JP2014221161A - 超音波診断装置及び画像処理プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】穿刺を円滑に行なうための情報を提供すること。
【解決手段】実施形態の超音波診断装置は、取得部と、第１算出部と、第２算出部と、制御部とを備える。取得部は、超音波により３次元走査された領域内を流動する流体に関する流体情報を示す流体ボリュームデータから、穿刺対象の組織の位置情報を取得し、前記流体ボリュームデータにおける穿刺針の位置情報を取得する。第１算出部は、前記組織の位置情報を用いて、前記組織の表面の位置を特定して前記組織の中心経路を算出し、前記穿刺針の位置情報を用いて、前記穿刺針の挿入経路を算出する。第２算出部は、前記挿入経路と前記中心経路との距離を算出し、前記挿入経路の方向ベクトルと前記組織の表面の法線ベクトルとの角度を算出する。制御部は、前記距離と第１閾値範囲とを比較した結果と、前記角度と第２閾値範囲とを比較した結果とを操作者に通知する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、超音波診断装置及び画像処理プログラムに関する。

従来、治療や検査を目的として血管に穿刺を行なう血管穿刺が行なわれている。血管穿刺は、血管に刺した穿刺針から目的部位までカテーテルを挿入したり、目的部位で薬剤注入を行なったりする手技である。血管穿刺の一例としては、中心静脈カテーテル（central vein catheter）がある。中心静脈カテーテルを行なう場合、医師は、例えば、内頸静脈、鎖骨下静脈、大腿静脈等の穿刺部位に穿刺針を挿入し、穿刺針から中心静脈までカテーテルを押し進める。中心静脈は、右心房から約５ｃｍ以内の胸腔内の上大静脈及び下大静脈の領域である。

そして、医師は、中心静脈まで押し進めたカテーテルから、薬剤（高カロリー輸液、カテコラミン類、抗がん剤等）の投与や点滴を行なう。末梢静脈から中心静脈への薬剤投与や点滴は安全性の確保やルート確保が困難であることから、中心静脈カテーテルは、有効な手技となる。或いは、中心静脈カテーテルでは、医師は、カテーテルに取り付けた装置を用いて中心静脈圧の測定を行なって、循環血液量や心機能の評価を行なう。

ここで、肝臓等を対象とする腹部穿刺と同様に、血管穿刺は、超音波診断装置を用いた超音波ガイド下で行なわれることがある。超音波診断装置は、超音波走査により略リアルタイムで超音波画像を生成表示可能であり、超音波画像は、医師が穿刺部位の血管と穿刺針との位置関係を把握するために、有用である。医師は、超音波画像を参照して穿刺針と標的血管とをリアルタイムに観察することで、素早い穿刺が可能となる。また、医師は、穿刺針と標的血管とをリアルタイムに観察することで、動脈誤穿刺や、穿刺針を深く刺すことによる気胸を回避できる。また、医師は、超音波画像を参照して、挿入したガイドワイヤー等が静脈血管内にあることを確認できるため、超音波画像は、カテーテル留置操作のガイドとしても有用である。

しかし、超音波ガイド下での血管穿刺は、以下の理由により、必ずしも有用でない場合があった。すなわち、超音波画像が一般的には断層像であるのに対して、血管の走行方向は、立体的であり、断層像から医師が想像した方向と一致しない場合がある。また、超音波の走査線が非常に薄い平面であるため、医師が走査線内から外れないように穿刺針を操作することは、困難である。これに対して、従来、穿刺針の挿入経路と穿刺部位との位置関係を取得して、取得した位置関係に基づくガイド表示や警告を行なう技術が知られている。しかし、血管穿刺の場合、更に、以下の点を考慮する必要がある。すなわち、血管が弾性を有する組織であるため、刺入角度が浅すぎると、血管により弾かれて穿刺針が刺さりにくい場合がある。また、刺入角度が深すぎると、穿刺針が血管に刺さっても、カテーテルワイヤーを血管内に挿入することが困難である場合がある。

特開２００４−２９８４７６号公報 特開２００９−９５３７９号公報

本発明が解決しようとする課題は、穿刺を円滑に行なうための情報を提供することができる超音波診断装置及び画像処理プログラムを提供することである。

実施形態の超音波診断装置は、取得部と、第１算出部と、第２算出部と、制御部とを備える。取得部は、超音波により３次元走査された領域内を流動する流体に関する流体情報を示す流体ボリュームデータから、穿刺対象の組織の位置情報を取得し、前記流体ボリュームデータにおける穿刺針の位置情報を取得する。第１算出部は、前記組織の位置情報を用いて、前記組織の表面の位置を特定して前記組織の中心経路を算出し、前記穿刺針の位置情報を用いて、前記穿刺針の挿入経路を算出する。第２算出部は、前記挿入経路と前記中心経路との距離を算出し、前記挿入経路の方向ベクトルと前記組織の表面の法線ベクトルとの角度を算出する。制御部は、前記距離と第１閾値範囲とを比較した結果と、前記角度と第２閾値範囲とを比較した結果とを操作者に通知する。

図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成例を示すブロック図である。 図２は、血管穿刺を説明するための図である。 図３は、従来技術の課題を説明するための図である。 図４は、第１の実施形態で行なわれる超音波走査の一例を示す図（１）である。 図５は、第１の実施形態で行なわれる超音波走査の一例を示す図（２）である。 図６は、第１の実施形態に係る取得部を説明するための図（１）である。 図７は、第１の実施形態に係る取得部を説明するための図（２）である。 図８は、第１算出部を説明するための図である。 図９は、第２算出部を説明するための図（１）である。 図１０は、第２算出部を説明するための図（２）である。 図１１は、判定部の判定処理に用いられる情報の一例を示す図（１）である。 図１２は、判定部の判定処理に用いられる情報の一例を示す図（２）である。 図１３は、第１の実施形態に係るガイド画像生成部を説明するための図である。 図１４は、第１の実施形態に係る制御部の処理の一例を示す図である。 図１５は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の処理例を説明するためのフローチャートである。 図１６は、第２の実施形態を説明するための図（１）である。 図１７は、第２の実施形態を説明するための図（２）である。 図１８は、変形例を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、超音波診断装置の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成例を示すブロック図である。図１に例示するように、本実施形態に係る超音波診断装置は、超音波プローブ１と、モニタ２と、入力装置３と、装置本体１０とを有する。

超音波プローブ１は、例えば、複数の圧電振動子を有し、これら複数の圧電振動子は、後述する装置本体１０が有する送受信部１１から供給される駆動信号に基づき超音波を発生する。また、超音波プローブ１は、被検体Ｐからの反射波を受信して電気信号に変換する。また、超音波プローブ１は、圧電振動子に設けられる整合層と、圧電振動子から後方への超音波の伝播を防止するバッキング材等を有する。なお、超音波プローブ１は、装置本体１０と着脱自在に接続される。

超音波プローブ１から被検体Ｐに超音波が送信されると、送信された超音波は、被検体Ｐの体内組織における音響インピーダンスの不連続面で次々と反射され、反射波信号として超音波プローブ１が有する複数の圧電振動子にて受信される。受信される反射波信号の振幅は、超音波が反射される不連続面における音響インピーダンスの差に依存する。なお、送信された超音波パルスが、移動している血流や心臓壁等の表面で反射された場合の反射波信号は、ドプラ効果により、移動体の超音波送信方向に対する速度成分に依存して、周波数偏移を受ける。

ここで、第１の実施形態に係る超音波プローブ１は、超音波により被検体Ｐを２次元で走査するとともに、被検体Ｐを３次元で走査することが可能な超音波プローブである。具体的には、第１の実施形態に係る超音波プローブ１は、一列に配置された複数の圧電振動子により、被検体Ｐを２次元で走査するとともに、複数の圧電振動子を所定の角度（揺動角度）で揺動させることで、被検体Ｐを３次元で走査するメカニカル４Ｄプローブである。或いは、第１の実施形態に係る超音波プローブ１は、複数の圧電振動子がマトリックス状に配置されることで、被検体Ｐを３次元で超音波走査することが可能な２Ｄプローブである。なお、２Ｄプローブは、超音波を集束して送信することで、被検体Ｐを２次元で走査することも可能である。

