JP2020501769A - 高速且つ自動化された超音波プローブ校正のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

関連する超音波プローブの電磁（ＥＭ）追跡を校正するための装置であって、ＥＭ符号化空間内にＥＭ場を生成するように構成された場発生器を含むＥＭ追跡装置と、超音波プローブ上に配置されたＥＭセンサと、校正針と、校正針上に配置されたＥＭセンサと、少なくとも１つのプロセッサと、少なくとも１つのプロセッサによって読み取り可能で実行可能な命令を記憶する非一時的記憶媒体であって、超音波プローブを使用して測定時間における超音波画像形成空間における校正針の位置を決定することと、校正針上に配置されたＥＭセンサのＥＭ追跡装置によるＥＭ追跡から測定時間における校正針のＥＭ追跡位置を決定することと、測定時間における超音波画像形成空間における校正針の位置と、測定時間における校正針のＥＭ追跡位置とを関連付ける位置合わせを生成することと、を含むＥＭ追跡校正方法を実行するための非一時的記憶媒体を含む。［選択図］ 図１

Description

以下は、一般に、超音波技術、校正技術、プローブ追跡技術、電磁追跡技術、画像誘導医療処置技術、及び関連技術に関する。

追跡超音波（ＵＳ：ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ）プローブ（電磁的に（ＥＭ）追跡されるＵＳプローブなど）が関与する医療処置では、プローブ上のＥＭトラッカー（ＥＭ ｔｒａｃｋｅｒ）をＵＳ撮像アレイに位置合わせする（ｒｅｇｉｓｔｅｒｅｄ：レジスターする）必要がある。このプロセスは「校正（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ：較正）」と呼ばれる。処置中の超音波画像の正しい解釈を保証するために、この校正は非常に正確でなければならない。

典型的なＵＳプローブ校正方法では、ユーザは、組織模倣（ｔｉｓｓｕｅ−ｍｉｍｉｃｋｉｎｇ）ファントム又は水ファントムに挿入されたＥＭ追跡針の先端を（例えば、マウス・クリックを使用して）手動で識別し、一方、ＥＭ追跡システムは、ＥＭセンサの対応する位置を記録する。静的基準ＥＭセンサの位置と向きも記録される。次に、下式を用いて、ＵＳ撮像アレイとＵＳプローブ上のＥＭセンサ（Ｔ_{ＵＳ→ＰｒｏｂｅＥＭ}）との間の位置合わせが得られる。

ｐ_ＵＳ（ｘ，ｙ，０）が２Ｄ ＵＳ画像上でユーザによってクリックされた針先端である場合、ｐ_ＥＭ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ユーザ・クリック時にＥＭ追跡システムによって保存された針ＥＭセンサ（針先端に校正された）の３Ｄ位置であり、Ｔ_{ＮｅｅｄｌｅＥＭ→ＲｅｆＥＭ}は、針ＥＭセンサから静的基準センサへの既知の変換であり、Ｔ_{ＰｒｏｂｅＥＭ→ＲｅｆＥＭ}は、ＵＳプローブ上のＥＭセンサから静的基準センサへの既知の変換である。ＥＭ場発生器（ＦＧ）は、（特定の基準センサの代わりに）他のすべての追跡された量が変換される基準座標系として機能することもできる。

現在のＵＳ追跡技術は、画像プローブのビームが視野（ＦＯＶ）を掃引するときに超音波センサが受信した信号を分析することによって、従来のＵＳ Ｂモード画像診断のＦＯＶにおいて追跡された外科ツール上に取り付けられたパッシブ超音波センサ（例えば、ＰＺＴ、ＰＶＤＦ、コポリマー又は他の圧電材料）の位置を推定する。飛行時間測定（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）は、撮像アレイからのパッシブ超音波センサの軸方向／半径方向の距離を提供し、一方、振幅測定及びビーム照射シーケンスの知識は、センサの横方向／角度位置を提供する。３Ｄトランスデューサ（すなわち、２Ｄマトリックス・アレイ）と共に使用される場合、センサの仰角位置（ｅｌｅｖａｔｉｏｎａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）も同様の方法で得ることができる。従って、センサの３Ｄ位置は、それが撮像トランスデューサのＦＯＶ内に存在するならば、リアルタイムで推定することができる。

ＵＳプローブ校正を実行する現在の方法は、通常、手動で主観的であり、従って、実行に時間がかかり、退屈であることを除いて、誤差を起こしやすい。上記式（１）に関して、針先端のユーザ識別（すなわち、ｐ_ＵＳ（ｘ，ｙ，０））における誤差は、プローブ校正Ｔ_{ＵＳ→ＰｒｏｂｅＥＭ}の推定における誤差に伝播する。

高精度を保証しつつ、現在の方法に関連する主観性を排除し、追跡したＵＳプローブを校正するための高速で自動化された方法を、以下で提案する。

介入処置には、診断及び／又はナビゲーション・ガイダンスのためのマルチモーダルな画像プロトコルがしばしば含まれる。例えば、磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）は、主に診断、セグメンテーションなどのための処置前画像診断法として用いることができ、超音波（ＵＳ）は、処置中ガイダンスとして用いることができる。このような場合、処置中ＵＳ（最も多いのは二次元（２Ｄ））は、処置前のＭＲＩと位置合わせをしなければならない。このような介入処置において超音波画像を空間的に正確に解釈するために、追跡システムは、典型的には電磁（ＥＭ）追跡システムが使用される。ＥＭ追跡では、電磁場発生器は、ＥＭ符号化空間を生成するように空間的に変化する低強度電磁場を生成する。静的基準ＥＭセンサがこの場に配置され、プローブＥＭセンサが超音波プローブに取り付けられる。空間的に符号化されたＥＭ場によって各センサに小さな電流が誘導され、ＥＭ基準センサの位置又はＥＭ場発生器（ＦＧ）が参照されるＥＭ場の位置を決定するために使用される。このようなＥＭ追跡システムは、例えば、カナダのオンタリオ州ノーザン・デジタル（Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．）（ＮＤＩ）社のオーロラＥＭ追跡システム（Ａｕｒｏｒａ ＥＭ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）などが、市販されている。

