CN112822985A - 超声波摄像装置、治疗辅助系统以及图像处理方法 - Google Patents

超声波摄像装置、治疗辅助系统以及图像处理方法 Download PDF

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Abstract

在将搭载了光声技术的导丝和超声波摄像装置相组合的导管治疗辅助技术中，使用到达构成超声波探头的元件阵列的光声波的到达时间差、或取决于距摄像区域的距离的光声信号产生源的图像的变化来推定导丝前端位置，使用该推定结果来掌握摄像位置与导丝前端位置的关系。由此，能在视觉上容易地掌握使用超声波探头通过来自生物体的反射波而能得到图像的区域(摄像区域)与处于该区域外的插入物特别是导丝前端的关系。

Description

超声波摄像装置、治疗辅助系统以及图像处理方法
技术领域
本发明涉及在将搭载了光声等超声波产生源的导丝插入体内时使用超声波摄像装置进行辅助的技术。
背景技术
导管治疗由于是与开胸等手术相比患者负担少的手术方式，因此主要广泛采用在血管狭窄等的治疗中。在导管治疗中，掌握成为治疗对象的区域与导管的关系很重要，作为对其进行辅助的摄像方法而利用了X射线透视。虽然也有将超声波图像用作辅助图像的尝试，但用超声波描绘出导丝前端并不容易，尚未达到普及。
另一方面，关于穿刺针还提出了如下技术(专利文献1、专利文献2)：将从针的前端产生光声信号的光声技术搭载于穿刺针，通过用超声波摄像装置的超声波探头检测光声信号来检测针前端的位置。
具体地，在专利文献1中公开了如下技术：从脉冲激光产生源对针照射激光，用超声波摄像装置的超声波探头检测由在针中传播的光从针前端产生的光声波，将其描绘为光声图像。在专利文献2中公开了如下技术：在改变超声波探头的姿势的同时取得光声图像，判定信号最强的超声波探头的位置(姿势)和超声波摄像装置的摄像(通常模式的摄像)中的超声波探头的位置是否一致，能掌握针前端相对于超声波图像(例如B模式图像)的位置关系。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特表2013-511355号公报
专利文献2：JP特开2015-139465号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献2记载的技术中，虽然能判定插入物(穿刺针)的前端是否处于超声波探头的正下方，并能由此获知描绘在显示超声波图像上的针前端实际处于偏离的位置这一情况、或获知正偏离的方向，但不能在视觉上掌握治疗对象区域与插入物前端实际所存在的位置的关系。另外，在该技术中，必须进行在改变超声波探头的姿势的同时取得多个光声图像的峰值检索模式的摄像，不能以高的时间分辨率来显示超声波图像(通常模式摄像)。
在将导管等插入被检体内的情况下，为了在观察图像的同时集中在导管插入作业上，期望用于摄像的操作(探头的操作)极力少，且以良好的视觉辨识性逐次掌握治疗的目标与治疗器具的位置关系。
本发明的课题在于，提供能在视觉上容易地掌握使用超声波探头通过来自生物体的反射波所能得到图像的区域(摄像区域)与处于该区域外的插入物特别是导丝前端的关系的技术。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，在本发明中，在将搭载有超声波产生源的导丝和超声波摄像装置相组合的导管治疗辅助技术中，使用到达构成超声波探头的元件阵列的超声波(来自超声波产生源的超声波)的到达时间差、或取决于距摄像区域的距离的超声波产生源的图像来推定导丝前端位置，使用该推定结果来掌握摄像位置与导丝前端位置的关系。
即，本发明的超声波摄像装置具备：摄像部，经由超声波探头对被检体发送进行了波束形成的超声波信号，接收来自该超声波信号的照射区域的反射超声波信号，对由所述照射区域决定的衍射波区域的超声波图像进行摄像；和超声波信号解析部，经由所述超声波探头接收来自插入到所述被检体的内部的超声波产生源的超声波并进行解析，所述超声波信号解析部利用构成所述超声波探头的多个元件所分别接收的超声波(来自超声波产生源的超声波)的接收时间或到达时刻的差来推定处于从所述衍射波区域偏出的位置的所述超声波产生源的位置。
另外，本发明的治疗辅助系统包含超声波摄像装置以及光声器件，所述超声波摄像装置具备：摄像部，经由超声波探头对被检体发送进行了波束形成的超声波信号，接收来自被照射了该超声波信号的区域的反射超声波信号，对所述区域的超声波图像进行摄像，所述光声器件具备：超声波产生源，固定于插入被检体内的治疗器具；光产生部，生成用于使所述超声波产生源产生超声波信号的光信号；和导光路，将所述光信号从所述光产生部导向所述光声产生源，在该治疗辅助系统中，所述超声波摄像装置还具备：超声波信号解析部，经由所述超声波探头接收来自插入到所述被检体的内部的超声波产生源的超声波并进行解析，所述超声波信号解析部使用构成所述超声波探头的多个元件所分别接收的超声波的接收时间(到达时刻)的差来推定处于从所述区域偏出的位置的所述超声波产生源的位置。
发明效果
根据本发明，通过使用到达元件阵列的超声波的时间差，能算出元件阵列与超声波产生源的几何学上的位置关系，由此能掌握存在于从元件阵列照射超声波信号的区域之外的插入物前端的位置。另外，这样的位置信息由于能在超声波产生后的短时间内得到，因此能立即显示在摄像中的图像上。
