JP5462474B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定結果の変化を視覚的に表示する超音波診断装置に関し、特に頸動脈の血管壁などの変動を分かりやすく表示してプラークなどの状態を簡単に判定できるようにした超音波診断装置に関する。

近年、脳梗塞や、心筋梗塞あるいは狭心症などの虚血性疾患のような循環器系疾患に係る治療患者が急増している。これらの疾患を予防するには、動脈硬化の兆候を早期に察知して、生活習慣を改善することが重要である。動脈硬化病変の評価として、超音波を用いた頸動脈における内膜中膜複合体厚（maximum intima-media thickness:ＩＭＴ）の測定がよく知られている。

ＩＭＴは、内膜と中膜と外膜からなる３層構造を有する動脈壁のうち、内膜と中膜とを合わせた厚さ（即ち、血管腔と内膜との境界から、中膜と外膜との境界までの長さ）をいう。近年の研究により、動脈硬化が進行するほど内膜中膜複合体が厚くなったりプラークが形成されたりすることが分かってきている。ここで、プラークとは、血管壁が内側に盛り上がった部分のことである。プラークの組織は、血栓や、脂肪性又は繊維性組織等、様々であり、剥離したプラークは頸動脈の狭窄や脳梗塞や脳虚血等の原因ともなっている。

一般に、ＩＭＴが肥厚すると動脈硬化の初期、プラークができるとより進んだ状態と判定することができる。日本超音波医学会による「超音波による頸動脈病変の標準的評価法(案)」（２００８年）にも採用されたように、プラークの厚さあるいは狭窄の程度を計測して動脈硬化の危険度を判定する方法が確立されている。

また、近年、脳梗塞や虚血性心疾患などは、狭窄の程度だけでなく、プラークの易破裂性(破れやすさ)が問題であることが明らかになってきた。特許文献１には、進んだ方法として、血管壁の微細な変位から厚さ変化を測定し弾性率を求めて、生体組織の種類を同定することで、迅速な診断を行う方法が開示されている。

このように、スティフネスパラメータβ、ストレイン、弾性率など、血管壁の変位を算定することによって血管の性状を示す弾性指標を求める方法が開発されてきている。しかし、これらの弾性指標は、（ａ）運動している血管壁の微小変位をトラッキングする必要があること、（ｂ）操作者の手ぶれや被検体の体動などにより探触子が観測場所からずれる場合があること、（ｃ）被検体等の理由から鮮明な画像を得ることが困難な場合は安定した再現性の高いデータが得られにくいこと、などの問題点がある。

特許文献２には、診断に用いる適切な弾性画像を表示させるため、断層画像の輝度情報を用いて弾性画像のエラーを評価してエラー情報を表示する技術が開示されている。また、エラー領域の弾性画像を削除するようにしてもよい。特許文献３には、特性値を経時的に求める演算部と、その安定度を逐次求める安定度判定部と、安定度を表現する表現部とを備えた超音波診断装置が開示されている。

特許文献４には、測定領域間の距離変化を示す厚さ変化波形を基準波形と比較し、一致する度合いを示す指標を算出し、最大厚さ変化量や弾性率の信頼性を判定する方法が開示されている。

このように、安定したデータとエラーデータを判別することで、操作者が信頼性のあるデータを取得できるようにする発明が種々開示されているが、実際には、操作上の要求精度が高く、操作者の納得のいく判定がおこなわれているとはいいきれないという問題がある。また、スティフネスパラメータβや、ストレイン、弾性率について得られた値からは、医師等の検者が運動状態を視覚的に連想したり理解したりしにくいという問題がある。

一方、超音波診断装置で組織の変位を計測する手法としては、Ｍモード表示が古くから知られている。この方法は関心のあるライン上にある組織の時間変化を容易に認識できるが、組織全体の動きを観察するには適していないことが課題となる。

さらに、特許文献５には、３次元超音波イメージングシステムが開示されており、組織の位置を３次元的に表示することはできるが、組織の時間的な変化を３次元的に連想させたり理解させたりする方式を提示するものではない。
国際公開第２００３／０１５６３５号パンフレット 特開２００７−３１２９５８号公報 国際公開第２００６／０６８０７９号パンフレット 特開２００７−００６９１４号公報 特表２００６−５２１１４６号公報

