JP2019150296A - 超音波画像解析装置、カテーテルシステム、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】超音波画像に基づいて、生体内に挿入されたカテーテル先端の位置を精度よく検出することができる、超音波画像解析装置、カテーテルシステム、及びプログラムを提供する。【解決手段】超音波画像を撮像する撮像手段と、生体内に挿入されたカテーテルに微小気泡を供給する供給手段と、超音波画像の撮像中にカテーテルの先端から微小気泡が噴射されるように撮像手段及び供給手段を制御する制御手段と、取得された時系列の超音波画像データから超音波画像による撮像対象領域のうち時間変化する変化領域を抽出する抽出手段と、抽出された変化領域の超音波画像データから、カテーテルの先端の位置を検出する位置検出手段と、を備えた超音波画像解析装置とする。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波画像解析装置、カテーテルシステム、及びプログラムに関する。

特許文献１には、薬液及び輸液等を血管内に投与するための製剤注入装置と、当該注入経路に被検出剤を注入するための被検出剤注入装置と、血管内に流れる前記被検出剤を検出するための検出装置とを備えたことを特徴とする血管内注入監視装置が開示されている。

特許文献２には、侵襲的医療デバイスを撮像する超音波診断撮像システムであって、流体経路を持つ侵襲的医療デバイスと、前記流体経路に結合され、前記流体経路に対してマイクロバブル流体を提供するマイクロバブル流体のソースと、前記侵襲的医療デバイスの位置を含む超音波画像フィールドをスキャンする超音波プローブと、前記超音波プローブに結合され、前記マイクロバブルの位置の画像を表示するため、前記流体の前記マイクロバブルから前記プローブにより受信される非線形超音波信号に応答する超音波撮像システムとを有する、超音波診断撮像システムが開示されている。

国際公開２０１３/１４６６９６号 特表２０１３−５３３７５９号公報 特開２０１５−８７４５号公報

カテーテルは、細くて柔軟な管状の器具である。カテーテルは、カテーテルを通して患部に薬剤を注入する、患部の組織を採取する等の目的で、生体内の血管に挿入される。従来、医師が、血管に挿入されたカテーテルをＸ線透視下で観察しながら、金属製のガイドチューブを用いて、カテーテルの先端を目的部位に到達させていた。

超音波画像による観察は、放射線被曝を回避できる点で、Ｘ線透視下での観察に比べて有利である。しかしながら、血管に挿入されたカテーテルを超音波画像で観察した場合、カテーテルを血管そのものと区別するのが難しい。例えば、カテーテルを挿入した状態の超音波断層像では、細かい血管の断面を示す円または楕円状の形状が無数に描出され、カテーテルがどこにあるか判定できない場合がある。

近年、通常のカテーテルでは到達できない細い血管へ到達させるために、例えば直径が０．５ｍｍ以下のカテーテルが開発されている。このように小径のカテーテルを血管に挿入する場合、金属製のガイドチューブは使用できない。このため、発明者は、血管の分岐部において外部から超音波を照射して、音響放射力によりカテーテルを屈曲制御する方法を提案している（特許文献３）。超音波でカテーテルを屈曲制御するにしても、超音波画像からカテーテル先端の位置を精度よく検出する必要がある。

本発明の目的は、超音波画像に基づいて、生体内に挿入されたカテーテル先端の位置を精度よく検出することができる、超音波画像解析装置、カテーテルシステム、及びプログラムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、生体に超音波を照射して前記生体の超音波画像を撮像する撮像手段と、前記生体内に挿入されたカテーテルに微小気泡を供給する供給手段と、超音波画像の撮像中に前記カテーテルの先端から微小気泡が噴射されるように、前記撮像手段及び前記供給手段を制御する制御手段と、取得された時系列の超音波画像データから、撮像対象領域のうち超音波画像が時間変化する変化領域を抽出する抽出手段と、抽出された前記変化領域の超音波画像データから、前記カテーテルの先端の位置を検出する位置検出手段と、を備えた超音波画像解析装置である。

請求項２に記載の発明は、前記抽出手段により前記変化領域が抽出されない場合に、前記カテーテルの先端の位置の計測誤差が予め定めた閾値未満になるまで、前記抽出手段が、前記撮像対象領域を複数の領域に分割して、分割された複数の領域の中から他の領域より超音波画像の時間変化が大きい特定領域を抽出することと、前記制御手段が、撮像対象領域を前記特定領域に絞込み、前記特定領域の超音波画像の撮像中に前記カテーテルの先端から微小気泡が噴射されるように、前記撮像手段及び前記供給手段を制御することと、前記位置検出手段が、前記カテーテルの先端の位置を検出することとを、繰り返し行う、請求項１に記載の超音波画像解析装置である。

請求項３に記載の発明は、前記カテーテルが超音波により誘導される場合は、前記予め定めた閾値を誘導用の超音波のビーム径とする、請求項２に記載の超音波画像解析装置である。

請求項４に記載の発明は、前記抽出手段により前記変化領域が抽出されない場合に、前記制御手段が、前記微小気泡の供給量を減らし、超音波画像の撮像中に前記カテーテルの先端から微小気泡が減少後の供給量で噴射されるように、前記撮像手段及び前記供給手段を制御することと、前記抽出手段が、取得された時系列の超音波画像データから、撮像対象領域のうち超音波画像が時間変化する変化領域を抽出することと、前記位置検出手段が、前記カテーテルの先端の位置を検出することとを、繰り返し行う、請求項１に記載の超音波画像解析装置である。

請求項５に記載の発明は、前記抽出手段により前記変化領域が抽出されない場合に、微小気泡の拡散パターンの形状と前記微小気泡の拡散に関わる拡散因子とから、前記カテーテルの先端の位置を推定する、請求項１に記載の超音波画像解析装置である。

請求項６に記載の発明は、前記拡散因子が、前記カテーテルが挿入された血管の構造、前記血管を流れる血流の速度である、請求項５に記載の超音波画像解析装置である。

請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６までに記載の超音波画像解析装置と、生体内に挿入されるカテーテルと、前記生体内の前記カテーテルに対し前記超音波とは異なるプローブから第２の超音波を放射して、前記第２の超音波の放射圧により前記カテーテルを誘導する誘導手段と、を含むカテーテルシステムである。

請求項８に記載の発明は、前記制御手段に表示制御される表示手段を更に含み、前記制御手段は、取得された前記カテーテルの先端の位置と、前記誘導手段により放射される前記第２の超音波の進行方向とが重畳表示された超音波画像を、前記表示手段に表示させる、請求項７に記載のカテーテルシステムである。

請求項９に記載の発明は、コンピュータを、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の超音波画像解析装置の、撮像手段及び供給手段以外の各手段として機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、超音波画像に基づいて、生体内に挿入されたカテーテル先端の位置を精度よく検出することができる。

