JP2021526932A - 相対的な装置の向きの決定 - Google Patents

Abstract

介入医療装置の向きを決定するためのコントローラは、命令を記憶するメモリと、該命令を実行するプロセッサとを含む。プロセッサによって実行された場合、上記命令は該プロセッサに、超音波プローブに対する放射角度及び放射時間の各々が異なる組み合わせで該超音波プローブによる複数のビームの放射を制御することを含む処理を実行させる。該処理は、介入医療装置上の或る位置のセンサにおける前記複数のビームの部分組に対する応答の受信に基づいて、前記複数のビームの部分組のうちの１つの超音波プローブに対する放射角度及び放射時間の組み合わせを決定することも含む。該処理は、介入医療装置の向きを前記複数のビームの部分組のうちの１つの超音波プローブに対する放射角度及び放射時間に基づいて決定することも含む。

Description

本発明は、相対的な装置の向きの決定に関する。

［００１］ 超音波プローブのような２Ｄまたは３Ｄプローブの誘導下でのニードル（針）処置の使用は、広く普及し、成長している。このような処置には、生検、アブレーション、麻酔などが含まれ得る。現在、単一の超音波センサを備えたツール（例えば、ニードル）を使用して、該ツールの先端の位置を追跡することができるが、ツールの予想される経路に関する情報はない。予想される経路の知識は、ワークフローを改善し、敏感な解剖学的構造に対する望ましくない損傷を防止するのに役立つことができる。ツールの向きは、ツールの経路を予想する際に有用な情報の１つの態様である。ツールの向きは、該ツールの相対的な物理的姿勢であってもよく、ツールの前面、後面、背面、側面、上面、底面、およびツールの他の幾何学的側面を含む該ツールの形状に基づいてもよく、またはこれを含むことができる。ニードルのようなツールの場合、ツールの形状は、本体としてのシャフト、および、該ツールの予想される経路にほぼ向けられ得る前部の先端を含んでもよい。

［００２］ 超音波追跡技術は、診断用超音波Ｂモード画像の視野（ＦＯＶ）における受動型超音波センサ（例えば、ＰＺＴ、ＰＶＤＦ、共重合体または他の圧電材料）の位置を、超音波プローブからの撮像ビームが該視野を掃引する際に該受動型超音波センサが受信した信号を解析することにより推定する。受動型超音波センサは音響圧力センサであり、これらの受動型超音波センサは、当該受動型超音波センサの位置を決定するための「生体内原位置」メカニズムで使用される。飛行時間測定が当該受動型超音波センサの超音波プローブの撮像アレイからの軸方向／半径方向距離を提供する一方、振幅測定および直接ビーム発射シーケンスの知識が該受動型超音波センサの横方向／角度位置を提供する。

［００３］ 図１は、受動型超音波センサを使用して介入医療装置を追跡するための既知のシステムを示す。図１において、超音波プローブ１０２は、介入医療装置１０５の先端上の受動型超音波センサ１０４を横切って掃引する撮像ビーム１０３を放射する。組織１０７の画像は、超音波プローブ１０２によってフィードバックされる。介入医療装置１０５の先端上の受動型超音波センサ１０４の位置は、信号処理アルゴリズムによる決定時に先端位置１０８として提供される。先端位置１０８は、オーバーレイ画像１０９として組織１０７の画像上にオーバーレイされる。組織１０７の画像、先端位置１０８、およびオーバーレイ画像１０９は、すべてディスプレイ１００上に表示される。

［００４］ 非破壊検査（ＮＤＴ）の分野では、材料の特性を決定するためにガイド波が使用されてきた。ガイド波路の性質、周囲の媒質、インソニフィケーション（超音波照射）の周波数および角度が、ガイド波の発生を決定する。

［００５］ 上記で示唆されたように、介入医療装置１０５の向きの知識は臨床医が予想される経路を知るのに役立ち、このことは、組織の望ましくない破裂を防止すると共に障害物を回避するように介入医療装置１０５の向きを変える方法を提供するのに役立ち、これによってワークフローを改善することができる。しかしながら、向きを決定するために受動型超音波センサ１０４を使用することは、複数の受動型超音波センサ１０４を必要とすると共に、受動型超音波センサ１０４に直接影響を与える超音波プローブ１０２からの撮像ビームを使用する。

本発明は、上記課題を解決しようとするものである。

［００６］ 本開示の一態様によれば、介入医療装置の向きを決定するためのコントローラは、命令を記憶するメモリと、該命令を実行するプロセッサとを含む。プロセッサによって実行されるとき、上記命令は当該コントローラに、超音波プローブによる各々が該超音波プローブに対する放射角度および放射時間の異なる組み合わせにおける複数のビームの放射を制御することを含む処理を実行させる。当該コントローラによって実行される該処理は、介入医療装置上の或る位置におけるセンサでの前記複数のビームの部分組に対する応答の受信に基づいて、該複数のビームの部分組のうちの１つの超音波プローブに対する放射角度と放射時間との組み合わせを決定することも含む。この処理は、前記複数のビームの部分組のうちの１つの超音波プローブに対する放射角度および放射時間に基づいて、介入医療装置の向きを決定することをさらに含む。

［００７］ 本開示の別の態様によれば、介入医療装置の向きを決定するための方法は、命令を実行するプロセッサを含むコントローラによって、それぞれが超音波プローブに対する放射の角度および放射の時間の異なる組み合わせにおける複数のビームの超音波プローブによる放射を制御するステップを含む。本方法は、前記コントローラにより、且つ、前記介入医療装置上の或る位置のセンサにおける前記複数ビームの部分組に対する応答の受信に基づいて、該複数ビームの部分組のうちの１つの超音波プローブに対する放射角度と放射の時間との組み合わせを決定するステップも含む。この方法は、前記プロセッサにより、前記複数のビームの部分組のうちの１つの前記超音波プローブに対する放射の角度および前記放射の時間に基づいて介入医療装置の向きを決定するステップをさらに含む。

［００８］ 本開示の別の態様によれば、介入医療装置の向きを決定するためのシステムは、センサと、超音波プローブと、コントローラとを含む。センサは、介入医療装置上の或る位置にある。超音波プローブは、それぞれが超音波プローブに対する放射角度および放射の時間の異なる組み合わせにおける複数のビームを放射する。前記コントローラは、命令を記憶するメモリと、該命令を実行するプロセッサとを含む。プロセッサによって実行されると、該命令は該コントローラに、超音波プローブによる複数のビームの放射を制御することを含む処理を実行させる。この処理は、センサにおける前記複数のビームの部分組に対する応答の受信に基づいて、該複数のビームの部分組のうちの１つの超音波プローブに対する放射角度と放射の時間との組み合わせを決定することも含む。この処理は、前記複数のビームの部分組のうちの１つの超音波プローブに対する放射の角度および放射の時間に基づいて、介入医療装置の向きを決定することをさらに含む。

［００９］ 例示的な実施形態は、添付の図面を参照して後の詳細な説明を読むことによって最も良く理解される。様々なフィーチャは、必ずしも実寸で描かれていないことが強調される。実際に、寸法は、議論を明確にするために任意に増減されてもよい。適用可能で実用的である限り、同様の参照番号は同様の要素を指す。

［０１０］ 図１は、代表的な実施形態による、受動型超音波センサを使用する介入医療装置追跡のための既知のシステムを示す。 ［０１１］ 図２Ａは、代表的な実施形態による、対装置向き決定のための超音波システムを示す。 ［０１２］図２Ｂは、代表的な実施形態による、対装置向き決定のための別の超音波システムを示す。 ［０１３］図３は、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定のための方法を実施することができる一般的コンピュータシステムの例示的な実施形態である。 ［０１４］図４は、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定のための処理を示す。 ［０１５］図５は、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定のための別の処理を示す。 ［０１６］図６は、代表的な実施形態による、ガイド波の生成および対装置向き決定における該ガイド波の結果的表示を示す。 ［０１７］図７は、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定における介入医療装置処理の幾何学的関係を示す。 ［０１８］図８は、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定において異なる向きによる介入医療装置の事前較正の結果を示す。 ［０１９］図９は、代表的な実施形態による、介入医療装置に対する入射角の関数としてのガイド波振幅のグラフを示す。 ［０２０］図１０は、代表的な一実施形態による、対装置向き決定におけるビームに対する開口変動を示す。 ［０２１］図１１は、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定のための幾何学的関係を示す。 ［０２２］図１２は、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定における別の介入医療装置処理の幾何学的関係を示す。

［０２３］ 以下の詳細な説明では、限定ではなく説明の目的で、特定の詳細を開示する代表的な実施形態が本教示による実施形態の完全な理解を提供するために記載される。代表的な実施形態の説明を曖昧にすることを避けるために、既知のシステム、装置、材料、動作方法、および製造方法の説明は省略され得る。それにもかかわらず、当業者の範囲内にあるシステム、装置、材料、および方法は、本教示の範囲内であり、代表的な実施形態に従って使用され得る。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、限定することを意図していないことを理解されたい。定義された用語は、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および科学的意味に加えられるものである。

