(57)【要約】【課題】サブピクセル追跡で算出された速度ベクトルの信頼性を評価できる超音波信号処理装置、超音波診断装置および超音波信号演算処理方法を提供する。【解決手段】検査対象により反射されたエコー信号を取得するエコー信号取得部と、前記エコー信号を用いて速度ベクトルを算出する速度ベクトル算出部と、前記エコー信号を近似的に平行移動させた平行移動後信号を生成する平行移動後信号生成部と、前記平行移動後信号と前記エコー信号との偏差から画像の変形による信号値の変化成分である画像変形成分を抽出する画像変形成分抽出部と、前記画像変形成分から前記速度ベクトルの誤差エネルギを算出する誤差エネルギ算出部と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2019141380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象により反射されたエコー信号を取得するエコー信号取得部と、
前記エコー信号を用いて速度ベクトルを算出する速度ベクトル算出部と、
前記エコー信号を近似的に平行移動させた平行移動後信号を生成する平行移動後信号生成部と、
前記平行移動後信号と前記エコー信号との偏差信号から画像の変形による信号値の変化成分である画像変形成分を抽出する画像変形成分抽出部と、
前記画像変形成分から前記速度ベクトルの誤差エネルギを算出する誤差エネルギ算出部と、を備えることを特徴とする超音波信号処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波信号処理装置であって、
前記画像変形成分抽出部は、真の平行移動と近似的な平行移動との乖離による誤差である乖離誤差成分を前記偏差信号から取り除くことにより、前記画像変形成分を抽出することを特徴とする超音波信号処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波信号処理装置であって、
前記画像変形成分抽出部は、第一時相のエコー信号を第二時相まで近似的に平行移動させた平行移動信号と、第二時相のエコー信号との偏差信号と、
第一の時相のエコー信号を近似的に平行移動の往復をさせた平行移動信号と、第一の時相のエコー信号との偏差信号とを用いて、前記乖離誤差成分を取り除くことを特徴とする超音波信号処理装置。
【請求項４】
請求項２に記載の超音波信号処理装置であって、
前記画像変形成分抽出部は、第一時相のエコー信号を第二時相まで近似的に平行移動させた平行移動信号と、第二時相のエコー信号との偏差信号と、
第二時相のエコー信号を第一時相まで近似的に平行移動させた平行移動信号と、第一時相のエコー信号との偏差信号とを用いて、前記乖離誤差成分を取り除くことを特徴とする超音波信号処理装置。
【請求項５】
請求項１に記載の超音波信号処理装置であって、
前記誤差エネルギの表示形式を設定する誤差エネルギ表示形成部をさらに備えることを特徴とする超音波信号処理装置。
【請求項６】
請求項５に記載の超音波信号処理装置であって、
前記誤差エネルギ表示形成部は、前記誤差エネルギの値に応じて、前記速度ベクトルを表す矢印の色や濃淡を設定することを特徴とする超音波信号処理装置。
【請求項７】
請求項５に記載の超音波信号処理装置であって、
前記誤差エネルギ表示形成部は、撮像範囲全体または所定の範囲における前記速度ベクトルの群の誤差エネルギの統計値を含む表示形式を設定することを特徴とする超音波信号処理装置。
【請求項８】
請求項５に記載の超音波信号処理装置であって、
前記誤差エネルギ表示形成部は、撮像範囲全体または所定の範囲における前記速度ベクトルの群の誤差エネルギの統計値が所定の要件を満たすか否かに応じて、フレーム画像を表示するか否かを設定することを特徴とする超音波信号処理装置。
【請求項９】
請求項１に記載の超音波信号処理装置であって、
前記誤差エネルギ算出部は、前記画像変形成分の絶対値または２乗値を所定の範囲で加算した加算値を用いて前記誤差エネルギを算出することを特徴とする超音波信号処理装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の超音波信号処理装置であって、
前記誤差エネルギ算出部は、前記エコー信号を用いて前記加算値を規格化することにより前記誤差エネルギを算出することを特徴とする超音波信号処理装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の超音波信号処理装置であって、
前記平行移動後信号生成部は、前記エコー信号の空間微分値を用いた１次線形近似により前記平行移動後信号を算出することを特徴とする超音波信号処理装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の超音波信号処理装置であって、
前記平行移動後信号生成部は、前記エコー信号にフィッティングさせる連続関数を平行移動させた関数を解析的に求めることにより前記平行移動後信号を算出することを特徴とする超音波信号処理装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の超音波信号処理装置を備えることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の超音波診断装置であって、
