JP2000511289A - デジタルシグナルプロセッサを用いた超音波ベースの３ｄトラッキングシステム - Google Patents

デジタルシグナルプロセッサを用いた超音波ベースの３ｄトラッキングシステム

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JP2000511289A
JP2000511289A JP54424298A JP54424298A JP2000511289A JP 2000511289 A JP2000511289 A JP 2000511289A JP 54424298 A JP54424298 A JP 54424298A JP 54424298 A JP54424298 A JP 54424298A JP 2000511289 A JP2000511289 A JP 2000511289A
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ヴェセリー，イヴァン
スミス，ウェイン，エル．
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ソノメトリクス コーポレイション
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、媒質中を伝搬する信号（５６）の遅延時間を決定するシステム（５０）である。この遅延時間を用いて、身体内に配設された変換器（５２，５４）間の距離が決定される。１つまたはそれ以上のデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）（７０）は、受信された波形をテンプレートの波形とマッチングすることによって、種々の波形パターンを認識するようにプログラムされる。

Description

【発明の詳細な説明】 デジタルシグナルプロセッサを用いた超音波ベースの３Ｄトラッキングシステム 関連出願 本出願は、１９９６年３月２４日出願の同時に係属している国際出願第ＰＣＴ ／ＣＡ９６／００１９４号の一部継続出願である。この同時係属している国際出 願は、１９９５年３月２８日出願の米国特許出願第０８／４１１，９５９号（現 在は米国特許第５，５１５，８５３号）の一部継続出願である。両出願とも本明 細書中に援用して用いる。 発明の技術分野 本願発明は、包括的には超音波ベースの３Ｄトラッキングシステムに関する。 より特定的には、超音波の伝搬時間を決定し、対象の相対位置を割り出すデジタ ルシグナルプロセッサを用いた超音波ベースの３Ｄトラッキングシステムに関す る。 発明の背景 高周波超音波の飛行時間の法則(time-of-flight principle)を用いて、外科処 置中の生物体の身体内部などの水様(aqueous)媒質中の距離を正確に測定するこ とができる。高周波音波、すなわち超音波は、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波 数の範囲の振動エネルギーで定義される。超音波を用いて３次元の測定結果を得 るために使用される装置はソノマイクロメータとして知られている。典型的には 、ソノマイクロメータは一対の圧電変換器（すなわち、一方の変換器が送信機、 もう一方の変換器が受信機として動作する）からなる。これらの変換器は媒質中 に埋め込まれ、電子回路に接続される。両変換器間の距離を測定するには、送信 機 が電気的に励振され、超音波を発振する。出力された音波は次に、媒質中を伝搬 して、受信機に検出される。 送信機は典型的には、高電圧スパイク波、すなわち１マイクロ秒の間持続する 衝撃関数によって励振される圧電結晶の形態を取る。励振された圧電結晶は、そ れ自体の固有共振周波数で振動する。送信機信号の包絡線は時間と共に急速に減 衰し、通常は、送信機から発して水様媒質中を伝搬する、６個かそれ以上のパル ス列を生成する。音波エネルギーは、音波が到達する全ての境界面ごとに減衰す る。 受信機も、典型的には（送信機圧電結晶と同様の特徴を有する）圧電結晶の形 態を取り、これは送信機から生成された音波エネルギーを検出して、それに反応 して振動する。この振動はミリボルトオーダーの電子信号を生成し、適宜な受信 回路によってこの信号を増幅することができる。 水様媒質中における超音波の伝搬速度については、十分に資料が揃っている。 音波が送信されてから受信されるまでの遅延時間を記録するだけで、超音波のパ ルスが伝搬する速度を測定することができる。 従来の技術では、カウンタ及びしきい値検出回路は、変換器間を送信される波 形の伝搬時間を決定するために使用されてきた。１つのカウンタが各変換器に関 連し、波形はカウンタのトリガとして使用される。しきい値検出回路は、上昇す る電圧がノイズレベルを越えるとカウンタを停止する。伝搬時間の決定にカウン タ及びしきい値検出回路を使用する場合は、カウンタ周波数の精度が制限され、 また非常に数多くの構成要素を必要とする。 本発明では、媒質中を移動する器具の位置をトラッキング（追跡）するために 、伝搬遅延時間を決定するデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を使用したユ ニークで有利なシステムを提供する。 