JP2021186211A - 超音波撮像装置、及び、それを用いた手術支援システム及び方法 - Google Patents

超音波撮像装置、及び、それを用いた手術支援システム及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】撮像範囲外にあるデバイスの位置情報を得て、それを超音波画像とともにユーザに提示できる超音波撮像装置および手術支援システムを提供する。【解決手段】手術支援システムは、超音波撮像装置と、被検体内に挿入される治療具に固定された超音波発生源と、超音波画像及び超音波発生源の位置を表示する表示装置と、を含む。超音波撮像装置は、超音波発生源の位置情報を推定する位置推定部を備え、位置推定部は、撮像領域外で超音波発生源が発した超音波によって生じるグレーティングアーチファクト（偽像）を解析し、撮像領域に対する超音波発生源の位置情報を推定する。【選択図】図５

Description

本発明は光音響技術と超音波撮像装置とを組み合わせた手術支援技術に関し、特に患者体内にカテーテル等の術具を挿入して、手術対象部位に移動させる際に術具の移動を監視する技術に関する。
血管の狭窄を治療する手術では、開胸手術と比較し患者負担が少ないカテーテル治療が広く採用されている。カテーテルのような極めて小さい領域で手術を行う上での課題として、視認性が挙げられる。ガイドワイヤのような細径デバイスは、主としてX線透視を用いることで視認しているが、生体の患部とデバイスの位置関係は不明瞭となる。特に血管内治療では、血管壁とガイドワイヤの位置関係を知ることは手術成績に直結し、高い視認性が重要である。術中に超音波撮像装置を用いることで、この問題を解決する試みもあるが、ガイドワイヤ先端を超音波で描出することは容易ではなく、手術者とは別に熟練のエコー技師を必要とするため普及には至っていない。
これに対し、カテーテル先端に超音波発信機を取り付け、超音波撮像装置でこの超音波発信機からの超音波を受信し画像化することでカテーテル先端を検出する技術も提案されている。例えば、特許文献１には、開示された技術では、超音波プローブに取り付けた姿勢検出手段が検出した姿勢をもとに、超音波発信機が超音波プローブの真下にある状態を担保してその位置を検出することが開示されている。
特開２０１５−１３９４６５号公報
特許文献１等の、光音響技術と超音波撮像装置とを組み合わせて、デバイス位置を把握する技術では、光音響手段を装着したデバイス先端が撮像範囲に入っているときにそれを可視化するものである。そのため、デバイスが撮像範囲に入ってくるまでは、デバイスがどの方向から近づいているのか、どのぐらい近づいているのかを知ることはできない。つまりデバイスが患部に接近するまで、患部の超音波画像のどこにデバイスが映し出されてくるのか全く予測することができない。また、一般に血管には多くの分岐があり、カテーテル治療では、これら分岐を通過させながらデバイスを進めて、所定の患部に到達させなければならないが、従来の方法では、途中、デバイスの進行方向がずれたとしても、それを画像から把握することはできない。
本発明は、撮像範囲外にあるデバイスの位置情報を得て、それを超音波画像とともにユーザーに提示できる超音波撮像装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の超音波撮像装置は、撮像範囲外からの超音波によって生じるグレーティングアーチファクト（偽像）を利用することによって、デバイスに取り付けた超音波発生源が撮像範囲外にあるときにその位置情報を把握する。
すなわち本発明の超音波撮像装置は、被検体に対し超音波探触子を介してビームフォームされた超音波信号を送信する送信部と、前記超音波信号が照射された撮像領域からの反射超音波を、ビームフォームして受信する受信部と、前記受信部が受信した反射超音波から前記撮像領域の超音波画像を作成する画像形成部と、前記受信部が、前記送信部による超音波信号の非送信時に受信した、前記被検体の内部に挿入された超音波発生源が発する超音波を用いて、前記超音波発生源の位置情報を推定する位置推定部と、を備え、前記位置推定部は、前記撮像領域外で前記超音波発生源が発した超音波によって生じる偽像を解析し、前記撮像領域に対する前記超音波発生源の位置情報を推定することを特徴とする。
本発明の手術支援システムは、上述した構成の超音波撮像装置と、被検体内に挿入される治療具に固定された超音波発生源と、前記超音波画像及び前記超音波発生源の位置を表示する表示装置と、を含む。
