(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を利用して対象物を撮像する超音波撮像装置であって、
前記対象物である心臓に超音波を送受信する超音波探触子と、前記超音波探触子によって受信された反射エコー信号を処理する信号処理部と、前記信号処理部の信号処理結果を表示する表示部とを備え、
前記信号処理部は、前記反射エコー信号から前記心臓の形状情報を抽出する形状抽出部と、前記反射エコー信号から前記心臓の固有振動を検出する固有振動検出部と、前記形状情報と前記固有振動から前記心臓の心筋硬さあるいは心内圧を計算する演算部とを備え、
前記固有振動検出部は、前記形状抽出部で前記形状情報として得られた前記心臓内の心腔形状の所定の１つ以上の固有振動モードを検出し、前記固有振動モードの周波数である固有振動数を算出し、
前記演算部は、前記固有振動検出部で算出した複数の前記固有振動モードを用いて、前記心筋硬さ又は前記心内圧を計算する、
ことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波撮像装置であって、
前記固有振動検出部は、前記心腔形状の前記固有振動モードの検出箇所を決定する、
ことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波撮像装置であって、
前記演算部は、
前記形状情報および前記心筋硬さと前記心内圧の関係則を用いて有限要素計算を行い、前記心内圧あるいは前記心筋の硬さを算出する、
ことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項４】
請求項１に記載の超音波撮像装置であって、
前記形状抽出部は前記心臓内の左心室を楕円球殻として近似し、前記楕円球殻の短軸あるいは長軸の内径、殻厚、長径短径比を算出する、
ことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波撮像装置であって、
前記演算部は、前記楕円球殻の固有振動数から、前記心筋硬さを算出する、
ことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項６】
請求項５に記載の超音波撮像装置であって、
前記演算部は、前記楕円球殻の固有振動数を球殻に帰着する補正演算を行う、
ことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項７】
請求項５に記載の超音波撮像装置であって、
前記演算部は、補正テーブルを用いて、前記楕円球殻の固有振動数を球殻に帰着する、
ことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項８】
請求項５に記載の超音波撮像装置であって、
前記演算部は、楕円球殻近似時における前記心筋硬さと前記心内圧の関係則を用いて、前記心内圧を計算する、
ことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項９】
請求項１に記載の超音波撮像装置であって、
前記信号処理部は、前記心臓の心拍時相を検出する心拍時相検出部を更に備え、前記心拍時相検出部で検出した所定の心拍時相において、前記心筋硬さあるいは前記心内圧を計算する、
ことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の超音波撮像装置であって、
前記表示部に表示された前記画像に所定点を設定する入力部を更に備え、
前記信号処理部は、前記入力部によって設定された前記所定点の前記固有振動モードを検出する、
ことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の超音波撮像装置であって、
前記表示部は、前記演算部の算出した前記心筋硬さ又は前記心内圧を表示する、
ことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の超音波撮像装置であって、
前記表示部は、前記演算部で算出した前記固有振動の固有振動数と、前記心拍時相検出部で検出した前記心拍時相とを２次元の空間にプロットしたスペクトル解析図を表示する、
ことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の超音波撮像装置であって、
前記信号処理部は、前記形状情報を用いて有限要素計算を行い、前記心臓の固有振動数を検出し、前記心臓の固有振動数と前記心筋の硬さの関係則を用いて、前記心筋の硬さあるいは前記心内圧を算出する、
ことを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項１４】
心臓に超音波を送受信して得た反射エコー信号を処理する情報処理装置であって、
前記反射エコー信号を処理する信号処理部と、前記信号処理部の処理結果を表示する表示部とを備え、
前記信号処理部は、
前記反射エコー信号から前記心臓の形状情報を抽出し、前記形状情報として得られた前記心臓内の心腔形状の所定の１つ以上の固有振動モードを検出し、前記固有振動モードの周波数である固有振動数を算出し、前記形状情報と、複数の前記固有振動モードを用いて、前記心臓の心筋硬さ又は心内圧を計算する、
ことを特徴とする情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用の超音波撮像装置に係り、特に、検者が所望する心臓の硬さや心臓の内部の血圧を計測する超音波撮像技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