そして、第１の実施形態では、超音波プローブ１により超音波走査される領域に位置する組織を対象として、図１に示す穿刺針５を用いた穿刺が行なわれる。図１に示す穿刺針５は、例えば、穿刺部位に刺した針先からガイドワイヤーを押し出してカテーテルを目的とする部位まで挿入可能である。

ここで、図１に示すように、超音波プローブ１には位置センサ４が取り付けられ、穿刺針５には位置センサ６が取り付けられる。また、第１の実施形態では、装置本体１０の近傍の任意の位置に、トランスミッター７が配置される。位置センサ４、位置センサ６及びトランスミッター７は、超音波プローブ１の位置情報と穿刺針５の位置情報とを検出するための位置検出システムである。例えば、位置センサ４は、超音波プローブ１に取り付けられる磁気センサである。位置センサ４は、例えば、超音波プローブ１の本体の端部に取り付けられる。また、例えば、位置センサ６は、穿刺針５に取り付けられる磁気センサである。位置センサ６は、例えば、穿刺針５の根元に取り付けられる。また、例えば、トランスミッター７は、自装置を中心として外側に向かって磁場を形成する装置である。

位置センサ４は、トランスミッター７によって形成された３次元の磁場の強度と傾きとを検出する。そして、位置センサ４は、検出した磁場の情報に基づいて、トランスミッター７を原点とする空間における自装置の位置（座標及び角度）を算出し、算出した位置を装置本体１０に送信する。ここで、位置センサ４は、自装置が位置する３次元の座標及び角度を、超音波プローブ１の３次元位置情報として、装置本体１０に送信する。

また、位置センサ６は、トランスミッター７によって形成された３次元の磁場の強度と傾きとを検出する。そして、位置センサ６は、検出した磁場の情報に基づいて、トランスミッター７を原点とする空間における自装置の位置（座標及び角度）を算出し、算出した位置を装置本体１０に送信する。ここで、位置センサ６は、自装置が位置する３次元の座標及び角度を、穿刺針５の３次元位置情報として、装置本体１０に送信する。

なお、本実施形態は、上記の位置検出システム以外のシステムにより、超音波プローブ１及び穿刺針５の位置情報を取得する場合であっても適用可能である。例えば、本実施形態は、ジャイロセンサや加速度センサ等を用いて、超音波プローブ１及び穿刺針５の位置情報を取得する場合であっても良い。

入力装置３は、マウス、キーボード、ボタン、パネルスイッチ、タッチコマンドスクリーン、フットスイッチ、トラックボール、ジョイスティック等を有し、超音波診断装置の操作者からの各種設定要求を受け付け、装置本体１０に対して受け付けた各種設定要求を転送する。

モニタ２は、超音波診断装置の操作者が入力装置３を用いて各種設定要求を入力するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示したり、装置本体１０において生成された各種画像データ等を表示したりする。

装置本体１０は、超音波プローブ１が受信した反射波信号に基づいて超音波画像データを生成する装置である。例えば、第１の実施形態に係る装置本体１０は、超音波プローブ１が受信した２次元の反射波データに基づいて２次元の超音波画像データを生成可能な装置である。また、例えば、第１の実施形態に係る装置本体１０は、超音波プローブ１が受信した３次元の反射波データに基づいて３次元の超音波画像データを生成可能な装置である。以下、３次元の超音波画像データを「ボリュームデータ」と記載する。

装置本体１０は、図１に示すように、送受信部１１と、Ｂモード処理部１２と、ドプラ処理部１３と、画像生成部１４と、画像メモリ１５と、画像処理部１６と、内部記憶部１７と、制御部１８とを有する。

送受信部１１は、パルス発生器、送信遅延部、パルサ等を有し、超音波プローブ１に駆動信号を供給する。パルス発生器は、所定のレート周波数で、送信超音波を形成するためのレートパルスを繰り返し発生する。また、送信遅延部は、超音波プローブ１から発生される超音波をビーム状に集束し、かつ送信指向性を決定するために必要な圧電振動子ごとの遅延時間を、パルス発生器が発生する各レートパルスに対し与える。また、パルサは、レートパルスに基づくタイミングで、超音波プローブ１に駆動信号（駆動パルス）を印加する。すなわち、送信遅延部は、各レートパルスに対し与える遅延時間を変化させることで、圧電振動子面から送信される超音波の送信方向を任意に調整する。

なお、送受信部１１は、後述する制御部１８の指示に基づいて、所定のスキャンシーケンスを実行するために、送信周波数、送信駆動電圧等を瞬時に変更可能な機能を有している。特に、送信駆動電圧の変更は、瞬間にその値を切り替え可能なリニアアンプ型の発信回路、又は、複数の電源ユニットを電気的に切り替える機構によって実現される。

また、送受信部１１は、プリアンプ、Ａ／Ｄ（Analog／Digital）変換器、受信遅延部、加算器等を有し、超音波プローブ１が受信した反射波信号に対して各種処理を行って反射波データを生成する。プリアンプは、反射波信号をチャネル毎に増幅する。Ａ／Ｄ変換器は、増幅された反射波信号をＡ／Ｄ変換する。受信遅延部は、受信指向性を決定するために必要な遅延時間を与える。加算器は、受信遅延部によって処理された反射波信号の加算処理を行なって反射波データを生成する。加算器の加算処理により、反射波信号の受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調され、受信指向性と送信指向性とにより超音波送受信の総合的なビームが形成される。

第１の実施形態に係る送受信部１１は、被検体Ｐを２次元走査するために、超音波プローブ１から２次元の超音波ビームを送信させる。そして、第１の実施形態に係る送受信部１１は、超音波プローブ１が受信した２次元の反射波信号から２次元の反射波データを生成する。また、第１の実施形態に係る送受信部１１は、被検体Ｐを３次元走査するために、超音波プローブ１から３次元の超音波ビームを送信させる。そして、第１の実施形態に係る送受信部１１は、超音波プローブ１が受信した３次元の反射波信号から３次元の反射波データを生成する。

なお、送受信部１１からの出力信号の形態は、ＲＦ（Radio Frequency）信号と呼ばれる位相情報が含まれる信号である場合や、包絡線検波処理後の振幅情報である場合等、種々の形態が選択可能である。

Ｂモード処理部１２は、送受信部１１から反射波データを受信し、対数増幅、包絡線検波処理等を行なって、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータ（Ｂモードデータ）を生成する。

ドプラ処理部１３は、送受信部１１から受信した反射波データから速度情報を周波数解析し、ドプラ効果による血流や組織、造影剤エコー成分を抽出し、速度、分散、パワー等の移動体情報を多点について抽出したデータ（ドプラデータ）を生成する。本実施形態の移動体は、血管内を流動する血液や、リンパ管内を流動するリンパ液等の流体である。

なお、第１の実施形態に係るＢモード処理部１２及びドプラ処理部１３は、２次元の反射波データ及び３次元の反射波データの両方について処理可能である。すなわち、Ｂモード処理部１２は、２次元の反射波データから２次元のＢモードデータを生成し、３次元の反射波データから３次元のＢモードデータを生成する。また、ドプラ処理部１３は、２次元の反射波データから２次元のドプラデータを生成し、３次元の反射波データから３次元のドプラデータを生成する。３次元のＢモードデータは、３次元走査範囲の各走査線上で設定された複数の点（サンプル点）それぞれに位置する反射源の反射強度に応じた輝度値が割り当てられたデータとなる。また、３次元のドプラデータは、３次元走査範囲の各走査線上で設定された複数の点（サンプル点）それぞれに、血流情報（速度、分散、パワー）の値に応じた輝度値が割り当てられたデータとなる。

画像生成部１４は、Ｂモード処理部１２及びドプラ処理部１３が生成したデータから超音波画像データを生成する。すなわち、画像生成部１４は、Ｂモード処理部１２が生成した２次元のＢモードデータから反射波の強度を輝度にて表したＢモード画像データを生成する。Ｂモード画像データは、超音波走査された領域内の組織形状が描出されたデータとなる。また、画像生成部１４は、ドプラ処理部１３が生成した２次元のドプラデータから移動体情報を表すドプラ画像データを生成する。ドプラ画像データは、速度画像データ、分散画像データ、パワー画像データ、又は、これらを組み合わせた画像データである。ドプラ画像データは、超音波走査された領域内を流動する流体に関する流体情報を示すデータとなる。

