JP2016523649A - 介入機器のスキャナ独立型追跡 - Google Patents

Abstract

超音波で機器を追跡するシステムは、超音波エネルギーを送信及び受信するプローブ１２２と、プローブに関連付けられ、使用時に、プローブと共に移動するトランスデューサ１３０とを含む。医療機器１０２は、プローブから受信した超音波エネルギーに応答するセンサ１２０を含む。制御モジュール１２４が、メモリに記憶され、プローブ及びセンサから受信した超音波エネルギーを解釈して、医療機器の３次元場所を決定し、画像内でセンサの位置をハイライトするように、トランスデューサからプローブに信号を導入する。

Description

本発明は、医療機器に関し、より具体的には、医療デバイスのスキャナ独立型超音波追跡に関する。

ニードル、カテーテル及び他の介入器具は、しばしば、超音波下では、それらのスペクトル性質及び望ましくない入射角によって、視覚化が困難である。超音波ガイダンス下で、ニードル先端をマーキングするための１つの解決策は、ニードルの先端に、小型超音波センサを埋め込むことである。当該センサは、超音波撮像プローブからの撮像ビームが視野をスイープする際に、当該センサに衝突する直接超音波信号を受信する。これらの信号を使用して、超音波画像内のトランスデューサの位置をハイライトする様々なやり方が提案されている。これらのやり方は、センサの範囲座標を推定するために、撮像プローブからセンサまでの超音波の飛行時間に依存し、また、横座標を回収するために、撮像ビームが視野をスイープする際に受信した信号の強度に依存する。飛行時間を推定するためには、スキャナのライントリガイベントへのアクセスがなくてはならず、また、横座標を推定するためには、フレームトリガイベントへのアクセスと撮像ビームの座標及びステアリング角へのアクセスとがなくてはならない。

本原理によれば、超音波で機器を追跡するシステムは、超音波エネルギーを送信及び受信するプローブと、プローブに関連付けられ、使用時に、プローブと共に移動するトランスデューサと、プローブから受信した超音波エネルギーに応答するセンサを含む医療機器とを含む。制御モジュールが、メモリに記憶され、プローブ及びセンサから受信した超音波エネルギーを解釈して、医療機器の３次元場所を決定し、画像内でセンサの位置をハイライトするように、トランスデューサからプローブに信号を導入する。

機器の位置を決定する方法は、撮像プローブのフレームレートを推定するステップと、到達時間を決定するために、機器に取り付けられるセンサの位置にベストマッチする時間的最大値を見つけるように、検出窓内で、トレースを解析するステップと、機器に取り付けられるセンサから戻るエコーをシミュレートするように、撮像プローブ上のトランスデューサを用いて、撮像プローブに音響フィードバック信号を導入するステップと、機器の位置を特定するように、エコーを画像内に表示するステップと含む。

機器の位置を決定する方法は、撮像プローブのフレームレートを推定するステップと、画像における個別ビームの場所を確立するように、画像を複数の個別ビームに分割するステップと、到達時間を決定するために、機器に取り付けられるセンサの位置にベストマッチする時間的最大値を見つけるように、トレースを解析するステップと、センサの位置を決定するように、センサの場所があるビーム番号、及び、プローブからの送信時間及びセンサにおける受信時間を使用してセンサの場所のうちの少なくとも一方を計算するステップと、機器の場所を視覚的に示すように、画像上にインジケータを重ねるステップと含む方法。

本開示のこれらの及び他の目的、特徴及び利点は、添付図面と関連付けて読まれるべきである本開示の例示的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかとなろう。

本開示は、次の図面を参照して、好適な実施形態の以下の説明を詳細に提示する。

図１は、一実施形態による超音波を用いて機器を追跡するシステムを示すブロック図／フロー図である。 図２は、一実施形態による超音波を用いて機器を追跡するシステムを示す概念図である。 図３は、一実施形態によるフレームレートを推定するための超音波パルスを示す振幅対時間のグラフを示す。 図４は、一実施形態による検出時間を決定するための超音波パルスを示す振幅対時間のグラフを示す。 図５は、一実施形態によるプローブ上のトランスデューサと、機器又は器具のセンサとの間で生じるイベントを示すイベント時系列である。 図６は、本原理によるプローブに取り付けられるトランスデューサを示す２つの実施形態の平面図である。 図７Ａは、本原理によるトランスデューサをプローブに取り付けるための構造を示す。 図７Ｂは、本原理によるトランスデューサをプローブに取り付けるための構造を示す。 図７Ｃは、本原理によるトランスデューサをプローブに取り付けるための構造を示す。 図７Ｄは、本原理によるトランスデューサをプローブに取り付けるための構造を示す。 図７Ｅは、本原理によるトランスデューサをプローブに取り付けるための構造を示す。 図７Ｆは、本原理によるトランスデューサをプローブに取り付けるための構造を示す。 図７Ｇは、本原理によるトランスデューサをプローブに取り付けるための構造を示す。 図７Ｈは、本原理によるトランスデューサをプローブに取り付けるための構造を示す。 図７Ｊは、本原理によるトランスデューサをプローブに取り付けるための構造を示す。 図８は、本原理によるプローブを掴むユーザ上の、トランスデューサがその上に取り付けられているグローブを示す。 図９は、別の実施形態による超音波を用いて機器を追跡するシステムを示す概念図である。 図１０は、本原理による超音波ビームに対応する線によって分割される画像である。 図１１は、１つの例示的な実施形態による超音波を用いて機器を追跡する方法を示すフロー図である。 図１２は、別の例示的な実施形態による超音波を用いて機器を追跡する方法を示すフロー図である。

本原理によれば、システム及び方法は、スキャナへの依存を軽減して、センサの位置をハイライトすることを可能にする。フレーム、ライントリガ及びビーム形成パラメータがもはや不要になる。これは、超音波が具備された器具が自己充足型（スキャナとの低レベルインターフェーシングを不要とする）になることを可能にし、したがって、これらの器具を、任意のベンダからの超音波マシンの広い設置基盤と共に使用することを可能にする。一実施形態では、システムは、例えばフレームレート及びライントリガ位置である撮像スキャナからの重要なパラメータのオンザフライのリバースエンジニアリング、及び、スキャナの受信信号経路へのアナログ音響信号導入等が可能である。

