(57)【要約】心臓の超音波画像データを取得する手段と、心臓周期の間の心臓の超音波画像のシーケンスを形成する手段と、心臓壁の組織速度データを提供する手段とを有し、さらに心臓壁内部の点についての心臓ひずみに関係した特定の事象の時間生起を推定する手段を有することを特徴とする、超音波画像処理システム。このシステムは、心臓壁内部の選択した点において測定される心臓ひずみの時間変動を推定する手段を有していてもよい。このシステムはさらに、心臓ひずみの最大および最小変化の生起時刻およびその大きさを心臓壁内部の選択された点における心臓ひずみの測定された時間変動から推定する手段および心臓壁を表す線に沿って心臓ひずみの最大もしくは最小変化またはその両方の時間的生起の時刻を推定する手段を有していてもよい。
2006523485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
心臓の超音波画像データを取得する手段と、心臓周期の間の心臓の超音波画像のシーケンスを形成する手段と、心臓壁の組織速度データを提供する手段とを有し、さらに心臓壁内部の点についての最小／最大ひずみに対応する心臓の収縮／弛緩に関係した特定の事象の時間生起を推定する手段を有することを特徴とする、超音波画像処理システム。
【請求項２】
心臓壁のセグメンテーション線上で選択される、心臓壁の点の位置を推定するセグメンテーション手段を有することを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
心臓壁内部の選択した点において測定される心臓ひずみの時間変動を推定する手段を有することを特徴とする、請求項１または２記載のシステム。
【請求項４】
心臓ひずみの最大変化および最小変化の生起の時点を心臓壁内部の選択された点における心臓ひずみの測定された時間変動から推定する手段を有することを特徴とする、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
心臓ひずみの最大変化および最小変化の大きさを心臓壁内部の選択された点における心臓ひずみの測定された時間変動から推定する手段を有することを特徴とする、請求項３または４記載のシステム。
【請求項６】
心臓ひずみの最大変化および最小変化の生起の時点ならびにその大きさを心臓壁内部の選択された点における心臓ひずみの測定された時間変動から推定する手段を有することを特徴とする、請求項３記載のシステム。
【請求項７】
ひずみの最小に対応する収縮開始およびひずみの最大に対応する弛緩の開始の位置を示す動的なシーケンスを構築するための画像生成手段を有することを特徴とする、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
心臓壁を表す線に沿って心臓ひずみの最大変化もしくは最小変化またはその両方の時間的生起の画像を構築する画像生成手段を有することを特徴とする、請求項３ないし７のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項９】
心臓壁を表す線に沿いの選択された点について心臓ひずみの最大変化もしくは最小変化またはその両方の生起の時点を推定する手段を有することを特徴とする、請求項３ないし８のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項１０】
心臓の画像のシーケンスを取得するトランスデューサ要素の超音波プローブと、請求項１ないし９のうちいずれか一項記載のシステムと、超音波画像を表示する表示手段とを有することを特徴とする、超音波診断装置。
【請求項１１】
請求項１ないし９のうちいずれか一項記載のシステムの手段の機能を動作させる命令の組を有することを特徴とする、プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は人体の心臓の超音波画像データを取得し、画像データを処理して心臓壁組織の組織速度を推定し、心臓の超音波画像を前記心臓壁組織速度から得られる心臓周期における心臓壁の変位に関係する情報とともに表示するための画像処理システムに関するものである。本発明はさらに、そのような画像処理システムに関連する超音波診断装置に関するものでもある。