発明の概要 本発明によれば、受信した波形をテンプレートの波形とマッチングさせて波形 の伝搬時間を決定するデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）が提供される。 本発明の有利な効果の一つは、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を提供 することであり、これによってカウンタおよび関連する波形トリガ回路が省略さ れる。 本発明のその他の有利な効果は、アナログ信号を非常に速い速度でサンプリン グし、デジタル化することのできるＤＳＰを提供することである。 本発明のさらに他の有利な効果は、種々の波形パターンを認識するようプログ ラムされたＤＳＰを提供することである。 本発明の上記以外の有利な効果は、以下の詳細な説明、および添付の図面とク レームを読み、理解することで当業者には明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 本発明は、ある部分、およびそれらの部分の組み合わせにおいては物理的形態 をとり、その好適な実施の形態および方法は本明細書中で詳細に記述され、その 一部分は添付図面に示される。これら添付図面において、 図１は、テンプレート波形の図である。 図２は、出力信号波形の図である。 図３は、テンプレート波形に重ね合わせた出力信号波形の図である。 図４は、本発明の第１の実施形態によるタイミング図である。 図５は、本発明の第２の実施形態によるタイミング図である。 図６は、本発明のシステムのブロック図である。 好適な実施形態の詳細な説明 ここで各図面を参照するが、各図面に示すものは本発明の好ましい実施形態を 具体的に示すことだけを目的とし、同発明を限定することを目的とするものでは ない。図１は、テンプレートの波形２０を示し、この波形は開始点２２とピーク 点２４を有する。テンプレート波形２０は、圧電変換器結晶が音波に反応して起 動(activate)されたときに生成する典型的な電子信号の特性である。既に示した ように、圧電変換器は音波受信に反応して振動する。この振動は次に、電子信号 （すなわち、「出力信号波形」）を出力する。図２は、実際の圧電変換器結晶が 、超音波により起動されたときに出力する出力信号波形４０を示している。出力 信号波形４０は、開始点４２とピーク点４４を有する。デジタルシグナルプロセ ッサ（ＤＳＰ）は、出力信号波形４０を、メモリに格納されたテンプレート波形 ２０と比較するようにプログラムされている。 出力信号波形４０はＤＳＰで受信され、高速なサンプリング速度で適宜デジタ ル化される。サンプリング速度が高速であればあるほど、波形のデジタル表現は 正確になり、短時間での変化（short duration transient）が失われる可能性は 最小になる。その後、（デジタル形式の）出力信号波形４０は、テンプレート波 形２０に畳込みされる。畳込み、すなわち自己相関処理の結果、図３に示すよう な、これら２つの信号が最大にマッチする点において最大値が得られる。ここで 、自己相関関数によれば、遅延した側の信号と遅延のない側の信号との間の相似 性(similarity)を測定できることを理解されたい。 出力信号波形４０のある点（例えば、ピーク点４４）を、テンプレート波形２ ０の対応する点（例えば、ピーク点２４）とマッチングすることで、出力信号波 形４０の開始点４２を決定することができる。ここで、開始点４２は開始点２２ とマッチングされる。出力信号波形４０の開始点４２を、テンプレート波形２０ の開始点２２とマッチングすることで、送信側変換器を励振（すなわち、「点火 」）してから受信側変換器で出力信号波形４０を生成するまでの遅延時間（ｔde lay ）を決定することができる。従って、変換器対の間の距離を計算することが できる。 図４に示すタイミング図によって説明される実施形態では、送信側変換器が「 点火」された瞬間（ｔfire）に、ＤＳＰでデータのサンプリングとデジタル化を 開始する。ここで、「点火」とは、スパイク波電圧、すなわち衝撃関数によって 変換器を起動し、圧電結晶を固有共振周波数で振動させることを表すことに注意 されたい。ＤＳＰでは、ｔ0の時点で出力信号波形４０が受信されるまでは、（ 受信側変換器からの）ノイズをサンプリングし、デジタル化する。デジタル化さ れたデータの各項目が、メモリアレイ内の別々のメモリ位置に保存される。従 って、入力されるデータが１ＭＨｚの速度でサンプリングされた場合は、そのデ ジタル化されたデータは１マイクロ秒（＝サンプリング間隔）ごとに保存される 。それゆえ、メモリアレイ内における連続する各メモリ位置は、１マイクロ秒の 経過時間を表す。その次に、（１）メモリアレイ内におけるｔ0に対応する位置 、および（２）サンプリング間隔（ｔsample）の積から、遅延時間(ｔdelay）の 測定値が得られる。既に示したように、メモリアレイ内におけるｔ0の位置は、 出力信号波形４０をテンプレート波形２０に畳み込むことによって決定される。 遅延時間（ｔdelay）が決定されれば、所望の変換器対の間の距離を計算するこ とができる。 図４からわかるように、遅延時間（ｔdelay）は開始点４２と開始点２２との 間の間隔によって表される。また、遅延時間（ｔdelay）は、ピーク点４４とピ ーク点２４との間の間隔によっても同様に表される。 