JP4699372B2 - 超音波画像を三次元座標システムに登録するシステム - Google Patents
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Description
本発明は医療イメージングシステムに関するものであり、特に超音波画像を座標システムに登録するシステムに関する。
診断および治療プランを立てる目的で、患者の身体の内部生体構造を見るために医療プロセスにおいて画像技術は一般に用いられている。ほとんどの内臓をリアルタイムで三次元超音波画像にレンダリングする技術がここ数年間存在しているが、心臓医学におけるリアルタイム三次元超音波では、リアルタイムで画像を獲得し表示して、鼓動する心臓や、その他の心臓の動きについてゆくためには、より高いフレームレートが必要である。最近まで、心臓の三次元表示画像は、二次元画像をシーケンシャルに獲得して、ワークステーションでこれらの画像をボリュームレンダリング用に入力するようにして、非リアルタイムベースで生成されていた。
本発明は、内部解剖学的構造を画像化するシステムに関する。内部解剖学的構造とは、患者の身体内部に見られる組織でもあり得る。例えば、内部解剖学的構造は、心臓のような内臓でもあり得る。内部解剖学的構造の超音波画像は獲得され、第1の座標システム内に配置される。この超音波イメージングデータは、心臓内イメージングプローブ、あるいは経食道イメージングプローブなどの、内部周辺デバイスを用いて内部的に、あるいは、外付周辺デバイスを用いて外部的に、いずれの方法でも得ることができる。
図1を参照すると、本発明によって構築された例示としての医療治療システム10が示されている。この治療システム10は、特に、心臓のイメージング、マッピング、および治療に適している。しかし、例えば、前立腺、脳、胆嚢、子宮、食道、その他の身体内の領域など、その他の内部解剖学的構造の治療にも使用できることは明らかである。治療システム10は、通常、(1)心臓内の組織をマッピングし焼灼するマッピング/アブレーションサブシステム12と;(2)心臓の画像データを生成するイメージングサブシステム14と;(3)三次元グラフィック環境内の画像及びマッピングデータを登録する登録サブシステム16と;(4)画像処理を行った身体組織を含む環境の三次元グラフィックデータを生成する三次元グラフィックプロセッサ18と;(5)登録された画像データと三次元グラフィックデータから合成画像を生成する合成画像生成器20と;(6)その合成画像を表示するディスプレイ22とを具える。図1に示すエレメントは事実上機能的なものであり、いかなる形においてもこれらの機能を実行する構造を限定するものではない。例えば、いくつかの機能ブロックは、一つのデバイスにまとめることができるし、一つの機能ブロックを複数のデバイスに分けることもできる。また、これらの機能は、ハードウエア、ソフトウエア、ファームウエアで実行することができる。
マッピング/アブレーションサブシステム12は、例えば変行伝導経路などの、ターゲット組織部位を同定し治療するために用いられる。この目的のために、マッピング/アブレーションサブシステム12は、マッピング/アブレーションカテーテル24と、マッピングプロセッサ26、および無線周波(RF)発生器28を具える。図2に示すように、マッピング/アブレーションサブシステム24は、細長カテーテル部材52、カテーテル部材52の遠位端に設けた複数の電極54(この場合は、3つ)、細長部材52の近位端に設けたハンドル56を具える。カテーテル部材52上の3つの電極54はすべて、ターゲット部位を連続的に同定するために心筋組織内の電気信号を検出するように構成されている。カテーテル部材52の遠位先端の電極54は、アブレーション電極としても使用するように構成されており、ターゲット部位近傍に位置して動作する際にターゲット部位に焼灼エネルギィを提供する。ハンドル56は、マッピングプロセッサ26とRF発生器28を電気的に接続するための電気コネクタ(図示せず)を具えている。