［０２４］ 第１、第２、第３などの用語は様々な要素または構成要素を説明するために本明細書で使用され得るが、これらの要素または構成要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことが理解されるであろう。これらの用語は、１つの要素または構成要素を別の要素または構成要素から区別するためにのみ使用される。したがって、以下で説明する第１の要素または構成要素は、本明細書で説明する本発明の概念の教示から逸脱することなく、第２の要素または構成要素と呼ぶことができる。

［０２５］ 本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、限定することを意図するものではない。明細書及び添付請求項において使用される場合、単数形は、コンテキストがそれ以外を明確に示さない限り、単数形及び複数形の両方を含むことを意図している。さらに、用語「有する」、および／または「有している」および／または同様の用語は、本明細書で使用される場合、記載されたフィーチャ、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つまたは複数の他のフィーチャ、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。本明細書で使用される場合、用語「および／または」は、関連する列挙された項目のうちの１つまたは複数の任意のすべての組合せを含む。

［０２６］ 特に断りのない限り、要素または構成要素が別の要素または構成要素に「接続されている」、「結合されている」、または「隣接している」と言われる場合、該要素または構成要素は他の要素または構成要素に直接接続もしくは結合することができ、または介在する要素または構成要素が存在してもよいことが理解されるであろう。すなわち、これらの及び同様の用語は、１つまたは複数の中間要素または構成要素が２つの要素または構成要素を接続するために使用されてもよい場合を包含する。しかしながら、要素または構成要素が別の要素または構成要素に「直接接続されている」と言われる場合、これは２つの要素または構成要素が中間または介在する要素または構成要素なしに互いに接続されている場合のみを包含する。

［０２７］ 前述に鑑みて、本開示は、その様々な態様、実施形態、および／または特定のフィーチャもしくは部分構成要素のうちの１つまたは複数を通して、以下に具体的に述べるような利点のうちの１つまたは複数をもたらすことを意図している。限定ではなく説明の目的で、特定の詳細を開示する例示的な実施形態が、本教示による実施形態の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本明細書に開示される特定の詳細から逸脱する、本開示と一貫した他の実施形態は、添付の特許請求の範囲内にある。さらに、良く知られた装置および方法の説明は、例示的な実施形態の説明を曖昧にしないように省略され得る。そのような方法および装置は、本開示の範囲内である。

［０２８］ 以下に記載されるように、相対的なデバイスの向きの決定は、医療介入デバイスにおいてガイド波を誘導する超音波照射の角度を決定することを含むことができる。次いで、該ガイド波および対応する超音波照射角を使用して、検査中の同様の介入医療装置におけるガイド波の予め定められた特性に基づいて方位角を計算することができる。

［０２９］ 図２Ａは、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定のための超音波システムを示す。

［０３０］ 図２Ａにおいて、超音波システム２００は、プロセッサ２５１およびメモリ２５２を備えた中央ステーション２５０と、タッチパネル２６０と、モニタ２８０と、ワイヤ２３２Ａによって中央ステーション２５０に接続された撮像プローブ２３０と、ワイヤ２１２Ａによって中央ステーション２５０に接続された介入医療装置２０５（ＩＭＤ）とを含む。撮像プローブ２３０は、超音波プローブである。受動型超音波センサＳは介入医療装置２０５に固定されるが、該受動型超音波センサＳは介入医療装置２０５の一方の部分に固定され、受動型超音波センサＳがシース内を移動するワイヤに固定される場合のように、介入医療装置２０５の別の部分に対して移動可能であってもよい。受動型超音波センサＳは、必ずしもそうである必要はないが、介入医療装置２０５の任意の部分の末端に設けることができる。

［０３１］ 説明として、介入医療装置２０５は、医療処置中に患者の体内に配置される。介入医療装置２０５の位置は、受動型超音波センサＳを使用して追跡することができる。介入医療装置２０５および受動型超音波センサＳのそれぞれの形状は、図２Ａおよび図２Ｂに示されるものとは大きく異なり得る。

［０３２］ 例えば、受動型超音波センサＳは該受動型超音波センサＳの位置の決定を助けるために超音波追跡ビームを受け取ることができる。本明細書に記載される超音波追跡ビームは、超音波画像を得るためにさもなければ使用される超音波撮像ビームであってもよく、または超音波撮像とは別個（例えば、別個の周波数、別個の送信タイミング）の超音波追跡ビームであってもよい。受動型超音波センサＳは、受信された超音波追跡ビームに応答するために受動型的にまたは能動的に使用されてもよい。本明細書で説明するように、超音波撮像ビームおよび／または該超音波撮像ビームとは別個の超音波追跡ビームは、受動型超音波センサＳの位置を選択的に、典型的に、または常に取得するために使用することができる。しかしながら、本明細書でも言及するように、当該追跡（トラッキング）は、超音波撮像ビームまたは完全に別個の超音波追跡ビームのいずれかまたは両方を使用して実行することができる。

［０３３］ 図２Ａにおいて、ワイヤ２１２Ａおよびワイヤ２３２Ａは、介入医療装置２０５および撮像プローブ２３０を中央ステーション２５０に接続するために使用される。撮像プローブ２３０に関しては、ワイヤ２３２Ａは依然として気を散らすものであり得るが、該ワイヤ２３２Ａはそれほど気にならないものであろう。介入医療装置２０５の場合、ワイヤ２１２Ａは、例えば、介入医療装置２０５が画像を捕捉（キャプチャ）するために使用されるときに、画像を送り返すために使用され得る。しかしながら、ワイヤ２１２Ａは、介入医療装置２０５が少なくとも部分的に患者に挿入されるという点で、より懸念されるものであり得る。従って、ワイヤ２３２Ａ及びワイヤ２１２Ａを無線接続に置き換えることは、何らかの利益をもたらすことができる。

［０３４］ 図２Ｂは、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定のための別の超音波システムを示す。

［０３５］ 図２Ｂでは、ワイヤ２３２Ａが無線データ接続２３２Ｂに置き換えられ、ワイヤ２１２Ａが無線データ接続２１２Ｂに置き換えられている。その他の点では、図２Ｂの超音波システム２００は、図２Ａと同じ中央ステーション２５０（すなわち、プロセッサ２５１およびメモリ２５２を備える）、タッチパネル２６０、モニタ２８０、撮像プローブ２３０、および介入医療装置２０５を含む。受動型超音波センサＳは、介入医療装置２０５と共に移動する。

［０３６］ 図２Ｂでは、超音波システム２００は、受動型超音波センサＳを搭載した介入医療装置２０５を有する構成であってもよい。介入医療装置２０５は、例えば、受動型超音波センサＳをその先端または先端の付近に有するニードルを含んでもよい。受動型超音波センサＳは、撮像プローブ２３０からの追跡ビームの「送信」と、受動型超音波センサＳによる該追跡ビームの「聴取」とが同期するように、追跡ビームからのデータを聴取して分析するように構成されてもよい。撮像ビームとは別個の追跡ビームの使用は、一実施形態において提供されてもよいが、相対的装置向き決定が主に撮像ビームのみを有する実施形態を使用する限り、必ずしも本開示の主要な実施形態ではない。

［０３７］ 図２Ａまたは図２Ｂでは、撮像プローブ２３０は撮像ビームのパルスシーケンスを送出することができる。中央ステーション２５０、撮像プローブ２３０および受動型超音波センサＳの間の関係の説明は、以下の通りである。この点に関して、図２Ａおよび図２Ｂにおける中央ステーション２５０は、撮像プローブ２３０内の撮像アレイの素子に送信モードにおいて適切に遅延された信号を送るために、クロック（図示せず）によって同期されるビーム形成器（図示せず）を含んでもよい。受信モードでは、該ビーム形成器は撮像プローブ２３０内の撮像アレイの個々の素子からの信号を適切に遅延し、合計することができる。超音波撮像自体は、撮像プローブ２３０を使用して行われ、中央ステーション２５０の上記ビーム形成器によって行われるビーム形成に従って行われてもよい。

［０３８］ 撮像プローブ２３０は、受動型超音波センサＳに衝突する追跡ビームとして（すなわち、受動型超音波センサＳが該追跡ビームの視野内にあるときに）撮像ビームを放射することができる。受動型超音波センサＳは、受動型超音波センサＳ、介入医療装置２０５、撮像プローブ２３０または中央ステーション２５０が撮像プローブ２３０の撮像アレイに対する受動型超音波センサＳの位置を決定できるように、上記追跡ビームのエネルギを受信し、信号に変換することができる。受動型超音波センサＳの相対位置は、受動型超音波センサＳによって受信される受信追跡ビームに基づいて幾何学的に計算することができ、該相対位置は、患者内に配置されたときに介入医療装置２０５の向きを識別するために使用することができる。介入医療装置２０５の向きは、該介入医療装置の向きの角度である。

