JP5645160B2 - 超音波治療システム - Google Patents
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より詳細には、超音波を用いて非侵襲で患者を診断し、超音波を用いて非侵襲で患者に対する治療行為を行う、超音波治療システムに関する。
なお、本発明に類似すると思われる技術内容を、非特許文献1に示す。
このような治療用超音波を患者に適用するために超音波検査装置を用いる場合、二次元の断層像だけでは治療用超音波を照射するための照準を合わせることが非常に困難である。
超音波画像形成装置を用いて、CTスキャンのような立体画像をリアルタイムに得ることができれば、このような用途に適うであろう。
本実施形態の超音波治療システムは、患者(被験者)に対して非侵襲的な診断と治療を実現する。具体的には、特に肝臓癌の治療を目的として、患者の血管に造影剤として用いられるマイクロバブルを注入し、癌細胞に至る動脈にマイクロバブルを超音波で凝集させ、血栓を形成する。血流が阻害されることで酸素及び栄養分の供給が絶たれた癌細胞は、時間経過と共に壊死する。つまり、本実施形態の超音波治療システムで、化学的薬物や放射線を一切使わない癌治療が実現できる。
更に、治療用超音波を発する超音波治療装置のトランスデューサにも、光学式三次元計測装置が認識できるマーカを固定させる。そして、画像合成兼制御装置が検出した患部或は標的の三次元画像に対して、トランスデューサの超音波射出方向及び射出距離を算出して、仮想三次元空間内に再現する。
本実施形態の超音波治療システムは、特願2010−99212にて開示した画像合成兼制御装置に、超音波照射目標を設定し、超音波照射目標に対して指定したアクチュエータユニットが超音波を照射できるように姿勢制御を行う機能を追加実装した形態である。
図1は、本発明の実施形態である、超音波治療システムの外観図である。但し、一部の機器については詳細な図示を省略し、概略的にブロックで図示している。
手術台102には被験者ともいえる患者103が横たわっている。この患者103に対し、図示しない医師は、周知の超音波画像形成装置104のプローブ105を、映像化したい臓器のある体表面に押し当てて撮影する。こうして、超音波画像形成装置104は超音波断層画像を得る。
一方、手術台102の側には赤外線ステレオカメラ106が三脚107によって固定されている。赤外線ステレオカメラ106は、手術台102の上の患者103の撮影対象となる臓器の周囲を認識できるように配置されている。赤外線ステレオカメラ106には空間座標取得装置108が接続されている。
プローブ105には、空間座標取得装置108が三次元空間内の位置及び姿勢を認識できるためのマーカ105aが取り付けられており、空間座標取得装置108はプローブ105の三次元空間内の位置及び姿勢のデータを出力する。
画像合成兼制御装置109は、「Virtual Reality(仮想現実)」及び「Argument Reality(拡張現実)」の技術を用いて、臓器を仮想三次元空間内に描画する。
各々のトランスデューサには、三次元方向の位置決めのためのアクチュエータが3個ずつ設けられている。また、各々のトランスデューサには、プローブ105と同様のマーカがそれぞれ設けられている。
トランスデューサを駆動する各アクチュエータは、画像合成兼制御装置109が出力する制御情報に基づき、トランスデューサ駆動装置115によって制御される。トランスデューサ駆動装置115はD/A変換器とポンプの集合体である。
各々のトランスデューサは、画像合成兼制御装置109が出力する制御情報に基づき、超音波治療装置112によって制御される。超音波治療装置112は超音波発振器の集合体である。
図2はプローブ105の全体図である。プローブ105は先端の探触子本体201と把持部202と、把持部202に取り付けられたマーカ105aよりなる。
探触子本体201はその内部に多数の超音波振動子と超音波センサを内蔵する。把持部202は操作者である医師がプローブ105を持つための握り部分であるが、その内部にはA/D変換器を含む電子回路を内蔵する。
図3(a)及び(b)はトランスデューサユニット113の外観斜視図と上面図である。トランスデューサユニット113の基板304には、バブル誘導用トランスデューサ301a、301b及び301cと、バブル凝集体形成用トランスデューサ301d及び301eが交互に設けられている。
