JP5523019B2

JP5523019B2 - 弾性映像を形成する超音波システム及び弾性映像形成方法

Info

Publication number: JP5523019B2
Application number: JP2009192014A
Authority: JP
Inventors: ドングックシン，; モクグンチョン，
Original assignee: Samsung Medison Co Ltd
Current assignee: Samsung Medison Co Ltd
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2029-08-21
Also published as: EP2157442A1; EP2157442B1; JP2010046484A; US20100049047A1; KR20100023436A; KR101060345B1

Description

本発明は、超音波システムに関し、特にＡＲＦＩ（ａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｆｏｒｃｅｉｍｐｕｌｓｅ）を用いて、弾性映像を形成する超音波システム及び弾性映像形成方法に関する。

超音波システムは、無侵襲及び非破壊特性を有しており、対象体内部の情報を得るために医療分野で広く用いられている。超音波システムは、人体を直接切開して観察する外科手術の必要がなく、対象体内部の高解像度の映像を医師に提供できるので、医療分野で非常に重要なものとして用いられている。

超音波システムは、対象体から反射される超音波信号（即ち、超音波エコー信号）の反射係数を、２次元映像で示すＢモード（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓｍｏｄｅ）映像を提供している。Ｂモード映像は、超音波信号の反射係数を画面上で点の明るさで表示する。しかし、腫瘍または癌組織のような非正常組織の中には、正常組織と比較して反射係数にほとんど差が無いものがあり、Ｂモード映像で非正常組織を観測するのには困難がある。

このように、反射係数の差がない組織を識別する方法として、外部から力、即ちストレス（ｓｔｒｅｓｓ）を加えない時と加えた時との間に生じる媒質の機械的な反応差を用いて、対象体の病巣（ｌｅｓｉｏｎ）を分析する弾性映像法がある。弾性映像法は、Ｂモード映像で診断できない組織の機械的な性質を映像化するので、病巣の診断に大いに役に立つ。弾性映像法は、組織の弾性が病理学的現象と関連があることを利用する。例えば、腫瘍や癌組織は、周囲の軟組織に比べて組織が硬いので、外部から同じ力を与えた時、周囲組織より変形の程度が小さい。

単位面積当りに加えられる力であるストレスにより変形された程度を変形率、即ち、ストレイン（Ｓｔｒａｉｎ）といい、弾性係数（Ｙｏｕｎｇ’ｓｍｏｄｕｌｕｓ）は、ストレインに対するストレスの比率の値として定義される。対象体内の弾性係数の測定は、媒質に一定のストレスを加えた後、変形された程度を測定し、その比率を求めればよい。しかし、対象体内の弾性係数は、ストレス分布を正確に測定することができないため、対象体内のストレス分布が同一であるという仮定を前提とし、ストレインだけで弾性を推定する。即ち、超音波システムでは、対象体内に加えられたストレス分布を正確に測定するのは難しく、ストレインを測定して映像化している。これによって、相対値で弾性映像を表現し、測定する人ごとにまたは測定する時期ごとに異なって表現され、組織内の病巣の推移を見て診断することが難しいという問題がある。

特開２００９−１４２６５３号公報

本発明は、ＡＲＦＩ（ａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｆｏｒｃｅｉｍｐｕｌｓｅ）を用いて、弾性映像を形成する超音波システム及び弾性映像形成方法を提供する。

本発明による超音波システムは、第１の超音波信号を対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して、第１の超音波データを獲得し、ＡＲＦＩ（ａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｆｏｒｃｅｉｍｐｕｌｓｅ）を印加するための第２の超音波信号を前記対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して、第２の超音波データを獲得するように動作する超音波データ獲得部と、前記第１の超音波データを用いて基準映像を形成し、前記第２の超音波データを用いてＡＲＦＩ映像を形成するように動作する映像形成部と、前記基準映像から前記対象体の複数の第１の特徴点を抽出し、前記ＡＲＦＩ映像から前記対象体の複数の第２の特徴点を抽出し、前記複数の第１及び第２の特徴点を用いて、各前記第１の特徴点のストレスを算出し、前記算出されたストレスを用いて弾性映像を形成するように動作するプロセッサとを備える。