本原理によるスマートデバイスは、いつ、超音波（ＵＳ）ビームが発射されたのかを検出し、更に、プローブヘッドにおいて正確に信号を導入できる。このスマートデバイスは、プローブに半永久的に又は永久的に取り付けられてよい。或いは、大抵の治療介入は、無菌状態を維持するためにグローブを用いるので、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）又はポリ（フッ化ビニリデン‐コ‐トリフルオロエチレン）（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））といった圧電性材料を、使い捨てグローブに組み込むことができる。ＰＶＤＦストリップは、超低価格で製造できるので、これらのオプションは共に魅力的である。更に、グローブは、単一のストリップから構成されても、又は、高い分解能を達成するように複数のストリップを使用してもよい。

ＰＶＤＦストリップに加えて、１つ以上の受動型音響センサがニードル又は機器に提供される。センサは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）又は圧電性ポリマー若しくは任意の他の圧電性材料で作られてよい。未知のＵＳプローブがビームを発射すると、制御ボックス（又はコンピュータ）が、デバイス上のセンサと、プローブ上のＰＶＤＦストリップとの両方から信号を受信する。これらの信号を合わせて、アルゴリズムが、個々のビームが送り出された時間と、信号がニードル又は機器において受信された時間と、したがって、ニードル又は機器の３Ｄ場所とを計算する。画像において、ニードルの場所をマーキングするために、制御ボックスは、プローブ上のＰＶＤＦストリップを使用して、小さい信号を、ＵＳプローブに「導入」する。この導入された音響信号は、スキャナによって、その自身の音響場に対する応答と認識される。この信号は、スキャナのビーム形成パイプラインによって処理され、最終的に、ＵＳ画像上に（ニードル又はデバイスの場所をハイライトして）視覚化される。複数ストリップの実施形態は、様々な信号を、様々なビーム内に、及び、様々なフェーズで導入することによって、導入信号の質の微調整を可能にする。

当然ながら、本発明は、ニードルに関連して説明されるが、本発明の教示内容の範囲は、もっと広く、任意の医療機器又は音響エネルギーによって追跡される他の機器に適用可能である。幾つかの実施形態では、本原理は、複雑な生体系又は機械系を追跡又は解析するのにも採用される。具体的には、本原理は、生体系の内部追跡処置、肺、胃腸管、排せつ器官、血管等といった身体のあらゆる領域における処置に適用可能である。図示される要素は、ハードウェア及びソフトウェアの様々な組み合わせにおいて実現され、また、単一の要素又は複数の要素において組み合わされてもよい機能を提供する。本実施形態は、機器が、超音波ガイダンス下で、体内に挿入されるときにいつでも使用されてよい。当該挿入には、ニードル処置（生検、焼灼、麻酔、疼痛処理、膿瘍ドレナージ等）及びカテーテル処置（心臓修復、電気生理学等）が含まれる。

図示される様々な要素の機能は、専用ハードウェアだけでなく、適切なソフトウェアに関連付けられるソフトウェアを実行可能なハードウェアも使用することによって提供される。プロセッサによって提供される場合、機能は、単一の専用プロセッサによって提供されても、単一の共有プロセッサによって提供されても、又は、そのうちの一部は共有される複数の個別のプロセッサによって提供されてもよい。また、「プロセッサ」又は「コントローラ」との用語の明示的な使用が、ソフトウェアを実行可能なハードウェアを排他的に指すと解釈されるべきではなく、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）ハードウェア、ソフトウェアを記憶するための読み出し専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、不揮発性記憶装置等を、制限なく、黙示的に含む。

さらに、本発明の原理、態様及び実施形態並びにそれらの特定の例について本明細書において述べられるあらゆる記述は、それらの構造上及び機能上の等価物の両方を包含することを意図している。更に、このような等価物は、現在知られている等価物だけでなく、将来に開発される等価物（即ち、構造に関係なく、同じ機能を行うように開発される任意の要素）の両方を含むことを意図している。したがって、例えば当業者であれば、本明細書に提示されるブロック図は、本発明の原理を具現化する例示的なシステムコンポーネント及び／又は回路の概念図を表すことは理解できるであろう。同様に、当然ながら、任意のフローチャート、フロー図等は、コンピュータ可読記憶媒体に実質的に表される様々な処理を表し、コンピュータ又はプロセッサが明示的に示されているかどうかに関わらず、当該コンピュータ又はプロセッサによってそのように実行される。

また、本発明の実施形態は、コンピュータ又は任意の命令実行システムによって又はそれらに関連して使用されるプログラムコードを提供するコンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体からアクセス可能であるコンピュータプログラムプロダクトの形を取ることができる。本記載のために、コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、装置又はデバイスによって又はそれらに関連して使用されるプログラムを含む、記憶する、通信する、伝搬する又は輸送する任意の装置であってよい。媒体は、電子系、磁気系、光学系、電磁気系、赤外系又は半導体系（装置若しくはデバイス）、又は、伝搬媒体であってよい。コンピュータ可読媒体の例としては、半導体即ち固体メモリ、磁気テープ、リームバブルコンピュータディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、剛性磁気ディスク及び光学ディスクが挙げられる。光学ディスクの最新例としては、コンパクトディスク‐読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスク‐読み出し／書き込み（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）、ブルーレイ（登録商標）及びＤＶＤが挙げられる。

次に、同じ参照符号は同じ又は同様の要素を指す図面を参照する。最初に図１を参照するに、一実施形態によるシステム１００が例示的に示される。システム１００は、ワークステーション又はコンソール１１２を含み、そこから、処置が監視及び／又は管理される。ワークステーション１１２は、好適には、１つ以上のプロセッサ１１４と、プログラム及びアプリケーションを記憶するメモリ１１６とを含む。メモリ１１６は、超音波スキャナ１２５からの信号を処理する画像処理モジュール１１５を格納する。画像処理モジュール１１５は、ＵＳ信号を使用して、構造変形、偏向、並びに、医療デバイス、機器若しくは器具１０２及び／又はその周辺領域に関連付けられる他の変化を再構成する。医療デバイス１０２は、ニードル、カテーテル、ガイドワイヤ、プローブ、内視鏡、ロボット、電極、フィルタデバイス、バルーンデバイス又は他の医療コンポーネント等を含む。

