JP5559003B2

JP5559003B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP5559003B2
Application number: JP2010240630A
Authority: JP
Inventors: 健二隈崎
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: JP2012090769A

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、画像データ間の相関演算に関する。

超音波を送受することにより得られる超音波画像の画像データに対して相関演算を行う超音波診断装置が知られている。例えば、時間的に変位する対象物を複数の画像データに亘って相関演算により追跡する技術や、プローブを移動させつつ得られる複数の画像データを相関演算により部分的に重ね合わせてパノラマ画像を形成する技術などが知られている（特許文献１参照）。

相関演算としては、例えば、位相限定相関法やパターンマッチング法（相互相関法、最小和絶対差法）などが知られている。これら相関演算の手法では、例えば、画像データ間の変位(dx,dy)ごとに相関指標Ｃ(dx,dy)が算出され、相関指標がピークとなる変位が推定変位(Δx,Δy)とされる。ここでピークとは、位相限定相関法や相互相関法では相関指標の最大値であり、最小和絶対差法では相関指標の最小値である。

相関演算の結果が理想的な場合には、複数の変位(dx,dy)に亘って得られる相関指標の分布内で推定変位(Δx,Δy)の１箇所に急峻なピークが現れる。しかし、感度不足や対象物の想定外の動きなどの影響により、例えば急峻なピークが存在しない又は急峻なピークが複数存在するなど、相関指標の分布が理想的とは言えない場合もある。

特許第３２４１２４３号公報

上述した背景技術に鑑み、本願の発明者は、相関演算の結果を評価する技術について研究開発を重ねてきた。特に、相関演算により得られる相関指標の分布に注目した。

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、相関指標の分布に基づいて相関演算の結果を評価する技術を提供することにある。

上記目的にかなう好適な超音波診断装置は、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受信信号を得る送受信部と、受信信号に基づいて超音波画像の画像データを形成する画像形成部と、複数の超音波画像に対応した複数の画像データに基づいて画像データ間の相関演算により当該画像データ間の各変位ごとに相関指標を算出する相関演算部と、複数の変位に亘って得られる相関指標の分布から相関指標の極値を抽出し、抽出された極値に基づいて前記相関演算の結果を評価する評価部と、を有することを特徴とする。

上記構成において、相関演算としては、例えば、位相限定相関法やパターンマッチング法（相互相関法、最小和絶対差法）などが好適である。また、相関指標とは、例えば相関値などの相関関係の程度を示す数値であり、相関演算の各手法に応じた具体的な数式が用いられる。例えば、位相限定相関法や相互相関法では、相関が大きいほど（類似しているほど）値が大きくなる相関指標が利用され、最小和絶対差法では、相関が大きいほど値が小さくなる相関指標が利用される。そして、上記構成によれば、複数の変位に亘って得られる相関指標の分布から相関指標の極値が抽出され、抽出された極値に基づいて相関演算の結果が評価される。例えば、相関演算により得られた結果が適正か否かが判定される。

望ましい具体例において、前記評価部は、相関が最大となる第１極値における相関指標が指標閾値に達しない場合に、前記相関演算が不適であると判定することを特徴とする。

望ましい具体例において、前記評価部は、第１極値における相関指標が前記指標閾値に達する場合に、相関が大きい方から順に得られる第１極値を含むＭ個（Ｍは２以上の整数）の極値を対象として、第１極値と他の極値との比較に基づいて前記相関演算の結果を評価する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記評価部は、相関が大きい方から順に得られる第１極値と第２極値との間における相関指標の差が指標差閾値に達する場合に、前記相関演算が適正であると判定する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記評価部は、第１極値と第２極値との間における相関指標の差が前記指標差閾値に達しない場合に、第１極値と第２極値との間における距離に基づいて前記相関演算の結果を評価する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記評価部は、第１極値と第２極値との間における距離が距離閾値を超える場合に、前記相関演算が不適であると判定する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記評価部は、第１極値と第２極値との間における距離が前記距離閾値を超えない場合に、第１極値と第２極値を１つの極値とみなし、その極値と相関が大きい方から順に得られる第３極値との比較に基づいて前記相関演算の結果を評価する、ことを特徴とする。

また、上記目的にかなう好適な超音波画像処理装置は、超音波の受信信号に基づいて形成される超音波画像の画像データを記憶する画像データ記憶部と、複数の超音波画像に対応した複数の画像データに基づいて、画像データ間の相関演算により当該画像データ間の各変位ごとに相関指標を算出する相関演算部と、複数の変位に亘って得られる相関指標の分布から相関指標の極値を抽出し、抽出された極値に基づいて前記相関演算の結果を評価する評価部と、を有することを特徴とする。

