JP3537822B2 - 超音波による介在的医療装置の位置決定 - Google Patents

超音波による介在的医療装置の位置決定

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Description

【発明の詳細な説明】
［発明の技術分野］ 本発明は超音波投影システムに関し、特にドップラー
シフトを生じさせる運動の検出によるカラー超音波投影
システムの介在的（interventional）医療装置の位置の
検出および表示に関する。 ［背景技術］ 医療専門家において良く知られているように、超音波
投影は、外科医が重要と考える患者の体内の領域を観察
することを可能にするために使用されている。例えば、
超音波投影は可能性のある悪性腫瘍のバイオプシイ（bi
opsy）検査等の工程で使用される。バイオプシイ検査工
程において、バイオプシイ針等の介在的医療装置が患者
に挿入され、超音波投影システムによって投影される内
部領域に移動される。このような工程中の外科医の目的
は、バイオプシイ針による除去のためにそれを組織片
（tissue masses）に近づけながら針を明瞭に視覚化し
て、体内の針の移動を監視することである。 患者の体内を通ってまたはその他の方法で針を案内し
たときのその移動を使用者が観察することを可能にする
種々の手段を使用した種々の方法が存在している。特
に、Jeffry E.Powersによる米国特許第5,095,910号明細
書（1992年３月17日出願）（´910号特許明細書）を参
照されたい。この特許明細書には、超音波によりバイオ
プシイ針を投影するシステムが記載されており、ここに
おいて針は、針の先端の往復運動により発生させられた
制御された高度に方向的な運動によりカラー超音波投影
システムにおいてドップラー応答を生じさせる。´910
号特許明細書には、除去可能なスタイレットを伝達する
中空カニユーレ（cannula）を含むバイオプシイ針が記
載されている。スタイレットの基部に近い端部に結合さ
れ、スタイレットを往復運動させる手段が示されてお
り、スタイレットの先端部はカニユーレの末端部で往復
運動させられる。この運動は、バイオプシイ検査が行な
われる投影された生体領域のドップラー呼掛け（interr
ogation）により検出される往復運動である。針先端で
発生するドップラーシフトは検出され、カラー超音波投
影システムによって走査されている生体領域のイメージ
中に表示される。これは、バイオプシイ検査を行うべき
組織に針先端を近づけながら、針先端を監視することを
可能にする。この特定の装置は、アドヴァンスト・テク
ノロジィ・ラボラトリーズ社（Bothell,Washington）か
ら入手できるウルトラマーク９カラーフロー投影システ
ムにおいて使用されるようなカラーフロー投影システム
と関連して説明される。いずれにしても、説明された装
置は比較的広い周波数範囲にわたってバイオプシイ針を
往復運動させることを試み、針の先端の往復運動は超音
波投影システムによりドップラー信号呼掛けにより検出
可能なドップラーシフトを結果的に生じさせる。 上記のように、´910号特許明細書にはスタイレット
による針の軸に沿った往復運動（針の外側の中空管、す
なわちカニユーレ内の内部の固体成分）の使用が記載さ
れている。この方法はカニユーレから延在して、先端の
近くの組織を移動するスタイレットの先端に依存する。
この動作は、カラーフロー投影システムによって検出さ
れ、カラーとして示される。したがって、説明された方
法では針の先端だけが示され、組織が腫瘍の壊死した中
心等の液体であるか、或は超音波ビームに対して直角の
場合、先端は示されない。説明された方法において、駆
動装置は針のハブ中にあり、特別に処理された針または
説明されたシステムにおいて使用するための別のこのよ
うな装置を必要とする。 別の方法はまたソフトな組織の解析に良好に適合する
超音波投影技術を使用する。この点については、Vilkom
erson氏他による米国特許第5,076,278号明細書（1991年
12月31日出願）が参照される。この特許明細書には、広
い入射角度にわたる音波に感応し、カテーテルまたはそ
の他の医療装置に取付けられた環状の超音波トランスデ
ューサが記載されている。超音波投影システムを使用す
ることによって、超音波走査モード中のカテーテル上の
トランスデューサの位置が確認され、投影システムによ
って生成されたイメージ中に含まれることができる。´
910号特許明細書に示されたシステムの場合のように、
医療装置の１点だけが検出および表示される。 ´910号特許明細書に示されたカラー超音波投影は、
比較的新しい形態の超音波投影である。カラー超音波投
影についての背景情報に対して、文献（Vilkomerson,
D.,Gardineer,B.,およびLyons,DによるElectro−Intern
ational Conference Record,Region 1,Central New Eng
land Council,METSAC,IEEE and New England and New Y
ork Chapters,ERA,1991年４月16乃至18日,64−65頁）も
また参照される。 カラー投影はまた血液速度を測定するために使用され
る超音波システムにおいて使用されている。従来技術に
おいて、移動している血球は周波数がドップラーシフト
される超音波エネルギを反射することが認められてい
る。したがって、血液の速度は超音波投影システムを使
用することによって測定されてもよい。さらに、超音波
投影システムは、ドップラーシフトの測定によって血液
速度を測定すべき血管の最良の点の位置を定めるために
使用されている。血管中のある点における後方散乱され
た超音波のドップラーシフトは、後方散乱された信号の
直角（quadrature）時間サンプルの検出によって測定さ
れる。この技術は、サンプリング時間における信号ベク
トルの実数および虚数部分を検出するために伝送された
周波数における正弦波および余弦波混合と共に信号のモ
ノダイン検出を伴う。各血球からの個々の信号ベクトル