附图说明
图1是表示本发明的治疗辅助系统的实施方式的整体概要的图。
图2是表示超声波源搭载丝的一部分截面的图。
图3是表示图1的治疗辅助系统的超声波摄像部(超声波摄像装置)的详细情况的图。
图4是表示摄像以及超声波信号解析时的动作的流程的图。
图5是说明摄像区域与超声波产生源的关系的图。
图6是表示元件位置与时间差的关系的图。
图7是表示变形例的治疗辅助系统的整体概要的图。
图8是表示第二实施方式中的解析部的处理的流程的图。
图9(a)是说明倾斜角的操作的图，(b)是表示倾斜角与信号强度的关系的图表。
图10是说明第三实施方式中的解析部的处理的图，(a)是表示超声波产生源相对于衍射波区域的位置的图，(b)是表示各位置的超声波产生源的图像的图。
图11是表示第三实施方式的变形例中使用的非对称超声波探头的一例的图。
图12是表示在第三实施方式的变形例中取得的超声波产生源的图像的一例的图。
图13是表示第四实施方式的治疗辅助系统的实施方式的整体概要的图。
图14是表示第四实施方式的控制部以及解析部的处理的流程的图。
图15(a)、(b)分别是表示将方向作为导丝前端的位置信息来显示的显示例的图。
图16是表示三维图像中的导丝前端位置的显示例的图。
图17是表示信号强度变化的显示例的图。
具体实施方式
以下说明本发明的超声波摄像装置和使用其的导管治疗辅助系统(以下略作辅助系统)的实施方式。
首先参考图1来说明辅助系统的整体概要。如图1所示那样，本实施方式的辅助系统100具备：搭载有超声波产生器件10的生物体插入器具11；超声波探头20；和取得被插入了生物体插入器具的被检体80的超声波图像的超声波摄像部30以及其显示部60。
生物体插入器具11例如是球囊导管、微导管等治疗用器具、用于将这些治疗用器具送到目的部位的导丝。本实施方式中作为一例而说明生物体插入器具是导丝的情况。在以下的实施方式中，以超声波产生器件10是产生光声信号(以下称作PA信号)的PA信号产生源的情况为例进行说明，但超声波产生器件10也可以以产生超声波为目的而使用压电元件。超声波产生器件10如图2所示那样具备：配置于柔性的中空的导丝11的中空部内的光纤12；固定于光纤12的插入侧端面的超声波产生源(PA信号产生源)13；和与光纤12的另一端(与固定超声波产生源13的端部相反的一侧的端部)连接并产生激光的光产生部15，光纤12作为将光产生部15所产生的激光引导到前端的超声波产生源13的导光构件起作用。这些超声波产生器件10将中空的导丝11包括在内而称作光声源搭载丝。
PA信号产生源13由通过接受激光而绝热膨胀来发出PA信号等超声波的材料例如公知的色素(光敏剂)、金属纳米粒子、碳基化合物体等构成。包含PA信号产生源13的光纤12的前端被树脂性的密封构件14覆盖。另外，在图2中，PA信号产生源13定位在丝11的前端，但并不限于丝前端。
超声波摄像部30除追加了对PA信号进行处理的功能(超声波信号解析部)以外，具有与一般的超声波摄像装置相同的结构，如图3所示那样，具备：对超声波探头20发送超声波信号的发送部31；接收超声波探头20所检测到的反射波(RF信号)并进行调相、加法运算等处理的接收部32；以及进行接收部32所接收到的RF信号的处理的信号处理部35。另外，超声波摄像部30具备：控制超声波摄像部30以及其附属装置并根据需要控制光声器件10的控制部40；用于用户输入摄像所需的条件、指令的输入部50；显示超声波摄像部30所取得的超声波图像、GUI(Graphic User Interface，图形用户界面)等的显示部60；和存储作为信号处理部35的处理结果的图像等的存储器70。
信号处理部35具备：使用反射波即RF信号来作成B模式图像等超声波图像的超声波图像形成部351；检测从PA信号产生源13发出而由超声波探头20的各换能器元件检测到的PA信号并推定与PA信号产生源13的位置相关的信息的超声波信号解析部(PA信号解析部)353(以下仅称作解析部)；和生成显示于显示部60的图像的显示图像形成部355。超声波图像形成部351可以具备除作成B模式等被检体的超声波图像以外还使用PA信号来作成PA信号产生源13的图像(光声图像)的功能。解析部353推定PA信号产生源13的位置、方向(统一称作位置信息)。
构成信号处理部35的各部和控制部40的功能的一部分或全部能通过将对该功能编程而得的软件上传到具备CPU或GPU和存储器的计算机来实现。另外，还能用电子电路、ASIC、FPGA等硬件来实现各部的功能的一部分或全部。另外，控制部40也可以使用与信号处理部35不同的计算机。
超声波探头20能使用将大量换能器元件在一维方向上排列而得的1D阵列探头、在与1D阵列探头的阵列排列方向正交的方向上具有2或3列阵列排列的1D3排列探头、在二维方向上具有大量阵列排列的2D阵列探头等各种超声波探头20。解析部353能采用与所使用的超声波探头的种类相应的解析手法。
接下来说明这样的结构的超声波摄像装置的动作的概要。在此，说明在进行通常的超声波摄像的同时将对导管等进行引导的光声器件10搭载导丝插入被检体的体内并通过PA信号来监视导丝的前端位置的情况。将通常的摄像称作摄像模式，将使用PA信号的监视称作PA解析模式。
