JP5264097B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用して被検体内の撮像対象部位についての断層像又は生体組織の硬さ又は軟らかさを示す弾性像を表示する超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、超音波探触子により被検体内部に超音波を送信し、被検体内部から生体組織の特性に応じた超音波の反射エコー信号を受信し、例えば超音波断層像等を構成して表示することにより診断に供する装置である。

また、手動又は機械的な方法で超音波探触子により被検体を圧迫して反射エコー信号を計測し、計測時間が異なる２つの反射エコー信号のフレームデータに基づいて、圧迫により生じた生体各部の変位を求め、その変位データに基づいて生体組織の弾性を表す弾性像を生成することが提案されている（例えば、特許文献１）。

WO ２００４／１０８７２ Ａ１

しかし、特許文献１により得られる弾性像は、２次元画像であるから、診断の目的部位、例えば関心領域中の硬い部位全体を把握することは難しいという問題がある。すなわち、関心領城中の生体組織に存在する硬い部位あるいは軟らかい部位が３次元的に表示されれば、注目部位の形状や容積を直感的に認識できるので、診断に便利である。

ところで、ボリュームレンダリングにより、Ｂモード像などの濃淡断層像を３次元的な投影画像として表示するボリュームレンダリング技術は広く知られている。例えば、通常のボリュームレンダリングは、３次元の濃淡断層像ボリュームデータを用いて、２次元投影面上の点から見た視線方向に配列する複数のボクセルの輝度値を、各ボクセルの不透明度により補正しながら、視線方向に沿って累積加算した値を２次元投影面の画素値とすることにより、３次元濃淡断層像を生成するようにしている。具体例として、濃淡断層像の輝度が高い部位に着目して３次元濃淡断層像を生成する場合には、ボクセルの輝度が高いほど不透明度を大きく、輝度が低いほど不透明度を小さく設定する。そして、視線方向に沿ってボクセルの不透明度を累積加算し、累積値が予め定めた上限閾値に達したボクセルでボクセル値の累積を終了し、そのときのボクセル値の累積値を３次元濃淡断層像の画素値とするようにしている。

また、その他のボリュームレンダリング技術としては、２次元投影面上の点から見た視線方向に配列する複数のボクセルの輝度値の最大値、最小値、あるいは平均値等を投影した３次元的な投影画像が知られている。

しかし、生体組織の硬さや軟らかさを表す歪みあるいは弾性率などの弾性値のボリュームデータを収集して、ボリュームレンダリングにより３次元的な弾性像を生成すること、あるいは、３次元濃淡断層像に３次元弾性像を重ねて表示することは行われていない。

特に、３次元濃淡断層像に３次元弾性像を重ねて表示できれば、関心領城中の生体組織に存在する硬い部位あるいは軟らかい部位の形状や容積を直感的に認識できる。

しかし、通常のボリュームレンダリングにより生成された３次元濃淡断層像は、例えば、不透明度の高いボクセルが関心領域の外側に存在する場合、そのボクセルに遮られて関心領域が可視化されないため、３次元断層像に３次元弾性像を重ねて表示しても、関心領域内の組織の弾性を観察できないことになる。

本発明が解決しようとする課題は、３次元断層像に３次元弾性像を重ねて表示した際に、関心領城中の生体組織に存在する硬い部位あるいは軟らかい部位の形状や容積を直感的に認識できる３次元断層像を生成することにある。

上記課題を解決するため、本発明の超音波診断装置は、超音波探触子により計測した被検体の断層部位のＲＦ信号フレームデータに基づいて生成された濃淡断層像ボリュームデータに基づいて２次元投影面に少なくとも一の視線方向から見た３次元濃淡断層像を生成する断層像ボリュームレンダリング手段と、前記ＲＦ信号フレームデータに基づいて生成された弾性像ボリュームデータに基づいて２次元投影面に前記視線方向から見た３次元弾性像を生成する弾性像ボリュームレンダリング手段と、前記３次元濃淡断層像と前記３次元弾性像の合成画像を生成する画像合成手段とを備え、前記断層像ボリュームレンダリング手段は、前記濃淡断層像ボリュームデータの各ボクセルに対応する前記弾性像ボリュームデータのボクセルの弾性値に応じて不透明度を用いて、前記３次元濃淡断層像を求めることを特徴とする。また、前記弾性像ボリュームレンダリング手段は、前記３次元濃淡断層像に最も寄与している濃淡断層像ボリュームデータのボクセルに対応する前記弾性像ボリュームデータのボクセルの弾性値を用いて前記３次元弾性像を生成することができる。

この場合において、前記弾性像ボリュームレンダリング手段は、前記弾性像ボリュームデータのボクセルの弾性値に対応して不透明度を設定した不透明度テーブルを有し、前記視線方向に配列する前記濃淡断層像ボリュームデータの各ボクセルの輝度値に、当該ボクセルが対応する前記弾性像ボリュームデータのボクセルの弾性値に対応する不透明度を乗じて累積加算するに際し、直前のボクセルまでの不透明度の累積値を予め設定された不透明度の上限閾値から引いた残余を現在のボクセルの不透明度に乗じて累積加算して前記３次元濃淡断層像の画素値を求めることができる。

すなわち、弾性値に対応して不透明度を設定した不透明度テーブルを用いることから、硬い組織をより不透明に、軟らかい組織をより透明になるように定義することにより、軟らかい組織で周辺が囲まれた関心領域中の硬い部位を強調した３次元断層像を作成することができる。その結果、３次元断層像に３次元弾性像を重ねて表示しても、関心領城中の生体組織に存在する硬い部位あるいは軟らかい部位の形状や容積を、直感的に認識できる３次元断層像を生成することができる。なお、不透明度テーブルは、硬さの設定下限値より低いボクセルは不透明度を０（又は１）とし、設定上限値より高いボクセルは不透明度を１（又は０）とし、上下限の範囲内は硬さに応じて０〜１を割り振って定義することができる。

