(57)【要約】  超音波撮像システムは改善されるダイナミックレンジ制御を有し、これにより、ユーザは、画像内の明るい組織に実質的に影響を及ぼすことなく、またスペックルの変動を増大させることなく、画像のヘイズを低減することができる。ダイナミックレンジプロセッサは、入力画像を処理して、入力画像の空間的にローパスフィルタリングされるバージョンである近似画像を生成する。近似画像のダイナミックレンジは圧縮され、圧縮の影響を受けない画像詳細が加算されて、表示のための動的に圧縮される画像が生成される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像ダイナミックレンジ制御部を備える超音波撮像システムであって、 
トランスデューサアレイプローブと、
前記プローブに結合されるビームフォーマと、
前記ビームフォーマに結合され、超音波画像を生成するように構成される画像プロセッサと、
前記画像プロセッサに結合され、入力画像に応答して近似画像を生成し、前記近似画像にダイナミックレンジ圧縮を適用し、前記ダイナミックレンジ圧縮近似画像に画像詳細を追加するように適合されるダイナミックレンジプロセッサと、
前記ダイナミックレンジプロセッサに結合され、追加される前記画像詳細を備えるダイナミックレンジ圧縮近似画像を表示するように適合されるディスプレイと
を有する、超音波撮像システム。
【請求項２】
前記近似画像は、前記入力画像の空間ローパスフィルタ形態をさらに有する、請求項1に記載の超音波撮像システム。
【請求項３】
前記ダイナミックレンジプロセッサは、前記近似の画像値の低いレンジを黒値に変換すること、又は前記近似画像の画像値の高いレンジを白値に変換することのうちの1つ又はそれ以上にさらに適合される、請求項1に記載の超音波撮像システム。
【請求項４】
前記画像詳細は、前記入力画像と前記近似画像との間の前記差をさらに有する、請求項1に記載の超音波撮像システム。
【請求項５】
前記超音波撮像システムは、前記ダイナミックレンジプロセッサに結合されるユーザ制御部をさらに有する、請求項3に記載の超音波撮像システム。
【請求項６】
前記ユーザ制御部は、黒値に変換されるべき入力値の前記低いレンジを定義するようにさらに適合される、請求項5に記載の超音波撮像システム。
【請求項７】
前記ユーザ制御部は、白値に変換されるべき入力値の前記高いレンジを同時に定義するようにさらに適合される、請求項6に記載の超音波撮像システム。
【請求項８】
前記ユーザ制御部は、白値に変換されるべき入力値の前記高いレンジを定義するようにさらに適合される、請求項5に記載の超音波撮像システム。
【請求項９】
前記ダイナミックレンジプロセッサは、複数の入力画像値から近似画像値を生成するようにさらに適合される、請求項2に記載の超音波撮像システム。
【請求項１０】
前記ダイナミックレンジプロセッサは、空間的に隣接する画像入力値を備える入力画像値を空間的にローパスフィルタリングするようにさらに適合される、請求項9に記載の超音波撮像システム。
【請求項１１】
前記ダイナミックレンジ圧縮近似画像に追加される前記画像詳細は、スペックルダイナミックレンジ情報をさらに有する、請求項1に記載の超音波撮像システム。
【請求項１２】
前記ダイナミックレンジ圧縮近似画像に追加される前記画像詳細は、スペックルダイナミックレンジ項によって重み付けされる画像詳細をさらに有する、請求項11に記載の超音波撮像システム。
【請求項１３】
前記ダイナミックレンジプロセッサに結合され、前記スペックルダイナミックレンジ項のユーザ変更を可能にするように適合される、ユーザインターフェース制御部をさらに有する、請求項12に記載の超音波撮像システム。
【請求項１４】
前記ダイナミックレンジ圧縮近似値に追加されるべき前記画像詳細に重み付けするように構成されるユーザ制御部をさらに有する、請求項1に記載の超音波撮像システム。
【請求項１５】
