JP2010068923A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】針ガイド装置が装着された超音波探触子を用いて穿刺処理や注射等を実施する際に、被検体に針を挿入する位置に自由度を持たせた超音波診断装置を提供する。
【解決手段】この超音波診断装置は、超音波を送受信する超音波探触子と、超音波探触子に装着可能な針ガイドアダプタと、針ガイドを保持する針セット部と、針ガイドアダプタに対して針セット部を２次元的位置が調整可能となるように保持するガイド位置調整部と、針ガイドの２次元的位置を検出する検出手段とを含む針ガイド装置と、複数の駆動信号を超音波探触子に供給し、超音波探触子から出力される複数の受信信号を処理することにより、被検体の超音波画像を表す画像信号を生成すると共に、検出手段から得られる検出結果に基づいて超音波画像上の針ガイドラインの位置を算出し、超音波画像上に針ガイドラインを表示する超音波診断装置本体とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を送受信することにより生体内の臓器や骨等の撮像を行って、診断のために用いられる超音波画像を生成する超音波診断装置に関する。

医療分野においては、被検体の内部を観察して診断を行うために、様々な撮像技術が開発されている。特に、超音波を送受信することによって被検体の内部情報を取得する超音波撮像は、リアルタイムで画像観察を行うことができる上に、Ｘ線写真やＲＩ（radio isotope）シンチレーションカメラ等の他の医用画像技術と異なり、放射線による被曝がない。そのため、超音波撮像は、安全性の高い撮像技術として、産科領域における胎児診断の他、婦人科系、循環器系、消化器系等を含む幅広い領域において利用されている。

超音波撮像の原理は、次のようなものである。超音波は、被検体内における構造物の境界のように、音響インピーダンスが異なる領域の境界において反射される。そこで、超音波ビームを人体等の被検体内に送信し、被検体内において生じた超音波エコーを受信し、超音波エコーが生じた反射位置や反射強度を求めることにより、被検体内に存在する構造物（例えば、内臓や病変組織等）の輪郭を抽出することができる。

一般に、超音波診断装置においては、超音波の送受信機能を有する複数の超音波トランスデューサを含む超音波探触子が用いられる。送信フォーカス処理によって複数の超音波を合波して形成される超音波ビームを用いて被検体を走査し、被検体内部において反射された超音波エコーを受信して受信フォーカス処理を行うことにより、超音波エコーの強度に基づいて、被検体内に存在する構造物に関する画像情報が得られ、表示部に超音波画像が表示される。

さらに、超音波診断装置を利用して、穿刺処理や注射を実施することが行われている。超音波診断装置を利用した穿刺処理や注射は、針ガイド装置が装着された超音波探触子を用いて、針ガイドに沿って患者の体内に挿入された穿刺針又は注射針の突出状態を、超音波探触子を用いて撮影した超音波断層像においてリアルタイムで確認しながら行われる。

従来の超音波診断装置においては、穿刺処理や注射を実施する際に、表示部に２次元断層画像を表示し、その２次元断層画像上に針の経路をガイドラインとして表示することも行われている。このとき、ガイドラインは、予め登録された位置に表示される。これは、超音波探触子に対する針の経路が固定されているからである。

関連する技術として、特許文献１には、２次元超音波走査面において穿刺経路を自在に設定し、自在に設定された穿刺経路を穿刺前に２次元超音波画像上で確認することを目的とした穿刺用超音波診断装置が開示されている。この穿刺用超音波診断装置において、超音波探触子は、超音波ビームを走査して超音波走査面を形成し、前記超音波走査面におけるエコーデータを取り込む探触子本体と、穿刺針を保持し、前記穿刺針を穿刺方向に案内する穿刺アダプタと、前記探触子本体に設けられ、前記穿刺針の穿刺経路が前記超音波走査面に形成されるように、前記穿刺アダプタを前記探触子本体に対して回動可能に保持する姿勢調整部と、前記穿刺アダプタの回動角度を検出する検出部とを含み、装置本体は、前記エコーデータに基づいて２次元超音波画像を形成する画像形成手段と、前記検出された前記穿刺アダプタの回動角度に基づいて、前記穿刺針の穿刺経路を示す案内表示を前記２次元超音波画像上に合成表示する表示部とを含む。

