JP7621985B2 - 面外針案内用オンスクリーンマーカー - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、令和１年６月１３日に出願された米国特許出願第１６／４４０，６７６号の利益を主張する。

開示される技術は超音波撮像システムに関し、特に、解剖学的構造内の針などの介入器具の位置を描写するための超音波撮像システムに関する。

超音波イメージングは、針などの介入器具を体内の所望の位置に案内するときに使用されるべき注意の標準としてますます受け入れられるようになってきている。この処置の１つの一般的な用途は麻酔の適用中であり、それによって、医師または医療技術者（「オペレータ」）は、超音波画像を見て、針を所望の関心領域に案内するのを助ける。針に対する表示された超音波画像の相対位置は（１）針の長手方向軸が超音波画像の平面内にある（すなわち、針が線状構造として現れる）「面内」、または（２）針が超音波画像の平面に垂直である（すなわち、針がドットとして現れる）「面外」の２つの構成のうちの１つとすることができる。機械的な針ガイドを用いて、超音波変換器（従ってスキンライン）に対する針の角度を固定し、その軌跡が予測可能となるようにする。その結果、超音波画像の平面と予想される針の交差の境界（針ガイドの機械的可変性を考慮に入れる）は、面内用途では平行またはわずかに発散する線によって、面外用途では円または楕円によって描くことができる。特定の実施形態では、オペレータが針の位置に対して血管などの解剖学的構造を見ることができるように、面外針案内が望ましい。

特定の実施形態では、面外針案内が上述したように、画像の平面と交差する点における針の位置のみを示す。特定の実施形態では操作者が針が平面と交差するまで、関心のある解剖学的構造に対する針の位置を決定することができない場合があり、これは針が最初に挿入された後のある時間の間、操作者は針が平面と交差する場所を確実に予測することができないことを意味する。特定の実施形態では理想的には針は関心のある解剖学的特徴に到達すると、超音波画像上に現れる。例として限定されるものではないが、オペレータは針の先端が目標血管に到達すると、超音波画像上の針を見ることができる。

面外案内のための針のより良い配置を確実にするために、固定角度の針ガイドが使用される。これらのガイドは超音波トランスデューサに（例えば、ブラケットによって）固定され、超音波トランスデューサに対して特定の位置および角度で針を保持し、これは、超音波画像に対する（したがって、関心のある解剖学的特徴に対する）針の位置がより正確に分かり、針の配置における操作者の誤りの可能性を低減することを意味する。しかしながら、面外案内における針の配置の精度を低下させる他の要因が依然として存在する。例えば、限定としてではなく、針とガイドとの間の機械的な遊び、超音波トランスデューサのハウジング上のブラケットの適合、トランスデューサハウジング内の超音波トランスデューサアレイの位置合わせ、解剖学的特徴の組織密度、超音波画像平面の厚さおよびプロファイル、および目標物特徴へと進行する針シャフトの偏向はすべて、超音波画像の平面と交差するときに、針の正確な位置に影響を及ぼし得る。

特定の実施形態では、あらかじめ設定された角度および種類の針に基づいて、超音波撮像システムは針が撮像平面と交差する場所を予測し、超音波画像上にオンスクリーン（画面上）マーカーまたは他のインジケータを投影して、ユーザに通知することができる。しかしながら、このオンスクリーンのマーカーでさえ、針の軌道に影響を与える他の要因のために不正確であり得、針が指示された位置で画像と交差する可能性がどの程度あるかの完全な指標を提供しない場合がある。

面外ニードルガイダンスを有する超音波撮像システムの例の簡略化された図を示す。 面外針案内のための例示的な超音波撮像システムのブロック図を示す。 超音波画像の平面を通る様々な深度を示す一組のオンスクリーン深度マーカーの例を示す。 超音波画像の平面を通る様々な深度を示す一組のオンスクリーン深度マーカーの例を示す。 針の挿入角度と超音波像平面との関係を示す。 針の挿入角度と超音波像平面との関係を示す。 高信頼領域に対応するオンスクリーンマーカーの例示的な図を示す。 高信頼領域に対応するオンスクリーンマーカーの例示的な図を示す。 高信頼領域に対応するオンスクリーンマーカーの例示的な図を示す。 高信頼領域に対応するオンスクリーンマーカーの例示的な図を示す。 高信頼領域に対応するオンスクリーンマーカーの例示的な図を示す。 高信頼領域に対応するオンスクリーンマーカーの例示的な図を示す。 トランスデューサに対する超音波ビームの立面プロファイルの一例を示す図である。 超音波画像平面の針挿入角度と仰角プロファイルとの関係を示す。 超音波画像平面の針挿入角度と仰角プロファイルとの関係を示す。 超音波イメージングシステム上にオンスクリーンマーカを表示するための例示的な方法を示し、オンスクリーンマーカは、平面外の針が超音波画像と交差することになる高い信頼度を有する領域に対応する。

以下にさらに詳細に説明されるように、開示される技術は超音波画像形成システムの改良に関し、特に、面外針挿入がマーカーの位置で超音波画像の平面と交差する確率に対応する超音波画像上のオンスクリーンマーカーを計算して表示するように構成される超音波画像形成システムに関する。本開示は平面外方向から挿入されている物体を指すために「針」という用語を使用するが、これには注射針、生検針、組織を縫合するための針、および流体を引き出すための針（例えば、羊水穿刺）が含まれ得るが、これらに限定されない、ロボット外科手術器具、カテーテル、ガイドワイヤ、または他の侵襲性医療器具などの他のデバイスもまた、撮像され得る。

特定の実施形態では、超音波撮像システムが複数の送信超音波ビームを作製し、撮像すべき領域に送出することができる。例として限定されるものではないが、撮像されるべき領域は有機組織、生きた動物、動物又は人間の解剖学的構造の部分、又は超音波撮像を介して測定されることができる任意の他の適切な媒体であることができる。教示目的のために、本開示は、解剖学的構造として撮像される領域を指す。特定の実施形態では、超音波撮像システムが標的解剖学的構造だけでなく、針などの解剖学的構造内に存在する他の物体も撮像することができる。

