JP4628645B2 - 複数の２ｄスライスから画像を作成するための超音波診断方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の実施の形態は一般的には超音波イメージングに関する。より具体的に述べると、本発明の様々な実施の形態は異なる空間位置における複数の２Ｄスライスから２Ｄ画像を作成するための装置及び方法を対象とする。
【０００２】
【発明の背景】
従来の２Ｄ超音波スキャナは、トランスデューサを使用して超音波パルスを送信し且つ身体内部の構造からのエコーを受信することによって２次元スライスを生成する。トランスデューサが一つの位置に保持されている間に、２Ｄ走査領域全体に亘って多数の点へパルスが発射される。走査領域は単一の平面内に形成され、且つ非常に薄い厚さを有する。エコー情報は、２Ｄ画素より成る平面状画像として表示される。表示された情報は、周波数、焦点範囲、並びに軸方向及び横方向分解能のようなトランスデューサの固有の特性に依存する。トランスデューサの或る特定の特性（例えば、送信周波数及び受信周波数）は変えることができるが、従来の２Ｄ画像において組織のコントラストを改善することによって画像品質を改善することは依然として望ましいことである。従って、組織のコントラストを改善し続ける超音波イメージング方法及び装置が必要とされている。
【０００３】
２つの従来のコントラスト増強方法は、フィルタ処理と動的ウィンドウの利用とに関している。これらのフィルタ処理及びウィンドウ機能による方法は、スペックル（斑点）が存在しているので、画像内の情報量を低減することがある。従って、スペックルを低減することによって組織のコントラストを改善する超音波イメージ方法及び装置が必要とされている。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の一実施形態によれば、コントラスト増強した２Ｄ画像を生成するための医学診断用超音波システムを提供し、該システムは、物体の一部の体積領域から超音波情報を受け取る超音波トランスデューサと、前記体積領域からの受け取った超音波情報から形成される隣接する画像線又は平面を記憶するメモリと、前記隣接する画像線又は平面の一部分にオーバーラップするレンダリング・ボックスの厚さを定義するレンダリング・ボックス制御モジュールと、前記レンダリング・ボックス内の画像線又は平面の部分を組み合わせて、コントラストを増強するボリューム・レンダリング手法に基づいて２Ｄ画像上に投影するボリューム・レンダリング処理装置とを有する。
【０００５】
超音波トランスデューサは３Ｄトランスデューサ又は２Ｄマトリクス・アレイとすることができる。本システムは更に、ボクセル・データを導き出すために近隣の超音波情報の位置を算出する幾何学的情報に基づいて画像線又は平面を作成するボリューム走査変換器を含むことができる。ボリューム・レンダリング処理装置は実時間でレンダリング・ボックス内の画像線又は平面の部分を投影することができる。本システムは更に画像線又は平面を形成するための走査変換を行う前の超音波情報を記憶するメモリを含むことができる。ボリューム・レンダリング処理装置は表面テクスチャ及び最大透明度についてのアルゴリズムを採用することができる。ボリューム・レンダリング処理装置は画像線又は平面について次の演算、すなわち、表面テクスチャ、最大透明度、最小透明度、及びグラディエント光レンダリングのうちの少なくとも１つを行うことができる。トランスデューサは次の取得モード、すなわち、通常のグレースケール超音波検査法、２Ｄ複合イメージング、カラー・ドップラー、及びスペクトル・ドップラーを用いる二重超音波検査法のうちの少なくとも１つで動作することができる。トランスデューサは組織の高調波イメージング情報を受け取ることができる。またトランスデューサはパルス反転高調波イメージング情報を受け取ることができる。
【０００６】