超音波画像を正しく空間的に解釈するためには、超音波画像を超音波プローブ上のＥＭセンサの位置に空間的に位置合わせする必要がある。これは変換Ｔ_{ＵＳ→ＰｒｏｂｅＥＭ}として定義され、ＰｒｏｂｅＥＭはＵＳプローブ上のＥＭセンサの位置を示す。現在、これは手作業で行われている。針先端又はその近くのＥＭセンサを含む校正針（そして報告されたＥＭ位置が針先端の位置であるように、針先端に校正された）は、ＥＭ追跡によって追跡されながら超音波によって撮像される。超音波画像では、ユーザは手動で針先端の位置をマークする。手動のユーザ・クリック時に針ＥＭセンサのＥＭ位置を記録し、その関係を以下に示す。

ＵＳ画像位置プローブＥＭセンサ位置変換Ｔ_{ＵＳ→ＰｒｏｂｅＥＭ}に対して解く。次に、変換Ｔ_{ＵＳ→ＲｅｆＥＭ}＝Ｔ_{ＰｒｏｂｅＥＭ→ＲｅｆＥＭ}×Ｔ_{ＵＳ→ＰｒｏｂｅＥＭ}は、基準ＥＭセンサ（ここで、Ｔ_{ＰｒｏｂｅＥＭ→ＲｅｆＥＭ}は、ＵＳプローブ上のＥＭセンサから静的基準ＥＭセンサへの既知の変換である）を参照して超音波画像を位置決めする。

このアプローチにはいくつかの欠点がある。これは、特に、上述のプロセスが、好ましくは、空間を精密にまとめる（ｍａｐ ｏｕｔ）ためには十数箇所以上の異なる位置について繰り返されるので、労働集約的である。さらに、超音波画像掃引の二次元（２Ｄ）平面において、操作者／ユーザによって針先端が正確に位置決めされない場合、誤差が生じる可能性がある。

本明細書に開示されている改良は、既存の追跡システム、方法などの前述の欠点及び他の欠点に対処するものである。

１つの説明の役に立つ例によると、関連する超音波プローブの電磁（ＥＭ）追跡を校正するための装置であって、ＥＭ符号化空間内にＥＭ場を生成するように構成された場発生器を含むＥＭ追跡装置と、前記超音波プローブ上に配置されたＥＭセンサと、校正針と、
前記校正針上に配置されたＥＭセンサと、少なくとも１つのプロセッサと、前記少なくとも１つのプロセッサによって読み取り可能で実行可能な命令を記憶する非一時的記憶媒体であって、前記超音波プローブを使用して測定時間における超音波画像形成空間における校正針の位置を決定することと、前記校正針上に配置された前記ＥＭセンサの前記ＥＭ追跡装置によるＥＭ追跡から前記測定時間における前記校正針のＥＭ追跡位置を決定することと、前記測定時間における前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置と、前記測定時間における前記校正針の前記ＥＭ追跡位置とを関連付ける位置合わせを生成することと、を含むＥＭ追跡校正方法を実行するための非一時的記憶媒体と、を含む。

別の説明の役に立つ例によると、関連する超音波プローブの追跡を校正するための装置であって、追跡空間内で追跡センサを位置決めするように構成された追跡装置と、前記超音波プローブ上に配置された超音波プローブ追跡センサと、校正針と、前記校正針上に配置された校正針追跡センサと、少なくとも１つのプロセッサと、少なくとも１つのプロセッサによって読み取り可能で実行可能な命令を記憶する非一時的記憶媒体であって、前記超音波プローブを使用して測定時間における超音波画像形成空間における前記校正針の位置を決定することと、前記校正針上に配置された前記校正針追跡センサの前記追跡装置による追跡から前記測定時間における前記校正針の追跡位置を決定することと、前記測定時間における前記超音波画像形成空間における前記校正針の位置と、前記測定時間における前記校正針の前記追跡位置とを関連付ける位置合わせを生成することと、を含む追跡校正方法を実行する、非一時的記憶媒体と、を含む。

別の説明の役に立つ例によると、関連する超音波プローブの追跡を校正するための装置であって、追跡空間内で追跡センサを位置決めするように構成された追跡装置と、前記超音波プローブ上に配置された超音波プローブ追跡センサと、校正針と、校正針上に配置された校正針追跡センサと、前記校正針上に配置された超音波トランスデューサと、少なくとも１つのプロセッサと、少なくとも１つのプロセッサによって読み取り可能で実行可能な命令を記憶する非一時的記憶媒体であって、前記超音波プローブによって異なる向きに放射された複数の超音波ビームを含む超音波掃引を行うことと、超音波掃引中の前記超音波トランスデューサの超音波処理に応答して前記超音波トランスデューサによって生成されたトランスデューサ信号を検出することと、前記検出されたトランスデューサ信号のタイム・スタンプとしての測定時間の決定することと、前記超音波トランスデューサを超音波処理した前記超音波ビームの向きから前記測定時間における超音波画像形成空間における前記校正針の位置を決定し、測定時間を前記超音波トランスデューサを超音波処理した超音波ビームのトリガ時間及び前記超音波ビームに沿った飛行時間と比較することと、前記校正針上に配置された前記校正針追跡センサの追跡装置による追跡から測定時間における校正針の追跡位置を決定することと、前記測定時間における前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置と、前記測定時間における前記校正針の追跡位置とを関連付ける位置合わせを生成することと、を含む追跡校正方法を実行する、非一時的記憶媒体と、を含む。

１つの利点は、超音波プローブの校正をより速く且つ自動化することにある。

別の利点は、超音波プローブ校正における誤差を減少させることにある。

本開示のさらなる利点は、以下の詳細な説明を読んで理解することにより、当業者には理解されるであろう。所与の実施形態は、これらの利点が無いか、又は１つ、２つ、又はそれ以上を提供し得ることが理解されるであろう。