この実施形態では多くの場合、全受信チャンネルが多重化されて、１つもしく はそれ以上のＤＳＰに渡されるのでない限り、各受信側変換器に対して１つのＤ ＳＰが必要となることに注意されたい。上記の処理手順は、従来必要であったカ ウンタ（タイマーとして動作する）、およびカウンタをトリガするしきい値検出 回路にとって代わるものである。 本発明の別の実施形態について、図５を参照して説明する。この実施形態では ＤＳＰは、入力信号のサンプリングとデジタル化を開始する前に、所定の期間（ ｔwait）待機する。ｔwaitの値は、ＤＳＰが出力信号波形４０を受信すると予測 される時点の直前に、入力信号のサンプリングとデジタル化を開始するように決 定される。twaitの値を決定するために、カウンタ（タイマーとして動作する） を用いる。このカウンタは、送信側変換器が「点火」された瞬間に動作を開始す る。所定の時間が経過した後に、カウンタは停止する。このカウンタの値がｔWa it を示すことになる。前述した第１の実施形態と同様に、ＤＳＰは、出力信号波 形４０を受信するまではノイズをサンプリングし、デジタル化する。ノイズがサ ンプリングされ、デジタル化される期間は、ｔnoiseで示される。図５から見て 取れるように、ｔwaitとｔnoiseの和はｔdelayに等しい。ｔnoiseの値は、前述 した第１の実施形態でｔdelayの値を決定したのと同じ方法で決定される。この ｔnoise の値はｔwaitの値に加算されてｔdelayが計算される。ここで、出力信号波 形４０の一部が失われるのを避けるために、もしくは、出力信号波形４０の受信 に先立ってデジタル化するノイズが多すぎることを避けるために、ｔwaitは必要 に応じて調整可能であることを理解されたい。 第１の実施形態では、（上昇する電圧がしきい値を越え、ノイズレベルを越え た時点でタイミング機器を停止する）しきい値検出回路と、（カウンタなどの） タイミング機器の使用は省略されたが、ＤＳＰには大きな負担がかかり、大量の デジタルサンプリングデータを格納する十分なメモリを必要としたことに注意さ れたい。これとは対照的に、第２の実施形態で省略されたのは、しきい値検出回 路のみであったが、ＤＳＰにかかる負担はより小さく、記録されるデータ点が少 ないので、必要とされるメモリ量は少ない。 次に、図６を参照する。図６には本発明によるシステム５０のブロック図が示 されている。システム５０は、概して、送信変換器５２、受信変換器５４、およ び３Ｄトラッキングシステム６０を有し、この３Ｄトラッキングシステム６０は 、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）７０、メモリ７２、および（上記第２ の実施形態の場合には）カウンタ７４を含む。メモリ７２には、出力信号波形４ ０のデジタル化されたサンプルデータとともに、テンプレート波形２０が格納さ れる。３Ｄトラッキングシステム６０は、米国特許第５,５１５,８５３号および ＰＣＴ出願第ＷＯ９６／３１７５３号に詳しく記載されている構成要素をさらに 含むことを理解されたい。 上述したように、送信側変換器５２は、点火パルスによって点火（起動）され る。それに応じて音波５６が発振され、受信側変換器５４で受信される。受信側 変換器５４は音波５６に応答して出力波形４０を生成し、ＤＳＰ７０がこの波形 を受信する。ＤＳＰ７０はメモリ７２に格納されたテンプレートの波形を用いて 伝搬時間の遅延を決定し、その結果送信側変換器５２と受信側変換器５４との間 の距離を計算する。 本発明の更に他の実施形態では、適宜な曲線フィルタリングアルゴリズム（cu rve filtering algorithm）を、得られた間隔(captured intervals)に適宜に適 用する。データを数式に変換することは、容易に入手できるアルゴリズムやシス テムのいくつかを適宜に用いて達成される。そのような数式同士を直接的に数値 解析し、比較することで、波形間のマッチングを行うことができる。 以上好適な実施形態を参照して本発明を説明した。本明細書の記載を読み、理 解すればその他の改変や変形が可能であることは明らかである。これらの改変、 変形は全て添付の請求の範囲とその均等物の範囲に含まれることが意図される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＣＺ，Ｄ Ｅ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ， ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，Ｌ Ｒ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ， ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，Ｔ Ｍ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ ，ＺＷ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．