JP5592164B2 - 動きベクトルを提供する超音波システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波システムに関し、特に動いている関心物体の速度および方向を含む動きベクトルを提供する超音波システムおよび方法に関する。

超音波システムは、無侵襲およ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、対象体を直接切開して観察する外科手術の必要がなく、対象体の内部組織を高解像度の映像で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（エコー信号）を２次元映像で示すＢモード（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｍｏｄｅ）、ドップラ効果（ｄｏｐｐｌｅｒ ｅｆｆｅｃｔ）を用いて動いている対象体（特に、血流）の映像を示すドップラモード（ｄｏｐｐｌｅｒ ｍｏｄｅ）、対象体に圧力を加えた時と加えない時の反応差を映像で示す弾性モード（ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｅ）などを提供してくれる。

一方、ドップラモードは、超音波プローブからパルス繰り返し周波数（ｐｕｌｓｅ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ， ＰＲＦ）で送信された超音波信号の周波数（以下、送信周波数という）と、動いている対象体から反射されて、再び超音波プローブにより受信された受信信号の周波数（以下、受信周波数という）との差の周波数、即ちドップラ周波数を用いる。

ドップラ周波数は、超音波信号を送受信する超音波ビーム方向と動いている反射体（即ち、血流）の動き方向とのなす角度（以下、ドップラ角度という）によって異なる。例えば、反射体が１ｍ／ｓの速度で動いており、送信周波数が５ＭＨｚであれば、ドップラ角度０°においてドップラ周波数は６．５ＫＨｚになり、ドップラ角度９０°においてドップラ周波数は０になる。したがって、ドップラ角度が９０°の場合には、血流の速度を測定することができないだけでなく、コンベックスプローブ（ｃｏｎｖｅｘ ｐｒｏｂｅ）の場合、同じ方向に流れている血流であるにも関わらず、超音波ビームの角度によって反対方向に流れる血流で表示されることもある。

このような問題を解決するために、２つの超音波ビームを用いたり、スペックル情報を用いて、ドップラ角度が９０°であっても血流速度情報を検出する方法が提案されている。しかし、このような方法は、性能が安定的ではなく、またフレームレートが低いため、リアルタイムでディスプレイ部に映像を表示することは難しくて実用的ではないという問題がある。

特開２００８−１５４８９１号公報 特開２０００−２０１９３０号公報 特開２００３−０５２６９４号公報

本発明は、関心物体の速度情報を含む超音波データとカラードップラモード（ｃｏｌｏｒ ｄｏｐｐｌｅｒ ｍｏｄｅ）映像を用いて、動いている関心物体（例えば、血流）の動きベクトルを提供する超音波システムおよび方法を開示する。

前記の課題を解決するために、本発明による超音波システムは、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、超音波データを取得する超音波データ取得部と、前記超音波データを用いて、前記対象体のＢモード（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｍｏｄｅ）映像と、前記対象体のカラードップラモード映像とを形成する映像形成部と、前記Ｂモード映像に前記対象体内で動いている関心物体を含む関心領域を設定する関心領域設定部と、前記超音波データおよび前記カラードップラモード映像を用いて前記関心物体の動きベクトルを形成し、前記動きベクトルを前記カラードップラモード映像に設定するプロセッサとを備え、前記超音波データは、前記関心領域に対応する前記対象体の部分における前記関心物体の速度情報を含んでいる。

また、本発明による動きベクトル提供方法は、ａ）対象体のＢモード（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｍｏｄｅ）映像を形成する段階と、ｂ）前記Ｂモード映像に前記対象体内で動いている関心物体を含む関心領域を設定する段階と、ｃ）前記関心領域に対応する前記対象体の部分における前記関心物体の速度情報を含む超音波データを取得する段階と、ｄ）前記超音波データを用いて前記部分のカラードップラモード映像を形成する段階と、ｅ）前記超音波データおよび前記カラードップラモード映像を用いて前記関心物体の動きベクトルを形成する段階と、ｆ）前記動きベクトルを前記カラードップラモード映像に設定する段階とを備える。

本発明は、フレームレートを低下させることなしに関心物体（例えば、血流）の速度および方向を含む動きベクトルを提供することができ、動いている関心物体の移動方向をユーザに正確に提供することができる。