心臓疾患は多くの先進国では３大死因の一つである。心臓疾患の早期診断や経過観察を行う上で、左心房や左心室の時間的な圧力情報は診断に直接的に有用な指標として用いられている。心臓の内部の圧力情報とは、大気圧との差圧を指し、以下心内圧と称する。【０００３】
心内圧計測を行う際は、心臓カテーテルを体内に挿入する侵襲的な方法がとられている。カテーテルにより得られる情報は、主に大動脈、左心室における血圧である。【０００４】
また、非侵襲的な心内圧測定に関連する技術として、左心室の固有振動数から心筋の硬さを推定し、さらに心内圧を計測する手法が考案されている。非特許文献２の方法は、左心室を球殻と近似し、非特許文献１で提唱された流体が充満した球殻の固有振動数と固さの関係式を用いることで、心筋の硬さを推定する手法である。固有振動数は心筋が硬い場合に高くなる。例えば、心内圧が高い場合には心筋組織が張り、心腔の固有振動数が高くなるのである。さらに、非特許文献３は非特許文献４で示された、心筋の硬さと心内圧の関係を用いて、心内圧を推定する手法を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−５２２６公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Advani, S. H., Lee, Y. C., J. Sound Vib. 12(4):453-462 (1970)
【非特許文献２】Honda, H et al. Am J Physiol Heart Circ Physiol 266: H881-H890 (1994)
【非特許文献３】Sato M. et al. Ｅlectronic letters 32 (11) 949-950 (1996)
【非特許文献４】Mirsky I., Parmley W.W. Cardiac Mechanics. Chap. 11 (1974)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
心臓カテーテルを用いた場合、心内圧を計測することは可能であるが、侵襲的な計測であるため、患者への負担は極めて大きい。また、上述の先行技術文献のように、左心室を球殻に近似して、固有振動数から心筋の硬さや心内圧を算出した場合、得られた値と形状依存による誤差は同じオーダとなってしまい、精度がない。【０００８】
本発明の目的は、心筋硬さおよび、心臓内部の絶対圧を非侵襲的に精度良く測定することが可能な超音波撮像装置および情報処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明においては、対象物である心臓に超音波を送受信する超音波探触子と、超音波探触子によって受信された反射エコー信号を処理する信号処理部と、信号処理部における信号処理結果を表示する表示部とを備え、信号処理部は、反射エコー信号から心臓の形状情報を抽出する形状抽出部と、反射エコー信号から心臓の固有振動を検出する固有振動検出部と、得られた形状情報と固有振動から、心筋硬さあるいは心内圧を計算する演算部を備えた構成の超音波撮像装置を提供する。【００１０】
また、上記目的を達成するため、本発明においては、心臓に超音波を送受信して得た反射エコー信号を処理する情報処理装置であって、反射エコー信号を処理する信号処理部と、信号処理部の処理結果を表示する表示部とを備え、信号処理部は、反射エコー信号から心臓の形状情報を抽出する形状抽出部と、反射エコー信号から心臓の固有振動を検出する固有振動検出部と、得られた形状情報と固有振動から心臓の心筋硬さあるいは心内圧を計算する演算部とを備えた構成の情報処理装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、撮像対象物である心臓の形状情報を考慮することで、診断に有効な心筋硬さおよび心内圧を精度よく提供することができる。【００１２】
本発明においては、超音波撮像信号によって心臓の形状および、心臓の動きを非侵襲的に計測するために、心臓の固有振動数から形状の効果を考慮した物理法則を用いることで、精度のよい心筋硬さを算出することができる。さらに得られた心筋硬さから、心臓の硬さと心臓の圧力の関係式を用いて心内圧を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施例の超音波撮像装置の一構成例を示すブロック図である。
【図２】第１の実施例に係る、信号処理部の動作の一例を示すフローチャート図である。
【図３】第１の実施例に係る、心臓の振動を説明するためのＢモード画像を示す図である。
【図４】第１の実施例に係る、心臓の心拍時相を説明するための図である。
【図５】第１の実施例に係る、拡張末期の心壁振動を説明するための図である。
【図６】第１の実施例に係る、楕円体、及び楕円体の振動モードを説明するための図である。
【図７】第１の実施例に係る、信号処理部の詳細動作を説明するための図である。
【図８】第２の実施例に係る、球ベッセル関数を用いた関数の説明図である。
【図９Ａ】第２の実施例に係る、球殻と楕円体殻の振動数比を示した説明図（１）である。
【図９Ｂ】第２の実施例に係る、球殻と楕円体殻の振動数比を示した説明図（２）である。
【図９Ｃ】第２の実施例に係る、球殻と楕円体殻の振動数比を示した説明図（３）である。
【図９Ｄ】第２の実施例に係る、振動数比のテーブルの一例を示す図である。
【図９Ｅ】第２の実施例に係る、無次元パラメータのテーブルの一例を示す図である。
【図１０】第２の実施例に係る、楕円体殻の説明のための模式図である。
【図１１】第２の実施例に係る、信号処理部の動作の一例を示すフローチャート図である。
【図１２】各実施例に係る画面表示の一例を示す図である。