の和であるこの信号ベクトルは、ゆっくり変化する（血
球は同じ相対的位置にあると考えられる）が、血球がト
ランスデューサに向かって流れるか、或はそれから流れ
るかに応じて位相的に前進または後退する。 図１（従来技術）は、信号ベクトル20の２つの時間内
に異なる測定結果を示す。信号ベクトル20が時間t1で得
られ、時間ｔの後、信号ベクトル20が時間t2で同じ血液
サンプルから得られた場合、信号ベクトル20は逆時計方
向にθ（t1）からθ（t2）に前進する。信号ベクトルの
継続した測定は、信号ベクトルが速度fdで回転すること
を示し、それが標準的な物理方程式によって計算される
ドップラー周波数であることが証明されることができ
る。したがって、ドップラー周波数は、時間の関数とし
て血液速度の分布を示すためにスペクトル解析装置によ
って解析されることができる。しかしながら、イメージ
フレーム全体にわたるドップラー情報はこの技術によっ
て与えられない。さらに、ドップラー超音波信号路はイ
メージ超音波信号路と無関係である。 これらの欠点を克服するために、従来技術において図
１に示された測定が血液速度を決定するのに十分である
ことが認められた。図１に示された位相シフトは、血球
が移動した波長の距離に比例する。さらに、測定間の時
間的期間は分かっているため、測定の間の時間で血管が
移動した距離を除算すると血液速度が得られる。血液速
度を計算するためには血管中のある点の２個のサンプル
で十分であったため、血液速度を決定するために投影パ
ルスが使用されている。したがって、血球の速度は超音
波投影ディスプレイ中の各点毎に決定されることができ
る。さらに、既知の血液速度システムにおいて血球の速
度はイメージディスプレイ上に表示され、イメージディ
スプレイ中の画素が各点毎の血球の速度の関数として着
色される。 カラー超音波投影システムは、動脈中の血液の比較的
小さい運動、ミクロンで測定される移動に感応する。こ
れまで開発された典型的なシステムは、カラーイメージ
ディスプレイ上に１秒当り１乃至100cm（１乃至100cm/s
ec）以上の範囲の速度を示すことができる。これを実現
するために、第１および第２のイメージパルスが検出さ
れるべき速度の程度に応じて80乃至330マイクロ秒（μs
ec）ごとに生成される。投影パルスのサンプリング間隔
が118mμ秒のときに5cm/秒の速度が検出された場合、そ
の点の移動は5cm/秒×118μ秒、すなわちほぼ６ミクロ
ンである。このようにして、ミクロン程度の小さい振動
運動がカラーフロー投影によって検出されることができ
る。 さらに、超音波を良好に反射して、超音波イメージの
針をさらに見易くすることを試みる溝を有する先端を備
えた市販の針（例えばW.Cook社製のエコーチップ）があ
る。 付加的な技術的背景に関連して、数年前、外科医は針
が組織を通って前進された時に現れるカラーイメージを
認識した（McNamara,M.P.,AJR 152.p1123（1989）,Kuro
hiji et al.,J.Ultrasound Med 9:pp243−245,1990）。
1991年２月のAIUMに掲載された論文（Journal of Ultra
sound in Medicine,Volume 10,Number3,p.64の要約を参
照されたい）において、Kimme−Smith氏他は前の観察の
延長として400Hzのブザーを使用することによってカラ
ーフロー投影システムで針を見易くすることを明らかに
した。Kimme−Smith氏による論文に示された考えは、厳
密に行われたことに関して論文は明確に示していない
が、ブザーが手によって行われるのと同様に往復運動で
動作するということである。著者は、その方法を使用し
た一貫した視覚化を報告していない。 ［発明の説明］ 本発明は、介在的医療装置において周期的または機械
振動的な運動を生じさせる方法および装置に関する。機
械的な運動の振動特性は、カラー超音波投影システムに
よって容易に検出される著しいドップラーシフト効果を
生じさせ、投影システムによって走査および表示される
患者の領域内における装置の明瞭なカラーイメージを提
供する。本発明は、装置を投影するために介在的装置の
存在を検出可能にするベースとして、既知のカラー超音
波投影システムの感度をミクロンの大きさの振動に対し
て使用する。ミクロンの大きさの振動歪みは、カラー超
音波投影システムが中間調イメージの周囲の組織内にお
いて着色されたイメージの装置を検出し、表示すること
を可能にする。 一般に、本発明は予め選択された機械的な位置を通っ
て周期的に移動するように制御可能に活性化される機械
的な運動機構を含む。機械的な結合素子は、機械的な運
動機構上に取付けられ、介在的装置に対して振動する力
として周期的な運動により発生された機械的なエネルギ
を伝送するために介在的装置に結合されている。本発明
によると、運動の予め選択された機械的な位置および振
動特性は、介在的装置の長手に沿って伝播するたわみ波
として結合素子を介して周期的な運動により生成された
機械的なエネルギを伝送するように調整され、構成され
ている。 たわみ波は、ある状況下においてロッド状の素子にお
いて生じる既知の形態の振動運動である。ロッド状の素
子は、例えば針および案内導線等の介在的医療装置の典
型的な構造である。たわみ波は、定在波または伝播波に
類似した特性を示す。例えば、介在的医療装置に伝達さ
れた機械的な運動は、正弦波形状を示す装置の全長に沿
ってミクロン的な大きさの機械的な歪みを生じさせるよ
うに制御されることができる。正弦波形状は、その周期
的に変化するピークおよび谷の関数として伝送されたた
わみ波の長さに沿って一連のドップラーシフトを生じさ
せる。 さらに、機械的な運動機構は、例えばたわみ波がロッ
ド形状の介在的装置の１以上の特定の軸に沿って伝播す
るように特定の軸モードで機械的な運動を伝達するよう
に制御されることができる。したがって、機械的な運動
機構は、装置のX,YおよびＺの１以上の軸に沿ってたわ
み波を伝播させるように構成され、制御されることがで
きる。さらに、装置の予め選択された軸に沿った非常に
効率的なたわみ波の発生は、介在的装置が機械的な運動
