JP7258352B2

JP7258352B2 - 超音波撮像装置

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Publication number: JP7258352B2
Application number: JP2019173457A
Authority: JP
Inventors: 一郎佐久間; 隆東; 直輝富井; 拓実野田
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2023-04-17
Anticipated expiration: 2039-09-24
Also published as: JP2021049073A

Description

本発明は、超音波撮像装置に関し、詳しくは、変形可能な板状素材により形成された台座に超音波信号の送信および受信が可能な複数の素子を整列配置したプローブを備える超音波撮像装置に関する。

従来、この種の技術としては、被検体に第１及び第２の送信ビームを送信し被検体からの反射を受信ビームとして受信する相対配置が可変の複数の素子を有する探触子を備える超音波撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、第１の送信ビーム及び受信ビームに基づいて、ビーム状態を推定し、推定したビーム状態に基づいて複数の素子の配置を推定する。そして、配置の推定結果を参酌して第１の送信ビームと異なる撮像用の第２の送信ビームに対応する受信信号から画像データを生成する。ビーム状態の推定では、単一の素子から特定のフォーカス位置に対する第１の送信ビームを送信し、その受信ビームを全素子で受信してデータを収集する動作を第１の送信ビームを送信する素子を順次変更して行なう処理を、特定のフォーカス位置を順次移動して行なう。

特開２０１８－８９３６８号公報

しかしながら、上述の超音波撮像装置では、複数の素子の配置を推定するためにビーム状態を推定する必要があり、そのために第１の送信ビームおよび受信ビームの送受信を行なってデータを収集する処理をフォーカス位置を変更して行なう必要がある。この場合、複数の素子の配置が変化したときには、複数の素子の配置を推定するためにビーム状態の推定処理を再び行なう必要がある。撮像途中に複数の素子の配置が変化したときには、連続画像を撮像することができない。

本発明の超音波撮像装置は、複数の素子の配置の推定と撮像画像の作成とを同一のデータを用いて行なうことを主目的とする。

本発明の超音波撮像装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の超音波撮像装置は、
変形可能な板状素材により形成された台座に超音波信号の送信および受信が可能な複数の素子を整列配置したプローブを備える超音波撮像装置であって、
前記台座の形状として仮定した仮定形状と前記台座の実際の形状との差が小さくなるほど小さくなる指標であって前記仮定形状としたときに前記複数の素子によって受信した超音波信号に基づいて構成した仮撮像画像の各画素の輝度に基づく形状指標が、小さくなるように前記仮定形状を調整することにより前記台座の形状を推定する、
ことを特徴とする。

この本発明の超音波撮像装置では、変形可能な板状素材により形成された台座に超音波信号の送信および受信が可能な複数の素子を整列配置したプローブを備える。そして、台座の形状として仮定した仮定形状と台座の実際の形状との差が小さくなるほど小さくなる指標であって、仮定形状としたときに複数の素子によって受信した超音波信号に基づいて構成した仮撮像画像の各画素の輝度に基づく形状指標が、小さくなるように仮定形状を調整することにより台座の形状を推定する。具体的には、形状指標が小さくなる方向に仮定形状を微少量だけ変化させる処理を繰り返し、繰り返し処理を所定回数行なったときの仮定形状を台座の形状として推定したり、形状指標が極小値となるときの仮定形状を台座の形状として推定したりする手法を用いることができる。そして、台座の形状として推定した仮定形状としたときに複数の素子によって受信した超音波信号に基づいて構成した仮撮像画像を撮像画像として出力するものとすればよい。こうすれば、複数の素子の配置の推定と撮像画像の作成とを同一のデータを用いて行なうことができる。この結果、撮像途中に複数の素子の配置（台座の形状）が変化しても、各素子で受信した超音波信号に基づいて台座の形状を推定すると共に撮像画像を作成することができ、連続画像を撮像することができる。なお、台座の形状を推定するために仮撮像画像の所定領域だけを用いることもでき、この場合、台座の形状を推定した後に推定した形状に基づいて仮撮像画像の全領域或いは所望の領域を撮像画像として構成して出力するものとしてもよい。

こうした本発明の超音波撮像装置において、前記形状指標は、仮撮像画像の各画素の輝度を用いて計算されるエントロピーであるものとすることもできる。エントロピーは、乱雑さを測る指標であり、情報エントロピーと同様の定義のものである。エントロピーは、仮撮像画像の各画素の輝度をＩ（ｘ，ｙ）としたときに次式（１）で表わされる。