また本発明の手術支援方法は、超音波撮像装置を用いて、患者の体内に挿入された術具を監視する手術支援方法であって、所定の撮像範囲に対し超音波信号の送受信を繰り返し、超音波画像を形成し表示し、超音波送受信の合間に、前記術具に固定された超音波発生源から超音波を発生させて、その際、前記超音波撮像装置が受信した超音波信号を画像化し、撮像範囲外にある前記超音波発生源の偽像を解析し、前記撮像範囲に対する前記超音波発生源の位置情報を推定し、提示することを特徴とする。
所定の領域を撮像領域として、すなわち所定の領域で整相するビームフォーム条件で、撮像を行う超音波撮像装置において、撮像領域外から発せられる超音波は、グレーティング（以下、ＧＬという）アーチファクトと同様の偽像として画像化され、撮像領域との位置関係によってＧＬアーチファクトの現れ方が変化する。本発明では、このグレーティング（以下、ＧＬという）アーチファクトを解析することで、その発生源である超音波発生源の撮像範囲との関係、特に撮像範囲への到来方向を推定することができる。この到来方向を撮像領域の画像である超音波画像とともに提示することで、ユーザは超音波発生源が画像として映し出されている撮像領域に確実に向かっているのか、そしてどの方向から目的部位に向かっているのかを知ることができ、超音波発生源の進行を予測することができる。
実施形態の手術支援システムの概要を示す図。 実施形態の手術支援システムの動作の流れを示す図。 実施形態１の超音波撮像装置の全体構成を示す図。 デバイス先端の構造を示す断面図。 実施形態１の超音波撮像装置の動作を説明する図。 ＧＬアーチファクトを説明する図。 （A）、（B）は、それぞれ、実施形態１の超音波撮像装置の表示画面の一例を示す図。 実施形態２の超音波撮像装置の全体構成を示す図。 実施形態２の超音波撮像装置の動作を説明する図。 変形例の動作を説明する図。 変形例の表示例を示す図。
以下、本発明の超音波撮像装置とそれを備えた手術支援システムの実施形態を説明する。
手術支援システム１は、図１に示すように、超音波探触子３が接続される超音波撮像装置１０と、デバイス２に固定された超音波発生源２０と、超音波撮像装置１０が形成する画像等を表示する表示装置４０とを備えている。本明細書では、バルーンカテーテルやマイクロカテーテル等の治療用器具やこれら治療用器具を目的部位に運ぶためのガイドワイヤなど体内に挿入される術具を総称してデバイスという。
この手術支援システム１は、被検体（患者）３０の体内（血管内）にデバイス２を挿入して患部に到達させた後、例えば血管狭窄部位の拡張、血栓の除去等の処置を行うカテーテル治療において、デバイス２が確実に狭窄部位などの患部に到達するように支援する装置である。このためデバイス２に固定した超音波発生源２０から一定の間隔で超音波を発生させて、その超音波を超音波撮像装置１０で検出し、超音波発生源２０の位置を推定する。超音波撮像装置１０は、また超音波発生源２０から超音波が出ていないときに、被検体３０に対し超音波の送信と反射超音波の受信とを行い、被検体内部の超音波画像を取得する。
超音波発生源２０は、光や電気などのエネルギーを与えることによって超音波を発生する素子からなる。具体的には、高周波信号によって振動し超音波を発する圧電素子や、光を受けて超音波を発する色素などの光音響材料を用いることができる。超音波発生源２０はデバイス２の体にある部分に超音波発生源を駆動する装置に接続されている。超音波発生源が光音響材料の場合には光ファイバで光発生装置２５に接続される。また圧電素子の場合には、専用の電源を用いることも可能であるが、超音波撮像装置１０の送信部に接続することで送信部からの信号によって圧電素子を駆動することも可能である。
超音波撮像装置１０は従来の超音波撮像装置と同様の構造のものを用いることができるが、その信号処理系に超音波発生源２０の位置を推定するための手段（図３：位置推定部１５２）を備えている。但し、位置推定部の機能の一部または全部を、超音波撮像装置１０とは別の信号処理装置あるいは計算機で行うことも可能である。その場合は、超音波撮像装置１０はこのような信号処理装置あるいは計算機とデータのやり取りを行うためのインターフェイス部を備えるものとする。データのやり取りは、有線、無線、ネットワークや媒体を介したやり取りなど公知の手段を用いることができる。
