JP3614288B2 - 治療器具用焦点追跡装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人体又は動物の体内にある対象物を破砕し、治療を行う装置、特には、超音波治療器具としての機能を有する装置、例えば砕石装置等の治療用機具において使用する焦点位置追跡装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
上述のような治療装置は、対象物に向けて超音波を発信する超音波発信器及び反射した超音波を受信する受信器を備えた超音波診断器具と、圧力衝撃波発生源等を含む超音波治療器具とを備え、超音波発信器の超音波発生方向に対して対称な方向に超音波発信器／受信器の位置を調整することにより、前記超音波発信器／受信器がスキャンする平面が音源の焦点を通過するようになっている。
【０００３】
前記装置の一例が、ドイツ出願公開番号３５ ４３ ８６７ Ａ１（出願人Ｒｉｃｈａｒｄ Ｗｏｌｆ ＧｍｂＨ）に開示されている。前記出願に開示されている治療装置は、人体諸器官中にある腎臓結石その他の結石の位置を特定し、破砕する装置であり、簡単な構成で、且つ低価格の装置として提供可能なものである。この装置は、内部に結石を有した人体の内臓のみならず、前記結石を破砕する過程をも超音波発信器／受信器によって捕捉することが可能であり、さらにこの過程をモニタに表示することも可能である。この先行技術について、圧力衝撃波発生源又は超音波診断器具の超音波発信器／受信器と組み合わせたショックウエーブ変換器１を示した図６及び図７を参照して説明する。
【０００４】
ショックウエーブ変換器１は、各々独立した複数の圧電変換素子を内面に載置した半球形状をしている。また、前記圧電変換素子については、これ以上説明されていないが、これらが設置された超音波を発信する面は、焦点２の方向を向いている。
【０００５】
図６に記載された装置では、図示せぬ超音波治療器具の超音波発信器／受信器３（Ｂスキャナ）が、ホルダー４の上端に固定されているため、スキャナの中心軸５とショックウエーブ変換器１の中心軸６とが完全に一致している。ホルダー４は、変換器１の中心部を突き抜けているため、変換器１の中心部１ａには圧電素子が備わっていない。従って、スキャナ３又はスキャナホルダー４が半球状の変換器１内側の空間から出っ張った場合でも、前記ホルダー及びスキャナが、超音波往復の妨げとならない円錐７形状の範囲の中に収まることを意味する。
【０００６】
超音波が往復する領域の外郭は、焦点２で交わる円錐８によって表わされている。例えば、この例においては、既に焦点２に重なっている患者１０の腎臓内１０１に存在する結石１０２は、スキャナ３によって得られる切断平面９内に存在している。
【０００７】
スキャナ３を備えたホルダー４は、矢印Ａで示した方向で、例えば、９０°の角度範囲において中心軸６の周りで回転するため、少なくとも２つの角変位した断面を得ることができる。更に、ホルダー４が変換器１に対して相対的に前後動可能となっているので、スキャナ３は、矢印Ｂ方向で位置調節可能となっており、これによりスキャナ３と患者との位置関係を調整することができる。ホルダー４と切断平面９は図６中の点線で表わされた位置まで調整可能である。
【０００８】
図６の器具において、スキャナ３が変換器１の通常存在する超音波フィールドの比較的内部まで前進し、スキャナ３から結石１２までの距離が最初から比較的短い場合、市販されていて手軽に入手できる安価な短焦点スキャナを使用することができる。図７に示したタイプの器具は、このような利点を持つことがない。この場合のスキャナ３は、半球形状の変換器１開口部に境界線を引くことによりできる変換器１の内部空間内側に配置されるか、上記直線状に配置されるかのいずれかであり、また中心軸上での前後動を行わない。この器具では、スキャナ３及びスキャナホルダー４が変換器１の半球内で超音波を遮蔽することがほとんど無いため、圧電変換素子を取付けられない部分が比較的小さくて済む。
【０００９】
