(57)【要約】【課題】対象体の動きを超音波映像として提供することができる超音波映像処理装置及び方法を得る。【解決手段】本発明は、周期的に動く物体を含む対象体から獲得した超音波ボリュームデータを構成する各フレームにＲＯＩを設定するためのＲＯＩ設定部と、超音波ボリュームデータから所定個数の第１基準フレームを選択し、各第１基準フレームのＲＯＩと第１基準フレームに隣接したフレームに設定されたＲＯＩとを組み合わせて所定個数のＶＯＩを設定するためのＶＯＩ設定部と、対象体の動きを補償するためにＶＯＩを映像処理するための動き補償部と、各ＶＯＩに対して時間軸上に一定区間の間に相関係数曲線を計算するための相関係数曲線計算部と、相関係数曲線を用いて対象体内に動く物体の動作周期を設定する周期設定部と、設定された動作周期を用いて超音波ボリュームデータを再構成して超音波映像を提供するための超音波ボリュームデータ再構成部とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的に動く物体を含む対象体から獲得した超音波ボリュームデータを構成する各フレームにＲＯＩ（region of interest）を設定するためのＲＯＩ設定部と、
前記超音波ボリュームデータから所定個数の第１基準フレームを選択し、各第１基準フレームの前記ＲＯＩと前記第１基準フレームに隣接したフレームに設定された前記ＲＯＩとを組み合わせて所定個数のＶＯＩ（volume of interest）を設定するためのＶＯＩ設定部と、
前記対象体の動きを補償するために前記ＶＯＩを映像処理するための動き補償部と、
前記各ＶＯＩに対して時間軸上に一定区間の間に相関係数曲線を計算するための相関係数曲線計算部と、
前記相関係数曲線を用いて対象体内に動く物体の動作周期を設定する周期設定部と、
前記設定された動作周期を用いて前記超音波ボリュームデータを再構成して超音波映像を提供するための超音波ボリュームデータ再構成部と
を備えることを特徴とする超音波映像処理装置。
【請求項２】
前記動き補償部は、以前に設定されたＶＯＩと現在設定したＶＯＩとの間のピクセル明るさ値の絶対差を用いて対象体の動きベクトルを推定し、推定された動きベクトルを用いて対象体の動きを補償することを特徴とする請求項１に記載の超音波映像処理装置。
【請求項３】
前記周期設定部は、
前記相関係数曲線計算部で計算された前記相関係数曲線から雑音を減らすためにフィルタリングを実施するためのフィルタリング部と、
フィルタリングを実施した前記相関係数曲線の傾きを計算するための傾き計算部と、
傾きが正から負へ変わる符号変換点を求め、前記符号変換点間の間隔に基づいて前記動く物体の全域周期に設定するための符号変換点検出部と
を備えることを特徴とする請求項２に記載の超音波映像処理装置。
【請求項４】
前記周期設定部は、前記全域周期だけ前記第１基準フレームから離れた所に位置するフレームを第２基準フレームに設定し、前記第２基準フレームと隣接するフレーム間の相関係数を計算して最大の相関係数を有するフレームと前記第２基準フレームとの間の間隔を局部周期に設定することを特徴とする請求項３に記載の超音波映像処理装置。
【請求項５】
前記超音波データ再構成部は、前記局部周期と前記全域周期との比を用いて、各局部周期内に含まれた各フレームに対して線形補間を実施することを特徴とする請求項４に記載の超音波映像処理装置。
【請求項６】
前記フレームにＲＯＩを設定する前に、前記超音波ボリュームデータから雑音を減らすために前処理を実施するための前処理部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波映像処理装置。
【請求項７】
前記前処理部は、ウェーブレット領域で前記超音波ボリュームデータについてソフト−スレショールディングを実施することを特徴とする請求項６に記載の超音波映像処理装置。
【請求項８】
前記ＲＯＩ設定部は、水平投影を用いて前記ＲＯＩを設定するためのＲＯＩ境界を設定することを特徴とする請求項１に記載の超音波映像処理装置。
【請求項９】
ａ）周期的に動く物体を含む対象体から獲得した超音波ボリュームデータを構成する各フレームにＲＯＩを設定する段階と、
ｂ）前記超音波ボリュームデータから所定個数の第１基準フレームを選択し、各第１基準フレームの前記ＲＯＩと前記第１基準フレームに隣接したフレームに設定された前記ＲＯＩとを組み合わせて所定個数のＶＯＩを設定する段階と、
ｃ）前記対象体の動きを補償するために前記ＶＯＩを映像処理する段階と、
ｄ）前記各ＶＯＩに対して時間軸上に一定区間の間に相関係数曲線を計算する段階と、
ｅ）前記相関係数曲線を用いて対象体内に動く物体の動作周期を設定する段階と、
ｆ）前記設定された動作周期を用いて前記超音波ボリュームデータを再構成して超音波映像を提供する段階と
を備えることを特徴とする超音波映像処理方法。