また、特許文献２には、穿刺針の刺入をガイドする分離型の後付け装着タイプの穿刺アダプタであって、消毒・滅菌が容易、あるいは、針ガイド部が安価となる穿刺アダプタを用いる超音波診断装置が開示されている。この超音波診断装置は、超音波プローブと、穿刺針を保持するため前記超音波プローブに取り付けられ、前記穿刺針と共に前記超音波プローブに対して移動する移動部材を備える穿刺アダプタと、前記超音波プローブに設けられ、前記移動部材の位置を検出するためのセンサとを備える。

しかしながら、特許文献１又は特許文献２に開示されている超音波診断装置においては、被検体に穿刺針を挿入する位置が、超音波探触子の周囲に限定されてしまう。一方、臨床現場においては、穿刺処理や注射を実施する際に、被検体に針を挿入する位置を任意に決定したいという要望がある。また、特許文献１又は特許文献２によれば、被検体の表面領域に針を挿入することが困難であるという問題がある。
特開２００３−３３４１９１号公報（第１−２頁、図１） 特開２００７−６８９８９号公報（第４−５頁、図１）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、針ガイド装置が装着された超音波探触子を用いて穿刺処理や注射等を実施する際に、被検体に針を挿入する位置に自由度を持たせた超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る超音波診断装置は、複数の駆動信号に従って被検体に向けて超音波を送信すると共に、被検体から伝播した超音波エコーを受信することにより複数の受信信号を出力する複数の超音波トランスデューサを含む超音波探触子と、超音波探触子に装着可能な針ガイドアダプタと、針ガイドを保持する針セット部と、針ガイドアダプタに対して針セット部を２次元的位置が調整可能となるように保持するガイド位置調整部と、針ガイドの２次元的位置を検出する検出手段とを含む針ガイド装置と、複数の駆動信号を超音波探触子に供給し、超音波探触子から出力される複数の受信信号を処理することにより、被検体の超音波画像を表す画像信号を生成すると共に、検出手段から得られる検出結果に基づいて超音波画像上の針ガイドラインの位置を算出し、超音波画像上に針ガイドラインを表示する超音波診断装置本体とを具備する。

本発明によれば、針ガイドアダプタに対して２次元的位置が調整可能となるように針セット部が保持されるので、針ガイドを用いて穿刺処理や注射等を実施する際に、被検体に針を挿入する位置に自由度を持たせることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には、同一の参照番号を付して説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波診断装置において用いられる超音波探触子及び針ガイド装置を示す斜視図である。

図１に示すように、被検体に当接させて用いられる体腔外用の超音波探触子１０に、針ガイド装置２０が脱着可能に取り付けられている。超音波探触子１０としては、リニア走査方式、セクタ走査方式、コンベックス走査方式等の各種の超音波探触子を用いることができる。

針ガイド装置２０は、針ガイドアダプタ（固定部）２１と、ガイド位置調整部２２と、針セット部２３と、距離検出部２４と、方位角検出部２５と、仰角検出部２６とを含んでいる。針セット部２３は、針ガイド２７を保持しており、針ガイド２７には、穿刺針や注射針等の針２８が挿入される。ここで、針セット部２３は、針ガイド２７を仰角方向に回転可能に保持することが望ましい。

針ガイドアダプタ２１は、例えば、リング形状を有しており、超音波探触子１０に装着可能となっている。針ガイドアダプタ２１が超音波探触子１０に装着された状態で、ねじ等を用いて、針ガイドアダプタ２１が超音波探触子１０に固定される。

