JP3689743B1 - 関節内超音波内視鏡支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 関節内超音波内視鏡支援装置を自動的に制御することによって予め設定された測定範囲の関節面に対して連続して走査を行い、診断を自動的に行うことのできる関節軟骨の自動超音波診断方法を提供することにある。
【解決手段】 多関節ロボットに関節内超音波内視鏡を把持させた状態で、関節腔内に先端部位が傾転自在な関節内超音波内視鏡の先端部を切開部分に挿入させ、パーソナルコンピュータから伝達された指令に基づき制御機から超音波内探触子から関節軟骨に対して垂直になるように超音波を発信しながら連続的に測定するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多関節ロボットに超音波探触子を配設した傾転自在な先端部位を有する関節内超音波内視鏡を保持させ、制御機で制御しながら関節軟骨の形状、硬さ、厚さ、軟骨の粗さなどの測定が容易に行える関節内超音波内視鏡支援装置と関節軟骨の自動超音波診断方法に関するものである。

従来より超音波の照射角度を変更して自動的に計測する支援装置については、様々な形態の装置が発明されている。例えば、ロボットの手首に超音波探傷器の探触子を取り付け、該探触子の動作制御点を原点としたツール座標系を定義し、該ツール座標系上で探触子の走行方向ベクトルと姿勢を一致させて被検査材料上を所定に走査、移動して探傷してなるものがある。（例えば、特許文献１）

特開平１１−１４６１０号公報

ところが、特許文献１にあっては、平面のみを測定対象としており、測定中に探触子の照射角度を測定対象物に合わせて任意に変更することができないため、複雑な曲面を有する関節面の測定には適応できないといった問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、これらの問題点を鑑みてなされたものであり、関節内超音波内視鏡の先端部位に垂直に起立状態から水平状態までの自由度が付与された関節内超音波内視鏡を６自由度以上を有するロボットアームの先端部に保持させて、迅速かつ正確に測定部位に対して超音波を垂直に照射する関節内超音波内視鏡支援装置を提供することにある。また、該支援装置を自動的に制御することによって予め設定された測定範囲の関節面に対して連続して走査を行い、診断を自動的に行うことのできる関節軟骨の自動超音波診断方法を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明に係る第１の発明では超音波を関節腔内に送信するとともに関節腔内で反射した超音波を反射エコーとして受信する超音波探触子と、該超音波探触子が配設された傾転自在な先端部位を有する関節内超音波内視鏡と、該関節内超音波内視鏡の該先端部位内に配設された超音波探触子から照射される超音波の時間間隔と照射強度を指令する超音波送受信機と、該関節腔内に挿入された該関節内超音波内視鏡の該先端部位の位置を特定するために人体の切開部分の皮膚上に該切開部分と同様の長さの切り込みが入ったターゲットを張着するとともに、該関節内超音波内視鏡に取り付けられた固着軸の先端部に装着されて該ターゲット間の距離を測定するための磁場センサと、該関節内超音波内視鏡を多関節を有するロボットアームの先端部に位置するツールハンド装着させて走査指令を出す制御機と、該ロボットアームの各関節の角度および先端部位の角度情報から該超音波探触子の位置や角度情報を計算し表示可能なパーソナルコンピュータとで構成した。

本発明に係る第２の発明では、多関節ロボットに関節内超音波内視鏡を把持させた状態で、関節腔内に先端部位が傾転自在な関節内超音波内視鏡の先端部を切開部分に挿入させ、パーソナルコンピュータから伝達された指令に基づき制御機から超音波内探触子から関節軟骨に対して垂直になるように超音波を発信しながら連続的に測定するようにした。

本発明は、ロボットアームに代行させることにより手ぶれによる測定精度の減少を防止しつつ、人間による操作では不可能な３次元画面を有する関節面の診断部位に対して予め設定した一定間隔で連続的に効率的な診断をすることができる。