更に、図７に示された器具では、変換器１の中央に設置されたスキャナ３を備えたホルダー４は、中心軸６の周りを回転できるように設けられている（矢印Ａ）。これにより、図６の場合と同様に、複数の切断面９を得ることが可能になる。図７には３６０°に渡って７種の切断面９が配置されているが、実際的には、例えば９０°で変位された２つの切断面を得ることができれば充分であり、この切断面を利用して結石の確実な位置を特定できる。更に、この器具を用いれば、比較的焦点調整の長いＢスキャナ３が必要になる一方、超音波を発信し続けている間もまた、スキャナ３を通した超音波の調整は可能になる。なぜならば、スキャナ３は、位置決めの手順を完了した後であって、変換器１を操作している間にも、指定された位置に止まり、継続してＢ―ピクチャーを撮り続けるからである。
【００１０】
図６及び図７に示す器具は、体内の結石の位置を確認し、破砕するために適した要件を備えている。即ち、変換器１及びＢスキャナ３が同一軸６上に位置することにより、同一の組織層を発信波のみならず反射波もが通り抜ける。従って、両方の超音波に対して、思い付く限りの障害物を想定しても、超音波によるスキャンについての妨害物が発生するのは通常不可能である。
【００１１】
超音波診断装置及び超音波治療器具は、様々な目的に使用される器具であり、各々の器具は別個に操作可能でなければならない。従って、このような異なる器具の発明によって考えられる組み合わせを利用すれば、市販されている超音波診断器具等の様々な超音波診断器具を、超音波治療器具と組み合わせることができるため、簡易に且つ安価にこれらの器具を導入することができる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の基本概念は、ターゲットマークを生成し、これを追跡するところにある。このターゲットマークは、画像要素の長さ及び／又は明るさに関する様々な値に対応するビデオシグナルの値に基づいて、超音波診断器具のモニタに映し出され、且つ常に超音波治療器具の超音波発生源の焦点に位置するため、超音波診断器具とは異なり、ターゲットマークによりモニタ上に焦点を常に表示することが可能である。そして、超音波診断器具の拡大スケールが変化した場合や、表示する切断面が切り替えられた場合でも、ターゲットマークは、常に正確に焦点上に位置している。
【００１３】
モニタ上に表示されたターゲットマークを自動で追跡する技術は、ドイツ出願ＤＥ ４３ ００ ７４０ Ｃ１で既に開示されている。この技術は、基本的に、Ｘ線源発信器及びＸ線受信器からなるＸ線診断器具が砕石器と組み合わせて用いられている点で、超音波診断器具を用いる本願発明と異なっている。一方、本願超音波診断器具の超音波発生源又はショックウエーブ変換器には、変換器の回転位置に基づいて信号を発生するディスタンスレコーダが備えられている。発生した信号をメモリから受け取った調整器は、変換器と接続したモニタに表示されたターゲットマークの座標データにアクセスする。超音波変換器を回転させる場合は、Ｘ線に対して陽性（Ｘ線をを透過しない）加鉛体（例えば、鉛玉）によってＸ線映像の中に取り入れられた焦点位置も一定の軌道で回転することになる。コントロールユニットは、メモリが記憶した実際の焦点位置の座標によって、変換器の回転に伴って動く焦点の軌道を計算する。結果的に生じる誤差を修正し、ターゲットマークジェネレーターが発生した電子ターゲットマークに基づいて追跡を行い、モニタ上の計算した位置に投影される可能性がある。
【００１４】
上記の目的を達成するため、本願による発明は、基本的に、以下の特徴を有する。即ち、この発明では、超音波発生源の中心軸に対する超音波発信器／受信器の相対位置を示す位置信号を発生させる位置信号発信器と、位置信号発信器によって発生された位置信号を受信するコントロールユニットとを備え、コントロールユニットは、位置信号発生器から位置信号を入力され、診断器具のビデオ信号に重ねあわるターゲットマークを発生させ、超音波発生源に対する超音波発信器／受信器の相対位置を示す位置信号に対応するターゲットマークを追跡する。