JP2021186284A - 超音波撮像装置、治療支援システムおよび画像表示方法 - Google Patents

超音波撮像装置、治療支援システムおよび画像表示方法 Download PDF

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Abstract

【課題】リニアアレイ探触子を使用して、ガイドワイヤと血管等の撮像対象との３次元的な位置関係を把握できる超音波撮像装置を提供する。【解決手段】超音波撮像装置は、被検体に超音波を照射して前記超音波の反射波を受信するとともに、被検体内部に挿入されたビーコン１３からの超音波を受信する超音波探触子２０と、超音波探触子の３次元位置と向きを取得する探触子位置取得部４２５と、超音波探触子で受信した超音波による超音波画像から求めたビーコンの超音波探触子に対する相対位置又は相対速度と、探触子位置取得部で取得した超音波探触子の３次元位置と向きとから、ビーコンの３次元位置を求めるビーコン位置取得部４２４と、超音波探触子で受信した超音波による超音波画像を用いて、表示部で表示する画像を形成する表示画像形成部４３と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、光音響等の超音波発生源を搭載したガイドワイヤを体内に挿入して超音波画像を撮像する超音波撮像装置、治療支援システムおよび画像表示方法に関する。
カテーテル治療は、開胸等の手術と比較し、患者負担が少ない術式であるため、主に血管狭窄などの治療に広く採用されている。カテーテル治療では、治療対象となる領域とカテーテルとの関係を把握することが重要であり、それを支援する撮像方法としてＸ線透視が利用されている。また、特許文献１のように、Ｘ線透視画像に替えて超音波画像を支援画像として用いる試みもある。
詳しくは、特許文献１には、ガイドワイヤに搭載した超音波発生源が発生した超音波に関し、超音波探触子を構成する素子アレイに到達する超音波（超音波発生源からの超音波）の到達時間差或いは撮像領域からの距離に依存する超音波発生源の画像を用いてガイドワイヤ先端位置を推定し、この推定結果を用いて撮像結果とガイドワイヤ先端との相対位置関係を把握する技術が開示されている。
特開２０１９−２１３６８０号公報
上記の先行技術によれば、挿入物（ガイドワイヤ）の先端位置の撮像領域内での位置を推定することが可能となる。しかし、撮像対象である血管などの生体と挿入物先端部の３次元的な位置関係の把握には、超音波探触子を構成する素子アレイがマトリクス状に配列された２次元アレイ探触子を用いる必要がある。
また、撮像領域に対する相対的なカテーテル等の位置関係を把握できる一方で、絶対的な位置を検出することはできず、例えば他の撮像手法で得た生体の情報と位置合わせができない。
本発明は、リニアアレイ探触子を使用して、ガイドワイヤと血管等の撮像対象との３次元的な位置関係を把握できる超音波撮像装置、治療支援システム、および、画像表示方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するため、本発明の超音波撮像装置は、被検体に超音波を照射して前記超音波の反射波を受信するとともに、被検体内部に挿入されたビーコンからの超音波を受信する超音波探触子と、前記超音波探触子の３次元位置と向きを取得する探触子位置取得部と、前記超音波探触子で受信した超音波による超音波画像から求めた前記ビーコンの前記超音波探触子に対する相対位置又は相対速度と、前記探触子位置取得部で取得した前記超音波探触子の３次元位置と向きとから、前記ビーコンの３次元位置を求めるビーコン位置取得部と、前記超音波探触子で受信した超音波による超音波画像を用いて、表示部で表示する画像を形成する表示画像形成部と、を備えるようにした。
本発明によれば、リニアアレイ探触子を使用して、ガイドワイヤと血管等の撮像対象との３次元的な位置関係を術者に示すことができる。
実施形態の医療支援システムの全体構成を説明する図である。 ガイドワイヤの先端部の様子を説明する図である。 超音波撮像装置のブロック図である。 超音波撮像装置の処理フロー図である。 超音波探触子の座標系を説明する図である。 超音波探触子とＰＡ信号発生源の位置変化からＰＡ信号発生源の絶対位置を検出する方法について説明する図である。 超音波探触子の撮像面の回転位置変化からＰＡ信号発生源の絶対位置を検出する方法について説明する図である。 超音波探触子の速度を用いてＰＡ信号発生源の絶対位置を検出する処理フロー図である。 他の構成の超音波撮像装置のブロック図である。 超音波撮像装置の他の処理フロー図である。 表示部の表示例を示す図である。 表示部の他の表示例を示す図である。 動作計画部によるロボットアームの移動計画の一例を示す図である。 超音波探触子の超音波画像の一例を示す図である。 動作計画部によるロボットアームの移動計画の他の一例を示す図である。 超音波探触子の超音波画像の他例を示す図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態の超音波撮像装置と、それを用いたカテーテル治療支援システム（以下、医療支援システムと略す。）の全体構成を説明する図である。
