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【発明の名称】 組織の動き追尾方法及び超音波画像処理装置
【発明者】 【氏名】アリン・ローラ・クライトン

【氏名】タナシス・ルーパス
【要約】 【課題】

【解決手段】超音波画像の走査線の一つに動いている組織の特徴を特定し；該特徴の速度を測定し；そして該速度を使用して他の超音波画像走査線中の該特徴を特定する； 以上の工程からなる、超音波画像処理における時間的に連続する超音波画像走査線中の、動いている組織の特徴の追尾方法及び追尾装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 超音波画像の走査線の一つに動いている組織の特徴を特定し；該特徴の速度を測定し；そして該速度を使用して他の超音波画像走査線中の該特徴を特定する；以上の工程からなる、超音波画像処理における時間的に連続する超音波画像走査線中の、動いている組織の特徴の追尾方法。
【請求項２】 該時間的に連続する超音波画像走査線が、Ｍモード表示の走査線からなる請求項１の追尾方法。
【請求項３】 該時間的に連続する超音波画像走査線が、Ｍモード表示のグレースケール走査線からなる請求項２の追尾方法。
【請求項４】 該特徴が組織境界である請求項１又は２に記載の追尾方法。
【請求項５】 該速度が超音波ドップラー技術により決定される請求項１，２，４のいずれか１項に記載の追尾方法。
【請求項６】 該速度が、該超音波画像走査線の１つの取得と近接した時に測定される請求項５に記載の追尾方法。
【請求項７】 該速度がドップラーＭラインデータから測定される請求項３に記載の追尾方法。
【請求項８】 該グレースケールラインと該ドップラーＭラインデータが交互の時間に取得される請求項７に記載の追尾方法。
【請求項９】 対象の、時間的に相違する多数のエコーを取得する手段；該エコーの１つ中の該対象の特徴を特定する手段；該特徴の速度を決定する手段；および該速度を使用して時間的に相違するエコー中の該特徴を特定する手段；からなる体内の動いている対象の特徴の追尾装置。
【請求項１０】 該取得手段が、Ｍモード表示のラインを取得する手段からなる請求項９に記載の追尾装置。
【請求項１１】 該特定手段が、使用者に制御されるカーソルを有する請求項９に記載の追尾装置。
【請求項１２】 該速度測定手段が、ドップラー信号プロセッサを有する請求項９の追尾装置。
【請求項１３】 該グレースケールＭラインからエッジの特徴のマップを作成する工程；エッジ特徴の該マップに対応した速度値のマップを作成する工程；トレースされる組織境界線を特定する工程；および該特定された組織境界のエッジ特徴に対応する速度値を使用して、該特定された組織境界をトラックする工程；以上の各工程からなる、グレースケールＭラインの超音波Ｍモード表示中で組織境界を追尾する方法。
【請求項１４】 エッジマップを作成する工程が、各Ｍラインに沿った平均レベルの分散(variance)を検知することからなる請求項１３の方法。
【請求項１５】 速度値のマップを作成する該工程が、ドップラーＭラインのシーケンスを取得することからなる請求項１３の方法。
【請求項１６】 該ドップラーＭラインが、該グレースケールＭラインとの時間交互シーケンスで取得される請求項１５の方法。
【請求項１７】 さらに該グレースケールＭライン中のノイズを減らす工程を有する請求項１３の方法。
【請求項１８】 ノイズを減らす工程が、各Ｍライン上で膨張と浸食の数学的な形態学上の操作を実行することからなる請求項１７の方法。
【請求項１９】 Ｍモ−ドラインを処理し、該ライン中の組織のエッジを特定する手段；該特定された組織エッジに応答し、多数の該ライン全体の組織境界をトレースする手段；からなるＭモ−ド画像中の組織境界をトレースする装置及び身体の組織のＭモ−ドラインを取得する手段を有する超音波装置。
【請求項２０】 該処理する手段が、該ラインに沿ったデータ点の平均値の分散を計算する手段からなる請求項１９の超音波装置。
【請求項２１】 該Ｍモードラインが、グレースケールデータラインからなり、さらに該Ｍモ−ドラインに対応する速度マップを作成する手段を有する請求項１９の超音波装置。
【請求項２２】 該追尾手段がさらに、該速度マップに対応して組織境界をトレースする手段である請求項２１の超音波装置。
【請求項２３】 該速度マップが、グレースケールデータの該ラインに対応するドップラーＭモードラインからなる請求項２２の超音波装置。
【請求項２４】 さらにグレースケールデータの該ライン中のノイズを減らす手段を有する請求項１９又は２２の超音波装置。
【請求項２５】 超音波画像の１つの中の特徴を特定し；該特定された特徴の速度を取得し；該速度を使用して他の該超音波画像中の該特徴を特定する：以上の段階からなる、二次元超音波画像の時間毎に取得されたシーケンス全体に動いている組織の特徴を追尾する手段からなる、超音波装置。
【請求項２６】 該特定された特徴の速度を取得する工程が、超音波ドップラー処理の手段による速度を取得する工程である請求項２５の超音波装置。
【請求項２７】 該速度が、ほぼ該超音波画像の該１つの取得の時に得られる請求項２６の超音波装置。
