JP6286926B2 - 超音波診断装置、画像処理方法、およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、組織構造を画像化するＢモードと血流を画像化するドプラモードを使って超音波診断を行う超音波診断装置及び方法に関する。

超音波診断装置は、心臓、腹部、胎児などの診断、観察に古くから用いられてきた。近年超音波診断装置の分解能が向上し、体表面に近い部位の観察も可能となってきた。それに伴い、整形領域でも超音波診断装置が用いられるようになり、骨、腱、筋肉等の観察や、リウマチ診断における関節部分の炎症の評価などが、超音波診断装置を用いて行われている。

リウマチの炎症の評価は、Ｂモード画像やドプラモード画像を用いて行う（非特許文献１）。具体的には、Ｂモード画像を用いて関節腔の厚さ、骨びらんと関節液貯留の有無を観察し、ドプラモード画像を用いて新生血管の有無を観察する。しかしながら、検査すべき関節数が多いこと、ドプラモードでは、モーションノイズが出ないようにゆっくり動かす必要があること、により、検査時間がかかる点が問題になっている。臨床研究レベルでは、検査すべき関節数の削減の検討がなされている。しかしながら、炎症の再燃リスクがあり、現時点では、結論が出ていない。

このような問題を解決するために、最初に、モーションノイズが出ないＢモード画像で炎症の出やすい関節を見つけ、そのような関節に対してのみドプラを使う方法が提案されている。

小池隆夫、「関節リウマチを用いた関節リウマチの新しい診療」、Ｐ４０−４３、メディカルレビュー社、２０１０年３月１０日

しかしながら、Ｂモード画像の読影は難しく、診断結果が検者に依存しやすい。

本発明の目的は、診断結果の検者依存の低減と、検査時間の短縮を可能とする超音波診断装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る超音波診断装置は、Ｂモードとドプラモードからなる画像化モードを有し、前記Ｂモードで得た超音波画像から、関節包、または、関節の骨である所定の部位を探索し、前記所定の部位が存在する場合、前記所定の部位の形態的特徴を示す特徴値として、前記所定の部位の大きさ、前記所定の部位の輝度値、前記所定の部位の境界の所定の関数とのフィッティング誤差、又は、
前記所定の部位の大きさ、前記所定の部位の輝度値、及び前記所定の部位の境界の所定の関数とのフィッティング誤差を組み合わせた値を算出する画像解析部と、前記特徴値が所定の条件を満たしたか否かを判定する条件判定部と、前記条件を満たしている場合、前記ドプラモードの使用を促す表示をする表示部とを備える。

本発明によれば、操作者はドプラモードで確認すべき関節を知ることができる。その判断は診断装置が行うため、診断結果の検者依存性を低減できる。また、操作者はＢモード主体に診断を行うことができるため、プローブをゆっくり動かす必要がなく、検査時間の短縮も可能となる。

本発明に係る超音波診断装置のブロック図 動作モード管理部の詳細なブロック図 異常が無い場合のＢモードの表示画面の一例を示した図 異常が見つかった場合のＢモードの表示画面の一例を示した図 ドプラモードの表示画面の一例を示した図 異常が見つかった場合のＢモードの表示画面の別例を示した図 動作モード管理部が管理する状態遷移図 動作モード管理部が管理する状態遷移図の別形態を示した図 動作モード管理部の状態Ａのフローチャート 動作モード管理部の状態Ｂのフローチャート 動作モード管理部の状態Ｃのフローチャート 異常検出処理のフローチャート 関節包探索処理を説明した図 骨検出処理を説明した図 関節包境界検出処理を説明した図 骨びらんの探索処理を説明した図 骨びらんの定量化処理を説明した図 異常判定条件の設定画面の一例を示した図 感度と異常判定条件の関係を説明した図

［構成］
最初に本発明の超音波診断装置の構成について説明する。

図１は、本発明の超音波診断装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本発明の超音波診断装置は、超音波プローブ１００１、超音波送受信部１００２、Ｂモード処理部１００３、ドプラモード処理部１００４、メモリ１００５、画面生成部１００６、動作モード管理部１００７、表示部１００８、操作部１００９、から構成される。

