JP2010036041A - 弾性情報のカラーマップを形成する超音波システム及びカラーマップ形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正規化されたストレインをクラスタリングしてカラーマップを形成する超音波システム及びカラーマップ形成方法を提供する。
【解決手段】超音波システムは、対象体にストレスが加えられる前に第１の受信信号を形成し、対象体にストレスが加えられた後第２の受信信号を形成するように動作する送受信部と、第１の受信信号を用いて第１の超音波データを、第２の受信信号を用いて第２の超音波データを形成するように動作する超音波データ形成部と、ユーザから対象体をグループ化する領域の個数を示すクラスタリング数情報の入力を受けるように動作するユーザ入力部と、第１及び第２の超音波データを用いて複数のストレインを算出後ヒストグラムを形成し、クラスタリング数情報を用いてヒストグラムをクラスタリングして複数の領域にグループ化し、複数の領域に応じてカラーをマッピングさせたカラーマップを形成するように動作するプロセッサとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波システムに関し、特に弾性（ストレイン）情報をクラスタリングしてカラーマップを形成する超音波システム及びカラーマップ形成方法に関する。

超音波システムは、無侵襲及び非破壊特性を有しており、対象体内部の情報を得るために医療分野で広く用いられている。超音波システムは、人体を直接切開して観察する外科手術の必要がなく、対象体内部の高解像度の映像を医師に提供できるので、医療分野で非常に重要なものとして用いられている。

超音波システムは、対象体から反射される超音波信号（即ち、超音波エコー信号）の反射係数を２次元映像で示すＢモード（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｍｏｄｅ）映像を提供している。Ｂモード映像は超音波信号の反射係数を画面上で点の明るさで表示する。しかし、腫瘍または癌組織のような非正常組織の中には正常組織と比較して反射係数の差がほとんど無い場合があり、Ｂモード映像で非正常組織を観測するのに困難がある。

このように、反射係数の差がない組織を識別する方法として、外部から力、即ちストレス（ｓｔｒｅｓｓ）を加え、ストレスを加えない時との間に生じる媒質の機械的な反応差を用いて対象体の病巣を分析する弾性映像法がある。

弾性映像法は、Ｂモード映像で診断できない組織の機械的な性質を映像化するので、病巣の診断に大いに役に立つ。弾性映像法は、組織の弾性が病理学的現象と関連があることを利用する方法である。例えば、腫瘍や癌組織は、周囲の軟組織に比べて組織が硬いので、外部から同じ力を与えた時、周囲組織より変形程度が小さい。

このように弾性映像法は、外部から同一の力を加えて組織を変形させる場合、癌のように硬い組織は変形される程度が小さく、軟らかい組織は容易にその形状が変わるという現象を用いて組織の病巣を確認する映像技法である。

一方、超音波システムは、弾性映像法により弾性映像を提供すると共に、組織を区分して、各区分におけるストレインの度合いを擬似カラーで示すカラーマップを提供している。

従来は、弾性映像を形成しようとする観測部位を考慮しないで、予め設定された色でカラーマップを行っていた。特に、骨、脂肪層、軟部組織及び癌組織からなる対象体の観測部位に対しては、軟らかい組織（脂肪層及び軟部組織）を赤色でマッピングさせ、硬い組織（骨及び癌組織）を黒い色でマッピングさせるなどして、癌組織と軟部組織からなる対象体の観測部位に対して複数の色でカラーマップを行っていた。しかしこの方法では、カラーマップを用いて組織間の境界及び位置を正確に区分するのが困難であった。