【請求項２８】 時間毎に取得されたＡラインデータのＭモード表示を作成する処理装置；該Ａラインデータに時間的に対応する、時間毎に取得されたドップラーデータのＭモード表示を作成する処理装置；Ａラインデータの該Ｍモ−ド表示の画像の特徴のトレースを作成するトレース装置；および該トレースに応答し、ドップラーデータの該Ｍモ−ド表示上に該トレースを表示する表示手段；からなる人体の心臓血管系診断用の超音波画像処理装置。
【請求項２９】 さらに、分析ソフトウエアからなり、該トレースに応答し、ドップラーデータの該Ｍモ−ド表示の情報の分析を実施する、請求項２８記載の超音波画像処理装置。
【請求項３０】 三次元画像のボクセルの１つの中の特徴を特定する工程；該特定された特徴の速度を得る工程；および該速度を使用して他の該画像ボクセル中の該特徴を特定する工程：以上の工程からなる三次元ボクセル画像中に動いている組織の特徴をトラックする装置を有する超音波画像処理装置。
【請求項３１】 該三次元ボクセル画像が、三次元Ｍモ−ド画像からなる請求項３０記載の超音波画像処理装置。
【請求項３２】 該ドップラーＭ−ラインからのエッジの特徴のマップを作成する工程；追尾される組織境界を特定する工程；該特定された組織境界のエッジ特徴に対応する速度値を使用して該特定された組織境界を追尾する工程；以上の工程からなるドップラーＭラインの超音波色Ｍモ−ド画像中の組織境界の追尾方法。
【請求項３３】 該ドップラーＭラインが、速度情報を含み、そしてここに該速度情報を使用して、該特定された組織境界を追尾する請求項３２の方法。
【請求項３４】 該ドップラーＭラインが、ドップラー信号強度情報を含む請求項３２の方法。
【請求項３５】 第１方向での該画像中の組織境界の追尾を開始する手段；第１方向と反対の第２方向の該画像中の該組織境界の追尾を開始する手段；および該追尾を結合し、該組織境界を特定する手段からなる、身体組織のＭモ−ドラインの取得手段を有する超音波画像処理装置におけるＭモ−ド画像中の組織境界の追尾装置。
【請求項３６】 該結合手段がさらに、重み付けした基準で該追尾を結合する手段からなる請求項３５の装置。
【請求項３７】 該結合する手段がさらに、開始の点からのトレースの近接度の関数としての重み付け基準で該追尾を結合する手段からなる請求項３５の装置。
【請求項３８】 第１の方向の該画像の組織境界の追尾を開始する該手段がさらに、該画像の１側面から第１の方向での組織境界の該追尾を開始する手段からなり；そしてここに、第２の方向の該画像の該組織境界の追尾を開始する該手段がさらに、該画像の他の側から第２の方向での組織境界の追尾を開始する手段からなる請求項３５の装置。
【請求項３９】 追尾の開始手段のそれぞれが、超音波動き信号を開始し、組織境界をトレースする手段からなる請求項３５の装置。
【請求項４０】 該超音波動き信号が、ドップラー速度信号からなる請求項３９の装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波画像処理装置に関し、特に、超音波速度情報を利用して、超音波画像に描写された動きを追尾(track)する方法及び該方法を利用した超音波画像処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、医療診断における超音波の主な利用の１つに心臓機能と病気の診断がある。超音波心臓動態診断法では、心臓検査と心臓機能と病理の異常状態の診断が中心となる。これらの診断をする心臓病専門医にとっての大きな関心事は、心臓構造それ自体の明確な画像取得であり、特に周期的に血液を送出するときの明瞭な心臓筋肉の動きの画像取得である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら多数の患者は、患者の生理的特徴が、強くはっきりした戻りエコーからの明瞭な画像形成が妨げられる、いわゆる「難しい患者(difficult patients)」として知られるものである。より標準的な様々な状態においても、超音波心臓動態診断医は、超音波心臓動態診断法の不十分な心臓構造による診断に限定される。これらの状態での診断を支援するために、超音波装置は、一般にジョイスティックやトラックボールで、超音波心臓動態診断法により表示された図上に心臓構造の輪郭を容易に画像化することを可能にする。輪郭が画像化された構造の寸法と計測に基づいて、数値化された計測と解析が実施される。しかしながらこれらのトレーシング(tracing)は、心臓は常に収縮し弛緩し、そして心弁は絶えず開閉することから、困難な仕事である。完全で正確な診断のために、心臓筋肉が動いていながら、絶えず画像化されるように、心臓周期を通じて全ての中に心臓構造が特定されることが必要である。トレースする画像構造の大変多数の画像を超音波心臓動態診断医に提供する、毎秒３０画像又はさらに多数の公称(nominal)速度で実時間心臓画像が作成される。超音波装置が、自動的に心臓構造の輪郭を描き、そして収縮と弛緩、開閉運動をするにつれて、自動的にこれらの構造を追尾することでこのような輪郭を維持することが勿論望ましい。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によると、実時間超音波画像シーケンス中の動いている構造が、速度情報の使用により自動的に追尾される超音波画像処理装置が供給される。構成具体例においては、速度情報は超音波ドップラー信号から得られる。これらの自動追尾は、心臓拍動周期の動きと共に心臓壁が、動くにつれて、連続的に心臓壁の輪郭を画像化するかトレースすることを可能にする。実時間画像シーケンスで動いている構造を自動的にトレースする好適な方法は、該画像中の構造のエッジ(edge)を検知し、追尾又はトレースするエッジを特定し、そして該特定したエッジに関する速度情報を使用して、該動きのシーケンスの間、該特定されたエッジを追尾又はトレースする工程を含んでいる。