被検体内部の超音波画像は、超音波ビームを送信し被検体内部の各所で反射した反射超音波をビームフォームして受信することにより得られるものであり、超音波ビームのビームフォーミングと照射角度によって撮像範囲が決まる。一方、超音波発生源２０が発する超音波は、撮像範囲とは関係なく、波状に広がり、超音波探触子に到達する。受信時に送信時ビームフォームに合わせたビームフォームがなされているとき、超音波発生源２０が撮像範囲内にあればそれから発せられる超音波から超音波発生源２０の形状の画像が得られる。超音波発生源２０が点状であれば点状の画像が得られる。従来は超音波発生源２０の画像の、撮像範囲における位置から、実空間における患部とデバイスとの位置関係を把握する。しかし、超音波発生源２０が撮像範囲の外側にあるときは、それからの超音波は受信部に到達したとしても超音波発生源２０の形状の画像として描出されない。
超音波撮像においては、グレーティングアーチファクトという現象が知られている。グレーティングローブは、本来の超音波ビームに対し、中心軸の側面に拡散する疑似成分であり、このグレーティングローブからの反射波によって作られる画像がＧＬアーチファクトである。ＧＬアーチファクトはグレーティングローブの存在を前提にするが、反射波ではない自発的な超音波であっても、ＧＬが発生する条件を満すときに像として現れる。ＧＬが発生する条件は、超音波探触子を構成する振動素子の配置間隔ｄと波長λとで決まり（sinθ＝nd/λ、ｎ：1、2、・・・、θはグレーティングローブの方向）が所定の関係にあることである。このとき現れる偽像は、ＧＬと同じ原理で発生する偽像であるので、本明細書ではＧＬアーチファクトと呼ぶ。
この自発的な超音波のＧＬアーチファクトの現れ方は、その発生位置や傾きが超音波発生源の位置によって変化する。本実施形態の超音波撮像装置１０では、位置推定部１５２がこのＧＬアーチファクトを解析することにより、撮像範囲外の超音波発生源の位置を推定する。
このため、手術支援システム１では、図２に示すように、超音波撮像装置１０を２つの動作モードで動作するように制御する（Ｓ２１）。一つは被検体の超音波画像を取得する撮像モード、もう一つは超音波発生源２０からの自発超音波を受信し画像を形成するデバイス監視モード（以下、単に監視モードという）である。撮像モードにおいては、設定された撮像条件で撮像領域に対し超音波の送受信を行い（Ｓ２２）、Bモード画像等の超音波画像を作成し（Ｓ２３）、表示装置４０に表示させる（Ｓ２４）。監視モードでは、撮像モードの送信を非動作（オフ）とし、超音波発生源２０から超音波を発生させる（Ｓ２５）。超音波撮像装置１０は、超音波発生時にも受信を継続し（Ｓ２６）、画像を作成する。
位置推定部１５２は、超音波発生源２０からの超音波で作成した画像に現れるＧＬアーチファクトを解析し（Ｓ２７）、その位置情報や傾きなどを算出し、解析結果を表示装置４０に表示させる（Ｓ２８）。表示装置４０が表示する解析結果の態様は、特に限定されないが、例えば、ステップＳ２３で表示した超音波画像とともに、撮像領域に対する位置関係が把握できるような形とする。
撮像モードと監視モードとの切替（Ｓ２１）は、超音波撮像装置１０内の制御部が行ってもよいし、超音波発生源２０側から超音波撮像装置１０にトリガー信号を送信し、トリガー信号を用いて行ってもよい。術者がデバイス２を被検体の体内（血管内）で進めていく間、超音波撮像装置１０の撮像モードと動作モードとを交互に繰り返し、患部を含む撮像領域の画像とデバイス位置情報とを表示装置４０に表示することで、術者は撮像領域にデバイスが進行していく状態を確認することができる。
以上の手術支援システムの概要を踏まえ、以下、デバイス位置推定の具体的な実施形態を説明する。以下の実施形態で参照する図面において、同一の機能を持つ要素は同じ符号で示し、重複する説明は省略する。
＜実施形態１＞
超音波発生源２０として光音響材料を用いた場合の実施形態を説明する。
本実施形態の手術支援システム１及び超音波撮像装置１０の全体構成を図３に示す。
超音波撮像装置１０は、超音波発生源の位置を推定する機能（位置推定部１５２）が追加されている以外は、一般的な超音波撮像装置と同様の構成を有し、図３に示すように、超音波探触子３に超音波信号を送信する送信部１１、超音波探触子３が検出した反射波（ＲＦ信号）を受信し、整相、加算等の処理を行う受信部１２、及び、受信部１２が受信したＲＦ信号の処理を行う信号処理部１５０を備える。また超音波撮像装置１０は、装置全体とその付属装置等を制御する制御部１５５、ユーザが撮像に必要な条件や指令を入力するための入力部１３、超音波撮像装置１０が取得した超音波画像やＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等を表示する表示部１４（図１：表示装置４０）、信号処理部１５０の処理結果である画像等を記憶するメモリ１６を備えている。
