WO2007119609A1 - 塞栓子観測方法および装置ならびにこれらを用いた超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

心房を流れる塞栓子の量を定量的に評価するとともに、流れの様子を観測できるようする。 超音波反射信号の振幅特性に着目し、特性塞栓子抽出部９において塞栓子信号データを抽出するとともに、輪郭線抽出部１０において高速に観測対象部位を切り出すことにより、高速かつ高精度に塞栓子の流量を時系列で評価する。抽出した塞栓子の情報を色付けして表示部に提示することや、塞栓子の流れ解析を行うこともできる。

Description

明 細 書

塞栓子観測方法および装置ならびにこれらを用いた超音波診断装置 技術分野

[0001] 本発明は超音波診断装置に関し、特に、塞栓子に関わる情報を観測し、流量および 流れ等についての評価指標を提供し、画像化可能な装置に関するものである。 背景技術

[0002] 生体の血管に発生した血栓は、血流を阻害し血管を閉塞して血栓症を起こし、死に 至らせる場合がある。そこで、血管内の血栓を検出し病的現象の発症を抑制するた め、超音波装置を用いて血管中の血栓部を観察して、診断、治療が行われる。この ため、塞栓子に関わる情報を観測するため、次のような方法、装置が提案されている

[0003] 脳内の血管を流れる血流からのエコー信号に基づいてパワースペクトラムを表示す ると、高輝度部分、一般に HITS (High Intensity TransientSignal)と称される。臨床上 、 HITSの発生頻度が多い人ほど脳梗塞を起こしやすいという相関関係が知られて いるので、 HITSの頻度を観測することにより、 HITSの発生回数を画像処理等で力 ゥントする。 （特許文献 1)

[0004] または、超音波を体内に放射し、その超音波反射信号を受信して体内の状態を表す Bモード画像を生成する超音波装置と、前記超音波反射信号に基づき血管内壁の 検出と血液の単位面積当たりの平均超音波反射強度を算出する演算部と、 Bモード 画像及び前記平均超音波反射強度を表示する表示部を備え、表在血管中の血球 凝集度の評価情報を得る装置が提案されてレ、る。 （特許文献 2)

[0005] あるいは、超音波振動子を血管の付近に配置し、そこで超音波を送波し、エコー信 号を受波する。血栓が血管内を通過すると、エコー信号は、血管の内壁部の位置で 反射する波形（正常な波形）に加えてその波形のほぼ中間付近（血栓の通過位置） に血栓の形状に応じた反射波形として観察される。検出手段はこの血栓の形状に応 じた反射波形を検出する。警報手段は、検出手段によって血栓の通過が検出された 場合、又は検出された回数が所定値以上になった場合にそのことを音声発音や画 像表示などを用いて警報する血栓検出装置及び血栓治療装置が提案されている。 （ 特許文献 3)

[0006] 特許文献 1 :特開 2001— 137242号公報

特許文献 2 :特開 2005— 110724号公報

特許文献 3 :特開 2003— 325516号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] しかし、従来、特に血栓を含む塞栓子に関わる情報を観測し、画像化可能な装置は 、剥離した多量の血栓および脂質などを含む塞栓子が心臓を通過して肺ないしは脳 へ達することで梗塞を引き起こすに至るまでの塞栓子の絶対量および流れを把握す ることを実現できていない。従って、高い治療効果の期待できる抗凝固剤の投与量が 、定量的に判断するのが困難である。このため、血栓量の評価システムが望まれてい る。しかし、従来の方法、装置で、前記問題を解決するには、以下のような課題があり 、その解決が切望されている。

(1)高精度な血栓量の評価

(2)血栓量の客観的評価

(3)高速処理が可能で、かつハードウェアに依存せず、利用しやすいシステム 本発明は、力かる事情に鑑みなされたものであって、これらの課題を解決する塞栓子 に関わる情報を観測し、流量および流れに等ついての評価指標を提供し、画像化可 能な方法、装置および超音波診断装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0008] 上記課題を解決するために、本発明者らは、鋭意研究を続けており、先端的な研究 成果を発表している。 （参考文献参照）そして、以下に着目して、本発明を創出する に至った。