イメージングサブシステム14は、通常、身体内部を表示する超音波信号を生成し検出する周辺イメージングデバイス30と、これらの信号を処理して画像データにする画像制御/処理回路32と、イメージングデバイス30を画像制御/処理回路32接続するケーブル34を具える。図に示す実施例では、周辺イメージングデバイス30は、内臓の画像を作るために患者の皮膚に配置するように構成された外付けデバイスである。例えば、心臓の画像を作るために患者の胸部に配置することができる。しかしながら、例えば心臓内イメージングカテーテルや、経食道イメージングプローブなどの、内部イメージングデバイスを使用して心臓をイメージングするようにしても良い。
図1を参照すると、登録サブシステム16は一般的に、(1)複数の超音波トランスデューサ、特に超音波位置決めトランスデューサ36と超音波基準トランスデューサ38と;(2)時間データの形による超音波トランスデューサ36と38の様々な組み合わせの間の距離を決めるように構成された超音波レンジ回路42と;(3)ピーク振幅と、トランスデューサアレイ60と位置決めトランスデューサ36との間で送信される画像信号の走行時間を決定するように構成した走査線処理回路44と;(4)超音波レンジ回路42によって提供される時間情報に基づいてグローバル座標システム内に位置決めトランスデューサ36を登録し、走査線処理回路44によって提供される振幅および走行時間データに基づいてローカルイメージング座標システム中に位置決めトランスデューサ36を登録するように構成された登録プロセッサ46と;(5)ローカル画像座標システムをグローバル座標システムに変換するように構成された座標システム変換器48と、を具える。
図に示す実施例において、超音波基準トランスデューサ38は一対の基準カテーテル(図示せず)に搭載されている。例えば、基準トランスデューサ38の数は、各基準カテーテルに4つの基準トランスデューサ38を搭載し、総計8つにできる。基準カテーテルは、それによって基準トランスデューサ38を三次元空間内に配置し、また、基準トランスデューサ38と位置決めトランスデューサ36を通信可能にする身体内のどの場所に配置してもよい(既知の場所が好ましい)。例えば、座標システムの最初の二つの次元は基準カテーテルの一方を心臓の冠状静脈洞(CS)に配置し、そこに搭載された4つの基準トランスデューサ38を二次元面に配置することによって得、第三の次元はもう一方の基準カテーテルを心臓の右室(RV)心尖部に配置し、そこに搭載された4つの基準トランスデューサ38を当該二次元面から離して配置することによって得る。CS基準カテーテル上に配置した基準トランスデューサ38の内の3つのみが、座標システムの最初の二つの次元を提供するのに必要であり、RV基準カテーテルに配置した基準トランスデューサ38の内の一つだけが、第3の次元を提供するために必要とされる。残りの基準トランスデューサ38は余分であり、三角測量プロセスの精度を改善するために使用される。
超音波レンジング回路42は、受信機として、すなわち超音波パルスを受信するために位置決めトランスデューサ36を調整し、トランシーバとして、すなわち、超音波パルスを送受信するために超音波基準トランスデューサ38を調整するように構成されている。認識されているように、超音波トランスデューサは、電気パルスで刺激することによって送信機として動作することができ、超音波パルスを振動させ送信させる。超音波トランスデューサは、超音波パルスの受信とそれに続くトランスデューサの振動によって生じる電気パルスを受信することによって受信機として動作する。
図7を参照して、走査線処理回路44の構成部品について以下に詳述する。簡単にするために、走査線処理回路44の構成部品は、単一の位置決めトランスデューサ36のコンテキストで述べる。しかしながら、図7に示す走査線処理回路44は、残りの位置決めトランスデューサ36に対しても同じ機能を提供するように変換することができる。
フレームトリガ入力126は、この第2のラッチ148の制御入力に接続されており、トランスデューサ60が全サイクルを完了すると第2のラッチ148が交差走査線出力128に最終カウントを出力する。このカウントは、各位置決めトランスデューサ36と交差する走査線を表す。例えば、カウント数が125であれば、その位置決めトランスデューサ36と交差する走査線66は125番目の走査線66である。