信号処理部１５０は、受信部１２が受信した信号を用いて超音波画像を作成する超音波画像形成部１５１と、超音波発生源２０から発せられ、超音波探触子３を介して受信部１２が受信した超音波信号を用いて、超音波発生源２０の位置に関する情報を推定する位置推定部１５２と、表示部１４に表示する画像を生成する表示画像形成部１５３とを備える。ここで受信部１２が受信する超音波信号のうち、送信超音波ビームの反射波である超音波信号と超音波発生源２０からの超音波信号とを区別することが必要な場合、前者を画像用信号、後者を監視用信号と呼ぶ。
超音波画像形成部１５１は、Ｂモード画像等の被検体の超音波画像のほかに、監視用信号を用いて超音波発生源２０の画像（監視用画像という）を作成する。位置推定部１５２は、監視用画像を用いて超音波発生源２０の位置や方向（まとめて位置情報という）を推定する。
信号処理部１５０を構成する各部と制御部１５５の機能の一部又は全部は、ＣＰＵ或いはＧＰＵとメモリとを備えた計算機にその機能をプログラムしたソフトウェアをアップロードすることにより実現することが可能である。図３に示す例では、信号処理部１５０と制御１５５の機能をまとめて一つの処理部１５として示している。但し、これら各部の機能の一部又は全部を、電子回路や、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどのハードウェアで実現することも可能である。また処理部１５の一部の機能は超音波撮像装置１０とは独立した計算機で実現してもよい。
超音波探触子３は、多数のトランスデユーサ素子が一次元方向に配列した１Ｄアレイ探触子、１Ｄアレイ探触子のアレイ配列方向と直交する方向に２ないし３列のアレイ配列を持つ１Ｄ３配列探触子や、二次元方向に多数のアレイ配列を持つ２Ｄアレイ探触子、など種々の超音波探触子３を用いることができる。
超音波発生源２０は、レーザ光を受けて断熱膨張することによって光音響信号等の超音波を発する材料、例えば、公知の色素（光増感剤）、金属ナノ粒子、炭素ベース化合物体などで構成される。超音波発生源２０は、例えば図４に示すように、上述した光音響材料２１フレキスブルな中空のデバイス２（例えばガイドワイヤ）の中空部内に配置された光ファイバ２２の挿入側端面に固定し、樹脂性の封止部材２３で覆った構造を有している。光ファイバ２２の他端（超音波発生源２０が固定された端部と反対側の端部）には、レーザ光を発生する光発生部（光発生装置）２５が接続され、この光発生部２５からのレーザ光を光ファイバ２２を介して光音響材料２１に照射することにより、光音響材料２１から光音響信号すなわち超音波が発生される。
また光発生部２５は、レーザ光を発すると同時に超音波撮像装置１０にトリガー信号を送る。超音波撮像装置１０（制御部１５５）はこのトリガー信号によって送信部１１の動作を一定時間待機状態とし、監視モードで動作を行う。監視モードで動作する時間は、予め定めておいてもよいし、ユーザが入力部１３を介して設定するようにしてもよい。また固定した時間ではなく、例えば、デバイスの進行状況に応じて、徐々に短くするなど可変にしてもよい。
次に、このような構成の手術支援システム１の動作を、図５のフローを参照して説明する。
まず撮像の対象である患部に対し撮像領域を設定し撮像が開始されると、光発生部２５からのトリガー信号を受信しない状態では、制御部１５５は撮像モードで送受信の制御を行う。すなわち撮像領域に対し超音波の送受信を行い、撮像領域の超音波画像を作成する。
光発生部２５からトリガー信号を受け取ると、超音波撮像装置１０の制御部１５５は動作モードを監視モードに切り替え、送信部１１の動作を待機状態とする（Ｓ５０）。一方、光発生部２５は、トリガー信号の発信とともに、所定の周波数でレーザ光を発生する（Ｓ５１）。このレーザ光が、光ファイバを介して光音響材料に照射されることで、超音波発生部２０から超音波が発せられると（Ｓ５２）、超音波は球面波として被検体内を伝搬し、超音波探触子３のトランスデューサ素子に検出される（Ｓ５３）。受信部１２は各トランスデューサ素子が検出した信号をビームフォーミング（位相加算）し、フレームデータとして超音波画像作成部１５１に渡す。超音波画像作成部１５１は、撮像モードのＢモード画像作成と同様に画像（監視画像）を形成し（Ｓ５４）、この画像を位置推定部１５２に渡す。