本開示は、構成要素の種々の構成要素及び配置、ならびにステップの種々のステップ及び配列において形態をとることができる。図面は、好ましい実施形態を説明するためのものであり、本発明を限定するものと解釈すべきではない。
一態様による、超音波プローブの追跡プロセスを校正するための装置を図式的に示す。 図１の装置の校正針を図式的に示す。 図１の装置の校正プロセスの例示的なフローチャートである。 図３の校正プロセスの代替操作の例示的なフローチャートである。 図３の校正プロセスの代替操作の例示的なフローチャートである。 図３の校正プロセスの代替操作の例示的なフローチャートである。 図３の校正プロセスの代替操作の例示的なフローチャートである。 針がプローブに対して移動される図１の装置の校正プロセスを図式的に示す。 プローブが針に対して移動される図１の装置の校正プロセスを図式的に示す。 図３の同期動作を実行するための補間アプローチを示す。 図３の同期動作を実行するための補間アプローチを示す。 図１の装置のプローブ又は針の位置の画像フレーム対針のセンサ信号の大きさのグラフを示す。

本明細書に開示されるいくつかの実施形態は、超音波画像における針先端の手動ラベル付けを、自動化されたプロセスで置き換える。一実施形態では、校正針先端（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｎｅｅｄｌｅ ｔｉｐ）は、超音波掃引中に超音波処理されることに応答して、信号を放射する追加の超音波トランスデューサを加えることによって修正される。このトランスデューサ信号は、タイム・スタンプされ、記録され、タイム・スタンプされたＥＭデータと同期される。超音波掃引は、各超音波ビーム放射の開始を示すトリガ信号を出力することを含み、従って、２Ｄ超音波掃引平面内のトランスデューサの位置は、どのビームがトランスデューサにビームの「飛行時間」と共にトランスデューサを超音波処理したかに基づいて決定される（リターン・エコーが使用されないため、超音波画像化のエコー時間の実質的な半分）。超音波画像内の手動でラベル付けされた位置の代わりに、ＵＳ画像内のこの自動的に決定された位置が使用される。

別の実施形態では、針配置超音波トランスデューサの代わりに、他のオプションを使用することができる。１つのアプローチでは、トランスデューサは、パッシブ（受動型）超音波反射器（ｐａｓｓｉｖｅ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）で置き換えられ、超音波プローブを使用して受信モードでエコーが検出される。例えば、校正針上に配置された超音波センサは、超音波プローブから放射された超音波ビームを「リッスン（ｌｉｓｔｅｎｓ）」し、超音波プローブによって検出され得る音響パルスを再放射する。別のアプローチでは、針先端は超音波画像において可視であるように設計され、画像処理は、超音波画像における針の位置を検出するために使用される。

針先端が２Ｄ超音波掃引平面内に正確に存在しない可能性があるという問題に対処するためには、針先端を２Ｄ平面に対してほぼ横方向に直線的に移動させることができるか、又は超音波プローブを揺動させるか又は直線的に移動させて、２Ｄ平面が静止針先端を横切って掃引させるかのいずれかである。次いで、針先端からの信号（主実施形態におけるトランスデューサ信号、又は代替実施形態における超音波エコー強度又は画像コントラスト）が最大である超音波掃引を校正に使用する。針先端又は超音波プローブの必要な動きは、ロボット装置によって提供することができ、又は、タイム・スタンプされたデータが記憶され、次いで、最も強い信号を提供する掃引が遡及的に識別され得るので、手動で行うことができる。

これから図１を参照すると、関連する超音波プローブ１２の電磁（ＥＭ）追跡を校正するための装置１０の概略図が示されている。装置１０は、ＥＭ追跡装置１４と、校正針１６と、超音波プローブ１２上に配置されたＥＭセンサ１８と、少なくとも１つのコンピュータ２０（及び、任意選択で、超音波プローブ１２に対して校正針１６を移動させるように構成されたロボット装置２１）とを含み、これらの各構成要素は、以下により詳細に説明される。

ＥＭ追跡装置１４は、追跡空間内で１つ以上の追跡センサを位置決めする（ｌｏｃａｔｅ）ように構成される。一例では、ＥＭ追跡装置１４は、超音波プローブ１２と校正針１６の両方を含むＥＭ符号化追跡空間内にＥＭ場を生成するように構成された場発生器２２を含む。ＥＭ追跡装置１４はまた、任意選択で、ＥＭ符号化空間内に配置された基準ＥＭセンサ２４を含む。ＥＭ追跡装置１４は、ＥＭ符号化追跡空間内の追跡ＥＭセンサ（例えば、校正針１６上に配置された校正針ＥＭセンサ２６及び／又は超音波プローブ１２上に配置されたプローブＥＭセンサ１８）を、基準ＥＭセンサ２４に対して、又は場発生器２２に対して位置決めするように構成される。ＥＭ追跡装置１４は、オーロラ電磁追跡システム（カナダ、オンタリオ州、ウォータールーのノーザン・デジタル社から市販されている）のような市販の任意のＥＭ追跡装置であってもよく、又は特注の装置であってもよい。

校正針ＥＭセンサ２６は、ＥＭ追跡装置１４によって生成されたＥＭ場を検出するように構成される。少なくとも１つの超音波トランスデューサ２８もまた、校正針１６上に配置され、超音波プローブ１２による針先端の超音波処理（ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ）を検出するように構成される。ここでは、ＥＭ追跡について説明するが、校正針の位置を追跡することができる任意の他の追跡システムを使用することができる。例えば、校正針１６は、光学追跡装置（図示せず）によって追跡される反射型エコー発生追跡センサ２９を代替的に含んでもよい。