前記ユーザ制御部は、前記ディスプレイによって生成される前記画像を平滑化するようにさらに適合される、請求項14に記載の超音波撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波撮像システムに関し、特に、画像スペックルのダイナミックレンジに影響を及ぼすことなくヘイズ除去及び組織充填を調整するためのダイナミックレンジ制御を有する超音波撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波撮像システムは一般に、画像の外観の調整、画像利得制御及び画像ダイナミックレンジ制御のための2つのユーザ制御を有する。ユーザが関心領域の超音波画像を観察しているとき、これらの制御は、典型的には画像の外観を許容するように調整される。例えば、ユーザは、血液プールを含む心臓の心腔の心臓画像を見ている場合がある。ゲインが高く設定されすぎると、血液プールはしばしば、心腔上のヘイズでクライドされる。ユーザはゲインを下げることによってヘイズを低減又は排除することができ、それにより、心腔は、所望の濃い黒色のシェードで生成される。利得の減少は一般に画像コントラストに影響を与えないが、利得を下げることは組織の白色シェーディングを不所望に薄暗くし、これは画像中の組織の透明度及び分解能を低下させ得る。
【０００３】
ダイナミックレンジ制御は、望ましくないヘイズを低減するように調整することもできる。表示される画像のダイナミックレンジを縮小又は低減することによって、低レベルヘイズを低減することができ、画像コントラストが増加することにつれて、組織の明るい白色レベルはほとんど影響を受けない。しかしながら、画像中のスペックルの異なるグレイのレンジであるスペックル分散は、コントラストの増加と共に増加するので、コントラスト対雑音比は変化しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の態様は明るい白色組織シェーディングを影響されないままにしながら、望ましくない画像ヘイズを低減し、スペックル分散を有害に増大させることなく両方を達成するユーザ制御部を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の原理によれば、画像中の明るい組織の外観に実質的に影響を及ぼすことなく、またスペックルのばらつきを増大させることなくコントラストを改善して、画像ヘイズを低減するユーザ利得制御が提供される。好ましい実施態様では、これは入力画像値を処理して、画像内の組織構造の低空間周波数の近似画像を生成するダイナミックレンジプロセッサによって達成される。入力画像と近似画像との間の差は、好ましくは画像のスペックル特性を含む画像詳細を含む。その後、ダイナミックレンジ圧縮が近似画像に適用されるが、画像の詳細は適用されない。ダイナミックレンジ調整済み近似画像と再結合され、ディスプレイ用の画像が生成される。ダイナミックレンジ圧縮は撮像システムによって予め選択される値又は最適化される値を用いて達成することができるが、ユーザがダイナミックレンジ処理を調整して、ユーザの好みの外観を有する画像を生成することができるように、ユーザ制御部が提供されることが好ましい。
【０００６】
同一のプロセッサ又は異なるプロセッサのいずれかである1つ以上のプロセッサが例えば、ビームフォーマ、ダイナミックレンジプロセッサ、画像プロセッサのプロセスを実行するために使用されてもよいことが理解される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の原理に従って構成される超音波システムをブロック図形式で示す。
【図２】本発明による近似画像を生成するために使用することができる9素子カーネルを示す。
【図３】本発明に従って構成される撮像システムのダイナミックレンジ曲線を示す。
【図４】ダイナミックレンジ調整の間、ミッドレンジグレー値を安定化する、本発明に従って構築される撮像システムのための第2のダイナミックレンジ曲線を示す。
【図５】未処理の画像スペックルを有し、ダイナミックレンジ調整を行わない心臓超音波画像である。
【図６】本発明の超音波撮像システムによるダイナミックレンジ調整後の図5と同じ心臓超音波画像である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