【請求項１０】
前記段階ｃ）は、
ｃ１）以前に設定された前記ＶＯＩと現在設定した前記ＶＯＩとの間のピクセル明るさ値の絶対差を用いて前記対象体の動きベクトルを推定する段階と、
ｃ２）推定された前記動きベクトルを用いて前記対象体の動きを補償する段階とを備えることを特徴とする請求項９に記載の超音波映像処理方法。
【請求項１１】
前記ｅ）段階は、
ｅ１）前記相関係数曲線計算部で計算された前記相関係数曲線から雑音を減らすためにフィルタリングを実施する段階と、
ｅ２）フィルタリングを実施した相前記関係数曲線の傾きを計算する段階と、
ｅ３）傾きが正から負へ変わる符号変換点を求める段階と、
ｅ４）前記符号変換点間の間隔に基づいて前記動く物体の全域周期に設定する段階と
を備えることを特徴とする請求項１０に記載の超音波映像処理方法。
【請求項１２】
前記ｅ）段階は、
ｅ５）前記周期設定部は、前記全域周期だけ前記第１基準フレームから離れた所に位置するフレームを第２基準フレームに設定する段階と、
ｅ６）前記第２基準フレームと隣接するフレーム間の相関係数を計算する段階と、
ｅ７）最大の相関係数を有するフレームと前記第２基準フレームとの間の間隔を局部周期に設定する段階と、
ｅ８）前記段階ｅ５）〜段階ｅ７）を前記超音波ボリュームデータで全ての局部周期が設定されるまで反復する段階と
をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の超音波映像処理方法。
【請求項１３】
前記段階ｆ）は、前記局部周期と前記全域周期との比を用いて各局部周期内に含まれたフレームに対して線形補間を実施することを特徴とする請求項１２に記載の超音波映像処理方法。
【請求項１４】
前記段階ａ）の前に前記超音波ボリュームデータから雑音を減らすために前処理を実施する段階をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の超音波映像処理方法。
【請求項１５】
前記前処理は、ウェーブレット領域で前記超音波ボリュームデータについてソフト−スレショールディングを実施することを特徴とする請求項１４に記載の超音波映像処理方法。
【請求項１６】
水平投影を用いて前記ＲＯＩを設定するためのＲＯＩ境界を設定することを特徴とする請求項９に記載の超音波映像処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続的に対象体から獲得した超音波ボリュームデータから胎児の心臓のように非常に速い速度で動く対象体の動作周期を検出し、検出された動作周期に基づいて超音波ボリュームデータを再構成することにより、対象体の動きを超音波映像として提供することができる超音波映像処理装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、スタティック（static）３次元イメージは、３次元プローブ（probe）を通じて時間に関係なしに３次元ロウデータ（raw data；ｘ，ｙ，ｚ座標上のデータ）を獲得した後、連続するフレームを合成し、これを３次元レンダリング（rendering）技法を通じて構成されるイメージである。このようなスタティック３次元イメージを用いた超音波診断は、外科手術のような面倒な手続なしに、人体の内部を観察して診断することができるため、最近広く用いられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、スタティック３次元イメージは静止したイメージであるので、例えば胎児のように動く対象体をリアルタイムで観察するのが難しいという短所があった。従って、前述したような問題を解決するために、最近は、スタティック３次元イメージではなく、３次元動画像を提供するライブ３次元イメージング（live 3-dimensional imaging）技法が用いられている。このライブ３次元イメージングを通じて、ある程度の対象体に対する動きを示すことができる。
【０００４】
一方、胎児の発育状態や疾病の有無などを早期診断するために胎児の心臓に対する関心が高まっている。胎児の心臓のように非常に速い速度で収縮と膨張をする対象体に対しては、現在の３次元超音波プローブで胎児心臓の動きを全てスキャニングするにはハードウェアー的に制限が従う。