(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体内の三次元空間に対して超音波を送受波する送受波手段と、
前記超音波の送受波によって得られるデータ集合を構成する各データに対し、各データごとに特定される重み係数を用いて、前処理としての重み付け処理を施す重み付け処理手段と、
前記重み付け処理後のデータ集合に対してデータ処理を実行するデータ処理手段と、
を含み、
前記重み付け処理手段は、
前記三次元空間において立体形状を定義する数式を利用して、前記各データごとに前記重み係数を演算する重み係数演算手段と、
前記各データに対して前記重み係数を用いた重み付け処理を実行する重み付け処理実行手段と、
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、
前記重み係数演算手段は、
前記各データについて、送受波座標系における座標からデータ処理用の直交座標系における座標を演算する手段と、
前記数式に対して前記各データについての直交座標系での座標を与える関数演算を実行することにより、前記重み係数を演算する手段と、
を含むことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、
前記数式に含まれる複数のパラメータ値をユーザーによって指定するためのユーザー指定手段を含むことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置において、
前記数式は楕円体又は球体を定義する数式であ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、特に三次元空間から得られたデータの重み付け処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、超音波の送受波によって得られたデータに基づいて超音波画像を形成する装置である。近時、生体内の三次元領域に対して超音波を送受波し、それにより得られたデータに基づいて三次元超音波画像を形成することが行われている。
【０００３】
特許文献１には、二次元の超音波画像から所定組織の輪郭を抽出する超音波診断装置が記載されている。かかる装置では、超音波画像上に関心領域が設定され、その形状を基準として関心領域内に段階的に重み付けパターンが設定されている。その重み付けパターンに従って画像に対する重み付け処理が施される。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２６７１２７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に記載された手法によれば、関心領域内のデータ群に対して画一的な処理を行うのではなく、各データの位置に応じて適応的に重み付け処理を施した上で、画像処理を行える。しかし、特許文献１には三次元データに対する重み付け処理は記載されていない。また、特許文献１の手法では、複数の重み付けパターンからなるパターンセットを利用するので、複数の重み付けパターンの形状を個別的に保存、管理する必要があるので、それを三次元に拡張適用することは難しいという面を指摘できる。
【０００６】
本発明の目的は、三次元空間から得られたデータに対して簡便かつ適切に重み付け処理を施すことにある。
【０００７】
本発明の目的は、三次元位置に応じて重み値を連続的に変動させるようにして重み付け処理の結果を自然なものにでき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、生体内の三次元空間に対して超音波を送受波する送受波手段と、前記超音波の送受波によって得られるデータ集合を構成する各データに対し、各データごとに特定される重み係数を用いて、前処理としての重み付け処理を施す重み付け処理手段と、前記重み付け処理後のデータ集合に対してデータ処理を実行するデータ処理手段と、を含み、前記重み付け処理手段は、前記三次元空間において立体形状を定義する数式を利用して、前記各データごとに前記重み係数を演算する重み係数演算手段と、前記各データに対して前記重み係数を用いた重み付け処理を実行する重み付け処理実行手段と、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、三次元空間内で取得されたデータを処理する場合には、それに先立って前処理として重み付け処理が適用される。重み付け処理では、三次元空間において立体的形状を定義する数式（つまり関数）を用いて、データの座標から重み係数が演算される。関数演算を利用するので、複雑な重み付けパターンを保有しておくことによる問題を解消できる。勿論、関数演算の結果として直ちに重み係数が求められてもよいし、関数演算の結果に基づいて重み係数の区分を特定するようにしてもよいし、関数演算の結果に線形変換等を施して重み係数を特定するようにしてもよい。
【００１０】
望ましくは、前記重み係数演算手段は、前記各データについて、送受波座標系における座標からデータ処理用の直交座標系における座標を演算する手段と、前記数式に対して前記各データについての直交座標系での座標を与える関数演算を実行することにより、前記重み係数を演算する手段と、を含む。この構成によれば、データの座標が送受波座標系（例えば極座標系）で表される場合でも、関数演算を直交座標系上で行ってその演算内容を簡易化できる。もちろん、すべて送受波座標系で処理するようにしてもよい。