【０００５】具体例において、拍動する心臓の速度特性を使用してＭモ−ドシーケンス中で心臓壁の境界が特定され、そしてトレースされる。この例は心臓壁の平均速度の分析や心臓筋肉についての速度勾配の測定など、多数の有用な診断ツールを提供する。
【０００６】図を説明すると、図１は、本発明による超音波画像処理装置のブロックダイアグラムである。図２は心室を横切るＭラインカーソルを有する心臓左心室の二次元画像である。図３は、図２のＭライン位置から得られたグレースケールＭモ−ド表示である。図３ａは、図３のＭモ−ド表示の１つのＭラインを表す。図４は、図１の超音波装置の好適なエッジ検出技術を説明するブロックダイアグラムである。図５ａ−５ｃは、図４の好ましいエッジ検出技術の動作を説明するプロットである。図６は、図３のグレースケールＭモード表示に関連づけられたカラーＭモード表示である。図７は、本発明による動いている組織構造の追尾を説明する。図８は、本発明によるグレースケールＭモ−ド表示中での心臓壁の追尾を説明する。図９は、本発明による図６のカラーＭモ−ドデータから作成された平均心臓壁速度のグラフである。図１０は、二次元グレースケール画像への本発明の応用を説明する。
【０００７】
【発明の実施の態様】最初に図ｌは、本発明の超音波画像処理装置のブロックダイアグラムである。超音波アレ−プローブ１０は、ビーム形成器１２の制御下で操作され、患者の体内に超音波を発信し、それら発信波に応答して体内から戻るエコーを受信する。ビーム形成器１２は、ビーム形成器コントローラ１４により制御されて，プローブ変換器アレ−素子の活性時間を制御し、発信ビームを操作し、焦点合わせする。ビーム形成器は、受信エコー信号を適切に遅延させ、合計するようにも制御され、各所望の走査線に沿ってコヒーレントエコーの受信ビームを形成する。
【０００８】受信走査線からのエコーは、次いで種々の方法で処理される。１つの方法はＢモ−ドプロセッサ１８によるもので、エコー振幅を検出する。エコー振幅は次いで、身体のグレースケール又はＢモード画像として空間的に表示される。もう１つの処理技術は、ドップラープロセッサによるもので、それは該走査線に沿った動いている血液とその他の組織のドップラーシフトを検出するために共通位置から走査線の集合を処理する。ドップラー信号が、体内の試料容積(sample volume)から連続的に受信され、スペクトルドップラー表示に表示される。表示の第二の手段は色流れ(colorflow)表示であり、ドップラー信号はグレースケール画像と共に空間的に重ねられ、これによりグレースケール画像の構造中に流れパラメータを表示する。
【０００９】本発明の１つの特徴は、検出され処理されたエコー信号は、時間−動きもしくはＭモード表示方式で表示される。Ｍモ−ド表示では、一次元画像、Ａ−ラインと呼ばれる１本の走査線、が繰り返し走査され、長時間にわたって表示される。その結果、表示は時間と共に該走査線位置に沿って生じる変化を明らかにする。Ｍモード表示は、ドップラー又はグレースケール走査線のいずれかを使用して形成される。図ｌの装置では、ドップラー処理器１６により作成されたドップラー走査線がカラーＭラインとして記憶装置２０に記憶され、Ｂモードプロセッサ１８により作成されたグレースケール走査線がグレースケールＭラインとして記憶装置２０に記憶される。拍動している心臓など、運動している体内構造の表示には、その動きが表示走査線の時間変化のシーケンスとして観察できるため、Ｍモ−ド表示が最も有用である。
【００１０】記憶装置２０に記憶されたカラ−Ｍラインは、該装置から読み出すことができ、ビデオプロセッサ２２によりビデオ信号に変換され、表示装置２６上にカラーＭモ−ド表示として表示される。該グレースケールＭラインは、ビデオプロセッサ２２に転送し、グレースケールＭモ−ド表示として表示することもできる。