前記誤差エネルギまたは前記誤差エネルギの統計値に基づいて、超音波の送受信条件を調整することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１５】
検査対象により反射されたエコー信号を取得するエコー信号取得ステップと、
前記エコー信号を用いて速度ベクトルを算出する速度ベクトル算出ステップと、  
前記エコー信号を近似的に平行移動させた平行移動後信号を生成する平行移動後信号生成ステップと、
前記平行移動後信号と前記エコー信号の偏差から画像の変形による信号値の変化成分である画像変形成分を抽出する画像変形成分抽出ステップと、
前記画像変形成分から前記速度ベクトルの誤差エネルギを算出する誤差エネルギ算出ステップと、を備えることを特徴とする超音波信号演算処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用の超音波信号処理装置に関し、特に体組織の動きの速度ベクトルを求めた結果の信頼性を評価する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
先進国における主要な死因の一つである心血管疾患の重症度の判定や治療判断の際に、心筋の動きや血流などの体組織の動きが速度ベクトル分布として計測される。速度ベクトル分布を超音波診断装置で計測する方法の一つにスペックルトラッキング法がある。スペックルトラッキング法とは、体組織中の散乱体で反射された超音波の散乱像であるスペックルをパターンマッチングにより時相間で追跡する方法であり、移動ベクトルと時相間の時間間隔から速度ベクトルが算出される。なお速度の検出分解能を向上させるために、超音波画像の１ピクセル以下の単位でパターンマッチングするサブピクセル追跡も行われる。
【０００３】
スペックルトラッキング法では移動の前後でスペックルのパターンが変形しないことを前提とする。しかし、様々な原因によりスペックルのパターンが変形しスペックルの追跡が困難になる場合がある。
【０００４】
非特許文献1には、移動の前後で変形するスペックルのパターンから心筋運動の速度ベクトルを算出することが開示されている。具体的には、サブピクセル追跡アルゴリズムであるKanade-Lucas-Tomasi法（以下、ＫＬＴ法という）に画像のアフィン変換（幾何変換）を組み合わせることにより、スペックルが大きく移動し変形した場合でも速度ベクトルが算出されることを開示している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Chi Young Ahn, “Robust Myocardial Motion Tracking for Echocardiography: Variational Framework Integrating Local-to-Global Deformation”  Computational and Mathematical Methods in Medicine, Vol. 2013, Article ID 974027, 14 pages, 2013.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１ではスペックルの変形を考慮したサブピクセル追跡により速度ベクトルが算出されるものの、算出された速度ベクトルの信頼性については言及されていない。特に、ＫＬＴ法などのサブピクセル追跡アルゴリズムで算出された速度ベクトルには、スペックルの移動に起因する成分と、スペックルの変形に起因する成分とが含まれ、これら二つの成分を分けなければ速度ベクトルの信頼性の評価が困難である。速度ベクトルの信頼性が不明であれば心血管疾患の重症度の判定や治療判断を適切に行うことは困難になる。
【０００７】
そこで本発明は、サブピクセル追跡で算出された速度ベクトルの信頼性を評価できる超音波信号処理装置、超音波診断装置および超音波信号演算処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明は、検査対象から取得したエコー信号と、エコー信号を近似的に平行移動させた平行移動後信号との偏差信号からスペックル等の画像の変形による信号値の変化成分を抽出し、抽出した変化成分から速度ベクトルの誤差エネルギを算出して評価することを特徴とする。
【０００９】
より具体的には、検査対象により反射されたエコー信号を取得するエコー信号取得部と、前記エコー信号を用いて速度ベクトルを算出する速度ベクトル算出部と、前記エコー信号を近似的に平行移動させた平行移動後信号を生成する平行移動後信号生成部と、前記平行移動後信号と前記エコー信号との偏差信号から画像の変形による信号値の変化成分である画像変形成分を抽出する画像変形成分抽出部と、前記画像変形成分から前記速度ベクトルの誤差エネルギを算出する誤差エネルギ算出部と、を備えることを特徴とする超音波信号処理装置である。