本発明の別の実施形態によれば、医学診断用超音波システムで画像コントラスト増強のための２Ｄ画像表現を生成する方法を提供し、該方法は、物体の一部の体積領域から超音波情報を受け取るステップと、前記体積領域からの受け取った超音波情報から形成される隣接する画像線又は平面を記憶するステップと、前記隣接する画像線又は平面の一部分にオーバーラップするレンダリング・ボックスを形成するステップと、前記レンダリング・ボックス内の画像線又は平面の部分を組み合わせて、コントラストを増強するボリューム・レンダリング手法に基づいて２Ｄ画像上に投影するために、レンダリング・ボックスをボリューム・レンダリングするステップとを有する。
【０００７】
超音波情報を受け取る前記ステップは３Ｄトランスデューサ又は２Ｄマトリクス・アレイによって実行することができる。本方法は更に、ボクセル・データを導き出すために近隣の超音波情報の位置を算出する幾何学的情報に基づいて画像線又は平面を作成するボリューム走査変換を行うステップを含むことができる。ボリューム・レンダリングする前記ステップは、実時間でレンダリング・ボックス内の画像線又は平面の部分を投影することができる。本方法は更に画像線又は平面を形成するための走査変換を行う前の超音波情報を記憶するステップを含むことができる。ボリューム・レンダリングする前記ステップは、画像線又は平面について次の演算、すなわち、表面テクスチャ、最大透明度、最小透明度、及びグラディエント光レンダリングのうちの少なくとも１つを行うことができる。超音波情報を受け取る前記ステップは次の取得モード、すなわち、通常のグレースケール超音波検査法、２Ｄ複合イメージング、カラー・ドップラー、及びスペクトル・ドップラーを用いる二重超音波検査法のうちの少なくとも１つを用いることができる。超音波情報を受け取る前記ステップは、組織の高調波イメージング情報を受け取ることを含むことができる。また超音波情報を受け取る前記ステップはパルス反転高調波イメージング情報を受け取ることを含むことができる。
【０００８】
【発明の詳しい説明】
上記の発明の概要、並びに以下の本発明の好ましい実施形態の説明は、添付の図面を参照することによりよりよく理解されよう。本発明の好ましい実施形態を例示する目的で、図面には、現時点で好ましいと考えられる実施形態を示している。しかしながら、本発明が添付の図面に示される配置構成及び手段に制限されないことは勿論である。
【０００９】
図１は本発明の一実施形態に従って形成された超音波システムを例示している。該システムは、送信器１２及び受信器１４に接続されたプローブ１０を含んでいる。プローブ１０は超音波パルスを送出し、そして被走査超音波ボリューム１６の内部の構造からのエコーを受け取る。メモリ２０が、被走査超音波ボリューム１６から導き出された受信器１４からの超音波データを記憶する。ボリューム１６は様々な手法（例えば、３Ｄ走査、実時間３Ｄイメージング、ボリューム走査、位置決め用センサを持つトランスデューサを用いる２Ｄ走査、ボクセル補正手法を用いたフリーハンド走査、２Ｄ又はマトリクス・アレイ・トランスデューサなど）によって得ることができる。
【００１０】
トランスデューサ１０は線形又は弓形経路に沿うように移動しながら、関心領域（ＲＯＩ）を走査する。各々の線形又は弓形経路の位置で、トランスデューサ１０は走査平面１８を得る。走査平面１８は一群又は一組の隣接した走査平面１８からのような、或る厚さで収集される。走査平面１８はメモリ２０に記憶され、次いでボリューム走査変換器４２に送られる。実施形態によっては、トランスデューサ１０は走査平面１８の代わりに線を求めてもよく、またメモリ２０は走査平面１８よりもむしろトランスデューサ１０によって得られた線を記憶してもよい。ボリューム走査変換器４２は制御入力４０からスライス厚さ設定値を受け取り、該制御入力４０は走査平面１８から生成すべきスライスの厚さを確認する。ボリューム走査変換器４２は複数の隣接する走査平面１８から１つのデータ・スライスを生成する。各データ・スライスを形成するために組み合わされる隣接する走査平面１８の数は、スライス厚さ制御入力４０によって選択された厚さに依存する。データ・スライスはスライス・メモリ４４に記憶され、且つボリューム・レンダリング処理装置４６によって呼び出される。ボリューム・レンダリング処理装置４６はデータ・スライスについてボリューム・レンダリングを実行する。ボリューム・レンダリング処理装置４６の出力はビデオ処理装置５０及び表示装置６７へ送られる。