【００１１】本発明によると、グレースケール走査線中の構造のエッジもしくは境界が、動き追尾装置(motion tracker)３０によりトレースされる。動き追尾装置３０はドップラー信号を使用して、グレースケール走査線中の血球その他の組織など、運動している構造の動きを追尾する。動き追尾装置はまず、ノイズ除去装置３２により無関係な虚像(artifacts)とノイズをグレースケール走査線から除去し、必要によりノイズ除去装置３４は、ドップラー走査線からノイズを除去する。グレースケール走査線はエッジ検出器３６によりエッジ検出を実施し、走査線に沿った構造のエッジもしくは境界線の位置を特定する。最後に、走査線シーケンス中に表示された端部もしくは境界は、追尾装置３８によりトレースされる。エッジ追尾は使用者の初期化により開始され、それは使用者が追尾しようとするエッジに沿った１点を指示することにより行われる。エッジ追尾装置は次いで該特定された点がその一部分となっているエッジをトレースする。装置はドップラー情報の速度データの使用を通じてこれを実施する。ドップラー情報は、該使用者により特定された境界点を含めて、グレースケール走査線に沿った位置での速度に関するデータを与える。各グレースケール走査線の取得の間に生じる時間間隔、そして特定された境界点の動きの速度と方向を知ることにより、装置は、次に走査線を取得する時までに該境界点が動く位置を計算する。次いで装置は計算された点の近傍の境界点を探し、２つの走査線の点を結ぶトレースを作成する。このようにして動き追尾装置３０は、１つの走査線から次へと動いている構造もしくは境界線を連続的に追尾し、Ｍモ−ド表示中にそれらをトレースし、又は輪郭をたどることができる。
【００１２】エッジ追尾装置３８により特定されたトレースは、グレースケールＭラインと共にビデオプロセッサに転送され、該トレースは、Ｍモード表示上に重ねられ、表示中のトレースされたエッジ、境界その他の特徴を特定する。該トレースは対応する時間のカラーＭモ−ド表示上に重ねてもよい。
【００１３】一旦心臓壁など、構造の境界がエッジ追尾により特定されると、多数の数量化された測定を、正確に輪郭を描かれた構造から実施することができる。このような数量化された計測は、以下に論ずる動き解析モジュール２４により実施され、以下に平均速度、速度勾配などの測定の計算が論じられる。
【００１４】図１の装置の機能の理解は、次の図に基いて得ることができる。図２は、心臓の二次元超音波画像を示している。典型的には、心臓のセクター画像が、フェーズドアレープローブを用いて形成されるが、曲線および線形アレ−プローブも使用することができる。該画像の頂点は、右心室の一部であり、図中ＲＶと標識されている。隔膜４０が左心室ＬＶから右心室を分けている。左心室の心室は後壁４２が境界となっている。左心室の右の側面に僧帽弁４４がある。
【００１５】該画像の頂上から延長し、左右の心室を横切るのがＭモードカーソル４６である。連続的に走査され、再生されて図３に示されるようにＭモード画像を形成する、二次元(２Ｄ)画像の走査線をＭモードカーソルはマークする。繰り返し同じ空間の走査線を走査し、前の走査線に沿った走査線のそれぞれ新たな走査を再生成することにより、Ｍモ−ド画像が形成される。従って、Ｍモ−ド画像は単一Ａラインの一次元画像の時間シーケンスである。このような画像により得られる利益は、該画像が組織の動きと単一走査線と交差した組織境界線を明らかにすることである。本例において、心臓が拍動するにつれて、左心室は周期的に収縮し、弛緩する。左心室が収縮するにつれて該隔膜４０と後壁は互いに、より接近する。そして左心室が弛緩するにつれて、これら左心室の２つの境界は再び離れて行く。この周期的な動きは、図３のＭモ−ド表示で明らかにされ、該隔膜４０と該後壁が周期的に互いに接近し、そして再び離れて行くのが観察される。組織境界は、比較的強いエコーを返す傾向があるので、該隔膜４０と後壁４２の境界は、各走査線で強いエコーの戻り５０、５２により特定される。該強い戻りエコーが図３ａで、単一走査線４８上の点により示されており、走査線４８は、Ｍモードカーソル４６の位置に沿って戻った多数のこのような走査線の１つである。図３ａにおいて、該強い戻りエコー５０、５２の間のより小さい点は、(該点５０、５２の間の)左心室の中の血液溜りから、そして該後壁４２(５２)の後の腹部の組織と、隔膜４０(５０)の上の右心室からの相対的に弱いエコーの戻りを表している。
【００１６】本発明によると、図１の超音波装置は、自動的に図３のＭモ−ド表示での１もしくは多数の境界をトレースする。最初に好適例では、Ｍモード表示のグレースケールデータ上のノイズ除去の任意的な工程を実施する。グレースケール信号のフィルタ処理、低レベルノイズの閾値除去、多数の連続的に受信されたＭラインを平均してＭモ−ド表示の各Ｍラインを形成する方法など、多数のノイズ除去技術のいずれも採用することができる。しかしながら、本発明者は、望ましいノイズ除去技術は、膨張と浸食(dilation and erosion)の数学的形態上の(morphologic)操作であることを見出した。この技術は、IEEE Trans. Pattern Anal. and Machine Intell., vol. PAMI-9, (１９８７年７月)の「数学的形態学を使用した画像解析」と題したハラリック(Haralick)他の報文に記載されており、膨張と浸食で使用される数学的な演算子(operands)の多数の例を提供する。膨張と浸食は、下記膨張方程式：【００１７】
【数１】

【００１８】を使用し、次いで下記浸食方程式：【００１９】
【数２】

【００２０】を使用して、ｊＭラインに沿って各点ｉについて、走査線の最小深度から最大深度まで各Ｍラインに沿って行われる。膨張と浸食が心臓の血液溜り中のスペックル虚像やノイズなどの不要なノイズの多くをグレースケールデータから除去する。このようにして、各Ｍラインはノイズが減少してより滑らかとなるが、グレースケールデータにより特定される組織のエッジの明確さは失われない。