まず、図1を参照すると、本発明の原理に従って構成される超音波撮像システムが、ブロック図形式で示される。超音波を送信し、エコー情報を受信するために、超音波プローブ10内にトランスデューサアレイ12が設けられている。トランスデューサアレイ12は、例えば仰角(3D)及び方位角の両方において2次元又は3次元でスキャンすることができるトランスデューサ素子の1次元又は2次元アレイとすることができる。トランスデューサアレイ12はプローブ内の任意のマイクロビーム送信14に結合され、該マイクロビーム送信はアレイ素子による信号の送受信を制御する。米国特許5,997,479(Savordら)、6，013，032(Savord)、及び6，623，432(Powersら)に記載されているように、マイクロビームフォーマは、トランスデューサ素子のグループ又は「パッチ」によって受信される信号の少なくとも部分的なビーム成形が可能である。マイクロビームフォーマは、プローブケーブルによって、送信と受信を切り替え、高エネルギー送信信号から主ビームフォーマ20を保護する送信／受信(T／R)スイッチ16に結合される。マイクロビームフォーマ14の制御の下でトランスデューサアレイ12からの超音波ビームの送信は、T／Rスイッチ及び主ビームフォーマ20に結合されるビームフォーマコントローラ18によって導かれ、このコントローラはユーザインターフェース又は制御パネル38のユーザの操作からの入力を受け取る。送信コントローラによって制御される送信特性の中には、送信波形の数、間隔、振幅、位相、周波数、極性、及びダイバーシチがある。パルス伝送の方向に形成されるビームは、トランスデューサアレイから真っ直ぐ前方に、又はより広いセクタ視野のための非ステアリングビームの両側で異なる角度でステアリングされてもよい。いくつかのアプリケーションでは、非集束平面波を送信に使用することができる。比較的小さいアレイ長、例えば、128素子アレイの大部分の1Dアレイプローブはマイクロビームフォーマを使用しないが、主ビームフォーマから駆動され、主ビームフォーマに直接応答する。
【０００９】
トランスデューサ素子の連続したグループによって受信されるエコーは、それらを適切に遅延させ、次いでそれらを組み合わせることによってビーム形成される。各パッチからマイクロビームフォーマ14によって生成される部分的にビーム形成される信号は、主ビームフォーマ20に結合され、ここで、トランスデューサ素子の個々のパッチからの部分的にビーム形成される信号が完全にビーム形成されるコヒーレントエコー信号に結合されるか、又はマイクロビームフォーマのない一次元アレイの素子からのエコー信号が遅延され、結合される。例えば、主ビームフォーマ20は、128のチャネルを有してもよく、その各チャネルは12のトランスデューサ素子のパッチから、又は個々の素子から部分的にビーム形成される信号を受信する。このようにして、2次元アレイトランスデューサの1500以上のトランスデューサ素子によって受信される信号は単一のビーム形成される信号に効率的に寄与することができ、画像平面から受信される信号が結合される。
【００１０】
コヒーレントエコー信号は信号プロセッサ26による信号処理を受け、これはデジタルフィルタによるフィルタリングと、任意選択で、空間又は周波数複合化によるノイズ低減とを含む。フィルタリングされるエコー信号は、直交帯域通過フィルタ(QBP)28に結合される。QBPは、RFエコー信号データの帯域制限、エコー信号データの同相及び直交ペア(I及びQ)の生成、及びデジタルサンプルレートのデシメーションの3つの機能を実行する。QBPは2つの別々のフィルタを含み、1つは同相サンプリングを生成し、もう1つは直交サンプリングを生成し、各フィルタはFIRフィルタを実装する複数の乗算器‐累算器(MAC)によって形成される。また、信号プロセッサはQBPと同様に、周波数帯域をより低い又はベースバンド周波数範囲にシフトすることができる。
【００１１】
ビーム形成され、処理されるコヒーレントエコー信号は、組織のような体内の構造のBモード画像を生成する画像プロセッサであるBモードプロセッサ30に結合される。Bモードプロセッサは、(I2 ＋Q2)1/2の形式でエコー信号振幅を計算することによって、直交復調されるI及びQ信号成分の振幅(包絡線)検波を実行する。直交エコー信号成分もドップラープロセッサ34に結合される。ドップラープロセッサ34は画像フィールド内の離散点からのエコー信号のアンサンブルを記憶し、これらのアンサンブルは、高速フーリエ変換(FFT)プロセッサを用いて画像内の点におけるドップラーシフトを推定するために使用される。