JP5559993B2

JP5559993B2 - 超音波診断装置及びその画像処理方法

Info

Publication number: JP5559993B2
Application number: JP2009147743A
Authority: JP
Inventors: 雄樹澤山
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2029-06-22
Also published as: JP2011000385A

Description

本発明は、超音波を利用して被検体内の撮像対象部位について断層像、複数枚の断層像から作成される3D像を表示するための超音波診断装置に関する。

従来の超音波診断装置は、被検体に対し超音波を送受信する探触子と、この探触子を駆動して超音波を発生させると共に受信した反射エコーの信号を処理する超音波送受信部と、この超音波送受信部からの反射エコー信号を入力してディジタル化し診断部位の断層像を作成する断層像作成回路と、この断層像作成回路からの画像データをアナログ信号に変換して画像表示する画像表示部と、前記各構成要素を制御する制御回路とを有して成っている。
近年、探触子を機械的な方法によって駆動させ被検体内の断層像(フレーム)複数枚分の反射エコー信号を受信し、数フレーム分の反射エコー信号をディジタル化し診断部位の3D画像を作成する3D画像作成回路によって作成された画像データを表示する方法が特許文献１に開示されている。

特開２０００−５１６６号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法では、探触子を機械的に移動させながらスキャンするため垂直な平面でスキャンされておらず、断層像の歪みが発生し、それに伴いレンダリング像も歪むという課題がある。
そこで、本発明は、現在のフレームデータに加えて1つ前などの複数のフレームデータを用いて、探触子の駆動による断層面の歪みを補正することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は以下の様に構成される。

本発明の画像処理方法は、長軸方向に振動子素子が複数配列された超音波探触子を、長軸方向に対し垂直方向に機械的に移動しながら、複数枚分のフレームデータを取得し、該フレームデータから断層像又は３Ｄ像を作成する超音波診断装置の画像処理方法において、超音波探触子の機械的な移動に伴うフレームデータの受信位置を補正するステップを含むものである。
前記フレームデータの受信位置を補正するステップは、振動子素子それぞれについて、現フレームのスキャンデータ（Ａ）及び１つ前又は1つ後のフレームのスキャンデータ（Ｂ）を取得するステップと、前記超音波探触子の移動方向に垂直な基準位置と現フレームのスキャン位置との距離（ＬＡ）、及び、前記基準位置と１つ前又は1つ後のフレームのスキャン位置との距離（ＬＢ）を求めるステップと、前記現フレームのスキャンデータ（Ａ）、前記１つ前又は1つ後のスキャンデータ（Ｂ）、前記基準位置と現フレームのスキャン位置との距離（ＬＡ）、及び、前記基準位置と１つ前又は1つ後のフレームのスキャン位置との距離（ＬＢ）に基づいて、補間により基準位置におけるデータを求めるステップと、を含むものである。
前記基準位置としては、現フレームのフレームデータ取得開始時の振動子素子の位置、あるいは、超音波探触子の中央の振動子素子のスキャン位置でよい。

本発明のプログラムは、前記画像処理方法の手順を実行させるものである。

本発明の超音波診断装置は、長軸方向に振動子素子が複数配列され、被検体に超音波を送受信する超音波探触子と、前記超音波探触子から受信される超音波画像データに基づいて超音波画像を構成する画像構成部と、前記超音波画像を表示する表示部を備え、前記超音波探触子を長軸方向に対し垂直方向に機械的に移動しながら、複数枚分のフレームデータを取得し、該フレームデータから断層像又は３Ｄ像を作成する超音波診断装置において、前記画像構成部が、超音波探触子の機械的な移動に伴うフレームデータの受信位置を補正する手段を備えたものである。
前記フレームデータの受信位置を補正する手段は、振動子素子それぞれについて、現フレームのスキャンデータ（Ａ）及び１つ前又は1つ後のフレームのスキャンデータ（Ｂ）を取得するスキャンデータ取得部と、前記超音波探触子の移動方向に垂直な基準位置と現フレームのスキャン位置との距離（ＬＡ）、及び、前記基準位置と１つ前又は1つ後のフレームのスキャン位置との距離（ＬＢ）を求める距離計算部と、前記現フレームのスキャンデータ（Ａ）、前記１つ前又は1つ後のスキャンデータ（Ｂ）、前記基準位置と現フレームのスキャン位置との距離（ＬＡ）、及び、前記基準位置と１つ前又は1つ後のフレームのスキャン位置との距離（ＬＢ）に基づいて、補間により基準位置におけるデータを求めるデータ補間部と、から構成される。
前記基準位置は、現フレームのフレームデータ取得開始時の振動子素子の位置、あるいは、超音波探触子の中央の振動子素子のスキャン位置でよい。