ガイド位置調整部２２は、針ガイドアダプタ２１に対して針セット部２３を２次元的位置が調整可能となるように保持する。具体的には、ガイド位置調整部２２は、針ガイドアダプタ２１に対する針ガイド２７の方位角を調整可能とする回転機構（回転リング２２ａ）と、針ガイドアダプタ２１と針ガイド２７との間の距離を調整可能とする伸縮機構（位置調整ベルト２２ｂ）とを有している。

距離検出部２４は、針ガイドアダプタ２１と針ガイド２７との間の距離を検出する。方位角検出部２５は、針ガイドアダプタ２１に対する針ガイド２７の方位角を検出する。仰角検出部２６は、針ガイド２７の仰角を検出する。なお、針ガイド２７の仰角が所定の角度に固定される場合には、仰角検出部２６を省略しても良い。

図２Ａは、ガイド位置調整部が閉じた状態における針ガイド装置の外観を示す斜視図であり、図２Ｂは、ガイド位置調整部が閉じた状態における針ガイド装置の外観を示す平面図である。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ガイド位置調整部２２の回転リング２２ａが、針ガイドアダプタ２１の回りに回転可能に保持されている。これにより、針ガイド２７の方位角が調整可能となる。また、針セット部２３において、針ガイド２７が、仰角方向に回転可能に保持されている。これにより、針ガイド２７の仰角が調整可能となる。

図３Ａは、ガイド位置調整部が開いた状態における針ガイド装置の外観を示す斜視図であり、図３Ｂは、ガイド位置調整部が開いた状態における針ガイド装置の外観を示す平面図である。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、位置調整ベルト２２ｂによって、ガイド位置調整部２２が伸縮自在となっている。これにより、針ガイド２７が針ガイドアダプタ２１に対して移動可能となり、針ガイドアダプタ２１と針ガイド２７との間の距離が調整可能となる。

このように、ガイド位置調整部２２が回転及び開閉することにより、穿刺処理や注射等を実施する際に、被検体に針２８を挿入する位置に自由度を持たせることができる。
再び図１を参照すると、ガイド位置調整部２２には、距離検出部２４が設けられている。例えば、距離検出部２４は、発光部と受光部とを有し、光を用いて距離を検出するセンサによって構成される。位置調整ベルト２２ｂが収納される収納溝の一方の面に設けられた発光部から光を放射し、収納溝の他方の面に設けられた受光部によって光を受光すると、位置調整ベルト２２ｂの位置に応じて位置調整ベルト２２ｂによって遮断される光の量が変化するので、針ガイドアダプタ２１と針ガイド２７との間の距離を検出することができる。

あるいは、距離検出部２４は、磁気発生部と磁気検出部とを有し、磁気を用いて距離を検出するセンサによって構成される。磁気発生部（例えば、磁石）を位置調整ベルト２２ｂに取り付けることにより、回転リング２２ａに設けられた磁気検出部によって磁気を検出すると、位置調整ベルト２２ｂの位置に応じて磁気の量が変化するので、針ガイドアダプタ２１と針ガイド２７との間の距離を検出することができる。

同様に、方位角検出部２５及び仰角検出部２６の各々においても、光又は磁気を用いて角度を検出するセンサを用いることができる。あるいは、距離検出部２４、方位角検出部２５、及び、仰角検出部２６の各々において、距離又は角度に応じて回転する円板を有する円板式センサを用いるようにしても良い。

図４は、距離に応じて回転する円板を有する円板式センサを示す概略図である。回転リング２２ａ内に、位置調整ベルト２２ｂに接触して回転する円板２２ｃが設けられている。円板２２ｃには、回転角によって異なる位置に溝が設けられており、センサ２２ｄが円板２２ｃの溝の位置を検出することにより、回転角を検出する。あるいは、円板２２ｃがポテンショメータに接続されており、ポテンショメータが、円板２２ｃの回転角に応じた出力電圧を生成するようにしても良い。