次に、図２に示す一実施形態を参照すると、校正針１６は、針本体の第１の端部に配置された針先端３２と、針本体の第２の対向端部に配置された配線ハブ３４とを有する針本体３０を含んでもよい。ＥＭセンサ１８（図２には示されていない）は、針先端３２に、又は針本体３０の内部内の針先端３２から既知の距離に配置されてもよく、又は針本体の壁に一体化されてもよい。ＥＭセンサ１８は、ＥＭ追跡装置１４によって生成されたＥＭ場を検出するように構成されている。超音波トランスデューサ２８はまた、針先端３２から既知の距離に配置される。ＥＭセンサ１８及び超音波トランスデューサ２８の相対位置は、演繹的に既知であると仮定され、例えば、針の直交Ｘ線又は蛍光透視法又はＣＴ画像を用いて空間的に位置合わせされる（あるいは、ＥＭセンサ及びＵＳセンサの位置の両方が針先端に位置合わせされる）。好ましくはプローブ本体３０の内部の配線３８は、例えばハブ３４を配線貫通接続（ｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈ）として使用して、ＥＭセンサ１８及び超音波センサ２８に接続する。

図１を参照すると、少なくとも１つのコンピュータ２０は、少なくとも１つのディスプレイ構成要素４２、少なくとも１つのユーザ入力構成要素４４、本明細書に開示される校正機能を実行するようにプログラムされた少なくとも１つの電子プロセッサ５０（例えば、マイクロプロセッサ、マルチコア・マイクロプロセッサなど）などの典型的な構成要素を含む。いくつかの例では、ディスプレイ４２は、タッチセンサー・ディスプレイとすることができる。ユーザ入力構成要素４４は、マウス、キーボード、スタイラス、前述のタッチセンサー・ディスプレイ、マイクロホン、及び／又は同様のものとすることができる。

次に図３を参照すると、少なくとも１つのプロセッサ５０は、ＥＭ符号化空間内の超音波プローブ１２のＥＭ追跡校正方法１００を実行するようにプログラムされる。ステップ１０２において、超音波画像形成空間における校正針１６の位置は、超音波プローブ１２及び超音波トランスデューサ２８を使用して測定時間において決定される。これは式（１）の値ｐ_ＵＳ（ｘ，ｙ，０）である。ステップ１０４において、校正針１６の追跡位置（例えば、ＥＭ追跡位置）が、校正針１６上に配置されたＥＭセンサ２６の追跡装置１４による追跡（例えば、ＥＭ追跡）から測定時間において決定される。これは式（１）の位置ｐ_ＥＭ（ｘ，ｙ，ｚ）である。同時に、ＥＭ追跡システムは基準ＥＭセンサ２４の位置を監視している。これから変換Ｔ_{ＮｅｅｄｌｅＥＭ→ＲｅｆＥＭ}が決定される。ステップ１０６において、超音波プローブ１２上に配置されたＥＭセンサ１８の追跡装置１４による追跡（例えば、ＥＭ追跡）から、超音波プローブ１２の追跡位置（例えば、ＥＭ追跡位置）が測定時間において決定される。基準ＥＭプローブ２４の追跡位置と共にこれから、変換Ｔ_{ＰｒｏｂｅＥＭ→ＲｅｆＥＭ}が決定される。従って、ステップ１０８では、Ｔ_{ＵＳ→ＰｒｏｂｅＥＭ}に対して式（１）を解くことによって、測定時間における超音波画像形成空間における校正針１６の位置ｐ_ＵＳ（ｘ，ｙ，０）及び測定時間における校正針の追跡位置ｐ_ＥＭ（ｘ，ｙ，ｚ）とを関連付ける位置合わせ（Ｔ_{ＵＳ→ＰｒｏｂｅＥＭ}）が生成される。

図４〜図９に示すように、超音波プローブ１２を用いた測定時の超音波画像形成空間（ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｐａｃｅ）における校正針１６の位置ｐ_ＵＳ（ｘ，ｙ，０）を決定するステップ１０２は、様々な方法で実行することができる。一実施形態では、図４に示すように、ステップ１０２は、超音波プローブ１２（図１参照）の超音波トランスデューサ・アレイ４０によって放射された超音波ビーム３９によって超音波処理されたことに応答して超音波トランスデューサ２８によって放射された信号を検出することであって、測定時間は、検出された信号（１１２）のタイム・スタンプである、決定することと、超音波ビーム３９の向きから超音波画像形成空間内で校正針１６の位置を決定し、測定時間を超音波ビーム（１１４）のトリガ時間と比較することとを含む。この比較により、アレイ４０からトランスデューサ２８への超音波ビームの「飛行時間」が得られる。

別の実施形態では、図５に示すように、ステップ１０２は、超音波プローブ１２を使用して超音波掃引を行うこと（１１６）と、超音波プローブ１２を使用して、測定時間が検出された超音波反射のタイム・スタンプである超音波掃引に応答して校正針１６からの超音波伝送を検出すること（１１８）と、センサから超音波伝送を生じた超音波掃引の超音波ビームの向きから超音波画像空間における校正針１６の位置を決定し、測定時間をセンサから超音波伝送を生じた超音波掃引の超音波ビームのトリガ時間と比較すること（１２０）とを含む。この比較は、アレイ４０から校正針１６へ、そして超音波トランスデューサ・アレイ４０へ戻る超音波ビームの「エコー時間（ｅｃｈｏ ｔｉｍｅ）」を生じ、従って、前の実施形態の「飛行時間」の２倍である。

さらなる実施形態では、図６に示されるように、ステップ１０２は、撮像装置（例えば、図示しないが、超音波撮像装置）を使用して超音波画像形成空間内の超音波画像を取得すること（１２２）と、超音波画像内の校正針の画像を検出することによって、超音波画像形成空間内で校正針１６の位置を決定することであって、測定時間は、超音波画像内の校正針の画像の取得タイム・スタンプである、検出すること（１２４）とを含む。一例では、画像全体の取得時間が小さいという仮定の下で、画像の取得タイム・スタンプは画像の取得時間であり得る。別の例では、画像の取得タイム・スタンプは、（１１２で決定されたタイム・スタンプに類似の）校正針の超音波処理の正確な時間であり得、従って、より正確な時間値を提供する。超音波画像内の校正針１６の位置の決定には、画像内の校正針を表す既知のフィルタ・カーネルを用いた整合フィルタリングのような、任意の適切な画像セグメンテーション又は特徴認識技術を用いることができる。この例では、反射センサ２９は、校正針１６の先端にエコー発生ストリップ（ｅｃｈｏｇｅｎｉｃ ｓｔｒｉｐ）又はビーコンを備える。