前述のように、バブル誘導用トランスデューサ301a、301b及び301cと、バブル凝集体形成用トランスデューサ301d及び301eは、全て同一の構成である。ここでは、バブル誘導用トランスデューサ301aを例に、その外観を説明する。
リング状の枠401には、バネ402a、402b及び402cが、バブル誘導用トランスデューサ301aの振動子本体302の人体接触面の近傍に接続される。また、この枠401には、アクチュエータ403a、403b及び403cが、振動子本体302の上面に接続される。
アクチュエータ403a、403b及び403cには、それぞれ圧縮空気或は液体を注入するための、図示しないホースが接続されており、このホースはポンプの集合体であるトランスデューサ駆動装置115に接続される。トランスデューサ駆動装置115は画像合成兼制御装置109によって制御され、結果としてバブル誘導用トランスデューサ301aの三次元上の姿勢が制御される。
図5は較正板114の外観斜視図である。
図6は較正板114の上面図である。
較正板114には赤外線ステレオカメラ106が位置を検出できるように、六つの赤外線反射球体205が設けられている。
較正板114の内側には、トランスデューサユニット113を配置するための基準線602が描かれている。
基準線602の傍には、プローブ105の探触子本体201が装着できる凹部601が設けられている。凹部601の上には、プローブ105の把持部202を固定するガイド棒502が筒503に固定されている。
図7は画像合成兼制御装置109の機能ブロック図である。
画像合成兼制御装置109の実体は周知のパソコンである。パソコンに所定のOSとアプリケーションプログラムを稼働させ、画像合成兼制御装置109として機能させる。
画像合成兼制御装置109は、空間座標取得装置108から図示しないUSBインターフェースを通じて三次元座標情報をリアルタイムで取得する。また、超音波画像形成装置104が出力する超音波断層画像信号が図示しないビデオキャプチャカードによって変換されたデジタルの超音波断層画像データを取得して、処理を行う。
初期状態記憶部703は、プローブ105とトランスデューサユニット113の各トランスデューサが較正板114に配置されている時の三次元座標情報を算出して記憶する。初期状態記憶部703は、プローブ105とトランスデューサユニット113の各トランスデューサの三次元座標情報を算出する際、予め較正板114の寸法情報である較正板データ713を参照して、較正板114の位置を把握する。
プローブ位置算出部704は、プローブ105の現在の仮想三次元空間内における三次元位置及び姿勢を、初期状態記憶部703に記憶されている三次元座標情報を基準に現在の三次元座標情報から算出する。
トランスデューサ位置算出部705は、トランスデューサユニット113の各トランスデューサ、すなわちバブル誘導用トランスデューサ301a、301b及び301cと、バブル凝集体形成用トランスデューサ301d及び301eの、現在の仮想三次元空間内における三次元位置及び姿勢の情報を、初期状態記憶部703に記憶されている三次元座標情報を基準に現在の三次元座標情報から算出する。
トランスデューサ画像テーブル707は、仮想三次元空間内にトランスデューサユニット113の各トランスデューサを描写するための三次元ベクトルデータである。
トランスデューサ焦点テーブル708は、トランスデューサユニット113の各トランスデューサが治療用超音波を発生した際の、超音波の焦点位置を描写するための三次元ベクトルデータである。
画像選択合成部709は、輪郭データと、プローブ105の現在の仮想三次元空間内における三次元位置及び姿勢の情報に基づいて、仮想三次元空間内に輪郭を配置する描画を行う。
操作部111によって指定した、血管中のバブル誘導箇所は、バブル誘導算出部714によって三次元画像データに変換される。同様に、操作部111によって指定した、血管中のバブル凝集箇所は、バブル凝集算出部715によって三次元画像データに変換される。これら三次元画像データは、画像選択合成部709に供給されて、表示部712に表示される。
また同様に、制御部702は、バブル凝集箇所に医療用超音波を照射するために、トランスデューサ制御部716及びトランスデューサ駆動装置115を通じて、バブル凝集体形成用トランスデューサ301d及び301eの姿勢制御を行う。
本実施形態では、バブル凝集体形成用トランスデューサ301dが第一凝集体形成用トランスデューサに、バブル凝集体形成用トランスデューサ301eが第二凝集体形成用トランスデューサに相当することとなる。