図１は、平面外針案内を実行する能力を有する、患者の組織を画像化するための開示された技術を実施する代表的な超音波画像化システムを描写する。特定の実施形態では、超音波撮像システム１０が超音波信号を関心領域に送信し、走査されている組織の画像を生成するために対応するエコー信号を受信するためにトランスデューサ１２を使用するハンドヘルド、ポータブル、又はカートベースのシステムとすることができる。トランスデューサ１２は１次元または２次元の線形または湾曲したトランスデューサ、あるいはフェーズドアレイトランスデューサであってもよく、これらのトランスデューサのすべては送信ビーム角度を電子的に選択的に変更することができる。

超音波撮像システム１０は受信されたエコー信号の特性（例えば、それらの振幅、位相、電力、周波数シフトなど）を、画像としてユーザのために定量化され表示されるデータに変換することができる。作成された画像はデジタル記録保持のために電子的に記憶されてもよく、あるいは別の装置または位置への有線または無線通信リンクを介して送信されてもよい。特定の実施形態ではオペレータが面外針ガイダンスシステム１６をトランスデューサ１２に固定することができ、ここで、針ガイダンスシステム１６は撮像のために表示される面に直交する平面に沿ってターゲット領域に挿入するための針１５を保持することができる。特定の実施形態では、針案内システム１６が、針が標的領域内の所望の深さで超音波画像の平面と交差するように、様々な針（例えば、ゲージ又は長さ）及び挿入角度を可能にすることができる。超音波撮像システム１０は標的領域の平面と交差するときに、標的領域と針２４との複合ビュー２２を生成することができる。

特定の実施形態では、固定角度の面外針案内システム１６を使用して、面外針手順を実行してもよい。例として限定されるものではないが、面外針処置はオペレータが血管のような構造に沿って針を配置しようとする場合に望ましく、面外ビューはオペレータが血管壁及び針の断面を視覚化することを可能にする。特定の実施形態では面外針ガイダンスシステム１６が超音波トランスデューサ１２に固着されているため、超音波撮像システムは案内システムの角度および針が画像の平面と交差するのであろう針の種類などの要因に基づいて、決定することができる場合がある。超音波撮像システム１０は図１に示すように、針２４を複合ビュー２２に示すことができる。当業者には理解されるように、針が超音波トランスデューサに対して固定位置にあることを保証するために利用可能な様々な面外針案内システムが存在し得る。

特定の実施形態では、面外針案内システム１６が超音波トランスデューサ上に取り付けることができるブラケットを含むことができる。特定の実施形態では面外針案内システム１６が複数のタブを利用することができ、各タブは特定の針ゲージ、又はオペレータが求める特定の深さに対応する。特定の実施形態では、オペレータが特定の処置に適したタブを選択し、それを複数のタブから取り外し、タブをブラケットにスナップ留めし、所望の目標深さにガイドを形成することができる。特定の実施形態では、面外針ガイドが針を取り外すことを可能にする迅速解放システムをさらに含むことができる。特定の実施形態では、針が取り外されると、選択されたタブも取り外され、廃棄されてもよい。

特定の実施形態では針１５と面外針案内システム１６との間の機械的な遊びは１．５度までであってもよく、これは針の意図された軌道に対する針の角度変化が１．５度ほどであってもよいことを意味する。特定の実施形態では針の角度におけるこの不確実性が与えられると、投影された点からの針の変位の潜在的な大きさは針がより深く進むことを増加させ得る。特定の実施形態では、機械的遊びの量が使用される針およびその針に使用される特定のタブに基づいて知られてもよい。例として限定されるものではないが、特定の針について、１ｃｍの深さのタブは針が０．５度移動することを可能にし、２．５ｃｍの深さのタブは針が１．０度移動することを可能にすることが既に知られている。

図２は、開示される技術の一実施形態による超音波撮像システムの簡略化されたブロック図を示す。特定の実施形態では、超音波システムが図示されたものとは異なる構成要素で構成されてもよい。さらに、超音波システムは説明されていない部分（例えば、電源など）を含むことができ、開示された技術をどのように作り、使用するかを理解するために必要ではない。図示の実施形態では、超音波システムが以下で詳細に説明するように、超音波撮像システムを動作させるためにプロセッサによって実行可能な命令を含む内蔵または外部メモリ（図示せず）を有するプロセッサ４０を含むことができる。送信経路において、超音波システムは、送信ビーム形成器４２と、送信利得制御増幅器４４と、送信／受信スイッチ４６とを含んでもよい。超音波トランスデューサ１２がフェーズドアレイタイプであるか、さもなければ送信角度を電子的に変更することができる場合、送信ビーム形成器４２は、所望の送信ビーム方向（所望の送信ビーム角度）に建設的に追加するトランスデューサのトランスデューサ素子のいくつかまたはすべてから超音波ビームを生成するように選択される相対的な振幅および位相（タイミング）を有するいくつかの信号を生成するように動作することができる。送信ビーム形成器からの信号は、送信増幅器４４によって、トランスデューサ素子が検査される組織内に所望の音響信号を生成することになる十分に高い電圧レベルに増幅され得る。特定の実施の形態では、プロセッサ４０がデジタル値（例えば、０～２５５）のような制御コマンドを利得制御増幅器に供給するように接続される。コマンドの値は、送信増幅器４４によって供給されるゲインの量を制御することができる。

超音波信号のパワーを調整するための他の技術は、超音波信号のパワーを増減させるためにトランスデューサ素子を駆動する波形を変更することを含み得る。特定の実施形態において、駆動信号を生成する増幅器の電圧レール（＋Ｖ、－Ｖ）は、超音波信号のパワーを変化させるために変更されてもよい。特定の実施形態では、駆動信号が超音波信号のパワーを変化させるために、より少ない又はより多くのトランスデューサ素子に供給されてもよい。当業者であれば、これらの技術は単に例示的なものであり、患者に送達される超音波信号の音響パワーのレベルを調整することができる多くの方法があり得ることを理解するのであろう。

特定の実施形態において、増幅された送信信号は、送信／受信スイッチ４６を通してトランスデューサ１２に供給されてもよく、トランスデューサ１２に送達される時点で、感度の高い受信電子機器を送信信号から切断または遮蔽する。信号が送信された後、送信／受信スイッチ４６は、受信電子機器をトランスデューサ素子に接続して、戻ってくる音波がトランスデューサ素子に衝突したときに生成される対応する電子エコー信号を検出することができる。