前述では、ＥＭ追跡測定値及び超音波データの両方がタイム・スタンプされて、２つの測定値セット間の同期を可能にすると仮定されている。ＥＭと超音波のサンプリング時間間隔が同期しない場合、この同期は複雑になる可能性がある。これは、適切な内挿技術によって対処することができる。

前述の開示された校正技術は、校正針１６が、超音波プローブ１２の超音波トランスデューサ・アレイ４０によって生成された超音波ビーム内で位置すると仮定する。この仮定は、超音波トランスデューサ・アレイ４０が三次元（３Ｄ）アレイである場合には正しそうであるが、二次元（２Ｄ）アレイである場合にはあまり正しくないであろう。後者の場合、超音波プローブ１２及び校正針１６を比較的移動させるための自動化アプローチを使用して、校正針１６が２Ｄ超音波面内で最適に位置決めされるときを決定することができる。

図７に示すように、校正針１６の位置の最適化は、超音波プローブ及び校正針の複数の異なる相対位置で超音波プローブ１２を使用して校正針１６の候補位置を決定すること（１２６）と、候補位置ごとに、候補位置の決定に関連する対応する超音波誘導信号強度を決定すること（１２８）と、最も高い対応する信号強度を有する候補位置として、超音波画像形成空間内で校正針１６の位置を決定すること（１３０）と、最も高い対応する信号強度を有する候補位置のタイム・スタンプとして、測定時間を決定すること（１３２）のステップ１０２を含む。いくつかの例では、１２６は、超音波プローブ１２に対して（又はその逆で）校正針１６を移動させて、超音波プローブと校正針の複数の異なる相対位置を横切るように、ロボット装置２１を動作させることを含む。他の例では、ロボット装置２１は、校正針１６（又は超音波プローブ１２）を保持するように構成されたホルダ又はクランプ２３を含むことができる。適切なアプローチでは、校正針１６は、２Ｄ超音波面を通って先端３２を掃引するのに十分な角度θの範囲にわたって、又は超音波プローブ１２に直交する「ｘ」ミリ（ｍｍ）だけ直線的に、移動させることができる。

この実施形態では、校正ワークフローは、水タンク内又は組織模倣ファントム内で行うことができる。校正針１６及び超音波プローブ１２は、校正針１６上の超音波センサ４０が、高さ方向（例えば、ＵＳ画像平面の高さ方向の広がりの外側）にＵＳ画像平面の外側に位置するように配置されるべきである。校正針１６及び超音波プローブ１２は、ホルダ２３を使用して所定の位置に保持することができ、あるいは、ユーザが手動で保持することもできる。

次に、校正針１６又は超音波プローブ１２のいずれかが移動され（他方は動かないで）、校正針１６上の超音波センサ４０が最初にＵＳ画像平面の仰角範囲（ｅｌｅｖａｔｉｏｎａｌ ｃｏｖｅｒａｇｅ）に入り、次いで、最終的に画像平面から出るようにされる。一例では、校正針１６（図８に示す）又は超音波プローブ１２（図９に示す）の運動は、適切に位置決めされた単純な１Ｄ運動ステージを用いて達成することができる。別の例では、この動作は、ユーザが移動すべき装置を保持して、手動で実行することができる。校正針１６は、１Ｄ運動ではなく、一定範囲の角度［θ］にわたって回転させることができる。

図１０に示すように、例えば、１０６で説明した時間同期は、適切な同期動作、例えば、補間によって実行することができる。一つの適切な同期アプローチでは、両方のデータ・ストリーム（超音波及びＥＭ）が取得され、コンピュータ２０に記憶される。従って、コンピュータ２０のクロックを使用して、データを調整／解釈することができる。持続性又は補間は、より低い取得レートで取得されたデータ・ストリームからの欠測データを「埋める（ｆｉｌｌ ｉｎ）」ために使用され、次いで、より高いフレームレートで取得されたデータ・ストリームに時間的に適合される。

図１０を簡単に参照すると、同期動作を実行するための例示的な補間アプローチが記述されている。図１０は、タイム・スタンプ（「時間」とラベル付けされた列）、２Ｄセンサ位置（「ＵＳ追跡データ」とラベル付けされた列）、及びＥＭセンサ位置（「ＥＭ追跡データ」とラベル付けされた列）を示す。補間を説明するために、瞬間Ｔ４において、針追跡データ及びプローブ追跡データの両方に欠測エントリがあることを考慮する。欠測データは、現在の時点Ｔ４の直前及び直後のデータの加重平均を用いて補間することができる。針追跡データについては、（ａ_４Ｘ_１＋ｂ_４Ｘ_２，ａ_４Ｙ_１＋ｂ_４Ｙ_２）のように（Ｘ_１，Ｙ_１）及び（Ｘ_２，Ｙ_２）を補間し、ここで、重みａ_４及び重みｂ_４の可能な値は、ａ_４＝（Ｔ_６−Ｔ_４）／（Ｔ_６−Ｔ_３）及びｂ_４＝（Ｔ_４−Ｔ_３）／（Ｔ_６−Ｔ_３）。同様に、ｃ_４＝（Ｔ_５−Ｔ_４）／（Ｔ_５−Ｔ_３）、ｄ_４＝（Ｔ_４−Ｔ_３）／（Ｔ_５−Ｔ_３）である。この方法は、補間のための欠測エントリの前後のデータを利用するので、ある程度のタイムラグを伴って実装されなければならないことに注意されたい。