以上、本発明によれば、超音波探触子の駆動に伴う、フレームデータの受信位置を補正することができ、レンダリング像の歪みを解消することができる。

超音波診断装置の全体を示すブロック図である。超音波画像構成部を示すブロック図である。超音波探触子長軸面の超音波スキャンを示した図である。超音波探触子短軸面の超音波スキャンと往復運動を示した図である。超音波探触子移動中の超音波スキャン位置を示した図である。本発明の実施例１の超音波探触子の始端素子を基準に位置補正を行う様子を示した図である。本発明の実施例１による位置補正を行った結果を示した図である。本発明の内部処理のフローを示した図である。本発明の実施例１の、位置ズレ補正処理のフローを示した図である。本発明の実施例１の、位置ズレ補正のためのブロック構成図である。本発明の実施例２の、超音波探触子の中央の振動子素子のスキャン位置を基準に位置補正を行う様子を示した図である。

先ず、本発明を適用してなる超音波診断装置について、図を用いて説明する。図１は本発明を適用した超音波診断装置の構成を示すブロック図である。超音波診断装置１は、被検体２内に超音波を送受信し得られた反射エコー信号を用いて診断部位について2次元超音波画像或いは3次元超音波画像を形成して表示するもので、被検体２に超音波を照射し受信する振動子素子を備えた超音波探触子３と、超音波信号を送受信する超音波送受信部４と、受信信号に基づいて2次元超音波画像（Ｂモード画像）或いは3次元超音波画像を構成する超音波画像構成部５と、超音波画像構成部５において構成された超音波画像を表示する表示部６と、各要素を制御する制御部７と、制御部７に指示を与えるコントロールパネル８とを有している。

ここで、各構成要素を具体的に説明する。超音波探触子３は、振動子素子が超音波探触子の長軸方向に１〜ｍチャンネル分配列される。ここで、短軸方向にもｋ個に切断されて１〜ｋチャンネル分配列されている場合、短軸方向の各振動子素子（１〜ｋチャンネル）に与える遅延時間を変えることにより、短軸方向にも送波や受波のフォーカスがかけられるようになっている。また、短軸方向の各振動子素子に与える超音波送信信号の振幅を変えることにより送波重み付けがかけられ、短軸方向の各振動子素子からの超音波受信信号の増幅度又は減衰度を変えることにより受波重み付けがかけられるようになっている。さらに、短軸方向のそれぞれの振動子素子をオン、オフすることにより、口径制御ができるようになっている。

なお、この超音波探触子３は、超音波送受信部４から供給される駆動信号に重畳して印加されるバイアス電圧の大きさに応じて超音波送受信感度つまり電気機械結合係数が変化する、例えばｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer：IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. Vol45 pp.678-690 May 1998等）を適用できる。ｃＭＵＴは、半導体微細加工プロセス（例えば、ＬＰＣＶＤ：Low Pressure Chemical Vapor Deposition）により製造される超微細容量型超音波振動子である。

超音波送受信部４は、超音波探触子３に送信信号を供給すると共に受信した反射エコー信号を処理するもので、その内部には、超音波探触子３を制御し超音波ビームの打ち出しをさせる送波回路と、この打ち出された超音波ビームの被検体内からの反射エコー信号を受信し生体情報を収集する受波回路と、これらを制御する制御回路とを有している。

超音波画像構成部５は、超音波送受信部４で処理した反射エコー信号を超音波断層像に変換するもので、順次入力される反射エコー信号に基づいて超音波画像を形成するデジタルスキャンコンバータと、超音波画像を記憶する磁気ディスク装置及びRAMとからなる記憶装置とから成り、超音波送受信部４で受信した反射エコー信号を信号処理し、2次元超音波画像や3次元超音波画像、各種ドプラ画像に画像化して出力する。

表示部６は、超音波画像構成部５で作成された画像を表示制御部を介して入力し超音波画像として表示するもので、例えばＣＲＴモニタ、液晶モニタから成る。

そして、制御部７は、前記各構成要素の動作を制御するもので、ユーザインターフェース回路とのインターフェースを有する制御用コンピュータシステムより構成されている。この制御部７は、それに含まれるユーザインターフェース及び該ユーザインターフェースからの情報等から超音波送受信部４を制御する。また、超音波送受信部４で受信した生体情報を超音波画像構成部５に転送し、超音波画像構成部５で画像化した情報を表示制御部に伝送するなどの制御を行う。