(着目点）

超音波探触子からの超音波パルス信号を生体内に放射し、その反射波を受信して 受信回路出力信号 (Radio Frequency (RF)信号と呼ばれる）に変換し、該受信回路 出力信号から Bモード画像データを生成して、該 Bモード像の画像データから塞栓子 データを抽出する塞栓子診断方法において、例えば、経食道エコーに対して、振幅 分布特性を用いて、特異な信号成分のみを統計的に抽出する FSET (Fiber

Structure Extraction Technique)処理を行って、塞栓子抽出処理を行い、その FSET 処理を行った経食道エコー動画像に対して、オプティカルフローを適用した。さらに は、 BET法を用いて心内膜輪郭線抽出処理を行レ、、抽出処理結果より作成される心 内膜の移動を模したベクトル式と、心電図から得られる心拍の情報を同期させること で、梗塞かつ高精度に心臓の内腔の容積を算出した。以上から、塞栓子容積比を高 速に算出することが可能となり、その時系列化が可能となった。

[0009] (参考文献）

(1)信学技報 2005年 3月，US2004_103(2005-03)

(2) Japanese Journal or Applied Physics, Vol44, No. DB,

4615-4621(2005-06)

[0010] 上記に着目した本発明は、超音波を生体内に照射し、その超音波反射信号 (エコー 信号)を受信して RF信号を得、 RF信号を輝度変調し Bモード画像を生成し保存する ユニット、 RF信号または Bモード画像から血栓の流れる心房の内腔を切り出す心内膜 輪郭線抽出処理ユニット、塞栓子抽出処理ユニット、オプティカルフローにより血栓の 流れを解析するユニット、処理対象及び処理結果の画像群を出力するモニタ、心臓 の拍動を計測し心電図情報を得るユニットから構成される。即ち、

本発明は、以下のように構成される。

請求項 1の発明は、超音波探触子からの超音波パルス信号を生体内に放射し、その 反射波を受信して受信回路出力信号に変換して画像を生成して、該画像から塞栓 子データを抽出する塞栓子観測方法において、前記塞栓子データを抽出する工程 、振幅分布特性を設けて、該画像データのレイリー分布に従う成分を抑圧して、非 レイリー成分のみを抽出することを特徴とする塞栓子観測方法である。

請求項 2の発明は、前記画像データに対して、メディアンフィルタ一により前処理後、 BET方法により、心内膜輪郭線を抽出することを特徴とする請求項 1記載の塞栓子 観測方法である。

請求項 3の発明は、前記心内膜輪郭線抽出処理において、 BET方法による処理結 果から心内膜の動きをベクトル化して、心電図から観測される心拍と同期させることで

、心内膜輪郭線抽出を行うことを特徴とする請求項 1または 2記載の塞栓子観測方法 である。

請求項 4の発明は前記抽出された塞栓子データにオプティカルフローを適用すること を特徴とする請求項 1ないし 3いずれか 1項に記載の塞栓子観測方法である。

請求項 5の発明は、超音波探触子を食道内に挿入して、食道内から心臓内へ超音 波を送波することを特徴とする請求項 1ないしは 4ずれ力、 1項に記載の塞栓子観測方 法である。

請求項 6の発明は、請求項 1ないしは 5いずれ力、 1項に記載の塞栓子観測方法を備 えた塞栓子観測装置である。

請求項 7の発明は、請求項 1ないしは 5いずれ力、 1項に記載の塞栓子観測方法を備 えた超音波診断装置である。

発明の効果

以上のように構成された本発明は、以下のように課題を解決する。

(1)高精度な血栓量の評価

Bモード画像に対し、 FSET処理を用いて塞栓子信号データの抽出を行レ、、同一の B モード画像に BET方法を適用し高精度に心内膜の輪郭を抽出し、両処理の結果を 重ね合わせることで、心腔内を流れる塞栓子の信号データのみを高精度に切り出す ことが可能となる。

