JP2022554092A - 超音波システム - Google Patents

Abstract

本発明は、超音波信号を送信及び受信するように構成された超音波プローブと、対象の血管内に挿入するための介入装置とを有する超音波システムを提供する。介入装置は、第１の超音波周波数で第１の超音波データのセットを取得するように構成された超音波トランスデューサを含み、第１の超音波データのセットは、流れデータに関連する。超音波システムは、更に、第１の超音波周波数とは異なる第２の超音波周波数で、超音波プローブと介入装置との間で第２の超音波データセットを交換するように構成され、第２の超音波データは、介入装置配置データに関連する。

Description

本発明は、超音波撮像の分野に関し、より具体的には、超音波装置追跡の分野に関する。

経皮的弁介入は、開心弁手術よりも選択される治療法となりつつある。特に、大動脈弁置換術よりも技術的に困難である、カテーテルベースの僧帽弁及び三尖弁の修復術の数が、急速に増加している。

心臓弁修復中の課題の１つは、どの時点で修復が処置を停止するのに十分に成功するかを決定することである。これに用いられる最も一般的な方法は、経食道心エコー（ＴＥＥ）、経胸壁心エコー（ＴＴＥ）、及び心内心エコー（ＩＣＥ）である。しかしながら、これらの方法を用いて処置の成功を評価するために、弁を通る血流の正確な定量化を得ることは、しばしば困難である。心臓及び末梢血管系処置の両方を含む、血管系における他の医療処置も、また、血管系における血流を評価する能力から利益を得てもよい。

したがって、血管系における血流を評価する改善された手段が必要とされている。

文献ＷＯ２０１８／１０８７１７は、超音波撮像プローブからの超音波を、センサの位置を決定するための対応する電気的無線周波信号に変換するように構成された取り付けられたセンサを有する、介入型医療装置を開示している。

本発明は、請求項により規定される。

本発明の一態様による例によれば、超音波システムが提供され、システムは、
超音波信号を送信及び受信するように構成された超音波プローブと、
第１の超音波周波数において、流れデータに関連する第１の超音波データのセットを取得する、
ように構成される超音波トランスデューサ、
を有する対象１００の血管に挿入するための介入装置と、
を有し、
超音波システムは、第１の超音波周波数とは異なる第２の超音波周波数において、超音波プローブと介入装置との間で第２の超音波データのセットを交換するように更に構成され、第２の超音波データは介入装置配置データに関連する。

システムは、血管内の介入装置の位置を追跡しながら、流れ測定を実行する手段を提供する。したがって、流れ測定及び装置追跡システムの機能性は、その複雑さを増加させることなく増加され得る。

一実施形態によると、第１の超音波周波数及び第２の超音波周波数は、超音波トランスデューサの共振周波数であり、第２の超音波周波数は、超音波プローブの動作周波数である。

超音波トランスデューサを共振周波数で動作させることによって、超音波トランスデューサの変位の振幅は、より小さい力に対して増大され、これは対象の血管内に位置するときなど、液体中にあるときの超音波撮像カテーテルの有効性を増大させる。

一実施形態によると、第１の超音波周波数は、第２の超音波周波数よりも大きい。

一実施形態では、超音波トランスデューサは、ＣＭＵＴである。

このようにして、超音波トランスデューサの動作周波数は、ＣＭＵＴに印加されるバイアス電圧を変更することによって調整されてもよい。

一実施形態では、超音波撮像カテーテルが、複数の超音波トランスデューサを有する。

更なる実施形態では、複数の超音波トランスデューサの各超音波トランスデューサが、個々に制御される。

このようにして、超音波トランスデューサは、超音波ビームの電子操縦を実行するように制御されてもよい。

更なる実施形態では、複数の超音波トランスデューサは、第１のサブグループ及び第２のサブグループに構成され、第１のサブグループは、超音波を送信するようにのみ構成され、第２のサブグループは、超音波を受信するようにのみ構成される。

このようにして、介入装置配置データの精度が、高められてもよい。

一実施形態によると、複数の超音波トランスデューサは、Ｂモードデータを有する第３の超音波データのセットを取得するように構成される。

このようにして、追加のデータのセットが、ボリューム内の超音波撮像カテーテルの位置をモニタリングするのに使用されてもよい。

一実施形態では、超音波システムは、プロセッサを更に有し、プロセッサは、流れデータに関連する第１の超音波データのセットと、介入装置配置データに関連する第２の超音波データのセットとの組み合わせに基づいてフローマップを生成するように構成される。

一実施形態では、超音波プローブは、超音波画像を取得するように構成され、超音波画像は、対象の血管のビューを有し、プロセッサは、フローマップの視覚的表現を生成し、フローマップの視覚的表現を超音波画像上にオーバレイするように更に構成される。

実施形態では、システムは、更に、
第１の超音波データのセット及び／又は第２の超音波データのセットに基づいて介入装置操縦命令を生成するように構成されたフィードバック機構と、
操縦命令に基づいて介入装置を操縦するように構成された操縦機構と、
を有する。

このようにして、超音波撮像カテーテルは、最適な撮像位置まで操縦され得る。

本発明の一態様による例によれば、超音波トランスデューサを有する介入装置及び超音波プローブを有する超音波システムを使用して超音波撮像を実行するための方法が、提供され、方法は、
介入装置によって第１の超音波周波数で第１の超音波データのセットを取得するステップであって、第１の超音波データのセットが流れデータに関連する、ステップと、
介入装置又は超音波プローブによって第１の超音波周波数とは異なる第２の超音波周波数で第２の超音波データのセットを取得するステップであって、第２の超音波データがカテーテル配置データに関連する、ステップと、
を有する。

一実施形態では、方法は、第１の超音波データのセット及び／又は第２の超音波データのセットに基づいて介入装置を操縦するステップを更に有する。
一実施形態では、方法は、
第１の超音波データのセットを第２の超音波データのセットと結合するステップと、
結合された第１の超音波データのセット及び第２の超音波データのセットに基づいて血管のフローマップを生成するステップと、
を更に有する。

本発明の一態様による例によれば、コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行されるときに、上述の方法を実施するように構成されたコンピュータプログラムコード手段を有するコンピュータプログラムが、提供される。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかになり、これを参照して説明される。

