(57)【要約】【課題】超音波映像で媒質の弾性特性を測定し、特に超音波映像でスペックルパターンの変化を推定して媒質の弾性特性を測定する。【解決手段】超音波映像で媒質の弾性特性を測定する装置において、媒質に対して振動を印加する手段と、振動を受けた前記媒質から複数の超音波映像フレームを獲得する手段と、前記複数の映像フレーム内の所定のピクセルに対してスペックルパターンの明るさの時間軸上の変化量を算出する手段と、前記算出されたスペックルパターンの明るさの変化量に基づいて前記媒質の弾性を測定する手段とを備える【選択図】　図５
2004033765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波映像で媒質の弾性特性を測定する装置において、
媒質に対して振動を印加する手段と、
振動を受けた前記媒質から複数の超音波映像フレームを獲得する手段と、
前記複数の映像フレーム内の所定のピクセルに対してスペックルパターンの明るさの時間軸上の変化量を算出する手段と、
前記算出されたスペックルパターンの明るさの変化量に基づいて前記媒質の弾性を測定する手段と、を備えることを特徴とする超音波映像での媒質の弾性特性の測定装置。
【請求項２】
前記スペックルパターンの明るさの変化量算出手段は、Ｎ枚の超音波映像フレームにわたって所定のピクセルの明るさの変化の平均ｍＮ　及び分散σ２Ｎを求めることによってなされ、前記平均ｍＮを求めるための式は次の通りであり、
【外１】
2004033765.tif 000008
前記分散σ２Ｎを求めるための式は次の通りであり、
【外２】
2004033765.tif 000009
ここで、Ｎは現在のフレーム番号、Ｎ−１は前のフレーム番号、　ｘＮ（ｉ，ｊ）はＮ番目のフレームの（ｉ，ｊ）番目のピクセルでの明るさ、ｍＮ（ｉ，ｊ）とｍＮ−１（ｉ，ｊ）はそれぞれ所定のピクセル（ｉ，ｊ）の最初からＮ番目までの平均と（Ｎ−１）番目のフレームまでの平均であり、σ２Ｎ（ｉ，ｊ）及びσ２Ｎ−１（ｉ，ｊ）はそれぞれ所定のピクセル（ｉ，ｊ）の最初からＮ番目までの分散、と（Ｎ−１）番目のフレームまでの分散であることを特徴とする請求項１記載の超音波映像での媒質の弾性特性の測定装置。
【請求項３】
前記スペックルパターンの明るさの変化量算出手段は、第１のフレームメモリと　第２のフレームメモリを有し、
前記第１のフレームメモリは、前記（Ｎ−１）番目のフレームまでの平均を格納し、
前記第２のフレームメモリは、前記（Ｎ−１）番目のフレームまでの分散を格納することを特徴とする請求項２記載の超音波映像での媒質の弾性特性の測定装置。
【請求項４】
前記スペックルパターンの明るさの変化量算出手段は、前記複数の映像フレームにおいて所定の映像フレーム期間に、ピクセルの明るさの最大値と最小値とを求め、前記最大値と最小値との差異値の絶対値を求めることによって、前記スペックルパターンの明るさの変化量を算出することを特徴とする請求項１記載の超音波映像での媒質の弾性特性の測定装置。
【請求項５】
前記スペックルパターンの明るさの変化量算出手段は、再帰的演算により前記平均と分散とを算出することを特徴とする請求項２記載の超音波映像での媒質の弾性特性の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波映像で媒質の弾性特性を測定する装置に関し、特に、超音波映像でスペックルパターンの変化を推定して媒質の弾性特性を測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超音波映像形成装置は、診断しようとする目標物、例えば人体に向けて、超音波信号を送信して反射された超音波信号から目標物の映像を得て、これを表示装置に表示する装置であって、医療分野において広く用いられている。
【０００３】
超音波映像において、腫瘍や癌組織などの病変組織と、その周囲の正常組織との間に、それぞれ組織から求められていた反射係数について差がない場合には、白黒映像では病変組織と正常組織とを区別することができない。しかし、超音波映像において媒質の弾性特性を映像化すれば、病変組織と正常組織とを区別できるようになるが、これは病変組織の硬さ（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）が周囲の正常組織より増加しているためである。
【０００４】
一般に、弾性係数の測定方法は大きく２つに分けられる。
【０００５】
第１に、外部から組織に圧力を加えた後、組織の変位を測定して、加えられた圧力に対する移動距離を数値化して、弾性係数を測定する方法であって、組織に圧力を加える前に超音波パルスを媒質に送信してから受信したエコー信号と、組織に圧力を加えた後に受信したエコー信号との間の相対的な変位を調べ、その変位の大小によって病変があるかどうかを診断する。
