JP4515740B2

JP4515740B2 - 超音波撮像装置

Info

Publication number: JP4515740B2
Application number: JP2003350687A
Authority: JP
Inventors: 一純早坂
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2023-10-09
Also published as: JP2005111053A

Description

この発明は、多段フォーカス（ｆｏｃｕｓ）を用いて送受信を行う超音波撮像装置に関する。

超音波撮像装置を用いた被検体の撮像においては、超音波ビーム（ｂｅａｍ）の指向特性を改善する目的で、複数の探触子エレメント（ｅｌｅｍｅｎｔ）を、遅延時間をもって送受信し、被検体内の所定の深さでフォーカシング（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）を行い、より鮮明な画像を取得することが行われる（例えば、非特許文献１参照）。

また、深さの方向のフォーカシング位置が異なる複数の画像を取得し、これら画像を、フォーカシング位置を中心に組み合わせ、さらに鮮明な一枚の画像を合成することも行われる。この多段フォーカスにおいては、特に、動きの少ない撮像部位において、画像全体に渡ってフォーカスされた鮮明な画像が取得される。
岩井喜典、外２名著、「医用画像診断装置」コロナ社、１９８８年１２月３０日、ｐ．２１７―２１９

しかしながら、上記背景技術によれば、フォーカシング位置が異なる複数の画像を合成する際に、これら画像のつなぎ目である境界において、画質が不連続的に変化することが生じる。すなわち、画像の輝度が不連続的に変化したり、あるいは、異なるフォーカシング位置に起因する画像テクスチャ（ｔｅｘｔｕｒｅ）の不連続的な変化等が発生する。

特に、この境界の不連続的な変化は、被検体および被検体の撮像部位により変化の程度が異なり、オペレータ（ｏｐｅｒａｔｏｒ）にとって、不連続的な変化が生じたり、生じなかったりし、画質を不安定にする要因となっている。

これらのことから、多段フォーカスを行う際の、画像の境界の不連続的な変化を軽減する超音波撮像装置をいかに実現するかが重要となる。

この発明は、上述した背景技術による課題を解決するためになされたものであり、多段フォーカスを行う際の、画像の境界の不連続的な変化を軽減する超音波撮像装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、第１の観点の発明にかかる超音波撮像装置は、被検体内部の深さ方向への超音波の送受信および前記送受信の前記深さ方向と直交する走査方向への走査によりＢモード画像情報を取得する際に、前記超音波の送信時に深さ方向のフォーカス位置が異なる複数の部分画像情報から一枚の合成画像情報を合成する画像合成手段を備える超音波撮像装置であって、前記部分画像情報は、深さ方向に互いに重なり合う重畳領域を有し、前記画像合成手段は、前記重畳領域に複数の前記部分画像情報を合成する境界を設け、前記境界の深さ方向の位置を、前記部分画像情報ごとに前記重畳領域のすべての深さ位置で評価パラメータ値を算定し、前記評価パラメータ値が最も近似する前記部分画像情報の深さ位置に設定する設定手段を備えることを特徴とする。

この第１の観点による発明では、設定手段により、境界の深さ方向の位置を、境界を共有する２つの重畳領域で、深さ方向の位置ごとに算定される評価パラメータ値が、最も近似する位置に設定する。

また、第２の観点の発明にかかる超音波撮像装置は、前記評価パラメータ値が、前記重畳領域の走査方向に配列される画素値の平均値であることを特徴とする。

この第２の観点の発明では、設定手段は、重畳領域の画素値、すなわち輝度が最も近似する位置に区切り線を設定する。

また、第３の観点の発明にかかる超音波撮像装置は、前記評価パラメータ値が、前記重畳領域の走査方向に配列される画素値から算出される周波数スペクトルであることを特徴とする。

この第３の観点の発明によれば、設定手段は、周波数スペクトルが最も近似する位置に区切り線を設定する。

また、第４の観点の発明にかかる超音波撮像装置は、前記評価パラメータ値が、前記重畳領域の深さ方向の自己相関関数値を、走査方向で平均する前記深さ位置ごとの自己相関平均値であることを特徴とする。