本発明の実施の形態に係るカテーテルシステムの構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る超音波画像解析装置の構成の一例を示す概略図である。 超音波画像データの一例を示す模式図である。 噴射前後の超音波画像の時間変化の一例を示す模式図である。 噴射前後の超音波画像の差分の時間変化の一例を示す模式図である。 （Ａ）は超音波画像に時間変化がある場合の模式図である。（Ｂ）は超音波画像に時間変化が無い場合の模式図である。 撮像範囲の絞込みを示す概念図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、ボリュームデータのデータサイズと撮像間隔との関係を示す概念図である。 先端位置検出処理（プログラム）の流れの一例を示すフローチャートである。 領域分割された撮像対象領域の構造の一例を示す模式図である。 領域毎の輝度値の時間変化の一例を示すグラフである。 投影面毎に取得されたカテーテルの先端位置を示す模式図である。 マークが重畳された超音波画像の一例を示す模式図である。 （Ａ）は検証実験の様子を示す模式図である。（Ｂ）は角度θを定義する図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は各注入速度での撮像結果を示す超音波画像である。 （Ａ）は特定領域のｘｙ平面への投影画像、（Ｂ）は特定領域のｙｚ平面への投影画像、（Ｃ）は特定領域のｘｚ平面への投影画像である。 カテーテル先端位置の計測誤差を示すグラフである。 超音波ビーム径と計測誤差との関係を説明するための図である。 第２の実施の形態に係る先端位置検出処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第３の実施の形態に係る先端位置検出処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第４の実施の形態に係るカテーテルシステムの構成の一例を示す概略図である。 第４の実施の形態に係る超音波画像解析装置の構成の一例を示す概略図である。 屈曲制御処理（プログラム）の流れの一例を示すフローチャートである。 （Ａ）及び（Ｂ）は、マークが重畳された超音波画像の一例を示す模式図である。 ボリュームデータから断層面が抽出される様子を示す概念図である。 微小気泡により描出された血管の形状を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
本実施の形態では、カテーテルの先端から微小気泡を噴射しながら、カテーテル先端周囲の超音波画像を撮像する。超音波画像では、気体と体液との音響インピーダンスの差が大きいことにより、微小気泡は鮮明に映し出される。そして、撮像された時系列の超音波画像を解析して、生体内に挿入されたカテーテル先端の位置を検出する。

超音波画像による観察は、放射線被曝を回避できる点で、Ｘ線透視下での観察に比べて有利である。また、超音波画像の撮像装置は、Ｘ線を用いた撮像装置に比べ小型であるため、空間占拠性、コスト面等で有利である。また、超音波画像によれば、Ｘ線画像に比べて血管などの組織をより鮮明に映すことができる。

＜カテーテルシステム＞
まず、カテーテルシステムについて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係るカテーテルシステムの構成の一例を示す概略図である。図１に示すように、カテーテルシステム１２は、カテーテル１０、超音波画像解析装置２８、及びカテーテル１０に微小気泡を供給する気泡供給装置７０を備えている。

（カテーテル）
カテーテル１０は、樹脂等の柔軟な材料からなる管状の器具である。断面形状は、例えば円形とすることができる。また、カテーテルの外直径は、１ｍｍ以下のものとすることができる。カテーテル１０は、生体１６外から生体内へと挿入され、生体内の血管１８内に配置される。カテーテル１０は、単独で血管１８内に挿入されてもよいが、カテーテル１０の外径より大きな内径を有する管状のガイドチューブ２０と共に挿入されてもよい。

ガイドチューブ２０を利用する場合には、カテーテル１０はガイドチューブ２０内に配置され、カテーテル１０とガイドチューブ２０とで二重管を構成する。カテーテル１０が細い場合、ガイドチューブ２０と共に血管に挿入すると、単独で血管内に挿入する場合に比べて、カテーテル１０の挿入が容易になる。

ガイドチューブ２０が所定の位置まで送られたら、例えば血管１８の内径が細い部分に達したら、その後は、カテーテル１０だけを挿入する。まず、ガイドチューブ２０を挿入し、その後でカテーテル１０をガイドチューブ２０に沿って挿入してもよい。また、ガイドチューブ２０内にカテーテル１０を配した状態でこれら一体に挿入し、所定の位置まで挿入した後、カテーテル１０のみを更に挿入するようにしてもよい。

図１には、血管１８の分岐した部分が示されている。分岐部１８ｔより手前の部分を符号１８ａで示し、分岐部１８ｔより奥の部分を符号１８ｂ、１８ｃで示す。図１に示す例では、ガイドチューブ２０は血管の分岐部１８ｔから間隔をあけた手前の位置まで延びており、カテーテル１０は分岐部１８ｔの直前まで延びている。

（微小気泡）
ここで「微小気泡」について説明する。
本明細書において「微小気泡」とは、直径が５０μｍ以下である気泡を意味する。微小気泡は、シェル（殻）を有していなくてもよい。また、微小気泡は、シェルを有し、かつその内部に気体を内包した構造を有する粒子でもよい。

微小気泡の大きさは、超音波画像として撮影されれば特に制限されない。具体的には、例えば、直径が１０μｍ以下でもよく、１μｍ以下でもよく、０．５μｍ以下でもよい。また、例えば、直径が１０ｎｍ以上でもよく、５０ｎｍ以上でもよく、１００ｎｍ以上でもよい。微小気泡の大きさは、顕微鏡による観察、動的光散乱法等の公知の方法により測定することができる。

微小気泡がシェルを有する場合、シェルの材質は特に制限されない。例えば、天然高分子、合成高分子、リン脂質、界面活性剤等が挙げられる。シェルの構造は単層でも、２層以上でもよい。シェルの内部に内包される気体としては、炭化水素、ハロゲン化炭化水素（フッ素化炭化水素等）、炭酸ガス、空気などが挙げられる。

シェルを有する微小気泡として、マイクロカプセル、マイクロバブル等と称して市販されている製品を利用してもよい。また、シェルを有する微小気泡は、公知の方法で作製できる。シェルを有する微小気泡に対しては、例えば、表面をポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等で修飾する等、必要に応じて表面処理を施してもよい。

なお、微小気泡は、従来から、超音波診断における造影剤（例えば、ゾナゾイド（登録商標）など）として用いられている。カテーテルから微小気泡を血管内に放出することで、生体内での血管形状のコントラストが向上する。

（気泡供給装置）
気泡供給装置７０は、微小気泡を含有する液体を貯留する貯留部７２と、ポンプ７４とを備えている。貯留部７２とポンプ７４とは、図示しない管により繋がれている。ポンプ７４は、超音波画像解析装置２８の制御部５２（図２参照）により駆動制御されて、貯留部７２に貯留された液体を、設定された供給量でカテーテル１０に注入する。これにより、カテーテル１０の先端から微小気泡が噴射される。

供給量は、例えば液体１０ｍｌを１０秒で注入する等、単位時間当たりの注入体積（注入速度）等で設定できる。ここでは、液体中の微小気泡の濃度は一定とするが、微小気泡の濃度を調整できるようにしてもよい。例えば、微小気泡の濃度が異なる液体を貯留する複数の貯留部７２を用意し、複数の貯留部７２とポンプ７４との間の接続を切り替えてもよい。

（超音波画像解析装置）
超音波画像解析装置２８は、超音波プローブ３０と、超音波画像解析装置（本体）５０とを備えている。超音波プローブ３０は、複数の振動子を備えている。超音波プローブ３０は、複数の振動子を用いて、生体１６内に超音波を送信し、生体１６内で反射した反射波を受信する。

