JP2023004945A - ４ｄ超音波カテーテルを使用した組織の歪みの推定 - Google Patents

Abstract

【課題】医療システムを提供すること。【解決手段】医療システムは、身体の器官に挿入するように構成された超音波プローブと、プロセッサと、を含む。プローブは、２次元（２Ｄ）超音波トランスデューサアレイと、器官内の２Ｄ超音波トランスデューサアレイの位置、方向、及び向きを示す信号を出力するように構成されたセンサと、を含む。プロセッサは、（ａ）センサによって出力された信号を使用して、２Ｄ超音波トランスデューサアレイによって所与の持続時間にわたって取得された、組織領域の複数の超音波画像を互いに位置合わせすることと、（ｂ）所与の持続時間にわたって取得された超音波画像に基づいて、組織領域内の１つ以上の場所について時間の関数として３次元変位を推定することと、（ｃ）３次元変位に基づいて、組織領域内の１つ以上の場所のそれぞれの機械的歪みを推定することと、（ｄ）機械的歪みの時間依存レンダリングをユーザに提示することと、を行うように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、概して、侵襲性医療機器及び方法、具体的には、超音波を用いる体内医療用プローブ及び方法に関する。

身体内の器官の壁組織の動的特性を評価するための侵襲性超音波技術が以前に提案されている。例えば、Ｂｕｎｔｉｎｇらは、「Ｃａｒｄｉａｃ ｌｅｓｉｏｎ ｍａｐｐｉｎｇ ｉｎ ｖｉｖｏ ｕｓｉｎｇ ｉｎｔｒａｃａｒｄｉａｃ ｍｙｏｃａｒｄｉａｌ ｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ」（ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，６５．１（２０１７）、ページ１４～２０）と題する論文に、心筋内のアブレーション病変のサイズ及び位置を特性化するための心筋エラストグラフィ（Myocardial Elastography、ＭＥ）と呼ばれる歪みベースの方法を記載している。

別の例として、米国特許第６，５２７，７１７号は、正確な組織運動システム及び方法を記載している。超音波トランスデューサの動きは、組織運動における推定値において考慮される。一実施形態では、動きセンサは、標的又は他の基準点に対するトランスデューサの場所を判定するための位置センサを含む。動きセンサは、磁気位置センサ又は電磁位置センサを含むことができる。トランスデューサの動きを補正することにより、心筋又は線維の動きなどの局所的な組織収縮又は拡張をより良好に分離する。正確な動き推定はまた、超音波データから動きの角度を判定することによって提供される。動きの角度は、速度推定値を調整するために使用され、２次元速度ベクトル（すなわち、少なくとも２つの次元における動きを含む動き推定値）を提供する。組織の動きは、異なる時間に取得された超音波データの異なる２つのセットによって表されるスペックル又は特徴を相関させることによって判定される。追加の態様は、対象となる組織の場所を追跡することを含む。歪み速度又は歪みなどの歪みの特性は、対象となる追跡された組織について計算される。トランスデューサに対する異なる位置に関連付けられた超音波データは、追跡の関数として選択され、歪みの特性を判定するために使用される。トランスデューサの動きを補正された動き推定値もまた、歪み又は歪み速度を判定するために使用することができる。更に別の態様では、動き推定値は、心臓内トランスデューサアレイからのデータを用いて生成される。歪みの特性は、動き推定値から判定される。上述の他の態様は、心臓内トランスデューサアレイと共に使用することができ、心臓内からの撮像に基づく正確な動き分析を提供する。

「４Ｄ ｃａｒｄｉａｃ ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ」（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｉｎ ｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｍｅｄｉｃｉｎｅ，１１３（２０１９）：１０３３８２）と題する論文において、Ｇｒｏｎｄｉｎらは、電気機械波撮像技術により科学者が心臓の電気的機能と機械的機能を結び付けることを可能にし得る可能性を示唆している。心臓疾患は典型的には電気的様相及び機械的様相の両方で現れるため、そのように結び付ける能力は、高い臨床的価値があるが、生体内でのそのようなマッピング技術の不足を考えると、現在存在しない。

米国特許出願公開第２０２０／０２１４６６２号は、電気機械マップを生成するためのシステム及び方法を記載している。この方法は、一連の連続する画像フレームを含む超音波データ及び心臓内の場所に対応する無線周波数（radio frequency、ＲＦ）信号を取得することと、超音波データに基づいて変位及び歪みを測定して、その場所における電気機械的活性化を判定することと、超音波データを一連の等時線図に変換することと、一連の等時線図を組み合わせて、電気機械マップを生成することと、を含む。電気機械マップは、心臓の電気機械的活性化及び内壁構造を示す。

米国特許第７，５４２，５４４号は、運動する冠状動脈などの撮像されている物体からのエコー信号を取得する超音波撮像システムを記載しており、エコー信号間の相互相関は、相対物体位置特定の客観的尺度として用いられる。この方法は、心臓ゲートスキャン中に画像データを取得するための最適なゲートウィンドウを判定するために、事前スキャン手順で使用され、スキャン中にリアルタイムゲート信号として使用される。本発明は、非常に柔軟なゲート方式を可能にする。取得された相関データは、心臓周期の任意の位相と任意の他の位相との瞬間ごとの相関関係を示すため、所望する場合、周期の任意の位相中にゲート制御することが可能である。これは、データを取得するためにより多くの心拍を必要とするだけである。心拍間で変化する対応を含む任意の空間的対応について心拍ごとのマッピングを達成できるため、患者が不整脈を有する場合、画像データを取得することも可能である。最後に、相関は、呼吸による任意の変化を検出するため、複数の息止めにも対応することができる。

