JP6636639B2 - 超音波に基づく追跡 - Google Patents

Description

本発明は、超音波画像化プローブの視野内において医療デバイスの位置を局限する、超音波に基づくシステムに関する。

針、カテーテル及び介入ツールなどの医療デバイスは、特に好適でない入射角では鏡面反射的性質を有するため、超音波画像中で視覚化することがしばしば難しい。

この問題を解決する１つの解決策として、国際特許出願公開ＷＯ２０１５／１０１９４９号は、超音波プローブ、超音波スキャナ及び介入ツールを使用するツールナビゲーションシステムを開示している。超音波スキャナは、超音波プローブの音響画像平面に対応する超音波画像を生成する。音響画像平面に対する介入ツールの位置を追跡するために、介入ツール及び超音波プローブに取り付けられた超音波送信器及び受信器が使用される。

超音波プローブのトランスデューサとは異なるトランスデューサによって追跡が提供される、知られている位置局限システムの欠点は、追跡システムの座標系を超音波プローブの視野に対して較正する必要があることである。従来、この較正は、工場ベースの較正ステップで実行されている。

「Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ ａｎｄ ＦＭＣＷ Ｃａｔｈｅｔｅｒ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ」という名称の、Ｍｕｎｇ，ｊ．他、２００９ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、２００９年９月２０日、５９０〜５９３ページは、超音波信号を使用してカテーテルの３Ｄ位置を追跡するシステムを開示している。

ＷＯ９８／４０７６０は、３−Ｄビューイング環境内に２−Ｄ超音波画像を表示するシステムを開示している。画像変換器によって生成された画像化平面の位置データを提供するため、従来の２−Ｄ超音波画像化ヘッドに、位置変換器を含む取外し可能なハウジングが取り付けられる。

知られている位置局限システムのこれらの欠点を軽減しようとする中で、医療デバイスに取り付けられた超音波検出器の位置を決定するシステムが提供される。このシステムは、少なくとも３つの超音波放出器と、位置三角測量ユニットとを含む。超音波放出器は、超音波画像化プローブに取り付けられるように適合されたフレーム上に所定の構成で配列されている。超音波画像化プローブは画像化視野を有する。位置三角測量ユニットは、超音波放出器と通信し、それぞれの超音波放出器に超音波信号を放出させるように構成されている。さらに、位置三角測量ユニットは、超音波検出器によって検出された超音波信号を示す信号を超音波検出器から受け取るように適合されており、位置三角測量ユニットはさらに、超音波放出器に対する超音波検出器の空間的位置を、それぞれの超音波放出器による超音波信号の放出と超音波検出器による超音波信号の検出との間の時間遅れの第１のセットに基づいて、三角測量により決定するように構成されている。フレームは、背景ボリュームと少なくとも１つの包含体又は空洞とを備える取外し可能な基準ボリュームを含む。この少なくとも１つの包含体又は空洞は、背景ボリュームの超音波音響インピーダンスとは異なる超音波音響インピーダンスを有する。さらに、この少なくとも１つの包含体又は空洞は、取外し可能な基準ボリュームがフレームに取り付けられ、且つ、フレームが超音波画像化プローブに取り付けられているときに、超音波画像化プローブの視野内に、対応する少なくとも１つの画像特徴を提供するように構成されている。

その際に、医療デバイスに取り付けられた超音波検出器の位置を追跡する目的に使用することができる付加式フレームが、超音波画像化プローブに対して提供される。この追跡機能は、多くの医療デバイスが超音波下では視認性がよくないという問題を軽減する。取外し可能な基準ボリュームがフレームに取り付けられ、且つ、フレームが超音波画像化プローブに取り付けられているときに、前記画像特徴を使用して、追跡システムの座標系を超音波プローブの視野に対して較正することができる。これができるのは、前記少なくとも１つの包含体又は空洞が前記少なくとも３つの放出器に対して所定の位置にあり、超音波画像中の画像特徴を介して包含体又は空洞を見ることができるためである。続いて、取外し可能な基準ボリュームを取り外し、超音波画像化プローブに関して医療デバイスを追跡することができる。

本発明の別の態様によれば、超音波画像化プローブの視野は、深さ軸に沿って、超音波画像化プローブから離れる方向に延びており、前記少なくとも１つの包含体又は空洞は、細長い形状の形態を有する。さらに、この細長い形状は、深さ軸に対して横断方向に延びている。この細長い形状は、超音波放出器から深さ軸に沿って所定の距離のところに画像特徴を提供し、その画像特徴を使用して、深さ軸に沿って、追跡システムの座標系を超音波プローブの視野にマッピングすることができる。さらに、この細長い形状は、深さ軸に対して横断方向に延びているため、超音波画像中に見られる画像特徴の回転を使用して、深さ軸を軸とした回転に関して、追跡システムの座標系を超音波プローブの視野にマッピングすることができる。

本発明の別の態様によれば、取外し可能な基準ボリュームは、深さ軸に沿って軸方向に分離された２つ以上の細長い包含体又は空洞を有する。さらに、これらの細長い包含体又は空洞はそれぞれ、深さ軸に対して横断方向に延びており、深さ軸に関して互いに回転される。これらの複数の包含体又は空洞を使用して、深さ軸を軸とした回転に関して、追跡システムの座標系を超音波プローブの視野にマッピングすることができる。本発明のこの態様は、超音波プローブの視野が制限されているとき、例えば、平面の形態において、回転誤差が大きいために平面画像中で包含体又は空洞が部分的にしか見えないときに特に有用である。

