JP2019536582A - 治療デバイスの超音波ガイド下の位置決め - Google Patents

Abstract

医療処置を実行するための装置は、入射した超音波信号を電気信号に変換するセンサを備える。センサは下部電極及び上部電極を備え、上部電極は電気信号を超音波撮像プローブの電極に送信する。

Description

[0001] 患者に生体内位置（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で使用される医療デバイスの位置追跡によって、低侵襲性の医療処置を実行することが可能になる。例として、超音波ガイド下の医療処置によって、患者内の関心位置に対する特定の医療デバイスの位置を特定することが可能になる。

[0002] 特定の超音波に基づく医療デバイスの追跡では、医療デバイスの先端からハンドルまで伸びる電線が、信号をデータ分析用のコンソール／ワークステーションに送信する。

[0003] 欠点の中でも特に、医療器具をケーブルでコンソール／ワークステーションに接続すると、臨床ワークフローが複雑になり、望ましくないケーブル管理が導入される。結果として、医療デバイスをコンソールに接続するケーブルが存在するために、臨床ワークフローが妨げられることが多い。これにより、臨床医が処置を行いにくくなるだけでなく、そのような知られているケーブル接続のデバイス及びシステムの市場での受け入れが制限される。

[0004] したがって、少なくとも上述の知られているデバイスの欠点を克服する、生体内位置で医療器具の位置を決定するための装置、システム、方法、及びコンピュータ可読記憶媒体を提供することが望ましい。

[0005] 本発明は、添付の図面と共に考察される、以下に提示する代表的な実施形態の詳細な説明からより容易に理解されよう。

[0006] 代表的な実施形態による、双方向の超音波信号の送信を示す概念図である。 [0007] 代表的な実施形態による、一方向の超音波信号の送信を示す概念図である。 [0008] 代表的な実施形態による、超音波システムを示す概略ブロック図である。 [0009] 代表的な実施形態による、医療デバイスを示す簡略概略ブロック図である。 [0010] 人体組織の電気リアクタンス対電気インピーダンスのグラフ表示である。 [0011] 複数の超音波ビームを使用したフレーム走査を示す概念図である。 [0012] 代表的な実施形態による医療デバイスのフレームトリガ信号、ライントリガ信号、及び受信センサ信号の相対的なタイミングを示す図である。

[0013] 以下、代表的な実施形態を示す添付の図面を参照して本教示を説明する。しかしながら、本教示は異なる形態で具体化されてもよく、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は教示例として提供している。

[0014] 一般に、様々な実施形態によれば、本明細書で使用する用語は特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、限定することを意図するものではないことを理解されたい。定義された用語はいずれも、本教示の技術分野において一般に理解され受け入れられている、定義された用語の技術的及び科学的意味に加わるものである。

[0015] 本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用する場合、「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」という語は、文脈が明らかに別途指示しない限り、単数及び複数の指示対象の両方を含む。したがって、たとえば、「デバイス（ａ ｄｅｖｉｃｅ）」は、１つのデバイス及び複数のデバイスを含む。

[0016] 別段の記載がない限り、要素又は構成要素が他の要素又は構成要素に「接続される」、「結合される」と記述する場合、その要素又は構成要素は、他の要素又は構成要素に直接接続し、直接結合することができ、或いは介在要素又は構成要素が存在し得ることは理解されよう。すなわち、これら及び類似の用語は、２つの要素又は構成要素を接続するために１つ又は複数の中間要素又は構成要素が採用され得る場合を包含する。しかしながら、要素又は構成要素が他の要素又は構成要素に「直接接続される」と述べる場合、これは、２つの要素又は構成要素が中間又は介在要素又は構成要素なしで互いに接続される場合のみを包含する。

[0017] また、「実質的な」又は「実質的に」という用語は、それらの通常の意味に加えて、当業者にとって許容可能な限度又は程度内であることを意味することは理解されよう。たとえば、「実質的にキャンセルされる」とは、当業者であればキャンセルが許容可能であると見なすことを意味する。同様に、「約」という用語は、その通常の意味に加えて、当業者にとって許容可能な限度内又は量以内であることを意味する。たとえば、「ほぼ同一」とは、当業者であれば比較される項目が同一であると見なすことを意味する。

[0018] 方向を示す語句及び相対的な語句は、添付の図面に示すように、様々な要素の互いに対する関係を説明するために使用され得る。これらの語句は、図面に示した向きに加えて、デバイス及び／又は要素の異なる向きを包含するものとする。

[0019] これらの図において同様の番号が付けられた要素は、同等の要素であるか、又は同一の機能を実行する。以前に論じた要素は、機能が等価である場合、以後の図において必ずしも論じない。

[0020] 最初に、医療画像は、超音波撮像プローブを使用して得られるような２Ｄ又は３Ｄ画像と、超音波撮像プローブからの超音波信号の画像フレームに対する医療器具の位置とを含むことに留意されたい。

[0021] 代表的な実施形態によれば、医療処置を実行するための装置は、入射した超音波信号を電気信号に変換するセンサを備える。センサは下部電極及び上部電極を備え、上部電極は電気信号を超音波撮像プローブの電極に送信する。