［０３９］ 本明細書で説明されるように、受信される追跡ビームは、受動型超音波センサＳに直接衝突するときは直接ビームと見なすことができる。直接ビームは、受動型超音波センサＳに直接衝突することができ、直接波と見なすことができるが、以下では直接ビームと呼ぶ。しかしながら、ニードルのシャフトに沿って進むガイド波のように、ガイド波も介入医療装置２０５内／上で生成され得る。ガイド波は直接ビームの受信に対する応答であり、直接ビームが介入医療装置２０５に到達し、ガイド波の生成を誘導する「臨界」角度に一意的に対応し、それを識別することができる。介入医療装置２０５の向きは、ガイド波（例えば、受動型超音波センサＳで受信されるガイド波の中で最も高い強度を有するガイド波）を誘導する直接ビームの放射角度の知識と、介入医療装置２０５内／上にそのようなガイド波をもたらす臨界角の知識とを用いて決定することができる。したがって、対装置向き決定において、受動型超音波センサＳは、撮像プローブ２３０からの直接ビームだけでなくガイド波も検出するために使用され、該ガイド波を使用して、該ガイド波を誘導する特定の直接ビームを識別（分離）することができる。

［０４０］ したがって、撮像プローブ２３０は、複数の異なる時点を含む期間にわたり介入医療装置２０５に追跡ビームを放射する。例えば、追跡ビームは、３０秒、６０秒、１２０秒、１８０秒、又は複数の異なる時点を含む任意の他の期間にわたって放射され得る。追跡ビームは、撮像プローブ２３０（超音波プローブ）に対する放射角度および放射時間の規則的な組み合わせで、撮像プローブ２３０により放射することができる。追跡ビーム（直接ビーム）およびガイド波（それぞれは、直接ビームのうちの１以上のものの部分組によって誘導される）のエネルギは、１秒ごとまたは１／１０秒ごとのように、直接ビームおよびガイド波に対する応答として周期的に収集され得る。追跡ビームに対する応答は、受動型超音波センサＳによって反射される反射エネルギであってもよい。代わりに、追跡ビームに対する応答は、受動型超音波センサＳによって生成される能動信号、例えば、該追跡ビームの受信エネルギの読み取り値であってもよい。ガイド波に対する応答は、典型的には、該ガイド波の受信エネルギの読み取り値に基づくものである。

［０４１］ 追跡ビームに対する応答に基づいて、プロセッサ２５１は、例えば、ある期間中の複数の異なる時点における受動型超音波センサＳの絶対位置を決定することができる。介入医療装置２０５の向きは、１つの放射角度に対応する１つの直接ビームの識別と一致する１つの絶対位置を該１つの直接ビームに対応するガイド波の受信と一緒に使用して、臨界角の知識に基づいて決定することができる。その結果として、介入医療装置２０５の向きを決定することができる。上記１つのビームをどの様に識別するかに関するいくつかの実施形態の詳細を、他の図に関連して以下に説明する。

［０４２］ 中央ステーション２５０は、撮像プローブ２３０を制御する制御ユニットまたはコントローラとみなすことができる。図２Ａおよび図２Ｂに記載されているように、中央ステーション２５０はメモリ２５２に接続されたプロセッサ２５１を含む。また、中央ステーション２５０は、撮像プローブ２３０を受動型超音波センサＳと同期させるためのクロック信号を供給するクロック（図示せず）を含むこともできる。さらに、中央ステーション２５０の１つまたは複数の要素は、個々に、制御ユニットまたはコントローラとみなされてもよい。例えば、プロセッサ２５１とメモリ２５２との組み合わせは、本明細書で説明される処理を実行するために、すなわち、介入医療装置２０５が患者内に配備されるときに該介入医療装置２０５の向きを決定するための、受動型超音波センサＳの位置と、特定の放射角度に対応する直接ビームとを使用するためのソフトウェアを実行するコントローラと見なされてもよい。

［０４３］ 撮像プローブ２３０は、介入医療装置２０５及び受動型超音波センサＳを含む関心領域を走査するようになっている。もちろん、超音波撮像プローブについて知られているように、撮像プローブ２３０は、超音波撮像ビームを用いてフレーム単位で画像を提供する。撮像プローブ２３０は、受動型超音波センサＳの位置を得るために別個の追跡ビームを使用することもできる。

［０４４］ 一方向の関係において、受動型超音波センサＳは、撮像プローブ２３０によって供給される追跡ビームを電気信号に変換するように適合されてもよい。受動型的超音波センサＳは、生データまたは部分的もしくは完全に処理されたデータ（例えば、計算されたセンサ位置）のいずれかを、直接的または間接的に（例えば、介入医療装置２０５の近位端に位置する送信器または中継器を介して）中央ステーション２５０に供給するように構成されてもよい。これらのデータは、それらの処理の程度に応じて、中央ステーション２５０によって受動型超音波センサＳの位置（および受動型超音波センサＳが取り付けられた介入医療装置２０５の遠位端の位置）を決定するために、または受動型超音波センサＳの位置（および受動型超音波センサＳが取り付けられた介入医療装置２０５の遠位端の位置）を中央ステーション２５０に提供するために使用される。

［０４５］ 本明細書に記載されるように、受動型超音波センサＳの位置は、中央ステーション２５０によって決定されるか、または該中央ステーションに提供される。受動型超音波センサＳの位置は、受動型超音波センサＳの位置および介入医療装置２０５の向きを、モニタ２８０上に表示するための画像フレーム上にオーバーレイするために、プロセッサ２５１によって使用され得る。

［０４６］ 概して、動作中、プロセッサ２５１は、撮像プローブ２３０によるスキャンを開始する。該スキャンは、関心領域を横切る追跡ビームとして撮像ビームを放射することを含むことができる。該撮像ビームは、フレームの画像を形成するために使用されると共に、受動型超音波センサＳの位置を決定するための追跡ビームとして使用される。理解されるように、撮像ビームからの画像は２方向伝送シーケンスから形成され、関心領域の画像は副ビームの送信および反射によって形成される。さらに、一方向の関係において、追跡ビームとしての撮像ビームは、受動型超音波センサＳに入射し、電気信号に変換され得る （すなわち、追跡ビームを反射するのではなく、またはそれに加えて）。２方向関係において、当該追跡ビームとしての撮像ビームは受動型超音波センサＳによって反射されるので、撮像プローブ２３０は該反射された追跡ビームを用いて受動型超音波センサＳの位置を決定する。

［０４７］ 前述のように、受動型超音波センサＳの位置を決定するために使用されるデータは、位置が決定されるべき場所に応じて、生データ、部分的に処理されたデータ、または完全に処理されたデータであってもよく、またはそれらを含んでもよい。処理の程度に応じて、これらのデータは、前記ビーム形成器からの超音波画像の座標系における受動型超音波センサＳの位置を決定するためにメモリ２５２（すなわち、中央ステーション２５０の）に記憶された命令を実行するためにプロセッサ２５１に供給され得る。代わりに、これらのデータは、受動型超音波センサＳの位置および介入医療装置２０５の向きをモニタ２８０内の超音波画像上にオーバーレイするためにメモリ２５２に記憶された命令を実行するときにプロセッサ２５１によって使用される座標系内の受動型超音波センサＳの決定された位置を含むことができる。この目的のために、中央ステーション２５０のビーム形成器は、ビーム形成された信号をフレームの画像として表示するために処理することができる。該ビーム形成器からの出力は、プロセッサ２５１に供給することができる。受動型超音波センサＳからのデータは生データであってもよく、その場合、プロセッサ２５１は、画像の座標系における受動型超音波センサＳの位置を決定するためにメモリ２５２内の命令を実行し、または受動型超音波センサＳからのデータは画像の座標系における受動型超音波センサＳの位置を決定するために、受動型超音波センサＳ、介入医療装置２０５もしくは撮像プローブ２３０によって処理されてもよい。いずれにしても、プロセッサ２５１は、受動型超音波センサＳの位置及び介入医療装置２０５の向きをモニタ２８０上の画像上に重ね合わせるように構成される。例えば、追跡ビームとしての撮像ビームからの合成画像は組織の画像と、受動型超音波センサＳの実際の位置または重ね合わされた位置と、介入医療装置２０５の向きとを含むことができ、それによって、関心領域に対する受動型超音波センサＳ（および介入医療装置２０５の遠位端）の位置および介入医療装置２０５の向きのリアルタイムフィードバックを臨床医に提供する。

［０４８］ 図２Ａおよび図２Ｂに関して説明したように、対装置向き決定のための超音波システムを使用して、単一のセンサを装備した医療装置の向きを提供することができる。ニードルシャフトに当たる超音波が、組織を経て進行する直接ビームとは異なる速度でニードルのシャフトを経て伝搬するガイド波を生じさせる場合、これらのガイド波を用いて、超音波直接ビームとニードルとの間の特定の相対角度がいつ臨界角であるかを特定することができる。これらのガイド波の存在を検出することは、ニードルの向きを決定するのに役立つ。超音波直接ビームは、これらのガイド波を誘導するために、複数の角度で発射することができる。したがって、既知の角度のビームに応答するシャフト伝搬ガイド波の検出、およびニードルの回転指向性に基づいて予め較正されたデータが、該ニードルの向きを決定するために使用される。

［０４９］ 図３は、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定の方法を実施することができる一般的なコンピュータシステムの例示的な実施形態である。

［０５０］ コンピュータシステム３００は、該コンピュータシステム３００に、本明細書で開示される方法またはコンピュータベースの機能のうちの任意の１つまたは複数を実行させるために実行することができる一群の命令を含むことができる。コンピュータシステム３００は、自立装置として動作してもよく、または、例えばネットワーク３０１を使用して、他のコンピュータシステムもしくは周辺装置に接続してもよい。