国際公開第２０２０／０４４１１７号は、撮像ヘッドを取り囲む組織の３次元ビューを経時的に生成することによって、血管内／心臓内撮像カテーテルヘッドの周りに全周３６０度の視野を提供するように構成されたカテーテルベースの超音波撮像システムを記載している。超音波撮像システムはまた、組織状態マッピング能力を提供することができる。血管系及び組織特性の評価は、アブレーションなどの心臓介入中の病変の経路及び深さを含む。超音波撮像システムは、超高速撮像を可能にする超音波モジュール及び個別の処理機械装置に接続された、その軸の周りの連続周方向回転を支持する、静的又は回転センサアレイ先端部と、回転トルク伝達部分を介して長手方向のカテーテル軸の周りの半径方向の動きを変換して、センサアレイ先端部を回転させる、回転モータと、を有するカテーテルを備える。これにより、経時的な３次元ビューの生成のための、カテーテル先端部の周りの組織構造を含む血管系の情報の捕捉及び再構成が可能になる。

しかしながら、生体内での組織上の歪みを測定する既知のアプローチは、多くの場合、ノイズが多いか、又は所望の臨床的使用を可能にするための所望の視認性を提供しない。したがって、改善が望まれる。

以下で説明する本発明の一実施形態は、超音波プローブと、プロセッサと、を含む医療システムを提供する。超音波プローブは、身体の器官に挿入するように構成されており、超音波プローブは、（ｉ）２次元（two-dimensional、２Ｄ）超音波トランスデューサアレイと、（ｉｉ）器官内の２Ｄ超音波トランスデューサアレイの位置、方向、及び向きを示す信号を出力するように構成されたセンサと、を含む。プロセッサは、（ａ）センサによって出力された信号を使用して、２Ｄ超音波トランスデューサアレイによって所与の持続時間にわたって取得された、組織領域の複数の超音波画像を互いに位置合わせすることと、（ｂ）所与の持続時間にわたって取得された超音波画像に基づいて、組織領域内の１つ以上の場所について時間の関数として３次元変位を推定することと、（ｃ）３次元変位に基づいて、組織領域内の１つ以上の場所のそれぞれの機械的歪みを推定することと、（ｄ）機械的歪みの時間依存レンダリングをユーザに提示することと、を行うように構成されている。

いくつかの実施形態では、プロセッサは、機械的歪みの時間依存レンダリングを電気生理学的（electrophysiological、ＥＰ）信号層と一緒に提示することを行うように構成されている。

いくつかの実施形態では、ＥＰ信号層は、局所活性化時間（local activation times、ＬＡＴ）を含む。他の実施形態では、ＥＰ信号層は、双極組織電圧レベル及び単極組織電圧レベルのうちの１つを含む。

一実施形態では、プロセッサは、センサによって出力された信号を使用して、心拍のタイミングの層及び局所活性化時間（ＬＡＴ）の層を含む複合レンダリングを生成することを行うように構成されている。

別の実施形態では、プロセッサは、推定された歪みを使用して、組織領域内の瘢痕組織を識別することを行うように更に構成されている。

本発明の別の実施形態によれば、超音波プローブと、プロセッサと、を含む医療システムが追加的に提供される。超音波プローブは、身体の器官に挿入するように構成されており、超音波プローブは、（ｉ）２次元（２Ｄ）超音波トランスデューサアレイと、（ｉｉ）器官内の２Ｄ超音波トランスデューサアレイの位置、方向、及び向きを示す信号を出力するように構成されたセンサと、を含む。プロセッサは、（ａ）センサによって出力された信号を使用して、２Ｄ超音波トランスデューサアレイによって所与の持続時間にわたって取得された、組織領域の複数の超音波画像を互いに位置合わせすることと、（ｂ）所与の持続時間にわたって取得された超音波画像に基づいて、組織領域内の１つ以上の場所について時間の関数として３次元変位を推定することと、（ｃ）３次元変位に基づいて、組織領域内の１つ以上の場所のそれぞれの機械的歪みを推定することと、（ｄ）歪みに基づいて、領域内の心臓周期のパラメータを推定することと、を行うように構成されている。

いくつかの実施形態では、プロセッサは、心臓周期のパラメータをユーザに対して視覚化することを行うように構成されている。

いくつかの実施形態では、プロセッサは、センサによって出力された信号を使用して、心臓周期の推定されたパラメータ及び電気生理学的（ＥＰ）信号層を含む複合レンダリングを生成することを行うように構成されている。