独立請求項には、較正方法及びコンピュータプログラムを含む本発明の他の態様が定義されている。

位置局限システム１００と組み合わされた従来の超音波画像化システムを示す図である。 超音波プローブ２０１と、フレーム２１０によって超音波プローブ２０１に取り付けられた３つの超音波放出器２０７ａ、ｂ、ｃと、超音波検出器２０９とを示す図である。 平面構成で配列された３つの超音波放出器Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３を示す図である。 平面構成で配列された３つの超音波放出器Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３及びこの平面の外にある１つの超音波放出器Ｅ_４を示す図である。 直線ＡＸ_１−ＡＸ_２に沿って配列された３つの超音波放出器Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３を示す図である。 超音波プローブ４０１と、フレーム４１０によって超音波プローブ４０１に取り付けられた３つの超音波放出器４０７ａ、ｂ、ｃと、取外し可能な基準ボリュームＤＲＶとを示す図であり、取外し可能な基準ボリュームＤＲＶは、背景ボリュームＢＶと包含体又は空洞ＩＮとを備え、包含体又は空洞ＩＮは、超音波画像化プローブ４０１の視野ＰＬＵ内にある。 位置局限システム５００と組み合わされた従来の超音波画像化システムを示す図である。

本発明の原理を示すために、さまざまなシステムを説明する。それらのシステムでは、位置三角測量ユニットと２Ｄ超音波画像化プローブに取付け可能な３つの超音波放出器とによって、針によって例示される医療デバイスの追跡が提供される。しかしながら、本発明は、他の医療デバイスの追跡、例えばカテーテル、ガイドワイヤ、プローブ、内視鏡、電極、ロボット、フィルタ・デバイス、バルーン・デバイス、ステント、僧帽弁クリップ、左心耳閉鎖デバイス、大動脈弁、ペースメーカ、静脈内ライン、ドレナージ・ライン、又は組織封止デバイス若しくは組織切開デバイスなどの外科手術ツールの追跡にも適用されることを理解すべきである。本発明は、３Ｄ画像化プローブ、経食道プローブ（ＴＥＥ）、経胸壁プローブ（ＴＴＥ）、経鼻プローブ（ＴＮＥ）、心臓内プローブ（ＩＣＥ）、脈管内プローブ（ＩＶＵＳ）などの他のタイプの超音波画像化プローブにも適用されることを理解すべきである。

図１は、位置局限システム１００と組み合わされた従来の超音波画像化システムを示す。図１の従来の超音波画像化システムは、超音波画像化プローブ１０１、画像化システムプロセッサ１０３、画像化システム・インタフェース１０４及びディスプレイ１０５を含む。画像化システムプロセッサ１０３、画像化システム・インタフェース１０４及びディスプレイ１０５はコンソール１０２内に位置する。コンソール１０２を使用して医療手技を監督することができる。超音波画像化プローブ１０１は、それらをつなぐ矢印によって示されるケーブルによってコンソール１０２に取り付けられる。超音波画像化プローブ１０１は、超音波エネルギーを送信し、関心のボリュームＶＯＩから超音波エネルギーを受信する、超音波トランシーバの１次元又は２次元アレイ（図示せず）を含む。コンソール１０２はさらに、超音波画像化プローブ１０１によって送信若しくは受信された信号又は超音波検出器１０９によって受信された信号を増幅、及び／又はその位相を調整するように構成された電子式ドライバ及びレシーバ回路（図示せず）を含むことができる。この電子式ドライバ及びレシーバ回路を使用して、放出される超音波ビームの方向及び／又は受信される超音波ビームの方向を操作することができる。したがって、前記トランシーバ・アレイを使用して、画像化平面ＰＬＵによって示される２Ｄ超音波画像、又は３Ｄ超音波画像を生成することができる。コンソール１０２はさらに、プログラム及びアプリケーションを記憶するためのメモリ（図示せず）を含むことができる。このメモリは例えば、超音波画像化プローブ１０１によって送信及び／又は受信される超音波信号のシーケンスを制御するように構成された超音波ビーム制御ソフトウェアを記憶する。しかしながら、上では、超音波画像化システムの一部のアイテムがコンソール１０２内に位置すると記載されているが、その代わりに、例えばＰｈｉｌｉｐｓ ＬＵＭＩＦＹ超音波画像化システムの場合のように、それらのアイテムの一部が画像化システムのプローブ内に位置してもよいことに留意すべきである。

図１にはさらに、フレーム１１０上に配列された３つの超音波放出器１０７ａ、ｂ、ｃと位置三角測量ユニット１０６とを備える位置局限システム１００が含まれている。位置局限システム１００を使用して、超音波検出器１０９が取り付けられた医療デバイス、例えば医療用針１０８の位置を決定することができる。

図１の超音波検出器１０９は例えば圧電材料から製作される。超音波検出器は、ポリフッ化ビニリデン材料、すなわちＰＶＤＦ、又は、ＰＶＤＦ共重合体及びＰＶＤＦ三元重合体を含むＰＶＤＦ類の関連材料のうちの１つの材料から製作されることが好ましい。しかしながら、適当な材料は他にもある。このような材料は、薄膜の形態で入手可能であり、したがって、ＷＯ２０１５／１５５６４５として公開された特許出願ＰＣＴ／ＩＢ２０１５／０５２４２５に記載されているように、医療デバイスに取り付けるのに特に適している。超音波検出器１０９は、接着剤層を使用して医療デバイスに取り付けられるように適合されていることが好ましい。或いは、医療デバイス上の対応するコネクタと嵌合するスナップばめコネクタ又は圧縮ばめコネクタを使用することもできる。

図１の３つの超音波放出器１０７ａ、ｂ、ｃは、超音波画像化プローブ１０１に取り付けられるように適合されたフレーム１１０上に、所定の離隔構成で配列されている。このフレームは、プレスばめ連結、スナップばめ連結、弾性ストラップ又は接着剤の使用を含むさまざまな手段によって、超音波画像化プローブ１０１に取り付けられる。好ましい１つの配置では、超音波放出器１０７ａ、ｂ、ｃが共通の平面内にあり、フレームによって画像化プローブと一緒に保持されている。或いは、直線に沿って並ぶように放出器を配列してもよい。超音波放出器１０７ａ、ｂ、ｃは、電気パルスを加えると膨張又は収縮し、それによって超音波信号を放出する圧電材料などの、従来の材料から製作することができる。超音波放出器は全方向放出器であることが好ましい。しかしながら、４πステラジアン未満の円錐角の中へ超音波を放出する指向性放出器又は集束放出器も使用される。