【００１１】
望ましくは、前記数式に含まれる複数のパラメータ値をユーザーによって指定するためのユーザー指定手段を含む。この場合に、互いに交差関係にある複数の断層画像を表示し、それらの断層画像上で三次元形状あるいはそれについての基本的パラメータ（中心座標、半径等）を指定させるようにしてもよい。望ましくは、前記数式は楕円体又は球体を定義する数式である。生体の臓器（あるいは組織）の抽出や弁別を前提とする場合、多くの臓器が丸みをもって塊として存在していることから、上記のような関数を利用するのが合理的である。本発明に係る前処理は特に三次元輪郭抽出に先立って実行されるのが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、三次元空間から得られたデータに対して簡便かつ適切に重み付け処理を施せる。あるいは、三次元位置に応じて重み値を連続的に変動させるようにして重み付け処理の結果を自然なものにできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
３Ｄプローブ１０は、生体内における三次元空間に対して超音波を送受波する送受波器である。３Ｄプローブ１０は、本実施形態において２Ｄアレイ振動子を有している。この２Ｄアレイ振動子は複数の振動素子を二次元配列してなるものである。この場合、超音波ビームは二次元的に電子走査される。もちろん、１Ｄアレイ振動子を機械的に走査することにより、三次元空間を形成するようにしてもよい。
【００１６】
図１には、三次元空間１２が概念図として模式的に示されている。三次元空間１２は、三次元エコーデータ取込空間であり、超音波ビーム１４を二次元走査することにより形成される。具体的には、超音波ビーム１４における深さ方向がｒ方向であり、超音波ビーム１４はθ方向に電子走査される。これによって走査面が形成される。走査面はφ方向に順次移動され、その結果として、三次元空間１２が形成される。三次元空間１２の形状としてはこれ以外にも各種のものがあげられる。送受信部１６は、送信ビームフォーマー及び受信ビームフォーマーとして機能する。送受信部１６から３Ｄプローブ１０における複数の振動素子に対して複数の送信信号が並列的に供給され、これによって３Ｄプローブ１０において送信ビームが形成される。一方、超音波の受波時においては、複数の振動素子から出力された複数の受信信号が送受信部１６に入力され、それらの受信信号に対する整相加算処理によって整相加算後の受信信号が得られる。すなわち、これによって電子的に受信ビームが形成される。送受信部１６は、各超音波ビームごとに受信信号としてのビームデータを出力している。
【００１７】
ビームデータ処理部１８は、検波、対数圧縮等の必要なビームデータ処理を実行するモジュールである。このビームデータ処理部１８は必要に応じて設けられる。３Ｄメモリ２０は、上記の三次元空間１２内において取得されたデータ群をいったん格納するメモリであり、３Ｄメモリ２０は上記の三次元空間１２に相当する記憶空間を有している。３Ｄメモリ２０に格納された各データは必要に応じて読み出されて、以下に説明する断層画像形成部２２、座標変換部２６及び三次元重み付け処理部３０へ出力される。
【００１８】
断層画像形成部２２は、いわゆるトリプレーン画像を形成するために、三次元空間内においてユーザーにより任意に設定された複数の切断面に相当する複数の断層画像を形成する。その場合においては、３Ｄメモリ２０から必要なデータが読み出されている。断層画像形成部２２は座標変換機能及び補間機能などを有している。断層画像形成部２２がいわゆる任意切断面に対応する任意断層画像を形成するものであってもよい。断層画像形成部２２から出力される断層画像の画像データは表示処理部２４へ出力される。表示処理部２４は、後に説明するように複数の画像を同一画面上に表示する画像合成機能等を有している。
【００１９】
座標変換部２６は、三次元空間１２において取得されたデータ群に基づいて三次元画像を形成する前に送受波座標系から直交座標系への座標変換を実行している。すなわち上述したようにデータの取込においては、ｒθφ座標系で各データが特定されており、その一方において、画像処理あるいは三次元画像の形成はＸＹＺ直交座標系において行われており、座標変換部２６は各データに対して送受波座標系から直交座標系への座標変換を実行している。また、その場合において必要に応じて補間処理が実行される。座標変換後のデータは合成部２８へ出力される。ちなみに、合成部２８は必要に応じて３Ｄメモリを有する。
【００２０】
符号２１はデータ処理部を表しており、このデータ処理部は、以下に説明する三次元重み付け処理部３０等の各構成を具備している。三次元重み付け処理部３０は、入力されたデータに対してその三次元空間内における位置に応じた重み係数（重み値）を特定し、当該データに対してその重み係数を乗算する演算を実行している。すなわち、各データごとに重み付け処理を行っている。その具体的な演算方法については後に図２を用いて説明するが、本実施形態においては楕円体を表す関数を用いてデータの座標から関数演算の実行により重み係数を瞬時に演算している。
【００２１】