例えば、上述した相関演算部と評価部の機能を実現するためのプログラムを利用することにより、コンピュータを前記超音波画像処理装置として機能させてもよい。なお、そのプログラムは、例えばディスクやメモリなどの記憶媒体に記憶され、その記憶媒体を介してコンピュータに提供されてもよい。

本発明により相関指標の分布に基づいて相関演算の結果を評価することが可能になる。例えば、複数の変位に亘って得られる相関指標の分布から相関指標の極値が抽出され、抽出された極値に基づいて、相関演算により得られた結果が適正か否かが判定される。

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。各変位ごとの相関値の算出を説明するための図である。相関値に関する分布状態の適正例を示す図である。相関値に関する分布状態の不適例を示す図である。相関演算の結果の判定処理を説明するためのフローチャートである。関心領域の細分化を説明するための図である。

以下に本発明の好適な実施形態を説明する。

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、例えば心臓壁などの対象物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、複数の振動素子が診断対象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）を二次元平面内において走査してエコーデータを収集する。もちろん、超音波ビームを三次元空間内において立体的に走査する三次元プローブが利用されてもよい。

対象物を含む領域内で超音波ビームが走査され、送受信部１２によりエコーデータが収集されると、画像形成部２０は、収集されたエコーデータに基づいて超音波の画像データを形成する。画像形成部２０は、例えばＢモード画像の画像データを形成する。また、画像形成部２０は、複数の超音波画像に対応した複数の画像データを形成する。例えば、複数の時刻に亘って対象物を映し出した複数の画像データを形成する。あるいは、プローブ１０を徐々に移動させつつ互いに異なる位置において対象物を映し出した複数の画像データが形成されてもよい。

相関演算部３０は、複数の画像データに基づいて、画像データ間の相関演算により、その画像データ間の各変位ごとに相関指標を算出する。ここで相関指標とは、画像データ間の相関関係の程度を示す数値であり、その具体例は例えば相関値である。相関指標の算出には相関演算の各手法に応じた公知の数式が用いられる。例えば、位相限定相関法や相互相関法では、相関が最大の場合（最も類似している場合）に最大値となる相関指標が利用され、最小和絶対差法では、相関が最大の場合に最小値となる相関指標が利用される。そこで、以下の説明においては、相関指標の具体例として、相関が最大の場合（最も類似している場合）に最大値を示す相関値を利用する。相関演算部３０は、画像データ間の各変位ごとに相関値を算出し、これにより、複数の変位に亘る相関値の分布が得られる。

図２は、各変位ごとの相関値の算出を説明するための図であり、画像データＡと画像データＢとの間における相関演算を示している。例えば、画像データＡ内において、対象物を含んだ対象領域Ｓが設定され、画像データＢ内において、関心領域（ＲＯＩ）が設定される。図２において、関心領域は、対象領域Ｓに対応した位置にある画像領域を含むように設定されている。対象領域Ｓや関心領域の設定には、公知の様々な手法を利用することができる。もちろん、画像データＢの全体を関心領域としてもよい。

対象領域Ｓと関心領域（ＲＯＩ）が設定されると、画像データＢの関心領域内において画像データＡの対象領域Ｓが移動され、各移動位置において、対象領域Ｓ内の複数の画素と、関心領域内の各移動位置における複数の画素とに基づいて、相関値が算出される。つまり、画像データＡの画像部分である対象領域Ｓと、画像データＢ内の画像部分との間における相関値が算出される。例えば、画像データＢ内の対象領域Ｓに対応した位置を初期位置とし、その初期位置からの変位(dx,dy)ごとに相関値が算出され、関心領域内の全域に亘る複数の変位に対応した相関値の分布が形成される。

なお、図２においては二次元平面内における平行移動の変位(dx,dy)を示しているが、さらに回転移動の変位を加えて、回転移動の変位も考慮した相関値の分布が形成されてもよい。また、三次元画像の画像データの場合には、三次元的な平行移動や回転移動の各変位ごとに相関値が算出される。

図１に戻り、相関演算部３０において、画像データ間の各変位ごとに相関値が算出されて複数の変位に亘る相関値の分布が得られると、評価部４０は、得られた相関値の分布に基づいて、画像データ間における相関演算の結果を評価する。評価部４０は、相関値の分布から相関値に関する複数の極値（例えば極大値）を抽出し、それら複数の極値の分布状態から、相関演算の結果が適正（ＯＫ）か不適（ＮＧ）かを判定する。