【図１３】第３の実施例に係る、信号処理部の動作の一例を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態である種々の実施例を図面に基づき説明する。
【実施例１】
【００１５】
まず、第一の実施例として、反射エコー信号を有限要素法を用いて処理する超音波撮像装置を説明する。すなわち、超音波を利用して対象物を撮像する超音波撮像装置であって、対象物である心臓に超音波を送受信する超音波探触子と、超音波探触子によって受信された反射エコー信号を処理する信号処理部と、信号処理部の信号処理結果を表示する表示部とを備え、信号処理部は、反射エコー信号から心臓の形状情報を抽出する形状抽出部と、反射エコー信号から心臓の固有振動を検出する固有振動検出部と、形状情報と固有振動から心臓の心筋硬さあるいは心内圧を計算する演算部とを備えた超音波撮像装置の構成を説明する。【００１６】
図１は、実施例１の超音波撮像装置の一構成例を示すブロック図である。超音波撮像装置は、装置本体１と超音波探触子２を有している。【００１７】
装置本体１は超音波探触子２を制御しながら、超音波画像の生成を行うものである。超音波探触子２は超音波信号発生器１２で生成された信号に従い、生体などの被検体３に接し、その照射領域３０に対し、超音波を照射すると共に、照射領域３０の反射エコー信号を受信する。【００１８】
次に、装置本体１の詳細な構成要素を説明する。装置本体１は、入力部１０、制御部１１、超音波信号発生器１２、超音波受信回路１３、表示部１４、及び信号処理部１５を備えている。入力部１０は、超音波撮像装置を操作する検者が制御部１１に対し超音波撮像装置の動作条件を設定するキーボードやポインティングデバイス、また、心電図を使用する場合の心電図信号入力部である。制御部１１は、入力部１０によって設定された超音波撮像装置の動作条件に基づき超音波信号発生器１２、超音波受信回路１３、表示部１４及び信号処理部１５を制御するもので、例えばシーケンサや、コンピュータシステムの処理部を構成する中央処理部（Central Processing Unit；ＣＰＵ）のプログラム処理として構成される。超音波受信回路１３は、超音波探触子２によって受信された反射エコー信号を増幅や整相などして、信号処理部１５に入力する。表示部１４は、信号処理部１５で得られた画像情報や後で詳述する心筋硬さや心内圧等をディスプレイ上に出力する。信号処理部１５は、超音波受信回路１３、すなわち、超音波探触子２からの反射エコー信号から超音波画像を生成する機能を有する。【００１９】
続いて、信号処理部１５の詳細な構成要素を説明する。信号処理部１５は、心拍時相検出部１５１、形状抽出部１５２、固有振動検出部１５３、演算部１５４、及び記憶部であるメモリ１５５を有する。なお、信号処理部１５の機能ブロックである心拍時相検出部１５１、形状抽出部１５２、固有振動検出部１５３、演算部１５４は、上述したＣＰＵにおけるプログラム処理などで実現できる。心拍時相検出部１５１は、入力部１０から取り込んだ入力信号、あるいは反射エコー信号、あるいは形状情報から、心臓弁の血流の速度や向きを検出し、心臓の収縮や拡張の時相取得することで、心拍時相を認識することができる。あるいは形状抽出部１５２から得られた形状情報より心拍時相を検出する。【００２０】
形状抽出部１５２は、超音波受信回路１３から出力される反射エコー信号から、例えばＢ(Brightness)モード、すなわち超音波照射対象の平面的撮像法を用いた２次元的あるいは立体的撮像法を用いた３次元的な心臓を中心とした組織形状を形成する。【００２１】
固有振動検出部１５３は、形状抽出部１５２で得た組織の固有振動を計測する。演算部１５４は組織の形状情報と固有振動情報から、有限要素法を用いて、組織の硬さを算出する。メモリ１５５は、反射エコー信号データを含め、心拍時相検出部１５１、形状抽出部１５２、固有振動検出部１５３、演算部１５４で処理するデータや得られた結果のデータを記憶する。このメモリ１５５は、信号処理部１５の外部に設置されて良いことは言うまでもない。【００２２】
図２に、本実施例の装置、特に信号処理部１５の処理フローを示す。図２では、具体的な例として、図１中の照射領域３０中に心臓の左心室を含む部位とするが、照射領域３０は左心房、右心房、右心室でも良い。【００２３】
まず、形状抽出部１５２が、超音波受信回路１３から出力される反射エコー信号より例えばＢモード像、すなわち超音波照射対象の平面的撮像法を用いた２次元的あるいは立体的撮像法を用いた３次元的な左心室の形状画像を形成し（Ｓ１１）、この組織形状画像を心拍時相検出部１５１へ送る。心拍時相検出部１５１が、超音波受信回路１３から得られる反射エコー信号、あるいは形状情報、あるいは入力部１０から取り込んだ情報をもとに心拍時相を検出し（Ｓ１２）、心拍時相情報を形状抽出部１５２へ送る。次に、形状抽出部１５２は、組織形状画像の輝度情報から、画像処理を用いて各画像内の組織が存在する位置情報を決定し、所定時相における左心室の形状情報を抽出し（Ｓ１３）、形状情報を固有振動検出部１５３へ送る。【００２４】
次に、固有振動検出部１５３が形状情報の所定箇所の固有振動を検出し（Ｓ１４）、固有振動情報を演算部１５４へ送る。最後に、演算部１５４が左心室の形状情報と固有振動情報から、左心室の硬さ情報あるいは心臓の内部の圧力である心内圧情報を算出する。なお、ステップ１２を実行する際に、ステップ１１で取得される形状情報を使用しない場合は、ステップ１１とステップ１２の順序は逆でもよいし、同時に実行してもよい。また、ステップ１３とステップ１４の順序は逆でもよいし、同時に実行してもよい。【００２５】