また、本発明による弾性映像形成方法は、ａ）第１の超音波信号を対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して、第１の超音波データを獲得する段階と、ｂ）前記第１の超音波データを用いて基準映像を形成する段階と、ｃ）前記基準映像から前記対象体の複数の第１の特徴点を抽出する段階と、ｄ）ＡＲＦＩ（ａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｆｏｒｃｅｉｍｐｕｌｓｅ）を印加するための第２の超音波信号を前記対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して、第２の超音波データを獲得する段階と、ｅ）前記第２の超音波データを用いてＡＲＦＩ映像を形成する段階と、ｆ）前記ＡＲＦＩ映像から前記対象体の複数の第２の特徴点を抽出する段階と、ｇ）前記複数の第１及び第２の特徴点を用いて、各前記第１の特徴点のストレスを算出する段階と、ｈ）前記算出されたストレスを用いて弾性映像を形成する段階とを備える。

本発明は、予め設定された送信パワーを有し、対象体にストレスを加えるための超音波信号を、基準映像から検出された各特徴点に集束させることができ、速やかで正確にＡＲＦＩ映像を形成することができる。

また、本発明は、弾性映像を相対値ではなく、絶対値で表現することができ、同一の対象体で病巣（ｌｅｓｉｏｎ）の推移または他の対象体との間での弾性の差を比較することができる。

本発明の実施例における超音波システムの構成を示すブロック図である。本発明の実施例における超音波データ獲得部の構成を示すブロック図である。本発明の実施例におけるプロセッサの構成を示すブロック図である。本発明の実施例における特徴点の例を示す例示図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例を説明する。本実施例で用いられた用語「対象体」は、対象体内の反射体、反射体周辺の媒質などを含む。

図１は、本発明の実施例における超音波システム１００の構成を示すブロック図である。超音波システム１００は、超音波データ獲得部１１０、映像形成部１２０、プロセッサ１３０及びディスプレイ部１４０を備える。

超音波データ獲得部１１０は、超音波信号を対象体に送信し、対象体から反射される超音波信号（即ち、超音波エコー信号）を受信して、超音波データを獲得する。

図２は、本発明の実施例における超音波データ獲得部１１０の構成を示すブロック図である。超音波データ獲得部１１０は、送信信号形成部１１１、複数の変換素子（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｅｌｅｍｅｎｔ）（図示せず）を含む超音波プローブ１１２、ビームフォーマ１１３及び超音波データ形成部１１４を備える。

送信信号形成部１１１は、変換素子の位置を考慮して第１の送信信号を形成する。また、送信信号形成部１１１は、基準映像中の対象体の複数の第１の特徴点及び変換素子の位置を考慮して第２の送信信号を形成する。基準映像及び第１の特徴点については、以下で詳細に説明する。

超音波プローブ１１２は、送信信号形成部１１１から第１の送信信号が提供されれば、第１の送信信号を第１の超音波信号に変換して、対象体に送信し、対象体から反射される超音波エコー信号を受信して、第１の受信信号を形成する。超音波プローブ１１２は、送信信号形成部１１１から第２の送信信号が提供されれば、第２の送信信号をＡＲＦＩ（ａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｆｏｒｃｅｉｍｐｕｌｓｅ）を印加するための第２の超音波信号に変換して、対象体に送信する。これにより、対象体に対する圧縮（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）を行うことができる。また、第２の超音波信号は、各第１の特徴点に集束され得る。超音波プローブ１１２は、対象体から反射される超音波エコー信号を受信して、第２の受信信号を形成する。

ビームフォーマ１１３は、超音波プローブ１１２から第１の受信信号が提供されれば、第１の受信信号をアナログデジタル変換して、第１のデジタル信号を形成する。ビームフォーマ１１３は、変換素子の位置及び集束点を考慮し、第１のデジタル信号を受信集束させて、第１の受信集束信号を形成する。ビームフォーマ１１３は、超音波プローブ１１２から第２の受信信号が提供されれば、第２の受信信号をアナログデジタル変換して、第２のデジタル信号を形成する。ビームフォーマ１１３は、変換素子の位置及び集束点（即ち、第１の特徴点）を考慮し、第２のデジタル信号を受信集束させて、第２の受信集束信号を形成する。

超音波データ形成部１１４は、ビームフォーマ１１３から第１の受信集束信号が提供されれば、第１の受信集束信号を用いて第１の超音波データを形成する。超音波データ形成部１１４は、ビームフォーマ１１３から第２の受信集束信号が提供されれば、第２の受信集束信号を用いて第２の超音波データを形成する。また、超音波データ形成部１１４は、超音波データを形成するのに必要な多様な信号処理（例えば、利得（ｇａｉｎ）調節、フィルタリング処理等）を受信集束信号に行うことができる。