(2)血栓量の客観的評価

抽出された塞栓子信号データは輝度分布が一定の変動に抑えられることから、時間 的な動きの変化を追跡可能な処理であるオプティカルフローを適用することが可能と なる。オプティカルフローにより、前記（1)の処理結果が流れを持つ成分であるか否 力、の客観的な判定を行レ、、塞栓子の時間的な動きを追跡することが可能となる。

(3)高速処理が可能で、かつハードウェアに依存せず、利用しやすいシステム 前記（1)で用いる BET方法は高精度に輪郭線を判定可能である反面、繰り返し処理 であるために長い処理時間を必要とする。そこで、心臓の伸縮運動が周期的であるこ とに着目し、 BET方法による高精度な輪郭線抽出と、簡易なベクトル演算とを組み合 わせることで、高精度かつ高速な輪郭線抽出を実現する。この際、心電図から得られ る心拍情報と同期を取ることで、より精度を向上させることが可能となる。前記（1)、 (2 )および（3)の処理は、反射信号の振幅特性に着目しているという特性上、既存の超 音波診断装置で得られる RF信号データおよび Bモード画像データに適用することも 可能であり、機種依存性がない。

発明を実施するための最良の形態

以下に、本発明の実施形態（以下、単に本発明という）を図面に基づいて説明する。 なお、この実施例に限定されるものではなレ、。ここで、図 1は本発明に係る塞栓子観 測装置の構成図、図 2は塞栓子信号データ抽出の処理手順を示すフローチャート、 図 3は心内膜輪郭線抽出方法の模式図、図 4は Bモード画像から心臓内を流れる塞 栓子の情報を抽出した処理結果の例、図 5はオプティカルフローにより塞栓子の流れ を解析し、図 4で示した処理結果が塞栓子を抽出していることを客観的に判定した結 果の例、図 6は高速に心内膜輪郭線を抽出する処理の流れを示したフローチャート、 図 7は図 1、図 3および図 4を組み合わせることで高速に得られる塞栓子流量の時系 列変化を観測した例である。本発明の方法および塞栓子観測装置は、図 1に示すよ うに超音波診断装置 1、血栓情報解析 ·計測部 2、電極 12と心電図モニタ 13を含む 心電図観測部 3を含む。超音波診断装置 1は、超音波送信部 4.超音波探触子 5、 超音波受信部 6による超音波反射信号より得られた RF信号から、輝度変調し Bモー ド画像を生成する画像生成部 7、該画像を記憶する保存部 8を含む。血栓情報解析' 計測部 2は、塞栓子抽出部 9、心内膜輪郭線抽出部 10を含み、望ましくは、塞栓子 の流れ解析部 11により、塞栓子の流れを解析して、表示部 15で表示する。さらに、 心内膜輪郭線抽出部 10と心電図観測部 3を、同期部 14で同期させて、より高速に 心内膜輪郭線を抽出することができる。なお、本発明は、経食道に限らず、体表から 取ったデータでも心房が写っていれば全く同じ処理を適用できるので、超音波診断 装置での通常の検査方法で実施できる。また、超音波診断装置は、パルスエコー法 ばかりでなぐ高速血流を計測するのに有効な連続波や、複数のパルスをあわせた バースト波、あるいは周波数変調をかけたチヤープ波などの診断装置にも使用できる [0013] 実施例 1

超音波診断装置 1により収集される Bモード画像に対し、 FSET処理を用いて塞栓子 信号データの抽出を行う。超音波診断装置で広範囲にわたり反射点が密に存在する 部位を観測すると、反射信号の干渉により Bモード画像上にはスペックルバターンと 呼ばれる斑紋上の模様が発生する。スペックルパターンを構成する信号データの振 幅確率密度分布はレイリー分布で近似できる。