また、図２は、ガイドワイヤの先端部の様子を説明する図である。
図１に示すように、医療支援システム１００は、超音波発生源１３（ビーコン）と光発生部１５とから成る超音波発生デバイス１０を搭載した生体挿入具１１（ガイドワイヤ）と、超音波探触子２０（プローブ）と、ロボットアーム９０とを備え、生体挿入具１１が挿入された被検体８０の超音波画像を取得する超音波撮像部３０およびその表示部３４と、を備える。
生体挿入具１１は、例えば、バルーンカテーテルやマイクロカテーテル、栄養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等、細長い管状の医療器具である。以下では、生体挿入具がガイドワイヤである場合を説明する。
以下に、光音響（ＰＡ、Photo acoustic）効果により超音波信号を発するＰＡ信号発生源１３を備えた超音波発生デバイス１０を説明するが、圧電素子により超音波を発生するようにしてもよい。
超音波発生デバイス１０は、図１や図２に示すように、フレキシブルな中空のガイドワイヤ１１の中空部内に配置された光ファイバ１２（不図示）と、光ファイバ１２の挿入側端面に固定された光音響超音波発生源１３と、光ファイバ１２の他端（光音響超音波発生源１３が固定された端部と反対側の端部）に接続され、レーザ光を発生する光発生部１５とを備える。光ファイバ１２は光発生部１５が発生するレーザ光を先端の光音響超音波発生源１３に導く導光部材として機能する。これら超音波発生デバイス１０と中空のガイドワイヤ１１とを含めて光音響源搭載ワイヤと呼ぶこともある。
図２に示すように、血管８２に挿入されたガイドワイヤ１１の先端の光音響超音波発生源１３（以後、ＰＡ信号発生源１３と記す）が発する超音波を、超音波探触子２０で検出する。そして、超音波撮像部３０が、超音波探触子２０が発する超音波に基づいて形成した被検体８０および血管８２の断面画像に、検出したＰＡ信号発生源１３の画像を重畳する。
これにより、被検体８０および血管８２におけるガイドワイヤ１１の位置を把握できる。
ＰＡ信号発生源１３は、レーザ光を受けて断熱膨張することによってＰＡ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。ＰＡ信号発生源１３を含む光ファイバ１２の先端は、樹脂性の封止部材で覆われている。なお、図２では、ＰＡ信号発生源１３はガイドワイヤ１１の先端に位置つけられているが、ワイヤ先端には限られない。
つぎに、実施形態の超音波撮像装置を構成する超音波撮像部３０の詳細を説明する。図３は、超音波撮像部３０の含む超音波撮像装置のブロック図である。
超音波撮像部３０は、詳細を後述する制御部４０と、超音波探触子２０に超音波信号を送信する送信部３１と、超音波探触子２０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３２と、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３３と、超音波撮像部３０が取得した超音波画像やＧＵＩ（Graphic User Interface）等を表示する表示部３４と、処理結果や処理結果をもとに表示画像形成部４３で形成された表示画像等を記憶するメモリ３５と、を備えている。
制御部４０は、超音波探触子２０で受信した超音波画像（反射超音波信号とＰＡ信号を含む）を処理する信号処理部４１と、信号処理部４１で処理した信号からＰＡ信号の音源位置を検出するＰＡ音源位置検出部４２と、ＰＡ音源位置検出部４２で検出したＰＡ音源位置と事前に取得した被検者の事前取得３Ｄ解剖学的情報４４とを用いて表示部３４に表示する画像を形成する表示画像形成部４３と、ＰＡ音源位置検出部４２で検出した音源位置と事前取得した被検者の事前取得３Ｄ解剖学的情報４４とを用いて超音波探触子２０の操作位置を決定する動作計画部４５と、を備える。
事前取得３Ｄ解剖学的情報４４には、被験者がＣＴ（Computer Tomography）やＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）で取得した３Ｄボリューム像を用いてもよいし、超音波撮像装置でスイープして撮像した３Ｄボリューム像を用いてもよい。
信号処理部４１は、受信部３２が受信した反射波であるＲＦ信号を用いてＢモード画像等の超音波画像を作成する反射超音波信号処理部４１１と、光発生部１５のレーザ光の発光タイミングに基づいて、ＰＡ信号発生源１３から発せられ超音波探触子２０の各トランスデユーサ素子が検出したＰＡ信号を検出し処理する超音波信号解析部（ＰＡ信号解析部）４１２と、を備える。
なお、制御部４０は、ＰＡ信号を受信するＰＡ信号解析部４１２とＰＡ信号の発生位置を検出するＰＡ音源位置検出部４２と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する。