また、本発明の超音波診断装置は、上記の断層像ボリュームレンダリング手段に代えて、前記濃淡断層像ボリュームデータのボクセルの輝度値に応じて不透明度が設定された不透明度テーブルと、前記弾性像ボリュームデータのボクセルの弾性値に応じて不透明化係数が設定された不透明化係数テーブルを有し、前記視線方向に配列する前記濃淡断層像ボリュームデータの各ボクセルの輝度値に、当該ボクセルの輝度値に対応する不透明度を乗じて累積するに際し、直前のボクセルまでの不透明度の累積値を予め設定された不透明度の上限閾値から引いた残余を現在のボクセルの不透明度に乗じるとともに、当該ボクセルが対応する前記弾性像ボリュームデータのボクセルの弾性値に対応する不透明化係数を乗じて累積加算して前記３次元濃淡断層像の画素値を求めるように構成することができる。

すなわち、通常のボリュームレンダリングの不透明度テーブルを用いて得られるボクセルの輝度値の累積値に、対応するボクセルの弾性値に応じて定義された不透明化係数を乗じることにより、上記の効果と同一の効果を得ることができる。

ところで、通常のボリュームレンダリング技術を弾性像のボリュームレンダリングにそのまま適用すると、ボクセルの弾性値が累積されるので、生体組織の弾性特性がゆがめられるので好ましくない。

そこで、本発明では、断層像ボリュームレンダリング手段は、３次元濃淡断層像の各画素値に占める寄与率が最大のボクセルの座標を求め、弾性像ボリュームレンダリング手段は、断層像ボリュームレンダリング手段により求められた寄与率が最大のボクセルの座標に対応する位置の弾性像ボリュームデータの弾性値を画素値として、３次元弾性像を生成するようにすることが好ましい。

すなわち、３次元濃淡断層像の各画素値に占める寄与率が最大となるボクセルは、診断に際し最も関心の高い領域であるから、その関心が高いボクセルの座標に対応する位置の弾性像の３次元ボリュームデータの弾性値を画素値として３次元弾性像を生成することにより、生体組織の弾性特性をゆがめることなく、最も関心の高い領域の弾性像を作成することができる。例えば、硬い弾性値をより不透明に、軟らかい弾性値をより透明になるように不透明度テーブルを作成すれば、関心領域中の硬い部位を強調した３次元断層像を作成できるから、関心部位を強調した３次元断層像に重ね合わせて表示するのに最も適した３次元弾性像が得られる。なお、本発明の弾性像は、典型的には歪み画像又は弾性率画像の他、生体組織について弾性を表す画像であれば適用することができる。

本発明によれば、３次元断層像に３次元弾性像を重ねて表示した際に、関心領城中の生体組織に存在する硬い部位あるいは軟らかい部位の形状や容積を直感的に認識できる３次元断層像を生成することができる。

本発明を適用してなる超音波診断装置の実施形態について、図を用いて説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態の超音波診断装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、超音波診断装置には、被検体１０に当接させて用いる超音波探触子１２と、超音波探触子１２を介して被検体１０に時間間隔をおいて超音波を繰り返し送信する送信部１４と、被検体１０から発生する時系列の反射エコー信号を受信する受信部１６と、送信部１４と受信部１６を制御する送受信制御部１７と、受信部１６で受信された反射エコーを整相加算する整相加算部１８とが備えられている。

また、整相加算部１８から出力されるＲＦ信号フレームデータに基づいて被検体の濃淡断層像（例えば、白黒断層像）を構成する断層画像構成部２０と、断層画像構成部２０の出力信号を画像表示器２６の表示に合うように変換する白黒スキャンコンバータ２２とが備えられている。白黒スキャンコンバータ２２から出力される断層像のフレームデータは、断層像フレームメモリ６２に少なくとも１ボリューム分格納されるようになっている。断層像フレームメモリ６２内のフレームデータは、断層像座標変換部６４により読み出されて、断層像の３次元ボリュームデータに変換される。断層像座標変換部６４の断層像の３次元ボリュームデータは、ボリュームレンダリング部６６により参照されるようになっている。

また、整相加算部１８から出力されるＲＦ信号フレームデータを記憶し、少なくとも２枚のＲＦ信号フレームデータを選択するＲＦ信号フレームデータ選択部２８と、選択された２枚のＲＦ信号フレームデータに基づいて被検体１０の生体組織の変位を計測する変位計測部３０と、変位計測部３０で計測された変位情報から歪み又は弾性率等の弾性情報を求める弾性情報演算部３２と、弾性情報演算部３２で演算した弾性情報からカラー弾性像を構成する弾性画像構成部３４と、弾性画像構成部３４の出力信号を画像表示器２６の表示に合うように変換するカラースキャンコンバータ３６が備えられている。カラースキャンコンバータ３６から出力されるカラー弾性像のフレームデータは、弾性像フレームメモリ６３に少なくとも１ボリューム分格納されるようになっている。弾性像フレームメモリ６３に格納されたフレームデータは、弾性像座標変換部６５に読み出されてカラー弾性像の３次元ボリュームデータに変換されるようになっている。弾性像座標変換部６５の３次元ボリュームデータは、ボリュームレンダリング部６７により参照されるようになっている。

また、白黒断層像とカラー弾性像を重ね合わせたり、並列に表示させたり、切替えて画像を合成する画像合成部６８と、合成された合成画像を表示する画像表示器２６とが備えられている。また、弾性画像構成部３４では、ＲＦ信号フレームデータ選択部２８又は変位計測部３０又は弾性情報演算部３２の出力情報から弾性像のエラーを評価し、出力画像のマスキングを行っている。