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、超音波画像信号を編集して測定対象領域の運動状態を視覚的に理解しやすく表示する超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る超音波診断装置は、被検体に向けて超音波を送信し、被検体において反射された超音波エコーを受信して受信信号を出力する超音波探触子と、超音波探触子から出力される受信信号に基づいて、設定された測定線に沿った被検体の超音波画像を表す画像データを生成する画像データ生成手段と、画像データによって表される超音波画像中に測定対象領域を設定する対象設定手段と、超音波画像に基づいて、測定対象領域中の複数の測定位置における測定対象の深さ方向の距離を測定する位置特定手段と、測定対象領域中の測定位置を第１軸に、該測定位置において測定された深さ方向の距離を第２軸に、時間を第３軸に表示する３次元座標系に測定対象の経時変化を表示するために、同時刻に複数の測定位置において測定された深さ方向の距離を等時刻線で結んだグラフを作成する表示処理手段と、表示処理手段によって作成されたグラフを表示する表示装置とを具備する。

本発明の１つの観点によれば、多数枚取得した超音波画像データに基づいて、時間軸を含む３次元座標系に等時刻線を用いて画像の変化を立体的に表示するので、測定対象の運動状態を視覚的に容易に理解することができる。特に、頸動脈の超音波断層像の診断に本発明を適用すれば、血管内側に形成されたプラークの形状のみならず性状までも正確に推定できるようになり、動脈硬化発症リスクをより的確に判定することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る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、本発明の一実施形態に係る超音波診断装置は、超音波診断装置本体１００と、超音波探触子２００とを含んで構成される。

超音波探触子２００は、コンベックスタイプ、リニアスキャンタイプ、又は、セクタスキャンタイプ等の、被検体表面に当接させて用いられるプローブである。超音波探触子２００は、１次元又は２次元のトランスデューサアレイを構成する複数の超音波トランスデューサを備えている。各超音波トランスデューサは、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinylidene difluoride）に代表される高分子圧電素子等の圧電性を有する材料（圧電体）の両端に電極を形成した振動子によって構成される。これらの超音波トランスデューサは、印加される駆動信号に基づいて頸動脈血管などの被検体に向けて超音波を送信すると共に、被検体において反射された超音波エコーを受信して、被検体に対して設定した測定線に沿った受信信号を出力する。

超音波診断装置本体１００には、超音波の送受信を制御する送受信制御部１１１および送信回路１１３と受信回路１１５、超音波探触子２００から出力される受信信号に基づいて測定線に沿った被検体の超音波画像を表す画像データを生成する画像データ生成部１１７、生成された複数枚分の画像データを一時記憶する画像記憶装置１１９、画像記憶装置１１９から入力された複数枚の画像データを用いて３次元座標系にプロットしたグラフを生成する表示処理部１２１、及び、生成したグラフを表示する表示装置１２３等が含まれる。

超音波診断装置本体１００は、さらに、生成された画像データで表された超音波画像中に測定対象領域を設定する対象設定部１２５、超音波画像から測定対象領域の測定位置を複数の超音波画像に亘ってトラッキングしながら測定位置について垂直方向の距離を算定する位置特定部１２７、測定対象領域の位置を第１軸に、その位置について垂直方向に測定した距離を第２軸に、時間を第３軸に表示する３次元座標系に測定対象の経時変化状態を表示する表示処理部１２１、を備える。

送受信制御部１１１は、送信回路１１３と受信回路１１５を介して超音波探触子２００の超音波ビームの送信方向および超音波エコーの受信方向を順次設定するもので、設定された送信方向に応じて送信遅延パターンを選択する送信制御機能と、設定された受信方向に応じて受信遅延パターンを選択する受信制御機能とを有している。
ここで、送信遅延パターンとは、複数の超音波トランスデューサから送信される超音波によって所望の方向に超音波ビームを形成するために各超音波トランスデューサの駆動信号に与えられる遅延時間のパターンであり、受信遅延パターンとは、複数の超音波トランスデューサによって受信される超音波によって所望の方向からの超音波エコーを抽出するために受信信号に与えられる遅延時間のパターンである。送受信制御部１１１に付属する記憶装置には、複数の送信遅延パターン及び複数の受信遅延パターンが格納されていて、局面に応じ選択して利用される。