図1の超音波画像構成部５が3D画像作成回路である場合について説明する。図２は3D画像作成回路５を示すもので、フレームデータ取得部２０、ボリュームデータ構築部２１、座標変換処理部２２、レンダリング処理部２３、RGB変換部２４から構成されている。この３D画像作成回路の処理について順に説明する。まず、フレームデータ取得部20で超音波送受信部4からの入力フレームデータを取得する。次に、ボリュームデータ構築部21にて、入力したフレームデータの蓄積を行いボリュームデータの作成を行う。このボリュームデータ構築部21はボリュームデータを作成するまで後工程にデータを流すことはない。本発明の補正処理はこのボリュームデータ作成時に実行される。ボリュームデータ構築部21で作成されたデータに対して座標変換処理部２２でデジタルスキャンコンバージョン処理の座標変換処理を行う。座標変換されたこのボリュームデータに対してレンダリング処理部２３でレンダリング処理、およびRGB変換部２４でRGB変換を行った後、画像データを表示部６に送信する。以上の処理が3D画像作成回路の処理を表している。

次に本発明の実施の形態を説明する。振動子素子が長軸方向にｍチャンネル配列された超音波探触子３から超音波を発生させ超音波反射エコー信号を受信することを超音波スキャンと呼ぶことにする。図３(a)は超音波探触子３の長軸面を示しており、超音波探触子３は超音波スキャン方向9に超音波を発生する。断層画像1枚分の超音波反射エコー信号のディジタルデータをフレームデータとし、断層画像複数枚分のフレームデータをまとめたものをボリュームデータと定義する。

図３(b)は超音波探触子３の短軸面を示しており、超音波探触子３は長軸方向と垂直方向に機械的に駆動されCとDの間を扇形に往復運動を繰り返す（超音波探触子往復運動方向１０）。C側からD側まで超音波探触子３がフレームデータを取得しながら移動するとボリュームデータを得ることができ、このボリュームデータを基に３D画像を作成することができる。超音波探触子３がCからD側へ移動する場合も、DからC側へ移動する場合もボリュームデータを取得することができる。

図４は超音波探触子３が短軸方向にC〜D間を移動しつつ超音波スキャンを行った時、得られたフレームデータの超音波スキャン位置を示している。図において、横方向の実線は、あるフレームについてフレームデータ取得開始時の振動子の位置を示しており、それに垂直方向の矢印１１は超音波探触子の移動方向を示している。そして、◎印は、長軸方向にｍチャンネル配列されたそれぞれの振動子素子の実際のスキャン位置を示している。あるフレームデータを得るために超音波スキャン開始からスキャンを終了する間に、超音波探触子３は超音波探触子移動方向１１に移動してしまうため、取得したフレームデータは超音波探触子短軸移動方向に超音波スキャン位置がずれてしまうことになる。

図５は本発明の実施例１の超音波スキャン位置補正を説明するもので、超音波探触子の移動方向に垂直な基準位置として、フレームデータ取得開始時の振動子素子の位置に補正するものである。A点を補正する場合を例に挙げる。A点13の超音波スキャンデータをフレームデータ取得開始時の位置であるX点15の位置へと補正する場合は、A点13と１フレームデータ前のB点14のデータを用いる。超音波スキャンを開始してからA点13の超音波スキャンを行うまでの時間Tと、超音波探触子３の移動速度ωを用いてX点15とA点13の距離LA 16を求める(式1)。次にX点15とB点14の距離LB 17を求める。LB 17はあるフレームデータを得るために超音波スキャンを開始してから、別のフレームデータを得るために超音波スキャンを始める間の時間で超音波探触子３が移動した距離LからLA16を引いて求める(式2)。X点15のデータ補間はLA, LB, L, A点13のデータＡ, B点14のデータＢを用いる(式3)。この補間処理をフレームデータ全てに対して行うことによって、超音波スキャン位置を図６に示す、フレームデータ取得開始時の振動子素子の位置に補正することが可能となり、ボリュームデータの歪みを解消することが出来る。