【００１０】
また本発明は、前記超音波信号処理装置を備えることを特徴とする超音波診断装置である。
【００１１】
また本発明は、検査対象により反射されたエコー信号を取得するエコー信号取得ステップと、前記エコー信号を用いて速度ベクトルを算出する速度ベクトル算出ステップと、前記エコー信号を近似的に平行移動させた平行移動後信号を生成する平行移動後信号生成ステップと、前記平行移動後信号と前記エコー信号との偏差信号から画像の変形による信号値の変化成分である画像変形成分を抽出する画像変形成分抽出ステップと、前記画像変形成分から前記速度ベクトルの誤差エネルギを算出する誤差エネルギ算出ステップと、を備えることを特徴とする超音波信号演算処理方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、サブピクセル追跡で算出された速度ベクトルの信頼性を評価できる超音波信号処理装置、超音波診断装置および超音波信号演算処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１における超音波信号処理装置を含む速度ベクトル計測システムの一構成例を示すブロック図。
【図２】実施例１の誤差エネルギ演算処理部の計算処理フローの一例を示す図。
【図３】速度ベクトルの表示例を示す図。
【図４】ＫＬＴ法の概念を示す図。
【図５】スペックルのパターンの変形により速度ベクトルの演算に誤差を生じる例を示す図。
【図６】例示した演算結果が一致することを示す図。
【図７】移動ベクトルの誤差の２乗値と誤差エネルギの算出値の一例を示す図。
【図８】速度ベクトル毎の誤差エネルギの表示の一例を示す図。
【図９】速度ベクトル毎の誤差エネルギの表示の他の例を示す図。
【図１０】所定の範囲における誤差エネルギの平均値や最大値の表示の一例を示す図。
【図１１】実施例２における誤差エネルギ算出機能を組み込んだ超音波診断装置の一構成例を示すブロック図。
【図１２】実施例２における誤差エネルギの算出結果に基づく超音波送受信条件の調整機能の計算処理フローの一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例を図面に従い説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、実施例１の誤差エネルギ算出機能を有する超音波信号処理装置を含む速度ベクトル計測システムの一構成例を示すブロック図である。
【００１６】
超音波診断装置１は超音波探触子２を制御しながら超音波画像を生成するものであり、入力部１０、制御部１１、超音波信号を発信する発信部１２、エコー信号を受信する受信部１３、表示部１４、信号処理部１５、メモリ１６、出力部１７を備えている。
【００１７】
信号処理部１５は、超音波診断装置１によって取得されたエコー信号に基づき、トラッキング演算によって速度ベクトルを算出する。すなわち、画像の一部を時相間で追跡することにより得られる移動ベクトルと、時相間の時間間隔とから速度ベクトルが算出される。特に、体組織中の散乱体である心筋細胞の微細構造や血液中の赤血球で反射された超音波の散乱像であるスペックルを時相間で追跡する演算をスペックルトラッキング演算と呼ぶ。
【００１８】
算出された速度ベクトルは、例えば図３に示すように、表示部１４に表示される。出力部１７は、エコー信号や、信号処理部１５の処理結果を外部に出力する。その際、出力は逐次的に行われてもよいし、メモリ１６に蓄えられたものが纏めて出力されてもよい。超音波信号処理装置４は、出力部１７の出力を受け取り、エコー信号に基づいて、スペックル等の画像の変形による速度ベクトルの誤差エネルギを算出する。ただし、速度ベクトルを算出する演算は、超音波信号処理装置４が行ってもよい。超音波信号処理装置４の演算処理結果を超音波信号処理装置４の表示部４６が表示してもよいし、演算処理結果を超音波診断装置１に出力して超音波診断装置１の表示部１４が表示してもよい。
【００１９】
超音波探触子２は、被検者の生体３に接し、発信部１２で生成された信号に従って生体３内の心血管３０に対し超音波を照射し、受信部１３は撮像範囲２１からの心血管３０のエコー信号を受信する。超音波探触子２は、スキャン方式に応じて連続波あるいはパルス波を発生し、２次元的な断面像あるいは３次元的な立体像を撮像する。
【００２０】
超音波診断装置１の各構成要素の機能を説明する。入力部１０は、超音波診断装置１を操作する医師や技師等の操作者が制御部１１に対し超音波診断装置１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を備える。また検査に心電図等の外部機器からの情報を利用する場合、入力部１０は外部機器からの情報を取り込む機能も備える。
【００２１】
制御部１１は、入力部１０によって設定された超音波診断装置１の動作条件に基づき発信部１２、受信部１３、表示部１４および信号処理部１５を制御するもので、例えばコンピュータシステムのＣＰＵ（Central Processing Unit）に構築することができる。
【００２２】