特定の実施形態では受信経路において、超音波撮像システムは低雑音増幅器５０、時間利得制御増幅器５２、アナログ－デジタル変換器５４、受信ビーム形成器５６、および画像プロセッサ５８を含んでもよい。撮像トランスデューサによって生成されたアナログエコー信号は、送信／受信スイッチ４６を通って低ノイズ増幅器に導かれ、そこで増幅されてもよい。ＴＧＣ増幅器５２は信号対深さの減衰を打ち消すために、信号の戻り時間と共に印加される増幅のレベルを変化させる（例えば、撮像される組織内の深さに比例する）可変増幅を受信信号に印加することができる。次いで、増幅された信号は、アナログ－デジタル変換器５４によってデジタルフォーマットに変換され得る。デジタル化されたエコー信号はその後、画像プロセッサに供給される前に、受信ビーム形成器５６によって遅延され、合計されてもよい。

特定の実施形態において、送信ビーム及び受信ビーム（線）の数は、互いに異なる場合がある。例として限定されるものではないが、受信ビーム形成器は送信ビーム当たり２つ以上の隣接するラインを並列に（即ち、同時に）生成することができ、この技術は並列受信ビームフォーミング又はマルチライン処理として知られることがある。フレーム当たりの受信ライン数（ライン密度）を一定に保つことができる一方で、送信ビームの数を下げることによって撮像フレームレートを増加させるために、マルチライン処理を使用してもよい。特定の実施形態では、より高いマルチライン次数（単一の送信ビームから平行に形成された受信ラインビームの数）を使用して、送信ビームの数、従ってフレームレートを一定に保ちつつ、フレーム当たりの受信ライン数を増加させることができる。ライン密度、フレームレートおよび複数ライン順序の他の組み合わせも可能である。さらに、非集束ビーム（平面波）を送信し、その単一の送信ビームからフレームのすべての受信ラインをビーム形成することが可能である場合がある。システムはまた、介入器具を撮像することに対して組織を撮像するために、線密度とマルチライン順序との異なる組み合わせを使用してもよい。特定の実施形態ではフレームレートを改善しつつ、より高い多重ライン次数、より低いライン密度、又は焦点の合っていない送信ビームを使用することは取得された画像の品質を低下させ得る。

受信された信号から画像プロセッサ５８によって生成された画像は、ディスプレイ６０上に表示されてもよい。さらに、画像は、将来のリコールおよびレビューのために画像メモリ（図示せず）に記録されてもよい。オペレータが超音波イメージングシステムの様々な動作パラメータを変更し、患者の名前または他の記録保持データなどのデータを入力することを可能にするために、いくつかの入力７２を提供することができる。さらに、超音波イメージングシステムはシステムが有線（例えば、イーサネット（登録商標）、ＵＳＢ、サンダーボルト、ファイアワイヤなど）または無線（８０２．１１、セルラー、衛星、ブルートゥース（登録商標）など）通信リンクを介してコンピュータ通信リンク（ＬＡＮ、ＷＡＮ、インターネットなど）に接続することを可能にする入出力（Ｉ／Ｏ）回路を含むことができる。

超音波イメージングシステムを構成する構成要素の詳細およびそれらがどのように動作するかは、一般に、当業者には周知であると考えることができる。超音波イメージングシステムは多くの別個の構成要素を有するように示されているが、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、ＣＰＵ、またはＧＰＵなどのデバイスを使用して、これらの個々の構成要素のうちの複数の構成要素の機能を実行することができる。

上述したように、プロセッサ４０は、検査されている組織と、組織内に導入されている針との合成画像を生成するようにプログラムされてもよい。特定の実施の形態では、画像プロセッサが検査される組織の解剖学的画像を、走査される組織の深さ及び特定のタイプに対して選択される画像化パラメータと共に生成する。画像プロセッサ５８によって生成された解剖学的構造画像は介入器具の位置を突き止めるために生成された針フレームのうちの１つまたは複数のためのエコーデータと組み合わされるように、メモリに格納され得る。

図３Ａ～３Ｂは、面外針案内システムのための既存のオンスクリーン深度マーカーの実施例を示す。図３Ａの例では超音波画像３００が関心のある解剖学的構造３１０を描写することができ、一方、針は超音波画像３００の平面に直交する方向から解剖学的構造３１０に挿入される。図３の例では、超音波撮像システムがさらに、針の所与の深さについて、針が超音波平面と交差し得る特定の位置にそれぞれ対応する、一組のオンスクリーン深さマーカー３２１～３２５を表示してもよい。例として限定されるものではないが、深さマーカ３２１は０．５ｃｍの深さに対応し、深さマーカ３２２は１．０ｃｍに対応し、深さマーカ３２３は１．５ｃｍに対応し、深さマーカ３２４は２．０ｃｍに対応し、深さマーカ３２５は２．５ｃｍに対応する。図３の例では、奥行きマーカ３２２および３２４が奥行きマーカ３２１、３２３、および３２５よりも大きく見え、一連の奥行きマーカを区別する際のオペレータの利益となる。特定の実施形態において、深さマーカーは、各深さマーカーに対応する深さを示す数値を伴ってもよい。特定の実施形態において、深さマーカー３２１～３２５は、超音波撮像システムによって自動的に設定された各深さマーカー３２１～３２５で、オペレータが面外針挿入手順を実施したいというオペレータによる指示に基づいて、超音波撮像システムによって自動的に生成されてもよい。特定の実施の形態では、オペレータが表示する１以上の奥行きマーカを選択し、表示しない１以上の奥行きマーカを選択する。例として限定されるものではないが、オペレータが、２．０ｃｍの深さで面外針挿入を試みていることを知っている場合、オペレータは表示される深さマーカ３２４のみを手動で選択し、深さマーカ３２１～３２３及び３２５は表示されない。これは、超音波画像上のクラッタを低減し、混乱を回避するために超音波画像３００をオペレータにとってより明瞭にすることができる。