ここで、画像生成部１４は、一般的には、超音波走査の走査線信号列を、テレビ等に代表されるビデオフォーマットの走査線信号列に変換（スキャンコンバート）し、表示用の超音波画像データを生成する。具体的には、画像生成部１４は、超音波プローブ１による超音波の走査形態に応じて座標変換を行なうことで、表示用の超音波画像データを生成する。また、画像生成部１４は、スキャンコンバート以外に種々の画像処理として、例えば、スキャンコンバート後の複数の画像フレームを用いて、輝度の平均値画像を再生成する画像処理（平滑化処理）や、画像内で微分フィルタを用いる画像処理（エッジ強調処理）等を行なう。また、画像生成部１４は、超音波画像データに、種々のパラメータの文字情報、目盛り、ボディーマーク等を合成する。

すなわち、Ｂモードデータ及びドプラデータは、スキャンコンバート処理前の超音波画像データであり、画像生成部１４が生成するデータは、スキャンコンバート処理後の表示用の超音波画像データである。なお、Ｂモードデータ及びドプラデータは、生データ（Raw Data）とも呼ばれる。

更に、画像生成部１４は、Ｂモード処理部１２が生成した３次元のＢモードデータに対して座標変換を行なうことで、３次元のＢモード画像データを生成する。また、画像生成部１４は、ドプラ処理部１３が生成した３次元のドプラデータに対して座標変換を行なうことで、３次元のドプラ画像データを生成する。３次元Ｂモードデータ及び３次元ドプラデータは、スキャンコンバート処理前のボリュームデータとなる。すなわち、画像生成部１４は、「３次元のＢモード画像データや３次元のドプラ画像データ」を「３次元の超音波画像データであるボリュームデータ」として生成する。以下では、３次元のＢモード画像データをＢモードボリュームデータと記載し、３次元のドプラ画像データをドプラボリュームデータと記載する。Ｂモードボリュームデータは、超音波により３次元走査された領域内の組織形状を示す組織ボリュームデータとなる。また、ドプラボリュームデータは、超音波により３次元走査された領域内を流動する流体に関する流体情報を示す流体ボリュームデータとなる。

更に、画像生成部１４は、ボリュームデータをモニタ２にて表示するための各種の２次元画像データを生成するために、ボリュームデータに対してレンダリング処理を行なう。画像生成部１４が行なうレンダリング処理としては、断面再構成法（ＭＰＲ：Multi Planer Reconstruction）を行なってボリュームデータからＭＰＲ画像データを生成する処理がある。また、画像生成部１４が行なうレンダリング処理としては、ボリュームデータに対して「Curved MPR」を行なう処理や、ボリュームデータに対して「Maximum Intensity Projection」を行なう処理がある。また、画像生成部１４が行なうレンダリング処理としては、３次元の情報を反映した２次元画像データを生成するボリュームレンダリング（ＶＲ：Volume Rendering）処理がある。

ここで、ドプラデータを用いた画像の表示方法について説明する。ドプラデータを用いた画像の表示方法は、一般的には、カラードプラ法（ＣＤＩ:Color Doppler Imaging）とパワードプラ法（ＰＤＩ:Power Doppler Imaging）とに大別される。カラードプラ法では、画像生成部１４は、血流の方向及び血流の速度の大きさに応じて色相を変化させたカラードプラ画像データを生成する。例えば、画像生成部１４は、超音波プローブ１に向かってくる方向の血流を、血流の速度の大きさに応じて赤系色（赤から黄）の色相を割り当て、超音波プローブ１から遠ざかる方向の血流を、血流の速度の大きさに応じて青系色（青から青緑）の色相を割り当てたカラードプラ画像データを生成する。なお、カラードプラ法では、画像生成部１４は、速度情報に分散情報を組み合わせた速度―分散表示を行なうためのカラードプラ画像データを生成する場合もある。

また、パワードプラ法では、画像生成部１４は、ドプラ信号の強度であるパワーの値に応じて、例えば、赤色系の色相や明度、或いは、彩度を変化させたパワー画像データを生成する。

３次元走査でカラードプラ法を行なう場合、画像生成部１４は、ドプラボリュームデータとして、３次元ドプラデータからカラードプラボリュームデータを生成する。また、３次元走査でパワードプラ法を行なう場合、画像生成部１４は、ドプラボリュームデータとして、３次元ドプラデータから、ドプラ信号の強度であるパワーの値を３次元空間上にマッピングしたパワーボリュームデータを生成する。また、３次元走査が時系列に沿って繰り返し行なわれる場合、画像生成部１４は、カラードプラボリュームデータやパワーボリュームデータを時系列に沿って順次生成する。

なお、カラードプラ法では、血流が存在する範囲の検出精度が、血流方向と超音波プローブ１との相対位置に依存する。具体的には、カラードプラ法では、超音波ビームの方向と直交する方向の血流の検出精度が低下する。一方、パワードプラ法では、血流の方向や速度に関する情報を検出できないが、血流が存在する範囲を、血流方向と超音波プローブ１との相対位置に依存することなく、検出することができる。

また、ドプラ画像データは、通常、Ｂモード画像データに重畳されて、モニタ２に出力される。送受信部１１は、２次元走査や３次元走査において、１本の走査線で１回超音波ビームの送受信を行なうＢモード用のスキャンと、１本の走査線で複数回超音波ビームの送受信を行なうドプラモード用のスキャンとを並行して行なう。ドプラ処理部１３は、同一走査線の複数の反射波データに対して、ＭＴＩフィルタ処理、自己相関演算処理、速度・分散・パワー推定処理を行なうことで、ドプラデータを生成する。

図１に示す画像メモリ１５は、画像生成部１４が生成した表示用の画像データを記憶するメモリである。また、画像メモリ１５は、Ｂモード処理部１２やドプラ処理部１３が生成したデータを記憶することも可能である。画像メモリ１５が記憶するＢモードデータやドプラデータは、例えば、診断の後に操作者が呼び出すことが可能となっており、画像生成部１４を経由して表示用の超音波画像データとなる。

画像処理部１６は、本実施形態において、穿刺針５を用いた穿刺を支援するために、装置本体１０に設置される。画像処理部１６は、図１に示すように、取得部１６１と、第１算出部１６２と、第２算出部１６３と、判定部１６４と、ガイド画像生成部１６５とを有する。なお、画像処理部１６が有する各部が行なう処理については、後に詳述する。

内部記憶部１７は、超音波送受信、画像処理及び表示処理を行なうための制御プログラムや、診断情報（例えば、患者ＩＤ、医師の所見等）や、診断プロトコルや各種ボディーマーク等の各種データを記憶する。また、内部記憶部１７は、必要に応じて、画像メモリ１５が記憶する画像データの保管等にも使用される。また、内部記憶部１７が記憶するデータは、図示しないインターフェースを経由して、外部の装置へ転送することができる。

制御部１８は、超音波診断装置の処理全体を制御する。具体的には、制御部１８は、入力装置３を介して操作者から入力された各種設定要求や、内部記憶部１７から読込んだ各種制御プログラム及び各種データに基づき、送受信部１１、Ｂモード処理部１２、ドプラ処理部１３、画像生成部１４、画像処理部１６の処理を制御する。また、制御部１８は、画像メモリ１５や内部記憶部１７が記憶する表示用の超音波画像データをモニタ２にて表示するように制御する。また、制御部１８は、画像処理部１６の処理結果をモニタ２にて表示するように制御する。

以上、第１の実施形態に係る超音波診断装置の全体構成について説明した。かかる構成のもと、第１の実施形態に係る超音波診断装置は、例えば、穿刺針５を用いた血管穿刺が行なわれる場合に、医師等の操作者に参照されるガイド用の超音波画像データとして、Ｂモード画像データの生成表示を行なう。血管穿刺は、血管に刺した穿刺針から目的部位までカテーテルを挿入したり、目的部位で薬剤注入を行なったりする手技である。血管穿刺の一例としては、中心静脈カテーテル（central vein catheter）がある。中心静脈カテーテルを行なう場合、医師は、例えば、内頸静脈、鎖骨下静脈、大腿静脈等の穿刺部位に穿刺針を挿入し、穿刺針から中心静脈までカテーテルを押し進める。中心静脈は、右心房から約５ｃｍ以内の胸腔内の上大静脈及び下大静脈の領域である。