【００２１】第２の工程は、グレースケールＭラインデータにより表される組織境界エッジの「エッジマップ」(edge map)を作成することである。ある一定レベル以上の連続したデータ点の間の変位の検出や、Ｍラインデータの微分など、種々の技術を組織エッジの検出に使用することができる。好適技術は、各走査線の最小深度から最大深度まで各Ｍラインに適用されたスライディングウインドウで平均値の分散(variance)を計算することによりグレースケールデータ中のエッジを検出するアルゴリズムの使用である。好適のアルゴリズムが図４に説明されており、加算関数Σ(６０)と平方関数( )２(６２)の連続であり、そして比較(減算)計算６４で終わっている。該好適アルゴリズムにおいて、各加算関数は、下式で表され；
【００２２】
【数３】

【００２３】各自乗関数は、下式で表される。
【００２４】
【数４】

【００２５】エッジマップの解像度(resolution)は、該アルゴリズムが実施される連続データ点のウィンドウ２Δの大きさの関数であり、小さいウインドウでは比較的多数の明確に特定されたエッジが作成され、大きなウィンドウでは、より少数のより幅をもって特定されたエッジが作成される。例えば、１つのＭラインのデータ点のデータ値が図５ａに示されるように得られたとすると、それは最小深度から最大深度まで移動するデータ点の振幅を表している。このプロットにおいて、最初のピーク７２は、図２又は図３の隔膜４０から戻ったデータ点を表し、第２のピーク７６はこれらの図の後壁４２から戻るデータ点を表し、これら２つのピークの間の領域７４は、左心室の血液溜りから戻ったデータ点を表している。３つの連続したデータ点のウインドウが図４のアルゴリズムで使用され、エッジマップを作成する時、図５ｂに示すようなＭライン用エッジマップが作成される。このプロットにおいて、ピーク７１と７３が、図５ａの隔膜７２の初端(leading)、そして終端(trailing)エッジであり、ピーク７５と７７は図５ａの後壁７６の初端、そして終端エッジである。小さいピーク７９は隔膜と血液溜りからのデータ値におけるより小さい変化を表している。
【００２６】５又は６データ点などのより広いウィンドウが使用される時、図５ｃに示すようにより幅広に特定されたエッジピークのグループが作成され、ピーク７１’と７３’は隔膜７２のエッジであり、ピーク７５’と７７’は後壁のエッジである。多数の種々のウインドウの大きさとＭモードデータの組による実験により、本発明者等は、図４のエッジ検出アルゴリズムには３データ点の小さいウインドウの方が好ましいと判断した。
【００２７】次の工程は、エッジ追尾器によりトレースされるエッジの点を特定することである。これが図８に示されており、そこでは矢印カーソル８０は、該矢印がエッジの１点を指すまで、Ｍモード表示上で操作される。この例で該矢印カーソル８０は、隔膜４０の内部境界を指示している。矢印カーソルが望んだように位置される時、使用者は装置の制御装置を押してエッジトレーサー３８を起動し、使用者が選択したエッジがトレースされる。
【００２８】本発明によると、Ｍモード表示中に使用者により指示されたエッジは、超音波速度データの対応マップを使用してトレースされる。速度データマップの−例が図６に示されており、それはカラーＭモード表示を表している。図６のカラーＭモード表示は、図８のＭモード表示のＭラインと交互配置により超音波装置により作成される。例えば、パルスは、Ｍモ−ドカーソル４６に沿って発信され、エコーは、走査線から戻り、それらの振幅は図８のグレースケールＭモ−ド表示中の１つのＭラインとして表示され検出される。さらなる走査線の連続は、走査線のドップラー集合として長時間にわたってＭモ−ドカーソルに沿って繰り返し取得される。走査線の集合はドップラー処理され、グレースケールＭラインの取得の時と実質的に同じ時にＭモードカーソルに沿って各点における動きの速度を検出する。グレースケールＭラインの作成に使用されたエコーは、ドップラーラインの集合の１つとしても勿論ドップラー処理される。ドップラー走査線集合は、グレースケールＭラインの取得時の前と後の両方でも取得することができる。
【００２９】速度データラインの連続は、図６に示したようにＭモ−ド表示と同様にしてマップされ、速度データの各新たなラインは、速度データの前に取得されたラインの次に、そして動き方向の色符号と共に表示される。このためカラーＭモードと呼ばれる。Ｍモードカーソルがカーソル４６と同様に心臓の心室を横切る時、色Ｍモ−ド表示は、血液と心臓壁の動きの方向によって色が変化する。青が変換器から遠ざかる動きを表示する色として使用され、赤が変換器に向かう動きの色として使用されるとき、色Ｍモ−ド表示が図に示されるように、交互のＢおよびＲバンドにより示されるように青と赤の交互バンドとして表示される。心臓の向かい合う壁は、変換器に対して反対方向に常に動いているので、即ち両者が同時に心室の中心に向かってもしくは両者が同時に心室の中心から離れて行くので、向いあう壁は色Ｍモ−ド表示の同じ垂直走査線上に反対色で現れる。図６の色Ｍモ−ド表示は、図８のグレースケールＭモ−ド表示に対応する速度マップからなっている。
