JP2022052345A - 超音波診断装置、撮像方法、及び撮像プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットアームを用いたスキャンによって所望の品質の画像を得ることである。【解決手段】実施形態に係る超音波診断装置は、ロボットアームと、スキャン制御部と、評価部とを備える。ロボットアームは、超音波プローブの移動及び回転を実行可能である。スキャン制御部は、前記ロボットアームを用いて、３次元的にスキャンを実行する。評価部は、前記スキャンによって得られた超音波データを評価し、前記ロボットアームを用いた再スキャンの要否を判定する。【選択図】図１

Description

本明細書及び図面に開示の実施形態は、超音波診断装置、撮像方法、及び撮像プログラムに関する。

近年、ロボットアームを搭載した超音波診断装置が提案されている。この超音波診断装置では、ロボットアームに超音波プローブを把持させ、ロボットアームを用いて超音波プローブを被検体の体表面に当接させて超音波スキャンを実行することで、操作者の検査手技に依存せず一定品質の画像を得る試みが行われている。

特開２０１７－１５９０２７号公報 特開２０１７－１５９０２８号公報

本明細書及び図面に開示の実施形態が解決しようとする課題の一つは、ロボットアームを用いたスキャンによって所望の品質の画像を得ることである。ただし、本明細書及び図面に開示の実施形態により解決しようとする課題は上記課題に限られない。後述する実施形態に示す各構成による各効果に対応する課題を他の課題として位置づけることもできる。

実施形態に係る超音波診断装置は、ロボットアームと、スキャン制御部と、評価部とを備える。ロボットアームは、超音波プローブの移動及び回転を実行可能である。スキャン制御部は、前記ロボットアームを用いて、３次元的にスキャンを実行する。評価部は、前記スキャンによって得られた超音波データを評価し、前記ロボットアームを用いた再スキャンの要否を判定する。

図１は、実施形態に係る超音波診断装置の構成例を示す図である。 図２は、実施形態に係る超音波診断装置における処理手順を示すフローチャートである。 図３は、実施形態に係る各座標系について説明するための図である。 図４は、実施形態に係る骨格情報と患者座標系との関連づけを説明するための図である。 図５は、実施形態に係る初期位置の設定について説明するための図である。 図６は、実施形態に係る動作条件テーブルについて説明するための図である。 図７は、実施形態に係る評価機能の処理を説明するための図である。 図８は、実施形態に係る評価機能の処理を説明するための図である。

以下、図面を参照して、実施形態に係る超音波診断装置、撮像方法、及び撮像プログラムを説明する。なお、実施形態は、以下の実施形態に限られるものではない。また、一つの実施形態に記載した内容は、原則として他の実施形態にも同様に適用可能である。

（実施形態）
図１を用いて、実施形態に係る超音波診断装置１の構成例を説明する。図１は、実施形態に係る超音波診断装置１の構成例を示す図である。図１に示すように、実施形態に係る超音波診断装置１は、装置本体１００と、超音波プローブ１０１と、入力インタフェース１０２と、ディスプレイ１０３と、カメラ１０４と、ロボットアーム１０５とを有する。超音波プローブ１０１、入力インタフェース１０２、及びディスプレイ１０３は、装置本体１００に接続される。なお、被検体Ｐは、超音波診断装置１の構成に含まれない。

超音波プローブ１０１は、複数の振動子（例えば、圧電振動子）を有し、これら複数の振動子は、後述する装置本体１００が有する送受信回路１１０から供給される駆動信号に基づき超音波を発生する。また、超音波プローブ１０１が有する複数の振動子は、被検体Ｐからの反射波を受信して電気信号に変換する。また、超音波プローブ１０１は、振動子に設けられる整合層と、振動子から後方への超音波の伝播を防止するバッキング材等を有する。

超音波プローブ１０１から被検体Ｐに超音波が送信されると、送信された超音波は、被検体Ｐの体内組織における音響インピーダンスの不連続面で次々と反射され、反射波信号（エコー信号）として超音波プローブ１０１が有する複数の振動子にて受信される。受信される反射波信号の振幅は、超音波が反射される不連続面における音響インピーダンスの差に依存する。なお、送信された超音波パルスが、移動している血流や心臓壁等の表面で反射された場合の反射波信号は、ドプラ効果により、移動体の超音波送信方向に対する速度成分に依存して、周波数偏移を受ける。

なお、実施形態は、図１に示す超音波プローブ１０１が、複数の圧電振動子が一列で配置された１次元超音波プローブである場合や、一列に配置された複数の圧電振動子が機械的に揺動される１次元超音波プローブである場合、複数の圧電振動子が格子状に２次元で配置された２次元超音波プローブである場合のいずれであっても適用可能である。

入力インタフェース１０２は、マウス、キーボード、ボタン、パネルスイッチ、タッチコマンドスクリーン、フットスイッチ、トラックボール、ジョイスティック等を有し、超音波診断装置１の操作者からの各種設定要求を受け付け、装置本体１００に対して受け付けた各種設定要求を転送する。

ディスプレイ１０３は、超音波診断装置１の操作者が入力インタフェース１０２を用いて各種設定要求を入力するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示したり、装置本体１００において生成された超音波画像データ等を表示したりする。

カメラ１０４は、被検体Ｐ及び超音波プローブ１０１を撮影する装置である。例えば、後述するスキャン制御機能１６１は、カメラ１０４によって撮影された画像データ（以下、カメラ画像データと記載）に対して各種の画像認識処理を実行することで、被検体Ｐ及び超音波プローブ１０１の位置情報を取得する。例えば、スキャン制御機能１６１は、カメラ画像データに対して骨格認識処理を実行することで、被検体Ｐの骨格情報を取得する。骨格情報とは、被検体Ｐの代表的な複数の関節の位置と、各関節を結ぶ代表的な骨の位置とを示す情報である。また、スキャン制御機能１６１は、カメラ画像データに対してパターンマッチングなどの画像認識処理を実行することで、超音波プローブ１０１の位置及び向きを示す３次元的な位置情報を取得する。