図1を参照すると、登録プロセッサ46は、(1)グローバル座標システム内に位置決めトランスデューサ36を登録するように構成されたブローバル登録サブプロセッサ114と、(2)ローカル画像座標システム内に位置決めトランスデューサ36を登録するように構成されたローカル登録サブプロセッサ116とを具える。
その登録機能を実行するにおいて、グローバル登録サブプロセッサ114は、まず、図5に記載されている走行時間マトリックスと単純な距離の計算式に基づいて、位置決めトランスデューサ36と基準トランスデューサ38すべての間の距離を決定する。例えば、図9を参照すると、送信トランスデューサTXと4つの受信トランスデューサRX(1)−(4)が、各距離da−ddだけ互いに離れて示されている。送信トランスデューサTXと受信トランスデューサRX(1)−(4)間の距離da−ddを測定するには、式d=ντを用いる。ここで、νは送信トランスデューサTXから媒体を介して受信トランスデューサRX(1)−(4)へ送信される超音波パルスの速度、τは、その超音波パルスが送信トランスデューサTXと各受信トランスデューサRX間を移動するのにかかる時間である。距離の計算を簡単にするために、超音波パルスの速度は一定であると仮定することができる。このように仮定しても、超音波パルスの速度(1540m/sと考えられる)は、固相の身体組織や血液中ではほとんど変化しないので、通常、わずかなエラーが生じるだけである。
その登録機能を実行する際に、ローカル登録サブプロセッサ116は、まず、各基準トランスデューサ38に交差する各画像走査線を決定することによってローカル画像座標システム内に各位置決めトランスデューサ38の方位角(θ)と仰角(φ)の角座標を決定する。特に、画像制御/処理回路32からフレームトリガを受信した時、すなわち、画像サイクルの最後に、ローカル登録サブプロセッサ116が走査線計算回路44の出力90からピーク振幅カウント値を得て、最も大きいピーク振幅を決定する。その最も高い振幅値に対応する特定の走査線66は、その位置決めトランスデューサ36と交差する走査線66であるとみなされる。走査線処理回路120が用いられている代替のケースでは、この回路から得られたシングルカウント値がすでに交差する走査線66を表示していることになる。いずれの場合も、ローカル登録サブプロセッサ116は、その交差走査線66と対応する角座標が、ローカル画像座標システム内の各位置決めトランスデューサ36の角座標であるとみなす。
Psimφr,θsは、シュミレートした受信プロファイルからとったピーク−ピーク検出信号振幅である;φrとθsは、シュミレートした位置決めトランスデューサの角位置を示す;rとsは、4225箇所の一意的な位置に対応する:反転
は、(r、s)に対応する角位置における受信プロファイルの平均値である:Pmeasは、実際の位置決めトランスデューサからの検出した信号振幅である;φiとθjは一の画像フレーム中の256の各走査線に対応する角度である;反転
は、実際の位置決めトランスデューサの受信プロファイルの平均値である。相互相関値は、マトリックスρ(φr、θs)内に保存されており、ここで、φrとθsは、シミュレートした位置決めトランスデューサ位置の仰角と方位角の角位置である。マトリックスρ(φr、θs)内の最高相関値に対応する角位置は、1度以内の実際の位置決めトランスデューサ位置に最も近い位置を表示している。