次に、本発明に係る関節内超音波内視鏡支援装置と関節軟骨の自動超音波診断方法の実施形態について、図１ないし図18を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施に係る関節内超音波内視鏡支援装置の概要図、図２は本発明の実施に係る関節内超音波内視鏡の先端部位の拡大図、図３は関節内超音波内視鏡で膝関節を診断する場合の測定可能範囲を図示した模式図、図4は測定対象物に超音波探触子から超音波を発信している概要図、図5は図１の実施例で得られた反射エコー図、図6は関節軟骨表面に垂直に超音波を照射する超音波探触子の位置を探索する際の超音波探触子の動きを表した説明図、図７は測定点に対して予め設定した角度範囲で測定された反射エコーの大きさを表した図、図８は平面状の測定対象物について反射エコーを取得するための超音波探触子の動きを表した図、図９は測定対象面に曲率がある場合の超音波探触子の動きを表した図、図１０は測定試料の平面図、図１１は図１０の測定結果、図１２は多関節ロボット機構部の動作説明図、図１３は関節内超音波内視鏡に装着されたセンサと切開部分のターゲットとの関係図、図１４は内視鏡座標系（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）図、図１５は関節内超音波内視鏡支援装置を用いた関節軟骨の形状、軟骨の硬さおよび厚さの関節軟骨の自動超音波診断方法のフローチャート、図１６は関節軟骨表面のヨウ方向とピッチ方向を説明するための関節軟骨の正面図、図１７は超音波を利用して測定された関節軟骨表面の状態図、図１８は関節軟骨表面のヨウ方向とピッチ方向の関節面の傾きの比較図である。

図１は本発明の実施に係る関節内超音波内視鏡支援装置の概要図であり、本発明を実施例により具体的に説明すると、関節内超音波内視鏡支援装置１は、主として多関節ロボット2、ロボットアーム２ａ、関節内超音波内視鏡３、超音波送受信機５、制御機６、パーソナルコンピュータ７で構成される。

ロボットアーム２ａと関節内超音波内内視鏡３は、制御機６を介してその動きを制御するようになっており、ロボットアーム２ａの各関節Ｋの角度および関節内超音波内視鏡３の先端部位１２の角度の情報はパーソナルコンピュータ７に全て記憶される。超音波探触子８における関節軟骨に対する超音波１０の送受信は、照射する時間間隔と照射強度を指令する超音波送受信機５により制御されており、その波形情報は全てパーソナルコンピュータ７に記憶されるのである。パーソナルコンピュータ７では、ロボットアーム２ａの各関節Ｋの角度および関節内超音波内視鏡３の先端部位１２の角度の情報から、超音波探触子８の位置および角度情報を計算するのである。なお、先端部位１２は関節内超音波内視鏡３の縦軸心方向の中心部に例えば円形状の空洞部または内壁面にねじを刻設し、ここに空洞部内を前後する円形状の中棒ないし螺旋状のねじ付き中棒（図示略）の先端部に軸支されており、かつ当該中棒の後端部はツールハンド５２に装着されて制御機６で、中棒の前後の移動距離で先端部位１２の傾転角度が分かるようになっている。

図２は関節内超音波内視鏡の先端部位の拡大図であり、ロボットアーム２ａの先端部分に支軸１８を介して関節内超音波内視鏡３が装着され、さらに関節内超音波内視鏡３の先端部には、図２に図示されるように矢印の方向に左右に回転可能な先端部位１２が備えられている。該先端部位１２には超音波１０を送受信する超音波探触子８が装着されている。

関節軟骨表面１４は３次元的な複雑な形状をしているために、関節内超音波内視鏡３をそれほど大きく動かすことなく、先端部位１２を主体的に可動することにより、超音波探触子８から測定点３４に対して超音波１０を照射したまま、超音波１０の照射角度のみを容易に変更できる。これにより、測定点３４に対して正確に超音波１０を照射できる。

図３は関節内超音波内内視鏡で膝関節を診断する場合の測定可能範囲を図示した模式図であり、関節内超音波内視鏡３を用いて具体的な関節軟骨の形状、軟骨の硬さ、厚さおよび軟骨の粗さなどの測定を行う。関節内超音波内視鏡３の先端部位１２に配設された超音波探触子８から超音波１０を測定対象物に常に垂直に照射するように、パーソナルコンピュータ７に記憶されているデータから制御機６を介して関節内超音波内視鏡３も傾動可能な範囲内（実線と２点鎖線）で先端部位１２の傾転角度を操作する。

