JP5827831B2 - 超音波画像処理装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波画像処理装置に関し、特に、三次元超音波画像の形成技術に関する。

超音波画像処理装置は、例えば超音波診断装置又は情報処理装置として構成される。超音波画像処理装置の中には三次元超音波画像を形成する装置があり、かかる装置では、ボリュームレンダリング法、サーフェイスレンダリング法によって生体内の三次元空間から取得されたボリュームデータに基づいて三次元超音波画像が形成される。

ボリュームレンダリング法では、ボリュームデータに対して複数のレイが設定され、各レイ上において奥行き方向に沿って光の透過モデルに従った演算が順次実行される（特許文献１参照）。ボリュームレンダリング法で構築された三次元超音波画像の場合、組織の境界が不鮮明になりやすい等の問題を指摘し得る。一方、サーフェイスレンダリング法で構築された三次元超音波画像の場合、外表面だけしか画像化されず非常に硬い印象を与える画像になりがちである（なお、特許文献２にはＸ線ＣＴ装置におけるサーフェイスレンダリング法が開示されている）。また、奥行き方向に前後する２つの組織がある場合に手前側の組織に奥側の組織が隠れてしまう可能性がある。いずれの画像も生体組織の表示法として必ずしも最適なものとはなっていない。

なお、特許文献３にはポリゴンモデルの陰を表示する技術が開示されており、当該技術においては透明度の異なる複数の画像データの重畳処理がなされているようである。しかし、それは生体組織を表示するものではなくコンピュータゲーム技術に関わるものである。

特開平10-033538号公報 特開平10-031753号公報 特開2002-049932号公報

本発明の目的は、生体組織を自然に表現した三次元超音波画像を形成することにある。あるいは、本発明の目的は、生体組織から得られた超音波データの特質に適合した三次元超音波画像形成技術を提供することにある。

本発明は、生体内三次元空間から取得されたボリュームデータに基づいて三次元超音波画像を形成する超音波画像処理装置において、前記ボリュームデータに基づいて、生体組織における表層部分の三次元形状を表すデータセットとして多重化された複数の三次元形状データを生成する生成手段と、前記複数の三次元形状データに対して複数の重みを設定する設定手段と、前記複数の三次元形状データに対して前記複数の重みを利用した投影処理を適用することにより前記生体組織の三次元超音波画像を形成する形成手段と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、ボリュームデータの全体又は一部（例えば関心領域内）に対して画像化のための処理が適用される。具体的には、ボリュームデータから多重化された複数の三次元形状（表面形状データ）データが生成される。各三次元形状データは多数の三角形の集合としてのポリゴンデータであってもよいし、それ以外の表面抽出データであってもよい。複数の三次元形状データは、生体組織の表層部分を複数レイヤあるいは複数階層として表現したものであり、例えばタマネギ内部の多重構造に類似するものである。もっとも、レイヤ間隔又は階層間隔は望ましくは一律ではなく適応的に設定される。このような設定によれば生体組織をより自然に表現することが可能となる。奥行き方向あるいは表面からの深さ方向において、輝度変化がなだらかな部分と急峻な部分とで表面形状データ間の間隔が異なるように構成されるのが望ましい。多重化された複数の三次元形状データが生成されるならば、それに対するレンダリングあるいは投影に際してはボリュームレンダリング、サーフェイスレンダリング、積算投影法、等の各種の手法を利用可能である。望ましくは、サーフェイスレンダリング法が適用される。最大値法や最小値法等の１つの点の輝度データだけが画像化される手法ではなく、視線上の複数の点の輝度データが画素値に反映される手法が用いられるのが望ましい。重みは例えば透明度であるが、輝度に対する他の重みであってもよい。元になるボリュームデータはドプラ情報であってもよい。

望ましくは、前記生成手段は、前記ボリュームデータに対して複数の閾値を利用した表面抽出処理を適用することにより前記複数の三次元形状データを生成する。超音波データの性質上一般に、組織表層部分のもっとも外側から内側にかけて次第に輝度が高くなるから複数の閾値を段階的に設定しておけば、組織表層部分の外側から内側にかけての複数のポイントを抽出することが可能となる。その場合に、輝度勾配が緩やかならばポイント間隔が広がることになり、逆に輝度勾配が急峻ならばポイント間隔が狭まることになる。つまり、組織表層部分の局所的な輝度勾配が反映された三次元画像を形成可能である。

