JP4350214B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体内の３次元領域を超音波で走査し、これにより収集されたボリュームデータからボリュームレンダリング処理によって３次元画像データを生成し、これを表示する超音波診断装置及び超音波画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波の医学的な応用としては種々あるが、その主流は、超音波パルス反射法を用いて、生体の軟部組織の組織断層像（Ｂモード）や、その１ラインの組織像を時間軸に沿って平行に配列することにより心臓や血管等の経時的な形態変化を詳細に観察できるようにしたいわゆるＭモードを生成するものである。
【０００３】
このような超音波画像診断は、Ｘ線診断装置、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置（Ｘ線ＣＴ）、磁気共鳴映像装置（ＭＲＩ）、ＳＰＥＣＴやＰＥＴ等の核医学診断装置といった他の映像装置と比較すると、超音波プローブを体表から割り当てるだけの簡単な操作で心臓や胎児の動きをリアルタイムで観察でき、また血流イメージングが可能であるといった優位性を備えている。さらに、生体への害が非常に少なく、繰り返して検査が行えるほか、非常に小型なので、装置をベッドサイドへ移動していって検査できるといった様々な特徴がある。このためその活用範囲は、心臓、腹部、乳腺、泌尿器、産婦人科等に広く及んでいる。
【０００４】
ところで、近年の超音波診断では、エコーから抽出した高調波で画像を生成するいわゆる組織ハーモニックイメージング（Ｔｉｓｓｕｅ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）等によって、比較的高い空間分解能が実現されている。それに伴って、超音波診断の分野でも、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置や磁気共鳴映像装置のような３次元画像表示技術の開発が進んでいる。
【０００５】
しかし、この超音波の３次元画像表示技術では、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置や磁気共鳴映像装置にはない独特な問題がある。まず、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置や磁気共鳴映像装置では、ガントリと呼ばれる大型のデータ収集装置があり、このガントリの撮影領域に被検体が挿入される。従って、ガントリと被検体との位置関係は、固定又は寝台の位置計測等により測定可能であり、そのため３次元画像と被検体との位置関係、つまり現在表示している３次元画像は被検体をどの位置からどの方向に見た画像であるのかということが分かる或いはそれを任意に指定できるようになっている。
【０００６】
これに対して、超音波診断では、被検体に対して超音波プローブを完全に任意の位置に任意の方向に当てることができるという超音波診断独特の撮影の自由度が広いという利点が、３次元画像表示の際には、逆に、３次元画像の位置や向きを非常に把握し難いものにしていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、被検体に対する３次元画像の位置や向きが把握し易くなる超音波診断装置及び超音波画像表示装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による超音波診断装置は、超音波プローブと、前記超音波プローブを介して被検体内の３次元領域を超音波で走査する手段と、前記走査により得られるエコー信号に基づいて前記３次元領域に関するボリュームデータを生成する手段と、前記ボリュームデータを対象として任意の視線方向に従ってボリュームレンダリング処理を実行することにより３次元画像データを生成する手段と、前記視線方向に対応するワイヤフレームの３次元スキャン範囲マークデータを生成する手段と、前記視線方向に対応するワイヤフレームの３次元ボディマークデータを作成する手段と、前記視線方向に対応するワイヤフレームの３次元プローブマークデータを作成する手段と、前記被検体と超音波プローブとの位置関係に基づいて、前記３次元のボディマークデータに前記３次元プローブマークデータと前記３次元スキャン範囲マークデータとを合成することによりオリエンテーション画像データを生成する手段と、前記３次元画像データを、前記オリエンテーション画像データと共に表示する手段とを具備することを特徴とする。
【０００９】