摄像模式的动作与现有的超声波摄像装置相同，通过超声波探头20从发送部31进行超声波的发送，由超声波探头20接收所发送的超声波从被检体内部的组织反射的反射波。接收部32对按每帧接收到的接收信号进行调相、加法运算等处理，并送至信号处理部35。在使用2D超声波探头20的情况下，能得到与将二维方向和深度方向合并而得的三维方向的反射波的强度对应的信息。信号处理部35的超声波图像形成部351使用来自接收部32的帧信号来作成超声波图像例如B模式图像，并交给显示图像形成部355。显示图像形成部355将B模式图像同附带信息一起显示于显示部60。
另一方面，在PA解析模式下，如图4所示那样，在将导管插入被检体的体内例如血管内的同时，暂时停止发送部31的动作(S401)并使光产生部15工作，从光产生部15照射脉冲状的激光(S402)。若光产生部15所发出的光经由插入到体内的导丝10的光纤12而照射到PA信号产生源13，就从构成PA信号产生源13的光声材料产生PA信号(超声波)(S403)，由超声波探头20的各元件进行检测(S404)。
如图5所示那样，由超声波探头20接收的超声波信号是在摄像模式下从超声波探头20照射的超声波波束被进行波束形成而从处于宽的范围(以斜线示出的范围)的被检体组织80A反射的反射波，该范围内是摄像区域81。即，是衍射波从探头阵列的各元件以球面状传播的区域，这里也称作衍射波区域。来自该衍射波区域81的反射波到达探头阵列的时间基本取决于深度。与此相对，来自PA信号产生源13的PA信号不是反射波，而是直接到达探头阵列的各元件的信号，从PA信号产生源13中光声信号产生时到元件检测时为止的时间与PA信号产生源13和元件之间的距离成正比。
在此，若PA信号产生源13的位置关于超声波探头20的横向方向(元件的排列方向)比衍射波区域更向外侧偏离，就会在PA信号到达各元件的时间中产生时间差。
接收部32将具有时间差地由各元件检测到的PA信号在不进行调相等处理的情况下交给解析部353。解析部353使用按每个元件检测到的PA信号和与每个元件的接收时间(PA信号的到达时间)相关的信息来推定PA信号产生源13的位置信息(S405)。
显示图像形成部355从解析部353接受与PA信号产生源13的位置相关的信息，作成作为重叠于B模式图像的显示图像、附加的信息而示出的显示图像，并显示于显示部60(S406)。将位置信息显示于显示部60的手段有各种方式，在后述的实施方式中进行说明。
在来自光产生部15的激光照射后，在给定的待机时间后，发送部21重新开始进行停止的超声波发送(摄像模式的测量)(S407、S408)，将取得的超声波图像显示于显示部60。用于重新开始摄像模式的待机时间是超声波探头20的光声信号的检测和解析部353的解析所需的时间即可，控制部40能将光产生部15中的光的照射作为触发信号，并具有给定的待机时间地使摄像模式重新开始。
例如直到导丝的前端侵入到衍射波区域为止，或到达目标位置为止，都多次重复进行这样的摄像模式和解析模式的摄像(S409)。这样的模式的切换在控制部40的控制下进行，但也可以适当经由输入部50接受用户的调整。
另外，在解析模式下，仅进行使用PA信号的解析，但也可以是超声波图像形成部351与摄像模式中的超声波反射信号同样地对PA信号进行处理，并作成PA信号产生源13的图像(称作PA图像)。该图像是仅PA信号产生源13具有亮度信息的图像，PA信号产生源13的位置成为衍射波区域的深度比较深的位置。PA图像可以同B模式图像一起进行显示，解析部353可以在位置推定中使用PA图像的信息。
根据本实施方式的超声波摄像装置，在对目的部位进行摄像的同时，在这其间执行的解析模式下对引导导管的导丝前端位置进行监视，并将与位置相关的信息显示于在摄像模式下取得的超声波图像上，由此用户能在该图像上确认导丝接近作为摄像对象的部位的情形。
接下来，说明在解析部353中对PA信号产生源13的位置进行解析的手法和解析结果的显示方法的各实施方式。在各实施方式中，超声波摄像装置以及其信号处理的结构只要没有特别事先说明就都相同，且适当参考图3的结构。
<第一实施方式>
在本实施方式中，解析部353使用由1D阵列探头20A的各元件检测到的来自超声波产生源13的超声波(信标超声波信号)的到达时间的时间差来推定超声波产生源13的横向方向的距离。在本实施方式中，也以超声波产生源13所发出的超声波是PA信号的情况为例进行说明。
如图5所示那样，在将导丝11插入血管(80A)内并向治疗部位(目标)推进的情况下，若将沿着血管的行进的面作为摄像截面进行摄像，则导丝从摄像区域的左右任一方向摄像区域行进。因此，通过推定横向方向的距离，能获知导丝正以何种程度向目标接近。
来自PA信号产生源13的PA信号到达超声波探头的各元件的到达时间与PA信号产生源13和元件之间的距离成正比。到达时间是从PA信号的产生时刻到元件的接收时刻为止的时间，只要知道PA信号产生时刻，就能根据接收部32所接收到的接收时刻的信息来算出。由于从PA信号产生源13发出PA信号的时刻能视作与从光产生部15发出激光的时刻同时，因此，在激光产生时从光产生部15对控制部40送出用于超声波发送的触发信号的情况下，能根据接收到该触发信号的时刻来计算激光产生时刻即PA信号产生时刻。
另外，在光产生部15照射脉冲状激光时，还能由控制部40接受脉冲产生定时而得到PA信号产生时刻。
解析部353根据PA信号产生时刻，通过下式(1)、(2)来从超声波探头(各元件)算出PA信号产生源13的位置(xc，yc)。xc是超声波探头的横向方向的距离，yc是超声波探头的深度方向的距离，将阵列的中心位置设为原点。