望ましくは、前記形成手段は、前記複数の表面形状データを生成する際に利用した複数の閾値に対応した複数の重みを前記複数の表面形状データに与えてレンダリング処理を実行する。閾値と重みとの対応を表す関数のカーブを変更すれば画質あるいは画像化範囲を変更することができる。望ましくは、前記重み決定手段は、前記閾値が小さいほど前記重みとしての透明度の値を大きくする。但し、他の変化を利用するようにしてもよい。特定の深さだけを強調表示するようなことも容易に実現できる。

望ましくは、前記生体組織の三次元超音波画像においては前記生体組織の内で柔らかい部分の方が硬い部分に比べて深さ方向の画像化範囲がより大きくなる。望ましくは、前記各表面形状データはポリゴンデータである。

本発明によれば、生体組織を自然に三次元超音波画像として表現できる。あるいは、生体組織から得られた超音波データの特質に適合した三次元超音波画像形成技術を提供できる。

本発明に係る超音波画像処理の好適な実施形態を示すブロック図である。 図１に示す装置の動作例を示すフローチャートである。 組織表層部分のエコー強度変化とそれに対する複数の閾値とを示す図である。 閾値と透明度との関係を示す図である。 複数の三次元形状データに対するレンダリング処理を説明するための図である。 硬い部分と柔らかい部分に応じたレンダリング処理を説明するための図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る超音波画像処理装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示すブロック図である。本実施形態に係る超音波画像装置は超音波診断装置として構成されており、その装置は生体内における三次元領域から取得されたボリュームデータに基づいて生体組織の三次元画像を形成するものである。この装置は医療分野において用いられる。ちなみに、超音波画像処理装置がコンピュータなどの情報処理機器として構成されてもよい。

３Ｄプローブ１０は生体に当接して用いられ、生体内において超音波ビームを二次元走査するものである。３Ｄプローブ１０は本実施形態において複数の振動素子を二次元的に配列してなる２Ｄアレイ振動子を備えている。図１において、ｒ方向が深さ方向であり、θ方向が第１のビーム走査方向であり、φ方向が第２のビーム走査方向である。通常θ方向に超音波ビームが走査されてビーム走査面が構成され、そのビーム走査面がφ方向に電子的に走査される。もちろん、３Ｄプローブ１０として、１Ｄアレイ振動子を備えた振動子ユニットを機械的に走査するものを用いるようにしてもよい。図１において符号１２は３次元エコーデータすなわちボリュームデータを表している。

送受信部１４は送信ビームフォーマー及び受信ビームフォーマーとして機能する。送信時において、送受信部１４は３Ｄプローブ１０に対して複数の送信信号を供給する。これにより送信ビームが形成される。受信時において、生体内からの反射波が３Ｄプローブ１０にて受波され、これにより複数の受信信号が生成され、それらが送受信部１４へ送られる。送受信部１４においては複数の受信信号に対して整相加算処理を実行し、これによって超音波ビームに対応するビームデータを生成する。そのビームデータに対しては必要に応じていくつかの信号処理が適用される。

３Ｄメモリ１６は、生体内の三次元空間に対応した三次元の記憶空間を備えており、送受信部１４から出力されるビームデータすなわちエコーデータ列が記憶空間内にマッピングされる。これにより３Ｄメモリ１６内にボリュームデータが構築されることになる。ちなみに、各エコーデータの書込み時においてあるいは読み出し時において座標変換が適用される。

三次元画像処理部１８は、ボリュームデータに基づいて生体組織の三次元超音波画像を形成するモジュールであり、それはソフトウェアの機能として実現される。本実施形態においては、ボリュームデータに基づいて生体組織を表す複数の三次元形状データが生成されており、それらに基づいて三次元画像が形成されている。その際においては透明度関数が用いられ、その透明度関数はメモリ２０上に格納されている。三次元画像処理については後に詳述する。

表示部２２には三次元画像が表示される。図１においては、断層画像形成部等の他のモジュールについては図示省略されている。制御部２４は図１に示される各構成の動作制御を行っており、制御部２４はＣＰＵ及び動作プログラムにより構成されている。入力部２６はキーボードやトラックボールなどによって構成される操作パネルであり、入力部２６を利用してユーザーは制御部２４に対して設定値を与えたり動作モードを変更したりすることが可能である。

図２を用いて図１に示した三次元画像処理部１８の具体的な処理内容を説明する。

Ｓ１０においては、ボリュームデータが入力される。望ましくは、そのような入力に先立ってボリュームデータに対して三次元の関心領域（ＲＯＩ）が設定される。例えば、特定の組織を取り囲むようにそのような関心領域が設定される。関心領域内のボリュームデータ部分が三次元画像化の対象となる。その場合において例えば胎児全体が画像化されてもよいし、例えば子宮内の胎盤だけが画像化されてもよい。胎児は羊水中に存在しており、羊水と胎児表層との間において十分な輝度変化が生じるため、画像化対象として胎児は好適なものである。三次元関心領域の設定にあたっては、二次元断層画像を表示するようにしてもよい。