一実施形態では、心臓周期のパラメータは、周期長を含む。別の実施形態では、心臓周期のパラメータは、心臓周期のタイミングを含む。

いくつかの実施形態では、プロセッサは、検出されたタイミングを使用して、心臓周期と同期して別のデバイスをトリガするように構成されている。

本発明の別の実施形態によれば、超音波プローブを身体の器官に挿入することを含む方法が更に提供され、超音波プローブは、（ｉ）２次元（２Ｄ）超音波トランスデューサアレイと、（ｉｉ）器官内の２Ｄ超音波トランスデューサアレイの位置、方向、及び向きを示す信号を出力するように構成されたセンサと、を含む。２Ｄ超音波トランスデューサアレイによって所与の持続時間にわたって取得された、組織領域の複数の超音波画像は、センサによって出力された信号を使用して、互いに位置合わせされる。所与の持続時間にわたって取得された超音波画像に基づいて、時間の関数としての３次元変位は、組織領域内の１つ以上の場所について推定される。組織領域内の１つ以上の場所のそれぞれの機械的歪みは、３次元変位に基づいて推定される。機械的歪みの時間依存レンダリングは、ユーザに提示される。

本発明の別の実施形態によれば、超音波プローブを身体の器官に挿入することを含む方法が更に提供され、超音波プローブは、（ｉ）２次元（２Ｄ）超音波トランスデューサアレイと、（ｉｉ）器官内の２Ｄ超音波トランスデューサアレイの位置、方向、及び向きを示す信号を出力するように構成されたセンサと、を含む。２Ｄ超音波トランスデューサアレイによって所与の持続時間にわたって取得された、組織領域の複数の超音波画像は、センサによって出力された信号を使用して、互いに位置合わせされる。所与の持続時間にわたって取得された超音波画像に基づいて、時間の関数としての３次元変位は、組織領域内の１つ以上の場所について推定される。組織領域内の１つ以上の場所のそれぞれの機械的歪みは、３次元変位に基づいて推定される。歪みに基づいて、心臓周期のパラメータは、領域内で推定される。

本発明は、以下の「発明を実施するための形態」を図面と併せて考慮することで、より完全に理解されよう。

本発明の一実施形態による、２Ｄ超音波プローブと、場所センサとを備える遠位端アセンブリを有するカテーテルを使用する、カテーテルベースの超音波撮像システムの概略描写図である。 本発明の実施形態による、図１のシステムを使用した超音波心臓内取得、続いて、組織運動マップ、複合組織運動、ＥＰ伝播マップ、及びＥＰパラメータの導出の概略描写図である。 本発明の一実施形態による、図２の結果を導出して表示する方法を概略的に示すフローチャートである。

概論
本明細書に記載される本発明の実施形態は、３次元（three-dimensional、３Ｄ）又は４次元（four-dimensional、４Ｄ）超音波画像を生成するための、超音波トランスデューサの２次元（２Ｄ）アレイを有する、カテーテルなどのプローブを使用する方法及びシステムを提供する。本文脈において、「３Ｄ超音波画像」という用語は、３次元における特定の体積を表す超音波画像を指す。「４Ｄ超音波カテーテル」という用語は、超音波トランスデューサの２Ｄアレイを組み込んだカテーテルを指す。「４Ｄ超音波画像」という用語は、２Ｄアレイによって取得された特定の体積の３Ｄ超音波画像の時系列を指す。４Ｄ画像は、３Ｄ動画と見なすことができ、第４の次元は、時間である。４Ｄ画像（又はレンダリング）を説明する別の方法は、時間依存３Ｄ画像（又はレンダリング）としてのものである。心臓に使用される場合、４Ｄ超音波カテーテルは、「４Ｄ心腔内心エコー法（Intracardiac Echocardiography、ＩＣＥ）」カテーテルと呼ばれることがある。

開示された実施形態では、カテーテルはまた、場所センサと２Ｄアレイとの間のカテーテルシャフト上の既知の相対位置及び向きに基づいて２Ｄアレイと事前に位置合わせされた、磁気位置センサなどの一体型場所センサを備える。２Ｄアレイは、定義された立体角を占める３Ｄセクタ形状の超音波ビームを生成する（このようなビームは、１Ｄアレイの「ファン」とは対照的に、本明細書では「ウェッジ」と呼ばれる）。したがって、２Ｄアレイは、心室などの器官の内壁の２Ｄセクションを画像化することができる。一体型場所センサ、及び２Ｄアレイとのその事前位置合わせのために、画像化されたセクション内の全てのボクセルの空間座標は、既知である。

一実施形態では、プロセッサは、場所センサからの場所データを使用して、空間内のリアルタイム取得（例えば、所与の持続時間にわたって取得された所与の心臓領域の画像）を互いに位置合わせする。このようにして、プロセッサは、カテーテルの動きを減算することができ、したがって、非常に高い精度で組織領域の動きを示すことができる。この方法は、取得されたデータレベル又は画像レベルで適用することができ、画像は、位置合わせされて、カテーテルの動きを除去することができる。

具体的には、本発明のいくつかの実施形態は、４Ｄ超音波カテーテルを使用して、高い時空間分解能で選択された組織領域の動きを測定する。動き分析は、一連のＭＰＥＧ画像などの一連の画像内の組織の場所を追跡するアルゴリズムによって実行することができる。４Ｄカテーテルのオペレータは、例えば、左心室の壁内の、特定の組織の場所、（ξ，η，ζ）を選択することができる。次いで、プロセッサは、３次元における組織の場所を経時的に追跡する。追跡は、組織の場所変位の３Ｄ値（Δξ，Δη，Δζ）を経時的に提供し、異なる値は、内部の組織の機械的歪みに対応する。

