| 【発明の名称】 |
超音波映像装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】リー，ミン ファ
【氏名】キム，サン ヒュン
【氏名】コ，セオク−ビン
【氏名】グリツキー，オーサー
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| 【要約】 |
【課題】目的とする対象体を背景から分離して３次元画像で表示する超音波映像装置を提供する。
【解決手段】本発明は目的とする対象体の輪郭を自動的に分離・抽出し、この抽出された情報を利用して対象体を３次元に画像化する超音波映像装置である。このように抽出された情報に基づき対象体を３次元に画像化することで、手術のような物理的な処理なしで対象体の形態を観察できる。そして、外科的な手術なしで対象体を任意の角度で切断した場合の２次元切断面の形態をモニター上に表示することが可能である。また、３次元対象体の形態情報を有するので診断に必要な対象体の体積を別の付加計算を行わずに得られる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】目的とする対象体を背景から分離して３次元画像で表示する超音波映像装置において、対象体の走査により得られる２次元超音波映像を組み合わせてボリュームデータを生成するボリュームデータ獲得部と、前記ボリュームデータを回転させるための回転軸を設定し、該回転軸と対象体とが交差する点を基準点に設定する基準点及び回転軸設定部と、前記回転軸を中心に予め設定された角度ずつ前記ボリュームデータを回転させるデータ回転部と、前記ボリュームデータを回転させて得たそれぞれの角度での２次元超音波映像に対する輪郭線を抽出し、該抽出された輪郭線上に頂点を設定して輪郭抽出する輪郭抽出手段と、前記設定された頂点から鉄線フレームを作成して３次元画像を生成する３次元画像生成部と、を含んで成ることを特徴とする超音波映像装置。
【請求項２】前記輪郭抽出手段は、前記それぞれの角度における２次元超音波映像を２進化して複数の領域に分類し、この分類された領域のうち一つの領域だけを選択してその領域の輪郭線を抽出する自動輪郭抽出部と、前記抽出された輪郭線上で一定間隔に頂点を選択する頂点定義部と、前記定義された頂点の位置が元の対象体の輪郭と一致するように微細調整する頂点位置微細調整部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波映像装置。
【請求項３】前記自動輪郭抽出部は、分類された複数の領域のうち最大の領域を選択することを特徴とする請求項２に記載の超音波映像装置。
【請求項４】前記自動輪郭抽出部は、２進化した映像に含まれたノイズ成分を除去するために形態論的なフィルタリングを行うことを特徴とする請求項２に記載の超音波映像装置。
【請求項５】前記データ回転部は、決まった角度で前記ボリュームデータを回転させるための回転角を出力する回転角制御部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波映像装置。
【請求項６】前記３次元画像生成部は、前記鉄線フレームにコンピュータグラフィックの明暗法を適用して３次元画像を生成することを特徴とする請求項１に記載の超音波映像装置。
【請求項７】前記３次元画像生成部は、前記鉄線フレームにコンピュータグラフィックのテクスチャマッピング法を適用して３次元画像を生成することを特徴とする請求項１に記載の超音波映像装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、目的とする対象体を背景から分離して３次元画像で表示する超音波映像装置に関し、特に、対象体の輪郭を自動的に抽出し、この抽出された輪郭を手動で微細調整して迅速かつ正確にその形態を３次元画像化できる超音波映像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、超音波映像装置は、超音波信号を検査しようとする対象体に発射し、その結果対象体の不連続面から反射され戻って来る超音波信号を受信し、その後、この受信された超音波信号を電気的信号に変換して所定の画像表示装置に出力することで、対象体の内部状態を検査する。このような超音波映像装置は、医療診断用、非破壊検査及び水中探索等に幅広く使われている。そして、既存の超音波映像を利用して目的とする対象体の体積を測定する方法としては、次の２種の方法がある。