Ｓ１２においては、入力されたボリュームデータに対してノイズ除去のための処理が適用される。この処理においては例えば高輝度ノイズやアーチファクト等が除去される。ローパスフィルタなどのようなフィルタが利用されてもよい。Ｓ１４においては、閾値αに最小値が設定される。すなわち後に説明するように、閾値αとして段階的に複数の値が設定されており、そのような複数の値の中で最小値が設定されることになる。もちろん、この段階において最大値が設定され、そこから段階的に閾値が引き下げられるように構成してもよい。

Ｓ１６においては現時点で設定されている閾値αが最大値未満であるか否かが判断され、その条件を満たすならばＳ１８以降の工程が実行され、その条件が満たされなければ、すなわち閾値が最大値に到達した場合には後に説明するＳ２６以降の工程が実行される。

Ｓ１８においては二値化処理が実行され、これによって閾値を利用した表面抽出処理が実行される。すなわち閾値よりも小さな値が０とされ、閾値よりも大きな値が１とされることになる。

この処理を図３を用いて説明する。図３において横軸は距離を表しており、左側から右側にかけて表層部分におけるもっとも外側から内側を表している。縦軸はエコー強度を表している。エコー強度の変化３０に着目すると、表層部分の外側から内側にかけて立ち上がっている。このような分布に対して閾値αが適用され、その閾値αは後に説明するように段階的に上方へ引き上げられる。その結果、立ち上がり部分における複数の点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆが段階的に検出されることになる。もちろん、その検出個数はユーザーにおいて選択可能である。またその刻みもユーザーにおいて調整可能である。図３において符号３２が閾値レベルを表している。生体組織の表層部分における各位置においてこのような処理がなされるならば、生体組織の外形を模擬したような多重化された複数の三次元形状データが生成されることになる。個々の三次元形状データは表面抽出データを構成するものである。

図２において、Ｓ２０では、以上のように抽出された各三次元形状データがポリゴンデータとして生成されている。すなわち三角形の図形の集合体としてのデータに変換される。これにより各形状データはデータ認識上明瞭なものとなる。ちなみに、このようなポリゴンデータを経由せずに元の三次元形状データを利用するようにしてもよい。

Ｓ２２においては、閾値αに基づいて現在生成されている三次元形状データに対して透明度βが設定される。図４には、閾値αと透明度βとの関係が示されており、本実施形態においては閾値αが大きくなればなるほど透明度βが小さくなるような関数が設定されている。すなわち生体組織の表層部分に着目してみた場合、最も外側のレイヤから最も内側のレイヤにかけて透明度βが段々小さくなるように設定されている。

図２に戻って、Ｓ２４においては閾値αが＋Δαだけ高められ、新しく設定された閾値αを利用してＳ１８以降の各工程が繰り返し実行される。その結果として複数の三次元形状データが生成されることになる。それらは三次元形状データセットを構成し、それは三次元空間内においてタマネギの内部構造のような複合体をなす。ただし、各データ間におけるピッチは一律ではなく、組織の硬い部分においてはかなり密にレイヤあるいは階層が密集し、その一方、組織における柔らかい部分においてはレイヤあるいは階層の間隔が広がったものとなる。Ｓ１６において閾値αが最大値に到達したと判断された場合、Ｓ２６が実行される。

Ｓ２６においては視点が設定され、Ｓ２８において上記のように生成された複数の三次元形状データすなわち多重図形に対してレンダリング処理が実行される。これについて図５を用いて説明する。符号３２，３４，３６はそれぞれ三次元形状データを表している。例えば、三次元形状データ３２は閾値α＝１０をもって生成されたデータであり、それに対しては透明度βとして８０が設定されている。三次元形状データ３４は例えば閾値α＝２０をもって生成され、それに対しては透明度βとして６０が設定されている。三次元形状データ３６は閾値α＝３０をもって生成されており、それに対しては透明度βとして４０が設定されている。それぞれの三次元形状データ３２，３４，３６は上述したようにポリゴンデータとして構成されている。このような多重的な形状に対して通常、それらの外部に視点Ｏが設定され、そこから複数の視点３８が設定される。視点３８はスクリーン４０に向かって設定され、個々の視点３８が画素Ｐ（ｘ，ｙ）に対応する。各視点毎に視線上の複数の値を利用して画素値が決定され、その画素値がスクリーン４０上にマッピングされる。この場合において、レンダリング方法あるいは投影方法としてはサーフェイスレンダリング法が適用される。但し、ボリュームレンダリング法や単なる積算投影法等を利用するようにしてもよい。いずれにしても、組織の表層部分がある一定範囲内に亘って画像化されることになるから、生体組織をより自然な形で画像化することが可能となる。