上記のように、変位の値（Δξ，Δη，Δζ）の精度は、一体型場所センサを有しないカテーテルよりも大幅に大きい。それは、一体型場所センサを有しないカテーテルがそれら自身の動きを減算するいかなる方法も有しないためである。更に、歪みは３つの直交方向で測定されるため、本発明の実施形態は、以下に記載されるように、歪みテンソルを計算することができる。結果は、プロセッサがマップ又はビデオとしてユーザに提示することができる、３次元における正確な心臓運動を提供する。

典型的には、電気生理学者に提示される心腔画像の電気生理学的（ＥＰ）レンダリングは、局所活性化時間（ＬＡＴ）などの導出された電気的パラメータの色値と重ね合わされた組織表面マップである。心拍としての、心室などの室上の心臓ＥＰ波面の流れは、電気生理学者に有用な情報を提供する。ＬＡＴは、典型的には、心筋の動きに対応し、ＬＡＴを導出するために使用される電気信号を取得する必要なしに、この動きを視覚化することができることが有用であろう。ＥＰパラメータの流れを心臓周期に沿った心筋の動きと相関させることも有用であろう。

本発明のいくつかの実施形態は、４Ｄ超音波カテーテルを使用して、所与の心拍中の心腔壁の画像を取得する。画像は分析されて、心拍中の心臓を通る波で筋肉がどのように動くかを示す。一実施形態では、プロセッサは、運動量をカラースケールに変換し、次いで、動きを示す色を超音波画像に重ね合わせる。結果として得られた画像は、「標準的な」ＬＡＴマップの置き換えとして効果的に機能するが、心臓からの電気信号の取得を必要としないという利点を有する。

あるいは、波の動きをＥＰパラメータマップに組み込むことができ、その結果、ＥＰ伝播（「電気的動き」）及び物理的動きの両方を同じマップ上で同時に観察することができる。２つの動きを同じマップ上で視覚化することによって、それらの間の相関（又はリズム障害の組織源を示すことができる相関の欠如）を観察することができる。

心臓が不規則に拍動している、すなわち、洞調律にない場合、拍動速度、すなわち、周期長を測定することは困難であり得る。したがって、本発明のいくつかの実施形態は、４Ｄ超音波カテーテルを使用して、心拍として心腔壁の画像を取得する。一実施形態では、画像は、多数の心拍にわたって取得され、画像は、分析されて、心臓の筋肉の動きを示す。次いで、これらの動きを使用して、心臓周期のパラメータ、例えば、周期長及びなんらかの基準時間に対する周期のタイミングを推定する。

分析はまた、発生し得る心房細動（atrial fibrillation、ＡＦ）又は心室性期外収縮（premature ventricular contraction、ＰＶＣ）などの任意の不規則性の詳細を示すことができる。周期長及びタイミングは、測定された電気活動、例えば、心電計（electrocardiograph、ＥＣＧ）信号と相関させることができ、その結果、ＥＣＧ信号を使用する代わりに、取得された超音波画像をなんらかの外部デバイスへのトリガとして使用することができる。

超音波撮像を伴う心臓内処置中に、瘢痕組織を含む室の領域を識別することが困難である場合がある。本発明のいくつかの実施形態は、左心室の壁などの心臓の壁を画像化し、壁の表面の動きを測定する。壁の瘢痕領域は、周囲の領域とは異なって運動し、典型的には、全く運動しない。いくつかの実施形態では、プロセッサは、取得された画像をリアルタイムで分析して、静止領域、又はそれらの周囲とは異なって動く領域を識別する。識別された領域は、表示されたビデオ画像上で、またリアルタイムで、瘢痕組織としてマーキングされる。

システムの説明
図１は、本発明の一実施形態による、２Ｄ超音波アレイ５０と、場所センサ５２とを備える遠位端アセンブリ４０を有するカテーテル２１を使用する、カテーテルベースの超音波撮像システム２０の概略描写図である。一体型場所センサ５２は、カテーテル２１の２Ｄアレイ５０と事前に位置合わせされている。

具体的には、センサ５２は、器官内の２Ｄ超音波トランスデューサアレイ５２の位置及び向きを示す信号を出力するように構成されている。システムのプロセッサは、センサによって出力された信号を使用して、２Ｄ超音波トランスデューサアレイ５０によって取得された複数の超音波画像セクションを互いに位置合わせするように構成されている。

示されるように、遠位端アセンブリ４０は、カテーテルのシャフト２２の遠位端に取り付けられている。カテーテル２１は、シース２３を通して、手術台２９上に横たわる患者２８の心臓２６内に挿入される。カテーテル２１の近位端は、制御コンソール２４に接続されている。本明細書に記載の実施形態では、カテーテル２１は、超音波ベースの診断目的で使用されるが、カテーテルは、例えば、先端電極５６を使用して、心臓２６内の組織の電気的感知及び／又はアブレーションなどの治療を行うために更に使用することができる。

医師３０は、カテーテルの近位端の近くのマニピュレータ３２を使用してシャフト２２を操作することによって、カテーテル２１の遠位端アセンブリ４０を心臓２６内の標的場所にナビゲートする。