音響センサ（又は受信器、トランスデューサ）１２０が、ハイライトされるべき医療デバイス１０２に取り付けられ、第２のトランスデューサ（又はセンサ）１３０が、ＵＳプローブ１２２といったプローブ１２２に取り付けられる。参照し易いように、プローブ１２２上のセンサを、トランスデューサ１３０と呼び、デバイス１０２上のセンサを、センサ１２０と呼ぶ。プローブ１２２は、患者又は被検体１６０内に提供されるＵＳエネルギーを送信及び受信するＵＳスキャナ１２５に接続される。プローブ１２２の表面は、（プローブ１２２による信号放射を検知し、したがって、ライントリガ情報を効果的にリバースエンジニアリングするために）受信が可能であり、また、送信が可能であり、これにより、プローブ１２２におけるビーム形成信号経路への音響信号導入を直接的にもたらす。プローブ１２２において受信される信号は、メモリ１１６内に記憶され、アルゴリズム／プログラム１２３におけるある量の信号処理（例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、最大値特定、任意選択の曲線適合等）が可能である単純なデータ解析及び制御モジュール１２４に結合される。

一実施形態では、超音波センサ１２０は、例えばニードルである医療機器１０２の先端に置かれる。センサ１２０は、超音波信号を、撮像プローブ１２２の視野のスイープからのビームとして検知する。これらの超音波信号は、解析されて、フレーム繰り返し期間Ｔと、センサ１２０における最大信号の到達時間ｔ_０とが抽出される。同時に、（プローブ表面における）超音波トランスデューサ１３０は、プローブ１２２によって放射されるビームを検知し、これは、事実上、ライントリガ情報に等しい。最も強いビームの到達時間（ｔ_０）と、当該ビームが放射された時間との間の差分時間ｔ_ｄは、プローブ１２２から、追跡されるセンサ１２０までの超音波飛行時間である。１つ又は２つのフレーム後に、プローブ表面におけるトランスデューサ１３０がオンにされ、ｔ_０＋Ｔ＋ｔ_ｄ（又はｔ_０＋２Ｔ＋ｔ_ｄ）において、パルスをプローブ１２２内へと直接的に放射する。プローブ１２２に接続されるスキャナ１２５は、このパルスを、センサ１２０の位置から来る高いエコーと解釈し、したがって、僅かに面外のアライメント下でも、センサ１２０を、画像１５０上でハイライトする。

医療デバイス１０２が、ＵＳ領域内に挿入されると、１回限りの較正手順が実行されて、使用されている撮像モードのフレームレート（Ｔ）が推定される。ライントリガイベントのタイミングは、プローブ表面におけるトランスデューサ１３０（例えばＰＶＤＦ材料）によって受信される信号を解析することによって、獲得される。センサ１２０によって受信される信号の時間的最大値（ｔ_０）が見つけられ、ｔ_０と、すぐ前のライントリガとの間の差分時間ｔ_ｄは、プローブ１２２から、デバイス１０２上のセンサ１２０までの音移動時間に相当する。（ｔ_０＋ｎＴ＋ｔ_ｄ（ｎは整数）において）次に来るフレームに信号を導入することによって、後続のフレームにおいて、デバイス１０２上のセンサ位置から来るように見える音響信号を生成する（デバイス１０２からプローブ１２２に戻る超音波伝搬をシミュレートするためには、ｔ_ｄの追加の遅延を挿入する必要がある）。

なお、フレームレートを同期させる２つの方法が説明されている。これらの方法は、上記されたように、次を含む。即ち、１）非対称ストリップ（圧電性）を撮像プローブ１２２上に置く方法。このようにすると、フレームラインの開始でさえも特定できる。２）比較的長い時間の間、器具１０２上のセンサ１２０で受信された信号を聞き、フーリエ解析によって、フレームレートを推定する方法。２番目の方法は、フレームレート推定のためには、器具が体内に既にある必要があり、また、フレームレートが分かっても、フレームを開始するビームは分からない。

ディスプレイ１１８が、センサの場所から来るエコーを示す。ディスプレイ１１８は更に、ユーザが、ワークステーション１１２並びにそのコンポーネント及び機能、又は、システム１００内の任意の他の要素とインタラクトすることも可能にする。これは、キーボード、マウス、ジョイスティック、触覚デバイスを含むインターフェース１４０、又は、ワークステーション１１２からのユーザフィードバック及びワークステーション１１２とのインタラクションを可能にする任意の他の周辺機器又は制御器によって更に容易にされる。

別の実施形態では、スキャナ１２５と、センサ１２０（例えば１つ以上のＰＶＤＦストリップ）を有する機器１０２と、ＵＳプローブ１２２に取り付けられたトランスデューサ１３０とから出力されるビデオ信号が用いられて、任意の所与の時間における機器１０２の３Ｄ場所が計算される。ビデオ出力端子信号は、市販されているスキャナにおいて容易に利用可能であり、計算ワークステーション１１２へとストリーミングされる。左右のビーム／境界を特定するために、適当な画像がトリミングされ、セグメント化される。任意の所与の瞬間において、ＵＳプローブ１２２上のＰＶＤＦストリップ又はトランスデューサ１３０は、ＵＳビームの何れかが発射されると、信号（Ａ）を提供する。この信号は、制御モジュール１２４へと行く。更に、音響センサ１２０を有する機器１０２も、この音響波を受信し、それを、電気信号（Ｂ）に変換する。電気信号（Ｂ）も、制御モジュール１２４へと行く。制御モジュール１２４自体は、計算ワークステーション１１２内に含まれている。システムが起動すると、Ａ信号のみが測定され、ビーム間時間及びフレーム間時間を特定するために使用される。