位置推定部１５２は、超音波画像作成部１５１から受け取った監視画像をもとに、超音波発生源２０の位置／方向を推定する（Ｓ５５）。ここで超音波発生源２０が、送受信条件で決まる撮像範囲から外れているときは、超音波発生源２０の本来の画像は監視画像には現れない。しかし、超音波発生源２０から超音波探触子２のトランスデューサ素子に到達する超音波の角度が、グレーティングローブが発生する角度と同じ角度となるところでは、グレーティングローブアーチファクトと同様にアーチファクトを生じる。結果として、例えば、図６に示すような、ＧＬアーチファクト６１１が撮像領域６００内に現れる。図６の下側の図は上側の図の一部（アーチファクト部分）を拡大した図である。ここで、トランスデューサ素子の配列方向をθ方向、深さ方向をｒ方向とすると、ＧＬアーチファクト５１１は、θ方向において超音波発生源２０に近い側が高く、遠ざかるにつれて低くなり傾斜を持つ。これは受信部１２のビームフォームの結果、同じ深度でも近いものは浅く、遠いものは深く描出されるからである。この監視画像の傾斜から超音波発生源２０が、撮像領域に対しどちらの方向から近づいているのか、すなわち到来方向を推定することができる。
位置推定部１５２は、超音波画像作成部１５１から監視画像を受け取ると、アーチファクトの傾きを算出する。傾きは、デバイスの到来方向を知るだけであれば、厳密な角度として算出する必要はなく、例えば、画像の輝度値からアーチファクトが発生している領域（閾値以上の輝度値を持つ領域）を抽出し、θ方向両端部の座標（深さ）あるいはｒ方向両端部の座標（θ方向の位置）を求めることで、領域の傾きを判断することができる。またアーチファクト画像あるいはそれを抽出した領域から、機械学習により特徴抽出を行う識別器を用いて、その傾斜を特徴量として求めてもよい。
さらにＣＮＮ（コンボリューショナルニューラルネットワーク）等の機械学習モデルを用いて、到来方向や位置を推定してもよい。機械学習モデルは、多数の入力データと教師データとのセットを用いて、新たな入力に対し正解を出力するように学習されたモデルであり、例えば、超音波発生源の位置を種々に異ならせたＢモード画像を用いて、そのアーチファクトと位置との関係を学習させたものを用いる。この場合、位置情報としては、到来方向のみならず、撮像領域との距離や深度情報を含めることができる。
図６に示す例では、ＧＬアーチファクトは右側が高く左側が低い形状となって現れていおり、超音波発生源２０は撮像領域５００に対しθ方向の右側から到来することが推定される。
位置推定部１５２は、上述のようにデバイス２の到来方向を推定したならば、その結果を表示画像作成部１５３に送る。
一方、トリガー信号から予め設定した時間経過すると、光発生部２５はレーザ光の発生を停止し、制御部１５５は動作モードを撮像モードに切り替える。撮像モードは通常の撮像と同様であり、超音波探触子３を介して超音波ビームを被検体に照射するとともに受信部１２で反射波である画像用信号を受信する。超音波画像作成部１５１は受信部１２から複数フレーム分のデータを受け取り、Ｂモード画像を作成し、表示画像作成部１５３に送る。
表示画像作成部１５３は、位置推定部１５２から受け取ったデバイス２の到来方向に関する情報と、超音波画像作成部１５１から受け取った超音波画像とを用いて表示部１４に表示させる画像を作成し、表示部１４に表示させる（Ｓ５６、Ｓ５７）。表示の仕方は種々の態様が採りえるが、超音波画像を示す画面に位置情報を重畳して表示することが好ましい。
表示例を図７に示す。図７（Ａ）は、撮像領域７０を映す画面７００に、超音波発生源２０の到来方向を示す矢印のマーク７１を重畳表示している。これにより術者は映し出されている血管のどちらからデバイスが進行してくるのかを一目で認識することができる。図７（Ｂ）は、撮像領域を映す画面の両側に方向を示すための領域７２Ａ、７２Ｂを設けて、例えば、デバイスが領域の左側から進行してくる場合には、左側領域７２Ａを明るくし、到来方向を示す。この際、図７（Ａ）に示すマーク７１をともに表示してもよい。さらに、図示していないが、超音波発生源２０の到来方向のみならず位置が推定される場合には、領域７２Ａ、７２Ｂにその位置を点などのマークで示してもよい。
なお以上の説明では、超音波発生源２０が撮像領域外にあるときの動作を説明したが、撮像モードと監視モードとを交互に実行している間に、デバイス先端が撮像領域に入ってきたときには、超音波発生源２０は例えば輝点として撮像領域内に描出される。従って、輝点から超音波発生源２０の位置を算出することができ、撮像モードで取得した超音波画像の対応する位置にデバイス先端を示すマーク等を表示することで、カテーテル治療の対象である血管とデバイスとの位置関係を視認可能に示すことができる。