本発明のより良い理解のために、及び本発明がどのように実施されるかをより明確に示すために、単なる例として、添付の図面が参照される。

一般的な動作を説明するための超音波診断撮像システムを示す。 本発明の一態様による超音波システムの例を示す。 介入装置の一例を示す。 対象の血管内に配置された図３の介入装置の一例を示す。 介入装置の超音波トランスデューサのいくつかの実施オプションを示す。 複数の超音波トランスデューサ素子を有する介入装置の一例を示す。 介入装置の更なる実施を示す。 超音波撮像カテーテルを使用して超音波撮像を実行するための方法を示す。

本発明は、図面を参照して説明される。

詳細な説明及び特定の例は、装置、システム及び方法の例示的な実施形態を示しているが、例示のみを目的としたものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではないことを理解されたい。本発明の装置、システム及び方法のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面からより良く理解されるのであろう。図面は、単に概略的なものであり、一定の縮尺で描かれていないことを理解されたい。また、同じ参照番号が、同じ又は類似の部分を示すために、図面全体にわたって使用されることを理解されたい。

本発明は、超音波信号を送信及び受信するように構成された超音波プローブと、対象の血管内に挿入するための介入装置とを有する超音波システムを提供する。介入装置は、第１の超音波周波数で第１の超音波データのセットを取得するように構成された超音波トランスデューサを含み、第１の超音波データのセットは、流れデータに関連する。超音波システムは、更に、第１の超音波周波数とは異なる第２の超音波周波数で、超音波プローブと介入装置との間で第２の超音波データセットを交換するように構成され、第２の超音波データは、介入装置配置データに関連する。

例示的な超音波装置の全体的な動作は、まず、図１を参照して非限定的な例を用いて説明される。

このシステムは、超音波を送信し、エコー情報を受信するためのトランスデューサアレイ６を有するアレイトランスデューサプローブ４を有する。トランスデューサアレイ６は、ＣＭＵＴトランスデューサ、ＰＺＴ又はＰＶＤＦなどの圧電材料から形成され得る圧電トランスデューサ、又は任意の他の適切な超音波トランスデューサ技術を有してもよい。この例では、トランスデューサアレイ６は、関心領域の２Ｄ平面又は３次元体積のいずれかをスキャンすることができるトランスデューサ８の２次元アレイである。別の例では、トランスデューサアレイは、１Ｄアレイであってもよい。

トランスデューサアレイ６は、トランスデューサ素子による信号の受信を制御するマイクロビームフォーマ１２に結合される。マイクロビームフォーマは、米国特許第５，９９７，４７９号（Ｓａｖｏｒｄ他）、第６，０１３，０３２号（Ｓａｖｏｒｄ）、及び第６，６２３，４３２号（Ｐｏｗｅｒｓ他）に記載されるように、一般にトランスデューサの「グループ」又は「パッチ」と称される、サブアレイによって受信される信号を少なくとも部分的にビーム形成することができる。

マイクロビームフォーマは、完全に任意選択であることに注意されたい。更に、システムは、送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１６を含み、マイクロビームフォーマ１２が、これに結合されることができ、これは、送信モードと受信モードとの間でアレイを切り替え、マイクロビームフォーマが使用されず、トランスデューサアレイがメインシステムビームフォーマによって直接的に動作される場合には、メインビームフォーマ２０を高エネルギ送信信号から保護する。トランスデューサアレイ６からの超音波ビームの送信は、Ｔ／Ｒスイッチ１６及びメイン送信ビームフォーマ（図示せず）によってマイクロビームフォーマに結合されたトランスデューサコントローラ１８によって方向付けられ、メイン送信ビームフォーマは、ユーザインタフェース又は制御パネル３８のユーザ操作から入力を受信することができる。コントローラ１８は、送信モード中にアレイ６のトランスデューサ素子を（直接的に又はマイクロビームフォーマを介して）駆動するように構成された送信回路を含むことができる。

典型的なラインバイライン撮像シーケンスでは、プローブ内のビーム形成システムは、以下のように動作してもよい。送信中に、ビームフォーマ（実装に応じて、マイクロビームフォーマ又はメインシステムビームフォーマであってもよい）は、トランスデューサアレイ、又はトランスデューサアレイのサブ開口を作動する。サブ開口は、トランスデューサの一次元ライン、又はより大きなアレイ内のトランスデューサの二次元パッチであってもよい。送信モードでは、アレイ又はアレイのサブ開口によって生成される超音波ビームの焦点合わせ及び操縦が、以下に説明されるように制御される。

対象から後方散乱エコー信号を受信すると、受信信号は、受信信号をアラインするために（以下に説明されるように）受信ビーム形成を受け、サブ開口が使用される場合に、サブ開口は、例えば１つのトランスデューサ素子だけ、シフトされる。シフトされたサブ開口は、この場合、作動され、このプロセスは、トランスデューサアレイのトランスデューサ素子の全てが作動されるまで繰り返される。

各ライン（又はサブ開口）について、最終的な超音波画像の関連するラインを形成するために使用される合計受信信号は、受信期間中に所与のサブ開口のトランスデューサ素子によって測定された電圧信号の合計である。以下のビーム形成プロセスに続いて得られるライン信号は、典型的には無線周波数（ＲＦ）データと称される。次いで、様々なサブ開口によって生成される各ライン信号（ＲＦデータセット）は、最終的な超音波画像のラインを生成するために追加的な処理を受ける。時間に対するライン信号の振幅の変化は、深度に対する超音波画像の輝度の変化に寄与し、高振幅ピークは、最終画像における明るい画素（又は画素の集合）に対応する。ライン信号の開始付近に現れるピークは、浅い構造からのエコーを表し、一方、ライン信号において次第に遅く現れるピークは、対象内の増大する深度における構造からのエコーを表す。

トランスデューサコントローラ１８によって制御される機能の１つは、ビームが操縦及び焦点合わせされる方向である。ビームは、トランスデューサアレイから真っ直ぐに（直交して）、又はより広い視野のために異なる角度で、操縦されてもよい。送信ビームの操縦及び焦点合わせは、トランスデューサ素子作動時間の関数として制御されてもよい。