この場合、関節内超音波内視鏡３を挿入したい箇所の皮膚の一部をわずかに切開し、ここを切開部分２８とする。関節内超音波内視鏡３を切開部分２８に挿入したまま、関節腔内３２の関節内超音波内視鏡３の超音波探触子８の先端部位１２が測定対象物である関節軟骨表面１４に直接触れることのないようにしながら、図３に示すように切開部分２８を支点として関節内超音波内視鏡３（実線部分から点線部分）を移動しながら関節軟骨表面１４を測定可能範囲Ｃにわたり、超音波１０の照射角度と反射エコー３０を同時に測定し、関節軟骨１６の諸特性を一度に比較することにより、関節軟骨１６の形状、硬さと厚さ、軟骨の粗さなどが判明できるのである。なお、関節軟骨１６は膝関節を代表して説明するが、これに限定されるものでなく、例えば肘関節軟骨の測定にも適用できる。

関節内超音波内視鏡３と照明を内蔵した内視鏡（図示略）との相対位置は、関節内超音波内視鏡３を膝関節に挿入した位置を上方から見た平面図では、関節内超音波内視鏡３は関節探触子８が当該前記内視鏡に併用して使用できるプローブとなっており、関節内超音波内視鏡３と当該内視鏡の両者は、ハの字状に配設されている。このため、内視鏡に内蔵している照明で照らしながら関節腔内３２の内部の状況を把握できる。このため、超音波探触子８の先端部位１２が測定対象物である関節軟骨１６に直接触れることなく、比較的容易に診断できる。なお、関節内超音波内視鏡３の材質はステンレス鋼、チタン合金やアルミニウム合金、あるいは非常に硬いプラスチック製などが好ましい。

図４は測定対象物に超音波探触子から超音波を発信している概要図であり、図４に示すように、この超音波探触子８から超音波１０を測定対象物１４に照射しながら関節軟骨１６上方を縦横に走査させ、その反射エコー３０を測定する。反射エコー３０は主に関節軟骨１６および軟骨下骨１６Ａから得られる。測定された反射エコー３０はパーソナルコンピュータ７の画面上に表示される。なお、符号１６Ｂは海面骨を示す。

図５は図１の実施例で得られた反射エコー図である。まず、超音波探触子８から超音波１０を測定対象物である関節軟骨表面１４に照射すると、図５に示すような反射エコー３０が得られる。図５に示す時刻３．８μｓ付近にある反射エコー３０が関節軟骨表面１４からの反射エコー３０である。超音波１０の測定は、関節内に存在する関節液を利用することにより、関節腔内３２内において反射エコー３０を得ることができる。あるいは関節液が十分量、関節腔内３２に存在しない場合には生理食塩水等の治療時に用いる液体で代用してもよい。

測定時においては、関節内超音波内視鏡３と関節軟骨表面１４間に生理食塩水が介在して超音波１０を伝播させる。したがって、生理食塩水の音速１４８０ｍ／ｓと関節軟骨表面１４からの反射エコー３０が計測されるまでの時間間隔Ｓを乗じると、超音波探触子８と関節軟骨表面１４までの距離を求めることができる。これにより、超音波探触子８の位置および角度情報と超音波探触子８と関節軟骨表面１４までの距離の情報から、関節軟骨表面１４の位置を求めることができる。

関節軟骨表面１４の角度は、超音波診断を正確に実行するためには超音波１０を正確にかつ垂直に関節軟骨表面１４に対して照射する必要があり、超音波１０が関節軟骨表面１４に垂直に照射されたとき反射エコー３０の振幅が最大となる。したがって、設定した関節軟骨表面１４の測定点３４の超音波探触子８の角度および位置を変更して反射エコー３０が最大となる超音波探触子８の角度を求めれば、その角度が関節軟骨表面１４の測定点３４に対して垂直な角度である。これら一連の手続きを行うことにより、関節軟骨表面１４における反射エコー３０とその測定対象の角度が得られたら、パーソナルコンピュータ７に登録しておく。