特開２００６−１１０３６０号公報

本発明は観測部位によって、正規化されたストレイン情報をクラスタリングし、カラーマップを形成する超音波システム及びカラーマップ形成方法を提供する。

前記の課題を解決するために、本発明による超音波システムは、対象体にストレス（ｓｔｒｅｓｓ）が加えられる前に超音波信号を対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して第１の受信信号を形成し、前記対象体に前記ストレスを加えた後、超音波信号を前記対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して第２の受信信号を形成するように動作する送受信部を備える。そして更に、前記第１の受信信号を用いて第１の超音波データを形成し、前記第２の受信信号を用いて第２の超音波データを形成するように動作する超音波データ形成部と、ユーザから前記対象体をクラスタリングしてグループ化する領域の個数を示すクラスタリング数情報の入力を受けるように動作するユーザ入力部と、前記第１及び第２の超音波データを用いて複数のストレインを算出し、前記複数のストレインを用いてヒストグラムを形成し、前記クラスタリング数情報を用いて前記ヒストグラムをクラスタリングして前記ヒストグラムを複数の領域にグループ化し、前記複数の領域に応じてカラーをマッピングさせたカラーマップを形成するように動作するプロセッサとを備える。

また、本発明によるカラーマップ形成方法は、ａ）対象体にストレスが加えられる前に超音波信号を対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して第１の受信信号を形成する段階と、ｂ）前記第１の受信信号を用いて第１の超音波データを形成する段階と、ｃ）前記対象体に前記ストレスが加えられた後に超音波信号を前記対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して第２の受信信号を形成する段階と、ｄ）前記第２の受信信号を用いて第２の超音波データを形成する段階と、ｅ）前記第１及び第２の超音波データを用いて複数のストレインを算出する段階と、ｆ）ユーザから前記対象体をクラスタリングしてグループ化する領域の個数を示すクラスタリング数情報の入力を受ける段階と、ｇ）前記複数のストレインを正規化してヒストグラムを形成する段階と、ｈ）前記クラスタリング数情報を用いて前記ヒストグラムをクラスタリングし、前記ヒストグラムを複数の領域にグループ化する段階と、ｉ）前記複数の領域に応じてカラーをマッピングさせたカラーマップを形成する段階とを備える。

本発明によれば、観測部位によって組織を複数の領域に分けて各領域に該当するカラーをマッピングさせたカラーマップを提供することができ、観測しようとする組織の境界及び位置をより正確に区分することができる。

本発明の実施例による超音波システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例によるプロセッサの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例によるヒストグラムを示す例示図である。 本発明の実施例による複数のしきい値、複数の領域及びカラーマップを示す例示図である。 本発明の実施例による複数のしきい値、複数の領域及びカラーマップを示す例示図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の実施例による超音波システム１００の構成を示すブロック図である。ユーザ入力部１１０は、コントロールパネル（ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｎｅｌ）、マウス（ｍｏｕｓｅ）、キーボード（ｋｅｙｂｏａｒｄ）などで具現され、ユーザから対象体にストレス（ｓｔｒｅｓｓ）が加えられ始める時のストレス印加開始の入力を受ける。ここで、対象体とは、対象体内の反射体、反射体周辺の媒質などを全て含んでいる。

一方、ユーザ入力部１１０は、ユーザからクラスタリング（ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ）数情報の入力を受ける。クラスタリング数は、対象体をクラスタリングしてグループ化する領域個数を示す。一例として、対象体を脂肪、軟部組織、筋肉及び骨でグループ化する場合、クラスタリング数は４である。

送受信部１２０は、対象体にストレスが加えられる前及び後に超音波信号を対象体に送信し、対象体から反射される超音波信号（即ち、超音波エコー信号）を受信して受信信号を形成する。本実施例で送受信部１２０は、送信信号形成部１２１、超音波プローブ１２２及びビームフォーマ１２３を備える。

送信信号形成部１２１は、対象体にストレスが加えられる前に送信信号（以下、第１の送信信号という）を形成し、対象体にストレスが加えられた後に送信信号（以下、第２の送信信号という）を形成する。第１及び第２の送信信号はＢモード（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｍｏｄｅ）映像を形成するための送信信号であり、互いに同一であるかまたは相違することもある。