【０００６】
第２に、媒質に低周波振動を印加して、低周波波長の移動を映像化して、弾性係数を測定する方法があるが、これは硬い媒質と軟らかい媒質によって波動の伝達特性が異なる原理を用いたものである（例えば、非特許文献２及び非特許文献２参照）。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｍ．　Ａ．　Ｌｕｂｉｎｓｋｉ，　Ｓ．　Ｙ．　Ｅｍｉｌｉａｎｏｖ，　ａｎｄ　Ｍ．　Ｏ’Ｄｏｎｎｅｌｌ，　”Ｓｐｅｃｋｌｅ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　ｓｈｏｒｔ−ｔｉｍｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ，”　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｕｌｔｒａｓｏｎ．，　Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔ．，　Ｆｒｅｑ．，　ｖｏｌ．　４６，　ｎｏ．　１，　ｐｐ．　８２−９６，　Ｊａｎ．１９９９
【非特許文献２】
Ｐ．　Ｃ．　Ｌｉ，　Ｃ．　Ｊ．　Ｃｈｅｎｇ，　ａｎｄ　Ｃ．　Ｋ．　Ｙｅｈ，　”Ｏｎ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｄｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ，”　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｕｌｔｒａｓｏｎ．，　Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔ．，　Ｆｒｅｑ．，　Ｃｏｎｔｒ．，　ｖｏｌ．　４８，　ｐｐ．　１０８４−１０９１，　Ｊｕｌｙ　２００１
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来の２つの弾性係数の測定方法は次のような問題点を有している。
【０００９】
第１の方法である、組織に圧力を加えた後、組織の変位を測定する方法では、広い範囲の変位を調べないと診断に役立たないので、組織に印加する圧力を大きくすることが望ましいが、このように圧力を大きくすれば圧力印加前後のエコー信号間の相関度が低下してしまい、変位を十分に調べることができないという問題が発生する。その結果、正常組織と病変組織とを正確に区別することが困難になってしまう。
【００１０】
また、第１の方法と第２の方法は、共に、送受信された超音波のＲＦデータから、波形や位相の変化を相関度を用いて計算するが、このような方法は信号間の相関度を計算するので複雑なハードウェアとともに高速信号処理が必要となり、製作費用面で不利となるという短所がある。
【００１１】
本発明は上述した問題点を解消するためのものであり、超音波映像でスペックルパターンの変化を推定することによって、媒質の弾性特性を測定する装置を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、超音波映像で媒質の弾性特性を測定するにあたって、再帰的演算を用いることによって、フレームメモリの量を減らし、計算量も減縮させる装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するための本発明による超音波映像で媒質の弾性特性を測定する装置は、媒質に対して振動を印加する手段と、振動を受けた前記媒質から複数の超音波映像フレームを獲得する手段と、前記複数の映像フレーム内の所定のピクセルに対してスペックルパターンの明るさの時間軸上の変化量を算出する手段と、前記算出されたスペックルパターンの明るさの変化量に基づいて前記媒質の弾性を測定する手段とを備える
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明する。
【００１５】
人体内の腫瘍や癌のような病変部分の媒質は、一般の軟組織より硬さ（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）が増加している。図２は、外部の振動に対する反射体の組織内における分布変化を示し、左側は外部の振動パターン、中央部は病変組織の分布変化、右側は軟組織の分布変化を示すものであり、矢印は分布変化の大きさを示す。図２に示すように、外部の振動に応じた反射体の組織内での分布変化は、組織の硬さに反比例するようになる。即ち、外部の振動が加えられると、組織全体が同時に動くようになる。このとき、媒質が硬い組織である場合には、スペックルパターンは特に変化しない。これに対して、媒質が軟らかい組織（ｓｏｆｔ　ｔｉｓｓｕｅ）である場合には、外部の振動に応じて組織内の反射体位置が大きく変化する。言い換えれば、外部から変位が印加される時、スペックルパターンの変化は組織の軟らかさの程度と比例するが、これを用いることで組織の硬さ（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）を測定することができる。