図6は関節軟骨表面に垂直に超音波を照射する超音波探触子の位置を探索する際の超音波探触子の動きを表した説明図である。図6において、超音波診断を正確に実行するためには、関節軟骨表面１４に対して照射角度を垂直に設定しなければならないが、その角度の探索法について説明する。

図6では超音波１０が関節軟骨表面１４に対して垂直に照射される時に最も振幅の大きい反射エコー３０が発生するという特性を利用して、関節軟骨表面１４に設定した測定点３４を中心として、超音波探触子８を２つの方向（ピッチ方向とヨウ方向）に対して、予め設定しておいた角度範囲で稼働させて、各角度ごとに反射エコー３０を記録する。すなわち、具体的には、図６に示すように最初に角度設定領域Ｗ（１０度×１０度）を設定し、この角度設定領域Ｗ内で超音波探触子８を適宜移動させて最も振幅の大きい反射エコー３０が得られるように、超音波探触子８からの超音波１０が、関節軟骨表面１４に設定した測定点３４ａを常に照射した状態で角度設定領域Ｗ内で予め決めた一定距離毎（１〜４４１）に超音波探触子８を移行させる。

すなわち、超音波探触子８の走査開始点１から２、３・・・・２１まで手前から遠ざかるピッチ方向に移動させ、角度設定領域Ｗの設定領域に到達した走査点２１から今度は２２までヨウ方向に移動させる。次に、２２・・・・４２まで遠方から手前に近づくピッチ方向に戻り動作を行う。このようにヨウ方向とピッチ方向とを繰り返しながら、連続した矩形波（超音波探触子８の軌跡）を形成しながら超音波探触子８が角度設定領域Ｗの設定領域の走査終了点４４１に到達するまで行う。

図７は測定点に対して予め設定した角度範囲で測定された反射エコーの大きさを表した図であり、横軸Ｘまわりの回転をヨウ（度）といい、縦軸Ｙまわりの回転をピッチ（度）といい、得られた高さは反射エコー３０の強さを表している。図７から反射エコー３０が最大となる角度が存在するが、このときの最大角度が関節軟骨表面１４に対して超音波１０が垂直に照射されている超音波探触子８の角度である。

図８は平面状の測定対象物について反射エコーを取得するための超音波探触子の動きを表した図であり、測定対象面（１０×１０ｍｍ）が平面形状を有したある測定対象物１４上の測定点３４ａに対して超音波探触子８の照射角度が垂直になるように照射した際に、反射エコー３０が最大となる角度が求められる。引き続き予め設定した次の測定距離だけＹ軸方向に移動させて新たな測定点３４ｂを設定し、前記の角度探索を行う。このような各測定点３４ａ、３４ｂ・・・・３４ｎにおける角度探索を、Ｘ軸方向に向けた連続した矩形波を形成しながら逐次行う。このように同一動作を繰り返すことにより各測定点３４（ａ〜ｎ）における反射エコー３０および角度を求めることができるのである。

このように本発明では、測定を開始すると、まず第１測定点に最適な超音波１０の照射角度の探索を行いつつ、超音波１０の照射が最適角度となるように修正した後、第１測定点の測定を行う。引き続き次の第２の測定点に移動し、第２測定点に最適な超音波１０の照射角度の探索を行いつつ、超音波１０の照射が最適角度となるように修正した後、第２測定点の測定を行う。このように、従来技術では超音波１０を測定対象物に照射して、測定対象物の形状の把握を行うに際し、予め形状の推定を行い、超音波１０の照射角度の設定を行った後、第１測定点の測定開始する。ついで、予め入力された設定によって超音波１０の照射角度の調整し、第２の測定点の測定を行いつつ、同様の作業を行う。従って、本発明では、従来と異なり、最適な照射角度の探索と最適角度への修正などを行うことにより、精度の高い測定結果が得られるのである。