位置局限システム１００では、それらを互いにつなぐ矢印によって示されているように、位置三角測量ユニット１０６が３つの超音波放出器１０７ａ、ｂ、ｃと通信する。位置三角測量ユニット１０６は、それぞれの超音波放出器に超音波信号を放出させるように構成されている。

位置三角測量ユニット１０６は、これらの３つの超音波放出器に電線で接続されていることが好ましいが、例えば光学、赤外線又はＲＦ通信リンクを使用した無線通信も企図される。さらに、超音波放出器が放出する超音波信号は、単一のパルス又は多数のパルスを含む。原理上、超音波検出器の位置を三角測量により決定するのに使用する一組の時間遅れを位置三角測量ユニットが決定することを可能にする目的には、単一のパルスの使用で十分である。或いは、検出されるパルスの信号対雑音比を向上させるため、又はパルスの識別を改善するために、多数のパルスを使用することもできる。いずれにせよ、パルスは、放出器によって逐次的に又は同時に放出される。パルスが同時に放出されるときには、それぞれの放出器によって放出されたパルスを超音波検出器１０９が区別することを可能にするために、コード化を使用することができる。このようなコード化は、異なるパルス幅、異なるパルス周波数又は異なるパルス・シーケンスの形態をとることができる。さらに、好ましくは、多数のパルスが使用されるときには、それぞれの超音波放出器によって放出されるパルスの周波数は、超音波画像化システムのパルス周波数とは異なっていて、例えば少なくとも２倍又はせいぜい１／２である。これらの３つのそれぞれの超音波放出器によって放出される超音波信号は、１ＭＨｚ以下の周波数を含むことが好ましい。この周波数は、従来の超音波画像化システムによって放出される約２〜１０ＭＨｚの周波数よりもかなり小さい。超音波放出器が使用する周波数を、超音波画像化システムの超音波トランシーバ・アレイが使用する周波数から分離することによって、これらの２つのシステム間の干渉が低減する。これらの２つのシステム間の干渉を低減させるために、これらの３つの放出器からのパルスの放出を、超音波画像化システムの連続するフレーム間に挟むことも企図される。

位置局限システム１００では、超音波検出器１０９によって検出された超音波信号を示す信号を超音波検出器１０９から受け取るように、位置三角測量ユニット１０６が適合されており、さらに、これらの少なくとも３つの超音波放出器１０７ａ、ｂ、ｃに対する超音波検出器１０９の空間的位置を、これらの少なくとも３つの超音波放出器１０７ａ、ｂ、ｃのうちのそれぞれの超音波放出器による超音波信号の放出と超音波検出器１０９によるその超音波信号の検出との間の時間遅れΔＴ_１、ΔＴ_２、ΔＴ_３の第１のセットに基づいて、三角測量により決定するように、位置三角測量ユニット１０６が構成されている。

位置三角測量ユニット１０６は例えば、超音波検出器１０９からこのような信号を受け取るのに適した電気的な入力を有する。この入力は例えば、図１のそれらをつなぐ矢印によって示されているような有線入力である。その代わりに、光学、赤外線又はＲＦ通信リンクによって通信経路が提供される無線入力を使用することも企図される。いずれにせよ、この位置三角測量ユニットはさらに、超音波検出器１０９とインタフェースするためのアナログ−ディジタル変換電子部品（図１には示されていない）を含むことができる。

検出器の位置を三角測量により決定するために位置三角測量ユニット１０６によって使用される時間遅れΔＴ_１、ΔＴ_２、ΔＴ_３は、例えばタイマを使用して計算する。このタイマは、放出された超音波放出器信号上の１つの位置でカウントを開始するようにトリガされ、検出された放出器信号上の対応する位置によってカウントを停止するようにトリガされる。或いは、検出された超音波信号を放出された超音波信号と相関させることによって時間遅れを計算することもできる。整合フィルタリングの使用を含む他の技法もこの目的に適している。これらの技法はいずれも、プロセッサ、例えば位置三角測量ユニット１０６内のプロセッサによって、又は専用電子回路によって実施することができる。

位置三角測量ユニット１０６が実行する例示的な三角測量計算を、図２を参照して説明する。図２は、超音波プローブ２０１と、フレーム２１０によって超音波プローブ２０１に取り付けられた３つの超音波放出器２０７ａ、ｂ、ｃと、超音波検出器２０９とを示している。図２には、超音波画像化プローブ２０１の画像化平面ＰＬＵも示されている。図２では、３つの超音波放出器２０７ａ、ｂ、ｃが、デカルト座標（ｘ，ｙ，ｚ）上の位置（０，０，０）、（Ｗ１，０，０）及び（Ｗ１，Ｗ２，０）に位置している。放出器２０７ａ、ｂ、ｃのそれぞれと超音波検出器２０９との間の超音波伝搬の時間遅れΔＴ_１、ΔＴ_２、ΔＴ_３は、これらの３つの超音波放出器の位置によって画定される平面から延びる頂点まで（ｖｅｒｔｅｘ）の長さｄ１、ｄ２、ｄ３に対応する。頂点までの長さｄ１、ｄ２、ｄ３は、伝搬媒質中での超音波の伝搬速度を使用して計算することができる。続いて、三角測量を使用して、デカルト座標空間における検出器２０９の位置を、下式１〜３を使用して決定することができる。ここで、Ｗ_１及びＷ_２は、図２に示されているように、放出器の相対位置を表す。