二値化処理部３２は、重み付け処理後のデータに対して所定の閾値を用いた二値化処理を実行する。この場合において、例えば対象となる臓器が心臓であれば、心筋と心腔とを弁別する閾値が設定され、例えば心腔のみを抽出するように二値化処理が実行される。この場合においては必要に応じていわゆる反転二値化処理が実行される。座標変換部３４は、上記の座標変換部２６と同様に、送受波座標系から直交座標系への座標変換を実行する。この場合においては必要に応じて補間処理が適用される。ちなみに、座標変換は、任意の箇所において実行することが可能であり、例えば３Ｄメモリ２０の前段において座標変換を実行するようにしてもよいし、あるいは合成部２８の後段において座標変換を実行するようにしてもよい。
【００２２】
境界抽出部３６は、座標変換後の二値化データに基づいて、組織の境界を抽出する処理を実行する。例えば心筋と心腔との間の面すなわち心内膜を抽出する処理を実行する。これによって心内膜を表すデータが合成部２８へ出力されることになる。
【００２３】
合成部２８は、三次元空間内におけるデータ群を背景としてそれに対して心内膜を表すデータ等を合成することにより心臓を表すデータ群を生成する。この場合に心内膜のみが輝度強調されたデータ群が得られる。ただし、本実施形態における重み付け処理は、上述したような境界抽出処理以外のデータ処理に対しても適用でき、すなわちデータ処理に先だって前処理として特定の三次元データを強調する場合において利用することが可能である。
【００２４】
レンダリング部３８は、合成後のデータ群に対して所定の視点を設定した上で、その視点から出る複数の視線（レイ）を設定し、各レイごとに公知のボリュームレンダリング等を実行することにより三次元超音波画像を形成する。この場合においては、必要に応じてカラー演算などを適用するようにしてもよい。本実施形態においては、心内膜が輝度強調された心臓の三次元画像がいわゆるボリュームレンダリング画像として形成されている。この場合において心内膜のみに着色処理を施すようにしてもよい。
【００２５】
表示処理部２４は、超音波三次元画像と上述した１又は複数の断層画像とを並べて表示画像を構成し、その画像データを表示部４４に出力する。例えば、重み付け関数をユーザーによって定義する際においては、表示部４４にトリプレーン画像が表示され、そのトリプレーン画像を用いて重み付け関数として楕円体等が定義され、そのようなユーザー入力にしたがって上述した重み付け処理が実行される。
【００２６】
制御部４０は、プログラム動作するＣＰＵなどによって構成され、制御部４０は図１に示される各構成の動作制御を行っている。特に、本実施形態において、制御部４０は三次元重み付け処理部３０に対して必要なパラメータ値を渡している。入力部４２は例えば操作パネルによって構成され、その入力部４２を用いてユーザーが重み付け関数を自在に定義することが可能である。本実施形態においては後に説明するように楕円体関数として重み付け関数が定義されており、特に楕円体における３つの軸上における各半径と、その楕円体の中心座標とがユーザーによって指定される。楕円体関数に代えて例えば球体を表す関数を定義するようにしてもよい。
【００２７】
図２には、図１に示した三次元重み付け処理部３０の構成例が概念的に示されている。三次元重み付け処理部３０における具体的な処理のプロセスは例えばソフトウエアの機能によって実現することが可能であり、あるいは、デジタルシグナルプロセッサにおいて行わせるようにしてもよい。重み付け器５０は、今処理対象となっている注目データｄに対して重み係数αを乗算する乗算器として構成され、その処理結果として重み付け後の注目データｄ’が得られている。
【００２８】
重み係数αは重み演算器５４によって生成され、その重み演算器５４の前段には座標演算器５２が設けられている。座標演算器５２は超音波ビームの走査条件にしたがって、各注目データごとにそれを特定する座標を演算するモジュールであり、本実施形態においては、表示座標系における座標データか直交座標系における座標データが生成されている。例えば、座標変換器５２には超音波ビーム上における深さｒ，各走査面における初期ビーム角度θ0，各走査面におけるビーム間ピッチ（ビーム間角度）Δθ，各走査面におけるビーム本数ｍ，初期走査面の角度φ0，走査面間のピッチ（角度）Δφ，走査面数ｎ等が入力され、座標演算器５２はそれらの情報にしたがって、ＸＹＺ座標系すなわち直交座標系における注目データの座標（ｘ1，ｙ1，ｚ1）を演算する。
【００２９】
一方、重み演算器５４には、ユーザーによって指定された楕円体関数における中心座標（ｘ0，ｙ0，ｚ0）が入力されており、更に当該楕円体における各軸上の半径Ａ，Ｂ，Ｃが入力されている。それらのパラメータ値はユーザーによって指定されたものである。
【００３０】
重み演算器５４は、基本的には楕円体を表す関数（Ｘ2／Ａ2＋Ｙ2／Ｂ2＋Ｚ2／Ｃ2）を利用してその関数値として重み係数αを求めるものである。ここで、ＸはＸ軸上において中心座標と注目データの座標との差分によって定義され、これはＹ及びＺについても同様である。本実施形態では、楕円体の関数が直交座標系上において定義されており、関数の形式は周知のように非常にシンプルなものである。一般に、上記の（Ｘ2／Ａ2＋Ｙ2／Ｂ2＋Ｚ2／Ｃ2）を左辺とし、その関数の右辺を１とした場合、それはユーザーによって定義された楕円体関数の三次元表面形状を定義するものである。本実施形態においては、仮に注目データがその表面形状に一致した場合には重みとして１が求まり、その表面形状よりも内側に注目データが存在している場合には中心座標からの距離をパラメータとして当該注目データについて右辺の数値として重み係数αが求められている。すなわち、一般的には楕円体関数はその表面形状を定義し、あるいはその内外判別に利用される関数であるが、本実施形態においては楕円体を定義する関数をそのまま重み値を求めるための関数として利用する点に特徴を有している。