超音波プローブ３０は、超音波ビームを走査することができ、走査したビームの反射波を受信することにより超音波画像を撮像する。走査は、１次元であってもよく、２次元であってもよい。１次元の走査により断層画像を得ることができ、２次元走査を行えば立体画像を取得することができる。

図２は本発明の実施の形態に係る超音波画像解析装置の構成の一例を示す概略図である。超音波画像解析装置（本体）５０は、制御部５２、送受信部５４、入力部５６、表示部５８、記憶部６０、ボリュームデータ生成部６２、ボリュームデータ記憶部６４、先端位置検出部６６、及び画像データ生成部６８を備えている。

制御部５２は、装置各部を統括的に制御する。例えば、制御部５２は、カテーテル先端周囲の超音波画像の撮像中に、気泡供給装置７０を駆動制御して、カテーテルの先端から微小気泡を噴射させる。

送受信部５４は、超音波プローブ３０が有する複数の振動子に対し、超音波を放射するための駆動信号を供給すると共に、複数の振動子が受信した受信信号を整相加算する。

入力部５６は、キーボードやマウス等を備え、操作者からの情報の入力を受け付ける。表示部５８は、ディスプレイ等を備え、操作者に対し情報を表示する。記憶部６０は、ＨＤＤ等の記憶装置を備え、各種情報を記憶する。

図３は超音波画像データの一例を示す模式図である。図３に示すように、送受信部５４から得られた受信信号は、ボクセルの集合体であるボリュームデータに変換される。ボリュームデータでは、各ボクセルに対し三次元空間での位置座標と輝度値とが設定されており、輝度値の三次元分布を表す。また、ボリュームデータ（３Ｄデータ）から、表示用画像データ、スライスデータ（２Ｄデータ）が生成される。

ボリュームデータ生成部６２は、送受信部５４から得られた受信信号を輝度変調処理してボリュームデータを生成し、生成されたボリュームデータをボリュームデータ記憶部６４に記憶する。輝度変調処理では、反射強度である振幅の大きな受信信号の輝度値を高くする。

先端位置検出部６６は、ボリュームデータ記憶部６４から時系列のボリュームデータを読み出して、微小気泡の噴出前後に撮像された時系列のボリュームデータを解析し、輝度値の時間変化からカテーテル先端の位置を検出する。

画像データ生成部６８は、図３に示すように、ボリュームデータをレンダリングして表示用画像データを生成し、生成された表示用画像データに基づいて表示部５８に超音波画像を表示させる。例えば、再構築された三次元の血管構造が、超音波画像として表示される。なお、ボリュームデータをスライスしてスライスデータを生成し、生成されたスライスデータに基づいて表示部５８に断層画像を表示させてもよい。

なお、カテーテルシステム１２の構成は一例であり、必要な機能を損なわない範囲で適宜変更してもよい。例えば、超音波画像解析装置（本体）５０は、通信部、各種ドライブ等を備えていてもよい。

通信部は、有線又は無線の通信回線を介して外部装置と通信を行うためのインターフェースである。各種ドライブは、ＣＤ−ＲＯＭ、ＵＳＢメモリなどのコンピュータ読み取り可能な可搬性の記録媒体からデータを読み込んだり、記録媒体に対してデータを書き込んだりする装置である。

本実施の形態では、制御部５２と各機能部（ボリュームデータ生成部６２、ボリュームデータ記憶部６４、先端位置検出部６６、画像データ生成部６８）とを、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びメモリを備えたコンピュータ等の情報処理装置で構成する例について説明する。後述する「先端位置検出処理（プログラム）」のプログラムが、ＣＰＵにより実行されることにより制御部５２及び各機能部の機能が実行される。

プログラムの記憶領域はＲＯＭには限定されない。各種プログラムは、他の記憶装置に記憶されていてもよい。また、通信部を備える場合には、各種プログラムは、通信部を介して外部装置から取得してもよい。また、各種ドライブを備える場合には、可搬性の記録媒体にプログラムを記録しておいて、これを対応するドライブで読み込んで実行してもよい。また、本実施の形態では、制御部及び各機能部の機能をソフトウェアにより実現する例について説明したが、専用のハードウェアにより実現してもよい。

＜先端位置検出の原理＞
次に、カテーテルの先端位置検出の原理について説明する。
血管に挿入されたカテーテルを超音波画像で観察した場合、カテーテルは血管に紛れてしまい、カテーテル先端の位置が分からない。本実施の形態では、カテーテルの管構造を通して、カテーテルの先端から微小気泡を噴出させる。微小気泡の噴出により、超音波画像に変化が見られる。このため、噴射前後の時系列の超音波画像データを解析して、微小気泡の発生源、即ち、カテーテル先端の位置を推定する。

図４は噴射前後の超音波画像の時間変化の一例を示す模式図である。血管１０に挿入されたカテーテル１８の先端から、微小気泡８０が噴出している。図４に示すように、時刻ｔ_０を噴射の開始時間とし、Δτを撮像間隔とする。また、噴射前に撮像した超音波画像をＶ_ｍ、噴射中の一連の超音波画像をＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３とする。超音波画像Ｖ_ｍ、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３は、ボリュームデータで表される。各ボリュームデータに対してノイズ除去処理を行うことが好ましい。

図５は噴射前後の超音波画像の差分の時間変化の一例を示す模式図である。図５に示すように、噴射中の３枚の超音波画像Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３それぞれから、噴射前の超音波画像Ｖ_ｍを減算処理すると、変化があった領域の情報だけが残る。微小気泡８０が無い領域では、差分の結果が０になり、微小気泡８０がある領域では何らかの値が存在する。

超音波画像の差分の時間変化から、変化が生じた時点（Ｖ_１の時刻）を逆算して推定し、さらにその時点のボリュームデータから微小気泡８０の発生源を特定する。例えば、図５で得られたボリュームデータの差分結果の「絶対値」を加算処理し、輝度情報の集中している箇所が発生源であると推定する。

差分結果の「絶対値」は、｜Ｖ_１−Ｖ_ｍ｜、｜Ｖ_２−Ｖ_ｍ｜、｜Ｖ_３−Ｖ_ｍ｜である。これら差分結果の絶対値を加算していくと、噴出の初期段階から微小気泡８０が存在する位置は、加算値が他の位置より大きくなるので、加算値が大きい位置をカテーテル先端の位置と特定できる。

なお、上記では、ボリュームデータの差分結果の「絶対値」を加算処理したが、微小気泡８０の拡散パターンからカテーテル先端の位置を特定してもよい。図５に示すように、差分結果に対応する微小気泡８０の拡散パターンでは、噴出の初期段階から微小気泡８０が存在する位置が、拡散パターンの一端部となり、その位置を特定できる。例えば、微小気泡が円錐状に拡散する場合、円錐の頂点の位置をカテーテル先端の位置と特定できる。

また、例えば、微小気泡は血流に乗って血管内に拡散するので、微小気泡の拡散パターン（空間分布）やその時間変化と、撮像間隔、血流速度、血管形状等の拡散因子とから、カテーテル先端の位置を推定することもできる。