このように、式１〜３を使用することによって、３つの超音波放出器２０７ａ、ｂ、ｃに対する検出器２０９の位置を、三角測量により決定することができる。三角測量計算の精度を向上させるため、又は信号経路ｄ１、ｄ２、ｄ３のうちの１つの信号経路が覆い隠された場合に冗長性を提供するために、図２又は図１に示されていない、例えば位置（０，Ｗ２，０）にある追加の放出器を使用することもできる。

位置三角測量ユニット１０６の動作をさらに例示するため、図３Ａは、平面構成で配列された３つの超音波放出器Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３を示し、図３Ｂは、平面構成で配列された３つの超音波放出器Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３及びこの平面の外にある１つの超音波放出器Ｅ_４を示し、図３Ｃは、直線ＡＸ_１−ＡＸ_２に沿って配列された３つの超音波放出器Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３を示す。図２に関して上で説明したとおり、所望の三角測量を実行するのに必要な超音波放出器の最低限の数は３つである。しかしながら、これらの放出器のさまざまな配列が可能であり、これが図３に示されている。放出器を結んでいる図３Ａの陰影がつけられた部分、すなわち放出器平面ＰＬＥによって示されているように、超音波放出器は平面構成で配列されることが好ましい。時間遅れΔＴ_１、ΔＴ_２、ΔＴ_３に基づいて検出器の位置を点Ｐ_１に局限することができるため、この配列は検出器Ｄ_１の追跡を改善する。この三角測量計算を同様に満たす点Ｐ_１’は、単純に、放出器平面のどちら側に検出器があるのかを知ることによって除外することができる。企図される医療環境では、超音波画像化プローブの後ろに検出器が置かれる可能性は低いため、点Ｐ_１’を除外することができる。図１のシステムで４つ以上の超音波放出器を使用することも企図される。追加の検出器からの信号が検出されるとき、このような冗長性は、超音波検出器の空間的位置決め精度を高める。この追加の放出器によって提供される冗長性はさらに、例えば１つの放出器からの信号が弱かったり又は妨げられていたりする場合に、残りの３つの放出器からの信号が検出されているという条件で、より信頼性の高い動作を促進することができる。図３Ａと比べると、図３Ｂの配列は、平面外の放出器Ｅ_４を含んでいる。この平面外の放出器Ｅ_４を使用して、前述の冗長性を提供することができる。平面外の放出器Ｅ_４はさらに、陰影がつけられた平面、すなわち放出器平面ＰＬＥのどちら側に検出器があるのかを示す指示を提供し、それによって図３Ａに示された点Ｐ_１’の解を排除する。図３Ｃの配列は、直線ＡＸ_１−ＡＸ_２に沿った３つの放出器の直線配列を使用して、検出器の位置を、軸ＡＸ_１−ＡＸ_２を中心とする半径ｒの円弧Ａ_１上に局限することができることを示している。この配列は、検出器の位置を特定の一点に局限しないが、それでも、検出器の位置を弧に沿った位置に局限することができることは、検出器の位置の範囲を狭めるのに役立つ。画像化平面を有する超音波画像化プローブとともに使用するときには、放出器が配列された直線が、超音波画像化平面内にないことが好ましい。

図１に戻ると、位置三角測量ユニット１０６はコンソール１０２内にあるものとして示されているが、その代わりに、位置三角測量ユニット１０６が超音波放出器１０７ａ、ｂ、ｃと一緒に位置してもよい。言い換えると、位置局限システム１００が単一のユニットを構成していてもよい。この場合には、３つの超音波放出器と位置三角測量ユニット１０６がともに、超音波画像化プローブ１０１に取り付けられるように適合される。これにより、位置局限システム１００のフォーム・ファクタを縮小させる。

したがって、使用時、超音波検出器１０９が例示的な医療デバイス１０８に取り付けられているときには、位置局限システム１００を使用して、超音波放出器１０７ａ、ｂ、ｃの座標系に対する医療デバイス１０８の位置を決定することができる。