そして、医師は、中心静脈まで押し進めたカテーテルから、薬剤（高カロリー輸液、カテコラミン類、抗がん剤等）の投与や点滴を行なう。或いは、中心静脈カテーテルでは、医師は、カテーテルに取り付けた装置を用いて中心静脈圧の測定を行なって、循環血液量や心機能の評価を行なう。医師は、標的血管を含む領域を２次元走査することで、略リアルタイムで生成表示されるＢモード画像データを参照して、穿刺針５と標的血管とを観察しながら、穿刺を行なう。図２は、血管穿刺を説明するための図である。

まず、操作者は、血管（例えば、鎖骨下静脈）を含む領域が２次元走査されるように、被検体Ｐの体表に超音波プローブ１を当接する。例えば、操作者は、図２の（Ａ）の右図に示すように、血管を輪切りにした断層像が表示されるように、超音波プローブ１の当接角度を調整する。そして、操作者は、図２の（Ａ）の左図に示すように、超音波プローブ１の当接面（被検体Ｐの体表）の近傍から穿刺針５の穿刺を開始する。

そして、操作者は、皮下組織に刺した穿刺針５を小刻みに動かして、穿刺針５に接する組織を動かす。操作者は、Ｂモード画像データを参照して、穿刺針５の動きにより動く組織を視認し、穿刺針５の存在位置を確認する。そして、操作者は、図２の（Ｂ）の左図に示すように、穿刺針５を穿刺部位となる血管の近傍まで刺し進める。これにより、穿刺針５は、超音波の走査断面まで挿入され、その結果、Ｂモード画像データには、図２の（Ｂ）に示すように、高反射体である穿刺針５が線形の高輝度領域として描出される。

そして、図２の（Ｃ）の左図に示すように、穿刺針５が血管の外壁に接触すると、Ｂモード画像データには、図２の（Ｃ）の右図に示すように、穿刺針５に対応する高輝度領域により血管の外壁がへこむ様相が描出される。操作者は、図２の（Ｃ）の右図に示す状態を確認して、スナップを効かせて穿刺針５を血管内に挿入する。

このように、従来の血管穿刺では、一般的な腹部穿刺等と同様に、２次元のＢモード画像データがガイド用の超音波画像データとして用いられている。しかし、超音波ガイド下での血管穿刺は、以下の理由により、必ずしも有用でない場合があった。図３は、従来技術の課題を説明するための図である。

穿刺ガイド用に生成表示される超音波画像データは、上述したように、一般的には、２次元の断層像（２次元のＢモード画像データ）である。これに対して、血管は、走査断面内を走行しているのではなく、実際には、立体的に走行している。このため、血管の走行方向は、断層像から医師が想像した方向と一致しない場合がある。例えば、図２の（Ａ）〜（Ｃ）に示す断層像内には、輪切りにされた血管が描出されるが、医師は、かかる断層像を、血管の走行方向に直交する短軸像であり、この画像の手前から奥に向かって血管が走行していると認識して穿刺を行なう場合がある。

すなわち、医師は、血管の走行方向（図３の（Ａ）に示す実線の矢印を参照）に対して傾斜した方向の走査断面で生成された断層像を、短軸像と認識してしまう。かかる場合、医師は、図３の（Ａ）に示す点線の矢印の方向を、血管の走行方向と認識して穿刺を行なう場合がある。

また、超音波の走査線が非常に薄い平面であるため、医師が走査断面から外れないように穿刺針５を操作することは、困難である。例えば、ガイド用のＢモード画像データとして、血管の走行方向に沿った長軸像を用いる場合、図３の（Ｂ）に示すように、穿刺針５が走査断面から外れると、医師は、穿刺針５の針先の位置を把握することが困難である。また、穿刺針５が走査断面から外れると、医師は、長軸像で高輝度に描出されている線形領域の先端を穿刺針５の針先と認識する場合がある。

このように、従来のように、２次元のＢモード画像データをガイド用の超音波画像データとして用いると、血管穿刺が容易に行なえない場合があった。これに対して、従来、穿刺針５の挿入経路と穿刺部位との位置関係を取得して、取得した位置関係に基づく穿刺ガイドを表示したり、挿入経路が穿刺部位から外れた場合に、警告を行なったりする技術が知られている。

しかし、血管穿刺の場合、更に、以下の点を考慮する必要がある。すなわち、血管が弾性を有する組織であるため、刺入角度が浅すぎると、血管により弾かれて穿刺針５が刺さりにくい場合がある。また、刺入角度が深すぎると、穿刺針５が血管に刺さっても、カテーテルワイヤーを血管内に挿入することが困難である場合がある。換言すると、血管穿刺を行なう場合、医師は、血管と穿刺針５の挿入経路とがなす角度を、穿刺が円滑に行なえるように、穿刺部位や穿刺針５の種類に応じて、調整する必要がある。例えば、図３の（Ｃ）に示す角度φが最適な刺入角度であっても、従来の技術では、角度に関する情報を医師に提供することができなかった。なお、上記の課題は、血管穿刺を行なう場合でなく、リンパ節に対して穿刺を行なう場合でも同様に生じる。

そこで、第１の実施形態に係る超音波診断装置は、穿刺を円滑に行なうための情報を提供するために、以下に説明する画像処理部１６の処理が行なわれる。

図１に示す取得部１６１は、超音波により３次元走査された領域内を流動する流体に関する流体情報を示す流体ボリュームデータから、穿刺対象の組織の位置情報を取得する。また、取得部１６１は、この流体ボリュームデータにおける穿刺針５の位置情報を取得する。第１の実施形態に係る取得部１６１は、超音波プローブ１に取り付けられた位置センサ４と穿刺針５に取り付けられた位置センサ６とから送信された情報に基づいて、穿刺針５の位置情報を取得する。

ここで、取得部１６１による処理は、例えば、操作者が入力装置３を介して穿刺支援モードの開始要求が入力された場合に開始される。穿刺支援モードの開始要求を入力装置３から転送された制御部１８は、以下の超音波走査が行なわれるように送受信部１１を介して超音波プローブ１を制御する。図４及び図５は、第１の実施形態で行なわれる超音波走査の一例を示す図である。

まず、操作者は、図４に示すように、穿刺対象の組織（例えば、鎖骨下静脈）を含む３次元領域Ａと、２次元領域Ｂとを設定する。３次元領域Ａは、例えば、鎖骨下静脈を含む３次元領域であり、２次元領域Ｂは、例えば、鎖骨下静脈の血管の短軸像に近い断層像を撮影するための２次元領域である。

かかる設定が行なわれると、制御部１８は、３次元領域Ａでドプラモード用のスキャンを超音波プローブ１に実行させ、２次元領域ＢでＢモード用のスキャンを超音波プローブ１に実行させる。これにより、送受信部１１は、Ｂモード用の２次元の反射波データ及びドプラモード用の３次元の反射波データを生成する。Ｂモード処理部１２は、Ｂモード用の２次元の反射波データから、２次元Ｂモードデータを生成し、ドプラ処理部１３は、ドプラモード用の３次元の反射波データから３次元ドプラデータを生成する。そして、画像生成部１４は、図５に示すように、２次元ＢモードデータからＢモード画像データ２００を生成し、３次元ドプラデータからドプラボリュームデータ１００を生成する。

なお、第１の実施形態は、Ｂモード画像データ２００を生成するためのスキャンと、ドプラボリュームデータ１００を生成するためのスキャンとが交互に行なわれる場合であっても、Ｂモード画像データ２００を生成するためのスキャンがドプラボリュームデータ１００を生成するためのスキャンの途中に行なわれる場合であっても良い。Ｂモード画像データ２００及びドプラボリュームデータ１００は、時系列に沿って順次生成される。なお、制御部１８は、超音波走査を制御することから、超音波プローブ１が被検体Ｐに当接される当接面と３次元領域Ａと２次元領域Ｂとの相対的位置関係を取得可能である。