（２）本発明による超音波診断装置は、超音波プローブと、前記超音波プローブを介して被検体内の３次元領域を超音波で走査する手段と、前記走査により得られるエコー信号に基づいて前記３次元領域に関するボリュームデータを生成する手段と、前記ボリュームデータを対象として任意の視線方向に従ってボリュームレンダリング処理を実行することにより３次元画像データを生成する手段と、前記３次元画像データからピクセル数の少ない簡易３次元画像データを生成する手段と、前記視線方向に対応する３次元のボディマークデータを作成する手段と、前記視線方向に対応する３次元のプローブマークデータを作成する手段と、前記被検体と超音波プローブとの位置関係に基づいて、前記３次元のボディマークデータに前記３次元プローブマークデータと前記簡易３次元画像データとを合成することによりオリエンテーション画像データを生成する手段と、前記３次元画像データを、前記オリエンテーション画像データと共に表示する手段とを具備することを特徴としている。
【００１０】
（３）本発明は、（２）の超音波診断装置において、複数種類の３次元のボディマークデータを保管する保管手段と、検査対象部位に対応する３次元ボディマークデータを前記保管手段から前記３次元のボディマークデータを作成する手段に対して選択的に読み出させる手段とをさらに備えることを特徴としている。
【００１１】
（４）本発明は、（２）の超音波診断装置において、前記３次元画像データと前記オリエンテーション画像データとの一方で変更した視線方向に追従して他方の視線方向が変更されることを特徴としている。
【００１２】
（５）本発明による超音波診断装置は、超音波プローブと、前記超音波プローブを介して被検体内の３次元領域を超音波で走査する手段と、前記走査により得られるエコー信号に基づいて前記３次元領域に関するボリュームデータを生成する手段と、前記ボリュームデータを対象としてボリュームレンダリング処理を実行することにより３次元画像データを生成する手段と、前記３次元画像データを表示する手段とを具備し、前記３次元画像データと共に、前記被検体に対する前記超音波プローブの位置及び向きを表すために位置整合された３次元のボディマークと３次元のプローブマークとが表示されることを特徴としている。
【００１３】
（６）本発明による超音波画像表示装置は、被検体内の３次元領域に関するボリュームデータを保存する手段と、前記ボリュームデータを対象として任意の視線方向に従ってボリュームレンダリング処理を実行することにより３次元画像データを生成する手段と、前記３次元画像データからピクセル数の少ない簡易３次元画像データを生成する手段と、前記視線方向に対応する３次元のボディマークデータを作成する手段と、前記視線方向に対応する３次元のプローブマークデータを作成する手段と、前記被検体と超音波プローブとの位置関係に基づいて、前記３次元のボディマークデータに前記３次元プローブマークデータと前記簡易３次元画像データとを合成することによりオリエンテーション画像データを生成する手段と、前記３次元画像データを、前記オリエンテーション画像データと共に表示する手段とを具備することを特徴としている。
【００１４】
（７）本発明による超音波画像表示装置は、被検体内の３次元領域に関するボリュームデータを保存する手段と、前記ボリュームデータを対象としてボリュームレンダリング処理を実行することにより３次元画像データを生成する手段と、前記３次元画像データを表示する手段とを具備し、前記３次元画像データと共に、前記被検体に対する超音波プローブの位置及び向きを表すために位置整合された３次元のボディマークと３次元のプローブマークとが表示されることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明を好ましい実施形態により説明する。図１に本実施形態に係る超音波診断装置の構成を示す。超音波プローブ１は、被検体の内部の３次元領域を超音波により電子的に高速で走査することができるように、電気信号と音響信号とを相互変換するための複数の振動素子がマトリクス状に配列されてなる。送受信ユニット(Transmitter / Receiver)２の送信系は、図示しないが、クロック発生器、分周器、送信遅延回路、パルサから構成され、クロック発生器で発生されたクロックパルスを分周器で例えば６ＫＨｚ程度のレートパルスに落とし、このレートパルスを送信遅延回路を通してパルサに与えて高周波の電圧パルスを発生し、振動素子を駆動する、つまり機械的に振動させるようになっている。こうして発生された超音波は、被検体内の音響インピーダンスの境界で反射して、超音波プローブ１に戻ってきて、振動素子を機械的に振動する。これにより各振動素子に電気信号が個別に発生する。この電気信号は、受信系のプリアンプで増幅された後、ディジタルビームフォーマユニットに送られ、整相加算される。これにより、指向性を有する信号（受信信号）が生成される。
【００１６】
