JP4189840B2 - 超音波を利用した軟組織の粘弾性推定装置およびプログラム - Google Patents
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Description
しかしながら、この方法は対象とする組織が各部位で一様な粘弾性を有していることを仮定して推定を行っており、例えば表面だけが硬い膜で覆われた対象物などを推定する場合には、大きな推定誤差が生じてしまった。
しかしながら、従来に提案された方法には、力と対象物の変形量の関係を記述する物理モデルについて、定常状態におけるものしか組み込まれておらず、プローブ位置の移動などに対して対象組織がかえす反力の過渡的な変化(すなわち非定常的な変化)については考慮されていなかった。そのため、軟組織における粘性や慣性については推定することが不可能であった。
する粘弾性表示部から構成される軟組織の粘弾性推定方法、装置、およびプログラムが提供される。
超音波プローブには、圧電素子が1チャンネル組み込まれたものを使用する。このプロ
ーブでは、1次元データを計測することが可能であり、プローブを対象物に接触させた際に、その移動方向と同一線上に深さ方向の一次元データが得られる。超音波素子の発振周波数は3.5MHzであり、人体のような粘弾性(音響インピーダンス)を計測するのに適している。ただし、チャンネル数や素子の発振周波数は、対象組織に合わせて任意に選択してもよい。例えば、チャンネル数を増やせば、2次元データ(画像)、3次元データ(体積
)を得ることが可能であり、これについての解析が可能になる。
図3は、超音波プローブにおいて受信した信号の模式図である。超音波信号は、対象組
織内において粘弾性(音響インピーダンス)が変化する地点で強く反射されるため信号には、その変化を反映した振幅の変化が現れる。ここで超音波プローブが対象物に押しこまれ、対象物の形状が変化した場合を考えると、時刻tと時刻t+1において受信される信号の形状がシフトすることが分かる。
の横軸の最大値が、50[μsec]程度である。ただし、この値は、プローブの移動速度によ
って自由に調節することが可能であり、例えばゆっくり動かす場合には、それほど時間間隔を短くする必要は無く、逆に高速に動かす場合は、時間間隔が短い方が望ましい。
画が時刻t+1において押し込み方向(一次元)のどこに移動したかを、時刻t+1のパターン上での相関値を計算することで算出でき、対象物がどのように変形したかを求めることができる。この時、柔らかい部分は変形が大きく、硬い部分は変形が少なく算出される。さらに、時刻t+1、 t+2 、 t+3、 ・・・と処理を順次進めることにより、超音波プローブ
の押し込みに対して、各部位がどのように変化するかを時系列として得ることができる。
移動機構は、超音波プローブに対象物が変形するように押し込み動作をさせるために用いる。プローブ制御部は,対象物の物理特性や変形に応じて経時的に変化する目標位置や目標力を設定し、それらに従うように、位置センサ、力センサ、および超音波プローブからの受信データのいずれか、もしくはそれらを組み合わせた情報を利用して移動機構をフィードバック制御するために用いる。位置センサは,プローブの位置を計測するために用いる。
できる。
プローブからの受信データには、距離に関する情報も含まれていることから、そこからプローブの移動量を算出する方法もある。
力センサには、ロードセルを用いる。このセンサにより超音波プローブを対象物に押し込んだ際の反力を計測することができる。センサは歪ゲージ式センサや圧電型の力センサなどで構わないが、対象物の弾性が大きい場合などには、高い周波数帯域までを計測可能なものが望ましい。これは、高周波振動を的確に計測するためである。
粘弾性推定部では、位置センサ、力センサ、対象物変形量計算部のそれぞれから得られる過渡的な変化を含んだ計測値をもとに対象物組織の各々の部分における弾性、粘性、慣性のそれぞれの値を推定する。図5は、本発明の粘弾性推定において使用する物理モデルの一例を示している。この図は(a)に示すような階層構造を持つ対象物を(b)にある弾性、粘性、慣性からなる物理モデルで表現したものである。多次元モデルについても同様のモデル化が可能であり、例えば2次元の場合には(c)のようにモデル化できる。
しており、この位置の移動量が対象物変形量計算部で算出される。m1、 m2、 m3は各領域内の質量、k1、 k2、 k3は各領域の弾性係数、b1、 b2、 b3は各領域の粘性係数、fはプ
ローブが対象物に及ぼす力を示している。
