(57)【要約】【課題】胎児の心臓のような運動組織を三次元動画像として表示できるようにする。【解決手段】超音波ビームの走査によって形成される走査面を移動走査させることにより、複数のフレームからなるフレーム列５０が取得される。各フレーム毎に左室等の心腔部の面積Ｓが演算され、これによって面積の時間変化を表すプロファイルが得られる。そのプロファイルの解析から心臓Ｑについての心拍周期が推定される。その周期を利用してフレーム列から複数のボリュームデータが再構成される。それらのボリュームデータに基づき動画像が構成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的に運動する対象組織を含む三次元空間内においてビーム走査面を移動させることによって時系列順のフレーム列を取得する取得手段と、
前記フレーム列を構成する各フレームごとに組織形態を定量化し、形態量の周期的な時間変化を表すプロファイルを演算するプロファイル演算手段と、
前記プロファイルに基づいて前記組織の運動周期を演算する周期演算手段と、
前記演算された運動周期を利用して前記フレーム列から各時相のボリュームデータを再構成する再構成手段と、
前記各時相のボリュームデータに基づいて各時相の超音波画像を形成する画像形成手段と、
を含むことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記プロファイル演算手段は、前記形態量として組織面積を演算することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】
請求項２記載の装置において、
前記周期的に運動する対象組織は胎児の心臓であることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
請求項３記載の装置において、
前記組織面積は前記胎児の心臓における内腔面積であることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項５】
請求項１記載の装置において、
前記各時相の超音波画像が動画像として表示されることを特徴とする超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波診断装置に関し、特に周期的に運動する組織の画像化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波ビームを走査して構成される走査面をそれと交差する方向に電子的にあるいは機械的に走査することによって三次元エコーデータ取り込み空間が形成され、当該空間から取得されたデータ群によって三次元画像形成用ボリュームデータが構成される。１つのボリュームデータを得るためには非常に多くの超音波ビームを形成しなければならず、そのためにある程度の時間を要するので、高速で運動する臓器の三次元動画像を形成することは一般に困難である。
【０００３】
そこで、周期的に運動する臓器（例えば心臓）について、走査面を低速で移動させながら複数心拍にわたってフレーム列を高速に取り込んだ上で、それらの中から各時相ごとにフレームセットを取り出し、これにより各時相ごとにボリュームデータを再構成する技術も提案されている。この技術によれば結果として運動組織の三次元動画像を構成することも可能である。但し、時相の特定が不可欠となるので、当該技術を母胎内の胎児について適用することは難しい。母胎の心電信号が胎児の心電信号に比べて強大であるために、前者の信号に後者の信号が埋もれてしまうからである。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−７４２２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１には、胎児の心臓を三次元動画像として表示するに当たり、移動走査される走査面上に観測点を固定的に設定して、その時間軸方向（かつ走査面の走査方向）の輝度値の変動を観測し、そこから周期的に変化する成分の抽出を行って心拍周期の情報を得ることが記載されている。
【０００６】
しかし、１個又は複数個の観測点について輝度値の変動を観測しても、各観測点の設定位置が適切でないと、周期的に変化する成分を精度良く得ることはできない。すなわち、上記手法によると、どうしても誤差が生じ易く、観測点の設定如何によって心拍情報の演算精度が大きく変動してしまうという問題を指摘できる。