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取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変換素子、スキャンラインおよび座標系を示す概略図である。 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Ｂモード映像、ドップラモード映像、関心領域および血管を示す例示図である。 本発明の実施例における直線および交点を示す例示図である。 本発明の実施例における５×５のピクセルを含む領域を示す例示図である。 本発明の実施例における動きベクトルを示す例示図である。 図８のＡの部分の拡大図である。 図８のＢの部分の拡大図である。

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。以下、本実施例で用いられた用語“ドップラモード”は、カラードップラモード（ｃｏｌｏｒ ｄｏｐｐｌｅｒ ｍｏｄｅ）を含み、対象体は動いている関心物体（例えば、血流）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、超音波データ取得部１１０、映像形成部１２０、プロセッサ１３０、ディスプレイ部１４０および制御部１５０を備える。超音波システム１００は、コントロールパネル（ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｎｅｌ）、マウス（ｍｏｕｓｅ）、キーボード（ｋｅｙｂｏａｒｄ）などで具現され、ユーザにより動いている関心物体のドップラモード映像を得るための関心領域（即ち、カラーボックス）の設定情報を受けるユーザ入力部（図示せず）、すなわち、関心領域設定部を備える。本実施例で関心領域の設定情報は、Ｂモード（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）映像に設定される関心領域の大きさおよび位置情報を含む。

超音波データ取得部１１０は、超音波信号を対象体に送信して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、Ｂモード映像を形成する超音波データ、および、Ｂモード（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｍｏｄｅ）映像に設定された関心領域内のスキャンライン（ｓｃａｎｌｉｎｅ）に該当する超音波データを取得する。

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

送信信号形成部１１１は、変換素子の位置および集束点を考慮して変換素子に印加される送信信号を形成する。本実施例で送信信号は、Ｂモード映像およびドップラモード映像を得るための送信信号を含む。

超音波プローブ１１２は、送信信号形成部１１１から提供される送信信号を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受信信号を形成する。超音波プローブ１１２は、図３に示すように、超音波信号と電気的信号を相互に変換する複数の変換素子１１２ａを含む。複数の変換素子１１２ａから送信された一群の超音波信号は、図３に示すように、超音波ビーム（ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｂｅａｍ）を形成し、複数のスキャンライン（ｓｃａｎｌｉｎｅ）それぞれに沿って対象体に送信される。図３は、軸方向（Ｚ方向）に直角な横方向（Ｘ方向）と対象体の断面厚さ方向である高度方向（Ｙ方向）とを共に示している。

ビームフォーマ１１３は、超音波プローブ１１２から提供される受信信号をアナログデジタル変換する。ビームフォーマ１１３は、変換素子の位置および集束点を考慮して、デジタル変換された受信信号を受信集束させて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から提供される受信集束信号を用いて、複数のスキャンラインそれぞれに該当する超音波データを形成する。超音波データは、関心物体の速度情報を含んでいる。また、超音波データ形成部１１４は、Ｂモード映像およびドップラモード映像を形成するための多様な信号処理（例えば、利得（ｇａｉｎ）調節、フィルタリング処理等）を行うことができる。

再び図１を参照すると、映像形成部１２０は、超音波データ取得部１１０から提供される超音波データを用いて、図５に示すように、超音波プローブ１１２に近づく関心物体の速度と、超音波プローブ１１２から遠ざかる関心物体の速度とを異なる色で表示するドップラモード映像２２０を形成する。また、映像形成部１２０は、超音波データ取得部１１０から提供される超音波データを用いて、図５に示すように、Ｂモード映像２１０を形成する。すなわち、映像形成部１２０は、ドップラモード映像２２０を形成する映像形成部と、Ｂモード映像２１０を形成する映像形成部とを含んでいる。図５において、図面符号２１０はＢモード映像を示し、図面符号２２１は関心領域を示し、図面符号２２２は血管を示す。

プロセッサ１３０は、超音波データ取得部１１０から提供される超音波データおよび映像形成部１２０から提供されるドップラモード映像を用いて、動いている関心物体の速度および方向を含む動きベクトル（ｍｏｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒ）を計測し設定する。

図４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、境界検出部１３１、直線設定部１３２、交点設定部１３３、領域設定部１３４、傾斜算出部１３５および動きベクトル設定部１３６を備える。