発信部１２は、所定の周波数の信号を発生する発振器を備え、超音波探触子２に駆動信号を送る。受信部１３は、図示していないが、受信回路やサンプリング周波数が通常１０ＭＨｚから５０ＭＨｚのＡ/Ｄ（Analog-to-Digital）コンバーターを含み、そのほかに、超音波探触子２によって受信されたエコー信号に対し整相加算、検波、増幅などの信号処理を行う。ただし、Ａ／Ｄコンバーターは受信部１３の代わりに信号処理部１５の前段に備えられてもよく、その場合は整相加算、検波、増幅などの信号処理を信号処理部１５が行う。また、受信部１３は、図示していないが、超音波探触子２の受信素子毎、あるいは素子を束ねた開口部毎のエコー信号を一時的に保存する受信データメモリを有してもよい。
【００２３】
信号処理部１５は、例えばＣＰＵが実行するソフトウェアにより、Ｂモード画像と呼ばれる断層画像などの超音波画像の形成や、その他超音波診断に用いられる種々の加工データの算出を行うＢモード画像形成部１５１と表示画像形成部１５３を備える。また信号処理部１５は、スペックルトラッキング演算により速度ベクトルを算出するスペックルトラッキング演算部１５２を備えてもよい。表示画像形成部１５３は、Ｂモード画像形成部１５１やスペックルトラッキング演算部１５２の処理結果から、操作者に提示するための画像を形成する。なお、信号処理部１５の構成要素の一部又は全部の機能は、制御部１１を構成するものと同一のＣＰＵ、あるいは異なるＣＰＵで実行されるソフトウェアで実現する他、ＡＳＩＣ （Application Specific Integrated Circuit ）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のハードウェアで実現してもよい。
【００２４】
メモリ１６は、エコー信号、信号処理部１５での演算に必要な情報、例えば操作者が入力部１０により指示した情報等や、信号処理部１５の処理結果、例えばＢモード画像、速度ベクトル分布の表示画像等を記憶する。またメモリ１６は、超音波信号処理装置４の演算処理結果、例えば誤差エネルギ等を記憶してもよい。
【００２５】
出力部１７は、エコー信号や、信号処理部１５の処理結果を外部に出力する。出力様式は、ケーブル等により超音波信号処理装置４に直接伝送する様式でもよいし、ポータブルハードディスクやＵＳＢメモリ等の外部記憶媒体に書き込んで受け渡す様式でもよい。
【００２６】
超音波信号処理装置４は、超音波診断装置１の出力情報を受け取り、エコー信号に基づいて、スペックル等の画像の変形による速度ベクトルの誤差エネルギを算出する。誤差エネルギを算出する演算処理は、誤差エネルギ演算処理部４１で行われる。誤差エネルギ演算処理部４１は、主要な要素として、平行移動後信号生成部４１１と、偏差信号演算部４１２と、画像変形成分抽出部４１３と、誤差エネルギ算出部４１４と、誤差エネルギ表示形成部４１５を有する。
【００２７】
平行移動後信号生成部４１１では、エコー信号を近似的に平行移動させた平行移動後信号が生成される。偏差信号演算部４１２では、平行移動後信号とエコー信号との偏差信号が算出される。画像変形成分抽出部４１３では、偏差信号からスペックル等の画像の変形による信号値の変化成分である画像変形成分が抽出される。誤差エネルギ算出部４１４では、画像変形成分から誤差エネルギが算出される。誤差エネルギ表示形成部４１５では、算出された誤差エネルギを操作者に分かりやすい表示形式に変換する処理がなされる。各部の詳細は後述する。
【００２８】
誤差エネルギ演算処理部４１は、これらの要素をプログラムとして有し、ＣＰＵがプログラムを読み込んで実行することにより、後述する機能を実現する。ただし、プログラムの実行は、ＡＳＩＣやＦＰＧＡ、ＧＰＵ等の他のハードウェアで実現してもよい。
【００２９】
また、超音波信号処理装置４は、操作入力部４２、データ入力部４３、メモリ４４、表示画像形成部４５、表示部４６、制御部４７を備える。操作入力部４２は、操作者の操作を受け付けるキーボードやポインティングデバイスなどである。データ入力部４３は、超音波診断装置１の出力を受け取る。メモリ４４は、受け取ったデータや演算処理結果を蓄える。表示画像形成部４５は、演算処理結果や超音波診断装置１の出力結果から、操作者に提示するための画像を形成する。ただし、超音波信号処理装置４は、専用装置である必要はなくメモリ上に展開されたプログラムとＣＰＵ等のハードウェアとの協働によって処理を実行する計算機であってもよい。
【００３０】
誤差エネルギ演算処理部４１の主要な要素の詳細について説明する。
【００３１】
平行移動後信号生成部４１１は、超音波診断装置１が取得したエコー信号から、エコー信号が所定の時間、所定の速度で平行移動することで生じるエコー信号である平行移動後信号を近似的に算出する。所定の時間は、例えばスペックルトラッキング演算のパターンマッチングで比較される二つの信号の時相間の時間とし、所定の速度は、例えばスペックルトラッキング演算で得られた速度ベクトルとする。また、近似的な平行移動の演算の最も基本的な方法は、スペックルトラッキング演算での前提としている平行移動の近似式とし、例えばＫＬＴ法を用いる場合は１次線形近似とする。１次線形近似を用いることにより、高速演算が可能となる。ただし、近似的な平行移動の演算には、他の方法を適用してもよい。例えば、離散的に取得される信号を連続関数でフィッティングし、そのフィッティング関数を平行移動した関数を解析的に求めることで算出してもよい。連続関数でフィッティングすることにより、演算精度の向上が図れる。