また、上記では、噴射中の各画像Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３と噴射前の画像Ｖ_ｍとを比較したが、噴射中の複数の画像（Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３）同士を比較してもよい。例えば、画像Ｖ_１と画像Ｖ_２とを比較すると、噴出の初期段階から微小気泡が存在する位置は、ボリュームデータの輝度値の変化の度合いが小さいので、輝度値の変化の度合いが小さい位置をカテーテル先端の位置と特定できる。

しかしながら、微小気泡の噴出による超音波画像の変化を捉えられない場合がある。例えば、撮像範囲が広いと撮像間隔が長くなり、微小気泡の噴出による超音波画像の変化を捉えられない。図６（Ａ）は超音波画像に時間変化がある場合の模式図である。図６（Ｂ）は超音波画像に時間変化が無い場合の模式図である。

微小気泡が予め定めた範囲（例えば、ｚ方向に１０ｍｍなど）に拡散するのに要する時間を「拡散時間」とする。撮像間隔Δτが拡散時間より短い場合は、図６（Ａ）に示すように、微小気泡の噴出による超音波画像の変化を捉えることができる。これに対し、撮像間隔Δτが拡散時間より長い場合は、噴射中の画像を撮像する前に微小気泡が拡散してしまい、図６（Ｂ）に示すように、超音波画像に顕著な変化は見られない。

本実施の形態では、微小気泡の噴出による超音波画像の変化を捉えるまで、例えば撮像範囲を絞り込むなど撮像条件を変更して、超音波画像の撮像を繰り返す。図７は撮像範囲の絞込みを示す概念図である。図７に示すように、例えば、ボリュームデータに対応する撮像対象領域を複数の領域に分割し、複数の領域の中から、他の領域より超音波画像の時間変化が大きい「特定領域」を抽出する。

そして、「特定領域」を撮像対象領域とするように撮像範囲を絞り込んで、時系列の超音波画像の撮像を再開し、撮像中にカテーテルの先端から微小気泡を噴射させる。これらの手順を繰り返し行うことで、超音波画像の撮像範囲が徐々に絞り込まれて、微小気泡の噴出による超音波画像の変化を捉えることができる。

例えば、「特定領域」を更に複数の領域に分割し、更に分割された複数の領域の中から、他の領域より超音波画像の時間変化が大きい「次の特定領域」を抽出する。そして、「次の特定領域」を撮像対象領域とするように撮像範囲を絞り込んで、カテーテルの先端から微小気泡を噴射させながら、撮像範囲の時系列の超音波画像を撮像する。

図８（Ａ）及び（Ｂ）は、ボリュームデータのデータサイズと撮像間隔との関係を示す概念図である。超音波画像の撮像範囲を絞り込むほど、取得されるボリュームデータのデータサイズが小さくなって、撮像間隔Δτが短くなり、微小気泡の噴出による超音波画像の変化を明確に捉えることができるようになる。

＜先端位置検出処理（プログラム）＞
次に、第１の実施の形態に係る先端位置検出処理のプログラムについて説明する。
図９は先端位置検出処理の流れの一例を示すフローチャートである。先端位置検出処理のプログラムは、入力部を介して操作者により処理の開始が指示されたときに、超音波画像解析装置のＣＰＵにより実行される。

まず、ステップ１００で、時系列の超音波画像データを解析する際の「解析条件」の設定を受け付ける。ここでの「解析条件」は、ボリュームデータのデータサイズ、微小気泡の供給量等である。例えば、表示部に設定画面を表示して、操作者からの設定を受け付ける。「解析条件」の初期設定は、操作者により行われる。

次に、ステップ１０２で、「解析条件」の初期設定が終了したか判断する。初期設定が終了した場合は、ステップ１０４に進む。初期設定が終了していない場合は、ステップ１０２で、初期設定が終了したか繰り返し判断する。

次に、ステップ１０４で、超音波画像の撮像を開始する。続いて、ステップ１０６で、気泡供給装置のポンプを駆動制御して、カテーテルに微小気泡を含有する液体を供給して、カテーテルの先端から微小気泡を噴射させる。設定された供給量に応じた速度で、微小気泡が噴射される。

次に、ステップ１０８で、予め定めた時間が経過したか否かを判断する。例えば、上記の「拡散時間」を予め定めた時間としてもよい。予め定めた時間が経過した場合は、ステップ１１０に進む。予め定めた時間が経過していない場合は、ステップ１０８で、予め定めた時間が経過したか否かを繰り返し判断する。

次に、ステップ１１０で、超音波画像の撮像を終了し、時系列の超音波画像データを取得する。上記の通り、受信信号はボリュームデータに変換されて記憶されている。ここでは、記憶された時系列のボリュームデータを取得する。

次に、ステップ１１２で、ボリュームデータに対応する撮像対象領域を、複数領域に分割する。図１０は領域分割された撮像対象領域の構造の一例を示す模式図である。各領域をＷ_i,j,kとする。０≦ｉ≦Ｎ、０≦ｊ≦Ｎ、０≦ｋ≦Ｎ、Ｎは２以上の整数である。図示した例では、Ｎ＝３であり、撮像対象領域は２７個（＝３×３×３）に分割されている。

次に、ステップ１１４で、時系列のボリュームデータを用いて、領域毎に輝度値の時間変化抽出する。図１１は領域毎の輝度値の時間変化の一例を示すグラフである。図１１に示す例では、ｘ方向に並ぶ３つの領域（領域Ｗ_i-1,j,k、領域Ｗ_i,j,k、領域Ｗ_i+1,j,k）について輝度値の時間変化が抽出されている。

次に、ステップ１１６で、他の領域より輝度値の変化が大きい領域を特定する。図１１に示す例では、領域Ｗ_i,j,kは、他の領域よりも輝度値の変化が大きい。輝度値の変化が大きい領域Ｗ_i,j,kが、カテーテル先端の位置を含む「特定領域」とされる。

次に、ステップ１１８で、特定領域を各面に投影して、投影面毎に先端位置の座標を取得する。図１２は投影面毎に取得されたカテーテル先端の位置を示す模式図である。図１２に示す例では、ｘｙ平面への投影画像から座標ｘ_１、座標ｙ_１が取得される。ｙｚ面への投影画像から座標ｙ_２、座標ｚ_１が取得される。ｘｚ平面への投影画像から座標ｘ_２、座標ｚ_２が取得される。各方向での座標の平均値（［(ｘ_１+ｘ_２)/２］、［(ｙ_１+ｙ_２)/２］、［(ｚ_１+ｚ_２)/２］）が、カテーテル先端の位置の座標とされる。

次に、ステップ１２０で、計測誤差が許容範囲内か否かを判断する。領域Ｗ_i,j,kの一辺の長さを計測誤差とし、計測誤差が、予め定めた許容値以下か否かを判断する。計測誤差が許容範囲内の場合は、ステップ１２２に進む。計測誤差が許容範囲を超えている場合は、ステップ１２４に進む。なお、誤差の許容範囲については後述する。