図１１を簡単に参照すると、同期動作１３４を実行するための代替の実施形態では、そのストリームの次のデータ点が到着するまで、最新のデータを持続させることができる。この技術は、いかなるタイムラグもなくリアルタイムで実行することができるが、図７の内挿アプローチと比較すると、精度がわずかに低下する弱点がある。

校正針１６／超音波プローブ１２の動きが発生している間に、校正針ＥＭセンサ２６の位置及び向き、超音波プローブＥＭセンサ３６の位置及び向き、及び超音波プローブ超音波センサ４０の情報（すなわち、信号／ＳＮＲ、ＵＳ画像内の座標、フレーム及びライン・トリガ情報等）が連続的に（又は断続的に、繰り返して、又は他の方法で捕捉される）データ・ストリームが捕捉される。

次に、図１２を参照すると、最大信号／ＳＮＲに対応するＵＳ画像フレームが選択され、その画像フレーム内のＵＳセンサ座標が記録される。図１２に示すように、超音波トランスデューサ２８上の受信信号の大きさが、並進／回転される校正針１６／超音波プローブ１２のＥＭセンサ２６／３６からのＥＭ読み取り値に対して分析される。超音波トランスデューサ２８のピーク信号強度（又は相対信号強度、又は他の任意の適切な信号）が識別され、対応する画像フレーム及び校正針１６及び超音波プローブ１２のＥＭ読みとり値が注目される。

次に、対応する超音波プローブＥＭセンサ１８及び校正針ＥＭセンサ２６の座標が、超音波データ・ストリームをＥＭデータ・ストリームと時間同期させることによって選択される。

校正針１６上のＥＭセンサ２６の空間位置は、Ｘ線／蛍光透視法を用いて、校正針１６上の超音波トランスデューサ２８の空間位置と位置合わせされ、それは、一度だけの処理であり得る。この変換は、式１のＴ_{ＮｅｅｄｌｅＥＭ→ＲｅｆＥＭ}行列の一部として組み込まれている。ＵＳ−ＥＭ変換（すなわち、所望のプローブ校正、Ｔ_{ＵＳ→ＰｒｏｂｅＥＭ}）は、上記の推定量を用いて線形方程式（式１）から得ることができる。

上述の測定時間はミリ秒以下のオーダーであることが理解されるであろう。一例では、測定時間は、校正針１６の超音波処理の正確な時間とすることができる。別の例では、測定時間は、超音波画像の開始のような何らかの近い時間であり得る。

介入処置における校正されたプローブの使用例
一例では、介入処置は追跡生検処置であり、解剖学的標的は処置前のＭＲ画像データセット上で定義され、実際の介入（生検）は２Ｄ ＵＳ下で行われる。以下の式は、ＥＭ、ＵＳ、及びＭＲデータ・ストリームがすべて一緒に位置合わせされる方法を示している。
Ｔ_{ＮｅｅｄｌｅＥＭ→ＲｅｆＥＭ}×ｐ_{ＮｅｅｄｌｅＥＭ}（ｘ，ｙ，ｚ） ［ライブ針ストリーム用］…（式２）
Ｔ_{ＰｒｏｂｅＥＭ→ＲｅｆＥＭ}×Ｔ_{ＵＳ→ＰｒｏｂｅＥＭ}×ｐ_ＵＳ（ｘ，ｙ，０） ［ライブ２Ｄ ＵＳストリーム用］…（式３）

各処置の開始時に、超音波プローブ１２は、複数の２Ｄ画像を取得し、解剖学的関心領域の３Ｄ ＵＳデータセットを形成するために、一連の角度［θ］にわたって「掃引され（ｓｗｅｐｔ）」又は「回転される（ｒｏｔａｔｅｄ）」。この３Ｄデータセット内の各２Ｄ ＵＳ画像は、追跡装置１４の基準ＥＭセンサ２４（式３）にインデックス付けされるので、３Ｄ ＵＳデータセットは、「ＲｅｆＥＭ」の基準フレーム内で直接得られる。
従って、ｐ_３ＤＵＳ＝ｐ_{ＲｅｆＥＭ}（すなわち、３Ｄ ＵＳ データセットの点はすでに「ＲｅｆＥＭ」空間にある）
Ｔ_{ＭＲ→３ＤＵＳ}×ｐ_ＭＲ（ｘ，ｙ，ｚ） ［３Ｄ ＭＲデータセットの場合］．．．（式４）
Ｔ_{ＭＲ→３ＤＵＳ}は、例えば、ＭＲとＵＳの両方で識別可能な特徴を用いて、画像ベースの位置合わせ方法を用いて得られる。このようにして、ＵＳプローブ校正（Ｔ_{ＵＳ→ＰｒｏｂｅＥＭ}）は、ＵＳ及びＭＲ画像データ・ストリームをＥＭ座標空間に変換するために使用される。

装置１０の例示的な計算、データ処理又はデータ・インターフェース構成要素は、開示された動作を実行するために電子プロセッサ（例えば、プロセッサ５０）によって実行可能な命令を記憶する非一時的記憶媒体として具体化することができることが理解されよう。例えば、ハード・ディスク・ドライブ、ＲＡＩＤ、又は他の磁気記憶媒体；ソリッド・ステート・ドライブ、フラッシュ・ドライブ、電子的消去可能なリードオンリー・メモリ（ＥＥＲＯＭ）、又は他の電子メモリ；光ディスク又は他の光記憶装置；それらの種々の組み合わせ；などを、非一時的記憶媒体は、含んでもよい。

本開示は、好ましい実施形態を参照して記載された。前述の詳細な説明を読んで理解することによって、修正及び変更は、他のものに生じることがあり得る。添付の特許請求の範囲又はその均等物の範囲内にある限りにおいて、すべてのそのような修正及び変更を含むように本開示は構成されることが意図される。

Claims (20)