【０００７】
本発明の目的は、運動する組織の三次元画像処理のために必要となる心拍情報を精度良く得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、周期的に運動する対象組織を含む三次元空間内においてビーム走査面を移動させることによって時系列順のフレーム列を取得する取得手段と、前記フレーム列を構成する各フレームごとに組織形態を定量化し、形態量の周期的な時間変化を表すプロファイルを演算するプロファイル演算手段と、前記プロファイルに基づいて前記組織の運動周期を演算する周期演算手段と、前記演算された運動周期を利用して前記フレーム列から各時相のボリュームデータを再構成する再構成手段と、前記各時相のボリュームデータに基づいて各時相の超音波画像を形成する画像形成手段と、を含むことを特徴とする超音波診断装置に関する。
【０００９】
上記構成によれば、ビーム走査面の機械的、電子的又は用手的な移動により、移動方向に沿ってフレーム列（フレームデータ列）が得られる。通常、１つのビーム走査面が１つのフレームに相当する。各フレームは通常、複数のビームデータで構成され、あるいは、複数のビームデータを座標変換して得られるアレイ状の輝度データ群として構成される。後述するボリュームデータ再構成の観点から、ビーム走査面の移動速度は、対象組織の運動速度に対して十分に低く設定されるのが望ましい。対象組織が心臓であれば、１回の移動走査が例えば５〜３０心拍に相当する程度、低速での移動走査が望まれる。超音波ビームは電子的に走査されるので、実質的に各移動走査位置で複数のフレームデータを得られることになる。各時相のボリュームデータを構成する目標フレーム数に応じて移動速度を決定してもよい。フレーム列が取得されると、各フレームごとに対象組織の全部又は特定部分について形態量が演算される。形態量は面積、長さ等のサイズの大小を表す情報であるのが望ましい。計測容易な形態量を利用すれば、各時相のボリュームデータの再構成をより正確に行える。面積、長さ等の情報はノイズによる影響を受け難いので、それを参照するのが望ましく、特に面積の場合には心臓の拍動や並進運動の影響を受け難いという利点がある。この場合、左室等の内腔を演算対象とすれば心筋との輝度差等をもって領域抽出がし易いので精度良くその面積を演算できる。形態量の時間変化を表すプロファイルが演算されると、そのプロファイルに含まれる周期的成分に注目して、運動周期を演算することが可能となる。つまり、各フレームごとに時相を特定することが可能となる。同じ時相についての複数のフレームを抽出して集合させれば１つのボリュームデータを構成できる。各時相のボリュームデータを画像化して動画像を構築することも可能である。
【００１０】
望ましくは、前記プロファイル演算手段は、前記形態量として組織面積を演算する。望ましくは、前記周期的に運動する対象組織は胎児の心臓である。胎児の心臓については直接的に心電信号を計測することが難しいが、上記手法によれば心電信号に相当する心拍周期情報を得られる。望ましくは、前記組織面積は前記胎児の心臓における内腔面積である。望ましくは、前記各時相の超音波画像が動画像として表示される。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、運動する組織の三次元画像処理のために必要となる心拍情報を精度良く得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示すブロック図である。本実施形態に係る超音波診断装置は、対象組織としての胎児の心臓の三次元動画像を表示する機能を具備している。ただし、対象組織については胎児の心臓以外も考えられる。
【００１４】
３Ｄプローブ１０は、三次元エコーデータ取込空間（三次元空間）を形成するためのプローブである。具体的には、３Ｄプローブ１０は、超音波ビームの電子走査により走査面（フレームに相当）を形成する機能と、その走査面をそれと直交する方向に移動させる機能とを有している。走査面の移動は機械的に行うこともできるし、電子的に行うこともできる。もちろん、位置検出器などを用いて手動走査によって走査面の移動を行わせるようにしてもよい。機械的に三次元空間を形成する場合、１Ｄアレイ振動子が機械的に駆動されることになる。電子的に三次元空間を形成する場合、２Ｄアレイ振動子が用いられる。いずれにしても、後に説明するように時系列順のフレーム列が取得できるように超音波の送受波が行われる。