【０００２】
本発明は心筋の検査のための医療画像生成の分野において格別の用途がある。
【背景技術】
【０００３】
組織ドップラー画像法（TDI：Tissue  Doppler  Imaging）と呼ばれる超音波画像処理技術はすでに当業者には既知のものである。このＴＤＩ技術は、患者の体内の組織の変位速度を測定してさらなる組織パラメータの非侵襲的方法による推定に役立て、そして前記速度を表す画像を色付けした形で従来式の超音波強度像とともに表示することを可能にする。
【０００４】
米国特許ＵＳ５，９３８，６０６によって心臓周期の間の動脈壁の変位の大きさを測定する方法はすでに知られている。この方法は動脈壁の表現を動脈壁の動きを表す情報とともに表示することを可能にする。従来式の超音波強度像に重ねられる曲線として動きの情報が表現されるのである。この方法は、一連の画像において動脈壁のセグメンテーションによって動脈壁の位置を特定し、画像データを処理して動脈壁の変位の大きさを時間の関数として決定し、動脈壁の変位の大きさを表す曲線を描く、ステップを有する。この方法はさらに、時間の関数として動く曲線を重ね合わされた動脈の画像シーケンスを表示することをも含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
動脈に関していえば、前記引用特許によって提供されるような壁の変位の大きさの情報は、動脈が長手軸を有する細長い器官であるために扱いが容易である。壁の変位は単に軸に垂直な方向で、脈拍の影響のもと軸の方向に伝搬するだけだからである。
【０００６】
さて、心臓腔を取り囲む筋肉によって形成されている壁をもつ心臓の場合、壁の運動はきわめて複雑である。脈拍によって誘導される心臓壁の変位は、動脈壁の変位になぞらえることはできないし、同じように表現することもできない。心臓壁の動きが複雑なのは、心臓壁が各心臓周期の間に収縮に続いて弛緩が起こるという事実に、そして筋肉と見なされる心臓壁内のこうした収縮と弛緩の伝搬が等方的でないという事実に起因する。むしろ、こうした収縮と弛緩の心臓壁内の伝搬は、特定の伝搬法則に従っているように見える。実際、臨床的な見地からは、心拍障害や梗塞心筋によって収縮・弛緩の伝搬が変化したり乱されたりすることがあるのである。これらの特定の伝搬障害を調べるツールが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的の一つは、心臓周期の間の心臓壁の変位の伝搬の時間的情報を与える画像を表示する手段を、より詳細には心臓周期の間の心筋壁内部での変形の時間的情報を与える手段を有する画像処理システムを提供することである。こうした画像はひずみ画像（strain  image）と呼ばれる。
【０００８】
そのような手段をもつ画像処理システムが請求項で請求されている。
【０００９】
本発明のさらなる目的の一つは、心筋壁内部の各点において心臓周期の間の最大ひずみが起こる時点（弛緩が始まる時点に対応する）および最小ひずみが起こる時点（収縮が始まる時点に対応する）の情報をひずみの前記最大値および最小値とともに与える画像を表示する手段を有する画像処理システムを提供することである。そのような画像処理システムは付属の請求項において請求されている。
【００１０】
前記画像処理システムの一つの利点は、前記システムが、分極に起因する心筋の収縮・弛緩現象を、筋反応の伝搬の表現とともに可視化することを可能にすることである。
【００１１】
そのような画像処理システムに関連した超音波診断装置が従属請求項において請求されている。
【００１２】
本発明をよりよく理解するため、付属の概略図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、超音波画像生成装置によって与えられるエコー画像信号を処理する画像処理システムに関するものである。前記画像処理システムは、超音波データを取得する手段、画像データ処理手段、超音波画像生成を実行する手段を有する。本発明によれば、この画像処理システムは心臓壁のひずみの測定を実行するのに使われる。この画像生成システムは、心臓壁の各点における心臓壁のひずみの最大値および最小値の生起時刻を心臓周期との関連で、心臓壁ひずみの大きさとともに推定する処理手段を有する。ひずみの各最大値および各最小値は心筋の弛緩開始および収縮開始に対応している。この画像処理システムは、ひずみ画像と呼ばれる画像を表示し、それによって心臓周期の間に心筋壁の内部での変形の伝搬の時間的な情報を与える手段を有している。この画像生成システムは、心臓周期の間、心筋壁内部の各点において最大変形（弛緩開始時点）および最小変形（収縮開始時点）が起こった正確な時刻の情報を与える画像を表示する。こうした画像は、図４に示すような心筋励起の筋反応の伝搬の様子を示すアニメーション画像となる。