２つの方法、すなわち、平面波撮像及び「ビーム操縦」撮像が、一般的な超音波データ取得において区別されることができる。２つの方法は、送信モード（「ビーム操縦」撮像）及び／又は受信モード（平面波撮像及び「ビーム操縦」撮像）におけるビーム形成の存在によって区別される。

最初に焦点合わせ機能を見ると、全てのトランスデューサ素子を同時に作動させることによって、トランスデューサアレイは、対象を通過するにつれて発散する平面波を生成する。この場合、超音波のビームは、未集束のままである。トランスデューサの作動に位置依存時間遅延を導入することによって、焦点ゾーンと称される所望の点においてビームの波面を収束させることが、可能である。焦点ゾーンは、横方向ビーム幅が送信ビーム幅の半分未満である点として規定される。このようにして、最終的な超音波画像の横方向の解像度が、改善される。

例えば、時間遅延が、トランスデューサ素子に、トランスデューサアレイの最外側素子で始まり、中央素子（複数可）において終わる系列において作動させる場合、焦点ゾーンは、中央素子（複数可）と一直線上で、プローブから離れた所与の距離において形成されるであろう。プローブからの焦点ゾーンの距離は、トランスデューサ素子作動の各後続ラウンド間の時間遅延に応じて変化する。ビームが焦点ゾーンを通過した後、発散し始め、遠視野撮像領域を形成する。トランスデューサアレイに近接して配置される焦点ゾーンについては、超音波ビームが、最終的な画像においてビーム幅アーチファクトをもたらす遠視野において迅速に発散することに留意されたい。典型的には、トランスデューサアレイと焦点ゾーンとの間に配置された近視野が、超音波ビームにおける大きな重複のために、ほとんど詳細を示さない。したがって、焦点ゾーンの位置を変化させることは、最終画像の品質に著しい変化をもたらすことができる。

送信モードでは、超音波画像が複数の焦点ゾーン（それぞれが異なる送信焦点を有し得る）に分割されない限り、１つの焦点のみが規定され得ることに留意されたい。

加えて、対象内からのエコー信号を受信すると、受信焦点合わせを実行するために上述した処理の逆を実行することが可能である。換言すれば、到来する信号は、トランスデューサ素子によって受信され、信号処理のためにシステム内に渡される前に電子的な時間遅延を受けてもよい。これの最も単純な例は、遅延和ビーム形成と称される。時間の関数としてトランスデューサアレイの受信焦点合わせを動的に調整することが可能である。

ここで、ビーム操縦の機能を見ると、トランスデューサ素子に対する時間遅延の正しい適用を通して、トランスデューサアレイを離れるにつれて超音波ビームに所望の角度を付与することが可能である。例えば、トランスデューサアレイの第１の側面上のトランスデューサを作動させ、続いて、アレイの反対側で終了するシーケンスにおいて残りのトランスデューサを作動させることによって、ビームの波面は、第２の側面に向かって角度を付けられる。トランスデューサアレイの法線に対する操縦角度の大きさは、後続トランスデューサ素子の作動の間の時間遅延の大きさに依存する。

更に、操縦されたビームを焦点合わせすることが可能であり、ここで、各トランスデューサ素子に加えられる合計時間遅延は、焦点合わせ時間遅延及び操縦時間遅延の両方の和である。この場合、トランスデューサアレイは、フェーズドアレイと称される。

それらの作動のためにＤＣバイアス電圧を必要とするＣＭＵＴトランスデューサの場合、トランスデューサコントローラ１８は、トランスデューサアレイのためのＤＣバイアス制御部４５を制御するために結合されることができる。ＤＣバイアス制御部４５は、ＣＭＵＴトランスデューサ素子に印加されるＤＣバイアス電圧（ｓ）を設定する。

トランスデューサアレイの各トランスデューサ素子に対して、典型的にはチャネルデータと称されるアナログ超音波信号が、受信チャネルを介してシステムに入る。受信チャネルでは、部分的にビーム形成された信号が、マイクロビームフォーマ１２によってチャネルデータから生成され、次いで、メイン受信ビームフォーマ２０に渡され、トランスデューサの個々のパッチからの部分的にビーム形成された信号が、無線周波数（ＲＦ）データと称される完全にビーム形成された信号に結合される。各段階で実行されるビーム形成は、上述のように実行されてもよく、又は追加の機能を含んでもよい。例えば、メインビームフォーマ２０は、１２８のチャネルを有してもよく、その各チャネルは、数ダース又は数百のトランスデューサ素子のパッチから部分的にビーム形成された信号を受信する。このようにして、トランスデューサアレイの数千のトランスデューサによって受信される信号は、単一のビーム形成された信号に効率的に寄与することができる。

ビーム形成された受信信号は、信号プロセッサ２２に結合される。信号プロセッサ２２は、組織及びマイクロバブルから戻された非線形（基本周波数の高次高調波）エコー信号の識別を可能にするように、線形及び非線形信号を分離するように作用する、帯域通過フィルタリング、デシメーション、Ｉ及びＱ成分分離、及び高調波信号分離のような、様々な方法で受信されたエコー信号を処理することができる。また、信号プロセッサは、スペックル低減、信号複合化、及びノイズ除去などの追加の信号強化を実行してもよい。信号プロセッサ内の帯域通過フィルタは、追跡フィルタであることができ、その通過帯域は、エコー信号が増大する深度から受信されるとき、より高い周波数帯域からより低い周波数帯域へとスライドし、それによって、典型的には解剖学的情報を欠く、より大きな深度からのより高い周波数におけるノイズを排除する。

送信及び受信のためのビームフォーマは、異なるハードウェアで実装され、異なる機能を有することができる。もちろん、受信器ビームフォーマは、送信ビームフォーマの特性を考慮に入れて設計される。図１では、単純化のために、受信器ビームフォーマ１２、２０のみが、示されている。完全なシステムでは、送信マイクロビームフォーマ、及びメイン送信ビームフォーマを有する送信チェーンも存在するであろう。

マイクロビームフォーマ１２の機能は、アナログ信号経路の数を減少させるために信号の初期の組み合わせを提供することである。これは、典型的にはアナログ領域で実行される。