機構に結合されて患者の体内に挿入されたとき、介在的
装置の１以上の共振周波数に対応するようにたわみ波を
生じさせる機械的な運動の期間を固定することによって
達成できる。 機械的な運動機構は、それが介在的装置の１以上の共
振周波数に設定された駆動力によって付勢されたとき
に、１以上の予め選択された軸に沿ったたわみ波の伝送
を結果的に生じさせる周期的な位置を示すために使用さ
れることができる。さらに、駆動力は通常のフィードバ
ック技術によって効果的に制御され、共振周波数で所望
の動作を維持することができる。 本発明において、たわみ波の形状を呈する介在的装置
の機械的な歪みは、介在的装置が体内に配置されたとき
に介在的装置全体の改良された投影のために高感度のカ
ラー超音波投影システムによって容易に検出される伝播
されたたわみ波形状に沿って一連のドップラーシフトを
生じさせることが認められている。さらに、共振周波数
動作の下に軸モードでたわみ波を伝送することによっ
て、超音波カラー投影システムの走査装置は、例えば各
X,YおよびＺ軸方向から生じたドップラーシフトにさら
されることができる。したがって、介在的装置と走査装
置との間の方位付けは、介在的装置の検出および正確な
表示にとって重要ではない。さらに、軸モードは、共振
周波数で波を生成することから得られる効果的な軸モー
ド動作に対して装置の固有の共振が利用されることを可
能にする。 特定の軸モードのたわみ波は、伝播軸を越えてある程
度移動することもまた観察されている。したがって、ド
ップラーシフトは特定のX,YおよびＺ軸の位置を越えて
延在する介在的装置の位置から与えられる。移動現象は
介在的装置の検出能力を拡大し、一方で共振周波数活動
中に伝送されたたわみ波により機械的な歪みを生じさせ
ることによって提供された効率を維持する。動作の効率
は、既知のカラー超音波投影システムのミクロンの大き
さの歪み感度を利用することによってさらに高められ
る。介在的装置に伝送されたたわみ波の波動（undulati
on）は、装置の全長に沿ったドップラーシフトの高品質
の検出を可能にするのに大きさが数ミクロンであるだけ
でよい。検出されたドップラーシフトは、周囲の組織の
中間調イメージ内においてカラーイメージの装置全体を
生成し、表示するために使用されることができる。 ［図面の簡単な説明］ 図１は、２つの信号ベクトルの時間的な測定値を示
し、本発明の動作の説明に有効なグラフである。 図２は、本発明によるカニユーレまたはその他の素子
に機械的な運動を伝達するための超音波投影システムの
概略図である。 図３は、本発明による針に結合された機械的な運動機
構の平面図である。 図４は図4a、4bおよび4cからなり、本発明によるたわ
み波処理によって行われる種々の共振周波数モードを示
す。 図５は図5a、5b、5cおよび5dを含み、図３に示された
機械的な運動機構を付勢する種々の駆動システムを示
す。 図６は、本発明の説明に有効な電圧対周波数応答特性
を示したグラフである。 図７は、図３に示された機械的な運動機構に駆動電圧
を供給するためのフィードバックベースの周波数制御技
術を示したブロック図である。 図８は図8a、8bおよび8cを含み、図７に示されたフィ
ードバック方式で使用できる種々の駆動および感知機構
を示した一連の図である。 ［本発明を実行する最良のモード］ 上記のように、図１は血液速度が典型的な超音波シス
テムにおいてどのようにして測定されるかを示す関連図
である。良く知られているように、このような測定はま
た針のような介在装置の往復運動またはその他の運動を
検出するために実行されることができる。図２を参照す
ると、本発明の１実施例の動作を表わした簡単なブロッ
ク図が示されている。図２は、ディスプレイ25を有する
超音波投影システム24に結合された超音波投影装置走査
ヘッド22を示す。介在的装置のような振動素子30の１点
以上に投影パルス26を印加する走査ヘッド22が示されて
いる（破線の振動素子30の変位は簡明化のために誇張さ
れている）。介在的素子30は、例えば針であることがで
きる。動作の一例として、点28は走査ヘッドに対して、
第１の投影パルス26が発生したとき最も近く、第２の投
影パルスが発生したときに最も遠くなることができる。
既知の投影システム24は、１秒当たり１乃至100cm（cm/
秒）以上で運動している素子の速度を検出し、表示する
ことができる。これを達成するために、図２の第１およ
び第２の投影パルス26は、検出されるべき速度の程度に
応じて典型的に80乃至330マイクロ秒（μ秒）ごとに生
成される。投影パルスのサンプリング間隔が118マイク
ロ秒に設定された状態で、5cm/秒の速度が検出された場
合、点28の検出される変位は5cm/秒×118μ秒、すなわ
ちほぼ６ミクロンである。したがって、上記のようにミ
クロン程度の小さい振動運動が既知のカラーフロー投影
システムによって検出されることができる。 以下図２を参照して説明するように、本発明による機
械的な運動機構31は、針30に結合される。機械的な運動
機構31は、装置のX,YおよびＺ軸のうち１以上の軸に沿
って機械的なエネルギを伝送することができるモードを
含む多数の機械的な運動モードのうち１以上のもので動
作することができる。本発明によると、機械的な運動機
構31によって生成された機械的なエネルギは、針30に対
する機械的なエネルギのたわみ波の形態での伝送を生じ
させる。結果的に、針30は図２に示されているように実
線と破線との間でたわみモードで振動する。このように
して、針30はX,Yおよび、またはＺ平面においてたわみ
振動を示す。したがって、超音波投影システム24は、X,
Yおよび、またはＺの任意の平面におけるたわみ波の波
動の結果生じたドップラー運動を走査装置22を介して検
出し、ディスプレイ25上に患者内の針30の位置について
正しい指示を提供することができる。反対に、従来技術
において上記に認められるように、検出および表示され
るべき針の運動は、針の縦方向の軸に沿った高度に方向
的な往復運動である。走査ヘッドが針に関して方位付け
される方法に応じて、針の往復運動は完全に失われる
