JP5670253B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に対象組織の表面を映し出した表示画像を形成する技術に関する。

対象組織を含む三次元空間に対して超音波を送受することにより得られるボリュームデータに基づいて、対象組織を立体的に映し出した三次元の超音波画像を形成する技術が知られている。例えば、特許文献１には、ボリュームレンダリング法によって三次元の超音波画像を形成する技術が示されている。ボリュームレンダリング法によれば対象組織等をその表面から内部に亘って透過するように映し出した表示画像を形成することができる。

これに対し、ボリュームデータ内において対象組織等の表面を抽出してその表面のみを立体的に映し出すサーフェスレンダリング法も知られている。サーフェスレンダリング法によれば、例えば胎児の顔などを映し出すことができる。

ところが、母体内においては胎児の近傍に胎盤なども存在しており、サーフェスレンダリング法において組織の表面を抽出すると、胎児の表面と共に胎盤の表面も抽出されてしまう。そのため、例えば、胎盤側から胎児側に向かって画像処理のための視線（レイ）が設定されると、胎児の手前に胎盤の表面が形成されてしまい、観察対象である胎児の顔などが胎盤に隠れてしまう場合がある。

なお、観察対象のみを表示するために、例えば胎盤を避けつつ胎児などに関心領域（ＲＯＩ）を設定する技術や、胎盤を含まないように視線（レイ）上における画像処理の開始点を設定する技術なども考えられる。しかし、関心領域や開始点の設定を装置が行うのであれば、これらの設定を的確に行う複雑な処理が必要になり、一方、これらの設定をユーザに任せるのであれば、ユーザに多大な操作の負担を強いることになってしまう。

特開２００８−２５９６９７号公報

上述した状況において、本願の発明者は、胎児などの対象組織の表面を映し出す技術について研究開発を重ねてきた。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、対象組織の表面を比較的簡易な処理で且つ比較的明瞭に映し出す画像処理を実現することにある。

上記目的にかなう好適な超音波診断装置は、対象組織を含む三次元空間に対して超音波を送受するプローブと、プローブを制御することにより前記三次元空間から受信信号を得る送受信部と、受信信号に基づいて形成される前記三次元空間のボリュームデータ内において、組織の境界に対応した複数の微小面を設定する境界設定部と、ボリュームデータ内における各微小面の向きに基づいて、前記対象組織の表面を映し出すにあたり妨げとなる非表示境界の微小面を判定する境界判定部と、ボリュームデータ内における前記非表示境界の微小面を除いた複数の微小面に基づいて前記対象組織の表面を映し出した表示画像の画像データを形成する表示画像形成部と、を有することを特徴とする。

上記構成において、ボリュームデータは、例えば三次元座標系に配置された複数のエコーデータ（ボクセルデータ）で構成され、これら複数のエコーデータに対して例えば二値化処理などが施され、ボリュームデータ内において組織の境界が抽出される。もちろん、境界を抽出するための処理は二値化処理のみに限定されず、他の公知の処理を利用して境界が抽出されてもよい。

境界設定部は、組織の境界に対応した複数の微小面を設定する。各微小面の大きさ（面積）は、境界全体との比較において微小であればよい。例えば、各微小面が互いに隣接する数個のボクセルデータを含むように設定される。さらに具体的には、ボリュームデータ内において互いに隣接する三個のボクセルデータを頂点とする三角形状のポリゴンなどが各微小面として好適である。複数の微小面は、例えば境界の全体を埋め尽くすように設定される。

境界判定部は、各微小面の向きに基づいて、その微小面が非表示境界に属するものか否か、つまり表示の対象とすべきか否かを判定する。例えば、対象組織の表面に属する各微小面の向きに対して、反対方向に大きく異なる向きの微小面を非表示境界であると判定する。もちろん、非表示境界の微小面か否かの判定基準が適宜に変更されてもよいし、その判定基準をユーザが調整できる構成としてもよい。