対応する送信手段によって発信され、対応する受信手段によって受信され る送信波形の伝搬遅延時間を決定するシステムであって、前記受信手段は、前記 送信波形の受信に応答して出力波形の形で出力を生成し、 特徴的な出力波形を表したテンプレート波形データを格納するテンプレート格 納手段と、 所定のサンプリング速度で受信手段の出力をサンプリングし、出力波形をデジ タル出力波形データに変換するサンプリング手段と、 このデジタル出力波形データをテンプレート波形データと比較し、出力開始時 点の出力波形に相当するデジタル出力波形データを決定する比較手段と、 この出力開始時点の出力波形に相当するデジタル出力波形データに従って、伝 搬遅延時間を計算する計算手段と を有するシステム。 ２．前記比較手段は、前記デジタル出力波形データと前記テンプレート波形デ ータの畳込みを行う畳込み手段を含む、請求の範囲第１項に記載のシステム。 ３．前記比較手段は、前記デジタル出力波形データを前記テンプレート波形デ ータと相関させる自己相関手段を含む、請求の範囲第１項に記載のシステム。 ４．前記送信手段および受信手段が圧電変換器手段である、請求の範囲第１項 に記載のシステム。 ５．前記特徴的な出力波形が圧電結晶の振動に固有のものである、請求の範囲 第４項に記載のシステム。 ６．前記サンプリング手段は、デジタル出力波形データを、そのデジタル出力 波形データの各項目に対して個々の場所を有するメモリアレイに格納し、 前記計算手段は、（１）前記メモリアレイ内における、出力波形の始点に対応 するデジタル出力波形データの位置と、（２）所定のサンプリング間隔との積を 計算する手段とを含み、この積は伝搬遅延時間を示している、 請求の範囲第１項に記載のシステム。 ７．前記システムは、送信波形の発信によって始まり、出力波形が生成される 前に終了する待機時間を決定するタイマー手段をさらに有する、請求の範囲第１ 項に記載のシステム。 ８．前記サンプリング手段は、デジタル出力波形データを、デジタル出力波形 データの各項目に対して個々の場所を有するメモリアレイに格納し、 前記計算手段は、（１）メモリアレイ内における、出力波形の始点に対応する デジタル出力波形データの位置と、（２）所定のサンプリング間隔との積を計算 する手段と、この積を前記待機時間に加算する手段とを含み、この加算された和 が伝搬遅延時間を示している、 請求の範囲第７項に記載のシステム。 ９．前記タイマー手段はカウンタ手段を含む、請求の範囲第８項に記載のシス テム。 １０．対応する送信手段によって発信され、対応する受信手段によって受信さ れる送信波形の伝搬遅延時間を決定する方法であって、前記受信手段は、前記送 信波形の受信に応答して出力波形の形で出力を生成し、 特徴的な出力波形を表すテンプレート波形データを取得する工程と、 所定のサンプリング間隔で受信手段の出力をサンプリングし、その出力波形を デジタル出力波形データに変換する工程と、 このデジタル出力波形データを前記テンプレート波形データと比較し、出力波 形の始点に対応するデジタル出力波形データを決定する工程と、 この出力波形の始点に対応するデジタル出力波形データに従って、前記伝搬遅 延時間を計算する工程と を有する方法。 １１．前記比較工程は、前記デジタル出力波形データと前記テンプレート波形 データの畳込みを行う工程を含む、請求の範囲第１０項に記載の方法。 １２．前記比較工程は、前記デジタル出力波形データを前記テンプレート波形 データと相関させる工程を含む、請求の範囲第１０項に記載の方法。 １３．前記送信手段および受信手段が圧電変換器手段である、請求の範囲第１ ０項に記載の方法。 １４．前記特徴的な出力波形が圧電結晶の振動に固有のものである、請求の範 囲第１３項に記載の方法。 １５．前記サンプリング工程は、前記デジタル出力波形データを、そのデジタ ル出力波形データの各項目に対して個々の場所を有するメモリアレイに格納する 工程を含み、 前記計算工程は、（１）メモリアレイ内における、出力波形の始点に対応する デジタル出力波形データの位置と、（２）所定のサンプリング間隔との積を計算 する工程を含み、この積は伝搬遅延時間を示している、 請求の範囲第１０項に記載の方法。 １６．前記方法は、送信波形の発信によって始まり、前記出力波形が生成され る前に終了する待機時間を決定する工程をさらに有する、請求の範囲第１０項に 記載の方法。 １７．前記サンプリング工程は、前記デジタル出力波形データを、そのデジタ ル出力波形データの各項目に対して個々の場所を有するメモリアレイに格納する 工程を含み、 前記計算工程は、 （ａ）（１）メモリアレイ内における、出力波形の始点に対応するデジタル出 力波形データの位置と、（２）所定のサンプリング間隔との積を計算する工程と 、 （ｂ）この積を前記待機時間に加算し、この加算された和が前記伝搬遅延時間 を示す工程とを含む、 請求の範囲第１６項に記載の方法。 １８．媒質中を伝搬する信号の遅延時間を決定する方法であって、 第１地点から送信波形を発信する工程と、 第２地点において、前記送信波形の受信に応答して出力波形を生成する工程と 、 標準的な出力波形を表すテンプレート波形データを格納する工程と、 前記出力波形をデジタル出力波形データにデジタル化する工程と、 このデジタル出力波形データを前記テンプレート波形データと比較して、前記 送信波形の発信から前記出力波形の生成までの遅延時間を決定する工程と を有する方法。
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