ＰＡ音源位置検出部４２は、ＰＡ信号解析部４１２で解析したＰＡ信号からＰＡ信号発生源１３の撮像領域内での位置を推定する相対位置検出部４２１と、相対位置検出部４２１で検出したＰＡ信号発生源１３の位置を微分して速度を導出する相対速度計測部４２２と、ロボットアーム９０の操作位置情報に基づいて超音波探触子２０の速度を計測する探触子速度計測部４２５と、相対速度計測部４２２が計測した速度と探触子速度計測部４２５が計測した超音波探触子２０の速度とに基づいて、ＰＡ信号発生源１３の絶対位置を検出する絶対位置検出部４２４と、絶対位置検出部４２４で検出した絶対位置をフィルタリングして誤差を低減する位置フィルタ４２３と、を備える。
位置フィルタ４２３は、任意のフィルタ処理によって絶対位置検出部４２４の検出結果に含まれる誤差を低減する。例えば、ＰＡ信号発生源１３が低速で移動する場合であれば、移動平均フィルタやＬＰＦ（Low Pass Filter）などのフィルタによる平滑化によって位置検出誤差が低減できる。
また、位置フィルタ４２３は、ＰＡ音源位置検出部４２の位置検出手法に原理的に発生しうる検出誤差をモデル化した誤差モデルを考慮したフィルタであってもよい。具体的には、ＰＡ音源位置検出部４２で検出する、ＰＡ信号発生源１３の位置と速度と、超音波探触子２０の位置と速度と姿勢と、ＰＡ音源位置検出部４２の誤差モデルと、を統合的に考慮して、統計的に最も確率の高い状態を推定するカルマンフィルタや粒子フィルタなどを適用することができる。
ＰＡ音源位置検出部４２における他の構成の詳細は後述する。
制御部４０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おいて、その機能をプログラムしたソフトウェアを実行することにより実現するができる。また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。なお、制御部４０は単一の計算機に実装してもよいし、機能ごとに複数の計算機に実装してもよい。
超音波探触子２０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アレイ配列をひとつ有する１Ｄアレイ探触子（リニアアレイ探触子）である。また、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、２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２０を用いることができる。信号処理部４１は、用いる超音波探触子２０の種類に応じた解析手法を採用する。
つぎに、実施形態の医療支援システム１００の動作を説明する。
ここでは、超音波撮像装置は、１Ｄアレイ探触子である超音波探触子２０を用いて、被検体８０の超音波撮像を行いながら、術者がカテーテル等をガイドするＰＡ信号発生源１３を先端に設けたガイドワイヤ１１を被検体の体内に挿入し、超音波撮像装置がガイドワイヤ１１の先端位置をＰＡ信号によってモニタリングする。そして、超音波撮像装置は、超音波探触子２０がガイドワイヤの先端位置を追尾するようにロボットアーム９０を操作する場合を説明する。
図４は、超音波撮像装置の処理フロー図である。
ステップＳ４０１で、超音波撮像装置は、超音波探触子２０の追尾に対する支援動作が有効であるか否かを判定し、無効であれば（Ｓ４０１のＮｏ）、処理を終了する。有効であれば（Ｓ４０１のＹｅｓ）、ステップＳ４０２に進む。
ステップＳ４０２で、超音波撮像装置が超音波探触子２０による反射超音波撮像を行う（以後、撮像モードと呼ぶ）。この撮像モードでは、従来の超音波撮像装置と同様の超音波撮像を行う。
詳しくは、超音波探触子２０により送信部３１から超音波を送信し、送信した超音波が被検体内部の組織から反射する反射波を超音波探触子２０で受信する。受信部３２は、超音波探触子２０からフレームごとに受信した受信信号に対して、整相・加算などの処理を行い、信号処理部４１に送る。反射超音波信号処理部４１１は、受信部３２からのフレーム信号を用いて超音波画像、例えば、Ｂモード画像を作成し、表示部４３に表示する画像を形成する表示画像形成部４３に渡す。
この撮像モードで、超音波探触子２０が１Ｄアレイ探触子であるときにはアレイ接触子の方向と深度方向の反射波強度の情報を取得できるので、反射波強度の情報により、２次元の反射波強度の情報を得られる。
また、超音波探触子２０に２Ｄアレイ探触子を用いた場合には、１回の撮像モードで探触子面と深度方向とを合わせた３次元の反射波の強度に対応する情報が得られる。
ステップＳ４０３で、超音波撮像装置が超音波探触子２０によるＰＡ信号を受信する（以後、ＰＡ受信モードと呼ぶ）。このＰＡ受信モードで、カテーテルを被検体の体内、例えば血管内に挿入している際のＰＡ信号発生源１３のＰＡ信号をモニタリングする。