また、このコントロールユニットは、ズームの倍率を切り替えるズーム倍率切り替え手段と、モニタ表示するための超音波診断器具により得た切断面の映像を切り替える断面切り替え手段とを備え、ズーム倍率や切断面の切り替えに対応してターゲットマークを現在の焦点位置まで追跡する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の有利な特徴は、以下に示された実施形態に関する詳細な説明によって、より明確になるであろう。圧力衝撃源１及び超音波治療器具の発信器／受信器３の構造についての詳しい説明は図１にはないが、その主な配置は、ドイツ公報ＤＥ ３５ ４３ ８６７Ａ１で既に開示されており、図６及び７によって説明されている。発信器／受信器３は中心軸に沿って前後に動くことができる。位置信号発信器１１は、中心軸５の動きに従って発信器／受信器３の実際の位置を検出し、それに従い所定の位置信号を出力する。図７の実施形態の場合も、発信器／受信器３は、対称軸５の周りを位置調節しながら回転可能とされており、また、この場合の位置信号発信器１１は回転角度を検出しそれに応じた信号を出力するものとなっている。図６の実施形態に用いる直線上の位置を検出するための位置信号発信器１１は、回転角度を検出するための位置信号発信器１１同様一般的に知られている。
【００１６】
図２は、本発明による装置の基礎的部分を機能的に説明するためのブロック図である。位置信号発信器１１は超音波治療器具１２に設置されている。スキャナ位置等の位置信号発信器１１によって出力される発信器／受信器３の位置は、位置信号１６としてコントロールユニット（ターゲットマークコントロール）とも呼ばれるコントロールユニット１３へ供給される。また、コントロールユニット１３には、超音波診断器具からビデオ信号１７が入力され、このビデオ信号１７をターゲットマークの位置に合わせることにより、超音波発信装置１又は超音波治療器具１２の焦点位置を補足し、モニタ１５の画像２０上にターゲットクロス１９として表示する。発信器／受信器３およびズーム位置に対応するターゲットマーク１９の位置調整については、以下に詳細に説明されている。
【００１７】
図２に記載されたコントロールユニット１３は、超音波診断器具と離れて設置されているので、市販されている超音波診断器具と適宜組み合わせて使用することができる。また、コントロールユニット１３は、以下に詳細を述べるメモリに加えて、各々のケースにおいて適用される超音波診断器具の特徴を考慮して、補助手段を追加しても良い。
【００１８】
図３及び図４は、ズーム倍率又は切断位置、即ち、モニタに表示される画像の拡大倍率又は超音波診断器具のビデオ信号を検出するための方法を説明している。このようにして、超音波診断器具１４によって生成され、コントロールユニット１３に継続的に入力されるビデオシグナル１７を継続して調節することにより、スケール倍率が影響を受ける。
【００１９】
超音波診断器具による、ズーム倍率が変更された場合には、図４Ａ、４Ｂ又は４Ｃに示したように、モニタに表示される幾何学映像が、選択したズーム倍率に基づいて変化する。モニタ１５に表示された画像中に、画像資料のない領域Ａ（ブラックモニタ領域）があり、この領域は画像資料が表示される領域Ｓ（３つのズーム倍率の場合によりそれぞれＳＡ、ＳＢ、ＳＣと呼ぶ）とは明確に境界を画している。領域ＳＡ、ＳＢ、ＳＣによって形成される超音波診断装置１４のイメージ領域の拡大または縮小のが行われることにより、ターゲットクロスの位置が、ズーム倍率に対応して修正される。
【００２０】
各々のケースにおけるズーム倍率の選択を実現するための好ましい方法が、図３に示されている。領域Ａから領域Ｓへの切換えを確実にするため、セクターＳの始まりの部分で少なくとも２つの要素を調整する必要がある。即ち、各々のズーム倍率には、２つの映像要素が固定されており、ズーム倍率が領域を超えていないか超えているかの目安となる。図３中の映像要素ＩＶは映像輝度設定の為の参考映像要素の役割をしている。画像要素ＩＶと複数の画像要素Ｉ及びＩＩ、ＩＩＩとの輝度値を比較することによって、正常な拡大スケールであるか否かを決定し、ズーム領域１または２が設定（ａｃｔｉｖａｔｅ）される。
【００２１】