ＬＡ＝Ｔ＊ω - - - - - - （式１）
ＬＢ＝Ｌ−ＬＡ - - - - - - （式２）
Ｘ＝Ａ＊（Ｌ−ＬＡ）／Ｌ＋Ｂ＊（Ｌ−ＬＢ）／Ｌ
＝Ａ＊ＬＢ／Ｌ＋Ｂ＊ＬＡ／Ｌ - - - - - （式３）
Ｔ：ある断層面を得るために超音波スキャンを開始からA点13を超音波スキャンするまでに経過した時間
ω：超音波探触子の移動速度
Ｌ：ある断層画像を得るための超音波スキャンを始めてから別の断層画像の超音波スキャンを始めるまでに超音波探触子が移動した距離
本発明の実施例１の位置ズレ補正は、図２のボリュームデータ構築部21で実行されるものであり、その内部処理のフローを図７に示す。本処理では入力されるフレームデータを計算用のバッファに格納し(S101)、格納したフレームデータの情報取得を行う（S102)。取得した情報から超音波スキャン位置の情報を読み取り、S103でその位置が始端であれば出力ボリュームデータ用のバッファにフレームデータの格納を行い（S104)、次のフレームデータが入力するのを待つ。もし、超音波スキャンした位置が始端で無ければ、計算用のバッファからフレームデータを読み出し位置ズレ補正処理を行って（S105)、出力ボリュームデータ用のバッファに格納する（S106)。さらに、S107でフレームデータの超音波スキャン位置が終端でなければ、次のフレームデータが入力するのを待ち、終端であればボリュームデータを出力し（S108)、次の処理に移る。

図７における位置ズレ補正処理（S105)のフローを、図８に示す。S２０１において、現在のフレームのＡ点のスキャンデータＡ、および１つ前のフレームのＢ点のスキャンデータＢを取得する。Ｓ２０２において、フレームデータ取得開始時の位置（Ｘ点）と現在のフレームのスキャン位置（Ａ点）との距離ＬＡ、および１つ前のフレームのスキャン位置（Ｂ点）とフレームデータ取得開始時の位置（Ｘ点）との距離ＬＢを求める。そして、Ａ，Ｂ，ＬＡ，ＬＢを用いて、フレームデータ取得開始時の位置（Ｘ点）におけるデータを補間により求める。そして、この処理を、各振動子素子のデータについて行うことにより、位置ズレ補正されたフレームデータを得ることができる。

図９は、位置ズレ補正のためのブロック構成図を示すもので、現在のフレームのＡ点のスキャンデータＡ、及び１つ前のフレームのＢ点のスキャンデータＢを取得するデータ取得部２５、フレームデータ取得開始時の位置（Ｘ点）と現在のフレームのスキャン位置（Ａ点）との距離ＬＡ、及び１つ前のフレームのスキャン位置（Ｂ点）とフレームデータ取得開始時の位置（Ｘ点）との距離ＬＢを算出する距離算出部２６、及び、Ａ，Ｂ，ＬＡ，ＬＢを用いて、フレームデータ取得開始時の位置（Ｘ点）におけるデータを補間により求めるデータ補間部２７から構成されている。

図１０に、本発明の実施例２を示す。実施例１と異なる点は、前後のフレームを用いて補正処理を行う点と、補正基準となる位置が超音波探触子３の中央の振動子素子のスキャン位置である点である。本実施例では、中央の振動子素子のスキャン位置を基準位置とするため、中央の振動子素子より先にスキャンされる振動子素子については、現在のフレームのスキャンデータと１つ後ろのフレームのスキャンデータとを用いて補間を行い、中央の振動子素子より後にスキャンされる振動子素子については、現在のフレームのスキャンデータと１つ前のフレームのスキャンデータとを用いて補間を行うことになる。補正基準を超音波探触子中央にすることで補正されるデータの超音波スキャン位置と補正する位置の距離が短くなるため補間処理の精度を向上することができる。

本発明は、一般に、長軸方向に振動子素子が複数配列された超音波探触子を、長軸方向に対し垂直方向に機械的に移動しながら、複数枚分のフレームデータを取得し、該フレームデータに基づいて断層像又は３Ｄ像を作成する超音波診断装置に適用できる。超音波の音圧による造影剤バブルの反射エコー信号利用や反射エコー信号の高調波成分を利用するハーモニックイメージングにおいて、本発明によりスキャン位置の反射エコー信号を推定するため、これらのイメージング技術にも適応可能である。

１…超音波診断装置
２…被検体
３…超音波探触子
４…超音波送受信部
５…超音波画像構成部
６…表示部
７…制御部
８…コントロールパネル
９…超音波スキャン方向
１０…超音波探触子往復運動方向
１１…超音波探触子移動方向
１２…フレームデータ取得開始位置
１３…超音波スキャン位置A点
１４…超音波スキャン位置B点
１５…補正位置X点
１６…補正位置X点とA点の距離
１７…補正位置X点とB点の距離
１８…超音波探触子の始端素子が超音波スキャンしたデータ
１９…超音波探触子中央素子が超音波スキャンしたデータ
２０…フレームデータ取得部
２１…ボリュームデータ構築部
２２…座標変換処理部
２３…レンダリング処理部
２４…ＲＧＢ変換部
２５…Ａ点及びＢ点のデータ取得部
２６…ＬＡおよびＬＢの距離算出部
２７…データ補間部。