図９は測定対象面に曲率がある場合の超音波探触子の動きを表した図であり、測定対象物の表面が関節軟骨表面１４のように曲率を呈している場合は、図９に示す手順で新たな測定対象物に超音波探触子８を移動させる。測定点３４ａでの角度探索が終了した時点での超音波探触子８の位置（ａ）から、予め設定した距離を平行移動させながら、位置（ｂ１）まで超音波探触子８を移動させる。この際、関節軟骨表面１４と超音波探触子８の距離が変化しているため、位置（ａ）における関節軟骨表面１４と超音波探触子８の距離と同一になるように、超音波探触子８を位置（ｂ１）まで超音波探触子８を下降移動（点線で示す）させるのである。その時の超音波１０が照射されている部位が新たな測定点３４ｂであるので、そこを測定点として、超音波探触子８を角度θだけ傾転させながら超音波１０が垂直に照射されている角度を探索するのである。それが位置（ｃ）である。あとは位置（ｃ）を新たな位置（ａ）であると見なし（この位置（ｃ）と位置（ａ）の角度はθ）、設定された距離だけ超音波探触子８を平行移動させ、この手順を繰り返す。これにより測定対象物１４の反射エコー３０を連続的に取得できる。

図１０は測定試料の平面図である。円形状のアクリル樹脂製板の一部（略中央部域）に直径５ｍｍのシリコン樹脂を埋め込んだ測定試料であり、アクリル樹脂製板はシリコン樹脂に比べて軟らかいため、図１１に示すように上方からシリコン樹脂に向けて照射された超音波１０により下方に凸状を呈する小さい反射エコー３０が観測されることが判明した。図１１は図１０の測定結果であり、反射エコー３０の小さい円形の領域が表示されていることがわかる。このことから膝関節の関節軟骨表面１４の中でも軟らかい箇所は、上述した図のような反射エコー３０となることが予測できる。

図１２に多関節ロボット機構部の動作説明図を示す。図１２に示すように、７関節（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ６、Ｋ７）の多関節ロボット２のロボットアーム２ａの先端部にツールハンド５２が装着されている。このツールハンド５２の先端部に関節内超音波内視鏡３を構成する把持本体部２４が保持されている。符号５４はロボット本体であり、このロボット本体５４には原点７０において回動自在なように第１の腕５６が配設してある。関節内超音波内視鏡３の切開部分２８のターゲット４２の３次元的な位置を知るために、位置と方向を表すＸ、Ｙ、Ｚの３つの座標が必要となる。本来、原点７０からターゲット４２までの、距離と方向を知ろうとすると、最低でも３つ以上のセンサが必要である。しかしながら、本発明では、わずか１つのセンサ４０で関節内超音波内視鏡３の後端部４８とターゲット４２までの長さＬ（図１３）を測定することによってターゲット４２における関節内超音波内視鏡３の３次元的な位置を測定できる。因みに、符号５７は第２の腕、５８は第３の腕、５９は第４の腕、６０は第５の腕、６１は第６の腕をそれぞれ示す。

次に、関節内超音波内視鏡３を用いて自動診断を行う場合、図３に示すようにターゲット４２を移動させることなく、ロボットアーム２ａの先端部に装着した関節内超音波内視鏡３のみを実線から点線の位置まで動かすことにより、先端部位１２に配設された超音波探触子８を２つの方向（ピッチ方向とヨウ方向）に対して、予め設定しておいた角度範囲で稼働させて、各角度ごとに反射エコー３０を記録する。

ロボットアーム２ａには２つの座標系がある。その１つ目はベース座標系と呼ばれ、図１２に示すようにロボットアーム２ａの原点７０に表示したベース座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）であり、さらに、その２つ目はロボット手先座標系（ＸＸ、ＹＹ、ＺＺ）と呼ばれ、ロボットアーム２ａの先端部のツールハンド５２で関節内超音波内視鏡３を装着する部位の座標系である。ベース座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を用いてロボット手先座標系（ＸＸ、ＹＹ、ＺＺ）は、次のように表される。