図３Ｂは図３Ａの例で使用されるが、超音波画像３００の平面と交差する針２４の可視化を伴う超音波画像を示す。図３Ｂの例において、図３Ａについて先に議論した例を続けると、オペレータは、深さマーカー３２３に対応する１．５ｃｍの深さに適切な針ガイド及び針を選択することができる。特定の実施形態では、超音波撮像システムが超音波画像内の針を自動的に検出して、図３Ｂの例示的な超音波画像３００内に針が現在存在していることを判定する既知の方法を使用することができる。特定の実施形態では、オペレータが超音波画像３００上の針を知覚したときに、超音波撮像システムにさらなる入力を提供することができる。特定の実施形態では、針が自動的に又はオペレータによって検出されると、超音波イメージングシステムは例えば、１つ又はそれ以上のオンスクリーン奥行きマーカー３２１～３２５をより透明にすることによって、オンスクリーン奥行きマーカー３２１～３２５を除去するか、さもなければ、超音波画像３００上でのそれらの視認性を低減することができる。図３Ｂの例では、注目される深さ及びターゲットに対応するオンスクリーン深さマーカー３２３から、針２４が少量ずつ変位される。特定の実施形態では変位が針の撓み、針と針ガイドまたは針ガイドと超音波トランスデューサとの間の機械的遊び、または組織密度を含むが、これらに限定されない、いくつかの要因に起因し得る。図３Ｂの例は標的深さのためのオンスクリーン深さマーカーのみを使用することに対して潜在的な下側を強調することができ、いくつかの理由のいずれかのために、針は予測された位置から分岐することができる。

特定の実施形態において、超音波撮像システムは、面外針挿入が特定の領域において超音波画像の平面と交差する確率を計算するように構成されてもよい。複数の要因が交差の確率に影響を及ぼすことがある。例えば、上述のように、針と案内システムとの間の機械的遊びは、針が有する自由度の角度に基づいて不確実性に寄与し得る。針の軌道に影響を及ぼす可能性があり、超音波撮像システムによって入力として使用され得る他の要因はトランスデューサハウジング上へのブラケットの嵌合、トランスデューサハウジング内のトランスデューサアレイの位置合わせ、針が組織を通って進行する際の針の潜在的なたわみ、針の物理的特性、針配置の深さ、超音波ビームの高さプロファイル、および組織密度を含むことができる。特定の実施形態では、これらの要因のうちの１つ以上が超音波撮像システムによって組み合わされて、針が高信頼領域内で交差する可能性が閾値を超える超音波画像内の高信頼領域を決定することができる。特定の実施形態では、おそらく閾値が８５％、９０％、９５％、９９％、または９９．９％を超える交差確率であり得る。例として限定されるものではないが、超音波撮像システムは針が高信頼領域内の点を通って超音波画像平面と交差する可能性が９９％である高信頼領域を決定してもよい。

特定の実施形態では、組織密度および針の撓みは針の軌道に影響を及ぼし、複合効果を有することができる。例として限定されるものではないが、組織密度は針が組織を通って進行するときに、針が有し得る撓みの量に影響を及ぼし得る。筋肉組織を通して挿入されている針は脂質組織を通して挿入されている針よりも大きな抵抗によって影響を受けることがあり、したがって、筋肉を通る針は、より大きな量の撓みを受けることがある。さらに、特定の実施形態ではより浅い標的深さはより薄い針を利用することができ、より深い標的深さはより厚い針に対応することができる。特定の実施形態では、組織密度はまた、針に対する超音波画像の精度に影響を及ぼし得る。異なるタイプの組織は異なる密度および含水量を有してもよく、同じタイプの組織（例えば、筋肉）でさえ、患者、患者の体内の組織の位置、日時、患者の水分補給レベルなどに基づいて、異なる密度および含水量を有する可能性がある。これらの要因は、超音波イメージングシステムが解剖学的構造を通る超音波パルスの伝播のために媒体を通る一定の音速を使用するので、超音波イメージングシステムが超音波画像を正確にレンダリングする能力の精度に影響を及ぼす可能性がある。これは、骨のすぐ隣の筋肉組織など、２つの異なる解剖学的構造を描出する超音波画像で顕著なことがある。特定の実施形態では、超音波撮像システムが超音波画像において特徴付けられる解剖学的構造のうちの１つ以上の組織密度を考慮するために、その撮像設定を調整することができる。特定の実施形態では例えば、３Ｄ又はバイプレーントランスデューサを使用する場合、超音波撮像システムは組織密度に基づいて予想される位置からの針可視化の任意の変位に基づいて、組織が撮像のために想定されたものとは異なるかどうか、又は組織内の水分含量が異常であるかどうかを決定することができる。例として限定されるものではないが、患者が脱水される場合、患者の組織密度は予想される目標領域に対する針の最終的な位置に影響を及ぼし得る、予想されるものとは異なり得る。

特定の実施形態では、超音波撮像システムが針挿入処置の前及びその間に解剖学的構造内の標的領域が高信頼領域内にあるかどうかを検出する他のアルゴリズムを活用することができる。例として限定されるものではないが、オペレータは任意の針挿入の前に、針の目標深さと、血管のようなその深さを目標とする解剖学的特徴との両方を超音波システム上に示すことができる。超音波イメージングシステムがどのタイプの針を使用するか、対応する深さ、およびターゲット特徴が何であるかの選択を受け取ると、針がターゲット領域を完全に見逃さないことを保証するために、ターゲット特徴が高信頼領域のすべてではないにしても大部分を包含するかどうかをリアルタイムまたはほぼリアルタイムで判定することができる。処置の前に、超音波画像化システムは使用される針および標的領域に基づいて、設定された針挿入処置が針を標的領域にうまく配置するかどうかを決定し、操作者に、彼または彼女が進むべきであることを通知し得る。特定の実施形態では、超音波撮像システムが針が標的領域に到達することを確実にするのに十分に高信頼領域が標的領域と重ならないと判定した場合、超音波撮像システムは操作者に、操作者が患者、超音波トランスデューサの位置をシフトすべきであること、または異なる針および／または針ガイドを使用すべきであることを通知することができる。特定の実施形態では、針挿入プロセスが開始すると、対象者が動くことなどによって、針または標的領域の位置が移動することがある。超音波イメージングシステムが挿入プロセス中であるが、針が超音波イメージング面と交差する前に、針がターゲット領域を見逃すと判定した場合、超音波イメージングシステムは手順が成功しない可能性があることをオペレータに通知し、オペレータが手順をリセットし、針が完全に挿入される前に再度試みることを可能にすることができる。