超音波プローブ１２２は、対象体にストレスが加えられる前に送信信号形成部１２１から第１の送信信号が提供されれば、第１の送信信号を超音波信号に変換し、対象体に超音波信号を送信して対象体から反射される超音波エコー信号を受信して第１の受信信号を形成する。

また、超音波プローブ１２２は対象体にストレスが加えられた後に送信信号形成部１２１から第２の送信信号が提供されれば、第２の送信信号を超音波信号に変換し、対象体に超音波信号を送信して対象体から反射される超音波エコー信号を受信して第２の受信信号を形成する。超音波プローブ１２２は超音波信号と電気信号を相互変換するように動作する少なくとも一つの変換素子（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）（図示せず）を備える。

ビームフォーマ（ｂｅａｍ ｆｏｒｍｅｒ）１２３は、超音波プローブ１２２から提供される第１の受信信号をアナログ／デジタル変換して第１のデジタル信号を形成する。ビームフォーマ（ｂｅａｍ ｆｏｒｍｅｒ）１２３は、第１のデジタル信号を超音波プローブ１２２の各変換素子の位置及び集束点を考慮して時間遅延させ、時間の遅れたデジタル信号を合算して第１のデジタル受信信号を形成する。

ビームフォーマ（ｂｅａｍ ｆｏｒｍｅｒ）１２３は、超音波プローブ１２２から提供される第２の受信信号をアナログ／デジタル変換して第２のデジタル信号を形成する。ビームフォーマ（ｂｅａｍ ｆｏｒｍｅｒ）１２３は、第２のデジタル信号を超音波プローブ１２２の各変換素子の位置及び集束点を考慮して時間遅延させ、時間の遅れたデジタル信号を合算して第２のデジタル受信信号を形成する。

超音波データ形成部１３０は、ＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などで具現され、送受信部１２０からのデジタル受信信号を用いて超音波データを形成する。本実施例で超音波データ形成部１３０は、第１のデジタル受信信号を用いて第１のフレーム（画像）の超音波データ（以下、第１の超音波データという）を形成し、第２のデジタル受信信号を用いて第２のフレーム（画像）の超音波データ（以下、第２の超音波データという）を形成する。

一方、超音波データ形成部１３０は送受信部１２０からのデジタル受信信号に対してゲイン（ｇａｉｎ）調節、ＴＧＣ（ｔｉｍｅ ｇａｉｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）調節などのような多様な信号処理を行うことができる。

プロセッサ１４０は、第１及び第２の超音波データを用いてストレイン（ｓｔｒａｉｎ）を算出し、算出されたストレインを用いてカラーマップ及び弾性映像を形成する。

図２は本発明の実施例によるプロセッサ１４０の構成を示すブロック図である。

変位算出部１４１は、第１の超音波データ及び第２の超音波データを用いて第１のフレームと第２のフレームとの間でピクセル別またはブロック単位（例えば、４×４，８×８等）の変位を算出する。変位は、交差相関（ｃｒｏｓｓ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）または自己相関（ａｕｔｏ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）を用いて算出できる。

ストレイン算出部１４２は、変位算出部１４１で算出された変位を用いてピクセル別またはブロック単位の変位による局部変位（ｌｏｃａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）、即ちストレインを算出する。ストレイン算出方法は本発明の属する技術分野で公知の方法であるので詳細は説明しない。

ストレイン正規化部１４３は、ストレイン算出部１４２で算出された複数のストレインを正規化する。本発明の一実施例によって、ストレイン正規化部１４３は、複数のストレインを比較して最小値及び最大値それぞれのストレインを検出し、検出された最小値及び最大値のストレインを基準に複数のストレインを０〜２５５（階調）にマッピングさせる。この時、最小値のストレインは０にマッピングされ、最大値のストレインは２５５にマッピングされる。