[0022] 他の代表的な実施形態によれば、超音波システムは、関心領域に超音波を照射する超音波撮像プローブと、医療処置を実行する装置とを備える。装置は、入射した超音波信号を電気信号に変換するセンサを備える。センサは下部電極及び上部電極を備え上部電極は電気信号を超音波撮像プローブの電極に無線で送信する。超音波システムは、超音波撮像プローブ及び装置から離れた制御ユニットであって、超音波撮像プローブから画像を提供する、制御ユニットをさらに備える。制御ユニットは、装置の位置を画像上に重ね合わせるプロセッサを備える。

[0023] 図１Ａ及び図１Ｂに、例示的かつ非限定的な例として、双方向ビーム形成（図１Ａ）と、一方向のみのビーム形成（図１Ｂ）との比較を提供する。

[0024] 図１Ａを参照すると、双方向ビーム形成の代表例には、反射器１０６に当たる超音波信号を発するＮ個の素子１０４の撮像アレイ１０２が示されている。超音波は行き来する（撮像アレイから反射器へ、そして撮像アレイへ戻る）ので、このビーム形成は「双方向」又は「往復」ビーム形成である。（反射して戻ってきた超音波を）受信すると、ビーム形成によって、反射器１０６の反射率と、アレイ１０２に対する反射器の位置とが決定される。アレイ１０２は超音波ビーム１０８を送出し、これは反射器１０６で反射され、アレイ１０２の全ての素子１０４に戻る。ビームの飛行は、素子ｉについて、距離ｒ（Ｐ）＋ｄ（ｉ，Ｐ）にわたる。各素子１０４は戻り超音波の振幅を継続的に測定する。各素子１０４について、その測定値の最大値までの時間、すなわち「往復飛行時間」は総飛行距離を示す。飛行のｒ（Ｐ）脚（ｌｅｇ）は一定であるので、戻りの飛行距離ｄ（ｉ，Ｐ）が決定される。これらの測定値から、反射器１０６の相対位置が幾何学的に計算される。反射器１０６の反射率に関しては、全てのｉにわたって（すなわち、全ての素子１０４にわたって）最大値を合計することによって示すことができる。

[0025] 図１Ｂを参照すると、一方向のみの（受信）ビーム形成が示されている。なお、その名前が示すように、一方向ビーム形成ではエコーが存在するが、使用されない。そうではなく、超音波送信器１１０は超音波ビーム１１２を放射し、これはアレイ１０２の各素子１０４に入射する。ここでの飛行は、双方向ビーム形成の場合とは異なり、距離ｄ（ｉ，Ｐ）にわたる。超音波ビーム１１２を放射してから素子１０４で最大振幅が読み取られるまでの時間によって、その素子ｉについての値ｄ（ｉ，Ｐ）が決まる。したがって、超音波送信器１１０の位置は幾何学的に導出することができ、反射率は最大振幅の読み取り値を合計することによって計算することができる。

[0026] 上述のように、一方向ビーム形成は遅延ロジックを介して時間領域で実施可能であるが、よく知られているフーリエビーム形成アルゴリズムによって周波数領域で実施することもできる。

[0027] 本説明が続くにつれてより明確になるように、双方向ビーム形成はフレーム単位の画像を収集するために使用され、一方向ビーム形成は医療デバイス（総称的に装置と呼ばれることがある）の遠位端又はその付近に配置されたセンサの位置を決定するために使用される。

[0028] 図２は、本発明の代表的な実施形態による超音波システム２００を示す簡略概略ブロック図である。超音波システム２００はいくつかの構成要素を備え、それらの機能は以下でより十分に説明する。

[0029] 超音波システム２００は制御ユニット２０１を備え、これはディスプレイ２０３及びユーザインターフェース２０４に接続される。制御ユニット２０１はプロセッサ２０５を備え、これはメモリ２０６及び入出力（Ｉ／Ｏ）回路２０７に接続される。超音波システム２００はまた、超音波撮像プローブ２１１及び医療デバイス２１４を備える。

[0030] 制御ユニット２０１はビーム形成器２１０を備える。ビーム形成器２１０は、超音波撮像プローブ２１１から信号を受信するようになされる。超音波撮像プローブ２１１は、関心領域２１３の双方向（たとえば、パルス−エコー）撮像に使用される受信ビーム形成を実行するために超音波を検知するハードウェア２１２（すなわちトランスデューサハードウェア）に接続される。以下でより十分に説明するように、超音波撮像プローブ２１１は関心領域２１３を走査するようになされ、フレーム単位でラインごとにデジタルに構築される画像を提供する。

[0031] 制御ユニット２０１はクロック（ＣＬＫ）２０８（以下では第１のクロックと呼ばれることもある）をさらに備え、これはビーム形成器２１０の構成要素でもよい。クロック２０９はクロック信号をＩ／Ｏ回路に提供して、以下でより十分に説明するように、超音波システム２００へ分配し、そこで使用できるようにする。本説明が続くにつれてより明確になるように、クロック２０８は、超音波撮像プローブ２１１の画像フレームの座標系において生体内位置で医療デバイス２１４の位置を決定するのに有用である。