位置局限システム１００の座標系を超音波プローブの視野ＰＬＵにマッピングするため、図１の位置局限システム１００はさらに、図４を参照して説明する取外し可能な基準ボリュームＤＲＶを備える。図４は、超音波プローブ４０１と、フレーム４１０によって超音波プローブ４０１に取り付けられた３つの超音波放出器４０７ａ、ｂ、ｃと、取外し可能な基準ボリュームＤＲＶとを示しており、取外し可能な基準ボリュームＤＲＶは、背景ボリュームＢＶと包含体又は空洞ＩＮとを備え、包含体又は空洞ＩＮは、超音波画像化プローブ４０１の視野ＰＬＵ内にある。取外し可能な基準ボリュームＤＲＶは、図４に示された太い破線に沿って、すなわち結合面に沿ってフレーム４１０から取り外すことができ、したがって、取外し可能な基準ボリュームＤＲＶがそれぞれフレーム１１０、２１０、５１０から取り外された図１、図２及び図５の配置を提供することができる。任意選択で、結合面は、フレーム１１０、４１０、５１０に取外し可能な基準ボリュームＤＲＶを所定の向きに取り付けるための少なくとも１つの機械的位置合せ特徴を含む。この機械的位置合せ特徴は例えば、フレームの対応する穴と嵌合する、取外し可能な基準ボリュームに取り付けられたダボである。取外し可能な基準ボリュームとフレームとが１つの向きでしか結合することができないことを保証するため、このダボ及び穴は例えば、星形などの特定の断面を有する。このようなダボを複数、使用することもできる。その場合、それぞれのダボは例えば円形の断面を有することができる。さらに、この目的に適する機械的位置合せ特徴は他にもあり、これには、隆起部と嵌合する溝又は雌型ソケットと嵌合する雄型プラグが含まれる。例えば磁石又はストラップを結合面のところで使用することにより、結合面での一時的な結合を容易にすることもできる。この所定の向きは、取外し可能な基準ボリュームＤＲＶがフレームに取り付けられ、且つ、フレームが超音波画像化プローブに取り付けられているときに、前記少なくとも１つの包含体又は空洞が、超音波画像化プローブの視野ＰＬＵ内に、対応する少なくとも１つの画像特徴を提供するように構成されるような向きであることが好ましい。取外し可能な基準ボリュームＤＲＶは例えば容器に含まれている。包含体又は空洞ＩＮは、背景ボリュームＢＶの超音波音響インピーダンスとは異なる超音波音響インピーダンスを有する。この少なくとも１つの包含体又は空洞ＩＮは、背景ボリュームの超音波音響インピーダンスとは少なくとも５％、又は少なくとも１０％、又は少なくとも１５％異なる超音波音響インピーダンスを有することが好ましい。したがって、取外し可能な基準ボリュームＤＲＶがフレーム４１０に取り付けられ、且つ、フレーム４１０が超音波画像化プローブ４０１に取り付けられているとき、包含体又は空洞は、超音波画像化プローブの視野ＰＬＵ内に、対応する画像特徴を提供するように構成されている。図４に、多数の包含体又は空洞を同様に追加して、識別可能なより多くの画像特徴を提供してもよい。続いて、マッピング手順を実行した後に、取外し可能な基準ボリュームＤＲＶを取り外して、超音波画像化プローブ１０１の通常の画像化動作と干渉することを防ぐ。超音波画像化プローブの使用環境を最も厳密に模倣するため、並びに超音波トランスデューサ及び超音波放出器に過剰な超音波反射が戻ることを防ぐために、背景ボリュームＢＶは、皮膚と同等の音響インピーダンス、すなわち１．７×１０^６ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１の音響インピーダンスを有する材料であることが好ましい。背景ボリュームＢＶ用の適当な１つの材料は、ＣＩＲＳ（米ヴァージニア州）によって供給されている、米国特許第５１９６３４３号に開示されたＺｅｒｄｉｎｅである。その代わりに、水、ゼラチン又は超音波に適合するゲルによって背景ボリュームＢＶを提供することもできる。包含体ＩＮ用の適当な材料は、ナイロン若しくはウレタン・ゴム、又は他のポリマーなどである。また、空洞が使用されるときには、空気又は窒素などの流体又は気体が空洞に充填される。原理上、位置局限システム１００の範囲を超音波プローブの視野ＰＬＵの範囲に対して較正するためには単一点で十分であるが、包含体又は空洞ＩＮは、さまざまな形状の形態であってもよい。

包含体又は空洞ＩＮは細長い形状を有することが好ましい。これは、細長い形状によってさらに、追跡システムの座標系と超音波プローブの視野ＰＬＵの座標系との間の相対的な回転を決定することが可能になるためである。一実施形態では、超音波画像化プローブ４０１の視野ＰＬＵが、図４の深さ軸Ｓに沿って、超音波画像化プローブ４０１から離れる方向に延びており、包含体又は空洞ＩＮが、深さ軸Ｓに対して横断方向に延びる細長い形状の形態を有する。十字形、星形又はｔ字形など、適当な形状は他にもある。

別の実施形態では、包含体又は空洞が、深さ軸Ｓに対して横断方向の少なくとも１ｍｍの寸法を有する。このことは、超音波画像中でより容易に識別可能な画像特徴を提供する。

別の実施形態では、深さ軸Ｓに沿った軸方向に分離された２つ以上の細長い包含体又は空洞がある。さらに、これらの２つ以上の細長い包含体又は空洞はそれぞれ、深さ軸に対して横断方向に延びており、深さ軸に関して互いに回転される。これらの２つ以上の包含体又は空洞を使用して、深さ軸を軸とした回転に関して、追跡システムの座標系を超音波プローブの視野に対して較正することができる。本発明のこの態様は、超音波プローブの視野が制限されているとき、例えば、平面の形態において、回転誤差が大きいために平面画像中で包含体又は空洞が部分的にしか見えないときに特に有用である。位置局限システム１００の座標系と超音波プローブの視野ＰＬＵとの間の相対的な回転は例えば、超音波画像化プローブの視野内のそれぞれの包含体又は空洞の相対的な長さを測定することによって決定される。

図５は、位置局限システム５００と組み合わされた従来の超音波画像化システムを示す。図１の対応する要素に加え、図５は、画像融合ユニット５１１を含む。図５の従来の超音波画像化システムは、超音波画像化プローブ５０１、画像化システムプロセッサ５０３、画像化システム・インタフェース５０４及びディスプレイ５０５を含む。画像化システムプロセッサ５０３、画像化システム・インタフェース５０４及びディスプレイ５０５はコンソール５０２内に位置する。超音波画像化プローブ５０１は、超音波エネルギーを送信し、関心のボリュームＶＯＩから超音波エネルギーを受信する、超音波トランシーバの１次元又は２次元アレイ（図示せず）を含む。コンソール５０２はさらに、超音波画像化プローブ５０１によって送信若しくは受信された信号又は超音波検出器５０９によって受信された信号を増幅、及び／又はその位相を調整するように構成された電子式ドライバ及びレシーバ回路（図示せず）を含むことができる。この電子式ドライバ及びレシーバ回路を使用して、放出される超音波ビームの方向及び／又は受信される超音波ビームの方向を操作することができる。したがって、前記トランシーバ・アレイを使用して、画像化平面ＰＬＵによって示される２Ｄ超音波画像、又は３Ｄ超音波画像を生成することができる。コンソール５０２はさらに、プログラム及びアプリケーションを記憶するためのメモリ（図示せず）を含むことができる。

図５にはさらに、フレーム５１０上に配列された３つの超音波放出器５０７ａ、ｂ、ｃと位置三角測量ユニット５０６とを備える位置局限システム５００が含まれている。位置局限システム５００を使用して、超音波検出器５０９が取り付けられた医療デバイス、例えば医療用針５０８の位置を決定することができる。