【００１６】
図３に示すようにスペックルパターンの明るさの変化の測定は　、超音波の連続的な一連の白黒映像において各画素間の明るさの時間軸上の変化量を求めることによってなされる。明るさの変化量のみを推定するために、明るさの分散（ｖａｒｉａｎｃｅ）を計算する。また、媒質の振動に対する周波数特性を求めるために、外部から印加される振動の大きさと振動周波数を可変しながら媒質の共振周波数と大きさを推定すれば、より正確な媒質の弾性特性を求めることができる。
【００１７】
図４は、低周波振動器１５を人体に付着させた様子を概略的に示すものであり、人体の皮膚表面に振動器１５を接触させてトランスデューサ１０を身体に押さえつけて超音波映像を得る非浸襲的な方法で振動を加えている状態を示す。
【００１８】
図４を参照すれば、診断を行うオペレーターが超音波映像を得るために人体の組織（ｔｉｓｓｕｅ）に振動器１５を通じて振動を加えている。低周波振動器としては周波数と振幅を可変できる装置が必要で、その周波数は数百Ｈｚ以下の範囲を有するのが適当である。一方、人体組織の中で特定の組織をより詳細に観察する場合には、浸襲的な（ｉｎｖａｓｉｖｅ）方法を用いて媒質に振動を伝達できる。浸襲的な方法とは、媒質に注射器の針（ｎｅｅｄｌｅ）などを刺して針先を通じて振動を媒質に伝達する方法をいう。針が皮膚に入るので患者には多少負担を感じさせる方法であるが、所望の部位に振動を正確に与えることができるという点で有利である。
【００１９】
振動器１５から加えられる圧力によって組織は振動をし、組織を構成する散乱体（ｓｃａｔｔｅｒｅｒ：超音波信号を反射させてエコー信号を作り出す）が動き、図３に示す複数の映像フレーム毎に異なる映像が得られる。これに従って、映像フレーム内の所定のピクセルでの明るさ（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）も映像フレーム毎に変化するようになる。
【００２０】
外部からの振動によるスペックルの明るさの変化は、各ピクセルの明るさの変化を求めることにより決定できる。このような明るさの変化の測定において、全体のＢ−モードのイメージフレームの各ピクセルにおける明るさの標準偏差が用いられる。ピクセルポイント（ｉ，ｊ）それぞれにおいて、（ｎ―Ｍ＋１）番目のフレームから、現在のＮ番目のフレームまでを含む、Ｍ枚の連続的な複数のイメージフレームの平均ｍｎ（ｉ，ｊ）及び標準偏差σｎ（ｉ，ｊ）は、次の式（１）及び式（２）の通りであり、
【数１】
2004033765.tif 000003
【数２】
2004033765.tif 000004
ここで、ｘｋ（ｉ，ｊ）は、ｋ番目のフレームのピクセル（ｉ，ｊ）での明るさ（モニター上にディスプレイされるそれぞれのピクセル値に対応する）であり、ｉ及びｊは、それぞれ水平及び垂直のインデックス（ｉｎｄｅｘ）である。
【００２１】
本発明は、このような明るさの分散（ｖａｒｉａｎｃｅ）を複数のフレームにわたって計算して、完成した超音波映像をディスプレイする方法である。このため、完成した超音波映像を構成するためにすべてのピクセルに対して明るさの分散を求めなければならない。このような明るさの分散を求める方法を図５に示す。図５は、複数のフレームにわたってピクセルの明るさの変化の分散を求めるための構成例を示す。
【００２２】
本発明による媒質の弾性特性の測定装置によれば、一枚の映像を構成するフレームのすべての画素に対して各画素の時間による明るさの変化をリアルタイムで計算してディスプレイする。ここで、各画素の時間による明るさの変化とは、フレーム毎のその前のフレームに対する明るさの変化を意味する。
【００２３】
明るさの変化を表示するために分散を用いる。もちろん、分散の平方根である標準偏差を用いることもできる。分散を求めるのに用いるフレームの数は使用者が調整することができる。複数のフレームにわたってピクセルの明るさの変化の分散を求めるための構成例を図５に示す。
【００２４】