この第４の観点の発明では、設定手段は、自己相関関数値、すなわち冗長性が最も近似する位置に境界を設定する。

また、第５の観点の発明にかかる超音波撮像装置は、前記自己相関関数値に、ノイズを除去するローパスフィルタ処理が行われることを特徴とする。

この第５の観点の発明では、自己相関関数値は、ローパスフィルタ処理が行われ、ノイズ成分が除去される。

また、第６の観点の発明にかかる超音波撮像装置は、前記自己相関関数値が、すべての前記深さ位置の平均値が差し引かれた値であることを特徴とする。

この第６の観点の発明では、自己相関関数値は、重畳領域の画像に含まれる臓器が、全般的に有する成分を除去する。

また、第７の観点の発明にかかる超音波撮像装置は、前記設定手段が、初期設定される前記境界の深さ方向の位置および前記評価パラメータ値が最も近似する深さ方向の位置の間に、前記境界を手動で設定する手動設定手段を備えることを特徴とする。

この第７の観点の発明では、設定手段は、手動設定手段により、初期設定される境界の深さ方向の位置および評価パラメータ値が最も近似する深さ方向の位置の間に、境界を手動で設定する。

また、第８の観点の発明にかかる超音波撮像装置は、前記設定手段が、前記重畳領域の前記評価パラメータ値が最も近似する位置の走査方向に配列される画素値の平均値を、２つの前記重畳領域ごとに算出し、前記平均値が２つの前記重畳領域で近似するように前記部分画像情報のいずれか１つを補正することを特徴とする。

この第８の観点の発明では、設定手段は、境界の位置で、合成画像情報の輝度が不連続的に変化することを防止する。

以上説明したように、本発明によれば、設定手段により、境界の深さ方向の位置を、境界を共有する２つの重畳領域の、深さ方向の位置ごとに算定される評価パラメータ値が、最も近似する位置に設定し、画素値あるいは画像のテクスチャが最も近似する位置で画像の合成を行い、合成画像情報の境界の深さ方向の前後で、画質が不連続的に変化することを軽減し、画質の不安定さを改善することができる。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる超音波撮像装置を実施するための最良の形態について説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

まず、本実施の形態にかかる超音波撮像装置の全体構成について説明する。図１は、この発明の実施の形態である超音波撮像装置の全体構成を示したもので、被検体１に対して超音波を、Ｂモード画像情報を取得するリニア（ｌｉｎｅａｒ）型に電子走査するようにした超音波撮像装置を例示している。

この超音波撮像装置は、探触子部１０１、送受信部１０２、画像合成手段９０、画面表示制御部１０５、表示部１０６、入力部１０７およびコントローラ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）部１０８を含んでいる。また、画像合成手段９０は、Ｂモード処理部１０３、フレーム（ｆｒａｍｅ）処理部１０４を含んでいる。

探触子部１０１は、先端部に超音波を送受信するための圧電素子がリニア型に配列され、この圧電素子を被検体１の表面に密着させ、被検体１内部の撮像を行う。ここで、圧電素子は、被検体１の撮像範囲に超音波を照射する一方で、被検体１内から反射された超音波エコー（ｅｃｈｏ）を受信しながら電子走査をする部分である。探触子部１０１は、圧電素子がアレイ（ａｒｒａｙ）状に配置してあるとともに、これら圧電素子を選択的に駆動するスイッチング（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）回路も内蔵する。

送受信部１０２は、探触子部１０１と同軸ケーブル（ｃａｂｌｅ）によって接続され、探触子部１０１の圧電素子を駆動するための電気信号を発生すると同時に、受信した超音波エコー信号の初段増幅を行う部分である。

Ｂモード処理部１０３は、送受信部１０２で増幅された超音波エコー信号から、Ｂモード画像情報をリアルタイム（ｒｅａｌｔｉｍｅ）で生成する処理を行う部分である。具体的な処理内容としては、例えば、受信した超音波エコー信号の遅延加算処理、Ａ／Ｄ（ａｎａｌｏｇ／ｄｉｇｉｔａｌ）変換処理および変換した後のデジタル（ｄｉｇｉｔａｌ）情報をＢモード画像情報として生成する処理等である。

フレーム処理部１０４は、Ｂモード処理部１０３からのＢモード画像情報に、フレーム処理、例えば、後述する画像情報の合成処理等を行い、画面表示制御部１０５へ出力する。なお、Ｂモード処理部１０３およびフレーム処理部１０４は、後述する合成画像情報を合成する際の画像合成手段９０をなす。

画面表示制御部１０５は、スキャンコンバータ（ｓｃａｎｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）とも呼ばれ、Ｂモード処理部１０３で生成されたＢモード画像情報の表示フレームレート（ｆｒａｍｅｒａｔｅ）変換、並びに、リニア、コンベックス（ｃｏｎｖｅｘ）あるいはセクター（ｓｅｃｔｏｒ）等の画像表示形態の変換、さらにこれら画像の表示位置等の制御を行うための部分である。