図1を参照すると、座標システム変換器48は、ローカル座標システムをグローバル座標システムに変換する。この変換機能を実行するに当たって、座標システム変換器48は、グローバル座標システム内の位置決めトランスデューサ36のデカルト座標(x、y、z)に基づいた変換を、グローバル登録サブプロセッサ114による計算として計算し、ローカル画像座標システム内の位置決めトランスデューサ36の球座標(r、θ、φ)を、ローカル登録サブプロセッサ116による計算として計算する。このことは、従来の変換技術を用いて行うことができる。例えば座標システム変換器48は、最初に位置決めトランスデューサ36のローカル球座標(r、θ、φ)をローカルデカルト座標(x’、y’、z’)内に変換することができる。ついで、(P1、P2、P3)をグローバル座標システム中の位置決めトランスデューサ36の位置とし、(P1’、P2’、P3’)をローカル座標システム内の位置決めトランスデューサ36の位置として、プロクラステス変換を用い、ローカル座標システム(x’、y’、z’)をグローバル座標システム(x、y、z)に変換する変換Tを計算することができる。上述したとおり、画像制御/処理回路32は、この変換Tを用いて、ローカルデカルト座標システム(x’、y’、z’)内に保存されている画像データをグローバル座標システム(x、y、z)内に登録する。
三次元グラフィカルプロセッサ18は、内部解剖学的構造のグローバル表示を、グローバル座標システム中に心室のコンピュータ生成表示(すなわち、再構築)の形で生成するように構成されている。三次元グラフィカルプロセッサ18は、マッピング/アブレーションカテーテル24が内部解剖学的構造のキャビティ内部を移動しているときに、グローバル座標システム内の位置決めトランスデューサ36の位置を得ることによって、これを行い、取得した位置に解剖学的シェルを変形する。三次元グラフィカルプロセッサ18は、カテーテル24の遠位端に位置する位置決めトランスデューサ36の計算した位置座標と、位置トランスデューサ間の既知の位置関係に基づいて内部解剖学的構造のグラフィカル表示内にマッピング/アブレーションカテーテル24のグラフィカル表示を構築するようにも構成されている。
合成画像生成器20は、画像制御/処理回路32から得た登録画像データを三次元グラフィカルプロセッサ18から得た三次元グラフィカル情報に重畳し、内部解剖学的構造の合成画像としてディスプレイ22に合成画像を表示するように構成されている。これは、よく知られたグラフィカル技術を用いて行うことができる。
図11を参照すると、本発明によって構築されたその他の例示的な医学的治療システム210が示されている。治療システム210は、画像データの座標ではなく、三次元グラフィカル情報の座標が変換され、グローバル座標システムではなくローカル座標システム内に合成データが表示される点以外は、上述した治療システム10と同じである。
Claims (20)
- 医療画像システムであって、
前記医療画像システムは、
内部解剖学的構造の超音波画像データを得るように構成された周辺イメージングデバイスを有する画像サブシステムであって、前記超音波画像データが第1の座標システムに配置されている、画像サブシステムと、
登録サブシステムであって、前記登録サブシステムは、少なくとも一つの位置決め超音波トランスデューサと、前記周辺イメージングデバイスに対して固定されている別の少なくとも一つの超音波トランスデューサによって送信された第1の少なくとも一つの超音波信号を受信するように前記少なくとも一つの位置決め超音波トランスデューサの各々を調整するように構成された処理回路と、複数の基準超音波トランスデューサによって送信された第2の超音波信号を受信するように前記少なくとも一つの位置決め超音波トランスデューサの各々を調整するように構成されたレンジング回路と、前記第1の少なくとも一つの超音波信号の送信に基づいて、前記第1の座標システム内の前記少なくとも一つの位置決め超音波トランスデューサの位置を決定し、前記第2の超音波信号の送信に基づいて、第2の座標システム内の前記少なくとも一つの位置決め超音波トランスデューサの位置を決定し、前記第1の座標システムおよび前記第2の座標システムのそれぞれにおける前記少なくとも一つの位置決め超音波トランスデューサの前記決定された位置に基づいて前記第1の座標システムと前記第2の座標システムとの間の変換を実行する少なくとも一つのプロセッサとを備える、登録サブシステムと
を備える、医療画像システム。 - 請求項1に記載の医療画像システムであって、前記第1の座標システムおよび前記第2の座標システムの一方あるいは双方が三次元座標システムである、医療画像システム。