従って、心臓が実質的に拍動する動きを超音波映像で表示できないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、周期的に動く物体を含む対象体から連続的に獲得した超音波ボリュームデータから動く物体の動作周期を検出し、検出された動作周期に基づいて超音波ボリュームデータを再構成することによって、対象体の動きを超音波映像として提供することができる３次元超音波映像処理装置及び方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る３次元超音波映像処理装置は、周期的に動く物体を含む対象体から獲得した超音波ボリュームデータを構成する各フレームにＲＯＩを設定するためのＲＯＩ設定部と、超音波ボリュームデータから所定個数の第１基準フレームを選択し、各第１基準フレームのＲＯＩと第１基準フレームに隣接したフレームに設定されたＲＯＩとを組み合わせて所定個数のＶＯＩを設定するためのＶＯＩ設定部と、対象体の動きを補償するためにＶＯＩを映像処理するための動き補償部と、各ＶＯＩに対して時間軸上に一定区間の間に相関係数曲線を計算するための相関係数曲線計算部と、相関係数曲線を用いて対象体内に動く物体の動作周期を設定する周期設定部と、設定された動作周期を用いて超音波ボリュームデータを再構成して超音波映像を提供するための超音波ボリュームデータ再構成部とを備える。
【０００７】
本発明に係る３次元超音波映像処理方法は、ａ）周期的に動く物体を含む対象体から獲得した超音波ボリュームデータを構成する各フレームにＲＯＩを設定する段階と、ｂ）超音波ボリュームデータから所定個数の第１基準フレームを選択し、各第１基準フレームのＲＯＩと第１基準フレームに隣接したフレームに設定されたＲＯＩとを組み合わせて所定個数のＶＯＩを設定する段階と、ｃ）対象体の動きを補償するためにＶＯＩを映像処理する段階と、ｄ）各ＶＯＩに対して時間軸上に一定区間の間に相関係数曲線を計算する段階と、ｅ）相関係数曲線を用いて対象体内に動く物体の動作周期を設定する段階と、ｆ）設定された動作周期を用いて超音波ボリュームデータを再構成して超音波映像を提供する段階とを備える。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は上記の構成により、連続的に対象体から獲得した超音波ボリュームデータから胎児の心臓のように非常に速い速度で動く対象体の動作周期を検出し、検出された動作周期に基づいて超音波ボリュームデータを再構成することにより、対象体の動きを超音波映像として提供することができる。また、胎児の心臓をスキャニングする時に胎児や妊産婦が動くのを補償することによって、より鮮明な超音波映像を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明に係る超音波映像処理装置を示すブロック図である。本発明に係る超音波映像処理装置１００は、前処理部１１０と、ＲＯＩ設定部１２０と、ＶＯＩ設定部１３０と、相関係数曲線計算部１４０と、周期設定部１５０と、超音波データ再構成部１６０とを備える。
【００１０】
前処理部１１０は、３次元プローブを通じて連続的に獲得した超音波ボリュームデータから雑音を減らし、又は除去する。まず、前処理部１１０は、図２で示されているように、対象体から連続的に獲得した超音波ボリュームデータの中心を基準に水平に切断した水平切断面（horizontal cutting plane）映像２１０又は垂直に切断した垂直切断面（vertical cutting plane）映像２２０を得る。以下、説明の便宜上、水平切断面映像を例に説明する。
【００１１】
前処理部１１０は、超音波ボリュームデータから得た水平切断面映像をウェーブレット領域で分解してウェーブレット係数を計算する。もし計算されたウェーブレット係数がしきい値（threshold）より小さければ、ウェーブレット係数を０とし、ウェーブレット係数がしきい値より大きければ、しきい値だけをウェーブレット係数から引き、又は再びウェーブレット係数を計算するためにソフト−スレショールディングを実施する。ただし、ウェーブレット変換（wavelet transform）を通じて分解された領域（ＨＨ，ＨＬ，ＬＨ及びＬＬ）の中で最小スケールのＬＬ領域に対してはソフト−スレショールディングを実施しない。
【００１２】
本発明によるソフト−スレショールディングは次の数式１によって実施できる。
［数式１］
2007054635.tif 000003
【００１３】
前処理部１１０は、数式１を用いてウェーブレット係数に対してソフト−スレショールディングを実施した後、逆ウェーブレット変換（inverse wavelet transform）を通じて超音波ボリュームデータを再構成する。図３ａは、対象体から連続的に獲得した超音波ボリュームデータから得た水平切断面映像を示す図面であり、図３ｂは、水平切断面映像を前処理部１１０でソフト−スレショールディングを実施した結果の映像を示す図面である。
【００１４】
2007054635.tif 000004
［数式２］
2007054635.tif 000005
【００１５】