超音波プローブ１００１は、超音波送受信部１００２で生成された送信波を体内に送信する。そして、体内で反射された超音波は、超音波プローブ１００１で受信される。超音波プローブ１００１で受信された超音波は、超音波受信信号として超音波送受信部１００２へ出力される。

超音波送受信部１００２では、動作モード管理部１００７より指定される動作モード（Ｂモード、ドプラモード）で、送受信処理を行う。送信では、電気的な送信波を生成して超音波プローブ１００１へ出力する。受信では、超音波プローブ１００１より入力された超音波受信信号に対してビームフォーミングを施し、音響線信号としてＢモード処理部１００３またはドプラモード処理部１００４へ出力する。Ｂモードでは、一音響線に対して１回送受信するのに対して、ドプラモードでは、同一音響線に対して数回送受信する。

Ｂモード処理部１００３では、超音波送受信部１００２より入力された音響線信号に対して、検波、対数圧縮などの処理を施し、Ｂモード画像を生成する。Ｂモード処理部１００３で生成されたＢモード画像はメモリ１００５で一時的に記憶される。

ドプラモード処理部１００４では、超音波送受信部１００２から入力された音響線信号に対して自己相関演算を施して、ドプラ成分を抽出し、平均速度や分散、パワー等の血流情報の強度をカラーで表現するドプラモード画像を生成する。生成されたドプラモード画像はメモリ１００５で一時的に記憶される。

操作部１００９は、入力デバイスであり、具体的には、キーボード、トラックボール、タッチパネルに相当する。操作者より入力される情報は、患者名、検査日時、画面の再生・停止、保存、画質調整、動作モードの切り替え、等である。これら入力情報は、メモリ１００５に記憶される。

画面生成部１００６は、メモリ１００５に記憶されているＢモード画像やドプラモード画像に、検査者名、患者名、時間情報、超音波診断装置の設定情報などを重畳した画面を作成して、表示部１００８に表示する。また、動作モード管理部１００７からの表示指示に基づいて所定のメッセージを表示する。

動作モード管理部１００７は、メモリ１００５に記憶されているＢモード画像を解析して、異常条件を満たすか否かを判定する。異常有りの場合は、画面生成部１００６に対して、ドプラモードを促すメッセージを表示させる。そして、操作者がドプラモードへ切り替えた場合、超音波送受信部１００２に対して、ドプラモードの送受信を指示する。

ここで、超音波プローブ１００１、操作部１００９、表示部１００８は必要に応じて超音波診断装置外の構成としても構わない。以上が、本発明に係る超音波診断装置の全体構成である。

図２は、動作モード管理部１００７の詳細なブロック図である。

動作モード管理部１００７は、画像解析部２００１、異常判定部２００２、状態管理部２００３、から構成される。また、当処理に関係する情報として、Ｂモード画像３００２、操作者が入力する異常条件３００１、操作情報３００３、がある。

画像解析部２００１は、メモリ１００５に記憶されているＢモード画像３００２を入力とする。そして、画像の関節包を探索して、関節包の探索結果と、関節包が有る場合は、関節包の大きさ・輝度・骨びらんの程度を関節包情報として異常判定部２００２へ出力する。

異常判定部２００２は、画像解析部２００１より入力される関節包情報より異常判定評価値を算出し、所定の異常条件を満たしているか否かを判定する。判定結果は、状態管理部２００３へ出力される。

状態管理部２００３は、異常判定部２００２の判定結果と操作情報３００３に基づき、動作モードを管理する。動作モードは、超音波送受信部１００２へ出力される。異常が検出された場合、画面生成部１００６にドプラモードへの切り替えを促すメッセージを表示させる。

以上が、動作モード管理部１００７の構成である。

［動作］
次に、本発明の超音波診断装置の動作について説明する。

最初に、操作者は異常条件を設定する。これは、検査の都度、設定するものではなく、装置導入時に設定するものである。

図７（ａ）は、異常条件を設定するための画面である。

条件項目は画面に示す通り、関節包の大きさ、関節包の輝度、骨びらんの有無、である。リウマチの症状として、関節包が大きい場合、関節包が低輝度の場合、骨びらんが有る場合、進行を疑う。操作者は、異常条件として含めたい条件項目の使用の有無を設定するチェックボックス３０１をチェックする。更に、各項目の感度（ウェイト）を条件項目の感度を設定するスライドバー３０２にて入力する。ここで説明した異常条件と各項目の感度の設定方法は一例であり、これに限らない。