こうして、関心領域の設定などの複雑な処理に比べて簡易な処理でありながら、複数の微小面の全てを表示させてしまう場合に比べて対象組織の表面が明瞭に映し出される。

望ましい具体例において、前記境界判定部は、基準となる向きと各微小面の向きとを比較することにより前記非表示境界の微小面を判定する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記ボリュームデータに対して前記基準となる向きを定める基準ベクトルが設定され、前記境界設定部において設定された複数の微小面の各々に対してその向きを定める法線ベクトルが設定され、前記境界判定部は、各微小面の法線ベクトルと基準ベクトルとの間の角度に基づいて前記非表示境界の微小面を判定する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記ボリュームデータ内で胎盤と羊水と対象組織である胎児を通る直線に沿って前記基準ベクトルが設定され、胎盤と羊水の境界および羊水と胎児の境界に対応した複数の微小面の各々に対して、羊水を基準とした向きの法線ベクトルが設定され、前記境界判定部は、各微小面の法線ベクトルと基準ベクトルとの内積値に基づいて、前記非表示境界である胎盤と羊水の境界に対応した微小面を判定する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記ボリュームデータ内で胎盤側から羊水を経由する胎児側の向きに前記基準ベクトルが設定され、胎盤と羊水の境界および羊水と胎児の境界に対応した複数の微小面の各々に対して、羊水側の向きに法線ベクトルが設定され、前記境界判定部は、法線ベクトルと基準ベクトルとの内積値が閾値を超える各微小面を胎盤と羊水の境界に対応した微小面と判定する、ことを特徴とする。

本発明により、対象組織の表面を比較的簡易な処理で且つ比較的明瞭に映し出す画像処理が実現される。

本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。 二値化処理部における二値化処理を説明するための図である。 境界設定部により設定されるポリゴンを説明するための図である。 境界設定部により設定される法線ベクトルを説明するための図である。 境界判定部による境界の判定を説明するための図である。

図１は、本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。プローブ１０は、対象組織を含む領域に対して超音波を送受波する超音波プローブである。プローブ１０は、超音波を送受する複数の振動素子を備えており、複数の振動素子が送受信部１２によって送信制御されて送信ビームが形成される。また、複数の振動素子が対象組織を含む領域内から得られる超音波を受波し、これにより得られた信号が送受信部１２へ出力され、送受信部１２が受信ビームを形成して受信ビームに沿ってエコーデータが収集される。

プローブ１０は、超音波ビーム（送信ビームと受信ビーム）を三次元空間内において走査して立体的にエコーデータを収集する三次元プローブが好適である。例えば、一次元的に配列された複数の振動素子（１Ｄアレイ振動子）によって電子的に形成される走査面を機械的に動かすことにより超音波ビームが立体的に走査される。また、二次元的に配列された複数の振動素子（２Ｄアレイ振動子）を電子的に制御して超音波ビームを立体的に走査してもよい。

三次元空間内において超音波ビームが走査されてエコーデータが収集されると、その三次元空間に対応した三次元データ空間を構成する複数のボクセルについてのエコーデータ（ボクセルデータ）が図示しないメモリなどに記憶される。複数のボクセルデータで構成された三次元データ空間はボリュームデータと呼ばれる。そして、そのボリュームデータに対して、二値化処理部２０以降の各部において各種の処理が実行される。

本発明における好適な対象組織は胎児であり、本実施形態ではサーフェスレンダリングを利用して胎児の顔を映し出した表示画像が形成される。そこで、表示画像が形成されるまでの各種の処理について説明する。なお、図１に示した部分（構成）については、以下の説明において図１の符号を利用する。

図２は、二値化処理部２０における二値化処理を説明するための図である。二値化処理部２０は、ボリュームデータを構成する複数のボクセルデータを閾値により二値化する。母体内においては羊水内に胎児が存在し、さらに胎児の近傍に胎盤なども存在している。そして、胎児や胎盤からは比較的大きなエコー値（ボクセル値）が得られ、羊水から得られるエコー値（ボクセル値）は比較的小さい。そこで、二値化処理部２０は、胎児や胎盤のボクセル値と羊水のボクセル値との間に適宜に設定された閾値により、複数のボクセルデータを二値化処理する。