次に、ステップ１２２では、カテーテル先端の位置を重畳表示した超音波画像を表示部に表示させて、ルーチンを終了する。図１３はマークが重畳された超音波画像の一例を示す模式図である。図１３に示すように、再構築された三次元の血管１８の構造を表す超音波画像に、カテーテル１０の先端位置を示すマークＭが重畳されて表示される。

一方、ステップ１２４では、ステップ１１６で求めた「特定領域」だけが撮像されるように撮像範囲を絞り込んで、ステップ１０４に戻る。撮像範囲の絞り込みは、超音波の走査範囲（視野幅や視野深度）を調節することにより行われる。ステップ１０４で、特定領域の超音波画像の撮像を開始し、ステップ１２０で計測誤差が許容範囲内と判定されるまで、ステップ１０４以下の手順を繰り返し行う。

図７、図９を参照して説明した通り、撮像範囲の絞込みは、計測誤差が許容範囲内となるまで行われる。計測誤差が許容範囲内である場合は、各方向の計測値の平均値を位置座標とする。一方、計測誤差が許容範囲内にない場合は、超音波画像の撮像範囲を特定領域に絞り込んで、カテーテルの先端から微小気泡が噴射する様子を撮像する。超音波画像の撮像範囲を絞り込むほど、微小気泡の噴出の時間及び位置を明確に捉えることができ、カテーテル先端の位置座標の検出精度が向上する。

ここで「許容誤差」について説明する。
図１８は超音波ビーム径と計測誤差との関係を説明するための図である。後述する通り、超音波ビームの音響放射力によりカテーテルを誘導する場合は、誘導用の超音波ビーム内にカテーテル先端が含まれていれば、カテーテル先端の位置を検出できたと言える。従って、特定領域の大きさ（計測誤差）が誘導用の超音波ビーム未満となるまで、撮像範囲を絞り込む。

誘導用の超音波ビームのビーム径は、１ｍｍ〜６ｍｍの範囲としてもよい。例えば、誘導用の超音波ビームのビーム径が３ｍｍ〜５ｍｍであれば、例えば、計測誤差の許容範囲を、ビーム径より小さい「１ｍｍ以下」とする。計測誤差が１ｍｍ以下になるまで撮像対象領域を絞り込むと、特定領域そのものが超音波ビーム内に含まれるようになり、カテーテルの先端位置が、必ず超音波ビーム内に含まれるようになる。また、いずれもｚ方向に−４ｍｍ等、再現性のある誤差は補正可能であるため、補正を前提として許容範囲を設定してもよい。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、無条件に「領域分割」を行う例について説明したが、第２の実施の形態では、時系列の超音波画像に時間変化が無い場合に「領域分割」を実施する。

図１９は第２の実施の形態に係る先端位置検出処理の流れの一例を示すフローチャートである。図９に示す第１の実施の形態に係る先端位置検出処理と同じ手順については同じ符号を付して説明を省略し、相違点のみ説明する。

第２の実施の形態では、ステップ１１０で時系列のボリュームデータを取得した後、ステップ２００に進む。ステップ２００で、噴射前のボリュームデータと噴射中のボリュームデータとの輝度値の差分を算出する。

例えば、図４、図５を参照して説明した通り、噴射中の３枚の超音波画像Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３それぞれから、噴射前の超音波画像Ｖ_ｍを減算処理すると、変化があった領域の情報だけが残る。微小気泡が無い領域では、差分の結果が０になり、微小気泡がある領域では何らかの値が存在する。

次に、ステップ２０２で、超音波画像が時間と共に変化するか否かを判断する。例えば、輝度値の差分があるボクセルの個数が予め定めた個数以上増減する等、輝度値の差分がある領域（微小気泡の拡散パターン）が時間と共に変化する場合は、超音波画像が時間と共に変化していると判断する。

超音波画像が時間変化しない場合は、ステップ１１２に進む。そして、ステップ１１２で、撮像対象領域を複数領域に分割する。一方、超音波画像が時間変化する場合は、ステップ２０４に進む。そして、ステップ２０４で、ボリュームデータの輝度値の差分の時間変化から、カテーテル先端の位置を取得して、ステップ１２２に進む。

第２の実施の形態では、最初の時系列の超音波画像の撮像により、微小気泡の噴出による超音波画像の変化を捉えることができた場合には、最初に取得した時系列の超音波画像データから、カテーテル先端の位置を取得する。この場合は、特定領域のサイズが大きくても、微小気泡領域の発生源、即ち、カテーテル先端の位置は明確に捉えられる。

［第３の実施の形態］
第１の実施の形態では、無条件に「領域分割」を行う例について説明したが、第３の実施の形態では、時系列の超音波画像に時間変化が無く、微小気泡の供給量を減らすこともできない場合に「領域分割」を実施する。

図２０は第３の実施の形態に係る先端位置検出処理の流れの一例を示すフローチャートである。図９に示す第１の実施の形態に係る先端位置検出処理と同じ手順については同じ符号を付して説明を省略し、相違点のみ説明する。

第３の実施の形態では、ステップ１１０で時系列のボリュームデータを取得した後、ステップ２００に進む。ステップ２００で、噴射前のボリュームデータと噴射中のボリュームデータとの輝度値の差分を算出する。

次に、ステップ２０２で、超音波画像が時間と共に変化するか否かを判断する。超音波画像が時間変化する場合は、ステップ２０４に進む。そして、ステップ２０４で、ボリュームデータとの輝度値の差分の時間変化から、カテーテル先端の位置を取得して、ステップ１２２に進む。

一方、超音波画像が時間変化しない場合は、ステップ３００に進む。ステップ３００で、微小気泡の供給量を変更できるか否かを判断する。微小気泡の供給量を変更できる場合は、ステップ３０２に進む。次に、ステップ３０２で、微小気泡を含有する液体の注入速度を遅くする等、微小気泡の供給量を減らして、ステップ１０４に戻る。ステップ１０４で、超音波画像の撮像を再開する。

超音波画像が時間変化せず、微小気泡の供給量を変更できない場合は、ステップ１１２に進む。そして、ステップ１１２で、撮像対象領域を複数領域に分割する。

図６（Ｂ）を参照して説明した通り、撮像間隔Δτが拡散時間より長い場合は、噴射中の画像を撮像する前に微小気泡が拡散してしまい、微小気泡の噴出による超音波画像の変化を捉えることができない。

第３の実施の形態では、最初の時系列の超音波画像の撮像により、微小気泡の噴出による超音波画像の変化を捉えることができた場合には、領域分割は行わずに、最初に取得した時系列の超音波画像データから、カテーテル先端の位置を取得する。この場合は、特定領域のサイズが大きくても、微小気泡領域の発生源、即ち、カテーテル先端の位置は明確に捉えられる。

また、第３の実施の形態では、微小気泡の供給量を変更できる場合は、微小気泡の供給量を減らして、微小気泡の拡散時間を長くする。微小気泡の供給量を減らして時系列の超音波画像を撮像しても、微小気泡の噴出による超音波画像の変化を捉えることができない場合に、領域分割を行う。

［第４の実施の形態］
第４の実施の形態は、カテーテル先端の位置を検出し、超音波ビームの音響放射力によりカテーテルを屈曲制御するカテーテルシステムに係る実施の形態である。