図３は、相関値に関する分布状態の適正例を示す図である。図３には、ｘ軸方向の変位dxに関する相関値Ｃ(dx)の分布状態が示されている。そして、変位dx(1)における相関値Ｃが極大値かつ最大値となっており、変位dx(1)から距離Ｌだけ離れた変位dx(m)にも極大値が存在する。但し、変位dx(1)における相関値Ｃと変位dx(m)における相関値Ｃの差ｄＣが比較的大きい。つまり、変位dx(1)における相関値Ｃに比べて変位dx(m)における相関値Ｃが非常に小さい。

相関演算の結果が理想的な場合には、相関値Ｃの分布内で推定変位の１箇所に急峻なピークが現れる。例えば、図３に示すように、変位dx(1)の１箇所に非常に大きな相関値Ｃが現れ、変位dx(1)が推定変位とされる。こうして、図３に示すような相関値の分布状態の場合に、その相関演算の結果が適正であると判定される。

図４は、相関値に関する分布状態の不適例を示す図である。図４には、不適例１から不適例３が示されており、各不適例には、ｘ軸方向の変位dxに関する相関値Ｃ(dx)の分布状態が示されている。

不適例１では、変位dx(1)における相関値Ｃが最大値であるものの、その相関値が閾値Ｃ_ＭＩＮよりも小さい。不適例１に示すような相関値の分布状態の場合に、相関値Ｃの最大値が小さすぎるため、相関演算の結果が不適であると判定される。

不適例２では、変位dx(1)における相関値Ｃが極大値となっており、変位dx(1)から距離Ｌだけ離れた変位dx(m)にも極大値が存在する。そして、変位dx(1)における相関値Ｃと変位dx(m)における相関値Ｃの差ｄＣが殆ど無い。つまり、変位dx(1)における相関値Ｃとほぼ同じ程度の大きさの相関値Ｃが変位dx(m)においても得られており、急峻なピークが２箇所（複数箇所）に現れているため、相関演算の結果が不適であると判定される。

不適例３においても、変位dx(1)における相関値Ｃと変位dx(m+1)における相関値Ｃの差ｄＣが殆ど無く、急峻なピークが２箇所（複数箇所）に現れているため、相関演算の結果が不適であると判定される。また、変位dx(1)と変位dx(m)は近接しているため、これらの変位における極大値を１箇所における極大値とみなすようにしてもよい。

なお、図３，４においては、ｘ軸方向の変位ｄｘに関する１次元的な相関値Ｃ(dx)の分布状態を例として説明したが、図２に示すような２次元的な相関演算の場合においては、ｘ軸方向の変位dxとｙ軸方向の変位dyに関する２次元的な相関値の分布が利用される。もちろん、３次元画像に関する３次元的な相関演算の場合においては、３次元的な相関値の分布に拡張される。

評価部４０（図１）は、図３に示すような相関値の分布状態の場合に、その相関演算の結果が適正であると判定する。一方、図４に示すような相関値の分布状態の場合に、評価部４０（図１）は、その相関演算の結果が不適であると判定する。そこで、その具体的な判定処理について以下に説明する。

図５は、相関演算の結果の判定処理を説明するためのフローチャートである。評価部４０（図１）は、例えば、図５に示すフローチャートに従って相関演算の結果を判定する。そこで、図５に示すフローチャートに沿ってその判定処理を説明する。なお、既に図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。

まず、相関演算部３０において得られた相関値の分布から、相関値が最大となる第１極値Ｃ(dx(1),dy(1))が抽出され、相関値の閾値Ｃ_ＭＩＮと比較される（Ｓ５０１）。相関値の閾値Ｃ_ＭＩＮは、相関値の大きさに関する信頼性を評価するための数値であり、例えば予め設定された数値が利用される。もちろん、検査者などのユーザが閾値Ｃ_ＭＩＮを適宜に変更できる構成としてもよい。

Ｓ５０１の比較において、相関値の第１極値Ｃ(dx(1),dy(1))が閾値Ｃ_ＭＩＮより小さい場合には、Ｓ５０８に進んで相関演算の結果が不適（ＮＧ）と判定され、本フローチャートが終了する。ここで不適と判定される相関演算の結果は、図４の不適例１に対応している。