図２（Ａ）は、二値化処理により得られる画像例を示している。二値化処理は、三次元的なボリュームデータの全域に亘って実行されるため、それにより得られる二値化画像（二値化データ）も三次元的である。図２（Ａ）は、三次元的に得られた二値化画像内のある断面を示している。

二値化処理の結果、ボリュームデータ内は、閾値以上のボクセル値が得られる胎児や胎盤に対応した領域Ｔ１〜Ｔ３と、閾値よりも小さなボクセル値が得られる羊水に対応した領域Ｆに弁別される。そして、弁別後において、閾値以上のボクセルに対して例えばボクセル値「１」が対応付けられ、閾値よりも小さいボクセルに対して例えばボクセル値「０」が対応付けられる。

こうして、二値化処理により羊水とその他の組織とが弁別され、これらの間の境界も特定できる。そこで、この二値化処理されたボリュームデータに対して、視線ベクトルＶの方向からサーフェスレンダリングを行うと、図２（Ｂ）のような表示画像が得られる。

図２（Ｂ）は、二値化処理後のボリュームデータから得られる従来の表示画像を示している。例えば、図２（Ａ）に示す視線ベクトルＶの方向から複数の視線（レイ）を設定してサーフェスレンダリングを行うと、診断の対象である胎児に係るボクセルデータの領域Ｔ３の手前に、胎盤に係るボクセルデータの領域Ｔ１が存在するため、図２（Ｂ）に示すように、胎児の表面Ｔ３が胎盤の表面Ｔ１に隠されてしまう。なお、表面Ｔ２は例えば胎児の手である。

このように、二値化処理後のボリュームデータに対して、単純にサーフェスレンダリングを行うと、診断対象である胎児の顔などが胎盤に隠れてしまう場合がある。そこで、本実施形態においては、二値化処理後のボリュームデータに対して、以下に説明する各種の処理が実行される。

図１の境界設定部３０は、二値化処理後のボリュームデータ内において、組織の境界に対応した複数の微小面を設定する。その微小面の具体例は三角形のポリゴンである。

図３は、境界設定部３０により設定されるポリゴンを説明するための図である。図３に破線で示される立方体は、組織の境界とみなされるボクセルデータの配置例である。各立方体の頂点には、８つのボクセルデータが配置されており、各ボクセルデータは、羊水に対応したデータＦ、または、胎児や胎盤に対応したデータＴに二値化されている。

そして、サンプル１とサンプル２の各配置例において、３つのデータＴを頂点とする三角形のポリゴンＰが規定されている。なお、図３にはサンプル１とサンプル２のみを図示しているが、境界とみなせる全パターンを網羅するように、例えば２８個程度のサンプルが規定されている。

境界設定部３０は、二値化処理後のボリュームデータ内において、８個のボクセルデータの配置状態を確認し、境界のサンプルと同じ配置状態を確認した場合に、そのサンプルで規定されるポリゴンＰを設定する。これにより、羊水に対応したデータＦの領域と胎児や胎盤に対応したデータＴの領域の境界全体に亘って、微小な三角形状のポリゴンＰが設定される。

境界設定部３０は、さらに、各ポリゴンＰに対して、そのポリゴンＰの向きを示す法線ベクトルを設定する。法線ベクトルは、胎児や胎盤側から羊水側へ向かうように設定される。もちろん、予め図３に示す各サンプルにポリゴンＰに対応した法線ベクトルが規定されていてもよい。