ＶＯＩ設定部１３０は、ＲＯＩ設定部１２０でＲＯＩ境界にマスクされた水平切断面映像から垂直ラインの明るさ値の標準偏差を用いて対象体内に動く物体が存在するフレームを選択する。例えば、動く物体が胎児の心臓の場合、一般に心臓は明るさが明るい部分である弁膜と暗い部分である心房と心室で構成されているため、コントラストが大きい。従って、垂直ラインに対する明るさ値の標準偏差を用いて心臓領域が含まれる垂直ラインを探すことができる。また、心臓領域に含まれる垂直ラインと隣接する垂直ラインのコントラストが急激に変わるため、隣接する垂直ラインとの標準偏差の差が大きいものを探してさらに精密に心臓領域に含まれる垂直ラインを求めることによって、心臓領域に含まれない垂直ラインが大きいコントラストを有しても、これを心臓領域に含まれた垂直ラインから排除することができる。
【００１６】
まず、ＶＯＩ設定部１３０は、ＶＯＩの設定のための各基準フレームを検出するために隣接する各垂直ラインの標準偏差の差の中で最大の差を有する３個の垂直ラインを探す。垂直ラインを探すアルゴリズムの疑似コード（pseudo code）は次の通りである。
2007054635.tif 000006
【００１７】
ＶＯＩ設定部１３０は、３個の基準フレームをそれぞれ基準として隣接するフレームを収集する。このように収集されたフレームに存在する各ＲＯＩを用いて各ＶＯＩを設定する。図５で連続的に獲得した超音波ボリュームデータ内にＶＯＩの設定例を示し、ここでＶＯＩの時間軸方向への幅は基準フレームと左右に存在するフレームによって決定され、ＶＯＩの広さはＲＯＩ設定部１２０で設定されたＲＯＩの幅によって定義される。ＶＯＩ設定部１３０で設定されたＶＯＩは数式３で表現できる。
［数式３］
2007054635.tif 000007
【００１８】
ＶＯＩ設定部１３０は、３個の基準フレームに対する３個のＶＯＩを設定する。また、相関係数曲線計算部１４０は、ＶＯＩ設定部１３０で設定された３個の各ＶＯＩを用いて時間軸上に一定区間の間に相関係数曲線（correlation coefficient curve）を求める。相関係数は数式４を通じて計算される。
［数式４］
2007054635.tif 000008
【００１９】
周期設定部１５０は、相関係数曲線計算部１４０で求めた相関係数曲線に存在する頂点の中で類似する距離を有する頂点を用いて心臓の拍動の周期を検出する。この時に検出された周期を全域周期という。図７は、周期設定部１５０で全域周期を検出する過程を示すブロック図である。周期設定部１５０は、フィルタリング部７１０、傾き計算部７２０及び符号変換点検出部７３０を備える。フィルタリング部７１０は、相関係数曲線計算部１４０で求めた相関係数曲線から雑音を減らすためにフィルタリングを実施する。本発明によるフィルタリングは低域通過フィルタ（low pass filter）を用いる。傾き計算部７２０は、フィルタリングを実施した相関係数曲線に対して傾きを計算する。符号変換点検出部７３０は、傾き計算部７２０で計算された傾きが正から負へ変わる符号変換点を求め、符号変換点間で類似する距離を有する符号変換点を検出して符号変換点の周期を心臓の拍動周期として設定する。
【００２０】
３個の相関係数曲線に対してそれぞれの中心を基準として左右部分に対して候補周期を探すことによって、計６個の候補心臓拍動周期Ｐｎを計算することができる。図８は、任意の相関係数曲線に対して全域周期を検出する過程を示している。このように求めた６個の候補心臓拍動周期から最も共通的に示される周期を胎児心臓拍動周期として設定し、これは次の数式５で表現できる。
［数式５］
2007054635.tif 000009
【００２１】
続いて、周期設定部１５０は、全域周期を探した基準フレームから全域周期だけ離れた所に位置したフレームを新たな基準フレームとして設定する。周期設定部１５０は新たに設定された基準フレームを基準として左右に所定のフレームを備える探索領域を設定する。その後、新たな基準フレームのＶＯＩと探索領域内のフレームのＶＯＩ間の相関係数を計算する。周期設定部１５０は、探索領域内のフレームの中で最大の相関係数を有してフレームの平均相関係数に所定の重み係数を乗じた値より大きなフレームと基準フレーム間の時間間隔を局部周期として設定する。周期設定部１５０は、このような過程をボリュームの終端まで繰り返して全体の局部周期を検出する。
【００２２】
超音波データ再構成部１６０は、各局部周期内のフレームを周期設定部１５０で設定された全域周期を用いて線形補間（interpolation）する。線形補間はまず、各局部周期に対する全域周期の比を次の数式を用いて計算する。
［数式６］
2007054635.tif 000010
【００２３】
計算した局部周期と全域周期の比を用いて次の数式のように補間フレームを計算する。
［数式７］
2007054635.tif 000011
ここで、ＩｎとＩｎ＋１は探そうとする補間フレームに隣接した各フレームであり、Δ１とΔ２は隣接したフレームとの距離を示し、局部周期と全域周期の比によって決定される。全ての局部周期に対して前記の補間過程を行ってボリュームデータの各局部周期で同一の個数のフレームを有するボリュームを有するようにする。