ここで、上述したように、血流等の流体が存在する範囲の検出精度は、ＣＤＩよりＰＤＩの方が高い。このため、操作者は、ドプラボリュームデータ１００として、パワーボリュームデータを収集するように指示する。すなわち、画像生成部１４は、パワーボリュームデータをドプラボリュームデータ１００として生成する。なお、第１の実施形態は、例えば、血管の走行方向により、血流が存在する範囲の検出精度が低下しないと判断されるならば、カラードプラボリュームデータをドプラボリュームデータ１００として収集する場合であっても良い。

そして、取得部１６１は、ドプラボリュームデータ１００から血管の位置情報を取得する。また、取得部１６１は、ドプラボリュームデータ１００における穿刺針５の位置情報を取得する。図６及び図７は、第１の実施形態に係る取得部を説明するための図である。

例えば、取得部１６１は、パワーボリュームデータであるドプラボリュームデータ１００を構成する複数のボクセルの中で、所定の輝度値以上の輝度値を有するボクセル群を抽出し、抽出したボクセル群を用いた領域拡張法等を行なう。これにより、取得部１６１は、図６に示すように、血液が存在する３次元領域である血管領域１１０を、ドプラボリュームデータ１００から抽出する。そして、取得部１６１は、ドプラボリュームデータ１００における血管領域１１０の位置を、血管の位置情報として取得する。血管領域１１０は、ドプラボリュームデータ１００において標的血管内を流動する血液が存在する３次元領域である。換言すると、血管領域１１０は、ドプラボリュームデータ１００から穿刺対象の組織（血管）を抽出した抽出ボリュームデータ（血管ボリュームデータ）となる。なお、取得部１６１は、ノイズ低減等を目的として、血管領域１１０の表面に対して平滑化フィルタ処理等の後処理を行なっても良い。

また、取得部１６１は、位置センサ４、位置センサ６及びトランスミッター７で構成される位置検出システムの制御を行なう。取得部１６１は、位置センサ４、位置センサ６及びトランスミッター７に対して、位置検出処理の開始指示を送出し、位置センサ４及び位置センサ６から位置情報を受信する。ここで、取得部１６１は、超音波プローブ１における位置センサ４の取り付け位置と、超音波プローブ１にて振動子群が配列される配列面の位置との相対的位置関係を示すオフセット情報を記憶している。振動子群の配列面は、超音波プローブ１が被検体Ｐに当接される当接面となる。取得部１６１は、位置センサ４から受信した３次元位置情報とオフセット情報とから、実空間における当接面の３次元位置を取得する。また、取得部１６１は、当接面と３次元領域Ａと２次元領域Ｂとの相対的位置関係を制御部１８から取得する。これにより、取得部１６１は、図７の（Ａ）に示すように、実空間における３次元領域Ａと２次元領域Ｂとの３次元座標を取得する。

また、取得部１６１は、穿刺針５における位置センサ６の取り付け位置と、穿刺針５の針先との相対的位置関係を示すオフセット情報を記憶している。取得部１６１は、位置センサ６から受信した３次元位置情報とオフセット情報とから、実空間において、穿刺針５が占める３次元座標を取得する。これにより、取得部１６１は、図７の（Ａ）に示すように、実空間における針領域Ｃの３次元座標を取得する。

そして、取得部１６１は、画像生成部１４が行なうスキャンコンバート処理を制御する制御部１８から、例えば、実空間の座標系を画像空間の座標系に変換するための変換行列を取得する。取得部１６１は、かかる変換行列を用いて、図７の（Ｂ）に示すように、ドプラボリュームデータ１００における針領域３００の位置情報を取得する。なお、取得部１６１は、かかる変換行列を用いて、図７の（Ｂ）に示すように、ドプラボリュームデータ１００におけるＢモード画像データ２００の位置情報も取得する。

図１に戻って、第１算出部１６２は、組織の位置情報を用いて、組織の表面の位置を特定して組織の中心経路を算出する。具体的には、第１算出部１６２は、取得部１６１が取得した血管の位置情報を用いて、血管表面の位置を特定して血管の中心経路を算出する。また、第１算出部１６２は、取得部１６１が取得した穿刺針５の位置情報を用いて、穿刺針５の挿入経路を算出する。図８は、第１算出部を説明するための図である。

例えば、第１算出部１６２は、血管領域１１０と、ドプラボリュームデータ１００における血管領域１１０以外の領域との境界の位置を検出し、検出した境界の位置を、血管表面の位置として特定する。そして、第１算出部１６２は、図８に示すように、血管表面の位置から、ドプラボリュームデータ１００における標的血管の中心経路１１１を算出する。また、例えば、第１算出部１６２は、針領域３００の位置情報から、穿刺針５が挿入されると想定される予想経路（図８に示す挿入経路３０１）を算出する。

図１に戻って、第２算出部１６３は、挿入経路３０１と中心経路１１１との距離を算出する。また、第２算出部１６３は、挿入経路３０１の方向ベクトルと組織の表面（血管表面）の法線ベクトルとの角度を算出する。図９及び図１０は、第２算出部を説明するための図である。例えば、第２算出部１６３は、中心経路１１１上に複数の点を設定する。以下、第２算出部１６３が設定する点を「設定点」と定義する。そして、第２算出部１６３は、設定点において、中心経路１１１に直交する断面を求める。そして、第２算出部１６３は、直交断面と挿入経路３０１との交点を求め、この交点と直交断面の設定点との距離を算出する。そして、第２算出部１６３は、複数の設定点それぞれの距離の中で、最も短い距離（最短距離）を、図９に示すように、挿入経路３０１と中心経路１１１との距離Ｌとして算出する。距離Ｌは、穿刺針５が標的血管に向かって挿入されているか否かを判定するための指標となる。

また、例えば、第２算出部１６３は、図１０に示すように、血管領域１１０の血管表面と、挿入経路３０１との交点Ｐを求める。そして、第２算出部１６３は、図１０に示すように、交点Ｐにおける血管表面の法線ベクトル１１２を算出する。そして、第２算出部１６３は、図１０に示すように、挿入経路３０１の方向ベクトルと法線ベクトル１１２とがなす角度θを算出する。角度θは、刺入角度となり、穿刺針５による穿刺が標的血管に対して最適な刺入角度で行なわれているか否かを判定するための指標となる。なお、第２算出部１６３は、「９０度−θ」を刺入角度として算出しても良い。ここで、第２算出部１６３は、穿刺針５が標的血管から外れて挿入されているために、交点Ｐが求められなかった場合、角度θが算出不可であるとして、以下に説明する判定部１６４に通知する。

図１に戻って、判定部１６４は、距離Ｌが第１閾値範囲内であるか、第１閾値範囲外であるかを判定し、角度θが第２閾値範囲内であるか、第２閾値範囲外であるかを判定する。第１閾値範囲は、穿刺における許容距離範囲であり、第２閾値範囲は、穿刺における許容角度範囲である。図１１及び図１２は、判定部の判定処理に用いられる情報の一例を示す図である。

例えば、第１閾値範囲（許容距離範囲）及び第２閾値範囲（許容角度範囲）は、穿刺針５の種類及び穿刺部位の少なくとも１つに基づいて、設定される。図１１の（Ａ）では、穿刺部位Ｐ１は、例えば、鎖骨下静脈を示し、穿刺部位Ｐ２は、例えば、大腿静脈を示す。また、図１１の（Ａ）では、種類Ｋ１は、例えば、カテーテル留置用の穿刺針５が用いられることを示し、種類Ｋ２は、例えば、カテーテルによる薬剤投与用の穿刺針５が用いられることを示す。

かかる場合、例えば、内部記憶部１７は、図１１の（Ａ）に示すように、「穿刺部位：Ｐ１、種類：Ｋ１」では、許容距離範囲が「０≦Ｌ≦Ｌ１１」であり、許容角度範囲が「θ１１１≦θ≦θ１１２」とする設定情報を記憶する。また、例えば、内部記憶部１７は、図１１の（Ａ）に示すように、「穿刺部位：Ｐ１、種類：Ｋ２」では、許容距離範囲が「０≦Ｌ≦Ｌ１２」であり、許容角度範囲が「θ１２１≦θ≦θ１２２」とする設定情報を記憶する。