【００３０】エッジは、図７に説明するように、１つのＭラインから次へとそのＭラインに沿って異なった深さに現われるので、カラーＭモード表示の速度情報は、グレースケールＭモ−ド表示中でエッジの位置を追尾するために使用される。この図において、走査線８８と９８は、グレースケールＭモ−ド表示の、連続的に取得されたＭラインを表している。大きい点８１と８３は、図８の隔膜４０の外側と内側の検出されたエッジを、そして大きい点８５と８７は、図８の後壁４２の外側と内側の検出されたエッジを表している。該第２のグレースケールＭライン９８はＭライン取得の時から時間間隔ｔｓの後に取得され、そのエッジマップは、隔膜の外側と内側のエッジ９１，９３と、後壁の外側と内側のエッジ９５，９７を特定する。これらグレースケールＭラインを取得している間、色ドップラーＭライン１００が取得され、処理される。心臓はこれらの期間収縮しているので、心臓の対向する壁は、カラーＭラインｌ００上の矢印により表されるように、互いに近付いている。該矢印は、色Ｍラインの頂点と底部の心臓壁の近傍でより大きく、これらの位置で速度がより大きいことを表している。心臓の中心においては、カラーＭライン１００の中心が、矢印の無い点により示されているように、カラーＭラインに沿ってほとんど又は全く動きがない。
【００３１】使用者が、図８に示されるように、隔膜の内部のエッジに矢印カーソル８０を向けたとする。グレースケールＭライン(又はエッジマップライン)８８がそのように指示されたとき、矢印カーソル８０は、隔膜内部のエッジの点８３を指示する。エッジ追尾器３８は、隣接するグレースケールライン上の該隔膜内エッジの位置に跡をつける。これをするために、エッジ追尾器は該隣接グレースケールＭライン上の隔膜の内エッジを特定しなければならない。それは、内エッジの点８３の位置における速度を観察することによりこれを実行し、それはカラーＭライン１００上の速度矢印１０２の速度値である。速度矢印１０２が示すように、該隔膜の内部のエッジの速度は、この時心室(図で下方)の中心に向かって動いている。速度矢印の数量化された値は、速度と方向の両方を与える。この速度はグレースケールラインの間の時間間隔ｔｓが積算され、移動値が与えられる。装置は今ライン８８上に該内部のエッジ８３の対応する位置から該計算された移動値だけ下方にライン９８上の内部隔膜エッジを移動させるように計算する。この移動によりＭライン９８が下方に動き、装置は次のＭライン９８の上に内部のエッジの点９３を見出す。
【００３２】構成例において、エッジ追尾器３０はこの技術の使用により１つのＭラインから次へとエッジを追尾するが、ウィンドウ機能の付加的利益をもたらす。このウィンドウ機能はＭライン８８のカッコＷ１により示され、それは装置が追尾しているエッジ点８３のまわりに中心を持つ。上に示した速度掛ける時間移動値を計算することにより、装置はＭライン９８に見られるように、移動されたカッコ位置Ｗ２にウィンドウ機能を再配置する。装置は次いで追尾しているエッジとして該ウインドウＷ２内にあるエッジマップのエッジを特定する。
【００３３】本発明の装置は上記のように作動して、各連続したＭラインでエッジの新しい位置を計算するために速度データを使用して、１つのグレースケールＭラインから次へと、指示されたエッジを追尾する。本発明技術は、心筋壁の中などの組織内部の領域の追尾にも使用することができ、心臓筋肉の動きを追尾することにより特定することを可能とする。構成例において、エッジはＭモ−ド表示を通じて時間と共に前方と後方の双方に追尾される。例えば、もし矢印カーソル８０がエッジ９３を指示しているとすると、前のラインでのエッジ８３の位置は、時間間隔ｔｓと、速度矢印１０２の速度を使用して計算されるが、その正負(方向)は逆になる。完成されたエッジ追尾は図８のＭモ−ド表示上に描かれた太線１１０として表される。
【００３４】前方に又は後方にエッジを追尾する能力は、誤った追尾を修正することを可能とする。エッジがトレースされる距離が大きくなればなるほど、追尾が隣接する画像境界に移動する可能性が大きくなる。これは希望する境界以外の境界上のエッジを長く追尾する可能性を大きくする。この条件を克服するために、使用者は画像の一端の所望の境界を指示し、該画像中時間と共に前方へ進む追尾を実行することができる。次いで使用者は該画像の他端の所望の境界を指示し、該画像中時間と共に後方に進む追尾を実行することができる。両方の追尾はそれらの開始点では正確であり、それらの終点ではより不正確となる傾向があるから、該２つの追尾は、重み付けした基準で結合することができ、該重み付けは、各トレースのその開始点からの近接度の関数となる。該２つのトレースの重み付けされた平均は、一般に該所望の境界の正確なトレースとなる。
【００３５】カラーＭモード表示はグレースケールＭモ−ド表示に対応するので、エッジ追尾は、図６に示すようにカラーＭモード表示上に表示することができる。図６において、使用者は本発明装置を、４つのエッジ、即ち隔膜４０と後心臓壁４２の内部と外部の両方の境界のトレースに使用している。このようにして輪郭を描かれた心臓壁の境界により、心臓機能のいくつかの数量化された測定値が容易に計算される。例えば、該追尾の間の各垂直色ドップラーライン上の心臓壁のカラー画素を加算し、又は平均化し、その瞬間の又は平均の心臓壁速度を計算することができる。このようにして計算された心臓壁の平均速度の例示的プロット１２０を、図６の色Ｍモ−ド表示と対応させて図９に示す。所望により、追尾の間の各垂直カラードップラーラインに沿っての速度勾配を計算し、心臓壁全体の速度勾配の数量化された測定値を得ることができる。心臓機能の他の数量化された測定値も当業者には自明であろう。