境界検出部１３１は、映像形成部１２０から提供されるドップラモード映像２２０を分析して対象体の境界（即ち、血管２２２の境界）を検出する。境界は、エコー値を微分演算して、明るさ値の変化を用いて検出することもできる。本実施例で境界は、ソベル（Ｓｏｂｅｌ）、プレウィット（Ｐｒｅｗｉｔｔ）、ロバート（Ｒｏｂｅｒｔ）またはキャニー（Ｃａｎｎｙ）マスクなどのようなエッジマスク（ｅｄｇｅ ｍａｓｋ）を用いて検出することができる。また、境界は構造テンソル（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｅｎｓｏｒ）を用いた固有値の差を用いて検出することもできる。

直線設定部１３２は、境界検出部１３１で検出された対象体の境界（即ち、血管２２２の境界）に垂直な直線を設定する。一例として、直線設定部１３２は、図６に示すように、対象体の境界（即ち、血管２２２の境界）に垂直な直線３１０を設定する。

交点設定部１３３は、図６に示すように、直線設定部１３２で設定された直線３１０と対象体の境界（即ち、血管２２２の境界）とが交わる第１および第２の交点３１１、３１２を検出する。交点設定部１３３は、検出された第１および第２の交点３１１、３１２を直線３１０上に設定する。

領域設定部１３４は、交点設定部１３３で設定された第１および第２の交点３１１、３１２を中心に、予め定められた数のピクセルを含む第１の領域を設定する。一例として、領域設定部１３４は、図７に示すように、第１の交点３１１（Ｐ_３，３）を中心に５×５のピクセルを含む第１の領域を設定する。図７において、斜線で示したピクセルＰ_１，５、Ｐ_２，４、Ｐ_３，３、Ｐ_４，２、Ｐ_５，１は境界を示す。領域設定部１３４は、第２の交点３１２に対しても、前述したように第２の交点３１２を中心に５×５のピクセルを含む第１の領域を設定する。

傾斜算出部１３５は、領域設定部１３４で設定された第１の領域から第１および第２の交点３１１、３１２それぞれを基準にして境界に該当するピクセルを検出し、検出されたピクセルを用いて第１および第２の交点３１１、３１２それぞれで境界の傾斜を算出する。具体的に、第１の交点３１１での境界の傾斜は、第１の交点３１１における境界との接線と、第１の交点３１１を通るスキャンラインと直交する線とのなす角度θをいう。また、第２の交点３１２での境界の傾斜は、第２の交点３１２における境界との接線と、第２の交点３１２を通るスキャンラインと直交する線とのなす角度θ´をいう。

一例として、傾斜算出部１３５は、図７に示すように、５×５のピクセルを含む領域から第１の交点３１１を基準に境界に該当するピクセルＰ_１，５、Ｐ_２，４、Ｐ_３，３、Ｐ_４，２、Ｐ_５，１を検出する。傾斜算出部１３５は、検出されたピクセルの中で、第１の交点３１１（Ｐ_３，３）を基準に最も左側のピクセルＰ_５，１と最も右側のピクセルＰ_１，５とを用いて、図９ａに示すように、第１の交点３１１で境界の傾斜θを算出する。傾斜は、公知となっている多様な方法を用いて算出することができるので、ここではその詳細については説明しない。傾斜算出部１３５は、図９ｂに示すように第２の交点３１２に対しても前記したような手段を用いて境界の傾斜θ′を算出する。

動きベクトル設定部１３６は、超音波データ取得部１１０から提供される超音波データおよび傾斜算出部１３５で算出された傾斜を用いて関心物体の速度および方向を含む動きベクトルを形成し、形成された動きベクトルをドップラモード映像に設定する。

より詳細に、動きベクトル設定部１３６は、図８に示すように、第１の交点３１１および第２の交点３１２を基準に直線３１０上に複数の第２の領域３２１〜３２５を設定する。各第２の領域３２１〜３２５は、事前に設定された大きさ（例えば、５×５）を有し、その中心が直線３１０上に位置する。また、第２の領域３２１〜３２５は、互いに重なるように設定されても、互いに重ならないように設定されてもよい。前述した実施例では、５つの第２の領域３２１〜３２５を直線３１０上に設定するものと説明したが、これに限定されない。

動きベクトル設定部１３６は、第２の領域３２１〜３２５それぞれに対応するスキャンラインの超音波データを用いて、第２の領域３２１〜３２５それぞれに対応する複数の関心物体情報を算出する。関心物体情報は、動いている関心物体（例えば、血流）に対応する大きさ（速度）および方向を含む。一実施例で、動きベクトル設定部１３６は、第２の領域３２１〜３２５それぞれに一致するスキャンラインの超音波データを用いて、複数の関心物体情報を算出する。他の実施例で、動きベクトル設定部１３６は、第２の領域３２１〜３２５それぞれに最も近接したスキャンラインの超音波データを用いて、複数の関心物体情報を算出してもよい。