最初の較正手順の後、ビーム数（ＮＢ）、ビーム間時間及びフレームレートが分かる。ＵＳプローブ１２２のリアルタイムビデオ出力端子画像は、今度は、ＵＳ視野をセグメント化するために使用される。これは、次に、画像における各ビームの位置を特定するように分割される。大抵のスキャナ／画像について、図１０に示されるように、画像１５０をＮＢのスキャン線１５２に等しく分割することで十分である。機器１０２が挿入されると、機器１０２は、画像におけるその場所に基づいて信号を受信する。センサ１２０を含む一次ビームは、最大補間信号に基づいて、自動的に検出される。較正後、センサ１２０の範囲／深度も更に、ビームの放射（信号Ａ）とセンサ１２０に当たるビーム（信号Ｂ）との間の時間差から計算される。なお、信号Ａと信号Ｂとが、同じ制御モジュール１２４に接続され、時間同期されていることによって、この情報が利用可能になる。更に、ビデオ画像におけるビーム位置は既に確立されているので、機器（センサ１２０）の位置は、リアルタイムで、ＵＳ画像の上に表示される。

ビームパラメータは、ビデオ出力端子画像内に変化が検出される度に、再較正されてよい。また、機器１０２に、２つ以上のセンサが埋め込まれ、センサからの信号を使用して、機器１０２の面外位置が推定できる。機器１０２は、好適には、ＰＺＴ、ＰＶＤＦ又はＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）を利用するが、ポリマーの方が使用にはより好都合である。この実施形態の変形態様は、様々な視覚化（例えばエコーの画像は、任意の所望の又は好都合な形状に成形される）、又は、複数の取り付け実施形態を含む。また、方法を実施し易くするために、ＰＶＤＦストリップは、左側に１つ及び右側にもう１つの２つのストリップから構成されるように作られてもよい。これは、ビーム発射パターンにおける対称性を壊し、画像フレームの始まり（１つのストリップ上の第１のビーム）を、終わりから区別する助けになり、これにより、センサ１２０からの信号を解析する必要なく、フレームレートを測定できる。或いは、ストリップは、発射されたビームが左から右に移動する際に非対称のプロファイルを生成するように非対称に切断されてもよい。ストリップは、廃棄可能であるように作られても、常設的に作られてもよい。

図２を参照するに、概念図が、１つの例示的な実施形態に従うコンポーネント間のインタラクションを示す。信号導入が、プローブ１２２の表面において、トランスデューサ１３０を用いて行われる。センサ１２０は、ハイライトされるべきデバイス１０２の先端に置かれる。１つの撮像フレームの間に、センサ１２０によって受信される例示的な信号１３６と、遅延後のプローブ１２２からのビーム１３７が示される。システム１００は、プローブ１２２におけるセンサ１３０によって（遅延後に）収集されるグラフ１４４及び１４６において、最大値の位置と、ライントリガ情報に対するそのタイミングとを特定する。１つのフレーム期間１３８の後、信号１４１が、プローブ１２２において、トランスデューサ１３０によって、適切なタイミングに導入され、センサ１２０がある場所から来ているように見え、ディスプレイ１１８上で可視である明るいエコー１４２が形成される。

図３を参照するに、撮像プローブのフレームレートＴが推定されなければならない。一実施形態では、これは、比較的長い時間Ｔ_ｅｓｔ（４０Ｈｚにおいて例えば１０個のフレームを記録するために、例えば１秒の４分の１）の間、受信信号を聞き、当該信号を、そのドミナント期間のために、（即ち、フーリエ解析によって）解析することによって行われる。図３に、受信したトレース２０２が示される。トレース２０２では、個々のインパルス２０４は、センサ（デバイス１０２上のセンサ１２０）に当たる様々なビームに対応する（振幅は、ビームがセンサ１２０に近づき、その後、センサ１２０から遠ざかるにつれて変動する）。その後、パターンは、数回、繰り返され、幾つかの同一のフレームが、連続シーケンスで収集される。時間Ｔ_ｅｓｔの間に、センサ（１２０）によって受信されるトレース２０２は、システムのフレームレートＴを推定するのに使用される。これが完了すると、受信器システムは、長さＴ_{ｄｅｔｅｃｔ}（理想的にはＴ＜Ｔ_{ｄｅｔｅｃｔ}＜２Ｔ）のトレースを解析する。或いは、フレームレートは、プローブ１２２上にトランスデューサ１３０の非対称配置を置くことによっても推定される。プローブ１２２が視野に広がるビームを放射する際に、トランスデューサ１３０によって収集される信号は、フレームレートに対応する周期性を示し、フレームの始まりのタイミングが推定される。

図４を参照するに、パルス２０４のうちの長さＴ_{ｄｅｔｅｃｔ}を有する１つのパルスが、トレース２１０として示される。なお、これらのトレース２１０の収集は、必ずしもフレームレートと同期されるわけではない。システムは、このトレースの時間的最大値ｔ_０を探す。当該最大値は、センサ１２０と最良にアラインされた送信イベントからのパルスが、センサ１２０に到達する瞬間に対応する。時間Ｔ_{ｄｅｔｅｃｔ}（例えばここではＴ_{ｄｅｔｅｃｔ}＝１．２Ｔ）の間に、センサ１２０によって受信されたトレースは、最も軸上の送信（the most on-axis transmit）がセンサ１２０に到達する時間ｔ_０を見つけるために使用される。ｔ_０は、単純に、トレースの時間的最大値である。

センサ１２０に最も近いビームと到達時間とを特定するための単純なピーク検出の代わりに、曲線又はトレース２１０（例えばＴ_ｅｓｔの間にセンサ１２０によって受信された信号）を、個々のパルスの極大値又は例えばガウス（Gaussian）モデルである単純な信号モデルにフィットさせることが有利である。