詳しくは、ＰＡ受信モードでは、一時、送信部３１の動作を停止して、光発生部１５を作動させて、光発生部１５からパルス状のレーザ光を照射する。光発生部１５が発した光は、体内に挿入したガイドワイヤ１１の光ファイバ１２を介してＰＡ信号発生源１３に照射される。この照射光により、ＰＡ信号発生源１３を構成する光音響材料からＰＡ信号（超音波）が発生し、超音波探触子２０の各素子で検出される。
ＰＡ信号解析部４１２は、超音波探触子２０で受信したＰＡ信号から光発生部１５からの光照射と同期した信号データを作成し、ＰＡ音源位置検出部４２の相対位置検出部４２１に渡す。受信したＰＡ信号の同期には、光発生部１５が光を照射した際にＰＡ信号解析部４１２に出力するトリガー信号から光照射のタイミングを取得してもよいし、超音波探触子２０の各素子が受信したＰＡ信号から光照射のタイミングを推測してもよい。
また、圧電素子を用いて超音波を発生する超音波発生デバイス１０を用いた場合には、送信部３１を用いて超音波を発信することで、信号が発生したタイミングが推測できるほか、ＰＡ信号発生源を用いた時と同様に外部の信号源とトリガー信号によって同期をとってもよい。
ステップＳ４０４で、ＰＡ音源位置検出部４２がＰＡ信号解析部４１２から渡されたＰＡ信号とロボットアーム９０から渡された超音波探触子２０の絶対位置（３次元）と姿勢（方向）の情報を基に、ＰＡ信号発生源１３の位置を検出する。
詳しくは、ＰＡ音源位置検出部４２では、まず、相対位置検出部４２１がＰＡ信号解析部４１２から渡されたＰＡ信号を基に、超音波探触子２０に対するＰＡ信号発生源１３の相対位置を検出する。
つぎに、相対速度計測部４２２が検出した相対位置の時間変化から相対速度を検出し、探触子速度計測部４２５がロボットアーム９０から渡された超音波探触子２０の絶対位置と姿勢（方向）の情報の時間変化から超音波探触子２０の速度と角速度を検出する。
また、相対速度計測部４２２は、受信したＰＡ信号に生じるドップラー効果を用いて相対速度を計測してもよい。
そして、絶対位置検出部４２４がこれらの値を基にＰＡ信号発生源１３の絶対位置を検出する。
検出されたＰＡ信号発生源１３の絶対位置は位置フィルタ４２３によりフィルタリングされ、検出誤差が低減される。
ステップＳ４０５で、表示画像形成部４３が表示内容を形成し、表示部３４に表示する。
詳しくは、表示画像形成部４３が、反射超音波信号処理部４１１で形成した反射超音波像と、ＰＡ音源位置検出部４２で検出したＰＡ信号発生源１３の位置と、事前に取得して事前取得３Ｄ解剖学的情報４４に記録された被検体８０の解剖学的構造についての３Ｄボリューム像と、を用いてＰＡ信号発生源１３の立体的な位置関係を術者が把握できるような表示画像を形成し、表示部３４に表示する。
具体的な表示部３４の表示例については、図１１、図１２により後述する。
ステップＳ４０６で、動作計画部４５が、被検体８０の事前取得３Ｄ解剖学的情報４４と、ロボットアーム９０から得た探触子の位置と座標と、超音波撮像装置が得た反射超音波画像とＰＡ音源位置と、を用いてロボットアーム９０の動作を計画し、ロボットアーム９０に操作位置を指示する。
例えば、動作計画部４５は、ステップＳ４０２の反射超音波画像の所定位置にＰＡ信号発生源１３が位置し、ＰＡ信号発生源１３を追尾するように、ロボットアーム９０を動かす。これにより、超音波探触子２０が、ＰＡ信号発生源１３から発生したＰＡ信号（超音波）を受信し続けることができる。
より具体的な超音波探触子２０の追尾例を、図１３A、図１４Aにより後述する。
そして、ステップＳ４０１に戻り、ステップＳ４０２〜４０６を繰り返す。
なお、撮像モード（ステップ４０２）とＰＡ受信モード（ステップＳ４０３）は、図４のフロー図に限定されない。例えば、撮像モードを４回実行し、ＰＡ受信モードを１回実行する動作を繰り返してもよいし、撮像モードとＰＡ受信モードをそれぞれ１回ずつ実行する動作を繰り返してもよい。
以後、図４のステップＳ４０４における絶対位置検出部４２４の処理を詳細に説明する。
図５は、以後の説明にあたり、超音波探触子２０の座標系を説明する図である。座標系は、１Ｄアレイ探触子である超音波探触子２０の音響素子アレイ２１のアレイ配列方向が長軸２２、アレイ受信面に平行で長軸２２に直交した軸を短軸２３、アレイ受信面に直交した軸を深さ軸２４とし、音響素子アレイ２１の表面における長軸方向と短軸方向の中心を座標系の原点とする。
超音波探触子２０が、２次元方向に多数のアレイ配列を持つ２Ｄアレイ探触子の場合には、長軸２２と短軸２３の向きは任意に決定してよい。
まず、図６により、超音波探触子２０が短軸２３の方向に並進するように移動した際の位置と姿勢の関係、つまりＰＡ信号発生源１３との超音波探触子２０の位置変化（並進）からＰＡ信号発生源１３の絶対位置を検出する方法について説明する。
図６に示すように、１Ｄアレイ探触子である超音波探触子２０が短軸２３の方向に向かって超音波探触子２０を７１２Ｂから７１２Ａに並進７１１する場合には、ロボットアーム９０により、７１２Ａと７１２Ｂのそれぞれにおける超音波探触子２０の絶対位置を取得できる。また、ＰＡ信号解析部４１２により光発生部１５の発光から超音波探触子２０のＰＡ信号の到達時間を計測できるので、７１２Ａと７１２ＢのそれぞれからＰＡ信号発生源１３までの距離７１３Ａと７１３Ｂを求めることができる。