【００１１】
各エコー信号サンプル（ボクセル）の位置は幾何学的正確さ（すなわち、一ボクセルから隣接の次のボクセルまでの距離）及び超音波応答（及び超音波応答からの導き出された値）で定義される。適当な超音波応答には、グレースケール値、カラー・フロー値、及び血管又はパワー・ドップラー情報が含まれる。
【００１２】
図２は、一実施形態に従って図１のシステムによって取得される実時間４Ｄボリューム１６を示している。ボリューム１６は扇形断面を含み、その半径方向境界２２及び２４は角度２６で互いから離れる。プローブ１０は、各走査平面１８内の隣接する走査線に沿って走査するために超音波発射を縦方向に電子的に集束し且つ方向付けし、また且つ隣接する走査平面１８を走査するために超音波発射を横方向に電子的又は機械的に集束し且つ方向付けする。図１に示されるような、プローブ１０によって得られる走査平面１８はメモリ２０に記憶され、そしてボリューム走査変換器４２によって球面座標からデカルト座標へ走査変換される。複数の走査平面を含んでいるボリュームはボリューム走査変換器４２から出力され、スライス・メモリ４４にレンダリング・ボックス３０（図２）として記憶される。スライス・メモリ４４内のレンダリング・ボックス３０は複数の隣接する画像平面３４から形成される。
【００１３】
レンダリング・ボックス３０は、スライス厚さ３２、幅３６及び高さ３８の寸法をオペレータによって定義することができる。ボリューム走査変換器４２は、所望の厚さのレンダリング・ボックス３０を形成するためにスライスの厚さパラメータを調節するようにスライス厚さ制御入力４０によって制御することができる。レンダリング・ボックス３０はボリューム・レンダリングする被走査ボリューム１６の部分を指定する。ボリューム・レンダリング処理装置４６はスライス・メモリ４４にアクセスして、レンダリング・ボックス３０の厚さ３２に沿ってレンダリングを行う。
【００１４】
動作中、予め定義されたほぼ一定の厚さを持つ３Ｄスライス（これは、レンダリング・ボックス３０とも称される）がスライス厚さ設定制御装置４０（図１）によって取得されて、ボリューム走査変換器４２（図１）で処理される。レンダリング・ボックス３０を表すエコー・データはスライス・メモリ４４に記憶させることができる。予め定義される厚さは典型的には２ｍｍ〜２０ｍｍであるが、２ｍｍより小さい厚さ又は２０ｍｍより大きい厚さも用途や走査対象の領域の寸法によっては適切なこともある。スライス厚さ設定制御装置４０は離散的な又は連続した厚さ設定値を持つ回転自在のノブを含んでいていよい。
【００１５】
ボリューム・レンダリング処理装置４６はレンダリング・ボックス３０を画像平面３４の画像部分４８上へ投影する。ボリューム・レンダリング処理装置４６内での処理に続いて、画像部分４８内の画素データをビデオ処理装置５０に通してから表示装置６７へ送ることができる。
【００１６】
レンダリング・ボックス３０は任意の位置に配置して、被走査ボリューム１６内で任意の方向に配向することができる。状況によっては、走査している領域の寸法に依存して、レンダリング・ボックス３０が被走査ボリューム１６のうちの小部分のみになるようにすることが有利なことがある。
【００１７】
一旦レンダリング・ボックス３０が被走査ボリューム１６に対して配置されると、ボリューム・レンダリング処理装置４６がレンダリング・ボックス３０を通して投影演算を行って、隣接する画像平面３４内のボクセルを組み合わせる。隣接するボクセルは組み合わされて単一の２Ｄレンダリング後画像を形成する。組み合わせるべきボクセルは所望のビュー及び投影角度によって決定される。例えば、レンダリング・ボックス３０に対して直交方向のビューが望ましい場合は、レンダリング処理は、画像平面３４に直角に且つ画像平面３４を通って伸びる線又は射線に沿って配列されたボクセルを組み合わせる。
【００１８】