図３により、ステップ１１によって得られる被写体である心臓の形状情報の一例を説明する。図３は２次元のＢモードによって撮像された心臓の左心室３１、左心房３２、右心室３３、僧房弁３４、左室後壁３５、心尖部３６を示している。説明図は２次元画像であるが、３次元画像撮像でもよい。Ｂモード像の超音波周波数は撮像が可能な１ＭＨｚから２０ＭＨｚの範囲で良いが、本実施例では中心周波数５ＭＨｚとした。また、心臓を撮像する際のパルス繰り返し周波数（Pulse Repetition Frequency；ＰＲＦ）は、心臓の動きを捉えることができる範囲である、２０Ｈｚ以上とする。【００２６】
ステップ１２における心拍時相検出方法の例を、図４を用いて説明する。【００２７】
図４は心拍時相の経時的な物理量、例えば、心電図信号波形６１、僧房弁流入速度波形６２、肺動脈弁逆流波形６３、心壁速度波形６４、心壁運動波形６５の変化を示している。心電図信号を用いた場合は、入力部１０から取り込んだ心電図信号波形６１による心拍時相が認識できる。心電図は心拍時相を特徴的に捉えているが、心電図を用いなくとも、心電図時相の変化とともに特徴的な変化を示す図４中の物理量６２−６５の何れかを用い、波形の極大値、極小値、最大値、最小値、傾き、ゼロクロスなどを用いることで、時相を検出することができる。波形の取得方法として、たとえば、僧房弁３４を通る血流の僧房弁流入速度波形６２を、ドップラー計測を行うことで計測し、心拍時相認識をすることができる。また血流波形は肺動脈弁逆流波形６３や大動脈弁、三尖弁を通る流速波形あるいは、心壁速度波形６４、あるいは、心壁の移動をＭ(Motion)モードで経時的に計測した、心壁運動波形６５でもよい。また、固有振動検出部１５３による振動を経時的に示した波形でもよい。何れにしても、心拍時相検出部１５１において、これらの波形から心拍時相が認識できる。【００２８】
本実施例では、特に、診断に有用な拡張末期６６の時相に注目する。拡張末期６６は左心室３１に血液が充満し、血液が拍出される直前の時相である。また、左心室容積が最大となる時相を検出してもよい。ここで、Ｂモード画像とは超音波で撮像した組織形状を表す画像であり、Ｍモード画像とは任意超音波走査線上の組織の動きを時間的に追跡し、縦軸に走査線上の組織の位置を、横軸に時間を示し、組織の動きを時間的に表示した画像である。【００２９】
次に、図２のステップ１３では、ステップ１１で得られた組織画像の位置情報を画像処理により検出する。具体的には超音波画像では組織は高輝度値として認識されるため、高輝度値部分を心臓組織とし、２次元、あるいは３次元的な心臓組織位置を取得する。【００３０】
ステップ１４では、固有振動検出部１５３が、超音波受信回路１３から出力される反射エコー信号を用いて、ステップ１１で得られた組織画像中の所定位置の固有振動数を計測する。所定の位置は、ユーザが組織画像中から選んで、入力部１０からの指示により決定してもよいし、特徴的な左室後壁３５や、心尖部３６を信号処理部１５による画像処理によって決定してもよい。なお、本実施例においては、１０Ｈｚ以上１００Ｈｚの範囲の固有振動数を算出するＭモードのＰＲＦは２００Ｈｚ以上とする。【００３１】
ステップ１４の詳細を図３、および図５を用いて説明する。固有振動検出する場所は対象とする心腔壁のいずれの位置でもでもよい。本実施例では，左室を対象としているため、その一例として図３に示した心尖部３６での固有振動検出を説明する。固有振動数の検出方法は，Ｍモードを用いた手段を説明する。【００３２】
図５に図３に示した、検出箇所を含む超音波走査線３７を用いたＭモード画像を示す。Ｍモードでは心壁の動きを示す心壁運動波形６５の振動を経時的にみることで、拡張末期６６の固有振動が検出できる。本実施例では、診断に有用で、且つ心臓が弛緩している状態である拡張末期６６の時相の固有振動に着目する。拡張末期６６における壁振動のスペクトル解析をおこなうことで，心尖部３６における固有振動数３９を算出することができる。スペクトル解析は、フーリエ変換あるいはウェーブレット変換でもよい。計測する固有振動数は一つ以上で，複数の場合は、固有振動数３９に加え、左室後壁３５における固有振動数３８や、その他の場所の固有振動数を計測しても良い。【００３３】
ここで、図６を用いて、固有振動と計測場所の関係を説明する。殻の固有振動モードは無数に存在し、固有振動モード毎の振動仕方によって、振動が顕著な場所と振動が少ない場所が生じる。楕円体殻の振動を例に図６を用いて説明する。図６の（ａ）には楕円体殻６７が軸方向x,半径方向r,円周方向θで現される極座標系にある。xr平面６７１におけるx軸方向のモード２ｘの振動を図６の（ｂ）に、また、rθ平面６７２におけるr方向のモード２ｒの振動を図６の（ｃ）に示した。典型的な変形した状態６７５、６７６はそれぞれ逆の振動の位相をあらわしている。【００３４】
また、同図（ｂ）と（ｃ）の振動モードは異なり、これにより固有振動数も異なる。また、振動を計測する箇所を複数とることで、これらの様々な振動モードの特徴的なモードを捉えることができる。たとえば、計測点６７３では、モード２ｘの振動は顕著に計測することができるが、モード２ｒの振動は殆ど検出しない。一方、計測点６７４では、モード２ｘとモード２ｒの両方の固有振動数を計測することができる。すなわち、計測点が一点であった場合は、モードの特定が困難であるが、複数点の計測を行うことでモードの特定が可能となる。【００３５】
図２のステップ１５では、演算部１５４が、組織の形状情報と固有振動情報から、有限要素法を用いて、組織の硬さを算出する。特に有限要素法を行う際に、二つの重要な物理量、すなわち心筋硬さＥ［Ｐａ］および、心内圧p［Ｐａ］が未知である。これを決定するために、本実施例においては反復法を用いる。【００３６】