【００２４】
超音波データ再構成部１６０は、フレームを補間して生成されたボリュームデータを再構成し、心臓が拍動する様相を示す３次元超音波映像を提供する。図９は、ボリュームデータの再構成の過程を示す。一つのボリュームにＡからＺまで２６個の周期が存在し、一つの周期は６個のフレームで構成されているとする時、再構成されたボリュームは６個のサブボリューム（Sub-volume）が生成され、それぞれのサブボリュームはＡｉからＺｉまで２６個のフレームで構成される。
【００２５】
一方、対象体をスキャニングして３次元ボリュームデータを獲得する時、対象体、例えば妊婦又は胎児の動きで胎児の心臓拍動数を検出し難くなり得る。
【００２６】
従って、本発明に従って、胎児や妊婦の動きを前段階で設定したＶＯＩと現在設定したＶＯＩ間のピクセル明るさ値に対するマッチングを用いて対象体の動きを補償するための動き補償部をさらに備える超音波映像処理装置を提供する。動き補償部は胎児や妊婦の動きを補償するために動きベクトルを前段階で設定したＶＯＩと現在設定したＶＯＩ間のピクセル明るさ値の絶対差の和（sum of absolute differences,SAD）を通じて求める。例えば、ｎ番目フレームでＶＯＩをＶｎ（ｍ）とすれば、次のフレームでＶＯＩはＶｎ（ｍ＋１）で表現される。ここで、変数ｍはｎ−１，ｎ，ｎ＋１の組合わせを意味する。動き補償部は、Ｖｎ（ｍ）とＶｎ（ｍ＋１）の間のピクセル明るさ値の差に対する絶対値を計算する。Ｖｎ（ｍ＋１）を上下左右（ｉ，ｊ）に移動しながら絶対値を計算して最小の絶対値を示す位置を動きベクトルとして推定する。
【００２７】
絶対差の和は次の数式で計算できる。
［数式８］
2007054635.tif 000012
【００２８】
３次元超音波ボリュームデータを獲得するために対象体をスキャニングする時、胎児や妊産婦の動きを本発明によって推定された動きベクトルを用いて補償することによって、改善された超音波映像を提供することができる。
【００２９】
本発明の好適な実施の形態について説明し、例示したが、本発明の特許請求の範囲の思想及び範疇を逸脱することなく、当業者は種々の改変をなし得る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る超音波映像処理装置を示すブロック図である。
【図２】対象体から連続的に獲得した超音波ボリュームデータに対する切断面映像を示す図面である。
【図３ａ】対象体から連続的に獲得した超音波ボリュームデータから得た水平切断面映像を示す図面である。
【図３ｂ】水平切断面映像を前処理部でソフト−スレショールディングを実施した結果の映像を示す図面である。
【図４ａ】水平切断面映像に対して水平投影を実施して得た投影信号値を示す図面である。
【図４ｂ】ＲＯＩ境界を用いて水平切断面映像をマスクした結果を示す図面である。
【図４ｃ】超音波ボリュームデータのフレームでＲＯＩを示す図面である。
【図５】連続的に獲得した超音波ボリュームデータ内にＶＯＩの設定した例を示す図面である。
【図６】相関係数曲線計算部で求めた３個の相関係数曲線を示すグラフである。
【図７】本発明による周期設定部の構成を示すブロック図である。
【図８】任意の相関係数曲線に対して心臓拍動の全域周期を検出する過程を示す図面である。
【図９】周期設定部で計算した周期を用いて３次元超音波ボリュームデータを再構成する過程を示す図面である。
【符号の説明】
【００３１】
１１０  前処理部
１２０  ＲＯＩ設定部
１３０  ＶＯＩ設定部
１４０  相関係数曲線計算部
１５０  周期設定部
１６０  超音波データ再構成部
７１０  フィルタリング部
７２０  傾き計算部
７３０  符号変換点検出部
【図１】
2007054635.tif 000013
【図２】
2007054635.tif 000014
【図３ａ】
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【図３ｂ】
2007054635.tif 000016
【図４ａ】
2007054635.tif 000017
【図４ｂ】
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【図４ｃ】
2007054635.tif 000019
【図５】
2007054635.tif 000020
【図６】
2007054635.tif 000021
【図７】
2007054635.tif 000022
【図８】
2007054635.tif 000023
【図９】
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