【００３６】組織境界を同様に、色、色合い、明度、彩度などの変化によりカラーＭモ−ド画像中に特定することができることはいうまでもない。従って本発明は、カラーＭモ−ド画像と共に直接実施することができ、画像中に特定された境界をトレースし、そして画像の速度情報を使用して画像組織の特徴の追尾を支援することができる。
【００３７】本発明の追尾技術は同じく、図１０に示すように、１つの２Ｄ画像から次へと心臓壁の動きの追尾に使用することができる。この図は、心臓の各収縮と弛緩と共に心室の中心「＋」に向かい、そして再度外方に向かう動きを繰り返す心臓壁１２０と共に、心臓筋肉１３０の短軸画像を表している。図中、心臓筋肉の周囲に矢印により表示された、心臓壁の各部分の速度は、ドップラー速度走査と処理により計算される。矢印は放射状に配列されるので、いくつかの異なった方向からの走査が、ドップラービームの角度への敏感さを克服するために必要とされる。心臓壁の周囲の速度は、心臓の周期的な拍動の間内側に、そして外側に動くにつれて、心臓壁を追尾するのに使用される。
【００３８】本発明原理は、三次元超音波画像中の動いている組織の追尾にも適用することができる。三次元画像の場合は、動いている組織の追尾は、ｘ、ｙ、ｚ軸方向のいずれにも生じうるので、３方向全てについて１つのボクセルから次へと追尾が可能であることが理解される。該三次元画像は、速度情報が得られるグレースケール画像又はＭモード画像である。
【００３９】本発明は、ドップラーを利用したグレースケールの動きの追尾装置を有する超音波画像処理装置に関する。本発明を要約すると、走査線中のノイズを減らし、該走査線から組織エッジのマップを作成し、トレースする組織境界を特定し、そして組織エッジに対応する速度情報を使用して該特定された境界をトレースする工程を有する、時間毎に取得された走査線から該組織の境界をトレースする方法と装置が提供される。
【００４０】本発明の主たる態様を以下に示す。
１、超音波画像の走査線の一つに動いている組織の特徴を特定し；該特徴の速度を測定し；そして該速度を使用して他の超音波画像走査線中の該特徴を特定する；以上の工程からなる、超音波画像処理における時間的に連続する超音波画像走査線中の、動いている組織の特徴の追尾方法。２、該時間的に連続する超音波画像走査線が、Ｍモード表示の走査線からなる前記１の追尾方法。３、該時間的に連続する超音波画像走査線が、Ｍモード表示のグレースケール走査線からなる前記２の追尾方法。４、該特徴が組織境界である前記１又は２に記載の追尾方法。５、該速度が超音波ドップラー技術により決定される前記１，２，４のいずれか１項に記載の追尾方法。６、該速度が、該超音波画像走査線の１つの取得と近接した時に測定される前記５に記載の追尾方法。７、該速度がドップラーＭラインデータから測定される前記３に記載の追尾方法。８、該グレースケールラインと該ドップラーＭラインデータが交互の時間に取得される前記７に記載の追尾方法。９、対象の、時間的に相違する多数のエコーを取得する手段；該エコーの１つ中の該対象の特徴を特定する手段；該特徴の速度を決定する手段；および該速度を使用して時間的に相違するエコー中の該特徴を特定する手段；からなる体内の動いている対象の特徴の追尾装置。１０、該取得手段が、Ｍモード表示のラインを取得する手段からなる前記９に記載の追尾装置。１１、該特定手段が、使用者に制御されるカーソルを有する前記９に記載の追尾装置。１２、該速度測定手段が、ドップラー信号プロセッサを有する前記９の追尾装置。１３、該グレースケールＭラインからエッジの特徴のマップを作成する工程；エッジ特徴の該マップに対応した速度値のマップを作成する工程；トレースされる組織境界線を特定する工程；および該特定された組織境界のエッジ特徴に対応する速度値を使用して、該特定された組織境界をトラックする工程；以上の各工程からなる、グレースケールＭラインの超音波Ｍモード表示中で組織境界を追尾する方法。１４、エッジマップを作成する工程が、各Ｍラインに沿った平均レベルの分散(variance)を検知することからなる前記１３の方法。１５、速度値のマップを作成する該工程が、ドップラーＭラインのシーケンスを取得することからなる前記１３の方法。１６、該ドップラーＭラインが、該グレースケールＭラインとの時間交互シーケンスで取得される前記１５の方法。１７、さらに該グレースケールＭライン中のノイズを減らす工程を有する前記１３の方法。１８、ノイズを減らす工程が、各Ｍライン上で膨張と浸食の数学的な形態学上の操作を実行することからなる前記１７の方法。１９、Ｍモ−ドラインを処理し、該ライン中の組織のエッジを特定する手段；該特定された組織エッジに応答し、多数の該ライン全体の組織境界をトレースする手段；からなるＭモ−ド画像中の組織境界をトレースする装置及び身体の組織のＭモ−ドラインを取得する手段を有する超音波装置。