本実施形態によれば、デバイス先端が撮像領域外にあるときにも、超音波発生源２０が発する超音波のＧＬアーチファクトから、その到来方向を推定し、提示することができる。これにより術者は挿入中のデバイス先端が患部にどの方向から向かっているか、確実に患部に向かっているかを超音波画像上で確認することができる。
＜実施形態２＞
本実施形態では、超音波発生源２０として圧電素子を用いる。超音波撮像装置１０の構成は、実施形態１の構成と同様であるが、本実施形態では、超音波発生源２０を動作させるための光発生部２５は不要であり、圧電素子は超音波撮像装置１０の送信部１１からの電気信号を受けて動作する。以下、実施形態１と異なる点を中心に、本実施形態を説明する。図８に本実施形態の手術支援システムの構成を示す。
圧電素子２０Ａは、超音波探触子３のトランスデューサと同様に電気信号（電圧）を印加することで振動し、信号の周波数を制御することにより超音波探触子３が発生する超音波と同じ超音波を生成することができる。圧電素子２０Ａとしては、圧電セラミックスなど公知の材料を用いることができ、これをデバイス先端に固定する。また圧電素子をアクチュエータあるいはセンサとしてデバイス先端に搭載したカテーテル等も入手可能であり、このような圧電素子搭載デバイスを用いてもよい。デバイス先端の圧電素子２０Ａは、カテーテル内を通過させた導線により電源に接続される。電源は、専用の電源を用いてもよいが、図８に示す例では、超音波撮像装置１０の送信部１１に接続することで送信部１１からの信号によって圧電素子を駆動する構成としている。
次に、このような構成の超音波撮像装置１０の動作を、図９のフローを参照して説明する。ここでは、超音波撮像装置１０の動作モードの切り替えを制御部１５５が行う場合を例に説明する。図９において、図５と同じ処理は同じ符号で示し、重複する説明は省略する。
監視モードにおいて、制御部１５０は送信部１１を動作させて、圧電素子２０Ａに対し、例えば所定の繰り返し周波数でパルス状に電圧を印加する（Ｓ５０１）。これにより圧電素子２０Ａからパルス状に超音波が発生する（Ｓ５０２）。圧電素子２０Ａから発生させる超音波は少なくとも１フレーム分のデータが得られる時間とする。圧電素子２０Ａからの超音波は、超音波探触子３が受信する超音波と同様に、受信部１２で処理され、超音波画像形成部１５１においてＢモード画像が形成される（Ｓ５３、Ｓ５４）。このＢモード画像を用いて、位置推定部１５２は、圧電素子２０Ａの位置／方向を推定する（Ｓ５５）。位置推定部１５２が圧電素子２０Ａの到来方向を推定する手法は実施形態１と同様であり、画像に現れるＧＬアーチファクトの角度から、撮像領域のどちら側からデバイス２が近づいているのかを判定する。また圧電素子２０Ａが撮像領域に入ってきた場合には、圧電素子２０ＡはＢモード画像において、例えば輝点として描出されるので、その画像上の位置を求めることができる。
一方、制御部１５５は、受信部１２において圧電素子２０Ａから発せられた超音波の受信が終了すると、送信部１１の動作を切り替え、超音波探触子３の各トランスデユーサを駆動する信号を送り、ビームフォームされた超音波ビームを被検体に照射する。受信部１２はこの超音波ビームの反射波であるＲＦ信号を受信し、ビームフォーム加算し、超音波画像形成部１５１に送る（Ｓ５０）。
その後、表示画像形成部１５３が、位置推定部１５２からの位置情報（撮像領域外のときは到来方向、撮像領域内に入ったときはその位置）と超音波画像形成部１５１が形成した超音波画像とを重畳して、表示画像を作成し、表示部１４に表示させる（Ｓ５６、Ｓ５７）。
本実施形態によれば、実施形態１と同様に、デバイス２が撮像領域外にあるときにも、その到来方向を推定し、視認性よく術者に提示することができる。また本実施形態によれば、超音波発生源として圧電素子を用いることにより、光音響材料を発光させるための光発生装置（光発生部２５）を不要とすることができ、特に、超音波撮像装置の送信部によってそれを駆動することで、システム構成を簡略化できる。
＜変形例１＞
上述した実施形態は、超音波発生源の到来方向や位置を推定し、撮像領域外にあるときは図７に示すように到来方向が視認可能な表示を行うものであったが、さらに、撮像領域外にある超音波発生源が撮像領域となるように受信条件を変更して、撮像を行うことも可能である。