図７（ｂ）は、感度と異常条件の関係を説明した図である。

図７（ｂ）は、条件項目として、関節包の大きさ、関節包の輝度、を選択した一例である。ｘ軸との交点３０３とｙ軸との交点３０４それぞれが、操作者が設定した関節包の大きさに対する感度と関節包の輝度に対する感度に相当する。これら交点を結ぶ直線が異常判定直線３０５となる。画像解析部２００１で計測した関節包の大きさをｘと関節包の輝度をｙ、異常判定直線３０５の傾きと切片をａとｂとすると、［数１］の関係性を満たせば、異常有り、そうでない場合、異常無し、と判定する。

次に、操作者はＢモードで関節の観察を始める。

最初に、概要を説明する。

図４（ａ）は、状態管理部２００３が管理する状態（動作モード）遷移図である。

また、図３（ａ）〜（ｃ）は、各状態の画面を示す。

初期状態は、状態Ａである。

図３（ａ）は、状態Ａの画面である。１０１は超音波画像（Ｂモード画像）、１０２はＢモードボタン、１０３はドプラモードボタン、１０４はメッセージ、１０５は強調された関節包の境界、である。

状態Ａの動作モードは、Ｂモードである。操作者は、プローブを動かして関節のＢモード画像を取得する。そして、異常判定部２００２にて異常が検出されると、状態Ｂへ遷移する。

図３（ｂ）は、状態Ｂの画面である。

状態Ｂの動作モードは、状態Ａと同様、Ｂモードである。但し、状態Ａとは、ドプラモードを促すメッセージ１０４が表示される点が異なる。この状態で操作者によりドプラモードボタン１０３が押下されると、状態Ｃへ遷移する。

図３（ｃ）は、状態Ｃの画面である。

状態Ｃの動作モードは、ドプラモードである。炎症が存在すると、血流を示すカラー１０６が表示される。この状態で操作者によりＢモードボタン１０２が押下されると、状態Ａへ戻る。

以下、フローチャートを用いて、詳細に説明する。

最初に、異常検出の動作を説明する。

図５（ｄ）は、画像解析部２００１と異常判定部２００２が行う異常検出処理のフローチャートである。

図６（ａ）〜（ｄ）は、画像解析部２００１が行うＢモード画像の解析処理を説明した図である。

最初に、ステップＳ３００１にて、画像解析部２００１は、Ｂモード画像中から関節を探索する。

図６（ａ）は、関節を探す処理を説明した図である。

２０１はＢモード画像、２０２は関節検出窓、２０３は関節検出窓２０２のスキャンライン、２０４はＢモード画像２０１を縮小したＢモード画像、である。

画像解析部２００１は、関節検出窓２０２毎に関節パタンらしさを示す関節パタン評価値を算出して、評価値が最大となる位置を探索する。評価値は、関節パタンのテンプレートとのマッチング値（誤差値、相関値、等）でも良いし、関節パタンと非関節パタンの学習データから機械学習（ＳＶＭ、Ａｄａｂｏｏｓｔ、等）により得られる識別関数でも良い。

探索範囲は、図６（ａ）のようにＢモード画像２０１全体であり、矢印２０３で示すようにスキャンする。また、様々な大きさの関節を検出できるように、Ｂモード画像２０１が縮小されたＢモード画像２０４を作成し、同様にスキャンする。

そして、画面内の関節パタン評価値の最大値と閾値を比較して、閾値以下の場合は、「関節無し」を異常判定部２００２へ出力する。それを受けて、ステップＳ３００５にて、異常判定部２００２は、「異常無し」を状態管理部２００３へ出力する。