また、例えば、内部記憶部１７は、図１１の（Ａ）に示すように、「穿刺部位：Ｐ２、種類：Ｋ１」では、許容距離範囲が「０≦Ｌ≦Ｌ２１」であり、許容角度範囲が「θ２１１≦θ≦θ２１２」とする設定情報を記憶する。また、例えば、内部記憶部１７は、図１１の（Ａ）に示すように、「穿刺部位：Ｐ２、種類：Ｋ２」では、許容距離範囲が「０≦Ｌ≦Ｌ２２」であり、許容角度範囲が「θ２２１≦θ≦θ２２２」とする設定情報を記憶する。図１１の（Ａ）に示す設定情報は、予めシステムに初期設定されている場合であっても、操作者により事前に設定されている場合であっても良い。

操作者は、穿刺支援モードの開始要求を入力する際に、穿刺部位と穿刺針５の種類とを入力する。例えば、操作者は、「穿刺部位：Ｐ１、種類：Ｋ１」を入力する。かかる場合、判定部１６４は、距離Ｌが「０≦Ｌ≦Ｌ１１」であるか否かを判定し、角度θが「θ１１１≦θ≦θ１１２」であるか否かを判定する。

なお、操作者は、内部記憶部１７が記憶する設定情報を、所定の係数を用いて、変更しても良い。例えば、操作者は、入力装置３が有するスライドバーを調整して、許容距離範囲用の係数や許容角度範囲用の係数を設定する。例えば、「０≦Ｌ≦Ｌ１１」に対して許容距離範囲用の係数「α」が設定された場合、判定部１６４は、図１１の（Ｂ）に示すように、距離Ｌが「０≦Ｌ≦αＬ１１」であるか否かを判定する。また、例えば、「θ１１１≦θ≦θ１１２」に対して許容角度範囲用の係数「β」が設定された場合、判定部１６４は、図１１の（Ｂ）に示すように、角度θが「βθ１１１≦θ≦βθ１１２」であるか否かを判定する。αやβは、判定基準を厳しくするか、緩やかにするかに応じて、操作者が任意に変更可能な緩衝用（バッファ用）の係数となる。

なお、判定部１６４は、上述したように予め設定された許容距離範囲を用いて判定処理を行なっても良いが、以下に説明するように、実際に穿刺が行なわれる血管に応じて適応的に設定される許容距離範囲を用いて判定処理を行なっても良い。すなわち、許容距離範囲は、組織の表面（血管表面）の位置と中心経路１１１とから算出される組織の口径（血管径）に基づいて設定されても良い。例えば、第１算出部１６２は、図１２に示すように、血管領域１１０の表面の位置と、中心経路１１１とから、血管の平均半径Ｒを算出する。そして、判定部１６４は、例えば、「０≦Ｌ≦γＲ」を許容距離範囲として設定し、距離Ｌの判定処理を行なう。ここで、「γ」は、１以下の実数であり、例えば、予めシステムに初期設定されている場合であっても、操作者により設定される場合であっても良い。

そして、制御部１８は、判定部１６４の判定結果、すなわち、距離Ｌと第１閾値範囲（許容距離範囲）とを比較した結果と、角度θと第２閾値範囲（許容角度範囲）とを比較した結果とを操作者に通知する。具体的には、制御部１８は、距離Ｌが第１閾値範囲（許容距離範囲）の範囲外である第１の場合、角度θが第２閾値範囲（許容角度範囲）の範囲外である第２の場合、又は、距離Ｌが許容距離範囲の範囲外であり角度θが許容角度範囲の範囲外である第３の場合、操作者に警告を通知する。例えば、制御部１８は、判定部１６４の判定結果が第１の場合、第２の場合、第３の場合のいずれかであるならば、モニタ２に警告を表示させたり、図示しないスピーカから警告音を発生させたりする。

図１に戻って、ガイド画像生成部１６５は、操作者に参照される超音波画像データである参照画像データと、穿刺対象の組織の位置情報を用いて流体ボリュームデータから組織を抽出した抽出ボリュームデータとを合成した合成画像データを、ガイド画像データとして生成する。或いは、ガイド画像生成部１６５は、合成画像データに、更に、挿入経路３０１を重畳した画像データをガイド画像データとして生成する。上記の参照画像データは、第１の実施形態では、超音波により３次元走査された領域内の断面を超音波により２次元走査して生成された超音波画像データ（Ｂモード画像データ２００）である。また、上記の抽出ボリュームデータは、上述したように、第１算出部１６２が、穿刺対象の血管の位置情報を用いてドプラボリュームデータ１００から血管を抽出した血管領域１１０（血管ボリュームデータ）である。図１３は、第１の実施形態に係るガイド画像生成部を説明するための図である。

第１の実施形態に係るガイド画像生成部１６５は、例えば、取得部１６１が取得した位置情報に基づいて、参照画像データであるＢモード画像データ２００と、血管領域１１０と、挿入経路３０１とを仮想空間に配置する。そして、ガイド画像生成部１６５は、仮想空間で位置合わせされたＢモード画像データ２００と、血管領域１１０と、挿入経路３０１とをＶＲ処理することで、図１３に示すように、ガイド画像データ４００を生成する。なお、図１３に示す領域２００Ａは、ＶＲ処理されたＢモード画像データ２００に対応する領域であり、図１３に示す領域１１０Ａは、ＶＲ処理された血管領域１１０（血管ボリュームデータ）に対応する領域であり、領域３０１Ａは、ＶＲ処理された挿入経路３０１に対応する領域である。

ここで、ガイド画像生成部１６５は、例えば、制御部１８の制御により、ガイド画像データ４００を生成する際に、領域２００Ａと領域１１０Ａと領域３０１Ａとを重畳する不透明度（opacity）を調整しても良い。かかる不透明度の調整は、Ｂモード画像データ２００と血管領域１１０と挿入経路３０１との位置関係が明瞭に描出されたガイド画像データ４００を生成表示するために必要な処理となる。なお、ガイド画像データ４００は、画像生成部１４により生成されても良い。

そして、制御部１８は、上記の通知制御と並行して、参照画像データ（Ｂモード画像データ２００）とともに、ガイド画像データ４００をモニタ２に表示させる。図１４は、第１の実施形態に係る制御部の処理の一例を示す図である。

例えば、距離Ｌが許容距離範囲内であり、且つ、角度θが許容角度範囲内である場合、モニタ２は、図１１の（Ａ）に示すように、穿刺が良好に行なわれていることを示す文字情報「ＯＫ」を表示し、Ｂモード画像データ２００及びガイド画像データ４００を表示する。なお、本実施形態は、スピーカから「ＯＫ」の音声を出力させても良い。

一方、判定部１６４の判定結果が第１の場合、第２の場合、第３の場合のいずれかである場合、モニタ２は、図１１の（Ｂ）に示すように、穿刺が適切に行なわれていないことを示す文字情報「ＮＧ」を表示し、Ｂモード画像データ２００及びガイド画像データ４００を表示する。なお、本実施形態は、スピーカから「ＮＧ」の音声を出力させても良い。また、モニタ２は、制御部１８の制御により、文字情報「ＮＧ」とともに、距離Ｌ及び角度θの値を表示したり、距離Ｌ及び角度θが許容距離範囲内及び許容角度範囲内となる具体的な指示を表示したりしても良い。また、本実施形態は、スピーカから、距離Ｌ及び角度θの値を音声で出力させたり、距離Ｌ及び角度θが許容距離範囲内及び許容角度範囲内となる具体的な指示を音声で出力させたりしても良い。

なお、ガイド画像データ４００とともに表示される参照画像データは、Ｂモード画像データ２００以外の超音波画像データであっても良い。例えば、参照画像データは、ドプラボリュームデータ１００を２次元領域Ｂに対応する断面で切断したドプラ画像データであっても、Ｂモード画像データ２００の一部の領域をこのドプラ画像データで置き換えた画像データであっても、Ｂモード画像データ２００とこのドプラ画像データとを不透明度を調整して重畳した画像データであっても良い。

上記の通知処理及びガイド画像生成表示処理は、穿刺支援モードの終了要求を受け付けるまで、ドプラボリュームデータ１００及びＢモード画像データ２００が新規に収集されるごとに、実行される。

次に、図１５を用いて、第１の実施形態に係る超音波診断装置の処理について説明する。図１５は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の処理例を説明するためのフローチャートである。なお、図１５は、穿刺支援モードの開始要求を受け付けて、画像処理部１６の処理が開始された後の処理を例示したフローチャートである。