[数学式1]
Figure BDA0003007540230000091
[数学式2]
Figure BDA0003007540230000092
式中，N是1D阵列的元件数，n是1～N中任一个整数，xn是第n个元件的坐标，tn是到达第n个元件的到达时间，δx是运算网格间隔(可以是相邻的元件间的间隔)，C是音速。
如此算出的位置信息例如存放于存储器70，并且同由超声波图像形成部351形成的超声波图像(B模式图像)一起显示于显示部60。另外，在解析部353重复执行解析模式的情况下，在每次重复时对存放于存储器70的位置信息、所显示的位置信息进行更新。由此，用户能在将超声波探头20固定在设为目的的治疗部位所能摄像的位置不变的情况下(即，在不需要进行用于检测导丝前端位置的超声波探头20的移动且始终对目的部位进行摄像的同时)，在显示图像上确认与导丝的侵入相伴的时刻变化的前端位置且同时推进手的技术。
另外，在PA信号产生源13相对于衍射波区域(摄像面)不仅在横向方向而且还在仰角方向(elevationdirection)(与阵列的排列方向正交的方向)上偏离的情况下，仅用式(1)、(2)不能算出准确的横向方向的位置。但只要超声波探头的阵列排列方向与血管的行进方向大致一致，就不会向往目标去的导丝前端的仰角方向大幅偏离，因此式(1)、(2)中算出的位置信息作为获知导丝前端相对于目标以何种程度接近的信息，可充分起到引导辅助的作用。
另外，如图6的图表所示那样，在PA信号产生源13处于从衍射波区域在横向方向上偏出的位置的情况下，阵列的元件编号与到达时间的关系从右端向左端或从左端向右端以曲线状变化。还能根据该曲率来推定PA信号产生源13向横向方向的偏离。在该情况下，解析部353也可以不进行位置信息的算出，而根据表示元件位置与到达时间的关系的图表的倾斜度来对到目标为止的距离进行“远”、“近”、“侵入衍射波区域”等定性的判定，并显示于显示部。
根据本实施方式，在插入到被检体内的导丝的前端位置处于超声波探头的衍射波区域外而在横向方向上离开的情况下，能通过利用到达超声波探头的各元件的PA信号的时间差来推定PA信号产生源的位置即导丝的前端的位置。
另外，在超声波图像形成部351作成PA信号产生源13的PA图像的情况下，可以在从PA信号产生源13进入衍射波区域81之前起，例如与开始解析模式同时地依次进行作成，但也可以在根据解析模式下由解析部353推定出的PA信号产生源的距离而推定为PA信号产生源13进入到衍射波区域81的时间点进行作成。存在于衍射波区域81的PA信号产生源13的图像由于是衍射波区域81中的PA信号产生源13的位置的点状的图像，因此通过与摄像模式下取得的摄像对象组织的超声波图像重叠，能确认组织中的PA信号产生源13的位置。
＜第一实施方式的变形例>
在第一实施方式中，解析部353从光产生部15接受光产生时刻的信息，算出PA信号的到达时间，但即使是光声器件10(光产生部15)和超声波摄像装置20不进行信号交换的系统，也能使用PA信号的接收时间来算出PA信号产生源。
本变形例的系统结构如图7所示那样，除不具有从光产生部15对超声波摄像装置20送出触发信号的信号线以外，都与图3所示的系统结构相同。摄像模式与解析模式的切换例如是在将摄像模式冻结的状态下以手动使光声器件10进行动作来执行解析模式。
在解析模式下，以下事项与第一实施方式相同：从光产生部15照射激光，从PA信号产生源13产生PA信号；由超声波探头(1D阵列探头)的各元件接收该PA信号。解析部353使用接收部32(PA信号检测部)所取得的PA信号和与接收时间相关的信息，通过下式(3)来算出PA信号产生源13的位置(xc)。
[数学式3]
Figure BDA0003007540230000111
式(3)是用矩阵记述每个检测元件的式(1)的联立方程式的式子，与式(1)相同的符号具有相同意义。在式(3)中，tF是PA信号的产生时刻，在这里是未知数。即，在该联立方程式中，有tF和xc(横向方向的距离)这2个未知数，这些未知数能通过求解矩阵的反问题来求取。
使用这样求得的tF和xc，通过与式(2)同样的式(4)，能算出深度方向的距离yc。
[数学式4]
Figure BDA0003007540230000112
根据本变形例，在不能通过触发信号得到PA信号的产生时刻的情况下，也能推定PA信号产生源13的位置。
另外，位置检测方法并不限定于上述实施方式以及变形例，例如也可以根据由超声波探头的各元件接收到的信标超声波信号(PA信号)，在比通常的超声波摄像区域大的区域实施调相处理，将信标超声波信号耦合的位置设为位置确定。或者，也可以进行粗略的调相处理，来确定信号强度集中的区域。
<第二实施方式>
在第一实施方式以及其变形例中，利用到达超声波探头的各元件的PA信号的时间差来推定PA信号产生源13的位置(横向方向的距离)，但本实施方式的解析部353推定PA信号产生源13的三维的位置。推定有如下手法：能通过1D超声波探头20A的操作来掌握三维的位置的手法(第一手法)；和使用能掌握三维的位置的超声波探头20B的手法(第二手法)。不论在哪种情况下，关于横向方向都采用与第一实施方式相同的手法。首先说明第一手法。
[第一手法]