したがって、ＰＡ信号発生源１３の位置７１５は、距離７１３Ａの円弧７１４Ａと距離７１３Ｂの円弧７１４Ｂの交点であるので、７１２Ａと７１２Ｂのそれぞれにおける超音波探触子２０の絶対位置と、ＰＡ信号発生源１３までの距離７１３Ａと７１３Ｂとから、絶対位置を算出できる。
詳しくは、ＰＡ信号発生源１３までの距離７１３Ａ（ｌａ）と７１３Ｂ（ｌｂ）は、移動前後のＲＡ信号の到達時間をｔａ、ｔｂとすると式（１）により求まる。
Figure 2021186284
 ここで、ｃは音速である。
そして、超音波探触子２０を７１２Ｂから７１２Ａに速度ｖ、微小時間Δｔで並進したとすると、ＰＡ信号発生源１３の位置７１５（ｙＰＡ、ｚＰＡ）は、式（２）により求まる。
Figure 2021186284
 ただし、ｙは短軸２３方向の相対値、ｚは深さ軸２４方向の相対値であり、微小時間Δｔが十分短いとして、ｌａ≒ｌｂと近似した。
上記では、ＰＡ信号発生源１３が静止しているとしているが、移動している場合もある。このため、ＰＡ信号発生源１３の移動により求めたＰＡ信号発生源１３の絶対位置に誤差が生じるが、位置フィルタ４２３によりこの誤差は軽減される。
つぎに、図７により、超音波探触子２０が深さ軸２４回りに回転移動した際の位置と姿勢の関係、つまり超音波探触子２０の撮像面の回転位置変化からＰＡ信号発生源１３の絶対位置を検出する方法について説明する。
図７に示すように、１Ｄアレイ探触子である超音波探触子２０が深さ軸２４回りに回転方向７２１に向かって７２２Ｂから７２２Ａに回転する場合には、ＰＡ信号解析部４１２によりそれぞれのＰＡ信号発生源１３の長軸方向の位置７２３Ｂと７２３Ａの取得でき、ロボットアーム９０により、それぞれのＰＡ信号発生源１３の長軸方向の位置７２３Ｂと７２３Ａの絶対位置を取得できる。
したがって、ＰＡ信号発生源１３の位置７２５は、直線７２４Ａと直線７２４Ｂの交点であるので、７２３Ａと７２３Ｂの絶対位置から、ＰＡ信号発生源１３の位置７２５の絶対位置を算出できる。
詳しくは、移動前後のＰＡ信号発生源１３における長軸２２方向の位置変化ｘＰＡ、深さ軸２４回りの回転７２１の角速度ω、ＰＡ信号の到達時間ｔ、音速をｃとすると、ＰＡ信号発生源１３の位置７２５（ｙＰＡ、ｚＰＡ）は、式（３）により求まる。
Figure 2021186284
上記の超音波探触子２０とＰＡ信号発生源１３の位置変化、又は超音波探触子２０の撮像面の回転位置変化からＰＡ信号発生源１３の絶対位置を検出する方法では、移動前後の位置を用いてＰＡ信号発生源１３の絶対位置を検出しているが、移動前後の時間差が短い場合には、超音波探触子２０の速度を用いてＰＡ信号発生源１３の絶対位置を検出することとなる。
図８により、ＰＡ音源位置検出部４２において、超音波探触子２０の速度を用いてＰＡ信号発生源１３の絶対位置を検出する処理フローを説明する。
このフローでは、超音波探触子２０の移動から並進と回転を抽出してＰＡ信号発生源１３の絶対位置を検出している。
ステップＳ８０１で、探触子速度計測部４２５が、超音波探触子２０の移動の速度と角速度を計測する。ここで、超音波探触子２０の移動の速度と角速度を、ロボットアーム９０から取得してもよい。
ステップＳ８０２で、絶対位置検出部４２４が、計測した超音波探触子２０の移動の速度と角速度から、超音波探触子２０の短軸２３の方向の並進速度と、超音波探触子２０の深さ軸２４回りの回転速度成分を抽出する。
ステップＳ８０３で、絶対位置検出部４２４は、抽出した短軸２３の方向の並進速度が０に等しいか否かを判定し、０に等しければ（Ｓ８０３の“＝０”）、ステップＳ８０５に進む。０に等しくなければ（Ｓ８０３の“≠０”）、ステップＳ８０４に進む。
ステップＳ８０４で、絶対位置検出部４２４は、図６により説明した方法と同様に、ＰＡ信号発生源１３との超音波探触子２０の短軸２３の方向の並進速度からＰＡ信号発生源１３の絶対位置を検出する。詳しくは、ＰＡ信号発生源１３が、当該並進速度で速度の測定時間離れた２点からＰＡ信号解析部４１２により計測した距離に等しい点に位置するものとして、ＰＡ信号発生源１３の絶対位置を検出する。そして、ステップＳ８０５に進む。
ステップＳ８０５で、絶対位置検出部４２４は、抽出した超音波探触子２０の深さ軸２４回りの回転速度が０に等しいか否かを判定し、０に等しければ（Ｓ８０５の“＝０”）、ステップＳ８０７に進む。０に等しくなければ（Ｓ８０５の“≠０”）、ステップＳ８０６に進む。
ステップＳ８０６で、絶対位置検出部４２４は、図７により説明した方法と同様に、超音波探触子２０の深さ軸２４回り回転速度を用いてＰＡ信号発生源１３の絶対位置を検出する。詳しくは、ＰＡ信号発生源１３が、当該回転速度の測定時間離れた２点における法線の交点に位置するものとして、ＰＡ信号発生源１３の絶対位置を検出する。そして、ステップＳ８０７に進む。
ステップＳ８０７で、位置フィルタ４２３が、ステップＳ８０４とステップＳ８０６で求めたＰＡ信号発生源１３の絶対位置の少なくとも一方をフィルタリング処理する。これにより、位置検出の高精度化を行う。