ここで、図１の各構成ブロックの詳細構成を説明する。超音波探触子１２は、複数の振動子を配設して形成されており、被検体１０に振動子を介して超音波を送受信する機能を有している。送信部１４は、超音波探触子１２を駆動して超音波を発生させるための送波パルスを生成するとともに、送信される超音波の収束点をある深さに設定する機能を有している。また、受信部１６は、超音波探触子１２で受信した反射エコー信号について所定のゲインで増幅してＲＦ信号すなわち受波信号を生成するものである。整相加算部１８は、受信部１６で増幅されたＲＦ信号を入力して位相制御し、一点又は複数の収束点に対し超音波の受波ビームを形成してＲＦ信号フレームデータを生成するものである。

断層画像構成部２０は、整相加算部１８からのＲＦ信号フレームデータを入力してゲイン補正、ログ圧縮、検波、輪郭強調、フィルタ処理等の信号処理を行い、断層像データを得るものである。また、白黒スキャンコンバータ２２は、断層画像構成部２０からの断層像データをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、変換された複数の断層像データを時系列に記憶するフレームメモリと、制御コントローラを含んで構成されている。この白黒スキャンコンバータ２２は、フレームメモリに格納された被検体内の断層フレームデータを１画像として取得し、取得された断像フレームデータをテレビ同期で読み出すものである。

ＲＦ信号フレームデータ選択部２８は、整相加算部１８からの複数のＲＦ信号フレームデータを格納し、格納されたＲＦ信号フレームデータ群から１組すなわち２枚のＲＦ信号フレームデータを選択する。例えば、整相加算部１６から時系列すなわち画像のフレームレートに基づいて生成されるＲＦ信号フレームデータをＲＦ信号フレームデータ選択部２８に順次記憶し、記憶されたＲＦ信号フレームデータ（Ｎ）を第１のデータとして選択すると同時に、時間的に過去に記憶されたＲＦ信号フレームデータ群（Ｎ−１、Ｎ−２、Ｎ−３、・・・、Ｎ−Ｍ）の中から１つのＲＦ信号フレームデータ（Ｘ）を選択する。なお、ここでＮ、Ｍ、ＸはＲＦ信号フレームデータに付されたインデックス番号であり、自然数とする。

変位計測部３０は、選択された１組のＲＦ信号フレームデータ（Ｎ）及びＲＦ信号フレームデータ（Ｘ）から１次元あるいは２次元相関処理を行って、断層像の各点に対応する生体組織の変位や移動ベクトルすなわち変位の方向と大きさに関する１次元又は２次元変位分布を求める。ここで、移動ベクトルの検出にはブロックマッチング法を用いる。ブロックマッチング法とは、画像を例えばｎ×ｎ画素からなるブロックに分け、関心領域内のブロックに着目し、着目しているブロックに最も近似しているブロックを前のフレームから探し、これに基づいて移動ベクトルを検出する。

弾性情報演算部３２は、変位計測部３０から出力される計測値、例えば移動ベクトルと、超音波探触子１２に接続して設けられた圧力計測部４６から出力される圧力値とから、断層像上の各点に対応する生体組織の歪みや弾性率を周知の手法により演算し、その歪みや弾性率に基づいて弾性像信号すなわち弾性フレームデータを生成するものである。つまり、歪みのデータは、生体組織の移動量例えば変位を空間微分することによって算出される。また、弾性率のデータは、圧力の変化を歪みの変化で除することによって計算される。例えば、変位計測部３０により計測された変位をＬ（Ｘ）、圧力計測部４６により計測された圧力をＰ（Ｘ）とすると、歪みΔＳ（Ｘ）は、Ｌ（Ｘ）を空間微分することによって算出することができるから、ΔＳ（Ｘ）＝ΔＬ（Ｘ）／ΔＸという式を用いて求められる。また、弾性率データのヤング率Ｙｍ（Ｘ）は、Ｙｍ＝（ΔＰ（Ｘ））／ΔＳ（Ｘ）という式によって算出される。このヤング率Ｙｍから断層像の各点に相当する生体組織の弾性率が求められるので、２次元の弾性像データを連続的に得ることができる。なお、ヤング率とは、物体に加えられた単純引張り応力と、引張りに平行に生じるひずみに対する比である。

弾性画像構成部３４は、フレームメモリと画像処理部とを含んで構成されており、弾性情報演算部３２から時系列に出力される弾性フレームデータをフレームメモリに確保し、確保されたフレームデータに対し画像処理を行うものである。弾性像スキャンコンバータ３６は、弾性画像構成部３４からの弾性フレームデータを画像表示器２６に合わせて座標変換する。

なお、超音波探触子１２は、３次元走査可能に形成され、圧迫制御部６０とモーター制御部６１からの制御信号により、あるいは手動で短軸方向に移動しながらスキャンを行い、３次元的なデータ収集を行うことが可能になっている。つまり、超音波探触子１２は、圧迫制御部６０による上下の自動圧迫と、モーター制御部６１による短軸方向への移動によりＲＦ信号フレームデータを３次元的に収集する。圧迫制御部６０は、被検体に対して垂直な加圧制御を行い、モーター制御部６１は探触子ヘツドを短軸方向へ移動する制御を行う。モーター制御部６１は、圧迫制御部６０により加圧しているときは静止するように制御される。

なお、超音波探触子１２の超音波送受面に配置された振動子が、短軸方向にも複数（ｋ個）に切断されて１〜ｋチャンネル分配列されている２次元アレイの場合は、超音波送受面の曲率に沿った短軸方向、もしくは電子フオーカスによって生成した短軸方向の超音波ビームを走査して、３次元超音波データを収集することが可能である。

断層像フレームメモリ６２は、白黒スキャンコンバータ２２から出力される断層像のフレームデータを１ボリューム分格納するときこのとき、圧迫制御部６０から圧迫位置情報を取得し、ボリューム中の全ての短軸方向のスキャン位置において、同じ加圧位置のフレームを加圧中のフレームの中から選択して保存する。この加圧位置は、任意に指定が可能である。そして、断層像座標変換部６４は、１ボリューム分のフレームデータを短軸方向の移動量に応じて再配置する座標変換を行って、断層像の３次元ボリュームデータを作成する。