図７を用いて、本実施例における有限要素法の詳細な処理を説明する。図７の(a)はその詳細フローを、図７の(b)はそのフローに沿った概要図を示している。演算部１５４が形状検出部１５２で抽出した形状情報Ｄ０から、有限要素メッシュＤｍを作成する（Ｓ１５１１）。ここでＤｍは心臓内に圧力がかかっているため、心筋が伸びて、心腔が膨らんだ状態である。Ｄｍからを圧力がかからない萎んだ状態を推定する。萎んだ状態は、スケーリングファクタｇによって推定する。【００３７】
スケーリングファクタｇは０から１までの値で、演算の際に任意に決定する（Ｓ１５１２）。メッシュ情報Ｄｍをｇ倍スケールダウンすることで、萎んだ状態のメッシュメッシュ情報Ｄｄを算出する（Ｓ１５１３）。ここで、心筋組織の質量が保存するように、スケールダウンを行う。これは例えば、心壁の径を小さくし、壁厚を厚くしてもよい。またこのとき、心内圧は外圧と等価である。また、本実施例における心内圧の基準圧は大気圧であり、心内圧の表示は大気圧との差圧を示している。すなわち、ステップ１５１３で算出した萎んだ心臓メッシュＤｄの心内圧は０ｍｍＨｇである。次に、有限要素法のパラメータを決定する。物性は診断の有効性は保たれ範囲として、心筋の密度を９５０ｋｇ／ｍ＾３から１１５０ｋｇ／ｍ＾３の範囲の定数血液密度を９５０ｋｇ／ｍ＾３から１１５０ｋｇ／ｍ＾３の範囲の定数とする。心筋の硬さＥは式（１）に記載される関係式（非特許文献４）を用いた（Ｓ１５１４）。【００３８】
【数１】
0005386631.tif 000002
ここで、σは壁厚さ方向の左心室壁応力［Ｐａ］、ｋ１（単位無）、ｋ２[ｇｍ／ｍｍ＾２]は弾性に関する定数である。ｋ１は２９．９から、４３．７をとることが知られており、経験的な平均値は３７．３である（非特許文献４）。ｋ２は０から、−２．１３[ｇｍ／ｍｍ＾２]の範囲の定数である。【００３９】
次に、有限要素法を用いて、Ｄｄの心内圧を徐々に増加させ、Ｄｓを徐々に膨張させる。計測したメッシュ情報Ｄｍとほぼ同等の大きさまで膨張させる（Ｓ１５１５）。この膨張したメッシュ情報Ｄｓとし、このときの心内圧をpとする。次に、このＤｓを用いて、固有振動数fcを算出する（Ｓ１５１６）。算出された固有振動数fcと計測された固有振動数fmを比較する（Ｓ１５１７）。両者が十分近いとき、有限要素モデルは十分計測した心臓を反映しているとして、計算で用いた硬さＥと圧力pを実際の硬さと心内圧とする。【００４０】
また、この判定は、固有振動数fcと計測された振動数fmが異なる場合、スケールファクタｇを変えてステップ１５１２からステップ１５１７までを繰り返す。固有振動数fcと計測された振動数fmが十分近いという判定は、たとえば、両者の誤差がある閾値以内に収束した場合としてもよい。またこの閾値は、許容誤差である１５％以下としてもよい。ほかには、網羅的にスケーリングファクタｇを変化させ、そのうち固有振動数fcと計測された振動数fm両者の誤差が最小となるスケーリングファクタｇを選んでもよい。以上説明した本実施例によって、撮像対象である心臓の硬さＥや圧力pを算出することができる。【００４１】
続いて、本実施例の超音波撮像装置の表示部への表示画像の詳細を説明する。図１の表示部１４は、通常のＢモード、Ｍモードなどの超音波画像に加え、信号処理部１５の演算部１５４が算出した、一つ以上の空間位置における、又は、ある時刻における、又は、ある連続した時刻のうち一つ以上の心内圧あるいは、振動数あるいは振動数のスペクトル解析、壁面の移動量、あるいは心臓の硬さ等をその画面中に表示する。このスペクトル解析は、時相に応じた周波数検出できる短時間フーリエ変換あるいはウェーブレット解析でもよい。スペクトル解析図は二軸のコンター図で、一方の軸が時間、一方の軸が周波数である。なお、スペクトル強度を色で表示してもよい。【００４２】
一例として、図１２の（ａ）の最下部に短時間フーリエ変換によりスペクトル解析図６１３を例示した。また、一方の軸が周波数で、一方の軸がスペクトル強度でもよい。また、図１２の（ａ）に示すように、時相を示す心電図６１１、Ｍモード表示図６１２、フーリエ変換等のスペクトル解析図６１３を同一画面上に表示してもよい。また、形状抽出部１５２で形成した画像をもとに、図１２の（ｂ）に示した組織画像３０を同一画面中に重ね合わせて表示してもよい。更に、振動のモードを動画や静止画で表示してもよい。また、図１２の（ｂ）に示すように、以下に説明する第二の実施例のステップ１３の楕円体近似を行う際に、心臓組織と楕円体３０１とを重ね合わせて表示してもよい。
【実施例２】
【００４３】
次に、第二の実施例の超音波撮像装置を説明する。第一の実施例では、有限要素法を用いていて心筋硬さ、心内圧を算出していたのに対し、第二の実施例では、有限要素法は用いずに、心腔を楕円体殻と近似し、楕円体殻と固有振動数の物理法則を用いる。なお、本実施例の超音波撮像装置の構成は、実施例１で説明した図１の装置構成と同様の構成を有する。差異点は、図１の装置の計算処理部１５での処理部分であり、後で説明するように、特に図２で示した処理フローのステップ１３とステップ１５に差異がある。【００４４】
本実施例の詳細を記す前に、球殻と固有振動数の物理法則と楕円体殻と固有振動数の関係への拡張について説明する。先行技術文献では、球殻の固有振動数を示す支配方程式（非特許文献１）は提唱されているものの、実際の心腔に近い楕円球殻と固有振動数との関係式は判っていない。ここでは、楕円体殻の固有振動数を用いて、球殻の固有振動数を表す支配方程式法則に帰着し、楕円体殻の硬さを算出する手法を説明する。【００４５】
球殻の固有振動数を示す支配方程式は式（２）で示される（非特許文献２）。また、βｎは固有振動数fnを無次元化した変数である。C6a, C4a, C2a, C0a, C6b, C4b, C0b, Ca，Cbは形状を示す内径と壁厚の比h/rおよびポアソン比ｃｂによって決定される９つの定数で、Jn(x)、Jn’  (x)はそれぞれ、変数xの第n種球ベッセル関数とその微分である。【００４６】