（数１）
Ｔtool＝Ａ_１Ａ_２・・・・・・・Ａ_ＮTＩ

ここで、
Ｉは４行４列の単位行列
Ａ_ｉ（ｉ＝１、２、・・Ｎ）は各関節角度から求められる変換行列（４行４列）
Ｎはロボットの関節数

ロボット手先座標系（ＸＸ、ＹＹ、ＺＺ）にある１点の位置は上記の数１のＴtoolを乗じることによりベース座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）での座標に変換できる。ロボットアーム２ａの先端部のツールハンド５２に装着される関節内超音波内視鏡３を、皮膚の一箇所をごくわずかに切開した切開部分２８を押し広げるようにして挿入するため、その押し込み時の力に耐えられるように強固でなければならない。したがって、ロボットアーム２ａの先端部のツールハンド５２に装着される関節内超音波内視鏡３は多少の力がかかっても変形しないようになっている。

図１３は関節内超音波内視鏡に装着されたセンサと切開部分のターゲットとの関係図を示し、先端部位１２を膝関節２６側に位置させるとともに、把持本体部２４は先端部位１２側が截頭円錐形状３８になるように構成されている。把持本体部２４は多関節ロボット５０のツールハンド５２に保持されており、截頭円錐形状３８上に関節内超音波内視鏡３の縦軸線に対して垂直になるように固着軸４４が取り付けられ、固着軸４４の先端部にはセンサ４０が配設されている。図１３に示すように関節内超音波内視鏡３を関節腔内３２の位置に挿入する場合は、ロボットアーム２ａを手で把持したまま、まず、膝関節付近の皮膚を切開し、その切開部分２８を押し広げるようにして多関節ロボット５０のツールハンド５２に保持したまま関節内超音波内視鏡３の先端部位１２を必要長さだけ挿入する。この挿入した状態のＬ（関節内超音波内視鏡３の後端部４８とターゲット４２までの長さ）を測定することにより、関節内超音波内視鏡３がどれだけ挿入されいるかを知ることができる。

切開部分２８には切開部分２８と同様の長さの切り込みが入り、かつ磁力の強さＨを有する薄板状のターゲット４２が皮膚上に張着されている。このターゲット４２とセンサ４０までの距離Ｒが測定できる。ここで、符号Ａはセンサ４０の中心部から固着軸４４が関節内超音波内視鏡３の縦軸線と直交する仮想点４６までの高さ、符号Ｃは関節内超音波内視鏡３の後端部４８と仮想点４６までの長さ、符号Ｌは関節内超音波内視鏡３の後端部４８とターゲット４２までの長さ、符号Ｒはセンサ４０とターゲット４２との距離をいう。

図１４は内視鏡座標系（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）図であり、上記理由により関節内超音波内視鏡３を切開部分２８のターゲット４２に挿入している挿入点７２では、内視鏡座標系（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）が存在すると、Ｚｓ軸上に位置する。このことから、内視鏡座標系（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）の原点７４と挿入点７２の距離Ｌがわかれば、挿入点７２の位置は内視鏡座標系で（０、０、Ｌ）であることが理解できる。また、内視鏡座標系（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）とロボット手先座標系（ＸＸ、ＹＹ、ＺＺ）が一致していれば、ベース座標系における挿入点７２の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、数２のようにして求めることができる。

ここで、内視鏡座標系の原点７４と挿入点７２の距離Ｌを求める具体的な手順について述べる。まず、
１．挿入点７２近傍に磁極の大きさＭを持つ磁性体でできたターゲット４２を切開部分２８の表面に貼り付ける。
２．関節内超音波内視鏡３の既知の位置に磁場センサ４０を装着する。このとき磁場センサ４０で測定されるターゲット４２による磁場の測定値Ｈと磁場センサ４０とターゲット４２間の距離Ｒの間には、つぎのような式が成立する。

（数３）
Ｈ＝（１／（４πμ））×（Ｍ／Ｒ^２）
ここで、Ｈは磁場センサ４０で測定されるターゲット４２による磁力の強さ
μは透磁率（既知）
Ｍはターゲット４２の磁力の強さ
これから、磁場センサ４０の測定値Ｈから磁場センサ４０とターゲット４２間の距離Ｒが求まる。