２０、該処理する手段が、該ラインに沿ったデータ点の平均値の分散を計算する手段からなる前記１９の超音波装置。２１、該Ｍモードラインが、グレースケールデータラインからなり、さらに該Ｍモ−ドラインに対応する速度マップを作成する手段を有する前記１９の超音波装置。２２、該追尾手段がさらに、該速度マップに対応して組織境界をトレースする手段である前記２１の超音波装置。２３、該速度マップが、グレースケールデータの該ラインに対応するドップラーＭモードラインからなる前記２２の超音波装置。２４、さらにグレースケールデータの該ライン中のノイズを減らす手段を有する前記１９又は２２の超音波装置。２５、超音波画像の１つの中の特徴を特定し；該特定された特徴の速度を取得し；該速度を使用して他の該超音波画像中の該特徴を特定する：以上の段階からなる、二次元超音波画像の時間毎に取得されたシーケンス全体に動いている組織の特徴を追尾する手段からなる、超音波装置。２６、該特定された特徴の速度を取得する工程が、超音波ドップラー処理の手段による速度を取得する工程である前記２５の超音波装置。２７、該速度が、ほぼ該超音波画像の該１つの取得の時に得られる前記２６の超音波装置。２８、時間毎に取得されたＡラインデータのＭモード表示を作成する処理装置；該Ａラインデータに時間的に対応する、時間毎に取得されたドップラーデータのＭモード表示を作成する処理装置；Ａラインデータの該Ｍモ−ド表示の画像の特徴のトレースを作成するトレース装置；および該トレースに応答し、ドップラーデータの該Ｍモ−ド表示上に該トレースを表示する表示手段；からなる人体の心臓血管系診断用の超音波画像処理装置。２９、さらに、分析ソフトウエアからなり、該トレースに応答し、ドップラーデータの該Ｍモ−ド表示の情報の分析を実施する、前記２８記載の超音波画像処理装置。３０、三次元画像のボクセルの１つの中の特徴を特定する工程；該特定された特徴の速度を得る工程；および該速度を使用して他の該画像ボクセル中の該特徴を特定する工程：以上の工程からなる三次元ボクセル画像中に動いている組織の特徴をトラックする装置を有する超音波画像処理装置。３１、該三次元ボクセル画像が、三次元Ｍモ−ド画像からなる前記３０記載の超音波画像処理装置。３２、該ドップラーＭ−ラインからのエッジの特徴のマップを作成する工程；追尾される組織境界を特定する工程；該特定された組織境界のエッジ特徴に対応する速度値を使用して該特定された組織境界を追尾する工程；以上の工程からなるドップラーＭラインの超音波色Ｍモ−ド画像中の組織境界の追尾方法。３３、該ドップラーＭラインが、速度情報を含み、そしてここに該速度情報を使用して、該特定された組織境界を追尾する前記３２の方法。３４、該ドップラーＭラインが、ドップラー信号強度情報を含む前記３２の方法。３５、第１方向での該画像中の組織境界の追尾を開始する手段；第１方向と反対の第２方向の該画像中の該組織境界の追尾を開始する手段；および該追尾を結合し、該組織境界を特定する手段からなる、身体組織のＭモ−ドラインの取得手段を有する超音波画像処理装置におけるＭモ−ド画像中の組織境界の追尾装置。３６、該結合手段がさらに、重み付けした基準で該追尾を結合する手段からなる前記３５の装置。３７、該結合する手段がさらに、開始の点からのトレースの近接度の関数としての重み付け基準で該追尾を結合する手段からなる前記３６の装置。３８、第１の方向の該画像の組織境界の追尾を開始する該手段がさらに、該画像の１側面から第１の方向での組織境界の該追尾を開始する手段からなり；そしてここに、第２の方向の該画像の該組織境界の追尾を開始する該手段がさらに、該画像の他の側から第２の方向での組織境界の追尾を開始する手段からなる前記３５の装置。３９、追尾の開始手段のそれぞれが、超音波動き信号を開始し、組織境界をトレースする手段からなる前記３５の装置。４０、該超音波動き信号が、ドップラー速度信号からなる前記３９の装置。
【００４１】
【発明の効果】実時間超音波画像シーケンス中の動いている体内の構造組織が、超音波ドップラー信号から得られる速度情報を使用して自動的に追尾される。これらの自動追尾は、例えば心臓拍動周期の動きに伴う心臓壁の動きにつれて、連続的に心臓壁の輪郭を画像化する。実時間画像シーケンス中で動いている構造を自動的にトレースする好適な方法は、該画像中の構造のエッジ(edge)を検知し、追尾又はトレースするエッジを特定し、そして該特定したエッジに関する速度情報を使用して、該動きのシーケンスの間、該特定されたエッジを追尾又はトレースする方法である。
【出願人】 【識別番号】５９１０７９９０４
【氏名又は名称】アドバンスト・テクノロジー・ラボラトリーズ・インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＩＥＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【出願日】 平成１０年（１９９８）５月２９日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 和彦
【公開番号】 特開平１１−４２２２７
【公開日】 平成１１年（１９９９）２月１６日
【出願番号】 特願平１０−１４９３５５