【００３２】
偏差信号演算部４１２は、平行移動後信号と、エコー信号との比較から、近似的平行移動によって生じるエコー信号の変化を偏差信号として算出する。比較される信号の組み合わせは、後述する計算処理フローにより何通りかを取り得る。
【００３３】
画像変形成分抽出部４１３は、偏差信号や平行移動後信号、エコー信号などを用いることにより、偏差信号からスペックル等の画像の変形による信号値の変化成分である画像変形成分を抽出する。その際、用いられる信号の組み合わせは、後述する計算処理フローにより何通りかを取り得る。
【００３４】
誤差エネルギ算出部４１４は、画像変形成分、偏差信号、平行移動後信号、エコー信号などを用いることにより、スペックル等の画像の変形による速度ベクトルの誤差エネルギを算出する。
【００３５】
誤差エネルギ表示形成部４１５は、誤差エネルギの算出結果を、操作者に分かりやすい表示形式に適宜、変換する。取り得る形式については、後述の計算処理フローで述べる。
【００３６】
以上説明した装置の構成を踏まえ、誤差エネルギ演算処理部４１の動作の実施形態の一例を、図２に示す計算処理フローを参照して説明する。
【００３７】
〈ステップＳ１〉
平行移動後信号生成部４１１は、データ入力部４３から超音波診断装置１の出力情報を受け取った後、所定の時相のエコー信号に対し、エコー信号が所定の時間、所定の速度で平行移動することで生じる平行移動後信号を近似的に算出する。ここでは、スペックルトラッキング演算にＫＬＴ法を用いる場合を例に、エコー信号F(x)を１次線形近似によりｈ平行移動した後の信号を生成する際の式を数１に示す。右肩のコンマは空間微分を表す。ただし、以降では簡単のため、空間座標系を一次元として記述するが、実際の演算では二次元、または三次元の空間座標系の信号で同様の演算を行っており、ｈは移動ベクトルを表す。
【００３８】
【数１】
2019141380.tif 000003
【００３９】
ここでＫＬＴ法は、図４に示すように、所定の時相１のエコー信号F(x)を近似的にｈ平行移動させた信号F（ｘ-ｈ）と、所定の時相２のエコー信号G(x)との偏差信号が最小となるような移動ベクトルｈを求める演算方法である。その際、F(x)の近似的な平行移動は数１で仮定され、F（ｘ-ｈ）とG(x)との偏差信号はエネルギE(ｈ)として数２で定義される。
【００４０】
【数２】
2019141380.tif 000004
【００４１】
移動ベクトルｈが真の移動ベクトルｈ０に等しいとき、偏差信号のエネルギE(ｈ)は最小値をとり、E(ｈ)の空間微分が０に等しくなる。すなわち、数３が成立する。
【００４２】
【数３】
2019141380.tif 000005
【００４３】
数３を変形することにより数４が得られる。
【００４４】
【数４】
2019141380.tif 000006
【００４５】
ＫＬＴ法の演算では、数４を用いて速度ベクトルを算出しており、演算の前提としてエコー信号F(x)が平行移動をすると仮定している。また、G(x)を近似的に-h平行移動させた信号G(x+h)とF(x)との偏差信号のエネルギから得られる数５で速度ベクトルを算出しても良い。
【００４６】
【数５】
2019141380.tif 000007
【００４７】
数５では、エコー信号G(x)は信号G(x+h)が平行移動してきたものであると仮定している。あるいは、スペックル等の画像が移動する前後の信号F(x)とG(x)の影響が均等に現れるように、数６を用いてもよい。
【００４８】
【数６】
2019141380.tif 000008
【００４９】
数６によれば、信号に含まれるランダムなノイズの影響を低減できる。以降では、最も基本的な数４を用いる場合を例に説明する。
【００５０】
ところで超音波撮像では、送信ビーム内の音圧むらやアーチファクト、信号伝達における電気ノイズなどの原因により、移動の前後でスペックルのパターンが変形し、信号が変形する。ここでは、特に影響が大きい要因として送信ビーム内の音圧むらについて述べる。送信ビーム内の音圧むらは、座標毎に異なる音圧を与える。そのため、移動の前後では散乱体が受ける音圧が変化し、各散乱体における超音波散乱の強さも変化する。その結果、全ての散乱体が一様に平行移動したとしても、図５に示すようにスペックルのパターンが変形し、数４の演算結果にはスペックルのパターンの変形による誤差が生じる。また、数４は数１で近似した平行移動に基づいているため、真の平行移動の前提との間に乖離があり、数４の演算結果には乖離による誤差も生じる。
【００５１】