超音波画像生成装置３では、送受信ユニット２で生成されたエコー信号を検波回路で検波し、そしてこの検波信号を対数増幅器で対数増幅にかける。このような処理により、１本のビームライン（超音波走査線ともいう）上の組織構造（音響インピーダンスの差）が、振幅変化により表されることになる。この検波信号を、アナログディジタルコンバータでディジタル信号に変換してから、ディジタルスキャンコンバータで直交座標系にマッピングする。
【００１７】
ここで、送受信遅延パターンを１回又は数回の送受信毎に少しずつ変えることにより、１断面を２次元的に走査して、その断面に関する組織画像（Ｂモード像）を得ることができる。さらに、１フレーム毎に断面に垂直な方向に関して送受信遅延パターンを少しずつ変えることにより、２次元の走査面が少しずつ異なる組織画像がいわゆるマルチスライスとして収集される。このような走査面を移動する等の動作によって被検体内部の３次元領域を一通り超音波で走査する動作が、３次元走査（ボリュームスキャンともいう）と呼ばれている。
【００１８】
上記超音波画像生成装置３で生成されたマルチスライスの画像データは、大容量ディスク装置４に記憶される。本実施形態装置では、このマルチスライスの画像データを使って、３次元画像データを生成し、それを、被検体に対する３次元画像の位置や向きを分かり易い態様で観察者に提示するように工夫されたオリエンテーション像データと共に表示する機能を有している。この機能について、本実施形態によるボリュームデータの生成から３次元画像の表示までの動作手順を示している図２を参照しながら以下に説明する。
【００１９】
上記機能に関わる部分としては、ＣＰＵ５を制御中枢として、大容量ディスク装置４から目的とするマルチスライスの画像データを選択的に読み出すためのデータ読み出し部６の他に、読み出されたマルチスライスの画像データに対して二値化処理を実行して、目的臓器領域を抽出すると共に、必要に応じて補間し、そして奥行き情報を付加することによりいわゆるボリュームデータを生成するボリュームデータ生成部７が設けられている（Ｓ１）。
【００２０】
また、ボリュームデータ生成部７で生成されたボリュームデータに対して、入力部インタフェース１２を介して接続されているマウス１０やキーボード１１といった入力部を介して任意に指定された視線方向（Ｓ２）に従って、投影（光線追跡）やシェーディング等を含むボリュームレンダリング処理（Ｓ３）を実行することにより目的臓器の表面画像に代表されるような３次元画像データを生成する超音波３Ｄ画像生成部８と、この３次元画像データを間引き等の縮小処理（Ｓ４）によってピクセル数の少ない簡易３次元画像データを生成する簡易３Ｄ画像生成部９とが設けられている。
【００２１】
さらに、大容量ディスク装置４又は内部メモリに記憶されている３次元ボディマークのワイヤフレームデータ（ベクトルデータ）に対してボリュームレンダリング処理の際の視線方向と同じ視線方向で投影又は単純な傾斜処理を実行することにより３次元画像と視線方向が同じワイヤフレームの３次元ボディマークデータを作成（Ｓ１４）する３Ｄボディマーク作成部１３が設けられている。同様に、大容量ディスク装置４又は内部メモリに記憶されている３次元プローブマークのワイヤフレームデータに対してボリュームレンダリング処理の際の視線方向と同じ視線方向で投影又は単純な傾斜処理を実行することにより３次元画像と視線方向が同じワイヤフレームの３次元プローブマークデータを作成（Ｓ１３）する３Ｄプローブマーク作成部１４とが設けられている。
【００２２】
なお、３次元ボディマークのワイヤフレームデータとしては、腹部、胸部等の複数の部位に対して個々に用意されており、操作者が入力部を介して検査部位に応じて任意に選択できるようになっている（Ｓ１１）。また、３次元プローブマークのワイヤフレームデータとしては、様々なタイプ及び形状に対して個々に用意されており、操作者が入力部を介して任意に選択できるようになっている。
【００２３】
また、簡易３次元画像の代わりに、さらに簡易なものとして、ワイヤフレームの３次元スキャン範囲マークを採用してもよい。大容量ディスク装置４又は内部メモリに、リニア、セクタ、コンベックス等の様々なスキャン方式毎にスキャン範囲を表す３次元のワイヤフレームデータを予め与えておき、実際に使用しているスキャン方式に応じたワイヤフレームデータを選択的に読み出し、この読み出したワイヤフレームデータに対して、ボリュームレンダリング処理の際の視線方向と同じ視線方向で投影又は単純な傾斜処理を実行することにより３次元画像と視線方向が同じワイヤフレームの３次元スキャン範囲マークデータを作成する。
【００２４】
画像合成部１５は、被検体と超音波プローブ１との位置関係に基づいて、３Ｄボディマーク作成部１３で作成された３次元のボディマークデータに、３Ｄプローブマーク作成部１４で作成された３次元プローブマークデータと、簡易３Ｄ画像生成部９で生成された簡易３次元画像データ（又はワイヤフレームの３次元スキャン範囲マークデータ）とを合成（Ｓ２１）することにより、いわゆるオリエンテーション画像データを生成する（図３参照）。