图8是表示第一手法的处理的流程的图。如图示那样，在本实施方式中，也与第一实施方式同样地，首先使用各元件的PA信号的到达时间差来算出PA信号产生源13的位置(xc，yc)(S801)，并且算出各元件所接收到的PA信号的接收强度(累计值)(S802)。接下来，在步骤S802中算出的PA信号的强度比给定的阈值低的情况下(S803)，将该信息送至显示图像形成部355。显示图像形成部355形成促使超声波探头20的倾斜操作的GUI，并显示于显示部60(S804)。
该期间，例如光产生部15继续进行脉冲状的激光的产生，解析部353继续进行步骤S802的信号强度的算出(S805、S806)。然后，若用户按照显示于显示部60的GUI将超声波探头20在仰角方向(与横向方向正交的方向)上进行倾斜操作，则灵敏度由于指向性而提高，信号强度也提高。在图9示出倾斜角与信号强度的关系的一例。图9(a)是从横向方向来看1D阵列的超声波探头20A的图，图9(b)是表示倾斜角与信号强度的关系的图表。解析部353检测这样的与倾斜角的变化相伴的信号强度的变化，求取信号强度最大的倾斜角(S807)。由此，能检测仰角方向的PA信号产生源13的位置。在该情况下，由于在步骤S801中PA信号产生源13的横向方向的位置是已知的，因此，通过使用该位置和信号强度最大的倾斜角，能以几何学的方式算出仰角方向的位置(S808)。
另外，在上述说明中，使显示部60显示促使用户的倾斜操作的GUI，但根据用户，即使没有基于GUI等的促使，也还有时会习惯性地进行超声波探头的倾斜操作。在这样的情况下，还能省略GUI的显示(S803、S804)，可以仅伴随用户的操作而自动进行步骤S802的信号强度的算出和步骤S807的信号强度最大的倾斜角的检测，来检测PA信号产生源13的位置。
[第二手法]
在第一手法中，通过操作超声波探头20来改变倾斜角而推定处于从摄像区域(摄像截面)在仰角方向偏出的位置的PA信号产生源13的位置，但第二手法通过使用在二维方向上排列元件的2D阵列探头来检测2个方向的位置。
与第一实施方式中使用PA信号到达时间的元件间的时间差来进行横向方向的位置推定同样地，2个排列方向(第一方向和第二方向)的位置的检测能在各方向的元件的排列中使用元件间的时间差，通过式(1)、(2)或式(3)、(4)来分别算出2个方向的位置。其中，在这些式子中，将xc改换说法而称作超声波探头的第一方向的距离或第二方向的距离。
能使用另外算出的如此求得的第一以及第二方向的距离来算出PA信号产生源13的三维位置。
另外，在超声波探头20中，与所谓2D阵列探头不同地，有将1D阵列排列3列程度的称作1D3列探头的探头。这样的超声波探头区分横向方向(排列元件数多的方向)和仰角方向(排列元件数少的方向)，并采用与1D阵列同样的用法。在超声波探头20是1D3列探头的情况下，可以与1D阵列同样地，基于进行了倾斜操作的情况下的信号强度的变化，来根据倾斜角检测仰角方向的PA信号产生源13的位置。在该情况下，横向方向的位置信息可以使用3列阵列各自的元件间时间差来算出并通过进行平均化来使用，能通过考虑各个元件与音源位置的距离关系来提高横向方向的位置算出精度。
一般，血管在组织内不仅以直线状行进，还会弯曲或分岔。因此，有时仅用横向方向的位置不能准确掌握其行进状况。根据本实施方式，能通过取得仰角方向的位置信息来更准确地掌握超声波产生源的位置。
另外，在导丝从设为目的的血管脱离而进入其他血管的情况下，虽然在第一实施方式中有可能根据推定出的超声波产生源的横向方向的距离而判定为导丝前端位置进入了衍射波区域，但根据本实施方式，通过不仅针对横向方向而且还针对仰角方向取得位置信息，能推定导丝从目的血管偏出这一情况等情况。
<第三实施方式>
在第一实施方式以及第二实施方式中，解析部353利用来自超声波产生源的超声波到达超声波探头的时间的元件间的差(到达时间差)来推定超声波产生源的位置，但在本实施方式中，使用对应于到达时间差而在信标超声波图像(PA图像)中产生的图像的特征、具体来说是使用分裂(split)来推定距离。即，在本实施方式的超声波摄像装置中，超声波图像形成部351具有使用信标超声波信号来形成超声波产生源的图像的功能，解析部353根据超声波图像形成部351所作成的超声波产生源的图像的信息来推定超声波产生源13的位置。
对在信标超声波图像中产生的到达时间差的影响进行说明。作为信标超声波信号的代表例而说明PA信号，但这以外的超声波也是同样。
由于PA信号是超声波，因此到达各元件的波的相位按每个元件而不同。PA图像的作成通过对这些相位偏离的信号进行卷积而得到。这时，若是从衍射波区域内产生的信号，就被调相而成为一个像，但对处于从衍射波区域偏出的位置的PA信号产生源的图像来说，由于卷积的影响(卷积效应)，随着从衍射波区域偏出，图像会发生模糊，若偏出一定以上，就上下分裂(分离)而分成多个图像。在图10示出产生分裂的PA图像。图10(a)是表示与衍射波区域81之间的距离不同的PA信号产生源13的多个位置(4个位置)的图，(b)是表示各位置处的PA图像的图。如图示那样，对于分裂来说，距衍射波区域的距离越远离，则分裂数越增加，分裂的图像间的间隔越宽。
本实施方式的解析部353在使用PA图像的分裂间的间隔的情况下，通过下式(5)、(6)来算出PA信号产生源的位置。
[数学式5]
Figure BDA0003007540230000141
Figure BDA0003007540230000142
到分裂点最低点的距离(深度)
Figure BDA0003007540230000143