図１３において、Ｃは関節内超音波内視鏡３の後端部４８と磁場センサ４０の仮想点４６間の長さであり、既知である。したがって、数４からＬの値が求まる。

図１５は関節内超音波内視鏡支援装置を用いた関節軟骨の形状、軟骨の硬さおよび厚さの関節軟骨の自動超音波診断方法のフローチャートである。

本発明における関節内超音波内視鏡支援装置１を用いて具体的な関節軟骨の形状、軟骨の硬さおよび厚さの関節軟骨の自動超音波診断方法を図１５を用いて説明する。まず、
（１）関節内超音波内視鏡３は関節付近の皮膚を切開し、その切開部分２８を挿入部とする（１０１）。

（２）次いで、挿入部７２に対してターゲット４２を取り付ける（１０２）。
（３）関節内超音波内視鏡３を挿入部７２から挿入する（１０３）。
（４）ターゲット４２を利用して挿入部７２の座標を読み込みそれを制御機６に送る（１０４）。
（５）最初の測定点３４ａを決定する（１０５）。
（６）制御機６が、挿入部７２（図３）の位置がずれないようにしながら関節内超音波内視鏡３の先端部位１２に配設してある超音波探触子８から発信される超音波１０が測定点３４ａを中心として図６のように可動させる（１０６）。
（７）その際の反射エコー３０の大きさをパーソナルコンピュータ７が計算し、図７に示すような角度と反射エコー３０の強度との関係をパーソナルコンピュータ７に記憶させる（１０７）。

（８）最も反射エコー３０の角度が大きいところのみの波形データを解析し、関節軟骨の硬さなどを求める（１０８）。
（９）予め設定した範囲をすべて測定し、もし測定が不十分な場合は、測定対象物である関節軟骨表面１４に対して予め設定された距離（図９）を保持した状態で移動し、次の測定点を測定し３４ｂとする。引き続き超音波探触子８を図６に示す超音波探触子８の軌跡に沿って測定していく（１０９）。なお、予め設定した範囲をすべて測定したことが確認できれば、測定を完了する（１１０）。

図１６は関節軟骨表面のヨウ方向とピッチ方向を説明するための関節軟骨の正面図である。図１７は超音波を利用して測定された関節軟骨表面の状態図であり、（ａ）は測定して得れた軟骨の硬さを表し、（ｂ）は軟骨の厚さを表す。図１７（ａ）では中央部が最も高く、左右に行くに従ってなだらかな傾斜を有している。このことから、軟骨の硬さは中央部が最も硬いことが判明できる。また、図１７（ｂ）では軟骨の厚さが正面左側が最も厚く、右側に行くに従って薄くなっていることが判明した。

図１８は関節軟骨表面のヨウ方向とピッチ方向の関節面の傾きの比較図であり、（ａ）はヨウ方向（横軸Ｘまわりの回転をいう）の関節軟骨の傾き、（ｂ）はピッチ方向（縦軸Ｙまわりの回転をいう）の関節軟骨の傾きを表す。図６、図８（または図９）に示す一連の測定を行った際にパーソナルコンピュータ７に記憶させ、測定点３４における反射エコー３０が最も強く返ってくる角度を図示したものである。このことからヨウ方向とピッチ方向とも関節軟骨が複雑な曲面を有している状態を正確に測定できている。

図１７ならびに図１８では、患者の膝関節２６に関節内超音波内視鏡３を挿入し、超音波送受信機５により発信された超音波１０を、超音波探触子８から被検査体に照射し、図５に示すような反射エコー３０を測定する。反射エコー３０は主に関節軟骨１６および軟骨下骨１６Ａから得られる。測定された反射エコー３０はオシロスコープ（図示略）で表示される。さらに得られた反射エコー３０をパーソナルコンピュータ７に取り込み、組み込まれたプログラムによってウェープレット変換を行う。ウェープレット変換後のウェープレットマップにおいて、関節表面部からの反射エコー３０、軟骨下骨１６Ａからの反射エコー３０部分において、それぞれ強度、時間方向の幅を測定し、その数値から関節疾患の程度を評価することができる。