画像部分４８への投影方向が中央の画像平面３４に対して直交方向であってよいが、必ずしも直交方向である必要はない。例えば、走査角度２６が比較的小さい場合、画像平面３４は互いに対して平行でなくてもよく、又は画像平面３４が記憶される基準座標系に平行でなくとてもよい。従って、レンダリング・ボックス３０が基準座標系に平行である場合、投影は画像平面３４に対して角度を成して行うことができ、このような場合、画像平面３４への投影方向は直交方向ではない。この代わりに、レンダリング・ボックス３０は基準座標系に対して角度を成すように定めてもよい。
【００１９】
被走査ボリューム１６は、一定でない分解能を持つ複数の走査線を含むことがある。一定でない分解能の理由は、超音波エコー・ビームを受け取ったとき、該エコー・ビームは或る特定の深さで焦点外れになり且つ他の深さで焦点が合う結果として厚さが変化するためである。一定でない分解能の誤差はスライス厚さ設定制御装置４０における予め定義した一定の厚さによって低減することができる。一般的に云えば、厚さを増大させると、一定でない分解能の誤差が低減される。レンダリング・ボックス３０は必ずしも予め定義した一定の厚さを持っている必要はない。
【００２０】
ボリューム・レンダリング処理装置４６は、一画像平面３４内の隣接する画素の間で平均化やメジアン・フィルタ処理などの、幾つかの異なるフィルタ処理アルゴリズムを実行することができる。本発明の幾つかの実施形態に関連して用いられるボリューム・レンダリング・アルゴリズムは軟らかい組織のコントラストを増大させる（すなわち、組織の識別性を改善する）。組織の識別性の程度は、選択された予め定義されたスライス厚さ並びに走査する物体に依存する。典型的には、スライスが厚くなると、コントラストは高くなる。
【００２１】
隣接する画像平面３４を組み合わせるために本発明の或る特定の実施形態に従って使用されるボリューム・レンダリング・アルゴリズムは以下の一般的な種類、すなわち、最大強度投影と、最小強度投影と、ファジイ・セグメント化をボクセル・テクスチャ情報、深さ情報、グラディエント・シェーディングなどのいずれかと組み合わせて用いる表面レンダリングとを含む。様々な特定のレンダリング・アルゴリズムが、カール・ハインツ・ホーネ、ヘンリイ・フックス、スティファン・エム・ピツァーによって編纂された参考書「3D Imaging in Medicine; Algorithms, Systems, Applications」(NATO ASI Series,１９９０年春出版）に詳しく説明されており、これを引用によって本書に組み入れる。レンダリング・アルゴリズムの組合せをボリューム・レンダリング処理装置４６において適用することができる。
【００２２】
ボリューム・レンダリング・アルゴリズムは比較的薄いスライス又は薄いレンダリング・ボックス３０に作用して、組織のコントラストを改善することができる。比較的に小さい患者領域を撮像するときに、レンダリング・ボックス３０を比較的厚くすると、情報の損失が生じることがある。例えば、オペレータは情報の損失を避けるために小さい腫瘍について比較的薄いレンダリング・ボックス３０を取ることができ、一方、大きな器官のコントラスト分解能を有意に改善するために腎臓のような器官について比較的厚いレンダリング・ボックス３０を取ることができる。ボリューム・レンダリング・アルゴリズムを比較的薄いレンダリング・ボックス３０に適用することにより、特に小さい被走査ボリューム１６において、Ｂ画像のコントラストが改善される。
【００２３】
一実施形態では、表面テクスチャ及び透明最大レンダリング・モードの混合より成るレンダリング・モードにより、関心領域の実時間表示が得られる。実時間表示により医師は該領域の診断を行うとき一層融通性が与えられる。レンダリング・モードが表面テクスチャ及び透明最大レンダリング・モードの混合より成る場合の代替の実施形態では、表示は実時間ではない。表面テクスチャ及び透明最大レンダリング・モードの様々な比率をレンダリング・ボックス３０について用いることができる。例えば、最終的な２Ｄ画像は表面テクスチャ画像のグレー値の６０％と透明最大画像のグレー値の４０％とで構成することができる。６０％／４０％以外の比率も適しており、８０％／２０％、７５％／２５％及び７０％／３０％の比率が含まれる。これら以外の比率も適用することができる。表面テクスチャ及び透明最大レンダリング・モードにより、スペックル・パターンが少なくなり、且つ組織のコントラストが大幅に改善される（すなわち、信号／ノイズ比が改善される）。組織のコントラストの改善により、器官内の散在する傷害を見つけるのが容易になる。