なお、超音波プローブ１０１の位置情報は、超音波プローブ１０１とロボットアーム１０５との位置関係を利用して、ロボットアーム１０５の位置情報から推定することもできる。ロボットアーム１０５の位置情報は、上記のカメラで撮像した画像データに対する画像認識処理により、又は、ロボットアーム１０５を構成する各アームの長さや回転角などから推定（算出）することにより、取得可能である。

また、本実施形態では、カメラ１０４を備える場合を説明するが、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、カメラ１０４に代えて、赤外線センサや磁気センサ、又は各種のセンサを組み合わせたセンサシステムなど、被検体Ｐ及び超音波プローブ１０１の位置情報を取得するための公知の技術を適宜選択して適用可能である。

ロボットアーム１０５は、超音波プローブ１０１の移動及び回転を実行可能な装置である。例えば、ロボットアーム１０５は、その先端部に超音波プローブ１０１を把持する。そして、ロボットアーム１０５は、後述するロボットアーム制御回路１７０の制御により、把持した超音波プローブ１０１を被検体Ｐの体表面に沿って移動させたり、体表面上で回転させたりすることで、スキャン断面の動きを制御する。

また、ロボットアーム１０５は、圧力センサを備え、超音波プローブ１０１の体表面に対する接触圧（体表接触圧）を検知する。検知された体表接触圧は、後述するロボットアーム制御回路１７０へ送信され、安全のため適切な値を維持するよう監視される。

なお、上記のロボットアーム１０５の説明はあくまで一例であり、超音波プローブ１０１の動きを制御するロボットアーム１０５については、公知の技術を適宜選択して適用可能である。また、図１に示す例では、ロボットアーム１０５と装置本体１００とが一体として構成される場合を例示したが、ロボットアーム１０５と装置本体１００とは別体として構成されても良い。

装置本体１００は、超音波プローブ１０１が受信した反射波信号に基づいて超音波画像データを生成する装置であり、図１に示すように、送受信回路１１０と、信号処理回路１２０と、画像生成回路１３０と、画像メモリ１４０と、記憶回路１５０と、処理回路１６０と、ロボットアーム制御回路１７０とを有する。送受信回路１１０、信号処理回路１２０、画像生成回路１３０、画像メモリ１４０、記憶回路１５０、処理回路１６０、及びロボットアーム制御回路１７０は、相互に通信可能に接続される。

送受信回路１１０は、超音波プローブ１０１を制御することで、超音波走査（超音波スキャン）を実行する。送受信回路１１０は、パルス発生器、送信遅延部、パルサ等を有し、超音波プローブ１０１に駆動信号を供給する。パルス発生器は、所定のレート周波数で、送信超音波を形成するためのレートパルスを繰り返し発生する。また、送信遅延部は、超音波プローブ１０１から発生される超音波をビーム状に集束し、かつ送信指向性を決定するために必要な圧電振動子ごとの遅延時間を、パルス発生器が発生する各レートパルスに対し与える。また、パルサは、レートパルスに基づくタイミングで、超音波プローブ１０１に駆動信号（駆動パルス）を印加する。すなわち、送信遅延部は、各レートパルスに対し与える遅延時間を変化させることで、圧電振動子面から送信される超音波の送信方向を任意に調整する。

なお、送受信回路１１０は、後述する処理回路１６０の指示に基づいて、所定のスキャンシーケンスを実行するために、送信周波数、送信駆動電圧等を瞬時に変更可能な機能を有している。特に、送信駆動電圧の変更は、瞬間にその値を切り替え可能なリニアアンプ型の発信回路、又は、複数の電源ユニットを電気的に切り替える機構によって実現される。

また、送受信回路１１０は、プリアンプ、Ａ／Ｄ（Analog／Digital）変換器、受信遅延部、加算器等を有し、超音波プローブ１０１が受信した反射波信号に対して各種処理を行って反射波データを生成する。プリアンプは、反射波信号をチャネル毎に増幅する。Ａ／Ｄ変換器は、増幅された反射波信号をＡ／Ｄ変換する。受信遅延部は、受信指向性を決定するために必要な遅延時間を与える。加算器は、受信遅延部によって処理された反射波信号の加算処理を行って反射波データを生成する。加算器の加算処理により、反射波信号の受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調され、受信指向性と送信指向性とにより超音波送受信の総合的なビームが形成される。

送受信回路１１０は、被検体Ｐの２次元領域を走査する場合、超音波プローブ１０１から２次元方向に超音波ビームを送信させる。そして、送受信回路１１０は、超音波プローブ１０１が受信した反射波信号から２次元の反射波データを生成する。また、送受信回路１１０は、被検体Ｐの３次元領域を走査する場合、超音波プローブ１０１から３次元方向に超音波ビームを送信させる。そして、送受信回路１１０は、超音波プローブ１０１が受信した反射波信号から３次元の反射波データを生成する。

信号処理回路１２０は、例えば、送受信回路１１０から受信した反射波データに対して、対数増幅、包絡線検波処理等を行って、サンプル点ごとの信号強度が輝度の明るさで表現されるデータ（Ｂモードデータ）を生成する。信号処理回路１２０により生成されたＢモードデータは、画像生成回路１３０に出力される。なお、Ｂモードデータは、スキャンデータの一例である。