【００１５】
ちなみに、３Ｄプローブ１０は、体表面上に当接して用いられるプローブであってもよいし、体腔、例えば食道に挿入されるプローブであってもよい。胎児の心臓を計測対象とする場合、母胎の腹部に３Ｄプローブ１０が当接され、これによって上記の三次元空間が形成されることになる。
【００１６】
送信部１２は送信ビームフォーマーとして機能する。送信部１２は３Ｄプローブ１０に含まれるアレイ振動子に対して複数の送信信号を並列的に供給する。これによって送信ビームが形成される。一方、３Ｄプローブ１０内のアレイ振動子から出力される複数の受信信号は受信部１４において処理される。この受信部１４は受信ビームフォーマーとして機能し、複数の受信信号に対する整相加算処理を実行する。この整相加算処理により受信ビームが形成され、その受信ビームに相当する受信信号つまりビームデータが信号処理部１６に出力される。
【００１７】
信号処理部１６は、受信信号に対して必要な信号処理を実行するモジュールである。例えば、検波、対数圧縮処理などが実行される。後に説明するフレームは本実施形態において検波処理がなされた後のデータ群によって構成されるものであるが、もちろんＲＦデータ群によって構成されるものであってもよい。
【００１８】
座標変換部１８は、入力されるビームデータを構成する各エコーデータに対して座標変換処理を実行し、これによってフレーム（フレームデータ）を構成するものである。座標変換部１８としては公知のＤＳＣ（デジタルスキャンコンバータ）を用いることもできる。これにより、座標変換部１８の出力側には、時系列順で複数のフレームが得られることになる。それらのフレームはフレーム列を構成し、そのフレーム列はフレーム列メモリ２０に格納される。フレーム列メモリ２０はフレーム列を格納するための時空間に相当する記憶空間を有している。
【００１９】
心腔抽出部２２は、各フレーム毎に心筋と心腔とを弁別する処理を実行する。この処理に当たっては、各フレーム毎に設定される関心領域（ＲＯＩ）の範囲内において処理が行われ、或いは三次元空間内に設定される三次元ＲＯＩ内において処理が実行される。一般に心筋と心腔とは輝度レベルにおいて顕著な差があり、また心筋のエッジを検出するのは一般に容易であるため、この心腔抽出処理によれば精度良く形態量の情報を取得できるという利点がある。心腔に変えて特定部位を抽出することも可能である。
【００２０】
面積推定部２４は各フレーム毎に抽出された心腔（画像情報）に基づいて心腔面積を推定する。この場合においては心腔に相当するピクセル数をカウントすること等の手法により面積を演算することができる。このような面積の推定により、各フレーム毎の面積値からなるプロファイル（グラフ）が得られることになる。
【００２１】
周期演算部２６は、上記のように求められたプロファイルから胎児の心臓についての周期情報が取得される。例えば、プロファイルに対してＦＦＴ解析等の周波数解析が実行され、その解析結果などを参照することにより周期を容易に求めることが可能である。プロファイルに含まれるＤＣ成分及び低周波数成分をフィルタによって除外した上で相関法を適用することにより周期情報を求めることも可能である。それ以外の手法を利用してもよい。
【００２２】
再構成部２８は、上記のように特定された心拍情報すなわち運動周期に基づいて、フレーム列を構成する複数のフレームの中から、同じ時相に相当するフレームセットを抽出して整列させ、これによって各時相毎にボリュームデータを再構成する。これについては後に説明する。各時相毎に再構成されたボリュームデータに基づき、三次元画像形成部３０がボリュームレンダリング法などを用いて三次元画像を形成する。時系列順で求められる三次元画像は動画像を構成するものであり、その動画像の画像データは動画像メモリ３１に格納される。そこから読み出されたデータが表示部３２に表示される。すなわち、表示部３２の画面上には三次元超音波画像が動画像として表示される。
【００２３】
個々のボリュームデータを構成するフレーム数としての目標値に応じて走査面の移動速度を定めるのが望ましい。一般的には高速で運動する胎児の心臓に対して、十分低速の移動速度をもって走査面が移動走査されることになる。超音波ビームの電子走査速度すなわち走査面の形成レートは極めて高速であるため、実質的に同じ位置或いは同じ微少領域内で複数のフレームを取得できる。例えば、一回の走査面の移動走査あたり５〜３０心拍分の時間をかけるようにしてもよい。ちなみに、走査面の移動走査をマニュアル操作によって行う場合には、各フレームデータの向きが平行とならないこともあるため、そのような場合には各フレームの向きを考慮しつつボリュームデータを再構成するのが望ましい。