本変形例を実行する場合の制御部の制御フローの一例を図１０に示す。図１０において図２と同じ内容の処理（Ｓ２１〜Ｓ２８）は同じ符号で示し、重複する説明は省略する。本変形例では、ステップＳ２８で超音波画像と位置情報との重畳画像が表示された後、制御部１５５は、超音波発生源２０（２０Ａ）の位置を確認するための撮像を行うか否かの判断を行い（Ｓ２９）、必要と判断した場合、推定された超音波発生源２０の位置でビームフォームするように、受信部１２の整相条件を変更し（Ｓ３０）、監視モードを動作させる制御を行う。
ステップＳ３０の判断は、例えば、重畳画像表示後に、入力部１３を介して「超音波発生源の位置確認が必要か否か」のユーザの指示を受け付け、その指示に従って行ってもよいし、推定に用いたアーチファクトや推定した位置情報の信頼度に基づいて決定してもよい。例えばＧＬアーチファクトは、前述のように、その傾きが超音波発生源の位置によって異なるが、超音波発生源の深度が大きくことなるときなどにも変化する。そのような場合にはＧＬアーチファクトの傾きをもとに推定した位置情報の信頼度は低いものとなる。またＧＬアーチファクトが不鮮明なために信頼度が低下する場合もある。このような信頼度は、例えば、位置推定にＣＮＮを用いた場合には、出力された位置情報の確信度が合わせて出力されるので、この確信度を採用することで得られる。またＧＬアーチファクトの輝度値やその分布等から信頼度を算出してもよい。例えば輝度値（最大値あるいは加算値）が所定の閾値を満たさない場合は信頼度が低いと判断する。
表示画像作成部１５３は、ステップＳ３２で整相条件を変更し得た画像を、表示部１４に表示する。表示は、例えば、図１１に示すように、位置推定に用いた撮像領域の画像６０１と推定位置で整相を行って得た画像６０２とを並置してもよいし、撮像領域の超音波画像とともに表示してもよい。この処理Ｓ２９、Ｓ３０は、超音波発生源２０の画像が得られるまで何度か繰り返してもよい。術者はこのような表示によって、推定した位置や到来方向の確認を行うことができる。
以上、説明したように、本発明によれば、カテーテル治療を行う際に、術者にとって最も重要な情報であるカテーテル進行状況を視認性よく且つリアルタイムで、術者に提示することができる。なお、本発明の超音波撮像装置および手術支援システムの構成と動作の実施形態を説明したが、実施形態で説明した要素を、同様の機能を持つ要素で置き換えること、その他の要素を追加することも本発明に包含される。
１：手術支援システム、１０：超音波撮像装置、１１：送信部、１２：受信部、１３：入力部、１４：表示部、２０：超音波発生源、２５：光発生部（光発生装置）、４０：表示装置、１５０：信号処理部、１５１：超音波画像作成部、１５２：位置推定部、１５３：表示画像作成部、１５５：制御部

Claims (15)

  1. 被検体に対し超音波探触子を介してビームフォームされた超音波信号を送信する送信部と、前記超音波信号が照射された撮像領域からの反射超音波を、ビームフォームして受信する受信部と、前記受信部が受信した反射超音波から前記撮像領域の超音波画像を作成する画像形成部と、前記受信部が、前記送信部による超音波信号の非送信時に受信した、前記被検体の内部に挿入された超音波発生源が発する超音波を用いて、前記超音波発生源の位置情報を推定する位置推定部と、を備え、
    前記位置推定部は、前記撮像領域外で前記超音波発生源が発した超音波によって生じる偽像を解析し、前記撮像領域に対する前記超音波発生源の位置情報を推定することを特徴とする超音波撮像装置。
  2. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、
    前記位置情報は、前記超音波発生源の深さ、前記撮像領域までの距離、及び前記撮像領域への到来方向のいずれかを含むことを特徴とする超音波撮像装置。
  3. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、
    前記位置推定部は、前記偽像の傾斜を解析し、前記偽像の傾斜を用いて前記超音波発生源の到来方向を推定することを特徴とする超音波撮像装置。
  4. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、
    前記位置推定部は、前記偽像と前記超音波発生源の位置情報との関係を学習した識別器を含むことを特徴とする超音波撮像装置。
  5. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、