[0032] 医療デバイス２１４は、遠位端２１６又はその近く（すなわち、遠位端２１６から既知の距離）に配置されるセンサ２１５（図３参照）を備え、遠位端２１６は関心領域２１３内の目標位置に配置される。以下でより十分に説明するように、センサ２１５は、超音波撮像プローブ２１１によって提供された超音波ビームを電気信号に変換するようになされる。これらの電気信号は体を透過して送信され、超音波撮像プローブ２１１の検知電極２２０に入射する。検知電極２２０はこれらの電気信号をリンク２２１を介してＩ／Ｏ回路２０７に提供し、プロセッサ２０５はこれらを使用してセンサ２１５の位置を決定することによって、特定の画像フレーム内の画像の座標系における医療デバイス２１４の遠位端の位置を決定する。

[0033] 本説明が続くにつれてより明確になるように、制御ユニット２０１は例示的には、本明細書で開示した方法又はコンピュータベースの機能のうちの任意の１つ又は複数を制御ユニット２０１に実行させるために実行可能な命令セットを含むコンピュータシステムである。制御ユニット２０１は、独立型デバイスとして（たとえば、独立型超音波システムのコンピュータとして）動作し、又は、たとえば無線ネットワーク２０２を使用して他のコンピュータシステム若しくは周辺デバイスに接続される。一般に、ネットワーク２０２への接続は、一般には入出力回路の構成要素であるハードウェアインターフェースを使用して行われ、これについては後述する。

[0034] 本開示の様々な実施形態によれば、本明細書に記載の方法は、ソフトウェアプログラムを実行するハードウェアベースの制御ユニット２０１を使用して実施される。さらに、代表的な実施形態では、実装形態は、分散処理、コンポーネント／オブジェクト分散処理、及び並列処理を含むことができる。仮想コンピュータシステム処理は、本明細書に記載の方法又は機能のうちの１つ又は複数を実施するように構築することができ、本明細書に記載のプロセッサ２０５は仮想処理環境をサポートするために使用される。

[0035] 代表的な実施形態によれば、ディスプレイ２０３は、画像又はデータを表示するのに適した出力デバイス又はユーザインターフェースである。ディスプレイは視覚データ、音声データ、及び／又は触覚データを出力する。ディスプレイ２０３は、限定はしないが、コンピュータモニタ、テレビ画面、タッチスクリーン、触覚電子ディスプレイ、点字スクリーン、陰極線管（ＣＲＴ）、蓄積管、双安定ディスプレイ、電子ペーパー、ベクトルディスプレイ、フラットパネルディスプレイ、真空蛍光ディスプレイ（ＶＦ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイ、電子発光ディスプレイ（ＥＬＤ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオードディスプレイ（ＯＬＥＤ）、プロジェクタ、及びヘッドマウントディスプレイである。

[0036] ユーザインターフェース２０４は、臨床医又は他のオペレータが制御ユニット２０１、ひいては超音波システム２００と対話することを可能にする。ユーザインターフェース２０４は、情報又はデータをオペレータに提供し、及び／又は臨床医又は他のオペレータから情報又はデータを受け取り、臨床医又は他のオペレータからの入力を制御ユニット２０１によって受け取ることを可能にし、制御ユニット２０１からの出力をユーザに提供する。換言すれば、ユーザインターフェース２０４は、臨床医又は他のオペレータが制御ユニットを制御又は操作することを可能にし、制御ユニット２０１が臨床医又は他のオペレータによる制御又は操作の効果を示すことを可能にする。ディスプレイ２０３又はグラフィカルユーザインターフェースへのデータ又は情報の表示は、オペレータに情報を提供する一例である。タッチスクリーン、キーボード、マウス、トラックボール、タッチパッド、ポインティングスティック、グラフィックタブレット、ジョイスティック、ゲームパッド、ウェブカメラ、ヘッドセット、ギアスティック、ステアリングホイール、ワイヤードグローブ、無線リモコン、及び加速度計によるデータの受信は全て、ユーザからの情報又はデータの受信を可能にするユーザインターフェース構成要素の例である。

[0037] 当業者には理解されるように、ユーザインターフェース２０４は、ディスプレイ２０３のように、例示的にはハードウェアインターフェース（図示せず）及びＩ／Ｏ回路２０７を介して制御ユニット２０１に結合される。ハードウェアインターフェースは、プロセッサ２０５が超音波システム２００の様々な構成要素とやり取りすると共に、外部のコンピューティングデバイス（図示せず）及び／又は装置を制御することを可能にする。ハードウェアインターフェースは、プロセッサ２０５が超音波システム２００の様々な構成要素、並びに外部のコンピューティングデバイス及び／又は装置に制御信号又は命令を送ることを可能にする。ハードウェアインターフェースはまた、プロセッサ２０５が超音波システムの様々な構成要素、並びに外部のコンピューティングデバイス及び／又は装置とデータを交換することを可能にする。ハードウェアインターフェースの例は、限定はしないが、ユニバーサルシリアルバス、ＩＥＥＥ１３９４ポート、パラレルポート、ＩＥＥＥ１２８４ポート、シリアルポート、ＲＳ−２３２ポート、ＩＥＥＥ−４８８ポート、ブルートゥース（登録商標）接続、無線ローカルエリアネットワーク接続、ＴＣＰ／ＩＰ接続、イーサネット（登録商標）接続、制御電圧インターフェース、ＭＩＤＩインターフェース、アナログ入力インターフェース、及びデジタル入力インターフェースを含む。