【００２４】
図２には、上述したフレーム列５０が示されている。図２において、Ｘ軸は時間軸ｔにも相当している。すなわち心臓Ｑは運動しており、その運動と共に走査面Ｓの移動走査が行われるため、横軸は移動走査に相当する軸である共に時間軸に相当する。走査面は深さ方向Ｚとビーム走査方向Ｙとで定義されるものである。図２において、ある時刻におけるフレームがＦで示されており、心臓Ｑを横切るフレームＦ上において左室に相当する心腔の面積がＳで表されている。なお、心臓はそれ自体が心拍によって運動すると共に並進運動等を行うものである。面積を参照することにより、そのような運動の影響を極力排除して、高精度に心拍情報を求められるという利点がある。
【００２５】
図３の（Ａ）には面積の時間変化を表したプロファイルが示されている。横軸はＸ軸であり、それは時間軸ｔに相当する。縦軸は面積Ｓを表している。心臓の運動周期に従って面積が周期的に増減している。ここでＴが心拍の周期に相当している。このようなプロファイルから直接的に周期が求められればそれを観測すればよいし、直接的に特定困難なような場合には、（Ｂ）で示すようにプロファイルに対する周波数解析を行ってその解析結果であるグラフ上から周期Ｔを特定するようにしてもよい。（Ｂ）に示すグラフにおいては周期的にピークが生じており、そのピークは心拍周期に相当する周波数上で生じている。
【００２６】
図４には再構成処理の方法が示されている。上述のように、複数の心拍にわたって取得されたフレーム列５０に対しては、周期Ｔに基づいて一心拍に相当する複数の区間５０ａが設定される。各区間内において、走査面の移動速度が一定であれば各フレームの時相を容易に特定可能である。時間軸上においては、各区間５０ａ毎に同じ時相に相当するフレームが存在することになる。そこで、各時相毎にそれに対応する複数のフレームを集めて整列させれば、それぞれの時相に対応するボリュームデータを構成することができる。そのボリュームデータが図４においてはＶ１，Ｖ２，・・・，Ｖｉ，・・・で表されている。このような時系列順で存在する複数のボリュームデータをそれぞれ三次元画像として表現すれば、それを画像表示することにより動画像として心臓の三次元画像を観測することが可能となる。この手法自体は公知である。
【００２７】
胎児の心臓については、そこからの心電信号を直接的に計測することは非常に難しいが、上記手法によれば画像処理を利用して心電信号に相当する心拍情報を得ることができ、そのような心拍情報に基づいてフレーム列に対する再構成演算を適用することが可能である。しかも、上記手法においては心拍情報の演算に当たって各フレーム上における面積情報を用いているため、ノイズの影響を受け難く、かつ心臓の動き（例えば並進運動）の影響を受け難い計測を実現できるという利点がある。上述した特許文献１の手法では１または複数のピクセルについて輝度値の変化を観測していたため、心臓それ自体が運動した場合には大きな誤差要因が生じていたが、上述した手法によればそのような問題を解消或いは緩和でき、高精度の心拍演算を行えるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施形態に係る超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】フレーム列を示す概念図である。
【図３】面積の時間変化を表すプロファイルとそれを周波数解析した結果を表すグラフとを示す図である。
【図４】ボリュームデータの再構成演算を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  ３Ｄプローブ、１２  送信部、１４  受信部、１８  座標変換部、２０  フレーム列メモリ、２２  心腔抽出部、２４  面積推定部、２６  周期演算部、２８  再構成部、３０  三次元画像形成部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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