- 請求項1に記載の医療画像システムであって、前記第1の座標システムおよび前記第2の座標システムの双方が、三次元座標システムである、医療画像システム。
- 請求項1に記載の医療画像システムであって、前記第1の座標システムおよび前記第2の座標システムが、それぞれ、ローカル座標システムとグローバル座標システムである、医療画像システム。
- 請求項1に記載の医療画像システムであって、前記第1の座標システムが球座標システムであり、前記第2の座標システムがデカルト座標システムである、医療画像システム。
- 請求項1に記載の医療画像システムであって、前記第2の座標システムが前記解剖学的構造に対して固定されている、医療画像システム。
- 請求項1に記載の医療画像システムであって、前記少なくとも一つのプロセッサが、前記第1の座標システムを前記第2の座標システムに変換するように構成される、医療画像システム。
- 請求項7に記載の医療画像システムであって、前記画像サブシステムが、前記座標システムの変換に従って、前記第2の座標システム中の前記超音波画像データを登録するように構成された画像プロセッサをさらに備える、医療画像システム。
- 請求項8に記載の医療画像システムであって、前記解剖学的構造の超音波画像として、前記登録された超音波画像データを表示するディスプレイをさらに備える、医療画像システム。
- 請求項9に記載の医療画像システムであって、前記第2の座標システム内にグラフィカル情報を生成して登録するように構成されたグラフィカルプロセッサをさらに備え、前記ディスプレイが前記超音波画像と共に前記グラフィカル情報を表示する、医療画像システム。
- 請求項1に記載の医療画像システムであって、前記少なくとも一つのプロセッサが、前記第2の座標システムを前記第1の座標システムに変換するように構成されている、医療画像システム。
- 請求項11に記載の医療画像システムであって、前記第2の座標システム内にグラフィカル情報を生成して登録するように構成されたグラフィカルプロセッサをさらに備える、医療画像システム。
- 請求項11に記載の医療画像システムであって、ディスプレイをさらに備え、前記ディスプレイは、前記解剖学的構造の超音波画像として前記超音波画像データを表示し、前記超音波画像と共に前記登録されたグラフィカル情報を表示する、医療画像システム。
- 請求項1に記載の医療画像システムであって、前記周辺イメージングデバイスが外付けデバイスである、医療画像システム。
- 請求項1に記載の医療画像システムであって、前記周辺イメージングデバイスが内蔵デバイスである、医療画像システム。
- 請求項1に記載の医療画像システムであって、前記周辺イメージングデバイスが、心臓内画像プローブと、経食道画像プローブとからなる内部画像プローブから選択される、医療画像システム。
- 請求項1に記載の医療画像システムであって、前記少なくとも一つの位置決め超音波トランスデューサが3つ以上の位置決め超音波トランスデューサを含む、医療画像システム。
- 請求項1に記載の医療画像システムであって、前記第1の少なくとも一つの超音波信号を送信するように前記別の少なくとも一つの超音波トランスデューサを調整するように構成された画像コントローラをさらに備え、前記周辺デバイスが、前記別の少なくとも一つの超音波トランスデューサを備え、かつ、前記第1の少なくとも一つの超音波信号を用いて前記超音波画像データを得るように構成されている、医療画像システム。
- 請求項1に記載の医療画像システムであって、前記処理回路が、前記第1の少なくとも一つの受信された超音波信号の一つ以上の特性を測定するように構成されており、前記少なくとも一つのプロセッサが、前記第1の座標システム内の前記少なくとも一つの位置決め超音波トランスデューサの位置を、少なくとも部分的に前記測定された一つ以上の超音波信号の特性に基づいて決定するように構成されている、医療画像システム。
- 請求項1に記載の医療画像システムであって、一つ以上の基準超音波トランスデューサが複数の基準超音波トランスデューサを含む、医療画像システム。
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