上記では、超音波探触子２０として１Ｄアレイ探触子を使用する場合について説明したが、２Ｄアレイ探触子を超音波探触子２０とする場合について説明する。
この場合には、超音波探触子２０の並進や回転によりＰＡ信号発生源１３の３次元位置を取得することなく、超音波探触子２０に対するＰＡ信号発生源１３の３次元位置を取得できるので、ロボットアーム９０から通知された超音波探触子２０の3次元絶対位置と姿勢に取得した３次元相対位置を加算して、ＰＡ信号発生源１３の３次元絶対位置を検出できる。
上記の超音波撮像装置および治療支援システムでは、ロボットアーム９０が超音波探触子２０を操作し、ロボットアーム９０が検出した超音波探触子２０の絶対位置に基づいて、ＰＡ信号発生源１３の３次元絶対位置を検出することを説明したが、超音波探触子２０の絶対位置を検出する探触子位置・姿勢センサ９１を設ける構成としてもよい。また、ロボットアーム９０により超音波探触子２０を操作し、探触子位置・姿勢センサ９１により超音波探触子２０の絶対位置を検出するようにしてもよい。
探触子位置・姿勢センサ９１は、超音波探触子２０に内蔵してもよく、また別体で構成してもよい。
探触子位置・姿勢センサ９１は、例えば、地磁気センサ等の測位センサ、加速度センサ、ジャイロセンサを組合せて構成されるものや、外部のカメラを用いたものなどであり、探触子の位置と姿勢が計測できるセンサであれば限定されない。
図９は、探触子位置・姿勢センサ９１により超音波探触子２０の絶対位置を検出する超音波撮像装置および治療支援システムの構成を示すブロック図である。
図９の超音波撮像装置は、図３で説明した超音波撮像装置と比べて、ロボットアーム９０の動作計画部４５を除き、探触子位置・姿勢センサ９１を設けた点が異なり、他は同じ構成となっている。
探触子位置・姿勢センサ９１は、周期的に、超音波探触子２０の絶対位置と姿勢を検出し、制御部４０に通知する。
探触子速度計測部４２５は、ロボットアーム９０に替えて、探触子位置・姿勢センサ９１から渡された超音波探触子２０の絶対位置と姿勢（方向）の情報の時間変化から超音波探触子２０の速度と角速度を検出する。
表示画像形成部４３は、ロボットアーム９０が検出した超音波探触子２０の絶対位置に基づいて、ＰＡ信号発生源１３の３次元絶対位置を検出する場合と同様の処理を行う。
図１０は、超音波撮像装置の処理フロー図である。
図４で説明した超音波撮像装置の処理フローとは、ステップＳ４０６の動作計画部が動作をロボットアームに指示する処理が除かれている点、ステップＳ４０４がステップＳ４０７に替わっている点が異なる。
ステップＳ４０７で、ＰＡ音源位置検出部４２がＰＡ信号解析部４１２から渡されたＰＡ信号と探触子位置・姿勢センサ９１から渡された超音波探触子２０の絶対位置（３次元）と姿勢（方向）の情報を基に、ＰＡ信号発生源１３の位置を検出する。
これにより、超音波探触子２０を手動操作する場合でも、ＰＡ信号発生源１３の３次元絶対位置を検出できる。
以上、ＰＡ信号発生源１３の位置検出の実施形態を説明したが、各実施形態は技術的に矛盾しない限り、適宜組合せることが可能であり、そのような組み合わせも本発明に包含される。
ここで、図４、図１０のステップＳ４０５において表示部３４に表示される表示画像について説明する。
図１１は、表示部３４に表示される表示画像５１の一例を示す図である。
図１１に示すように、表示部３４に表示する表示画像５１は、被検体８０の血管８２内でのＰＡ信号発生源１３の位置を表示し、血管８２の長軸断面を表示する画像５１１と、血管８２の輪切り断面を表示する画像５１２と、を有する。そして、画像５１１、５１２に被検体８０の身体と血管８２との表示と、ＰＡ信号発生源１３の位置表示５１９と軌跡の表示５１８と、を表示する。これらの表示要素はすべてを表示してもよいし、一部を表示してもよい。
また、画像５１１と画像５１２は、超音波撮像部３０が撮像し、表示画像形成部４３が形成した表示画像を用いて表示してもよいし、ＰＡ音源位置検出部４２が検出したＰＡ信号発生源１３と事前に取得した被検体８０の事前取得３Ｄ解剖学的情報４４とを用いてＣＧ（Computer Graphics）で形成することで、表示画像形成部４３が超音波撮像部３０の撮像領域外の解剖学的構造の情報を表示してもよい。
表示部３４に表示する画像の内容は、手術を支援するような任意の画像処理を含むことができ、前記超音波画像や前記ＣＧ内に存在する血管や病変といった注目点を強調表示するような表示や、画面外の病変位置を示す表示などを含むことができる。
前記ＣＧによる画像形成においては、事前に取得した被検体８０の事前取得３Ｄ解剖学的情報４４について、ロボットアーム９０が検出する絶対座標上でどの位置に位置するかを検出して位置合わせするために、表示画像形成部４３が形成した超音波画像内の特徴点と前記事前取得３Ｄ解剖学的情報４４内の特徴点を比較し、一致する箇所を検出する。例えば、特徴点として血管の分岐や骨を用いることができるし、他の特徴点を用いてもよい。