【０００３】第１に、全ての横断面上で目的とする対象体の輪郭をトレースした後、その横断面それぞれの表面積を計算し、厚みを考慮してその体積を計算する方法がある。図１０はこのような連続横断面上における体積を計算する一例を示す図面であり、例えば男性の前立腺の体積を求めるためのものである。まず、0.5cm間隔に撮影された超音波断層像に基づき前立腺横断面上に描出されている全ての断面の前立腺の表面積を計測する。そして、上記の間隔0.5cmを厚みとしてかけて計算すれば、前立腺の体積が求められる。このような方法は、次の数１で表される。
【数１】
ここで、Vは前立腺の体積を、S1〜S5は各横断面上の前立腺の表面積を表す。表面積S1〜S5は、観察者がマウスなどを利用して超音波映像が見られる画面上で手動で前立腺の輪郭線をトレースし、この輪郭線に基づき面積を計算した値である。
【０００４】第２に、既存の超音波映像を用いた人体の特定臓器の体積を測定するために、最大横断面についてのみ輪郭をトレースし、その面積を計算する方法がある。そして、臓器の形態を例えば楕円と仮定した後、長軸を中心として最大横断面を回転させた場合の体積を決まった公式で計算する。この方法は、１断面回転楕円体近似法とも呼ばれるもので、最大横断面上の面積をSとし、長軸をXとして、長軸Xを回転軸にして面積Sの楕円を回転させた時の回転楕円体の体積Vを求める方法である。その計算式は、次の数２に示される。
【数２】
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した第１の方法は、非常に正確な体積が得られるが、全ての横断面において輪郭を手動でトレースしなければならないため、長時間を必要とする。また、第２の方法は、１回の手動トレースだけ行えば後は決まった公式で体積が計算されるため、迅速な処理が可能な反面、その正確度が非常に低い。また、前述した２種の体積測定方法は、目的とする対象体を背景と分離して別途に映像化できなかった。したがって、目的とする対象体に３次元形態と、その対象体を任意の角度で切断した２次元切断面の形態とが含まれていると仮定した場合、２次元切断面の形態などを観察者に表示できないという問題があった。
【０００６】前述した問題点を解決するための本発明の目的は、２次元超音波映像から得たボリュームデータを利用して、目的とする対象体を背景から迅速に分離して３次元画像化する超音波映像装置を提供するところにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明による超音波映像装置は、目的とする対象体を背景から分離して３次元画像で表示する超音波映像装置において、対象体の走査により得られる２次元超音波映像を組み合わせてボリュームデータを生成するボリュームデータ獲得部と、前記ボリュームデータを回転させるための回転軸を設定し、該回転軸と対象体とが交差する点を基準点に設定する基準点及び回転軸設定部と、前記回転軸を中心に予め設定された角度ずつ前記ボリュームデータを回転させるデータ回転部と、前記ボリュームデータを回転させて得たそれぞれの角度での２次元超音波映像に対する輪郭線を抽出し、該抽出された輪郭線上に頂点を設定して輪郭抽出する輪郭抽出手段と、前記設定された頂点から鉄線フレームを作成して３次元画像を生成する３次元画像生成部と、を含んで成るものである。
【０００８】また、前記輪郭抽出手段は、前記それぞれの角度における２次元超音波映像を２進化して複数の領域に分類し、この分類された領域のうち一つの領域だけを選択してその領域の輪郭線を抽出する自動輪郭抽出部と、前記抽出された輪郭線上で一定間隔に頂点を選択する頂点定義部と、前記定義された頂点の位置が元の対象体の輪郭と一致するように微細調整する頂点位置微細調整部と、を含んで成るものである。
【０００９】さらに、前記自動輪郭抽出部は、分類された複数の領域のうち最大の領域を選択するものである。
【００１０】さらにまた、前記自動輪郭抽出部は、２進化した映像に含まれたノイズ成分を除去するために形態論的なフィルタリングを行うものである。
【００１１】また、前記データ回転部は、決まった角度で前記ボリュームデータを回転させるための回転角を出力する回転角制御部をさらに含むものである。
【００１２】さらに、前記３次元画像生成部は、前記鉄線フレームにコンピュータグラフィックの明暗法を適用して３次元画像を生成するものである。