図１と比較すると、図５の追加の画像融合ユニット５１１は、画像化システムプロセッサ５０３及び位置三角測量ユニット５０６と通信する。画像融合ユニット５１１は、超音波画像表現及び超音波検出器の空間的位置に基づいて、融合された画像表現を生成するように構成されている。融合された画像表現を提供する技法は、画像処理分野でよく知られている。画像融合ユニット５１１は、所望の画像融合を実行する１つ又は複数のプロセッサを備えることができる。或いは、この画像融合を、画像化システムプロセッサ５０３によって、又は位置三角測量ユニット５０６の機能を実行するプロセッサと同じプロセッサによって実行することもできる。超音波検出器の空間的位置は例えば、十字、円、クロスヘア、矢印、ポインタなどのマーカによって示すことができ、又は超音波画像の色の変化によって示すこともできる。融合された画像を、半透明のマーカの形態で提供してもよい。これによって、超音波画像のマーカの下の部分を見ることができるようになる。検出器が医療デバイスに取り付けられているときには、超音波検出器の空間的位置のこの指示を、医療デバイス上の点の位置に置き換えることができる。

画像化システムプロセッサ５０３によって生成される画像が２Ｄ超音波画像であるときには、超音波画像平面のどちら側に超音波検出器があるのかを、２Ｄ超音波画像中に示すことも企図される。このことは、検出器が超音波画像平面の向こう側にあるとき、すなわち検出器が「平面外」にあるときに特に有用である。これは、このことが、検出器を超音波画像平面の手前に戻すため、すなわち「平面内」に戻すために、超音波画像プローブを傾けるよう医師に警告することになるためである。こうすることで、医師は、超音波画像に対する検出器の正確な位置を視覚化することができる。この構成では、図５に示された位置局限システム５００内で、画像化システムプロセッサ５０３が、関心のボリュームＶＯＩと交わる平面ＰＬＵの超音波画像表現を再構成するように構成されている。さらに、超音波検出器が超音波画像表現の平面の向こう側にあるときに、超音波検出器がその平面のどちら側に位置するのかを示す指示を、融合された画像中に提供するように、位置三角測量ユニット５０６が構成されている。図５の構成でこれが可能であるのは、位置局限システム５００が、平面内での検出器５０９の位置の追跡だけに限定されておらず、したがって、平面ＰＬＵに対する検出器の実際の位置が容易に決定されるためである。平面のどちら側に超音波検出器が位置するのかを示すこのような指示は、融合された画像中のテキストによる指示、例えば「平面よりも上」若しくは「平面よりも下」といった指示、又は超音波検出器を平面内に戻すためにプローブを傾けなければならない方向を示す矢印、又は超音波検出器と平面との間の距離、好ましくは平面までの最短距離、の形態をとることができる。この指示を、２Ｄ超音波画像上の超音波検出器に最も近い点に、円又は十字などのマーカの形態で提供することも企図される。その場合には、マーカのサイズが、超音波検出器までの平面から外れた距離に従って変化する。

別の実施形態では、図１又は図５の医療デバイス１０８、５０８に、第２の超音波検出器がさらに取り付けられている。この実施形態では、位置三角測量ユニット１０６、５０６がさらに、第２の超音波検出器によって検出された超音波信号を示す信号を第２の超音波検出器から受け取るように適合されている。さらに、位置三角測量ユニットは、これらの少なくとも３つの超音波放出器１０７ａ、ｂ、ｃ、５０７ａ、ｂ、ｃに対する第２の超音波検出器の空間的位置を、これらの少なくとも３つの超音波放出器のうちのそれぞれの超音波放出器による超音波信号の放出と第２の超音波検出器によるその超音波信号の検出との間の時間遅れΔＴ_２１、ΔＴ_２２、ΔＴ_２３の第２のセットに基づいて、三角測量により決定するように構成されている。また、位置三角測量ユニット１０６、５０６はさらに、超音波検出器１０９、５０９と第２の超音波検出器との間の軌道を、超音波検出器の空間的位置及び第２の超音波検出器の空間的位置に基づいて決定するように構成されている。この実施形態では、これらの２つの超音波検出器の相対位置が、軌道を本来的に規定する。したがって、検出器が医療デバイスに取り付けられているとき、この軌道を使用して、医療デバイスの軌道を示すことができる。この実施形態は特に、軸を有し、その軸の軌道を決定することが有益である、針などの医療デバイスに適用される。続いて、この軌道を、画像融合ユニットによって生成された超音波画像中に示すことができる。針を使用する医療手技では、現在の姿勢での針の挿入によって、針の先端が最終的に、関心のボリューム内の所望の位置に到達するかどうかを判定するために、針の軌道を知ることは有益である。

別の実施形態では、図１又は図５のシステムとともに使用される較正方法が開示される。この方法は、本明細書に記載された他の実施形態と組み合わせて使用することもできる。この較正方法を使用して、追跡システムの座標系を超音波プローブの視野に対して較正することができる。さらに、このマッピングを使用して、超音波プローブ１０１、５０１の視野ＰＬＵに対する検出器１０９、５０９の位置を決定することができる。一般に、超音波プローブは、座標系によって規定された視野を有し、超音波画像再構成処理によって、この視野又は座標系内に超音波画像特徴がマッピングされる。図１及び図５を参照すると、追跡システムも同様に、追跡システムの超音波放出器１０７ａ、ｂ、ｃ、５０７ａ、ｂ、ｃの位置に対して規定された座標系を有する。これらの２つの座標系を整列させる１つの方法は、超音波トランシーバ・アレイに対する超音波放出器の位置が正確であることを保証する方法である。しかしながら、一般に、そのような整列を達成することは容易ではなく、本技術分野で既に使用されている超音波プローブにフレームを組み込むときには特に容易ではない。したがって、これにより、位置三角測量ユニットによって決定される検出器の位置には回転誤差又は範囲誤差が生じることがある。この実施形態の較正方法は、このような不整列を考慮したマッピングを提供する。