図４Ａは、針の挿入角度と超音波画像面との関係を示す。図４Ａの図において、針１５はある位置から超音波画像３００の平面の左側に挿入されてもよく、針の軌跡は下方に向かって右側に向かっている。針案内システムと共に使用されるタブに基づいて、針１５は、高信頼領域４２１Ａ～４２５Ａに向かうマークされた軌道のうちの１つをたどる。図４Ａの例では可能な各軌道に対して、超音波撮像システムは針が投影された経路から２度以下シフトするのであろうことを決定してもよい。

図４Ｂは超音波画像３００のための平面を横切るときに、針１５の計算された軌道の高信頼領域４２１Ａ～４２５Ａへの投影を提供する。図４Ｂの例では、高信頼領域４２１Ａ～４２５Ａが超音波像平面３００に到達するためにさらに移動しなければならない針に対するより大きな潜在的変位のため、深度が増加することにつれてより大きくなる。上述の針の軌道に影響を及ぼす他の要因も、高信頼領域のサイズに影響を及ぼす可能性がある。さらに、図４Ｂの例では、高信頼領域４２１Ａ～４２５Ｂが各マーカーの高さに対してより狭いことが分かる。特定の実施形態では、これは第２の方向よりも第１の方向に多くの機械的遊びがあるという決定を反映することができる。図４Ａおよび４Ｂの例では、高信頼領域が９９％のしきい値を有することができる。特定の実施の形態では、高信頼領域が全ての側で対称であってもよい。例えば、限定するものではないが、撮像システムは針が任意の方向に２度以下だけ移動し得ることを決定してもよい。特定の実施例では、高信頼領域は非対称であってもよい。限定としてではなく一例として、撮像システムは針が第１の方向において２度だけシフトし得るが、第２の方向において１度のみシフトし得ることを判断してもよい。別の例として限定されるものではないが、上述の要因に基づいて針が一方向にシフトする可能性がより高いので、高信頼度レベルは正確に予測された経路に集中されなくてもよい。

特定の実施の形態では、超音波イメージングシステムが高信頼領域に対応する１以上のオンスクリーンマーカを超音波画像上に表示するように構成される。オンスクリーンマーカーのサイズ、形状、不透明度、および他の特徴は高信頼領域、例えば、高信頼領域のサイズ、形状、または閾値に基づくことができる。特定の実施形態では、スクリーン上のマーカーが上述のように、撮像および針配置の精度に影響を及ぼす可能性がある要因のために、垂直方向または横方向のいずれにおいても対称ではない高信頼領域を示すように非対称に成形されてもよい。特定の実施形態ではオンスクリーンマークのサイズ、形状、または他の特徴は針挿入手順の前および最中に動的に変更することができる。例えば、超音波イメージングシステムは処置中に高信頼領域を決定し、調整し続けることができ、オンスクリーンマーカーを動的に変更することができる。例として限定されるものではないが、針がターゲットに近づくにつれて、高信頼領域の閾値は増加し、対応するオンスクリーンマーカーのサイズ、形状、又は色はそれに応じて調整される。

図４Ｃは、それぞれ高信頼領域４２１Ａ～４２５Ａに対応するオンスクリーンマーカー４２１～４２５を有する超音波画像３００の例示的な図を示す。図３Ａおよび図３Ｂと同様に、超音波画像３００は、撮像されている解剖学的構造３１０を示す。図に示す深さマーカーに加えて。３Ａおよび３Ｂ、図４Ｃの超音波画像３００は、それぞれ高信頼領域４２１Ａ～４２５Ａに対応するオンスクリーンマーカー４２１～４２５を使用する。図４Ｃの例では、各オンスクリーンマーカーが９９％の閾値を有する高信頼度領域４２１～４２５Ａに対応し得る。

図４Ｄは、針配置のための高信頼度レベルのためのオンスクリーンマーカーの別の例示的な図を示す。図４Ｄの例では、オペレータが４Ｃの例に存在し得る視覚的クラッタの一部を除去することが望ましく、５つの決定されたオンスクリーンマーカー全てが超音波画像３００において可視である。図４Ｄの例では、オペレータが選択された針および針ガイドに基づいて、表示される単一のオンスクリーンマーカーを選択することができる。この決定に応答して、超音波イメージングシステムは例えば、超音波画像の逆色を使用することによって、選択されたオンスクリーンマーカー４２４のみを目立つように表示することができる。これは、過度に目立たなくても、オンスクリーンマーカー４２４を目立たせることができる。超音波イメージングシステムは、他のオンスクリーンマーカー４２１～４２３、４２５の可視性を低減することができる。例えば、マーカー４２１～４２３、４２５は、より高い透明度で提示され、グレースケールで提示され、または超音波画像から区別され得る。特定の実施形態では、オンスクリーンマーカー４２１～４２３、４２５を除去することができる。特定の実施の形態では、超音波イメージングシステムが深さ、対応する高信頼領域の閾値、対応する高信頼領域の合計領域、又は針が対応する高信頼領域に入ったかどうかのような、表示されたオンスクリーンマーカーの１以上に関する情報を提供する。特定の実施の形態では、情報が例えば、針が高信頼領域に接近し、交差（又はミス）するときに、動的に更新される。図４Ｄの例では、選択されたオンスクリーンマーカー４２４に表記４２６が存在し、オンスクリーンマーカー４２４の深さを示す。特定の実施の形態では、情報が超音波画像３００に自動的に表示される。特定の実施形態では、オペレータが表示されるべき情報を指定する入力を提供してもよい。