到分裂点最高点的距离(深度)
[数学式6]
Figure BDA0003007540230000144
式(5)、(6)中的符号如下那样。
Yc：横向方向的音源位置
Zc：仰角方向的音源位置
d：(仰角方向)短轴口径
根据如此算出的距离来判定导丝向衍射波区域的接近程度(分开程度)并进行显示，这与第一实施方式相同。另外，本实施方式的解析手法还能与第一实施方式、第二实施方式的解析相组合，由此能将与导丝位置相关的更详细的信息提示给用户。另外，对于解析中使用的PA图像来说，可以将其本身显示于显示部60，但还能与摄像模式下取得的超声波图像重叠显示。与超声波图像重叠的PA信号产生源13的图像由于在PA信号产生源13从衍射波区域离开的情况下显示于超声波图像的深度深的地方，因此用户能通过观察在组织的图像的深部出现的点图像的分裂来确认PA信号产生源接近的情形。
根据本实施方式，通过利用出现于PA图像的分裂，能简单地视觉辨识距衍射波区域的接近状况，还能推定其距离。
<第三实施方式的变形例>
第三实施方式根据出现于PA图像的分裂来算出PA信号产生源的位置，但在该情况下，得不到PA信号产生源向衍射波区域行进的方向的信息。在本变形例中，通过对超声波探头采用非对称的阵列结构并检测非对称性给分裂带来的效果，来取得方向的信息。
在图11示出非对称的阵列结构的示例。该超声波探头20D是1D阵列探头，将从元件排列方向的中心起一侧的元件当中的一部分(例如1个元件)在解析模式下设为非工作。使1个元件非工作的控制可以由从光产生部15接受通知激光的照射的触发信号的控制部40进行，也可以在控制部40控制摄像模式与解析模式的切换的情况下在模式切换时进行。
在该超声波探头中，若PA信号产生源13从衍射波区域离开，则在PA图像中形成分裂，该分裂数是距离越远离则越增加。在此，在超声波探头具有非对称性的情况下，分裂也在上下出现非对称性。例如如图12所示，在存在排列的元件的1个非工作元件的情况下，处于从超声波探头的衍射波区域离开的位置的PA信号产生源13A的图像分裂成多个图像，但这时通过分裂而在上下方向上排列的多个图像当中的一个缺失，且根据非工作元件在左侧还是右侧，图像缺失位置不同。因此，能根据分裂的形状(非对称性)来推定PA信号产生源相对于衍射波区域的位置、即导丝前端相对于所显示的超声波图像的对象组织处于哪一侧。
根据本变形例，除第三实施方式的解析部所推定出的位置信息以外，还能提示方向信息。另外，在上述说明中，作为形成非对称阵列结构的手段，示出将元件的一个设为非工作的情况，但还能在元件的表面(接触侧)粘贴包含不传递超声波的材料的密封构件等以物理方式使之非工作。在该情况下，也是若进行密封的元件是一个程度，就能无视给摄像模式带来的影响。
<第四实施方式>
在本实施方式中，特征在于，不是用户操作超声波探头20，而是通过机械臂进行操作。
在图13示出用于实现本变形例的治疗辅助系统100A的一例。在图13中，对与图1所示的要素相同的要素以相同附图标记示出，省略重复的说明。图示的引导辅助系统具备：安装有超声波探头20的机械臂25；和机械臂25的驱动装置27。
虽未图示，但机械臂25例如具备：装卸自由地支承超声波探头20的支承部；相对于支承部以能在轴向上旋转的方式连结且将多个臂连杆结合的臂构件；将臂构件在上下方向、水平方向上驱动的机构部等，通过使这些机构部活动，能使超声波探头20与被检体80接触，或在接触的状态下旋转、平行移动，或改变倾斜角。在超声波探头20与被检体80的表面之间，如图中用圆包围所示的那样配置凝胶状的片构件90。
驱动装置27具备驱动机械臂25的各机构部的电动机等，与超声波摄像装置30的控制部40连接，在控制部40的控制下工作。
该辅助系统100A的动作基本与上述的第二实施方式的变形例1相同，通过使超声波探头的姿势变化来取得二维的信息。但在第二实施方式的变形例1中，以手动操作来改变倾斜角，与此相对，在本实施方式中，通过安装于探头的机械臂的控制来使倾斜角不同。
参考图14来说明本实施方式中的解析模式的动作的一例。
若作为前提而决定了以摄像模式下设为目的的摄像部位为摄像区域的超声波探头1的位置(初始位置)，就在该位置开始解析模式。初始位置的信息例如存储于存储器70(S901)。在解析模式下，与第一实施方式同样地从光产生部15照射激光，并从PA信号产生源产生PA信号，由超声波探头20接收该信号(S902)。解析部353使用PA信号到达超声波探头20的各元件的到达时间差来推定PA信号产生源的距离，并且存储该信号强度(存放于存储器)(S903)。
控制部40判断信号强度是否是给定的阈值以下(S904)，若是阈值以下，就将控制信号送至驱动装置27，例如进行使支承超声波探头20的支承部251相对于臂部252旋转来改变倾斜角的控制(S905)，执行解析模式的测量(S906)。例如在预先设定的给定的倾斜角的范围内重复进行倾斜角的变更和解析模式的测量(S907)，取得包含正负的多个倾斜角的信号强度的信息。解析部353求取每个倾斜角的信号强度当中信号强度最高的倾斜角(S908)，根据该倾斜角来判定导丝的前端相对于摄像区域处于仰角方向的哪一侧(S909)。另外，也可以通过使用信号强度最大的倾斜角和步骤S903中推定出的横向方向的位置信息来推定导丝前端的准确的距离(到衍射波区域的距离)。