図５において、Ｎは現在のフレーム番号、（Ｎ−１）は前のフレーム番号、ｘＮ（ｉ，ｊ）はＮ番目のフレームの（ｉ，ｊ）番目のピクセルでの明るさ、ｍＮ（ｉ，ｊ）とｍＮ−１（ｉ，ｊ）は、それぞれ所定のピクセル（ｉ，ｊ）の最初からＮ番目のフレームまでの平均と（Ｎ−１）番目のフレームまでの平均を示す。ここで、ｉとｊは、それぞれ軸方向と側方向への座標を示す離散的な値である。同様に、σ２Ｎ（ｉ，ｊ）及びσ２Ｎ−１（ｉ，ｊ）は、それぞれ所定のピクセル（ｉ，ｊ）の最初からＮ番目のフレームまでの分散と（Ｎ−１）番目のフレームまでの分散とすると、明るさ（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）の平均ｍＮ（ｉ，ｊ）は次の式（３）で示され、明るさの分散σ２Ｎ（ｉ，ｊ）は次の式（４）で示される。
【数３】
2004033765.tif 000005
【数４】
2004033765.tif 000006
前記式（３）及び式（４）によって明るさの平均ｍＮ及び分散σ２Ｎを計算すると、新たなフレームが入力される度に分散を計算することになるので、入力されるフレームと同じフレームレートでピクセル毎の分散映像を示すことができる。なお、前記式（３）及び（４）は、それぞれ前記式（１）及び（２）の再帰的な形態である。
【００２５】
図５において、Ｚ−１は単位サンプル遅延（ｕｎｉｔ　ｓａｍｐｌｅ　ｄｅｌａｙ）を示し、二乗器（ｓｑｕａｒｅｒ）は入力信号を二乗する演算を行う。単位サンプル遅延とは、計算しようとする映像点（ｐｉｘｅｌ）における現在のフレーム映像に対する前のフレームの映像、即ち、１つのフレーム前のピクセルを意味する。本発明の実施の形態において平均や分散をフレーム毎に計算する時、フレーム周期が単位サンプル遅延に該当する。１つのフレーム周期前のデータを格納するために単位サンプル遅延を行なう。また、図５において単位サンプル遅延を行うブロック（Ｚ−１）は、一枚のフレームメモリに該当するもので、第１フレームメモリ２０は、（Ｎ−１）番目のフレームまでの平均であるｍＮ−１（ｉ，ｊ）を格納するためのもので、第２フレームメモリ２２、は（Ｎ−１）番目のフレームまでの分散であるσ２Ｎ−１（ｉ，ｊ）を格納するためのものである。なお、フレームメモリが１０枚であればＺ−１０で示される。
【００２６】
図５に示す分散演算方法は、すべてのフレームを格納せずに現時点において直前のフレームの各ピクセルにおける平均と分散を格納する。
【００２７】
前記式（３）及び式（４）の具現には、（Ｎ−１）番目のフレームまでの平均であるｍＮ−１（ｉ，ｊ）を格納するための第１のフレームメモリ（Ｚ−１，２０）と、（Ｎ−１）番目のフレームまでの分散であるσ２Ｎ−１（ｉ，ｊ）を格納するための第２のフレームメモリ（Ｚ−１，２２）とが必要であり、また、複数の二乗器、加算器、減算器、及び乗算器が更に必要である。
【００２８】
前述の平均と分散の初期化過程をより詳細に説明すれば次の通りである。現在の値を計算するために直前フレームまでの平均と分散を用いて再帰方程式を計算し始めるが、その初期値として、初めて入力されたデータを取る。これは、再帰方程式において初期値を設定するための一般的な方法である。
【００２９】
まず、最初のフレームでは、分散及び平均を既存の非再帰的方法で求めると、次の式（５）のように示される。
【数５】
2004033765.tif 000007
【００３０】
即ち、本発明による再帰方程式の初期化は、平均値がｍ１（ｉ，ｊ）＝ｘ１（ｉ，ｊ）となり、分散がσ２１（ｉ，ｊ）＝０となる。その次にはｘ２（ｉ，ｊ）の入力を受けて再帰的に計算すればよい。このように再帰的に計算することで、必要なフレームメモリ量を減らすだけでなく計算量においても有利となる。
【００３１】
前記の方法によってピクセルそれぞれにおいて明るさのフレームによる変化、即ち平均と分散値をスペックルパターンの表示側度（ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）として用いることができる。なお、計算量をさらに減らすために、次のような方法を用いることもできる。フレーム毎に分散を求める代わりに、所定のフレーム期間に、ピクセル明るさの最大値（ｍａｘ）と最小値（ｍｉｎ）を求めて、この二つの値の絶対差、即ち｜ｍａｘ−ｍｉｎ｜を映像で示して病変診断に用いることもできる。例えば、映像フレームが１番から１５番まであり、ピクセルポイント毎においてフレーム１０枚にわたって最大値と最小値を求めるとする。ｘ１（ｉ，ｊ）、ｘ２（ｉ，ｊ）、…、ｘ１０（ｉ，ｊ）の１０枚のフレームにおいて（ｉ，ｊ）ピクセル毎に最大値と最小値を求め、これをそれぞれｍａｘ１−１０（ｉ，ｊ）とｍｉｎ１−１０（ｉ，ｊ）とする。そして、この二つの値の差をｄｉｆｆ１−１０（ｉ，ｊ）＝｜ｍａｘ１−１０（ｉ，ｊ）−ｍｉｎ１−１０（ｉ，ｊ）｜とする。このような演算をすべてのピクセル（ｉ，ｊ）に対して行えば、ピクセルそれぞれにおいて差異値を示すｄｉｆｆ１−１０という映像を得ることができる。