したがって、移動の前後での信号値の変化は、純粋にスペックルの移動に起因する信号値の変化に、スペックルのパターンの変形による誤差と、真の平行移動と近似した平行移動との乖離による誤差を加えたものになる。いま、抽出したいのは、スペックルのパターンの変形による誤差である。そこで、後述の処理においてスペックルのパターンの変形による誤差と、真の平行移動と近似した平行移動との乖離による誤差とを分離して抽出するために、平行移動後信号生成部４１１では一つまたは複数の平行移動後信号を算出する。例えば、数１、数７、数８、数９に示す平行移動後信号を算出する。ただし、これらの平行移動後信号の全てを演算する必要はなく、後述の偏差信号演算部４１２または画像変形成分抽出部４１３で使用される信号を演算すればよい。
【００５２】
【数７】
2019141380.tif 000009
【００５３】
【数８】
2019141380.tif 000010
【００５４】
【数９】
2019141380.tif 000011
【００５５】
数７に示す平行移動後信号は、所定の時相２のエコー信号G(x)を所定の時間遡って−ｈ平行移動させた信号を求めたものである。数８に示す平行移動後信号は、所定の時相１のエコー信号F(x)をｈ平行移動させた後に再び−ｈ平行移動させた信号を求めたものである。数９に示す平行移動後信号は、所定の時相２のエコー信号G(x)を−ｈ平行移動させた後に再びｈ平行移動させた信号を求めたものである。逆方向の平行移動を２回行った後の信号は、平行移動が正しく行われていれば元の信号と全く同じものとなるはずであるが、実際には近似的な平行移動を行っているために元の信号と異なるものとなる。
【００５６】
〈ステップＳ２〉
偏差信号演算部４１２は、平行移動後信号生成部４１１から平行移動後信号を受け取った後、平行移動後信号とエコー信号との差分を偏差信号として算出する。算出される偏差信号の例を数１０、数１１、数１２、数１３に示す。ただし、これらの偏差信号の全てを演算する必要は無く、後述の画像変形成分抽出部４１３で使用される信号を演算すればよい。
【００５７】
【数１０】
2019141380.tif 000012
【００５８】
【数１１】
2019141380.tif 000013
【００５９】
【数１２】
2019141380.tif 000014
【００６０】
【数１３】
2019141380.tif 000015
【００６１】
数１０に示す偏差信号eF(x)は、所定の時相１のエコー信号F(x)を所定の時相２まで時間を進めて平行移動した信号と、所定の時相２における実際の信号G(x)との偏差である。数１１に示す偏差信号eG(x)は、所定の時相２のエコー信号G(x)を所定の時相１まで時間を遡って平行移動した信号と、所定の時相１における実際の信号F(x)との偏差である。数１２に示す偏差信号eF2(x)は、所定の時相１のエコー信号F(x)を所定の移動ベクトルhと-hで平行移動の往復をした信号と、元信号F(x)との偏差である。数１３に示す偏差信号eG2(x)は、所定の時相２のエコー信号G(x)を所定の移動ベクトルhと-hで平行移動の往復をした信号と、元信号G(x)との偏差である。
【００６２】
〈ステップＳ３〉
画像変形成分抽出部４１３は、偏差信号演算部４１２から偏差信号を受け取った後、偏差信号や平行移動後信号、エコー信号などを用いることにより、偏差信号からスペックル等の画像の変形による信号値の変化成分である画像変形成分を抽出する。偏差信号のうち、数１０や数１１に示したような、異なる座標に移動させた信号と、元信号と異なる時相のエコー信号との偏差は、スペックルのパターンの変形による誤差である画像変形成分と、真の平行移動と近似した平行移動との乖離による誤差である乖離誤差成分とを含んでいる。このとき、乖離誤差成分は移動ベクトルの方向に依らず一定であるが、画像変形成分は移動ベクトルの方向が反対になることで正負が反転する。また、数１２や数１３に示したような、近似平行移動で往復させた信号と、元信号との偏差は、乖離誤差成分のみを２回分含んでいる。したがって、例えば、数１４、数１５、数１６に示す演算により、偏差信号から乖離誤差成分を取り除いて画像変形成分etを抽出することができる。
【００６３】
【数１４】
2019141380.tif 000016
【００６４】
【数１５】
2019141380.tif 000017
【００６５】
【数１６】
2019141380.tif 000018
【００６６】
数１０と数１１の組み合わせた演算である数１６で画像変形成分etを抽出できることは、図６に示すように数１４、数１５、数１６の演算結果が一致していることで確認できる。ただし図６は、送信ビームの中心から徐々に移動する散乱体群が作るスペックルのパターンを超音波シミュレータによって形成し、数１４、数１５、数１６で求めた画像変形成分etを速度ベクトル演算と同じピクセル群で加算演算した結果である。また、演算結果の一致度が高く３本のグラフを判別できないため、図６では数１５の結果に＋１、数１６の結果に＋２のオフセットを与えている。
【００６７】