一方、「関節有り」の場合、ステップＳ３００２にて、画像解析部２００１は、骨・関節包を検出する。

本ステップでは、最初に、骨を検出する。

図６（ｂ）は、骨を検出する処理を説明した図である。

２０５は関節検出窓２０２の垂直中心位置、２０６は骨、である。

探索範囲は、関節検出窓２０２の垂直中心位置２０５から下方である（図中矢印方向）。目標の境界は、骨の高輝度の領域を検出する、または、動的輪郭モデル（ＳＮＡＫＥＳ、等）を用いて、エッジの強さと境界の滑らかさに基づいて検出する。

次に、関節包の境界を検出する。

図６（ｃ）は、関節包の境界を検出する処理を説明した図である。

２０７は関節包の境界である。

探索範囲は、検出した骨２０６から上方である（図中矢印方向）。目標の境界は、骨と同様、動的輪郭モデルを用いて、エッジの強さと境界の滑らかさに基づいて検出する。

次に、ステップＳ３００３にて、画像解析部２００１は、関節包の大きさ、関節包の輝度、骨びらんの程度、を数値化する。

関節包の大きさは、骨２０６と関節包の境界の距離の平均値や最大値、とする。

関節包の輝度は、骨２０６と関節包の境界２０７の間に位置する画素の輝度平均、とする。

骨びらん２０８の程度は、骨２０６の境界の滑らかさで評価する。具体的には、図６（ｄ）のように、境界の最深部から左右に分けて評価する。滑らかさは、境界を関数でフィッティングさせ、フィッティング誤差で評価する。図６（ｅ）は、フィッティングの一例を示している。２０８と２０９は正常な場合の骨表面の境界とフィッティング直線、２１０と２１１は骨びらんの骨表面の境界とフィッティング直線、の一例をそれぞれ示している。図が示す通り、骨びらんの方が、フィッティング誤差が大きくなる。尚、フィッティングに使う関数は任意だが、骨びらんの部分がフィットするのは好ましくなく、次数の選択に注意が必要である。

次に、ステップＳ３００４にて、異常判定部２００２は、異常の有無を判定する。

異常の判定は、ステップＳ３００３にて算出された、関節包の大きさ（ｘ）、関節包の輝度（ｙ）、骨びらんの程度（ｚ）、に基づき、ａｂｃを定数とすると、［数２］の関係性を満たせば、異常判定部２００２は、状態管理部２００３へ「異常有り」を出力し、それ以外は、「異常無し」を出力する（ステップＳ３００４、Ｓ３００５）。

以上が、異常検出処理の動作である。

次に、動作モード管理部１００７の動作を説明する。

図５（ａ）〜（ｃ）は、動作モード管理部１００７の動作を示すフローチャートである。

図５（ａ）は状態Ａのフローチャートである。

最初に、ステップＳ１００１にて、画像解析部２００１と異常判定部２００２はＢモード画像を解析して、異常条件を満たしているか否かを確認する。詳細は、上述した通りである。

そして、異常が検出された場合、ステップＳ１００２にて、状態管理部２００３は、操作者にドプラモードを促すメッセージを画面生成部１００６に表示させる。異常が検出されなかった場合、状態を維持する。