また、信号処理回路１２０は、例えば、送受信回路１１０から受信した反射波データより、移動体のドプラ効果に基づく運動情報を、走査領域内の各サンプル点で抽出したデータ（ドプラデータ）を生成する。具体的には、信号処理回路１２０は、反射波データから速度情報を周波数解析し、ドプラ効果による血流や組織、造影剤エコー成分を抽出し、平均速度、分散、パワー等の移動体情報を多点について抽出したデータ（ドプラデータ）を生成する。ここで、移動体とは、例えば、血流や、心壁等の組織、造影剤である。信号処理回路１２０により得られた運動情報（血流情報）は、画像生成回路１３０に送られ、平均速度画像、分散画像、パワー画像、若しくはこれらの組み合わせ画像としてディスプレイ１０３にカラー表示される。なお、ドプラデータは、スキャンデータの一例である。

画像生成回路１３０は、信号処理回路１２０により生成されたデータから超音波画像データを生成する。画像生成回路１３０は、信号処理回路１２０が生成したＢモードデータから反射波の強度を輝度で表したＢモード画像データを生成する。また、画像生成回路１３０は、信号処理回路１２０が生成したドプラデータから移動体情報を表すドプラ画像データを生成する。ドプラ画像データは、速度画像データ、分散画像データ、パワー画像データ、又は、これらを組み合わせた画像データである。

ここで、画像生成回路１３０は、一般的には、超音波走査の走査線信号列を、テレビ等に代表されるビデオフォーマットの走査線信号列に変換（スキャンコンバート）し、表示用の超音波画像データを生成する。具体的には、画像生成回路１３０は、超音波プローブ１０１による超音波の走査形態に応じて座標変換を行うことで、表示用の超音波画像データを生成する。また、画像生成回路１３０は、スキャンコンバート以外に種々の画像処理として、例えば、スキャンコンバート後の複数の画像フレームを用いて、輝度の平均値画像を再生成する画像処理（平滑化処理）や、画像内で微分フィルタを用いる画像処理（エッジ強調処理）等を行う。また、画像生成回路１３０は、超音波画像データに、付帯情報（種々のパラメータの文字情報、目盛り、ボディーマーク等）を合成する。

すなわち、Ｂモードデータ及びドプラデータは、スキャンコンバート処理前の超音波画像データであり、画像生成回路１３０が生成するデータは、スキャンコンバート処理後の表示用の超音波画像データである。なお、画像生成回路１３０は、信号処理回路１２０が３次元のスキャンデータ（３次元Ｂモードデータ及び３次元ドプラデータ）を生成した場合、超音波プローブ１０１による超音波の走査形態に応じて座標変換を行うことで、ボリュームデータを生成する。そして、画像生成回路１３０は、ボリュームデータに対して、各種レンダリング処理を行って、表示用の２次元画像データを生成する。

画像メモリ１４０は、画像生成回路１３０が生成した表示用の画像データ（表示用画像）を記憶するメモリである。また、画像メモリ１４０は、信号処理回路１２０が生成したデータを記憶することも可能である。画像メモリ１４０が記憶するＢモードデータやドプラデータは、例えば、診断の後に操作者が呼び出すことが可能となっており、画像生成回路１３０を経由して表示用の超音波画像データとなる。

記憶回路１５０は、超音波送受信、画像処理及び表示処理を行うための制御プログラムや、診断情報（例えば、患者ＩＤ、医師の所見等）や、診断プロトコルや各種ボディーマーク等の各種データを記憶する。また、記憶回路１５０は、必要に応じて、画像メモリ１４０が記憶する画像データの保管等にも使用される。また、記憶回路１５０が記憶するデータは、図示しないインタフェースを介して、外部装置へ転送することができる。

処理回路１６０は、超音波診断装置１の処理全体を制御する。具体的には、処理回路１６０は、入力インタフェース１０２を介して操作者から入力された各種設定要求や、記憶回路１５０から読込んだ各種制御プログラム及び各種データに基づき、送受信回路１１０、信号処理回路１２０、画像生成回路１３０、及びロボットアーム制御回路１７０の処理を制御する。また、処理回路１６０は、画像メモリ１４０が記憶する表示用の超音波画像データをディスプレイ１０３にて表示するように制御する。

また、処理回路１６０は、図１に示すように、スキャン制御機能１６１及び評価機能１６２を実行する。スキャン制御機能１６１は、スキャン制御部の一例である。評価機能１６２は、評価部の一例である。

ここで、例えば、図１に示す処理回路１６０の構成要素であるスキャン制御機能１６１及び評価機能１６２が実行する各処理機能は、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態で超音波診断装置１の記憶装置（例えば、記憶回路１５０）に記録されている。処理回路１６０は、各プログラムを記憶装置から読み出し、実行することで各プログラムに対応する機能を実現するプロセッサである。換言すると、各プログラムを読み出した状態の処理回路１６０は、図１の処理回路１６０内に示された各機能を有することとなる。なお、スキャン制御機能１６１及び評価機能１６２が実行する各処理機能については、後述する。

ロボットアーム制御回路１７０は、ロボットアーム１０５の動作を制御する。例えば、ロボットアーム制御回路１７０は、処理回路１６０（スキャン制御機能１６１）の制御に応じてロボットアーム１０５を駆動させることにより、ロボットアーム制御回路１７０は、目的位置（初期位置）へ超音波プローブ１０１を移動させる。

また、例えば、ロボットアーム制御回路１７０は、ロボットアーム１０５の動作条件に基づいて、ロボットアーム１０５の動作を制御する。動作条件は、スキャンを開始する位置（初期位置）を示す情報や、初期位置を起点とした超音波プローブ１０１の移動・回転の手順が規定された情報である。動作条件は、スキャン対象となる部位や断面ごとにプリセットされた情報が記憶回路１５０に予め記憶されている。また、動作条件のプリセットは、操作者（ユーザ）によって適宜変更可能である。