数１４は信号F(x)の平行移動を仮定した速度ベクトル算出、ＫＬＴ演算でいえば数４を用いる場合における画像変形成分の抽出に適している。数１５は信号G(x)の平行移動を仮定した速度ベクトル算出、ＫＬＴ演算でいえば数５を用いる場合における画像変形成分の抽出に適している。数１６は信号F(x)とG(x)の両方の影響が均等に現れる速度ベクトル算出、ＫＬＴ演算でいえば数６を用いる場合における画像変形成分の抽出に適している。したがって、操作者が何を重視するかに応じて、数１４ないし数１６のいずれかを選択して画像変形成分を抽出すればよい。例えば、演算のリアルタイム性を重視する場合は、F(x)かG(x)のいずれかのみの平行移動を仮定した演算モード、すなわち数１４か数１５を用いることが好ましい。また、速度ベクトルの計算精度を重視する場合は、F(x)とG(x)の両方の影響が均等に現れる演算モード、すなわち数１６を用いることが好ましい。具体的には、リアルタイム性と計算精度とのいずれを重視するかを操作画面で操作者に選択させ、操作者の選択に応じて数１４ないし数１６のいずれを用いるかを決定すればよい。
【００６８】
〈ステップＳ４〉
誤差エネルギ算出部４１４は、画像変形成分抽出部４１３から画像変形成分を受け取った後、画像変形成分や偏差信号、平行移動後信号、エコー信号などを用いることにより、スペックル等の画像の変形による誤差エネルギを算出する。その際、ピクセル毎に得られるこれらの成分を所定の範囲で加算した加算値を用いることにより、局所的に生じる突発的な異常信号成分の影響を低減し、安定した計算値を得ることができる。誤差エネルギの定義には、画像変形成分をそのまま用いてもよいし、その絶対値を用いてもよい。また、２乗してパワーとして扱ったり、絶対値または２乗値を対数化してスケールを変えたりするなどの処理を行なってもよい。また、元々弱い信号では、スペックルのわずかな変形が大きな誤差要因となるので、エコー信号の強度で規格化してもよい。例えば数１７に示すように、画像変形成分etを２乗してパワーとしたものを、速度ベクトルの演算と同じピクセル群で加算し、さらにエコー信号F(x)を２乗した値で規格化したものを誤差エネルギEtと定義する。
【００６９】
【数１７】
2019141380.tif 000019
【００７０】
散乱体群が作るスペックルのパターンを超音波シミュレータによって形成し、散乱体群の中心を送信ビームの中心から徐々に移動させた場合の、数１７の定義に基づくスペックルの変形による誤差エネルギEtの変化を図７に示す。図７には、移動ベクトルの誤差（真の移動ベクトルとの差のノルムで、誤差１００％を１とした値）の２乗を計算した値と、数１８で定義される、真の平行移動と近似した平行移動との乖離による誤差エネルギEmを併せて示す。
【００７１】
【数１８】
2019141380.tif 000020
【００７２】
スペックル等の画像の変形による誤差エネルギEtは、移動ベクトルの誤差の２乗に追従して変化している。一方、真の平行移動と近似した平行移動との乖離による誤差エネルギEmは、移動ベクトルの誤差の２乗とは無関係に変動している。また、真の平行移動と近似した平行移動との乖離による誤差エネルギEmは、スペックルの変形による誤差エネルギEtの数倍大きく、除外しなければ移動ベクトルの誤差と相関した誤差エネルギが得られない。
【００７３】
〈ステップＳ５〉
誤差エネルギ表示形成部４１５は、誤差エネルギ算出部４１４から誤差エネルギの算出結果を受け取った後、誤差エネルギの算出結果を操作者に分かりやすい表示形式に適宜変換する。例えば図８に示すように、速度ベクトルの２次元的空間分布をＢモード画像に重ねて表示し、速度ベクトルを表す矢印の長さを速度ベクトルの絶対値に対応させ、矢印の色や濃淡を誤差エネルギの値に応じて設定してもよい。すなわち、信頼性が高い速度ベクトルを濃色で強調表示しても良い。また誤差エネルギに閾値を設け、図９に示すように、誤差エネルギが閾値よりも大きい速度ベクトル、すなわち信頼性の低い速度ベクトルを表示しないようにしてもよい。図８や図９の表示形式によれば、算出された個々の速度ベクトルの信頼性を操作者に提示できる。さらに図１０に示すように、操作者が指定する関心範囲３１または撮像範囲２１全体における速度ベクトルの群の誤差エネルギの平均値や最大値などの統計値を示してもよい。図１０の表示形式によれば、表示されたフレーム画像での速度ベクトルの群の信頼性を操作者に提示できる。また、関心範囲３１などの所定の範囲における速度ベクトルの群の誤差エネルギの統計値が閾値を上回るなどの要件を満たしたフレーム画像を、自動的に除外、または抽出して表示してもよい。
【実施例２】
【００７４】
図１１は、実施例１における超音波信号処理装置４を、超音波診断装置１に組み込んだ場合の一構成例を示すブロック図である。
【００７５】
超音波診断装置１の役割と構成は実施例１と同様であり、さらに信号処理部１５が誤差エネルギ演算処理部４１を内包している。誤差エネルギ演算処理部４１は、実施例１と同様に、平行移動後信号生成部４１１と、偏差信号演算部４１２と、画像変形成分抽出部４１３と、誤差エネルギ算出部４１４と、誤差エネルギ表示形成部４１５を含む。信号処理部１５は、これらの要素をプログラムとして有し、ＣＰＵがプログラムを読み込んで実行することにより、機能を実現する。ただし、誤差エネルギ演算処理部４１の役割の一部または全部を担うＣＰＵは、信号処理部１５の基本的な役割を担うＣＰＵと別でもよい。
【００７６】