［０５１］ コンピュータシステム３００は、固定コンピュータ、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、超音波システム、超音波プローブ、受動型超音波センサＳ、介入医療装置２０５、撮像プローブ２３０、中央ステーション２５０、コントローラ、またはそのマシンによってとられるべき動作を指定する一群の命令（順次のもしくはそれ以外の）を実行することができる任意の他のマシンなどの様々な装置として実施化されるか、またはそれらに組み込まれ得る。コンピュータシステム３００は、追加のデバイスを含む統合システム内にある装置として、または該装置内に組み込むことができる。一実施形態では、コンピュータシステム３００は、音声、ビデオ、またはデータ通信を提供する電子装置を使用して実施化することができる。さらに、コンピュータシステム３００は単一のシステムとして示されているが、用語「システム」は、１つまたは複数のコンピュータ機能を実行するための一群または複数群の命令を個別にまたは一緒に実行するシステムまたはサブシステムの任意の集合を含むものと解釈されるべきである。

［０５２］ 図３に示すように、コンピュータシステム３００はプロセッサ３１０を含む。コンピュータシステム３００のためのプロセッサは、有形かつ非一時的である。本明細書で使用される「非一時的」という用語は、状態の永続的な特性として解釈されるのではなく、ある期間持続する状態の特性として解釈されるべきである。「非一時的」という用語は、搬送波もしくは信号の特性、または任意の時点で一時的にしか存在しない他の形態などの、つかの間の特性を特に否定する。プロセッサは、製造品および／またはマシン構成要素である。コンピュータシステム３００のためのプロセッサは、本明細書の様々な実施形態に記載されるような機能を実行するためのソフトウェア命令を実行するように構成される。コンピュータシステム３００のためのプロセッサは、汎用プロセッサであってもよいし、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の一部であってもよい。コンピュータシステム３００のためのプロセッサは、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、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、ステートマシン、またはプログラマブル論理デバイスであってもよい。コンピュータシステム３００のためのプロセッサは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブルゲートアレイ（ＰＧＡ）を含む論理回路、または個別ゲートおよび／またはトランジスタ論理回路を含む別のタイプの回路であってもよい。コンピュータシステム３００のためのプロセッサは、中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）、またはその両方とすることができる。さらに、本明細書に記載する任意のプロセッサは、複数のプロセッサ、並列プロセッサ、またはその両方を含むことができる。複数のプロセッサは、単一の装置または複数の装置に含まれ得るか、または結合され得る。

［０５３］ さらに、コンピュータシステム３００は、バス３０８を介して互いに通信することができるメインメモリ３２０およびスタティックメモリ３３０を含む。本明細書で説明されるメモリは、データおよび実行可能命令を記憶することができる有形の記憶媒体であり、命令がその中に記憶されている間は非一時的である。本明細書で使用される「非一時的」という用語は、状態の永続的な特性として解釈されるのではなく、ある期間持続する状態の特性として解釈されるべきである。「非一時的」という用語は、搬送波もしくは信号の特性等のつかの間の特性、または任意の時点で一時的にしか存在しない他の形態などを特に否定する。本明細書で説明されるメモリは、製造品および／またはマシン構成要素である。本明細書に記載するメモリは、データおよ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できるコンピュータ読取可能な媒体である。本明細書に記載するメモリは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、電気的にプログラム可能なリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的に消去可能なプログラム可能なリードオンリメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、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リードオンリメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、デジタル汎用ディスク（ＤＶＤ）、フロッピーディスク（登録商標）、ブルーレイディスク、または当技術分野で既知の他の形式の記憶媒体であってもよい。メモリは、揮発性または不揮発性、安全なおよび／または暗号化された、安全でないおよび／または暗号化されていないものとすることができる。

［０５４］ 図示されるように、コンピュータシステム３００は、さらに、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、フラットパネルディスプレイ、固体ディスプレイ、または陰極線管（ＣＲＴ）などのビデオディスプレイユニット３５０を含んでもよい。さらに、コンピュータシステム３００は、キーボード／仮想キーボード、接触感知性入力画面、または音声認識を伴う音声入力などの入力装置３６０と、マウスまたは接触感知性入力画面もしくはパッドなどのカーソル制御装置３７０とを含むことができる。コンピュータシステム３００は、ディスクドライブユニット３８０、スピーカまたはリモートコントロールなどの信号発生装置３９０、およびネットワークインターフェース装置３４０も含むことができる。

［０５５］ 一実施形態では、図３に示すように、ディスクドライブユニット３８０は１つまたは複数群の命令３８４、たとえばソフトウェアを組み込むことができるコンピュータ読取可能な媒体３８２を含むことができる。命令３８４の群は、コンピュータ読取可能な媒体３８２から読み取ることができる。さらに、命令３８４は、プロセッサによって実行されると、本明細書で説明する方法および処理のうちの１つまたは複数を実行するために使用することができる。一実施形態では、命令３８４は、メインメモリ３２０、スタティックメモリ３３０内に、および／またはコンピュータシステム３００による実行中においてはプロセッサ３１０内に、完全にもしくは少なくとも部分的に存在することができる。

［０５６］ 代替実施形態では、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理アレイ、および他のハードウェア構成要素などの専用ハードウェア構成を、本明細書で説明する方法のうちの１つまたは複数を実施するように構築することができる。本明細書で説明する１つまたは複数の実施形態は、２つまたは複数の特定の相互接続されたハードウェアモジュールまたはデバイスを、該モジュール間および該モジュールを介して通信することができる関連する制御信号およびデータ信号と共に使用して、機能を果たすことができる。したがって、本開示は、ソフトウェア、ファームウェア、およびハードウェア構成を包含する。本出願における如何なるものも、ソフトウェアのみで実施化されまたは実施化可能であり、有形の非一時的プロセッサおよび／またはメモリのようなハードウェアでは実施化されまたは実施化可能ではないと解釈されるべきではない。

［０５７］ 本開示の様々な実施形態によれば、本明細書で説明される方法は、ソフトウェアプログラムを実行するハードウェアコンピュータシステムを使用して実施化され得る。さらに、例示的な非限定的実施形態では、実施化は分散処理、コンポーネント／オブジェクト分散処理、およ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を本明細書で説明される方法または機能のうちの１つまたは複数を実施するように構築することができ、本明細書で説明されるプロセッサを、仮想処理環境をサポートするために使用することができる。

［０５８］ 本開示は、命令３８４を含むか、または伝搬された信号に応答して命令３８４を受信し、実行するコンピュータ読取可能な媒体３８２を想定し、従って、ネットワーク３０１に接続された装置がネットワーク３０１を介して音声、ビデオ、またはデータを通信することができるようにする。さらに、命令３８４は、ネットワークインターフェース装置３４０を介してネットワーク３０１上で送受信されてもよい。

［０５９］ 面外（ＯＯＰ）処置では受動型超音波センサＳは超音波面の外側に位置し得る一方、面内処置では受動型超音波センサＳは二次元である撮像プローブ２３０と一緒に相対的装置向き決定のために使用することができる。面外処置では、受動型超音波センサＳによって受信される直接ビームからのエネルギは検出可能な閾値の下にあり得、ガイド波応答が検出可能な唯一の応答であり、仰角方向の追跡ビームを生成するためにマトリックスプローブが必要とされるであろう。さらに、面内処置であっても、介入医療装置２０５は超音波誘導処置では特に、軟組織生検、アブレーションなどのほとんどのフリーハンド処置で使用される斜め挿入角度では見えにくい場合がある。向きは、臨床医が組織の望ましくない破裂を防止するのを助けることができる予想経路を決定するのを助け、障害物を回避するように介入医療装置２０５を向け直す方法を提供し、それによってワークフローを改善する。本明細書に記載されるように、ただ１つのセンサを使用して器具の経路を予測する能力は、コストを低減することができ、臨床コミュニティ内で高いレベルの受け入れを得ることができる。コンピュータシステム３００は、受動型超音波センサＳからの読み取り値、既知の臨界角を含む介入医療装置２０５の予め定められた特性、および撮像プローブ２３０によって発射される一連の直接ビームの照射タイミングおよび放射角度の知識を含むデータおよび命令を処理するために、プロセッサ３１０を使用してもよい。その結果、介入医療装置２０５の向きを決定し、臨床医が介入医療装置２０５の経路を予想するのを助けるために使用することができる。

［０６０］ 相対的装置向き決定は、単一のセンサを有する器具を使用したナビゲーションを提供し、それによって製造コストを低減する。また、対装置向き決定は、経路予測によって一層迅速な処置を可能にすることにより、作業の流れも改善する。さらに、対装置向き決定は、介入医療装置２０５の予想経路の知識を提供することによって、敏感な解剖学的構造の破裂を防止するのに役立つことができる。