Ｅ＝Σ_iΣ_j｛－Ｉ（ｉ，ｊ）×ｌｏｇ₂Ｉ（ｉ，ｊ）｝（１）

ここで、エントロピーとしては、撮像画像の輝度の総和が値１となるように仮撮像画像を正規化した正規化画像を用いて計算されるものを用いるものとしてもよい。この場合、正規化画像の各画素の輝度をＩ_N（ｘ，ｙ）とすると、正規化画像Ｉ_N（ｘ，ｙ）は次式（２）で表わされ、エントロピーＥは式（３）となる。

Ｉ_N（ｘ，ｙ）＝Ｉ（ｘ，ｙ）／Σ_iΣ_jＩ（ｉ，ｊ）（２）
Ｅ＝Σ_iΣ_j｛－Ｉ_N（ｉ，ｊ）×ｌｏｇ₂Ｉ_N（ｉ，ｊ）｝（３）

本発明の超音波撮像装置において、前記形状指標の微分値に基づいて前記仮定形状を調整するものとしてもよい。即ち、形状指標の微分値により形状指標が小さくなる仮定形状の変化方向を求め、その方向に仮定形状を調整するのである。これにより、仮定形状の調整する方向を容易に計算することができる。

本発明の超音波撮像装置において前記複数の素子のうち直線上に配置された素子に対して、前記仮定形状として、ｘを０からπまでの範囲とし、パラメータＰ₁，Ｐ₂，・・・，Ｐ_nとしたときに、前記台座の前記直線上の形状をＰ₁ｓｉｎｘ＋Ｐ₂ｓｉｎ２ｘ＋・・・＋Ｐ_nｓｉｎｎｘとし、パラメータＰ₁，Ｐ₂，・・・，Ｐ_nを調整することにより前記台座の形状を推定するものとしてもよい。この場合のエントロピーの微分値は次式（４）で表わされる。

実施形態の超音波撮像装置２０の構成の概略を示す説明図である。制御装置４６で実行される形状推定処理の一例を示すフローチャートである。シミュレーションに用いた検出対象を示す説明図である。送信素子から送信した超音波信号を受信素子で受信するまでの伝播時間ｔを計算する際の説明図である。パラメータＰ₁，Ｐ₂の推移のシミュレーション結果を示す説明図である。エントロピーの推移のシミュレーション結果を示す説明図である。台座３２の実際の形状と初期値の仮定形状とにおける１６個の素子３４の配置を示す説明図である。台座３２の実際の形状と図２の形状推定処理のステップＳ１１０～Ｓ１４０を１００回繰り返した後の仮定形状との１６個の素子３４の配置を示す説明図である。台座３２の実際の形状における１６個の素子３４の配置を用いて構成した撮像画像である。台座３２の初期形状（直線形状）における１６個の素子３４の配置を用いて構成した撮像画像である。図２の形状推定処理のステップＳ１１０～Ｓ１４０を１００回繰り返した後の台座３２の仮定形状における１６個の素子３４の配置を用いて構成した撮像画像である。

次に、本発明を実施するための形態について説明する。図１は、実施形態の超音波撮像装置２０の構成の概略を示す説明図である。実施形態の超音波撮像装置２０は、図示するように、変形可能な台座３２に超音波信号の送信および受信が可能な複数の素子３４を整列配置したプローブ３０と、複数の素子３４から超音波信号を送信するための送信回路４２と、複数の素子３４から超音波信号を受信するための受信回路４４と、送信回路４２を駆動したり受信回路４４で受信した超音波信号を処理したりする制御装置４６と、制御装置４６からの制御信号に基づいてデータを記憶する記憶装置４８と、制御装置４６に表示制御されるモニタ５０と、を備える。

プローブ３０の台座３２は、可撓性を有する樹脂などの変形可能な材料により形成されており、複数の素子３４が所定間隔で１列または複数列に整列配置されている。

送信回路４２は、各素子３４から超音波信号を送信するタイミングを調整する一般的な周知の回路であり、受信回路４４は、各素子３４により受信した超音波信号をデジタル化する一般的な周知の回路である。

制御装置４６は、ＣＰＵを中心とするマイクロコンピュータにより構成されており、ＣＰＵの他にプログラムなどを記憶するＲＯＭや一時的にデータを記憶するＲＡＭ，画像処理を迅速に行なうためのＧＰＵ（Graphics Processing Unit），フラッシュメモリ、入出力回路などを備える。