この較正方法は、ｉ）超音波画像化プローブ５０１の視野ＰＬＵに対応する測定された超音波画像表現を、超音波画像化プローブ５０１によって送信及び受信された超音波信号に基づいて提供するステップであり、この測定された超音波画像表現が、少なくとも１つの画像特徴の少なくとも一部分を含む、測定された超音波画像表現を提供するステップと、ｉｉ）超音波画像化プローブ５０１の予測された視野ＰＬＵに対応する予測された超音波画像表現を、少なくとも３つの超音波放出器１０７ａ、ｂ、ｃ、５０７ａ、ｂ、ｃに対する少なくとも１つの包含体又は空洞ＩＮの位置に基づいて提供するステップと、ｉｉｉ）位置三角測量ユニット１０６、５０６によって決定された超音波検出器１０９、５０９の空間的位置を、超音波画像化プローブ５０１の視野ＰＬＵにマッピングするために、予測された超音波画像表現と測定された超音波画像表現との間の変換を決定するステップとを含む。

予測された超音波画像表現は、包含体又は空洞ＩＮに対応する画像特徴の少なくとも一部を含む。予測された超音波画像表現は、超音波画像化プローブの座標系が追跡システムの座標系と整列するように、フレーム、すなわち超音波放出器が、トランシーバ・アレイ、すなわち超音波画像化プローブに対して配置されたときに、超音波画像化システムによって生成されるであろう画像である。言い換えると、予測された超音波画像表現は、これらの座標系が整列しているときの、包含体の一部を含む視野に対応する。

画像マッピング分野の知られているさまざまな技法を使用して、予測された超音波画像表現と測定された超音波画像表現との間の所望の変換を提供することができる。このマッピングは、回転、スケーリング、変換及び他のアフィン変換などの操作を含む。

測定された画像表現を予測された画像表現にマッピングするのに必要なマッピングを決定した後、追跡システムの座標系における測定された位置を超音波画像化プローブの視野内の測定された位置と整列させるため、そのマッピングを、追跡システムの座標系内のそれぞれの点に適用することができる。

別の実施形態では、コンピュータプログラムが開示される。このコンピュータプログラムは、プロセッサ上で実行されたときに、そのプロセッサに、上で説明した較正方法のステップを実行させる命令を含む。このコンピュータプログラムは、専用ハードウェア、及び適当なソフトウェアと関連付けられたソフトウェアを実行することができるハードウェアによって提供することができる。この機能がプロセッサによって提供されるとき、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、又は複数の別々のプロセッサによって提供することができ、複数の別々のプロセッサのうちの一部のプロセッサはプロセッサ共有されることができる。さらに、用語「プロセッサ」又は「制御装置」の明示的な使用を、ソフトウェアを実行することができるハードウェアついて限定的に言及していると解釈すべきではなく、限定はされないが、ディジタル信号プロセッサ「ＤＳＰ」ハードウェア、ソフトウェアを記憶するためのリード・オンリー・メモリ「ＲＯＭ」、ランダム・アクセス・メモリ「ＲＡＭ」、不揮発性記憶装置などを言外に含みうる。さらに、本発明の実施形態は、コンピュータ若しくは任意の命令実行システムによって使用されるプログラムコード、又はコンピュータ若しくは任意の命令実行システムとともに使用されるプログラムコードを提供する、コンピュータで使用可能な記憶媒体又はコンピュータ可読記憶媒体からアクセス可能なコンピュータプログラムの形態をとりうる。この説明の目的上、コンピュータで使用可能な記憶媒体又はコンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、装置、若しくはデバイスによって使用されるプログラム、又は命令実行システム、装置、若しくはデバイスとともに使用されるプログラムを含むか、記憶、通信、伝搬、又は運搬する任意の装置でありうる。この媒体は、電子媒体、磁気媒体、光学媒体、電磁気媒体、赤外線媒体、若しくは半導体システム、若しくは装置若しくはデバイス、又は伝搬媒体でありうる。コンピュータ可読媒体の例には、半導体又はソリッドステートメモリ、磁気テープ、取外し可能なコンピュータ・ディスケット、ランダム・アクセス・メモリ「ＲＡＭ」、リード・オンリー・メモリ「ＲＯＭ」、剛性磁気ディスク及び光ディスクなどがある。光ディスクの現時点の例には、コンパクト・ディスク−リード・オンリー・メモリ「ＣＤ−ＲＯＭ」、コンパクト・ディスク−読出し／書込み「ＣＤ−Ｒ／Ｗ」、Ｂｌｕ−Ｒａｙ（商標）及びＤＶＤなどがある。

Claims (16)