次に、音響信号が、撮像プローブ１２２へと戻るように導入され、センサ位置から来るように見える人工エコーが生成される。導入された音響信号は更に、点滅すること（「導入オフ」の期間と交互にされる「導入オン」の短い期間）が望ましい。人間の目は、点滅信号により敏感である。ビデオストリームが捕捉され、信号収集及び導入セットアップと同期されると、差分画像が生成されて、導入信号がハイライトされる（「点滅オフ」の画像が、「点滅オン」の画像から差し引かれる）。差分画像は、エンハンスされて、スキャナからのビデオデータへのアクセスのみを必要とする完全なる画像処理チェーンにおいて、元の画像上に重ね合わされる。ディスプレイ画像内のマーカーの形状は、任意の形状を呈してよく、また、他の視覚効果が用いられてもよい。

２つの実施形態が考えられる。プローブにおけるトランスデューサは、（スロウＴ／Ｒスイッチで送信モードに切り替え可能な）トランスポンダであるか、又は、１つは検知し、１つは放射する２つのトランスデューサがプローブ表面に置かれる。いずれにも、図５に示されるイベントシーケンスが適用される。

図５を参照するに、フレームレート推定、ピークパルス検出及びパルス導入のためのイベントシーケンスが例示的に示される。器具１０２上のセンサ１２０におけるイベントは、上の領域に示され、プローブ１２２上のトランスデューサ１３０におけるイベントは、下の領域に示される。比較的長いＴ_ｅｓｔ（数十のフレームに優に及ぶほど十分に長い）を使用して、撮像システムのフレームレートが推定される。次に、プローブ期間２２０における器具／ライントリガ検出におけるピーク検出が、プローブにおける信号導入期間２２２と交互に生じる。時間ｔ_０において、器具上で信号ピークが検出されると、ｔ_０＋Ｔ＋ｔ_ｄにおいて、信号が導入される。これは、その検出の１フレーム後に、トランスポンダの位置における人工エコーを生成する。検出イベント２２４は、丸い端として描かれ、導入イベント２２６は、矢印であり、ライントリガ２２８は、直線セグメントである。

信号の到達時間ｔ_０の検出後、時間ｔ_０＋ｎＴ＋ｔ_ｄにおいて、インパルスが、トランスポンダ又は送信器から送信される。ｎは、整数であり、好適にはｎ＝１であり、ｔ_ｄは、ｔ_０における（プローブ１２２におけるトランスデューサ１３０によって検知される）ビーム放射と、センサ１２０による受信との間の差分時間である。ｔ_０＋Ｔ＋ｔ_ｄにおけるプローブ１２２への信号導入は、検出されたフレームのｎ個のフレーム後に、センサ１２０の位置から来るように見える人工エコーを生成する。ステップは繰り返されて、センサ１２０の位置が具体化される。フレームレート推定は、ユーザが撮像設定（撮像モード、設定及び深度はすべてフレームレートに影響を及ぼす）を変更した場合の可能なパラメータ変更を考慮するために、周期的に繰り返されてもよい。図５の時系列は、本実施形態のためのイベントのシーケンスを示す。なお、外部システムの時計は、スキャナの時計から完全に独立している。

図６を参照するに、プローブ１２２におけるトランスデューサ１３０又は機器１０２上のセンサ１２０のための幾つかの実施形態が用いられる。プローブ１１２におけるトランスデューサ１３０は、スキャナの撮像動作を妨げるべきではない。トランスデューサ１３０は、（エッジ周りの）開口の一部に亘る薄片のＰＶＤＦフォイル又はストリップ２１２（例えば５ＭＨｚのＰＶＤＦフォイル）、又は、プローブ１２２の中心要素に近い小型ＰＺＴトランスデューサによって作られてよい。これらのトランスデューサ１３０は、好適には、無菌処置のためにプローブ１２２を包むために使用される特殊無菌カバーの一部として組み込まれる。ＰＶＤＦストリップ２１２は、使い捨てシース構造体２１５内に組み込まれ、多くの場合に、殺菌のために使用される。音響整合層２１４が、ストリップ２１２内に組み込まれてもよい。気泡がない状態でプローブ（又はシース２１５）に結合するためのある形の接着剤又は結合媒体２１６が、ストリップ２１２に組み込まれてもよい。接着剤２１６は、一時的であっても永久的であってもよい。ストリップ２１２は、プローブ１２２上のストリップ２１２の様々な構成を示す図６に例示されるように、プローブ表面を完全に覆っても、プローブ表面を部分的に覆っても、又は、様々な領域に置かれてもよい。

図７Ａ乃至図７Ｉを参照するに、プローブ１２２の表面に置かれるライントリガ検出器／信号導入器の可能な実施形態は、以下を含む。図７Ａには、プローブ１２２の正面図が示される。図７Ｂは、プローブ１２２のエッジに沿って延在するフォイル２１２を示す。図７Ｃは、プローブの長さ方向のエッジ（elevational edge）のみに沿って延在するＰＶＤＦフォイル２１２を示す。図７Ｄは、プローブ１２２の中心要素を横断するＰＶＤＦフォイル２１２を示す。図７Ｅは、プローブ１２２の最初及び最後の要素に沿ったＰＶＤＦフォイル２１２を示す。図７Ｆは、プローブ１２２の中心要素の上部及び下部にあるＰＶＤＦ又は小さいＰＺＴフォイル２１２を示す。図７Ｇは、プローブ１２２の表面全体を覆うＰＶＤＦフォイル２１２を示す。図７Ｈは、（左右対称性を壊すために）プローブ１２２の表面におけるｎ＞２個のＰＶＤＦストリップ２１２を示す。図７Ｉは、ビーム形成効果を相殺するためにプローブ表面を横断する複数のＰＶＤＦストリップ２１２を示す。

１つ以上のストリップ２１２は、個々のビームの発射を検出するために、信号を導入するために、又は、これら両方のために用いられる。ＰＶＤＦストリップ２１２は、複数のサブストリップから構成され、プローブ１２２からの音響場のより優れた粒度を提供してもよい。これは、セクタプローブ又は大型プローブにおいて「第１」のビームを特定するために有用であり、これにより、フレームレート及び「開始フレーム」信号が推定される。複数のサブストリップは、画像上のマーカー応答を最適化するために、時間遅延及びアポダイゼーションを伴って発射されてもよい。