【００２４】
組織のコントラストを改善するために比較的薄いレンダリング・ボックス３０についてボリューム・レンダリング・アルゴリズムを用いる実施形態は、下記の３Ｄ又は３Ｄ実時間（４Ｄ）取得モード、或いは下記の３Ｄ又は３Ｄ実時間（４Ｄ）取得モードの組合せについて用いることができる。これらのモードは、通常のグレースケール超音波検査法、２Ｄ複合イメージング、組織高調波イメージング、パルス反転高調波イメージング、カラー・フロー・マッピング（ＣＦＭ）を用いる二重超音波検査法、パワー・ドップラーを用いる二重超音波検査法、又はスペクトル・ドップラーを用いる二重超音波検査法である。
【００２５】
表示装置６７上への３Ｄレンダリング・ボックス３０の投影のため、本発明の別の実施形態では、多面表示モードを使用して、実時間４Ｄ走査においてレンダリングを実行する。多面表示モードを持つ表示装置７０が図３に示されている。説明を容易にするため、表示装置７０内の４つの全ての画像を略して描いてある。多面表示モードにより、オペレータは、求めているＢ画像７１（図３の左上）と、Ｂ画像７１に直交していて、トランスデューサが移動する走査方向に見られる平面７２と、平面７１及び７２と直交するコロナル平面７４と、コントラストを増強するためにボリューム・レンダリングした画像７６とを見ることが出来るようになる。多面表示を備えた実時間４Ｄ走査は、記憶された静止３Ｄボリュームのレンダリングと同様であるが、４Ｄ走査中に適用される。レンダリング・ボックス３０の投影はコロナル平面７４へ行われる。しかしながら、オペレータはレンダリング・ボックス３０を３つの平面７１、７２又は７４のいずれへも投影させることができる。レンダリング・ボックス３０を投影させる平面（例えば、７１、７２又は７４）を切り替えるためにオペレータによって大きいボリューム掃引角度２６を選ぶことができる。従って、毎秒当りのボリューム・レートが低くなる。（胸部のような）動かない構造の場合、毎秒当りのボリューム・レートが低くなっても問題はない。
【００２６】
２Ｄ表示装置６７上への３Ｄレンダリング・ボックス３０の投影のため、本発明の更に別の実施形態では、実時間４Ｄ走査におけるボリューム・レンダリングを疑似２Ｄモードとして実行する。非常に小さいボリューム掃引角度２６を使用する。図４に示されるように、分割画面７８を用いて、（ａ）ボリューム・レンダリングを行う平面８０上の典型的なＢ画像と、（ｂ）本発明の一実施形態に従ってボリューム・レンダリングされた画像８２とを示すことができる。画像８０及び８２は略して示されている。ボリューム掃引角度２６が小さいので、ボリューム・レート（毎秒当りの表示される画像数又はフレーム・レート）は高い。
【００２７】
表示装置６７上へレンダリング・ボックス３０を投影するため、本発明の幾つかの実施形態では、記憶された静止３Ｄボリュームについてレンダリングを実行する。この処理は図２に示した処理と同様であり、図２に示した実時間４Ｄボリューム・レンダリング画像の実施形態に関連して説明する。先ず、オペレータにより、投影を行う平面として所望の平面を選択する。次いで、オペレータにより、適当な厚さを選択する。これらの２つのステップ後に、レンダリング・ボックス３０が生成されており、このレンダリング・ボックス３０は記憶されたボリューム内で自由に動かすことができる。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態について説明したが、発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができると共に等価物と置換できることが当業者には理解されよう。更に、発明の範囲から逸脱することなく特定の状況又は材料を発明の教示に適合させるように多くの修正をなすことができる。従って、本発明は開示した特定の実施形態に限定されるのではなく、本発明は特許請求の範囲内にある全ての実施形態を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に従って形成された装置のブロック線図である。