また、安全に超音波プローブ１０１を移動させるために、ロボットアーム制御回路１７０は、障害物を回避する機能や、体表接触圧を維持する機能を有する。例えば、ロボットアーム制御回路１７０は、カメラ１０４によって撮像されたカメラ画像データから移動経路上の障害物や体表面上の凹凸を検出する。そして、ロボットアーム制御回路１７０は、検出した障害物を回避したり、検出した体表面上の凹凸に沿って移動したりするように、移動経路を変更する。また、ロボットアーム制御回路１７０は、ロボットアーム１０５が備える圧力センサから得られる体表接触圧を監視する。そして、ロボットアーム制御回路１７０は、体表接触圧が一定範囲内の値を維持するように、超音波プローブ１０１の押し込み方向（体表面に対して垂直な方向）の位置を調整しながら移動経路上を移動させる。これにより、ロボットアーム制御回路１７０は、体表面に過度な圧力がかかることを防止するとともに、体表面から離間しないように超音波プローブ１０１を移動経路に沿って移動させることができる。なお、ロボットアーム制御回路１７０によるロボットアーム１０５の動作制御については、上記の説明に限らず、公知の動作制御技術を任意に適用可能である。

上記説明において用いた「プロセッサ（回路）」という文言は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit)、或いは、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Simple Programmable Logic Device：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Complex Programmable Logic Device：ＣＰＬＤ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array：ＦＰＧＡ））等の回路を意味する。プロセッサは記憶回路１５０に保存されたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。なお、記憶回路１５０にプログラムを保存する代わりに、プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むよう構成しても構わない。この場合、プロセッサは回路内に組み込まれたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。なお、本実施形態の各プロセッサは、プロセッサごとに単一の回路として構成される場合に限らず、複数の独立した回路を組み合わせて１つのプロセッサとして構成し、その機能を実現するようにしてもよい。更に、各図における複数の構成要素を１つのプロセッサへ統合してその機能を実現するようにしてもよい。

以上、本実施形態に係る超音波診断装置１の基本的な構成について説明した。かかる構成のもと、本実施形態に係る超音波診断装置１は、ロボットアーム１０５を用いたスキャンによって所望の品質の画像を得るために、以下の処理を実行する。

図２を用いて、実施形態に係る超音波診断装置１における処理手順を説明する。図２は、実施形態に係る超音波診断装置１における処理手順を示すフローチャートである。図２では、図３～図８を参照しつつ説明する。

図２に示す処理手順は、例えば、ロボットアーム１０５を用いた撮像（スキャン）を開始する旨の指示が操作者によって入力されることにより開始される。なお、ロボットアーム１０５を用いた撮像を開始する旨の指示が入力されるまで、図２の処理は開始されず、待機状態である。また、図２に示す処理手順は、図２に示した順序に限定されるものではなく、処理内容に矛盾しない範囲内で任意に変更可能である。

図２に示すように、超音波診断装置１は、ロボットアーム１０５を用いた撮像を開始する旨の指示が操作者によって入力された場合に（ステップＳ１０１肯定）、ステップＳ１０２以降の処理を開始する。なお、撮像を開始する旨の指示が入力されるまで（ステップＳ１０１否定）、ステップＳ１０２以降の処理は開始されず、図２の処理は待機状態である。

スキャン制御部１６１は、座標系を設定する（ステップＳ１０１）。例えば、スキャン制御部１６１は、患者座標系、カメラ座標系、ロボットアーム座標系、及び人体モデルの座標系をそれぞれ設定する。そして、スキャン制御部１６１は、図３に示すように、患者座標系に対して、カメラ座標系、ロボットアーム座標系、及び人体モデルの座標系をそれぞれ関連づける。なお、図３は、実施形態に係る各座標系について説明するための図である。

ここで、患者座標系は、患者が存在する実空間の座標系である。例えば、患者座標系は、横臥する被検体Ｐの心窩部（みぞおち）を原点とし、体軸方向（診察台の長手方向）をＺ軸方向とし、鉛直方向（重力方向）をＹ軸方向とし、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に直交する方向をＸ軸方向とする座標系である。例えば、操作者は、心窩部の位置と各軸の方向とを指定する。スキャン制御部１６１は、操作者により指定された心窩部の位置と各軸の方向とに基づいて、患者座標系を設定する。

カメラ座標系は、カメラ１０４によって撮影されたカメラ画像データにおける座標系である。カメラ画像データの座標系は２次元の座標系であるが、床面や壁面、診察台など、代表的な構造物について、カメラ１０４のレンズ位置から各構造物までの距離を指定しておくことにより、奥行情報を推定することができる。例えば、操作者は、カメラ画像データ内に描出された任意の点（好ましくは３点以上）について、患者座標系における座標を指定する。スキャン制御部１６１は、操作者により指定された点の座標を用いて、患者座標系に対してカメラ座標系を関連づける。

ロボットアーム座標系は、ロボットアーム１０５の移動可能範囲を示す座標系である。例えば、ロボットアーム座標系は、ロボットアーム１０５の設置位置を原点とし、各アームの長さや回転角により規定される。例えば、操作者は、ロボットアーム１０５に含まれる任意の点（好ましくは３点以上）について、患者座標系における座標を指定する。スキャン制御部１６１は、操作者により指定された点の座標を用いて、患者座標系に対してロボットアーム座標系を関連づける。

人体モデルの座標系は、人体モデルに含まれる各部の３次元的な位置（座標）を示す座標系である。ここで、人体モデルとは、標準的な人体における代表的な臓器、骨、関節、及び皮膚（体表面）などの位置を示す情報である。例えば、操作者は、人体モデルに含まれる任意の点（好ましくは３点以上）について、患者座標系における座標を指定する。スキャン制御部１６１は、操作者により指定された点の座標を用いて、患者座標系に対して人体モデルの座標系を関連づける。