再び図１を参照すれば、映像形成部１２０は、超音波データ獲得部１１０から提供される第１の超音波データを用いて基準映像を形成する。本実施例において、基準映像は、Ｂモード（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓｍｏｄｅ）映像または３次元映像であってもよい。映像形成部１２０は、超音波データ獲得部１１０から提供される第２の超音波データを用いてＡＲＦＩ映像を形成する。

プロセッサ１３０は、映像形成部１２０から提供される基準映像及びＡＲＦＩ映像から対象体の複数の特徴点（第１の特徴点及び第２の特徴点）を抽出し、抽出された複数の特徴点を用いて弾性映像を形成する。

図３は、本発明の実施例におけるプロセッサ１３０の構成を示すブロック図である。プロセッサ１３０は、特徴点抽出部１３１、動き推定部１３２、ストレス算出部１３３、補間部１３４及び弾性映像形成部１３５を備える。

特徴点抽出部１３１は、基準映像から対象体の複数の第１の特徴点を抽出する。また、特徴点抽出部１３１は、ＡＲＦＩ映像から対象体の複数の第２の特徴点を抽出する。第１及び第２の特徴点は、対象体の境界点を含むことができる。また、第１及び第２の特徴点は、微分演算子による明るさ値の変化を用いて抽出することができる。一実施例において、特徴点は、ソーベル（Ｓｏｂｅｌ）、プレウィット（Ｐｒｅｗｉｔｔ）、ロバート（Ｒｏｂｅｒｔ）またはカニー（Ｃａｎｎｙ）マスクなどのような境界マスク（ｅｄｇｅｍａｓｋ）を用いて抽出する。他の実施例において、特徴点は、構造テンソル（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｅｎｓｏｒ）を用いた固有値（ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ）の差から抽出することができる。

動き推定部１３２は、複数の第１の特徴点と複数の第２の特徴点との間の動きを推定する。本実施例において、動き推定部１３２は、多様な映像処理技法を用いて、対象体の動きを推定することができる。例えば、オプティカルフロー（ｏｐｔｉｃａｌｆｌｏｗ）、ブロックマッチング（ｂｌｏｃｋｍａｔｃｈｉｎｇ）などが、動き推定のための映像処理技法として用いられる。

ストレス算出部１３３は、動き推定部１３２で推定された動き及び第２の超音波信号の大きさ（またはパワー）を用いて、各第１の特徴点のストレス（以下、第１のストレスという）を算出する。一例として、対象体が平らな平面であり、超音波を吸収する媒体であると仮定すれば、ストレス算出部１３３は、次の式に従って、各第１の特徴点のストレス（Ｆ）を算出することができる。

ここで、Ｗ_{ａｂｓｏｒｂｅｄ}は、与えられた空間的位置で媒体に吸収されたパワーを示し、ｃは、媒体での音速を示し、αは、媒体の吸収係数（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を示し、Ｉは、与えられた点での時間平均強度（ｔｅｍｐｏｒａｌａｖｅｒａｇｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を示す。

補間部１３４は、第１のストレスを補間（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）し、弾性映像の各ピクセルに対応するストレス（以下、第２のストレスという）を算出する。本実施例において、補間部１３４は、図４に示された通り、基準映像２１０の各第１の特徴点ＥＰに隣接した２つの第１の特徴点を検出し、各第１の特徴点の第１のストレスと検出された２つの隣接した第１の特徴点の第１のストレスとを補間して、弾性映像の各ピクセルに対応する第２のストレスを算出する。

弾性映像形成部１３５は、補間部１３４から提供される第２のストレスを用いて弾性映像を形成する。

再び図１を参照すれば、ディスプレイ部１４０は、プロセッサ１３０から提供される弾性映像をディスプレイする。また、ディスプレイ部１４０は、映像形成部１２０から提供される基準映像及びＡＲＦＩ映像をディスプレイすることができる。