【００１３】さらにまた、前記３次元画像生成部は、前記鉄線フレームにコンピュータグラフィックのテクスチャマッピング法を適用して３次元画像を生成するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。図１は本発明による超音波映像装置の実施形態を示すブロック図である。この超音波映像装置は、目的とする対象体を背景から分離して３次元画像で表示するもので、ボリュームデータ獲得部２１と、基準点及び回転軸設定部２２と、データ回転部２３と、輪郭抽出手段３０と、３次元画像生成部２５とを含んで成る。
【００１５】上記ボリュームデータ獲得部２１は、対象体に対する超音波の連続的な走査により得られた２次元超音波映像を組み合わせてボリュームデータを求めるものである。基準点及び回転軸設定部２２は、上記ボリュームデータ獲得部２１で求めたボリュームデータを回転させるための回転軸を設定し、該回転軸と対象体とが交差する二つの点を基準点に設定するものである。データ回転部２３は、上記基準点及び回転軸設定部２２で設定された任意の回転軸を基準にして回転角制御部２４の制御下に予め決まった角度でボリュームデータを回転させるものであり、前記ボリュームデータを回転させるための回転角を出力する回転角制御部を含んでいる。
【００１６】また、輪郭抽出手段３０は、上記データ回転部２３で回転させた各平面での２次元超音波映像に対する輪郭線を抽出し、この抽出された輪郭線上でグラフィック処理に用いられる頂点を定義するもので、自動輪郭抽出部３１と、頂点定義部３２と、頂点位置微細調整部３３とを含んでいる。さらに、３次元画像生成部２５は、上記輪郭抽出手段３０で定義された頂点を利用して鉄線フレームを作成し、コンピュータグラフィック技法を利用して対象体の３次元画像を生成するものである。
【００１７】このように構成された超音波映像装置の動作について、図２〜図９を参照して説明する。まず、図１に示すボリュームデータ獲得部２１は、超音波の連続的な走査により得られた２次元超音波映像を取り込み、ボリュームデータを生成する。即ち、２次元超音波映像を集めて一つの体積を構成する。次に、基準点及び回転軸設定部２２は、上記ボリュームデータ獲得部２１で生成されたボリュームデータを３６０°回転させるための回転軸を設定し、この回転軸と対象体の境界とが交差する二つの点を基準点に設定する。この過程は図２に示した通りである。即ち、図２は目的とする対象体を背景から分離するための回転軸及び基準点を示す図面であって、垂直線（白い破線で示す）が回転軸であり、その垂直線上の二つの三角形（上記白い破線上で対向した黒三角形で示す）は基準点を表す。
【００１８】図１に示す回転角制御部２４は、決まった角度でボリュームデータを回転させる制御信号をデータ回転部２３に出力する。これに伴い、上記データ回転部２３は、ボリュームデータを決まった角度で回転しつつそれぞれの角度で２次元超音波映像を生成し出力する。次に、輪郭抽出手段３０の自動輪郭抽出部３１は、それぞれの角度における２次元超音波映像平面に対する映像を２進化し、対象体領域と背景領域に領域を分類する。そして、大きさが基準より小さい小領域を除去した後、単一領域の輪郭線を抽出する。
【００１９】このような自動輪郭抽出部３１の自動輪郭抽出過程は、図３〜図６に示されている。まず、自動輪郭抽出部３１は、データ回転部２３から入力された２次元超音波映像の概略的な位置及び大きさを示す観測ウィンドウを設定する（図３参照）。対象体のボリュームデータは回転させない一つ目のフレームに該当し、輪郭を抽出しようとする対象体はボリュームデータを回転軸を中心に回転させた時それぞれの角度で存在すると仮定する。そして、図２に示す二つの基準点を基準にして、図３に示すように、対象体の上下左右の長さを推定した四角形（外周部の白い直線で示す）を観測ウィンドウと定義して対象体の大きさを表示する。その後、決まった角度だけボリュームデータを回転させ求めた二つ目のフレームに対しては、前フレームで求めた対象体の輪郭情報にやや余裕を持って観測ウィンドウの大きさを調整する。このような過程は、ボリュームデータが完全に３６０°回転するまで繰り返す。図３に示された通り、観測ウィンドウは、実際の対象体の大きさよりはある程度大きく、対象体を全て含んでいる。
【００２０】それから、対象体を背景から分離するための２進化を適応的に行なう。即ち、前述した観測ウィンドウが対象体の概略的な大きさなので、入力される映像全体に適用せず、観測ウインドウ内でのみ２進化を適用する。図４は２進化した映像を示す図面である。このように２進化した映像は、多くのノイズ成分を持っている。従って、このようなノイズ成分を除去するために形態論的フィルター（morphological filter）を適用する。