動きベクトル設定部１３６は、算出された複数の関心物体情報を用いて、第２の領域３２１〜３２５それぞれに対応する平均速度を算出する。動きベクトル設定部１３６は、算出された平均速度および傾斜算出部１３５で算出された傾斜に基づいて、第２の領域３２１〜３２５それぞれに対応する動きベクトルＶ_１〜Ｖ_５を形成し、形成された動きベクトルＶ_１〜Ｖ_５をドップラーモード映像２２０に設定する。

再び、図１を参照すれば、ディスプレイ部１４０は、ドップラーモード映像２２０および動きベクトル（Ｖ_１〜Ｖ_５）を表示する。

制御部１５０は、超音波信号の送受信を制御し、超音波データの形成を制御する。また、制御部１５０は、ドップラモード映像の形成および表示を制御し、ベクトルの形成および表示を制御する。

本発明を望ましい実施例を通じて説明し例示したが、当業者であれば添付の特許請求の範囲の事項および範疇を逸脱せずに様々な変形および変更がなされることが分かるはずである。

一例として、前述した実施例では、対象体の境界（すなわち、血管２２２の境界）に垂直な１つの直線３１０を設定し、直線３１０に複数の第２の領域を設定し、動く関心物体の動きベクトルを形成するものと説明したが、他の実施例では、対象体の境界（すなわち、血管２２２の境界）に垂直な少なくとも２つの直線を互いに異なる位置に設定し、設定された少なくとも２つの直線それぞれに複数の第２の領域を設定し、動く関心物体の動きベクトルを形成してもよい。

１１０ 超音波システム
１１０ 超音波データ取得部
１１１ 送信信号形成部
１１２ 超音波プローブ
１１２ａ 変換素子
１１３ ビームフォーマ
１１４ 超音波データ形成部
１２０ 映像形成部
１３０ プロセッサ
１３１ 境界検出部
１３２ 直線設定部
１３３ 交点設定部
１３４ 領域設定部
１３５ 傾斜算出部
１３６ 動きベクトル設定部
１４０ ディスプレイ部
１５０ 制御部
２１０ Ｂモード映像
２２０ ドップラーモード映像
２２１ 関心領域
２２２ 血管
３１０ 直線
３１１ 第１の交点
３１２ 第２の交点
３２１〜３２５ 第２の領域
Ｖ_１〜Ｖ_５ 動きベクトル

Claims (12)