一実施形態では、挿入図２５に詳細に示される２Ｄ超音波アレイ５０は、心臓２６の左心房を画像化するように構成されている。

挿入図４５に見られるように、超音波アレイ５０は、複数の超音波トランスデューサ５３の２Ｄアレイ５０を含む。挿入図４５は、左心房の肺静脈の心門５４にナビゲートされた超音波アレイ５０を示す。この実施形態では、２Ｄアレイ５０は、３２×６４個の超音波トランスデューサのアレイである。２Ｄアレイは、心門の内壁のセクションを画像化することができる。一体型場所センサ、及び２Ｄアレイとのその事前位置合わせのために、画像化されたセクション内の全てのピクセルの空間座標は、既知である。好適な２Ｄアレイの例は、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ，ｖｏｌ．６３，ｎｏ．１２，ｐｐ．２１５９－２１７３，Ｄｅｃ．２０１６，ｄｏｉ：１０．１１０９／ＴＵＦＦＣ．２０１６．２６１５６０２の、Ｄ．Ｗｉｌｄｅｓらの「４－Ｄ ＩＣＥ：Ａ ２－Ｄ Ａｒｒａｙ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＡＳＩＣ ｉｎ ａ １０－Ｆｒ Ｃａｔｈｅｔｅｒ ｆｏｒ Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ ３－Ｄ Ｉｎｔｒａｃａｒｄｉａｃ Ｅｃｈｏｃａｒｄｉｏｇｒａｐｈｙ」に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

制御コンソール２４は、カテーテル２１からの信号を受信するための、並びに、任意選択的に、心臓２６内でカテーテル２１を介して処置を施すため、及びシステム２０の他の構成要素を制御するための好適なフロントエンド及びインタフェース回路３８を備えるプロセッサ３９、典型的には、汎用コンピュータを備える。コンソール２４はまた、磁場発生器３６を駆動するように構成されているドライバ回路３４を備える。

心臓２６における遠位端２２のナビゲーション中に、コンソール２４は、外部磁場発生器３６からの磁場に応じて、場所センサ５２から位置信号及び方向信号を受信する。磁場発生器３６は、患者２８の外部の既知の位置、例えば、患者が横たわっている台２９の下に配置されている。これらの位置信号及び方向信号は、位置追跡システムの座標系における、２Ｄ超音波アレイ５０の位置及び方向を示す。

外部磁場を使用する位置及び方向の感知方法は、様々な医療用途で、例えば、Ｂｉｏｓｅｎｓｅ Ｗｅｂｓｔｅｒにより製造されているＣＡＲＴＯ（商標）システムに実装されており、米国特許第６，６１８，６１２号及び同第６，３３２，０８９号、国際公開第９６／０５７６８号、並びに米国特許出願公開第２００２／００６５４５５号、同第２００３／０１２０１５０号、及び同第２００４／００６８１７８号に詳細に記述されており、それらの開示は、全て参照により本明細書に組み込まれる。

医師による撮像を容易にするために偏向及び回転を可能にする例示的なカテーテル及び撮像アセンブリは、米国特許第９，９８０，７８６号、同第１０，５３７，３０６号、及び米国特許出願公開第２０２０－００６１３４０（Ａ１）号に詳細に記載されており、これらの開示は、全て参照により本明細書に組み込まれる。

いくつかの実施形態では、プロセッサ３９は、アレイ５０を「時間モード」で動作させて、多数の心拍にわたって発生するゲート取得を伴う、心臓領域の時間における動きを画像化するように構成することができる。追加的又は代替的に、撮像は、単一の心拍にわたって行うことができる。一実施形態では、画像化された心臓領域は、例えば、リアルタイムの体積レンダリング５５ビデオとして、モニタ２７上でプロセッサ３９によって医師３０に提示される。

プロセッサ３９は、典型的には、汎用コンピュータを備え、このコンピュータは、本明細書に記載されている機能を実行するソフトウェアでプログラムされている。ソフトウェアは、例えばネットワーク上で、コンピュータに電子形態でダウンロードすることができる、あるいは、代替的に又は追加的に、磁気メモリ、光学メモリ、若しくは電子メモリなどの、非一時的実体的媒体上に提供及び／又は記憶することができる。

図１に示される例示的な構成は、単に概念を明確化する目的で選択される。本開示の技法は、他のシステム構成要素及び設定を使用して、同様に適用されることができる。例えば、システム２０は、追加の構成要素を備え、非心臓カテーテル法を実行してもよい。

組織の歪みの推定及び提示
上記のように、４Ｄカテーテルのオペレータは、例えば、左心室の壁内の、特定の組織の場所（ξ，η，ζ）を選択することができ、組織の場所は、経時的に３次元で追跡される。追跡は、経時的な組織の場所の変化の３Ｄ値（Δξ，Δη，Δζ）を提供し、異なる値は、内部の組織の歪みに対応する。

その後に器官レンダリングにわたって視覚化することができる３Ｄ歪みテンソルは、以下のように計算することができる。

式中、Ｉは、単位行列であり、Ｆは、以下によって与えられる組織変形勾配テンソルである。

式中、本発明者らの座標系に記載されているように、ξ、η、及びζは、測定時間における成分を表し、ｘ、ｙ、及びｚは、基準時間における相互直交成分を表す。変形勾配テンソルは、基準時間から測定時間までの単位ベクトルの各軸の変化を示す。

図２は、本発明の実施形態による、図１のシステム２０を使用した超音波心臓内取得、続いて、組織運動マップ３５０、複合組織運動、局所活性化時間（ＬＡＴ）マップ３５５、及びＥＰパラメータ３７７の導出の概略描写図である。