[0038] ネットワーク化された配置では、制御ユニット２０１は、サーバとして、若しくはサーバ−クライアントユーザネットワーク環境におけるクライアントユーザコンピュータとして、又はピアツーピア（又は分散）ネットワーク環境におけるピア制御ユニットとして動作する。制御ユニット２０１はまた、たとえば、定置型コンピュータ、モバイルコンピュータ、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、無線スマートフォン、セットトップボックス（ＳＴＢ）、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、全地球測位衛星（ＧＰＳ）デバイス、通信デバイス、制御システム、カメラ、ウェブ機器、ネットワークルータ、スイッチ若しくはブリッジ、又は他の任意の機械であって、その機械が取る行動を指定する命令セット（順次その他）を実行可能な機械などの様々なデバイスとして実装し、又はこれらに組み込むことができる。制御ユニット２０１は特定のデバイスとして、又はその中に組み込むことができ、特定のデバイスはさらなるデバイスを含む統合システム内にある。代表的な実施形態では、制御ユニット２０１は、音声、ビデオ又はデータ通信を提供する電子デバイスを使用して実装することができる。さらに、単一の制御ユニット２０１を図示しているが、「システム」という用語は、１つ又は複数のコンピュータ機能を実行するための１つ又は複数の命令セットを個別に又は共同で実行するシステム又はサブシステムの集合体も含むものとする。

[0039] 制御ユニット２０１用のプロセッサ２０５は有形かつ非一時的である。本明細書で使用する場合、「非一時的」という用語は、状態の永久的な特徴としてではなく、ある期間にわたって続く状態の特徴として解釈されるべきである。「非一時的」という用語は、いつでもどこでも一時的にしか存在しない特定の搬送波若しくは信号又は他の形態の特徴などの、つかの間の特徴を明確に否定するものである。

[0040] プロセッサ２０５は製造品及び／又は機械部品である。以下でより十分に説明するように、プロセッサ２０５は、本明細書の様々な代表的な実施形態に記載した機能を実行するためにソフトウェア命令を実行するように構成される。プロセッサ２０５は汎用プロセッサでもよく、又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の一部でもよい。プロセッサ２０５は、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサチップ、コントローラ、マイクロコントローラ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、ステートマシン、又はプログラマブルロジックデバイスでもよい。プロセッサ２０５は、たとえば、プログラマブルゲートアレイ（ＰＧＡ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、或いはディスクリートゲート及び／又はトランジスタロジックを含む他の種類の回路などのプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）を含む論理回路でもよい。プロセッサ２０５は、中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィック処理装置（ＧＰＵ）、又はその両方でもよい。加えて、プロセッサ２０５は、複数のプロセッサ、並列プロセッサ、又はその両方を含んでもよい。複数のプロセッサが超音波システム２００の単一のデバイス又は複数のデバイスに含まれてもよく、又は結合されてもよい。

[0041] 代替的には、代表的な実施形態によれば、上記で示唆したように、たとえば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックアレイ、及び他のハードウェアコンポーネントなどの専用ハードウェア実装形態は、本明細書に記載の方法又は処理のうちの１つ又は複数を実装するように構築することができる。本明細書に記載の１つ又は複数の代表的な実施形態は、２つ以上の特定の相互接続されたハードウェアモジュール又はデバイスを、モジュール間で及びモジュールを経由して伝達可能な関連する制御信号及びデータ信号と共に使用して、機能を実装してもよい。したがって、本開示はソフトウェア、ファームウェア、及びハードウェア実装形態を包含する。本出願のいかなるものも、有形非一時的プロセッサ及び／又はメモリなどのハードウェアなしで、ソフトウェアのみで実装される又は実装可能であると解釈されるべきではない。

[0042] メモリ２０６は製造品及び／又は機械部品であり、データ及び実行可能命令をコンピュータによって読み取ることが可能なコンピュータ可読媒体である。メモリ２０６は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、電気的プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ（登録商標））、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、テープ、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピーディスク、ブルーレイディスク、又は当技術分野で知られている他の任意の形態の記憶媒体である。メモリは揮発性又は不揮発性でもよく、セキュア及び／又は暗号化されてもよく、非セキュア及び／又は暗号化されていなくてもよい。

[0043] 一般に、メモリ２０６は、データ及び実行可能命令を記憶することができ、命令が記憶されている間は非一時的である有形記憶媒体を備える。さらに、メモリ２０６に記憶された命令は、プロセッサ２０５によって実行される場合、本明細書に記載の方法及び処理のうちの１つ又は複数を実行するために使用することができる。特定の実施形態では、命令はメモリ２０６内に完全に又は少なくとも部分的に存在する。なお、命令は、制御ユニット２０１による実行中にプロセッサ２０５内に存在する。