【００１４】
図８を参照すると、超音波診断システム５０は、プローブまたは探触子１０ならびに表示手段４０を有している。超音波診断システムの動作は、プローブ１０を検査する患者に接触させ、周期的励起を通じて超音波信号を患者の心臓に向けて送信し、媒体中で遭遇する障害物によって返されるエコーを受信することを含む。プローブ１０はフェーズドアレイとして、あるいは線形アレイ、曲線アレイもしくはその他のアレイとして集積されている超音波トランスデューサ１２から構成されていてもよい。プローブは検査する体の外部に置かれても体内に置かれてもよい。トランスデューサ素子のアレイはパルスまたはビーム状のエネルギーを体内に送信し、体の内部構造によって反射されて返ってくるエネルギーのパルスを受信する。エネルギーのパルスまたはビームは電子的に超音波システムに結合されている。
【００１５】
プローブ１０に接続されている超音波診断システムは、プローブ１０に加えられる励起信号を生成する送受信段１４を含む。プローブのトランスデューサはこれらの信号を、所定の繰り返し周波数で供給される超音波パルス信号の周期列に変換する。返ってくる音響信号は受信され、前記送受信段１４によって合成されて１６でビーム形成を実行するのに渡される。制御信号が送受信段によってさらに供給され、プローブ１０、パルス信号および速度推定段の制御に使われる。
【００１６】
送受信段１４の送信モードにおいては、患者の心臓は、励起線の方向に沿って走査される。受信モードにおいては、各励起線の像が、媒体中の伝播時間および考えている励起線に沿って遭遇した障害物によって返されたエコーの大きさを考慮に入れて形成される。送受信段１４の送信モードにおいては、プローブ１０の各励起線はたとえば音響高周波信号を与え、これが画像形成段による一連の強度画像の形成を可能にする。強度画像シーケンスは、超音波グレースケール画像シーケンスと称される。それは２Ｄ画像の形で表示され、個々の画像は図１の断層画像のような画像である。
【００１７】
超音波診断装置はさらに、患者の器官の組織内の速度を決定できるようにする、カラー表示式組織ドップラー画像法モード（ＴＤＩ）での動作も可能としている。組織ドップラー画像法は、組織の速度ベクトルの音響ビーム上に射影された成分を推定する技術である。着目する構造の変位のため、動く組織によって逆散乱された一連の高周波超音波エコーに対して位相偏移が起こされる。こうした位相偏移はＩ、Ｑ復調段１８および組織／流れ分離段３０を通じて処理され、組織運動推定段３１において検査対象の組織の局所的速度の推定がなされる。
【００１８】
ここで、組織速度推定段３１は段３０から入力されるドップラーエコー信号を処理して、速度に対応する周波数などのドップラー偏移の特徴を得る。ドップラープロセッサ３１は心臓の同じ空間位置から受信した一連のエコー信号を処理してドップラー位相すなわち周波数偏移を決定する。ドップラープロセッサ３１はドップラー偏移を、高速フーリエ変換（FFT：fast  Fourier  transform）または自己相関関数によって推定することができる。好ましくは、ドップラー推定器３１は、時間と空間の両方で自己相関を実行して精密な高解像度のドップラー偏移の推定値を生成する二次元自己相関を用いる。
【００１９】
組織速度プロセッサ段３２は組織信号の処理を行う。処理にはさらにスキャン変換３３によって必要なら所望の画像フォーマットに変換することが含まれることもある。段３２では、信号が一連のカラー値に割り振られてカラー分布図が作成される。ドップラー信号のカラー分布図は次に、Ｂモードプロセッサ２０によって与えられるグレースケール画像に、ビデオプロセッサ３４を使って重ねられることができる。こうして速度を示す色がグレースケール画像に重ね合わされることによって、カラー表示した組織速度の画像シーケンスが形成される。このカラー表示した速度シーケンスはメモリに保存されることができる。