Claims

長軸方向に振動子素子が複数配列され、被検体に超音波を照射し受信する超音波探触子と、
前記超音波探触子を長軸方向に対し垂直方向に機械的に移動しながら、超音波信号を送受信する手段と、
前記超音波探触子で受信される超音波に基づいて、複数枚分のフレームデータを取得し、該フレームデータから断層像又は３Ｄ像を作成する画像構成部と、
前記断層像又は３Ｄ像を表示する表示部を備え、
前記画像構成部が、超音波探触子の機械的な移動に伴うフレームデータの受信位置を補正する手段を備え、
前記フレームデータの受信位置を補正する手段が、
振動子素子それぞれについて、現フレームのスキャンデータ（Ａ）及び１つ前又は１つ後のフレームのスキャンデータ（Ｂ）を取得するスキャンデータ取得部と、
振動子素子それぞれについて、前記超音波探触子の移動方向に垂直な基準位置と現フレームのスキャン位置との距離（ＬＡ）、及び、前記基準位置と１つ前又は１つ後のフレームのスキャン位置との距離（ＬＢ）を求める距離計算部と、
振動子素子それぞれについて、前記現フレームのスキャンデータ（Ａ）、前記１つ前又は１つ後のスキャンデータ（Ｂ）、前記基準位置と現フレームのスキャン位置との距離（ＬＡ）、及び、前記基準位置と１つ前又は１つ後のフレームのスキャン位置との距離（ＬＢ）に基づいて、補間により基準位置におけるデータを求めるデータ補間部と、を備え、
前記基準位置が、前記超音波探触子の中央の振動子素子のスキャン位置であり、
前記中央の振動子素子より先にスキャンされる振動子素子については、現在のフレームのスキャンデータと１つ後ろのフレームのスキャンデータとを用いて補間を行い、前記中央の振動子素子より後にスキャンされる振動子素子については、現在のフレームのスキャンデータと１つ前のフレームのスキャンデータとを用いて補間を行うことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１に記載の超音波診断装置において、
前記超音波探触子は、短軸方向にも前記振動子素子が複数配列されていることを特徴とする超音波診断装置。
長軸方向に振動子素子が複数配列された超音波探触子を、長軸方向に対し垂直方向に機械的に移動しながら、複数枚分のフレームデータを取得し、該フレームデータから断層像又は３Ｄ像を作成する超音波診断装置の画像処理方法において、
超音波探触子の機械的な移動に伴うフレームデータの受信位置を補正するステップを含み、
前記フレームデータの受信位置を補正するステップが、
振動子素子それぞれについて、現フレームのスキャンデータ（Ａ）及び１つ前又は１つ後のフレームのスキャンデータ（Ｂ）を取得するステップと、
振動子素子それぞれについて、前記超音波探触子の移動方向に垂直な基準位置と現フレームのスキャン位置との距離（ＬＡ）、及び、前記基準位置と１つ前又は１つ後のフレームのスキャン位置との距離（ＬＢ）を求めるステップと、
振動子素子それぞれについて、前記現フレームのスキャンデータ（Ａ）、前記１つ前又は１つ後のスキャンデータ（Ｂ）、前記基準位置と現フレームのスキャン位置との距離（ＬＡ）、及び、前記基準位置と１つ前又は１つ後のフレームのスキャン位置との距離（ＬＢ）に基づいて、補間により基準位置におけるデータを求めるステップと、を備え、
前記基準位置が、前記超音波探触子の中央の振動子素子のスキャン位置であり、
前記中央の振動子素子より先にスキャンされる振動子素子については、現在のフレームのスキャンデータと１つ後ろのフレームのスキャンデータとを用いて補間を行い、前記中央の振動子素子より後にスキャンされる振動子素子については、現在のフレームのスキャンデータと１つ前のフレームのスキャンデータとを用いて補間を行うことを特徴とする超音波診断装置の画像処理方法。
請求項３に記載の超音波診断装置の画像処理方法において、
前記超音波探触子は、短軸方向にも前記振動子素子が複数配列されていることを特徴とする超音波診断装置の画像処理方法。