[0044] 図３、図４Ａ及び図４Ｂに関連して以下に説明する代表的な実施形態によれば、医療デバイス２１４の遠位端２１６の位置は、プロセッサ２０５によってセンサ２１５からの電気信号に基づいて決定される。この目的のために、メモリ２０６に記憶された命令はプロセッサ２０５によって実行され、それによって画像フレーム内のセンサ２１５（ひいては遠位端２１６）の位置、ひいては各フレームの画像の座標系における医療デバイス２１４の遠位端２１６の位置が決定される。命令がメモリ２０６に記憶される、遠位端２１６の位置を決定する１つの例示的な方法を、図４Ａ及び図４Ｂに関連して以下に説明する。プロセッサ２０５は、センサ２１５の位置を使用して、メモリ２０６に記憶された命令を実行して、画像フレーム内のセンサ２１５の位置、ひいては各フレームの画像に対する医療デバイス２１４の遠位端２１６の位置を重ね合わせる。

[0045] 入出力（Ｉ／Ｏ）回路２０７は、以下でより十分に説明するように、超音波システム１００の様々な構成要素から入力を受信し、プロセッサ２０５に出力を提供し、プロセッサ２０５から入力を受信する。入出力（Ｉ／Ｏ）回路２０７は、制御ユニット２０１の外部の要素及びデバイスへの通信を制御する。Ｉ／Ｏ回路２０７は、プロセッサ２０５への入力信号又はデータ、及びプロセッサ２０５からの出力信号又はデータを解釈するのに必要なロジックを含むインターフェースとして機能する。Ｉ／Ｏ回路２０７は、たとえば有線又は無線接続を介して、ビーム形成器２１０から取得されたライブ画像を受信するように構成される。Ｉ／Ｏ回路２０７はまた、検知電極２２０から電気信号を受信するように構成される。以下でより十分に説明するように、Ｉ／Ｏ回路２０７はこれらのデータをプロセッサ２０５に提供して、最終的に特定の画像フレームにおける医療デバイス２１４の遠位端２１６の位置を重ね合わせる。

[0046] 大まかに、動作においては、Ｉ／Ｏ回路２０７によってプロセッサ２０５に提供されたユーザインターフェース２０４からの入力に基づいて、プロセッサ２０５は超音波撮像プローブ２１１による走査を開始する。走査により、超音波が関心領域２１３にわたって放たれる。超音波を使用して、ビーム形成器２１０によりフレームの画像を形成し、医療デバイス２１４のセンサ２１５の位置を決定する。理解され得るように、その画像は双方向超音波送信シーケンスから形成され、関心領域の画像が、複数のトランスデューサによるサブビームの送信及び反射によって形成される。一方、これらのサブビームはセンサ２１５に入射し、センサ２１５は一方向超音波の方法で超音波信号を電気信号に変換する。図４Ａ及び図４Ｂに関連して以下に説明するように、超音波撮像プローブ２１１に提供されるフレーム及びライントリガ信号に基づいて、センサ２１５の位置が決定される。

[0047] 超音波撮像プローブ２１１からのフレームの画像と、そのフレーム内のセンサ２１５の重ね合わせ位置２１９とを含む合成画像２１８がディスプレイ２０３上に提供され、それによって関心領域２１３に対する医療デバイス２１４の遠位端２１６の位置のリアルタイムのフィードバックが臨床医に提供される。理解され得るように、センサ２１５の位置の重ね合わせは各フレームについて繰り返され、それによって特定のフレームの画像に対するセンサ２１５の位置２１９の完全なリアルタイムの生体原位置での重ね合わせが可能になる。

[0048] 図３は、代表的な実施形態による、医療デバイス３１４（装置と呼ばれることもある）を示す簡略概略ブロック図である。図１Ａ〜図２に関連して上述した医療デバイスの多くの詳細は、医療デバイス３１４の詳細に共通であり、医療デバイス３１４の説明では繰り返さない場合がある。

[0049] 医療デバイス３１４は、生検針若しくは治療針などの針、又は腹腔鏡若しくは外科用メスなどの医療器具を含むがこれらに限定されない、遠位端の位置が関心領域内の位置に対して相対的である、いくつかの医療デバイスのうちのいずれかであると考えられる。列挙された医療デバイスは例示的なものにすぎず、遠位端の決定を通じて臨床医に利益をもたらす他の医療デバイスが考えられることを強調しておく。

[0050] 図３を参照すると、医療デバイス３１４は、遠位端３１６に、又は遠位端３１６から既知の距離に配置されたセンサ３１５を備える。上述のように、センサ３１５は、入射した超音波（機械的な波）を電気信号に変換するようになされる。代表的な実施形態では、センサ３１５は、上部電極３０５と下部電極３０６との間に配置された圧電素子３０４を備える。なお、導電性部分を含む医療デバイス３１４の一部にセンサ３１５が配置される場合、医療デバイス３１４の導電性部分は下部電極として機能することができる。

[0051] 代表的な実施形態では、圧電素子３０４は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、及びジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの薄膜圧電材料を含む。代替的には、圧電素子３０４は圧電セラミック材料を含む。

[0052] 上部電極３０５及び下部電極３０６は、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）などの任意の適合する導電材料を含む。

[0053] 下部電極３０６は例示的には電気接地に接続され、上部電極３０５は送信器として機能する。超音波信号が入射すると、センサ３１５は機械的な波（エネルギー）を電波（エネルギー）に変換し、上部電極３０５は結果として生じた電気信号を体３０３の一部を透過して送信し、電気信号が検知電極３２０に入射する。