特定の実施の形態では、超音波イメージングシステムが対応するオンスクリーンマーカー内に描写されるべき所与の深さに対して異なる閾値を有する複数の高信頼領域を決定する。例として限定されるものではないが、超音波イメージングシステムは第１の陰影を有し、最大領域である９９％の閾値を有する高信頼領域に対応するオンスクリーンマーカーと、９５％の閾値を有する高信頼領域に対応し、わずかに小さい第２の陰影オンスクリーンマーカーと、８５％の閾値を有する高信頼領域に対応し、サイズがさらに小さい第３の陰影オンスクリーンマーカーとを使用してもよい。特定の実施形態では、複数の信頼レベルを使用することは針が意図された標的を見失ったり、別の解剖学的特徴に衝突したりする特定の危険性があるかどうかをオペレータに示すことができる。特定の実施の形態では、超音波イメージングシステムが決定すべき閾値の数及び各閾値の値（例えば、９９％、９５％、９０％）を自動的に決定する。特定の実施の形態では、オペレータがユーザ入力を介して、何個の閾値及び何個の値を画像化に使用すべきかを指定する。例として限定されるものではないが、特定の針の挿入のために、オペレータが針が近くの解剖学的構造に衝突することを避けることが必須である場合、オペレータはオペレータが近くの構造を避けることをより確信することができるように、必要とされる閾値を（例えば、９９．９％まで）増加させることができる。図４Ｅを参照すると、限定ではなく例示の目的で、オンスクリーンマーカー４３１～４３５は異なる信頼レベルを示すために異なるシェードを利用することができ、最小のマークされた領域は、より低い信頼レベルを示す。例えば、オンスクリーンマーカー４３５Ａは９９％の閾値を有する高信頼領域に対応し、オンスクリーンマーカー４３５Ｂは９５％の閾値を有する高信頼領域に対応し、オンスクリーンマーカー４３５Ｃは９０％の閾値を有する高信頼領域に対応し、オンスクリーンマーカー４３５Ａは、８５％の閾値を有する高信頼領域に対応する。オンスクリーンマーカー４３５Ａはマーカー４３５Ａ～Ｄのうち最大で最も明るく、オンスクリーンマーカー４３５Ｄはマーカー４３５Ａ～Ｄのうち最小で最も暗い。図４Ｅの例に示されるように、より低い信頼レベルを反映する各より小さい領域は超音波撮像システムによって使用される因子に基づいて、より高い信頼レベルのために、より大きい領域と必ずしも同心でなくてもよい。

図４Ｆは図４Ｅと同様に、オンスクリーンマーカー４３１～４３５の別の例示的な図を示す。図４Ｆの例では、オペレータが単一のオンスクリーンマーカー４３２を選択することができ、オペレータがオンスクリーンマーカー４３２に対応する深さに針を挿入することを意図していることを示す。この例では、超音波イメージングシステムが超音波画像３００を変更して、選択されていないオンスクリーンマーカー４３１および４３３～４３５の視認性を低下させることができる。さらに、超音波画像３００は選択されたオンスクリーンマーカー４３２のピクチャインピクチャ（画像内画像）４４０および周囲の組織を追加することができ、その結果、オペレータは、針が画像と交差すると予想される領域の拡大図を提供される。特定の実施の形態では、超音波イメージングシステムが選択されていないオンスクリーンマーカーの可視性を低減することのみを選択するか、又はピクチャインピクチャ４４０を提供することのみを選択する。

図４Ｇは図４Ｃおよび４Ｄと同様に、オンスクリーンマーカー４２１～４２５の別の例示的な図を示す。図４Ｇの例では、オペレータが面外針処置のためのターゲットとしてオンスクリーンマーカー４２３を選択することができる。この例では、超音波イメージングシステムが次いで、オンスクリーンマーカー４２３の周りの領域４５０を選択し、領域４５０内の画像処理パラメータを変更して、それをオペレータに視覚的に区別させることができる。例として限定されるものではないが、領域４５０はより大きなコントラスト、異なる色相、又は超音波画像３００の残りに対する領域４５０の可視性を高める他の方法で表示されてもよい。特定の実施の形態では、画面が高信頼領域の動的な計算に基づいて自動的に更新される。

図４Ｈは、オンスクリーンマーカー４４１～４４５の別の例示的な図を示す。この例では、オンスクリーンマーカーが高信頼領域の輪郭に対応する単なるループである。特定の実施形態では、オンスクリーンマーカー４４１～４４５を使用することにより、超音波画像３００の詳細にさらなる混乱を加えることなく、針が出現すると予想される場所をオペレータに示すことができる。

特定の実施形態では、高信頼領域の決定が深さの関数としての超音波ビームの形状に基づくことができる。図５は、収束超音波トランスデューサ１２によって形成され、立面プロファイル５１０を形成する例示的な超音波ビームを示す。図５の例に示されるように、仰角プロファイル５１０はトランスデューサの開口サイズに大まかに対応する初期の広い領域を反射し、次いで、初期距離にわたって狭くなり、次いで、最終的には再び広がる。特定の実施形態では、超音波画像の厚さは深さと共に変化し得るので、オンスクリーンマーカーの決定もシフトし得る。深さにわたるビームの仰角プロファイル（すなわち、トランスデューサからの距離）はトランスデューサ面の直径および使用される波長から予測され得ることが、当技術分野において理解されるのであろう。特定の実施形態ではビームの仰角プロフィールが深さとともに変化するため、超音波画像で表されるビューの厚さは画像全体にわたって一致しない場合がある。

図６Ａは、針挿入角度と、仰角プロファイル５１０を有するビームの超音波撮像平面との間の関係を示す。図６Ｂは、針１５の計算された軌跡の高信頼領域６１１～６１５への投影を提供する。図４Ａと同様に、図６Ａの例では、針１５が図６Ａの左からおよび上から挿入されており、超音波像平面は図５に示されるように、仰角プロフィール５１０によって描かれている。図６Ａの例では、仰角厚さ５１０が放物線円弧としてプロットされる。図６Ａにおいて、針１５のための軌跡は、図４Ａに示されるのと同じポテンシャル角度シフトに基づいて、スクリーン上のマーカー６１１～６１５としてプロットされる。しかしながら、高さプロファイル５１０に沿った可変の厚さは、高信頼領域６１１～６１５のサイズに影響を及ぼす可能性がある。特に、深さが増加し、ビームの厚さが増加することにつれて、高信頼領域６１４および６１５の形状は（例えば、図４Ａ～４Ｂに示されるように）一定の厚さを有するビームを使用する計算と比較して差異を生じ得る。