入力部１０７は、キーボード（ｋｅｙｂｏａｒｄ）あるいはマウス（ｍｏｕｓｅ）等からなり、オペレータによる操作入力情報、例えば、被検体１の個人情報、ＩＤ番号あるいは撮像位置とかの入力情報をコントローラ部１０８に与える部分である。

表示部１０６は、画面表示制御部１０５によって表示フレームレート変換、並びに画像表示形態変換や表示位置が制御された画像情報をオペレータに対して可視表示するための部分である。

コントローラ部１０８は、入力部１０７から与えられた操作入力情報、並びに、予め記憶したプログラム（ｐｒｏｇｒａｍ）やデータ（ｄａｔａ）に基づいて上述した超音波撮像装置各部の動作を制御するための部分である。

つづいて、画像合成手段９０をなすＢモード処理部１０３およびフレーム処理部１０４の構成を図２に示す。図２は、Ｂモード処理部１０３およびフレーム処理部１０４の構成を模式的に示すブロック図である。Ｂモード処理部１０３は、メモリ（ｍｅｍｏｒｙ）２０１および設定手段２０２を含み、フレーム処理部１０４は、演算部２１２およびメモリ２１１を含む。

Ｂモード処理部１０３は、送受信部１０２から、深さ方向に送信フォーカス位置の異なる複数のＢモード画像情報（以下、部分画像情報と称する）を、メモリ２０１に読み込む。この部分画像情報は、深さ方向の送信フォーカス位置が浅いものから、順に、部分画像情報１０、部分画像情報２０および部分画像情報３０の３つが取得され、各々深さ方向の撮像位置が異なる。なお、受信フォーカス位置は、部分画像情報１０〜３０で共通の位置に設定される。また、部分画像情報の数は、３つに限定されず、２つあるいは４つ等でもよい。

設定手段２０２は、これら部分画像情報１０〜３０から、相関関数値の算出あるいはスペクトル（ｓｐｅｃｔｒｕｍ）の算出等の演算、および合成情報である、区切り線の位置の算定を行う。そして、フレーム処理部１０４は、メモリ２０１からの部分画像情報１０〜３０および設定手段２０２からの区切り線の位置情報から、演算部２１２において、合成画像情報４０を作成し、画面表示制御部１０５へ送信する。

図３は、部分画像情報１０〜３０から、合成画像情報４０が合成される過程を模式的に示した図である。部分画像情報１０〜３０は、圧電素子の配列方向である走査方向および超音波の進行方向である深さ方向に２次元的に配列される画素からなる。ここで、部分画像情報１０〜３０は、取得される画像情報の深さ方向の位置が異なり、番号順により深い位置における画像情報が取得される。

図３では、深さ方向位置の座標は、部分画像情報１０〜３０および合成画像情報４０で共通の座標軸を形成し、浅い方から部分画像情報１０、中程度の深さは部分画像情報２０、深い方は部分画像情報３０に対応している。

部分画像情報１０は、深さ方向に、部分画像情報２０と重なり合う重畳領域１１を有する。また、部分画像情報２０も同様に、部分画像情報１０と重なり合う重畳領域２１を有する。そして、重畳領域１１および２１は、走査方向および深さ方向に全く同一の画素数を有する。なお、部分画像情報２０および部分画像情報３０も、全く同様に重畳領域２２および３１を有する。

部分画像情報１０〜３０を合成し合成画像情報４０を生成する際に、演算部２１２は、部分画像情報１０〜３０の境界をなす区切り線１２、２３、２４および３２の位置で、部分画像情報１０〜３０の分割を行う。ここで、演算部２１２は、重畳領域のみからなる画像情報部分を棄却し、これ以外の画像情報部分を用いて、画像の合成を行う。従って、合成画像情報４０の貼り合わせ位置である境界をなす区切り線４２および４３の位置は、区切り線１２および２３、並びに、区切り線２４および３２の深さ方向位置と一致する。なお、図３に示す合成画像情報４０の境界をなす区切り線４２および４３は、単に画像の合成位置を示すものであり、画像内に表示されるものではない。

合成の際に境界をなす区切り線１２および２３、並びに、２４および３２の深さ方向位置は、重畳領域１１および２１、並びに、重畳領域２２および３２の中から、最適なものが、設定手段２０２により、選択される。