[0054] 医療デバイス３１４の遠位端３１６は、人又は他の動物の体などの体３０３内に配置される。超音波撮像プローブ３１１は、体３０３と周囲３０２との境界面（すなわち、体３０３の表面）に配置される。より簡単には、超音波撮像プローブ３１１、及び特にそのトランスデューサアレイ（図示せず）は、直接又は一般的に使用されるゲルを用いて体３０３の皮膚と接触し、それによって、トランスデューサアレイ及び体３０３の間の任意の音響インピーダンスの不整合が改善され、検知電極３２０、３２１及び体３０３の間の電気インピーダンスの不整合が改善される。

[0055] 超音波撮像プローブ３１１は、以下でより十分に説明するように、センサ３１５から体３０３を透過して送信された電気信号を受信するようになされる検知電極３２０を備える。検知電極３２０は、知られている心電図（ＥＣＧ）電極、又は他の電極である。なお、特定の実施形態では、ＥＣＧ又は類似の電極が検知電極３２０に使用された場合、そのような電極は超音波撮像プローブ３１１上に配置される必要はない。音波が圧電素子３０４によって検知されるのと実質的に同時に電気信号がセンサから送信されるので、超音波信号のタイミングは、検知電極３２０が配置される場所にかかわらず、圧電素子３０４の位置情報を提供する。しかしながら、検知電極３２０を超音波撮像プローブ３１１上に配置することによって、ユーザに利便性及び操作の簡潔性が提供される。

[0056] 検知電極３２０は、超音波撮像プローブ３１１のトランスデューサアレイに一体化され、又は超音波撮像プローブ３１１のトランスデューサのアレイに隣接して配置される。なお、センサ３１５からの電気信号の受信を確実にするために、超音波画像フレームにおける遠位端３１６の位置を決定するために有用な電気信号を制御ユニットに提供するのに十分な電気エネルギーを捕捉するために、検知電極３２０の面積は十分大きくなければならない。

[0057] 他の代表的な実施形態では、他の検知電極３２１が、検知電極３２０とは反対側に、超音波撮像プローブ３１１の超音波トランスデューサアレイに隣接して設けられる。さらに他の代表的な実施形態では、３つ以上の検知電極３２０、３２１を設けることができる。

[0058] 電気信号（たとえば、後述の電気信号３０９）を受信するための検知面積を増加させることによって、ただ１つの検知電極を有するよりも受信信号の電力を向上させることに加えて、検知電極３２０が適切に十分な電気信号を受信しない場合に、検知電極３２１は冗長性も提供する。

[0059] 理解され得るように、水性媒体（たとえば、体３０３）から金属導体（たとえば、検知電極３２０、３２１）へ伝導される電気信号はいずれも、回路を効果的に完成させるために典型的なＥＣＧ電極に含まれるＡｇ／ＡｇＣｌなどの酸化還元対を必要とする。さもなければ、未知の容量の二重層が形成され、これによりその電気インピーダンスの変動のために信号にノイズが導入される可能性がある。したがって、代表的な実施形態によれば、検知電極３２０、３２１は、信号対ノイズ（ＳＮＲ）比を改善するために適切な酸化還元対を含む。一方、他の材料を使用して検知電極を介してアンテナ機能を提供してもよいが、ＳＮＲは許容できないレベルまで妥協される場合がある。

[0060] 動作においては、フレームトリガ（図５Ｂ参照）及びライントリガ（図５Ｂ参照）は、超音波撮像プローブ３１１内のトランスデューサのアレイを励起させ、超音波信号３０８が超音波撮像プローブ３１１から体３０３内に放たれる。超音波信号３０８はセンサ３１５に入射し、センサ３１５は超音波信号３０８を電気信号３０９に変換する。電気信号３０９は、点源のように振る舞う上部電極３０５から体３０３を透過して放射され、検知電極３２０、３２１に入射する。理解され得るように、電気信号３０９は、超音波撮像プローブ３１１の超音波トランスデューサを励起する電気信号と実質的に同期している。したがって、これらの電気信号３０９は、制御ユニット２０１のプロセッサ２０５に送信することができる。代表的な実施形態によれば、電気信号３０９は超音波撮像プローブ３１１のチャネルとは別のチャネル（たとえばリンク２２１）で送信される。理解され得るように、複数のチャネルを使用すると、冗長性を通じてセンサ３１５の信頼性が向上する。なお、ただし、全てのチャネルが同時に機能している必要はない。

[0061] 図４は、人体組織の電気リアクタンス対電気インピーダンスのグラフ表示である。

[0062] 図４を参照すると、人体組織及び器官の電気インピーダンス（生体インピーダンス）は、図４のようなＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットによって記述されることが多く、これは抵抗に対してプロットされた組織のリアクタンスを示すものである。なお、曲線は人によって変化するので、電気信号の周波数はプロットで省略されている。実質的に全ての人にとってリアクタンスが非常に小さい原点に向かう周波数は、超音波周波数が位置する場所である。なお、曲線４０１及び４０２は、それぞれ人体組織の試験試料及び対照試料のリアクタンス対抵抗を示す。