図８を参照するに、別の実施形態では、ストリップ２１２は、使い捨てグローブ２３０に取り付けられる。グローブ２３０は、ユーザによって用いられ、プローブ１２２が保持される。したがって、ストリップ２１２を有するグローブ２３０は、ストリップ２１２について上記された機能と同じ機能を提供する。

図１を引き続き参照しつつ、図９を参照するに、概念図が、別の例示的な実施形態に従うコンポーネント間のインタラクションを示す。超音波センサ１２０が、機器１０２上に（例えばニードルの先端に）置かれる。当該センサ１２０は、各ビームが発射される際に当該各ビームを検出するトランスデューサ１３０の（ＰＶＤＦ）ストリップと一緒に、撮像プローブ（１２２）からのビームが視野をスイープする際に、超音波信号を検知する。ビデオ出力端子信号が、スキャナ１２５から利用可能であり、計算ワークステーション１１２へとストリーミングされる。

スキャナ１２５によって発射された左右のビームに対応する画像の部分を特定するために、適当な画像がトリミングされ、セグメント化される。画像処理は、画像処理モジュール１１５（図１）によって行われる。任意の所与の瞬間において、ＵＳプローブ１２２上のトランスデューサ１３０（例えばＰＶＤＦストリップ）は、ＵＳビームの何れかが発射されると、信号（Ａ）を提供する。この信号は、制御モジュール１２４へと行く。更に、（ＰＶＤＦセンサを有する）機器１０２も、この音響波を受信し、それを、電気信号（Ｂ）に変換する。電気信号（Ｂ）も、制御モジュール１２４へと行く。制御モジュール１２４は、計算ワークステーション１１２に接続されているか又はその一部である。

システムが起動すると、Ａ信号のみが測定され、ビーム間時間及びフレーム間時間を特定するために使用される。１回限りの較正手順が実行されて、使用されている撮像モードのフレームレート（Ｔ）が推定される。ストリップ１３０に組み込まれた非対称性を使用して、フレームの始まりに対応するビームが、フレームの終わりに対応するビームから区別される。各ビームが特定され、ビームの数が数えられる。この手順後、ビーム数（ＮＢ）、ビーム間時間及びフレームレートが分かる。

更に、大抵のＵＳスキャナは、ビデオ出力端子も提供するので、ビデオ出力端子信号は、ＵＳ信号と共に解析されて、画像内のビーム位置が定量的に推定される。ＵＳプローブ１２２のリアルタイムビデオ出力端子画像が、ＵＳ画像をトリミングするために使用される。大抵のスキャナ／画像について、図１０に示されるように、画像１５０をＮＢのスキャン線１５２に等しく分割することで十分である。

器具又は機器１０２が、患者又は視野内に挿入されると、機器１０２は、画像におけるその場所に基づいて信号を受信する。センサ１２０を含む一次ビームは、最大補間信号に基づいて、自動的に検出される。較正後、ビームタイミングが分かるので、センサ１２０の範囲／深度も更に、ビームの放射（信号Ａのピーク）とセンサ１２０に到達する音響波（信号Ｂのピーク）との間の時間差から計算される。なお、信号Ａと信号Ｂとが、同じ制御モジュール１２４に接続され、時間同期されていることによって、この情報が利用可能になる。更に、ビデオ画像３０３におけるビーム位置は既に確立されているので、機器１０２の位置は、リアルタイムで、ＵＳ画像の上に表示される。

一実施形態では、第１のステップは、撮像プローブ１２２のフレームレートＴを推定することである。これを行うことができる１つの方法は、比較的長い時間Ｔｅｓｔ（４０Ｈｚにおいて例えば１０個のフレームを記録するために、例えば１秒の４分の１）の間、受信信号を聞き、当該信号を、そのドミナント期間のために、（即ち、フーリエ解析によって）解析することによる方法である。受信したトレース２０２は、図３に示されるトレースのように見える。トレース２０２では、個々のインパルス２０４は、センサ１２０に当たる様々なビームに対応する（振幅は、ビームがセンサ１２０に近づき、その後、センサ１２０から遠ざかるにつれて変動する）。その後、パターンは、数回、繰り返され、幾つかの同一のフレームが、連続シーケンスで収集される。アルゴリズムを単純かつロバストにするために、（センサ１２０上の）複数のストリップを配備して、フレームの始まりがフレームの終わりから区別される。或いは、非対称ストリップを使用して、この区別を生成してもよい。

較正が完了すると、ビデオ画像は、図１０に示されるように、個々のビームに分割される。これは、ＵＳ画像における個々のビームの場所を確立する。これが完了すると、受信システム（例えばワークステーション１１２）は、機器１０２上のセンサ１２０からのトレースを解析する。なお、較正後は、これらのトレースの収集は、今度は、フレームレートと同期されている。ワークステーション１１２は、このトレース（トレース２１０）の時間的最大値ｔ_０を探す。当該最大値は、センサ１２０と最良にアラインされた送信イベントからのパルスが、センサ１２０に到達する瞬間に対応する（最も軸上の送信（the most on-axis transmit）がセンサに到達する時間ｔ_０を見つけるためにセンサによって受信されたトレースが使用される図４を参照されたい。ここでは、ｔ_０は、単純に、トレース２１０の時間的最大値である）。

この時点で、ワークステーション１１２は、プローブにおいて音響パルスが送信され（信号Ａのピーク）、ＵＳパルスが機器１０２において受信された時間（信号Ｂのピーク）に、組織における音の平均速度（例えば１５４０ｍ／秒）を乗算して、センサ１２０の深度を計算できる。更に、フレームの第１のビームは、連続信号Ａトレースから分かっているので、ワークステーション１１２は更に、センサ１２０があるビーム番号を計算できる。上記ステップは、組み合わされて、ＵＳ画像内のセンサ１２０及び／又はニードル先端の正確な位置を提供する。これは、画像３０３において示されるように、正確な視覚化のために、ＵＳ画像３０２の上に重ねられる。