最終的なビーム形成は、メインビームフォーマ２０において行われ、典型的にはデジタル化後である。

送信及び受信チャネルは、固定周波数帯域を有する同じトランスデューサアレイ６を使用する。しかしながら、送信パルスが占める帯域幅は、使用される送信ビーム形成に応じて変化することができる。受信チャネルは、トランスデューサ帯域幅全体を取り込む（これは古典的なアプローチである）ことができ、又は帯域通過処理を使用することによって、所望の情報（例えば、メイン高調波の高調波）を含む帯域幅のみを抽出することができる。

次いで、ＲＦ信号は、Ｂモード（すなわち、輝度モード、又は２Ｄ撮像モード）プロセッサ２６及びドップラプロセッサ２８に結合され得る。Ｂモードプロセッサ２６は、器官組織及び血管のような身体内の構造の撮像のために、受信された超音波信号に対して振幅検出を実行する。ラインバイライン撮像の場合、各ライン（ビーム）は、関連するＲＦ信号によって表され、その振幅は、Ｂモード画像内の画素に割り当てられるべき輝度値を生成するために使用される。画像内の画素の正確な位置は、ＲＦ信号に沿った関連する振幅測定の位置と、ＲＦ信号のライン（ビーム）数によって決定される。このような構造のＢモード画像は、米国特許第６，２８３，９１９号（Roundhill他）及び米国特許第６，４５８，０８３号（Jago他）に記載されているように、高調波若しくは基本波画像モード、又は両方の組み合わせで形成されてもよい。 ドップラプロセッサ２８は、画像フィールド内の血球の流れのような移動する物質の検出のために、組織移動及び血流から生じる時間的に異なる信号を処理する。ドップラプロセッサ２８は、典型的には、体内の選択されたタイプの材料から戻されたエコーを通過させる又は拒絶するように設定されたパラメータを有するウォールフィルタを含む。

Ｂモード及びドップラプロセッサによって生成される構造及び動き信号は、スキャンコンバータ３２及び多平面リフォーマッタ４４に結合される。スキャンコンバータ３２は、エコー信号を、所望の画像フォーマットでそれらが受信された空間関係に配置する。換言すれば、スキャンコンバータは、ＲＦデータを、円筒座標系から、超音波画像を画像ディスプレイ４０に表示するのに適した直交座標系に変換するように作用する。Ｂモード撮像の場合、所与の座標における画素の輝度は、その位置から受信されるＲＦ信号の振幅に比例する。例えば、スキャンコンバータは、エコー信号を二次元（２Ｄ）扇形状形式又はピラミッド状三次元（３Ｄ）画像内に配置されてもよい。スキャンコンバータは、Ｂモード構造画像に、画像フィールド内の点における動きに対応する色をオーバレイすることができ、ドップラ推定速度が、所与の色を生成する。組み合わされたＢモード構造画像及びカラードップラ画像は、構造画像フィールド内の組織の動き及び血流を描く。多平面リフォーマッタは、米国特許第６，４４３，８９６号（Detmer）に記載されるように、身体の体積領域内の共通平面内の点から受信されるエコーをその平面の超音波画像に変換する。 ボリュームレンダラ４２は、米国特許第６，５３０，８８５号（Entrekin 他）に記載されるように、３Ｄデータセットのエコー信号を、所与の基準点から見た投影３Ｄ画像に変換する。

２Ｄ又は３Ｄ画像は、画像ディスプレイ４０上に表示するための更なる強化、バッファリング、及び一時記憶のために、スキャンコンバータ３２、多平面リフォーマッタ４４、及びボリュームレンダラ４２から画像プロセッサ３０に結合される。撮像プロセッサは、例えば強い減衰器又は屈折によって引き起こされる、音響シャドウ、例えば弱い減衰器によって引き起こされる、後方強調、及び、例えば高反射性組織界面が近接して配置される場合の、残響アーチファクト等のような、特定の撮像アーチファクトを最終的な超音波画像から除去するように構成されてもよい。加えて、画像プロセッサは、最終的な超音波画像のコントラストを改善するために、特定のスペックル低減機能を処理するように構成されてもよい。

撮像に使用されることに加えて、ドップラプロセッサ２８によって生成された血流値及びＢモードプロセッサ２６によって生成された組織構造情報は、定量化プロセッサ３４に結合される。定量化プロセッサは、器官のサイズ及び妊娠期間などの構造的測定に加えて、血流の体積速度などの異なる流れ状態の測定値を生成する。定量化プロセッサは、測定が行われるべき画像の解剖学的構造内の点のような、ユーザ制御パネル３８からの入力を受信してもよい。

定量化プロセッサからの出力データは、ディスプレイ４０上の画像を用いて測定グラフィックス及び値の再生のために、及びディスプレイ装置４０からの音声出力のために、グラフィックスプロセッサ３６に結合される。グラフィックスプロセッサ３６は、超音波画像と共に表示するためのグラフィックオーバレイを生成することもできる。これらのグラフィックオーバレイは、患者名、画像の日時、撮像パラメータ等のような標準的な識別情報を含むことができる。これらの目的のために、グラフィックプロセッサは、患者名のような入力をユーザインタフェース３８から受け取る。また、ユーザインタフェースは、トランスデューサアレイ６からの超音波信号の生成、したがって、トランスデューサアレイ及び超音波システムによって生成される画像の生成を制御するために、送信コントローラ１８に結合される。コントローラ１８の送信制御機能は、実行される機能のうちの１つに過ぎない。コントローラ１８は、また、動作モード（ユーザによって与えられる）と、受信器アナログデジタル変換器における対応する必要な送信器設定及び帯域通過設定とを考慮する。コントローラ１８は、固定状態を有するステートマシンであることができる。

ユーザインタフェースは、ＭＰＲ画像の画像フィールドにおいて定量化された測定を実行するために使用され得る複数の多平面リフォーマット（ＭＰＲ）画像の平面の選択及び制御のために、多平面リフォーマッタ４４にも結合される。