    前記超音波発生源は、電圧の印加によって超音波を発生する圧電素子を備えるものであり、
    前記送信部は、前記超音波信号の非送信時に、前記圧電素子に電気信号を送ることを特徴とする超音波撮像装置。
  6. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、
    前記超音波発生源は、光の照射によって超音波を発生する光音響素子と当該光音響素子に光を照射するとともに前記超音波撮像装置にトリガー信号を送信する光発生部とを備えるものであり、
    前記光発生部からのトリガー信号を受信し、前記送信部及び前記受信部による超音波送受信を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする超音波撮像装置。
  7. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、
    前記位置推定部が推定した前記超音波発生源の位置情報を用いて、推定された位置情報にビームフォームされるように、前記受信部のビームフォームの位相を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする超音波撮像装置。
  8. 請求項７に記載の超音波撮像装置であって、
    前記位置推定部は、前記制御部による制御後に前記受信部が受信した超音波信号を用いて、再度、前記超音波発生源の位置情報を推定することを特徴とする超音波撮像装置。
  9. 請求項７に記載の超音波撮像装置であって、
    前記位置推定部は、前記制御部による制御後に前記受信部が受信した超音波信号を用いて、前記超音波発生源の画像を作成し、表示装置に表示させることを特徴とする超音波撮像装置。
  10. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、
    前記位置推定部が推定した前記超音波発生源の位置情報を示す表示画像を形成する表示画像形成部をさらに備えることを特徴とする超音波撮像装置。
  11. 請求項１０に記載の超音波撮像装置であって、
    前記表示画像形成部は、前記撮像部が取得した超音波画像と前記位置情報とを同一画面に含む表示画像を形成することを特徴とする超音波撮像装置。
  12. 超音波撮像装置を用いて、患者の体内に挿入された術具を監視する手術支援方法であって、
    所定の撮像範囲に対し超音波信号の送受信を繰り返し、超音波画像を形成し表示し、
    超音波送受信の合間に、前記術具に固定された超音波発生源から超音波を発生させて、その際、前記超音波撮像装置が受信した超音波信号を画像化し、撮像範囲外にある前記超音波発生源の偽像を解析し、
    前記撮像範囲に対する前記超音波発生源の位置情報を推定し、提示することを特徴とする手術支援方法。
  13. 請求項１２に記載の手術支援方法であって、
    前記位置情報として、前記超音波発生源が前記撮像範囲に対し近づいてくる方向、前記撮像範囲との距離、及び、超音波ビームの深さ方向の距離の少なくとも一つを含む情報を前記撮像範囲の超音波画像とともに、提示することを特徴とする手術支援方法。
  14. 請求項１２に記載の手術支援方法であって、
    前記超音波発生源の位置情報を推定した後に、前記超音波発生源を撮像範囲に含むように、超音波信号を受信する際のビームフォームの位相を変更して、前記超音波発生源からの超音波信号を受信し、
    当該受信した超音波信号から作成した画像を提示することを特徴とする手術支援方法。
  15. 被検体に対し超音波探触子を介してビームフォームされた超音波信号を送信し、当該超音波信号が照射された領域からの反射超音波信号を受信し、前記被検体の超音波画像を撮像する撮像部を備えた超音波撮像装置と、
    被検体内に挿入される治療具に固定された超音波発生源と、
    前記超音波画像及び前記超音波発生源の位置を表示する表示装置と、を含む手術支援システムであって、
    前記超音波撮像装置は、前記被検体の内部に挿入された超音波発生源からの超音波を、前記超音波探触子を介して受信し、前記超音波発生源の位置情報を推定する位置推定部を備え、前記位置推定部は、前記撮像領域外で前記超音波発生源が発した超音波によって生じる偽像を解析し、前記撮像領域に対する前記超音波発生源の位置情報を推定することを特徴とする手術支援システム。
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