変形量計算部、位置センサ、力センサから計測される既知の値であるので、未知数は数式1で,m1,m2,m3,b1,b2,b3,k1,k2,k3の9、数式2で,m1,m2,m3,b1,b2,b3,k1,k2,k3,q1,q2,q3,p1,p2,p3の15となる。ただし、既知なパラメータは、時変でありそれぞれ各時刻において計測できるため、計測時間分の連立方程式が構成できる。したがって、未知のパラメータについても数値解析的に計算することが可能であり、以上から、対象物の弾性、粘性、慣性の推定が可能となる。
粘弾性推定部にて推定された値は、使用者に分かりやすい形式に変換して提示する。この際、超音波プローブの仕様に応じて、例えば、1次元のデータであれば帯状の1次元データとして、2次元のデータであれば画像として、3次元のデータであれば3次元のオブジェクトとして表示する。ここで、推定された各値を色調や諧調に当てはめることで直感的に分かりやすい形式で表示する。例えば弾性、粘性、慣性をRGBの各色調に、各値の大
きさを諧調に当てはめることで、これらのパラメータの持つ情報を可視化することができる。弾性、粘性、慣性をそれぞれ別々に表示してもよい。
Claims (19)
- 超音波信号を送受信するための超音波プローブと、そこで受信したデータの時間変化から対象物形状の変形量を計算する対象物変形量計算部と、超音波プローブに対象物が変形するように押し込み動作をさせるための移動機構と、対象物の物理特性や変形に応じて経時的に変化する目標位置や目標力を設定し、それらに従うように、位置センサ、力センサ、および超音波プローブからの受信データのいずれか、もしくはそれらを組み合わせた情報を利用して移動機構をフィードバック制御するプローブ制御部と、プローブの位置を計測するための位置センサと、超音波プローブを対象物に押し込んだ際の反力を計測する力センサと、位置センサ、力センサ、対象物変形量計算部のそれぞれから得られる過渡的な変化を含んだ計測値をもとに対象物の粘弾性を推定する粘弾性推定部と、から構成される軟組織の粘弾性推定装置において、
前記プローブ制御部は、移動機構を駆動するための信号を生成し、駆動機構に指令を与えるものとし、位置計測部や力計測部の値を参照しながら、目標の移動位置、目標の発生力に対してフィードバック制御し、
前記移動機構および前記プローブ制御部では、前記超音波プローブを移動する際に、推定精度を向上させることを目的として、その加速度変化が最小となるように移動軌道をとるように制御されることを特徴とする軟組織の粘弾性推定装置。 - 推定した粘弾性を使用者に提示する粘弾性表示部を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の軟組織の粘弾性推定装置。
- 前記超音波プローブは、超音波信号を送受信可能な圧電素子を単チャンネル、もしくは複数チャンネル備えるものとし、1次元データ、又は多次元データが計測可能であり、さらに対象とする組織に応じて超音波信号の周波数帯域、フォーカス位置を選択可能な機能を有し、これらを選択、もしくは同時に使用可能であることを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の軟組織の粘弾性推定装置。
- 前記対象物変形量計算部では、超音波プローブで計測したデータの時間変化から、対象物組織形状の変形量を計算することを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の軟組織の粘弾性推定装置。
- 前記移動機構には、超音波プローブを決められた距離、速さ、加速度で移動するための、モータおよびボールねじ、リニアモータ、電磁式駆動機構、機械式バネ機構、空気圧、形状記憶合金、バイメタルのいずれかが備えられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の軟組織の粘弾性推定装置。
- 前記位置センサには、移動機構に装備したエンコーダ、超音波プローブに固定した加速度センサ、もしくは超音波プローブに固定した空間位置センサ、さらには絶対系に固定されたレーザ距離計、CCDカメラのいずれかが使用されることを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の軟組織の粘弾性推定装置。
- 前記力センサには、装置に取付けた歪ゲージ式センサ、ロードセル、圧電型の力センサ、もしくは超音波プローブと対象物の間に挿入した液体の入った小袋における液体に負荷された圧力を計測可能な圧力センサのいずれかを用いることを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の軟組織の粘弾性推定装置。