図２は、本発明の一態様による超音波システムの一例を示しており、図１を参照して上述した態様のいずれかを採用してもよい。

特に、図２は、超音波ベースの位置決定システム５０を示し、ここでは、本明細書に記載された対象の血管内への挿入のための介入装置が、使用されてもよい。介入装置５２は、超音波トランスデューサ５３を有する対象の血管内に挿入するのに適した任意の装置であってもよい。例えば、介入装置は、カテーテル、ガイドワイヤ、針などであってもよい。

超音波システム５０は、介入装置５２と、超音波場５６を生成するように構成された超音波プローブ５４と、ビーム形成超音波プローブ５４の超音波場５６に対応する再構成された超音波画像を提供するように構成された画像再構成ユニットＩＲＵと、超音波プローブ５４と超音波トランスデューサ５３との間で伝達される超音波信号に基づいて、超音波場５６に対する介入装置５２の超音波トランスデューサ５３の位置を計算するように構成された位置決定ユニットＰＤＵと、を含む。

超音波システムは、また、超音波トランスデューサ５３の計算された位置に基づいて再構成された超音波画像におけるアイコンを提供するように構成されたアイコン提供ユニットＩＰＵを含んでもよい。

図２において、超音波プローブ５４は、画像再構成ユニットＩＲＵ、撮像システムプロセッサＩＳＰ、撮像システムインタフェースＩＳＩ、及びディスプレイＤＩＳＰと通信する。一緒に、超音波プローブ５４、ＩＲＵ、ＩＳＰ、ＩＳＩ及びＤＩＳＰは、図１を参照して上述したシステムなどの従来の超音波撮像システムの一部として提供されてもよい。ユニットＩＲＵ、ＩＳＰ、ＩＳＩ及びＤＩＳＰは、従来、超音波プローブと有線又は無線通信するコンソール内に配置される。代わりに、ユニットＩＲＵ、ＩＳＰ、ＩＳＩ及びＤＩＳＰのいくつかは、超音波プローブ内に組み込まれ得る。

図２は、調査中の対象の血管などの関心領域５８をインターセプトする、超音波場５６内で超音波信号を送信及び受信する線形超音波トランスデューサアレイを含む超音波プローブ５４を示す。

図２に示される例では、超音波場は、扇形状であり、複数の超音波ビーム［Ｂ１、Ｂ２、．．、ＢＫ］を含み、これらは共に図示の画像平面を提供する。扇形状ビームが図示の目的のために図示されるが、任意の適切な形状の超音波場が使用されてもよいことに留意されたい。

使用時には、上述の超音波撮像システムは、以下のように動作されてもよい。オペレータは、撮像システムインタフェースＩＳＩを介して超音波処置を計画してもよい。動作する処置が選択されると、撮像システムインタフェースＩＳＩは、撮像システムプロセッサＩＳＰをトリガして、超音波プローブ５４に送信及び検出された信号を生成及び解釈する用途固有のプログラムを実行する。メモリ（図示せず）は、このようなプログラムを記憶するために使用されてもよい。メモリは、例えば、超音波プローブによって送信及び／又は受信される超音波信号のシーケンスを制御するように構成された超音波ビーム制御ソフトウェアを記憶してもよい。

代替的に撮像システムプロセッサＩＳＰの一部を形成しうる画像再構成ユニットＩＲＵは、超音波プローブの超音波場５６に対応する再構成された超音波画像を提供する。画像は、その後、ディスプレイＤＩＳＰ上に表示される。再構成された画像は、例えば、超音波Ｂモード画像、Ｃモード画像又はドップラモード画像、又は実際には任意の超音波画像であってもよい。

また、図２に示されるのは、超音波トランスデューサ５３を含む介入装置５２である。介入装置は、位置決定ユニットＰＤＵ及びアイコン提供ユニットＩＰＵによって提供される信号に基づいて、超音波場５６に対して追跡され得る。これらのユニットは、互いに、並びにユニットＢＵＩＰ、ＩＲＵ、ＩＳＰ、ＩＳＩ及びＤＩＳＰと通信する。ユニットＰＤＵ及びＩＰＵのうちの１つ以上は、超音波システムのメモリ又はプロセッサ内に組み込まれ得る。

介入装置５２は、更に、超音波トランスデューサ５３によって送信及び受信される超音波信号に基づいて介入装置が配置され得る血管内の血流の速度を決定するように構成された速度決定ユニットＶＤＵに接続される。速度決定に使用される超音波信号は、第１の周波数で生成され、位置決定に使用される超音波信号は、干渉を低減するために、第１の周波数とは異なる第２の周波数で生成される。

超音波システム５０は、また、速度データを血管の長さに沿った位置データと一致させるために、ＰＤＵ及びＶＤＵからのデータを同期させるように構成された同期ユニットＳＵを含んでもよい。これらのユニットは、互いに並びにユニットＢＵＩＰ、ＩＲＵ、ＩＳＰ、ＩＳＩ及びＤＩＳＰと通信する。ユニットＶＤＵ及びＳＵのうちの１つ以上は、超音波システムのメモリ又はプロセッサ内に組み込まれ得る。

使用時には、介入装置５２の超音波トランスデューサ５３の位置は、超音波プローブ５４と超音波トランスデューサとの間で送信される超音波信号に基づいて、位置決定ユニットＰＤＵによって超音波場５６に関して計算される。

一例において、超音波トランスデューサ５３は、超音波ビームに対応する超音波信号を受信する検出器である。この場合、位置決定ユニットＰＤＵは、超音波プローブによって放射される超音波信号と、超音波トランスデューサによって検出される超音波信号とを関連付けることによって、超音波トランスデューサの位置を識別する。アイコン提供ユニットＩＰＵは、その後、超音波トランスデューサの計算された位置に基づいて、再構成された超音波画像内にアイコンを提供しうる。

より具体的には、超音波場に対する超音波トランスデューサの最良適合位置は、超音波トランスデューサによって検出される各超音波ビームに対応する超音波信号の振幅、及び各超音波ビームの放射と超音波トランスデューサによるその検出との間の時間遅延、すなわち飛行時間に基づいて決定されてもよい。