本発明の関節内超音波内視鏡支援装置はロボットに傾転自在な超音波探触子を有する関節内超音波内視鏡を把持させた状態で、関節鏡視下手術を行うことができる。

本発明の実施に係る関節内超音波内視鏡支援装置の概要図である。 本発明の実施に係る関節内超音波内視鏡の先端部位の拡大図である。 関節内超音波内内視鏡で膝関節を診断する場合の測定可能範囲を図示した模式図である。 測定対象物に超音波探触子から超音波を発信しているである。 図１の実施例で得られた反射エコー図である。 関節軟骨表面に垂直に超音波を照射する超音波探触子の位置を探索する際の超音波探触子の動きを表した説明図である 測定点に対して予め設定した角度範囲で測定された反射エコーの大きさを表した図である。 平面状の測定対象物について反射エコーを取得するための超音波探触子の動きを表した図である。 測定対象面に曲率がある場合の超音波探触子の動きを表した図である。 測定試料の平面図である。 図１０の測定結果である。 多関節ロボット機構部の動作説明図である。 関節内超音波内視鏡に装着されたセンサと切開部分のターゲットとの関係図である。 内視鏡座標系（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）図である。 関節内超音波内視鏡支援装置を用いた関節軟骨の形状、軟骨の硬さおよび厚さの関節軟骨の自動超音波診断方法のフローチャートである。 関節軟骨表面のヨウ方向とピッチ方向を説明するための関節軟骨の正面図である。 超音波を利用して測定された関節軟骨表面の状態図である。 関節軟骨表面のヨウ方向とピッチ方向の関節面の傾きの比較図である。

符号の説明

１ 関節内超音波内視鏡支援装置
２ 多関節ロボット
２ａ ロボットアーム
３ 関節内超音波内視鏡
５ 超音波送受信機
６ 制御機
７ パーソナルコンピュータ
８ 超音波探触子
１０ 超音波
１２ 先端部位
１４ 関節軟骨表面
１６ 関節軟骨
１６Ａ 軟骨下骨
１６Ｂ 海面骨
１８ 支軸
２４ 把持本体部
２６ 膝関節
２８ 切開部分
３０ 反射エコー
３２ 関節腔内
３４（３４ａ、３４ｂ） 測定点
３６ａ、３６ｂ 走査開始点
３８ 截頭円錐形状
４０ 磁場センサ
４２ ターゲット
４４ 固着軸
４６ 仮想点
４８ 後端部
５２ ツールハンド
５４ ロボット本体
５６ 第１の腕
５７ 第２の腕
５８ 第３の腕
５９ 第４の腕
６０ 第５の腕
６１ 第６の腕
７０ 原点
Ｋ（Ｋ１〜Ｋ７） 関節
７２ 挿入部
７４ 内視鏡座標系の原点
Ｓ 時間間隔
Ｗ 角度設定領域

Claims (1)

1. 超音波を関節腔内に送信するとともに関節腔内で反射した超音波を反射エコーとして受信する超音波探触子と、該超音波探触子が配設された傾転自在な先端部位を有する関節内超音波内視鏡と、該関節内超音波内視鏡の該先端部位内に配設された超音波探触子から照射される超音波の時間間隔と照射強度を指令する超音波送受信機と、該関節腔内に挿入された該関節内超音波内視鏡の該先端部位の位置を特定するために人体の切開部分の皮膚上に該切開部分と同様の長さの切り込みが入ったターゲットを張着するとともに、該関節内超音波内視鏡に取り付けられた固着軸の先端部に装着されて該ターゲット間の距離を測定するための磁場センサと、該関節内超音波内視鏡を多関節を有するロボットアームの先端部に位置するツールハンド装着させて走査指令を出す制御機と、該ロボットアームの各関節の角度および先端部位の角度情報から該超音波探触子の位置や角度情報を計算し表示可能なパーソナルコンピュータとで構成したことを特徴とする関節内超音波内視鏡支援装置。

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