［０６１］ 図４は、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定のための処理を示す。

［０６２］ Ｓ４１０では、超音波プローブ（例えば、撮像プローブ２３０）に対する放射角度及び放射時間の組み合わせが、超音波プローブによって放射されるべき直接ビームのために設定される（予め定められる）。放射時間および放射角度のこれらの組み合わせは、特定の医療装置 （例えば、介入医療装置２０５）ごとに、および患者に対する異なる介入処置ごとに設定することができる。医療装置の結果として得られる応答は、各組み合わせについて測定することができる。言い換えれば、図４の処理では、医療装置が該医療装置と直接ビームとの間の既知の角度範囲での超音波照射によって事前に特徴付けられてもよい。試験は、各医療装置の指向性曲線を生成するために、様々な医療装置を様々な相対角度からの数十、数百、または数千の範囲の直接ビームにさらすことを含むことができる。該異なる医療装置の指向性曲線は、ルックアップテーブルとしてメモリに記憶され、これら医療装置が介入医療装置２０５として使用されるときに、動的な相対的装置向き決定のために参照されてもよい。もちろん、任意の特定の医療装置にとって最も重要な指向性曲線の特定の情報は、何の相対角度が誘導されたガイド波からの最高強度信号（最高強度）をもたらすかである（これが、本明細書に記載される臨界角度であるからである）。放射された直接ビームの部分組に対する応答として介入医療装置２０５（例えば、ニードル）のシャフトに沿って伝播されたガイド波に対応する信号強度は、事前試験における全ての角度について記録され、その結果、この情報は各異なる医療デバイスについて予め決定され得る。このようにして、受動型超音波センサＳの２Ｄ位置を提供する生体内原位置技術を使用して、シャフトを経て伝播するガイド波に基づいて応答を誘発するために既知の角度の範囲で発射される直接ビームの起点を決定することができる。直接ビームに対する応答を検出し、シャフトに沿って伝搬するガイド波を発生する直接ビームに対応する角度が記録される。この角度および当該医療装置の予め決定された応答が、当該向きを推定するために使用される。介入医療装置２０５上の受動型超音波センサＳの２Ｄ位置および介入医療装置２０５の該向きを使用して、予想経路を超音波（Ｂモード）画像上にレンダリングすることができる。

［０６３］ Ｓ４２０では、超音波プローブによる直接ビームの順次放射が制御される。直接ビームは、数十、数百又は数千の個々の直接ビームの既知のシーケンスで放射され得、それぞれは放射時間及び放射角度の弁別可能な組み合わせである。加えて、超音波プローブが複数の開口（ほぼ任意の実施形態において真であり得る）を有する場合、特定の開口が、放射される指向ビームまたは放射される直接ビームの組毎に固有に選択されてもよい。したがって、Ｓ４２０での制御の結果として放射される直接ビームの完全なシーケンスは、単一開口部から、または直接ビームの部分組の各直接ビームに対して特別に選択された異なる開口部から放射されてもよい。

［０６４］ Ｓ４３０においては、直接ビームおよびガイド波が、介入医療装置２０５上の受動型超音波センサＳで受信される。注意として、ガイド波は直接ビームの直接衝突／受信から受動型超音波センサＳで受信されるエネルギと同様の、１つまたは複数の直接ビームの部分組に対する応答の形態である。受動型超音波センサＳは、周期的に、例えば１／１０秒毎、１／１００秒毎、又は直接ビームが放射される率と同じ率で信号強度を測定することができる。Ｓ４２０での制御の結果としての直接ビームの放射ならびに受動型超音波センサＳでの該直接ビームおよびガイド波の受信は、受信または測定／検出された各直接ビームまたはガイド波が本明細書で説明される論理処理に基づいて、放射された直接ビームと整合され得ることにより、間接的に同期され得る。

［０６５］ Ｓ４４０においては、直接ビームに対する応答が、受動型超音波センサＳから受信される。前述したように、応答は、受動型超音波センサＳによって直接検出される直接ビームの測定値、または介入医療装置２０５のシャフトに沿って伝播されるガイド波の測定値であり得る。各々検出された直接ビームまたはガイド波の測定値または他の特性は、受動型超音波センサＳから超音波プローブに送ることができる。すなわち、受動型超音波センサＳで測定された、またはそれ以外で検出された応答は、検査において同様の介入医療装置の検査で測定された、またはそれ以外で検出された応答の既知の特性と比較することができる。介入医療装置２０５のシャフトに沿って進行するガイド波の最高強度を反映する受動型超音波センサＳで受信された応答が、関心のある応答として識別され得る。全ての測定された応答、または全ての測定された応答よりも少ない応答を、どの測定された応答がどの特定の直接ビームに対応する可能性が高いかを知るために、放射時間および放射角度の予め決定された組み合わせと比較することができる。しかしながら、関心のある応答は、放射時間及び放射角度の他の組合せにおける他の直接ビームに対する応答と比較して最も高い強度を有する応答であり得る。したがって、最も高い強度を有すると識別された応答を、直接ビームのうちの１つに対する応答を、直接ビームのうちの他のものに対する応答と比較することによって識別することができる。関心のある応答は前もって決定されたいわゆる「臨界」角度に対応することができ、該関心のある応答に何のビームの放射角度が帰着したかの知識を、予め定められた臨界角度の知識と共に使用して、介入医療装置２０５の向きを識別することができる。該臨界角は、全ての放射角度の中で関心のある応答をもたらす１つの且つ唯一の臨界放射角とすることができる。

［０６６］ さらに、本明細書で説明されるように、介入医療装置２０５（例えば、ニードル）のシャフトに沿って伝播するガイド波は、ガイド波が特定の直接ビームに対応し得る限り、特定の使用のものであり得、直接ビームと介入医療装置２０５の向きとの間の差は、ガイド波が検出されるとき臨界角であり得る。

［０６７］ Ｓ４５０において、超音波プローブに対する放射の角度および放射の時間の組み合わせを、受動型超音波センサＳにおいて受信される１つ以上の直接ビームの部分組に対する応答（ガイド波および／または衝突する直接ビームのエネルギ）に基づいて決定することができる。本明細書において繰り返し記載されるように、介入医療装置２０５のシャフトに沿って進行するガイド波は、このガイド波がＳ４１０において予め決定された放射の特定の相対角度（例えば、臨界角度）で放射される直接ビームに対応し得るので、特別な重要性を有し得る。

［０６８］ Ｓ４６０においては、介入医療装置２０５の向きが、超音波プローブに対する直接ビームの部分組のうちの１つの放射時間および放射角度に基づいて決定される。すなわち、予め定められた臨界角度を使用して、介入医療装置２０５の相対的向きを決定することができる。何故なら、当該直接ビームの放射角度が識別され、該直接ビームの放射時間が識別され、介入医療装置２０５のシャフトに沿って進行する当該ガイド波は、該直接ビームが介入医療装置２０５に対して予め定められた臨界角度で放射されたことを示すのに十分な強度のものであり得るからである。したがって、介入医療装置２０５のシャフトに沿って進行するガイド波が検出された場合、これを、どの放射された直接ビームが該ガイド波を引き起こしたかを相関させるために使用することができ、これは、臨界角と共に介入医療装置２０５の向きを導出するために使用することができる。

［０６９］ 図５は、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定のための別の処理を示す。

［０７０］ Ｓ５０５では、超音波プローブに対する介入医療装置２０５の各向きの特徴が、既知の特徴として識別される。Ｓ５０５での識別は、検査室における等のように、検査パターンを使用して系統的に実行することができる。該特徴は、各向きについてのデータのテーブルとして記憶することができる。本明細書で記載されるように、特に注目される特徴は、介入医療装置２０５のシャフトに沿って伝搬するガイド波をもたらす臨界角である。最大強度を有するガイド波を生成する斯様な臨界角度は１つしか存在し得ないからである。

［０７１］ Ｓ５１０では、超音波プローブによって放射されるべき直接ビームのために、超音波プローブに対する放射角度と放射時間との組み合わせが設定される（予め決定される）。すなわち、直接ビームが例えば所定の間隔において等の異なる放射角度で系統的に放射されるように、放射パターンが事前に設定されてもよい。後に、医療装置の結果として生じる応答を、各組み合わせについて測定することができる。既に説明したように、医療装置は、医療装置と超音波直接ビームとの間の既知の角度範囲での超音波照射によって事前に特徴付けることができる。放射された直接ビームの部分組に対する応答として介入医療装置２０５（例えば、ニードル）のシャフトに沿って伝搬されるガイド波に対応する信号強度が、全ての角度について記録される。異なる医療装置に対する指向性曲線を生成し、ルックアップテーブルとしてメモリに記憶することができる。

［０７２］ より詳細には、生体内原位置技術を用いて、受動型超音波センサＳの２Ｄ位置を識別することができる。介入医療装置２０５のシャフトに沿って伝搬する適切な波をもたらす放射された直接ビームの識別は、該放射された直接ビームの放射角度を提供する。Ｓ５０５で得られた予め定められた特徴を参照すると、臨界角が得られ、この臨界角は、介入医療装置２０５の向きを識別するために放射角度と共に使用することができる。介入医療装置２０５上の受動型超音波センサＳの２Ｄ位置、および介入医療装置２０５の向きを使用して、予測経路を超音波画像上に重ね合わせることができる。

［０７３］ Ｓ５２０では、超音波プローブによる直接ビームの順次の放射が制御され、Ｓ５３０では、介入医療装置２０５上の受動型超音波センサＳにおいて直接ビームおよびガイド波が受信される。Ｓ５２０およびＳ５３０における処理は、図４の対応する番号付けされた動処理に関して説明されたものと同一または類似であり得、したがって、それらの説明は繰り返さない。