本発明の他の実施例によって、ストレイン正規化部１４３は、複数のストレインを用いて平均値及び標準偏差値を算出し、平均値から標準偏差値の２倍を引いた値（即ち、平均値−２×標準偏差値）を最小値として設定し、平均値に標準偏差値の２倍を加えた値（即ち、平均値＋２×標準偏差値）を最大値として設定し、設定された最小値及び最大値を基準に複数のストレインを０〜２５５にマッピングさせる。

ヒストグラム形成部１４４は、ストレイン正規化部１４３により正規化されたストレインを用いて図３に示した通り、正規化されたストレインの頻度数（ピクセル数またはブロック数）をグラフで示すヒストグラム（ｈｉｓｔｏｇｒａｍ）を形成する。

クラスタリング部１４５は、ヒストグラム形成部１４４で形成されたヒストグラムをクラスタリングし、ヒストグラムに複数の領域を設定する。本発明の一実施例によって、クラスタリング部１４５は、ユーザ入力部１１０からのクラスタリング数情報を用いて図４に示した通り、ヒストグラムにＯＴＳＵアルゴリズム（Ｏｔｓｕ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を適用してヒストグラムを２つの領域に分けるためのしきい値を設定し、設定されたしきい値によってヒストグラムを２つの領域（第１及び第２の領域）にグループ化する。

本発明の他の実施例によって、クラスタリング部１４５は、ユーザ入力部１１０からのクラスタリング数情報を用いてヒストグラムを複数の領域に分けるための複数のしきい値を設定し、設定されたしきい値によってヒストグラムを複数の領域にグループ化する。一例として、クラスタリング部１４５は、ユーザ入力部１１０からのクラスタリング数情報（即ち、「４」）を用いてヒストグラムにＯＴＳＵアルゴリズムを２回適用してヒストグラムを４つの領域に分けるための３つのしきい値を設定し、設定された３つのしきい値によってヒストグラムを４つの領域にグループ化する。

他の例として、クラスタリング部１４５は、ユーザ入力部１１０からのクラスタリング数情報（即ち、「４」）を用いて図５に示した通り、ヒストグラムにｋ−平均クラスタリングアルゴリズム（ｋ−ｍｅａｎｓ ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を適用してヒストグラムを４つの領域に分けるための３つのしきい値（第１〜３のしきい値）を設定し、設定されたしきい値によってヒストグラムを４つの領域（第１〜４の領域）にグループ化する。

前述した実施例では、クラスタリングアルゴリズムとしてＯＴＳＵアルゴリズム及びｋ−平均クラスタリングアルゴリズムを説明したが、これに限定されず、クラスタリングを行うことができるアルゴリズムであればいかなるアルゴリズムを用いても問題ない。

カラーマップ形成部１４６は、クラスタリング部１４５でグループ化された複数の領域を用いてカラーマップを形成する。本発明の一実施例によって、カラーマップ形成部１４６は、図４に示した通り、しきい値を基準に第１の領域と第２の領域に相違したカラーをマッピングさせたカラーマップ２１０を形成する。本発明の他の実施例によって、カラーマップ形成部１４６は、図５に示した通り、第１〜３のしきい値を基準に第１〜４の領域に相違したカラーをマッピングさせたカラーマップ２２０を形成する。

前述した実施例では、複数の領域それぞれに相違したカラーをマッピングさせたカラーマップを形成するものと説明したが、これだけに限定されない。他の実施例では複数の領域に同一のカラーをマッピングさせ、各領域によって当該カラーの異なる輝度（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）をマッピングさせたカラーマップを形成することもできる。他の実施例ではしきい値の部分を最も濃い色でマッピングさせ、周辺を次第に薄い色でマッピングさせたカラーマップを形成することもできる。

弾性映像形成部１４７は、弾性映像を形成する。本発明の一実施例によって、弾性映像形成部１４７は、ストレイン算出部１４２で算出されたストレインを用いて弾性映像を形成する。本発明の他の実施例によって、弾性映像形成部１４７はクラスタリング部１４５でグループ化された各領域のストレインを用いて弾性映像を形成する。