例えば、超音波トランスデューサ５３が超音波場５６の近傍にある場合、超音波ビームの最も近いところから超音波トランスデューサまでの超音波信号は、比較的小さな振幅で検出されるであろう、より離れたビームと比較して比較的大きな振幅で検出されるであろう。典型的には、最大の振幅で検出されるビームは、超音波トランスデューサに最も近いものとして識別される。このビームは、超音波プローブ５４と超音波トランスデューサ５３との間の面内角度θを規定する。

対応する範囲は、最大振幅の超音波ビームの放射とその後の検出との間の時間遅延、すなわち飛行時間に依存する。この範囲は、時間遅延に超音波伝播速度を乗算することによって決定される。したがって、最大の振幅で検出されたビームの範囲及び対応する面内角度、θは、超音波場に対する超音波トランスデューサの最良適合位置を識別するために使用されることができる。

代替の構成では、超音波トランスデューサ５３が、１つ又は複数の超音波パルスを放射するエミッタであってもよい。このようなパルスは、例えば、超音波撮像システムの撮像フレーム間でインタリーブされる追跡フレームの間に放射され得る。このような追跡フレームでは、超音波プローブ５４は、超音波場５６の近傍から発生する超音波信号を聞く、受信専用モードで動作してもよい。

言い換えれば、超音波プローブは、そのような追跡フレームの間、一方向受信専用ビームフォーマとして構成される。位置決定ユニットＰＤＵは、どの超音波ビーム［Ｂ１，...、ＢＫ］からパルスが発生したかを、超音波プローブの受信器素子に遅延を加えることによって識別する。上述の検出器構成と同様に、位置決定ユニットＰＤＵは、最大振幅及び飛行時間に基づいて、超音波信号が放射された位置に最も近いビーム、及び超音波トランスデューサ５３への対応する範囲を識別する関連手順を使用してもよい。アイコン提供ユニットＩＰＵは、その後、超音波トランスデューサの識別された位置に基づいて、再構成された超音波画像内にアイコンを提供する。従って、超音波トランスデューサが超音波エミッタである場合には、関連手順は、各トラッキングフレームに対する超音波場ＵＦに対する圧電トランスデューサ５３の最良適合位置を決定するために、再び使用されてもよい。

別の設定では、超音波トランスデューサ５３は、受信器及び送信器の両方として機能するように構成されてもよく、又は別個の受信器及び送信器を含んでもよい。このような設定では、超音波トランスデューサは、超音波プローブからの超音波信号の受信時に、１つ又は複数の超音波パルスを放射するようにトリガされてもよい。このようにして、撮像モード中に超音波トランスデューサによって放出されたパルスは、関連する超音波ビームに対応する面内角度位置、すなわち画像ラインにおいて、再構成された超音波においてエコーとして現れる。

従って、超音波トランスデューサ５３は、再構成された画像内に輝点として現れる。位置決定ユニットＰＤＵは、この後に、再構成された画像内のこの輝点を識別し、超音波場に対する超音波トランスデューサの位置を計算してもよい。

上述の超音波プローブは、超音波データを取り込むことができる任意のタイプのプローブであってもよい。例えば、超音波プローブは、標準的なハンドヘルド撮像プローブ又は超音波撮像カテーテルであってもよく、カテーテルは、対象の身体内、例えば血管又は心臓内に挿入されるように構成された細い管である。

図３は、本発明の一態様による介入装置１００を示す。

図３に示される例では、超音波トランスデューサ１１０が、管腔１４０を画定する装置壁１３０の端部に配置された装置先端１２０に設けられる。

超音波トランスデューサ１１０は、第１の超音波周波数で第１の超音波データのセットを取得するように構成される。言い換えると、超音波トランスデューサは、前記第１の周波数で超音波信号を生成するために、第１の周波数で作動される。

超音波撮像カテーテルが対象の血管内に提供される場合、超音波データの第１のセットは、流れデータに関連する。流れデータは、血流に関する任意のデータ、例えば、血流速度、乱流、血圧、心拍数、血管直径などを有してもよい。

加えて、超音波トランスデューサ１１０は、図２に関して上述した方法で、第１の超音波周波数とは異なる第２の超音波周波数で第２の超音波データセットを取得するように構成されてもよい。上述したように、超音波トランスデューサは、第２の周波数で超音波信号を生成するために第２の周波数で作動される。第２の周波数は、第１の周波数とは異なる任意の周波数であってよい。

介入装置が対象の血管内に提供される場合、第２の超音波データは、介入装置配置データに関連してもよい。介入装置データは、介入装置の位置に関する任意のデータであってもよい。

換言すれば、２つの異なる目的のために２つの異なる周波数で動作するように構成された超音波トランスデューサを有する介入装置が提供される。言い換えると、介入装置は、超音波撮像カテーテルのハードウェア要件を増大させることなく複数の機能を実行しうるように動作される超音波トランスデューサである単一構成要素タイプを有する。

介入装置は、対象の血流に関する流れデータと、超音波ボリューム内の介入装置の位置を追跡するために使用され得る介入装置配置データとの両方を取り込むように構成される。

図２に関して上述したように、介入装置配置データは、介入装置の超音波トランスデューサと別個の超音波プローブとの組み合わせによって取得される。

カテーテル位置追跡と流れ感知との組み合わせは、超音波トランスデューサの複数の共振ピークを利用することによって実行されてもよい。例えば、所与の超音波トランスデューサは、流速感知に使用されうる１２ＭＨｚの第１の共振ピーク、及び超音波撮像カテーテルの位置データを取り込むために使用されうる６ＭＨｚの第２の共振ピークを有してもよい。例えば、第１の共振ピークは、１１ＭＨｚ乃至１３ＭＨｚの範囲内であってもよく、第２の共振ピークは、５ＭＨｚ乃至７ＭＨｚの範囲内であってもよい。

超音波トランスデューサを共振ピークで動作させることによって、介入装置は、特に超音波トランスデューサが液体中に沈められたときに、対象の血管内で超音波をより効率的に生成しうる。トランスデューサを共振ピークで動作させることによって、実質的な振動、従って、より低いエネルギ入力における超音波を発生させることが可能であり、それによって、超音波撮像カテーテルの効率を向上させる。