＜カテーテルシステム＞
まず、第４の実施の形態に係るカテーテルシステムについて説明する。
図２１は本発明の実施の形態に係るカテーテルシステムの構成の一例を示す概略図である。図２２は本発明の実施の形態に係る超音波画像解析装置の構成の一例を示す概略図である。図２１に示すように、カテーテルシステム１２は、カテーテル１０、誘導装置１４、超音波画像解析装置２８、三次元測量機４０、及びカテーテル１０に微小気泡を供給する気泡供給装置７０を備えている。

超音波画像解析装置２８は、超音波プローブ３０と、超音波画像解析装置（本体）５０とを備えている。カテーテル１０及び気泡供給装置７０は、第１の実施の形態と同じ構成である。超音波画像解析装置（本体）５０は、三次元測量機４０及び誘導装置１４と接続されている以外は、第１の実施の形態と同じ構成である。このため、同じ構成部分には、同じ符号を付して説明を省略する。

（誘導装置）
誘導装置１４は、誘導用の超音波ビームを放射する誘導プローブ２４と、送信制御部２６を備えた誘導装置（本体）とを備えている。誘導プローブ２４は、複数の振動子を備えている。複数の振動子は、送信制御部２６により駆動制御されて、超音波ビームを放射する。誘導用の超音波ビームは、カテーテル１０の先端周辺に収束する収束ビームとすることが好ましい。

（三次元測量機）
三次元測量機４０は、超音波プローブ３０の位置及び姿勢と、誘導プローブ２４の位置及び姿勢とを算出する。ここで、プローブの位置とは、プローブの代表点の座標である。例えば、後述する反射部材の取付け位置としてもよい。プローブの姿勢とは、プローブの中心軸線の延びる方向と向きである。

三次元測量機４０は、例えば、赤外線トラッカとすることができる。誘導プローブ２４と超音波プローブ３０のそれぞれに、リフレクタ等の赤外線を反射する反射部材を取り付けておく。赤外線トラッカは、投光部、受光部、及び演算部を備えている。

赤外線トラッカの投光部から照射された赤外線は、反射部材で反射される。赤外線トラッカの受光部は、反射部材によって反射された反射光を受光する。赤外線トラッカの演算部は、受光した反射光に基づいて各プローブの位置及び姿勢を算出する。

（超音波画像解析装置）
超音波画像解析装置２８は、三次元測量機４０から、各プローブの位置及び姿勢を取得する。２個のプローブ２４、３０の位置及び姿勢に基づき、それぞれのプローブが生成する超音波ビームの位置関係が把握される。

本実施の形態では、超音波画像解析装置２８のＣＰＵは、後述する「屈曲制御処理（プログラム）」を実行することにより、カテーテル先端の位置、誘導用の超音波ビームの放射方向等を重畳表示した超音波画像を表示部５８に表示し、誘導用の超音波ビームの音響放射力によりカテーテルを屈曲させる。

＜屈曲制御処理（プログラム）＞
次に、第４の実施の形態に係る屈曲制御処理（プログラム）について説明する。
図２３は屈曲制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。屈曲制御処理のプログラムは、入力部を介して操作者により処理の開始が指示されたときに、ＣＰＵにより実行される。

まず、ステップ４００で、先端位置検出処理を実行して、カテーテル先端の位置を取得する。先端位置検出処理は、第１から第３の実施の形態に係る「先端位置検出処理」のうち、いずれかの処理手順で実行すればよい。

次に、ステップ４０２で、超音波プローブの位置及び姿勢と、誘導プローブの位置及び姿勢とを取得する。続く、ステップ４０４で、誘導プローブの位置及び姿勢から、誘導用の超音波ビームの放射方向を取得する。

次に、ステップ４０６で、カテーテル先端の位置と、誘導用の超音波ビームの放射方向とを重畳表示した超音波画像を表示部に表示させる。図２４（Ａ）及び（Ｂ）は、マークが重畳された超音波画像の一例を示す模式図である。

図２４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、再構築された三次元の血管１８の構造を表す超音波画像には、カテーテル１０の先端位置を示すマークＭと、超音波ビーム４２の放射方向を示すマークＤとが重畳されている。超音波ビーム４２の軸線が、直線４２Ａで表されている。超音波ビーム４２の放射方向を示すマークＤは、直線４２Ａに沿った向きを表す矢印である。操作者は、入力部等を介して誘導用の超音波ビームを放射する指示を入力することができる。

次に、ステップ４０８で、誘導用の超音波ビームを放射する指示を受けたか否かを判断する。操作者による指示があった場合は、ステップ４１０に進む。予め定めた時間が経過しても指示がない場合は、ステップ４０２に戻る。ステップ４０２に戻った場合は、再度、プローブの位置及び姿勢を取得して、ステップ４０２以下の手順を繰り返す。

次に、ステップ４１０で、超音波プローブによる超音波画像の撮像を禁止する。超音波プローブからの超音波の放射を禁止して、超音波プローブ３０から放射される超音波と、誘導プローブ２４から放射される超音波とが干渉しないようにする。

次に、ステップ４１２で、誘導プローブから誘導用の超音波ビームを放射する。図２４（Ａ）及び図２４（Ｂ）に示すように、誘導プローブからカテーテル１０の先端付近に向けて、誘導用の超音波ビーム４２を放射すると、放射力によってカテーテル１０の先端が移動する。図示した例では、カテーテル１０の先端が、放射力によって折り曲げられ、分岐した一方の血管に侵入する。

次に、ステップ４１４で、終了指示を受けたか否かを判断する。操作者により終了が指示された場合は、ルーチンを終了する。予め定めた時間が経過しても終了が指示されない場合は、ステップ４１６に進む。

次に、ステップ４１６では、超音波プローブ３０による超音波画像の撮像の禁止を解除して、ステップ４００に戻る。ステップ４００に戻った場合は、再度、先端位置検出処理を実施して、ステップ４００以下の手順を繰り返す。

本実施の形態では、カテーテル先端の位置の検出からカテーテルの屈曲制御までを、超音波画像に基づいて行うことができる。外径が１ｍｍ以下のカテーテルを用いた場合でも、血管に挿入されたカテーテルの先端位置を超音波画像で観察しながら、カテーテルを移動させることができる。

［変形例］
なお、上記実施の形態で説明したカテーテルシステム、超音波画像解析装置、及びプログラムの構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内においてその構成を変更してもよいことは言うまでもない

上記の実施の形態では、ボリュームデータから表示用画像データを生成して、再構築された三次元の血管構造を表す超音波画像を表示部に表示する例について説明したが、ボリュームデータからスライスデータを生成して断層画像を表示してもよい。

図２５はボリュームデータから断層面が抽出される様子を示す概念図である。例えば、微小気泡の拡散パターンの形状と血管形状とから、微小気泡が噴出方向を表すベクトルＶが取得される。検出されたカテーテル先端の位置を表す点をＰとする。点Ｐを通り、ベクトルＶを含む二次元平面を、ボリュームデータから抽出する。ベクトルＶを含む二次元平面としては、血管形状を反映した平面を抽出する。