【００２０】
ＴＤＩにおいて実行される信号処理は、血流を撮像するカラードップラー画像法システムによって使われる信号処理と同様のものであるが、組織速度は血流速度に比べて小さく、組織信号振幅は血流信号振幅に比べて大きいために、超音波システムの設定の修正が必要になる。こうした修正には、パルス群長（ensemble  length）を短くしたり、パルス繰り返し周波数（PRR：pulse  repetition  frequency）を下げたり、ウォールフィルタを使っていればそれを無効にしたりといったことがある。
【００２１】
本発明によれば、このＴＤＩ技術が患者の心臓壁の速度を測定するのに使われる。心臓壁の速度測定の工程には、心臓壁の動きの推定が含まれる。ＴＤＩで観察される組織のような生体構造の動きは、内部の機械的な力（動脈血圧、心筋の収縮・弛緩の強さ）と組織（心筋）との相互作用に起因する。ＴＤＩのシーケンスを使うと、特定の生理的パラメータを抽出することが可能になり、それを使って心臓壁の生体力学的な機能を決定することができる。本発明によれば、ＴＤＩ画像を使うことで、以下に説明するように、空間的な超音波ビームに沿った空間微分から心臓壁のひずみが計算される。
【００２２】
心筋のＢモード断層画像を表している図１を参照すると、心筋のひずみ速度の決定にはまず、心臓壁のセグメンテーションを行う。心臓壁の縁は一連のＢモード画像からたとえばエッジ検出技術の一つを使って抽出され、その結果心臓壁の位置を表すセグメンテーション線ＳＬ（segmentation  line）が得られる。壁のセグメンテーション線ＳＬの位置は図１のＢモード画像に重ねて表示されている。
【００２３】
引き続き図１を参照すると、心臓壁に垂直な組織速度の推定のためには、完全な心臓周期にわたって心臓壁の挙動を観察する必要がある。よって、少なくとも心臓周期に等しい期間をカバーする総数Ｎの画像のシーケンスを作成する必要がある。各画像は時刻ｎに作成され、Ｎは１より大きい数とする。また、組織速度画像シーケンスと心臓周期に共通な時間マーカーを同定しておく必要もある。これにより、心臓組織を心臓周期のさまざまな段階との関係で観察しうるようになる。
【００２４】
壁のセグメンテーション線ＳＬの位置が次いでＴＤＩデータ平面上にマッピングされる。この動いている組織の位置に対して、ＴＤＩ速度値の局所的な時間積分の計算が実行される。この計算は、壁の変位値を心臓周期全体を通じて時間の関数として、また位置の関数として与える。
【００２５】
ｚを検査対象の心臓壁内部の音響ビームに沿った点の座標とする。この点の変位は次式で与えられる。
【００２６】
【数１】
2006523485.tif 000003
ここで、V(z,u)はＴＤＩによって与えられる速度、t0はたとえば心臓周期の開始時点の時刻である。
【００２７】
図１のセグメンテーション線ＳＬに沿ってのＴＤＩ速度の測定が図２に示したように時間の関数として行われる。図２では速度は縦軸に、時間ｔは横軸に表されており、図２の点Ａ、Ｂ、Ｃは図１の点Ａ、Ｂ、Ｃに対応する。図２は約４心臓周期の期間に関わるものである。白い部分が高速度、暗い部分が低速度にあたる。
【００２８】
さて、ひずみは組織が圧縮されている度合いの表現である。音響ビームに沿って検査対象の組織内部に二つの近接した位置ｚおよびｚ＋ｄｚが与えられたとすると、ひずみS(z,t)は次式で与えられる。
【００２９】
【数２】
2006523485.tif 000004
ひずみ速度は当該組織の圧縮または伸張の速度を表す。ひずみ速度は次式で定義される。
【００３０】
【数３】
2006523485.tif 000005
（１）および（２）から、ひずみ速度がＴＤＩ速度情報から直接導出できることがわかる。
【００３１】
【数４】
2006523485.tif 000006
式（３）および（４）を組み合わせれば、ひずみをＴＤＩ速度情報から直接導出できる。
【００３２】
【数５】
2006523485.tif 000007