[0063] 曲線４０２又は４０４は、臨床医が生体インピーダンスを使用して多くの分野において患者の状態を解釈することができる、生理学的に意義のあるリアクタンス対抵抗の範囲である。曲線４０１又は４０３は、単一周波数の生体インピーダンス測定を行うことができる良好な信号対ノイズ比を有する範囲内にある。曲線４０４又は４０３は、実際には、完全なスペクトルのＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット走査内以外では、単独でほとんど使用されない限界である。

[0064] 図４を検討すると、機械的な波を電磁波に変換するセンサによって生成される超音波周波数の電波は、その移動距離に関する典型的な逆二乗則以外には実質的に影響を受けずに体内を通過するはずであるということを観察することができる。超音波周波数では、人体組織のリアクタンス及び抵抗の両方がこの値まで低下する。体内組織は実質的に透明になり、超音波周波数の電波は体内を容易に通過する。なお、生体インピーダンス機器は１００Ω以下のデータを取得することができない場合が多い。

[0065] 典型的な人体組織は、約１．０ＭＨｚより高い周波数で純粋に抵抗性になる。そのような周波数範囲では、生体インピーダンスは非常に小さく、電気信号はほとんど減衰せずに体内を自由に伝搬する。超音波インピーダンスもこの周波数領域に入る。当然ながら、超音波は機械的な波であり、トランスデューサが存在する領域空間を除いて電気信号と相互作用しない。

[0066] 代表的な実施形態によれば、センサ３１５によって提供される超音波から電気信号への変換によって、有益なことに約１．０ＭＨｚより高い周波数を有する電気信号３０９がもたらされ、リアクタンスは一般に約１００オーム未満となる。例示的には、センサ３１５に提供された超音波信号３０８は、有益なことに、リアクタンスが約０オームから約１００オーム未満の範囲となるような周波数を有する電気信号３０９に変換される。

[0067] 図５Ａは、代表的な実施形態の超音波システムを使用する、複数の超音波ビームを使用するフレーム走査５００を示す概念図である。図５Ｂは、代表的な実施形態による医療デバイスのフレームトリガ信号、ライントリガ信号、及び受信センサ信号の相対的なタイミングを示す。図１Ａ〜図３Ｂに関連して上述した医療デバイスの多くの詳細は、図５Ａ〜図５Ｂの概念図及びタイミング図の詳細に共通であり、それらの説明では繰り返されない。

[0068] 図５Ａを参照すると、遠位端３１６に、又は遠位端３１６から既知の距離にセンサ３１５を有する医療デバイス３１４は、たとえば、体内の関心領域に生体内位置に近接して提供される。複数の超音波トランスデューサ５０１_１〜５０１_Ｎはそれぞれ、関心領域にわたる走査においてそれぞれの超音波ビーム（ビーム１〜ビームＮ）を生成する。図５Ｂに示すように、走査の開始時に提供されるフレームトリガ（たとえば、第１のフレーム）によって、関心領域が走査され、画像フレームが提供される。知られているように、走査は超音波トランスデューサ５０１_１から５０１_Ｎまで順次的でもよく、次のフレームにおいてシーケンスが繰り返されて、次の画像フレーム（フレーム２）が生成される。また、各超音波ビーム（ビーム１〜ビームＮ）はそれぞれのライントリガによってトリガされ、連続する各ビームは次のライントリガの受信時に終了される。

[0069] 図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第１のフレーム走査（フレーム１）はフレームトリガによって開始され、第１の超音波トランスデューサ５０１_１は第１のライントリガ（ライン１）で励起される。次に、第２の超音波トランスデューサ５０２が第２のライントリガで励起される（ライン２）。上記のように、このシーケンスは第１のフレームの終わりまで続き、この時点で第２のフレーム走査（フレーム２）が第２のフレームトリガによって開始され、これは第２の／次のフレームの第１のライントリガと一致する。第１のライントリガ（ライン１）で第１の超音波トランスデューサ５０１_１を励起することによってシーケンスが新たに始まり、続いて、第２の超音波トランスデューサ５０２が第２のフレームの第２のライントリガ（図示せず）で励起され、２番目のフレームが終了するまで続く。図５Ａ及び図５Ｂに見られるように、信号（たとえば、超音波信号３０８、図３参照）は、ライントリガｎ＋１と一致する時刻にセンサ３１５で受信され、最大振幅はラインｎ＋１に沿った時刻Δｔに受信される。この信号は第１のフレームに対するセンサ３１５の位置を決定するために使用され、それを受信した特定の時刻のフレームの画像上に重ね合わせられ、それによって第１のフレーム画像（たとえば、超音波撮像プローブ２１１からのフレームの画像と、センサの重ね合わせ位置２１９とを含む合成画像２１８）の座標系の特定の座標（ｘ，ｙ）において重ね合わせられる。

[0070] 代表的な実施形態では、上記のように、第１のフレームの座標系におけるセンサ３１５の位置は、コンソール／制御ユニットのプロセッサ（たとえば、プロセッサ２０５）において決定される。センサ３１５は電気信号３０９を送信し、これは検知電極３２０、３２１で受信され、専用チャネルを介してプロセッサ２０５に提供される。これらのデータはプロセッサ（たとえば、プロセッサ２０５）に提供され、メモリ（たとえば、メモリ２０６）に記憶された命令はプロセッサによって実行されて、画像フレーム内のセンサ３１５の位置が決定され、第１のフレームの画像に対するセンサ３１５の位置、ひいては医療デバイス３００の遠位端の位置が重ね合わせられる。