図７は超音波イメージングシステム上にオンスクリーンマーカーを表示するための例示的な方法７００を示し、オンスクリーンマーカーは、平面外の針が超音波画像と交差することになる高い信頼度を有する領域に対応する。ステップ７１０において、超音波イメージングシステムは、関心領域の第１の平面に沿って超音波画像を撮影する指示を受信することができる。例として限定されるものではないが、関心領域は針挿入のための標的領域を有する解剖学的構造であってもよい。ステップ７２０において、超音波撮像システムは、第１の平面に沿った超音波画像に対して、面外針挿入プロセスが行われるのであろうという入力をさらに受け取ることができる。例として限定されるものではないが、超音波撮像システムのオペレータは面外針案内システムを超音波トランスデューサに取り付け、使用される針及び所望の目標深さに適したタブを選択して取り付けることができる。針の挿入は、第１の平面に直交する第２の平面に沿って行われてもよい。ステップ７３０において、超音波撮像システムは、第１の平面に沿った関心領域の超音波画像の捕捉を開始することができる。ステップ７４０において、超音波撮像システムは、挿入された針が第１の平面と交差し得る１つ以上の高信頼領域を決定し得る。決定は、超音波画像および平面外針挿入に関する情報に基づいてもよい。ステップ７５０において、超音波撮像システムはディスプレイ上の複数の超音波画像と共に、１つ以上の高信頼領域に対応する１つ以上のオンスクリーンマーカーを表示してもよい。

特定の実施形態は、必要に応じて、図７に開示される１つ以上のステップを繰り返してもよい。本開示は図７の方法の特定のステップを特定の順序で行われるものとして説明し、例示するが、本開示は任意の適切な順序で行われる図７の方法の任意の適切なステップを企図する。さらに、本開示は図７の方法の特定のステップを実行する特定の構成要素、装置、またはシステムを説明し、例示するが、本開示は図７の方法の任意の適切なステップを実行する任意の適切な構成要素、装置、またはシステムの任意の適切な組合せを企図する。

特定の実施形態では、信頼レベルに基づいて面外針案内のためのオンスクリーンマーカーを利用する本発明が、針が超音波画像面と交差すべき場所だけでなく、針が交差することができる場所についてもオペレータに追加のフィードバックを提供することによって、面外針案内のための以前のオンスクリーンマーカーを超える利点を提供することができる。特定の実施形態では、これは針が標的構造と交差することを確実にするために、または針が異なる構造と交差することを回避することを確実にするために、針の挿入前に、オペレータが解剖学的構造に対して針ガイドまたは超音波トランスデューサの位置決めを調節することを可能にし得る。

本明細書で説明される主題および動作は、本明細書で開示される構造およびそれらの構造的等価物を含む、デジタル電子回路、またはコンピュータソフトウェア、ファームウェア、またはハードウェア、あるいはそれらの１つまたは複数の組合せで実装され得る。本明細書で説明される主題の実施形態はデータ処理装置による実行のために、またはデータ処理装置の動作を制御するために、コンピュータ記憶媒体上に符号化された１つまたは複数のコンピュータプログラム、すなわち、コンピュータプログラム命令の１つまたは複数のモジュールとして実装され得る。

コンピュータ記憶媒体はコンピュータ可読記憶装置、コンピュータ可読記憶基板、ランダム又はシリアルアクセスメモリアレイ又は装置、又はそれらの１つ以上の組み合わせであってもよいし、それらに含まれてもよい。さらに、コンピュータ記憶媒体は伝搬信号ではないが、コンピュータ記憶媒体は人工的に生成された伝搬信号に符号化されたコンピュータプログラム命令のソースまたは宛先とすることができる。コンピュータ記憶媒体はまた、１つ以上の別個の物理的構成要素または媒体（例えば、複数のＣＤ、ディスク、または他の記憶装置）であってもよく、またはそれらに含まれてもよい。

用語「プロセッサ」は、例として、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、チップ上のシステム、または前述の複数のもの、またはそれらの組合せを含む、データを処理するためのすべての種類の装置、デバイス、および機械を包含する。装置は特殊目的論理回路、例えば、ＦＰＧＡ(フィールドプログラマブルゲートアレイ）又はＡＳＩＣ(特定用途向け集積回路）を含むことができる。また、この装置はハードウェアに加えて、当該コンピュータプログラムの実行環境、例えば、プロセッサファームウェア、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステム、クロスプラットフォームランタイム環境、仮想マシン、またはそれらの１つ以上の組み合わせを構成するコードを作成するコードを含むことができる。装置および実行環境は、ウェブサービス、分散コンピューティング、およびグリッドコンピューティングインフラストラクチャなどの様々な異なるコンピューティングモデルインフラストラクチャを実現することができる。

コンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、スクリプト、またはコードとも呼ばれる）はコンパイルまたは解釈された言語、宣言言語または手続き言語を含む任意の形式のプログラミング言語で書くことができ、スタンドアロンプログラムとして、またはコンピューティング環境での使用に適したモジュール、コンポーネント、サブルーチン、オブジェクト、またはその他のユニットとして含む任意の形式で展開することができる。コンピュータプログラムはファイルシステム内のファイルに対応することができるが、必要ではない。プログラムは他のプログラムまたはデータ（例えば、マークアップ言語文書に記憶された１つ以上のスクリプト）を保持するファイルの一部、問題のプログラム専用の１つのファイル、または複数の調整されたファイル（例えば、１つ以上のモジュール、サブプログラム、またはコードの一部を記憶するファイル）に記憶することができる。コンピュータプログラムは、１つのコンピュータ上で、または１つのサイトに配置されるか、複数のサイトに分散され、通信ネットワークによって相互接続される複数のコンピュータ上で実行されるように展開することができる。

本明細書で説明されるプロセスおよび論理フローは入力データに対して動作し、出力を生成することによってアクションを実行するために、１つまたは複数のコンピュータプログラムを実行する１つまたは複数のプログラマブルプロセッサによって実行され得る。プロセスおよび論理フローはまた、ＦＰＧＡ(フィールドプログラマブルゲートアレイ）またはＡＳＩＣ(特定用途向け集積回路）などの特殊目的論理回路として実行されてもよく、装置を実装することもできる。

コンピュータプログラムの実行に適したプロセッサは、限定ではなく例として、汎用マイクロプロセッサと専用マイクロプロセッサの両方を含むことができる。コンピュータプログラム命令およびデータを記憶するのに適した装置は例として、限定するものではないが、半導体メモリ装置、例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、およびフラッシュメモリ装置、磁気ディスク、例えば、内部ハードディスクまたはリムーバブルディスク、光磁気ディスク、ならびにＣＤ－ＲＯＭおよびＤＶＤ－ＲＯＭディスクを含む、すべての形態の不揮発性メモリ、媒体、およびメモリ装置を含むことができる。プロセッサおよびメモリは、専用論理回路によって補足されてもよく、または専用論理回路に組み込まれてもよい。