アンサンブルが取得されるレートによって、システムが画像内で正確に測定して描写できる動きのレート範囲が決まる。ドップラーシフトは画像フィールド内の点における動き、例えば、血流及び組織の動きに比例する。カラードップラー画像の場合、血管壁内の各点における推定ドップラー流量値は、ルックアップテーブルを使用してフィルタリングされ、カラー値に変換される。ウォールフィルタは、流動する血液を撮像するときに血管の壁の低周波運動などの運動がそれより上又は下で拒絶される調整可能なカットオフ周波数を有する。Bモード画像又はドップラー画像のいずれかが単独で表示されてもよく、又は、カラードップラーオーバーレイがBモード画像の組織構造内の組織及び血管内の血流を示す解剖学的位置合わせで一緒に示されてもよい。
【００１２】
Bモードプロセッサ30及びドップラプロセッサ34によって生成される画像データは、画像データメモリ33に結合され、そこで、画像値が取得される空間位置に従ってアドレス指定可能なメモリ位置に記憶される。本発明の原理に従い、逐次Bモード画像は以下に説明するように、ダイナミックレンジ制御のために各画像を処理するダイナミックレンジプロセッサ40に連結される。ダイナミックレンジ調整される画像は画像メモリに戻され、そこから、画像ディスプレイ22上に表示するためのさらなるエンハンスメント、バッファリング、及び一時記憶のために、ディスプレイプロセッサ36に結合される。
【００１３】
図1に示す実施例では、ダイナミックレンジプロセッサ40は2つの機能を提供する画像プロセッサであり、画像プロセッサは画像メモリから受け取った入力画像の空間ローパスフィルタリングされるバージョン又はスペックル低減されるバージョンであることが好ましい近似画像を計算し、近似画像に存在しない画像詳細がその後再結合される近似画像のダイナミックレンジ圧縮を実行する。図2には入力画像Iの9つの連続する画像素子を空間的に処理するための9素子カーネルが概念的に示されている。近似画像Aの画像値が8つの周辺画像値と入力画像Iの中心画像値とを重み付けして加算することによって、カーネルの中心位置IAで計算される。数学的にはこのプロセスは次のように表すことができる。
2021531860.tif 000002
すなわち、カーネルの9つの画像要素の各々は1/9で重み付けされ、カーネルの重み付けされる値は近似画像値を計算するために合計される。したがって、近似画像は、主に画像の低空間周波数構造情報を含むことになる。この単純な例は9つの画像素子の小さな局所画像領域に対してのみ動作するが、好ましいカーネルサイズは通常、かなり大きく、好ましくは広い(好ましくは全範囲の)スペックル値を含む入力画像素子を包含するのに十分な大きさである。したがって、スペックルレンジは、入力画像Iと各画像要素位置における近似画像Aとの差として計算されることができるか、又は
2021531860.tif 000003
としてされることができる計算画像「詳細」値Dに含まれ得る。
【００１４】
従来のダイナミックレンジ圧縮では低輝度レベルm未満の画像値はフルブラックにマッピングされ、高輝度レベルMを超える画像値はフルホワイトにマッピングされるか、又は
2021531860.tif 000004
になる。
【００１５】
本発明の実施ではダイナミックレンジ圧縮は近似画像Aに適用されるが、画像詳細Dには適用されない。このようにしてダイナミックレンジ圧縮を行うアルゴリズムは、
2021531860.tif 000005
になり、ここで、SDRはスペックルダイナミックレンジである。このアルゴリズムは、任意のビット長の値の入力画像を、標準表示ワードサイズであるゼロから255までの8ビットレンジにマッピングするマッピング式の形態である。このアルゴリズムの動作はレベルmを下回る近似画像Aの全ての低レベル値を黒色に、レベルMを上回る近似画像の全ての高レベル値を白色にマッピングすることである。上記式[2]に示すように決定される原画像のスペックル詳細DはスペックルダイナミックレンジSDRによって重み付けされるように、ダイナミックレンジ調整近似画像に戻って加算され、従って、元のスペックル分散を保持する。構築される実施形態では、SDRが典型的には最初にSDRを入力画像のダイナミックレンジに設定する最適化プロセスによって決定される。SDRを増加すると、スペックルの分散が減少することにつれて画像の平滑化が実行される。しかしながら、詳細Dは理想的にはスペックルのみを含むが、実際には幾らかの構造的画像詳細も含むので、画像のこのような平滑化は一般に、画像解像度の低下を犠牲にして行われる。