1. 関連する超音波プローブの電磁（ＥＭ）追跡を校正するための装置であって、
   ＥＭ符号化空間内にＥＭ場を生成するように構成された場発生器を含むＥＭ追跡装置と、
   前記超音波プローブ上に配置されたＥＭセンサと、
   校正針と、
   前記校正針上に配置されたＥＭセンサと、
   少なくとも１つのプロセッサと、
   前記少なくとも１つのプロセッサによって読み取り可能で実行可能な命令を記憶する非一時的記憶媒体であって、
   前記超音波プローブを使用して測定時間における超音波画像形成空間における前記校正針の位置を決定することと、
   前記校正針上に配置された前記ＥＭセンサの前記ＥＭ追跡装置によるＥＭ追跡から前記測定時間における前記校正針のＥＭ追跡位置を決定することと、
   前記測定時間における前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置と、前記測定時間における前記校正針の前記ＥＭ追跡位置とを関連付ける位置合わせを生成することと、
   を含むＥＭ追跡校正方法を実行するための非一時的記憶媒体と、
   を含む、装置。
2. 前記ＥＭ追跡校正方法は、
   前記生成された位置合わせを使用して、前記超音波画像形成空間内の共通座標系における少なくとも１つの超音波画像の位置を決定すること、
   をさらに含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記校正針上に配置された少なくとも１つの超音波トランスデューサをさらに含み、
   前記超音波プローブを使用した前記測定時間における前記超音波画像形成空間内で前記校正針の前記位置の決定は、
   前記超音波プローブを使用して超音波掃引を行うことと、
   前記測定時間が検出された信号のタイム・スタンプである前記超音波プローブによって放射された超音波ビームによって超音波処理されたことに応答して前記超音波トランスデューサによって放射された信号を検出することと、
   前記超音波ビームの向きから前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置を決定し、前記測定時間を前記超音波ビームのトリガ時間と比較することと、
   を含む、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記超音波プローブを使用して前記測定時間における前記超音波画像形成空間内で前記校正針の前記位置を決定することは、
   前記超音波プローブを使用して超音波掃引を行うことと、
   前記測定時間が検出された超音波反射のタイム・スタンプである前記超音波掃引に応答して、前記校正針からの超音波伝送を検出することと、
   前記超音波伝送を生じさせた前記超音波掃引の超音波ビームの向きから前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置を決定し、前記測定時間を前記超音波伝送を生じさせた前記超音波掃引の前記超音波ビームのトリガ時間と比較することと、
   を含む、請求項１又は２に記載の装置。
5. 前記超音波プローブを使用して前記測定時間における前記超音波画像形成空間内で前記校正針の前記位置を決定することは、
   前記超音波画像形成空間における超音波画像を取得することと、
   前記超音波画像における前記校正針の画像を検出することによって、前記超音波画像における前記校正針の前記位置を決定することであって、前記測定時間は、前記超音波画像における前記校正針の前記画像の取得タイム・スタンプである、決定することと、
   を含む、請求項１又は２に記載の装置。
6. 前記超音波プローブを使用して前記測定時間における前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置を決定することは、
   前記超音波プローブ及び前記校正針の複数の異なる相対位置で前記超音波プローブを使用して前記校正針の候補位置を決定し、前記候補位置ごとに、前記候補位置の前記決定に関連する対応する超音波誘導信号強度を決定することと、
   最も高い対応する信号強度を有する前記候補位置として、前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置を決定することと、
   前記最も高い対応する信号強度を有する前記候補位置のタイム・スタンプとして前記測定時間を決定することと、
   を含む、請求項１乃至５のいずれか１項記載の装置。
7. 前記校正針及び前記超音波プローブの少なくとも一方を前記校正針及び前記超音波プローブの他方に対して移動させるように構成されたロボット装置を、さらに含み、
   前記候補位置を決定することは、前記超音波プローブに対して前記校正針を移動させて、前記超音波プローブ及び前記校正針の前記複数の異なる相対位置を横断するように、前記ロボット装置を動作させることを含む、請求項６に記載の装置。
8. 関連する超音波プローブの追跡を校正するための装置であって、
   追跡空間内で追跡センサを位置決めするように構成された追跡装置と、
   前記超音波プローブ上に配置された超音波プローブ追跡センサと、
   校正針と、
   前記校正針上に配置された校正針追跡センサと、
   少なくとも１つのプロセッサと、
   前記少なくとも１つのプロセッサによって読み取り可能で実行可能な命令を記憶する非一時的記憶媒体であって、
   前記超音波プローブを使用して測定時間における超音波画像形成空間における前記校正針の位置を決定することと、
   前記校正針上に配置された前記校正針追跡センサの前記追跡装置による追跡から前記測定時間における前記校正針の追跡位置を決定することと、
   前記測定時間における前記超音波画像形成空間における前記校正針の位置と、前記測定時間における前記校正針の前記追跡位置とを関連付ける位置合わせを生成することと、
   を含む追跡校正方法を実行する、非一時的記憶媒体と、
   を含む、装置。
9. 前記追跡校正方法は、
   前記生成された位置合わせを使用して、前記超音波画像形成空間内の共通座標系における少なくとも１つの超音波画像の位置を決定すること、
   をさらに含む、請求項８に記載の装置。
10. 前記校正針上に配置された少なくとも１つの超音波トランスデューサ、
    をさらに含み、
    前記超音波プローブを使用して前記測定時間における前記超音波画像形成空間内で前記校正針の位置の決定は、
    前記超音波プローブを使用して超音波掃引を行うことと、
    前記測定時間が検出された信号のタイム・スタンプである前記超音波プローブによって放射された超音波ビームによって超音波処理されたことに応答して前記超音波トランスデューサによって放射された信号を検出することと、
    前記超音波ビームの向きから前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置を決定し、前記測定時間を前記超音波ビームのトリガ時間と比較することと、
    を含む、請求項８及び９のいずれか１項記載の装置。
11. 前記超音波プローブを使用して前記測定時間における前記超音波画像形成空間内で前記校正針の前記位置を決定することは、
    前記超音波プローブを使用して超音波掃引を行うことと、
    前記測定時間が検出された超音波反射のタイム・スタンプである前記超音波掃引に応答して、前記校正針からの超音波伝送を検出することと、