このように、スキャン制御部１６１は、各座標系を設定するとともに、各座標系の関連づけを行う。これにより、例えば、図４に示すように、カメラ画像データから取得される骨格情報（図４上段）についても、患者座標系（図４下段）や他の座標系に関連づけることができる。なお、図４は、実施形態に係る骨格情報と患者座標系との関連づけを説明するための図である。

スキャン制御部１６１は、スキャン対象の選択を受け付ける（ステップＳ１０２）。例えば、操作者は、所望の部位を選択する操作を行う。スキャン制御部１６１は、操作者により選択された部位を、スキャン対象として受け付ける。具体例を挙げると、操作者は、「胆のう」を選択する操作を行う。スキャン制御部１６１は、操作者により選択された「胆のう」を、スキャン対象として受け付ける。

なお、選択可能なスキャン対象としては、部位に限らず、例えば、断面であっても良い。例えば、操作者が所望の断面として「心尖部四腔像（apical 4-chamber view：Ａ４Ｃ像）」を選択した場合には、スキャン制御部１６１は、「Ａ４Ｃ像」をスキャン対象として受け付ける。また、ここで例示した「胆のう」や「Ａ４Ｃ像」はあくまでスキャン対象の一例であり、任意の部位（臓器、構造物）や任意の断面がスキャン対象として設定可能である。

スキャン制御機能１６１は、超音波プローブ１０１を初期位置へ移動させる（ステップＳ１０３）。ここで、初期位置とは、スキャンの開始時点において超音波プローブ１０１が当接される体表面上の当接位置と、当接位置における超音波プローブ１０１の向きとを示す位置情報である。

例えば、スキャン制御機能１６１は、ロボットアーム１０５の各関節の固定状態を解放する。そして、操作者は、図５に示すように、ロボットアーム１０５の先端部に把持された超音波プローブ１０１をマニュアル操作（手動操作）で初期位置に移動させ、超音波プローブ１０１の位置を固定する旨の指示を入力する。スキャン制御機能１６１は、操作者の指示により固定された位置を初期位置として認識する。なお、図５は、実施形態に係る初期位置の設定について説明するための図である。

なお、超音波プローブ１０１の初期位置への移動は、マニュアル操作に限らず、ロボットアーム１０５によって自動的に実行されても良い。この場合、例えば、記憶回路１５０は、スキャン対象ごとに、初期位置を示す情報を記憶している。スキャン制御機能１６１は、操作者により選択されたスキャン対象に対応する初期位置を示す情報を、記憶回路１５０から読み出す。そして、スキャン制御機能１６１は、読み出した初期位置を示す情報を、患者座標系とロボットアーム座標系との関連づけに基づいて、ロボットアーム座標系の位置情報に変換する。ロボットアーム制御回路１７０は、スキャン制御機能１６１によってロボットアーム座標系に変換された初期位置を示す情報に基づいて、ロボットアーム１０５を動作させる。これにより、ロボットアーム制御回路１７０は、ロボットアーム１０５に把持された超音波プローブ１０１を、現在位置から初期位置へ移動させる。

スキャン制御部１６１は、ロボットアーム１０５の動作条件に基づいて、３次元的にスキャンを実行する（ステップＳ１０４）。ここで、動作条件は、スキャン対象ごとに予め設定された情報である。例えば、動作条件は、記憶回路１５０の内部に動作条件テーブルとして記憶されている。

図６を用いて、実施形態に係る動作条件テーブルについて説明する。図６は、実施形態に係る動作条件テーブルについて説明するための図である。

図６に示すように、動作条件テーブルは、「スキャン対象」と、「ロボットアームの動作条件」とが対応付けられた情報を記憶する。スキャン対象は、スキャン対象となる部位又は断面を示す情報である。ロボットアームの動作条件は、スキャンを開始する位置（初期位置）を示す情報や、初期位置を起点とした超音波プローブ１０１の移動・回転の手順（動きの軌跡）が規定された情報である。

例えば、動作条件テーブルは、スキャン対象「胆のう」と、ロボットアームの動作条件「右肘弓下を初期位置として当接させ、±３０度の範囲で軸回転スキャンを行う」とが対応付けられた情報を記憶する。これは、スキャン対象が「胆のう」である場合には、右肘弓下を初期位置として超音波プローブ１０１を当接させ、±３０度の範囲で軸回転スキャンを行うことを示す。なお、軸回転スキャンとは、超音波プローブ１０１の当接位置を支点として超音波プローブ１０１を傾けることにより、スキャン断面を煽るように移動させるスキャン方法である。また、動作条件テーブルは、他のスキャン対象についても同様に、ロボットアームの動作条件を対応付けて記憶する。

なお、図６にて説明した内容はあくまで一例であり、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、スキャン対象としては、「胆のう」以外にも、任意の部位や任意の断面が設定可能である。また、各スキャン対象に対応するロボットアーム１０５の動作条件は、例えば、各種の医療機関や学会によって作成されたマニュアルやガイドラインに基づいて設定可能である。

また、ロボットアームの動作条件としては、軸回転スキャンに限らず、並行スキャンや、軸回転スキャンと並行スキャンを組み合わせた複合的なスキャンなどを規定することができる。ここで、並行スキャンとは、超音波プローブ１０１の向きを固定したまま、超音波プローブ１０１を移動させるスキャン方法である。軸回転スキャンと並行スキャンとを組み合わせることも可能である。

スキャン制御部１６１は、記憶回路１５０に記憶された動作条件テーブルから、操作者によって選択された「スキャン対象」に対応する「ロボットアームの動作条件」を読み出す。そして、スキャン制御機能１６１は、読み出した動作条件に基づいて、スキャンを実行する。