［０７４］ Ｓ５３５においては、介入医療装置２０５に沿って進行するガイド波の特徴が感知される。たとえば、信号の最大振幅を測定することができ、最大振幅の時間を記録することができ、等々である。前述のように、受動型超音波センサＳによって測定される応答は、受動型超音波センサＳによって直接検出される直接ビームの測定値、または介入医療装置２０５のシャフトに沿って伝播され、受動型超音波センサＳによって感知されるガイド波の測定値とすることができる。Ｓ５３５における関心のある特徴は、介入医療装置２０５に沿って伝播するガイド波の特徴である。受動型超音波センサＳは該直接ビームに対する応答を送出し、Ｓ５４０において、該直接ビームに対する応答は、撮像プローブ２３０において受動型超音波センサＳから受け取る。

［０７５］ Ｓ５５０では、介入医療装置２０５に沿って進行するガイド波の特徴が中央ステーション２５０などにおいて識別される。中央ステーション２５０は、受動型超音波センサＳからの全てのデータ読み取り値、または最小閾値に到達する信号に基づく限られた組を受信することができる。最小閾値は、予め定められた所定の閾値である。Ｓ５５３においては、介入医療装置２０５に沿って進行するガイド波の特徴が、介入医療装置２０５の各向きについての既知の特徴と比較される。代わりに、介入医療装置２０５の既知の臨界角度を参照してもよい。既知の放射角度を有する特定の直接ビームと介入医療装置２０５の向きとの間の差は、臨界角度にほぼ等しいか、または等しくなり得るからである。

［０７６］ Ｓ５５５では、ガイド波の特性をＳ５０５で特定された既知の特性と比較するときに一致が見つかるかどうかの判定が行われる。一致しない場合（Ｓ５５５ ＝ Ｎｏ）、当該処理はＳ５２０に戻る。一致が見つかった場合（Ｓ５５５ ＝ Ｙｅｓ）、介入医療装置２０５の向きがＳ５６０で決定される。

［０７７］ 図５の教示と一致する実施形態の一例として、当該処理は、事前較正の一部として、介入医療装置２０５（例えば、ニードル）に対してガイド波が最も強い臨界角を決定することを含んだ準備処理を含む。該準備処理は、Ｓ５０５での識別を含むと共に、本明細書で説明する他の処理を含むことができる。動的処理は、複数の異なる放射角度で受動型超音波センサＳを超音波照射するために使用される最適開口を決定することと、次いで、受動型超音波センサＳからの測定値を取得して、直接ビームに対応する測定値（「ブロブ」）と、ガイド波に対応する測定値（「ブロブ（塊）」）とを区別することとを含み得る。飛行時間は、ガイド波に対応する測定値および対応する直接ビームの角度から決定することができる。次いで、予め決定された臨界角を、動的処理において、ピーク信号強度を有するガイド波に対応する直接ビームの識別と共に使用して、Ｓ５６０においてニードルの向きを決定することができる。

［０７８］ 上述のように、介入医療装置２０５の向きを決定するためのシステムは、先端の近くに１つの受動型超音波センサＳを装備した医療機器などの介入医療装置２０５を含むことができる。処理は、準備処理と動的処理とに分けることができる。準備処理において、ニードルなどの異なる介入医療装置を、複数の角度でのビームに対する一連の応答（すなわち、ガイド波を含む）が既知となるように特徴付けることができる。これら応答は、準備処理で使用されるそれぞれの異なる相対角度に対する信号強度／信号の強さを含むことができる。次に、準備処理において、受動型的超音波センサＳで受信される最高の信号強度／信号の強さを有するガイド波に対応する直接ビームの角度を識別することなどによって、上記一連の応答に基づいて臨界角を決定することができる。前述のように、ガイド波は、対応する直接ビームが受動型的超音波センサＳに当たる前に、該受動型的超音波センサＳへと進行する。ガイド波が１つ以上の直接ビームの部分組の受信に対する応答である限り、動的処理における該ガイド波の受信時間を、対応する直接ビームの受信時間と比較することができる。臨界放射角度に対応する直接ビームの部分組のうちの１つの超音波プローブに対する放射角度および放射時間の組み合わせの動的処理における決定は、直接ビームに対する１つの応答（例えば、ガイド波）の受信の時点が該直接ビームに対する他の応答（すなわち、受動型超音波センサＳにおいて受信される直接ビームのエネルギ）の受信の時点より前である場合にのみ選択的に実施され得る。当該システムは、直接ビームによる衝突からのセンサ応答と、ガイド波からのセンサ応答とを区別するための手段を含むことができ、該手段は受動型超音波センサＳからの情報を処理するためのソフトウェア命令を実行するプロセッサを含むことができる。また、該システムは、複数の角度に跨がるステアリングされたビームが所望の開口から発射されることができるように、トランスデューサの素子を制御するための手段を含むことができる。上記開口は、ステアリングビームが発射される複数の角度の１つまたは複数の角度を最適化するために、選択的に識別され得る。

［０７９］ 図６は、代表的な実施形態による、ガイド波の生成、および相対的装置向き決定における結果としてのガイド波の出現を示す。

［０８０］ ガイド波は、超音波直接ビームのうちの１つが、ニードルシャフトなどの介入医療装置２０５と交差し、該ニードルシャフトを通って（組織内の速度よりも速い速度で）受動型超音波センサＳまで進行する際に生成される。該ガイド波は、介入医療装置２０５に沿って移動し、測定可能な強度を有する。当該直接ビームに応答して生成されたガイド波のうちの最も高い強度を有する、介入医療装置２０５に沿って進むガイド波は、関心のある応答としての識別を生じ、最終的に、どの向きのどの直接ビームが、他の直接ビームによって引き起こされる応答と比較して最も高い強度を有するガイド波を引き起こしたかを識別するために使用される。前述のように、既知の特徴を有する応答（ガイド波）をもたらす臨界角の知識は、事前に決定され、且つ、超音波プローブに対する介入医療装置２０５の異なる向きに対応する一群の既知の特徴の一部とすることができる。この応答は、図６に示すように、主応答によって生成されるブロブの前に現れる。ガイド波は、超音波直接ビームと介入医療装置２０５の向きとの間の非常に固有な角度で生成されることが知られているので、この臨界角およびブロブの原点の知識を使用して、介入医療装置２０５の向きを決定することができる。したがって、介入医療装置２０５の向きは、直接ビームの部分組のうちの１つの撮像プローブ２３０に対する放射角度および介入医療装置２０５の臨界角に基づいて決定される該介入医療装置２０５の向きの角度である。

［０８１］ 図７は、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定における介入医療装置処理の幾何学的関係を示す。

［０８２］ 図７において、幾何学的関係は、事前較正ステップにおいて臨界角を決定するために使用される。準備処理において、較正は、ニードル（介入医療装置２０５の例としての）が回転される架台に固定される、制御された水タンク実験において実行され得る。ニードルの位置は、同じ超音波直接ビームが全ての回転位置において該ニードルを超音波照射するように調整される。記録されるセンサ応答は、水中を進行した後に受動型超音波センサＳに直接当たる直接ビームと、ニードルのシャフトに当たり、これにより、該シャフトを介して表面波として進行する特定の角度でガイド波を誘導する直接ビームとの組み合わせである。収集されたデータは、時間オフセットを介して直接ビームにより横断された水路を補償することによって処理することができる。データは、ガイド波がニードルを通って進む距離の関数として再構成される。時間オフセット後にデータを再整列させて、当該シャフトを進行するガイド波の速度を計算することができる。１つのこのような検査室実験では、２つの表面波が検出された。一方の検出された表面波は約３２５０ｍ／ｓで進行し、他方は１４００ｍ／ｓで進行する。より速い波はガイド波であり、直接ビームが受動型超音波センサＳに当たる前に該受動型超音波センサＳに到達した。受動型超音波センサＳのデータを閾処理して、ガイド波に関連する応答のみを許容することにより、収集されたデータセットの中で最も強い応答を生成するニードル回転角度及び透過角度を推定することができる。

［０８３］ 当該ニードルは制御された機器構成において一連の角度で超音波照射され、受動型超音波センサＳからの応答を記録する。受動型超音波センサＳのデータは、組織内を進行した経路を補償するために再計算される。ガイド波の到着時間ｔ（到着の時間）は、水中を進行した距離及びニードル内を進行した距離の関数として表される：
ｔ ＝ Ｒ´／ｃ ＋ Ｄ／ｃ_ｇ 。

［０８４］ ここで、Ｒ´は水中を進行した距離であり、ｃは水中での音速であり、Ｄはニードル中を進行した距離であり、ｃ_ｇはニードル内でのガイド波の速度である。

［０８５］ 正弦定理は、Ｄ ＝ Ｒ・ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π−α−β）
を生じる。

［０８６］ この式を用いて、受信トレースを、水中を進行した距離に対応するオフセットを用いて該トレースを時間調整した後の各収集（各ニードル角度βおよび各ビーム角度α）に対して、ニードル中を進行した距離Ｄの関数として描くことができる。