【図２】本発明の一実施形態に従って形成されたレンダリング・ボックスの等角投影図である。
【図３】本発明の一実施形態に従ったボリューム・レンダリング・イメージングの実施形態の例を表示する超音波表示の概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に従った分割画面表示を例示する線図である。
【符号の説明】
１０ プローブ
１６ 超音波被走査ボリューム
１８ 走査平面
２２、２４ 半径方向境界
２６ ボリューム掃引角度
３０ レンダリング・ボックス
３２ スライス厚さ
３４ 画像平面
３６ 幅
３８ 高さ
４８ 画像部分
７０ 表示装置
７１ Ｂ画像
７２ 平面
７４ コロナル平面
７６ 画像
７８ 分割画面
８０ Ｂ画像
８２ 画像

Claims (11)

1. コントラスト増強し、実時間で更新された４Ｄボリューム・レンダリング画像を生成するための医学診断用超音波システムであって、
   物体の一部の体積領域（１６）から超音波情報を実時間で受け取る超音波トランスデューサと、
   前記体積領域（１６）から実時間で受け取った超音波情報から形成される隣接する画像線又は平面を記憶するメモリ（２０）と、
   前記隣接する画像線又は平面の一部分にオーバーラップする３Ｄレンダリング・ボックス（３０）の厚さ（３２）を定義するレンダリング・ボックス制御モジュール（４０）と、
   前記超音波トランスデューサが超音波情報を実時間で受け取り続けている間に、前記３Ｄレンダリング・ボックス（３０）内に前記隣接する画像線又は平面を投影し、コントラストを増強するボリューム・レンダリング手法に基づいて前記３Ｄレンダリング・ボックス（３０）内の前記隣接する画像線又は平面を実時間で処理し、表示装置（６７）へ前記３Ｄレンダリング・ボックス（３０）を２Ｄ画像上に投影するボリューム・レンダリング処理装置（４６）と、
   を有し、
   前記レンダリング・ボックス制御モジュール（４０）が前記コントラストの変更のために前記３Ｄレンダリング・ボックス（３０）の前記厚さ（３２）をオペレータにより変更可能とするためのインタフェースを備える、医学診断用超音波システム。
2. 超音波情報を受け取る前記超音波トランスデューサは３Ｄトランスデューサ又は２Ｄマトリクス・アレイである、請求項１記載のシステム。
3. 更に、ボクセル・データを導き出すために近隣の超音波情報の位置を算出するボクセル相関手法に基づいて前記画像線又は平面を作成するボリューム走査変換器（４２）を含んでいる請求項１記載のシステム。
4. 前記物体の一部の体積領域（１６）からの超音波情報は、位置決めセンサを用いる３Ｄフリーハンド走査手法によって得られる、請求項１記載のシステム。
5. 前記物体の一部の体積領域（１６）からの超音波情報は、位置決めセンサを用いない３Ｄフリーハンド走査手法によって得られる、請求項１記載のシステム。
6. 更に、前記画像線又は平面を形成するために走査変換する前に前記超音波情報を記憶する第２のメモリを含んでいる請求項１記載のシステム。
7. 前記ボリューム・レンダリング処理装置（４６）は前記画像線又は平面について次の演算、すなわち、表面テクスチャ、最大透明度、最小透明度、及びグラディエント光レンダリングのうちの少なくとも１つを実行する、請求項１記載のシステム。
8. 前記トランスデューサは次の取得モード、すなわち、通常のグレースケール超音波検査法、２Ｄ複合イメージング、カラー・ドップラー、スペクトル・ドップラーを用いる二重超音波検査法のうちの少なくとも１つで動作することができる、請求項１記載のシステム。
9. 前記トランスデューサは組織の高調波イメージング情報を受け取る、請求項１記載のシステム。
10. 前記トランスデューサはパルス反転高調波イメージング情報を受け取る、請求項１記載のシステム。
11. オペレータが、前記３Ｄレンダリング・ボックス（３０）を投影する前記平面を異なる平面に切り替えることができる、請求項１に記載のシステム。

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