図２６は微小気泡により描出された血管の形状を示す模式図である。微小気泡は血管１８中に拡散して、生体内での血管形状のコントラストを向上させる。抽出した二次元平面の断層画像では、カテーテル先端周囲の血管形状（分岐の有無など）が、微小気泡の拡散パターン８０により描出される。したがって、三次元の血管構造を表す超音波画像を生成しなくても、この断層画像からカテーテル先端（マークＭで表示）の周辺の血管形状を把握することができる。

上記の実施の形態では、先端位置検出処理、屈曲制御処理の手順は、コンピュータが行うこととしたが、超音波プローブによる走査や、カテーテルの操作など、手順の一部を人間が行うようにしてもよい。

次に、実施例として「検証実験」の方法及び結果について説明する。本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、以下の説明において、特に断りのない限り、「部」及び「％」はすべて質量基準である。

検証実験では、水中でカテーテル先端から微小気泡を噴出させて超音波画像を撮像し、時系列の超音波画像からカテーテル先端の位置を検出した。

（機器・材料）
まず、検証実験で用いた機器及び材料について説明する。
検証実験では、模擬カテーテルとして「パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）チューブ」（平河ヒューテック社製）を使用した。ＰＦＡはフッ素樹脂の１種であり、実際に医療現場で使われるカテーテルに近い素材である。また、模擬カテーテルは、外直径が０．４ｍｍ、内直径が０．１ｍｍである。以下では、模擬カテーテルを単に「カテーテル」と称する。

微小気泡としては、松本油脂製薬社製の「マツモトマイクロスフェアー（登録商標）」のＦシリーズの「Ｆ−０４Ｅ」を使用した。「マツモトマイクロスフェアー（登録商標）Ｆ−０４Ｅ」は、シェルを有する微小気泡であり、超音波断層像で観察する際に観察を容易に行える。各シェルには、膨張剤として炭化水素が内包されている。

実験用の微小気泡の特性を以下に列記する。
平均粒子径：４μｍ
真比重：０．１
シェルの膜厚：２μ以上１５μｍ以下
シェルの材質：アクリロニトリル（ＡＮ）系コポリマー

微小気泡は、顕微鏡画像上で各粒径範囲に対する存在確率αを予め計測しておく。次に、微小気泡の懸濁液を作製する。微小気泡をそのまま保存しておくと、気泡同士がくっつき大きな塊となってしまうので、実験を行う際は一度塊を潰しながら、微小気泡の懸濁液を作製する。

一旦、懸濁液の状態にすると微小気泡の濃度は計測できないので、予め顕微鏡画像上で計測していた各粒径範囲に対する存在確率αから、粒径を選別された懸濁液中の微小気泡の重量αＷ［ｇ］を算出する。その値を懸濁液の体積Ｖ［Ｌ］で除算し、次式（１）のように懸濁液中の微小気泡の濃度（重量濃度）ｄ［ｇ／Ｌ］を得る。
ｄ＝αＷ／Ｖ 式（１）

検証実験では、超音波画像解析装置として、ＰＨＩＬＩＰＳ社製の「超音波診断装置ｉＵ−２２」を用いた。診断装置で使用する超音波プローブとしては、電子スキャン型マトリックスアレイ超音波プローブＸ６−１を使用した。「超音波診断装置ｉＵ−２２」は、出力端子として、イーサネット（登録商標）端子、コンポジット端子、Ｓ端子が使用可能である。また、「超音波診断装置ｉＵ−２２」は、ＣＤ、ＤＶＤ、ＵＳＢ等の記録メディアに対応するドライブを備えている。

（実験の手順）
次に、実験手順を述べる。
図１４（Ａ）は検証実験の様子を示す模式図である。図１４（Ｂ）は角度θを定義する図である。図１４（Ａ）に示すように、検証実験を、脱気水で満たされた水槽内で行った。水槽の底面には吸音板が設置されている。水温は４０℃に設定した。水槽内にカテーテルの先端を配置した。カテーテルは、三次元空間のｚ軸と平行に配置した。注射器を用いてカテーテルの他端から微小気泡の懸濁液を注入し、水中自由空間でカテーテルの先端から微小気泡を噴射した。

この際に、微小気泡の重量濃度ｄ及び注入速度を変えていく。微小気泡の重量濃度ｄは、先に述べた式（１）によってＶを調整して、微小気泡の重量濃度ｄを、０．０３９ｇ／ｍｌ、０．３９ｇ／ｍＬ、３．９ｇ／ｍｌ、３９ｇ／ｍｌと変化させた。また、１０ｍｌの懸濁液をカテーテルから噴射し切る時間がｔ秒となるように注入速度を調整した。この際、できるだけ一定の速度で注射器を押すようにする。注入速度は、１０／ｔ（ｍｌ／秒）である。懸濁液の注入速度を、１．０ｍｌ／秒、０．５ｍｌ／秒、０．３３ｍｌ／秒と変化させた。

微小気泡が噴射される様子を、超音波診断装置及び超音波プローブを用いて撮像した。超音波プローブの軸方向とカテーテルに垂直な面が成す角度θを、図１４（Ａ）に示すように定義する。

図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）は各注入速度での撮像結果を示す超音波画像である。各超音波画像は、微小気泡の重量濃度を３９ｇ／ｍｌ、角度θ＝０°として、水中自由空間でカテーテル先端から微小気泡を噴出させてから５秒後に撮像されたものである。懸濁液の注入速度は、図１５（Ａ）では１．０ｍｌ／秒、図１５（Ｂ）では０．５ｍｌ／秒、図１５（Ｃ）では０．３３ｍｌ／秒である。

各図の左側にはカテーテルの短軸方向（ｘｙ断面）、右側には長軸方向（ｙｚ断面）の撮像結果を示す。短軸方向の画像では、丸で囲んだ領域Ａの輝度が高く、カテーテルの先端から微小気泡が噴射されている様子が見られた。同様に、長軸方向の画像からも、短軸方向の画像よりも明確に微小気泡が噴射されている様子が見られた。

実際に解析を行った結果を述べる。微小気泡の体積濃度を２３．５ｎｌ／ｍｌ、角度θ＝０°、注入速度を０．３３ｍｌ／秒として、噴射の様子を連続して撮像した。図７に示すように、撮像対象領域を２７個の領域に分割し、各領域に（０，０，０）〜（２，２，２）の名称を付けた。ここでは、撮像間隔Δτを５秒、分割領域のサイズは一辺１０ｍｍ〜２０ｍｍとした。カテーテルの先端は（１，１，１）に含まれる。

時系列のボリュームデータを解析して、各領域内の輝度平均値の時間変化を抽出したところ、カテーテルの先端が実際に存在する領域（１，１，１）の平均輝度値の変化が他の領域より大きいことが分かった。また、輝度値が変化した時刻も、実際にカテーテル先端から微小気泡を噴出した時刻と一致していた。領域（１，１，１）を、カテーテル先端を含む「特定領域」と決定した。