か、或は曖昧なものになるため、医師は患者の身体に関
する針の正しい位置を知ることができない。 図３に関連して示し、以下説明するように、機械的な
運動機構31は特有の振動モードで動作し、針30に沿って
たわみ波を発生し、伝送する。上記のたわむという言葉
は、機械的な運動機構31によって発生された機械的なエ
ネルギ伝送の波状の特性によって生成された針の湾曲ま
たは屈曲状態を示すために使用されている。たわみは、
材料において応力を設定するのに偏向が適切であるとき
に弾性構造材料において発生する。たわみ波は、定在波
または伝播波のように動作し、そのような特性を示す振
動的なたわみ波である。１実施例において、機械的な運
動の発生によって生成されたたわみ波は、以下さらに説
明するように針30の共振周波数に対応する同期されてい
るが高調波的に関連していない周波数でＸ、Ｙおよび、
またはＺ軸に沿ってまたはその近くを伝送される。 図３を参照すると、ハブ42と関連した針またはカニユ
ーレ41が示されている。針41は本発明の１実施例による
全体的に参照符号40で示された機械的な運動機構を通っ
て導かれ、それに結合される。機構40は、真鍮、亜鉛、
ステンレススチールおよびそれらの合金等の適切な金属
材料から構成される。“VIBER"という用語は、本発明の
出願人のEcho Cath社によって商標名として使用されて
いる新造された用語であり、振動機構40を説明するため
に使用されている。確認できるように、機構40は、振り
子型の部材45と一側で接し、また１以上の板状のピエゾ
結晶ダイヤグラム48を取付けるように構成された部分46
と他方の側で接する細長い周囲からのスロット44を有す
るほぼＣ型の形状に形成されている。１以上のピエゾ結
晶ダイヤグラム48は、以下説明するように適切な電圧源
によって活性化または付勢される。例えば、示されたピ
エゾ結晶ダイヤグラム48を電圧源に結合するために金属
電極板49が使用されることができる。 図３および図４に示されているように、VIBER機構40
は、以下明らかにされるように種々の予め選択された運
動の影響を受けるように設計された比較的複雑な構造の
中部中空部分を有するほぼ円筒型または環状の部材であ
る。例えば図４において認められるようにスロット44
は、環状のVIBER機構40の中心を通って下部湾曲面に向
かって延在している。スロットは幅の狭いネック部分お
よびネック部分に関して大きい質量を有する端部とを備
えた振り子型の部材45と一側で接している。振り子型の
部材45の端部は、ネック部分と共に振り子形の構造を形
成している。図３および図４の両方に示されているよう
に、ピエゾ結晶ダイヤグラム48を保護するように機能す
る従属壁65もまた下方に延在している。ピエゾ結晶ダイ
ヤグラム48は、VIBER機構40と一体に形成されるか、或
はエポキシ、接着剤等によってVIBER機構40にしっかり
と結合され、および、またはVIBER機構40をばねで開放
してダイヤグラム48を挿入した後、フレームを緩和さ
せ、それによって機構40が緩和した位置に戻ったときに
ダイヤグラム48を強固に把持することにより位置を保持
される単モルフ構造のセラミックスラブ等の分離したダ
イヤグラムであってもよい。金属電極板49は、接着剤、
エポキシ、溶接およびその他の適切な方法によってピエ
ゾ結晶ダイヤグラム48に結合されているが、ダイヤグラ
ム48の中心からずらされている。 ばね状のクリップ43は、図３に示されてるように振り
子型の部材45に取付けられる。クリップ43は、針または
カニユーレ41をVIBER機構40に固定するために使用され
る。VIBER機構40の利点の１つは、それが任意のタイプ
の針41に固定されることが可能なことである。針を固定
する手段がフレキシブルである限り、ばね状ワイヤ金属
クリップ43等の異なる針ゲージがクリップ43によって固
定されることができる。現在の医療現場において、ゲー
ジが16（直径1.6mm）乃至25（直径0.4mm）、長さが.5乃
至10インチであり、多数の異なる種類の先端の切断面を
有する針が使用されている。異なる大きさおよび長さの
種々の針による使用に適した機構を提供することが有効
である。フレキシブルなクリップ43を備えたVIBER機構4
0は、針が体内に挿入され、その後視覚化が要求された
場合でも、任意の特定の針に結合されることができる。
図３から理解できるように、VIBER機構40の直径は針の
ハブ42の直径より少し大きい。それは直径の２倍および
その他でもよいが、いずれにしてもそれは介在的な工程
中に便利に使用するために比較的小さくコンパクトなユ
ニットとして設計されている。VIBER機構40の円形の外
周面は、結合された機構／針構造を体内に導く場合にこ
の構造を適宜操作することを可能にする。 上記に示されたように、VIBER機構40は複雑な振動運
動を示し、異なる平面（X,Y＆Ｚ）において本質的に振
動的な振動（vibratory oscillations）を生じさせる。
以下に説明するように、VIBER機構40は板状のピエゾ結
晶ダイヤグラム48の付勢によって振動され、結果的に結
合された針41にクリップ43を介してたわみ波を伝送させ
る。例えば、予め選択された周波数の電圧は金属電極板
49等の電極を介してピエゾ結晶ダイヤグラム48に供給さ
れることができる。固有の特性またはピエゾ結晶材料の
ために、供給された電圧はその振幅および周波数の関数
としてピエゾ結晶を機械的に振動させる。機械的な振動
またはピエゾ結晶ダイヤグラム48は、供給された電圧の
振幅および周波数の関数として種々の位置を通ってVIBE
R機構40の形状に周期的に歪みを与え、結果的にVIBER機
構40からクリップ43を介して針41に機械的なエネルギを
伝送させる。 VIBER機構40はピエゾ結晶ダイヤグラム48の機械的な
振動により複雑な振動運動を行い、異なる平面（例えば
X,Y＆Ｚ平面）においてクリップ43において波動振動を
制御可能に与えるように設計されている。 経験上、最良のカラーイメージは超音波パルス反復周
波数の2/3の振動周波数で得られることが認められてお
り、それは大部分の市販の医療用超音波器具に対して0.