ボリュームレンダリング部６６は、出力する２次元投影面上の各ピクセルの視線方向に存在するボリュームデータに対し、ボリュームレンダリング、最大値投影、最小値投影、あるいは平均処理のいずれか１つを行うように構成されている。特に、本実施形態では、ボリュームレンダリング処理の場合、後述する処理手順により、断層像ボリュームデータを参照して、ボリュームレンダリングにより３次元断層像を作成するとともに、弾性データバッファを作成するようになっている。

一方、弾性像座標変換部６５は、１ボリューム分のフレームデータを短軸方向の移動量に応じて座標変換を行い、弾性像の３次元ボリュームデータを作成するようになっている。ボリュームレンダリング部６７は、出力する２次元投影面上の各ピクセルの視線方向に存在する弾性像のボリュームデータに対し、ボリュームレンダリング、最大値投影、最小値投影、あるいは平均処理のいずれか１つの処理を行うようになっている。特に、本実施形態では、ボリュームレンダリング処理の場合、後述する処理手順により、弾性データバッファに基づいて弾性像ボリュームデータを参照して、３次元弾性像を作成するようになっている。

画像合成部６８は、ボリュームレンダリング部６６、６７で作成したボリュームレンダリング、最大値投影、最小値投影、あるいは平均処理により作成した３次元断層像と３次元弾性像を合成するようになっている。合成画像の各画素の輝度情報及び色相情報は、白黒断層像とカラー弾性像の各情報を合成割合で加算し、ＲＧＢ変換を行って画像表示器２６に表示する。

次に、本発明の特徴部であるボリュームレンダリング部６６と、ボリュームレンダリング部６７の処理のうち、ボリュームレンダリング処理について説明する。

一般に、３次元濃淡断層像を生成する従来のボリュームレンダリングは、次式（１）、（２）で定義できる。

Ｃout ＝ Ｃout-1＋（１−Ａout-1）・Ａｉ・Ｃｉ （１）
Ａout ＝ Ａout-1＋（１−Ａout-1）・Ａｉ （２）
上式において、Ｃｉは作成される２次元投影面上の点から３次元ボリュームデータを見た視線上のｉ番目に存在するボクセル値である。視線上に複数（Ｎ）のボクセルのデータ（ボクセル値）が並んだとき、ｉ＝０〜Ｎまでを累積した値Ｃoutが２次元投影面上の最終的な画素（ピクセル）値となる。Ｃout-1はｉ-１番目までの累積値を示す。

また、Ａｉは視線上のｉ番目に存在するボクセル値の不透明度である。ボクセル値と不透明度の関係は、図２に示すように、一般に横軸にボクセル値である濃淡断層像の輝度、縦軸に不透明度をとった不透明度テーブル（オパシティテーブル）として定義され、０〜１．０の値をとる。

Ｃout、Ａoutは、共に０を初期値とし、式（２）に示すように、Ａoutはボクセルを通過するたびに累積されて、不透明度の累積値が閾値１．０に達すると累積処理を終了する。よって、式（１）に示されるようにｉ-１番目までのボクセルの不透明度の累積値Ａoutがほぼ閾値１．０（≒１．０）となった場合、次のｉ番目のボクセル値Ｃｉは２次元投影面上の画素値には反映されない。

したがって、不透明度の高いボクセルが関心領域の外側に存在する場合、そのボクセルに遮られて関心領域が可視化されない。そのため、従来のボリュームレンダリングで作成した３次元断層像に、ボリュームレンダリングで作成した３次元弾性像を重ねて表示すると、関心領域内の組織弾性を観察できないという問題がある。

例えば、弾性像の適用範囲は多岐にわたるが、乳腺の場合、病変部の多くは周辺組織に比べて輝度が低いから、図２の不透明度テーブルのように、輝度に応じて不透明度を決定するボリュームレンダリングでは、病変部の外側のみがレンダリングされてしまい、病変部の３次元断層像を得るのは容易ではない。また、肝臓の場合、病変部の輝度は正常組織よりも高い場合や低い場合があり、輝度に応じて不透明度を決定するボリュームレンダリングでは、病変部のみの３次元断層像を画一的に得ることはできない。
そこで、本実施形態では、図３に示す、弾性像データに応じて不透明度を定義した不透明度テーブルに基づいて、３次元断層像のボリュームレンダリングを行うことを特徴とする。図３の不透明度テーブルは、横軸に硬さを、縦軸に不透明度をとって定義されている。
式（１）、（２）において、ｉ番目ボクセル値の不透明度を決定する際、弾性像のボリュームデータにおける同一座標の硬さを弾性像座標変換部６５から参照する。そして、図３の不透明度テーブルを参照して不透明度を決定する。つまり、ボリュームレンダリング部６６は、弾性像ボリュームデータのボクセルの硬さに対応して不透明度を設定した不透明度テーブル（図３）を有する。そして、視線方向に配列する濃淡断層像ボリュームデータの各ボクセルの輝度値に、そのボクセルが対応する弾性像ボリュームデータのボクセルの硬さに対応する不透明度を乗じて累積加算する。その際に、式（１）、（２）と同様に、直前のボクセルまでの不透明度の累積値を予め設定された不透明度の上限閾値から引いた残余を、現在のボクセルの不透明度に乗じて累積加算して３次元濃淡断層像の画素値を求める。図３の不透明度テーブルを、硬い組織をより不透明に、軟らかい組織をより透明になるように作成することにより、軟らかい組織で周辺が囲まれた関心領域中の硬い部位を強調した、３次元断層像を作成することができる。