１２ＭＨｚなどのより高い周波数の共振ピークは、血球からの後方散乱を最大化するために、流れデータに関連する超音波データの第１のセットを取得するために選択されてもよく、６ＭＨｚなどのより低い共振ピークは、カテーテル位置データに関連する超音波データの第２のセットを取得するために選択されてもよい。

第２の超音波データセットは、経食道心エコー検査（ＴＥＥ）、経胸壁心エコー検査（ＴＴＥ）、及び心臓内エコー検査（ＩＣＥ）のような処置に使用される典型的な撮像装置の周波数範囲内であり得る、６ＭＨｚの周波数で得られてもよい。

換言すると、超音波トランスデューサは、対象内の介入装置の位置の追跡に使用されうる、二次撮像装置の応答周波数で動作するように制御されてもよい。

図４は、弁２２０の近傍において対象の血管２１０内の図２の介入装置１００の例２００を示す。

この例では、介入装置は、弁修復を実行する、又は弁修復の実行を補助するために配備されてもよい。例えば、介入装置は、弁修復がいつ十分であるかについて臨床医の決定を通知する際に使用され得る、流れデータなどのデータを収集し得る。例えば、流れデータは、関心領域における血流のリアルタイムビューを提供するために、臨床医に視覚的に提示されてもよい。この例では、カテーテル配置データは、医師が修復を必要とする弁にカテーテルをガイドするのを助けるために、医師によって使用されてもよい。

更に、流れデータは、検査又は修復を受けている血管又は弁のフローマップを生成するために、介入装置配置データと組み合わされてもよい。フローマップは、決定を知らせるためにユーザに提示される超音波画像上にオーバーレイされてもよい。加えて、介入装置は、例えば流れデータを決定するために使用される超音波トランスデューサのビューを最大化するために、第１の超音波データのセット、第２の超音波データのセット、又はユーザからの入力に基づいて介入装置を操縦するように構成された操縦要素を含んでもよい。

図４は、流れデータを得るために、第１の超音波周波数で第１の超音波のセット２４０を生成する介入装置１００を示す。更に、超音波撮像カテーテルは、第２の超音波周波数で第２の超音波のセット２５０を生成するように示されており、これは、対象の皮膚の表面で第２の超音波周波数をモニタリングすることによって介入装置の位置を追跡するために使用されてもよい、上述の超音波プローブなどの二次撮像装置２６０によって受信される。上述したように、二次撮像装置は、介入装置の超音波トランスデューサで受信される、第２の周波数における第２の超音波セットを生成してもよい。

言い換えると、第２の超音波データのセットは、配置データを取得するために、介入装置の超音波トランスデューサと超音波プローブとの間で交換されてもよい。

弁修復の場合には、超音波撮像カテーテルが、例えばカテーテル管腔１４０を介して、弁に修復装置を送達する手段としても機能し得る。

図３及び図４に示される例では、介入装置１００は、装置の先端の壁に埋め込まれたリング形状の圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）素子の形態の超音波トランスデューサ１１０を有する。ＰＺＴリングトランスデューサは、電気リードを介してコンソールに接続されてもよく、コンソールは、標準的なパルスドップラ速度測定に必要な信号発生、信号取得、及び信号処理要素を保持しうる。パルスドップラ撮像スキームは、弁開口部近傍の体積領域の速度スペクトル、すなわち流量データを測定するのに使用されてもよい。この速度情報に基づいて、フィードバックが、所与の処置の進行、例えば弁修復の進行に関して臨床医に提供されてもよい。

ＰＺＴではなく、超音波トランスデューサ１１０は、ＣＭＵＴであってもよい。ＣＭＵＴの動作は、それに加えられるバイアス電圧によって制御されるので、バイアス電圧を変えることによって超音波トランスデューサの動作周波数を調整することは、可能である。

更に、超音波トランスデューサは、介入装置の用途に応じて介入装置上の様々な異なる点に配置されてもよい。例えば、超音波トランスデューサは、装置壁に、装置の管腔内に、装置先端に、又は装置先端内に埋め込まれて提供されてもよい。

図５は、介入装置３１０の超音波トランスデューサのためのいくつかの実施オプションの例３００を示す。

図５に示される例では、超音波トランスデューサは、円形トランスデューサ３２０であってもよく、又は超音波トランスデューサは、長方形トランスデューサ３３０であってもよい。更に、任意の他の適切な形状のトランスデューサが、超音波トランスデューサとして使用されてもよい。

図６は、装置先端に配置された複数の超音波トランスデューサ素子４２０を有する介入装置４１０の例４００を示す。

複数の超音波トランスデューサ４２０は、介入装置４１０の所望の動作に従って、多数の方法で動作されてもよい。

例えば、複数の超音波トランスデューサの各超音波トランスデューサは、個別に制御すされてもよい。このようにして、複数の超音波トランスデューサは、超音波ビームの電子操縦を実行するように動作されてもよい。二次撮像装置がカテーテル配置データを得るために使用される場合には、超音波トランスデューサ素子の個々の動作は、複数の超音波トランスデューサによって生成された超音波信号の振幅及び位相差に基づいて、二次撮像装置に対するカテーテルの向きを決定する手段を提供する。

代わりに、複数の超音波トランスデューサは、第１のサブグループ及び第２のサブグループにグループ化されてもよく、第１のサブグループは、超音波を送信のみするように構成され、第２のサブグループは、超音波を受信のみするように構成される。このようにして超音波トランスデューサをサブグループで動作させることにより、連続波ドップラ又はハイブリッド駆動スキームが、パルス波ドップラ撮像スキームに加えて、可能である。

介入装置が複数の超音波画像トランスデューサを有する場合、介入装置は、Ｂモードデータを有する第３の超音波データのセットを取得するように更に構成されてもよい。言い換えると、前方視Ｂモード画像が、例えば、弁と、修復装置の配置をモニタリングする手段との視覚化を提供するようにされてもよい。

介入装置は、第１の超音波データのセット及び／又は第２の超音波データのセットに基づいてカテーテル操縦命令を生成するように構成されたフィードバック機構と、操縦命令に基づいて超音波撮像カテーテルを操縦するように構成された操縦機構とに接続されてもよい。