【数２】
0005386631.tif 000003
【００４７】
【数３】
0005386631.tif 000004
式（２）は複雑で、数値的に解くことができるものの、関数Jn(x)/Jn’(x)は、図８の（ａ）に示すように負の無限大から正の無限大まで、xの値によって変動し、式（２）を満たすβｎの解も無数に存在する。このため、Ｅの値も一意に決定することはできないという問題がある。【００４８】
そこで、本実施例では心筋の振動モードでは球ベッセル関数部の入力部(ｃaβｎＥ1/2）が、０．００１オーダ程度と十分小さいことを利用し、ゼロ点への漸近近似式(４)を用いることで、一意の解を求めることが可能となった。【００４９】
【数４】
0005386631.tif 000005
これにより、この関係式を式（２）に代入すると以下の式が得られる。【００５０】
【数５】
0005386631.tif 000006
この漸近近似によって二つの利点がある。一つは、式（２）はβｎとＥの２つの変数が含まれているのに対し、式（５）の変数はβｎのみである。すなわち、式（２）では、組織硬さＥの値によって、βｎの解が変化する可能性を示唆していたが，式（５）では、球半径壁厚比とポアソン比が同一な場合、各係数は同一となることから、組織硬さＥの値によらずβｎの値は常に同じになる。形状とポアソン比さえ決まればβｎの値が決まる。球殻で得られたこの結論は楕円体殻を用いた場合でも、形状の決定さえ行えば、βｎはＥの値によらず決定できるという可能性を示している。本発明者は、この形状の決定さえ行えば、βｎはＥの値によらず決定できるという可能性を楕円体殻へ拡張したので後に詳述する。【００５１】
また、二つ目の利点は、式（５）がβｎ2の３次方程式であることから、βｎが解析解に算出できる点である。このことは、心筋硬さＥの算出時に、数値的な反復計算が不要となり、計算時間の短縮ができることを意味する。【００５２】
なお、図８の(b)に、解析した解析解(analytical)と有限要素法によって得られた数値解(simulation)との比較の一例を示す。同図において、横軸は硬さ(Ｅlasticity)、縦軸は固有振動数(Ｅigen frequency)を示している。実線および破線は解析解による固有振動数と硬さの関係を示し、それぞれモード２（n＝２）および、モード４（n＝４）を示している。また、丸プロットおよび、ダイアモンドプロットは有限要素法による計算結果を示しており、それぞれモード２およびモード４を示している。モード２、モード４共に、良好な一致をしており、式（５）で得られた解の妥当性が示された。【００５３】
次に、上述した球殻の固有振動数の楕円体殻拡張について説明する。球殻の固有振動数の漸近近似手法から得られた、心筋の硬さと固有振動数から得られた無次元数βｎは、殻の形状とポアソン比によって決定されるという上述の知見から、楕円体殻の場合も形状を決定すれば、同様に楕円体殻のβｎも決まることが示唆される。これを確かめるために、流体の充満した楕円体殻の固有振動数を有限要素法により、長軸短軸径比ｓを関数として、流体を満たした楕円体殻と球殻との固有振動数比Fを算出した。振動モードは自由振動である。計算条件は、充満された流体および殻の組織の密度はともに１０００ｋｇ／ｍ＾３とした。以下の三つのケースに関して、計算を行った。【００５４】
まず、ケース１では、振動周波数比Fが硬さＥや半径Rが依存しないことを示すために、硬さ５０ｋＰａで半径３０ｍｍの球殻、硬さ３０ｋＰａで半径３０ｍｍの球殻および、硬さ５０ｋＰａで半径１５ｍｍの球殻の場合を比較した。ポアソン比は０．４９９、球殻半径と壁厚の比は１／３とした。ケース２では、ポアソン比νが振動周波数比Fに与える影
響を調べるために、ポアソン比ν変化させた。なお、ケース２では硬さ５０ｋＰａ、半径３０ｍｍで球殻半径と壁厚の比が１／３の球殻を計算対象とした。ケース３では、半径と壁厚比(X=h/r)の影響を調べるために、Xを変化させた。なお、ケース３では硬さ５０ｋＰａ、半径３０ｍｍ、ポアソン比が０．４９９の球殻を計算対象とした。【００５５】
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに３つのケース(Case)１、２、３に関して、長軸短軸径比ｓ（横軸）を関数として、流体を満たした楕円体殻と球殻との固有振動数比F（縦軸）を示した。ここで、球体の半径と楕円体の短軸径の値を等価とした。図９Ａに図６のrθ平面におけるモード２Ｒ（ｎ＝２)を、図９Ｂに図６のxr平面におけるモード２Ｘ（ｎ＝２)を、図９Ｃに図６のrθ平面モード４Ｒ（ｎ＝４）を示した。【００５６】
長軸短軸径比ｓが１のときは、楕円体は球を示しており、周波数比は１である。ｓの値が小さくなるにつれ、楕円体周波数が減少する。モード２Ｒの場合、特に短軸半径が長軸半径の半分になるｓ＝０．５では楕円体の周波数は６０％程度にまで減少しているのがわかる。心筋の硬さは、周波数の２乗で効果があるため、楕円体の周波数を計測し、球体で処理をした場合、算出された硬さは、本当の硬さの数割程度に低く見積もってしまう可能性がある。また、ケース１の計算では図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃすべてのモードで、周波数比Ｆが一致した。これは、周波数比がサイズや硬さに依存しないことを意味している。またケース２ではポアソン比による若干の影響がみられるが、周波数比は全てのモードで、ほぼ一致している。ケース３では、半径と壁厚の比すなわち球殻の形状の影響が顕著に現れていることが確認できる。【００５７】