一方、Ｓ５０１の比較において、相関値の第１極値Ｃ(dx(1),dy(1))が閾値Ｃ_ＭＩＮ以上の場合には、相関値が大きい方から順に得られる第１極値を含むＭ個（Ｍは２以上の整数）の極値を対象として、第１極値と他の極値との比較に基づいて相関演算の結果が評価される。

つまり、相関値が大きい方からの順番を示す数値ｍが２に初期化され（Ｓ５０２）、さらに、対象とされる極値の個数Ｍと数値ｍが比較される（Ｓ５０３）。Ｍは２以上の整数であり数値ｍが２に初期化されているため、初めてＳ５０３において比較が行われた場合にはＳ５０４に進み、第１極値Ｃ(dx(1),dy(1))と第２極値Ｃ(dx(2),dy(2))との間の相関値の差ｄＣが算出され、相関値の差ｄＣと相関値の差に関する閾値ｄＣ_ＭＩＮが比較される（Ｓ５０４）。

相関値の差に関する閾値ｄＣ_ＭＩＮは、第１極値と他の極値との間の相関値の差から信頼性を評価するための数値であり、例えば予め設定された数値が利用される。もちろん、検査者などのユーザが閾値ｄＣ_ＭＩＮを適宜に変更できる構成としてもよい。また、相関値の差ｄＣは、例えば次式により算出される。

Ｓ５０４の比較において、相関値の差ｄＣが閾値ｄＣ_ＭＩＮ以上の場合には、Ｓ５０７に進んで相関演算の結果が適正（ＯＫ）と判定され、本フローチャートが終了する。ここで適正と判定される相関演算の結果は、図３の適正例に対応している。こうして、相関演算の結果が適正と判定されると、第１極値Ｃ(dx(1),dy(1))の位置が推定変位(Δx,Δy)とされる。

一方、Ｓ５０４の比較において相関値の差ｄＣが閾値ｄＣ_ＭＩＮよりも小さい場合には、第１極値Ｃ(dx(1),dy(1))と第ｍ極値Ｃ(dx(m),dy(m))に関する極値間の距離Ｌが算出されて、距離Ｌと距離の閾値Ｌ_ＭＡＸが比較される（Ｓ５０５）。

距離の閾値Ｌ_ＭＡＸは、第１極値と他の極値との間の距離から信頼性を評価するための数値であり、例えば予め設定された数値が利用される。もちろん、検査者などのユーザが閾値Ｌ_ＭＡＸを適宜に変更できる構成としてもよい。また、極値間の距離Ｌは、例えば次式により算出される。

Ｓ５０５の比較において、極値間の距離Ｌが閾値Ｌ_ＭＡＸより大きい場合には、Ｓ５０８に進んで相関演算の結果が不適（ＮＧ）と判定され、本フローチャートが終了する。ここで不適と判定される相関演算の結果は、図４の不適例２に対応している。

一方、Ｓ５０５の比較において、極値間の距離Ｌが閾値Ｌ_ＭＡＸ以下の場合には、第１極値Ｃ(dx(1),dy(1))と第ｍ極値Ｃ(dx(m),dy(m))が互いに近接しており、これらが相関値の分布内における同一の山（ピーク）に対応したものであるとみなされ、数値ｍに１が加えられて（Ｓ５０６）、次に相関値の大きい極値が対象とされる。

そして、対象とされる極値の個数Ｍと数値ｍが比較され（Ｓ５０３）、数値ｍが個数Ｍ以下の場合には、Ｓ５０４以降の処理が繰り返し実行される。さらに、繰り返し実行された結果、Ｓ５０３の比較において数値ｍが個数Ｍより大きくなると、対象となるＭ個全ての極値に関する判定において不適判定がないことから、Ｓ５０７に進んで相関演算の結果が適正（ＯＫ）と判定され、第１極値Ｃ(dx(1),dy(1))の位置が推定変位(Δx,Δy)とされて本フローチャートが終了する。

以上の処理により、評価部４０は、例えば図２を利用して説明した相関演算に関する結果を判定する。なお、図２においては、比較的広い１つの関心領域（ＲＯＩ）を利用しているが、この関心領域を複数に分割してもよい。

図６は、関心領域の細分化を説明するための図である。図２に示した関心領域（ＲＯＩ）を図６に示すように複数のサブＲＯＩ（１）〜（６）に細分化してもよい。この場合には、例えば、各サブＲＯＩごとに対象領域Ｓ（図２）が設定され、さらに、各サブＲＯＩごとに相関演算が実行される。各サブＲＯＩについての相関演算は、例えば二次元平面内における平行移動の変位(dx,dy)について実行される。そして、各サブＲＯＩごとに、その相関演算の結果についての判定処理（図５）が実行され、相関演算の結果が適正または不適と判定される。