2乃至10kHzの振動周波数を示す。“スイング”の大きい
軌跡（excursions）はスイングの共振率で増幅された小
さいプッシュを生じるため、VIBER機構40の機械的な共
振は付勢されたピエゾ結晶ダイヤグラム48によって生成
された機械的な振動を増幅する。機構40および取付けら
れた針41の共振周波数で機構40を動作することによっ
て、ピエゾ結晶ダイヤグラム48からの比較的小さい力
は、既知のカラー超音波投影システムによる検出にとっ
て十分な大きさの針41の機械的な運動を発生させる針41
へのたわみ波伝送を生じさせるために使用されることが
できる。VIBER機構40の非共振動作もまた使用されるこ
とができるが、このような非共振動作はさらに強力な駆
動素子を必要とすることが示されている。 図４を参照すると、図３に示されているようなVIBER
機構40の３つの図、すなわち図4a、4bおよび4cが示され
ており、３つの異なる振動モードを表わしている。図４
において、各領域の運動の程度を示すために種々の斜線
が使用されている。図4aを参照すると、ダイヤグラムの
中心に１組のＸ、ＹおよびＺ軸の小さい表示を含むVIBE
R機構40の前方から見た平面図が示されている。VIBER機
構40の左下方は、幅の狭いネック部分51を有する延在し
た円形アーム50によって特徴付けらており、それは比較
的大きい底部質量を有する振り子型の部材45まで延在し
てそこで終端している。振り子に類似した形状は、比較
的大きい端部を備えた幅の狭いネック部分に基づいて形
成される。部材45は、上記に説明されたようにピエゾ結
晶ダイヤグラム48の周期的な歪みによって発生させられ
た振動を強化するために使用されるほぼ“L"形の断面を
有する。 図4aに認められるように、振り子型の部材45に沿った
種々の領域と関連した一連の矢印が示されている。領域
は参照符号55、56、57、58および59で示されている。各
領域は異なる斜線の陰影（shade）で表わされており、
各陰影が１つの領域に関する別の領域の運動の程度を示
す。第１の動作モードは、図4aに示された例示的なVIBE
R機構40の寸法および材料に対してピエゾ結晶ダイヤグ
ラム48を付勢する最も低い周波数であり、860Hzであ
る。860Hzは、例示的なVIBER機構40の共振周波数であ
る。このモードにおいて、振り子型の部材45は、Ｘ軸に
沿った左から右および右から左への矢印の方向における
ピエゾ結晶ダイヤグラム48の860Hzの歪みによって振動
される。運動の量は陰影を付けられた領域の関数であ
り、領域55が最も大きく移動し、領域56はあ領域57より
大きく移動し、領域57は領域58より大きく移動し、主要
な質量集中部分に相当する領域59は他の領域に比べてご
くわずかしか運動しない。クリップ43は振り子型の部材
45の下方部分に取付けられているので、Ｘ軸に沿った振
動運動はクリップ43によって固定された針41に伝送され
る。860Hzの共振周波数でピエゾ結晶ダイヤグラム48に
供給された付勢電圧は、振り子型の部材45のＸ軸の振動
に針41のＸ軸に沿って波を伝送させるのに十分である。 図4bにおいて、振動の共振周波数は1305Hzであり、矢
印の方向はVIBER機構40の種々の陰影を付けられた領域
の運動を再度示している。示されているように、図4bに
示された運動は主にＹ軸に沿っており、部材45は垂直平
面において、すなわち図4aに示されているＸ軸の運動に
対して横断方向に上下に移動している。図4bに示されて
いるように、最も大きい運動は領域60において発生し、
それより小さい運動が領域61において発生する。 図4cを参照すると、基本的にＹ軸を中心として、また
はＺ軸の方向に発生している2840Hzの共振周波数の第３
の振動モードが示されている。実施例において、矢印の
方向は紙面に対して垂直方向のトルクまたはねじれ運動
である相対運動を示す。このモードにおいて、装置の左
側は上下に（Ｙ軸）移動しており、それはまた紙面に対
して垂直（Ｚ軸）方向にねじれ運動している。 理解されるように、これら全てのモードは適切な周波
数でダイヤグラム48を駆動することによって達成される
ことができる。ダイヤグラム48に与えられる周波数は、
図4a乃至4cの振動周波数と関連している必要はない。示
されているように、これらの周波数は典型的に超音波シ
ステムに対して0.2乃至10kHzの範囲で変化する。もちろ
ん、振動運動が予め選択された軸に沿って発生されるこ
とができる限り、例えば構造のＸ、ＹおよびＺ領域がVI
BER機構40の機械的な運動に対して使用されるように、
別の幾何学的形態がVIBER機構40に対して使用可能であ
る。図4aに示されている機構の例示的な円形形状は、容
易な機械的加工および構成を可能にする。装置はまた部
材45の形状を機械加工するか、または変化し、異なる共
振周波数を得ることによって周波数モードを変化される
ことができる。 図4a、4bおよび4cに示されている振動モードは、同時
に発生されることができる。したがって、これらの振動
モードに基づいて、超音波投影システムは、VIBER機構4
0からたわみ波を受取る針41の正しい位置を示すマーキ
ングを結果的にディスプレイ上に生じさせるＸ、Ｙおよ
びＺ平面または全ての平面におけるドップラー変化を検
出する。全てのたわみ波の主要な運動は、たわみ波を伝
送している部材の軸に対して垂直な１つの軸に沿って生
じる。たわみ波のこの偏極が最小にされることが所望さ
れた場合、たわみ波は針41のハブ42の隣り等の構造の端
部またはたわみ波の屈曲モーメントが直交軸に成分を有
する構造の屈曲部で生成されるため、例えば外科医は針
上のVIBER機構40の回転方向を心配する必要がない。こ
のようにして、主要な運動が直交軸上で行われるVIBER
機構40に対して異なる共振モードを付勢することができ
る。 図４に示されたモードは、たわみ波伝送針41の全ての
軸（Ｘ、ＹおよびＺ）に沿った運動を生成するために逐
次的にまたは同時に付勢されることができる。いずれに
しても、図4cに示されているツイストモードは、両方の
運動に影響を与えるために使用される。これらのモード