つづいて、本実施の形態にかかる、設定手段２０２の動作について図４を用いて説明する。図４は、設定手段２０２を用いて、部分画像情報１０および２０の重畳領域１１および２１から、区切り線位置を決定する動作を模式的に示す図である。設定手段２０２は、重畳領域１１および２１、並びに、重畳領域２２および３２の中から、深さ方向に最適な区切り線位置を選択する。ここで、設定手段２０２は、重畳領域１１，２１、２２および３２の深さ方向に評価パラメータ（ｐａｒａｍｅｔｅｒ）値を算定し、重畳領域１１および２１、並びに、重畳領域２２および３２で、この評価パラメータ値が最も一致する深さ方向位置を、区切り線１２および２３の位置、並びに、区切り線２４および３２の位置とする。

なお、評価パラメータ値として、輝度を現す画素値、周波数スペクトルあるいは自己相関関数等が用いられる。そこで、最初に、輝度を現す画素値を、評価パラメータ値とする場合をつぎに示す。

図４は、評価パラメータ値として画素値を用いる場合の例を示す図である。設定手段２０２は、重畳領域１１および２１の画素値に対して、深さ方向位置ごとに、走査方向の平均値を求める。図４では、重畳領域１１において、浅い位置から順次、走査方向の平均値Ｐ１、Ｐ２・・・を求め、重畳領域２１において、浅い位置から順次、走査方向の平均値Ｑ１、Ｑ２・・・を求める。なお、図４では、平均を行う画素位置を重畳領域１１および２１内の矢印で模式的に示したが、矢印の向きで示される平均を行う順序は、特に限定されない。

その後、設定手段２０２は、重畳領域１１および２１の、深さ方向位置が同一の平均値の差分、Ｐｉ―Ｑｉ（ｉは、深さ方向位置を示すパラメータ）を求め、この差分が最も小さい深さ方向位置ｉを区切り線１２および２３の位置とする。なお、重畳領域２２および３１に対しても、全く同様に区切り線２４および３２の位置が決定される。

また、評価パラメータ値として、走査方向の周波数スペクトルを用いることもできる。この場合には、図４に示した平均値Ｐ１、Ｐ２・・・あるいはＱ１、Ｑ２・・・の代わりに、走査方向の画素値の周波数スペクトルＳＰ１、ＳＰ２・・・あるいはＳＱ１、ＳＱ２・・・が用いられる。そして、差分Ｐｉ―Ｑｉの代わりに、例えば、周波数スペクトルの差分ＳＰｉ―ＳＱｉを走査方向に加算したものが、最も小さい深さ方向位置ｉを区切り線１２および２３の位置とする。

また、評価パラメータ値として深さ方向の自己相関関数を用いることもできる。自己相関関数は、画像データの冗長性を現すパラメータで、深さ方向の画素値の差分と等価であることが数学的に知られている。そこで、設定手段２０２は、重畳領域１１および２１の、走査方向位置ごとに、深さ方向位置の自己相関関数値を求める。ここでは、重畳領域１１および２１の深さ方向の画素値の平均値を求め、深さ方向位置ごとの、この平均値からの差分を自己相関関数値とする。その後、この自己相関関数値を走査方向に平均した自己相関平均値を、評価パラメータ値として用いる。

図５に、自己相関平均値の一例を示す。図５（Ａ）は、部分画像情報１０全体に渡る自己相関平均値を示す図であり、図５（Ｂ）は、部分画像情報２０全体に渡るの自己相関平均値を示す図である。ここで、横軸は、深さ方向位置を示し、縦軸は、自己相関平均値を示している。図５（Ａ）および（Ｂ）では、自己相関平均値が、重畳領域１１および２１で、共に存在しており、この領域で自己相関平均値が最も近似する深さ方向位置を、区切り線１２および２３の位置とする。なお、部分画像情報２０および３０に対しても、全く同様に区切り線２４および３２位置を決定することができる。

上述してきたように、本実施の形態では、重畳領域１１、２１、２２および３１における境界をなす区切り線１２、２３、２４および３２の位置を、輝度を現す画素値、周波数スペクトルあるいは自己相関関数等を用いた深さ方向の評価パラメータ値を算定し、この評価パラメータ値が最も近似する深さ方向位置に設定することとしているので、輝度、周波数スペクトルあるいは自己相関関数値が最も近似する深さ方向位置に区切り線１２、２３、２４および３２を設定し、ひいては、合成画像情報４０の境界をなす区切り線４２あるいは４３の前後における、画質の不連続的な変化を軽減することができる。