図8は本実施形態の超音波治療システム101で行われる、診断及び治療の全体的な作業の流れを示すフローチャートである。
処理を開始すると(S801)、医師は最初に画像合成兼制御装置109がプローブ105及びトランスデューサユニット113の各トランスデューサの仮想三次元空間における位置及び姿勢を正確に描写するための初期較正処理を行う(S802)。初期較正処理が終わると、画像合成兼制御装置109は表示部712に表示する仮想三次元空間内にプローブ105及びトランスデューサユニット113の各トランスデューサをリアルタイムに描写することができる(S803)。
本実施形態の場合、臓器は肝臓及びその周辺の、肝動脈或は門脈から派生する血管になる。
医師は、超音波を照射する対象であるバブル誘導箇所及びバブル凝集箇所を決定したら、操作部111を通じて画像合成兼制御装置109を操作して、トランスデューサの焦点合わせを命ずる。すると、画像合成兼制御装置109の制御部702は、トランスデューサ制御部716及びトランスデューサ駆動装置115を通じて、医療用超音波の焦点をバブル誘導箇所及びバブル凝集箇所に合わせ込むための姿勢制御(位置決め処理)を行う(S806)。
処理を開始すると(S901)、画像合成兼制御装置109の初期状態記憶部703は、最初に空間座標取得装置108から較正板114の識別情報を受信し、較正板データ713を参照して、較正板114の座標と姿勢の情報を算出して取得する(S902)。この、較正板114の座標と姿勢の情報は、仮想三次元空間の基準となる。
図10は、プローブ105の筐体を含む平面(以下「プローブ平面」)と観察平面との間の誤差を示す概略図である。
プローブ105が撮影する超音波画像に基づく輪郭の画像が仮想三次元空間内で正確に配置されるためには、三次元空間内のプローブ105自身の座標と姿勢を正確に検出するだけでなく、プローブ105が撮影する超音波画像が形成する二次元の平面が、プローブ105に対してどのように配置されるのかも正確に把握できていなければならない。この、プローブ105が撮影する超音波画像が形成する二次元の平面を、本明細書では観察平面P1002と呼ぶ。
したがって、画像合成兼制御装置109は、プローブ105の筐体の姿勢に対する観察平面P1002との位置関係を正確に把握できていなければならない。
図11は、観察平面P1002の較正作業を示す概略図である。これは「Cross Wire」と呼ばれる周知の較正方法である。
中空の箱1001には釣り糸1002が縦と横とで二本、張られている。箱1001の内壁には吸音材1003が敷き詰められている。プローブ105がこの釣り糸1002の交点を異なる角度で数十回程度、超音波画像の撮影を行う。そうして得たプローブ105の位置及び姿勢のデータを集計して所定の演算を行うと、プローブ105の形状に対する観察平面P1002を算出することができる。
処理を開始すると(S1201)、画像合成兼制御装置109は医師が操作部111或はプローブ105を操作することによって生じるトリガ信号の入力を待つ(S1202)。
トリガ信号の指示内容が三次元合成画像を作成する指示でない、画像の輪郭を取得する命令であれば(S1203のNO)、画像合成兼制御装置109の制御部702702は臓器画像形成部710を制御する。すると、臓器画像形成部710は超音波画像形成装置104からビデオキャプチャカードを通じて超音波画像データを取得する(S1204)。
図13(a)は、プローブ105から超音波画像形成装置104によって得られる超音波画像である。図12のステップS1204の状態である。
図13(b)は、超音波画像から抽出した輪郭の画像データを模式的に示す図である。図12のステップS1205の状態である。
図13(c)は、仮想三次元空間内に輪郭を複数個配置した状態を模式的に示す図である。図12のステップS1206及びS1207の状態である。
図13(d)は、仮想三次元空間内に複数個配置された輪郭同士を三次元補完合成した状態を模式的に示す図である。図12のステップS1208及びS1209の状態である。
画像合成兼制御装置109が表示部712に表示する仮想三次元空間1401には、プローブ105、プローブ105から発生する観察平面P1002、トランスデューサユニット113の各トランスデューサ、そして三次元補完合成によって描画された臓器1402が配置され、描かれている。