例えば、映像要素Ｉペアの輝度値と比較対象となる映像要素ＩＶの輝度値とが同値の場合は、一般的な拡大領域が設定（ａｃｔｉｖａｔｅ）される。一方、映像要素ＩＩペアの輝度値が比較対照となる要素ＩＶの輝度値と同値であり場合（このとき画像要素Ｉの輝度値は比較対象となる要素ＩＶの輝度値とは同値にならない）、ズーム領域Ｉが設定（ａｃｔｉｖａｔｅ）される。また、例えばＩ′、ＩＩ′及びＩＩＩ′の映像要素ペア、又はセクターの始まり又は終わりの部分における映像要素ペアーＩ、ＩＩ，又はＩＩＩを対応して配置し、これを追加情報とすることにより、セクターがモニタ映像の範囲から外れているか否か推測することができる可能性がある。
【００２２】
コントロールユニット１３において行われる上記過程は、図５のブロック図によって示すとうりである。
【００２３】
図５は本発明に基づくコントロールユニット１３のブロック図である。設置された超音波診断装置１４に適用する個々のズームの限界又はセクター映像の位置は、入力仲介装置を通じて入力され、ＣＰＵ３０を通して記憶装置３２に記憶される。選択された映像要素ペアＩ、ＩＩ、ＩＩＩにおいてコントロールユニット１３のビデオ入力を可能にする超音波診断装置のビデオシグナル１７は、記憶装置３２に記憶された値と輝度を比較するか、又は比較要素ＩＶの輝度と比較し、この比較によってズームサイズを計算し、ターゲットマーク１９の位置、例えば、ターゲットマークジェネレーター３５によって計算されたターゲットクロス、を対応追跡する。
【００２４】
同様に、ＣＰＵ３０は、超音波スキャナ又は超音波診断器具１４における超音波発信器／受信器３の前後位置を調整するための現在値を位置信号発信器１１から入力されると共に、前記現在値をコンパレータ３３からも入力され、この２つの値によりターゲットマークの位置を計算する。ターゲットマークジェネレーター３５によってレチクル（十字線）状に投影されたターゲットマークは、ミキサ３４を介してビデオ信号１７上に重ねあわせ、モニタ上に表示する。
【００２５】
このようにしてＣＰＵ３０は、位置信号発信器１１及びコンパレータ３３の出力値に基いて計算を行った後、出力信号をデオシグナル１７と混合することによりターゲット位置を計算、調整し、ターゲットマーク位置が常に圧力衝撃源１の現在の焦点位置を表すようにする。
【００２６】
以下に図４Ａ、Ｂ及びＣの要領で、ズーム倍率を決定するための他の方法を開示する。
【００２７】
超音波診断器具のズーム倍率乃至ズーム位置は、通常のズーム倍率に設定された窓部（ＲＯＩ＝対象領域）が完全にセクターＳＡの外側に位置し、ズームサイズ１に設定された窓部がセクターＳＢの外側に位置する部分と内側に位置する部分に別れ、ズームサイズ２に設定された窓部が完全にセクターＳＣの内側に位置する（図４Ａ、Ｂ、Ｃ）ようにして、窓部を設けるという手段を用いることにより選択される。
【００２８】
つまり、ズーム倍率乃至ズーム位置を選択するには、コントロールユニット１３のメモリ３２に、目盛り２２Ａ〜Ｃの間隔を記憶させておけば足りる。図４Ａ〜Ｃが示すように、目盛り２２Ａ〜Ｃ（測定定規）の目盛りの大きさは、ズームを拡大するにつれて変化するため、記憶した間隔と現在の映像の目盛り部分の間隔とを定期的に比較することによって、ズーム倍率乃至ズーム領域を決定することができる。
【００２９】
超音波診断器具１４には様々な機種があるため、画像情報のない暗い領域Ａと超音波診断器具の画像情報のある領域Ｓとの間に存在する境界線は、機種毎に異なって表示され、また、モニタスクリーンの端に存在する目盛り２２の間隔又は目盛り部分の輝度及び位置が異なる可能性がある。従って、ＣＰＵ１３は、入力仲介装置３１を通して予めデータを入力して、これを記憶装置３２に記憶させたデータを利用して各々のズーム領域を検出し、最終的にターゲットマークの追跡を行う。つまり、コントロールユニットが超音波診断装置とは離れて機能するため、市販の超音波診断器具１４をそのまま使用可能である。
【００３０】