最後に、ステップＳ１００３にて、状態管理部２００３は、状態を状態Ｂに遷移させる。

以上が、状態Ａの動作である。

図５（ｂ）は状態Ｂのフローチャートである。

以下、全て、状態管理部２００３の動作である。

状態Ｂでは、ボタン入力の割り込みを受け付けるため、Ｂモード画像の解析と並行して処理を行う。

ボタン入力の割り込みについては、最初に、ステップＳ１１０１にて、ドプラモードボタンの押下を監視する。

押下が確認された場合、ステップＳ１１０２とステップＳ１１０３にて、状態Ｃへ遷移させ、動作モードをドプラモードに切り替える。

以上が、ボタン入力の割り込み処理である。

一方、Ｂモード画像の解析については、ステップＳ１１０４にて、状態ＡのステップＳ１００１と異常判定を行う。

異常が検出されない場合、ステップＳ１１０５とステップＳ１１０６にて、画面生成部１００６に対してドプラモードを促すメッセージを消去させ、状態を状態Ａへ遷移させる。

以上が、状態Ｂの動作である。

図５（ｃ）は状態Ｃのフローチャートである。

以下、全て、状態管理部２００３の動作である。

最初に、ステップＳ１２０１にて、Ｂモードボタンの押下を監視する。

押下が確認された場合、ステップＳ１２０２にて、動作モードをＢモードに切り替える。

そして、ステップＳ１２０３にて、状態Ａへ遷移させる。

以上が、状態Ｃの動作である。

［その他の形態］
なお、本実施の形態においては、図４（ａ）に示す通り、Ｂモードからドプラモードへの遷移条件をドプラモードボタンの押下としたが、図４（ｂ）に示す通り、一定時間経過したら状態Ｃへ遷移するでも良い。図３（ｄ）は、タイマ作動中の画面であるが、カウント１０７を表示しても良い。

また、図４（ａ）（ｂ）にて、状態Ａへの遷移条件が、異常が検出されない場合、または、Ｂモードボタンが押下された場合、としたが、超音波プローブ１００１に角度センサを備え、所定値以上の動きが有った場合に遷移する、でも良い。また、Ｂモード画像のフレーム間差分値が所定値以上の場合に状態Ａに遷移する、Ｂモード画像の低輝度領域の面積を解析して、超音波プローブ１００１が体表から離れる空中放射を検出したら、状態Ａへ遷移する、でも良い。

また、図３（ｂ）のように、異常が検出された場合、メッセージ１０４を表示してドプラモードの使用を促したが、ドプラモードボタン１０３を点滅させる、色を変える、動かす（振動させる）、等でも良い。

また、異常が検出された場合、Ｂモード画像を保存する、ドプラモードに切り替わった直後に、ドプラモード画像を保存しても良い。これにより、保存の手間を省くことができる。

また、異常の判定は、［数１］と［数２］に示す通り、線形で判定したが、非線形で判定しても良い。

また、Ｂモードとドプラモードの切り替えについて説明したが、硬さを測るエラストモードでも良い。

［効果］
以上のように、本発明の超音波診断装置においては、Ｂモード画像から、関節包を検出して、炎症の可能性を判定する。炎症の可能性が高い場合には、操作者に対して、ドプラモードの使用を促す。

このような動作により、操作者はＢモードを主体に診断することができる。また、読影は超音波診断装置が客観的に行う。これにより、プローブスキャンの時間を短縮することができ、結果として検査時間の短縮が可能となる。また、診断結果の検者依存を低減できる。

本発明に係る超音波診断装置は、リウマチ診断における疾患活動性の評価に利用可能性がある。

１００１ 超音波プローブ
１００２ 超音波送受信部
１００３ Ｂモード処理部
１００４ ドプラモード処理部
１００５ メモリ
１００６ 画面生成部
１００７ 動作モード管理部
１００８ 表示部
１００９ 操作部
２００１ 画像解析部
２００２ 異常判定部
２００３ 状態管理部
３００１ 異常条件
３００２ Ｂモード画像
３００３ 操作情報
１０１ 超音波画像
１０２ Ｂモードボタン
１０３ ドプラモードボタン
１０４ メッセージ
１０５ 強調された関節包の境界
１０６ カラー
１０７ カウント
２０１ Ｂモード画像
２０２ 関節検出窓
２０３ 矢印
２０４ 縮小されたＢモード画像
２０５ 垂直中心位置
２０６ 骨
２０７ 関節包の境界
２０８ 骨びらん
３０１ 条件項目の使用の有無を設定するチェックボックス
３０２ 条件項目の感度を設定するスライドバー
３０３ ｘ軸との交点
３０４ ｙ軸との交点
３０５ 異常判定直線

Claims (19)