図３の不透明度テーブルに基づいたボリュームレンダリングによれば、病変部の輝度が正常組織よりも高いか低いか分からない部位であっても、画一的に硬い部位である病変部のみの３次元断層像を得ることができる。その結果、関心領城中の生体組織に存在する硬い部位あるいは軟らかい部位の形状や容積を、直感的に認識できる３次元断層像を生成することができる。したがって、ボリュームレンダリング部６６で作成した３次元断層像に、ボリュームレンダリング部６７で作成した３次元弾性像を重ねて表示することにより、関心領域内の組織弾性を容易に観察できる。

ここで、図３の不透明度テーブルに代えて、図２の不透明度テーブルを参照する通常のボリュームレンダリングにおいて、次式（３）で示すように不透明化係数Ｙｉを用いても、同様の効果を得ることが可能である。

Ｃout ＝ Ｃout-1＋（１−Ａout-1）・Ａｉ・Ｃｉ・Ｙｉ （３）
ここで、不透明化係数Ｙｉは、ｉ番目のボクセル値の不透明度を補正する係数であり０〜１．０の値をとり、図４に示す不透明化係数テーブルのように、横軸に硬さ、縦軸に不透明化係数Ｙｉをとって定義する。

つまり、この場合、ボリュームレンダリング部６６は、濃淡断層像ボリュームデータのボクセルの輝度値に応じて不透明度が設定された通常の不透明度テーブルと、弾性像ボリュームデータのボクセルの硬さに応じて不透明化係数が設定された不透明化係数テーブルを有する。そして、視線方向に配列する濃淡断層像ボリュームデータの各ボクセルの輝度値に、そのボクセルの輝度値に対応する不透明度を乗じて累積する。その際、直前のボクセルまでの不透明度の累積値を予め設定された不透明度の上限閾値から引いた残余を現在のボクセルの不透明度に乗じるとともに、当該ボクセルが対応する弾性像ボリュームデータのボクセルの硬さに対応する不透明化係数を乗じて累積加算して３次元濃淡断層像の画素値を求める。このように、不透明化係数テーブルに基づいたボリュームレンダリングによっても、軟組織のみを透明にすることで、硬い関心部位のみを３次元断層像化することが可能である。

次に、本実施形態の他の特徴である弾性データバッファについて説明する。上述した通常のボリュームレンダリングにより生成される３次元画像は、ボクセル値の累積値の画素値を有することから、そのまま弾性像のボリュームレンダリングに適用すると、ボクセル値が累積され、生体組織の弾性特性がゆがめられた３次元弾性像が生成されるので好ましくない。

そこで、本実施形態では、次に述べるように、ボリュームレンダリング部６６とボリュームレンダリング部６７により、断層像の輝度データを用いて弾性データバッファを作成し、その弾性データバッファに基づいて弾性像のボリュームデータ中から最も表示に適した弾性データを選択して、３次元弾性像を生成することを特徴とする。

式（１）で表されるＣoutの計算において、ｉ番目ボクセルがＣoutに占める寄与率Ｋｉは以下の式で表される。

Ｋｉ＝（１−Ａout-１）・Ａｉ・Ｃｉ／Ｃout ^N （４）
ここで、Ｃout ^Nは視線上にあるN個のボクセルを全て累積した結果であり、２次元投影面上のピクセル値として出力される。式（４）より、同一視線上でＫｉが最大となるボクセルが出力のピクセル値に対し、最も大きく寄与していることになる。そこで、２次元投影面の濃淡断層像の各点において、寄与率Ｋｉが最大となるボクセルを求め、そのボクセルと同一座標の弾性データを２次元投影面にマッピングすることで、診断に際し、最も関心の高い領域の弾性像を作成できる。

なお、式（４）において、同一視線上でＣout ^Nは一定であるから、実際には式（５）に示すｋｉの大小を比較するだけでよい。

ｋｉ＝（１−Ａout-１）・Ａｉ・Ｃｉ （５）
このようにして、ボリュームレンダリング部６６は、同一視線上で寄与率Ｋｉが最大となるボクセルの３次元ボリュームデータにおける座標データを、２次元投影面に対応させた弾性データバッファを作成して、ボリュームレンダリング部６７に出力する。ボリュームレンダリング部６７は、弾性データバッファの座標データを参照し、弾性像の３次元ボリュームデータから、対応する座標のボクセル値を読み出して、２次元投影面の画素値として３次元弾性像を生成する。

これにより、３次元断層像に最も寄与したボクセルにおける弾性データによって３次元弾性像が生成されるから、生体組織の弾性特性のゆがみのない３次元弾性像が得られる。特に、関心部位を強調した３次元断層像に重ね合わせて表示するのに最も適した３次元弾性像が得られる。つまり、硬い組織をより不透明に、軟らかい組織をより透明になるように不透明度テーブルを作成したことから、関心領域中の硬い部位を強調した３次元断層像を作成することができる。

画像合成部６８は、ボリュームレンダリング部６６、６７で作成した３次元断層像と３次元弾性像を、例えば重ねて合わせて合成して画像表示器２６にする。合成画像の各画素の輝度情報及び色相情報は、白黒断層像とカラー弾性像の各情報を合成割合で加算し、ＲＧＢ変換を行って画像表示器２６に表示するようにすることができる。その結果、関心領城中の生体組織に存在する硬い部位（あるいは軟らかい部位）の形状や容積を直感的に認識できる３次元断層像と３次元弾性像の合成が像を生成することができる。

なお、合成に使用する３次元画像の種類（例えばレンダリング法の種類）及び合成の割合は、ユーザが任意に設定可能である。つまり、ボリュームレンダリング部６６は、通常のボリュームレンダリング、最大値投影像、最小値投影像、もしくは平均値像、あるいはこれらを加算、もしくは減算した３次元断層像を作成することも可能である。同様に、ボリュームレンダリング部６７は、通常のボリュームレンダリング、最大値投影像、最小値投影像、もしくは平均値像、あるいはこれらを加算もしくは減算して作成した３次元弾性像を作成することも可能である。これらの場合、画像合成部６８は、ボリュームレンダリング部６６、６７で作成した３次元断層像と３次元弾性像を合成して画像表示器２６に表示する。