図１５に示すように、第１の実施形態に係る超音波診断装置の取得部１６１は、ドプラボリュームデータ１００が収集されたか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ここで、ドプラボリュームデータ１００が新規に収集されていない場合（ステップＳ１０１否定）、取得部１６１は、新規にドプラボリュームデータ１００が収集されるまで待機する。

一方、新規にドプラボリュームデータ１００が収集された場合（ステップＳ１０１肯定）、取得部１６１は、ドプラボリュームデータ１００から血管位置情報（標的血管の位置情報）を取得する（ステップＳ１０２）。そして、取得部１６１は、位置検出システムから受信した情報から、ドプラボリュームデータ１００における針位置情報（穿刺針５の位置情報）を取得する（ステップＳ１０３）。なお、取得部１６１は、ステップＳ１０２の処理とステップＳ１０３の処理とを並列して行なっても良い。

そして、第１算出部１６２は、血管位置情報を用いて、血管の表面位置を特定して中心経路１１１を算出し、針位置情報を用いて、穿刺針５の挿入経路３０１を算出する（ステップＳ１０４）。そして、第２算出部１６３は、距離（Ｌ）及び角度（θ）を算出し（ステップＳ１０５）、判定部１６４は、距離（Ｌ）及び角度（θ）と許容距離範囲及び許容角度範囲とを比較して、判定を行なう（ステップＳ１０６）。

一方、ステップＳ１０５及びステップＳ１０６の処理と並行して、ガイド画像生成部１６５は、ガイド画像データ４００を生成する（ステップＳ１０７）。

そして、制御部１８の制御により、モニタ２は、現時点で収集された２次元のＢモード画像データ２００とガイド画像データ４００とを、判定結果とともに表示し（ステップＳ１０８）、処理を終了する。なお、穿刺支援モードの終了要求を受け付けるまで、第１の実施形態に係る超音波診断装置は、新規にドプラボリュームデータ１００が収集されるごとに、ステップＳ１０２〜ステップＳ１０８の処理を繰り返す。

上述したように、第１の実施形態では、ドプラボリュームデータ１００を用いて血管の位置情報を取得し、位置検出システムを用いてドプラボリュームデータ１００における穿刺針５の位置情報を取得する。そして、第１の実施形態では、血管と穿刺針５との相対的位置関係（距離及び角度）から、穿刺針５の進路が血管を的確に捉えているか、穿刺針５の刺入角度が適切であるかを判定し、判定結果を操作者に通知する。

また、第１の実施形態では、血管と穿刺針５と参照画像データ（Ｂモード画像データ２００）との相対的位置関係を、穿刺を行なう術者が直感的に把握できるガイド画像データ４００を、参照画像データとは別に表示する。このように、第１の実施形態では、穿刺を円滑に行なうための情報を提供することができる。

なお、第１の実施形態は、判定結果に基づく通知のみを行なって、穿刺が適切に行なわれているか否かを操作者である医師が認識可能として、ガイド画像データ４００の生成表示を行なわない場合であっても良い。また、第１の実施形態は、判定結果に基づく通知とともに表示されるガイド画像データ４００に、挿入経路の情報を含めない場合でも良い。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態で説明した位置検出システムを用いずに、取得部１６１が穿刺針５の位置情報を取得する場合について、図１６及び図１７を用いて説明する。図１６及び図１７は、第２の実施形態を説明するための図である。

第２の実施形態に係る超音波診断装置は、位置センサ４、位置センサ６及びトランスミッター７で構成される位置検出システムを有さない点以外、図１に例示する第１の実施形態に係る超音波診断装置と同様に構成される。そして、第２の実施形態に係る画像処理部１６は、図１に例示する第１の実施形態に係る画像処理部１６と同様に構成される。

ただし、第２の実施形態では、取得部１６１は、以下の処理により、ドプラボリュームデータ１００における穿刺針５の位置情報を取得する。第２の実施形態に係る取得部１６１は、穿刺対象となる組織（標的血管）を含む領域内に存在する組織の形状を示すボリュームデータであって、当該領域内に存在する反射源の反射強度に応じた輝度値が割り当てられた組織ボリュームデータを用いる。すなわち、第２の実施形態に係る取得部１６１は、Ｂモードボリュームデータを用いる。そして、第２の実施形態に係る取得部１６１は、Ｂモードボリュームデータから、所定の輝度値以上となる高輝度領域を抽出して、穿刺針５の位置情報を取得する。

例えば、第２の実施形態では、制御部１８は、図４に示す３次元領域Ａにおいて、Ｂモード用のスキャンとドプラモード用のスキャンとを交互に超音波プローブ１に実行させる。これにより、送受信部１１は、Ｂモード用の３次元の反射波データ及びドプラモード用の３次元の反射波データを生成する。Ｂモード処理部１２は、Ｂモード用の３次元の反射波データから、３次元Ｂモードデータを生成し、ドプラ処理部１３は、ドプラモード用の３次元の反射波データから３次元ドプラデータを生成する。そして、画像生成部１４は、図１６に示すように、３次元ＢモードデータからＢモードボリュームデータ５００を生成し、３次元ドプラデータからドプラボリュームデータ１００を生成する。なお、第２の実施形態では、Ｂモードボリュームデータ５００を生成するための３次元走査領域と、ドプラボリュームデータ１００を生成するための３次元走査領域とが異なる大きさであっても良い。

ここで、Ｂモードボリュームデータ５００とドプラボリュームデータ１００とは、当接位置及び当接角度が固定された状態の超音波プローブ１により３次元走査されることで生成される。従って、Ｂモードボリュームデータ５００を構成する各ボクセルの座標とドプラボリュームデータ１００を構成する各ボクセルの座標とは、同一の画像空間の座標系で表現される。

第２の実施形態に係る取得部１６１は、第１の実施形態で説明したように、ドプラボリュームデータ１００から血管領域１１０（血管ボリュームデータ）を抽出することで、血管の位置情報を取得する（図１６の左図を参照）。そして、第２の実施形態に係る取得部１６１は、Ｂモードボリュームデータ５００から所定の輝度値を有する線形の高輝度領域５１０を抽出する（図１６の右図を参照）。そして、第２の実施形態に係る取得部１６１は、Ｂモードボリュームデータ５００において高輝度領域５１０が占める位置情報を、ドプラボリュームデータ１００における穿刺針５の位置情報として取得する。

第２の実施形態に係る第１算出部１６２は、第１の実施形態と同様に、血管領域１１０と、ドプラボリュームデータ１００における血管領域１１０以外の領域との境界の位置を検出し、検出した境界の位置を、血管表面の位置として特定する。そして、第１算出部１６２は、第１の実施形態と同様に、血管表面の位置から、ドプラボリュームデータ１００における標的血管の中心経路１１１（図８を参照）を算出する。また、第２の実施形態に係る第１算出部１６２は、図１６の左図に示すように、高輝度領域５１０の位置情報から、穿刺針５が挿入されると想定される予想経路（挿入経路５１１）を算出する。

第２の実施形態に係る第２算出部１６３は、第１の実施形態と同様に、挿入経路５１１と中心経路１１１との距離Ｌを算出する。また、第２算出部１６３は、第１の実施形態と同様に、挿入経路５１１の方向ベクトルと組織の表面（血管表面）の法線ベクトルとの角度θを算出する。そして、第２の実施形態に係る判定部１６４は、第１の実施形態と同様に、距離Ｌが第１閾値範囲内であるか、第１閾値範囲外であるかを判定し、角度θが第２閾値範囲内であるか、第２閾値範囲外であるかを判定する。

第２の実施形態に係るガイド画像生成部１６５は、図１７に示すガイド画像データ４１０を生成する。ここで、第２の実施形態では、モニタ２に表示される参照画像データは、Ｂモードボリュームデータ５００から生成された２次元画像データとなる。例えば、画像生成部１４は、操作者の指示により、Ｂモードボリュームデータ５００を２次元領域Ｂ（図４を参照）に対応する断面で切断した２次元Ｂモード画像データを、参照画像データとして生成する。或いは、例えば、画像生成部１４は、操作者の指示により、この２次元Ｂモード画像データの一部の領域を、ドプラボリュームデータ１００を２次元領域Ｂに対応する断面で切断したドプラ画像データで置き換えた画像データを、参照画像データとして生成する。或いは、例えば、画像生成部１４は、操作者の指示により、Ｂモードボリュームデータ５００のＶＲ画像データを、参照画像データとして生成する。或いは、例えば、画像生成部１４は、操作者の指示により、Ｂモードボリュームデータ５００とドプラボリュームデータ１００とを不透明度を調整して重畳したボリュームデータのＶＲ画像データを、参照画像データとして生成する。