若从解析模式切换到摄像模式，则控制部40就控制驱动机构27，使得将超声波探头20的位置返回到步骤S901中存储于存储器70的初始位置，来执行摄像模式。
根据本实施方式，与第二实施方式同样地，能取得导丝前端的三维位置信息，这时，不用烦扰手术人员就能提示准确的导丝前端位置。由此，手术人员能专注于导丝的插入和继其之后的导管治疗，能得到高的辅助效果。
另外，在本实施方式中，也是PA信号产生源的距离的推定可以如第一实施方式那样根据PA信号到达元件的到达时间差来直接算出，还可以如第三实施方式那样根据在PA图像中产生的分裂的间隔来算出。
<<显示的实施方式>>
接下来，说明通过上述的各实施方式来提示由解析部算出并推定出的PA信号产生源的位置、方向的手法(显示图像形成部的处理)的实施方式。
<显示例1>
在本显示例中，提示导丝向超声波图像中正观察的部位接近过来的方向和以何种程度接近这样的使用导丝在手术的辅助中最重要的信息。在图15示出表示方向信息的示例。
在图15(a)所示的示例中，在显示包含被检体组织的超声波图像的画面1500上显示表示导丝是从那边接近的箭头(信标)1501。用户能通过该显示来获知导丝是从以箭头所示的方向接近过来的。也可以是，若导丝前端进入了正显示的超声波图像的摄像区域，就将PA信号产生源13的超声波图像(PA)重叠于超声波图像来显示(未图示)。
图15(b)所示的示例在显示超声波图像的画面的两侧设置通知导丝接近的方向显示部1502A、1502B。例如在导丝从所显示的超声波图像的左侧接近的情况下，左侧的方向显示部1502A点亮，变得明亮。右侧的方向显示部1502B保持暗的不变。由此，用户能获知导丝从方向显示部正点亮的一侧接近过来。这时，可以使导丝所存在的一侧的方向显示部的明亮度对应于导丝的距离而变化。例如在导丝处于距衍射波区域远的地方时，将方向显示部设为非点亮，在接近到给定的距离时，以低的明亮度点亮。之后，随着与衍射波区域的距离缩短而提高方向显示部的明亮度。
另外，也可以除图15的提示方向的显示以外，还在超声波图像的显示画面的端部等一并显示例如在第一～第三实施方式中算出的导丝的位置信息。作为位置信息，可以是第一实施方式中算出的PA信号产生源13的位置、到超声波图像上的特定的组织(例如目标)的距离等数值，也可以是“远(200mm以上)”、“近(100mm以内)”等定性的显示。解析部所推定的位置信息由于通过重复进行解析模式而发生变化，因此也可以配合变化来更新显示。
根据本显示实施方式，在使用导丝进行手术的辅助时，能在超声波图像上提示最重要的信息即导丝的方向和接近。由此，手术人员能倾注精力进行导丝的插入的同时在视觉上确认其行进状况。
<显示例2>
在本显示例中，在取得了PA信号产生源的三维的信息的情况下，在超声波的三维图像上显示PA信号产生源的位置。
在使用2D阵列探头20B的情况、将1D阵列探头在仰角方向上进行扫掠操作来摄像的情况下，得到三维的超声波图像数据。显示图像形成部355使用三维图像数据来作成图16所示那样的渲染图像1600，在该渲染图像中的相当于PA信号产生源的位置的位置重叠给定的标志图像1601。标志并没有特别限定，可以是表征PA信号产生源的球状的标志，也可以是表示PA信号产生源的行进方向的箭头的标志。进而，也可以示出将按时间变化的PA信号产生源的各位置连起来的线状的标志。
<显示例3>
本实施方式在显示超声波图像的画面设置显示接收到的PA信号的信号强度的信号强度显示部。在图17示出显示例。在该显示例中，在画面1700的不与图像重复的位置设置时刻变化的PA信号强度的显示部1701，以图表状显示信号强度的时间变化。PA信号的信号强度根据PA信号产生源13距超声波探头的距离(距衍射波区域的距离)而变化，并且，在如第二实施方式的变形例1、第四实施方式那样使超声波探头的倾斜角变化的情况下也发生变化。
在本实施方式中，显示图像形成部355使用从解析部353接受到的每个时刻的信号强度的变化的信息，来作成例如将横轴设为时间、将纵轴设为信号强度的图表，并显示在显示画面的信号强度显示部1701。该图表在每次重复进行解析模式的测量时被更新。在使倾斜角变化的情况下，也可以作成以横轴为倾斜角的图表并进行显示。
根据本实施方式，能将导丝的行进状况视作信号强度的变化。另外，也可以同表示信号强度的图表的显示一起合并进行基于其他显示例的显不。
以上说明了本发明的超声波摄像装置以及导管治疗辅助系统的各实施方式，但各实施方式只要技术上没有矛盾，就能适当进行组合，这样的组合也包含在本发明中。
附图标记说明
10：光声器件
11：丝
12：光纤
13：PA信号产生源
15：光产生部
20：超声波探头
30：超声波摄像部(超声波摄像装置)
31：发送部
32：接收部
35：信号处理部
40：控制部
50：输入部
60：显示部
70：存储器
80：被检体
81：摄像区域(衍射波区域)
351：超声波图像形成部
353：PA信号解析部
355：显示图像形成部。

Claims (17)

1.一种超声波摄像装置，其特征在于，具备：
摄像部，经由超声波探头对被检体发送进行了波束形成的发送超声波信号，接收来自被照射了该超声波信号的区域的反射超声波信号，对所述区域的超声波图像进行摄像；和
超声波信号解析部，经由所述超声波探头接收来自插入到所述被检体的内部的超声波产生源的超声波并进行解析，
所述超声波信号解析部利用构成所述超声波探头的多个元件所分别接收的超声波的接收时间的差来推定处于从所述区域偏出的位置的所述超声波产生源的位置。