[0014] FSET処理は、塞栓子抽出部 9において図 2に示すプロセスを経ることで、画像の各 画素がレイリー分布に近似される成分であるか否かの判定を行レ、、非レイリー成分の みを強調し抽出することが可能である (参考文献 (2))。図 2では、入力信号が受信部 6において観測される RF信号となっているが、すでに超音波診断装置 1の画像生成 部 7において Bモード画像に変換されている場合には、対数圧縮のプロセスは不要と なる。心臓の内腔においては、内壁および血液からの反射信号がスペックルパター ンを呈する要因となるため、 FSET処理を適用することで前記の反射信号とは独立し た成分である塞栓子からの反射信号のみが強調され、抽出されることになる。ここで、 最終的な抽出処理結果を得るためのしきい値は、一般的なしきい値処理のように画 像全体で一定の値を持つのとは異なり、レイリー分布の定義式を基準として Bモード 画像中の処理画素毎に動的に決定される値となる。

[0015] 比較例 1

塞栓子からの反射信号が周囲の血液成分に比較して高振幅であることから、一定の 輝度をしきい値として塞栓子を抽出する方法が考えられる。しかし、塞栓子が極めて 小さく反射信号が低振幅である場合や、多量の塞栓子が心腔内に流れ込むことで塞 栓子からの反射信号同士が干渉した場合には、しきい値処理での抽出は不可能とな る。

[0016] 比較例 2

ドプラ方法や受信信号のピーク検出の方法などにより塞栓子の情報を得る場合、複 数の塞栓子が多量に流れる場合の判定は極めて困難であり、かつ処理の複雑さゆ えに高速でのモニタリングを不得手とする。

[0017] (まとめ） FSET処理による塞栓子信号データの抽出は、複数の単純な処理の組み合わせで実 現されるため、高フレームレートでの処理が可能である。また、塞栓子からの反射信 号が弱い場合でも、周囲の血液からの反射信号との成分比較により、画像上に低輝 度で表示された塞栓子の情報を抽出可能である。さらに塞栓子同士の反射信号が 干渉しているような場合においても、干渉成分がスペックルパターンと同様にレイリー 分布を呈することから、容易に干渉部を排除し、所望の塞栓子信号データのみを抽 出することが可能であり、有効性が高い。

[0018] 実施例 2

超音波診断装置 1により収集される Bモード画像に対し、塞栓子の計量に必要な領 域である心臓の内腔を判定する。 Bモード画像は前記スペックルパターンの影響によ り、生体組織構造とは無関係の凹凸を画像的特徴として有しており、これが内腔の正 確な判定を妨げる要因となる。そこで、メディアンフィルターを施し心内膜の輪郭を平 滑化する。この際、フィルタサイズは超音波診断装置で用いる送受信周波数とデータ サンプリングの精度に合わせた大きさとすることが望ましぐ具体的には超音波診断 装置 1の有する分解能の倍程度とする。

[0019] 次に、図 3に示す BET方法により心内膜と心腔の輪郭線抽出を行う。 BET方法は脳の MRI画像における輪郭線抽出のために考案された手法であり、あらかじめ設定した複 数の制御点の位置を逐次的に外向きに拡張することで、高精度に輪郭を抽出するこ とが可能な処理である。ここで、各処理点の移動量を決定するパラメータについて、 心房の曲率、超音波診断装置 1の分解能を基準値として用いることで、超音波画像 の特性を反映した処理が実現できる（参考文献 (2))。図 4に示すように、塞栓子抽出 部 9における処理結果と、輪郭線抽出部 10における処理結果を重ね合わせることで 、心腔内を流れる塞栓子の信号データのみを切り出すことが可能となる。この結果に 色をつけて、元の Bモード画像に重ね合わせ、表示部 15に出力することも可能である

[0020] 比較例 3

心内膜輪郭線の抽出方法としては、 Snakesなどに代表される動的輪郭抽出法や、 B モード画像を 2値化することで単純化する方法などがある。しかし、両者ともに超音波 診断装置の特性を考慮に入れることが困難な処理であり、抽出結果に妥当性を求め ることができない。