また、前記ＣＧによる画像形成においては、前記事前取得３Ｄ解剖学的情報４４を直接用いて表示画像を形成してもよいし、術中に形成した反射超音波画像を参考に、事前に取得した解剖学的構造と術中の解剖学的構造の変形を検出し、事前に取得した前記事前取得３Ｄ解剖学的情報４４がより術中の構造に即するように、事前に取得した前記事前取得３Ｄ解剖学的情報４４を変形させた情報を用いて表示画像を形成してもよい。例えば、術中に形成した反射超音波画像内の血管壁を認識し、事前に取得した前記事前取得３Ｄ解剖学的情報４４内に含まれる血管壁が反射超音波画像内の血管壁と同様の形状になるように変形させる処理などが考えられる。
表示部３４に表示する画像の内容は、図１１に例示した、２方向からの画像を表示する画面に限定されず、病変とＰＡ信号発生源１３の立体的な位置関係が提示できれば、１方向からの画像を表示してもよいし、第３角法により画像を表示してもよい。また、任意の視点からの画像を４画面以上表示してもよく、表示方法と表示する画像の視点は限定されない。
図１２は、第３角法による表示画像５２の一例を示す図である。
表示画像５２は、血管の側面図５２１と、血管の輪切り図５２２と、血管の上面図５２３と、の３方向からの画像から構成される。
図１２の符号５２８はＰＡ信号発生源１３の軌跡を示し、符号５２９はＰＡ信号発生源１３の位置を示している。
つぎに、図４のステップＳ４０６における動作計画部４５が計画するロボットアームの動作指示について詳細に説明する。
図１３Ａ、図１４Ａにより、動作計画部４５によるロボットアーム９０の移動計画の一例を説明する。
図１３Ａでは、ロボットアーム９０は、ＰＡ信号発生源１３が移動前の位置６１３から移動後の位置６１４に移動した際に、超音波探触子２０の撮像領域が血管８２を輪切りにするように保ちつつ、ＰＡ信号発生源１３を追尾して移動前の位置６１１から移動後の位置６１２に移動するように超音波探触子２０を動かす。
図１３Ｂは、ロボットアーム９０を図１３Ａのように超音波探触子２０を動かした場合の超音波画像である。
超音波画像には、被検体８０の血管８２と、ＰＡ信号発生源１３（位置６１５）が描出され、被検体８０の血管８２内でのＰＡ信号発生源１３の位置６１５の把握が容易になる。
図１４Ａでは、ロボットアーム９０は、超音波探触子２０の撮像領域が血管８２の長軸断面を含むように、ＰＡ信号発生源１３の移動前後の位置６２３と６２４を追尾し、移動前の位置６２１から移動後の位置６２２に移動するように超音波探触子２０を動かす。
図１４Ｂは、ロボットアーム９０を図１４Ａのように超音波探触子２０を動かした場合の超音波画像である。
超音波画像には、被検体８０の血管８２と、ＰＡ信号発生源１３（位置６２５）と、が描出され、被検体８０の血管８２に閉塞部８３が存在する場合に、閉塞部８３とＰＡ信号発生源１３（位置６２５）の位置関係を把握しやすくできる。
ただし、超音波探触子２０の動かし方は、図４、図１０のステップS４０５の表示画像形成において、表示画像を形成するために必要な反射超音波信号とＰＡ信号が取得できれば十分であり、図１３Ａと図１４Ａの動かし方に限定されない。
例えば、図８で説明したように、図６で説明した並進７１１と、図７で説明した回転７２１の速度と、が共に０でないときに位置検出が可能となる。
そこで、超音波探触子２０の前記並進７１１の速度ｖｅと前記回転の角速度ωｄが式（４）となるように、ロボットアーム９０が超音波探触子２０を揺動操作することで、前記並進７１１と前記回転７２１が同時に０になることがなくなる。これにより、常にＰＡ信号発生源１３の位置検出が継続できる。ただし、ｖ０とω０は速度を調整するための定数であり、Ｔは揺動の周期である。
Figure 2021186284
以上、本発明の超音波撮像装置およびカテーテル治療支援システムの実施形態を説明したが、各実施形態は技術的に矛盾しない限り、適宜組合せることが可能であり、そのような組み合わせも本発明に包含される。
１０ 超音波発生デバイス
１１ ガイドワイヤ（生体挿入具）
１２ 光ファイバ
１３ ＰＡ信号発生源（光音響超音波発生源）（ビーコン）
２０ 超音波探触子
３０ 超音波撮像部
３１ 送信部
３２ 受信部
３３ 入力部
３４ 表示部
３５ メモリ
４０ 制御部
４１ 信号処理部
４１１ 反射超音波信号処理部
４１２ ＰＡ信号解析部（超音波信号解析部）
４２ ＰＡ音源位置検出部
４２１ 相対位置検出部
４２２ 相対速度計測部
４２３ 位置フィルタ
４２４ 絶対位置検出部（ビーコン位置取得部）
４２５ 探触子速度計測部（探触子位置取得部）
４３ 表示画像形成部
４４ ３Ｄ解剖学的情報
４５ 動作計画部
５１ 表示画像
５２ 表示画像
８０ 被検体
９０ ロボットアーム
９１ 探触子位置・姿勢センサ（探触子位置取得部）
１００ 医療支援システム

Claims (14)

  1. 被検体に超音波を照射して前記超音波の反射波を受信するとともに、被検体内部に挿入されたビーコンからの超音波を受信する超音波探触子と、
    前記超音波探触子の３次元位置と向きを取得する探触子位置取得部と、