1. Ｂモードとドプラモードからなる画像化モードを有する超音波診断装置であって、
   前記Ｂモードで得た超音波画像から、関節包、または、関節の骨である所定の部位を探索し、前記所定の部位が存在する場合、前記所定の部位の形態的特徴を示す特徴値として、前記所定の部位の大きさ、前記所定の部位の輝度値、前記所定の部位の境界の所定の関数とのフィッティング誤差、又は、
   前記所定の部位の大きさ、前記所定の部位の輝度値、及び前記所定の部位の境界の所定の関数とのフィッティング誤差を組み合わせた値を算出する画像解析部と、
   前記特徴値が所定の条件を満たしたか否かを判定する条件判定部と、
   前記条件を満たしている場合、前記ドプラモードの使用を促す表示をする表示部と、
   を備えることを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記所定の部位の形態的特徴を示す特徴値が、前記所定の部位の大きさであるとき、前記所定の条件は、前記大きさが所定値より大きいか否かである、
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記所定の部位の形態的特徴を示す特徴値が、前記所定の部位の輝度値であるとき、前記所定の条件は、前記輝度値が所定値より大きいか否かである、
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
4. 前記所定の部位の形態的特徴を示す特徴値が、前記所定の部位の境界の所定の関数とのフィッティング誤差であるとき、前記所定の条件は、前記フィッティング誤差が所定値より大きいか否かである、
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
5. 前記所定の部位の形態的特徴を示す特徴値が、前記所定の部位の大きさ、前記所定の部位の輝度値、及び前記所定の部位の境界の所定の関数とのフィッティング誤差を組み合わせた値であり、前記所定の部位は前記関節包であるとき、前記所定の条件は、
   前記関節包の大きさをｘ、前記関節包の輝度をｙ、前記フィッティング誤差をｚとし、ａ、ｂ及びｃを定数としたとき、
   

   

   である
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
6. 操作者の入力を受け付ける入力受付部を更に備え、
   前記条件を満たしている状態で、前記入力の受付を行った場合、前記ドプラモードへ切り替えるモード切り替え部を備える、
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
7. 前記条件判定部において、前記所定の条件を満たしている状態で、所定の時間経過した場合に、前記ドプラモードへ切り替えるモード切り替え部を備える、
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
8. 前記条件判定部において、前記所定の条件を満たしている状態で、前記所定の条件とは異なる第二の条件を満たした場合、前記表示部は、前記ドプラモードの使用を促す表示を取り止める、
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
9. 前記第二の条件とは、前記超音波画像の取得に使用するプローブが動いた場合である、
   ことを特徴とする請求項８記載の超音波診断装置。
10. 前記プローブが動いたか否かの判定は、前記超音波画像の時間方向の変化値が所定の値より大きいか否かに基づく、
    ことを特徴とする請求項９記載の超音波診断装置。
11. 前記プローブが動いたか否かの判定は、前記超音波画像の低輝度の面積が所定の値より大きいか否かに基づく、
    ことを特徴とする請求項９記載の超音波診断装置。
12. 前記所定の条件を満たした場合、前記超音波画像を保存する保存部を備える、
    ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
13. 前記ドプラモードへ切り替わった場合、切り替わった直後の前記超音波画像を保存する保存部を備える、
    ことを特徴とする請求項６または７記載の超音波診断装置。
14. 前記表示部は、前記ドプラモードの使用を促す際に、画面上に文章を表示する、
    ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
15. 前記表示部は、前記ドプラモードの使用を促す際に、画面のボタンを点滅させる、
    ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
16. 前記表示部は、前記ドプラモードの使用を促す際に、画面のボタンの色を変える、
    ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
17. 前記表示部は、前記ドプラモードの使用を促す際に、画面のボタンを動かす、
    ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
18. Ｂモードとドプラモードからなる画像化モードの内の一つの前記Ｂモードで得た超音波画像から、関節包、または、関節の骨である所定の部位を探索し、前記所定の部位が存在する場合、前記所定の部位の形態的特徴を示す特徴値として、
    前記所定の部位の大きさ、前記所定の部位の輝度値、前記所定の部位の境界の所定の関数とのフィッティング誤差、又は、
    前記所定の部位の大きさ、前記所定の部位の輝度値、及び前記所定の部位の境界の所定の関数とのフィッティング誤差を組み合わせた値を算出する画像解析ステップと、
    前記特徴値が所定の条件を満たしたか否かを判定する条件判定ステップと、
    前記条件を満たしている場合、前記ドプラモードの使用を促す表示をする表示ステップと、
    を備えることを特徴とする画像処理方法。
19. 請求項１８に記載の画像処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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