[0021] (まとめ）

Bモード画像において、メディアンフィルターを前処理とし、 BET方法を用いて心内膜 の輪郭線を抽出する方法は、超音波診断装置の描画特性を反映して、高精度な処 理結果が得られる手法であるとレ、える。

実施例 3

[0022] 塞栓子抽出部 9および輪郭線抽出部 10における処理結果に対し、流れ解析部 11に おいてオプティカルフローを用いて塞栓子の流れの解析を行う。一般に、画像データ にオプティカルフローを適用する前提条件として、比較する画像間で追跡対照の輝 度が急激に変化してはいけないことがある。通常の超音波 Bモード画像では運動する 物体においては輝度レベルの変動が激しいため、動きの追跡が不可能となることが 懸念される。しかし、 FSET処理により得られる信号は、信号振幅特性が近似した信号 であれば同レベルの輝度情報に置き換えられる性質を有するため、同一の塞栓子で あれば異なる画像フレームにおいても急激な変化を生じることはない。この性質を利 用し、複数フレームの画像を用いてオプティカルフローによる解析を行うことで、図 5 に示すような時間的に連続した流れを確認することができる。この結果、これまで確 認が困難であった連続した塞栓子の挙動を把握することも可能となる。

[0023] 血栓情報の解析 ·計測部 2における輪郭線抽出部 10において、 BET方法を用いて いる力 本法は制御点の移動を繰り返し行うことで達成されるため、長い処理時間を 必要とする。そこで、塞栓子量計測のリアルタイム性を向上させるために、心臓の伸 縮運動が周期的であることに着目し、制御点の移動ベクトルを輪郭線抽出処理に導 入する。図 6は輪郭線抽出処理部 10を高速化するための処理の流れを示している。 超音波診断装置 1で収集される Bモード画像が入力されたとき、観測初期の複数心 柏のデータを前処理部に送り、 BET方法により心内膜輪郭線を高精度に抽出する。 時間的に連続した 2枚の Bモード画像における抽出結果において、対応する制御点 の位置を比較することで時間変化に伴う制御点の移動方向と移動距離を算出しベタ トル化する。この処理を複数心拍分行うことで、心房の最収縮期から最拡張期を経て 次の最収縮期を迎えるまでの、心拍運動に対応した移動べ外ル群カ Sメモリ上に保持 される。移動ベクトルを算出後、入力データである Bモード画像は逐次、輪郭線高速 抽出部へ送信される。前処理部で作成された前記の移動ベクトルは、心房の最縮小 期を基点としているため、心電図観測部 3から検出される心房の最収縮期の時間情 報と Bモード画像の収集時間情報を同期させ、輪郭線高速抽出処理の開始フレーム を決定する。開始フレームにおいては BET方法で詳細に心内膜輪郭線抽出を行レ、、 以降のフレームについては前期の移動べクトノレをフレーム毎に適用することで、複数 の制御点が一度の処理で大きく移動し、心内膜輪郭線を簡便に抽出することができ る。心拍毎に心電図との同期と移動ベクトルの適用を繰り返すことで、長期の観測に おいても抽出処理結果にずれを生じることなく高精度を維持し、かつ高速な処理が 可能となる。図 7は、本発明により、塞栓子流量の時系列変化を観測した結果であつ て、（a)は、塞栓子秤量比の長期変化（70s)で、呼吸に同期した変動が発生している 、塞栓子容積比は次第に減少していることがわかる。 （b)は、塞栓子秤量比の短期 変化（10s)であって、心拍に同期した変動を示している。塞栓子流量の時系列変化 の結果から、症例ごとの傾向が把握できるのでより客観的に評価できるようになる。

[0024] 本発明に用いる FEST処理は、反射信号の振幅特性に着目しているという特性上、 入力データとしてダイナミックレンジの広レ、 RF信号を使用する場合であっても、ビデ ォ画像である Bモード画像を使用する場合であっても、同じ処理法で対応可能である 、すなわち装置に依存しない。同様に、 BET方法についても、処理パラメータとして 超音波診断装置 1の有する特性を組み込んでいるため、これらを使用する機種の設 定条件に合わせることで機種依存性を排除することができる。よって、血栓情報解析 •計測部 2を既存の超音波装置に組み込み、心電図観測部 3を外部機器として用い るなどの応用も可能である。