が逐次的に行われた場合、各モードの付勢の期間はその
モードの共振を高めるために、例えばほぼＱ÷π振動サ
イクルのように十分に長くなければならないことが認め
られ、ここでＱは共振構造の消費されたエネルギに対す
る記憶されたエネルギの比の尺度である。Ｑの概念は、
振動モードに関してもちろん良く知られている。 図５を参照すると、VIBER機構40のピエゾ結晶ダイヤ
グラム48を付勢するいくつかの例示的な駆動回路が示さ
れている。図5aは、ダイヤグラム48用のバイモルフピエ
ゾセラミック結晶素子を示す。示されているように、ピ
エゾセラミック素子は電圧源69に接続され、特定の周波
数で付勢される。示されているように、ピエゾセラミッ
クを付勢する周波数はVIBER機構40にＸ、ＹおよびＺ軸
に沿って多数の振動モードを生成させる。周波数は高調
波的に関連していないが、全て同期されている。機械的
な共振を生成するピエゾ電気装置は良く知られており、
このような装置の多数の例が従来技術に存在している。 この方法において、図5bは振動回路80によって付勢さ
れる単モルフ装置であるピエゾセラミックまたはピエゾ
電気装置48を示す。単モルフ装置71は、VIBER機構40に
ピエゾセラミック装置の振動モードを結合するために真
鍮またはその他の材料から構成されるか、或は変化する
電圧を供給されたときにその長い軸に沿って伸縮する簡
単なスラブピエゾセラミック駆動装置であってもよい適
切な隔膜または壁に結合される。認められるように、セ
ラミック単モルフのようなピエゾ電気セラミック装置は
通信システムにおいて送信機およ受信機の両方に使用さ
れる。ピエゾ電気活動は、電気的に偏極され合成された
強誘電性セラミックのために生じる。複合構造のたわみ
中性軸はセラミックの中心平面に存在せず、したがって
振動はピエゾ電気定数により定められたその厚さを横切
って電圧を誘起するセラミックの直径を結果的に変化さ
せる。示されているようなこのような装置は、ピエゾ電
気変換装置の全分野で良く知られている。いずれにして
も、このようなトランスデューサは、VIBER機構40の付
勢に必要とされる周波数を発生するのに最適な装置であ
る。 図5cを参照すると、ダイヤグラム48は磁気トランスデ
ューサを含むトランスデューサ72を含む。このような磁
気トランスデューサは、発振器81によって再度励起また
は付勢され、上記の周波数で振動することができる。 図5dを参照すると、磁わい効果を使用するトランスデ
ューサ78を含むダイヤグラム48が示されている。トラン
スデューサは、発振器82によって付勢される。磁わい装
置もまた良く知られた装置である。一般に、磁わい材料
はトランスデューサ用に対して利点を提供する。 このような装置およびピエゾ電気セラミック材料は、
水中音響トランスデューサに対して使用されている。ピ
エゾセラミックトランスデューサにおいて、それらは通
常変質されたチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）および少し
変質されたチタン酸バリウムである。磁わい材料の場
合、材料はニッケル、アルフェノール（Alfenol）、フ
ェロックスキューブ（Ferroxcube）、テルフォナール
（Terfonal）およびその他の材料を使用する。このよう
な材料の使用は、示されているように良く知られてお
り、このような材料の通常の特性は完全に記載されてい
る。 このようなVIBER機構の別の動作モードは、振動周波
数の速度が超音波投影システムの走査装置のフレーム速
度（典型的に１秒当り４乃至12フレームである）の数倍
であるパルス付勢（図２）のモードである。この動作
は、たわみ波を伝送する介在的装置上にカラーの縁（be
ads）を生成する。付勢のためのこれらのパルスは、上
記のように共振を強化するために十分に広くなければな
らない。 例示的なVIBER機構40は機構の形状およびその機構を
製造するために使用された材料の特性によって決定され
る特定の共振周波数を有しているが、針が構造に結合さ
れ、組織中に配置されてしまうと、共振周波数は変化さ
れる。図３において認められるように、金属クリップ43
によってVIBER機構40に一度結合された針41は、構造お
よび質量の変化によりシステムの共振周波数を変化させ
る。針の質量がVIBER機構の質量よりはるかに小さい限
り、変化は比較的小さい。これは通常の場合である。VI
BER機構40は、真鍮またはステンレススチール等の適切
な金属から構成されてもよい。ステンレススチールであ
ってもよい針は、非常に軽い針ハブ42を備えた著しく細
い管またはカニユーレである。したがってVIBER機構40
の質量は針の質量よりはるかに重い。いずれにしても、
共振周波数のシフトの量は針の質量、直径および長さ、
並びに針が挿入される組織の特性にも依存する。共振モ
ードは、システムが最大振幅の振動を獲得するために好
ましい。システムは手動で同調されることができるが、
最適な周波数で常に共振点でまたはその近くでVIBER機
構部材40を自動的に駆動する自己調節システムを有して
いることが有効である。 図６を参照すると、共振周波数が得られたときに駆動
波形中に発生する降下（dip）の特徴を示すf0における
共振周波数を示した電圧対周波数の典型的な一例が示さ
れている。この電圧の降下は、図３に示されているよう
にVIBER機構40および針または介在的医療装置41を含む
組合わせられた構造の特定の共振周波数を決定するため
に使用または検出されることができる。この電圧の降下
は、構造の運動によって発生された逆電圧のためであ
る。VIBER機構40が移動したときにピエゾ電気結晶板を
使用する構造の場合、バッキング（bucking）電圧がピ
エゾ電気効果によって発生される。同様に、磁気的に駆
動された構造が共振状態である場合、移動している磁極
部分はコイル中に逆起電力を誘導し、電圧を減少させ
る。一般に、共振状態において駆動特性は変化する。し
たがって、確認できるように、周波数が変化するときに
駆動波形を監視することによって、共振が検出されるこ
とができる。 図７を参照すると、共振を検出するように動作し、VI