- 前記粘弾性推定部には、対象物の弾性、粘性、慣性、および対象物に負荷された力と対象物の変形量の関係を記述した物理モデルの運動方程式が組み込まれており、位置センサ、力センサ、対象物変形量計算部において計測された各値から、対象物組織の各々の部分における弾性、粘性、慣性それぞれの値を推定することを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の軟組織の粘弾性推定装置。
- 前記粘弾性表示部には、粘弾性推定部において推定した弾性、粘性、慣性の各値を色調や諧調に変換し、使用者に提示するか、もしくは、対象物組織中で使用者が特定した部位についての弾性、粘性、慣性の各値を数値として提示することを特徴とする請求項9に記載の軟組織の粘弾性推定装置。
- 超音波信号を送受信するための超音波プローブを軟組織の対象物に押し当てて該対象物を変形させ、その際に加えた力と対象物の変形量の関係から対象物の粘弾性を推定する軟組織の粘弾性推定プログラムにおいて、
対象物の物理特性や変形に応じて、経時的に変化する目標位置や目標力を設定し、それに従うように位置センサ、力センサ、および超音波プローブからの受信データのいずれか、もしくはそれらを組み合わせた情報を利用して移動機構をフィードバック制御し、超音波プローブに対象物が変形するように押し込み動作をさせ、該超音波プローブの位置を計測すると共に、該超音波プローブを対象物に押し込んだ際の反力を計測し、
前記超音波プローブから受信したデータの時間変化から対象物形状の変形量を計算し、
これら超音波プローブの位置、超音波プローブに対する反力、対象物形状の変形量の過
渡的な変化を含んだ計測値をもとに対象物の粘弾性を推定する各手順を実行する軟組織の粘弾性推定プログラムにおいて、
前記超音波プローブの移動制御は、駆動するための信号を生成して指令を与え、目標の移動位置、目標の発生力に対してフィードバック制御し、
前記超音波プローブの移動制御は、超音波プローブを移動する際に、推定精度を向上させるために、その加速度変化が最小となるように移動軌道をとることを特徴とする軟組織の粘弾性推定プログラム。 - 前記超音波プローブは、超音波信号を送受信可能な圧電素子を単チャンネル、もしくは複数チャンネル備え、1次元データ、又は多次元データが計測可能であり、さらに対象とする組織に応じて超音波信号の周波数帯域、フォーカス位置を選択可能な機能を有し、これらを選択、もしくは同時に使用可能であることを特徴とする請求項11又は12に記載の軟組織の粘弾性推定プログラム。
- 前記対象物形状の変形量の計算は、超音波プローブで計測したデータの時間変化から、対象物組織形状の変形量を計算することを特徴とする請求項11又は12に記載の軟組織の粘弾性推定プログラム。
- 前記超音波プローブを移動制御するために、超音波プローブを決められた距離、速さ、加速度で移動するための、モータおよびボールねじ、リニアモータ、電磁式駆動機構、機械式バネ機構、空気圧、形状記憶合金、バイメタルのいずれかを用いることを特徴とする請求項11又は12に記載の軟組織の粘弾性推定プログラム。
- 前記超音波プローブの位置の計測は、移動機構に装備したエンコーダ、超音波プローブに固定した加速度センサ、もしくは超音波プローブに固定した空間位置センサ、さらには絶対系に固定されたレーザ距離計、CCDカメラのいずれかである位置センサを用いることを特徴とする請求項11又は12に記載の軟組織の粘弾性推定プログラム。
- 前記超音波プローブに負荷される力の計測は、装置に取付けた歪ゲージ式センサ、ロードセル、圧電型の力センサ、もしくは超音波プローブと対象物の間に挿入した液体の入った小袋における液体に負荷された圧力を計測可能な圧力センサのいずれかである力センサを用いることを特徴とする請求項11又は12に記載の軟組織の粘弾性推定プログラム。
- 粘弾性の推定には、対象物の弾性、粘性、慣性、および対象物に負荷された力と対象物の変形量の関係を記述した物理モデルの運動方程式に基づき、超音波プローブの位置、負荷される力、対象物変形量から、対象物組織の各々の部分における弾性、粘性、慣性それぞれの値を推定することを特徴とする請求項11又は12に記載の軟組織の粘弾性推定プログラム。
- 推定した弾性、粘性、慣性の各値を色調や諧調に変換し、使用者に提示するか、もしくは、対象物組織中で使用者が特定した部位についての弾性、粘性、慣性の各値を数値として提示することを特徴とする請求項18に記載の軟組織の粘弾性推定プログラム。
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