見られるように、システム２０は、カテーテル２１を使用して器官２５４の内壁５４の画像化されたセクション２６０の超音波２Ｄビーム２５０取得を実行する。超音波取得中、場所センサ５２は、図１の磁気追跡システムの座標系３３３における超音波アレイ５０の位置、方向、及び向きを追跡する。

図２は、壁５４内の特定の組織の場所｛（ξ_ｊ，η_ｊ，ζ_ｊ）｝２２２が経時的に３次元で追跡されて、｛（ξ_ｊ（ｔ），η_ｊ（ｔ），ζ_ｊ（ｔ））｝のグラフ３４４をもたらす様子を更に示す。

３Ｄの追跡された場所、並びに上記の式１及び式２を使用して、プロセッサ３９は、組織歪みのレンダリング３５０を生成する。レンダリング３５０は、色分けされたレンダリングであってもよく、異なる色３５２は、異なるレベルの歪みを示す。レンダリング３５０では、瘢痕組織領域３５４は、非常に低い歪み（例えば、所与の閾値未満の歪み）を示すように、その固有の色によって識別することができる。

図２に見られるように、センサ５２によるアレイ５０の場所の読み取り値によって可能にされる位置合わせを使用して、プロセッサ３９は、レンダリング３５０を（ＬＡＴ値のレンダリングなどの）ＥＰ特性のレンダリングと更に組み合わせて、複合レンダリング３５５を取得することができる。見られるように、ＥＰ波面３６０及びレンダリング３５０の色分けされた物理的運動の両方は、同じマップ３５５上で同時に観察される。

最後に、プロセッサ３９は、マップ３５０を分析して、周期長及び心拍のタイミングなどの心臓拍動のパラメータ３７７を導出して示すことができる。

図２に示される例示的な構成は、単に概念を明確化する目的で選択されている。例えば、複合マップ３５５は、双極組織電圧レベル又は単極組織電圧レベルマップなどの他のＥＰマップを含むことができる。

図３は、本発明の一実施形態による、図２の結果を導出して表示する方法を概略的に示すフローチャートである。この手順は、４Ｄ超音波取得ステップ３８０で、図１に示されるようになど、心室内の超音波２Ｄ取得を実行することによって始まる。

次に、組織運動マップ導出ステップ３８２で、プロセッサ３９は、図２に記載されるレンダリング３５０などの組織運動マップを導出する。

３Ｄ歪みレンダリング提示ステップ３８４で、プロセッサ３９は、図１のモニタ２７上のレンダリング５５により示されるようになど、ステップ３８２の心臓組織運動レンダリングをユーザに表示する。

マップ３６０などの複合マップを生成するために、プロセッサ３９は、座標位置合わせステップ３８８で、センサ５２からの読み取り値を使用して、組織運動マップの座標をＬＡＴマップなどのＥＰマップの座標と位置合わせする。

その後、プロセッサ３９は、複合レンダリング提示ステップ３９０で、ステップ３８８の複合レンダリングを図１のモニタ２７上でユーザに表示することができる。

ステップ３８２で導出された歪みマップを使用して、プロセッサ３９は、心臓パラメータ抽出ステップ３９２で、図２の心臓拍動のパラメータ３７７などの心臓機能パラメータを抽出する。最後に、プロセッサ３９は、心臓パラメータ提示ステップ３９４で、ステップ３８２の運動マップから抽出された心臓パラメータを図１のモニタ２７上でユーザに表示することができる。一実施形態では、心臓パラメータ（例えば、周期時間）は、グラフィカルコード化された３Ｄレンダリングとして表示される。追加的又は代替的に、心臓周期タイミングは、なんらかの外部デバイスを同期させるためのトリガ信号として使用することができる。

様々な実施形態では、上記の図３のプロセスは、必要に応じて、４Ｄ画像及び／又は３Ｄ画像に適用することができる。

本明細書に記載されている実施形態は、主に心臓用途に対処しているが、本明細書に記載された方法及びシステムは、必要な変更を加えて、他の身体器官に使用することができる。例えば、超音波からの歪み情報は、別の撮像モダリティを使用して推定された筋肉内のカルシウムレベルと相関させることができる。別の例として、横隔膜機能を評価する際に、神経興奮との相関関係で横隔膜歪みを測定するために超音波を使用することができる。

したがって、上述の実施形態は、例として引用したものであり、本発明は、上記に具体的に示し、かつ説明したものに限定されないことが理解されよう。むしろ、本発明の範囲は、上記の明細書に記載される様々な特徴の組み合わせ及び部分的組み合わせの両方、並びに前述の説明を読むことで当業者に想到されるであろう、先行技術において開示されていないそれらの変形例及び修正例を含むものである。参照により本特許出願に組み込まれる文献は、これらの組み込まれた文献において、いずれかの用語が本明細書において明示的又は暗示的になされた定義と矛盾する様式で定義される範囲では、本明細書における定義のみを考慮するものとする点を除き、本出願の不可欠な部分と見なすものとする。