例えば、スキャン制御機能１６１は、超音波プローブ１０１に超音波送受信を実行させながら、動作条件に規定された動きをロボットアーム制御回路１７０に実行させる。つまり、スキャン制御機能１６１は、超音波プローブ１０１によるスキャン断面を動作条件に基づいて移動させながらスキャンを実行させることで、３次元的な領域（空間）をスキャンする。この３次元的な空間は、互いに位置が異なる複数のスキャン断面からの反射波データとして表される。

また、スキャン制御機能１６１は、超音波プローブ１０１の動作において、被検体Ｐの骨格情報、被検体Ｐの体表面情報、超音波プローブ１０１の走査角度情報、超音波プローブ１０１の接触圧情報、被検体Ｐの心時相情報、被検体Ｐの呼吸時相情報のうち少なくとも一つに基づいて、超音波プローブ１０１の位置を補正する。ここで、骨格情報は、被検体Ｐの代表的な複数の関節の位置と、各関節を結ぶ代表的な骨の位置とを示す情報であり、カラー画像データから取得される。体表面情報は、被検体Ｐの体表面の形状を表す情報であり、骨格情報と人体モデルの体表面の情報とに基づいて推定される。走査角度情報は、体表面に対する超音波プローブ１０１の当接角度を示す情報であり、体表面情報と超音波プローブ１０１の位置情報とに基づいて推定される。接触圧情報は、体表接触圧を示す情報であり、ロボットアーム１０５に設置された圧力センサにより取得される。心時相情報は、ＥＣＧ（electrocardiogram）により取得される。呼吸時相情報は、音声メッセージによって息止めが行われ、呼吸監視デバイスやカメラ画像データにより取得される。例えば、スキャン制御機能１６１は、障害物を回避したり体表接触圧を維持したりするために、骨格情報、体表面情報、走査角度情報、接触圧情報、心時相情報、呼吸時相情報のうち少なくとも一つに基づいてロボットアーム制御回路１７０を制御することで、超音波プローブ１０１の位置を補正する。

画像生成回路１３０は、超音波画像データを生成する（ステップＳ１０５）。例えば、画像生成回路１３０は、３次元的な領域を構成する複数のスキャン断面からの反射波データに基づいて、複数のスキャン断面にそれぞれ対応する「複数の断面画像データ」を生成する。また、画像生成回路１３０は、複数のスキャン断面からの反射波データを、予め規定された３次元のデータ空間に補間処理（座標変換処理）を行って組み込むことにより、「ボリュームデータ」を生成する。なお、本実施形態では、３次元的な領域を表す複数の断面画像データと、ボリュームデータとを包含して、「超音波画像データ」と記載する。

なお、画像生成回路１３０は、必ずしも複数の断面画像データ及びボリュームデータの双方を生成しなくても良い。例えば、画像生成回路１３０は、必要に応じて、複数の断面画像データ及びボリュームデータのうち少なくとも一方を生成することができる。

評価機能１６２は、超音波画像データを評価し、再スキャンの要否を判定する（ステップＳ１０６）。例えば、評価機能１６２は、超音波画像データにおけるスキャン対象の描出度合い、及び、超音波画像データの画像品質のうち少なくとも一方に基づいて、再スキャンの要否を判定する。例えば、評価機能１６２は、描出度合いとして、超音波画像データにおけるスキャン対象と、スキャン対象の代表的な画像データとの類似度、及び、スキャン対象の大きさのうち少なくとも一方を用いる。また、評価機能１６２は、画像品質として、超音波画像データにおける低エコー信号領域の大きさを用いる。

図７及び図８を用いて、実施形態に係る評価機能１６２の処理を説明する。図７及び図８は、実施形態に係る評価機能１６２の処理を説明するための図である。図７及び図８において、画像中の丸印は、スキャン対象として指定された構造物を示す。

図７に示す例では、ロボットアーム１０５を用いたスキャンによって断面画像データ群１０が生成された場合を説明する。図７の上段に示すように、断面画像データ群１０は、３次元的な領域に対応する画像データ群であり、７枚の断面画像データ１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７を含む。評価機能１６２は、各断面画像データ１１～１７に描出された構造物（例えば、胆のうなど）と、構造物の代表的（標準的）な画像データとの類似度を算出する。また、評価機能１６２は、各断面画像データ１１～１７に描出された構造物の大きさとして最大径を算出する。また、評価機能１６２は、各断面画像データ１１～１７について、音響シャドー領域や深部の低Ｓ／Ｎ（Signal to Noise）比領域などの低エコー信号領域を検出し、検出した低エコー信号領域の大きさとして面積を算出する。そして、評価機能１６２は、算出した類似度、最大径、及び面積に基づいて、評価スコアを算出する。評価スコアは、任意の関数を用いて算出可能である。そして、評価機能１６２は、７枚の断面画像データ１１～１７の中に、一定値（閾値）以上の評価スコアを有する画像データが存在するか否かに基づいて、再スキャンの要否を判定する。このように、評価機能１６２は、スキャンによって得られた超音波画像データを評価し、ロボットアーム１０５を用いた再スキャンの要否を判定する。

例えば、図７の中段に示すように、断面画像データ１３，１４，１５が一定値以上の評価スコアを有する場合には、評価機能１６２は、再スキャンが不要であると判定する（ステップＳ１０７，Ｎｏ）。そして、評価機能１６２は、評価結果が最も良好な超音波画像データを選択する（ステップＳ１０８）。例えば、断面画像データ１３は、断層画像データ１４，１５と比較して画質が低い。また、断面画像データ１５は、断層画像データ１３，１４と比較して構造物が小さい。この場合、断層画像データ１４の評価スコアが最も良好なスコアとなる。このため、評価機能１６２は、図７の下段に示すように、断面画像データ１４を選択する。