送信回路１１３は、複数のチャンネルを備えており、複数の超音波トランスデューサにそれぞれ印加される複数の駆動信号を生成する。その際に、送受信制御部１１１によって選択された送信遅延パターンに基づいて、複数の駆動信号にそれぞれの遅延時間を与えることができる。送信回路１１３は、複数の超音波トランスデューサから送信される超音波が超音波ビームを形成するように複数の駆動信号の遅延量を調節して、超音波探触子２００に供給するようにしても良いし、複数の超音波トランスデューサから一度に送信される超音波が被検体の撮像領域全体に届くように構成した複数の駆動信号を超音波探触子２００に供給するようにしても良い。

受信回路１１５は、複数のチャンネルを備えており、複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力される複数のアナログの受信信号を受信して増幅し、ディジタルの受信信号に変換する。さらに、送受信制御部１１１によって選択された受信遅延パターンに基づいて、複数の受信信号にそれぞれの遅延時間を与え、それらの受信信号を加算することにより、受信フォーカス処理を行う。この受信フォーカス処理によって、超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線信号（音線データ）が形成される。
次に、音線データに対して包絡線検波処理を施した後に、ＳＴＣ（Sensitivity Time gain Control：センシティビティ・タイム・ゲイン・コントロール）によって超音波の反射位置の深度に応じて距離による減衰の補正をする。

こうして処理された音線データは、複数フレーム分の音線データを蓄積するためのメモリ容量を有する画像記憶装置１１９にフレームごとに順次格納される。画像データ生成部１１７は、ライブモードにおいては直接供給される音線データを入力し、フリーズモードにおいては画像記憶装置１１９から供給される音線データを入力して、入力された音線データに対して、Ｌｏｇ（対数）圧縮やゲイン調整等のプリプロセス処理を施して画像データを生成し、表示処理部１２１に出力する。対象設定部１２５は、画像データ生成部１１７から入力した画像データに基づき、超音波画像中に測定対象領域を設定する。

図２は、画像データに基づいて測定対象領域を設定する概念を説明する図面である。超音波探触子２００のトランスデューサアレイが、測定線を頸動脈の血管３００の上で流れ方向に一致するように配置されている。超音波探触子２００から得られる測定信号は血管３００の前壁３０１と後壁３０２の血管壁を捕らえて、超音波断層像として表示する。測定対象領域３１０を、たとえば後壁３０２の血管腔３０３と内膜３０５の境界３０４と指定すると、対象設定部１２５は、画像データに基づき超音波画像中の測定対象領域３１０の位置を決定する。

測定対象領域３１０の位置決定法には、断層像のパターンマッチング法、ゼロクロス点法、組織ドプラ法、位相差トラッキング法等、いろいろな方法があるが、どの手法によってもよいことはいうまでもない。図２では、測定対象領域３１０がプラーク３０６により変形しているが、対象設定手段１２５は、血管腔−内膜境界３０４の変形を正確に追従して測定対象領域３１０の位置を決定することができる。

再び図１を参照すると、位置特定部１２７は、測定対象領域３１０における複数の測定点のそれぞれについて、複数枚の断層像に亘って対応する点を追跡してその深さを算定する。算定結果は表示処理部１２１に供給される。設定された測定対象領域３１０の測定位置の時間変化に伴うトラッキングは、輝度情報や位相情報を用いて行うことができる。トラッキングは、相関関数を利用したパターンマッチングなど一般的な手法で行えばよい。測定対象領域３１０が血管腔−内膜境界３０４である場合は、輝度差が大きいので、輝度値を用いた適当な閾値処理でも自動検出が可能である。

表示処理部１２１は、測定対象領域の位置を第１軸に、その位置について垂直方向に測定した距離を第２軸に、時間を第３軸に表示する３次元座標系を準備して、１軸が時間軸であるこの３次元座標系の上に、測定対象領域の位置とその位置における測定対象領域の深さをプロットして等時刻線で結んだグラフを形成する。このグラフは、表示装置１２３に表示するためのグラフデータとして表示装置１２３に供給する。
表示装置１２３は、入力されたグラフデータに応じてディスプレイ上に、たとえば図３のような３次元グラフとして表示する。

以上において、送受信制御部１１１、画像データ生成部１１７、表示処理部１２１、対象設定部１２５、位置特定部１２７などは、中央演算装置（ＣＰＵ）とＣＰＵに各種の処理を行わせるためのソフトウエアとによって構成されるが、それらをディジタル回路又はアナログ回路で構成してもよい。なお、ソフトウエアは、図示しない格納部に格納されている。