【００２５】
なお、被検体と超音波プローブ１との位置情報は、入力部を介して操作者が入力（Ｓ１２）するようにしてもよいし、また、３次元測位技術を使って自動入力するようにしてもよい。この３次元測位技術としては、現在実用化している様々な手法の中の任意のものを流用すればよく、例えば超音波プローブ１に磁気素子を埋め込んでおき、その磁気を周辺に離散的に配置された３個以上の磁気センサで検出し、それらの検出信号の強度差に基づいて超音波プローブ１の位置を計算することを原理とするもので、その計算した位置と、事前に寝台又は被検体に対して位置照合しておいた超音波プローブ１の基準位置とのずれに基づいて、被検体と超音波プローブ１との位置情報を測位するものが考えられる。
【００２６】
上述したオリエンテーション画像データは、図４に示すように、３次元画像データと同画面に表示される（Ｓ２２）。
このように本実施形態によると、３次元のボディマークに対して、３次元プローブマークと簡易３次元画像とが、被検体と超音波プローブとの位置関係に基づいて位置整合されているオリエンテーション像が、３次元画像と共に同じ視線方向で表示されるので、観察者は、３次元画像の位置及び向き、つまり現在表示している３次元画像は被検体をどの位置からどの方向に見た画像であるのかという情報を、３次元のボディマークと３次元プローブマークとの位置関係及びその見ている方向から明瞭に且つ容易に入手することができるものである。
【００２７】
なお、視線方向に変更は、図４に示す上下左右の回転ボタンをカーソルでクリックすることにより、簡単に変えられるようになっている。さらに、オリエンテーション像を回転させると、それに追従して３次元画像も回転し、逆に、３次元画像を回転させると、それに追従してオリエンテーション像も回転して、何れか一方を回転操作すれば、それに追従して他方も回転して、常に視線方向が同じになるようにようになっている。
【００２８】
本発明は、上述してきたような実施形態に限定されることなく、種々変形して実施可能であることは言うまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によると、オリエンテーション像が３次元画像と共に表示される。オリエンテーション像では、３次元のボディマークに対して、３次元プローブマークと、ワイヤフレームのスキャン範囲マーク（又は簡易３次元画像）とが、被検体と超音波プローブとの位置関係に基づいて、位置整合されている。しかも、オリエンテーション像と３次元画像とも間で、視線方向は一致している。従って、観察者は、３次元画像の位置及び向きを、３次元のボディマークと３次元プローブマークとの位置関係及びその見ている方向から明瞭に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本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。
【図２】本実施形態の動作を示すフローチャート。
【図３】図１の画像合成部で合成されるオリエンテーション像の詳細図。
【図４】図１のＣＲＴの表示画面例を示す図。
【符号の説明】
１…超音波プローブ、
２…送受信器、
３…超音波画像生成装置、
４…大容量ディスク装置、
５…ＣＰＵ、
６…データ読み出し部、
７…ボリュームデータ生成部、
８…超音波３Ｄ画像生成部、
９…簡易３Ｄ画像生成部、
１０…マウス、
１１…キーボード、
１２…入力部インタフェース、
１３…３Ｄボディマーク作成部、
１４…３Ｄプローブマーク作成部、
１５…画像合成部、
１６…ＣＲＴ。

Claims (1)

1. 超音波プローブと、
   前記超音波プローブを介して被検体内の３次元領域を超音波で走査する手段と、
   前記走査により得られるエコー信号に基づいて前記３次元領域に関するボリュームデータを生成する手段と、
   前記ボリュームデータを対象として任意の視線方向に従ってボリュームレンダリング処理を実行することにより３次元画像データを生成する手段と、
   前記視線方向に対応するワイヤフレームの３次元スキャン範囲マークデータを生成する手段と、
   前記視線方向に対応するワイヤフレームの３次元ボディマークデータを作成する手段と、
   前記視線方向に対応するワイヤフレームの３次元プローブマークデータを作成する手段と、
   前記被検体と超音波プローブとの位置関係に基づいて、前記３次元のボディマークデータに前記３次元プローブマークデータと前記３次元スキャン範囲マークデータとを合成することによりオリエンテーション画像データを生成する手段と、
   前記３次元画像データを、前記オリエンテーション画像データと共に表示する手段とを具備することを特徴とする超音波診断装置。

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