本発明が望ましい実施例によって説明され例示されたが、当業者であれば、添付した特許請求の範囲の事項及び範疇を逸脱せず、様々な変形及び変更がなされることが分かる。

一例として、前述した実施例では、対象体の特徴点を検出するために基準映像及びＡＲＦＩ映像を用いる場合について説明したが、他の実施例では、ＲＦ（ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）データ及びＩＱデータ（即ち、同一位相成分（Ｉｎ−ｐｈａｓｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）からなるＩデータと直交位相成分（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−ｐｈａｓｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）からなるＱデータ）を用いることもできる。

１１０超音波データ獲得部
１２０映像形成部
１３０プロセッサ
１４０ディスプレイ部

Claims

第１の超音波信号を対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して、第１の超音波データを獲得し、ＡＲＦＩ（ａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｆｏｒｃｅｉｍｐｕｌｓｅ）を印加するための第２の超音波信号を前記対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して、第２の超音波データを獲得するように動作する超音波データ獲得部と、
前記第１の超音波データを用いて基準映像を形成し、前記第２の超音波データを用いてＡＲＦＩ映像を形成するように動作する映像形成部と、
前記基準映像から前記対象体の複数の第１の特徴点を抽出し、前記ＡＲＦＩ映像から前記対象体の複数の第２の特徴点を抽出し、前記複数の第１及び第２の特徴点を用いて、各前記第１の特徴点のストレスを算出し、前記算出されたストレスを用いて弾性映像を形成するように動作するプロセッサと
を備え、
前記超音波データ獲得部は、前記第２の超音波信号を各前記第１の特徴点に集束させるように動作することを特徴とする超音波システム。
前記プロセッサは、
前記基準映像から前記複数の第１の特徴点を抽出し、前記ＡＲＦＩ映像から前記複数の第２の特徴点を抽出するように動作する特徴点抽出部と、
前記複数の第１の特徴点と前記複数の第２の特徴点との間の動きを推定するように動作する動き推定部と、
前記推定された動きを用いて、各前記第１の特徴点の第１のストレスを算出するように動作するストレス算出部と、
前記第１のストレスを補間して、前記弾性映像のピクセルに対応する第２のストレスを算出するように動作する補間部と、
前記第２のストレスを用いて前記弾性映像を形成するように動作する弾性映像形成部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波システム。
前記補間部は、各前記第１の特徴点に隣接した２つの第１の特徴点を検出し、各前記第１の特徴点のストレスと前記２つの隣接した第１の特徴点のストレスとを補間するように動作することを特徴とする請求項２に記載の超音波システム。
前記基準映像は、Ｂモード（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓｍｏｄｅ）映像または３次元映像であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波システム。
ａ）第１の超音波信号を対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して、第１の超音波データを獲得する段階と、
ｂ）前記第１の超音波データを用いて基準映像を形成する段階と、
ｃ）前記基準映像から前記対象体の複数の第１の特徴点を抽出する段階と、
ｄ）ＡＲＦＩ（ａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｆｏｒｃｅｉｍｐｕｌｓｅ）を印加するための第２の超音波信号を前記対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して、第２の超音波データを獲得する段階と、
ｅ）前記第２の超音波データを用いてＡＲＦＩ映像を形成する段階と、
ｆ）前記ＡＲＦＩ映像から前記対象体の複数の第２の特徴点を抽出する段階と、
ｇ）前記複数の第１及び第２の特徴点を用いて、各前記第１の特徴点のストレスを算出する段階と、
ｈ）前記算出されたストレスを用いて弾性映像を形成する段階と
を備え、
前記段階ｄ）は、
前記第２の超音波信号を、各前記第１の特徴点に集束させる段階を備えることを特徴とする弾性映像形成方法。
前記段階ｇ）は、
ｇ１）前記複数の第１の特徴点と前記複数の第２の特徴点との間の動きを推定する段階と、
ｇ２）前記推定された動きを用いて、各前記第１の特徴点の第１のストレスを算出する段階と、
ｇ３）前記第１のストレスを補間して、前記弾性映像のピクセルに対応する第２のストレスを算出する段階と
を備えることを特徴とする請求項５に記載の弾性映像形成方法。
前記段階ｇ３）は、
各前記第１の特徴点に隣接した２つの第１の特徴点を検出する段階と、
各前記第１の特徴点のストレスと前記２つの隣接した第１の特徴点のストレスとを補間する段階と
を備えることを特徴とする請求項６に記載の弾性映像形成方法。
前記基準映像は、Ｂモード（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓｍｏｄｅ）映像または３次元映像であることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の弾性映像形成方法。