そして、評価機能１６２は、選択した超音波画像データを保存する（ステップＳ１０９）。例えば、評価機能１６２は、図７の下段にて選択された断面画像データ１４を所定の記憶部（例えば記憶回路１５０）に保存する。すなわち、評価機能１６２は、再スキャンが不要である場合には、評価結果が最も良好な超音波画像データを所定の記憶部に保存する。

なお、図７にて説明した内容はあくまで一例であり、図７に図示した内容に限定されるものではない。例えば、図７では、スキャン対象が「部位」である場合を説明したが、スキャン対象が「断面」である場合には、評価機能１６２は、スキャン対象の描出度合いとして、スキャンによって得られた各断面画像データと、当該断面の代表画像との類似度を算出することが可能である。

また、描出度合いや画像品質を算出する機能は、上述した処理に限定されるものではなく、事前に機械学習により学習された学習済みモデルを用いて描出度合いや画像品質を与えることも可能である。また、描出度合いや画像品質を算出する機能は、上述した処理に限定されるものではなく、公知の技術を任意に適用可能である。

一方、７枚の断面画像データ１１～１７の中に、一定値（閾値）以上の評価スコアを有する画像データが存在しない場合には、評価機能１６２は、再スキャンを要すると判定する（ステップＳ１０７，Ｙｅｓ）。そして、評価機能１６２は、スキャン対象の撮像に最適な断面位置を探索する（ステップＳ１１０）。例えば、図８の上段に示すように、評価機能１６２は、３次元的な領域に対応するボリュームデータ２０を用いて、最適な断面位置を探索する。具体的には、評価機能１６２は、構造物に最も近い体表面上の位置を通り、構造物が最も大きく描出されるスキャン断面２１を、最適な断面位置として探索する（図８の中段）。このように、評価機能１６２は、再スキャンを要する場合には、超音波画像データから最適な断面位置を探索する。

また、評価機能１６２は、探索したスキャン断面２１がガス（空気）や骨の影になる場合には、スキャン断面２１を補正（調整）する。例えば、評価機能１６２は、被検体Ｐの骨格情報及び人体モデル情報を参照し、スキャン断面２１がガスや骨の影になっていないか判定する。ここで、例えば、スキャン断面２１が肋骨の影になっている場合には、肋骨の影にならない位置までスキャン断面２１の上辺（超音波プローブ１０１の当接位置）をずらす。そして、評価機能１６２は、ずらした超音波プローブ１０１の当接位置を通るとともに、構造物が大きく描出されるように、スキャン断面２１を補正する。評価機能１６２は、補正後のスキャン断面を最適なスキャン断面として更新する。

そして、スキャン制御機能１６１は、最適な断面位置に基づいて、スキャン条件を決定する（ステップＳ１１１）。例えば、スキャン制御機能１６１は、図８の中段に示すスキャン断面２１をスキャンするための超音波プローブ１０１の位置及び向きを示す位置情報を算出する。

なお、スキャン制御機能１６１は、超音波プローブ１０１の位置情報だけでなく、心時相情報又は呼吸時相情報をスキャン条件として決定することもできる。心時相情報や呼吸時相情報については、スキャン対象ごとに適切な時相が予め規定され、例えば記憶回路１５０に記憶されている。

そして、スキャン制御機能１６１は、再スキャンを実行する（ステップＳ１１２）。例えば、スキャン制御機能１６１は、ロボットアーム制御回路１７０を制御することで、スキャン断面２１をスキャンする位置に超音波プローブ１０１を移動させる。そして、スキャン制御機能１６１は、スキャン条件として算出した超音波プローブ１０１の位置情報に基づいてロボットアーム制御回路１７０を制御することで、スキャン断面２１をスキャン可能な位置に超音波プローブ１０１を移動させる。なお、ロボットアーム１０５の動作に際して、障害物を回避したり体表接触圧を維持したりするために、スキャン制御機能１６１は、骨格情報、体表面情報、走査角度情報、接触圧情報、心時相情報、呼吸時相情報のうち少なくとも一つに基づいてロボットアーム制御回路１７０を制御することで、超音波プローブ１０１の位置を補正する。

そして、スキャン制御機能１６１は、移動させた位置で超音波プローブ１０１に対して超音波送受信を実行させることで、再スキャンを実行する。このように、スキャン制御機能１６１は、探索された最適なスキャン断面に基づいて、再スキャンを実行する。

なお、スキャン制御機能１６１は、スキャン条件として心時相情報又は呼吸時相情報が規定される場合には、規定された時相にて超音波送受信を行うよう超音波プローブ１０１を制御する。これにより、スキャン制御機能１６１は、規定された心時相情報又は呼吸時相情報に対応するタイミングで再スキャンを実行する。これにより、図８の下段に示すように、スキャン断面２１に対応する断面画像データ３０が生成される。

そして、評価機能１６２は、再スキャンにより得られた超音波画像データを保存する（ステップＳ１１３）。例えば、評価機能１６２は、再スキャンにより得られた断面画像データ３０について、上述した評価スコアを算出し、評価スコアが一定値以上であることを確認した上で、断面画像データ３０を所定の記憶部に保存する。ここで、評価スコアが一定値未満である場合には、評価機能１６２は、再度、再スキャンを実行させることができる。

なお、図８にて説明した内容はあくまで一例であり、図７に図示した内容に限定されるものではない。例えば、最適なスキャン断面を探索する処理は、上述した内容に限定されるものではなく、公知の探索技術を任意に適用可能である。また、再スキャンにより得られた断面画像データ３０について、必ずしも評価スコアを算出しなくても良い。例えば、評価機能１６２は、断面画像データ３０をそのまま所定の記憶部に保存しても良い。

超音波画像データが所定の記憶部に保存されると、処理回路１６０は、図２の処理を終了する。なお、図２に示す処理手順は、図２に示した順序に限定されるものではなく、処理内容に矛盾しない範囲内で任意に変更可能である。