また、本実施の形態では、評価パラメータ値は、重畳領域１１、２１、２２および３１で、深さ方向位置ごとに算定されたが、各重畳領域１１、２１、２２および３１で、すべての深さ方向位置の評価パラメータ値の平均値を求め、この平均値で評価パラメータ値の補正を行うこともできる。これにより、重畳領域を被う大きさの臓器を含む場合に、この臓器固有の評価パラメータ値への寄与を減らすことができる。

また、本実施の形態では、自己相関関数値を求める際に、部分画像情報１０〜３０に平均あるいは差分を行ったが、部分画像情報１０〜３０にローパスフィルタ処理を行った後で平均あるいは差分を行うこともできる。これにより、ノイズの影響の少ない評価パラメータ値を得ることができる。

また、本実施の形態では、重畳領域１１、２１、２２および３１で、評価パラメータ値が最も近似する位置に境界をなす区切り線１２、２３、２４および３２を設け、部分画像情報１０〜３０の合成を行ったが、合成の際に、部分画像情報１０〜３０の輝度補正を行い、合成画像情報４０の区切り線４２および４３前後における輝度を、連続的に変化させることもできる。例えば、部分画像情報１０および２０の合成を行う場合には、区切り線１２上の画素値の平均値および区切り線２３上の画素値の平均値を求め、これら平均値の比率から補正係数が決定され、部分画像情報１０あるいは２０のすべての画素値の補正が行われる。

また、本実施の形態では、設定手段２０２は、境界をなす区切り線１２、２３、２４および３２の位置を自動で設定することとしたが、オペレータが手動で区切り線を設定できるようにする手動設定手段を設けることもできる。これによれば、手動設定手段により、例えば、初期設定の区切り線位置と自動設定される区切り線位置の中間に、オペレータの好みにより、合成画像情報４０の区切り線４２および４３が設定される。

また、本実施の形態では、リニア型走査によるＢモード画像情報の例を示したが、これに限定されず、セクタ型、コンベックス型の電子式走査あるいは機械式走査、さらには、Ｂモード画像情報に血流情報を上書きするカラーフローマッピング（ＣｏｌｏｒＦｌｏｗＭａｐｐｉｎｇ）等に用いることもできる。

超音波撮像装置の全体構成を示すブロック図である。実施の形態のＢモード処理部およびフレーム処理部を示すブロック図である。実施の形態の部分画像情報から合成画像情報を合成する過程を示す図である。実施の形態の評価パラメータ値として、画素値を用いた場合の一例を示す図である。実施の形態の評価パラメータ値として、自己相関関数を用いた場合の一例を示す図である。

符号の説明

１被検体
１０、２０、３０部分画像情報
１１、２１、２２、３１重畳領域
１２、２３、２４、３２、４２、４３区切り線
４０合成画像情報
９０画像合成手段
１０１探触子部
１０２送受信部
１０３Ｂモード処理部
１０４フレーム処理部
１０５画面表示制御部
１０６表示部
１０７入力部
１０８コントローラ部
２０１、２１１メモリ
２０２設定手段
２１２演算部

Claims

被検体内部の深さ方向に対して送受波する超音波ビームを走査することにより２次元のＢモード画像を生成する超音波撮像装置であって、
前記超音波ビームを前記深さ方向のフォーカス位置を異ならせて送波する送波手段と、
前記異なったフォーカス位置に対応する複数の部分Ｂモード画像から１つの合成Ｂモード画像を合成する画像合成手段とを備えており、
前記深さ方向において隣接し合う部分Ｂモード画像は、前記深さ方向において互いに重なり合う重畳領域を有しており、
前記画像合成手段は、各々の前記重畳領域において２つの前記部分Ｂモード画像を合成する境界を定めるときに、前記重畳領域の前記部分Ｂモード画像において同一の深さを示す全ての画素値を用いて各深さの評価パラメータを算出し、前記２つの部分Ｂモード画像の前記評価パラメータが最も近似する深さを前記境界として定めることを特徴とする超音波撮像装置。
請求項１に記載の超音波撮像装置において、
前記評価パラメータ値は、前記同一の深さを示す全ての画素値の平均値であることを特徴とする超音波撮像装置。
請求項１に記載の超音波撮像装置において、
前記評価パラメータ値は、前記同一の深さを示す全ての画素値を用いた周波数スペクトルであることを特徴とする超音波撮像装置。