図３は、１拍動の間取得した頸動脈の後壁血管腔−内膜境界３０４の超音波画像について、超音波探触子２００のトランスデューサアレイが並ぶプローブライン方向距離をｘ軸に、測定対象領域３１０の高さをｚ軸に、時間経過をｙ軸にとった３次元座標系にプロットしたものをｙ軸に垂直な同時刻断面で切断したときの輪郭線を等時間間隔で生成し、ｙ軸に沿ってずらして層状に表示したものである。

図３は、堅く破れにくい安定したプラーク３０６についてシミュレーションした結果を表示したものである。心臓が収縮して動脈中に血液が押し出されると、血圧が上がって血管が急激に拡張し血管腔−内膜境界３０４の高さが低下し、血管が拡張する。その後、心臓はゆっくり拡張するので血圧が徐々に低下して高さが回復し血管が収縮する。図には、プラーク部分の経時変化が明瞭に表されているが、プラーク３０６が硬いため、グラフには、１心周期を通して歪みがほとんど表れないことが観察される。

図４は、図３と同じ表示方法を適用して、柔らかく破裂しやすいと考えられる不安定なプラーク３０６についてシミュレーションした結果を表したグラフである。心臓の収縮によって血管が急激に拡張する際に、血圧が急増するためプラーク３０６中央部の柔らかい部分が押されて凹みが生じていることが分かる。

図３及び図４は、測定対象領域に設定した血管腔−内膜境界３０４の表面形状を同時刻断面で切断した輪郭線を１心周期分だけ等時間間隔で層状に並べたものであるが、プラーク３０６の盛り上がり形状ばかりでなく、輪郭線の乱れがよく見えるため、プラーク３０６の硬さという性状までも視覚的に把握することができる。

図５及び図６は、図３及び図４で表示されたグラフについて、さらにｘ軸方向に等間隔に仕切った輪郭線を書き加えて、２種類の輪郭線をメッシュ状に表示したグラフである。図５は硬いプラークの場合、図６は柔らかいプラークの場合を示す。この表示方法は、プラーク上の測定位置が拍動に伴い変化する様子を容易に観察することができる。ただし、図３及び図４と比較すると、プラーク全体の形状変化は若干見え難くなるきらいがある。

図７は、同様にして取得した頸動脈の超音波断層像について、測定対象領域に設定した血管腔−内膜境界３０４の表面形状を同測定位置断面で切断した複数の輪郭線をプローブライン方向（ｘ軸方向）に並べた表示の例を示す図面である。実質的にはひとつの同じ振動子で検出する高さを時間軸方向に結んだ輪郭線を表し、その振動子が検出対象とする測定位置の高さが拍動に伴ってどのように変動するかを表示するものである。

図７からは、プローブライン方向の第６番目の振動子位置、すなわちビームＮｏ．６における波形が他の波形と全く違うことが見て取れる。この波形の変形は、スペックルによるアーチファクトの影響であろうことが推定できる。ｘ−ｚ平面に表した単純なＢモード画像では時間軸方向の情報が得られず、ｚ−ｔ平面に２次元表示した単純なＭモード画像では周囲の状態が分からない。図７に示すように、３次元的表示を使用し、プローブライン上の同位置を線で結んで表示する方法により、容易にアーチファクトの影響を推定することができる。

このようにアーチファクトの影響で不正確な輪郭表示になっているラインに係るデータを用いてスティフネスパラメータβやストレインレートや弾性率などの弾性指標を算出すると、誤った値により誤った判定を下すことになる。そこで、図７のような表示方法を用いて、スペックルによるアーチファクトなどの影響が推定されるデータを見つけて排除し、信頼性の高いプローブラインと測定時刻のデータを用いて弾性指標を算定することにより、スペックルによるアーチファクトなどノイズの影響がなく信頼性の高い弾性指標を得ることができる。

ところで、３次元座標表示から測定対象領域の高さ情報を正確に読み取ることには熟練を要する。そこで、３次元グラフに高さに対応する色分けを施して表示すると、任意の位置の任意の時刻における高さが正確に読み取れるので、便利である。また、カラーディスプレイを使えない場合には、等高線表示を使ってもよい。図８は、図３に等高線を導入して容易に各点の高さを正確に判読できるようにしたものである。また、等高線表示は習熟すると等高線の関係や線密度などから形状の特徴を読み取ることもできるようになるので、便利である。