〔実施の態様〕
（１） 医療システムであって、
身体の器官に挿入するための超音波プローブであって、
２次元（２Ｄ）超音波トランスデューサアレイと、
前記器官内の前記２Ｄ超音波トランスデューサアレイの位置、方向、及び向きを示す信号を出力するように構成されたセンサと、を備える、超音波プローブと、
プロセッサであって、
前記センサによって出力された前記信号を使用して、前記２Ｄ超音波トランスデューサアレイによって所与の持続時間にわたって取得された、組織領域の複数の超音波画像を互いに位置合わせすることと、
前記所与の持続時間にわたって取得された前記超音波画像に基づいて、前記組織領域内の１つ以上の場所について時間の関数として３次元変位を推定することと、
前記３次元変位に基づいて、前記組織領域内の前記１つ以上の場所のそれぞれの機械的歪みを推定することと、
前記機械的歪みの時間依存レンダリングをユーザに提示することと、を行うように構成された、プロセッサと、
を備える、医療システム。
（２） 前記プロセッサが、前記機械的歪みの前記時間依存レンダリングを電気生理学的（ＥＰ）信号層と一緒に提示することを行うように構成されている、実施態様１に記載の医療システム。
（３） 前記ＥＰ信号層が、局所活性化時間（ＬＡＴ）を含む、実施態様２に記載の医療システム。
（４） 前記ＥＰ信号層が、双極組織電圧レベル及び単極組織電圧レベルのうちの１つを含む、実施態様２に記載の医療システム。
（５） 前記プロセッサが、前記センサによって出力された前記信号を使用して、心拍のタイミングの層及び局所活性化時間（ＬＡＴ）の層を含む複合レンダリングを生成することを行うように構成されている、実施態様１に記載の医療システム。

（６） 前記プロセッサが、前記推定された歪みを使用して、前記組織領域内の瘢痕組織を識別することを行うように更に構成されている、実施態様１に記載の医療システム。
（７） 医療システムであって、
身体の器官に挿入するための超音波プローブであって、
２次元（２Ｄ）超音波トランスデューサアレイと、
前記器官内の前記２Ｄ超音波トランスデューサアレイの位置、方向、及び向きを示す信号を出力するように構成されたセンサと、を備える、超音波プローブと、
プロセッサであって、
前記センサによって出力された前記信号を使用して、前記２Ｄ超音波トランスデューサアレイによって所与の持続時間にわたって取得された、組織領域の複数の超音波画像を互いに位置合わせすることと、
前記所与の持続時間にわたって取得された前記超音波画像に基づいて、前記組織領域内の１つ以上の場所について時間の関数として３次元変位を推定することと、
前記３次元変位に基づいて、前記組織領域内の前記１つ以上の場所のそれぞれの機械的歪みを推定することと、
前記歪みに基づいて、前記領域内の心臓周期のパラメータを推定することと、を行うように構成された、プロセッサと、
を備える、医療システム。
（８） 前記プロセッサが、前記心臓周期の前記パラメータをユーザに対して視覚化することを行うように構成されている、実施態様７に記載の医療システム。
（９） 前記プロセッサが、前記センサによって出力された前記信号を使用して、前記心臓周期の前記推定されたパラメータ及び電気生理学的（ＥＰ）信号層を含む複合レンダリングを生成することを行うように構成されている、実施態様７に記載の医療システム。
（１０） 前記心臓周期の前記パラメータが、周期長を含む、実施態様７に記載の医療システム。

（１１） 前記心臓周期の前記パラメータが、前記心臓周期のタイミングを含む、実施態様７に記載の医療システム。
（１２） 前記プロセッサが、前記検出されたタイミングを使用して、前記心臓周期と同期して別のデバイスをトリガすることを行うように構成されている、実施態様１０に記載の医療システム。
（１３） 方法であって、
超音波プローブを身体の器官に挿入することであって、前記超音波プローブが、
２次元（２Ｄ）超音波トランスデューサアレイと、
前記器官内の前記２Ｄ超音波トランスデューサアレイの位置、方向、及び向きを示す信号を出力するように構成されたセンサと、を備える、挿入することと、
前記センサによって出力された前記信号を使用して、前記２Ｄ超音波トランスデューサアレイによって所与の持続時間にわたって取得された、組織領域の複数の超音波画像を互いに位置合わせすることと、
前記所与の持続時間にわたって取得された前記超音波画像に基づいて、前記組織領域内の１つ以上の場所について時間の関数として３次元変位を推定することと、
前記３次元変位に基づいて、前記組織領域内の前記１つ以上の場所のそれぞれの機械的歪みを推定することと、
前記機械的歪みの時間依存レンダリングをユーザに提示することと、
を含む、方法。
（１４） 前記時間依存レンダリングを提示することが、前記機械的歪みの前記時間依存レンダリングを電気生理学的（ＥＰ）信号層と一緒に提示することを含む、実施態様１に記載の方法。
（１５） 前記ＥＰ信号層が、局所活性化時間（ＬＡＴ）を含む、実施態様１４に記載の方法。