    前記超音波探触子で受信した超音波による超音波画像から求めた前記ビーコンの前記超音波探触子に対する相対位置又は相対速度と、前記探触子位置取得部で取得した前記超音波探触子の３次元位置と向きとから、前記ビーコンの３次元位置を求めるビーコン位置取得部と、
    前記超音波探触子で受信した超音波による超音波画像を用いて、表示部で表示する画像を形成する表示画像形成部と、
    を備えた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において、
    前記超音波探触子はリニアアレイ探触子である
    ことを特徴とする超音波撮像装置。
  3. 請求項２に記載の超音波撮像装置において、
    前記ビーコンは被検者の血管に挿入されて前記血管に沿って動かされ、
    前記ビーコン位置取得部は、
    前記超音波探触子の撮像面における前記ビーコンとの前記超音波探触子の位置変化と、前記ビーコンに対する前記超音波探触子の撮像面の回転位置変化と、の少なくとも一方により前記ビーコンの前記超音波探触子に対する相対位置を求める
    ことを特徴とする超音波撮像装置。
  4. 請求項３に記載の超音波撮像装置において、
    前記ビーコン位置取得部は、前記ビーコンの前記超音波探触子に対する相対位置を求める際に、フィルタ処理して誤差低減する
    ことを特徴とする超音波撮像装置。
  5. 請求項４に記載の超音波撮像装置において、
    前記ビーコン位置取得部は、前記ビーコンの前記超音波探触子に対する相対位置を求める際に、誤差をモデル化してフィルタ処理する
    ことを特徴とする超音波撮像装置。
  6. 請求項５に記載の超音波撮像装置において、
    前記ビーコン位置取得部は、誤差モデル、前記ビーコンの前記超音波探触子に対する位置および位置変化、ならびに、記超音波探触子の位置および位置変化から、統計的に最も確率の高い状態を推定して、フィルタ処理する
    ことを特徴とする超音波撮像装置。
  7. 請求項４に記載の超音波撮像装置において、
    前記超音波探触子を操作するロボットアームを備え、
    前記探触子位置取得部は、前記ロボットアームの操作位置情報を、前記超音波探触子の３次元位置とする
    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において、
    前記ロボットアームは、前記超音波探触子で撮像した血管の輪切り断面の撮像画像において前記ビーコンが認識されるように、前記ビーコンを追尾する
    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において、
    前記ロボットアームは、前記超音波探触子で撮像した血管の長軸断面の撮像画像において前記ビーコンが認識されるように、前記ビーコンを追尾する
    ことを特徴とする超音波撮像装置。
  10. 請求項７に記載の超音波撮像装置において、
    前記ロボットアームは、前記ビーコン位置取得部が、前記超音波探触子の撮像面における前記ビーコンと前記超音波探触子の位置変化と、前記ビーコンに対する前記超音波探触子の撮像面の回転位置変化と、の少なくとも一方により前記ビーコンの前記超音波探触子に対する相対位置を求めるように、前記ビーコンを追尾する
    ことを特徴とする超音波撮像装置。
  11. 請求項２に記載の超音波撮像装置において、
    前記表示画像形成部は、事前に取得した前記被検体の解剖学的構造情報と、前記ビーコン位置取得部で求めた前記ビーコンの３次元位置と、に基づいて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. 請求項１１に記載の超音波撮像装置において、
    前記表示画像形成部は、生体の変形を加味して表示画像を形成する
    ことを特徴とする超音波撮像装置。
  13. 請求項１から１２のいずれかに記載の超音波撮像装置と、
    先端にビーコンを有するガイドワイヤと、
    を備えたことを特徴とする医療支援システム。
  14. 被検体に超音波を照射して前記超音波の反射波を受信するとともに、被検体内部に挿入されたビーコンからの超音波を受信するリニアアレイ探触子を備えた超音波撮像装置の画像表示方法であって、
    前記リニアアレイ探触子の３次元位置と向きを取得し、
    前記リニアアレイ探触子で受信した超音波画像から前記リニアアレイ探触子に対する前記ビーコンの相対位置を求め、
    前記ビーコンの相対位置と、前記リニアアレイ探触子の３次元位置および向きとから、前記ビーコンの３次元位置を求め、
    前記ビーコンの３次元位置に基づいて前記リニアアレイ探触子の位置を操作し、
    前記リニアアレイ探触子で受信した超音波による超音波画像を表示する
    ことを特徴とする画像表示方法。
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