図４は、境界設定部３０により設定される法線ベクトルを説明するための図である。図４は、図２（Ａ）の二値化画像に対して法線ベクトルＮが設定された例を示している。図４に示すように、胎児や胎盤に対応した領域Ｔ１〜Ｔ３と羊水に対応した領域Ｆとの境界に、複数のポリゴンが設定されて複数の法線ベクトルＮが設定される。各法線ベクトルＮは対応するポリゴンの向きを示しており、胎児や胎盤側から羊水側へ向かうように設定される。複数の法線ベクトルＮの大きさは一定とされ、例えば、大きさが１である単位ベクトルであることが望ましい。そして、本実施形態においては、境界判定部５０により、各ポリゴンの向きを示す法線ベクトルＮに基づいて、胎児の表面を映し出すのにあたり妨げとなる非表示境界が判定される。

図５は、境界判定部５０による境界の判定を説明するための図である。境界判定部５０は、各ポリゴンの向きを示す法線ベクトルＮに基づいて非表示境界を判定するが、その判定においては、ボリュームデータに対して設定される基準ベクトルＶが参照される。基準ベクトルＶは、例えば、ボリュームデータ内で胎盤と羊水と対象組織である胎児を通る直線に沿って設定されることが望ましく、その場合において、基準ベクトルＶは、胎盤側から胎児側の向きに設定され、また、大きさが１の単位ベクトルであることが望ましい。

なお、基準ベクトルＶは、サーフェスレンダリングにおける視線（レイ）に沿って設けられてもよい。視線（レイ）は、ユーザ操作に応じて視点設定部４０により設定される視点から対象組織である胎児に向けて設定される。サーフェスレンダリングにおいては、複数のレイが設定されて各レイごとにレンダリング演算が行われる。視点を起点とする１本のレイに対して平行に複数のレイが設定されてもよいし、１つの視点から複数のレイが伸長されてもよい。

境界判定部５０は、胎盤側から胎児側の向きに設定される基準ベクトルＶと、各ポリゴンの向きを示す法線ベクトルＮを比較し、これらのベクトルの間の角度に基づいて、基準ベクトルＶと同じ側を向いていると判断される法線ベクトルＮを特定し、その法線ベクトルＮに対応したポリゴンを非表示境界と判定する。境界判定部５０は、例えば、基準ベクトルＶと各法線ベクトルＮの内積を算出しその内積値が閾値Ｖｔｈよりも大きい場合に、その法線ベクトルＮに対応したポリゴンを非表示境界と判定する。なお、閾値Ｖｔｈは、固定値であってもよいし、例えばユーザが調整できる値であってもよい。

図５（Ａ）には、境界判定部５０による判定結果が示されている、つまり、図５（Ａ）に示される複数の法線ベクトルＮのうち、破線の矢印で示される法線ベクトルＮが、非表示境界のポリゴンに対応している。図５（Ａ）の例においては、胎盤に対応した領域Ｔ１の表面の全域が非表示境界とされ、胎児の手に対応した領域Ｔ２の一部が非表示境界とされている。その一方において、胎児の顔に対応した領域Ｔ３の表面は、非表示境界とされていない。

こうして、境界判定部５０において非表示境界が判定されると、表示画像形成部６０はボリュームデータ内における非表示境界のポリゴンを除いた複数のポリゴンに基づいて、対象組織の表面を映し出した表示画像の画像データを形成する。つまり、複数の視線（レイ）の各々に沿ってサーフェスレンダリングの処理が実行される。なお、複数のレイは、基準ベクトルＶと平行に設定されてもよいし、基準ベクトルＶとは無関係に設定された視点に応じて設定されてもよい。

図５（Ｂ）は、表示画像形成部６０で形成されて表示部７０に表示される表示画像例を示している。境界判定部５０において判定された非表示境界のポリゴン、つまり胎盤の表面に対応したポリゴンを除いているため、胎盤側から胎児を観察した場合においても、胎児の顔に対応した表面Ｔ３が明瞭に映し出されており、胎児の手に対応した表面Ｔ２も映し出されている。