BER機構40システムを共振状態で駆動するために使用さ
れる周波数を自動的に維持するように動作する回路が示
されている。示されているように、クリップ43がそれに
固定されているVIBER機構40が示されており、そのクリ
ップは例えば図３の針41のような針に適合している。い
ずれにしても、例えば図5aおよび5bに示されているよう
なピエゾ電気セラミック装置であってもよいトランスデ
ューサ駆動素子48が示されている。素子48は、使用され
ている医療用超音波装置に応じて２乃至10kHzの範囲の
周波数を発生することができる可変周波数発振器92に結
合される。上記の周波数範囲内において、可変周波数発
振器92は、使用されている特定の超音波投影システムの
関数として２乃至3kHzまたは９乃至10kHzの範囲の周波
数を生成する。示されているように、大部分の市販の医
療用超音波装置は、上記の限界の２乃至10kHzの間の振
動周波数を検出する手段を含んでいる。 可変周波数発振器92は、ピエゾ電気または磁気トラン
スデューサ48によってVIBER機構40にある範囲の周波数
を提供する。示されている駆動用導線は、その出力でデ
ジタル信号にアナログ駆動電圧を変換するアナログデジ
タル変換器90に結合される。デジタル出力は、CPU91ま
たはプロセッサの入力に供給される。CPU91は、発振器9
2の波形が変化されたときに供給されるデジタル信号の
大きさを解析するマイクロプロセッサを含んでいる。発
振器92は、プロセッサ91によって発振器92の制御端子に
供給される制御電圧によって周波数を変化される。プロ
セッサ91は、発振器92の周波数が変化されたときに駆動
波形の大きさを解析する。いずれにしても、通常のフィ
ードバック技術によって発振器の周波数または素子48を
駆動するために使用される周波数は、強制的にシステム
の共振周波数にされる。共振周波数は、VIBER機構40、
針および体内組織を含むシステムの全体的な共振周波数
である。 図７に示された技術は信頼性の高い動作を提供する
が、機構の周波数を制御する別の制御方法が存在する。
駆動波形に大きい降下が存在し、測定された波形に低い
雑音がある場合、いくつかの状況において、共振構造の
一部分として別の感知素子が使用されることができる。 図８を参照すると、分離した感知素子が共振回路の一
部分として形成される種々の別の装置が示されている。
図8aにおいて、ピエゾ電気感知素子はピエゾ電気駆動素
子に隣接して形成されている。参照符号105によって示
された感知素子は通常の技術によって形成され、駆動素
子106に隣接して配置される。この方法で駆動素子が駆
動電圧を受け取ると、感知素子はこれらの駆動電圧によ
って付勢され、別の出力が供給されることを可能にす
る。したがって、別のピエゾ電気素子またはその代りと
してピエゾ電気駆動板上の分離された電極は、振幅が運
動量に関連し、共振状態で最大である電圧に特性変化を
生じさせる。ピエゾ電気感知素子105の出力に存在する
このような信号のピークは、図７に示されているように
フィードバック方式を使用して容易に検出されることが
できる。これらの場合、感知装置の出力はA/D変換器の
入力に供給される。 図8bにおいて、図5cおよび5dに示されているような磁
気駆動回路と関連した別々の駆動および感知コイルが示
されている。この方法において、駆動コイル100は図７
の可変周波数発振器92から駆動電圧を受取り、一方感知
コイルは電圧を検出して、A/D変換器90の入力にそれを
供給する。 図8cにおいて、VIBER機構40の外側周辺領域に設けら
れたPVF2薄膜103である別の層を備えたピエゾ電気また
は別のタイプの駆動装置である別の駆動素子102が示さ
れている。薄膜103は、図７のA/D変換器90に直接設けら
れる電極を有する感知素子として動作する。もちろん図
８に示されたこのようなセンサにより、針または別の装
置に与えられる運動の量を測定および表示して、正確な
付勢量を利用者に示すことが容易であることが示されて
いる。 図７を再度参照すると、CPU91またはプロセッサはま
た、特定の特性を有する個々の超音波システムが使用さ
れている特定の機械的な運動機構に適合するようにプロ
グラムされることができるようにプログラムされてい
る。したがって、可変周波数発振器92の動作の周波数
は、使用されている特定のシステムの関数である。例え
ば、利用者は使用時にカラーフローシステムの名称を入
力すると、CPU91はカラーフローシステムの仕様を含む
ようにプログラムされるため、それは例えば振動駆動周
波数における最適な視覚化のために使用される適切なパ
ルス反復率および速度カラーマップのように針検出の適
切な設定を表示することができる。説明されている共振
構造はまた投影システムのスクリーン上に示される予め
定められた通路に沿って針を案内する針案内装置として
知られている別の構造中に含まれることができる。した
がって、特定の案内装置中に内蔵されるVIBER機構40
は、現在の案内機能に視覚化能力を付加することが可能
である。したがって、カラーフロー超音波投影システム
のために介在的医療装置の位置をカラーで表示するため
に必要とされる小さい運動を生成するためにたわみ波を
使用することには、多く利点がある。すなわち、針また
は別の構造中でのたわみ波の付勢は、別の手段によって
行われることができることが理解される。いずれにして
も、固体のコア案内ワイヤ上で発達される端部駆動たわ
み波が使用されることが可能であり、またたわみ波駆動
装置を備えたスタイレットによって異なる針カニユーレ
が駆動されることができるように、たわみ波はスタイレ
ットを駆動することによりカニユーレ上で生成されるこ
とができる。これらの駆動装置は、種々の他の案内シス
テム中でたわみ波を生成するために内蔵されることがで
きるピエゾ電気装置であることができる。 以上、たわみ波の発生を可能にし、カラー超音波投影
システムがこのような波に応答して、VIBER装置が配置
された針またはその他の装置の位置についての指示を外
科医またはその他の超音波システムの利用者に提供する
ことを可能にするその他多数の実施例および付加的な実