こうして構成された実施形態の超音波撮像装置２０は、プローブ３０を撮像対象に押しつけて変形させ、その状態で超音波信号を送受信し、プローブ３０の形状（台座３２の形状、複数の素子３４の配置）を推定し、推定したプローブ３０の形状に基づいて撮像画像を構成し、構成した撮像画像をモニタ５０に出力する。なお、受信した超音波信号や構成した撮像画像は記憶装置４８に記憶される。

次に、プローブ３０の形状（台座３２の形状）、即ち、複数の素子３４の配置を推定する処理について説明する。図２は、プローブ３０の形状（台座３２の形状、複数の素子３４の配置）を推定する際に制御装置４６で実行される形状推定処理の一例を示すフローチャートである。

形状推定処理が実行されると、制御装置４６は、まず、プローブ３０（台座３２）の初期形状（仮定形状）を設定する（ステップＳ１００）。説明の容易のために、台座３２に複数の素子３４が所定間隔で１列に直線上に整列配置されている場合を考え、パラメータＰ₁，Ｐ₂，・・・，Ｐ_nとしたときに、台座３２の直線上（複数の素子３４の配置線上）の形状ｆ（Ｐ₁，Ｐ₂，…，Ｐ_n）を次式（１）とし、この式（１）の右辺第３項以上の高次の項を省略した式（２）を用いて説明する。なお、ｘの範囲は０～πであり、台座３２の両端の変形方向（ｚ方向）の変位は値０としている。

ｆ（Ｐ₁，Ｐ₂，…，Ｐ_n）＝Ｐ₁ｓｉｎｘ＋Ｐ₂ｓｉｎ２ｘ＋…＋Ｐ_nｓｉｎｎｘ（１）
ｆ（Ｐ₁，Ｐ₂）＝Ｐ₁ｓｉｎｘ＋Ｐ₂ｓｉｎ２ｘ（２）

続いて、各素子３４で受信した超音波信号に基づいて台座３２を仮定形状としたときの撮像画像を仮撮像画像として構成し（ステップＳ１１０）、この仮撮像画像の各画素の輝度を用いてエントロピーＥを計算する（ステップＳ１２０）。実施形態では、エントロピーとしては、撮像画像の輝度の総和が値１となるように仮撮像画像を正規化した正規化画像を用いて計算した。仮撮像画像の各画素の輝度をＩ（ｘ，ｙ）とし、正規化画像の各画素の輝度をＩ_N（ｘ，ｙ）とすると、正規化画像Ｉ_N（ｘ，ｙ）は次式（３）で表わされ、エントロピーＥは式（４）となる。

Ｉ_N（ｘ，ｙ）＝Ｉ（ｘ，ｙ）／Σ_iΣ_jＩ（ｉ，ｊ）（３）
Ｅ＝Σ_iΣ_j｛－Ｉ_N（ｉ，ｊ）×ｌｏｇ₂Ｉ_N（ｉ，ｊ）｝（４）

続いて、収束判定を行なう（ステップＳ１３０）。収束判定としては、後述する仮定形状の調整する処理（ステップＳ１４０）、台座３２を調整した仮定形状としたときの仮撮像画像を構成する処理（ステップＳ１１０）、仮撮像画像の各画素の輝度を用いてエントロピーＥを計算する処理（ステップＳ１２０）、を繰り返し行なった回数が所定回数に至ったか否かの判定で行なうものとしたり、エントロピーＥが極小値に至ったとする判定で行なうものとしたりすることができる。これは、エントロピーＥは、構成した画像の各画素の輝度の乱雑さを測る指標であるから、台座３２の仮定形状と実際の形状との差が大きいときには大きな値となり、台座３２の仮定形状と実際の形状との差が小さくなることに基づいている。この場合、次式（５）に示すエントロピーＥの微分値を用いることができる。即ち、エントロピーＥの微分値が許容範囲内で値０であると判定できるか否かにより収束判定を行なうことができる。なお、微分値が値０とみなす収束判定の弱点として、局所解で収束してしまうエラーも生じるため、実施形態では慣性項（モメンタム）を取り入れた最適化手法（Adam，https://arxiv.org/abs/1412.6980)を用いた。