    前記超音波伝送を生じた前記超音波掃引の超音波ビームの向きから前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置を決定し、前記測定時間を前記超音波伝送を生じさせた前記超音波掃引の前記超音波ビームのトリガ時間と比較することと、
    を含む、請求項８又は９に記載の装置。
12. 前記超音波プローブを使用して前記測定時間における前記超音波画像形成空間内で前記校正針の前記位置を決定することは、
    前記超音波画像形成空間における超音波画像の取得することと、
    前記超音波画像における前記校正針の画像を検出することによって、前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置を決定することであって、前記測定時間は、前記超音波画像における前記校正針の前記画像の取得タイム・スタンプである、検出することと、
    を含む、請求項８及び９のいずれか１項記載の装置。
13. 前記超音波プローブを使用して前記測定時間における前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置を決定することは、
    前記超音波プローブ及び前記校正針の複数の異なる相対位置で前記超音波プローブを使用して前記校正針の候補位置を決定し、候補位置ごとに、前記候補位置の前記決定に関連する対応する超音波誘導信号強度を決定することと、
    最も高い対応する信号強度を有する前記候補位置として、前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置を決定することと、
    最も高い対応する信号強度を有する前記候補位置のタイム・スタンプとして前記測定時間を決定することと、
    を含む、請求項８乃至１２のいずれか１項記載の装置。
14. 前記校正針及び前記超音波プローブの少なくとも一方を前記校正針及び前記超音波プローブの他方に対して移動させるように構成されたロボット装置をさらに含み、
    前記候補位置を決定することは、前記超音波プローブに対して前記校正針を移動させて、前記超音波プローブ及び前記校正針の前記複数の異なる相対位置を横断するように、前記ロボット装置を動作させることを含む、請求項１３に記載の装置。
15. 関連する超音波プローブの追跡を校正するための装置であって、
    追跡空間内で追跡センサを位置決めするように構成された追跡装置と、
    前記超音波プローブ上に配置された超音波プローブ追跡センサと、
    校正針と、
    前記校正針上に配置された校正針追跡センサと、
    前記校正針上に配置された超音波トランスデューサと、
    少なくとも１つのプロセッサと、
    少なくとも１つのプロセッサによって読み取り可能で実行可能な命令を記憶する非一時的記憶媒体であって、
    前記超音波プローブによって異なる向きに放射された複数の超音波ビームを含む超音波掃引を行うことと、
    前記超音波掃引中の前記超音波トランスデューサの超音波処理に応答して前記超音波トランスデューサによって生成されたトランスデューサ信号を検出することと、
    前記検出されたトランスデューサ信号のタイム・スタンプとしての測定時間の決定することと、
    前記超音波トランスデューサを超音波処理した前記超音波ビームの向きから前記測定時間における超音波画像形成空間における前記校正針の位置を決定し、測定時間を前記超音波トランスデューサを超音波処理した前記超音波ビームのトリガ時間及び前記超音波ビームに沿った飛行時間と比較することと、
    前記校正針上に配置された前記校正針追跡センサの追跡装置による追跡から前記測定時間における校正針の追跡位置を決定することと、
    前記測定時間における前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置と、前記測定時間における前記校正針の前記追跡位置とを関連付ける位置合わせを生成することと、
    を含む追跡校正方法を実行する、非一時的記憶媒体と、
    を含む、装置。
16. 前記追跡校正方法は、
    前記生成された位置合わせを使用して、前記超音波画像形成空間内の共通座標系における少なくとも１つの超音波画像の位置を決定すること、
    をさらに含む、請求項１５に記載の装置。
17. 前記校正針上に配置された少なくとも１つの超音波トランスデューサを、さらに含み、
    前記超音波プローブを使用した前記測定時間における前記超音波画像形成空間内で前記校正針の前記位置の決定は、
    前記超音波プローブを使用して超音波掃引を行うことと、
    前記測定時間が前記検出された信号のタイム・スタンプである前記超音波プローブによって放射された超音波ビームによって超音波処理されたことに応答して前記超音波トランスデューサによって放射された信号を検出することと、
    前記超音波ビームの向きから前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置を決定し、前記測定時間を前記超音波ビームのトリガ時間と比較することと、
    を含む、請求項１５及び１６のいずれか１項記載の装置。
18. 前記超音波プローブを使用して前記測定時間における前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置を決定することは、
    前記超音波画像形成空間において超音波画像の取得することと、
    前記超音波画像における前記校正針の画像を検出することによって、前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置を決定することであって、前記測定時間は、前記超音波画像における前記校正針の前記画像の取得タイム・スタンプである、検出することと、
    を含む、請求項１５及び１６のいずれか１項記載の装置。
19. 前記超音波プローブを使用して前記測定時間における前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置を決定することは、
    前記超音波プローブ及び前記校正針の複数の異なる相対位置で前記超音波プローブを使用して前記校正針の候補位置を決定し、候補位置ごとに、前記候補位置の前記決定に関連する対応する超音波誘導信号強度を決定することと、
    最も高い対応する信号強度を有する前記候補位置として、前記超音波画像形成空間における前記校正針の前記位置を決定することと、
    最も高い対応する信号強度を有する前記候補位置のタイム・スタンプとして前記測定時間を決定することと、
    を含む、請求項１５乃至１８のいずれか１項記載の装置。
20. 前記校正針及び前記超音波プローブの少なくとも一方を前記校正針及び前記超音波プローブの他方に対して移動させるように構成されたロボット装置をさらに含み、
    前記候補位置を決定することは、前記超音波プローブに対して前記校正針を移動させて、前記超音波プローブ及び前記校正針の前記複数の異なる相対位置を横断するように、前記ロボット装置を動作させることを含む、請求項１９に記載の装置。

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