパワー強度画像を表示
するための手段を有する、 該画像処理器に接続する該3
次元画像を表示する表示装置;及び、 各該画像平面内の位置に対応するドップラーパワー強度
測定に応答し、多数の画像平面の組み合わせ内の点での
最大ドップラーパワー強度を特定するためのピーク検出
器を有す ることを特徴とする超音波診断画像処理装置。 - 【請求項2】 体内の3次元表示を提供可能な超音波診
断画像処理装置において: 体内の立体領域に対して超音波を発信し、そして該領域
内の空間位置から戻る超音波ドップラー情報信号を受信
するための超音波変換器プローブ; 該超音波ドップラー情報信号に応答して、該領域内の該
位置に対応するドップラーパワー強度信号を作成するた
めのパワードップラー処理器;3次元画像表示内に組織構造情報無しの表示のための該
ドップラーパワー強度信号を処理するための手段を有す
る、 3次元画像表示内の表示のために該ドップラーパワ
ー強度信号を処理するための画像処理器; 該画像処理器に接続する、該3次元画像を表示する表示
装置;および、 該ドップラーパワー強度信号に対応して該画像平面内の
該位置に対応する最大ドップラーパワー強度を特定する
ためのピーク検出器を有す る超音波診断画像処理装置。 - 【請求項3】 身体領域の3次元表示を提供可能な超音
波診断画像装置であって: 身体の該領域の一連の画像平面に対して超音波を発信
し、そしてプローブが手動で該領域に関して少しずつ位
置を動かされながら、該画像平面内の空間位置から戻る
超音波ドップラー情報信号を受信するための超音波変換
器プローブ; 該超音波ドップラー情報信号に応答して、該画像平面内
の該位置に対応するドップラーパワーを計算するための
パワードップラー処理器; 非ドップラー信号情報なしで、3次元画像表示内の表示
のための最大ドップラーパワー画像を作成するために、
該ドップラーパワー計算値を処理するための画像処理
器;および、 組織構造の表示なしに、最大ドップラーパワー画像の作
成に応答して、3次元画像表示内に一連の該最大ドップ
ラーパワー画像を表示する表示装置を有する超音波診断
画像装置。 - 【請求項4】 該画像処理器が、与えられた観察位置か
ら観察者により観察されるように、最大ドップラーパワ
ー強度の3次元表示画像を形成するために、多数の該画
像平面のドップラーパワーの該計算値を蓄積する手段を
有することを特徴とする請求項3に記載の超音波診断画
像装置。 - 【請求項5】 さらに、画像に対応するドップラーパワ
ーの該計算値を記憶するための、そして、一連の最大ド
ップラーパワー画像を記憶するための画像シークエンス
メモリーを有することを特徴とする請求項4に記載の超
音波診断画像装置。
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