施例が当業者に明らかになるであろう。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−129046（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−12042（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−92647（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−227239（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−282137（ＪＰ，Ａ) Ｔｏｓｈｉｈｉｋｏ Ｋｕｒｏｈｉｊ ｉ ｅｔ ａｌ，Ｍｏｔｉｏｎ Ｍａｒ ｋｉｎｇ ｉｎ Ｃｏｌｏｒ Ｄｏｐｐ ｌｅｒ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｎｅｅ ｄｌｅ ａｎｄ Ｃａｔｈｅｔｅｒ Ｖ ｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，Ｊｏｕｒｎ ａｌ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｉ ｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，1990年 ４月, ｖｏｌ．９，ｎｏ．４，ｐｐ．243−245 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) A61B 8/00

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】検査されている身体の内部領域内の介在的
    医療装置の位置を決定する超音波投影システムにおい
    て、 制御された機械的運動を生成する駆動素子と、 スロットにより第１および第２の部分に分割され、駆動
    素子が第１の部分に結合され、介在的医療装置が第２の
    部分に結合されたときに、介在的医療装置のＸ、Ｙおよ
    びＺ軸のうちの１以上の軸に対して機械的なたわみ波を
    伝達するような周波数で、駆動素子の制御された機械的
    な運動がＸ、ＹおよびＺ軸のうちの１以上の軸に沿って
    第２の部分の機械振動的な振動を生じる振動手段と、 超音波投影システムが前記運動を検出する信号質問手段
    を含み、前記運動が、したがって前記介在的医療装置が
    位置的に表示される前記身体の前記内部領域のイメージ
    を生成する手段とを具備している超音波投影システム。
  2. 【請求項２】前記１以上の軸は、Ｘ、ＹおよびＺ軸を含
    んでいる請求項１記載の超音波投影システム。
  3. 【請求項３】前記駆動素子はピエゾ電気トランスデュー
    サを具備している請求項１記載の超音波投影システム。
  4. 【請求項４】前記駆動素子は磁気手段を具備している請
    求項１記載の超音波投影システム。
  5. 【請求項５】前記介在的医療装置は、前記第２の部分に
    結合されたカニューレを有するバイオプシイ針である請
    求項１記載の超音波投影システム。
  6. 【請求項６】前記たわみ波は、定在波である請求項１記
    載の超音波投影システム。
  7. 【請求項７】前記周波数は前記振動手段、前記介在的医
    療装置および前記身体内部領域によって決定され、した
    がって共振で最大である前記振動の振幅にしたがって変
    化する請求項１記載の超音波投影システム。
  8. 【請求項８】前記振動手段に結合され、前記振動の周波
    数に応答して、検出された周波数にしたがって制御信号
    を供給し、この制御信号が共振点で予め定められた大き
    さである検出手段と、駆動素子が信号を受取る端子を有
    し、前記信号が前記制御された機械的運動を決定し、前
    記端子に前記信号を供給する手段とを具備しており、前
    記振動手段は振動を共振状態に保持する方向に前記共振
    に影響を与えるように前記身体中の前記介在的医療装置
    の運動にしたがって周波数を変化する請求項７記載の超
    音波投影システム。
  9. 【請求項９】介在的装置に機械的な運動を伝達する機構
    であって、 スロットにより第１および第２の部分に分割された壁構
    造と、 前記壁構造の前記第２の部分に対して前記介在的装置を
    取外し可能に結合する弾性的に変形可能な取付け素子
    と、 制御された機械的な運動を生成し、前記壁構造の前記第
    １の部分に機械的に結合された駆動素子とを具備してお
    り、前記壁構造の前記第２の部分が前記駆動素子の前記
    制御された機械的な運動に応答してＸ、ＹおよびＺ軸の
    うちの１以上の軸に沿って運動し、前記介在的装置が前
    記壁構造の前記第２の部分に結合されるとき、前記介在
    的装置のＸ、ＹおよびＺ軸のうちの１以上の軸に機械的
    なたわみ波を伝達する機構。
  10. 【請求項１０】駆動素子はピエゾ結晶材料で構成されて
    いる請求項９記載の機構。
  11. 【請求項１１】駆動素子は磁気材料で構成されている請
    求項９記載の機構。
  12. 【請求項１２】駆動素子は磁わい材料で構成されている
    請求項９記載の機構。
  13. 【請求項１３】さらに、駆動素子に結合され、予め選択
    された周波数で動作し、駆動素子の制御された機械的運
    動を生じさせる電気駆動回路を含んでいる請求項９記載
    の機構。
  14. 【請求項１４】予め選択された周波数は、壁構造および
    介在的装置の共振周波数である請求項13記載の機構。
  15. 【請求項１５】壁構造はＣ形の素子を備え、Ｃ形の素子
    を前記第１および第２の部分に分割する前記周辺スロッ
    トを有する請求項９記載の機構。
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