処理を開始すると(S1501)、制御部702は、図8のステップS805を実行した際に医師によって入力されたバブル誘導箇所に最適な、バブル誘導用トランスデューサを決定する(S1502)。最適なバブル誘導用トランスデューサの選択基準としては、医療用超音波の焦点とバブル誘導箇所との間の距離が短いことと、姿勢制御によって医療用超音波をバブル誘導箇所に照射できることである。
周知のように、血管1601は臓器等の末端に近づくに連れて、分岐して細くなる。超音波治療システムは、血管1601の分岐点1601a近傍にマイクロバブル誘導用超音波P1602を照射して、血液中のマイクロバブル1603を治療対象部位に誘導し、血管1601の分岐点1601aから治療対象部位1604に至る箇所でマイクロバブル凝集体形成用超音波P1605を照射して、血液中のマイクロバブル1603を凝集させて凝集体1606を形成する。また、血管1601の分岐点1601a近傍にマイクロバブル誘導用超音波P1607を照射して、凝集体1606が正常部位1608に流れ込まないように誘導する。
(1)本実施形態では、プローブ105及びトランスデューサユニット113の各トランスデューサの三次元上の位置及び姿勢をリアルタイムに取得するために、赤外線を用いた光学式三次元計測装置を採用した。位置と姿勢を取得する手段は、この赤外線の光学式三次元計測装置に限らず、可視光を用いる装置や磁気式の装置であってもよい。
なお、三次元計測装置の動作方式が異なれば、これに対応するマーカの形状等も変わることとなる。したがって、マーカも赤外線反射球体205を用いる形態に限られない。
超音波画像形成装置が出力する超音波断層画像から輪郭を抽出した後、プローブの三次元座標情報に基づいて輪郭データを仮想三次元空間内に配置する。輪郭データを複数取得して補間演算を実施すると、仮想三次元空間内に臓器の三次元画像を形成できる。
これまで、超音波プローブから二次元の超音波断層画像しか撮影できなかったが、プローブの三次元座標情報を取得することと、超音波断層画像から輪郭を抽出することで、超音波を用いた三次元立体画像を形成することができる。
Claims (4)
- 計測対象に超音波を照射して反射音の情報を得るプローブと、
前記プローブが接続されて前記計測対象の内部の断層画像を得る超音波画像形成装置と、
超音波の焦点を有し、所定の超音波照射対象へ誘導用超音波を照射することで、血管中の微粒子を誘導する誘導用トランスデューサと、
前記誘導用トランスデューサの三次元の姿勢を制御するための第一のアクチュエータと、
超音波の焦点を有し、所定の超音波照射対象へ凝集体形成用超音波を照射することで、前記血管中の微粒子を凝集させる第一凝集体形成用トランスデューサと、
前記第一凝集体形成用トランスデューサの三次元の姿勢を制御するための第二のアクチュエータと、
前記第一凝集体形成用トランスデューサと同一の構成を有する第二凝集体形成用トランスデューサと、
前記第二凝集体形成用トランスデューサの三次元の姿勢を制御するための第三のアクチュエータと、
前記第一のアクチュエータを伴う前記誘導用トランスデューサと、前記第二のアクチュエータを伴う前記第一凝集体形成用トランスデューサと、前記第三のアクチュエータを伴う前記第二凝集体形成用トランスデューサとが設置される基板と、
前記誘導用トランスデューサ、前記第一凝集体形成用トランスデューサ及び前記第二凝集体形成用トランスデューサに接続されて、前記誘導用トランスデューサに前記誘導用超音波を発生させると共に、前記第一凝集体形成用トランスデューサ及び前記第二凝集体形成用トランスデューサに前記凝集体形成用超音波を発生させる超音波治療装置と、
前記プローブ、前記誘導用トランスデューサ、前記第一凝集体形成用トランスデューサ及び前記第二凝集体形成用トランスデューサの空間座標情報を取得する空間座標取得装置と、
前記断層画像から輪郭を抽出した輪郭画像を作成し、前記空間座標情報に基づいて前記輪郭画像を仮想三次元空間内に配置し、複数の前記輪郭画像を補間演算して立体画像を前記仮想三次元空間内に配置し、所定の指示に応じて前記誘導用トランスデューサが前記誘導用超音波を照射する誘導用超音波照射対象を前記仮想三次元空間内に配置し、前記誘導用トランスデューサが前記誘導用超音波を前記誘導用超音波照射対象に照射できるように前記第一のアクチュエータを制御し、所定の指示に応じて前記第一凝集体形成用トランスデューサ及び前記第二凝集体形成用トランスデューサが前記凝集体形成用超音波を照射する凝集体形成用超音波照射対象を前記仮想三次元空間内に配置し、前記第一凝集体形成用トランスデューサ及び前記第二凝集体形成用トランスデューサが前記凝集体形成用超音波を前記凝集体形成用超音波照射対象に照射できるように前記第二のアクチュエータ及び第三のアクチュエータを制御する画像合成兼制御装置と、