以下では心臓壁のひずみを推定するのに式（５）を使う。
【００３３】
心筋壁速度は、図２に示したように作成される心筋の組織ドップラー速度画像から測定される。次いで、速度勾配―これは前記ひずみ速度である―が推定されるが、その際、超音波ビームの角度の関数である補正が加味される。この補正の計算は空間勾配手続きと呼ばれる。そうした補正が必要なのは、心筋壁が現在の超音波ビームに対して動いているという事実のためである。次いで、勾配の画像が構築され、壁の各点においてその勾配の値が時間的に積分される。
【００３４】
図３を参照すると、本発明により、式（５）を使って、点Ａ、Ｂ、Ｃを通るセグメンテーション線ＳＬ上の選択した点（すなわち変数ｚは固定）で測定されるひずみの大きさについて、時間の関数としてその変動を表した曲線が推定される。速度画像の各点について、変形の時間曲線が抽出され、それはひずみ曲線と呼ばれる。図３で示した例では、曲線は４心臓周期にわたって、ひずみの最大値Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４およびひずみの最小値ｍ１、ｍ２、ｍ３、ｍ４が起こる時刻ｔを与えて、これらの時点におけるひずみの大きさの値を与えている。ここで、ひずみの各最大値および各最小値はそれぞれ心筋の弛緩開始、収縮開始に対応する。ひずみ曲線を構築するにあたって推定された最大値および最小値およびそれが起こる時刻は、心臓壁の関心のある各点、特にセグメンテーション線ＳＬの各点について保存される。
【００３５】
図４を参照すると、ひずみ最小に対応する収縮開始およびひずみ最大に対応する弛緩開始の位置を示す動的なシーケンスが、図３のひずみ曲線によって与えられる情報から構築される。今、図１に示されているような画像の超音波シーケンスを考える。前記画像における心筋壁の各点は、最大収縮値または最小収縮値に対応していたら、それぞれ重ね合わせ色を付与される。最大ひずみ値や最小ひずみ値の位置は時間とともに変わるので、こうした画像は、収縮・弛緩の伝搬の画像シーケンスを形成する。たとえば最大値が赤で、最小値が緑で表されるようにできる。図４に示したような画像のシーケンスは、ひずみの最大や最小といった事象（収縮の最大や最小に対応する）が心筋によって表される空間内を時間の関数として伝搬する様子を可視化することを可能にする。そうした事象は特定の法則に従っているように見える。
【００３６】
そうした観点を説明するため、今の記述に関係している図４において、白いしるしの部分はひずみの最大（弛緩の開始）がこの時刻ｔにおいて起こっている部分に対応している。本発明は、収縮最大の伝搬に関係する図４、図５、図６の画像を使ってこうした特定の励起の伝搬法則を調べることを可能にする。同じ方法は収縮最小の伝搬にも適用できる。
【００３７】
図５を参照すると、ここでさらに構築された画像は、縦軸で表されているＡＢＣを通るセグメンテーション線ＳＬに沿って、図１の左心室における最大ひずみの生起（黒）および最小ひずみの生起（白）を、横軸で表す時間（ｔ）の関数として４心臓周期にわたって与えるものである。この画像は、心拍に対する反応を可視化し、ひずみが心臓壁内部を心臓周期の間に伝搬する様子を調べることを可能にする。
【００３８】
図６を参照すると、図５の画像を構築するために計算された値から、今度は、弛緩開始に対応する収縮の最大値の生起時刻が縦軸の時間ｔに沿って表されている。横軸が表すのは、セグメンテーション線ＳＬの点である。ここで、図６の曲線は、ＳＬの各点において心臓周期中で弛緩の開始が起こる時点を与えている。こうした曲線の瞬間的な傾きは、傾きの符号によって伝搬の方向を、傾きの大きさによって伝搬の速度を与える。たとえば、伝搬速度はｍｍ／ｓ単位で測ることができる。実験によると、いくつかの心臓周期にわたって得た曲線はきわめて似通ったものになる。同様の調査により、収縮開始に対応する収縮の最小値が起こる時刻を縦軸の時間ｔに沿って与え、セグメンテーション線ＳＬの各点は横軸とすることができる（図示せず）。
【００３９】