2.根据权利要求1所述的超声波摄像装置，其特征在于，
所述超声波信号解析部使用所述超声波到达各元件的到达时间的时间差来推定所述超声波产生源相对于所述区域的位置。
3.根据权利要求2所述的超声波摄像装置，其特征在于，
所述超声波信号解析部从生成用于使所述超声波产生源产生超声波的光信号的光产生部接受与所述光信号的产生时刻相关的信息，算出所述到达时间的时间差。
4.根据权利要求2所述的超声波摄像装置，其特征在于，
所述超声波信号解析部通过基于使用了所述超声波的接收时间的时间差和各元件间的距离的联立方程式进行解析，来推定所述到达时间的时间差以及所述超声波产生源的位置。
5.根据权利要求1所述的超声波摄像装置，其特征在于，
所述超声波探头是将所述元件在一维方向上排列的1D阵列探头，
所述超声波信号解析部具备：
距离算出部，使用使所述超声波探头的仰角方向的倾斜角不同而取得的超声波来取得倾斜角与所述超声波的信号强度的关系，使用所述关系来算出所述超声波产生源的仰角方向的距离。
6.根据权利要求1所述的超声波摄像装置，其特征在于，
所述超声波探头是将所述元件在二维方向上排列的2D阵列探头，
所述超声波信号解析部具备：
第一距离算出部，使用在第一方向上排列的元件群所接收的超声波来算出所述超声波产生源的所述第一方向的距离；和
第二距离算出部，使用在与所述第一方向正交的第二方向上排列的元件群所接收的超声波来算出所述超声波产生源的所述第二方向的距离。
7.根据权利要求5所述的超声波摄像装置，其特征在于，
所述超声波探头是具有多个在一维方向上排列的元件列的1D阵列探头。
8.根据权利要求1所述的超声波摄像装置，其特征在于，
所述超声波摄像装置还具备：
超声波图像形成部，使用由所述超声波探头接收到的超声波信号来形成超声波图像；
所述超声波形成部使用来自所述超声波产生源的所述超声波来生成所述超声波产生源的图像。
9.根据权利要求8所述的超声波摄像装置，其特征在于，
所述超声波信号解析部检测所述超声波产生源的图像中的所述超声波产生源的分裂，使用检测到的分裂的间隔来算出所述超声波产生源的横向方向的距离。
10.根据权利要求9所述的超声波摄像装置，其特征在于，
所述超声波探头中在一维方向上排列的元件列相对于中央位置非对称，
所述超声波信号解析部根据在所述分裂的间隔中出现的非对称性来判定所述超声波产生源相对于所述区域的方向。
11.根据权利要求1所述的超声波摄像装置，其特征在于，
所述超声波摄像装置还具备：
显示图像作成部，使显示装置显示由所述摄像部取得的所述超声波图像，
所述显示图像作成部使与所述超声波信号解析部推定出的所述超声波产生源的位置相关的信息同所述超声波图像一起显示于所述显示装置。
12.根据权利要求11所述的超声波摄像装置，其特征在于，
显示于所述显示装置的信息是能识别所述超声波产生源相对于所述区域的方向以及位置中的至少一者的信息。
13.根据权利要求1所述的超声波摄像装置，其特征在于，
所述超声波摄像装置还具备：
机械臂，自动操作所述超声波探头；和
控制部，控制该机械臂的活动，
所述控制部使用所述超声波信号解析部的解析结果来控制所述超声波探头的倾斜动作。
14.根据权利要求1所述的超声波摄像装置，其特征在于，
所述超声波摄像装置还具备：
控制部，控制所述摄像部的动作，
所述控制部从生成用于使所述超声波产生源产生超声波的光信号的光产生部接受与所述光信号的产生时刻相关的信息，并控制所述摄像部，以使得在从所述光信号产生起经过给定的延迟时间后执行所述摄像部的摄像。
15.一种治疗辅助系统，包含超声波摄像装置以及治疗器件，
所述超声波摄像装置具备：
摄像部，经由超声波探头对被检体发送进行了波束形成的超声波信号，接收来自被照射了该超声波信号的区域的反射超声波信号，对所述区域的超声波图像进行摄像，
所述治疗器件具备：
超声波产生源，固定于插入被检体内的治疗器具；
光产生部，生成用于使所述超声波产生源产生超声波的光信号；和
导光路，将所述光信号从所述光产生部导向所述超声波产生源，
所述治疗辅助系统的特征在于，
所述超声波摄像装置还具备：
超声波信号解析部，经由所述超声波探头接收来自插入到所述被检体的内部的超声波产生源的超声波并进行解析，
所述超声波信号解析部使用构成所述超声波探头的多个元件所分别接收的超声波的接收时间的差来推定处于从所述区域偏出的位置的所述超声波产生源的位置。
16.根据权利要求15所述的治疗辅助系统，其特征在于，
所述治疗辅助系统还具备：
机器人，自动操作所述超声波探头；和
控制部，控制该机器人，
所述控制部对应于所述超声波信号解析部的结果来控制所述机器人，使所述超声波探头的位置以及姿势中的至少一者变化。
17.一种图像处理方法，接收经由超声波探头照射到被检体的超声波信号的反射波，作成被照射了超声波信号的区域的超声波图像，并且由所述超声波探头接收插入到所述被检体内部的超声波产生源所产生的超声波，使用接收到的超声波来检测所述超声波产生源相对于所述区域的位置并同所述超声波图像一起显示，
所述图像处理方法的特征在于，
使用超声波到达构成所述超声波探头的各元件的到达时间的差、或在根据所述超声波作成的所述超声波产生源的图像中出现的分裂间的间隔来算出所述超声波产生源到所述区域的距离。
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