図５は、角度に応じて回転する円板を有する円板式センサを示す概略図である。針ガイドアダプタ２１に、回転リング２２ａに接触して回転する円板２２ｅが設けられている。円板２２ｅには、回転角によって異なる位置に溝が設けられており、センサ２２ｆが円板２２ｅの溝の位置を検出することにより、回転角を検出する。あるいは、円板２２ｅがポテンショメータに接続されており、ポテンショメータが、円板２２ｅの回転角に応じた出力電圧を生成するようにしても良い。

図６は、本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。図６に示すように、この超音波診断装置は、超音波探触子１０と、針ガイド装置２０と、超音波診断装置本体３０とによって構成される。

超音波探触子１０は、１次元又は２次元のトランスデューサアレイを構成する複数の超音波トランスデューサ１０ａを備えており、被検体に当接させて用いられる。それらの超音波トランスデューサ１０ａは、複数の駆動信号に従って被検体に向けて超音波を送信すると共に、被検体から伝播した超音波エコーを受信することにより複数の受信信号を出力する。

各超音波トランスデューサは、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinylidene difluoride）に代表される高分子圧電素子等の圧電性を有する材料（圧電体）の両端に電極を形成した振動子によって構成される。そのような振動子の電極に、パルス状又は連続波の電圧を印加すると、圧電体が伸縮する。この伸縮により、それぞれの振動子からパルス状又は連続波の超音波が発生し、それらの超音波の合成によって超音波ビームが形成される。また、それぞれの振動子は、伝搬する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。それらの電気信号は、超音波の受信信号として出力される。

針ガイド装置２０は、先に説明したように、図１に示す針ガイドアダプタ２１と針ガイド２７との間の距離を検出する距離検出部２４と、針ガイドアダプタ２１に対する針ガイド２７の方位角を検出する方位角検出部２５と、針ガイド２７の仰角を検出する仰角検出部２６とを含んでいる。

超音波診断装置本体３０は、走査制御部３１と、送信制御部３２と、駆動信号発生部３３と、受信信号処理部３４と、Ａ／Ｄ変換器３５と、受信制御部３６と、画像信号生成部３７と、ガイドライン位置算出部３８と、画像処理部３９と、表示部４０と、操作部４１と、システム制御部４２と、格納部４３とを含んでいる。

走査制御部３１は、被検体内の所定の撮像エリアを超音波ビームによって走査するために、超音波探触子１０から送信される超音波ビームの送信方向、受信方向、焦点深度、及び、超音波トランスデューサアレイの開口径を設定することができる。走査制御部３１は、それらの設定に基づいて、送信制御部３２及び受信制御部３６を制御する。

送信制御部３２は、走査制御部３１において設定された送信方向に応じた送信遅延パターンに基づいて、複数の超音波トランスデューサ１０ａの駆動信号にそれぞれ与えられる遅延時間を設定する。あるいは、送信制御部３２は、複数の超音波トランスデューサ１０ａから一度に送信される超音波が被検体の撮像領域全体に届くように遅延時間を設定しても良い。

駆動信号発生部３３は、複数の超音波トランスデューサ１０ａに対応する複数のチャンネルを有している。駆動信号発生部３３の各チャンネルは、送信制御部３２において設定された遅延時間に基づいて、対応する超音波トランスデューサ１０ａに供給すべき駆動信号を発生するパルサ等を含んでいる。駆動信号発生部３３は、複数の超音波トランスデューサ１０ａから送信される超音波が超音波ビームを形成するように複数の駆動信号の遅延量を調節して超音波探触子１０に供給しても良いし、複数の超音波トランスデューサ１０ａから一度に送信される超音波が被検体の撮像領域全体に届くように複数の駆動信号を超音波探触子１０に供給しても良い。

受信信号処理部３４は、複数の超音波トランスデューサ１０ａに対応する複数のチャンネルを有している。受信信号処理部３４の各チャンネルは、受信信号を増幅する前置増幅器及び可変利得増幅器と、増幅された受信信号に帯域制限処理を施すローパスフィルタとを含んでいる。Ａ／Ｄ変換器３５は、受信信号処理部３４から出力されるアナログの受信信号をディジタルの受信信号に変換する。