（１６） 前記ＥＰ信号層が、双極組織電圧レベル及び単極組織電圧レベルのうちの１つを含む、実施態様１４に記載の方法。
（１７） 前記センサによって出力された前記信号を使用して、心拍のタイミングの層及び局所活性化時間（ＬＡＴ）の層を含む複合レンダリングを生成することを含む、実施態様１３に記載の方法。
（１８） 前記推定された歪みを使用して、前記組織領域内の瘢痕組織を識別することを含む、実施態様１３に記載の方法。
（１９） 方法であって、
超音波プローブを身体の器官に挿入することであって、前記超音波プローブが、
２次元（２Ｄ）超音波トランスデューサアレイと、
前記器官内の前記２Ｄ超音波トランスデューサアレイの位置、方向、及び向きを示す信号を出力するように構成されたセンサと、を備える、挿入することと、
前記センサによって出力された前記信号を使用して、前記２Ｄ超音波トランスデューサアレイによって所与の持続時間にわたって取得された、組織領域の複数の超音波画像を互いに位置合わせすることと、
前記所与の持続時間にわたって取得された前記超音波画像に基づいて、前記組織領域内の１つ以上の場所について時間の関数として３次元変位を推定することと、
前記３次元変位に基づいて、前記組織領域内の前記１つ以上の場所のそれぞれの機械的歪みを推定することと、
前記歪みに基づいて、前記領域内の心臓周期のパラメータを推定することと、
を含む、方法。
（２０） 前記心臓周期の前記パラメータが、ユーザに対して視覚化される、実施態様１９に記載の方法。

（２１） 前記センサによって出力された前記信号を使用して、前記心臓周期の前記推定されたパラメータ及び電気生理学的（ＥＰ）信号層を含む複合レンダリングを生成することを含む、実施態様１９に記載の方法。
（２２） 前記心臓周期の前記パラメータが、周期長を含む、実施態様１９に記載の方法。
（２３） 前記心臓周期の前記パラメータが、前記心臓周期のタイミングを含む、実施態様１９に記載の方法。
（２４） 前記検出されたタイミングを使用して、前記心臓周期と同期して別のデバイスをトリガすることを含む、実施態様２３に記載の方法。

Claims (12)

1. 医療システムであって、
   身体の器官に挿入するための超音波プローブであって、
   ２次元（２Ｄ）超音波トランスデューサアレイと、
   前記器官内の前記２Ｄ超音波トランスデューサアレイの位置、方向、及び向きを示す信号を出力するように構成されたセンサと、を備える、超音波プローブと、
   プロセッサであって、
   前記センサによって出力された前記信号を使用して、前記２Ｄ超音波トランスデューサアレイによって所与の持続時間にわたって取得された、組織領域の複数の超音波画像を互いに位置合わせすることと、
   前記所与の持続時間にわたって取得された前記超音波画像に基づいて、前記組織領域内の１つ以上の場所について時間の関数として３次元変位を推定することと、
   前記３次元変位に基づいて、前記組織領域内の前記１つ以上の場所のそれぞれの機械的歪みを推定することと、
   前記機械的歪みの時間依存レンダリングをユーザに提示することと、を行うように構成された、プロセッサと、
   を備える、医療システム。
2. 前記プロセッサが、前記機械的歪みの前記時間依存レンダリングを電気生理学的（ＥＰ）信号層と一緒に提示することを行うように構成されている、請求項１に記載の医療システム。
3. 前記ＥＰ信号層が、局所活性化時間（ＬＡＴ）を含む、請求項２に記載の医療システム。
4. 前記ＥＰ信号層が、双極組織電圧レベル及び単極組織電圧レベルのうちの１つを含む、請求項２に記載の医療システム。
5. 前記プロセッサが、前記センサによって出力された前記信号を使用して、心拍のタイミングの層及び局所活性化時間（ＬＡＴ）の層を含む複合レンダリングを生成することを行うように構成されている、請求項１に記載の医療システム。
6. 前記プロセッサが、前記推定された歪みを使用して、前記組織領域内の瘢痕組織を識別することを行うように更に構成されている、請求項１に記載の医療システム。
7. 医療システムであって、
   身体の器官に挿入するための超音波プローブであって、
   ２次元（２Ｄ）超音波トランスデューサアレイと、
   前記器官内の前記２Ｄ超音波トランスデューサアレイの位置、方向、及び向きを示す信号を出力するように構成されたセンサと、を備える、超音波プローブと、
   プロセッサであって、
   前記センサによって出力された前記信号を使用して、前記２Ｄ超音波トランスデューサアレイによって所与の持続時間にわたって取得された、組織領域の複数の超音波画像を互いに位置合わせすることと、
   前記所与の持続時間にわたって取得された前記超音波画像に基づいて、前記組織領域内の１つ以上の場所について時間の関数として３次元変位を推定することと、
   前記３次元変位に基づいて、前記組織領域内の前記１つ以上の場所のそれぞれの機械的歪みを推定することと、
   前記歪みに基づいて、前記領域内の心臓周期のパラメータを推定することと、を行うように構成された、プロセッサと、
   を備える、医療システム。
8. 前記プロセッサが、前記心臓周期の前記パラメータをユーザに対して視覚化することを行うように構成されている、請求項７に記載の医療システム。
9. 前記プロセッサが、前記センサによって出力された前記信号を使用して、前記心臓周期の前記推定されたパラメータ及び電気生理学的（ＥＰ）信号層を含む複合レンダリングを生成することを行うように構成されている、請求項７に記載の医療システム。
10. 前記心臓周期の前記パラメータが、周期長を含む、請求項７に記載の医療システム。
11. 前記心臓周期の前記パラメータが、前記心臓周期のタイミングを含む、請求項７に記載の医療システム。
12. 前記プロセッサが、前記検出されたタイミングを使用して、前記心臓周期と同期して別のデバイスをトリガすることを行うように構成されている、請求項１０に記載の医療システム。

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