前記画像合成兼制御装置が形成した前記仮想三次元空間及び前記立体画像を表示する表示部と
を備える超音波治療システム。 - 前記微粒子はマイクロバブルであり、
前記第一凝集体形成用トランスデューサ及び前記第二凝集体形成用トランスデューサは、前記凝集体形成用超音波照射対象に前記凝集体形成用超音波を照射することで、Bjerknes力を生じさせて前記マイクロバブルを凝集させる、
請求項1記載の超音波治療システム。 - 計測対象に超音波を照射して反射音の情報を得るプローブと、
前記プローブが接続されて前記計測対象の内部の断層画像を得る超音波画像形成装置と、
前記プローブに固定される第一のマーカと、
超音波の焦点を有し、所定の超音波照射対象へ誘導用超音波を照射することで、血管中の微粒子を誘導する誘導用トランスデューサと、
前記誘導用トランスデューサに固定される第二のマーカと、
前記誘導用トランスデューサの三次元の姿勢を制御するための第一のアクチュエータと、
超音波の焦点を有し、所定の超音波照射対象へ凝集体形成用超音波を照射することで、前記血管中の微粒子を凝集させる第一凝集体形成用トランスデューサと、
前記第一凝集体形成用トランスデューサに固定される第三のマーカと、
前記第一凝集体形成用トランスデューサの三次元の姿勢を制御するための第二のアクチュエータと、
前記第一凝集体形成用トランスデューサと同一の構成を有する第二凝集体形成用トランスデューサと、
前記第二凝集体形成用トランスデューサに固定される第四のマーカと、
前記第一凝集体形成用トランスデューサの三次元の姿勢を制御するための第三のアクチュエータと、
前記第二のマーカ及び前記第一のアクチュエータを伴う前記誘導用トランスデューサと、前記第三のマーカ及び前記第二のアクチュエータを伴う前記第一凝集体形成用トランスデューサと、前記第四のマーカ及び前記第三のアクチュエータを伴う前記第二凝集体形成用トランスデューサとが設置される基板と、
前記誘導用トランスデューサ、前記第一凝集体形成用トランスデューサ及び前記第二凝集体形成用トランスデューサに接続されて、前記誘導用トランスデューサに前記誘導用超音波を発生させると共に、前記第一凝集体形成用トランスデューサ及び前記第二凝集体形成用トランスデューサに前記凝集体形成用超音波を発生させる超音波治療装置と、
前記プローブ及び前記基板を据え付けて初期状態の位置を定めるための較正板と、
前記較正板に固定される第五のマーカと、
前記第一のマーカ、前記第二のマーカ、前記第三のマーカ、前記第四のマーカ及び前記第五のマーカの空間座標情報を取得する空間座標取得装置と、
前記断層画像から輪郭を抽出した輪郭画像を作成し、前記第一のマーカの前記空間座標情報に基づいて前記輪郭画像を仮想三次元空間内に配置し、複数の前記輪郭画像を補間演算して立体画像を前記仮想三次元空間内に配置し、所定の指示に応じて前記誘導用トランスデューサが前記誘導用超音波を照射する誘導用超音波照射対象を前記仮想三次元空間内に配置し、前記誘導用トランスデューサが前記誘導用超音波を前記誘導用超音波照射対象に照射できるように前記第一のアクチュエータを制御し、所定の指示に応じて前記第一凝集体形成用トランスデューサ及び前記第二凝集体形成用トランスデューサが前記凝集体形成用超音波を照射する凝集体形成用超音波照射対象を前記仮想三次元空間内に配置し、前記第一凝集体形成用トランスデューサ及び前記第二凝集体形成用トランスデューサが前記凝集体形成用超音波を前記凝集体形成用超音波照射対象に照射できるように前記第二のアクチュエータ及び第三のアクチュエータを制御する画像合成兼制御装置と、
前記画像合成兼制御装置が形成した前記仮想三次元空間及び前記立体画像を表示する表示部と
を備える超音波治療システム。 - 前記微粒子はマイクロバブルであり、
前記第一凝集体形成用トランスデューサ及び前記第二凝集体形成用トランスデューサは、前記凝集体形成用超音波照射対象に前記凝集体形成用超音波を照射することで、Bjerknes力を生じさせて前記マイクロバブルを凝集させる、
請求項3記載の超音波治療システム。
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