なお、図５（Ａ）に示すように、胎児の手に対応した領域Ｔ２の表面の一部が非表示境界とされている。そこで、非表示境界の判定を行う深さ（ボリュームデータの胎盤側の端部からの距離）を調整し、領域Ｔ２の表面が全域に亘って表示されるようにしてもよい。

また、図４においては、各法線ベクトルＮが胎児や胎盤側から羊水側へ向かうように設定されているが、その逆に、各法線ベクトルＮが羊水側から胎児や胎盤側へ向かうように設定されてもよい。その場合においては、図５（Ａ）に示す基準ベクトルＶに対して反対側を向いていると判断される法線ベクトルＮを特定し、その法線ベクトルＮに対応したポリゴンを非表示境界と判定すればよい。その判定においても、基準ベクトルＶと各法線ベクトルＮとの間の角度や、基準ベクトルＶと各法線ベクトルＮの内積値を利用できることはいうまでもない。

さらに、基準ベクトルＶが胎児側から胎盤側に向けて設定されてもよい。その場合においても、各法線ベクトルＮの設定状態（胎児や胎盤側から羊水側へ向かうか、または、羊水側から胎児や胎盤側へ向かうか）に応じて、非表示境界を判定する基準が適宜に変更される。

また、図５（Ａ）に示す例においては、胎盤に対応した領域Ｔ１の表面の全域が非表示境界とされているが、胎盤の形状等によりその表面の一部が非表示境界とされない場合も考えられる。そこで、互いに隣接する複数のポリゴンで構成される１つの境界について、例えば非表示境界とされたポリゴン数の割合が基準値よりも大きい場合に、その境界全体を非表示境界としてもよい。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

１０ プローブ、３０ 境界設定部、５０ 境界判定部、６０ 表示画像形成部。

Claims (5)

1. 対象組織を含む三次元空間に対して超音波を送受するプローブと、
   プローブを制御することにより前記三次元空間から受信信号を得る送受信部と、
   受信信号に基づいて形成される前記三次元空間のボリュームデータ内において、組織の境界に対応した複数の微小面を設定する境界設定部と、
   ボリュームデータ内における各微小面の向きに基づいて、前記対象組織の表面を映し出すにあたり妨げとなる非表示境界の微小面を判定する境界判定部と、
   ボリュームデータ内における前記非表示境界の微小面を除いた複数の微小面に基づいて前記対象組織の表面を映し出した表示画像の画像データを形成する表示画像形成部と、
   を有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記境界判定部は、基準となる向きと各微小面の向きとを比較することにより前記非表示境界の微小面を判定する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項２に記載の超音波診断装置において、
   前記ボリュームデータに対して前記基準となる向きを定める基準ベクトルが設定され、
   前記境界設定部において設定された複数の微小面の各々に対してその向きを定める法線ベクトルが設定され、
   前記境界判定部は、各微小面の法線ベクトルと基準ベクトルとの間の角度に基づいて前記非表示境界の微小面を判定する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項３に記載の超音波診断装置において、
   前記ボリュームデータ内で胎盤と羊水と対象組織である胎児を通る直線に沿って前記基準ベクトルが設定され、
   胎盤と羊水の境界および羊水と胎児の境界に対応した複数の微小面の各々に対して、羊水を基準とした向きの法線ベクトルが設定され、
   前記境界判定部は、各微小面の法線ベクトルと基準ベクトルとの内積値に基づいて、前記非表示境界である胎盤と羊水の境界に対応した微小面を判定する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項４に記載の超音波診断装置において、
   前記ボリュームデータ内で胎盤側から羊水を経由する胎児側の向きに前記基準ベクトルが設定され、
   胎盤と羊水の境界および羊水と胎児の境界に対応した複数の微小面の各々に対して、羊水側の向きに法線ベクトルが設定され、
   前記境界判定部は、法線ベクトルと基準ベクトルとの内積値が閾値を超える各微小面を胎盤と羊水の境界に対応した微小面と判定する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。

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