なお、本実施形態のボリュームレンダリングに代えて、ボリュームレンダリング部６６、６７において、通常のボリュームレンダリング、最大値投影像、最小値投影像、もしくは平均値像、あるいはこれらを加算もしくは減算して作成した３次元断層像と３次元弾性像を作成して画像表示器２６に表示させるのは、ユーザの選択に応じて行わせるようにする。つまり、本実施形態のボリュームレンダリングの場合であっても、視線方向からの深度で画像の見え方が変わり、見ている方向からの距離が遠いボクセルほど、出力される３次元画像への影響が弱くなる。例えば、前述したように、不透明度テーブル等に依存して、視線方向の浅い位置にあるボクセルの方が、深い位置にあるボクセルよりも大きく出力画像に反映されるから、有益な画像情報であっても深い位置のボクセルの画像情報が反映されない場合がある。このようなことが予想される場合は、最大値投影像、最小値投影像といった手法により、深度に関係なく最大値又は最小値の情報を画像化することにより、有益な情報を得ることができる場合がある。

すなわち、３次元画像の投影法に応じて、それぞれの診断に応じて適、不適があり、診断対象の目的に応じて操作者が選択する。例えば、ボリュームレンダリングは、羊水中の胎児の顔など、表面を可視化したい場合に適用される。最大値投影法は、骨など、城戸の高いものを重点的に可視化したい場合に適用される。最小値投影法は、血管、嚢胞など、輝度の低い組織が輝度の高い組織に囲まれている場合に適用される。平均値は、Ｘ線のように全てを重ねて合わせて内部、及び外形を表示したい場合に適用される。

さらに、本発明のボリュームレンダリング法と、他の投影法を組み合わせる場合、例えば、弾性像により硬い部位を決定し、その部位に血管を避けて穿刺をする場合は、弾性像と最小値投影像とを重ね合わせて表示することが有効と考えられる。また、高輝度な良性腫瘍と、高輝度な悪性腫瘍が関心領域内に存在する場合、最大値投影像と弾性像を重ね合わせることにより、良悪性に診断に有益な情報を提供できる可能性がある。平均値や最大値投影像、最小値投影画像に対しては、その両方を一度に見たい場合に適用できる。

また、ボリュームレンダリング部６６、６７は、それぞれ断層像ボリュームデータ、弾性像ボリュームデータの任意の１断面とそれに直交する２断面を切り出し、いわゆるＭＰＲ画像を作成することも可能である。また、フレームメモリ６２、６３に保存された画像をそのまま出力することも可能である。

ここで、本実施形態の全体動作のフローチャートを、図５に示す。始めに、モータ制御部６１に短軸スキャンの枚数Ｎを設定する（Ｓ１）。次に、弾性情報演算に必要なＲＦ信号フレームデータ数Ｅを設定する（Ｓ２）。次に、超音波探触子１２のヘッドが短軸スキャン位置にセットされ、加圧しながらＥフレーム取得し弾性情報演算を行い、２次元弾性像を画像表示器２６に表示する動作を、短軸スキャン位置を切り替えながら設定した短軸スキャン枚数Ｎ分だけ繰り返される（Ｓ４〜Ｓ９）。

このようにして、Ｎフレーム分、短軸スキャン位置を切り替えてデータ収集を行ったら（Ｓ１０）、短軸座標変換を行い（Ｓ１１）、３次元画像構築を行って画像表示器２６に出力して表示する（Ｓ１２）。

図６に、図２の不透明度テーブルを用いた通常のボリュームレンダリングにより生成された３次元断層像の表示例１を示す。図示例は、中央に硬く、輝度の低い充実性の腫瘍が存在し、周りを高輝度の実質が囲んでいるモデルの画像である。図は、直交する３断面の断層像１０１〜１０３と、断層像ボリュームデータのボクセル値で不透明度テーブルを参照した３次元断層像１０４である。この場合、関心部位の周りの実質表面が表示されてしまい、内部の様子を見ることができない。

図７に、本実施形態の図３の不透明度テーブルを用いてボリュームレンダリングにより生成された関心領域のみ３次元化した断層像の表示例２を示す。図は、直交する３断面の断層像１１１〜１１３と、弾性像ボリュームデータのボクセル値で不透明度テーブルを参照した３次元断層像１１４である。この場合、硬い部分を不透明に、柔らかい部分を透明に設定した不透明度テーブルを用いることで関心部位の周りの実質表面を透過し、内部の様子を見ることができる。

図８に、本実施形態の図３の不透明度テーブルを用いてボリュームレンダリングにより生成された３次元断層像と、弾性データバッファ画像の表示例３を示す。図は、直交する３断面の断層像１２１〜１２３と、弾性データバッファ画像１２４である。

図９に、本実施形態の図３の不透明度テーブルを用いてボリュームレンダリングにより生成された３次元断層像と、３次元断層像と弾性データバッファを参照して生成された３次元弾性像との合成画像の表示例４を示す。図は、直交する３断面の断層像１３１〜１３３と、弾性像ボリュームデータのボクセル値で不透明度テーブルを参照した３次元断層像１３４である。ここで、３次元断層像１３４に弾性データバッファを参照して生成した３次元弾性像を重畳しており、中央の腫瘍部が硬い組織であることが分かる。

図１０に、本実施形態の図３の不透明度テーブルを用いてボリュームレンダリングにより生成された３次元断層像と、３次元断層像と弾性データバッファを参照して生成された３次元弾性像との合成画像の表示例４を示す。図は、図９の３次元断層像１３４と３次元弾性像の合成画像を、直交する３断面における合成画像１４１〜１４３を示している。