本実施例では、以上の計算結果に基づき、信号処理部において、楕円体殻の無次元振動数βｎを楕円の長径短径比を用いて決定する手法を採用する。第二の実施例の場合の図２のステップ１５の詳細フローについて、図１１を用いて説明する。第二の実施例の装置構成は図１に示す第一の実施例の装置構成と同じである。また、本実施例の処理フロー概要は、図２に示す処理と同様であるが、信号処理部１５の処理フロー中、ステップ１３とステップ１５の詳細が異なるため、以下にステップ１３、１５について説明する。【００５８】
まず、本実施例のステップ１３では、ステップ１１で得られた組織画像の位置情報を画像処理により検出する。具体的には超音波画像では組織は高輝度値として認識されるため、高輝度値部を心臓組織とし、２次元、あるいは３次元的な心臓組織位置を取得する。さらに、形状抽出部１５２が、検者の必要に応じて、心臓や心臓の一部である各心腔の形状状である形状パラメータ、すなわち、図１０に示すように、内径r［ｍ］、心壁厚h［ｍ］、心腔壁を楕円として近似し、長軸径と短軸径比ｓ（ここで、ｓは１以下）などを算出する。内径    r、心壁厚hは心腔の平均値でもいいし、局所でもよい。心腔の楕円近似方法は、心腔体積と楕円体の心腔断面と楕円のパターンマッチングでもよい。【００５９】
次に、本実施例のステップ１５では信号処理部１５の演算部１５４が、心腔を楕円体殻と近似し、楕円体殻と固有振動数の物理法則を用いる。【００６０】
図１１に、ステップ１５の詳細なフローを示す。ステップ１５２１では、演算部１５４が計測されたモードｎの楕円体殻の固有振動数fe,n［Ｈｚ］を球殻相当のモードｎの固有振動数fs,n［Ｈｚ］に補正する。ここで球殻相当のモードｎの固有振動数fs,nの算出は下式（６）のように、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃで示した球殻と楕円体殻の振動数比Fを用いて補正してもよいし、楕円体殻の固有振動無次元数βe,ｎを直接用いてもよい。【００６１】
なお、βｎ算出には有限要素法を用いて数値的に解いてもよいし、マシュー関数を用いた解析的に解いてもよい。振動数比Fや、無次元数βｎはテーブルやそのフィッティング関数あるいは、解析的な関数として、後で説明するように、図１の信号処理部１５のメモリ１５５に予め格納しておく。【００６２】
【数６】
0005386631.tif 000007
次に演算部１５４が式（３）で示した固有振動数と球殻の硬さの物理関係式を用いて、心筋の硬さを算出する（Ｓ１５２２）。また、式（３）を簡略化させ、式（７）を用いてもよい。球殻に補正したモードｎの固有振動数fs,nから、硬さＥを算出する。【００６３】
【数７】
0005386631.tif 000008
ここで係数Ｃcは式（７）によって心臓個別に決定される定数で、一般的な心臓がとりうる値は６×１０＾４から４×１０＾５[ｋｇ／ｍ＾３]の範囲である。その結果得られる振動数比Fのテーブルの一例を図９Ｄに示す。同図の上段、下段にそれぞれ、モード２ｘ、２Rの場合のテーブルを例示した。【００６４】
また、振動数比Fと同様に、有限要素法によって無次元パラメータBe,nを有限要素法計算時のパラメータであるr,fe,n,Ｅ,ρよりあらかじめ算出し、テーブルやそのフィッティング関数あるいは、解析的な関数として、メモリ１５５に格納しておき、実際の計測の際に式（９）によって硬さＥを求めてもよい。この無次元パラメータBe,nのテーブルの一例
を図９Ｅに示す。モード２ｘの場合を例示した。【００６５】
【数８】
0005386631.tif 000009
【００６６】
【数９】
0005386631.tif 000010
式（９）で算出した心筋の硬さＥをもとに、楕円体殻の心筋硬さと心内圧の、次に示す関係式（１０）を用いて、心内圧を算出する。【００６７】
【数１０】
0005386631.tif 000011
【００６８】
【数１１】
0005386631.tif 000012
ここで、Vは心腔内腔の体積、VWは心腔壁の体積である。また、αは式（１２）であらわされる経験則に求められる係数である。cpは５７．３Ｐａの係数である。【００６９】
【数１２】
0005386631.tif 000013
図１１に戻り、最後に、得られた硬さから楕円体の心筋硬さと心内圧の関係式を用いて、心内圧を算出する（Ｓ１５２３）。心内圧を算出しない場合は、ステップ１５２３を省略してもよい。【００７０】
なお、心腔が十分に球殻とみなせる場合、心臓の硬さは式（１３）、（１４）を用いて算出してもよい。【００７１】
【数１３】
0005386631.tif 000014
【００７２】
【数１４】
0005386631.tif 000015
さらに、式（１２）、（１３）、（１４）を用いて式（１５）を得る。【００７３】
【数１５】
0005386631.tif 000016
式（１５）は心内圧pに関して陰的記述すなわち、解を求めるために、一般的に数値反復計算が必要となる記述である。ここでフィッティング関数式（１６）を用いると、式（１７）の心内圧pに関して陰的すなわち、左辺の心内圧pを求める際に、右辺にパラメータを入力するだけで、出力することができる。これにより、数値計算時間を短縮することができる。【００７４】
【数１６】
0005386631.tif 000017
【００７５】
【数１７】
0005386631.tif 000018
さらに、式（７）、（１７）を用いて、各形状パラメータを入力することで、心内圧pを算出してもよい。
【実施例３】
【００７６】