[0071] 理解され得るように、フレーム及びライントリガのタイミングは同一クロック２０８によって送信されるので、センサ３１５からの信号の受信時刻（おそらくはその最大振幅の時刻）を測定することによって、トランスデューサアレイのトランスデューサの位置（ひいてはフレーム画像）に対するセンサ３１５の位置を、単純な速度／時間計算によって決定することができる。なお、当業者には理解されるように、電気信号３０９は導電体と比較して人体組織内をより低速に進むので、検知電極３２０、３２１で受信される電気信号３０９にはわずかな遅延（１マイクロ秒未満）があり、これはプロセッサ２０５によって実行されるメモリ２０６に記憶された命令によって考慮される。しかしながら、電気信号は人体組織内では依然として超音波よりも１０００倍以上速く進むので、超音波エコーのかなり前に、又は超音波エコーが弱すぎて検出できない領域から、電気信号３０９を検出することができる。

[0072] この代表的な実施形態では、送信超音波に対する戻りＲＦ信号のタイミングに基づいて、センサ３１５のｘ、ｙ座標が分かる。したがって、ｎ＋１トランスデューサに対するセンサ３１５のｘ、ｙ座標が分かり、その位置は、結果として得られた第１のフレーム画像の座標系にマッピングされる。したがって、コンソール／制御ユニットのプロセッサ２０５は、センサ３１５の位置を決定し、メモリに記憶された命令を実行することによって、位置２１９をフレーム画像２１８上に重ね合わせる。

[0073] 開示した実施形態に対する他の変形例は、当業者によって特許請求した発明を実施する際に、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲を検討することから理解し、実現することができる。特許請求の範囲において、「備える」という語は他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数を排除するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、特許請求の範囲に記載のいくつかの項目の機能を果たしてもよい。特定の措置が相異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの措置の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給される光記憶媒体又は固体媒体などの適切な媒体に記憶／配布されてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線電気通信システムを介するなど、他の形態で配布されてもよい。特許請求の範囲中のいかなる参照符号も、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (16)

1. 医療処置を実行するための装置であって、前記装置は、
   入射した超音波信号を電気信号に変換するセンサであって、下部電極及び上部電極を備え、前記上部電極は前記電気信号を超音波撮像プローブの電極に無線で送信する、センサ
   を備える、装置。
2. 前記センサは前記装置の端部に配置される、請求項１に記載の装置。
3. 前記センサは体内に配置されるのに適合していて、前記超音波撮像プローブの前記電極は体の表面に配置されるのに適合している、請求項１に記載の装置。
4. 前記電気信号は、前記電気信号が通過する媒体の電気リアクタンスが約１００オーム未満となる、選択された周波数を有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記電気リアクタンスは、約０オームから約１００オームの範囲である、請求項１に記載の装置。
6. 前記下部電極は前記装置の一部であり、前記上部電極は前記センサの一部である、請求項１に記載の装置。
7. 前記センサは、前記下部電極と前記上部電極との間に配置される圧電素子を備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記圧電素子はフィルム圧電材料を含む、請求項７に記載の装置。
9. 前記圧電素子は圧電セラミック材料を含む、請求項７に記載の装置。
10. 前記下部電極は、前記圧電素子と前記装置との間に配置される、請求項７に記載の装置。
11. 関心領域に超音波を照射する超音波撮像プローブと、
    医療処置を実行する装置であって、入射した超音波信号を電気信号に変換するセンサを備え、前記センサは下部電極及び上部電極を備え、前記上部電極は前記電気信号を前記超音波撮像プローブの電極に無線で送信する、装置と、
    前記超音波撮像プローブ及び前記装置から離れ、前記超音波撮像プローブから画像を提供する制御ユニットであって、前記装置の位置を前記画像上に重ね合わせるプロセッサを備える、制御ユニットと
    を備える、超音波システム。
12. 前記制御ユニットは、フレームの画像に対する前記センサの位置を決定し、前記フレームの座標系において前記フレームの前記画像上に前記センサの前記位置を重ね合わせるプロセッサを備える、請求項１１に記載の超音波システム。
13. 前記超音波撮像プローブの前記電極は、前記センサの前記位置の前記決定のために、前記超音波撮像プローブの前記電極からの電気信号を前記プロセッサに提供する、請求項１２に記載の超音波システム。
14. 前記超音波撮像プローブの前記電極は、前記超音波撮像プローブのチャネルとは別のチャネルに接続される、請求項１１に記載の超音波システム。
15. 前記制御ユニットは、クロック信号を生成するクロックをさらに備え、前記制御ユニットは、フレームにわたる超音波走査を開始するためのトリガ信号を前記超音波撮像プローブに提供する、請求項１２に記載の超音波システム。
16. 前記トリガ信号はフレームトリガ信号であり、前記クロックはさらにライントリガ信号を提供し、前記制御ユニットは、前記フレームトリガ信号及び前記ライントリガ信号を前記超音波撮像プローブに提供する、請求項１５に記載の超音波システム。
    

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