[0025] (効果についてのまとめ）

以上説明したように、本発明は以下の項目を達成することが可能である

(1)高精度な血栓量の評価

FSET処理と BET方法を組み合わせることにより高精度に血栓量を評価できる。

(2)血栓量の客観的評価 オプティカルフローを（1)の結果に適用することで血栓量の客観的評価および流れ を観測できる。

(3)高速処理が可能で、かつハードウェアに依存せず、利用しやすいシステム 心電図との同期および移動ベクトルを用いることで高速処理が可能で、かつハードウ エアに依存せず、利用しやすいシステムの構築ができる。カロえて、本発明は、経食道 に限らず、体表から取ったデータでも心房が写っていれば全く同じ処理を適用できる ので、超音波診断装置での通常の検查方法でも対応可能である。即ち、体表から心 臓内へ超音波を送波し受信したエコー信号 (Bモード画像）に対して処理を行うことが 可能であり、広ぐ応用することができる。

産業上の利用可能性

[0026] 本発明は、本発明は超音波診断装置に関し、本発明は、本発明は超音波診断装置 に関し、特に、血栓を含む塞栓子に関わる情報を観測し、画像化可能な装置に関し て極めて有効である。

図面の簡単な説明

[0027] [図 1]塞栓子観測装置の構成図

[図 2]塞栓子データ抽出の処理手順を示すブロック図

[図 3]心内膜輪郭線抽出方法の模式図

[図 4]Bモード画像から心臓内を流れる塞栓子の情報を抽出した処理結果の例

[図 5]オプティカルフローによる塞栓子の流れ解析の例

[図 6]高速に心内膜輪郭線を抽出する処理の流れを示すブロック図

[図 7]塞栓子流量の時系列変化を観測した例

符号の説明

[0028] 1···超音波診断装置

2···血栓情報解析 ·計測部

3···心電図観測部

4···超音波送信部

5···超音波探触子

6···超音波受信部 7"•Bモード画像生成部

8·· •データ保存部

9·· •塞栓子抽出部

lO- ··心内膜輪郭線抽出部

ll- ··塞栓子の流れ解析部

12· ··心電図用電極

13· ··心電図モニタ部

14· ··心拍同期部

15· • ·Βモード画像および処理結果表示部

Claims

請求の範囲

[1] 超音波探触子からの超音波信号を生体内に放射し、その反射波を受信して受信回 路出力信号に変換して画像を生成して、該画像から塞栓子データを抽出する塞栓 子観測方法において、前記塞栓子データを抽出する工程が、振幅分布特性を設け て、該画像データのレイリー分布に従う成分を抑圧して、非レイリー成分のみを抽出 することを特徴とする塞栓子観測方法。

[2] 前記画像データに対して、メディアンフィルタ一により前処理後、 BET方法により、心 内膜輪郭線を抽出することを特徴とする請求項 1記載の塞栓子観測方法。

[3] 前記心内膜輪郭線抽出処理において、 BET方法による処理結果から心内膜の動き をベクトルィ匕して、心電図から観測される心拍と同期させることで、心内膜輪郭線抽 出を行うことを特徴とする請求項 1または 2記載の塞栓子観測方法。

[4] 前記抽出された塞栓子データにオプティカルフローを適用することを特徴とする請求 項 1ないし 3いずれ力 1項に記載の塞栓子観測方法。

[5] 超音波探触子を食道内に挿入して、食道内から心臓内へ超音波を送波することを特 徴とする請求項 1ないしは 4ずれ力 1項に記載の塞栓子観測方法。

[6] 請求項 1ないしは 5いずれ力、 1項に記載の塞栓子観測方法を備えた塞栓子観測装置

[7] 請求項 1ないしは 5いずれか 1項に記載の塞栓子観測方法を備えた超音波診断装置