図７は、図８のシステム５０に関連する本発明に基づく超音波診断装置を示す図である。当該装置は、画像シーケンスのデジタル画像データを取得するためのプローブ１０および本発明に基づいてこれらのデータを処理するための超音波手段５３を有している。特に、データ処理装置５３は、上述したように計算を実行して画像を構築する計算手段およびメモリ手段を有している。前記計算を実行して前記画像を構築するあらかじめプログラムされた命令を有するコンピュータプログラムプロダクトも実装されていてもよい。超音波計算手段を保存されている医療用画像に適用して、たとえば医療パラメータを推定することができる。システムは処理された画像データを表示手段もしくは保存手段またはその両方に与える。表示手段４０は画面であってもよい。保存手段はシステム５３のメモリであってもよい。前記保存手段はあるいはまた外部保存手段であってもよい。この画像表示システム５３は好適にプログラムされたコンピュータであってもよいし、あるいはＬＵＴ、メモリ、フィルタ、論理素子のような本発明に基づく計算を実行するよう構成された回路手段を有する専用目的プロセッサであってもよい。システム５３はまた、キーボード５５およびマウス５６を有していてもよい。ユーザーが前記計算の選ばれた段においてシステムの処理手段を作動させるための制御手段４１をなすものとしては、マウスクリックによって作動させられるアイコンが画面上に設けられてもよいし、システム上に特別のボタンが設けられてもよい。この医療表示システム５０は超音波診断装置に組み込まれてもよい。この医療診断装置は患者が横たわる台または当該装置に対して患者の位置を固定するためのその他の要素を含んでいてもよい。超音波診断装置によって作成される画像データは医療表示システム５０に入力される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】心臓左心室の超音波画像で、左心室壁のセグメンテーション線（ＡＢＣ）も示されている図である。
【図２】組織ドップラー画像法（ＴＤＩ）技術によって時間（ｔ）の関数として測定された図１の左心室壁の速度（Ｖ）の分布をセグメンテーション線（ＡＢＣ）に沿って記録したもので、横軸が心臓周期数周期ぶんにわたる時間を表し、縦軸がセグメンテーション線（ＡＢＣ）を表す図である。
【図３】セグメンテーション線（ＡＢＣ）上の選択した点において測定された局所的なひずみのグラフであり、ここから４心臓周期についてのひずみの最大値（Ｍ１〜Ｍ４）およびひずみの最小値（ｍ１〜ｍ４）が起こる時刻（ｔ）（各最大値および各最小値はそれぞれ心筋の弛緩開始、収縮開始に対応する）がひずみの大きさとともに引き出される図である。
【図４】左心室の瞬間像であって、この特定の時点において心臓周期の最大収縮値を示している領域が色でしるしを付けられており、心電図との対応がこの事象の時間的な位置づけを与えている図である。
【図５】縦軸で表されているセグメンテーション線（ＡＢＣ）に沿って、図１の左心室壁の最大収縮の生起（黒）および最小収縮の生起（白）を、横軸で表されている時間（ｔ）の関数として４心臓周期にわたって示す図である。
【図６】１心臓周期の間にセグメンテーション線（ＡＢＣ）の各点で最大収縮が起こる時刻（ｔ）を与えるグラフである。
【図７】本発明の画像生成システムに関連する超音波装置を概略的に表現するブロック図である。
【図８】超音波データを取得し、心臓のひずみ情報および心臓のひずみ画像を与える超音波画像生成システムを概略的に表現するブロック図である。
【符号の説明】
【００４１】
１４  送受信
１６  ビーム形成器
１８  Ｉ，Ｑ復調器
２０  Ｂモードプロセッサ
３１  組織速度ドップラー推定
３２  ひずみ推定
３３  スキャン変換
３４  表示プロセッサ
４０  表示装置
４１  ユーザー制御
【図１】
2006523485.tif 000008
【図２】
2006523485.tif 000009
【図３】
2006523485.tif 000010
【図４】
2006523485.tif 000011
【図５】
2006523485.tif 000012
【図６】
2006523485.tif 000013
【図７】
2006523485.tif 000014
【図８】
2006523485.tif 000015
【国際調査報告】
2006523485.tif 000016
2006523485.tif 000017
2006523485.tif 000018