さらに、適正と判定されたサブＲＯＩから得られる推定変位(Δx,Δy)を利用して、関心領域（ＲＯＩ）の全体に関する変位を算出してもよい。例えば、適正と判定された複数のサブＲＯＩから得られる複数の推定変位(Δx,Δy)を用いて、例えば最小２乗法により次式を満足する解を算出することにより、関心領域（ＲＯＩ）の全体に関する変位が得られる。

数３式において、(x,y)と(x´,y´)は２つの画像データ間において互いに対応する座標（画素の位置）を示しており、(ΔX,ΔY)は関心領域全体に関する平行移動の変位、θは関心領域全体に関する回転移動の変位（角度）を示している。各サブＲＯＩについては平行移動の変位(dx,dy)のみを考慮して相関演算の負荷を低減しているが、適正な複数のサブＲＯＩから得られる推定変位(Δx,Δy)を利用することにより、関心領域全体においては、平行移動の変位(ΔX,ΔY)に加えて回転移動の変位θも得ることが可能になる。しかも、適正と判定されたサブＲＯＩのみを利用しているため、推定精度の低下を抑制することができる。

以上、本発明の好適な実施形態である超音波診断装置について説明したが、例えば、図１に示した相関演算部３０と評価部４０をコンピュータにより実現し、そのコンピュータを超音波画像処理装置として機能させてもよい。また、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、２０画像形成部、３０相関演算部、４０評価部。

Claims

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受信信号を得る送受信部と、
受信信号に基づいて超音波画像の画像データを形成する画像形成部と、
複数の超音波画像に対応した複数の画像データに基づいて、画像データ間の相関演算により当該画像データ間の各変位ごとに相関指標を算出する相関演算部と、
複数の変位に亘って得られる相関指標の分布から相関指標の極値を抽出し、抽出された極値に基づいて前記相関演算の結果を評価する評価部と、
を有し、
前記評価部は、
相関が最大となる第１極値における相関指標が指標閾値に達しない場合に、前記相関演算が不適であると判定し、
第１極値における相関指標が前記指標閾値に達する場合に、相関が大きい方から順に得られる第１極値を含むＭ個（Ｍは２以上の整数）の極値を対象として、第１極値と他の極値との比較に基づいて前記相関演算の結果を評価し、
相関が大きい方から順に得られる第１極値と第２極値との間における相関指標の差が指標差閾値に達する場合に、前記相関演算が適正であると判定し、
第１極値と第２極値との間における相関指標の差が前記指標差閾値に達しない場合に、第１極値と第２極値との間における距離に基づいて前記相関演算の結果を評価し、
第１極値と第２極値との間における距離が距離閾値を超える場合に、前記相関演算が不適であると判定する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１に記載の超音波診断装置において、
前記評価部は、第１極値と第２極値との間における距離が前記距離閾値を超えない場合に、第１極値と第２極値を１つの極値とみなし、その極値と相関が大きい方から順に得られる第３極値との比較に基づいて前記相関演算の結果を評価する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
超音波の受信信号に基づいて形成される超音波画像の画像データを記憶する画像データ記憶部と、
複数の超音波画像に対応した複数の画像データに基づいて、画像データ間の相関演算により当該画像データ間の各変位ごとに相関指標を算出する相関演算部と、
複数の変位に亘って得られる相関指標の分布から相関指標の極値を抽出し、抽出された極値に基づいて前記相関演算の結果を評価する評価部と、
を有し、
前記評価部は、
相関が最大となる第１極値における相関指標が指標閾値に達しない場合に、前記相関演算が不適であると判定し、
第１極値における相関指標が前記指標閾値に達する場合に、相関が大きい方から順に得られる第１極値を含むＭ個（Ｍは２以上の整数）の極値を対象として、第１極値と他の極値との比較に基づいて前記相関演算の結果を評価し、
相関が大きい方から順に得られる第１極値と第２極値との間における相関指標の差が指標差閾値に達する場合に、前記相関演算が適正であると判定し、
第１極値と第２極値との間における相関指標の差が前記指標差閾値に達しない場合に、第１極値と第２極値との間における距離に基づいて前記相関演算の結果を評価し、
第１極値と第２極値との間における距離が距離閾値を超える場合に、前記相関演算が不適であると判定する、
ことを特徴とする超音波画像処理装置。