受信制御部３６は、超音波エコーの受信方向及び焦点深度に応じた複数の遅延パターン（位相整合パターン）を有しており、走査制御部３１によって設定された受信方向及び焦点深度に従って、各チャンネルの受信信号にそれぞれの遅延を与え、複数の受信信号を加算することにより、受信フォーカス処理を施す。この受信フォーカス処理により、超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線信号が形成される。

画像信号生成部３７は、受信制御部３６によって形成された音線信号に包絡線検波処理を施し、さらに、Ｌｏｇ（対数）圧縮やゲイン調整等のプリプロセス処理を施して、Ｂモード画像信号を生成する。さらに、画像信号生成部３７は、生成されたＢモード画像信号を通常のテレビジョン信号の走査方式に従う画像信号に変換（ラスター変換）する。

ガイドライン位置算出部３８は、距離検出部２４及び方位角検出部２５から得られる距離及び方位角に基づいて針ガイド２７（図１）の２次元的位置を算出し、針ガイド２７の２次元的位置及び仰角検出部２６から得られる仰角に基づいて超音波画像上の針ガイドラインの位置を算出する。

図７は、針ガイドラインの位置の算出方法を説明するための図である。図７において、Ｘ軸は超音波探触子のアジマス方向（主走査方向）を表しており、Ｙ軸は超音波探触子のエレベーション方向（アジマス方向と直交する方向）を表している。図６に示すガイドライン位置算出部３８は、原点Ｏから針ガイドの位置Ａまでの長さ（線分ＯＡの長さ）を求め、方位角αを用いて、針ガイドの位置Ａの座標を求める。さらに、ガイドライン位置算出部３８は、仰角βを用いて、３次元の表示領域における超音波画像上の針ガイドラインの位置を求める。

ここで、１次元超音波トランスデューサアレイが使用される場合には、図１において、針ガイド２７が超音波探触子１０のアジマス方向（Ｘ軸方向）に沿った位置に設定される（α＝０）。一方、２次元超音波トランスデューサアレイが使用される場合には、針ガイド２７が任意の位置に設定される。また、針ガイド２７の仰角が所定の角度に固定される場合には、仰角βとして所定の角度が用いられる。

再び図６を参照すると、画像処理部３９は、画像信号生成部３７によって生成された画像信号で表される超音波画像に、ガイドライン位置算出部３８によって算出された超音波画像上の針ガイドラインの位置に基づいて、針ガイドラインの画像を重畳する画像処理を行うことにより、表示用の画像信号を生成する。この画像信号に基づいて、表示部４０に超音波画像が表示される。

図８は、超音波探触子及び針の位置と針ガイドラインの位置との対応関係を示す図である。図８に示すように、超音波探触子１０を用いて被検体を撮像しながら、針ガイド装置２０に取り付けられた針２８を被検体内に挿入しようとする際に、超音波画像の表示領域に針ガイドラインが表示される。図８においては、２次元断層画像の表示領域に表示された針ガイドラインが示されている。医師は、この表示画像を見ながら針２８を被検体に挿入することにより、患部等の目的の位置に針２８を到達させることができる。

再び図６を参照すると、システム制御部４２は、操作部４１を用いて入力された命令や情報に基づいて、超音波診断装置の各部を制御する。本実施形態においては、走査制御部３１、送信制御部３２、受信制御部３６〜画像処理部３９、及び、システム制御部４２が、中央演算装置（ＣＰＵ）と、ＣＰＵに各種の処理を行わせるためのソフトウェアとによって構成されるが、これらをディジタル回路又はアナログ回路によって構成しても良い。上記のソフトウェアは、格納部４３に格納される。格納部４３における記録媒体としては、内蔵のハードディスクの他に、フレキシブルディスク、ＭＯ、ＭＴ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、又は、ＤＶＤ−ＲＯＭ等を用いることができる。