ステップＳ１３０の収束判定で収束していないと判定したときには、仮定形状を微少量だけ変更する調整を行ない（ステップＳ１４０）、台座３２を調整した仮定形状としたときの仮撮像画像を構成する処理であるステップＳ１１０に戻る。したがって、収束判定で収束していると判定されるまでは、仮定形状を微少量だけ変更する調整を行なう処理（ステップＳ１４０）、台座３２を調整した仮定形状としたときの仮撮像画像を構成する処理（ステップＳ１１０）、仮撮像画像の各画素の輝度を用いてエントロピーＥを計算する処理（ステップＳ１２０）、収束判定する処理（ステップＳ１３０）が繰り返される。

ステップＳ１３０の収束判定で収束していると判定したときには、そのときの仮定形状を台座３２の形状であると特定し（ステップＳ１５０）、本処理を終了する。

こうした形状推定処理を終了すると、台座３２の形状を特定したときの仮撮像画像を撮像画像とし、そのデータを記憶装置４８に記憶すると共に撮像画像をモニタ５０に出力する。

次に、素子３４が１６個で素子間隔が１ｍｍ、台座３２の実際の形状がパラメータＰ₁＝－０．１，Ｐ₂＝０．１である次式（６）の場合を考え、台座３２の形状を推定したときのシミュレーション結果について説明する。図３は、シミュレーションに用いた検出対象を示す説明図である。検出対象としては、台座３２の長手方向の中央で深さ１０．０ｍｍを中心とする半径１．０ｍｍの球体とした。図中、１６個の黒丸は１６個の素子３４である。超音波信号としては、送信波として周波数５ＭＨｚ、波数が１周期とした。また、台座３２の初期形状としてパラメータＰ₁＝０，Ｐ₂＝０（直線）とし、図２の形状推定処理のステップＳ１１０～Ｓ１４０を１００回繰り返すものとした。画像の構成条件としては、領域を５ｍｍ×５ｍｍとし、解像度を５０ｐｉｘｅｌｓ×５０ｐｉｘｅｌｓとした。

ｆ＝－０．１ｓｉｎｘ＋０．１ｓｉｎ２ｘ（６）

仮撮像画像の構成は、各素子３４で受信した超音波信号を用いて開口合成法により波の伝播時間ｔに基づいて行なった。波の伝播時間ｔは、図４に示すように、送信素子座標を（Ｘ_tr、Ｙ_tr）とし、受信素子座標を（Ｘ_rc、Ｙ_rc）とし、観測点座標を（ｘ，ｙ）とし、音速をｃとすると、次式（７）で表わされる。

ｔ＝[[(ｘ－Ｘ_tr)²＋(ｙ－Ｙ_tr)²]^1/2＋[ｘ－Ｘ_tr)²＋(ｙ－Ｙ_tr)²]^1/2]÷ｃ（７）

図５は、パラメータＰ₁，Ｐ₂の推移のシミュレーション結果を示す説明図であり、図６は、エントロピーの推移のシミュレーション結果を示す説明図である。図５中、パラメータＰ₁，Ｐ₂の座標（－０．１０，０．１０）の黒丸は台座３２の実際の形状のポイントである。パラメータＰ₁，Ｐ₂は、初期値の座標（０，０）から調整が開始され、図２の形状推定処理のステップＳ１１０～Ｓ１４０を１００回繰り返した後は座標（－０．０９３，０．１０２）に至った。１６個の素子３４の平均素子位置誤差は約０．０２ｍｍであった。また、エントロピーＥは、９．１２５程度に収束した。図７は、台座３２の実際の形状と初期値の仮定形状とにおける１６個の素子３４の配置を示す説明図であり、図８は、台座３２の実際の形状と図２の形状推定処理のステップＳ１１０～Ｓ１４０を１００回繰り返した後の仮定形状との１６個の素子３４の配置を示す説明図である。図中、黒丸が実際の形状における素子３４であり、白抜きの四角が仮定形状における素子３４である。図８に示すように、図２の形状推定処理のステップＳ１１０～Ｓ１４０を１００回繰り返した後の仮定形状は、台座３２の実際の形状によく一致している。

図９は、台座３２の実際の形状における１６個の素子３４の配置を用いて構成した撮像画像であり、図１０は、台座３２の初期形状（直線形状）における１６個の素子３４の配置を用いて構成した撮像画像であり、図１１は、図２の形状推定処理のステップＳ１１０～Ｓ１４０を１００回繰り返した後の台座３２の仮定形状における１６個の素子３４の配置を用いて構成した撮像画像である。図１１の撮像画像を図９および図１０の撮像画像と比較することにより、形状推定処理の結果における１６個の素子３４の配置を用いて構成した撮像画像（図１１）は、実際の形状における１６個の素子３４の配置を用いて構成した撮像画像（図９）によく一致している。