1. 医療デバイスに取り付けられた超音波検出器の位置を決定するシステムであって、前記システムは、
   少なくとも３つの超音波放出器と、
   位置三角測量ユニットと
   を備え、
   前記少なくとも３つの超音波放出器が、画像化視野を有する超音波画像化プローブに取り付けられるフレーム上に所定の構成で配列されており、
   前記位置三角測量ユニットが、前記少なくとも３つの超音波放出器と通信し、それぞれの超音波放出器に超音波信号を放出させ、
   前記位置三角測量ユニットが、前記超音波検出器によって検出された超音波信号を示す信号を前記超音波検出器から受け取り、前記位置三角測量ユニットがさらに、前記少なくとも３つの超音波放出器に対する前記超音波検出器の空間的位置を、前記少なくとも３つの超音波放出器のうちのそれぞれの超音波放出器による超音波信号の放出と前記超音波検出器による前記超音波信号の検出との間の時間遅れの第１のセットに基づいて、三角測量により決定する、システムにおいて、
   前記フレームが、背景ボリュームと少なくとも１つの包含体又は空洞とを備える取外し可能な基準ボリュームを備え、
   前記少なくとも１つの包含体又は空洞が、前記背景ボリュームの超音波音響インピーダンスとは異なる超音波音響インピーダンスを有し、そのことによって、前記取外し可能な基準ボリュームが前記フレームに取り付けられ、且つ、前記フレームが前記超音波画像化プローブに取り付けられているときに、前記少なくとも１つの包含体又は空洞が、前記超音波画像化プローブの前記画像化視野内に、対応する少なくとも１つの画像特徴を提供することを特徴とする、
   システム。
2. 前記取外し可能な基準ボリュームが、結合面のところで前記フレームから取外し可能であり、前記結合面が、前記フレームに前記取外し可能な基準ボリュームを所定の向きに取り付けるための少なくとも１つの機械的位置合せ特徴を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記超音波画像化プローブの前記画像化視野が、深さ軸に沿って、前記超音波画像化プローブから離れる方向に延びている、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記少なくとも１つの包含体又は空洞が、細長い形状の形態であり、前記細長い形状が、前記深さ軸に対して横断方向に延びている、請求項３に記載のシステム。
5. 前記包含体又は空洞が、前記深さ軸に対して横断方向に少なくとも１ｍｍの寸法を有する、請求項３に記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つの包含体又は空洞が、深さ軸に沿って軸方向に分離された２つ以上の細長い包含体又は空洞を含み、前記２つ以上の細長い包含体又は空洞がそれぞれ、前記深さ軸に対して横断方向に延びており、前記２つ以上の細長い包含体又は空洞が、前記深さ軸に関して互いに回転される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記少なくとも１つの包含体又は空洞が、前記背景ボリュームの前記超音波音響インピーダンスとは少なくとも５％異なる超音波音響インピーダンスを有する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記超音波画像化プローブが、２Ｄ画像化プローブ、３Ｄ画像化プローブ、経食道プローブ、経胸壁プローブ、経鼻プローブ、心臓内プローブ、脈管内プローブからなるグループから選択される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 医療デバイス及び超音波検出器をさらに備え、
   前記超音波検出器が前記医療デバイスに取り付けられている、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 第２の超音波検出器をさらに備え、
    前記第２の超音波検出器が前記医療デバイスに取り付けられ、
    前記位置三角測量ユニットがさらに、前記第２の超音波検出器によって検出された超音波信号を示す信号を前記第２の超音波検出器から受け取り、
    前記位置三角測量ユニットがさらに、前記少なくとも３つの超音波放出器に対する前記第２の超音波検出器の空間的位置を、前記少なくとも３つの超音波放出器のうちのそれぞれの超音波放出器による超音波信号の放出と前記第２の超音波検出器による前記超音波信号の検出との間の時間遅れの第２のセットに基づいて、三角測量により決定し、
    前記位置三角測量ユニットがさらに、前記超音波検出器と前記第２の超音波検出器との間の軌道を、前記超音波検出器の前記空間的位置及び前記第２の超音波検出器の前記空間的位置に基づいて決定する、
    請求項９に記載のシステム。
11. 前記医療デバイスが、
    針、カテーテル、ガイドワイヤ、プローブ、内視鏡、電極、ロボット、フィルタ・デバイス、バルーン・デバイス、ステント、僧帽弁クリップ、左心耳閉鎖デバイス、大動脈弁、ペースメーカ、静脈内ライン、ドレナージ・ライン、又は組織封止デバイス若しくは組織切開デバイスなどの外科手術ツール
    からなるグループから選択される、請求項９に記載のシステム。
12. 前記画像化視野内において超音波エネルギーを送信及び受信する超音波画像化プローブと、
    画像化システムプロセッサと、
    画像融合ユニットと
    をさらに備え、
    前記少なくとも３つの超音波放出器が前記超音波画像化プローブに取り付けられ、
    前記画像化システムプロセッサが、前記超音波画像化プローブと動作可能に通信し、
    前記画像化システムプロセッサ、前記位置三角測量ユニット及び前記画像融合ユニットが相互に通信し、
    前記画像化システムプロセッサが、前記超音波画像化プローブによって送信及び受信された前記超音波信号に基づいて、前記画像化視野に対応する超音波画像表現を再構成し、
    前記画像融合ユニットが、前記超音波画像表現及び前記超音波検出器の前記空間的位置に基づいて、前記超音波画像表現に、前記超音波検出器の前記空間的位置を示した融合された画像表現を生成する、
    請求項１に記載のシステム。
13. 前記画像化視野が平面であり、
    前記位置三角測量ユニットはさらに、前記超音波検出器が前記超音波画像表現の前記平面外にあるときに、前記超音波検出器が前記平面のどちら側に位置するのかを示す指示を前記融合された画像中に提供する、
    請求項１２に記載のシステム。
14. 請求項１２に記載のシステムとともに使用する較正方法であって、前記較正方法は、
    請求項１２に記載のシステムを使用して、超音波画像化プローブの前記画像化視野に対応する測定された超音波画像表現を、前記超音波画像化プローブによって送信及び受信された超音波信号に基づいて提供するステップであって、前記測定された超音波画像表現が、前記少なくとも１つの画像特徴の少なくとも一部分を含む、測定された超音波画像表現を提供するステップと、
    請求項１２に記載のシステムの前記超音波画像化プローブの予測された視野に対応する予測された超音波画像表現を、前記少なくとも３つの超音波放出器に対する前記少なくとも１つの包含体又は空洞の位置に基づいて提供するステップと、
    前記位置三角測量ユニットによって決定された前記超音波検出器の前記空間的位置を、前記超音波画像化プローブの前記画像化視野にマッピングするために、前記予測された超音波画像表現と前記測定された超音波画像表現との間の変換を決定するステップと
    を有する較正方法。
15. 決定された前記変換を、前記位置三角測量ユニットによって決定された前記超音波検出器の空間的位置に適用するステップをさらに含む、請求項１４に記載の較正方法。
16. 請求項１２に記載のシステムに、請求項１４又は請求項１５に記載の方法のステップを
    実行させる命令を含む、コンピュータプログラム。

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