また、本実施形態において、濃淡断層像ボリュームデータ又は弾性像簿ルームデータの各ボクセルについて、可変設定される閾値を超えるボクセルを抽出してカウントし、そのカウント値に基づいて閾値を超える領域の容積を画面表示器２６に表示することができる。これにより、注目部位の容積を客観的に認識できる。

（実施形態２）
図１１に、本発明の実施形態２の超音波診断装置のブロック構成図を示す。本実施形態が、実施形態１と異なる点は、超音波探触子１２の探触子ヘッドに配置された振動子が、短軸方向にも複数（ｋ）個に切断されて１〜ｋチャンネル分配列されている２次元アレイ探触子であり、電子走査による３次元データ収集が可能であるために、モーター制御部６１が省略されていることにある。また、手動圧迫で磁気センサ７１とセンサ制御部７０により上下の圧迫位置を検出するようにしているため、自動圧迫用の圧迫制御部６０が省略されている。その他のブロックの機能構成は、実施形態１と同一であることから、同一の符号を付して説明を省略する。

磁気センサ７１は、周知のように、超音波探触子１２の３次元の位置を検出可能に形成されている。センサ制御部７０は、磁気センサ７１から超音波探触子１２の位置情報を取得し、断層像フレームメモリ６２及び弾性像フレームメモリ６３に転送する。ところで、断層像フレームメモリ６２及び弾性像フレームメモリ６３には、スキャンした全てのフレームデータが格納される。しかし、被検体１０に対して操作者が垂直方向に上下の圧迫を加える加圧操作を行うので、全てのフレームデータを取り込んで３次元画像を作成すると、上下に波打ったボリュームデータが作成される。ここで、加圧操作が垂直方向に同じ位置を通過する周期運動であれば、上から下への押し込み操作と、下から上への引き戻し操作で、垂直方向に同じ位置の画像（以下、垂直方向に同相という。）が出現する。そこで、加圧操作の中で押し込み操作中と引き戻し操作中にそれぞれ１枚ずつ、垂直方向の同相の画像を取得することができるから、この同相の画像を選択できれば、上下に波打ちの無いボリュームデータを取得できる。

そこで、断層像フレームメモリ６２及び弾性像フレームメモリ６３は、磁気センサ７１により得られた深度情報から、垂直方向に同相の画像を選択して３次元ボリュームデータを作成するようにしている。つまり、断層像フレームメモリ６２及び弾性像フレームメモリ６３は、白黒スキャンコンバータ２２及び弾性像スキャンコンバータ３６の出力データをそれぞれ１ボリューム分保存するが、このとき、センサ制御部７０から圧迫位置情報を取得し、ボリューム中の全短軸スキャン位置において最も近い加圧位置のフレームを加圧中のフレームの中から選択して保存するようになっている。

なお、磁気センサ７１を用いた手動圧迫と自動圧迫、及び電子走査による３次元走査探触子とモータ制御による３次元走査探触子は、任意に組み合わせ可能である。

（実施形態３）
図１２に、本発明の実施形態３の超音波診断装置のブロック構成図を示す。本実施形態が、実施形態１、２と異なる点は、圧迫位置を検出するための圧迫制御部６０、センサ制御部７０、磁気センサ７１等を備えていないことにある。その他のブロックの機能構成は、実施形態１と同一であることから、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、圧迫位置を検出することに代えて、断層像選択部７２を設けている。断層像選択部７２は、隣り合う短軸スキャン位置のフレーム間の相関係数を算出し、断層像フレームメモリ６２へ出力するようになっている。断層像フレームメモリ６２は、白黒スキャンコンバータ２２の出力データを１ボリューム分保存するとき、断層像選択部７２からの相関係数を取得し、最も相関の高い加圧位置のフレームを加圧中のフレームの中から選択して保存する。すなわち、実施形態２で説明したように、被検体１０に対して操作者が垂直方向に上下の圧迫を加える加圧操作を行うので、全てのフレームデータを取り込んで３次元画像を作成すると、上下に波打ったボリュームデータが作成される。このような問題を解消するため、本実施形態では、断層像選択部７２において、断層像画像構成部２０からの画像の相関演算を行う。この相関演算係数は、基準方向と深度方向に同相な画像の相関値を最大とすることにより、加圧操作による周期運動を反映させたものが得られる。そこで、断層像フレームメモリ６２と弾性像フレームメモリ６３は、断層像選択部７２より得られた相関情報から、垂直方向に同相の画像を選択し、３次元ボリュームデータを作成する。

なお、磁気センサ７１を用いた手動圧迫と自動圧迫、及び電子走査による３次元走査探触子とモータ制御による３次元走査探触子は、任意に組み合わせ可能である。

本発明の実施形態１の超音波診断装置のブロック構成図である。 通常の不透明度テーブルの一例を示す図である。 本発明の不透明度テーブルの一例を示す図である。 本発明の不透明化係数テーブルの一例を示す図である。 実施形態１の動作を説明するフローチャートである。 通常の不透明度テーブルを用いてボリュームレンダリングしたときの断層像ＭＰＲと３次元断層像の表示例である。 図３の不透明度テーブルを用いてボリュームレンダリングにより生成された断層像ＭＰＲと関心領域のみを３次元化した断層像の表示例を示す。 図３の不透明度テーブルを用いてボリュームレンダリングにより生成された断層像ＭＰＲと、弾性データバッファ画像の表示例を示す。 図３の不透明度テーブルを用いてボリュームレンダリングにより生成された断層像ＭＰＲと、弾性データバッファを用いて弾性像をボリュームレンダリングしたときの３次元断層像と３次元弾性像の合成画像の表示例である。 図９の３次元断層像と３次元弾性像の合成画像の直交３断面のＭＰＲ像の表示例である。 本発明の実施形態２の超音波診断装置のブロック構成図である。 本発明の実施形態３の超音波診断装置のブロック構成図である。