なお、ビーム形成パラメータは、複数のフレームを順に処理することによって、又は、数フレーム毎に、較正を再度行うことによって、向上される。本原理は、ＵＳスキャナの撮像パイプラインにおいて何も変えず、また、すべての解析をリアルタイムで行うことができるので、較正は、個々のフレームにおいてでさえも行うことができる。

幾つかの実施形態では、ビームパラメータは、ビデオ出力端子画像内に変化が検出される度に、再較正されてよい。また、機器又はニードル１０２に、２つ以上のセンサが埋め込まれ、センサからの信号を使用して、機器又はニードル１０２の面外位置が推定できる。また、方法を実施し易くするために、トランスデューサ１３０は、ＰＶＤＦ又はＰＺＴストリップを含み、また、例えば左側に１つ及び右側にもう１つの２つ以上のストリップから作られてもよい。これは、ビーム発射パターンにおける対称性を壊し、画像フレームの始まり（１つのストリップ上の第１のビーム）を、終わり（もう１つのストリップ上の最後のビーム）から区別する助けになる。或いは、ストリップは、発射されたビームが左から右に移動する際に非対称のプロファイルを生成するように非対称に切断されてもよい。

ワークステーション１１２は、ビデオ出力端子ＵＳ画像３０３上のニードル先端１０２の応答を、システム自体によって追跡された位置で、補強することを試みることもできる。大抵の場合、これらは、強い相関関係を有し、システムの正確さを示すことになる。この相関関係が曖昧になり始めると、システムは、その較正パラメータに対するセルフチェックを自動的にトリガする。センサに最も近いビームと到達時間とを特定するための単純なピーク検出の代わりに、図３の曲線（Ｔ_ｅｓｔの間にセンサによって受信された信号）と個々のパルスの極大値の曲線とを、例えばガウス（Gaussian）モデルである単純な信号モデルにフィットさせることが有利である。導入信号は、ニードル１０２の位置が画像３０３内に示されている間、点滅することが望ましい。ビデオストリームが捕捉され、信号収集及び導入セットアップと同期されると、差分画像が生成されて、導入信号がハイライトされる（「点滅オフ」の画像が、「点滅オン」の画像から差し引かれる）。差分画像は、エンハンスされて、スキャナ１２５からのビデオデータへのアクセスのみを必要とする完全なる画像処理チェーンにおいて、元の画像上に重ね合わされる。変形態様は更に、様々な視覚化（形状等）又は複数の取り付け実施形態を含んでもよい。

図１１を参照するに、一実施形態による機器の位置を決定する方法が示される。ステップ４０２において、撮像プローブのフレームレートが推定される。ステップ４０４において、フレームレートを推定することは、ある期間の間、受信信号を聞くことと、受信信号を解析して、そのドミナント期間を決定することとを含む。ステップ４０５において、非対称の圧電性ストリップが、撮像プローブ上に置かれる。フレームレートを推定することは、プローブ上の非対称の圧電性ストリップからの受信信号を聞くことと、受信信号を解析して、そのドミナント期間を決定することとを含む。このようにすると、フレームラインの始まりでさえも特定できる。

ステップ４０６において、トレースが解析されて、到達時間を決定するために、機器に取り付けられたセンサの位置にベストマッチする時間的最大値を見つけるように、トレースが検出窓内にあるかどうかが決定される。検出窓は、Ｔと２Ｔとの間の検出時間Ｔ_{ｄｅｔｅｃｔ}を含み、Ｔはフレームレートである。しかし、Ｔが分かっている場合、フレームの始まり信号と同期されている場合、時間Ｔの間、聞くので十分である。Ｔが分かっていない場合、任意選択的に、ビーム補間が可能であることを確実にするように、少しだけ長目（例えば１．２Ｔ）の間、聞く。

ステップ４０８において、撮像プローブ上のトランスデューサを使用して、撮像プローブ内に音響フィードバック信号が導入されて、機器に取り付けられているセンサから戻るエコーがシミュレートされる。ステップ４１０において、ｔ_０＋ｎＴ＋ｔ_ｄにおいて、音響フィードバック信号がフレーム内に導入される。ここで、ｔ_０は、センサによって受信される信号の時間的最大値であり、ｔ_ｄは、センサから戻るエコーをシミュレートするために挿入される遅延であり、Ｔは、フレームレートであり、ｎは、整数である。

ステップ４１２において、画像内にエコーを表示して、機器の位置が特定される。ステップ４１４において、画像内にエコーを表示することは、画像内でエコーを点滅させることを含む。他の画像効果（形状等）が使用されてもよい。

図１２を参照するに、別の実施形態による機器の位置を決定する方法が示される。ステップ５０２において、撮像プローブのフレームレートが推定される。ステップ５０４において、フレームレートを推定することは、ある期間の間、受信信号を聞くことと、受信信号を解析して、そのドミナント期間を決定することとを含む。ステップ５０５において、非対称の圧電性ストリップが、撮像プローブ上に置かれる。フレームレートを推定することは、非対称の圧電性ストリップからの受信信号を聞くことと、受信信号を解析して、そのドミナント期間を決定することとを含む。このようにすると、フレームラインの始まりでさえも特定できる。

ステップ５０６において、画像は、個々のビームに分割されて、画像における個別のビームの場所が確立される。ステップ５０８において、トレースが解析されて、到達時間を決定するために、機器に取り付けられるセンサの位置にベストマッチする時間的最大値が見つけられる。これは、ステップ５１０において、トレースをフレームレートに同期させることを含む。ステップ５１２では、センサの位置を決定するために、センサの場所があるビーム番号、及び、プローブからの送信時間とセンサにおける受信時間とを使用してセンサの場所のうちの少なくとも１つを計算して、センサの位置が決定される。ステップ５１４において、インジケータが画像上に重ねられて、機器の場所が視覚的に示される。ステップ５１６において、インジケータを表示することは、画像内に点滅するインジケータを表示することを含む。他の画像効果（形状等）が使用されてもよい。