そして、ガイド画像生成部１６５は、取得部１６１が取得した位置情報に基づいて、参照画像データと、血管領域１１０と、挿入経路５１１とを仮想空間に配置する。そして、ガイド画像生成部１６５は、仮想空間で位置合わせされた参照画像データと、血管領域１１０と、挿入経路５１１とをＶＲ処理することで、図１７に示すように、ガイド画像データ４１０を生成する。なお、図１７に示す領域５００Ｓは、ＶＲ処理された参照画像データに対応する領域であり、図１７に示す領域１１０Ａは、ＶＲ処理された血管領域１１０（血管ボリュームデータ）に対応する領域であり、領域５１１Ａは、ＶＲ処理された挿入経路５１１に対応する領域である。

ここで、ガイド画像生成部１６５は、第１の実施形態と同様に、例えば、制御部１８の制御により、ガイド画像データ４００を生成する際に、領域２００Ａと領域１１０Ａと領域３０１Ａとを重畳する不透明度（opacity）を調整しても良い。なお、ガイド画像データ４１０は、画像生成部１４により生成されても良い。

制御部１８は、第１の実施形態と同様に、判定部１６４による判定結果と、参照画像データと、ガイド画像データ４１０とを、モニタ２に表示させる。なお、制御部１８は、判定部１６４による判定結果を音声で出力させても良い。

第２の実施形態においても、上記の通知処理及びガイド画像生成表示処理は、穿刺支援モードの終了要求を受け付けるまで、ドプラボリュームデータ１００及びＢモードボリュームデータ５００が新規に収集されるごとに、実行される。また、第１の実施形態で説明した内容は、Ｂモードボリュームデータ５００を用いて穿刺針５の位置情報を取得する点以外、第２の実施形態でも適用可能である。

上述したように、第２の実施形態では、位置検出システムを用いずに、Ｂモードボリュームデータ５００を用いて穿刺針５の位置情報を取得することで、穿刺を円滑に行なうための情報を提供可能な超音波診断装置を、簡易な構成で製造することができる。

なお、第１の実施形態及び第２の実施形態では、血管穿刺を行なう場合について説明したが、第１の実施形態及び第２の実施形態で説明した画像処理方法は、リンパ腺の穿刺を行なう場合でも適用可能である。

また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、極端に湾曲していない血管に対して穿刺を行なう場合について説明した。すなわち、第１の実施形態及び第２の実施形態で説明した画像処理方法は、穿刺針５の挿入経路に交差する血管が１箇所であるという前提に基づく方法である。しかし、仮に、穿刺対象が、曲がりくねっていて、穿刺針５の経路に交差する箇所が複数である場合、どの箇所が穿刺対象かを指定することが必要となる。かかる場合、例えば、操作者、又は、制御部１８は、最初に穿刺針５の経路と交差する箇所を、穿刺対象として、上記の画像処理を実行させる。図１８は、変形例を説明するための図である。

或いは、制御部１８は、例えば、図１８に示すように、穿刺針５の経路と交差する箇所が２箇所（点Ｃ１及び点Ｃ２）であることを、モニタ２に表示させる。操作者は、モニタ２を参照して、例えば、点Ｃ１を指定する。かかる場合、制御部１８は、点Ｃ１を穿刺対象として、画像処理部１６に、上記の画像処理を実行させる。これにより、上記の変形例では、穿刺針５の経路に交差する箇所が複数である場合でも、穿刺を円滑に行なうための情報を提供することができる。

なお、上記の第１の実施形態、第２の実施形態及び変形例の説明で図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を、各種の負荷や使用状況等に応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。更に、各装置にて行なわれる各処理機能は、その全部又は任意の一部が、ＣＰＵおよび当該ＣＰＵにて解析実行されるプログラムにて実現され、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現され得る。

また、第１の実施形態、第２の実施形態及び変形例で説明した画像処理方法は、あらかじめ用意された画像処理プログラムをパーソナルコンピュータやワークステーション等のコンピュータで実行することによって実現することができる。この画像処理プログラムは、インターネット等のネットワークを介して配布することができる。また、この制御プログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、ＵＳＢメモリ及びＳＤカードメモリ等のＦｌａｓｈメモリ等のコンピュータで読み取り可能な非一時的な記録媒体に記録され、コンピュータによって非一時的な記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。

以上、説明したとおり、第１の実施形態、第２の実施形態及び変形例によれば、穿刺を円滑に行なうための情報を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１６ 画像処理部
１６１ 取得部
１６２ 第１算出部
１６３ 第２算出部
１６４ 判定部
１６５ ガイド画像生成部
１８ 制御部

Claims (10)

1. 超音波により３次元走査された領域内を流動する流体に関する流体情報を示す流体ボリュームデータから、穿刺対象の組織の位置情報を取得し、前記流体ボリュームデータにおける穿刺針の位置情報を取得する取得部と、
   前記組織の位置情報を用いて、前記組織の表面の位置を特定して前記組織の中心経路を算出し、前記穿刺針の位置情報を用いて、前記穿刺針の挿入経路を算出する第１算出部と、
   前記挿入経路と前記中心経路との距離を算出し、前記挿入経路の方向ベクトルと前記組織の表面の法線ベクトルとの角度を算出する第２算出部と、
   前記距離と第１閾値範囲とを比較した結果と、前記角度と第２閾値範囲とを比較した結果とを操作者に通知する制御部と、
   を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記第１閾値範囲は、前記組織の表面の位置と前記組織の中心経路とから算出される前記組織の口径に基づいて設定されることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記第１閾値範囲及び第２閾値範囲は、前記穿刺針の種類及び穿刺部位の少なくとも１つに基づいて設定されることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
4. 前記取得部は、超音波プローブに取り付けられた位置センサと前記穿刺針に取り付けられた位置センサとから送信された情報に基づいて、前記穿刺針の位置情報を取得することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波診断装置。
5. 前記取得部は、前記領域内に存在する組織の形状を示すボリュームデータであって、当該領域内に存在する反射源の反射強度に応じた輝度値が割り当てられた組織ボリュームデータから、所定の輝度値以上となる高輝度領域を抽出して、前記穿刺針の位置情報を取得することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波診断装置。
6. 操作者に参照される超音波画像データである参照画像データと、前記組織の位置情報を用いて前記流体ボリュームデータから前記組織を抽出した抽出ボリュームデータとを合成した合成画像データを、ガイド画像データとして生成するガイド画像生成部、
   を更に備え、
   前記制御部は、前記参照画像データとともに、前記ガイド画像データを表示部に表示させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の超音波診断装置。
7. 前記ガイド画像生成部は、前記合成画像データに、更に、前記挿入経路を重畳した画像データを前記ガイド画像データとして生成することを特徴とする請求項６に記載の超音波診断装置。
8. 前記参照画像データは、前記領域内の断面を超音波により２次元走査して生成された超音波画像データであることを特徴とする請求項６又は７に記載の超音波診断装置。
9. 前記参照画像データは、前記組織ボリュームデータから生成された２次元画像データであることを特徴とする請求項６又は７に記載の超音波診断装置。
10. 超音波により３次元走査された領域内を流動する流体に関する流体情報を示す流体ボリュームデータから、穿刺対象の組織の位置情報を取得し、前記流体ボリュームデータにおける穿刺針の位置情報を取得する取得手順と、
    前記組織の位置情報を用いて、前記組織の表面の位置を特定して前記組織の中心経路を算出し、前記穿刺針の位置情報を用いて、前記穿刺針の挿入経路を算出する第１算出手順と、
    前記挿入経路と前記中心経路との距離を算出し、前記挿入経路の方向ベクトルと前記組織の表面の法線ベクトルとの角度を算出する第２算出手順と、
    前記距離と第１閾値範囲とを比較した結果と、前記角度と第２閾値範囲とを比較した結果とを操作者に通知する制御手順と、
    をコンピュータに実行させることを特徴とする画像処理プログラム。