【００１６】
撮像システムは、好ましくはより多数の画像が処理されるにつれて最適化を伴う、変数のための予め選択される値を使用して、上述のダイナミックレンジ処理を自動的に実行することができる。しかしながら、ダイナミックレンジプロセッサ40は従来の利得及びダイナミックレンジ制御と組み合わせて、又はその代わりに、ユーザインターフェース38からのユーザ入力によって制御されることが好ましい。多くのユーザにとって理想的な制御セットは、チャンバの暗色化(ヘイズ低減)及び組織充填(組織構造の明色化)を引き起こすものである。上述のダイナミックレンジプロセッサは2つの制御をユーザに提供することによってこの理想に近づくことができ、1つはダイナミックレンジプロセッサのためのMの値を調整するものであり、もう1つはmの値を調整するものである。ユーザがプロセッサのためのMの値を増加させるために「M」制御を調整すると、画像内の低レベルヘイズはますます暗くなる。ユーザがmの値を減少させるために「m」制御を調整すると、高エコー源性組織はますます白くなり、従来の利得調整とは異なり、ヘイズレベルに実質的に影響を及ぼさない。代わりに、両方の変数は、Mが減少することにつれてmを同時に増加させ、ヘイズが減少し、組織が同時に明るくなる単一の制御によって変化させることができる。これらの個々の又は組み合わされる制御の効果は、図3に図示されている。ダイナミックレンジ圧縮なしでは圧縮曲線50−52−54が左下のゼロから右上の255(8ビット命名法では完全な白)までの連続した線になる。ユーザ制御部が曲線セグメント50によって示されるようにmを増加させると、ゼロからmまでの全ての画像値はゼロ(フルブラック)に設定され、画像における低レベルヘイズの出現を減少させる。ユーザ制御部が曲線セグメント54によって示されるようにMを減少させると、Mから255までの全ての画像値はフルホワイト(255)に設定される。ダイナミックレンジの圧縮は、曲線セグメント52によって示されるように行われる。
【００１７】
これらの組合せ効果を示す超音波画像は図5及び図6に示されており、図5は、ヘイズ及び明るさを補償されていない標準的な心臓超音波画像を示している。図6は、両方を補償した同じ心臓画像を示す。図6の心腔内のヘイズは著しく低減されており、心腔を取り囲む心筋組織の明るさの劣化は実質的にないことが分かる。
【００１８】
本発明の実施態様の組合せ効果を、標準利得及びダイナミックレンジ制御の効果と比較して、以下の表に要約する。
2021531860.tif 000006
【００１９】
多くの超音波検査では、Bモード画像の中間グレーの濃淡が臨床的に重要である。例えば、心臓画像における心筋組織は一般に、中間の灰色の陰影で現れる。したがって、画像中の中間グレーの色調の特性及び外観を維持することがしばしば重要である。図4は、圧縮曲線内の点Gの周りに中間グレー値を固定することによってこの目的を達成する圧縮曲線を示す。低レベルヘイズを減少させるためにmが増加することにつれて、中間グレーシェードは、8ビットスケールの中間グレーレベル127付近に固定されるままである。したがって、画像内の心筋組織の外観は、心腔のヘイズを減少させるためにmが増加することにつれて変化しないままである。特に効果的であることが示されるこの制御の変形はGの制御をMに結びつけることであり、Mを減少させて画像の明るさを増加させると、Gも比例して減少する。これにより、画像中で最もエコージェニックな組織の出現に関連した心筋組織の出現が保たれる。
【００２０】
上述の本発明のダイナミックレンジ制御の他の変形例は、当業者には容易に想起されるのであろう。例えば、明るさのためにMを制御するユーザインタフェース制御は詳細Dのために、スペックルダイナミックレンジであるSDRの値を制御するためにも使用され得る。制御はMを減少させ、従って、画像における全体的な組織の明るさを増加させるように調整されるので、SDRは同時に増加され、これは組織の明るさが増加することにつれて、スペックル分散を減少させ、画像を平滑化する効果を有する。
【００２１】