［０８７］ 全ての収集からの全てのトレースをコヒーレントに平均化すると、図８が得られ、これは、このような事前較正ステップを表している。

［０８８］ 図８は、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定における異なる向きでの介入医療装置の事前較正の結果を示す。

［０８９］ ガイド波の強さは、入射角γの関数として推定することができる。再び正弦定理を使用すれば、γ ＝ ａｓｉｎ（ｓｉｎ（α）（Ｄ／Ｒ））により各実験（ニードル内を進行する各距離Ｄ）に関して角度γが分かる。

［０９０］ かなりの量のガイド波を生じる全ての実験に対して、時間的窓が（高速）ガイド波および（低速）直接ビームの周囲に描かれ、この時間的窓内のガイド波の最大振幅が記録され、後述するように、図９上のグラフが得られる。

［０９１］ 図９は、代表的な実施形態による、介入医療装置に対する入射角の関数としてのガイド波振幅のグラフを示す。

［０９２］ 図９では、２ＭＨｚにおける高速（左）ガイド波及び低速（右）直接ビームの振幅が入射角の関数として示されている。高速ガイド波は約６２°でピークに達し、低速直接ビームは約６９°でピークに達する。

［０９３］ 高速ガイド波のピークは、約６０度の入射角で明確に見られる。ここで、入射角は、９０度が垂直入射となるように、超音波直接ビームとニードルとの間の角度として定義される。これは、ニードルが水平から約３０°にあるときにピークを有する検査室で一般に観察されるものと同様である。低速直接ビームのピークは、約７０度の入射角で見られる。これらの結果は、使用されるニードルおよび超音波の周波数のような他の要因に依存して変化することに注意することが重要である。

［０９４］ 図１０は、代表的な一実施形態による、対装置向き決定におけるビームに対する開口変化を示す。

［０９５］ 背景技術の節で説明されたように、受動型超音波センサＳの位置を推定するために生体内原位置技術が使用される。この推定値に基づいて、図１０に示すようにニードルシャフトが可能な限り多くのビームに曝されるように、ニードルを複数の角度においてステアリングビームで超音波照射するために、適切な開口が使用される。

［０９６］ 直接ビームに対応するニードルの位置は、背景技術の段落に記載された生体内原位置法を用いて決定される。受動型超音波センサＳのデータは、直接ビームからの応答を除外するために、時間窓を用いて閾処理される。データの残りは、ガイド波からの応答であり、またはそれを含み得る。

［０９７］ 応答の起源を決定するための一層精巧な方法は、事前較正ステップで説明したように、対応するブロブを誘導した波の速度の推定である。

［０９８］ 図１１は、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定のための幾何学的関係を示す。

［０９９］ 図１１において、ニードルの向きが、一実施形態に従って推定される。直接ビームに対応するニードルの位置は、既知の生体内原位置法を用いて決定される。受動型超音波センサＳのデータは、直接ビームからの応答を除外するために、時間窓を用いて閾処理される。かくして、このデータは、ガイド波の応答となり、またはガイド波応答を含み得る。この応答のピークの起源は、それを誘導した直接ビームに遡る。図１１に示されるような直接ビームの角度は、θ_ｔである。臨界角は、事前較正ステップを用いて決定される。図１１に示すような方位角は、

なる式を使用して計算され、ここで、

は方位角、

は臨界角、

はステアリング角である。

［０１００］ 図１２は、代表的な実施形態による、相対的装置向き決定における別の介入医療装置処理の幾何学的関係を示す。

［０１０１］ 図１２では、一実施形態に従ってガイド波の入射角を計算することができる。図１２の実施形態では、直接ビームに対する応答及びガイド波応答の両方の位置が方位角の推定値に到達するために使用される。（ｔ，θ）および（ｔ´，θ´）が与えられ、且つ、第１のブロブ（ｔ，θ）が直接ビームの到達に対応する一方、第２のブロブ（ｔ´，θ´）がガイド波の到着に対応すると仮定すると、該ガイド波に対応する直接ビームの入射角γを計算することができる。図１２の実施形態では、ｔが第１のブロブの到着時間であり、ｔ´が第２のブロブの到着時間である。入射角γが最大のガイド波生成の値（約６０°）に近い場合、第２のブロブはガイド波である可能性が高い。

［０１０２］ アル・カーシーの余弦定理によれば：
Ｄ^２ ＝ Ｒ^２ ＋ Ｒ´^２ − ２ＲＲ´ｃｏｓ （α）
となり、ここで、Ｄはニードル内を進行する距離である。第２のブロブの到着時間は、
ｔ´ ＝ Ｒ´／ｃ ＋ Ｄ／ｃ´
により表され、ここで、ｃ，ｃ´は、それぞれ、組織内での直接ビームの速度およびニードル内でのガイド波の速度である。Ｒ´ ＝ ｃｔ´ − （ｃ／ｃ´）Ｄを上記の第１の式（アル・カーシーの余弦定理）に置き換えると、Ｄに関して解くことができるＤの２次多項式が得られる。Ｒは第１のブロブの解析から分かり、αは第１のブロブ及び第２のブロブにおける測定される角度の間の差（α＝θ−θ´）であることに留意されたい。いったんＤが分かったなら、正弦定理を再び使用して、入射角γを：
ｓｉｎ（γ） ＝ （Ｒ／Ｄ）ｓｉｎ（α）
と決定することができる。

［０１０３］ 別の実施形態では、（ｔ，θ）において識別された第２のブロブが、このガイド波に関連する直接ビームの到着があるかをチェックすることができる。この実施形態は、第１のブロブが例えば第１の到着アルゴリズムを使用して識別される場合、該第１のブロブが（ｔ´，θ´）として識別されると仮定する。この実施形態において、該チェックは、（ｔ，θ）において識別された第２のブロブが、このガイド波に関連する直接ビームの到着であるかどうかを判定する。ある意味で、これはすぐ上で説明した方法とは逆であり、同様の幾何学的導出を行うことができる。

［０１０４］ したがって、相対的装置向き決定は、ニードル、カニューレ、または他の追跡されるツールなどの介入医療装置２０５上の単一の受動型超音波センサＳの使用を可能にする。対装置向き決定は、モニタ２８０のようなユーザインタフェース上で該向きのフィードバックを提供する。ガイド波に基づく方位情報の生成は、本明細書で説明する様々な方法で実行することができる。

［０１０５］ 相対的装置向き決定は、疼痛管理のための局所麻酔、生検、アブレーション、および血管アクセス手順を含むが、これらに限定されない、センサベースの医療装置を利用するほとんどの領域に適用され得る。相対的装置向き決定は、介入医療装置２０５（例えば、ニードル）を最も見にくくする最も難しい解剖学的構造に対してさえ実行され得る。加えて、相対的装置向き決定は、１Ｄおよび２Ｄアレイトランスデューサの両方に適用することができ、２Ｄアレイトランスデューサでは、３Ｄにおける医療装置の向きを推定することができる。

［０１０６］ いくつかの例示的な実施形態を参照して相対的装置向き決定を説明したが、使用された文言は限定の文言ではなく、説明および例示の文言であることを理解されたい。変更は、その態様における相対的装置向き決定の範囲および精神から逸脱することなく、現在述べられている及び補正される添付特許請求の範囲の範囲内で、なされてもよい。特定の手段、材料、および実施形態を参照して相対的装置向き決定を説明してきたが、相対的装置向き決定は、開示された詳細に限定されることを意図するものではなく、むしろ、相対的装置向き決定は、添付特許請求の範囲内にあるような、機能的に等価なすべての構造、方法、および使用に及ぶ。

［０１０７］ 上述のように、ビームと介入医療装置２０５との間の何の相対角度が最大強度を有するガイド波をもたらすかを含む、介入医療装置２０５の特徴的応答が事前に決定される限り、相対的装置向き決定は、単一の受動型超音波センサＳを使用して達成することができる。ガイド波と直接ビームとを区別する能力のような付加的な態様は、相対的装置向き決定の精度を改善するのに役立つ。開口選択などの追加の態様を使用して、介入医療装置２０５に直接当たる超音波直接ビームの数を最適化することができる。さらに、本明細書に記載される全体的な方法は、異なる介入医療装置に対する特徴的応答の決定などの予備ステップと、患者に挿入された介入医療装置２０５上の受動型的超音波センサＳを使用する相対的な装置の向きの動的決定などの動的ステップとを含むことができる。

［０１０８］ 本明細書に記載される実施形態の解説は、様々な実施形態の構成の一般的な理解を提供することを意図している。これらの解説は、本明細書に記載された開示の要素およびフィーチャのすべての完全な説明として役立つことを意図したものではない。多くの他の実施形態は、本開示を検討すれば当業者には明らかであろう。本開示の範囲から逸脱することなく、構造的および論理的な置換および変更を行うことができるように、他の実施形態を利用し、本開示から導出することができる。さらに、図示は単に代表的なものであり、実寸で描かれていない場合がある。図中の特定の比率は誇張され得るが、他の比率は最小化されてこともある。したがって、本開示および図示は、限定ではなく例示とみなされるべきである。