【００２１】形態論的フィルターが適用された２進化映像は、ノイズ成分が多く除去されるが、依然として小領域が存在する。従って、正確な対象体の抽出のためにはこのような小領域を除去しなければならない。小領域を除去する方法において、２進化した映像で各領域の大きさを調べた後、決まった基準に従って対象体領域または背景領域に分類する。例えば、図４において、対象体の領域に分類されたが、大きさが基準より小さな領域は背景領域に、その反対の場合は背景領域を対象体領域に変換して小領域を除去する。図５は前述した小領域が除去された２進化映像を示す図面である。
【００２２】小領域が除去された２進化映像は、幾つかの大きい領域で構成される。そして、この小領域が除去された２進化映像は、再び形態論的なフィルターを適用して映像を単純化する。即ち、対象体に該当する領域のうち最大サイズの一つの領域だけを抽出し出力する。図６は後処理による映像を示す図面であって、最終的に抽出された領域の境界を対象体の輪郭と決定する。この時、領域の境界で急激な変化が多く存在する。このような急激な変化は実際には存在しない特性であるため、境界に沿って平滑フィルターを適用して上記急激な変化を除去する。
【００２３】こうして自動輪郭抽出部３１から対象体の２次元超音波映像の輪郭が抽出される。その後、頂点定義部３２は、対象体の輪郭線上で一定間隔で頂点を選択する。図７は任意の平面について自動抽出された輪郭（白い閉曲線で示す）と、その時の頂点（白い閉曲線上の白丸で示す）とを示す図面である。このように自動的に抽出された対象体の輪郭及び頂点が完全に元の対象体の輪郭と一致しない場合がある。従って、頂点位置微細調整部３３は、元の対象体の輪郭と一致させるために、上記自動抽出された頂点の位置を手動で微細調整する。
【００２４】その後、３次元画像生成部２５は、上記抽出された頂点を利用して、図８に示すように、３次元の鉄線フレーム（白線の網目状のもので示す）を作成する。そして、この鉄線フレームにコンピュータグラフィックの明暗法（shading）またはテクスチャマッピング法を適用して、図９に示すように、３次元画像を生成する。
【００２５】本発明は、前述した通り回転軸を定義し、この回転軸を基準にして３次元ボリュームデータを回転しつつ目的とする対象体の輪郭を獲得して、対象体を背景から分離する。この時、輪郭を得る方法で自動的に輪郭を抽出し、この抽出された輪郭を手動で微細修正して最終輪郭情報を得る。なお、実行時に長時間かかるが、自動的に輪郭を抽出せずに手動で決まった数字の頂点の位置だけを調整することによって対象体の輪郭を形成でき、この情報のみで３次元画像を合成し出力する方法も可能である【００２６】
【発明の効果】本発明は以上のように構成されたので、対象体の輪郭を自動的に抽出し、この抽出された輪郭を手動で微細調整して迅速かつ正確にその形態を３次元画像化することができる。このように抽出された情報に基づき対象体を３次元的に画像化することで、手術のような物理的な処理なしで対象体の形態を観察できる。そして、対象体を任意の角度で切断した場合の２次元切断面の形態を直ちにモニター上に表示することができる。また、３次元対象体の形態情報を有するので、診断に必要な対象体の体積を別の付加計算なしで得られるという効果を奏する。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９５０５２０９１
【氏名又は名称】メディソン カンパニー リミテッド
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| 【出願日】 |
平成１２年９月８日（２０００．９．８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７８３３０
【弁理士】
【氏名又は名称】笹島 富二雄 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１３７２４１（Ｐ２００１−１３７２４１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月２２日（２００１．５．２２） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−２７３２５３（Ｐ２０００−２７３２５３） |
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