添付される請求項を解釈する際に、次の通りに理解されるべきである。
ａ）「含む」との用語は、所与の請求項に列挙される要素又は行為以外の要素又は行為の存在を排除しない。
ｂ）要素に先行する「ａ」又は「ａｎ」との用語は、当該要素が複数存在することを排除しない。
ｃ）請求項における任意の参照符号は、その範囲を限定しない。
ｄ）幾つかの「手段」は、同じアイテム、ハードウェア、又は、ソフトウェアによって実現される構造体若しくは機能によって表される。
ｅ）特に明記されない限り、行為の特定の順番を必要とすることを意図していない。

（例示的であって限定を意図していない）介入機器のスキャナ独立型追跡のための好適な実施形態が説明されたが、上記教示内容に鑑みて、当業者によって修正及び変更がなされうることに留意されたい。したがって、開示された開示内容の特定の実施形態に変更を行ってもよく、これらの変更は、添付される請求項によって概説される本明細書に開示される実施形態の範囲内であることは理解されるべきである。したがって、特許法によって義務付けられているように、詳細及び特殊性を説明することによって、特許証によって請求され、保護を望むものは、添付される請求項に記載される。

Claims (20)

1. 超音波で機器を追跡するシステムであって、
   超音波エネルギーを送信及び受信するプローブに関連付けられ、使用時に、前記プローブと共に移動するトランスデューサと、
   前記トランスデューサ及びセンサによって、前記プローブから受信した前記超音波エネルギーを解釈し、医療機器の３次元場所を決定する制御モジュールと、
   を含み、
   前記センサは、前記医療機器上に含まれ、前記プローブから受信した前記超音波エネルギーに応答する、システム。
2. 前記制御モジュールは、前記トランスデューサから前記プローブに信号を導入して、画像内で前記センサの位置をハイライトする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記プローブに導入された前記信号は、ｔ_０＋ｎＴ＋ｔ_ｄにおいて、フレーム内に導入され、ｔ_０は、前記センサによって受信された信号の時間的最大値であり、ｔ_ｄは、前記センサから戻るエコーをシミュレートするように挿入される遅延であり、Ｔは、フレームレートであり、ｎは、整数である、請求項２に記載のシステム。
4. 前記プローブを使用して収集された画像を表示するディスプレイを更に含み、前記画像は、前記プローブに導入された前記信号に基づく明るい領域を含む、請求項２に記載のシステム。
5. 前記トランスデューサは、前記プローブに取り付けられている、請求項１に記載のシステム。
6. 前記トランスデューサは、前記プローブを覆うシースに取り付けられている、請求項１に記載のシステム。
7. 前記トランスデューサは、グローブに取り付けられ、前記グローブは、使用時に、前記プローブを取り扱うためにユーザによって用いられる、請求項１に記載のシステム。
8. 前記トランスデューサは、１つ以上の圧電性ストリップを含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記制御モジュールは、前記画像内のビーム位置を推定し、フレームレートと、送信された超音波信号におけるビーム数とを計算することによって、前記ビーム位置に基づく前記医療機器の位置を決定する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記医療機器の前記位置の決定ができるように、前記トランスデューサは、ビームが発射された時を示す信号を提供し、前記センサは、前記ビームが、前記センサに到達する時に、信号を提供する、請求項１に記載のシステム。
11. 機器の位置を決定する方法であって、
    撮像プローブのフレームレートを推定するステップと、
    到達時間を決定するために、機器に取り付けられるセンサの位置にベストマッチする時間的最大値を見つけるように、検出窓内で、トレースを解析するステップと、
    前記機器に取り付けられる前記センサから戻るエコーをシミュレートするように、前記撮像プローブ上のトランスデューサを用いて、前記撮像プローブに音響フィードバック信号を導入するステップと、
    を含む、方法。
12. 前記機器の前記位置を特定するように、前記エコーを画像内に表示するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記エコーを画像内に表示する前記ステップは、前記エコーを、前記画像内で点滅させるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記フレームレートを推定する前記ステップは、ある期間の間、受信信号を聞くステップと、前記受信信号のドミナント期間を決定するように、前記受信信号を解析するステップと、を含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記検出窓は、検出時間Ｔ_{ｄｅｔｅｃｔ}を含むか、又は、１フレームレートよりも大きく、Ｔは、前記フレームレートである、請求項１１に記載の方法。
16. 前記音響フィードバック信号を導入する前記ステップは、ｔ_０＋ｎＴ＋ｔ_ｄにおいて、前記音響フィードバック信号を、フレーム内に導入するステップを含み、ｔ_０は、前記センサによって受信された信号の時間的最大値であり、ｔ_ｄは、前記センサから戻るエコーをシミュレートするように挿入される遅延であり、Ｔは、フレームレートであり、ｎは、整数である、請求項１１に記載の方法。
17. 前記フレームレートを推定する前記ステップは、前記プローブ上の非対称の圧電性ストリップからの受信信号を聞くステップと、前記受信信号のドミナント期間を決定するように、前記受信信号を解析するステップと、を含む、請求項１１に記載の方法。
18. 機器の位置を決定する方法であって、
    撮像プローブのフレームレートを推定するステップと、
    画像における個別ビームの場所を確立するように、前記画像を複数の個別ビームに分割するステップと、
    到達時間を決定するために、機器に取り付けられるセンサの位置にベストマッチする時間的最大値を見つけるように、トレースを解析するステップと、
    前記センサの前記位置を決定するように、前記センサの場所があるビーム番号、又は前記プローブからの送信時間及び前記センサにおける受信時間を使用して前記センサの場所のうちの少なくとも一方を計算するステップと、
    を含む、方法。
19. 前記機器の前記場所を視覚的に示すように、前記画像上にインジケータを重ねるステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
20. 前記フレームレートを推定する前記ステップは、ある期間の間、前記プローブ上の非対称の圧電性ストリップからの受信信号を聞くステップと、前記受信信号のドミナント期間を決定するように、前記受信信号を解析するステップと、を含み、前記トレースを解析する前記ステップは、前記トレースを前記フレームレートと同期させるステップを含み、前記重ねるステップは、前記画像内に点滅するインジケータを表示するステップを含む、請求項１９に記載の方法。