以上説明した実施形態の超音波撮像装置２０では、台座３２の形状として仮定した仮定形状と台座３２の実際の形状との差が小さくなるほど小さくなる指標であって、仮定形状としたときに複数の素子３４によって受信した超音波信号に基づいて構成した仮撮像画像の各画素の輝度に基づいて計算するエントロピー（形状指標）が、収束判定されるまで小さくなるように仮定形状を調整する。そして、台座３２の形状として推定した仮定形状における複数の素子３４の配置を用いて構成した仮撮像画像を撮像画像としてモニタ５０に表示する。これにより、複数の素子３４の配置の推定と撮像画像の作成とを同一のデータを用いて行なうことができる。この結果、撮像途中に複数の素子の配置（台座の形状）が変化しても、各素子で受信した超音波信号に基づいて台座３４の形状を推定すると共に撮像画像を作成することができ、連続画像を撮像することができる。なお、台座３２の形状を推定するために仮撮像画像の所定領域だけを用いることもでき、この場合、台座３２の形状を推定した後に推定した形状に基づいて仮撮像画像の全領域或いは所望の領域を撮像画像として構成して出力するものとしてもよい。

実施形態の超音波撮像装置２０では、エントロピーとして、撮像画像の輝度の総和が値１となるように仮撮像画像を正規化した正規化画像を用いて計算されるものを用いるものとしたが、正規化しない仮撮像画像の各画素の輝度を用いて計算されるものとしてもよい。また、エントロピーに代えて、他の指標を用いて収束判定や台座３２の仮定形状の調整を行なってもよい。この場合、指標としては、台座３２の仮定形状と台座３２の台座の実際の形状との差が小さくなるほど小さくなる指標であればよく、特に仮定形状としたときに複数の素子３４によって受信した超音波信号に基づいて構成した仮撮像画像の各画素の輝度に基づいているものであることが好ましい。

実施形態の超音波撮像装置２０では、説明の容易のために、台座３２に複数の素子３４が所定間隔で１列に直線上に整列配置されている場合を考えたが、台座３２に複数の素子３４が所定間隔で複数列に整列配置されているものとしてもよい。この場合、列ごとに行毎に形状推定処理を行なうことができる。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、超音波撮像装置の製造産業などに利用可能である。

２０超音波撮像装置、３０プローブ、３２台座、３４素子、４２送信回路、４４受信回路、４６制御装置、４８記憶装置、５０モニタ。

Claims

変形可能な板状素材により形成された台座に超音波信号の送信および受信が可能な複数の素子を整列配置したプローブを備える超音波撮像装置であって、
前記台座の形状として仮定した仮定形状と前記台座の実際の形状との差が小さくなるほど小さくなる指標であって前記仮定形状としたときに前記複数の素子によって受信した超音波信号に基づいて構成した仮撮像画像の各画素の輝度に基づく形状指標が、小さくなるように前記仮定形状を調整することにより前記台座の形状を推定する、
ことを特徴とする超音波撮像装置。
請求項１記載の超音波撮像装置であって、
前記形状指標は、仮撮像画像の各画素の輝度を用いて計算されるエントロピーである、
超音波撮像装置。
請求項２記載の超音波撮像装置であって、
前記エントロピーは、撮像画像の輝度の総和が値１となるように前記仮撮像画像を正規化した正規化画像を用いて計算される、
超音波撮像装置。
請求項１ないし３のうちのいずれか１つの請求項に記載の超音波撮像装置であって、
前記形状指標の微分値に基づいて前記仮定形状を調整する、
超音波撮像装置。
請求項１ないし４のうちのいずれか１つの請求項に記載の超音波撮像装置であって、
前記複数の素子のうち直線上に配置された素子に対して、前記仮定形状として、ｘを０からπまでの範囲とし、パラメータＰ₁，Ｐ₂，・・・，Ｐ_nとしたときに、前記台座の前記直線上の形状をＰ₁ｓｉｎｘ＋Ｐ₂ｓｉｎ２ｘ＋・・・＋Ｐ_nｓｉｎｎｘとし、パラメータＰ₁，Ｐ₂，・・・，Ｐ_nを調整することにより前記台座の形状を推定する、
超音波撮像装置。