次に、第三の実施例の超音波撮像装置を説明する。第一の実施例では、反復的に有限要素法を用いて心筋硬さ、心内圧を算出していたのに対し、第三の実施例では、反復法を用いずに心筋硬さ、心内圧を算出する。すなわち、本実施例は、超音波を利用して対象物を撮像する超音波撮像装置であって、対象物である心臓に超音波を送受信する超音波探触子と、超音波探触子によって受信された反射エコー信号を処理する信号処理部と、信号処理部の信号処理結果を表示する表示部とを備え、信号処理部は、反射エコー信号から心臓の形状情報を抽出する形状抽出部と、形状情報を用いて有限要素計算を行い心臓の固有振動数を検出する固有振動検出部と、得られた固有振動数と計測された固有振動数により、固有振動数と心筋の硬さの関係則を用いて、心筋の硬さあるいは心内圧を算出する超音波撮像装置に関する。なお、本実施例の超音波撮像装置の構成は、実施例１で説明した図１の装置構成と同様の構成を有する。差異点は、図１の装置の計算処理部１５での処理部分であり、後で説明するように、特に図２で示した処理フローのステップ１５に差異がある。【００７７】
球殻の固有振動数を示す支配方程式は式（２）で示される（非特許文献２）。また、βｎは固有振動数fnを無次元化した変数である。C6a, C4a, C2a, C0a, C6b, C4b, C0b, Ca ，Cbは形状を示す内径と壁厚の比h/rおよびポアソン比ｃｂによって決定される９つの定数で、Jn(x)、Jn’  (x)はそれぞれ、変数xの第n種球ベッセル関数とその微分である。実施例２で示した式（５）から、組織硬さＥの値によらずβｎの値は常に同じになる。形状とポアソン比さえ決まればβｎの値が決まる。球殻で得られたこの結論は一般的な心臓の形状の場合でも、形状の決定さえ行えば、βｎはＥの値によらず決定できるという可能性を示している。本実施例では、この形状の決定さえ行えば、βｎはＥの値によらず決定できるという可能性を、一般的な心臓の形状に拡張する。【００７８】
本実施例における拡張方法を示す。式（３）のβは形状が決まれば、一意に決まる値である。すなわち、形状が相似形であれば、βは同じ値をとる。これを式で示すと式（１８）のように表現される。ここで添え字A,B,C,Dは大きさと硬さの違うケースを示しているが、βの値は同じであることをあらわしている。また、添え字のtrueはユーザが計測したい心筋の硬さと固有周波数の真値である。【００７９】
【数１８】
0005386631.tif 000019
【００８０】
これを変形すると、式（１９）のようにかける。ここで任意の値をEaを設定した場合でも、有限要素法を用いて得られた固有周波数faと計測で得られた固有周波数ｆtureを用いることで、心臓の硬さの正しい値Etrueが求まる。【００８１】
【数１９】
0005386631.tif 000020
【００８２】
図１３を用いて、本実施例における有限要素法の詳細な処理を説明する。演算部１５４が形状検出部１５２で抽出した形状情報Ｄ０から、有限要素メッシュＤｍを作成する（S1531）。次に任意の心筋硬さEAを設定し(S1532)、生成された有限メッシュDmを用いて固有振動数fAを算出する（S1533）。任意の心筋硬さEAはユーザが入力部をから入力してもよいし、メモリに格納しても良い。次に、式（１９）を用いて、計測された固有振動数から心筋硬さEを算出する（S1534）。次に、式（１２）を用いて、形状情報から算出した内部体積Vをもちいることで、心内圧ｐを算出する(S1535)。【００８３】
以上、本発明の種々の実施例を例示して説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されることないことは言うまでもなく、例えば、上述した超音波撮像装置における超音波探触子が受信する反射エコー信号を超音波受信回路で整形等して得た信号を蓄積した反射エコー信号データを用いて、信号処理部や記憶部、更には表示部、入力部等を有する通常のコンピュータなどの情報処理装置を使って、反射エコー信号データ処理を行う場合においても、上述した本発明を利用することにより、所望する被検者の心臓の硬さや心内圧に関する情報を精度良く取得することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明は、医療用の超音波撮像装置や情報処理装置に係り、特に、検者が所望する心臓の硬さや、心内圧を計測する超音波撮像技術として極めて有用である。
【符号の説明】
【００８５】
１…装置本体
２…超音波探触子
３…生体
１０…入力部
１１…制御部
１２…超音波信号発生部
１３…超音波受信回路
１４…表示部
１５…信号処理部
３１…左心室
３２…左心房
３３…右心室
３４…僧坊弁
３５…左室後壁
３６…心尖部
３７…超音波走査線
３８、３９…固有振動数
６１…心電図
６２…僧坊弁流入速度
６３…肺動脈弁逆流速度
６４…心壁運動速度
６５…心壁運動
６６…拡張末期
６７…楕円体殻。
【図１】
0005386631.tif 000021
【図２】
0005386631.tif 000022
【図３】
0005386631.tif 000023
【図４】
0005386631.tif 000024
【図５】
0005386631.tif 000025
【図６】
0005386631.tif 000026
【図７】
0005386631.tif 000027
【図８】
0005386631.tif 000028
【図９Ａ】
0005386631.tif 000029
【図９Ｂ】
0005386631.tif 000030
【図９Ｃ】
0005386631.tif 000031
【図９Ｄ】
0005386631.tif 000032
【図９Ｅ】
0005386631.tif 000033
【図１０】
0005386631.tif 000034
【図１１】
0005386631.tif 000035
【図１２】
0005386631.tif 000036
【図１３】
0005386631.tif 000037