また、図示しないが、測定対象領域を２個以上設定して、ひとつの表示画面に表示するようにしてもよい。たとえば、前壁内膜−血管腔境界と血管腔−後壁内膜境界の２つの測定対象領域を表示することにより、血管の拡大収縮の状況を直感的にかつ的確に把握することができる。なお、２つ以上の測定対象領域を１つの画像に表現するときには、色分けして表示したり、線種を変えて表示したりすることが有効である。

なお、上記では本発明の特徴事項を中心に説明したため、従来技術に属する事項については省略した部分が多いが、たとえば通常のＢモード画像やＭモード画像なども表示装置に表示できるように構成されることは当然である。こうしたことのため、たとえば画像データ生成部１１７は、受信回路１１５から供給された超音波画像の画像データを通常のテレビジョン信号の走査方式に従う画像データに変換（ラスター変換）し、階調処理等の必要な画像処理を施して、表示処理部１１９に伝送する機能を備えている。

また、本願発明の方法を適用して得たグラフから必要な情報を取得して、たとえば、スティフネスパラメータβやストレインレートや弾性率などの弾性指標を算出することができる。

本発明により、被検体に向けて超音波を送信し被検体において反射された超音波エコーを受信することにより超音波画像データを生成する超音波診断装置に、時間軸を含む３次元座標系に超音波画像に基づいた測定結果を表示する構成を具備させることによって、測定対象領域の運動状態を視覚的に容易に理解することができる超音波診断装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態において測定対象領域を設定する概念を表す超音波画像図である。 本発明の一実施形態に係る超音波診断装置における測定結果表示例を表す図面である。 本発明の一実施形態に係る超音波診断装置において別の対象に係る測定結果表示例を表す図面である。 本発明の一実施形態に係る超音波診断装置における別の表示方法例を表す図面である。 図５の表示方法を用いた別の対象に係る測定結果表示例を表す図面である。 本発明の一実施形態に係る超音波診断装置におけるさらに別の表示方法例を表す図面である。 本発明の一実施形態における表示例について等高線表示を採用した例を示す図面である。

符号の説明

１００ 超音波診断装置本体
１１１ 送受信制御部
１１３ 送信回路
１１５ 受信回路
１１７ 画像データ生成部
１１９ 画像記憶装置
１２１ 表示処理部
１２３ 表示装置
１２５ 対象設定部
１２７ 位置特定部
２００ 超音波探触子

Claims (7)

1. 被検体に向けて超音波を送信し、被検体において反射された超音波エコーを受信して受信信号を出力する超音波探触子と、
   前記超音波探触子から出力される受信信号に基づいて、設定された測定線に沿った被検体の超音波画像を表す画像データを生成する画像データ生成手段と、
   前記画像データによって表される超音波画像中に測定対象領域を設定する対象設定手段と、
   前記超音波画像に基づいて、前記測定対象領域中の複数の測定位置における測定対象の深さ方向の距離を測定する位置特定手段と、
   前記測定対象領域中の測定位置を第１軸に、該測定位置において測定された深さ方向の距離を第２軸に、時間を第３軸に表示する３次元座標系に前記測定対象の経時変化を表示するために、同時刻に複数の測定位置において測定された深さ方向の距離を等時刻線で結んだグラフを作成する表示処理手段と、
   前記表示処理手段によって作成されたグラフを表示する表示装置と、
   を具備する超音波診断装置。
2. 前記表示処理手段が、複数の測定位置において測定された深さ方向の距離の時間による変化を表す輪郭線を前記第１軸に沿って層状に描いたグラフをさらに作成する、請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記表示処理手段が、同時刻に複数の測定位置において測定された深さ方向の距離を表す輪郭線を前記第３軸に沿って層状に描き、かつ、複数の測定位置における深さ方向の距離の時間による変化を表す輪郭線を前記第１軸に沿って層状に描くことにより、それらの輪郭線をメッシュ状に表示するグラフを作成する、請求項１記載の超音波診断装置。
4. 前記測定対象領域が、血管における血管腔と血管壁との境界である、請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波診断装置。
5. 前記測定対象領域が、血管における血管腔と前壁内膜との境界、前壁内中膜と外膜との境界、血管腔と後壁内膜との境界、及び、後壁内中膜と外膜との境界の内のいずれかひとつである、請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波診断装置。
6. 前記測定対象領域中の複数の測定位置において測定された深さ方向の距離は、前記超音波画像においてトラッキングにより特定する、請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波診断装置。
7. 前記測定対象領域中の複数の測定位置は、前記画像データを用いて自動的に特定する、請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波診断装置。