本発明は、上記の実施形態により説明したように、砕石器又は体温異常降下装置、音波を利用して骨又は柔らかい組織を治療する治療具等の治療器具に利用するためのターゲットマークを調整乃至調節可能な装置に関し、例えば圧力衝撃源を音源とする市販の超音波治療器具を超音波診断器具と接続し、超音波治療器具の音源を対象物をスキャンするための発信器／受信器（Ｂ−スキャナ）とも連結し、そして前記診断器具が備える超音波発信器の中心軸に対応する発信器／受信器の位置を調節可能とすることにより、スキャンする平面が常に音源の焦点を通過するようにしたものに関する。この装置の特徴は、超音波発信器の中心軸と関連する発信器／受信器の位置を示す電気信号を生製する位置信号発信器を備えることである。超音波診断器具とコントロールユニットとは離れて設置されており、このコントロールユニットは、入力された位置信号に基いて診断器具のビデオシグナルとミキシングされるターゲットマークを生成し、音源に関連する発信器／のその瞬間における位置に対応するターゲットマーク位置を追跡する。またコントロールユニットは、超音波診断器具によって投影された映像のズーム変化を捕捉し、設定されたズーム倍率の変化及びセクター位置（セクター変位）に対応するターゲットマークの現在の焦点位置を追跡する。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、以上で説明したようなものなので以下のような効果を有する。即ち市販されているどのような超音波診断器具についても、ハードウエア及びソフトウエアについて複雑かつコストのかかる変更を加える必要なしに応用しうる。また、コントロールユニットは超音波診断器具と離れて設置され、各々の超音波診断器具がズーム倍率及びセクター位置を検出でき、超音波診断器具の発信器／受信器の位置を検出できるという特徴を考慮して、パラメーターに入力、記憶させるようにしているため、機種の異なる超音波診断器具を使用しても、ターゲットマークは常に治療器具の焦点位置を正確に示す。要するに、コントロールユニットが超音波診断器具と離れて設置されると共に、超音波診断器具がズーム倍率及びセクター位置を検出でき、且つ超音波診断器具の発信器／受信器の位置を検出できるようになっており、これに応じたパラメーターを入力、記憶させるようにしているため、機種の異なる超音波診断器具を使用しても、ターゲットマークが常に治療器具の焦点位置を正確に示す。
【００３２】
器具に関しては、超音波治療器具のハードウエア及びソフトウエアと同様、超音波治療器具のハードウエア乃至ソフトウエアの適用を廃止する事もできる。基本的に、市販されているマイクロプロセッサーのハードウエア乃至ソフトウエアの構成要素を採用することによって、コントロールユニットの始動が簡潔且つ柔軟性を有すようにでき、結果的に使用者に対し安価に提供できるようになる。
【００３３】
Ｘ線を利用する事により、ズームサイズを多様化して選択する事が可能になる。しかしながら、Ｘ線を利用した場合には、実際の映像の表示は変化せず、映像の内容のみが、拡大されたり、縮小されたりして変更になる。ズーム倍率の数値測定を可能にするために、測定対象が実際の映像の中へ取り込まれていなければならない。つまり、例えば、この測定方法はＸ線陽性の状態のものを利用して行われ、従って金属の板状物体等の特定形状を有するＸ線不透過素材が映像増幅器とＸ線照射機との間の光路中へ侵入する事になる。金属の板状物体は、暗色の長方形の部分としてＸ線画像上に表示され、拡大画像を拡大し、縮小映像を縮小する。従って、測定対象がサイズと形状を特定されており、Ｘ線装置光路中の固定位置に前もって配置することにより、モニタ上に目で見える対象物の変化を測定する要領で、現在のズーム設定の値を求める事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】軸方向に移動可能な超音波発信器／受信器を組み合わせた超音波治療器具を示す断面図。
【図２】本発明による治療器具用焦点位置追跡装置を示すブロック図。
【図３】ズーム倍率ないしズーム位置の制御方法を説明するための観念図。
【図４】ズーム倍率ないしズーム位置の他の制御方法を説明するための観念図。
【図５】コントロールユニットのブロック図。