【００３２】
同様に、前記の過程をフレーム番号２から１１まで繰り返すと、ｘ２（ｉ，ｊ）、ｘ３（ｉ，ｊ）、…、ｘ１１（ｉ，ｊ）からｄｉｆｆ２−１１映像を得ることができる。引き続き繰り返すとｄｉｆｆ６−１５映像を得ることができる。フレーム１５の次にフレーム１６、フレーム１７等に対して引き続き前記の演算を繰り返すと、フレーム毎に更新される差映像（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｍａｇｅ）を得る。このような方法は、前記の図５に示される分散演算方法と同様に、少ない計算量で分散映像と類似する映像を得ることができるようにする。
【００３３】
このようにフレームによる明るさの変化をスペックルパターンの表示側度として用いることができるという理由は、前記明るさの変化が該当ピクセル位置における散乱体（ｓｃａｔｔｅｒｅｒ）の変位（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）に比例し、変位は硬さ（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）に反比例するためである。
【００３４】
従って、病変組織は一般の正常軟組織より硬さが増加しているため、前述した式及び図５を通じて計算された明るさの分散値が複数の映像フレームにわたって特に変化しないので、病変組織に対するスペックルパターンの変化も少なめに示される。これに対して、一般の正常軟組織は外部の振動に対して組織内の散乱体の位置が大きく変化するため、図５を通じて計算された明るさの分散値は複数の映像フレームにわたって大きく変化する。これに従って、このような方法で組織の硬さ（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）を測定することができる。より正確な診断のためには硬さ値の基準が必要であり、硬さ値の基準が設定されれば、所定の硬さ値から病変があるか否かをチェックすることができる。
【００３５】
図５に示される構成は、ソフトウェアあるいはハードウェア的に構成することができ、振動器と共に既存の超音波映像形成装置の後段に更に装着されることが望ましい。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明の特許請求の範囲を逸脱することなく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の超音波映像で媒質の弾性特性を測定する装置によれば、超音波映像で超音波の連続的な白黒映像フレームにおいて各画素間の明るさの時間軸上の変化量を求めることによって、スペックルパターンの変化を推定して媒質の弾性特性を測定することができる。従って、超音波診断を行うオペレーターが人体内部の病変組織の有無を早い時間内に容易に知ることができる。
【００３８】
また、検波された映像データのみを用いて信号処理を行うことによって、追加のハードウェア装置なしにソフトウェアプログラムのみで弾性特性を計算することができるだけでなく、その計算量も少なくてすむ。
【００３９】
さらに、超音波映像で媒質の弾性特性を測定するにあたって再帰的演算を用いることによって、フレームメモリの量を減らして計算量も減縮させるので、コンピュータのＣＰＵの負担を減らすことができる。
【００４０】
従って、一枚の映像を構成するフレームのすべての画素に対して時間による明るさの変化をリアルタイムで計算してディスプレイできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トランスデューサ（即ち、配列変換子）からの超音波ビームのサンプル体積内の反射体の分布を示す図面である。
【図２】外部の振動に対する反射体の、組織内における分布変化を示す図面である。
【図３】超音波の連続的な白黒映像内に位置した各画素を示す図面である。
【図４】本発明の実施の形態により低周波振動器を人体に付着させた様子を概略的に示す図面である。
【図５】本発明の実施の形態により複数のフレームにわたってピクセルの明るさの変化の分散を求めるための構成例を示す図面である。
【符号の説明】
１０　トランスデューサ
１５　振動器
２０　第１のフレームメモリ
２２　第２のフレームメモリ
【図１】
2004033765.tif 000010
【図２】
2004033765.tif 000011
【図３】
2004033765.tif 000012
【図４】
2004033765.tif 000013
【図５】
2004033765.tif 000014