符号の説明

１ 超音波診断装置
１０ 被検体
１２ 超音波探触子
１４ 送信部
１６ 受信部
１７ 送受信制御部
１８ 整相加算部
２０ 断層画像構成部
２２ 白黒スキヤンコンバータ
２６ 画像表示器
２８ ＲＦ信号フレームデータ選択部
３０ 変位計測部
３２ 弾性情報演算部
３４ 弾性画像構成部
３６ 弾性像スキヤンコンバータ
６０ 圧迫制御部
６１ モータ制御部
６２ 断層像フレームメモリ
６３ 弾性像フレームメモリ
６４ 断層像座標変換部
６５ 弾性像座標変換部
６６、６７ ボリュームレンダリング部
６８ 合成部画像

Claims (10)

1. 超音波探触子により計測した被検体の断層部位のＲＦ信号フレームデータに基づいて生成された濃淡断層像ボリュームデータに基づいて２次元投影面に少なくとも一の視線方向から見た３次元濃淡断層像を生成する断層像ボリュームレンダリング手段と、前記ＲＦ信号フレームデータに基づいて生成された弾性像ボリュームデータに基づいて２次元投影面に前記視線方向から見た３次元弾性像を生成する弾性像ボリュームレンダリング手段と、前記３次元濃淡断層像と前記３次元弾性像の合成画像を生成する画像合成手段とを備え、
   前記断層像ボリュームレンダリング手段は、前記濃淡断層像ボリュームデータの各ボクセルに対応する前記弾性像ボリュームデータのボクセルの弾性値に応じた不透明度を用いて、前記３次元濃淡断層像を求めることを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記弾性像ボリュームレンダリング手段は、前記断層像ボリュームレンダリング手段で求められた前記３次元濃淡断層像の各画素値に最も寄与している前記濃淡断層像ボリュームデータのボクセルに対応する前記弾性像ボリュームデータのボクセルの弾性値を用いて前記３次元弾性像を生成することを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記断層像ボリュームレンダリング手段は、前記弾性像ボリュームデータのボクセルの弾性値に対応して不透明度を設定した不透明度テーブルを有し、前記視線方向に配列する前記濃淡断層像ボリュームデータの各ボクセルの輝度値に、当該ボクセルが対応する前記弾性像ボリュームデータのボクセルの弾性値に対応する不透明度を乗じて累積加算するに際し、直前のボクセルまでの不透明度の累積値を予め設定された不透明度の上限閾値から引いた残余を現在のボクセルの不透明度に乗じて累積加算して前記３次元濃淡断層像の画素値を求めることを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記断層像ボリュームレンダリング手段は、前記濃淡断層像ボリュームデータのボクセルの輝度値に応じて不透明度が設定された不透明度テーブルと、前記弾性像ボリュームデータのボクセルの弾性値に応じて不透明化係数が設定された不透明化係数テーブルを有し、前記視線方向に配列する前記濃淡断層像ボリュームデータの各ボクセルの輝度値に、当該ボクセルの輝度値に対応する不透明度を乗じて累積するに際し、直前のボクセルまでの不透明度の累積値を予め設定された不透明度の上限閾値から引いた残余を現在のボクセルの不透明度に乗じるとともに、当該ボクセルが対応する前記弾性像ボリュームデータのボクセルの弾性値に対応する不透明化係数を乗じて累積加算して前記３次元濃淡断層像の画素値を求めることを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項３又は４に記載の超音波診断装置において、
   前記断層像ボリュームレンダリング手段は、前記３次元濃淡断層像の各画素値に占める寄与率が最大のボクセルの座標を求め、
   前記弾性像ボリュームレンダリング手段は、前記断層像ボリュームレンダリング手段により求められた前記寄与率が最大のボクセルの座標に対応する位置の前記弾性像ボリュームデータの弾性値を画素値として前記３次元弾性像を生成することを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項３又は４に記載の超音波診断装置において、
   前記不透明度テーブル又は前記不透明化係数テーブルは、前記弾性値が軟らかい組織を透明に、又は硬い組織を透明に表示して、関心領域である硬い組織を強調した又は軟らかい組織を強調した３次元断層像を生成するように設定されてなることを特徴とする超音波診断装置。
7. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記３次元濃淡断層像は、前記２次元投影面の視線方向に存在する前記濃淡断層像ボリュームデータのボリュームレンダリング像、最大値投影像、最小値投影像もしくは平均値像、あるいはこれらを加算もしくは減算して作成した断層像を含んでおり、
   前記３次元弾性像は、前記２次元投影面の視線方向に存在する前記弾性像ボリュームデータのボリュームレンダリング像、最大値投影像、最小値投影像、もしくは平均値像、あるいはこれらを加算もしくは減算して作成した弾性像を含んでおり、
   前記画像合成手段は、前記断層像と前記弾性像を合成することを特徴とする超音波診断装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
   前記断層像ボリュームレンダリング手段と前記弾性像ボリュームレンダリング手段は、直交する３断面（ＭＰＲ像）における弾性像と断層像を生成し
   前記画像合成手段は、前記３断面の弾性像と断層像、又は前記３断面の弾性像を断層像に重畳した画像を生成することを特徴とする超音波診断装置。
9. 請求項３乃至５のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
   前記断層像ボリュームレンダリング手段又は前記弾性像ボリュームレンダリング手段は、前記濃淡断層像ボリュームデータ又は前記弾性像ボリュームデータの各ボクセルについて可変設定される閾値を超えるボクセルを抽出してカウントし、そのカウント値に基づいて閾値を超える領域の容積を画面表示手段に表示させることを特徴とする超音波診断装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
    前記画像合成手段により生成された合成画像を表示する表示手段を備えたことを特徴とする超音波診断装置。

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