【図６】超音波発信器／受信器の構造を示す斜視図。
【図７】超音波発信器／受信器の構造を示す斜視図。
【符号の説明】
１ 圧力衝撃源
２ 焦点
３ 超音波発信器／受信器
５ 中心軸
９ 切断面
１１ 位置信号発生装置
１２ 超音波治療器具
１３ コントロールユニット
１４ 超音波診断装置
１５ モニタ

Claims (5)

1. 体内対象物の位置に応じた焦点位置に位置決めされる超音波発生源により前記対象物を治療する超音波治療器具のためのターゲットマーク追従装置であって、
   前記超音波発生源は中心軸を有し、前記超音波治療器具は、走査面内で前記対象物をスキャンするための超音波発信器／受信器を備えた超音波診断器具及びモニタと接続され、そして、前記中心軸に沿った前記超音波発信器／受信器のいずれの位置でも、前記走査面が前記焦点位置と交差し、前記超音波診断器具は、前記走査面内の前記対象物の映像を前記モニタに表示するためのビデオシグナルを発生し、その映像は多数の映像要素からなり、
   当該ターゲットマーク追従装置は、
   前記中心軸に沿った前記超音波発信器／受信器の位置を示す位置信号を発生する位置信号発信器と、
   前記モニタに表示される映像のズーム倍率及びセクター位置の変化を検出する検出手段を有し、前記超音波診断器具による映像の現在のズーム倍率及びセクター位置のビデオシグナルから現在値の信号を得るとともに前記位置信号発生器から前記位置信号を受信し、これら位置信号及び現在値の信号により、前記焦点位置に対応するターゲットマーク位置を決定するコントロールユニットと、から構成され、
   前記コントロールユニットの検出手段は、参考用の映像要素を決定して該参考用の映像要素の輝度値を感知する手段と、所定の映像要素の輝度値を感知して前記参考用の映像要素の輝度値と比較する手段と、を含むことを特徴とするターゲットマーク追従装置。
2. 体内対象物の位置に応じた焦点位置に位置決めされる超音波発生源により前記対象物を治療する超音波治療器具のためのターゲットマーク追従装置であって、
   前記超音波発生源は中心軸を有し、前記超音波治療器具は、走査面内で前記対象物をスキャンするための超音波発信器／受信器を備えた超音波診断器具及びモニタと接続され、そして、前記中心軸に沿った前記超音波発信器／受信器のいずれの位置でも、前記走査面が前記焦点位置と交差し、前記超音波診断器具は、前記走査面内の前記対象物の映像を前記モニタに表示するためのビデオシグナルを発生し、その映像は多数の映像要素からなり、
   当該ターゲットマーク追従装置は、
   前記中心軸に沿った前記超音波発信器／受信器の位置を示す位置信号を発生する位置信号発信器と、
   前記モニタに表示される映像のズーム倍率及びセクター位置の変化を検出する検出手段を有し、前記超音波診断器具による映像の現在のズーム倍率及びセクター位置のビデオシグナルから現在値の信号を得るとともに前記位置信号発生器から前記位置信号を受信し、これら位置信号及び現在値の信号により、前記焦点位置に対応するターゲットマーク位置を決定するコントロールユニットと、から構成され、
   前記コントロールユニットの検出手段は、映像中に窓部を設定する手段と、該窓部内の映像部分の輝度特徴を感知する手段と、該感知された輝度特徴を予め記憶されている輝度特徴と比較して現在の映像のズーム倍率を感知する手段と、を含むことを特徴とするターゲットマーク追従装置。
3. コントロールユニットは、機種毎に異なる超音波診断器具のズームの限界又はセクター映像の位置に関する情報を入力するための入力仲介装置と、その入力された情報を記憶するための記憶装置と、を備える請求項１又は請求項２記載のターゲットマーク追従装置。
4. コントロールユニットの記憶装置は、ズーム倍率検出のための輝度値を記憶している請求項３記載のターゲットマーク追従装置。
5. コントロールユニットがマイクロプロセッサであり、焦点位置への追従計算を実行する請求項１〜４のいずれか１項に記載のターゲットマーク追従装置。

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