本発明の実施において使用するのに適した超音波システム、特に図1の超音波システムの構成要素構造は、ハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組合せで実施することができることに留意される。超音波システムの様々な実施形態及び／又は構成要素、又はその中の構成要素及びコントローラは、1つ又は複数のコンピュータ又はマイクロプロセッサの一部として実装されてもよい。コンピュータ又はプロセッサは例えばインターネットにアクセスするために、計算装置、入力装置、表示ユニット及びインターフェースを含むことができる。コンピュータ又はプロセッサは、マイクロプロセッサを含むことができる。マイクロプロセッサは例えば、トレーニング画像をインポートするためのPACSシステム又はデータネットワークにアクセスするために、通信バスに接続されてもよい。コンピュータ又はプロセッサはまた、メモリを含んでもよい。画像メモリ32のような記憶装置は、ランダムアクセスメモリ及びリードオンリーメモリを含んでもよい。コンピュータ又はプロセッサはさらに、記憶装置を含み、これは、ハードディスクドライブ、又はフロッピーディスクドライブ、光ディスクドライブ、ソリッドステートサムドライブなどのリムーバブル記憶ドライブであってもよい。記憶装置は、コンピュータプログラム又は他の命令をコンピュータ又はプロセッサにロードするための他の同様の手段であってもよい。
【００２２】
本明細書中で使用される用語「コンピュータ」又は「モジュール」又は「処理装置」又は「ワークステーション」には、マイクロプロセッサ制御装置を使用するシステム、縮小命令セットコンピュータ(RISC)、ASIC、論理回路、及び本明細書に記載される機能を実行することができる任意の他の回路又は処理装置を含む、いずれかのマイクロプロセッサ処理装置ベース又はマイクロプロセッサ処理装置ベースのシステムが含まれ得る。上記の例は、例示的なものにすぎず、したがって、これらの用語の定義及び／又は意味を方法限定することを意図するものではない。
【００２３】
コンピュータ又はプロセッサは入力データを処理するために、1つ以上の記憶素子に記憶される命令のセットを実行する。記憶素子はまた、所望又は必要に応じて、データ又は他の情報を記憶してもよい。記憶素子は、処理マシン内の情報源又は物理的メモリ素子の形成であってもよい。上述のような超音波画像の取得、処理、及び表示を制御するものを含む超音波システムの命令のセットは、本発明の様々な実施形態の方法及びプロセスなどの特定の動作を実行するように処理機械としてコンピュータ又はプロセッサに命令する様々なコマンドを含むことができる。
【００２４】
命令のセットは、ソフトウェアプログラムの形成であってもよい。ソフトウェアは、システムソフトウェア又はアプリケーションソフトウェアのようなさまざまな形態であってもよく、有形及び一時的でないコンピュータ可読媒体として具体化されてもよい。さらに、ソフトウェアは、送信制御モジュール、より大きなプログラム内のプログラムモジュール、又はプログラムモジュールの一部など、別個のプログラム又はモジュールのコレクションの形成であってもよい。また、このソフトウェアは、オブジェクト指向プログラミングの形態でのモジュール式プログラミングを含んでもよい。処理装置による入力データの処理は、オペレータコマンドに応じて、又は前の処理の結果に応じて、又は他の処理装置による要求に応じて行われてもよい。
【００２５】
さらに、以下のクレームの限定は手段プラス関数形式では記載されておらず、35 U．S．C．第112条第6節に基づいて解釈されることを意図されていない。ただし、当該クレーム限定が明示的に「手段」という語句を使用し、その後にさらなる構造を欠く機能記述が続く場合はこの限りでない。
【図１】
2021531860.tif 000007
【図２】
2021531860.tif 000008
【図３】
2021531860.tif 000009
【図４】
2021531860.tif 000010
【図５】
2021531860.tif 000011
【図６】
2021531860.tif 000012
【国際調査報告】
2021531860.tif 000013
2021531860.tif 000014
2021531860.tif 000015