上述してきたように、本実施形態に係る超音波診断装置１は、ロボットアーム１０５と、スキャン制御機能１６１と、評価機能１６２とを備える。ロボットアーム１０５は、超音波プローブ１０１の移動及び回転を実行可能である。スキャン制御機能１６１は、ロボットアーム１０５を用いて、３次元的にスキャンを実行する。評価機能１６２は、スキャンによって得られた超音波画像データを評価し、ロボットアーム１０５を用いた再スキャンの要否を判定する。これによれば、超音波診断装置１は、ロボットアーム１０５を用いたスキャンによって所望の品質の画像を得ることが可能となる。

例えば、既存のロボットアームを備えた超音波診断装置では、スキャン対象ごとに規定された経路（軌跡）に従ってロボットアームを移動させながらスキャンを実行する。しかしながら、体表面の形状や臓器の位置関係は患者（被検体）によって様々であるので、画一的な方法では所望の品質の画像を取得することができない場合がある。

これに対し、本実施形態に係る超音波診断装置１は、得られた超音波画像データの品質を評価して、所望の品質に満たない場合には、再スキャンを実行する。また、超音波診断装置１は、１回目のスキャンで得られた超音波画像データから最適なスキャン断面を探索し、探索したスキャン断面に対して再スキャンを実行する。すなわち、超音波診断装置１は、人間（操作者）がリアルタイムで表示されるスキャン画像を確認しながら徐々にスキャン範囲を絞り込んでいくかの如く、より適切なスキャン断面を探索する。これにより、超音波診断装置１は、より品質の高い画像を得ることを可能にする。

なお、上記の実施形態では、複数の断面画像データ及びボリュームデータが処理対象として利用される場合を説明したが、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、上述した評価機能１６２の処理は、例えば、スキャンコンバート処理前のデータ（例えばＢモードデータ）を処理対象とすることも可能である。すなわち、評価機能１６２は、超音波画像データとスキャンコンバート処理前のデータとを包含する「超音波データ」を処理対象とすることができる。

（その他の実施形態）
上述した実施形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてもよい。

例えば、図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を、各種の負荷や使用状況等に応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。更に、各装置にて行なわれる各処理機能は、その全部又は任意の一部が、ＣＰＵ及び当該ＣＰＵにて解析実行されるプログラムにて実現され、或いは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現され得る。

また、上述した実施形態において説明した各処理のうち、自動的に行なわれるものとして説明した処理の全部又は一部を手動的に行なうこともでき、或いは、手動的に行なわれるものとして説明した処理の全部又は一部を公知の方法で自動的に行なうこともできる。この他、上記文書中や図面中で示した処理手順、制御手順、具体的名称、各種のデータやパラメータを含む情報については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。

また、上述した実施形態で説明した撮像方法は、予め用意された撮像プログラムをパーソナルコンピュータやワークステーション等のコンピュータで実行することによって実現することができる。この撮像プログラムは、インターネット等のネットワークを介して配布することができる。また、この撮像プログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ－ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ等のコンピュータで読み取り可能な非一過性の記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、ロボットアームを用いたスキャンによって所望の品質の画像を得ることができる。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、実施形態同士の組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 超音波診断装置
１０５ ロボットアーム
１６０ 処理回路
１６１ スキャン制御機能
１６２ 評価機能

Claims (8)

1. 超音波プローブの移動及び回転を実行可能なロボットアームと、
   前記ロボットアームを用いて、３次元的にスキャンを実行するスキャン制御部と、
   前記スキャンによって得られた超音波データを評価し、前記ロボットアームを用いた再スキャンの要否を判定する評価部と
   を備える、超音波診断装置。
2. 前記評価部は、
   前記再スキャンが不要である場合には、評価結果が最も良好な超音波データを所定の記憶部に保存し、
   前記再スキャンを要する場合には、前記超音波データから最適なスキャン断面を探索し、
   前記スキャン制御部は、探索された前記最適なスキャン断面に基づいて、前記再スキャンを実行する、
   請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記評価部は、前記超音波データにおけるスキャン対象の描出度合い、及び、前記超音波データの画像品質のうち少なくとも一方に基づいて、前記再スキャンの要否を判定する、
   請求項１又は２に記載の超音波診断装置。
4. 前記評価部は、
   前記描出度合いとして、前記超音波データにおける前記スキャン対象と、前記スキャン対象の代表的な画像データとの類似度、及び、前記スキャン対象の大きさのうち少なくとも一方を用い、
   前記画像品質として、前記超音波データにおける低エコー信号領域の大きさを用いる、
   請求項３に記載の超音波診断装置。
5. 前記スキャン制御部は、スキャン対象ごとに予め設定された動作条件に基づいて、前記スキャンを実行する、
   請求項１～４のいずれか一つに記載の超音波診断装置。
6. 前記スキャン制御部は、前記超音波プローブの動作において、被検体の骨格情報、前記被検体の体表面情報、前記超音波プローブの走査角度情報、前記超音波プローブの接触圧情報、前記被検体の心時相情報、前記被検体の呼吸時相情報のうち少なくとも一つに基づいて、前記超音波プローブの位置を補正する、
   請求項１～５のいずれか一つに記載の超音波診断装置。
7. 超音波プローブの移動及び回転を実行可能なロボットアームを用いて、３次元的にスキャンを実行し、
   前記スキャンによって得られた超音波データを評価し、前記ロボットアームを用いた再スキャンの要否を判定する
   ことを含む、撮像方法。
8. 超音波プローブの移動及び回転を実行可能なロボットアームを用いて、３次元的にスキャンを実行し、
   前記スキャンによって得られた超音波データを評価し、前記ロボットアームを用いた再スキャンの要否を判定する
   各処理をコンピュータに実行させる、撮像プログラム。

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