【００３１】
もちろん、求められたαをそのまま重み係数として利用してもよいし、αの値が属する区間ごとに別途重み値を定めておいて、属する区間に対応する重み値を重み係数として利用するようにしてもよい。あるいは、求められたαに対して線形変換等の他の関数演算を適用し、これによって一意に重み値を求めるようにしてもよい。いずれにしても、三次元的に複数の重み係数パターンを保有しておくと、その保有のための記憶容量が非常に増大することになるが、本実施形態においては、三次元形状を定義する関数を基礎として各データの座標から関数演算によって合理的な重み係数を迅速かつ容易に求められるという利点がある。ちなみに、図２において、符号５５は、上記関数式における右辺としてある値αが求められる場合における表面形態を表している。
【００３２】
図３には、組織との関係における重み付け関数が示されている。ここでは、説明の都合上、二次元断面として重み付け関数が表されている。符号１００は例えば心筋の断面を表しており、符号１００Ｂは心外膜であり、符号１００Ａは心内膜である。符号１０２は心腔を表している。その心腔１０２には例えば血液が満たされており、それは左室に相当する。本実施形態においては、このような組織との関係において、ユーザーによって中心座標Ｏが指定され、また直交座標系における各軸上の半径が定義される。そのような定義にしたがって、各αの値をマッピングするならば、図１においてＳ０〜Ｓ６で示されるような多重の三次元形状を想定できる。それぞれの表面上においては同じ重み係数αが与えられることになる。中心座標からの距離に応じて重み係数は連続的に変化することになり、ここで、例えばＳ０で表される最も外側の形状が上記関数式における右辺において１を表す場合に対応する。同様に、Ｓ１〜Ｓ６の各形状においてはそれぞれの形状に応じた重み係数が与えられることになる。また、関数式の右辺の値がどの区間（立体的区間）に属するかに基づいてその区間に対応する重み係数を求めるようにしてもよい。
【００３３】
図４には、図３に示したＲ−Ｒ’における重み係数の変化が示されている。三次元形状を表す関数として各種のものを使用できるが、例えば符号１０４で示されるように、最も外側の位置から中心に向かうにしたがって徐々に重み係数の値を減少させるようにしてもよいし、また符号１０６で示されるように非線形にその減少が行われるようにしてもよい。あるいは、符号１０８で示されるように、各立体的区間ごとに段階的に重み係数の値が小さくなるようにしてもよい。あるいは、ユーザーにより設定された基本となる関心領域が例えばここではＳ３である場合、その内側及び外側に離れるにしたがって徐々に重み係数の値が小さくなるようにしてもよい。この場合において、例えば符号１０４で示される関数に対して一定の場合分けを行った上で一次変換を行うことにより、上記のような符号１１０で示される特性を容易に生成することが可能である。
【００３４】
図５に示されるように、（Ａ）で示される元のデータ列１１２に対して、符号１１４で示されるような重み係数の特性を作用させると、図５における（Ｂ）で示すように、エッジに相当する部分が符号１３０で示されるように持ち上がり、その結果として重み付け後のデータ列１１２Ａを得られる。したがって、例えば閾値１１６として心筋と心腔を弁別する値を設定しておけば、心腔と心筋を明瞭に区別して、心内膜の画像を明確に表現することが可能となる。
【００３５】
上記実施形態においては、三次元形状を定義するシンプルな関数を基礎として重み係数の値をその都度発生させるようにしたので、複雑なパターンを保有しておくための記憶容量を削減でき、また迅速に重み係数の演算を行って、三次元画像のリアルタイム処理を実現できるという利点がある。特に、楕円体を表す関数あるいは球体を表す関数を重み係数を生成するための基礎となる関数として利用したので、新しい重み値発生方式を実現できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明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】図１に示す三次元重み付け処理部の具体的な構成例を示す概念図である。
【図３】組織との関係における重み関数の変化を示す概念図である。
【図４】各種の重み関数を示す図である。
【図５】輪郭強調処理の内容を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  ３Ｄプローブ、２０  ３Ｄメモリ、２１  データ処理部、２８  合成部、３０  三次元重み付け処理部、３２  二値化処理部、３４  座標変換部、３６  境界抽出部、５０  重み付け器、５２  座標演算器、５４  重み演算器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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