上記から、本発明の特定の実施形態が例示の目的で本明細書に記載されているが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正を行うことができることを理解されたい。したがって、本発明は、添付の請求項によって限定される以外が限定されない。

Claims (12)

1. 画像プロセッサを備える超音波撮像システムであって、
   前記画像プロセッサは、
   関心領域の超音波画像を捕捉するための入力データを受信することであって、前記超音波画像は第１の平面に沿って取得され、前記第１の平面に直交する第２の平面に沿って針が挿入され、前記関心領域に前記針が挿入されることを示す指標をさらに含む前記入力データを受信し、
   前記第１の平面に沿って前記関心領域の複数の超音波画像を捕捉することであって、前記複数の超音波画像は順次捕捉され、前記複数の超音波画像は前記超音波撮像システムのディスプレイ上に描写される、ように捕捉し、
   前記入力データおよび複数の超音波画像に基づいて、前記針が前記第１の平面と交差する前記関心領域の１つ以上の高信頼領域を決定することであって、前記高信頼領域の各々は前記針が高信頼領域の任意の部分で前記第１の平面と交差する確率に基づいて決定し、
   １つ以上の前記高信頼領域に対応する１つ以上のオンスクリーンマーカーを前記ディスプレイ上に複数の超音波画像と共に表示する、
   ように構成され、
   前記１つ以上の高信頼領域の決定は、前記関心領域に描かれた組織の密度、前記針の物理的特性、及び前記針の配置の深さのうちの１つ以上に基づいて決められる前記針が前記関心領域に挿入される可能性がある第１の範囲と、前記超音波撮像システムの超音波ビームの仰角プロフィールによって決められる超音波ビームが到達する第２の範囲の重なりに基づいて決定される、
   超音波撮像システム。
2. 前記針は前記第２の平面に沿って、針案内システムを介して挿入され、前記針案内システムは前記超音波撮像システムの超音波トランスデューサに固定される、請求項１の超音波撮像システム。
3. 前記１つ以上の前記高信頼領域の各々は、前記超音波撮像システムの超音波トランスデューサからの関心領域内の特定の深さにそれぞれ対応する、請求項１に記載の超音波撮像システム。
4. 前記針が前記第１の平面と交差したことを検出し、
   前記複数の超音波画像上の前記第１の平面内の前記針の位置の指標を提供し、
   前記ディスプレイから前記１つ以上のオンスクリーンマーカーを自動的に除去する、
   ようにさらに構成される、請求項１に記載の超音波撮像システム。
5. 前記１つ以上の高信頼領域の決定は、前記組織の密度および前記針の物理的特性のうちの少なくとも１つに基づいて、挿入中の前記針の潜在的なたわみを計算することにさらに基づく、請求項１に記載の超音波撮像システム。
6. 前記第１の平面に沿った超音波画像は深さの関数として変化する仰角厚さを含み、
   前記１つ以上の高信頼領域の決定は、超音波画像内の各高信頼領域における仰角厚さにさらに基づく、
   請求項１に記載の超音波撮像システム。
7. 前記画像プロセッサはさらに、
   前記関心領域内のターゲットを示す入力データを受信し、
   前記高信頼領域がターゲットと重なるかどうかを判定し、前記高信頼領域がターゲットと重なるかどうかを超音波イメージングシステムのオペレータに通知する、
   ように構成される、請求項１に記載の超音波撮像システム。
8. 前記画像プロセッサはさらに、
   前記針が前記第２の平面に沿って前記関心領域に挿入されていることを決定し、
   前記高信頼領域がターゲットと重なったままであるかどうかを判定し、
   前記高信頼領域がもはやターゲットと重なっていないと判定したことに応答して、前記高信頼領域がターゲットと重なっていないことをオペレータに通知する、
   ように構成される、請求項７に記載の超音波撮像システム。
9. 前記画像プロセッサはさらに、
   前記１つ以上のオンスクリーンマーカーから単一のオンスクリーンマーカーの選択を受信し、
   選択されなかった前記１つ以上のオンスクリーンマーカーを超音波画像から除去する、
   ように構成される、請求項１に記載の超音波撮像システム。
10. 前記画像プロセッサはさらに、
    前記１つ以上のオンスクリーンマーカーから少なくとも１つの選択されたオンスクリーンマーカーの選択を受け取り、
    前記選択された１つ以上のオンスクリーンマーカーの色を変更する、
    ように構成される、請求項１に記載の超音波撮像システム。
11. 前記画像プロセッサはさらに、
    １つ以上のオンスクリーンマーカーから少なくとも１つの選択されたオンスクリーンマーカーの選択を受け取り、
    前記ディスプレイ上のピクチャインピクチャ内の少なくとも１つの選択されたオンスクリーンマーカーを表示する、
    ように構成される、請求項１に記載の超音波撮像システム。
12. 超音波撮像システムの１つ以上の計算装置によって実行されるときに動作可能なソフトウェアを具体化する１つ以上のコンピュータ読み取り可能な一時的でない記憶媒体であって、
    前記ソフトウェアは、
    関心領域の超音波画像を捕捉するための入力データを受信することであって、前記超音波画像は第１の平面に沿って取得され、針は前記第１の平面に直交する第２の平面に沿って挿入され、前記関心領域に前記針が挿入されることを示す表示をさらに含む前記入力データを受信し、
    前記第１の平面に沿って前記関心領域の複数の超音波画像を捕捉することであって、前記複数の超音波画像は順次捕捉され、前記複数の超音波画像は前記超音波撮像システムのディスプレイ上に描写される、ように捕捉し、
    前記入力データおよび前記複数の超音波画像に基づいて、前記針が前記第１の平面と交差する関心領域の１つ以上の高信頼領域を決定することであって、各高信頼領域は針が高信頼領域の任意の部分で第１の平面と交差する確率に基づいて決定し、
    １つ以上の前記高信頼領域に対応する１つ以上のオンスクリーンマーカーをディスプレイ上に前記複数の超音波画像と共に表示する、
    ように動作可能であり、
    前記１つ以上の高信頼領域の決定は、前記関心領域に描かれた組織の密度、前記針の物理的特性、及び前記針の配置の深さのうちの１つ以上に基づいて決められる前記針が前記関心領域に挿入される可能性がある範囲と、前記超音波撮像システムの超音波ビームの仰角プロフィールの重なりに基づいて決定される、
    記憶媒体。