本発明は、超音波を送受信することにより生体内の臓器や骨等の撮像を行って、診断のために用いられる超音波画像を生成する超音波診断装置において利用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る超音波診断装置において用いられる超音波探触子及び針ガイド装置を示す斜視図である。 ガイド位置調整部が閉じた状態における針ガイド装置の外観を示す斜視図である。 ガイド位置調整部が閉じた状態における針ガイド装置の外観を示す平面図である。 ガイド位置調整部が開いた状態における針ガイド装置の外観を示す斜視図である。 ガイド位置調整部が開いた状態における針ガイド装置の外観を示す平面図である。 距離に応じて回転する円板を有する円板式センサを示す概略図である。 角度に応じて回転する円板を有する円板式センサを示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。 針ガイドラインの位置の算出方法を説明するための図である。 超音波探触子及び針の位置と針ガイドラインの位置との対応関係を示す図である。

符号の説明

１０ 超音波探触子
１０ａ 超音波トランスデューサ
２０ 針ガイド装置
２１ 針ガイドアダプタ（固定部）
２２ ガイド位置調整部
２２ａ 回転リング
２２ｂ 位置調整ベルト
２３ 針セット部
２４ 距離検出部
２５ 方位角検出部
２６ 仰角検出部
２７ 針ガイド
２８ 針
３０ 超音波診断装置本体
３１ 走査制御部
３２ 送信制御部
３３ 駆動信号発生部
３４ 受信信号処理部
３５ Ａ／Ｄ変換器
３６ 受信制御部
３７ 画像信号生成部
３８ ガイドライン位置算出部
３９ 画像処理部
４０ 表示部
４１ 操作部
４２ システム制御部
４３ 格納部

Claims (5)

1. 複数の駆動信号に従って被検体に向けて超音波を送信すると共に、被検体から伝播した超音波エコーを受信することにより複数の受信信号を出力する複数の超音波トランスデューサを含む超音波探触子と、
   前記超音波探触子に装着可能な針ガイドアダプタと、針ガイドを保持する針セット部と、前記針ガイドアダプタに対して前記針セット部を２次元的位置が調整可能となるように保持するガイド位置調整部と、前記針ガイドの２次元的位置を検出する検出手段とを含む針ガイド装置と、
   複数の駆動信号を前記超音波探触子に供給し、前記超音波探触子から出力される複数の受信信号を処理することにより、被検体の超音波画像を表す画像信号を生成すると共に、前記検出手段から得られる検出結果に基づいて超音波画像上の針ガイドラインの位置を算出し、超音波画像上に針ガイドラインを表示する超音波診断装置本体と、
   を具備する超音波診断装置。
2. 前記ガイド位置調整部が、
   前記針ガイドアダプタと前記針ガイドとの間の距離を調整可能とする機構と、
   前記針ガイドアダプタに対する前記針ガイドの方位角を調整可能とする機構と、
   を有する、請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記検出手段が、
   前記針ガイドアダプタと前記針ガイドとの間の距離を検出する第１の検出部と、
   前記針ガイドアダプタに対する前記針ガイドの方位角を検出する第２の検出部と、
   を有する、請求項２記載の超音波診断装置。
4. 前記針セット部が、前記針ガイドを仰角方向に回転可能に保持し、
   前記検出手段が、前記針ガイドの仰角を検出する第３の検出部をさらに有し、
   前記超音波診断装置本体が、前記第１及び第２の検出部から得られる距離及び方位角に基づいて前記針ガイドの２次元的位置を算出し、前記針ガイドの２次元的位置及び前記第３の検出部から得られる仰角に基づいて超音波画像上の針ガイドラインの位置を算出するガイドライン位置算出手段を含む、
   請求項３記載の超音波診断装置。
5. 前記第１〜第３の検出部の各々が、光又は磁気を用いて距離又は角度を検出するセンサ、又は、距離又は角度に応じて回転する円板を有するセンサを含む、請求項４記載の超音波診断装置。

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