図１６（Ａ）は特定領域のｘｙ平面への投影画像、図１６（Ｂ）は変化領域のｙｚ平面への投影画像、図１６（Ｃ）は変化領域のｘｚ平面への投影画像である。上記で検出された変化領域（１，１，１）に対して、輝度値の変化があった瞬間に、同領域をｘｙ平面、ｙｚ平面、ｘｚ平面でそれぞれ投影した画像を示す。実験の設定通り、変化領域（１，１，１）内にカテーテル先端が含まれていることが分かる。

図１７はカテーテル先端位置の各方向の「ずれ量」を示すグラフである。図１７は、図１６（Ａ）〜（Ｃ）に示す各投影画像から推定された先端位置座標の「ずれ量」を示している。ここでは、角度θ＝０°の場合の「ずれ量」を白丸で表し、角度θ＝４５°場合の「ずれ量」を三角で表す。実施例では、カテーテル先端位置の位置座標は予め分かっている。各方向での「ずれ量」は、計測値の実際の位置座標値からのずれ量を表す。また、プロットされた値は、複数回の計測で得られたずれ量の平均値である。複数回の計測で得られたずれ量のばらつき（標準偏差）をエラーバーで示す。

角度θ＝０°の場合、ｘｙ平面内での「ずれ量」は、略０であり、ｘｙ平面内、つまりカテーテルの軸に垂直な面内では、「ずれ量」が発生していないことが分かる。ｚ方向では約５ｍｍの「ずれ量」が発生している。一方、角度θ＝４５°の場合、ｘ方向の「ずれ量」に変化は無いが、ｚ方向で約２ｍｍ、ｙ方向で約５ｍｍの「ずれ量」が発生している。

これらの「ずれ量」は、微小気泡の噴出速度に依存すると考えられる。「ずれ量」が発生する原因は、カテーテルの先端から飛び出した微小気泡が、数ｍｍの距離は相流として媒質内を進むのに対して、その後乱流となり、微小気泡の空間的な飛散が発生するため、先端から数ｍｍのところで輝度値の変化が大きくなるためであると考えられる。

本実施例では、特定領域の一辺の長さが１０ｍｍ〜２０ｍｍであり、外直径が１ｍｍ以下のカテーテルの先端が特定領域に含まれるとしても、１０ｍｍ〜２０ｍｍの誤差が許容される。実際に、５ｍｍ程度のずれ量が発生している。

本発明ではカテーテルの先端が、超音波ビーム内に含まれるか否かを判定できる精度を求めている。例えば、超音波ビームのビーム径を３ｍｍ〜５ｍｍとする。この場合、特定領域の一辺の長さ（計測誤差）の許容範囲を、例えば、ビーム径より小さい「１ｍｍ以下」とする。

計測誤差が１ｍｍ以下になるまで撮像対象領域を絞り込むと、特定領域そのものが超音波ビーム内に含まれるようになり、カテーテルの先端位置が必ず超音波ビーム内に含まれるようになる。例えば、一辺の長さが１０ｍｍの撮像対象領域に対し、領域分割（２７分割）を更に３回繰り返すと、計測誤差が１ｍｍ以下になる。

１０ カテーテル
１２ カテーテルシステム
１４ 誘導装置
１６ 生体
１８ 血管
１８ｔ 分岐部
２０ ガイドチューブ
２４ 誘導プローブ
２６ 送信制御部
２８ 超音波画像解析装置
３０ 超音波プローブ
４０ 三次元測量機
４２ 超音波ビーム
５２ 制御部
５４ 送受信部
５６ 入力部
５８ 表示部
６０ 記憶部
６２ ボリュームデータ生成部
６４ ボリュームデータ記憶部
６６ 先端位置検出部
６８ 画像データ生成部
７０ 気泡供給装置
７２ 貯留部
７４ ポンプ
８０ 拡散パターン
Ａ 領域
Ｄ マーク
Ｍ マーク
Ｐ 点
Ｖ ベクトル

Claims (9)

1. 生体に超音波を照射して前記生体の超音波画像を撮像する撮像手段と、
   前記生体内に挿入されたカテーテルに微小気泡を供給する供給手段と、
   超音波画像の撮像中に前記カテーテルの先端から微小気泡が噴射されるように、前記撮像手段及び前記供給手段を制御する制御手段と、
   取得された時系列の超音波画像データから、撮像対象領域のうち超音波画像が時間変化する変化領域を抽出する抽出手段と、
   抽出された前記変化領域の超音波画像データから、前記カテーテルの先端の位置を検出する位置検出手段と、
   を備えた超音波画像解析装置。
2. 前記抽出手段により前記変化領域が抽出されない場合に、
   前記カテーテルの先端の位置の計測誤差が予め定めた閾値未満になるまで、
   前記抽出手段が、前記撮像対象領域を複数の領域に分割して、分割された複数の領域の中から、他の領域より超音波画像の時間変化が大きい特定領域を抽出することと、
   前記制御手段が、撮像対象領域を前記特定領域に絞込み、前記特定領域の超音波画像の撮像中に前記カテーテルの先端から微小気泡が噴射されるように、前記撮像手段及び前記供給手段を制御することと、
   前記位置検出手段が、前記カテーテルの先端の位置を検出することとを、
   繰り返し行う、
   請求項１に記載の超音波画像解析装置。
3. 前記カテーテルが超音波により誘導される場合は、前記予め定めた閾値を誘導用の超音波のビーム径とする、
   請求項２に記載の超音波画像解析装置。
4. 前記抽出手段により前記変化領域が抽出されない場合に、
   前記制御手段が、前記微小気泡の供給量を減らし、超音波画像の撮像中に前記カテーテルの先端から微小気泡が減少後の供給量で噴射されるように、前記撮像手段及び前記供給手段を制御することと、
   前記抽出手段が、取得された時系列の超音波画像データから、撮像対象領域のうち超音波画像が時間変化する変化領域を抽出することと、
   前記位置検出手段が、前記カテーテルの先端の位置を検出することとを、
   繰り返し行う、
   請求項１に記載の超音波画像解析装置。
5. 前記抽出手段により前記変化領域が抽出されない場合に、
   微小気泡の拡散パターンの形状と前記微小気泡の拡散に関わる拡散因子とから、前記カテーテルの先端の位置を推定する、
   請求項１に記載の超音波画像解析装置。
6. 前記拡散因子が、
   前記カテーテルが挿入された血管の構造、前記血管を流れる血流の速度である、
   請求項５に記載の超音波画像解析装置。
7. 請求項１から請求項６までに記載の超音波画像解析装置と、
   生体内に挿入されるカテーテルと、
   前記生体内の前記カテーテルに対し前記超音波とは異なるプローブから第２の超音波を放射して、前記第２の超音波の放射圧により前記カテーテルを誘導する誘導手段と、
   を含むカテーテルシステム。
8. 前記制御手段に表示制御される表示手段を更に含み、
   前記制御手段は、
   取得された前記カテーテルの先端の位置と、前記誘導手段により放射される前記第２の超音波の進行方向とが重畳表示された超音波画像を、前記表示手段に表示させる、
   請求項７に記載のカテーテルシステム。
9. コンピュータを、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の超音波画像解析装置の、撮像手段及び供給手段以外の各手段として機能させるためのプログラム。