再び図１を参照すれば、ディスプレイ部１５０はプロセッサ１４０で形成されたカラーマップをディスプレイする。また、ディスプレイ部１５０はプロセッサ１４０で形成された弾性映像をディスプレイする。

制御部１６０は、超音波信号の送受信を制御する。また、制御部１６０はカラーマップ及び弾性映像の形成及びディスプレイを制御する。一方、制御部１６０は超音波システム１００を構成する各構成要素の動作を制御する。

本発明が望ましい実施例によって説明され例示されたが、当業者であれば添付した特許請求の範囲の事項及び範疇を逸脱せず、様々な変形及び変更がなされることが分かる。

１１０：ユーザ入力部
１２０：送受信部
１２１：送信信号形成部
１２２：超音波プローブ
１２３：ビームフォーマ
１３０：超音波データ形成部
１４０：プロセッサ
１４１：変位算出部
１４２：ストレイン算出部
１４３：ストレイン正規化部
１４４：ヒストグラム形成部
１４５：クラスタリング部
１４６：カラーマップ形成部
１４７：弾性映像形成部
１５０：ディスプレイ部
１６０：制御部

Claims (14)

1. 超音波システムであって、
   対象体にストレス（ｓｔｒｅｓｓ）が加えられる前に超音波信号を対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して第１の受信信号を形成し、前記対象体に前記ストレスが加えられた後、超音波信号を前記対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して第２の受信信号を形成するように動作する送受信部と、
   前記第１の受信信号を用いて第１の超音波データを形成し、前記第２の受信信号を用いて第２の超音波データを形成するように動作する超音波データ形成部と、
   ユーザから前記対象体をクラスタリングしてグループ化する領域の個数を示すクラスタリング数情報の入力を受けるように動作するユーザ入力部と、
   前記第１及び第２の超音波データを用いて複数のストレインを算出し、前記複数のストレインを用いてヒストグラムを形成し、前記クラスタリング数情報を用いて前記ヒストグラムをクラスタリングして前記ヒストグラムを複数の領域にグループ化し、前記複数の領域に応じてカラーをマッピングさせたカラーマップを形成するように動作するプロセッサとを備えることを特徴とする超音波システム。
2. 前記プロセッサは、
   前記第１の超音波データ及び前記第２の超音波データを用いて複数の変位を算出するように動作する変位算出部と、
   前記複数の変位を用いて前記複数のストレインを算出するように動作するストレイン算出部と、
   前記複数のストレインを正規化するように動作するストレイン正規化部と、
   前記正規化されたストレインを用いて前記ヒストグラムを形成するように動作するヒストグラム形成部と、
   前記クラスタリング数情報を用いて前記ヒストグラムをクラスタリング（ｃｌｕｓｔｅｒ）し、前記ヒストグラムに前記複数の領域を設定するように動作するクラスタリング部と、
   前記複数の領域に応じて前記カラーをマッピングさせた前記カラーマップを形成するように動作するカラーマップ形成部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波システム。
3. 前記ストレイン正規化部は、前記複数のストレインを比較して最小値及び最大値それぞれのストレインを検出し、前記最小値のストレイン及び前記最大値のストレインを基準に前記複数のストレインを０〜２５５にマッピングさせるように動作することを特徴とする請求項２に記載の超音波システム。
4. 前記ストレイン正規化部は、前記複数のストレインを用いてその平均値及び標準偏差値を算出し、
   （式１）
   最小値＝平均値−２×標準偏差値
   最大値＝平均値＋２×標準偏差値
   前記式１によって最小値及び最大値を算出し、前記算出された最小値及び最大値を基準に前記複数のストレインを０〜２５５にマッピングさせるように動作することを特徴とする請求項２に記載の超音波システム。
5. 前記クラスタリング部は、前記クラスタリング数情報を用いて前記ヒストグラムをクラスタリングし、前記ヒストグラムを前記複数の領域に分けるための複数のしきい値を設定し、前記しきい値によって前記ヒストグラムを前記複数の領域にグループ化するように動作することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の超音波システム。