1. 超音波システムであって、
   対象体のＢモード（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｍｏｄｅ）映像に前記対象体内で動いている関心物体を含む関心領域を設定する関心領域設定部と、
   前記関心領域に対応し、前記関心物体の速度情報を含む超音波データを取得する超音波データ取得部と、
   前記超音波データを用いて、前記関心領域に対応するカラードップラモード映像を形成する映像形成部と、
   前記カラードップラモード映像に対して前記関心物体が流れる血管の境界と前記境界に垂直な少なくとも１つの直線とを用いて前記境界の傾斜を算出し、前記算出された傾斜に対応する方向及び前記超音波データに対応するサイズを有する前記関心物体の動きベクトルを形成し、前記動きベクトルを前記カラードップラモード映像に設定するプロセッサと
   を備えることを特徴とする超音波システム。
2. 前記プロセッサは、
   前記カラードップラモード映像を分析して前記境界を検出する境界検出部と、
   前記境界に垂直な前記少なくとも１つの直線を設定する直線設定部と、
   前記少なくとも１つの直線と前記境界とが互いに交わる交点を検出して、前記交点を前記直線に設定する交点設定部と、
   前記交点を中心に予め定められた数のピクセルを含む第１の領域を設定する領域設定部と、
   前記第１の領域から前記境界に対応する複数のピクセルを検出し、前記検出された複数のピクセルを用いて前記交点で前記境界の前記傾斜を算出する傾斜算出部と、
   前記算出された傾斜に対応する方向及び前記超音波データに対応するサイズを有する前記動きベクトルを形成し、前記動きベクトルを前記カラ―ドップラモード映像に設定するベクトル設定部と
   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。
3. 前記カラードップラモード映像は、前記直線を基準に一方の側と、該一方の側と反対側の他方の側とを有し、
   前記傾斜算出部は、前記検出された複数のピクセルから、前記交点を基準に、前記一方の側に最も遠いピクセルと、前記他方の側に最も遠いピクセルとを用いて、前記傾斜を算出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。
4. 前記超音波データは、前記複数のスキャンラインごとに取得され、
   前記ベクトル設定部は、前記交点を基準に前記少なくとも１つの直線上に予め定められた数のピクセルを含む複数の第２の領域を設定し、前記複数の第２の領域それぞれに対応する前記複数のスキャンラインのうちの一つのスキャンラインの前記超音波データを用いて前記複数の第２の領域それぞれに対応する複数の関心物体情報を算出し、前記算出された複数の関心物体情報を用いて前記複数の第２の領域それぞれに対応する平均速度を算出し、前記平均速度および前記傾斜に基づいて前記複数の第２の領域それぞれに対応する前記動きベクトルを形成することを特徴とする請求項２または３に記載の超音波システム。
5. 前記関心物体情報は、前記関心物体に対応する速度および方向を含むことを特徴とする請求項４に記載の超音波システム。
6. 前記カラードップラモード映像および前記動きベクトルを表示するディスプレイ部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の超音波システム。
7. 動きベクトルを提供する方法であって、
   ａ）対象体のＢモード映像に前記対象体内で動いている関心物体を含む関心領域を設定する段階と、
   ｂ）前記関心領域に対応し、前記関心物体の速度情報を含む超音波データを取得する段階と、
   ｃ）前記超音波データを用いて、前記関心領域に対応するカラードップラモード映像を形成する段階と、
   ｄ）前記カラードップラモード映像に対して前記関心物体が流れる血管の境界と前記境界に垂直な少なくとも１つの直線とを用いて前記境界の傾斜を算出し、前記算出された傾斜に対応する方向及び前記超音波データに対応するサイズを有する前記関心物体の動きベクトルを形成する段階と、
   ｅ）前記動きベクトルを前記カラードップラモード映像に設定する段階と
   を備えることを特徴とする動きベクトル提供方法。
8. 前記段階ｄ）は、
   ｄ１）前記カラードップラモード映像を分析して前記境界を検出する段階と、
   ｄ２）前記境界に垂直な前記少なくとも１つの直線を設定する段階と、
   ｄ３）前記少なくとも１つの直線と前記境界とが互いに交わる交点を検出して、前記交点を前記直線に設定する段階と、
   ｄ４）前記交点を中心に予め定められた数のピクセルを含む第１の領域を設定する段階と、
   ｄ５）前記第１の領域から前記境界に該当する複数のピクセルを検出する段階と、
   ｄ６）前記検出された複数のピクセルを用いて前記交点で前記境界の傾斜を算出する段階と、
   ｄ７）前記算出された傾斜に対応する方向及び前記超音波データに対応するサイズを有する前記ベクトルを形成する段階と
   を備えることを特徴とする請求項７に記載の動きベクトル提供方法。
9. 前記カラードップラモード映像は、前記直線を基準に一方の側と、該一方の側と反対側の他方の側とを有し、
   前記段階ｄ６）は、
   前記検出された複数のピクセルから、前記交点を基準に、前記一方の側に最も遠いピクセルと、前記他方の側に最も遠いピクセルとを用いて前記傾斜を算出する段階
   を備えることを特徴とする請求項８に記載の動きベクトル提供方法。
10. 前記超音波データは、前記複数のスキャンラインごとに取得され、
    前記段階ｄ７）は、
    前記交点を基準に前記少なくとも１つの直線上に予め定められた数のピクセルを含む複数の第２の領域を設定する段階と、
    前記複数の第２の領域それぞれに対応する前記複数のスキャンラインのうちの一つのスキャンラインの前記超音波データを用いて前記複数の第２の領域それぞれに対応する複数の関心物体情報を算出する段階と、
    前記算出された複数の関心物体情報を用いて前記複数の第２の領域それぞれに対応する平均速度を算出する段階と、
    前記平均速度および前記傾斜に基づいて前記複数の第２の領域それぞれに対応する前記動きベクトルを形成する段階と
    を備えることを特徴とする請求項８または９に記載の動きベクトル提供方法。
11. 前記関心物体情報は、前記関心物体に対応する速度および方向を含むことを特徴とする請求項１０に記載の動きベクトル提供方法。
12. ｆ）前記カラードップラモード映像および前記動きベクトルを表示する段階
    をさらに備えることを特徴とする請求項７〜１１のうちいずれか一項に記載の動きベクトル提供方法。

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