超音波信号処理装置４を超音波診断装置１に組み込むことにより、被検者の傍で超音波撮像しながら速度ベクトルを算出できるので、リアルタイムで誤差エネルギ算出結果の確認が可能となる。また超音波信号処理装置４と超音波診断装置１が個別に存在する場合に比べ、装置間のデータ通信の点で有利になる。医療現場では生命維持に関わる電子機器の動作不良を避けるために装置間での無線通信の使用には制約があるので、ケーブル等の有線接続や外部記憶媒体、例えばポータブルハードディスクやＵＳＢメモリ等の使用により、装置間でのデータ通信を行う。そこで超音波信号処理装置４を超音波診断装置１へ組み込むことにより装置間のデータ通信が不要となり、超音波診断装置１の機動性を生かすことができる。
【００７７】
信号処理部１５が誤差エネルギ演算処理部４１の役割を兼ねる場合の動作の実施形態も、実施例１で示した誤差エネルギ演算処理部４１の計算処理フローと基本的に同じである。また、超音波信号処理装置４の超音波診断装置１への組み込みにより、誤差エネルギの算出結果に基づいて、超音波診断装置１の動作を制御することも可能となる。ここでは、誤差エネルギの算出結果に基づいて超音波の送受信条件を自動で調整する超音波診断装置１の計算処理フローを図１２に示す。
【００７８】
ステップＳ１からステップＳ４については、実施例１の計算処理フローと同様である。実施例１との違いとして、ステップＳ４の後でステップＳ７が実施される。ただし、ステップＳ７は、ステップＳ５と同時に実施されてもよいし、ステップＳ５の後で実施されてもよい。
〈ステップＳ７〉
制御部１１は、誤差エネルギ算出部４１４から誤差エネルギの算出結果を受け取った後、誤差エネルギの算出結果に基づき超音波の送受信条件を調整する。ここで、超音波の送受信条件とは、例えば、送信ビームの収束・拡散状態や音圧分布、パルス繰り返し周波数、速度ベクトル演算に用いる受信領域や受信ビーム数、送受信シークエンスなどを示す。これらの送受信条件は、スペックルトラッキングによる速度ベクトルの計測精度に影響を与える要素である。
【００７９】
超音波の送受信条件を調整する方法の一例を説明する。まず、試行する送受信条件の組み合わせを予めいくつか用意する。次に、用意された各組み合わせについて、個々の速度ベクトルの誤差エネルギや、所定の範囲における速度ベクトルの群の誤差エネルギの統計値、例えば平均値や最大値などを算出する。そして、算出結果に基づいて送受信条件の組み合わせを決定する。その際、予め用意した組み合わせの中から、例えば所定の範囲における誤差エネルギの平均値が最小となるなど所定の条件を満たす組み合わせを選択してもよいし、試行の結果を元に例えば重回帰分析などを行うことによって、新たに組み合わせを構築してもよい。
【００８０】
また、超音波の送受信条件を調整する方法の他の例は、各送受信条件を変化させながら、個々の速度ベクトルの誤差エネルギや誤差エネルギの統計値を算出し、所定の条件を満たす送信条件の組合せを動的に探索する方法である。例えば、所定の範囲における速度ベクトルの群の誤差エネルギの平均値が最小となる送信条件の組合せを、各送受信条件を変化させながら動的に探索する。その際、探索を効率的に行うために、予め特定しておいた、各送受信条件が速度ベクトルの計測誤差や誤差エネルギに与える影響についての知見に基づき、探索の方向性、例えばパラメータをどのように変化させるかを決定してもよい。
【符号の説明】
【００８１】
１・・・超音波診断装置
１０・・・入力部
１１・・・制御部
１２・・・発信部
１３・・・受信部
１４・・・表示部
１５・・・信号処理部
１５１・・・Ｂモード画像形成部
１５２・・・スペックルトラッキング演算部
１５３・・・表示画像形成部
１６・・・メモリ
１７・・・出力部
２・・・超音波探触子
２１・・・撮像範囲
３・・・生体
３０・・・心血管
３１・・・関心範囲
４・・・超音波信号処理装置
４１・・・誤差エネルギ演算処理部
４１１・・・平行移動後信号生成部
４１２・・・偏差信号演算部
４１３・・・画像変形成分抽出部
４１４・・・誤差エネルギ算出部
４１５・・・誤差エネルギ表示形成部
４２・・・操作入力部
４３・・・データ入力部
４４・・・メモリ
４５・・・表示画像形成部
４６・・・表示部
４７・・・制御部
【図１】
2019141380.tif 000021
【図２】
2019141380.tif 000022
【図３】
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【図４】
2019141380.tif 000024
【図５】
2019141380.tif 000025
【図６】
2019141380.tif 000026
【図７】
2019141380.tif 000027
【図８】
2019141380.tif 000028
【図９】
2019141380.tif 000029
【図１０】
2019141380.tif 000030
【図１１】
2019141380.tif 000031
【図１２】
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