6. 前記カラーマップ形成部は、前記複数の領域それぞれに相違するカラーをマッピングさせた前記カラーマップを形成するように動作することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の超音波システム。
7. 前記カラーマップ形成部は、前記複数の領域に同一のカラーをマッピングさせ、各領域に応じて前記カラーの異なる輝度をマッピングさせた前記カラーマップを形成するように動作することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の超音波システム。
8. カラーマップ形成方法であって、
   ａ）対象体にストレスが加えられる前に超音波信号を対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して第１の受信信号を形成する段階と、
   ｂ）前記第１の受信信号を用いて第１の超音波データを形成する段階と、
   ｃ）前記対象体に前記ストレスが加えられた後に超音波信号を前記対象体に送信し、前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信して第２の受信信号を形成する段階と、
   ｄ）前記第２の受信信号を用いて第２の超音波データを形成する段階と、
   ｅ）前記第１及び第２の超音波データを用いて複数のストレインを算出する段階と、
   ｆ）ユーザから前記対象体をクラスタリングしてグループ化する領域の個数を示すクラスタリング数情報の入力を受ける段階と、
   ｇ）前記複数のストレインを正規化してヒストグラムを形成する段階と、
   ｈ）前記クラスタリング数情報を用いて前記ヒストグラムをクラスタリングし、前記ヒストグラムを複数の領域にグループ化する段階と、
   ｉ）前記複数の領域に応じてカラーをマッピングさせたカラーマップを形成する段階とを備えることを特徴とする前記カラーマップ形成方法。
9. 前記段階ｅ）は、
   前記第１の超音波データ及び前記第２の超音波データを用いて複数の変位を算出する段階と、
   前記複数の変位を用いて前記複数のストレインを算出する段階とを備えることを特徴とする請求項８に記載のカラーマップ形成方法。
10. 前記段階ｇ）は、
    前記複数のストレインを比較して最小値及び最大値それぞれのストレインを検出する段階と、
    前記最小値のストレイン及び前記最大値のストレインを基準に前記複数のストレインを０〜２５５にマッピングさせて正規化する段階と、
    前記正規化されたストレインを用いて前記ヒストグラムを形成する段階とを備えることを特徴とする請求項８または９に記載のカラーマップ形成方法。
11. 前記段階ｇ）は、
    前記複数のストレインを用いて平均値及び標準偏差値を算出する段階と、
    （式２）
    最小値＝平均値−２×標準偏差値
    最大値＝平均値＋２×標準偏差値
    前記式２によって最小値及び最大値を算出する段階と、
    前記算出された最小値及び最大値を基準に前記複数のストレインを０〜２５５にマッピングさせて正規化する段階と、
    前記正規化されたストレインを用いて前記ヒストグラムを形成する段階とを備えることを特徴とする請求項８または９に記載のカラーマップ形成方法。
12. 前記段階ｈ）は、
    前記クラスタリング数情報を用いて前記ヒストグラムをクラスタリングし、前記ヒストグラムを前記複数の領域に分けるための複数のしきい値を設定する段階と、
    前記しきい値によって前記ヒストグラムを前記複数の領域にグループ化する段階とを備えることを特徴とする請求項８ないし１１のいずれかに記載のカラーマップ形成方法。
13. 前記段階ｉ）は、前記複数の領域それぞれに相違したカラーをマッピングさせた前記カラーマップを形成する段階を備えることを特徴とする請求項８ないし１２のいずれかに記載のカラーマップ形成方法。
14. 前記段階ｉ）は、前記複数の領域に同一のカラーをマッピングさせ、各領域に応じて前記カラーの異なる輝度をマッピングさせた前記カラーマップを形成する段階を備えることを特徴とする請求項８ないし１２のいずれかに記載のカラーマップ形成方法。

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