［０１０９］ 本開示の１つまたは複数の実施形態は、本明細書では単に便宜上、かつ本出願の範囲を任意の特定の発明または発明概念に自発的に限定することを意図することなく、「発明」という用語によって、個別におよび／または集合的に言及され得る。さらに、本明細書では特定の実施形態を図示し、説明したが、同じまたは同様の目的を達成するように設計された任意の後の構成を、図示した特定の実施形態の代わりに使用できることを理解されたい。本開示は、様々な実施形態の任意の及び全ての後の適合又は変形を包含することが意図される。上記の実施形態の組み合わせ、および本明細書に具体的に記載されていない他の実施形態は、説明を検討すると当業者には明らかになるであろう。

［０１１０］ 本開示の要約は、３７ Ｃ．Ｆ．Ｒ． §１．７２（ｂ）を遵守するために提供され、かつ、請求項の範囲又は意味を解釈又は限定するために使用されないという理解でもって提出されるものである。さらに、前述の詳細な説明では、開示を合理化する目的で、様々な特徴を一緒にグループ化するか、または単一の実施形態で説明することができる。本開示は、請求項に記載される実施形態が各請求項に明示的に記載されるよりも多くのフィーチャを必要とするという意図を反映するものとして解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、本発明の主題は、開示される実施形態のいずれかのフィーチャのすべてよりも少ないものに向けられ得る。したがって、以下の請求項は、各請求項が別個に請求項に記載される主題を定義するものとして自立して、詳細な説明に組み込まれる。

［０１１１］ 開示された実施形態の前述の説明は、当業者が本開示に記載された概念を実施することを可能にするために提供される。したがって、上記で開示された主題は例示的であり、限定的ではないと見なされるべきであり、添付請求項は、本開示の真の精神および範囲内にある、すべてのそのような修正、拡張、および他の実施形態を包含することが意図される。したがって、法律で認められる最大限の範囲において、本開示の範囲は以下の請求項およびそれらの均等物の最も広い許容可能な解釈によって決定されるものであり、前述の詳細な説明によって制限または限定されるべきではない。

Claims (16)

1. 介入医用装置の向きを決定するためのコントローラであって、
   命令を記憶するメモリと、
   前記命令を実行するプロセッサと、
   を有し、前記命令は前記プロセッサによって実行された場合に前記コントローラに、
   超音波プローブに対する放射角度及び放射時間の各々が異なる組み合わせで超音波プローブによる複数のビームの放射を制御することと、
   介入医療装置上の或る位置のセンサにおける前記複数のビームの部分組に対する応答の受信に基づいて、前記複数のビームの前記部分組のうちの１つの前記超音波プローブに対する放射角度及び放射時間の組み合わせを決定することと、
   前記複数のビームの前記部分組のうちの１つの前記超音波プローブに対する放射角度及び放射時間に基づいて、前記介入医療装置の向きを決定することと、
   を有する処理を実行させる、
   コントローラ。
2. 当該コントローラにより実行される前記処理が、前記介入医療装置に沿って進行する波の特徴を前記複数のビームの部分組に対する応答として決定することを更に有し、
   前記向きを決定することが、前記複数のビームの部分組に対する応答としての前記介入医療装置に沿って進行する波の特徴に更に基づくものである、
   請求項１に記載のコントローラ。
3. 当該コントローラにより実行される前記処理は、
   前記複数のビームの部分組に対する応答としての前記介入医療装置に沿って進行する波の特徴を、前記介入医療装置の異なる向きに対応する一群の既知の特徴と比較することと、
   前記介入医療装置に沿って進行する波の特徴を、前記一群の既知の特徴のうちの１つと照合することと、
   を更に有し、
   前記向きを決定することが、前記介入医療装置に沿って進行する波の特徴と照合される前記一群の既知の特徴のうちの１つに更に基づくものである、
   請求項２に記載のコントローラ。
4. 当該コントローラにより実行される前記処理が、
   前記センサが前記介入医療装置に沿って進行する波の特徴を感知することに基づいて、前記複数のビームの前記部分組のうちの１つの前記超音波プローブに対する放射角度及び放射時間の組み合わせを決定すること、
   を更に有する、請求項３に記載のコントローラ。
5. 前記介入医療装置の異なる向きに対応する前記一群の既知の特徴が、前記センサにおいて応答として受信される他のビームと比較して前記複数のビームのうちの１つに対して最も高い強度の応答を発生する前記介入医療装置の臨界角を識別するために事前に決定される、請求項４に記載のコントローラ。
6. 前記複数のビームの前記部分組に対する前記応答は前記介入医療装置に沿って進行するガイド波を有し、
   前記介入医療装置に沿って進行する前記ガイド波は、前記複数のビームに応答して発生される最も高い強度のガイド波を有し、前記複数のビームの全放射角度のうちの１つ且つ唯一の臨界放射角度におけるビームを含む前記複数のビームの部分組に応答してのみ発生される、請求項１に記載のコントローラ。
7. 前記センサが、前記介入医療装置上の位置を決定するために使用される１つ且つ唯一のセンサである、請求項１に記載のコントローラ。
8. 当該コントローラにより実行される前記処理が、
   前記複数のビームの部分組に対する応答として前記介入医療装置に沿って進行する波の特徴を前記介入医療装置の異なる向きに対応する一群の既知の特徴と比較することと、
   前記介入医療装置に沿って進行する波の特徴と前記一群の既知の特徴との間に一致が見られない場合、前記介入医療装置の向きを決定するために、前記超音波プローブによる各々が該超音波プローブに対する放射角度及び放射時間の異なる組み合わせにおける前記複数のビームの放射を再び制御することと、
   を更に有する、請求項１に記載のコントローラ。
9. 当該コントローラにより実行される前記処理が、
   前記複数のビームの部分組に対する応答を所定の閾値と比較し、該複数のビームの部分組に対する応答が該所定の閾値を上回る場合にのみ、前記複数のビームの部分組のうちの１つの前記超音波プローブに対する放射角度及び放射時間の組み合わせを決定すること、
   を更に有する、請求項１に記載のコントローラ。
10. 当該コントローラにより実行される前記処理が、
    前記複数のビームの部分組に対する応答の受信の時間を前記複数のビームの他の部分組に対する他の応答の受信の時間と比較し、前記複数のビームの部分組に対する応答が前記複数のビームに対する他の応答の受信の時間よりも前に受信されるかに基づいてのみ、前記複数のビームの部分組のうちの１つの前記超音波プローブに対する放射角度及び放射時間の組み合わせを決定すること、
    を更に有する、請求項９に記載のコントローラ。
11. 当該コントローラにより実行される前記処理が、
    前記複数のビームの部分組に対する応答により前記介入医療装置を介して前記センサまで進行される距離を計算すること、
    を更に有する、請求項１に記載のコントローラ。
12. 前記介入医療装置の向きが、前記複数のビームの前記部分組のうちの１つの前記超音波プローブに対する放射角度に基づいて決定される前記介入医療装置の方位角度である、請求項１に記載のコントローラ。
13. 前記コントローラにより実行される前記処理は、
    前記介入医療装置上の前記センサの位置を決定すること、
    を更に有し、
    前記向きを決定することが、前記介入医療装置上の前記センサの位置に更に基づくものである、
    請求項１に記載のコントローラ。
14. 前記コントローラにより実行される前記処理は、
    前記センサにおける前記複数のビームの部分組に対する応答の受信の到着時間を決定すること、
    を更に有し、
    前記向きを決定することが、前記複数のビームの他の部分組と比較して最も高い強度の応答を発生する前記複数のビームの部分組に対する応答の前記センサにおける到着時間に更に基づくものである、
    請求項１に記載のコントローラ。
15. 介入医用装置の向きを決定するための方法であって、
    命令を実行するプロセッサを有するコントローラにより、超音波プローブによる各々が該超音波プローブに対する放射角度及び放射時間の異なる組合せにおける複数のビームの放射を制御するステップと、
    前記コントローラにより、且つ、前記介入医療装置上の或る位置のセンサにおける前記複数のビームの部分組に対する応答の受信に基づいて、前記複数のビームの部分組のうちの１つの前記超音波プローブに対する放射角度及び放射時間の組合せを決定するステップと、
    前記プロセッサにより、前記介入医療装置の向きを前記複数のビームの部分組のうちの１つの前記超音波プローブに対する放射角度及び放射時間に基づいて決定するステップと、
    を有する、方法。
16. 介入医療装置の向きを決定するためのシステムであって、
    介入医療装置上の或る位置におけるセンサと、
    複数のビームを放射する超音波プローブであって、当該超音波プローブに対する放射角度及び放射時間の各々が異なる組み合わせで該複数のビームを放射する超音波プローブと、
    命令を記憶するメモリ、及び、前記命令を実行するプロセッサを有するコントローラとを有し、
    前記プロセッサにより実行された場合、前記命令が前記コントローラに、
    前記超音波プローブによる前記複数のビームの放射を制御すること、
    前記センサにおける前記複数のビームの部分組に対する応答の受信に基づいて、前記複数のビームのうちの前記部分組における１つの前記超音波プローブに対する放射角度及び放射時間の組み合わせを決定すること、及び、
    前記介入医療装置の向きを前記複数のビームのうちの前記部分組における１つの前記超音波プローブに対する放射角度及び放射時間に基づいて決定すること
    を有する処理を実行させる、システム。

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