例えば、図６に示されるように、複数の三次元形状データ４２〜４８が存在し、そこには柔らかい部分５０と硬い部分５２とが存在している場合、硬い部分５２についてはより奥行き方向に広い範囲に亘って画像化が行われることになるから、それはある意味においてぼやけて表示され、その一方、硬い部分５２については複数の三次元形状データがかなり近接した関係になり、その部分については奥行き方向に狭い範囲が画像化されることになる。したがってその部分は明瞭に表示される。このように組織の表層部分の状態に応じてぼやけて表示されたり明瞭にはっきり表示されたりすることになる。

図２においてはＳ２８では上述したようなレンダリングが実行され、これにより生成された三次元画像が表示部に表示されることになる。Ｓ３０において、ユーザーが視点の変更を求めた場合、Ｓ２６からの工程が新しい視点を用いて繰り返し実行されることになる。そしてＳ３２において当処理の終了が判断される。

以上説明した画像処理法によれば、生体組織をより自然な形で表現することが可能である。特に、生体組織の表面をある一定の厚みをもって表現することができるという利点が得られる。その場合において表現される厚みは各部位における輝度変化すなわちエコー強度の変化に依存しているから、硬い部分はより硬いように柔らかい部分はより柔らかいように表現されることになり、生体組織をより自然な形で画像化することが可能となるのである。画質あるいは奥行き方向の画像化範囲は閾値の段数あるいは閾値の刻みを可変することによって調整可能である。ちなみに本実施形態においては閾値の刻みが一定であったが、それを動的に可変するようにしてもよい。また上記の実施形態においては白黒処理が前提とされていたが、更にカラー処理を組み合わせるようにしてもよい。例えば形状データの順番に応じて光源反射率や質感を異ならせる等の既存の処理を更に組み合わせるようにしてもよい。

１８ 三次元画像処理部、２０ メモリ、３２，３４，３６ 三次元形状データ、３８ 視線、４０ スクリーン。

Claims (7)

1. 生体内三次元空間から取得されたボリュームデータに基づいて三次元超音波画像を形成する超音波画像処理装置において、
   前記ボリュームデータに基づいて、生体組織における表層部分の三次元形状を表すデータセットとして多重化された複数の表面形状データを生成する生成手段と、
   前記複数の三次元形状データに対して複数の重みを設定する設定手段と、
   前記複数の三次元形状データに対して前記複数の重みを利用した投影処理を適用することにより前記生体組織の三次元超音波画像を形成する形成手段と、
   を含むことを特徴とする超音波画像処理装置。
2. 請求項１記載の装置において、
   前記生成手段は、前記ボリュームデータに対して複数の閾値を利用した表面抽出処理を適用することにより前記複数の三次元形状データを生成する、ことを特徴とする超音波画像処理装置。
3. 請求項２記載の装置において、
   前記形成手段は、前記複数の三次元形状データを生成する際に利用した複数の閾値に対応した複数の重みを前記複数の三次元形状データに与えてレンダリング処理を実行する、ことを特徴とする超音波画像処理装置。
4. 請求項３記載の装置において、
   前記重み決定手段は、前記閾値が小さいほど前記重みとしての透明度の値を大きくする、ことを特徴とする超音波画像処理装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置において、
   前記生体組織の三次元超音波画像においては前記生体組織の内で柔らかい部分の方が硬い部分に比べて深さ方向の画像化範囲がより大きくなる、ことを特徴とする超音波画像処理装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置において、
   前記各三次元形状データはポリゴンデータである、ことを特徴とする超音波画像処理装置。
7. 生体内三次元空間から取得されたボリュームデータに基づいて三次元超音波画像を形成する超音波画像処理装置において実行される画像処理プログラムであって、
   前記ボリュームデータに基づいて、生体組織における表層部分の三次元形状を表すデータセットとして多重化された複数の三次元形状データを生成するモジュールと、
   前記複数の三次元形状データに対して複数の重みを設定するモジュールと、
   前記複数の三次元形状データに対して前記複数の重みを利用した投影処理を適用することにより前記生体組織の三次元超音波画像を形成するモジュールと、
   を含むことを特徴とするプログラム。

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