換言すれば、介入装置は、血流方向に対する最も最適な向きにカテーテルを操縦するフィードバック機構を含む操縦能力を提供されてもよい。最も最適な向きは、例えば、最高速度が測定されるところであってもよい。

言い換えれば、介入装置は、血管内の流れに対するカテーテルのアライメントを可能にするように操縦可能であってもよい。

図７は、介入装置４６０の更なる実装４５０を示し、介入装置は、ワイヤの先端に配置された超音波トランスデューサ４７０を有するガイドワイヤである。

図８は、超音波撮像カテーテルを使用して超音波撮像を実行するための方法５００を示す。

本方法は、超音波トランスデューサによって第１の超音波周波数で第１の超音波データセットを取得することによってステップ５１０で開始し、第１の超音波データセットは、流れデータに関連する。

ステップ５２０では、超音波トランスデューサの周波数が、第１の超音波周波数から第２の超音波周波数に調整されてもよい。代わりに、周波数は、離散的に切り替えられてもよい。

ステップ５３０では、第２の超音波データのセットが、超音波トランスデューサによって第１の超音波周波数とは異なる第２の超音波周波数で取得され、第２の超音波データは、カテーテル配置データに関連する。

使用中、介入装置の超音波トランスデューサは、送信フェーズにおいて第１の周波数で第１の超音波のセットを送信し、受信フェーズにおいて第１の超音波のセットのエコー及び第２の超音波のセットのエコーの両方を第２の周波数で同時に受信してもよい。換言すれば、振動の全ては、第１の周波数における第１のピーク及び第２の周波数における第２のピークとともに超音波トランスデューサにおいて記録され得る。

開示された実施形態に対する変形例は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、特許請求された発明を実施する際に当業者によって理解され、実施されることができる。請求項において、単語「有する」は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数性を排除するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項に列挙されるいくつかの項目の機能を果たしてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。コンピュータプログラムが上述される場合、コンピュータプログラムは、適切な媒体、例えば他のハードウェアと一緒に又はその一部として供給される光記憶媒体若しくはソリッドステート媒体に記憶又は配布されてもよいが、他の形態、例えばインターネット又は他の有線若しくは無線電気通信システムを介して配布されてもよい。「に適応する」という用語が請求項又は明細書に用いられる場合、「に適応する」という用語は、「ように構成される」と言う用語と同様であることを意味する。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 超音波信号を送信及び受信するように構成された超音波プローブと、
   第１の超音波周波数で第１の超音波データのセットを取得し、前記第１の超音波データのセットは流れデータに関する、
   ように構成される超音波トランスデューサ、
   を有する、対象の血管に挿入するための介入装置と、
   を有する超音波システムにおいて、
   前記超音波システムは、前記第１の超音波周波数とは異なる第２の超音波周波数で、前記超音波プローブと前記介入装置との間で第２の超音波データのセットを交換するように更に構成され、前記第２の超音波データは、介入装置配置データに関連する、
   超音波システム。
2. 前記第１の超音波周波数及び前記第２の超音波周波数は、前記超音波トランスデューサの共振周波数であり、前記第２の超音波周波数は、前記超音波プローブの動作周波数である、請求項１に記載の超音波システム。
3. 前記第１の超音波周波数は、前記第２の超音波周波数よりも大きい、請求項１乃至２のいずれかに記載の超音波システム。
4. 前記超音波トランスデューサが、ＣＭＵＴである、請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波システム。
5. 前記介入装置が、複数の超音波トランスデューサを有する、請求項１乃至４のいずれかに記載の超音波システム。
6. 前記複数の超音波トランスデューサの各超音波トランスデューサは、個別に制御される、請求項５に記載の超音波システム。
7. 前記複数の超音波トランスデューサは、第１のサブグループ及び第２のサブグループに構成され、前記第１のサブグループは、超音波を送信のみするように構成され、前記第２のサブグループは、超音波を受信のみするように構成される、請求項５乃至６のいずれかに記載の超音波システム。
8. 前記複数の超音波トランスデューサは、Ｂモードデータを有する第３の超音波データのセットを取得するように構成される、請求項５乃至７のいずれかに記載の超音波システム。
9. 前記超音波システムは、プロセッサを更に有し、前記プロセッサは、流れデータに関連する前記第１の超音波データのセットと、介入装置配置データに関連する前記第２の超音波データのセットとの組み合わせに基づいてフローマップを生成するように構成される、請求項１乃至８のいずれかに記載の超音波システム。
10. 前記超音波プローブは、超音波画像を取得するように構成され、前記超音波画像は、対象の血管のビューを有し、前記プロセッサは、前記フローマップの視覚的表現を生成し、前記フローマップの視覚的表現を前記超音波画像上にオーバレイするように更に構成される、請求項９に記載の超音波システム。
11. 前記第１の超音波データのセット及び／又は前記第２の超音波データのセットに基づいて介入装置操縦命令を生成するように構成されたフィードバック機構と、
    前記操縦命令に基づいて前記介入装置を操縦するように構成された操縦機構と、
    を更に有する、請求項１乃至１０のいずれかに記載の超音波システム。
12. 超音波トランスデューサを有する介入装置、及び超音波プローブを有する超音波システムを使用して超音波撮像を実行する方法において、
    前記介入装置によって第１の超音波周波数で第１の超音波データのセットを取得するステップであって、前記第１の超音波データのセットは流れデータに関連する、ステップと、
    前記介入装置又は前記超音波プローブによって前記第１の超音波周波数とは異なる第２の超音波周波数で第２の超音波データのセットを取得するステップであって、前記第２の超音波データはカテーテル配置データに関連する、ステップと、
    を有する、方法。
13. 前記第１の超音波データのセット及び／又は前記第２の超音波データのセットに基づいて前記介入装置を操縦するステップを更に有する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の超音波データのセットを前記第２の超音波データのセットと結合するステップと、
    前記結合された第１の超音波データのセット及び第２の超音波データのセットに基づいて血管のフローマップを生成するステップと、
    を更に有する、請求項１２乃至１３のいずれかに記載の方法。
15. コンピュータ上で実行される場合に、請求項１２乃至１４のいずれかに記載の方法を実施するように構成されたコンピュータプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム。

Images